JP2014132300A - 液晶レンズ素子及び表示装置並びに端末機 - Google Patents
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Abstract
【課題】画面の明るさを保ったまま、２Ｄ表示、縦置き３Ｄ表示、横置き３Ｄ表示が可能な液晶レンズ素子及び当該液晶レンズ素子を備える表示装置並びに当該表示装置を搭載した端末機を実現する。
【解決手段】液晶レンズ素子を、対向する上基板及び下基板と両基板間に挟まれた液晶層とからなり、前記両基板の面内方向をｘｙ平面としたときに、前記液晶層はｘ方向に初期配向方向を有し、前記上基板はｘ方向に電位勾配を発生させるＡ電極構造がｘ方向に並んだ繰り返し領域を有し、前記下基板はｙ方向に電位勾配を発生させるＢ電極構造がｙ方向に並んだ繰り返し領域を有し、なおかつ、前記Ａ電極構造中央部にｙ方向に延伸した開口部を有する構成にする。
【選択図】図１
【解決手段】液晶レンズ素子を、対向する上基板及び下基板と両基板間に挟まれた液晶層とからなり、前記両基板の面内方向をｘｙ平面としたときに、前記液晶層はｘ方向に初期配向方向を有し、前記上基板はｘ方向に電位勾配を発生させるＡ電極構造がｘ方向に並んだ繰り返し領域を有し、前記下基板はｙ方向に電位勾配を発生させるＢ電極構造がｙ方向に並んだ繰り返し領域を有し、なおかつ、前記Ａ電極構造中央部にｙ方向に延伸した開口部を有する構成にする。
【選択図】図１
Description
本発明は、液晶レンズ素子及び当該液晶レンズ素子を備える表示装置並びに当該表示装置を搭載した端末機に関する。
現在、立体表示可能な表示装置が著しい進展を見せている。この立体表示装置は、眼鏡を使用するものと裸眼で使用するものとに大別される。特に、裸眼で使用できるものは、眼鏡を掛ける煩わしさがなく、今後広く使用されていくと予想される。この裸眼で立体表示可能なものとして、シリンドリカルレンズや視差バリアを表示ディスプレイの前面に配置したものが一般に用いられている。この際、表示ディスプレイ内に右目用画素及び左目用画素が用意されており、前記シリンドリカルレンズや視差バリアにより観察者の両眼に各画素の情報が到達するように配置されている。このため、シリンドリカルレンズのシリンダ方向は画面上下方向に一致するように配置されている。また、視差バリアの遮光帯方向は画面上下方向に一致するように配置されている。
一方、現在ゲーム機や携帯電話などの可搬用小型機器分野で、小型の液晶表示装置が広く用いられている。これら可搬用小型機器の分野ではバッテリー駆動が前提となるため、消費電力の小さな表示装置が求められている。以上の可搬型小型機器の分野では、アプリケーションに応じて、縦置き画面を横に持ち替えて横置き画面として使用したり、逆に横置き画面から縦置き画面へ持ち替えて使用したりすることが広く行われるようになってきた。折りたたみ式携帯電話では、表示装置のみを９０度回転して縦置き画面から横置き画面に切り替えて使用する機器が販売されている。あるいは、スマートフォンと呼ばれる分野では、縦持ちから横持ちに持ち替えて、より自在に画面の縦横切替が行われるようになってきた。
このため、以上のように縦横切替ができ、なおかつ縦横の両使用時に立体表示可能な表示装置が検討されるようになった。この代表的な技術として、特許文献１に開示された技術が提案されている。この技術について図２３を用いて説明する。表示装置は、レンズアレイ素子２４と表示パネル２５から構成される。レンズアレイ素子２４は、液晶を用いたスイッチングアレイ素子であり、下基板上にＸ方向に延びる第１の電極群２２、上基板上にＹ方向に延びる第２の電極群２３を備えている。より詳細なレンズアレイ素子２４の斜視図を図２４に示す。図２４では一方の基板上にＸ方向に延びた２種類の幅（Ｌｘ、Ｓｘ）の電極２７、２６を有している。図２４の他方の基板上にはＹ方向に延びた２種類の幅（Ｌｙ、Ｓｙ）の電極２８、２９を有している。液晶は、初期には一方向に配向している。
以上の各電極は、図２５に示す３つの状態で駆動される。第１の状態では、Ｘ方向に電位勾配が形成され、Ｙ方向には均一な電位分布が形成される。このため、液晶配向は、Ｘ方向に周期的な分布をもつ。その周期は電極Ｌｙから次の電極Lｙまでで一単位となる。このため、光学的には前記の幅と等しいＹ方向に延びるシリンドリカルレンズと同じ働きの液晶レンズが得られる。以上の状態のレンズアレイ素子に、Ｘ方向に左目用画素・右目用画素を有する表示パネルを積層すれば、Ｙ方向を縦方向とした立体表示装置を得ることができる。
次に、図２５の第２の状態では上下基板間に電圧差がないため、液晶は基板に平行に配向した状態となる。このため、液晶は屈折率分布を持たないため、透明体として機能する。この場合、レンズアレイ素子に表示パネルを積層すれば、通常の２次元画面の表示パネルとして動作する。
さらに、図２５の第３の状態では、Ｙ方向に電位勾配が形成される。このため、電極Ｌｘから次の電極Ｌｘを一単位としたＸ方向に延びたシリンドリカルレンズと同じ働きの液晶レンズが得られる。以上の状態のレンズアレイ素子に、Ｙ方向に左目用画素・右目用画素を有する表示パネルを積層すれば、Ｘ方向を縦方向とした立体表示装置を得ることができる。
以上のようにして、図２４のような構成のレンズアレイ素子を用いることにより、Ｙ方向を縦とした立体表示、通常の２次元表示、Ｘ方向を縦方向とした立体表示の３つの表示を行わせることが可能となる。
しかし、図２４のレンズアレイ素子では、Ｘ方向及びＹ方向に対して同じレンズ動作をさせることができない。この問題について図２６を用いて説明する。図２６（ａ）は、図２４のレンズアレイ素子をＸ方向から眺めた電圧無印加時の配向状態である。図２６（ａ）では、液晶は初期にＹ方向に配向している。このため、基板に対して微少なプレチルト角を有して、基板にほぼ平行に配向している。
以上のレンズアレイ素子の上下基板間に電圧を与えた状態を示したのが、図２６（ｂ）である。図２６（ｂ）では液晶層に電圧が印加されるため、液晶が基板面から立ち上る。しかし、この立ち上る状態は初期のプレチルト角方向から決まるため、図２６（ｂ）に示すように、幅Ｓｘの電極の中心に対して非対称なものとなる。以上のように、図２６から分かるように、幅Ｓｘの電極の中心に対して電極構造は対称なものの、電圧印加時の液晶配向状態は非対称なものとなる。このため、幅Ｓｘの電極上にはＸ方向に延びた非対称なシリンドリカルレンズしか得ることができない。
他方、図２７（ａ）は図２４のレンズアレイ素子をＹ方向から眺めた電圧無印加時の配向状態である。液晶はＹ方向に配向しているため、幅Ｓｙの電極上の液晶配向には初期から非対称性が存在しない。このため、上下基板に電圧を印加した図２７（ｂ）の状態においても、幅Ｓｙの電極の中心に関して対称な液晶配向が得られる。このため、幅Ｓｙの電極上に対称なシリンドリカルレンズ構造を得ることができる。
以上のように、液晶がＹ方向に初期配向している場合、図２５の３状態のうち、第３の状態であるＸ方向に延びたシリンドリカルレンズは非対称なレンズ構造しか得られないことが分かる。また、液晶がＸ方向に初期配向している場合、図２５の３状態のうち、第１の状態であるＹ方向に延びたシリンドリカルレンズは液晶の初期配向方向（Ｘ方向）と直交し、非対称なレンズ構造しか得られない。
以上の非対称なシリンドリカルレンズを用いて３Ｄ表示を行った場合には、左目及び右目への光の分離を正しく行うことが出来ない。その結果、３Ｄクロストークの量が多くなったり、または、右目と左目で明るさが異なったりする。このため、高品質な立体表示が困難となり、非対称性が著しい場合には立体表示観察すること自体が不可能となる。
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、その主たる目的は、画面の明るさを保ったまま、縦置き画面あるいは横置き画面の両方で立体表示（以下、縦置き３Ｄ表示、横置き３Ｄ表示）を可能にした液晶レンズ素子及び表示装置並びに端末機を実現することである。また、合わせて、立体表示ではない通常表示（以下、２Ｄ表示）を可能にした液晶レンズ素子及び表示装置並びに端末機を提供することである。
第１の本発明は、対向する上基板及び下基板と両基板間に挟まれた液晶層とからなり、前記両基板の面内方向をｘｙ平面としたときに、前記液晶層はｘ方向に初期配向方向を有し、前記上基板はｘ方向に電位勾配を発生させるＡ電極構造がｘ方向に並んだ繰り返し領域を有し、前記下基板はｙ方向に電位勾配を発生させるＢ電極構造がｙ方向に並んだ繰り返し領域を有し、なおかつ、前記Ａ電極構造中央部にｙ方向に延伸した開口部を有することから構成される液晶レンズ素子である。
第１の本発明の液晶レンズ素子について図１を用いて説明する。本発明においては、液晶レンズ素子は、上基板１と下基板２、両者に挟まれた液晶層３からなっている。いま、図１に示すように座標系を導入すれば、ＸＹ平面方向が前記基板の面内方向と一致する。本発明においては、初期の液晶配向方向はほぼＸ方向に一致している。この際に、実用上必要な小さなプレチルト角３１があってもかまわない。さらに、本発明においては、上基板１上にＸ方向に電位勾配を発生する電極構造（Ａ電極構造４と呼ぶ。）がＸ方向に周期的に配置されており、上基板１の面内に繰り返し領域を形成している。また、下基板２上にＹ方向に電位勾配を発生する電極構造（Ｂ電極構造５と呼ぶ。）がＹ方向に周期的に配置されており、下基板２の面内に繰り返し領域を形成している。
図２を用いて、本発明の液晶レンズ素子の動作を説明する。図２は、図１の一つのＡ電極構造４のＸＺ断面での液晶配向状態を示している。特に、図２（ａ）は電圧無印加時の初期の液晶配向状態を示している。液晶はプレチルト角を持ちながらも、ほぼＸ方向に平行に配向している。以上のＡ電極構造４とＢ電極構造５の間に電圧を印加すれば、液晶は基板に垂直になるように配向する。この際、Ａ電極構造４のためにＸ方向に電位勾配が発生する。
Ａ電極構造４の具体的な例は後で述べられる。ここでは、図３を用いてＡ電極構造４の働きを説明する。図３は、図１のＸ方向に沿った断面での液晶層に印加される電位分布を示している。Ａ電極構造は繰り返し領域内でＸ方向に配置されているため、図３（ａ）あるいは図３（ｂ）のような電位分布を液晶層に印加する。このため、図３（ａ）では、Ａ電極構造の中心付近で最も電位差が大きく、この付近の屈折率が最も小さくなり、いわゆる凹レンズ性能が得られる。一方、図３（ｂ）では、Ａ電極構造単位の中心付近が最も電位差が小さく、この付近の屈折率が最も大きくなり、凸レンズ性能が得られる。以下の説明では、凸レンズの場合について説明するが、凹レンズでも同様に本発明の作用を説明することができる。
図４は、凸レンズ性能の場合の液晶層に印加される電位差を示している。図４（ａ）は対称な電極構造の効果から生じる対称な電位分布を示している。しかし、すでに従来技術の課題で述べたように、液晶層にはプレチルト角があるため、実際には図４（ｂ）に示すような非対称な電位分布が生じる。このため、非対称な屈折率分布しか得られなかった。一方、本発明では、Ａ電極構造の中心部に開口部を有するため、この付近の液晶層の電位差はほぼ０となる。このため、図４（ｃ）に示すように、Ａ電極構造単位の中心部の開口部に対応した電位差０の領域が生じる。以上のように、Ａ電極構造内で対称な電位分布を得ることができる。
以上の電位分布に対する液晶の配向状態を示した図が、図２（ｂ）である。図２（ｂ）ではＡ電極構造両端で大きな電位差が液晶層に印加されている。一方、Ａ電極構造中央部ではほぼ０の電位差が液晶層に印加されている。このため、図２（ｂ）に示すような液晶の配向状態が得られ、中心部に対して対称な屈折率分布が得られる。
第２の本発明は、前記Ａ電極構造が前記上基板上に第１導電層、絶縁層、第２導電層を有し、前記第１導電層が前記上基板全面を覆う形状の電極であり、前記第２導電層がｙ方向に延伸したストライプ形状であることから構成される第１の本発明の液晶レンズ素子である。
第２の本発明について図５を用いて説明する。本発明においては、Ａ電極構造４が、第１導電層７、絶縁層８、第２導電層９からなる。第１導電層は、Ａ電極構造の全面を覆う形状を有しており、なおかつ一方向に延伸した開口部６を有している。その上部に絶縁層８、第２導電層９が配置されている。第２導電層の形状は一方向に延伸した形状となっている。
以上の電極構造を持った液晶レンズ素子の構造を図６に示す。図６では、上基板１は図５のＡ電極構造４の繰り返し構造を有している。Ｘ方向に電位勾配を発生させるために、前記Ａ電極構造４の第２導電層９の延伸方向はＹ方向に一致している。また、開口部６の延伸方向はＹ方向と一致する。下基板２は第１導電層７、絶縁層８、Ｘ方向に延びた第２導電層９からなるＢ電極構造の繰り返し領域を有している。図６に示すように、Ｂ電極構造中の第２導電層９の延伸方向をＸ方向に一致させておく。下基板２のこれら構成が、Ｙ方向に電位勾配を発生させるＢ電極構造に相当する。また、液晶の配向方向をＸ方向に一致させておく。
以上の液晶レンズ素子の動作を図７の断面図を用いて説明する。図７（ａ）では、上基板１上のすべての電極の電位はΦ０に設定し、下基板２の第１導電層７をΦ０に、第２導電層９をΦに設定する。但し、Φ≠Φ０とする。以上によって、下基板２上ではＹ方向に沿って電位勾配が発生する。また、上基板１上ではほぼ一定の電位Φ０となる。従って、液晶層３に印加される電位は、下基板２の第２導電層９付近ではΦ−Φ０となり最も電位差が大きくなり、第２導電層９と次の第２導電層９の中間位置では電位差は小さくなる。以上のようにして、Ｙ方向に沿った第２導電層９から次の第２導電層９までの幅を一単位とした液晶配向状態が生じる。これがＸ方向に延びたシリンドリカルレンズに相当する。
一方、図７（ｂ）に示すように、下基板２上の全電極の電位をΦ０と、上基板１上の第１導電層７、第２導電層９の電位を各々Φ０、Φと設定する。但し、Φ≠Φ０とする。これによって、Ｘ方向に沿って、上基板１の第２導電層９から次の第２導電層９を一単位とした液晶配向状態が生じる。この際に、既に述べた開口部６の働きにより、対称な液晶配向状態が得られる。これがＹ方向に延びたシリンドリカルレンズに相当する。
以上のようにして、各電極の電位の設定により、Ｘ方向あるいはＹ方向に延びたシリンドリカルレンズを得ることができる。
第３の本発明は、前記Ａ電極構造が前記上基板上に第１導電層、第１絶縁層、第２導電層、第２絶縁層、抵抗膜を有し、前記第１導電層が前記上基板全面を覆う電極であり、前記第２導電層がｙ方向に延伸したストライプ形状であり、前記抵抗膜のシート抵抗が前記第１導電層あるいは前記第２導電層と前記第２絶縁層との中間に位置することから構成される第１の発明の液晶レンズ素子である。
第３の本発明の構成について図８を用いて説明する。第３の本発明においては、上基板１上に第１導電層７、第１絶縁層１０、第２導電層９、第２絶縁層１１、抵抗膜１２が設けられている。第１導電層７はＡ電極構造４の全面を覆う形状を有し、一方向に延伸した開口部６を有している。また、第２導電層９は一方向に延びたストライプ形状である。また、抵抗膜１２はＡ電極構造４の全面を覆う形状を有する。
あるいは、図９に示すように、図８と積層構成は同じであるが、開口部６が抵抗膜１２に設けられていてもよい。図８及び図９のいずれの開口部６も、Ａ電極構造４の中心付近の電位に影響を与えることができる。
図８のＡ電極構造４を用いて構成した液晶レンズ素子について図１０を用いて説明する。図１０では、上基板１のＡ電極構造はＸ方向に電位勾配が発生するように配置されている。下基板２上のＢ電極構造として図８の構成で開口部を持たない電極構成を使用している。図１０から分かるように、Ａ電極構造ではＹ方向に延びる第２導電層９を有し、Ｂ電極構造ではＸ方向に延びる第２導電層９を有している。
以上の液晶レンズ素子の動作について図１１を用いて説明する。図１１においては、液晶の初期の配向方向はＸ方向に設定されている。図１１（ａ）では、上基板１上のすべての電位はΦ０に設定され、下基板２上の第１導電層７は電位Φ０に、第２導電層９は電位Φに設定される。以上のようにして、液晶層３に印加される電位分布はＹ方向に勾配をもつこととなる。この際、既に述べた説明と同様に、Ｘ方向に延びたシリンドリカルレンズに相当する液晶配向状態を得ることができる。
一方、図１１（ｂ）に示すように、下基板２上のすべての電位をΦ０に設定し、上基板１上の第１導電層７をΦ０、第２導電層９をΦに設定することにより、液晶層３に印加される電位分布にＸ方向の勾配を持たせることができる。この際、すでに述べた開口部６の働きにより、液晶初期配向方向がＸ方向にも関わらず、対称な液晶配向状態を得ることができる。この場合、Ｙ方向に延びたシリンドリカルレンズとして働く。
以上のように、Ｘ方向に延びたシリンドリカルレンズ機能あるいはＹ方向に延びたシリンドリカルレンズ機能の両者を実現することができる。
第４の本発明は、対向する上基板及び下基板と両基板間に挟まれた液晶層とからなり、前記両基板の面内方向をｘｙ平面としたときに、前記液晶層はｘ方向に初期配向方向を有し、前記上基板はｘ方向に電位勾配を発生させるＡ電極構造がｘ方向に並んだ繰り返し領域を有し、前記下基板はｙ方向に電位勾配を発生させるＢ電極構造がｙ方向に並んだ繰り返し領域を有し、なおかつ、前記Ａ電極構造中央部にｙ方向に延伸した中央部電極を有することから構成される液晶レンズ素子である。
本発明の液晶レンズ素子について図１２を用いて説明する。図１２では、上基板１、下基板２、液晶層３からなる液晶レンズ素子が示されている。各基板上には、Ｘ方向に電位勾配を発生させることができるＡ電極構造４がＸ方向に並んだ繰り返し領域、Ｙ方向に電位勾配を発生させることができるＢ電極構造５がＹ方向に並んだ繰り返し領域が各々配置されている。さらに、図１２ではＡ電極構造４の中央部にＹ方向に延伸した中央部電極１３が配置されている。この際、液晶の初期配向方向はＸ方向である。
以上の液晶レンズ素子の動作について図１３の液晶配向状態を示す断面図を用いて説明する。液晶は初期にＸ方向に配向している。このため、すでに図４で述べたように、Ｘ方向に液晶配向の非対称性が生じやすい状況にある。本発明においては、中央部電極１３に固定電位を供給することによって、中央部電極１３直下の液晶層３の電圧を決定することができる。例えば、図１３では中央部電極１３をＢ電極構造５と同電位にすることにより、直下の液晶層３に電圧が印加されないようにすることができる。以上のようにして、Ａ電極構造４の中央部の電位を決めることで、図１３に示したような対称な液晶配向分布を発生させることができる。
第５の本発明は、前記Ａ電極構造が、少なくとも第１導電層、第２導電層からなり、前記第１導電層のシート抵抗が前記第２導電層のシート抵抗よりも低く、なおかつＡ電極構造がｘ方向に延伸した主方向部位とｙ方向に延伸した分岐部位とｙ方向に延伸した前記中央部電極とｙ方向に延伸した端部電極とからなり、なおかつ前記主方向部位は前記分岐部位と前記中央部電極と前記端部電極に接続し、なおかつ前記主方向部位が前記第２導電層で構成され、なおかつ前記分岐部位と前記中央部電極と前記端部電極とが少なくとも前記第１導電層を含む層で構成されている第４の発明の液晶レンズ素子である。
本発明について図１４、図１５を用いて説明する。図１４では、上基板１上の第１導電層と第２導電層からなるＡ電極構造４が示されている。第１導電層のシート抵抗は第２導電層のシート抵抗より低いとする。Ａ電極構造４は、主方向部位１５と分岐部位１４と中央部電極１３と端部電極３０から構成される。主方向部位１５は図１４の左右方向に延伸しており、これと直交した方向に分岐部位１４、中央部電極１３、端部電極３０が延伸している。図１４に示すように主方向部位１５と、分岐部位１４、中央部電極１３、端部電極３０の各々は基板面内で重複した部分を有することで接続部を有している。主方向部位１５は相対的にシート抵抗の高い第２導電層から構成されている。一方、分岐部位１４、中央部電極１３、端部電極３０は図１４に示すように第１導電層から構成されている。あるいは図１５の分岐部位１４、中央部電極１３、端部電極３０で示したように第１電極層及び第２電極層から構成することができる。
図１４および図１５では図示されていないが、中央部電極１３及び端部電極３０は繰り返し領域の外まで延伸され、外部電源と結線されて電位が設定される。図１４及び図１５の左右端の端部電極３０を互いに短絡して同一電位に、中央部電極１３をこれとは異なる電位に設定する。中央部電極１３はＡ電極構造４の中央部に位置しているため、図１４及び図１５の主方向部位１５に沿った電位分布は中央部電極１３を対称軸として対称な形状となる。また、分岐部位１４は主方向部位１５に直交する方向に延伸しており、相対的にシート抵抗の低い第１導電層で形成されている。このため、Ａ電極構造４内の電位は、主方向部位１５に沿って変化し、分岐部位１４に沿って変化しにくい分布となっている。等電位線はほぼ分岐部位１４方向に平行な形状となる。
以上のように、中央部電極１３によりＡ電極構造４の中央部の電位を決定することができる。主方向部位１５に平行に液晶を配向させた場合、電位勾配方向と平行になる。この際、既に図２に述べたようにプレチルト角の効果のため、電位勾配方向に沿って非対称な配向状態となりやすい。しかし、本発明においては、中心部電極１３が配置されているため、Ａ電極構造４の中央部の電位が確定し、対称な配向状態が得られる。
第６の本発明は、少なくとも表示パネル、偏光板、前記液晶レンズ素子の順序からなる積層体を含み、前記液晶レンズ素子が請求項１から５記載のいずれかであることから構成される表示装置である。
以上の第１から第５の液晶レンズ素子を、表示パネル、偏光板、液晶レンズ素子の順序で積層して、縦置き立体表示、横置き立体表示、２次元平面表示ができる表示装置を得ることは、従来技術と同様である。
第７の本発明は、第６の発明の表示装置を搭載した端末機から構成される。
また、以上の表示装置を端末機に搭載して端末機を得ることは周知の通りである。とくに、縦置き及び横置き表示を自由に変えることができる端末機には好適である。図２８にこの端末機の斜視図を示す。
以上の本発明を用いることにより、以下の効果を得ることができる。
既に説明したように２次元表示、縦置き立体表示、横置き立体表示の切り替え表示が可能である。また、縦置き立体表示時あるいは横置き立体表示時に同等のシリンドリカルレンズ性能を得ることが可能である。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
［第１の実施の形態］
［第１の実施の形態］
図１６を用いて本発明の第１の実施形態を説明する。本実施形態においては、表示パネルとして液晶表示パネル１６を用いる。液晶表示パネル１６の上に偏光板１７、液晶レンズ素子１８を配置する。図１６に偏光板透過軸１９が同時に示されている。一方、液晶レンズ素子１８は、上基板１、液晶層（図示せず）、下基板２からなる。液晶配向方向２０も、図１６に同時に示されている。
図１７には、図１６の液晶表示パネル１６の構成が示されている。液晶表示パネル１６は偏光板１７とＴＦＴ（Thin Film Transistor）基板３２と液晶層（図示せず）とカラーフィルタ基板３３から構成されている。図１７の偏光板透過軸１９はＹ方向に一致するように配置されている。一方、液晶層の配向方向も偏光板透過軸方向と一致するようにラビング方向３４が決められている。本実施形態では、ＴＦＴ基板３２とカラーフィルタ基板３３の両ラビング方向が平行になるように基板が対向配置されている。ＴＦＴ基板３２上の各画素区画内には走査線と信号線に結線されたＴＦＴ素子と櫛歯形状の画素電極及び共通電極が配置されている。これらの配置及び製法は広く知られたものを用いることができる。
液晶レンズ素子１８の構成について以下で説明する。液晶レンズ素子１８は図１６に示したように上基板１と下基板２とその間の液晶層からなる。上基板１及び下基板２に設けられた電極配置について、図１８を用いて説明する。上基板１上の電極配置は下基板２上の電極配置と同じものを用いることができる。ただし、両基板を対向させる際、一方を９０°回転させる必要がある。両基板上に相対的に抵抗が低い物質からなる第１導電層と、相対的に抵抗が高い物質からなる第２導電層とが形成され、パターン化されている。図１８に電極表面を上にしたときの上基板１上の電極配置が示されている。各電極は電位勾配方向を決める主方向部位１５、分岐部位１４、中央部電極１３、端部電極３０からなり、７つの接続点（Ａ１〜Ａ７）で接続されている。主方向部位１５は第２導電層からなり、接続点Ａ４で中央部電極１３に接続され、外部端子２１と結線している。さらに、主方向部位１５は接続点Ａ１でより低抵抗の第１導電層に接続されて一方の外部端子２１に接続される。また、主方向部位１５は、接続点Ａ７で同様に第１導電層に接続されて他方の外部端子２１に接続される。以上のようにして、主方向部位１５の中央部と両端に外部電圧が供給される。図１８では、単位となる液晶レンズ一本分の幅について記載されている。すなわち、Ａ１からＡ７までがレンズ１本相当幅となる。また、分岐部位１４は、主方向部位１５から直交した方向に延伸した形状をしており、第１導電層及び第２導電層の積層から形成されている。これにより、縦方向に均一な電位を供給し、縦方向に延伸したレンズを実現することができる。
第１導電層として、シート抵抗が相対的に小さなＩＴＯ（Indium Tin Oxide）などの透明導電薄膜を用いることができる。一方、よりシート抵抗が相対的に大きな第２導電層として、透明な酸化亜鉛薄膜などを用いることができる。これら透明導電層はスパッタや蒸着などの成膜工程で得られることができる。また、通常のフォトリソグラフィー工程を用いてパターン加工可能である。
以上の電極加工の後、２枚の基板上に配向膜を形成し、配向処理を行い、互いの主方向部位１５が直交するように対向させる。以上の作成方法は、広く知られた液晶セルの組立工程を用いることができる。
以上、図１６の構成である液晶表示パネル１６、液晶レンズ素子１８について説明した。次に、本実施形態の表示動作について説明する。２Ｄ表示においては、液晶レンズ素子１８の上下基板１、２の外部端子２１にはすべて０Ｖが印加される。
一方、縦置き３Ｄ表示においては、上基板１の両外部端子２１間に０Ｖでない電圧が印加され、下基板２の両外部端子２１は０Ｖに設定される。上基板１の外部端子２１間に印加する電圧波形は、サイン波や矩形波でよい。この電圧波形の周波数や振幅を調整して、位相変調機能が最も適したものを選ぶことができる。特に、光学的位相差が二次関数状に変化するものが収差の少ないレンズに好適として知られている。光学的位相差を所望の関数系に合わせるように調整する方法に関しては、液晶レンズを構成する導電膜の導電率や誘電膜の誘電率を調整してできることが、例えば特開２０１１−１７７４２号公報や２０１０年日本液晶学会討論会発表ＰＡ５２（佐藤進、内田勝、河村希典、「誘電率分布層を有する液晶光学デバイス」）や２０１１年日本液晶学会討論会発表ＰＢ４９（佐藤進、内田勝、河村希典、「インピーダンス分布層を有する液晶光学デバイスの駆動周波数特性」）などに述べられている。この結果、図１６の縦方向に延伸した収差の少ないシリンドリカルレンズが液晶層中に形成される。前記シリンドリカルレンズに対応させて、液晶表示パネル１６上に左目用画素、右目用画素を用意することにより、縦置き３Ｄ表示を行わせることができる。
他方、横置き３Ｄ表示においては、下基板２の両外部端子２１間に０Ｖでない電圧が印加され、上基板１の両外部端子２１は０Ｖに設定される。この結果、図１６の横方向に延伸したシリンドリカルレンズが液晶層中に形成される。このシリンドリカルレンズに対応させて、同様に液晶表示パネル１６上に左目用画素、右目用画素を用意することにより、横置き３Ｄ表示を行わせることができる。
以上のようにして、２Ｄ表示、縦置き３Ｄ表示、横置き３Ｄ表示を行うことができる。
［第２の実施の形態］
［第２の実施の形態］
第２の実施の形態について図１９を用いて説明する。本実施の形態は、第１の実施の形態とは液晶レンズ素子中の主方向部位１５と接続点の配置が異なるだけである。図１９に本実施の形態の構造を示す。図１９では電極表面を上にしたときの上基板上の電極配置が示されている。図１９（ａ）、（ｂ）は、図１８とは異なり主方向部位１５を単位シリンドリカルレンズに対して複数箇所設けたものである。あるいは、図１９（ｃ）に示すように、単一の主方向部位１５を中心位置からずらして配置することも可能である。
以上のように、主方向部位１５は電圧勾配方向を決めるためのものであり、方向が一致すれば、複数箇所に設けることも可能である。また、平行移動してずらして配置することも可能である。なお、以上の基板を用いた液晶レンズ素子の製造工程は、第１の実施の形態でも述べたように広く知られて液晶セルの組立工程を用いることができる。
［第３の実施の形態］
［第３の実施の形態］
第３の実施の形態について図２０及び図２１を用いて説明する。図２０及び図２１は電極表面を上にしたときの上基板上の電極配置が示されている。本実施の形態は、第１の実施の形態と比較して液晶レンズ素子中の分岐部位１４の構成が異なるだけである。図２０に本実施の形態の構造を示す。図２０（ａ）では、分岐部位１４は第１導電層からのみ構成されている。さらに、図２０（ｂ）では、分岐部位１４は第１導電層単体から構成されている部分と第２導電層単体から構成されている部分からなっている。あるいは、図２１（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すように、第１導電層と第２導電層の積層構造を分岐部位１４に導入することも可能である。
分岐部位１４は、主方向部位１５の延伸方向と直交する方向に等電位部分を広げるものである。すなわち、図２０では左右方向に主方向部位１５が延伸しており、上下方向に分岐部位１４が延伸している。このため、等電位線は縦方向に伸びた形状となる。以上のように、分岐部位１４は延伸方向が一致していれば、複数箇所に設けることが可能である。また、分岐部位１４の構造に変化をもたせることにより、任意の電位分布を得ることが可能である。これにより、偏光の位相速度を調整し、レンズ動作時の位相変調を細かく調整することが可能である。また、レンズ収差の補正を行うことができる。
［第４の実施の形態］
［第４の実施の形態］
第４の実施の形態について図２２を用いて説明する。本実施の形態は、第１の実施の形態と比較して液晶レンズ素子１８の構成が異なる。液晶レンズ素子１８の構成は図６に示したものと同じものである。以下では、本液晶レンズ素子の作成方法について説明する。上下基板１、２であるガラス基板上にスパッタ成膜で形成されたＩＴＯなどの透明導電膜で第１導電層７が形成され、パターン加工される。この際に、開口部６が形成される。この後、スパッタ成膜などで酸化シリコンなどの絶縁膜が形成される。この後、再びＩＴＯなどの透明導電膜が形成され、パターン加工されて、ストライプ形状の第２導電層９が形成される。以上の基板を２枚用意する。この後、配向膜形成、配向処理などの周知の液晶セル製造工程を経て、前記２枚の基板を両基板上の第２導電層のストライプ方向が直交するように対向させる。この後、液晶を注入する。
以上の液晶レンズ素子１８は図２２に示すように上下基板各々に外部端子２１を２つずつ有する。縦シリンドリカルレンズ動作や横シリンドリカルレンズ動作をさせる際の電圧印加方法は、図７と同一である。以上のように、同様に２次元表示、縦置き３Ｄ表示、横置き３Ｄ表示を行うことが可能である。
［第５の実施の形態］
［第５の実施の形態］
第５の実施の形態を説明する。本実施の形態では、第４の実施の形態と液晶レンズ素子の構成が異なり、図８の構成を有している。図８の製造方法について説明する。第１導電層７、第１絶縁層１０、第２導電層９までの加工は、既に第４の実施の形態で説明した。これに加え、本実施の形態では第２絶縁層１１、抵抗膜１２を設ける。抵抗膜１２は、第１導電層７（あるいは第２導電層９）と第２絶縁層１１の中間のシート抵抗を持つ材料で構成されている。抵抗膜１２として透明なものが望ましく、なおかつ抵抗値を制御可能なものが望まれる。以上のような抵抗膜１２として、すでに説明した酸化亜鉛薄膜などを挙げることができる。
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて、その構成や製造方法は任意である。
本発明は、液晶レンズ素子を備える表示装置並びに当該表示装置を搭載した端末機に利用可能である。
１ 上基板
２ 下基板
３ 液晶層
４ Ａ電極構造
５ Ｂ電極構造
６ 開口部
７ 第１導電層
８ 絶縁層
９ 第２導電層
１０ 第１絶縁層
１１ 第２絶縁層
１２ 抵抗膜
１３ 中央部電極
１４ 分岐部位
１５ 主方向部位
１６ 液晶表示パネル
１７ 偏光板
１８ 液晶レンズ素子
１９ 偏光板透過軸
２０ 液晶配向方向
２１ 外部端子
２２ 第１の電極群
２３ 第２の電極群
２４ レンズアレイ素子
２５ 表示パネル
２６ 電極（幅Ｓｘ）
２７ 電極（幅Ｌｘ）
２８ 電極（幅Ｌｙ）
２９ 電極（幅Ｓｙ）
３０ 端部電極
３１ プレチルト角
３２ ＴＦＴ基板
３３ カラーフィルタ基板
３４ ラビング方向
２ 下基板
３ 液晶層
４ Ａ電極構造
５ Ｂ電極構造
６ 開口部
７ 第１導電層
８ 絶縁層
９ 第２導電層
１０ 第１絶縁層
１１ 第２絶縁層
１２ 抵抗膜
１３ 中央部電極
１４ 分岐部位
１５ 主方向部位
１６ 液晶表示パネル
１７ 偏光板
１８ 液晶レンズ素子
１９ 偏光板透過軸
２０ 液晶配向方向
２１ 外部端子
２２ 第１の電極群
２３ 第２の電極群
２４ レンズアレイ素子
２５ 表示パネル
２６ 電極（幅Ｓｘ）
２７ 電極（幅Ｌｘ）
２８ 電極（幅Ｌｙ）
２９ 電極（幅Ｓｙ）
３０ 端部電極
３１ プレチルト角
３２ ＴＦＴ基板
３３ カラーフィルタ基板
３４ ラビング方向
Claims (7)
- 対向する上基板及び下基板と両基板間に挟まれた液晶層とからなり、前記両基板の面内方向をｘｙ平面としたときに、前記液晶層はｘ方向に初期配向方向を有し、前記上基板はｘ方向に電位勾配を発生させるＡ電極構造がｘ方向に並んだ繰り返し領域を有し、前記下基板はｙ方向に電位勾配を発生させるＢ電極構造がｙ方向に並んだ繰り返し領域を有し、なおかつ、前記Ａ電極構造中央部にｙ方向に延伸した開口部を有することを特徴とする液晶レンズ素子。
- 前記Ａ電極構造が前記上基板上に第１導電層、絶縁層、第２導電層を有し、前記第１導電層が前記上基板全面を覆う形状の電極であり、前記第２導電層がｙ方向に延伸したストライプ形状であることを特徴とする請求項１記載の液晶レンズ素子。
- 前記Ａ電極構造が前記上基板上に第１導電層、第１絶縁層、第２導電層、第２絶縁層、抵抗膜を有し、前記第１導電層が前記上基板全面を覆う電極であり、前記第２導電層がｙ方向に延伸したストライプ形状であり、前記抵抗膜のシート抵抗が前記第１導電層あるいは前記第２導電層と前記第２絶縁層との中間に位置することを特徴とする請求項１記載の液晶レンズ素子。
- 対向する上基板及び下基板と両基板間に挟まれた液晶層とからなり、前記両基板の面内方向をｘｙ平面としたときに、前記液晶層はｘ方向に初期配向方向を有し、前記上基板はｘ方向に電位勾配を発生させるＡ電極構造がｘ方向に並んだ繰り返し領域を有し、前記下基板はｙ方向に電位勾配を発生させるＢ電極構造がｙ方向に並んだ繰り返し領域を有し、なおかつ、前記Ａ電極構造中央部にｙ方向に延伸した中央部電極を有することを特徴とする液晶レンズ素子。
- 前記Ａ電極構造が、少なくとも第１導電層、第２導電層からなり、前記第１導電層のシート抵抗が前記第２導電層のシート抵抗よりも低く、なおかつＡ電極構造がｘ方向に延伸した主方向部位とｙ方向に延伸した分岐部位とｙ方向に延伸した前記中央部電極とｙ方向に延伸した端部電極とからなり、なおかつ前記主方向部位は前記分岐部位と前記中央部電極と前記端部電極に接続し、なおかつ前記主方向部位が前記第２導電層で構成され、なおかつ前記分岐部位と前記中央部電極と前記端部電極とが少なくとも前記第１導電層を含む層で構成されていることを特徴とする請求項４記載の液晶レンズ素子。
- 少なくとも表示パネル、偏光板、前記液晶レンズ素子の順序からなる積層体を含み、前記液晶レンズ素子が請求項１から５記載のいずれかであることを特徴とする表示装置。
- 請求項６記載の前記表示装置を搭載した端末機。
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