專利名稱：方向性背光源、顯示設(shè)備和立體顯示設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及方向性背光源，使用該方向性背光源的顯示設(shè)備和立 體顯示設(shè)備。
背景技術(shù)：
已知用于實(shí)現(xiàn)立體顯示設(shè)備或三維(3D)圖像顯示設(shè)備的各種 系統(tǒng)能夠顯示三維移動圖像。近年來，對使用平坦面板并且不需要特 殊玻璃的立體顯示系統(tǒng)的需求顯著增加。已知有一種提供視差產(chǎn)生單 元的可以相對容易實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)。該視差產(chǎn)生單元緊靠其像素在位置上 固定的顯示面板(顯示裝置)的前面提供，并且該視差產(chǎn)生單元控制 從顯示面板向觀察者發(fā)射的光線的方向。這樣的顯示面板的例子包括 直觀式和投影式液晶顯示器及等離子顯示器。
視差產(chǎn)生單元通常稱為視差屏障(parallax barrier )，并且控制 光線，從而使得即使當(dāng)觀察者觀察到的圖像在光線控制裝置上的同一 定位位置處，觀察者也會從不同的視角看到不同的畫面。具體來說， 為了只產(chǎn)生橫向視差(水平視差)，狹縫片(slit sheet)或柱面透鏡 片(lenticular)(柱面透鏡陣列)被用作視差產(chǎn)生單元。為了除了水 平視差以外還產(chǎn)生縱向視差(垂直視差)，針孔陣列或透鏡陣列被用 作視差產(chǎn)生單元。
使用視差屏障的系統(tǒng)還進(jìn)一步被分類為雙目顯示器、多畫面 (multiple-view)顯示器、超級多畫面顯示器(使用超級多視圖條件 的多畫面顯示器)以及整體成像系統(tǒng)(在下文中，IP系統(tǒng)為整體攝影 的簡稱)。這些系統(tǒng)的基本原理基本上與大約100年前發(fā)明的原理相 同，并且已經(jīng)被應(yīng)用于立體攝影中。
如在Journal of the Optical Society of America A, Vol. 15, No.8,
pp. 2059-2065 (1998)(美國光學(xué)協(xié)會期刊A，15巻，第8號，2059-2065 頁(1998))和在JP-A 2006-267928 (日本乂>開特許公報(bào))中所述， 在多畫面顯示器和單向(ID) IP系統(tǒng)(只有水平視差的IP系統(tǒng)) 中，三種性質(zhì)即視差、分辨率和表觀深度之間的權(quán)衡關(guān)系使得很難 在所有三種性質(zhì)中都達(dá)到足夠的級別。為了解決這個(gè)問題，在日本 專利No. 3585781和日本專利No. 3710934中提出了通過使用時(shí)分控 制改變光線方向來提高分辨率的技術(shù)。
但是，由于增加光線方向的數(shù)目和減少要通過時(shí)分控制切換的光
源的數(shù)量不是很好兼容的，從而難以對觀察位置的改變作為響應(yīng)，所
以這些常規(guī)技術(shù)是不適宜的。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面， 一種方向性背光源包括表面光源，該 表面光源具有這樣一種特性，即，從該表面光源的發(fā)光表面發(fā)出的光 線的亮度分布靠近該發(fā)光表面的法線方向集中；偏振裝置單元，該偏 振裝置單元包括面向所述表面光源的發(fā)光表面的第一透明基板，面 向所述第一透明基板的第二透明基板，形成在所述第一透明基板和所 述第二透明基板之間的一對電極，所述電極具有按條紋的形式布置的 布線圖案，保持在所述電極之間的液晶層，和設(shè)置在所述第二透明基 板上且具有與所述電極的布線圖案相對應(yīng)的多個(gè)開口的遮光層；以及 電壓控制器，該電壓控制器在多個(gè)電壓施加狀態(tài)之間切換所述電極的 布線圖案中的每一個(gè)的電壓施加狀態(tài)，并且在每一個(gè)所述電壓施加狀 態(tài)中單獨(dú)地控制要施加到所述布線圖案的電壓值，從而控制從所述表 面光源發(fā)出的通過所述開口到達(dá)預(yù)定位置的光線的方向。
才艮據(jù)本發(fā)明的另一方面， 一種顯示i殳備包括表面光源，該表面 光源具有這樣一種特性，即，從該表面光源的發(fā)光表面發(fā)出的光線的 亮度分布靠近該發(fā)光表面的法線方向集中；偏振裝置單元，該偏振裝 置單元包括面向所述表面光源的發(fā)光表面的第一透明基板，面向所 述第一透明基板的第二透明基板，形成在所述第一透明基板和所述第
二透明基板之間的一對電極，所述電極具有按條紋的形式布置的布線 圖案，保持在所述電極之間的液晶層，和設(shè)置在所述第二透明基板上
且具有與所述電極的布線圖案相對應(yīng)的多個(gè)開口的遮光層；液晶顯示 裝置，該液晶顯示裝置面向所述偏振裝置單元，并且在按矩陣的形式 布置的顯示像素上顯示圖像幀，該圖像幀被分成多個(gè)場圖像；同步控 制器，該同步控制器以預(yù)定的時(shí)間間隔執(zhí)行在所述液晶顯示裝置上顯 示的場圖像中的每一個(gè)到另一個(gè)場圖像的切換；以及電壓控制器，該 電壓控制器根據(jù)由所述同步控制器執(zhí)行的切換的定時(shí)在多個(gè)電壓施 加狀態(tài)之間切換所述電極的布線圖案中的每一個(gè)的電壓施加狀態(tài)，并 且在每一個(gè)所述電壓施加狀態(tài)中單獨(dú)地控制要施加到所述布線圖案 的電壓值，從而控制從所述表面光源發(fā)出的通過所述開口并然后通過 所述液晶顯示裝置到達(dá)預(yù)定位置的光線的方向。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面， 一種立體顯示設(shè)備包括表面光源，該 表面光源具有這樣一種特性，即，從該表面光源的發(fā)光表面發(fā)出的光 線的亮度分布靠近該發(fā)光表面的法線集中；偏振裝置單元，該偏振裝 置單元包括面向所述表面光源的發(fā)光表面的第一透明基板，面向所 述第一透明基板的第二透明基板，形成在所述第一透明基板和所迷第 二透明基板之間的一對電極，所述電極具有按條紋的形式布置的布線 圖案，保持在所述電極之間的液晶層，和設(shè)置在所述第二透明基板上 且具有與所述電極的布線圖案相對應(yīng)的多個(gè)開口的遮光層；液晶顯示
裝置，該液晶顯示裝置面向所述偏振裝置單元，并且在按矩陣的形式 布置的顯示像素上顯示元素圖像陣列，從而使得由多個(gè)場圖像形成立 體顯示；設(shè)置在所述液晶顯示裝置的前表面和后表面中的任意一個(gè)表 面上的視差產(chǎn)生單元；以及電壓控制器，該電壓控制器根據(jù)所述場圖 像的顯示在多個(gè)電壓施加狀態(tài)之間切換所述電極的布線圖案的電壓 施加狀態(tài)，并且在每一個(gè)所述電壓施加狀態(tài)中單獨(dú)地控制要施加到所 述布線圖案上的電壓值，從而控制從所述表面光源發(fā)出的通過所述開 口 、通過所述液晶顯示裝置并然后通過所述視差產(chǎn)生單元到達(dá)預(yù)定位 置的光線的方向。


圖1是示出根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的方向性背光源的結(jié)構(gòu)的示
意圖2是示出根據(jù)第一實(shí)施例的從表面光源發(fā)出的光的光強(qiáng)度分 布的視圖3是示出方向性背光源的電極單元的一部分的放大視圖4是用于解釋根據(jù)第一實(shí)施例的液晶層的折射率變化的示意
圖5示出根據(jù)第一實(shí)施例的所施加的電壓值和光偏轉(zhuǎn)角之間的 關(guān)系的視圖6A是示出所施加的電壓值和液晶分子的取向角之間的關(guān)系的
視圖6B是示出根據(jù)第一實(shí)施例的液晶單元間隙(cell gap )和光偏 轉(zhuǎn)角之間的關(guān)系的視圖7是示出方向性背光源的控制裝置的框圖8是示出根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的圖像顯示設(shè)備的結(jié)構(gòu)的示
意圖9是示出圖像顯示設(shè)備的控制裝置的框圖io是圖像顯示設(shè)備的頂視圖ii至H是圖像顯示設(shè)備和觀察者之間的關(guān)系的示意圖15是示出常規(guī)圖像顯示設(shè)備和觀察者之間的關(guān)系的示意圖16A是示出觀察范圍和所施加的電壓值之間的關(guān)系的視圖16B是示出觀察范圍和偏轉(zhuǎn)角之間的關(guān)系的視圖17A是示出當(dāng)光線被控制到水平的和垂直的四個(gè)方向時(shí)提供
的，見察范圍的視圖17B是示出在光線方向被控制到水平的和垂直的四個(gè)方向的
模式中的亮度分布的視圖18是示出根據(jù)第二實(shí)施例的在LCD面板上的光線的亮度分布
的視圖19是示出根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的立體顯示設(shè)備的結(jié)構(gòu)的示
意圖20是示出立體顯示設(shè)備的控制裝置的框圖； 圖21是示出立體顯示設(shè)備和觀察者之間的關(guān)系的示意圖； 圖22至圖24是光線方向的轉(zhuǎn)變(transition)的示意圖； 圖25是示出光線通過立體顯示設(shè)備的軌跡(locus)的示意圖； 圖26是示出根據(jù)第三實(shí)施例的視差產(chǎn)生元件上的光線的亮度分 布的^L圖27是示出常規(guī)立體顯示設(shè)備和觀察者之間的關(guān)系的示意圖； 圖28是示出光線通過常規(guī)立體顯示設(shè)備的軌跡的示意圖；以及 圖29至圖31是示出根據(jù)第三實(shí)施例的立體顯示設(shè)備和觀察者之 間的關(guān)系的示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面參照附圖詳細(xì)地描述根據(jù)本發(fā)明的方向性背光源、顯示設(shè)備 和立體顯示設(shè)備的示例實(shí)施例。
圖l是示意性地示出根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的方向性背光源100 的水平剖視圖。在圖1中，觀察者O位于頂側(cè)上，即，方向性背光源 100向頂側(cè)發(fā)光。方向性背光源100可以是平坦型和傾斜型中的任何 一種。平坦型是這樣安裝，即，在實(shí)空間中，發(fā)光表面與水平方向平 行。傾斜型是相對于水平方向以傾斜的取向安裝的，從而發(fā)光表面面 向觀察者O。
如圖1所示，方向性背光源100包括表面光源110和置于該表面 光源110之上的偏振裝置單元120。
表面光源110是在亮度分布方面具有這樣的方向性的平面光源， 即，亮度分布靠近表面光源110的發(fā)光表面的法線集中。表面光源110 朝著面向發(fā)光表面的偏振裝置單元120發(fā)射光，即，朝著觀察者O發(fā) 射光。
圖2示出在表面光源110之上的不同位置處測量的亮度分布。如 圖2所示，從表面光源IIO發(fā)出的光的亮度在發(fā)光表面的法線方向上
達(dá)到峰值，并且，隨著相對于法線的角度e的增大而減小。
偏振裝置單元120依次包括面向表面光源110的發(fā)光表面的透 光式透明基板121;透光式絕緣層122,其由絕緣體制成，并且設(shè)置 在透明基板121上；下電極123，其具有多個(gè)布線圖案；液晶層124， 其中的液晶分子最初被配向；上電極125,其具有多個(gè)布線圖案；透 光式絕緣層126，其由絕緣體制成；透光式平坦化層(planarization layer) 127;遮光層128,其由遮光材料制成；以及透光式透明基板 129。平坦化層127使遮光層128造成的凹凸不平(unevenness)平坦 化。
在第一實(shí)施例中，下電極123和上電極125作為驅(qū)動液晶層l24 的電極單元提供，然而，電極單元的配置并不局限于此。例如，該電 極單元可以實(shí)施為全表面型(overall-surface-type)電極，該全表面 型電極設(shè)置在透明基板121和絕緣層122之間以及在絕緣層1"和平 坦化層127之間的至少一個(gè)處?？蛇x擇地，下電極123和上電極125 中的一個(gè)可以是全表面型電極。
圖3是示出方向性背光源100的電極單元的一部分的放大視圖。 透明基板121、絕緣層122和126以及平坦化層lr7沒有在圖3中示 出。
如圖3所示，下電極123和上電極125中的每一個(gè)都包括按條紋 的形式布置的布線圖案。形成下電極123的布線圖案的條紋和形成上 電極125的布線圖案的條紋相互垂直延伸。每一個(gè)布線圖案的寬度和 每兩個(gè)相鄰布線圖案之間的間隙尺寸并不受特別的限制，然而，布線
圖案優(yōu)選是在例如幾個(gè)微米或幾十個(gè)微米的數(shù)量級上的等間隔的細(xì) 距布線圖案。下電極123和上電極125中的每一個(gè)優(yōu)選由透光式透明
電極形成。
如圖1和圖3所示，開口 A以規(guī)則的間隔限定在遮光層128中 的與下電極123和上電極125的布線圖案相對應(yīng)的位置處，該遮光層128保持在平坦化層127 (未示出)內(nèi)。由于開口 A充當(dāng)這樣的端口， 即，經(jīng)過透明基板121、平坦化層127和其間的其它元件的光通過該 端口照射，所以通過開口 A的光經(jīng)由透明基板129被觀察者O觀察 到。
可以就下電極123和上電極125的每兩個(gè)相鄰布線圖案之間的間 隙或者以預(yù)定數(shù)目的間隙的規(guī)則間隔來限定開口 A。開口 A的尺寸并 不受特別的限制，但是，其優(yōu)選地根據(jù)下電極123和上電極125的每 兩個(gè)相鄰布線圖案之間的間隙來確定。例如，當(dāng)每兩個(gè)相鄰布線圖案 之間的間隙在幾個(gè)微米至幾十個(gè)微米的數(shù)量級上時(shí)，開口 A的尺寸優(yōu) 選在幾個(gè)微米至幾十個(gè)微米的數(shù)量級上，從而與該間隙相對應(yīng)。
構(gòu)成保持在下電極123和上電極125之間的液晶層124的液晶分 子在不受電場的影響的初始狀態(tài)下縱向地配向。構(gòu)成液晶層124的液 晶分子中的每一個(gè)的取向隨著施加給下電極123和上電極125的布線 圖案上的電壓值而改變，從而使通過液晶層124的光線發(fā)生折射。下 面將參照圖4描述液晶層124的折射率變化的原理。
圖4是最初均勻地配向的液晶分子的例子，其中，液晶分子與基 板表面縱向地平行。在圖4中，附圖標(biāo)記123a和123b表示形成下電 極123的多個(gè)布線圖案中的相鄰的兩個(gè)布線圖案。附圖標(biāo)記125a表 示形成位于布線圖案123a和123b之上的上電極125的布線圖案。
當(dāng)將電壓傳送到下電極123和上電極12以在液晶層124中產(chǎn)生 電場時(shí)，如圖4所示，液晶分子隨著電場的取向而以角度\|/縱向地傾 斜，從而改變液晶層124的折射率。當(dāng)折射率這樣改變時(shí)，從表面光 源100 (未示出)沿著法線方向發(fā)出的光線Ll通過液晶層124而被 偏轉(zhuǎn)角度6。結(jié)果，在透明基板129的表面(上電極125)上觀察到 經(jīng)過偏轉(zhuǎn)的光線L1，即，光線L2。在下文中，光線L1所偏轉(zhuǎn)6的 角度稱為偏轉(zhuǎn)角6 。
從折射率變化的原理可知，偏轉(zhuǎn)角6隨著施加到下電極123和上 電極125的布線圖案上的電壓值而改變。在根據(jù)第一實(shí)施例的方向性 背光源100中，稍后描述的控制裝置130單獨(dú)地控制施加到下電極123和上電極125的布線圖案上的電壓值，從而控制偏轉(zhuǎn)角6。參照圖4
和5描述控制偏轉(zhuǎn)角e的方法。
在圖4中，施加到布線圖案123a、 123b和125a上的電壓值分別 表示為V1、 V2和V0。在第一實(shí)施例中，假設(shè)預(yù)先已經(jīng)獲得了如圖5 所示的表格中列舉的電壓值VI、 V2和VO的絕對值中的量值關(guān)系與 施加電壓值時(shí)光線偏轉(zhuǎn)的方向(角6的方向)之間的關(guān)系。符號"+" 表示在圖4中所示的液晶層124的表面上的向右方向，"0"表示液 晶層124的法線方向，"-"表示在液晶層124的表面上的向左方向。
稍后描述的電壓控制器133在下述三種關(guān)系中切換施加到下電 極123的布線圖案123a和123b以及上電極125的布線圖案125a上 的電壓之間的量值關(guān)系|V1|>|V2|=|V0| 、 IV0I叫V1I叫V21和 |V0|=|V1|<|V2|，參見圖5中的表格，從而控制在三個(gè)水平方向(圖4 中的橫向方向)上通過液晶層124的偏轉(zhuǎn)角6 。
描述在水平方向上控制偏轉(zhuǎn)角e的方法。然而，控制方法并不局 限于此，可以在多個(gè)方向上控制偏轉(zhuǎn)角e。例如，通過同時(shí)控制施加
到與布線圖案125a相鄰的布線圖案(未示出)上的電壓值，光線可 以被偏轉(zhuǎn)到圖紙面的深度方向(下文稱為"垂直方向，，)。其間，只 描述形成下電極123和上電極125的布線圖案中的一些(布線圖案 123a、 123b和125a)，但是，電壓控制器133也控制施加到其它布 線圖案上的電壓值。
施加到下電極123和上電極125的布線圖案上的電壓值以及其間 的量值關(guān)系(其例子在圖5中示出)取決于方向性背光源IOO的特性， 例如，液晶層124的性質(zhì)和遮光層128的開口 A的尺寸。下面參照圖 6A和6B描述方向性背光源IOO的特性與偏轉(zhuǎn)角6之間的關(guān)系。
圖6A是示出在圖4所示的液晶分子的取向角1|/和與施加到下電 極123和上電極125上的電壓值V之間的關(guān)系的視圖。圖6A示出相 對于水平線的取向角\|/為0度的例子。如圖6A所示，均勻配向的液
晶層的取向角vi/隨著電壓值增大而迅速增大，接近其最大角，即，卯 度。通過累積液晶層124中的液晶分子的取向角v|/，得到偏轉(zhuǎn)角e。
因此，通過一個(gè)布線圖案一個(gè)布線圖案地單獨(dú)控制施加到布線圖案上
的電壓值從而改變?nèi)∠蚪莢j/，偏轉(zhuǎn)角e可以設(shè)置為期望值。稍后描述
的電壓控制器133控制與開口 A中的每一個(gè)相對應(yīng)的布線圖案的單元 中的電壓值，從而引導(dǎo)從表面光源110發(fā)出的光線并通過開口 A到達(dá) 預(yù)定位置(例如，觀察者0的位置)。
如果使用這樣的液晶層124，即，粘度系數(shù)k-15. 8x10—12牛頓， 在與初始取向平行的方向上的介電常量印-8. 3 's。，在與初始取向垂直 的方向上的介電常量sv-3. 1 s。，液晶層124的厚度(液晶單元間隙) "d，， =5微米，在施加約8伏特或更高時(shí)，獲得90度的取向角ij/。這 里，s。是真空中的介電常量(8. 854 xiO_12F/m)。
圖6B是示出在下述條件下偏轉(zhuǎn)角6和液晶單元間隙"d"之間 的關(guān)系的視圖其中，IV1-V2I是最大值，折射率差A(yù)n是O. 2，開口 A的尺寸是10微米。在這樣的條件下，當(dāng)液晶單元間隙"d"是30微 米或更大時(shí)，獲得60度或更高的取向角v。
通過基于圖6A和6B中所示的液晶層124的特性、遮光層128 的開口 A的尺寸和其它性質(zhì)來確定施加到下電極123和上電極125的 布線圖案上的電壓值，偏轉(zhuǎn)角可以被控制到期望的方向。在第一實(shí)施 例中，假設(shè)預(yù)先得到用來控制光線使得這些光線在水平方向和垂直方 向中的至少一個(gè)方向以不同角度偏轉(zhuǎn)的N(N是大于或等于2的整數(shù)) 組電壓值(或者電壓值之間的量值關(guān)系)。還假設(shè)施加到下電極123 和上電極125的布線圖案上的該N個(gè)電壓值組被預(yù)先存儲在稍后描述 的存儲單元123中。
圖7是示出用來得到方向性背光源IOO的控制裝置130的示意性 框圖。如圖7所示，控制裝置130包括電源單元131、存儲單元132 和電壓控制器133。
電源單元131將從外部商用電源等供給的電力饋送到方向性背 光源100的電負(fù)載上。除了與偏振裝置單元120相關(guān)的電源線以外的 部件在圖7中沒有示出。
存儲單元132是諸如只讀存儲器(ROM)之類的存儲裝置，并
且預(yù)先存儲屬于方向性背光源IOO的驅(qū)動控制的各種數(shù)據(jù)集。具體地 說，存儲單元132預(yù)先存儲設(shè)置信息1321，該設(shè)置信息限定要施加到 下電極123和上電極125的布線圖案上的電壓值。
要單獨(dú)施加到下電極123和上電極125的布線圖案上的N組電 壓值(或電壓值之間的量值關(guān)系)被預(yù)先限定在設(shè)置信息1321中。 該N組電壓值這樣確定，即，在施加該N個(gè)電壓值組中的任何一個(gè) 的電壓的情況下，通過開口 A的光線L2被引導(dǎo)到特定位置(光會聚 位置)。在下文中，其中一組電壓值被施加到布線圖案的狀態(tài)被稱為 "電壓施加狀態(tài)"。每一條光線在N個(gè)電壓施加狀態(tài)中的一個(gè)相應(yīng)狀 態(tài)中會聚的位置，即，N個(gè)光會聚位置，被設(shè)置為彼此不同?？梢詫?光會聚位置設(shè)置到任何期望的位置。例如，該位置可以是所假設(shè)的觀 察者的可能存在的位置。設(shè)置信息1321可以以例如圖5所示的表格 或關(guān)系表達(dá)式的形式存儲，根據(jù)該關(guān)系表達(dá)式，可以唯一地得出要單 獨(dú)施加到布線圖案上的N個(gè)電壓值組。
其間，電源單元131供給電力到方向性背光源IOO的電負(fù)載上。 電壓控制器133基于存儲在存儲單元132中的設(shè)置信息1321控制電 力的一部分，即，要施加到偏振裝置單元120的下電極123和上電極 125的布線圖案上的電壓值。具體地說，電壓控制器133在以預(yù)定的 時(shí)間間隔在限定于設(shè)置信息1321中的N個(gè)電壓值組之間從一個(gè)電壓 值組到另 一個(gè)電壓值組切換電壓值的同時(shí)，單獨(dú)地將電壓施加到形成 下電極123和上電極125的布線圖案上。用于切換電壓值的時(shí)間間隔 并不受特別的限制，但是，優(yōu)選地被設(shè)置為不會使觀察者產(chǎn)生閃爍感 的這樣的時(shí)間間隔。
電壓控制器133在以預(yù)定的時(shí)間間隔在N個(gè)電壓值施加狀態(tài)之 間切換電壓值施加狀態(tài)的同時(shí)，將電壓施加到布線圖案上。該時(shí)分控 制使得從表面光源110發(fā)出的通過開口 A的光線引導(dǎo)到N個(gè)光會聚 位置。因此，從方向性背光源IOO發(fā)出的光線的方向可以按預(yù)定的時(shí) 間間隔切換，這樣允許在每一個(gè)光會聚位置上提供足夠?qū)挼挠^察范 圍。
如上所述，根據(jù)第一實(shí)施例，由于從單個(gè)表面光源發(fā)出的光線的 方向可以被切換，所以，光線的方向數(shù)目增加。另外，由于從表面光 源發(fā)出的光線的亮度分布靠近發(fā)光表面的法線集中，所以，觀察范圍 可以被確保在光線被引導(dǎo)到其上的每一個(gè)位置上，從而增大觀察范圍 的總區(qū)域。
接下來，作為第二實(shí)施例，描述包括方向性背光源100的圖像顯
示設(shè)備。在下面的描述中，與第一實(shí)施例相同的元件由相同的附圖標(biāo) 記表示，并且，省略對其贅述。
圖8是示意性地示出根據(jù)第二實(shí)施例的圖像顯示設(shè)備200的水平 剖視圖。在圖8中，觀察者O位于頂側(cè)上，即，方向性背光源100向 頂側(cè)發(fā)光。圖像顯示設(shè)備200可以是平坦型和傾斜型中的任何一種。 平坦型是這樣安裝，即，在實(shí)空間中，圖像顯示表面(發(fā)光表面)與 水平方向平行。傾斜型是相對于水平方向以傾斜的取向安裝的，從而 圖像顯示表面面向觀察者O。
如圖8所示，圖像顯示設(shè)備200包括表面光源110、置于該表面 光源110之上的偏振裝置單元120、以及置于偏振裝置單元120之上 的液晶顯示(LCD)面板210。
LCD面板210依次包括透光式偏振片211、在偏振片211上的液 晶單元212和透光式偏振片213。液晶單元212由例如向列型液晶形 成。
偏振片211只允許從方向性背光源100入射的光線中的以預(yù)定方 向振動的光線透過偏振片211。偏振片211可以是線性偏振片、圓偏 振片、橢圓偏振片等。
液晶單元212是LCD裝置，該LCD裝置包括一對基板(未示 出)和保持在電極之間的液晶層(未示出)，其中，每一個(gè)電極都是 透明電極。在稍后描述的同步控制器223的控制下施加在透明電極上 的電壓在LCD裝置的圖像顯示表面上形成圖像。像素在液晶單元212 的圖像顯示表面上以基本水平的列和垂直的行的矩陣的形式布置。紅 色(R)、綠色(G)和藍(lán)色(B)子像素以陣列的形式布置在圖像顯
示表面上。通過在圖像顯示表面上放置濾色片，設(shè)置R、 G和B子像 素。
在置于液晶單元212的圖像顯示表面上的像素和遮光層128的開 口A之間保持預(yù)定的關(guān)系。具體地說，從圖像顯示單元的前面觀察， 開口 A與形成圖像顯示單元的像素的子像素中的每一個(gè)在尺寸上基 本上相同。優(yōu)選地，開口 A的尺寸稍微小于單個(gè)子像素的尺寸。
優(yōu)選地，每個(gè)布線圖案的寬度、以及下電極123和上電極125 的相鄰的兩個(gè)布線圖案之間的間隙尺寸根據(jù)開口 A的尺寸即形成液 晶單元212的圖像顯示表面的單個(gè)子像素的尺寸來確定。優(yōu)選地，每 一個(gè)布線圖案的寬度、以及相鄰的兩個(gè)布線圖案之間的間隙尺寸也小
于單個(gè)子像素的尺寸。
偏振片213只允許通過偏振片211入射的光線中的在預(yù)定方向上 振動的光線通過。與偏振片211 —樣，偏振片213可以是線性偏振片、 圓偏振片、橢圓偏振片等。
圖9是示出用來驅(qū)動圖像顯示設(shè)備200的控制裝置220的示意性 框圖。如圖9所示，控制裝置220包括電源單元221、存儲單元222、 同步控制器223和電壓控制器224。
電源單元221將從外部商用電源等供給的電力饋送到圖像顯示 設(shè)備200的電負(fù)載上。除了與偏振裝置單元120相關(guān)的電源線以外的 部件在圖9中沒有示出。
存儲單元222是與存儲單元132相似的存儲裝置，并且預(yù)先存儲 屬于圖像顯示設(shè)備200的驅(qū)動控制的各種數(shù)據(jù)集。具體地說，與在第 一實(shí)施例的情況中一樣，存儲單元222預(yù)先存儲設(shè)置信息2221，該設(shè) 置信息限定要施加到下電極123和上電極125的布線圖案上的N組電 壓值。
與設(shè)置信息1321 —樣，要單獨(dú)施加到形成下電極123和上電極 125的布線圖案上的N組電壓值(或電壓值之間的量值關(guān)系)被預(yù)先 限定在設(shè)置信息2221中?；谝壕?24的物理特性和遮光層128 的單個(gè)開口 A的尺寸，確定這些電壓值。該N組電壓值這樣確定，
即，在N個(gè)電壓值狀態(tài)中的任何一個(gè)狀態(tài)中，通過開口 A并然后通 過LCD面板210的光線L2被引導(dǎo)到特定的光會聚位置。每一條光線 在N個(gè)電壓施加狀態(tài)中的一個(gè)相應(yīng)狀態(tài)中會聚的位置，即，N個(gè)光會 聚位置，被設(shè)置為彼此不同?？梢詫⒐鈺畚恢迷O(shè)置到任何期望的位 置。例如，該位置可以是所假設(shè)的觀察者的可能存在的位置。
同步控制器223將存儲在存儲單元222等中的圖像幀分成M個(gè) 場圖像(M是大于或等于2的整數(shù))，并且在以預(yù)定的時(shí)間間隔將顯 示的場圖像切換到另一場圖像的同時(shí)在液晶單元212的圖像顯示表面 上顯示每一個(gè)場圖像。每一個(gè)幀被分割的數(shù)目M優(yōu)選是N， N是在設(shè) 置信息2221中限定的電壓值組的數(shù)目，可選擇地，在N和M之間可 以維持整數(shù)倍關(guān)系。用于切換場圖像的時(shí)間間隔并不受特別的限制， 但是，優(yōu)選地被設(shè)置為不會使觀察者產(chǎn)生閃爍感的這樣的時(shí)間間隔。
其間，電源單元221供給電力到方向性背光源100的電負(fù)載上。 電壓控制器224基于存儲在存儲單元222中的設(shè)置信息2221控制電 力的一部分，即，要施加到偏振裝置單元120的下電極123和上電極 125的布線圖案上的電壓值。具體地說，電壓控制器224在以預(yù)定的 時(shí)間間隔在限定于i殳置信息2221中的N個(gè)電壓值組之間從一個(gè)電壓 值組到另 一個(gè)電壓值組切換電壓值的同時(shí)，單獨(dú)地將電壓施加到形成 下電極123和上電極125的布線圖案上。在第二實(shí)施例中，與由同步 控制器223執(zhí)行的場圖像的切換同步地執(zhí)行要施加到布線圖案上的電 壓值組的切換。
如上所述，電壓控制器224在以預(yù)定的時(shí)間間隔在N個(gè)電壓施 加狀態(tài)之間切換電壓施加狀態(tài)的同時(shí)，將電壓施加到布線圖案上。該 時(shí)分控制使得從表面光源110發(fā)出的通過開口 A并然后通過LCD面 板210的光線引導(dǎo)到N個(gè)光會聚位置。因此，從方向性背光源100發(fā) 出的光線的方向可以按預(yù)定的時(shí)間間隔切換，這樣允許在每一個(gè)光會 聚位置上提供足夠?qū)挼挠^察范圍。
圖10是從觀察者側(cè)觀察的圖像顯示設(shè)備200的平面圖。在圖10 中，附圖標(biāo)記F21、 F22和F23分別表示在觀察者Oa、 Ob和Oc的
位置處的觀察范圍。用從表面光源110發(fā)出的通過偏振裝置單元120 和LCD面板210的光線形成每一個(gè)觀察范圍。
圖10示出其中電壓控制器224根據(jù)形成圖像幀的三個(gè)場圖像執(zhí) 行對要單獨(dú)施加到布線圖案上的電壓值的時(shí)分控制的狀態(tài)。該控制使
得從表面光源110發(fā)出的光線引導(dǎo)到觀察者Oa、 Ob和Oc的位置中 的每一個(gè)。因此，通過將從圖像顯示表面射出的光線的方向在水平方 向(圖10中的橫向方向)上被控制，觀察范圍F21、 F22和F23分別 確保在觀察者Oa、 Ob和Oc的位置處。該控制允許顯示多個(gè)二維畫 面(在圖10中所示的例子中，三個(gè)畫面)。
圖11示出圖10所示的圖像顯示設(shè)備200與觀察者Oa、 Ob和 Oc之間的關(guān)系。如圖ll所示，電壓控制器224控制電壓值，從而切 換從圖像顯示設(shè)備200發(fā)出的光線相對于觀察者Oa、 Ob和Oc的位 置"0"的方向。結(jié)果，提供分別居中于觀察者Oa、 Ob和Oc的位置 處的觀察范圍F21、 F22和F23。圖11所示的附圖標(biāo)記B表示觀察范 圍F21、 F22和F23中的相鄰的兩個(gè)觀察范圍之間的邊界。圖11中的 附圖標(biāo)記"-W，，和"+W"分別表示在負(fù)側(cè)(-)上和在正側(cè)(+ )上 的邊界B相對于觀察范圍F21至F23中的每一個(gè)中的觀察者位置"0" 的位置。
圖12至圖14分別示出圖11所示的處于觀察者Oa、 Ob和Oc 的位置處的觀察范圍F21、 F22和F23與從方向性背光源100發(fā)出的 光線L2之間的關(guān)系。在圖12至圖14中沒有示出方向性背光源100。
如圖12至圖14所示，電壓控制器224控制光線L2在多個(gè)位置 處入射在LCD面板210上的入射角，從而光線L3向與觀察者O的 位置(更具體地，Oa、 Ob和Oc)相對應(yīng)的位置發(fā)射.4艮據(jù)觀察者O 的位置切換光線L3的位置允許在觀察者的位置處為觀察范圍F21至 F23中的每一個(gè)固定寬的區(qū)域。
從圖12至圖14清楚可知，在每一個(gè)圖中，從圖像顯示單元的側(cè) 端部分發(fā)出的光線的方向和從中心部分發(fā)出的光線的方向彼此不同。 例如，當(dāng)從圖14中的觀察者Oc的位置觀察圖像時(shí)，從圖像顯示表面
具有更大的角度。也就是說，相對于觀察者Oc的位置，朝著觀察者 Oc的位置發(fā)射的光線的方向隨著該光線從圖像顯示表面射出的位置 而彼此不同。因此，電壓控制器224使用方向性背光源100控制要單 獨(dú)施加到下電極123和上電極125的布線圖案上的電壓值，從而將光 朝著觀察者的位置引導(dǎo)。
另外，可以為LCD面板210的每一個(gè)子像素(液晶單元212) 控制通過方向性背光源100的遮光層128的光線L2的方向(偏轉(zhuǎn)角 6 )。該控制允許用光線L3在液晶單元212的圖像顯示表面上顯示 的圖像以更高的清晰度再現(xiàn)，從而提高在觀察范圍F21至F23上顯示 的圖像的圖像質(zhì)量。
圖15示出與常規(guī)圖像顯示設(shè)備相對應(yīng)的配置，采用該配置與圖 ll所示的配置相比較。圖15示出入射在LCD面板210上的光線L2， 的軌跡，該光線L2，不是被有角度地引導(dǎo)在觀察者Oa、 Ob和Oc的 位置處，也就是說，光線L2，是準(zhǔn)直的，并且都沿著一個(gè)方向(沿著 LCD面板的圖像顯示表面的法線的方向)發(fā)射。圖15所示的配置可 以通過例如使施加到偏振裝置單元120的下電極123和上電極125的 布線圖案上的電壓值相等來構(gòu)造。
在圖15所示的配置中，光線L3，(圖像光)分別在觀察者Oa、 Ob和Oc的位置處形成觀察范圍F21，、 F22，和F23，，該光線L3，是透 過LCD面板210的光線L2，。圖15中的附圖標(biāo)記"-W"和"+W" 分別表示在負(fù)側(cè)(-)上和在正側(cè)(+ )上的邊界相對于觀察范圍F21， 至F23，中的每一個(gè)中的觀察者位置"0"的位置。
由于觀察范圍F21，到F23，是基于在一個(gè)方向上準(zhǔn)直和發(fā)射的光 線L2，產(chǎn)生的，因此在觀察者的位置處得到的總光量小于在圖11中示 出的配置中獲得的總光量。從而，觀察范圍的總區(qū)域小于在圖11中 示出的配置的總區(qū)域。特別地，在觀察者Oa和Oc的位置處的觀察 范圍的區(qū)域顯著地減少。同時(shí)，如圖11所示，根據(jù)第二實(shí)施例的圖 像顯示設(shè)備200可以產(chǎn)生基本上彼此大小相等的觀察范圍F21到F23 ，
因此允許確保觀察范圍的總區(qū)域大于由圖15所示出的配置提供的觀 察范圍。
圖16A是示出用于產(chǎn)生圖11中所示出的觀察范圍F21到F23和 圖15中所示出的觀察范圍F21，到F23，中的每個(gè)觀察范圍的施加到偏 振裝置單元120 (下電極123和上電極125)上的電壓V之間的比較 的視圖。圖16B是示出用于產(chǎn)生在圖11中示出的觀察范圍F21到F23 和圖15在示出的觀察范圍F21，到F23，的光線L3被發(fā)射的角度之間 的比較的視圖，即，用于對光線L2的偏離角6之間進(jìn)行比較。在圖 16A和16B中，在觀察范圍的-W和+W之間的位置用水平軸X表示， 其中，觀察范圍的中心為0處。圖16B的垂直軸表示偏離角6 ，從而， 當(dāng)光線從偏振裝置單元120以O(shè)度的照射角直接照射，即，當(dāng)光線沿 著LCD面板210的顯示表面的法線方向照射時(shí)，給定e-o。。
如圖16A所示，施加用來產(chǎn)生觀察范圍F21到F23的電壓V在 每個(gè)觀察范圍中從位置-W到位置+W都不同。如圖16B所示，發(fā)射 用來產(chǎn)生觀察范圍F21到F23的光線L2的偏離角6響應(yīng)電壓的改變 而在每個(gè)觀察范圍中從位置-W到位置+W都不同。相反地，由于施加 用來產(chǎn)生觀察范圍F21，到F23，的電壓V在任何點(diǎn)都是恒定的，因此
光線L2的偏離角e也是恒定的。
如上所述，根據(jù)第二實(shí)施例，由于從單個(gè)表面光源發(fā)出的光線的 方向可以切換，因此光線的方向的數(shù)目增加。另外，由于從表面光源 發(fā)出的光線的亮度分布靠近于發(fā)光表面的法線集中，因此可以在光線 被向其引導(dǎo)的每個(gè)位置處確保足夠?qū)挼挠^察范圍，從而增大了觀察范 圍的總區(qū)域。另外，第二實(shí)施例允許將場圖像單獨(dú)投影到每個(gè)通過控 制從單個(gè)表面光源發(fā)出的光線的方向產(chǎn)生的觀察范圍上，從而獲得多 畫面顯示器。
第二實(shí)施例已經(jīng)描述了其中光線的方向被控制以分布在三個(gè)水 平方向上的模式，但是，控制模式不限于此。
例如，可以采用如圖17A所示的控制光線的方向以使光線也在 垂直方向分布的另一種模式。圖17A是示出一種模式的示意圖，在該 模式中方向性背光源100以平坦的取向置于LCD面板210的底表面 上，并且從圖像顯示表面射出的光線的方向在水平方向(X方向)和 垂直方向(Y方向)上被控制。在這種控制模式中，與在圖10中示 出的其中光線方向被水平控制的控制模式一樣，從圖像顯示表面發(fā)出 的光線的方向，即，從表面光源110發(fā)出的光線的方向被垂直控制， 以便向觀察者的觀察范圍引導(dǎo)，從而確保在兩個(gè)垂直方向和兩個(gè)水平 方向的共四個(gè)方向中的觀察范圍F24到F27。如圖17B所示，在觀察 范圍F24到F27中的光線的亮度分布是這樣分布的，使得亮度分布在 每個(gè)觀察范圍的中心具有其峰值，并由于表面光源110的亮度分布的 特性，隨著向外部邊緣擴(kuò)展而減少。這樣允許在任何一個(gè)位置處提供 足夠?qū)挼挠^察范圍。
第二實(shí)施例的描述是基于圖11中示出的觀察者Oa、 Ob和Oc 的位置以及其它被預(yù)先假定的假設(shè)。但是，觀察者的位置不限于假定 的位置，可以采用觀察者位置通過實(shí)際測量確定的假設(shè)的另一種模 式。例如，作為另一種模式，探測觀察者的位置的位置探測器可以另 外在可選模式中提供。在這種模式中，施加到下電極123和上電極125 的布線圖案上的電壓值基于由作為由位置探測器探測到的觀察者位 置的光會聚位置來確定。電壓控制器224從設(shè)置信息2221得出與由 位置探測器探測到的位置相對應(yīng)的電壓值，并將電壓值單獨(dú)施加到下 電極123和上電極125的布線圖案上，從而使光線集中到光會聚位置， 即觀察者位置。當(dāng)位置探測器探測到兩個(gè)或更多個(gè)觀察者時(shí)，以預(yù)定 的時(shí)間間隔在其數(shù)目對應(yīng)于位置數(shù)即觀察者數(shù)的電壓施加狀態(tài)之間 切換電壓施加狀態(tài)的另一種模式可以被釆用。
通過使M個(gè)場圖像作為多視點(diǎn)圖像顯示在LCD面板210上并調(diào)
整偏轉(zhuǎn)角e改變的角度的度數(shù)，即，光會聚位置之間的距離到眼睛之
間的距離，圖4象顯示^殳備200也可以用作M畫面立體顯示i殳備。例 如，在同步控制器223在兩個(gè)場圖像之間執(zhí)行切換的同時(shí)，通過使同 步控制器223在LCD面板210上顯示兩個(gè)場圖像之一， 一個(gè)場圖像 用于左眼，另一個(gè)場圖像用于右眼，圖像顯示設(shè)備200可以設(shè)計(jì)為雙
目立體顯示設(shè)備。
圖18描述在LCD面板210中心測量的光線L3的亮度分布，該 光線的方向在兩個(gè)方向之間切換。如圖18所示，當(dāng)控制裝置220對 光線方向進(jìn)行時(shí)分控制時(shí)，在光線的每個(gè)方向上亮度分布都有峰值。 同時(shí)，由于表面光源IIO的發(fā)光特性，亮度分布的重疊區(qū)域很小。
如圖18所示，為了構(gòu)造雙目立體顯示設(shè)備，亮度分布的重疊區(qū) 域必須在每個(gè)光會聚位置處都很小。因此，釆用在第二實(shí)施例中描述 的圖像顯示設(shè)備200作為雙目立體顯示設(shè)備是有利的。
接下來，作為第三實(shí)施例，將描述包括方向性背光源100并釆用 多畫面顯示方案或者一維IP系統(tǒng)來提供具有視差的圖像的立體顯示 設(shè)備。在下文的描述中，與第一和第二實(shí)施例相同的元件用相同的附 圖標(biāo)記表示，并且省略對其贅述。
圖19是示意性示出根據(jù)第三實(shí)施例的立體顯示設(shè)備300的水平 剖視圖。在圖19中，觀察者O位于頂側(cè)上，即方向性背光源100向 頂側(cè)發(fā)光。立體顯示設(shè)備300可以是平坦型和傾斜型中的任何一種。 平坦型是這樣安裝，即，在實(shí)空間中，圖像顯示表面(發(fā)光表面)與 水平方向平行。傾斜型是相對于水平方向以傾斜的取向安裝的，從而
圖#>顯示表面面向，見察者O。
如圖19所示，立體顯示設(shè)備300包括表面光源110、面向表面 光源110的偏振裝置單元120、面向偏振裝置單元120的LCD面板 210，以及面向LCD面板210的視差產(chǎn)生元件310。
視差產(chǎn)生元件310是諸如柱面透鏡片(lenticular plate )、狹縫 陣列、蠅眼透鏡陣列，或者針孔陣列之類的光學(xué)元件，使觀察者O在 右眼畫面和左眼畫面之間覺察到視差。
圖20是示出用于驅(qū)動立體顯示設(shè)備300的控制裝置320的示意 性框圖。如圖20所示，該控制裝置320包括電源單元321、存儲單元 322、同步控制器323和電壓控制器324。
電源單元321將從外部商用電源等供給的電力饋送到立體顯示 設(shè)備300的電負(fù)載上。除了與偏振裝置單元120相關(guān)的電源線以外的
其它部件未在圖20中示出。
存儲單元322是與存儲單元132、 222相似的存儲裝置，并且預(yù) 先存儲屬于對立體顯示設(shè)備300的驅(qū)動控制的各種數(shù)據(jù)集。具體來說， 與在第一和第二實(shí)施例的情況中一樣，存儲單元322預(yù)先存儲限定要 施加到下電極123和上電極125的布線圖案上的N個(gè)電壓值組的設(shè)置 信息3221。存儲單元322存儲將在LCD面板210上顯示的稍后描述 的元素圖像陣列。
與設(shè)置信息1321、 2221 —樣，要單獨(dú)施加到形成下電極123和 上電極125的布線圖案上的N組電壓值(或者電壓值之間的量值關(guān)系) 預(yù)先已經(jīng)在設(shè)置信息3221中限定。這些電壓值基于液晶層124的物 理特性和遮光層128的各個(gè)開口 A的尺寸來確定。該N個(gè)電壓組這 樣被確定，從而使得通過開口 A并然后通過LCD面板210和視差生 成元件310的光線L4在N個(gè)電壓值狀態(tài)中的任意一個(gè)中向特定的光 會聚位置引導(dǎo)。每一條光線在N個(gè)電壓施加狀態(tài)中的一個(gè)相應(yīng)狀態(tài)中 會聚的位置，即，N個(gè)光會聚位置，被設(shè)置為彼此不同?？梢詫⒐鈺?聚位置設(shè)置到任何期望的位置。例如，該位置可以是所假設(shè)的觀察者 的可能存在的位置。
同步控制器323將存儲在存儲單元322等中的元素圖像陣列分成 M個(gè)場圖像(M為大于或等于2的整數(shù))，并在以預(yù)定時(shí)間間隔將顯 示的場圖像切換到另 一個(gè)場圖像的同時(shí)在液晶單元212的圖像顯示表 面顯示每個(gè)場圖像。
其間，元素圖像陣列是由多個(gè)元素圖像形成的圖像幀。每個(gè)元素 圖像是圖像的組分，通過其產(chǎn)生立體畫面。同時(shí)，每個(gè)元素圖像包括 要進(jìn)行立體顯示的對象的圖像。該圖像從多視點(diǎn)被捕獲，并且圖像數(shù) 目對應(yīng)于視點(diǎn)數(shù)目。當(dāng)觀察者通過視差產(chǎn)生元件310觀察元素圖像時(shí)， 通過視差產(chǎn)生元件310產(chǎn)生的雙目視差使得觀察者選擇性地在包含在 每個(gè)元素圖像中的多視點(diǎn)圖像中只觀察從單獨(dú)一個(gè)視點(diǎn)捕獲的圖像。 因此，這樣釆樣的元素圖像的集合被觀察者感知為在預(yù)定位置處形成 的三維圖像。
每個(gè)幀被分割的數(shù)目M優(yōu)選地為在設(shè)置信息3221中限定的電壓 值的數(shù)目N，或者N和M之間可以保持整數(shù)倍關(guān)系。用于切換場圖 像的時(shí)間間隔并不受特別的限制，但是，優(yōu)選地設(shè)置為不會使觀察者 產(chǎn)生閃爍感的時(shí)間間隔。
其間，電源單元321向方向性背光源IOO的電負(fù)栽供給電力。電 壓控制器324基于存儲在存儲單元322中的設(shè)置信息3221控制電力 的一部分，即，要施加到偏振裝置單元120的下電極123和上電極125 上的電壓值。具體來說，，電壓控制器324在以預(yù)定的時(shí)間間隔在限 定于設(shè)置信息3221中的N個(gè)電壓值組中將電壓值從一個(gè)電壓值組切 換為另 一個(gè)電壓值組的同時(shí)將電壓單獨(dú)施加到形成下電極123和上電 極125的布線圖案上。在第三實(shí)施例中，施加到布線圖案上的電壓值 與由同步控制器323執(zhí)行的場圖像的切換同步切換。
如上所述，電壓控制器324在以預(yù)定的時(shí)間間隔在N個(gè)電壓施 加狀態(tài)中切換電壓施加狀態(tài)的同時(shí)，向布線圖案施加電壓。該時(shí)分控 制使得從表面光源110發(fā)出的通過開口 A并然后通過LCD面板210 的光線向N個(gè)光會聚位置引導(dǎo)。因此，從方向性背光源100發(fā)出的光 線的方向以預(yù)定的時(shí)間間隔切換，從而允許在每個(gè)光會聚位置處提供 足夠?qū)挼挠^察范圍。
圖21示出使用柱面透鏡片(lenticular plate ) 311實(shí)現(xiàn)的視差產(chǎn) 生元件310。圖21僅僅示出立體顯示設(shè)備300的右側(cè)部分、中心部分 和左側(cè)部分(同樣適用于圖22到圖24、圖26和圖28到圖30)。
圖22到圖24是為了顯示場圖像由圖21中的所示的設(shè)備實(shí)現(xiàn)的 光線方向的轉(zhuǎn)變的示意圖。方向性背光源100未在圖22到圖24中示 出。圖25示出在圖21中示出的設(shè)備的表面中心附近的位置處通過圖 像顯示表面的光線的軌跡。
如圖21所示，作為視差產(chǎn)生元件310采用的柱面透鏡片311被 定位為面向LCD面板210的圖像顯示面。LCD面板210和柱面透鏡 片311的像素表面在圖像表面上而不在透鏡焦平面上，因此從LCD 面板210發(fā)出的光線L3 (圖像光)通過柱面透鏡片311投射。柱面
透鏡片311的各個(gè)透鏡的直徑是液晶單元212的各個(gè)子像素的尺寸的 整數(shù)倍。
圖21示出其中元素圖像陣列的幀被分成三個(gè)場圖像的例子。在 圖21中的附圖標(biāo)記Pe (在下文中，"寬度Pe")表示分配到形成柱 面透鏡片311的透鏡之一的元素圖像的長度。元素圖像el、 e2和e3 中的任意一個(gè)被投射到柱面透鏡片311的每個(gè)透鏡上。在其中這樣投 射的圖像光可以被觀察到的觀察范圍F31由通過柱面透鏡片311的透 鏡的光線L4提供。在圖21中，附圖標(biāo)記L2表示從方向性背光源100 發(fā)出的光線。
具體來說，電壓控制器324控制對于元素圖像el、 e2和e3中的 每一個(gè)以不同的N個(gè)圖案從方向性背光源100發(fā)出的光線L2的入射 角(即通過偏振裝置單元120的偏轉(zhuǎn)角6 )。元素圖像el到e3是對 應(yīng)于寬度Pe的單元。更具體來說，如圖22到圖24所示，電壓控制 器324在以預(yù)定的時(shí)間間隔在N個(gè)圖案中切換電壓值的同時(shí)，單獨(dú)地 控制施加到下電極123和上電極125的布線圖案上的電壓值，從而使 得光線L4的光會聚位置根據(jù)每個(gè)場圖像的顯示定時(shí)進(jìn)行切換。
圖26示出在視差產(chǎn)生元件310的中心部分處測量到的光線的亮 度分布。圖26示出在時(shí)分控制下獲得的光線的亮度分布，該時(shí)分控 制這樣執(zhí)行使得光線的方向在三個(gè)方向之間切換，并且在每個(gè)方向中 顯示三個(gè)不同視差角度的畫面，從而在總共三個(gè)方向上顯示九個(gè)不同 視差角度的畫面。
如圖26所示，由控制裝置320執(zhí)行的光線的時(shí)分控制在每個(gè)方 向上都產(chǎn)生光線的亮度峰值。同時(shí)，由于表面光源110的發(fā)光特性而 導(dǎo)致亮度分布的重疊區(qū)域很小。由于由顯示三維圖像的立體顯示設(shè)備 300產(chǎn)生的視差具有較大的串?dāng)_范圍，即使當(dāng)亮度分布具有某個(gè)區(qū)域 的重疊時(shí)，該重疊也不會顯著影響要顯示的三維圖像。
基于立體顯示設(shè)備300的性質(zhì)確定寬度Pe。例如，在不切換光 線方向的常規(guī)配置的立體顯示設(shè)備(參見圖27)中，寬度Pe通過基 于柱面透鏡片311和光會聚位置之間的距離、柱面透鏡片311的透鏡
間距以及LCD面板210和柱面透鏡片311之間的距離將孔徑中心從 視點(diǎn)投影到液晶單元212上所經(jīng)過的距離來確定。該視點(diǎn)是在光會聚 位置所處的觀察距離平面上。
相反地，在根據(jù)第三實(shí)施例的立體顯示設(shè)備300中，光線的方向 通過時(shí)分控制在N個(gè)圖案中切換。因此，如圖21所示，該設(shè)備的寬 度Pe比常規(guī)配置的寬度Pe大N倍。因此，由通過柱面透鏡片311 的透鏡的光線L4提供的觀察范圍F31的區(qū)域可以增加到其中光線方 向不被切換的常規(guī)配置的區(qū)域的N倍大。圖21示出這樣的例子，其 中，光線的方向被切換到三個(gè)彼此不同的方向，因此依賴于切換次數(shù) 的寬度Pe是三個(gè)元素圖像的總長度。
在立體顯示設(shè)備300的配置中，寬度Pe是柱面透鏡片311的相 鄰?fù)哥R之間的透鏡間距的N倍。當(dāng)透鏡間距減少到N分之一時(shí)，通 過柱面透鏡片311觀察到的圖像光的分辨率可以增加到N倍。更具體 來說，當(dāng)在圖21中示出的配置中的柱面透鏡片311的透鏡間距減少 到三分之一時(shí)，通過柱面透鏡片311觀察到的圖像光的分辨率變?yōu)槿?倍。
同時(shí)，隨著柱面透鏡片311和LCD面板210之間的間隙增大， 觀察范圍F31的區(qū)域減少。但是，只要液晶單元212的像素間距未改 變，通過對應(yīng)于每個(gè)元素圖像的透鏡發(fā)射的光線L4的光線強(qiáng)度增加。 從而，要顯示的立體圖像的表觀深度增大到N倍。更具體來說，在圖 21中示出的配置中，立體圖像的表觀深度變?yōu)槿丁?br> 圖27和圖28示出在圖21和圖25中示出的配置的比較例。該比 較例的配置對應(yīng)于包括不執(zhí)行光線方向的時(shí)分控制的方向性背光源 100，的常規(guī)立體顯示設(shè)備。圖27示出相對于法線以O(shè)度的角度入射 在LCD面板210上的光線L2，的軌跡，即被準(zhǔn)直的光線L2，全部在一 個(gè)方向上發(fā)射。圖28示出在表面中心附近的位置處通過圖27所示的 設(shè)備的圖像顯示表面的光線的軌跡。附圖標(biāo)記L3，表示LCD面板210 和柱面透鏡片3U之間的光線。
在不執(zhí)行對光線方向的時(shí)分控制的常規(guī)立體顯示設(shè)備中，分配給
柱面透鏡片311的每個(gè)透鏡的寬度Pe是與在圖21中示出的根據(jù)第三 實(shí)施例的設(shè)備的寬度Pe的三分之——樣小。因此，如圖28所示，通 過柱面透鏡片311的光線L4，的光學(xué)強(qiáng)度比在圖25中示出的光線L4 的光線強(qiáng)度小與由在圖25中示出的設(shè)備執(zhí)行的切換次數(shù)相對應(yīng)的比 例。
如上所述，根據(jù)第三實(shí)施例，由于從單個(gè)表面光源發(fā)出的光線的 方向可以被切換，因此光線的方向的數(shù)目增加。另外，由于從表面光 源發(fā)出的光線的亮度分布靠近發(fā)光表面的法線集中，在光線向其引導(dǎo) 的每個(gè)位置處可以確保足夠?qū)挼挠^察范圍，因此增加了觀察范圍的總 區(qū)域。因此，與不執(zhí)行光線方向的時(shí)分控制的常規(guī)立體顯示設(shè)備相比， 根據(jù)第三實(shí)施例的立體顯示設(shè)備300允許將三維圖像的觀察范圍、分 辨率和表觀深度中的任意一個(gè)增加到基于N確定的值，其中N是由
設(shè)備300執(zhí)行的切換的數(shù)目。
第三實(shí)施例已經(jīng)描迷了其中柱面透鏡片311用作視差生成元件 310的配置。但是，視差生成元件310不限于此，并且可以采用使用 另 一種光學(xué)元件使觀察者O具有視差地觀察畫面的另 一種模式。
例如，如圖29所示，蠅眼透鏡312可以用作視差生成元件310。 蠅眼透鏡312的每個(gè)透鏡的直徑優(yōu)選地是形成液晶單元212的圖像顯 示表面的每個(gè)子像素的大小的整數(shù)倍。
在如圖29所示配置的設(shè)備中，施加到下電極123和上電極l25 的布線圖上的電壓值被單獨(dú)地控制，從而使光線水平地和垂直地偏 轉(zhuǎn)，因此在垂直方向產(chǎn)生視差。但是，其要求在數(shù)目上增加N，以便 控制光線在水平和垂直方向上的方向，N為每個(gè)幀被分成的數(shù)目。為 了滿足這一要求，需要偏振片211、液晶顯示單元212和偏振片213 中的每個(gè)都具有高度的響應(yīng)性。
作為可選配置，如圖30和圖31所示，狹縫序列313和針孔序列 314中的任意一個(gè)被用作視差生成元件310。但是，由于光量減少， 這些可選配置是不利的。狹縫序列313的兩個(gè)相鄰狹縫之間的間隙優(yōu) 選地是形成液晶單元212的圖像顯示表面的每個(gè)子像素的尺寸的整數(shù)
倍。針孔序列314的每個(gè)針孔的直徑優(yōu)選地是形成液晶單元212的圖 像顯示表面的每個(gè)子像素的尺寸的整數(shù)倍。
雖然本發(fā)明的示例性實(shí)施例已經(jīng)在上文中描述，但是本發(fā)明并不 限于此，并且各種變形、替換和添加都可以在不脫離本發(fā)明的范疇的 情況下實(shí)現(xiàn)。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員很容易想到附加的優(yōu)點(diǎn)和變形例。因此，在廣 義方面，本發(fā)明不限于在本文中示出和描述的特定細(xì)節(jié)和代表性實(shí)施 例。因此，在不脫離由所附權(quán)利要求及其等同形式所限定的總體發(fā)明 構(gòu)思的精神或范疇的情況下，可以實(shí)現(xiàn)不同的變形例。
權(quán)利要求
1.一種方向性背光源，包括:表面光源，該表面光源具有這樣一種特性，即，從該表面光源的發(fā)光表面發(fā)出的光線的亮度分布靠近該發(fā)光表面的法線方向集中；偏振裝置單元，該偏振裝置單元包括:面向所述表面光源的發(fā)光表面的第一透明基板，面向所述第一透明基板的第二透明基板，形成在所述第一透明基板和所述第二透明基板之間的一對電極，所述電極具有按條紋的形式布置的布線圖案，保持在所述電極之間的液晶層，和設(shè)置在所述第二透明基板上且具有與所述電極的布線圖案相對應(yīng)的多個(gè)開口的遮光層；以及電壓控制器，該電壓控制器在多個(gè)電壓施加狀態(tài)之間切換所述電極的布線圖案中的每一個(gè)的電壓施加狀態(tài)，并且在每一個(gè)所述電壓施加狀態(tài)中單獨(dú)地控制要施加到所述布線圖案的電壓值，從而控制從所述表面光源發(fā)出的通過所述開口到達(dá)預(yù)定位置的光線的方向。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方向性背光源，其中，具有按條紋的 形式布置的布線圖案的所述一對電極中的一個(gè)電極和具有按條紋的 形式布置的布線圖案的所述一對電極中的另一個(gè)電極這樣形成，使得 所述電極的條紋彼此垂直延伸。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方向性背光源，其中，所述電壓控制 器根據(jù)所述預(yù)定位置單獨(dú)地控制要施加到所述電極的布線圖案的電 壓值。
4. 一種顯示設(shè)備，包括表面光源，該表面光源具有這樣一種特性，即，從該表面光源的 發(fā)光表面發(fā)出的光線的亮度分布靠近該發(fā)光表面的法線方向集中； 偏振裝置單元，該偏振裝置單元包括面向所述表面光源的發(fā)光表面的第一透明基板，面向所述第一透明基板的第二透明基板，形成在所述第一透明基板和所述第二透明基板之間的一對 電極，所述電極具有按條紋的形式布置的布線圖案， 保持在所述電極之間的液晶層，和設(shè)置在所述第二透明基板上且具有與所述電極的布線圖案相對應(yīng)的多個(gè)開口的遮光層；液晶顯示裝置，該液晶顯示裝置面向所述偏振裝置單元，并且在 按矩陣的形式布置的顯示像素上顯示圖像幀，該圖像幀被分成多個(gè)場 圖像；同步控制器，該同步控制器以預(yù)定的時(shí)間間隔執(zhí)行在所述液晶顯 示裝置上顯示的場圖像中的每一個(gè)到另一個(gè)場圖像的切換；以及 電壓控制器，該電壓控制器根據(jù)由所述同步控制器執(zhí)行的切換的定時(shí)在多個(gè)電壓施加狀態(tài)之間切換所述電極的布線圖案中的每一個(gè) 的電壓施加狀態(tài)，并且在每一個(gè)所述電壓施加狀態(tài)中單獨(dú)地控制要施 加到所述布線圖案的電壓值，從而控制從所述表面光源發(fā)出的通過所 述開口并然后通過所述液晶顯示裝置到達(dá)預(yù)定位置的光線的方向。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的設(shè)備，其中，具有按條紋的形式布置 的布線圖案的所述一對電極中的一個(gè)電極和具有按條紋的形式布置 的布線圖案的所述一對電極中的另一個(gè)電極這樣形成，使得所述電極 的條紋彼此垂直延伸。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的設(shè)備，其中，所述電壓控制器根據(jù)所 述預(yù)定位置單獨(dú)地控制要施加到所述電極的布線圖案的電壓值。
7. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的設(shè)備，其中，所述電壓控制器根據(jù)所 述場圖像的數(shù)目控制所述電壓施加狀態(tài)的數(shù)目。
8. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的設(shè)備，其中，所述同步控制器以預(yù)定的時(shí)間間隔執(zhí)行在所述液晶顯示裝置上 顯示的用于左眼的場圖像和用于右眼的場圖像之間的切換；并且所述電壓控制器與由所述同步控制器執(zhí)行的切換同步地在兩個(gè) 電壓施加狀態(tài)之間切換所述電壓施加狀態(tài)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的設(shè)備，其中，在所述遮光層中限定的 所述開口中的每一個(gè)的尺寸小于形成所述顯示像素的子像素中的每 一個(gè)的尺寸。
10. —種立體顯示設(shè)備，包括表面光源，該表面光源具有這樣一種特性，即，從該表面光源的 發(fā)光表面發(fā)出的光線的亮度分布靠近該發(fā)光表面的法線集中； 偏振裝置單元，該偏振裝置單元包括面向所述表面光源的發(fā)光表面的第一透明基板， 面向所述第一透明基板的第二透明基板， 形成在所述第一透明基板和所述第二透明基板之間的一對 電極，所述電極具有按條紋的形式布置的布線圖案， 保持在所述電極之間的液晶層，和設(shè)置在所述第二透明基板上且具有與所述電極的布線圖案 相對應(yīng)的多個(gè)開口的遮光層；液晶顯示裝置，該液晶顯示裝置面向所述偏振裝置單元，并且在 按矩陣的形式布置的顯示像素上顯示元素圖像陣列，從而使得由多個(gè) 場圖像形成立體顯示；設(shè)置在所述液晶顯示裝置的前表面和后表面中的任意一個(gè)表面 上的視差產(chǎn)生單元；以及電壓控制器，該電壓控制器根據(jù)所述場圖像的顯示在多個(gè)電壓施 加狀態(tài)之間切換所述電極的布線圖案的電壓施加狀態(tài)，并且在每一個(gè) 所述電壓施加狀態(tài)中單獨(dú)地控制要施加到所述布線圖案的電壓值，從 而控制從所述表面光源發(fā)出的通過所述開口、通過所述液晶顯示裝置 并然后通過所述視差產(chǎn)生單元到達(dá)預(yù)定位置的光線的方向。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的設(shè)備，其中，具有按條紋的形式布 置的布線圖案的所述一對電極中的一個(gè)電極和具有按條紋的形式布 置的布線圖案的所述一對電極中的另一個(gè)電極這樣形成，使得所述電 極的條紋彼此垂直延伸。
12. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的設(shè)備，其中，所述電壓控制器根據(jù) 所述預(yù)定位置單獨(dú)地控制要施加到所述電極的布線圖案的電壓值。
13. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的設(shè)備，其中， 所述視差產(chǎn)生單元是由透鏡形成的柱面透鏡片；并且 每一個(gè)所述透鏡的寬度是形成所述顯示像素的子像素中的每一個(gè)的尺寸的整數(shù)倍。
14. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的設(shè)備，其中，所述視差產(chǎn)生單元是具有狹縫的狹縫陣列；并且 每兩個(gè)相鄰的所述狹縫之間的間隙是形成所述顯示像素的子像 素中的每一個(gè)的尺寸的整數(shù)倍。
15. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的設(shè)備，其中，所述視差產(chǎn)生單元是蠅眼透鏡；并且所述錄眼透鏡中的每一個(gè)透鏡的直徑是形成所述顯示像素的子 像素中的每一個(gè)的尺寸的整數(shù)倍。
16. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的設(shè)備，其中，所述視差產(chǎn)生單元是具有針孔的針孔陣列；并且 所述針孔陣列中的每一個(gè)針孔的直徑是形成所述顯示像素的子像素中的每一個(gè)的尺寸的整數(shù)倍。
全文摘要
本發(fā)明公開一種方向性背光源、顯示設(shè)備和立體顯示設(shè)備。該立體顯示設(shè)備包括液晶顯示裝置，該液晶顯示裝置具有按矩陣的形式布置的顯示像素，并且在顯示像素上顯示由多個(gè)場圖像形成的元素圖像陣列，從而實(shí)現(xiàn)立體顯示；設(shè)置在所述液晶顯示裝置的前表面或后表面上的視差產(chǎn)生單元；和方向性背光源，該方向性背光源通過液晶顯示裝置并然后通過視差產(chǎn)生單元發(fā)射光，并且根據(jù)場圖像的顯示在多個(gè)方向之間切換由此發(fā)射的光的方向。
文檔編號G02B27/22GK101373054SQ20081021000
公開日2009年2月25日 申請日期2008年8月22日 優(yōu)先權(quán)日2007年8月24日
發(fā)明者最首達(dá)夫, 柏木正子, 福島理惠子 申請人:株式會社東芝