CN102162964B

CN102162964B - 液晶透镜和显示装置

Info

Publication number: CN102162964B
Application number: CN201110035207.9A
Authority: CN
Inventors: 高间大辅
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Japan Display West Inc
Priority date: 2010-02-15
Filing date: 2011-02-09
Publication date: 2015-05-20
Anticipated expiration: 2031-02-09
Also published as: US8773600B2; JP5528846B2; CN102162964A; JP2011164527A; US20110199548A1

Abstract

一种液晶透镜和显示装置，该液晶透镜包括：第一电极，被设置为与第一电极相对的第二电极，以及被设置在第一电极和第二电极之间的液晶层，该液晶层包括具有折射率各向异性的液晶分子。该液晶分子根据由第一电极和第二电极施加的电压而改变配向，由此形成相位差关于基波波长的入射光束沿预定方向从0变化至2πβ的相位差分布，β是2以上的整数，并获得使得包括基波波长的多个不同波长的入射光束的焦距彼此相等的透镜效果。

Description

液晶透镜和显示装置

技术领域

本发明涉及使用折射率各向异性的液晶分子来产生透镜效果的液晶透镜，以及使用该液晶透镜的显示装置。

背景技术

过去，已知双眼式或多眼式立体显示装置，这些装置将视差图像呈现给观看者的双眼以实现立体视觉。作为用于实现立体显示装置的方法，例如，将诸如液晶显示器的二维显示装置与用于三维显示的光学装置(视差分离单元)结合使用，该光学装置使得来自二维显示装置的显示图像光向多个视角方向偏转。作为用于三维显示的光学装置，例如，如图18所示，使用包含多个平行布置的柱状透镜303的柱状透镜阵列(双凸透镜)302。双凸透镜302被设置为与包括二维显示装置的显示面板301的显示面相对。每个柱状透镜303被布置为在显示面板301的显示面的纵向方向上延伸，以在横向上具有折射力。多个显示像素以二维的方式被规律地设置在显示面板301的显示面上。一个柱状透镜303后设置有两个以上的像素，从像素发射的光束通过透镜的折射力而被导向不同的水平方向，以满足双眼视差，从而能够获得裸眼立体视觉。

图18示出了双眼式立体显示器的实例，其中，显示面板301的显示平面上的相邻两个像素阵列301R和301L被分配给各柱状透镜303。一个像素阵列301R显示右视差图像，另一个像素阵列301L显示左视差图像。所显示的视差图像中的每一个通过各柱状透镜303而被导向在横向上分离的光路402或403。因此，当观看者400从预定方向并在预定位置观看这样的立体显示装置时，左右视差图像分别适当地到达观看者400的左右眼，从而观看者感知到立体图像。

类似地，对于多眼式立体显示器，在相应于三个以上视点的位置和方向摄取的视差图像被均匀分配和显示在柱状透镜303的横向透镜节距内。因此，通过双凸透镜302将三个以上视差图像出射至连续的不同角度范围内并聚焦。在此情况下，相应于观看者400的视线的位置和方向的改变，可感知到多个不同的视差图像。随着与改变的视点相应的视差图像的数量的增加，可获得更加真实的立体效果。

作为双凸透镜302，例如可使用形状固定且因此透镜效果固定的树脂模制透镜阵列。在这种情况下，由于透镜效果固定，因此可得到用于三维显示的专用显示装置。具有液晶透镜的可切换透镜阵列元件也可被用作双凸透镜302。在使用具有液晶透镜的可切换透镜阵列元件的情况下，由于可以电性切换透镜效果的有无，因此通过将透镜阵列元件与二维显示装置结合，显示模式可在两种显示模式间切换，即，二维显示模式和三维显示模式。换句话说，在二维显示模式下，透镜阵列被设定为无透镜效果状态(无折射力状态)，从而从二维显示装置传输显示图像光而不发生任何改变。在三维显示模式下，透镜阵列被设定为透镜效果状态，从而将来自二维显示装置的显示图像光偏转向多个视角方向，从而实现立体视觉。

参照图19A和图19B描述具有液晶透镜的可切换(可变)透镜阵列元件的配置实例。图中主要示出了电极部分的结构，省略了其他部件如基板及配向膜。并且，图中以简单的方式示出了配置，以说明透镜阵列元件中透镜效果的产生原理。可变透镜阵列元件包括例如由玻璃材料制成的透明的第一和第二基板，以及夹在第一和第二基板之间的液晶层130。第一和第二基板以间距d相对设置。

包含诸如ITO(氧化铟锡)膜的透明导电膜的第一电极111均匀形成在第一基板的几乎整个表面上。除此之外，第一配向膜形成在第一基板上，该配向膜经由第一电极111与液晶层130接触。包含诸如ITO膜的透明导电膜的第二电极121Y部分地形成在第二基板上。并且，第二配向膜形成在第二基板上，该配向膜经由第二电极121Y与液晶层130接触。

液晶层130包括液晶分子131，其中，液晶分子131的配向方向根据由第一电极111和第二电极121Y施加的电压来变化，从而控制透镜效果。每个液晶分子131具有折射率各向异性，因此，例如具有对于长轴方向和短轴方向之间的透射光束具有不同折射率的光学折射率椭球体结构。根据由第一电极111和第二电极121Y施加的电压，液晶层130在无透镜效果状态和透镜效果状态之间进行电性切换。

在透镜阵列元件中，如图19A所示，在施加0伏电压的通常情况下，液晶分子131在由第一和第二配向膜定义的预定方向上一致地配向。因此，透射光束的波前201是平面波，表现出无透镜效果状态。在透镜阵列元件中，由于多个第二电极121Y被以预定间隔相互独立地布置，因此当在第一电极111和第二电极121Y之间施加预定驱动电压时，在液晶层130内电场分布发生偏移。换句话说，生成电场以使电场强度在与形成各第二电极121Y的区域相应的部分中根据所施加的驱动电压而增加，并在多个第二电极121Y之间的开口的中心附近的部分中降低。因此，如图19B所示，液晶分子131的配向根据电场强度分布而改变。从而，透射光束的波前202发生改变，产生透镜效果状态。

这样的可变透镜阵列元件可被用于等效地产生双凸透镜的透镜效果。从而，可实现二维显示模式和三维显示模式之间的可切换显示。

近来，利用根据所施加的电压而改变的液晶的光学特性的液晶透镜被广泛开发。液晶的使用使得不再需要机械的可移动部件，从而可以减小透镜单元的大小和重量。“Switchable electro-optic diffractive lens with highefficiency for ophthalmic applications”(PNAS，103，16，2006，pp.6100-6104)提出了一种由液晶透镜产生菲涅尔透镜式透镜效果的方法，以扩大透镜孔径并增强透镜性能。在该非专利文献中，电极被图案化为同心结构以产生菲涅尔透镜式透镜效果。日本未审专利申请公开第63-249125号和日本未审专利申请公开第5-100201号也描述了通过使用液晶来产生菲涅尔透镜式透镜效果的方法。如在上述非专利文献中，液晶透镜被形成为类似于菲涅尔透镜，因此可增大孔径，并可减少使用的液晶材料量，从而降低成本。进一步地，该非专利文献描述了使用液晶透镜实现眼镜的实例。

发明内容

然而，当将液晶透镜用于例如立体显示装置时，液晶透镜的波长色散是个问题。由于液晶透镜使用衍射现象，宽带光(诸如白光)的各个波长间的焦距差别较大，导致色差。因此，彩色显示器可能无法获得良好的立体图像质量。

通常，衍射透镜被设计为形成关于透射光束的0至2π的相位差分布。例如，具有同心菲涅耳图案的菲涅耳透镜被设计为形成相位差在透镜半径方向上从0至2π周期性变化的相位差分布。在液晶透镜被用于产生菲涅耳透镜式透镜效果的情况下，使用相同的设计。在液晶透镜中，需要增加液晶层的厚度以获得大于2π的相位差分布。因此，在过去的液晶透镜设计中，并未考虑这么大的相位差分布。

期望提供一种可减小色差的液晶透镜，以及一种减小了色差且执行良好图像显示的显示装置。

根据本发明实施方式的液晶透镜包括：第一电极，被设置为与第一电极相对的第二电极，以及被设置在第一电极和第二电极之间的液晶层。液晶层包括具有折射率各向异性的液晶分子。液晶分子根据由第一电极和第二电极施加的电压而改变配向，由此形成相位差关于基波波长的入射光束沿预定方向从0变化至2πβ(β是2以上的整数)的相位差分布，并获得包括基波波长的不同波长的多个入射光束的焦距彼此相等的透镜效果。

根据本发明实施方式的显示装置包括：执行二维图像显示的显示单元，以及被设置为与显示单元相对的液晶透镜，使得来自显示单元的显示图像光进入液晶透镜。该液晶透镜由根据本发明实施方式的液晶透镜构成。

在根据本发明实施方式的液晶透镜中，形成了相位差关于基波波长的入射光束沿预定方向从0变化至2πβ(β是2以上的整数)的相位差分布，并且产生了包括基波波长的不同波长的多个入射光束的焦距彼此相等的透镜效果。因此，与之前提供0至2π的相位差分布的液晶透镜相比，减小了色差。

在根据本发明实施方式的显示装置中，例如，来自显示单元的显示图像光经由液晶透镜折射，以实现立体显示，从而执行三维显示。在这样的三维显示器中，使用根据本发明实施方式的减小了色差的液晶透镜，实现了减小了色差的优良图像显示。

根据本发明实施方式的液晶透镜，相位差分布被形成为相位差从0变化至2πβ，产生了使得包括基波波长的不同波长的多个入射光束的焦距彼此相等的透镜效果。因此，与之前提供0至2π的相位差分布的液晶透镜相比，减小了色差。

根据本发明实施方式的显示装置，使用根据本发明实施方式的减小了色差的液晶透镜，因此，可执行减小了色差的优良图像显示。

根据以下描述，本发明的其他以及进一步的目的、特征以及优点将更加明显。

附图说明

图1为示出根据本发明实施方式的液晶透镜的配置实例的截面图。

图2为示出图1所示的液晶透镜的第一电极的配置实例的平面图。

图3为示意性示出作为图1所示的液晶透镜所获得的透镜效果的实例的光学等效透镜的示意图。

图4为示出使用图1所示的液晶透镜的实例的显示装置的截面图。

图5为示出用于双凸透镜型立体显示装置的双凸透镜的实例的透视图。

图6A为示出理想菲涅尔透镜的相位差分布的实例的示意图。图6B为示出在图1所示的液晶透镜中液晶分子的介电各向异性Δε为正的情况下，用于形成图6A所示的β＝8的相位差分布而向液晶层施加的电压的状态的示意图。图6C为示出在图1所示的液晶透镜中液晶分子的介电各向异性Δε为负的场合下，用于形成图6A所示的β＝8的相位差分布而向液晶层施加的电压的状态的示意图。

图7A为一般的菲涅耳透镜中从半径距离r处的位置至焦点的光程长度的示意图。图7B为示出一般的菲涅耳透镜中半径距离r与相位差分布之间的关系的示意图。

图8为比较性地示出使用白光LED的一般的液晶显示器的传输光谱分布和图1所示的液晶透镜中相位差因子β为5时焦距彼此相等的波长的分布的特性图。

图9为比较性地示出使用白光LED的一般的液晶显示器的传输光谱分布和图1所示的液晶透镜中相位差因子β为9时焦距彼此相等的波长的分布的特性图。

图10为比较性地示出使用白光LED的一般的液晶显示器的传输光谱分布和图1所示的液晶透镜中相位差因子β为14时焦距彼此相等的波长的分布的特性图。

图11为比较性地示出使用白光LED的一般的液晶显示器的传输光谱分布和图1所示的液晶透镜中相位差因子β为15时焦距彼此相等的波长的分布的特性图。

图12为示出用于液晶显示器的滤色器的传输光谱分布的实例的特性图。

图13为比较性地示出多种液晶材料的相位差因子γ/β的值的特性图。

图14A为示出图4所示液晶显示模块的观看者侧偏振板的传输轴的方向(发光侧的偏振方向)的第一实例的截面图。图14B为示出观看者侧偏振板的传输轴的方向的第一实例的平面图。

图15A为示出图4所示液晶显示模块的观看者侧偏振板的传输轴的方向(发光侧的偏振方向)的第二实例的截面图。图15B为示出观看者侧偏振板的传输轴的方向的第二实例的平面图。

图16A为示出理想菲涅尔透镜的相位差分布的实例的示意图。图16B为示出适用于发光侧偏振方向为如图14A和图14B所示方向的情形的液晶分子的配向状态的截面图。图16C为示出从上侧(观看者侧)观看时图16B所示的液晶分子的配向状态的平面图。

图17A为示出理想菲涅尔透镜的相位差分布的实例的示意图。图17B为示出适用于发光侧偏振方向为图15A和图15B所示方向的情形的液晶分子的配向状态的截面图。图17C为示出从上侧(观看者侧)观看时图17B所示的液晶分子的配向状态的平面图。

图18为示出现有的使用柱状透镜的立体显示器的概念的示意图。

图19A及19B为示出现有的可变透镜阵列元件的基本配置实例的截面图，其中，图19A示出了非透镜效果状态，图19B示出了透镜效果状态。

具体实施方式

下文中，将结合附图详细描述本发明的优选实施方式。

液晶透镜1的配置

图1示出了根据本发明实施方式的液晶透镜1的配置实例。液晶透镜1包括第一基板10、被设置为与第一基板间隔地相对的第二基板20以及被设置在第一基板10和第二基板20之间的液晶层3。第一基板10和第二基板20是由例如玻璃或树脂材料制成的透明基板。

包括诸如ITO膜的透明导电膜的第一电极11Y部分地形成在第一基板10的面对第二基板20的一侧上。并且，第一配向膜(未示出)以经由第一电极11Y与液晶层3接触的方式形成在第一基板10上。包括诸如ITO膜的透明导电膜的第二电极21形成在第二基板20的面对第一基板10的一侧的几乎全部区域上。另外，第二配向膜23以经由第二电极21与液晶层3接触的方式形成在第二基板20上。

液晶层3包括液晶分子5。液晶分子5的配向方向根据由第一电极11Y和第二电极21施加的电压而改变，由此来控制透镜效果。每个液晶分子5具有介电各向异性及折射率各向异性。因此，可控制透镜效果。各液晶分子5具有电介质各向异性和折射率各向异性，并具有对于长轴方向和短轴方向之间的透射光束具有不同折射率的光学折射率椭球体结构。液晶层3根据由第一电极11Y和第二电极21施加的电压而在无透镜效果状态和透镜效果状态之间进行电性切换。未示出的第一配向膜和未示出的第二配向膜23被施加有预定摩擦。当未向液晶分子5施加电压时，液晶分子5在与由摩擦定义的预定配向方向平行的方向上被基本一致的配向。

参考在液晶透镜1产生如图3所示的仅在一个方向(X方向)上有折射力的线性菲涅耳透镜式透镜效果的情况下的结构例描述本实施方式。

如图2所示，第一电极11Y包括被布置为彼此间隔的多个线状电极，以产生如图3所示的线性菲涅尔透镜式透镜效果。第一电极11Y以预定的电极宽度在纵向(Y方向)上延伸，并被布置为在X方向上平行并具有预定间隔，从而可在关于入射光束的一个方向(X方向)上形成连续的相位差分布。稍后描述相位差分布的具体实例以及用以形成相位差分布而施加的电压的具体实例。

显示装置的配置

图4示出了使用液晶透镜1的显示装置的实例。显示装置包括作为用于二维图像显示的显示单元的液晶显示模块2，还包括被设置为与液晶显示模块2的显示面相对的液晶透镜1。

显示装置使用液晶透镜1来电性执行透镜效果的开/关控制，从而可在全屏二维(2D)显示模式和全屏三维(3D)显示模式间选择性地改变显示模式。在三维显示模式下，液晶透镜1等效地产生如图5所示的包括平行布置的柱状透镜31Y的双凸透镜式透镜效果。在这种情况下，通过产生如图3所示的线性菲涅尔透镜式透镜效果，可等效地实现各柱状透镜31Y。双凸透镜式立体显示器的原理如结合图18所描述的。

液晶透镜1根据显示模式控制透镜效果，从而选择性的改变来自液晶显示模块2的光束的透射状态。液晶显示模块2在二维显示的情况下基于二维图像数据执行视频显示，并在三维显示的情况下基于三维图像数据执行视频显示。三维图像数据例如为包括与三维显示器的多个视角方向相对应的多个视差图像的数据。例如，在双眼式三维显示器的情况下，三维图像数据为用于左眼显示和右眼显示的视差图像的数据。

以与液晶透镜1的各基板面或液晶显示模块2的各基板面平行的平面上的横向方向(水平方向)作为X方向、纵向方向(垂直方向)作为Y方向，来描述本实施方式。基本上，液晶显示模块2的显示面的横向方向为X方向，其纵向方向为Y方向。

液晶显示模块2(显示单元)的配置

图4示出了在液晶显示模块2被配置为透射型液晶显示器的情况下的配置实例。在该配置实例中，显示面板2被构造为使得液晶部40(液晶显示面板主体)由背光侧偏振板(第一偏振板)42和观看者侧偏振板(第二偏振板)43夹持。背光侧偏振板42被设置在背光41侧，观看者侧偏振板43被设置在观看者侧(发光侧)。液晶显示模块2根据图像数据为各像素调制来自背光41的光，从而执行二维图像显示。背光侧偏振板42和观看者侧偏振板43被设置为使得各自的偏振方向(传输轴)为正交尼科尔棱镜方式。从而，液晶显示模块2发出在特定的偏振方向上偏振的显示图像光。偏振方向与观看侧偏振板43的传输轴平行。

液晶部40具有多个像素，各像素例如包括R(红色)像素、G(绿色)像素以及B(蓝色)像素，并且像素被配置为矩阵形式。为液晶透镜1所形成的等效柱状透镜31Y(线性菲涅尔透镜)的各节距p设置N(2以上的整数)个(液晶部40的)像素。在三维显示模式下，数N表现为三维显示器的光束(视线)的数量。

显示装置的操作

在显示装置中，将液晶透镜1中第一电极11Y与第二电极21之间的电压差设为0，从而透镜效果被设定为关，使得来自液晶显示模块2的显示图像光在未被折射的情况下传输，由此执行全屏二维显示。

并且，在液晶透镜1中的第一电极11Y与第二电极21之间施加电压，从而透镜效果被设定为开，使得来自液晶显示模块2的显示图像光被折射以实现立体显示，由此执行全屏三维显示。

液晶层3中的相位差分布及向其施加的电压的具体例

下面描述在液晶透镜1产生透镜效果的情况下液晶层3的相位差分布及向其施加的电压的具体例。

在液晶透镜1中，在液晶层3中关于具有基波波长的入射光束形成相位差在预定方向(本实施方式中为X方向)上从0变化至2πβ的相位差分布。这里，形成了最大相位差为2πβ的相位差分布，其中，β为2以上的整数。并且产生了使得包括基波波长的不同波长的多个入射光束的焦距彼此相等的透镜效果。

例如，如图6A所示，关于具有基波波长的入射光束形成相位差沿预定方向从0至2πβ周期性变化的相位差分布，从而产生了菲涅尔透镜式透镜效果，使得包括基波波长的不同波长的多个入射光束的焦距彼此相等。图6A示出理想菲涅尔透镜的相位差分布的实例。

图6B示出在液晶透镜1中的液晶分子5的介电各向异性Δε为正的情况下用于形成图6A所示的β＝8的相位差分布而向液晶层3施加的电压的状态。如图所示，在这种情况下，第一电极11Y与第二电极21之间的电压差在最小相位差(0)的状态下增加，电压差在最大相位差(2πβ)的状态下减小。电压差连续变化，以在最小相位差与最大相位差之间获得期望的相位差分布。

图6C示出在液晶透镜1中的液晶分子5的介电各向异性Δε为负的情况下用于形成图6A所示的β＝8的相位差分布而向液晶层3施加的电压的状态。如图所示，在这种情况下，第一电极11Y与第二电极21之间的电压差在最小相位差(0)的状态下减少，电压差在最大相位差(2πβ)的状态下增加。电压差连续变化，以在最小相位差与最大相位差之间获得期望的相位差分布。

图6A示出半径方向上的与图5所示的柱状透镜31Y的透镜节距p的一半(p/2)相对应的透镜的大小的区域中的相位差分布。图6B或图6C示出半径方向上的仅与图5所示的柱状透镜31Y的透镜节距p的一半(p/2)相对应的透镜的大小的区域中的结构。

图6A所示的相位差分布可由以下表达式(1)表示。

φ_m＝2παβ[m-r²/(2λ₀f₀β)](1)

r_m＜r＜r_m+1

α＝λ₀[Δn(λ₁)-1]/{λ₁[Δn(λ₀)-1]}

β＝Δn(λ₀)d/λ₀

m＝0，1，2，......

φ_m：相位差

λ₀：基波波长

λ₁：测定的波长

Δn(λ₀)：对于基波波长λ₀，液晶分子5的折射率的差(液晶分子5的两个方向上的折射率ne和no之间的差，表现出折射率各向异性)。

Δn(λ₁)：对于测定的波长λ₁，液晶分子5的折射率的差

f₀：对于基波波长λ₀的焦距

r：从作为菲涅耳透镜的液晶透镜的中心位置到预定方向(透镜半径方向)上的任意位置的距离

r_m：从作为菲涅耳透镜的液晶透镜的中心位置到与第m个菲涅耳区域相对应的位置的距离

d：液晶层3的厚度

图7A比较性地示出一般的菲涅尔透镜中从各自的半径距离r处的位置到焦点P1的光程长度。图7B示出一般的菲涅尔透镜中半径距离r和相位差分布之间的关系。如图7B所示，关于图7A所示的各菲涅尔区域(r_m与r_m+1之间的区域)中的透射光束，一般的菲涅尔透镜形成了相位差从0变化至2π的相位差分布。在表达式(1)中，r相应于从中心位置到各菲涅尔区域中任意位置的距离。

当表达式(1)中的基波波长重新取值为λ₁时，通过相应偏移具有相位差因子γ的相位差，该表达式被校正，从而可被表示为以下表达式(2)。

φ_m＝2π(β+γ)[m-r²/{2λ₁f₁(β+γ)}](2)

f₁：所测量的波长λ₁的焦距

根据表达式(1)和(2)，f₀＝f₁的条件表示如下。

α＝1+γ/β(3)

配置液晶透镜1以使液晶层3的厚度d和液晶分子5的折射率各向异性满足表达式(1)、(2)和(3)。因此，基波波长λ₀的焦距f₀和不同于基波波长λ₀的另一波长(所测量的波长λ₁)的焦距f₁具有相同的值。

表1至表3示出满足表达式(3)的β和γ的组合例。表4示出一般的液晶材料的α的计算值。波长λ的单位是纳米(nm)。由于这些值为计算值，因此包括可能实际并不存在的负波长。表1至表3中，各阴影部分表示可见波长范围外的波长。

表1

表2

表3

表4

λ	α(Δn)
		380	1.39
390	1.36
		400	1.34
410	1.31
		420	1.28
430	1.26
		440	1.23
450	1.21
		460	1.18
470	1.16
		480	1.14
490	1.12
		500	1.10
510	1.08
		520	1.06
530	1.04
		540	1.02
550	1.00
		560	0.98
570	0.97
		580	0.95
590	0.93
		600	0.92
610	0.90
		620	0.89
630	0.88
		640	0.86
650	0.85
		660	0.84
670	0.82
		680	0.81
690	0.80
		700	0.79
710	0.78
		720	0.77
730	0.76
		740	0.75
750	0.74
		760	0.73
770	0.72
		780	0.71

在表1至表3中，对于各个β和γ的组合的波长，焦距具有相同的值。例如，在表1中的β＝3的情况下，对于可见波长范围内γ＝0的波长(549nm)和γ＝1的波长(402nm)，焦距具有相同的值。在表1至表3的实例中，当β为3以上时，在可视波长范围内存在多个焦距具有相同值的波长。然而，即使β为2，根据液晶材料的种类，在可视波长范围内也可能存在多个焦距具有相同值的波长。

图8至图11比较性地示出如表1至表3所示的焦距彼此相等的波长的分布，以及使用白光LED的一般的液晶显示器的透射光谱分布。图8示出β＝5的情况，图9示出β＝9的情况，图10示出β＝14的情况，图11示出β＝15的情况。图8至图11和表1至表3表明：随着β值增大，不发生色差(焦距彼此相等)的波长的数量增加，因此效率得以提高。在液晶透镜1用于液晶显示器的情况下，随着波长分布与滤色器的透射光谱和/或背光41的光谱匹配变得更好，液晶透镜1可获得更高的透镜性能。具体地，β＝9时最优背光源41为在λ为445、550以及620nm处具有峰值的三色LED背光源。与上述方法相反，如果已知背光源41的光谱，则需要选择可根据光谱提供α值的液晶材料。

图12示出用于液晶显示器的滤色器的透射光谱分布的实例。液晶透镜1优选被设计为产生透镜效果，以使得三个以上波长的焦距彼此相等。在图12的光谱分布的假设下，具体地，焦距彼此相等的各波长优选包括分别属于由以下表达式表示的波长范围内的波长λ_R、λ_G及λ_B。

590nm≤λ_R≤780nm，

475nm≤λ_G≤600nm，以及

400nm≤λ_B≤490nm。

表5示出多种不同液晶材料的特性值。表5中，LC01对应于表4所示的液晶材料。表5中，ne和no表示液晶分子在两个方向上的折射率，表现出折射率各向异性。图13以图表的形式示出表5所示的相位差因子γ/β的值。以这种方式，相位差因子γ/β的值根据液晶材料的种类而变化。因此，即使β＝2，在可视波长范围内也可能存在焦距具有相同值的多个波长)。

表5

偏振方向和液晶分子5的配向方向之间的关系

如图4所示，当将液晶透镜1与液晶显示模块2结合使用时，液晶显示模块2发射的光束在特定的偏振方向发生偏振。在液晶透镜1中，当电压未被施加至液晶分子5时，液晶分子5的面内配向方向优选平行于由液晶显示模块2的配置确定的特定偏振方向。这样可对液晶显示模块2发射的光束产生有效的透镜效果。液晶分子5的配向方向可通过配向膜(未示出)的摩擦方向来调整。

图14A和图14B示出图4所示的液晶显示模块2的观看者侧偏振板43的传输轴的方向61(发光侧的偏振方向)的第一实例。在第一实例中，发光侧的偏振方向61为X方向。

图15A和图15B示出液晶显示模块2的观看者侧偏振板43的传输轴的方向61(发光侧的偏振方向)的第二实例。在第二实例中，发光侧的偏振方向61为Y方向。

图16A示出理想菲涅尔透镜的相位差分布的实例(与图6A的图相同)。图16B示出在发光侧的偏振方向61为如图14A和图14B所示的X方向的情况下，液晶分子5的配向状态。图16C示出从上侧(观看者侧)观看时图16B所示的液晶分子5的配向状态。图16B和图16C示出透镜产生形成了图16A中β＝8时的相位差分布的透镜效果的情况的实例。虽然图16B和图16C示出了介电各向异性Δε为正的情况下液晶分子5的配向状态，但即使在介电各向异性Δε为负的情况下也具有相同的配向状态。

图17A示出理想菲涅尔透镜的相位差分布的实例(与图6A的图相同)。图17B示出在发光侧偏振方向61为如图15A和图15B所示的Y方向的情况下，液晶分子5的配向状态。图17C示出从上侧(观看者侧)观看时图17B所示的液晶分子5的配向状态。图17B和图17C示出透镜产生形成了图17A中β＝8时的相位差分布的透镜效果的情况的实例。虽然图17B和图17C示出了在介电各向异性Δε为正的情况下的液晶分子5的配向状态，但即使在介电各向异性Δε为负的情况下也具有相同的配向状态。

因为在电压施加期间几乎不发生向错(disclination)，因此与图16B和图16C所示的配置相比，图17B和图17C所示的配置可获得良好的配向。因此，在图17B和图17C所示的配置中，可进一步提高透镜性能。

如上文所述，根据本实施方式的液晶透镜1，形成了相位差从0变化至2πβ的相位差分布，并且产生了使得包括基波波长的不同波长的多个入射光束的焦距彼此相等的透镜效果。因此，与现有的提供0至2π的相位差分布的液晶透镜相比，可减小色差。根据本实施方式的显示装置，由于使用减小了色差的液晶透镜1，因此可执行减小了色差的良好立体显示。

衍射现象引起的波长色散为负时，具有折射率各向异性的液晶分子自身的波长色散为正。根据本实施方式的液晶透镜1，由于相位差的最大值较大(2πβ)，因此与现有的提供0至2π相位差分布的液晶透镜相比，液晶层3的厚度增加。然而，当液晶层3的厚度增加时，衍射现象引起的负波长色散和液晶分子本身的正波长色散可在多个波长处相互抵消。因此，有利地减小了色差。

其他实施方式

本发明不限于以上实施方式，也可以以各种变形方式来实施。

例如，代替液晶显示模块2，可以使用诸如有机电致发光(Electro-Luminescence)显示器或场发射显示器(FED)等自发光显示器作为显示单元。

并且，液晶透镜1可被构造为产生与具有同轴菲涅尔图案的菲涅尔透镜类似的透镜效果。在这种情况下，第一电极11Y被形成为环带形状，从而电压分布在半径方向上变化。因此，相位差分布可在半径方向上变化。

本申请包含2010年2月15日向日本专利局提交的日本优先专利申请JP 2010-030219中公开的主题，其全部内容通过引用结合于此。

本领域技术人员应理解，根据设计需要和其他因素，可进行各种修改、组合、子组合以及变化，其均在所附权利要求或其等同物的范围内。

Claims

1.一种液晶透镜，包括：

第一电极；

被设置为与所述第一电极相对的第二电极；以及

被设置在所述第一电极和所述第二电极之间的液晶层，所述液晶层包括具有折射率各向异性的液晶分子，所述液晶分子根据由所述第一电极和所述第二电极施加的电压而改变配向，由此形成相位差关于基波波长的入射光束沿预定方向从0变化至2πβ的相位差分布，β是2以上的整数，并获得包括基波波长的不同波长的多个入射光束的焦距彼此相等的透镜效果；

所述液晶层的透镜效果相当于菲涅耳透镜所获得的透镜效果，其中，

所述液晶层的厚度d和所述液晶分子的折射率各向异性被设计为满足以下表达式(1)至(3)，以及，

基波波长λ₀的焦距f₀和不同于所述基波波长λ₀的测定的波长λ₁的焦距f₁彼此相等，

φ_m＝2παβ[m－r²/(2λ₀f₀β)] (1)，

当表达式(1)中的基波波长重新取值为λ₁时，通过相应偏移具有相位差因子γ的相位差，该表达式被校正，从而可被表示为以下表达式(2)

φ_m＝2π(β+γ)[m－r²/{2λ₁f₁(β+γ)}] (2)，

α＝1+γ/β (3)，

其中，

r_m<r<r_m+1，

α＝λ₀[Δn(λ₁)－1]/{λ₁[Δn(λ₀)－1]}，

β＝Δn(λ₀)d/λ₀，

m＝0，1，2，……，

其中，

r：从作为菲涅耳透镜的液晶透镜的中心位置到预定方向上的任意位置的距离，

r_m：从作为菲涅耳透镜的液晶透镜的中心位置到与第m个菲涅耳区域相对应的位置的距离，

φ_m：相位差

λ₀：基波波长，

λ₁：测定的波长，

Δn(λ₀)：对于基波波长λ₀，液晶分子的折射率的差，

Δn(λ₁)：对于测定的波长λ₁，液晶分子的折射率的差，

f₀：对于基波波长λ₀的焦距，

f₁：对于测定的波长λ₁的焦距，

d：液晶层的厚度，以及，

γ：相位差因子。

2.根据权利要求1所述的液晶透镜，其中，

所述入射光束在特定的偏振方向上发生偏振，以及，

在未施加电压的情况下，所述液晶分子的面内配向方向与所述特定的偏振方向平行。

3.根据权利要求1所述的液晶透镜，其中，所述透镜效果使得可见波长范围内的不同波长的多个入射光束的焦距彼此相等。

4.根据权利要求1所述的液晶透镜，其中，所述透镜效果使得三个以上波长的入射光束的焦距彼此相等，所述三个以上波长包括分别属于由以下表达式表示的波长范围的波长λ_R、λ_G以及λ_B：

590nm≤λ_R≤780nm，

475nm≤λ_G≤600nm，以及，

400nm≤λ_B≤490nm。

5.根据权利要求1所述的液晶透镜，其中，所述第一电极和所述第二电极之间的电压差的大小对应于相位差分布而沿所述预定方向变化。

6.一种显示装置，具有执行二维图像显示的显示单元以及被设置为与所述显示单元相对的液晶透镜，以使来自所述显示单元的显示图像光进入所述液晶透镜，所述液晶透镜包括：

第一电极，

被设置为与所述第一电极相对的第二电极，以及

φ_m＝2παβ[m－r²/(2λ₀f₀β)] (1)，

φ_m＝2π(β+γ)[m－r²/{2λ₁f₁(β+γ)}] (2)，

α＝1+γ/β (3)，

其中，

r_m<r<r_m+1，

α＝λ₀[Δn(λ₁)－1]/{λ₁[Δn(λ₀)－1]}，

β＝Δn(λ₀)d/λ₀，

m＝0，1，2，……，

其中，

φ_m：相位差

λ₀：基波波长，

λ₁：测定的波长，

Δn(λ₀)：对于基波波长λ₀，液晶分子的折射率的差，

Δn(λ₁)：对于测定的波长λ₁，液晶分子的折射率的差，

f₀：对于基波波长λ₀的焦距，

f₁：对于测定的波长λ₁的焦距，

d：液晶层的厚度，以及，

γ：相位差因子。

7.根据权利要求6所述的显示装置，其中，

当所述第一电极和所述第二电极之间施加的电压为0时，所述液晶透镜的透镜效果关闭，以及，

通过将所述液晶透镜的透镜效果设定为关闭状态来执行二维显示，以使来自所述显示单元的显示图像光在未被折射的情况下传输，而

通过将所述液晶透镜的透镜效果设定为开启状态来执行三维显示，以使来自所述显示单元的显示图像光发生折射，从而能够立体显示。

8.根据权利要求6所述的显示装置，其中，

所述显示单元发射的显示图像光以特定的偏振方向偏振，以进入液晶透镜作为入射光束，以及，

9.根据权利要求6所述的显示装置，其中，

来自所述显示单元的显示图像光包含分别属于由以下表达式表示的波长范围的三个波长分量λ_R、λ_G及λ_B，以及，

所述透镜效果使得三个以上波长的入射光束的焦距彼此相等，所述三个以上波长包括分别属于由以下表达式表示的波长范围的波长λ_R、λ_G及λ_B：

590nm≤λ_R≤780nm，

475nm≤λ_G≤600nm，以及，

400nm≤λ_B≤490nm。