CN103576408A - 立体显示装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种立体显示装置，其能够使视点位置相对于显示面板不仅沿左右方向移动，也能够沿前后方向移动，从而能够扩大能够观察到立体图像的范围。该立体显示装置使用立体显示面板(10)，该立体显示面板(10)包括：显示元件，其同时显示左眼用和右眼用的视差图像；以及液晶透镜，其安装在该显示元件上，且调整从该显示元件射出的光的方向，该立体显示装置具有检测所述观察者的位置的观察者位置检测机构(40、50)、和驱动所述液晶透镜的液晶透镜驱动机构(60)，所述液晶透镜驱动机构(60)根据通过所述观察者位置检测机构检测出的观察者的前后方向的位置来改变对所述液晶透镜的多个电极施加的电压图形的间距。

Description

立体显示装置

技术领域

本发明涉及不使用特殊的眼镜就能够显示立体图像的裸眼式的立体显示装置。

背景技术

作为显示三维图像的立体显示装置，为了使左右眼观察到分开的图像，使用眼镜的显示装置和不使用眼镜而以裸眼的状态付与立体感的装置是大不相同的。在不使用眼镜的裸眼式的立体显示装置中，具有使不同的光入射到左右眼中的构造，使用视差屏障的构造和使用双凸透镜的构造被提了出来。

在使用液晶透镜的三维液晶显示装置(3D-LCD)中，视点被固定这一情况成为课题，由于视点被固定，所以观察到立体图像的位置固定。为了解决该课题，提出有使液晶透镜的位置移动的技术。

在专利文献1中公开有一种三维显示装置，其特征在于，具有：显示机构，其同时显示多个不同的视差图像；光学机构，其安装在该显示机构上，由柱面透镜的阵列构成，且能够改变该柱面透镜的光学特性；检测机构，其检测观察者的头部的空间位置；以及控制机构，其与该检测机构连接，并根据该检测机构所检测到的该头部的位置信息控制该光学机构以使得在该头部的最佳位置再现立体图像(权利要求1)。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开平7-72445号公报

在专利文献1中，在光学特性可变透镜上配置多个电极，通过改变施加于电极阵列的电压图形而使液晶透镜的透镜位置移动，从而使能够观察到立体图像的视点位置移动。但是，能够观察到立体图像的视点位置虽然能够相对于显示面板左右移动，但其前后位置固定，无法沿前后方向移动。

发明内容

本发明的目的在于提供一种立体显示装置，其不仅能够使视点位置相对于显示面板左右移动，还能够使视点位置相对于显示面板沿前后方向移动，能够扩大能够观察到立体图像的范围。

为了解决上述课题，本发明的立体显示装置使用立体显示面板，该立体显示面板包括：显示元件，其同时显示左眼用和右眼用的视差图像；以及液晶透镜，其安装在该显示元件上，且调整从该显示元件射出的光的方向，该立体显示装置的特征在于，根据观察者相对于上述立体显示面板的、前后方向的位置，改变上述液晶透镜的间距。

在本发明的立体显示装置中，优选的是，具有检测上述观察者的位置的观察者位置检测机构、和驱动上述液晶透镜的液晶透镜驱动机构，上述液晶透镜驱动机构根据通过上述观察者位置检测机构检测到的观察者的前后方向的位置，来改变对上述液晶透镜的多个电极施力口的电压图形的间距。

另外，在本发明的立体显示装置中，优选的是，上述观察者位置检测机构检测观察者的眼睛的位置或面部的位置。

另外，在本发明的立体显示装置中，优选的是，上述观察者位置检测机构还检测观察者的左右方向的位置，上述液晶透镜驱动机构根据检测到的观察者的左右方向的位置，使对上述液晶透镜的多个电极施加的电压图形移动。

另外，在本发明的立体显示装置中，优选的是，上述液晶透镜具有由透明电极构成的平面状的第1电极、和由透明电极构成的多个梳齿状的第2电极，通过上述第1电极和上述第2电极夹持上述液晶透镜的液晶层，使上述多个梳齿状的第2电极中的、施加电压的电极的间距变化，从而改变液晶透镜的间距。

另外，在本发明的立体显示装置中，优选的是，使上述施加电压的电极的间距相同地变化，从而改变液晶透镜的间距。

另外，在本发明的立体显示装置中，优选的是，使上述施加电压的电极的间距不连续地变化，从而改变液晶透镜的间距。

另外，在本发明的立体显示装置中，优选的是，在透镜间距之中使小的折射率分布每次少量移动。

另外，在本发明的立体显示装置中，优选的是，上述液晶透镜在出射侧具有偏振板，并且在未施加电压的状态下，液晶层的入射偏振轴与出射变更轴旋转90度，在施加电压的状态下，在被施加了高电压的第2电极上，光被液晶层及偏振板遮挡，在除被施加了高电压的第2电极以外的第2电极上，光能够透过。

发明效果

根据本发明，通过使液晶透镜的透镜间距变化，能够使视点位置不仅沿左右方向移动，还沿前后方向移动。而且，能够扩大能够观察到立体图像的范围。

附图说明

图1是表示本发明的实施例1的立体显示面板的构造的剖视图。

图2是表示本发明的实施例1的立体显示面板与观察者的眼睛的关系的图。

图3是表示本发明的实施例1的液晶透镜的概略构造的剖视图。

图4是说明本发明的实施例1的液晶透镜的动作的图。

图5是表示本发明的实施例1的液晶透镜与像素的关系的图。

图6是表示偏移量相对于显示面板的x方向的面内位置的关系的图。

图7是说明基于使液晶透镜的特性变化而实现的视距移动的图。

图8是表示本发明的实施例1的立体显示装置的概略结构的图。

图9是表示本发明的实施例2的液晶透镜的结构的图。

图10是说明本发明的实施例2的液晶透镜的特性的图。

图11是说明本发明的实施例3的液晶透镜的折射率分布的图。

图12是表示本发明的实施例3的液晶透镜的结构的图。

图13是说明本发明的实施例4的液晶透镜的动作的图。

图14是说明本发明的实施例4的液晶透镜的动作的图。

附图标记说明

10      立体显示面板

12      粘接部件

14      观察者的眼睛

20      显示元件

30      液晶透镜

32      第1基板

33      第1电极

34      取向膜

35      液晶

36      第2基板

37      第2电极

38      取向膜

40      检测用拍摄装置

50      观察者位置检测机构

60      液晶透镜驱动器

70      显示面板驱动器

80      偏振板

具体实施方式

以下，参照附图说明本发明的实施方式。在各附图中，对同一构成要素标注同一附图标记，并省略重复的说明。

实施例1

在图1中示出本发明的实施例1的立体显示面板的概略剖视图。立体显示面板10由显示元件20和液晶透镜30构成，显示元件20和液晶透镜30通过粘接部件12而被连接。显示元件20优选是液晶显示元件(LCD)，例如能够使用IPS(In-Plane Switching，平面转换)方式的液晶显示元件。作为显示元件20，也可以是使用了有机EL的显示元件或其他显示元件。但是，由于需要向液晶透镜30入射直线偏振光，所以在液晶显示元件以外的情况下，只要在显示元件20和液晶透镜30之间设置偏振板或相位差板即可。

在图2中示出裸眼式的3D显示的概略情况。裸眼式的3D显示是，通过从立体显示面板10向观察者的左右眼14入射带有视差的图像而显示立体图像。如该图所示，在以下的说明中，将立体显示面板10与观察者的眼睛14的距离记作“L”，将左右眼的间隔记作“B”。另外，将相对于立体显示面板而言左右方向的轴记作x轴，将前后方向的轴记作z轴。

在图3中示出液晶透镜30的一例的概略剖视图。在由透明的材料构成的第1基板32上设有由平面状的透明电极构成的第1电极33，在该第1电极33之上设有取向膜34。另外，在由透明材料构成的第2基板36上设有由梳齿状的透明电极构成的第2电极37，在该第2电极37之上设有取向膜38。而且，第1基板32和第2基板36以夹着液晶35且使各自的取向膜34、38相对的方式配置。

在此，取向膜34、38为例如聚亚酰胺，使液晶35沿水平方向取向。而且，液晶具有正的介电常数各向异性。(但是，也可以是，液晶具有负的介电常数各向异性，取向膜使液晶35沿垂直方向取向。)

如图3所示，第2电极37的间距表示透镜的间距，用“Q”表示。另外，将第2电极37的电极宽度记作“E”，将液晶层的厚度(取向膜34与取向膜38的间隔)记作“d”。

在图4中示出驱动了图3的液晶透镜30时的液晶取向。图4的(a)表示在第1电极33和第2电极37之间施加有电压时的电场的朝向。在从第2电极37朝向第1电极33的方向上产生电力线。图4的(b)表示在第1电极33和第2电极37之间未施加电压的情况下的、液晶的初始取向。液晶分子沿水平方向取向。图4的(c)表示施加电压后的液晶的取向。液晶分子沿图4的(a)所示的电力线的方向取向。在图4的(c)中，关于第2电极上的液晶分子沿垂直方向取向的部分，其折射率较小，关于第2电极之间的液晶分子沿水平方向取向的部分，其相对于沿x轴方向偏振的光的折射率较大。

在图4中，作为液晶的初始取向而示出了均匀取向，但不限于此。只要折射率产生分布即可，因此也可以是例如扭转取向。另外，取向方向在图4的(b)中也相对于电极的长边方向垂直地取向，但不限于此。

接下来，说明液晶透镜的设计方法。公式1表示透镜间距与显示元件的像素间距的关系。

$Q=\frac{2P}{1+P/B}$ ···(公式1)

在此，“Q”为透镜间距，“P”为显示元件的像素间距，“B”为人的眼睛与眼睛之间的距离，大约为65mm。在此，像素间距定义为显示右眼(或左眼)用的图像的单位。例如，在按像素来交替显示左眼用、右眼用的图像的情况下，像素尺寸成为像素间距。另外，在按子像素(R或G或B)来交替显示左右的图像的情况下，子像素尺寸成为像素间距。

基于公式1，能够根据像素间距确定透镜间距。

接下来，使用图5至图7来说明使用了液晶透镜的视点移动方法。关于使用了液晶透镜的视点移动方法，例如在专利文献1中有所记载。

在图5中示出液晶透镜与显示像素的位置关系。图5的(a)表示显示面板中央处的像素与液晶透镜的折射率分布之间的位置关系。在该图中，第1像素和第2像素分别显示左眼用和右眼用的图像。在显示面板中央，设置成液晶透镜的中央位置与第1像素和第2像素的边界一致。但是，由于实际上会产生显示面板的偏移等，所以有时会产生些许偏移。

在图5的(b)中示出显示面板端部处的像素与液晶透镜的折射率分布的位置关系。从公式1也可知，透镜间距Q比像素间距的2倍小，因此随着接近显示面板的端部，像素与液晶透镜的位置关系产生偏移。将该偏移的量定义为a(x)。

在图6中示出相对于显示元件的x方向上的面内位置的、在图5中定义的偏移量a(x)。在该图中，用虚线表示的位置与显示元件的中央位置相对应。

特性曲线(1)表示根据公式1计算出的偏移量a(x)。此时，在显示元件的中央，希望如图5的(a)所示那样a(x)为0，若a(x)为0，则显示元件中心位置成为最佳观察位置。特性曲线(1)斜率通过公式1能够确定。

若是特性曲线(1)的状态，则在显示面板的正面、且在根据下述的公式2而确定的最佳视距处，串扰(cross talk)降至最低。

$L=\frac{\mathrm{BD}}{P}$ ···(公式2)

在此，“L”为最佳视距，“D”为从显示装置的液晶层到液晶透镜的液晶层的距离。

在沿水平方向进行视点移动的情况下，如特性曲线(2)那样，使特性曲线(1)保持着斜率沿x方向平行移动。由此，最佳观察位置与移动的量相应地沿x方向移动。

在本发明中，使用液晶透镜，如特性曲线(3)那样设定偏移量a(x)相对于显示面板的x方向的面内位置的关系。如特性曲线(3)所示，若在显示元件中央a(x)为0、仅使斜率相对于特性曲线(1)发生变化，则最佳视点位置仅沿前后方向即z方向移动。

另外，虽未图示，但若使斜率从特性曲线(1)发生变化，并且使液晶透镜沿水平方向平行移动，则最佳视点位置沿x方向(水平方向)及z方向(前后方向)移动。

在图7中示出设计与图6所示的特性曲线(1)～(3)相对应的透镜时的视点移动。用阴影线表示的区域是被称为视域的、串扰低且能够立体观察的空间范围。若脱离公式1，则串扰增加，但在液晶透镜的情况下，串扰低的区域比较宽，串扰5％以下的区域达到5°以上，因此即使偏离公式1，对串扰的影响也较小。

在液晶透镜的特性曲线(2)的情况下，视域沿水平方向移动。

在液晶透镜的特性曲线(3)的情况下，与特性曲线(1)相比斜率较小，因此偏移量a(x)较小，透镜间距Q增大。因此，液晶透镜的折射率分布平缓，视距向从显示面板向z轴方向远离的方向移动，移动后的位置成为视域。

在图8的(a)中示出本实施例的立体显示装置的概略结构框图。具有检测观察者的位置的检测用拍摄装置40。检测用拍摄装置40例如检测观察者的眼睛或面部的位置。检测用拍摄装置40可以与立体显示面板10一体地构成，或者，也可以与立体显示面板10分体地构成。观察者位置检测机构50基于通过检测用拍摄装置而拍摄到的图像，算出表示观察者的左右位置及前后位置的信号。液晶透镜驱动器60基于表示观察者的左右位置及前后位置的信号，输出用于驱动立体显示面板10内的液晶透镜的信号。此外，立体显示面板10的显示元件通过显示面板驱动器70而被驱动。此外，如图8的(b)所示，液晶透镜驱动器60等通常与立体显示面板10一体地构成。作为检测观察者的位置的机构，不限于拍摄装置，也能够使用向观察者照射红外线并接收所反射的红外线的装置、在观察者处安装磁场发生器并通过磁场检测器检测所发生的磁场的装置等适当的位置检测机构。

在搭载有本发明的立体显示装置的显示设备(例如手机或电视机)等上预先设置用于对面部的位置或眼睛的位置进行检测的检测机构，基于得到的位置信息来调整图6的特性曲线的位置和斜率，由此能够在面部的任意位置得到串扰少的立体图像。在此，特性曲线的斜率能够通过使液晶透镜的间距均匀地变化而进行调整。

买施例2

使用图9及图10说明本发明的实施例2的立体显示装置。

在图9中示出本实施例的液晶透镜的剖视图。第1电极由平面状的透明电极构成，第2电极由梳齿状的透明电极构成。而且，图中的从虚线到虚线的范围表示一个透镜间距。

例如如图9的(a)所示，以规定的间距对第2电极(on)施加最高电压，对其他的第2电极施加比该最高电压低的最佳电压或0V电压，由此能够得到该图所示那样的良好的折射率分布。在此，折射率分布是在一位置将液晶的折射率沿z方向平均化而得到的。已知当折射率分布在各透镜间距的一半处成为2次曲线时，透镜效果最好。根据图9的(a)可知，在一个透镜间距内配置有一个周期的透镜。

另一方面，为了使视点移动以实施图6的特性曲线(2)，使第2电极的施加最高电压的位置沿横向变化。如图9的(b)所示，通过对第2电极施加电压，折射率分布移动，最佳观察位置与折射率分布移动的距离相应地沿x方向(水平方向)移动。

在图9的(c)中示出了本实施例的第2电极的施加电压的结构。图9的(a)及图9的(b)的透镜间距固定，但在图9的(c)中，与A部相比，B部的间距较小，透镜间距不连续。通过改变第2电极的施加最高电压的位置，能够不连续地改变透镜间距。

在图10中示出偏移量a(x)相对于显示面板的x方向的面内位置的、本实施例的特性曲线。通过使用图9的(c)的第2电极的施加电压的结构，能够形成图10的特性曲线(4)那样的特性。由此，能够实现不连续的液晶透镜间距，能够接近视点能沿前后方向移动的特性曲线(3)。

实施例3

使用图11及图12说明本发明的实施例3的立体显示装置。

在实施例3中，在液晶透镜的透镜间距之中形成小的透镜。在视点位于中心位置的情况下，使能够得到小的透镜效果的折射率分布如图11的(a)所示。由此，能够以通过公式2确定的最佳观察距离在面板中央附近进行立体观察。

另一方面，如图11的(b)所示，通过使透镜间距之中的小的折射率分布每次少量移动，能够不改变透镜间距地成为图6的特性曲线(3)的状态。其结果是，能够使最佳观察位置沿z方向(前后方向)移动。另外，虽未图示，但若使折射率分布的中心位置在整个面板上移动偏移，则也能够使最佳观察位置沿x方向移动。

在图12中示出用于实现图11的折射率分布的电极结构。此外，为了接近目标的折射率分布，第2电极的间距越细越好。如图12的(a)所示，以相同的重复图形对第2电极(on)施加最高电压，对其他的第2电极施加比最高电压低的最佳电压或0V电压，由此，能够得到良好的折射率分布。此外，在图12的(a)中，第2电极(on)以5根为一个间距，但不限于此。

在图12的(b)中示出了使最佳观察位置沿z方向(前后方向)移动时的、最高电压的施加位置。如图12的(b)所示，通过改变施加最高电压的第2电极的位置，能够使折射率分布的中心位置移动。

实施例4

使用图13及图14说明本发明的实施例4的立体显示装置。

图13是表示液晶透镜的未施加电压时的液晶的取向方向的剖视图。初始取向为90度的扭转取向。向液晶透镜入射的光直线偏振。而且，由于扭转取向的旋光性，直线偏振旋转90度。本实施例的液晶透镜在出射侧具有偏振板80，其透过轴相对于入射偏振光大致呈90度。因此，在未对液晶透镜施加电压时，光能够透过。

图14示出了对液晶透镜施加电压后的状态。由于对第2电极(on)施加足够大的电压，所以第2电极上的液晶35相对于基板大致垂直地取向，扭转解除。因此，在施加有电压的部位，失去旋光性，光被遮挡。

另一方面，在第2电极(on)之间的中央附近，液晶35如图14所示那样取向，得到透镜效果。此时，在折射率产生分布的区域，扭转未完全解除，因此光能够透过。通过这样的结构，能够得到图11所示那样的折射率分布。

在实施例3中，在第2电极(on)的部位，液晶相对于基板大致垂直地取向，因此产生折射率低且固定的区域。在该部位，未得到透镜效果，因此在实施例3中，串扰增大。

与之相对，在实施例4中，在对液晶透镜施加了电压的状态下，未得到透镜效果的区域的光被偏振板80遮挡，因此入射光不会透过。因此，不会对串扰产生不良影响。而且，通过改变施加电压的部位，能够得到与图12所示相同的效果。

在本实施例中，能够提供一种不会使串扰劣化且能够使透镜的位置连续地变化的立体显示装置。

根据本发明，能够使视点位置相对于显示面板不仅沿左右移动，还能够沿前后方向移动，能够扩大能够观察到立体图像的范围，能够用于手机等便携设备的显示装置、及游戏机或电视机等的显示器。

Claims (9)

1.一种立体显示装置，使用立体显示面板，所述立体显示面板包括：显示元件，其同时显示左眼用和右眼用的视差图像；以及液晶透镜，其安装在该显示元件上，且调整从该显示元件射出的光的方向，所述立体显示装置的特征在于，

根据观察者相对于所述立体显示面板的、前后方向的位置，改变所述液晶透镜的间距。

2.如权利要求1所述的立体显示装置，其特征在于，

具有：检测所述观察者的位置的观察者位置检测机构；和驱动所述液晶透镜的液晶透镜驱动机构，

所述液晶透镜驱动机构根据通过所述观察者位置检测机构检测到的观察者的前后方向的位置，来改变对所述液晶透镜的多个电极施力口的电压图形的间距。

3.如权利要求2所述的立体显示装置，其特征在于，

所述观察者位置检测机构检测观察者的眼睛的位置或面部的位置。

4.如权利要求2或3所述的立体显示装置，其特征在于，

所述观察者位置检测机构还检测观察者的左右方向的位置，

所述液晶透镜驱动机构根据检测到的观察者的左右方向的位置，使对所述液晶透镜的多个电极施加的电压图形移动。

5.如权利要求1所述的立体显示装置，其特征在于，

所述液晶透镜具有由透明电极构成的平面状的第1电极、和由透明电极构成的多个梳齿状的第2电极，通过所述第1电极和所述第2电极夹持所述液晶透镜的液晶层，

使所述多个梳齿状的第2电极中的、施加电压的电极的间距变化，从而改变液晶透镜的间距。

6.如权利要求5所述的立体显示装置，其特征在于，

使所述施加电压的电极的间距相同地变化，从而改变液晶透镜的间距。

7.如权利要求5所述的立体显示装置，其特征在于，

使所述施加电压的电极的间距不连续地变化，从而改变液晶透镜的间距。

8.如权利要求5所述的立体显示装置，其特征在于，

在透镜间距之中使小的折射率分布每次少量移动。

9.如权利要求5～8中任一项所述的立体显示装置，其特征在于，

所述液晶透镜在出射侧具有偏振板，并且在未施加电压的状态下，液晶层的入射偏振轴与出射变更轴旋转90度，

在施加电压的状态下，在被施加了高电压的第2电极上，光被液晶层及偏振板遮挡，在除被施加了高电压的第2电极以外的第2电极上，光能够透过。

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