空间图像显示装置
阅读：727发布：2020-05-11
专利汇可以提供空间图像显示装置专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且容易实现更高清晰度三维显示。双凸透镜(2)被布置成使得各个柱面透镜(2A)的纵向方向变成平行于二维显示部分(1)的垂直方向(Y)。以平面分割方式在空间中 辐射 与多个视 角 对应的多条光线，并且周期地改变每个柱面透镜(2A)与二维显示部分(1)的每个 像素 之间的相对 位置 关系，以便周期地改变来自每个柱面透镜(2A)的任何像素的显示图像光的辐射方向。关于二维显示部分(1)的每个像素以时分方式显示与三维视频图像的一 帧 对应的图像，并且同步地控制二维显示部分(1)中的时分显示的定时以及改变部件改变相对位置关系的定时。这提供具有与时分方式组合起来的平面分割方式的三维显示，实现更高清晰度三维显示。，下面是空间图像显示装置专利的具体信息内容。
1.一种空间图像显示装置，包括：
二维显示部分，其具有p种颜色的多个像素，p为1或更大的整数，这些像素二维地排列在垂直和水平方向上的栅格中，以便形成平坦的显示表面，同一颜色的像素被排列在垂直方向上，而循环地在水平方向上排列该p种颜色的像素，以便以规则的间隔排列同一颜色的像素；
双凸透镜，其包括并排布置的多个柱面透镜，以便该柱面透镜作为整体构成为薄片形状并被布置成面对该二维显示部分的显示表面，柱面透镜允许来自二维显示部分的每个像素的显示图像光被偏转和辐射到空间；
移位部件，其在平行于显示表面的平面上来回移位双凸透镜和二维显示部分中的一个或者两者，以便周期地改变每个柱面透镜与二维显示部分的每个像素之间的相对位置关系，从而周期地改变通过每个柱面透镜来自一个像素的显示图像光的辐射方向；以及控制部件，其进行允许二维显示部分以时分方式显示与三维视频图像的一帧对应的图像的控制，并进行将二维显示部分中的时分显示定时与用以通过移位部件改变相对位置关系的定时同步的控制，
其中该双凸透镜被布置成使得每个柱面透镜的纵向方向或相互相邻柱面透镜之间的界线的方向平行于在二维显示部分的垂直方向上的轴。
2.根据权利要求1的空间图像显示装置，其中当假设包括在二维显示部分的垂直方向上的 个像素和水平方向上的 个像素的像素组为“三维像素”时，满足关系表达式这里M和m为1或更大的整数，而v是在三维视频显示的一帧周期期间以相
互不同的辐射方向从上述的一个三维像素辐射来的光束的数量，即，v是在三维视频显示的一帧周期期间由上述的一个三维像素形成的视点的数量。
3.根据权利要求2的空间图像显示装置，其中满足关系表达式 这里v0是
同时以相互不同的辐射方向从上述的一个三维像素辐射来的光束的数量。
4.根据权利要求2的空间图像显示装置，其中满足关系表达式‘g＝m’，这里g是在三维视频显示的一帧周期期间要在二维显示部分上时分地显示的图像的总数，其允许光束的数量或视点的数量为v。
5.根据权利要求1或2的空间图像显示装置，其中双凸透镜的每个柱面透镜的水平方向上的间距pr最好具有满足关系表达式 的值，这里px为二维显示部分的水平方向上关于每个颜色的像素间距。
6.根据权利要求1或2的空间图像显示装置，其中
移位部件在平行于二维显示部分的水平方向的方向上来回移动双凸透镜或二维显示部分，
控制部件根据以下关系表达式(1)移位每一个柱面透镜和二维显示部分的每一个像素之间的相对位置xi，
a0＝px/m(1)
这里px为二维显示部分的水平方向上关于每个颜色的像素间距，x0为双凸透镜与二维显示部分之间的相对参考位置，i为0至mp-1，而m为1或更大的整数，以及控制部件进行将二维显示部分的时分显示的定时与根据关系表达式(1)移位相对位置的定时同步的控制。
7.根据权利要求2的空间图像显示装置，其中满足关系 这里tr为
二维视频显示的一帧周期，即，二维帧间隔，t3D为用于显示数量v的光束的三维视频显示的一帧周期，即，三维帧间隔，而q为1或更大的整数。
空间图像显示装置
技术领域
背景技术
[0002] 过去已经知道双透镜立体显示装置，其通过利用针对观看者的双眼的视差呈现图像来实现立体视觉。作为人类的立体感觉官能，已知了双目视差、会聚、生理调节和移动视差四种官能。在双透镜装置中，满足双目视差，但在辨认时其他感觉官能时常有差异或不一致。这样的差异性或不一致性不可能出现在真实世界中，引起人脑紊乱和疲劳。
[0003] 因此，正在开发空间图像系统作为实现更自然的立体视觉的方法。在该空间图像系统中，将具有不同辐射方向的多个光束辐射到空间中，所以形成与多个视角对应的空间图像。该空间图像系统可以满足人类的立体感觉官能之间的双目视差、会聚和移动视差。具体地，如果可以在空间中显示适合极其精细地划分视角的图像，则该方法可以满足包括作为人类聚焦官能的生理调节的所有立体感觉官能，导致自然立体图像的感觉。作为形成空间图像的方法，已知了“时分显示方法”，在其中在与多个视角对应的图像正在以时分方式高速改变时被显示。作为用以实现时分显示方法的措施，例如，已知了使用利用MEMS(MicroElectroMechanical System，微机电系统)技术形成的微偏转镜阵列(micro deflecting mirror array)的系统。在该系统中，通过微偏转镜阵列与图像的改变定时同步地偏转时分图像光。
[0004] 作为另一个空间图像系统，已知这样一种系统：其包括诸如液晶显示器之类的二维显示器件与双凸透镜(参见非专利文档1和2和专利文档1和2)的组合。在该系统中，与多个视角对应的图像被同时装载到二维显示器件的一个显示表面并同时被显示，并且与视角对应的图像以适当方向被偏转并且经由双凸透镜辐射，以便形成与多个视角对应的空间图像。在这样的方法中，不像时分方法，与多个视角对应的图像被划分在一个显示表面中并被同时显示，所以该方法被称为“表面分割方法”。
[0005] 例如，双凸透镜包括并排排列的多个柱面透镜，使得这些透镜各自的圆柱轴(中心轴)大体上相互平行，因此双凸透镜作为整体具有薄片形状。在该表面分割方法中，将构成双凸透镜的柱面透镜布置成使得每个柱面透镜的焦平面对应于二维显示器件的显示表面。在二维显示器件与双凸透镜的最简单的组合方法中，将柱面透镜的圆柱轴设置成与二维显示器件的垂直方向平行。在该方法的情况下，由于二维显示器件的显示表面一般由排列在水平方向和垂直方向上的大量像素构成，因此与一个柱面透镜对应地设置排列在水平方向上的预定数量的像素，以便构成“三维像素”。三维像素是用于显示空间图像的像素单元，并且将包括二维显示器件的预定数量的像素的像素组设置为一个三维像素。由于从每个柱面透镜的圆柱轴到每个像素的水平距离确定从相关像素发出的光在穿过柱面透镜之后的水平前行方向(偏转角)，因此获得与用作三维像素的水平像素的数量相同的数量的水平显示方向。关于这种配置方法，指出了以下问题：当水平显示方向的数量增大时，三维显示器的水平方向上的分辨率显著降低，除此而外，在水平和垂直方向上出现分辨率的不均衡。为了解决这个问题，专利文档1提出了斜向二维显示器件的垂直方向地排列柱面透镜的圆柱轴的方法。
[0006] 图13(A)示出专利文档1中提出的显示方法的实例。在图13(A)中，二维显示器件101具有三种颜色R、G和B的多个像素102。像素102排列成在垂直方向上具有同样颜色，并排列成在水平方向上使得三种颜色R、G和B周期地出现。双凸透镜103具有多个柱面透镜104。双凸透镜103被布置成斜向像素102的垂直排列方向。在该显示方法中，包括在水平方向上M个像素和在垂直方向上N个像素的总共 个像素102构成一个三维像素，因此实现 个水平显示方向。当将双凸透镜103的倾斜角表示为θ并且给定为θ-1＝tan (px/Npy)时，可以将关于柱面透镜104的圆柱轴的水平距离针对三维像素中的所有像素102而设置成不同的值。这里，px示出每个彩色像素102在水平方向上的间距，而py示出每个彩色像素102在垂直方向上的间距。
[0007] 在图13(A)的实例中，假设N＝2和M＝7/2，并且使用七个像素102来构成一个三维像素，因此实现七个水平显示方向。在图13(A)中，被标记到像素102的数字1至7示出这些像素正对应于七个水平显示方向。按照这种方式，已经提出倾斜地使用双凸透镜103，从而一个三维像素不仅可以使用水平方向上的像素102来构成，而且可以使用垂直方向上的像素102来构成，因此抑制了三维显示器的水平方向上的分别率的降低，因而可以提高水平和垂直方向上的分辨率均衡。
[0008] 然而，在如图13(A)所示的显示方法中，对于一个三维像素，仅仅与一个水平显示方向对应地设置一个彩色像素102。因此，不可能在一个三维像素中的一个水平显示方向上同时显示三原色R、G和B。因此，组合三个三维像素来在一个水平显示方向上显示三原色R、G和B。在图13(B)中，示出了对于每一个三维像素在七个水平显示方向之中的第四个水平显示方向上的显示颜色。如图13(B)所示，在倾斜方向上组合并使用三个三维像素，所以在一个水平显示方向上同时显示三原色R、G和B，以便实现全彩色显示。关于该显示方法，指出了以下问题：由于依赖于水平显示方向改变三维像素的显示颜色，因此在三维图像中出现颜色发暗(shading)。而且，该显示方法具有以下问题：由于关于水平显示方向的最大强度依赖于各个彩色像素102的结构改变，因此在视网膜图像上出现在水平方向上强度的不均匀。专利文档2提出了通过设计像素102的排列或双凸透镜103的倾斜角度θ来解决专利文档1所描述的显示方法的所述问题的方法。
[0009] 引用文献表
[0010] 非专利文档
[0011] 非专利文档1
[0012] Yuzo Hirayama，″Flatbed-Type Autostereoscopic Display System″，KOGAKU，35，2006，pp.416-422。
[0013] 非专利文档2
[0014] Y.Takaki， ″ Density Directional Display for Generating Natural Three-dimensional Images″，Proc.IEEE，2006，94，pp.654-663。
[0015] 专利文档
[0016] 专利文档1
[0017] 美国专利第6,064,424号。
[0018] 专利文档2
[0019] 日本待审专利申请公开第2005-309374号。
发明内容
[0020] 然而，过去使用时分方法的空间图像显示装置具有这样的问题：就成本和生产效率来说，大型显示装置难以实现。而且，该显示装置具有另一个问题：例如，当使用微偏转镜阵列时，需要极高的精度来独立控制各个微镜，以便高精度地同步偏转所有微镜，导致难以控制。
[0021] 此外，过去使用表面分割方法的空间图像显示装置特征在于：将三维数据(与很多视角对应的图像)同时装载到二维显示器件的显示表面。将三维数据装载到二维显示器件的受限个像素，所以与二维显示器件所显示的二维图像的最大分辨率相比，必然降低要显示的三维图像(空间图像)的分辨率。另外，当打算增大空间图像的可见区域时，或者当打算与观看者的移动对应地显示更自然和平滑的空间图像时，与二维显示器件的分辨率相比，极其病态地降低了分辨率。为了避免这样的情况，代替将所有三维数据同时装载到二维显示器件，考虑以下方法：就人眼的整合作用(integration effect)来说，二维显示器件上的图像(该图像以相互稍微不同的三维数据装载)在正在高速改变的同时以时分方式显示。这是使用时分方法和表面分割方法的组合的显示方法。然而，还没有开发出实现显示方法的具体方法。
[0022] 在关于二维显示器件的垂直方向倾斜地布置每个柱面透镜的圆柱轴的方法的情况下，与布置圆柱轴平行于垂直方向的情况相比，增大了像素关于柱面透镜的尺寸的外观尺寸。在这情况下，增大了经由柱面透镜从一个像素辐射出的光束的发散角(divergent angle)。当将很多光束辐射到空间来显示空间图像时，每一个光束需要很薄且很小的发散角，以便显示很少被模糊的空间图像。因此，倾斜地布置柱面透镜的方法具有模糊所显示的空间图像的问题。
[0023] 根据上述问题作出本发明，本发明的一个目的是提供一种空间图像显示装置，与过去相比，其可以容易地实现高清晰度的立体显示。
[0024] 本发明的空间图像显示装置包括：二维显示部分，其具有p种颜色的多个像素(p为1或更大的整数)，这些像素二维地排列在垂直和水平方向上的栅格中，以便形成平坦的显示表面，同一颜色的像素被排列在垂直方向上，而循环地在水平方向上排列该p种颜色的像素，从而以规则的间隔排列同一颜色的像素；双凸透镜，其包括并排布置的多个柱面透镜，以便该双凸透镜作为整体构成为薄片形状并被布置成面对该二维显示部分的显示表面，柱面透镜允许来自二维显示部分的每个像素的显示图像光被偏转和辐射到空间；移位部件，其在平行(大体平行)于显示表面的平面上来回移位双凸透镜和二维显示部分中的一个或者两者，以便周期地改变每个柱面透镜与二维显示部分的每个像素之间的相对位置关系，从而周期地改变通过每个柱面透镜来自一个像素的显示图像光的辐射方向；以及控制部件，其进行允许二维显示部分以时分方式显示与三维视频图像的一帧对应的图像的控制，并进行将二维显示部分中的时分显示定时与用以通过移位部件改变相对位置关系的定时同步的控制，其中该双凸透镜被布置成使得每个柱面透镜的纵向方向或相邻柱面透镜之间的界线的方向平行(大体平行)于在二维显示部分的垂直方向上的轴。
[0025] 在本发明的空间图像显示装置中，形成为相互垂直或平行的某些组件不必严格相互垂直或平行，而是可以在满足目标显示质量的范围内大体垂直或平行。例如，在制造误差级上的角度偏移是允许的。在本发明的空间图像显示装置中，“柱面透镜”不必是绝对柱面透镜，可以是大体柱面透镜。例如，透镜的折射力(refracting power)的方向上的截面(section)的形状不必限制成绝对圆形(弓形)形状，可以是非圆形形状。例如，在考虑到透镜像差的情况下，该截面可以具有通过故意将圆形形状变形而形成的非圆形形状。而且，例如，柱面透镜可以是通过向其折射率添加分布(distribution)以具有透镜作用而形成的GRIN(GRaded-INdex)透镜。
[0026] 在本发明的空间图像显示装置中，具有p种颜色的多个像素的二维显示部分与双凸透镜适当组合，以便借助于表面分割来同时将与多个视角对应的多条光束辐射到空间中。具体地，将双凸透镜布置成使得每个柱面透镜的纵向方向或者相邻柱面透镜之间的界线的方向与二维显示部分的垂直方向上的轴平行，所以与倾斜地布置柱面透镜的情况相比，减小了经由柱面透镜从像素辐射的光束的散射角。因此，显示很少被模糊的空间图像。在本发明的空间图像显示装置中，每个柱面透镜与二维显示部分的每个像素之间的相对位置关系周期地改变，所以周期地移位通过每个柱面透镜来自一个像素的显示图像光的辐射方向。另外，对二维显示部分的每个像素时分地显示与三维视频图像的一帧对应的图像，并控制二维显示部分的时分显示的定时和用以通过移位部件改变相对位置的定时以便相互同步。换句话说，本发明的空间图像显示装置为了立体显示而使用表面分割方法与时分方法的组合。因此，实现了与过去相比的高清晰度的立体显示。
[0027] 在本发明的空间图像显示装置中，移位部件优选在平行(大体平行)于二维显示部分的水平方向的方向上来回移动双凸透镜或二维显示部分。控制部件优选以在二维显示部分的水平方向上关于每种颜色的像素间距px以及双凸透镜和二维显示部分之间的相对参考位置x0，根据如下所示的关系表达式(1)移位每个柱面透镜与二维显示部分的每个像素之间的相对位置xi，并优选根据关系表达式(1)进行同步二维显示部分的时分显示的定时与移位相对位置的定时的控制。不必严格满足该关系表达式，可以在满足目标显示质量的范围内大体满足该关系表达式。
[0028]
[0029] 其中i＝0，...，(mp-1)(m是1或更大的整数)，
[0030] a0＝px/m：(1)
[0031] 进行适当的控制以便满足这样的预定关系表达式，所以可以抑制空间图像的亮度强度不均匀和颜色发暗，导致极好的空间图像显示。
[0032] 根据本发明的空间图像显示装置，将双凸透镜布置成使得每个柱面透镜的纵向方向或相邻柱面透镜之间的界线的方向平行于二维显示部分的像素排列的垂直方向上的轴，并且借助于表面分割将与多个视角对应的多条光束辐射到空间中，所以与倾斜地布置每个柱面透镜的情况下相比，可以减小从一个像素辐射的光束的散射角度，因而可以显示很少被模糊的空间图像。此外，根据本发明的空间图像显示装置，周期地改变双凸透镜的每个柱面透镜与二维显示部分的每个像素之间的相对位置关系，以便周期地移位通过每个柱面透镜来自一个像素的显示图像光的辐射方向，所以对二维显示部分的每个像素时分地显示与三维视频图像的一帧对应的图像，因而可以实现使用表面分割方法和时分方法的组合的立体显示。在这种情况下，由于双凸透镜或二维显示部分整体移动并由此实现时分显示，所以例如与以时分方式对微偏转镜阵列的各个微镜独立地进行同步控制的情况下相比，容易进行同步控制。因此，可以实现与过去相比的高清晰度的立体显示。附图说明
[0033] 图1是与从一个三维像素辐射的光束的状态一起示出根据本发明的实施例的空间图像显示装置示意性配置的概览视图。
[0034] 图2是示出当从顶侧看时如图1所示的光束的说明图。
[0035] 图3是示出根据本发明的实施例的空间图像显示装置的一般配置的块图。
[0037] 图5是示出根据本发明的实施例的二维显示部分的像素的配置实例和空间图像显示装置的双凸透镜的布局实例的说明图。
[0038] 图6是以时分方式用被聚焦的红像素示出三维一帧周期中二维显示部分和双凸透镜之间的相对运动的第一操作实例的说明图。
[0039] 图7是详细示出图6的定时T6处的显示状态的说明图。
[0040] 图8是以时分方式用被聚焦的红像素示出三维一帧周期中二维显示部分和双凸透镜之间的相对运动的第二操作实例的说明图。
[0041] 图9是示出二维显示部分和双凸透镜之间的相对移位量以及这样的相对移动的定时的说明图，其中(A)示出第一操作实例，(B)示出第二操作实例，而(C)示出第三操作实例。
[0042] 图10是图解来自一个发射点(像素)的光束的偏转角的鸟瞰图(A)和侧截面图(B)。
[0043] 图11是示出由根据本发明的实施例的空间图像显示装置抑制颜色发暗的说明图。
[0044] 图12是示出由柱面透镜的布局方向上的差异引起的辐射光束的光强的差异的说明图，其中(A)示出每个柱面透镜的圆柱轴位于垂直方向的情况，而(B)示出圆柱轴位于倾斜方向的情况。
[0045] 图13是这样的图，其中(A)是示出包括二维显示器件和双凸透镜的组合的旧立体显示装置的实例的平面图，而(B)是示出显示在特殊显示方向上的像素的状态的说明图。
具体实施方式
[0046] 将在下文参考附图详细描述本发明的优选实施例。
[0047] 图1示出根据本发明的实施例的空间图像显示装置的外观的示意性配置。图1还示出从像素(三维像素11)辐射的光束的状态。图2示出当从顶侧看时光束的状态。图3示出包括根据实施例的空间图像显示装置的电路元件的一般配置。
[0048] 根据实施例的空间图像显示装置具有二维显示器件和双凸透镜2。二维显示器件具有包括诸如液晶显示板之类的显示器件的二维显示部分1。双凸透镜2一般被形成为作为整体的薄片形状，具有并排排列的多个柱面透镜2A，以便这些透镜的圆柱轴大体上相互平行。将双凸透镜2布置成面对二维显示部分1的显示表面1A，以便作为整体的双凸透镜大体上平行于显示表面。另外，将双凸透镜2布置成面对二维显示部分1的显示表面1A，以便每个柱面透镜2A的焦平面对应于显示表面1A。另外，将双凸透镜2布置成每个柱面透镜2A的圆柱轴平行于二维显示部分1的垂直方向(Y方向)。双凸透镜2偏转来自二维显示部分1的显示图像光，并且对于每个像素辐射经偏转的光。
[0049] 在二维显示部分1中，提供p(p为1或更大的整数)种颜色的多个像素10，在大体上相互垂直的垂直(Y)和水平(X)方向中的栅格上二维地排列像素10，因此形成平坦的显示表面1A。此外，在二维显示部分1中，在垂直方向上排列同一颜色的多个像素10，而在水平方向上循环地排列p种颜色的多个像素10，以便以规则的间隔排列同一颜色的像素。对于这样的二维显示部分1，例如，可以使用液晶显示器件。液晶显示器件具有形成在各个像素10中的像素电极被置于一对玻璃基片(未示出)之间的结构。另外，在该对玻璃基片之间提供液晶层等(未示出)。作为选择，作为具有二维显示部分1的二维显示器件，包括等离子体显示器的条纹型显示器(stripe-type display)、有机EL显示器或投影显示器适合。在该实施例中，由于优选将比典型的30或60Hz的更高帧速率用作二维显示部分1上的视频显示的帧速率，所以期望即使在高帧速率时也可以显示图像的显示器。
[0050] 图5更具体地示出了二维显示部分1的像素10的配置实例和双凸透镜2的布局实例。二维显示部分1和双凸透镜2被布置成包括二维显示部分1的单个彩色像素10的垂直阵列的方向(Y方向)平行于双凸透镜2的圆柱轴Y1。
[0051] 在图5的实例中，二维显示部分1的每一个像素10由三种(p＝3)：R(红色)、G(绿色)和B(蓝色)的像素10R、10G和10B构成。在图5中，px表示在二维显示部分1的水平方向(X方向)上关于每种颜色的像素间距，而py表示在其垂直方向(Y方向)上关于每种颜色的像素间距。在该实施例中，“三维像素”是显示空间图像的像素单位，将包括二维显示部分1的预定数量的像素的像素组设置为一个三维像素。更具体地说，将包括在垂直方向上的一个像素和在水平方向上的 像素10的 (M为1或更大的整数)个像素的像素组设置为三维像素。当显示空间图像时，该三维像素近似为构成图像的像素之中的最小者。在该实施例中，同时以相互不同的辐射方向从一个三维像素辐射来的光束的数量v0满足：
[0052]
[0053] 在图5的实例中，在水平方向上设置M＝2。在该实施例中，双凸透镜2的间距优选等于在三维像素11的X方向上的长度。换句话说，在双凸透镜2的每个柱面透镜2A的X方向上的间距pr优选具有满足下式的值：
[0054]
[0055] 该关系表达式不必严格满足，可以在满足目标显示质量的范围内大体上满足。
[0056] 在该实施例中，双凸透镜2具有以确定间隔并排排列的等效柱面透镜2A的配置。而且，在该实施例中，期望将双凸透镜2布置成使得每个柱面透镜2A的焦点基本上对应于二维显示部分1的显示表面1A。然而，在双凸透镜2来回地故意从焦平面移位的同时布置该双凸透镜2。这样的位移量(其细节被省略)很大程度上依赖于例如是否将整体成像方法或多视(multi view)方法用作空间图像显示装置的方法。显示表面1A指的是液晶显示器的、在其上布置了用于液晶的滤色片的表面，或者有机EL显示器或等离子体显示器的发光表面，以及投影显示器的屏幕。
[0057] 虽然在该实施例中描述了作为具有圆柱轴Y1的透镜的柱面透镜2A，但透镜2A不必是绝对柱面透镜，而可以是大体柱面透镜。在该实施例中，柱面透镜2A具有其截面具有含有大体圆形(弓形)形状的弯曲部分的半圆柱形形状。然而，例如，考虑到透镜像差，透镜2A的折射力的方向上的截面可以具有通过故意变形圆形形状而形成的非圆形形状。而且，柱面透镜2A可以例如是通过向其折射率添加分布(distribution)以具有透镜作用而形成的GRIN(GRaded-INdex)透镜。典型的双凸透镜2具有在一边具有平坦表面的半圆柱形形状。然而，当双凸透镜2可以被相邻地布置到显示表面1A时，该一边上的表面可以是具有大体圆形截面的弯曲表面，而不是平坦表面。在这种情况下，例如，在投影显示器的情况下，由于显示表面1A对应于屏幕并且在大多数情况下一般未覆盖该屏幕的表面，所以该双凸透镜2可以被相邻地布置到显示表面1A。在每一种情况下，将双凸透镜2布置成使得每个柱面透镜2A的纵向方向或相邻柱面透镜之间的界线的方向平行于二维显示部分1的垂直方向Y上的轴就足够了。当柱面透镜2A是绝对柱面透镜时，这里描述的“纵向方向”或“界线方向”与柱面透镜2A的圆柱轴(纵向方向上的中心轴)Y1的方向相同。
[0058] 在该实施例中，当图像观观看者看来自空间图像显示装置的空间图像时，观看者期望以连接在观看者的两眼之间的线的方向大体上垂直于二维显示部分1的垂直方向Y的姿势来观看图像。然而，除非观看者正躺着，否者这样的姿势是观看诸如电视机之类的显示器的通常姿势，所以观看者不必采用特别姿势。
[0059] 根据该实施例的空间图像显示装置具有在大体平行于显示表面1A的平面上来回移位双凸透镜2和二维显示部分1中的一个或两者的移位部件，所以周期地改变每个柱面透镜2A与二维显示部分1的每个像素10之间的相对位置关系，进而周期地移位通过每个柱面透镜2A来自一个像素10的显示图像光的辐射方向。另外，空间图像显示装置具有这样的控制部件：其进行使得时分地对二维显示部分1的每个像素10显示对应于三维视频图像的一帧的图像的控制，并且进行将二维显示部分1的时分显示的定时与用以通过移位部件移位相对位置的定时同步的控制。
[0060] 图3示出用于控制的电路元件。如图3所示，空间图像显示装置具有供应基于视频信号的驱动电压到二维显示部分1上的每个像素10的X驱动器(数据驱动器)33、沿着未示出的扫描线以线为顺序驱动二维显示部分1上的每个像素10的Y驱动器(栅极驱动器)34、控制X驱动器33和Y驱动器34的定时控制器(定时发生器)31、处理来自外界的视频信号以产生时分视频信号的视频信号处理器30(信号发生器)以及作为存储来自视频信号处理器30的时分视频信号的帧存储器的视频存储器32。
[0061] 视频信号处理器30基于从外部供应的视频信号产生依赖于针对一个对象的多个视角(偏转角)时分地改变的时分视频信号，并且将该时分视频信号供应给视频存储器32。另外，视频信号处理器30将预定控制信号供应给定时控制器，以便X驱动器33、Y驱动器34和压电元件控制器35与时分视频信号的变化定时同步地工作。例如，如图4所示，可以通过从各种角度(对应于视角)拍摄作为显示对象的成像对象4的图像来预先产生这样的时分视频信号。
[0062] 而且，空间图像显示装置具有与移位部件的具体实例对应的压电元件21。虽然在图3的实例中在双凸透镜2上提供了压电元件21，但可以在二维显示部分1提供压电元件21，因为空间图像显示装置被设计成使得可以相对地移动双凸透镜2和二维显示部分1，以便移位它们之间的相对位置。作为选择，可以在双凸透镜2和二维显示部分1中的每一个上提供压电元件21。
[0063] 而且，空间图像显示装置具有用于控制压电元件21的相对位置移位操作的压电元件控制器35。压电元件控制器35根据定时控制器31的定时控制向压电元件21供应用于相对位置移位操作的控制信号S1。定时控制器31和压电元件控制器35对应于控制部件的具体实例。
[0064] 例如在双凸透镜2的侧面上提供压电元件21，其包括压电材料(诸如锆钛酸铅(PZT)。压电元件21移位双凸透镜2，以便二维显示部分1和双凸透镜2之间的相对位置根据控制信号S1而沿着X-Y平面的X-轴方向上来回移动。以后将描述压电元件21的这种相对位置移位操作的细节。
[0065] 接下来，将描述如上配置的空间图像显示装置的操作。
[0066] 在空间图像显示装置中，如图3所示，基于从视频信号处理器30供应的时分视频信号，来从X驱动器33和Y驱动器34向像素电极供应驱动电压(像素施加电压(application voltage)。具体来说，例如，当二维显示部分1是液晶显示器件时，Y驱动器34将像素栅极脉冲施加到与二维显示部分1的一条水平线对应的TFT元件的栅极，同时X驱动器33施加基于时分视频信号的像素施加电压到与一条垂直线对应的像素电极。因此，通过未示出的液晶层来调制背光，以便从二维显示部分1上的每个像素10发射显示图像光，作为结果，以像素10为单位形成基于时分视频信号的二维显示图像。
[0067] 将从二维显示部分1辐射来的显示图像光由双凸透镜2大体上转换成平行光束然后输出。在这样的操作期间，基于从压电元件控制器35供应的控制信号S1，压电元件21响应时分视频信号的变化，在X-Y平面上移位在二维显示部分1和双凸透镜2之间的相对位置。例如，压电元件21移位该相对位置，使得双凸透镜2沿着X轴方向来回移动。因此，只要时分视频信号改变，就与每个观看者的视角对应地偏移显示部分1和透镜2的相对位置关系。因此，显示图像光包含关于双目视差和会聚的角度的信息，因而依赖于观看者的观看角(视角)而输出适当显示图像光的平行光束，所以依赖于观看者的视角来显示期望的立体视频图像。
[0068] 在空间图像显示装置中，由于关于一个对象来时分地改变与多个视角对应的视频信号(时分视频信号)，所以与之前最小化从二维显示的情况下的图像质量的图像质量降级(分辨率降低)的简单表面分割方法不同，一个二维图像不必包含与多个视角(偏转角)对应的图像。此外，由于可以制造空间图像显示装置而不像以前那样使用MEMS之类的技术，所以该装置可以容易实现。而且，空间图像显示装置一般可以形成为平坦形状，从而导致紧凑(薄)配置。
[0069] 像后面那样，作为该实施例的特征，虽然移位二维显示部分1和双凸透镜2之间的相对位置，但经由双凸透镜2从二维显示部分1投影与这样的移位操作同步的时分图像，以便显示空间图像。
[0070] 图6示出定时作为用于从二维显示部分1投影(显示)时分图像的导引(guide)。关于二维显示部分1和双凸透镜2之间的相对位置设置从二维显示部分1投影图像的定时。由于关于相对位置设置该定时，所以双凸透镜2或者二维显示部分1的显示表面1A事实上可能被移动。在图6的实例中，二维显示部分1的显示表面1A关于固定的双凸透镜2大体上平行于水平(X)方向地移动。在图6的实例中，二维显示部分1的每个像素由三种或三原色(R、G和B)像素10R、10G和10B(p＝3)构成。三维像素11由包括垂直方向上的一个像素和水平方向上的 个像素的总共六个像素的像素组构成。
[0071] 首先，如图6的T1中所示，假设二维显示部分1的位置x0对应于从显示部分1投影图像的定时。根据该实施例，当在关系表达式(A)中 为p的整数倍时，根据如下所示的表达式(1)确定在另一位置上从显示部分1投影图像的定时。该关系表达式不必严格满足，可以在满足目标质量的范围内大体上满足。
[0072]
[0073] 其中
[0074] i＝0，...，(mp-1)(m为1或更大的整数)，
[0075] a0＝px/m：(1)
[0076] 在该实施例中，控制部件大体上关于双凸透镜2和二维显示部分1之间的相对参考位置x0，大致根据关系表达式(1)移位每个柱面透镜2A和二维显示部分1的每个像素10之间的相对位置xi，并且进行将二维显示部分1的时分显示的定时与根据关系表达式(1)移位相对位置的定时同步的控制。
[0077] 图6使用关系表达式(1)作为实例清楚地示出了在其上从二维显示部分1投影图像的、与相对位置x0和其他位置对应的多个定时，即，以表格中方式按照表达式中的i清楚地示出了表达式(1)，其中在每个i处二维显示部分1的位置用被固定为参考的双凸透镜2的位置示出。图6示出在p＝3、m＝2而M＝2的情况下的实例。由于已知m＝2，已知i＝0，1，2，3，4和5，所以作为结果，形成3行2列的表。
[0078] 在图6中，T1，T2，T3，T4，T5和T6分别示出投影图像的定时(时间)。换句话说，以图6中的定时T1，T2，......，T6的顺序扫描双凸透镜2(移位相对位置)。在该实例中，重复循环T1至T6来进行与三维视频显示的一帧周期对应的扫描。图6还包括以这种方式形成的图表：聚焦一个三维像素11的R像素10R，并且在X轴上扫描像素10与双凸透镜2的中心轴Y1之间的距离并用条状线标记对每次扫描绘制该距离，同时存储扫描历史。当对所有情况完成扫描时，给出如图T6所示的图表。图7以放大方式示出了图6的最后定时T6处的状态。
[0079] 像从图7所了解的那样，按照根据该实施例的条件表达式(1)，一个三维像素11的当前被聚焦的像素10(这里是R像素10R)与双凸透镜2的中心轴Y1之间的距离关系如下：在X轴上的宽度xw内以等间隔(Δxw)排列 距离。
[0080] 该描述是基于在X轴上以等间隔安排距离作为关于双凸透镜2的中心轴Y1的距离关系的事实而作出的。在该描述之前，为了帮助理解，基于双凸透镜2到二维显示部分1的显示表面1A上的发射点P1的相对位置与从该发射点P1投影的光束的偏转方向之间的关系而作出该描述。
[0081] 如图10(A)和图10(B)所示，当将发射点P1布置在双凸透镜2的(柱面透镜2A)的焦距位置(有效焦距：f)时，以垂直于双凸透镜2的中心线Y1(柱面透镜2A的圆柱轴)的方向辐射来自发射点P1的光，以使得以偏转角 的方向辐射大体上平行的带状光束。当将双凸透镜2的中心轴投影到在其上存在发射点P1的Y’-X平面(即，二维显示部分1的显示表面1A)上从而形成中心轴的投影线，并且将从发射点P1到投影线Y’的距离表示为xs时，偏转角 的正切大体上由下列表达式(2)来表达：
[0082]
[0083] 表达式(2)揭示了偏转角 的正切与从发射点P1到发射点平面上的中心线Y1的投影线的距离xs成比例。图7清楚地示出该距离xs。在该实施例中，在X和Y方向上以栅格图案排列二维显示部分1的像素10，并将双凸透镜2的中心线Y1布置成平行于栅格的Y轴。如图7所示，将X轴布置在垂直于双凸透镜2的中心轴Y1的(投影线Y’)的方向上，而将原点O布置在双凸透镜2的中心线与xs相交的点上。这揭示了从每个像素10到双凸透镜2的中心线Y1的距离xs对应于在X轴上从每个像素落在X轴上的垂线到原点O的距离。距离xs的值与偏转角 的正切成比例。
[0084] 如从表达式(2)所了解的那样，当以等间隔在X轴上排列距离作为关于双凸透镜2的中心轴Y1的距离关系时，由于偏转角 的正切与xs成比例，所以作为扫描的结果，也以等间隔排列偏转角 的正切。换句话说，当以在该实施例中确定的定时从二维显示部分1投影图像时，以等间隔排列 个光束的偏转角 的正切，所述光束是从形成在一个二维显示部分1上的一个三维像素的特殊种类的像素10(这里是R像素10R)投影而来的。这样的数量对应于在三维视频显示的一帧周期期间从一个三维像素11辐射而来、具有不同辐射方向的光束的数量v，或者对应于在三维视频显示的一帧周期期间由一个三维像素产生的视觉点的数量。
[0085] 图1和2中示出了这样的状态(aspect)。图1和2示出了从空间图像显示装置的一个三维像素11的特殊种类的像素10(例如，R像素10R)辐射而来的光束的样子。假设在离空间图像显示装置确定距离L的地方(在X′-Y″平面上)观看空间图像，并且观看者可以保持不变的距离L地平行于屏幕随便移动(虽然为了描述的方便而假设观看者仅仅可以保持不变的距离L地左右移动，但将可以理解，观看者可以正常前后或左右移动来观看)。假设垂直于双凸透镜2的中心线Y1以及二维显示部分1的显示表面1A的线(Z轴)，该线与显示表面1A相交的点以及该线与沿着观看者移动的线相交的点分别表示为O和O′。在三维像素11的特殊种类的像素10(例如，R像素10R)以根据该实施例的相对位置定时发光的情况下，当假设双凸透镜2停止时，如图2所示，以等间隔在X轴上排列发射点，因此根据表达式(2)以等间隔排列偏转角 的正切。在距离点O有xs的位置处从发射点P1辐射的光束到达由如下所示的表达式(3)所表达的点，该点在与X轴分开距离L的观看者的X′轴上，与点O′分开x′。这里，f是双凸透镜2的(柱面透镜2A)的焦距(有效焦距)。
[0086]
[0087] 如从表达式(3)所了解的那样，以等间隔在排列X轴上的发射点P1的位置，因而当光束到达与X轴分开距离L的观看者的X′轴时，也以等间隔排列到达点的位置。由于从观看者观看到的图像的亮度与进入观看者的眼睛的瞳孔的光束的数量成比例，因此，当光束到达X’轴时也以等间隔排列到达点的位置的事实意味着来自观看者位于的X′轴上的任何位置的光强度是相同的，即不会出现光强度的不均匀。虽然已经以R像素10R作为实例作出了考虑，但对于所有种类的像素10，同样的考虑也是正确的。
[0088] 图9(A)示出用于以时间顺序实现如图6所示的相对位置定时的扫描方法。在图9(A)的实例中，重复以图6的图表中的定时T1，T2，......，T6的次序移位相对位置的操作。在该实例中，重复一次循环T1至T6来进行与三维视频显示的一帧周期对应的扫描。
[0089] 图8示出在二维显示部分1和双凸透镜2之间的相对运动(扫描操作)的第二操作实例。图9(B)示出用于以时间顺序实现如图8所示的相对位置定时的扫描方法。根据该实施例，不特别限制由表达式(1)确定的定时的次序。因此，典型地依赖于扫描系统的特征或便利来确定该时间次序。由于以上表达式示出了二维显示部分1和双凸透镜2之间的相对位置关系，因此可以实际地移动二维显示部分1或双凸透镜2。
[0090] 在图6和图9(A)的操作实例中，进行扫描操作来使得与一帧周期期间的定时T1，T2，......和T6的次序相对应地按照x0，x1，......和x5的次序顺序地移位由表达式(1)表达的相对位置xi。另一方面，在图8和图9(B)的操作实例中，进行操作来使得与一帧周期期间的定时T1，T2，T3，T4，T5和T6的次序相对应地按照x0，x2，x4，x5和x1的次序不规则地移位由表达式(1)表达的相对位置xi。
[0091] 而且，图9(C)示出在二维显示部分1和双凸透镜2之间的相对运动的第三操作实例。在图9(C)的实例中，像在图6和图9(A)的操作实例中那样，进行扫描操作来使得与一帧周期期间的定时T1，T2，......和T6的次序相对应地按照x0，x1，......和x5的次序顺序地移位由表达式(1)表达的相对位置xi。在后续帧周期中，进行扫描操作来使得与一帧周期期间的定时T1，T2，......和T6的次序相对应地按照x5，x4，......和x0的次序顺序地移位由表达式(1)表达的相对位置xi。之后，重复这两种扫描操作。
[0092] 像从图9(A)至图9(C)所了解的那样，当以t3D表示用于由空间图像显示装置显示用预定数量的光束所显示的空间图像的确定时间间隔，即，三维视频显示的一帧周期(三维帧间隔)时，二维显示部分1的二维帧间隔tr(二维视频显示的一帧周期)期望满足如下关系：
[0093] (q为1或更大的整数)
[0094] 在该实施例中，在三维视频显示的一帧周期期间在二维显示部分1上时分地显示以便获得光束的数量 或视觉点的数量v的二维图像的总数g，优选满足以下关系表达式：
[0095] g＝m
[0096] 在此以前，已经描述了：在根据该实施例的空间图像显示装置中，适当地控制用以在双凸透镜2和二维显示部分1之间移位相对位置的定时以及用以以时分方式从二维显示部分1显示图像的定时以使它们相互同步，因此观看者可以观看到光强度很少不均匀的空间图像。
[0097] 接下来，描述根据实施例空间图像显示装置可以抑制颜色发暗。
[0098] 为了利用根据该实施例的一个三维像素11再现所期望的颜色，需要颜色R、G和B的像素10关于每种颜色以预定光量发光，并且所发的光在被混合成彩色的同时到达观看者。混合来自各个彩色像素10的光的颜色的方法包括允许彩色像素10在时间上并行地发光以便于颜色混合的方法，以及允许彩色像素10以预定光量在短时间内串行地发光并且使用人眼的整合效应(integration effect)混合颜色的方法。在主要以混合方式使用并行和串行方法的该实施例中，作为通过利用三维像素11混合来自各个彩色像素10的光来再现所期望的彩色的特别点，当聚焦从一个三维像素11以预定偏转方向辐射来的光束时，在以上描述的三维帧间隔t3D内不必以预定光量在预定偏转方向均等地从像素10的所有种类的R，G和B辐射光束。
[0099] 根据该实施例，当聚焦从一个三维像素11以预定偏转方向辐射来的光束时，在三维帧间隔t3D内以预定光量在预定偏转方向均等地从像素10的所有种类的R，G和B辐射光束，从而抑制了颜色发暗。
[0100] 参考图11描述这一点。图11是基于图8和图9(B)的操作实例形成的。当假设像素10的三种R、G和B时，在具有三维帧间隔t3D的聚焦的偏转角的方向上从像素的所有R、G和B辐射光束就足够了。例如，当聚焦如图11所示的偏转角 时，在构成一个三维帧的扫描的定时T1处从R像素10R辐射该光束，在定时T2处从B像素10B辐射该光束，而在定时T3处从G像素10G辐射该光束。
[0101] 当聚焦另一个偏转角 时，在构成一个三维帧的扫描的定时T4处从G像素10G辐射光束，在定时T5处从B像素10B辐射光束，而在定时T6处从R像素10R辐射光束。
[0102] 如该实例所示，根据该实施例，在三维帧间隔内以预定偏转方向均等地从像素10的所有R、G和B辐射光束。因此，可以抑制颜色发暗。
[0103] 接下来，描述根据实施例的空间图像显示装置可以最小化经由双凸透镜2从每个彩色像素10辐射来的光束的发散角(divergent angle)。
[0104] 首先，作出一般和基本的解释来简化描述。如果像素10是没有面积的点光源，并且像素10没有任何像差地精确布置在凸透镜的焦点上，则经由该透镜从像素10辐射来的光束变成具有零发散角的平行光束。然而，如果像素10具有有限面积，则可以不将发散角设置为零，所以辐射具有有限发散角的光束。出现这情况下的理由如下：当假设具有有限面积的像素10为布置在具有有限尺寸的像素中的无限多个点光源时，即使来自每一个点光源的光束是具有零发散角的平行光，以其从透镜辐射光束的偏转角也依赖于每一个点光源的位置而变化。由于作为整体的像素10是一群这样的点光源，所以可以将经由透镜从像素10辐射来的光束考虑成具有各种偏转角的平行光的集合，因而由于像素10的面积而辐射具有有限发散角的光束。像素10中的点光源的偏转角依赖于点光源和透镜的焦点之间的距离。换句话说，点光源离透镜的焦点越远，偏转角变得越大。因此，当像素面积有限时，像素面积越大，经由透镜从像素10辐射的光束的发散角变得越大。
[0105] 按照以上的一般原理，基于根据该实施例的空间图像显示装置可以最小化经由双凸透镜2从像素10辐射的光束的发散角的事实，使用图12(A)和图12(B)作出该描述。图12(A)和图12(B)的上部图示出二维显示部分1的像素10(三维像素11)的排列和对应的双凸透镜2的布局。图12A的上部图示出在根据该实施例的空间图像显示装置中双凸透镜的布局。图12B的上部图示出在前一实例的配置中的布局，其中双凸透镜2被布置成使得柱面透镜2A的中心轴(圆柱轴)Y1关于二维显示部分1的垂直方向Y倾斜角度θ。在根据该实施例的空间图像显示装置中，双凸透镜2被布置成使得构成双凸透镜2的每个柱面透镜2A的中心轴Y1的方向平行于观看者的脸的中心轴。假设选择了双凸透镜2，在其中每一个三维像素11的水平方向上的长度是固定的，而且来自一个三维像素11的光束的总发散角在如图12(A)和图12(B)的上部图所示的两个布局示例之间是相同的。在这样的情形下，聚焦一个像素或这里的一个R像素10R，并在图12(A)和图12(B)的每一个下部图中示出从R像素10R辐射的光束的光强度的发散角依赖性。
[0106] 根据按照该实施例的空间图像显示装置，从R像素10R辐射的光束的发散角(图12(A)的下部图)小于过去的实例中的发散角(图12(A)的下部图)。换句话说，根据该实施例，可以减小从三维像素11辐射的光束的发散角。根据实施例的空间图像显示装置通过利用大量光束来在空间上显示图像。因此，每一条光束必须发散角很薄很小，以便显示很少被模糊的空间图像。在这一点上，根据该实施例，由于具有小发散角的光束可以容易地被辐射，因此可以显示很少被模糊的空间图像。此外，在根据该实施例的空间图像显示装置，由于双凸透镜2的每个柱面透镜2A的中心线处于关于观看者的垂直方向，因此在关于该装置的垂直方向上观看时加宽了可视范围。即使在垂直方向上观看时，双凸透镜2的布局也通过双凸透镜2的作用防止了所显示的图像在水平方向被偏移。这可以扩展观看者可以识别空间图像的区域。
[0107] 简短地描述过去不能垂直地布置每个柱面透镜2的理由。在根据该实施例的空间图像显示装置中，将双凸透镜2布置成使得每个柱面透镜2A的中心轴Y1的方向平行于观看者的脸的中心轴。这一点意味着中心轴Y1的方向与典型的条纹型二维显示器中排列显示器的同一种像素的方向是相同的。图12(B)的上部图示出了前一类型的柱面透镜的布局，在其中构成双凸透镜2的每个柱面透镜2A的中心轴的方向故意被制造成与排列条纹型二维显示器的同一种像素的方向不同。因此，在垂直方向上混合地看见多个颜色，导致消色差效应。换句话说，在图12(B)的上部图的配置中，以同一偏转角的方向从双凸透镜2混合地辐射各种颜色，导致垂直方向的消色差效应。在根据该实施例的空间图像显示装置中，在同一偏转方向上给出同一颜色，因而在垂直方向的线上看见同一颜色。另一方面，像典型的放大镜一样，双凸透镜2具有可视地扩大像素尺寸的作用。因此，如果空间图像显示装置在这种情况下显示图像，则在线上看见具有不同颜色的垂直条纹线。然而，在该实施例中，高速改变双凸透镜2和二维显示器之间的相对位置关系，从而在时间上混合颜色，所以实际上不出现有色的垂直条纹线。按照这种方式，根据该实施例，双凸透镜2可以被放在过去不能实现的布局中。
[0108] 如这以上所述，根据该实施例的空间图像显示装置，将双凸透镜2A布置成使得每个柱面透镜2A的纵向方向或相邻柱面透镜2A之间的界线的方向平行于二维显示部分1的像素排列的垂直方向上的轴，并借助于表面分割将与多个视角对应的多条光束辐射到空间。因此，虽然从一个像素辐射的光束的发散角与倾斜地布置每个柱面透镜2A的情况相比减小了，但与多个视角对应的多条光束可以借助于表面分割同时辐射到空间，因而可以显示很少被模糊的空间图像。每个柱面透镜2A与二维显示部分1的每个像素10之间的相对位置关系周期地改变，以便周期地移位通过每个柱面透镜2A来自一个像素10的显示图像光的辐射方向。另外，关于二维显示部分1的每个像素10时分地显示与三维视频图像的一帧对应的图像，并且控制二维显示部分1的时分显示的定时以及用以通过移位部件移位相对位置的定时以便它们相互同步。换句话说，根据该实施例的空间图像显示装置，可以实现使用表面分割方法与时分方法的组合的立体显示。此外，由于双凸透镜2或者二维显示部分1整体移动进而实现时分显示，因此与对微偏转镜阵列的各个微镜以时分方式独立地进行同步控制的情况相比，容易进行同步控制。因此，可以容易地实现具有与过去相比高清晰度的立体显示。而且，进行适当的控制来满足预定关系表达式，所以可以抑制亮度强度的不均匀和空间图像的颜色发暗，导致极好的空间图像显示。
[0109] 根据该实施例的空间图像显示装置，虽然二维显示部分1的显示表面1A保持与双凸透镜2平行，但双凸透镜2和二维显示部分1相对精细地左右平移(translate)。因此，可以有利于增大每单位时间从空间图像显示装置辐射的光束的数量，从而对三维地显示的空间图像，与二维显示部分1的显示表面1A上相比，观看者更容易调整其眼睛的焦点。因此，容易解决会聚与焦点调整之间的不一致性，进而可以观看更自然的空间图像。
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