CN103777414A - 液晶光学元件和成像设备 - Google Patents

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伊藤真知子
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Abstract

本发明提供了一种液晶光学元件和成像设备。根据一个实施例，液晶光学元件包括第一基板单元、第二基板单元、和设置在两者之间的液晶层。该第一基板单元包括第一基板、设置在其上的多个第一电极、和设置在两个最接近第一电极之间的第二电极。该第二电极，相对于两个最接近第一电极中的一个电极和另一个电极之间的中心轴非对称。该第二基板单元包括与第一基板相对的第二基板、和设置在该第二基板上的对电极。液晶层具有位于第一基板单元一侧上的第一部分和位于第二基板单元侧上的第二部分；且位于第一部分中的液晶具有垂直取向，且位于第二部分中的液晶具有水平取向。

Description

液晶光学元件和成像设备
相关申请的交叉引用
本申请基于2012年10月23日提交的日本专利申请No.2012-233450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
各实施例一般地涉及液晶光学元件和成像设备。
背景技术
存在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分布的液晶光学元件。还存在其中将这样的液晶光学元件与图形显示单元组合的立体图像显示设备。
通过改变液晶光学元件的折射率分布，立体图像显示设备在其中使得由图像显示单元显示的图像如在图像显示单元上显示一样入射到查看者的眼睛上的状态与其中使得由图像显示单元显示的图像如多幅视差图像一样入射到查看者的眼睛上的状态之间切换。由此，实现高清晰度的二维图像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自动的立体查看。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。
附图说明
图1是示出根据第一实施例的液晶光学元件的示意剖视图；
图2是示出根据第一实施例的图像设备的示意图；
图3是示出根据第一实施例的图像设备的示意透视图；
图4A和4B是示出根据第一实施例的图像设备的操作的示意剖视图；
图5是示出根据参考示例的液晶光学元件的示意剖视图；
图6是示出根据第一实施例的液晶光学元件的示意剖视图；
图7是示出液晶光学元件的特性的图；
图8是示出根据第二实施例的液晶光学元件的示意剖视图；
图9是示出根据参考示例的液晶光学元件的示意剖视图；
图10是示出根据第二实施例的液晶光学元件的示意剖视图；
图11是示出液晶光学元件的特性的图；
图12是示出根据第三实施例的图像设备的示意透视图；和
图13是示出根据第四实施例的图像设备的示意剖视图。
具体实施方式
根据一实施例，液晶光学元件包括第一基板单元、第二基板单元、和设置于该第一基板单元和该第二基板单元之间的液晶层。该第一基板单元包括具有第一主表面的第一基板，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，和设置在位于该第一主表面上的多个第一电极中两个最接近的第一电极之间的第二电极。该第二电极沿该第一方向延伸；且该第二电极相对于平行第一方向的中心轴并不对称并通过一线段的中点，该线段将两个最接近第一电极中的一个电极在第二方向的中心与两个最接近第一电极中的另一个电极在第二方向的中心连接，其中第二方向与该第一主表面平行且与第一方向垂直。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与该第一电极和第二电极相对的对电极（opposing electrode）。液晶层具有位于第一基板单元侧上的第一部分和位于第二基板单元侧上的第二部分；在该第一部分中的液晶具有垂直对齐；且在该第二部分中的液晶具有沿第二方向的水平对齐。
现在将参考附图详细描述各实施例。
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分类似的组分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1是示出根据第一实施例的液晶光学元件的配置的示意剖视图。
如图1中所示，液晶光学元件110包括第一基板单元11s、第二基板单元12s、和液晶层30。
第一基板单元11s包括第一基板11、多个第一电极21、和第二电极22。
第一基板11具有第一主表面11a。多个第一电极21设置在第一主表面11a上。第一电极21沿着第一方向延伸。第一方向是与第一主表面11a平行的任何方向。
与该第一主表面11a垂直的方向被取为Z-轴方向。与Z轴方向垂直的一个方向被取为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。例如，Y轴方向被取为第一方向。X轴方向被取为第二方向。在下文的描述中，+X轴方向是X轴的正方向；且-X轴方向是X轴的负方向。对于Y轴方向和Z轴方向，这是类似的。
在第一主表面上设置第二电极22。该第二电极22在多个第一电极21的两个最接近第一电极21之间在第一方向（Y轴方向）上延伸。例如，第二电极22被设置在两个最接近第一电极21中的一个电极21p和最接近第一电极21中的另一个电极21q之间。第二电极22被设置在两个最接近第一电极21之间的每一个空间中。
例如，多个第一电极21之间的间距以及第二电极22之间的间距是恒定的。例如，第一电极21的图案配置和第二电极22的图案配置是带状配置。下面描述第一电极21和第二电极22的部署的示例。
第二基板单元12s包括第二基板20和对电极23。第二基板12具有第二主表面12a。第二主表面12a与第一主表面11a相对。第二主表面12a大致平行于第一主表面11a。对电极23设置在第二主表面12a上。对电极23与多个第一电极21和多个第二电极22中的每一个相对。对电极23具有与第一电极21相对的部分23c和与第二电极22相对的部分23b。
尽管对电极23被图示为图1的第二主表面12a上的连续体，但这并不限于此。例如，对电极23可被设置在具有裂缝的配置内。
液晶层30设置在第一基板单元11s和第二基板单元12s之间。液晶层30包括含有多个液晶分子35的液晶36。液晶36是液晶介质。例如，液晶层30可包括向列液晶。液晶层30的介电各向异性为正或负。下文中，将描述其中具有正介电各向异性的向列液晶被用作液晶层30的情况。
第一取向膜31被设置在液晶层30和第一电极21之间、液晶层30和第二电极22之间。第一取向膜31被包括在第一基板单元11s中。第一取向膜31使得液晶分子35具有垂直取向。如下所述，在第一基板单元11s侧的液晶36的定向器可不具有严格的垂直取向。
第二取向膜32被设置在对电极23和液晶层30之间。第二取向膜32被包括在第二基板单元12s中。第二取向膜32使得液晶分子35具有水平取向。第二取向膜32使得液晶36的定向器（长轴）沿X-轴方向。在该实施例中，液晶36定向器可并不与X-轴方向严格平行。定向器和定向器投射在第一主表面11a上的分量之间角度的绝对值不大于15度。其中液晶36的定向器具有水平取向的状态被认为是其中定向器和定向器投射在第一主表面11a上的分量之间角度的绝对值不大于15度的状态。
在其中没有在对电极23与第一电极21之间和对电极23与第二电极22之间施加电压的状态（不活动状态）中形成HAN（混合排列向列）取向。在该HAN取向中，该取向在第一基板侧是垂直取向，且在第二基板侧是水平取向。液晶层30的第一部分30p在第一基板单元11s侧上具有垂直取向。液晶层30的第二部分30h在第二基板单元12s侧上具有水平取向。在水平取向中，液晶分子35的长轴沿X-轴方向。
在水平取向中，预先倾斜角度不小于0°且不大于30°。预先倾斜角度是液晶36的定向器与第一主表面11a之间的角度。在垂直取向中，预先倾斜角度不小于60°且不大于90°。取向轴与水平侧平行。
预先倾斜的方向是液晶36的定向器在X-Y平面上倾斜的方向。例如，预先倾斜的方向可由晶体旋转法所确定。也可通过向液晶层30施加电压来改变液晶取向并观察此时液晶层30的光学特性，从而确定预先倾斜的方向。
第一基板11、第二基板12、第一电极21、第二电极22、和对电极23可包括透明材料。第一基板11和第二基板12可包括例如玻璃、树脂等。例如，第一电极21、第二电极22、和对电极22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。例如，第一电极21、第二电极22、和对电极23可包括ITO（氧化铟锡）。第一电极21、第二电极22、和对电极23可包括薄金属层。
第一取向膜31和第二取向膜32可包括例如聚酰亚胺。第一取向膜31的材料不同于第二取向膜32的材料。例如，第二取向膜32的表面能大于第一取向膜31的表面能。
现在将关注第一基板单元11s的两个最接近第一电极21的一个电极21p和最接近第一电极21的另一个电极21q。在上述一个电极21p和上述另一个电极21q之间存在中心轴21cx。中心轴21cx与Y-轴方向（第一方向）平行来通过将上述一个电极21p的第二方向中心21pc和上述另一个电极21q的第二方向中心21qc连接的线段的中点21c。
在与第一主表面11a正交且通过中心轴21cx的直线和与第一主表面11a正交且通过上述一个电极21p的中心21pc的直线之间的区域被取为第一区域R1。在与第一主表面11a正交且通过中心轴21cx的直线和与第一主表面11a正交且通过上述另一个电极21q的中心21qc的直线之间的区域被取为第二区域R2。
第二电极22相对于中心轴21cx非对称。在该示例中，在两个最接近第一电极之间（一个电极21p和另一个电极21q之间）设置一个第二电极22。该第二电极22设置于第二区域R2中；且第二电极22未被设置于第一区域R1中。因此，其中第二电极22相对中心轴21cx非对称的状态包括其中第二电极22被设置于由中心轴21cx所划分的位于两个第一电极21之间的一个区域内且第二电极22没有被设置于由中心轴21cx所划分的位于两个第一电极21之间的另一个区域内的状态。
在其中一个第二电极22被设置在两个第一电极21之间的情况下，其中第二电极22相对于中心轴21cx非对称的状态包括其中第二电极22的第二方向中心没有与中心轴21cx重叠。
可在两个第一电极21之间设置两个或更多个第二电极22。在这样的情况下，多个第二电极22相对中心轴21cx非对称。
在其中一个第二电极22被设置在上述一个电极21p和上述另一个电极21q之间的情况下，一个电极21p和第二电极22之间的距离（X-轴方向的距离）被取为第一距离d12。另一个电极21q和第二电极22之间的距离（X-轴方向的距离）被取为第二距离d21。在这个示例中，第一距离d12比第二距离d21长。
第二电极22和第一电极21之间的位置关系由下列式所表达。
Lp=W1+d12+W2+d21   (1)
HLp=Lp/2   (2)
d12>d21   (3)
此处，Lp是互邻的第一电极21的中心之间的距离。HLp是从第一电极21的中心到相邻第一电极21的中心的距离的一半。
第一电极21在X-轴方向的宽度被取为第一宽度W1。第二电极22在X-轴方向的宽度被取为第二宽度W2。例如，第一距离d12和第二距离d21之间的差距的绝对值(△d=|d12-d21|)可大于选自第一宽度W1和第二宽度W2中的至少一个。在该示例中，差距的绝对值(△d=|d12-d21|)大于第一宽度W1且大于第二宽度W2。第二电极22在X-轴方向的位置并不与中心轴21cx匹配。
|d12-d21|>W1   (4)
|d12-d21|>W2   (5)
液晶层30的厚度（在Z-轴方向）被取为Zd。例如，Zd不小于2微米（μm）且不大于200μm。例如，Lp不小于10μm且不大于600μm。例如，W1不小于1μm且不大于50μm。例如，W2不小于1μm且不大于500μm。例如，△d不小于0.5倍的W1且不大于50倍的W1。例如，△d不小于0.5倍的W2且不大于50倍的W2。例如，△d不小于Lp的2%且不大于Lp的95%。
图2是示出根据第一实施例的图像设备的配置的示意图。
图3是示出根据第一实施例的图像设备的配置的示意透视图。
在该示例中，图像设备是图像显示设备210。
如图2和图3中所示，图像显示设备210（图像设备）包括液晶光学元件110、图像显示单元120（图像单元）、显示控制电路130、和控制电路140。图像显示单元120包括像素。
图像显示单元120具有显示图像的图像显示表面120a。例如，该图像显示表面120a具有矩形配置。图像显示单元120与液晶光学元件110层叠。堆叠状态不仅包括直接重叠的状态还包括彼此间隔开的重叠状态和其中间隔另一个组件的重叠状态。
液晶光学元件110被设置在图像显示表面120a上。例如，液晶光学元件110覆盖整个图像显示表面120a。
显示控制电路130电连接至图像显示单元120。控制电路140电连接至液晶光学元件110。显示控制电路130控制图像显示单元120的操作。例如，来自记录介质、外部输入等的图像信号被输入至显示控制电路130。该显示控制电路130，基于所输入的图像信号，控制图像显示单元120的操作。与所输入的图像信号对应的图像被显示在图像显示表面120a处。显示控制电路130可被包括在图像显示单元120内。显示控制电路130可包括控制电路140。
控制电路140电连接至第一电极21、第二电极22、和对电极23。例如，控制电路140连接至显示控制电路130。例如，控制电路140基于从显示控制电路130提供来的信号来操作。控制电路140向液晶层30提供电压来在液晶光学元件110的液晶层30中形成折射率分布Rx。
在电压施加状态中，液晶光学元件110具有在X-轴方向的折射率分布Rx且例如用作液晶GRIN透镜（梯度折射率透镜）。液晶光学元件110的折射率分布Rx的状态是可变化的。折射率分布Rx的一个状态对应于其中显示于图像显示表面120a上的图像被使得如在图像显示表面120a上所显示地那样入射在观看者的眼睛上的第一状态。折射率分布Rx的一个其他状态对应于其中显示于图像显示单元120上的图像被使得如多个视差图像那样入射在观看者的眼睛上的第二状态。
在图像显示设备210中，通过改变液晶光学元件110的折射率分布Rx，可能选择性地在二维图像显示（下文中称为2D显示）和三维图像显示（下文称为3D显示）之间切换。在三维图像的显示中，提供自动立体观看。
例如，控制电路140执行液晶光学元件110的第一状态和第二状态之间的切换。
在其中图像显示设备210中执行2D显示的情况下，控制电路140将液晶光学元件110切换至第一状态；且显示控制电路130使图像显示单元120显示2D显示的图像。另一方面，在其中图像显示设备210中执行3D显示的情况下，控制电路140将液晶光学元件110切换至第二状态；且显示控制电路130使图像显示单元120显示3D显示的图像。
如图3中所示，图像显示单元120具有图像显示表面120a，图像显示表面120a具有矩形配置。该图像显示表面120a具有彼此垂直的两侧。彼此垂直的两侧中的一侧与X-轴方向平行。另一侧与Y-轴方向平行。图像显示表面120a的两侧的取向可以是垂直于Z-轴方向的任何方向。
图像显示单元120包括设置于两维矩阵配置中的多个像素组50。图像显示表面120a由多个像素组50形成。像素组50包括第一像素PX1、第二像素PX2、和第三像素PX3。下文中，第一像素PX1到第三像素PX3统称为像素PX。像素组50被部署为与两个互邻的第一电极21之间的区域AR1相对。包括在像素组50中的第一像素PX1到第三像素PX3被设置在X-轴方向。包括在像素组50中的多个像素PX的数量是任意的。
例如，图像显示单元120发射光，包括由图像显示表面120a所显示的图像。例如，该光处于线性偏振光状态，基本在Z-轴方向传播。线性偏振光的偏振轴（在电场的振动平面的X-Y平面内的取向轴）处于X-轴方向。线性偏振光的偏振轴处于与液晶分子35在第二基板单元12s一侧上的定向器（长轴）平行的方向。例如，通过将具有X-轴方向的光过滤器（偏振器）部署为沿着光路径的偏振轴，产生线性偏振的光。
在Y-轴方向，液晶光学元件110的第一电极21和第二电极22的长度比图像显示表面120a的长度更长。第一电极21和第二电极22在Y-轴方向越过图像显示表面120a。
在该示例中，第一电极21的端部连接至第一互连单元41。包括第一电极21和第一互连单元41的配置是梳状配置。通过向第一互连单元41施加电压，电压被施加至第一电极21。第二电极22的端部连接至第二互连单元42。第二互连单元42的位置处于与第一互连单元41的位置相对的一侧上。通过向第二互连单元42施加电压，电压被施加至第二电极22。
控制电路140控制第一电极21的电位、第二电极22的电位、和对电极23的电位。控制电路140控制对电极23和第一电极21之间的电压。控制电路140控制对电极23和第二电极22之间的电压。
在液晶光学元件110中，通过向第一电极21、第二电极22、和对电极23施加电压（设置电位）来执行第一状态和第二状态之间的切换。
在其中如图1中所示未向液晶层30施加电压的状态（不活动状态）中，包括在液晶层30内的多个液晶分子35在第一基板单元11s一侧上具有垂直取向且在第二基板单元12s的一侧上具有水平取向。这个状态在X-轴方向和Y-轴方向具有基本均匀的折射率分布。在其中未施加电压的状态中，包括显示在图像显示单元120上的图像的光的行进方向基本不变化。在其中不施加电压的情况下，液晶光学元件110被切换至第一状态。
在液晶光学元件110的第二状态中，例如，向第一电极21施加电压；且第二电极22和对电极23接地。换言之，对电极23和第一电极21之间的电压的绝对值被设置为大于对电极23和第二电极22之间的电压的绝对值。例如，对电极23和第一电极21之间的电压的有效值被设置为大于对电极23和第二电极22之间的电压的有效值。
如图2中所示，在该第二状态中，液晶层30的折射率分布Rx沿X-轴方向变化。在对电极23和第一电极21之间的区域内的折射率相对较低。在对电极23和第二电极22之间区域内的折射率或在与对电极23和第二电极22之间的区域邻近的区域内的折射率相对较高。因此，液晶层30的折射率沿X-轴方向变化。在两个第一电极21之间形成具有凸透镜配置或接近凸透镜配置的配置的折射率分布。
图4A和图4B是示出根据第一实施例的图像设备的操作的示意剖视图。
图4A和图4B对应于两个不同的操作状态。
如图4A中所示，图像显示单元120的像素组50与两个互邻第一电极21之间的区域AR1相对。具有形成于液晶层30内的凸透镜配置的折射率分布与像素组50相对。在该示例中，液晶层30的折射率分布的折射率高的部分与部署于像素组50中心处的第二像素PX2相对。
如图4A中所示，在施加电压过程中液晶层30的折射率分布将发射自像素组50的光（图像）向观看者的眼睛OE集中。藉此，由包括在图像显示表面120a内的多个第一像素PX1形成的图像成为第一视差图像。由多个第二像素PX2形成的图像成为第二视差图像。由多个第三像素PX3形成的图像成为第三视差图像。右眼的视差图像选择性地入射在观看者的右眼上；且左眼的视差图像选择性地入射在观看者的左眼上。藉此，3D显示是可能的。换言之，在其中施加电压的情况下，液晶光学元件110被切换至第二状态。
在其中液晶光学元件110处于如图4B中所示的第一状态的情况下，从像素组50发出的光直线行进并入射在观看者的眼睛OE上。藉此，2D显示是可能的。在2D显示中，可用大于3D显示达视差图像数量的倍数（在这个示例中，3倍）的分辨率来显示正常的2D图像。
可在多个像素PX处分别设置包括三原色RGB的滤色片。藉此，彩色显示是可能的。除了三原色RGB外，滤色片可进一步包括白色（无色）和其他彩色分量。
图5是示出参考示例的液晶光学元件的示意剖视图。
图5中未示出第一取向膜31和第二取向膜32。
在如图5中所示的参考示例的液晶光学元件119中，当如上所述向第一电极21、第二电极22、和对电极23施加电压时，在第一电极21周围产生电力线EL。在其中液晶层30的介电各向异性为正的情况下，液晶分子35的取向沿电力线EL的路径在其中电力线EL拥挤（即，电场强）处变形。
在其中第一电极21与对电极23相对的部分中，在第二基板单元12s一侧上具有水平取向的液晶分子35的取向接近垂直取向。另一方面，在其中第二电极22与对电极23相对的部分中，液晶分子35的取向仍是水平取向。在第二电极22和第一电极21之间的部分中，从第二电极22向着第一电极21，液晶分子35的角度变化为逐渐接近垂直取向。换言之，液晶分子35符合电力线EL；且液晶分子35的长轴角度在Z-X平面内变化。液晶分子35的长轴的角度随着作为旋转轴的Y-轴方向变化。
液晶分子35具有双折射。偏振光的液晶分子35的长轴方向的折射率高于在液晶分子35的短轴方向的折射率。如上所述，当液晶分子35的角度变化时，线性偏振光的在X-轴方向中液晶层30的折射率在液晶层30的与第二电极22相对的部分内是高的。从与第二电极22相对的部分向与第一电极21相对的部分，折射率逐渐减少。藉此，形成具有凸透镜配置的折射率分布。
第一电极21和第二电极22沿Y-轴方向延伸。藉此，在施加电压期间液晶层30的折射率分布具有沿Y-轴方向延伸的柱面透镜配置。且，第一电极21和第二电极22被多个交替设置在X-轴方向。藉此，在施加电压期间液晶层30的折射率分布具有双凸透镜配置。在具有双凸透镜配置的折射率分布中，在X-轴方向中设置沿Y-轴方向延伸的多个柱面透镜。
在参考示例中，电力线EL被分布为，例如相对作为对称轴的第一电极21的X-轴方向中心基本对称。然而，折射率分布Rx在第一电极21的X-轴方向中心的周围并非对称。
电力线EL的密度，即电场强度，在第一电极21附近是强的且离开第一电极21向第二电极22或对电极23变弱。因此，使得液晶分子35旋转的力在第一电极21附近是强的。在第一电极21附近电力线EL放射状散布。因此，电力线EL的倾斜方向在以中心轴21cx作为边界的第一电极21两端处互为相反。在第一电极21的两端之一的邻近区域（正向区域FR）内，电力线EL的方向为沿液晶分子35的预先倾斜的方向。在第一电极21的两端中另一个的邻近区域（反向区域RR）中，电力线EL的方向与预先倾斜方向相反。
配置在正向区域FR（在图5的示意剖视图中的中心轴21cx的左侧区域）和反向区域RR（中心轴21cx的右侧区域）中的第一电极21附近在垂直方向（Z轴方向）中的液晶分子的取向状态被图示在该示意剖视图的下部。换言之，设置在正向区域FR中的第一电极21附近的液晶取向状态由配置在垂直方向中的液晶分子35a到35c所示出；且设置在反向区域RR中的第一电极21附近的液晶取向状态由配置在垂直方向中的液晶分子35d到35f所示出。在每一个图示中，在最接近第一电极21的电力线EL的动作之前和之后的液晶取向状态（配置为垂直方向的液晶分子）正在对应的第一电极21下彼此相邻地显示。在左侧，在电压施加前，电力线EL的方向被图示为覆盖液晶取向状态。在右侧，示出由电力线EL的动作改变的液晶取向状态。
在正向区域FR中，由最接近第一电极21中心右侧的电力线EL所作用的液晶分子35a的倾斜方向与液晶分子35a上的液晶分子35b的倾斜方向的方向相同。在这样的情况下，在第一电极21中心右侧附近的定向器倾斜；且定向器的水平分量易于增加。在第一基板单元11s中心右侧附近的折射率增加。
在正向区域FR中，在正位于第一电极21之上区域中的第二基板单元12s附近的液晶分子35c沿在垂直方向（Z轴方向）延伸的电力线EL向上倾斜。
作为结果，定向器的水平分量减少；且在第二基板单元12s附近的折射率减少。这两个效果是互相补偿的。因此，在第一电极21的中心右侧的上接近区中的折射率的减少趋势被抑制。
在反向区域RR（在图5中中心轴21cx的右侧的区域）中，由最接近第一电极21中心左侧的电力线EL所作用的液晶分子35d的倾斜方向是在液晶分子35d上的液晶分子35e的倾斜方向的相反方向。在液晶分子35d上，向着电力线EL的旋转力矩和向着接近的液晶分子35e的旋转力矩互相补偿。因此，最接近第一电极21中心左侧的液晶分子35d并不容易倾斜。在其中电场EL极强的情况下，最接近第一电极21的液晶分子35倾斜为相对液晶分子35e反向取向；且形成弯曲取向的变形。弯曲取向的中间部分具有垂直取向。在第一电极21中心左侧的区域内，为液晶层30整体地维持定向器的大多数垂直分量。
在正位于反向区域RR中的第一电极21之上区域内的第二基板单元12s附近，液晶分子35f沿在垂直方向（Z轴方向）延伸的电力线EL向上倾斜。作为结果，定向器的水平分量减少；且在第二基板单元12s附近的折射率减少。因此，在第一电极21中心左侧的区域内，没有发生正向区域FR的补偿效果；且折射率的减少量变大。
因此，在其中第二电极22配置在两个第一电极21之间的中心处的参考示例的配置中，折射率的变化量（如，减少量）在正向区域FR和反向区域RR之间是不同的。作为结果，折射率的峰值位置并没有与第一电极21之间的中心轴21cx的位置重叠。在示例中，在图中，折射率的峰值位置移动到在中心轴21cx的左侧方向。因此，折射率分布Rx横向非对称（围绕中心轴21cx非对称）。
图6是示出根据第一实施例的液晶光学元件的配置的示意剖视图。
图6中未示出第一取向膜31和第二取向膜32。
在根据图6所示的实施例的液晶光学元件110中，第二电极22相对于在两个第一电极21之间的中心轴21cx非对称。在该示例中，第二电极22被设置在偏移至中心轴21cx右侧的位置。藉此，在正向区域FR中第一电极21附近（图6中左侧的区域），横向电场分量是弱的；且促进了折射率的减少。另一方面，在反向区域RR中第一电极21附近（图6中右侧的区域），横向电场分量是强的；且抑制了折射率的减少。作为结果，在正向区域FR和反向区域RR之间折射率减少量的差异小。例如，折射率分布Rx变得横向对称或接近横向对称。
图7是示出液晶光学元件的特性的图。
图7示出根据参考示例和实施例的液晶光学元件的折射率分布。水平轴是X-轴方向的位置。位置X21对应于一个第一电极21的中心的位置。位置“X21-HLp”和位置“X21+HLp”对应于中心轴21cx的位置。中心轴21cx基本对应于形成在液晶层30中的折射率分布Rx的透镜中心的位置（左侧的透镜中心Lc1和右侧的透镜中心Lc2）。图7的垂直轴是液晶层30的折射率neff。通过没有施加电压时的值来归一化折射率neff。
在图7中，实线示出根据实施例的液晶光学元件110的折射率分布EB。虚线示出参考示例的液晶光学元件119的折射率分布CE。
参考示例的折射率分布CE的折射率neff从位于左侧的透镜中心Lc1至中心轴21cx（位置X21）平缓减少。另一方面，在中心轴21cx和位于右侧的透镜中心Lc2之间的区域内在中心轴21cx附近抑制了折射率neff的减少。在中心轴21cx和位于右侧的透镜中心Lc2之间的区域内在中心轴21cx附近折射率neff的变化是急剧的。
另一方面，在根据实施例的液晶光学元件110的折射率分布EB中，在位于左侧的透镜中心Lc1和中心轴21cx之间的折射率neff的减少梯度相比参考示例更为急剧。进一步，在中心轴21cx和位于右侧的透镜中心Lc2之间的折射率neff的变化是平缓的。换言之，本实施例的折射率分布EB的对称性比参考示例的折射率分布CE的对称性更高。
在该实施例中，通过使得第二电极22相对于互邻的第一电极21之间的中心轴21cx不对称来改进折射率分布Rx的对称性。
在该实施例中，在第二电极22和多个第一电极21的两个最接近第一电极21的一个电极21p之间的X轴方向中的第一距离d12不同于在另一个电极21q和第二电极22之间的X轴方向中的第二距离d21。
在该示例中，在第二基板单元12s上的预先倾斜被取向为沿从一个电极21p向着另一个电极21q的X轴方向中的+X轴方向，从第一基板单元11s向第二基板单元12s。液晶定向器在液晶层30中心处的倾斜也在同一方向。作为整体，液晶层30具有其中液晶的定向器被取向为沿从一个电极21p向另一个电极21q的+X轴方向（第二方向）从第一基板单元11s向着第二基板单元12s的液晶取向。在这样的情况中，第一距离d12比第二距离d21长。藉此，可改进折射率分布Rx的对称性。藉此，可改进液晶光学元件110的光学特性。
液晶层30的不对称不仅包括折射率分布Rx的峰值位置的偏移还包括底部位置的偏移；且偏移量也并非一直相同。因此，即使在如上所述其中通过偏移第二电极22的位置来改进折射率部分Rx的对称性的情况下，也存在其中在折射率分布周期和电极部署周期之间发生偏移的情况。因此，当部署图像显示单元120的像素组50来覆盖液晶光学元件110时，期望的是预先调整图像显示单元120的像素组50和液晶光学元件110的位置关系来预测该偏移。
第二实施例
图8是示出根据第二实施例的液晶光学元件的配置的示意剖视图。
在根据图8所示的实施例的液晶光学元件111中，第二电极22被偏移在第一电极21之间的中心轴21cx的左边方向中。
在液晶光学元件111中，第二电极22也是相对于互邻的第一电极21之间的中心轴21cx非对称。在该示例中，在第二电极22和多个第一电极21的两个最接近第一电极21的一个电极21p之间的X轴方向中的第一距离d12不同于在另一个电极21q和第二电极22之间的X轴方向中的第二距离d21。
在该示例中，液晶层30具有其中液晶的定向器被取向为沿从一个电极21p向另一个电极21q的+X轴方向从第一基板单元11s向着第二基板单元12s的液晶取向。第一距离d12也是短于第二距离d21。
例如，距离差距的绝对值，即△d（=|d21-d12|），大于选自第一宽度W1和第二宽度W2中的至少一个。在该示例中，△d大于第一宽度W1且大于第二宽度W2。第二电极22被设置在中心轴21cx和两个第一电极21的一个电极21p之间的第一区域R1内。第二电极22未被设置在中心轴21cx和两个第一电极21的另一个电极21q之间的第二区域R2内。
其他方面，液晶光学元件111的配置与液晶光学元件110的配置相同。相对于液晶光学元件110而言，对于液晶光学元件111，可更多地增加光调制量。换言之，可提供具有大的光调制量和良好光学特性的液晶光学元件。
图9是示出参考示例的液晶光学元件的示意剖视图。
图9示出从图5的情况修改而来图5中所示的液晶光学元件119的操作条件的状态。在图9所示的状态中，施加至第一电极21的电压高于图5的情况。
在图9的第二区域R2中第一电极21的附近，发生弯曲取向的变形。在设置在第二区域R2内的第一电极21下部，示出第一电极21附近的液晶取向状态的示意图。在第二区域R2的一个电极21p和中心轴21cx之间的区域内，形成折射率分布Rx的段差RD（最小值）。
在向列液晶的取向中的变形被分类为三种类型：外张、扭曲、和弯曲。在很多液晶中，对应于弯曲变形的弹性常数最大；且最不易发生变形。弯曲取向变形的发生区域的范围受限，因为被输入发生区域的大多数电能由变形所消耗。在弯曲取向变形区域（在图9中，该区域向左侧传播）外，形成液晶取向，其中液晶定向器的倾斜是均匀的（在该第二电极22下方示出液晶取向状态的示意图）。在两个区域的边界区域内，反向倾斜的液晶定向器通过垂直地向上弯曲的状态切换到具有与周围相同倾斜的状态。换言之，在图9中，遵循从右到左的两个区域的边界区域（在X轴方向），液晶定向器的水平分量从略大的状态减少一次且再次增加。作为结果，在折射率分布Rx中形成段差RD（最小值）。
在这样的情况下，由于第二区域R2中的段差RD引起的折射率分布起菲涅尔透镜段差的折射率（折射率分布RF）的作用。作为结果，在其中第二电极22部署于第一电极21之间的中心处的配置中（折射率分布RF），折射率的减少量在中心轴21cx左侧和右侧不同。在其中向参考示例的液晶光学元件119施加高压的情况下，峰值位置向右移动；且折射率分布（折射率分布Rx和折射率分布RF的总和）变得横向非对称。
图10是示出根据第二实施例的液晶光学元件的部分的示意剖视图。
图10示出在其中向根据第二实施例的液晶光学元件111施加相对高压的状态中的折射率分布。
在图10所示的液晶光学元件111中，第二电极22被偏移在两个第一电极21之间从中心轴21cx的-X轴方向。
如图10所示在第二区域R2中的第一电极21附近，横向电场分量弱；且抑制了折射率的段差效应（折射率分布RF）。反之，在第一区域R1的第一电极21附近，横向电场分量强；且抑制了折射率减少。作为结果，在第一区域R1和第二区域R2之间折射率改变量的差异变小。作为结果，折射率分布的对称性（折射率分布Rx和折射率分布RF的总和）的对称性改进。进一步，在该实施例中通过施加高压，折射率的改变量增加；且折射率分布Rx的最大值和最小值之间的差异增加。
图11是示出液晶光学元件的特性的图。
图11示出根据第二实施例的液晶光学元件111的折射率部分EB（实线）和参考示例的液晶光学元件119的折射率分布CE（虚线）。在图11中，类似于图7，水平轴是X轴方向位置。垂直轴是折射率neff。
在参考示例的折射率分布CE（虚线）中，段差RD（最小值）存在于左侧的透镜中心Lc1和中心轴21cx（位置X21）之间的区域内。由于折射率的段差效应，在位于左侧的透镜中心Lc1和中心轴21cx之间的区域内的折射率neff作为整体有效地高于在位于右侧的透镜中心Lc2和中心轴21cx之间的区域内的折射率neff。
反之，在根据实施例的折射率分布EB（实线）中，在位于左侧的透镜中心Lc1和中心轴21cx之间的区域内的折射率neff的变化梯度相比参考示例更低。另一方面，在位于右侧的透镜中心Lc2和中心轴21cx之间的区域内的折射率neff的变化梯度相比参考示例更高。在该实施例中，改进了折射率分布EB的对称性。进一步，相比图7中所示的折射率分布EB，折射率分布Rx的最大值和最小值之间的差异对于图11中所示的折射率分布EB更大。
在该实施例中，液晶层30具有其中液晶的定向器被取向为沿从一个电极21p向另一个电极21q的+X轴方向从第一基板单元11s向着第二基板单元12s的液晶取向。在这样的情况中，第一距离d12比第二距离d21短。藉此，在其中液晶光学元件的折射率分布Rx的最大值和最小值之间的差异增大的状态中，可改进折射率分布Rx的对称性。藉此，可实现具有大的光调制量和良好特性的液晶光学元件。
第三实施例
图12是示出根据第三实施例的图像设备的示意透视图。
在图12所示的液晶光学元件116中，第一基板单元11s进一步包括设置在第一主表面11a上的多个第三电极26和多个第四电极27。例如，第一电极21和第二电极22沿第一方向（Y-轴方向）延伸。第三电极26沿X轴方向延伸。在Y轴方向中彼此分离地部署多个第三电极26。在多个第三电极26之间分别部署第四电极27。两个第三电极26的节距对应于，例如，配置在Y轴方向中的两个像素组50的宽度。两个第三电极26的间距可对应于在三个或更多个像素组50的Y轴方向的宽度。在该示例中，部署于Y轴方向的两个像素组50相对着具有由多个第一电极21和多个第三电极26所定义的矩形配置的区域。
在第一基板单元11s中，在第三电极26和第一电极21之间、在第三电极26和第二电极22之间、在第四电极27和第一电极21之间、且在第四电极27和第二电极22之间，设置层间绝缘层28。
在液晶光学元件116中，可独立地向多个第一电极21、多个第二电极22、多个第三电极26、和多个第四电极27中的每一个施加电压，因为这些电极是分离的。
例如，向第三电极26施加电压；且对电极23和第四电极27接地。藉此，在液晶光学元件116中，可在液晶层30中形成具有沿X轴方向的柱面透镜配置的折射率分布。
例如，向多个第一电极21和多个第三电极26施加电压；且多个第二电极22、对电极23、和多个第四电极27接地。藉此，可在与围绕其设置第一电极21和第三电极26的区域相对的液晶层30的部分中形成折射率分布。例如，可形成具有设置在X轴方向和Y轴方向的矩形配置而配置的微透镜配置的折射率分布。由于可向多个第一电极21、多个第二电极22、多个第三电极26、和多个第四电极27独立地施加电压，因此可形成任何折射率分布；且应用范围扩展。
在这样的情况下，第二电极22相对中心轴21cx也是非对称。藉此，可提供具有良好光学特性的液晶光学元件和图像显示设备（图像设备）。
第四实施例
图13是示出根据第四实施例的图像设备的示意剖视图。
根据该实施例的图像设备是成像设备250。
该成像设备250包括液晶光学元件117、成像单元125（图像单元）、成像控制电路135、和控制电路145。成像单元125包括像素。例如，液晶光学元件117的配置与上述液晶光学元件110、液晶光学元件111、或液晶光学元件116的配置相同。
在成像单元125的成像表面125a上设置液晶光学元件117。液晶光学元件117覆盖整个成像表面125a且用作液晶GRIN透镜。
成像控制电路135电连接至成像单元125。控制电路145电连接至液晶光学元件117。成像控制电路135控制成像单元125的操作。
例如，控制电路145连接至成像控制电路135。控制电路145控制基于从成像控制电路135提供的信号而投射在成像表面125a上的图像。成像控制电路135可被包括在成像单元125内。成像控制电路135可包括控制电路145。
成像单元125感测经由液晶光学元件117投射在成像表面125a上的图像。成像控制电路135处理所感测到的图像信号。通过成像设备250控制液晶光学元件117可形成各种图像。
在这样的情况下，第二电极22相对中心轴21cx也是非对称。藉此，提供了具有良好光学特性的液晶光学元件和成像设备。
透镜的周期可匹配图13中所示的像素组60的周期；且存在其中透镜周期与像素组60的周期不匹配的情况。还有，成像设备250可具有在液晶光学元件117上进一步包括成像透镜系统的配置。
根据各实施例，可提供具有良好光学特性的液晶光学元件和图像设备。
在上文中，参考具体示例描述本发明的各个实施例。然而，本发明不限于这些特定示例。例如，本领域技术人员可通过从现有技术中合适地选择包括在液晶光学元件内的组件（诸如第一基板单元、第二基板单元、液晶层、第一基板、第二基板、第一电极、第二电极、和对电极）的特定配置、选择图像设备所包括的组件（诸如控制电路等）的特定配置来类似地实践本发明；且这样的实践被包括在获得类似效果的程度的本发明的范围内。
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)

1.一种液晶光学元件，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，
设置在所述第一主表面上从而沿第一方向延伸的多个第一电极，和
设置在位于所述第一主表面上的所述多个第一电极的两个最接近第一电极之间的第二电极，且所述第二电极沿所述第一方向延伸，所述第二电极相对于中心轴非对称，所述中心轴与所述第一方向平行并通过将所述两个最接近第一电极的一个电极的第二方向的中心和所述两个最接近第一电极的另一个电极在第二方向的中心连接起来的线段的中点，所述第二方向与所述第一主表面平行并垂直于所述第一方向；
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
设置于所述第二主表面上与所述第一电极和所述第二电极相对的对电极；和
液晶层，设置于所述第一基板单元和所述第二基板单元之间，且具有位于所述第一基板单元侧上的第一部分和位于所述第二基板单元侧上的第二部分，位于所述第一部分中的液晶具有垂直取向，位于所述第二部分中的液晶具有沿所述第二方向的水平取向。
2.如权利要求1所述的元件，其特征在于，所述第二方向中在所述一个电极和所述第二电极之间的第一距离与所述第二方向中在所述另一个电极和所述第二电极之间的第二距离不同。
3.如权利要求2所述的元件，其特征在于，
所述液晶层具有液晶取向，包括被取向为沿着从所述一个电极向着所述另一个电极的所述第二方向、从所述第一基板单元向着所述第二基板单元的所述液晶的定向器，且
所述第一距离比所述第二距离长。
4.如权利要求2所述的元件，其特征在于，
所述液晶层具有液晶取向，包括被取向为沿着从所述一个电极向着所述另一个电极的所述第二方向、从所述第一基板单元向着所述第二基板单元的所述液晶的定向器，且
所述第一距离比所述第二距离短。
5.如权利要求1所述的元件，其特征在于，
所述多个第一电极在所述第二方向以均匀间距部署，和
所述第二电极在互邻的第一电极之间分别部署，且多个所述第二电极以均匀间距部署。
6.如权利要求1所述的元件，其特征在于，所述第二电极被设置在由所述中心轴所划分的所述两个第一电极之间的一个区域内，且所述第二电极不被设置在由所述中心轴划分的所述两个第一电极之间的另一个区域内。
7.如权利要求1所述的元件，其特征在于，所述液晶层的介电各向异性为正或负。
8.如权利要求1所述的元件，其特征在于，
所述第一基板单元包括位于所述液晶层和所述第一电极之间、和位于所述液晶层和所述第二电极之间的第一取向膜，所述第一取向膜使得所述液晶的定向器具有垂直取向，且
所述第二基板单元包括位于所述液晶层和所述对电极之间的第二取向膜，所述第二取向膜使得所述液晶的所述定向器具有水平取向。
9.如权利要求8所述的元件，其特征在于，所述第二取向膜的表面能大于所述第一取向膜的表面能。
10.如权利要求1所述的元件，其特征在于，在其中不向所述对电极和所述第一电极之间、以及所述对电极和所述第二电极之间施加电压的状态中，所述液晶具有HAN（混合排列向列）对齐。
11.如权利要求1所述的元件，其特征在于，
所述水平取向的预先倾斜角度不小于0度且不大于30度，且
所述垂直取向的预先倾斜角度不小于60度且不大于90度。
12.一种图像设备，包括：
液晶光学元件，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，
设置在所述第一主表面上从而沿第一方向延伸的多个第一电极，和
设置在位于所述第一主表面上的所述多个第一电极的两个最接近第一电极之间的第二电极，且所述第二电极沿所述第一方向延伸，所述第二电极相对于中心轴非对称，所述中心轴与所述第一方向平行并通过将所述两个最接近第一电极的一个电极的第二方向的中心和所述两个最接近第一电极的另一个电极在第二方向的中心连接起来的线段的中点，所述第二方向与所述第一主表面平行并垂直于所述第一方向；
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
设置于所述第二主表面上与所述第一电极和所述第二电极相对的对电极，和
液晶层，设置于所述第一基板单元和所述第二基板单元之间，且具有位于所述第一基板单元侧上的第一部分和位于所述第二基板单元侧上的第二部分，位于所述第一部分中的液晶具有垂直取向，位于所述第二部分中的液晶具有沿所述第二方向的水平取向；和
图像单元，部署为覆盖所述液晶光学元件，所述图像单元包括像素。
13.如权利要求12所述的设备，其特征在于，
所述设备还包括电连接至所述第一电极、所述第二电极、和所述对电极的控制电路，且
所述控制电路控制所述第一电极的电位、所述第二电极的电位、和所述对电极的电位，从而使得所述液晶层的折射率分布沿从所述一个电极向所述第二电极的方向单调增加，且从而使得所述液晶层的折射率分布沿从所述另一个电极向所述第二电极的方向单调增加。
14.如权利要求12所述的设备，其特征在于，
所述设备还包括电连接至所述第一电极、所述第二电极、和所述对电极的控制电路，和
所述控制电路控制所述第一电极的电位、所述第二电极的电位、和所述对电极的电位，从而在选自所述一个电极和所述第二电极之间的区域以及所述另一个电极和所述第二电极之间的区域的至少一个区域内形成所述液晶层的折射率分布的最小值。
15.如权利要求14所述的设备，其特征在于，
所述液晶层具有液晶取向，包括被取向为沿着从所述一个电极向着所述另一个电极的所述第二方向、从所述第一基板单元向着所述第二基板单元的所述液晶的定向器，且
所述控制电路被配置为在所述另一个电极和所述第二电极之间的区域内形成折射率分布的最小值。
16.如权利要求12所述的设备，其特征在于，所述第二方向中在所述一个电极和所述第二电极之间的第一距离与所述第二方向中在所述另一个电极和所述第二电极之间的第二距离不同。
17.如权利要求12所述的设备，其特征在于，在其中向所述对电极和所述第一电极之间、以及所述对电极和所述第二电极之间施加电压的状态中，所述液晶光学元件用作液晶GRIN透镜（梯度折射率透镜）。
18.如权利要求17所述的设备，其特征在于，所述液晶光学元件将由所述图像单元显示的图像转换为多个视差图像。
19.如权利要求12所述的设备，其特征在于，
所述设备还包括电连接至所述第一电极、所述第二电极、和所述对电极的控制电路，且
所述控制电路显示所述图像单元的二维图像，并通过在所述对电极和所述第一电极之间、以及在所述对电极和所述第二电极之间施加电压将所述图像单元的二维图像转换为三维图像。
20.如权利要求12所述的设备，其特征在于，
所述设备还包括电连接至所述第一电极、所述第二电极、和所述对电极的控制电路，且
通过在所述对电极和所述第一电极之间、以及在所述对电极和所述第二电极之间施加电压，所述控制电路控制由所述图像单元所投射的图像。
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