JP4875042B2 - 液晶電界レンズ及びこれを用いた立体表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、表示装置に関し、特に、電極構造を変更して液晶の配向によってレンズを具現する時にレンズ面が滑らかな放物面を持つようにし、所要される液晶層のセルギャップを縮めることができ、大面積表示装置でも安定したプロファイルを持つ液晶電界レンズ及びこれを用いた立体表示装置に関する。

近年、超高速情報通信網を基盤にして構築される情報の高速化のために実現されるサービスは、現在の電話のように単純に「聞き話す」サービスから、文字、音声、映像を高速処理するデジタル端末を中心にした「見聞きする」マルチメディア型サービスへと発展してきており、窮極としては「時・空間を超え、実感として立体的に見て感じて楽しむ」超空間型実感３次元立体情報通信サービスへと発展していくと予想される。
一般に、３次元を表現する立体画像は、両眼を通したステレオ視覚の原理に基づいてなるが、両眼の視差、すなわち、両眼が約６５ｍｍ離れて存在するので、両眼の位置差によって左眼と右眼は互いにやや異なる映像を見ることとなる。このように、両眼の位置差による映像の差異点を両眼視差（ｂｉｎｏｃｕｌａｒ ｄｉｓｐａｒｉｔｙ）という。そして、３次元立体映像表示装置は、このような両眼視差を用いて左眼は左眼に対する映像のみを見るようにし、右眼は右眼の映像のみを見ることができるようにする。

すなわち、左／右眼はそれぞれ異なる２次元画像を見ることになり、この２画像が網膜を通じて脳に伝達されると、脳はこれらを正確に互いに融合して本来の３次元映像の深さと実際感を再生するわけである。このような能力を通常、ステレオグラフィ（ｓｔｅｒｅｏｇｒａｐｈｙ）といい、これを表示装置に応用した装置を立体表示装置という。

一方、立体表示装置は、３Ｄ（３次元）を具現するレンズをなす構成要素によって区分されることができ、一例として、液晶層を用いてレンズを構成する方式を液晶電界レンズ方式という。

通常、液晶表示装置は、対向する２個の電極とその間に形成される液晶層とで構成されるが、２個の電極に電圧を印加して生成される電場で液晶層の液晶分子を駆動する。液晶分子は、分極性質と光学的異方性を持つ。ここで、分極性質とは、液晶分子が電場内に置かれる場合に液晶分子内の電荷が液晶分子の両側に集まり、電場によって分子配列方向が変わることをいい、光学的異方性とは、液晶分子の細くて長い構造と前述した分子配列方向に起因して入射光の入射方向や偏光状態によって出射光の経路や偏光状態を異なって変化させることをいう。

これにより、液晶層は２個の電極に印加される電圧によって透過率の差を示し、その差を画素毎に別にして映像を表示することができる。

最近、このような液晶分子の特性を用いて液晶層がレンズの役割をするようにする液晶電界レンズ（ｌｉｑｕｉｄ ｃｒｙｓｔａｌ ｌｅｎｓ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ ｄｒｉｖｅｎ）が提案された。

すなわち、レンズは、レンズを構成する物質と空気との屈折率差を用いて入射光の経路を位置別に制御するものであるが、液晶層に電極の位置別に相互に異なる電圧を印加し、前記相互に異なる電場によって液晶層が駆動されるようにすると、液晶層に入射する入射光は位置別に相互に異なる位相変化を感じることとなり、その結果、液晶層は実際レンズのように入射光の経路を制御可能になる。

以下、添付の図面を参照しつつ従来の液晶電界レンズについて説明する。

図１は、従来の液晶電界レンズを示す断面図であり、図２は、図１の液晶電界レンズ形成時において電圧印加後の電位分布を示す図である。

図１に示すように、従来の液晶電界レンズは、向かい合う第１及び第２基板１０、２０と、第１、第２基板１０、２０間に形成された液晶層３０とで構成される。

ここで、第１基板１０上には互いに第１離隔距離で第１電極１１が形成される。この時、隣接した第１電極１１間において、一方の第１電極１１の中心から他方の第１電極１１の中心までの距離をピッチといい、このピッチを周期にして同じパターン（第１電極）が反復形成される。

第１基板２０上に対向する第２基板２０上には、全面に亘って第２電極２１が形成される。

第１、第２電極１１、２１は、透明金属からなる。そして、第１、第２電極１１、２１間の離隔空間には液晶層３０が形成され、このような液晶層３０をなす液晶分子は、電場の強度及び分布によって反応する特性から、図２に示すような液晶電界レンズと類似な位相分布を持つことになる。

このような液晶電界レンズは、第１電極１１に高電圧を印加し、第２電極２１を接地させる条件で形成されるもので、このような電圧条件によって第１電極１１の中心で最も強い垂直電界が形成され、第１電極１１から遠ざかるほど弱い垂直電界が形成される。これにより、液晶層３０をなす液晶分子が正の誘電率異方性を持つ時、前記液晶分子は電界によって配列され、第１電極１１の中心では立っていることとなり、第１電極１１から遠ざかるほど略水平に傾いた配列を持つこととなる。したがって、光の伝達の立場では、図２に示すように、第１電極１１の中心の光経路が短くなり、第１電極１１から遠ざかれば遠ざかるほど光経路が長くなり、これを位相面で示した時、位相面の表面が第１電極１１の放物面を持つレンズと類似する光伝達効果を持つことになる。

ここで、第２電極２１は液晶電界の挙動を誘発し、全体的に光が感じる屈折率を空間的に放物関数となるように誘導し、第１電極１１はレンズの隅部（エッジ領域）を形成するようにする。

この時、第１電極１１は、第２電極２１に比べて多少高い電圧が印加され、したがって、図２に示すように、第１電極１１と第２電極２１間には電位差が発生し、特に、第１電極１１部位には急激な側面電場を誘発することとなる。これにより、液晶は滑らかな分布を形成せず、多少歪んだ形態の分布を形成することによって、空間的な屈折率分布を放物面形態にすることができないか、あるいは、電圧に対して非常に敏感に動く特徴がある。

このような液晶電界レンズは、物理的に放物面の表面を持つレンズの備えずに、液晶と該液晶を間に置いて両基板上に電極を形成し、これに電圧を印加することによって得ることができる。

しかしながら、上記のような従来の液晶電界レンズは、下記のような問題点があった。

第一、下板に形成される電極がレンズ領域の極一部分にのみ形成され、前記電極に対応するレンズエッジ領域とこれから遠ざかるレンズ中心領域間の電界が緩やかに形成されず、急激な側面電場を誘発させるので、多少歪んだ位相の液晶電界レンズが形成される。特に、液晶電界により形成する液晶電界レンズにおいて、レンズ領域のピッチが増加するほど高電圧が印加される電極が制限されるので、レンズ領域に前記高電圧が印加される電極と対向基板間にかかる電界が充分にならず、レンズと同一効果を持つ滑らかな放物面の液晶電界レンズの形成が一層難しくなる。

第二、大面積の表示装置であるほど、高電圧が印加される電極が位置しているレンズ領域のエッジ領域から遠ざかるレンズ中心領域は、電界による効果がほとんどなくなり、この部位では電場による液晶配列調節がし難く、これによって電界で生成されるレンズ形状の歪みが激しい。場合によって、レンズ中心領域で調節が不可能か難しい場合には、形成された液晶電界レンズは不連続的なレンズプロファイルを持つことになり、レンズとして利用し難い実情である。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、電極構造を変更し、液晶の配向によりレンズを具現する時に、滑らかな放物面のレンズ面形成を可能にし、所要される液晶層のセルギャップを縮めることができ、かつ、大面積表示装置でも安定したプロファイルを持つ液晶電界レンズ及びこれを用いた立体表示装置を提供することにある。

本発明の目的を達成するための液晶電界レンズは、複数個のレンズ領域を含むアクティブ領域と、その外側にパッド領域とを備えて定義され、互いに対向配置された第１、第２基板と、前記各レンズ領域に対応して前記第１基板上に、互いに離隔され、それぞれの中心の間隔が領域別にそれぞれ異なる複数個の第１電極と、前記第２基板上に全面に亘って形成された第２電極と、前記複数個の第１電極にそれぞれ異なる電圧を印加し、前記第２電極に接地電圧を印加する電圧源と、前記第１基板及び第２基板間に埋め込まれた液晶層と、を含んでなることを特徴とする。

前記レンズ領域の相互に異なる複数個の第１電極のうち、相対的に高電圧が印加される第１電極の中心間隔が、相対的に低い電圧が印加される第１電極の中心間隔に比べてより近接するように配置される。このとき、前記相対的に高電圧が印加される部位から相対的に低い電圧が印加される部位までの領域で、前記第１電極の幅が次第に増加するか、前記第１電極の間隔が次第に増加するように配置する。

前記電圧源は、前記複数個の第１電極に相互に異なる電圧を印加すべく、最大電圧と最小電圧を受け、それらの間の複数個の相互に異なる電圧を生成する分配電圧生成部を含んでなる。このとき、前記パッド領域に金属配線をさらに含み、前記分配電圧生成部から出力される電圧信号が、前記パッド領域の複数個の金属配線にそれぞれ印加され、前記複数個の金属配線と前記複数個の第１電極の端部でコンタクトを持つ。

前記複数個の第１電極は、お互い平行に一方向に形成され、前記金属配線が、前記第１電極と交差する方向に前記パッド領域に形成され、前記金属配線のそれぞれが、前記複数個の第１電極のうち少なくとも一つとコンタクトを持つ。そして、前記分配電圧生成部から出力される電圧信号の数は、前記各レンズ領域のエッジ部と中央部間に位置する第１電極の数に相当する。

また、前記分配電圧生成部から出力される電圧信号は、前記各レンズ領域の中央部を境界にして前記中央部からエッジ部に行くほど正の２次関数型に相当する値となる。

また、前記分配電圧生成部は、最大電圧と最小電圧間の電圧信号分配のために、最大電圧と最小電圧印加端と各電圧信号出力端間に抵抗を備え、各電圧信号出力端から前記パッド領域の金属配線との間にバッファーを備える。

前記複数個の第１電極は、前記第１基板上の同一層上に形成されることができる。

または、上記液晶電界レンズは、前記第１基板上に一つ以上の絶縁膜をさらに備えてなることができる。このとき、前記複数個の第１電極は、前記レンズ領域において、前記レンズ領域のエッジ部と中央部との間で、前記エッジ部を境界として左右対称となるように、前記第１基板及び絶縁膜上に形成される。

前記複数個の第１電極は、前記第１基板の縦方向に沿って棒形状に形成され、前記第１電極の幅及び隣接した第１電極間の離隔間隔が２〜３０μｍに可変される。

一方、前記複数個の第１電極を含む前記基板上に第１配向膜が、前記第２電極上に第２配向膜がさらに形成されたことができ、前記第１配向膜は、前記第１電極の長さ方向にラビングされ、前記第２配向膜は、前記第１配向膜のラビング方向と交差する方向にラビングされることができる。

ここで、前記第１及び第２電極は透明金属からなることが好ましい。

また、本発明の立体表示装置は、前記液晶電界レンズの下側に、前記液晶電界レンズに二次元の映像信号を伝達する表示パネルを含んでなることを特徴とする。

本発明の液晶電界レンズ及びこれを用いた立体表示装置は、下記のような効果を有する。

第一に、従来の液晶電界レンズは下板の一部領域にのみ電極が形成され、前記電極により誘導される垂直電界によって側面電場の影響が電極から遠ざかるほど小さくなるので、電極から遠ざかる領域、例えば、レンズ領域の中心部位では液晶の配向調節をし難い。これに対し、本発明によれば、レンズ領域の全体に亘って電極を一定間隔で形成し、これらの電極に相互に異なる電圧を印加し、例えばレンズ領域のエッジ部は最も大きい電圧を印加し、中心領域へ行くほど次第に小さい値を印加することによって、レンズ領域内に緩やかで滑らかな界面の放物面形態を有する液晶電界レンズの形成が可能になる。

第二に、電極の配置をレンズ領域のエッジ部でより密にし、レンズ領域の中央部へ行くほどその幅及び配置間隔を増やし、電圧印加に敏感なエッジ部で電極配置を増やすことにより、エッジ部のレンズ面界面をより滑らかに形成し、エッジ部で主に問題とされてきたレンズ面の凸凹な部位におけるクロストークを防止することができる。

第三に、本発明は、単一レンズ領域内の単一層または複数層の絶縁層（または基板）上に複数個の電極を配置し、これらのそれぞれに電圧を印加して液晶層を駆動させる液晶電界レンズであって、レンズ領域の全体に亘って電極が配置されるため、位置別に特に電界が強くなったり弱くなったりする問題点を解決し、その結果、大面積表示装置の場合にも液晶層駆動に必要な滑らかな電界形成が可能であり、よって、滑らかな放物面レンズを持つ液晶電界レンズを形成可能である。

以下、添付の図面を参照しつつ、本発明の液晶電界レンズ及びこれを用いた立体表示装置について詳細に説明する。

図３は、本発明の第１実施例による液晶電界レンズを用いた立体表示装置を示す断面図であり、図４は、図３の液晶電界レンズを示す断面図であり、図５は、図３の液晶電界レンズを示す斜視図である。

図３に示すように、本発明の第１実施例による液晶電界レンズを含む立体表示装置は、電圧印加によって駆動され、レンズ機能を持つ液晶電界レンズ１０００と、液晶電界レンズ１０００の下側に二次元映像情報を出射する表示パネル３５０と、表示パネル３５０の下側に配置され、表示パネル３５０に光を伝達する光源７００と、を含んでなる。

場合によって、表示パネル３５０が、例えば、有機発光素子のように、光を直接発光する装置であれば、光源７００は省略されても良い。

表示パネル３５０には、第１及び第２映像ＩＭ１、ＩＭ２をそれぞれ表示する第１及び第２映像画素Ｐ１、Ｐ２が順次に反復配列されており、このような表示パネル３５０としては、液晶表示素子（ＬＣＤ）、有機発光素子（ＯＬＥＤ）、プラズマ表示素子（ＰＤＰ）、電界発光素子（ＦＥＤ）などの平板表示装置を使用することができる。このような表示パネル３５０は、液晶電界レンズ１０００の下側に位置し、液晶電界レンズ１０００に二次元の映像信号を伝達する役割を果たす。

本発明の液晶電界レンズ１０００は、二次元映像信号をレンズ面のプロファイルによって三次元映像信号を出射する機能を果たすもので、前記二次元を具現する表示パネル３５０の上部に位置し、電圧印加有無によって選択的に三次元映像信号の出射あるいは二次元映像信号をそのまま出射する機能を果たす。すなわち、液晶電界レンズ１０００に電圧無印加時には光が透過される特性を用いて、電圧無印加時には二次元表示をし、液晶電界レンズ１０００への電圧印加時には三次元表示をするようなスイッチング機能を兼ねることができる。

以下、液晶電界レンズ１０００について具体的に説明する。

図３及び図４に示すように、本発明の第１実施例による液晶電界レンズ１０００は、複数個のレンズ領域が対応して定義され、互いに対向配置された第１、第２基板１００、２００と、各レンズ領域に対して第１基板１００上に互いに離隔されている複数個の第１電極１０１と、第２基板２００の全面に形成された第２電極２０１と、第１電極１０１にそれぞれ異なる電圧を印加する電圧源Ｖｍｉｎ，Ｖ１，Ｖ２，…，Ｖｍａｘ及び第１基板１００及び第２基板２００間に埋め込まれた液晶層３００を含んでなる。

ここで、複数個の第１電極１０１はそれぞれの中心の間隔が領域別に互いに異なって 配置されたもので、例えば、前記レンズ領域の相互に異なる複数個の第１電極１０１のうち、相対的に高電圧が印加される隣接した第１電極の中心間隔が、相対的に低い電圧が印加される隣接した第１電極１０１の中心間隔よりも近接するように配置される。

この時、前記第１電極１０１間の中心間隔調節は、前記相対的な高電圧が印加される部位では前記第１電極１０１間の間隔を狭くし、これら第１電極１０１の幅を狭くし、次第に相対的に低い電圧が印加される部位までの領域において、前記第１電極１０１の幅をますます増やしたり、前記第１電極１０１の間隔をますます増やす。ここで、前記第１電極１０１の中心間隔調節は、前記第１電極１０１のみの幅のみを調節したり、前記第１電極１０１間の間隔のみを調節することによってもなり、あるいは、第１電極１０１の幅と間隔を両方とも調節することによってもなることができる。

また、ここで、前記第１電極１０１の中心間の間隔は、最高電圧が前記レンズ領域のエッジ部Ｅに印加され、最低電圧が前記レンズ領域の中心部に印加されるとする時、最も大きい電圧が印加されるレンズ領域のエッジ部Ｅから中心部Ｏに行くほど隣接した第１電極１０１間の中心間の間隔を最も小さい間隔から順次に増やすグラデーション構造を採択しても良く、液晶電界レンズの特性の上、レンズ領域のエッジ部のプロファイル電極印加に対して最も敏感なので、レンズ領域のエッジ部においてのみレンズ領域の中心部よりも相対的に隣接した第１電極の中心間隔を狭めて密に形成する構造を採択しても良い。

ここで、第１及び第２電極１０１、２０１は、インジウム・錫・酸化物（ＩＴＯ）、インジウム・亜鉛・酸化物（ＩＺＯ）のような透明金属で形成し、各電極が位置している部位で透過率の損失を防止する。

この時、前記レンズ領域Ｌの中心Ｏでは、略しきい電圧に相当する第１電圧Ｖｍｉｎが印加され、前記レンズ領域Ｌのエッジ部Ｅに位置している第１電極１０１に最も大きい第ｎ電圧Ｖｍａｘが印加される。この場合、前記レンズ領域Ｌの中心Ｏとエッジ部Ｅ間に位置する前記第１電極１０１に印加される電圧は、前記レンズ領域のしきい電圧Ｖｍｉｎから第ｎ電圧Ｖｍａｘの間で、前記レンズ領域Ｌの中心から遠ざかるほど次第に大きくなる値の電圧が印加される。一方、このように、前記複数個の第１電極１０１に電圧が印加されると、前記第２電極２０１には接地電圧を印加し、前記第１電極１０１と前記第２電極２０１間に垂直電界を生成する。

このような複数個の第１電極１０１は前記レンズ領域Ｌにおいて、前記レンズ領域のエッジ部Ｅを境界にして左右対称形に形成される。すなわち、エッジ部Ｅに左右対称に近接するほど前記第１電極１０１の中心間隔が狭く、中央部へ行くにつれて前記第１電極１０１の中心間隔が広くなる。

このような前記各第１電極１０１は、パッド領域（表示パネル３５０の非表示部に対応）で、該当電圧源Ｖｍｉｎ，Ｖ１，Ｖ２，…，Ｖｍａｘと金属配線１１１を通じて連結され、該当の電圧が印加される。

ここで、前記レンズ領域Ｌの中心Ｏに対応して形成された第１電極１０１に印加される最も小さい最小電圧は、しきい電圧Ｖｍｉｎ値であるので、このしきい電圧Ｖｍｉｎは約１．４〜２Ｖをピーク値とする交流矩形波であり、このようなしきい電圧Ｖｍｉｎは、

（Δ_εは、液晶誘電率異方性、Ｋ１は液晶の弾性係数、ε₀は自由空間誘電率）で計算される。また、前記レンズ領域ＬのエッジＥに対応して第１電極１０１に印加される電圧のうち、最も大きい高電圧は約２．５〜１０Ｖをピーク値として印加される交流矩形波である。

一方、前記液晶電界レンズ１０００に備えられた複数個の第１電極１０１に上記のしきい電圧（１．４〜２Ｖをピーク値とする交流矩形波）から高電圧（２．５〜１０Ｖをピーク値とする交流矩形波）間の値を印加し、第２電極２０１に接地電圧を印加する場合、液晶電界レンズ１０００は放物線面の光学レンズと類似なレンズとして作用するようになり、前記表示パネル３５０から出射された第１及び第２映像ＩＭ１、ＩＭ２は、前記液晶電界レンズ１０００によってそれぞれ第１及び第２視域（ｖｉｅｗｉｎｇ ｚｏｎｅ）Ｖ１、Ｖ２に伝達され、前記第１、第２視域Ｖ１、Ｖ２間の距離を人の両眼間の距離と設計すれば、使用者は前記第１及び第２視域Ｖ１、Ｖ２にそれぞれ伝達される第１及び第２映像ＩＭ１、ＩＭ２を合成し、両眼視差による３次元映像を認識する。

一方、第１電極１０１及び第２電極２０１に電圧を印加しない場合、前記液晶電界レンズ１０００は前記表示パネル３５０の第１及び第２映像ＩＭ１、ＩＭ２の屈折無しでそのまま表示される単純透明層の役割を果たす。したがって、第１及び第２映像ＩＭ１、ＩＭ２は視域区分無しでそのまま使用者に伝達され、使用者は２次元映像を認識することになる。

図面では、前記液晶電界１０００の一レンズ領域Ｌは、液晶電界レンズの下側に位置する表示パネル３５０の２個の画素Ｐ１、Ｐ２の幅に対応して形成されており、場合によっては複数個の画素が前記一レンズ領域Ｌに対応して形成されることができる。また、これらのレンズ領域Ｌは画素に対して一定角度で傾けた方向に形成しても良く、場合によって画素に対して階段形状（レンズ配置がｎ番目の画素水平ラインに対して（ｎ＋１）番目の画素水平ライン側から一定幅シフトされて形成）に形成しても良い。

前記レンズ領域Ｌは一ピッチに対応する幅を持つように定義され、同一ピッチを持つレンズ領域Ｌが一方向（図４では横方向）に周期的に反復される。この時、一ピッチ（Ｐ）とは、一レンズ領域Ｌの横幅を意味し、前記レンズ領域は、図示された凸レンズのような物理的なレンズ形状を有するのではなく、電界印加によって液晶配列されてなるレンズ機能を持つ領域を表示したものである。図３及び図４で、前記レンズ領域Ｌの中心Ｏから前記レンズ領域Ｌのエッジ部ＥまではＰ／２に相当する距離を持つもので、前記レンズ領域Ｌのエッジ部Ｅから各レンズ領域の中心Ｏまで対称形の第１電極１０１に対称の電圧値が印加されることを表す。

そして、前記第１電極１０１を含む前記第１基板１００と、前記第２電極２０１上にはそれぞれ、第１配向膜１０２と第２配向膜２０２が形成される。この時、前記第１、第２配向膜１０２、２０２は、電圧無印加時の初期状態で前記液晶電界レンズ１０００を透過層として機能させるため、第１配向膜１０２のラビング方向を前記第１電極１０１の方向と同一にし、前記第２配向膜２０２のラビング方向をこれに交差する方向とする。これによって表示パネル３５０を通して下部から伝達される映像が前記液晶電界レンズ１０００を経てそのまま観測者に透過伝達される。

上記のレンズ領域Ｌは、図示された４及び図５に示す形状が一ピッチＰを周期にして横方向に反復形成される。

そして、前記複数個の第１電極１０１は、前記第１基板１００の縦方向（図面を透過する方向）に沿ってその幅（あるいは間隔）を別にする棒形状に形成され、単一第１電極１０１の幅を２〜３０μｍに可変し、隣接した第１電極１０１間の間隔もまた２〜３０μｍに可変して配置することができる。例えば、前記一レンズ領域の幅であるピッチは９０〜１０００μｍ程度に様々に可変できるが、上記の第１電極１０１の幅及び離隔間隔によってレンズ領域別に１０個内外から１００個以上まで形成することができる。

一方、図示せぬが、前記第１、第２基板１００、２００の外側領域（パッド部を含む非表示領域）にはシールパターン（図示せず）が形成され、前記第１、第２基板１００、２００間を支持する。また、前記第１、第２基板１００、２００間の液晶層３００は充分の位相の液晶電界レンズ形成のために、約１５μｍ以上の厚さに相当するように充分の厚さで形成するが、このような液晶層３００の厚さを安定して維持すべく、前記第１、第２基板１００、２００間のセルギャップを支持するボールスペーサまたはコラムスペーサがさらに形成されることができる。この場合、含まれるスペーサは、前記液晶電界レンズの位相を歪ませない位置に形成すると良い。

図６は、本発明の液晶電界レンズとその電圧印加部を示す概略図であり、図７は、本発明の液晶電界レンズの第１基板を示す平面図である。そして、図８は、本発明の電圧印加方式を示すブロック図である。

図６及び図８に示すように、本発明の液晶電界レンズは、大きく、表示がなされるアクティブ領域１５１と、前記アクティブ領域１５１に形成された第１電極１０１及び第２電極２０１に電圧信号を印加及び伝達するためのパッド領域１５２と、を含んでなる。

そして、前記パッド領域１５２は、外部から電圧信号が印加される電圧源を備える。このような電圧源は、第１基板１００の外部に分配電圧生成部１６０の形態で形成され、このような分配電圧生成部１６０は、微細分割された前記第１電極１０１に印加電圧を生成する分配電圧生成部１６０から相互に異なる複数個の電圧出力Ｅ１，Ｅ２，…，Ｅｎ−１，Ｅｎを得るため、最大、最小電圧Ｖｍａｘ、Ｖｍｉｎの印加端と、これら印加端間において電圧出力端間に備えられる抵抗Ｒ１，Ｒ２，…，Ｒｎ−１と、前記電圧出力Ｅ１，Ｅ２，…，Ｅｎ−１，Ｅｎ端に備えられるバッファーＢ１，Ｂ２，…，Ｂｎと、から形成される。この時、前記最小電圧Ｖｍｉｎと最大電圧Ｖｍａｘと、それぞれの電圧出力端間に出力される抵抗Ｒ１，…，Ｒｎ−１の大きさは、分配される電圧大きさによって調節する。前記レンズ領域Ｌのエッジ部Ｅから中央部Ｏに行くにつれて各第１電極１０１に印加される電圧はその値がますます減り、このような電圧は抵抗の大きさによって調節されることができる。

ここで、前記各第１電極１０１の端部と、前記パッド領域に形成されたそれぞれ第１電圧Ｖｍｉｎから第ｎ電圧Ｖｍａｘまでの総ｎ個の電圧信号が印加される金属配線１１１のうち少なくともいずれか一つとがコンタクトされる。この時、前記第１電極１０１と前記金属配線１１１とのコンタクトは、その間に保護膜（図示せず）を介在してコンタクトホールを形成してなる。

図７は、金属配線１１１がそれぞれアクティブ領域１５１の上下に位置しているパッド領域１５２に配置されている状態で、このような上下のパッド領域１５２に２ｎ−１個の金属配線１１１が形成されている状態を示している。ここで、図面上の中央に示されたレンズ領域のエッジ部Ｅと左側のレンズ領域の中心部Ｏとの間に、総ｎ個の金属配線１１１が位置し、最下端の金属配線で第１電圧Ｖｍｉｎが印加され、以降次第に大きくなってｎ番目の金属配線１１１では第ｎ電圧Ｖｍａｘが印加される。そして、前記右側のレンズ領域の中心部Ｏと中央に示されたレンズ領域のエッジ部Ｅとの間に、総ｎ個の金属配線１１１が位置し、上から順に、第１電圧Ｖｍｉｎから第ｎ電圧Ｖｍａｘまで印加される。この場合、電圧印加は、前記レンズ領域Ｌのエッジ部Ｅを境界にし、前記エッジ部Ｅに対応する第１電極１０１とこれとコンタクトする金属配線１１１を境界にしてその上下の金属配線１１１が対称的に次第に第ｎ電圧Ｖｍａｘから第１電圧Ｖｍｉｎまで減る電圧信号が印加され、それぞれの第１電極１０１がこれら金属配線１１１と順にコンタクトし、前記レンズ領域のエッジ部Ｅから中心部Ｏに行くほど次第に減る電圧値が印加される。

ここで、前記複数個の第１電極１０１は前記レンズ領域で相互に異なる幅を持つと示されているが、レンズ領域のエッジ部Ｅから中心部Ｏまで次第に、アクティブ領域１５１に位置している第１電極１０１の幅を増やしながら形成し、パッド領域１５２に対応する各第１電極１０１の端部では同一または類似の幅で、該当電圧が印加される金属配線１１１とコンタクトを有する。この時、レンズ領域の中心部Ｏに位置する第１電極１０１の場合、その幅が相対的に非常に大きくなりうるが、その幅を前記パッド領域１５２に入ってくる前に前記第１電極１０１の端部で縮め、コンタクト部を除く領域で金属配線１１１と交差する前記第１電極１０１の面積を減らし、交差部位で抵抗を減らすことができる。図７では、パッド領域１５２に入ってくる前に各第１電極１０１の幅を類似の程度に縮めることによって、コンタクト部を除く部位における金属配線１１１とのオーバーラップする部位を減らし、第１電極１０１の抵抗が増加するのを防止している状態を示した。

この時、前記複数個の第１電極１０１は、互いに平行な一方向に棒形状で形成され、前記金属配線１１１は、前記複数個の第１電極１０１と交差する方向に前記パッド領域１５２に形成され、前記パッド領域１５２に進入しながらそれぞれ、金属配線１１１との交差部に寄生キャパシタンスが大きくならないように、一定の幅を持つように調節する。

図６及び図７においては、前記第１電極１０１が前記第１基板１００の表面に直接形成された状態が示されている。

図８に示すように、前記第１電極に印加される電圧は、印加電圧によって得られる液晶の位相差の値によって液晶電界レンズのレンズ領域別距離によって要求される印加電圧を算出し、この場合、それぞれの電圧生成は、Ｖｍａｘ（最大電圧）とＶｍｉｎ（最小電圧）間に分配電圧生成部１６０を置いてなされる。この時、前記分配電圧生成部１６０は、前記Ｖｍａｘ（最大電圧）とＶｍｉｎ（最小電圧）のそれぞれの電源電圧源間に、各第１電極に印加される電圧を分配可能な複数個の抵抗Ｒ１，Ｒ２，…，Ｒｎ−２，Ｒｎ−１を備え、これら複数個の抵抗Ｒ１，Ｒ２，…，Ｒｎ−２，Ｒｎ−１間にノードを設定し、これらノードから出力される電圧信号Ｅ１，Ｅ２，…，Ｅｎ−２，Ｅｎ−１を安定化するバッファーＢ１，Ｂ２，…，Ｂｎ−１，Ｂｎを備える。この時、バッファーから前記電圧源Ｖｍｉｎ，Ｖ１，…，Ｖｍａｘ−１，Ｖｍａｘとの連結配線と前記パッド領域１５２の金属配線１１１との連結を通じて最終的に前記アクティブ領域の第１電極１０１に該当の電圧信号が印加される。

この時、前記分配電圧生成部１６０に流れる電流は数ｍＡに設定する。ここで、電流は小さすぎると駆動電圧偏差が大きくなり、不安定な電圧レベルが各ノードに出力されることができ、電流が大きすぎると余計に電圧分配器内の抵抗に熱消耗電力が発生できるので、電圧分配器内の駆動電圧偏差と熱消耗電力を加減して所定の電流値を決定するようにする。

前記分配電圧生成部１６０から出力される電圧信号Ｖｍｉｎ，Ｖ１，…，Ｖｍａｘは、前記パッド領域１５２の金属配線１１１に連結され、前記金属配線１１１と前記第１電極１０１の端部でコンタクトを持つ。この場合、前記分配電圧生成部１６０から出力される電圧信号の数は、前記各レンズ領域のエッジ部Ｅと中央部Ｏ間に位置する第１電極１０１の数に相当する。この時、前記分配電圧生成部１６０から出力される電圧信号は、前記各レンズ領域の中央部Ｏとエッジ部Ｅ間で、前記中央部Ｏからエッジ部Ｅに行くほど、前記中央部を境界とする左右の正の２次関数型に該当する電圧信号が対応付けられる。

そして、このような適切な印加電圧の選択は、例えば、印加電圧を所定値でかかった時、液晶層が持つ位相差から算出したテーブルを取り上げ、前記電圧及び液晶の位相差の関係によってシミュレーションした液晶電界レンズと、具現しようとするシミュレーションの形状が類似な場合、該当テーブルを選択し、該当テーブルからレンズ領域の電極位置別電圧値を算出する。

一方、前記パッド領域１５２は、前記アクティブ領域１５１の一側にのみ形成されることができる。通常、小型モデルの場合、パッド領域が形成されていない側の電極の端部では電圧降下が大きくないので、このような構造が可能である。図７では、レンズ領域のエッジ部以外は金属配線が２個の第１電極とコンタクトされた状態を示しているが、各レンズ領域に形成された第１電極の数だけ斜線形で上下側パッド領域にそれぞれｎ個の金属配線を備え、これら金属配線と第１電極間のｎ個のコンタクト部を構成しても良い。

本発明の液晶電界レンズは、放物レンズ面を持つレンズの形成を可能にするためには、複数個形成された第１電極に印加される電圧がレンズ領域のエッジ部から中心まで順次低い電圧が印加されなければならない。すなわち、位相差（図１０Ｂのレンズ形状において、縦軸に該当）が大きい側（レンズ領域の中心）は、印加電圧が低い電圧が印加され、位相差が低い側（レンズ領域のエッジ部）は、印加電圧が高い電圧が印加されなければならない。すなわち、印加電圧と位相差は互いに反比例関係にある。

また、レンズ領域内のエッジ部から中心へ行くほど、印加電圧はＶｍａｘからＶｍｉｎへと低くなる関係を有し、この時、一つのレンズ領域内に中心を境界にして左右エッジ部に互いに対称形の関係を持つ。すなわち、中心を０点とし、前記中心の左側と右側からエッジ部までそれぞれ（−）、（＋）のｘ軸関係にあるとする時、前記中心から距離ｘの自乗に比例する値が印加電圧Ｖ値として定義される。

本発明の液晶電界レンズは、放物レンズ面を持つレンズを形成するためには、複数個形成された第１電極に印加される電圧がレンズ領域のエッジ部から中心まで次第に低い電圧が印加されなければならない。すなわち、図１０Ａ及び図１０Ｂで位相差（レンズ形状において、縦軸に該当）が大きい側（レンズ領域の中心）は、印加電圧が低い電圧が印加され、位相差が低い側（レンズ領域のエッジ部）は、印加電圧が高い電圧が印加されなければならない。すなわち、印加電圧と位相差は互いに反比例関係にある。

ここで、前記第１電極（あるいは、第１、第２分割電極）に印加される電圧は、中心からエッジ部まで距離に比例する正の二次関数の関係を算出し、この場合、それぞれの電圧生成は、ＶｍａｘとＶｍｉｎ間に分配電圧生成部１６０を置いてなされることができる。この時、前記電圧分配器は、前記ＶｍａｘとＶｍｉｎのそれぞれの電源電圧源間に、各第１電極に印加される電圧を分配可能な複数個の抵抗を備え、前記複数個の抵抗間にノードを設定し、これらノードから該当電圧に相当する電圧を印加する金属配線１１１と連結すればよい。

図９は、本発明の第２実施例による液晶電界レンズを示す断面図である。

図９に示すように、本発明の本発明の第２実施例による液晶電界レンズは、複数個の第１分割電極４０１と第２分割電極４０３が相互に異なる層、すなわち、第１基板４００上部と、絶縁膜４０２上部に形成され、これら第１分割電極４０１と第２分割電極４０３が交互するように配置され、これら第１、第２分割電極４０１、４０３の和が占める領域が、前記第１基板４００の上部から平面的に見た時、前記第１基板４００の全部を埋めるようにする。これによって、前記第１、第２分割電極４０１、４０３が占めない領域が前記第１基板４００上に無いようにし、第１、第２分割電極４０１、４０３の均一な配置によってり形成される液晶電界レンズの位相面が滑らかに形成されるようにする。

ここで、前記それぞれ第１基板４００と、絶縁膜４０２上に形成される第１分割電極４０１と第２分割電極４０３は、レンズ領域のエッジ部から中心部へ行くほどその電極幅または電極間の間隔を次第に増やしつつ形成する。ここで、前記第１分割電極４０１と第２分割電極４０３はそれぞれが形成された層上で、隣接した第１分割電極４０１と第２分割電極４０３の中心間隔が、レンズ領域のエッジ部から中心部へ行くほど次第に増加されつつ形成するもので、その方法は、電極幅を増やす方法または電極間の間隔を増やす方法のいずれかとしても良く、２方法を両方とも利用しても良い。

このような微細な幅で分割される第１、第２分割電極４０１、４０３を前記第１基板４００上に備える例は、レンズ領域Ｌの一ピッチ（ｐｉｔｃｈ）に要求される第１電極の数が多くなり、単一層では分割電極（図３〜５の第１電極）間の離隔間隔確保が難しい時に利用できる例である。すなわち、第１基板４００上部に絶縁膜４０２あるいはその他に複数層の絶縁膜をさらに備えることによって基板及び絶縁膜４０２とその他絶縁膜に分割電極を分配して配置しても良い。ここで、前記複数個の第１、第２分割電極４０１、４０３は、前記第１基板４００上または複数個の絶縁膜４０２上に対して、前記レンズ領域で、前記レンズ領域のエッジ部Ｅを境界として左右対称となるように形成する。

ここで、説明しなかった残りの構成要素４０３は第１配向膜、５００は第２基板、５０１、５０２はそれぞれ第２電極と第２配向膜、６００は液晶層であり、上述した第１実施例と同一機能を持つので、その説明は省略する。

このような第２実施例によれば、前記第１、第２分割電極４０１、４０３の電極和が平面上で、前記第１基板４００面を全部埋める程度となり、より微細な間隔で電圧印加が可能で、上記の第１実施例に比べてより滑らかな位相面を持つ液晶電界レンズの形成が可能になる。

図１０Ａ及び図１０Ｂはそれぞれ、分割電極利用時に第１電極を同一ピッチで位置させた場合と相異なるピッチで位置させた場合による液晶電界レンズの位相を示すグラフである。

図１０Ａは、同一間隔及び第１電極（分割電極）間の同一幅を維持した時、これら第１電極に電圧印加時に形成された液晶電界レンズと一般放物線形のレンズとを比較したものであり、図１０Ｂは、第１分割電極または第２分割電極の幅及び配置を、レンズ領域のエッジ部から中央部までの間に次第に増やしつつ形成した状態の液晶電界レンズと一般放物線形レンズとを比較したものである。

図１０Ａ及び図１０Ｂはいずれも、例えば、４２インチの表示パネルのモデルに対してシミュレーションしたもので、この場合、一レンズ領域当たり９ビュー（ｖｉｅｗ）の表示を可能にした。

そして、図１０Ａの実験時には、第１基板上に形成される第１電極の幅を１５μｍ、第１電極間の間隔は１５μｍとし、同一間隔及び同一幅で配置したし、図１０Ｂの実験時には、相対的に、レンズ領域の中心部に対応しては、１５μｍにし、前記レンズ領域のエッジ部に対応しては、５μｍとした。

それぞれの実験時に形成された液晶電界レンズについて説明すると、レンズ領域の中心部では、図１０Ａ及び図１０Ｂの両方とも液晶電界レンズがほとんど一般放物レンズと同様なプロファイルを持つが、それぞれのエッジ部では、第１電極を等間隔と同一幅で配置した図１０Ａの場合、エッジ部の歪みが激しいことがわかる。

これに対し、本発明のように、不等間隔と非同一幅で第１電極（または第１、第２分割電極）を配置した液晶電界レンズは、図１０Ｂに示すように、レンズ領域のエッジ部と中心部に関らずに、ほとんど一般放物レンズと一致するレンズプロファイルを持つことがわかる。

本発明の液晶電界レンズのように、不等間隔と非同一幅の分割電極の形成によれば、下記の効果が得られる。

すなわち、基板上のレンズ領域のエッジ部に単一電極を形成する時、所定幅を持つ単一電極によってはエッジ部と中央部に全体的に均一な電圧調節がし難いため、レンズの位相面の歪みが発生する可能性が高かった。これを解消すべく、レンズ領域に複数個の分割電極を形成する方案が考慮されたが、これらの分割電極を等間隔と同一幅を持つように配置する場合にも、相対的に液晶電界レンズの傾斜が急な高電圧印加がなされた電極付近で電界歪みが発生するのを避け難く、これによって形成された液晶電界レンズのエッジ部の形状にも歪みが発生した。一方、例えば、歪みが発生する前記液晶電界レンズのエッジ部をブラックマトリクス層で遮蔽してエッジ部の電界歪みによるクロストークを解決することはできるが、この場合には、ブラックマトリクス層の配置による開口率減少といった問題を招く。

本発明の液晶電界レンズは、液晶電界レンズのエッジ部で歪みが激しいことを注目し、前記エッジ部に高電圧が印加され、この部位に液晶電界レンズの傾斜が大きい点と、これにより電圧印加に敏感となる点を考慮し、相対的に前記液晶電界レンズのエッジ部で電極幅と隣接した電極の間隔を他の領域（特に、液晶電界レンズの中心部）に比べて縮めた点に特徴がある。そして、このように領域別に異なって電極の幅と電極間の配置を行うことによって、液晶電界に相対的に敏感な部位でより電極間の間隔とその幅を減らし、レンズ領域の中央部だけでなくエッジ部で液晶電界レンズのプロファイルを滑らかにし、全体的に歪みのない液晶電界レンズを得ることができる。したがって、図１０Ｂに示すように、電界の駆動によって具現された液晶電界レンズにおいて、図１０Ａから観察されるエッジ部における凸凹なレンズ面に起因するクロストークを防止できる、滑らかなレンズ界面を持つ液晶電界レンズの形成が可能になる。

一方、以上で説明した本発明は、上記の実施例及び添付の図面に限定されることはなく、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内で様々な置換、変形及び変更が可能であるということは、本発明の属する技術分野における通常の知識を持つ者にとっては明らかである。

従来の液晶電界レンズを示す断面図である。 図１の液晶電界レンズの位置による光経路長さ（位相）を示すグラフである。 本発明の第１実施例による液晶電界レンズを用いた立体表示装置を示す断面図である。 図３の液晶電界レンズを示す断面図である。 図３の液晶電界レンズを示す斜視図である。 本発明の液晶電界レンズとその電圧印加部を示す概略図である。 本発明の液晶電界レンズの第１基板を示す平面図である。 本発明の電圧印加方式を示すブロック図である。 本発明の第２実施例による液晶電界レンズを示す断面図である。 分割電極利用時に第１電極を同一ピッチで位置させた場合における液晶電界レンズの位相を比較したグラフである。 分割電極利用時に相異なるピッチで位置させた場合における液晶電界レンズの位相を比較したグラフである。

符号の説明

１００，４００ 第１基板
１０１，４０１ 第１分割電極
１０２，４０４ 第１配向膜
４０２ 絶縁膜
１５１ アクティブ領域
１５２ パッド部
１６０ 分割電極印加電圧生成部
１６１ リンク部
２００，５００ 第２基板
２０１，５０１ 第２電極
２０２，５０２ 第２配向膜
１０００ 液晶電界レンズ
３５０ 表示パネル
６００ 液晶層
７００ 光源
４０３ 第２分割電極

Claims (17)

1. 複数個のレンズ領域を含むアクティブ領域と、その外側にパッド領域とを備えて定義され、互いに対向配置された第１、第２基板と、
   前記各レンズ領域に対応して前記第１基板上に、互いに離隔される複数個の第１電極と、
   前記第２基板上に全面に亘って形成された第２電極と、
   前記複数個の第１電極にそれぞれ異なる電圧を印加し、前記第２電極に接地電圧を印加する電圧源と、
   前記第１基板及び第２基板間に埋め込まれた液晶層と、
   を含んでなり、
   前記レンズ領域の複数個の第１電極のうち、相対的に高電圧が印加される第１電極の中心間隔が、相対的に低い電圧が印加される第１電極の中心間隔に比べてより近接するように配置されたことを特徴とする液晶電界レンズ。
   
2. 前記相対的に高電圧が印加される部位から相対的に低い電圧が印加される部位までの領域で、前記第１電極の幅が次第に増加することを特徴とする、請求項１に記載の液晶電界レンズ。
   
3. 前記相対的に高電圧が印加される部位から相対的に低い電圧が印加される部位までの領域で、前記第１電極の間隔が次第に増加することを特徴とする、請求項１に記載の液晶電界レンズ。
   
4. 前記電圧源が、
   前記複数個の第１電極に相互に異なる電圧を印加すべく、最大電圧と最小電圧を受け、それらの間の複数個の相互に異なる電圧を生成する分配電圧生成部を含んでなることを特徴とする、請求項１に記載の液晶電界レンズ。
   
5. 前記パッド領域に金属配線をさらに含み、
   前記分配電圧生成部から出力される電圧信号が、前記パッド領域の複数個の金属配線にそれぞれ印加され、前記複数個の金属配線と前記複数個の第１電極の端部でコンタクトを持つことを特徴とする、請求項４に記載の液晶電界レンズ。
   
6. 前記複数個の第１電極が、互いに平行に一方向に形成され、前記金属配線が、前記第１電極と交差する方向に前記パッド領域に形成され、前記金属配線のそれぞれが、前記複数個の第１電極のうち少なくとも一つとコンタクトを持つことを特徴とする、請求項５に記載の液晶電界レンズ。
   
7. 前記分配電圧生成部から出力される電圧信号の数が、前記各レンズ領域のエッジ部と中央部間に位置する第１電極の数に相当することを特徴とする、請求項１に記載の液晶電界レンズ。
   
8. 前記分配電圧生成部から出力される電圧信号が、前記各レンズ領域の中央部を境界にして前記中央部からエッジ部に行くほど正の２次関数型に相当する値となることを特徴とする、請求項７に記載の液晶電界レンズ。
   
9. 前記分配電圧生成部が、
   最大電圧と最小電圧間の電圧信号分配のために、最大電圧と最小電圧印加端と各電圧信号出力端間に抵抗を備え、各電圧信号出力端から前記パッド領域の金属配線との間にバッファーを備えることを特徴とする、請求項１に記載の液晶電界レンズ。
   
10. 前記複数個の第１電極が、前記第１基板上の同一層上に形成されたことを特徴とする、請求項１に記載の液晶電界レンズ。
    
11. 前記第１基板上に一つ以上の絶縁膜をさらに備えたことを特徴とする、請求項１に記載の液晶電界レンズ。
    
12. 前記複数個の第１電極が、前記レンズ領域において、前記レンズ領域のエッジ部と中央部との間で、前記エッジ部を境界として左右対称となるように、前記第１基板及び絶縁膜上に形成されたことを特徴とする、請求項１１に記載の液晶電界レンズ。
    
13. 前記複数個の第１電極が、前記第１基板の縦方向に沿って棒形状に形成され、前記第１電極の幅及び隣接した第１電極間の離隔間隔が２〜３０μｍに可変されることを特徴とする、請求項１に記載の液晶電界レンズ。
    
14. 前記複数個の第１電極を含む前記基板上に第１配向膜が、前記第２電極上に第２配向膜がさらに形成されたことを特徴とする、請求項１に記載の液晶電界レンズ。
    
15. 前記第１配向膜が、前記第１電極の長さ方向にラビングされ、前記第２配向膜が、前記第１配向膜のラビング方向と交差する方向にラビングされることを特徴とする、請求項１４に記載の液晶電界レンズ。
    
16. 前記第１及び第２電極が透明金属であることを特徴とする、請求項１に記載の液晶電界レンズ。
    
17. 請求項１乃至１６のいずれか１項による液晶電界レンズと、
    前記液晶電界レンズの下側に、前記液晶電界レンズに二次元の映像信号を伝達する表示パネルと、
    を含んでなり、
    前記液晶電界レンズにおいて、前記電圧源を通じて前記第１、第２電極に印加される電圧のオン／オフを調節することを特徴とする立体表示装置。

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