JP2013186323A - 光学素子、表示装置、及び電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】液晶レンズからの出射光に含まれる不要な光を低減することができる光学素子、表示装置、及び電子機器を提供する。
【解決手段】光学素子は、第１電極と、前記第１電極と対向して配置される第２電極と、前記第１電極と前記第２電極との間に配置され、前記第１電極と前記第２電極とに印加される電圧に応じてレンズ効果を発現する液晶層と、最表面に配置される偏光板と、を有する。
【選択図】図１

Description

本開示は、光学素子、表示装置、及び電子機器に関する。

液晶層を挟んで対向配置される電極間に電圧を印加して液晶層中の電界分布を制御すると、液晶層に含まれる液晶分子は、この電界分布に従って配向する。液晶分子は屈折率異方性を有するため、配向状態が変化すると、液晶層の入射光に対する屈折率が変化する。このような現象を利用して、レンズ効果を発現する屈折率分布となるように、電極間に印加する電圧を制御して液晶層に印加される電界分布を制御すると、液晶レンズとして用いることができる。例えば特許文献１には、このような液晶レンズを用いた立体表示装置が開示されている。

特開２００７−２１３０８１号公報

このような液晶レンズは、特定の偏光方向を有する光に対してはレンズ効果を発現するが、異なる偏光方向を有する光に対してはレンズ効果を発現しない。このため特定の偏光方向を有するように偏光された光が液晶レンズに入射される。ところが、例えばスペーサ部分における入射光の偏光解消や電極上における液晶の配向不良などに起因して一部の光に対してレンズ効果を発現しない。このような場合には、液晶レンズからの出射光に不要な光が含まれてしまう。
上記事情に鑑みれば、液晶レンズからの出射光に含まれる不要な光を低減することが望ましい。

本開示によれば、第１電極と、上記第１電極と対向して配置される第２電極と、上記第１電極と上記第２電極との間に配置され、上記第１電極と上記第２電極とに印加される電圧に応じてレンズ効果を発現する液晶層と、最表面に配置される偏光板と、を有する、光学素子が提供される。

また本開示によれば、特定の偏光方向に偏光された画像光を出射する表示部と、上記表示部と対向して配置され、上記画像光を複数の視点に結像させる液晶レンズと、上記液晶レンズ上に配置される偏光板と、を有する表示装置が提供される。

また本開示によれば、特定の偏光方向に偏光された画像光を出射する表示部と、上記表示部と対向して配置され、上記画像光を複数の視点に結像させる液晶レンズと、上記液晶レンズ上に配置される偏光板と、を有する電子機器が提供される。

以上説明したように本開示によれば、液晶レンズからの出射光に含まれる不要な光を低減することができる。

本開示の一実施形態にかかる光学素子の構成を示す説明図である。 液晶レンズにおいて生じる現象について示す説明図である。 本開示の一実施形態にかかる光学素子の構成の変形例について示す説明図である。 同実施形態にかかる光学素子を用いた表示装置の構成を示す説明図である。 レンチキュラレンズの外観と画面構成の一例についての説明図である。 レンチキュラレンズの原理を示す説明図である。 本開示の一実施形態にかかる光学素子を有する表示装置を用いた電子機器の構成の一例を示すブロック図である。 同実施形態にかかる光学素子の偏光板の透過軸方向の一例を示す説明図である。 同実施形態にかかる光学素子の偏光板の透過軸方向の一例を示す説明図である。 同実施形態にかかる光学素子の偏光板の透過軸方向の一例を示す説明図である。 同実施形態にかかる表示装置の光学軸の設計例を示す表である。 同実施形態にかかる光学素子の偏光板の透過軸傾き量の許容範囲を説明するための説明図である。 同実施形態にかかる光学素子の偏光板の透過軸傾き量の許容範囲を説明するための説明図である。 同実施形態にかかる光学素子の偏光板の透過軸傾き量の許容範囲を説明するための説明図である。 同実施形態にかかる表示装置と比較例について、スペーサ径とクロストークとの関係を示すグラフである。 同実施形態にかかる表示装置の比較例の表示装置の構成を示す説明図である。

以下に添付図面を参照しながら、本開示の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

なお、説明は以下の順序で行うものとする。
１．光学素子の構成
２．表示装置の構成
３．電子機器の構成
４．偏光板の透過軸方向
５．まとめ

＜１．光学素子の構成＞
まず図１〜図３を参照しながら、本開示の一実施形態にかかる光学素子の構成について説明する。図１は、本開示の一実施形態にかかる光学素子の構成を示す説明図である。図２は、液晶レンズにおいて生じる現象について示す説明図である。図３は、本開示の一実施形態にかかる光学素子の構成の変形例について示す説明図である。

図１を参照すると、本開示の一実施形態にかかる光学素子１００ａは、第１基板１０１と、第１電極１０２と、第２基板１０３と、第２電極１０４と、液晶層１０５ａと、偏光板１０６とを主に有する。

第１基板１０１と第２基板１０３とは、入射光に対して透過性を有する材料により形成される。例えば第１基板１０１及び第２基板１０３は、ガラス材料により形成されてよい。この第１基板上には、複数の第１電極１０２が形成される。第１電極１０２は、互いに間隔をあけて配置される。また第２基板１０３上には第２電極１０４がほぼ全面に一様に形成される。第１電極１０２と第２電極１０４とは、入射光に対して透過性を有する導電膜である。例えば可視光に対して透明な導電膜の一例としては、ＩＴＯ膜（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）が挙げられる。

液晶層１０５ａは、第１電極１０２と第２電極１０４との間に形成される。液晶層１０５ａは、屈折率異方性を有する液晶分子を含む。この液晶分子は、例えば長手方向と短手方向とで入射光に対して屈折率が異なる。液晶分子は、第１電極１０２と第２電極１０４とに印加される電圧により生じる電界分布に応じて配向が変化する。これにより、入射光に対する液晶層１０５ａの見た目上の屈折率が変化する。このため液晶層１０５ａは、第１電極１０２と第２電極１０４との間の電界分布に従って屈折率分布を形成し、レンズ効果を発現することができる。すなわち、第１基板１０１と、第１電極１０２と、第２基板１０３と、第２電極１０４と、液晶層１０５ａとは液晶レンズを構成する。

本実施形態にかかる光学素子１００ａは、光学素子１００ａの最表面に偏光板１０６が配置される。偏光板１０６は、特定方向に偏光した光を選択的に透過させる偏光子である。上述の通り、液晶層１０５ａは、屈折率分布を形成することによりレンズ効果を発現することができる。このレンズ効果は、特定の偏光方向の入射光に対して作用する。このため、特定の偏光方向を有する光が光学素子１００ａに入射するよう用いられることが多い。ところが図２に示されるように、例えば液晶層の厚みを確保するために用いられるスペーサ（不図示）部分において入射光の直線偏光が解消されてしまうこと、又は電極上における液晶の配向不良などに起因して、一部の光に対して液晶層１０５ａがレンズ効果を発現しなくなることがある。このときには、液晶層１０５ａから出射される出射光には、レンズ効果により所望通り屈折された光以外の不要な光が含まれてしまう。このため本実施形態にかかる光学素子１００ａは、液晶レンズの最表面に偏光板１０６を有する。この偏光板１０６の透過軸方向の詳細については後述される。

なおレンズ効果を発現させるための液晶分子の配列方法については、図１に示された例に限定されない。例えば図３には、本実施形態にかかる光学素子１００の変形例である光学素子１００ｂが示される。この光学素子１００ｂは、第１基板１０１と、第１電極１０２と、第２基板１０３と、第２電極１０４と、液晶層１０５ｂと、偏光板１０６とを主に有する。ここで光学素子１００ｂの液晶層１０５ｂは、光学素子１００ａの液晶層１０５ａと比較して液晶分子の配列方向が異なる。このような方式の液晶レンズに対しても本開示の技術を適用することができる。

＜２．表示装置の構成＞
次に図４〜図６を参照しながら、本開示の一実施形態にかかる光学素子を用いた表示装置について説明する。図４は、同実施形態にかかる光学素子を用いた表示装置の構成を示す説明図である。図５は、レンチキュラレンズの外観と画面構成の一例についての説明図である。図６は、レンチキュラレンズの原理を示す説明図である。

表示装置１０は、ＬＣＤ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｄｉｓｐｌａｙ）と対向して配置された光学素子１００とを有する。光学素子１００は、ＬＣＤの画像光を入射光として、入射光を屈折させそれぞれ所望の位置において結像させる。ＬＣＤは、立体表示用の画像を表示させることができる。この立体表示用の画像は、右眼用画像と左眼用画像とが交互に配置されている。

ここで光学素子１００は、レンチキュラレンズ状のレンズ効果を発現する。ここでレンチキュラレンズの原理について図５及び図６を参照しながら説明する。レンチキュラレンズは、図５に示されるように半円筒型の連なったレンズをいう。レンチキュラレンズの後方に、両眼視差の含まれた２つの映像を１つの画面上に１ラインごとに交互に配置してこれを特定の距離から観察すると、観察者は、立体映像として認識することができる。このレンチキュラレンズは、視線が画面に到達する位置を変化させるプリズムとして機能する。またこのレンチキュラレンズは、レンズの焦点を画面に合わせることによって、１ライン分の画像を拡大する凸レンズとして機能する。

これにより、図６に示されるように左眼には左眼用画像がレンズ全域にわたって拡大されて提供され、右眼には右眼用画像がレンズ全域にわたって拡大されて提供される。この左眼用画像と右眼用画像とに視差が含まれることによって、観察者はこの画像を立体画像として認識することができる。

光学素子１００は、このようなレンチキュラレンズ状のレンズ効果を有することにより、ＬＣＤが表示する立体表示用画像を右眼用画像と左眼用画像とに分離して観察者に提供することができる。

このとき、光学素子１００は、最表面すなわち液晶層よりも観察者側に偏光板１０６を有する。ＬＣＤの観察者側には光学素子１００に入射する光の偏光方向を制御する偏光板が設けられる。しかし上述の通りスペーサ部分における偏光解消又は電極上の液晶分子の配向不良などに起因して、液晶層１０５は一部の光に対してレンズ効果を発現しないことがある。偏光板１０６は、このときに生じる不要な光が光学素子１００からの出射光に含まれることを低減することができる。不要な光が光学素子１００からの出射光に含まれる場合には、クロストークが悪化する。したがって偏光板１０６を含む光学素子１００を立体表示に対応した表示装置１０に用いることによって、クロストークの低減効果が期待できる。なお図４に示されるラビング方向、又は透過軸方向などは一例であり、後に詳述される。

＜３．電子機器の構成＞
ここで上述した本開示の一実施形態にかかる光学素子を有する表示装置を用いた電子機器の構成の一例について図７を参照しながら説明する。図７は、本開示の一実施形態にかかる光学素子を有する表示装置を用いた電子機器の構成の一例を示すブロック図である。

図７を参照すると、電子機器１０００は、表示装置１０、制御回路２０、操作部３０、記憶部４０、および通信部５０を含む。電子機器１０００は、例えば、テレビジョン、携帯電話（スマートフォン）、デジタルカメラ、パーソナルコンピュータ、ナビゲーション装置、ゲーム機器など、表示部に液晶レンズを用いた何らかの機器である。

制御回路２０は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、およびＲＯＭ（Read Only Memory）などによって構成され、電子機器１０００の各部を制御する。表示装置１０も、この制御回路２０によって制御される。

操作部３０は、例えばタッチパッド、ボタン、キーボード、またはマウスなどによって構成され、電子機器１０００に対するユーザの操作入力を受け付ける。制御回路２０は、操作部３０が取得した操作入力に従って電子機器１０００を制御する。

記憶部４０は、例えば半導体メモリ、磁気ディスク、または光ディスクなどによって構成され、電子機器１０００が機能するために必要な各種のデータを格納する。制御回路２０は、記憶部４０に格納されたプログラムを読み出して実行することによって動作してもよい。

通信部５０は、付加的に設けられる。通信部５０は、有線または無線のネットワーク６０に接続される通信インターフェースであり、例えばモデムやポート、またはアンテナなどによって構成される。制御回路２０は、通信部５０を介して、ネットワーク６０からデータを受信し、またネットワーク６０にデータを送信する。

上記で説明した光学素子１００、及び表示装置１０に加えて、これを有する電子機器１０００もまた、本開示の実施形態に含まれる。

＜４．偏光板の透過軸方向＞
次に図８〜図１４、及び図１６を参照しながら、本開示の一実施形態にかかる光学素子の最表面に配置される偏光板の透過軸方向について説明する。図８〜図１０は、同実施形態にかかる光学素子の偏光板の透過軸方向の一例を示す説明図である。図１１は、同実施形態にかかる表示装置の光学軸の設計例を示す表である。図１２〜図１４は、同実施形態にかかる光学素子の偏光板の透過軸傾き量の許容範囲を説明するための説明図である。図１６は、同実施形態にかかる表示装置の比較例の表示装置の構成を示す説明図である。

まず図８には、ＬＣＤを用いた表示装置の各軸方向の一例が示される。ここで示される例は、入射光の偏光方向と、液晶の配向変化方向であるラビング方向と、最表面に配置される偏光板１０６（Ｐｏｌ）の偏光方向とが一致する場合の一例である。また図９には、ＬＣＤを用いた表示装置の各軸方向の他の一例が示される。ここでは入射光の偏光方向と液晶の配向変化方向であるラビング方向とが一致しない。このとき偏光板１０６の透過軸方向は、ラビング方向すなわち液晶レンズのレンズ効果が発現する方向とされることが望ましい。また図１０に示されるように、ＯＬＥＤ（Ｏｒｇａｎｉｃ Ｌｉｇｈｔ−Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｓｐｌａｙ）に対しても本技術を適用することができる。この場合にも同様に偏光板１０６の透過軸方向は、ラビング方向と一致するよう配置される。

ここで図１１に同実施形態にかかる表示装置の光学軸の各軸方向の設計例とそのときの効率が示される。いずれの場合においても、最表面軸すなわち偏光板１０６の透過軸の方向は、液晶配向変化方向（ラビング方向）すなわち液晶レンズのレンズ効果が発現する方向に応じた方向となる。ここでは、レンズ長手方向（電極方向）と、液晶配向変化方向（ラビング方向）と、光学素子１００への入射光の偏光方向と、最表面の偏光方向（すなわち偏光板１０６の透過軸方向）と効率が示される。ここで、レンズ長手方向（電極方向）と、液晶配向変化方向（ラビング方向）と、入射光の偏光方向と、最表面の偏光方向（すなわち偏光板１０６の透過軸方向）とが全て一致する場合の効率は１（最大）である。また光学素子１００への入射光の偏光方向が一致しない場合には、この入射光の偏光方向と他の軸とのなす角度がθであるとき、効率はｃｏｓθで表される。またレンズ長手方向が一致せず、液晶配向変化方向（ラビング方向）と、入射光の偏光方向と、最表面の偏光方向（すなわち偏光板１０６の透過軸方向）とが一致するときには、効率は１である。また縦横切換え用液晶レンズの場合であって、液晶配向変化方向が３６０度以上ツイストする場合には、入射光軸および最表面の偏光方向とは任意の角度αであり、効率は１である。

なお、以下に図１２〜図１４、及び図１６を参照しながら、液晶レンズのレンズ効果が発現する方向と、偏光板１０６の透過軸方向とのなす角度の許容範囲について考察する。図１２には、偏光板１０６が配置されない比較例９０の構成におけるクロストークが５％の場合について、偏光板１０６を透過後のクロストーク軽減効果と輝度の偏光板透過軸角度依存性が示される。また図１３には偏光板１０６が配置されない比較例９０の構成におけるクロストークが１０％の場合について、図１４には偏光板１０６が配置されない比較例９０の構成におけるクロストークが１５％の場合についてそれぞれクロストーク軽減効果と輝度の、偏光板透過軸角度依存性が示される。なおここで比較例９０の構成について図１６を参照しながら説明する。比較例９０の表示装置は、表示装置１０と比較して、最表面の偏光板１０６を有しない点が異なる。

これらの図より、最適軸方向すなわち偏光板１０６の透過軸が液晶レンズのレンズ効果が発現する方向から＋−４５ｄｅｇ以下であれば、偏光板１０６がないときよりもクロストークを低減させる効果があることがわかる。またこれらの図より、最適軸方向＋−２０ｄｅｇ以下であればクロストークを１／３に軽減させることができることがわかる。また輝度は、偏光板透過軸に対してｃｏｓθで減衰する。このため最適軸方向のときの輝度から輝度低下が１０％以内であるためには、偏光板１０６の透過軸は、最適軸方向＋−２６ｄｅｇ以下であればよい。

以上より、液晶レンズのレンズ効果が発現する方向と、偏光板１０６の透過軸とのなす角度は、４５度以下であることが望ましい。また液晶レンズのレンズ効果が発現する方向と、偏光板１０６の透過軸とのなす角度は、２６度以下であるとより望ましい。またさらに望ましくは、液晶レンズのレンズ効果が発現する方向と、偏光板１０６の透過軸とのなす角度は、２０度以下であるとよい。

＜５．効果の例＞
次に図１５を参照しながら、同実施形態にかかる光学素子を用いた場合のクロストーク低減効果についてさらに考察する。図１５は、同実施形態にかかる表示装置と比較例について、スペーサ径とクロストークとの関係を示すグラフである。

ここで図１５に示される比較例９０は図１６を用いて上述された比較例９０の表示装置についてのデータである。なおここで表示装置１０については、液晶レンズのレンズ効果が発現する方向と、偏光板１０６の透過軸とは略一致して配置されていることとする。ここで示されるように、スペーサ径に応じてクロストークの値は大きく異なるが、いずれの場合においても最表面に偏光板１０６を有する光学素子１００を用いることによって、クロストークが大幅に低減されることがわかる。

以上説明したように、液晶レンズの最表面に偏光板１０６を有する光学素子１００を用いることによって、液晶レンズから出射される光に含まれる不要な成分を取り除くことができるため、クロストークを低減することができる。このクロストーク低減効果は、偏光板１０６の透過軸方向と液晶レンズのレンズ効果が発現する方向との一致度が高いほど高い。しかし、偏光板１０６の透過軸方向と液晶レンズのレンズ効果が発現する方向とのなす角度が４５度以下であれば、クロストーク低減効果を得ることができる。またより好ましくは偏光板１０６の透過軸方向と液晶レンズのレンズ効果が発現する方向とのなす角度が２６度以下であれば、クロストークを１／３に低減することができる。またさらに好ましくは、偏光板１０６の透過軸方向と液晶レンズのレンズ効果が発現する方向とのなす角度が２０度以下であれば、輝度低下を１０％以下に抑えたままクロストーク低減効果を得ることができる。

以上、添付図面を参照しながら本開示の好適な実施形態について詳細に説明したが、本開示の技術的範囲はかかる例に限定されない。本開示の技術分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本開示の技術的範囲に属するものと了解される。

なお、図面及び上記の説明中においては、本開示の技術的内容を理解するために必要な点について主に示した。このため、図面中においては、必ずしも全ての構成を示しているとは限らない。図面中に示された以外の構成が含まれることもある。また、図面中において示した構成要素の厚み又は大きさについては、必ずしも正しい比率で描かれているとは限らない。

また上記実施形態では、液晶レンズを用いた表示装置が立体表示装置であることとしたが、本技術の適用範囲はかかる例に限定されない。例えば液晶レンズを用いた表示装置は立体表示装置に限らず、複数の視点に画像を分離して提供する表示装置全般に適用されてよい。立体表示装置は、２つの画像を一人の観察者の右眼と左眼とにそれぞれ提供することにより立体画像と認識させるが、分割した画像は、複数の観察者に提供されてもよい。このような表示装置によれば、複数の観察者にそれぞれ異なる画像を提供することができる。例えばこのような表示装置は、ナビゲーション装置に適用されてもよい。このナビゲーション装置は、運転席に座る観察者と助手席に座る観察者とにそれぞれ異なる画像を提供することができる。

なお、以下のような構成も本開示の技術的範囲に属する。
（１）
第１電極と、
前記第１電極と対向して配置される第２電極と、
前記第１電極と前記第２電極との間に配置され、前記第１電極と前記第２電極とに印加される電圧に応じてレンズ効果を発現する液晶層と、
最表面に配置される偏光板と、
を備える、光学素子。
（２）
前記レンズ効果の発現する偏光方向と、前記偏光板の透過軸とのなす角度が４５度以下である、前記（１）に記載の光学素子。
（３）
前記レンズ効果が発現する偏光方向と、前記偏光板の透過軸とのなす角度が２６度以下である、
前記（１）または（２）のいずれかに記載の光学素子。
（４）
前記レンズ効果が発現する偏光方向と、前記偏光板の透過軸とのなす角度が２０度以下である、
前記（１）〜（３）のいずれかに記載の光学素子。
（５）
前記液晶層の前記レンズ効果はレンチキュラレンズと等価である、
前記（１）〜（４）のいずれかに記載の光学素子。
（６）
特定の偏光方向に偏光された画像光を出射する表示部と、
前記表示部と対向して配置され、前記表示部が出射する前記画像光を複数の視点に結像させる液晶レンズと、
前記液晶レンズ上に配置される偏光板と、
を備える、表示装置。
（６）
特定の偏光方向に偏光された画像光を出射する表示部と、
前記表示部と対向して配置され、前記表示部が出射する前記画像光を複数の視点に結像させる液晶レンズと、
前記液晶レンズ上に配置される偏光板と、
を備える、電子機器。

１００ 光学素子
１０１ 第１基板
１０２ 第１電極
１０３ 第２基板
１０４ 第２電極
１０５ 液晶層
１０６ 偏光板
１０ 表示装置
１０００ 電子機器

Claims (7)

1. 第１電極と、
   前記第１電極と対向して配置される第２電極と、
   前記第１電極と前記第２電極との間に配置され、前記第１電極と前記第２電極とに印加される電圧に応じてレンズ効果を発現する液晶層と、
   最表面に配置される偏光板と、
   を備える、光学素子。
2. 前記レンズ効果の発現する偏光方向と、前記偏光板の透過軸とのなす角度が４５度以下である、請求項１に記載の光学素子。
3. 前記レンズ効果が発現する偏光方向と、前記偏光板の透過軸とのなす角度が２６度以下である、
   請求項１に記載の光学素子。
4. 前記レンズ効果が発現する偏光方向と、前記偏光板の透過軸とのなす角度が２０度以下である、
   請求項１に記載の光学素子。
5. 前記液晶層の前記レンズ効果はレンチキュラレンズと等価である、
   請求項１に記載の光学素子。
6. 特定の偏光方向に偏光された画像光を出射する表示部と、
   前記表示部と対向して配置され、前記表示部が出射する前記画像光を複数の視点に結像させる液晶レンズと、
   前記液晶レンズ上に配置される偏光板と、
   を備える、表示装置。
7. 特定の偏光方向に偏光された画像光を出射する表示部と、
   前記表示部と対向して配置され、前記表示部が出射する前記画像光を複数の視点に結像させる液晶レンズと、
   前記液晶レンズ上に配置される偏光板と、
   を備える、電子機器。
   
   
   

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