JP2016191744A - 屈折率分布型液晶光学装置および画像表示装置 - Google Patents

屈折率分布型液晶光学装置および画像表示装置 Download PDF

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Abstract

【課題】高い表示品位の屈折率分布型液晶光学装置および画像表示装置を提供する。
【解決手段】屈折率分布型液晶光学装置は、光学素子101と制御部とを備える。光学素子は、主面を有する第１基板10と、第２基板20と、第１基板の主面と第２基板の間に設けられた液晶層30と、第１基板の主面と液晶層との間に設けられた複数の第１電極11および第１電極の間に設けられた複数の第２電極12と、第２基板と液晶層との間に設けられた複数対の第３電極13と複数対の第４電極14と、を備える。一対の第３電極は一対の第４電極の間に設けられ、第４電極を主面に投影したときに第４電極は第１方向における第１電極の幅の第１中点と重なる。複数の第２電極と複数対の第３電極とを主面に投影したときに一対の第３電極それぞれは一の第２電極が有する一対の端部それぞれと重なる。制御部は、各電極に電圧を印加する。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、屈折率分布型液晶光学装置およ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光学
装置が知られている。また、この液晶光学装置と表示素子とを組み合わせた、立体画像を
表示可能な画像表示装置がある。
この画像表示装置は、液晶光学装置の屈折率の分布を変化させることで、表示素子に表
示された画像をそのまま観察者の眼に入射させたり、複数の視差画像にして観察者の眼に
入射させたりすることができる。すなわち、この画像表示装置は、二次元表示と三次元画
像表示とを切り替えることができる。また、フレネルゾーンプレートの光学原理を利用し
て光の経路を変更する技術も知られている。このような表示装置において高い表示品位が
求められている。
特開２０１２−１３７６６２号公報 特開２０１４−８１５３４号公報
本発明が解決しようとする課題は、高い表示品位の屈折率分布型液晶光学装置および画
像表示装置を提供することにある。
実施形態に係る屈折率分布型液晶光学装置は、主面を有する第１基板と、第２基板と、
前記第１基板の前記主面と前記第２基板の間に設けられた液晶層と、前記第１基板の前記
主面と前記液晶層との間に設けられ、前記主面に平行な第１方向に並べられた複数の第１
電極と、前記１基板の前記主面と前記液晶層との間に設けられ、前記複数の第１電極の間
に配置され、それぞれが一対の端部と前記一対の端部の間に設けられた中央部とを有する
、複数の第２電極と、前記第２基板と前記液晶層との間に設けられた複数対の第３電極と
、前記第２基板と前記液晶層との間に設けられ、前記第１方向において前記複数対の第３
電極と並ぶ複数対の第４電極と、を備える光学素子と、前記複数の第１電極に第１電圧を
印加し、前記複数の第２電極に第２電圧を印加し、前記複数対の第３電極に第３電圧を印
加し、前記複数対の第４電極に第４電圧を印加する制御部と、を備え、一対の前記第３電
極は一対の前記第４電極の間に設けられ、前記第４電極を前記主面に投影したときに前記
第４電極は前記第１方向における前記第１電極の幅の第１中点と重なり、前記複数の第２
電極と前記複数対の第３電極とを前記主面に投影したときに一対の前記第３電極それぞれ
は一の前記第２電極が有する前記一対の端部それぞれと重なり、前記第１電圧Ｖ１と前記
第２電圧Ｖ２と前記第３電圧Ｖ３と前記第４電圧Ｖ４は、
の関係にある。
第１の実施形態に係る屈折率分布型液晶光学装置を示す模式的断面図とその部分拡大図である。 第１の実施形態に係る画像表示装置を示す模式的断面図である。 図３（a）は参考例１に係る屈折率分布型液晶光学装置の電位分布を示す模式図であり、図３（b）は参考例１に係る屈折率分布型液晶光学装置の電極を示す一部断面拡大図である。 図４（a）は参考例２に係る屈折率分布型液晶光学装置の電位分布を示す模式図であり、図４（b）は参考例２に係る屈折率分布型液晶光学装置の電極を示す一部断面拡大図である。 参考例１および参考例２に係る屈折率分布型液晶光学装置との屈折率分布を示す模式図である。 第２の実施形態に係る画像表示装置を示す模式的断面図とその部分拡大図である。 第３の実施形態に係る画像表示装置を示す模式的断面図である。 第３の実施形態に係る各電極を示す模式的斜視図である。 第４の実施形態に係る画像表示装置を示す模式的断面図である。
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（ａ）は、第１の実施形態に係る屈折率分布型液晶光学装置（液晶光学装置）１１
１の構成を例示する模式的断面図である。 図１（ｂ）は、図１（ａ）の部分拡大図であ
る。図２は第１の実施形態に係る画像表示装置を示す模式的断面図である。本実施形態に
係る画像表示装置２１１は、液晶光学装置１１１と、表示素子８０と、表示駆動部８７と
、を含む。
液晶光学装置１１１は、第１基板部１０ｕと第２基板部２０ｕと液晶層３０とを含む液
晶光学素子１０１と、制御部７７と、を備える。
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。
液晶光学素子１０１は、入射光の光路を変更する第１状態と、入射光の光路を実質的に
変更しない第２状態と、を有する。すなわち、第１状態は、液晶層３０に屈折率分布３１
が形成される状態であり、第２状態は液晶層３０の屈折率が均一な状態である。第１状態
の液晶光学素子１０１に光が入射することで、画像表示装置２１１は、例えば、三次元表
示を提供する。また、第２状態の液晶光学素子１０１に光が入射することで、画像表示装
置２１１は、例えば、二次元画像表示を提供する。第１状態と第２状態は、制御部７７に
よって液晶層３０の状態が変化することによって切り替えられる。
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と複数の第２
電極１２は、第１基板１０の第１主面１０ａと液晶層３０との間に設けられる。複数の第
１電極１１は、第１主面１０ａに平行な第１方向に並べられる。複数の第２電極１２は、
第１主面１０ａに平行な第１方向に並べられる。複数の第２電極１２それぞれは、複数の
第１電極の間に配置される。
第１方向をＸ方向とする。第１主面１０ａに垂直な第２方向をＺ方向とする。Ｘ方向と
Ｚ方向とに対して垂直な方向をＹ方向とする。Ｘ−Ｙ平面は、第１主面１０ａに対して平
行である。
複数の第１電極１１のそれぞれは、例えば、第１主面１０ａに平行で第１方向に垂直な
Ｙ方向に延在する。複数の第２電極１２のそれぞれは、例えば、Ｙ方向に延在する。
第２基板部２０ｕは、第２基板２０と、第３電極１３と、第４電極１４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。本明細書において、
対向している状態は、直接向かい合う状態の他に、間に他の要素が挿入されて向かい合う
状態も含む。複数対の第３電極１３は、第２基板２０の第２主面２０ａと液晶層３０との
間に設けられる。複数対の第３電極１３は、第１方向に並べられる。複数対の第３電極１
３は、例えばＹ方向に延在する。
複数対の第４電極１４は、第２基板２０の第２主面２０ａと液晶層３０との間に設けら
れる。複数対の第３電極１３は、Ｘ方向に並べられる。複数対の第３電極１３は、例えば
Ｙ方向に延在する。第４電極１４は、Ｘ方向において複数対の第３電極１３と並ぶ。一対
の第３電極１３は一対の第４電極１４の間に設けられる。複数対の第４電極１４は、例え
ばＹ方向に延在する。
第１基板部１０ｕと第２基板部２０ｕそれぞれは、配向膜を有していても良い。
液晶層３０は、第１基板１０と第２基板２０との間に設けられる。
第１基板１０、第２基板２０、第１電極１１、第２電極１２、第３電極１３、および第
４電極１４は、光透過性であり、例えば、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、例えば、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、２００
０μｍ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及び第３電極１３は、例えば、インジウム（Ｉｎ）、錫（
Ｓｎ）、亜鉛（Ｚｎ）及びチタン（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、例えばインジウムチタン酸化物（ＩＴ
Ｏ）が用いられる。例えば、インジウム酸化物（Ｉｎ２Ｏ３）及び錫酸化物（ＳｎＯ３）
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１００ナノメート
ル（ｎｍ）以上３５０ｎｍ以下である。これらの電極の厚さは、例えば約１５０ｎｍ以上
２５０ｎｍ以下である。これらの電極の厚さは、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のピッチ（最近接の第１電極１１同士のＸ方向の中心の間の距離）は、例
えば、１０μｍ以上１０００μｍ以下である。このピッチは、任意に設定される。第１電
極１１と、これと隣り合う第２電極１２との間隔は、５μｍ以上２０μｍ以下である。
第１電極１１の第１方向に沿った幅Ｗ１は、例えば、５μｍ以上３００μｍ以下である
。第２電極１２の幅Ｗ２は、例えば、５μｍ以上３００μｍ以下である。第３電極１３の
幅Ｗ３は、例えば５μｍ以上３０μｍ以下である。第２電極１２の幅Ｗ２は、例えば、第
３電極１３の幅Ｗ３より大きい。
液晶層３０は、液晶材料を含む。液晶材料には、例えば、ネマティック液晶（液晶光学
装置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、実質的に水平配向で
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、実質的に垂直配向
である。
本明細書においては、水平配向においては、液晶のダイレクタ（液晶分子の長軸）とＸ
−Ｙ平面との角度（プレチルト角）は、０°以上３０°以下である。垂直配向においては
、例えば、プレチルト角は、６０°以上９０°以下である。初期配列、及び、電圧印加時
の配列の少なくともいずれかにおいて、ダイレクタは、Ｘ方向に対して平行な成分を有す
る。
以下では、液晶層３０に含まれる液晶の誘電異方性は正であり、初期配列が実質的に水
平配向である場合について説明する。
実質的な水平配向の場合、初期配列において、ダイレクタはＸ方向に対して実質的に平
行である。例えば、ダイレクタをＸ−Ｙ平面に投影したとき、ダイレクタとＸ方向とのな
す角は、１５度以下である。例えば、液晶の第２基板部２０ｕの近傍での配向方向は、液
晶の第１基板部１０ｕの近傍での配向方向に対して反平行である。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、配向膜（図示しない）をさらに含んでも良い。第１基板部１０ｕ
は、配向膜（図示しない）をさらに含んでも良い。これらの配向膜には例えばポリイミド
が用いられる。
制御部７７は、第１電極１１、第２電極１２、第３電極１３、及び第４電極１４の電圧
を制御する。制御部７７は、液晶層３０の第１状態と第２状態を切り替えることができる
。制御部７７は、複数の第１電極１１と、複数の第２電極１２と、複数対の第３電極１３
と複数対の第４電極１４に電気的に接続されている。制御部７７は、第１電極１１、第２
電極１２、第３電極１３及び第４電極１４それぞれと基準グラウンドとの間で電圧を印加
する。制御部７７は、複数の第１電極１１に第１電圧Ｖ１を印加し、複数の第２電極１２
に第２電圧Ｖ２を印加し、複数対の第３電極１３に第３電圧Ｖ３を印加し、複数対の第４
電極１４に第４電圧Ｖ４を印加する。
第１状態において、制御部７７は液晶層３０の液晶の配列を変化させ、液晶層３０に屈
折率分布３１を形成する。図１では、屈折率分布３１を模式的に例示している。以下に第
１状態の液晶層３０について説明する。
複数の第１電極１１の１つを第１電極１１Ａとし、複数の第１電極１１の別の１つを第
１電極１１Ｂとし、複数の第１電極１１の別の１つを第１電極１１Ｃとする。第１電極１
１Ａと第１電極１１Ｃとの間に第１電極１１Ｂが配置される。以下では、第１電極１１Ａ
〜１１Ｃを総称して、第１電極１１という場合がある。
すなわち、液晶光学素子１０１のＸ−Ｚ平面に平行な一断面において、第１電極１１Ａ
のＸ方向における中心と第１電極１１ＢのＸ方向における中心との間のＸ方向に沿った距
離は、第１電極１１ＢのＸ方向における中心と第１電極１１ＣのＸ方向における中心との
間のＸ方向に沿った距離と実質的に等しい。
液晶層３０は、第１状態において、複数のレンズ部分を有する。複数のレンズ部分は、
第１レンズ部分７１と第２レンズ部分７２とを有する。第１レンズ部分７１は、液晶層３
０を第１主面１０ａに対して平行な平面（Ｘ−Ｙ平面）に投影したときに、第１電極１１
ＡのＹ方向に平行な中心線と第１電極１１ＢのＹ方向に平行な中心線との間にある部分で
ある。第２レンズ部分７２は、液晶層３０を第１主面１０ａに対して平行な平面（Ｘ−Ｙ
平面）に投影したときに、第１電極１１Ｂの中心線と第１電極１１Ｃの中心線との間にあ
る部分である。第１電極１１Ａ〜１１ＣのＹ方向に平行な中心線は、第１電極１１Ａ〜１
１Ｃの第１方向における幅の中心を通る線である。第２レンズ部分７２における屈折率分
布３１は、第１レンズ部分７１における屈折率分布３１と実質的に同じである。以下では
、第１レンズ部分７１における屈折率分布３１に関して説明する。
Ｘ−Ｙ平面に投影したときに第１電極１１ＡのＸ方向における中心と、第１電極１１の
Ｘ方向における中心と、を結ぶ線分の中点を通り、Ｙ−Ｚ平面に平行な平面を中心面５９
とする。中心面５９は、例えば、第２電極のＸ方向における中心を通りＹ−Ｚ平面に平行
な平面である。第１レンズ部分７１の屈折率分布３１は、中心面５９に面対称である。所
望の光学特性を得るために、または、製造条件のばらつきなどに起因して、第１レンズ部
分７１の屈折率分布３１は、中心面５９に非対称でも良い。以下では、第１レンズ部分７
１の屈折率分布３１は、中心面５９に面対称であることとする。
第１レンズ部分７１のうち中心面５９と１つの第１電極１１（例えば第１電極１１Ｂ）
との間の部分について説明する。
液晶層３０は、第１状態において、中心面５９から第１電極１１の端部に向かう＋Ｘ方
向に沿って並ぶ第１部分３０ａと第２部分３０ｂと第３部分３０ｃとを有する。第１部分
３０ａは、＋Ｘ方向に屈折率ｎが減少する部分である。第２部分３０ｂは、＋Ｘ方向に屈
折率ｎが増加する部分である。第３部分３０ｃは、＋Ｘ方向に屈折率ｎが減少する部分で
ある。
液晶光学素子１０１は、例えば、フレネルレンズの光学特性を有する。屈折率分布３１
は、例えば、フレネルレンズにおけるレンズの厚さの分布に対応する形状を有する。液晶
光学素子１０１は、屈折率ｎが面内で変化する液晶ＧＲＩＮレンズ（Gradient Index len
s）として機能する。液晶光学素子１０１は、フレネルレンズの光学特性を有するので、
薄くて液晶層３０の応答速度が速い。
本実施形態における液晶光学素子１０１は、例えば、フレネルレンズの一例であるシリ
ンドリカルレンズとして機能する。各フレネルレンズは図１のＸ方向には曲率を持ってお
り、入射した光の方向を制御することが出来る。一方、Ｙ方向には曲率がないために入射
した光は、平行平面ガラスを通過する様に方向が少し変化する。液晶光学素子１０１は、
例えば、フレネルレンズの一例であるフライアレイレンズ等として機能してもよい。
表示素子８０について以下に説明する。
表示素子８０には、例えば、液晶表示素子、有機ＥＬ表示素子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。実施形態はこれに限らず、表示素子８０には、任意の表
示装置を用いることができる。表示素子８０は、液晶光学素子１０１と積層される。本明
細書において、積層される状態は、直接接して重ねられる状態の他に、間の他の要素が挿
入されて重ねられる状態も含む。
表示素子８０は、複数の要素画像領域を含む。複数の要素画像領域は、第１要素画像領
域８１と、第２要素画像領域８２と、を含む。１つの要素画像領域は、１つのレンズ部分
と対応する。例えば、第１要素画像領域８１は、第２レンズ部分７２と対向する。
なお、本実施形態では、要素画像領域及びレンズ部分をＸ−Ｙ平面に投影した位置が互
いに一致するような構成について示すが、一致しない構成であっても良い。例えば、表示
素子８０の中央から外縁に向かうに従って、要素画像領域の中心と及びレンズ部分の中心
のずれが大きくなってもよい。
表示駆動部８７から表示素子８０に映像情報を含む信号が供給される。表示素子８０は
、その信号に基づいて変調された光を生成する。表示素子８０は、例えば、複数の視差画
像を含む光を出射することができる。
例えば、第１要素画像領域８１は、Ｘ方向に順番に並ぶ第１〜第Ｎ（Ｎは２以上の整数
）の複数の主領域視差画像表示部Ｐ１〜Ｐｎ（ｎはＮと同じ整数）を有する。第２要素画
像領域８２は、Ｘ方向に順番に並ぶ第１〜第Ｎの複数の隣接領域視差画像表示部Ｑ１〜Ｑ
ｎ（ｎはＮと同じ整数）を有する。
図１においては、図を見やすくするために、Ｎが５である場合について例示している。
Ｎは任意である。
第１〜第Ｎの複数の主領域視差画像表示部Ｐ１〜Ｐｎ、及び、第１〜第ｎの複数の隣接
領域視差画像表示部Ｑ１〜Ｑｎのそれぞれは、例えば、立体視のための複数の視差情報を
含む画像を生成する。観察者は、複数の視差画像を液晶光学装置１１１により形成される
レンズを介して見ることで、例えば立体的な画像を知覚する。
品質の高い立体画像を提供するためには、液晶層３０の第２部分３０ｂは、ないのが理
想的である。すなわち、第１部分３０ａと第３部分３０ｃの間で、屈折率ｎは第１主面１
０ａに垂直に増加するのが理想的である。しかしながら、設計の都合により、第２部分３
０ｂをなくすのは困難である。
表示素子８０からの光が液晶層３０の第２部分３０ｂに入射すると、視差画像を生成す
るのに理想的でない方向に光が導かれる。例えば、すなわち、迷光を生じさせる。この場
合、例えば、クロストークが発生し、画像表示装置２１１の表示品位は低い。この現象は
、第２部分３０ｂの幅が広いほど生じやすい。
従来の第１部分３０ａと第２部分３０ｂについて、図３を使って説明する。なお、第３
部分３０ｃについては説明を省略する。図３（ａ）はシミュレーションによって得た参考
例１に係る屈折率分布型液晶光学装置の電位分布を示す模式図であり、図３（ｂ）は参考
例１に係る屈折率分布型液晶光学装置の電極を示す一部断面拡大図である。図３（ａ）は
図３（ｂ）の断面に対応する。
第１基板１０と液晶層３０の間には、第６電極１６がある。第２基板２０と液晶層３０
の間には一対の第８電極１８と、一対の第８電極の間に設けられた一対の第７電極１７が
ある。第６電極１６は一対の第７電極１７および一対の第８電極１８と対向する。このよ
うな構成において、第６電極１６と第７電極１７との間の電位差を大きくし、第６電極１
６と第８電極１８との間の電位差を小さくすることによって、屈折率分布３２が生じるの
が理想的である。液晶分子のダイレクタを楕円３２で示している。
ここで、第２部分３０ｂにおける屈折率ｎの変化を急峻にし、第２部分３０ｂの幅を狭
くするために、第７電極１７と第６電極６との間に印加する電圧を高くすることが考えら
れる。しかしながら、本願発明者らの検討によると、この場合に第７電極１７の周囲にリ
バースチルト領域が形成されることが分かった。
すなわち、図３(ａ)に示すように、第７電極１７と第８電極１８が近接しているため、
第８電極１８の付近に第６電極１６と第７電極１７とによって生じた電界が広がる。さら
に、第６電極２６と第８電極１８によって生じた電界がその外側に広がる。従って、第２
部分３０ｂにおける屈折率ｎの変化を急峻にすることが困難である。また、領域３０１に
示すように、ディスクリネーションが生じる場合がある。なお、図３（ａ）では、第６電
極１６に０ボルト（Ｖ）、第７電極１７に６Ｖ、第８電極１８に０Ｖを印加した場合を示
している。
本実施形態に係る第１部分３０ａと第２部分３０ｂについて、図４を使って説明する。
なお、第３部分３０ｃについては説明を省略する。
図４（ａ）はシミュレーションによって得た参考例２に係る屈折率分布型液晶光学装置
の電位分布を示す模式図であり、図４（ｂ）は参考例２に係る屈折率分布型液晶光学装置
の電極を示す一部断面拡大図である。図４（ａ）は図４（ｂ）の断面に対応する。図４は
、図１に示した液晶光学装置の第４電極１４を省略した場合を示す。図５は、参考例１お
よび参考例２に係る屈折率分布型液晶光学装置との屈折率分布を示す模式図である。図５
は図３（ｂ）および図４（ｂ）の断面に対応し、横軸がＸ方向、縦軸がＹ方向を表す。
第２電極１２と第３電極１３との間の電位差を大きくし、第１電極１１と第３電極１３
の電位差を小さくすることによって、屈折率分布３３を生じることができる。第１電極１
１と第２電極１２の電圧を制御することにより、第１部分３０ａに生じる電界と第２部分
３０ｂに生じる電界を調整することができるので、第２部分３０ｂにおける屈折率ｎの変
化を急峻にすることができる。また、第２電極１２と第３電極１３との間の電位差を大き
くしすぎる必要がないので、ディスクリネーションの発生を抑制することができる。なお
、図４（ａ）では、第１電極１１に０ボルト（Ｖ）、第２電極１２に−４Ｖ、第３電極に
＋２Ｖを印加した場合を示している。
このように、レンズの凸状が形成される第１基板１０側に２種類の電極を形成することで
、理想的な形状のフレネルレンズとして機能する液晶光学素子１０１を得ることができる
。従って、本実施形態によると、高い表示品位の液晶光学装置１１１および画像表示装置
２１１を提供することができる。
第２電極１２それぞれは、一対の端部１２ａと一対の端部１２ａの間に設けられた中央
部１２ｂとを有する。一対の第３電極１３は、一の第２電極１２と対向する。複数の第２
電極１２と複数対の第３電極１３とを第１主面１０ａに投影すると、一の第２電極１２が
有する一対の端部１２ａそれぞれに一対の第３電極１３それぞれが重なる。
第２電極１の端部１２ａと第３電極１３が対向することにより、液晶層３０の第１部分
３０ａと第２部分３０ｂとの間に生じる屈折率分布の谷を深くすることができる。すなわ
ち、第１部分３０ａと第２部分３０ｂとの境界付近において、理想に近い屈折率分布を得
ることができる。第２電極１２の端部１２ａの第１方向に沿った幅は、例えば１０μｍ以
上３０μｍ以下である。
さらに、第２電極１２の幅Ｗ２は、液晶層３０の厚さＬ１以上であることが好ましい。
第２電極１２の幅Ｗ２が狭い場合には、第２部分３０ｂの幅が広い。第２電極１２の幅
Ｗ２が広いほど、第２部分３０ｂの幅が狭くなる。第２電極１２の幅Ｗ２が液晶層の厚さ
Ｌ１よりも小さい場合には、第２部分３０ｂの幅を小さくすることができる。
第２電極１２の幅Ｗ２が液晶層３０の厚さＬ１よりも短い場合、第２電極１２と第３電
極１３の間の電界によって生じる屈折率分布の谷が浅い。第２電極１２と第３電極１３に
よって生じる電界が第１電極１１と第３電極１３の間にまで広がる。第２部分３０ｂはそ
の電界の第４電極１４側に生じ、第２部分３０ｂの幅は広くなる。一方、第２電極１２の
幅Ｗ２が液晶層３０の厚さＬ１よりも長い場合には屈折率分布の谷を深くすることができ
、第２部分３０ｂの幅を広がりにくくすることができる。
本実施形態においては、１つの第２電極１２の第１方向に沿った幅Ｗ２は一定であるも
のとする。また、１つの第３電極１２の第１方向に沿った幅Ｗ３は一定であるものとする
。１つの第２電極１２の第１方向に沿った幅が一定でない場合には、例えば幅の平均値を
幅Ｗ２とする。１つの第３電極１２の第１方向に沿った幅が一定でない場合には、例えば
幅の平均値を幅Ｗ３とする。
本実施形態においては、複数の第２電極１２それぞれの第１方向に沿った幅Ｗ２は同じ
であるものとする。また、複数対の第３電極１３それぞれの第１方向に沿った幅Ｗ３は同
じであるものとする。複数の第２電極１２それぞれの第１方向に沿った幅が異なる場合に
は、例えば複数の第２電極１２の平均値を幅Ｗ２とする。複数の第３電極１３それぞれの
第１方向に沿った幅が異なる場合には、例えば複数の第３電極１３の平均値を幅Ｗ３とす
る。
第４電極１４を第１主面１０ａに投影すると、第４電極１４は前記第１方向における前
記第１電極１１の幅の中点（第１中点）Ｍ１と重なる。すなわち、第１中点Ｍ１を通り第
１主面１０ａに垂直な直線は、第４電極１４を通る。
第１状態において、第１電圧Ｖ１と第２電圧Ｖ２と第３電圧Ｖ３と第４電圧Ｖ４は、以
下の関係を満たすように制御部７７は各電極に電圧を印加する。
式３のように第２電圧Ｖ２と第３電圧Ｖ３との電位差を大きくすることにより、液晶ダ
イレクタを立ち上げることができ、第１部分３０ａと第２部分３０ｂとの間の屈折率分布
の谷が形成される。第１電極１１と第３電極１３との電位差を小さくすることにより、液
晶ダイレクタを立ち上がりにくくし第２部分３０ｂと第３部分３０ｃとの間の屈折率の山
が形成される。
例えば第１電圧Ｖ１は第２電圧Ｖ２よりも大きく、第３電圧Ｖ３は第１電圧Ｖ１以上で
あり、かつ式３を満たすように、第１電圧Ｖ１〜第３電圧Ｖ３を設定することができる。
第１電圧Ｖ１と第３電圧Ｖ３の差は、０に近いのが好ましい。
フレネルレンズの端部は屈折率がフレネルレンズの中で最も屈折率が低い。式４のよう
に第１電極１１と第４電極１４との電位差を第１電極１１と第３電極１３との電位差より
も大きくすることにより、第３部分３０ｃを理想に近い屈折率分布とすることができる。
すなわち、式４を満たす場合、第３部分３０ｃは第２部分３０ｂから遠いほど屈折率が低
い。
第１電極１１とこの第１電極１１に最も近い第２電極１２との間隙のＸ方向に沿った長
さＧ１は、Ｚ方向における液晶層３０の厚さＬ１以下であることが好ましい。このように
第１電極１１と第電極１２を配置すると、第２部分３０ｂの幅を狭くすることができる。
第２部分３０ｂの屈折率分布が形成されるメカニズムを説明する。第１電極１１と第２
電極１２間に異なる電圧が与えられると、第１電極１１と第２電極１２の間隙からＺ方向
に複数の等電位線がのび、Ｘ方向に電位の勾配をもつ電界が生じる。第１電極１１と第２
電極１２の間隙が小さいほど、複数の等電位線の密度が高くなる。この複数の等電位線は
間隔を保ちながら第１基板１０側から第２基板２０側に延びる。この等電位線の範囲にお
いて、液晶ダイレクタがＹ方向沿って立ち上がる。第１電極１１と第２電極１２の間隙を
狭くすることにより、これらの電位差によって生じる電界の幅を狭くすることができるの
で、液晶ダイレクタの立ち上がりを急峻にし、第２部分３０ｂの幅を狭くすることができ
る。第１電極１１と第２電極との間隙の長さＧ１は、できるだけ狭いことが好ましい。例
えば、この間隙Ｇ１は、液晶層３０の厚さＬ１よりも小さくする。例えば、この間隙Ｇ１
は、２０μｍ以下が望ましい。
なお、本実施形態においては、１つの第１電極１１とこの第１電極１１に最も近い１つ
の第２電極１２との間隙のＸ方向に沿った長さＧ１は一定であるものとする。この長さが
一定でない場合には、例えば長さの平均値をＧ１とする。また、複数の第１電極１１と第
２電極１２との間隔のＸ方向に沿った長さがそれぞれ異なる場合には、例えばその平均値
を長さＧ１とする。
液晶層３０の厚さは、第１基板部１０ｕと第２基板部２０ｕとの距離である。例えば第
１基板部１０ｕと第２基板部２０ｕそれぞれが配向膜を有している場合には、それぞれの
配向膜の距離を液晶層３０の厚さとする。
（第２の実施形態）
第１の実施形態と同じ構成については同じ符号を付して説明を省略する。図６は、第２
の実施形態に係る画像表示装置を示す模式的断面図とその部分拡大図である。本実施形態
においては、画像表示装置２１２の液晶光学装置１１２は、液晶光学素子１０２を有する
。この液晶光学素子１０２は、第２基板部２０ｕが第５電極１５をさらに備える。
第５電極１５は、第２基板２０と液晶層３０との間に設けられる。第５電極１５は、第
３電極１３と第４電極１４の間に設けられる。一対の第４電極１４の間に一対の第５電極
が設けられる。
第１主面１０ａに投影された第３電極１３と第５電極１５との間隙に、第１電極１１と
第２電極とを結ぶＸ方向に沿った線分の第２中点Ｍ２は位置する。
第３電極１３と第５電極１５の配置について説明する。第２電極１２と第３電極１３は
、第１部分３０ａを形成するために強いカップリング作用を生じることが好ましい。その
ためには、第３電極１３は第１電極１１とカップリング作用を生じにくいことが好ましい
。従って、第３電極１３は、第１主面１０ａに投影された場合に第１中点Ｍ１と重ならな
いように配置する。すなわち、ＸＺ平面において、第３電極１３は、第１中点Ｍ１を通り
Ｚ方向に平行な線の第２電極１２の中央部１２ａに近い側に設けられる。
一方、第１電極と第５電極１５は、第２部分を形成するために強いカップリング作用を生
じることが好ましい。そのために、第５電極１５は、第１主面１０ａに投影された場合に
第１中点Ｍ１と重ならないように配置する。すなわち、ＸＺ平面において、第５電極１５
は、第１中点Ｍ１を通りＺ方向に平行な線の第１電極１１に近い側に設けられる。
第１の実施形態のように第５電極１５を設けない液晶光学装置１１１においては、液晶
層３０の材料や各電極に印加する電圧値によって、液晶層３０に理想的な屈折率分布を形
成し難い場合がある。液晶層３０の材料に依っては、特に液晶層３０の第２部分３０ｂに
おいて屈折率分布に乱れが生じやすい場合がある。しかしながら、第５電極１５が設けら
れる場合には、第３電極１３と第４電極１４の間に生じる電位分布を調節することができ
るため、より理想的な屈折率分布３１を形成することができる。
従って、本実施形態によると、高い表示品位の液晶光学装置１１２および画像表示装置
２１２を提供することができる。
例えば、Ｘ方向に沿った第２電極１２の幅Ｗ２は、Ｘ方向に沿った第５電極１５の幅Ｗ５
より大きくすることができる。例えば、Ｘ方向に沿った第３電極１３の幅Ｗ３は、Ｘ方向
に沿った第５電極１５の幅Ｗ５以下とすることができる。第５電極１５は、第１電極１１
〜第４電極１４と同様の材料を用いることができる。第５電極１５の幅は、例えば１０μ
ｍ以上３０μｍ以下とする。第３電極１３と第５電極１５の間隙は、例えば１０μｍ以上
２０μｍ以下とする。第４電極１４と第５電極１５の間隙は、例えば２０μｍ以上７０μ
ｍ以下とする。第４電極１４と第５電極１５の間隙は、第３部分３０ｃにおける理想的な
屈折率分布（曲率）に合わせて設定する。例えば、第３電極１３と第５電極との間隙は、
狭い方がよい。
制御部７７は第５電極に第５電圧Ｖ５を印加する。
第１電圧Ｖ１と第２電圧Ｖ２と第３電圧Ｖ３と第５電圧Ｖ５は、以下の関係を満たすこ
とが好ましい。
第３電極１３および第５電極１５が設けられた第２基板２０上の範囲には、第３電圧Ｖ
３と第５電圧Ｖ５の平均電圧ＶＡが印加されたものと見做すことができる。式５のように
、第２電圧Ｖ２と平均電圧ＶＡとの電位差を大きくすることにより、液晶ダイレクタを立
ち上げることができ、第１部分３０ａと第２部分３０ｂとの間の屈折率分布の谷が形成さ
れる。第１電極１１と平均電圧ＶＡとの電位差を小さくすることにより、液晶ダイレクタ
を立ち上がりにくくし第２部分３０ｂと第３部分３０ｃとの間の屈折率の山が形成される
。
例えば第１電圧Ｖ１は第２電圧Ｖ２よりも低く、平均電圧ＶＡは第１電圧Ｖ１よりも低
く、かつ式５を満たすように、それぞれの電圧値を設定することができる。平均電圧ＶＡ
と第２電圧Ｖ２の電位差の絶対値は、液晶層３０のしきい値電圧Ｖｔｈ以上が好ましい。
平均電圧ＶＡと第１電圧Ｖ１の電位差の絶対値は、液晶層３０のしきい値電圧Ｖｔｈ以下
が好ましい。
第１電圧Ｖ１と第２電圧Ｖ２と第３電圧Ｖ３と第５電圧Ｖ５は、式５に加えて以下の関
係を満たすことが好ましい。
第２電極１２と、第３電極１３の第２電極１２と近い部分と、の間においては、第２電
圧Ｖ２と第３電圧Ｖ３とによる電界が生じる。また、第１電極１１と、第５電極１５の第
１電極１１と近い部分と、の間においては、第１電圧Ｖ１と第５電圧Ｖ５とによる電界が
生じる。式６を満たす場合には、より理想に近い屈折率分布を得ることができる。第１電
圧Ｖ１と第５電圧Ｖ５の差は、０に近いのが好ましい。
第１電圧Ｖ１と第２電圧Ｖ２と第３電圧Ｖ３と第５電圧Ｖ５は、以下の第２の関係を満
たすことが好ましい。
このように各電圧を設定すると、第１基板部１０ｕ側と第２基板部２０ｕ側でＸ方向に
沿った電位の高低関係が逆になる。例えば、液晶層３０は、第１基板部１０ｕ付近では、
第１電極１１側の方が第２電極１２側よりも電位が高いのに対して、第２基板部２０ｕ付
近では第３電極１３側の方が第５電極１５側よりも電位が高い。これにより、液晶層３０
の第２部分３０ｂと第３部分３０ｃとの間に、屈折率の極大値が形成されやすくなる。従
って、より理想に近い屈折率分布を得ることができる。
（第３の実施形態）
第２の実施形態と同じ構成には同じ符号を付して、説明を省略する。図７は、第３の実
施形態に係る屈折率分布型液晶光学装置を示す模式的断面図である。本実施形態において
は、画像表示装置２１３の液晶光学装置１１３は、液晶光学素子１０３を有する。この液
晶光学素子１０３は、第１基板部１０ｕが第９電極１９をさらに備える。
なお、本実施形態においては、第２基板部２０ｕは第２の実施形態と同じとするが、第
５電極１５は設けられていなくても良い。
第９電極１９は、第１基板１０と液晶層３０の間に設けられている。第９電極１９は、
第１電極１１と第２電極１２の間に設けられる。一対の第９電極１９の間に第２電極１２
が設けられる。第５電極１５を設ける場合には、第５電極１５の少なくとも一部と第９電
極１９の少なくとも一部は対向する。すなわち、第５電極１５を第１主面１０ａに投影す
ると、第９電極１９の少なくとも一部と重なる。
第９電極１９が設けられる場合には、第１電極１１と第２電極１２の間に生じる電位分
布を調節することができるため、より理想的な屈折率分布３１を形成することができる。
従って、本実施形態によると、高い表示品位の液晶光学装置１１３および画像表示装置
２１３を提供することができる。
本実施形態においては、各電圧は以下の関係を満たすことが好ましい。
各電圧がこのような関係にある場合には、第２部分３０ｂの幅を狭くすることができる
。また、第３部分３０ｃの屈折率を第１部分３０ａから遠いほど低くすることができる。
図８は、第３の実施形態に係る各電極の例を示す模式的斜視図である。 隣り合う第１
電極１１同士、隣り合う第２電極１２同士、隣り合う第３電極１３同士、隣り合う第４電
極１４同士は、隣り合う第５電極１５同士、隣り合う第９電極１９同士は、接続部４１４
〜４１９によって接続されている。
接続された２つの第１電極１１の群はＹ方向に並んでいる。接続された２つの第２電極
１２の群はＹ方向に並んでいる。接続された２つの第５電極１５の群はＹ方向に並んでい
る。接続された２つの第９電極１９の群はＹ方向に並んでいる。一方、接続された第３電
極１３の群はＸ方向に並んでいる。接続された第４電極１４の群はＸ方向に並んでいる。
制御部７７は、これらの電極それぞれに２種類の電圧値を与えることができる。例えば
、制御部７７は、第１電極１１に第１高電圧Ｖ１Ｈと第１低電圧Ｖ１Ｌを与えることがで
きる。例えば、制御部７７は、第２電極１２に第２高電圧Ｖ２Ｈと第２低電圧Ｖ２Ｌを与
えることができる。例えば、制御部７７は、第３電極１３に第３高電圧Ｖ３Ｈと第３低電
圧Ｖ３Ｌを与えることができる。例えば、制御部７７は、第４電極１４に第４高電圧Ｖ４
Ｈと第４低電圧Ｖ４Ｌを与えることができる。例えば、制御部７７は、第５電極１５に第
５高電圧Ｖ５Ｈと第５低電圧Ｖ５Ｌを与えることができる。例えば、制御部７７は、第９
電極１９に第９高電圧Ｖ９Ｈと第９低電圧Ｖ９Ｌを与えることができる。制御部が各電極
に与える電圧を切り替えることに依り、画像表示装置は部分的に３Ｄ表示を行ったり２Ｄ
表示を行ったりすることができる。すなわち、ＸＹ平面に平行な一主面に沿って配置され
た第１領域Ｒ１〜第４領域Ｒ４それぞれにおいて３Ｄ表示また２Ｄ表示を行うことができ
る。
例えば１つの領域において、第１電極１１、第２電極１２、第５電極１５および第９電
極１９を低電圧とし、第３電極と第４電極を高電圧とし、上記式８〜１０の関係が満たさ
れる場合、この領域において３Ｄ表示を行うことができる。この場合、具体的には、式１
１、１２の関係が成り立つ。
一方で、第１電極１１、第２電極１２、第５電極１５および第９電極１９を高電圧とし
、第３電極と第４電極を高電圧とすると、２Ｄ表示（第１の２Ｄ表示）を行うことができ
る。例えば、各電極の電圧を以下の関係が成り立つようにする。
第１電極１１、第２電極１２、第５電極１５および第９電極１９を低電圧とし、第３電
極と第４電極を低電圧とすると、２Ｄ表示（第２の２Ｄ表示）を行うことができる。例え
ば、各電極の電圧を以下の関係が成り立つようにする。
第１電極１１、第２電極１２、第５電極１５および第９電極１９を高電圧とし、第３電
極と第４電極を低電圧とすると、２Ｄ表示（第３の２Ｄ表示）を行うことができる。例え
ば、各電極の電圧を以下の関係が成り立つようにする。
２Ｄ表示の場合には、液晶層３０に屈折率分布は生じない。
（第４の実施形態）
第３の実施形態と同じ構成には同じ符号を付して、説明を省略する。図９は、第４の実
施形態に係る屈折率分布型液晶光学装置を示す模式的断面図である。本実施形態において
は、画像表示装置２１４の液晶光学装置１１４は、液晶光学素子１０４を有する。この液
晶光学素子１０４は、第２基板部２０ｕが第１０電極３１０と第１１電極３１１とをさら
に備える。
第１０電極３１０と第１１電極３１１とは、第１基板１０と液晶層３０の間に設けられ
ている。第１０電極３１０は、第４電極１４と第５電極１５の間に設けられる。第１１電
極３１１は、第１０電極３１０と第４電極１４との間に設けられる。一対の第４電極１４
の間に、一対の第１０電極３１０および第１１電極３１１が設けられる。
本実施形態においては、屈折率分布３２は、第２電極１２の中央部１２ｂと対向する第
１部分３２ａと、第４電極１４と対向する第５部分３２ｅと、第１部分３２ａと第５部分
３２ｅとの間に位置する第２部分３２ｂと、第２部分３２ｂと第５部分３２ｅとの間に位
置する第３部分３２ｃと、第３部分３２ｃと第５部分３２ｅとの間に位置する第４部分３
２ｄと、を有する。第２部分３２ｂと第４部分３２ｄとは、第１部分３２ａに近いほど屈
折率が減少する部分である。第３部分３２ｃと第５部分３２ｅとは、第１部分３２ａに近
いほど屈折率が増加する部分である。
すなわち、第１〜第３の実施形態においては２段のフレネルレンズが形成されていたが
、本実施形態においては３段のフレネルレンズを形成されている。
第１０電極３１０と第１１電極３１１が設けられる場合には、第４電極１４と第５電極
１５の間に生じる電位分布を調節することによって、屈折率分布の山の数を増やすことが
できる。従って、屈折力の大きなフレネルレンズの機能を得ることができる。
本実施形態においても、理想的な屈折率分布３２を形成することができる。従って、本
実施形態によると、高い表示品位の液晶光学装置１１４および画像表示装置２１４を提供
することができる。
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
質的に平行であれば良い。
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、画像表示装置に含まれる液晶光学
素子、第１基板部、第２基板部、液晶層、第１基板、第２基板、各電極、縁層、制御部、
表示部及び表示駆動部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、
１２…第２電極、
１２ａ…第２電極の端部、
１２ｂ…第２電極の中央部
１３…第３電極、
１４…第４電極、
１５…第５電極、
１６…第６電極、
１７…第７電極、
１８…第８電極、
１９…第９電極、
３１０…第１０電極
３１１…第１１電極
２０…第２基板、
２０ａ…第２主面、
２０ｕ…第２基板部、
３０…液晶層、
３１、３２…屈折率分布、
７７…制御部
８０…表示素子
８７…表示駆動部
１０１、１０２、１０３、１０４…液晶光学素子
１１１、１１２、１１３、１１４…液晶光学装置
２１１、２１２、２１３、２１４…画像表示装置

Claims (8)

  1. 主面を有する第１基板と、
    第２基板と、
    前記第１基板の前記主面と前記第２基板の間に設けられた液晶層と、
    前記第１基板の前記主面と前記液晶層との間に設けられ、前記主面に平行な第１方向
    に並べられた複数の第１電極と、
    前記１基板の前記主面と前記液晶層との間に設けられ、前記複数の第１電極の間に配
    置され、それぞれが一対の端部と前記一対の端部の間に設けられた中央部とを有する、複
    数の第２電極と、
    前記第２基板と前記液晶層との間に設けられた複数対の第３電極と、
    前記第２基板と前記液晶層との間に設けられ、前記第１方向において前記複数対の第
    ３電極と並ぶ複数対の第４電極と、
    を備える光学素子と、
    前記複数の第１電極に第１電圧を印加し、前記複数の第２電極に第２電圧を印加し、前
    記複数対の第３電極に第３電圧を印加し、前記複数対の第４電極に第４電圧を印加する制
    御部と、
    を備え、
    一対の前記第３電極は一対の前記第４電極の間に設けられ、
    前記第４電極を前記主面に投影したときに前記第４電極は前記第１方向における前記第
    １電極の幅の第１中点と重なり、
    前記複数の第２電極と前記複数対の第３電極とを前記主面に投影したときに一対の前記
    第３電極それぞれは一の前記第２電極が有する前記一対の端部それぞれと重なり、
    前記第１電圧Ｖ１と前記第２電圧Ｖ２と前記第３電圧Ｖ３と前記第４電圧Ｖ４は、
    の関係にある、屈折率分布型液晶光学装置。
  2. 前記第１電極と該第１電極に最も近い前記第２電極との間隙の第１方向に沿った長さは
    、前記主面に垂直な第２方向における前記液晶層の厚さ以下である、請求項１に記載の屈
    折率分布型液晶光学装置。
  3. 前記第１方向に沿った前記第２電極の幅は、前記主面に垂直な第２方向における前記液
    晶層の厚さ以上である、請求項１または２に記載の屈折率分布型液晶光学装置。
  4. 前記第１電圧は前記第２電圧よりも大きく、前記第３電圧は前記第１電圧以上である、
    請求項１乃至３のいずれか１項に記載の屈折率分布型液晶光学装置。
  5. 前記第２基板と前記液晶層との間に設けられ、前記第３電極と前記第４電極の間に設け
    られた第５電極をさらに有し、
    前記主面に投影された前記第３電極と前記第５電極との間隙に、前記第１電極と前記第
    ２電極とを結ぶ前記第１方向に沿った線分の第２中点は位置する、
    請求項１乃至４のいずれか１項に記載の屈折率分布型液晶光学装置。
  6. 前記制御部は前記第５電極に第５電圧を印加し、
    前記第１電圧Ｖ１と前記第２電圧Ｖ２と前記第３電圧Ｖ３と前記第５電圧Ｖ５は、
    であり、
    の関係を満たす、請求項５に記載の屈折率分布型液晶光学装置。
  7. 前記制御部は前記第５電極に第５電圧を印加し、
    前記第１電圧Ｖ１と前記第２電圧Ｖ２と前記第３電圧Ｖ３と前記第５電圧Ｖ５は、
    である、請求項５または６に記載の屈折率分布型液晶光学装置。
  8. 請求項１乃至７のいずれか１項に記載の屈折率分布型光学装置と、
    表示素子と、
    を備えた画像表示装置。
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