JP2015084077A - 液晶レンズ及びこれを用いた画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】集光性能を向上できる液晶レンズ及びこれを用いてクロストークを低減できる画像表示装置を提供する【解決手段】本開示における液晶レンズ４０は、第１電極４８と、各々が第１電極４８と対向するようにストライプ状に配置される複数の第２電極４５と、第１電極４８及び第２電極４５の間に設けられ、第１電極４８及び第２電極４５の間に印可される電圧に応じて液晶分子４９の配向が変化し、液晶分子４９の配向の変化による屈折率分布が生じることよってレンズとして機能する液晶層４３とを備える。液晶レンズ４０では、液晶分子４９の初期配向の方向が第２電極４５の延伸方向と略平行である。【選択図】図２

Description

本開示は、液晶レンズ及びこれを用いた画像表示装置に関する。

特許文献１には、第１の基板と、第２の基板と、これらに挟持される液晶層とから構成され、液晶層に電界が印加される際にレンズアレイを形成する液晶レンズが開示されている。特許文献１に記載の技術は、電界が印可されることにより形成されるレンズ部に一定の屈折率を有する領域を設けることにより、液晶レンズの応答速度を改善している。

特開２０１２−２４２６８１号公報

本開示は、集光性能を向上できる液晶レンズを提供する。また、本開示は、当該液晶レンズを用いてクロストークを低減できる画像表示装置を提供する。

本開示における液晶レンズは、第１電極と、各々が第１電極と対向するようにストライプ状に配置される複数の第２電極と、第１電極及び第２電極の間に設けられ、第１電極及び第２電極の間に印可される電圧に応じて液晶分子の配向が変化し、液晶分子の配向の変化による屈折率分布が生じることによってレンズとして機能する液晶層とを備え、液晶分子の初期配向の方向が第２電極の延伸方向と略平行である。

また、本開示における画像表示装置は、上記の液晶レンズと、液晶レンズの背面側に設けられる画像表示パネルと、２Ｄ画像の表示時と３Ｄ画像の表示時とで液晶レンズに印可する電圧を変化させる制御部とを備える。

本開示における液晶レンズは、集光性能を向上させるのに有効である。また、本開示における画像表示装置は、クロストークを低減させるのに有効である。

実施の形態に係る画像表示装置の概略構成図 実施の形態に係る液晶レンズにおける液晶分子の配向変化を示す図 実施の形態に係る液晶レンズにおける液晶分子の配向変化を示す図 比較例に係る液晶レンズの概略構成図 実施例に係る液晶レンズの屈折率分布を説明する図 比較例に係る液晶レンズの屈折率分布を説明する図

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。但し、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、発明者らは、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）
以下、図１〜４を用いて実施の形態を説明する。

［１．構成］
図１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１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１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１の左側が、視聴者から見た表示画面の右側となる。

図１に示すように、画像表示装置１０は、バックライト２０と、画像表示パネル６０と、液晶レンズ４０と、画像表示パネル６０を制御する表示制御部６５と、液晶レンズ４０を制御する制御部７０とを備える。また、液晶レンズ４０の前面側及び背面側には、液晶レンズ４０の液晶層４３を封止するための基板４１及び４２がそれぞれ設けられている。尚、液晶レンズ４０は、画像変換素子の一例である。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。

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の背面側（図１における下面側）に設けられており、拡散シート２５は導光板２３の前面側（図１における上面側）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、例えば、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の前面と背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の前面から出射される。導光板２３の背面には、図１に示すように、複数の傾斜面２４が設けられている。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前面の全体にわたって均一になる。

反射フィルム２２は、導光板２３の背面側に設けられている。導光板２３の背面に設けられた傾斜面２４の全反射角度を超えた光は、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、最終的に前面から出射される。導光板２３の前面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は、導光板２３の前面から出射された光の強度を面方向において更に均一化させるために設けられている。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作用を生じる。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作用は小さいが、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設けることによって構成される。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、プリズムシートの平坦面の法線方向に相対的に強い指向性を有し、入射した光をプリズムシート２６の前面方向に集光する。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、液晶パネルである画像表示パネル６０が透過する偏光方向成分（透過偏光成分）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、他の光学部材や導光板２３裏面に設けられた反射フィルム２２で反射される際に無偏光となって、偏光反射シート２７に再入射する。再入射した光は、透過偏光成分が偏光反射シート２７を透過する。これを繰り返すことで、バックライト２０の出射光の偏光成分を、画像表示パネル６０で有効に利用される偏光成分に統一して、画像表示パネル６０側に出射する。

画像表示パネル６０は、複数の画素を有し、表示制御部６５による制御に従って２Ｄ画像及び３Ｄ画像を表示可能である。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、他の方式の液晶パネルや有機ＥＬパネル等を採用することもできる。

画像表示パネル６０に３Ｄ画像を表示する場合、複数の画素は、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、３Ｄ画像の表示時には、右目用画素に右目用画像を表示し、左目用画素に左目用画像を表示する。すなわち、３Ｄ画像の表示時には、画像表示パネル６０に、右目用画像及び左目用画像が同時に表示される。右目用画素に表示される右目用画像及び左目用画素に表示される左目用画像の各々は、後述する液晶レンズ４０によって偏向され、視聴者の右目及び左目にそれぞれ集光される。

一方、画像表示パネル６０に２Ｄ画像を表示する場合は、表示制御部６５は、従来通り全ての画素を用いて１つの２Ｄ画像を表示する。このとき、液晶レンズ４０は、レンズとして機能しないように制御部７０によって制御される。したがって、２Ｄ画像の画像光はそのまま液晶レンズ４０を透過し、視聴者の目に届く。

尚、図示を省略しているが、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６０からの出射光の偏光方向はＹ軸方向としている。

液晶レンズ４０は、３Ｄ画像の表示時に、画像表示パネル６０上に表示される右目用画像の画像光を視聴者の右目に導き、画像表示パネル６０上に表示される左目用画像の画像光を視聴者の左目に導く光学素子である。液晶レンズ４０は、第１電極４８と、ストライプ状に配置される複数の第２電極４５と、第１電極４８及び第２電極４５のそれぞれの配置平面の間に設けられる液晶層４３とを備える。本実施の形態では、液晶層４３は、前面側の基板４２と背面側の基板４１との間に封入されている。第１電極４８は、基板４２の背面に形成され、各第２電極４５は、基板４１の前面に形成されている。液晶レンズ４０は、複数の第２電極４５を成膜した基板４１と、第１電極４８を成膜した基板４２とを貼り合わせ、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。尚、基板４１の光出射面には第１配向膜３８が形成され、基板４２の光入射面には第２配向膜３５が形成されている。配向膜３５及び３８は、電極４１及び４２に電圧が印加されていない状態で、液晶分子４９の長軸がＹ軸方向と略平行になるように液晶分子４９を配向させる。ただし、液晶分子４９の配向が均一に保てるのであれば、配向膜３５及び３８はなくても良い。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。尚、液晶レンズ４０の更なる詳細については後述する。

制御部７０は、２Ｄ画像の表示時と３Ｄ画像の表示時とで、液晶レンズ４０に印加する電圧値を切り換える。３Ｄ画像の表示時には、制御部７０は、液晶レンズ４０がレンズ作用を持つように液晶層４３に所定の電圧を印加する。また、２Ｄ画像の表示時には、制御部７０は、液晶レンズ４０がレンズ作用を発揮しないように電圧を制御する。尚、２Ｄ画像の表示時に、制御部７０が液晶レンズ４０への供給電圧をどのように制御するかは、液晶層４３の液晶分子４９の配向特性等に応じて適宜設定される。例えば、２Ｄ画像の表示時には、制御部７０は、液晶レンズ４０に電圧を印加しなくてもよいし、レンズ作用が発揮されない程度の電圧を液晶レンズ４０に印加してもよい。このように印加電圧を制御することで、２Ｄ画像の表示時には、画像表示パネル６０を出射した光は、液晶レンズ４０を通過しても光の向きを保ったまま視聴者の目に入射する。一方で、３Ｄ画像表示時には、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。

［２．液晶レンズの詳細］
図２及び３は、実施の形態に係る液晶レンズ４０における液晶分子４９の配向変化を示す図である。より詳細には、図２（ａ）及び（ｂ）は、ＸＺ平面と平行な液晶レンズ４０の断面を示す図であり、図３（ａ）及び（ｂ）は、ＸＹ平面と平行な液晶レンズ４０の断面を示す図であり、図３（ｃ）及び（ｄ）は、ＹＺ平面と平行な液晶レンズ４０の断面であって、第２電極４５の真上における液晶分子４９の配向状態を示す図である。また、図２（ａ）、図３（ａ）及び（ｃ）は、２Ｄ画像表示時における液晶分子４９の配向を示し、図２（ｂ）、図３（ｂ）及び（ｄ）は、３Ｄ画像表示時における液晶分子４９の配向を示す。尚、図３（ａ）及び（ｃ）においては、２Ｄ画像表示時における液晶分子４９の配向を実線で示すと共に、電圧印可時に液晶分子４９の配向が変化する過程を破線で示している。

上述したように、液晶レンズ４０は、基板４２の内面に設けられる第１電極４８と、基板４１の内面に設けられる複数の第２電極４５と、液晶層４３と、第１配向膜３８と、第２配向膜３５とを備える。

第１電極４８は、基板４２の内面の略全面に設けられる平面電極である。一方、複数の第２電極４５は、基板４１の内面にストライプ状（スリット状）に設けられ、第１電極４８と対向している。第２電極４５の各々は、Ｙ軸方向に延びるライン状の電極である。第２電極４５の各々は、基板４１の前面上を延伸方向（Ｙ軸方向）に真っ直ぐ延びている。複数の第２電極４５が、所定間隔を空けてＸ軸方向（延伸方向に直交する方向）に配列されている。第１電極４８は透明電極であるが、第２電極４５は透明電極にしてもよいし、透明電極にしなくてもよい。液晶レンズ４０への電圧印可時に、Ｘ軸方向に隣接する第２電極４５の間に、１つのレンズ部が形成される。Ｘ軸方向における第２電極４５の配置ピッチにより、液晶レンズ４０への電圧印可時に液晶層４３内に形成される複数のレンズ部の配置ピッチが定まる。尚、第２電極４５のそれぞれに対して、独立して電圧を印可可能である。

液晶レンズ４０は、制御部７０からの印加電圧に応じて、透過する光の向きの分布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、入射光の偏光の状態によって、入射光が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、ｎｅとｎｏの差分である。ｎｅ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。ｎo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の長軸配向の向き（ダイレクタ）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作用を生じる。

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（例えばポジ型のネマティック液晶）を用いている。そのため、図２（ａ）に示すように、対向する第１電極４８及び第２電極４５の間に電圧が印加されていない場合には液晶分子４９の長軸がＹ軸方向（略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４８及び第２電極４５の間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ｎｅとなる。

一方、液晶レンズ４０に電圧が印加された場合、例えば、第１電極４８の電位をグランド電位Ｖ０とし、第２電極４５の電位をＶ１とすることによって、第１電極４８及び第２電極４５の間に液晶の立ち上がり電圧Ｖｔｈよりも大きな電圧Ｖ１を印可する。この場合、図２（ｂ）に示すように、第２電極４５の近傍（真上）では液晶分子４９が立ち上がることで、液晶分子４９の長軸がＺ軸方向（図２における上方向）を向く。そして、隣接する第２電極４５の中央に近づくにつれて、液晶分子４９の長軸は徐々に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からの出射光に対する液晶層４３の屈折率は、第２電極４５近傍では常光屈折率ｎｏとなり、第２電極４５から離れるにつれて大きくなり、隣接する第２電極４５の中央では概ね異常光屈折率ｎｅとなる。このように、液晶レンズ４０に所定の電圧を印可することによって、液晶層４３の中で屈折率分布（Ｘ軸方向に屈折率が変化する屈折率分布）が生じる。この屈折率分布が生じた液晶層４３の一部（図２（ｂ）に示す部分）がレンズ部として機能し、液晶レンズ４０の法線方向に入射した光をレンズ部の中心に向かって偏向する。尚、第２電極４５がＹ軸方向に延びていることにより、電圧印可時に形成されるレンズ部は、シリンドリカル形状となる。

液晶レンズ４０の制御部７０は、２Ｄ画像の表示時には、図２（ａ）に示すように電極４５及び４８間に電圧を印加せず、３Ｄ画像の表示時には、図２（ｂ）に示すように、制御部７０は電極４５及び４８間に電圧を印加する。このように制御することで、２Ｄ画像の表示時には液晶レンズ４０に入射する光はレンズ作用を受けずそのまま透過し、３Ｄ画像の表示時には液晶レンズ４０に入射する光は視聴者の右目及び左目に集光される。

ここで、本実施の形態に係る液晶レンズ４０における液晶分子４９の配向変化の詳細を、比較例と対比しながら説明する。

液晶分子４９の初期配向の方向は、第２電極４５の延伸方向と略平行である。すなわち、液晶分子４９の長軸方向が第２電極４５の延伸方向と略平行となるように配向されている。第１電極４８と第２電極４５との間に電圧が印可されていない（印可電圧が０Ｖ）状態では、図２（ａ）、図３（ａ）及び（ｃ）において実線で示すように、液晶分子４９の長軸が第２電極４５の延伸方向と略平行となるように液晶分子４９が配向している。言い換えれば、液晶分子４９の長軸は、ＹＺ平面上にあって、Ｙ軸と略平行である。液晶分子４９の長軸は、第２電極に沿って並行に延びている。ここで、初期配向とは、配向膜３５及び３８の配向処理により配向された液晶分子４９の初期の配向状態をいう。

次に、第１電極４８と第２電極４５との間に電圧が印可されると、図３（ａ）及び（ｃ）において破線で示すように、液晶分子４９の長軸の向きが変化する。液晶分子４９の配向変化は、液晶分子４９と第２電極４５との位置関係に応じて異なる。第２電極４５の真上にある液晶分子４９は、図３（ａ）及び（ｃ）に示すように、Ｘ軸と平行な軸を中心として回転しながら立ち上がる。第２電極４５から離れた位置にある液晶分子は、図３（ａ）に示すように、Ｘ軸と平行な軸を中心とする回転に加えて、Ｚ軸と平行な軸を中心に回転しながら立ち上がる。Ｘ軸と平行な軸周りの回転角と、Ｚ軸と平行な軸周りの回転角とは、液晶分子４９が第２電極４５からＸ軸方向に離れるにつれて小さくなる。そして、隣接する第２電極４５の中央では、液晶分子４９の配向は略変化しない。この結果、第１電極４８と第２電極４５との間に電圧が印可されている状態において、図２（ｂ）、図３（ｂ）及び（ｄ）に示すように、液晶分子４９が配向される。図３（ｄ）に示すように、電圧が印可されている状態において、第２電極４５の真上の液晶分子４９は、長軸がＺ軸と略平行となるように配向される。

図４は、比較例に係る液晶レンズ５０における液晶分子５９の配向変化を示す図であって、図２と対応する断面を示す図である。より詳細には、図４（ａ）は、液晶レンズ５０に電圧を印可していない状態における液晶分子５９の配向を示し、図４（ｂ）は、液晶レンズ５０に電圧を印可した状態における液晶分子５９の配向を示す。

比較例に係る液晶レンズ５０は、基板５２の内面に設けられる平面状の第１電極５８と、基板５１の内面にストライプ状に設けられる複数の第２電極５５と、第１電極５８及び第２電極５５の間に設けられる液晶層５３と、第１配向膜７８と、第２配向膜７５とから構成されている。第２電極５５の各々は、本実施の形態と同様に、Ｙ軸方向に延びるように形成されている。ただし、比較例に係る液晶レンズ５０においては、電圧が印可されていない状態では、図４（ａ）に示すように、液晶分子５９の長軸が第２電極５５の延伸方向と直交するように（すなわち、長軸がＸ軸方向と平行となるように）配向されている。

第１電極５８と第２電極５５との間に電圧が印可されると、隣接する第２電極５５の中央にある液晶分子５９の配向は略変化しないが、隣接する第２電極５５の中央部より第２電極５５側にある液晶分子５９は、Ｙ軸と平行な軸を中心として回転しながら立ち上がる。この結果、図４（ｂ）に示すように液晶分子５９が配向されて、液晶層５３内に屈折率分布が生じ、この屈折率分布が生じた液晶層５３の部分がレンズ部として機能する。

しかしながら、液晶分子５９を図４（ａ）に示すように第２電極５５と直交する方向に初期配向させた液晶レンズ５０では、電圧印可に伴って液晶分子５９がＹ軸と平行な軸周りに回転しながら立ち上がる際に、図４（ｃ）に示すように、第２電極５５の近傍で液晶分子５９同士が干渉することにより液晶分子５９の配向の乱れが生じる。この結果、Ｙ軸方向に延びる第２電極５５に沿って、ディスクリネーションと呼ばれる液晶分子５９の配向欠陥が発生する。液晶レンズ５０への電圧印可時にディスクリネーションが発生すると、液晶層５３内に生じたレンズ部の収差が大きくなり、液晶レンズ５０を用いた画像表示装置において３Ｄ画像を表示する際のクロストークが悪化する。

これに対して、本実施の形態に係る液晶レンズ４０では、液晶分子４９を図２（ａ）に示すように第２電極４５と略平行に初期配向させていることにより、第２電極４５の真上及び近傍にある液晶分子４９は、電圧印可に伴ってＹ軸と平行な軸周りには略回転せず、Ｘ軸と平行な軸周りの回転によって立ち上がる。したがって、液晶分子４９の配向が変化する際に、液晶分子４９の立ち上がりが、Ｘ軸方向に近接する他の液晶分子４９によって妨げられにくく、第２電極４５の真上及び近傍における液晶分子４９の配向の乱れが抑制される。この結果、本実施の形態に係る液晶レンズ４０では、ディスクリネーションの発生を低減することができる。液晶レンズ４０におけるディスクリネーションを低減することにより、液晶レンズ４０を用いた画像表示装置１０におけるクロストークの悪化も抑制できる。

また、本実施の形態に係る液晶レンズ４０には、第１電極４８を覆う第１配向膜３８と第２電極４５を覆う第２配向膜３５とを設けている。第１配向膜３８及び第２配向膜３５に対して第２電極４５の延伸方向と平行な方向に配向処理を施し、かつ、第１配向膜３８に対する配向処理方向と、第２配向膜３５に対する配向処理方向とを逆にすることが好ましい。配向処理としては、ラビングの他に、光を配向膜３５及び３８に照射する光配向を利用できる。一般に、液晶分子は、配向処理方向に沿って並び、配向処理方向に向かって起き上がるように傾斜して配置される。電圧が印可されていない状態において、液晶分子が配向膜に対して傾斜していることを「プレチルト」といい、液晶分子の長軸と配向膜とがなす角度を「プレチルト角」という。第１電極４８側の第１配向膜３８に対する配向処理方向と、第２電極４５側の第２配向膜３５に対する配向処理方向とを、第２電極４５の延伸方向と平行かつ互いに逆向きにすることによって、電圧が印可されていない状態において、図３（ｃ）に示すように、液晶分子４９の長軸が略同一方向にプレチルトする。プレチルトした液晶分子４９の配向は、電圧印可時にプレチルト角を増大させる方向に変化する。したがって、図３（ｃ）に示すように液晶分子４９をプレチルトさせた場合、電圧印可時に液晶分子４９の配向の変化方向（回転方向）を揃えることができ、液晶分子４９の配向の乱れを抑制できる。液晶分子４９をプレチルトさせない場合は、電圧印可時に液晶分子４９の配向の変化方向がランダムとなり、液晶分子４９の配向の乱れが生じる得るため好ましくない。また、第１電極４８側の第１配向膜３８に対する配向処理方向と、第２基板４５側の第２配向膜３５に対する配向処理方向とを、第２電極４５の延伸方向と平行な同一方向とした場合には、液晶分子４９の長軸のプレチルト方向が揃わないため、電圧印可時に液晶分子４９の配向の変化方向（回転方向）が揃わず、液晶分子４９の配向の乱れを生じ得る。上記の理由により、第１電極４８側の第１配向膜３８に対する配向処理方向と、第２基板４５側の第２配向膜３５に対する配向処理方向とを逆にすることが好ましい。

ただし、上述した理由により、液晶分子４９の長軸が第２電極４５の延伸方向と略平行となるように液晶分子４９を初期配向させることによって、ディスクリネーションの発生を低減することができるので、第１電極４８側の第１配向膜３８に対する配向処理方向と、第２基板４５側の第２配向膜３５に対する配向処理方向とを逆にすることは必須ではない。

更に、液晶分子４９をプレチルトさせる場合、プレチルト角（図３（ｃ）のθ、θ’）を１度以上５度以下とすることが好ましい。プレチルト角θは、第１電極４８における液晶層４３側の面に対する液晶分子４９の長軸の傾斜角（第１電極４８における液晶層４３側の面と液晶分子４９との挟角）である。プレチルト角θ’は、第２電極４５における液晶層４３側の面に対する液晶分子４９の長軸の傾斜角（第２電極４５における液晶層４３側の面と液晶分子４９との挟角）である。プレチルト角θ，θ’をこの範囲に設定することによって、電圧印可前後における液晶層４３の屈折率の変化量を確保しつつ、液晶分子４９の配向の乱れを抑制できる。すなわち、電圧印可時における液晶レンズ４０の光の偏向角度の減少を抑制しつつ、電圧印可時における集光特性に優れた液晶レンズ４０を実現できる。プレチルト角が１度未満の場合、電圧印可時における液晶分子４９の配向の変化方向が揃いにくくなる。また、プレチルト角が５度を超える場合、電圧印可により液晶分子４９の配向を変化可能な範囲が小さくなるため、電圧印可前後における液晶層４３の屈折率の変化量も小さくなり、液晶レンズ４０の偏向角度の減少に繋がる。したがって、液晶分子４９のプレチルト角を上記の範囲に設定することが好ましい。

［３．効果等］
以上説明したように、本実施の形態に係る液晶レンズ４０では、第１電極４８及び第２電極４５間に印可される電圧が０Ｖのときに、液晶分子４９の長軸が第２電極４５の延伸方向と略平行となるように液晶分子４９が初期配向されている。そのため、第１電極４８及び第２電極４５間に電圧を印可して、液晶分子４９の配向を変化させる際に、液晶分子４９同士の相互干渉が抑制される。これにより、電圧印可時に液晶層４３内の屈折率分布の乱れが抑制されることから、液晶レンズ４０がレンズとして機能する際の収差を低減し、集光性能を向上させることができる。

また、液晶分子４９の長軸を図３（ｃ）に示すように同一方向にプレチルトさせることによって、電圧印可時における液晶分子４９の配向が変化する方向を揃えることができるので、液晶分子４９の配向の乱れを更に抑制して、液晶レンズ４０の集光性能を一層向上させることができる。

（その他の変形例）
以上のように、本出願において開示する技術の例示として、実施の形態１〜４を説明した。しかしながら、本開示における技術は、これに限定されず、適宜、変更、置き換え、付加、省略などを行った実施の形態にも適用可能である。また、上記実施の形態１〜４で説明した各構成要素を組み合わせて、新たな実施の形態とすることも可能である。

そこで、以下、他の実施の形態を例示する。

上記の実施の形態では、画像表示パネル６０及びバックライト２０を備える画像表示装置１０を例示したが、画像表示パネル６０として、有機ＥＬパネルのような自発光可能なパネルを用いる場合には、バックライト２０はなくても良い。

また、図３（ｃ）では、第１電極４８側の第１配向膜３８に対する配向処理方向をＹ軸正方向とし、第２電極４５側の第２配向膜３５に対する配向処理方向をＹ軸負方向とする例を説明したが、図３（ｃ）の矢印とは逆にして、第１電極４８側の第１配向膜３８に対する配向処理方向をＹ軸負方向とし、第２電極４５側の第２配向膜３５に対する配向処理方向をＹ軸正方向としても良い。

以上のように、本開示における技術の例示として、実施の形態を説明した。そのために、添付図面および詳細な説明を提供した。

したがって、添付図面および詳細な説明に記載された構成要素の中には、課題解決のために必須な構成要素だけでなく、上記技術を例示するために、課題解決のためには必須でない構成要素も含まれ得る。そのため、それらの必須ではない構成要素が添付図面や詳細な説明に記載されていることをもって、直ちに、それらの必須ではない構成要素が必須であるとの認定をするべきではない。

また、上述の実施の形態は、本開示における技術を例示するためのものであるから、特許請求の範囲またはその均等の範囲において種々の変更、置き換え、付加、省略などを行うことができる。

図５は、実施例に係る液晶レンズの屈折率分布を説明する図であり、図６は、比較例に係る液晶レンズの屈折率分布を説明する図である。以下、図５及び６を参照しながら、上記の実施の形態及び比較例に係る液晶レンズを評価した結果について説明する。まず、評価項目について説明する。

（液晶層内の屈折率分布）
図５（ａ）及び６（ａ）は、それぞれ、実施例及び比較例に係る液晶レンズに電圧を印可した際に、液晶層内で生じる屈折率分布をシミュレーションにより求め、求めた屈折率分布を濃淡で示した概略図である。

シミュレーション条件は、次の通りである。
・液晶レンズのレンズ部のピッチ（第２電極のピッチ）：２３６μｍ
・第２電極の幅：５μｍ
・基板間のクリアランス（セルギャップ）：５０μｍ
・液晶層（液晶材料）の異常光屈折率ｎｅ：１．７８９、常光屈折率ｎｏ：１．５２３（ただし、波長５５０ｎｍの光に対する屈折率）

上記に示すパラメータを用いて有限要素法を用いた液晶配向シミュレーションを行った。シミュレーションでは液晶層の各位置におけるダイレクタの向きが得られる。その情報をもとに液晶層の各位置における屈折率を数式１により計算した。

ここで、θは電圧を印加した時の液晶の立ち上がり角度、つまり、ＸＹ平面とダイレクタとのなす角度である。

（液晶層内の平均屈折率分布）
図５（ｂ）は、理想的な屈折率分布レンズの平均屈折率分布と、実施例に係る液晶レンズの平均屈折率分布とを示すグラフである。また、図６（ｂ）は、理想的な屈折率分布レンズの平均屈折率分布と、比較例に係る液晶レンズの平均屈折率分布とを示すグラフである。図５（ｂ）及び６（ｂ）において、理想的な屈折率分布レンズの平均屈折率分布曲線を破線で示し、実施例及び比較例に係る液晶レンズの平均屈折率分布曲線を実線で示す。破線で示すように、理想的な屈折率分布レンズの平均屈折率分布曲線は２次曲線となる。また、図５（ｂ）及び６（ｂ）において、横軸は、隣接する第２電極の中央からの距離（μｍ）を示し、縦軸は、横軸で特定される位置における平均屈折率を示す。

（液晶層の電子顕微鏡写真）
図５（ｃ）及び６（ｃ）は、それぞれ、実施例及び比較例に係る液晶レンズに電圧を印可した際の液晶層の状態を示す電子顕微鏡写真である。図５（ｃ）及び６（ｃ）は、それぞれ、図２（ｂ）及び４（ｂ）に示した液晶レンズをＺ軸方向の上方から見た状態に相当する。

（評価結果）
図５に示すように、実施例に係る液晶レンズでは、液晶分子の配向の乱れが低減されていることから、図５（ａ）に示すように、液晶層の屈折率分布にも大きな乱れは発生しなかった。また、図５（ｂ）に示すように、実施例に係る液晶レンズの平均屈折率分布曲線は、理想的な屈折率分布レンズの平均屈折率分布曲線に近い曲線となった。更に、図５（ｃ）に示す電子顕微鏡写真においても、第２電極（図５（ｃ）に示される縦の白線部分）の近傍において、ディスクリネーション等の配向欠陥の発生が抑制されていることが確認された。

これに対して、比較例に係る液晶レンズでは、図６（ａ）及び（ｂ）に示すように、第２電極の近傍において、液晶層の屈折率分布が乱れ、平均屈折率分布曲線が理想的な曲線から大きく乖離した。また、図６（ｃ）に示す電子顕微鏡写真では、矢印で示すように、第２電極近傍においてディスクリネーションが顕著に発生することが確認された。

以上の評価結果から、実施例に係る液晶レンズによれば、電圧印可時における液晶層内の屈折率分布の乱れを低減できることにより、レンズ機能を生じさせた際の収差が少なく、集光性能に優れた液晶レンズを実現できることが確認された。

本開示は、３Ｄ画像を表示可能な画像表示装置などに適用可能である。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
３５ 第２配向膜
３８ 第１配向膜
４０ 液晶レンズ
４１ 基板
４２ 基板
４３ 液晶層
４５ 第２電極
４８ 第１電極
６０ 画像表示パネル
７０ 制御部

Claims (4)

1. 液晶レンズであって、
   第１電極と、
   各々が前記第１電極と対向するようにストライプ状に配置される複数の第２電極と、
   前記第１電極及び前記第２電極の間に設けられ、前記第１電極及び前記第２電極の間に印可される電圧に応じて液晶分子の配向が変化し、前記液晶分子の配向の変化による屈折率分布が生じることによってレンズとして機能する液晶層とを備え、
   前記液晶分子の初期配向の方向が前記第２電極の延伸方向と略平行である、液晶レンズ。
2. 前記第１電極側に設けられる第１配向膜と、
   前記第２電極側に設けられる第２配向膜とを更に備え、
   前記第１配向膜及び前記第２配向膜は、前記第２電極の延伸方向と平行であって、かつ、互いに逆方向に配向処理が施されたものである、請求項１に記載の液晶レンズ。
3. 前記第１電極及び前記第２電極の間に電圧が印可されていないときに、前記液晶分子の長軸が前記第１電極における前記液晶層側の面に対して傾斜しており、
   前記第１電極における前記液晶層側の面に対する前記液晶分子の長軸の傾斜角が、１度以上５度以下である、請求項２に記載の液晶レンズ。
4. 画像表示装置であって、
   請求項１に記載の液晶レンズと、
   前記液晶レンズの背面側に設けられる画像表示パネルと、
   ２Ｄ画像の表示時と３Ｄ画像の表示時とで前記液晶レンズに印可する電圧を変化させる制御部とを備える、画像表示装置。