CN111856773B - 显示装置 - Google Patents

Abstract

一种显示装置，包括投影显示图像的投影装置，空中成像元件以及其中分布单元以给定间隔排列的分布机构。所述分布单元之间的间隔根据构成像素单元的视点像素的数目、像素单元的数目、从中心处像素单元到边缘处像素单元的距离、从中心处分布单元到边缘处分布单元的距离、视点像素的节距、从中心处像素单元发射到分布单元的光的角度、以及所发射光的角度、从边缘处像素单元发射到分布单元的光的角度、以及所发射光的角度、投影装置与分布单元之间的距离、分布机构的折射率、实像与观看者的最优观看位置之间的距离、以及投影宽度之间的关系来确定。

Description

显示装置

技术领域

本发明涉及一种在半空中投影三维图像的显示装置。

背景技术

已知有一些图像形成工具，其可以定义给定平面，并且将位于平面一侧的目标的图像在平面的另一表面侧上于半空中形成为其中反转凸/凹关系的实像；并且在本说明书中，这种图像形成工具被称为空中成像元件。这种空中成像元件的已知例子包括二面角反射器，回射器阵列与半镜组合的装置以及其中两个微透镜阵列被用于形成无焦点系统中透镜对的无焦透镜阵列(例如参考WO2008/123473)。

另外，投影三维图像的三维显示器的已知例子包括利用柱状透镜方法、视差格栅方法或类似方法的显示器(例如参考JP 2004-280052A)。

此外，利用空中成像元件与三维显示器的组合在半空中投影三维图像的图像显示装置是已知例子(例如参考JP 2016-140056A、JP 2017-10014A)。

发明内容

如JP 2016-140056A(第0019、0020段)所公开地，如果空中成像元件与利用柱状透镜方法或视差格栅方法的三维显示器简单地相组合，有一个问题是在半空形成的图像中，3D正常观看区域与3D反向观看区域交替出现。

为了解决这个问题，在JP 2016-140056A中，执行图像处理以对反向观看发生区域的三维显示输入图像数据进行交换(第0021段)。然而，在图像交换的情况下，如果所切换图像的边界处有视差，则在半空形成的图像中可能很容易看到该边界，并且将会很难在半空形成的图像整体上提供无缝三维显示。

JP 2017-10014A阐述了已经形成的3D图像具有相对宽的深度范围(第0017段)，但是深度范围没有定义，因此考虑其宽或窄是不清楚的。

JP 2017-10014A(第0013、0014段)公开了视差格栅的格栅节距与视点组节距之间的关系公式。然而，正常情况下，像素与视差格栅之间的折射率与空气折射率是不同的，因此，借助像素穿过格栅开口的光束在与空气的边界处发生折射。在三维显示的适当实现中，将这种折射考虑在内的设计是必要的，但是JP2017-10014A中公开的关系公式并未将这种折射率考虑在内。因此，将很难如使用基于JP2017-10014A中公开的关系公式设计的图像显示装置设计地那样在半空中投影三维图像。

本公开的一个方面是显示装置，包括：投影装置，其投影包括具有不同视点的多个视点图像的显示图像；空中成像元件，其将所述显示图像投影为半空中的实像；以及分布机构，其中分布来自所述显示图像的光的多个分布单元以给定间隔排列，以便形成所述多个视点图像的视点图像观看区域。每个所述多个分布单元都被排列为对应于每个由显示所述多个视点图像的多个视点像素构成的像素单元。所述多个分布单元之间的间隔(Sp)根据下述各项的关系来确定：构成所述像素单元的所述多个视点像素的数目(N)，从所述投影装置的中心到所述投影装置的边缘的所述多个像素单元的数目(m)，从所述投影装置的中心处的像素单元到所述投影装置的边缘处的像素单元的距离(WP)，从所述多个分布单元中对应于所述投影装置的中心处的像素单元的一个分布单元到所述多个分布单元中对应于所述投影装置的边缘处的像素单元的一个分布单元的距离(WS)，所述像素单元中包括的所述多个视点像素的一个视点像素的节距(P)，从所述投影装置的中心处的像素单元发射到所述多个分布单元中一个分布单元的光的角度(α)，从所述多个分布单元中的一个分布单元发射出的光的角度(β)，从所述投影装置的边缘处的像素单元发射到所述多个分布单元中一个分布单元的光的角度(γ)，以及从所述多个分布单元中的一个分布单元发射出的光的角度(δ)，所述投影装置与所述多个分布单元之间的距离(h)，所述分布机构的折射率(n)，所述实像与观看者的最优观看位置之间的距离(OD)，以及投影宽度(e)，其为距所述实像距离(OD)处的所述像素单元的节距的一半。

应当理解，上述总体描述和后续具体描述都是示例性和说明性的，并非对本公开的限制。

根据本公开，可以提供一种以适当状态在半空中投影三维图像的显示装置。

附图说明

图1是根据本公开的图像显示装置的配置例子的示意图；

图2是本公开的图像显示装置的光学模型的示意图；

图3是描述本公开的三维显示器中包括的视差格栅的示意图(XY平面图)；

图4A和4B是描述用作本公开的空中成像元件的无焦点透镜阵列的结构例子的透视图；

图5A和图5B是描述无焦透镜阵列的操作原理的视图；

图6A和图6B是示意性描述用作本公开的空中成像元件的镜元件阵列的结构例子的视图；

图7A和7B是描述用作本公开的空中成像元件的的另一镜元件阵列的结构例子的视图；

图8、图9A和9B是描述镜元件阵列的操作原理的视图；

图10A和10B是描述回射片的操作原理的视图；

图11A和11B是描述其中半镜与回射片组合的光学系统的操作原理的视图；

图12是描述利用视差栅格方法的传统三维显示器的光学模型的视图；

图13是描述观看者所看到的利用视差栅格方法的传统三维显示器的屏幕的视图；

图14是描述利用视差栅格方法的传统三维显示器的光学模型的视图；

图15是描述观看者所看到的利用视差栅格方法的传统三维显示器的屏幕的视图；

图16和17是描述组合了传统三维显示器和传统空间成像元件的图像显示装置的光学模型的视图；

图18是描述观看者所看到的组合了传统三维显示器和传统空间成像元件的图像显示装置的屏幕的视图；

图19和20是描述本公开的图像显示装置的光学模型的例子的视图；

图21A和21B是描述JP 2017-10014A中公开的图像显示装置的光学模型的视图；

图22是表示距离OD、和折射率n以及像素数m之间关系的图；

图23A、23B和23C是描述给定设计的图像显示装置的单视点可见区域的光学图；

图24是本公开的图像显示装置的光学模型的示意图；

图25是描述本公开的三维显示器中包括的柱状透镜的示意图(XY平面图)；

图26是描述本公开的图像显示装置的光学模型的例子的视图；

图27是描述本公开的图像显示装置的光学模型的例子的视图；

图28是描述本公开的图像显示装置的光学模型的例子的视图；

图29和30是本公开的图像显示装置的光学模型的示意图；

图31是描述本公开的三维显示器中包括的视差格栅的示意图(XY平面图)；

图32是描述本公开的三维显示器中包括的柱状透镜的示意图(XY平面图)；

图33是描述本公开的图像显示装置的光学模型的例子的视图；

图34是描述本公开的图像显示装置的视点图像的例子的视图；

图35A和35B是描述视觉识别本公开的图像显示装置的观看者的双眼的图像的视图；

图36是描述本公开的多显示器的光学模型的例子的视图；以及

图37是描述视觉识别本公开的多显示器的观看者的双眼的图像的视图。

具体实施方式

下面参考附图解释本发明的实施例。在每幅图中，相同的部件使用相同的参考标记。

实施例1

图1是根据本公开的图像显示装置100的配置例子的示意图。图2是本公开的图像显示装置100的光学模型的示意图。

图1是根据实施例1的图像显示装置100的透视图。图2是图像显示装置100和光学模型在XZ平面上沿线A-A’的截面结构的视图。

为易于描述，将使用如图1所示的那些坐标轴来描述图像显示装置100。另外，为了易于描述，坐标轴被设为垂直或平行于图像显示装置100的各部件。

图像显示装置100是在半空中投影三维目标(图像)的装置，其具有三维显示器101和空中成像元件102。空中图像104表示三维显示器101的屏幕103，其图像由空中成像元件102在半空中形成。在本公开中，观看者的眼睛沿X方向对齐，并且观看者将从箭头105的方向观看空中图像104。

三维显示器101和空中成像元件102被容纳在一个壳体中。图像显示装置100的容纳三维显示器101和空中成像元件102的壳体可以是任意形状。

三维显示器101包括设有用于形成多个视点图像的多个像素的显示面板，以及用于在空间上针对每个视点分离分别对应于视点图像的像素发射出的光的光学分离工具。如下面将描述地，根据用于预定显示面板的光学分离工具的设计，本公开的三维显示器101被设计为使得空中成像单元形成的悬浮图像可以被观看者看作是三维图像。因此，如果观看者想要不通过中间存在的空中成像元件直接观看本公开的三维显示器101的屏幕，正常观看区域和反向观看区域会交替出现在图像中，这会使观看者不能看到合适的三维图像。然而，为了易于描述，在本说明书中，包括这种光学分离工具的显示面板被称为“三维显示器”。

实施例1的三维显示器101是使用视差格栅作为光学分离工具的三维显示器101。三维显示器101具有显示面板110和视差格栅130。

显示面板110是液晶面板、LED(发光二极管)面板、OLED面板或其他类似面板，其显示包括具有不同视点的图(视点图像)的显示图像。显示面板110由显示该显示图像的像素的多个像素单元120构成。

像素单元120由显示视点图像的像素的多个视点像素(视点像素组)构成。如图2所示，例如，显示面板110的像素单元120由在X方向上交替排列的两个视点像素121和122构成。视点像素121显示左眼视角视点图像的像素，并且视点像素122显示右眼视角视点图像的像素。由此在这种情况下，显示面板110显示包括两个视点图像的显示图像。

在本实施例中，将作为例子描述的显示面板110显示包括两个视点图像的显示图像，但是显示面板110也可以显示包括三个或更多视点图像的显示图像。在这种情况下，像素单元120由显示多个视点图像的像素的视点像素组构成。

视差格栅130是光屏蔽格栅，并具有以给定图案排列的狭缝131。图3是描述本公开的三维显示器101中心处的视差格栅130的示意图(XY平面图)。从视点像素经由格栅穿过狭缝的光束的角度受到限制。由此，通过在显示面板110上适当排列视差格栅130，形成只有像素单元120的视点像素121(视点像素组)通过狭缝131可见的区域和只有像素单元120的视点像素122(视点像素组)通过狭缝131可见的区域。换言之，设有狭缝131的视差格栅130用作光学分离工具(分配单元)，将从显示面板110所显示的显示图像中发射出来的一组光束分为针对每个视点图像的光束组。狭缝131被排列为使得每个狭缝131对应于一个像素单元120。

视差格栅130例如可以是可切换液晶视差格栅，其中光屏蔽部分可以被电子设置为透明的。在这种情况下，通过光屏蔽部分变为透明，除了三维图像，还可以显示二维图像。

另外，如图2所示，三维显示器101内部的折射率n不同于空气折射率，并且因此，从视点像素121和122穿过狭缝131的光束在空气边界处发生折射。从位于显示面板110中心的像素单元120的左端射出并穿过位于视差格栅130中心的狭缝131的光束称为光束LCl1，并且当光束LCl1的入射角为入射角α，以入射角α穿过狭缝131的光束LCl1在空气边界处发生折射，并作为光束LCl2以发射角β向空中成像元件102行进。在此，本公开的图像显示装置100被设计为使得显示面板110投影在XZ平面上的显示面的法线矢量与空中成像元件102投影在XZ平面上的平面S的法线矢量重叠。由此，光束LCl2以入射角β进入空中成像元件102，并且由于空中成像元件102的特征(下文将详细描述)，这一光束以发射角-β发射为光束LCl3。在顺时针方向上的角在此定义为正角。

空间成像元件102是成像工具，其使目标从一个表面侧输入的光被反射或折射，并将该目标的图像在另一个表面侧的半空中形成为反转凸/凹关系的实像。因此，作为以与光束LCl3相同路径行进的另一光束组的结果，三维显示器101的屏幕图像在关于空间成像元件102的平面S平面对称的位置处形成为实像(空中图像104)。图2所示的空间成像元件102不是表示具体的形状、大小和位置，而是表示概念性的形状、大小和位置。

例如，可以使用无焦透镜阵列、引起两次反射的镜元件阵列、以及组合回射片和半反射镜的光学系统等作为空间成像元件102。在此，将对上述空间成像元件102进行描述。

首先，将描述无焦透镜阵列。图4A和4B是描述用作本公开的空中成像元件102的无焦透镜阵列400的结构例子的透视图。

图4A所示无焦透镜阵列400是其中元件透镜排列在平面上的透镜阵列401和402组合形成一对的结构，并且每个阵列表面的每个元件透镜与相对表面上的元件透镜形成一对。另外，元件透镜对排列为使得其光轴是相同的，并且透镜阵列401和402的元件透镜的焦点被设计为在无焦透镜阵列400内部相匹配。焦点组形成的平面为S1。

在两个方向上具有透镜效果的阵列适合作为无焦透镜阵列400的配置，但是也可以使用所谓的柱状透镜，其是如图4B所示的在一个方向上形成的圆柱透镜的阵列411、412。

图5A和图5B是描述无焦透镜阵列400的操作原理的视图。

图5A中所示的透镜阵列401、402的元件透镜被设计成焦距是相等的(f1＝f2)，因此，平面S1是无焦透镜阵列400在Z轴方向上的中心平面。

从光源O1发出的光束LOa1、LOb1、LOc1、LOd1进入透镜阵列401。如果从元件透镜表面到O1的距离相对于元件透镜的节距足够远，则进入元件透镜的光束LOa1和LOb1以及光束LOc1和LOd1可以被视为平行光。因此，进入透镜阵列401并被其折射的光束LOa2和LOb2以及光束LOc2和LOd2与平面S1相交，被透镜阵列402折射，并作为光束LOa3、LOb3、LOc3和LOd3发射。在f1＝f2时，每个光束的入射角与发射角是相等的，因此光束LOa3、LOb3、LOc3、LOd3在关于平面S1与光源O1平面对称的位置P1处会聚。因此，光源O1的图像在位置P1处形成为实像。同样，在离平面S1比光源O1更远位置处的光源O2在位置P2处形成图像。

如图5A所示，观看者观察到位置P2处的图像比位置P1处的图像更近。因此，如果代替光源O1和O2安排了三维目标的话，则在关于平面S1的平面对称位置处于半空中形成目标的反转凸/凹关系的实像。

如上所述，无焦透镜阵列400用作空中成像元件102，其使得从一个表面侧输入的目标被反射从而在针对平面S1的另一表面侧于半空中形成图像，形成为反转凸/凹关系的实像。形成图像的光束的入射光束和发射光束之间的关系是，相对于平面S的法线入射角和发射角的大小相同，而符号相反的关系。

因此，如果如图5B所示地安排屏幕103和无焦透镜阵列400，则屏幕103的图像在关于平面S1的平面对称的位置处形成为实像。观看者可以从箭头105的方向看到所形成的空中图像104。

接下来将描述镜元件阵列。图6A和6B是示意性地描述用作本公开的空间成像元件102的镜元件阵列600的结构例子的视图。图6A是镜元件阵列600的沿UVW坐标系中UV平面的平面图，并且图6B是镜元件阵列600的区域B的部分放大透视图。

如图6A所示，镜元件阵列600在U轴方向和V轴方向上具有平面扩展。该平面中设有多个菱形的单位光学元件601，其允许光从一个表面穿到另一个表面(或从另一个表面穿到这一个表面)。

在此，为了描述图6B的区域B的部分放大透视图，设定三维笛卡尔坐标系U’V’W。三维笛卡尔坐标系U’V’W是使U轴和V轴绕W轴旋转45度且U’V’平面平行于UV平面的坐标系。

如图6B所示，镜元件阵列600的厚度方向为W轴方向。单位光学元件601沿着U’轴方向和V’轴方向以矩阵形式排列。在每个单位光学元件601中，彼此垂直的内壁表面形成于W轴方向上，且每个内壁表面都实施了镜面处理。

图7A和7B是描述用作本公开的空中成像元件102的另一镜元件阵列700的结构例子的视图。图7A是镜元件阵列700的UV平面图，并且图7B是镜元件阵列700的区域B的部分放大透视图。

如图7A所示，与镜元件阵列600相似，镜元件阵列700在U轴方向和V轴方向上具有平面扩展。与图6A相似，为了描述区域B的放大透视图，设定三维笛卡尔坐标系U’V’W。

如图7B所示，镜元件阵列700具有以下结构，其中具有平行于V’W平面的镜表面710的第一元件701与具有平行于U’W平面的镜表面的第二元件702在W轴平面上贴在一起。第一元件701或第二元件702具有以下结构，其中侧表面为镜表面的多个透明玻璃(或丙烯树脂)片在U’轴或V’轴方向上以均一间隔贴在一起。由此，如图7A所示，镜元件阵列700具有以下结构，其中多个菱形单位光元件形成于W轴方向上，其允许光从一个表面穿到另一个表面。

图8、9A和9B是描述镜元件阵列600和700的操作原理的视图。在此，对操作原理的描述将用镜元件阵列600作为例子，但对于镜元件阵列700操作原理也是相似的。

图8示例性说明了当从W轴观看镜元件阵列600时，从光源O发出并在位置P形成图像的光的光学路径。实线代表从光源发出的光，虚线代表镜表面反射的光。图9说明了从U轴方向看的视图，并且镜元件阵列600被安排为使其W轴针对Y轴倾斜。镜元件阵列600在V轴方向上形成且位于其在W轴方向上的厚度中心的平面为平面S2。

如图8所示，从光源O发出的光进入镜元件阵列600。当该入射光由镜元件阵列600上形成的两个垂直的镜表面反射时，用虚线表示光沿箭头方向的行进。

在图8中，为了易于描述，示意性地表示了空中成像元件102的形状，并且垂直镜元件之间的实际间隔被设计为相对于光源到空中成像元件102的距离足够小。因此，当从W轴方向看在镜元件阵列600中被两次反射的光的光学路径时，入射光和发射光基本上重叠。因此，如图9A所示，在从光源O1发出的光中，已在镜元件阵列600中被镜表面两次反射的光在与光源O针对平面S2平面对称的位置P处会聚。因此，光源O1的图像在位置P1处形成为实像。同样，在离平面S2比光源O1更远位置处的光源O2在位置P2处形成图像。

如图9A所示，观看者观察到位置P2处的图像比位置P1处的图像更近。因此，如果代替光源O1和O2安排了三维目标的话，在关于平面S2的平面对称位置处于半空中形成目标被反转凸/凹关系的实像。

如上所述，镜元件阵列600用作空中成像元件102，其使得从一个表面侧输入的目标被反射从而在针对平面S2的另一表面侧于半空中形成图像，形成为反转凸/凹关系的实像。形成图像的光束的入射光束和发射光束之间的关系是，相对于平面S2的法线的入射角和发射角的大小相同，而符号相反。

因此，如果如图9B所示地安排屏幕103和镜元件阵列600，则屏幕103的图像在关于平面S2的平面对称的位置处形成为实像。观看者可以从箭头105的方向看到所形成的空中图像104。

接下来将描述回射片与半镜组合的光学系统。首先，将描述回射片。图10A和10B是描述回射片的操作原理的视图。

回射片被设计为光进入到片表面的入射角原则上等于由片内部的反射表面反射并从片表面发射出的光的发射角。

图10A是描述回射片1000的结构例子的侧视图。回射片1000的结构中排列了多个玻璃珠球1001。进入球1001的光在表面处折射，在球内部反射，在表面处再次折射，并从球1001发射出来。入射表面和反射表面是球形表面，因此，入射角和发射角相等。因此，具有图10A所示结构的片用作将光向着光入射方向上反射的回射片。

图10B是描述另一回射片1010的结构例子的侧视图。回射片1010的结构中在光进入的方向上排列了多个三角金字塔或矩形金字塔底表面(反射表面1011和1012)。图10B的侧视图所示的反射表面1011和1012形成的内角被设为90度，因此，当入射光在每个反射表面1011和1012被反射时，该光都向着其原本近来的相同方向移动。

图11A和11B是描述半镜1101与回射片1102组合的光学系统1100的操作原理的视图。

来自光源O1的光束Loa11、Lob11和LOc11穿过半镜1101或由其反射。由半镜1101反射的光束LOa12、LOb12和LOc12被回射片1102回射，并作为光束LOa13、LOb13和LOc13再次穿过半镜或由其反射。穿过半镜1101的光束LOa13、LOb13和LOc13变为光束LOa14、LOb14和LOc14。光束LOa14、LOb14和LOc14在与光源O1关于位于半镜1101中心处的平面S3平面对称的位置P1处会聚。因此，光源O1的图像在位置P1处形成实像。

同样，在离平面S3比光源O1更远位置处的光源O2在位置P2处形成图像。如图11A所示，观看者观察到位置P2处的图像比位置P1处的图像更近。因此，如果代替光源O1和O2安排了三维目标的话，在关于平面S3的平面对称位置处于半空中形成目标被反转凸/凹关系的实像。

如上所述，光学系统1100用作空中成像元件102，其使得从一个表面侧输入的目标被反射从而在针对平面S3的另一表面侧于半空中形成图像，形成为反转凸/凹关系的实像。

形成图像的光束的入射光束和发射光束之间的关系是，相对于平面S3的法线的入射角和发射角的大小相同，而符号相反。因此，如果如图11B所示地安排屏幕103和光学系统1100，则屏幕103的图像在关于平面S3的平面对称的位置处形成为实像。观看者可以从箭头105的方向看到所形成的空中图像104。

空中成像元件102不限于上述的例子，并且可以使用任何能够定义给定平面而使位于平面一侧的目标在另一表面侧于半空中形成为其中反转凸/凹关系的实像的图像形成工具。

接下来，为了明确本发明的特征，将描述将传统三维显示器与传统的空中成像元件简单地组合所带来的问题。

首先，将参考图12-18描述传统三维显示器1201。

图12是描述利用传统视差格栅方法的三维显示器1201的光学模型的视图。

显示右眼视角视点图像像素的视点像素1222和显示左眼视角视点图像像素的视点像素1221交替排列。

在离像素单元1220距离h的位置处，排列以给定间隔设有狭缝1231的视差格栅1230。狭缝1231被排列为使得每个狭缝1231对应于一个像素单元1220。

在此，三维显示器1201中的光束定义如下。从显示面板1210的左端像素单元1220中的视点像素1222的左端发出并穿过最近的狭缝1231的中心的光束为LLr1，从视点像素1221的右端发出并穿过最近的狭缝1231的中心的光束为LLl1，并且从像素单元1220的中心发出并穿过最近的狭缝1231的中心的光束为光束LLc1。同样，从显示面板1210的中心像素单元发出的光束为LCr1、LCl1和LCc1，并且从显示面板1210的右端像素单元1220发出的光束为LRr1、LRc1和LRl1。在穿过狭缝1231后，根据三维显示器1201内部折射率与空气折射率的差，光束LLr1、LLl1、LLc1、LCr1、LCl1、LCc1、LRr1、LRl1和LRc1发生折射。折射的光束标记为LLr2、LLl2、LLc2、LCr2、LCl2、LCc2、LRr2、LRl2和LRc2。

如图12所示，典型地，三维显示器1201被设计为使得光束LLc2和LRc2在距离OD处相交。光束LLl2、LLc2、LCl2、LRl2和LRc2围绕的区域1260L是只有视点像素1221能被看到的区域，并且光束LLr2、LLc2、LCr2、LRr2和LRc2围绕的区域1260R是只有视点像素1222能被看到的区域。下面，将区域1260L和1260R称为单视点可见区域。

在传统三维显示器1201中，左眼视角视点图像由视点像素1221来显示，右眼视角视点图像由视点像素1222来显示，并且当观看者将他们的左眼1250放在区域1260L中并将右眼1251放在区域1260R中时，观看者可以观察到三维图像。在距离OD处的位置是观看者在观看所期望三维图像的同时在平行于面板表面的方向上能移动最大量的位置，或者换言之，是最优观看位置。因此，距离OD称为最优观看距离。

图13是描述利用视差格栅方法的传统三维显示器1201的被观看者观看到的屏幕的视图。屏幕1300表示观看者的左眼1250观看到的屏幕。同时，屏幕1301表示观看者的右眼1251观看到的屏幕。

如果双眼都在单视点可见区域1260L和1260R中，则右眼1251可以看到图13的屏幕1301，并且左眼1250可以看到图13的屏幕1300。

接下来，将参考图14和15描述当观看者的双眼不在单视点可见区域1260L和1260R中时的光学模型和屏幕。图14是描述利用视差格栅方法的传统三维显示器1201的光学模型的视图。图15是描述利用视差格栅方法的传统三维显示器1201的被观看者观看到的屏幕的视图。

如图14所示，观看者靠近三维显示器1201。在这种情况下，观看者的左眼1250和右眼1251看到如图15所示的屏幕1300和1301。

将参考图14描述左眼1250观看的屏幕1300。

左眼1250位于光束LLc2与光束LLr2之间。因此，可以在屏幕1300左端的邻近位置看到视点像素1222的显示，或者换言之来自右眼视角的视点图像。

另外，左眼1250位于光束LCl2与光束LCc2之间。因此，可以看到屏幕1300中心的邻近位置的视点像素1221的显示，或者换言之来自左眼视角的视点图像。另外，左眼1250不位于光束LRl2与光束LRr2之间。换言之，从图14所示的左眼1250的位置不能通过右端狭缝1231观看到右端像素单元1220。

然而，左眼1250位于光束LRr2’与光束LRc2’之间。光束LRr2’与光束LRc2’是从右端像素单元1220发出的光束LRr1’与LRc1’穿过从右边数第二个狭缝1231得到的。换言之，从左眼1250的位置，可以通过从右边数第二个狭缝1231看到视点像素1222的显示或者换言之来自右眼视角的视点图像。因此，可以在屏幕1300右端的邻近位置看到视点像素1222的显示，或者换言之来自右眼视角的视点图像。

关于如图14所示位置的右眼1251看到的屏幕1301，左右关系与左眼1250的左右关系相反，因此，省略对其的描述。

如图15所示，如果双眼如图14所示定位，则观看者可以在屏幕中心处看到所期望的三维图像，但在屏幕边缘看到所谓的反转图像，其深度关系是反转的。如上所述，如果观看者的双眼位于单视点可见区域1260L和1260R外面，则观看者不能看到所期望的三维图像。

接下来，将描述将传统三维显示器1201与传统空中成像元件1202组合带来的问题。

图16和17用于描述将传统三维显示器1201与传统空中成像元件1202组合的图像显示装置的光学模型。图18用于描述将传统三维显示器1201与传统空中成像元件1202组合的图像显示装置的屏幕。

与图12相似，从显示面板1210的左端像素单元1220发出的光束LLr1、LLc1和LLl1在穿过狭缝1231后发生折射，变为光束LLr2、LLc2和LLl2，并且这些光束进入空中成像元件1202。如之前描述地，根据到空中成像元件1202的入射光束与从那发出的对成像有贡献的光束之间的关系，光束LLr2、LLc2和LLl2的发射角与入射角具有相同的大小和相反的符号，并且因此，光束LLr2、LLc2和LLl2作为光束LLr3、LLc3和LLl3发射。从显示面板1210的中心像素单元1220发出的光束LCr1、LCc1和LCl1在穿过狭缝1231后发生折射，作为光束LCr2、LCc2和LCl2进入空中成像元件1202，而后作为光束LCr3、LCc3和LCl3从空中成像元件1202中发出。同样，从显示面板1210的右端像素单元1220发出的光束LRr1、LRc1和LRl1在穿过狭缝1231后发生折射，作为光束LRr2、LRc2和LRl2进入空中成像元件1202，而后作为光束LRr3、LRc3和LRl3从空中成像元件1202中发出。

以这种方式，从三维显示器1201的屏幕发出的光在空中成像元件1202针对平面S对称的位置处形成图像而变为空中图像。

如图16所示，从空中图像的两端向观看者行进的光束LLc3和LRc3并不在平面S的观看者一侧相交。换言之，如果将传统三维显示器1201与传统空中成像元件1202简单地组合，则不能形成如图12所示的那种单视点可见区域1260L和1260R。因此，即使观看者将双眼放在离空中图像距离OD处，观看者也不能观看到期望的三维图像。

如图16所示，观看者的左眼1250和右眼1251不位于光束LLl3与光束LLr3之间。同样，观看者的左眼1250和右眼1251不位于光束LRl3与光束LRr3之间。换言之，观看者不能在三维显示器1201的两端上通过狭缝1231看到两端上的像素单元1220。

实际上，进入观看者眼睛的光束并不是从离端部狭缝1231最近端的像素单元1220发出的，而是更靠内的像素单元发出的。图17示出了其例子。

从左端数第二个像素单元1220发出并经过左端狭缝1231的光束标记为LLr1’、LLc1’和LLl1’，并且该光束穿过狭缝1231并发生折射后被标记为光束LLr2’、LLc2’和LLl2’。光束LLr2’、LLc2’和LLl2’进入空中成像元件1202并以与入射角相同的大小相反的符号作为光束LLr3’、LLc3’和LLl3’发射。

如图17所示，左眼1250位于光束LLl3’与光束LLc3’之间。换言之，从左眼位置看到的出自左端狭缝1231的半空中形成的视点图像是视点像素1221形成的左眼视角视点图像。同时，从左眼位置看到的出自中心狭缝1231的半空中形成的视点图像是视点像素1222形成的右眼视角视点图像。

因此，如果将传统的三维显示器1201与传统的空中成像元件1202简单地组合，则如图18所示，屏幕1300和1301中左眼视角视点图像和右眼视角视点图像交替出现的图像被输入到观看者的左眼1250和右眼1251。因此，观看者不能看到期望的三维图像。

为了解决上述问题，需要有这样的三维显示器，其中在考虑对如上述空中成像元件的成像有贡献的光的方向性变化的情况下，从空中图像到观看者的光束形成单视点可见区域1260L和1260R。本公开的三维显示器101被设计为使得形成单视点可见区域1260L和1260R，从屏幕两端上的像素单元120的中心发出并穿过两端狭缝131的光束由于空中成像元件102在方向上经历变化并随后在离空中图像104距离OD处彼此相交。

下面，将描述图像显示装置100的特征，其中从由空中成像元件102形成的三维显示器101的空中图像104到观看者的光束形成单视点可见区域1260L和1260R。

图19和20是描述本公开的图像显示装置100的光学模型的示例的视图。

图19是在图1的图像显示装置100的配置下从A-A’截面到达观看者的光束的光学模型，并且投影到XZ平面上。

左眼1250和右眼1251是观看者的眼睛。空中图像104代表将由空中成像元件102形成的三维显示器101的屏幕。虚拟平面1910代表三维图像可以以适当状态被观看到的位置。虚拟平面1910是与连接眼睛的线平行的平面，并且该平面设置在从像素单元120发出的光以最大程度重叠的位置。在下面的描述中，狭缝131的排列图案是图3所示的排列图案。首先，描述各参数。

节距P表示视点像素121和122的节距。如果像素单元120由如前所述的两个视点像素121和122构成，则像素单元120的节距是2P。节距Sp表示狭缝131的间隔。距离h表示视点像素121或视点像素122与视差格栅130之间的距离。宽度WP表示从排列在显示面板110中心处的像素单元120的中心到排列在显示面板110的每个边缘处的像素单元120的中心的距离。宽度WS表示从视差格栅130的中心狭缝131到每个边缘狭缝131的距离。距离OD表示从空中图像104到虚拟平面1910的距离。换言之，距离OD是离空中图像104的最优观看距离。宽度e表示节距为P的视点像素121和视点像素122在虚拟平面1910中的放大投影宽度。换言之，宽度e表示像素单元120节距的一半在虚拟平面1910中的放大投影宽度。

另外，显示面板在X方向上从中心到边缘像素单元120的数目是像素数m。三维显示器101内部的折射率是折射率n。

角α表示从排列在显示面板110中心处的像素单元120以最小距离进入狭缝131的光的最大入射角。换言之，图19中所示光束LCr1和光束LCl1到狭缝131的入射角为角α。

角β表示以角α进入狭缝131后的光束的发射角。如前所述，显示面板110的显示器表面投影在XZ平面上的法线矢量与空中成像元件102的平面S投影在XZ平面上的法线矢量重叠，因此光束LCr2和光束LCl2进入到空中成像元件102的入射角为角β。

角γ表示从排列在显示面板110边缘处的像素单元120的中心到进入排列在视差格栅130的边缘处的狭缝131的光的入射角。换言之，图19所示的光束LLc1和光束LRc1到狭缝131的入射角为角γ。

角δ表示以角γ进入狭缝131后的光的发射角，并且光束LLc2和光束LRc2进入空中成像元件102的入射角为角δ。

如图19所示，三维显示器101被设计为使得从空中图像104到观看者一侧的光束形成单视点可见区域1260L和1260R。具体而言，如下面所述地设置各参数，使得从空中成像元件102发出的光束LLc3和LRc3在距离OD处相交。

如图19所示，当光束LLc3和光束LRc3被设为θL和θR，由于几何对称，θL和θR彼此相等。此外，由于前述空中成像元件102的特征，θL和θR的大小都是角δ。因此，根据光束LLc3和LRc3在距离OD处相交的条件，等式(1)成立。

WS＝OD·tanδ...(1)

等式(1)中的宽度WS可以从等式(2)中根据节距Sp和像素数m给出。

WS＝m·Sp...(2)

针对等式(1)中的角δ，根据三维显示器101中的折射率n和斯涅耳定律，等式(3)成立。

n·sinγ＝sinδ...(3)

针对角γ，根据如图19所示从视差格栅130到像素单元120的距离h、宽度WS以及宽度WP之间的几何关系，等式(4)成立。

针对等式(4)中的宽度WP，根据视点数目、视点像素节距P以及像素数m，等式(5)成立。等式(5)中的系数“2”是视点数目。

WP＝2·m·P...(5)

根据等式(1)-(5)，像素单元120的节距2P与节距Sp之间的关系根据距离OD、距离h、折射率n以及像素数m来确定。为了易于描述2P和Sp的关系式，设定等式(6)的近似。通过重新整理等式(1)-(5)，可以导出等式(7)。

如等式(7)所示，如果使用等式(1)-(5)确定了距离OD、距离h、折射率n、像素数m以及像素单元120的节距2P，则可以计算在光束LLc3和LRc3相交的距离OD处的三维显示器101的节距Sp。如果距离WP相对于距离OD太长，则等式(7)的近似不成立。即使在这种情况下，也可以根据在等式(1)-(5)中确定的参数使用分析工具来计算在光束LLc3和LRc3在距离OD处相交的节距Sp。

然而，通过仅满足等式(1)-(5)的条件，并不能获得视点像素的投影宽度e的期望值，其确定了单视点可见区域1260L和1260R的宽度。

允许观看者观察三维图像的条件之一是左眼1250位于左眼区域1260L中，并且右眼1251位于右眼区域1260R中。由于观看者的双眼之间的距离是不变的，如果宽度e小于双眼之间距离的一半，则不能满足这个条件。也即，观看者将不能观看到三维图像。

通常，成年男性双眼之间的平均距离为65mm，标准偏差±3.7mm，并且成年女性双眼之间的平均距离为62mm，标准偏差±3.6mm(Neil A Dogson在国际光学工程学会会议记录(Proc.SPIE)第5291卷提出的“人类瞳距的差异和极值(Variation and extrema ofhuman interpupillary distance)”)。因此，如果观看者双眼之间距离为65mm，则宽度e需要为至少32.5mm。

考虑到增大观看者在保持双眼位于期望单视点可见区域中的状态(换言之，观看者可以观察三维图像的状态)的同时可以在平行方向(X方向)上移动的距离，65mm或更大是宽度e比较适当的值。

宽度e是节距P的视点像素的放大投影宽度，并且根据节距P、距离OD、距离h和折射率n设下述关系式。

关于图19中的光束LCl3，宽度e是距离OD的切线。由于上述空中成像元件102的特征，光束LCl3的角θ_c的大小是角β。因此，等式(8)成立。

e＝OD·tanβ...(8)

根据三维显示器101中的折射率n和斯涅耳定律，等式(8)中的角β满足等式(9)。

n·sinα＝sinβ...(9)

根据节距P与距离h之间的几何关系，等式(9)中的角α满足等式(10)。

因此，通过使用等式(8)-(10)确定节距P、距离OD、距离h和折射率n，可以将宽度e设为期望值，并且可以将设了宽度e的各参数的值用在等式(1)-(5)中来计算节距Sp。

在本公开中，三维显示器101的节距Sp的特征是其为使用等式(1)-(5)以及(8)-(10)计算得到的值。

如果在像素单元120的X方向上有N个视点像素，则应用等式(11)中定义的宽度WP代替等式(5)中定义的宽度WP。

WP＝N·m·P...(11)

另外，在设定宽度e时，角α应当根据像素单元120的节距(N·P)的一半的值以及距离h来计算。换言之，将用等式(12)来代替等式(10)。

通过如上所述设计地将三维显示器101与空中成像元件102组合，如图19所示的从空中图像104行进到观看者的光束形成单视点可见区域1260L和1260R。

因此，当左右视点图像在视点像素121和122中显示时，并且当左眼1250位于左眼区域1260L且右眼1251位于右眼区域1260R时，观看者可以在整个屏幕上观察到适当的三维图像。

如果观看者在其间没有空中成像元件102的情况下直接观看如图19所示的三维显示器101，观看者将不能观察到期望的三维图像。这是因为，如图19所示，穿过两端上的狭缝131的光束LLc2和LRc2不会相交，因此，没有形成单视点可见区域。在这种情况下，向观看者行进的光束形成类似于图16和图17所示的那些光学模型，并且观看者所看到的屏幕类似于图18所示的屏幕。换言之，观看者将看到正常观看区域和反向观看区域同时出现在屏幕上的图像。

单视点可见区域1260L是光束LLl3、LLc3、LCl3、LRl3和LRc3围绕的区域，并且单视点可见区域1260R是光束LRr3、LLr3、LLc3、LRc3和LCr3围绕的区域。因此，本公开的空中成像元件102需要具有允许在X方向上跨过至少这些光束的宽度。

将参考图20描述空中成像元件102需要的宽度。

从空中成像元件102的中心到边缘的距离标记为距离WI，从三维显示器101的视差格栅130到空中成像元件102的平面S的距离标记为Dpi，光束LLr1和LLl1到狭缝131的入射角标记为角ε，以及光束LLr2和LLl2从狭缝131出来的发射角标记为角ζ。图20所示的空中成像元件102具有使得光束LLr3和LRl3能够从边缘发射出来的宽度。

因此，等式(13)成立。

WI＝WS+DPi·tanζ...(13)

针对角ζ和ε，根据三维显示器101中的折射率n和斯涅耳定律，等式(14)成立。

n·sinε＝sinζ...(14)

另外，关于等式(14)中的角ε，根据宽度WS、宽度WP、节距P、距离h之间的集合关系，等式(15)成立。

根据等式(14)和(15)，角ζ如等式(16)所示，并且角ε如等式(17)所示。

ζ＝arcsin(n·sinε)...(16)

如果使用等式(15)-(17)重新整理等式(13)，则距离WI如等式(18)所示。

换言之，宽度WI可以根据宽度WS、宽度WP、节距P、距离h和距离Dpi计算得到。宽度WS可以根据等式(2)计算得到，并且宽度WP可以根据等式(5)计算得到。

如上所述，在本公开的图像显示装置100中，为了使三维显示器101的两端上的光束形成单视点可见区域1260L和1260R需要的空中成像元件102宽度WI必须满足等式(19)。

如果在像素单元120的X方向上具有N个视点像素，则应用等式(200)中定义的宽度WP代替等式(5)中定义的宽度WP。

WP＝N·m·P...(20)

此时，宽度WI必须满足等式(21)。

在此，将参考图21和22描述JP 2017-10014A中公开的图像显示装置有关的问题。

图21A和21B是描述JP 2017-10014A中公开的图像显示装置的光学模型的视图。图21A示出了JP 2017-10014A中公开的图像显示装置的理想光学模型，并且图21B示出了JP2017-10014A中公开的图像显示装置的实际光学模型。在此，将描述像素提供多个具有两个视点的视点组的情况。

JP 2017-10014A公开了包括三维显示模块2101和光学元件2102的图像显示装置2100。三维显示模块2101包括背光光源2140、多个像素2120以及视差格栅2130。像素2120包括多个视点组。在此，包括两个视点组2121和2122。

在JP 2017-10014A中，像素2120的节距定义为Pv，视差格栅2130的开口2131的节距定义为Pb1，并且视差格栅2130与像素2120之间的距离定义为d1。另外，从背光光源2140发出的光聚焦于虚拟焦点Fv，并且背光光源2140位于虚拟焦点Fv与光学元件2102之间。从虚拟焦点Fv到视差格栅2130的距离定义为距离VD，并且从观看者2180到虚拟悬浮基准平面2150(本公开的空中图像104)的距离等于从虚拟焦点Fv到视差格栅2130的距离。换言之，虚拟悬浮基准平面2150与被设为观看者2180的观看位置的虚拟平面2160之间的距离定义为VD。

JP 2017-10014A说明节距Pb1相对于节距Pv的比为VD/(VD-d1)。因此，只要定义了VD、Pv和d1，视差格栅2130的开口2131的节距Pb1可以用等式(22)计算得到。

当对应于本公开的三维显示器101的三维显示模块2101内部的折射率n为1时，JP2017-10014A中公开的光学模型(图21A)和等式(22)成立。

然而，实际上，不可能将三维显示模块2101内部的折射率设为与空气折射率(n＝1)相同。因此，如图21A所示，穿过开口2131的光束LB、LR不能形成直线，而是发生折射，得到图21B所示的光学模型。

如图21B所示，当考虑折射时，背光光源2140聚焦的点位于比距离VD更短的距离的位置处，并且可以看到为了让观看者2180可以观察到适当的三维图像，观看者必须在比距离VD更靠近的位置处来观看图像显示装置2100。

接下来，关于从JP 2017-10014A的公开得出的设计的问题，在等式(22)中设特定值并进行考虑。

第一个问题是，JP 2017-10014A中没有明确涉及关于根据VD(本公开的OD)、d1(本公开的h)以及Pv(本公开的像素单元的宽度2·P)确定的视点像素的放大投影宽度e的设计要求。因此，基于VD、d1和Pv的设定值，宽度e可能小于双眼之间的距离的一半(32.5mm)。

例如在此将考虑VD为500mm、Pv为0.2mm时d1和宽度e的值。在前述等式(8)-(10)中，如果利用n＝1、OD＝VD以及P＝Pv/2执行计算，则若d1变为小于1.54mm，则宽度e变为小于32.5mm，观看者就不能观察到三维图像。换言之，如果通过根据等式(22)在VD为500mm、Pv为0.2mm以及d1为1.54mm时计算节距Pb1来设计图像显示装置，则观看者将不能在距离VD的位置处观察到三维图像。

第二个问题是，在JP 2017-10014A中，没有考虑三维显示模块2101的折射率。因此，没有考虑从屏幕两端出来的光束相交的位置。在此，如果根据上述本公开的等式(8)-(10)来计算在VD为500mm、Pv为0.2mm且n＝1的情况下使宽度e为65mm的d1的值，d1将为0.77mm。如果VD为500mm，Pv为0.2mm，且d1为0.77mm，则Pb1根据等式(22)计算为0.200308mm。表1汇总了VD、Pv、d1和Pb1的设计值。

表1

如果根据表1来设计三维显示模块2101，则使用如图19的光学模型所示的光束LLc3与光束LRc3之间的相交点考虑实际折射率的效果。如图19所定义的，从空中图像104到光束LLc3与LRc3之间的相交的距离为OD。

图22是说明距离OD、和折射率n以及像素数m之间关系的图。图22说明了表1的设计中的关系。

如图22所示，如果三维显示模块2101中的折射率n与空气折射率(n＝1)相同，则不管m如何，距离OD将为500mm。然而，由于折射率n从1开始增大，因此距离OD减小。另外，如果折射率n大于1，则随着m增大，距离OD减小。换言之，可以理解，根据折射率n和像素数m，如果观看者不处在比设计位置VD＝500mm更靠近空中图像的位置，则观看者将不能适当地观看三维图像。

接下来，在表1的设计中，创建当像素数m为500、且n＝1以及n＝1.5时的光线图，并考虑单视点可见区域1260L和1260R。图23A、23B和23C是描述给定设计的图像显示装置的单视点可见区域的光学图。

在图23A中，在m＝500，n＝1，且其他值为表1中的设计值时，通过计算画出图19所示的光束。

纵轴表示Z轴方向，单位为mm，且0是空中图像的位置，且光学元件2102(本公开的空中成像元件102的平面S)安排在100mm的位置。横轴表示X方向，单位为mm，且0是三维显示模块2101的中心。

在图23A中，光束LLc3和LRc3在Z＝500mm处相交，且通过光束形成单视点可见区域1260L和1260R。因此，观看者可以从所设计的500mm距离处观看三维图像。

在图23B中，在m＝500、n＝1.5，且其他值为表1中的设计值时，通过计算画出图19所示的光束。

在这种情况下，光束LLc3与LRc3相交于Z＝324.87mm处。如图23B所示，光束LLl3、LLc3、LCl3、LRl3和LRc3围绕的单视点可见区域1260L和光束LLr3、LLc3、LCr3、LRr3和LRc3围绕的单视点可见区域1260R形成在比Z＝500mm更近(向着空中图像)的空间中。

因此，观看者不能在离空中图像500mm的距离处适当地观看三维图像。双眼均不位于单视点可见区域1260L和1260R中，因此如图14和15所示，不可能观看到屏幕边缘处的期望的三维图像。因此，为了使观看者观看到期望的三维图像，观看者必须移动到比设计值VD＝500mm更近的位置，且优选地为324.87mm。

在此将表1中所示的JP 2017-10014A中公开的三维显示模块2101的设计与本公开的三维显示器101的设计(图19)做一比较。

距离VD是本公开的距离OD，且距离OD设为500mm。另外，如果在JP2017-10014A中为0.2mm的节距Pv与本公开的节距P相匹配，其将被设为0.1mm。如果n＝1.5，且放大投影宽度e设为65mm，则对应于d1的距离h根据等式(8)-(10)被计算为1.16mm。当m＝500加入这些值，且用等式(1)-(5)计算视差格栅130的节距Sp，可以得到值0.200306。表2汇总了这些设计值。

表2

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在图23C中，利用表2的设计值通过计算画出图19所示的光束。

如图23所示，光束LLc3和LRc3在Z＝500mm处相交，并且通过光束形成单视点可见区域1260L和1260R。因此，观看者可以从如所设计的500mm距离处观看三维图像。换言之，可见可以如使用本公开的计算公式设计的那样提供图像显示装置100。

根据实施例1，可以设计出用其可以观看合适的三维图像的图像显示装置100。

在本发明中，可以用图31所示的三维显示器代替图3所示的使用在狭缝131延伸方向上与视点像素的排列方向(Y轴方向)平行的视差格栅130的三维显示器。

图31示出了三维显示器的例子，其中用作分布单元的视差格栅130的狭缝131的延伸方向相对于视点像素的排列方向(Y轴方向)设为角λ。通过如图31所示将狭缝排列为相对于视点像素的排列倾斜，有可能不仅可以如图3所示地对来自X方向上排列的视点像素的光束进行分布，还可以在不同方向上对Y方向上排列的视点像素的光束进行分布。换言之，像素单元不仅包括X方向的视点像素，而且包括Y方向的视点像素。在图31中，可以在六个方向上显示视点图像，并且在每个视点像素125上标识的数目是视点图像的数目。

如果在本发明中使用如图31所示的三维显示器，则在X方向上的狭缝节距为Sp，视点像素125的节距为P，X方向上分布单元所处理的视点数为N(图31中N＝3)，且X方向上中心到边缘的像素单元数为m，这些值可以被代入到等式(2)、(11)和(12)中，并且如前所述可以计算节距Sp。如上所述，如果分布单元被排列为相对于视点像素倾斜，则像素单元在X方向上的视点数N不限于整数。

实施例2

在实施例2中，三维显示器101的配置不同。图24是本公开的图像显示装置100的光学模型的示意图。图24是XZ平面上沿线A-A’的截面结构和光学模型的视图。图24对应于实施例中描述的图2。

实施例2的三维显示器101是用柱状透镜作为光学分离工具的三维显示器101。三维显示器101具有显示面板110和柱状透镜140。

柱状透镜140具有均一图案排列的圆柱透镜141。图25是描述本公开的三维显示器101的中心中的柱状透镜140的示意图(XY平面图)。

圆柱透镜141的折射率和曲率半径被设为使得其焦距基本上等于从圆柱透镜141的顶点到视点像素的距离h。为了易于解释，假设圆柱透镜141的折射率等于三维显示器101中的折射率。

圆柱透镜141的焦距基本上等于距离h，并且因此，从视点像素121各向同性发出的光当穿过圆柱透镜141时变为平行光。因此，通过在显示面板110中适当地排列柱状透镜140，形成只有特定视点像素121和122(视点像素组)可以通过圆柱透镜141看到的区域。换言之，柱状透镜140用作将从显示面板110显示的显示图像发出的光束组分配成针对每个视点图像的光束组的光学分离工具(分配单元)。圆柱透镜141被排列为使得每个圆柱透镜141对应于一个像素单元120。

可以使用其中透镜可以被电切换开/关的液晶透镜来作为柱状透镜140。在这种情况下，通过关闭透镜，除了三维图像，还可以显示二维图像。

如上所述，本实施例的柱状透镜140用作类似于实施例1中的视差格栅130的光学分离工具，并且因此，省略对图25的具体描述。

另外，同样地在本实施例中，作为例子将描述显示包括两个视点图像的显示图像的显示面板110，但是显示面板110可以显示包括三个或更多视点图像的显示图像。在这种情况下，像素单元120由显示多个视点图像的像素的视点像素组构成。

图26是描述本公开的图像显示装置100的光学模型的例子的视图。

图26所示的图像显示装置100的光学模型是这样的光学模型，其中用柱状透镜140代替图19中所示的图像显示装置100的视差格栅130，并且用圆柱透镜141代替狭缝131。

对应于代表图19所示狭缝131间隔的节距Sp的圆柱透镜141的间隔标记为节距Lp，并且对应于图19中从视差格栅130中心的狭缝131到边缘上的狭缝131的距离WS的、从柱状透镜140的中心的圆柱透镜141到边缘的圆柱透镜141的距离标记为节距WL。距离h代表从圆柱透镜141顶点到视点像素121和122的距离。其他参考标记和部件与图19中的相同，因此省略对其的描述。

与实施例1中的类似，实施例2的三维显示器101被设计为使得为了形成单视点可见区域1260L和1260R，从屏幕两端上的像素单元120的中心发出并穿过两端圆柱透镜141的光束由于空中成像元件102在方向上经历变化并随后在离空中图像104距离OD处彼此相交。因此，当显示面板110的X方向中从中心到边缘的像素单元120的数目是像素数m时，类似于等式(1)-(5)之间的关系，导出下列等式(23)-(27)。

WL＝OD·tanδ...(23)

WL＝m·Lp...(24)

n·sinγ＝sin δ...(25)

WP＝2·m·P...(27)

另外，通过使用等式(8)-(10)确定节距P、距离OD、距离h和折射率n，宽度e可以被设为期望值。通过将设置了宽度e的这些参数值代入等式(23)-(26)，可以计算得到圆柱透镜141的节距Lp。

等式(1)-(5)与等式(21)-(25)间的关系是用WL代替WS且用Lp代替Sp。因此，可以通过在等式(19)-(21)中将WL代入WS以及将Lp代入Sp来计算宽度WI，从而计算实施例2的图像显示装置100的空中成像元件102需要的宽度。

如果在像素单元120的X方向上有N个视点像素，则应用等式(11)中定义的宽度WP来代替等式(27)中定义的宽度WP。另外，在设宽度e时，应当根据像素单元120的节距(N·P)的半值和距离h来计算角α。换言之，应用等式(12)代替等式(10)。

如上所述设计的实施例2的图像显示装置100呈现出与实施例1中类似的效果。此外，用作三维显示器101的光学分离工具的柱状透镜140相对于视差格栅130而言对于光具有更高的利用效率，因此，相对于实施例1的图像显示装置100而言可以提供更亮的图像或者实现更低的功耗。

在本发明中，可以使用图32中所示的三维显示器代替图25所示的使用在圆柱透镜141的延伸方向上与视点像素的排列方向(Y轴方向)平行的柱状透镜140的三维显示器。

图32示出了三维显示器的例子，其中用作分布单元的圆柱透镜141的延伸方向设为相对于视点像素的排列方向(Y轴方向)成角λ。通过如图32所示地将圆柱透镜排列为相对于视点像素的排列倾斜，有可能不仅可以如图25所示地对来自X方向上排列的视点像素的光束进行分布，还可以在不同方向上对Y方向上排列的视点像素的光束进行分布。换言之，像素单元不仅包括X方向的视点像素，而且包括Y方向的视点像素。在图32中，可以在六个方向上显示视点图像，并且在每个视点像素125上标识的数目是视点图像的数目。

如果在本发明中使用如图32所示的三维显示器，则在X方向上的圆柱透镜141的节距为节距Lp，视点像素125的节距为P，X方向上分布单元所处理的视点数为N(图32中N＝3)，且X方向上中心到边缘的像素单元数为m，这些值可以被代入到等式(24)、(11)和(12)中，且如前所述可以计算节距Lp。如上所述，如果分布单元被排列为相对于视点像素倾斜，则像素单元在X方向上的视点数N不限于整数。

实施例3

在实施例3中，三维显示器101的配置不同。在实施例1和2中，用作光学分离工具的视差格栅130和柱状透镜140排列在显示面板110的空中成像元件102一侧。然而，在实施例3中，光学分离工具排列在显示面板110的与空中成像元件102相对的一侧上。

图27是描述本公开的图像显示装置100的光学模型的例子的视图。

在本实施例的图像显示装置100中，视差格栅130排列在显示面板110的与空中成像元件102相对的一侧上。另外，图像显示装置100还具有排列在三维显示器101的视差格栅130一侧上的投影仪150。

下面，将描述图像显示装置100的特征，其中从空中图像104到观看者的光束形成单视点可见区域1260L和1260R，但是将省略对与实施例1中相同参考标记的部件的描述。

如图27所示，根据光束LLc3和LRc3在距离OD处相交的条件等式(28)成立。

WS＝OD·tanδ...(28)

针对等式(28)中的宽度WS，根据节距Sp和像素数m，等式(29)成立。

WS＝m·Sp...(29)

根据三维显示器101中的折射率n和斯涅耳定律，等式(30)成立。

n·sinγ＝sinδ...(30)

另外，针对角γ，根据图27中所示距离h、宽度WS以及宽度WP之间的几何关系，等式(31)成立。

针对宽度WP，根据视点数(其为2)、视点像素节距P以及从中心到边缘的像素单元的像素数m，等式(32)成立。

WP＝2·m·P...(32)

另外，通过使用等式(8)-(10)确定节距P、距离OD、距离h以及折射率n，可以将宽度e设为期望值。通过将设置了宽度e的这些参数值代入等式(28)-(32)，可以计算得到狭缝131的节距Sp。

如果在像素单元120的X方向上有N个视点像素，则应用等式(11)中定义的宽度WP来代替等式(32)中定义的宽度WP。另外，在设宽度e时，应当根据像素单元120的节距(N·P)的半值和距离h来计算角α。换言之，应用等式(12)代替等式(10)。

此外，参考图31如实施例1所述地，可有使用视差格栅130的狭缝131的延伸方向被设为相对于视点像素的排列方向(Y轴方向)成角λ的结构。

如上所述设计的实施例3的图像显示装置100呈现出与实施例1中的图像显示装置100类似的效果。

实施例4

在实施例4中，三维显示器101的配置不同。在实施例4中，用柱状透镜140代替视差格栅130，其被用作实施例3中描述的图像显示装置100的光学分离工具。

图28是描述本公开的图像显示装置100的光学模型的例子的视图。

类似于实施例2的描述，如果使用柱状透镜140代替视差格栅130，则可以通过用WL代替WS以及用Lp代替Sp来计算各参数。因此，通过在等式(28)-(32)中将WL代入WS以及将Lp代入Sp，可以计算得到圆柱透镜141的节距Lp。

另外，参考图32如实施例1中描述地，可以使用圆柱透镜141的延伸方向被设为相对于视点像素的排列方向(Y轴方向)成角λ的结构。

如上所述设计的实施例4的图像显示装置100呈现出与实施例1中的图像显示装置100类似的效果。

实施例5

在实施例5中，三维显示器101的配置不同。

图29和图30是本公开的图像显示装置100的光学模型的示意图。

三维显示器101具有投影仪150、三维打印对象160以及柱状透镜140。

三维打印对象160具有打印于其上的多个视点图像。在三维打印对象160中，多个视点图像被分割成条形，每条视点图像通过被排列成给定图案而生成。对三维打印对象160的类型没有任何限制。图29示出了来自两个视点的图像在柱状透镜140的背表面被打印成条形的例子。如果要显示来自更多视点的图像，则应当分割像素单元120的视点图像。

投影仪150是将光发射到三维打印对象160上的装置。投影仪150例如由LED元件构成。对投影仪150的类型没有任何限制。

从投影仪150发到三维打印对象160上的光变为对应于三维打印对象160中包括的视点图像的光，并被圆柱透镜141分割。

在图29中，投影仪150排列在柱状透镜140的背表面一侧(向着三维打印对象160)，但是如图30所示，投影仪150也可以排列在柱状透镜140一侧上。从投影仪150发出的光进入柱状透镜140，且由打印的视点像素反射的光被圆柱透镜141分开。尽管未示出，但也可以用前灯作为投影仪150。

实施例5的图像显示装置100的光学模型与实施例2中的相同。因此，三维打印对象160的圆柱透镜的节距Lp可以如下面所描述地以类似于实施例2的方式来计算。

通过使用等式(8)-(10)确定节距P、距离OD、距离h以及折射率n，可以将宽度e设为期望值，通过将设置了宽度e的这些参数值代入等式(23)-(27)，可以计算得到圆柱透镜141的节距Lp。另外，可以通过在等式(19)-(21)中将WL代替WS以及将Lp代替Sp来计算宽度WI，计算出空中成像元件102需要的宽度。

因此，实施例5呈现与实施例2类似的效果。

实施例6

本发明的投影三维图像的三维显示器可以用于根据观看位置投影不同视点图像的多显示器中。

下面，将描述本发明应用于根据观看位置投影两个不同屏幕的多显示器的例子。在描述这一例子时，图19所示的光学模型中视差格栅130排列在显示器面板110的空中成像元件102一侧，但应用于多显示器的本发明则可能具有使用柱状透镜140的配置(图26所示的光学模型)，在该配置中光学分离工具排列在显示器面板110中与空中成像元件102相对的一侧(图27和28所示的光学模型)，并且该配置中使用三维打印对象160作为三维显示器(图29和30所示的光学模型)。

如已经描述地，在三维显示器中，形成单视点可见区域1260L和1260R，并且三维显示器被设计为使得观看者在双眼位于预定位置时可以观看三维图像。在多显示器中，单视点可见区域被设计为很大，从而可以根据观看者的左眼和右眼是位于一个单视点可见区域还是位于其他单视点可见区域而可以看到不同的视点图像。换言之，e被设计得大于眼睛之间的间隙。

下面，将描述图19中的光学模型中放大投影宽度e为300mm的设计的例子。如果距离OD为500mm，节距P为0.1mm，且n＝1.5，则距离h根据等式(8)-(10)计算为0.274mm。当将m＝500加入这些值，且用等式(1)-(5)计算视差格栅130的节距Sp，可以得到值0.200072。表3汇总了这些设计值。

表3

在图33中，利用表3的设计值通过计算画出图19所示的光束。如图33所示，光束LLc3和LRc3在Z＝500mm处相交，通过光束形成单视点可见区域1360和1361。单视点可见区域1360是仅图19中所示的视点像素121可见的区域，单视点可见区域1361是仅图19中所示的视点像素122可见的区域。

如图34所示，如果在视点像素121中显示视点图像1400并在视点像素122中显示视点图像1401，，则当观看者的左眼和右眼都位于单视点可见区域1360中时，观看者看到如图35A所示的视点图像1400，当观看者的左眼和右眼都位于单视点可见区域1361中时，观看者看到如图35B所示的视点图像1400。

如上所述设计的本发明的图像显示装置100可以提供由根据观察位置而不同的单视点图像构成的屏幕作为空中图像。本实施例中使用的空中成像元件102所需的宽度可以根据等式(19)-(21)来计算。

将参考图36和37描述在没有空中成像元件的情况下观看设计用于提供如图35A和35B所示的空中图像的多显示器的情况。

图36示出了在没有空中成像元件的情况下，或换言之，通过以与图33类似的方式计算，绘制来自图19中狭缝131的光束LLl2、LLc2、LLr2、LCl2、LCc2、LCr2、LRl2、LRc2和LRr2。

如图36所示，光束LLc2和LRc2不相交，不形成单视点可见区域。因此，两个视点图像在观看者看到的屏幕中同时存在。作为一个例子，图37示出了在如图36所示观看者的左眼1250位于X＝10mm和Z＝500mm处且右眼位于X＝75mm和Z＝500mm处的情况下观看者各个眼睛看到的屏幕。

如图37所示，投影到每个眼睛的屏幕包括视点图像1400的区域和视点图像1401的区域。

如上所述，已经描述了本发明的实施例；然而，本发明不限于前述实施例。本领域普通技术人员可以在本公开的范围内容易地修改、增加或者转换前述实施例中的每个元素。一个实施例的配置的一部分可以被另一实施例的配置替换或者一个实施例的配置可以结合到另一实施例的配置当中。

Claims (9)

1.一种显示装置，包括：

投影装置，其对包括具有不同视点的多个视点图像的显示图像进行投影；

空中成像元件，其将所述显示图像投影为半空中的实像；以及

分布机构，其中分布来自所述显示图像的光的多个分布单元以给定间隔排列，以便形成所述多个视点图像的视点图像观看区域，

其中所述多个分布单元中的每个分布单元都被排列为对应于由显示所述多个视点图像的多个视点像素构成的每个像素单元，并且

其中所述多个分布单元之间的间隔(Sp)根据下述各项之间的关系来确定：

构成所述像素单元的所述多个视点像素的数目(N)，

从所述投影装置的中心到所述投影装置的边缘的多个像素单元的数目(m)，

从所述投影装置的中心处的像素单元到所述投影装置的边缘处的像素单元的距离(WP)，

从所述多个分布单元中对应于所述投影装置的中心处的像素单元的一个分布单元到所述多个分布单元中对应于所述投影装置的边缘处的像素单元的一个分布单元的距离(WS)，

所述像素单元中包括的所述多个视点像素的一个视点像素的节距(P)，

从所述投影装置的中心处的像素单元发射到所述多个分布单元中的一个分布单元的光的角度(α)，以及从所述多个分布单元中的一个分布单元发射出的光的角度(β)，所述角度(β)不同于所述角度(α)，

从所述投影装置的边缘处的像素单元发射到所述多个分布单元中的一个分布单元的光的角度(γ)，以及从所述多个分布单元中的一个分布单元发射出的光的角度(δ)，所述角度(δ)不同于所述角度(γ)，

所述投影装置与所述多个分布单元之间的距离(h)，

所述分布机构的折射率(n)，所述折射率(n)大于1，

所述实像与观看者的最优观看位置之间的距离(OD)，以及

投影宽度(e)，其为距所述实像距离(OD)处的所述像素单元的节距的一半。

2.根据权利要求1所述的显示装置，

其中所述多个分布单元之间的间隔被设计为使得所述投影宽度(e)大于所述观看者的双眼之间的间隙。

3.根据权利要求1所述的显示装置，

其中所述分布机构排列在所述像素单元与所述空中成像元件之间，并且

其中所述多个分布单元之间的间隔(Sp)用等式(I)-(7)计算，

WP＝N·m·P...(1)

WS＝m·Sp...(2)

e＝OD·tanβ...(4)

n·sinα＝sinβ...(5)

WS＝OD·tanδ...(7)。

4.根据权利要求1所述的显示装置，

其中所述像素单元排列在所述分布机构与所述空中成像元件之间，并且

其中所述多个分布单元之间的间隔(Sp)用等式(8)-(14)计算，

WP＝N·m·P...(8)

WS＝m·Sp...(9)

e＝OD·tanβ...(11)

n·sinα＝sinβ...(12)

WS＝OD·tanδ...(14)。

5.根据权利要求3或权利要求4所述的显示装置，

其中所述分布机构是具有多个圆柱透镜作为所述多个分布单元的柱状透镜以及具有多个狭缝作为所述多个分布单元的视差格栅中的一种。

6.根据权利要求5所述的显示装置，

其中所述视差格栅的多个狭缝的每个狭缝的延伸方向相对于所述多个视点像素的排列方向成倾斜状态。

7.根据权利要求5所述的显示装置，

其中所述柱状透镜的圆柱透镜中的每个圆柱透镜的延伸方向相对于所述多个视点像素的排列方向成倾斜状态。

8.根据权利要求3或权利要求4所述的显示装置，

其中从所述空中成像元件的中心到边缘的宽度(WI)满足公式(15)，

9.根据权利要求3或权利要求4所述的显示装置，

其中所述投影装置包括其中打印所述多个视点图像的打印对象以及将光发射到所述打印对象上的投影仪。