CN102282501A - 空间图像显示装置 - Google Patents

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CN102282501A CN201080004826.5A CN201080004826A CN102282501A CN 102282501 A CN102282501 A CN 102282501A CN 201080004826 A CN201080004826 A CN 201080004826A CN 102282501 A CN102282501 A CN 102282501A
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Abstract

本发明公开了一种空间图像显示装置，其利用简单的构造来形成更为自然的空间图像。在空间图像显示装置(10)中，与视频信号相对应的二维显示图像由显示部(2)生成。与显示部(2)的一组像素(22)相对应的显示图像光的波面全部被与这组像素(22)相对应的一个液体光学元件(41)变换，并且显示图像光全部发生偏转。因此，与向一个像素(22)设置一个液体光学元件(41)的情况相比，在不增加显示部(2)的帧频的情况下，更多相互不同的二维图像光朝向平行于水平面的不同方向输出。

Description

空间图像显示装置
技术领域
本发明涉及显示空间物体的三维视频的空间图像显示装置。
背景技术
通过使用对人体生理机能的认识，实现了三维视频的生成。换言之，观测者基于对分别进入其左右眼的图像位差(双眼视差)的认识和对会聚角的认识，对利用睫状体和睫状小带调节眼睛晶状体的焦距时所产生的生理机能(焦距调节机能)的认识，以及对图像运动时所看见的(多个)图像变化(运动视差)的认识，在大脑进行综合处理的过程中，感觉到三维物体。如同利用上述生理机能认识中的“双眼视差”和“会聚角”生成三维视频的方法，例如，存在使用具有不同色彩的左右透镜的眼镜向左右眼提供不同图像(视差图像)的方法，和通过使用具有液晶快门眼镜的护目镜以极高的速度切换液晶快门眼镜来向左右眼提供视差图像的方法。还存在通过使用双面凸透镜(lenticular lens)将显示在二维显示装置上分别用于左右眼的图像分配给左右眼来表示三维图像的方法。此外，与上述使用双面凸透镜的方法类似，还存在通过使用设置在液晶显示器表面上的面罩以允许右眼观看用于右眼的图像，以及左眼观看用于左眼的图像来表示三维图像的发展方法。
但是，对于观测者来说，上述使用特殊眼镜和护目镜来获取视差图像的方法是非常麻烦的。另一方面，例如，就使用双面凸透镜的方法而言，必须将单个二维图像显示装置的区域划分为用于右眼的区域和用于左眼的区域。因此，上述方法具有不适合显示具有高清晰度的图像的问题。
专利文献1提出了一种三维显示装置，其包括多个一维显示装置，以及偏转工具，其中该偏转工具用以使来自一维显示装置的每一者的显示图案沿与其布置方向相同的方向偏转。根据该三维显示装置，通过人眼的视觉残留效果，立刻识别出多个输出图像，并且通过双眼视差的作用，感觉到三维图像。但是，因为从一维显示装置的每一者射出的光像球面波一样辐射，所以可以认为，分别与观测者的眼睛相对应的图像也会各自进入相对的眼睛，并且实际上，由于未能实现双眼视差，所以很有可能看见双重图像。
另一方面，专利文献2公开了一种三维图像显示装置，其包括位于液晶显示元件与观测点之间的一组集光透镜，以及夹持在这组集光透镜之间的针孔部件。在该三维图像显示装置中，来自液晶显示元件的光被一个集光透镜汇聚，以在该针孔部件的针孔位置处直径达到最小，并且通过其它集光透镜(例如，菲涅尔透镜)使已经经过针孔的光成为准直光。根据此构造，可以适当地分配分别与观测者的左右眼相对应的图像，从而设想实现了双眼视差。
此外，与上述方法有所不同的是，还存在一种使用全息技术生成三维视频的方法。全息技术是人为再现来自物体的光波的技术。关于使用全息技术的三维视频，其使用了由于光的干涉的而产生的干涉条纹，并将通过光照射该干涉条纹所产生的折射波面本身用作视频信息的媒介。因此，当观测者观测真实世界里的物体时，提供了视觉的生理反应，例如类似的汇聚或者调节，从而提供了具有相对较低的视觉疲劳的图片。此外，再现来自物体的光波的波面的事实意为确保传送视频信息的方向上的连续性。因此，当观测者的视点移动时，能够连续提供来自响应于该移动的各种不同角度的恰当视频。也就是说，使用全息技术生成三维视频的方法是给视频连续提供运动视差的技术。
因为上述使用全息技术生成三维视频的方法是记录来自物体的被折射波面本身以及再现上述被折射波面的方法，所以被认为是表示三维视频的极其理想方法。
但是，对于全息技术来说，有关三维空间的信息被记录为二维空间里的干涉条纹，并且与具有诸如拍摄同一物体的图片之类的二维空间的情况相比，其空间频率的数值巨大。这可能是因为，为了将关于三维空间的信息转换成关于二维空间的信息，该信息被转换成了二维空间上的密度。因此，通过CGH(Computer Generated Hologram，计算机再现全息图)显示干涉条纹的装置所期望的空间分辨率极高，并且需要巨大的信息量。因此，在目前情况下，在技术上很难通过实时全息来实现三维视频。此外，在记录过程中所使用的光必须具有相位对准，诸如激光，并且还存在利用自然光光不可能执行记录(拍摄)的问题。
此外，专利文献2中的三维图像显示装置具有傅里叶变换光学系统的构造，并且其针孔具有特定的尺寸(直径)。因此应该认为，在针孔的位置处，空间频率中的高成分(即，分辨率中的高成分)非均匀地分布在与光轴正交的平面内(在边缘部分布较多)。因此，为了实现严格意义上的准直光，必需在极大程度上减小针孔的直径。但是，因为图像的亮度随针孔直径的减小而降低并且变得不均匀，并且空间频率中的高成分通过该针孔而被除去，所以假设也会因此降低其分辨率。
鉴于以上问题，近年来，基于光束再生法对空间图像显示装置进行了研究(例如，参见非专利文献1)。光束再生法的目的是通过从显示器射出的大量光束来表示空间图像，从理论上来讲，是向观测者甚至是裸眼观测者提供精确的运动视差信息和焦距信息，使得所获得的空间图像具备相对较低的视觉疲劳。同样地，申请人基于上述光束再现方法已经提出了一种用于实现空间图像显示的空间图像显示装置(例如，参见专利文献3)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利No.3077930
专利文献2：日本未审查专利申请公开号No.2000-201359
专利文献3：日本未审查专利申请公开号No.2007-86145
非专利文献
非专利文献1：Yasuhiro TAKAGI，“Three-dimensional Images and Flat-panel Type Three-dimensional Display(三维图像和平板型三维显示器)”，Optical Society of Japan，Volume No.35，Issue No.8，2006，p.400 to 406
发明内容
顺便提及，为了通过光束再现方法显示自然的空间图像，在一般的二维显示器上显示一般的二维图像的帧的过程中，需要大约数十个乃至上百个或者更多各种不同的二维图像朝向不同的方向投影。但是，对于专利文献3中的空间图像显示装置或者其它来说，向一个像素提供一个偏转元件。因此，期望被包含到上述空间图像显示装置的二维显示器在一般的二维显示器上显示一般的二维图像的帧的过程中，具有显示大约数十个乃至上百个或者更多各种不同的二维图像的能力。也就是说，例如，要求帧频高达每秒1000乃至6000帧或者更高。但是，具有如此高的帧频的二维显示器是非常昂贵的，并且其构造偏于复杂，尺寸偏大。因此，期望一种空间图像显示装置，其不要求二维显示器具有如此高的帧频，甚至可以利用更为紧凑的构造来显示更加自然的空间图像。
鉴于上述问题进行了本发明，并且其目的是提供一种甚至能够利用简单的构造来形成更加自然的空间图像的空间图像显示装置。
根据本发明的实施例的空间图像显示装置包括：二维图像生成工具，其包括多个像素，并且生成与视频信号相对应的二维显示图像；以及偏转工具，其用以沿水平方向偏转来自该二维图像生成工具中的各个像素组的显示图像光，该像素组包括至少沿该水平方向对齐的像素。
对于根据本发明的实施例的空间图像显示装置，在来自该二维图像生成工具的显示图像光中，与一组像素相对应的显示图像光通过与一组像素相对应的一个偏转工具全部偏转。也就是说，当沿水平方向对齐的这组像素由n片像素构成时，来自与其对应的一个偏转工具的n片被偏转的显示图像光同时向相互不同的方向射出。因此，与向一个像素提供一个偏转工具的情况相比，在不增加二维图像生成工具中每单位时间内的帧显示速度(帧频)的情况下，更多相互不同的二维图像朝向水平面内的不同方向投影。
根据本发明的实施例的空间图像显示装置，向一组像素提供一个偏转工具，以使与这组像素相对应的显示图像光全部偏转。因此，即使二维图像生成工具中的帧频与先前的帧频大约处于同一水平时，很多二维图像也能够沿着合适的方向射出。因此，甚至可以利用简单的构造形成更自然的空间图像。
附图说明
[图1]示出了本发明第一实施例的空间图像显示装置的示例性构造的概要视图。
[图2]示出了图1所示的第一透镜阵列的构造的立体图，并且示出了显示部中的像素的布置的平面图。
[图3]示出了图1所示的第二透镜阵列的构造的立体图。
[图4]示出了图1所示的波面变换偏转部中的液体光学元件的构造的立体图。
[图5]用于解释观测图4所示的液体光学元件的的操作的概念视图。
[图6]用于解释当观测三维视频时，图1所示的空间图像显示装置的操作的概念视图。
[图7]用于解释当观测三维视频时，图1所示的空间图像显示装置的操作的另一概念视图。
具体实施方式
下面，通过参考附图来具体描述本发明的实施例。、
通过参考图1至图4，描述本发明的实施例的空间图像显示装置10。图1示出了空间图像显示装置10在平面内的示例性构造。图2(A)示出了图1所示的第一透镜阵列1的立体构造，且图2(B)示出了像素22(22R、22G和22B)在图1所示的显示部2的XY平面上的布置。图3示出了图1所示的第二透镜阵列3的立体构造。图4示出了图1所示的波面变换偏转部4(下述)的具体构造的视图。
(空间图像显示装置的构造)
如图1所示，空间图像显示装置10从光源(未示出)的一侧开始，依次设有第一透镜阵列1、包括多个像素22(下述)的显示部2、第二透镜阵列3、波面变换偏转部4和扩散板5。
第一透镜阵列1包括多个沿与光轴(Z轴)正交的平面(XY平面)以矩阵形式排列的微透镜11(11a、11b和11c)(图2(A))。微透镜11分别用以汇聚来自各光源的背光BL，并且用以朝向任一对应的像素22射出背光BL。微透镜11分别具有球形透镜表面，并且显示经过包括光轴的水平面(XZ平面)的光的焦距与经过包括光轴且与该水平面正交的平面(YZ平面)的光的焦距之间的匹配。微透镜11全部优选具有相同的焦距f11。至于背光BL，例如，由于使用准直透镜对诸如萤火灯之类的光进行准直的结果，优选使用平行光。
显示部2用以生成与视频信号相对应的二维显示图像，具体而言，它是通过照射背光BL来射出显示图像光的彩色液晶装置。显示部2具有这样的构造，即从第一透镜阵列1的一侧开始，玻璃衬底21、多个像素22(每个像素22包括像素电极和液晶层)以及玻璃衬底23叠压在一起。玻璃衬底21和玻璃衬底23都是透明的，并且这两者的任一者设有色彩滤波器，该色彩滤波器包括红(R)、绿(G)和蓝(B)的色彩层。这样，像素22被划分为显示红色的像素22R、显示绿色的像素22G和显示蓝色的像素22B。在上述显示部2中，如图2(B)所示，例如，在X轴方向上，依次重复排列像素22R、像素22G以及像素22B，但是在Y轴方向上，完成相同颜色的像素22对齐的排列。在本说明书中，为了便于说明，将沿X轴方向对齐的像素22称作行，并且将沿Y轴方向对齐的像素22称作列。
各像素22以矩形形状沿XY平面上的Y轴方向延伸，并且被设置为与微透镜组12对应(图2(A))，微透镜组12的每一者包括沿Y轴方向对齐的一组微透镜11a至11c。也就是说，第一透镜阵列1与第二透镜阵列3具有这样的位置关系：经过微透镜组12的微透镜11a至11c的光汇聚到各个像素22的有效区域中的圆点SP1至SP3(图2(A)与图2(B))。例如，在光经过微透镜组12n的微透镜11a至11c之后，汇聚到像素22Rn的圆点SP1至SP3。类似地，来自微透镜12n+1的光汇聚到像素22Rn+1，并且来自微透镜12n+2的光汇聚到像素22Rn+2。注意，可以将一个像素22配置为与一个微透镜11对应，或者可以将一个像素22配置为与两个或者四个或者更多的微透镜11对应。
第二透镜阵列3用以将经过第一透镜阵列1和显示部2而被汇聚的光转变为水平面内的平行光，并且射出该平行光。具体而言，第二透镜阵列3是所谓的双面凸透镜，例如，如图3所示，并且具有这样的构造：多个圆柱形透镜31沿X轴方向对齐，其中各个圆柱形透镜31具有包围沿Y轴的轴的圆柱表面。因此，圆柱形透镜31提供了作用在包括光轴(Z轴)的水平面上的屈光力(refractive power)。在图1中，向沿X轴方向对齐的9列像素22的每一者提供一个圆柱形透镜31，但是数目并不限于此。此外，圆柱形透镜31可以具有包围与Y轴成预定倾斜角θ(θ＜45°)的轴的圆柱形表面。圆柱形透镜31全部要求具有相等的焦距f31。此外，第一透镜阵列1与第二透镜阵列2之间的距离f13等于其焦距的总和，即微透镜11的焦距f11与圆柱形透镜31的焦距f31的总和|f11+f31|。因此，当背光BL为平行光时，来自圆柱形透镜31的光也变成水平面内的平行光。
波面变换偏转部4包括一个或者多个用于一个第二透镜阵列3的液体光学元件41，从而对从第二透镜阵列3射出的显示图像光执行波面变换或者偏转。具体而言，通过使用(多个)液体光学元件41，将从第二透镜阵列3射出的显示图像光的波面全部变换成具有预定曲率的波面，以用于沿水平方向(X轴方向)和竖直方向(Y轴方向)均对齐的各组像素22，并且也使该显示图像光在水平面内(在XZ平面内)全部发生偏转。此时，透过(多个)液体光学元件41的显示图像光变换成了具有适当曲率的波面，该曲率允许该显示图像光汇聚到以任意观测点为基点，光路长度等于从观测点到虚拟物点的光路长度的一点。
图4(A)至图4(C)示出了液体光学元件41的具体立体构造。如图4(A)所示，液体光学元件41具有这样的构造：透明且具有不同折射率和界面张力的非极性液体42和极性液体43配置在光轴(Z轴)上，以被夹置在一对由铜或者其它材料制成的电极44A和44B之间。这对电极44A和44B经由绝缘的密封部47分别粘附并固定到透明的底板45和顶板46。底板45和顶板45均是透明的。电极44A和44B经由被连接到其外表面的端子44AT和44BT分别与外部电源(未示出)连接。顶板46由透明导电材料如氧化铟锡(ITO：Indium Tin Oxide)和氧化锌(ZnO)制成，并且充当接地电极。电极44A和44B分别被连接到控制部(未示出)，并且各电极可以被设置为具有预定的电位。注意，不同于电极44A和44B的侧表面(XZ平面)被未示出的玻璃板或者其它材料覆盖，并且非极性液体42和极性液体43在完全密封的空间里处于被封装的状态。非极性液体42和极性液体43没有溶解，在封闭的空间里仍然彼此分离，并且形成界面41S。
期望电极44A和44B的内表面(相对的表面)44AS和44BS被疏水性绝缘膜覆盖。该疏水性绝缘膜由对极性液体43表现出疏水性(排斥性)(更严格地来讲，在没有电场的情况下对非极性液体42表现出亲和性)且具有良好电绝缘性的材料制成。具体而言，例示了含氟高聚物如聚偏二氟乙烯(PVdF)和聚四氟乙烯(PTFE)。注意，为了进一步提高电极44A与电极44B之间的电绝缘，可以在电极44A和电极44B与上述疏水性绝缘膜之间设置由旋涂式玻璃(spin-on glass，SOG)或者其它材料制成的任何其它绝缘膜。
非极性液体42是几乎没有极性但具有电绝缘性的液体材料，例如，除了诸如癸烷、十二烷、十六烷或者十一烷之类的碳氢化合物材料之外，适合使用硅油或者其它材料。当电极44A与电极44B之间没有施加电压时，期望非极性液体42具有足够的容积来完全覆盖底板45的表面。
另一方面，极性液体43是具有极性的液体材料，例如，除了水之外，适合使用其中溶解有电解质如氯化钾和氯化钠的水溶液。当向上述极性液体43施加电压时，与非极性液体43相比，其相对于内表面44AS和44BS(或者覆盖在内表面44AS和44BS上的疏水性绝缘膜)的可湿性(极性液体43与疏水性绝缘膜之间的接触角)发生了很大改变。极性液体43与作为接地电极的顶板46接触。
被一对电极44A和44B、底板45以及顶板45封装并封入的非极性液体42和极性液体43由于没有共同的混合物而彼此分离，并且形成了界面41S。注意，调节非极性液体42和极性液体43，使其相对于彼此具有几乎相等的比重，并且按照封装的次序来确定非极性液体42与极性液体43之间的位置关系。因为非极性液体42和极性液体43是透明的，所以透过界面41S的光根据其入射角度以及非极性液体42和极性液体43的折射率而发生偏转。
对于液体光学元件41，在电极44A与44B之间没有施加电压的状态下(在电极44A和44B的电位均为0的状态下)，如图4(A)所示，界面41S是从极性液体43的一侧朝向非极性液体43的凸曲面。可以通过选择覆盖内表面44AS和44BS的疏水性绝缘膜的材料类型来调节非极性液体42对于内表面44AS的接触角42θA和非极性液体43对于内表面44BS的接触角42θB。在此，当非极性液体42具有大于极性液体43的折射率时，液体光学元件41提供负的屈光力。另一方面，当非极性液体42具有小于极性液体43的折射率时，液体光学元件41提供正的屈光力。例如，当非极性液体42是碳氢化合物或者硅油时，并且当极性液体43是水或者电解质水溶液时，液体光学元件41提供负的屈光力。界面41S在Y轴方向上具有恒定的曲率，并且该曲率在此状态(电极44A与44B之间没有时间电压的状态)下变得最大。
当在电极44A与44B之间施加电压时，例如，如图4(B)所示，界面41S的曲率减小，并且当施加预定值或者更高的电压时，得到了平面。也就是说，接触角42θA和42θB均变成直角(90°)。下面来设想上述现象。也就是说，通过施加电压，电荷聚集到内表面44AS和44BS(或者覆盖内表面的疏水性绝缘膜)的表面，并且在电荷的库仑力的作用下，具有极性的极性液体43朝向疏水性绝缘膜移动。因此，增加了极性液体43与内表面44AS和44BS(或者覆盖内表面的疏水性绝缘膜)的接触面积，而另一方面，非极性液体42被极性液体43从其与内表面44AS和44BS(或者与覆盖内表面的疏水性绝缘膜)接触的部分排除而发生移动(变形)。因此，界面41B更像平面。注意，图4(B)示出了电极44A的电位(假设为Va)与电极44B的电位(假设为Vb)彼此相等的情况。当电位Va与电位Vb彼此不同时，例如，如图4(C)所示，得到了相对于X轴和Z轴(相对于与Y轴平行的表面)倾斜(的平面42θA≠42θB)。注意，图4(C)示出了电位Vb大于电位Va(接触角42θB大于接触角42θA)的情况。在此情况下，例如，进入液体光学元件41的入射光在平行穿过电极44A和44B之后，在界面41S的XZ平面内被折射，接着发生偏转。同样，通过调节电位Va和电位Vb的大小，能够使入射光φ在XZ平面内的预定方向上发生偏转。
此外，通过调节电位Va和电位Vb的大小，使界面41S适应曲率的变化。例如，当电位(假设Va＝Vb)值低于界面41S为水平面的情况下的电位Vmax时，如图5(A)所示，例如，得到了界面41S1(用实线表示)，其曲率小于电位Va和Vb均为0时的界面41S0(用虚线表示)的曲率。因此，可以通过改变电位Va和电位Vb的大小，来调节施加在透过界面41S的光上的屈光力。也就是说，液体光学元件41充当可变焦点透镜。此外，在当电位Va和电位Vb的大小变得彼此不等的状态下，界面41S在保持适当的曲率的同时，处于倾斜的状态。例如，当电位Va较高(Va＞Vb)时，在图5(B)中形成了用实线表示的界面41Sa。另一方面，当电位Vb(Va＜Vb)较高时，在图5(B)中形成了用虚线表示的界面41Sb。因此，通过调节电位Va和电位Vb的大小，液体光学元件41在对入射光施加适度的屈光力的同时，能够使入射光在预定方向上发生偏转。注意，图5(A)及图5(B)示出了当非极性液体42具有大于极性液体43的折射率时，并且当液体光学元件41施加负的屈光力时，形成界面41S1和41Sa时的入射光的变化。
扩散板5用以使来自波面变换偏转部4的光仅沿竖直方向(Y轴方向)扩散。来自波面变换偏转部4的光不适合沿X轴方向扩散。例如，可以将透镜扩散板(Luminit(USA)，LLC；型号LSD40×0.2或者其它)用作上述扩散板5。可替换地，可以将其中排列有多个圆柱形透镜的双面凸透镜用作图3所示的第二透镜阵列3。注意，在此情况下，各圆柱形透镜具有包围沿X轴的轴的圆柱形表面，并且沿Y轴对齐。此外，圆柱形透镜的圆柱形表面具有尽可能大的曲率，并且可以在Y轴方向上增加每隔单位长度的双面凸透镜的数目。在此注意，扩散板5配置在第二透镜阵列3的投影侧上，但是也可以配置在第一透镜阵列1与第二透镜阵列3之间。
(空间图像显示装置的操作)
接着，通过参考图6及图7来描述空间图像显示装置10的操作。
一般而言，为了观测某一物体上的物点，观测者观测从物点(作为点光源)射出的球面波，将其视作存在于三维空间中固有位置处的“点”。通常意义上，在自然界中，从物体射出的波面同时传播，并且以特定的波面形状持续并连续到达观测者。但是，除了目前情况下的全息技术之外，难以在空间各点处同时并连续再现光波的波面。但是，即使存在某一虚拟物体并从各虚拟点射出光波，并且即使每一个光波到达观测者的时间有点儿不准确，或者即使光波不是连续到达，而是作为断断续续的光信号到达，人眼也能因其积分作用而在没有不自然感觉的情况下观测到虚拟物体。对于本实施例中的空间图像显示装置10，可以通过利用人眼的积分作用，以较高的速度按照时序依次在空间各点处形成波面，形成比先前更为自然的三维图像。
对于空间图像显示装置10，能够显示空间图像如下。图6示出了观测者I和II通过使用空间图像显示装置10将虚拟物体IMG视作三维视频的状态的概念图。下面，描述其操作原理。
作为示例，如下在虚拟物体IMG上形成任意虚拟物点(例如，虚拟物点B)的视频光波。首先，在显示部2上分别显示与左右眼相对应的两种图像。此时，背光BL(这里未示出)从光源射向第一透镜阵列1，并且透过多个微透镜11的光汇聚到各对应的像素22。在到达各个像素22之后，光在作为显示图像光发散的同时，被引至第二透镜阵列3。当来自各个像素22的显示图像光经过第二透镜阵列3时，被转变成水平面内的平行光。当然，因为不可能同时显示两张图像，所以一个接一个地显示上述图像，最终分别将其依次送入左右眼。例如，在显示部2的点CL1(用于左眼)处和点CR1(用于右眼)处均显示与虚拟物点C相对应的图像。此时，汇聚光从与其对应的微透镜11射向显示部2的点CL1(用于左眼)处和点CR1(用于右眼)处的像素22。从显示部2射出的显示图像光依次透过第二透镜阵列3、水平方向上的波面变换偏转部4，以及扩散板5，接着到达观测者II的左眼IIL和右眼IIR的每一者。类似地，在显示部2的点BL1(用于左眼)处和点BR1(用于右眼)处均显示用于观测者I的虚拟物点C的图像，并且在其依次透过第二透镜阵列3、波面变换偏转部4和扩散板5之后，到达观测者I的左眼IL和右眼IR的每一者。因为在人眼的积分效果的时间常数的范围之内以较高的速度执行了上述操作，所以观测者I和II能够在没有注意到图像依次被送入的情况下感觉到虚拟物点C。
从第二透镜阵列3射出的显示图像光被引至波面变换偏转部4，作为水平面内的平行光。在第二透镜阵列3中，通过转变成平行光的显示图像光，并且通过使其焦距变得无限大，能够从关于照射出光波的点的位置的信息中，删除从调节眼睛焦距的生理功能中得到的信息。图6示出了从第二透镜阵列3被引至波面变换偏转部4，作为与其传播方向正交的平行波面r0的光的波面。因而，缓和了由双眼视差/会聚角信息与焦距信息的不匹配所引起的人脑混乱。
从显示部2的点CL1和点CR1射出的显示图像光在透过第二透镜阵列3之后，分别到达波面变换偏转部4的点CL2和点CR2。到达波面变换偏转部4的点CL2和点CR2的光波在水平面内的预定方向上发生偏转，在被设置为具有与各个像素22相对应的合适的焦距信息之后，接着到达扩散板5的点CL3和点CR3。通过将平面状的波面r0变换为曲面状的波面r1来设置焦距信息。下面来具体进行描述。
在显示图像光到达扩散板5之后，在竖直平面内被扩散板5扩散，接着射向观测者II的左眼IIL和右眼IIR的每一者。在此，例如，以偏转角指向观测者II的左眼IIL时显示图像光的波面到达点CL3的方式，并且以偏转角的角度指向观测者II的右眼IIR时显示图像光的波面到达点CR3的方式，显示部2通过波面变换偏转部4送出与偏转角同步的图像光。同时，波面变换偏转部4可以与其偏转角同步，将波面r0变换为波面r1。由于从波面变换偏转部4射出的显示图像光的波面到达了观测者II的左眼IIL和右眼IIR，所以观测者II能够将虚拟物体IMG上的虚拟物点C视作三维空间里的一点。与虚拟物点B类似，从显示部2的点BL1和BR1射出的图像光在透过第二透镜阵列3之后，分别到达波面变换偏转部4中的点BL2和点BR2。到达点BL2和点BR2的光波在水平面内的预定方向上发生偏转，并且在被竖直平面内的扩散板5扩散之后，接着分别射向观测者II的左眼IIL和右眼IIR。注意，图6示出了在显示部2的点BL1和BR2处，向观测者I显示虚拟物点C的图像的状态，以及向观测者II显示物点B的图像的状态。但是，并不是同时显示，而是在不同的定时处显示上述图像。
在此，通过参考除了图6以外的图7，描述波面变换偏转部4的作用。在波面变换偏转部4中，将由显示部2经由第二透镜阵列3提供的显示图像光的波面r0变换为具有焦点在以任意观测点为基点的位置处，光路长度等于从该观测点到虚拟物点的光路长度的曲率的的波面r1。例如，如图7所示，当从虚拟物点C(光源)射出的光的波面RC经由光路长度L1到达左眼IIL时，便形成这样的波面，即左眼IIL中的波面RC和波面r1相对彼此具有相同的曲率。在此情况下，在连接点CL1和CL2的直线上，假设与波面r1相对应的焦点CC存在于等于从点CL2到虚拟物点C的光路长度L2的距离处。因此，假设具有波面r1的显示图像光是从作为光源的焦点CC射出的，则当显示图像光的波面r1到达左眼IIL时，它们可以被看作是从虚拟物点CC(光源)射出的波面RC。此外，如图6所示，当在与扩散板5相比，更靠近观测者的位置处存在虚拟物点A时，在波面变换偏转部4中被变换的波面r1在虚拟物点A处聚焦。
在此，当液体光学元件41仅提供负的屈光力时，可以在与各个液体光学元件41相对应的光轴上额外设置具有正的屈光力的透镜(正透镜)。也就是说，为了使显示图像光成为汇聚光，可以使液体光学元件41的界面41S更接近于平面，或者可以减小界面41S的曲率，以提高正透镜的效果。另一方面，为了使显示图像光成为发散光，可以增加界面41S的曲率，降低正透镜的效果。相反地，当液体光学元件41仅提供正的屈光力时，可以在与各个液体光学元件41相对应的光轴上额外设置具有负的屈光力的透镜(负透镜)。
因此，可以彻底解决由双眼视差/会聚角信息与焦距信息的不匹配所引起的人脑混乱。
此外，通过使从显示部2射出的显示图像光在第二透镜阵列3中的水平面内准直，可以实现下列效果。为了确保双眼视差，需要发送分别与左右眼相对应的两种图像。也就是说，不允许分别与左右眼相对应的显示图像光各自进入与其相对的眼睛。假设如果没有设置第二透镜阵列3，并且如果球形波是从作为光源的显示部2射出的，那么即使操作波面变换偏转部4用来偏转，不期望的显示图像光也会进入对立侧的眼睛。在此情况下，由于没有实现双眼视差，所得到的图像是双重的。因此，如在本实施例中，通过将来自显示部2的显示图像光转变成第二透镜阵列3中的平行光通量，显示图像光才不会以扇子状传播，从而在不进入另一只眼睛的情况下，只到达一只目标眼睛。
同样，对于空间图像显示装置10，显示部2生成了与视频信号相对应的二维显示图像光。波面变换偏转部4的(多个)液体光学元件41使显示图像光发生偏转，并且将显示图像光的波面r0变换成具有期望的曲率的波面r1。因此，能够实现下列效果。也就是说，通过将显示部2的显示图像光的波面r0变换成波面r1，显示图像光不仅包括有关双眼视差、会聚角和运动视差的信息，而且还包括适当的焦距信息。因此这便允许观测者建立有关双眼视差、会聚角和运动视差的信息与适当的焦距信息之间的连续贯性，从而使得他或她能够在生理上感觉不奇怪的情况下，看到所期望的三维视频。此外，在波面变换偏转部4中，因为除了上述波面变换操作之外，还执行了水平面内的偏转操作，所以实现了简单且紧凑的构造。
此外，在波面变换偏转部4中，使与沿水平方向和竖直方向均对齐的一组像素22相对应的显示图像光通过与这组像素22相对应的一个液体光学元件41全部受到波面转换和偏转。因此，与向一个像素22设置一个液体光学元件41的情况相比，可以在不增加显示部2中每单位时间的帧显示速度(帧频)的情况下，很多各种不同的二维显示图像光朝向水平面内的各种不同方向同时射出。因此，能够在维持简单构造的同时，形成更为自然的空间图像。
此外，因为扩散板5用来使显示图像光沿竖直方向扩散，所示即使观测者站在有点儿偏离屏幕上-下方向(竖直方向)的位置处，也能够观看到空间图像。
注意，在本实施例中，显示图像光沿波面变换偏转部4内的水平方向发生偏转。除此之外，可以设置任何其它工具，用以使显示图像光沿竖直方向发生偏转。如果是这种情况，则上述其它偏转工具也能够执行竖直平面内的偏转操作，因而即使连接观测者眼睛的虚拟线偏离了水平方向(例如，当观测者处于躺着的姿势时)，由于预定的图像到达了左右眼，所以三维观看也是可行的。
同样，尽管通过例示数个实施例来描述了本发明，但是本发明并不限于上述实施例，并且可以作出各种修改。在上述实施例中，例如，描述了将液晶装置用作显示装置的情况，但是并不限于此。例如，可以在一个阵列中配置诸如有机EL元件、等离子体发光元件、场致发光(FED)元件、发光二极管(LED)之类的自发光元件，以用作显示装置。当使用上述自发光显示装置时，没有必要单独设置用作背光的光源，从而能够实现更加简化的构造。此外，上面实施例中所述的液晶装置是充当透过性光阀的液晶装置，但是可替换地，可以将诸如GLV(Grating Light Valve，光栅光阀)或者DMD(Digital Multi Mirror，数字微镜装置)之类的反射型光阀用作显示装置。
此外，在上述实施例中，偏转工具执行来自二维图像生成工具中沿水平方向(X轴方向)和沿竖直方向(Y轴方向)均对齐的各个像素组的光的波面变换和偏转。可替换地，可以将只沿水平方向对齐的一组像素看作为一个单元。如果是这种情况，则从空间图像显示装置射出的光束更像平行光，因此，可以在不产生模糊的情况下显示空间图像。
此外，在上述实施例中，作为偏转工具的液体光学元件41对来自二维图像显示工具的显示图像光同时执行了波面变换操作和偏转操作，尽管只可以执行偏转操作。可替换地，可以单独设置负责波面变换操作的机构(波面变换部)和负责偏转操作的机构(偏转部)，从而代替液体光学元件41。

Claims (8)

1.一种空间图像显示装置，其包括：
二维图像生成工具，其包括多个像素，并且生成与视频信号相对应的二维显示图像；以及
偏转工具，用以沿水平方向偏转来自所述二维图像生成工具中的各个像素组的显示图像光，所述像素组包括至少沿所述水平方向对齐的像素。
2.根据权利要求1所述的空间图像显示装置，其中所述偏转工具是液体光学元件，所述液体光学元件包括：
一对电极；以及
极性液体和非极性液体，
所述极性液体和所述非极性液体具有彼此不等的折射率，并且以彼此分离的状态沿光轴的方向被封装在所述一对电极之间。
3.根据权利要求1或者权利要求2所述的空间图像显示装置，其中所述偏转工具还包括将来自所述二维图像生成工具的显示图像光的波面变换成具有合适曲率的波面的功能，所述曲率允许显示图像光汇聚在以任意观测点为基点，光路长度等于从该观测点到虚拟物点的光路长度的一点。
4.根据权利要求1所述的空间图像显示装置，还包括透镜阵列，所述透镜阵列将来自所述二维图像生成工具中的各个像素组的所述像素的每一者的显示图像光转变为平行光，并且允许被转变的光经过所述透镜阵列。
5.根据权利要求4所述的空间图像显示装置，其中所述透镜阵列由多个圆柱形透镜构成，所述圆柱形透镜的每一者具有包围沿竖直方向的轴的圆柱形表面，并且并列配置在与光轴正交的平面内。
6.根据权利要求4所述的空间图像显示装置，还包括各向异性扩散板，所述各向异性扩散板配置在所述二维图像生成工具与所述透镜阵列之间，或者配置在所述透镜阵列的光投影侧上，所述各向异性扩散板允许入射光沿竖直方向发散。
7.根据权利要求1所述的空间图像显示装置，其中所述极性液体与接地电极接触，所述接地电极被配置为远离所述一对电极。
8.根据权利要求1所述的空间图像显示装置，其中所述一对电极的相对表面被绝缘膜覆盖，所述绝缘膜在没有电场的情况下，各自具有对所述非极性液体的亲和性。
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