立体显示设备

摘要

一种立体显示设备，包括：具有显示二维图像的显示屏并被配置成使图像显示的图像光偏光到特定偏光方向的显示面板；和布置成与显示面板的显示屏相对并且具有液晶层的透镜阵列元件，所述液晶层包括具有折射率各向异性并且在不施加电压的情况下沿预定定向方向取向的液晶分子。所述透镜阵列元件被配置成以电气方式改变液晶分子的取向以产生透镜效应，并被配置成有选择地改变从显示面板出射的图像光的通过状态。透镜阵列元件的液晶分子的预定定向方向与图像光的偏光方向相互平行。

权利要求

1.一种立体显示设备，包括：

具有显示二维图像的显示屏并被配置成使图像显示的图像光偏光到特定偏光方向的显示面板；和布置成与显示面板的显示屏相对并且具有液晶层的透镜阵列元件，所述液晶层包括具有折射率各向异性并且在不施加电压的情况下沿预定定向方向取向的液晶分子，所述透镜阵列元件被配置成以电气方式改变液晶分子的取向以产生透镜效应，并被配置成有选择地改变从显示面板出射的图像光的通过状态，其中透镜阵列元件的液晶分子的预定定向方向与图像光的偏光方向相互平行，其中透镜阵列元件包括：布置成彼此相对并且把液晶层夹在中间的第一基板和第二基板；

在接触液晶层的一侧设置在第一基板上并沿第一方向施加以磨擦处理的第一取向膜；

和

在接触液晶层的一侧设置在第二基板上并沿与第一方向反平行的第二方向施加以磨擦处理的第二取向膜，其中液晶分子的预定定向方向由在对第一取向膜和第二取向膜的磨擦处理中的第一方向和第二方向限定，对第一取向膜和第二取向膜的磨擦处理中的第一方向和第二方向平行于图像光的偏光方向，显示面板包括在其光出射侧具有偏光板的液晶显示面板，液晶分子的预定定向方向和偏光板的偏光方向相互平行，其中所述偏光板的偏光方向是显示屏的横向方向或倾斜方向。

2.按照权利要求1所述的立体显示设备，其中

透镜阵列元件被配置成以电气方式在无透镜效应的非透镜模式和有透镜效应的透镜模式之间切换，所述透镜模式允许产生当平行排列多个柱面透镜时获得的透镜效应，其中透镜阵列元件被设定成非透镜模式，以允许从显示面板出射的图像光不被偏转地通过透镜阵列元件，从而实现二维显示，和透镜阵列元件被设定成透镜模式，以允许从显示面板出射的图像光因与多个柱面透镜的效应等同的效应而沿预定方向偏转地通过透镜阵列元件，从而实现允许获得沿预定方向的立体效应的三维显示。

3.一种立体显示设备，包括：

具有显示二维图像的显示屏并被配置成使图像显示的图像光偏光到特定的偏光方向的显示面板；

布置成与显示面板的显示屏相对并且具有液晶层的透镜阵列元件，所述液晶层包括具有折射率各向异性并且在不施加电压的情况下沿预定定向方向取向的液晶分子，所述透镜阵列元件被配置成以电气方式改变液晶分子的取向以产生透镜效应，并被配置成有选择地改变从显示面板出射的图像光的通过状态；和置于显示面板与透镜阵列元件之间、使得图像光的偏光方向平行于液晶分子的预定定向方向的相位板，其中透镜阵列元件包括：

布置成彼此相对并且把液晶层夹在中间的第一基板和第二基板；

在接触液晶层的一侧设置在第一基板上并沿第一方向施加以磨擦处理的第一取向膜；

和

在接触液晶层的一侧设置在第二基板上并沿与第一方向反平行的第二方向施加以磨擦处理的第二取向膜，其中液晶分子的预定定向方向由在对第一取向膜和第二取向膜的磨擦处理中的第一方向和第二方向限定，相位板使图像光产生相位差，所述相位差使得图像光的偏光方向平行于对第一取向膜和第二取向膜的磨擦处理中的第一方向和第二方向，显示面板包括在其光出射侧具有偏光板的液晶显示面板，液晶分子的预定定向方向和偏光板的偏光方向彼此不同，相位板使图像光产生与偏光板的偏光方向和液晶分子的预定定向方向之间的角度差对应的相位差，其中所述预定定向方向为显示屏的纵向方向，所述偏光板的偏光方向为倾斜方向，所述相位差为λ/8。

4.按照权利要求3所述的立体显示设备，其中

透镜阵列元件被配置成以电气方式在无透镜效应的非透镜模式和有透镜效应的透镜模式之间切换，所述透镜模式允许产生当平行排列多个柱面透镜时获得的透镜效应，其中透镜阵列元件被设定成非透镜模式，以允许从显示面板出射的图像光不被偏转地通过透镜阵列元件，从而实现二维显示，和透镜阵列元件被设定成透镜模式，以允许从显示面板出射的图像光因与多个柱面透镜的效应等同的效应而沿预定方向偏转地通过透镜阵列元件，从而实现允许获得沿预定方向的立体效应的三维显示。

5.一种立体显示设备，包括：

具有显示二维图像的显示屏的显示面板；

布置成与显示面板的显示屏相对并且具有液晶层的透镜阵列元件，所述液晶层包括具有折射率各向异性并且在不施加电压的情况下沿预定定向方向取向的液晶分子，所述透镜阵列元件被配置成以电气方式改变液晶分子的取向以产生透镜效应，并被配置成有选择地改变从显示面板出射的图像光的通过状态；和置于透镜阵列元件的光出射侧、并且只允许在和液晶分子的预定定向方向平行的方向上的光分量通过的第三偏光板(72)，其中显示面板包括布置在其光出射侧的偏光板(52)，所述透镜阵列元件的具有透镜效应的偏光方向(63)和从显示面板(2)出射的显示图像光的偏光板(52)的偏光方向(62)彼此不同，其中透镜阵列元件包括：

布置成彼此相对并且把液晶层夹在中间的第一基板和第二基板；

在接触液晶层的一侧设置在第一基板上并沿第一方向施加以磨擦处理的第一取向膜；

和

在接触液晶层的一侧设置在第二基板上并沿与第一方向反平行的第二方向施加以磨擦处理的第二取向膜，其中液晶分子的预定定向方向由在对第一取向膜和第二取向膜的磨擦处理中的第一方向和第二方向限定，第三偏光板(72)只允许在与对第一取向膜和第二取向膜的磨擦处理中的第一方向和第二方向平行的方向上的光分量通过，其中所述预定定向方向为显示屏的纵向方向。

6.按照权利要求5所述的立体显示设备，其中

透镜阵列元件被配置成以电气方式在无透镜效应的非透镜模式和有透镜效应的透镜模式之间切换，所述透镜模式允许产生当平行排列多个柱面透镜时获得的透镜效应，其中透镜阵列元件被设定成非透镜模式，以允许从显示面板出射的图像光不被偏转地通过透镜阵列元件，从而实现二维显示，和透镜阵列元件被设定成透镜模式，以允许从显示面板出射的图像光因与多个柱面透镜的效应等同的效应而沿预定方向偏转地通过透镜阵列元件，从而实现允许获得沿预定方向的立体效应的三维显示。

说明书

立体显示设备

技术领域

[0001] 本发明涉及通过使用利用液晶透镜的可变透镜阵列元件，能够以电气方式在二维显示和三维显示之间切换的立体显示设备。

背景技术

[0002] 已知一种通过分别向观察者的双眼呈现具有视差的视差图像来实现立体视觉的双目立体显示设备或者多目立体显示设备。还有一种实现更自然的立体视觉的空间图像立体显示设备。空间图像立体显示设备把具有不同发射方向的多条光线发射到空间中，从而形成与多个视角对应的空间图像。

[0003] 作为实现这种立体显示设备的一种方式，已知一种组合诸如液晶显示器之类的二维显示设备和用于三维显示的光学设备的立体显示设备。用于三维显示应用的光学设备把从二维显示设备发出的显示图像光偏转到多个视角方向。如图19中所示，其中平行布置多个柱面透镜(柱镜)303的柱面透镜阵列302可被用于所述光学设备。柱面透镜阵列302被布置成与包括二维显示设备的显示面板301的显示屏相对。每个柱面透镜303被布置成相对于显示面板301的显示屏垂直(或者说“沿垂直方向”)延伸，在左右方向(或者说“水平方向”)具有折射力。显示面板301的显示屏包括规则地二维排列的多个显示像素。每个柱面透镜303的背面布置有两个以上的像素。通过利用透镜的折射力使来自相应像素的光线沿不同的水平方向出射，以便满足双目视差，可能产生立体视觉。

[0004] 图19图解说明双目立体显示的例子，其中显示面板301的显示屏中的两个相邻像素行301R和301L被分配给每个柱面透镜303。作为一行像素的像素行301R显示右视差图像，而作为另一行像素的像素行301L显示左视差图像。由像素行301R和301L显示的视差图像分别由相应的柱面透镜303分离和分给离散的左光路402和右光路403。从而，当观察者400在预定位置从预定方向看立体设备时，左视差图像和右视差图像适当地到达观察者400的左眼401L和右眼401R，从而观察者400看到立体图像。

[0005] 类似地，在多目立体显示的例子中，在对应于三个以上的视点的位置从多个方向获得的多个视差图像被平均地分配给柱面透镜303的一个透镜间距(更具体地说，水平方向的柱面透镜303的每个透镜间距)，以便分配给不同的光路，从而被立体地显示。因而，柱面透镜阵列302使三个以上的视差图像从不同但连续的角度范围出射，成像到观察者400的左眼401L和右眼401R上。在本例中，按照观察者400的视点的位置和方向的变化，观察者400识别多个不同的视差图像。当存在更多的与视点的变化对应的视差图像的变化时，可获得更真实的立体效果。

[0006] 上述例子中的柱面透镜阵列302可以是由具有固定形状和固定透镜效应的模制树脂构成。不过，这种情况下，由于固定的透镜效应的缘故，利用柱面透镜阵列302的显示设备只能够用于三维显示。另一方面，利用液晶透镜的切换透镜阵列元件可被用于柱面透镜阵列302。利用液晶透镜的切换透镜阵列元件的使用使得能够以电气方式在有和没有透镜效应之间切换。从而，通过与二维显示设备结合，显示模式能够在二维显示模式和三维显示模式这两种显示模式之间切换。更具体地说，在二维显示模式下，使透镜阵列具有不存在透镜效应的状态(即，不存在任何折射力的状态)，以允许从二维显示设备发出的显示图像光原样通过透镜阵列。在三维显示模式下，使透镜阵列具有产生透镜效应的状态，以把从二维显示设备发出的显示图像光偏转到多个视角方向，从而实现立体视觉。

[0007] 图20A-图22分别图解说明利用液晶透镜的切换透镜阵列元件的结构的例子。如图20A和20B中所示，透镜阵列元件具备第一基板101和第二基板102，以及介于第一基板101和第二基板102之间的液晶层103。第一基板101和第二基板102都可以由诸如玻璃之类的透镜材料构成。第一基板101和第二基板102被布置成彼此相对，其间具有间隙距离“d”。

[0008] 如图21和22中所示，在面对第二基板102的一侧，大体在整个第一基板101上均匀形成第一透明电极111，而在面对第一基板101的一侧，在第二基板102上部分形成第二透明电极112。第一透明电极111和第二透明电极112都由诸如ITO(氧化铟锡)薄膜之类的透明导电薄膜构成。如图22中所示，每个第二透明电极112具有宽度“L”的电极宽度，并沿垂直方向延伸。间隔与透镜间距“p”(更具体地说，当产生透镜效应时的透镜间距p)对应的距离平行布置第二透明电极112。相邻两个第二透明电极112之间的间距对应于具有距离“A”的开口。注意，为了描述第二透明电极112的布置，图22图解说明与图21相比，第一基板101和第二基板102之间的位置关系被颠倒，即，第一基板101在上侧，第二基板102在下侧的状态。

[0009] 在第一透明电极111和液晶层103之间形成取向膜(未示出)。在第二透明电极112和液晶层103之间也形成未示出的取向膜。液晶层103包括具有折射率各向异性的液晶分子104，所述液晶分子104按照由取向膜限定的定向方向均匀分布。

[0010] 在该透镜阵列元件中，如图20A中所示，在施加的电压为0伏的正常状态下，液晶分子104沿由取向膜限定的预定方向均匀地取向。因此，通过透镜阵列元件的光线的波前201呈平面波的形式，从而透镜阵列元件具有不存在透镜效应的状态。另一方面，如图21和
22中所示，由于分离地布置透镜阵列元件中的第二透明电极112，以具有包括距离A的开口，因此当在图21中图解说明的状态下施加预定的驱动电压时，液晶层103内的电场分布发生偏离。更具体地说，产生这样的电场，其中在与形成第二透明电极112的区域对应的部分中，与驱动电压相适应地，电场强度较强，随着朝向距离为A的开口的中心离与形成第二透明电极112的区域对应的部分的距离增大，电场强度减弱。因此，液晶分子104的取向按照电场强度的分布而变化，如图20B中所示。从而，通过透镜阵列元件的光线的波前202被改变，产生透镜效应。

[0011] 未经审查的日本专利申请公布No.2008-9370公开一种液晶透镜，其中与图21和22中图解说明的电极结构中的第二透明电极112对应的部分具有双层结构。在这种液晶透镜中，在第一层和第二层中改变在液晶层的一侧形成的透明电极的排列间隔。于是，更易于优化在液晶层中形成的电场分布的控制。

发明内容

[0012] 对实现图19中图解说明的立体显示来说，当柱面透镜阵列302是用诸如丙烯酸树脂之类的树脂形成的固定透镜阵列时，几乎不存在诸如偏光之类的影响。另一方面，当借助利用液晶透镜的透镜阵列元件构成柱面透镜阵列302时，存在液晶透镜独有的偏光特性。

[0013] 例如，当假定相互平行地从彼此相反的方向，用磨擦处理分别施加在图20A和20B中图解说明的透镜阵列元件中的第一基板101上的取向膜和第二基板102上的第二取向膜，以具有所谓的反向平行方向时，在不施加电压的状态下，液晶层103中的每个棒状液晶分子104沿由磨擦处理限定的预定的定向方向定向，如图23A中所示。在图23A中，图的横向方向对应于由磨擦处理限定的预定定向方向。另一方面，在施加电压的状态下，每个液晶分子104沿由所施加电压产生的电场的方向站立起来，如图23B中所示。

[0014] 在这样的液晶透镜元件中，就沿液晶分子104的长轴方向的偏光分量来说，引起透镜效应。这里，由于即使在施加电压的状态下，在取向膜附近的液晶分子104也大体沿预定的定向方向取向，因此，在取向膜附近，每个液晶分子104的长轴方向在沿预定定向方向的方向上。从而，对沿预定定向方向(在图23B中图解说明的例子中，图中的横向方向)的偏光分量来说，产生透镜效应。另一方面，对于与图垂直的偏光分量(与液晶分子104的长轴正交的偏光分量)来说，不会引起透镜效应，从而，从光源射出的光不受影响地通过液晶透镜元件。因此，当从光源射出并且不具有偏光的光进入上面所述的液晶透镜元件时，从液晶透镜元件出射的光分量包括由透镜效应聚光的分量和原样通过液晶透镜元件的分量的叠加。

[0015] 在诸如液晶显示器之类的二维显示设备中，使其显示图像光沿着特定方向偏光。例如，液晶显示器具有这样的结构，其中液晶面板的本体被两个偏光板这样夹着，以致偏光板的相互的偏光方向形成交叉偏光(crossed nicols)，显示图像光被偏光到由出射侧的偏光板的偏光方向限定的方向上。从而，在通过组合液晶显示器与液晶透镜阵列元件而构成立体显示设备的情况下，由于液晶显示器和液晶透镜阵列元件都具有其偏光特性，因此当不考虑液晶显示器的偏光特性和液晶透镜阵列元件的偏光特性时，不能获得高效的透镜效应。当不能获得高效的透镜效应时，就不能获得有利的三维显示可视性。例如，不能充分分离多个视差，从而立体图像可能看起来模糊或不清晰。不过，在构成立体显示设备时一直未考虑上面说明的液晶透镜阵列元件的偏光特性(即，产生作为液晶透镜的透镜效应的偏光方向)的影响。

[0016] 可取的是提供一种能够获得其中考虑了液晶透镜的偏光特性的高效透镜效应，从而实现具有良好可视性的三维显示的立体显示设备。

[0017] 按照本发明的实施例(1)的立体显示设备包括：具有显示二维图像的显示屏并被配置成使图像显示的图像光偏光到特定的偏光方向的显示面板；和布置成与显示面板的显示屏相对并且具有液晶层的透镜阵列元件，所述液晶层包括具有折射率各向异性并且在不施加电压的情况下沿预定定向方向取向的液晶分子，所述透镜阵列元件被配置成以电气方式改变液晶分子的取向以产生透镜效应，并被配置成有选择地改变从显示面板出射的图像光的通过状态，其中透镜阵列元件的液晶分子的预定定向方向与图像光的偏光方向相互平行。

[0018] 在按照本发明的实施例(1)的立体显示设备中，透镜阵列元件的液晶分子的预定定向方向与图像光的偏光方向变成相互平行。从而，获得其中考虑了液晶透镜的偏光特性的高效透镜效应。

[0019] 按照本发明的实施例(2)的立体显示设备包括：具有显示二维图像的显示屏并被配置成使图像显示的图像光偏光到特定的偏光方向的显示面板；布置成与显示面板的显示屏相对并且具有液晶层的透镜阵列元件，所述液晶层包括具有折射率各向异性，并且在不施加电压的情况下沿预定定向方向取向的液晶分子，所述透镜阵列元件被配置成以电气方式改变液晶分子的取向以产生透镜效应，并被配置成有选择地改变从显示面板出射的图像光的通过状态；和置于显示面板与透镜阵列元件之间、使得图像光的偏光方向平行于液晶分子的预定定向方向的相位板。

[0020] 在按照本发明的实施例(2)的立体显示设备中，图像光被相位板偏光，以致图像光的偏光方向变得平行于透镜阵列元件的液晶分子的预定定向方向。从而，获得其中考虑了液晶透镜的偏光特性的高效透镜效应。

[0021] 按照本发明的实施例(3)的立体显示设备包括：具有显示二维图像的显示屏的显示面板；布置成与显示面板的显示屏相对并且具有液晶层的透镜阵列元件，所述液晶层包括具有折射率各向异性，并且在不施加电压的情况下沿预定定向方向取向的液晶分子，所述透镜阵列元件被配置成以电气方式改变液晶分子的取向以产生透镜效应，并被配置成有选择地改变从显示面板出射的图像光的通过状态；和置于显示面板与透镜阵列元件之间或者置于透镜阵列元件的光出射侧、并且只允许在和液晶分子的预定定向方向平行的方向上的光分量通过的偏光板。

[0022] 在按照本发明的实施例(3)的立体显示设备中，借助所述偏光板，最终只出射在和透镜阵列元件的液晶分子的预定定向方向平行的方向上的光分量。从而，获得其中考虑了液晶透镜的偏光特性的高效透镜效应。

[0023] 按照本发明的实施例(1)的立体显示设备，透镜阵列元件的液晶分子的预定定向方向和图像光的偏光方向相互平行。从而，能够获得其中考虑了液晶透镜的偏光特性的高效透镜效应。于是，能够实现具有良好可视性的三维显示。

[0024] 按照本发明的实施例(2)的立体显示设备，相位板使图像光的偏光方向平行于透镜阵列元件的液晶分子的预定定向方向。从而，能够获得其中考虑了液晶透镜的偏光特性的高效透镜效应。于是，能够实现具有良好可视性的三维显示。

[0025] 按照本发明的实施例(3)的立体显示设备，偏光板导致只有在和透镜阵列元件的液晶分子的预定定向方向平行的方向上的光分量才透过。从而，能够获得其中考虑了液晶透镜的偏光特性的高效透镜效应。于是，能够实现具有良好可视性的三维显示。

[0026] 显然上面的概述和下面的详细说明都是例证性的，用来进一步地解释要求保护的本发明。

附图说明

[0027] 为了进一步理解本发明，提供了附图，附图包含在本说明书中并构成说明书的一部分。附图图解说明本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。

[0028] 图1是图解说明按照本发明的第一实施例的立体显示设备的整体结构的例子的剖视图。

[0029] 图2A图解说明液晶显示面板中的偏光板的第一配置例子。

[0030] 图2B图解说明液晶显示面板中的偏光板的第二配置例子。

[0031] 图3A是图解说明按照本发明的第一实施例的透镜阵列元件的电极部分的结构的例子的透视图。

[0032] 图3B是以光学等效的方式，图解说明按照本发明的第一实施例的透镜阵列元件中的透镜的形状的透视图。

[0033] 图4A图解说明按照本发明的第一实施例的透镜阵列元件中的取向膜的第一配置例子。

[0034] 图4B图解说明按照本发明的第一实施例的透镜阵列元件中的取向膜的第二配置例子。

[0035] 图5A图解说明按照本发明的第一实施例的透镜阵列元件中的液晶分子的初始取向状态。

[0036] 图5B图解说明当施加电压时，液晶分子的取向状态。

[0037] 图6是图解说明按照本发明的第一实施例的立体显示设备的第一结构例子的透视图。

[0038] 图7是图解说明按照本发明的第一实施例的立体显示设备的第二结构例子的透视图。

[0039] 图8是图解说明按照本发明的第一实施例的立体显示设备的第三结构例子的透视图。

[0040] 图9是示意图解说明用于评估显示质量的测量系统的结构的说明图。

[0041] 图10是图解说明按照比较例的立体显示设备的结构的透视图。

[0042] 图11是表示按照本发明的第一实施例的立体显示设备的第一结构例子中的光强度分布的特性图。

[0043] 图12是表示按照本发明的第一实施例的立体显示设备的第二结构例子中的光强度分布的特性图。

[0044] 图13是表示按照本发明的第一实施例的立体显示设备的第三结构例子中的光强度分布的特性图。

[0045] 图14是表示按照比较例的立体显示设备中的光强度分布的特性图。

[0046] 图15是图解说明按照本发明的第二实施例的立体显示设备的结构例子的透视图。

[0047] 图16是表示按照本发明的第二实施例的立体显示设备中的光强度分布的特性图。

[0048] 图17是图解说明按照本发明的第三实施例的立体显示设备的结构例子的透视图。

[0049] 图18是表示按照本发明的第三实施例的立体显示设备中的光强度分布的特性图。

[0050] 图19是图解说明利用柱面透镜的立体显示的原理的说明图。

[0051] 图20A是图解说明在不存在透镜效应的状态下，利用液晶透镜的切换透镜阵列元件的结构例子的剖面图。

[0052] 图20B是图解说明在不产生透镜效应的状态下，利用液晶透镜的切换透镜阵列元件的结构例子的剖面图。

[0053] 图21是图解说明在图20A和20B中图解说明的液晶透镜中的电极部分的结构例子的剖视图。

[0054] 图22是图解说明在图20A和20B中图解说明的液晶透镜中的电极部分的结构例子的透视图。

[0055] 图23A图解说明液晶透镜中的液晶分子的初始取向状态。

[0056] 图23B图解说明当施加电压时，液晶分子的取向状态。

具体实施方式

[0057] 下面，参考附图说明本发明的一些实施例。

[0058] [第一实施例]

[0059] [立体显示设备的整体结构]

[0060] 图1图解说明按照本发明的第一实施例的立体显示设备的结构的一个例子。该立体显示设备配有进行二维图像显示的显示面板2，和布置成面对显示面板2的显示屏2A的透镜阵列元件1。该立体显示设备被配置成能够在包括二维显示模式和三维显示模式的两种显示模式之间切换。如后更详细所述，透镜阵列元件1是利用液晶透镜的可变透镜阵列，能够以电气方式实现透镜效应的ON和OFF控制。透镜阵列元件1按照显示模式控制透镜效应，以便有选择地改变来自显示面板2的光线的通过状态。显示面板2在进行二维显示的情况下，实现基于二维图像数据的画面显示，在进行三维显示的情况下，实现基于三维图像数据的画面显示。这里使用的术语“三维图像数据”可以指的是包括与三维显示中的多个视角方向对应的多个视差图像的数据。例如，当进行双目三维显示时，三维图像数据可以是将对右眼显示的和将对左眼显示的视差图像的数据。

[0061] 在本实施例中，基于与透镜阵列元件1中的每个基板平面，或者与显示面板2的每个基板平面平行的平面中的横向方向(或者说“水平方向”)和纵向方向(或者说“垂直方向”)分别为“X方向”和“Y方向”的定义进行说明。本质上，显示面板2的显示屏2A的横向方向是X方向，显示屏2A的纵向方向是Y方向。

[0062] [显示面板2的结构]

[0063] 显示面板2包括分别具有用于红色的像素(R)、用于绿色的像素(G)和用于蓝色的像素(B)的多个像素，所述多个像素被排列成矩阵模式。对由透镜阵列元件1形成的柱面透镜的间距“P”，配置N个像素(n是等于或大于2的整数)。在三维显示模式下，可呈现与像素的数目N对应的三维显示中的光线的数目(视线的数目)。例如，显示面板2可用液晶显示器构成。当显示面板2用透射液晶显示器构成时，按照图像数据对每个像素调制从背光发出的光，从而实现图像的二维显示。

[0064] 图2A和2B分别图解说明其中用透射液晶显示器构成显示面板2的结构例子。在每个结构例子中，显示面板2都具有其中液晶部分(或者“面板本体50”)被夹在第一偏光板51和第二偏光板52之间的结构。第一偏光板51被布置在背光侧，第二偏光板52被布置在观察者侧(光出射侧)。第一偏光板51和第二偏光板52被布置成以致其相互的偏光方向61和62形成交叉偏光(crossed nicols)。当按交叉偏光布置第一偏光板51和第二偏光板52时，可预期其偏光方向61和62在平行于显示屏2A的平面中倾斜地相互取向的配置，和偏光方向61和62在平行于显示屏2A的平面中分别沿横向方向和纵向方向相互取向的配置。

[0065] 图2A图解说明其中相互的偏光方向61和62倾斜取向的配置的例子。在图2A的结构例子中，第一偏光板51和第二偏光板52被布置成彼此相对，以致第一偏光板51的第一偏光方向61在第一倾斜方向上(即，在成45°角的倾斜方向上；Y＝X方向)，第二偏光板52的第二偏光方向62在第二倾斜方向上(即，在成-45°角的倾斜方向上；Y＝-X方向)。

[0066] 图2B图解说明其中相互的偏光方向61和62分别沿横向方向和纵向方向取向的配置的例子。在图2B的结构例子中，第一偏光板51和第二偏光板52被布置成彼此相对，以致第一偏光板51的第一偏光方向51在横向方向(即，X方向)上，第二偏光板52的第二偏光方向在纵向方向(即，Y方向)上。

[0067] 当用上面说明的液晶显示器构成显示面板2时，显示图像光被偏光到由位于出射侧的第二偏光板52的第二偏光方向62限定的方向。在图2A的结构例子中，出射沿成45°角的倾斜方向偏光的显示图像光。在图2B的结构例子中，出射沿纵向方向偏光的显示图像光。

[0068] [透镜阵列元件1的整体结构]

[0069] 如图1中所示，透镜阵列元件1配有布置成彼此相对、其间具有间隙距离“d”的第一基板10和第二基板20，和布置在第一基板10和第二基板20之间的液晶层3。第一基板10和第二基板20都是由透明材料构成的透明基板，所述透明材料可以是玻璃材料、树脂材料、或者其它适当的材料。在面对第二基板20的一侧，大体在整个第一基板10上均匀形成第一电极11。按照与液晶层3接触的方式，经由第一电极11在第一基板10上形成第一取向膜13。在与第一基板10相对的一侧，在第二基板20上部分形成第二电极21Y。同样按照与液晶层3接触的方式，经由第二电极21Y在第二基板20上形成第二取向膜23。第一电极11和第二电极21Y都由透明导电薄膜构成，所述透明导电薄膜可以是ITO(氧化铟锡)薄膜或其它适当的材料。

[0070] 液晶层3包括液晶分子5(如图5A和5B中所示)。透镜效应由与施加于第一电极11和第二电极21Y的电压相一致的液晶分子5的取向方向的变化控制。液晶分子5具有折射率各向异性，并且具有包括折射率椭球的结构，在所述折射率椭球中，就其纵向方向(或者说“长轴方向”)和垂直于纵向方向的横向方向(或者说“短轴方向”)来说，对通过所述椭球的光线的折射率是不同的。液晶层3被配置成按照施加于第一电极11和第二电极21Y的电压的状态，以电气方式在不存在透镜效应的状态和产生透镜效应的状态之间被切换。透镜效应的产生的基本原理与图20A和20B中图解说明的液晶透镜的原理类似。

[0071] [透镜阵列元件1的电极结构]

[0072] 图3A图解说明透镜阵列元件1的电极部分的平面结构的例子。图3B以光学等效的方式图解说明在图3A中图解说明的电极结构中的透镜的形状。每个第二电极21Y都具有宽度(Lx)，并沿纵向方向延伸。如图3A中所示，间隔与透镜间距“p”(更具体地说，当产生透镜效应时的透镜间距p)对应的距离平行布置第二电极21Y。当将产生透镜效应时，在夹着液晶层3的上电极和下电极(第一电极11和第二电极21Y)之间促使发生能够产生液晶分子5的取向变化的预定电位差。大体完整地形成第一电极11，而部分形成在横向方向上其间具有间隔的第二电极21Y。从而，当对第二电极21Y施加预定驱动电压时，按照与在图20B中图解说明的例子类似的原理，在液晶层3内的电场分布中产生偏离。更具体地说，产生这样的电场，其中在与形成第二透明电极21Y的区域对应的部分中，与驱动电压相适应地，电场强度较强，随着沿横向方向离第二电极21Y的距离的增大，电场强度减弱。换句话说，电场分布改变，以致在横向方向(即，X方向)产生透镜效应。即，如图3A中所示，等同地获得其中平行地配置沿Y方向延伸并且在X方向上具有折射力的多于一个的柱面透镜31Y的透镜状态。

[0073] [透镜阵列元件1中的液晶分子5的取向方向]

[0074] 在基板平面中相互平行地从彼此相反的方向，用磨擦处理分别施加透镜阵列元件1中的第一基板10上的第一取向膜13和第二基板20上的第二取向膜23，以具有所谓的反平行方向。图4A图解说明其中第一取向膜13的第一磨擦处理方向13A和第二取向膜23的第二磨擦处理方向23A沿基板平面中成-45°角的倾斜方向(即，Y＝-X方向)彼此相反的例子。图4B图解说明其中第一磨擦处理方向13A和第二磨擦处理方向23A沿基板平面中的纵向方向(即，Y方向)彼此相反的例子。磨擦处理可以是其中沿一个方向磨擦包括高分子化合物材料的取向膜的方法。高分子化合物材料可以是聚酰亚胺，或者其它适当的材料。

[0075] 如图5A中所示，在透镜阵列元件1中的液晶层3中，多于一个的液晶分子5沿预定的定向方向取向。所述预定的定向方向由第一取向膜13和第二取向膜23中的磨擦处理的方向限定。如图5A中所示，在不施加电压的状态下，每个棒状液晶分子5沿由磨擦处理限定的预定定向方向取向。另一方面，在施加电压的状态下，每个液晶分子5沿由所施加电压产生的电场的方向站立起来，如图5B中所示。在图4A中图解说明的结构中，液晶分子5沿作为预定定向方向的基板平面中成-45°角的倾斜方向取向。在图4B中图解说明的结构中，液晶分子5沿作为预定定向方向的基板平面中的Y方向取向。在透镜阵列元件1中，对沿预定定向方向(在图5B中图解说明的例子中，图中的横向方向)的偏光组件来说，产生透镜效应。

[0076] [显示面板2的偏光方向和透镜阵列元件1的偏光方向之间的关系]

[0077] 如图6-8中所示，按照本实施例的立体显示设备被这样构成，以致透镜阵列元件1的具有透镜效应的偏光方向63和从显示面板2出射的显示图像光的偏光方向相互平行。这里，具有透镜效应的偏光方向是和如上所述的液晶分子5的预定定向方向(即，磨擦处理的方向)相同的方向。从显示面板2出射的显示图像光的偏光方向是由在出射侧的第二偏光板52的第二偏光方向62限定的方向。

[0078] 在图6中图解说明的第一结构例子中，显示面板2的结构与图2A中图解说明的类似，第二偏光板52的第二偏光方向62在成-45°的倾斜方向上。对应于第二偏光方向，透镜元件阵列1的具有透镜效应的偏光方向63也在成-45°的倾斜方向上。

[0079] 在图7中图解说明的第二结构例子中，显示面板2具有其中第一偏光板51和第二偏光板52被布置成彼此相对，以致第一偏光板51的第一偏光方向61在纵向方向(即，Y方向)上，第二偏光板52的第二偏光方向62在横向方向(即，X方向)上的结构。对应于第二偏光方向62，透镜元件阵列1的具有透镜效应的偏光方向63在X方向上。

[0080] 在图8中图解说明的第三结构例子中，显示面板2的结构与图2B中图解说明的类似，第二偏光板52的第二偏光方向62在Y方向上。对应于第二偏光方向62，透镜元件阵列1的具有透镜效应的偏光方向63也在Y方向上。

[0081] 图6-8中图解说明的结构例子是其中使显示面板2的偏光方向和透镜阵列元件1的偏光方向相互匹配的结构的代表性例子。不过，可以设想使这两个偏光方向相互匹配的备选结构，而不脱离附加权利要求的范围。于是，本发明不受附图中图解说明的结构例子限制。

[0082] [立体显示设备的操作]

[0083] 按照本实施例的立体显示设备把透镜阵列元件1从不存在透镜效应的状态切换到产生透镜效应的状态，或者把透镜阵列元件1从产生透镜效应的状态切换到不存在透镜效应的状态，从而以电气方式在二维显示和三维显示之间切换。更具体地说，使透镜阵列元件1具有其中不存在透镜效应的状态，以允许从显示面板2出射的显示图像光透过透镜阵列元件1，而不使显示图像光被偏转，以便实现二维显示。另外，使透镜阵列元件1具有其中产生透镜效应的状态，以使从显示面板2出射的显示图像光沿X方向偏转，以便实现当观察者的双眼位于X方向时，借助其获得立体效应的三维显示。

[0084] 特别地，在按照本实施例的立体显示设备中，从显示面板2出射的显示图像光的偏光方向和具有透镜效应的偏光方向63变成相互平行，如图6-8中所示。从而，获得其中考虑了液晶透镜的偏光特性的高效透镜效应。从而，实现具有良好可视性的三维显示。

[0085] [立体显示设备的显示质量的评估]

[0086] 对于在图6-8中图解说明的每个结构例子，进行按照本实施例的立体显示设备的显示质量的评估。图9示意图解说明用于评估立体显示设备的显示质量的测量系统。如图9中所示，采用其中对于由透镜阵列元件1形成的柱面透镜31Y的透镜宽度，安排显示面板
2的四个像素的结构。显示面板2的每个像素包括三个子像素，红色(R)子像素、绿色(G)子像素和蓝色(B)子像素。在距离具有前述结构的立体显示设备10mm的位置布置能够观察光强度并平行于显示面板2移动的光电二极管80，以形成所述测量系统。在使所述四个像素都只显示绿色的条件下，测量与光电二极管80的移动方向相适应的光强度。

[0087] 为了比较，还对按照图10中图解说明的比较例的结构进行测量。图10中图解说明的比较例是其中透镜阵列元件1的具有透镜效应的偏光方向63与从显示面板2出射的显示图像光的偏光方向彼此不匹配的结构的代表性例子。在图10中图解说明的比较例中，显示面板2的结构与图2A中所示的结构类似，第二偏光板52的第二偏光方向62位于成-45°角的倾斜方向上。使透镜阵列元件1的具有透镜效应的偏光方向63不与第二偏光方向62匹配，偏光方向63位于Y方向上。

[0088] 图11-13分别表示相对于图6-8中图解说明的结构例子的光强度分布的测量结果。图14表示相对于图10中图解说明的比较例的光强度分布的测量结果。在图11-14中，水平轴都表示光电二极管80的光强度检测位置(单位：mm)，而垂直轴表示光强度(任意单位)。要注意的是光强度达到其最大值，或者说达到其峰值的位置有四个。这归因于从图9中图解说明的四个像素出射的相应光分别被柱面透镜31Y成像到不同的位置，具有峰值光强度的四个位置对应于进行立体显示时的视线的位置。

[0089] 从图14中可看出，尽管在按照比较例的结构中在四个位置观察到与视线的数目对应的强度峰值，不过所述四个位置是在其中除强度的峰值分量之外的偏移分量通常与峰值分量重叠的状态下观察到的。由于这种光强度分布，从而在感知立体显示时，观察者认为图像模糊或者不清晰。所述总的偏移分量被认为归因于透镜阵列元件1中不具有透镜效应的偏光组件的影响。

[0090] 相反，从图11-13可看出，对于图6-8中图解说明的结构例子，分别获得彼此相似的测量结果。在每个结构例子中，不但在四个位置观察到与视线的数目对应的强度峰值，而且每个强度峰值的“山”非常陡峭(这意味对比度极佳)，并且相邻峰值分量之间的重叠非常少。这样的光强度分布被认为归因于从显示面板2出射的显示图像光的偏光方向和具有透镜效应的偏光方向63相互平行、从而无透镜效应的偏光分量基本上不造成任何影响的事实。由于这种光强度分布，视差的充分分离是可能的，从而在感知立体显示时，观察者看到极佳的立体图像。

[0091] 如前所述，按照本发明的第一实施例的立体显示设备，透镜阵列元件1中的液晶分子5的预定定向方向和显示图像光的偏光方向被配置成相互平行。从而，能够获得其中考虑了液晶透镜的偏光特性的高效透镜效应。于是，能够实现具有良好可视性的三维显示。

[0092] [第二实施例]

[0093] 现在说明本发明的第二实施例。注意与上面说明的第一实施例相同或相当的元件用相同的附图标记表示，并且不再详细说明。

[0094] 在上面说明的第一实施例中，从显示面板2出射的显示图像光的偏光方向和透镜阵列元件1的具有透镜效应的偏光方向63被配置成相互平行。本实施例提供在显示图像光的偏光方向和具有透镜效应的偏光方向63相互不匹配的情况下的改进。要注意的是，在按照本实施例的立体显示设备中，只有显示面板2的偏光方向与透镜阵列元件1的偏光方向之间的关系不同于上面说明的第一实施例，显示面板2和透镜阵列元件1各自的基本结构与第一实施例类似。

[0095] 如图15中所示，按照本实施例的立体显示设备被构造成以致透镜阵列元件1的具有透镜效应的偏光方向63和从显示面板2出射的显示图像光的偏光方向(即，第二偏光板52的偏光方向62)彼此不同。除此之外，在显示面板2和透镜阵列元件1之间布置波长相位板71。在图15中图解说明的结构中，显示面板2的结构与图2A中图解说明的结构类似，第二偏光板52的第二偏光方向62在成-45°角的倾斜方向上。透镜阵列元件1的具有透镜效应的偏光方向63不与第二偏光方向62匹配，而是在Y方向上。

[0096] 图15中图解说明的结构例子是其中显示面板2的偏光方向与透镜阵列元件1的偏光方向彼此不匹配的一个代表性例子。不过，可以设想其中所述两个偏光方向彼此不匹配的备选结构，而不脱离附加权利要求的范围。于是，本发明不受附图中图解说明的结构例子限制。

[0097] 波长相位板71使从显示面板2出射的显示图像光的偏光方向与透镜阵列元件1的液晶分子5的预定定向方向(即，具有透镜效应的偏光方向63)平行。波长相位板71使显示图像光产生与第二偏光板52的第二偏光方向62和具有透镜效应的偏光方向63之间的角度差对应的相位差。例如，在图15中图解说明的结构例子中，可形成λ/8的相位差。

[0098] 用与上述第一实施例的测量系统(参见图9)类似的测量系统，进行图15中图解说明的立体显示设备的显示质量的评估。图16图解说明其光强度分布的测量结果。从图16中可看出，与按照比较例的结构(参见图10)的测量结果(参见图14)相比，在图15中图解说明的结构例子中，偏移分量通常较少，并且四个峰值分量相互充分分离。另外，每个强度峰值的“山”较陡峭(这意味对比度极佳)，并且相邻峰值分量之间的重叠很少。这种光强度分布被认为归因于由于波长相位板71的效应，使从显示面板2出射的显示图像光的偏光方向与具有透镜效应的偏光方向63平行、从而基本消除由不具有透镜效应的偏光分量造成的影响的事实。由于这种光强度分布，视差的充分分离是可能的，从而在感知立体显示时，观察者看到极佳的立体图像。

[0099] 按照本发明的第二实施例的立体显示设备，借助波长相位板71的效应，能够获得其中考虑了液晶透镜的偏光特性的高效透镜效应。于是，能够实现具有良好可视性的三维显示。

[0100] [第三实施例]

[0101] 现在说明本发明的第三实施例。注意与上面说明的第一实施例相同或相当的元件用相同的附图标记表示，并且不再详细说明。

[0102] 在上面说明的第一实施例中，从显示面板2出射的显示图像光的偏光方向和透镜阵列元件1的具有透镜效应的偏光方向63被配置成相互平行。本实施例提供在显示图像光的偏光方向和具有透镜效应的偏光方向63相互不匹配的情况下的改进。要注意的是，在按照本实施例的立体显示设备中，只有显示面板2的偏光方向与透镜阵列元件1的偏光方向之间的关系不同于上面说明的第一实施例，显示面板2和透镜阵列元件1各自的基本结构与第一实施例类似。

[0103] 如图17中所示，按照本实施例的立体显示设备被构造成以致透镜阵列元件1的具有透镜效应的偏光方向63和从显示面板2出射的显示图像光的偏光方向(即，第二偏光板52的偏光方向62)彼此不同。除此之外，在透镜阵列元件1的光出射侧布置偏光板72。在图17中图解说明的结构中，显示面板2的结构与图2A中图解说明的结构类似，第二偏光板
52的第二偏光方向62在成-45°角的倾斜方向上。透镜阵列元件1的具有透镜效应的偏光方向63不与第二偏光方向62匹配，而是在Y方向上。

[0104] 图17中图解说明的结构例子是其中显示面板2的偏光方向与透镜阵列元件1的偏光方向彼此不匹配的一个代表性例子。不过，可以设想其中所述两个偏光方向彼此不匹配的备选结构，而不脱离附加权利要求的范围。于是，本发明不受附图中图解说明的结构例子限制。另外，偏光板72可以布置在显示面板2和透镜阵列元件1之间，而不是把偏光板72布置在透镜阵列元件1的光出射侧。

[0105] 偏光板72只允许在与透镜阵列元件1的液晶分子5的预定定向方向(即，具有透镜效应的偏光方向63)平行的方向上的光分量透过。偏光板72的偏光方向4与透镜阵列元件1的具有透镜效应的偏光方向63平行。在图17中图解说明的结构例子中，偏光方向63在Y方向上。

[0106] 用与上述第一实施例的测量系统(参见图9)类似的测量系统，进行图17中图解说明的立体显示设备的显示质量的评估。图18图解说明其光强度分布的测量结果。从图18中可看出，与按照比较例的结构(参见图10)的测量结果(参见图14)相比，在图17中图解说明的结构例子中，偏移分量通常较少，并且四个峰值分量相互充分分离。另外，每个强度峰值的“山”较陡峭(这意味对比度极佳)，并且相邻峰值分量之间的重叠很少。这种光强度分布被认为归因于由于偏光板72的效应，使最终从透镜阵列元件1出射的光的分量只具有在具有透镜效应的偏光方向63上的分量、从而基本消除由不具有透镜效应的偏光分量造成的影响的事实。另一方面，最终获得的光分量的强度峰值约为按照比较例的测量结果(参见图14)的强度峰值的一半。从而，尽管获得通常较暗的显示，不过视差的充分分离是可能的，从而在感知立体显示时，观察者看到极佳的立体图像。

[0107] 按照本发明的第三实施例的立体显示设备，借助偏光板72的效应，能够获得其中考虑了液晶透镜的偏光特性的高效透镜效应。于是，能够实现具有良好可视性的三维显示。

[0108] 要注意的是在把除液晶显示器之外的显示器用于显示面板2的情况下，按照本发明的第三实施例的立体显示设备同样有效。例如，在使用无偏光特性的自发光显示器的情况下，立体显示设备同样有效。自发光显示器可以是有机电致发光(EL)显示器、场发射显示器(FED)或者其它适当的自发光显示器。

[0109] [备选实施例]

[0110] 尽管上面参考实施例，举例说明了本发明，不过本发明并不局限于此，而是可以进行不同的修改。例如，在上面说明的每个实施例中，透镜阵列元件1产生具有柱面透镜状构形的透镜效应。不过，透镜阵列元件1可产生具有其它构形的透镜效应。本发明广泛适用于使用其中产生具有偏光特性的透镜效应的透镜阵列元件的任何情况。

[0111] 本申请包含与在2009年3月11日向日本专利局提交的日本优先权专利申请JP2009-058132中公开的主题相关的主题，该专利申请的整个内容在此引为参考。

[0112] 尽管利用例证实施例说明了本发明，不过本发明并不局限于此。应理解本领域的技术人员可对描述的实施例做出各种变化，而不脱离由下述权利要求限定的本发明的范围。权利要求中的限定应根据在权利要求中采用的语言来理解，并不局限于在本说明书中或者在本申请的处理期间描述的例子，例子应被理解成非排他的。例如，在本公开中，术语“最好”、“优选”等是非排他的，意味“最好”，但不限于。术语第一、第二等的使用并不表示任何顺序或重要性，相反术语第一、第二等用于把一个元件与另一个元件区分开。此外，本公开中的任何元件或组件都不打算无偿贡献给公众，不管在下面的权利要求中是否明确地列举出该元件或组件。