JP5516333B2 - 光学素子および立体表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、エレクトロウェッティング現象を利用した光学素子、およびそれを備えた立体表示装置に関する。

従来、エレクトロウェッティング現象（電気毛管現象）により光学作用を発揮する液体光学素子が開発されている。エレクトロウェッティング現象とは、電極と導電性を有する液体との間に電圧を印加した場合に、その電極の表面と液体との界面エネルギーが変化し、液体の表面形状が変化する現象をいう。

エレクトロウェッティング現象を利用した液体光学素子としては、例えば特許文献１，２に記載された液体のシリンドリカルレンズが挙げられる。また、例えば特許文献３，４には、液体のレンチキュラーレンズが開示されている。

特開２００２−１６２５０７号公報 特開２００９−２５１３３９号公報 特表２００７−５３４０１３号公報 特開２００９−２１７２５９号公報

上記特許文献１〜４に開示されたような液体レンズでは、一般に、互いに分離し、かつ屈折率の異なる２種の液体の界面形状を電極への印加電圧を制御することにより変化させ、所望の焦点距離を得るようにしている。また、２種の液体における比重をほぼ同一とすることで、液体レンズの姿勢を様々に変化させても重力による偏りが生じにくくなっている。

しかしながら、異なる成分の液体同士では、環境温度に対する比重の相違が生じる。すなわち、初期の環境温度（例えば２０℃）において２種の液体の比重が同一であったとしても、その環境温度が変化すれば、それに応じて各々の液体の比重が変化してしまう可能性がある。このため、例えば特許文献１，２に記載のシリンドリカルレンズでは、一対の対向基板の間の所定のセル領域に充填された２種の液体が初期位置から大きく移動してしまうおそれがある。すなわち、そのシリンドリカルレンズの軸方向を鉛直方向として使用する場合、その長さによっては比重の比較的小さな液体がセル領域の上方に移動すると共に比重の比較的大きな液体がセル領域の下方に移動してしまう。そうすると、電圧を印加していない状態では、本来、２種の液体の界面が一対の対向基板の面と平行であるべきところ、図１５に示したように、界面１３０が一対の対向基板の面に対して傾斜してしまう。なお、図１５に示した光学素子は、対向配置された一対の平面基板１２１，１２２と、これらの平面基板１２１，１２２の外縁に沿って立設し、平面基板１２１，１２２を支持する側壁１２３とを備えている。それら平面基板１２１，１２２および側壁１２３によって密閉された空間には、極性液体１２８および無極性液体１２９が封入されており、上記の界面１３０を形成している。こうした場合、電極への印加電圧を変化させてもエレクトロウェッティング現象が発生せず、あるいは、界面形状の正確な制御が困難となってしまう。したがって、屈折率の異なる２種の液体の界面を、長期に亘って安定して維持することが望まれる。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、長期に亘って安定したエレクトロウェッティング現象を発現可能に維持し、良好な光学作用を安定してもたらすことのできる光学素子、およびそれを備えた立体表示装置を提供することにある。

本発明の光学素子は、以下の（Ａ１）から（Ａ７）の各構成要件を備えるものである。
（Ａ１）対向配置された第１および第２の基板。
（Ａ２）第１の基板の、第２の基板と対向する内面に立設され、この第１の基板上の領域を第１の方向に並ぶ複数のセル領域に分割するように第１の方向と異なる第２の方向へ延在する隔壁。
（Ａ３）隔壁の壁面に、複数のセル領域の各々において互いに対向して配置された第１および第２の電極。
（Ａ４）第１および第２の電極を覆う絶縁膜。
（Ａ５）第２の基板の、第１の基板と対向する内面に設けられた第３の電極。
（Ａ６）第１の基板の内面に立設し、複数のセル領域の各々を第２の方向に並ぶ複数のサブセル領域に分割する突起部。
（Ａ７）第１の基板と第３の電極との間に封入され、互いに異なる屈折率を有する極性液体および無極性液体。
ここで、第１および第２の電極は、隔壁の一端から他端に至るまで連続して延在している。

本発明の立体表示装置は、表示手段と、上記した本発明の光学素子とを備える。表示手段は、例えば、複数の画素を有し、映像信号に応じた２次元表示画像を生成するディスプレイである。

本発明の光学素子および立体表示装置では、隔壁によって区画されたセル領域を複数のサブセル領域に分割するように、第１の基板に突起部を立設させるようにした。これにより、セル領域が鉛直方向に延びる姿勢であっても、屈折率および比重の異なる２種の液体は、毛管現象によって突起部および隔壁などの周囲の部材に安定して保持される。さらに、隔壁の壁面に、互いに対向して配置された第１および第２の電極が、隔壁の一端から他端に至るまで連続して延在しているので、動作時において以下の作用が得られる。すなわち、あるセル領域における第１および第２の電極の間に電圧が印加されると、同一のセル領域を構成する複数のサブセル領域における極性液体と無極性液体との界面が、一括してより正確な挙動を示すこととなる。特に、突起部と隔壁とが離間している場合、あるいは突起部と隔壁とが接しており突起部の高さが隔壁の高さよりも低くなっている場合は、その構造上、もしくは製造上の問題に起因する第１および第２の電極の抵抗増大を回避するのに有利となる。

本発明の光学素子によれば、その姿勢による重力の影響を受けることなく、内包する２種の液体の界面を長期に亘って安定して保持し、所望の光学作用を安定して正確に発揮することができる。このため、この光学素子を備えた本発明の立体表示装置によれば、所定の映像信号に対応した正確な画像表示を実現することが長期に亘って可能となる。

本発明の一実施の形態に係る立体表示装置の構成を表す概略図である。 図１に示した波面変換偏向部の要部構成を表す断面図である。 図２に示した波面変換偏向部のIII(A)- III(A)線およびIII(B)- III(B)線に沿った断面図である。 図２に示した波面変換偏向部のIV-IV線に沿った断面図である。 図３に示した液体光学素子の動作を説明するための概念図である。 図３に示した液体光学素子の動作を説明するための他の概念図である。 図１に示した波面変換部の製造方法における一工程を説明するための断面模式図である。 図７に続く工程を説明するための断面模式図である。 図８に続く工程を説明するための断面模式図である。 変形例１としての波面変換偏向部の概略構成を表す断面図である。 変形例２としての波面変換偏向部の概略構成を表す斜視図である。 変形例２としての波面変換偏向部の概略構成を表す断面図である。 変形例３としての波面変換偏向部の概略構成を表す断面図である。 図１に示した波面変換偏向部の他の使用例を説明するための断面図である。 従来の液体光学素子の一構成例を表す断面図である。

以下、本発明を実施するための形態（以下、実施の形態という。）について、図面を参照して詳細に説明する。

＜立体表示装置の構成＞
まず、図１を参照して、本発明における一実施の形態としての液体光学素子アレイを用いた立体表示装置について説明する。図１は、本実施の形態の立体表示装置の、水平面内における一構成例を表す概略図である。

図１に示したように、この立体表示装置は、光源（図示せず）の側から、画素１１を複数有する表示部１と、液体光学素子アレイとしての波面変換偏向部２とを順に備えている。ここでは、光源からの光の進行方向をＺ軸方向とし、水平方向をＸ軸方向とし、鉛直方向をＹ軸方向としている。

表示部１は、映像信号に応じた２次元表示画像を生成するものであり、例えばバックライトＢＬが照射されることにより表示画像光を射出するカラー液晶ディスプレイである。表示部１は、光源の側からガラス基板１１と、それぞれ画素電極および液晶層を含む複数の画素１２（１２Ｌ，１２Ｒ）と、ガラス基板１３とが順に積層された構造を有している。ガラス基板１１およびガラス基板１３は透明であり、いずれか一方には例えば赤（Ｒ），緑（Ｇ），青（Ｂ）の着色層を有するカラーフィルタが設けられている。このため、画素１２は、赤色を表示する画素Ｒ−１２と緑色を表示する画素Ｇ−１２と青色を表示する画素Ｂ−１２とに分類される。この表示部１では、Ｘ軸方向においては画素Ｒ−１２と、画素Ｇ−１２と、画素Ｂ−１２とが順に繰り返し配置される一方、Ｙ軸方向においては同色の画素１２が揃うように配置されている。さらに、画素１２は、左眼用の画像を形成する表示画像光を射出するものと、右眼用の画像を形成する表示画像光を射出するものとに分類され、それらはＸ軸方向において交互に配置されている。図１では、左眼用の表示画像光を射出する画素１２を画素１２Ｌと表し、右眼用の表示画像光を射出する画素１２を画素１２Ｒと表す。

波面変換偏向部２は、例えばＸ軸方向に隣り合う１組の画素１２Ｌ，１２Ｒに対応して設けられた１つの液体光学素子２０が、Ｘ軸方向に複数配列されたアレイ状をなすものである。波面変換偏向部２は、表示部１から射出された表示画像光に対し、波面変換処理および偏向処理を行う。具体的には、波面変換偏向部２では、各画素１２に対応する各液体光学素子２０がシリンドリカルレンズとして機能する。すなわち、波面変換偏向部２は、全体としてレンチキュラーレンズとして機能する。これによって各画素１２Ｌ，１２Ｒからの表示画像光の波面が、鉛直方向（Ｙ軸方向）に並ぶ一群の画素１２を一単位として所定の曲率を有する波面に一括して変換される。波面変換偏向部２では、併せて、必要に応じてそれらの表示画像光を水平面内（ＸＺ平面内）において一括して偏向することも可能となっている。

図２〜図４を参照して、波面変換偏向部２の具体的な構成について説明する。

図２は、表示画像光の進行方向と直交するＸＹ平面に平行な波面変換偏向部２の要部拡大断面図である。また、図３（Ａ），３（Ｂ）は、それぞれ、図２に示したIII（Ａ）−III（Ａ）線およびIII（Ｂ）−III（Ｂ）線に沿った矢視方向の断面図である。さらに、図４は、図２に示したIV−IV線に沿った矢視方向の断面図である。なお、図２は、図３（Ａ），３（Ｂ）に示したII−II線に沿った矢視方向の断面に相当する。

図２、図３（Ａ），図３（Ｂ）および図４に示したように、波面変換偏向部２は、対向配置された一対の平面基板２１，２２と、平面基板２１における平面基板２２と対向する内面２１Ｓに立設し、接着層３１を介して平面基板２２を支持する側壁２３および隔壁２４とを備えている。波面変換偏向部２では、Ｙ軸方向へ延在する複数の隔壁２４によって区画された複数の液体光学素子２０がＸ軸方向へ並び、全体として液体光学素子アレイを構成している。液体光学素子２０は、屈折率の異なる２種の液体（極性液体２８および無極性液体２９）を含み、入射光線に対して偏向や屈折などの光学的作用をもたらすものである。

平面基板２１，２２は、例えばガラスや透明なプラスチックなど、可視光を透過する透明な絶縁材料によって構成される。平面基板２１の内面２１Ｓには、この平面基板２１上の空間領域を複数のセル領域２０Ｚに分割する複数の隔壁２４が立設している。複数の隔壁２４は、上述したように各々Ｙ軸方向へ延在しており、Ｙ軸方向に並ぶ一群の画素１２に対応した矩形状の平面形状を有するセル領域２０Ｚを、側壁２３と共に複数形成している。すなわち、側壁２３は、複数の隔壁２４の一端同士および他端同士をそれぞれ繋ぐことにより、隔壁２４と共に複数のセル領域２０Ｚを取り囲むように構成されている。平面基板２１の内面２１Ｓを基準位置としたとき、側壁２３の高さ２３Ｈは隔壁２４の高さ２４Ｈよりも低くなっていることが望ましい（図４参照）。隔壁２４によって区画されたセル領域２０Ｚには、それぞれ無極性液体２９が保持されている。すなわち、無極性液体２９は、隔壁２４の存在により、隣り合う他のセル領域２０Ｚへ移動（流出）しないようになっている。隔壁２４は、極性液体２８および無極性液体２９に溶解等しない材料、例えば、エポキシ系樹脂やアクリル系樹脂などによって構成されることが望ましい。なお、平面基板２１と隔壁２４とが同種の透明なプラスチック材料からなり、一体成型されたものであってもよい。

各隔壁２４の壁面には、互いに対向して配置された第１および第２の電極２６Ａ，２６Ｂが設けられている。第１および第２の電極２６Ａ，２６Ｂの構成材料としては、酸化インジウム錫（ＩＴＯ：Indium Tin Oxide）や酸化亜鉛（ＺｎＯ）などの透明な導電性材料のほか、銅（Ｃｕ）などの金属材料、あるいは炭素（Ｃ）もしくは導電性高分子などの他の導電性材料が適用可能である。第１および第２の電極２６Ａ，２６Ｂは、隔壁２４の一端から他端に至るまで途切れることなく連続して延在しており、同一のセル領域２０Ｚにおける複数のサブセル領域ＳＺ（後出）に対して共通に設けられている。第１および第２の電極２６Ａ，２６Ｂは、それぞれ、平面基板２１に埋設された信号線と制御部とを介して外部電源（いずれも図示せず）と接続されている。第１および第２の電極２６Ａ，２６Ｂは、上述の制御部によってそれぞれ所定の大きさの電位に設定できるようになっている。第１および第２の電極２６Ａ，２６Ｂの各々の両端は、側壁２３の上面に設けられた一対のパッドＰ２６Ａもしくは一対のパッドＰ２６Ｂと接続されている。ここで、図４に示したように、側壁２３の高さが隔壁２４の高さよりも低くなっていると、第１および第２の電極２６Ａ，２６Ｂと、パッドＰ２６ＡおよびパッドＰ２６Ｂとの接続部に段差が生じないので、製造条件の変動などに起因する接続部での断線や接続抵抗の上昇を回避しやすくなる。接続部での断線や接続抵抗の上昇を回避するため、側壁２３の内側の端面２３Ｓ（セル領域２０Ｚに面する端面２３Ｓ）が傾斜していることが望ましい。さらに、第１および第２の電極２６Ａ，２６Ｂは、疎水性絶縁膜２７によって密に覆われていることが望ましい。この疎水性絶縁膜２７は、極性液体２８に対して疎水性（撥水性）を示す（より厳密には無電界下において無極性液体２９に親和性を示す）と共に、電気的絶縁性に優れた性質を有する材料からなるものである。具体的には、フッ素系の高分子であるポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）やポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、あるいはシリコーンなどが挙げられる。但し、第１の電極２６Ａと第２の電極２６Ｂとの電気的絶縁性をより高めることを目的として、第１および第２の電極２６Ａ，２６Ｂと疎水性絶縁膜２７との間に例えばスピン・オン・グラス（ＳＯＧ）などからなる他の絶縁膜を設けるようにしてもよい。なお、隔壁２４の上端もしくはそれを覆う疎水性絶縁膜２７は、平面基板２２および第３の電極２６Ｃと離間していることが望ましい。なお、図４では、疎水性絶縁膜２７の図示を省略している。

各セル領域２０Ｚには、平面基板２１に立設するように、１または２以上の突起部２５が設けられている。突起部２５は、各セル領域２０ＺをＹ軸方向に並ぶ複数のサブセル領域ＳＺに分割するものである。突起部２５を複数設ける場合には、Ｙ軸方向に沿って等間隔で並ぶようにするとよい。この突起部２５は、例えば隔壁２４と同種の材料からなり、隔壁２４ならびに第１および第２の電極２６Ａ，２６Ｂと離間して配置されている。また、平面基板２１の内面２１Ｓを基準位置としたとき、突起部２５の高さ２５Ｈは側壁２３の高さ２３Ｈと同程度であればよい（図４参照）。さらに、突起部２５は、平面基板２２および第３の電極２６Ｃと離間していることが望ましい。なお、突起部２５は、図２，図４ではＹ軸方向に沿って複数配置される場合を例示したが、その数は任意に選択可能である。

平面基板２２の、平面基板２１と対向する内面２２Ｓには、第３の電極２６Ｃが設けられている。第３の電極２６Ｃは、例えばＩＴＯやＺｎＯなどの透明な導電材料によって構成されており、接地電極として機能する。

一対の平面基板２１，２２、側壁２３および隔壁２４によって完全に密閉された空間領域には、極性液体２８および無極性液体２９が密封されている。極性液体２８および無極性液体２９は、その閉空間において互いに溶解せずに分離して存在し、界面ＩＦを形成している。

無極性液体２９は、ほとんど極性を有さず、かつ、電気絶縁性を示す液体材料であり、例えばデカン、ドデカン、ヘキサデカンもしくはウンデカンなどの炭化水素系材料のほか、シリコンオイルなどが好適である。無極性液体２９は、第１の電極２６Ａと第２の電極２６Ｂとの間に電圧を印加しない場合において、平面基板２１の表面を全て覆う程度に十分な容量を有していることが望ましい。

一方、極性液体２８は、極性を有する液体材料であり、例えば水のほか、塩化カリウムや塩化ナトリウムなどの電解質を溶解させた水溶液が好適である。極性液体２８に電圧を印加すると、内表面２７Ａ，２７Ｂに対する濡れ性（極性液体２８と内表面２７Ａ，２７Ｂとの接触角）が無極性液体２９と比べて大きく変化する。極性液体２８は、接地電極としての第３の電極２６Ｃと接している。

なお、極性液体２８および無極性液体２９は、室温（例えば２０℃）において互いにほぼ同等の比重を有するように調整されており、極性液体２８と無極性液体２９との位置関係は封入する順序で決定される。極性液体２８および無極性液体２９は透明であることから、界面ＩＦを透過する光は、その入射角と、極性液体２８および無極性液体２９の屈折率とに応じて屈折する。

また、極性液体２８および無極性液体２９は、突起部２５の存在により、安定して初期位置（図３に示した位置）に保持される。これは、極性液体２８および無極性液体２９が突起部２５と接することにより、その接触界面における界面張力が作用するからである。特に、同一のセル領域２０Ｚに配置された突起部２５同士の間隔Ｌ１（図２参照）は、以下の条件式（１）で表される毛管長Ｋ^-1以下の長さであるとよい。ここでいう毛管長Ｋ^-1 とは、極性液体２８と無極性液体２９との界面に生じる界面張力に対して重力の影響を全く無視できる最大の長さをいう。したがって、間隔Ｌ１が条件式（１）を満足する場合には、極性液体２８および無極性液体２９は、波面変換部２（および偏向部３）の姿勢の影響を受けずに極めて安定して初期位置（図３に示した位置）に保持される。

Κ^-1 ＝｛Δγ／（Δρ×ｇ）｝^0.5 ……（１）
但し、
Κ^-1 ：毛管長（ｍｍ）
Δγ：極性液体と無極性液体との界面張力（ｍＮ／ｍ）
Δρ：極性液体と無極性液体との密度差（ｇ／ｃｍ³ ）
ｇ：重力加速度（ｍ／ｓ² ）

さらに本実施の形態では、上記と同様の理由により、複数の突起部２５のうちＹ軸方向において両端に位置するものは、Ｙ軸方向における側壁２３からの最短の距離Ｌ２（図２）が上記の条件式（１）で表される毛管長Κ^-1 以下の長さであるとよい。

上記のように、毛管長Κ^-1 は、界面を構成する２つの媒体の種類によって異なる。例えば極性液体２８が水であり無極性液体２９が油である場合、条件式（１）の界面張力Δγは２９．５ｍＮ／ｍであり密度差Δρは０．１２９ｇ／ｃｍ³ であるから、毛管長Κ^-1 は１５．２ｍｍとなる。したがって、密度差Δρを０．１２９ｇ／ｃｍ³ 以下とすることで、間隔Ｌ１および距離Ｌ２を最大１５．２ｍｍとすることが可能である。

液体光学素子２０では、第１および第２の電極２６Ａ，２６Ｂの間に電圧が印加されていない状態（電極２６Ａ，２６Ｂの電位がいずれも零である状態）では、図３（Ａ）に示したように、界面ＩＦは、極性液体２８の側から無極性液体２９へ向けて凸の曲面をなしている。このときの界面ＩＦの曲率はＹ軸方向において一定であり、各液体光学素子２０は１つのシリンドリカルレンズとして機能する。また、界面ＩＦの曲率はこの状態（第１および第２の電極２６Ａ，２６Ｂの間に電圧を印加しない状態）が最大となる。内表面２７Ａに対する無極性液体２９の接触角θ１、および内表面２７Ｂに対する無極性液体２９の接触角θ２は、例えば疎水性絶縁膜２７の材料種を選択することによって調整することができる。ここで、無極性液体２９が極性液体２８よりも大きな屈折率を有していれば、液体光学素子２０は負の屈折力を発揮する。これに対し、無極性液体２９が極性液体２８よりも小さな屈折率を有していれば、液体光学素子２０は正の屈折力を発揮する。例えば、無極性液体２９が炭化水素系材料またはシリコンオイルであり、極性液体２８が水または電解質水溶液であれば、液体光学素子２０が負の屈折力を発揮することとなる。

第１および第２の電極２６Ａ，２６Ｂの間に電圧が印加されると界面ＩＦの曲率が小さくなり、ある一定以上の電圧を印加すると例えば図５（Ａ）〜５（Ｃ）に表したように平面となる。なお、図５（Ａ）は、第１の電極２６Ａの電位（Ｖ１とする）と第２の電極２６Ｂの電位（Ｖ２とする）とが互いに等しい（Ｖ１＝Ｖ２）場合を示している。この場合、接触角θ１，θ２がいずれも直角（９０°）となる。このとき、液体光学素子２０へ入射して界面ＩＦを通過した入射光は、界面ＩＦにおいて収束、発散もしくは偏向などの光学作用を受けることなく、そのまま液体光学素子２０から射出する。

電位Ｖ１と電位Ｖ２とが異なる場合（Ｖ１≠Ｖ２）には、例えば図５（Ｂ），５（Ｃ）に表したように、Ｘ軸およびＺ軸に対して傾斜した平面（Ｙ軸に対しては平行な面）となる（θ１≠θ２）。具体的には、電位Ｖ１が電位Ｖ２よりも大きい場合（Ｖ１＞Ｖ２）、図５（Ｂ）に示したように接触角θ１が接触角θ２よりも大きくなる（θ１＞θ２）。反対に、電位Ｖ１よりも電位Ｖ２が大きいと（Ｖ１＜Ｖ２）、図５（Ｃ）に示したように、接触角θ１よりも接触角θ２が大きくなる（θ１＜θ２）。これらの場合（Ｖ１≠Ｖ２）、例えば第１の電極２６Ａ，２６Ｂと平行に進行して液体光学素子２０へ入射した入射光は、界面ＩＦにおいてＸＺ平面内で屈折し、偏向される。したがって、電位Ｖ１および電位Ｖ２の大きさを調整することで、入射光をＸＺ平面内の所定の向きへ偏向可能となる。

なお、上記の現象（電圧の印加による接触角θ１，θ２の変化）は以下のように生じるものと推察される。すなわち、電圧印加により、内表面２７Ａ，２７Ｂに電荷が蓄積され、その電荷のクーロン力によって、極性を有する極性液体２８が疎水性絶縁膜２７へ引き寄せられる。すると、極性液体２８が内表面２７Ａ，２７Ｂと接触する面積を拡大する一方、無極性液体２９が内表面２７Ａ，２７Ｂと接触する部分から極性液体２８によって排除されるように移動（変形）し、結果として界面ＩＦが平面に近づくこととなる。

また、電位Ｖ１および電位Ｖ２の大きさの調整により界面ＩＦの曲率が変わるようになっている。例えば、電位Ｖ１，Ｖ２（Ｖ１＝Ｖ２とする）を、界面ＩＦが水平面となる場合の電位Ｖmaxよりも低い値とすれば、例えば図６（Ａ）に表したように、電位Ｖ１，Ｖ２が零の場合の界面ＩＦ₀（破線で表示）よりも曲率の小さな界面ＩＦ₁（実線で表示）が得られる。このため、界面ＩＦを透過する光に対して発揮する屈折力は、電位Ｖ１および電位Ｖ２の大きさを変えることで調整可能である。すなわち、液体光学素子２０は、可変焦点レンズとして機能する。さらに、その状態で電位Ｖ１と電位Ｖ２とが互いに異なる大きさ（Ｖ１≠Ｖ２）となれば、界面ＩＦは適度な曲率を有しつつ、傾斜した状態となる。例えば電位Ｖ１のほうが大きい（Ｖ１＞Ｖ２）場合には、図６（Ｂ）において実線で表した界面ＩＦａが形成される。一方、電位Ｖ２のほうが大きい（Ｖ１＜Ｖ２）場合には、図６（Ｂ）において破線で表した界面ＩＦｂが形成される。したがって、電位Ｖ１および電位Ｖ２の大きさを調整することで、液体光学素子２０は、入射光に対して適度な屈折力を発揮しつつ、その入射光を所定の向きへ偏向することが可能である。なお、図６（Ａ），６（Ｂ）では、無極性液体２９が極性液体２８よりも大きな屈折率を有しており、液体光学素子２０が負の屈折力を発揮する場合に、界面ＩＦ₁，ＩＦａを形成したときの入射光の変化を表している。

次に、波面変換偏向部２の製造方法について、図７〜図９に表した断面模式図を参照して説明する。

まず、平面基板２１を用意したのち、図７（Ａ），７（Ｂ）に示したように、その一方の面（内面２１Ｓ）の上の所定位置に側壁２３、隔壁２４および突起部２５をそれぞれ形成する。具体的には、例えばスピンコーティング法により所定の樹脂を内面２１Ｓの上にできるだけ均一な厚みとなるように塗布したのち、フォトリソグラフィ法を利用して選択的な露光を行うことにより、パターニングを行う。あるいは、所定形状の金型を使用した一括成型により、同種の材料からなる一体化した平面基板２１、側壁２３、隔壁２４および突起部２５を形成するようにしてもよい。さらには、射出成型、熱プレス成型、フィルム材を用いた転写成型または２Ｐ（Photoreplication Process）法などによりそれらを形成することも可能である。

次に、図８（Ａ），８（Ｂ）に示したように、隔壁２４の端面に、所定の導電性材料からなる第１および第２の電極２６Ａ，２６Ｂを形成する。この際、例えばフォトリソグラフィ法やマスク転写、あるいはインクジェット描画などの手法を利用することができる。さらに、必要に応じて、少なくとも第１および第２の電極２６Ａ，２６Ｂを覆うようにパラキシリレン樹脂、フッ素系樹脂または無機絶縁材料などからなる疎水性絶縁膜２７を形成する。パラキシリレン樹脂を用いる際には蒸着法により、フッ素系樹脂を用いる際にはスパッタ法またはディップコート法により、無機絶縁材料を用いる際にはスパッタ法またはＣＶＤ法により疎水性絶縁膜２７を形成するとよい。なお、疎水性絶縁膜２７は、内面２１Ｓや突起部２５を覆うようにしてもよい。

続いて図９（Ａ），９（Ｂ）に示したように、無極性液体２９を、隔壁２４で仕切られた各セル領域２０Ｚに注入もしくは滴下する。そののち、平面基板２２に第３の電極２６Ｃを設けたものを用意し、平面基板２１と平面基板２２とが一定の間隔となるように対向配置する。その際、平面基板２１と平面基板２２とが重なり合う領域の外縁に沿って複数のセル領域２０Ｚを取り囲むように接着層３１を設け、その接着層３１を介して平面基板２２と側壁２３および隔壁２４とを固定するようにする。なお、接着層３１の一部には注入口（図示せず）を形成しておく。最後に、その注入口から、平面基板２１、側壁２３、隔壁２４、および平面基板２２によって囲まれた空間に極性液体２８を充填したのち、注入口を封止する。以上の手順により、応答性に優れた液体光学素子２０を備えた波面変換偏向部２を簡便に製造することができる。

＜立体表示装置の動作＞
この立体表示装置では、表示部１に映像信号が入力されると、画素１２Ｌから左眼用の表示画像光ＩＬが射出されると共に画素１２Ｒから右眼用の表示画像光ＩＲが射出される。表示画像光ＩＬ，ＩＲは、いずれも液体光学素子２０に入射する。液体光学素子２０では、その焦点距離が、例えば画素１２Ｌ，１２Ｒと界面ＩＦとの間の屈折率を空気換算した距離となるように、適切な値の電圧を第１および第２の電極２６Ａ，２６Ｂに印加する。なお、観察者の位置に応じて、液体光学素子２０の焦点距離を前後させるようにしてもよい。液体光学素子２０における極性液体２８と無極性液体２９との界面ＩＦが形成するシリンドリカルレンズの作用により、表示部１の各画素１２Ｌ，１２Ｒから射出された表示画像光ＩＬ，ＩＲの射出角度が選択される。そのため、図１に示したように、表示画像光ＩＬは観察者の左眼１０Ｌに入射し、表示画像光ＩＲは観察者の右眼１０Ｒに入射する。これにより、観察者は立体映像を観察することができる。

また、液体光学素子２０において界面ＩＦを平坦面（図５（Ａ）参照）とし、表示画像光ＩＬ，ＩＲに対する波面変換を行わないことにより、高解像度な二次元画像の表示も可能となる。

＜本実施の形態の効果＞
このように、本実施の形態の波面変換偏向部２では、隔壁２４によって区画されたセル領域２０Ｚにおける平面基板２１に突起部２５を立設させ、複数のサブセル領域ＳＺに分割するようにした。これにより、セル領域２０Ｚが鉛直方向に延びる姿勢となるように波面変換偏向部２（液体光学素子２０）が配置された場合であっても、屈折率および比重の異なる２種の液体（極性液体２８および無極性液体２９）が、毛管現象によって突起部２５および隔壁２４などの周囲の部材に安定して保持される。すなわち、液体光学素子２０が自らの姿勢による重力の影響を受けることなく、界面ＩＦを長期に亘って安定して維持し、所望の光学作用を安定して発揮することができる。このため、この液体光学素子２０を備えた立体表示装置によれば、所定の映像信号に対応した正確な画像表示を実現することが長期に亘って可能となる。

また、本実施の形態では、平面基板２１に立設する突起部２５を、疎水性絶縁膜２７に覆われた隔壁２４、平面基板２２および第３の電極２６Ｃのそれぞれと離間して配置するようにした。このため、同一のセル領域２０Ｚにおける界面ＩＦの位置のばらつきを回避し、Ｙ軸方向にならぶ複数の画素１２Ｌ（または１２Ｒ）からの表示画像光ＩＬ（またはＩＲ）に対して、安定した光学作用を付与することができる。また、突起部２５をその両隣の隔壁２４と接続するように設けた場合には、突起部２５および隔壁２４によって複数の閉じた領域が形成される。この場合、製造段階において、それら複数の閉領域に対し、極性液体２８および無極性液体２９を個別に充填する必要が生じ、効率性の面で不利であり、充填量のばらつきも懸念される。これに対し、本実施の形態では、突起部２５を隔壁２４から離間させるようにしたので、そのような問題点は解消される。

また、本実施の形態では、隔壁２４の壁面に対向配置された第１および第２の電極２６Ａ，２６Ｂが、隔壁２４の一端から他端に至るまで途切れることなく連続して延在しているので、動作時において以下の作用が得られる。すなわち、あるセル領域２０Ｚにおける第１および第２の電極２６Ａ，２６Ｂの間に電圧が印加されると、同一のセル領域２０Ｚを構成する複数のサブセル領域ＳＺにおける極性液体２８と無極性液体２９との液面が、一括してより正確な挙動を示すこととなる。特に、側壁２３の高さ２３Ｈが隔壁２４の高さ２４Ｈよりも低くなっていると、第１および第２の電極２６Ａ，２６Ｂと、パッドＰ２６ＡおよびパッドＰ２６Ｂとの接続部に段差が生じないので、その接続部において一定の断面積を確保することができ、一対のパッドＰ２６Ａ同士、および一対のパッドＰ２６Ｂ同士における抵抗増大を回避し易くなる。

＜変形例１＞
図１０に、本実施の形態の第１の変形例（変形例１）としての波面変換偏向部２Ａを示す。図１０は、波面変換偏向部２Ａの断面構成を表すものであり、上記実施の形態の図３（Ｂ）に対応している。上記実施の形態では、隔壁２４の壁面および突起部２５の端面がいずれも、内面２１Ｓに対して垂直をなすようにした。これに対し、本変形例は、隔壁２４の壁面２４Ｔおよび突起部２５のＸ軸方向の端面２５Ｔを、平面基板２１から遠ざかるほど互いに離れるように傾斜させたものである。こうすることにより、壁面２４Ｔが内面２１Ｓに対して直交する場合と比較して、壁面２４Ｔへ第１および第２の電極２６Ａ，２６Ｂを形成するにあたり、その厚さを制御し易くなるからである。その結果、第１および第２の電極２６Ａ，２６Ｂの抵抗増大を回避することができる。特に、蒸着法を利用する場合に効果的である。

＜変形例２＞
図１１，１２に、本実施の形態の第２の変形例（変形例２）としての波面変換偏向部２Ｂを示す。図１１は、波面変換偏向部２Ｂの一部の概略構成を表す斜視図である。図１２は、上記実施の形態の図３（Ｂ）に対応するものであり、波面変換偏向部２Ｂの断面構成を表している。なお、図１１では平面基板２２、第３の電極２６Ｃ、疎水性絶縁膜２７、極性液体２８および無極性液体２９などを省略して示し、図１２では極性液体２８および無極性液体２９を省略して示す。上記実施の形態では突起部２５と隔壁２４とを離間させるようにしたが、本変形例は、突起部２５と隔壁２４とを接続するようにしたものである。こうすることにより、構造上の安定性の向上が期待できる。ここでは、突起部２５の上端位置を、隔壁２４の上端位置よりも低くするようにした。すなわち、平面基板２１の内面２１Ｓを基準位置としたとき、突起部２５の高さ２５Ｈが側壁２３の高さ２３Ｈよりも低くなるように構成されている。こうすることにより、隔壁２４の側壁に形成される第１および第２の電極２６Ａ，２６Ｂの、突起部２５を跨ぐ部分での抵抗増大を低減することができる。なお、この場合においても、隔壁２４の壁面を図１２に示したように傾斜させてもよい。

＜変形例３＞
図１３に、本実施の形態の第３の変形例（変形例３）としての波面変換偏向部２Ｃを示す。図１３は、波面変換偏向部２Ｃの断面構成を表すものであり、上記実施の形態の図３（Ｂ）に対応している。上記実施の形態では、突起部２５を平面基板２１に隔壁２４と共に立設させるようにしたが、本変形例は、突起部２５を平面基板２２に立設させるようにした。こうすることにより、波面変換偏向部２Ｃを組み立てる際、平面基板２１に立設する隔壁２４と平面基板２２に立設する突起部２５とを嵌合させることにより、平面基板２１と平面基板２２との位置あわせが容易となる。また、この変形例では、突起部２５が平面基板２１ではなく平面基板２２に形成されることから、突起部２５の存在の影響を受けることなく第１および第２の電極２６Ａ，２６Ｂを形成することができる。このため、第１および第２の電極２６Ａ，２６Ｂの断面積の変動を抑制することができ、抵抗増大を回避することができる。

以上、実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、種々変形が可能である。例えば、上記実施の形態では、波面変換偏向部２における液体光学素子２０により、集光もしくは発散作用と、偏向作用との双方を発揮させるようにした。しかしながら、波面変換部と偏向部とを個別に設け、集光もしくは発散作用と、偏向作用とを別々のデバイスによって表示画像光に付与するようにしてもよい。

また、図１４に示したように、１組の画素１２Ｌ，１２Ｒについて複数の液体光学素子２０を対応させ、それら複数の液体光学素子２０を組み合わせて１つのシリンドリカルレンズとして機能させるようにしてもよい。なお、図１４では、液体光学素子２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃにより、１つのシリンドリカルレンズを構成する例を示している。

また、上記実施の形態では、第３の電極２６Ｃを、複数のセル領域２０Ｚのほぼ全てと対応するように平面基板２２の内面２２Ｓにおいて延在させた。しかしながら、第３の電極２６Ｃは、極性液体２８と僅かでも接触した状態が常に維持されるのであれば、その大きさ（形成面積）は任意に選択可能である。

また、上記実施の形態等では各セル領域の平面形状を矩形状としたが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば平行四辺形状としてもよい。さらに、上記実施の形態等では、突起部が、隔壁の延在方向（Ｙ軸方向）に対して直交する方向（Ｘ軸方向）へ延在するようにしたが、本発明はこれに限定されず、他の方向へ延在するようにしてもよい。さらに、突起部の形状は各図面に示したものに限定されるものではなく、他の形状をとり得るものである。

また、上記実施の形態では、２次元画像生成手段（表示部）としてバックライトを使用するカラー液晶ディスプレイを例示したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば有機ＥＬ素子を用いたディスプレイやプラズマディスプレイであってもよい。

１…表示部、１１，１３…ガラス基板、１２（１２Ｌ，１２Ｒ）…画素、２…波面変換偏向部、２０…液体光学素子、２１，２２…平面基板、２３…側壁、２３Ｓ…端面、２４…隔壁、２５…突起部、２３Ｈ，２４Ｈ，２５Ｈ…高さ、２６（２６Ａ〜２６Ｃ）…第１〜第３の電極、２７…疎水性絶縁膜、２８…極性液体、２９…無極性液体、３１…接着層、ＩＦ…界面。

Claims (11)

1. 対向配置された第１および第２の基板と、
   前記第１の基板の、前記第２の基板と対向する内面に立設し、この第１の基板上の領域を第１の方向に並ぶ複数のセル領域に分割するように前記第１の方向と異なる第２の方向へ延在する隔壁と、
   前記隔壁の壁面に、前記複数のセル領域の各々において互いに対向して配置された第１および第２の電極と、
   前記第２の基板の、前記第１の基板と対向する内面に設けられた第３の電極と、
   前記第１の基板の内面に立設し、前記複数のセル領域の各々を前記第２の方向に並ぶ複数のサブセル領域に分割する突起部と、
   前記第１の基板と前記第３の電極との間に封入され、互いに異なる屈折率を有する極性液体および無極性液体と
   を備え、
   前記第１および第２の電極が、前記隔壁の一端から他端に至るまで連続して延在している
   光学素子。
2. 前記第１の基板の内面に、前記隔壁の一端同士および前記隔壁の他端同士をそれぞれ繋ぐことにより前記隔壁と共に前記複数のセル領域を取り囲むように設けられ、かつ、接着層を介して前記第２の基板を支持する側壁を備え、
   前記第１の基板の内面を基準として、前記側壁の高さが前記隔壁の高さよりも低くなっている
   請求項１記載の光学素子。
3. 前記突起部は、前記隔壁と連結されており、
   前記第１の基板の内面を基準として、前記突起部の高さが前記隔壁の高さよりも低くなっている
   請求項１記載の光学素子。
4. 前記隔壁は、前記第１の方向の幅が前記第１の基板から遠ざかるほど徐々に狭くなるように傾斜した壁面を有している
   請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の光学素子。
5. 前記突起部は、前記隔壁ならびに前記第１および第２の電極と離間して配置されている請求項１記載の光学素子。
6. 前記突起部は、前記第１の基板から遠ざかるほど前記隔壁から離れるように傾斜した端面を有している
   請求項５記載の光学素子。
7. 前記側壁は、前記第１の基板の外縁と反対側において傾斜した端面を有する
   請求項２記載の光学素子。
8. 前記突起部および隔壁は、前記第２の基板および前記第３の電極と離間して配置されている
   請求項２記載の光学素子。
9. 表示手段と、光学素子とを備え、
   前記光学素子は、
   対向配置された第１および第２の基板と、
   前記第１の基板の、前記第２の基板と対向する内面に立設し、この第１の基板上の領域を第１の方向に並ぶ複数のセル領域に分割するように前記第１の方向と異なる第２の方向へ延在する隔壁と、
   前記隔壁の壁面に、前記複数のセル領域の各々において互いに対向して配置された第１および第２の電極と、
   前記第１および第２の電極を覆う絶縁膜と、
   前記第２の基板の、前記第１の基板と対向する内面に設けられた第３の電極と、
   前記第１の基板の内面に立設し、前記複数のセル領域の各々を前記第２の方向に並ぶ複数のサブセル領域に分割する突起部と、
   前記第１の基板と前記第３の電極との間に封入され、互いに異なる屈折率を有する極性液体および無極性液体と
   を備え、
   前記第１および第２の電極が、前記隔壁の一端から他端に至るまで連続して延在している
   立体表示装置。
10. 前記光学素子は、前記表示手段からの表示画像光を前記第１の方向に偏向する機能を有するものである
    請求項９記載の立体表示装置。
11. 前記光学素子は、前記表示手段からの表示画像光における波面の曲率を変換する波面変換手段としても機能するものである
    請求項１０記載の立体表示装置。

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