JP2013205584A - 液晶レンズ装置及び画像表示装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】良好な光学特性を有する液晶レンズ装置及び画像表示装置を提供する。
【解決手段】実施形態によれば、液晶光学素子部を含む液晶レンズ装置が提供される。液晶光学素子部は、第１基板部と、第２基板部と、液晶層と、を含む。第１基板部は、第１主面を有する第１基板と、第１主面上に設けられ、第１方向に沿って延在し第１方向に対して非平行な方向に並べられた複数の第１電極と、を含む。第２基板部は、第１主面と対向する第２主面を有する第２基板と、第２主面上に設けられた対向電極と、を含む。液晶層は、第１基板部と第２基板部との間に設けられる。第１基板部上の液晶分子の長軸方向を第１主面に投影した第１配向方向は第１方向に対して直交する。液晶層は、第１主面に対して垂直な軸に沿って５度以上４５度以下の角度で捩れた配向を有する。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、液晶レンズ装置及び画像表示装置に関する。
液晶分子の複屈折性を利用し、電圧の印加に応じて屈折率の分布を変化させる液晶光学素子が知られている。また、この液晶光学素子と、画像表示部と、を組み合わせた立体画像表示装置がある。
立体画像表示装置では、液晶光学素子の屈折率の分布を変化させることで、画像表示部に表示された画像をそのまま観察者の眼に入射させる状態と、画像表示部に表示された画像を複数の視差画像として観察者の眼に入射させる状態と、を切り替える。これにより、高精細な二次元画素表示動作と、複数の視差画像による裸眼での立体視の三次元画像表示動作と、を実現する。立体画像表示装置に用いられる液晶光学素子において、良好な光学特性を実現することが望まれる。
特開２０１０−２２４１９１号公報
本発明の実施形態は、良好な光学特性を有する液晶レンズ装置及び画像表示装置を提供する。
本発明の実施形態によれば、液晶光学素子部を含む液晶レンズ装置が提供される。前記液晶光学素子部は、第１基板部と、第２基板部と、液晶層と、を含む。前記第１基板部は、第１主面を有する第１基板と、前記第１主面上に設けられ、第１方向に沿って延在し前記第１方向に対して非平行な方向に並べられた複数の第１電極と、を含む。前記第２基板部は、前記第１主面と対向する第２主面を有する第２基板と、前記第２主面上に設けられた対向電極と、を含む。前記液晶層は、前記第１基板部と前記第２基板部との間に設けられる。前記第１基板部上の液晶分子の長軸方向を前記第１主面に投影した第１配向方向は前記第１方向に対して直交する。前記液晶層は、前記第１主面に対して垂直な軸に沿って５度以上４５度以下の角度で捩れた配向を有する。
図１（ａ）〜図１（ｆ）は、第１の実施形態に係る液晶レンズ装置を示す模式図である。 第１の実施形態に係る液晶レンズ装置を示す模式的断面図である。 図３（ａ）〜図３（ｃ）は、第１の実施形態に係る液晶レンズ装置の使用状態を示す模式図である。 第１の実施形態に係る液晶レンズ装置の特性を示すグラフ図である。 第１の実施形態に係る液晶レンズ装置の特性を示すグラフ図である。 第１の実施形態に係る液晶レンズ装置の特性を示すグラフ図である。 第２の実施形態に係る液晶レンズ装置を示す模式的斜視図である。
以下に、各実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
（第１の実施の形態）
図１（ａ）〜図１（ｆ）は、第１の実施形態に係る液晶レンズ装置の構成を例示する模式図である。
図１（ａ）は、液晶レンズ装置１１０の構成を例示する模式的斜視図である。図１（ｂ）〜図１（ｆ）は、液晶レンズ装置１１０における光軸を例示する模式図である。図１（ａ）においては、図を見易くするために、各要素が互いに離されて描かれている。
図１（ａ）に表したように、本実施形態に係る液晶レンズ装置１１０は、液晶光学素子部１１０ｕを含む。
液晶光学素子部１１０ｕは、第１基板部１０ｕと、第２基板部２０ｕと、液晶層３０と、を含む。
第１基板部１０ｕは、第１基板１０と、複数の第１電極１１と、を含む。第１基板１０は、第１主面１０ａを有する。
複数の第１電極１１は、第１主面１０ａ上に設けられる。第１電極１１は、第１方向Ｄ１に沿って延在する。複数の第１電極１１は、第１方向Ｄ１に対して非平行な方向に並べられる。
第１主面１０ａに対して平行で、第１方向Ｄ１に対して垂直な方向を第２方向Ｄ２とする。複数の第１電極１１は、例えば、第２方向Ｄ２に並べられる。
第２基板部２０ｕは、第２基板２０と、対向電極２１と、を含む。第２基板２０は、第１主面１０ａと対向する第２主面２０ａを有する。対向電極２１は、第２主面２０ａ上に設けられる。
本願明細書において、「対向」は、直接向かい合う状態の他に、間に別の要素が挿入されて向かい合う状態も含む。
液晶層３０は、第１基板部１０ｕと第２基板部２０ｕとの間に設けられる。液晶層３０は、第１基板部１０ｕに接する第１層３０ａと、第２基板部２０ｕに接する第２層３０ｂと、を有する。第１層３０ａは、液晶層３０のうちで、第１基板部１０ｕとの界面部分に相当し、第２層３０ｂは、液晶層３０のうちで、第２基板部２０ｕとの界面部分に相当する。第１層３０ａにおける液晶分子の長軸方向を第１主面１０ａに投影した方向を第１配向方向Ｌ１とする。
一方、液晶層３０中の第２層３０ｂにおける液晶分子の長軸方向を第１主面１０ａに投影した方向を第２配向方向Ｌ２とする。
第１配向方向Ｌ１及び第２配向方向Ｌ２のそれぞれは、軸の情報に加えて、向き（始点から終点に向かう向き）の情報を有する。
図１（ａ）に表したように、第１主面１０ａに対して垂直な軸をＺ軸方向とする。Ｚ軸方向に対して垂直な１つの軸をＸ軸方向とする。Ｚ軸方向とＸ軸方向とに対して垂直な方向をＹ軸方向とする。
図１（ｂ）に表したように、第２配向方向Ｌ２の始点から終点に向かう方向が、Ｘ軸方向に対して平行であるとする。すなわち、第２配向方向Ｌ２の始点から終点に向かう方向の、Ｘ軸方向を基準とする角度（第２配向角θＬＣ２（度））は、０度である。
図１（ｃ）に表したように、第１配向方向Ｌ１の始点から終点に向かう方向の、Ｘ軸方向を基準とする角度を第１配向角θＬＣ１（度）とする。第１配向角θＬＣ１は、第１配向方向Ｌ１の始点から終点に向かう方向の、第２配向方向Ｌ２の始点から終点に向かう方向を基準にしたときの角度である。第１配向角θＬＣ１などの角度は、０度以上１８０度以下、または、−１８０度未満０度以下で表現する。
第１配向角θＬＣ１が１８０度のとき、第１配向方向Ｌ１は、第２配向方向Ｌ２に対して反平行となる。このとき、液晶層３０において、ホモジニアス配向が形成される。一方、第１配向角θＬＣ１が０度のとき、第１配向方向Ｌ１の向きは、第２配向方向Ｌ２の向きと同じになる。もし、液晶層３０においてプレチルトがある場合には、スプレイ配向（またはベンド配向）が形成される。または、１８０度などの角度のツイスト配向が形成される。
本実施形態においては、第１配向方向Ｌ１は、第２配向方向Ｌ２に対して非平行に設定される。従って、第１配向方向Ｌ１は、０度ではなく、１８０度でもない。さらに、本実施形態においては、液晶層３０における配向の捩れは９０未満に設定される。そして、スプレイ配向（またはベンド配向）ではない配向が形成される。このとき、プレチルト角は０度以上でよい。
図１（ｄ）に表したように、第１配向方向Ｌ１と第２配向方向Ｌ２とにより定まる液晶の捩れ角θＬＣ０（度）は、θＬＣ０（度）＝１８０−θＬＣ１（度）で表される。
後述するように、実施形態においては、捩れ角θＬＣ０は、５度以上４５度以下に設定される。液晶層３０における液晶の配向は、第１配向方向Ｌ１から第２配向方向Ｌ２に向けて、捩れている。すなわち、液晶層３０は、５度以上４５度以下の捩れ角θＬＣ０で捩れた配向を有する。
このとき、第１配向方向Ｌ１（第１層３０ａの液晶分子の長軸方向を第１主面１０ａに投影した方向）の始点から終点に向かう方向の、第２配向方向Ｌ２（第２層３０ｂの液晶分子の長軸方向を第１主面１０ａに投影した方向）の始点から終点に向かう方向を基準にしたときの角度（第１配向角θＬＣ１）は、１３５度以上１７５度以下である。
さらに、実施形態においては、図１（ｅ）に表したように、第１配向方向Ｌ１は、第１方向Ｄ１と、実質的に直交するように設定される。すなわち、第１配向方向Ｌ１は、第２方向Ｄ２と実質的に平行である。
ここで、製造ばらつきなどを考慮して、本明細書において、直交する状態は、互い軸の角度が９０度である場合に加え、８５度以上９５度以下の状態を含む。同様に、本明細書において、平行である状態は、互い軸の角度が０度である場合に加え、−５度以上＋５度以下（絶対値が５度以下）の状態を含む。
すなわち、図１（ｆ）に表したように、第１配向方向Ｌ１と第１方向Ｄ１との間の角度の絶対値は、８５度以上９５度以下である。第１配向方向Ｌ１と第２方向Ｄ２との間の角度（第１角θ１）の絶対値は、５度以下である。
このように、本実施形態においては、第１基板部１０ｕ上の液晶分子の長軸方向を第１主面１０ａに投影した第１配向方向Ｌ１は、第１方向Ｄ１に対して直交している（第１配向方向Ｌ１と第１方向Ｄ１との間の角度の絶対値は８５度以上９５度以下である）。そして、液晶層３０は、第１主面１０ａに対して垂直な軸（Ｚ軸）に沿って５度以上４５度以下の角度で捩れた配向を有する。
一方、図１（ｅ）に表したように、第２方向Ｄ２と第２配向方向Ｌ２との間の角度（電極直交角θｅ２（度））は、捩れ角θＬＣ０（５度以上４５度以下）と同じ角度になる。そして、第１方向Ｄ１と第２配向方向Ｌ２との間の角度（電極延在角θｅ１（度））は、９０−捩れ角θＬＣ０（度）で表され、４５度以上８５度以下となる。
図２は、第１の実施形態に係る液晶レンズ装置の構成を例示する模式的断面図である。 図２は、実施形態に係る液晶レンズ装置１１０の使用状態の１つの例も示している。液晶レンズ装置１１０は、表示部１２０と組み合わされて画像表示装置２１０として用いられる。
画像表示装置２１０は、液晶レンズ装置１１０（液晶光学素子部１１０ｕ）と、表示部１２０と、を含む。表示部１２０は、液晶光学素子部１１０ｕと積層される。
本明細書において、「積層」は、直接重ねられる状態の他に、間に別の要素が挿入されて重ねられる状態も含む。
第１基板部１０ｕと表示部１２０との間に第２基板部２０ｕが配置される。表示部１２０は、偏光の画像光１２５を液晶光学素子部１１０ｕに入射させる。
表示部１２０には、任意の表示装置を用いることができる。表示部１２０として、例えば、液晶表示装置、有機ＥＬ表示装置またはプラズマディスプレイなどを用いることができる。
例えば、表示部１２０として液晶表示装置が用いられる場合、表示部１２０は、第１偏光層１２１と、第２偏光層１２２と、表示液晶層１２３と、を含む。表示液晶層１２３は、第１偏光層１２１と第２偏光層１２２との間に設けられる。第１偏光層１２１及び第２偏光層１２２には、例えば、偏光板、偏光膜、または、偏光フィルタなどが用いられる。この例では、第１偏光層１２１と液晶光学素子部１１０ｕとの間に表示液晶層１２３が配置され、表示液晶層１２３と液晶光学素子部１１０ｕとの間に第２偏光層１２２が配置されている。表示部１２０から出射する画像光１２５の偏光は、第２偏光層１２２により形成される。
画像光１２５は、画像情報を含む。画像表示装置２１０は、表示部１２０を制御する表示制御部８７をさらに含むことができる。表示制御部８７から表示部１２０に供給される信号に基づいて、表示部１２０は、変調された画像光１２５を生成する。表示部１２０は、例えば、複数の視差画像５０（例えば第１〜第３視差画像ＰＸ１〜ＰＸ３など）を含む画像光１２５を出射する。
液晶光学素子部１１０ｕにおいて、第１電極１１と対向電極２１との間に電圧を印加することで、液晶層３０の液晶の配向が変化する。これにより、液晶層３０における実効的な屈折率が変化し、液晶層３０中に屈折率分布３１が形成される。第１電極１１は第１方向Ｄ１に沿って延在するため、第１方向Ｄ１においては、屈折率は一定である。第２方向Ｄ２に沿って、第１電極１１が設けられている位置に連動して、屈折率が変化する。すなわち、第１方向Ｄ１に沿って延びるレンチキュラー状のレンズが形成される。
このように、液晶光学素子部１１０ｕは、例えば、液晶ＧＲＩＮレンズ（Gradient Index lens）として機能する。液晶光学素子部１１０ｕの屈折率分布３１は、変化可能である。例えば、第１電極１１と対向電極２１との間に電圧を印加しないときは、Ｄ１−Ｄ２平面内で屈折率が実質的に均一である。この状態においては、液晶光学素子部１１０ｕを通過する光の光路は実質的に変化しない。第１電極１１と対向電極２１との間に電圧を印加すると、屈折率は、第２方向Ｄ２に沿って変化する。この状態においては、液晶光学素子部１１０ｕを通過する光の光路が変えられる。
液晶光学素子部１１０ｕにおいて、第１基板部１０ｕは、第１主面１０ａ上に設けられた別の電極をさらに含んでも良い。別の電極は、例えば、第１電極１１どうしの間に設けられ、Ｙ軸方向に沿って延在する。この別の電極の電位は、例えば対向電極２１の電位と同じに設定される。第１電極１１の位置が、レンズ端に対応し、上記の別の電極の位置が、レンズ中央の位置に対応する。
図１及び図２に表したように、液晶レンズ装置１１０は、制御部７７をさらに含むことができる。制御部７７は、第１電極１１と対向電極２１とに電気的に接続される。制御部７７は、第１電極１１の電位と対向電極２１の電位とを制御して、液晶層３０に屈折率分布３１を形成する。
液晶光学素子部１１０ｕが光路を実質的に変更しない動作状態において、画像表示装置２１０は、例えば、二次元の画像表示を提供する。液晶光学素子部１１０ｕが光路を変更する動作状態において、画像表示装置２１０は、例えば、三次元の画像表示を提供する。三次元の画像表示においては、裸眼による立体視が知覚される。
図２に表したように、第１基板部１０ｕは、第１配向膜１６をさらに含むことができる。第１配向膜１６は、第１主面１０ａ上及び第１電極１１上に設けられる。第２基板部２０ｕは、第２配向膜２６を、さらに含むことができる。第２配向膜２６は、対向電極２１上（第２主面２０ａ上を含む）に設けられる。これらの配向膜に所定の処理が行われて液晶層３０の初期配向が形成される。
例えば、液晶層３０の液晶配向がラビングにより形成される場合は、第１配向方向Ｌ１は、第１基板部１０ｕにおけるラビング方向と実質的に一致する。第２配向方向Ｌ２は、第２基板部２０ｕにおけるラビング方向と実質的に一致する。なお、ラビング方向は、液晶層３０に電圧（特に直流電圧）を印加したときに発生する、液晶層３０の配向の不均一さ（例えばラビング傷など）の異方性を観察することなどで判断できる。また、液晶光学素子部１１０ｕを回転させながらその光学特性を測定することで、配向方向を特定できる。液晶層３０における液晶配向は、光配向方法などで形成されても良く、任意の方法で形成できる。
図３（ａ）〜図３（ｃ）は、第１の実施形態に係る液晶レンズ装置の使用状態を例示する模式図である。
図３（ａ）は、液晶レンズ装置１１０及び画像表示装置２１０の構成を例示する模式的斜視図である。図３（ｂ）及び図３（ｃ）は、液晶レンズ装置１１０及び画像表示装置２１０における光軸を例示する模式図である。図３（ａ）においては、図を見易くするために、各要素が互いに離されて描かれている。
図３（ａ）に表したように、表示部１２０の第１偏光層１２１は、第１透過軸１２１ｐを有する。第１透過軸１２１ｐは、第１偏光層１２１の吸収軸（例えば第１偏光層１２１の延伸方向）に対して垂直な軸である。第２偏光層１２２は、第２透過軸１２２ｐを有する。第２透過軸１２２ｐは、第２偏光層１２２の吸収軸（例えば第２偏光層１２２の延伸方向）に対して垂直な軸である。
この例では、第２偏光層１２２が、表示液晶層１２３と液晶光学素子部１１０ｕとの間に配置されている。表示部１２０から、偏光軸Ｐ１を有する偏光の画像光１２５が出射し、画像光１２５は、液晶光学素子部１１０ｕに入射する。
画像光１２５は、実質的に、直線偏光である。画像光１２５のうちの偏光軸Ｐ１に沿う振動（電界の振動）の成分は、画像光１２５のうちの偏光軸Ｐ１に対して直交する軸に沿う振動（電界の振動）の成分よりも大きい。
表示部１２０の構成は任意である。表示液晶層１２３には、例えばＶＡモード、ＴＮモード、または、ＩＰＳモードなどの任意の構成を適用できる。表示液晶層１２３に用いられる液晶のモードにより、第１透過軸１２１ｐと第２透過軸１２２ｐとの間の角度が設定される。第１偏光層１２１と表示液晶層１２３との間、第２偏光層１２２と表示液晶層１２３との間の少なくともいずれかに位相差層（位相差板）を設けても良い。
図３（ｂ）に表したように、偏光軸Ｐ１は、第２配向方向Ｌ２に対して実質的に平行である。このように、表示部１２０は、偏光軸Ｐ１を有する偏光の画像光１２５を液晶光学素子部１１０ｕに入射させる。偏光軸Ｐ１は、第２基板部２０ｕ上の液晶分子の長軸方向を第１主面１０ａに投影した第２配向方向Ｌ２に対して実質的に平行である。
換言すれば、表示部１２０から出射する画像光１２５の偏光軸Ｐ１に対して実質的に平行になるように、液晶光学素子部１１０ｕの第２配向方向Ｌ２が設定される。
このときも製造ばらつきなどを考慮して、平行である状態は角度の絶対値が５度以下の状態を含む。
すなわち、図３（ｃ）に表したように、第２配向方向Ｌ２と偏光軸Ｐ１との間の角度（第２角θ２）の絶対値は、５度以下である。
第１基板１０、第２基板２０、第１電極１１及び対向電極２１には、例えば、透明（画像光１２５に対して透明）な材料が用いられる。
第１基板１０及び第２基板２０には、例えば、ガラス、または、樹脂などが用いられる。第１電極１１及び対向電極２１は、例えば、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｚｎ及びＴｉよりなる群から選択された少なくともいずれかの元素を含む酸化物を含む。第１電極１１及び対向電極２１には、例えばＩＴＯが用いられる。第１電極１１及び対向電極２１は、例えば、Ｉｎ２Ｏ３及びＳｎＯ３の少なくともいずれかでもよい。第１電極１１及び対向電極２１は、例えば、薄い金属層でもよい。
第１配向膜１６及び第２配向膜２６には、例えば、ポリイミドなどの樹脂が用いられる。第１配向膜１６及び第２配向膜２６の膜厚は、例えば、２００ｎｍ（例えば１００ｎｍ以上３００ｎｍ以下）である。
例えば、液晶層３０は、ネマティック液晶を含む。
液晶層３０に含まれる液晶の誘電異方性は、例えば、正である。液晶層３０に電圧を印加しない状態を非活性化状態とする。非活性化状態は、液晶層３０がしきい値電圧を有する場合において、しきい値電圧以下の電圧を印加した状態でも良い。液晶層３０に電圧を印加した状態を活性化状態とする。この電圧は、しきい値電圧よりも大きい電圧である。例えば、非活性化状態において、液晶層３０は、実質的に水平配向を有する。この状態における液晶分子の長軸方向を第１主面１０ａに投影した方向が、配向方向に対応する。誘電異方性が正の場合、非活性化状態における液晶のプレチルト角（ダイレクタと基板の主面との間の角度）は、例えば、０度以上３０度以下である。
液晶層３０に含まれる液晶の誘電異方性は、負でも良い。例えば、液晶層３０に電圧を印加した活性化状態において、液晶層３０の液晶分子の長軸方向は、第１主面１０ａに対して平行な成分を有する。この状態における液晶分子の長軸方向を第１主面１０ａに投影した方向が、配向方向に対応する。誘電異方性が負の場合、非活性化状態における液晶のプレチルト角は、例えば、６０度以上９０度以下である。
このように、液晶光学素子部１１０ｕは、表示部１２０と組み合わされて使用される。このような使用状態において、モアレが発生することが分かった。これは、表示部１２０に設けられる画素の配列と、液晶光学素子部１１０ｕの第１電極１１の配列と、が互いに干渉することによって生じることが分かった。
本願発明者の検討によると、表示部１２０に設けられる画素の配列に対して、第１電極１１の延在方向（第１方向Ｄ１）を傾斜させることで、このモアレが抑制され、モアレが実用的に知覚されないようになることが分かった。その傾斜の角度は、例えば５度以上４５度以下程度である。さらに具体的には、その角度は、７度以上１５度以下程度である。なお、画素の配列の仕様や、複数の視差画素の数などによって、モアレが実用的に知覚されない角度は変化する。
例えば、モアレを抑制するために、表示部１２０に設けられる画素の配列方向を表示面内で傾斜させる構成が有り得る。しかし、画素の配列は、表示装置の設計及び製造の観点から、面内で画素の配列方向を傾斜させることは実用的には採用できない。すなわち、実用的には、表示部１２０に設けられる画素の配列方向は、表示部１２０の表示面の辺の方向に対して垂直または平行に設定される。
一方、画素の配列方向（または表示面の辺の方向）と、画像光１２５の偏光軸Ｐ１と、の角度は、例えば０度、または、４５度、または、９０度であることが有利である。このときに、例えば、表示部１２０として用いられる表示液晶層１２３などにおいて、高い光利用効率や高いコントラス比を得易い。また、偏光層（偏光板）は延伸して製造されることから、大きなサイズの偏光層を得るためには、画素の配列方向と、偏光軸Ｐ１と、の間の角度は、０度または９０度であることが有利である。
このような観点から、表示部１２０から出射する画像光１２５の偏光軸Ｐ１は、所定の角度に固定される。なお、例えば、位相差層などを用いて偏光軸Ｐ１を回転させることもできるが、部品が増えるため、この構成を採用することは困難である。
このため、モアレを抑制するために、第１電極１１の延在方向（第１方向Ｄ１）を面内で傾斜させることを検討した。しかし、第１電極１１の延在方向（第１方向Ｄ１）を面内で傾斜させると、種々の問題が発生し得ることが分かった。
既に説明したように、液晶光学素子部１１０ｕにおいては、屈折率分布３１は、第２方向Ｄ２に沿って形成される。従って、画像光１２５の偏光軸Ｐ１は、第２方向Ｄ２に対して平行であることが望ましい。もし、偏光軸Ｐ１が、第２方向Ｄ２に対して傾斜しており、液晶層３０における配向が捩れを伴わない平行な配向である場合には、偏光軸Ｐ１の光の振動方向は、液晶分子の長軸に対して傾斜した方向となる。このため、この場合には、液晶層３０に形成される屈折率分布３１の実効的な変化が小さくなる。屈折率分布３１の実効的な変化が小さくなると、光の進行方向を変えるレンズ効果が十分に発揮できなくなる。
本願発明者は、第１電極１１の延在方向（第１方向Ｄ１）を面内で傾斜させた上で、液晶層３０に捩れ配向を導入することを検討した。すなわち、偏光軸Ｐ１を有する画像光１２５が入射する第２基板部２０ｕにおける配向方向（第２配向方向Ｌ２）は、偏光軸Ｐ１と実質的に平行に設定する。そして、液晶層３０内で、液晶の配列を、第２基板部２０ｕから第１基板部１０ｕまでの間で捩れさせる。そして、第１基板部１０ｕ上においては、液晶の配向方向（第１配向方向Ｌ１）は、第２方向Ｄ２に実質的に平行に設定する。
これにより、液晶層３０に光が入射する第２基板部２０ｕに接触する第２層３０ｂにおいては、光の偏光軸Ｐ１は、液晶分子の長軸方向と一致し、偏光面を実質的に維持したまま光が入射する。そして、液晶層３０中を光が進行する際には、液晶層３０における旋光性により、光の偏光面が回転し、偏光面が液晶分子の長軸方向と一致する状態が維持される。そして、第１基板部１０ｕ上の第１層３０ａにおいて、光の偏光面は第２方向Ｄ２に対して実質的に平行となる。これにより、屈折率の大きな変化が得られる。
実施形態においては、入射する画像光１２５に対する実効的な屈折変化を大きく保ちつつ、モアレを抑制できる。実施形態によれば、良好な光学特性を有する液晶レンズ装置及び画像表示装置を提供できる。
この例では、表示部１２０に含まれる第２偏光層１２２により偏光の画像光１２５が形成される。実施形態はこれに限らず、第２偏光層１２２に相当する部分が、液晶レンズ装置１１０に含まれても良い。
すなわち、液晶レンズ装置１１０は、第１基板部１０ｕ、第２基板部２０ｕ及び液晶層３０に加え、偏光層（例えば図３（ａ）に例示する第２偏光層１２２）をさらに備えることができる。第１基板部１０ｕと偏光層（第２偏光層１２２）との間に第２基板部２０ｕが配置される。偏光層（例えば第２偏光層１２２）は、第２基板部２０ｕ上の液晶分子の長軸方向を第１主面１０ａに投影した第２配向方向Ｌ２に対して平行な偏光軸を有する偏光（例えば画像光１２５）を、第２基板部２０ｕを介して、液晶層３０に入射させる。この場合も、良好な光学特性を有する液晶レンズ装置が提供できる。偏光層（例えば第２偏光層１２２）が、液晶光学素子部１１０ｕに含まれると、見なしても良い。
図３（ａ）に表したように、実際の装置構成を考慮すると、表示部１２０の外形の１つの辺１２０ｓ（の延在方向）と、液晶光学素子部１１０ｕの外形の１つの辺１１０ｓ（の延在方向）と、は、互いに、平行または垂直であることが好ましい。これらの角度が傾斜していると、外形が大きくなる。
一方、液晶光学素子部１１０ｕは、第１主面１０ａに対して平行な外形の辺１１０ｓを有している。第２配向方向Ｌ２は、辺１１０ｓの延在方向に対して平行、または、垂直であることが好ましい。これにより、表示部１２０と組み合わせたときに、装置の外形が小さくできる。
第１方向Ｄ１と、辺１１０ｓの延在方向と、の間の角度は、５度以上４５度以下、または、４５度以上８５度以下であることが好ましい。第２方向Ｄ２と、辺１１０ｓの延在方向と、の間の角度は、５度以上４５度以下、または、４５度以上８５度以下であることが好ましい。これにより、モアレを抑制しつつ、装置の外形が小さくできる。
図４は、第１の実施形態に係る液晶レンズ装置の特性を例示するグラフ図である。
図４は、液晶レンズ装置１１０の液晶光学素子部１１０ｕの屈折率分布３１をシミュレーションした結果を例示している。
このシミュレーションでは、第１電極１１の配設ピッチ（第１電極１１の第２方向Ｄ２の沿った中心どうしの距離）を４８０μｍとし、第１電極１１の幅（第２方向Ｄ２に沿った長さ）を２０μｍとした。液晶層３０の厚さは、７５μｍとした。
第１方向Ｄ１と第２配向方向Ｌ２との間の角度（電極延在角θｅ１）は、８０度とした。すなわち、第２方向Ｄ２と第２配向方向Ｌ２との間の角度（電極直交角θｅ２）は、１０度である。そして、液晶層３０の捩れ角θＬＣ０は、１０度である。第２配向方向Ｌ２と、入射光（画像光１２５に対応する）の偏光軸Ｐ１と、は互いに平行とした。
図４の横軸は、第２方向Ｄ２に沿った位置ｘ２であり、第１電極１１の配設ピッチの１／２を１として規格化して表示している。縦軸は、液晶層３０における屈折率ｎｅｆｆである。屈折率ｎｅｆｆは、最大値を１として規格化して表示している。
図４に表したように、屈折率ｎｅｆｆは、第１電極１１間で変化し、良好なレンズ特性が得られている。なお、図４は、屈折率分布３１の１つの例であり、屈折率分布３１の特性（形状）は、印加電圧によって変化する。
図５は、第１の実施形態に係る液晶レンズ装置の特性を例示するグラフ図である。
図５は、液晶光学素子部の屈折率分布３１をシミュレーションした結果を例示している。このシミュレーションでは、液晶層３０の捩れ角θＬＣ０を変えた。すなわち、捩れ角θＬＣ０が、５度の場合（液晶レンズ装置１１０ａ）と、１０度の場合（液晶レンズ装置１１０ｂ）と、４５度の場合（液晶レンズ装置１１０ｃ）と、０度の場合（液晶レンズ装置１１８）と、９０度の場合（液晶レンズ装置１１９）と、において、実効的な屈折率ｎｅｆｆをシミュレーションにより求めた。このとき、第２方向Ｄ２と第２配向方向Ｌ２との間の角度（電極直交角θｅ２）は、捩れ角θＬＣ０と同じとした。図５の横軸は、第２方向Ｄ２に沿った位置ｘ２であり、第１電極１１の配設ピッチの１／２を１として規格化し、配設ピッチの１／２の範囲を例示している。
図５に表したように、捩れ角θＬＣ０が５度、１０度及び４５度の液晶レンズ装置１１０ａ、１１０ｂ及び１１０ｃの屈折率ｎｅｆｆの特性は、捩れ角θＬＣ０が０度の液晶レンズ装置１１８の屈折率ｎｅｆｆと、実質的に一致する。図５においては、液晶レンズ装置１１０ａ、１１０ｂ及び１１０ｃの線は、液晶レンズ装置１１８の線と、実質的に重なっている。
これに対して、捩れ角θＬＣ０が９０度の液晶レンズ装置１１９の場合は、屈折率ｎｅｆｆの特性は、液晶レンズ装置１１８の特性からシフトする。これは、電界に対する配向変形の挙動が変化し、屈折率分布形状の制御が難しくなったことが原因であると考えられる。
このように、捩れ角θＬＣ０が４５度以下においては、捩れ角θＬＣ０が０度のときと同等の屈折率特性が得られる。
図６は、第１の実施形態に係る液晶レンズ装置の特性を例示するグラフ図である。
図６は、液晶光学素子部１１０ｕと表示部１２０とを積層したときの、液晶光学素子部１１０ｕから出射する光の透過率をシミュレーションした結果を示している。このシミュレーションでは、表示部１２０から出射する画像光１２５の偏光軸Ｐ１は、Ｘ軸方向（例えば水平軸）と平行とした。そして、第１電極１１の延在方向に対して直交する第２方向Ｄ２と第２配向方向Ｌ２との間の角度（電極直交角θｅ２）を０度〜４５度の範囲で変えた。そして、捩れ角θＬＣ０が電極直交角θｅ２である場合（捩れ配向の液晶レンズ装置１１０）と、捩れ角θＬＣ０が０度の場合（平行配向の液晶レンズ装置１１８）と、に関して特性をシミュレーションした。図５の横軸は、電極直交角θｅ２である。縦軸は、偏光軸Ｐ１を有する光（画像光１２５に対応）に関する透過率Ｔｒである。透過率Ｔｒは、最大値を１として規格化している。
図６に表したように、平行配向の液晶レンズ装置１１８においては、第１電極１１の角度（電極直交角θｅ２）が大きくなると、透過率Ｔｒが著しく低下する。
これに対して、捩れ角θＬＣ０が電極直交角θｅ２と同じであるような捩れ配向を有する液晶レンズ装置１１０においては、透過率Ｔｒの低下は観察されない。
図５及び図６で例示した特性から、捩れ角θＬＣ０（すなわち電極直交角θｅ２）は、４５°以下であることが好ましい。そして、モアレを抑制する観点から、電極直交角θｅ２は、５°以上に設定されることが好ましい。すなわち、捩れ角θＬＣ０は、５°以上に設定することが好ましい。
なお、実施形態において、第１電極１１の延在方向と、液晶の配向方向とが厳密に直交している場合、電圧印加時に、第１電極１１の周辺において、液晶分子のチルト方向が逆転するチルトリバースが発生することがある。液晶の配向方向を第１電極１１の延在方向に対して僅かに傾斜させることでこのチルトリバースを抑制できることが分かった。このため、例えば、第１配向方向Ｌ１と第１電極１１の延在方向に対して直交する第２方向Ｄ２と、の角度の絶対値は、０度よりも大きく５度以下に設定しても良い。これにより、チルトリバースを抑制でき、さらに良好な特性が得られる。
（第２の実施の形態）
図７は、第２の実施形態に係る液晶レンズ装置の構成を例示する模式的斜視図である。 図７に表したように、本実施形態に係る液晶レンズ装置１１１も、液晶光学素子部１１０ｕを含む。液晶レンズ装置１１１は、制御部７７をさらに含んでも良い。
液晶光学素子部１１０ｕは、第１基板部１０ｕと、第２基板部２０ｕと、液晶層３０と、を含む。液晶レンズ装置１１１における第１基板部１０ｕ及び液晶層３０の構成は、液晶レンズ装置１１０におけるそれらの構成と同じとすることができるので、説明を省略する。
液晶レンズ装置１１１においても、第２基板部２０ｕは、第２基板２０と、対向電極２１と、を含む。対向電極２１は、第２基板２０の第２主面２０ａ上に設けられる。本実施形態においては、対向電極２１は、スリット２１ｓを有する。スリット２１ｓは、例えば、第２基板部２０ｕ上の液晶分子の長軸方向を第１主面１０ａに投影した配向方向（すなわち、第２配向方向Ｌ２）に対して直交する方向に延在する。但し、実施形態はこれに限らない。スリット２１ｓの延在方向は、第２配向方向Ｌ２に対して傾斜していても良い。
この例では、対向電極２１は帯状の形状を有する。対向電極２１の帯状の形状の幅（スリット２１ｓにより分断されている部分の幅）は、第１電極１１の幅よりも広い。
対向電極２１にスリットを形成することで、液晶層３０に形成される屈折率分布３１を制御し易くなる。
この場合も、液晶層３０において、第１基板部１０ｕ上の液晶分子の長軸方向を第１主面１０ａに投影した第１配向方向Ｌ１は、第１方向Ｄ１に対して実質的に直交する。そして、液晶層３０は、第１主面１０ａに対して垂直な軸に沿って５度以上４５度以下の角度で捩れた配向を有する。
これにより、屈折率の大きな変化を維持しつつ、表示部１２０と組み合わせたときにモアレが抑制できる。そして、高い透過率を維持できる。
画像表示装置２１０は、上記の液晶レンズ装置１１１と、表示部１２０と、を含むことができる。この場合も、表示部１２０は、偏光軸Ｐ１を有する偏光の画像光１２５を液晶光学素子部１１０ｕに入射させる。偏光軸Ｐ１は、第２配向方向Ｌ２に対して平行である。第２配向方向Ｌ２は、第２基板部２０ｕ上の液晶分子の長軸方向を第１主面１０ａに投影した方向である。
実施形態によれば、良好な光学特性を有する画像表示装置が提供される。
なお、本願明細書において、「垂直」及び「平行」は、厳密な垂直及び厳密な平行だけではなく、例えば製造工程におけるばらつきなどを含むものであり、実質的に垂直及び実質的に平行であれば良い。
以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明の実施形態は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、液晶レンズ装置に含まれる、第１基板部、第２基板部、液晶層、第１基板、第１電極、第２基板、対向電極及び制御部、並びに、画像表示装置に含まれる、表示部、及び、表示部などの各要素の具体的な構成に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含される。
また、各具体例のいずれか２つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。
その他、本発明の実施の形態として上述した液晶レンズ装置及び画像表示装置を基にして、当業者が適宜設計変更して実施し得る全ての液晶レンズ装置及び画像表示装置も、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。
その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
１０…第１基板、 １０ａ…第１主面、 １０ｕ…第１基板部、 １１…第１電極、 １６…第１配向膜、 ２０…第２基板、 ２０ａ…第２主面、 ２０ｕ…第２基板部、 ２１…対向電極、 ２１ｓ…スリット、 ２６…第２配向膜、 ３０…液晶層、 ３０ａ…第１層、 ３０ｂ…第２層、 ３１…屈折率分布、 ５０…視差画像、 ７７…制御部、 ８７…表示制御部、 θ１…第１角、 θ２…第２角、 θＬＣ０…捩れ角、 θＬＣ１…第１配向角、 θＬＣ２…第２配向角、 θｅ１…電極延在角、 θｅ２…電極直交角、 １１０、１１０ａ〜１１０ｃ、１１１、１１８、１１９…液晶レンズ装置、 １１０ｓ…辺、 １１０ｕ…液晶光学素子部、 １２０…表示部、 １２０ｓ…辺、 １２１…第１偏光層、 １２１ｐ…第１透過軸、 １２２…第２偏光層、 １２２ｐ…第２透過軸、 １２３…表示液晶層、 １２５…画像光、 １３０…駆動部、 ２１０…画像表示装置、 Ｄ１…第１方向、 Ｄ２…第２方向、 Ｌ１…第１配向方向、 Ｌ２…第２配向方向、 Ｐ１…偏光軸、 ＰＸ１〜ＰＸ３…第１〜第３視差画像、 Ｔｒ…透過率、 ｎｅｆｆ…屈折率、 ｘ２…位置

Claims (7)

  1. 第１主面を有する第１基板と、
    前記第１主面上に設けられ、第１方向に沿って延在し前記第１方向に対して非平行な方向に並べられた複数の第１電極と、
    を含む第１基板部と、
    前記第１主面と対向する第２主面を有する第２基板と、
    前記第２主面上に設けられた対向電極と、
    を含む第２基板部と、
    前記第１基板部と前記第２基板部との間に設けられ、前記第１基板部上の液晶分子の長軸方向を前記第１主面に投影した第１配向方向は前記第１方向に対して直交し、前記第１主面に対して垂直な軸に沿って５度以上４５度以下の角度で捩れた配向を有する液晶層と、
    を含む液晶光学素子部を備えた液晶レンズ装置と、
    表示部であって、前記第１基板部と前記表示部との間に前記第２基板部が配置され、前記表示部は、前記第２基板部上の液晶分子の長軸方向を前記第１主面に投影した第２配向方向に対して平行な偏光軸を有する偏光の画像光を前記液晶光学素子部に入射させる表示部を含む画像表示部と、
    を備えた画像表示装置。
  2. 前記対向電極は、スリットを有する請求項１記載の画像表示装置。
  3. 前記第１電極と前記対向電極とに電気的に接続され、前記第１電極の電位と前記対向電極の電位とを制御して、前記液晶層に屈折率分布を形成する制御部をさらに備えた請求項１または２に記載の画像表示装置。
  4. 第１主面を有する第１基板と、
    前記第１主面上に設けられ、第１方向に沿って延在し前記第１方向に対して非平行な方向に並べられた複数の第１電極と、
    を含む第１基板部と、
    前記第１主面と対向する第２主面を有する第２基板と、
    前記第２主面上に設けられた対向電極と、
    を含む第２基板部と、
    前記第１基板部と前記第２基板部との間に設けられ、前記第１基板部上の液晶分子の長軸方向を前記第１主面に投影した第１配向方向は前記第１方向に対して直交し、前記第１主面に対して垂直な軸に沿って５度以上４５度以下の角度で捩れた配向を有する液晶層と、
    を含む液晶光学素子部を備えた液晶レンズ装置。
  5. 前記対向電極は、スリットを有する請求項４記載の液晶レンズ装置。
  6. 前記第１電極と前記対向電極とに電気的に接続され、前記第１電極の電位と前記対向電極の電位とを制御して、前記液晶層に屈折率分布を形成する制御部をさらに備えた請求項４または５に記載の液晶レンズ装置。
  7. 偏光層をさらに備え、
    前記第１基板部と前記偏光層との間に前記第２基板部が配置され、
    前記偏光層は、前記第２基板部上の液晶分子の長軸方向を前記第１主面に投影した第２配向方向に対して平行な偏光軸を有する偏光を、前記第２基板部を介して前記液晶層に入射させる液晶レンズ装置。
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