CN105259725A - 液晶透镜装置以及图像显示装置 - Google Patents

Abstract

一种液晶透镜装置，包括第一电极、第一和第二子电极、相对电极、以及液晶层。第一电极在第一方向上延伸，并且被布置在与第一方向交叉的第二方向上。第一子电极被设置在第一电极中的两个最接近的第一电极在第二方向上的中心与两个最接近的第一电极中的一个第一电极之间。第二子电极被设置在该中心与两个最接近的第一电极中的另一个第一电极之间。相对电极与第一电极、第一子电极、以及第二子电极中的每一个相对。液晶层被设置在第一电极与相对电极之间，第一子电极与相对电极之间、以及第二子电极与相对电极之间。还提供一种图像显示装置。

Description

液晶透镜装置以及图像显示装置

相关申请的交叉引用

这个申请基于2014年7月9日提交的第2014-141752号日本专利申请，并要求其优先权的权益；其全部内容通过引用被结合于此。

技术领域

在此描述的实施例大体涉及液晶透镜装置以及图像显示装置。

背景技术

已知一种液晶透镜装置，其响应于电压的施加，利用液晶分子的双折射来改变折射率的分布。已知一种图像显示装置，其包括与图像显示单元结合的液晶透镜装置。在这个图像显示装置中，液晶光学元件的折射率的分布被改变成在两种状态之间切换。在第一状态下，使得显示在图像显示单元上的图像直接入射在观察者的眼睛上。在第二状态下，使得显示在图像显示单元上的图像作为多个视差图像入射在观察者的眼睛上。这实现了二维图像显示操作以及三维图像显示操作。在这样的图像显示装置中，期望高显示质量。在液晶透镜装置中，期望高质量的透镜功能。

附图说明

图1是示意性地显示根据第一实施例的图像显示装置的截面图；

图2是示意性地显示根据第一实施例的液晶透镜装置的特性的实例的图；

图3A和3B是示意性地显示根据第一实施例的替代的图像显示装置的一部分的截面图；

图4是示意性地显示根据第二实施例的图像显示装置的截面图；以及

图5是示意性地显示根据第三实施例的图像显示装置的截面图。

具体实施方式

根据一个实施例，一种液晶透镜装置包括多个第一电极、第一子电极、第二子电极、相对电极、以及液晶层。第一电极在第一方向上延伸，并且被布置在与第一方向交叉的第二方向上。第一子电极被设置在第一电极中的两个最接近的第一电极在第二方向上的中心与两个最接近的第一电极中的一个第一电极之间。第二子电极被设置在该中心与两个最接近的第一电极中的另一个第一电极之间。相对电极与第一电极、第一子电极、以及第二子电极中的每一个相对。液晶层被设置在第一电极与相对电极之间，第一子电极与相对电极之间、以及第二子电极与相对电极之间。两个最接近的第一电极中的一个第一电极与第一子电极之间的距离以及两个最接近的第一电极中的另一个第一电极与第二子电极之间的距离比第一电极中的每一个第一电极与相对电极之间的距离长。V2/V1小于等于P2/P1。V1是第一电极中的每一个第一电极与所述相对电极之间的电位差的绝对值。V2是第一子电极与相对电极之间以及第二子电极与相对电极之间的电位差的绝对值。P1是两个最接近的第一电极之间的距离。P2是第一子电极与第二子电极之间的距离。

根据另一个实施例，一种图像显示装置包括液晶透镜装置以及图像显示单元。液晶透镜装置包括多个第一电极、第一子电极、第二子电极、相对电极、以及液晶层。第一电极在第一方向上延伸，并且被布置在与第一方向交叉的第二方向上。第一子电极被设置在第一电极中的两个最接近的第一电极的第二方向上的中心与两个最接近的第一电极中的一个第一电极之间。第二子电极被设置在该中心与两个最接近的第一电极中的另一个第一电极之间。相对电极与第一电极、第一子电极、以及第二子电极中的每一个相对。液晶层被设置在第一电极与相对电极之间、第一子电极与相对电极之间、以及第二子电极与相对电极之间。图像显示单元在与第一方向和第二方向交叉的第三方向上被堆叠有液晶透镜装置，并且包括被配置成输出包括图像信息的光的显示单元。两个最接近的第一电极中的一个第一电极与第一子电极之间的距离以及两个最接近的第一电极中的另一个第一电极与第二子电极之间的距离比第一电极中的每一个第一电极与相对电极之间的距离长。V2/V1小于等于P2/P1。V1是第一电极中的每一个第一电极与相对电极之间的电位差的绝对值。V2是第一子电极与相对电极之间以及第二子电极与相对电极之间的电位差的绝对值。P1是两个最接近的第一电极之间的距离。P2是第一子电极与第二子电极之间的距离。

以下将参考附图描述各种实施例。

附图是示意性的或者概念上的。例如，每一个部分的厚度与宽度之间的关系，以及各部分之间的尺寸比例不是必须与实际上的那些相同。此外，取决于附图，相同的部分可以以不同的尺寸或者比例被显示。

在这个说明书及附图中，与参考较早的图被早先描述的部件类似的部件以相同的参考数字来标记，并且适当地省略其的详细说明。

(第一实施例)

图1是示意性地显示根据第一实施例的图像显示装置的截面图。

如图1所示，根据这个实施例的图像显示装置311包括液晶透镜装置211以及图像显示单元80。图像显示单元80显示图像。图像显示单元80可以是任意的显示装置。例如，图像显示单元80例如可以是液晶显示装置、有机EL显示装置、或者等离子显示器。

液晶透镜装置211包括液晶光学元件111以及驱动器70。例如，液晶光学元件111被设置在图像显示单元80上。液晶光学元件111例如用作液晶GRIN透镜(梯度折射率透镜)。液晶光学元件111的折射率的分布是可变的。折射率的分布的一个状态对应于第一状态，在第一状态中，使得显示在图像显示单元80上的图像直接入射在观察者的眼睛上。折射率分布的另一个状态对应于第二状态，在第二状态中，使得显示在图像显示单元80上的图像作为多个视差图像入射在观察者的眼睛上。

在图像显示装置311中，通过改变液晶光学元件111的折射率的分布，能够选择性地切换二维图像显示(以下简称为2D显示)和三维图像显示(以下简称为3D显示)。3D显示使得肉眼能够有立体视觉。

驱动器70被电连接至液晶光学元件111。驱动器70例如进行液晶光学元件111的第一状态与第二状态之间的切换。当进行2D显示时，驱动器70将液晶光学元件111切换至第一状态。当进行3D显示时，驱动器70将液晶光学元件111切换至第二状态。

例如通过记录介质或者外部输入，图像显示单元80被输入有图像信号(视频信号)。图像显示单元80显示对应于被输入的图像信号的图像。当进行2D显示时，图像显示单元80显示用于2D显示的图像。当进行3D显示时，图像显示单元80显示用于3D显示的图像。

液晶光学元件111包括第一基片单元10u、第二基片单元20u、以及液晶层30。第一基片单元10u包括第一基片10、多个第一电极11、以及多个第二电极12。第一基片10具有第一主面10a。多个第一电极11被设置在第一主面10a上。多个第一电极11中的每一个在第一方向上延伸。多个第一电极11被布置在与第一方向交叉的第二方向上。图1显示多个第一电极11中的两个。多个第一电极11的数目是任意的。

第一方向被称为Y轴方向。与第一主面10a平行且与Y轴方向垂直的方向被称为X轴方向。与X轴方向和Y轴方向垂直的方向被称为Z轴方向。多个第一电极11被布置在，例如，X轴方向上。在这个实例中，第二方向是X轴方向。第二方向不局限于X轴方向，而可以是与第一方向交叉的任意方向。

考虑多个第一电极11的两个最接近的第一电极11。两个最接近的第一电极11中的一个电极被称为第一主电极11a。两个最接近的第一电极11中的另一个电极被称为第二主电极11b。

中心轴59存在于两个最接近的第一电极11(第一主电极11a和第二主电极11b)之间。当被投射在X-Y平面(与第一主面10a平行的平面)上时，中心轴59穿过连接第一主电极11a的X轴方向上的中心11ac与第二主电极11b的X轴方向上的中心11bc的线段的中点，并且与Y轴方向平行。

多个第二电极12被分别设置在第一基片10上的多个第一电极11之间。多个第二电极12在Y轴方向上延伸。多个第二电极12在X轴方向上分别与多个第一电极11间隔开。

多个第二电极12包括第一子电极12a和第二子电极12b。第一子电极12a被放置在两个最接近的第一电极11的X轴方向上的中心(中心轴59)与第一主电极11a之间。第二子电极12b被放置在中心轴59与第二主电极11b之间。

多个第二电极12的第一子电极12a被设置在第一主面10a上的第一主电极11a侧上，并且在Y轴方向上延伸。多个第二电极12的第二子电极12b被设置在第一主面10a上的第二主电极11b侧上，并且在Y轴方向上延伸。

第二基片单元20u包括第二基片20以及相对电极21。第二基片20具有相对于第一主面10a的第二主面20a。多个第一电极11以及多个第二电极12各自被设置在第一基片10和第二基片20之间。

相对电极21被设置在第一基片单元10u和第二基片20之间。换句话说，相对电极21被设置在第二主面20a上。相对电极21与多个第一电极11和多个第二电极12中的每一个相对。

第一基片10、第一电极11、第二电极12、第二基片20、以及相对电极21是透光的。具体地，他们是透明的。

第一基片10以及第二基片20例如由诸如玻璃或者树脂的透明材料构成。第一基片10以及第二基片20的形状类似于平板或者薄片。第一基片10以及第二基片20的厚度例如是50微米(μm)以上且2000μm以下。然而，厚度是任意的。

第一电极11、第二电极12、以及相对电极21例如包括氧化物，氧化物包括从由In、Sn、Zn、以及Ti构成的组合中选择的至少一个(一种)元素。这些电极例如由ITO构成。这些电极可以例如由In₂O₃和SnO₃中的至少一个构成。这些电极的厚度例如近似200纳米(nm)(例如，100nm以上且350nm以下)。每一个电极的厚度被设置为，例如，能够实现对于可见光高透射率的厚度。

第一电极11的布置间隔(在两个最接近的第一电极11的X轴方向上的中心之间的距离)例如是50μm以上且1000μm以下。布置间隔被设置为符合期望的规格(稍后描述的梯度折射率透镜的特性)。沿着第一电极11和第二电极12的X轴方向的长度(宽度)例如是5μm以上且300μm以下。

液晶层30被设置在第一基片单元10u与第二基片单元20u之间。液晶层30被设置在多个第一电极11和相对电极21之间，并且被设置在多个第二电极12和相对电极21之间。液晶层30包括液晶材料。液晶材料是向列型液晶(在液晶光学元件111的操作温度下为向列相)。液晶材料具有正介电各向异性或者负介电各向异性。在正介电各向异性的情况下，在液晶层30中的液晶的初始布置(在没有电压施加到液晶层30下的布置)例如是水平取向的。在负介电各向异性的情况下，在液晶层30中的液晶的初始布置例如是竖直取向的。

沿着Z轴方向的液晶层30的长度(厚度)例如是10μm以上且50μm以下。在这个实例中，液晶层30的厚度是40μm。也就是说，液晶层30的厚度是第一基片单元10u与第二基片单元20u之间沿着Z轴方向的距离。

在液晶层30中的液晶的取向可以具有预倾斜(pretilt)。在预倾斜中，例如，液晶的引向器30d从第一基片单元10u被引导至第二基片单元20u，具有从第一主电极11a到第二主电极11b在+X方向上的距离。

预倾斜角度是液晶的引向器30d(在液晶分子的长轴方向上的轴)与X-Y平面之间的角度。在水平取向的情况下，预倾斜角度例如是大于0°且小于45°。在竖直取向的情况下，预倾斜角度例如是大于45°且小于90°。

在这个说明书中，为方便起见，预倾斜角度小于45°的情况被称为水平取向。预倾斜角度大于45°的情况被称为垂直取向。

通过例如晶体旋转技术，能够确定预倾斜的方向。通过当通过施加电压至液晶层30来改变液晶的取向时观察液晶层30的光学特性，也可以确定预倾斜的方向。

第一基片单元10u可以受到诸如摩擦(rubbing)的取向处理。在这种情况下，取向处理的方向沿着+X方向被引导。在这个实例中，在第一基片单元10u中取向处理的方向例如是+X方向。

当液晶的引向器30d被投射在X-Y平面上时，引向器30d的轴可以与+X方向平行或者不平行。当预倾斜的方向被投射在X轴上时，预倾斜的方向包括+X方向分量。

靠近第二基片单元20u的液晶层30的取向方向反平行于靠近第一基片单元10u的液晶层30的取向方向。在这个实例中，在第二基片单元20u中的取向处理的方向是-X方向。也就是说，初始取向不是喷射(spray)布置。

第一基片单元10u进一步包括第一取向膜41。第一取向膜41被设置在第一基片10和液晶层30之间。多个第一电极11以及多个第二电极12被设置在第一取向膜41与第一基片10之间。第二基片单元20u进一步包括第二取向膜42。第二取向膜42被设置在第二基片20与液晶层30之间。相对电极21被设置在第二取向膜42与第二基片20之间。第一取向膜41以及第二取向膜42例如由聚酰亚胺构成。通过在第一取向膜41以及第二取向膜42上进行例如摩擦处理，获得液晶层30的初始布置。在第一取向膜41上的摩擦处理的方向反平行于在第二取向膜42上的摩擦处理的方向。通过在第一取向膜41以及第二取向膜42上进行光照射处理，可以获得初始布置。

第一取向膜41以及第二取向膜42的厚度例如是100nm(例如，30nm以上且300nm以下)。多个第一电极11中的每一个与液晶层30之间在Z轴方向上的距离例如是30nm以上且300nm以下。多个第二电极12中的每一个与液晶层30之间在Z轴方向上的距离例如是30nm以上且300nm以下。

参考被包括在液晶层30中的液晶具有正介电各向异性且初始布置是水平取向的情况描述以下的说明。

电压被施加在第一电极11与相对电极21之间，并且被施加在第二电极12与相对电极21之间。因此，电场作用在液晶层30中的液晶分子上，并且改变液晶取向。响应于这个改变，在液晶层30中形成折射率分布。这个折射率分布改变入射在液晶光学元件111上的光的行进方向。光的行进光向的这个改变主要是基于折射效果。

图像显示单元80包括显示单元82以及光源单元84。显示单元82以及光源单元84被堆叠有液晶光学元件111。显示单元82以及光源单元84在与第一方向以及第二方向交叉的第三方向上被堆叠有液晶透镜装置211(液晶光学元件111)。第三方向例如是Z轴方向。第三方向不局限于Z轴方向，而可以是与第一方向以及第二方向交叉的任意的方向。在这个实例中，显示单元82被设置在液晶光学元件111与光源单元84之间。光源单元84朝向显示单元82发出光。显示单元82透射入射光，并且输出包括图像信息的光。也就是说，在这个实例中，显示单元82是透射类型的显示装置。光源单元84是所谓的背光。显示单元82将包括图像信息的光注入液晶光学元件111。在显示单元82例如是诸如有机EL显示装置的自发射类型的显示装置的情况下，可以省略光源单元84。

图像显示单元80可以进一步包括用于控制显示单元82的显示控制器86。显示单元82基于由显示控制器86提供的信号，产生调制的光。显示单元82例如输出包括多个视差图像的光。

通过有线或者无线的方法(例如电学方法或者光学方法)，驱动器70可以被连接到显示控制器86。图像显示装置311可以进一步包括用于控制驱动器70以及显示控制器86的控制器(没有示出)。

显示单元82具有显示面82a。显示单元82从显示面82a输出包括图像信息的光。显示面82a的形状类似于，例如，矩形。液晶光学元件111被设置在显示面82a上。第一电极11在Y轴方向上的长度略长于显示面82a在Y轴方向上的长度。第一电极11在Y轴方向横越显示面82a。

显示单元82包括被布置在二维矩阵中的多个像素PX。多个像素PX被步骤在X轴方向和Y轴方向上。显示面82a由多个像素PX形成。

两个最接近的第一电极11之间的区域相对于被布置在X轴方向上的多个像素PX。在Z轴方向，两个最接近的第一电极11之间的区域与被布置在X轴方向上的多个像素PX重叠。在这个实例中，两个最接近的第一电极11之间的区域相对于被布置在X轴方向上的三个像素PX。也就是说，多个第一电极11的空间比在多个像素PX的X轴方向上的空间宽。相对于两个最接近的第一电极11之间的区域、且被布置在X轴方向上的多个像素PX的数目不局限于三个，而可以是两个、或者四个以上。

显示单元82例如输出包括要被显示在显示面82a上的图像的光。这个光是基本上在Z轴方向上行进的线偏振光。这个线偏振光的偏振轴(在X-Y平面上电场振荡平面的方位轴)是在X轴方向上。也就是说，这个线偏振光的偏振轴被引导为与液晶分子的引向器(长轴)平行。例如通过在光路中放置光学滤光器(偏光器)，形成这个线偏振光。光学滤光器的偏振轴是在X轴方向上。

驱动器70被电连接至多个第一电极11、多个第二电极12、以及相对电极21中的每一个。为了说明清楚，图1省略了驱动器70与第一电极11之间的接线部分的说明，以及驱动器70与第二电极12之间的接线的说明。

当没有电压被施加在多个第一电极11与相对电极21之间，并且没有电压被施加在多个第二电极12与相对电极21之间时，被包括在液晶层30中的多个液晶分子中的每一个是水平取向的。因此，几乎均匀的折射率分布被呈现在X轴方向和Y轴方向。相应地，当没有电压被施加时，包括被显示在显示单元82中的图像的光的行进方向基本上不被改变。也就是说，当没有电压被施加时，液晶光学元件111是在第一状态下。

当将液晶光学元件111从第一状态切换至第二状态时，驱动器70将电位设定到多个第一电极11、多个第二电极12、以及相对电极21中的每一个。驱动器70将多个第一电极11中的每一个与相对电极21之间的电位差的绝对值设定为V1。换句话说，V1是多个第一电极11中的每一个与相对电极21之间的电压的绝对值。在下文中，为方便起见，上述电压的绝对值被称为第一电压V1。驱动器70在多个第一电极11中的每一个与相对电极21之间施加电压V1。

驱动器70将多个第二电极12中的每一个与相对电极21之间的电位差的绝对值设定为V2。换句话说，V2是多个第二电极12中的每一个与相对电极21之间的电压的绝对值。在下文中，为方便起见，上述电压的绝对值被称为第二电压V2。驱动器70在多个第二电极12中的每一个与相对电极21之间施加第二电压V2。

第一电压V1比第二电压V2高。因此，当施加第一电压V1与第二电压V2时，在液晶层30的第一部分30a中，液晶分子的倾斜角度更大，在液晶层30中，第一电极11相对于相对电极21。在第一部分30a中，例如，液晶分子的取向接近于垂直取向。另一方面，在两个相邻的第一电极11的中心周围的液晶层30的第二部分30b中，液晶分子保持水平取向。在第一部分30a与第二部分30b之间的部分中，液晶分子的角度(倾斜角)从第二部分30b朝向第一部分30a逐渐朝向垂直取向改变。在Z-X平面中，液晶分子改变长轴的角度。液晶分子的长轴的角度改变Y轴方向周围。

液晶分子具有双折射。在液晶分子的长轴方向上对于偏振光的折射率比在液晶分子的短轴方向上的折射率高。如上所述，液晶分子的角度被改变。考虑线偏振光在Z轴方向上行进，并且线偏振光的偏振轴在X轴方向上被引导的情况。相对于这个线偏振光，液晶层30的折射率在液晶层30的第二部分30b中是高的，并且朝向第一部分30a逐渐减小。因此，形成形状类似于凸透镜(半圆)的折射率分布。

多个第一电极11沿着Y轴方向延伸。因此，在电压施加下，液晶层30的折射率分布的形状类似于沿着Y轴方向延伸的柱面透镜。多个第一电极11被布置在X轴方向。因此，如在整个液晶层30上观察的，在电压施加下，液晶层30的折射率分布的形状类似于双凸透镜，其中，沿着Y轴方向延伸的多个柱面透镜被布置在X轴方向上。

第一电压V1和第二电压V2的极性例如可以被周期性地改变。例如，相对电极21的电位可以被固定，并且第一电极11的电位或者第二电极12的电位可以以AC模式被改变。另外，相对电极21的电位的极性可以被周期性地改变。连同这个极性的改变，第一电极11的电位或者第二电极12的电位可以以相反的极性被改变。也就是说，可以进行常见的反转驱动。这可以减少驱动电路的电源电压。因此，驱动IC的击穿电压规格被缓和。

形成在液晶层30中、并且形状类似于凸透镜的折射率分布相对于被布置在显示单元82的X轴方向上的多个像素PX。在这个实例中，在液晶层30的折射率分布中具有较高折射率的部分(第二部分30b)相对于被布置在X轴方向上的三个像素PX中的中心像素PX。

在电压施加下液晶层30的折射率分布使得从每一个像素PX输出的光(图像)朝向观察者的眼睛行进。因此，由相对于折射率分布的三个像素PX中的每一个像素形成的图像构成视差图像。也就是说，在这个实例中，被布置在X轴方向上的三个像素PX形成三个视差图像。用于右眼的视差图像被选择性地入射在观察者的右眼上。用于左眼的视差图像被选择性地入射在观察者的左眼上。这能够实现3D显示。也就是说，当电压被施加到多个第一电极11、多个第二电极12、以及相对电极21中的每一个上时，液晶光学元件111是在第二状态下。

当液晶光学元件111是在第一状态下时，从每一个像素PX输出的光沿直线行进，并且被入射在观察者的眼睛上。这能够实现2D显示。在2D显示中，相对于3D显示，在视差数倍(在这个实例中，3倍)的分辨率下，能够显示普通的2D图像。

多个像素PX可以被设置有滤光片，每一个滤光片包括RGB三原色。这能够实现彩色显示。除了RGB三原色之外，滤光片可以进一步包括白色(无色)或者其他颜色的元素。

因此，在图像显示装置311的液晶光学元件111中，通过将电压施加或不施加到多个第一电极11、多个第二电极12、以及相对电极21，液晶层30的折射率分布被改变。相应地，2D显示和3D显示被切换。

第一主电极11a与第一子电极12a之间的距离由Pa表示。第二主电极11b与第二子电极12b之间的距离由Pb表示。更具体地，距离Pa是在第一主电极11a的X轴方向上的中心11ac与在第一子电极12a的X轴方向上的中心12ac之间在X轴方向上的距离。距离Pb是在第二主电极11b的X轴方向上的中心11bc与在第二子电极12b的X轴方向上的中心12bc之间在X轴方向上的距离。距离Pb基本上等于距离Pa。

第一电极11与相对电极21之间在Z轴方向上的距离由d1表示。第二电极12与相对电极21之间在Z轴方向上的距离由d2表示。距离d1基本上等于距离d2。也就是说，第一电极11的厚度基本上等于第二电极12的厚度。换句话说，距离d1和距离d2是各个电极之间的液晶层30的厚度。

距离Pa和距离Pb比距离d1和距离d2长。也就是说，第一电极11与第二电极12之间的距离比液晶层30的厚度长。

第一主电极11a与第二主电极11b之间的距离由P1表示。第一子电极12a与第二子电极12b之间的距离由P2表示。更具体地，距离P1是在第一主电极11a的X轴方向上的中心11ac与在第二主电极11b的X轴方向上的中心11bc之间在X轴方向上的距离。距离P2是在第一子电极12a的X轴方向上的中心12ac与在第二子电极12b的X轴方向上的中心12bc之间在X轴方向上的距离。

在液晶光学元件111中，如上所述的距离P1、距离P2、第一电压V1、以及第二电压V2满足以下公式(1)的关系。

V2/V1≤P2/P1(1)

也就是说，第二电压V2与第一电压V1的比V2/V1小于或等于第二电极12之间的距离P2与第一电极11之间的距离P1的比P2/P1。

在液晶光学元件111中，距离P1与距离P2被设置为满足公式(1)的关系。驱动器70设定第一电压V1和第二电压V2，以满足公式(1)的关系。也就是说，驱动器70设定多个第一电极11、多个第二电极12、以及相对电极21中的每一个的电位，以满足公式(1)的关系。在公式(1)中，距离P1、P2用μm(微米)的单位表示。第一电压V1和第二电压V2以V(伏)的单位表示。

距离P2例如是距离P1的一半或者更小。距离P1例如是260μm(20μm以上且1000μm以下)。距离P2例如是130μm(10μm以上且500μm以下)。距离d1和距离d2(液晶层30的厚度)例如是40μm(20μm以上且50μm以下)。第一电压V1例如是5V(3V以上且7V以下)。第二电压V2例如是1.2V(0.5V以上且2.5V以下)。

施加至第一电极11的第一电压V1比施加至第二电极12的第二电压V2高。在液晶层30中，强电场的作用出现在与第一电极11在X轴方向上的距离D1(类似于液晶层30的厚度的距离)附近。如果第二电极12被放置在这个强电场出现的区域中，那么由第一电极11感应的电场与由第二电极12感应的电场强烈地相互作用。这可能干扰液晶取向。

因此，使得距离Pa以及距离Pb比距离d1和距离d2长。这可以抑制液晶取向的干扰。

图2是示意性地显示根据第一实施例的液晶透镜装置的特性的实例的图。

图2示意性地显示实验结果的实例。在实验中，具有不同的P2/P1的多个样品被制备。对于每一个样品，随着V2/V1被改变，聚焦比FR被测量。聚焦比FR指对于入射在液晶层30的形状类似于凸透镜的折射率分布的一个单元上的光束，以任意焦距被聚焦的光的比。在低聚焦比FR的情况下，只有入射在形状类似于凸透镜的折射率分布上的一部分光聚焦在焦距。其余的变为散射光或者杂散光。例如，聚焦比FR可以被确定为整个透镜入射面的光强与具有任意区域的整个聚焦面的光强的比。光强由亮度计测量。图2的横轴代表在实验中给每一个样品设置的电压V1、V2与距离P1、P2的比值(V2/V1)/(P2/P1)。图2的纵轴代表测量到的聚焦比FR。

聚焦比FR被设置为0.8以上。这可以抑制,例如，光的散射。因此，可以适当地使得液晶层30的折射率分布起透镜的作用。例如，在3D显示中，这可以抑制，例如，视差图像的串扰(crosstalk)，并且实现高显示质量。

如图2所示，如果(V2/V1)/(P2/P1)大于1，那么，存在具有聚焦比FR小于0.8的电压和电极位置的更多条件。因此，在(V2/V1)/(P2/P1)大于1的情况下，响应于由于例如制造精度导致的电压和电极位置的变化，透镜性能容易出现恶化。

另一方面，在(V2/V1)/(P2/P1)为1以下的情况下，即使在电压和电极位置的条件的微小变化下，透镜性能的恶化也可以被抑制。此外，这可以容易地实现高透镜性能，以致聚焦比FR超过0.9。例如，(V2/V1)/(P2/P1)被设置为0.5以上且1以下。这可以在液晶层30的折射率分布中实现良好的透镜性能。

例如，距离Pa、Pb短。第二电极12靠近第一电极11被放置。第二电极12的施加电压低。在这种情况下，围绕透镜中心的水平取向区域被增宽。这导致在中心透镜特性被变平的顾虑。

例如，距离Pa、Pb短。第二电极12靠近第一电极11被放置。第二电极12的施加电压高。在这种情况下，靠近透镜边缘接近竖直取向的区域被增宽。这导致透镜特性形状类似于棱镜的顾虑。

例如，第二电极12靠近中心被放置。第二电极12的施加电压高。在这种情况下，存在透镜特性在第二电极12和相对电极21之间的部分失真的顾虑。

在根据这个实施例的晶透镜装置211和图像显示装置311中，使得距离Pa和距离Pb比距离d1和距离d2长。每一个电极的放置以及施加电压被设置，以满足V2/V1(P2/P1)的关系。因此，例如，可以在液晶层30中形成形状类似于凸透镜的良好的折射率分布。例如，这可以抑制聚焦比FR的减小。此外，能够提供高质量的透镜功能。例如，能够提供高质量的3D显示。

在液晶透镜装置211和图像显示装置311中，放置在两个最接近的第一电极11之间的电极只有两个电极，即，第一子电极12a和第二子电极12b。相对于两个最接近的第一电极11之间形成更多电极的情况，这可以改善可制造性。此外，施加电压的数目可以被减少为两个，即，第一电压V1和第二电压V2。这可以简化，例如，驱动器70的配置。

被放置在两个最靠近的第一电极11之间的第二电极12的数目不局限于两个，而可以是三个以上。除了第二电极12之外，可以进一步在两个最接近的第一电极11之间设置电极。

图3A和3B是示意性地说明根据第一实施例的替代的图像显示装置的一部分的截面图。

为方便起见，图3A和3B只显示液晶光学元件112、113。驱动器70和图像显示单元80可以被配置成与上述实施例类似。在下文中，在功能或者配置上与上述实施例中的部件基本上相同的部件以相同的参考数字标记，并且省略其的详细说明。

如图3A所示，在液晶光学元件112中，第一子电极12a和第二子电极12b之间在X轴方向上的距离P2小于等于第一主电极11a与第一子电极12a之间在X轴方向上的距离Pa，以及第二主电极11b与第二子电极12b之间在X轴方向上的距离Pb。

在液晶光学元件112中，距离P2例如是70μm。距离Pa和距离Pb例如是120μm。第一电压V1例如是第二电压V2的三倍以上。第一电压V1例如是5V。第二电压V2例如是1V。

因此，使得第二电极12接近于中心轴59。相应地，由第二电极12感应的电场更加容易地被施加到第一电极11的电场效应较弱的区域。因此，更加容易形成形状类似于凸透镜的折射率分布。例如，这可以进一步提高形状类似于凸透镜的折射率分布的聚焦性能。

第一子电极12a与第二子电极12b之间在X轴方向上的距离P2被设置为距离d1以及距离d2的一半以上。也就是说，距离P2被设置为液晶层30的厚度的一半以上。这可以抑制由于第一子电极12a与第二子电极12b之间的电场的相互作用而引起的旋转位移(disclination)的出现。例如，能够进一步提高3D显示的显示质量。

如图3B所示，在液晶光学元件113中，第一子电极12a与第二子电极12b之间在X轴方向上的距离P2是第一主电极11a与第二主电极11b之间在X轴方向上的距离P1的四分之一以下。

在液晶光学元件113中，距离P2例如是60μm。距离P1例如是300mm。第一电压V1例如是第二电压V2的三倍以上。第一电压V1例如是5V。第二电压V2例如是1V。距离P2是距离d1以及距离d2的一半以上。

因此，使得第二电极12进一步接近于中心轴59。相应地，由第二电极12感应的电场仍然更容易地被施加到第一电极11的电场效应较弱的区域。因此，更加容易地形成形状类似于凸透镜的折射率分布。例如，这可以进一步提高形状类似于凸透镜的折射率分布的聚焦性能。

(第二实施例)

图4是示意性地显示根据第二实施例的图像显示装置的截面图。

如图4所示，在图像显示装置321以及液晶透镜装置221中，液晶光学元件121的第一基片单元10u进一步包括中心电极13。中心电极13被设置在第一主面10a上。当被投射在与X轴方向和Y轴方向平行的平面(X-Y平面)上时，中心电极13与中心轴59重叠。换句话说，中心电极13被放置在两个最接近的第一电极11之间的中心轴59上。中心电极13被设置在第一子电极12a和第二子电极12b之间。中心电极13与第一子电极12a和第二子电极12b间隔开。中心电极13是透光的。中心电极13例如是透明的。中心电极13可以例如由参考第一电极11和第二电极12描述的材料所构成。

中心电极13被电连接至驱动器70。驱动器70将中心电极13放置在例如与相对电极21的电位基本上相同的电位上。也就是说，驱动器70将中心电极13与相对电极21之间的电压设定为基本上是0V。驱动器70在中心电极13与相对电极21之间施加第三电压V3。第三电压V3基本上是0V。

因此，在液晶透镜装置221以及图像显示装置321中，中心电极13进一步被设置在第一基片单元10u上。这可以提高，例如，调节围绕透镜中心的折射率分布的形状的灵活性。例如，透镜性能(聚焦比FR)能够被进一步提高。中心电极13被放置在与相对电极21的电位基本上相同的电位上。例如，这消除了在驱动器70中制备新电压的需要。例如，即使在设置中心电极13的情况下，也能够抑制驱动器70的复杂化。在设置中心电极13的情况下，被放置在两个最靠近的第一电极11之间的电极只有三个电极，即，第一子电极12a、第二子电极12b、以及中心电极13。这能够抑制液晶透镜装置221的可制造性的减小。

(第三实施例)

图5是示意性地显示根据第三实施例的图像显示装置的截面图。

如图5所示，在图像显示装置331以及液晶透镜装置231中，液晶光学元件131被设置在显示单元82和光源单元84之间。在液晶光学元件131中，从光源单元84发射且透射通过液晶光学元件131的光入射在显示单元82上。

因此，液晶光学元件131可以被设置在显示单元82和光源单元84之间。在这个实例中，液晶光学元件131基本上与在上述第一实施例中描述的液晶光学元件111相同。液晶光学元件131不限于此，而可以具有在第一实施例和第二实施例中描述的配置中的任何配置。

在上述实施例中，显示单元82是透射类型的显示装置。显示单元82不限制于此，而可以是反射类型的显示装置。在使用反射类型的显示装置用于显示单元82的情况下，可以省略光源单元84。在使用反射类型的显示装置用于显示单元82的情况下，例如，可以使用前光类型的光源单元84。例如，液晶光学元件131可以被设置在显示器单元82的显示面82a上，并且光源单元84可以被设置在液晶光学元件131上。

实施例能够提供具有高质量透镜功能的液晶透镜装置。这个液晶透镜装置可用于提供高质量显示的图像显示装置。

在这个说明书中，“垂直”以及“平行”不仅指是准确地垂直或者准确地平行，而是包括例如，在制造过程中的变化，并且只须指示基本上垂直和基本上平行。在这个说明书众，“被设置在...上”的状态不仅包括以直接接触被设置的状态，而且包括具有另一个介于其间的元件的状态。“被堆放”的状态不仅包括彼此接触地被堆放的状态，而且包括具有另一个介入在其间的元件被堆放的状态。“相对”的状态不仅包括直接面对的状态，而且包括具有介入在其间的另一个元件的状态。

在上文中，参考具体的实例描述了本发明的实施例。然而，本发明的实施例不局限于这些具体的实例。例如，本领域技术人员可以通过从已知技术中适当地选择被包括在液晶透镜装置以及图像显示装置中的诸如驱动器、显示单元、图像显示单元、第一基片单元、第二基片单元、液晶层、第一基片、第二基片、第一电极、第二电极、第一子电极、第二子电极、中心电极、相对电极等等的部件的具体配置来类似地实践本发明；并且这样的实践在类似的作用被获得的意义上被包括在本发明的范围内。

此外，具体的实例的任何两个以上的部件在技术可行性的程度内可以被结合，并且在本发明的主旨被包括的意义上被包括在本发明的范围内。

此外，基于如上所述作为本发明的实施例的液晶透镜装置以及图像显示装置，由本领域技术人员通过适当的设计修改而能够实践的所有液晶透镜装置以及图像显示装置在本发明的精神被包括的意义上同样落入本发明的范围内。

在本发明的精神内，本领域技术人员可以想到各种其它的变化和修改，并且可以理解的是，这种变化以及修改同样被包括在本发明的范围内。

虽然某些实施例已被描述，但是这些实施例只是通过实例的方式被呈现，且不想要限制本发明的范围。实际上，在此描述的新颖的实施例可以以各种其它形式被具体化；此外，在本背离本发明的精神的情况下，可以对在此描述的实施例的形式进行各种省略、替换以及改变。所附权利要求及其等价物想要覆盖将落入本发明的范围和精神内的这种形式或者修改。

Claims (20)

1.一种液晶透镜装置，其特征在于，包括：

多个第一电极，所述多个第一电极在第一方向上延伸，并且被布置在与所述第一方向交叉的第二方向上；

第一子电极，所述第一子电极被设置在所述第一电极中的两个最接近的第一电极在所述第二方向上的中心与所述两个最接近的第一电极中的一个第一电极之间；

第二子电极，所述第二子电极被设置在所述中心与所述两个最接近的第一电极中的另一个第一电极之间；

相对电极，所述相对电极与所述第一电极、所述第一子电极、以及所述第二子电极中的每一个相对；以及

液晶层，所述液晶层被设置在所述第一电极与所述相对电极之间、所述第一子电极与所述相对电极之间、以及所述第二子电极与所述相对电极之间，

所述两个最接近的第一电极中的所述一个第一电极与所述第一子电极之间的距离以及所述两个最接近的第一电极中的所述另一个第一电极与所述第二子电极之间的距离比所述第一电极中的每一个第一电极与所述相对电极之间的距离长，并且

V2/V1小于等于P2/P1，

其中，V1是所述第一电极中的每一个第一电极与所述相对电极之间的电位差的绝对值，

V2是所述第一子电极与所述相对电极之间以及所述第二子电极与所述相对电极之间的电位差的绝对值，

P1是所述两个最接近的第一电极之间的距离，以及

P2是所述第一子电极与所述第二子电极之间的距离。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，

被设置在所述两个最接近的第一电极之间的电极只有两个电极，所述两个电极是所述第一子电极和所述第二子电极。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，进一步包括：

中心电极，所述中心电极被设置在所述两个最接近的第一电极之间的所述中心。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，

所述V1是所述V2的三倍以上。

5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，

所述第一子电极与所述第二子电极之间的所述距离是所述两个最接近的第一电极之间的所述距离的一半以下。

6.如根据要求1所述的装置，其特征在于，

所述第一子电极与所述第二子电极之间的所述距离小于等于所述两个最接近的第一电极中的所述一个第一电极与所述第一子电极之间的所述距离、以及所述两个最接近的第一电极中的所述另一个第一电极与所述第二子电极之间的所述距离。

7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，

所述第一子电极与所述第二子电极之间的所述距离是所述两个最接近的第一电极之间的所述距离的四分之一以下。

8.如权利要求1所述的装置，其特征在于，

所述第一子电极与所述第二子电极之间的所述距离是所述第一电极中的每一个第一电极与所述相对电极之间的所述距离的一半以上。

9.如权利要求1所述的装置，其特征在于，

所述第一电极中的每一个第一电极与所述液晶层之间的距离、所述第一子电极与所述液晶层之间的距离、以及所述第二子电极与所述液晶层之间的距离是30nm以上且300nm以下。

10.如权利要求1所述的装置，其特征在于，进一步包括：

驱动器，所述驱动器被电连接至所述第一电极、所述第一子电极、所述第二子电极、以及所述相对电极中的每一个，并且被配置成对于所述第一电极、所述第一子电极、所述第二子电极、以及所述相对电极中的每一个设定电位，所述电位使得V2/V1小于等于P2/P1。

11.如权利要求10所述的装置，其特征在于，

所述驱动器通过在设定所述电位的状态与不设定所述电位的状态之间进行切换来改变在所述液晶层中形成的折射率分布。

12.如权利要求1所述的装置，其特征在于，进一步包括：

第一基片，所述第一基片具有第一主面；以及

第二基片，所述第二基片具有相对于所述第一主面的第二主面，

所述第一电极、所述第一子电极、以及所述第二子电极被设置在所述第一主面上，

所述相对电极被设置在所述第二主面上，并且

所述液晶层被设置在所述第一基片与所述第二基片之间。

13.如权利要求1所述的装置，其特征在于，

所述液晶层包括具有正介电各向异性的液晶材料。

14.如权利要求13所述的装置，其特征在于，

所述液晶材料的初始布置是水平取向的。

15.如权利要求1所述的装置，其特征在于，

(V2/V1)/(P2/P1)是0.5以上且1以下。

16.如权利要求1所述的装置，其特征在于，

所述P1是20μm以上且1000μm以下，

所述P2是10μm以上且500μm以下，

所述V1是3V以上且7V以下，以及

所述V2是0.5V以上且2.5V以下。

17.一种图像显示装置，其特征在于，包括：

液晶透镜装置，所述液晶透镜装置包括：

多个第一电极，所述多个第一电极在第一方向上延伸，并且被布置在与所述第一方向交叉的第二方向上；

第一子电极，所述第一子电极被设置在所述第一电极中的两个最接近的第一电极在所述第二方向上的中心与所述两个最接近的第一电极中的一个第一电极之间；

第二子电极，所述第二子电极被设置在所述中心与所述两个最接近的第一电极中的另一个第一电极之间；

相对电极，所述相对电极与所述第一电极、所述第一子电极、以及所述第二子电极中的每一个相对；以及

液晶层，所述液晶层被设置在所述第一电极与所述相对电极之间、所述第一子电极与所述相对电极之间、以及所述第二子电极与所述相对电极之间；以及

图像显示单元，所述图像显示单元在与所述第一方向和所述第二方向交叉的第三方向上被堆叠有所述液晶透镜装置，并且包括被配置成输出包括图像信息的光的显示单元，

所述两个最接近的第一电极中的所述一个第一电极与所述第一子电极之间的距离以及所述两个最接近的第一电极中的所述另一个第一电极与所述第二子电极之间的距离比所述第一电极中的每一个第一电极与所述相对电极之间的距离长，并且

V2/V1小于等于P2/P1，

其中，V1是所述第一电极中的每一个第一电极与所述相对电极之间的电位差的绝对值，

V2是所述第一子电极与所述相对电极之间以及所述第二子电极与所述相对电极之间的电位差的绝对值，

P1是所述两个最接近的第一电极之间的距离，以及

P2是所述第一子电极与所述第二子电极之间的距离。

18.如权利要求17所述的装置，其特征在于，

所述显示单元包括被布置在所述第二方向上的多个像素，以及

所述两个最接近的第一电极之间的区域在所述第三方向上与所述像素重叠。

19.如权利要求17所述的装置，其特征在于，

所述图像显示单元进一步包括光源单元，所述光源单元被配置成朝向所述显示单元发射光，以及

所述显示单元被设置在所述液晶透镜装置与所述光源单元之间。

20.如权利要求17所述的装置，其特征在于，

所述图像显示单元进一步包括光源单元，所述光源单元被配置成朝向所述显示单元发射光，以及

所述液晶透镜装置被设置在所述显示单元与所述光源单元之间。