JP5591847B2 - 液晶光学素子及び立体画像表示装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、液晶光学素子及び立体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素子が知られている。また、この液晶光学素子と、画像表示部と、を組み合わせた立体画像表示装置がある。

立体画像表示装置では、液晶光学素子の屈折率の分布を変化させることで、画像表示部に表示された画像をそのまま観察者の眼に入射させる状態と、画像表示部に表示された画像を複数の視差画像として観察者の眼に入射させる状態と、を切り替える。これにより、高精細な二次元画素表示動作と、複数の視差画像による裸眼での立体視の三次元画像表示動作と、を実現する。立体画像表示装置に用いられる液晶光学素子において、良好な光学特性を実現することが望まれる。

特開２０１０−２２４１９１号公報

本発明の実施形態は、良好な光学特性を有する液晶光学素子及び立体画像表示装置を提供する。

本発明の実施形態によれば、第１基板部と、第２基板部と、液晶層と、複数のスペーサと、を備えた液晶光学素子が提供される。前記第１基板部は、第１基板と、複数の第１電極と、を含む。前記第１基板は、第１主面を有する。前記複数の第１電極は、前記第１主面上に設けられ、第１方向に沿って延び、前記第１方向に対して垂直な第２方向に並べられる。前記第２基板部は、第２基板と、対向電極と、を含む。前記第２基板は、前記第１主面と対向する第２主面を有する。前記対向電極は、前記第２主面上に設けられ、前記複数の第１電極のそれぞれと対向する。前記液晶層は、前記第１基板部と前記第２基板部との間に設けられる。前記複数のスペーサは、前記第１基板部と前記第２基板部との間において前記液晶層に接し前記第１基板部と前記第２基板部との間の距離を規定する。前記スペーサの径は、前記複数の第１電極のそれぞれの前記第２方向の幅よりも大きい。前記複数のスペーサのそれぞれは、前記複数の第１電極のそれぞれと前記対向電極との間に配置される。前記複数の第１電極のそれぞれの前記第２方向の両端は、前記複数のスペーサのいずれかと重なる。

図１（ａ）及び図１（ｂ）は、第１の実施形態に係る立体画像表示装置の構成を例示する模式図である。 図２（ａ）及び図２（ｂ）は、第１の実施形態に係る立体画像表示装置の一部の構成を例示する模式的断面図である。 図３（ａ）〜図３（ｄ）は、第１の実施形態に係る立体画像表示装置の特性を例示する模式図である。 図４（ａ）及び図４（ｂ）は、第２の実施形態に係る立体画像表示装置の構成を例示する模式図である。

以下に、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の実施の形態）
図１（ａ）及び図１（ｂ）は、第１の実施形態に係る立体画像表示装置の構成を例示する模式図である。
図１（ａ）は、立体画像表示装置２１０の構成を例示する模式的断面図である。図１（ｂ）は、立体画像表示装置２１０の一部の構成を例示する模式的平面図である。
図１（ａ）に表したように、立体画像表示装置２１０は、液晶光学素子１１０と、画像表示部１２０と、駆動部１３０と、を備える。
画像表示部１２０は、画像を表示するための表示面１２０ａを有している。表示面１２０ａは、例えば、矩形状である。

液晶光学素子１１０は、表示面１２０ａの上に設けられる。液晶光学素子１１０は、例えば、表示面１２０ａを覆う。液晶光学素子１１０は、例えば、液晶ＧＲＩＮレンズ（Gradient Index lens）として機能する。液晶光学素子１１０の屈折率の分布は、変化可能である。屈折率の分布の１つの状態は、表示面１２０ａに表示された画像をそのまま観察者の眼に入射させる第１状態に対応する。屈折率分布の別の状態は、画像表示部１２０に表示された画像を複数の視差画像として観察者の眼に入射させる第２状態に対応する。

立体画像表示装置２１０においては、液晶光学素子１１０の屈折率の分布を変化させることにより、二次元の画像の表示（以下、２Ｄ表示と称す）と、裸眼で立体視を行うことができる三次元の画像の表示（以下、３Ｄ表示と称す）と、の選択的な切り替えが可能である。

駆動部１３０は、液晶光学素子１１０に電気的に接続される。この例では、駆動部１３０は、画像表示部１２０にさらに電気的に接続される。駆動部１３０は、液晶光学素子１１０及び画像表示部１２０の動作を制御する。駆動部１３０は、例えば、液晶光学素子１１０の第１状態と第２状態との切り替えを行う。駆動部１３０には、記録媒体や外部入力などにより、映像信号が入力される。駆動部１３０は、入力された映像信号に基づいて画像表示部１２０の動作を制御する。これにより、入力された映像信号に応じた画像が、表示面１２０ａに表示される。駆動部１３０は、画像表示部１２０に含めてもよい。また、駆動部１３０は、例えば、液晶光学素子１１０に含めてもよい。例えば、駆動部１３０のうちの、液晶光学素子１１０の駆動に関する部分のみを、液晶光学素子１１０に含めてもよい。

駆動部１３０は、２Ｄ表示を行う場合、液晶光学素子１１０を第１状態にし、２Ｄ表示用の画像を画像表示部１２０に表示させる。一方、駆動部１３０は、３Ｄ表示を行う場合、液晶光学素子１１０を第２状態にし、３Ｄ表示用の画像を画像表示部１２０に表示させる。

液晶光学素子１１０は、第１基板部１１ｕと、第２基板部１２ｕと、液晶層３０と、複数のスペーサ４０と、を含む。第１基板部１１ｕは、第１基板１１と、第１電極２１と、を含む。第２基板部１２ｕは、第２基板１２と、対向電極１２ｃと、を含む。

第１基板１１は、第１主面１１ａを有する。第２基板１２は、第１主面１１ａと対向する第２主面１２ａを有する。第１主面１１ａは、第２主面１２ａと実質的に平行である。第１電極２１は、第１主面１１ａ上に複数設けられる。複数の第１電極２１は、それぞれ第１方向に沿って延び、第１方向に対して垂直な第２方向に間隔を空けて配置される。複数の第１電極２１どうしの間隔は、例えば一定である。

第１主面１１ａ及び第２主面１２ａに対して垂直な方向をＺ軸方向とする。Ｚ軸方向に対して垂直な１つの方向をＸ軸方向とする。そして、Ｚ軸方向及びＸ軸方向のそれぞれに対して垂直な方向をＹ軸方向とする。この例では、Ｙ軸方向を第１方向とする。Ｘ軸方向を第２方向とする。但し、実施形態において、Ｚ軸方向に対して垂直な任意の方向でよく、第１方向は、第１主面１１ａに沿う任意の方向でよい。

この例では、矩形状の表示面１２０ａの互いに垂直な２辺のうちの、一方の辺がＸ軸方向と平行であり、他方の辺がＹ軸方向と平行である。表示面１２０ａの辺の向きは、これに限ることなく、Ｚ軸方向に対して垂直な任意の方向でよい。

第２基板部１２ｕは、第１基板部１１ｕと対向する。第２基板１２の第２主面１２ａは、第１主面１１ａと対向する。対向電極１２ｃは、第２主面１２ａ上に設けられる。対向電極１２ｃは、複数の第１電極２１のそれぞれと対向する。対向電極１２ｃは、第１電極２１よりも大きく、Ｚ軸方向に見たときに、第１電極２１を覆う。

複数の第１電極２１及び対向電極１２ｃは、図示を省略した配線によって駆動部１３０と電気的に接続される。複数の第１電極２１及び対向電極１２ｃへの電圧の印加（電位の設定）は、駆動部１３０によって制御される。液晶光学素子１１０の第１状態と第２状態との切り替えは、複数の第１電極２１及び対向電極１２ｃへの電圧の印加によって行われる。

液晶層３０は、第１基板部１１ｕと第２基板部１２ｕとの間に設けられる。液晶層３０は、複数の液晶分子３５を含む液晶材料３６を有する。液晶材料３６は、液晶性の媒質である。液晶層３０には、例えば、ネマティック液晶が用いられる。液晶層３０の誘電異方性は、正または負である。以下では、液晶層３０として、正の誘電異方性を有するネマティック液晶を用いる場合について説明する。

第１基板部１１ｕは、第１配向膜３１を、さらに含む。第１配向膜３１は、第１基板１１と液晶層３０との間に設けられる。第１配向膜３１は、複数の第１電極２１と液晶層３０との間にも設けられる。すなわち、第１配向膜３１は、第１主面１１ａと複数の第１電極２１とを覆うように、第１基板１１の上に設けられる。第１配向膜３１には、Ｘ軸方向の一方からＸ軸方向の他方に向かう配向処理が施されている。第１配向膜３１の配向処理の方向ＡＤ１は、例えば、図示の状態において左から右に向かう方向（＋Ｘ方向）である。

第２基板部１２ｓは、第２配向膜３２を、さらに含む。第２配向膜３２は、第２基板１２と液晶層３０との間に設けられる。第２配向膜３２は、対向電極１２ｃと液晶層３０との間に設けられる。第２配向膜３２は、対向電極１２ｃを覆うように、第２基板１２の第２主面１２ａ上に設けられる。第２配向膜３２には、Ｘ軸方向の前記他方からＸ軸方向の前記一方に向かう配向処理が施されている。第２配向膜３２の配向処理の方向ＡＤ２は、例えば、図示の状態において右から左に向かう方向（−Ｘ方向）である。すなわち、第１配向膜３１の配向処理の方向ＡＤ１と、第２配向膜３２の配向処理の方向ＡＤ２とは、非平行である。

第１配向膜３１及び第２配向膜３２は、上記の配向処理により、液晶分子３５を水平配向させる。この際、液晶分子３５は、配向処理の方向にともなう所定のプレチルト角を有する。また、第１配向膜３１及び第２配向膜３２は、液晶分子３５のダイレクタ（長軸）をＸ軸方向に向ける。これにより、液晶材料３６は、複数の第１電極２１と対向電極１２ｃとに電圧が印加されていない状態（図１に表す状態）において、水平配向を呈する。

ここで、水平配向は、例えば、Ｚ軸方向に対して垂直な方向を０°としたとき、液晶分子３５の長軸が、０°以上３０°以下の範囲にある状態を含む。すなわち、水平配向におけるプレチルト角は、例えば、０°以上３０°以下である。なお、液晶層３０は、垂直配向でもよいし、ハイブリッド配向（ＨＡＮ配向）でもよい。

第１基板１１、第２基板１２、第１電極２１及び対向電極１２ｃには、例えば、透明な材料が用いられる。画像表示部１２０に表示された画像を含む光は、これらを透過する。

第１基板１１及び第２基板１２には、例えば、ガラス、または、樹脂などが用いられる。第１電極２１及び対向電極１２ｃは、例えば、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｚｎ及びＴｉよりなる群から選択された少なくともいずれかの元素を含む酸化物を含む。第１電極２１及び対向電極１２ｃには、例えばＩＴＯが用いられる。第１電極２１及び対向電極１２ｃは、例えば、Ｉｎ_２Ｏ_３及びＳｎＯ_３の少なくともいずれかでもよい。第１電極２１及び対向電極１２ｃは、例えば、薄い金属層でもよい。

第１配向膜３１及び第２配向膜３２には、例えば、ポリイミドなどの樹脂が用いられる。第１配向膜３１及び第２配向膜３２の膜厚は、例えば、２００ｎｍ（例えば１００ｎｍ以上３００ｎｍ以下）である。

複数のスペーサ４０は、第１基板部１１ｕと第２基板部１２ｕとの間に設けられる。複数のスペーサ４０は、第１基板部１１ｕと第２基板部１２ｕとの間において液晶層３０に接し、第１基板部１１ｕと第２基板部１２ｕとの間の距離を規定する。複数のスペーサ４０は、例えば、粒状である。複数のスペーサ４０は、例えば、球状または回転楕円球状である。複数のスペーサ４０の形状は、任意である。

スペーサ４０は、核部４１と、核部４１の表面に設けられた表面層４２と、を含む。核部４１には、例えば、アクリル系やスチレン系などの樹脂材料、または、シリカなどの無機材料などが用いられる。表面層４２は、例えば、炭素数が３以上の直鎖アルキル基、及び、炭素数が３以上の直鎖アルコキシ基の少なくともいずれかを含む。表面層４２は、例えば、長鎖アルキルシランを含む。表面層４２は、例えば、弗素を含む官能基を含んでもよい。スペーサ４０は、例えば、光透過性を有する。スペーサ４０は、例えば、透明である。

スペーサ４０の表面４０ａ（表面層４２）の表面エネルギーは、例えば、核部４１の表面４１ａの表面エネルギーよりも小さい。スペーサ４０の表面４０ａの表面エネルギーは、例えば、液晶材料３６の表面エネルギーよりも小さい。スペーサ４０は、スペーサ４０の表面４０ａにおいて、液晶層３０の液晶分子３５を垂直配向させる。すなわち、スペーサ４０は、配向性スペーサである。

複数のスペーサ４０のそれぞれは、少なくとも複数の第１電極２１と対向電極１２ｃとの間に設けられる。複数のスペーサ４０は、第１主面１１ａのうちの第１電極２１の設けられていない部分と、対向電極１２ｃと、の間に設けられていてもよい。複数のスペーサ４０は、例えば、乾式または湿式の散布法によって第１基板部１１ｕと第２基板部１２ｕとの間に分散させる。複数のスペーサ４０は、例えば、ディスペンサなどを用いることにより、第１基板部１１ｕと第２基板部１２ｕとの間の所望の位置（例えば、第１電極２１の上）に配置させてもよい。

図１（ｂ）に表したように、複数のスペーサ４０のそれぞれの径Ｄ１は、複数の第１電極２１のそれぞれのＸ軸方向の幅Ｗ１よりも大きい。例えば、スペーサ４０が球状である場合、径Ｄ１は、スペーサ４０の直径である。例えば、スペーサ４０が回転楕円球状である場合、径Ｄ１は、スペーサ４０の短径である。複数のスペーサ４０の径の平均を径Ｄ１とする。第１電極２１の幅Ｗ１は、例えば、スペーサ４０の最も狭い部分の幅よりも狭い。第１電極２１の幅Ｗ１は、例えば、２０μｍ（例えば１０μｍ以上３０μｍ以下）である。スペーサ４０の径Ｄ１は、例えば、３０μｍ（例えば、２０μｍ以上４０μｍ以下）である。すなわち、第１基板部１１ｕと第２基板部１２ｕとの間の距離は、例えば、３０μｍである。

画像表示部１２０は、二次元マトリクス状に配列された複数の画素群５０を有する。表示面１２０ａは、これら複数の画素群５０によって形成される。第１電極２１のＹ軸方向の長さは、表示面１２０ａのＹ軸方向の長さよりも僅かに長い。これにより、第１電極２１は、Ｙ軸方向において表示面１２０ａを横断する。画素群５０は、例えば、第１画素ＰＸ１と、第２画素ＰＸ２と、第３画素ＰＸ３と、を含む。以下では、第１画素ＰＸ１〜第３画素ＰＸ３をまとめる場合に、画素ＰＸと称す。画素群５０は、最近接の２つの第１電極２１の間の領域ＡＲ１と対向して配置される。画素群５０に含まれる第１画素ＰＸ１〜第３画素ＰＸ３は、Ｘ軸方向に並べられる。画素群５０に含まれる複数の画素ＰＸは、３つに限ることなく、２つでもよいし、４つ以上でもよい。

画像表示部１２０は、例えば、表示面１２０ａに表示する画像を含む光を出射する。この光は実質的にＺ軸方向に進行する直線偏光状態にある。この直線偏光の偏光軸（電場の振動面のＸ−Ｙ平面における方位軸）は、Ｘ軸方向である。すなわち、この直線偏光の偏光軸は、液晶分子のダイレクタ（長軸）と平行な方向である。この直線偏光は、例えば、Ｘ軸方向を偏光軸とする光学フィルタ（偏光子）を光路上に配置することで形成される。

液晶層３０に含まれる複数の液晶分子のそれぞれは、複数の第１電極２１と対向電極１２ｃとに電圧が印加されていない場合、水平配向となる。これにより、Ｘ軸方向及びＹ軸方向において、ほぼ均一な屈折率分布を示す。このため、電圧が印加されていない場合は、画像表示部１２０に表示された画像を含む光の進行方向を実質的に変化させない。液晶光学素子１１０は、電圧が印加されていない場合に、第１状態となる。

駆動部１３０は、液晶光学素子１１０を第１状態から第２状態に切り替える場合、例えば、複数の第１電極２１と対向電極１２ｃとの間に、電圧を印加する。駆動部１３０は、例えば、複数の第１電極２１の電圧の絶対値（実効値）を、対向電極１２ｃの電圧の絶対値（実効値）よりも相対的に高くする。駆動部１３０は、例えば、対向電極１２ｃを接地する。このように、駆動部１３０は、第１電極２１に、対向電極１２ｃと異なる電圧を印加する。

図２（ａ）及び図２（ｂ）は、第１の実施形態に係る立体画像表示装置の一部の構成を例示する模式的断面図である。
図２（ａ）に表したように、複数の第１電極２１及び対向電極１２ｃのそれぞれに上記のように電圧を印加すると、第１電極２１から対向電極１２ｃに向かう電気力線ＥＬが発生する。電気力線ＥＬは、例えば、第１電極２１を中心とした左右対称分布となる。

図２（ｂ）は、液晶層３０における液晶分子３５の配向をモデル的に例示している。図２（ｂ）に表したように、液晶層３０の誘電率異方性が正の場合、電気力線ＥＬの密集域（すなわち強電場域）における液晶分子３５の配向は、電気力線ＥＬの経路に沿って変形する。液晶層３０のうちの、第１電極２１と対向電極１２ｃとが対向している第１部分３０ａでは、液晶分子３５のチルト角が大きくなる。一方、液晶層３０のうちの、隣り合う２つの第１電極２１の中央付近の第２部分３０ｂでは、液晶分子３５は、水平配向のままである。そして、第１部分３０ａと第２部分３０ｂとの間の部分では、第２部分３０ｂから第１部分３０ａに向かって徐々に垂直配向に近づくように、液晶分子３５の角度（チルト角）が変化する。液晶分子３５は、電気力線ＥＬに沿い、Ｚ−Ｘ平面において、液晶分子３５の長軸の角度を変化させる。液晶分子３５の長軸の角度は、Ｙ軸を回転軸として変化する。

液晶分子３５は、複屈折性を有している。液晶分子３５の長軸方向の偏光に対する屈折率は、液晶分子３５の短軸方向の屈折率よりも高い。上記のように液晶分子３５の角度を変化させると、Ｚ軸方向に進行しＸ軸方向に偏光軸の向いた直線偏光に関する液晶層３０の屈折率は、液晶層３０のうちの第２部分３０ｂにおいて高く、第１部分３０ａに向かって徐々に低くなる。これにより、凸レンズ状の屈折率分布が形成される。

複数の第１電極２１は、Ｙ軸方向に沿って延びている。このため、電圧印加時の液晶層３０の屈折率分布は、Ｙ軸方向に沿って延びるシリンドリカルレンズ状である。また、複数の第１電極２１は、Ｘ軸方向に沿って並べられている。このため、電圧印加時の液晶層３０の屈折率分布は、液晶層３０全体で見たときに、Ｙ軸方向に沿って延びるシリンドリカルレンズがＸ軸方向に複数並べられたレンチキュラーレンズ状である。

画像表示部１２０の画素群５０は、隣り合う２つの第１電極２１の間の領域ＡＲ１と対向して配置される。液晶層３０に形成された凸レンズ状の屈折率分布は、画素群５０と対向する。この例では、液晶層３０の屈折率分布のうちの屈折率が高い部分（第２部分３０ｂ）は、画素群５０の中央に配置された第２画素ＰＸ２と対向する。

電圧印加時の液晶層３０の屈折率分布は、画素群５０から出射された光（画像）を、観察者の眼に向けて進行させる。これにより、表示面１２０ａ内に含まれる複数の第１画素ＰＸ１によって形成される画像が、第１の視差画像となる。複数の第２画素ＰＸ２によって形成される画像が、第２の視差画像となる。そして、複数の第３画素ＰＸ３によって形成される画像が、第３の視差画像となる。右眼用の視差画像は、観察者の右眼に選択的に入射し、左眼用の視差画像は、観察者の左眼に選択的に入射する。これにより、３Ｄ表示が可能となる。すなわち、液晶光学素子１１０は、複数の第１電極２１及び対向電極１２ｃに電圧が印加されている場合に、第２状態となる。

液晶光学素子１１０が第１状態である場合、画素群５０から出射された光は直進し、観察者の眼に入射する。これにより、２Ｄ表示が可能となる。２Ｄ表示では、３Ｄ表示に対して視差数倍（この例では３倍）の解像度で、通常の２Ｄの画像を表示できる。

複数の画素ＰＸには、各々ＲＧＢ三原色を含むカラーフィルタを設けることができる。これにより、カラー表示が可能となる。カラーフィルタには、ＲＧＢ三原色の他に、白（無色）や他の色要素をさらに含めてもよい。

このように、立体画像表示装置２１０の液晶光学素子１１０においては、複数の第１電極２１及び対向電極１２ｃに電圧を印加するか否かによって液晶層３０の屈折率分布を変化させることにより、２Ｄ表示と３Ｄ表示とを切り替える。

液晶光学素子１１０において、第１状態から第２状態への切り替えの際に、第１電極２１上において、水平配向から垂直配向に近づくように、液晶のダイレクタの方向が変化する。このとき、リバースチルト（液晶のチルト方向の逆転）、及び、ツイスト（液晶のダイレクタのＸ−Ｙ平面内における回転）の少なくともいずれかが発生し、ディスクリネーションが発生する。これが、液晶光学素子１１０の光学特性を劣化させる。

図３（ａ）〜図３（ｄ）は、第１の実施形態に係る立体画像表示装置の特性を例示する模式図である。
図３（ａ）〜図３（ｄ）は、第２状態において第１電極２１の部分に発生するディスクリネーションの領域ＤＲを模式的に表している。
図３（ａ）は、第１の実施形態に係る第１電極２１及びスペーサ４０の構成において、第２状態に切り替えた直後の領域ＤＲを模式的に表している。
図３（ｂ）は、第１の実施形態に係る第１電極２１及びスペーサ４０の構成において、第２状態への切り替えから所定時間経過した後の領域ＤＲを模式的に表している。
図３（ｃ）は、第１電極２１のＸ軸方向に沿う幅がスペーサ４０の径よりも広い参考例の構成において、第２状態に切り替えた直後の領域ＤＲを模式的に表している。
図３（ｄ）は、上記参考例において、第２状態への切り替えから所定時間経過した後の領域ＤＲを模式的に表している。

図３（ａ）〜図３（ｄ）に表したように、ディスクリネーションは、例えば、第１電極２１上に発生する。このディスクリネーションを、直交する２枚の偏光板で挟んだクロスニコル下で観察した図が、図３（ａ）〜（ｄ）である。クロスニコル下では、ディスクリネーションのＸ軸方向の側部の領域ＤＲが光抜けした状態で観察される。ディスクリネーションは、第１電極２１に沿って発生する。このディスクリネーションは、異なる配向状態の境界に、それら異なる配向状態のバランスで成立しているため、不安定な状態となっている。そして、何らかのきっかけが存在すると、時間の経過とともに帯状の第１電極２１に沿ってディスクリネーションが変化し、より複雑な配向状態に容易に変化する。このため、第２状態への切り替えから時間が経過すると、例えば、Ｙ軸方向に並ぶ複数のディスクリネーションが、より複雑な配向状態に変化してつながる。この変化したディスクリネーションの影響は、変化前よりも大きい。例えば、ディスクリネーションのＸ軸方向の幅が広がる。また、その複雑な配向のため、入射した光を散乱させる効果が大きくなり、レンズとしての性能を著しく損なってしまう。

そして、このＹ軸方向へのディスクリネーションの変化は、第１電極２１の幅がスペーサ４０の径よりも広い場合には、スペーサ４０を起点として発生する。しかし、図３（ａ）及び図３（ｂ）に表したように、第１電極２１の幅がスペーサ４０の径よりも狭い場合には、Ｙ軸方向へのディスクリネーションの変化が、スペーサ４０を起点として発生することがない。更には、隣り合う２つのスペーサ４０の間にディスクリネーションが何らかの要因で発生した場合でも、スペーサ４０を超えて、その領域にディスクリネーションが広がることがない。

図３（ｃ）及び図３（ｄ）に表したように、第１電極２１の幅がスペーサ４０の径よりも広い場合には、ディスクリネーションの領域がスペーサ４０の径よりも大きくなるため、Ｘ軸方向におけるスペーサ４０とディスクリネーションの間の領域を起点として、ディスクリネーションの変化が発生する。また、Ｙ軸方向へのディスクリネーションの広がりが、スペーサ４０を超えてしまう。このため、隣り合う２つのスペーサ４０の間にディスクリネーションが発生しなかった場合でも、スペーサ４０を超えて、その領域にディスクリネーションが広がってしまう。

また、第１電極２１の幅がスペーサ４０の径よりも広い場合、スペーサ４０の周囲において、時間の経過とともにディスクリネーションの領域が広がってしまう。例えば、スペーサ４０からＹ軸方向に沿ってディスクリネーションが伝搬する。これは、本願発明者によって見出された新たな技術的課題である。

立体画像表示装置２１０において、ディスクリネーションの発生は、視差画像の混視（クロストーク）の要因となり、観察者の立体視の妨げとなるが、特に、ディスクリネーションが変化すると、配向状態が複雑になって入射光の散乱が大きくなり、より著しい妨げとなる。また、光透過性の第１電極２１を用いる立体画像表示装置２１０においては、金属電極を用いる液晶表示装置などに比べて、ディスクリネーションの影響が、顕著に表れる。

本願発明者は、第１電極２１及びスペーサ４０の形状について検討を行い、第１電極２１のＸ軸方向の幅をスペーサ４０の径よりも狭くする構成において、時間の経過にともなうディスクリネーションの広がりを抑えられることを見出した。立体画像表示装置２１０においては、スペーサ４０を超えるディスクリネーションの広がりが抑えられる。また、立体画像表示装置２１０においては、スペーサ４０の周囲におけるディスクリネーションの広がりも抑えられる。これにより、立体画像表示装置２１０では、良好な光学特性が得られる。例えば、立体画像表示装置２１０では、見易さが向上する。また、立体画像表示装置２１０においては、スペーサ４０に配向性を持たせている。これにより、特に第１電極の幅をスペーサ４０の径より小さくする構成と組合せて、スペーサ４０の周囲におけるディスクリネーションの変化の広がりを、より適切に抑えることができる。

（第２の実施の形態）
図４（ａ）及び図４（ｂ）は、第２の実施形態に係る立体画像表示装置の構成を例示する模式図である。
図４（ａ）は、立体画像表示装置２１２の模式的断面図であり、図４（ｂ）は、立体画像表示装置２１２の一部の構成を例示する模式的平面図である。
図４（ａ）及び図４（ｂ）に表したように、この例の立体画像表示装置２１２において、液晶光学素子１１２の第１基板部１１ｕは、複数の電極対２５を、さらに含む。複数の電極対２５は、第１主面１１ａ上において、複数の第１電極２１どうしの間のそれぞれに設けられる。複数の電極対２５は、第２方向（Ｘ軸方向）に並ぶ。なお、図４（ａ）では、便宜的にスペーサ４０の図示を省略している。

複数の電極対２５のそれぞれは、第２電極２２と、第３電極２３と、を含む。第２電極２２は、Ｙ軸方向（第１方向）に延びる。第３電極２３は、Ｙ軸方向に延びる。液晶光学素子１１２において、第２電極２２と第３電極２３との間に、絶縁層４６が設けられる。絶縁層４６は、第１基板１１と第１電極２１との間にも設けられる。絶縁層４６は、例えば、第３電極２３と第１主面１１ａとを覆うように、第１基板１１の上に設けられる。複数の第１電極２１と複数の第２電極２２とは、絶縁層４６の上に設けられる。複数の電極対２５どうしにおいて、絶縁層４６は連続していても良い。この例では、第１電極２１と第１基板１１との間に、絶縁層４６が延在している。

図４においては、複数の第１電極２１のうちの２つが図示されている。複数の第１電極２１の数は任意である。

複数の第１電極２１のうちの最近接の２つの第１電極２１に着目する。最近接の第１電極２１の間には、中心軸４９がある。中心軸４９は、最近接の２つの第１電極２１のそれぞれのＸ軸方向における中心を結ぶ線分の中点を通る。中心軸４９は、Ｙ軸方向に対して平行である。

最近接の２つの第１電極２１のうちの一方の電極２１ｐに着目する。この電極２１ｐの位置２９は、第１電極２１のＸ軸方向における中心の位置である。

第１主面１１ａのうちで、中心軸４９と、最近接の２つの第１電極２１のうちの一方の電極２１ｐと、の間の領域を第１領域Ｒ１とする。第１主面１１ａのうちで、中心軸４９と、最近接の２つの第１電極２１のうちの他方の電極２１ｑと、の間の領域を第２領域Ｒ２とする。中心軸４９から電極２１ｐに向かう方向を、＋Ｘ方向とする。なお、中心軸４９から電極２１ｑに向かう方向は、−Ｘ方向に相当する。

この例では、第１領域Ｒ１において、１つの電極対２５が設けられている。第２領域Ｒ２にも、１つの電極対２５が設けられている。Ｘ−Ｙ平面に射影したときに、複数の電極対２５どうしは、互いに離間している。電極対２５どうしの間には、電極が設けられていない領域が存在する。なお、実施形態において、電極対２５どうしの間に、別の電極をさらに設けても良い。

１つの電極対２５において、第２電極２２は、第１方向と第２方向とに対して平行な平面（Ｘ−Ｙ平面）に射影したときに第３電極２３と重なる第１重畳部分２２ｐと、重ならない第１非重畳部分２２ｑと、を有する。その１つの電極対２５において、第３電極２３は、Ｘ−Ｙ平面に射影したときに第２電極２２と重なる第２重畳部分２３ｐと、重ならない第２非重畳部分２３ｑと、を有する。

液晶光学素子１１２においては、第１領域Ｒ１に含まれる電極対２５において、第１重畳部分２２ｐが第２重畳部分２３ｐと液晶層３０との間に配置されている。そして、第２電極２２の位置は、第３電極２３の位置に対してＸ軸方向にシフトしている。具体的には、１つの電極対２５において、第２非重畳部分２３ｑと中心軸４９との距離は、第１非重畳部分２２ｑと中心軸４９との距離よりも長い。すなわち、１つの電極対２５において、第２電極２２は、第３電極２３よりも中心軸４９に近い。

第２領域Ｒ２における電極対２５の配置は、中心軸４９を対称軸とした実質的な線対称の配置とされている。ただし、厳密な線対称でなくても良い。例えば、液晶層３０の配列の分布（例えばプレチルト角など）に基づいて、微小な非対称性が導入されても良い。

液晶光学素子１１２を第１状態から第２状態に切り替える場合には、駆動部１３０は、例えば、第１電極２１と対向電極１２ｃとの間に第１電圧を印加し、第２電極２２と対向電極１２ｃとの間に第２電圧を印加し、第３電極２３と対向電極１２ｃとの間に第３電圧を印加する。ここで、電極どうしの電位差を零にする場合も、便宜的に電圧（０ボルトの電圧）を印加すると表現することにする。第１電圧の絶対値は、第２電圧の絶対値よりも大きい。第１電圧の絶対値は、第３電圧の絶対値よりも大きい。第２電圧の絶対値は、第３電圧の絶対値よりも大きい。これらの電圧が交流である場合は、第１電圧の実効値は、第２電圧の実効値よりも大きい。第１電圧の実効値は、第３電圧の実効値よりも大きい。第２電圧の実効値は、第３電圧の実効値よりも大きい。例えば、第１電圧の実効値は、第３電圧の実効値よりも大きく設定する。

上記のように電圧を印加すると、液晶層３０のうちの、第１電極２１と対向電極１２ｃとが対向している部分では、水平配向となっていた液晶分子３５が、垂直配向に近くなる。液晶層３０のうちの、隣接する２つの第１電極２１の中央付近の部分では、液晶分子３５は、水平配向のままである。液晶層３０のうちの、対向電極１２ｃと第２電極２２とが対向している部分では、水平配向となっていた液晶分子３５が、垂直配向に近くなる。液晶層３０のうちの、対向電極１２ｃと第３電極２３の第２非重畳部分２３ｑとが対向している部分では、液晶分子３５は、水平配向のままである。

第１電極２１と第３電極２３との間の部分では、第１電極２１から第３電極２３に向かって屈折率が徐々に高くなる。第２非重畳部分２３ｑと第１重畳部分２２ｐとの境界の近傍では、第３電極２３から第２電極２２に向かって屈折率が急激に低下する。そして、第２電極２２と中心軸４９との間の部分では、第２電極２２から中心軸４９に向かって屈折率が徐々に高くなる。従って、上記のように電圧を印加すると、対向電極１２ｃと電極対２５とが対向する部分に屈折率の段差を持つフレネルレンズ状の屈折率分布が、液晶層３０に現れる。

フレネルレンズ状の屈折率分布を液晶層３０に形成する液晶光学素子１１２では、液晶光学素子１１０に比べて、液晶層３０の厚みを薄くすることができる。第１状態と第２状態との間の切り替えにおける液晶層３０の応答速度を向上させることができる。

図４（ｂ）に表したように、複数の第１電極２１のそれぞれのＸ軸方向の幅Ｗ１は、複数のスペーサ４０のそれぞれの径Ｄ１よりも狭い。複数の第１電極２１のそれぞれのＸ軸方向の幅Ｗ１は、複数の第２電極２２のそれぞれのＸ軸方向の幅Ｗ２よりも狭い。複数の第１電極２１のそれぞれのＸ軸方向の幅Ｗ１は、複数の第３電極２３のそれぞれのＸ軸方向の幅Ｗ３よりも狭い。第２電極２２の幅Ｗ２及び第３電極２３の幅Ｗ３は、スペーサ４０の径Ｄ１より狭くてもよいし、広くてもよい。

液晶光学素子１１２において、大きな絶対値（大きな実効値）が印加される第１電極２１の幅Ｗ１が、スペーサ４０の径Ｄ１より狭い。これにより、時間の経過にともなうディスクリネーションの広がりが抑えられる。液晶光学素子１１２において、第１電極２１の幅Ｗ１が、第２電極２２の幅Ｗ２及び第３電極２３の幅Ｗ３よりも狭い。これにより、液晶層３０に形成されるフレネルレンズ状の屈折率分布のレンズ端において、レンズ端付近の屈折率分布の変化を急峻にすることができる。従って、液晶光学素子１１２においても、良好な光学特性が得られる。

なお、第２電極２２は、第１電極２１の一部としてもよい。すなわち、第１電極２１の少なくともいずれかは、第１方向と第２方向とに対して平行な平面に射影したときに第３電極２３と重なる第１重畳部分と重ならない第１非重畳部分とを有し、第３電極２３は、前記平面に射影したときに第１電極２１と重なる第２重畳部分と重ならない第２非重畳部分とを有する。

実施形態によれば、良好な光学特性を有する液晶光学素子及び立体画像表示装置が提供される。

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は良い。

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、本発明の実施形態は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、液晶光学素子及び立体画像表示装置に含まれる、第１基板部、第２基板部、液晶層、スペーサ、第１基板、第１電極、第２基板、対向電極、核部、表面層、第２電極、及び、画像表示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液晶光学素子及び立体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液晶光学素子及び立体画像表示装置も、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。

１１…第１基板、 １１ａ…第１主面、 １１ｕ…第１基板部、 １２…第２基板、 １２ａ…第２主面、 １２ｕ…第２基板部、 ２１…第１電極、 ２１ｐ、２１ｑ…電極、 １２ｃ…対向電極、 ２３…第３電極、 ２３ｐ…第１重畳部分、 ２３ｑ…第１非重畳部分、 ２４…第４電極、 ２４ｐ…第２重畳部分、 ２４ｑ…第２非重畳部分、 ２５…電極対、 ３０…液晶層、 ３０ａ…第１部分、 ３０ｂ…第２部分、 ３１…第１配向膜、 ３２…第２配向膜、 ３５…液晶分子、 ３６…液晶材料、 ４０…スペーサ、 ４０ａ…表面、 ４１…核部、 ４１ａ…表面、 ４２…表面層、 ４６…絶縁層、 ４９…中心軸、 ５０…画素群、 １１０、１１２…液晶光学素子、 １２０…画像表示部、 １２０ａ…表示面、 １３０…駆動部、 ２１０、２１２…立体画像表示装置、 ＡＤ１、ＡＤ２…方向、 ＡＲ１…領域、 ＤＲ…領域、 Ｄ１…径、 ＥＬ…電気力線、 ＰＸ、ＰＸ１、ＰＸ２、ＰＸ３…画素、 Ｒ１、Ｒ２…領域、 Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３…幅

Claims (7)

1. 第１主面を有する第１基板と、
   前記第１主面上に設けられ、第１方向に沿って延び、前記第１方向に対して垂直な第２方向に並べられた複数の第１電極と、
   を含む第１基板部と、
   前記第１主面と対向する第２主面を有する第２基板と、
   前記第２主面上に設けられ、前記複数の第１電極のそれぞれと対向する対向電極と、
   を含む第２基板部と、
   前記第１基板部と前記第２基板部との間に設けられた液晶層と、
   前記第１基板部と前記第２基板部との間において前記液晶層に接し前記第１基板部と前記第２基板部との間の距離を規定し、前記第１電極の前記第２方向の幅よりも大きい径を有する複数のスペーサと、
   を備え、
   前記複数のスペーサのそれぞれは、前記複数の第１電極のそれぞれと前記対向電極との間に配置され、
   前記複数の第１電極のそれぞれの前記第２方向の両端は、前記複数のスペーサのいずれかと重なる液晶光学素子。
2. 前記スペーサの表面は、前記液晶層の液晶を垂直配向させる請求項１記載の液晶光学素子。
3. 前記スペーサは、
   核部と、
   前記核部の表面に設けられ、炭素数が３以上の直鎖アルキル基、及び、炭素数が３以上の直鎖アルコキシ基の少なくともいずれかを含む表面層と、
   を含む請求項１または２記載の液晶光学素子。
4. 前記スペーサは、
   核部と、
   前記核部の表面に設けられ弗素を含む官能基を含む表面層と、
   を含む請求項１または２記載の液晶光学素子。
5. 前記第１基板部は、前記複数の第１電極のそれぞれの間に設けられた複数の第２電極を、さらに含み、
   前記複数の第１電極のそれぞれの前記第２方向の幅は、前記複数の第２電極のそれぞれの前記第２方向の幅よりも狭い請求項１〜４のいずれか１つに記載の液晶光学素子。
6. 前記複数の第１電極と前記対向電極との間に印加される第１電圧の実効値は、前記複数の第２電極と前記対向電極との間に印加される第２電圧の実効値よりも大きい請求項５記載の液晶光学素子。
7. 請求項１〜６のいずれか１つに記載の液晶光学素子と、
   前記液晶光学素子と積層され、画像を表示する表示面を有する画像表示部と、
   を備えた立体画像表示装置。

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