JP2014056201A

JP2014056201A - 画像表示装置

Info

Publication number: JP2014056201A
Application number: JP2012202293A
Authority: JP
Inventors: Yasuo Toko; 康夫都甲; Masatsuna Sawada; 正綱澤田; Yoji Oki; 庸次沖
Original assignee: Stanley Electric Co Ltd
Current assignee: Stanley Electric Co Ltd
Priority date: 2012-09-14
Filing date: 2012-09-14
Publication date: 2014-03-27

Abstract

【課題】眼鏡等の道具を用いることなく立体的な画像を形成可能であり、かつ立体的な画像を形成しない場合は広い視野角の画像表示を行える画像表示装置を提供する。
【解決手段】画像表示装置は、一方向に指向性を有する光と拡散性を有する光を選択的に出射する面光源装置１と、面光源装置の光出射側に配置される光変調器３と、光変調器の光出射側又は面光源装置と光変調器の間に配置される光透過型の画像形成装置４と、面光源装置、光変調器及び画像形成装置を各々の動作タイミングを調整しながら駆動する駆動装置を含む。そして、光変調器３は、一面側に第１電極を有する第１基板と、一面側に第２電極を有し、第１基板と対向配置される第２基板と、第１基板の一面側に設けられるプリズムアレイと、第１基板と第２基板の間に設けられる液晶層を有する。
【選択図】図５

Description

本発明は、立体的に視認され得る画像を形成可能な画像表示装置に関する。

一般に、立体表示装置は観察者の左右眼に各々の視点からの視差像を与えることにより観察者に立体的な画像を視認させるものであり、大別して、特殊な眼鏡を利用する方式とそのような眼鏡を利用しない方式がある。そして、後者に関する先行例は、例えば特開２０１２−８８６４７号公報（特許文献１）に開示されている。この先行例の立体表示装置は、２つの導光板と、各導光板の入射面にそれぞれ設けられた２つの光源と、一方の導光板の出射面に設けられた片面三角プリズムシートと、この片面三角プリズムシートの出射面側に設けられた透過型表示パネルと、この透過型表示パネルに２つの光源を同期させて視差像を表示させる同期駆動回路と、各導光板の入射面と対向する面に設けられた光吸収部材を備える。

ところで、一般に立体表示装置は、立体的な画像から通常の二次元画像に表示を切り替えたときに視野角が狭くなるという不都合がある。これに対して、上記した先行例の立体表示装置は、片面三角プリズムシートにより視野角を広げることが可能であるが、視野角を広げるために光が分散されることにより輝度が低下するという点で改良の余地があった。

特開２０１２−８８６４７号公報

本発明に係る具体的態様は、眼鏡等の道具を用いることなく立体的な画像を形成可能であり、かつ立体的な画像を形成しない場合は広い視野角の画像表示を行える画像表示装置を提供することを目的の１つとする。

本発明に係る一態様の画像表示装置は、（ａ）一方向に指向性を有する光と拡散性を有する光を選択的に出射する面光源装置と、（ｂ）面光源装置の光出射側に配置される光変調器と、（ｃ）光変調器の光出射側又は面光源装置と光変調器の間に配置される光透過型の画像形成装置と、（ｄ）面光源装置、光変調器及び画像形成装置を各々の動作タイミングを調整しながら駆動する駆動装置を含む。そして、光変調器は、（ｅ）一面側に第１電極を有する第１基板と、（ｆ）一面側に第２電極を有し、第１基板と対向配置される第２基板と、（ｇ）第１基板の一面側に設けられるプリズムアレイと、（ｈ）第１基板と第２基板の間に設けられる液晶層を有する。

上記の画像表示装置では、光変調器の第１電極及び第２電極を介して液晶層へ電圧を印加することにより液晶層の配向状態を変化させ、それにより液晶層とプリズムアレイとの屈折率差を変化させることで光の進行方向を自在に制御することができる。したがって、面光源装置から指向性を有する光を出射させ、この光の進行方向を光変調器によって画像形成装置による右眼用画像と左眼用画像の各表示タイミングに合わせて観察者の右眼と左眼の各方向に順次切り替えることにより、眼鏡等の特別な道具を用いることなく観察者に立体的な画像を視認させることができる。また、面光源装置から拡散性の光を出射させ、かつ光変調器による光の進行方向の切り替えを行わないようにすることで、高輝度で広い視野角の二次元画像を観察者に視認させることができる。

上記の画像表示装置において、例えば面光源装置は、（ｉ）非対称な第１傾斜面と第２傾斜面を有する光反射面、当該光反射面と対向する光放出面、及び対向配置される第１光入射面と第２光入射面を有する導光板と、（ｊ）第１光入射面に対向配置される第１光源及び第２光入射面に対向配置される第２光源と、（ｋ）導光板の光放出面にプリズム面を対向させて配置されるプリズムシートを有し、（ｌ）第１光源から導光板へ導入された光が第１傾斜面で反射されて光放出面から出射してプリズムシートを介して一方向に指向性を有する光を形成し、第２光源から導光板へ導入された光が第２傾斜面で反射されて光放出面から出射してプリズムシートを介して拡散性の光を形成する。

上記構成によれば、導光板が１つで足り、画像表示装置の全体の厚みを減少させることができる。

上記の画像表示装置においては、光変調器の液晶層がネマティック液晶材料を用いて構成されることも好ましい。また、光変調器の液晶層がコレステリックブルー相を示す液晶材料を用いて構成されることも好ましい。

ネマティック液晶材料を用いる場合には、光変調器をより広い温度範囲で安定的に動作させることができる。他方で、コレステリックブルー相を示す液晶材料を用いる場合には、応答速度を格段に速めることができる。

図１は、一実施形態の画像表示装置の概略構成を示す図である。図２は、面光源装置の詳細な構成を示す分解斜視図である。図３は、面光源装置の側面図である。図４は、光変調器の構成を模式的に示す断面図である。図５は、画像表示装置の全体的な動作について説明するための図である。図６は、光変調器と画像形成装置の光学的な配置関係を説明するための図である。図７（Ａ）および図７（Ｂ）は、面光源装置のプリズムシートの好適な構造について説明するための模式的な断面図である。

以下に、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。

図１は、一実施形態の画像表示装置（立体表示装置）の概略構成を示す図である。図１に示す画像表示装置は、種々の電子機器に組み込まれて画像表示を行うために用いられるものであり、面光源装置１、駆動装置２、光変調装置３、画像形成装置４を含んで構成されている。ここでいう電子機器とは、例えば概ね人が手に持って運べる程度の大きさのものを指し、代表例としては小型のゲーム機器やモバイルパソコン、ノートパソコンなどが相当する。なお、面光源装置１、駆動装置２および光変調装置３が「照明装置」を構成する。

面光源装置１は、駆動装置２から供給される電圧（または信号）に応じて、指向性を有する光と拡散性の光のいずれかを選択的に出射する。例えば、面光源装置１は、光出射面の法線方向またはそこから少し傾いた方向へ指向性を有する光を出射するとともに、そのような指向性を有しない拡散性の光も出射する。

駆動装置２は、面光源装置１、光変調器３、画像形成装置４を同期させ、もしくは僅かなタイムラグを取りながら同期させて直流もしくは交流等の駆動電圧をそれぞれに供給する。例えば、面光源装置１には直流電圧もしくはこの直流電圧を印加するタイミングを伝える信号が供給され、光変調器３には数百Ｈｚ程度の交流電圧もしくはこの交流電圧を印加するタイミングを伝える信号が供給され、画像形成装置４には画像を形成する駆動電圧、もしくは画像を形成するドライバーへ表示のタイミングを伝える信号が供給される。

光変調器３は、面光源装置１から入射する光の進行方向を切り替える。この光変調器３は、例えば後述するように微小なプリズムアレイとこれに接して配置された液晶層を有して構成された略透明な板状体であり、液晶層への電圧印加によって液晶層の配向状態を変化させることによりこの液晶層とプリズムアレイとの屈折率差を変化させ、それにより光の進行方向を自在に制御するものである。

画像形成装置４は、入射光を用いて画像を形成するものであり、例えば液晶パネルなど光透過型の画像形成装置が用いられる。この画像形成装置４は、高い表示品位を得るためには比較的高速に視差像を切り替えることが必要であり、画像切り替え速度（画像切り替えサイクル）が１２０Ｈｚ以上であることが望ましい。具体的には、画像形成装置４としては、例えば薄膜トランジスタを用いたアクティブマトリクス型の液晶パネルを用いることができる。このとき、液晶層の動作モードとしては、例えばＴＮ（ツイステッドネマティック）モード、ＯＣＢ（オプティカルコンペンセイテッドベンド)モード、ＩＰＳ（インプレーンスイッチング）モード、ＦＦＳ(フリンジ・フィールド・スィッチング)モード、ＶＡ(バーティカルアライメント)モード等を適宜用いることができる。

なお、図示を省略するが面光源装置１の光出射面側と光変調器３の光入射面側との相互間、光変調器３の光出射面と画像形成装置４の光入射面側との相互間のそれぞれに屈折率整合を図るための粘着剤（整合材）を介在させることにより、空気層を排除して光出力の損失を低減することも好ましい。

図２は、面光源装置１の詳細な構成を示す分解斜視図である。また、図３は、この面光源装置１の側面図である。各図に示すように、面光源装置１は、導光板１０、第１光源１１、第２光源１２、光吸収シート１９、プリズムシート２０を含んで構成されている。

導光板１０は、概略形状が方形板状であり、例えばアクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂等の透光性の材料を用いて形成されている。この導光板１０は、表面（上面）側に光放出面１５を有し、裏面（下面）側に光反射面１６を有し、これらの光放出面１５と光反射面１６に対する側面側に第１光入射面１３および第２光入射面１４を有する。第１光入射面１３と第２光入射面１４とは互いに対向して配置されている。

第１光源１１および第２光源１２は、それぞれ、例えば複数のＬＥＤ（Light Emitting Diode）を１列に配列したＬＥＤアレイからなり、上記した駆動装置２によってそれぞれ独立に点灯制御される。第１光源１１は、その光出射面が第１光入射面１３と向かい合うようにして配置されている。同様に、第２光源１２は、その光出射面が第２光入射面１４と向かい合うようにして配置されている。なお、第１光源１１および第２光源１２としては、ＬＥＤアレイ以外に冷陰極蛍光管、熱陰極蛍光管等の線状光源を使用することもできる。

第１光入射面１３は、第１光源１１から出射する光を導光板１０の内部へ導入するための面である。また、第２光入射面１４は、第２光源１２から出射する光を導光板１０の内部へ導入するための面である。本実施形態では、これら第１光入射面１３と第２光入射面１４は、互いに略平行な平坦面である。なお、図２および図３においては、第１光入射面１３および第２光入射面１４に対して直交する方向をＸ軸、このＸ軸と直交する平面上で互いに直交する２軸をＹ軸およびＺ軸とする。

光放出面１５は、導光板１０の内部に導入された光を外部へ放出する面であり、それぞれがＸ方向に延在し、かつＹ方向に沿って配列され複数のプリズム１７を有している。各プリズム１７は、例えば射出成形などにより導光板１０と一体に形成される。各プリズム１７は、そのＹ方向の断面が略二等辺三角形であり、各々の二等辺三角形の底辺長（すなわちプリズムの幅）は例えば５０μｍであり、頂角は例えば９０°〜１２０°である。なお、各プリズム１７の幅や頂角は、要求される指向性に応じて適宜設定される。また、各プリズム１７の断面形状は二等辺三角形に限定されず、頂部が平坦な台形型、ドーム型、波形などであってもよいし、各プリズムの相互間に平坦面が存在してもよい。

光反射面１６は、Ｙ方向に互いに平行に直線的に延在する複数の凹部１８を有する。各凹部１８は、その断面形状が扁平な三角形状であり、Ｚ方向へ窪んで形成されている。各凹部１８は、射出成形などにより導光板１０と一体に形成される。なお、光反射面１６の基準平面は、光反射面１６の光吸収シート１９側の４つの端点により規定される面である。

各凹部１８は、第１傾斜面１８ａと第２傾斜面１８ｂを有する（図３参照）。第１傾斜面１８ａは、Ｘ方向に対して例えば１°〜８°程度と小さい角度をなして傾斜する。第２傾斜面１８ｂは、Ｘ方向に対して例えば４１°〜４７°と比較的に大きな角度をなして傾斜する。第１傾斜面１８ａと第２傾斜面１８ｂの傾斜方向は互いに逆向きであり、両者は非対称に配置されており１つの辺を共有して繋がっている。第１傾斜面１８ａと第２傾斜面１８ｂは、それぞれ平坦な面になっており、導光板１０の内部に導入された光はこれらの第１傾斜面１８ａと第２傾斜面１８ｂにより全反射して光放出面１５へ向かう。

光吸収シート１９は、例えば黒色や灰色等の樹脂シートであり、光反射面１６と対向してこれを覆うように配置されている。この光吸収シート１９は、光反射面１６から外部へ漏れ出る光を吸収することにより、導光板１０の外部に存在する部材等（図示せず）によって反射あるいは散乱された迷光が再び導光板１０へ入射することを防止する。

プリズムシート２０は、導光板１０から入射する光の向きを変えるものであり、光出射面２１と、これに対向する側に配置された複数のプリズム２２を有する。各プリズム２２は、それぞれがＹ方向に延在し、かつＸ方向に沿って配列されている。このようなプリズムシート２０は、一般的に下向きプリズムシートと呼ばれている。各プリズム２２は、そのＸ方向の断面が略二等辺三角形であり、各々の二等辺三角形の底辺長（すなわちプリズムの幅）は例えば５０μｍであり、頂角は例えば６８°である。なお、各プリズム２２の幅や頂角は、要求される指向性に応じて適宜設定される。

ここで、面光源装置１の動作について説明する。まず、一方向の指向性を有する光を形成する場合には、第１光源１１を点灯し、第２光源１２を消灯とする。この場合、図３において右側に概略的に光路を示すように、第１光源１１から出射し、第１光入射面１３から導入された光はほぼ光反射面１６の第１傾斜面１８ａにおいて反射され、同じような角度で光放出面１５に入射する。この光放出面１５に入射した光の一部は、光放出面１５からプリズムシート２０側へ出射し、このプリズムシート２０の各プリズム２２においてほぼＺ方向に進行方向を変え、光出射面２１から垂直方向に出射する。すなわち、面光源装置１からは光出射面２１の法線方向に指向性を有する光が放出される。

多方向の指向性を有する光を形成する場合には、第１光源１１を消灯し、第２光源１２を点灯とする。この場合、図３において左側において概略的に光路を示すように、第２光源１２から出射し、第２光入射面１４から導入された光の一部は光反射面１６の第１傾斜面１８ａにおいて反射され、同じような角度で光放出面１５へ入射する。この光放出面１５へ入射した光の一部は、光放出面１５からプリズムシート２０側に放出され、プリズムシート２０の各プリズム２２によってほぼＺ方向に進行方向を変え、光出射面２１から垂直方向に出射する。また、第２光入射面１４から導入された光の他の一部は、光反射面１６の第２傾斜面１８ｂにおいて反射され、ほぼ垂直に光放出面１５に入射する。この光放出面１５に入射した光は、光放出面１５からプリズムシート２０側に放出され、プリズムシート２０の各プリズム２２によってＺ方向を基準にして傾斜した２方向に出射する。すなわち、面光源装置１からは光出射面２１の法線方向に指向性を有する光とこの法線方向から左右にそれぞれ傾斜した方向に指向性を有する光が放出される。また、輝度は低いがこれら３方向の間にも光が連続的に分布する。このため、人間の視覚認知力を利用することで広角な視認性を確保することができる。すなわち、拡散性の光を形成することができる。

図４は、光変調器３の構成を模式的に示す断面図である。図４に示すように、光変調器３は、第１基板３１、第１電極３２、プリズムアレイ３３、第１配向膜３４、第２基板３５、第２電極３６、第２配向膜３７、液晶層３８を含んで構成される。

第１基板３１および第２基板３５は、相互に対向配置されており、それぞれ例えばガラス基板、プラスチック基板等の透明基板である。第１基板３１と第２基板３５との相互間には、例えば多数のスペーサー（粒状体）が分散して配置されており（図示せず）、それらのスペーサーによって第１基板３１と第２基板３５との相互間隔が保たれる。

第１電極３２は、第１基板３１の一面側に設けられている。同様に、第２電極３６は、第２基板３５の一面側に設けられている。第１電極３２および第２電極３６、それぞれ、例えばインジウム錫酸化物（ＩＴＯ）などの透明導電膜を用いて構成される。例えば本実施形態では、第１電極３２、第２電極３６ともに、基板一面に形成されている。なお、第１電極３２、第２電極３６は、適宜パターニングされていてもよい。また、第１電極３２はプリズムアレイ３３の上側に設けられていてもよい。

プリズムアレイ３３は、複数の微少な傾斜状の突起形状(プリズム)を一方向に配列して構成されている。プリズムアレイ３３の各プリズムの断面形状は直角三角形（例えば頂角７５°、底角が１５°と９０°）である。また、各プリズムの配置ピッチＰは例えば８μｍ程度、高さｔは例えば２μｍ程度である。このプリズムアレイ３３は、例えば耐熱性および密着性に優れた樹脂材料を成形することにより得られる。

第１配向膜３４は、第１基板３１の一面側に、第１電極３２およびプリズムアレイ３３を覆うようにして設けられている。また、第２配向膜３７は、第２基板３５の一面側に、第２電極３６を覆うようにして設けられている。本実施形態においては、第１配向膜３４および第２配向膜３７として、液晶層３８の液晶分子の初期状態（電圧無印加時）における配向状態を水平配向状態に規制するもの（水平配向膜）が用いられている。これらの第１配向膜３４、第２配向膜３７に対しては、所定の表面処理（ラビング処理、光配向処理等）が施されている。

液晶層３８は、第１基板３１の一面と第２基板３５の一面の相互間に設けられている。この液晶層３８は、例えば誘電率異方性Δεが正（Δε＞０）のネマティック液晶材料を用いて液晶層３８が構成されている。液晶層３８に図示された太線は、Δεが正のネマティック液晶材料を用いた場合の液晶層３８内の配向状態の一例を模式的に示したものである。例えば、電圧無印加時における液晶分子は、第１基板３１および第２基板３５の各基板面に対して所定のプレティルト角を有してほぼ水平に配向する。なお、後述するようにコレステリックブルー相を示す液晶材料を用いて液晶層３８を形成することも好ましい。

ここで、光変調器３の動作について詳述する。光変調器３の第１電極３２および第２電極３６を介して液晶層３８に電圧を印加すると、液晶層３８の液晶分子の配列が変化し、それにより液晶層３８の屈折率の大きさが変化する。このため、複数の微少な傾斜状の突起形状であるプリズムアレイ３３と液晶層３８との界面を透過する光の屈折角が変化する（スネルの法則）。屈折角の大きさは、プリズムアレイ３３の形状や液晶層３８の屈折率異方性の値等により一概にいえないが、諸条件を調整することにより１８°程度の屈折角を実現し得ることが確認できている。この屈折角は、光変調器３へ印加される電圧に応じて変化させることができる。

次に、本実施形態の画像表示装置の全体的な動作について図５を参照しながら説明する。上記したように面光源装置１の第１光源１０のみを点灯させることによって面光源装置１から一方向の指向性を有する光を出射させる。この光の向き（進行方向）を光変調器３によって観察者の左右方向に対応して高速に切り替える。具体的には、画像形成装置４において提供される右眼用画像と左眼用画像の切り替え周期（例えば１２０Ｈｚ）に同期させて光の向きが切り替えられる。これにより、観察者には右眼用画像と左眼用画像が交互に提供されるので、観察者は眼鏡等を用いることなく立体的な画像を視認することができる。また、このような立体表示を行なわない場合には、面光源装置１の第２光源１２のみを点灯させるか、あるいは第１光源１１と第２光源１２の双方を点灯させることによって面光源装置１から拡散性の光を出射させる。このとき、光変調器３による光の進行方向の切り替えは行わない。これにより。拡散性の光を画像形成装置４に入射させることが可能となり、観察者には高輝度で広い視野角の二次元画像が提供される。

次に、上記した光変調器の実施例について説明する。

（実施例１）
一対のＩＴＯ（インジウム錫酸化物）膜付きガラス基板を用意する。ガラス基板の板厚は０．７ｍｍであり、ＩＴＯ膜厚は１５００Åである。必要に応じて、各ガラス基板のＩＴＯ膜を所望形状にパターニングする。この一対の基板を洗浄した後、一方のガラス基板のＩＴＯ膜上にプリズムアレイを形成する。本実施例では、断面形状のピッチが約４μｍ、高さ２μｍ、頂角６５°、底角が２５°と９０°であり、断面形状が片ノコギリ形状のプリズムアレイを形成する。具体的には、ガラス基板のＩＴＯ膜上に、所定量のアクリル系紫外線硬化型樹脂を滴下し、その上に金型を所定の位置に置き、厚手の石英基板などをガラス基板の裏側に配置して補強した状態でプレスを行う。プレス後１分間以上放置し、紫外線硬化型樹脂を十分広げた後、ガラス基板側（石英基板側）から紫外線を照射し、紫外線硬化型樹脂を硬化させる。ここでは紫外線の照射量を２０Ｊ／ｃｍ^２としたが、樹脂が硬化すればよいので照射量はあまり重要ではない。ただし、ＩＴＯ膜は紫外線を吸収するため、ＩＴＯ膜の膜厚に応じて適宜に紫外線の照射量を調整する必要がある。プリズムアレイの大きさは主として材料の滴下量で制御することができる。もしくは、プリズムアレイの形状により紫外線硬化型樹脂がそれ以上広がらなくなるような枠を設けてもよいし、紫外線を照射する領域をマスクなどで制御してもよい。

次に、一対のガラス基板を洗浄機により洗浄する。洗浄はアルカリ洗剤を用いたブラシ洗浄、純水洗浄、エアーブロー、紫外線照射、赤外線乾燥の順に行ったが、洗浄方法はこれに限らない。高圧スプレー洗浄やプラズマ洗浄などを行ってもよい。

次に、一対の基板の表面に配向処理を行う。ここでは、一対のガラス基板の双方に配向膜を形成し、各配向膜にラビング処理を行う。各ガラス基板上にポリイミド配向膜材料をフレキソ印刷法にて８００Å成膜し、１８０℃で１．５時間の条件で焼成を行い、焼成後ラビング処理を行う。ポリイミド配向膜の形成方法はフレキソ印刷法に限らず、インクジェット法、スピンコート法、スリットコート法、これらの複合でも構わない。また、ラビング処理を行う際のラビング方向はプリズムアレイの各プリズムの延在方向（長手方向）に対し４５°となり、かつ一対のガラス基板を重ね合わせたときに各基板表面における液晶分子の配向方向がアンチパラレル配向になるようにする。なお、このラビング方向は画像形成装置４が液晶表示装置である場合にはその液晶動作モードに応じて決めることが望ましい。例えば、画像形成装置４の画面の水平方向に対して偏光板の光学軸を４５°に設定する液晶動作モード（ＴＮ等）では４５°にし、偏光板の光学軸を水平方向もしくは垂直方向に設定する液晶動作モード（ＩＰＳ、ＶＡ等）では各プリズムの延在方向に対し０°もしくは９０°にすることが望ましい。

なお、プリズムアレイを形成したガラス基板に対する配向処理として光配向処理を用いることも好ましい。この場合には、上記と同様にしてポリイミド配向膜を形成した後のガラス基板に対して、例えば紫外線を偏光させた光を基板法線方向から３０°程度傾けた状態で照射する方法を用いることができる。ここでは基板法線方向に対しては照射方向の傾きが３０°であるが、プリズムアレイの各プリズムの斜面部分にとっては４５°に傾けた方向から照射しているに等しい。また、露光に用いる偏光フィルターの波長は例えば３１０ｎｍである。ここでの光配向方向は他方のガラス基板におけるラビング方向と平行に液晶分子が並ぶように設定する。

次に、プリズムアレイを形成したガラス基板上にギャップコントロール剤を２〜５ｗｔ％含んだメインシール剤をスクリーン印刷もしくはディスペンサーによって形成する。ギャップコントロール剤の径はプリズムアレイのベース層（２〜３０μｍ）と各プリズムの高さ（本実施例では２μｍ）を含めて液晶層が２〜４μｍとなるように、１０．５μｍ径のプラスチックボールを用いる。このプラスチックボールをメインシール剤に４ｗｔ％添加する。他方のガラス基板上にはギャップコントロール剤を散布する。ここでは３μｍもしくは３．５μｍのプラスチックボールを乾式のギャップ散布機を用いて散布する。その後、これらのガラス基板を重ね合わせ、プレス機などで圧力を一定に加えた状態で熱処理してメインシール剤を硬化させる。ここでは１５０℃で３時間熱処理を行う。こうして５〜２５μｍの液晶層厚（各プリズムの形状により液晶層厚は場所ごとに異なる）の空セルを形成する。

次に、空セルにネマティック液晶材料を注入する。ここでは比較的に粘度の低い液晶材料を用いる。また、屈折率異方性は光を曲げる角度に関係するため、目的にあった屈折率異方性の値を有する液晶材料を用いる。空セルに液晶材料を真空注入し、注入後、注入口にエンドシール剤を塗布して封止する。以上で実施例１の光変調器３が完成する。なお、この光変調器３の光透過率は９０％以上（反射防止フィルム使用時）である。

この実施例１の光変調器３の応答特性を測定したところ、例えば、３５Ｖ印加時の立ち上がり時間で約１．６〜１．７ｍｓｅｃ、立ち下がり時間で約２．８〜４．２ｍｓｅｃ（それぞれ室温にて）であり、１２０Ｈｚ駆動での立体表示に必要な応答速度として必要十分であり、余裕を持って対応可能であることがわかった。また、実質上の立ち上がり時間ｔｒは０．９〜０．９ｍｓｅｃ、実質上の立ち下がり時間ｔｆは１．７〜２．９ｍｓｅｃであり、応答速度が非常に速いことがわかった。また、光の進行方向は約８°変化させられることが確認された。

こうして作製される光変調器３を面光源装置１に取り付け、さらにこれらを画像形成装置４に取り付け、それぞれを駆動装置２と接続する（図１、図５参照）。駆動装置２は、画像形成装置４が表示する画像と同期させて電圧値を変えながら光変調器３へ電圧を印加することが可能である。具体的には、光変調器３に電圧を印加することによって液晶層の屈折率とプリズムアレイの構成材料の屈折率をほぼ等しくする。この場合、面光源装置１から出射する光の進行方向はその光路中に光変調器３があっても変更させることなくそのまま通過し、観察者の右眼に光（画像）を入射させるような光路を形成することができる（図５参照）。また、光変調器３に別の電圧を印加し、もしくは電圧を印加しないことによって液晶層の屈折率を変化させ、プリズムアレイの構成材料屈折率とは異なる屈折率を与えることができる。この場合、面光源装置１から出射する光の進行方向は光路中の光変調器３のプリズムアレイと液晶層の境界でスネルの法則により変更されるので、観察者の左眼に光（画像）を入射させるような光路を形成することができる（図５参照）。

このときの面光源装置１の点灯／消灯のタイミング制御について説明する。光変調器３の動作状態の切り替え時、すなわち光の進行方向を変更する動作状態／変更しない動作状態との間の切り替え時においては、面光源装置１の第１光源１１および第２光源１２を消灯状態に制御し、０．８ｍｓｅｃ（立ち上がり時）〜２．９ｍｓ（立ち下がり時）後に光変調器３の液晶層のスイッチングが完了するタイミングで面光源装置１を点灯状態に制御する。このとき、画像形成装置４による画像表示は光変調器３の液晶層のスイッチングが完了するタイミングに合わせて画像の切り替えが完了するような駆動を行うとよい。なお、画像形成装置４の画像の切り替えタイミングが光変調器３の液晶層のスイッチング完了のタイミングよりも遅い場合は、画像形成装置４の画像の切り替えタイミングに合わせて面光源装置１の第１光源１１および第２光源１２を点灯状態に制御してもよい。また、画像形成装置４により画像が表示されている間は面光源装置１の第１光源１１および第２光源１２を点灯状態に制御し、画像の切り替えタイミングに対応して面光源装置１の各光源１１、１２を消灯状態に制御する。光変調器３は、画像形成装置４の画像の切り替えタイミングに対応して液晶層のスイッチングが開始するような駆動を行うとよい（光変調器３のスイッチング開始にタイムラグがある場合）。

なお、実施例１の光変調器３は、ある偏光方向の光は液晶層への電圧印加によりその進行方向を制御できるが、別の偏光方向の光は液晶層への電圧印加によってもその進行方向が変わらない。このため、図６に示すように、画像形成装置４の光入射側に用いられている偏光板の透過軸方向を光変調器３への電圧印加により進行方向を制御できる偏光方向をほぼ一致させることが望ましい。具体的には、図６に示すように、例えば画像形成装置４の光入射側の偏光板の透過軸方向ａ１が斜め４５°の方向であるとすると、光変調器３は、第１基板３１の第１配向膜３４へ施された配向処理の方向ａ２と第２基板３５の第２配向膜３７へ施された配向処理の方向ａ４がそれぞれ透過軸方向ａ１と略平行になるように配置されることが望ましい。なお、図６に示す例における配向処理の方向ａ２は、プリズムアレイ３３の各プリズムの長手方向（延在方向）ａ３との間で略４５°に設定されている。

（実施例２）
上記した実施例１と同様にＩＴＯ膜付きのガラス基板を一対用意し、一方にはプリズムアレイを形成する。実施例２では一対のガラス基板のいずれに対してもラビング処理等の配向処理を行わずに、ガラス基板同士を貼り合わせて空セルを作製し、この空セルに注入する液晶材料として、ある温度範囲でコレステリックブルー相を示す液晶材料に高分子安定化のための光重合性モノマーと光開始剤を添加したものを用いる。以下、さらに詳述する。

一対のＩＴＯ（インジウム錫酸化物）膜付きガラス基板を用意する。ガラス基板の板厚は０．７ｍｍであり、ＩＴＯ膜厚は１５００Åである。必要に応じて、各ガラス基板のＩＴＯ膜を所望形状にパターニングする。この一対の基板を洗浄した後、一方のガラス基板のＩＴＯ膜上にプリズムアレイを形成する。本実施例では、断面形状のピッチが約２０μｍ、高さ５μｍ、頂角１５°、底角が７５°と９０°であり、断面形状が片ノコギリ形状のプリズムアレイを形成する。具体的には、ガラス基板のＩＴＯ膜上に、所定量のアクリル系紫外線硬化型樹脂を滴下し、その上に金型を所定の位置に置き、厚手の石英基板などをガラス基板の裏側に配置して補強した状態でプレスを行う。プレス後１分間以上放置し、紫外線硬化型樹脂を十分広げた後、ガラス基板側（石英基板側）から紫外線を照射し、紫外線硬化型樹脂を硬化させる。ここでは紫外線の照射量を２０Ｊ／ｃｍ^２とするが樹脂が硬化すればよいので照射量はあまり重要ではない。ただし、ＩＴＯ膜は紫外線を吸収するため、ＩＴＯ膜の膜厚に応じて適宜に紫外線の照射量を調整する必要がある。プリズムアレイの大きさは主として材料の滴下量で制御することができる。もしくは、プリズムアレイの形状により紫外線硬化型樹脂がそれ以上広がらなくなるような枠を設けてもよいし、紫外線を照射する領域をマスクなどで制御してもよい。

なお、プリズムアレイ上にＩＴＯ膜を形成してもよい。その場合には、一対のガラス基板の片方としてＩＴＯ膜の形成されていないガラス基板を用意し、その上に上記のようにしてプリズムアレイを形成し、その後洗浄する。次に、プリズムアレイ上にＩＴＯ膜を形成する。このとき、直接的にＩＴＯ膜を形成してもよいが、ここでは密着性を向上させるために下地膜としてＳｉＯ_２膜をプリズムアレイ上に薄く形成する。ＳｉＯ_２膜の形成方法としては、例えばスパッタ法（交流放電）を用いる。具体的には、ガラス基板を８０℃に加熱し、ＳｉＯ_２膜を５００Åの膜厚に形成する。引き続きＩＴＯ膜膜をスパッタ法（交流放電）にて形成する。具体的には、ガラス基板を１００℃に加熱し、ＳｉＯ_２膜を約１０００Åの膜厚に形成する。このときＳＵＳマスクなどを用いて余分な所にはＩＴＯ膜が形成されないようにしてもよい。ここでは成膜方法としてスパッタ法を挙げたが、真空蒸着法、イオンビーム法、化学気相堆積法などを用いてもよい。

次に、プリズムアレイを形成したガラス基板上にギャップコントロール剤を２〜５ｗｔ％含んだメインシール剤をスクリーン印刷もしくはディスペンサーによって形成する。ギャップコントロール剤の径はプリズムアレイのベース層（２〜３０μｍ）と各プリズムの高さ（本実施例では２μｍ）を含めて液晶層が１０〜２０μｍとなるように、３０μｍ径のプラスチックボールを用いる。このプラスチックボールをメインシール剤に４ｗｔ％添加する。他方のガラス基板上にはギャップコントロール剤を散布する。ここでは１７μｍのプラスチックボールを乾式のギャップ散布機を用いて散布する。その後、これらのガラス基板を重ね合わせ、プレス機などで圧力を一定に加えた状態で熱処理してメインシール剤を硬化させる。ここでは１５０℃で３時間熱処理を行う。こうして５〜２５μｍの液晶層厚（各プリズムの形状により液晶層厚は場所ごとに異なる）の空セルを形成する。

次に、空セルに液晶材料を注入する。ここでは、コレステリックブルー相を含む液晶材料（屈折率異方性０．１４２）と一般的なネマティック液晶材料（屈折率異方性０．１８４）を１：１の割合で混合し、これにカイラル剤を５．６％添加する。また、光重合性モノマーとして、一官能性の材料と二官能性の材料を混合して添加する。空セルに液晶材料を真空注入し、注入後、注入口にエンドシール剤を塗布して封止する。

こうして作製したセルを加熱するとある温度範囲（６０℃付近）でコレステリックブルー相を示す。このコレステリックブルー相を示す温度に保ったまま液晶層へ紫外線を長時間照射し、高分子安定化させる。ここでは３０Ｗ／ｃｍ^２（３６５ｎｍ）の紫外線を照射するが、初めに短い周期で間欠露光を行い、最後に長時間露光するとよい。例えば、１秒間照射／１０秒間非照射のサイクルを１０回繰り返した後、最後に３分間連続照射を行う。なお、露光条件はこれに限らず、例えばもっと弱い照度で露光してもよい。ただし、紫外線硬化にかかる時間は長くなる。こうして高分子安定化させた液晶層は広い温度範囲（−５℃〜６０℃程度）でコレステリックブルー相を示す。この温度範囲は使用する材料やその混合比、重合条件などにより拡大することができる。以上で実施例２の光変調器３が完成する。なお、この光変調器３の光透過率は９０％以上（反射防止フィルム使用時）である。

このような実施例２の光変調器３は、上記した実施例１と同様にして、面光源装置１、駆動装置２および画像形成装置４と組み合わせて用いることができる。具体的には、光変調器３の液晶層は、電圧無印加時において光学的に等方性のコレステリックブルー相を示し、電圧印加によりコレステリックブルー相の螺旋が解けて液晶分子の配向方向が基板面に対して垂直方向に変化してホメオトロピック状態となり、このときの屈折率楕円体は液晶層の層厚方向に立った状態となる。光学的に等方性の状態と屈折率楕円体が層厚方向に立った状態のそれぞれを偏光板を介して観察しても偏光状態としては全く同じなので外観上の状態はまったく変化しない。しかし、液晶層の層厚方向の屈折率は変化し、光学的に等方性の状態よりもセル厚方向に立った状態の屈折率楕円体のほうが屈折率が大きくなる。光変調器３の液晶層がコレステリックブルー相を示す場合においては、基板法線方向から見たときの屈折率は、液晶材料の常光、異常光のそれぞれに対する屈折率ｎｏ、ｎｅの平均的な値（（ｎｅ＋２ｎｏ）／３）になる。一方、光変調器３の液晶層がホメオトロピック状態の場合にはほぼ全ての液晶分子が垂直方向に立ち上がっているため、基板法線方向から見たときの時の液晶層の屈折率は液晶材料の常光の屈折率ｎｏに等しくなる。このような光変調器３を用いると、偏光方向による屈折率依存性は無くなるため、いずれの偏光方向に対しても光学的に等方性の状態における屈折率は（（ｎｅ＋２ｎｏ）／３）であり、ホメオトロピック状態のときの屈折率はｎｏとなる。また、液晶層の液晶分子が層厚方向に完全に立ち上がるまでには電圧の大きさに応じて屈折率の値も連続的に変化する。その屈折率の変化量は電界強度の二乗にほぼ比例して変化する。したがって、光変調器３によって全ての光に対してその角度を制御することができるようになる。ただし、光の進行方向を変更できる角度は、上記した実施例１のネマティック液晶を用いた光変調器３よりは小さくなる。

こうして作製される光変調器３を面光源装置１に取り付け、さらにこれらを画像形成装置４に取り付け、それぞれを駆動装置２と接続する（図１、図５参照）。駆動装置２は、画像形成装置４が表示する画像と同期させて電圧値を変えながら光変調器３へ電圧を印加することが可能である。具体的には、画像形成装置４により右眼用の画像が表示されているフレームでは、光変調器３の液晶層には比較的高い電圧(例えば２０Ｖ)が印加され、液晶層の液晶分子はホメオトロピック配向状態となり、光はそのまま透過する。それにより、右眼では画像をそのまま見ることができるが左眼では画像が見られない状態が実現される（図５参照）。次に左眼用の画像が表示されているフレームでは、光変調器３の液晶層には低い電圧が印加され、あるいは電圧無印加とされ、液晶層の液晶分子はコレステリックブルー相を示す配向状態となり、光学的には等方となるので、光はプリズムアレイと液晶層との境界で進行方向を変更される。それにより、左眼では画像を見ることができるが右眼では画像が見られない状態が実現される（図５参照）。

画像形成装置４による右眼用の画像と左眼用の画像の表示切り替えの周波数は例えば１２０Ｈｚや２４０Ｈｚである。１２０Ｈｚの場合には約８．３ｍｓｅｃごとに画像が切り替えられ、２４０Ｈｚの場合には約４．２ｍｓｅｃごとに画像が切り替えられる。このときの光変調器３の応答速度は、立ち上がりで約２００μｓｅｃ、立ち下がりで約２０μｓｅｃ（それぞれ室温）であり、周波数１２０Ｈｚでの駆動のみならず周波数２４０Ｈｚでの駆動においてもそれぞれに必要な応答速度に対して十分に速く、余裕を持って対応可能であることがわかる。

ここで、図７（Ａ）および図７（Ｂ）を参照しながら面光源装置１のプリズムシート２０の好適な構造について詳述する。画像形成装置４の画面中央の位置に立体画像を視認させる場合には、図７（Ａ）に示すように、プリズムシート２０の画面中央に対応する部分におけるプリズムの長辺方向の法線方向を基準０°（ｄ０）とすると、画面右端もしくは左端に向かうにつれて各プリズムの導光板１０側の頂点を基準に画面中央へ向けて傾けることが好ましい。この傾きは、右端（もしくは左端）に向かうにつれて徐々に可変する。具体的には、傾き角度は、ｄ１＞ｄ２＞ｄ０（０°）、ｄ４＞ｄ３＞ｄ０（０°）の関係となる。なお、ｄ１からｄ２を経てｄ０へ向かう傾き角度の変化量と、ｄ４からｄ３を経てｄ０へ向かう傾き角度の変化量とは同じでなくてもよい。この場合、立体画像の表示位置は画面中央から左右どちらかにしか移動しないことになる。これに対して、図７（Ｂ）に示すように、各プリズムの傾き角度をｄ１’＞ｄ２’＞ｄ０’＞ｄ３’＞ｄ４’と設定することにより、このプリズムシート２０’を介して出射する立体画像の表示位置を傾けることができる。そして、光変調器３の液晶層へ中間電圧を印加したときに立体画像の表示位置を画面中央へ移動させる。この構成であれば左右対称に立体画像の表示位置を変えられる。例えば、光変調器３により光の進行方向を２０°変更可能である場合には、プリズムシート２０’からの光の出射角度を−１０°にすればよい。

なお、本発明は上述した実施形態等の内容に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において種々に変形して実施をすることが可能である。例えば、液晶材料の注入方法としてはＯＤＦ法を用いてもよい。また、上述した説明では光変調器の光出射側に画像形成装置を配置していたが、面光源装置と光変調器の間に画像形成装置を配置してもよい。

１：面光源装置
２：駆動装置
３：光変調器
４：画像形成装置
１０：導光板
１１：第１光源
１２：第２光源
１３：第１光入射面
１４：第２光入射面
１５：光放出面
１６：光反射面
１７：プリズム
１８：凹部
１８ａ：第１傾斜面１８ａ
１８ｂ：第２傾斜面
１９：光吸収シート
２０、２０’：プリズムシート
２１：光出射面
２２：プリズム
３１：第１基板
３２：第１電極
３３：プリズムアレイ
３４：第１配向膜
３５：第２基板
３６：第２電極
３７：第２配向膜
３８：液晶層

Claims

一方向に指向性を有する光と拡散性を有する光を選択的に出射する面光源装置と、
前記面光源装置の光出射側に配置される光変調器と、
前記光変調器の光出射側又は前記面光源装置と前記光変調器の間に配置される光透過型の画像形成装置と、
前記面光源装置、前記光変調器及び前記画像形成装置を各々の動作タイミングを調整しながら駆動する駆動装置、
を含み、
前記光変調器は、
一面側に第１電極を有する第１基板と、
一面側に第２電極を有し、前記第１基板と対向配置される第２基板と、
前記第１基板の一面側に設けられるプリズムアレイと、
前記第１基板と前記第２基板の間に設けられる液晶層、
を有する、
画像表示装置。
前記面光源装置は、
非対称な第１傾斜面と第２傾斜面を有する光反射面、当該光反射面と対向する光放出面、及び対向配置される第１光入射面と第２光入射面を有する導光板と、
前記第１光入射面に対向配置される第１光源及び前記第２光入射面に対向配置される第２光源と、
前記導光板の前記光放出面にプリズム面を対向させて配置されるプリズムシート、
を有し、
前記第１光源から前記導光板へ導入された光が前記第１傾斜面で反射されて前記光放出面から出射し、前記プリズムシートを介して前記一方向に指向性を有する光を形成し、前記第２光源から前記導光板へ導入された光が前記第２傾斜面で反射されて前記光放出面から出射し、前記プリズムシートを介して前記拡散性の光を形成する、請求項１に記載の画像表示装置。
前記光変調器の前記液晶層がネマティック液晶材料を用いて構成された、請求項１又は２に記載の画像表示装置。
前記光変調器の前記液晶層がコレステリックブルー相を示す液晶材料を用いて構成された、請求項１又は２に記載の画像表示装置。