JP2018189913A - 表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】表示品位を向上することが可能な表示装置を提供する。
【解決手段】反射層を備える表示パネルＰＮＬと、表示パネルＰＮＬと対向する液晶素子ＬＤと、液晶素子ＬＤを制御する制御部ＣＴと、を備え、液晶素子ＬＤは、第１基板５１と、第２基板５２と、第１基板５１と第２基板５２との間に保持された液晶層５３と、第１制御電極Ｅ１、第２制御電極Ｅ２、第３制御電極Ｅ３、及び、第４制御電極Ｅ４と、を備え、制御部ＣＴは、第１形状の第１レンズ５Ｃを液晶層５３に形成するための第１電圧を第１制御電極Ｅ１及び第２制御電極Ｅ２に印加し、液晶層５３において第１レンズ５Ｃと異なる位置に、第２形状の第２レンズ５Ｄを形成するための第２電圧を第３制御電極Ｅ３及び第４制御電極Ｅ４に印加し、第１形状と第２形状とは異なる、表示装置。
【選択図】図１１

Description

本発明の実施形態は、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、表示品位を向上することが可能な表示装置を提供することにある。

本実施形態によれば、反射層を備える表示パネルと、前記表示パネルと対向する液晶素子と、前記液晶素子を制御する制御部と、を備え、前記液晶素子は、第１基板と、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液晶層と、第１制御電極、第２制御電極、第３制御電極、及び、第４制御電極と、を備え、前記制御部は、第１形状の第１レンズを前記液晶層に形成するための第１電圧を第１制御電極及び第２制御電極に印加し、前記液晶層において前記第１レンズと異なる位置に、第２形状の第２レンズを形成するための第２電圧を第３制御電極及び第４制御電極に印加し、前記第１形状と前記第２形状とは異なる、表示装置が提供される。

図１は、本実施形態の表示装置の一構成例を示す図である。 図２は、図１に示した表示パネルの基本構成及び等価回路を示す図である。 図３は、図２に示した表示パネルの一構成例を示す断面図である。 図４は、液晶素子の構成例を示す断面図である。 図５は、液晶素子の構成例を示す平面図である。 図６は、液晶層に形成されるレンズを説明するための図である。 図７は、図６に示したレンズの作用を説明するための図である。 図８は、レンズの形状例を示す図である。 図９は、レンズの他の形状例を示す図である。 図１０は、レンズの形成例を説明するための図である。 図１１は、観察者Ａが表示装置を観察する場合を示した図である。 図１２は、上記実施形態の液晶素子の比較例を示す図である。 図１３は、本実施形態に係る表示装置の実施例を示す図である。 図１４は、本実施形態に係る表示装置の実施例を示す図である。 図１５は、図１４に示した第２センサの一構成例を示す図である。 図１６は、本実施形態の表示装置で表現できる反射率の例をまとめた図である。 図１７は、本実施形態の表示装置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ＰＮＬ、光学素子ＯＤ、液晶素子ＬＤ、制御部ＣＴなどを備えている。

一例では、表示パネルＰＮＬは、液晶表示パネルである。光学素子ＯＤは、表示パネルＰＮＬの表示面である面ＰＮＬａ側に配置されている。

液晶素子ＬＤは、第３方向Ｚに沿って表示パネルＰＮＬと対向している。液晶素子ＬＤは、レンズ５を備えている。複数のレンズ５は、例えば、第１方向Ｘに並んでいる。後述するが、レンズ５は、所定の位置及び形状に固定されていてもよいし、その位置及び形状が可変であっても良い。

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ＰＮＬを制御する。光制御部ＯＣＴは、液晶素子ＬＤを制御する。

図２は、図１に示した表示パネルＰＮＬの基本構成及び等価回路を示す図である。
表示パネルＰＮＬ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ＰＮＬ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、表示制御部ＤＣＴ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、液晶層１３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、液晶層１３を駆動する駆動電極として機能する。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ＰＮＬの詳細な構成については説明を省略するが、表示パネルＰＮＬ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。

図３は、図２に示した表示パネルＰＮＬ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。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。

表示パネルＰＮＬは、基板ＳＵＢ１と、基板ＳＵＢ２と、液晶層ＬＣと、を備えている。

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、反射層であり、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、基板ＳＵＢ１は、図２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。

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、例えば、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。

液晶層ＬＣは、基板ＳＵＢ１と基板ＳＵＢ２との間に保持され、液晶分子ＬＭを含んでいる。

光学素子ＯＤは、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。

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、液晶素子ＬＤ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。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。

画素電極ＰＥ及び共通電極ＣＥは、液晶層ＬＣに電界を形成する。これにより、液晶層ＬＣのリタデーションが変化する。すなわち、液晶層ＬＣに電界が形成されないオフ状態と、液晶層ＬＣに電界が形成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、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。

光学素子ＯＤの偏光板ＰＬは、液晶素子ＬＤ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ＰＮＬ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ＰＮＬ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ＰＮＬ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。

図４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、基板（第１基板）５１と、基板（第２基板）５２と、液晶層５３と、を備えている。

基板５１は、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、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。

基板５２は、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、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、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、ＩＴＯや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。

基板５１及び基板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。

液晶層５３は、基板５１と基板５２との間に保持されている。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、液晶層５３にレンズ５を形成するための電圧が印加される。

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、液晶層５３にレンズ５を形成したモードと、液晶層５３にレンズを形成しない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の大きさや形状も自在に制御することができる。

なお、図示した例では、第１制御電極Ｅ１は基板５１に設けられ、第２制御電極Ｅ２は基板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、つまり基板５１または基板５２に設けられてもよい。

図５は、液晶素子ＬＤの構成例を示す平面図である。図５（ａ）は基板５１の平面図を示し、図５（ｂ）は基板５２の平面図を示している。

図５（ａ）に示す基板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、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５（ｂ）に示す基板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６は、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６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、液晶層５３は、上記の通り、正の誘電率異方性を有している。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、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、液晶層５３は、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、第１制御電極Ｅ１１及び第１制御電極Ｅ１２の中間の液晶素子ＬＤの法線Ｎに対して略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７は、図６に示したレンズ５の作用を説明するための図である。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は図中に斜めストライプパターンを有する矢印で示し、第２偏光ＰＯＬ２は図中に横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、基板５２から基板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、光Ｌのうち、第１偏光ＰＯＬ１をほとんど屈折することなく透過し、第２偏光ＰＯＬ２を屈折する。

図８は、レンズ５の形状例を示す図である。ここでは、図５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９は、レンズ５の他の形状例を示す図である。図９に示した構成例は、図８に示した構成例と比較して、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の電圧を−６Ｖ、第１制御電極Ｅ１２の電圧を６Ｖ、第１制御電極Ｅ１３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の電圧を−６Ｖ，第２制御電極Ｅ２２の電圧を６Ｖ、第２制御電極Ｅ２３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１０は、レンズ５の形成例を説明するための図である。
図１０（ａ）に示すように、第２制御電極Ｅ２の電圧に対して、第１方向Ｘに並んだ第１制御電極Ｅ１１乃至Ｅ１７のうち、第１制御電極Ｅ１３の電圧が最も小さくなるように設定された状態では、第１制御電極Ｅ１１乃至Ｅ１７に亘る非対称なレンズ５Ｌが形成される。このようなレンズ５Ｌ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１０（ｂ）に示すように、主に第１制御電極Ｅ１１及びＥ１７のそれぞれの電圧が同一に設定され、且つ、第１制御電極Ｅ１２乃至Ｅ１６のそれぞれの電圧が０Ｖあるいは第１制御電極Ｅ１１より小さく設定された状態では、第１制御電極Ｅ１１乃至Ｅ１７に亘る対称なレンズ５Ｍが形成される。

図１０（ｃ）に示すように、第２制御電極Ｅ２の電圧に対して、第１制御電極Ｅ１１乃至Ｅ１７のうち、第１制御電極Ｅ１５の電圧が最も小さくなるように設定された状態では、第１制御電極Ｅ１１乃至Ｅ１７に亘る非対称なレンズ５Ｒが形成される。このようなレンズ５Ｒは、例えば、第１制御電極Ｅ１１乃至Ｅ１７のそれぞれの電圧を６Ｖ、５Ｖ、３Ｖ、１Ｖ、０Ｖ、２Ｖ、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。

このような構成例においては、非対称形状のレンズ５Ｌ及びレンズ５Ｒにより、Ｘ−Ｙ平面において、出射方向を第１方向Ｘに制御することができる。

図１１は、観察者Ａが表示装置ＤＳＰを観察する場合を示した図である。図示した例では、観察者Ａは第１位置ＳＰ１に位置している。表示パネルＰＮＬ及び液晶素子ＬＤは、方向Ｄ１及び方向Ｄ２で規定される平面と平行に配置されている。方向Ｄ１及び方向Ｄ２は互いに直交している。

液晶素子ＬＤは、第１制御電極Ｅ１、第２制御電極Ｅ２、第３制御電極Ｅ３、及び、第４制御電極Ｅ４を備えている。図示した例では、第１制御電極Ｅ１及び第３制御電極Ｅ３は、基板５１上に配置されている。また、第２制御電極Ｅ２及び第４制御電極Ｅ４は、基板５２上に配置されている。

第１制御電極Ｅ１及び第２制御電極Ｅ２に電圧が印加されることによって、液晶層５３に第１レンズ５Ｃが形成される。第３制御電極Ｅ３及び第４制御電極Ｅ４に電圧が印加されることによって、液晶層５３に第２レンズ５Ｄが形成される。第１レンズ５Ｃ及び第２レンズ５Ｄは、図１０に示したような非対称なレンズであり、液晶層５３に形成されている。液晶層５３において、第１レンズ５Ｃ及び第２レンズ５Ｄは、異なる位置に形成されている。また、第１レンズ５Ｃは、第１形状に形成されており、第２レンズ５Ｄは、第１形状とは異なる第２形状に形成されている。ここで、例えば、第１形状は、図１０に示したレンズ５Ｒに相当し、第２形状は、図１０に示したレンズ５Ｌに相当する。

制御部ＣＴは、第１形状の第１レンズ５Ｃを液晶層５３に形成するための第１電圧を第１制御電極Ｅ１及び第２制御電極Ｅ２に印加する。制御部ＣＴは、第２形状の第２レンズ５Ｄを液晶層５３に形成するための第２電圧を第３制御電極Ｅ３及び第４制御電極Ｅ４に印加する。

入射光ＬＴ１及びＬＴ２は、略同等の角度で液晶素子ＬＤに入射する。第１レンズ５Ｃは、入射光ＬＴ１を屈折させて表示パネルＰＮＬに入射させる。第２レンズ５Ｄは、入射光ＬＴ２を屈折させて表示パネルＰＮＬに入射させる。第１レンズ５Ｃ及び第２レンズ５Ｄに入射した光は、表示パネルＰＮＬの法線方向との角度が小さくなるように屈折する。

ここで、第１レンズ５Ｃと第２レンズ５Ｄの形状は互いに異なっているため、入射光ＬＴ１及びＬＴ２の屈折角も異なっている。そのため、入射光ＬＴ１及びＬＴ２の入射角が略同等であるのに対して、入射光ＬＴ１が第１レンズ５Ｃを透過して反射された反射光ＲＬ１、及び、入射光ＬＴ２が第１レンズ５Ｄを透過して反射された反射光ＲＬ２の方向による光の強度が互いに異なっている。つまり、例えば、反射光ＲＬ１の光Ｌ１と、反射光ＲＬ２の光Ｌ３は、同一方向、すなわち平行方向に反射された光であるが、光Ｌ３の方が強度が小さい。

反射光ＲＬ１のうち、光Ｌ１は第１位置ＳＰ１に向かって反射する光である。また、反射光ＲＬ２のうち、光Ｌ２は第１位置ＳＰ１に向かって反射する光である。光Ｌ１及びＬ２は、平行方向に反射された光ではなく、互いに異なる方向に反射されている。本実施形態においては、光Ｌ１及びＬ２の強度は略等しい。すなわち、第１位置ＳＰ１において観測される、第１レンズ５Ｃ及び第２レンズ５Ｄを通った光の光量は等しい。

上記のように、レンズを制御することによって、表示パネルＰＮＬの面内の位置によって反射光の方向による強度を調整することができ、観察者Ａに視認される輝度の均一性を向上することができる。

なお、偏光板ＰＬの透過軸と、入射光のうち屈折された偏光の方向は等しい。つまり、図３に示したように、偏光板ＰＬは、第２偏光ＰＯＬ２を透過する透過軸Ｔを有し、図７に示したように、レンズは、第１偏光ＰＯＬ１をほとんど屈折することなく透過し、第２偏光ＰＯＬ２を屈折する。すなわち、液晶素子ＬＤで屈折された第２偏光ＰＯＬ２は偏光板ＰＬを透過し、液晶素子ＬＤでほとんど屈折されない第１偏光ＰＯＬ１は偏光板ＰＬで吸収される。

また、第１レンズ５Ｃ及び第２レンズ５Ｄの形状は固定されていても良い。すなわち、観察者Ａや光源の位置をあらかじめ制御部ＣＴに記憶させておき、レンズの形状を予め決定しておいても良い。また、第１乃至第４制御電極に印加する電圧を変化させてその形状を変化させても良い。

本実施形態によれば、液晶素子ＬＤに異なる形状の第１レンズ５Ｃ及び第２レンズ５Ｄが形成されることで、表示パネルＰＮＬの位置によって、反射光ＲＬ１及びＲＬ２の指向性や強度を変えることができる。そのため、観察者Ａが第１位置ＳＰ１において表示パネルＰＮＬを観察した際に略均一な明るさで表示パネルＰＮＬを視認することができる。また、表示パネルＰＮＬの反射率を向上させるために偏光板の偏光度を低下させる必要がなく、コントラストを下げることなく、視認される表示の輝度を向上させることができる。

さらに、後述するように、外光入射方向や観測者の位置によってレンズの形状を変化させても良い。また、時間によってレンズの形状が変わるように制御されても良い。

図１２は、上記実施形態の液晶素子ＬＤの比較例を示す図である。図１２は、図１１に示した構成と比較して、第１レンズ５Ｃ及び第２レンズ５Ｄが同一形状である点で異なっている。

第１レンズ５Ｃと第２レンズ５Ｄの形状は互い等しいため、入射光ＬＴ１及びＬＴ２の屈折角も略等しい。そのため、反射光ＲＬ１及び反射光ＲＬ２の方向による光の強度が互いに等しい。つまり、例えば、反射光ＲＬ１の光Ｌ１と、反射光ＲＬ２の光Ｌ３は、同一方向、すなわち平行方向に反射された光でありその強度が等しい。

図示した例では、光Ｌ１の強度は光Ｌ２の強度より強い。そのため、第１位置ＳＰ１において、表示パネルＰＮＬの上方がより明るく視認される。このため、第１レンズ５Ｃ及び第２レンズ５Ｄの形状が等しい比較例では、均一な輝度で視認される表示装置ＤＳＰを得ることは困難である。

図１３は、本実施形態に係る表示装置ＤＳＰの実施例を示す図である。図１３は、観察者Ａが第１位置ＳＰ１から第２位置ＳＰ２に移動し、観察者Ａが第２位置ＳＰ２から表示装置ＤＳＰを観察する場合を示す図である。

表示装置ＤＳＰは、観察者Ａの位置を検出する第１センサＳＳ１を備えている。第１センサＳＳ１は、観察者Ａの位置を検出し、センサ制御部ＳＣＴに出力する。制御部ＣＴは、第１センサＳＳ１の出力に基づいて液晶素子ＬＤを制御する。すなわち、観察者Ａが第１位置ＳＰ１から第２位置ＳＰ２に移動したことによって、制御部ＣＴは、第１レンズ５Ｃ及び第２レンズ５Ｄの形状を変化させる。

第１レンズ５Ｃは、図１０に示した第１形状とは異なる第３形状に変化した。第２レンズ５Ｄは、図１０に示した第２形状とは異なる第４形状に変化した。第３形状及び第４形状は異なっている。

制御部ＣＴは、第３形状の第１レンズ５Ｃを液晶層５３に形成するための第３電圧を第１制御電極Ｅ１及び第２制御電極Ｅ２に印加する。また、制御部ＣＴは、第４形状の第２レンズ５Ｄを形成するための第４電圧を第３制御電極Ｅ３及び第４制御電極Ｅ４に印加する。

例えば、入射光ＬＴ１が第１レンズ５Ｃを透過して反射された反射光のうち、光Ｌ４は第２位置ＳＰ２に向かって反射する光である。また、入射光ＬＴ２が第２レンズ５Ｄを透過して反射された反射光のうち、光Ｌ５は第２位置ＳＰ２に向かって反射する光である。光Ｌ４及びＬ５は、平行方向に反射された光ではなく、互いに異なる方向に反射されている。本実施形態においては、光Ｌ４及びＬ５の強度は略等しい。すなわち、第２位置ＳＰ２において観測される、第１レンズ５Ｃ及び第２レンズ５Ｄを通った光の光量は等しい。図示したように観察者Ａの位置が変化した場合にも、第１レンズ５Ｃ及び第２レンズ５Ｄの形状が変化することによって、観察者Ａに視認される表示パネルＰＮＬの輝度の均一性を向上することができる。
このような実施形態においても上記したのと同様の効果を得ることができる。

図１４は、本実施形態に係る表示装置ＤＳＰの実施例を示す図である。
表示装置ＤＳＰは、光の強度を検出する第２センサＳＳ２を備えている。第２センサＳＳ２は、外光の位置や強度を検出し、センサ制御部ＳＣＴに出力する。制御部ＣＴは、第２センサＳＳ２で検出した外光の位置や強度に基づいて、液晶素子ＬＤを制御する。例えば、制御部ＣＴは、偏光板の透過軸方向に対して最も入射光の強度が強い方向を算出し、算出した方向から第１レンズ５Ｃ及び第２レンズ５Ｄの形状を制御する。そして、第１レンズ５Ｃ及び第２レンズ５Ｄの形状を制御することで、表示パネルＰＮＬが観察者Ａに最適な明るさで視認されるように外光を利用することができる。このような表示装置ＤＳＰによれば、照明装置や太陽光などの自然光などに対して観察者Ａ方向への光の利用効率を向上できる。

なお、図１３及び図１４に示した例では、観察者Ａの位置を感知する第１センサＳＳ１と、外光の位置と強度を感知する第２センサＳＳ２と、を示したが、センサの種類はこれに限らず、表示装置ＤＳＰが他の種類のセンサを備えていても良い。その場合にも制御部ＣＴは、センサからのフィードバックに基づいてレンズの形状を決定すればよい。
このような実施形態においても上記したのと同様の効果を得ることができる。

図１５は、図１４に示した第２センサＳＳ２の一構成例を示す図である。図１５は、液晶素子ＬＤ１をセンサＳＳ上に配置してレンズ５を制御しながら光の入射方位を特定する方法を示している。

センサＳＳは、基板２１と、基板２１に実装された光センサ２２とを備えている。図示した例では、センサＳＳは、１個の光センサ２２を備えているが、複数個の光センサ２２を備えていてもよい。センサ用の液晶素子ＬＤ１は、基板５１と、基板５２と、液晶層５３とを備えており、詳細については図４に示した液晶素子ＬＤと同等である。基板５１及び基板５２は、いずれも光透過性を有する。光センサ２２の受光面２２Ａは、基板５１の直下に位置している。受光面２２Ａは、基板５１から離間していてもよいし、基板５１に接触していてもよい。液晶層５３に形成されるレンズ５は、光センサ２２と対向する。光センサ２２は、液晶素子ＬＤ１への入射光がレンズ５によって集束される位置に配置されている。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。センサ制御部ＳＣＴは、光センサ２２からの出力を測定する。

図１５（ａ）に示した例は、法線Ｎとほぼ平行な方向から液晶素子ＬＤ１に入射する光Ｌがレンズ５によって集束される状態を示している。図示したレンズ５は、液晶素子ＬＤ１の法線Ｎに対して対称な形状のレンズである。図１５（ｂ）に示した例は、法線Ｎに対して角度θ１をもって傾斜した方向から液晶素子ＬＤ１に入射する光Ｌがレンズ５によって集束される状態を示している。図示したレンズ５は、液晶素子ＬＤ１の法線Ｎに対して非対称な形状のレンズである。

制御部ＣＴは、レンズ５の形状と、センサ制御部ＳＣＴによって測定される光センサ２２からの出力とに基づいて、光Ｌの入射方向を判定することができる。

図１６は、本実施形態の表示装置ＤＳＰで表現できる反射率の例をまとめた図である。ここでの入光量とは、液晶素子に入射した光のうち反射して観察者に届く光の強度を示しており、レンズの形状によって可変である。

表示パネルＰＮＬ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ＰＮＬ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。また、表示パネルＰＮＬは、入光量が２５％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８．３％であり、階調値２での反射率が１６．６％であり、階調値３での反射率が２５％である。つまり、表示パネルＰＮＬへの入光量が制御されることにより、実質的に８通りの階調を表現することができる。すなわち、液晶素子によって正反射成分を弱めることによって低階調側の表現数を増やすことができる。

なお、図示した例では、入光量が１００、５０、２５％である場合を示したが、これは一例にすぎず、反射率は無段階にコントロールすることができる。すなわち、レンズ形状によって、観察者に対しての反射光の強度を連続的に変化させることが可能である。

図１７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１７は、表示パネルＰＮＬが一端部から他端部へ向かって徐々に濃くなるグラデーションを表示する場合を図示している。図示した例では、表示パネルＰＮＬは領域Ａ１乃至Ａ８を有し、液晶素子ＬＤは領域Ｂ１乃至Ｂ３を有し、領域Ｂ１は領域Ａ１乃至Ａ４と対向し、領域Ｂ２は領域Ａ５及びＡ６と対向し、領域Ｂ３は領域Ａ７及びＡ８と対向する。領域Ａ１乃至Ａ８は、それぞれ図２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。

図１７（ａ）に示した例では、光制御部ＯＣＴは、液晶素子ＬＤから表示パネルＰＮＬの全面への入光量が１００％となるようにレンズを形成する。表示制御部ＤＣＴは、表示パネルＰＮＬのうち、第１領域Ａ１乃至第４領域Ａ４を階調値０に設定し、第５領域Ａ５及び第６領域Ａ６を階調値１に設定し、第７領域Ａ７を階調値２に設定し、第８領域Ａ８を階調値３に設定する。この場合、第１領域Ａ１乃至第４領域Ａ４の反射率は０％であり、第５領域Ａ５及び第６領域Ａ６の反射率は３３．３％であり、第７領域Ａ７の反射率は６６．６％であり、第８領域Ａ８の反射率は１００％である。

図１７（ｂ）に示した例では、光制御部ＯＣＴは、表示パネルＰＮＬのうち、第１領域Ａ１乃至第４領域Ａ４への入光量が２５％であり、第５領域Ａ５及び第６領域Ａ６への入光量が５０％であり、第７領域Ａ７及び第８領域Ａ８への入光量が１００％となるようにレンズを形成する。表示制御部ＤＣＴは、入光量２５％と対応する第１領域Ａ１乃至第４領域Ａ４において、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に設定する。表示制御部ＤＣＴは、入光量５０％と対応する第５領域Ａ５乃至第６領域Ａ６において、第５領域Ａ５を階調値２に設定し、第６領域Ａ６を階調値３に設定する。表示制御部ＤＣＴは、入光量１００％と対応する第７領域Ａ７乃至第８領域Ａ８において、第７領域Ａ７を階調値２に設定し、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８．３％であり、第３領域Ａ３の反射率は１６．６％であり、第４領域Ａ４の反射率は２５．０％であり、第５領域Ａ５の反射率は３３．３％であり、第６領域Ａ６の反射率は５０．０％であり、第７領域Ａ７の反射率は６６．６％であり、第５領域Ａ５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ＰＮＬと、表示パネルＰＮＬへの入光量を制御する液晶素子ＬＤとを組み合わせることにより、表示パネルＰＮＬ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。
なお、上記したような液晶素子ＬＤによる階調の調整は、１画素ごとに画像を判別することによって行っても良いし、複数の画素を含む領域ごとに画像を判別することによって行っても良い。

以上説明したように、本実施形態によれば、表示品位を向上することが可能な表示装置を得ることができる。

なお、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。これらの新規な実施形態は、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。これらの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。

ＤＳＰ…表示装置、ＰＮＬ…表示パネル、ＬＤ…液晶素子、
ＣＴ…制御部、５１…基板（第１基板）、５２…基板（第２基板）、
５３…液晶層、Ｅ１…第１制御電極、Ｅ２…第２制御電極、
Ｅ３…第３制御電極、Ｅ４…第４制御電極、５Ｃ…第１レンズ、５Ｄ…第２レンズ、
ＳＳ１…第１センサ、ＳＳ２…第２センサ。

Claims (6)

1. 反射層を備える表示パネルと、
   前記表示パネルと対向する液晶素子と、
   前記液晶素子を制御する制御部と、を備え、
   前記液晶素子は、
   第１基板と、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液晶層と、
   第１制御電極、第２制御電極、第３制御電極、及び、第４制御電極と、を備え、
   前記制御部は、第１形状の第１レンズを前記液晶層に形成するための第１電圧を第１制御電極及び第２制御電極に印加し、
   前記液晶層において前記第１レンズと異なる位置に、第２形状の第２レンズを形成するための第２電圧を第３制御電極及び第４制御電極に印加し、
   前記第１形状と前記第２形状とは異なる、表示装置。
2. 第１位置において、前記第１形状の前記第１レンズ及び前記第２形状の前記第２レンズを通った光の光量は等しい、請求項１に記載の表示装置。
3. 前記制御部は、第３形状の第１レンズを前記液晶層に形成するための第３電圧を第１制御電極及び第２制御電極に印加し、
   前記液晶層において前記第１レンズと異なる位置に、第４形状の第２レンズを形成するための第４電圧を第３制御電極及び第４制御電極に印加し、
   前記第３形状と前記第４形状とは異なる、請求項１又は２に記載の表示装置。
4. 第２位置において、前記第３形状の前記第１レンズ及び前記第４形状の前記第２レンズを通った光の光量は等しい、請求項３に記載の表示装置。
5. さらに、観察者の位置を検出する第１センサを備え、
   前記制御部は、前記第１センサの出力に基づいて前記液晶素子を制御する請求項１乃至４の何れか１項に記載の表示装置。
6. さらに、光の強度を検出する第２センサを備え、
   前記制御部は、前記第２センサで検出した光の強度に基づいて、前記液晶素子を制御する、請求項１乃至５の何れか１項に記載の表示装置。

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