JP2011197640A - 回折レンズを利用した画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】量産が容易な画像表示装置を提供する。
【解決手段】本発明は回折レンズを利用した画像表示装置に関するものである。本発明の一実施形態に係る画像表示装置は、画像を表示する表示パネル、及び前記表示パネルの画像を２次元画像または３次元画像と認知されるようにするための回折レンズを含み、前記回折レンズはフレネルゾーンプレートの光学原理を利用して光の経路を変更する。
【選択図】図６

Description

本発明は、回折レンズを利用した画像表示装置に関し、より詳細には、２次元／３次元兼用画像表示装置に関する。

最近、表示装置技術の発展によって３次元（３Ｄ）立体画像表示装置が関心を引いており、多様な３次元画像表示方法が研究されている。

立体画像表示を実現することにおいて、最も一般に使用される方法の一つは、左右両眼視差（ｂｉｎｏｃｕｌａｒ ｄｉｓｐｌａｙ）を利用する方法である。左右両眼視差を利用する方法は、左眼に到達する画像と右眼に到達する画像を同じ表示装置で表示し、この二つの画像をそれぞれ観察者の左眼と右眼に入射するようにすることである。即ち、両眼にそれぞれ異なる角度で観察された画像が入力されるようにすることにより、観察者が立体感を感じられるようにする。

この時、画像を観察者の左眼と右眼にそれぞれ入るようにする方法としては、バリア（ｂａｒｒｉｅｒ）を使用する方法と、円筒形レンズ（ｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌ ｌｅｎｓ）の一種であるレンチキュラーレンズ（ｌｅｎｔｉｃｕｌａｒ ｌｅｎｓ）を使用する方法などがある。

バリアを利用する立体画像表示装置は、バリアにスリットを形成し、このスリットによって表示装置からの画像を左眼画像と右眼画像に分けて観察者の左眼と右眼にそれぞれ入るようにする。

レンズを利用する立体画像表示装置は、左眼画像と右眼画像をそれぞれ表示し、立体画像表示装置からの画像をレンズを用いて光経路を変更することによって、左眼画像及び右眼画像に分ける。

一方、平面画像表示方法から立体画像表示方法に切換する過程で２次元／３次元兼用画像表示装置が開発されており、これのためにスイッチングの可能なレンズが開発されている。

本発明の目的は、量産が容易な画像表示装置を提供することにある。

本発明の一実施形態に係る画像表示装置は、画像を表示する表示パネル、及び前記表示パネルの画像を複数の視域に分離して３次元画像と認知されるようにするためのもので、フレネルゾーンプレートの光学原理を利用して光の経路を変更する回折レンズを含む。

前記回折レンズは、互いに対向する第１基板と第２基板、前記第１基板上に形成される第１電極層、前記第２基板上に形成される第２電極層、及び前記第１基板と前記第２基板との間に介される液晶層を含み、前記第１電極層は、複数の第１電極を含む第１電極アレイ、複数の第２電極を含む第２電極アレイ、及び前記第１電極アレイと前記第２電極アレイとの間を絶縁する絶縁層を含み、前記第２電極層は共通電極を含むことができる。

前記第１電極と前記第２電極は、交互に配置して、重畳しないようにすることができる。

前記第１基板、前記第２基板、及び前記液晶層は、前記フレネルゾーンプレートの中心を基準として外側に順次に位置する複数のゾーン（ｚｏｎｅ）を含み、各ゾーンは、少なくとも一つの前記第１電極、及び少なくとも一つの前記第２電極を含み、前記各ゾーンで前記第１電極及び前記第２電極に印加される電圧は、前記フレネルゾーンプレートの前記中心側に向かうほど段階的に変化することができる。

各ゾーンは複数のサブゾーンを含み、前記複数のゾーンにおいて、位置順で対応する前記第１電極または前記第２電極の電圧は、前記液晶層を通過した光に同一の位相遅延を起こすように印加されることができる。

前記第１電極と前記第２電極の幅は、前記フレネルゾーンプレートの全てのゾーンで同一にすることができる。

前記第１電極、前記第２電極、及び前記共通電極に同一の電圧が印加されて、前記回折レンズの機能がオフされ、２次元画像が認知されることができる。

前記回折レンズは異方性回折レンズを含み、前記表示パネルと前記異方性回折レンズのとの間に位置し、前記表示パネルの画像の偏光を調節して、前記異方性回折レンズの機能をスイッチオン／オフする偏光スイッチング部をさらに含むことができる。

前記回折レンズは、位相変調型フレネルゾーンプレートの光学原理を利用して光の経路を変更する回折レンズとすることができる。

前記回折レンズは、マルチレベル位相変調型フレネルゾーンプレートの光学原理を利用して光の経路を変更する回折レンズとすることができる。

本発明の実施形態によれば、量産が容易な画像表示装置を提供すること。

本発明の一実施形態に係る画像表示装置の概略的な構造及び２次元画像を形成する方法を示す図面である。 本発明の一実施形態に係る画像表示装置の概略的な構造及び３次元画像を形成する方法を示す図面である。 振幅変調型フレネルゾーンプレートの位置による透過率の変化を示すグラフである。 位相変調型フレネルゾーンプレートの位置による位相遅延変化を示すグラフである。 本発明の一実施形態に係る回折レンズの一例として液晶回折レンズの断面図である。 本発明の一実施形態に係る液晶回折レンズの断面図である。 図６の液晶回折レンズの電極に印加される電圧を示す図面である。 図６の液晶回折レンズの各ゾーンにおける位相遅延を示す図面である。 図６の液晶回折レンズの一周期に含まれる位相遅延の形態を示す図面である。 本発明の一実施形態に係る液晶回折レンズの一部の断面図及び液晶回折レンズの電極に印加される電圧を示す図面である。 本発明の一実施形態に係る偏光転換方式の画像表示装置の断面図である。 図１１の偏光転換方式の画像表示装置が含む異方性回折レンズの一例として、フィルム型異方性回折レンズの断面図である。 図１１の偏光転換方式の画像表示装置が含む異方性回折レンズの一例として、液晶セル型異方性回折レンズの断面図である。 本発明の一実施形態に係る画像表示装置の駆動方法を示すブロック図である。

添付した図面を参照して、本発明の実施形態について本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が容易に実施できるように詳細に説明する。しかし、本発明は種々の異なる形態に実現でき、ここで説明する実施形態に限られない。

図面において、種々の層及び領域を明確に表現するために厚さを拡大して示した。明細書の全体にわたって類似する部分に対しては同一の図面符号を付けた。層、膜、領域、板などの部分が他の部分の“上”にあるという時、これは他の部分の“すぐ上”にある場合だけでなく、その中間に他の部分がある場合も含む。一方、ある部分が他の部分の“すぐ上”にあるという時には、中間に他の部分がないことを意味する。

図１及び図２は、それぞれ本発明の一実施形態に係る画像表示装置の概略的な構造及び２次元画像と３次元画像を形成する方法を示す図面である。

図１及び図２に示すように、本発明の一実施形態に係る画像表示装置は、画像を表示する表示パネル３００、及び表示パネル３００の画像が表示される面の前に位置する回折レンズ４００を含む。

表示パネル３００は、プラズマ表示装置（ｐｌａｓｍａ ｄｉｓｐｌａｙ ｐａｎｅｌ、ＰＤＰ）、液晶表示装置（ｌｉｑｕｉｄ ｃｒｙｓｔａｌ ｄｉｓｐｌａｙ）、及び有機発光表示装置（ｏｒｇａｎｉｃ ｌｉｇｈｔ ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｓｐｌａｙ）などのような多様な平板表示装置とすることができる。表示パネル３００は、行列状に配列されており、画像を表示する複数の画素（ＰＸ）を含む。表示パネル３００は、２次元モードでは一つの平面画像を表示するが、３次元モードでは右眼用画像、左眼用画像などの種々の視域に該当する画像を空間または時間分割方式によって交互に表示することができる。例えば、３次元モードにおいて、表示パネル３００は、奇数番目の画素列では右眼用画像を表示し、偶数番目の画素列では左眼用画像を表示するなどして、右眼用画像と左眼用画像を一列の画素ごとに交互に表示することができる。

回折レンズ４００は、表示パネル３００で表示された画像の視域を光の回折現象を利用して分離するためのもので、スイッチオン／オフが可能である。即ち、回折レンズ４００は、表示パネル３００の画像を光の回折現象を利用して屈折させて、該当する視域に像が結像されるようにする。回折レンズ４００は、表示パネル３００が２次元モードの時はオフになり、３次元モードの時にオンになって、表示パネル３００の画像の視域を分離する役割を果たす。または、回折レンズ４００は、表示パネル３００が３次元モードの時にオフになり、２次元モードの時にオンになることもできる。

図１は、回折レンズ４００がオフになった時、左眼と右眼に同一の画像が到達して２次元画像が認知されることを示し、図２は、回折レンズ４００がオンになって表示パネル３００の画像を左眼及び右眼のような各視域に分離して屈折することによって、３次元画像が認知されることを示している。

このような回折レンズ４００は、フレネルゾーンプレート（Ｆｒｅｓｎｅｌ ｚｏｎｅ ｐｌａｔｅ）で実現できる。フレネルゾーンプレートとは、一般に、フレネルゾーン（Ｆｒｅｓｎｅｌ ｚｏｎｅ）のように放射状に配列されており、中心から外側に向かうほど間隔が狭くなる複数の同心円を利用して、光の屈折の代わりに光の回折現象を利用してレンズの役割を果たすようにする装置を意味する。

このようなフレネルゾーンプレートの光学的特性による種類について、図３及び図４を参照して説明する。

図３は、振幅変調型フレネルゾーンプレートの位置による透過率の変化を示すグラフであり、図４は、位相変調型フレネルゾーンプレートの位置による位相遅延変化を示すグラフである。ここで、フレネルゾーンプレートの各ゾーンは、各グラフで繰り返される波形がそれぞれ属する領域となる。

図３を参照すると、振幅変調型フレネルゾーンプレートは位置によって、各ゾーンで光の透過率が０と１の間でサイン（Ｓｉｎｅ）パターンに変わるサインパターン（Ｓｉｎｅ ｐａｔｔｅｒｎ）ゾーンプレート、及び各ゾーンで光の透過率が１と０である部分に分れるバイナリパターン（ｂｉｎａｒｙ ｐａｔｔｅｒｎ）などを含む。

図４を参照すると、位相変調型フレネルゾーンプレートは、キノフォーム（ｋｉｎｏｆｏｒｍ）ゾーンプレート、サイン位相変調型（ｓｉｎｕｓｏｉｄａｌ ｐｈａｓｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）ゾーンプレート、バイナリ位相変調型（ｂｉｎａｒｙ ｐｈａｓｅ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）ゾーンプレート、及びマルチレベル位相変調型（ｍｕｌｔｉ−ｌｅｖｅｌ ｐｈａｓｅ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）ゾーンプレートなどを含む。キノフォームゾーンプレートは各ゾーンでフレネルレンズと同一の位相遅延を現し、サイン位相変調型ゾーンプレートは各ゾーンで位相変化がサイン曲線のように変わる。バイナリ位相変調型ゾーンプレートは各ゾーンで位相遅延が０ ｒａｄｉａｎと−π ｒａｄｉａｎの二つの部分に分れ、マルチレベル位相変調型ゾーンプレートは各ゾーンで位相遅延が階段型に変わり、図３では４段階にわたって変化することを示している。

それぞれのゾーンプレートの焦点距離における光の強さを測定してみれば、振幅変調型フレネルゾーンプレートに比べて位相変調型フレネルゾーンプレートの回折効率がさらに優れ、そのうちのキノフォームゾーンプレートの次にマルチレベル位相変調型ゾーンプレートの回折効率が最も優れて、焦点距離における光の強さが最も強い。したがって、後述する一部の実施形態ではマルチレベル位相変調型ゾーンプレートを中心に説明するが、これに限定されることではない。

以下、図５を参照して、本発明の一実施形態に係る液晶回折レンズについて説明する。

図５は、本発明の一実施形態に係る回折レンズの一例として、液晶回折レンズの断面図である。

本実施形態に係る液晶回折レンズ４０１は、図１及び図２の実施形態で説明した回折レンズ４００の一例として、液晶（ｌｉｑｕｉｄｃｒｙｓｔａｌ）を利用した回折レンズである。本実施形態に係る液晶回折レンズ４０１は、ガラス、プラスチックなどの絶縁物質からなり、互いに対向する第１基板１１０と第２基板２１０、及び両基板１１０、２１０の間に介されている液晶層３を含む。

第１基板１１０の上には第１電極層１９０及び配向膜１１が順次に形成されており、第２基板２１０の上には第２電極層２９０及び配向膜２１が順次に形成されている。
第１電極層１９０及び第２電極層２９０は複数の電極を含み、ＩＴＯ（ｉｎｄｉｕｍ ｔｉｎ ｏｘｉｄｅ）またはＩＺＯ（ｉｎｄｉｕｍ ｚｉｎｃ ｏｘｉｄｅ）などの透明な導電物質で形成することができる。第１電極層１９０及び第２電極層２９０は印加される電圧により液晶層３に電場を形成して、液晶層３の液晶分子の配列を制御する。

配向膜１１、２１は、液晶層３の液晶分子の初期配向を決定し、液晶分子の配列方向を予め決めて、液晶層３に形成された電場によって速かに配列されるようにする。

液晶層３は、水平配向モード、垂直配向モードなどの多様なモードに配向されることができ、初期配向状態では第１基板１１０から第２基板２１０まで液晶分子は長軸方向がツイスト（ｔｗｉｓｔ）されないようにすることができる。

本実施形態に係る液晶回折レンズは、第１電極層１９０及び第２電極層２９０に電圧を印加しない時はターンオフされて動作せず、第１電極層１９０及び第２電極層２９０に電圧が印加されると、液晶層３を配向する。このような動作により、液晶回折レンズは、上述したフレネルゾーンプレートのように動作して光を屈折させてレンズの役割を果たすことができる。

以下、このような液晶回折レンズの一実施形態について、図６乃至図９を図５と共に参照して説明する。図５の実施形態と同一の構成要素に対しては同一の図面符号を付け、同一の説明は省略する。

図６は、本発明の一実施形態に係る液晶回折レンズの断面図であり、図７は、図６の液晶回折レンズの電極に印加される電圧を示した図面であり、図８は、図６の液晶回折レンズの各ゾーンにおける位相遅延を示す図面であり、図９は、図６の液晶回折レンズの一周期に含まれる位相遅延の形態を示す図面である。

図６を参照すれば、本発明の一実施形態に係る液晶回折レンズは、互いに対向する第１基板１１０と第２基板２１０、及び両基板１１０、２１０の間に介されている液晶層３を含む。第１基板１１０の上には第１電極層１９０及び配向膜１１が順次に形成されており、第２基板２１０の上には共通電極２９１及び配向膜２１が順次に形成されている。
第１電極層１９０は、複数の第１電極１９３を含む第１電極アレイ１９１、第１電極アレイ１９１の上に形成されている絶縁層１８０、及び絶縁層１８０の上に形成されて、複数の第２電極１９７を含む第２電極アレイ１９５を含む。

第１電極１９３及び第２電極１９７は横方向を基準として互いに交互に位置しており、互いに重畳しないことができる。図６において、隣接する第１電極１９３及び第２電極１９７の周縁は重畳しないように示されているが、周縁の一部は若干重畳することもできる。

一つのフレネルゾーンプレートの中心が位置する側を内側（図６中のInside）といい、中心から離れた側を外側（図６中のOutside）という時、第１電極１９３及び第２電極１９７の横方向の幅または電極１９３、１９７間の間隔は外側に向かうほど次第に狭くなる。（ｎ−１）番目ゾーン（図６中のN-1-th zone）、ｎ番目ゾーン（図６中のN-th zone）、及び（ｎ＋１）番目ゾーン（図６中のN+1-th zone）のようなゾーンプレートのそれぞれのゾーンには、二つの第１電極１９３及び第２電極１９７が位置しており、各ゾーンでそれぞれの電極１９３、１９７が位置する領域は一つのサブゾーン（ｓＺ１、ｓＺ２、ｓＺ３、ｓＺ４）を形成する。ここで、フレネルゾーンプレートの各ゾーンは、上述の通り、図３、図４の各グラフで繰り返される波形がそれぞれ属する領域となる。例えば、位相変調型フレネルゾーンプレートのマルチレベル位相変調型ゾーンプレートにおいては、図４の位相遅延が階段型に変わりその値が異なる領域が４つ存在するが、各ゾーンは連続する４段階の領域からなる。つまり、各ゾーンは、４段階の各領域であるサブゾーンの組み合わせから構成されている。そして、図４の各ゾーンは図６の各ゾーン（例えばN-th zone）に相当し、図４の各段階のサブゾーンは図６の各サブゾーン（例えば、sＺ１）に相当する。

一つのゾーンにおいて、外側に位置するサブゾーンから内側に位置するサブゾーンまで順次にｓＺ１、ｓＺ２、ｓＺ３、及びｓＺ４と表わす。図６では一つのゾーンが４個のサブゾーン（ｓＺ１、ｓＺ２、ｓＺ３、ｓＺ４）を含むことと示しているが、その数はこれに限られない。図６に示したものとは異なって、一つのゾーンに含まれている第１電極１９３及び第２電極１９７の横方向の幅は一定であり、外側ゾーンに向かうほど各ゾーンに含まれている電極１９３、１９７の横方向の幅が減少することができる。

全てのゾーンにおいて、第１電極１９３及び第２電極１９７の横方向の幅は液晶層３のセルギャップ（ｄ）より大きいか、または同一にすることができる。したがって、液晶層３のセルギャップ（ｄ）は、１０μｍ以下、さらに具体的には５μｍ以下に小さくすることができるので、液晶分子の制御を容易に行える。

絶縁層１８０は、無機絶縁物または有機絶縁物などで形成することができ、第１電極アレイ１９１と第２電極アレイ１９５との間を電気的に絶縁する。
共通電極２９１は、第２基板２１０の全面の上に形成されており、共通電圧Ｖｃｏｍなどの決められた電圧の印加を受ける。共通電極２９１はＩＴＯ、ＩＺＯなどの透明導電物質で形成することができる。

配向膜１１、２１は、第１電極１９３及び第２電極１９７の幅方向に垂直な長さ方向（図面の面に垂直な方向）、またはこれと一定の角度をなす方向にラビング（ｒｕｂｂｉｎｇ）されていることができる。配向膜１１と配向膜２１のラビング方向は互いに反対とすることができる。

液晶層３の液晶分子３１は、基板１１０、２１０面に水平である方向に初期配向されていることができるが、液晶層３の配向モードはこれに限定されず、垂直配向なども可能である。

このような液晶回折レンズの動作について説明する。

図６及び図７を参照すると、フレネルゾーンプレートの各ゾーンの第１電極１９３及び第２電極１９７は、内側から外側方向にその大きさが順次に大きくなる階段型電圧の印加を受ける。例えば、サブゾーン（ｓＺ４）の第２電極１９７は共通電圧Ｖｃｏｍの印加を受け、サブゾーン（ｓＺ３）の第１電極１９３は共通電圧Ｖｃｏｍよりも大きい第１レベル電圧（第１レベル電圧＞共通電圧Ｖｃｏｍ）の印加を受け、サブゾーン（ｓＺ２）の第２電極１９７は第１レベルより大きい第２レベル電圧（第２レベル電圧＞第１レベル電圧）の印加を受け、サブゾーン（ｓＺ１）の第１電極１９３は第２レベルより大きい第３レベル電圧（第３レベル電圧＞第２レベル電圧）の印加を受けることができる。各ゾーンにおける同一のサブゾーンの第１電極１９３または第２電極１９７は、同一の位相遅延を起こすように印加される。例えば、N-th zoneのｓＺ１での位相遅延と、N+1-th zoneのｓＺ１での位相遅延と、が同一になるように第１電極１９３及び第２電極１９７に電圧が印加される。

このように、共通電極２９１には共通電圧Ｖｃｏｍを印加し、第１電極１９３及び第２電極１９７に、図７に示したように電圧を印加すると、図６に示したように液晶層３の液晶分子３１が配列されることができる。つまり、水平配向の液晶層３の場合、サブゾーン（ｓＺ４）の液晶分子３１は基板１１０、２１０面に対して水平配向を維持し、サブゾーン（ｓＺ３）からサブゾーン（ｓＺ１）に向かうほど、液晶層３の液晶分子３１は次第に基板１１０、２１０面に対して垂直方向に配列される。しかし、液晶層３が水平配向でない他のモードである場合、これとは異なって配列されることも可能である。

このようなサブゾーン（ｓＺ１、ｓＺ２、ｓＺ３、ｓＺ４）における液晶層３の液晶分子３１の配列変化によって、図８に示したようにサブゾーン（ｓＺ１、ｓＺ２、ｓＺ３、ｓＺ４）における液晶層３の位相遅延値を変えることができる。即ち、フレネルゾーンプレートの各ゾーンにおける位相遅延値を内側方向に向かうほど階段型に次第に大きくすることにより、上述したフレネルゾーンプレートのマルチレベル位相変調型ゾーンプレートを実現することができる。本実施形態においては、第１電極１９３または第２電極１９７に印加される電圧の値が大きいほど、位相遅延が小さくなるようにしたが、第１電極１９３または第２電極１９７に印加される電圧の値が大きいほど、位相遅延値が大きくなるように液晶層３を選択することもできる。

このように、共通電極２９１、第１電極１９３、及び第２電極１９７に印加される電圧を調節して、各ゾーンにおける液晶層３の位相遅延の変化がマルチレベルに変化するようにして、位相変調型フレネルゾーンプレートを形成することができ、各ゾーンを通過する光の回折と消滅、補強干渉を通じて光を焦点位置に集まるように屈折させることができる。図９は、本発明の実施形態に係る液晶回折レンズを利用して実現した一つの位相変調型フレネルゾーンプレートを示したものである。

上記の構成において、第１電極１９３及び第２電極１９７に印加される電圧を全て同一にすれば、液晶層３の回折レンズとして動作せず、表示パネル３００の２次元画像が左眼及び右眼に認知されるようにすることができる。

このように、本実施形態によれば、液晶回折レンズが含む液晶層３のセルギャップ（ｄ）を非常に小さくできるので、液晶分子の制御を容易に行え、液晶層３と接触する第１基板１１０及び第２基板２１０の面が実質的に平面に形成されているので、液晶層３の配向の均一性が向上することができる。また、フレネルゾーンプレートの原理を利用することによって、回折レンズの厚さをさらに減少でき、液晶回折レンズの場合、液晶層のセルギャップをさらに減らせるので、画像表示装置に使用される回折レンズの量産性を向上させることができる。

次に、図１０と共に上述した図５乃至図９を参照して、本発明の他の実施形態として他の液晶回折レンズについて説明する。上述した実施形態と同一の構成要素に対しては同一の図面符号を付け、同一の説明は省略する。

図１０は、本発明の一実施形態に係る液晶回折レンズの一部の断面図及び液晶回折レンズの電極に印加される電圧を示した図面である。
本実施形態に係る液晶回折レンズは、図５及び図６に示した液晶回折レンズと殆ど同一であるが、第１電極層１９０の構造が異なる。

本実施形態において、第１電極層１９０は、複数の第１電極１９４を含む第１電極アレイ１９１、第１電極アレイ１９１の上に形成されている絶縁層１８０、及び絶縁層１８０の上に形成されて、複数の第２電極１９８を含む第２電極アレイ１９５を含む。第１電極１９４及び第２電極１９８の横方向の幅または電極１９４、１９８間の間隔は、ゾーンまたはサブゾーン（ｓＺ１、ｓＺ２、ｓＺ３、ｓＺ４）の位置と無関係に一定である。電極１９４、１９８の幅は電極１９４、１９８間の間隔と同一にすることができる。また、第１電極１９４及び第２電極１９８の横方向の幅は、液晶層３のセルギャップ（ｄ）より大きいか、または同一にすることができる。

本実施形態において、ゾーンプレートのゾーン及びサブゾーン（ｓＺ１、ｓＺ２、ｓＺ３、ｓＺ４）に含まれる第１電極１９４及び第２電極１９８の数は、ゾーンの位置によって異なる。図９を参照すると、（ｎ−１）番目ゾーンにおいて、各サブゾーン（ｓＺ１、ｓＺ２、ｓＺ３、ｓＺ４）が一つの第１電極１９４及び一つの第２電極１９８を含み、総４個の第１電極１９４及び４個の第２電極１９８が（ｎ−１）番目ゾーン（図１０中のN-1-th zone）に位置する。ｎ番目ゾーン（図１０中のN-th zone）及び（ｎ＋１）番目ゾーン（図１０中のN+1-th zone）においては、各サブゾーン（ｓＺ１、ｓＺ２、ｓＺ３、ｓＺ４）が一つの第１電極１９４または第２電極１９８を含み、総２個の第１電極１９４及び２個の第２電極１９８が位置する。各サブゾーンは（ｓＺ１、ｓＺ２、ｓＺ３、ｓＺ４）は少なくとも一つの電極１９４、１９８を含み、内側（Inside）から外側（Outside）に向かうほど各ゾーンが含む電極１９４、１９８の個数は次第に減少するが、隣接する数個のゾーンに含まれる第１電極１９４及び第２電極１９８の個数は同一にすることができる。

本実施形態において、フレネルゾーンプレートを実現するためには、各ゾーンで同一のサブゾーン（ｓＺ１、ｓＺ２、ｓＺ３、ｓＺ４）に含まれる第１電極１９４または第２電極１９８は、同一の位相遅延を起こすように電圧の印加を受ける。例えば、N-th zoneのｓＺ１での位相遅延と、N+1-th zoneのｓＺ１での位相遅延と、が同一になるように第１電極１９４及び第２電極１９５に電圧が印加される。

また、各ゾーンにおいて、外側方向に位置するサブゾーン（ｓＺ１、ｓＺ２、ｓＺ３、ｓＺ４）であるほど、第１電極１９４及び第２電極１９８は高い電圧の印加を受けて、各ゾーンに印加される電圧及びこれによる液晶層３の位相遅延値は、上述の実施形態と同様に階段型のマルチレベルをなす。

本実施形態によれば、第１電極１９４及び第２電極１９８の幅及び間隔が一定に配置されているので、図６に示した実施形態とは異なって、液晶回折レンズにおけるフレネルゾーンプレートの位置、または各フレネルゾーンプレートのゾーンの位置及び幅を自由に調節することができる。したがって、画像表示装置に利用される場合、液晶回折レンズのゾーンプレートの位置を自由に選択することができるので、時分割駆動が可能である。これにより、一つのフレームにおける一つの視域で認知できる領域が拡大されるので、解像度を高められる。

その他にも、上述した図５乃至図９の実施形態の種々の特徴及び効果が本実施形態にも適用できる。

次に、図１１を参照して、本発明の他の実施形態に係る画像表示装置について説明する。

図１１は、本発明の一実施形態に係る偏光転換方式の画像表示装置の断面図である。

本発明の一実施形態に係る画像表示装置は、画像を表示する表示パネル３００、表示パネル３００の画像が表示される面の前に位置する偏光スイッチング部５００、及び異方性回折レンズ４１０を含む。

表示パネル３００は、上述した図１及び図２の実施形態と同一なので、詳細な説明は省略する。

異方性回折レンズ４１０は、上述したフレネルゾーンプレートのような回折レンズで、光学的異方性を有して偏光スイッチング部５００による入射光の偏光状態によって選択的にフレネルゾーンプレートの機能がスイッチオン／オフされる。異方性回折レンズ４１０がフレネルゾーンプレートとして機能する場合、表示パネル３００は３次元モードで画像を表示し、異方性回折レンズ４１０が表示された画像の視域を分離して、観察者に３次元画像が認知される。異方性回折レンズ４１０がフレネルゾーンプレートとして機能しない場合、表示パネル３００は２次元モードで画像を表示して、観察者に２次元画像が認知される。

偏光スイッチング部５００は、表示パネル３００からの画像の偏光方向を調節して、異方性回折レンズ４１０で位相遅延が生じるようにして、フレネルゾーンプレートとして機能するようにするか、または異方性回折レンズ４１０で位相遅延が生じないようにして、フレネルゾーンプレートとして機能しないようにスイッチングすることができる。

以下、このような異方性回折レンズ４１０の一実施形態について、図１２を参照して説明する。

図１２は、図１１の偏光転換方式の画像表示装置が含む異方性回折レンズの一例として、フィルム型異方性回折レンズの断面図である。

図１２を参照すると、本実施形態に係る異方性回折レンズ４１１は、等方性回折フィルム５０、等方性回折フィルム５０の一側面に塗布された配向膜６０、及び配向膜６０の上に位置する異方性物質層４０を含む。

等方性回折フィルム５０は、光学的等方性の有機物質または無機物質で形成することができ、配向膜６０が塗布された断面は、上述したマルチレベル位相変調型ゾーンプレートの位相変化と実質的に同一の形態をしている。したがって、異方性回折レンズ４１１は、マルチレベル位相変調型ゾーンプレートの位相変化と実質的に同一の位相遅延を有するようになる。しかし、図示したものとは異なって、等方性回折フィルム５０の断面は、上述した図４の色々な種類のフレネルゾーンプレートの位相変化と同一の形態を有することができる。

異方性物質層４０は、液晶高分子（ｌｉｑｕｉｄ ｃｒｙｓｔａｌ ｐｏｌｙｍｅｒ）物質のような光学的異方性物質で形成することができ、紫外線などによって硬化した物質とすることができる。配向膜６０は、異方性物質層４０が液晶高分子物質からなる場合、異方性物質層４０を形成する段階で液晶物質の配向を決定し、配向が必要でない異方性物質を使用する場合、省略することもできる。異方性物質層４０が液晶高分子物質からなる場合に、異方性物質層４０の上に他の配向膜（図示せず）をさらに形成することも可能である。

次に、図１３を参照して、図１１に示した異方性回折レンズ４１０の他の実施形態について説明する。

図１３は、図１１の偏光転換方式の画像表示装置が含む異方性回折レンズの一例として、液晶セル型異方性回折レンズの断面図である。

図１３を参照すると、本実施形態に係る異方性回折レンズ４１２は、互いに対向する第１基板１０と第２基板２０、両基板１０、２０の間に位置する等方性回折層５２、等方性回折層５２の一側面に塗布された配向膜６１、配向膜６１の上に位置する液晶層４２、及び液晶層４２と第２基板２０との間に塗布されている配向膜６２を含む。

等方性回折層５２の上面の形状は、上述したマルチレベル位相変調型ゾーンプレートの位相変化と同様にマルチレベルに変化するように形成されているが、ゾーンプレートの各ゾーンに該当する領域においては、ゾーンプレートの中心方向に向かうほど基板１０からの高さが低くなるように形成されている。したがって、異方性回折レンズ４１２は、マルチレベル位相変調型ゾーンプレートの位相変化と実質的に同一の位相遅延を有するようになる。つまり、等方性回折層５２の基板１０からの高さが小さいほど液晶層４２の厚みが大きくなり、その分だけ位相遅延が大きくなることで、図８等に示すような位相遅延を有するようになる。しかし、図示したものとは異なって、等方性回折層５２の上面の形状は、上述した図４の色々な種類のフレネルゾーンプレートの位相変化と同一の形態を有することができる。

液晶層４２は、配向膜６１、６２によって決められた方向に配向されている。液晶層４２の液晶分子は長軸と短軸を有する棒状で、その光学的性質が長軸方向と短軸方向が互いに異なる異方性を有する。即ち、液晶分子は、誘電率、屈折率、伝導率、粘性率などの物性値が、液晶分子の長軸に平行な方向と、液晶分子の長軸に垂直な方向とが互いに異なって現れる。このような液晶分子を含む液晶層３を形成することにより、異方性回折レンズ４１２が光学的異方性を有することができる。

従って、本実施形態に係る異方性回折レンズ４１２も、上述した図１１の偏光スイッチング部５００によって調節された入射光の偏光方向によりフレネルゾーンプレートとして機能して、３次元画像が認知されるようにするか、またはフレネルゾーンプレートとして機能しないようにして、２次元画像が認知されるようにすることができる。

このような異方性回折レンズ４１２の製造方法について簡単に説明する。まず、等方性回折層５２は絶縁物質からなる第１基板１０の上に光学的等方性の有機物質または無機物質を積層した後、その上面をパターニングして形成することができる。パターニングされた等方性回折層５２の上には配向膜６１を塗布し、また他の配向膜６２が塗布された第２基板２０と第１基板１０を合着した後、両基板１０、２０の間に液晶層３を注入して異方性回折レンズ４１２を完成することができる。

このように、図１１乃至図１３に示した実施形態によれば、偏光スイッチング部５００の偏光調節によって異方性回折レンズをオン／オフさせることにより、２次元／３次元画像変換を容易に行うことができる。

また、異方性回折レンズの厚さを薄くすることができ、回折レンズの量産性を向上させることができる。

以下、上述した種々の実施形態による回折レンズ４００と、画像を表示する表示パネル３００とを含む画像表示装置の駆動方法について、上述した図１及び図２、そして図１４を参照して説明する。

図１４は、本発明の一実施形態に係る画像表示装置の駆動方法を示すブロック図である。

画像表示装置の外部の記憶装置７００は、２次元画像情報及び３次元画像情報を記憶しており、外部から２次元画像及び３次元画像のうちのいずれを表示するかを決める選択情報を受信することができる。選択情報を受信した記憶装置７００は、選択情報によって２次元画像信号（Ｄｉｎ_２Ｄ）または３次元画像信号（Ｄｉｎ_３Ｄ）、及び選択信号（ＳＥＬ）を画像表示装置の制御部６００に送信する。記憶装置７００が送信する画像信号の種類が一つに決められるので、選択信号（ＳＥＬ）は省略されることも可能である。

制御部６００の画像処理部６１０は、２次元画像信号（Ｄｉｎ_２Ｄ）または３次元画像信号（Ｄｉｎ_３Ｄ）、及び選択信号（ＳＥＬ）を受信して、これらを適切に処理し、処理された２次元画像信号（Ｄｏｕｔ_２Ｄ）または処理された３次元画像信号（Ｄｏｕｔ_３Ｄ）を表示パネル制御部６２０に送信し、スイッチング信号（Ｓｗｔ）を回折レンズ制御部６３０に送信する。スイッチング信号（Ｓｗｔ）は回折レンズ４００のオン／オフスイッチングに対する信号である。

スイッチング信号（Ｓｗｔ）を受信した回折レンズ制御部６３０は、回折レンズ制御信号（ＣＯＮＴ２）を生成し、これを画像表示装置の回折レンズ４００に送信する。回折レンズ制御信号（ＣＯＮＴ２）は回折レンズ４００のスイッチオン／オフを制御する。
処理された２次元画像信号（Ｄｏｕｔ_２Ｄ）または処理された３次元画像信号（Ｄｏｕｔ_３Ｄ）を受信した表示パネル制御部６２０は、表示パネル制御信号（ＣＯＮＴ１）、及び２次元画像データ（ＤＡＴ_２Ｄ）または３次元画像データ（ＤＡＴ_３Ｄ）を生成し、これを表示パネル３００に送信する。表示パネル制御信号（ＣＯＮＴ１）は、表示パネル３００が３次元モード及び２次元モードのうちのいずれで動作するかを制御する。
表示パネル３００は、表示パネル制御信号（ＣＯＮＴ１）によって２次元モードまたは３次元モードで動作する。２次元モードで動作する時には２次元画像データ（ＤＡＴ_２Ｄ）を表示し、３次元モードで動作する時には３次元画像データ（ＤＡＴ_３Ｄ）を表示する。

回折レンズ４００は、回折レンズ制御信号（ＣＯＮＴ２）によってスイッチオン／オフされる。回折レンズ４００は、表示パネル３００が２次元モードの時にオフになり、３次元モードの時にオンになることができ、これとは反対に、表示パネル３００が３次元モードの時にオフになり、２次元モードの時にオンになることもできる。これは回折レンズ４００の種類によって決定される。

以上の本発明の実施形態によれば、液晶回折レンズが含む液晶層のセルギャップを非常に小さくできるので、液晶分子の制御を容易に行え、液晶層と基板とが接触する面が実質的に平たいので、液晶層の配向の均一性が向上することができる。

また、フレネルゾーンプレートの原理を利用して回折レンズを形成することにより、回折レンズの厚さをさらに減らすことができ、液晶回折レンズの場合、液晶層のセルギャップをさらに小さくできるので、画像表示装置に使用される回折レンズの量産性を向上させることができる。

以上、本発明の好ましい実施形態について詳細に説明したが、本発明の権利範囲はこれに限定されず、次の請求範囲で定義している本発明の基本概念を利用した当業者の種々の変形及び改良形態も本発明の権利範囲に属するものである。

３ 液晶層
１０、１１０ 第１期板
１１、２１ 配向膜
２０、２１０ 第２期板
４０ 異方性物質層
４２ 液晶層
５０ 等方性回折フィルム
５２ 等方性回折層
６０、６１、６２ 配向膜
１８０ 絶縁層
１９０ 第１電極層
１９１ 第１電極アレイ
１９３、１９４ 第１電極
１９５ 第２電極アレイ
１９７、１９８ 第２電極
２９０ 第２電極層
２９１ 共通電極
３００ 表示パネル
４００ 回折レンズ
４０１ 液晶回折レンズ
４１０ 異方性回折レンズ
４１１ フィルム型異方性回折レンズ
４１２ 液晶セル型異方性回折レンズ
５００ 偏光スイッチング部
６００ 制御部
６１０ 画像処理部
６２０ 表示パネル制御部
６３０ 回折レンズ制御部
７００ 記憶装置

Claims (10)

1. 画像を表示する表示パネル、及び
   前記表示パネルの画像を２次元画像または３次元画像と認知されるようにするための回折レンズを含み、
   前記回折レンズはフレネルゾーンプレートの光学原理を利用して光の経路を変更する画像表示装置。
2. 前記回折レンズは、
   互いに対向する第１基板と第２基板、
   前記第１基板上に形成される第１電極層、
   前記第２基板上に形成される第２電極層、及び
   前記第１基板と前記第２基板との間に介される液晶層を含み、
   前記第１電極層は、複数の第１電極を含む第１電極アレイ、複数の第２電極を含む第２電極アレイ、及び前記第１電極アレイと前記第２電極アレイとの間を絶縁する絶縁層を含み、
   前記第２電極層は共通電極を含む、請求項１に記載の画像表示装置。
3. 前記第１電極と前記第２電極は交互に配置されて、互いに重畳しない、請求項２に記載の画像表示装置。
4. 前記第１基板、前記第２基板、及び前記液晶層は、前記フレネルゾーンプレートの中心を基準として外側に順次に位置する複数のゾーン（ｚｏｎｅ）を含み、
   各ゾーンは、少なくとも一つの前記第１電極、及び少なくとも一つの前記第２電極を含み、
   前記各ゾーンで前記第１電極及び前記第２電極に印加される電圧は、前記フレネルゾーンプレートの前記中心側に向かうほど段階的に変化する、請求項２に記載の画像表示装置。
5. 各ゾーンは複数のサブゾーンを含み、
   前記複数のゾーンで同一のサブゾーンに該当する前記第１電極または前記第２電極の電圧は、前記液晶層を通過した光に同一の位相遅延を起こすように印加される、請求項４に記載の画像表示装置。
6. 前記第１基板、前記第２基板、及び前記液晶層は、前記フレネルゾーンプレートの中心を基準として外側に順次に位置する複数のゾーンを含み、
   前記第１電極と前記第２電極の幅は、前記フレネルゾーンプレートの全てのゾーンで同一である、請求項２に記載の画像表示装置。
7. 前記第１電極、前記第２電極、及び前記共通電極に同一の電圧が印加されて、前記回折レンズの機能がオフされ、２次元画像が認知される、請求項２に記載の画像表示装置。
8. 前記回折レンズは異方性回折レンズを含み、
   前記表示パネルと前記異方性回折レンズとの間に位置し、前記表示パネルの画像の偏光を調節して、前記異方性回折レンズの機能をスイッチオン／オフする偏光スイッチング部をさらに含む、請求項１に記載の画像表示装置。
9. 前記回折レンズは、位相変調型フレネルゾーンプレートの光学原理を利用して光の経路を変更する、請求項１に記載の画像表示装置。
10. 前記回折レンズは、マルチレベル位相変調型フレネルゾーンプレートの光学原理を利用して光の経路を変更する、請求項９に記載の画像表示装置。

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