CN103809328A - 图像显示装置及液晶透镜 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种图像显示装置及液晶透镜，图像显示装置（DP）在显示面板的显示面一侧具有液晶透镜（LZ），该液晶透镜包括：第一基板（B1）和第二基板（B2）；夹在第一基板（B1）与第二基板（B2）之间的液晶层（LC）；形成在第一基板（B1）与液晶层（LC）的边界面的第一取向膜、以及形成在第二基板（B2）与液晶层的边界面的第二取向膜；第一取向膜和第二取向膜是以通过施加预倾角而使液晶层（LC）中的液晶分子向第一方向扭曲90°地取向的方式进行摩擦处理的取向膜，通过向液晶层中添加手性剂，液晶层（LC）中的液晶分子在未施加电场的状态下以处于向与第一方向相反方向的第二方向扭曲90°的状态的方式进行取向。

Description

图像显示装置及液晶透镜
技术领域
本发明涉及一种图像显示装置及液晶透镜。
背景技术
液晶具有如液体那样的流动性，在电光特性上表现出各向异性，并且具有能够对分子取向状态进行各种控制之类的特征。公知一种液晶透镜,其将具有这样的性质的液晶封入在一对基板之间，通过控制向液晶层施加的电压来控制折射率的分布特性。
作为液晶透镜，公知一种在不向液晶层施加电压的状态下为均匀取向（ホモジニアス配向），并通过施加电压来起到透镜效果的状态的液晶透镜。另外，在将液晶透镜设置在显示面板前表面的图像显示装置中，能够对规定位置的观察者提供二维图像或三维图像。
需要说明的是，日本特开2011-164273号公报的目的在于，提供一种改善光透射率相对于施加电压的变化的急剧性的液晶显示元件。日本特开2011-164273号公报公开了一种由一组取向膜的取向处理方向和预倾角的组合所确定的液晶材料的扭曲方向与通过手性剂（カイラル剤）引起的液晶材料的扭曲方向方向相反的液晶显示元件。
在此，图7是简要地表示配置在显示面板PNL前表面（显示面一侧）的TN（Twisted Nematic：扭曲向列）取向的液晶透镜LZ的剖面的图。
图7A表示未向液晶层LC施加电场的状态，通过未图示的取向膜使两个基板之间的液晶分子扭曲90度而进行取向。另外，图7B表示在第一基板B1一侧的电极E与第二基板一侧的电极PE之间施加电场的状态，处于显现出透镜效果的状态。另外，在图7A、图7B所示的TN取向的液晶透镜LZ中，在第一基板B1与第二基板B2之间夹有液晶层LC，在两个基板的外侧配置有第一偏光板PL1和第二偏光板PL2。第一偏光板PL1和第二偏光板PL2以使透射轴正交的方式进行正交尼克尔（クロスニコル）的配置。
在图7A的状态下，由于液晶分子为TN取向，所以来自显示面板PNL的图像透过液晶透镜而显示二维图像，在图7B的状态下，在两个电极E之间，在TN取向残存的状态下得到折射率分布而显示三维图像。另外，在图7B的三维图像显示中，TN取向在与电极E重叠的部分消失，该部分的透射率降低。
在此，在初期取向为均匀取向的液晶透镜中，由于电极E的重叠部分产生的液晶取向的缺陷给显示性能造成了不良影响，但是通过使液晶层LC的初期取向为TN取向，能够降低三维图像显示时的透射率而防止因取向缺陷造成的不良影响。
但是，在利用形成于第一基板B1和第二基板B2的靠液晶层LC侧的边界面的取向膜而使液晶分子为TN取向的液晶透镜中，如图8A和图8B所示，施加电场时的电极E附近的取向发生紊乱，折射率分布变得不对称。如果产生这样的不对称的折射率分布，右眼用图像与左眼用图像在观察者的双眼中混在一起，串扰（クロストーク）恶化。
发明内容
鉴于以上课题，本发明的目的在于，提供一种具有改善串扰的TN取向的液晶透镜的图像显示装置，或提供一种改善串扰的TN取向的液晶透镜。通过本说明书的描述和附图来明确本发明新颖的特征以及上述目的和其他目的。
鉴于上述课题，本发明的图像显示装置包括包括：显示面板，其具有配置成矩阵状的多个像素；液晶透镜，其配置在所述显示面板的显示面一侧；所述液晶透镜包括：第一基板和第二基板；液晶层，其夹在所述第一基板与所述第二基板之间；形成在所述第一基板与所述液晶层的边界面的第一取向膜，以及形成在所述第二基板与所述液晶层的边界面的第二取向膜；所述第一取向膜和所述第二取向膜是以通过施加预倾角而使所述液晶层中的液晶分子向第一方向扭曲90°地取向的方式进行摩擦处理的取向膜，通过向所述液晶层中添加手性剂，所述液晶层中的液晶分子在未施加电场的状态下以处于向与所述第一方向相反方向的第二方向扭曲90°的状态的方式进行取向。
另外，在本发明的图像显示装置的一个方式中，所述第一基板形成有沿规定方向延伸的多个电极，在所述第一基板与所述第二基板之间施加有电场的情况下，在多个所述电极之间形成有折射率的分布，在使多个所述电极的电极宽度为w，多个所述电极的电极间距为p，所述液晶层的厚度为d的情况下，3.5≤（p-w）/d≤4.5成立。
另外，在本发明的图像显示装置的一个方式中，所述第一取向膜的摩擦方向与所述规定方向所成的角度在40度以上50度以下，所述第二取向膜的摩擦方向在与所述第一取向膜的摩擦方向相反的方向上，与所述规定方向所成的角度在40度以上50度以下。
另外，鉴于上述课题，本发明的图像显示装置包括：显示面板，其具有配置成矩阵状的多个像素；液晶透镜，其配置在所述显示面板的显示面一侧，所述液晶透镜包括：第一基板和第二基板；液晶层，其夹在所述第一基板与所述第二基板之间；形成在所述第一基板与所述液晶层的边界面的第一取向膜，以及形成在所述第二基板与所述液晶层的边界面的第二取向膜；所述第一取向膜和所述第二取向膜是光取向处理的取向膜，通过向所述液晶层中添加手性剂，所述液晶层中的液晶分子在未施加电场的状态下以处于扭曲90°的状态的方式进行取向。
并且，鉴于上述课题，本发明的液晶透镜的特征在于，包括：第一基板和第二基板；液晶层，其夹在所述第一基板与所述第二基板之间；形成在所述第一基板与所述液晶层的边界面的第一取向膜，以及形成在所述第二基板与所述液晶层的边界面的第二取向膜；所述第一取向膜和所述第二取向膜是以通过施加预倾角而使所述液晶层中的液晶分子向第一方向扭曲90°地取向的方式进行摩擦处理的取向膜，通过向所述液晶层中添加手性剂，所述液晶层中的液晶分子在未施加电场的状态下以处于向与所述第一方向相反方向的第二方向扭曲90°的状态的方式进行取向。
根据本发明，能够提供一种具有改善串扰的TN取向的液晶透镜的图像显示装置，或提供一种改善串扰的TN取向的液晶透镜。
附图说明
图1是本发明的第一实施方式的图像显示装置的示意图。
图2是俯视第一实施方式的液晶透镜中的电极构造的示意图。
图3A是表示第一实施方式的液晶透镜的剖面情况的图。
图3B是表示第一实施方式的液晶透镜的剖面情况的图。
图3C是表示第一实施方式的液晶透镜的剖面情况的图。
图4A是简要表示向第一实施方式的液晶层施加电场时两个第一电极之间的透射率的分布的曲线图。
图4B是简要表示向第一实施方式的液晶层施加电场时两个第一电极之间的折射率的分布的曲线图。
图5A是表示通过盒厚（セルギャップ）标准化的第一电极之间的距离与、折射率分布和二次曲线的相关值之间的关系的曲线图。
图5B是表示通过盒厚标准化的第一电极之间的距离与、串扰的发生量的关系的曲线图。
图6是表示形成在第一基板的第一取向膜的摩擦方向与、液晶透镜中显现的折射率分布和二次曲线之间的相关值的关系的曲线图。
图7A是简要地表示TN取向的液晶透镜的剖面的图。
图7B是简要地表示TN取向的液晶透镜的剖面的图。
图8A是表示在TN取向的液晶透镜中，施加电场时电极E附近的取向发生紊乱而产生不对称的液晶取向的情况的图。
图8B是表示在TN取向的液晶透镜中，施加电场时电极E附近的取向发生紊乱而产生不对称的折射率分布的情况的图。
具体实施方式
下面，参照附图对本发明的各实施方式进行说明。
[第一实施方式]
图1是本发明的第一实施方式的图像显示装置DP的示意图。图像显示装置DP包括显示面板PNL、配置在显示面板PNL的靠观察者一侧（前表面，显示面侧）的液晶透镜LZ。另外，第一实施方式中的图像显示装置具有切换三维图像显示和二维图像显示的功能。
液晶透镜LZ包括第一基板B1、第二基板B2、第一偏光板PL1、第二偏光板PL2、液晶层LC。另外，第一偏光板PL1与第二偏光板PL2以使透射轴正交的方式进行配置。
在液晶透镜LZ中，向液晶层LC施加电场时形成多个具有透镜部的透镜阵列。本实施方式的液晶透镜在向液晶层LC施加电场时向观察者提供三维显示，在没有施加电场的状态下提供二维显示。
显示面板PNL具有配置成矩阵状的多个像素，液晶透镜LZ形成的各透镜部与显示面板PNL上的输出左眼用显示的像素列和输出右眼用显示的像素列对应。
图2是俯视本实施方式的液晶透镜LZ中的电极结构的示意图，与从观察者一侧观察图像显示装置DP的情况对应。在第一基板B1上配置有多个电极（第一电极E1），所述第一电极E1形成为从观察者一侧观察各自沿上下方向延伸的长条状。另外，在第二基板B2上配置有第二电极E2，所述第二电极E2形成为与显示面板PNL的显示区域对应的平板状。因此，在本实施方式的液晶透镜LZ中，通过在第一电极E1与第二电极E2之间施加电场，形成具有多个圆筒形透镜状的透镜部的透镜阵列。另外，在本实施方式中，透镜阵列中的各透镜部以与显示面板PNL上的两列像素列对应的方式形成。需要说明的是，作为第一电极E1，沿上下方向延伸的各电极可以形成为与液晶透镜LZ的上部或下部连结的梳齿状。
另外，在第一基板B1的靠液晶层LC一侧的边界面形成有未图示的取向膜（第一取向膜），在第二基板B2的靠液晶层LC一侧的边界面也形成有未图示的取向膜（第二取向膜）。另外，图2的箭头P1和P2分别表示第一取向膜和第二取向膜的摩擦方向，并且相对于第一电极E1的延伸方向成45度角度，从而以使第一取向膜的摩擦方向与第二取向膜的摩擦方向彼此垂直相交的方式进行设定。利用进行了摩擦处理的取向膜向液晶层LC的液晶分子施加预倾角，在不施加电压的初期取向状态下，在第一基板B1的附近和第二基板B2的附近，液晶分子的长轴方向与箭头P1和P2的方向一致。
另外，在第一电极E1与第二电极E2之间，显示切换装置CM通过配线进行连接。显示切换装置CM根据来自外部的输入在工作状态与切断状态之间进行切换，在工作状态的情况下，向第一电极E1与第二电极E2之间输入电压来控制液晶层LC的取向。
图3是表示本实施方式的液晶透镜LZ的剖面的情况的图。图3A和图3B表示未向液晶层LC施加电场的状态，图3A表示相当于图2中的A-A位置的剖面，图3B表示相当于图2中B-B位置的剖面。另外，图3C表示向液晶层LC施加电场而表现出透镜功能的状态，是相当于图2中的A-A位置的剖面。
在此，在本实施方式的液晶透镜LZ的液晶层LC中添加有手性剂，该手性剂产生与由形成在第一基板B1与液晶层LC的边界面和第二基板B2与液晶层LC的边界面上的取向膜（在图3A、图3B、图3C中未图示）的取向处理方向和预倾角的组合所确定的液晶分子的扭曲方向（第一方向）相反的扭曲方向（第二方向）。在本实施方式中，通过向液晶层LC中添加这样的手性剂，使液晶层LC的初期取向状态为沿第二方向扭曲90度的TN（TwistedNematic：扭曲向列）取向。
在图3A和图3B的液晶透镜LZ的状态下，由于液晶分子在两个基板之间为TN取向，所以透过第一偏光板PL1的光线以偏光状态旋转90度并透过第二偏光板PL2。因此，在两个基板之间没有施加电场的状态下，来自显示面板PNL的光线的前进方向原则上不变化，而显示来自显示面板PNL的图像。
另一方面，在图3C的液晶透镜LZ的状态下，液晶分子的取向在两个第一电极E1之间逐渐变化，随着靠近中央液晶分子逐渐倾倒。因此，在两个第一电极E1之间产生折射率的分布而显现出透镜功能，并且改变透过第一偏光板PL1的光线的前进方向。另外，显示面板PNL在向液晶透镜LZ施加电场时，以从二维图像用显示切换到三维图像用显示，从而利用左眼用和右眼用像素来显示左眼用图像和右眼用图像的方式进行控制。由此，图像显示装置DP以向规定位置的观察者的左眼和右眼分别提供左眼用图像和右眼用图像的方式输出立体图像。
本实施方式的图像显示装置DP通过向液晶透镜LZ的液晶层LC添加上述手性剂，抑制各透镜部的折射率分布的不对称性的显现。如图3A所示，即使在存在基于第一取向膜和第二取向膜的预倾角的情况下，也通过使液晶分子扭曲且取向为与由预倾角产生的扭曲方向相反的方向，从而抑制形成有第一电极E1的第一基板B1侧所产生的液晶分子取向的紊乱，并且能够防止电场施加时的折射率分布的不对称性。由于抑制折射率分布的不对称性，所以能够更加容易且准确地向观察者的左眼和右眼提供分别对应的图像，从而有助于串扰的改善。
图4是简要地表示向本实施方式的液晶层LC施加电场时两个第一电极E1之间的透射率的分布和折射率的分布的曲线图。图4A和图4B的横轴对应于两个第一电极E1之间的位置，图4A的纵轴表示透射率，图4B的纵轴表示折射率。
如图3C所示，在第一电极E1上，由于液晶分子的分子长轴沿垂直方向取向，所以处于消除由手性剂产生的液晶分子的TN取向的状态。因此，如图4A所示，第一电极E1的位置处的透射率变低，随着离开第一电极E1而减弱电场的影响，由手性剂产生的液晶分子的扭曲被诱发而使透射率提高。另外，如图4B所示，第一电极E1之间的区域的折射率分布随着离开第一电极E1而向透镜部的中央靠近，折射率提高，并且其变化也变得缓慢。
另外，作为诱发与形成在第一基板B1和第二基板B2的取向膜诱发的液晶分子LC的扭曲方向相反方向的扭曲的手性剂，在常温（具体地说，在0度以上～40度以下的范围）下，手性间距c与盒厚d的关系被设定为满足0＜d/c＜1/2。如果超出该范围，产生液晶取向向第一方向扭曲、或液晶取向向第二方向270度扭曲的可能性变高，因此不希望出现这种情况。
接下来，对表示本实施方式的液晶层LC的厚度的盒厚d与、第一电极E1之间的距离的关系进行说明。
图5是用于说明通过盒厚d标准化的第一电极E1之间的距离与串扰的发生量的关系的曲线图。图5A的曲线的纵轴表示折射率分布和二次曲线的相关值，在第一电极E1之间的距离为盒厚d的大约4倍时，折射率分布与二次曲线最为接近。另外，图5B的曲线的纵轴表示串扰的发生量，如果折射率分布和二次曲线的相关值提高，则串扰的发生量减少。
在本实施方式中，使第一电极E1的电极宽度w为10μm，第一电极E1之间的间距p为160μm，盒厚d为25μm，与未添加手性剂的情况相比，串扰降低约2%。
另外，对于液晶层LC的盒厚d与第一电极E1之间的距离（即，p-w）的关系而言，如图5B等所示，优选的是，3.5≤（p-w）/d≤4.5。如图5B所示，如果将（p-w）/d设定为3以下或5以上，则串扰急剧增大，因此，通过将第一电极E1之间的距离设定在上述范围内，能够将串扰抑制在5％以下。
另外，作为液晶层LC的盒厚d，优选采用18μm以上27μm以下，或20μm以上25μm以下的值，作为第一电极E1的电极宽度w，优选的是8μm以上20μm以下，或10μm以上15μm以下。另外，作为第一电极E1之间的间距p，优选的是100μm以上200μm以下。
接下来，对第一电极E1延伸的方向与形成在液晶层LC的边界面的取向膜的取向处理的方向的关系进行说明。
图6是表示形成于第一基板B1的第一取向膜的摩擦方向（初期取向方向）与、液晶透镜LZ中显现的折射率分布与二次曲线之间的相关值的关系的曲线图。图6的横轴所示的第一取向膜的摩擦方向表示以第一电极E1的延伸方向为基准的角度，在图6的曲线中，形成于第二基板B2的第二取向膜的摩擦方向为-45度。如该图所示，在第一电极E1与第一取向膜的摩擦方向所成角度为45度的情况下，折射率分布与二次曲线之间的相关值最高。
如果折射率分布与二次曲线之间的相关值降低，则三维显示时的液晶透镜LZ的串扰恶化。从图5可以认为，在相关值为0.8以下时，串扰大致为5％以上。因此，优选的是，作为第一取向膜的摩擦方向，以第一电极E1延伸的方向为基准将其设定为40度以上50度以下，作为第二取向膜的摩擦方向，在从第一取向膜的摩擦方向逆时针旋转的方向上，相对于第一电极E1的延伸方向设定为40度以上50度以下。
[第二实施方式]
在上述第一实施方式中，在液晶层LC的边界面形成第一取向膜和第二取向膜，如图2所示，设定摩擦方向使其垂直相交，添加手性剂，以使向与两个取向膜的初期取向方向和由预倾角所确定的扭曲方向相反的方向产生扭曲。另外，在第二实施方式中，将液晶层LC的边界面的第一取向膜和第二取向膜设为光取向膜，以使手性间距c与盒厚d之间的关系满足0＜d/c＜1/2的条件的方式添加手性剂，从这一点来看，第二实施方式与第一实施方式不同。
在未向第二实施方式的图像显示装置DP的液晶层LC添加手性剂的情况下，随着从第一基板B1向第二基板B2侧靠近，分子长轴顺时针旋转的液晶取向与分子长轴逆时针旋转的液晶取向混在一起，由此产生畴（ドメイン）而导致液晶透镜的串扰恶化。
但是，随着从第一基板B1向第二基板B2侧靠近，通过向液晶层LC添加诱发使分子长轴顺时针或逆时针扭曲的手性剂，能够减轻串扰的发生。
需要说明的是，可以更换上述各实施方式中的第一电极E1和第二电极E2的电极图案。另外，在上述各实施方式中，第二电极E2的电极形状为平板状，但只要能够在两个第一电极E1之间显现出透镜功能即可，也可以是其他形状。
需要说明的是，在上述各实施方式中，作为显示面板PNL，可以使用液晶显示面板，也可以使用有机EL显示面板。在使用液晶显示面板的情况下，还可以在显示面板PNL的背面配置背光源。需要说明的是，在上述第一实施方式的液晶透镜LZ中，将第一取向膜和第二取向膜的摩擦方向设定为90度相交，而且，以成为沿第二方向诱发90度的扭曲的TN取向的方式添加手性剂，但是并不完全限定于90度的情况，也可以容许制造上的误差。
本发明不是限于上述实施方式的发明，能够进行各种变形。例如，能够将在各实施方式中说明的结构替换为实质上相同的结构、起到相同作用效果的结构、或能够达到相同目的的结构。

Claims (5)

1.一种图像显示装置，其特征在于，包括：
显示面板，其具有配置成矩阵状的多个像素；
液晶透镜，其配置在所述显示面板的显示面一侧；
所述液晶透镜包括：
第一基板和第二基板；
液晶层，其夹在所述第一基板与所述第二基板之间；
形成在所述第一基板与所述液晶层的边界面的第一取向膜，以及形成在所述第二基板与所述液晶层的边界面的第二取向膜；
所述第一取向膜和所述第二取向膜是以通过施加预倾角而使所述液晶层中的液晶分子向第一方向扭曲90°地取向的方式进行摩擦处理的取向膜，
通过向所述液晶层中添加手性剂，所述液晶层中的液晶分子在未施加电场的状态下以处于向与所述第一方向相反方向的第二方向扭曲90°的状态的方式进行取向。
2.如权利要求1所述的图像显示装置，其特征在于，
所述第一基板形成有沿规定方向延伸的多个电极，
在所述第一基板与所述第二基板之间施加有电场的情况下，在多个所述电极之间形成有折射率的分布，
在使多个所述电极的电极宽度为w，多个所述电极的电极间距为p，所述液晶层的厚度为d的情况下，
3.5≤（p-w）/d≤4.5成立。
3.如权利要求2所述的图像显示装置，其特征在于，
所述第一取向膜的摩擦方向与所述规定方向所成的角度在40度以上50度以下，
所述第二取向膜的摩擦方向在与所述第一取向膜的摩擦方向相反的方向上，与所述规定方向所成的角度在40度以上50度以下。
4.一种图像显示装置，其特征在于，包括：
显示面板，其具有配置成矩阵状的多个像素；
液晶透镜，其配置在所述显示面板的显示面一侧，
所述液晶透镜包括：
第一基板和第二基板；
液晶层，其夹在所述第一基板与所述第二基板之间；
形成在所述第一基板与所述液晶层的边界面的第一取向膜，以及形成在所述第二基板与所述液晶层的边界面的第二取向膜；
所述第一取向膜和所述第二取向膜是光取向处理的取向膜，
通过向所述液晶层中添加手性剂，所述液晶层中的液晶分子在未施加电场的状态下以处于扭曲90°的状态的方式进行取向。
5.一种液晶透镜，其特征在于，包括：
第一基板和第二基板；
液晶层，其夹在所述第一基板与所述第二基板之间；
形成在所述第一基板与所述液晶层的边界面的第一取向膜，以及形成在所述第二基板与所述液晶层的边界面的第二取向膜；
所述第一取向膜和所述第二取向膜是以通过施加预倾角而使所述液晶层中的液晶分子向第一方向扭曲90°地取向的方式进行摩擦处理的取向膜，
通过向所述液晶层中添加手性剂，所述液晶层中的液晶分子在未施加电场的状态下以处于向与所述第一方向相反方向的第二方向扭曲90°的状态的方式进行取向。
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