JP2018173531A - 光学装置及び表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光の利用効率を向上することができる光学装置及び表示装置を提供する。
【解決手段】複数の第１制御電極を備えた第１基板と、前記第１基板と対向し第２制御電極を備えた第２基板と、前記第１基板と前記第２基板との間に保持された第１液晶層と、を備えた液晶素子と、前記液晶素子と対向する変調素子であって、入射光を変調する変調部と、前記変調部に隣接する無変調部と、を備えた変調素子と、を備える。
【選択図】 図６

Description

本発明の実施形態は、光学装置及び表示装置に関する。

例えば、拡散制御液晶パネルと、液晶表示パネルとを備えた映像表示装置が提案されている。拡散制御液晶パネルは、特定方向に指向性を有する光のうち、所定方向に振動する直線偏光を拡散するレンズ形成状態と、光の指向性を維持して透過させる非レンズ形成状態とを切り替えることができる。レンズ形成状態では、液晶層に電圧を印加することによって微小な液晶レンズ部が複数形成される。
その他、液晶層にレンズを形成する種々の技術が知られている。

特開２００７−２６４３２１号公報 特開２００５−３１７８７９号公報 特表２００６−５１６７５３号公報 特表２００７−５３５６８６号公報 特表２００８−５２９０６４号公報

本実施形態の目的は、光の利用効率を向上することができる光学装置及び表示装置を提供することにある。

本実施形態によれば、
複数の第１制御電極を備えた第１基板と、前記第１基板と対向し第２制御電極を備えた第２基板と、前記第１基板と前記第２基板との間に保持された第１液晶層と、を備えた液晶素子と、前記液晶素子と対向する変調素子であって、入射光を変調する変調部と、前記変調部に隣接する無変調部と、を備えた変調素子と、を備えた光学装置が提供される。
本実施形態によれば、
複数の第１制御電極を備えた第１基板と、前記第１基板と対向し第２制御電極を備えた第２基板と、前記第１基板と前記第２基板との間に保持された第１液晶層と、を備えた液晶素子と、前記液晶素子と対向する変調素子であって、第１偏光及び第２偏光を変調する変調部と、前記変調部に隣接する無変調部と、を備えた変調素子と、前記変調素子と対向し、前記第２偏光を透過する光学素子と、前記光学素子と対向し、前記第２偏光によって照明される液晶表示パネルと、を備えた表示装置が提供される。

図１は、本実施形態の表示装置ＤＳＰの一構成例を示す図である。 図２は、液晶素子ＬＤの構成例を示す断面図である。 図３は、液晶素子ＬＤの構成例を示す平面図である。 図４は、第１液晶層５３に形成されるレンズ５を説明するための図である。 図５は、図４に示したレンズ５の作用を説明するための図である。 図６は、図１に示した光学装置２の構成例を示す図である。 図７は、図６に示した液晶素子ＬＤ及び変調素子ＭＤの作用を説明するための図である。 図８は、第１液晶層５３に形成されるレンズ５の他の形状を説明するための図である。 図９は、レンズ５の形状例を示す図である。 図１０は、レンズ５の他の形状例を示す図である。 図１１は、レンズ５の他の形状例を示す図である。 図１２は、液晶素子ＬＤの他の構成例を示す図である。 図１３は、図１２に示した構成例において形成可能なレンズ５の形状例を示す図である。 図１４は、変調素子ＭＤの構成例を示す断面図である。 図１５は、変調素子ＭＤに形成される変調部ＭＡ及び無変調部ＮＭＡを説明するための図である。 図１６は、変調素子ＭＤの他の構成例を示す断面図である。 図１７は、液晶素子ＬＤの第１制御例を説明するための図である。 図１８は、変調素子ＭＤの第２制御例を説明するための図である。 図１９は、表示パネル１の基本構成及び等価回路を示す図である。 図２０は、図１９に示した表示パネル１の一構成例を示す断面図である。 図２１は、本実施形態の表示装置ＤＳＰにおいて光学装置２の駆動条件を決定する一手法を説明するための図である。 図２２は、本実施形態の表示装置ＤＳＰにおいて光学装置２の駆動条件を決定する他の手法を説明するための図である。 図２３は、表示パネル１への入光量が最大となるように制御された光学装置２を示す図である。 図２４は、表示パネル１への入光量が最小となるように制御された光学装置２を示す図である。 図２５は、本実施形態の表示装置ＤＳＰで表現できる反射率をまとめた図である。 図２６は、本実施形態の表示装置ＤＳＰによる階調表示を説明するための図である。

以下、本実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、開示はあくまで一例に過ぎず、当業者において、発明の主旨を保っての適宜変更について容易に想到し得るものについては、当然に本発明の範囲に含有されるものである。また、図面は、説明をより明確にするため、実際の態様に比べて、各部の幅、厚さ、形状等について模式的に表される場合があるが、あくまで一例であって、本発明の解釈を限定するものではない。また、本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一又は類似した機能を発揮する構成要素には同一の参照符号を付し、重複する詳細な説明を適宜省略することがある。

図１は、本実施形態の表示装置ＤＳＰの一構成例を示す図である。なお、図中の第１方向Ｘ、第２方向Ｙ、及び、第３方向Ｚは、互いに直交しているが、９０度以外の角度で交差していてもよい。

表示装置ＤＳＰは、表示パネル１と、光学装置２と、光学素子ＯＤと、を備えている。一例では、表示パネル１は、液晶表示パネルである。光学装置２は、レンズ５を備えた液晶素子ＬＤと、変調部ＭＡ及び無変調部ＮＭＡを備えた変調素子ＭＤと、を備えている。液晶素子ＬＤ及び変調素子ＭＤは、第３方向Ｚに沿って対向している。光学素子ＯＤ及び変調素子ＭＤは、第３方向Ｚに沿って対向している。表示パネル１及び光学素子ＯＤは、第３方向Ｚに沿って対向している。表示パネル１、光学素子ＯＤ、変調素子ＭＤ、及び、液晶素子ＬＤは、第３方向Ｚに沿ってこの順に並んでいる。
複数のレンズ５は、例えば、第１方向Ｘに並んでいる。複数の変調部ＭＡは、第１方向Ｘに間隔をおいて並んでいる。変調部ＭＡは、光学素子ＯＤとレンズ５との間に位置している。無変調部ＮＭＡは、変調部ＭＡに隣接している。図示した例では、変調部ＭＡ及び無変調部ＮＭＡは、第１方向Ｘに沿って交互に並んでいる。なお、変調部ＭＡ及び無変調部ＮＭＡは、所定の位置に固定されてもよいし、それらの位置が可変されるように構成されてもよい。また、レンズ５は、所定の位置に固定されてもよいし、その位置が可変されるように構成されてもよい。
制御部ＣＴは、表示制御部ＤＣＴと、光制御部ＯＣＴと、を備えている。表示制御部ＤＣＴは、表示パネル１を制御する。光制御部ＯＣＴは、光学装置２を制御する。

図２は、液晶素子ＬＤの構成例を示す断面図である。
液晶素子ＬＤは、第１基板５１と、第２基板５２と、第１液晶層５３と、第１制御電極Ｅ１と、第２制御電極Ｅ２とを備えている。図示した例では、第１制御電極Ｅ１は第１基板５１に設けられ、第２制御電極Ｅ２は第２基板５２に設けられているが、第１制御電極Ｅ１及び第２制御電極Ｅ２がいずれも同一基板、つまり第１基板５１または第２基板５２に設けられてもよい。

第１基板５１は、透明な絶縁基板５１１と、第１制御電極Ｅ１と、配向膜５１２と、給電線５１３とを備えている。第１制御電極Ｅ１は、絶縁基板５１１と第１液晶層５３との間に位置している。複数の第１制御電極Ｅ１は、有効領域５０Ａにおいて、第１方向Ｘに間隔をおいて並んでいる。一例では、第１制御電極Ｅ１の第１方向Ｘに沿った幅は、隣り合う第１制御電極Ｅ１の第１方向Ｘに沿った間隔と同等以下である。配向膜５１２は、第１制御電極Ｅ１を覆い、第１液晶層５３に接触している。給電線５１３は、有効領域５０Ａの外側の非有効領域５０Ｂに位置している。

第２基板５２は、透明な絶縁基板５２１と、第２制御電極Ｅ２と、配向膜５２２とを備えている。第２制御電極Ｅ２は、絶縁基板５２１と第１液晶層５３との間に位置している。第２制御電極Ｅ２は、例えば、有効領域５０Ａの略全面に位置するとともに非有効領域５０Ｂにも延在した単一の平板電極である。第２制御電極Ｅ２は、有効領域５０Ａにおいて、第１液晶層５３を介して第１制御電極Ｅ１と対向している。第２制御電極Ｅ２は、非有効領域５０Ｂにおいて給電線５１３と対向している。配向膜５２２は、第２制御電極Ｅ２を覆い、第１液晶層５３に接触している。

絶縁基板５１１及び５２１は、例えばガラス基板または樹脂基板である。第１制御電極Ｅ１及び第２制御電極Ｅ２は、インジウム錫酸化物（ＩＴＯ）やインジウム亜鉛酸化物（ＩＺＯ）などの透明導電材料によって形成されている。配向膜５１２及び５２２は、例えば、水平配向膜であり、いずれも第１方向Ｘに沿って配向処理されている。
第１基板５１及び第２基板５２は、非有効領域５０Ｂにおいて、シール５４によって接着されている。シール５４は、導通材５５を備えている。導通材５５は、給電線５１３と第２制御電極Ｅ２との間に介在し、給電線５１３と第２制御電極Ｅ２とを電気的に接続している。

第１液晶層５３は、第１基板５１と第２基板５２との間に保持されている。第１液晶層５３は、例えば、正の誘電率異方性を有する液晶材料によって形成されている。第１制御電極Ｅ１及び第２制御電極Ｅ２は、第１液晶層５３にレンズ５を形成するための電圧を印加する。

光制御部ＯＣＴは、第１液晶層５３に印加する電圧を制御する。光制御部ＯＣＴは、第１制御電極Ｅ１及び第２制御電極Ｅ２にそれぞれ供給する電圧を制御することにより、第１液晶層５３にレンズ５を形成した第１モードと、第１液晶層５３にレンズを形成しない第２モードとを切り替えることができる。また、光制御部ＯＣＴは、第１制御電極Ｅ１の各々に供給する電圧を制御することにより、レンズ５の形成位置を制御することができ、第１液晶層５３の第１位置にレンズ５を形成したモードと、第１液晶層５３の第１位置とは異なる第２位置にレンズ５を形成したモードとを切り替えることができる。また、光制御部ＯＣＴは、第１制御電極Ｅ１の各々に供給する電圧を制御することにより、第１液晶層５３に第１形状のレンズ５を形成したモードと、第１液晶層５３に第１形状とは異なる第２形状のレンズ５を形成したモードとを切り替えることができる。また、光制御部ＯＣＴは、第１制御電極Ｅ１の各々に供給する電圧を制御することにより、第１液晶層５３に第１サイズのレンズ５を形成したモードと、第１液晶層５３に第１サイズとは異なる第２サイズのレンズ５を形成したモードとを切り替えることができる。図示した例は、第１液晶層５３に複数個のレンズ５が形成された場合に相当するが、第１液晶層５３には単一のレンズ５が形成されてもよい。

図３は、液晶素子ＬＤの構成例を示す平面図である。図３の（ａ）は第１基板５１の平面図を示し、図３の（ｂ）は第２基板５２の平面図を示している。
図３の（ａ）に示す第１基板５１において、シール５４は、枠状に形成されている。複数の第１制御電極Ｅ１は、シール５４によって囲まれた内側に位置し、第１方向Ｘに間隔をおいて並んでいる。第１制御電極Ｅ１の各々は、例えば、第２方向Ｙに延出した帯状電極である。なお、第１制御電極Ｅ１は、第１方向Ｘに延出した帯状電極であってもよいし、第１方向Ｘ及び第２方向Ｙにそれぞれ並んだ島状電極であってもよい。島状電極の形状は、四角形や六角形などの多角形、あるいは、円形などである。給電線５１３は、シール５４と重なる位置において、第２方向Ｙに延出している。シール５４に含まれる導通材５５の少なくとも一部は、給電線５１３の上に重なっている。配線基板９は、第１基板５１に接続され、第１制御電極Ｅ１及び給電線５１３の各々と光制御部ＯＣＴとを電気的に接続している。

図３の（ｂ）に示す第２基板５２において、第２制御電極Ｅ２は、四角形状に形成され、第２方向Ｙに沿って延出する端部Ｅ２Ｅを有している。端部Ｅ２Ｅは、給電線５１３及び導通材５５と重なっている。つまり、第２制御電極Ｅ２は、導通材５５及び給電線５１３を介して、光制御部ＯＣＴと電気的に接続されている。

図４は、第１液晶層５３に形成されるレンズ５を説明するための図である。図４においては、説明に必要な構成のみを図示している。ここでは、２つの第１制御電極Ｅ１１及びＥ１２には同一の電圧が供給され、第２制御電極Ｅ２には第１制御電極Ｅ１１及びＥ１２とは異なる電圧が供給される場合について説明する。

一例では、第１液晶層５３は、上記の通り、正の誘電率異方性を有している。第１液晶層５３に含まれる液晶分子５３Ｍは、電界が形成されない状態ではその長軸が第１方向Ｘに沿うように初期配向しており、また、電界が形成された状態ではその長軸が電界に沿うように配向される。

一例では、第１制御電極Ｅ１１には６Ｖの電圧が供給され、第１制御電極Ｅ１２には−６Ｖの電圧が供給され、第２制御電極Ｅ２には０Ｖの電圧が供給される。第１制御電極Ｅ１１及びＥ１２の各々と第２制御電極Ｅ２とが対向する領域には、第３方向Ｚに沿った電界が形成されるため、液晶分子５３Ｍはその長軸が第３方向Ｚに沿うように配向する。第１制御電極Ｅ１１と第１制御電極Ｅ１２との間の領域には、第３方向Ｚに対して傾斜した電界が形成されるため、液晶分子５３Ｍはその長軸が第３方向Ｚに対して傾斜するように配向する。第１制御電極Ｅ１１と第１制御電極Ｅ１２との中間領域においては、ほとんど電界が形成されない、あるいは、第１方向Ｘに沿った電界が形成されるため、液晶分子５３Ｍはその長軸が第１方向Ｘに沿うように配向する。液晶分子５３Ｍは、屈折率異方性Δｎを有している。このため、第１液晶層５３は、液晶分子５３Ｍの配向状態に応じた屈折率分布を有する。あるいは、第１液晶層５３は、第１液晶層５３の第３方向Ｚに沿った厚さをｄとしたとき、Δｎ・ｄで表されるリタデーションの分布、または、位相分布を有する。なお、厚さｄは、一例では、１０μｍ〜１００μｍである。図中に点線で示したレンズ５は、このような屈折率分布、リタデーションの分布、または、位相分布によって形成されるものである。図示したレンズ５は、凸レンズとして機能する。また、図示したレンズ５は、液晶素子ＬＤの法線Ｎに対して対称な形状を有している。

なお、本実施形態では、レンズ５を備える液晶素子ＬＤの一例として、基板主面に沿ってほぼ水平に初期配向する第１液晶層５３と、基板主面と交差する方向に沿った電界とを組み合わせた方式について説明したが、これに限らない。例えば、基板主面とほぼ垂直に初期配向する液晶層が組み合わされてもよいし、基板主面に沿った電界と組み合わせてもよく、液晶層に印加される電界に応じて屈折率分布を可変する方式であれば、レンズ５を備える液晶素子が実現できる。ここでの基板主面とは、第１方向Ｘ及び第２方向Ｙによって規定されるＸ−Ｙ平面である。

図５は、図４に示したレンズ５の作用を説明するための図である。
ここでは、光の進行方向が第３方向Ｚに沿う場合に、第１方向Ｘに沿った振動面を有する直線偏光を第１偏光ＰＯＬ１と称し、第２方向Ｙに沿った振動面を有する直線偏光を第２偏光ＰＯＬ２と称する。なお、光の進行方向は、図示した例では、第３方向Ｚを示す矢印とは逆向きの方向である。第１偏光ＰＯＬ１は図中に横ストライプパターンを有する矢印で示し、第２偏光ＰＯＬ２は図中に斜めストライプパターンを有する矢印で示している。光Ｌは、例えば、ランダムな振動面を有する自然光であり、絶縁基板５２１の外面５２１Ａから入射し、第２基板５２から第１基板５１に向かって進行するものとする。
レンズ５は、第１偏光ＰＯＬ１及び第２偏光ＰＯＬ２に対してそれぞれ異なる作用を有する。すなわち、レンズ５は、自然光Ｌのうち、第２偏光ＰＯＬ２をほとんど屈折することなく透過し、第１偏光ＰＯＬ１を屈折する。つまり、レンズ５は、主として第１偏光ＰＯＬ１に対して集束作用を発揮する。

図６は、図１に示した光学装置２の構成例を示す図である。
変調素子ＭＤは、入射光を変調する変調部ＭＡと、変調部ＭＡに隣接する無変調部ＮＭＡと、を備えている。変調部ＭＡは、入射光に対して位相差を付与する機能を有し、例えば、入射光に約λ／２の位相差を付与する。ここで、λは、入射光の波長である。このような変調部ＭＡは、入射光が直線偏光である場合に、その偏光面を約９０°回転させる機能を有する。例えば、変調部ＭＡは、上記の第１偏光ＰＯＬ１及び第２偏光ＰＯＬ２を変調する。具体的には、変調部ＭＡは、第１偏光ＰＯＬ１を第２偏光ＰＯＬ２に変換し、第２偏光ＰＯＬ２を第１偏光ＰＯＬ１に変換する機能を有する。無変調部ＮＭＡは、入射光をほとんど変調せずに透過する。
変調素子ＭＤは、部分的に位相差を制御可能な液晶素子によって構成されてもよいし、部分的に位相差を有する位相差フィルムによって構成されてもよい。変調部ＭＡは、無変調部ＮＭＡより小さい。一例では、変調部ＭＡの第１方向Ｘに沿った幅Ｗ１は、無変調部ＮＭＡの第１方向Ｘに沿った幅Ｗ２より小さい。変調素子ＭＤの詳細な構成例については後述するが、図示した例では、変調素子ＭＤは、第３基板６１、及び、第４基板６２を備えている。変調部ＭＡ及び無変調部ＮＭＡは、いずれも第３基板６１と第４基板６２との間に位置している。変調素子ＭＤが後述する液晶素子によって構成される場合、変調素子ＭＤは、光制御部ＯＣＴによって制御される。

液晶素子ＬＤは、第１基板５１と、第２基板５２と、第１液晶層５３とを備えている。第１制御電極Ｅ１及び第２制御電極Ｅ２は、第１液晶層５３にレンズ５を形成するための電圧を印加する。このような液晶素子ＬＤは、光制御部ＯＣＴによって制御される。
第１液晶層５３に形成されるレンズ５は、変調素子ＭＤと対向する。変調素子ＭＤのうち、変調部ＭＡは、レンズ５によって光が集束される位置に配置されている。変調部ＭＡの幅Ｗ１は、レンズ５の第１方向Ｘに沿った幅（あるいは、レンズ５を形成するための第１制御電極Ｅ１の間隔）Ｗ３よりも小さい。なお、図中の実線の矢印は第１方向Ｘに沿った振動面を有する第１偏光ＰＯＬ１を示し、図中の点線の矢印は第２方向Ｙに沿った振動面を有する第２偏光ＰＯＬ２を示している。

図７は、図６に示した液晶素子ＬＤ及び変調素子ＭＤの作用を説明するための図である。液晶素子ＬＤに入射する光のうち、第１偏光ＰＯＬ１は、図の左側に示すように、レンズ５によって集束され、変調素子ＭＤに入射する。第１偏光ＰＯＬ１は、そのほとんどすべてが変調部ＭＡに入射し、第２偏光ＰＯＬ２に変換される。つまり、液晶素子ＬＤに入射した第１偏光ＰＯＬ１は、第２偏光ＰＯＬ２に変換されて、変調素子ＭＤを透過する。
一方、液晶素子ＬＤに入射する光のうち、第２偏光ＰＯＬ２は、図の右側に示すように、レンズ５によってほとんど集束されずに変調素子ＭＤに入射する。第２偏光ＰＯＬ２は、変調部ＭＡ及び無変調部ＮＭＡに入射する。上記の通り、無変調部ＮＭＡは変調部ＭＡよりも大きいため、変調素子ＭＤに入射した光のうち、無変調部ＮＭＡに入射した光は、変調部ＭＡに入射した光よりも多い。つまり、変調素子ＭＤに入射した第２偏光ＰＯＬ２のほとんどは、無変調部ＮＭＡで変調されることなく偏光面を維持した状態で透過する。変調素子ＭＤに入射した第２偏光ＰＯＬ２の一部は、変調部ＭＡに入射し、第１偏光ＰＯＬ１に変換される。このように、液晶素子ＬＤに入射した第２偏光ＰＯＬ２は、そのほとんどが第２偏光ＰＯＬ２のまま変調素子ＭＤを透過する。
このように、本実施形態の光学装置２によれば、液晶素子ＬＤに入射する光の偏光方向にかかわらず、変調素子ＭＤを透過した光の偏光方向を概ね揃えることが可能となる。つまり、ランダムな振動面を有する自然光が光学装置２に入射した際、一部の偏光成分が吸収されることなく、所定の偏光成分を増加させることができ、光の利用効率を向上することが可能となる。偏光方向が揃った光は、例えば、液晶表示パネルの照明光として好適である。

次に、液晶素子ＬＤに形成可能なレンズ５の形状例について説明する。

図８は、第１液晶層５３に形成されるレンズ５の他の形状を説明するための図である。第１基板５１は、第１方向Ｘにほぼ等間隔で並んだ第１制御電極Ｅ１１乃至Ｅ１７を備えている。第２制御電極Ｅ２は、第１液晶層５３を挟んで、第１制御電極Ｅ１１乃至Ｅ１７と対向している。
図示したレンズ５は、法線Ｎに対して非対称なレンズである。レンズ５は、図の左側つまり第１制御電極Ｅ１１乃至Ｅ１３に亘る第１領域５３１と、図の右側つまり第１制御電極Ｅ１４乃至Ｅ１６に亘る第２領域５３２とでは、異なる屈折率分布を有している。このようなレンズ５は、例えば、第１制御電極Ｅ１１乃至Ｅ１７のそれぞれの電圧を６Ｖ、２Ｖ、０Ｖ、１Ｖ、３Ｖ、５Ｖ、６Ｖに設定し、第２制御電極Ｅ２の電圧を０Ｖに設定することで形成可能である。

図９は、レンズ５の形状例を示す図である。ここでは、図３に示した構成例の液晶素子ＬＤによって形成可能なレンズ５の形状例について説明する。
一例では、第１制御電極Ｅ１１乃至Ｅ１３は第１方向Ｘに並び、第１制御電極Ｅ１１乃至Ｅ１３の各々は第２方向Ｙに延出した帯状電極である。また、第２制御電極Ｅ２は、Ｘ−Ｙ平面に延在した単一の平板電極である。
レンズ５は、第２方向Ｙに沿って延出した母線を有する曲面を備え、第３方向Ｚに突出した凸レンズ（シリンドリカルレンズ）である。このように、レンズ５が第２方向Ｙに延出する構成例では、レンズ５は、入射する光の入射角に応じて、光を集束する集束位置を第１方向Ｘに制御することができる。なお、第１制御電極Ｅ１１乃至Ｅ１３の各々が第１方向Ｘに延出した帯状電極である構成例では、第１方向Ｘに延出したレンズ５が形成される。レンズ５が第１方向Ｘに延出する構成例では、レンズ５は、入射する光の入射角に応じて、光を集束する集束位置を第２方向Ｙに制御することができる。

図１０は、レンズ５の他の形状例を示す図である。図１０に示した構成例は、上記の構成例と比較して、複数の第２制御電極Ｅ２１乃至Ｅ２３が第１方向Ｘに間隔をおいて並び、第２制御電極Ｅ２１乃至Ｅ２３の各々が第２方向Ｙに延出した帯状電極である点で相違している。つまり、第２制御電極Ｅ２１乃至Ｅ２３の延出方向は、第１制御電極Ｅ１１乃至Ｅ１３の延出方向と平行である。
このような構成例において、主として第１制御電極Ｅ１１乃至Ｅ１３にそれぞれ所定の電圧が供給されることによりレンズ５Ａ及び５Ｂが形成され、また、主として第２制御電極Ｅ２１乃至Ｅ２３にそれぞれ所定の電圧が供給されることによりレンズ５Ｃ及び５Ｄが形成される。レンズ５Ａ及び５Ｂは、いずれも第２方向Ｙに沿って延出した母線を有する曲面を備え、第３方向Ｚに沿って上向きに突出した凸レンズである。また、レンズ５Ｃ及び５Ｄは、いずれも第２方向Ｙに沿って延出した母線を有する曲面を備え、第３方向Ｚに沿って下向きに突出した凸レンズである。
例えば、第２制御電極Ｅ２１乃至Ｅ２３のそれぞれの電圧を０Ｖに設定し、第１制御電極Ｅ１１及びＥ１３のそれぞれの電圧を６Ｖに設定し、第１制御電極Ｅ１２の電圧を−６Ｖに設定することで、レンズ５Ｃ及び５Ｄが形成されることなく、レンズ５Ａ及び５Ｂを形成することができる。同様に、第１制御電極Ｅ１１乃至Ｅ１３のそれぞれの電圧を０Ｖに設定し、第２制御電極Ｅ２１及びＥ２３のそれぞれの電圧を６Ｖに設定し、第２制御電極Ｅ２２の電圧を−６Ｖに設定することで、レンズ５Ａ及び５Ｂが形成されることなく、レンズ５Ｃ及び５Ｄを形成することができる。また、第１制御電極Ｅ１１及びＥ１３のそれぞれの電圧を−６Ｖに設定するとともに第１制御電極Ｅ１２の電圧を＋６Ｖに設定し、且つ、第２制御電極Ｅ２１及びＥ２３のそれぞれの電圧を−６Ｖに設定するとともに第２制御電極Ｅ２２の電圧を＋６Ｖに設定することで、レンズ５Ａ及び５Ｂと、レンズ５Ｃ及び５Ｄとを同時に形成することができる。

図１１は、レンズ５の他の形状例を示す図である。図１１に示した構成例は、上記の構成例と比較して、複数の第２制御電極Ｅ２１乃至Ｅ２３が第２方向Ｙに間隔をおいて並び、第２制御電極Ｅ２１乃至Ｅ２３の各々が第１方向Ｘに延出した帯状電極である点で相違している。つまり、第２制御電極Ｅ２１乃至Ｅ２３の延出方向は、第１制御電極Ｅ１１乃至Ｅ１３の延出方向に対して交差している。
このような構成例において、主として第１制御電極Ｅ１１乃至Ｅ１３にそれぞれ所定の電圧が供給されることによりレンズ５Ａ及び５Ｂが形成され、また、主として第２制御電極Ｅ２１乃至Ｅ２３にそれぞれ所定の電圧が供給されることによりレンズ５Ｅ及び５Ｆが形成される。レンズ５Ａ及び５Ｂは、いずれも第２方向Ｙに沿って延出した母線を有する曲面を備え、第３方向Ｚに沿って上向きに突出した凸レンズである。また、レンズ５Ｅ及び５Ｆは、いずれも第１方向Ｘに沿って延出した母線を有する曲面を備え、第３方向Ｚに沿って下向きに突出した凸レンズである。
例えば、第２制御電極Ｅ２１乃至Ｅ２３のそれぞれの電圧を０Ｖに設定し、第１制御電極Ｅ１１及びＥ１３のそれぞれの電圧を６Ｖに設定し、第１制御電極Ｅ１２の電圧を−６Ｖに設定することで、レンズ５Ｅ及び５Ｆが形成されることなく、レンズ５Ａ及び５Ｂを形成することができる。同様に、第１制御電極Ｅ１１乃至Ｅ１３のそれぞれの電圧を０Ｖに設定し、第２制御電極Ｅ２１及びＥ２３のそれぞれの電圧を６Ｖに設定し、第２制御電極Ｅ２２の電圧を−６Ｖに設定することで、レンズ５Ａ及び５Ｂが形成されることなく、レンズ５Ｅ及び５Ｆを形成することができる。

図１２は、液晶素子ＬＤの他の構成例を示す図である。図１２に示した構成例は、上記の構成例と比較して、複数の第１制御電極Ｅ１が第１方向Ｘ及び第２方向Ｙにマトリクス状に並び、第２制御電極Ｅ２がＸ−Ｙ平面に延在した単一の平板電極である点で相違している。第１制御電極Ｅ１の電圧は、それぞれ独立に設定可能である。このような構成例によれば、マトリクス状の第１制御電極Ｅ１の各々の電圧を制御することにより、レンズ５の延出方向を自在に変えることができる。

図１３は、図１２に示した構成例において形成可能なレンズ５の形状例を示す図である。なお、図中において、斜線パターンを有する四角はいずれも同一の第１電圧に設定された第１制御電極Ｅ１を示し、斜線パターンを有していない四角はいずれも第１電圧とは異なる第２電圧に設定された第１制御電極Ｅ１を示している。
図１３の（ａ）に示した例では、第１方向Ｘに並んだ第１制御電極Ｅ１のそれぞれの電圧を同一に設定した場合に相当する。この例では、第１方向Ｘに沿って延出したレンズ５が形成される。
図１３の（ｂ）に示した例では、第２方向Ｙに並んだ第１制御電極Ｅ１のそれぞれの電圧を同一に設定した場合に相当する。この例では、第２方向Ｙに沿って延出したレンズ５が形成される。
図１３の（ｃ）に示した例では、第１方向Ｘ及び第２方向Ｙに交差する斜め方向に並んだ第１制御電極Ｅ１のそれぞれの電圧を同一に設定した場合に相当する。この例では、斜め方向に沿って延出したレンズ５が形成される。

次に、変調素子ＭＤの構成例について説明する。

図１４は、変調素子ＭＤの構成例を示す断面図である。ここでは、変調素子ＭＤが液晶素子によって構成される場合について説明する。このような変調素子ＭＤは、光制御部ＯＣＴによって制御される。
変調素子ＭＤは、第３基板６１と、第４基板６２と、第２液晶層６３と、第３制御電極Ｅ３と、第４制御電極Ｅ４と、を備えている。図示した例では、第３制御電極Ｅ３は第３基板６１に設けられ、第４制御電極Ｅ４は第４基板６２に設けられているが、第３制御電極Ｅ３及び第４制御電極Ｅ４がいずれも同一基板、つまり第３基板６１または第４基板６２に設けられてもよい。

第３基板６１は、透明な絶縁基板６１１と、第３制御電極Ｅ３と、配向膜６１２と、給電線６１３とを備えている。第３制御電極Ｅ３は、絶縁基板６１１と第２液晶層６３との間に位置している。複数の第３制御電極Ｅ３は、有効領域６０Ａにおいて、第１方向Ｘに間隔をおいて並んでいる。一例では、第３制御電極Ｅ３の第１方向Ｘに沿った幅は、隣り合う第３制御電極Ｅ３の第１方向Ｘに沿った間隔より大きい。配向膜６１２は、第３制御電極Ｅ３を覆い、第２液晶層６３に接触している。給電線６１３は、有効領域６０Ａの外側の非有効領域６０Ｂに位置している。

第４基板６２は、透明な絶縁基板６２１と、第４制御電極Ｅ４と、配向膜６２２とを備えている。第４制御電極Ｅ４は、絶縁基板６２１と第２液晶層６３との間に位置している。第４制御電極Ｅ４は、例えば、有効領域６０Ａの略全面に位置するとともに非有効領域６０Ｂにも延在した単一の平板電極である。第４制御電極Ｅ４は、有効領域６０Ａにおいて、第２液晶層６３を介して第３制御電極Ｅ３と対向している。第４制御電極Ｅ４は、非有効領域６０Ｂにおいて給電線６１３と対向している。配向膜６２２は、第４制御電極Ｅ４を覆い、第２液晶層６３に接触している。

絶縁基板６１１及び６２１は、例えばガラス基板または樹脂基板である。第３制御電極Ｅ３及び第４制御電極Ｅ４は、ＩＴＯやＩＺＯなどの透明導電材料によって形成されている。第３制御電極Ｅ３は、図３に示した第１制御電極Ｅ１と同様に、第２方向Ｙに延出した帯状電極である。第４制御電極Ｅ４は、図３に示した第２制御電極Ｅ２と同様に、四角形状の平板電極である。配向膜６１２及び６２２は、例えば、水平配向膜である。一例では、配向膜６１２は第２方向Ｙに沿って配向処理され、配向膜６２２は第１方向Ｘに沿って配向処理されている。
第３基板６１及び第４基板６２は、非有効領域６０Ｂにおいて、シール６４によって接着されている。シール６４は、導通材６５を備えている。導通材６５は、給電線６１３と第４制御電極Ｅ４との間に介在し、給電線６１３と第４制御電極Ｅ４とを電気的に接続している。

第２液晶層６３は、第３基板６１と第４基板６２との間に保持されている。第２液晶層６３は、例えば、正の誘電率異方性を有する液晶材料によって形成されている。第３制御電極Ｅ３及び第４制御電極Ｅ４は、図６に示した変調部ＭＡ及び無変調部ＮＭＡを形成するための電圧を第２液晶層６３に印加する。

光制御部ＯＣＴは、第２液晶層６３に印加する電圧を制御する。光制御部ＯＣＴは、第３制御電極Ｅ３及び第４制御電極Ｅ４にそれぞれ供給する電圧を制御することにより、第２液晶層６３に変調部ＭＡ及び無変調部ＮＭＡを形成することができる。なお、第２液晶層６３に、変調部ＭＡのみを形成することもできるし、無変調部ＮＭＡのみを形成することもできる。また、光制御部ＯＣＴは、第３制御電極Ｅ３の各々に供給する電圧を制御することにより、変調部ＭＡ及び無変調部ＮＭＡの形成位置を制御することができる。また、光制御部ＯＣＴは、第３制御電極Ｅ３の各々に供給する電圧を制御することにより、変調部ＭＡ及び無変調部ＮＭＡの大きさを自在に制御することができる。

図１５は、変調素子ＭＤに形成される変調部ＭＡ及び無変調部ＮＭＡを説明するための図である。図１５においては、説明に必要な構成のみを図示している。ここでは、第１方向Ｘに並んだ複数の第３制御電極Ｅ３１乃至Ｅ３５のうち、第３制御電極Ｅ３１、Ｅ３３、Ｅ３５には第４制御電極Ｅ４とは異なる電圧が供給される場合について説明する。

第２液晶層６３は、上記の通り、正の誘電率異方性を有している。第２液晶層６３に含まれる液晶分子６３Ｍは、電界が形成されない状態では９０°ツイスト配向している。つまり、第３制御電極Ｅ３１乃至Ｅ３５の近傍における液晶分子６３Ｍは、その長軸が第２方向Ｙに沿うように初期配向しており、第４制御電極Ｅ４の近傍における液晶分子６３Ｍは、その長軸が第１方向Ｘに沿うように初期配向している。また、液晶分子６３Ｍは、電界が形成された状態ではその長軸が電界に沿うように配向される。

一例として、第３制御電極Ｅ３１、Ｅ３３、Ｅ３５の電圧が６Ｖであり、第３制御電極Ｅ３２及びＥ３４と第４制御電極Ｅ４の電圧が０Ｖである場合について以下に述べる。第３制御電極Ｅ３１、Ｅ３３、Ｅ３５の各々と第４制御電極Ｅ４とが対向する領域には、第３方向Ｚに沿った電界が形成されるため、液晶分子６３Ｍはその長軸が第３方向Ｚに沿うように垂直配向している。第３制御電極Ｅ３２及びＥ３４の各々と第４制御電極Ｅ４とが対向する領域には、電界が形成されないため、液晶分子６３Ｍは、初期配向状態に維持され、ツイスト配向している。

ここで、変調素子ＭＤに第１偏光ＰＯＬ１が入射する場合を想定する。第４基板６２から入射する第１偏光ＰＯＬ１のうち、第３制御電極Ｅ３２と第４制御電極Ｅ４とが対向する領域に入射した第１偏光ＰＯＬ１は、ツイスト配向した液晶分子６３Ｍの影響を受けて、その偏光面が回転し、第２液晶層６３を透過した後に、第２方向Ｙに沿った振動面を有する第２偏光ＰＯＬ２に変換される。第３制御電極Ｅ３４と第４制御電極Ｅ４とが対向する領域についても同様に、透過光は、第２偏光ＰＯＬ２に変換される。一方で、第３制御電極Ｅ３３と第４制御電極Ｅ４とが対向する領域に入射した第１偏光ＰＯＬ１は、垂直配向した液晶分子６３Ｍの影響をほとんど受けず、その偏光面が維持され、第２液晶層６３を透過する。第３制御電極Ｅ３１及びＥ３５と第４制御電極Ｅ４とが対向する領域についても同様に、透過光は、第１偏光ＰＯＬ１である。
つまり、第３制御電極Ｅ３１、Ｅ３３、Ｅ３５の各々と第４制御電極Ｅ４とが対向する領域は、図６に示した無変調部ＮＭＡに相当し、第３制御電極Ｅ３２及びＥ３４の各々と第４制御電極Ｅ４とが対向する領域は、図６に示した変調部ＭＡに相当する。

なお、本実施形態では、変調素子ＭＤの一例として、初期配向状態でツイスト配向する第２液晶層６３と、基板主面と交差する方向に沿った電界とを組み合わせた方式について説明したが、これに限らない。第２液晶層６３に印加される電圧に応じて入射光を変調する領域と、入射光を変調することなく透過する領域とが形成可能な方式であれば、上記の変調素子ＭＤに適用可能である。

ここに説明した例では、第３制御電極Ｅ３１乃至Ｅ３５の各々が第２方向Ｙに延出した帯状電極であるため、変調部ＭＡ及び無変調部ＮＭＡは第２方向Ｙに延出した帯状に形成される。但し、第３制御電極Ｅ３は第１方向Ｘに延出した帯状電極であってもよく、この場合には変調部ＭＡ及び無変調部ＮＭＡは第１方向Ｘに延出した帯状に形成される。また、図１２に示した第１制御電極Ｅ１のように、第３制御電極Ｅ３はマトリクス状に配列されてもよく、この場合には変調部ＭＡ及び無変調部ＮＭＡはドット状や帯状など自在な形状に形成可能となる。

図１６は、変調素子ＭＤの他の構成例を示す断面図である。図１６に示した構成例は、図１４に示した構成例と比較して、第３制御電極Ｅ３が２層化されている点で相違している。すなわち、第３制御電極は、第１間隙部ＥＧａ及び第１電極部Ｅ３ａと、第２間隙部ＥＧｂ及び第２電極部Ｅ３ｂと、を備えている。第１間隙部ＥＧａ及び第１電極部Ｅ３ａは、絶縁基板６１１と層間絶縁膜６１４との間に位置している。第２間隙部ＥＧｂ及び第２電極部Ｅ３ｂは、層間絶縁膜６１４と配向膜６１２との間に位置している。また、第２間隙部ＥＧｂは、第３方向Ｚに沿って第１電極部Ｅ３ａの直上に位置している。第２電極部Ｅ３ｂは、第３方向Ｚに沿って第１間隙部ＥＧａの直上に位置している。つまり、隣り合う第１電極部Ｅ３ａの隙間を第２電極部Ｅ３ｂが補完し、隣り合う第２電極部Ｅ３ｂの隙間を第１電極部Ｅ３ａが補完している。
以下、他の観点で説明する。ここでは、２つの第１電極部Ｅ３ａ１及びＥ３ａ２と、１つの第２電極部Ｅ３ｂ１に着目して説明する。第１電極部Ｅ３ａ１及びＥ３ａ２は、第１方向Ｘに並び、それぞれ向かい合う端部Ｅ３ａ１Ｓ及びＥ３ａ２Ｓを有している。第２電極部Ｅ３ｂ１は、第１電極部Ｅ３ａ１及びＥ３ａ２の間に位置し、端部Ｅ３ｂ１１Ｓ及びＥ３ｂ１２Ｓを有している。端部Ｅ３ｂ１１Ｓは、第３方向Ｚに沿って端部Ｅ３ａ１Ｓの直上に位置している。端部Ｅ３ｂ１２Ｓは、第３方向Ｚに沿って端部Ｅ３ａ２Ｓの直上に位置している。
これにより、第１方向Ｘに隙間なく第３制御電極Ｅ３が配置される。したがって、複数の第１方向Ｘに並んだ複数の第３制御電極Ｅ３を用いて変調部ＭＡ及び無変調部ＮＭＡを形成する場合に、隣接する第３制御電極Ｅ３の間に隙間が形成されない。つまり、第１方向Ｘに連続して拡張された変調部ＭＡ及び無変調部ＮＭＡを形成することが可能となる。

ところで、上記のように、光制御部ＯＣＴは、液晶素子ＬＤを制御するとともに、液晶素子によって構成された変調素子ＭＤを制御する。以下に、液晶素子ＬＤ及び変調素子ＭＤの制御例について説明する。

図１７は、液晶素子ＬＤの第１制御例を説明するための図である。
まず、光制御部ＯＣＴは、詳述しない光センサからの出力などに基づいて、液晶素子ＬＤに入射する光の入射方向を判定する（ステップＳＴ３１）。そして、光制御部ＯＣＴは、液晶素子ＬＤを制御して、判定した入射方向からの入射光を変調部ＭＡに集束させるようにレンズ５を形成する（ステップＳＴ３２）。上記の通り、光制御部ＯＣＴは、第１制御電極Ｅ１及び第２制御電極Ｅ２に供給する電圧を制御することにより、所望の形状のレンズ５を形成し、入射光の集束位置を自在に制御することができる。つまり、光制御部ＯＣＴは、変調部ＭＡが集束位置となる所望の形状のレンズ５を形成するように、第１制御電極Ｅ１及び第２制御電極Ｅ２に供給する電圧を制御する。これにより、変調部ＭＡ及び無変調部ＮＭＡの位置が固定されていたとしても、レンズ５による入射光の集束位置を変調部ＭＡの位置に一致させることができる。
このような第１制御例により、変調部ＭＡの位置が固定されていても、光の入射方向にかかわらず、液晶素子ＬＤに入射した光（主に第１偏光ＰＯＬ１）を変調部ＭＡに集束させることができ、変調素子ＭＤを透過した光の偏光方向を概ね揃えることが可能となる。

図１８は、変調素子ＭＤの第２制御例を説明するための図である。
まず、光制御部ＯＣＴは、詳述しない光センサからの出力などに基づいて、液晶素子ＬＤに入射する光の入射方向を判定する（ステップＳＴ４１）。そして、光制御部ＯＣＴは、変調素子ＭＤを制御して、判定した入射方向からの入射光を、レンズ５が集束させる位置に変調部ＭＡを形成する（ステップＳＴ４２）。上記の通り、光制御部ＯＣＴは、第３制御電極Ｅ３及び第４制御電極Ｅ４に供給する電圧を制御することにより、所望の位置に変調部ＭＡ及び無変調部ＮＭＡを形成することができる。レンズ５の形状が固定されている場合、レンズ５に入射する光の入射方向に応じて集束位置はシフトする。ここに説明する第２制御例は、レンズ５の形状を可変させない場合に、光の入射方向に応じてシフトする集束位置に追随すべく、変調部ＭＡの位置を変化させるものである。つまり、光制御部ＯＣＴは、入射光の集束位置に変調部ＭＡを形成するように、第３制御電極Ｅ３及び第４制御電極Ｅ４に供給する電圧を制御する。これにより、レンズ５の形状が固定されていたとしても、レンズ５による入射光の集束位置を変調部ＭＡの位置に一致させることができる。
このような第２制御例においても、図１７に示した第１制御例と同様の効果が得られる。また、第１制御例及び第２制御例は組み合わせてもよい。液晶素子ＬＤと変調素子ＭＤとを固定した際に、液晶素子ＬＤに対して変調素子ＭＤが第１方向Ｘに沿ってずれたとしても、第１制御例及び第２制御例の少なくとも１つを適用することにより、第１方向Ｘに沿った集束位置のずれを補正することができる。また、液晶素子ＬＤと変調素子ＭＤとの第３方向Ｚに沿った間隔にバラツキが生じたとしても、第１制御例を適用することにより、レンズ５の第３方向Ｚに沿った集束距離のバラツキを補正することができる。

次に、本実施形態の表示装置ＤＳＰに適用可能な表示パネル１について説明する。

図１９は、表示パネル１の基本構成及び等価回路を示す図である。
表示パネル１は、画像を表示する表示エリアＤＡと、表示エリアＤＡを囲む非表示エリアＮＤＡと、を備えている。表示エリアＤＡは、複数の画素ＰＸを備えている。ここで、画素とは、画素信号に応じて個別に制御することができる最小単位を示し、例えば、後述する走査線と信号線とが交差する位置に配置されたスイッチング素子を含む領域に存在する。複数の画素ＰＸは、第１方向Ｘ及び第２方向Ｙにマトリクス状に配置されている。また、表示パネル１は、表示エリアＤＡにおいて、複数本の走査線（ゲート線ともいう）Ｇ（Ｇ１〜Ｇｎ）、複数本の信号線（データ配線あるいはソース線ともいう）Ｓ（Ｓ１〜Ｓｍ）、共通電極ＣＥなどを備えている。走査線Ｇは、各々第１方向Ｘに延出し、第２方向Ｙに並んでいる。信号線Ｓは、各々第２方向Ｙに延出し、第１方向Ｘに並んでいる。なお、走査線Ｇ及び信号線Ｓは、必ずしも直線的に延出していなくても良く、それらの一部が屈曲していてもよい。共通電極ＣＥは、複数の画素ＰＸに亘って配置されている。走査線Ｇは走査線駆動回路ＧＤに接続され、信号線Ｓは信号線駆動回路ＳＤに接続され、共通電極ＣＥは共通電極駆動回路ＣＤに接続されている。走査線駆動回路ＧＤ、信号線駆動回路ＳＤ、及び、共通電極駆動回路ＣＤは、制御部ＣＴによって制御される。
各画素ＰＸは、スイッチング素子ＳＷ、画素電極ＰＥ、共通電極ＣＥ、第３液晶層ＬＣ等を備えている。スイッチング素子ＳＷは、例えば薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）によって構成され、走査線Ｇ及び信号線Ｓと電気的に接続されている。より具体的には、スイッチング素子ＳＷは、ゲート電極ＷＧ、ソース電極ＷＳ、及び、ドレイン電極ＷＤを備えている。ゲート電極ＷＧは、走査線Ｇと電気的に接続されている。図示した例では、信号線Ｓと電気的に接続された電極をソース電極ＷＳと称し、画素電極ＰＥと電気的に接続された電極をドレイン電極ＷＤと称する。走査線Ｇは、第１方向Ｘに並んだ画素ＰＸの各々におけるスイッチング素子ＳＷと接続されている。信号線Ｓは、第２方向Ｙに並んだ画素ＰＸの各々におけるスイッチング素子ＳＷと接続されている。
画素電極ＰＥは、スイッチング素子ＳＷに電気的に接続されている。共通電極ＣＥは、複数の画素電極ＰＥと対向している。これらの画素電極ＰＥ及び共通電極ＣＥは、第３液晶層ＬＣに電圧を印加する第１表示電極及び第２表示電極として機能する。画素電極ＰＥは、ＩＴＯやＩＺＯなどの透明導電材料、あるいは、アルミニウム、銀などの反射性を有する金属材料で形成されている。また、共通電極ＣＥは、ＩＴＯやＩＺＯなどの透明導電材料によって形成されている。保持容量ＣＳは、例えば、共通電極ＣＥと画素電極ＰＥとの間に形成される。
なお、ここでは表示パネル１の詳細な構成については説明を省略するが、表示パネル１は、ＴＮ（Twisted Nematic）モード、ＰＤＬＣ（Polymer Dispersed Liquid Crystal）モード、ＯＣＢ（Optically Compensated Bend）モード、ＥＣＢ（Electrically Controlled Birefringence）モード、ＶＡ（Vertical Aligned）モード、ＦＦＳ（Fringe Field Switching）モード、ＩＰＳ（In-Plane Switching）モードなどの各種モードのいずれかに対応した構成を有している。また、各画素ＰＸがアクティブ方式で駆動される場合について説明したが、各画素ＰＸがパッシブ方式で駆動されてもよい。
光センサ２２は、表示パネル１に内蔵されている。図示した例では、光センサ２２は、非表示エリアＮＤＡに配置されている。光センサ２２は、受光した光の強度に応じた信号を出力する。光センサ２２は、表示制御部ＤＣＴによって制御される。表示制御部ＤＣＴは、光センサからの出力を測定する。

図２０は、図１９に示した表示パネル１の一構成例を示す断面図である。ここでは、説明に必要な構成のみを図示している。

表示パネル１は、第５基板ＳＵＢ１と、第６基板ＳＵＢ２と、第３液晶層ＬＣとを備えている。
第５基板ＳＵＢ１は、絶縁基板１００、絶縁膜１１０、配向膜１２０、スイッチング素子ＳＷ、画素電極ＰＥなどを備えている。絶縁基板１００及び絶縁膜１１０は、いずれも透明である。スイッチング素子ＳＷは、絶縁基板１００と絶縁膜１１０との間に配置されている。画素電極ＰＥは、絶縁膜１１０と配向膜１２０との間に配置され、スイッチング素子ＳＷと電気的に接続されている。一例では、画素電極ＰＥは、反射電極であり、アルミニウム、銀などの反射性を有する金属材料によって形成されている。なお、図示しないが、第５基板ＳＵＢ１は、図１９に示した走査線Ｇ、信号線Ｓ、スイッチング素子ＳＷなどを備えている。
第６基板ＳＵＢ２は、絶縁基板２００、遮光層２１０、カラーフィルタ２２０、オーバーコート層２３０、配向膜２４０、共通電極ＣＥなどを備えている。絶縁基板２００は、透明である。遮光層２１０は、絶縁基板２００とカラーフィルタ２２０との間に配置されている。カラーフィルタ２２０は、遮光層２１０とオーバーコート層２３０との間に配置されている。オーバーコート層２３０は、カラーフィルタ２２０を覆っている。共通電極ＣＥは、オーバーコート層２３０と配向膜２４０との間に配置されている。共通電極ＣＥは、ＩＴＯなどによって形成された透明電極である。
第３液晶層ＬＣは、第５基板ＳＵＢ１と第６基板ＳＵＢ２との間に保持され、配向膜１２０と配向膜２４０との間に位置した液晶分子ＬＭを含んでいる。一例では、第３液晶層ＬＣの厚さは２乃至４μｍ程度である。

光学素子ＯＤは、第６基板ＳＵＢ２の液晶層ＬＣに接する面とは反対側に位置している。光学素子ＯＤは、例えば散乱層ＦＳ、位相差板ＲＴ、偏光板ＰＬなどを備えている。散乱層ＦＳは絶縁基板２００に接着され、位相差板ＲＴは散乱層ＦＳに積層され、偏光板ＰＬは位相差板ＲＴに積層されている。偏光板ＰＬは、第２偏光ＰＯＬ２を透過する透過軸Ｔを有している。なお、光学素子ＯＤの構成は、図示した例に限らない。
散乱層ＦＳは、特定方向からの入射光を散乱させる異方性散乱層である。図示した例では、散乱層ＦＳは、光学装置２からの入射光をほとんど散乱させずに透過し、画素電極ＰＥでの反射光を散乱させる機能を有している。なお、散乱層ＦＳは、拡散範囲の拡大、虹色の防止などの目的のために複数枚を積層することが望ましい。位相差板ＲＴは、１／４波長板としての機能を有している。一例では、位相差板ＲＴは、１／４波長板と１／２波長板とを積層した積層体であり、波長依存性を低減し、カラー表示に利用される波長範囲において所望の位相差が得られるように構成されている。

画素電極ＰＥ及び共通電極ＣＥは、第３液晶層ＬＣに電圧を印加する。これにより、第３液晶層ＬＣのリタデーションが変化する。すなわち、第３液晶層ＬＣに電圧が印加されないオフ状態と、第３液晶層ＬＣに電圧が印加されたオン状態とでは、液晶分子ＬＭの配向状態が異なり、リタデーションが変化する。画素電極ＰＥが反射電極であり、共通電極ＣＥが透明電極である反射型表示パネルにおいては、オン状態とオフ状態とでのリタデーションの相違により、第６基板ＳＵＢ２を介して入射した外光を選択的に反射し、画像を表示する。
すなわち、光学装置２は、図７などを参照して説明したように、第１偏光ＰＯＬ１及び第２偏光ＰＯＬ２を透過するが、透過光のほとんどは第２偏光ＰＯＬ２である。光学素子ＯＤの偏光板ＰＬは、光学装置２の透過光のうち、第２偏光ＰＯＬ２を透過する。このため、表示パネル１は、第２偏光ＰＯＬ２によって照明される。オン状態では、表示パネル１に入射した光は、画素電極ＰＥで反射された後に第３液晶層ＬＣを通り、光学素子ＯＤを透過する。このため、オン状態では、カラーフィルタ２２０の色が表示される。一方、オフ状態の場合、表示パネル１に入射した光は、画素電極ＰＥで反射された後に液晶層ＬＣを通り、光学素子ＯＤで吸収される。このため、オフ状態では、黒が表示される。

上述した表示装置ＤＳＰによれば、光学装置２は、表示装置ＤＳＰに入射する外光のうち、第１偏光ＰＯＬ１を第２偏光ＰＯＬ２に変換し、第２偏光ＰＯＬ２のほとんどを透過する。光学素子ＯＤは第２偏光ＰＯＬ２を透過する透過軸Ｔを有しているため、表示パネル１は光学装置２を透過した第２偏光ＰＯＬ２によって照明される。したがって、表示装置ＤＳＰに入射する外光のうち、光学素子ＯＤを透過する成分（第２偏光ＰＯＬ２）を増加させることができる。これにより、光の利用効率を向上することができる。また、表示パネル１を照明する光が増加し、表示パネル１の反射率を向上することができる。

図２１は、本実施形態の表示装置ＤＳＰにおいて光学装置２の駆動条件を決定する一手法を説明するための図である。図示した例では、光制御部ＯＣＴは、光学装置２を制御し、表示パネル１の表示エリアＤＡと対向する領域２Ａと、非表示エリアＮＤＡと対向する領域２Ｂとでいずれも同様に駆動している。光学装置２は、詳述しないが図７を参照して説明したように液晶素子ＬＤ及び変調素子ＭＤを備えている。
外部の光源ＬＳから表示装置ＤＳＰに入射した自然光は、光学装置２によって概ね偏光方向が揃えられる。光学装置２を透過した第２偏光ＰＯＬ２は、表示パネル１を照明する。表示パネル１の照明光の一部は、光センサ２２に入射する。光センサ２２は、受光した光の強度に応じた信号を表示制御部ＤＣＴに出力する。表示制御部ＤＣＴは、光センサ２２からの出力の測定結果を光制御部ＯＣＴに出力する。光制御部ＯＣＴは、光センサ２２からの出力が所望の値（例えば、最大値）となるように、光学装置２を制御する。光学装置２の制御については、図１７に示した第１制御例、及び、図１８に示した第２制御例が適用可能である。

図２２は、本実施形態の表示装置ＤＳＰにおいて光学装置２の駆動条件を決定する他の手法を説明するための図である。図示した例では、光源ＬＳ及び受光素子Ｒは、表示装置ＤＳＰと対向している。光源ＬＳは、表示装置ＤＳＰを照明するための参照光を発生する。受光素子Ｒは、表示装置ＤＳＰから反射された参照光を受光して、受光した光の強度に応じた信号を出力する。一例では、受光素子Ｒから出力された信号は、光制御部ＯＣＴに入力される。光制御部ＯＣＴは、受光素子Ｒからの出力が所望の値（例えば、最大値）となるように、光学装置２を制御する。光学装置２の制御については、上記の第１制御例及び第２制御例が適用可能である。

以上のように光学装置２を最適化することにより、表示パネル１で反射表示される画像の表示品位を向上することができる。例えば、明るい画像を表示することが要求される場合には、光センサ２２あるいは受光素子Ｒからの出力が最大値となるように光学装置２が制御される。あるいは、反射表示された画像の視認性を向上することが要求される場合に、外光の光源ＬＳが観察者から視認されないように、光学装置２が制御される。

次に、光学装置２による表示パネル１への入光量の制御方法について説明する。

図２３は、表示パネル１への入光量が最大となるように制御された光学装置２を示す図である。光制御部ＯＣＴは、第１モードに切り替えて液晶素子ＬＤを制御する。すなわち、光制御部ＯＣＴは、第１制御電極Ｅ１及び第２制御電極Ｅ２にレンズ５を形成するための電圧を供給する（オン状態）。これにより、第１偏光ＰＯＬ１は、図の左側に示すように、レンズ５によって集束され、そのほとんどすべてが変調部ＭＡに入射し、第２偏光ＰＯＬ２に変換される。一方、第２偏光ＰＯＬ２は、図の右側に示すように、レンズ５によってほとんど集束されず、変調部ＭＡ及び無変調部ＮＭＡにそれぞれ入射する。無変調部ＮＭＡに入射した第２偏光ＰＯＬ２は、変調されることなく、変調素子ＭＤを透過する。また、一部の第２偏光ＰＯＬ２は、変調部ＭＡに入射し、第１偏光ＰＯＬ１に変換される。
偏光板ＰＬを含む光学素子ＯＤは、第２偏光ＰＯＬ２を透過する透過軸Ｔを有している。このため、変調素子ＭＤを透過した第２偏光ＰＯＬ２は、光学素子ＯＤで吸収されることなく、表示パネル１を照明する。変調素子ＭＤを透過した第１偏光ＰＯＬ１は、光学素子ＯＤで吸収される。一般的な偏光板を適用した場合、光学装置２に入射した光のうち、最大で５０％の光が表示パネル１に到達するのみである。一方、図２３に示した例の場合、光学装置２に入射した光のうち、５０％を超える光が表示パネル１に到達する。

なお、ここでは、光学装置２に入射した第１偏光ＰＯＬ１のすべてが変調部ＭＡに集束される場合を説明したが、レンズ５の形状を制御することにより、変調部ＭＡに集束される第１偏光ＰＯＬ１の量を調整することができる。図２３に示した例よりも変調部ＭＡに入射する第１偏光ＰＯＬ１の量を減少させることで、表示パネル１に到達する光の量を調整することができる。

図２４は、表示パネル１への入光量が最小となるように制御された光学装置２を示す図である。光制御部ＯＣＴは、第２モードに切り替えて液晶素子ＬＤを制御する。すなわち、光制御部ＯＣＴは、第１制御電極Ｅ１及び第２制御電極Ｅ２にレンズ５を形成するための電圧を供給しない（オフ状態）。このため、液晶素子ＬＤにはレンズ５が形成されない。第１偏光ＰＯＬ１及び第２偏光ＰＯＬ２は、いずれも集束されることなく、変調素子ＭＤに入射する。変調素子ＭＤにおいて、変調部ＭＡに入射した第１偏光ＰＯＬ１は第２偏光ＰＯＬ２に変換され、変調部ＭＡに入射した第２偏光ＰＯＬ２は第１偏光ＰＯＬ１に変換される。変調素子ＭＤを透過した第１偏光ＰＯＬ１及び第２偏光ＰＯＬ２のそれぞれの量は同等である。変調素子ＭＤを透過した第２偏光ＰＯＬ２は、光学素子ＯＤで吸収されることなく、表示パネル１を照明する。変調素子ＭＤを透過した第１偏光ＰＯＬ１は、光学素子ＯＤで吸収される。このような場合、光学装置２に入射した光のうち、約５０％の光が表示パネル１に到達する。

本実施形態の表示装置ＤＳＰによれば、光学装置２は、表示パネル１への入光量を制御することができる。このため、表示パネル１に低階調の画像を表示する場合、低階調側の階調表現数を増やすことができる。例えば、表示装置ＤＳＰでは、表示パネル１に表示すべき画像に対応した画像データを解析し、高階調の画像を表示する高階調領域と、低階調の画像を表示する低階調領域とを判別する。そして、高階調領域については、図２３を参照して説明した第１モードが適用され、低階調領域については、図２４を参照して説明した第２モードが適用される。これにより、高階調領域については光の利用効率を向上することができ、低階調領域については階調表現数を増やすことができ、表示品位を向上することが可能となる。
一例では、表示パネル１は２ビットで駆動される場合を想定する。光学装置２から表示パネル１への入光量の最大値を１００％とし、入光量の最小値を５０％として以下説明する。

図２５は、本実施形態の表示装置ＤＳＰで表現できる反射率をまとめた図である。表示パネル１は、入光量が１００％の時に、階調値０での反射率が０％であり、階調値１での反射率が３３．３％であり、階調値２での反射率が６６．６％であり、階調値３での反射率が１００％である。また、表示パネル１は、入光量が５０％の時に、階調値０での反射率が０％であり、階調値１での反射率が１６．６％であり、階調値２での反射率が３３．３％であり、階調値３での反射率が５０％である。つまり、表示パネル１が２ビット駆動される場合であっても、表示パネル１への入光量が制御されることにより、実質的に６通りの階調を表現することができる。

図２６は、本実施形態の表示装置ＤＳＰによる階調表示を説明するための図である。図示した例では、表示パネル１は領域Ａ１乃至Ａ８を有し、光学装置２は領域Ｂ１及びＢ２を有し、領域Ｂ１は領域Ａ１乃至Ａ４と対向し、領域Ｂ２は領域Ａ５乃至Ａ８と対向する。領域Ａ１乃至Ａ８は、それぞれ図１９に示したようなマトリクス状の複数の画素ＰＸを備えている。一例では、領域Ａ１が第１表示領域に相当し、領域Ａ５が第２表示領域に相当し、領域Ｂ１が第１制御領域に相当し、領域Ｂ２が第２制御領域に相当する。

図２６の（ａ）に示した例では、光制御部ＯＣＴは、領域Ｂ１及びＢ２を第１モードに設定し、図２３に示したように、第１液晶層５３にレンズ５を形成する。このような例は、光学装置２から表示パネル１の全面への入光量が１００％である場合に相当とする。表示制御部ＤＣＴは、表示パネル１のうち、第１領域Ａ１及び第２領域Ａ２を階調値０に設定し、第３領域Ａ３及び第４領域Ａ４を階調値１に設定し、第５領域Ａ５及び第６領域Ａ６を階調値２に設定し、第７領域Ａ７及び第８領域Ａ８を階調値３に設定する。この場合、第１領域Ａ１及び第２領域Ａ２の反射率は０％であり、第３領域Ａ３及び第４領域Ａ４の反射率は３３．３％であり、第５領域Ａ５及び第６領域Ａ６の反射率は６６．６％であり、第７領域Ａ７及び第８領域Ａ８の反射率は１００％である。

図２６の（ｂ）に示した例では、光制御部ＯＣＴは、領域Ｂ１を第２モードに設定し、図２４に示したように、第１液晶層５３にレンズを形成しない。また、光制御部ＯＣＴは、領域Ｂ２を第１モードに設定して第１液晶層５３にレンズ５を形成する。このような例は、表示パネル１のうち、第１乃至第４領域への入光量が５０％であり、第５乃至第８領域への入光量が１００％である場合に相当とする。表示制御部ＤＣＴは、表示パネル１のうち、第１領域Ａ１を階調値０に設定し、第２領域Ａ２を階調値１に設定し、第３領域Ａ３を階調値２に設定し、第４領域Ａ４を階調値３に設定し、第５領域Ａ５及び第６領域Ａ６を階調値２に設定し、第７領域Ａ７及び第８領域Ａ８を階調値３に設定する。この場合、第１領域Ａ１の反射率は０％であり、第２領域Ａ２の反射率は１６．６％であり、第３領域Ａ３の反射率は３３．３％であり、第４領域Ａ４の反射率は５０％であり、第５領域Ａ５及び第６領域Ａ６の反射率は６６．６％であり、第７領域Ａ７及び第８領域Ａ８の反射率は１００％である。

このように、本実施形態の表示装置ＤＳＰによれば、階調表示駆動される表示パネル１と、表示パネル１への入光量を制御する光学装置２とを組み合わせることにより、表示パネル１で駆動可能な階調数よりも多くの階調数で表現することができる。特に、低階調側の階調表現数を増やすことができるため、黒表示の表示品位を向上することができるとともに、低階調側のダイナミックレンジの拡張することができる。

以上説明したように、本実施形態によれば、光の利用効率を向上することができる光学装置及び表示装置を提供することができる。

なお、この発明は、上記実施形態そのものに限定されるものではなく、その実施の段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。

ＤＳＰ…表示装置 １…表示パネル ２…光学装置 ＯＤ…光学素子
ＬＤ…液晶素子 Ｅ１…第１制御電極 Ｅ２…第２制御電極 ５…レンズ
ＭＤ…変調素子 Ｅ３…第３制御電極 Ｅ４…第４制御電極 ＭＡ…変調部 ＮＭＡ…無変調部
ＣＴ…制御部 ＯＣＴ…光制御部 ＤＣＴ…表示制御部
ＰＥ…画素電極（第１表示電極） ＣＥ…共通電極（第２表示電極）

Claims (10)

1. 複数の第１制御電極を備えた第１基板と、前記第１基板と対向し第２制御電極を備えた第２基板と、前記第１基板と前記第２基板との間に保持された第１液晶層と、を備えた液晶素子と、
   前記液晶素子と対向する変調素子であって、入射光を変調する変調部と、前記変調部に隣接する無変調部と、を備えた変調素子と、
   を備えた光学装置。
2. 前記変調部は、前記無変調部より小さい、請求項１に記載の光学装置。
3. さらに、前記液晶素子を制御する制御部を備え、
   前記制御部は、前記液晶素子に入射した光を前記変調部に集束させる前記レンズを形成する、請求項１または２に記載の光学装置。
4. 前記変調素子は、第３基板と、第４基板と、前記第３基板と前記第４基板との間に保持された第２液晶層と、前記第２液晶層に前記変調部及び前記無変調部を形成するための電圧を印加する第３制御電極及び第４制御電極と、を備えた、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光学装置。
5. さらに、前記変調素子を制御する制御部を備え、
   前記制御部は、前記レンズが前記液晶素子に入射した光を集束させる位置に前記変調部を形成する、請求項４に記載の光学装置。
6. 前記第３制御電極は前記第３基板に設けられ、前記第４制御電極は前記第４基板に設けられ、
   前記第３制御電極は、第１間隙部及び第１電極部と、前記第１間隙部の直上に位置する第２電極部及び前記第１電極部の直上に位置する第２間隙部と、を備えた、請求項４または５に記載の光学装置。
7. 複数の第１制御電極を備えた第１基板と、前記第１基板と対向し第２制御電極を備えた第２基板と、前記第１基板と前記第２基板との間に保持された第１液晶層と、を備えた液晶素子と、
   前記液晶素子と対向する変調素子であって、第１偏光及び第２偏光を変調する変調部と、前記変調部に隣接する無変調部と、を備えた変調素子と、
   前記変調素子と対向し、前記第２偏光を透過する光学素子と、
   前記光学素子と対向し、前記第２偏光によって照明される液晶表示パネルと、
   を備えた表示装置。
8. 前記変調素子は、第３基板と、第４基板と、前記第３基板と前記第４基板との間に保持された第２液晶層と、前記第２液晶層に前記変調部及び前記無変調部を形成するための電圧を印加する第３制御電極及び第４制御電極と、を備えた、請求項７に記載の表示装置。
9. 前記液晶表示パネルは、第５基板と、第６基板と、前記第５基板と前記第６基板との間に保持された第３液晶層と、前記第３液晶層に電圧を印加する画素電極及び共通電極と、を備え、
   前記画素電極は反射電極であり、前記共通電極は透明電極である、請求項７または８に記載の表示装置。
10. さらに、第１表示領域及び第２表示領域を有する前記液晶表示パネルを制御する表示制御部と、第１制御領域及び第２制御領域を有する前記液晶素子を制御する光制御部と、を備え、
    前記表示制御部は、前記第１表示領域を第１階調値で表示させ、前記第２表示領域を前記第１階調値とは異なる第２階調値で表示させ、
    前記光制御部は、前記第１液晶層の前記第１表示領域と対向する前記第１制御領域には前記レンズを形成せず、前記第１液晶層の前記第２表示領域と対向する前記第２制御領域には前記レンズを形成する、請求項７に記載の表示装置。

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