CN101653012A - 显示三维图像的三维图像显示设备 - Google Patents

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Abstract

在显示三维图像的设备中，具有颜色分量的子像素(10)沿纵向和横向以矩阵形式排列在显示平面图像的显示部分中，并且光线控制元件被布置成与显示部分相对。在光线控制元件中，沿横向方向排列沿垂直方向延伸的线性光学开口(1)。在水平方向上彼此相邻的多个子像素(10)的开口区(1)的开口区长度之和在单行中变化，而在多行中，所述开口区长度之和变得恒定。此外，子像素(10)的排列是马赛克排列或横条排列的颜色排列。

Description

显示三维图像的三维图像显示设备
技术领域
本发明涉及显示三维图像的三维图像显示设备。
背景技术
已知各种能够显示动画的三维图像显示设备，即，所谓的三维显示器。近年来，强烈需求一种不需要任何专用眼镜或类似物的平板型***。作为不需要任何专用眼镜的三维图像显示设备，存在一种利用全息原理的***的图像显示设备。在这种利用全息原理的***中，显示三维全色运动图像被认为是困难的。与利用全息原理的***相反，存在一种其中恰在显示面板(显示设备)之前设置光线控制元件，并控制来自显示面板的光线导向观看者的***，在所述显示面板(显示设备)中，类似于直视型或投影型液晶显示设备，或者等离子体显示设备，像素位置是固定的。按照该***，能够相对容易地显示三维全色运动图像或者视频。
光线控制元件也被称为视差栅栏，其中按照即使当观察光线控制元件上的相同位置区域时，根据观察所述位置的角度能够看到不同图像的方式来控制光线。更具体地说，当只给出左右视差(水平视差)时，狭缝或透镜光栅(柱面透镜阵列)被用作光线控制元件，当除了水平视差之外还要施加垂直视差时，针孔阵列或透镜阵列被用作光线控制元件。
使用视差栅栏的***被进一步分成几种，即，双眼式、多眼式、超多眼式(极多眼式)和集成成像(下面称为II)式。在双眼式中，根据双眼视差来实现全息景象，多眼式及其后的各种形式的三维图像或多或少伴随有运动视差，从而和双眼式全息图像不同，它们被称为三维图像。显示这些三维图像的基本原理和约100年前发明并应用于三维摄影的集成摄影(IP，integral photography)的原理基本相同。
在这些***中，II***具有视点位置自由度高，易于实现全息景象的特征。在其中只实现水平视差并消除垂直视差的一维II***中，如在SID04 Digest 1438(2004)中所述，能够相对容易地实现具有高分辨率的显示设备。相反，在双眼***或多眼***中，通过限制实现全息景象的视点位置，能够比一维II***更容易地增强分辨率，仅仅借助从视点位置获得的图像就能够创建三维图像，从而能够降低准备图像的负载。相反，由于视场有限，存在可视性差的问题。
在这种利用狭缝或透镜光栅的直视型裸眼三维显示设备中，存在水平方向(第一方向)上的光线控制元件的开口的周期性结构和呈矩阵形式设置在平面显示装置上以便相互隔离像素的非显示部分的周期性结构，或者水平方向(第一方向)上的像素的颜色排列的周期性结构在光学上相互干涉，从而易于产生云纹条纹或颜色云纹的问题。作为该问题的对策，已知一种使光线控制元件的周期性倾斜，即，使透镜倾斜的方法。然而，在该方法中，沿垂直方向和水平方向延伸的直线被显示成锯齿状，从而尤其是存在文本显示质量较差的问题。在其中沿垂直方向(第二方向)不提供透镜特性并且周期性限于水平方向的垂直透镜中，尽管文本显示质量不成问题，但是为了解决颜色云纹，平面显示装置的颜色排列必须是马赛克排列或横条排列。此外，为了解决由水平方向上的光线控制元件的开口区1的周期性结构与呈矩阵形式设置在平面显示装置上以便相互隔离像素的非显示部分的周期性结构的干涉引起的云纹问题，如在JPA No.2005-86414(KOKAI)中公开的一样，通过在平面显示装置和透镜光栅之间***扩散膜或相似物，来自在水平方向上彼此相邻的子像素的光线被相互融合，从而消除了水平方向上的周期性并解决了云纹问题。然而，当增加扩散膜时，出现了外部光被分散并且变亮环境中的对比度被降低的问题。
作为除了使用扩散膜来适当地相互融合来自彼此相邻的子像素的光线的方法之外的方法，已知的有在JP3027506中公开的子像素的排列为delta排列的方法，在WO97/02709中公开的把子像素的开口部分形成为平行四边形，以便允许在水平方向上彼此相邻的像素在水平方向上的坐标上相互重叠的方法，以及在JP3525995中公开的在水平方向上不改变垂直方向(第二方向)上的子像素的开口区长度的总值的方法。然而，在符合JP3027506的设计中，必须提供在垂直方向上连续的栅极线，从而存在数值孔径等于或小于50％的问题。此外，如在WO97/02709中所述，如果在开口区形状被形成为平行四边形的同时，子像素被排列成使得每个子像素的重心在垂直方向和水平方向上不被移动，那么存在难以布置通常在垂直方向上连续设置的信号线的问题。
此外，为了实现JP3525995中所示的简单的开口区形状，除了在LCD的每个子像素10中本地设置的诸如薄膜晶体管(TFT)和Cs线的遮光元件之外，需要另外提供遮光部分3。
如上所述，在其中相互结合周期性在水平方向(第一方向)上受限的光线控制元件和具有排列成矩阵形状的像素的平面显示装置的传统三维图像显示设备中，光线控制元件在第一方向上的周期性和平面显示装置在水平方向上的周期性相互干扰，造成亮度(云纹)不均匀。解决云纹问题的一种方法是使第二方向(垂直方向)上的开口区长度恒定，并使第二方向上的开口区长度在第一方向上不变化，即，消除开口区长度在第二方向上的周期性。如果试图在提供其中本地存在具有TFT、Cs线和液晶的不良取向的屏蔽的第一方向上的坐标点的结构的同时满足该条件，那么除了初始必需的遮光部分之外，还必须提供通常不必要的虚拟遮光部分，使得第二方向上的开口区长度在第一方向上变成恒定，从而造成数值孔径被降低的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种三维图像显示设备，其中，相互组合使周期性在第一方向上受限的光线控制元件和平面显示装置，从而构成三维图像显示设备，通过使平面显示装置的子像素在第二方向上的开口区长度在第一方向上不变化，消除第一方向上的周期性，通过消除与光线控制元件的干涉来消解云纹，并且能够避免数值孔径被降低。
按照显示三维图像的设备，包括：
配置成显示平面图像的显示部分，它包括子像素的排列，子像素的每个排列是沿第一方向排列的，并且子像素的排列是沿第二方向排列的，从而形成矩阵，其中每个子像素具有开口区和遮光区，开口区的面积是通过从子像素的面积中减去遮光区的面积而获得的，并由通过沿第一方向积分第二方向上的开口区长度而获得的值定义，子像素的一个排列中的第二方向上的开口区长度沿第一方向变化，并且使子像素的另一个排列中一个开口区长度和另一开口区长度在第二方向上的和沿第一方向基本恒定；和
配置成控制来自显示部分的子像素的光线的光线控制元件，所述光线控制元件面对显示部分，并且具备沿第二方向基本线性延伸，并且沿第一方向排列的许多光学开口。
附图说明
图1是以放大的方式示出显示平面图像的显示部分的一部分的放大图，所述显示部分构成按照本发明实施例的三维图像显示设备。
图2A是示出图1中所示的平面图像显示部分中沿第二方向(垂直方向)的子像素的开口区长度依存于第一方向(水平方向)上的坐标的示图。
图2B是示出图1中所示的平面图像显示部分中沿第二方向(垂直方向)的子像素的开口区长度依存于第一方向(水平方向)上的坐标的示图。
图2C是示出对于每个第一排列，图1中所示的平面图像显示部分中的子像素10的遮光长度的变化状态的示图。
图3是构成按照比较例的三维图像显示设备的平面图像显示部分的一部分的放大图。
图4A是示出图3中所示的平面图像显示部分的第二方向(垂直方向)上的子像素的开口区长度和第一坐标的相关性的示图。
图4B是示出对于每个第一排列，图3中所示的平面图像显示部分中的子像素的遮光长度的变化状态的示图。
图4C是示出对于每个第一排列，图3中所示的平面图像显示部分中的子像素的遮光长度的变化状态的示图。
图5是放大地示出显示平面图像的显示部分的一部分的放大图，所述显示部分构成按照本发明的另一实施例的三维图像显示设备。
图6A是示出对于每个第一排列(第N行和第(N+1)行)，图5中所示的显示部分中的子像素的遮光长度的变化状态的示图。
图6B是示出对于每个第一排列(第N行和第(N+1)行)，图5中所示的显示部分中的子像素的遮光长度的变化状态的示图。
图7是放大地示出平面图像显示部分的一部分的放大图，所述显示部分构成按照本发明的另一实施例的三维图像显示设备。
图8是示出图7中所示的显示部分中的开口区形状和焦点位置之间的关系的说明图。
图9是解释源自显示在图7中所示的显示部分上的图像和开口区形状的亮度差的说明图。
图10是示出通过把三维显示设备中的视点作为基准确定的视角和透镜-像素距离之间的关系的说明图。
图11是示出在图10中所示的显示设备中呈散焦关系的透镜和子像素形状之间的定性关系的说明图。
图12是示出通过经其中视差数为9并且散焦水平宽度为子像素宽度的40-60％的透镜观察子像素宽度的1/2波长的垂直开口区长度的变化而获得的高次谐波衰减曲线(MTF)的示图。
图13是放大地示出显示平面图像的显示部分的一部分的放大图，所述显示部分构成按照本发明的又一实施例的三维图像显示设备。
图14是示出对于每个第一排列，图5中所示的显示部分中的子像素的遮光长度的变化状态的示图。
图15A是解释防止数值孔径被降低的效果的示图，并示出在第二方向(垂直方向)上，图1中所示的第N行的第一排列的开口区形状的遮光长度的变化。
图15B是解释防止数值孔径被降低的效果的示图，并示出在第二方向(垂直方向)上，图1中所示的第(N+1)行的第一排列的开口区形状的遮光长度的变化。
图15C是解释防止数值孔径被降低的效果的示图，并示出作为防止因在图15A中设置虚拟遮光部分3而造成遮光长度在第二方向(垂直方向)上变化的结果，数值孔径被降低。
图15D是解释防止数值孔径被降低的效果的示图，并示出作为防止因在图15B中设置虚拟遮光部分3而造成遮光长度在第二方向(垂直方向)上变化的结果，数值孔径被降低。
图16是放大地示出其中作为比较例，使垂直布线与第二方向(垂直方向)重合的平面图像显示部分的一部分的放大图。
图17是示出对于每个第一排列，图16中所示的显示部分中的子像素的遮光长度的变化状态的示图。
图18是示意示出本发明的三维图像显示设备的整个配置的透视图。
图19A是示意示出用在图18中所示的三维图像显示设备中的光线控制元件的透视图。
图19B是示意示出用在图18中所示的三维图像显示设备中的光线控制元件的透视图。
图20A是示意示出图18中所示的三维图像显示设备的整个配置的展开图。
图20B是示意示出图18中所示的三维图像显示设备的整个配置的展开图。
图20C是示意示出图18中所示的三维图像显示设备的整个配置的展开图。
图21是示意示出图18中所示的三维图像显示设备的一部分的配置的透视图。
具体实施方式
下面参考附图，详细说明按照本发明实施例的三维图像显示设备。
图1是放大地示意示出在按照本发明实施例的三维图像显示设备中，用于显示平面图像的显示部分的一部分的放大图。
该显示部分由沿水平方向和垂直方向排列成矩阵形式的子像素构成，滤色器部分12被设置在子像素10之前。此外，子像素10由遮光部分或者说遮光区3和6以及被遮光部分3和6隔开的像元构成，开口区或开口部分1由隔开的像元和对应于子像素10的滤色器部分12确定。从背光(未示出)发出的白光从开口区1透过滤色器部分12，从而显示部分之前的部分被RGB颜色之一的光线照射，并且按照通过子像素10的开口区1的光线的光强和颜色，在显示部分上显示图像。
如图1中举例所示，子像素10的开口区1被形成为部分被遮光部分或遮光区5和3B切除的基本平行四边形的形状。排列颜色的滤色器部分12被布置在子像素10上，如图1中所示。图1中的水平方向对应于第一方向，垂直方向对应于第二方向。在图1中，由3行/4列子像素10构成的区域示于图1中，为了便于说明，辅助线2被绘制成正方形。此外，在图1中，阴影部分对应于开口区1，空隙部分对应于黑矩阵。这里，相同的阴影图案对应于由具有相同颜色和长度的滤色器部分构成的开口区1。
在一般的像素排列中，在第二(垂直)方向上连续且线性地提供垂直布线(信号线布线)。在图1中所示的像素排列中，对应于垂直布线的遮光部分3被倾斜。通过如上所述倾斜遮光部分3，可使开口区1在第二方向(垂直方向)上的开口区长度在第一方向(水平方向)上基本恒定，如图2A和2B中所示。此外，每隔一定的间距沿第一方向(水平方向)排列具有相同形状和相同尺寸的开口区1，同时在它们之间***遮光部分3。这里，数值孔径被定义成开口区1的面积S2与通过将限定一个子像素10的遮光部分的面积3、3B、5和6加在一起而获得的面积S1和开口区1的面积S2之和(S1+S2)的比值。遮光部分3和6还成为相邻子像素10的开口区1的一部分，从而，围绕某一开口区1的遮光部分3和6的一定比例的面积对应于遮光部分的面积S1，遮光部分3和6的剩余部分对应于左右、上下与开口区1相邻的其它子像素的遮光部分的面积S1。此外，通过在子像素10的宽度内，沿第一方向(水平方向)相加开口区1在第二方向(垂直方向)上的长度而获得的值对应于开口区1的面积S2，通过在子像素10的宽度内，沿第一方向(水平方向)相加遮光部分3、3B、5和6在第二方向(垂直方向)上的长度而获得的值对应于遮光部分3的面积S1。
在图1中所示的排列中，在偶数行和奇数行中，遮光部分3的倾斜方向相同。然而，偶数行和奇数行是按照彼此相反的方式确定的。因此，如图1中所示，遮光部分3被用于把开口区1分成相应行并且对应于遮光部分3的横向布线6弯曲，以及对应于遮光部分3的垂直布线11大体上沿第二方向(垂直方向)连续延伸，以便整体蜿蜒而行。在图1中，为了便于解释，示出了对于每一行，垂直布线11的倾斜方向被倒转的例子。然而，如果子像素10的开口区中心在第一和第二方向上都被对准，那么在相同行中，垂直布线11可被弯曲奇数次。例如，当垂直布线11被弯曲1次时，子像素10的一种形状可被形成为“折线形状(L形)”。
在图1中所示的显示部分中，如图2A-2C中所示，在第二方向(垂直方向)上与第N行的第一排列的子像素10相邻的第(N+1)行的子像素10的开口区长度抵消了第N行的第一排列的子像素10的开口区长度的变化，使得在第二方向上彼此相邻的两行的第一排列的开口区长度之和恒定。
为了解释使在图1中所示的显示部分和在图2A-2C中所示的第一方向上的开口区长度的变化能够被抵消的效果，下面参考图3和4A-4C进行说明。图3示出作为比较例的显示部分的开口区形状，图4A-4C示出图3中所示的显示部分的开口区形状中的开口区长度和遮光长度的分布。
如图1中所示，子像素10具有基本为平行四边形的形状。同样地，在按照比较例的图3中所示的显示部分中，子像素10也具有基本为平行四边形的形状。为了在具有基本为平行四边形形状的子像素10中，使第一排列的第二方向(垂直方向)上的开口区长度完全恒定，必须在沿第一方向(水平方向)延伸的横向布线6和沿第二方向(垂直方向)延伸的垂直布线11的相交部分4A设置遮光部分3A。这里，遮光部分3A的面积被确定为等于相交部分4A的面积。通过提供这种遮光部分3A，属于第一排列的子像素10在第二方向(垂直方向)上的开口区长度之和仅仅在第一排列中变得恒定。
在图4A中，示出了其中子像素10在第二方向(垂直方向)上的开口区长度的变化被示出在纵坐标上，而第一方向(水平方向)上的坐标被示出在横坐标上的示图。此外，在图4B和4C中，分别示出了每一行的遮光长度的总和。显然在第N个子像素10和第(N+1)个子像素中，遮光长度都不变。这里，遮光长度被定义成通过从子像素10在第二方向(垂直方向)上的高度(长度)中减去开口区长度而获得的值(即，遮光长度＝(子像素10在第二方向(垂直方向)上的高度))-子像素10在第二方向(垂直方向)上的开口区长度))。
即，第N行中的子像素10具有一定的开口区形状，以及开口区形状在第二方向(垂直方向)上的开口区长度对应于子像素10的开口区1在第二方向(垂直方向)上的高度。换句话说，开口区1基本上为平行四边形，从而，高度随着与平行四边形的一边对应的第一方向(水平方向)上的坐标的增大而增大。在图3中所示的显示部分中，设有遮光部分3A，从而，在遮光部分3A和平行四边形的斜边之间，在第二方向(垂直方向)上的开口区长度变成基本恒定的高度。从而，在遮光部分的顶端和平行四边形的顶边之间，开口区长度变成基本恒定的高度，之后，该高度随着第一方向(水平方向)上的坐标的增大而减小。在相邻的子像素10中，第二方向(垂直方向)上的开口区长度同样被改变，如图4A中所示。换句话说，按照如图4B中所示，属于第N行的第一排列的子像素在第二方向(垂直方向)上的遮光长度的总值基本恒定的方式来设置遮光部分3A。同样地，按照如图4C中所示，属于第(N+1)行的第一排列的子像素在第二方向(垂直方向)上的遮光长度的总值基本恒定的方式来设置遮光部分3A。
顺便提及，其中在第一方向(水平方向)上本地存在TFT元件、通孔、用于隐藏由保持单元间隙的隔离物造成的液晶取向异常性的结构等等的遮光部分3的面积并不总是等于布线的相交部分4A的面积。如前所述，当遮光部分3A的面积大于或小于相交部分4A的面积时，在沿第一方向(水平方向)排列的行中，子像素10在第二方向(垂直方向)上的开口区长度并不变得恒定。与该比较例相反，在图1中所示的显示部分中，在第二方向(垂直方向)上与第N行相邻的第(N+1)行的子像素10的开口区长度抵消第N行的子像素10在第二方向(垂直方向)上的开口区长度的变化，使得在第二方向上两行的开口区长度之和恒定。例如，根据与作为比较例的图3的比较，显然遮光部分5被设置在第N行的第一排列中，如图1中所示，随同遮光部分5的提供一起，以横向布线(许多情况下，栅极线)6为对称轴与第N行的第一排列对称的第(N+1)行的第一排列中的区域7从遮光部分3B的区域变成开口区1的区域。开口的区域7的面积基本上和遮光部分5的面积相同。另一方面，随同第(N+1)行的第一排列中的遮光部分8的提供一起，第N行的第一排列中的区域9从遮光部分3B的区域变成开口区1的区域。同样使遮光部分8的面积与区域9的面积相同。
在图2A和2B中，分别示出了其中每个子像素在第二方向(垂直方向)上的开口区长度被示出在纵坐标上，而第一方向(水平方向)的坐标被示出在横坐标上的示图。图2A和2B均示出在平面显示部分中，在垂直方向上彼此相邻的两行(第N行和第(N+1)行)中的每一行的第一排列中的开口区长度。图2A和2B的阴影图案均意味如图1中的开口区1的颜色分量。图2C示出每个第一排列的遮光长度的总和。为了便于了解遮光长度(＝开口区长度)的总和是否变得恒定，在该图解说明中，第N行和第(N+1)行的第一排列中的遮光长度的轴被反转。通过设计如图1中所示的开口区1，能够改变第(N+1)行的第一排列中的遮光长度，以便抵消第N行的第一排列中的遮光长度(＝(子像素10在第二方向(垂直方向)上的高度)-开口区长度)的变化。更具体地说，尽管第二方向(垂直方向)上的开口区长度只在第一排列中变化，但是在第二方向(垂直方向)上，多行的第一排列中的子像素10的开口区长度之和变得恒定。此外，如图2A中所示，每个子像素10的开口区1的面积是恒定的。
更具体地说，第N行的第一排列中的某一子像素10具有一定的开口区形状，以及开口区形状在第二方向(垂直方向)上的开口区长度对应于子像素10的开口区1在第二方向(垂直方向)上的高度，如图2A中所示。即，第N行的开口区1基本上是平行四边形，从而，所述高度(开口区长度)随着与平行四边形的一边对应的第一方向(水平方向)上的坐标的增大而增大，所述高度在平行四边形的底边和设置在平行四边形的一个斜边上的遮光部分之间达到第一峰值，随后被降低。随着第一方向(水平方向)的坐标的增大，该高度再次被增大，达到第二峰值，随后被降低。
相反，在第(N+1)行的第一排列的开口区1中，所述高度(开口区长度)随着与平行四边形的一边对应的第一方向(水平方向)上的坐标的增大而增大，所述高度在平行四边形的底边和遮光部分3B之间达到第二峰值，随后被降低。随着第一方向(水平方向)上的坐标的增大，所述高度再次被增大，达到低于第二峰值的第一峰值，随后被降低。
这种情况下，在第N行的第一排列中，第二方向(垂直方向)上的遮光长度并不变得恒定，如图2C中所示，出现由第一和第二峰值产生的峰值。同样地，在第二方向(垂直方向)上，第(N+1)行的第一排列中的遮光长度也不变得恒定，如图4B中所示，出现由第一和第二峰值产生的峰值。
从图2A和2B之间的比较明显可看出，第N行的第一个峰值和第(N+1)行的第一个峰值按照下列方式彼此互补：第N行的第一个峰值补偿在第(N+1)行的第一和第二个峰值之间造成的下降，以及第(N+1)行的第一个峰值补偿在第N行的第一和第二个峰值之间造成的下降。此外，图2C中所示的第N行的第一排列中的第二方向(垂直方向)上的遮光长度和第(N+1)行的第一排列中的第二方向(垂直方向)上的遮光长度彼此互补，并且在第二方向(垂直方向)上第N行和第(N+1)行的第一排列中的开口区长度的总值变得恒定。
按照图1中所示的显示部分，可使第N行和第(N+1)行的开口区长度彼此互补，如图2A和2B中所示，同样地，也可使第N行和第(N+1)行的第一排列中的遮光长度彼此互补，如图2C中所示。
尽管参考图1说明的提供遮光部分5和8的方式不同于实际像素设计的方式，然而应注意，绘制图1是为了解释实际开口区的形状的设计原理。在实际设计中，设计是按照起因于不均匀地分布在子像素10中的TFT元件等，遮光部分3在第一方向上的坐标被移动，在相邻两行或更多行中所述移动被抵消的方式进行的。此外，在图1中所示的显示部分中，马赛克排列被用作滤色器排列，从而抑制颜色云纹的出现。
图7放大地示出按照本发明的另一实施例的三维图像显示设备的平面图像显示部分的一部分。如图7中所示，按照本实施例的开口区的形状与图1中所示的子像素的开口区的形状相同，和图1中所示结构的不同之处在于，颜色排列是横条颜色排列。即使使用横条颜色排列，在三维显示时也能够防止出现颜色云纹。
在图5中，示出了和实际结构相似的图。降低数值孔径的主要结构有布线101-103以及结构111。除了上述之外，降低数值孔径的结构还有一些微细结构，然而在图5中它们被简化。在每一行，布线101被弯曲成Z字形，参考基准线2显然可看出，布线101和布线102的相交部分的第一方向坐标以及结构111沿第一方向被移动，从而被设置。借助这种排列，如图6B中所示，在相邻两行中，能够抵消图6A中所示的第N行的第一排列和第(N+1)行的第一排列中的遮光长度的变化。这里，在图5中所示的排列中，结构111和布线103被相互隔离以便绝缘。在与结构111和布线103之间的开口区相邻的一行中，不存在实现抵消开口区长度的遮光长度的结构。这是因为开口区微小，在第二方向上其开口区长度Tb与开口区长度Ta相比很小。下面会说明开口区长度Tb应被限制到什么程度。把结构111和布线103之间的开口区的尺寸限制为较小的值不会妨碍使在彼此相邻的两行中开口区长度恒定的设计。
下面举例说明其中透镜光栅被用作光线控制元件的情况。当使用透镜光栅20时，设计是按照考虑到下述事实在整个表面上能够获得基本均匀的散焦的方式来进行的，所述事实即透镜的顶点和显示器10的像素部分之间的距离按照基于视点44在显示器10的整个表面上的水平观察角的变化而变化，如图10中所示。更具体地说，通过把透镜顶点和显示像素部分之间的间距设置成稍微小于焦距(f)，即，通过使散焦水平宽度约为子像素宽度的50％，如图11中所示，由于所述间距小于焦距的事实，在显示器前部发生散焦(g＜f)，由于所述间距大于焦距(f＜g′)的事实，或者由于场的各种像差和曲率，在显示器的边缘部分发生散焦，能够使散焦量基本恒定，而不受观察角度的变化的不利影响。换句话说，当目的在于考虑到各种散焦因素，在显示器的整个表面上使散焦量恒定时，获得的散焦宽度至少约为子像素的水平宽度的50％。另一方面，如果两行的子像素的开口区长度之和的变化周期等于子像素宽度，如图6B中所示，那么通过经其中水平散焦宽度与像素宽度(Xo)一致的透镜光栅观察，垂直开口区长度的变化所附带的亮度变化的对比度理论上变成0。
下面利用MTF存储器说明其原因。当用散焦透镜采样垂直开口区长度的变化的短周期(波长(λ))的波时，亮度变化不被正确再现。亮度变化的对比度恶化取决于散焦的宽度。例如，当最小水平散焦宽度刚刚等于子像素的水平宽度(Xo)时，如果通过透镜看到图6B中的垂直开口区长度的变化(λ)，那么无论在什么地方看，它都变成仅仅一个周期，通过透镜观察到的对比度变成0。这将在后面利用图12中所示的MTF曲线来说明。当通过使用9-视差透镜(Pe(水平宽度)＝9Xo)对子像素宽度(Xo)的波长(λ＝Xo)的垂直开口区长度的变化波采样时，它对应于Pe/λ(图12中的横坐标)＝9Xo/Xo＝9。当透镜的水平散焦宽度为Xo时，由于Pe/λ＝9，MTF曲线为0。即，它表示对比度变成0。即使由于制造误差，散焦量从0.8Xo变化为1.2Xo，当基本波长(λ)等于或小于透镜的水平宽度(Pe)的1/9时，垂直开口区长度的变化的亮度差估计被抑制为初始对比度的约20％。这里，上面举例介绍了通过利用9-视差透镜(Pe(水平宽度)＝9Xo)进行采样的情况。当散焦宽度被设成等于垂直开口区长度的变化的基本波长(λ)的值，或其整数倍的值，并且考虑散焦宽度的制造误差时，通过透镜观察的垂直开口区长度的变化的对比度变成初始对比度的20％。因此，当假定人类的视认极限为0.5％的对比率，以及容忍极限为2％，那么允许达到上述值5倍的2.5-10％的亮度变化。换句话说，如果通过相加多个开口区长度而获得的垂直开口区长度的变化被抑制为10％或更小，那么就足够了。
此外，在其中使在第二方向上彼此相邻的两行的第一排列中的遮光长度的变化恒定的上述结构中，存在抑制模式(killer pattern)。在诸如单色显示或者每隔一行上的白色显示之类的抑制模式中，失去了垂直方向上彼此相邻的两行(第N行和第(N+1)行)的第一排列中的抵消效果。首先，就单色显示来说，在第一排列中每三行进行照明，如图9中所示，从而在6行中开口区长度的总和变得恒定，如图9中所示。例如，当假定子像素的高度(第一排列的高度)为150微米时，意味着亮度在约达到该值6倍的1毫米时变得恒定，表观分辨率被降低。此外，如图9中所示，当按照照明第一排列中的三行，接下来的三行不被照明的方式进行显示时，同样失去了在垂直方向上彼此相邻的两行的第一排列中开口区长度变得恒定的效果。在第二方向上彼此相邻的三行通常负担RGB，从而除了每隔一行上的白色照明之外，图9的显示什么也不是。每隔一行上的这种白色照明造成可能导致云纹的抑制模式。具体地说，当焦点位于点FP1时，以及当焦点位于点FP2时，开口区长度之和分别变成285和270，如果开口区长度之间的差值被假定为100％的15％，100％是最大开口区长度，那么开口区长度之和变成彼此不同的285和270。至于单色显示时的分辨率降低(图9)，它是分辨率的一个问题，从而取决于观察距离等，并不始终是问题。就后者的问题来说，通过按照开口区长度之和在三行的第一排列中变得恒定的方式来设计结构，能够避免该问题。然而，当通过使第二方向上的多个第一排列的开口区长度之和恒定来消除云纹时，如果考虑到如图9中所示的抑制模式的存在，那么有效的是在一定程度上抑制在单一排列中开口区长度的变化。根据一定条件获得许可的变化量，在所述条件下，由开口区长度的变化引起的亮度的变化按照下述方式变得等于或小于视认极限。
抑制模式中的亮度差的对比度为，当假定最大开口区长度为100，并且最小开口区长度为x(图9对应于x＝85)时，如果考虑到能够使散焦的垂直开口区长度的变化的对比度等于或小于已出现的视认极限的垂直开口区长度的10％或更小的容许量，那么如果满足(2×100+x)∶(2×x+100)＝100∶90就足够了，必须使x＝72，即，在差异被多个第一排列中的开口区的总和抵消的假定下，单个第一排列中的垂直开口区长度之间的差为28％(＝100-72)或更小。
总结上面的描述，通过按照单个第一排列中的垂直开口区长度的变化为28％或更小，并且多个第一排列中的垂直开口区长度的变化为10％或更小的方式进行设计，通过结合所述设计与透镜的散焦效应，能够使云纹的对比度等于或小于视认极限。顺便提及，当在三行中使第二方向上的第一排列中的开口区长度之和恒定时，每隔一行上的白色照明不会引起抑制模式。即，在其中沿第二方向反复排列RGB的滤色器排列的情况下，如果在在第二方向上彼此相邻的6行的第一排列中，通过第一方向上的坐标来切割垂直开口区长度就足够了，按照能够获得(x+a)、(x)、(x-a)、(x+a)、(x)和(x-a)(x：基本垂直开口区长度，a：变化量)的比率来切割所述垂直开口区长度。此外，如果切割结果是按照(x+a)、(x)、(x-a)、(x-a)、(x)和(x+a)(x：基本垂直开口区长度，a：变化量)的顺序排列的，那么单色显示不会引起抑制模式。如果试图在比此更长的周期中使垂直开口区长度之和恒定，那么在多个第一排列中使垂直开口区长度恒定的效果被稀释(使得更易于直观确认亮度逐行而异，取决于归因于分隔距离的分辨率)。
图13是放大地示出按照本发明的另一实施例的三维图像显示设备的平面图像显示部分的一部分的放大图。如图13中所示，在该显示部分中，采用形状基本上呈平行四边形的开口区1。此外，颜色排列采用马赛克。在这种安排中，尽管第一排列中的开口区长度在第二方向(垂直方向)上不恒定，然而提供了开口区7和遮光区5，从而使在垂直方向上彼此相邻的两行中的第一排列的总和恒定。此外，尽管第N行和第(N+1)行中的第一排列的开口区形状彼此不同，然而它们的开口面积彼此相等。图14示出其中第二方向上的遮光长度变化，以便在第N行和第(N+1)行的第一排列中相互抵消的状态。图13示出马赛克排列，也可采用横条颜色排列，与图1和图4之间的关系中一样。
下面参考图15A-15C说明使用本发明增大数值孔径的效果。在图15A和15B中，图2C中所示的遮光长度的图被重新绘制，使得能够领会占用率。在图15A中所示的第N行的第一排列以及第(N+1)行的第一排列中，平均开口区长度都为67.5％。另一方面，如果按照遮光部分3在一行的第一排列中变得恒定从而抑制亮度变化的方式来控制开口区形状，那么如图15C和15D中所示，在第N行的第一排列和第(N+1)行的第一排列中，开口区长度都变成57.7％，3D显示的亮度被降到88％，低于在作为本提案的例子的图1中所示的亮度。
图16和17示出在使垂直布线垂直的情况下的亮度变化。如果提供垂直布线，以便允许它与第二方向(垂直方向)重合，所述第二方向(垂直方向)是作为光线控制元件的透镜的脊线，那么不可能抑制第二方向(垂直方向)上的开口区长度的变化，如图17中所示。
图18示意示出整个三维图像显示设备。图18中所示的平面图像显示部分10是马赛克滤色器排列的高清晰液晶面板模块，其中，以矩阵形式排列具有开口区1的子像素10，所述开口区1具有前述形状。平面图像显示部分10可以是等离子体显示面板、有机EL显示面板、场致发光显示面板等等，种类无关紧要，只要子像素10的开口区1的形状和颜色排列满足前述条件即可。与平面图像显示部分相对地设置光线控制元件20。假定的观察者位置在点44附近，在水平视角41和垂直视角42的范围内，能够在光线控制元件20的正面和背面附近观察到三维图像。
图19A是充当图18中所示的光线控制元件的透镜光栅334的透视图，图19B是充当图18中所示的光线控制元件的狭缝阵列333的透视图。水平间距Pe是与平面图像显示部分的像素行方向重合的方向上的间距。
图20A-20C是示意示出通过利用图18中所示的三维图像显示设备的显示部分作为基准确定的垂直平面和水平平面中的光线再现范围的展开图。在图20A中，示出了平面图像显示部分10和光线控制元件20的前视图。在图20B中，示出了显示三维图像显示设备的图像排列的平面图。在图20C中，示出了三维图像显示设备的侧视图。
如图18和19中所示，三维图像显示设备配有诸如液晶面板之类的平面图像显示部分10和包括光学开口的光线控制元件20。
在图20中，如果光线控制元件20和视距平面43之间的可视距离L、光线控制元件的水平间距Pe、以及光线控制元件与像素表面之间的间隙g被确定，那么要素图像水平间距P由通过把孔径(或者透镜主点)中心从视距平面43上的视点投影到显示元件上而获得的间隔确定。附图标记46表示连接视点和每个孔径中心的线，以及根据要素图像在显示设备的显示表面上彼此不重叠的条件来确定视场宽度W。在把多组平行光线作为条件的一维II***的情况下，要素图像的水平间距的平均值稍大于像素水平间距的整数倍，以及光线控制元件的水平间距等于像素水平间距的整数倍。在多眼***的情况下，要素图像的水平间距等于像素水平间距的整数倍，以及光线控制元件的水平间距稍小于像素水平间距的整数倍。
图21是示意示出按照本发明的三维图像显示设备的一部分的配置的透视图。图21示出柱面透镜阵列(透镜光栅)201被布置在诸如液晶面板之类的有平面的平面图像显示部分之前的情况。如图21中所示，在显示设备的显示面上，呈矩阵形式沿横向方向和纵向方向直线排列均具有3∶1的纵横比的子像素31，并且按照在行方向和列方向上交替排列红(R)、绿(G)和蓝(B)像素的方式来排列每个像素31。这种颜色排列通常被称为马赛克排列。子像素31的开口区1的形状是图1、7或13中所示的形状。3行×9列的子像素31构成一个三维显示时间像素32(用黑框表示)。在这样的显示部分的结构中，三维显示时间像素由27个子像素构成，从而能够实现提供9视差的三维图像/图像显示。
借助上述方法，在其中垂直布置光线控制元件的三维图像显示设备中，不会导致妨碍显示的云纹，避免亮度降低，并且整个三维图像的图像质量得到改善。
顺便提及，本发明并不局限于上面说明的实施例，在不偏离本发明的本质的范围内能够修改和具体体现组成元件。
此外，通过适当地组合在上述实施例中公开的组成元件，能够形成各种发明。例如，可从实施例中所示的全部组成元件中除去一些组成元件。此外，可恰当地相互组合不同实施例的组成元件。
按照本发明，在其中相互组合把周期性局限于第一方向(水平方向)的光线控制元件和以矩阵形式沿第一和第二方向(垂直和水平方向)配置像素的平面显示装置的三维图像显示设备中，不需要设置虚拟的遮光部分作为云纹消除措施，即使设置虚拟的遮光部分，也能够用较小面积的虚拟遮光部分消除云纹，并且能够防止发生数值孔径的降低所附带的亮度下降。
本领域的技术人员易于想到另外的优点和修改。于是，本发明的范围并不局限于这里表示和描述的具体细节和典型实施例。因此，在不脱离由附加权利要求及其等同物限定的一般发明原理的精神或范围的情况下，可做出各种修改。

Claims (11)

1、一种用于显示三维图像的设备，包括：
配置成显示平面图像的显示部分，它包括子像素的排列，子像素的每个排列是沿第一方向排列的，并且子像素的排列是沿第二方向排列的，从而形成矩阵，其中，每个子像素具有开口区和遮光区，开口区的面积是通过从子像素的面积中减去遮光区的面积而获得的，并且由通过沿第一方向积分第二方向上的开口区长度而获得的值来定义，子像素的一个排列中的第二方向上的开口区长度沿第一方向变化，并且使所述一个开口区长度和子像素的另一个排列中的第二方向上的另一个开口区长度之和在第一方向上基本恒定；和
配置成控制来自显示部分的子像素的光线的光线控制元件，所述光线控制元件面对显示部分，并且具备沿第二方向基本线性延伸并且沿第一方向排列的许多光学开口。
2、按照权利要求1所述的设备，其中沿第一方向，子像素的排列中的第二方向上的开口区长度之和的变化等于或小于10％。
3、按照权利要求1所述的设备，其中沿第一方向，子像素的排列中的第二方向上的开口区长度的变化等于或小于28％。
4、按照权利要求1所述的设备，其中，所有子像素具有基本相同的数值孔径。
5、按照权利要求1所述的设备，其中，子像素的所述一个排列和子像素的所述另一个排列在第二方向上彼此相邻。
6、按照权利要求1所述的设备，其中，分别属于子像素的所述一个排列和所述另一个排列，并且沿第二方向排列的子像素具有相同的颜色。
7、按照权利要求1所述的设备，其中，子像素的颜色排列是马赛克排列。
8、按照权利要求1所述的设备，其中，子像素的颜色排列是横条排列。
9、按照权利要求1所述的设备，其中，每个子像素包括定义开口区的遮光区，所述遮光区包括沿第二方向的布线，以及沿第二方向的布线在子像素的排列中被弯曲，以便沿第二方向Z字形延伸。
10、按照权利要求1所述的设备，其中，每个子像素的形状大体为平行四边形，以及子像素是按照下列方式排列的：在子像素的偶数排列和子像素的奇数排列中，子像素的倾斜被交替地反转。
11、按照权利要求1所述的设备，其中，每个子像素的形状大体为折线形状。
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