JP5599420B2 - 液晶フレネルレンズ素子及び画像表示装置 - Google Patents

液晶フレネルレンズ素子及び画像表示装置 Download PDF

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Description

本発明の実施形態は、液晶フレネルレンズ素子及び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。
この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、二次元表示動作と三次元画像表示動作とを実現する。フレネルゾーンプレートの光学原理を利用して光の経路を変更する技術も知られている。このような表示装置において高い表示品位が求められている。
特開２０１１−１９７６４０号公報
本発明の実施形態は、高品位の表示を提供する液晶フレネルレンズ素子及び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、を含む液晶フレネルレンズ素子が提供される。前記第１基板部は、第１主面を有する第１基板と、複数の第１電極と、複数の第２電極と、を含む。前記第１電極は、前記第１主面上に設けられ第１方向に延び前記第１方向と直交する第２方向に並ぶ。前記複数の第２電極のそれぞれは、前記第１主面上において前記第１方向に延びる。前記第２電極は、前記第１方向と前記第２方向とを含む平面に投影したときに、最近接の２つの前記第１電極のそれぞれの第２方向における中心を結ぶ線分の中点を通り前記第１方向に対して平行な中心軸と、前記最近接の２つの前記第１電極のうちの一方の電極と、の間の第１領域に配置される。前記第２基板部は、前記第１主面と対向する第２主面を有する第２基板と、第１対向電極と、第２対向電極と、を含む。前記第１対向電極は、前記第２主面上に設けられ前記第１電極と対向し前記第１方向に延びる。前記第２対向電極は、前記第２主面上に設けられ前記第１対向電極と離間し前記第１方向に延び、前記平面に投影したときに前記中心軸と重なる。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。前記平面に投影したときに、前記第１領域における前記第１対向電極と前記第２対向電極との間の第１離間領域の前記第２方向に沿った中心と前記中心軸との間の前記第２方向に沿った距離は、前記第１領域における前記第２電極の前記第２方向に沿った中心と前記中心軸との間の前記第２方向に沿った距離よりも長い。
第１の実施形態に係る液晶光学素子を示す模式的断面図である。 第１の実施形態に係る液晶光学素子を示す模式図である。 図３（ａ）及び図３（ｂ）は、第１の実施形態に係る液晶光学素子の特性を示す模式図である。 第１の実施形態に係る液晶光学素子の特性を示す模式図である。 第１の実施形態に係る別の液晶光学素子を示す模式的断面図である。 第１の実施形態に係る別の液晶光学素子を示す模式的断面図である。 第１の実施形態に係る別の液晶光学素子を示す模式的断面図である。 第１の実施形態に係る別の液晶光学素子を示す模式的断面図である。 第２の実施形態に係る液晶光学素子を示す模式的断面図である。 第２の実施形態に係る別の液晶光学素子を示す模式的断面図である。 第２の実施形態に係る別の液晶光学素子を示す模式的断面図である。 第２の実施形態に係る別の液晶光学素子を示す模式的断面図である。
以下に、本発明の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の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る液晶光学素子の構成を例示する模式的断面図である。
図１に表したように、本実施形態に係る液晶光学素子１１１は、第１基板部１０ｕと、第２基板部２０ｕと、液晶層３０と、を含む。液晶層３０は、第１基板部１０ｕと第２基板部２０ｕとの間に設けられる。
第１基板部１０ｕは、第１基板１０と、複数の第１電極１１と、複数の第２電極１２と、を含む。第１基板１０は、第１主面１０ａを有する。複数の第１電極１１は、第１主面１０ａ上に設けられる。複数の第１電極１１のそれぞれは、第１方向に延びる。複数の第１電極１１は、第２方向に沿って並ぶ。第２方向は第１方向と直交する。
第１方向をＹ軸方向とする。第２方向をＸ軸方向とする。Ｘ軸方向とＹ軸方向とに対して垂直な方向をＺ軸方向とする。
図１においては、複数の第１電極１１のうちの２つが図示されている。複数の第１電極１１の数は任意である。
複数の第１電極１１のうちの最近接の２つの第１電極１１に着目する。最近接の第１電極１１の間には、中心軸５９がある。中心軸５９は、最近接の２つの第１電極１１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５９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１１のうちの一方を電極１１ｐとする。電極１１ｐの位置１９ｐは、電極１１ｐのＸ軸方向における中心の位置である。最近接の２つの第１電極１１のうちの他方を電極１１ｑとする。電極１１ｑの位置１９ｑは、電極１１ｑのＸ軸方向における中心の位置である。
第１主面１０ａのうちで、中心軸５９と、最近接の２つの第１電極１１のうちの一方の電極１１ｐの位置１９ｐと、の間の領域を第１領域Ｒ１とする。第１主面１０ａのうちで、中心軸５９と、最近接の２つの第１電極１１のうちの他方の電極１１ｑの位置１９ｑと、の間の領域を第２領域Ｒ２とする。中心軸５９から電極１１ｐに向かう方向を、＋Ｘ方向とする。中心軸５９から電極１１ｑに向かう方向は、−Ｘ方向に相当する。
電極１１ｐの位置１９ｐと電極１１ｑの位置１９ｑとの間のＸ軸方向に沿った距離ｐ１１は、電極１１ｐの位置１９ｐと中心軸５９との間のＸ軸方向に沿った距離ｄ１１の２倍である。
複数の第２電極１２のそれぞれは、第１主面１０ａ上において、第１方向（Ｙ軸方向）に延びる。第２電極１２は、Ｘ−Ｙ平面（Ｙ軸方向とＸ軸方向とを含む平面）に投影したときに、第１領域Ｒ１に配置される。
第１基板部１０ｕは、第１主面１０ａ上の第２領域Ｒ２に設けられた電極１２Ｒをさらに含む。第２領域Ｒ２における第１基板部１０ｕの構成は、第１領域Ｒ１における第１基板部１０ｕの構成と、実質的に、中心軸５９を対称軸とする線対称である。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。以下では、第１領域Ｒ１の構成及び特性に関して説明するが、第２領域Ｒ２の構成及び特性も同様である。
第２基板部２０ｕは、第２基板２０と、第１対向電極２１と、第２対向電極２２と、を含む。第２基板２０は、第１主面１０ａと対向する第２主面２０ａを有する。第１対向電極２１は、第２主面２０ａ上に設けられる。第１対向電極２１は、第１電極１１と対向し、Ｙ軸方向に延びる。第２対向電極２２は、第２主面２０ａ上に設けられる。第２対向電極２２は、第１対向電極２１と離間しつつ、Ｙ軸方向に延びる。第１対向電極２１と第２対向電極２２との間の領域（間隙）を第１離間領域２２ｓとする。第２対向電極２２は、Ｘ−Ｙ平面に投影したときに中心軸５９と重なる。第１離間領域２２ｓ（間隙）は、Ｙ軸方向に沿って延在する。
本明細書において、対向している状態は、直接向かい合う状態の他に、間に他の要素が挿入されて向かい合う状態も含む。
Ｘ−Ｙ平面に投影したときに、第１領域Ｒ１における、上記の第１離間領域２２ｓのＸ軸方向に沿った中心２２ｓＣと、中心軸５９と、の間のＸ軸方向に沿った距離を距離ｄ２２とする。Ｘ−Ｙ平面に投影したときに、第１領域Ｒ１における第２電極１２のＸ軸方向に沿った中心１２Ｃと、中心軸５９と、の間のＸ軸方向に沿った距離を距離ｄ１２とする。本実施形態においては、距離ｄ２２は、距離ｄ１２よりも長い。
第２基板部２０ｕに設けられる電極の第１離間領域２２ｓは、第１基板部１０ｕに設けられる第２電極１２とペアを形成する。１つのペアにおいて、第１離間領域２２ｓのＸ軸方向に沿った位置は、第２電極１２のＸ軸方向に沿った位置に対してシフトしている。すなわち、Ｘ軸方向において、電極の配置に非対称性が導入される。これにより、後述するように、液晶層３０中に形成される電界分布に非対称性が形成でき、液晶光学素子１１１における屈折率分布特性が向上する。これにより、高品位の表示を提供する液晶光学素子が提供できる。
第１基板１０、第１電極１１、第２電極１２、第２基板２０、第１対向電極２１及び第２対向電極２２は、光に対して透過性である。具体的には透明である。
第１基板１０及び第２基板２０には、例えば、ガラスまたは樹脂などの透明材料が用いられる。第１基板１０及び第２基板２０は、板状またはシート状である。第１基板１０及び第２基板２０の厚さは、例えば、５０マイクロメートル（μｍ）以上、２０００μｍ以下である。ただし、厚さは任意である。
第１電極１１、第２電極１２、第１対向電極２１及び第２対向電極２２は、例えば、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｚｎ及びＴｉよりなる群から選ばれた少なくとも１つ（１種）の元素を含む酸化物を含む。これらの電極には、例えばＩＴＯが用いられる。例えば、Ｉｎ２Ｏ３及びＳｎＯ３の少なくともいずれかを用いても良い。これらの電極の厚さは、例えば約２００ナノメートル（ｎｍ）（例えば１００ｎｍ以上３５０ｎｍ以下）である。電極の厚さは、例えば、可視光に対して高い透過率が得られる厚さに設定される。
第１電極１１の配設ピッチ（最近接の第１電極１１どうしのそれぞれのＸ軸方向の中心の間の距離ｐ１１）は、例えば、１０μｍ以上１０００μｍ以下である。配設ピッチは、所望な仕様（後述する屈折率分布型レンズの特性）に適合するように設定される。
第１電極１１のＸ軸方向に沿う長さ（幅）は、例えば、５μｍ以上３００μｍ以下である。
第２電極１２のＸ軸方向に沿う長さ（幅ｗ１２）は、例えば、５μｍ以上３００μｍ以下である。
第１対向電極２１と第２対向電極２２との間の第１離間領域２２ｓのＸ軸方向に沿う長さ（幅ｗ２２）は、例えば、５μｍ以上３００μｍ以下である。
液晶層３０は、液晶材料を含む。液晶材料には、ネマティック液晶（液晶光学素子１１１の使用温度においてネマティック相）が用いられる。液晶材料は、正の誘電異方性または負の誘電異方性を有する。正の誘電異方性の場合、液晶層３０における液晶の初期配列（液晶層３０に電圧を印加しないときの配列）は、例えば、実質的に水平配向である。負の誘電異方性の場合、液晶層３０における液晶の初期配列は、実質的に垂直配向である。
本明細書においては、水平配向においては、液晶のダイレクタ（液晶分子の長軸）とＸ−Ｙ平面との角度（プレチルト角）は、０°以上３０°以下である。垂直配向においては、例えば、プレチルト角は、６０°以上９０°以下である。初期配列、及び、電圧印加時の配列の少なくともいずれかにおいて、液晶のダイレクタは、Ｘ軸方向に対して平行な成分を有する。
以下では、液晶層３０に含まれる液晶の誘電異方性は正であり、初期配列が実質的に水平配向である場合について説明する。
実質的な水平配向の場合、初期配列において、Ｘ−Ｙ平面に投影したとき、ダイレクタは、Ｘ軸方向に対して実質的に平行である。例えば、Ｘ−Ｙ平面に投影したとき、ダイレクタとＸ軸方向との角度（の絶対値）は、１５度以下である。液晶層３０の第１基板部１０ｕの近傍での配向方向は、液晶層３０の第２基板部２０ｕの近傍での配向方向に対して反平行である。すなわち、初期配向は、スプレイ配列ではない。
第１基板部１０ｕは、配向膜（図示しない）をさらに含んでも良い。第１基板部１０ｕの配向膜と、第１基板１０と、の間に、第１電極１１及び第２電極１２が配置される。第２基板部２０ｕは、配向膜（図示しない）をさらに含んでも良い。第２基板部２０ｕの配向膜と、第２基板２０との間に、第１対向電極２１及び第２対向電極２２が配置される。これらの配向膜には例えばポリイミドが用いられる。配向膜に例えばラビング処理を行うことで、液晶層３０の初期配列が得られる。第１基板部１０ｕのラビング処理の方向は、第２基板部２０ｕのラビング方向に対して反平行である。配向膜に光照射処理を行うことで、初期配向を得ても良い。
第１電極１１と第１対向電極２１との間、及び、第２電極１２と第２対向電極２２との間に電圧を印加することで、液晶層３０における液晶配向が変化する。この変化に伴って液晶層３０に屈折率分布が形成され、この屈折率分布により、液晶光学素子１１１に入射する光の進行方向を変化させる。この光の進行方向の変化は、主に屈折効果に基づく。
図２は、第１の実施形態に係る液晶光学素子の構成を例示する模式図である。
図２は、液晶光学素子１１１の使用状態の例も示している。液晶光学素子１１１は、画像表示部８０と共に用いられる。実施形態に係る画像表示装置２１１は、実施形態に係る任意の液晶光学素子（この例では液晶光学素子１１１）と、画像表示部８０と、を含む。画像表示部８０には、任意の表示装置を用いることができる。例えば、液晶表示装置、有機ＥＬ表示装置またはプラズマディスプレイなどを用いることができる。
画像表示部８０は、表示部８１を含む。表示部８１は、液晶光学素子１１１と積層される。表示部８１は、画像情報を含む光を液晶層３０に入射させる。画像表示部８０は、表示部８１を駆動する表示駆動部８２をさらに含むことができる。表示駆動部８２から表示部８１に供給される信号に基づいて、表示部８１は、信号に基づいて変調された光を生成する。表示部８１は、例えば、複数の視差画像を含む光を出射する。液晶光学素子１１１は後述するように、光路を変更する動作状態と、光路を実質的に変更しない動作状態と、を有する。光路を変更する動作状態の液晶光学素子１１１に光が入射することで、画像表示装置２１１は、例えば、三次元表示を提供する。また、例えば、光路を実質的に変更しない動作状態において、画像表示装置２１１は、例えば、二次元画像表示を提供する。
図２に表したように、液晶光学素子１１１は、駆動部７２をさらに含むことができる。駆動部７２は、表示駆動部８２と有線または無線の方法（電気的方法または光学的方法など）により、接続されても良い。また、画像表示装置２１１は、駆動部７２と表示駆動部８２とを制御する制御部（図示しない）をさらに含んでも良い。
駆動部７２は、第１電極１１、第２電極１２、第１対向電極２１及び第２対向電極２２と電気的に接続される。
駆動部７２は、第１電極１１と第１対向電極２１との間に第１電圧を印加し、第２電極１２と第２対向電極２２との間に第２電圧を印加する。
本明細書においては、２つの電極の間の電位を同じにする（零ボルトにする）状態も、便宜的に、電圧を印加する状態に含まれるものとする。
第１電圧及び第２電圧は、直流電圧でも交流電圧でも良い。第１電圧及び第２電圧の極性は、例えば周期的に変化しても良い。例えば、第１対向電極２１の電位を固定し、第１電極１１の電位を交流で変化させても良い。また、第１対向電極２１の電位の極性を周期的に変化させ、この極性の変化に連動して、第１電極１１の電位を逆極性で変化させても良い。すなわち、コモン反転駆動を行っても良い。これにより、駆動回路の電源電圧を小さくでき、駆動ＩＣの耐圧仕様が緩和される。
液晶層３０のプレチルト角が比較的小さい（例えば１０度以下）場合は、液晶層３０の液晶配向の変化に関する閾値電圧Ｖｔｈが比較的明確である。この場合、例えば、第１電圧及び第２電圧は、閾値電圧Ｖｔｈよりも大きく設定される。電圧の印加により、液晶層３０の液晶配向が変化し、それに基づいて、屈折率分布が形成される。屈折率分布は、電極の配置と、電極に印加する電圧と、によって定まる。
以下、液晶層３０における屈折率分布をモデル的に説明する。
図３（ａ）及び図３（ｂ）は、第１の実施形態に係る液晶光学素子の特性を例示する模式図である。
図３（ａ）は、液晶光学素子１１１の構成と共に屈折率分布３１をモデル的に示している。図３（ｂ）は、液晶光学素子１１１における屈折率分布３１の例を示している。
例えば、第１電極１１の電位をＶＥ電位に設定し、第１対向電極２１の電位をＧＮＤ電位（接地電位）に設定する。第１電極１１と第１対向電極２１との間には、ＧＮＤ−ＶＥの電位差の第１電圧が印加される。この領域においては、Ｚ軸方向の成分を有する電界が印加される。
例えば、第２電極１２の電位をＶＦ電位に設定し、第２対向電極２２の電位をＧＮＤ電位に設定する。第２電極１２と第２対向電極２２との間には、ＧＮＤ−ＶＦの電位差の第２電圧が印加される。この領域においては、Ｚ軸方向の成分を有する電界が印加される。第１電極１１の電位（ＶＥ電位）は、第２電極１２の電位（電位ＶＦ）とは異なる電位でも良く、同じ電位でも良い。また、第１対向電極２１の電位は、第２対向電極２２の電位と同じでも良く、異なっても良い。
第１電圧及び第２電圧が印加される領域の液晶層３０では、液晶のチルト角が大きい配向（例えば垂直配向）が形成される。この領域の実効的な屈折率は、常光に対する屈折率（ｎｏ）となる。
一方、例えば、第１電極１１と第２電極１２との間の領域、及び、第２電極１２と電極１２Ｒとの間の領域においては、初期配列（例えば水平配向）が形成される。Ｘ軸方向に振動する光に対するこの領域の屈折率は、異常光に対する屈折率（ｎｅ）となる。これにより、液晶層３０において屈折率分布３１が形成される。
屈折率分布３１においては、例えば、屈折率の変化（屈折率差３１ｄ）は、異常光に対する屈折率と、常光に対する屈折率と、の差の２０％以上８０％以下程度である。
例えば、液晶層３０のうちで、第１電極１１の中央部に対向する部分の近傍、及び、第２電極１２の中央部に対向する部分の近傍において、屈折率は極小となる。液晶層３０のうちで、中心軸５９近傍、及び、第１離間領域２２ｓの近傍において屈折率は極大となる。
図３（ａ）に表したように、屈折率分布３１は、例えば、フレネルレンズにおけるレンズの厚さの分布に対応する形状を有する。液晶光学素子１１１は、屈折率が面内で変化する液晶ＧＲＩＮレンズ（Gradient Index lens）として機能する。
形成される屈折率分布３１において、中心軸５９の位置は、レンズ中心の位置に対応し、電極１１ｐ及び電極１１ｑの位置は、レンズ端の位置に対応する。
図３（ｂ）は、上記の電圧を印加したときの、液晶光学素子１１１の屈折率分布３１をモデル的に示している。図３（ａ）の横軸は、Ｘ軸であり、縦軸は、屈折率ｎ（実効的な屈折率）である。
図３（ｂ）に表したように、液晶配向の連続性により、実際の屈折率分布３１は、図３（ａ）に例示した特性における屈折率の変化率を低くした、滑らかな曲線状の特性となる。
図３（ｂ）に表したように、液晶光学素子１１１においては、第２電極１２と第１離間領域２２ｓのペアが、屈折率の極小点３２と極大点３３とを形成する。すなわち、第１領域Ｒ１における液晶層３０における屈折率分布３１においては、屈折率は、中心軸５９で高く、＋Ｘ方向に沿って減少し、第２電極１２の近傍で極小となる。そして、屈折率は、第２電極１２と第１離間領域２２ｓのペアの位置の近傍で上昇し、第１離間領域２２ｓの近傍で極大となる。そして、第１離間領域２２ｓから第１電極１１に向けて屈折率は減少する。
液晶光学素子１１１は、複数の曲面を組み合わせたフレネルレンズの特性を有する。これにより、同じ光学特性を得るためのレンズの厚さを薄くできることに対応する。液晶光学素子１１１においては、液晶層３０の厚さを薄くでき、液晶材料の使用量が削減できる。また、液晶層３０の応答速度が向上する。
液晶光学素子１１１においては、第２電極１２と第１離間領域２２ｓのペアが、屈折率の極小点３２と極大点３３とを形成する。これにより、屈折率の極小点３２から極大点３３への変化を急峻にできる。そして、中心軸５９と第２電極１２との間の領域、及び、第１離間領域２２ｓと第１電極１１との間の領域においては、屈折率の変化（屈折率の減少）は緩やかにできる。すなわち、実施形態においては、＋Ｘ方向に沿った屈折率上昇率は、＋Ｘ方向に沿った屈折率減少率よりも高い。この屈折率分布は、例えば、フレネルレンズ状のレンズの厚さの分布に対応し、良好な光学特性を得ることができる。
例えば、第２基板部２０ｕにおいて、電極の間に第１離間領域２２ｓを形成しない参考例においては、第２電極１２の近傍において、Ｘ軸方向に沿った電気力線は、Ｘ軸方向に沿って実質的に左右対称の形状となる。このため、第２電極１２の近傍において、＋Ｘ方向に沿った屈折率上昇率は、＋Ｘ方向に沿った屈折率減少率と実質的に同じになる。このため、屈折率が上昇する部分においては、特に斜め光に対して、意図していない方向に光が導かれる。すなわち、迷光を生じさせる。このため、例えば、クロストークが発生し、表示品位は低い。
これに対して、実施形態に係る液晶光学素子１１１においては、第２基板部２０ｕにおける電極に第１離間領域２２ｓを設ける。そして、第１基板部１０ｕの第２電極１２と、第２基板部２０ｕの第１離間領域２２ｓと、が１つのペアとなり、非対称な電界分布（電気力線の分布）を形成できる。これにより、＋Ｘ方向に沿った屈折率上昇率を、＋Ｘ方向に沿った屈折率減少率よりも高くできる。屈折率の極小点３２から極大点３３への変化を急峻にできる。このため、迷光が抑制できる。そして、＋Ｘ方向に沿った屈折率の変化（減少）は緩やかにでき、良好なレンズ効果が得られる。
実施形態に係る液晶光学素子１１１によれば、高品位の表示を提供する液晶光学素子を提供できる。
図３（ａ）において、第１電極１１の電位を第２電極１２の電位とは異なる電位に設定すると、第２電極１２の周辺に左右非対称（第２電極１２のＸ軸方向に沿った中心を通りＹ軸方向に対して平行な線に対して非対称）な電界が発生する。第２電極１２の一方の端（例えばレンズ端側）の領域においては、液晶分子のチルト角が急激に大きくなる。この領域におけるチルト方向は、初期配向と同じチルト方向である。この領域においては、液晶層３０の屈折率が急激に下がり、フレネル型の屈折率の段差が生じる。一方、第２電極１２の他方の端（レンズ中心側の端）の領域においては、液晶分子のチルト角の変化は緩やかである。この領域におけるチルト方向は初期配向とは異なる方向であるが、液晶分子のチルト角の変化が緩やかであるため、この部分において、配向乱れ（例えば、リバースチルトやツイスト）の発生は抑制される。
図４は、第１の実施形態に係る液晶光学素子の特性を例示する模式図である。
図４は、液晶光学素子１１１の電圧印加時に液晶層３０に発生する電界の特性、及び、電圧印加時の液晶層３０の屈折率の特性の、シミュレーション結果の一例である。図４において、破線は、等電位曲線３０ｅである。実線は、屈折率分布３１の曲線である。
図４に表したように、例えば、第１電極１１と第１対向電極２１との間の電界はＸ軸方向に沿ってレンズ中心に向かうほど小さくなる。このため、第１電極１１から第２電極１２に近づくほど初期配列（例えば水平配向）に近い配向が形成される。この領域の屈折率は、Ｘ軸方向に振動する光に対して、異常光に対する屈折率（ｎｅ）となる。一方、第２電極１２の上においては、第２電極１２と第２対向電極２２との間の電界により、屈折率が低下する。これにより、フレネル型の屈折率分布が形成される。第１対向電極２１と第２対向電極２２との間に、電極が設けられていない領域（第１離間領域２２ｓ）がある。これにより、第１離間領域２２ｓの部分に、非対称なレンズ形状の屈折率分布を形成することができる。
一方、第２電極１２の電位（ＶＦ電位）を第１電極１１の電位（ＶＥ電位）と同じに設定し、第２対向電極２２の電位を第１対向電極２１の電位と同じ電位（例えばＧＮＤ電位）に設定しても良い。第２電極１２と第２対向電極２２との間には、ＧＮＤ−ＶＥの電位差の第１電圧が印加される。この領域においては、Ｚ軸方向の成分を有する電界が印加される。この場合も、第１電圧及び第２電圧が印加される領域の液晶層３０では、液晶のチルト角が大きい配向（例えば垂直配向）が形成される。第１電極１１と第２電極１２との間の領域、及び、第２電極１２と電極１２Ｒとの間の領域においては、初期配列（例えば水平配向）が形成される。これにより、液晶層３０において屈折率分布３１が形成される。
例えば、液晶層３０のうちで、第１電極１１の中央部に対向する部分の近傍、及び、第２電極１２の中央部に対向する部分の近傍において、屈折率は極小となる。液晶層３０のうちで、中心軸５９近傍、及び、第１離間領域２２ｓの近傍において屈折率は極大となる。
図１に例示したように、この例では、Ｘ−Ｙ平面に投影したときに、第１離間領域２２ｓは、第２電極１２と重ならない。すなわち、第２電極１２は、第１離間領域２２ｓと、Ｚ軸方向沿って対向しない。これにより、屈折率の上昇率をより高めることができる。ただし、実施形態はこれに限らず、後述するように、第１離間領域２２ｓの一部が第２電極１２に対向しても良い。
液晶光学素子１１１において、例えば、第２電極１２のＸ軸方向に沿った幅ｗ１２は、第１離間領域２２ｓのＸ軸方向に沿った幅ｗ２２よりも狭い。これにより、良好な屈折率分布が得易くなる。
また、図３（ａ）において、第１電極１１の電位をＶＥ電位に設定し、第１対向電極２１の電位をＧＮＤ電位に設定し、第２電極１２の電位をＧＮＤ電位に設定し、第２対向電極２２の電位をＶＦ電位に設定しても良い。このとき、ＶＦ電位は、ＶＥ電位と同じでも良く異なっても良い。
なお、本明細書において、ＧＮＤ電位は、例えば接地電位である。ＧＮＤ電位は、接地電位でなくても良く、任意の電位である、また、コモン反転駆動を行う場合には、ＧＮＤ電位は、例えば、０ボルトと所定の電圧（例えば５ボルトなど）とを周期的に変化しても良い。また、ＶＥ電位及びＶＦ電位は、ＧＮＤ電位とは異なる電位であり、ＶＥ電位及びＶＦ電位のＧＮＤ電位に対する極性は任意である。
さらに、第１電極１１の電位をＧＮＤ電位に設定し、第１対向電極２１の電位をＶＥ電位に設定し、第２電極１２の電位をＧＮＤ電位に設定し、第２対向電極２２の電位をＶＦ電位に設定しても良い。このとき、ＶＦ電位は、ＶＥ電位と同じでも良く異なっても良い。
このように、実施形態においては、第１電極１１と第１対向電極２１との間に第１の電位差が形成され、第２電極１２と第２対向電極２２との間に第２の電位差が形成される。第１の電位差の極性及び絶対値は、第２の電位差の極性及び絶対値と異なっても良い。
上記の電位の設定（駆動）において、相対的な極性を時間的に変化させるコモン反転駆動を行っても良い。
実施形態において、例えば、最近接の２つの第１電極１１のうちの上記の一方の電極１１ｐと中心軸５９との間のＸ軸方向に沿った距離ｄ１１と、第１離間領域２２ｓのＸ軸方向に沿った中心２２ｓＣと中心軸５９との間のＸ軸方向に沿った距離ｄ２２との差の絶対値（図１に例示した距離ｄ１１ｅ）は、距離ｄ１１の１／２よりも小さい。すなわち、Ｘ−Ｙ平面に投影したときに、第１離間領域２２ｓの中心２２ｓＣの位置は、中心軸５９から遠く、電極１１ｐに近い。これにより、形成される屈折率分布において、レンズ端に近い位置に、フレネルレンズの副レンズが形成される。これにより、良好なレンズ効果が得易くなる。
例えば、上記の距離ｄ１１ｅは、液晶層３０の厚さ（Ｚ軸方向に沿った液晶層３０の厚さ）以下である。これにより、良好か屈折率分布を得やすくなる。
ただし、上記は、液晶光学素子１１１の構成の例であり、実施形態はこれに限定されない。電極に印加する電圧を制御することで、種々の特性の屈折率分布３１を調整できるため、これに合わせて、電極の位置や寸法を設定できる。
後述するように、第１領域Ｒ１において、第２電極１２と第１離間領域２２ｓとの組み合わせが複数設けられる場合は、上記の関係が適用されないことが多い。
既に説明したように、画像表示装置２１１において、第１対向電極２１の電位は、第２対向電極２２の電位と同じでも良く、異なる電位でも良い。第１電極１１の電位は、第２電極１２の電位と同じ電位でも良く、異なる電位でも良い。同じ電位に設定すると、例えば、第１電極１１のリード配線が第２電極１２のリード配線と交差する部分に設けられる絶縁層が省略できる。このため、例えば、電極と駆動部７２との電気的な接続が容易になる。例えば、構成が簡略になり、歩留まりを向上させることができる。例えば、液晶光学素子を低コスト化できる。
図５は、第１の実施形態に係る別の液晶光学素子の構成を例示する模式的断面図である。
図５に表したように、本実施形態に係る液晶光学素子１１１ａにおいては、第１離間領域２２ｓの一部が、第２電極１２に対向している。これ以外は、液晶光学素子１１１と同様とすることができるので説明を省略する。
実施形態に係る液晶光学素子１１１ａにおいても、液晶光学素子１１１と同様に、高品位の表示を提供する液晶光学素子を提供できる。
図６は、第１の実施形態に係る別の液晶光学素子の構成を例示する模式的断面図である。
図６に表したように、本実施形態に係る液晶光学素子１１１ｂにおいては、第１基板部１０ｕは、中心部電極１１ｃをさらに含む。中心部電極１１ｃは、第１主面１０ａ上においてＹ軸方向に延びる。中心部電極１１ｃは、Ｘ−Ｙ平面に投影したときに中心軸５９に重なり、第２電極１２と離間する。中心部電極１１ｃには、例えば、第１電極１１などと同じ材料を用いることができる。これ以外は、液晶光学素子１１１と同様とすることができるので説明を省略する。
液晶光学素子１１１ｂにおいては、例えば、第１電極１１の電位をＧＮＤ電位に設定し、第１対向電極２１の電位をＶＥ電位に設定する。第２電極１２の電位をＶＥ電位に設定し、第２対向電極２２の電位をＧＮＤ電位に設定する。そして、中心部電極１１ｃの電位をＧＮＤ電位に設定する。これにより、レンズ中心に対応する領域において、液晶層３０に印加される電圧が零ボルトとなり、初期の液晶配列（例えば水平配列）が維持される。これにより、例えば、第１電極１１、第２電極１２、第１対向電極２１及び第２対向電極２２に印加する電圧の設計範囲が拡大し、その結果、良好な屈折率分布３１がより得易くなる。この場合もコモン反転駆動を適用しても良い。
液晶光学素子１１１、１１１ａ及び１１１ｂにおいて、電極に印加する電圧は任意である。例えば、第１電極１１の電位は、第２対向電極２２の電位と異なっても良い。第２電極１２の電位は、第１対向電極２１の電位と異なっても良い。
図７は、第１の実施形態に係る別の液晶光学素子の構成を例示する模式的断面図である。
図７に表したように、本実施形態に係る液晶光学素子１１２においては、第１基板部１０ｕは、第３電極１３をさらに含み、第２基板部２０ｕは、第３対向電極２３をさらに含む。これ以外は、液晶光学素子１１１と同様なので説明を省略する。
第３電極１３は、第１主面１０ａ上において第２電極１２と、最近接の２つの第１電極１１のうちの上記一方の電極１１ｐと、の間に設けられる。第３電極１３は、第１電極１１及び第２電極１２と離間している。第３電極１３は、Ｙ軸方向に延びる。第１基板部１０ｕにおいて、第２領域Ｒ２には電極１３Ｒがさらに設けられる。
第３対向電極２３は、第２主面２０ａ上において第１対向電極２１と第２対向電極２２との間に設けられる。第３対向電極２３は、第１対向電極２１と第２対向電極２２と離間している。第３対向電極２３は、Ｙ軸方向に延びる。第２基板部２０ｕにおいて、第２領域Ｒ２には電極１３Ｒがさらに設けられる。
第３電極１３には、例えば、第１電極１１などと同じ材料を用いることができる。第３対向電極２３には、例えば、第１電極１１などと同じ材料を用いることができる。
Ｘ−Ｙ平面に投影したときに、第１領域Ｒ１における第１対向電極２１と第３対向電極２３との間の第２離間領域２３ｓのＸ軸方向に沿った中心２３ｓＣと、中心軸５９と、の間のＸ軸方向に沿った距離ｄ２３は、第１領域Ｒ１における第３電極１３のＸ軸方向に沿った中心１３Ｃと、中心軸５９と、の間のＸ軸方向に沿った距離ｄ１３よりも長い。
この例では、第２基板部２０ｕに設けられる電極の第２離間領域２３ｓは、第１基板部１０ｕに設けられる第３電極１３とペアを形成する。１つのペアにおいて、第２離間領域２３ｓのＸ軸方向に沿った位置は、第３電極１３のＸ軸方向に沿った位置に対してシフトしている。すなわち、Ｘ軸方向において、電極の配置に非対称性が導入される。これにより、屈折率分布特性が向上する。
この例では、第２基板部２０ｕに設けられる電極の第１離間領域２２ｓは、第１対向電極２１と第２対向電極２２との間の領域である。この場合も、Ｘ−Ｙ平面に投影したときに、第１領域Ｒ１における第１対向電極２１と第２対向電極２２との間の第１離間領域２２ｓのＸ軸方向に沿った中心２２ｓＣと、中心軸５９と、の間のＸ軸方向に沿った距離ｄ２２は、第１領域Ｒ１における第２電極１２のＸ軸方向に沿った中心１２Ｃと、中心軸５９と、の間のＸ軸方向に沿った距離ｄ１２よりも長い。
第１離間領域２２ｓの中に、第３対向電極２３と第２離間領域２３ｓが設けられていることに相当する。
この例では、第２基板部２０ｕに設けられる第２対向電極２２と第３対向電極２３との間の領域が、第１基板部１０ｕに設けられる第２電極１２とペアを形成する。
例えば、第１電極１１の電位をＶＥ電位に設定し、第１対向電極２１の電位をＧＮＤ電位（接地電位）に設定する。第１電極１１と第１対向電極２１との間には、ＧＮＤ−ＶＥの電位差の第１電圧が印加される。この領域においては、Ｚ軸方向の成分を有する電界が印加される。
例えば、第３電極１３の電位をＶＦ電位に設定し、第３対向電極２３の電位をＧＮＤ電位に設定する。第３電極１３と第３対向電極２３との間には、ＧＮＤ−ＶＦの電位差の第２電圧が印加される。この領域においては、Ｚ軸方向の成分を有する電界が印加される。図７において、第１電極１１の電位を第３電極１３の電位とは異なる電位に設定すると、第３電極１３の周辺に左右非対称（第３電極１３のＸ軸方向に沿った中心を通りＹ軸方向に対して平行な線に対して非対称）な電界が発生する。第３電極１３の一方の端（例えばレンズ端側）の領域においては、液晶分子のチルト角が急激に大きくなる。この領域におけるチルト方向は、初期配向と同じチルト方向である。この領域においては、液晶層３０の屈折率が急激に下がり、フレネル型の屈折率の段差が生じる。一方、第３電極１３の他方の端（レンズ中心側の端）の領域においては、液晶分子のチルト角の変化は緩やかである。この領域におけるチルト方向は、初期配向とは異なる方向であるが、液晶分子のチルト角の変化が緩やかであるため、この部分において、配向乱れ（例えば、リバースチルトやツイスト）の発生は抑制される。
第１対向電極２１と第３対向電極２３との間に、電極が設けられていない領域（第２離間領域２３ｓ）がある。これにより、第２離間領域２３ｓの部分に、非対称なレンズ形状の屈折率分布を形成することができる。例えば、第２離間領域２３ｓの部分において、フレネル型の屈折率の段差を急峻にすることができる。
図７において、例えば、第２電極１２の電位をＶＦ電位に設定し、第２対向電極２２の電位をＧＮＤ電位に設定する。第２電極１２と第２対向電極２２との間には、ＧＮＤ−ＶＦの電位差の第２電圧が印加される。この領域においては、Ｚ軸方向の成分を有する電界が印加される。第２電極１２及び第３電極１３に設定するＶＦ電位は、第１電極１１に設定するＶＥ電位よりも低くする。これにより、第２電極１２と中心軸５９との間の領域において、液晶分子のチルト角の変化が緩やかになる。これにより、この部分における配向乱れの発生が抑制される。この例において、第２電極１２の電極幅は、第３電極１３の電極幅より狭くてもよい。
第１電圧及び第２電圧が印加される領域の液晶層３０では、液晶のチルト角が大きい配向（例えば垂直配向）が形成される。この領域の実効的な屈折率は、常光に対する屈折率（ｎｏ）となる。
一方、例えば、第１電極１１と第１対向電極２１との間の電界は、水平方向において、レンズ中心に向かうほど小さくなる。このため、第２電極１２に近づくほど初期配列（例えば水平配向）が形成される。この領域の屈折率は、Ｘ軸方向に振動する光に対して、異常光に対する屈折率（ｎｅ）となる。
屈折率分布３１においては、例えば、屈折率の変化（屈折率差３１ｄ）は、異常光に対する屈折率と、常光に対する屈折率と、の差の２０％以上８０％以下程度である。
例えば、液晶層３０のうちで、第１電極１１の中央部に対向する部分の近傍、及び、第２電極１２の中央部に対向する部分の近傍、および、第３電極１３の中央部に対向する部分の近傍において、屈折率は極小となる。液晶層３０のうちで、中心軸５９近傍、及び、第１離間領域２２ｓの近傍、および、第２離間領域２３ｓの近傍において屈折率は極大となる。
液晶光学素子１１２において、電極を種々の電位に設定できる。
例えば、第１電極１１をＶＥ電位に設定し、第１対向電極２１をＧＮＤ電位に設定し、第３電極１３をＧＮＤ電位に設定し、第３対向電極２３をＶＦ電位に設定し、第２電極１２をＶＦ電位に設定し、第２対向電極２２をＧＮＤ電位に設定する。この場合において、ＶＦ電位は、ＶＥ電位と同じでも良く、異なっていても良い。この場合もコモン反転駆動を適用しても良い。
例えば、第１電極１１をＶＥ電位に設定し、第１対向電極２１をＶＦ電位に設定し、第３電極１３をＶＦ電位に設定し、第３対向電極２３をＧＮＤ電位に設定し、第２電極１２をＧＮＤ電位に設定し、第２対向電極２２をＧＮＤ電位に設定する。この場合において、ＶＦ電位は、ＶＥ電位と同じでも良く、異なっていても良い。この場合もコモン反転駆動を適用しても良い。
液晶光学素子１１２においては、フレネルレンズの段差が複数形成される。これにより、所望のレンズ効果を得るためのレンズの光学的な厚さ（例えば液晶層３０の厚さや複屈折率など）を低減できる。液晶光学素子１１２においても、第１基板部１０ｕに設けられる電極と、第２基板部２０ｕに設けられる離間領域と、の組み合わせにより、電界分布に非対称性が導入でき、屈折率分布の特性が向上する。これにより、高品位の表示を提供する液晶光学素子が提供できる。
図８は、第１の実施形態に係る別の液晶光学素子の構成を例示する模式的断面図である。
図８に表したように、本実施形態に係る液晶光学素子１１２ａにおいては、第１基板部１０ｕは、中心部電極１１ｃをさらに含む。これ以外は、液晶光学素子１１２と同様である。液晶光学素子１１２ａによれば、より高品位の表示を提供する液晶光学素子が提供できる。
液晶光学素子１１２及び１１２ａにおいて、第１基板部１０ｕは、第３電極１３と第１電極１１との間に第４電極などの別の電極をさらに含んでも良い。このとき、第２基板部２０ｕは、第３対向電極２３と第１対向電極２１との間に第４対向電極などの別の電極をさらに含んでも良い。この場合も、第３対向電極２３と第４対向電極との間の離間領域の中心と中心軸５９との距離は、第４電極の中心と中心軸５９との間の距離よりも長い。すなわち、非対称性が導入される。このように、実施形態においては、形成するフレネルレンズ状の屈折率分布において、任意の数の副レンズを含んでも良い。
（第２の実施形態）
図９は、第２の実施形態に係る液晶光学素子の構成を例示する模式的断面図である。
図９に表したように、本実施形態に係る液晶光学素子１２１は、第１基板部１０ｕと、第２基板部２０ｕと、液晶層３０と、を含む。液晶層３０は、第１基板部１０ｕと第２基板部２０ｕとの間に設けられる。
第１基板部１０ｕは、第１基板１０と、第１電極１１と、電極対１５（例えば第１電極対１５ａなど）と、を含む。第１基板１０は、第１主面１０ａを有する。第１電極１１は、第１主面１０ａ上に設けられＹ軸方向（第１方向）に延びる。複数の第１電極１１は、Ｙ軸方向と直交するＸ軸方向（第２方向）に並ぶ。
複数の電極対１５は、第１主面上に設けられる。複数の電極対１５は、複数の第１電極１１どうしの間のそれぞれに設けられる。電極対１５の１つは、例えば第１領域Ｒ１に設けられ、別の電極対１５は、第２領域Ｒ２に設けられる。
電極対１５は、第２電極１２（第２電極１２ａなど）と、第３電極１３（第３電極１３ａなど）と、絶縁層１８と、を含む。第２電極１２及び第３電極１３は、Ｙ軸方向に延びる。絶縁層１８は、第２電極１２と第３電極１３との間に設けられる。この例では、第２電極１２と第１基板１０との間に絶縁層１８が設けられ、絶縁層１８の一部と第１基板１０との間に第３電極１３が設けられている。
第２電極１２は、Ｘ−Ｙ平面（第１方向と第２方向とに対して平行な平面）に投影したときに第３電極１３と重なる第１重畳部分１２ｐと重ならない第１非重畳部分１２ｑとを有する。第３電極１３は、Ｘ−Ｙ平面に投影したときに第２電極１２と重なる第２重畳部分１３ｐと重ならない第２非重畳部分１３ｑとを有する。すなわち、第２電極１２は、第３電極１３とＸ軸方向に沿ってシフトしている。すなわち、１つの電極対１５において、非対称性が形成されている。
第２基板部２０ｕは、第２基板２０と、対向電極（第１対向電極２１）と、を含む。第２基板２０は、第１主面１０ａと対向する第２主面２０ａを有する。第１対向電極２１は、第２主面２０ａ上に設けられる。第１対向電極２１は、スリット２０ｓを有する。スリット２０ｓは、Ｘ−Ｙ平面に投影したときに、複数の電極対１５のそれぞれの少なくとも一部と重なる。スリット２０ｓは、Ｙ軸方向に延在する。
第１基板１０、第２基板２０、第１電極１１、第２電極１２、第３電極１３及び第１対向電極２１などには、例えば、第１の実施形態に関して説明した材料を用いることができる。
絶縁層１８には、例えば、ＳｉＯ２などが用いられる。絶縁層１８の厚さは、例えば、１００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下である。これにより、適正な絶縁性と高い透過率とが得られる。
例えば、第１対向電極２１の電位をＧＮＤ電位に設定し、第１電極１１の電位をＶＥ電位に設定し、第２電極１２の電位をＶＦ電位に設定し、第３電極１３の電位をＶＦ電位に設定する。これにより、電極対１５において、非対称な電界分布（電気力線の分布）が形成できる。さらに、スリット２０ｓを設けることで、電界分布の制御性が高まる。これにより、＋Ｘ方向に沿った屈折率上昇率を、＋Ｘ方向に沿った屈折率減少率よりも容易に高くできる。屈折率の極小点３２から極大点３３への変化を容易に急峻にできる。このため、迷光が抑制できる。そして、＋Ｘ方向に沿った屈折率の変化（減少）は緩やかにでき、良好なレンズ効果が容易に得られる。また、第１対向電極２１をＧＮＤ電位に設定すると第２電極１２から中心軸５９にかけて電界分布が形成され、液晶ダイレクタが初期配向に近づくことにより、レンズ形状の屈折率分布が形成される。
本実施形態によれば、屈折率分布の特性が向上し、高品位の表示を提供する液晶光学素子が提供できる。
なお、上記において、ＶＦ電位は、ＶＥ電位と同じでも良く、異なっても良い。すなわち、第１電極１１と第１対向電極２１との間に印加される電圧は、第２電極１２と第１対向電極２１との間に印加される電圧と異なっても良い。第１電極１１と第１対向電極２１との間に印加される電圧は、第２電極１２と第１対向電極２１との間に印加される電圧よりも高いことが好ましい。これにより、屈折率分布のレンズ端における光学特性がより良好になる。
Ｘ−Ｙ平面に投影したときに、スリット２０ｓは第２電極１２（第１重畳部分１２ｐと重ならない第１非重畳部分１２ｑ）に重なる。スリット２０ｓは、第３電極１３の少なくとも一部と重なっても良い。スリット２０ｓは、第２非重畳部分１３ｑの少なくとも一部と重なっても良い。
図１０は、第２の実施形態に係る別の液晶光学素子の構成を例示する模式的断面図である。
図１０に表したように、本実施形態に係る液晶光学素子１２２においては、第１基板部１０ｕは、第１領域Ｒ１において複数の電極対１５（第１電極対１５ａ及び第２電極対１５ｂなど）を有する。
第２電極対１５ｂは、第２電極１２ｂと第３電極１３ｂと絶縁層１８とを含む。第２電極１２ｂ、第３電極１３ｂ及び絶縁層１８の構成は、第１電極対１５ａの第２電極１２ａ、第３電極１３ａ及び絶縁層１８の構成と同様なので説明を省略する。
第２基板部２０ｕにおいては、複数のスリット２０ｓが設けられる。それぞれのスリット２０ｓは、それぞれの複数の電極対１５の少なくとも一部に対向している。
液晶光学素子１１２によっても、屈折率分布の特性が向上し、高品位の表示を提供する液晶光学素子が提供できる。
図１１は、第２の実施形態に係る別の液晶光学素子の構成を例示する模式的断面図である。
図１１に表したように、本実施形態に係る液晶光学素子１２３も、第１基板部１０ｕと、第２基板部２０ｕと、液晶層３０と、を有する。液晶層３０は、第１基板部１０ｕと第２基板部２０ｕとの間に設けられる。この例では、第２基板部２０ｕの構成が、液晶光学素子１２１のそれとは異なる。
第１基板部１０ｕの構成は、液晶光学素子１２１と同様である。すなわち、第１基板部１０ｕは、第１主面１０ａを有する第１基板１０と、複数の第１電極１１と、第１電極対１５ａと、を含む。第１電極対１５ａは、第１主面１０ａ上において、Ｘ−Ｙ平面に投影したときに第１領域Ｒ１に配置される。第１電極対１５ａは、Ｙ軸方向に延びる第２電極１２と、Ｙ軸方向に延びる第３電極１３と、第２電極１２と第３電極１３との間に設けられた絶縁層１８と、を含む。
第２基板部２０ｕは、第２基板２０と第１対向電極２１との他に、第２対向電極２２を含む。第２対向電極２２は、第２基板２０の第２主面２０ａ上に設けられる。第２対向電極２２は、第１対向電極２１と離間し、Ｙ軸方向に延びる。第２対向電極２２は、Ｘ−Ｙ平面に投影したときに中心軸５９と重なる。
Ｘ−Ｙ平面に投影したときに、第１領域Ｒ１における第１対向電極２１と第２対向電極２２との間の第１離間領域２２ｓは、第１電極対１５ａの少なくとも一部と重なる。
この例では、第２基板部２０ｕに第１対向電極２１と第２対向電極２２とが設けられる。このため、レンズ端に対応する第１電極１１と対向する第１対向電極２１の電位を、レンズ中央に対応する中心軸５９に重なる第２対向電極２２の電位とは別の電位に設定することができる。これにより、屈折率分布の制御性が高まる。そして、第１電極対１５ａの少なくとも一部に対向して、第１離間領域２２ｓを配置することで、屈折率分布をより高い精度で制御できる。
図１２は、第２の実施形態に係る別の液晶光学素子の構成を例示する模式的断面図である。
図１２に表したように、本実施形態に係る液晶光学素子１２４においては、第１基板部１０ｕは、第２電極対１５ｂをさらに含む。第２電極対１５ｂは、第１主面１０ａ上において、第１電極対１５ａと、最近接の２つの第１電極１１のうちの上記の一方の電極１１ｐとの間に設けられる。
第２電極対１５ｂは、Ｙ軸方向に延びる第２電極対１５ｂの第２電極１２ｂと、Ｙ軸方向に延びる第２電極対１５ｂの第３電極１３ｂと、第２電極１２ｂと第３電極１３ｂとの間に設けられた絶縁層１８と、を含む。
第２電極対１５ｂの第２電極１２ｂは、Ｘ−Ｙ平面に投影したときに、第２電極対１５ｂの第３電極１３ｂと重なる第１重畳部分１２ｐと、重ならない第１非重畳部分１２ｑと、を有する。第２電極対１５ｂの第３電極１３ｂは、Ｘ−Ｙ平面に投影したときに、第２電極対１５ｂの第２電極１２ｂと重なる第２重畳部分１３ｐと、重ならない第２非重畳部分１３ｑと、を有する。
第２基板部２０ｕは、第３対向電極２３をさらに含む。第３対向電極２３は、第２主面２０ａ上において、第１対向電極２１と第２対向電極２２との間に設けられる。第３対向電極２３は、第１対向電極２１と第２対向電極２２と離間する。第３対向電極２３は、Ｙ軸方向に延びる。
Ｘ−Ｙ平面に投影したときに、第１領域Ｒ１における第１対向電極２１と第３対向電極２３との間の第２離間領域２３ｓは、第２電極対１５ｂの少なくとも一部と重なる。
このように、電極対１５が複数設けられる場合において、互いに異なる電圧が印加可能な第１対向電極２１、第２対向電極２２及び第３対向電極２３を設けることで、屈折率分布の制御性がさらに高まる。そして、複数の電極対１５に合わせて、離間領域（第１離間領域２２ｓ及び第２離間領域２３ｓなど）を設けることで、屈折率分布の制御性がさらに向上する。また、設計の余裕度が広がる。
液晶光学素子１２１〜１２４において、第２電極１２と第３電極１３とは互いに入れ替えても良い。上記の例では、第２電極１２と中心軸５９との間のＸ軸に沿った距離は、第３電極１３と中心軸５９との間の距離よりも短い。実施形態はこれに限らず、第２電極１２と中心軸５９との間のＸ軸に沿った距離は、第３電極１３と中心軸５９との間の距離よりも長くても良い。電極の構成に合わせて、印加電圧を変えることで、所望の屈折率分布３１が形成できる。
液晶光学素子１２１〜１２４において、中心部電極１１ｃをさらに設けても良い。
液晶光学素子１１１、１１１ａ、１１１ｂ、１１２、１１２ａ、及び、１２１〜１２４、並びに、それらの変形の液晶光学素子と、画像表示部８０と、を含む画像表示装置を形成できる。この画像表示装置によれば高品位の表示を提供する画像表示装置が提供できる。
実施形態は以下の構成を含むことができる。
（構成１）
第１基板部であって、
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方向に延び前記第１方向と直交する第２方向に並ぶ複数の第１電極と、
前記第１主面上において、前記複数の第１電極どうしの間のそれぞれに設けられた複数の電極対であって、前記複数の電極対のそれぞれは、
前記第１方向に延びる第２電極と、
前記第１方向に延びる第３電極と、
前記第２電極と前記第３電極との間に設けられた絶縁層と、
を含み、前記第２電極は、前記第１方向と前記第２方向とに対して平行な平面に投影したときに前記第３電極と重なる第１重畳部分と重ならない第１非重畳部分とを有し、前記第３電極は、前記平面に投影したときに前記第２電極と重なる第２重畳部分と重ならない第２非重畳部分とを有する複数の電極対と、
を含む第１基板部と、
第２基板部であって、
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主面上に設けられた対向電極であって、前記平面に投影したときに前記複数の電極対のそれぞれの少なくとも一部と重なり前記第１方向に延在するスリットを有する対向電極と、
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、
を備えた液晶光学素子。
（構成２）
第１基板部であって、
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方向に延び前記第１方向と直交する第２方向に並ぶ複数の第１電極と、
前記第１主面上において、前記第１方向と前記第２方向とを含む平面に投影したときに、最近接の２つの前記第１電極のそれぞれの第２方向における中心を結ぶ線分の中点を通り前記第１方向に対して平行な中心軸と、前記最近接の２つの前記第１電極のうちの一方の電極と、の間の第１領域に配置される第１電極対であって、前記第１電極対は、
前記第１方向に延びる第２電極と、
前記第１方向に延びる第３電極と、
前記第２電極と前記第３電極との間に設けられた絶縁層と、
を含み、前記第２電極は、前記平面に投影したときに前記第３電極と重なる第１重畳部分と重ならない第１非重畳部分とを有し、前記第３電極は、前記平面に投影したときに前記第２電極と重なる第２重畳部分と重ならない第２非重畳部分とを有する第１電極対と、
を含む第１基板部と、
第２基板部であって、
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第１電極と対向し前記第１方向に延びる第１対向電極と、
前記第２主面上に設けられ前記第１対向電極と離間し前記第１方向に延び、前記平面に投影したときに前記中心軸と重なる第２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、
を備え、
前記平面に投影したときに、前記第１領域における前記第１対向電極と前記第２対向電極との間の第１離間領域は、前記第１電極対の少なくとも一部と重なる液晶光学素子。
（構成３）
前記第１基板部は、前記第１主面上において前記第１電極対と前記最近接の２つの前記第１電極のうちの前記一方の電極との間に設けられた第２電極対をさらに含み、前記第２電極対は、
前記第１方向に延びる前記第２電極対の第２電極と、
前記第１方向に延びる前記第２電極対の第３電極と、
前記第２電極対の前記第２電極と前記第２電極対の前記第３電極との間に設けられた絶縁層と、
を含み、前記第２電極対の前記第２電極は、前記平面に投影したときに前記第２電極対の前記第３電極と重なる第１重畳部分と重ならない第１非重畳部分とを有し、前記第２電極対の前記第３電極は、前記平面に投影したときに前記第２電極対の前記第２電極と重なる第２重畳部分と重ならない第２非重畳部分とを有し、
前記第２基板部は、前記第２主面上において前記第１対向電極と前記第２対向電極との間に設けられ前記第１対向電極と前記第２対向電極と離間し前記第１方向に延びる第３対向電極をさらに含み、
前記平面に投影したときに、前記第１領域における前記第１対向電極と前記第３対向電極との間の第２離間領域は、前記第２電極対の少なくとも一部と重なる構成２記載の液晶光学素子。
実施形態によれば、高品位の表示を提供する液晶光学素子及び画像表示装置が提供できる。
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、液晶光学素子に含まれる第１基板部、第２基板部、液晶層、第１基板、第２基板、第１〜第３電極、第１〜第３対向電極、中心部電極、絶縁層及び駆動部、並びに、画像表示装置に含まれる表示部及び表示駆動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。
１０…第１基板、 １０ａ…第１主面、 １０ｕ…第１基板部、 １１…第１電極、 １１ｃ…中心部電極、 １１ｐ、１１ｑ…電極、 １２、１２ａ、１２ｂ…第２電極、 １２Ｃ…中心、 １２Ｒ…電極、 １２ｐ…第１重畳部分、 １２ｑ…第１非重畳部分、 １３、１３ａ、１３ｂ…第３電極、 １３Ｃ…中心、 １３Ｒ…電極、 １３ｐ…第２重畳部分、 １３ｑ…第２非重畳部分、 １５…電極対、 １５ａ、１５ｂ…第１、第２電極対、 １８…絶縁層、 １９ｐ、１９ｑ…位置、 ２０…第２基板、 ２０ａ…第２主面、 ２０ｓ…スリット、 ２０ｕ…第２基板部、 ２１…第１対向電極、 ２２…第２対向電極、 ２２ｓ…第１離間領域、 ２２ｓＣ…中心、 ２３…第３対向電極、 ２３Ｒ…電極、 ２３ｓ…第２離間領域、 ２３ｓＣ…中心、 ３０…液晶層、 ３０ｅ…等電位曲線、 ３１…屈折率分布、 ３１ｄ…屈折率差、 ３２…極小点、 ３３…極大点、 ５９…中心軸、 ７２…駆動部、 ８０…画像表示部、 ８１…表示部、 ８２…表示駆動部、 １１１、１１１ａ、１１１ｂ、１１２、１１２ａ、１２１〜１２４…液晶光学素子、 ２１１…画像表示装置、 Ｒ１、Ｒ２…第１及び第２領域、 ｄ１１、ｄ１１ｅ、ｄ１２、ｄ１３、ｄ２２、ｄ２３…距離、 ｐ１１…距離、 ｗ１２、ｗ２２…幅

Claims (8)

  1. 第１基板部であって、
    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方向に延び前記第１方向と直交する第２方向に並ぶ複数の第１電極と、
    それぞれが前記第１主面上において前記第１方向に延びる複数の第２電極であって、前記第２電極は、前記第１方向と前記第２方向とを含む平面に投影したときに、最近接の２つの前記第１電極のそれぞれの第２方向における中心を結ぶ線分の中点を通り前記第１方向に対して平行な中心軸と、前記最近接の２つの前記第１電極のうちの一方の電極と、の間の第１領域に配置される前記複数の第２電極と、
    を含む第１基板部と、
    第２基板部であって、
    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第１電極と対向し前記第１方向に延びる第１対向電極と、
    前記第２主面上に設けられ前記第１対向電極と離間し前記第１方向に延び、前記平面に投影したときに前記中心軸と重なる第２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、
    を備え、
    前記平面に投影したときに、前記第１領域における前記第１対向電極と前記第２対向電極との間の第１離間領域の前記第２方向に沿った中心と前記中心軸との間の前記第２方向に沿った距離は、前記第１領域における前記第２電極の前記第２方向に沿った中心と前記中心軸との間の前記第２方向に沿った距離よりも長い液晶フレネルレンズ素子。
  2. 前記第２電極の第２方向に沿った幅は、前記第１離間領域の第２方向に沿った幅よりも狭い請求項１記載の液晶フレネルレンズ素子。
  3. 前記平面に投影したときに、前記第１離間領域は、前記第２電極と重ならない請求項１または２に記載の液晶フレネルレンズ素子。
  4. 前記最近接の２つの前記第１電極のうちの前記一方の電極と前記中心軸との間の前記第２方向に沿った距離と、前記第１離間領域の前記第２方向に沿った前記中心と前記中心軸との間の前記第２方向に沿った前記距離との差の絶対値は、前記最近接の２つの前記第１電極のうちの前記一方の電極と前記中心軸との間の距離の１／２よりも短い請求項１〜３のいずれか１つに記載の液晶フレネルレンズ素子。
  5. 前記最近接の２つの前記第１電極のうちの前記一方の電極と前記中心軸との間の前記第２方向に沿った距離と、前記第１離間領域の前記第２方向に沿った前記中心と前記中心軸との間の前記第２方向に沿った前記距離との差の絶対値は、前記第１方向と前記第２方向とに対して垂直な第３方向に沿った前記液晶層の厚さ以下である請求項１〜４のいずれか１つに記載の液晶フレネルレンズ素子。
  6. 前記第１基板部は、前記第１主面上において前記第２電極と前記最近接の２つの前記第１電極のうちの前記一方の電極との間に設けられ前記第１電極及び前記第２電極と離間し前記第１方向に延びる第３電極をさらに含み、
    前記第２基板部は、前記第２主面上において前記第１対向電極と前記第２対向電極との間に設けられ前記第１対向電極と前記第２対向電極と離間し前記第１方向に延びる第３対向電極をさらに含み、
    前記平面に投影したときに、前記第１領域における前記第１対向電極と前記第３対向電極との間の第２離間領域の前記第２方向に沿った中心と前記中心軸との間の前記第２方向に沿った距離は、前記第１領域における前記第３電極の前記第２方向に沿った中心と前記中心軸との間の前記第２方向に沿った距離よりも長い請求項１〜３のいずれか１つに記載の液晶フレネルレンズ素子。
  7. 前記第１基板部は、前記第１主面上において前記第１方向に延び前記平面に投影したときに前記中心軸に重なり前記第２電極と離間する中心部電極をさらに含む請求項１〜６のいずれか１つに記載の液晶フレネルレンズ素子。
  8. 請求項１〜７のいずれか１つに記載の液晶フレネルレンズ素子と、
    前記液晶フレネルレンズ素子と積層され画像情報を含む光を前記液晶層に入射させる表示部を含む画像表示部と、
    を備えた画像表示装置。
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