CN1703099A - 显示三维图像的显示装置和显示三维图像的显示方法 - Google Patents

Abstract

三维显示装置具有包含与显示模块相对并与视差图像相关联配置的光学孔的光学元件。光学孔使得在接近观察者的前侧区中显示视差图像，同时在位置与观察者相对于显示模块对立的后侧区中显示三维图像。当要在前侧区中显示平滑的三维图像时，根据三维图像的位置将光学元件和显示表面之间的光学间隙设置为比基准距离长。为了在后侧区中显示平滑的三维图像，观察者根据三维图像的位置将光学间隙设置为比基准距离短。

Description

显示三维图像的显示装置 和显示三维图像的显示方法

对相关申请的交叉引用

本申请基于在2004年5月24日提交的在先日本专利申请No.2004-153742，并要求其优先权，在此引用其全部内容作为参考。

技术领域

本发明涉及显示三维图像的显示装置和显示三维图像的显示方法，具体而言，涉及包括光学阻挡器即控制光线照射方向的光线控制元件的显示三维图像的显示装置以及显示三维图像的显示方法。

背景技术

用于显示大量的视差图像的整体成像方法(以下也简称为II系统)是公知的用于记录三维图像并将其重现为三维图像的系统。该II系统也被称为整体照相方法(IP方法)，并且它是属于光线重现方法的显示三维图像的方法。

一般而言，当观察者用两眼观察物体时，如果θ1表示短距离上的近点和两眼之间的角度，且θ2表示长距离上的远点和两眼之间的角度，那么θ1和θ2随物体和观察者之间的位置关系而变化。将角度(θ1-θ2)的差称为双眼视差。人们可以敏感地对双眼视差作出反应，以用三维的方式观察物体。

近年来，已开展了开发不用眼镜而显示三维图像的显示装置(三维显示)的工作。许多这种三维装置使用显示标准二维(2D)图像的二维显示模块(称为平面显示)。在显示模块的前面或后面放置光线控制元件，以控制一定的光线。这种三维图像显示装置利用上述双眼视差控制光线的角度，使得当观察者观察显示装置时，该光线看起来是由距离显示模块约几个厘米的物体发出的，由此显示三维图像。由于该显示模块具有增加的分辨率，使得即使将来自显示模块的光线分为与若干角度(称为视差)对应的若干片段，也能得到较高分辨率的图像，因此现在可以如上所述显示三维图像。

图1示意地表示作为无眼镜型的三维图像显示装置的例子，沿水平方向提供视差的II系统的三维显示装置的构造。

图1示意地示出显示二维图像的显示模块表面61、观察者64和控制来自显示模块表面61的光线67的光线控制元件68在水平面上的配置。在图1所示的显示装置中，在显示二维图像的二维显示模块61上显示图像信息的许多片段。观察者64通过在显示表面的前面设置并与具有光学孔62和阻挡部分63的光线控制元件对应的阵列板观察图像。由此根据观察方向显示三维图像。光学孔62对应缝隙、小孔、微透镜、双凸透镜等。在本说明书中，可将光学孔简称为孔，因为即使没有实际的孔，它们也可以在光学上用作孔。

使用如图1所示的该显示装置，位于与阵列板63相距L的位置α上的观察者64可以观察视差号为3的图像。在位置β上的观察者64可以观察视差号为2的图像。类似地，在位置γ上的观察者64可以观察视差号为1的图像。II系统使得可进行多视差显示，使得不管他或她如何移动，观察者64都可能观察与他或她的位置对应的图像。由于可以由此显示移动视差，因此II系统可以进行自然的三维观察。并且，使用II系统，重现三维图像的光线路径与实际提供物体(主体)时使用的路径类似。因此，该方法的另一个优点在于不存在双眼竞争(binocular rivalry)。

通过孔产生和显示作为像素信息的视差图像的方法大致分为两类，一类方法是，通过使像素产生重现三维图像的光线，对图像进行映像，另一类方法是，通过从观察者的视点位置到像素相反地追踪光线，对图像进行映像。在本说明书中，这两种方法被这样相互区别：将使用前面的方法的图像映像称为II系统，将后面的方法称为多眼显示方法，也称为多视差立体镜或视差阻挡器方法等。

使用II系统，与视差阻挡器方法等不同，不是控制光线束使其对准观察者的眼睛的位置，而是通过基本等间距的所有孔使得与视差量对应的若干条光线发射到观察者。因此，II系统的优点在于观察者移动时得到移动视差。但是，如果视点位置固定，II系统提供的用于以一定的角度产生三维图像的构成像素的数量比固有二维(2D)显示模决少。因此，II系统提供的分辨率比将光线发射到观察者的眼睛位置的三维图像显示装置(多眼显示装置)低。

一般而言，对于字符显示或例如具有相对于透镜或缝隙倾斜的成分的球面显示，需要一定的指定的分辨率。但是，由于由双凸透镜或缝隙的间距决定的对分辨率的限制，包括双凸透镜或缝隙的正交投影三维显示装置(II系统)难以提供精细的字符表示或平滑的曲线显示。如果要显示具有深度的三维图像，那么，反混叠会不利地使背景和图像之间的边界呈锯齿状，或，在前侧区(在装置前面并接近观察者的空间)，观察者会在图像投影界限附近看到重影。这是因为，串扰(crosstalk)使观察者不仅看到要初始观察的视差图像，还看到邻近的视差图像，从而使得观察者不能只看到正确的视差图像。

H.Hoshino，F.Okano，H.Isono和I.Yuyama在“Analysis ofresolution limitation of integral photography”，J.Opt.Soc.Am，A15(1998)第2059-2065页公开了一种将各透镜的表面和二维图案显示模块之间的间隙设置为等于透镜的焦距的三维显示装置。使用这种三维显示装置，射向观察者的视差光线通过透镜在显示二维图案的显示模块上形成图像。在这些条件下，视差光线形成为一个像素，以降低串扰。

日本专利申请公报No.07-287195公开了使用用于改善图像质量的双凸透镜的无眼镜三维显示装置。这种图像显示装置构成为充分地将邻近的图像相互分开。具体而言，使用这种三维显示装置，通过由多个双凸透镜构成的双凸屏观察在图像板上形成的压缩图像。使用这种三维显示装置，与某一双凸透镜相关联地在图像板上形成各个压缩图像。在相邻的压缩图像之间设置带状缓冲区。使用这种装置，当通过双凸屏从连续变化的视点位置观察相邻的压缩图像时，与这些压缩图像对应的两个图像看起来被缓冲区相互分开。因此，显示装置减少了串扰现象。采用这种构造的原因在于，使用三维显示装置，邻近的视差图像的可见光线会妨碍三维观察。

日本专利No.2874985公开一种三维视频装置，在该三维视频装置中，在与图像显示表面对立的位置上设置双凸透镜板，以使得可以从多个方向观察三维视频。在这种三维视频装置中，在双凸透镜板的焦距内设置图像显示表面，以漫射通过双凸透镜板传输的光线。图像显示表面上的像素对准双凸透镜，使得即使各像素之间的暗部分也不会导致观察区中出现暗部分。要使用这种显示装置消除导致暗部分呈现为条纹状的波纹，将间隙长度设置为等于或小于透镜的焦距。

日本专利申请公报No.2001-275134公开了用于在最佳位置向观察者的眼睛供应三维图像的整体照相系统的三维显示装置。该三维图像显示装置包括具有孔的无源阵列和显示要显示的图像的第二阵列。显示阵列包括与无源阵列中的相应孔相关的子阵列组。各子阵列中的各点与无源阵列中的相应孔有关，并包含要显示的三维图像上的位置的信息。从子阵列中的各点射向无源阵列中的各相关点的光线会聚到三维图像上的各相应点上。

该显示装置包括用于控制光线的方向并由此控制三维图像相对于无源阵列和第二阵列的位置的控制装置。适当地设置该控制装置，以使其控制无源阵列和第二阵列之间的距离。日本专利No.2874985使得可改变该间隙并由此改变显示位置，以提供对于观察者来说最佳的三维显示。该专利没有涉及用于邻近的视差图像的光线。

该II系统的问题在于，当在远离显示表面的位置重现三维图像时，通过孔或透镜分配的光线束传播以迅速降低分辨率。下面参照图2、图3和图4说明分辨率降低的缺点。

使用周期每弧度(cpr)β作为用于表示三维显示装置的分辨率的度量。周期每弧度β是表示其中可以显示每弧度的光线亮度的周期数的指标。如日本专利申请公报No.07-287195所示，如果使用II系统如图2所示在显示装置附近(从观察者64到三维图像73的距离zi也足够短)显示三维图像73，那么由称为奈奎斯特频率(βnyq)并且由观察者64通过透镜或孔62观察的像素间距决定分辨率。分别将孔62的间距和观察者64与孔62或透镜之间的距离规定为pe和L。那么，由孔间距pe限定的分辨率(βnyq)表示为：

βnyq＝L/2pe    (1-1)

那么，如果如图3所示在远离显示模块1的显示表面的位置上(从观察者64到三维图像73的距离zi也足够长)重现物体图像73，通过孔或透镜分配的光线束传播以迅速降低分辨率。如果要在前侧区或后侧区重现物体图像73，那么当将对于为了重现三维图像73而经缝隙68中的一个发射的光线67的组计算的分辨率的最大值规定为αimax时，将由观察者观察的物体的空间频率决定的分辨率βimax表示为：

βimax＝αimax Zi/|L-Zi|    (1-2)

实际分辨率Bimax是(1-1)和(1-1)中的较小的一个，并由此表示为：

Bimax＝min(βimax，βnyq)    (3)

在图2和图3中，坐标Z对应从观察者64沿显示模块1的显示表面1的法线扩展的距离。由(L-Zi)表示从孔或透镜到物体图像73的距离。由Z(＝L+g)表示显示表面61和观察者64之间的距离。分辨率的最大值αimax取决于由将缝隙68中的一个和物体图像的水平端连接在一起的直线形成的角度αcpr。前侧区是指与显示装置的观察者侧对应的相对于观察者64的前面区域。后侧区是指与显示装置的观察者的对立侧对应的相对于观察者64的后面区域。II系统所用的三维图像显示装置可以在前侧区或后侧区形成三维图像。

公式(1-1)表示三维图像的分辨率随孔间距的减小即显示表面的分辨率的增加而增加。但是，显示模块的显示表面的像素间距的减小会例如要求改变由显示模块执行的过程。因此，这不容易实现。

并且，从日本专利申请公报No.07-287195可以清楚地看出，如果在显示表面附近形成三维图像，那么由孔间距限定的分辨率βnyq小于由物体的空间频率决定的分辨率βimax。因此，由孔间距限定的分辨率βnyq起决定作用。另一方面，三维图像离显示表面越远，则公式(1-2)中到观察者的距离Zi就越短。结果，βimax变成起决定作用。例如，对于一定数量的视差和一定的观察区角度根据公式(1-1)和(1-2)决定的分辨率具有如图4所示的关系。在图4中，z轴表示从观察者到三维显示的物体的距离，并且z＝L(m)表示显示装置的位置。纵轴表示由公式(1-1)确定并取决于透镜间距的分辨率βnyq以及由公式(1-2)和从双凸透镜中的一个发射的光线的密度确定的分辨率βimax。图4表示，如果在显示表面附近即在前侧量zn＝zno(m)和后侧量zf＝zfo(m)的区域中显示物体，那么由透镜间距确定的βnyq(1-1)小于βimax，并由此起决定作用。如果在前侧量大于zn或后侧量大于zf的区域中显示物体，那么由来自孔的光线的密度决定的βimax(1-2)起决定作用。

串扰是这样一种现象，即，观察者看到来自本来不会被看到的视差图像的光线。具体地，透镜的散焦、扩散板等会妨碍观察者看到的光线束聚焦到二维图案显示表面上。观察者由此观察包含邻近的视差图像的光线。串扰会使曲线和斜线呈锯齿状，导致其中要显示的物体与其背景相混的劣化的图像。如果例如要沿后侧方向显示圆球，那么圆球的轮廓会不利地呈锯齿状。

三维显示装置的另一问题在于，当为了增加近侧或远侧的量而增加光线密度时，在要由二维显示件以一定的光线方向发射的视差图像中串扰现象会更加明显；观察者不仅观察到用于所需视差图像的光线，还观察到用于邻近的视差图像的光线。串扰还起因于透镜的散焦、扩散膜的插入等。串扰会降低分辨率。

发明内容

本发明的目的在于提供可以提高分辨率的三维显示装置。

根据本发明，提供一种显示装置，该显示装置包括：

显示模块，该显示模块具有其上以矩阵的方式配置像素的显示表面，视差图像被分配给各像素；

光学元件，该光学元件位于与显示模块对立的位置并包含与视差图像相关联配置的光学孔，并用于在接近观察者的前侧区中显示视差图像并在相对于显示模块与观察者对立的后侧区中显示三维图像；和

间隙调整部分，当在前侧区中显示吸引观察者注意的三维图像时，该间隙调整部分根据三维图像的位置将光学元件和显示表面之间的光学间隙设置为大于基准距离，并且，当在后侧区中显示吸引观察者注意的三维图像时，该间隙调整部分根据三维图像的位置将该光学间隙设置为小于该基准距离。

并且，根据本发明，在该显示装置中，该光学元件包括双凸透镜，光学孔与双凸透镜的各透镜对应，并且基准距离与各双凸透镜的焦距对应。

并且，根据本发明，在该显示装置中，当设置间隙长度gn时，在前侧区中第一坐标(znopt)上显示三维图像，当设置间隙长度gf时，在后侧区中第二坐标(zfopt)上显示三维图像，间隙长度gn和gf基本设置如下：

gn＝f+zn×(f×cosθ×p_p)/znopt/lp    (1)

gf＝f-zf×(f×cosθ×p_p)/zfopt/lp    (2)

这里，f表示各透镜的焦距，L表示与观察三维图像时估算的基准距离对应的视距，lp表示各透镜的间距，2θ表示限定可观看正确的三维图像的范围的视域角，在包含透镜的光轴的平面中规定该视域角，以及p_p表示像素的间距。并且，zn和zf由下式限定：

zn＝L×D/(1+D)    (3)

zf＝L×D/(1-D)    (4)

这里，D由下式限定：

$D=\frac{{\left(l_p\right)}^2}{2L{p}_p\tan \left(\mathrm{\θ}\right)}$

并且，第一和第二坐标znopt和zfopt具有由下式规定的范围：

0＜Znopt＜L×D/(1+D)/2    (5)

0＜Zfopt＜L×D/(1-D)/2    (6)

附图说明

图1是示意地表示根据II方法的光线的轨迹以说明基于II方法的三维图像显示的原理的水平面的示意图；

图2是说明根据II系统的基于奈奎斯特频率的分辨率的水平面的示意图；

图3是表示三维图像显示以说明根据II系统基于由一个透镜发射的光线的密度的分辨率的提高的水平面的示意图；

图4表示分辨率和显示三维图像的前侧区和后侧区的位置之间的关系；

图5是示意地说明根据本发明的第一实施例的三维显示装置的水平面的示意图；

图6是示意地表示根据本发明的实施例的显示装置的系统的框图；

图7A、图7B和图7C是表示图5中示出的显示装置中的光线的轨迹的水平面的示意图，该轨迹是当在后侧区中显示三维物体时得到的；

图8A、图8B和图8C是表示图5中示出的显示装置中的光线的轨迹的水平面的示意图，该轨迹是当在前侧区中显示三维物体时得到的；

图9是示意地表示图5中示出的三维显示装置中的三维图像和其视差图像之间的配置关系的水平面的示意图，该关系是当在后侧区中显示三维物体时观察到的；

图10是示意地表示在图5中示出的三维显示装置中由观察者观察的主光线的轨迹的水平面的示意图，该轨迹是当间隙被设置为等于焦距时观察到的；

图11是示意地表示在图5示出的三维显示装置中，经过三维表面上的邻近的视差图像的主光线和邻近的视差图像所用的光线的水平面的示意图；

图12A、图12B和图12C是示意地表示在图5示出的三维显示装置中，如果出现串扰如何按照透镜间距观察视差图像的示意图；

图13是表示视差图像和它们所用的光线的轨迹之间的关系的示意图，该关系是在图5示出的三维显示装置中当三维物体远离显示表面时观察到的；

图14是表示视差图像和它们所用的光线的轨迹之间的关系的示意图，该关系是在图5示出的三维显示装置中当三维物体远离显示表面时观察到的；

图15A表示通过各透镜入射到眼睛的多个主光线的轨迹，该轨迹是在图5示出的三维显示装置中当间隙等于各透镜的焦距时得到的；

图15B是表示在图15A所示的三维显示装置中，显示位置和由主光线投射到瞳孔上的二维显示件上的视差图像之间的关系的示意图。

图16A表示通过各透镜入射到眼睛的多个主光线的轨迹，该轨迹是在图5示出的三维显示装置中当间隙比各透镜的焦距长时得到的；

图16B是表示在图16A所示的三维显示装置中，显示位置和由主光线投射到瞳孔上的二维显示件上的视差图像之间的关系的示意图。

图17A表示通过各透镜入射到眼睛的多个主光线的轨迹，该轨迹是在图5示出的三维显示装置中当间隙比各透镜的焦距短时得到的；

图17B是表示在图17A所示的三维显示装置中，显示位置和由主光线投射到瞳孔上的二维显示件上的视差图像之间的关系的示意图。

图18是表示图5中所示的三维显示装置中的间隙、视距和视域角之间的关系的光线的轨迹；

图19是表示图5中所示的三维显示装置中的间隙、视距、像素间距和透镜间距之间的关系的光线的轨迹；

图20是表示图5中所示的三维显示装置中在屏幕端部的间隙、视距、视域角之间的关系的光线的轨迹；

图21A和图21B是示意地表示图5中所示的三维显示装置的具体实施例的侧视图和前视图；

图22是示意地表示在图5中所示的三维显示装置中要表示的三维物体沿z方向的轮廓的例子的平面图；

图23是示意地表示根据本发明的另一实施例的三维显示装置的水平面的示意图；

图24是示意地表示根据本发明的另一实施例的三维显示装置的断面图；

图25是表示图5中所示的三维显示装置的驱动方法的另一实施例的波形图；以及

图26是表示图5中所示的三维显示装置的驱动方法的实施例的波形图。

具体实施方式

参照附图，对根据本发明的实施例的显示装置进行详述。

图5是示意性地表示根据本发明的第一实施例的三维显示装置的水平断面图。如图5所示，以间隙g在二维显示模块1的显示表面的前面配置作为光线控制元件的双凸透镜2。以像素间距Pp在二维显示模块1上排列各像素。以透镜间距lp沿水平方向配置双凸透镜3，使各双凸透镜2的主轴沿垂直方向延伸。各双凸透镜2具有焦距f。图5中所示的显示装置还具有间隙变化部分4；下面将说明间隙变化部分4的结构的具体例子。间隙变化部分4根据要显示的三维图像调整间隙。图5中所示的光学系统是间隙g(＝gn，gf)比透镜的焦距f长很小的值+Δx的例子。

以矩阵状在二维显示模块1上配置各像素。将视差图像分配给这些像素。来自视差图像的光线通过各双凸透镜2入射到观察者的瞳孔4上。由于来自视差图像的光线在进入观察者的瞳孔前由双凸透镜2控制，因此在二维显示模块1和观察者的瞳孔4之间(在前侧区)显示三维图像19。也在二维显示模块1后面(在后侧区)显示三维图像20。观察者观察这些三维视图。

如果要在前侧区显示高分辨率的三维图像19，则如下式调整间隙gn：

gn＝f+Δx＝f+zn×(f×cosθ×p_p)/znopt/lp    (1)

如果要在后侧区显示高分辨率的三维图像20，则如下式调整间隙gn：

gf＝f-Δx＝f-zf×(f×cosθ×p_p)/zfopt/lp    (2)

在这种情况下，间隙g(＝gn，gf)的调整不仅包括很小的距离±Δx的调整，还包括焦距f的调整。并且，很短的距离±Δx和焦距f对应于按照空气中的折射率(n＝1)的值。如果在整个所述的很短的距离±Δx延伸的空隙是与空气不同的介质，那么这些距离是指按照空气折算的值。

这里，znopt表示从二维显示模块1算起的沿前侧方向的三维物体19的坐标，zfopt表示从二维显示模块1算起的沿后侧方向的三维物体20的坐标。可以将坐标znopt和zfopt设置为沿Z轴(与二维显示模块1垂直的轴)显示的三维图像的平均值或三维图像中的典型点的值。在任一种情况下，都只能将坐标znopt和zfopt设置在三维图像内。并且，θ对应规定可看见正常的三维图像19和20的范围(不包括显示错误图像的范围)的视域角2θ的一半。并且，zn和zf以下式规定：

zn＝L×D/(1+D)    (3)

zf＝L×D/(1-D)    (4)

式(3)和(4)中的D由下式规定：

$D=\frac{{\left(l_p\right)}^2}{2L{p}_p\tan \left(\mathrm{\θ}\right)}$

并且，L表示从光线控制元件2到观察者4的距离。

如果三维图像19和20的前侧量和后侧量znopt和zfopt在以下范围内：

0＜Znopt＜L×D/(1+D)/2    (5)

0＜Zfopt＜L×D/(1-D)/2    (6)

那么，调整间隙g(＝gn，gf)，以分别在前侧区和后侧区显示高分辨的三维图像19和20。

使用上述显示装置，为了根据要显示的三维图像19和20调整间隙g(＝gn，gf)，用户可以如图6所示通过使用输入部分31规定前侧区和后侧区中的一个使显示模块1显示视差图像，为间隙g(＝gn，gf)选择提供的调整值中的一个，并根据选择的调整值指示间隙变化部分4以调整间隙。也可以通过切换提供的用于间隙g(＝gn，gf)的调整值以设置显示最佳的三维图像19和20的间隙值，依次显示三维图像19和20。

作为替代方案，可以设置包含前侧量和后侧量znopt和zfopt的视差图像数据34，使得间隙设置部分35根据前侧量和后侧量znopt和zfopt产生间隙调整信号，以使间隙变化部分4根据该间隙调整信号设置适当的间隙。可以预先设置或通过用户规定前侧区和后侧区。

下面说明为什么可以如上所述调整间隙显示高分辨的三维图像19和20。

首先，参照图7A、7B、7C、8A、8B和8C，说明二维装置映像视差图像的位置和观察者观察的邻近的视差图像之间的关系；映像的视差图像用于显示前侧区中的三维物体19和后侧区中的三维物体20。

图7A、7B和7C表示二维器件上的视差图像和有助于三维物体的视差图像之间的关系和投射到瞳孔上的视差图像，以及在后侧区中显示的三维图像20。参照图7A，说明观察者如何通过透镜2A，不仅看到从二维显示件上的视差图像6A发射的光线，而且看到从邻近视差图像6A的视差图像5A和7A发射的光线。不仅来自视差图像6A的光线，而且来自视差图像5A和7A的光线束入射到透镜2A上；视差图像6A与透镜2A对应，并且视差图像5A和7A的位置邻近视差图像6A。在后侧区中不仅显示三维图像6A的部分6A′，而且显示其周边部分5A′和7A′。即，不仅部分6A′，而且周边部分5A′和7A′有助于后侧区中的三维图像20的显示。周边部分5A′和7A′相对于经过视差图像6A和透镜2A的主光线41对称。在与显示表面上的视差图像5A和7A的配置相同的方向上，分别在部分6A′的左边和右边配置周边部分5A′和7A′。来自显示部分5A′、6A′和7A′的光线束在观察者的瞳孔4中形成显示图像5A″、6A″和7A″。观察者的瞳孔4中的显示图像5A″和7A″相对于显示图像6A″对称。显示图像5A″和7A″沿横向的配置方向与二维显示件上的视差图像5A和7A相反。

图8A、8B和8C表示二维器件上的视差图像和有助于三维物体的视差图像之间的关系和投射到瞳孔上的视差图像，以及在前侧区中显示的三维图像。注意二维显示件上的透镜2A。如上所述，不仅来自视差图像6A的光线，而且来自视差图像5A和7A的光线束入射到透镜2A上；视差图像6A与透镜2A对应，并且视差图像5A和7A的位置邻近视差图像6A。在前侧区中显示三维图像6A的部分6A′及其周边部分5A′和7A′。即，图像部分6A′、5A′和7A′有助于三维图像19的显示。周边部分5A′和7A′相对于经过视差图像6A和透镜2A的主光线41对称。显示表面上的视差图像5A和7A沿横向的配置方向相反。来自显示图像5A、6A和7A的光线束在观察者的瞳孔4中形成显示图像5A″、6A″和7A″。观察者的瞳孔中的显示图像5A″和7A″相对于显示图像6A″对称。显示图像5A″和7A″沿横向的配置方向与二维显示件上的视差图像5A和7A相反。

如上所述，二维显示件上的视差图像5A、6A和7A在横向上的配置方向总是与进入瞳孔4的视差图像5A″、6A″和7A″相反。但是，有助于形成前侧区中的三维物体19的视差图像沿横向的配置方向与发射到观察者的平行图像5A″、6A″和7A″相同。相反，有助于形成后侧区中的三维物体20的视差图像5A′、6A′和7A′沿横向的配置方向与平行图像5A″、6A″和7A″相反。

如果提高光线密度以引起与对应于所需方向的光线不同的邻近的视差图像进入眼睛的串扰，那么，如图8A所示，来自邻近透镜2A的透镜2B和2C的主光线为沿所需方向的前侧区中的三维图像19的显示进行补偿。因此邻近的视差图像5A和7A有助于三维图像的平滑显示。当要显示如图8B所示的具有曲线或倾斜轮廓的三维图像19时，可以通过使邻近的视差图像在适当的位置入射到瞳孔上，以如图8C所示的相对平滑的轮廓对其进行显示。

并且，如图7A所示，来自与透镜2A相邻的透镜2B和2C的主光线41、42B和42C也有助于形成后侧区中的三维图像20。但是，由包含主光线41、42B和42C的光线束形成的邻近的视差图像沿横向的配置方向与视差图像5A″、6A″和7A″相反。因此，如图7B所示，当显示具有曲线或倾斜轮廓的三维物体时，如果邻近的视差图像进入瞳孔，则以图7C中所示的锯齿状轮廓显示三维图像。即，包含经过邻近的透镜2B和2C的主光线41、42B和42C的光通量无助于如图8C中所示的分辨率的提高。事实上，该光通量是降低分辨率的因素。

现在，说明具有如图8A所示的平滑轮廓的三维图像的显示条件。

将说明当串扰由透镜的散焦控制时实际三维物体和投射到瞳孔4上的视差图像之间的关系。

如图5所示，假定间隙g等于或大于焦距f。一旦进入透镜2，从瞳孔4到透镜2的平行光线被会聚于焦距f上。由于光线直线传播，因此它们在二维显示件上相交。这些光线由此相对于透镜2的光轴在横向上沿对立的方向前进。因此，三维图像19的主光线6A′和邻近的视差图像5A′和7A′之间的关系在横向上与上述的主光线6A′和二维显示件上的邻近的视差图像5A和7A之间的关系相反。因此，入射到瞳孔4上的邻近的视差图像5A″和7A″的配置与所用三维图像19的邻近的视差图像5A′和7A′相同。因此，即使显示图8A所示的球面，与串扰对应的来自邻近透镜2B和2C的主光线是可见的，但与邻近的视差图像5A′和7A′平滑结合。

但是，如图7A所示，用于后侧区中显示的三维物体20的主光线6A″和邻近的视差图像5A″和7A″之间的关系在横向上与上述的主光线6A″和二维显示件上的邻近的视差图像5A和7A相同。因此，进入瞳孔4的邻近的视差图像的配置与用于实际三维图像的邻近的视差图像相反。结果，如果显示诸如图7B中所示的球面，其轮廓呈现如图7C所示的锯齿状。

现在，说明如图9所示间隙g比透镜2的焦距f短的情况。一旦进入透镜，从瞳孔4到透镜的平行光线在焦距f上会聚。但是，由于透镜2和二维显示件之间的较短的间隙，该光线没有被会聚到二维显示件上。由于光线直线传播，因此，它们进入瞳孔4，同时在二维显示件上保持邻近的视差图像的横向配置。因此，从参照图7A进行的说明可以清楚地看出，在图像形成的过程中，后侧区中的二维图像上的视差图像具有与有助于后侧区中的三维物体的视差图像相同的横向次序。因此，进入瞳孔4的邻近的视差图像的配置与用于后侧区中的三维图像的邻近的视差图像相同。因此，即使与串扰对应的主光线可见，它们也可以平滑地与来自邻近的透镜的主光线结合。但是，从参照图8A进行的说明可以清楚地看出，在图像形成的过程中，二维图像上的视差图像的横向次序与有助于前侧区中的三维物体20的视差图像相反。因此，在图8A中，进入瞳孔4的邻近的视差图像的配置在横向上与用于前侧区中的三维图像的邻近的视差图像相反。结果，可能的串扰使图像的轮廓呈锯齿状。

以上对如何与透镜的焦距g和透镜2和二维显示件之间的间隙g之间的关系相关地在三维显示装置中观察三维物体进行了说明。如果间隙g比焦距f长，那么，即使串扰是可见的，有助于前侧区中的三维物体的邻近的视差图像的配置也是正确的。如果间隙g比焦距f短，那么，即使串扰是可见的，有助于后侧区的三维物体的邻近的视差图像的配置也是正确的。

现在，将说明串扰有助于三维图像的形成时，以正确的次序并且在基本正确的位置上配置视差图像的条件。

首先，确定当间隙g比焦距f长时出现的串扰量，即，进入观察者的瞳孔4的视差图像的数量Δpn。这里，数量Δpn不限于整数值。并且，Δpn×p_p(像素间距)表示二维显示件上的区域的长度，在该区域中，会聚从瞳孔位置到透镜中的一个的基本平行的光线。

在图9中，分别将焦距和透镜间距规定为f和lp。将间隙p的增量规定为Δx。将在二维图案显示区中散焦的像素的数量规定为Δp_n。分别将二维显示模块1的视域角和像素间距规定为2θ和p_p。假定双凸透镜的透镜2A、2B和2C为球面。

下面将参照图10说明视域角2θ。这里，θ表示在包含在视区表面上的二维显示件上通过一个透镜投射的所有视差图像(视差图像的总数：NPmax)的区域中，穿过区域的端部的视差图像和透镜2的中心的光线和穿过中心视差图像和透镜2的中心的光线之间的角度。由于2θ是通过一个透镜2可看到一系列视差图像的最大角度，因此将其规定为视域角。另一方面，θ′表示当二维显示件和透镜表面之间的间隙等于透镜的焦距时，将二维图像器件上的中心视差图像和透镜的中心连接在一起的光线(透镜的光轴)与穿过透镜2的端部的光线之间的角度。透镜2中的凹面和凸面实际存在高度差异。但是，这种差异很小，使得在图10中角度θ′基本等于角度θ。

如果角度θ′等于角度θ，并且图5中所示的角度θ(＝θ′)小到与透镜的傍轴区相关地加以考虑，那么在三角形相似性的基础上给出下式：

g＝f+Δx

fcosθ∶lp＝Δx∶Δp_n×p_p

因此，建立下式：

Δp_n＝lp×Δx/(fcosθ×p_p)  (7)

即，像素的增加量Δp_n与间隙g的增加量Δx成比例。

可以以简单的方式估算二维显示模块1上的散焦区。

现在，参照图11，在穿过三维物体的表面上的邻近的视差图像的主光线和用于邻近的视差图像的光线之间的关系的基础上，说明三维图像的近侧量znopt和最佳间隙g之间的关系。

图11表示主光线和用于邻近的视差图像的光线的轨迹。在图11中，附图标记47表示分别来自用于透镜2A和2B的中心视差图像6A和6B的光线的轨迹。附图标记49表示透镜2A的一个邻近的视差图像5A的光线的轨迹和透镜2B的一个邻近的视差图像7B的光线的轨迹。并且，zn表示从在来自透镜A的主光线与来自透镜B的邻近视差光线交叉的位置上的光线控制元件算起的距离。并且，t表示在三维物体的位置上的前侧位置znaopt上，来自透镜2A的主光线47和邻近的视差光线的中心轨迹49之间的水平偏移量。将相邻的透镜2A和2B之间的中点上的三维图像19的近侧量规定为znopt。并且，当将透镜2A上的邻近的视差图像的近侧量规定为znaopt，并将透镜2B上的邻近的视差图像的近侧量规定为znbopt时，这两个量实际上经常相互不同。但是，对于很小的透镜间距和连续的三维图像，可以有以下近似关系：

znaoptznoptznbopt    (8)

当假定从邻近的视差发射并穿过透镜2A或2B的主光线在前侧位置zn上与来自相邻的透镜2A或2B的主光线相交时，在三角形相似形的基础上建立下式：

Z_naopt∶Z_n＝t∶lp        (9)

从式(8)得到下式：

Z_nopt∶Z_n＝t∶lp         (10)

参照图12A、图12B和图12C，对当出现串扰时如何沿水平方向观察视差图像进行说明。如果瞳孔4观察三维显示装置，那么没有串扰，来自透镜2A或2B的光线使得如图12A所示仅可看见一个视差图像成分。但是，如果如上所述由透镜2A或2B的散焦产生串扰，那么不仅来自一个透镜2A或2B的一个视差光线是可见的，邻近的视差光线也是可见的。图12B表示通过透镜2A和2B中的一个可见的视差光线的数量Δpn是4的情况。图12C表示通过透镜2A和2B中的一个可见的视差光线的数量Δpn是2.4的情况。

要在正确的位置上观察呈现为相邻主光线之间的串扰的相邻的平行图像，优选在与呈现为串扰的邻近的视差图像相同的位置上，配置在图像形成的过程中有助于三维物体的邻近的视差图像。并且，硬件决定主光线和在观察距离上的邻近的平行图像之间的角度。例如，当将视差数规定为N，并将视域角规定为2θ时，上面的角度为2θ/(N-1)(度)。于是，这些项的关系式的导出使得可以在正确的位置上观察呈现为串扰的邻近的视差图像。

结合串扰量，假定通过一个透镜可见的视差数为Δpn，那么可见的邻近的视差图像每透镜间距的比率为1/lp。并且，假定在位置Znopt上邻近的视差图像和对应的主光线之间的距离为t，那么有助于三维物体的邻近的视差图像的水平位置每透镜间距为t/lp。如果它们相等，即，如果建立下式：

t∶lp＝1∶Δpn    (11)

那么示出邻近的视差图像，使得将主光线内插到正确位置上。然后，结合公式(10)和(11)以导出：

z_nopt＝t×z_n/lp   (12)

＝z_n/Δpn         (13)

现在，说明确定公式(13)中所示的z_n的方法。将z_n规定为当在视距上观察三维装置时，由透镜间距确定的分辨率(奈奎斯特频率)等于由从某一透镜发射的光线的密度确定的分辨率的位置。

在本实施例中，主光线47和邻近的视差图像的光线49之间的视差角总是相等。因此，可以为包含装置的前面的视角的任何视角规定相同的z_n。

根据H.Hoshino，F.Okano，H.Isono和I.Yuyama在“Analysis ofresolution limitation of integral photography”，J.Opt.Soc.Am，A15(1998)第2059-2065页的内容，将深度因子D规定为：

D＝α_imax/β_nyq    (14)

在公式(3)的基础上，当z_no表示从视距上的位置到三维物体的距离时，在近侧量的情况下满足下式：

α_imax×z_no/|L-z_no|＝β_nyq    (15)

这里，图11中所示的视距L对应于观察者4和用作光线控制元件的双凸透镜2之间的距离。这里应注意，为了显示三维图像，视距L对应于基准距离，该基准距离用作为在二维显示模块上显示二维映像数据而进行的计算的基准。还应注意，视距L是图像数据中的固有值，不表示任意观察者的位置。可以如下表达建立下式的近侧区中的位置z_n：

β_nyq＝β_imax

首先，根据条件L-z_no＞0修改公式(15)。

D×z_no/|L-z_no|＝1

即，给出下式：

D×z_no＝L-z_no

因此，导出下式：

z_no＝L/(1+D)                  (16)

按照相对于显示表面下面或下面的光线控制元件2的近侧量z_n重写该基准，取代相对于观察者4的位置。那么，如图11所示，满足下式的近侧量大致等于z_n。

z_no＝L-z_no＝L×D/(1+D)        (17)

如H.Hoshino，F.Okano，H.Isono和I.Yuyama在“Analysis ofresolution limitation of integral photography”，J.Opt.Soc.Am，A15(1998)第2059-2065页中公开的那样，为最大像素间距建立下式：

$D=\frac{{\left(l_p\right)}^2}{2L{p}_p\tan \left(\mathrm{\θ}\right)}$

当将透镜表面和二维图案显示件之间的间隙规定为gn时，根据式(7)和(13)为傍轴区给出下式：

Δpn＝z_n/z_nopt

Δpn＝lp×Δx/(fcosθ×p_p)

Δx＝(z_n/z_nopt)×fcosθ×p_p/lp    (19)

因此，如果三维显示区位于位置z_nopt，由于邻近的视差图像为主光线进行补偿，因此具有下式中决定的值的间隙使得可以观察到具有增加的分辨率的三维显示。

gn＝f+Δx＝f+(zn/z_nopt)×fcosθ×p_p/lp    (1)

例如，对于图11中所示的前侧位置上的显示，如果图11中所示的串扰量Δpn等于4个视差，那么邻近的视差图像沿相应的方向从邻近的透镜内插图像。因此，对于显示表面附近的三维物体，为了使得在正确位置上观察邻近的视差图像，优选如Δpn＝4视差的情况那样，增加通过一个透镜可见的视差的数量。

图13表示三维物体的位置远离显示表面的情况。在这种情况下，当与通过透镜2A和2B中的一个可见的串扰量对应的视差的数量Δpn为2.4时，在最佳位置观察邻近的视差图像。必须将串扰量降低到图11中所示的例子中的串扰量以下。因此，当二维显示件和透镜表面之间的间隙的长度g与透镜的焦距f接近时，在正确的位置上观察邻近的视差图像。

现在，参照图14，对于具有增加的分辨率的区域进行说明。当邻近的视差图像在图14中所示的位置zn与对应的邻近的主光线相交时，并且，如果位置zn位于相对于zn/2的前侧区中，那么用于主光线的相隔邻近的视差图像穿过三维图像。结果，观察到重像。

因此，需要以下条件，以使邻近的视差图像正确地为主光线进行补偿。

0＜znopt＜zn/2    (20)

现在，说明串扰量的测量方法。例如，为了测量串扰量，将R(红)、G(绿)和B(蓝)写到邻近视差，使得对于双凸透镜2的垂直方向使用相同的颜色，同时对于水平方向使用不同的颜色。然后，以类似的方法将颜色写到邻近双凸透镜2的相同视差数。然后，可以通过在观察者的位置沿水平方向移动光电二极管并检测在哪里清楚地观察到R、G和B的波长，确定串扰量。作为替代方案，可以通过观察者主观上估计色调，大致确定串扰量。

已对提高在前侧区中显示的三维物体的分辨率的方法进行了说明。下面，将对提高在后侧区中显示的三维物体的分辨率的方法进行说明。

在图9中，由几何条件确定二维显示模块1的散焦区。

g＝f-Δx

fcosθ∶lp＝Δx∶Δp_n×p_p

因此，给出下式：

Δp_n＝lp×Δx/(fcosθ×p_p)          (21)

因此，确定可以在三维图像的主光线之间的正确位置上显示即使在后侧区中显示的呈现为串扰的邻近的视差图像的条件。当将邻近的视差图像与邻近的主光线相交的位置规定为zf时，建立下式：

Δx＝(zg/z_nopt)×fcosθ×p_p/lp

f-Δx＝f-(zf/z_nopt)×fcosθ×p_p/lp    (22)

然后确定zf的位置。

首先，将满足条件β_nyq＝β_imax的后侧区中的位置规定为zf。当将从在视距L上的观察者算起的距离规定为z_fo时，按以下方法确定满足条件β_nyq＝β_imax的后侧区中的位置z_f。

z_fo-L＞0

修改公式(15)以导出：

D×z_fo＝z_fo-L

即，给出下式：

D×z_fo(z_fo-L)＝1

因此，导出下式：

z_fo＝L/(1-D)

按照相对于显示表面下面或下面的光线控制元件的近侧量zf重写该基准，取代相对于观察者的位置。然后，建立下式：

z_f＝z_fo-L＝L×D/(1-D)

然后，如前侧区的情况那样，在后侧区中，邻近的视差图像位于水平位置上，当满足下式时在该位置上为对应的主光线进行补偿：

0＜Z＜zf/2

0＜Z＜L×D/2(1-D)    (23)

这里，由下式确定深度因子D。

$D=\frac{{\left(l_p\right)}^2}{2L{p}_p\tan \left(\mathrm{\θ}\right)}$

因此，为了提高在位于zfopt上的后侧区中显示的三维物体的分辨率，可以根据公式(22)按以下方法确定二维显示件和透镜表面之间的距离。

gf＝f-Δx＝f-zf×fcosθ×p_p/lp/z_fopt    (2)

并且，为了防止由串扰导致的重像，可以根据公式(20)按下式确定应用公式(19)的三维物体的远侧的范围。

0＜Z＜L×D/(1-D)/2

$D=\frac{{\left(l_p\right)}^2}{2L{p}_p\tan \left(\mathrm{\θ}\right)}$

现在，讨论间隙变化的问题。

图15A和图15B表示三维显示装置的一部分以及通过各透镜2可见的主光线和当间隙g等于透镜的焦距f时进入观察者的眼睛的主光线的视差图像36。视差图像36提供数量只是视差数N的整倍数的视差光线。因此，例如，当视差光线如图15B所示从三视差变为四视差时，可以观察到三视差和四视差的视差数(数3、数3和4、数4、数4和5、数5)。使用这种观察，可见图像对应两个视差数的平均值。

图16A和图16B表示通过各透镜2看到的主光线和当间隙g比各透镜的焦距f长时进入观察者的眼睛的主光线的视差图像。当间隙g比焦距f长时，眼睛观察到各平行图像38到整个透镜的端部的距离比当间隙g与透镜的焦距f一样长时看到的相应视差图像36更近。因此，观察到的三维图像在水平方向稍微有些缩小。

并且，图17A和图17B还表示通过各透镜2看到的主光线和当间隙比各透镜的焦距f短时进入观察者的眼睛的主光线的视差图像。当间隙g比焦距f短时，眼睛观察到各平行图像37到整个透镜的中心的距离比当间隙g与透镜的焦距f一样长时看到的相应视差图像36更近。因此，观察到的三维图像在水平方向稍微有些放大。

下面说明通过改变间隙g防止看到与固有地看到的视差图像不同的视差图像的条件。从图16A、图16B、图17A和图17B可以清楚地看到，对于显示装置前面的观察者，视差图像主要在屏幕的端部移动。因此，对当改变间隙g时在屏幕的端部看到的视差图像如何移动进行确定。严格而言，应考虑观察者位于屏幕的端部的情况的条件，但由于观察者一般在屏幕的中心观察图像，因此将特别说明这种情况。

图18表示间隙g和视距L和视域角2θ之间的关系。在图18中，将视距L设置为图像形成的距离，将透镜间距规定为lp，将孔角θ设置为视域角2θ的一半。并且，分别将像素间距、透镜间距、视差数和视域宽规定为Pp、g、N和W。将从透镜的中心位置上的像素到透镜端部上的像素的中心的距离表示为(N-1)×Pp/2。因此，在三角形相似性的基础上建立下式：

g∶(N-1)×Pp/2＝L∶W/2

通过下式得到间隙g：

g＝L×(N-1)×Pp/2/W×2

在这种情况下，由于视域角为2θ，因此给出下式：

W＝L×tanθ×2

g＝L×(N-1)×Pp/2/L/tanθ

＝(N-1)×Pp/tanθ/2    (24)

图19表示当透镜间距等于视差数×像素间距时，在二维图案显示件上投影的视差图像连同对应的邻近的主光线如何从透镜间距发生偏移。在图19中，在三角形相似定律的基础上确定公式(25)。

L∶L+g＝lp∶Y1

Y1＝(L+g)×lp/L        (25)

参照图20，计算M透镜从中心的偏移量Ym(g上)。

L∶L+g＝M×lp∶Ym

Ym(g上)＝(L+g)×M×lp/L    (26)

根据公式(26)，当间隙g具有比焦距f长的长度gn时，建立以下关系：

Ym(gn上)＝(L+gn)×M×lp/L

当间隙g具有比焦距f短的长度gf时，建立以下关系：

Ym(gf上)＝(L+gf)×M×lp/L

因此，如果将在屏幕的端部观察的视差图像设置为离固有地观察的视差图像至多±0.5视差，特别地是离考虑黑矩阵可见的区域至多±0.7视差，则沿水平方向缩小或放大三维显示。因此，看到的三维显示是不适当的。因此，在前侧区的情况下，由下式确定三维图像没有变形的范围：

Ym(g上)-Ym(gn上)＜0.7×Pp      (27)

然后修改公式(27)以导出：

(gn-g)×M×lp/L＜0.7×Pp

Δgn＝gn-g＜0.7×Pp×L/M/lp    (28)

然后，当在后侧区的情况下，由下式确定三维图像没有变形的范围：

Ym(gf上)-Ym(g上)＜0.7×Pp      (29)

然后修改公式(29)以导出：

(g-gf)×M×lp/L＜0.7×Pp

Δgf＝g-gf＜0.7×Pp×L/M/lp    (30)

这表示Δgn与Δgf相同。

当第M透镜位于屏幕的端部且屏幕的宽度被规定为Wr时，建立不等式(31)。

M＝Wr/2/lp

Δgn＝Δgf＜0.7×Pp×L/Wr×2×lp/lp

Δg＜0.7×Pp×L/Wr×2          (31)

通过这样适当地调整间隙，不仅可使来自透镜2A的光线，而且可使来自邻近透镜2A的透镜2B和2C的光线有助于显示要显示的三维图像的图像部分；来自透镜2A的光线有助于显示要显示的三维图像的图像部分，并且来自透镜2B和2C的光线另外产生串扰。特别地，当要在前侧区中显示三维视图以由观察者观察时，通过将从间隙g的端部到显示表面上的平行图像的距离(对应于透镜2A的表面和显示表面之间的距离)设置为比透镜2A的焦距f长，可以利用来自邻近的透镜2B和2C的光线以适当地显示三维图像。在这种情况下，必须根据要显示的三维图像(显示的从透镜表面向观察者伸出的三维图像)的前侧距离Zn设置间隙g的距离。另一方面，当要在后侧区(位置与观察者相对于显示表面相对)显示三维视图以由观察者观察时，通过将从间隙g的端部到显示表面上的平行图像的距离(对应于透镜2A的表面和显示表面之间的距离)设置为比透镜2A的焦距f短，可以利用来自邻近的透镜2B和2C的光线以适当地显示三维图像。在这种情况下，必须根据要显示的三维图像(显示的从透镜表面向观察者伸出的三维图像)的后侧距离Zn设置间隙g的距离。

以下说明图6中所示的间隙变化部分4的具体实施例。

图21A和图21B分别表示基本在整个屏幕均匀地以机械的方式改变间隙g的机构的示意性侧视图和前视图。图21A和图21B中所示的机构在显示模块1和双凸透镜2之间具有厚度调整部分40。厚度调整部分40是闭合膜片部分或由橡胶制成并根据气压膨胀或收缩的气压调整机构，或是可以通过响应外部信号产生变形来调整间隙长度的步进马达或致动器构件。

并且，如参照图6说明的那样，为了根据图像控制间隙长度，可以通过将元文件附加到图像数据上，设置理想的间隙，该文件说明对于要显示的各图像的典型前侧距离z。

为了改变整个屏幕的位置，图21A和图21B中所示的间隙变化机构必须选择是否将更大的重要性附加到前侧区或后侧区。即，元文件可以规定观察者主要观察的区域(前侧区或后侧区)。

图22表示这样一种三维图像的例子，即，该三维图像具有用轮廓示出的前侧区和后侧区的混合部分。在图22中，附图标记41表示在前侧区中显示的三维图像的轮廓。附图标记42表示在后侧区中显示的三维图像的轮廓。对于图22中所示的这种三维图像，必须加宽间隙g，以提高在前侧区中显示的三维图像的分辨率。相反，必须使间隙g变窄，以提高在后侧区中显示的三维图像的分辨率。如果需要以较高的分辨率同时观察这种图像的前侧区和后侧区，优选取代图22中所示的机构而使用可以在整个屏幕改变间隙的分布的调整机构。即，调整显示表面1和双凸透镜2的表面之间的间隔，使得对于具有图22中所示的轮廓41的三维图像，加宽间隙g，对于具有轮廓42的三维图像，使间隙g变窄。

图23表示部分地调整显示模块1的屏幕的间隙长度的显示装置。在该显示装置中，间隙长度在整个屏幕上不均匀，而是具有一定的间隙分布。

在图23所示的装置中，在透镜2和显示模块1之间插入例如透明液晶层的透明层47；透明层47具有可以通过施加的电压改变的折射率。特别地，透明层47由用于有源矩阵系统的液晶构成。通过控制施加的电压，根据透明层47的位置，改变该层的折射率。在这种情况下，标准TN模式的液晶具有由电场改变的扭曲量并由此使其折射率在相对于玻璃衬底的垂直模式和水平模式之间变化。这导致空气方面的间隙变化。对于间隙长度，必须向较厚的层施加较大的电场，改变其折射率。因此，使用厚的液晶层，优选在液晶层中设置电极，以在多个层中控制电压。在示例性例子中，在区域47-1中将折射率保持为nV，在区域47-02中保持为n0。当透明层47具有实际厚度t0时，区域47-1中的按照空气的间隙长度为t0/nV。并且，区域47-2中的按照空气的间隙长度为t0/n0。因此，诸如图23的显示装置可以以较高的分辨率在一块屏幕内在前侧区和后侧区同时平滑清楚地显示至少两个图像。

如果要显示的三维图像是静态图像，例如是照片图像，可以提供预定的分布，在该分布中，为静态图像的各区域确定固定的间隙长度，并在整个屏幕上设置固定的间隙长度。图24表示具有在整个屏幕提供固定的间隙的预定分布的显示装置。在图24所示的显示装置中，在显示模块1上设置具有预定的厚度分布的膜状透明构件45。在透明构件45上设置双凸透镜44。根据诸如不发生变化的照片的静态图像的前侧区或后侧区中的位置z，为各区域以间隙g设置膜状透明构件45。优选用具有足够的柔性以允许透镜弯曲一定的角度的材料制成双凸透镜44。在图24所示的显示装置中，根据要显示的三维图像的前侧量提供最佳间隙。这使得可以在前侧区和后侧区显示高分辨率的平滑的三维图像。

可以对包含间隙调整机构的显示装置进行显示驱动，使得可以如图25所示以一定的周期改变间隙。如果可以如图25所示以较短的时间周期改变间隙，那么可以在相同显示内容的后侧区和前侧区增加分辨率。即，可以暂时改变间隙g，以随时间为前侧区或后侧区中的屏幕的各部分提供最佳间隙长度。结果，通过利用眼睛的余像，可以显示高分辨率的三维图像。

也可以为最佳间隙长度准备与分辨率提高的位置有关的规定的项目，使得观察者可以规定任何位置。即，显示模块1可以显示与分辨率提高的位置有关的项目，使得观察者可以在使显示模块1显示三维图像之前选择任何项目。换句话说，观察者可以使三维显示装置在前侧区或后侧区显示三维图像，然后观察实际显示的三维图像，以决定是否提高其分辨率。如果观察者希望调整分辨率，他或她可以通过依次从与分辨率提高的位置有关的项目中进行选择，为显示装置提供最佳间隙g。在这种情况下，可以将具有倾斜轮廓的字符或三维物体，优选球面物体，作为样本放置在典型的后侧位置，使得当观察图像时，观察者可以指定任何分辨率提高的位置，以设置间隙长度。当使用输入部分31指定分辨率提高的位置时，调整二维显示模块和各透镜之间的间隙。因此，观察者可以确认用于字符或三维物体的主光线已由适当的邻近的视差图像进行补偿。这种方法使得可以按观察者的爱好表达三维物体。

本发明适用的二维显示模块包括诸如液晶显示模块、有机EL显示模块和FED(场发射显示)的平面显示模块。但是，从本发明的精神可以清楚地看到，本发明不限于这些显示模块。

在本发明的说明中，将双凸透镜用作具有光学孔的光学元件。但是，本发明可用于具有以阵列的方式在垂直和水平方向配置的多个透镜的透镜阵列。另外，不管观察位置如何，双凸透镜都不具有光阻挡部分，由此提供连续图像。因此，适于将双凸透镜作为光学元件加入三维显示装置中，

现在，将结合应用于将缝隙用作光线控制元件的情况的方法说明本发明。例如，如果为了降低波纹或提高亮度将孔部分的宽度设置为大于像素宽度，那么不管间隙的尺寸多大，都以固定的方式观察到邻近的视差图像。眼睛看到如图9所示的二维显示上的邻近的视差图像的配置。因此，仅对于后侧区中的三维物体，邻近的视差图像用于正确地表达相应的主光线。并且，在一些结构中，孔部分的宽度比像素宽度小，使得难以看到邻近的视差图像。即使在这种情况下，如果三维显示装置具有较高的光线密度，使得可以通过一个孔部分容易地看到邻近的视差图像，那么进入眼睛的邻近的视差图像的配置与图5中所示的二维显示件上的邻近的视差图像的配置相反，使得根据本发明的间隙调整仅对沿前侧方向的三维物体有效。

即使为了防止波纹而以相对于二维显示模块倾斜的方式配置用作光线控制元件的双凸透镜或缝隙，本发明也是适用的。

根据本发明，进入单个眼睛的邻近的视差图像为相应的主光线进行补偿。另一方法使用双眼为不足的光线进行补偿。但是，与使用单个眼睛的方法相比，该方法会由于右图像和左图像之间的不平衡而使眼睛疲劳。因此，优选使用单个眼睛，以提高分辨率。

本发明可以提供利用串扰以根据近侧或远侧的所需量提高图像的分辨率的三维显示的装置和方法。

在该三维显示装置中，由透镜间距决定显示表面附近的分辨率。但是，可以通过根据后侧区或前侧区中的显示位置改变透镜表面和二维显示模块之间的间隙，利用邻近的视差图像提高分辨率。

如上所述，本发明可以通过使用光线控制元件和二维图案显示模块，增加三维显示装置的分辨率。

本领域技术人员可以很容易想到其它优点和修改方案。因此，在更宽方面本发明不限于这里示出和说明的具体细节和示例性实施例。因此，在不背离由所附的权利要求书和其等同物规定的总体发明概念的精神和范围的情况下，可以进行各种修改。

Claims (9)

1.一种用于显示三维图像的显示装置，包括：

显示模块，该显示模块具有其上以矩阵形式配置像素的显示表面，视差图像被分配给所述像素；

光学元件，该光学元件位于与显示模块对立的位置且包含与视差图像相关联配置的光学孔，被构成为将视差图像投射到前侧区并显示前侧区中的第一三维图像和相对于显示模块与前侧区对立的后侧区中的第二三维图像中的一个；和

间隙设置部分，该间隙设置部分被构成为设置光学元件和显示表面之间的第一光学间隙以显示前侧区中的第一三维图像，并设置光学元件和显示表面之间的第二光学间隙以显示后侧区中的第二三维图像，其中第一光学间隙具有比根据三维图像的位置决定的基准距离长的第一间隙长度，第二光学间隙具有比所述基准距离短的第二间隙长度。

2.根据权利要求1的显示装置，其特征在于，光学元件包含双凸透镜，所述各光学孔对应于双凸透镜的各透镜，并且基准距离对应于各双凸透镜的焦距。

3.根据权利要求2的显示装置，其特征在于，当将第一光学间隙设置为间隙长度gn时，在前侧区中在第一坐标(znopt)上显示第一三维图像，当将第二间隙设置为间隙长度gf时，在后侧区中在第二坐标(zfopt)上显示第二三维图像，间隙长度gn和gf基本设置如下：

gn＝f+zn×(f×cosθ×p_p)/znopt/lp    (1)

gf＝f-zf×(f×cosθ×p_p)/zfopt/lp    (2)

这里，f表示各透镜的焦距，L表示与根据第一和第二三维图像估算的基准距离对应的视距，lp表示各透镜的间距，2θ表示限定可观看正确的第一和第二三维图像的范围的视域角，在包含透镜的光轴的平面中规定该视域角，以及p_p表示像素的间距，其中，zn和zf由下式限定：

zn＝L×D/(1+D)    (3)

zf＝L×D/(1-D)    (4)

这里，D由下式限定：

$D=\frac{{\left(l_p\right)}^2}{2L{p}_p\tan \left(\mathrm{\θ}\right)}$

并且，第一和第二坐标znopt和zfopt具有由下式规定的范围：

0＜Znopt＜L×D/(1+D)/2    (5)

0＜Zfopt＜L×D/(1-D)/2    (6)

4.根据权利要求2的显示装置，其特征在于，如果由g规定所述间隙长度，并且将间隙的变化量规定为Δg，则在下式表示的范围内选择所述间隙长度和间隙的变化量：

g-Δg＜g＜g+Δg

Δg＜0.7×Pp×L/Wr/2

其中，Pp表示像素间距，Wr表示显示模块的显示表面的宽度。

5.根据权利要求1的显示装置，其特征在于，间隙设置部分包含可以改变间隙的机构。

6.根据权利要求1的显示装置，其特征在于，间隙设置部分包含通过改变间隙的折射率来调整基本上按照空气换算的间隙长度的折射率变化机构。

7.根据权利要求6的显示装置，其特征在于，折射率变化机构包含液晶和向所述液晶施加电压的电极，以根据显示表面上的区域部分地改变所述折射率。

8.根据权利要求7的显示装置，其特征在于，折射率变化机构基于有源矩阵系统并包含TFT结构。

9.根据权利要求1的显示装置，其特征在于，为了显示静态三维图像，间隙设置部分包含具有厚度分布的膜状膜片以提供相对于显示表面改变的间隙长度。

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