CN101546044A - 立体图像显示装置 - Google Patents

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CN101546044A CN200910130234A CN200910130234A CN101546044A CN 101546044 A CN101546044 A CN 101546044A CN 200910130234 A CN200910130234 A CN 200910130234A CN 200910130234 A CN200910130234 A CN 200910130234A CN 101546044 A CN101546044 A CN 101546044A
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柏木正子
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Abstract

提供一种立体图像显示装置，包括：在显示面内排列了多个像素的平面显示装置(2)；在显示面的前表面上设置、在第一方向上并排排列有多个透镜、且把来自像素的光线在预定角度上分配的透镜阵列(20)；在平面显示装置和透镜阵列之间设置、使来自像素的光线偏振的偏振可变部(10)；以及相对于透镜阵列在与平面显示装置相反的一侧设置的双折射棱镜阵列(30)，该双折射棱镜阵列具有在与第一方向垂直的第二方向上具有棱线且以等于透镜阵列的透镜节距的大致2倍的节距在第一方向上排列的多个双折射棱镜，各双折射棱镜具有棱线方向的折射率不同于与棱线方向垂直的方向的折射率的双折射性。

Description

立体图像显示装置
技术领域
本发明涉及立体图像显示装置。
背景技术
显示多个视差图像的集成摄影法(Integral Photography，以下称IP法)或者用某种方法记录立体像并将其作为立体像再生的光线再生法已经公知。从左右眼看物体时，如果看位于近距离的点时左右眼成的角度为α，看位于远距离的点时左右眼成的角度为β，则α和β因该物体和观察者的位置关系而异。该角度差(α-β)称为两眼视差，人对该两眼视差敏感而能产生立体感。
近年来，正进行无需眼镜的立体图像显示装置的开发。它们中的多数采用通常的二维平面显示装置，通过在该平面显示装置的前表面或背面放置某种光线控制元件，利用前述的两眼视差，可以通过控制来自平面显示装置的光线的角度使得在观察者看来仿佛从距离平面显示装置前后几厘米的物体发出光线一样。这是因为，通过平面显示装置的高精细化，即使把平面显示装置的光线分成几种角度(称为视差)，也能够获得某种程度的高精细的图像。
把这样的在立体图像显示装置中使用了IP法的三维图像显示方法称为II(Integral Imaging，集成成像)方式。在II方式中，从一个透镜射出的光线相当于要素图像群的数目。通常，称为视差数，在各个透镜中，视差光线平行地射出。该II方式根据观测者的位置或观测者的观察角度而看到1视差图像、2视差图像、3视差图像这些不同的图像。因此，观测者利用进入右眼和左眼的视差感觉到立体。作为光线控制元件使用双凸透镜时，与使用狭缝时相比，光的利用效率高，所以具有显示器明亮的优点。另外，透镜阵列与像素之间的间隔是离开透镜的大致焦距程度为好，这样的话能够在一个方向上射出一个像素，能够看到随观察角度不同而不同的视差图像。
在II方式的立体图像显示装置中，如果在离开显示面的位置再现立体，则由于借助于开口部或透镜分配的光线束被扩展，存在分辨率急剧下降的问题(例如，参照非专利文献1)。
在不借助眼镜能够看到立体图像的立体图像显示装置中，由于位于光线控制元件的背面的平面显示装置的图像信息被分配给各个视差图像，所以与位于光线控制元件的背面的平面显示装置相比，分辨率下降。
另一方面，增大视差图像的数目，能够增大可看到正常的立体图像(三维图像)的视野角，或能够增大飞出显示范围或深入显示范围，所以对于提高三维图像的品质是有效的。为了增大这些分辨率、视野角、飞出显示范围和深入显示范围，必须实现在光线控制元件的背面设置的平面显示装置的高分辨率化，但在制造成本上是有极限的。
于是，已知有在光线控制元件的背面设置的平面显示装置上，通过称为时分显示的在时间方向上以现有的两倍速度显示图像，进行高分辨率化的立体图像显示装置。(例如，参照专利文献1、专利文献2)。该专利文献1中记载的显示装置，在液晶屏的前表面上设置被偏振片夹着的两个STN(超扭曲向列)排列单元，把左右眼方向的迟滞差(透射、遮光)进行时分、切换。而专利文献2中记载的显示装置，包括：具有左眼影像信息和右眼影像信息的显示元件；把入射光分离成左眼影像和右眼影像的影像分离部；随着时间的经过而变换入射光的偏振方向的偏振变换开关；以及根据透过偏振变换开关的光的偏振方向而使光透射或折射的一层双折射元件，通过上述双折射元件使被偏振变换开关变换了偏振方向的影像移动(shift)，由此提高分辨率。
<非专利文献1>H.Hoshino，F.Okano，H.Isono和I.Yuyama，“Analysis of resolution limitation of integral photography”，J.Opt.Soc.Am，A15(1998)，第2059-2065页
<专利文献1>日本特开2004-198727号公报
<专利文献2>日本特开2006-189833号公报
发明内容
(发明要解决的问题)
用上述文献中记载的技术进行时分显示时，存在以下的问题。
其一，在专利文献1中记载的显示装置中，如果使用高速地重复光的遮挡和透射的方式，则光的利用效率为50％，所以存在画面暗的问题。
其二，在专利文献2中记载的显示装置中，观测者的眼睛位于视野宽度以内时，通过从整个画面内向观测者方向提供视差图像，使视野范围最大化，得到容易看到的立体图像。此时，在观测者看立体图像时，从观测者观看的观测角度根据立体图像显示装置上的水平方向的位置而变化。因此，在立体图像显示装置中，在画面中央部分可以以平面显示装置的法线方向为中心分配视差图像，在画面端部，以从画面端部向观测者的方向引线时该矢量方向的角度为中心分配视差图像而不是在平面显示装置的法线方向上。因此，在进行时分而分配光线方向时，必须能够正确地计算视差图像的出射角度。这随着立体图像显示装置的大型化，变得特别重要。在不能进行正确的视差方向的控制时，出现产生因位置而存在明暗的波纹的问题。
其三，在显示要素图像的平面显示装置或切换部中使用液晶显示装置时，重要的是液晶的响应速度要快到与时分显示对应的程度。即，现在1秒钟显示60帧的方式是普遍的，所以为了在时间方向上进行二分割显示，必须在1秒钟显示120帧。因此，作为液晶的响应速度，必须在1/120＝8.3ms的时间内完成液晶的响应。但是，如果液晶的响应速度慢，则二分割显示的前面画和后画面相重叠，各显示图像中的视差图像在时间方向上重叠。这样的话，在不是本来的视差方向的方向上显示错误的视差图像，产生模糊和双重影等的立体图像的显示劣化。
本发明正是考虑上述情况而提出的，其目的在于提供即使进行时分显示，也能尽可能地减少视差图像间的串扰，尽可能地抑制亮度减少，且能抑制立体图像的显示劣化的立体图像显示装置。
(用来解决问题的手段)
根据本发明的一个方式的立体图像显示装置，其特征在于包括：在显示面内排列了多个像素的平面显示装置；在上述显示面的前表面上设置、在第一方向上并排排列有多个透镜、且把来自上述像素的光线在预定角度上分配的透镜阵列；在上述平面显示装置和上述透镜阵列之间设置、使来自上述像素的光线偏振的偏振可变部；以及相对于上述透镜阵列在与上述平面显示装置相反的一侧设置的双折射棱镜阵列，该双折射棱镜阵列具有在与上述第一方向垂直的第二方向上具有棱线且以等于上述透镜阵列的透镜节距的大致2倍的节距在上述第一方向上排列的多个双折射棱镜，各双折射棱镜具有棱线方向的折射率不同于与上述棱线方向垂直的方向的折射率的双折射性。
另外，根据本发明的另一个方式的立体图像显示装置，其特征在于包括：在显示面内排列了多个像素的平面显示装置；在上述显示面的前表面上设置、在第一方向上并排排列有多个透镜、且把来自上述像素的光线在预定角度上分配的透镜阵列；相对于上述透镜阵列在与上述平面显示装置相反的一侧设置的双折射棱镜阵列，该双折射棱镜阵列具有在与上述第一方向垂直的第二方向上具有棱线且以等于上述透镜阵列的透镜节距的大致2倍的节距在上述第一方向上排列的多个双折射棱镜，各双折射棱镜具有棱线方向的折射率不同于与上述棱线方向垂直的方向的折射率的双折射性；以及相对于上述双折射棱镜阵列在与上述透镜阵列相反的一侧设置、且使来自上述双折射棱镜阵列的光线偏振的第一偏振可变部。
(发明的效果)
根据本发明，即使进行时分显示，也能尽可能地减少视差图像间的串扰，尽可能地抑制亮度减少，且能抑制立体图像的显示劣化。
附图说明
图1是示出根据本发明的实施方式1的立体图像显示装置的一个状态的水平剖面图。
图2是示出实施方式1的立体图像显示装置的另一个状态的水平剖面图。
图3是说明双折射性物质的折射率在长轴方向和短轴方向上的折射率的表现的图。
图4是说明相邻视差图像的插补位置的图。
图5是说明相邻视差图像的插补位置的图。
图6是示出根据本发明的一个实施方式的双折射棱镜阵列中的光线行进方式的图。
图7是说明集成成像显示器的光线射出的图。
图8是示出观测角度与位置移动量的关系的图。
图9是示出实施方式1中的另一个状态的水平剖面图。
图10是示出实施方式1中的另一个状态的水平剖面图。
图11是示出根据实施方式2的立体图像显示装置的一个状态的水平剖面图。
图12是示出根据实施方式2的立体图像显示装置的另一个状态的水平剖面图。
图13是根据实施方式2的变形例的立体图像显示装置的水平剖面图。
图14是根据实施方式3的立体图像显示装置的水平剖面图。
图15是根据实施方式4的立体图像显示装置的水平剖面图。
图16是根据实施方式5的立体图像显示装置的水平剖面图。
图17是示出在实施方式5中通过计算求得的视差图像的提示位置的图。
图18是根据实施方式6的立体图像显示装置的水平剖面图。
图19是根据实施方式6的比较例的立体图像显示装置的水平剖面图。
图20是根据实施方式7的立体图像显示装置的水平剖面图。
图21是示出实施方式1中的视差图像的一提示例的图。
图22是示出实施方式1的视差图像的另一提示例的图。
图23是说明实施方式8的立体图像显示装置的显示的一例的图。
图24是示出实施方式1的立体图像显示装置中的时序图的图。
图25是说明在偏振可变单元中使用OCB液晶时的一状态的图。
图26是说明在偏振可变单元中使用OCB液晶时的另一状态的图。
图27是说明在偏振可变单元中使用TN液晶时的一状态的图。
图28是说明在偏振可变单元中使用TN液晶时的另一状态的图。
图29是示出离观测者的距离与分辨率的关系的图。
图30是根据实施方式9的立体图像显示装置的水平剖面图。
(附图标记说明)
2、平面显示装置；3、显示部；3a、像素；4a、透明基片；4b、透明基片；5a、垂直偏振元件(偏振片)；5b、垂直偏振元件(偏振片)；10、偏振可变单元；12a、透明基片(下部电极基片)；12b、透明基片(上部电极基片)；14、偏振可变部；20、透镜阵列；30、双折射棱镜阵列；32、透明基片(下部基片)；34、双折射性物质；34a、液晶分子；34b、长轴方向；34c、短轴方向；36、上部基片(棱镜)；36A、棱镜；36A1、下部棱镜；36A2、上部棱镜；36a、沟；37、相位差膜；40、光线；50、电源(交流电压)；100、观测者
具体实施方式
下面参照附图详细地说明本发明的实施方式。
(实施方式1)
参照图1和图2说明根据本发明的实施方式1的立体图像显示装置。图1示出本实施方式的立体图像显示装置的水平剖面。本实施方式的立体图像显示装置包括：平面显示装置2、偏振可变单元(cell)10、作为光线控制元件的透镜阵列20以及双折射棱镜阵列30。
平面显示装置2是例如液晶显示装置，包括：矩阵状地排列有像素3a的显示部3；设置成夹着该显示部3的一对透明基片4a、4b；在与显示部3相反侧的透明基片4a、4b的面上分别设置的垂直偏振元件(偏振片)5a、5b。垂直偏振元件5a和垂直偏振元件5b的光的偏振方向相差90度。液晶显示装置可以是反射型、透射型中的任一种。液晶屏为了控制灰度等级而在最上面配置偏振片，偏振方向已经对齐。另外，偏振方向与在液晶屏的前方配置的透镜阵列20的棱线为相同方向，或者与棱线倾斜90度后的方向一致。由于透镜阵列20的倾斜度由与像素3a的关系决定，所以并不一定与液晶屏的偏振面一致。因此，象本实施方式那样，为了使偏振方向与透镜的棱线的倾斜度一致，在液晶屏的外侧设置对偏振面进行了一定量旋转的垂直偏振元件5a、5b。作为通常公知的方法，通过使λ/2波片的长轴方向与预定方向一致，能够旋转偏振方向。另外，在本实施方式中，虽然作为平面显示装置使用了液晶显示装置，但也可以使用液晶显示装置以外的显示装置，例如有机EL显示装置、等离子体显示装置等。在本实施方式中，作为平面显示装置使用液晶显示装置以外的显示装置时，由于在这些显示装置的显示面上不设置使偏振方向对齐的部件，必须在显示面上放置偏振片，使偏振方向对齐到双折射棱镜阵列30的最大主轴方向上。由于放置偏振片则通常变暗，在使用液晶显示装置以外的显示装置时必须使显示装置的亮度更明亮。
偏振可变单元10包括：一对透明基片12a、12b；以及在这些透明基片12a、12b之间设置的、包含根据经由透明基片12a、12b施加的交流电压改变偏振方向的材料的偏振可变部14，且设置在平面显示装置2和透镜阵列30之间。偏振可变单元10，在不施加交流电压的状态下把入射到偏振可变单元10的光线的偏振方向改变90度射出，而在施加交流电压的状态下不改变入射到偏振可变单元10的光线的偏振方向而原样射出。例如，作为偏振可变单元10的一例，可举出在玻璃或塑料等的透明基片12a、12b之间贮存了能高速驱动的OCB液晶的单元。由于已知OCB液晶的响应速度是8ms，例如在1帧内时间(1/60s＝16.6ms)通过进行电压的ON、OFF，能够使二方向的偏振方向可变。在图1中示出了在偏振可变单元10上不施加电压时入射光的偏振方向(用箭头表示)旋转90度的样子。
透镜阵列20具有平行地排列的多个透镜，通过在焦距处放置与各透镜对应的要素图像，能够向所希望的角度提供视差图像。作为透镜阵列的材料，由于要把偏振方向保持在一个方向上来通过，希望具有各向同性的折射率。
双折射棱镜阵列30包括：在透镜阵列20的前表面上设置的透明的下部基片32；与该下部基片32相接地设置的、在下部基片32侧设置了三角柱状(在图1的剖面图中为三角形状)的沟36a的透明的上部基片36；以及在沟36a中***的双折射性物质34。另外，上部基片36由于在下部基片32侧设置了三角柱状的沟36a而成为棱镜。另外，沟36a的单面相对于下部基片32以角度θprism倾斜。角度θprism在本说明书称为棱镜36的底角。
在本实施方式中，各向同性的透镜阵列20的透镜节距是上部基片36的沟36a的节距的大致两倍，透镜阵列20的各谷部(透镜与透镜的边界)与上部基片30的沟36a的峰部或谷部大致一致。另外，双折射棱镜阵列30与透镜阵列20接近是优选的，所以双折射棱镜阵列30的下部基片32薄是优选的。其理由是，如果下部基片32厚，则在透镜阵列20的边界部分，通过了一个透镜的光线束入射到相邻的具有相反倾斜度的上部基片36时，向与本来的光线弯曲方向相反的方向弯曲，由此产生称为串扰的模糊或双重影，成为显示劣化的原因。
作为双折射性物质最公知的物质是方解石，液晶也具有双折射性。液晶分子呈细长形，在被称为其分子长度方向的指向矢(director)的分子方向上产生折射率的各向异性。例如，向列型液晶的分子大多为细长分子，其长轴方向对齐而取向，但分子的位置关系是随机的。即使分子的取向方向对齐，由于使用的氛围不是绝对零度，所以不是完全平行，有一定程度的摇摆(用有序性参数S表示)。但是，如果从局部区域看则可以说基本上朝着一个方向。于是，考虑从宏观上看充分小但与液晶分子的大小相比又充分大的区域时，其中的平均的分子取向方向用单位矢量表示，将其称为指向矢或取向矢量。指向矢与基片基本平行的取向称为均质取向。液晶最大的特征之一是光学上的各向异性。尤其是，由于与晶体等的其它各向异性媒质相比分子排列的自由度高，所以作为双折射性评价基准的长轴和短轴的折射率差大。
双折射性物质34的长轴方向朝着透镜阵列20的棱线方向即三角柱状的沟36a的棱线方向对齐。例如，作为双折射性物质使用了液晶时，通过在下部基片32和上部基片36的与液晶接触的面上涂敷取向膜，在各沟36a的棱线方向上进行取向处理，能够使液晶分子群在一定方向上排列。作为一例，可举出摩擦(rubbing)，在夹着液晶的透明基片的表面上贴附取向膜，在一定方向上对其进行“擦拭”处理。
下面，说明本实施方式的立体图像显示装置中的时分驱动的原理。图1中，观测者从相对于双折射棱镜阵列30位于与透镜阵列20相反一侧的区域观测立体图像，背光源(未图示)从相对于平面显示装置2位于与偏振可变单元10相反的一侧照射。图2示出在图1所示的状态中，通过向偏振可变单元10施加交流电压，使从背光源侧入射到双折射棱镜阵列30的光线40的偏振方向旋转了90度的状态。通过偏振方向的切换使从双折射棱镜阵列30射出的光线40的方向移动微小角度Δθ。于是，通过在时间方向上高速地交互切换图1所示的状态和图2所示的状态，能够在时间方向上显示多个视差图像。即，图1示出1帧的前半帧的状态，图2示出1帧的后半帧的状态。另外，图1的虚线所示的光线表示图2所示状态的光线。
如果设双折射性物质34的长轴方向的折射率为ne，短轴方向的折射率为no，则具有偏振面的光线在双折射性物质34内行进时，若光线的偏振方向与长轴方向吻合则表现出长轴方向的折射率ne，与短轴方向吻合则表现出短轴方向的折射率no。本实施方式中，考虑如图3所示，液晶34a的长轴被取向到上部基片36的三角柱状的沟36a的棱线方向上的情形。光线在沟36a的棱线方向上具有偏振面时表现出双折射性物质34的长轴方向的折射率ne，光线在与沟36a的棱线方向垂直的方向上具有偏振面时表现出短轴方向的折射率no。因此，在图1所示的状态即在偏振可变单元10上不施加交流电压的状态下，由于通过了偏振可变单元10的光线在沟36a的棱线方向上偏振，所以表现出双折射性物质34的长轴方向的折射率ne。另外，在图2所示的状态即在偏振可变单元10上施加交流电压的状态下，由于通过了偏振可变单元10的光线在与沟36a的棱线方向垂直的方向上偏振，所以表现出双折射性物质34的短轴方向的折射率no。另外，在图3中，省略了双折射棱镜阵列30的下部基片32。另外，图3中，附图标记35a表示双折射性物质(图3中是液晶)中的折射率成为最大的长轴方向，而附图标记35b表示双折射性物质中的折射率成为最小的短轴方向。
下面，对上部基片(棱镜)36的折射率n比双折射性物质34的长轴方向的折射率ne小时，视差光线向棱镜36的峰侧方向移动的情况进行说明。
考虑如图1所示，棱镜36的下表面(双折射性物质34侧的面)相对于下部基片32的倾角为向右上斜的情况(图1所示的棱镜36的左半部分的情形)。棱镜36的折射率n比双折射性物质34的折射率ne小时，在棱镜36中光线40的方向朝棱镜36的厚度变薄的方向移动。因此，视差光线的方向在图1中朝右方向即双折射棱镜阵列30的顶点方向变化。然后，考虑棱镜36的下表面相对于下部基片32的倾角为向右下斜的情况(图1所示的棱镜36的右半部分的情形)。此时也同样地，在棱镜36中光线40的方向朝棱镜36的厚度变薄的方向移动。因此，视差光线的方向在图1中朝左方向即双折射棱镜阵列30的顶点方向变化。
即，在n<ne的条件下，如图1所示，视差光线朝棱镜的顶点方向移动。因此，由于在下表面向右上斜的棱镜的第1部分和向右下斜的棱镜的第2部分中，移动位置朝着相反方向，所以作为与这些第1和第2部分对应的要素图像，不能使用同一视差图像。
下面，说明对平面显示装置的像素提示的视差图像。若从观测者的位置看视差图像的提示位置，从左边起是#1视差图像、#2视差图像、#3视差图像、#4视差图像、#5视差图像，则双折射棱镜阵列30中没有折射率的差时视差图像的提示位置是#2视差图像、#4视差图像，则在与棱镜36的角度向右上斜的第1部分对应的像素区域中，因视差图像的提示位置向右方向移动所以能够提示#3视差图像和#5视差图像，而在与棱镜36的角度向右下斜的第2部分对应的像素区域中，因视差图像的提示位置向左方向移动所以能够提示#1视差图像和#3视差图像。
另外，也可以使棱镜36的下表面成为全都向右上斜的锯齿形状。但是，在显示立体图像时，不仅透镜阵列20的光轴方向即显示装置的正面方向而且倾斜方向的轴外的光线也作为视差图像使用。而在倾斜方向的光线通过边界部分时，因入射方向浅而发生反射，折射方向也与本来的棱镜的角度完全不同，从而成为异常光线方向。因此，通过使棱镜36的节距为透镜阵列20的节距的约2倍，成为平缓的峰形状态的棱镜，即使在通过了相邻的向右下斜或右上斜的棱镜而不是本来的向右上斜或右下斜的棱镜36的位置时，也能够把视差光线的误差抑制到最小限度。
向偏振可变单元10施加交流电压50时视差光线40的方向成为图2所示那样。在偏振可变单元10中，入射的光线的偏振方向维持不变。通过了透镜阵列20的视差光线在双折射棱镜阵列30内具有与纸面平行方向的偏振方向。考虑如图3所示，液晶34a的长轴取向到棱镜36的棱线方向的情形。由于在光线具有与透镜的棱线方向成90度的偏振面时，表现出短轴方向的折射率no，在图2中成为折射率no。棱镜36的折射率n与折射率no一致时，光线以与向棱镜36入射的入射方向相同的方向行进。
参照图4说明时分驱动时光线的射出方向的最佳值。在图4中示出包含双折射棱镜阵列30、透镜阵列20、偏振可变单元10和平面显示装置2的立体图像显示装置，以及位于观看距离的观测者100。
首先，求出双折射棱镜阵列30的折射率的选择范围和棱镜36的底角θprism的最佳值。
设在不放置双折射棱镜阵列30时，是视野角2θ、视差数N的立体图像显示装置。另外，设双折射棱镜阵列30的双折射性物质34的高的折射率为ne，低的折射率为no，棱镜30的底角为θprism。如果作为双折射性物质34使用廉价且容易制造的液晶，则由于长轴方向的折射率ne和短轴方向的折射率no的值是大致恒定的值，自由度最高的就是底角θprism了。另外，设双折射棱镜阵列30的上部基片(棱镜)36的折射率为n。
作为相邻视差图像的插补位置，在本实施方式中考虑图4、图5所示的两种。
图4、图5是从上面看本实施方式的立体图像显示装置得到的图。
首先，使棱镜36的折射率n与双折射棱镜阵列30的双折射性物质34的两个折射率ne、no中的一个相等。通过这样做，在利用偏振可变单元10使光线在第一方向上偏振时，视差光线不被折射，而在与第一方向相差90度的第二方向上偏振时，视差光线移动相邻视差光线间距离的1/2。即，n＝no或n＝ne时，光线不被棱镜36折射。由于材料的制约，n＝no或n＝ne的条件是不现实的。于是，本发明人进行了刻苦研究，结果发现只要在下述式(1)或式(2)所示的范围内，就能得到同样的效果。|A|表示A的绝对值。
no<ne时，
|n-no|<0.1×(ne-no)     (1)
或
|n-ne|<0.1×(ne-no)     (2)。
式(1)和式(2)的条件分别对应于图1和图2所示的状态。图4中，实线表示的光线42是双折射棱镜阵列30的棱镜36的折射率n比双折射性物质34的折射率ne小时的视差光线，而虚线表示的光线44是棱镜36的折射率n与双折射性物质34的折射率ne相同时的视差光线。该光线44相当于在本实施方式中向偏振可变单元10施加交流电压的情形即图2所示的状态，光线42相当于在本实施方式中不向偏振可变单元10施加交流电压的情形即图1所示的状态。视差光线44是不设置双折射棱镜阵列30时的光线。
如图4所示，如果把不设置双折射棱镜阵列30时的观看距离L(从观测者100的位置到透镜阵列20的前表面的距离)中的相邻视差光线的中心间距离用Wmoto表示，把不向偏振可变单元10施加交流电压时的光线方向与利用棱镜改变了射出角度时的光线方向在观看距离上的移动量用Wshift表示，则希望下式成立。
Wshift＝Wmoto/2           (3)。
然后，参照图6进行式(1)的条件中的棱镜36的最佳底角θprism的导出。在本说明书中，Asin表示反正弦函数即arcsin。在图6中，光线40表示在双折射棱镜阵列30中被折射的光线，光线47表示不设置双折射棱镜阵列30时的光线。θκ表示向双折射性物质34入射的光线40的入射角，θκ′表示被双折射性物质34折射的光线40的折射角。这样的话，入射到双折射性物质34与棱镜36的界面的光线40的入射角为θκ′+θprism。此时，被棱镜36折射的光线40的折射角为θa。棱镜36与空气22的界面上的光线40的入射角为θa-θprism，此时的折射角为θshift。另外，如后面的图15所示，入射角θκ与观测者100的观测角相等。从图6可看出，
sinθκ＝sinθκ’×no
θκ’＝Asin(sinθκ/no)
sin(θκ’+θprism)×no＝sinθa×n。
因此，
θa＝Asin(sin(θκ·+θprism)×no/n)
＝Asin(sin(Asin(sinθκ/no)+θprism)×no/n)
而且，由于从图6可知，sin(θa-θprism)×n＝sinθshift，所以利用偏振可变单元10使入射到双折射性物质34的光线在双折射性物质的短轴方向上偏振时棱镜36与空气的界面处的折射角θshift(no)为：
θshift(no)＝Asin(sin(θa-θprism)×n)
＝Asin(sin(Asin(sin(Asin(sinθκ/no)+θprism)×no/n)-θprism)×n)
＝Asin(sin(Asin(sin(Asin(sinθκ/no)+θprism)×no/n)-θprism)×n)(3)。
另外，利用偏振可变单元10使入射到双折射性物质34的光线在双折射性物质的长轴方向上偏振时棱镜36与空气的界面处的折射角θshift(ne)为：
θshift(ne)
＝Asin(sin(Asin(sin(Asin(sinθκ/ne)+θprism)×ne/n)-θprism)×n)   (4)。
上述式(4)是图6所示的棱镜36的下表面向右上斜时的式子。在下表面向右下斜时，把底角θprism作为负值计算即可。另外，关于入射角θκ也是，以相对于双折射性物质34的下表面的向下方向的垂线进行右旋为正，左旋为负，通过统一正负，式(4)能对应所有情形。
另外，图7示出本实施方式的立体图像显示装置的平面图。图7中省略了偏振可变单元10和双折射棱镜阵列30。设本实施方式的立体图像显示装置的视差数为N，视野角为2θ，子像素节距为sp。从图7可知，透镜阵列20与平面显示装置2的像素之间的间隙g用下式表示。
tanθ＝N×sp/g                 (5)。
因此，观看距离L处的视野宽度W为：
W＝L×tanθ。
如果其中对N视差的图像进行分配，则一个视差图像的中心间距离Wmoto、Wshift如下表示：
Wmoto＝L×tanθ/N              (6a)
Wshift＝L×tanθshift(ne)      (6b)。
另外，由于图4所示的Wmoto和Wshift希望满足(3)的关系，把式(3)变形，则得到
Wshift＝0.5×Wmoto
对上式的两边都除以Wmoto，则得到
Wshift/Wmoto＝0.5。
把式(6a)、(6b)代入上述，则得到
L×tanθ/(N)/(L×tanθshift(ne))＝0.5
tanθ/(N)/tanθshift(ne)＝0.5
tanθshift(ne)＝tanθ/(N)/0.5   (7)。
只要选择θprism以满足
θshift(ne)＝Asin(sin(Asin(sin(Asin(sinθκ/ne)+θprism)×ne/n)-θprism)×n)
即可。但是，实际中，如果增大观测角θκ，则根据斯涅耳定律，提示位置的移动量增大。因此，在观测角θκ以内，如果使提示位置落在设置双折射棱镜阵列30前的视差图像间的允许范围内，就能减少观测角内的显示劣化。
对式(7)设置下述的允许极限。在从某一视点位置观察立体图像显示装置时，如果Wshift/Wmoto从0.5偏离，即，如果Wshift的值小，则在未移动时看到的角度方向的亮度上再重叠移动了时的角度方向的亮度，所以看到亮度增大。这会导致看到在某一视点位置上在立体图像显示装置的每个区域中亮度不同，产生波纹。作为允许极限的基准，若设置不会产生波纹的程度的允许极限，则是下式的范围：
0.4<Wshift/Wmoto<0.6。
因此，如果把式(7)变形，则得到
0.4<tanθ/(N)/tanθshift(ne)<0.6          (8)。
即，以满足式(1)、式(8)的方式确定ne、no、n、θprism。图21示出此时每个帧的视差图像的提示例。
图8示出在本实施方式中，设视差数N为9，视野角的一半θ为45度时的根据观测角θκ的提示位置移动量。图8中，左右的斜线部分是不满足式(8)的范围。如从图8看出的那样，观测角θκ为从-32度到22度时，能够提示波纹造成的显示劣化少的视差图像。
下面，进行式(2)所示的条件即|n-ne|<0.1×(ne-no)下的棱镜36的最佳底角θprism的导出。
no<n时，若以向双折射棱镜阵列的顶点侧的方向移动的方向为正，则从式(4)得出
θshift(no)＝
＝Asin(sin(Asin(sin(Asin(sinθκ/no)+θprism)×no/n)-θprism)×n)   (9)
为负值。于是，为了使折射率no导致的移动量为相邻视差图像间的约一半，只要满足下式就可以。
-0.6≦tanθ/(N)/tanθshift(no)≦-0.4     (10)
以满足式(2)、式(10)的方式确定ne、no、n、θprism。图22示出此时每个帧的视差图像的提示例。
下面，说明本实施方式中移动视差图像的情形。
首先，利用双折射棱镜阵列30移动现有的视差图像间的1/4、-1/4。为此，关于双折射棱镜阵列30的ne、no，使一个折射率比棱镜36的各向同性的折射率n大，而另一个折射率比n小。由此，移动方向成为相反的方向。
图9示出棱镜36的折射率为ne的情形。图9中是，双折射性物质34的长轴对齐到与棱镜的棱线相同的方向上，且利用偏振可变单元10把偏振面对齐到棱镜36的棱线方向上的情形。从图9看出，与不设置双折射棱镜阵列30时相比，向棱镜的顶角方向移动。移动前的光线用虚线表示，移动后的光线用实线表示。另外，图9中，省略了双折射棱镜阵列30的图1所示的下部基片32而展示。
图10示出棱镜36的折射率为no的情形。图10中是，双折射性物质34的长轴对齐到与棱镜36的棱线相同的方向上，且利用偏振可变单元10把偏振面对齐到从棱镜36的棱线方向旋转90度得到的方向上的情形。从图10看出，与不设置双折射棱镜阵列时相比，向棱镜36的顶角方向的相反侧方向移动。移动前的光线用虚线表示，移动后的光线用实线表示。另外，图10中，省略了双折射棱镜阵列30的图2所示的下部基片32而展示。
关于移动量，由于想在棱镜36的下表面的角度为向右上斜时和向右下斜时，在本来的视差图像的中心位置即同一位置进行提示，所以希望各移动量是本来的视差图像间距离的1/4。为此，优选地，各折射率差即ne-n、n-no大致相等。这与如式(11)所示，棱镜36的折射率n为ne、no中间程度的值的情形相当。
n＝(ne+no)/2                    (11)
但是，实际的透明各向同性物质、具有双折射性的透明物质的材料物性的种类受到限制。上述式(11)是不现实的。于是，本发明人进行了刻苦研究，结果发现只要在下述式(12)所示的范围内，就能得到同样的效果。
0.4×(ne+no)≧n≧0.6×(ne+no)   (12)
满足式(12)时，基本上能使左右的移动量误差不会产生作为显示劣化要因的波纹。接着，确定棱镜的底角θprism的最佳范围。首先，希望满足下面的式(13)和式(14)。在上述中，由于ne>n>no，ne的折射角最大。于是，若设向更折射的方向即图9中棱镜的顶角方向折射的范围为正，则与Wmoto相比Wshift(ne)向棱镜的顶角方向折射，所以为正，而与Wmoto相比Wshift(no)向与棱镜的顶角方向相反的方向折射，所以为负。
Wshift(ne)＝Wmoto/4                 (13)
Wshift(no)＝-Wmoto/4                (14)
如果用作为表示立体图像显示装置的特性的参数的视差数N、视野角2θ、棱镜的底角θprism表示这些，则
tanθ/(4N)＝tanθshift(ne)            (15)
tanθ/(4N)＝-tanθshift(no)           (16)。
如果把式(15)和(16)相加求和，则
tanθ/(2N)＝tanθshift(ne)-tanθshift(no)。
如果把上式变形则得到
tanθ/(4N)/(tanθshift(ne)-tanθshift(no))＝0.5        (17)。
选择满足式(17)的θprism时，如图5所示，视差图像的提示位置成为等间隔。实际上，如果增大观测角度θκ，则根据斯涅尔定律，移动量tanθshift(ne)、tanθshift(no)增大。于是，通过设置上限值和下限值，能够使左右的移动量误差成为增大观测角度的同时还避免产生作为显示劣化要因的波纹。
0.4≦tanθ/4/N/(tanθshift(ne)-tanθshift(no))≦0.6    (18)
另外，与式(4)同样地，
θshift(ne)＝Asin(sin(Asin(sin(Asin(sinθκ/ne)+θprism)×ne/n)-θprism)×n)
θshift(no)＝Asin(sin(Asin(sin(Asin(sinθκ/no)+θprism)×no/n)-θprism)×n)。
(实施方式2)
下面，说明根据本发明的实施方式2的立体图像显示装置。
如图1、图2所示，在透镜阵列20与平面显示装置2之间放置了偏振可变单元10时，不能使透镜阵列20与平面显示装置2的像素之间的间隙g比偏振可变单元10的厚度还小。根据式(5)，透镜阵列20与像素之间的间隙g与视野角2θ成反比，与子像素节距sp、视差数N成正比。于是，为了减小间隙g，必须要么增大视野角2θ、要么减小子像素节距sp或减少视差数N。这些情况下立体图像显示装置的构成变得困难。于是，在本实施方式的立体图像显示装置中，象图11、图12那样构成。即，构成为，在平面显示装置2的透明基片4b和垂直偏振元件5b之间依次设置透镜阵列20、双折射棱镜阵列30和偏振可变单元10。由此能够减小间隙g。
在本实施方式中，在透镜阵列20的紧上方设置双折射棱镜阵列30。通过了透镜阵列20后，一个要素图像的像素信息以透镜阵列20的各透镜宽度与光轴方向平行地对齐，所以通过象本实施方式那样使透镜阵列20与双折射棱镜阵列30的距离接近，透镜阵列20的相邻透镜的信息难以混合。另外，通过棱镜36的偏振方向以现有的1帧的2倍速度切换，观测者能够不混淆切换前后的图像信息地进行观测。
与图1所示的实施方式1不同的是，在进行像素的灰度等级控制的旋转了90度的固定偏振片5a、5b之间放置双折射棱镜阵列30。由此，在双折射棱镜阵列30中长轴方向的折射率ne和短轴方向的折射率no这两者的偏振光都通过。
在本实施方式中，作为平面显示装置2可以使用液晶显示装置、有机EL、等离子体显示器等。首先，说明作为平面显示装置2使用液晶显示装置的情形。虽然液晶显示装置为了控制灰度等级而在最上面配置偏振片，但在本实施方式中使用时去除偏振片。液晶显示装置在进行常白模式的驱动时，在像素上不施加电压时显示白色。以表现双折射棱镜阵列30的长轴方向即折射率ne的方式，使常白模式时显示白色的光通过。如果在位于双折射棱镜阵列30紧上方的偏振可变单元10上施加电压，由于入射偏振面维持不变，显示白色的光通过最上面的线偏振元件，观测者能够看到。
在图12中，液晶显示装置在进行常黑模式的驱动时，在像素上施加电压时显示白色。以表现双折射棱镜阵列的短轴方向即折射率no的方式，使常黑模式时显示白色的光通过。如果在位于双折射棱镜阵列30紧上方的偏振可变单元10上施加电压，由于入射偏振面被旋转90度，显示白色的光通过最上面的线偏振元件，观测者能够看到。
通过进行时分驱动以使得图11所示状态的驱动为1帧的前半部分而图12所示状态的驱动为1帧的后半部分，能够移动图像的提示方向，能提供视差图像数是现有的2倍的视差图像。在图11、图12所示的驱动中，问题在于，由于高速切换常白模式和常黑模式，如果两者的白或黑的亮度不相等，观测者会感觉到闪烁之类的亮度差。必须充分进行两者的灰度等级中的亮度修正。
另外，为了以同一常白模式驱动二者，如图13所示，只要构成为在平面显示装置的透明基片4a和垂直偏振元件5a之间设置另一个偏振可变单元15就可以。该偏振可变单元15包括：透明基片17a、17b；在这些透明基片17a、17b之间设置的、通过在透明基片之间施加交流电压而改变偏振方向的偏振可变部18。即，在图13所示的变形例的立体图像显示装置中具有双重的偏振可变结构。
(实施方式3)
下面，参照图14说明根据本发明的实施方式3的立体图像显示装置。图14示出本实施方式的立体图像显示装置的水平剖面。作为图1所示的实施方式1的立体图像显示装置的双折射棱镜阵列30的双折射性物质34，本实施方式的立体图像显示装置构成为不使用液晶而使用硬化了的UV硬化型液晶单聚物35。由此，可以去除双折射棱镜阵列30的下部基片32，能使双折射棱镜阵列30与透镜阵列20更加接近。
(实施方式4)
下面，参照图15说明根据本发明的实施方式4的立体图像显示装置。本实施方式的立体图像显示装置具有如下结构：在图1所示的实施方式1的立体图像显示装置中，棱镜36的节距lprism_p比透镜阵列20的节距lp的2倍短一些。
图1中，具有一个顶角的棱镜的紧下方存在两个透镜。根据图1，从显示面2发出的光线在通过了左端的透镜时，希望该光线在双折射棱镜30中通过左侧的向右上方上升的棱镜的边界。但是，如果观测角度(θκ)增大，则从显示面2发出的光线在通过了左端的透镜时，会引起该光线在双折射棱镜30中通过右侧的向右下方下降的棱镜的边界的现象。由此，光线在与本来的视差图像应当射出的角度不同的方向上折射，所以产生看到与本来应看见的视差图像不同的视差图像的串扰。为了防止这样的串扰，最好使透镜中央与双折射棱镜中央的连接线朝向位于中央的观测者的方向，以使得观测者在中央时，无论在立体图像显示装置的左端还是右端的透镜中都正常地看到立体图像。因此，只要具有如图15所示那样的，棱镜36的节距lprism_p比透镜阵列20的节距lp的2倍短一些的结构即可。
用图15求lprism_p和lp的关系。
如果设从透镜中央到从透镜端部起第2个透镜为止的各透镜数为q个，则棱镜的边数也为q个。
根据三角形的相似关系，如果设从透镜阵列的顶点到观测者的观看距离为L，透镜阵列20的从上表面到下表面的透镜厚度为t_lens，双折射棱镜阵列30的从下表面到顶角上表面的距离为t_top_prism，则把lprism_p减短一些，使得
(L+t_lens)：(L-t_top_prism)＝(lp×q)：(lprism_p×q/2)
(L+t_lens)：(L-t_top_prism)＝(lp×2)：(lprism_p)
(lprism_p)×(L+t_lens)＝(L-t_top_prism)×(lp×2)
lprism_p＝(L-t_top_prism)×lp×2/(L+t_lens)        (19)
(实施方式5)
下面，参照图16说明根据本发明的实施方式5的立体图像显示装置。图16是本实施方式的立体图像显示装置的水平剖面图。本实施方式的立体图像显示装置具有如下结构：在图1所示的实施方式1的立体图像显示装置中，把双折射棱镜阵列30置换成双折射棱镜阵列30A。该双折射棱镜阵列30A包括：下表面平坦而上表面上设置了多个三角柱形状的第一沟的下部棱镜36A1；上表面平坦而下表面上设置了与上述第一沟节距相同的多个三角柱形状的第二沟、且该第二沟配置成与上述第一沟对置的上部棱镜36A2；以及在相对置的上述第一和第二沟之间设置的双折射性物质34。另外，在本实施方式中，下部棱镜和上部棱镜各自的底角为实施方式1的棱镜36的底角θprism的一半。
通过成为本实施方式这样的结构，能够增大视野角。如图8所示，如果使用单侧的向右上斜的棱镜，则为了满足式(8)，观测角度θκ在-32度到22度的范围内，呈左右不对称。不对称的理由是，在折射率不同的物质之间的界面上，入射角越浅，移动量越大。而入射到向右下斜的界面时，则为了使光线方向的移动量满足式(8)，观测角度θκ在-22度到32度的范围内。于是，通过象本实施方式这样，把棱镜面向右上斜和向右下斜的棱镜相组合成为两面棱镜，使得入射方向浅的入射与接近垂直的入射相组合，由此相互抵销，产生使移动量变得平坦的效果。
以下说明这一点。图16中，象左侧的光线那样，在光线通过向右上斜的界面时，在界面上是折射率上升的方向，所以光线向左侧移动角度θ1d。该光线通过双折射性物质34而通过向右下斜的界面时，在界面上是折射率下降的方向，所以也向左方向移动角度θ1u。由于最初的入射角度为向界面倾斜入射，移动量增大，但在第二个向右下斜的界面上是基本上接近垂直地入射，移动量被抑制。另外，象右侧的光线那样，在光线通过向右下斜的界面时，在界面上是折射率上升的方向，所以光线向右侧移动角度θ2d。该光线通过双折射性物质34而通过向右上斜的界面时，在界面上是折射率下降的方向，所以也向右方向移动角度θ2u。这时，移动量增大。这样，通过采用两面棱镜，入射方向浅的入射与接近垂直的入射相组合，由此相互抵销，产生使移动量变得平坦的效果。
在这样的两面棱镜中，优选地，双折射性物质34的长轴方向与棱镜36A1、36A2的棱线方向吻合。还有，优选地，上部棱镜36A2的折射率nup和下部棱镜36A1的折射率ndown与双折射性物质34的长轴方向的折射率ne和短轴方向的折射率no的大致中间吻合。即，优选地，满足下式：
nup＝ndown＝(ne+no)/2
nup＝ndown＝0.5×(ne+no)     (20)。
但是，如果想要使实际的透明各向同性物质的折射率nup、ndown、具有双折射性的透明物质的材料物性值ne、no符合上式，则由于物质的种类受到限制，上述式(20)是不现实的。于是，本发明人进行了刻苦研究，结果发现只要在下述式(21)所示的范围内，就能得到同样的效果。
0.4×(ne+no)<nup＝ndown<0.6×(ne+no)      (21)
满足式(21)就可以了。
如果象本实施方式这样，使双折射棱镜阵列30成为两面棱镜结构，则可使各棱镜的底用θprism成为约一半，能够分别减小下部和上部棱镜36A1、36A2的厚度，作为双折射性物质使用液晶时能够容易地取向。
在本实施方式中通过计算求得的视差图像的提示位置示于图17。为了使移动量成为不放置双折射棱镜阵列时的相邻视差图像间的0.4～0.6而满足式(8)时的观测角度变成-35度到30度的范围。与单侧的双折射棱镜阵列相比能够大幅增大。
(实施方式6)
下面，图18示出根据本发明的实施方式6的立体图像显示装置。本实施方式的立体图像显示装置具有如下结构：在图1所示的实施方式1的立体图像显示装置中，使双折射棱镜阵列30的棱镜36的峰部和谷部成为光滑的球面形状。
如果如图19所示，棱镜36的峰部和谷部是尖的，则在峰部附近倾斜入射的光线中入射到峰部左侧的光线48向左侧移动，入射到峰部右侧的光线49向右侧移动。即，由于向峰部附近倾斜入射的光线以峰部为边界向相反方向移动，视差图像根据观看的位置折返的串扰造成的劣化增大。因此，通过象本实施方式这样，使棱镜36的峰部和底部成为球面形状，通过相邻的透镜端部的光线向相同方向射出，由此能够防止视差图像的折返。
这时，成为球面形状的范围(球面半径)是问题所在。在球面形状部中，棱镜的峰部和双折射部的边界部分的角度与θprism不同。因此，如果增大球面半径、加长棱镜顶角的光滑部分，则通过透镜后借助于双折射棱镜向正确方向折射的区域变窄。但是，如果使球面半径太短，则产生通过透镜后向通过了相邻的双折射棱镜的错误方向折射的视差图像的折返部分。从以上看出，通过使球面半径在最佳范围内，能够防止视差图像的折返，扩大正确的光线区域。关于视差图像的折返区域，与从双折射棱镜阵列36的顶角到透镜阵列20的顶点的厚度方向的距离t_top_prism和透镜阵列的厚度t_lens的合计值紧密相关，该距离短时，从像素通过了透镜的光线通过本来应通过的双折射棱镜的正确的光线范围扩大。
例如，用曲率半径r、椭圆系数k表示双折射棱镜的形状时，图18所示的(x，z)的坐标如下表示。
(数学式1)
z = 1 r x 2 1 + 1 - ( 1 + k ) x 2 r 2
此时，求出双折射棱镜顶角为曲面的部分在棱镜节距方向上的顶角部分的左右方向的合计长度xr。
例如，θprism＝16度～26度时椭圆系数k＝-4～-12，此时，计算棱镜顶角的曲率半径R从0.05mm变化到0.2mm时的顶角为曲面的部分xr得到的值示于表1。
表1  典型例中透镜顶角的曲率半径
与顶角为透镜形状曲面的长度
 
r(mm) 0.05 0.1 0.15 0.2
k -8 -8 -8 -8
xr(mm) 0.02 0.04 0.06 0.08
如果从上述导出近似式，则得到
xr＝r×0.4        (22)。
下面，求出在利用集成成像方式的裸眼立体图像显示装置的视野角的范围内，为了使来自显示面的光线通过透镜并使光线入射到本来应该通过的棱镜中所必需的透镜顶角为曲面的部分xr′。
设作为能制造的值的t_top_prism(0.1mm)+tlens(0.05mm)＝0.15mm。求出在裸眼立体图像显示装置的视野角±θ的范围内，为了防止通过了某一透镜端部的光线在本来应该通过的棱镜的边界上通过相邻的其它棱镜所必需的容限量x_margin。如果上部基片(棱镜)36的折射率为n，则在视野端即视野角θ度处入射到棱镜的顶角部分的角度范围y为：
sin(θ)＝n×sin(y)
y＝arcsin(sin(θ)/n)          (23)。
考虑到左右的接触宽度而乘以2倍，如果求xr，则
Xmargin＝(t_top_prism+tlens)×tan(y)×2。
代入式(23)，则
Xmargin＝(t_top_prism+tlens)×tan(arcsin(sin(θ)/n))×2，
其中，优选地，Xmargin＝xr。
通过满足以下条件，能够防止视差图像的折返。
(t_top_prism+tlens)×tan(arcsin(sin(θ)/n)×2＝r×0.4
r＝5×(t_top_prism+tlens)×tan(arcsin(sin(θ)/n))
(实施方式7)
下面，图20示出根据本发明的实施方式7的立体图像显示装置。图20是本实施方式的立体图像显示装置的水平剖面图。本实施方式的立体图像显示装置具有如下结构：在实施方式1、3、4、5或6的立体图像显示装置中，在平面显示装置的偏振片(垂直偏振元件)5b与偏振可变单元10之间设置相位差片(1/2波片)70。在平面显示装置2的偏振片5b的偏振面与透镜阵列20的棱线不一致时，用相位差片70使光线的偏振面旋转，使得该偏振面与透镜阵列20的棱线一致。
(实施方式8)
下面，参照图23说明根据本发明的实施方式8的立体图像显示装置。本实施方式的立体图像显示装置是实施方式1～7中的任一种立体图像显示装置。图23是说明本实施方式的立体图像显示装置的显示的一例的图。首先，如图23所示，制作偶数视差图像和奇数视差图像的拼接(tiling)图像。利用映射(mapping)在每个透镜上交互地分配1帧的前半部分和后半部分的图像。通过在利用切换部切换偏振可变单元10的电压的同时也切换在三维屏上显示的图像，以时分方式显示立体图像。
在切换图像时，1帧的前半图像信息与后半图像信息相混时产生串扰。因此，作为平面显示装置2使用具有背光源的液晶显示装置时，如图24所示，通过进行间歇驱动以使得在切换图像时熄灭背光源，能够串扰少地显示立体图像。关于间歇驱动，在液晶显示装置为区域电源时，也可以对每一个区域进行间歇驱动。
(实施方式9)
下面，参照图30说明根据本发明的实施方式9的立体图像显示装置。本实施方式的立体图像显示装置具有如下结构：在图1所示的实施方式1的立体图像显示装置中，棱镜36的节距lprism_p比透镜阵列20的节距lp的2倍短一些。
图1中，具有一个顶角的棱镜的紧下方存在两个透镜。根据图1，从显示面2发出的光线在通过了左端的透镜时，希望该光线在双折射棱镜30中通过左侧的向右上方上升的棱镜的边界。但是，如果观测角度(θκ)增大，则从显示面2发出的光线在通过了左端的透镜时，会引起该光线在双折射棱镜30中通过右侧的向右下方下降的棱镜的边界的现象。由此，光线在与本来的视差图像应当射出的角度不同的方向上折射，所以产生看到与本来应看见的视差图像不同的视差图像的串扰。为了防止这样的串扰，最好使透镜中央与双折射棱镜中央的连接线朝向位于中央的观测者的方向，以使得观测者在中央时，无论在立体图像显示装置的左端还是右端的透镜中都正常地看到立体图像。因此，只要具有如图15所示那样的，棱镜36的节距lprism_p比透镜阵列20的节距lp的2倍短一些的结构即可。
用图30求lprism_p和lp的关系。
如果设从透镜中央到从透镜端部起第2个透镜为止的各透镜数为q个，则棱镜的边数也为q个。
根据三角形的相似关系，如果设从透镜阵列的顶点位置到观测者的观看距离为L，透镜阵列20的从上表面到下表面的透镜厚度为t_lens，到上述棱镜30的上表面的距离为t_prism，则把lprism_p减短一些，使得
(L+t_lens)：(L-t_prism)＝(lp×q)：(lprism_p×q/2)
(L+t_lens)：(L-t_prism)＝(lp×2)：(lprism_p)
lprism_p＝(L-t_prism)×lp×2/(L+t_lens)。
下面，说明实施方式1～9的立体图像显示装置中使用的偏振可变单元10的两个例子。第1例是作为偏振可变单元10的偏振可变部14使用OCB液晶。OCB液晶因高速驱动而众所周知。
考虑如图25所示，与下部基片12a的摩擦方向84倾斜45度的方向的偏振面的光入射时的情形。此时，未利用电源50在下部基片12a和上部基片12b之间施加电压。此时，若OCB液晶80的长轴与短轴的折射率差为Δn、厚度为d，则其迟滞Re＝Δn×d时，即成为1/2波长时，偏振面旋转90度。
然后，如图26所示，如果利用电源50在下部基片12a和上部基片12b之间施加电压则液晶80在垂直方向上立起来，所以偏振面不发生弯曲地原样通过。
在象上述那样利用迟滞使偏振面旋转时，多数情况下必须利用相位差膜进行微调整。在图26中，在夹着液晶的电极间施加电压，从而使液晶立起来。但是，为了修正电极基片附近的液晶立起来的过渡状态，进行***相位差膜等的应对措施。
下面，作为第2例，作为偏振可变单元10的偏振可变部14使用TN液晶。TN液晶中也是，由于是各向异性高的液晶所以用高速的液晶。如图27所示，通过使TN液晶82的、下部基片12a的摩擦方向85a与上部基片12b的摩擦方向85b成90度，与下部基片12a的摩擦方向85a方向相同地入射的光与液晶82的扭曲一起旋转90度。另外，图27示出未利用电源50在下部基片12a和上部基片12b之间施加电压的状态。然后，如图28所示，如果利用电源50在下部基片12a和上部基片12b之间施加电压则液晶82在垂直方向上立起来，所以偏振面不发生弯曲地原样通过。
如以上说明的那样，根据本发明的各实施方式，由于通过进行时分驱动而能够在现有的视差图像的中间位置显示新的视差图像，所以能够增大光线密度。图29中示出非专利文献1中所示的立体图像显示装置的分辨率。横轴表示离观测者的距离。由于观看距离为0.5m，在0.5m处配置立体图像显示装置。数值减少的方向是飞出位置，数值变多的位置是深入位置。纵轴是分辨率，单位是cpr(cycle per radian)。βimax是从一个透镜射出的光线密度，越靠***面显示装置2的显示面，光线密度越高。βnyq是从一个透镜向观测者方向射出的光线的分辨率，只要确定了观看距离，就与立体图像显示位置无关而保持恒定。集成成像方式立体显示器的分辨率是βimax和βnyq中较小的那一方。图29中βimax和βnyq的交点间是能保持最大分辨率的立体表现范围。可知在本发明的各实施方式中，通过进行时分显示可以得到为现有的两倍的立体表现范围。
在本发明的各实施方式中，如果移动量增加到Wshift/Wmoto为1.0以上，则不能提示正确的视差图像且在焦距与黑矩阵吻合的情况等，成为产生亮度不匀的原因。但是，在与透镜阵列的各透镜对应的要素图像中，通过利用在垂直方向上改变黑矩阵的位置的透镜的散焦来增大光斑宽度等的对策，能够消除亮度不匀。
还有透镜阵列的棱线方向与位于背面的平面显示装置的像素方向不同的方法。虽然这是为了应对波纹采取的一种方法，但在为了应对波纹采用了别的方法时，也可以使透镜阵列的棱线方向与像素方向为同一方向。
从图8可以看出，观测角度为-42度～-38度、31度～35度时，Wshift/Wmoto为0.75以上，1.0以下。此时，与如图21、图22所示分配相邻视差图像相比，分配隔一个的相邻视差图像时提示正确的视差图像。例如，如图15所示，在纸面上透镜为左端时，在向右下斜的棱镜的情形下，由于向棱镜入射的入射角度深，移动量没有问题，但在向右上斜的棱镜的情形下，移动量增大。此时，在图21中，通过作为1帧的前半的左侧的要素图像，不显示#19、#17、#15、#13、#11、#9、#7、#5、#3视差，而显示#20、#18、#16、#14、#12、#10、#8、#6、#4视差，有时也能提示正确的视差图像。
如以上说明的那样，根据本发明的各实施方式，通过使用双折射棱镜阵列，使视差图像显示速度成为2倍且以相同速度使偏振方向高速旋转90度，从而能够降低视差图像间的串扰，且能使亮度大致恒定、光线密度成为2倍，能够使可显示的飞出、深入范围为约2倍。

Claims (12)

1.一种立体图像显示装置，其特征在于包括：
在显示面内排列了多个像素的平面显示装置；
在上述显示面的前表面上设置、在第一方向上并排排列有多个透镜、且把来自上述像素的光线在预定角度上分配的透镜阵列；
在上述平面显示装置和上述透镜阵列之间设置、使来自上述像素的光线偏振的偏振可变部；以及
相对于上述透镜阵列在与上述平面显示装置相反的一侧设置的双折射棱镜阵列，该双折射棱镜阵列具有在与上述第一方向垂直的第二方向上具有棱线且以等于上述透镜阵列的透镜节距的大致2倍的节距在上述第一方向上排列的多个双折射棱镜，各双折射棱镜具有棱线方向的折射率不同于与上述棱线方向垂直的方向的折射率的双折射性。
2.一种立体图像显示装置，其特征在于包括：
在显示面内排列了多个像素的平面显示装置；
在上述显示面的前表面上设置、在第一方向上并排排列有多个透镜、且把来自上述像素的光线在预定角度上分配的透镜阵列；
相对于上述透镜阵列在与上述平面显示装置相反的一侧设置的双折射棱镜阵列，该双折射棱镜阵列具有在与上述第一方向垂直的第二方向上具有棱线且以等于上述透镜阵列的透镜节距的大致2倍的节距在上述第一方向上排列的多个双折射棱镜，各双折射棱镜具有棱线方向的折射率不同于与上述棱线方向垂直的方向的折射率的双折射性；以及
相对于上述双折射棱镜阵列在与上述透镜阵列相反的一侧设置、且使来自上述双折射棱镜阵列的光线偏振的第一偏振可变部。
3.如权利要求2所述的立体图像显示装置，其特征在于：
上述平面显示装置是具有背光源的液晶显示装置，且
还包括使来自上述背光源的光线偏振的第二偏振可变部。
4.如权利要求1～3中任一项所述的立体图像显示装置，其特征在于：
上述双折射棱镜具有：与上述透镜阵列相反一侧的面平坦且在上述透镜阵列侧的面上设有沿上述第二方向延伸的三角柱状的沟的棱镜；以及***上述棱镜的上述沟中的双折射性物质。
5.如权利要求4所述的立体图像显示装置，其特征在于：
设上述双折射棱镜的沟的底部的曲率半径为r，上述透镜阵列的透镜厚度为t_lens，上述棱镜的从上述透镜阵列侧的面到上述三角柱状的沟的顶点的距离为t_top_prism，上述棱镜的折射率为n，视野角为2θ，则满足
r＝5×(t_top_prism+tlens)×tan(arcsin(sin(θ)/n))。
6.如权利要求4所述的立体图像显示装置，其特征在于：
设上述棱镜的折射率为n，上述棱镜的底角为θprism，向上述双折射棱镜入射的光线的入射角为θκ，入射到上述双折射棱镜的光线在上述双折射性物质的长轴方向上偏振时从上述双折射棱镜射出的光线的出射角为θshift(ne)，上述双折射性物质的长轴方向的折射率为ne，短轴方向的折射率为no，视差数为N，视野角为2θ，则满足
|n-no|<0.1×(ne-no)
0.4≦2×N×tanθshift(ne)/tanθ≦0.6
θshift(ne)＝Asin(sin(Asin(sin(Asin(sin θk/ne)+θprism)×ne/n)-θprism)×n)。
7.如权利要求4所述的立体图像显示装置，其特征在于：
设上述棱镜的折射率为n，上述棱镜的底角为θprism，向上述双折射棱镜入射的光线的入射角为θκ，入射到上述双折射棱镜的光线在上述双折射性物质的长轴方向上偏振时从上述双折射棱镜射出的光线的出射角为θshift(ne)，入射到上述双折射棱镜的光线在上述双折射性物质的短轴方向上偏振时从上述双折射棱镜射出的光线的出射角为θshift(no)，上述双折射性物质的长轴方向的折射率为ne，短轴方向的折射率为no，视差数为N，视野角为2θ，则满足
|n-ne|<0.1×(ne-no)
-0.6≦2×N×tan θshift(no)/tan θ≦-0.4
θshift(no)＝Asin(sin(Asin(sin(Asin(sin θk/no)+θprism)×no/n)-θprism)×n)。
8.如权利要求4所述的立体图像显示装置，其特征在于：
设上述棱镜的折射率为n，上述棱镜的底角为θprism，向上述双折射棱镜入射的光线的入射角为θκ，入射到上述双折射棱镜的光线在上述双折射性物质的长轴方向上偏振时从上述双折射棱镜射出的光线的出射角为θshift(ne)，入射到上述双折射棱镜的光线在上述双折射性物质的短轴方向上偏振时从上述双折射棱镜射出的光线的出射角为θshift(no)，上述双折射性物质的长轴方向的折射率为ne，短轴方向的折射率为no，视差数为N，视野角为2θ，则满足
0.4×(ne+no)≧n≧0.6×(ne+no)
0.4≦tan θ/4/N/(tan θshift(ne)-tan θshift(no))≦0.6
θshift(ne)＝Asin(sin(Asin(sin(Asin(sin θk/ne)+θprism)×ne/n)-θprism)×n)
θshift(no)＝Asin(sin(Asin(sin(Asin(sin θk/no)+θprism)×no/n)-θprism)×n)。
9.如权利要求1～3中任一项所述的立体图像显示装置，其特征在于：
设上述透镜阵列的透镜厚度为t_lens，上述棱镜的从上述透镜阵列侧的面到上述三角柱状的沟的顶点的距离为t_top_prism，上述棱镜的折射率为n，从上述透镜阵列的顶点到观测者的距离为L，则满足
lprism_p＝(L-t_top_prism)×lp×2/(L+t_lens)。
10.如权利要求1～3中任一项所述的立体图像显示装置，其特征在于：
上述双折射棱镜包括：下表面平坦而上表面上设置了多个三角柱形状的第一沟的下部棱镜；上表面平坦而下表面上设置了与上述第一沟节距相同的多个三角柱形状的第二沟、且该第二沟配置成与上述第一沟对置的上部棱镜；以及在相对置的上述第一和第二沟之间设置的双折射性物质。
11.如权利要求10所述的立体图像显示装置，其特征在于：
设上述透镜阵列的透镜厚度为t_lens，从上述下部棱镜的上述下表面到上述棱镜的上表面的距离为t_prism，从上述透镜阵列的顶点到观测者的距离为L，则满足
lprism_p＝(L-t_prism)×lp×2/(L+t_lens)。
12.如权利要求10所述的立体图像显示装置，其特征在于：
设上述下部棱镜的折射率为ndown，上述上部棱镜的折射率为nup，上述双折射性物质的长轴方向的折射率为ne，短轴方向的折射率为no时，满足
0.4×(ne+no)<nup＝ndown<0.6×(ne+no)。
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