專利名稱：圖像顯示設(shè)備和使用該設(shè)備的便攜式終端設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種圖像顯示設(shè)備和使用這種圖像顯示設(shè)備的便攜式終端設(shè)備，其中，該圖像顯示設(shè)備使用諸如柱面透鏡或復(fù)眼(fly-eye)透鏡的透鏡且能夠顯示分別針對(duì)多個(gè)視點(diǎn)的圖像。更具體地說，本發(fā)明涉及一種具有優(yōu)良的顯示質(zhì)量且亮度不會(huì)有任何下降的反射式顯示模式下的圖像顯示設(shè)備和使用這種圖像顯示設(shè)備的便攜式終端設(shè)備。
背景技術(shù)：
從很早以前，就已開始對(duì)能夠顯示三維圖像的顯示設(shè)備擴(kuò)展了各種研究。對(duì)于雙目視覺，希臘數(shù)學(xué)家歐幾里德(Euclid)早在公元前280就陳述“雙目視覺是一種人利用其左眼和右眼通過從不同的方向觀看同一物體而能夠同時(shí)看到兩個(gè)不同的圖像的視覺?！?例如參見非專利文獻(xiàn)1由產(chǎn)業(yè)図書株式會(huì)社(Sangyo Tosho，K.K.)的增田千啓(Chihiro Masuda)所撰寫的“三維顯示”)。即，三維圖像顯示設(shè)備需要實(shí)現(xiàn)的功能是提供對(duì)于左眼和右眼具有互不相同的視差的兩個(gè)圖像。
為了確實(shí)實(shí)現(xiàn)這種功能，在過去已研究了很多三維圖像顯示方法。這些方法一般可以歸類成需使用鏡片的方法和不需使用鏡片的方法。使用色差的立體照片(anaglyph)方法和使用偏振的偏振鏡片方法適合于需使用鏡片的方法。因?yàn)榛旧虾茈y避免由于使用鏡片而帶來的麻煩，所以不需使用鏡片的方法在近幾年得到廣泛的研究。
柱面透鏡方法和視差柵欄方法等適合于不需使用鏡片的方法。柱面透鏡方法由艾夫斯(Ives)人等大約在1910年發(fā)明。視差柵欄方法由Berthier在1896提出，但實(shí)際上在1903由艾夫斯證明。
如非專利文獻(xiàn)1所描述，柱面透鏡方法由艾夫斯人等大約在1910年發(fā)明。圖1是柱面透鏡121的透視圖，且圖2是示出了在使用柱面透鏡的三維顯示方法中的光學(xué)模型的視圖。如圖1所示，柱面透鏡121在一側(cè)上具有平坦平面且在另一側(cè)上具有以一個(gè)方向(即在縱向方向上互相平行)延伸的多個(gè)拱背凸圓(convex)部件(柱狀透鏡)122。
如圖2所示，柱面透鏡121、顯示面板106和光源108以從觀察者一側(cè)開始的順序排列。顯示面板106放在柱面透鏡121的聚焦平面上。在顯示面板106中，用于顯示針對(duì)右眼141的圖像的像素123和用于顯示針對(duì)左眼142的圖像的像素124交替排列。在這種情況中，由彼此相鄰的像素123和像素124組成的像素組與柱面透鏡121的每個(gè)凸面部分122相關(guān)聯(lián)。因而，從光源108中發(fā)射出且經(jīng)過每個(gè)像素的光被柱面透鏡121的凸面部分122偏轉(zhuǎn)成朝向左眼和右眼的兩個(gè)方向，因此，左眼和右眼能夠察覺到互不相同的圖像，從而使觀察者能夠察覺到三維圖像。
另一方面，視差柵欄方法由Berthier在1896提出且后來在1903由艾夫斯證明。圖3是在使用視差柵欄的三維圖像顯示方法中的光學(xué)模型。如圖3所示，視差柵欄105被認(rèn)為具有多干個(gè)細(xì)條形開口(即狹縫105a)的柵欄(光屏蔽)。在這種情況中，顯示面板106被放在視差柵欄105的一側(cè)的鄰近處。在顯示面板106中，用于右眼的像素123和用于左眼的像素124被排列在垂直狹縫的縱向方向的方向上。在這種情況中，光源108被放在視差柵欄物105的另一側(cè)的鄰近處，即與顯示面板106相反的一側(cè)。
從光源108中發(fā)射出、然后經(jīng)過視差柵欄105的開口(狹縫105a)且再經(jīng)過用于右眼的像素123的光變成光束(light flux)181。類似地，從光源108中發(fā)射出、然后經(jīng)過狹縫105a且再經(jīng)過用于左眼的像素124的光變成光束182。在這種情況中，觀察者能夠察覺到三維圖像的位置由視差柵欄105和像素之間的位置關(guān)系確定。換言之，需要把觀察者的右眼141放在一區(qū)域內(nèi)且用于右眼的像素123的所有光束181經(jīng)由該區(qū)域，以及把觀察者的左眼142放在一區(qū)域內(nèi)且所有光束182經(jīng)由該區(qū)域。這種關(guān)系能夠在觀察者的右眼141與左眼142之間的中點(diǎn)143位于矩形三維可視區(qū)107內(nèi)的情況下實(shí)現(xiàn)，如圖3所示。在沿用于右眼的像素123和用于左眼的像素124的排列方向延伸的線段中，經(jīng)過三維可視區(qū)107中互相垂直的對(duì)角線的交叉點(diǎn)107a的線段為最長的線段。因此，當(dāng)中點(diǎn)143剛好與交叉點(diǎn)107a重合時(shí)，獲得了在水平方向上偏移觀察者的位置的最大寬度，因此這種條件提供了最佳的觀察位置。因此，在三維圖像顯示方法中，在交叉點(diǎn)107a與顯示面板106之間的距離被認(rèn)為是最佳觀察距離OD，且向觀察者建議在這個(gè)距離上觀察顯示。三維可視區(qū)107中位于距離顯示面板106的最佳觀察位置OD上的虛擬平坦平面由最佳觀察平面107b標(biāo)出。在這種條件下，從用于右眼的像素123中發(fā)射出的光和從用于左眼的像素124中發(fā)射出的光分別到達(dá)觀察者的右眼141和左眼142。結(jié)果，觀察者能夠把顯示在顯示面板106上的圖像識(shí)別為三維圖像。
在早期提出的視差柵欄方法中，視差柵欄放在像素與觀察者的眼睛之間，因此提供了刺目的東西，使得可視度降低。但是，在最近開發(fā)的液晶顯示設(shè)備中，可以在顯示面板106的后側(cè)放置視差柵欄物105，如圖3所示，從而改善了可視度。目前正對(duì)使用視差柵欄方法的三維圖像顯示設(shè)備進(jìn)行大量的研究。
但是，視差柵欄方法是作為一種不需要的光線被柵欄“掩藏”的方法而使用，而柱面透鏡方法是作為一種光的行進(jìn)方向被改變的方法使用。結(jié)果，柱面透鏡方法提供了顯示屏幕上的亮度基本上不會(huì)被降低的優(yōu)點(diǎn)。鑒于這個(gè)事實(shí)，對(duì)把柱面透鏡方法應(yīng)用到特別需要高顯示亮度和低電源消耗的便攜式設(shè)備的方面上進(jìn)行了大量的研究。結(jié)合上面的描述，在使用傳統(tǒng)柱面透鏡的三維圖像顯示設(shè)備中，把透射式液晶顯示器件作為顯示面板使用。
除了三維圖像顯示設(shè)備之外，現(xiàn)還開發(fā)出了用于同時(shí)顯示多個(gè)圖像的顯示屏，其作為使用柱面透鏡的圖像顯示設(shè)備(參見公開號(hào)為H06(1994)-332354的日本專利(圖20)，稱為專利文獻(xiàn)1)。這種顯示設(shè)備使用柱面透鏡的圖像分布能力在相同條件下的觀察方向上同時(shí)顯示互不相同的圖像。這種單一顯示設(shè)備能夠?yàn)橄鄬?duì)于顯示設(shè)備位于不同方向上的多個(gè)觀察者提供互不相同的圖像。專利文獻(xiàn)1說明從將被顯示的圖像數(shù)目方面上看，使用這種顯示設(shè)備相對(duì)于使用普通的單圖像顯示設(shè)備能夠降低所需的設(shè)置空間和功率比。
直到現(xiàn)在為止已對(duì)帶有在顯示面板中使用的反射板的反射式二維圖像顯示設(shè)備進(jìn)行了研究。在反射式顯示設(shè)備中，從外部進(jìn)入的光被位于顯示設(shè)備內(nèi)的反射體反射。在這種情況中，反射光被用作用于顯示的光源，因此無需使用背光或側(cè)光來作為光源。另一方面，透射式顯示設(shè)備需要背光或側(cè)光作為光源。因此，相對(duì)于使用透射式顯示設(shè)備的情況，在顯示面板中使用反射式顯示設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)低功耗。在這方面，最近已進(jìn)行了把反射式顯示設(shè)備應(yīng)用到便攜式設(shè)備等上面的有效嘗試。
但是，在使用這種反射式顯示設(shè)備的情況下，反射板的平坦平面會(huì)像個(gè)面鏡一樣反射外部光，因此，諸如熒光的其它光源會(huì)映像在其上面，從而降低了顯示質(zhì)量。此外，對(duì)于觀察者，只有從特定角度射入的光對(duì)顯示有作用，從而致使使用外部光的效率下降。
為了解決這個(gè)問題，提出了在反射板上提供若干個(gè)表面凸起的技術(shù)，如公開號(hào)為H08(1996)-184846的日本專利(專利文獻(xiàn)2)中所描述。圖4示出了具有這種表面凸起的反射板的示例。在這種情況中，在反射板4的上面淀積了有機(jī)膜，并且通過在有機(jī)膜的表面上形成凸起的方式在反射板4的下層上形成了這種表面凸起41。根據(jù)表面凸起的形狀，以特定角度進(jìn)入反射板的外部光被反射，然后向各個(gè)方向擴(kuò)散。在這種情況下，以各個(gè)方向進(jìn)入的外部光也被反射向觀察者。結(jié)果，通過防止光源映像在其上面的方式，能夠在顯示中有效使用以各個(gè)方向行進(jìn)的外部光。
因此，在本技術(shù)領(lǐng)域中，使用柱面透鏡的三維圖像顯示設(shè)備和反射式二維顯示設(shè)備是公知的。
雖然使用這種柱面透鏡的三維圖像顯示設(shè)備和反射式二維顯示設(shè)備具有能夠?qū)崿F(xiàn)降低電功耗的優(yōu)點(diǎn)，但是現(xiàn)在還沒有生產(chǎn)出一種結(jié)合上述兩種元件的三維圖像顯示設(shè)備。
針對(duì)這個(gè)事實(shí)，本發(fā)明人對(duì)使用柱面透鏡的三維圖像顯示設(shè)備和二維顯示設(shè)備的結(jié)合進(jìn)行了大量的研究，這種結(jié)合使得可以實(shí)現(xiàn)反射式顯示模式下的三維圖像顯示設(shè)備以及實(shí)現(xiàn)低電功耗。所獲得的結(jié)果引起了下面的新問題。
在設(shè)計(jì)成產(chǎn)生基本一致的亮度的三維可視區(qū)中，依觀察的位置，顯示器中的亮度在幾個(gè)區(qū)域中被降低。在一些情況中，在亮度下降的偏移位置上，可以辨別出顯示中的昏暗區(qū)域和觀察到暗線的圖形。因而，三維圖像顯示的質(zhì)量由于亮度的不均勻而下降。
在討論這個(gè)問題之前，首先對(duì)使用傳統(tǒng)透射式液晶顯示面板和柱面透鏡的三維圖像顯示設(shè)備進(jìn)行描述。圖5是雙眼(dual eye)型三維圖像顯示設(shè)備的透視圖。構(gòu)成柱面透鏡3的柱狀透鏡根據(jù)顯示面板2中的兩個(gè)像素(用于左眼的像素51和用于右眼的像素52)而放置。如圖6所示，從用于左眼的像素51中發(fā)射出或者從用于右眼的像素52中發(fā)射出的光被柱面透鏡3折射，并朝區(qū)域EL或ER行進(jìn)。因此，如果觀察者把其左眼61放在區(qū)域EL中、且把其右眼62放在區(qū)域ER中，則可以用左眼61察覺到用于左眼的圖像、且可以用右眼62察覺到用于右眼的圖像，從而使得可以觀察到三維圖像。
此外，借助如圖7所示的光學(xué)模型，對(duì)使用柱面透鏡的三維圖像顯示設(shè)備中的實(shí)物元件的尺寸進(jìn)行描述。在這種情況中，假定顯示像素與柱面透鏡3的表面上的凸面部分的中心之間的距離為H，且柱面透鏡3的折射率為n。柱面透鏡3的表面上的凸面部分的中心指柱面透鏡3的頂點(diǎn)。柱面透鏡3的一側(cè)是平坦平面，且在另一側(cè)上是每個(gè)均帶有凸面部分的凸圓柱狀透鏡，即，設(shè)置有在一個(gè)方向延伸的若干個(gè)拱背凸面部分31。此外，假定柱面透鏡3的焦距是f且透鏡間距是L。將顯示面板2的像素放在一對(duì)用于左眼的像素51和用于右眼的像素52中，這里像素的間距是P。這對(duì)像素(用于左眼的像素51和用于有右眼的像素52)適用于單個(gè)凸面部分31。在這種情況中，假定在柱面透鏡3與觀察者之間的距離是OD，并且在距離OD上像素的擴(kuò)展投影寬度(即，用于左眼的像素51或用于有右眼的像素52在與透鏡平行、并且遠(yuǎn)離透鏡距離為OD的虛擬平面上的每個(gè)投影圖像的寬度)是e。此外，假定位于柱面透鏡3的中心的凸面部分31的中心與位于柱面透鏡3的邊側(cè)末端上的凸面部分31的中心之間的距離是WL，且位于顯示面板2的中心上的用于左眼的像素51和用于有右眼的像素52對(duì)的中心與位于顯示面板2的邊側(cè)末端上的像素對(duì)的中心之間的距離是WP。進(jìn)而，位于柱面透鏡3的中心上的凸面部分31中的光的入射角和出射角分別由α和β表示，且位于柱面透鏡3的邊側(cè)末端上的凸面部分31中的光的入射角和出射角分別由γ和δ表示。將在距離WL與距離WP之間的差表達(dá)為C，且處于距離WP的區(qū)域內(nèi)的像素個(gè)數(shù)表達(dá)為2m。
通常，在大多數(shù)情況下，柱面透鏡根據(jù)顯示面板而設(shè)置，因此間距P被認(rèn)為是常數(shù)值。折射率n通過選擇柱面透鏡的材料而確定，而透鏡與觀察者之間的距離OD以及在觀察距離OD上像素的擴(kuò)展投影寬度e分別被指定為預(yù)定值。使用這些參數(shù)，確定了透鏡表面與像素之間的距離H以及透鏡間距L。根據(jù)斯涅耳(Snell)折射定律，下面的表達(dá)式1-6成立，以及根據(jù)幾何關(guān)系，下面的表達(dá)式7-9成立。
(表達(dá)式1)n·sinα＝sinβ(表達(dá)式2)OD·tanβ＝e(表達(dá)式3)H·tanα＝P(表達(dá)式4)N·sinγ＝sinδ(表達(dá)式5)H·tanγ＝C
(表達(dá)式6)OD·tanδ＝WL(表達(dá)式7)WP-WL＝C(表達(dá)式8)WP＝2mP(表達(dá)式9)WL＝mL根據(jù)表達(dá)式1、2和3，可以推導(dǎo)出下面的表達(dá)式10、11和12(表達(dá)式10)β＝arctan(e/OD)(表達(dá)式11)α＝arctan(1/n·sinβ)(表達(dá)式12)H＝P/tanα根據(jù)表達(dá)式6和9，可以推導(dǎo)出下面的表達(dá)式13，以及根據(jù)表達(dá)式7-9，可以推導(dǎo)出下面的表達(dá)式14。此外，根據(jù)表達(dá)式5，可以推導(dǎo)出下面的表達(dá)式15(表達(dá)式13)δ＝arctan(mL/OD)(表達(dá)式14)C＝2mP-mL(表達(dá)式15)γ＝arctan(C/H)通常，在這種情況中，像素與柱面透鏡的表面上的凸面部分的中心之間的距離H被設(shè)置為等于焦距f，如圖下面的表達(dá)式16所表示，因此可以通過下面的表達(dá)式17確定透鏡的彎曲半徑r(表達(dá)式16)f＝H
(表達(dá)式17)r＝H·(n-1)/n使用可在市場(chǎng)上獲得的光線跟蹤模擬器，根據(jù)上述的設(shè)計(jì)原理，進(jìn)行用于三維圖像顯示設(shè)備的計(jì)算機(jī)模擬。圖8是在模擬中使用的三維圖像顯示設(shè)備的光學(xué)模型。在這個(gè)示例中，假定在下述的條件下使用帶有0.24mm像素間距的顯示面板和使用帶有1.49的折射率n的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)作為柱面透鏡3的材料透鏡與觀察者之間的距離OD是280mm；在距離OD上像素的擴(kuò)展投影寬度是65mm，以及m是60。然后，可以知道透鏡表面與像素之間的距離是1.57mm；透鏡的焦距f是1.57mm；透鏡間距L是0.4782mm，且透鏡的彎曲半徑r是0.5161mm。根據(jù)這些參數(shù)，可推出光接收表面18被放置在遠(yuǎn)離透鏡表面280mm的位置上。此外，由于像素間距P等于0.24，則像素寬度是0.24mm。在像素的中心部位上放置光發(fā)射區(qū)域17。光發(fā)射區(qū)域17的寬度設(shè)為0.186。因此，在光發(fā)射區(qū)域17的一側(cè)上設(shè)有具有0.027mm的寬度的非顯示區(qū)域。從光發(fā)射區(qū)域17發(fā)射出的光是漫射光。該非顯示區(qū)域等效于光屏蔽部分，其用于防止顯示設(shè)備中的色彩混合以及用于傳送顯示信號(hào)至像素。此外，為了使模擬變得簡(jiǎn)單，只對(duì)用于靠近顯示面板的中心的右眼的像素進(jìn)行計(jì)算。
圖9是示出了模擬結(jié)果的圖，這里橫坐標(biāo)表示在與透鏡表面的距離OD＝280mm的觀察平面上的觀察位置，而縱坐標(biāo)表示在觀察位置上的照明度。發(fā)現(xiàn)在-60mm到0mm的觀察位置范圍內(nèi)照明度高，且照明度的幅度在這個(gè)范圍內(nèi)大致為常數(shù)。即，如果右眼被放在這個(gè)范圍內(nèi)，則右眼接收具有足夠強(qiáng)度的光，但是左眼幾乎不能接收到光。這表示，如果在實(shí)際的三維圖像顯示設(shè)備中，當(dāng)用于左眼的圖像被放在用于左眼的像素上時(shí)和當(dāng)用于右眼的圖像被放在用于右眼的像素上時(shí)，則左眼接收用于左眼的像素且右眼接收用于右眼的像素，其具有足夠的圖像分離，從而使觀察者能夠察覺到三維圖像。
接下來，對(duì)反射式三維圖像顯示設(shè)備進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬，其中用于像素的光發(fā)射區(qū)域被放置在反射板中。圖10是在模擬中使用的光學(xué)模型的視圖。只在反射板4的一部分上放置表面凸起41。這是因?yàn)榭梢钥吹奖砻嫱蛊鹋c平坦部分之間的差別。具體地說，在相對(duì)于反射板的中心的三條線上排列間距為10μm的具有30°的傾斜角度和2μm的高度的凸起。光源19位于距離透鏡表面1mm的位置上，使得光源的水平尺寸覆蓋所有透鏡。來自光源19的光是漫射光。圖11是示出了模擬結(jié)果的圖表。由此可知在-30mm的觀察位置上發(fā)生照明度的下降。即，當(dāng)在這個(gè)位置上觀察時(shí)，觀察到該顯示處在降低的亮度中。
在這種情況中，只對(duì)一個(gè)像素進(jìn)行模擬。但是，凸起表面通常在整個(gè)顯示像素上隨機(jī)分布。因此，對(duì)于顯示設(shè)備中的各個(gè)像素，察覺到處于不同狀態(tài)下的亮度，因此，觀察到了在其上面疊加了具有不同空間亮度的圖像的三維圖像，從而致使三維圖像顯示的質(zhì)量下降。通常，這種問題不僅在三維圖像顯示設(shè)備中發(fā)生，還在上述的相對(duì)于多個(gè)視點(diǎn)而同時(shí)顯示多個(gè)圖像的顯示中發(fā)生。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于現(xiàn)有技術(shù)中的上述問題，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種三維圖像顯示設(shè)備，其在反射式顯示模式下具有高質(zhì)量的顯示且亮度不會(huì)有任何的下降。
本發(fā)明的另一目的是提供一種使用三維圖像顯示設(shè)備的便攜式終端設(shè)備，這種終端設(shè)備在反射式顯示模式下確保高質(zhì)量的顯示質(zhì)量和確保亮度不會(huì)有任何的下降。
根據(jù)本發(fā)明的第一方面的圖像顯示設(shè)備，其包含具有以矩陣形式設(shè)置的多個(gè)像素部分的顯示面板。每個(gè)像素部分至少包括用于顯示針對(duì)第一視點(diǎn)的圖像的像素和用于顯示針對(duì)第二視點(diǎn)的圖像的像素；透鏡，其放在顯示面板的前面，且由多個(gè)透鏡組件構(gòu)成，用于對(duì)從每個(gè)像素中發(fā)射出的光進(jìn)行折射，以在不同的方向上輸出光；反射板，其放在顯示面板中或者放在其后面上，在其表面上帶有表面凸起，用于把外部光反射至透鏡。透鏡的焦距f與反射板的表面和透鏡的頂點(diǎn)之間的距離H不同。
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，由透鏡會(huì)聚的光照明確定區(qū)域上反射板的表面，以使光被諸如傾斜表面和表面凸起的平坦部分的具有不同傾斜角度的表面反射，以在各個(gè)方向行進(jìn)。在這種情況中，反射光的一部分行進(jìn)至觀察者，因此對(duì)顯示產(chǎn)生作用，從而使由于表面凸起的形狀的原因而導(dǎo)致的亮度下降的問題得到抑制。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面，一種圖像顯示設(shè)備，其包含具有以矩陣形式設(shè)置的多個(gè)像素部分的顯示面板，每個(gè)像素部分至少包括具有用于顯示針對(duì)第一視點(diǎn)的圖像的透射區(qū)和反射區(qū)的像素和具有用于顯示針對(duì)第二視點(diǎn)的圖像的透射區(qū)和反射區(qū)的像素；透鏡，其設(shè)置在顯示面板的前面，且由多個(gè)透鏡組件構(gòu)成，用于對(duì)從每個(gè)像素中發(fā)射出的光進(jìn)行折射，以輸出不同方向上的光；光源，其用光照明顯示面板的透射區(qū)；反射板，其設(shè)置在顯示面板的反射區(qū)中或者放在顯示面板的反射區(qū)的后面。該反射板在其表面上具有表面凸起，用于把外部光反射至透鏡。透鏡的焦距f與反射板的表面和透鏡的頂點(diǎn)之間的距離H不同。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面，由透鏡會(huì)聚的光還照明反射區(qū)中的確定區(qū)域，使得該光被諸如傾斜表面和表面凸起的平坦部分的具有不同傾斜角度的表面所反射，以在各個(gè)方向行進(jìn)。在這種情況中，反射光的一部分行進(jìn)至觀察者，因此對(duì)顯示有作用，從而使由于表面凸起的形狀的原因而導(dǎo)致的亮度下降的問題得到抑制。
在根據(jù)本發(fā)明的三維圖像顯示設(shè)備中，優(yōu)選地，透鏡的焦距小于反射板與透鏡之間的距離。
此外，根據(jù)本發(fā)明的三維圖像顯示設(shè)備，當(dāng)透鏡間距為L且表面凸起的最小間距為V時(shí)，優(yōu)選地，透鏡的焦距f以及反射板的表面與透鏡頂點(diǎn)之間的距離H滿足下面的表達(dá)式18(表達(dá)式18)H/f≥V/L+1
此外，根據(jù)本發(fā)明的三維圖像顯示設(shè)備，當(dāng)三維圖像顯示設(shè)備的最佳觀察距離是OD，像素的擴(kuò)展投影寬度是e，透鏡的折射率是n，以及像素部分中的像素的間距是P時(shí)，優(yōu)選地，透鏡的焦距f滿足下面的表達(dá)式19-21(表達(dá)式19)β＝arctan(e/OD)(表達(dá)式20)α＝arcsin(1/n·sinβ)(表達(dá)式21)f＝P/tanα從根據(jù)本發(fā)明的這種結(jié)構(gòu)式排列角度看，由于表面凸起的形狀的原因而導(dǎo)致的亮度下降的問題得到抑制。
在根據(jù)本發(fā)明的三維圖像顯示設(shè)備中，優(yōu)選地，最佳觀察距離OD、像素的擴(kuò)展投影寬度e、透鏡的折射率n、反射板的表面與透鏡表面中的凸面部分的中心之間的距離H以及在每個(gè)顯示區(qū)中的像素的間距P滿足上面的表達(dá)式19和20以及下面的表達(dá)式22(表達(dá)式22)H＝P/tanα進(jìn)而，本發(fā)明甚至可以在透鏡表面與像素之間的距離為固定的情況下應(yīng)用，且由于表面凸起的形狀的原因而導(dǎo)致的亮度下降的問題得到抑制。
此外，根據(jù)本發(fā)明的三維圖像顯示設(shè)備可以被設(shè)計(jì)成透鏡的焦距大于反射板的表面與透鏡的頂點(diǎn)之間的距離H。
此外，在根據(jù)本發(fā)明的三維圖像顯示設(shè)備中，優(yōu)選地，透鏡的焦距f、反射板的表面與透鏡的頂點(diǎn)之間的距離H、透鏡間距L以及表面凸起的最小間距V滿足下面的表達(dá)式23(表達(dá)式23)H/f≤-V/L+1
此外，在根據(jù)本發(fā)明的三維圖像顯示設(shè)備中，優(yōu)選地，最佳觀察距離OD、像素的擴(kuò)展投影寬度e、透鏡的折射率n、透鏡的焦距f以及每個(gè)像素部分中的像素的間距P滿足上面的表達(dá)式19和21。在根據(jù)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)式排列中，降低了透鏡表面與像素之間的距離，從而也降低了三維圖像顯示設(shè)備的總厚度。
此外，在根據(jù)本發(fā)明的三維圖像顯示設(shè)備中，優(yōu)選地，最佳觀察距離OD、像素的擴(kuò)展投影寬度e、透鏡的折射率n、反射板的表面與透鏡的頂點(diǎn)之間的距離H，以及每個(gè)像素部分中的像素的間距P滿足上面的表達(dá)式19、20和22。在根據(jù)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)式排列中，能夠把焦距確定為較大的值，從而能夠降低透鏡中的不均勻幅度的量值。因此，不能察覺出透鏡表面上的明顯調(diào)整，從而提高了三維圖像的顯示質(zhì)量。
根據(jù)本發(fā)明的第三方面，一種圖像顯示設(shè)備，其包含具有以矩陣形式設(shè)置的多個(gè)像素部分的顯示面板，每個(gè)像素部分至少包括具有用于顯示針對(duì)第一視點(diǎn)的圖像的像素和具有用于顯示針對(duì)第二視點(diǎn)的圖像的像素；透鏡，其設(shè)置在顯示面板的前面，且由多個(gè)透鏡組件構(gòu)成，用于對(duì)從每個(gè)像素中發(fā)射出的光進(jìn)行折射，以輸出不同方向上的光。反射板，其設(shè)置在顯示面板中或者放在顯示面板的后面中。該反射板在其表面上帶有表面凸起，用于把外部光反射至透鏡；透鏡的焦距f與反射板的表面和透鏡的頂點(diǎn)之間的距離H相同，且反射板的表面上的表面凸起被設(shè)計(jì)成這樣的方式進(jìn)入三維圖像顯示設(shè)備的光被多次反射。
根據(jù)本發(fā)明的第四方面，一種圖像顯示設(shè)備，其包含具有以矩陣形式設(shè)置的多個(gè)像素部分的顯示面板。每個(gè)像素部分至少包括具有用于顯示針對(duì)第一視點(diǎn)的圖像的透射區(qū)和反射區(qū)的像素和具有用于顯示針對(duì)第二視點(diǎn)的圖像的透射區(qū)和反射區(qū)的像素；透鏡，其設(shè)置在顯示面板的前面且由多個(gè)透鏡組件構(gòu)成，用于對(duì)從每個(gè)像素中發(fā)射出的光進(jìn)行折射，以在不同的方向上輸出光；光源，其用光照明顯示面板的透射區(qū)；以及反射板，其設(shè)置在顯示面板的反射區(qū)中或者放在顯示面板的反射區(qū)的后面。該反射板在其表面上帶有表面凸起，用于把外部光反射至透鏡。透鏡的焦距f與反射板的表面和透鏡的頂點(diǎn)之間的距離H相同。反射板的表面上的表面凸起被設(shè)計(jì)成這樣的方式進(jìn)入三維圖像顯示設(shè)備的光被多次反射。
在本發(fā)明中，由表面凸起的傾斜表面反射的光的一部分再次被另一傾斜表面反射，以向觀察者行進(jìn)，使得由于表面凸起的形狀的原因而導(dǎo)致的亮度下降的問題得到抑制。
此外，在根據(jù)本發(fā)明的三維圖像顯示設(shè)備中，優(yōu)選地，表面凸起的傾斜角度為50°或以上。因此，由于表面凸起的形狀的原因而導(dǎo)致的亮度下降的問題得到抑制。
根據(jù)本發(fā)明的第五方面，一種圖像顯示設(shè)備，其包含具有以矩陣形式設(shè)置的多個(gè)像素部分的顯示面板，每個(gè)像素部分至少包括具有用于顯示針對(duì)第一視點(diǎn)的圖像的像素和具有用于顯示針對(duì)第二視點(diǎn)的圖像的像素；柱面透鏡，其設(shè)置在顯示面板的前面，且由多個(gè)柱狀透鏡構(gòu)成，用于對(duì)從每個(gè)像素中發(fā)射出的光進(jìn)行折射，以輸出不同方向上的光；反射板，其設(shè)置在顯示面板中或者設(shè)置在顯示面板的后面。該反射板在其表面上帶有表面凸起，用于把外部光反射至透鏡。在表面凸起上的具有傾斜角度的傾斜表面的發(fā)生概率在柱狀透鏡的排列方向上的每個(gè)像素中是相同的。
根據(jù)本發(fā)明的第六方面，一種圖像顯示設(shè)備，其包含具有以矩陣形式設(shè)置的多個(gè)像素部分的顯示面板，每個(gè)像素部分至少包括具有用于顯示針對(duì)第一視點(diǎn)的圖像的透射區(qū)和反射區(qū)的像素和具有用于顯示針對(duì)第二視點(diǎn)的圖像的透射區(qū)和反射區(qū)的像素；柱面透鏡，其設(shè)置在顯示面板的前面且由多個(gè)柱狀透鏡構(gòu)成，用于對(duì)從每個(gè)像素中發(fā)射出的光進(jìn)行折射，以在不同的方向上輸出光；光源，其用光照明顯示面板的透射區(qū)；以及反射板，其設(shè)置在顯示面板的反射區(qū)中或者放在顯示面板的反射區(qū)的后面，且在其表面上帶有表面凸起，用于把外部光反射至透鏡。在表面凸起上的具有傾斜角度的傾斜表面在柱狀透鏡的排列方向上的每個(gè)像素中的發(fā)生概率是相同的。
由于柱狀透鏡在縱向方向上不具有透鏡作用，每個(gè)像素中的表面凸起的光學(xué)效果是合成柱狀透鏡在縱向方向上的效果的結(jié)果。如果在表面凸起上的具有傾斜角度的傾斜表面的發(fā)生概率在每個(gè)像素中是一致的，則光學(xué)特性變得與在柱狀透鏡的排列方向上的所有位置上連續(xù)地設(shè)置相同的傾斜角度的情況中一樣。這能夠防止由于表面凸起的原因而導(dǎo)致的亮度下降。
在根據(jù)本發(fā)明的第五和第六方面的圖像顯示設(shè)備中，優(yōu)選地，柱狀透鏡的縱向方向上的表面凸起的間距應(yīng)當(dāng)小于柱狀透鏡的排列方向上的表面凸起的間距。因此，能夠在單個(gè)像素中排列高密度的表面凸起，從而有利于這種圖像顯示設(shè)備適用于具有較小像素間距的高清晰度顯示面板。
在根據(jù)本發(fā)明的三維圖像顯示設(shè)備中，優(yōu)選地，該透鏡為柱面透鏡或者復(fù)眼透鏡。進(jìn)而，優(yōu)選地，該顯示設(shè)備為液晶顯示設(shè)備。
根據(jù)本發(fā)明的便攜式終端設(shè)備配備有上述的三維圖像顯示設(shè)備。在這種情況中，該便攜式終端設(shè)備可以是蜂窩電話、便攜式終端、PDA(個(gè)人數(shù)字助理便攜式信息終端)、游戲機(jī)、數(shù)碼相機(jī)或數(shù)字?jǐn)z像機(jī)。
如下面的詳細(xì)描述，根據(jù)本發(fā)明，由透鏡會(huì)聚的光入射到具有確定照明區(qū)域的反射板上，因此，光被表面凸起的具有不同傾斜角度的傾斜表面和平坦表面反射，因而反射光以各個(gè)方向行進(jìn)。在這種情況中，反射光的一部分朝向觀察者行進(jìn)，因此對(duì)顯示具有增加的作用。結(jié)果，根據(jù)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)式排列能夠防止由于表面凸起的原因而導(dǎo)致的亮度下降，從而使得可以實(shí)現(xiàn)一種在反射式顯示模式下提供優(yōu)良圖像質(zhì)量且亮度沒有下降的三維圖像顯示設(shè)備。


圖1是示出了柱面透鏡的形狀的透視圖；圖2是示出了在使用傳統(tǒng)柱面透鏡的三維圖像顯示方法中的光學(xué)模型的射線圖；圖3是示出了在使用傳統(tǒng)視差柵欄的三維圖像顯示方法中的光學(xué)模型的射線圖；圖4是帶有傳統(tǒng)表面凸起的反射板的概念性透視圖；圖5是示出了同時(shí)使用傳統(tǒng)柱面透鏡和顯示面板的三維圖像顯示設(shè)備的透視圖；圖6是示出了同時(shí)使用傳統(tǒng)柱面透鏡和顯示面板的三維圖像顯示設(shè)備的剖面圖；圖7是在同時(shí)使用傳統(tǒng)柱面透鏡和顯示面板的三維圖像顯示設(shè)備中的射線圖，其中限定了各個(gè)元件的規(guī)格；圖8是示出了用于同時(shí)使用了傳統(tǒng)柱面透鏡和顯示面板的三維圖像顯示設(shè)備中的計(jì)算機(jī)模擬的光學(xué)模型的射線圖；圖9是示出了同時(shí)使用了傳統(tǒng)柱面透鏡和顯示面板的三維圖像顯示設(shè)備中的計(jì)算機(jī)模擬的結(jié)果的圖表；圖10是個(gè)射線圖，示出了在使用了帶有表面凸起的反射板的情況中，用于同時(shí)使用了傳統(tǒng)柱面透鏡和顯示面板的三維圖像顯示設(shè)備中的計(jì)算機(jī)模擬的光學(xué)模型；圖11是個(gè)圖表，示出了在使用了帶有表面凸起的反射板的情況中，同時(shí)使用了傳統(tǒng)柱面透鏡和顯示面板的三維圖像顯示設(shè)備中的計(jì)算機(jī)模擬的結(jié)果。
圖12是本發(fā)明的第一實(shí)施例中的三維圖像顯示設(shè)備的剖面圖；圖13是本發(fā)明的第一實(shí)施例中的便攜式終端設(shè)備的透視圖；圖14是示出了在本發(fā)明的第一實(shí)施例中用于計(jì)算機(jī)模擬的光學(xué)模型的射線圖；圖15A和15B是示出了本發(fā)明的第一實(shí)施例中的計(jì)算機(jī)模擬的結(jié)果的圖表；圖16A和圖16B是用于解釋本發(fā)明的第一實(shí)施例中的原理的概念性射線圖；圖17是在本發(fā)明的第一實(shí)施例中的射線圖，其中，由透鏡會(huì)聚的光照明多個(gè)傾斜表面；圖18是替代柱面透鏡而使用復(fù)眼透鏡的透視圖；圖19是本發(fā)明的第二實(shí)施例中的三維圖像顯示設(shè)備的剖面圖；
圖20是在本發(fā)明的第二實(shí)施例中的射線圖，其中，由透鏡會(huì)聚的光照明多個(gè)傾斜表面；圖21是本發(fā)明的第三實(shí)施例中的三維圖像顯示設(shè)備的剖面圖；圖22是在本發(fā)明的第三實(shí)施例中的射線圖，其中，由透鏡會(huì)聚的光照明多個(gè)傾斜表面；圖23是本發(fā)明的第四實(shí)施例中的三維圖像顯示設(shè)備的剖面圖；圖24是在本發(fā)明的第四實(shí)施例中的射線圖，其中，由透鏡會(huì)聚的光照明多個(gè)傾斜表面；圖25是本發(fā)明的第五實(shí)施例中的三維圖像顯示設(shè)備的剖面圖；圖26A-26F是示出了本發(fā)明的第五實(shí)施例中的計(jì)算機(jī)模擬的結(jié)果的圖表；圖27A和圖27B是用于解釋本發(fā)明的第五實(shí)施例中的原理的概念性射線圖；圖28是本發(fā)明的第六實(shí)施例中的三維圖像顯示設(shè)備的透視圖；圖29A是沿圖28中的A-A線切開的剖面圖、且圖29B是沿圖28中的B-B線切開的剖面圖，兩幅圖均示出了定性地示出了第六實(shí)施例的原理；圖30是本發(fā)明的第七實(shí)施例中的三維圖像顯示設(shè)備的示意性透視圖；圖31是本發(fā)明的第八實(shí)施例中的便攜式終端設(shè)備的透視圖；圖32是示出了在第八實(shí)施例中圖像顯示設(shè)備的運(yùn)行的光學(xué)模型。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在參考附圖，對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例以具體的方式進(jìn)行描述。
(第一實(shí)施例)圖12是本發(fā)明的第一實(shí)施例中的三維圖像顯示設(shè)備的剖面圖，且圖13是本發(fā)明的第一實(shí)施例中的便攜式終端設(shè)備的透視圖。三維圖像顯示設(shè)備1包含反射式液晶顯示面板2和柱面透鏡3。在反射式液晶顯示面板2中，液晶層5插在基板6與透光襯底7之間，且像素電極(反射板4)形成在襯底6的液晶層側(cè)表面上，以及反電極(未示出)形成在透光襯底7的液晶層側(cè)表面上。該像素電極和反電極是條形電極，其互相垂直地放置。在像素電極與反電極之間施加電壓，以選擇確定在這些電極的交叉點(diǎn)上的像素，因此，能夠?qū)σ壕У姆较蜻M(jìn)行控制，以顯示圖像。
在第一實(shí)施例中，反射板4由放在液晶層5的后側(cè)上的像素電極構(gòu)成。反射板帶有表面凸起41，且表面凸起41的大小與傳統(tǒng)反射式液晶顯示設(shè)備的反射板上的表面凸起的大小相同。例如，表面凸起具有2μm的高度和10μm的間距。
柱面透鏡3放在透光襯底7上。柱面透鏡3由若干個(gè)曲面(圓柱形表面)所形成，其中，以預(yù)定的間距重復(fù)地排列多個(gè)凸面部分31。在第一實(shí)施例中，圓柱形表面的縱向方向(曲面的中心軸線延伸的方向)與像素電極延伸的方向(反射板4)平行。在這種情況中，在每個(gè)圓柱形表面上放置兩個(gè)成對(duì)像素(像素電極4)。
在第一實(shí)施例中，如上所述，像素部分由用于左眼的像素4a和用于右眼的像素4b構(gòu)成。在每個(gè)像素部分中，從用于左眼的像素中發(fā)射出的光和從用于右眼的像素中發(fā)射出的光被柱面透鏡3中的對(duì)應(yīng)的柱狀透鏡反射成分別朝向左眼和右眼的方向。在這個(gè)條件下，外部光經(jīng)過柱面透鏡3、透光襯底7和液晶層5，然后達(dá)到位于液晶層5的下表面中的反射板4。因此，外部光被反射板4反射，且再次經(jīng)過液晶層5、透光襯底7和柱面透鏡3。在這種情況中，以確定方向入射到反射板4上面的外部光被反射板4的表面上的表面凸起41反射成漫射光和不同的方向，并且進(jìn)而被反射成朝向觀察者的方向。因此，能夠防止光源被映像在顯示表面上，從而使得可以有效使用以各個(gè)方向行進(jìn)的外部光。
因此，在第一實(shí)施例中，柱面透鏡3的表面上的凸面部分31的中心與反射板4的表面(即，像素)之間的距離HR被設(shè)置成大于柱面透鏡3的表面上的凸面部分的中心與傳統(tǒng)光學(xué)模型中的像素之間的距離H，這里，距離H由上面提到的表達(dá)式10-12確定。結(jié)果，透鏡表面與像素之間的距離HR大于柱面透鏡3的焦距。在第一實(shí)施例中，柱面透鏡3的焦距由表達(dá)式10-12和16確定。在這種情況中，觀察距離OD例如是下面所限定的最佳觀察距離。當(dāng)規(guī)定觀察者的右眼與左眼的中點(diǎn)時(shí)，最佳觀察距離是反射式液晶顯示面板2與最長線段之間的距離，其中，最長線段是沿著三維可視區(qū)內(nèi)的像素區(qū)中從用于左眼的像素4a到用于右眼的像素4b的方向延伸的線段中最長的線段，在三維可視區(qū)內(nèi)，從用于映像用于左眼的圖像的像素中發(fā)射出的光進(jìn)入左眼且從用于映像用于右眼的圖像的像素中發(fā)射出的光進(jìn)入右眼。
在第一實(shí)施例中的三維圖像顯示設(shè)備1用來在例如圖13中所示的蜂窩手機(jī)中顯示圖像。
在下面，對(duì)用于闡述本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)而進(jìn)行的計(jì)算機(jī)模擬的結(jié)果進(jìn)行描述。圖14示出了在計(jì)算機(jī)模擬中使用的光學(xué)模型。在如圖10所示的傳統(tǒng)光學(xué)模型中，透鏡表面(凸面部分的中心)與像素之間的距離HR被設(shè)置為1.57mm，且它與透鏡的焦距f＝1.57mm相同。相反，如圖14所示的本發(fā)明的光學(xué)模型與圖10中的光學(xué)模型的不同點(diǎn)在于透鏡表面(凸面部分的中心)與像素之間的距離HR被設(shè)置為1.77mm，且它大于透鏡的焦距f＝1.57mm。
圖15A是示出了在使用了如圖14所示的本發(fā)明的光學(xué)模型的情況中的模擬結(jié)果的圖表，而圖15B是示出了在使用了作為比較示例的如圖10所示的現(xiàn)有技術(shù)中的光學(xué)模型的情況中的模擬結(jié)果的圖表。這些圖表之間的比較顯示了在靠近-30mm的觀察位置上的如圖15B所示的亮度的下降比如圖15A所示的大很多。因此，在大約-30mm的觀察位置上再也不會(huì)觀察到昏暗顯示。
圖16A和圖16B是用于定性地解釋本發(fā)明的原理的概念性射線圖。圖16A是個(gè)概念性視圖，示出了進(jìn)入如圖10所示的光學(xué)模型中的顯示設(shè)備的帶有外部光的平行分量的光線91的射線的軌跡。在這種情況下，在透鏡表面與像素之間的距離H被設(shè)置成與焦距f相同，使得由柱面透鏡3會(huì)聚的光91在反射板4的表面上形成焦點(diǎn)、由表面凸起的傾斜表面反射并且以與朝向觀察者的方向不同的方向行進(jìn)，從而致使這種光線分量對(duì)顯示沒有提供實(shí)質(zhì)性的作用。相反，在透鏡表面與像素之間的距離HR被設(shè)置成大于本發(fā)明的如圖16B所示的光學(xué)模型中的焦距f，使得由柱面透鏡3會(huì)聚的光照明反射板4上面的確定區(qū)域。因此，由于光被諸如表面凸起的傾斜表面和平坦部分等的各種傾斜表面所反射，所以反射的光以各個(gè)方向行進(jìn)。部分反射光朝向觀察者，從而使得反射光可以用在顯示上。因此，根據(jù)本發(fā)明，能夠防止亮度的下降。
如圖17所示，對(duì)于透鏡表面與像素之間的距離HR，結(jié)構(gòu)式排列最好設(shè)計(jì)成由柱面透鏡3會(huì)聚的光照明帶有互不相同的傾斜角的若干表面，因?yàn)檫@種結(jié)構(gòu)式排列為反射光提供了更寬的角度分布，從而能夠增強(qiáng)朝向觀察者行進(jìn)的光的強(qiáng)度。在這個(gè)條件下，當(dāng)表面凸起的間距是V時(shí)，在底長是透鏡間距L且高等于焦距f的三角形與底長等于表面凸起的間距V且高等于透鏡表面與像素之間的距離HR減去焦距f而所得的值的三角形之間也具有相同的關(guān)系。因此，由透鏡會(huì)聚的光照明帶有互不相同的傾斜角度的表面的條件可以由下面的表達(dá)式24表達(dá)，且變換這個(gè)表達(dá)式而得出下面的表達(dá)式25。
(表達(dá)式24)V≤(HR-f)×L/f(表達(dá)式25)HR/f≥V/L+1換言之，優(yōu)選地，透鏡表面與像素之間的HR確定為滿足表達(dá)式25。此外，在表面凸起以隨機(jī)方式分布的情況中，本發(fā)明能夠通過確定表面凸起的最小間距V來實(shí)現(xiàn)。
當(dāng)在像素電極上存在帶有表面凸起的反射板時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的顯示面板。在第一實(shí)施例中，專門對(duì)帶有反射式液晶顯示面板的三維圖像顯示設(shè)備進(jìn)行描述。但是，本發(fā)明并不限定于這種圖像顯示設(shè)備。例如也可以采用基于電泳現(xiàn)象的顯示面板。此外，可以使用帶有傾斜表面的任何結(jié)構(gòu)作為表面凸起，不受這種形狀的約束，例如圓點(diǎn)形狀、棒狀形狀、槽形形狀和其它形狀。此外，可以采用諸如TFT方法和TFD方法等有源矩陣方法或者諸如STN方法等的無源矩陣方法來驅(qū)動(dòng)像素電極。
上面的描述針對(duì)于使用柱面透鏡的三維圖像顯示設(shè)備，但是，當(dāng)然也可以使用復(fù)眼透鏡，而不是柱面透鏡。圖18是復(fù)眼透鏡10的透視圖。柱面透鏡3帶有柱狀透鏡3，它們都以互相平行的方向延伸，如圖1所示，其中，以從像素部分中用于左眼的像素到用于右眼的像素的方向(即水平方向)重復(fù)排列多個(gè)柱狀透鏡中的凸圓表面，但是每個(gè)凸圓表面均沒有改變?yōu)榕c水平方向垂直的方向(即柱面透鏡3的縱向方向)。即，從水平方向觀看到的柱面透鏡3的剖面形狀沒有改變成柱面透鏡3的縱向方向。與柱面透鏡相反，復(fù)眼透鏡帶有的凸圓表面同時(shí)以從用于左眼的像素到用于右眼的像素的水平方向和與其垂直的方向延伸。換言之，復(fù)眼透鏡10帶有在用于左眼的像素與用于右眼的像素互相面對(duì)的方向(即水平方向)上的用于每對(duì)像素(用于左眼的像素和用于右眼的像素)凸圓表面，這與柱面透鏡相同，但是，它還帶有在與水平方向垂直的方向上的用于每對(duì)像素(用于左眼的兩個(gè)像素或者用于右眼的兩個(gè))的凸圓表面。
在復(fù)眼透鏡的情況下，當(dāng)其被設(shè)置為直立時(shí)，三維圖像顯示設(shè)備允許同時(shí)從用于左眼的圖像與用于右眼的圖像角度來觀察三維圖像。此外，顯示設(shè)備使得可以拓寬觀看角度或者可以通過把圖像向上/向下偏移的方式來觀察圖像的上和/或下側(cè)。因此，在把復(fù)眼透鏡10作為透鏡使用的情況下，通過把透鏡的焦距f設(shè)置成與反射板的表面和透鏡表面上的凸面部分的中心之間的距離H不同的方式，與第一實(shí)施例相同，可以獲得與第一實(shí)施例相同的效果。
上面的描述針對(duì)于透鏡的凸面部分位于觀察者一側(cè)的情況。但是，當(dāng)透鏡的凸面部分放在顯示設(shè)備一側(cè)時(shí)，也可以獲得相同的效果。
根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的三維圖像顯示設(shè)備最好在諸如蜂窩手機(jī)等便攜式設(shè)備中使用，且利用該圖像顯示設(shè)備可以獲得具有良好質(zhì)量的三維圖像。在三維圖像顯示設(shè)備在這種便攜式設(shè)備中使用的情況下，其與被引入大型顯示設(shè)備的情況不同，可以很快找出最佳可視區(qū)，因?yàn)橛^察者能夠任意調(diào)節(jié)他自己的眼睛與顯示屏幕之間的位置關(guān)系。
此外，根據(jù)第一實(shí)施例的三維圖像顯示設(shè)備不僅可以被引入蜂窩手機(jī)，還可以被引入諸如便攜式終端、PDA、游戲機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、數(shù)字?jǐn)z像機(jī)等的便攜式終端設(shè)備中。
(第二實(shí)施例)圖19是本發(fā)明的第二實(shí)施例中的三維圖像顯示設(shè)備的剖面圖。第二實(shí)施例與第一實(shí)施例的不同點(diǎn)在于在第二實(shí)施例中的透鏡表面與像素之間的距離HR被設(shè)計(jì)成小于由上述表達(dá)式10-12確定的在傳統(tǒng)光學(xué)模型中的透鏡表面與像素之間的距離HR。因此，在第二實(shí)施例中的透鏡表面與像素之間的距離HR小于柱面透鏡的焦距f。
對(duì)于在第二實(shí)施例中的透鏡表面與像素之間的距離HR，優(yōu)選地，由透鏡會(huì)聚的光照明具有不同傾斜角的傾斜表面，如圖20所示，因?yàn)檫@種排列方式為反射光提供了更寬的角度分布，從而能夠使反射光中的更多數(shù)量朝向觀察者行進(jìn)。假定表面凸起的間距是V，根據(jù)透鏡表面與像素之間的距離HR、焦距f和透鏡間距L之間的幾何關(guān)系，這個(gè)條件可以由下面的表達(dá)式26表達(dá)(表達(dá)式26)V≤(f-HR)×L/f(表達(dá)式27)HR/f≤-V/L+1
因此，優(yōu)選地，確定在透鏡表面與像素之間的距離HR使其滿足表達(dá)式27。在表面凸起是隨機(jī)分布的情況下，使用表面凸起的最小間距V，本發(fā)明是可行的。
根據(jù)第二實(shí)施例，相對(duì)于第一實(shí)施例，透鏡表面與像素之間的距離進(jìn)一步降低了。因此，由于能夠降低三維圖像顯示設(shè)備的厚度，所以它更加適合于在諸如蜂窩電話等的便攜式終端中使用。
(第三實(shí)施例)圖21是本發(fā)明的第三實(shí)施例中的三維圖像顯示設(shè)備的剖面圖。相對(duì)于本發(fā)明的第一實(shí)施例，在第三實(shí)施例中柱面透鏡的焦距fR小于通過上述表達(dá)式10-12和16計(jì)算的傳統(tǒng)光學(xué)模型的焦距f，且透鏡表面與像素之間的距離H通過上述表達(dá)式10-12計(jì)算出。
對(duì)于本發(fā)明的第三實(shí)施例中的焦距f，特別優(yōu)選地，由透鏡會(huì)聚的光照明具有不同傾斜角的傾斜表面，如圖22所示，因?yàn)檫@種排列方式為反射光提供了更寬的角度分布，從而能夠使反射光中的更多數(shù)量朝向觀察者行進(jìn)。假定表面凸起的間距是V，根據(jù)透鏡表面與像素之間的距離H、焦距fR和透鏡間距L之間的幾何關(guān)系，這個(gè)條件可以由下面的表達(dá)式28表達(dá)，并且通過變換表達(dá)式28得出下面的表達(dá)式29(表達(dá)式28)V≤(H-fR)×L/f(表達(dá)式29)H/fR≥V/L+1因此，優(yōu)選地，確定柱面透鏡的焦距fR使其滿足表達(dá)式29。在表面凸起隨機(jī)分布的情況下，使用表面凸起的最小間距V，本發(fā)明是可行的。
在第三實(shí)施例中，相對(duì)于第一實(shí)施例，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于可以在透鏡表面與像素之間的距離為固定的情況中應(yīng)用。在第一實(shí)施例中，透鏡表面與像素之間的距離H根據(jù)滿足表達(dá)式1-9的已改變的值而確定，因此需要在設(shè)計(jì)階段改變其它參數(shù)，例如觀察位置OD和其它參數(shù)。在參數(shù)沒有改變的情況中，不能在理想狀態(tài)下操作三維圖像顯示設(shè)備，從而造成了負(fù)面的影響，其中三維圖像可視范圍在顯示屏幕的中心部位與末端部位之間的不同幅值中偏移。在第三實(shí)施例中，可以只通過改變焦距f來實(shí)現(xiàn)本發(fā)明，因此不會(huì)發(fā)生這種問題。
(第四實(shí)施例)圖23是本發(fā)明的第四實(shí)施例中的三維圖像顯示設(shè)備的剖面圖。第四實(shí)施例與第三實(shí)施例的不同點(diǎn)在于柱面透鏡的焦距fR被確定為大于由上述表達(dá)式10-12和16所計(jì)算出的焦距f；且透鏡表面與像素之間的距離H與在傳統(tǒng)模型中通過表達(dá)式10-12而確定的值相同。
對(duì)于本發(fā)明的第四實(shí)施例中的焦距f，特別優(yōu)選地，由透鏡會(huì)聚的光照明具有不同傾斜角的傾斜表面，如圖24所示，因?yàn)檫@種排列方式為反射光提供了更寬的角度分布，從而能夠使反射光中的更多數(shù)量朝向觀察者行進(jìn)。假定表面凸起的間距是V，根據(jù)透鏡表面與像素之間的距離H、焦距fR和透鏡間距L之間的幾何關(guān)系，這個(gè)條件可以由下面的表達(dá)式30表達(dá)，并且通過變換表達(dá)式30可得出下面的表達(dá)式31(表達(dá)式30)V≤(fR-H)×L/fR(表達(dá)式31)H/fR≤-V/L+1因此，優(yōu)選地，確定柱面透鏡的焦距fR使其滿足表達(dá)式31。在表面凸起是隨機(jī)分布的情況下，使用表面凸起的最小間距V，本發(fā)明是可行的。
在第四實(shí)施例中，相對(duì)于第三實(shí)施例，存在能夠?qū)咕鄁R使用較大的值的優(yōu)點(diǎn)。結(jié)果，可以降低柱面透鏡中的表面凸起的高度，因此在柱面透鏡的表面上幾乎覺察不到明顯的不平坦，從而提高了顯示的三維圖像的質(zhì)量。
(第五實(shí)施例)圖25是本發(fā)明的第五實(shí)施例中的三維圖像顯示設(shè)備的剖面圖。第五實(shí)施例與第一至第四實(shí)施例的不同點(diǎn)在于由上述表達(dá)式10-12和16所確定的值用于焦距f和透鏡表面與像素之間的距離H，且表面凸起的傾斜角度θ大于50°。
為了觀察第五實(shí)施例中的三維圖像顯示設(shè)備的特定特性，進(jìn)行了計(jì)算機(jī)模擬，表面凸起的傾斜角度θ從25°到75°之間變化。圖26A-26F示出了模擬的結(jié)果。在θ＝75°上的結(jié)果如圖26A所示；在θ＝65°上的結(jié)果如圖26B所示；在θ＝60°上的結(jié)果如圖26C所示；在θ＝50°上的結(jié)果如圖26D所示；在θ＝35°上的結(jié)果如圖26E所示；以及在θ＝25°上的結(jié)果如圖26F所示。當(dāng)傾斜角度θ小于50°時(shí)，發(fā)現(xiàn)亮度的下降在大約-30mm的觀察位置上發(fā)生，而這種降低程度在傾斜角度θ大于50°的時(shí)候會(huì)減輕，即，即使在大約-30mm的觀察位置上觀察顯示，也不會(huì)出現(xiàn)昏暗顯示。
圖27A和圖27B是用于定性地描述第五實(shí)施例中的三維圖像顯示設(shè)備的原理的概念性射線圖。圖27A是示出了在如圖10所示的傳統(tǒng)光學(xué)模型中作為入射光的平行光線的軌跡。在這種情況下，透鏡表面與像素之間的距離H與焦距f相同，且表面凸起的傾斜角度θ小于50°，例如為30°。因此，由透鏡會(huì)聚的光被表面凸起的傾斜表面反射并以與朝向觀察者的方向不同的方向行進(jìn)。因此，反射光對(duì)于顯示基本上沒有作用。相反，在根據(jù)第五實(shí)施例的光學(xué)模型中，表面凸起的傾斜角度大于50°，例如為60°，如圖26B所示。結(jié)果，由表面凸起的傾斜表面反射的光的一部分再次被另一傾斜表面反射，然后行進(jìn)至觀察者，從而使得可以抑制由于表面凸起的原因而導(dǎo)致的亮度下降。
(第六實(shí)施例)下面將對(duì)本發(fā)明的第六實(shí)施例進(jìn)行描述。圖28是示出了本發(fā)明的第六實(shí)施例中的三維圖像顯示設(shè)備的透視圖，且圖29A是沿圖28中的A-A線切開的剖面圖，以及圖29B是沿圖28中的B-B線切開的剖面圖，兩幅圖均定性地示出了第六實(shí)施例的原理。根據(jù)這個(gè)實(shí)施例的三維圖像顯示設(shè)備與根據(jù)第一至第五實(shí)施例的三維圖像顯示設(shè)備的不同在于在構(gòu)成柱面透鏡3的柱狀透鏡3a的排列方向上，在表面凸起41上存在具有一傾斜角度的傾斜表面的概率在一個(gè)像素中是大約一致的。此外，柱面透鏡3的焦距f等于柱面透鏡3的透鏡表面與像素之間的距離H，且表面凸起41的傾斜角度例如為30°。
在如圖29A和29B中所示的交叉區(qū)中，表面凸起41帶有絕對(duì)值相等的兩種類型(正向和負(fù)向)的傾斜角度。柱狀透鏡3a的排列方向上的表面凸起41的位置相互偏移有表面凸起41的半個(gè)間距上或者偏移半個(gè)周期。即，如圖29A所示的區(qū)域中的表面凸起41的相位相對(duì)于如圖29B所示的區(qū)域中的表面凸起41的相位偏移半個(gè)周期。
由于柱狀透鏡3a在縱向方向上不具有透鏡作用，表面凸起41的光學(xué)效果是合成柱狀透鏡3a在縱向方向上的效果的結(jié)果。因此，在如圖28和圖29A和29B所示的三維圖像顯示設(shè)備中，表面凸起41的光學(xué)效果是如圖29A所示的表面凸起41的效果與如圖29B所示的表面凸起41的效果的互相疊加。結(jié)果，在柱狀透鏡3a的排放方向上的任何位置中，在柱狀透鏡3a的縱向方向上的任何位置中總是存在正向和負(fù)向傾向角度。因此，根據(jù)第六實(shí)施例的三維圖像顯示設(shè)備的光學(xué)特性與在柱狀透鏡3a的排列方向上的所有位置上連續(xù)地設(shè)置相同的傾斜角度的情況中的光學(xué)特性等效。
在圖28中，存在四個(gè)表面凸起或兩組表面凸起，兩組表面凸起均包含兩個(gè)表面凸起且被排列成互相偏移半個(gè)周期。因此，在柱狀透鏡3a的排列方向上的任意位置上存在具有傾斜角度的傾斜表面的概率保持為常數(shù)。這能夠更加可靠地防止由于表面凸起的原因而導(dǎo)致的亮度下降。
優(yōu)選地，表面凸起41的排列和在柱狀透鏡3a的排列方向上的偏移方式使得在柱狀透鏡3a的縱向方向上具有較高的密度。在表面凸起41為圓錐形的情況下，例如，可以在柱狀透鏡3a的排列方向上的直線上排列多個(gè)圓錐體，且在排列方向上互相相鄰的圓錐體之間排列鄰近直線上的圓錐體。這種設(shè)計(jì)方式能夠允許柱狀透鏡3a的縱向方向上的表面凸起41的間距小于柱狀透鏡3a的排列方向上的表面凸起41的間距。因此，放在柱狀透鏡3a的縱向方向上的一個(gè)像素中的表面凸起41的個(gè)數(shù)增加了，使得上述合成效果能夠使反射光更加均勻。因此，可以更加輕松地把第六實(shí)施例中的三維圖像顯示設(shè)備應(yīng)用到具有較小的像素間距的高清晰度顯示面板中。
柱面透鏡3的焦距f可以與柱面透鏡3的透鏡表面和像素之間的距離H不同，且表面凸起41的傾斜角度可以例如為50°或更大。此外，第六實(shí)施例中的三維圖像顯示設(shè)備可以是半透射式圖像顯示設(shè)備，其具有設(shè)置在每個(gè)像素中的反射區(qū)和透射區(qū)。
(第七實(shí)施例)圖30是示出了本發(fā)明的第七實(shí)施例中的三維圖像顯示設(shè)備的透視圖。在第七實(shí)施例中用于三維圖像顯示設(shè)備1的顯示面板200是其像素電極帶有透射區(qū)和反射區(qū)的半透射式顯示面板。具體地說，用于左眼的像素由用于左眼的像素(透射區(qū))511和用于左眼的像素(反射區(qū))512組成，且類似地，用于右眼的像素由用于右眼的像素(透射區(qū))521和用于右眼的像素(反射區(qū))522組成。在這種情況中，在用于左眼的像素(反射區(qū))512和用于右眼的像素(反射區(qū))522中的像素電極是反射板，每個(gè)均由諸如金屬電極等的不透光層形成，且反射板在表面上具有表面凸起，如上所描述。反射板的表面凸起與柱面透鏡3之間的相互關(guān)系與第一至第六實(shí)施例一樣。此外，在用于左眼的像素(透射區(qū))511和用于右眼的像素(透射區(qū))521中的像素電極由ITO(氧化銦錫)所制成的透光電極組成。結(jié)合上述，在顯示面板的下面放置用于透射區(qū)的背光源(未示出)。
在根據(jù)第七實(shí)施例的具有這種結(jié)構(gòu)式排列的三維圖像顯示設(shè)備中，從背光源發(fā)射出的光經(jīng)過透射區(qū)，且諸如室內(nèi)照明光的自然光和/或外部光被反射區(qū)反射，因此透射式顯示和反射式顯示都可以實(shí)現(xiàn)。因而，可以不管周圍環(huán)境中的亮度量級(jí)而獲得清晰的亮度。
在第七實(shí)施例中對(duì)半透射式顯示面板進(jìn)行了描述。本發(fā)明也可以應(yīng)用于半反射式顯示面板、微型反射式顯示面板等之中。
(第八實(shí)施例)下面對(duì)本發(fā)明的第八實(shí)施例進(jìn)行了描述。圖31是示出了第八實(shí)施例中的便攜式終端設(shè)備的透視圖，且圖32是示出了本實(shí)施例中的圖像顯示設(shè)備的運(yùn)行的光學(xué)模型的視圖。如圖31所示，圖像顯示設(shè)備被安裝在作為便攜式終端設(shè)備的蜂窩電話9中。第八實(shí)施例與第一實(shí)施例的不同在于構(gòu)成柱面透鏡3的柱狀透鏡3a的縱向方向11是圖像顯示設(shè)備的橫向方向或者圖像的水平方向，且柱狀透鏡3a的排列方向12是圖像的縱向方向或者垂直方向。雖然圖31為了使示出簡(jiǎn)單而只示出了四個(gè)柱狀透鏡3a，實(shí)際上存在其數(shù)目等于在縱向方向11上排列的像素的個(gè)數(shù)的柱狀透鏡。
如圖32所示，多對(duì)像素在顯示面板2上以矩陣形式排列，每個(gè)均包含用于第一視點(diǎn)的像素53(在下面稱為“第一視點(diǎn)像素53“)和用于第二視點(diǎn)的像素54(在下面稱為“第二視點(diǎn)像素54”)。在單個(gè)像素對(duì)中的第一視點(diǎn)像素53和第二視點(diǎn)像素54的排列方向是柱狀透鏡3a的排列方向或者縱向方向(垂直方向)。第八實(shí)施例除了上述之外的其它結(jié)構(gòu)與第一實(shí)施例一樣。
下面將對(duì)根據(jù)本實(shí)施例的圖像顯示設(shè)備的操作進(jìn)行描述。如圖32所示，光源10發(fā)射進(jìn)入顯示面板2的光。此時(shí)，第一視點(diǎn)像素53顯示用于第一視點(diǎn)的圖像且第二視點(diǎn)像素54顯示用于第二視點(diǎn)的圖像。用于第一視點(diǎn)的圖像和用于第二視點(diǎn)的圖像不是具有視差的三維圖像而是二維圖像。雖然兩個(gè)圖像可以是互相獨(dú)立的圖像，但是它們可以是表示其之間具有相關(guān)的信息的圖像。
諸如自然光或照明光的外部光從前面透射過柱面透鏡3且進(jìn)入液晶顯示面板2。該光被第一視點(diǎn)像素53和第二視點(diǎn)像素54反射且朝向柱面透鏡3行進(jìn)。被第一視點(diǎn)像素53和第二視點(diǎn)像素54反射的光被柱狀透鏡3a折射，并被輸出至區(qū)域E1和E2。此時(shí)，當(dāng)觀察者把雙眼放在區(qū)域E1中時(shí)，觀察者能夠觀察到用于第一視點(diǎn)的圖像，而當(dāng)觀察者把雙眼放在區(qū)域E2中，觀察者能夠觀察到用于第二視點(diǎn)的圖像。
第八實(shí)施例具有這樣的優(yōu)點(diǎn)只通過改變蜂窩電話9的角度，觀察者就能夠把雙眼放到區(qū)域E1或區(qū)域E2中，以選擇性地觀察用于第一視點(diǎn)的圖像或用于第二視點(diǎn)的圖像。如果用于第一視點(diǎn)的圖像和用于第二視點(diǎn)的圖像具有某些相關(guān)性，特別地，只需簡(jiǎn)單地改變觀察的角度就可以把圖像從其中一個(gè)切換至另一個(gè)，以進(jìn)行觀察，從而大大改善其使用性。如果用于第一視點(diǎn)的圖像和用于第二視點(diǎn)的圖像排列在橫向方向上，根據(jù)觀察的位置，右眼和左眼可以看到不同的圖像。在這種情況中，觀察者可能被弄糊涂且不能識(shí)別用于各個(gè)視點(diǎn)的圖像。如果用于多個(gè)視點(diǎn)的圖像排列在縱向方向上，如第八實(shí)施例中所實(shí)現(xiàn)的情況，作為對(duì)比，觀察者利用雙眼總能觀察到用于各個(gè)視點(diǎn)的圖像，因此能夠輕松地識(shí)別各個(gè)圖像。第六實(shí)施例的其它優(yōu)點(diǎn)與第一實(shí)施例的一樣。第八實(shí)施例可以與第二至第七實(shí)施例中的任何一個(gè)結(jié)合。
上面對(duì)第一至第八實(shí)施例的描述針對(duì)安裝在便攜式電話等里面的圖像顯示設(shè)備，且供應(yīng)具有視差的圖像至單個(gè)觀察者的右眼和左眼，以提供三維圖像，或同時(shí)供應(yīng)多種類型的圖像至單個(gè)觀察者。但是，根據(jù)本發(fā)明的圖像顯示設(shè)備并不限定于這種類型，而是可以是帶有大型顯示面板且供應(yīng)多個(gè)不同圖像至多個(gè)觀察者的圖像顯示設(shè)備。
權(quán)利要求
1.一種圖像顯示設(shè)備，包含顯示面板，其具有以矩陣形式設(shè)置的多個(gè)像素部分，每個(gè)像素部分至少包括具有用于顯示針對(duì)第一視點(diǎn)的圖像的像素和帶有用于顯示針對(duì)第二視點(diǎn)的圖像的像素；柱面透鏡，其設(shè)置在顯示面板的前面，所述柱面透鏡由多個(gè)柱狀透鏡構(gòu)成，用于對(duì)從每個(gè)像素中發(fā)射出的光進(jìn)行折射，以在不同方向上輸出光；以及反射板，其設(shè)置在所述顯示面板中或者設(shè)置在所述顯示面板的后面，所述反射板在其表面上具有表面凸起，用于把外部光反射至所述透鏡；其中，在所述表面凸起上的具有傾斜角度的傾斜表面的發(fā)生概率在所述柱狀透鏡的排列方向上的所述像素的每一個(gè)中是相同的。
2.一種圖像顯示設(shè)備，包含顯示面板，其具有以矩陣形式設(shè)置的多個(gè)像素部分，每個(gè)像素部分至少包括具有用于顯示針對(duì)第一視點(diǎn)的圖像的透射區(qū)和反射區(qū)的像素和具有用于顯示針對(duì)第二視點(diǎn)的圖像的透射區(qū)和反射區(qū)的像素；柱面透鏡，其設(shè)置在顯示面板的前面，所述透鏡由多個(gè)柱狀透鏡構(gòu)成，用于對(duì)從每個(gè)像素中發(fā)射出的光進(jìn)行折射，以在不同方向上輸出光；光源，其用光照明所述顯示面板的透射區(qū)；以及反射板，其設(shè)置在所述顯示面板的反射區(qū)中或者放在所述顯示面板的反射區(qū)的后面，所述反射板在其表面上具有表面凸起，用于把外部光反射至所述透鏡；其中，在所述表面凸起上的具有傾斜角度的傾斜表面在所述柱狀透鏡的排列方向上的所述像素的每一個(gè)中的發(fā)生概率是相同的。
3.如權(quán)利要求1或2所述的圖像顯示設(shè)備，其中，形成在所述像素的一個(gè)區(qū)域中的所述表面凸起的相位在所述柱狀透鏡的所述排列方向上相對(duì)于形成在所述像素的另一區(qū)域中的所述表面凸起的相位發(fā)生偏移。
4.如權(quán)利要求3所述的圖像顯示設(shè)備，其中，所述相位的偏移是所述表面凸起的間距的一半。
5.如權(quán)利要求1或2所述的圖像顯示設(shè)備，其中，所述柱狀透鏡的縱向方向上的所述表面凸起的間距小于所述柱狀透鏡的排列方向上的所述表面凸起的間距。
6.如權(quán)利要求1或2所述的圖像顯示設(shè)備，其中，針對(duì)所述第一視點(diǎn)的所述圖像是針對(duì)左眼的圖像，且針對(duì)所述第二視點(diǎn)的所述圖像是其相對(duì)于用于右眼的所述圖像具有視差的針對(duì)右眼的圖像，從而提供了三維圖像。
7.如權(quán)利要求1或2所述的圖像顯示設(shè)備，其中，所述顯示設(shè)備為液晶顯示設(shè)備。
8.一種包括如權(quán)利要求1或2所述的圖像顯示設(shè)備的便攜式終端設(shè)備。
9.如權(quán)利要求8所述的圖像顯示設(shè)備，其中，所述便攜式終端設(shè)備是蜂窩電話、便攜式終端、PDA、游戲機(jī)、數(shù)碼相機(jī)或數(shù)字?jǐn)z像機(jī)。
全文摘要
在顯示面板中，排列了呈矩陣形式的多個(gè)像素部分。每個(gè)像素部分至少包括用于顯示針對(duì)左眼的圖像的像素和用于顯示針對(duì)右眼的圖像的像素。帶有重復(fù)的凸圓表面的柱面透鏡被設(shè)置在顯示面板的前面，以反射從每個(gè)像素中發(fā)射出的水平方向上的光，其中，水平方向是在每個(gè)像素區(qū)中從用于顯示針對(duì)左眼的圖像的像素到用于顯示針對(duì)右眼的圖像的像素的方向。反射板把外部光反射成朝向顯示面板，且在表面上帶有表面凸起。在這種情況中，透鏡的焦距f與反射板的表面和透鏡的頂點(diǎn)之間的距離H不同。
文檔編號(hào)G02B27/22GK1837919SQ200610071759
公開日2006年9月27日 申請(qǐng)日期2004年3月1日 優(yōu)先權(quán)日2003年2月28日
發(fā)明者上原伸一, 高梨伸彰 申請(qǐng)人:日本電氣株式會(huì)社