JP2014215441A - 画像表示デバイスおよび画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】縦表示でも横表示でも３Ｄ表示が可能な表示デバイスを提供する。【解決手段】画像表示デバイスは、画像表示パネル６０と、液晶レンズ４０とを備える。液晶レンズ４０は、画像表示パネルから出力された光を所定の方向に変換する。また、液晶レンズ４０は、第１電極層４４と、第２電極層４５と、液晶層４３と、電圧制御部７０と、を有する。第１電極層４４は、単一電極で構成されている。第２電極層４５は、第１電極層４４と対向して配置されている。第２電極層４５は、複数の微小電極５０が格子状に配列して構成されている。液晶層４３は、第１電極層４４および第２電極層４５との間に配置され、異方性の屈折率を有する複数の液晶分子４９を有している。液晶層４３は、第１電極層４４と第２電極層４５との間に形成される電場によって液晶分子４９の長手方向の配列方向が変化することで屈折率が変化する。【選択図】図６

Description

本開示は、液晶ディスプレイなどの画像を表示させるための画像表示デバイスおよび画像表示装置に関する。

特許文献１は、液晶レンズ層を備えた立体画像表示装置を開示している。液晶レンズ層は、レンズ効果を有する液晶素子である。

特開２００７−２２６２３１号公報

本開示は、縦表示でも横表示でも３Ｄ表示が可能な表示デバイスおよび表示装置を提供することを目的とする。

ここに開示される画像表示デバイスは、表示パネルと、前記表示パネルから出力された光を所定の方向に偏向する画像変換素子と、を備え、前記画像変換素子は、単一電極で構成された第１電極層と、前記第１電極と対向して配置され、複数の微少電極が格子状に配列された第２電極層と、前記第１電極層および前記第２電極層との間に配置され、異方性の屈折率を有する複数の液晶分子を有しており、前記第１電極層と前記第２電極層との間に形成される電場によって前記液晶分子の長手方向の配列方向が変化することで屈折率が変化する液晶層と、前記第１電極層および前記第２電極層へ印加する電圧を制御することで、前記表示パネルから出力された光を第1方向に偏向する第1状態と、前記第1方向に対して９０度回転した第２方向に偏向する第２状態とを切り替え可能に制御する電圧制御部とを備える。

本開示によれば、縦表示でも横表示でも３Ｄ表示が可能な表示デバイスおよび表示装置を提供することができる。

（ａ）画像表示装置１０を横表示で使用した状態を示す概略図（ｂ）画像表示装置１０を縦表示で使用した状態を示す概略図 画像表示装置１０の断面図 画像表示装置１０の部分拡大図 液晶レンズ４０の分解斜視図 （ａ）液晶レンズ４０の分解斜視図（ｂ）は第２電極層４５の上面図 （ａ）横表示の際の液晶レンズ４０を示す分解斜視図（ｂ）縦表示の際の液晶レンズ４０を示す分解斜視図 （ａ）２Ｄ表示時の液晶レンズ４０の断面図（ｂ）３Ｄ表示時の液晶レンズ４０の断面図 （ａ）２Ｄ表示時の液晶レンズ４０の断面図（ｂ）３Ｄ表示時の液晶レンズ４０の断面図 （ａ）液晶レンズ１４０のＸＺ平面における断面図（ｂ）液晶レンズ１４０の分解斜視図 液晶レンズ２４０の分解斜視図 液晶レンズ３４０の分解斜視図

以下、適宜図面を参照しながら、実施の形態を詳細に説明する。ただし、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。

なお、出願人は、当業者が本開示を十分に理解するために添付図面および以下の説明を提供するのであって、これらによって特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図するものではない。

（実施の形態１）
［１．画像表示装置］
図１は、本発明の実施の形態における縦横切り替え可能な画像表示装置１０の外観を示す概略図である。この画像表示装置１０は、図１（ａ）に示す横表示（横長の状態。第１状態の一例。）で使用することができ、また、画像表示装置１０を図１（ａ）の状態から時計回りに９０度回転させることで、図１（ｂ）に示す縦表示（縦長の状態。第２状態の一例。）でも使用することが出来る。図１（ａ）の状態から図１（ｂ）の状態に表示装置が回転した際に、画像表示装置１０の表示内容を反時計回りに９０度回転させる。これにより、縦表示でも横表示でも観察者は同じ画像を見ることができる。

図２は、実施の形態に係る画像表示装置１０の概略断面図である。本実施の形態では、画像表示装置１０に対して３次元直交座標系を設定し、座標軸を用いて方向を特定する。

図２に示すように、Ｘ軸方向は、画像表示パネル６０の表示面に対して視聴者が正対したときの左右方向（水平方向）と一致している。Ｙ軸方向は、画像表示パネル６０の表示面に対して視聴者が正対したときの上下方向に一致している。Ｚ軸方向は、画像表示パネル６０の表示面に対して垂直な方向に一致している。ここで、「正対」とは、例えば表示面に「Ａ」という文字が表示されている場合において、視聴者がこの「Ａ」という文字を正しい方向から見るように、表示面の真正面に向かって位置していることを意味する。また、図２は、画像表示装置１０の上側から見た図に相当する。したがって、図２の左側が、視聴者から見た表示画面の右側となる。

図２に示すように、画像表示装置１０は、バックライト２０と、２Ｄ画像及び３Ｄ画像が表示可能な画像表示パネル６０と、液晶レンズ４０と、表示パネル６０を制御する表示制御部６５と、液晶レンズ４０に印加する電圧を制御する電圧制御部７０とを備える。画像表示パネル６０と、液晶レンズ４０とで画像表示デバイスを構成している。液晶レンズ４０は、画像変換素子の一例である。以下、各構成に対してそれぞれ詳細を述べる。

バックライト２０は、光源２１と、反射フィルム２２と、傾斜面２４を有する導光板２３と、拡散シート２５と、プリズムシート２６と、偏光反射シート２７と、を備える。反射フィルム２２は導光板２３の下面側に設けられており、拡散シート２５は導光板２３の上面側に設けられている。

光源２１は、導光板２３の一方の側面に沿って配置されている。光源２１は、Ｙ軸方向に配列された複数のＬＥＤ素子を有している。

光源２１から出射された光は、導光板２３の上面と下面とで全反射を繰り返しながら導光板２３内に広がる。導光板２３内で全反射角度を超える角度を持った光が導光板２３の上面から出射される。導光板２３の下面は、図２に示すように、複数の傾斜面２４により構成されている。これらの傾斜面２４により、導光板２３内を伝搬する光は様々な方向に反射されるので、導光板２３から出射する光の強度が上面全体にわたって均一になる。

反射フィルム２２は、導光板２３の下面側に設けられている。導光板２３の下面に設けられた傾斜面２４の全反射角度を破った光は、反射フィルム２２により反射され、再び導光板２３内に入射し、最終的に上面から出射される。導光板２３から出射された光は、拡散シート２５に入射する。

拡散シート２５は表面に微細な凹凸を設けたフィルム状部材であり、厚みは０．１〜０．３ｍｍ程度である。拡散シート２５の替わりに、内部に複数のビーズを有する拡散板を用いてもよい。拡散板は、拡散シート２５よりも厚いため、内部で面方向に光を広げる効果を有する。一方、拡散シート２５は、拡散板よりも薄いため内部で面方向に光を広げる効果は小さいが、表面の凹凸で光を拡散させることができる。また、拡散シート２５を用いることで、画像表示装置１０のＺ軸方向の厚みを小さくすることもできる。

プリズムシート２６は透明フィルムの一方の面に無数の微細なプリズムアレイを有する。プリズムシート２６は、一部の光を反射しそれ以外の光を透過する。プリズムシート２６は、透過した光について面の法線方向に相対的に強い指向性を付与する。これにより、プリズムシート２６は、少ない光量で有効方向を明るく照明する。

偏光反射シート２７は液晶パネル用バックライトに固有の部材であり、液晶パネルが透過する偏光方向成分の光を透過しそれ以外の成分を反射する。反射された光は他の光学部材類や導光板２３裏面に設けられた反射シート２２で反射される際に無偏光となって偏光反射シート２７に再入射し、透過偏光成分が透過する。これを繰り返すことで液晶パネルで有効に利用される偏光成分に統一して液晶パネル側に出射する。

画素表示パネル６０の一例として、Ｉｎ−Ｐｌａｎｅ−Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ方式を用いた液晶パネルが挙げられる。ただし、画像表示パネル６０として他の方式の画像表示パネルを採用することもできる。

バックライト２０から出射された光は、画像表示パネル６０に入射する。画像表示パネル６０に入射した光は、液晶レンズ４０側に出射する。

画像表示パネル６０の入射面および出射面には光の偏光を揃えるためのシートが形成されている。ここで、本実施の形態では画像表示パネルからの光の偏光方向はＹ軸方向としている。

画像表示パネル６０は、表示制御部６５により、２Ｄ表示および３Ｄ表示が切り替えられる。画像表示パネル６０は複数の画素を有している。複数の画素は、３Ｄ表示のときは、右目用画素と左目用画素に分けて用いられる。表示制御部６５は、右目用画素を用いて右目用画像を表示し、左目用画素を用いて左目用画像を表示するよう、画像表示パネル６０を制御する。右目用画像と左目用画像は同時に表示される。そして、液晶レンズ４０により、右目要画像は視聴者の右目に、左目用画像は視聴者の左目に入射する。

２Ｄのときは、従来通り全ての画素を用いて２Ｄ画像が表示される。このとき、液晶レンズ４０は、電圧制御部７０によりレンズ機能が発生しないように制御される。したがって、２Ｄ画像はそのまま液晶レンズ４０を透過し、視聴者の目に届く。

液晶レンズ４０は、第１基板４１及び第２基板４２と、それらの間に配置される液晶層４３とを備える。液晶レンズ４０の詳細については後述する。

電圧制御部７０は、２Ｄ、３Ｄ表示に応じて液晶レンズ４０に印加する電圧値を切り換える。３Ｄ表示の時には、電圧制御部７０は液晶レンズ４０がレンズ効果を持つように液晶層４３に電圧を印加する。また２Ｄ表示の時には、電圧制御部７０は液晶レンズ４０がレンズ効果をもたないように電圧を制御する。２Ｄ表示の際は、電圧制御部７０は液晶レンズ４０に電圧を印加しないようにしてもよく、レンズ効果が発生しないように電圧を印加してもよい。どのような電圧を印加するかは、液晶層４３の液晶素子の配向に応じて適宜設定すればよい。このように印加電圧を制御することで、２Ｄ表示の時には、画像表示パネル６０を出射した光は、液晶レンズ４０を通過しても、光の配向特性を保ったまま、視聴者の目に入射する。一方で、３Ｄ表示の時には画像表示パネル６０を出射した光は、液晶レンズ４０により偏向され、右目用画素からの光は視聴者の右目に、左目用画素からの光は視聴者の左目に集光される。

基板４１の及び基板４２の液晶層４３側には、配向膜が形成されている。配向膜は、電極に電圧が印加されていない状態で、液晶分子の長軸がＹ軸方向となるように液晶分子を配向させる。ただし、液晶分子の配向が均一に保てるのであれば、配向膜はなくても良い。対向基板４１及び４２の形成材料としては、ガラスを用いることができる。

液晶レンズ４０は、電極を成膜した対向基板４１と電極を成膜した対向基板４２と貼り合わせ、対向基板４１及び４２の間に液晶を封入することによって作製できる。
［２．液晶レンズ］
図３は、画像表示装置１０の部分拡大図であり、液晶レンズ４０および表示パネル６０の一部を示している。

図３に示すように、液晶レンズ４０は、第１基板４１と、第２基板４２と、液晶層４３と、第１電極層４４と、第２電極層４５と、配向膜４６および４７と、を備える。

第１基板４１および第２基板４２は、互いに対向して配置された対向基板である。第１基板４１および第２基板４２は、平板状の部材であり、光透過性を有する。

第１基板４１と第２基板４２の間には、液晶層４３が封入されている。液晶層４３は、複数の液晶分子４９により構成されている。

第１基板４１の内面（液晶層４３側の面）には、第１電極層４４が設けられている。第２基板４２の内面（液晶層４３側の面）には、第２電極層４５が設けられている。第１電極層４４および第２電極層４５は、光透過性を有する透明電極である。

第１電極層４４と液晶層４３との間には、配向膜４６が設けられている。第２電極層４５と液晶層４３との間には、配向膜４７が設けられている。

表示パネル６０は、カラーフィルタ６１と、液晶パネル６４と、を有している。カラーフィルタ６１は、ブラックマトリクス６２と、ブラックマトリクス６１により区画された画素６３Ｒ、６３Ｇ、６３Ｂを備える。

図３に点線で示した領域Ａは、後述する液晶レンズ１つ分の領域を示している。図３に示すように、液晶レンズ１つで、少なくとも画素２つ分（画素６３Ｒおよび６３Ｇ）の領域に対応している。

図４は、液晶レンズ４０の分解斜視図であり、液晶レンズ４０の一部を拡大して示している。図４を用いて、液晶レンズ４０の電極構成について説明する。

図４に示すように、第１電極層４４は単一の電極で構成されている。第２電極層４５は、第２基板４２上に複数の微少電極５０が格子状に配列して構成されている。１つの格子５５は、４つの辺により形成されている。４つの辺のうち少なくとも１つの辺は、少なくとも３つ以上の微少電極５０で構成されている。本実施形態では、４つの辺全てが、３つ以上の微小電極５０で構成されている。具体的には、５つの微小電極５０で構成された辺が２つあり、７つの微小電極５０で構成された辺が２つある。このような格子が、Ｘ軸方向およびＹ軸方向に複数配列されることで、格子状の第２電極層４５が形成されている。

図５は、液晶レンズ４０の格子１つ分に対応する領域を示す概略図であり、図５（ａ）は液晶レンズ４０の分解斜視図、図５（ｂ）は第２電極層４５の上面図である。

図５（ａ）および（ｂ）に示すように、第２電極層４５の格子１つ分の領域は、複数の微少電極５０が配列されることで構成されている。

１つの格子は、４つの辺Ｌ１〜Ｌ４で構成されている。

辺Ｌ１は、Ｙ軸方向に配列された５つの微小電極５０で構成されている。具体的には、辺Ｌ１は、微小電極５０ａ、５０ｂ、５０ｃ、５０ｄ、５０ｅ、で構成されている。

辺Ｌ２は、Ｘ軸方向に配列された７つの微小電極５０で構成されている。具体的には、辺Ｌ２は、微小電極５０ｅ、５０ｆ、５０ｇ、５０ｈ、５０ｉ、５０ｊ、５０ｋで構成されている。微少電極５０ｅは、辺Ｌ１と辺Ｌ２の両方に含まれる。

辺Ｌ３は、Ｙ軸方向に配列された５つの微小電極５０で構成されている。具体的には、辺Ｌ３は、微小電極５０ｋ、５０ｌ、５０ｍ、５０ｎ、５０ｏで構成される。微小電極５０ｋは、辺Ｌ２と辺Ｌ３の両方に含まれる。

辺Ｌ４は、Ｘ軸方向に配列された７つの微小電極で構成されている。具体的には、辺Ｌ４は、微小電極５０ｏ、５０ｐ、５０ｑ、５０ｒ、５０ｓ、５０ｔ、５０ａで構成される。微小電極５０ｏは、辺Ｌ３と辺Ｌ４の両方に含まれる。また、微小電極５０ａは、辺Ｌ４および辺Ｌ１の両方に含まれる。

このように、１つの格子を形成する４つの辺Ｌ１〜Ｌ４のうち少なくとも１つの辺は、少なくとも３つ以上の微小電極５０で構成されている。

次に、図６を用いて、横表示の際に用いる電極、および縦表示の際に用いる電極について説明する。

図６（ａ）は横表示の際の液晶レンズ４０を示す分解斜視図であり、図６（ｂ）は縦表示の際の液晶レンズ４０を示す分解斜視図である。説明の便宜上、液晶層４３を省略している。また、液晶層４３に対応する位置に、仮想的なレンズ形状ＰおよびＱを示している。

画像の表示が横表示の場合は、電圧制御部７０が以下のような電圧制御を行うことで、液晶レンズ４０は、図６（ａ）に示すような仮想的なレンズ形状Ｐと同様な光学機能を実現することができる。すなわち、電圧制御部７０は、第１電極層４４の電圧値をグランド電圧Ｖ０となるよう制御する。また、電圧制御部７０は、１つの格子を形成する４辺のうち対向する２辺を構成する複数の微小電極５０に対して、液晶分子４９の立ち上がり電圧Ｖｔｈ以上の電圧値Ｖ１を印加する。対向する２辺とは、辺Ｌ１と辺Ｌ３である。すなわち、電圧制御部７０は、辺Ｌ１を構成する微少電極５０ａ〜５０ｅ、および、辺L３を構成する微小電極５０ｋ〜５０ｏに電圧値Ｖ１を印加する。

また、電圧制御部７０は、他の２辺を構成する微小電極５０に対して電圧を印加しない。他の２辺とは、辺Ｌ２と辺Ｌ４である。電圧制御部７０は、辺Ｌ２を構成する複数の微小電極５０のうち、微小電極５０ｆ〜５０ｊには、電圧を印加しない。すなわち、微小電極５０ｆ〜５０ｊに印加する電圧値をフローティング電圧とする。フローティング電圧とは、取り得る電圧値が浮動的であることを意味している。例えば、図６（ａ）に示す状態では、電圧制御部７０は、微小電極５０ｆには電圧を印加しない。しかし、微小電極５０ｆは、隣の微少電極５０ｅに印加された電圧の影響を受ける。具体的には、隣の電極に印加された電圧の影響を受けて、微小電極５０ｆには、微少電極５０ｅに印加される電圧値Ｖ１よりも小さな電圧値が印加されたのと同じ状態になる。同様に、微小電極５０ｇは、微小電極５０ｆに印加された電圧の影響を受ける。すなわち、微小電極５０ｇには、微小電極５０ｆに印加された電圧よりも小さな電圧が印加されたのと同じ状態になる。このような現象が、微小電極５０ｋ側でも起こる。すなわち、微小電極５０ｊは、微小電極５０ｋに印加された電圧値Ｖ１の影響を受ける。その結果、微小電極５０ｊには、微小電極５０ｋに印加された電圧よりも小さな電圧が印加されたのと同じ状態になる。したがって、辺Ｌ２（微小電極５０ｅ〜５０ｋ）に印加される電圧は、微小電極５０ｅから微小電極５０ｈにかけて徐々に電圧が低下し、微少電極５０ｈから微小電極５０ｋにかけて徐々に電圧が上昇する。同様の現象が辺Ｌ４側でも発生する。すなわち、電圧制御部７０は、微少電極５０ａおよび５０ｏに電圧値Ｖ１を印加し、微小電極５０ｐ〜５０ｔをフローティング電圧となるよう制御する。このような電圧制御により、液晶レンズ４０は、図６（ａ）に示す仮想的なレンズＰのように振る舞うことができる。

なお、上述の電極制御では、微小電極５０ｆ〜５０ｊ、および、微小電極５０ｐ〜５０ｔに印加される電圧をフローティング電圧としたが、これには限らない。例えば、電圧制御部７０は、微小電極５０ｆ〜５０ｊ、および、微小電極５０ｐ〜５０ｔに所定の電圧値を印加するように制御してもよい。具体的には、電圧制御部７０が、微小電極５０ｆ〜５０ｊに対して非線形的でかつ段階的に変化する電圧であって立ち上がり電圧Ｖｔｈよりも小さな電圧を印加するようにしてもよい。その場合には、微小電極５０ｈに印加する電圧を最小値とする電圧とし、微小電極５０ｈから微小電極５０ｆ、微小電極５０ｋにかけて印加する電圧を上昇させる。また、電圧制御部７０は、微小電極５０ｐ〜５０ｔにも同様の電圧を印加するとよい。このような電圧制御でもまた、微小電極５０ｅから微小電極５０ｈにかけて徐々に電圧が低下し、微少電極５０ｈから微小電極５０ｋにかけて徐々に電圧が上昇する状態を実現することができる。

このような電圧制御により、液晶レンズ４０は、図６（ａ）に示すような仮想的なレンズＰと同様の光学機能を実現することができる。すなわち、上述したような電圧制御により液晶レンズ４０は、画像表示パネル６０から出力された光をＸ軸方向（第１方向の一例）に偏向することができる。これにより、図１（ａ）に示す横表示の状態（第１状態の一例）を実現することができる。

画像の表示が縦表示の場合は、電圧制御部７０が以下のような電圧制御を行うことで、液晶レンズ４０は、図６（ｂ）に示すような仮想的なレンズ形状Ｑと同様な光学機能を実現することができる。すなわち、電圧制御部７０は、第１電極層４４の電圧値をグランド電圧Ｖ０となるよう制御する。また、電圧制御部７０は、微少電極５０ｅ〜５０ｋ、および、微小電極５０ｏ〜５０ａに、電圧値Ｖ１を印加する。そして、電圧制御部７０は、微小電極５０ｂ〜５０ｃ、および、微小電極５０ｌ〜５０ｍをフローティング電圧となるよう制御する。このような電圧制御により、液晶レンズ４０は、図６（ｂ）に示す仮想的なレンズＱと同様の光学機能を実現することができる。すなわち、上述したような電圧制御により液晶レンズ４０は、画像表示パネル６０から出力された光をＹ軸方向（第２方向の一例）に偏向することができる。これにより、図１（ｂ）に示す横表示の状態（第２状態の一例）を実現することができる。

なお、図６（ａ）と同様に、フローティング電圧ではなく、微小電極５０ｂ〜５０ｃおよび微小電極５０ｌ〜５０ｍに所定の電圧を印加する制御を行ってもよい。

以上のように、複数の微小電極５０のそれぞれに印加する電圧値を制御することで、液晶レンズ４０のレンズ作用を９０度回転することができる。液晶レンズ４０のレンズ作用の方向に合わせて画像表示を制御することで、観察者は縦表示、横表示どちらの状態でも立体視が可能となる。

次に、液晶層４３に電圧を印加した場合の液晶分子４９の振る舞いについて図７および図８を用いて説明する。

図７は、図１（ａ）に示した横表示のときの液晶レンズの断面を示す概略断面図であり、図７（ａ）は２Ｄ表示時の状態を示し、図７（ｂ）は３Ｄ表示時の状態を示す。

図８は、図１（ｂ）に示した縦表示のときの液晶レンズの断面を示す概略断面図であり、図８（ａ）は２Ｄ表示時の状態を示し、図７（ｂ）は３Ｄ表示時の状態を示す。

以下に説明する液晶レンズを用いることで、３Ｄ表示状態での縦横表示の切り替えが可能となる。

まず、図１（ａ）に示した、横表示の時の液晶レンズについて図７を用いて説明する。

図７は、図１（ａ）に示した横表示のときの液晶レンズの断面を示す概略断面図である。また、図７は、液晶レンズ４０のレンズ１つ分の領域を示すＸＺ面における概略断面図である。図７（ａ）は、２Ｄ表示のときの液晶レンズ４０を示し、図７（ｂ）は、３Ｄ表示のときの液晶レンズ４０を示す。

液晶レンズ４０は、電圧制御部７０から印加される電圧に応じて、透過する光の配向を制御できる素子である。以下、その原理について説明する。

まず、複屈折について説明する。複屈折とは、入射してくる光の偏光の状態によって、２つの光線に分けられる現象である。２つの光線はそれぞれ、通常光線、異常光線と呼ばれる。複屈折Δｎは、ｎ_ｅとｎ_ｏの差分である。ｎ_eは、異常光線についての屈折率であり、異常光屈折率と称する場合がある。ｎ_oは、通常光線についての屈折率であり、常光屈折率と称する場合がある。

通常、液晶分子４９は楕円体形状をしており、長手方向と短手方向とで誘電率が異なる。このため、液晶層４３は、入射光の偏光方向毎に屈折率が異なる複屈折の性質を有する。

また、液晶分子４９の長軸配向（ダイレクタ）の向きが光の偏光方向に対して相対的に変化すれば、液晶層４３の屈折率が変化する。そのため、ある印加電圧を与えて発生させた電場により液晶の配向を変化させると、透過する光に対する屈折率が変わるため、適切な電極構成で電圧を印加するとレンズ効果を有する。

本実施の形態では、液晶層４３を構成する材料としては１軸性のポジ型液晶を用いている。そのため、図７（ａ）に示すように、対向電極間に電圧が印加されていない場合には液晶分子長軸がＹ軸方向に配向している。

画像表示パネル６０からの光の偏光方向がＹ軸方向であるため、第１電極層４４および第２電極層４５共に電圧が印加されていない場合の液晶層４３の屈折率は一様に異常光屈折率となる。そうすると、図７（ａ）に示すように、第２基板４２側から入射した光は、液晶層４３内をそのまま透過し、第１基板４１から出射する。

一方、液晶レンズ４３に電圧が印加された場合、例えば、微小電極５０ｅおよび５０ｋの電圧値を液晶の立ち上がり電圧Ｖｔｈよりも大きな電圧値Ｖ１とし、微小電極５０ｆ〜５０ｊ電圧値をフローティング電圧とし、第１電極層４４の電圧値をグラウンド電位Ｖ０とする。そうすると、図７（ｂ）に示すように、微少電極５０ｅおよび５０ｋの近傍では液晶分子４９が立ち上がることで、液晶分子４９が上方（Ｚ軸方向）を向く。そして、レンズ中央に近づくにつれて、液晶分子４９は徐々にＹ軸方向と平行になる。

画像表示パネル６０からの光の偏光方向はＹ軸と平行なので、画像表示パネル６０から出射された光が感じる屈折率は、微少電極５０ｅおよび５０ｋ近傍では常光屈折率ｎ_ｏとなり、レンズ中心に近づくにつれて屈折率が上がる。そして、レンズ中央では概ね屈折率が異常光屈折率ｎ_ｅとなる。

その結果、液晶層４３の中で屈折率分布が生じる。光は屈折率の低い方から高い方に向かって偏向される。そのため、図７（ｂ）に示すように、例えばレンズに平行に入射した光はレンズ中心に向かって偏向される。

２Ｄ視聴時には、図７（ａ）に示すように電極に電圧を印加せず、３Ｄ視聴時には図７（ｂ）に示すように、電圧制御部７０は電極に電圧を印加するよう制御する。このようにすることで、２Ｄ視聴時には液晶レンズ４０を透過する光はレンズ作用を受けずそのまま透過し、３Ｄ視聴時には液晶レンズ４０を透過する光は視聴者の目に集光される。

次に、図１（ｂ）に示した、縦表示の時の液晶レンズについて図８を用いて説明する。

図８は、図１（ｂ）に示した縦表示のときの液晶レンズの断面を示す概略断面図である。また、図８は、液晶レンズ４０のレンズ１つ分の領域を示すＹＺ面における概略断面図である。図８（ａ）は、２Ｄ表示のときの液晶レンズ４０を示し、図８（ｂ）は、３Ｄ表示のときの液晶レンズ４０を示す。

本実施の形態では、液晶層４３を構成する材料としては１軸性のポジ型液晶を用いている。そのため、図８（ａ）に示すように、対向電極間に電圧が印加されていない場合には液晶分子長軸がＹ軸方向に配向している。

画像表示パネル６０からの光の偏光方向がＹ軸方向であるため、第１電極層４４および第２電極層４５共に電圧が印加されていない場合の液晶層４３の屈折率は一様に異常光屈折率となる。そうすると、図８（ａ）に示すように、第２基板４２側から入射した光は、液晶層４３内をそのまま透過し、第１基板４１から出射する。

一方、液晶レンズ４０に電圧が印加された場合、例えば、微少電極５０ｋおよび５０ｏの電圧値を液晶の立ち上がり電圧Ｖｔｈよりも大きな電圧値Ｖ２とし、微小電極５０ｅ〜５０ｎの電圧値をフローティング電圧とし、第１電極層４４の電圧値をグラウンド電位Ｖ０とする。そうすると、図８（ｂ）に示すように、微少電極５０ｋおよび５０ｏの近傍では液晶分子４９が立ち上がることで、液晶分子４９が上方（Ｚ軸方向）を向く。そして、レンズ中央に近づくにつれて、液晶分子４９は徐々にＹ軸方向と平行になる。

画像表示パネル６０からの光の偏光方向はＹ軸と平行なので、画像表示パネル６０から出射された光が感じる屈折率は、微少電極５０ｋおよび５０ｏ近傍では常光屈折率ｎ_ｏとなり、レンズ中心に近づくにつれて屈折率が上がる。そして、レンズ中央では概ね屈折率が異常光屈折率ｎ_ｅとなる。

その結果、液晶層４３の中で屈折率分布が生じる。光は屈折率の低い方から高い方に向かって偏向される。そのため、図８（ｂ）に示すように、例えばレンズに平行に入射した光はレンズ中心に向かって偏向される。

２Ｄ視聴時には、図８（ａ）に示すように電極に電圧を印加せず、３Ｄ視聴時には図８（ｂ）に示すように、電圧制御部７０は電極に電圧を印加するよう制御する。このようにすることで、２Ｄ視聴時には液晶レンズ４０を透過する光はレンズ作用を受けずそのまま透過し、３Ｄ視聴時には液晶レンズ４０を透過する光は視聴者の目に集光される。

以上説明したとおり、本実施形態のような電極構成を用いることで、縦表示でも横表時でも３Ｄ表示が可能となる。
［３．まとめ］
以上のように、本実施の形態において、画像表示デバイスは、画像表示パネル６０と、液晶レンズ４０（画像変換素子の一例）とを備える。液晶レンズ４０は、画像表示パネルから出力された光を所定の方向に変換する。

また、液晶レンズ４０は、第１電極層４４と、第２電極層４５と、液晶層４３と、電圧制御部７０と、を有する。第１電極層４４は、単一電極で構成されている。第２電極層４５は、第１電極層４４と対向して配置されている。第２電極層４５は、複数の微小電極５０が格子状に配列して構成されている。液晶層４３は、第１電極層４４および第２電極層４５との間に配置され、異方性の屈折率を有する複数の液晶分子４９を有している。液晶層４３は、第１電極層４４と第２電極層４５との間に形成される電場によって液晶分子４９の長手方向の配列方向が変化することで屈折率が変化する。

電圧制御部７０は、第１電極層４４および第２電極層４５へ印加する電圧を制御することで、画像表示パネル６０から出力された光をＸ軸方向（第１方向の一例）に偏向する横表示の状態（第１状態の一例）と、Ｘ軸方向に対して９０度回転したＹ軸方向（第２方向の一例）に偏向する縦表示の状態（第２状態の一例）とを切り替え可能に制御する。

このような構成により、表示デバイスは、縦表示でも横表示でも３Ｄ表示が可能となる。

（実施形態２）
図９は実施の形態２に係る液晶レンズ１４０を示す概略図である。本実施の形態では、第２電極層の構成が実施の形態１とは異なる。その他の構成については実施の形態１と同じため、説明を省略する。

図９（ａ）は、液晶レンズ１４０のＸＺ平面における断面図である。図９（ｂ）は、液晶レンズ１４０の分解斜視図である。

第２電極層１４５は、多層構造となっている。具体的には、Ｙ軸方向に伸びる微少電極１５０ａおよび１５０ｂと、Ｘ軸方向に伸びる微少電極１５１ｃおよび１５１ｄが絶縁層１６０を挟んで配置されている。微小電極１５０ａ、１５０ｂおよび微小電極１５０ｃおよび１５０ｄがそれぞれ４つの辺となり、１つの格子を形成している。

図９（ａ）および（ｂ）に示す液晶レンズ１４０は、レンズ１つ分の領域である。すなわち、本来の液晶レンズ１４０には、Ｙ軸方向に延びる微小電極１５０ａ、１５０ｂが、X軸方向に所定の間隔を空けてストライプ状に配列されている。また、本来の液晶レンズ１４０には、Ｘ軸方向に延びる微小電極１５０ｃ、１５０ｄが、Ｙ軸方向に所定の間隔を空けてストライプ状に配列されている。

複数の微小電極１５０ａ〜ｄが積層されることで、格子状に配列された電極構成となる。

横表示の時には、第１電極層４４の電圧値をグラウンド電位Ｖ０とし、微小電極１５０ａおよび１５０ｂの電圧値を液晶の立ち上がり電圧Ｖｔｈより大きな電圧値Ｖ１とし、微小電極１５０ｃおよび１５０ｄの電圧値をフローティング電圧または立ち上がり電圧Ｖｔｈよりも小さな所定の電圧値とする。

これにより、液晶レンズ１４０は、図６（ａ）で示したようなレンズ機能を実現できる。

一方、縦表示の時には、第１電極層４４の電圧値をグラウンド電位Ｖ０とし、微小電極１５０ｃおよび１５０ｄの電圧値を液晶の立ち上がり電圧Ｖｔｈより大きな電圧値Ｖ２とし、微小電極１５０ａおよび１５０ｂの電圧値をフローティング電圧または、立ち上がり電圧Ｖｔｈよりも小さな所定の電圧値とする。

これにより、液晶レンズ１４０は、図６（ｂ）で示したようなレンズ機能を実現できる
以上のような構成により、観察者は、縦表示でも横表時でも３Ｄ表示が可能となる。

（実施形態３）
図１０は実施の形態３に係る液晶レンズ２４０の分解斜視図である。本実施の形態では、第２電極層２４５の構成が、他の実施の形態と異なる。その他の構成については実施の形態１と同じため、説明を省略する。

図１０に示すように、第２電極層２４５は、微小電極２５０ａ〜２５０ｈで構成されている。微小電極２５０ａおよび２５０ｅは、Ｙ軸方向に延びている。微小電極２５０ｂ、２５０ｄ、２５０ｆ、２５０ｈは、Ｘ軸方向に延びている。微小電極２５０ｃおよび２５０ｇは、実施の形態１の微小電極５０と同じ形状の電極である。

図１０に示す液晶レンズ２４０は、レンズ１つ分の領域である。すなわち、微小電極２５０ａ〜２５０ｈで、１つの格子を形成している。

横表示の時には、第１電極層４４の電圧値をグラウンド電位Ｖ０とし、微小電極２５０ａおよび２５０ｅの電圧値を液晶の立ち上がり電圧Ｖｔｈより大きな電圧値Ｖ１とし、微小電極２５０ｂ〜２５０ｄ、２５０ｆ〜２５０ｈの電圧値をフローティング電圧または立ち上がり電圧Ｖｔｈよりも小さな所定の電圧値とする。

これにより、液晶レンズ２４０は、図６（ａ）で示したようなレンズ機能を実現できる。

一方、縦表示の時には、第１電極層４４の電圧値をグラウンド電位Ｖ０とし、微小電極２５０ｂ〜２５０ｄ、２５０ｆ〜２５０ｈの電圧値を液晶の立ち上がり電圧Ｖｔｈより大きな電圧値Ｖ２とし、微小電極２５０ａおよび２５０ｅの電圧値をフローティング電圧または立ち上がり電圧Ｖｔｈよりも小さな所定の電圧値とする。

これにより、液晶レンズ１４０は、図６（ｂ）で示したようなレンズ機能を実現できる
以上のような構成により、観察者は、縦表示でも横表時でも３Ｄ表示が可能となる。
（実施形態４）
図１１は実施の形態４に係る液晶レンズ３４０の分解斜視図である。本実施の形態では、第２電極層３４５の構成が、他の実施の形態と異なる。その他の構成については実施の形態１と同じため、説明を省略する。

図１１に示す液晶レンズ３４０は、レンズ１つ分の領域である。

図１１に示すように、第２電極層３４５は、微小電極３５０ａ〜３５０ｙで構成されている。微小電極３５０は、実施の形態１の微小電極５０と同じ形状である。

図１１に示す液晶レンズ３４０は、レンズ１つ分の領域である。微小電極３５０ａ〜３５０ｅを１つの辺とし、微小電極３５０ｅ，３５０ｊ、３５０ｏ、３５０ｔ、３５０ｙを１つの辺とし、微小電極３５０ｖ〜３５０ｙを１つの辺とし、微小電極３５０ｖ、３５０ｐ、３５０ｋ、３５０ｆ、３５０ａを１つの辺とする。これら４つの辺で１つの格子を形成している。

横表示の時には、第１電極層４４の電圧値をグラウンド電位Ｖ０とし、微小電極３５０ａ〜３５０ｅおよび微小電極３５０ｕ〜３５０ｙの電圧値を液晶の立ち上がり電圧Ｖｔｈより大きな電圧値Ｖ１とし、その他の微小電極３５０の電圧値をフローティング電圧または立ち上がり電圧Ｖｔｈよりも小さな所定の電圧値とする。

これにより、液晶レンズ３４０は、図６（ａ）で示したようなレンズ機能を実現できる。

一方、縦表示の時には、第１電極層４４の電圧値をグラウンド電位Ｖ０とし、微小電極微小電極３５０ｅ，３５０ｊ、３５０ｏ、３５０ｔ、３５０ｙおよび微小電極３５０ｕ、３５０ｐ、３５０ｋ、３５０ｆ、３５０ａの電圧値を液晶の立ち上がり電圧Ｖｔｈより大きな電圧値Ｖ２とし、その他の微小電極３５０の電圧値をフローティング電圧または立ち上がり電圧Ｖｔｈよりも小さな所定の電圧値とする。

これにより、液晶レンズ３４０は、図６（ｂ）で示したようなレンズ機能を実現できる
以上のような構成により、観察者は、縦表示でも横表時でも３Ｄ表示が可能となる。

本開示は、２Ｄおよび３Ｄ表示可能な表示装置に適用可能である。具体的には、テレビ、モニター、タブレットＰＣ、デジタルスチルカメラ、ムービー、カメラ機能付き携帯電話機、スマートフォンなどに、本開示は適用可能である。

１０ 画像表示装置
２０ バックライト
２１ 光源
２２ 反射フィルム
２３ 導光板
２４ 傾斜面
４０、１４０、２４０、３４０ 液晶レンズ
４１ 第１基板
４２ 第２基板
４３ 液晶層
４４ 第１電極層
４５、１４５、２４５、３４５ 第２電極層
４９ 液晶分子
５０、１５０、２５０、３５０ 微小電極
６０ 画像表示パネル
６５ 表示制御部
７０ 電圧制御部

Claims (7)

1. 表示パネルと、
   前記表示パネルから出力された光を所定の方向に偏向する画像変換素子と、
   を備え、
   前記画像変換素子は、
   単一電極で構成された第１電極層と、
   前記第１電極と対向して配置され、複数の微少電極が格子状に配列された第２電極層と、
   前記第１電極層および前記第２電極層との間に配置され、異方性の屈折率を有する複数の液晶分子を有しており、前記第１電極層と前記第２電極層との間に形成される電場によって前記液晶分子の長手方向の配列方向が変化することで屈折率が変化する液晶層と、
   前記第１電極層および前記第２電極層へ印加する電圧を制御することで、前記表示パネルから出力された光を第1方向に偏向する第1状態と、前記第1方向に対して９０度回転した第２方向に偏向する第２状態とを切り替え可能に制御する電圧制御部と
   を有する画像表示デバイス。
2. 前記複数の微小電極が格子状に形成された前記第２電極層において、
   １つの格子を形成する４つの辺のうち少なくとも１つの辺は、少なくとも３つ以上の微小電極で構成されている、
   請求項１に記載の画像表示デバイス。
3. 格子を形成する４辺のうち対向する２辺を構成する複数の微小電極に対して、前記液晶分子の立ち上がり電圧以上の電圧を印加し、他の２辺を構成する微小電極に対して電圧を印加しない、
   請求項２に記載の画像表示デバイス。
4. 格子を形成する４辺のうち対向する２辺を構成する複数の微小電極に対して、前記液晶分子の立ち上がり電圧以上の電圧を印加し、他の２辺を構成する微少電極に対して非線形的かつ段階的に変化する電圧であって前記立ち上がり電圧よりも小さな電圧を印加する、
   請求項２に記載の画像表示デバイス。
5. 格子を形成する４辺のうち少なくとも１辺は、第１方向または第２方向に延びた電極で構成されている、
   請求項１に記載の画像表示デバイス。
6. 前記第２電極層は、前記微小電極がマトリクス状に配列して構成されている、
   請求項１に記載の画像表示デバイス。
7. 請求項１〜６の画像表示デバイスを備える、画像表示装置。