JP2014016421A - 液晶光学素子および画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高品位の表示を提供する液晶光学素子及び画像表示装置を提供する。
【解決手段】本実施形態の液晶光学素子は、第１基板と、前記第１基板の第１面上に設けられた絶縁層と、前記絶縁層上に設けられ第１方向に延在し前記第１方向と直交する第２方向に配列された一対の第１電極と、前記第１面上の前記一対の第１電極間に設けられ前記第１方向に延在し前記第２方向に配列された一対の第２電極と、前記第１基板の前記第１面に対向する第２面を有する第２基板と、前記第２基板の前記第２面上に設けられた対向電極と、前記第１基板と前記第２基板との間に設けられた液晶層と、を備え、前記絶縁層は、前記第２電極直下の前記絶縁層の領域に近接して設けられ前記第１方向に延在する溝を有する。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、液晶光学素子およ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。

この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、二次元画像表示動作と三次元画像表示動作とを実現する。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技術も知られている。このような表示装置において高い表示品位が求められている。

特開２０１１−１９７６４０号公報

本実施形態は、高品位の表示を提供する液晶光学素子及び画像表示装置を提供する。

本実施形態の液晶光学素子は、第１基板と、前記第１基板の第１面上に設けられた絶縁層と、前記絶縁層上に設けられ第１方向に延在し前記第１方向と直交する第２方向に配列された一対の第１電極と、前記第１面上の前記一対の第１電極間に設けられ前記第１方向に延在し前記第２方向に配列された一対の第２電極と、前記第１基板の前記第１面に対向する第２面を有する第２基板と、前記第２基板の前記第２面上に設けられた対向電極と、前記第１基板と前記第２基板との間に設けられた液晶層と、を備え、前記絶縁層は、前記第２電極直下の前記絶縁層の領域に近接して設けられ前記第１方向に延在する溝を有する。

一実施形態による液晶光学素子を示す断面図。 一実施形態の液晶光学素子を備えた画像表示装置を示すブロック図。 一実施形態の液晶光学素子の効果を説明する図。 一実施形態の液晶光学素子の溝の断面の一例を示す断面図。 一実施形態の液晶光学素子の溝の断面の他の例を示す断面図。

以下に図面を参照して実施形態について説明する。

一実施形態による液晶光学素子の断面を図１に示す。この実施形態の液晶光学素子は、第１基板１０と、第１基板１０と対向するように配置された第２基板２０と、第１基板１０と第２基板２０との間に挟持された液晶層３０と、を備えており、屈折率が面内で変化する液晶ＧＲＩＮレンズ(Gradient Index lens)として機能する。

第２基板２０に対向する第１基板１０の面上に絶縁層１１が設けられている。この絶縁層１１上には、複数の第１電極１２と、複数の第２電極１４と、複数の第３電極１６と、複数の第４電極１８と、が設けられている。第１乃至第４電極１２、１４、１６、１８は、図１に示すＹ方向に延在するように配置されている。

隣接する一対の第１電極１２のそれぞれは、フレネルレンズのレンズ端に対応する位置に配置され、隣接するフレネルレンズに対して共通の電極となっている。すなわち、第１電極１２のそれぞれは、レンズ端中心軸４２によって２分され、２分されたうちの半分１２_１は対象となるフレネルレンズのレンズ端電極となり、他の半分１２_２は上記対象となるフレネルレンズに隣接するフレネルレンズのレンズ端電極となる。隣接する一対の第１電極１２のＸ方向における中心位置には、フレネルレンズのレンズ中心に相当する中心軸（以下、レンズ中心ともいう）４０が存在する。そして、このレンズ中心４０上に第４電極１８が配置されている。すなわち、第４電極１８は中心電極となっている。なお、この中心電極１８は一般に、基準電圧（ＧＮＤ）に設定されるため、設けなくともよい。

複数の第２電極１４は、隣接する一対の第１電極１２間に設けられる。これらの第２電極１４は、フレネルレンズの不連続点に対応する位置に配置され、レンズ中心４０に対して線対称配置となっている。これらの第２電極１４はフレネル電極とも呼ばれる。

複数の第３電極１６は、フレネルレンズのレンズ面に対応する位置に配置され、レンズ中心４０に対して線対称に配置される。これらの第３電極１６は補助電極とも呼ばれる。

第１基板１０に対向する、第２基板２０の面上に、第５電極２２が設けられている。この第５電極２２は、第１基板１０に対向する、第２基板２０の面の全面に設けられる。この第５電極２２は対向電極とも呼ばれる。

そして、本実施形態においては、フレネル電極１４直下の絶縁層１１の領域に近接して溝１１ａが設けられている。溝１１ａの詳細な位置および溝１１ａを設けたその効果については後述する。溝１１ａは、フレネル電極１４と同様にＹ方向に延在している。

第１基板１０、第１乃至第４電極１２、１４、１６、１８、第２基板２０、および対向電極２２は、光に対して透過性を有している。すなわち透明である。

第１基板１０および第２基板２０には、例えば、ガラスまたは樹脂などの透明材料が用いられる。第１基板１０および第２基板２０は、板状またはシート状である。第１基板１０及び第２基板２０の厚さは、例えば、５０マイクロメートル（μｍ）以上、２０００μｍ以下である。ただし、厚さは任意である。

第１乃至第４電極１２、１４、１６、１８および対向電極２２は、例えば、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｚｎ及びＴｉよりなる群から選ばれた少なくとも１つ（１種）の元素を含む酸化物を含む。これらの電極には、例えばＩＴＯが用いられる。例えば、Ｉｎ_２Ｏ_３及びＳｎＯ_３の少なくともいずれかを用いても良い。これらの電極の厚さは、例えば、可視光に対して高い透過率が得られる厚さに設定される。

第１電極１２の配設ピッチは、所望な仕様（屈折率分布型レンズの特性）に適合するように設定される。

液晶層３０は、液晶材料を含む。液晶材料には、ネマティック液晶（液晶光学素子１の使用温度においてネマティック相）が用いられる。液晶材料は、正の誘電異方性または負の誘電異方性を有する。正の誘電異方性の場合、液晶層３０における液晶の初期配列（液晶層３０に電圧を印加しないときの配列）は、例えば、実質的に水平配向である。負の誘電異方性の場合、液晶層３０における液晶の初期配列は、実質的に垂直配向である。

本明細書においては、水平配向においては、液晶のダイレクタ（液晶分子３２の長軸）とＸ−Ｙ平面との角度（プレチルト角）は、０°以上３０°以下である。垂直配向においては、例えば、プレチルト角は、６０°以上９０°以下である。初期配列、及び、電圧印加時の配列の少なくともいずれかにおいて、液晶のダイレクタは、Ｘ軸方向に対して平行な成分を有する。

以下では、液晶層３０に含まれる液晶の誘電異方性は正であり、初期配列が実質的に水平配向である場合について説明する。

実質的な水平配向の場合、初期配列において、Ｘ−Ｙ平面に投影したとき、ダイレクタは、Ｘ軸方向に対して実質的に平行である。例えば、Ｘ−Ｙ平面に投影したとき、ダイレクタとＸ軸方向との角度（の絶対値）は、１５度以下である。液晶層３０の第１基板１０の近傍での配向方向は、液晶層３０の第２基板部２０の近傍での配向方向に対して反平行である。すなわち、初期配向は、スプレイ配列ではない。

第１基板１０上に、配向膜（図示しない）がさらに設けられていても良い。この配向膜と、第１基板１０と、の間に、第１乃至第４電極１２、１４、１６、１８が配置される。第２基板２０上に、配向膜（図示しない）がさらに設けられていても良い。この配向膜と、第２基板２０との間に、対向電極２２が配置される。これらの配向膜には例えばポリイミドが用いられる。配向膜に例えばラビング処理を行うことで、液晶層３０の初期配列が得られる。第１基板１０に設けられる配向膜のラビング処理の方向は、第２基板２０の配向膜のラビング方向に対して反平行である。配向膜に光照射処理を行うことで、初期配向を得ても良い。

第１電極１２と対向電極２２との間、および、第２および第３電極１４、１６と対向電極２２との間に電圧を印加することで、液晶層３０における液晶配向が変化する。この変化に伴って液晶層３０に屈折率分布が形成され、この屈折率分布により、液晶光学素子１に入射する光の進行方向を変化させる。この光の進行方向の変化は、主に屈折効果に基づく。

次に、本実施形態の液晶光学素子１の特性について図２乃至図３を参照して説明する。本実施形態の液晶光学素子１は、画像表示装置１００に用いられる。この画像表示装置１００は図２に示すように、本実施形態の液晶光学素子１と、画像表示部８０と、この画像表示部８０を駆動する表示駆動部８２と、液晶光学素子１を駆動する駆動部８４とを備えている。

画像表示部８０には、任意の表示装置を用いることができる。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。

画像表示部８０は、液晶光学素子１と積層される。なお、液晶光学素子１の第１基板１０が画像表示部８０側に位置し、第２基板２０は第１基板１０よりも画像表示部８０から遠い位置となるように配置される。画像表示部８０は、画像情報を含む光を液晶層３０に入射させる。画像表示部８０は、表示駆動部８２から供給される信号に基づいて変調された光を生成する。画像表示部８０は、例えば、複数の視差画像を含む光を出射する。液晶光学素子１は後述するように、光路を変更する動作状態と、光路を実質的に変更しない動作状態と、を有する。光路を変更する動作状態の液晶光学素子１に光が入射することで、画像表示装置１００は、例えば、三次元画像表示を提供する。また、例えば、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１００は、例えば、二次元画像表示を提供する。

駆動部８４は、表示駆動部８２と有線または無線の方法（電気的方法または光学的方法など）により、接続されても良い。また、画像表示装置１００は、駆動部８４と表示駆動部８２とを制御する制御部（図示しない）をさらに含んでも良い。

駆動部８４は、第１乃至第４電極１２、１４、１６、１８および対向電極２２と電気的に接続される。駆動部８４は、第１電極１２と対向電極２２との間に第１電圧を印加し、第２乃至第３電極１４、１６と対向電極２２との間に第２電圧を印加する。第４電極１８および対向電極２２に基準電圧（ＧＮＤ）を印加する。なお、本明細書においては、２つの電極の間の電位を同じにする（零ボルトにする）状態も、便宜的に、電圧を印加する状態に含まれるものとする。

レンズ端はレンズの屈折率差が一番小さく、レンズ端電極１２に印加する第１電圧を高くすることが多い。レンズ層が薄くなるとレンズ性能を得るためにフレネルレンズのように不連続点を作りだし、屈折率差の勾配を用いてレンズ作用を得ることができる。このレンズ端電極１２と不連続点制御の電極（フレネル電極）１４の電圧は異なることが多い。不連続点からレンズ中心までの屈折率分布がレンズ曲線と沿わない場合に、補助電極１６によって屈折率分布を制御することができる。

第１電圧および第２電圧は、直流電圧でも交流電圧でも良い。第１電圧および第２電圧の極性は、例えば周期的に変化しても良い。例えば、対向電極２２の電位を固定し、第１電極１２の電位を交流で変化させても良い。また、対向電極２２の電位の極性を周期的に変化させ、この極性の変化に連動して、第１電極１２の電位を逆極性で変化させても良い。すなわち、コモン反転駆動を行っても良い。これにより、駆動回路の電源電圧を小さくでき、駆動ＩＣの耐圧仕様が緩和される。

液晶層３０のプレチルト角が比較的小さい（例えば１０度以下）場合は、液晶層３０の液晶配向の変化に関する閾値電圧Ｖｔｈが比較的明確である。この場合、例えば、第１電圧および第２電圧は、閾値電圧Ｖｔｈよりも大きく設定される。電圧の印加により、液晶層３０の液晶配向が変化し、それに基づいて、屈折率分布が形成される。屈折率分布は、電極の配置と、電極に印加する電圧と、によって定まる。

次に、本実施形態のように、フレネル電極１４直下の絶縁層１１の領域に近接して溝１１ａを設けた場合の効果について図３を参照して説明する。説明を簡単にするために、本実施形態の液晶光学素子１において、第３および第４電極を設けない液晶光学素子を実施例として考える。この実施例の液晶光学素子の第１電極１２に第１電圧を印加し、第２電極１４に第２電圧を印加し、対向電極２２に基準電圧（ＧＮＤ）を印加する。この状態において、液晶光学素子のレンズ端中心４２を原点とし、このレンズ端中心４２からのＸ方向の距離を横軸に取り、屈折率を縦軸に取ったときの液晶層３０の屈折率分布を図３の実線に示す。液晶層３０の理想的な屈折率分布を図３の１点鎖線で示し、比較例の液晶光学素子における液晶層の屈折率分布を波線で示す。この比較例は、絶縁層１１に溝１１ａを設けない以外は、上記実施例の液晶光学素子と同じ構成を有している。

図３からわかるように、レンズ端からレンズ中央に向けて電位差が変化し、フレネル電極１４によって屈折率分布に不連続点が生じていることがわかる。図３に示す比較例から分かるように、不連続点の屈折率分布の頂点はなだらかになることが多く、このような分布では、得たいレンズ特性が得られない。そこで、本実施形態では、図１に示すように絶縁層１１の一部に溝１１ａを設けることにより等方性の絶縁層材料と異方性の材料である液晶の屈折率差を生み出し、不連続点の頂点などの位相差分布を補正する。

詳しく説明すると、絶縁層１１の溝１１ａの内部は液晶材料が埋まり、溝１１ａの内部は液晶の異方性の性質の光学特性となる。電圧が印加されていない液晶材料は寝た状態となり、一般的に、屈折率が高い状態となる。液晶材料に対して、等方向性の屈折率特性は、一般的に低い特性となり屈折率差が生じ光学的な特性として位相差を生み出すことができる。この溝１１ａの形状を、液晶では再現しづらい鋭利なフレネルレンズの頂点などに合わせた形状を与えることによって、レンズ特性を改善することができる。

溝１１ａのレンズ中心４０に近くかつＹ方向に沿って延在する側面１１ｂは、対応するフレネル電極１４のレンズ中心４０から遠くかつＹ方向に沿って延在する側面１４ａとＸ方向のほぼ同じ位置に位置している。すなわち、溝１１ａをＺ方向から第１基板１０に投影したとき、側面１１ｂは側面１４ａとほぼ同じ位置に位置している。

図１では、溝１１ａは、断面が四角形として表記している。しかし、図４に示すように、テーパなどの形状を与えることもできる。この場合、溝１１ａは、側面１１ｂと底面１１ｃとが直交し、底面１１ｃとテーパ１１ｄが所定の角度をなしている。なお、溝１１ａのテーパ形状として、理想の屈折率分布に沿う角度を与えることにより図３に示す理想分布に近づけることができる。また、溝１１ａの形状としては、図５に示すように、底面１１ｃを設けずに、テーパ１１ｄが側面１１ｃと所定の角度をなすように交差してもよい。なお、側面１１ｂは、基板１０の上面にほぼ垂直であるように図面上では表示されているが、基板１０の上面に対して垂直な方向から傾いていてもよい。

この溝１１ａの部分は電圧によって制御できないため、電圧を印加しない時にも作用してしまう。そこであまり大きな形状を与えると、２次元画像を表示する際に２次元画像に影響を与えてしまう。しかし、異方性の屈折率特性などから屈折率差は通常さほど大きくなく、溝１１ａの深さが１μｍから５μｍの範囲であれば影響は小さく無視することができると考えられる。また、溝１１ａの深さは、絶縁層１１の厚さ以下であることが好ましい。

以上説明したように、一実施形態によれば、フレネル電極直下の絶縁層の領域に近接して溝を設けたことにより、レンズ特性を改善することが可能となり、高品位の表示を提供する液晶光学素子及び画像表示装置を得ることができる。

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。これらの実施形態は、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。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、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ものである。

１…液晶光学素子、１０…第１基板、１１…絶縁層、１１ａ…溝、１２…レンズ端電極（第１電極）、１２_１…レンズ端電極、１２_２…レンズ端電極、１４…フレネル電極（第２電極）、１５…フレネル電極、１６…補助電極（第３電極）、１８…中心電極（第４電極）、２０…第２基板、２２…対向電極、３０…液晶層、３２…液晶分子、４０…レンズ中心、４２…レンズ端中心軸。

本実施形態の液晶光学素子は、第１面を有する第１基板と、前記第１基板の前記第１面に対向する第２面を有する第２基板と、前記第１基板と前記第２基板との間に挟持された液晶層と、を有し、前記液晶層への電圧印加により前記液晶層にフレネルレンズとして作用する屈折率分布を発生する液晶光学素子であって、前記第１基板の前記第１面上に設けられた絶縁層と、前記絶縁層上に設けられ第１方向に延在し前記第１方向と直交する第２方向に配列され前記フレネルレンズの端部に対応する位置に設けられた一対の第１電極と、前記第１面上の前記一対の第１電極間に設けられ前記第１方向に延在し前記第２方向に配列され前記フレネルレンズの段差部に対応する位置に設けられた一対の第２電極と、前記第２基板の前記第２面上に設けられた対向電極と、を備え、前記絶縁層は、前記第２電極直下の前記絶縁層の領域に近接して設けられ前記第１方向に延在する溝を有する。

Claims (8)

1. 第１基板と、
   前記第１基板の第１面上に設けられた絶縁層と、
   前記絶縁層上に設けられ第１方向に延在し前記第１方向と直交する第２方向に配列された一対の第１電極と、
   前記第１面上の前記一対の第１電極間に設けられ前記第１方向に延在し前記第２方向に配列された一対の第２電極と、
   前記第１基板の前記第１面に対向する第２面を有する第２基板と、
   前記第２基板の前記第２面上に設けられた対向電極と、
   前記第１基板と前記第２基板との間に設けられた液晶層と、
   を備え、
   前記絶縁層は、前記第２電極直下の前記絶縁層の領域に近接して設けられ前記第１方向に延在する溝を有する液晶光学素子。
2. 前記溝は前記一対の第２電極のそれぞれに対して設けられ、
   前記一対の第１電極のそれぞれの前記第２方向における中心を結ぶ線分の中点を通り前記第１方向に平行となる第１中心軸に平行で前記第１中心軸に近い前記溝の第１側面は、前記第１方向に平行となる、対応する前記第２電極の前記第１中心軸上に近い側面とほぼ同じ位置に位置する請求項１記載の液晶光学素子。
3. 前記溝は、底面と、前記第１方向に沿い前記第１中心軸から遠い第２側面とを有する請求項２記載の液晶光学素子。
4. 前記溝の第２側面は、前記底面に対して傾いて交差する請求項３記載の液晶光学素子。
5. 前記溝は、前記第１方向に沿い前記第１中心軸から遠い第２側面を有し、前記第２側面は前記第１側面と交差する請求項２記載の液晶光学素子。
6. 前記溝は、前記第１方向に直交する面で切断した断面形状が四角形である請求項２または３記載の液晶光学素子。
7. 前記溝の深さは、１μｍから５μｍの範囲にある請求項１乃至６のいずれか１項に記載の液晶光学素子。
8. 請求項１乃至７のいずれか１項に記載の液晶光学素子と、
   前記液晶光学素子と積層され画像情報を含む光を前記液晶層に入射させ画像を表示する画像表示部と、
   を備えた画像表示装置。

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