CN101297229A - 车载空间图像显示装置 - Google Patents

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Abstract

一种车载空间图像显示装置(70)，其包括：显示装置(10)；正立等大透镜模块(2)，该正立等大透镜模块与所述显示装置(10)的显示面相对布置成远离所述显示面，用于形成在所述显示面上显示的图像(15)的正立等大空间图像(15a)；透镜运动机构(61，65，75)，该透镜运动机构用于可动地支撑所述正立等大透镜模块(2)；以及控制器(76)，该控制器根据车辆的行驶速度来改变所述正立等大透镜模块(2)的位置。例如，随着车辆行驶速度的增加，车辆驾驶者的眼睛与所述正立等大空间图像之间的距离也增加。

Description

车载空间图像显示装置
技术领域
本发明涉及用于形成正立等大立体图像的设备以及用于显示正立等大立体图像的设备，更具体地涉及用于在车厢中显示车辆信息的立体图像显示设备。
背景技术
例如在专利文献1中描述了一种显示设备，该显示设备包括具有微型透镜二维阵列的正立等大光学系统。在该显示设备中，在正立等大光学系统的一侧布置有液晶显示器。该正立等大光学系统在液晶显示器的相反侧形成在液晶显示器上显示的图像的正立等大立体图像。在该立体图像显示设备中，在由穿孔色板生成的模糊背景图像上着重出正立等大立体图像。当观察者用双眼观看正立等大立体图像时，可以看到浮动图像。
例如在专利文献2中描述了在扫描仪或复印机中使用的传统的正立等大光学系统。如图1所示，该正立等大光学系统包括两个透镜阵列板103。各透镜阵列板103均具有多个布置成使得光轴彼此平行的微型透镜103a。一个透镜阵列板103的微型透镜103a的光轴与另一透镜阵列板103的微型透镜103a的光轴对准。一个透镜阵列板103的微型透镜103a的顶部(peak)与另一透镜阵列板103的微型透镜103a的顶部接触。在该正立等大光学系统中，当减小各微型透镜103a的球面像差时可以生成高分辨率的图像。
为了生成高分辨率的图像，传统的正立等大光学系统的各微型透镜具有较小的球面像差。由此，即使物体15(液晶显示屏上显示的图像)与微型透镜103a之间的距离稍有变化，也会很大程度上使图像15a模糊。由此，传统的正立等大光学系统与物体15之间的位置关系不能改变。
专利文献1中描述的显示设备的缺点在于可能产生波纹。波纹是这样的现象，即：由微型透镜与液晶显示器的像素之间的干扰产生规则的条纹图案。波纹降低了图像质量。
例如在非专利文献1中描述了用于在抑制波纹的情况下显示三维图像的设备。该传统设备在布置有多个柱面透镜的透镜片上显示立体图像。透镜片上的柱面透镜以子像素而不是像素为单位增加分辨率。各柱面透镜发射RGB中的一种单色光。该结构抑制了颜色波纹。但是，难以制造尺寸小于像素的柱面透镜。具体地说，很难制造用于上述透镜片的模具。
例如在专利文献3中描述了用于在抑制波纹的情况下显示立体图像的设备。该三维图像显示设备包括平面显示器和显示屏。平面显示器具有多个像素，各像素均包括三个子像素。显示屏通过限制从各子像素发射的光的行进方向而将图像划分为残差图像(disparity image)。观察者将残差图像作为三维图像进行观看。为了抑制波纹，显示屏包括屏元件，这些屏元件以像素间距的整数倍和子像素间距的整数倍之和作为间隔进行布置。通过该结构，波纹将变得很窄而不能被识别。但是，该结构仅在平面显示器距显示屏预定距离时才抑制波纹。该结构并不允许改变平面显示器与显示屏之间的距离。
在专利文献4和5中描述了用于显示立体图像的其它显示设备的示例。但是，专利文献4和5的设备所显示的图像的位置固定而不能改变。
专利文献1：日本专利No.3195249
专利文献2：日本专利特开昭公报No.64-88502
专利文献3：日本专利特开公报No.2004-1184140
专利文献4：日本专利特开平公报No.07-144578
专利文献5：日本专利特开公报No.2004-334590
非专利文献1：R.
Figure A20068003977300081
“Displays 20(1999)”
发明内容
本发明的目的是提供一种用于在各种位置形成物体的立体图像的立体图像显示设备，更具体地提供可应用于车辆中的车载立体图像显示设备。
为了实现上述目的，本发明提供了一种车载立体图像显示设备，该设备包括具有显示屏的显示装置。与所述显示装置的显示屏间隔开并面朝所述显示屏的正立等大透镜模块形成在所述显示屏上显示的图像的正立等大立体图像。透镜运动机构可动地支撑所述正立等大透镜模块。与所述透镜运动机构相连的控制器根据车辆的行驶速度来改变所述正立等大透镜模块的位置。
优选的是，所述正立等大透镜模块在所述透镜模块的与所述显示装置相反的一侧形成所述正立等大立体图像，并且形成有所述正立等大立体图像的空间的至少一部分被颜色较暗的部件环绕。
优选的是，所述控制器控制所述透镜运动机构，使得车辆驾驶者的眼睛与所述正立等大立体图像之间的距离随着车辆行驶速度的增加而增加。
在一个实施例中，当车辆的行驶速度增加时，所述控制器以分级方式增加车辆驾驶者的眼睛与所述正立等大立体图像之间的距离。
在一个实施例中，当车辆的行驶速度增加时，所述控制器以无级方式增加车辆驾驶者的眼睛与所述正立等大立体图像之间的距离。
优选的是，所述控制器控制所述透镜运动机构，使得所述正立等大透镜模块与所述显示装置之间的距离随着车辆行驶速度的增加而减小。
在一个实施例中，所述正立等大立体图像包括动态实时地指示车辆的车辆状态和行驶状态的图像。
在一个实施例中，所述正立等大立体图像包括指示除车辆状态和行驶状态以外的信息的附加图像。
优选的是，所述正立等大透镜模块包括至少两个透镜阵列板。各透镜阵列板均包括多个均具有顶部的微型透镜，所述微型透镜具有平行的光轴。所述至少两个透镜阵列板中一个的微型透镜的顶部与所述至少两个透镜阵列板中另一个的微型透镜的顶部接触，或布置成与其靠近。各透镜阵列板中的微型透镜均具有比最小球面像差大的预定的球面像差，或者比最小彗差大的预定的彗差。
优选的是，所述透镜模块沿所述微型透镜的光轴方向具有厚度，该厚度小于使各微型透镜的球面像差或彗差最小的设计厚度值。
优选的是，所述至少两个透镜阵列板成一体而形成一个所述正立等大透镜模块。
优选的是，当所述至少两个透镜阵列板与所述显示装置的显示屏间隔开前侧工作距离时，来自所述显示屏的光束穿过各微型透镜的表面上的单点。当所述前侧工作距离改变时，所述光束穿过各微型透镜的表面上的与所述单点不同的点。
优选的是，各透镜阵列板均具有在5到150mm范围内的后侧工作距离，其中对于1Lp(线对/mm)，分辨率为10％或更大，分辨率变化率大于0％/mm并且为2％/mm以下。
优选的是，各透镜阵列板均包括具有两个主表面的基板。多个具有球形或非球形表面的微型透镜布置在所述基板的一个或两个主表面上。
在一个实施例中，各透镜阵列板由透明树脂制成。
优选的是，一外壳容纳所述透镜模块和所述显示装置。所述外壳具有用于容纳介质的内腔，所述透镜模块布置在该内腔与所述显示装置之间，并且所述透镜模块在所述外壳的所述内腔中形成在所述显示装置的显示屏上所显示的图像。
在一个实施例中，所述显示装置显示二维图像。
优选的是，所述正立等大透镜模块包括规则布置的多个微型透镜和一物侧焦距。所述显示装置包括与所述正立等大透镜模块间隔开所述物侧焦距的显示屏，以及多个规则布置的像素。所述正立等大透镜模块利用在所述图像显示屏上显示的图像而形成被看到为浮动图像的立体图像。所述透镜运动机构使得所述正立等大透镜模块与所述图像显示屏之间的间隔距离可在预定范围内变化。当所述正立等大透镜模块与所述图像显示屏之间的间隔距离在所述预定范围内变化时，所述正立等大透镜模块的分辨率改变。当所述间隔距离在所述预定范围内时，所述正立等大透镜模块的分辨率大于人眼可看到模糊的上限值。
优选的是，所述正立等大透镜模块由至少两个透镜阵列板形成，各透镜阵列板均包括多个微型透镜，所述微型透镜均具有光轴和顶部，所述微型透镜的光轴彼此平行。所述至少两个透镜阵列板中一个的微型透镜的顶部与所述至少两个透镜阵列板中另一个的微型透镜的顶部接触，或布置成与其靠近。各透镜阵列板中的微型透镜均具有比最小球面像差大的预定的球面像差，或者比最小彗差大的预定的彗差。
优选的是，当所述多个像素具有像素间距PD，所述微型透镜具有透镜间距PL，LA表示视点与所述图像显示屏之间的距离，LB表示立体图像与视点之间的距离，Lz表示所述间隔距离，PLo表示通过根据所述距离LA、LB和Lz校正所述透镜间距PL而获得的校正透镜间距，并且所述间隔距离Lz为最小时，所述校正透镜间距PLo满足表达式：(1.20+n*1.50)≤PLo/PD≤(1.70+n*1.50)，其中n＝0，1，2，3，…。
优选的是，当所述间隔距离在所述预定范围内时，对于1LP/mm，所述透镜模块的分辨率MTF为10％或更大，并且当所述间隔距离为所述预定范围内的最小值时，所述透镜模块的分辨率最大。
在一个实施例中，所述多个像素呈垂直条布置，并且所述多个微型透镜呈六边形布置或呈方形布置。
在一个实施例中，所述多个像素呈三角形布置，并且所述多个微型透镜呈六边形布置或呈方形布置。
在一个实施例中，所述多个像素形成线，所述多个微型透镜形成线，并且所述像素的线相对于所述微型透镜的线倾斜。
在一个实施例中，各像素由多个子像素形成，所述子像素以恒定的间距布置并分别对应于多种颜色，并且所述多个子像素形成垂直条布置，其中相同颜色的子像素沿垂直方向连续地布置。
在一个实施例中，各微型透镜为六边形，所述像素中的一些形成线，所述微型透镜中的一些形成另一线，所述像素的线相对于由所述微型透镜形成的线倾斜90度角。
附图说明
图1示出了通过现有技术的正立等大透镜模块成像；
图2是示出了根据本发明第一实施方式的正立等大透镜模块的立体图；
图3是图2的正立等大透镜模块的剖视图；
图4是示出了透镜阵列板的平面图；
图5是示出了遮光膜的平面图；
图6示出了图像的形成；
图7示出了在前侧工作距离改变时改变的成像；
图8是表示在实施例1的正立等大透镜模块中，后侧工作距离与分辨率之间的关系的曲线图；
图9是表示在现有技术的正立等大透镜模块和实施例2的正立等大透镜模块中，厚度与分辨率之间的关系的曲线图；
图10是表示在实施例3和4的正立等大透镜模块中，后侧工作距离与分辨率之间的关系的曲线图；
图11是使用第一实施方式的正立等大透镜模块的立体图像显示设备的示意图；
图12是使用第一实施方式的正立等大透镜模块的立体图像显示设备的剖视图；
图13是根据本发明第二实施方式的立体图像显示设备的剖视图；
图14是示出了图13的显示装置的分解立体图；
图15是示出了图14的显示装置的放大平面图；
图16是示出了图14的透镜阵列板的平面图；
图17是图13的透镜阵列板的剖视图；
图18是叠置有显示装置的正立等大透镜模块的平面图；
图19是表示在正立等大透镜模块中，正立等大透镜模块和图像显示屏之间的距离Lz与分辨率之间的关系的曲线图；
图20是示出了根据本发明第三实施方式的立体图像形成设备的图；
图21是示出了根据本发明第四实施方式的立体图像形成设备的图；
图22是修改例的平面图；
图23是修改例的平面图；
图24是修改例的平面图；
图25是修改例的平面图；
图26是修改例的平面图；
图27是修改例的平面图；
图28是示出了根据本发明第五实施方式的车载立体图像显示设备的示意图；
图29是图28的车载立体图像显示设备的剖视图；
图30是当车辆以低速行驶时图28的车载立体图像显示设备的剖视图；以及
图31是当车辆以高速行驶时图28的车载立体图像显示设备的剖视图。
具体实施方式
本说明书中使用的术语定义如下。
表述“正立等大”是指在图像和透镜模块彼此间隔开预定距离时正立等大立体图像的形成。本发明的立体图像显示设备包括在透镜模块从间隔开预定距离的位置运动时形成正立等大立体图像的光学系统。另外，本发明的立体图像显示设备包括在透镜模块从间隔开预定距离的位置运动时形成正立且可变放大图像的光学系统。
“各微型透镜的用于减小球面像差或彗差的设计厚度值”是指透镜模块的厚度，该厚度设计成将布置在距透镜模块预定工作距离的物体15的图像在沿与物体15相反方向距透镜模块预定工作距离的位置处形成为高分辨率的立体图像15a。
另外，“Lp”是指每毫米的线对，并表示每毫米存在多少对黑直线和白直线。
下面将描述根据本发明第一实施方式的立体图像形成设备。
如图2所示，用作立体图像形成设备的正立等大透镜模块2形成为单个矩形薄板。如图3所示，通过使两个透镜阵列板3成一体而形成透镜模块2。例如通过将板3彼此粘附或者通过利用夹具使板3彼此固定而使这两个透镜阵列板3成一体。
这两个透镜阵列板3具有相同的结构。各透镜阵列板3均包括基板4和多个微型透镜3a。微型透镜3a形成在基板4的两个主表面上。微型透镜3a具有球形或非球形表面。各透镜阵列板3中所包括的微型透镜3a的光轴彼此平行。微型透镜3a的光轴可完全彼此平行。可选的是，微型透镜3a的光轴可相对于彼此以可形成立体图像的程度倾斜。在各透镜阵列板3中，微型透镜3a以二维方式布置。图4示出了呈之字形布置的微型透镜3a。如图3所示，形成在一个透镜阵列板3的内表面上的微型透镜3a的顶部与形成在另一透镜阵列板3的内表面上的微型透镜3a的顶部接触。
在透镜模块2中，各透镜阵列板3的除了微型透镜3a之外的部分可熔合在一起并成一体。可通过注射成型一体地形成整体式透镜模块2。
微型透镜3a包括一组靠近各透镜阵列板3的边缘的外微型透镜，以及一组被外微型透镜环绕的内微型透镜。如图4所示，各内微型透镜3a为六边形。各外微型透镜3a在靠近透镜阵列板3的边缘的位置处具有圆形周边3b。各外微型透镜3a的圆形周边3b并不与其它微型透镜3a接触。微型透镜3a布置成彼此接触并且在其间未形成间隙。可选的是，各外微型透镜3a可具有诸如方形或六边形周边的多边形周边，而不是圆形周边3b。
以形成正立等大立体图像的方式调整两个透镜板3的位置。例如可以如下方式布置两个透镜板3，使得一个透镜阵列板3的微型透镜3a的光轴和另一透镜阵列板3的微型透镜3a的光轴彼此对准(沿直线延伸)或者彼此不对准。一个透镜阵列板3的微型透镜3a的顶部与另一透镜阵列板3的微型透镜3a的顶部接触。各透镜阵列板3的微型透镜3a具有相同的透镜性能。各微型透镜3a具有期望的球面像差或期望的彗差。各微型透镜的球面像差或彗差通过微型透镜的表面(透镜表面)的曲率或者两个透镜阵列板3沿光轴方向的总厚度t(参见图3)确定。
两个透镜阵列板3的总厚度t小于各微型透镜3a的用于减小球面像差或彗差的设计厚度值(现有技术中的厚度t1(参见图1))。在本发明中，微型透镜3a形成为具有期望的球面像差或期望的彗差。例如，微型透镜3a可形成为具有相对较大的球面像差或彗差。
如图7所示，物体15布置成面对着透镜模块2。来自物体15的光束穿过各微型透镜3a的透镜表面。透镜模块2在物体15的相反侧形成物体15的图像15a。图6示出了作为物体15与透镜模块2之间距离的前侧(物体侧)工作距离WD1、以及作为透镜模块2与图像15a之间距离的后侧(图像侧)工作距离WD2。
图7示出了当前侧工作距离WD1较短时和前侧工作距离WD1较长时光束的光路。当物体15靠近透镜模块2时(当前侧工作距离WD1较短时)，来自物体15的光束在行进通过微型透镜3a的相对外部分之后，即在行进通过远离微型透镜3a的光轴的位置之后形成图像。当物体15远离透镜模块2时(当前侧工作距离WD1较长时)，来自物体15的光束在行进通过微型透镜3a的相对内部分之后，即在行进通过靠近微型透镜3a的光轴的位置之后形成图像。微型透镜3a的透镜表面中的由光束穿过的位置随着前侧工作距离WD1的变化而变化。换言之，来自物体15的光束根据前侧工作距离WD1而穿过微型透镜3a的透镜表面中的最佳位置。穿过微型透镜3a中的最佳位置的光束在间隔后侧工作距离WD2的位置处形成图像，以生成立体图像15a。
透镜模块2设计成形成足够清晰而在用人眼看时不会模糊的图像15a。更具体地说，透镜模块2具有下述的光学特性。当后侧工作距离WD2在5到150mm范围内，优选在5到100mm范围内时，对于1Lp，各透镜阵列板3的分辨率MTF(调制传递函数)为10％或更大，MTF变化率大于0％/mm并小于等于2％/mm。当对于1Lp，分辨率MTF大于约10％时，人眼可无模糊地看到图像。由此，当后侧工作距离WD2在上述范围(成像范围)内时，人眼可无模糊地看到图像。优选的是，对于1Lp，分辨率MTF为20％或更大以生成更清晰的图像15a。
将后侧工作距离WD2设在5到150mm范围内的原因在于，当后侧工作距离WD2位于该范围外时，人眼不能清楚地看到图像15a。
各透镜阵列板3均由透明树脂制成，透镜模块2由树脂制成。透镜模块2和透镜阵列板3的材料并不限于树脂，而可以由诸如玻璃的其它材料制成，只要该材料透明即可。在各透镜阵列板3中，可有选择地使有助于立体图像形成的透镜部分由透明材料形成。可选的是，透镜模块2和透镜阵列板3可以整体由透明材料形成。透明材料的透明度被确定为使得穿过透镜模块2的光束可导致足够量的光来形成立体图像。
如图5所示，至少一个透镜阵列板3可包括用于覆盖微型透镜3a的周边的遮光膜5。各微型透镜3a通过遮光膜5中的开口而露出相同的形状。通过使微型透镜3a露出相同的形状，遮光膜5改善了图像均匀性。当不使用遮光膜5时，不能改善图像均匀性。但是将增加立体图像的亮度。
第一实施方式具有下述优点。
各透镜阵列板3的微型透镜3a形成为具有期望的球面像差或彗差。由此，前侧工作距离WD1可变。例如，当前侧工作距离WD1变化时，透镜模块2在物体15的相反侧间隔与前侧工作距离WD1相同的后侧工作距离WD2的位置处，将物体15的正立等大立体图像15a形成为人眼看时清楚而不模糊的图像。通过改变前侧工作距离WD1，正立等大立体图像可以看作浮动或下沉图像。因此，可以改变透镜模块2与物体15之间的位置关系。
可自由地改变透镜阵列板3与图像15a之间的距离。这样能改变立体图像的深度范围。
两个透镜阵列板3的所有微型透镜3a具有相同的透镜性能。由此，透镜模块2具有高性能。
透镜模块2沿光轴方向的厚度t，即两个透镜阵列板3的总厚度t小于上述设计厚度值。这样可使得各透镜阵列板3的微型透镜3a具有相对较大的期望球面像差或彗差。
透镜模块2为矩形薄板。由此，透镜模块2容易处理并容易附接于立体图像显示设备。
即使前侧工作距离WD1改变，来自物体15的光束所穿过的透镜面积也基本上固定，并且光束的透射量也基本上固定。这样即使在前侧工作距离WD1改变时也可以形成令人满意的立体图像15a。
当后侧工作距离WD2位于5到150mm范围内，或者更优选地位于5到100mm范围内时，对于1Lp，各透镜阵列板3的分辨率(MTF)为10％或更大，并且透镜模块2的MTF变化率大于0％/mm并小于等于2％/mm。这样即使在透镜模块2(透镜阵列板3)与物体15之间的距离WD1改变时，透镜模块2也可以在间隔位于上述范围内的后侧工作距离WD2的位置处无模糊地形成图像15a。因此，可以改变透镜模块2与物体15之间的位置关系。
各透镜阵列板3是平板微型透镜阵列，其包括布置在基板4的两个主表面上的微型透镜3a。微型透镜3a具有球形或非球形表面。这样即使在由平板微型透镜阵列形成的各透镜阵列板3与物体15之间的距离改变时，透镜模块2也可以在间隔位于5到150mm范围内的后侧工作距离WD2的位置处无模糊地形成图像15a。
由透明树脂制成的各透镜阵列板3以低成本形成。因此，透镜模块2以低成本形成。
至少一个透镜阵列板3包括覆盖外微型透镜3a的圆形周边3b的遮光膜5。这样抑制了在透镜阵列板3中生成并从透镜模块2朝向图像15a发射的漫射光，从而可形成高对比度的立体图像。
下面将参照图8描述实施例1的透镜模块2。曲线130表示实施例1的后侧工作距离WD2与透镜模块2的分辨率MTF之间的关系。
在实施例1中，当后侧工作距离WD2位于10到70mm范围内时，对于1Lp，各透镜阵列板3的分辨率MTF为10％或更大，并且MTF变化率大于0％/mm并小于等于2％/mm。各微型透镜3a的孔径张角为12度。各微型透镜3a的曲率半径为0.567mm。微型透镜3a的间距为0.499mm。各透镜阵列板3的厚度(基板4的厚度)为1.63mm。
由透明树脂制成的各透镜阵列板3通过用两个模具注射成型而形成。各模具均具有多个凹口，这些凹口的布局、曲率和直径对应于微型透镜3a。通过在两个模具之间注射透明树脂而形成各透镜阵列板3。可以使用具有适于微型透镜3a的特性(透明度、强度等)的任何透明树脂。
下面将参照图9描述实施例2的透镜模块2。
在图9中，曲线131表示用于扫描仪或复印机中的现有技术的正立等大透镜模块(参见图1)的后侧工作距离WD2与分辨率MTF之间的关系。该现有技术的正立等大透镜模块具有多个微型透镜，各微型透镜均设计成具有较小的球面像差或较小的彗差。透镜模块的厚度t1，即两个透镜阵列板103的总厚度为1.69mm。
在图9中，曲线132表示实施例2的后侧工作距离WD2与透镜模块2的分辨率MTF之间的关系。透镜模块2的厚度t(参见图3和图7)为1.66mm。实施例2的透镜模块2比现有技术的透镜模块薄30μm。
从图9中的曲线131和132可以看出，实施例2的透镜模块2具有较低的分辨率，并在透镜模块2的可动范围(即，后侧工作距离WD2的范围(25到70mm))内形成更不易察觉模糊的图像。换言之，实施例2的透镜模块2设计成，即使在前侧工作距离WD1较短时也以相对较低的分辨率形成图像。由此，即使在前侧工作距离WD1改变时也不会注意到图像的模糊。
与现有技术的透镜模块相比，实施例2的透镜模块2在距离WD(后侧工作距离WD2)较长时形成非常模糊的图像。但是，通过使曲线131的斜率(MTF/WD)较小，即使在距离WD改变时也更不易注意到图像的模糊。
下面将参照图10描述实施例3和4的透镜模块2。曲线133和134表示实施例3和4的后侧工作距离WD2与透镜模块2的分辨率MTF之间的关系。
对于实施例3的透镜模块2，当后侧工作距离WD2位于10到160mm范围内时，对于1Lp，各透镜阵列板3的分辨率MTF为10％或更大，并且MTF变化率大于0％/mm并小于等于2％/mm。
对于实施例3的透镜模块2，各微型透镜3a的曲率半径为0.576mm，透镜模块2的厚度，即两个透镜阵列板3的总厚度t为1.68mm，微型透镜3a的间距为0.499mm，并且各微型透镜3a的半径为0.3mm。
对于实施例4的透镜模块2，当后侧工作距离WD2位于10到90mm范围内时，对于1Lp，各透镜阵列板3的分辨率MTF为10％或更大，并且MTF变化率大于0％/mm并小于等于2％/mm。
对于实施例4的透镜模块2，各微型透镜3a的曲率半径为0.582mm，透镜模块2的厚度，即两个透镜阵列板3的总厚度t为1.68mm，微型透镜3a的间距为0.499mm，并且各微型透镜3a的半径为0.3mm。
从图10的曲线133可以看出，当后侧工作距离WD2位于10到160mm范围内时，对于1Lp，实施例3的透镜模块2的分辨率MTF为10％或更大，并且分辨率MTF适度地变化。从图10的曲线134可以看出，当后侧工作距离WD2位于10到90mm范围内时，对于1Lp，实施例4的透镜模块2的分辨率MTF为10％或更大，并且分辨率MTF比实施例3更剧烈地变化。实施例3的透镜模块2比实施例4的透镜模块2更优选。
图11示出了使用第一实施方式的透镜模块2的立体图像显示设备的一个实施例。该立体图像显示设备包括用于容纳透明介质40和透镜模块2的腔室。透镜模块2在介质40中形成物体15的图像15a。根据介质40的折射率来加长成像距离(后侧工作距离WD2)。介质40可以是诸如空气的气体、诸如水的液体或者诸如透明树脂的固体。成像距离根据介质40的折射率而改变。例如，当介质40为水时，成像距离为介质40是空气时的成像距离的1.5倍。在这种情况下，物体15、微型透镜3a和图像15a的位置的设计自由度较大。介质40仅需要具有能够形成图像15a的均质性。另外，只要介质40能够形成图像15a，介质40可以是不均质的(例如，局部不均质的)。
下面将参照图12来描述使用透镜模块2的立体图像显示设备1。立体图像显示设备1例如用作用于汽车导航系统的显示器、用于蜂窝式电话的显示器、广告媒介、娱乐机等。
显示设备1包括透镜模块2、用作显示主体目标的显示装置10、基端壳体11和远端壳体12。基端壳体11和远端壳体12容纳透镜模块2和显示装置10。显示装置10例如可以是液晶显示器。显示装置10通过经由相应的开关元件向以矩阵布置的多个像素顺序提供图像信号而在其显示屏上显示图像15。如图6所示，透镜模块2在限定于远端壳体12内的空间中形成显示装置10的图像15的立体图像15a。
远端壳体12以可沿光轴方向滑动的方式被基端壳体11支撑。远端壳体12具有窗口12a。可从壳体12外部通过窗口12a看到由透镜模块2形成的立体图像15a。例如，在窗口12a中装配透明玻璃板。
两个透镜阵列板3以可沿微型透镜3a的光轴方向运动的方式支撑在基端壳体11的内表面上。
显示设备1具有下述优点。
当后侧工作距离WD2位于5到150mm范围内时，对于1Lp，各透镜阵列板3的分辨率MTF为10％或更大，并且MTF变化率大于0％/mm并小于等于2％/mm。即使在透镜阵列板3与显示装置10(物体15)之间的距离改变时，显示设备1也在间隔位于5到150mm范围内的后侧工作距离WD2的位置处无模糊地形成图像15a。这样可以改变透镜阵列板3与图像15a之间的距离。
可以改变透镜阵列板3与图像15a之间的距离以改变立体图像的深度范围。例如，当透镜阵列板3远离显示装置10运动时，观察者可以观察到在远端壳体12中形成的图像15a为浮动图像。
可以通过使显示装置10和透镜阵列板3中的一个或二者运动，而改变透镜阵列板3与显示装置10之间的距离。
即使在透镜阵列板3与显示装置10(物体15)之间的距离改变时，显示设备1也在间隔位于5到150mm范围内的后侧工作距离的位置处无模糊地形成立体图像。
透镜阵列板3由可低成本获得的透明树脂制成。因此，透镜阵列板3不昂贵。
即使在透镜模块2与显示装置10之间的距离(前侧工作距离WD1)改变时，显示设备1也会无模糊地形成立体图像。由此，显示设备1可通过改变透镜模块2与图像之间的距离而改变立体图像的深度范围。
显示设备1能根据提供给显示装置10的图像信号而显示立体图像。
下面将说明根据本发明第二实施方式的立体图像显示设备50。如图13所示，立体图像显示设备50包括大致盒形的外壳51。外壳51包括具有窗口W的前壁51a。在窗口W中布置有透明玻璃WG。外壳51容纳显示装置10、玻璃板53和正立等大透镜模块2。
显示装置10固定于外壳51的后壁51b。显示装置10例如可以是已知的全色液晶彩色显示器。显示装置10包括显示板22、滤色器23和背光55。
如图14所示，显示板22包括透光基板25(例如，玻璃基板)。在玻璃基板25上以恒定的间隔(矩阵)规则地布置有多个子像素区26。
各子像素区26包括像素电极和多个电子元件，它们在附图中均未示出。从外部装置(未示出)向各子像素区26中的像素电极提供数据信号。在玻璃基板25上形成有公共电极。在公共电极与子像素区26的像素电极之间布置有液晶。
当向一个子像素区26中的像素电极提供数据信号时，根据该数据信号在像素电极与公共电极之间产生电势差。该电势差控制该子像素区26中的液晶的配向。
如图14所示，滤色器23包括红色转换层28R、绿色转换层28G和蓝色转换层28B。各子像素区26面对着转换层28R、28G和28B中的一个。如图15所示，转换层28R、28G和28B沿着X方向按照红色转换层28R、绿色转换层28G、蓝色转换层28B、红色转换层28R、绿色转换层28G等的顺序布置。转换层28R、28G和28B沿着Y方向延伸。
如图15所示，三个子像素区26和相对的三个颜色转换层28R、28G和28B分别形成三个子像素25R、25G和25B。子像素25R、25G和25B分别对应于红色、绿色和蓝色这三种颜色。沿X方向彼此邻近的三种颜色的子像素25R、25G和25B形成一个像素30。
子像素25R、25G和25B沿X方向以恒定的间距q布置。像素30沿X方向以恒定的间距PD布置。子像素25R、25G和25B沿Y方向布置有由相同颜色的子像素形成的各线。滤色器23具有由相同颜色的子像素25R、25G和25B的线形成的垂直条。
参照图13，背光55朝向显示板22照射具有预定范围的波长的光。背光55的光穿过在显示板22上形成的子像素区26中的液晶。这样在滤色器23的表面上或者图像显示屏M上形成期望的图像。
玻璃板53固定于外壳51的上壁51c和下壁51d以面对显示装置10。玻璃板53为大致方形。玻璃板53布置在正立等大透镜模块2与显示装置10之间。
正立等大透镜模块2形成物体的正立等大立体图像。如图13所示，通过使两个透镜阵列板3成一体而形成正立等大透镜模块2。这两个透镜阵列板3具有相同的结构。如图16和图17所示，各透镜阵列板3均包括基板4和多个微型透镜3a。微型透镜3a具有球形或非球形表面，并以恒定间隔规则地布置在基板4的两个主表面上。微型透镜3a具有与第一实施方式中相同的形状。
微型透镜3a的光轴彼此平行。如图17所示，两个透镜阵列板3成一体使得相对的微型透镜3a的顶部彼此接触。微型透镜3a以恒定的间距PL布置。两个透镜阵列板3沿光轴方向具有厚度t。各透镜阵列板3由透明树脂制成。
下面将参照图18描述彼此叠置的正立等大透镜模块2和显示装置10。
显示装置10具有横向(图18中的DA方向)。像素30形成沿DA方向延伸的线。正立等大透镜模块2具有横向(图18中的DB方向)。微型透镜3a形成沿DB方向以之字形方式延伸的线。正立等大透镜模块2和显示装置10布置成使得DA方向与DB方向之间的角度θ为零度。
如图13所示，上下透镜固定台61分别支撑透镜阵列板3的上下端。上下运动台65分别固定于外壳51的上壁51c和下壁51d。上下运动台65以能在显示装置10与玻璃板53之间运动的方式支撑上下透镜固定台61。运动台65使得可改变透镜阵列板3与显示装置10之间的距离以及透镜阵列板3与玻璃板53之间的距离。
使用直接驱动机构来驱动透镜固定台61和运动台65。直接驱动机构的一个实施例是直接驱动螺杆机构。直接驱动螺杆机构包括附接于运动台65并沿Z方向延伸的螺杆轴(驱动轴)、容纳螺杆轴的引导槽以及与螺杆轴配合的滚珠螺母。螺杆轴与诸如步进电机的Z轴电机相连。Z轴电机根据与预定级数有关的驱动信号而正转或反转。透镜固定台61根据Z轴电机的旋转相对于运动台65沿Z方向以预定速度运动预定的运动量。透镜固定台61的运动在预定范围内改变正立等大透镜模块2与显示装置10的图像显示屏M之间的距离Lz(参照图13)。
下面将描述正立等大透镜模块2。透镜阵列板3包括微型透镜3a，它们均具有期望的球面像差或期望的彗差。两个透镜阵列板3的总厚度t小于使各微型透镜的球面像差或彗差最小的设计厚度值(t1：图1)。通过将正立等大透镜模块2形成为相对较薄，而使微型透镜3a形成为具有期望的球面像差或彗差。
来自物体15的光束穿过微型透镜3a的透镜表面中的取决于距离Lz(参见图13)的适当位置。结果，观察者通过窗口W看到外壳51内部，由于双眼像差，在显示装置10的图像显示屏M上显示的图像被看到为浮动立体图像。
已经进行试验确认，正立等大透镜模块2的分辨率(MTF)取决于正立等大透镜模块2与显示装置10的图像显示屏M之间的距离Lz。图19示出了正立等大透镜模块2的分辨率(MTF)与距离Lz之间的关系。
如图19所示，当距离Lz为约20mm时，正立等大透镜模块2的分辨率(MTF)取最大值。正立等大透镜模块2的分辨率随着距离Lz从约20mm增加或减小而逐渐减小。在第二实施方式中，正立等大透镜模块2所附接于透镜固定台61的位置和正立等大透镜模块2的可动范围被确定为使得在分辨率(MTF)保持为10％或更大的值并且正立等大透镜模块2与图像显示屏M之间的距离Lz为可动范围内的最小值时，正立等大透镜模块2的分辨率为可动范围内的最大值。在图19的实施例中，以如下方式确定透镜固定台61和运动台65的附接位置以及正立等大透镜模块2的可动范围，即，使得正立等大透镜模块2与图像显示屏M之间的距离Lz的最小值为20mm。
第二实施方式具有下述优点。
(1)正立等大透镜模块2布置在面对着显示装置10的图像显示屏M的位置处。当观察者通过窗口W看外壳51内部时，显示装置10的图像显示屏M上显示的图像被看到为外壳51中的浮动立体图像。
(2)正立等大透镜模块2借助透镜固定台61而布置在运动台65上。这使得可以在预定范围内改变正立等大透镜模块2与显示装置10的图像显示屏M之间的距离Lz。结果，可通过改变距离Lz在预定范围内改变正立等大透镜模块的分辨率。另外，可通过改变距离Lz而改变形成在外壳51中的立体图像的位置。
(3)通过增加正立等大透镜模块2与显示装置10的图像显示屏M之间的距离Lz，会降低正立等大透镜模块2的分辨率。尽管这降低了正立等大透镜模块2的分辨率，但降低的分辨率维持至少具有人眼可看到非模糊图像的一定水平。通过该结构，即使产生莫尔条纹，正立等大透镜模块2的降低的分辨率也会使莫尔条纹变亮。因此莫尔条纹并不明显。结果，所显示的立体图像具有使观察者基本上不会看到莫尔条纹的高质量。
(4)正立等大透镜模块2布置成使得当正立等大透镜模块2与图像显示屏M之间的距离Lz为可动范围内的最小值时，正立等大透镜模块2的分辨率(MTF)维持在至少10％的值并且正立等大透镜模块2的分辨率取可动范围内的最大值。结果，通过改变图像显示屏M与正立等大透镜模块2之间的距离，正立等大透镜模块2的分辨率可在其中对于1Lp分辨率MTF为10％或更大的范围内变化。结果，在正立等大透镜模块2可相对于图像显示屏运动的整个范围内，人眼可看到清晰的立体图像。
(5)显示装置10具有呈垂直条布置的像素30。正立等大透镜模块2具有呈六边形布置的微型透镜3a。正立等大透镜模块2形成由显示装置10(其具有呈垂直条布置的像素30)显示的图像的、莫尔条纹减少的立体图像。
(6)各像素30包括以恒定间隔布置在玻璃基板25上的三种颜色的子像素25R、25G和25B。子像素25R、25G和25B沿玻璃基板25的垂直方向布置以形成相同颜色的线。该结构可用已知的全色液晶显示器作为显示装置10，并能以低成本制造立体图像显示设备50。
下面将参照图20描述根据本发明第三实施方式的立体图像显示设备50。第三实施方式的立体图像显示设备50与第二实施方式的不同之处在于，正立等大透镜模块2的微型透镜3a以校正透镜间距PLo布置。
在图19的实施例中，当正立等大透镜模块2与图像显示屏M之间的距离Lz取可动范围内的最小值时，正立等大透镜模块2的分辨率(MTF)最高。在该状态下，立体图像中产生的莫尔条纹对于人眼最明显。在第三实施方式中，正立等大透镜模块2具有透镜间距PLo，基于观察者的视点和显示装置10的图像显示屏M之间的距离LA与正立等大透镜模块2和图像显示屏M之间的距离Lz的比率对该透镜间距PLo进行了校正。
在图20的实施例中，当正立等大透镜模块2与图像显示屏M之间的距离Lz取可动范围内的最小值时，校正透镜间距PLo与正立等大透镜模块2的透镜间距PL的比率(PLo/PD)满足如下表达式。
(1.20+n*1.50)≤PLo/PD≤(1.70+n*1.50)(其中n＝0，1，2，3，…)
校正透镜间距PLo用下述表达式来表示。
PLo＝PL/a
常数a用下述表达式来限定。
a＝{LA-(L+Z/2)}/{LA-(2L+Z)}
以如下方式来设定校正透镜间距PLo，即：当图像显示屏M与正立等大透镜模块2之间的距离Lz取最小值时，比率PLo/PD满足上述表达式。这样使立体图像中产生的莫尔条纹的间隔充分变窄。
第三实施方式具有下述优点。
基于观察者的视点和显示装置10的图像显示屏M之间的距离LA与正立等大透镜模块2和图像显示屏M之间的距离Lz的比率对正立等大透镜模块2的透镜间距PL进行校正。该校正使得立体图像中产生的莫尔条纹的间隔充分变窄。该莫尔条纹并不明显。结果，立体图像显示设备在图像显示屏M与正立等大透镜模块2之间的距离Lz可变的整个范围内显示高质量的立体图像。
下面将描述第三实施方式的实施例。
(实施例5)
表1示出了实施例5的立体图像显示设备50的分辨率和立体图像质量。
表1
Figure A20068003977300261
在实施例5中，使用全色液晶显示器(99mm*132mm)作为显示装置10，该液晶显示器的屏幕对角尺寸为6.5英寸，像素间距PD为0.321mm*0.321mm(子像素间距q为0.321mm*0.107mm)，并具有其中相同颜色的像素沿垂直方向连续布置的垂直条布置。在实施例5中，正立等大透镜模块2的屏幕对角尺寸为6.5英寸，并包括焦距为20mm、透镜厚度为1.66mm并且透镜间距PL为0.499mm的微型透镜3a。各微型透镜3a为六边形。微型透镜3a呈六边形布置。
当观察者与显示装置10的图像显示屏M之间的距离LA为500mm并且图像显示屏M与正立等大透镜模块2之间的距离Lz为20mm时，校正透镜间距PLo为0.476mm。在这种情况下，校正透镜间距PLo与显示装置10的像素间距PD的比率为1.48。另外，分辨率为65％。在这种情况下，用肉眼在立体图像中看不到莫尔条纹。
当图像显示屏M与正立等大透镜模块2之间的距离Lz增加到45mm时，校正透镜间距PLo为0.448mm。在这种情况下，校正透镜间距PLo与显示装置10的像素间距PD的比率为1.39。另外，分辨率为30％。在这种情况下，用肉眼在立体图像中看不到莫尔条纹。
当图像显示屏M与正立等大透镜模块2之间的距离Lz增加到70mm时，校正透镜间距PLo为0.415mm。在这种情况下，校正透镜间距PLo与显示装置10的像素间距PD的比率为1.29。另外，分辨率为12％。在这种情况下，用肉眼在外壳51中形成的立体图像中看不到莫尔条纹。
(对比例)
表2示出了对比例的立体图像显示设备的分辨率和立体图像质量。
表2
Figure A20068003977300271
在对比例中，使用全色液晶显示器(229mm*305mm)作为显示装置10，该液晶显示器的屏幕对角尺寸为15英寸，像素间距PD为0.255mm*0.255mm(子像素间距q为0.255mm*0.099mm)，并具有其中相同颜色的像素沿垂直方向连续布置的垂直条布置。在对比例中，使用实施例5的正立等大透镜模块2。
当观察者与显示装置10的图像显示屏M之间的距离LA为500mm并且图像显示屏M与正立等大透镜模块2之间的距离Lz为20mm时，校正透镜间距PLo为0.476mm。在这种情况下，校正透镜间距PLo与显示装置10的像素间距PD的比率为1.87。另外，分辨率为65％。在这种情况下，在外壳51中形成的立体图像中清楚地看到莫尔条纹。
当图像显示屏M与正立等大透镜模块2之间的距离Lz增加到40mm时，校正透镜间距PLo为0.454mm。在这种情况下，校正透镜间距PLo与显示装置10的像素间距PD的比率为1.68。另外，分辨率为38％。在这种情况下，在外壳51中形成的立体图像中清楚地看到莫尔条纹。
当图像显示屏M与正立等大透镜模块2之间的距离Lz增加到60mm时，校正透镜间距PLo为0.429mm。在这种情况下，校正透镜间距PLo与显示装置10的像素间距PD的比率为1.68。另外，分辨率为19％。在这种情况下，在外壳51中形成的立体图像中清楚地看到莫尔条纹。
此外，当图像显示屏M与正立等大透镜模块2之间的距离Lz增加到80mm时，校正透镜间距PLo为0.402mm。在这种情况下，校正透镜间距PLo与显示装置10的像素间距PD的比率为1.58。另外，分辨率为11％。在这种情况下，尽管在外壳51中形成的立体图像中产生莫尔条纹，但是莫尔条纹太细小而不能用肉眼看到。
(实施例6)
表3示出了实施例6的立体图像显示设备50的分辨率和立体图像质量。
表3
Figure A20068003977300281
在实施例6中，使用全色液晶显示器(305mm*407mm)作为显示装置10，该液晶显示器的屏幕对角尺寸为20英寸，像素间距PD为0.297mm*0.297mm(子像素间距q为0.297mm*0.085mm)，并具有其中相同颜色的像素沿垂直方向连续布置的垂直条布置。在实施例6中，使用实施例5的正立等大透镜模块2。
当观察者与显示装置10的图像显示屏M之间的距离LA为500mm并且图像显示屏M与正立等大透镜模块2之间的距离Lz为20mm时，校正透镜间距PLo为0.476mm。在这种情况下，校正透镜间距PLo与显示装置10的像素间距PD的比率为1.60。另外，分辨率为65％。在这种情况下，在外壳51中形成的立体图像中清楚地看到莫尔条纹。
当图像显示屏M与正立等大透镜模块2之间的距离Lz增加到40mm时，校正透镜间距PLo为0.454mm。在这种情况下，校正透镜间距PLo与显示装置10的像素间距PD的比率为1.53。另外，分辨率为38％。在这种情况下，尽管在外壳51中形成的立体图像中产生莫尔条纹，但是莫尔条纹太细小而不能用肉眼看到。
当图像显示屏M与正立等大透镜模块2之间的距离Lz增加到60mm时，校正透镜间距PLo为0.429mm。在这种情况下，校正透镜间距PLo与显示装置10的像素间距PD的比率为1.44。另外，分辨率为19％。在这种情况下，在外壳51中形成的立体图像中用肉眼看不到莫尔条纹。
此外，当图像显示屏M与正立等大透镜模块2之间的距离Lz增加到80mm时，校正透镜间距PLo为0.402mm。在这种情况下，校正透镜间距PLo与显示装置10的像素间距PD的比率为1.35。另外，分辨率为11％。在这种情况下，在外壳51中形成的立体图像中用肉眼看不到莫尔条纹。
表4和表5示出了实施例7的立体图像显示设备50的分辨率和立体图像质量。
表4
Figure A20068003977300291
表5
Figure A20068003977300301
在实施例7中，正立等大透镜模块2的分辨率(MTF)和距离Lz的关系如图21所示。更具体地说，正立等大透镜模块2的分辨率(MTF)在距离Lz为约30mm时取最大值，并且随着距离Lz从约30mm增加或减小而逐渐减小。
如表4和表5所示，当观察者与显示装置10的图像显示屏M之间的距离LA为500mm并且图像显示屏M与正立等大透镜模块2之间的距离Lz为30mm时，通过将像素间距PD设为0.297mm并且将透镜间距PL设为0.38mm，而将校正透镜间距PLo与显示装置10的像素间距PD的比率设为1.19。在这种情况下，在外壳51中形成的立体图像中清楚地看到莫尔条纹。
通过将像素间距PD设为0.297mm并且将透镜间距PL设为0.41mm，而将校正透镜间距PLo与显示装置10的像素间距PD的比率设为1.29。在这种情况下，尽管在外壳51中形成的立体图像中产生莫尔条纹，但是莫尔条纹太细小而不能用肉眼看到。
通过将像素间距PD设为0.255mm并且将透镜间距PL设为0.38mm，而将校正透镜间距PLo与显示装置10的像素间距PD的比率设为1.39。在这种情况下，在外壳51中形成的立体图像中用肉眼看不到莫尔条纹。
通过将像素间距PD设为0.321mm并且将透镜间距PL设为0.499mm，而将校正透镜间距PLo与显示装置10的像素间距PD的比率设为1.45。在这种情况下，在外壳51中形成的立体图像中用肉眼看不到莫尔条纹。
通过将像素间距PD设为0.255mm并且将透镜间距PL设为0.41mm，而将校正透镜间距PLo与显示装置10的像素间距PD的比率设为1.50。在这种情况下，尽管在外壳51中形成的立体图像中产生莫尔条纹，但是莫尔条纹太细小而不能用肉眼看到。
通过将像素间距PD设为0.297mm并且将透镜间距PL设为0.55mm，而将校正透镜间距PLo与显示装置10的像素间距PD的比率设为1.73。在这种情况下，在外壳51中形成的立体图像中清楚地看到莫尔条纹。
通过将像素间距PD设为0.255mm并且将透镜间距PL设为0.499mm，而将校正透镜间距PLo与显示装置10的像素间距PD的比率设为1.82。在这种情况下，在外壳51中形成的立体图像中清楚地看到莫尔条纹。
通过将像素间距PD设为0.255mm并且将透镜间距PL设为0.55mm，而将校正透镜间距PLo与显示装置10的像素间距PD的比率设为2.01。在这种情况下，在外壳51中形成的立体图像中清楚地看到莫尔条纹。
通过将像素间距PD设为0.297mm并且将透镜间距PL设为0.85mm，而将校正透镜间距PLo与显示装置10的像素间距PD的比率设为2.67。在这种情况下，在外壳51中形成的立体图像中清楚地看到莫尔条纹。
通过将像素间距PD设为0.264mm并且将透镜间距PL设为0.8mm，而将校正透镜间距PLo与显示装置10的像素间距PD的比率设为2.83。在这种情况下，尽管在外壳51中形成的立体图像中产生莫尔条纹，但是莫尔条纹太细小而不能用肉眼看到。
通过将像素间距PD设为0.264mm并且将透镜间距PL设为0.85mm，而将校正透镜间距PLo与显示装置10的像素间距PD的比率设为3.00。在这种情况下，在外壳51中形成的立体图像中用肉眼看不到莫尔条纹。
通过将像素间距PD设为0.255mm并且将透镜间距PL设为0.85mm，而将校正透镜间距PLo与显示装置10的像素间距PD的比率设为3.11。在这种情况下，尽管在外壳51中形成的立体图像中产生莫尔条纹，但是莫尔条纹太细小而不能用肉眼看到。
通过将像素间距PD设为0.255mm并且将透镜间距PL设为0.9mm，而将校正透镜间距PLo与显示装置10的像素间距PD的比率设为3.29。在这种情况下，尽管在外壳51中形成的立体图像中产生莫尔条纹，但是莫尔条纹太细小而不能用肉眼看到。
通过将像素间距PD设为0.255mm并且将透镜间距PL设为0.95mm，而将校正透镜间距PLo与显示装置10的像素间距PD的比率设为3.47。在这种情况下，在外壳51中形成的立体图像中清楚地看到莫尔条纹。
在表1至表5中，“优异”表示图像质量最高并且在图像中未产生莫尔条纹，“良好”表示图像质量高并且图像中产生的莫尔条纹太细小而不能用肉眼看到，而“不好”表示图像质量低并且清楚地看到图像中产生的莫尔条纹。
下面将参照图22来描述根据本发明第四实施方式的立体图像显示设备50。第四实施方式的立体图像显示设备50与第二实施方式的不同之处仅在于正立等大透镜模块2和显示装置10的布置。
参照图22，显示装置10的横向(DA)相对于正立等大透镜模块2的横向(DB)倾斜。箭头DA和DB之间的角度θ为90度。
通过使角度θ为90度，显示装置10(液晶显示器)的像素30的布置图案与正立等大透镜模块2的微型透镜3a的布置图案彼此不会干涉。
正立等大透镜模块2的倾斜以较大的量对校正透镜间距PLo进行校正。第二校正透镜间距PLoa被确定为满足下面的表达式。
(1.20+n*1.50)≤PLoa/PD≤(1.70+n*1.50)(其中n＝0，1，2，3，…)
第二校正透镜间距PLoa和校正透镜间距PLo满足下面的表达式。
PLoa(x)＝cosθ*PLo(x)
PLoa(y)＝PLo(y)/cosθ
校正透镜间距PLo(x)是沿X方向的校正透镜间距，校正透镜间距PLo(y)是沿Y方向的校正透镜间距。
当正立等大透镜模块2具有六边形布置的像素时，PLo(x)和PLo(y)满足如下关系。
PLo ( y ) = 2 × PLo ( x ) / 3
(其中，-30°≤θ-(60°*n)≤30°，n是整数)
当正立等大透镜模块2具有方形布置的像素时，PLo(x)和PLo(y)满足如下关系。
PLo(y)＝PLo(x)
其中，-45°θ-(90°*n)≤45°，n是整数
第四实施方式具有下述优点。
显示装置10的横向(DA)与正立等大透镜模块2的横向(DB)之间的角度θ为90度。在这种情况下，微型透镜3a的布置图案的侧部不与像素30的布置图案的侧部沿相同方向延伸。显示装置10的像素30的布置图案与正立等大透镜模块2的微型透镜3a的布置图案彼此并不干涉。这样进一步减少了莫尔条纹，并能够显示较高质量的立体图像。
在第四实施方式中，显示装置10的横向(DA)与正立等大透镜模块2的横向(DB)之间的角度θ可以是除了90度以外的角度。即使在这种情况下，微型透镜3a的布置图案的侧部也不与像素30的布置图案的侧部沿相同方向延伸。这样进一步减少了莫尔条纹，并能够显示较高质量的立体图像。例如，正立等大透镜模块2可以按如下方式相对于显示装置10倾斜，使得显示装置10的像素布置的横向与正立等大透镜模块2的微型透镜布置的横向之间的角度θ为15度。
图23至图25表示第四实施方式的修改例。在图25的实施例中，正立等大透镜模块2的侧部与显示装置10的侧部之间的角度θ为15度。表6和表7示出了图25中所示实施例的分辨率和立体图像质量。
表6
Figure A20068003977300331
表7
Figure A20068003977300341
在表6的实施例中，使用全色液晶显示器(229mm*305mm)作为显示装置10，该液晶显示器的屏幕对角尺寸为15英寸，像素间距PD为0.255mm*0.255mm(子像素间距q为0.255mm*0.099mm)，并具有其中相同颜色的像素沿垂直方向连续布置的垂直条布置。在表6的实施例中，使用实施例5的正立等大透镜模块2。
如表2和表6所示，当图像显示屏M与正立等大透镜模块2之间的距离Lz在20mm到60mm的范围内时，在实施例6中清楚地看到莫尔条纹，而在表6的实施例中，莫尔条纹太细小而用肉眼看不到。另外，当距离Lz为80mm时，在实施例6中莫尔条纹太细小而用肉眼看不到，而在表6的实施例中没有产生莫尔条纹。
在表7的实施例中，使用全色液晶显示器(305mm*407mm)作为显示装置10，该液晶显示器的屏幕对角尺寸为20英寸，像素间距PD为0.297mm*0.297mm(子像素间距q为0.297mm*0.085mm)，并具有其中相同颜色的像素沿垂直方向连续布置的垂直条布置。在表7的实施例中，使用实施例5的正立等大透镜模块2。
如表3和表7所示，当图像显示屏M与正立等大透镜模块2之间的距离Lz为20mm时，在实施例6中清楚地看到莫尔条纹，而在表7的实施例中，产生的莫尔条纹太细小而用肉眼看不到。另外，当距离Lz为40mm时，在实施例6中莫尔条纹太细小而用肉眼看不到，而在表7的实施例中没有产生莫尔条纹。
在第二至第四实施方式中，用于形成显示装置10的像素30的红色、绿色和蓝色这三种颜色的子像素25R、25G和25B呈条布置，其中相同颜色的子像素25R、25G和25B沿相同方向布置。但是，本发明并不限于该结构。例如，红色子像素25R、绿色子像素25G和蓝色子像素25B可以呈三角形布置，其中红色、绿色和蓝色这三种颜色的子像素25R、25G和25B分别位于三角形的顶点处。
当显示装置10具有三角形布置的像素时，正立等大透镜模块2的微型透镜3a可以呈方形布置。图26示出了微型透镜3a呈方形布置的正立等大透镜模块2与显示装置10之间的布置关系。在这种情况下，可获得与第二和第三实施方式相同的优点。
当正立等大透镜模块2和显示装置10具有图26所示的布置关系时，滤色器23的转换层28R、28G和28B的侧部和呈方形布置的微型透镜3a的Y方向侧部沿相同的方向(Y方向)延伸。在这种情况下，显示装置10的像素30的布置图案与正立等大透镜模块2的微型透镜3a的布置图案可能彼此干涉。这种干涉可能导致莫尔条纹。
在这种情况下，正立等大透镜模块2和显示装置10需要布置成，使得滤色器23的转换层28R、28G和28B的侧部和呈方形布置的微型透镜3a的Y方向侧部不沿相同的方向(Y方向)延伸，如图27A、27B和27C所示。更具体地说，正立等大透镜模块2和显示装置10以如下方式相对于彼此倾斜预定角度，使得像素30的布置的横向(图26中的DA方向)与微型透镜3a的布置的横向(图26中的DB方向)之间的角度θ为除了0度之外的角度。在这种情况下，像素30的布置图案与正立等大透镜模块2的微型透镜3a的布置图案不会彼此干涉。结果，微型透镜3a的布置图案的侧部不与像素30的布置图案的侧部沿相同方向延伸。这样减少了莫尔条纹，并能够显示较高质量的立体图像。
下面将论述根据本发明第五实施方式的用作车载立体图像显示设备的显示设备70。图28示出了包括方向盘71、前挡风板72和仪表板73的车辆的车厢。显示设备70构造成在仪表板73的仪表盘区域中显示正立等大立体图像15a。显示设备70所显示的正立等大立体图像15a包括动态实时地指示车辆状态和行驶状态的图像(以下可称为指示图像)15c和15d。指示图像15c和15d例如包括指示车速、发动机转速、水温、驱动模式等的符号、图形以及字符。
立体图像15a还包括指示除车辆状态和行驶状态之外的信息的附加图像15e。附加图像15e可例如包括来自安装在车辆中的设备的诸如当前时间的信息，存储在诸如DVD和HDD的记录介质中的关于导航画面的信息，通过无线信号从车外信息源提供的诸如电视广播的信息，以及通过无线信号从无线网络提供的关于互联网画面的信息。显示设备70可在一个屏幕中显示图像15c、15d和15e作为立体图像。
下面将参照图29描述显示设备70的结构。
显示设备70包括显示装置10、正立等大透镜模块2(以下可称为透镜模块2)、透镜运动机构、以及控制器76。显示装置10具有显示屏M，在显示屏M上显示静止图像或运动图像。正立等大透镜模块2布置成面对着显示装置10的显示屏M。透镜运动机构使透镜模块2沿光轴方向运动。控制器76根据车辆的行驶速度来控制透镜运动机构。
显示装置10的一个实施例为液晶显示器。可以使用在第一至第四实施方式中描述的其中一个透镜模块作为透镜模块2。作为一个实施例，当使用像素间距为0.321μm的实施例5的液晶显示器作为显示装置10时，可以使用透镜间距PL为0.499mm的实施例5的透镜模块2。
透镜模块2与显示装置10的显示屏M间隔开距离WD1，其在沿显示装置10相反方向与透镜模块2间隔开距离WD2的位置处形成在显示装置10的显示屏M上显示的静止或运动图像的立体图像15a。当使用正立等大透镜模块2时，距离WD2与距离WD1相同。在第一至第四实施方式中描述了正立等大透镜模块2的详细结构和操作。
显示设备70可包括保护板74(参照图29)。保护板74例如由透明树脂板形成。显示设备70可包括用于至少容纳显示装置10和正立等大透镜模块2的外壳(例如，图13所示的外壳51)。外壳的内表面限定了用于形成正立等大立体图像的空间。优选地使限定图像形成空间的内表面颜色较暗。当显示设备70不包括外壳时，优选地使仪表板73的附接有显示设备70的部分颜色较暗。优选地使外壳的内表面和仪表板73的所述部分颜色较暗，以减少环境光并显示清晰立体图像15a。
透镜运动机构包括用于支撑透镜模块2的台61、用于以可动方式支撑台61的导轨或台65以及用于使台61在台65上运动的运动电机75。可以使用第二实施方式中描述的直接驱动机构来代替运动电机75。
控制器76根据行驶速度传感器77检测到的车辆的行驶速度而产生透镜位置控制信号，并向运动电机75提供该透镜位置控制信号。运动电机75根据该透镜位置控制信号被驱动，并改变透镜模块2与显示装置10之间的距离WD1。
下面将参照图30和图31来描述由控制器76进行的透镜模块2的位置控制。
当车辆的行驶速度增加时，控制器76控制运动电机75以减小距离WD1。如图29和图30所示，当车辆的行驶速度相对较慢(60km/h以下)时，透镜模块2布置成远离显示装置10。如图31所示，当车辆的行驶速度相对较快(超过60km/h)时，透镜模块2布置成靠近显示装置10。在图29和图30的实施例中，显示装置10在保护板74上形成立体图像15a(和立体图像15c、15d和15e)。在这种情况下，驾驶者眼睛与立体图像15a之间的距离例如为1000mm。在图31所示的实施例中，显示装置10在透镜模块2与保护板74之间的空间中形成立体图像15a(15c、15d和15e)。在这种情况下，驾驶者眼睛与立体图像15a之间的距离例如为1080mm。
在第五实施方式中，控制器76根据车辆的行驶速度以分级的方式改变距离WD1。例如，以两级，即60mm(图30)和20mm(图31)改变距离WD1。可选的是，控制器76可以根据车速以无级方式改变距离WD1。
第五实施方式的显示设备70具有下述优点。
通常，当驾驶车辆时，驾驶者可选地透视前挡风板并查看固定于仪表盘的仪表，例如速度表和转速表。频繁地查看不同位置的需要可能增加驾驶者的眼疲劳。当车辆的行驶速度相对较快时，例如当沿高速公路行驶时，驾驶者的前焦点位于相对较远的位置。但是，当车辆的行驶速度相对较慢时，例如当车辆沿普通公路行驶时，驾驶者的前焦点位于相对较近的位置。在传统的车辆中，速度表和转速表固定于仪表盘，当车辆的行驶速度相对较快时，驾驶者的焦点距离(从眼睛到焦点的距离)必须改变相对较大的量。当焦点距离经常改变时，会增加车辆驾驶者的眼疲劳。为了减轻车辆驾驶者的眼疲劳，应该使焦点距离的改变最小。为了使焦点距离的改变最小，在车辆的行驶速度较高时，第五实施方式的显示设备70在更远离驾驶者眼睛的位置处至少显示指示图像15c和15d。与其中图像仅显示在固定位置的传统车辆的仪表盘相比，该结构减小了驾驶者的焦点距离的改变。因此，这样减轻了车辆驾驶者的眼疲劳。
显示设备70在一个屏幕上显示立体图像15a(15c、15d和15e)。该结构使得能够在仪表板73的仪表盘区域内的紧凑区域中显示指示车辆状态和行驶状态的立体图像(指示图像15c和15d)、以及指示除车辆状态和行驶状态以外的附加信息的立体图像(附加图像15e)。由此，无需专用显示器来显示导航系统画面等。这样增加了驾驶者座位周围的设计自由度。
可以如下修改第一至第五实施方式。
在上述实施方式中，透镜模块2可以由三个以上的透镜阵列板3形成。
在上述实施方式中，以如下方式确定微型透镜3a的形状和布置，使得在相邻的微型透镜3a之间没有形成间隙。由此，例如，各透镜阵列板3可具有呈方形布置的微型透镜3a。各微型透镜3a可以为方形。
在上述实施方式中，各透镜阵列板3的微型透镜3a以恒定的间距规则地布置，并且在相邻的微型透镜3a之间未形成任何间隙。微型透镜3a还可以规则地布置成使得在相邻微型透镜3a之间形成有恒定的间隙。
在上述实施方式中，各透镜阵列板3可以是仅布置在基板4的一个主表面上的微型透镜3a(具有球形或非球形表面)的平板微型透镜阵列。
在上述实施方式中，显示设备1(参照图12和图13)可包括在透镜阵列板3的前侧(图像侧)上的减反射过滤器。该减反射过滤器可以由诸如有色玻璃板的减少反射光的任何材料形成。
在上述实施方式中，显示装置10并不限于液晶显示器，而可以是其它类型的显示器，例如有机EL显示器或等离子显示器。
在上述实施方式中，两个透镜阵列板3可彼此间隔开，只要在两个透镜阵列板3布置成彼此接触时具有等同的光学性能即可。
在第五实施方式中，显示设备70可在一个屏幕上显示多个图像15e，作为指示除车辆状态和行驶状态以外的附加信息的立体图像。
在第五实施方式中，显示设备70可有选择地显示指示车辆状态和行驶状态的图像15c和15d而不显示附加图像15e，或者可有选择地显示附加图像15e而不显示图像15c和15d。
在第五实施方式中，透镜模块2可布置成面对着显示装置10的整个显示屏M。在另一实施例中，透镜模块2可包括：第一透镜模块，其布置成面对着显示装置10的显示屏M中的显示指示图像15c和15d的第一局部区域；以及第二透镜模块，其布置成面对着显示屏M中的显示图像15e的第二局部区域。在这种情况下，可以在显示指示图像15c和15d时使第一透镜模块运动，并且在显示图像15e时使第二透镜模块运动。
在第五实施方式的又一实施例中，透镜模块2可布置成仅面对显示装置10的显示屏M中的供显示指示图像15c和15d的局部部位。在这种情况下，可以改变指示图像15c和15d的显示位置，而不改变图像15e的显示位置。
在第五实施方式中，当图像(显示屏M)和透镜模块2布置在彼此间隔开预定距离的位置时，形成正立等大立体图像15a。第五实施方式的显示设备70可包括在透镜模块从间隔开预定距离的位置运动时形成正立等大立体图像的光学系统，或者可包括在透镜模块从间隔开预定距离的位置运动时形成正立且可变放大图像的光学系统。当显示设备70包括形成正立且可变放大图像的光学系统时，所述预定距离(形成正立等大立体图像的图像与透镜模块2之间的距离)可以在透镜模块2的可动范围内或者在透镜模块2的可动范围外。

Claims (26)

1、一种安装在车辆中的车载立体图像显示设备，该设备的特征在于：
包括显示屏的显示装置；
正立等大透镜模块，该正立等大透镜模块与所述显示装置的显示屏间隔开并面朝所述显示屏，用于形成在所述显示屏上显示的图像的正立等大立体图像；
透镜运动机构，该透镜运动机构用于可动地支撑所述正立等大透镜模块；以及
控制器，该控制器与所述透镜运动机构相连，用于根据车辆的行驶速度来改变所述正立等大透镜模块的位置。
2、根据权利要求1所述的车载立体图像显示设备，其特征在于：
所述正立等大透镜模块在所述透镜模块的与所述显示装置相反的一侧形成所述正立等大立体图像，并且形成有所述正立等大立体图像的空间的至少一部分被颜色较暗的部件环绕。
3、根据权利要求1所述的车载立体图像显示设备，其特征在于：所述控制器控制所述透镜运动机构，使得车辆驾驶者的眼睛与所述正立等大立体图像之间的距离随着车辆行驶速度的增加而增加。
4、根据权利要求3所述的车载立体图像显示设备，其特征在于：当车辆的行驶速度增加时，所述控制器以分级方式增加车辆驾驶者的眼睛与所述正立等大立体图像之间的距离。
5、根据权利要求3所述的车载立体图像显示设备，其特征在于：当车辆的行驶速度增加时，所述控制器以无级方式增加车辆驾驶者的眼睛与所述正立等大立体图像之间的距离。
6、根据权利要求1所述的车载立体图像显示设备，其特征在于：所述控制器控制所述透镜运动机构，使得所述正立等大透镜模块与所述显示装置之间的距离随着车辆行驶速度的增加而减小。
7、根据权利要求1所述的车载立体图像显示设备，其特征在于：所述正立等大立体图像包括动态实时地指示车辆的车辆状态和行驶状态的图像。
8、根据权利要求7所述的车载立体图像显示设备，其特征在于：所述正立等大立体图像包括指示除车辆状态和行驶状态以外的信息的附加图像。
9、根据权利要求1所述的车载立体图像显示设备，其特征在于：
所述正立等大透镜模块包括至少两个透镜阵列板，各透镜阵列板均包括多个均具有顶部的微型透镜，所述微型透镜具有平行的光轴；
所述至少两个透镜阵列板中一个的微型透镜的顶部与所述至少两个透镜阵列板中另一个的微型透镜的顶部接触，或布置成与其靠近；并且
各透镜阵列板中的微型透镜均具有比最小球面像差大的预定的球面像差，或者比最小彗差大的预定的彗差。
10、根据权利要求9所述的车载立体图像显示设备，其特征在于：所述透镜模块沿所述微型透镜的光轴方向具有厚度，该厚度小于使各微型透镜的球面像差或彗差最小的设计厚度值。
11、根据权利要求9所述的车载立体图像显示设备，其特征在于：所述至少两个透镜阵列板成一体而形成一个所述正立等大透镜模块。
12、根据权利要求9所述的车载立体图像显示设备，其特征在于：
当所述至少两个透镜阵列板与所述显示装置的显示屏间隔开前侧工作距离时，来自所述显示屏的光束穿过各微型透镜的表面上的单点；并且
当所述前侧工作距离改变时，所述光束穿过各微型透镜的表面上的与所述单点不同的点。
13、根据权利要求9所述的车载立体图像显示设备，其特征在于：各透镜阵列板均具有在5到150mm范围内的后侧工作距离，其中对于1Lp(线对/mm)，分辨率为10％或更大，分辨率变化率大于0％/mm并且为2％/mm以下。
14、根据权利要求9所述的车载立体图像显示设备，其特征在于，各透镜阵列板均包括：
具有两个主表面的基板；以及
多个具有球形或非球形表面的微型透镜，它们布置在所述基板的一个或两个主表面上。
15、根据权利要求9所述的车载立体图像显示设备，其特征在于：各透镜阵列板由透明树脂制成。
16、根据权利要求1所述的车载立体图像显示设备，其特征在于：
用于容纳所述透镜模块和所述显示装置的外壳；
其中，所述外壳具有用于容纳介质的内腔，所述透镜模块布置在该内腔与所述显示装置之间，并且所述透镜模块在所述外壳的所述内腔中形成所述显示装置的显示屏上所显示的图像。
17、根据权利要求16所述的车载立体图像显示设备，其特征在于：所述显示装置显示二维图像。
18、根据权利要求1所述的车载立体图像显示设备，其特征在于：
所述正立等大透镜模块包括多个规则布置的微型透镜和一物侧焦距；
所述显示装置包括与所述正立等大透镜模块间隔开所述物侧焦距的显示屏，以及多个规则布置的像素；
所述正立等大透镜模块利用在所述图像显示屏上显示的图像而形成被看到为浮动图像的立体图像；
所述透镜运动机构使得所述正立等大透镜模块与所述图像显示屏之间的间隔距离可在预定范围内变化；并且
当所述正立等大透镜模块与所述图像显示屏之间的间隔距离在所述预定范围内变化时，所述正立等大透镜模块的分辨率改变；并且
当所述间隔距离在所述预定范围内时，所述正立等大透镜模块的分辨率大于人眼可看到模糊的上限值。
19、根据权利要求18所述的车载立体图像显示设备，其特征在于：
所述正立等大透镜模块由至少两个透镜阵列板形成，各透镜阵列板均包括多个微型透镜，所述微型透镜均具有光轴和顶部，所述微型透镜的光轴彼此平行；
所述至少两个透镜阵列板中一个的微型透镜的顶部与所述至少两个透镜阵列板中另一个的微型透镜的顶部接触，或布置成与其靠近；并且
各透镜阵列板中的微型透镜均具有比最小球面像差大的预定的球面像差，或者比最小彗差大的预定的彗差。
20、根据权利要求19所述的车载立体图像显示设备，其特征在于：当所述多个像素具有像素间距PD，所述微型透镜具有透镜间距PL，LA表示视点与所述图像显示屏之间的距离，LB表示立体图像与视点之间的距离，Lz表示所述间隔距离，PLo表示通过根据所述距离LA、LB和Lz校正所述透镜间距PL而获得的校正透镜间距，并且所述间隔距离Lz为最小时，所述校正透镜间距PLo满足以下表达式：
(1.20+n*1.50)≤PLo/PD≤(1.70+n*1.50)，其中n＝0，1，2，3，…。
21、根据权利要求19所述的车载立体图像显示设备，其特征在于：当所述间隔距离在所述预定范围内时，对于1LP/mm，所述透镜模块的分辨率MTF为10％或更大，并且当所述间隔距离为所述预定范围内的最小值时，所述透镜模块的分辨率最大。
22、根据权利要求19所述的车载立体图像显示设备，其特征在于：所述多个像素呈垂直条布置，并且所述多个微型透镜呈六边形布置或呈方形布置。
23、根据权利要求19所述的车载立体图像显示设备，其特征在于：所述多个像素呈三角形布置，并且所述多个微型透镜呈六边形布置或呈方形布置。
24、根据权利要求19所述的车载立体图像显示设备，其特征在于：所述多个像素形成线，所述多个微型透镜形成线，并且所述像素的线相对于所述微型透镜的线倾斜。
25、根据权利要求22所述的车载立体图像显示设备，其特征在于：各像素由多个子像素形成，所述子像素以恒定的间距布置并分别对应于多种颜色，并且所述多个子像素形成垂直条布置，其中相同颜色的子像素沿垂直方向连续地布置。
26、根据权利要求22所述的车载立体图像显示设备，其特征在于：各微型透镜为六边形，所述像素中的一些形成线，所述微型透镜中的一些形成另一线，所述像素的线相对于由所述微型透镜形成的线倾斜90度角。
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PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
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WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

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