JP2013050503A - 液晶光学素子 - Google Patents

Abstract

【課題】電界の漏れによる特性の悪化を軽減することができる液晶光学素子を提供する。
【解決手段】液晶光学素子は、所定の領域毎に群を構成するように形成された透明な複数の帯状電極を備えた第１基板、透明な共通電極を備えた第２基板、及び、第１基板と第２基板との間に配置され、共通電極と帯状電極との間に印加される電圧によって所定の領域毎にリタデーション分布が制御される液晶層、を備えており、第１基板と第２基板との間において、所定の領域の境界に対応する部分には、壁状のスペーサが設けられており、スペーサの２つの壁面のうち少なくとも一方には、一定値の電圧が印加される遮蔽電極が設けられている。
【選択図】 図５

Description

本開示は液晶光学素子に関する。

レンズの屈折力を可変することができる光学素子として、例えば特開２００１−１３３９１８号公報（特許文献１）の図２に示すように、透明な電極を有する一対の透明な基板の間に液晶層が配置された構造の液晶光学素子が提案されている。この構造の液晶光学素子にあっては、一対の基板間の電圧を変えて液晶層のリタデーション分布を制御することによって、レンズの屈折力を可変することができる。

液晶層のリタデーション分布を滑らかに変化させてレンズを形成するといった構成の液晶光学素子にあっては、光学的なレンズを構成するといった関係から、液晶層の厚さを通常の液晶表示パネルの液晶層に比べてかなり厚く設定せざるを得ない。このため、液晶層の応答速度は低下する。

通常の光学レンズにあっては、鋸歯状の断面を持つ所謂フレネルレンズとすることによって、その厚みを減らすことができる。同様に、液晶光学素子においても、液晶層のリタデーション分布を所定の領域毎に変化させて鋸歯状の分布としフレネルレンズを形成する構成とすれば、液晶層の厚さを薄く設定することができ、応答速度も速くなる。

特開２００１−１３３９１８号公報

しかしながら、液晶層のリタデーション分布を所定の領域毎に変化させて鋸歯状の分布とする構成にあっては、領域の境界における液晶層の配向状態に乱れが生じ、光学的特性が低下する。

従って、本開示の目的は、液晶層の配向状態の乱れに起因する光学的特性の低下を軽減することができる液晶光学素子を提供することにある。

上記の目的を達成するための本開示の液晶光学素子は、
所定の領域毎に群を構成するように形成された透明な複数の帯状電極を備えた第１基板、
透明な共通電極を備えた第２基板、及び、
第１基板と第２基板との間に配置され、共通電極と帯状電極との間に印加される電圧によって所定の領域毎にリタデーション分布が制御される液晶層、
を備えており、
第１基板と第２基板との間において、所定の領域の境界に対応する部分には、壁状のスペーサが設けられており、
スペーサの２つの壁面のうち少なくとも一方には、一定値の電圧が印加される遮蔽電極が設けられている液晶光学素子である。

本開示の液晶光学素子にあっては、第１基板と第２基板との間において、所定の領域の境界に対応する部分には壁状のスペーサが設けられており、スペーサの２つの壁面のうち少なくとも一方には、一定の電圧が印加される遮蔽電極が設けられている。従って、遮蔽電極によって電界の漏れを抑えることができるので、領域の境界における液晶層の配向状態の乱れが軽減される。これによって、光学的特性の低下を軽減することができる。

図１は、第１の実施形態に係る液晶光学素子の模式的な斜視図である。 図２は、液晶光学素子を用いた表示装置の模式的な斜視図である。 図３は、液晶光学素子の正面の模式的な平面図である。 図４は、液晶光学素子の背面の模式的な平面図である。 図５は、図３のＡ−Ａ断面図であって、液晶光学素子がフレネルレンズを構成しているときの状態を模式的に示す図である。 図６の（Ａ）乃至（Ｃ）は、液晶光学素子の製造方法を説明するための第１基板などの模式的な一部断面図である。 図７の（Ａ）及び（Ｂ）は、図６の（Ｃ）に引き続き、液晶光学素子の製造方法を説明するための第２基板などの模式的な一部断面図である。 図８の（Ａ）及び（Ｂ）は、図７の（Ｂ）に引き続き、液晶光学素子の製造方法を説明するための模式的な一部断面図である。 図９は、図３のＡ−Ａ断面図であって、液晶層に電圧が印加されていないときの状態を模式的に示す図である。 図１０は、スペーサ側面に形成された遮蔽電極の有無による特性変化を説明するためのグラフである。 図１１は、第１の変形例に係る液晶光学素子の模式的な一部断面図である。 図１２は、第２の変形例に係る液晶光学素子の模式的な一部断面図である。 図１３は、第２の実施形態に係る液晶光学素子の正面の模式的な平面図である。 図１４は、図１３のＢ−Ｂ断面図であって、液晶光学素子がフレネルレンズを構成しているときの状態を模式的に示す図である。 図１５は、第３の実施形態に係る液晶光学素子の模式的な斜視図である。 図１６は、液晶光学素子の正面の模式的な平面図である。 図１７は、液晶光学素子の背面の模式的な平面図である。 図１８は、図１６のＣ−Ｃ断面図であって、液晶光学素子がフレネルプリズムを構成しているときの状態を模式的に示す図である。 図１９は、図１６のＣ−Ｃ断面図であって、液晶光学素子がフレネルプリズムを構成していないときの状態を模式的に示す図である。 図２０は、図１６のＣ−Ｃ断面図であって、図１８に対して液晶光学素子が極性を反転させたフレネルプリズムを構成しているときの状態を模式的に示す図である。

以下、図面を参照して、実施形態に基づき本開示を説明する。本開示は実施形態に限定されるものではなく、実施形態における種々の数値や材料は例示である。以下の説明において、原則として同一要素または同一機能を有する要素には同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。尚、説明は、以下の順序で行う。
１．本開示に係る液晶光学素子、全般に関する説明
２．第１の実施形態
３．第２の実施形態
４．第３の実施形態（その他）

［本開示に係る液晶光学素子、全般に関する説明］
本開示の液晶光学素子において、遮蔽電極に印加する電圧の値は設計に応じて適宜選択すればよい。印加する電圧の種類を削減するといった観点からは、共通電極および遮蔽電極には同じ一定値の電圧が印加される構成とすることが好ましい。

スペーサは、第１基板の液晶層側の面に形成されている構成であってもよいし、第２基板の液晶層側の面に形成されている構成であってもよい。帯状電極の形成の容易性といった観点からは、スペーサは第２基板の液晶層側に形成されている構成とすることが好ましい。この構成にあっては、例えばスペーサを含む全面に導電材料層を形成することによって、遮蔽電極を共通電極と一体の電極として形成することができる。

上述したように、第１基板は、所定の領域毎に群を構成するように形成された透明な複数の帯状電極を備えている。帯状電極の群の配置や各帯状電極に印加する電圧の値を適宜設定することによって、液晶光学素子は共通電極と帯状電極との間に印加される電圧によって制御されるフレネルレンズとして動作する構成とすることができ、あるいは又、液晶光学素子は共通電極と帯状電極との間に印加される電圧によって制御されるフレネルプリズムとして動作する構成とすることもできる。

帯状電極は一方向に伸びる直線状に形成されている構成とすることができる。この場合には、帯状電極の群の配置や各帯状電極に印加する電圧の値の設定によるが、液晶光学素子は直線状のフレネルレンズ（リニアフレネルレンズ）や、直線状のフレネルプリズムとして動作する。あるいは又、帯状電極は環状（例えば、同心円状）に形成されている構成とすることができる。例えばレンズとして動作する場合には、液晶光学素子は通常のフレネルレンズとして動作する。

液晶層に継続して直流電圧を印加すると液晶材料の劣化を招く。従って、通常の液晶表示パネルと同様に、共通電極と帯状電極との間の電圧の極性が順次反転するように液晶光学素子を駆動すればよい。

第１基板や第２基板は、光に対して透明な材料から構成することができる。第１基板や第２基板を構成する材料として、アクリル系樹脂、ポリカーボネート樹脂（ＰＣ）、ＡＢＳ樹脂、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）、ポリアリレート樹脂（ＰＡＲ）、ポリエチレンテレフタレート樹脂（ＰＥＴ）、ガラスを例示することができる。第１基板と第２基板は同じ材料から構成されていてもよいし、異なる材料から構成されていてもよい。

共通電極や帯状電極は、光透過性を有する金属薄膜や、インジウムとスズの酸化物（ＩＴＯ）やインジウムと亜鉛の酸化物（ＩＺＯ）などの透明導電材料から構成することができる。これらの電極は、真空蒸着法やスパッタリング法に例示される物理的気相成長法（ＰＶＤ法）、各種の化学的気相成長法（ＣＶＤ法）などの周知の方法によって成膜することができる。また、帯状電極は、フォトリソグラフ法とエッチング法との組合せ、リフトオフ法などの周知の方法によりパターニングすることができる。

液晶層を構成する材料として、ネマチック液晶材料などの広く周知の材料を用いることができる。液晶層を構成する材料は特に限定するものではない。ポジ型の液晶材料を用いた構成とすることができるし、ネガ型の液晶材料を用いた構成とすることもできる。尚、所謂ブルー相の液晶材料層を用いることもできる。

第１基板と第２基板における液晶層側の面の少なくとも一方に、液晶分子の配向方向やプレチルト角を設定するための配向処理が施されていてもよい。配向処理は、例えばラビング処理を施した配向膜を形成するなどといった周知の方法によって行うことができる。配向膜は、ポリイミド材料などといった周知の材料を用いて構成することができる。

壁状のスペーサの形成方法は特に限定するものではない。スペーサの形成方法として、例えば、スクリーン印刷法、感光法を挙げることができる。スクリーン印刷法とは、スペーサを形成すべき部分に対応するスクリーンの部分に開口が形成されており、スクリーン上のスペーサ形成用材料をスキージによって開口を通過させて基板上にスペーサ形成用材料層を形成した後、必要に応じて硬化処理を行う方法である。感光法とは、基板上に感光性を有するスペーサ形成用材料層を形成し、露光および現像によってこのスペーサ形成用材料層をパターニングするといった方法である。スペーサは、透明な高分子材料といった周知の材料から構成することができる。

第１基板の外周部と第２基板の外周部との間を封止する封止部は、たとえば熱硬化性のエポキシ系樹脂材料といった周知のシール材料を用いて構成することができる。

二次元画像を表示する表示部と本開示の液晶光学素子とを組み合わせることによって、例えば立体画像表示が可能な表示装置を構成することができる。表示部として、液晶表示パネル、エレクトロルミネッセンス表示パネル、プラズマ表示パネルなどといった、広く周知の表示部材を用いることができる。表示部は、モノクロ表示であってもよいし、カラー表示であってもよい。

表示部の画素（ピクセル）の数Ｍ×Ｎを（Ｍ，Ｎ）で表記したとき、（Ｍ，Ｎ）の値として、具体的には、ＶＧＡ（６４０，４８０）、Ｓ−ＶＧＡ（８００，６００）、ＸＧＡ（１０２４，７６８）、ＡＰＲＣ（１１５２，９００）、Ｓ−ＸＧＡ（１２８０，１０２４）、Ｕ−ＸＧＡ（１６００，１２００）、ＨＤ−ＴＶ（１９２０，１０８０）、Ｑ−ＸＧＡ（２０４８，１５３６）の他、（３８４０，２１６０）、（１９２０，１０３５）、（７２０，４８０）、（１２８０，９６０）など、画像表示用解像度の幾つかを例示することができるが、これらの値に限定するものではない。

液晶光学素子を駆動する駆動回路は、種々の回路から構成することができる。これらは周知の回路素子などを用いて構成することができる。

本明細書に示す各種の条件は、厳密に成立する場合の他、実質的に成立する場合にも満たされる。設計上あるいは製造上生ずる種々のばらつきの存在は許容される。

［第１の実施形態］
第１の実施形態は、本開示に係る液晶光学素子に関する。

図１は、第１の実施形態に係る液晶光学素子の模式的な斜視図である。

液晶光学素子１にあっては、第１の方向に延びるレンズ列１１が、第１の方向とは異なる第２の方向にＰ個並んで配列されている。第ｐ列目（但し、ｐ＝１，２・・・，Ｐ）のレンズ列１１をレンズ列１１_pと表す。

後述するように、各レンズ列１１は、液晶層のリタデーション分布を領域毎に変化させて構成したフレネルレンズ（リニアフレネルレンズ）から成る。後で詳しく説明するが、符号１１０Ａは第１基板を表し、符号１１０Ｂは第２基板を表し、符号１１７は封止部を表す。

説明の都合上、液晶光学素子１のレンズ列群が成す面はＸ−Ｚ平面と平行であり、レンズ列１１は、垂直方向（図においてＺ方向）に延び、水平方向（図においてＸ方向）に並んで配列されているとする。また、液晶光学素子１から光が出射する方向が＋Ｙ方向であるとする。

例えば、図２に示すように、二次元画像を表示する表示部９０と本開示の液晶光学素子１とを組み合わせることによって、立体画像表示が可能な表示装置を構成することができる。図２に示す例では、１つのレンズ列１１は、基本的には４列の画素９１に対応する。表示部９０とレンズ列１１との位置関係などを好適に設定することによって、観察領域ＷＡ_Cにおいて視点Ａ₁乃至Ａ₄用の画像が観察可能となる。

後述するように、液晶光学素子１の電極に印加する電圧によってレンズ列１１の屈折力を制御することができる。従って、液晶光学素子１を単なる透明な板として動作させるといったことも可能であり、通常画像の表示と立体画像の表示を共に支障なく行うことができるといった表示装置を構成することができる。

図３は、液晶光学素子の正面の模式的な平面図である。図４は、液晶光学素子の背面の模式的な平面図である。図５は、図３のＡ−Ａ断面図であって、液晶光学素子がフレネルレンズを構成しているときの状態を模式的に示す図である。

図示の都合上、図３にあっては第２基板１１０Ｂの一部を切り欠いて示した。また、第２基板１１０Ｂの一部を切り欠いて示した部分にあっては液晶層などの図示を省略した。同様に、図４にあっては第１基板１１０Ａの一部を切り欠いて示す共に、第１基板１１０Ａの一部を切り欠いて示した部分における液晶層などの図示を省略した。

図５などに示すように、液晶光学素子１は、
所定の領域ＡＬ（ＡＬ_L3，ＡＬ_L2，ＡＬ_L1，ＡＬ_C，ＡＬ_R1，ＡＬ_R2，ＡＬ_R3）毎に群を構成するように形成された透明な複数の帯状電極１１２（１１２Ａ，１１２Ｂ，１１２Ｃ，１１２Ｄ）を備えた第１基板１１０Ａ、
透明な共通電極１１５を備えた第２基板１１０Ｂ、及び、
第１基板１１０Ａと第２基板１１０Ｂとの間に配置され、共通電極１１５と帯状電極１１２との間に印加される電圧によって所定の領域ＡＬ毎にリタデーション分布が制御される液晶層１１４、
を備えている。

尚、帯状電極１１２Ａ，１１２Ｂ，１１２Ｃ，１１２Ｄを区別する必要がない場合に、これらを単に帯状電極１１２と表す場合がある。領域ＡＬなどの他の構成要素においても同様である。

帯状電極１１２と共通電極１１５は、それぞれ、第１基板１１０Ａと第２基板１１０Ｂの液晶層１１４側の面（内面）に形成されている。帯状電極１１２と共通電極１１５は、例えばＩＴＯといった透明導電材料から構成されており、周知の成膜技術により形成されている。帯状電極１１２は、周知のパターニング技術によって、図３に示す所定のストライプ形状に形成されている。

液晶光学素子１は、例えばポリアミドから成る配向膜１１３を更に含んでいる。配向膜１１３は、帯状電極１１２を含む第１基板１１０Ａの内面を覆うように全面に形成されている。配向膜１１３の表面にはＺ方向にラビング処理が施されている。配向膜１１３によって、共通電極１１５と帯状電極１１２との間に電位差がない場合における液晶分子の分子軸（長軸）の方向が規定される。

第１基板１１０Ａと第２基板１１０Ｂとの間に配置される液晶層１１４は、ポジ型のネマチック液晶材料から成る。尚、符号１１４Ａは液晶層１１４内の液晶分子を模式的に示す。

そして、第１基板１１０Ａと第２基板１１０Ｂとの間において、所定の領域ＡＬの境界に対応する部分には、壁状のスペーサ１１６が設けられている。スペーサ１１６は、透明な高分子材料から成り、感光性を有するスペーサ形成用材料層の露光および現像によって形成されている。各スペーサ１１６の２つの壁面のうち少なくとも一方（図５に示す例では双方）には、一定値の電圧が印加される遮蔽電極１１５Ｓが設けられている。後述する図６ないし図９を参照して後で詳しく説明するが、スペーサ１１６は第２基板１１０Ｂの内面に形成されており、遮蔽電極１１５Ｓは共通電極１１５と一体の電極として形成されている。

図３に示すように、第１基板１１０Ａ上には、水平方向にストライプ状に延びる給電線１１１（１１１Ａ，１１１Ｂ，１１１Ｃ，１１１Ｄ）が更に設けられている。給電線１１１も、基本的には帯状電極１１２と同様の製造プロセスによって形成されている。尚、多数の帯状電極１１２に電圧を供給するといった観点から、給電線１１１は導電性に優れた金属材料を用いて形成することが好ましい。

帯状電極１１２Ａは給電線１１１Ａに接続され、帯状電極１１２Ｂは給電線１１１Ｂに接続されている。同様に、帯状電極１１２Ｃは給電線１１１Ｃに接続され、帯状電極１１２Ｄは給電線１１１Ｄに接続されている。尚、図３においては、給電線１１１と帯状電極１１２のコンタクトの図示を省略した。

上述の接続関係から明らかなように、帯状電極１１２Ａ，１１２Ｂ，１１２Ｃ，１１２Ｄの各電圧は、給電線１１１Ａ，１１１Ｂ，１１１Ｃ，１１１Ｄに印加される電圧によって制御される。

液晶光学素子１の動作時にあっては、図示せぬ駆動回路の動作に基づいて、共通電極１１５および遮蔽電極１１５Ｓには同じ一定値の電圧（例えば０［ボルト］）が印加される。また、給電線１１１Ａ，１１１Ｂ，１１１Ｃ，１１１Ｄのそれぞれには、独立した電圧が印加される。

各領域ＡＬにおける帯状電極１１２の配置、及び、スペーサ１１６の配置について詳しく説明する。図３に示すように、帯状電極１１２は、一方向（図においてＺ方向）に伸びる直線状に形成されている。そして、図５に示すように、レンズ列１１の中央に位置する領域ＡＬ_Cにあっては、左端部（領域ＡＬ_L1側の端部）から右端部（領域ＡＬ_R1側の端部）に向かって、符号１１２Ｄ，１１２Ｃ，１１２Ｂ，１１２Ａ，１１２Ｂ，１１２Ｃ，１１２Ｄの順番で帯状電極１１２が配置されている。

そして、レンズ列１１の左側に位置する領域ＡＬ_L1，ＡＬ_L2，ＡＬ_L3にあっては、各領域においてその左端部から右端部に向かって、符号１１２Ｄ，１１２Ｃ，１１２Ｂ，１１２Ａの順番で帯状電極１１２が配置されている。一方、レンズ列１１の右側に位置する領域ＡＬ_R1，ＡＬ_R2，ＡＬ_R3にあっては、各領域においてその右端部から左端部に向かって、符号１１２Ｄ，１１２Ｃ，１１２Ｂ，１１２Ａの順番で帯状電極１１２が配置されている。尚、図示の都合上、図５にあっては、領域ＡＬ_C以外の領域において符号１１２Ｂ，１１２Ｃの表示を省略した。

スペーサ１１６は、領域ＡＬ_L3と領域ＡＬ_L2との境界に対応する部分、領域ＡＬ_L2と領域ＡＬ_L1との境界に対応する部分、領域ＡＬ_L1と領域ＡＬ_Cとの境界に対応する部分、領域ＡＬ_Cと領域ＡＬ_R1との境界に対応する部分、領域ＡＬ_R1と領域ＡＬ_R2との境界に対応する部分、及び、領域ＡＬ_R2と領域ＡＬ_R3との境界に対応する部分に形成されている。尚、図４に示すように、スペーサ１１６も、一方向（図においてＺ方向）に伸びる直線状に形成されている。

以上、各領域ＡＬにおける帯状電極１１２の配置、及び、スペーサ１１６の配置について説明した。図５に示すように、レンズ列１１の中心を通りＹ方向に延びる仮想直線に対して、帯状電極１１２やスペーサ１１６は線対称の関係となるように配置されている。

スペーサ１１６のＹ方向の高さ（換言すれば、液晶層１１４の厚さ）は、例えば９［μｍ］であり、Ｘ方向の幅は、例えば３［μｍ］である。図４に示すスペーサ１１６の長さＳＬは、スペーサ１１６の端部と封止部１１７との間に間隔Ｄ１，Ｄ２が空くような値に設定されている。間隔Ｄ１，Ｄ２の値は、液晶光学素子１の製造の際に支障なく液晶材料が基板間に流れるような値に設定されている。

以下、図６の（Ａ）乃至（Ｃ）、図７の（Ａ）及び（Ｂ）、並びに、図８の（Ａ）及び（Ｂ）を参照して、液晶光学素子１の製造方法を説明する。これらの図は、基本的には、図３におけるＡ−Ａ断面図と同様の断面図である。尚、図示の都合上、図７の（Ａ）及び（Ｂ）並びに図８の（Ａ）については、Ｙ軸の方向を反転して表示をした。

［工程−１００］（図６の（Ａ）及び（Ｂ）参照）
先ず、第１基板１１０Ａ上に、図示せぬ給電線１１１を周知の方法に基づき形成する。次いで、給電線１１１上を覆い、給電線１１１と帯状電極１１２とのコンタクトとなる部分に開口を設けた図示せぬ絶縁膜を周知の方法に基づき形成する。

その後、給電線１１１などを含む全面に、例えばＩＴＯから成る導電材料層１１２’を周知の方法に基づき形成する（図６の（Ａ））。次いで、この導電材料層１１２’を周知の方法によりパターニングすることで、給電線１１１に接続された帯状電極１１２を形成することができる（図６の（Ｂ））。

［工程−１１０］（図６の（Ｃ）参照）
その後、帯状電極１１２を含む全面に、例えばポリイミド材料から成る配向膜１１３を周知の方法に基づき形成し、その表面に周知の方法によりラビング処理を施す。ラビング処理の方向はＺ方向である。

［工程−１２０］（図７の（Ａ）及び（Ｂ）参照）
次いで、第２基板１１０Ｂ上に、感光性の透明な高分子材料層１１６’を形成する（図７の（Ａ））。その後、この高分子材料層１１６’を周知の方法により領域ＡＬの境界に対応する部分を残すようにパターニングすることで、スペーサ１１６を形成することができる（図７の（Ｂ））。

［工程−１３０］（図８の（Ａ）参照）
次いで、スペーサ１１６を含む第２基板１１０Ｂの全面に、例えばＩＴＯから成る導電材料層を周知の方法に基づき形成する。これによって、共通電極１１５とスペーサ１１６の壁面上の遮蔽電極１１５Ｓを一体の電極として形成することができる。

［工程−１４０］（図８の（Ｂ）参照）
そして、上記工程を経た第１基板１１０Ａと第２基板１１０Ｂを、液晶材料を挟んだ状態で対向させ、周囲を封止することによって、液晶光学素子１を得ることができる。液晶層１１４に電圧が印加されていない状態にあっては、図に示すように、液晶分子１１４Ａは長軸がＺ方向を向くように配向する。

次いで、図５と図９を参照して、液晶光学素子１の動作について説明する。尚、液晶光学素子１には、図示せぬ偏光フィルムなどによって偏光方向がＺ方向とされた光が入射するとする。

上述したように、図５は、図３のＡ−Ａ断面図であって、液晶光学素子１がフレネルレンズを構成しているときの状態を模式的に示す図である。

この状態において、共通電極１１５および遮蔽電極１１５Ｓには０［ボルト］の電圧が印加されている。また、図３に示す給電線１１１Ａ，１１１Ｂ，１１１Ｃ，１１１Ｄには、それぞれ、０［ボルト］，１［ボルト］，２［ボルト］，３［ボルト］といった電圧が印加されている。従って、給電線１１１Ａ，１１１Ｂ，１１１Ｃ，１１１Ｄのそれぞれに接続されている帯状電極１１２Ａ，１１２Ｂ，１１２Ｃ，１１２Ｄの電圧も、それぞれ、０［ボルト］，１［ボルト］，２［ボルト］，３［ボルト］といった電圧となる。尚、実際には、液晶層１１４を交流駆動するために、給電線１１１の電圧の極性は例えば所定の周期で切り換えられる。説明の都合上、電圧の極性の反転は考慮しないで説明を行う。他の実施形態の説明においても同様である。

帯状電極１１２Ｄと共通電極１１５との間の電圧は３［ボルト］である。従って、帯状電極１１２Ｄと共通電極１１５との間に電界が形成され、液晶分子１１４Ａの長軸はＹ方向を向く。また、帯状電極１１２Ｃと共通電極１１５との間の電圧は２［ボルト］である。従って、帯状電極１１２Ｃと共通電極１１５との間には、先ほどよりも弱い電界が形成される。液晶分子１１４Ａの長軸はＹ方向を向くが、その程度は若干弱い。同様に、帯状電極１１２Ｂと共通電極１１５との間の電圧は１［ボルト］である。従って、帯状電極１１２Ｂと共通電極１１５との間にも電界が形成され、液晶分子１１４Ａの長軸はＹ方向を向くが、その程度は更に弱くなる。

一方、帯状電極１１２Ａと共通電極１１５との間の電圧は０［ボルト］である。従って、帯状電極１１２Ａと共通電極１１５との間には電界が形成されず、液晶分子１１４Ａの長軸はＺ方向のままとなる。

液晶分子１１４Ａの長軸方向の屈折率は、短軸方向の屈折率よりも大きい。このため、偏光軸がＺ方向である光に対しての液晶層１１４におけるリタデーション（位相差）の分布は、帯状電極１１２Ａに対応する部分が大きく、帯状電極１１２Ｄに向かうほど小さくなるといった変化を示す。図５に示すグラフは、リタデーションの分布を模式的に示したものである。他の図面におけるグラフについても同様である。

上述したように、レンズ列１１の中心を通りＹ方向に延びる仮想直線に対して、帯状電極１１２は線対称の関係となるように配置されている。結果として、領域ＡＬ_L3乃至ＡＬ_R3におけるリタデーションの分布は、レンズ列１１の中心を通りＹ方向に延びる仮想直線に対して対称な鋸歯状の分布となる。光学的には、液晶層１１４は鋸歯状の断面を持つフレネルレンズと同視することができる。

このように、液晶光学素子１は、共通電極１１５と帯状電極１１２との間に印加される電圧によって制御されるフレネルレンズとして動作する。より具体的には、レンズ列１１はＺ方向に延びる直線状のフレネルレンズとして動作する。

次いで、帯状電極１１２と共通電極１１５との間に電界が形成されていないときの動作について説明する。

図９は、図３のＡ−Ａ断面図であって、液晶層に電圧が印加されていないときの状態を模式的に示す図である。

この状態において、共通電極１１５および遮蔽電極１１５Ｓには０［ボルト］の電圧が印加され、給電線１１１Ａ，１１１Ｂ，１１１Ｃ，１１１Ｄの全てに０［ボルト］の電圧が印加されている。従って、共通電極１１５と帯状電極１１２Ａ，１１２Ｂ，１１２Ｃ，１１２Ｄの間に電界は形成されず、液晶分子１１４Ａの長軸はＺ方向のままとなる。

このため、領域ＡＬ_L3乃至ＡＬ_R3におけるリタデーションの分布は一様となる。光学的には、液晶層１１４は単なる透明層として作用する。

液晶光学素子１の動作について説明した。ここで、液晶光学素子１がフレネルレンズを構成しているときの、領域ＡＬの境界付近における電界分布の乱れについて説明する。

例えば、図５において領域ＡＬ_Cと領域ＡＬ_R1に着目すると、領域間の境界を挟んで、帯状電極１１２Ｄ（０［ボルト］）と帯状電極１１２Ａ（３［ボルト］）とが並んで配置されている。ここで、スペーサ１１６の壁面に遮蔽電極１１５Ｓが形成されていない場合には、帯状電極１１２Ｄと帯状電極１１２Ａとの間にＸ方向の成分を持つ電界が形成され、これによって境界における液晶層１１４の配向状態に乱れが生ずる。他の隣り合う領域間においても同様の現象が生じ、結果として、液晶層１１４におけるリタデーションの分布が乱される。

境界における液晶層１１４の配向状態の乱れは、スペーサ１１６の壁面に遮蔽電極１１５Ｓを設けることによって軽減される。以下、図１０を参照して説明する。

図１０は、スペーサ側面に形成された遮蔽電極の有無による特性変化を説明するためのグラフである。

図１０に示すグラフは、レンズ列１１の横幅を１．５×１０²［μｍ］、液晶層１１４の幅を９［μｍ］とし、図５を参照して説明した電圧を帯状電極１１２に印加したときのリタデーションのシミュレーション結果を示す。尚、レンズ列１１の対称性に鑑み、シミュレーションは領域ＡＬ_R1乃至ＡＬ_R3側を含むレンズ列１１の右半分について行った。

細い実線で示すグラフは理想的なリタデーションの分布を示す。太い実線で示すグラフは、図５に示す遮蔽電極１１５Ｓが形成されているときのリタデーションの分布を示す。破線で示すグラフは、図５に示す遮蔽電極１１５Ｓが形成されていないときのリタデーションの分布を示す。

細い実線のグラフと破線のグラフとを対比して明らかなように、遮蔽電極１１５Ｓが形成されていない場合は、領域ＡＬ_R1乃至ＡＬ_R3のいずれにおいても、リタデーションの分布が理想的な曲線から大きく外れている。一方、太い実線のグラフは、細かい実線のグラフに近い挙動を示す。このように、遮蔽電極１１５Ｓを設けることによって、リタデーションの分布の乱れの程度を軽減することができる。

以上、第１の実施形態について説明した。上述した説明において、光は第１基板１１０Ａ側から入射するとしたが、第２基板１１０Ｂ側から入射する構成とすることもできる。また、入射光の偏光方向を規定する偏光フィルム等の光学部材が、光が入射する面に設けられていてもよい。

上述した説明では、スペーサ１１６の２つの壁面の双方に遮蔽電極１１５Ｓが形成されているとしたが、いずれか一方に遮蔽電極１１５Ｓが形成されている構成とすることもできる。図１１に、このような変形例の液晶光学素子１Ａの一部断面図を示す。

例えば図８の（Ａ）に示す導電材料層の形成において、ＩＴＯを斜方蒸着することによって、図１１に示すような構造を得ることができる。

また、上述した説明では、スペーサ１１６は第１基板１１０Ａ上に形成されているとしたが、第２基板１１０Ｂ上に形成されている構成とすることもできる。図１２に、このような変形例の液晶光学素子１Ｂの模式的な一部断面図を示す。符号１１６Ａはスペーサを示し、符号１１３’は配向膜を示す。符号１１５’は共通電極を示し、符号１１５Ｓ’は遮蔽電極を示す。尚、スペーサ１１６Ａの２つの壁面のいずれにも遮蔽電極１１５Ｓ’が形成されているとしたが、いずれか一方に形成されている構成であってもよい。この構成は、第２基板１１０Ｂとの重ねズレ公差を小さくすることができるといった利点を備えている。

上述した説明では、レンズ列を複数備えているとしたが、レンズ列を１つ備える構成であってもよい。また、帯状電極は環状に形成されている構成とすることもできる。例えば、図５においてレンズ列１１の中心を通りＹ方向に延びる仮想直線を中心軸として回転したような構造のフレネルレンズを構成することもできる。

［第２の実施形態］
第２の実施形態も、本開示に係る液晶光学素子に関する。

第２の実施形態は、第１の実施形態に対して、第１基板上の帯状電極の構成が異なる。具体的には、一部の領域において帯状電極の一部が省略されている。以上の点が相違する他、第２の実施形態は第１の実施形態と同様の構成である。

第１の実施形態と同様に、液晶光学素子２の動作時にあっては、図示せぬ駆動回路の動作に基づいて、共通電極１１５および遮蔽電極１１５Ｓには同じ一定値の電圧（例えば０［ボルト］）が印加される。また、給電線１１１Ａ，１１１Ｂ，１１１Ｃ，１１１Ｄのそれぞれには、独立した電圧が印加される。

第２の実施形態における液晶光学素子２の模式的な斜視図は、図１に示す液晶光学素子１を液晶光学素子２と読み替えた図面となる。

図１３は、第２の実施形態に係る液晶光学素子の正面の模式的な平面図である。図１４は、図１３のＢ−Ｂ断面図であって、液晶光学素子がフレネルレンズを構成しているときの状態を模式的に示す図である。液晶光学素子の背面の模式的な平面図は、第１の実施形態において参照した図４と同様である。

第１の実施形態において参照した図５に示す領域ＡＬのＸ方向の幅は、フレネルレンズを構成する関係から、
ＡＬ_C／２＞ＡＬ_L1＞ＡＬ_L2＞ＡＬ_L3 （１）
ＡＬ_C／２＞ＡＬ_R1＞ＡＬ_R2＞ＡＬ_R3 （２）
といった関係にある。

従って、レンズ列１１の端部に近づくほど領域ＡＬの幅は狭くなり、帯状電極１１２を多数本形成することが難しくなる。

そこで、第２の実施形態にあっては、領域ＡＬ_Cを除く他の領域において、帯状電極１１２Ａ，１１２Ｂ，１１２Ｃを省略した。

即ち、幅の狭い領域にあっては、共通電極１１５に対して電位差の絶対値が相対的に大きい帯状電極１１２Ｄが、液晶層１１４における電界分布について支配的な影響を与える。また、スペーサ１１６の遮蔽電極１１５Ｓの電圧は帯状電極１１２Ａの電圧と同じ０ボルトであり、図５にあっては、第１基板１１０Ａ付近において遮蔽電極１１５Ｓは帯状電極１１２Ａと近接した位置にある。従って、遮蔽電極１１５Ｓは帯状電極１１２Ａと略同様の機能を果たす。以上の理由により、領域ＡＬ_Cを除く他の領域において、帯状電極１１２Ａ，１１２Ｂ，１１２Ｃを省略しても、第１の実施形態と略同様のリタデーション分布を得ることができる。

尚、帯状電極１１２の省略の仕方はこれに限るものではない。液晶光学素子の仕様や設計に応じて適宜電極を省略すればよい。例えば、上述した例では、領域ＡＬ_Cを除く他の領域において帯状電極を符号１１２Ｄのみとしたが、複数本を残すといった構成とすることもできる。あるいは又、例えば最端部の領域ＡＬ_L3，ＡＬ_R3においてのみ電極を一部省略するといった構成とすることもできる。

［第３の実施形態］
第３の実施形態も、本開示に係る液晶光学素子に関する。

第３の実施形態における液晶光学素子は、フレネルプリズムとして動作する液晶光学素子である。

図１５は、第３の実施形態に係る液晶光学素子の模式的な斜視図である。

液晶光学素子３にあっては、第１の方向に延びるプリズム列３１が、第１の方向とは異なる第２の方向にＱ個並んで配列されている。第ｑ列目（但し、ｑ＝１，２・・・，Ｑ）のプリズム列３１をプリズム列３１_qと表す。

後述するように、各プリズム列３１は、液晶層のリタデーション分布を領域毎に変化させて構成したフレネルプリズムから成る。後で詳しく説明するが、符号３１０Ａは第１基板を表し、符号３１０Ｂは第２基板を表し、符号３１７は封止部を表す。

説明の都合上、液晶光学素子３のプリズム列群が成す面はＸ−Ｚ平面と平行であり、プリズム列３１は、垂直方向（図においてＺ方向）に延び、水平方向（図においてＸ方向）に並んで配列されているとする。また、液晶光学素子３から光が出射する方向が＋Ｙ方向であるとする。

図１６は、液晶光学素子の正面の模式的な平面図である。図１７は、液晶光学素子の背面の模式的な平面図である。図１８は、図１６のＣ−Ｃ断面図であって、液晶光学素子がフレネルプリズムを構成しているときの状態を模式的に示す図である。

図示の都合上、図１６にあっては第２基板３１０Ｂの一部を切り欠いて示した。また、第２基板３１０Ｂの一部を切り欠いて示した部分にあっては液晶層などの図示を省略した。同様に、図１７にあっては第１基板３１０Ａの一部を切り欠いて示す共に、第１基板３１０Ａの一部を切り欠いて示した部分における液晶層などの図示を省略した。

図１８などに示すように、液晶光学素子３は、
各プリズム列３１に対応する所定の領域毎に群を構成するように形成された透明な複数の帯状電極３１２（３１２Ａ，３１２Ｂ，３１２Ｃ，３１２Ｄ）を備えた第１基板３１０Ａ、
透明な共通電極３１５を備えた第２基板３１０Ｂ、及び、
第１基板３１０Ａと第２基板３１０Ｂとの間に配置され、共通電極３１５と帯状電極３１２との間に印加される電圧によって所定の領域毎にリタデーション分布が制御される液晶層３１４、
を備えている。

第１の実施形態と同様に、帯状電極３１２と共通電極３１５は、それぞれ、第１基板３１０Ａと第２基板３１０Ｂの液晶層３１４側の面（内面）に形成されている。液晶層３１４は、ポジ型のネマチック液晶材料から成る。液晶層３１４の厚さは、例えば９［μｍ］である。帯状電極３１２と共通電極３１５は、ＩＴＯといった透明導電材料から構成されており、周知の成膜技術により形成されている。帯状電極３１２は、周知のパターニング技術によって、図１６に示す所定のストライプ形状に形成されている。

液晶光学素子３は、例えばポリアミドから成る配向膜３１３を更に含んでいる。配向膜３１３は、第１の実施形態において説明した配向膜１１３と同様の構成である。

そして、第１基板３１０Ａと第２基板３１０Ｂとの間において、各プリズム列３１に対応する所定の領域の境界に対応する部分には、壁状のスペーサ３１６が設けられている。スペーサ３１６は、形成される場所が相違する他、第１の実施形態において説明したスペーサ１１６と同様の構成である。各スペーサ３１６の２つの壁面のうち少なくとも一方（図１８に示す例では双方）には、一定値の電圧が印加される遮蔽電極３１５Ｓが設けられている。第１の実施形態において参照した図５と同様に、スペーサ３１６は第２基板３１０Ｂの内面に形成されており、遮蔽電極３１５Ｓは共通電極３１５と一体の電極として形成されている。

図１６に示すように、第１基板３１０Ａ上には、水平方向にストライプ状に延びる給電線３１１（３１１Ａ，３１１Ｂ，３１１Ｃ，３１１Ｄ）が更に設けられている。給電線３１１は、第１の実施形態で説明した給電線１１１と同様の構成である。

帯状電極３１２Ａは給電線３１１Ａに接続され、帯状電極３１２Ｂは給電線３１１Ｂに接続されている。同様に、帯状電極３１２Ｃは給電線３１１Ｃに接続され、帯状電極３１２Ｄは給電線３１１Ｄに接続されている。尚、図１６においては、給電線３１１と帯状電極３１２のコンタクトの図示を省略した。

上述の接続関係から明らかなように、帯状電極３１２Ａ，３１２Ｂ，３１２Ｃ，３１２Ｄの各電圧は、給電線３１１Ａ，３１１Ｂ，３１１Ｃ，３１１Ｄに印加される電圧によって制御される。

プリズム列３１に対応する領域における帯状電極３１２の配置、及び、スペーサ３１６の配置について詳しく説明する。図１６に示すように、帯状電極３１２は、一方向（図においてＺ方向）に伸びる直線状に形成されている。そして、図１８に示すように、各プリズム列３１に対応する領域にあっては、左端部から右端部に向かって、符号３１２Ｄ，３１２Ｃ，３１２Ｂ，３１２Ａの順番で帯状電極３１２が配置されている。

また、スペーサ３１６は、プリズム列３１に対応する領域の境界に対応する部分に形成されている。尚、図１７に示すように、スペーサ３１６も、一方向（図においてＺ方向）に伸びる直線状に形成されている。

以上、プリズム列３１に対応する領域における帯状電極３１２の配置、及び、スペーサ３１６の配置について説明した。液晶光学素子３の製造方法は、第１の実施形態において図６ないし図８を参照して説明した製造方法を適宜読み替えればよいので、説明を省略する。

次いで、図１８ないし図２０を参照して、液晶光学素子３の動作について説明する。尚、液晶光学素子３には、図示せぬ偏光フィルムなどによって偏光方向がＺ方向とされた光が入射するとする。

上述したように、図１８は、図１６のＣ−Ｃ断面図であって、液晶光学素子３がフレネルプリズムを構成しているときの状態を模式的に示す図である。

この状態において、共通電極３１５および遮蔽電極３１５Ｓには０［ボルト］の電圧が印加されている。また、図１６に示す給電線３１１Ａ，３１１Ｂ，３１１Ｃ，３１１Ｄには、それぞれ、０［ボルト］，１［ボルト］，２［ボルト］，３［ボルト］といった電圧が印加されている。従って、給電線３１１Ａ，３１１Ｂ，３１１Ｃ，３１１Ｄのそれぞれに接続されている帯状電極３１２Ａ，３１２Ｂ，３１２Ｃ，３１２Ｄの電圧も、それぞれ、０［ボルト］，１［ボルト］，２［ボルト］，３［ボルト］といった電圧となる。

帯状電極３１２Ｄと共通電極３１５との間の電圧は３［ボルト］である。従って、帯状電極３１２Ｄと共通電極３１５との間に電界が形成され、液晶分子３１４Ａの長軸はＹ方向を向く。また、帯状電極３１２Ｃと共通電極３１５との間の電圧は２［ボルト］である。従って、帯状電極３１２Ｃと共通電極３１５との間には、先ほどよりも弱い電界が形成される。液晶分子３１４Ａの長軸はＹ方向を向くが、その程度は若干弱い。同様に、帯状電極３１２Ｂと共通電極３１５との間の電圧は１［ボルト］である。従って、帯状電極３１２Ｂと共通電極３１５との間にも電界が形成され、液晶分子３１４Ａの長軸はＹ方向を向くが、その程度は更に弱くなる。一方、帯状電極３１２Ａと共通電極３１５との間の電圧は０［ボルト］である。従って、帯状電極３１２Ａと共通電極３１５との間には電界が形成されず、液晶分子３１４Ａの長軸はＺ方向のままとなる。

液晶分子３１４Ａの長軸方向の屈折率は、短軸方向の屈折率よりも大きい。このため、液晶層３１４におけるリタデーション（位相差）の分布は、帯状電極３１２Ａに対応する部分が大きく、帯状電極３１２Ｄに向かうほど小さくなるといった変化を示す。

結果として、プリズム列３１に対応する領域におけるリタデーションの分布は、鋸歯状の分布となる。光学的には、液晶層３１４は鋸歯状の断面を持つフレネルプリズムと同視することができる。

第３の実施形態は、第１の実施形態における領域ＡＬの１つ（例えば、図５に示す領域ＡＬ_L2）を繰り返し形成したといった構成とも考えることができる。従って、第１の実施形態において図１０を参照して説明したと同様に、スペーサ３１６の遮蔽電極によってリタデーションの分布の乱れが軽減される。

液晶光学素子３も、共通電極３１５と帯状電極３１２との間に印加される電圧によって制御される。共通電極３１５と帯状電極３１２とを同電圧とすれば、図１９に示すように液晶分子３１４Ａの長軸はＺ方向に並ぶ。光学的には、液晶層３１４は単なる透明層として作用する。また、図２０に示すように、給電線３１１Ａ，３１１Ｂ，３１１Ｃ，３１１Ｄに、それぞれ、３［ボルト］，２［ボルト］，１［ボルト］，０［ボルト］といった電圧を印加すれば、図１８と逆極性のフレネルプリズムとして動作する。

以上、この発明の実施形態について具体的に説明したが、この発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。

なお、本開示の技術は以下のような構成も取ることができる。
（１）所定の領域毎に群を構成するように形成された透明な複数の帯状電極を備えた第１基板、
透明な共通電極を備えた第２基板、及び、
第１基板と第２基板との間に配置され、共通電極と帯状電極との間に印加される電圧によって所定の領域毎にリタデーション分布が制御される液晶層、
を備えており、
第１基板と第２基板との間において、所定の領域の境界に対応する部分には、壁状のスペーサが設けられており、
スペーサの２つの壁面のうち少なくとも一方には、一定値の電圧が印加される遮蔽電極が設けられている液晶光学素子。
（２）共通電極および遮蔽電極には同じ一定値の電圧が印加される上記（１）に記載の液晶光学素子。
（３）スペーサは第２基板の液晶層側の面に形成されており、遮蔽電極は共通電極と一体の電極として形成されている上記（１）又は（２）に記載の液晶光学素子。
（４）液晶光学素子は共通電極と帯状電極との間に印加される電圧によって制御されるフレネルレンズとして動作する上記（１）から（３）のいずれかに記載の液晶光学素子。
（５）液晶光学素子は共通電極と帯状電極との間に印加される電圧によって制御されるフレネルプリズムとして動作する上記（１）から（３）のいずれかに記載の液晶光学素子。
（６）帯状電極は一方向に伸びる直線状に形成されている上記（１）乃至（５）のいずれかに記載の液晶光学素子。
（７）帯状電極は環状に形成されている上記（１）乃至（５）のいずれかに記載の液晶光学素子。

１，１Ａ，１Ｂ，２，３・・・液晶光学素子、１１・・・レンズ列、１２・・・画素、３１・・・プリズム列、９０・・・表示部、９１・・・画素、１１０Ａ・・・第１基板、１１０Ｂ・・・第２基板、１１１，１１１Ａ，１１１Ｂ，１１１Ｃ，１１１Ｄ・・・給電線、１１２，１１２Ａ，１１２Ｂ，１１２Ｃ，１１２Ｄ・・・帯状電極、１１２’・・・導電材料層、１１３，１１３’，３１３・・・配向膜、１１４，３１４・・・液晶層、１１４Ａ，３１４Ａ・・・液晶分子、１１５，１１５’，３１５・・・共通電極、１１５Ｓ，１１５Ｓ’，３１５Ｓ・・・遮蔽電極、１１６，１１６Ａ，３１６・・・スペーサ、１１６’・・・高分子材料層、１１７，３１７・・・封止部、ＡＲ_C，ＡＲ_L1，ＡＲ_L2，ＡＲ_L3，ＡＲ_R1，ＡＲ_R2，ＡＲ_R3・・・領域、ＷＡ_C・・・観察領域、Ａ₁，Ａ₂，Ａ₃，Ａ₄・・・視点

Claims (7)

1. 所定の領域毎に群を構成するように形成された透明な複数の帯状電極を備えた第１基板、
   透明な共通電極を備えた第２基板、及び、
   第１基板と第２基板との間に配置され、共通電極と帯状電極との間に印加される電圧によって所定の領域毎にリタデーション分布が制御される液晶層、
   を備えており、
   第１基板と第２基板との間において、所定の領域の境界に対応する部分には、壁状のスペーサが設けられており、
   スペーサの２つの壁面のうち少なくとも一方には、一定値の電圧が印加される遮蔽電極が設けられている液晶光学素子。
2. 共通電極および遮蔽電極には同じ一定値の電圧が印加される請求項１に記載の液晶光学素子。
3. スペーサは第２基板の液晶層側の面に形成されており、遮蔽電極は共通電極と一体の電極として形成されている請求項１に記載の液晶光学素子。
4. 液晶光学素子は共通電極と帯状電極との間に印加される電圧によって制御されるフレネルレンズとして動作する請求項１に記載の液晶光学素子。
5. 液晶光学素子は共通電極と帯状電極との間に印加される電圧によって制御されるフレネルプリズムとして動作する請求項１に記載の液晶光学素子。
6. 帯状電極は一方向に伸びる直線状に形成されている請求項１に記載の液晶光学素子。
7. 帯状電極は環状に形成されている請求項１に記載の液晶光学素子。

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