JP2016018126A - 液晶レンズ装置及び画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高品位なレンズ機能の液晶レンズ装置及び画像表示装置を提供する。
【解決手段】実施形態によれば、複数の第１電極と第１及び第２サブ電極と対向電極と液晶層とを備えた液晶レンズ装置が提供される。各第１電極は、第１方向に延び、第１方向と交差する第２方向に並ぶ。第１及び第２サブ電極は、最近接の２つの第１電極の間に配置される。液晶層は、各電極と対向電極との間に設けられる。第１電極と第１サブ電極との間の距離及び第１電極と第２サブ電極との間の距離は、第１電極と対向電極との間の距離よりも長い。第１電極と対向電極との電位差をＶ１とし、第１及び第２サブ電極と対向電極との電位差をＶ２とし、第１電極間の距離をＰ１とし、第１及び第２サブ電極間の距離をＰ２とする時、Ｖ２／Ｖ１は、Ｐ２／Ｐ１以下である。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、液晶レンズ装置及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レンズ装置がある。液晶レンズ装置と画像表示部とを組み合わせた画像表示装置がある。この画像表示装置では、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。このような画像表示装置において高い表示品位が求められている。液晶レンズ装置において、高品位なレンズ機能が求められている。

特開２０１３−２１８１１３号公報

本発明の実施形態は、高品位なレンズ機能の液晶レンズ装置及び画像表示装置を提供する。

本発明の実施形態によれば、複数の第１電極と、第１サブ電極と、第２サブ電極と、対向電極と、液晶層と、を備えた液晶レンズ装置が提供される。前記複数の第１電極は、第１方向に延び、前記第１方向と交差する第２方向に並ぶ。前記第１サブ電極は、最近接の２つの前記第１電極の前記第２方向の中心と、前記最近接の２つの前記第１電極の一方と、の間に配置される。前記第２サブ電極は、前記中心と、前記最近接の２つの前記第１電極の他方と、の間に配置される。前記対向電極は、前記複数の第１電極、前記第１サブ電極及び前記第２サブ電極のそれぞれと対向する。前記液晶層は、前記複数の第１電極と前記対向電極との間、前記第１サブ電極と前記対向電極との間、及び、前記第２サブ電極と前記対向電極との間に設けられる。前記最近接の２つの前記第１電極の前記一方と前記第１サブ電極との間の距離、及び、前記最近接の２つの前記第１電極の前記他方と前記第２サブ電極との間の距離は、前記複数の第１電極のそれぞれと前記対向電極との間の距離よりも長い。前記複数の第１電極のそれぞれと前記対向電極との間の電位差の絶対値をＶ１とし、前記第１サブ電極と前記対向電極との間、及び、前記第２サブ電極と前記対向電極との間の電位差の絶対値をＶ２とし、前記最近接の２つの前記第１電極の間の距離をＰ１とし、前記第１サブ電極と前記第２サブ電極との間の距離をＰ２とする時、Ｖ２／Ｖ１は、Ｐ２／Ｐ１以下である。

第１の実施形態に係る画像表示装置を模式的に表す断面図である。 第１の実施形態に係る液晶レンズ装置の特性の一例を模式的に表すグラフ図である。 第１の実施形態に係る別の画像表示装置の一部を模式的に表す断面図である。 第２の実施形態に係る画像表示装置を模式的に表す断面図である。 第３の実施形態に係る画像表示装置を模式的に表す断面図である。

以下に、本発明の各実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る画像表示装置を模式的に表す断面図である。
図１に表したように、本実施形態に係る画像表示装置３１１は、液晶レンズ装置２１１と、画像表示部８０と、を含む。画像表示部８０は、画像の表示を行う。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。

液晶レンズ装置２１１は、液晶光学素子１１１と、駆動部７０と、を含む。液晶光学素子１１１は、例えば、画像表示部８０の上に設けられる。液晶光学素子１１１は、例えば、液晶ＧＲＩＮレンズ（Gradient Index lens）として機能する。液晶光学素子１１１の屈折率の分布は、変化可能である。屈折率の分布の１つの状態は、画像表示部８０に表示された画像をそのまま観察者の眼に入射させる第１状態に対応する。屈折率分布の別の状態は、画像表示部８０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第２状態に対応する。

画像表示装置３１１においては、液晶光学素子１１１の屈折率の分布を変化させることにより、二次元の画像の表示（以下、２Ｄ表示と称す）と、裸眼で立体視を行うことができる三次元の画像の表示（以下、３Ｄ表示と称す）と、の選択的な切り替えが可能である。

駆動部７０は、液晶光学素子１１１に電気的に接続される。駆動部７０は、例えば、液晶光学素子１１１の第１状態と第２状態との切り替えを行う。駆動部７０は、２Ｄ表示を行う場合に液晶光学素子１１１を第１状態にし、３Ｄ表示を行う場合に液晶光学素子１１１を第２状態にする。

画像表示部８０には、記録媒体や外部入力などにより、画像信号（映像信号）が入力される。画像表示部８０は、入力された画像信号に応じた画像を表示する。画像表示部８０は、２Ｄ表示を行う場合、２Ｄ表示用の画像を表示し、３Ｄ表示を行う場合、３Ｄ表示用の画像を表示する。

液晶光学素子１１１は、第１基板部１０ｕと、第２基板部２０ｕと、液晶層３０と、を含む。第１基板部１０ｕは、第１基板１０と、複数の第１電極１１と、複数の第２電極１２と、を含む。第１基板１０は、第１主面１０ａを有する。複数の第１電極１１は、第１主面１０ａ上に設けられる。複数の第１電極１１のそれぞれは、第１方向に延びる。複数の第１電極１１は、第１方向と交差する第２方向に並ぶ。図１においては、複数の第１電極１１のうちの２つが図示されている。複数の第１電極１１の数は任意である。

第１方向をＹ軸方向とする。第１主面１０ａに対して平行でＹ軸方向に対して垂直な方向をＸ軸方向とする。Ｘ軸方向とＹ軸方向とに対して垂直な方向をＺ軸方向とする。複数の第１電極１１は、例えば、Ｘ軸方向に並ぶ。この例において、第２方向は、Ｘ軸方向である。第２方向は、Ｘ軸方向に限ることなく、第１方向と交差する任意の方向でよい。

複数の第１電極１１のうちの最近接の２つの第１電極１１に着目する。最近接の２つの第１電極１１のうちの一方の電極を第１主電極１１ａとする。最近接の２つの第１電極１１のうちの他方の電極を第２主電極１１ｂとする。

最近接の２つの第１電極１１（第１主電極１１ａ及び第２主電極１１ｂ）の間には、中心軸５９がある。中心軸５９は、Ｘ−Ｙ平面（第１主面１０ａに対して平行な平面）に投影したときに、第１主電極１１ａのＸ軸方向における中心１１ａｃと、第２主電極１１ｂのＸ軸方向における中心１１ｂｃと、を結ぶ線分の中点を通り、Ｙ軸方向に対して平行である。

複数の第２電極１２は、第１基板１０上において複数の第１電極１１のそれぞれの間に設けられる。複数の第２電極１２は、Ｙ軸方向に延び、Ｘ軸方向において複数の第１電極１１のそれぞれと離間する。

複数の第２電極１２は、第１サブ電極１２ａと、第２サブ電極１２ｂと、を含む。第１サブ電極１２ａは、最近接の２つの第１電極１１のＸ軸方向の中心（中心軸５９）と、第１主電極１１ａと、の間に配置される。第２サブ電極１２ｂは、中心軸５９と第２主電極１１ｂとの間に配置される。

複数の第２電極１２のうちの第１サブ電極１２ａは、第１主面１０ａ上において、第１主電極１１ａ側に設けられ、Ｙ軸方向に延びる。複数の第２電極１２のうちの第２サブ電極１２ｂは、第１主面１０ａ上において、第２主電極１１ｂ側に設けられ、Ｙ軸方向に延びる。

第２基板部２０ｕは、第２基板２０と、対向電極２１と、を含む。第２基板２０は、第１主面１０ａと対向する第２主面２０ａを有する。複数の第１電極１１及び複数の第２電極１２のそれぞれは、第１基板１０と第２基板２０との間に設けられる。

対向電極２１は、第１基板部１０ｕと第２基板２０との間に設けられる。換言すれば、対向電極２１は、第２主面２０ａ上に設けられる。対向電極２１は、複数の第１電極１１及び複数の第２電極１２のそれぞれと対向する。

第１基板１０、第１電極１１、第２電極１２、第２基板２０、及び、対向電極２１は、光に対して透過性である。具体的には透明である。

第１基板１０及び第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及び第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電極１１、第２電極１２及び対向電極２１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、例えば約２００ナノメートル（ｎｍ）（例えば１００ｎｍ以上３５０ｎｍ以下）である。各電極の厚さは、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１１の配設ピッチ（最近接の２つの第１電極１１のそれぞれのＸ軸方向の中心の間の距離）は、例えば、５０μｍ以上１０００μｍ以下である。配設ピッチは、所望な仕様（後述する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。第１電極１１及び第２電極１２のＸ軸方向に沿う長さ（幅）は、例えば、５μｍ以上３００μｍ以下である。

液晶層３０は、第１基板部１０ｕと第２基板部２０ｕとの間に設けられる。液晶層３０は、複数の第１電極１１と対向電極２１との間、及び、複数の第２電極１２と対向電極２１との間に設けられる。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１１１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、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、垂直配向である。

Ｚ軸方向に沿う液晶層３０の長さ（厚さ）は、例えば、１０μｍ以上５０μｍ以下である。この例において、液晶層３０の厚さは、４０μｍである。液晶層３０の厚さは、すなわち、第１基板部１０ｕと第２基板部２０ｕとの間のＺ軸方向に沿う距離である。

液晶層３０における液晶の配向は、プレチルトを有してもよい。プレチルトにおいては、例えば、第１主電極１１ａから第２主電極１１ｂに向かう＋Ｘ方向に進むに従って、液晶のダイレクタ３０ｄが第１基板部１０ｕから第２基板部２０ｕに向かう。

プレチルト角は、液晶のダイレクタ３０ｄ（液晶分子の長軸方向の軸）とＸ−Ｙ平面との角度である。水平配向である場合、プレチルト角は、例えば、０°よりも大きく４５°未満である。垂直配向においては、プレチルト角は、例えば、４５°よりも大きく９０°未満である。

本明細書においては、プレチルト角が４５°未満の場合を、便宜的に水平配向と言い、プレチルト角が４５°を超える場合を、便宜的に垂直配向と言う。

プレチルトの方向は、例えば、クリスタルローテーション法などにより判定できる。また、液晶層３０に電圧を印加して、液晶の配向を変化させ、このときの液晶層３０の光学特性を観測することでも、プレチルトの方向を判定できる。

第１基板部１０ｕにおいて、例えばラビングなどの配向処理が行われる場合、配向処理の方向は、＋Ｘ方向に沿う。この例において、第１基板部１０ｕにおける配向処理の方向は、例えば、＋Ｘ方向である。

液晶のダイレクタ３０ｄをＸ−Ｙ平面に投影したときに、ダイレクタ３０ｄの軸は、＋Ｘ方向に対して平行でも良く、非平行でも良い。プレチルトの方向をＸ軸に投影したときに、プレチルトの方向は、＋Ｘ方向成分を有している。

液晶層３０の第２基板部２０ｕの近傍での配向方向は、液晶層３０の第１基板部１０ｕの近傍での配向方向に対して反平行である。この例において、第２基板部２０ｕにおける配向処理の方向は、−Ｘ方向である。すなわち、初期配向は、スプレイ配列ではない。

第１基板部１０ｕは、第１配向膜４１をさらに含む。第１配向膜４１は、第１基板１０と液晶層３０との間に設けられる。第１配向膜４１と第１基板１０との間に、複数の第１電極１１及び複数の第２電極１２が設けられる。第２基板部２０ｕは、第２配向膜４２をさらに含む。第２配向膜４２は、第２基板２０と液晶層３０との間に設けられる。第２配向膜４２と第２基板２０との間に、対向電極２１が設けられる。第１配向膜４１及び第２配向膜４２には、例えばポリイミドが用いられる。第１配向膜４１及び第２配向膜４２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配向膜４１のラビング処理の方向は、第２配向膜４２のラビング処理の方向に対して反平行である。第１配向膜４１及び第２配向膜４２に光照射処理を行うことで、初期配向を得ても良い。

第１配向膜４１及び第２配向膜４２の厚さは、例えば、１００ｎｍ（例えば３０ｎｍ以上３００ｎｍ以下）である。複数の第１電極１１のそれぞれと液晶層３０との間のＺ軸方向の距離は、例えば、３０ｎｍ以上３００ｎｍ以下である。複数の第２電極１２のそれぞれと液晶層３０との間のＺ軸方向の距離は、例えば、３０ｎｍ以上３００ｎｍ以下である。

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

第１電極１１と対向電極２１との間、及び、第２電極１２と対向電極２１との間に電圧を印加することで、液晶層３０における液晶分子に電界が作用し、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１１１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。

画像表示部８０は、表示部８２と光源部８４とを含む。表示部８２及び光源部８４は、液晶光学素子１１１と積層される。表示部８２及び光源部８４は、第１方向及び第２方向と交差する第３方向において液晶レンズ装置２１１（液晶光学素子１１１）と積層される。第３方向は、例えば、Ｚ軸方向である。第３方向は、Ｚ軸方向に限ることなく、第１方向及び第２方向と交差する任意の方向でよい。この例では、液晶光学素子１１１と光源部８４との間に表示部８２が設けられる。光源部８４は、表示部８２に向けて光を照射する。表示部８２は、入射した光を透過させ、画像情報を含む光を出射する。すなわち、この例において、表示部８２は、透過型の表示装置である。光源部８４は、いわゆるバックライトである。表示部８２は、画像情報を含む光を液晶光学素子１１１に入射させる。例えば、有機ＥＬ表示装置などの自発光型の表示装置を表示部８２に用いる場合には、光源部８４を省略することができる。

画像表示部８０は、表示部８２を制御する表示制御部８６をさらに含むことができる。表示部８２は、表示制御部８６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。表示部８２は、例えば、複数の視差画像を含む光を出射する。

駆動部７０は、表示制御部８６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３１１は、駆動部７０と表示制御部８６とを制御する制御部（図示しない）をさらに含んでも良い。

表示部８２は、表示面８２ａを有する。表示部８２は、表示面８２ａから画像情報を含む光を出射する。表示面８２ａは、例えば、矩形状である。液晶光学素子１１１は、表示面８２ａの上に設けられる。第１電極１１のＹ軸方向の長さは、表示面８２ａのＹ軸方向の長さよりも僅かに長い。第１電極１１は、Ｙ軸方向において表示面８２ａを横断する。

表示部８２は、二次元マトリクス状に配列された複数の画素ＰＸを有する。複数の画素ＰＸは、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に並ぶ。表示面８２ａは、複数の画素ＰＸによって形成される。

最近接の２つの第１電極１１の間の領域は、Ｘ軸方向に並ぶ複数の画素ＰＸと対向する。この例では、最近接の２つの第１電極１１の間の領域が、Ｘ軸方向に並ぶ３つの画素ＰＸと対向する。すなわち、複数の第１電極１１の間隔は、複数の画素ＰＸのＸ軸方向の間隔よりも広い。最近接の２つの第１電極１１の間の領域と対向するＸ軸方向に並ぶ複数の画素ＰＸの数は、３つに限ることなく、２つでもよいし、４つ以上でもよい。

表示部８２は、例えば、表示面８２ａに表示する画像を含む光を出射する。この光は実質的にＺ軸方向に進行する直線偏光状態にある。この直線偏光の偏光軸（電場の振動面のＸ−Ｙ平面における方位軸）は、Ｘ軸方向である。すなわち、この直線偏光の偏光軸は、液晶分子のダイレクタ（長軸）と平行な方向である。この直線偏光は、例えば、Ｘ軸方向を偏光軸とする光学フィルタ（偏光子）を光路上に配置することで形成される。

駆動部７０は、複数の第１電極１１、複数の第２電極１２及び対向電極２１のそれぞれと電気的に接続される。図１では、図を見やすくするために、駆動部７０と第１電極１１との間の一部の配線の図示、及び、駆動部７０と第２電極１２との間の配線の図示を省略している。

液晶層３０に含まれる複数の液晶分子のそれぞれは、複数の第１電極１１と対向電極２１との間、及び、複数の第２電極１２と対向電極２１との間に電圧が印加されていない場合に、水平配向となる。これにより、Ｘ軸方向及びＹ軸方向において、ほぼ均一な屈折率分布を示す。このため、電圧が印加されていない場合は、表示部８２に表示された画像を含む光の進行方向を実質的に変化させない。すなわち、液晶光学素子１１１は、電圧が印加されていない場合に、第１状態となる。

駆動部７０は、液晶光学素子１１１を第１状態から第２状態に切り替える場合に、複数の第１電極１１、複数の第２電極１２及び対向電極２１のそれぞれに電位を設定する。駆動部７０は、複数の第１電極１１のそれぞれと対向電極２１との間の電位差の絶対値をＶ１に設定する。Ｖ１は、換言すれば、複数の第１電極１１のそれぞれと対向電極２１との間の電圧の絶対値である。以下では、便宜的に、上記電圧の絶対値を第１電圧Ｖ１と称す。駆動部７０は、複数の第１電極１１のそれぞれと対向電極２１との間に第１電圧Ｖ１を印加する。

駆動部７０は、複数の第２電極１２のそれぞれと対向電極２１との間の電位差の絶対値をＶ２に設定する。Ｖ２は、換言すれば、複数の第２電極１２のそれぞれと対向電極２１との間の電圧の絶対値である。以下では、便宜的に、上記電圧の絶対値を第２電圧Ｖ２と称す。駆動部７０は、複数の第２電極１２のそれぞれと対向電極２１との間に第２電圧Ｖ２を印加する。

第１電圧Ｖ１は、第２電圧Ｖ２よりも高い。このように第１電圧Ｖ１及び第２電圧Ｖ２を印加した場合、液晶層３０のうちの、第１電極１１と対向電極２１とが対向している第１部分３０ａでは、液晶分子のチルト角が大きくなる。第１部分３０ａでは、例えば、液晶分子が垂直配向に近くなる。一方、液晶層３０のうちの、隣り合う２つの第１電極１１の中央付近の第２部分３０ｂでは、液晶分子は、水平配向のままである。そして、第１部分３０ａと第２部分３０ｂとの間の部分では、第２部分３０ｂから第１部分３０ａに向かって徐々に垂直配向に近づくように、液晶分子の角度（チルト角）が変化する。液晶分子は、Ｚ−Ｘ平面において、長軸の角度を変化させる。液晶分子の長軸の角度は、Ｙ軸方向を回転軸として変化する。

液晶分子は、複屈折性を有している。液晶分子の長軸方向の偏光に対する屈折率は、液晶分子の短軸方向の屈折率よりも高い。上記のように液晶分子の角度を変化させると、Ｚ軸方向に進行しＸ軸方向に偏光軸の向いた直線偏光に関する液晶層３０の屈折率は、液晶層３０のうちの第２部分３０ｂにおいて高く、第１部分３０ａに向かって徐々に低くなる。これにより、凸レンズ状（半円状）の屈折率分布が形成される。

複数の第１電極１１は、Ｙ軸方向に沿って延びている。このため、電圧印加時の液晶層３０の屈折率分布は、Ｙ軸方向に沿って延びるシリンドリカルレンズ状である。また、複数の第１電極１１は、Ｘ軸方向に並べられている。このため、電圧印加時の液晶層３０の屈折率分布は、液晶層３０全体で見たときに、Ｙ軸方向に沿って延びるシリンドリカルレンズがＸ軸方向に複数並べられたレンチキュラーレンズ状である。

第１電圧Ｖ１及び第２電圧Ｖ２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２１の電位を固定し、第１電極１１の電位または第２電極１２の電位を交流で変化させても良い。また、対向電極２１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１１の電位または第２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に形成された凸レンズ状の屈折率分布は、表示部８２のＸ軸方向に並ぶ複数の画素ＰＸと対向する。この例では、液晶層３０の屈折率分布のうちの屈折率が高い部分（第２部分３０ｂ）は、Ｘ軸方向に並ぶ３つの画素ＰＸのうちの中央の画素ＰＸと対向する。

電圧印加時の液晶層３０の屈折率分布は、各画素ＰＸから出射された光（画像）を、観察者の眼に向けて進行させる。これにより、屈折率分布と対向する３つの画素ＰＸのそれぞれによって形成される画像が、視差画像となる。すなわち、この例では、Ｘ軸方向に並ぶ３つの画素ＰＸによって、３つの視差画像が形成される。右眼用の視差画像は、観察者の右眼に選択的に入射し、左眼用の視差画像は、観察者の左眼に選択的に入射する。これにより、３Ｄ表示が可能となる。すなわち、液晶光学素子１１１は、複数の第１電極１１、複数の第２電極１２及び対向電極２１のそれぞれに電圧が印加されている場合に、第２状態となる。

液晶光学素子１１１が第１状態である場合、各画素ＰＸから出射された光は直進し、観察者の眼に入射する。これにより、２Ｄ表示が可能となる。２Ｄ表示では、３Ｄ表示に対して視差数倍（この例では３倍）の解像度で、通常の２Ｄの画像を表示できる。

複数の画素ＰＸには、各々ＲＧＢ三原色を含むカラーフィルタを設けることができる。これにより、カラー表示が可能となる。カラーフィルタには、ＲＧＢ三原色の他に、白（無色）や他の色要素をさらに含めてもよい。

このように、画像表示装置３１１の液晶光学素子１１１においては、複数の第１電極１１、複数の第２電極１２及び対向電極２１に電圧を印加するか否かによって液晶層３０の屈折率分布を変化させることにより、２Ｄ表示と３Ｄ表示とを切り替える。

第１主電極１１ａと第１サブ電極１２ａとの間の距離をＰａとする。第２主電極１１ｂと第２サブ電極１２ｂとの間の距離をＰｂとする。距離Ｐａは、より詳しくは、第１主電極１１ａのＸ軸方向の中心１１ａｃと、第１サブ電極１２ａのＸ軸方向の中心１２ａｃと、の間のＸ軸方向の距離である。距離Ｐｂは、より詳しくは、第２主電極１１ｂのＸ軸方向の中心１１ｂｃと、第２サブ電極１２ｂのＸ軸方向の中心１２ｂｃと、の間のＸ軸方向の距離である。距離Ｐｂは、距離Ｐａと実質的に同じである。

第１電極１１と対向電極２１との間のＺ軸方向の距離をｄ１とする。第２電極１２と対向電極２１との間のＺ軸方向の距離をｄ２とする。距離ｄ１は、距離ｄ２と実質的に同じである。すなわち、第１電極１１の厚さは、第２電極１２の厚さと実質的に同じである。距離ｄ１及び距離ｄ２は、換言すれば、各電極間における液晶層３０の厚さである。

距離Ｐａ及び距離Ｐｂは、距離ｄ１及び距離ｄ２よりも長い。すなわち、第１電極１１と第２電極１２との間の距離は、液晶層３０の厚さよりも長い。

第１主電極１１ａと第２主電極１１ｂとの間の距離をＰ１とする。第１サブ電極１２ａと第２サブ電極１２ｂとの間の距離をＰ２とする。距離Ｐ１は、より詳しくは、第１主電極１１ａのＸ軸方向の中心１１ａｃと、第２主電極１１ｂのＸ軸方向の中心１１ｂｃと、の間のＸ軸方向の距離である。距離Ｐ２は、より詳しくは、第１サブ電極１２ａのＸ軸方向の中心１２ａｃと、第２サブ電極１２ｂのＸ軸方向の中心１２ｂｃと、の間のＸ軸方向の距離である。

液晶光学素子１１１では、上記の距離Ｐ１、距離Ｐ２、第１電圧Ｖ１及び第２電圧Ｖ２のそれぞれが、下記の（１）式の関係を満たす。
Ｖ２／Ｖ１≦Ｐ２／Ｐ１ ・・・ （１）
すなわち、第１電圧Ｖ１に対する第２電圧Ｖ２の比Ｖ２／Ｖ１が、第１電極１１間の距離Ｐ１に対する第２電極１２間の距離Ｐ２の比Ｐ２／Ｐ１以下である。

液晶光学素子１１１では、（１）式の関係を満たすように、距離Ｐ１及び距離Ｐ２が設定される。駆動部７０は、（１）式の関係を満たすように、第１電圧Ｖ１及び第２電圧Ｖ２を設定する。すなわち、駆動部７０は、（１）式の関係を満たすように、複数の第１電極１１、複数の第２電極１２及び対向電極２１のそれぞれの電位を設定する。なお、（１）式において、距離Ｐ１、Ｐ２の単位はμｍ（マイクロメートル）であり、第１電圧Ｖ１及び第２電圧Ｖ２の単位はＶ（ボルト）である。

距離Ｐ２は、例えば、距離Ｐ１の半分以下である。距離Ｐ１は、例えば、２６０μｍ（２０μｍ以上１０００μｍ以下）である。距離Ｐ２は、例えば、１３０μｍ（１０μｍ以上５００μｍ以下）である。距離ｄ１及び距離ｄ２（液晶層３０の厚さ）は、例えば、４０μｍ（２０μｍ以上５０μｍ以下）である。第１電圧Ｖ１は、例えば、５Ｖ（３Ｖ以上７Ｖ以下）である。第２電圧Ｖ２は、例えば、１．２Ｖ（０．５Ｖ以上２．５Ｖ以下）である。

第１電極１１に印加される第１電圧Ｖ１は、第２電極１２に印加される第２電圧Ｖ２よりも高い。液晶層３０では、第１電極１１からＸ軸方向に距離Ｄ１（液晶層３０の厚さと同等の距離）離れた付近において、強い電界作用が発生する。この強い電界が発生する領域に第２電極１２を配置すると、第１電極１１に起因する電界と、第２電極１２に起因する電界と、の相互作用が強くなり、液晶配向が乱れやすくなってしまう。

従って、距離Ｐａ及び距離Ｐｂを、距離ｄ１及び距離ｄ２よりも長くする。これにより、液晶配向乱れを抑制することができる。

図２は、第１の実施形態に係る液晶レンズ装置の特性の一例を模式的に表すグラフ図である。
図２は、実験結果の一例を模式的に表す。実験では、Ｐ２／Ｐ１の異なる複数の試料を用意し、各試料においてＶ２／Ｖ１を変化させた時の集光割合ＦＲを測定した。集光割合ＦＲとは、液晶層３０の凸レンズ状の屈折率分布１つ分に入射した光線に対して、任意焦点距離に集光した光の割合を表す。集光割合ＦＲが低い場合は、凸レンズ状の屈折率分布に入射した光の一部しか焦点距離に集光せず、他は散乱や迷光となってしまう。集光割合ＦＲは、例えば、レンズ入射面全体の光強度と、任意の面積を持つ集光面全体の光強度を輝度計で計測し、両者の比をとることによって測定することができる。図２の横軸は、実験において各試料に設定した電圧Ｖ１、Ｖ２及び距離Ｐ１、Ｐ２の比（Ｖ２／Ｖ１）／（Ｐ２／Ｐ１）である。図２の縦軸は、測定した集光割合ＦＲである。

集光割合ＦＲを０．８以上にする。これにより、光の散乱などを抑制し、液晶層３０の屈折率分布を適切にレンズとして機能させることができる。例えば、３Ｄ表示において、視差画像の混視（クロストーク）などを抑制し、高い表示品位を得ることができる。

図２に表したように、（Ｖ２／Ｖ１）／（Ｐ２／Ｐ１）が１よりも大きくなると、集光割合ＦＲが０．８未満となる電圧や電極位置の条件が増加する。このため、（Ｖ２／Ｖ１）／（Ｐ２／Ｐ１）が１よりも大きい場合には、例えば、製造精度などによる電圧や電極位置の変動に応じて、レンズ性能が劣化しやすくなってしまう。

一方、（Ｖ２／Ｖ１）／（Ｐ２／Ｐ１）が１以上である場合には、電圧や電極位置の条件が僅かに変動した場合にも、レンズ性能の劣化を抑制することができる。さらに、集光割合ＦＲが０．９を超える高いレンズ性能を得やすくすることができる。例えば、（Ｖ２／Ｖ１）／（Ｐ２／Ｐ１）を０．５以上１以下に設定する。これにより、液晶層３０の屈折率分布において、良好なレンズ性能を得ることができる。

例えば、距離Ｐａ、Ｐｂが短く、第２電極１２が第１電極１１寄りに配置され、かつ、第２電極１２の印加電圧が低い場合には、レンズ中央付近の水平配向の領域が広がり、中央が扁平なレンズ特性になってしまうことが懸念される。

例えば、距離Ｐａ、Ｐｂが短く、第２電極１２が第１電極１１寄りに配置され、かつ、第２電極１２の印加電圧が高い場合には、レンズ端付近の垂直配向に近い配向の領域が広がり、プリズム状のレンズ特性になってしまうことが懸念される。

例えば、第２電極１２が中央寄りに配置され、かつ、第２電極１２の印加電圧が高い場合には、第２電極１２と対向電極２１との間の部分においてレンズ特性が歪んでしまうことが懸念される。

本実施形態に係る液晶レンズ装置２１１及び画像表示装置３１１では、距離Ｐａ及び距離Ｐｂを、距離ｄ１及び距離ｄ２よりも長くし、Ｖ２／Ｖ１≦Ｐ２／Ｐ１の関係を満たすように各電極の配置及び印加電圧を設定する。これにより、例えば、液晶層３０において良好な凸レンズ状の屈折率分布を形成することができる。例えば、集光割合ＦＲの低下を抑制することができる。高品位なレンズ機能を提供することができる。例えば、高品位の３Ｄ表示を提供することができる。

また、液晶レンズ装置２１１及び画像表示装置３１１では、最近接の２つの第１電極１１の間に配置される電極が、第１サブ電極１２ａ及び第２サブ電極１２ｂの２つのみである。これにより、最近接の２つの第１電極１１の間に、より多くの電極を形成する場合に比べて、製造性を向上させることができる。また、印加する電圧の種類を、第１電圧Ｖ１及び第２電圧Ｖ２の２種類にすることができる。これにより、例えば、駆動部７０の構成を簡素にすることができる。

なお、最近接の２つの第１電極１１の間に配置される第２電極１２の数は、２つに限ることなく、３つ以上でもよい。最近接の２つの第１電極１１の間には、第２電極１２以外の電極をさらに設けてもよい。

図３（ａ）及び図３（ｂ）は、第１の実施形態に係る別の画像表示装置の一部を模式的に表す断面図である。
図３（ａ）及び図３（ｂ）では、液晶光学素子１１２、１１３のみを便宜的に図示している。駆動部７０や画像表示部８０は、上記実施形態と同様にすることができる。以下では、上記実施形態と機能・構成上実質的に同じものについては、同符号を付し、詳細な説明を省略する。

図３（ａ）に表したように、液晶光学素子１１２では、第１サブ電極１２ａと第２サブ電極１２ｂとの間のＸ軸方向の距離Ｐ２が、第１主電極１１ａと第１サブ電極１２ａとの間のＸ軸方向の距離Ｐａ、及び、第２主電極１１ｂと第２サブ電極１２ｂとの間のＸ軸方向の距離Ｐｂ以下である。

液晶光学素子１１２において、距離Ｐ２は、例えば、７０μｍである。距離Ｐａ及び距離Ｐｂは、例えば、１２０μｍである。第１電圧Ｖ１は、例えば、第２電圧Ｖ２の３倍以上である。第１電圧Ｖ１は、例えば、５Ｖである。第２電圧Ｖ２は、例えば、１Ｖである。

このように、第２電極１２を中心軸５９に近づける。これにより、第１電極１１の電界作用がさらに弱まる領域において、第２電極１２による電界を作用させやすくなり、凸レンズ状の屈折率分布がより形成しやすくなる。例えば、凸レンズ状の屈折率分布の集光性能をより向上させることができる。

また、第１サブ電極１２ａと第２サブ電極１２ｂとの間のＸ軸方向の距離Ｐ２は、距離ｄ１及び距離ｄ２の半分以上にする。すなわち、距離Ｐ２は、液晶層３０の厚さの半分以上にする。これにより、第１サブ電極１２ａと第２サブ電極１２ｂとの間の電界の相互作用が要因となるディスクリネーションの発生を抑制することができる。例えば、３Ｄ表示の表示品位をより高めることができる。

図３（ｂ）に表したように、液晶光学素子１１３では、第１サブ電極１２ａと第２サブ電極１２ｂとの間のＸ軸方向の距離Ｐ２が、第１主電極１１ａと第２主電極１１ｂとの間のＸ軸方向の距離Ｐ１の１／４以下である。

液晶光学素子１１３において、距離Ｐ２は、例えば、６０μｍである。距離Ｐ１は、例えば、３００μｍである。第１電圧Ｖ１は、例えば、第２電圧Ｖ２の３倍以上である。第１電圧Ｖ１は、例えば、５Ｖである。第２電圧Ｖ２は、例えば、１Ｖである。また、距離Ｐ２は、距離ｄ１及び距離ｄ２の半分以上である。

このように、第２電極１２を中心軸５９にさらに近づける。これにより、第１電極１１の電界作用がさらに弱まる領域において、第２電極１２による電界をさらに作用させやすくなり、凸レンズ状の屈折率分布がより形成しやすくなる。例えば、凸レンズ状の屈折率分布の集光性能をより向上させることができる。

（第２の実施形態）
図４は、第２の実施形態に係る画像表示装置を模式的に表す断面図である。
図４に表したように、画像表示装置３２１及び液晶レンズ装置２２１では、液晶光学素子１２１の第１基板部１０ｕが、中心電極１３をさらに含む。中心電極１３は、第１主面１０ａ上に設けられ、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に対して平行な平面（Ｘ−Ｙ平面）に投影した時に、中心軸５９に重なる。換言すれば、中心電極１３は、最近接の２つの第１電極１１の間において、中心軸５９上に配置される。中心電極１３は、第１サブ電極１２ａと第２サブ電極１２ｂとの間に設けられる。また、中心電極１３は、第１サブ電極１２ａ及び第２サブ電極１２ｂと離間する。中心電極１３は、光透過性である。中心電極１３は、例えば、透明である。中心電極１３には、例えば、第１電極１１及び第２電極１２に関して説明した材料を用いることができる。

中心電極１３は、駆動部７０と電気的に接続される。駆動部７０は、例えば、対向電極２１と実質的に同じ電位を中心電極１３に設定する。すなわち、駆動部７０は、中心電極１３と対向電極２１との間の電圧を実質的に０Ｖに設定する。駆動部７０は、中心電極１３と対向電極２１との間に実質的に０Ｖの第３電圧Ｖ３を印加する。

このように、液晶レンズ装置２２１及び画像表示装置３２１では、中心電極１３を第１基板部１０ｕにさらに設ける。これにより、例えば、レンズ中心付近における屈折率分布の形状調整の自由度を向上させることができる。例えば、レンズ性能（集光割合ＦＲ）をより向上させることができる。また、中心電極１３は、対向電極２１と実質的に同じ電位を設定する。これにより、例えば、駆動部７０において新たな電圧を用意する必要がなくなる。例えば、中心電極１３を設けた場合にも、駆動部７０の複雑化を抑制することができる。中心電極１３を設ける場合、最近接の２つの第１電極１１の間に配置する電極は、第１サブ電極１２ａ、第２サブ電極１２ｂ及び中心電極１３の３つのみとする。これにより、例えば、液晶レンズ装置２２１の製造性の低下を抑制することができる。

（第３の実施形態）
図５は、第３の実施形態に係る画像表示装置を模式的に表す断面図である。
図５に表したように、画像表示装置３３１及び液晶レンズ装置２３１では、液晶光学素子１３１が、表示部８２と光源部８４との間に設けられている。液晶光学素子１３１では、光源部８４から照射され、液晶光学素子１３１を透過した光が、表示部８２に入射する。

このように、液晶光学素子１３１は、表示部８２と光源部８４との間に設けてもよい。この例において、液晶光学素子１３１は、上記第１の実施形態で説明した液晶光学素子１１１と実質的に同じである。液晶光学素子１３１は、これに限ることなく、第１の実施形態及び第２の実施形態で説明したいずれの構成でもよい。

上記各実施形態では、表示部８２に透過型の表示装置を用いている。表示部８２は、これに限ることなく、例えば、反射型の表示装置を用いてもよい。反射型の表示装置を表示部８２に用いる場合には、光源部８４を省略してもよい。反射型の表示装置を表示部８２に用いる場合には、例えば、フロントライト型の光源部８４を用いてもよい。例えば、表示部８２の表示面８２ａの上に液晶光学素子１３１を設け、液晶光学素子１３１の上に光源部８４を設けてもよい。

実施形態によれば、高品位なレンズ機能の液晶レンズ装置が提供できる。そして、この液晶レンズ装置を用いることにより、高品位の表示を提供する画像表示装置が提供できる。

なお、本願明細書において、「垂直」及び「平行」は、厳密な垂直及び厳密な平行だけではなく、例えば製造工程におけるばらつきなどを含むものであり、実質的に垂直及び実質的に平行であれは良い。本願明細書において、「上に設けられる」状態は、直接接して設けられる状態の他に、間に他の要素が挿入されて設けられる状態も含む。「積層される」状態は、互いに接して重ねられる状態の他に、間に他の要素が挿入されて重ねられる状態も含む。「対向する」状態は、直接的に面する状態の他に、間に別の要素が挿入されて面する状態も含む。

以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、液晶レンズ装置及び画像表示装置に含まれる駆動部、表示部、画像表示部、第１基板部、第２基板部、液晶層、第１基板、第２基板、第１電極、第２電極、第１サブ電極、第２サブ電極、中心電極及び対向電極などの各要素の具体的な構成に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含される。
また、各具体例のいずれか２つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。

その他、本発明の実施の形態として上述した液晶レンズ装置及び画像表示装置を基にして、当業者が適宜設計変更して実施し得る全ての液晶レンズ装置及び画像表示装置も、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。

その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。

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。これら新規な実施形態は、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。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、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。

１０…第１基板、 １０ａ…第１主面、 １０ｕ…第１基板部、 １１…第１電極、 １１ａ…第１主電極、 １１ａｃ…中心、 １１ｂ…第２主電極、 １１ｂｃ…中心、 １２…第２電極、 １２ａ…第１サブ電極、 １２ｂ…第２サブ電極、 １３…中心電極、 ２０…第２基板、 ２０ａ…第２主面、 ２０ｕ…第２基板部、 ２１…対向電極、 ３０…液晶層、 ３０ｄ…ダイレクタ、 ４１…第１配向膜、 ４２…第２配向膜、 ５９…中心軸、 ７０…駆動部、 ８０…画像表示部、 ８２…表示部、 ８４…光源部、 ８６…表示制御部、 １１１、１１２、１１３、１２１、１３１…液晶光学素子、 ２１１、２２１、２３１…液晶レンズ装置、 ３１１、３２１、３３１…画像表示装置、 ＰＸ…画素

Claims (11)

1. 第１方向に延び、前記第１方向と交差する第２方向に並ぶ複数の第１電極と、
   最近接の２つの前記第１電極の前記第２方向の中心と、前記最近接の２つの前記第１電極の一方と、の間に配置された第１サブ電極と、
   前記中心と、前記最近接の２つの前記第１電極の他方と、の間に配置された第２サブ電極と、
   前記複数の第１電極、前記第１サブ電極及び前記第２サブ電極のそれぞれと対向する対向電極と、
   前記複数の第１電極と前記対向電極との間、前記第１サブ電極と前記対向電極との間、及び、前記第２サブ電極と前記対向電極との間に設けられた液晶層と、
   を備え、
   前記最近接の２つの前記第１電極の前記一方と前記第１サブ電極との間の距離、及び、前記最近接の２つの前記第１電極の前記他方と前記第２サブ電極との間の距離は、前記複数の第１電極のそれぞれと前記対向電極との間の距離よりも長く、
   前記複数の第１電極のそれぞれと前記対向電極との間の電位差の絶対値をＶ１とし、
   前記第１サブ電極と前記対向電極との間、及び、前記第２サブ電極と前記対向電極との間の電位差の絶対値をＶ２とし、
   前記最近接の２つの前記第１電極の間の距離をＰ１とし、
   前記第１サブ電極と前記第２サブ電極との間の距離をＰ２とする時、
   Ｖ２／Ｖ１は、Ｐ２／Ｐ１以下である液晶レンズ装置。
2. 前記最近接の２つの前記第１電極の間に配置される電極は、前記第１サブ電極及び前記第２サブ電極の２つのみである請求項１記載の液晶レンズ装置。
3. 前記最近接の２つの前記第１電極の間において前記中心に配置された中心電極をさらに含む請求項１記載の液晶レンズ装置。
4. 前記Ｖ１は、前記Ｖ２の３倍以上である請求項１〜３のいずれか１つに記載の液晶レンズ装置。
5. 前記第１サブ電極と前記第２サブ電極との間の距離は、前記最近接の２つの前記第１電極の間の距離の半分以下である請求項１〜４のいずれか１つに記載の液晶レンズ装置。
6. 前記第１サブ電極と前記第２サブ電極との間の距離は、前記最近接の２つの前記第１電極の前記一方と前記第１サブ電極との間の距離、及び、前記最近接の２つの前記第１電極の前記他方と前記第２サブ電極との間の距離以下である請求項１〜４のいずれか１つに記載の液晶レンズ装置。
7. 前記第１サブ電極と前記第２サブ電極との間の距離は、前記最近接の２つの前記第１電極の間の距離の１／４以下である請求項１〜４のいずれか１つに記載の液晶レンズ装置。
8. 前記第１サブ電極と前記第２サブ電極との間の距離は、前記複数の第１電極のそれぞれと前記対向電極との間の距離の半分以上である請求項１〜７のいずれか１つに記載の液晶レンズ装置。
9. 前記複数の第１電極のそれぞれと前記液晶層との間の距離、前記第１サブ電極と前記液晶層との間の距離、及び、前記第２サブ電極と前記液晶層との間の距離は、３０ｎｍ以上３００ｎｍ以下である請求項１〜８のいずれか１つに記載の液晶レンズ装置。
10. 前記複数の第１電極、前記第１サブ電極、前記第２サブ電極及び前記対向電極のそれぞれと電気的に接続され、前記複数の第１電極、前記第１サブ電極、前記第２サブ電極及び前記対向電極のそれぞれに、Ｖ２／Ｖ１がＰ２／Ｐ１以下となる電位を設定する駆動部をさらに備えた請求項１〜９のいずれか１つに記載の液晶レンズ装置。
11. 請求項１〜１０のいずれか１つに記載の液晶レンズ装置と、
    前記第１方向及び前記第２方向と交差する第３方向において前記液晶レンズ装置と積層され、画像情報を含む光を出射する表示部を含む画像表示部と、
    を備えた画像表示装置。

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