CN103365026A - 液晶透镜设备和图像显示设备 - Google Patents

Abstract

根据一个实施例，图像显示设备包括液晶透镜设备和图像显示单元。液晶透镜设备包括液晶光学元件单元。液晶光学元件单元包括第一基板单元、第二基板单元、以及液晶层。液晶层设置在第一和第二基板单元之间。液晶层具有沿着第一基板单元的主表面的法向轴扭转大于或等于5度且大于或等于45度的角的取向。图像显示单元包括显示单元。第二基板单元设置在第一基板单元和显示单元之间。

Description

液晶透镜设备和图像显示设备

相关申请的交叉引用

本申请基于2012年3月28日提交的在先日本专利申请No.2012-073792并要求其优先权的权益；该申请的全部内容通过引用结合于此。

技术领域

本文中所描述的各个实施例一般涉及液晶透镜设备和图像显示设备。

背景技术

已知其中根据电压的施加通过利用液晶分子的双折射来改变折射率的分布的液晶光学元件。存在组合图像显示单元与这种液晶光学元件的立体图像显示设备。

通过改变液晶光学元件的折射率的分布，立体图像显示设备在其中图像显示单元上所显示的图像如在图像显示单元上显示一样入射到观察人的眼睛上的状态与其中图像显示单元上所显示的图像如多幅视差图像一样入射到观察人的眼睛上的状态之间切换。由此，实现高清晰度的二维显示显示操作和三维图像显示操作，其中三维图像显示操作包括由于多幅视差图像引起的通过裸眼的立体观察。期望实现在立体图像显示设备中使用的液晶光学元件的良好光学特性。

发明内容

根据一个实施例，图像显示设备包括液晶透镜设备和图像显示单元。液晶透镜设备包括液晶光学元件单元。液晶光学元件单元包括第一基板单元、第二基板单元、以及液晶层。第一基板单元包括：具有第一主表面的第一基板；以及设置在第一主表面上以沿着第一方向延伸的多个第一电极。第一电极排列在与第一方向不平行的方向上。第二基板单元包括：具有与第一主表面相对的第二主表面的第二基板；以及设置在第二主表面上的对电极。液晶层设置在第一基板单元和第二基板单元之间。液晶层具有第一取向方向和第二取向方向。第一取向方向是在投影到第一主表面上时的第一基板单元上的液晶分子的长轴方向。第一取向方向与第一方向正交。第二取向方向是在投影到第一主表面上时的第二基板单元上的液晶分子的长轴方向。液晶层具有在第一取向方向和第二取向方向之间沿着第一主表面的法向轴扭转大于或等于5度且小于或等于45度的角的取向。图像显示单元包括显示单元。第二基板单元设置在第一基板单元和显示单元之间。显示单元被配置成使得具有与第二取向方向平行的偏光轴的偏光的图像光入射到液晶光学元件单元上。

根据一个实施例，图像显示设备包括液晶透镜设备和图像显示单元。液晶透镜设备包括液晶光学元件单元。液晶光学元件单元包括第一基板单元、第二基板单元、以及液晶层。第一基板单元包括：具有第一主表面的第一基板；以及设置在第一主表面上以沿着第一方向延伸的多个第一电极。第一电极排列在与第一方向不平行的方向上。第二基板单元包括：具有与第一主表面相对的第二主表面的第二基板；以及设置在第二主表面上的对电极。液晶层设置在第一基板单元和第二基板单元之间。液晶层具有第一取向方向和第二取向方向。第一取向方向是在投影到第一主表面上时的第一基板单元上的液晶分子的长轴方向。第一取向方向和第二方向之间的角的绝对值大于0度且小于或等于5度。第二方向平行于第一主表面且垂直于第一方向。第二取向方向是在投影到第一主表面上时的第二基板单元上的液晶分子的长轴方向。液晶层具有在第一取向方向和第二取向方向之间沿着第一主表面的法向轴扭转大于或等于5度且小于或等于45度的角的取向。图像显示单元包括显示单元。第二基板单元设置在第一基板单元和显示单元之间。显示单元被配置成使得具有与第二取向方向平行的偏光轴的偏光的图像光入射到液晶光学元件单元上。

根据一个实施例，液晶透镜设备包括液晶光学元件单元。液晶光学元件单元包括第一基板单元、第二基板单元、以及液晶层。第一基板单元包括：具有第一主表面的第一基板；以及设置在第一主表面上以沿着第一方向延伸的多个第一电极。第一电极排列在与第一方向不平行的方向上。第二基板单元包括：具有与第一主表面相对的第二主表面的第二基板；以及设置在第二主表面上的对电极。液晶层设置在第一基板单元和第二基板单元之间。第一取向方向与第一方向正交。第一取向方向是在投影到第一主表面上时的第一基板单元上的液晶分子的长轴方向。液晶层具有沿着第一主表面的法向轴扭转大于或等于5度且大于或等于45度的角的取向。

现在将参考附图描述各个实施例。

附图说明

图1A至图1F是示出根据第一实施例的液晶透镜设备的配置的示意图；

图2是示出根据第一实施例的液晶透镜设备的配置的示意性截面图；

图3A至图3C是示出根据第一实施例的液晶透镜设备的使用状态的示意图；

图4是示出根据第一实施例的液晶透镜设备的特性的曲线图；

图5是示出根据第一实施例的液晶透镜设备的特性的曲线图；

图6是示出根据第一实施例的液晶透镜设备的特性的曲线图；以及

图7是示出根据第二实施例的液晶透镜设备的配置的示意性立体图。

具体实施方式

这些附图是示意性的或概念性的；并且各部分的厚度和宽度之间、各部分之间的尺寸比例之间的关系等不一定与其实际值相同。此外，尺寸和/或比例在附图之间甚至对于相同部分也可不同地示出。

在本申请的附图和说明书中，与关于上文中的附图所描述的那些组件类似的组件被标示为类似的附图标记，并且酌情省略详细描述。

第一实施例

图1A至图1F是示出根据第一实施例的液晶透镜设备的配置的示意图。

图1A是示出液晶透镜设备110的配置的示意性立体图。图1B至1F是示出液晶透镜设备110的光学轴的示意图。在图1A中，为了便于观察，这些组件被描绘为彼此分离。

如图1A所示，根据本实施例的液晶透镜设备110包括液晶光学元件单元110u。

液晶光学元件单元110u包括第一基板单元10u、第二基板单元20u、以及液晶层30。

第一基板单元10u包括第一基板10和多个第一电极11。第一基板10具有第一主表面10a。

多个第一电极11设置在第一主表面10a上。第一电极11沿着第一方向D1延伸。多个第一电极11排列在与第一方向D1不平行的方向上。

平行于第一主表面10a且垂直于第一方向D1的方向被取为第二方向D2。例如，多个第一电极11排列在第二方向D2上。

第二基板单元20u包括第二基板20和对电极21。第二基板20具有与第一主表面10a相对的第二主表面20a。对电极21设置在第二主表面20a上。

在本申请的说明书中，“相对”不仅包括彼此直接相对的状态，而且包括彼此隔着另一组件相对的状态。

液晶层30设置在第一基板单元10u和第二基板单元20u之间。液晶层30包括与第一基板单元10u接触的第一层30a以及与第二基板单元20u接触的第二层30b。第一层30a对应于液晶层30在第一基板单元10u和液晶层30之间的界面的部分；而第二层30b对应于液晶层30在第二基板单元20u和液晶层30之间的界面的部分。在投影到第一主表面10a上时的第一层30a的液晶分子的长轴方向被取为第一取向方向L1。

另一方面，在投影到第一主表面10a上时的液晶层30内部的第二层30b的液晶分子的长轴方向被取为第二取向方向L2。

除了轴信息以外，第一取向方向L1和第二取向方向L2各自包括取向（从起点到终点的取向）的信息。

如图1A所示，与第一主表面10a垂直的轴被取为Z轴方向。与Z轴方向垂直的一个轴被取为X轴方向。与Z轴方向和X轴方向垂直的方向被取为Y轴方向。

如图1B所示，从第二取向方向L2的起点到终点的方向被取为平行于X轴方向。换句话说，从以X轴方向为基准的第二取向方向L2的起点到终点的方向的角（第二取向角θLC2（度））为0度。

如图1C所示，从以X轴方向为基准的第一取向方向L1的起点到终点的方向的角被取为第一取向角θLC1（度）。当从第二取向方向L2的起点到终点的方向为基准时，第一取向角θLC1是从第一取向方向L1的起点到终点的方向的角。诸如第一取向角θLC1等的角被表达为大于或等于0度且小于或等于180度，或者在-180度和0度之间。

在第一取向角θLC1为180度的情况下，第一取向方向L1逆平行（antiparallel）于第二取向方向L2。在此情况下，在液晶层30中形成同类取向。另一方面，在第一取向角θLC1为0度的情况下，第一取向方向L1的取向与第二取向方向L2的取向相同。在液晶层30中存在预倾斜的情况下，形成外张（splay）取向（或者弯曲取向）。或者，形成具有180度等的角的扭转取向。

在本实施例中，第一取向方向L1被设为不平行于第二取向方向L2。因此，第一取向方向L1既不是0度也不是180度。在本实施例中，液晶层30的取向的扭转被设为大于或等于90度。然后，形成不是外张取向（或者弯曲取向）的取向。在此情况下，预倾斜角可大于或等于0度。

如图1D所示，由第一取向方向L1和第二取向方向L2确定的液晶的扭转角θLC0（度）由以下公式定义：θLC0（度）=180-θLC1（度）。

在如下所述的实施例中，扭转角θLC0被设为大于或等于5度且小于或等于45度。液晶层30的液晶取向从第一取向方向L1向第二取向方向L2扭转。换句话说，液晶层30具有扭转大于或等于5度且小于或等于45度的扭转角θLC0的取向。

在此情况下，当从第二取向方向L2的起点到终点的方向（在投影到第一主表面10a上时的第二层30b的液晶分子的长轴方向）为基准时，从第一取向方向L1的起点到终点的方向（在投影到第一主表面10a上时的第一层30a的液晶分子的长轴方向）的角（第一取向角θLC1）大于或等于135度且小于或等于175度。

在如图1E所示的实施例中，第一取向方向L1被设为基本上与第一方向D1正交。换句话说，第一取向方向L1基本平行于第二方向D2。

在本说明书中，考虑到制造波动等，正交的状态不仅包括各个轴之间的角为90度的情况，而且包括该角大于或等于85度且小于或等于95度的状态。类似地，在本说明书中，平行的状态不仅包括各个轴之间的角为0度的情况，而且包括该角大于或等于-5度且小于或等于+5度（绝对值小于或等于5度）的状态。

换句话说，如图1F所示，第一取向方向L1和第一方向D1之间的角的绝对值大于或等于85度且小于或等于95度。第一取向方向L1和第二方向D2之间的角（第一角θ1）的绝对值小于或等于5度。

由此，在本实施例中，作为在投影到第一主表面10a上时的第一基板单元10u上的液晶分子的长轴方向的第一取向方向L1与第一方向D1正交（第一取向方向L1和第一方向D1之间的角的绝对值大于或等于85度且小于或等于95度）。液晶层30具有沿着第一主表面10a的法向轴（Z轴）扭转大于或等于5度且大于或等于45度的角的取向。即，液晶层30具有沿着与第一主表面10a垂直的轴（Z轴）扭转大于或等于5度且大于或等于45度的角的取向。

另一方面，如图1E所示，第二方向D2和第二取向方向L2之间的角（电极正交角θe2（度））与扭转角θLC0（大于或等于5度且小于或等于45度）相同。第一方向D1和第二取向方向L2之间的角（电极延伸角θe1（度））等于90减去扭转角θLC0（度），并且大于或等于45度且小于或等于85度。

图2是示出根据第一实施例的液晶透镜设备的配置的示意性截面图。图2还示出根据本实施例的液晶透镜设备110的使用状态的一个示例。液晶透镜设备110可与显示单元120组合使用作为图像显示设备210。

图像显示设备210包括液晶透镜设备110（液晶光学元件单元110u）和显示单元120。显示单元120与液晶光学元件单元110u层叠。

在本说明书中，“层叠”不仅包括直接重叠的状态，而且包括隔着另一组件重叠的状态。

第二基板单元20u设置在第一基板单元10u和显示单元120之间。显示单元120使得作为偏光的图像光125入射到液晶光学元件单元110u上。

显示单元120可包括任何显示设备。例如，液晶显示设备、有机EL显示设备、等离子体显示器等可用作显示单元120。

例如，在液晶显示设备用作显示单元120的情况下，显示单元120包括第一偏光层121、第二偏光层122、以及显示液晶层123。显示液晶层123设置在第一偏光层121和第二偏光层122之间。第一偏光层121和第二偏光层122可包括例如偏光体、偏光膜、偏光片等。在该示例中，显示液晶层123设置在第一偏光层121和液晶光学元件单元110u之间，而第二偏光层122设置在显示液晶层123和液晶光学元件单元110u之间。从显示单元120发射的图像光125的偏光由第二偏光层122形成。

图像光125包括图像信息。图像显示设备210还可包括控制显示单元120的显示控制单元87。显示单元120产生基于从显示控制单元87供应到显示单元120的信号而调制的图像光125。例如，显示单元120发射包括多幅视差图像50（例如，第一至第三视差图像PX1至PX3等）的图像光125。

在液晶光学元件单元110u中，通过在对电极21和第一电极11之间施加电压来改变液晶层30的液晶取向。由此，液晶层30的有效折射率改变；并且在液晶层30中形成折射率分布31。折射率在第一方向D1上是恒定的，因为第一电极11沿着第一方向D1延伸。折射率结合第一电极11所设置的位置沿着第二方向D2改变。换句话说，形成具有沿着第一方向D1延伸的凸透镜配置的透镜。

由此，例如，液晶光学元件单元110u用作液晶GRIN透镜（梯度指数透镜）。液晶光学元件单元110u的折射率分布31是可变的。例如，在对电极21和第一电极11之间不施加电压时，折射率在D1-D2平面中是基本上均匀的。在该状态中，穿过液晶光学元件单元110u的光的光学路径基本不变。在对电极21和第一电极11之间施加电压时，折射率沿着第二方向D2改变。在该状态中，调制穿过液晶光学元件单元110u的光的光学路径。

在液晶光学元件单元110u中，第一基板单元10u还可包括设置在第一主表面10a上的另一电极。例如，另一电极设置在第一电极11之间，并且沿着Y轴方向延伸。例如，另一电极的电位被设为与对电极21的电位相同。第一电极11的位置对应于透镜末端；而以上所述的另一电极的位置对应于透镜中心的位置。

如图1A和图2所示，液晶透镜设备110还可包括控制单元77。控制单元77电连接到第一电极11和对电极21。控制单元77通过控制第一电极11的电位和对电极21的电位在液晶层30中形成折射率分布31。

例如，在液晶光学元件单元110u实质上不调制光学路径的操作状态中，图像显示设备210提供二维图像显示。例如，在液晶光学元件单元110u调制光学路径的操作状态中，图像显示设备210提供三维图像显示。在三维图像显示期间，通过裸眼来感知立体观察。

如图2所示，第一基板单元10u还可包括第一取向膜16。第一取向膜16设置在第一主表面10a上且设置在第一电极11上。第二基板单元20u还可包括第二取向膜26。第二取向膜26设置在对电极21上（包括设置在第二主表面20a上）。通过对这些取向膜进行指定处理来形成液晶层30的初始取向。

例如，在通过摩擦来形成液晶层30的液晶取向的情况下，第一取向方向L1与第一基板单元10u的摩擦方向大致相匹配。第二取向方向L2与第二基板单元20u的摩擦方向大致相匹配。摩擦方向可通过观察在向液晶层30施加电压（特别是直流电压）时发生的液晶层30的取向的不均匀性（例如，摩擦划痕等）的各向异性来确定。同样，取向方向可通过在旋转液晶光学元件单元110u时测量液晶光学元件单元110u的光学特性来标识。液晶层30的液晶取向可通过光取向法等来形成，并且可通过任何方法来形成。

图3A至图3C是示出根据第一实施例的液晶透镜设备的使用状态的示意图。

图3A是示出液晶透镜设备110和图像显示设备210的配置的示意性立体图。图3B至3C是示出液晶透镜设备110和图像显示设备210的光学轴的示意图。在图3A中，为了便于观察，这些组件被描绘为彼此分离。

如图3A所示，显示单元120的第一偏光层121具有第一透射轴121p。第一透射轴121p是与第一偏光层121的吸收轴（例如，第一偏光层121的延伸方向）垂直的轴。第二偏光层122具有第二透射轴122p。第二透射轴122p是与第二偏光层122的吸收轴（例如，第二偏光层122的延伸方向）垂直的轴。

在该示例中，第二偏光层122设置在显示液晶层123和液晶光学元件单元110u之间。从显示单元120发射作为具有偏光轴P1的偏光的图像光125，并且图像光125入射到液晶光学元件单元110u上。

图像光125是基本上线性的偏光。图像光125的振动（电场振动）沿着偏光轴P1的分量大于图像光125的振动（电场振动）的沿着与偏光轴P1正交的轴的分量。

显示单元120的配置是任意的。诸如举例而言VA模式、TN模式、IPS模式等任何配置适用于显示液晶层123。通过在显示液晶层123中使用的液晶模式来设置第一透射轴121p和第二透射轴122p之间的角。相差层（相差板）可设置在从第一偏光层121与显示液晶层123之间的区域以及第二偏光层122与显示液晶层123之间的区域中选择的至少一个中。

如图3B所示，偏光轴P1基本平行于第二取向方向L2。由此，显示单元120使得作为具有偏光轴P1的偏光的图像光125入射到液晶光学元件单元110u上。偏光轴P1基本平行于第二取向方向L2，该第二长轴方向L2是在投影到第一主表面10a上时的第二基板单元20u上的液晶分子的长轴方向。

换句话说，液晶光学元件单元110u的第二取向方向L2被设为基本平行于从显示单元120发射的图像光125的偏光轴P1。

同样在此情况下，考虑到制造波动等，平行的状态包括角的绝对值小于或等于5度的状态。

换句话说，如图3C所示，第二取向方向L2和偏光轴P1之间的角的绝对值（第二角θ2）小于或等于5度。

第一基板10、第二基板20、第一电极11、以及对电极21可包括例如透明（对图像光125透明）的材料。

第一基板10和第二基板20可包括例如玻璃、树脂等。例如，第一电极11和对电极21包括具有从由In、Sn、Zn和Ti组成的组中选择的至少一种元素的氧化物。第一电极11和对电极21可包括例如ITO。例如，第一电极11和对电极21可以是从In₂O₃和SnO₃中选择的至少一个。例如，第一电极11和对电极21可以是薄金属层。

第一取向膜16和第二取向膜26可包括例如树脂，诸如聚酰亚胺等。例如，第一取向膜16和第二取向膜26的膜厚为200nm（例如，大于或等于100nm且小于或等于300nm）。

例如，液晶层30包括向列液晶。

例如，液晶层30中所包括的液晶的介电各向异性为正。不向液晶层30施加电压的状态被取为非激活状态。在液晶层30具有阈值电压的情况下，非激活状态可以是施加小于或等于阈值电压的电压的状态。向液晶层30施加电压的状态被取为激活状态。该电压大于阈值电压。例如，在非激活状态中，液晶层30具有基本水平的取向。在该状态中，在投影到第一主表面10a上时的液晶分子的长轴方向对应于取向方向。在介电各向异性为正的情况下，例如，处于非激活状态中的液晶的预倾斜角（定向器和基板的主表面之间的角）大于或等于0度且小于或等于30度。

液晶层30中所包括的液晶的介电各向异性可以是负的。例如，在向液晶层30施加电压的激活状态中，液晶层30的液晶分子的长轴方向具有与第一主表面10a平行的分量。在该状态中，在投影到第一主表面10a上时的液晶分子的长轴方向对应于取向方向。在介电各向异性为负的情况下，例如，处于非激活状态中的液晶的预倾斜角大于或等于60度且小于或等于90度。

由此，液晶光学元件单元110u与显示单元120组合使用。发现在这种使用状态中发生波纹。发现该波纹发生是因为设置在显示单元120中的像素的取向与液晶光学元件单元110u的第一电极11的取向相干扰。

根据本申请的发明人的研究，发现通过相对于设置在显示单元120中的像素取向使第一电极11的延伸方向（第一方向D1）倾斜，波纹得以抑制且波纹实际上不再感知得到。例如，倾斜角大于或等于约5度且小于或等于45度。更具体地，角（第一方向D1与设置在显示单元120中的像素取向的方向之间的角）大于或等于约7度且小于或等于约15度。实际上未感知到波纹的角根据像素取向的规格、多个视差像素的数量等而变化。

例如，为了抑制波纹，可使用其中设置在显示单元120中的像素的排列方向在显示表面中倾斜的配置。然而，从显示设备的设计和制造的观点来看，实际上无法采用其中像素的排列方向在表面中倾斜的像素取向。换句话说，实际上，设置在显示单元120中的像素的排列方向被设为垂直于或者平行于显示单元120的显示表面的一侧面的方向。

另一方面，有利的是图像光125的偏光轴P1和像素的排列方向（或者显示表面的一侧面的方向）之间的角为例如0度、45度、或90度。在此情况下，例如，容易在用作显示单元120的显示液晶层123等中获取高的光利用率和高对比率。同样，由于偏光层（偏光器）通过拉长来制造，因此有利的是像素的取向方向与偏光轴P1之间的角为0度或90度以获取更大的偏光层。

从这种观点来看，从显示单元120发射的图像光125的偏光轴P1固定在指定角。例如，虽然有可能通过使用相差层等来旋转偏光轴P1，因此很难采用这种配置，因为部件的数量增加。

因此，为了抑制波纹，研究在表面中倾斜第一电极11的延伸方向（第一方向D1）。然而，发现在第一电极11的延伸方向（第一方向D1）在表面中倾斜的情况下会发生多种问题。

在如上所述的液晶光学元件单元110u中，沿着第二方向D2形成折射率分布31。因此，期望图像光125的偏光轴P1平行于第二方向D2。在偏光轴P1相对于第二方向D2倾斜且液晶层30的取向是不扭转的平行取向的情况下，偏光轴P1的光的振动方向是相对于液晶分子的长轴倾斜的方向。因此，在此情况下，在液晶层30中形成的折射率分布31的有效变化减少。在折射率分布31的有效变化减少的情况下，调制光的传播方向的透镜效果可能不再充分地实现。

除了在表面中倾斜第一电极11的延伸方向（第一方向D1）以外，本申请的发明人研究了将扭转取向引入液晶层30。换句话说，具有偏光轴P1的图像光125入射的第二基板单元20u的取向方向（第二取向方向L2）被设为基本平行于偏光轴P1。然后，液晶取向在液晶层30内部从第二基板单元20u向第一基板单元10u扭转。在第一基板单元10u上，液晶的取向方向（第一取向方向L1）被设为基本平行于第二方向D2。

由此，在其中光入射到液晶层30上的与第二基板单元20u接触的第二层30b中，光的偏光轴P1与液晶分子的长轴方向相匹配；并且通过基本维持的偏振平面来入射光。然后，随着光传播通过液晶层30，由于液晶层30的光学旋转性质，光的偏振平面旋转；并且维持偏振平面与液晶分子的长轴方向相匹配的状态。然后，在第一基板单元10u上的第一层30a中，光的偏振平面基本平行于第二方向D2。由此，获取折射率的大变化。

在本实施例中，可抑制波纹，同时维持相对于入射的图像光125的大的有效折射变化。根据本实施例，可提供具有良好光学特性的液晶透镜设备和图像显示设备。

在该示例中，通过包括在显示单元120中的第二偏光层122来形成作为偏光的图像光125。本实施例不限于此；并且与第二偏光层122相对应的部分可包括在液晶透镜设备110中。

换句话说，除了第一基板单元10u、第二基板单元20u、以及液晶层30以外，液晶透镜设备110还可包括偏光层（例如，图3A所示的第二偏光层122）。第二基板单元20u设置在第一基板单元10u和偏光层（第二偏光层122）之间。偏光层（例如，第二偏光层122）使得具有与第二取向方向L2平行的偏光轴的偏光（例如，图像光125）经由第二基板单元20u入射到液晶层30上，其中第二取向方向L2是在投影到第一主表面10a上时的第二基板单元20u上的液晶分子的长轴方向。同样在此情况下，可提供具有良好光学特性的液晶透镜设备。偏光层（例如，第二偏光层122）可被认为是包括在液晶光学元件单元110u中。

考虑到如图3A所示的实际设备配置，有利的是显示单元120的外形的一侧面120s（在延伸方向上）平行于或者垂直于液晶光学元件单元110u的外形的一侧面110s（在延伸方向上）。在这些角倾斜的情况下，外形较大。

另一方面，液晶光学元件单元110u的外形具有与第一主表面10a平行的侧面110s。有利的是第二取向方向L2平行于或者垂直于侧面110s的延伸方向。由此，该设备的外形可与显示单元120组合成小的。

有利的是第一方向D1和侧面110s的延伸方向之间的角大于或等于5度且小于或等于45度或者大于或等于45度且小于或等于85度。有利的是第二方向D2和侧面110s的延伸方向之间的角大于或等于5度且小于或等于45度或者大于或等于45度且小于或等于85度。由此，该设备的外形在抑制波纹时可以是小的。

图4是示出根据第一实施例的液晶透镜设备的特性的曲线图。

图4示出液晶透镜设备110的液晶光学元件单元110u的折射率分布31的模拟结果。

在该模拟中，第一电极11的设置间距（沿着第二方向D2的第一电极11的中心之间的距离）为480μm；并且第一电极11的宽度（沿着第二方向D2的长度）为20μm。液晶层30的厚度为75μm。

第一方向D1和第二取向方向L2之间的角（电极延伸角θe1）为80度。换句话说，第二方向D2和第二取向方向L2之间的角（电极正交角θe2）为10度。液晶层30的扭转角θLC0为10度。第二取向方向L2平行于入射光（与图像光125相对应）的偏光轴P1。

图4的水平轴是沿着第二方向D2的位置x2，并且被归一化以使第一电极11的设置间距的1/2为1。垂直轴是液晶层30的折射率neff。折射率neff被归一化以使最大值为1。

如图4所示，折射率neff在第一电极11之间改变；并且获取良好的透镜特性。图4是折射率分布31的一个示例；并且折射率分布31的特性（配置）根据所施加的电压而变化。

图5是示出根据第一实施例的液晶透镜设备的特性的曲线图。

图5示出液晶光学元件单元的折射率分布31的模拟结果。在该模拟中，液晶层30的扭转角θLC0改变。换句话说，对于扭转角θLC0为5度（液晶透镜设备110a）、10度（液晶透镜设备110b）、45度（液晶透镜设备110c）、0度（液晶透镜设备118）、以及90度（液晶透镜设备119）的情况，使用模拟来确定有效折射率neff。在此情况下，第二方向D2和第二取向方向L2之间的角（电极正交角θe2）与扭转角θLC0相同。图5的水平轴是沿着第二方向D2的位置x2，示出设置间距的1/2的范围，并且被归一化以使第一电极11的设置间距的1/2为1。

如图5所示，扭转角θLC0为5度、10度和45度的液晶透镜设备110a、110b和110c的折射率neff的特性与扭转角θLC0为0度的液晶透镜设备118的折射率neff基本上相匹配。在图5中，液晶透镜设备110a、110b和110c的线与液晶透镜设备118的线基本上相重叠。

相反，在扭转角θLC0为90度的液晶透镜设备119的情况下，折射率neff的特性相对于液晶透镜设备118的特性偏移。考虑到其原因是，由于取向变形的行为相对于电场的变化，对折射率分布的配置的控制是困难的。

由此，在扭转角θLC0小于或等于45度的情况下，获取与扭转角θLC0为0度时相同的折射率特性。

图6是示出根据第一实施例的液晶透镜设备的特性的曲线图。

图6示出在液晶光学元件单元110u和显示单元120层叠的情况下从液晶光学元件单元110u发射的光的透射率的模拟结果。在该模拟中，从显示单元120发射的图像光125的偏光轴P1平行于X轴方向（例如，水平轴）。第二取向方向L2和第二方向D2（该第二方向D2与第一电极11的延伸方向正交）之间的角（电极正交角θe2）在1度至45度的范围内变化。对与扭转角θLC0是电极正交角θe2（具有扭转取向的液晶透镜设备110）的情况以及扭转角θLC0为0度（具有平行取向的液晶透镜设备118）的情况相关的特性进行模拟。图6的水平轴是电极正交角θe2。垂直轴是与具有偏光轴P1的光（对应于图像光125）相关的透射率Tr。透射率Tr被归一化以使最大值为1。

在如图6所示的平行取向的液晶透镜设备118中，当第一电极11的角（电极正交角θe2）增大时，透射率Tr显著地减小。

相反，在具有扭转取向的液晶透镜设备110中未观察到透射率Tr的减小，从而扭转角θLC0与电极正交角θe2相同。

从图5和图6所示的特性可见，有利的是扭转角θLC0（即，电极正交角θe2）小于或等于45°。从抑制波纹的观点来看，有利的是电极正交角θe2被设为大于或等于5°。换句话说，有利的是扭转角θLC0被设为大于或等于5°。

在本实施例中第一电极11的延伸方向和液晶的取向方向严格地正交的情况下，其中液晶分子的倾斜方向反转的反向倾斜可在施加电压时在第一电极11的周边发生。发现可通过使液晶的取向方向相对于第一电极11的延伸方向稍微地倾斜来抑制反向倾斜。因此，例如，第一取向方向L1和第二方向D2（该第二方向D2与第一电极11的延伸方向正交）之间的角的绝对值可被设为大于1度且小于或等于5度。由此，可抑制反向倾斜；并且可获取更好的特性。

第二实施例

图7是示出根据第二实施例的液晶透镜设备的配置的示意性立体图。如图7所示，根据本实施例的液晶透镜设备111包括液晶光学元件单元110u。液晶透镜设备111还可包括控制单元77。

液晶光学元件单元110u包括第一基板单元10u、第二基板单元20u、以及液晶层30。液晶透镜设备111的第一基板单元10u和液晶层30的配置可与液晶透镜设备110的配置相同，并且因此省略描述。

同样在液晶透镜设备111中，第二基板单元20u包括第二基板20和对电极21。对电极21设置在第二基板20的第二主表面20a上。在本实施例中，对电极21具有狭缝21s。例如，狭缝21s在与取向方向（即，第二取向方向L2）正交的方向上延伸，该取向方向是在投影到第一主表面10a上时的第二基板单元20u上的液晶分子的长轴方向。然而，本实施例不限于此。狭缝21s的延伸方向可相对于第二取向方向L2倾斜。

在该示例中，对电极21具有带状配置。对电极21的带状配置的宽度（经狭缝21s划分的部分的宽度）比第一电极11的宽度宽。

通过在对电极21中制作狭缝来控制在液晶层30中形成的折射率分布21变得更容易。

同样在此情况下，在液晶层30中，作为在投影到第一主表面10a上时的第一基板单元10u上的液晶分子的长轴方向的第一取向方向L1基本上与第一方向D1正交。液晶层30具有沿着与第一主表面10a垂直的轴扭转大于或等于5度且小于或等于45度的角的取向。

由此，可与显示单元120组合地抑制波纹，同时维持大的折射率变化。此外，可维持高透射率。

图像显示设备210可包括以上所述的液晶透镜设备111和显示单元120。同样在此情况下，显示单元120使得作为具有偏光轴P1的偏光的图像光125入射到液晶光学元件单元110u上。偏光轴P1平行于第二取向方向L2。第二取向方向L2是在投影到第一主表面10a上时的第二基板单元20u上的液晶分子的长轴方向。

根据各个实施例，提供具有良好光学特性的液晶透镜设备和图像显示设备。

在本申请的说明书中，“垂直”和“平行”不仅指严格垂直和严格平行，而且包括例如由制造工艺等引起的波动。基本垂直和基本平行就足够了。

在上文中，参考具体示例描述本发明的各个实施例。然而，本发明的实施例不限于这些具体示例。例如，本领域技术人员可通过从现有技术中适当地选择液晶透镜设备中所包括的组件的具体配置（诸如第一基板单元、第二基板单元、液晶层、第一基板、第一电极、第二基板、对电极、以及控制单元）以及图像显示设备的具体配置（诸如显示单元、这些显示单元的组件等）来类似地实践本发明；并且这种实践被包括在本发明的范围内达获取类似效果的程度。

此外，具体示例中的任何两个或更多个组件可在技术可行的程度内进行组合，并且被包括在本发明的范围内达包含本发明精神的程度。

此外，本领域技术人员可基于以上所述的作为本发明实施例的液晶透镜设备和图像显示设备通过适当设计修改而实践的所有液晶透镜设备和图像显示也落入本发明的范围达到包含本发明精神的程度。

在本发明的精神内，本领域技术人员可构想各种变体和修改，并且应当理解，这些变体和修改也涵盖在本发明的范围内。

尽管已描述了特定实施例，但这些实施例只作为示例呈现，并且不旨在限制本发明的范围。实际上，本文中所描述的新颖实施例可以各种其他形式体现；此外，可作出本文中所描述的实施例形式的各种省略、替代和改变，而不背离本发明的精神。所附权利要求书及其等效方案旨在覆盖如可落入本发明的范围和精神的这些形式或修改。

Claims (20)

1.一种图像显示设备，包括：

液晶透镜设备，所述液晶透镜设备包括液晶光学元件单元，所述液晶光学元件单元包括：

第一基板单元，所述第一基板单元包括：

具有第一主表面的第一基板；以及

设置在所述第一主表面上以沿着第一方向延伸的多个第一电极，

所述第一电极排列在与所述第一方向不平行的方向上，

第二基板单元，所述第二基板单元包括：

具有与所述第一主表面相对的第二主表面的第二基板；以及

设置在所述第二主表面上的对电极；以及

设置在所述第一基板单元和所述第二基板单元之间的液晶层，所述液晶层具有第一取向方向和第二取向方向，所述第一取向方向是在投影到所述第一主表面上时的所述第一基板单元上的液晶分子的长轴方向，所述第一取向方向与所述第一方向正交，所述第二取向方向是在投影到所述第一主表面上时的所述第二基板单元上的液晶分子的长轴方向，所述液晶层具有在所述第一取向方向和所述第二取向方向之间沿着所述第一主表面的法向轴扭转大于或等于5度且小于或等于45度的角的取向；以及

图像显示单元，所述图像显示单元包括显示单元，所述第二基板单元设置在所述第一基板单元和所述显示单元之间，所述显示单元被配置成使得具有与所述第二取向方向平行的偏光轴的偏光的图像光入射到所述液晶光学元件单元上。

2.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述对电极包括狭缝。

3.如权利要求2所述的设备，其特征在于，所述狭缝在与所述第二取向方向垂直的方向上延伸。

4.如权利要求2所述的设备，其特征在于，所述狭缝划分的所述对电极的一部分的宽度比所述第一电极的宽度宽。

5.如权利要求1所述的设备，其特征在于，还包括电连接到所述第一电极和所述对电极的控制单元，所述控制单元被配置成通过控制所述第一电极的电位和所述对电极的电位在所述液晶层中形成折射率分布。

6.如权利要求1所述的设备，其特征在于，

所述第一基板单元还包括设置在所述第一电极上的第一取向膜，以及

所述第二基板单元还包括设置在所述对电极上的第二取向膜。

7.如权利要求1所述的设备，其特征在于，

所述液晶层具有大于或等于0度且小于或等于30度的预倾斜角。

8.如权利要求1所述的设备，其特征在于，

所述第一基板、所述第二基板、所述第一电极、以及所述对电极对所述图像光是透明的。

9.如权利要求8所述的设备，其特征在于，

所述第一电极和所述对电极包括氧化物，所述氧化物包含从由In、Sn、Zn和Ti组成的组中选择的至少一种元素。

10.如权利要求1所述的设备，其特征在于，

所述第一方向与设置在所述显示单元中的像素的取向方向之间的角大于或等于7度且小于或等于15度。

11.如权利要求1所述的设备，其特征在于，

所述显示单元包括多个像素，

所述像素的取向方向垂直于所述偏光轴或者平行于所述偏光轴。

12.如权利要求1所述的设备，其特征在于，

所述显示单元包括第一偏光层、第二偏光层、以及设置在所述第一偏光层和所述第二偏光层之间的显示液晶层。

13.如权利要求1所述的设备，其特征在于，

所述第二取向方向平行于或者垂直于所述液晶光学元件单元的外形的一侧面的延伸方向，所述侧面平行于所述第一主表面。

14.如权利要求1所述的设备，其特征在于，

所述第一方向与所述液晶光学元件单元的外形的一侧面的延伸方向之间的角大于或等于5度且小于或等于45度或者大于或者等于45度且小于或等于85度，所述侧面平行于所述第一主表面。

15.如权利要求1所述的设备，其特征在于，

所述第二方向与所述液晶光学元件单元的外形的一侧面的延伸方向之间的角大于或等于5度且小于或等于45度或者大于或者等于45度且小于或等于85度，所述第二方向平行于所述第一主表面且垂直于所述第一方向，所述侧面平行于所述第一主表面。

16.一种图像显示设备，包括：

液晶透镜设备，所述液晶透镜设备包括液晶光学元件单元，所述液晶光学元件单元包括：

第一基板单元，所述第一基板单元包括：

具有第一主表面的第一基板；以及

设置在所述第一主表面上以沿着第一方向延伸的多个第一电极，

所述第一电极排列在与所述第一方向不平行的方向上，

第二基板单元，所述第二基板单元包括：

具有与所述第一主表面相对的第二主表面的第二基板；以及

设置在所述第二主表面上的对电极；以及

设置在所述第一基板单元和所述第二基板单元之间的液晶层，所述液晶层具有第一取向方向和第二取向方向，所述第一取向方向是在投影到所述第一主表面上时的所述第一基板单元上的液晶分子的长轴方向，所述第一取向方向和第二方向之间的角的绝对值大于0度且小于或等于5度，所述第二方向平行于所述第一主表面且垂直于所述第一方向，所述第二取向方向是在投影到所述第一主表面上时的所述第二基板单元上的液晶分子的长轴方向，所述液晶层具有在所述第一取向方向和所述第二取向方向之间沿着所述第一主表面的法向轴扭转大于或等于5度且小于或等于45度的角的取向；以及

图像显示单元，所述图像显示单元包括显示单元，所述第二基板单元设置在所述第一基板单元和所述显示单元之间，所述显示单元被配置成使得具有与所述第二取向方向平行的偏光轴的偏光的图像光入射到所述液晶光学元件单元上。

17.一种液晶透镜设备，所述液晶透镜设备包括液晶光学元件单元，所述液晶光学元件单元包括：

第一基板单元，所述第一基板单元包括：

具有第一主表面的第一基板；以及

设置在所述第一主表面上以沿着第一方向延伸的多个第一电极，所述

第一电极排列在与所述第一方向不平行的方向上；

第二基板单元，所述第二基板单元包括：

具有与所述第一主表面相对的第二主表面的第二基板；以及

设置在所述第二主表面上的对电极；以及

设置在所述第一基板单元和所述第二基板单元之间的液晶层，所述第一取向方向与所述第一方向正交，所述第一取向方向是在投影到所述第一主表面上时的所述第一基板单元上的液晶分子的长轴方向，液晶层具有沿着第一主表面的法向轴扭转大于或等于5度且大于或等于45度的角的取向。

18.如权利要求17所述的设备，其特征在于，所述对电极包括狭缝。

19.如权利要求17所述的设备，其特征在于，还包括电连接到所述第一电极和所述对电极的控制单元，所述控制单元被配置成通过控制所述第一电极的电位和所述对电极的电位在所述液晶层中形成折射率分布。

20.如权利要求17所述的设备，其特征在于，还包括偏光层，

所述第二基板单元设置在所述第一基板单元和所述偏光层之间，

所述偏光层被配置成使得偏光经由所述第二基板单元入射到所述液晶层上，所述偏光具有与第二取向方向平行的偏光轴，所述第二取向方向是在投影到所述第一主表面上时的所述第二基板单元上的液晶分子的长轴方向。

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