JP5774701B2 - 液晶光学素子及び画像表示装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、液晶光学素子及び画像表示装置に関する。

従来から、立体（３次元）画像を表示可能な表示装置が提案されている。これらの立体画像表示装置においては、空間中に異なる映像情報を提示するため、レンチキュラレンズやパララックスバリアなどの光学素子が使用される。レンチキュラレンズは、かまぼこ状（半円形状）のシリンドリカルレンズがある方向に一次元配列したレンズであり、一次元的な光学作用を有する。このレンチキュラレンズの光学作用を用いて観測者に視差情報を提示するには、シリンドリカルレンズの配列方向が、観測者にとっての水平方向（左右の眼が並ぶ方向）となるように配置するのが好ましい。しかしながら実際には、通常の表示パネルを使用すると配線等とのモアレが発生するため、シリンドリカルレンズの配列方向を水平方向からずらし、傾斜した状態で配置することもある。これは、パララックスバリアにおいても同様である。

また、２次元（２Ｄ）画像と３次元（３Ｄ）画像とを同一の表示装置で切り替えて表示したいという要求があり、その要求に応えるための技術が提案されている。例えば特許文献２には、液晶などを用いた複屈折性レンズと偏光切替セルとを用いた技術が記載されている。偏光切替セルから射出される光の偏光状態を電気的に切り替えることにより、２Ｄ表示と３Ｄ表示とを切り替えている。さらには、偏光切替セルの偏光状態を表示画面内で部分的に切り替えることにより、２Ｄ表示の一部分を３Ｄ表示とするような部分２Ｄ／３Ｄ表示を実現している。

また、特許文献２では、レンズの配列方向は、部分２Ｄ／３Ｄ表示への影響を特に考慮することなく設定することができる。部分２Ｄ／３Ｄ表示における２Ｄ表示領域と３Ｄ表示領域との境界は、偏光切替セルの電極構造により定められる。一方で、レンズの配列方向は、複屈折性レンズの構造で定められる。両者の構造に相関はないため、両者を独立して自由に設計することができる。

さらに、特許文献２には、複屈折性レンズとして液晶レンズアレイ素子を用いて２Ｄ表示と３Ｄ表示とを切り替える技術が記載されている。この液晶レンズアレイ素子は、一方の基板上に周期的に配置された棒状の電極を有する。そして、対向するもう一方の基板上に形成された電極との間で電界分布を作り出す。この電界分布により液晶層の配向が変化し、レンズとして作用する屈折率分布を生成する。電極に印加する電圧を制御することにより、レンズ作用をオン／オフすることができるため、２Ｄ表示と３Ｄ表示とを切り替えることができる。このように電界により液晶分子の配向方向を制御する方式は、液晶屈折率分布型（ＧＲＩＮ：gradient index）レンズ方式と呼称される。

特表２００１−５０１０７３号公報 特開２０１０−２２４１９１号公報

しかしながら、特許文献２に記載の複屈折性レンズと偏光切替セルとを用いた部分２Ｄ／３Ｄ表示切替技術においては、レンズの他に偏光切替セルが必要になるため、構造が複雑になり、コストアップが課題となる。よって、偏光切替セルを用いずに部分的に２Ｄ／３Ｄ表示切替を実現できることが望ましい。

また、本発明者らの検討によれば、液晶ＧＲＩＮレンズを用いて部分的に２Ｄ／３Ｄ表示切替を実現しようとした場合、２Ｄ表示領域と３Ｄ表示領域との境界の形状は、レンズの配列方向（又は延伸方向）の制約を受けてしまう。特に、特許文献１に記載のように、レンズを斜め方向に傾斜して配置した場合には、２Ｄ表示領域と３Ｄ表示領域との境界は、レンズ延伸方向に沿って斜めとなり、部分２Ｄ／３Ｄ表示として適さないという課題がある。

実施形態は、２Ｄ表示と３Ｄ表示とを部分的に切り替える際に、レンズ又はスリットの延伸方向や配列方向に依存しない表示領域を実現することが可能な液晶光学素子及び画像表示装置を提供することを目的とする。

実施形態に係る液晶光学素子は、対向配置された一対の第１及び第２基板と、前記第１及び第２基板間に設けられた液晶層と、前記液晶層側の前記第１基板上に設けられ、第１方向に沿って配列された複数の第１電極と、前記液晶層側の前記第２基板上に設けられた第２電極とを具備する。前記複数の第１電極は、前記第１方向と異なる第２方向に沿って配列された複数の電極領域に分割される。前記複数の電極領域の各々に含まれる第１電極は、引出線に電気的に接続される。

実施形態に係る画像表示装置は、前記液晶光学素子と、前記液晶光学素子に光線を射出する画像表示部とを具備する。

第１実施形態に係る画像表示装置の模式図。 液晶ＧＲＩＮレンズの断面図。 複数の第１電極の平面図。 液晶層に電界を印加した場合の液晶ダイレクタ分布を示す図。 第２実施形態に係る複数の第１電極の平面図。 第３実施形態に係る複数の第１電極の平面図。 第４実施形態に係る画像表示装置の模式図。 液晶ＧＲＩＮレンズを構成する第１電極及び第２電極の平面図。 部分的に３Ｄ表示させるための電圧関係の一例を示す図。 第５実施形態に係る画像表示装置の模式図。 液晶パララックスバリアの断面図。 複数の第１電極の平面図。 第６実施形態に係る画像表示装置の模式図。 液晶ＧＲＩＮレンズの断面図。 第１電極、第２電極及び第３電極の平面図。

以下、実施形態について図面を参照して説明する。ただし、図面は模式的または概念的なものであり、各図面の寸法および比率などは必ずしも現実のものと同一とは限らないことに留意すべきである。また、図面の相互間で同じ部分を表す場合においても、互いの寸法の関係や比率が異なって表される場合もある。なお、以下の説明において、同一の機能及び構成を有する要素については、同一符号を付し、重複説明は必要な場合にのみ行う。

多数の視差画像を表示するインテグラルフォトグラフィー法（以下、ＩＰ法）或いは立体像を何らかの方法で記録しこれを立体像として再生する光線再生法が知られている。左右の眼から物体を見たときに、近い距離にある点を見た時の左右の眼と成す角度をα、遠い距離にある点を見た時の左右の眼と成す角度をβとすると、αとβはその物体と観測者との位置関係に応じて異なる。この角度差（α―β）を両眼視差と呼び、人はこの両眼視差を利用して立体視をすることができる。

ＩＰ法を立体画像表示装置に適用した３次元画像表示方法をＩＩ（インテグラルイメージング）方式と呼ぶ。ＩＩ方式において、１つのレンズから射出される光線は要素画像の数に相当する。通常、視差数と呼び、それぞれのレンズにおいて、視差光線は平行に射出される。このＩＩ方式は、観測者の位置、或いは観測者の見る角度によって、１視差の画像、２視差の画像、３視差の画像という異なる画像を見ることになる。そのため、観測者は右目と左目に入る視差により、立体を知覚する。

以下の実施形態で説明する液晶光学素子は、ＩＩ方式を用いた眼鏡無しの立体画像表示装置に適用することができ、例えば、複数の視差画像を表示するために使用することができる。勿論、ＩＩ方式以外の立体画像表示装置や、異なる角度方向に異なる画像を表示する画像表示装置にも使用することができる。

［第１実施形態］
図１は、第１実施形態に係る画像表示装置１０の模式図である。画像表示装置１０は、２次元画像を表示可能な画像表示部１１、偏光板１２、屈折率分布型液晶光学素子としての液晶ＧＲＩＮレンズ２０、第１電圧制御部５０、及び第２電圧制御部５１を備えている。画像表示部１１は、画素がマトリクス状に配列された、所謂フラットパネルディスプレイ（ＦＰＤ）が好ましく、そのような画像表示部として、非発光型の液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）、発光型のプラズマディスプレイ（ＰＤＰ：Plasma Display Panel）、発光型の有機ＥＬ（electroluminescence）ディスプレイなどが用いられる。非発光型のディスプレイは、バックライトを有し、このバックライトからの光線を用いて画像を表示する。

図１の偏光板１２に記載した矢印（第１方向Ｄ１）は、偏光方向を示している。偏光板１２は、画像表示部１１からの光線を偏光し、第１方向Ｄ１の直線偏光を射出する。図１では、偏光方向を説明するために、偏光板１２を画像表示部１１から抽出して示しているが、一般的には、画像表示部１１と偏光板１２とを合わせて画像表示部が構成される。液晶ＧＲＩＮレンズ２０は、画像表示部１１から画像が射出される側に配置されている。

図２は、液晶ＧＲＩＮレンズ２０の断面図である。液晶ＧＲＩＮレンズ２０は、液晶層の両側に配置された２つの電極によって屈折率分布を作り出すレンズである。液晶ＧＲＩＮレンズ２０は、一対の透明基板（例えばガラス基板）２１及び２２、透明基板２１及び２２に挟持された液晶層２３、複数の第１電極３０、及び第２電極４０を備えている。

複数の第１電極３０は、液晶層２３側の透明基板２１上に設けられている。図２の断面図には、２本の第１電極３０のみを抽出して示している。第１電極３０の具体的な構成については後述する。第２電極４０は、液晶層２３側の透明基板２２上に平面状に設けられている。第２電極４０の面積は、例えば、複数の第１電極３０を包含する面積とほぼ同じに設定される。第１電極３０及び第２電極４０は、透明電極からなる。

液晶層２３は、複数の液晶分子２４を含んでいる。本実施形態では、液晶分子２４は一軸性複屈折を示す物質が用いられる。液晶層２３に電界を印加しない状態での液晶分子２４の初期配向は、その長軸方向が第１方向Ｄ１になるように設定される。このような初期配向は、例えばラビング処理された配向膜（図示せず）によって制御される。

図３は、複数の第１電極３０の平面図である。複数の第１電極３０は、第１方向Ｄ１に沿って等間隔に配列されている。各第１電極３０の幅は、第１電極３０の配列ピッチの半分より小さく形成される。第１電極３０の配列ピッチとは、第１方向Ｄ１において、第１電極３０の幅と第１電極３０間の距離とを足した長さである。複数の第１電極３０は、第１方向と異なる第２方向Ｄ２に沿って配列する複数の第１電極領域３１に分割されている。例えば、画像表示装置１０を縦置きにした場合は、第２方向Ｄ２は、画面の水平方向に対応し、画像表示装置１０を平置きにした場合は、第２方向Ｄ２は、画面の横方向に対応する。

各第１電極領域３１に含まれる所定数の第１電極３０は、引出線３２及び３３によって電気的に接続されている。引出線３２及び３３は、第１電極３０と同じ材料からなる。引出線３２は、第２方向Ｄ２に直交する方向に延伸し、第２方向Ｄ２における第１電極領域３１の端部に配置されている。引出線３３は、引出線３２に電気的に接続され、第１電極領域３１の上端に配置され、第２方向Ｄ２に延伸している。引出線３３は、第１電極領域３１内において、引出線３２によって電気的に接続されない第１電極３０を電気的に接続している。このような構成を有する複数の第１電極３０は、第１電極領域３１を単位として電圧制御が可能となる。

液晶ＧＲＩＮレンズ２０は、隣接する２つの第１電極３０によって柱状の１個のレンズが形成される。隣接する２つの第１電極３０間の距離（具体的には、隣接する２つの第１電極３０それぞれの中心間の距離）がレンズピッチとなる。従って、液晶ＧＲＩＮレンズ２０は、第２方向Ｄ２に直交する方向に対して傾いた斜めレンズが第１方向Ｄ１に複数個配列されたレンズアレイを構成している。液晶ＧＲＩＮレンズ２０の傾き、すなわち第２方向Ｄ２と第１方向Ｄ１との成す角度θは、“θ≠０，−４５°＜θ＜４５°”の条件を満たす。

（動作）
次に、液晶ＧＲＩＮレンズ２０の動作について説明する。液晶ＧＲＩＮレンズ２０の電圧制御は、図１に示した第１電圧制御部５０及び第２電圧制御部５１によって行われる。第１電圧制御部５０は、複数の引出線３２（又は引出線３３）のそれぞれに電気的に接続され、複数の引出線３２をそれぞれ独立して電圧制御できるように構成されている。第２電圧制御部５１は、第２電極４０に電気的に接続され、第２電極４０を電圧制御する。

まず、３Ｄ表示を行う場合の液晶ＧＲＩＮレンズ２０の動作について説明する。第２電圧制御部５１は、第２電極４０に基準電圧（例えば接地電圧）を印加する。第１電圧制御部５０は、３Ｄ表示を行う領域に対応する第１電極領域３１の引出線３２に、基準電圧より高い所定の電圧Ｖ１を印加する。電圧Ｖ１は、閾値電圧Ｖｔｈ以上に設定される。Ｖｔｈは、レンズ効果を発現するための閾値電圧であり、液晶層２３に閾値電圧Ｖｔｈ以上の電位差を与えることで、長軸が水平方向の液晶分子２４が垂直方向に立ち上がる。閾値電圧Ｖｔｈは、第２電極４０を接地電圧に固定して第１電極３０の電圧を次第に大きくすることにより、実験的に求めることができる。

前述したように、複数の引出線３２はそれぞれ、複数の第１電極領域３１に設けられ、各引出線３２は、これに対応する第１電極領域３１に含まれる所定数の第１電極３０に電気的に接続されている。従って、ある引出線３２に電圧Ｖ１が印加されると、該当する第１電極領域３１に含まれる所定数の第１電極３０にも、同じ電圧Ｖ１が印加されることになる。

図４は、液晶層２３に電界を印加した場合の液晶ダイレクタ分布を示す図である。図４に示した符号２４Ａは、液晶分子２４の長軸方向（長手方向）を示すダイレクタである。電圧Ｖ１が印加された第１電極３０付近（レンズ端部）においては、印加された電圧の影響により、液晶分子２４が立ち上がる。液晶分子２４が立ち上がった液晶領域では、画像表示部１１から射出された光線は、液晶ダイレクタと垂直に交わる割合が小さいため、複屈折の影響をほとんど受けない。このため、レンズ端部の屈折率が小さくなり、結果として光路長も小さくなる。

一方、第１電極３０から離れる、すなわちレンズ中心に向かうにつれて、画像表示部１１から射出された光線は、液晶ダイレクタと垂直に交わる割合が多くなるため、複屈折の影響を大きく受ける。このため、レンズ中心に向かうにつれて、徐々に屈折率が大きくなる。このように、隣接する２つの第１電極３０間では、電界分布が徐々変化し、これにより屈折率分布及び光路長も徐々変化する。この結果、図２の破線で示すように、レンズとしての屈折率分布が実現されることになる。このように電圧Ｖ１が印加された第１電極領域３１では、レンズの効果が発現する。

そして、画像表示部１１の画像は、液晶ＧＲＩＮレンズ２０に含まれる複数のレンズによって光線方向が制御されるため、画像表示装置１０は、複数の視差画像を表示することができる。これにより、観測者が立体画像を視認することが可能となる。このようにして、部分的に３Ｄ表示が実現される。

次に、２Ｄ表示を行う場合の液晶ＧＲＩＮレンズ２０の動作について説明する。第２電圧制御部５１は、第２電極４０に基準電圧（例えば接地電圧）を印加する。第１電圧制御部５０は、２Ｄ表示を行う領域に対応する第１電極領域３１の引出線３２に、第２電極４０と同じ電圧、すなわち接地電圧を印加する。この場合、液晶層２３には電界が印加されず、液晶分子２４は初期配向を維持するため、レンズとしての屈折率分布は実現されない。この結果、接地電圧が印加された第１電極領域３１では、レンズ効果が発現せず、部分的に２Ｄ表示が実現される。なお、２Ｄ表示を行う場合において、第１電極３０に印加される電圧は、接地電圧に限らず、閾値電圧Ｖｔｈ未満であればよい。

（効果）
以上詳述したように第１実施形態では、液晶ＧＲＩＮレンズ２０は、対向配置された一対の透明基板２１及び２２と、透明基板２１及び２２間に設けられた液晶層２３と、液晶層２３側の透明基板２１上に設けられ、第１方向Ｄ１に沿って配列された複数の第１電極３０と、液晶層２３側の透明基板２２上に設けられた第２電極４０とを具備する。そして、複数の第１電極３０は、第１方向Ｄ１と異なる第２方向Ｄ２に沿って配列された複数の第１電極領域３１に分割される。また、各第１電極領域３１に含まれる所定数の第１電極３０は、引出線３２によって電気的に接続されるようにしている。

従って第１実施形態は、以下の効果を有する。
第１電極領域３１の境界（すなわち、引出線３２のライン）は、レンズの境界（すなわち、第１電極３０のライン）とは独立して設定される。そして、本実施形態では、第１電極領域３１を単位として、レンズ機能のオン／オフを切り替えることが可能となる。これにより、第２方向Ｄ２に直交する方向に対して傾いた斜めレンズアレイを構成する液晶ＧＲＩＮレンズ２０において、レンズの境界に束縛されることなく、矩形領域を単位として、部分的に２Ｄ表示と３Ｄ表示との切り替えを実現することができる。

また、本実施形態では、画像表示部１１の光線が射出される側に液晶ＧＲＩＮレンズ２０を設けるだけで部分的に２Ｄ表示と３Ｄ表示との切り替えを実現することができる。すなわち、偏光切替セルが不要であるため、２Ｄ／３Ｄ表示切替が可能な画像表示装置１０の低コスト化、薄型化が実現できる。

また、引出線３２を第２方向Ｄ２における第１電極領域３１の端部に設けているため、引出線３２を配置したことに起因する画質の低下を抑制することができる。第１電極領域３１の境界においては、第１電極３０を分断した影響により、電界分布に若干の乱れが発生する場合がある。また、引出線３２の近傍においては、やはり電界分布に若干の乱れが発生する場合がある。第１電極領域３１間の距離、すなわち引出線３２と第１電極３０の分断された部分との距離を近づけることにより、電界分布の乱れが影響する領域を小さくすることができる。これにより、画像表示装置１０の画質の低下を抑制することができる。

本実施形態では、レンズの境界に第１電極３０を配置した最低限の構成を用いて液晶ＧＲＩＮレンズ２０の中心概念を説明したが、本実施形態はこれに限定されるものではない。さらに多くの電極を用いてレンズとしての屈折率分布を形成することができる。

また、本実施形態における液晶層の初期配向は水平方向の水平配向であるものとして説明したが、液晶配向はこれに限定されるものではない。他の液晶モードも適用可能である。

また、本実施形態では、屈折率分布型液晶光学素子が液晶レンズアレイ素子として動作するものとして説明したが、本実施形態はこれに限定されるものではない。液晶光学素子は３Ｄ表示を実現するための性能を備えていればよく、例えば、完全なレンズとしての屈折率分布が実現されていなくてもよいし、プリズムアレイ素子として機能するものでもよい。

さらに、本実施形態では、屈折率分布型液晶光学素子について説明したが、使用される材料は液晶に限定されるものではない。同様に電気光学効果を有する材料であれば適用可能である。

［第２実施形態］
第２実施形態は、複数の第１電極３０を電気的に接続する引出線３２の他の構成例について示している。本実施形態の液晶光学素子である液晶ＧＲＩＮレンズ２０においては、第１実施形態と比較して、引出線３２の配置が異なる。図５は、第２実施形態に係る複数の第１電極３０の平面図である。

図５に示すように、各第１電極領域３１において、隣接する２つの第１電極３０間には、長さが最短となるように引出線３２が配置され、この引出線３２は、隣接する２つの第１電極３０を電気的に接続している。換言すれば、引出線３２は、隣接する２つの第１電極３０間において、第１電極３０の配列方向である第１方向Ｄ１に延伸している。各第１電極領域３１に含まれる複数の引出線３２は、第１実施形態と同様に、第２方向Ｄ２における第１電極領域３１の端部に配置されている。これにより、各第１電極領域３１に含まれる所定数の第１電極３０は、複数の引出線３２及び引出線３３によって電気的に接続される。

また、本実施形態では、ラビング方向を第１方向Ｄ１としているため、ラビング方向と引出線３２の延伸方向とが一致している。本実施形態におけるその他の構成、及び動作は、第１実施形態と同様である。

以上詳述したように本実施形態によれば、引出線３２の長さを第１実施形態よりも短くすることができる。この結果、電圧印加時において、引出線３２からの電界により液晶ＧＲＩＮレンズ２０としての液晶配向分布が乱されるのを抑制することができる。これにより、画像表示装置１０の画質が低下するのを抑制することができる。特に、本実施形態では、長さが最短となるように引出線３２が配置されているため、画質が低下するのを抑制するという効果をより高めることができる。

また、引出線３２の延伸方向とラビング方向とを一致させているため、引出線３２からの電界により液晶分子２４がツイスト変形するのを抑制することができる。これにより、画像表示装置１０の画質を向上させることができる。

なお、本実施形態では、長さが最短となるように第１電極３０間に引出線３２が配置されているものとして説明したが、これに限定されるものではない。引出線３２の長さが最短でない場合、すなわち、引出線３２の延伸方向が第１方向Ｄ１に対して傾いている場合でも、画質の改善効果を得ることができる。
本実施形態におけるその他の効果は、第１実施形態と同様である。

［第３実施形態］
第３実施形態は、複数の第１電極３０を電気的に接続する引出線３２のさらに他の構成例について示している。本実施形態の液晶光学素子である液晶ＧＲＩＮレンズ２０においては、第２実施形態と比較して、引出線３２の配置が異なる。図６は、第３実施形態に係る複数の第１電極３０の平面図である。

前述したように第２実施形態では、各第１電極領域３１において、複数の引出線３２は、第２方向Ｄ２に直交する方向に一列に配置されていた。これに対し、本実施形態では、図６に示すように、各第１電極領域３１において、複数の引出線３２は、千鳥状に配置されている。この結果、複数の引出線３２は、特定の部位に集中して配置されることなく、分散して配置される。本実施形態におけるその他の構成、及び動作は、第１実施形態と同様である。

以上詳述したように本実施形態によれば、引出線３２に起因して液晶配向分布が乱される部分を、分散させることができる。これにより、本実施形態は、第２実施形態のように直線状に並べて周期的に配置する場合に比べて、液晶配向の乱れを目立ちにくくすることができる。これにより、画像表示装置１０の画質の向上が可能となる。
本実施形態におけるその他の効果は、第２実施形態と同様である。

［第４実施形態］
第４実施形態は、透明基板２２上に設けられる第２電極４０を複数に分割して形成し、２Ｄ／３Ｄ表示を切り替える領域の単位を、第１実施形態に比べて小さく制御できるようにしている。図７は、第４実施形態に係る画像表示装置１０の模式図である。図８は、液晶ＧＲＩＮレンズ２０を構成する第１電極３０及び第２電極４０の平面図である。

本実施形態の液晶ＧＲＩＮレンズ２０は、第１実施形態と比較して、第２電極４０の形状が異なる。第１実施形態においては、第２電極４０は第２基板２２上に平面状に形成されていた。これに対し、本実施形態では、第２電極４０が複数に分割して形成され、この分割された複数の第２電極４０は、第２方向Ｄ２に直交する第３方向Ｄ３に沿って配列されている。本実施形態におけるその他の構成は、第１実施形態と同様である。

本実施形態では、第１電極３０及び第２電極４０にそれぞれ印加する電圧を選択することにより、第２方向Ｄ２のみならず、第３方向Ｄ３においても、部分的に２Ｄ／３Ｄ表示切替を実現することができる。

次に、液晶ＧＲＩＮレンズ２０の動作について説明する。第２電圧制御部５１は、複数の第２電極４０のそれぞれに電気的に接続され、複数の第２電極４０をそれぞれ独立して電圧制御できるように構成されている。第１電圧制御部５０の構成は、第１実施形態と同じである。図８の構成例では、液晶ＧＲＩＮレンズ２０は、４個の第１電極領域３１、及び４個の第２電極４０を備えているため、１６（４×４）分割された表示領域で異なる電圧制御を行うことができる。

第１電極３０の印加電圧をＶ１ｏｎ、Ｖ１ｏｆｆとし、第２電極４０の印加電圧をＶ２ｏｎ、Ｖ２ｏｆｆとする。液晶ＧＲＩＮレンズ２０のレンズ効果を発現させる表示領域に対応した第１電極３０にはＶ１ｏｎを、第２電極４０にはＶ２ｏｎを印加する。レンズ効果を発現させない表示領域に対応した第１電極３０にはＶ１ｏｆｆを、第２電極４０にはＶ２ｏｆｆを印加する。Ｖｔｈは、レンズ効果を発現するための閾値電圧である。これらの印加電圧を次式が成立するように選定する。

｜Ｖ１ｏｎ−Ｖ２ｏｎ｜≧Ｖｔｈ
｜Ｖ１ｏｎ−Ｖ２ｏｆｆ｜＜Ｖｔｈ
｜Ｖ１ｏｆｆ−Ｖ２ｏｎ｜＜Ｖｔｈ
｜Ｖ１ｏｆｆ−Ｖ２ｏｆｆ｜＜Ｖｔｈ
図９は、部分的に３Ｄ表示させるための電圧関係の一例を示す図である。一例として、図９の破線で示した領域、すなわち中央の４つの分割領域のみを３Ｄ表示にする場合について説明する。この例の場合、第１電圧制御部５０は、第１電極３０−２及び３０−３にそれぞれ電圧Ｖ１ｏｎを印加し、それ以外の第１電極３０−１及び３０−４にそれぞれ電圧Ｖ１ｏｆｆを印加する。また、第２電圧制御部５１は、第２電極４０−２及び４０−３にそれぞれ電圧Ｖ２ｏｎを印加し、それ以外の第２電極４０−１及び４０−４にそれぞれ電圧Ｖ２ｏｆｆを印加する。このような電圧制御により、図９の破線で示した領域のみに対して閾値電圧Ｖｔｈ以上の電位差が与えられ、この領域にレンズ効果が発現する。これにより、図９の破線で示した領域が３Ｄ表示される。

一方、図９の破線で示した領域以外では、閾値電圧Ｖｔｈ以上の電位差が与えられないので、この領域にレンズ効果は発現しない。これにより、図９の破線で示した領域以外が２Ｄ表示される。

このように、本実施形態によれば、第１電極３０にＶ１ｏｎが、第２電極４０にＶ２ｏｎが印加された領域ではレンズが有効になり、それ以外の領域ではレンズ効果が発現されない。これにより、画面の縦横方向のどちらにおいても、部分的に２Ｄ表示と３Ｄ表示との切り替えを実現することができる。
本実施形態におけるその他の効果は、第１実施形態と同様である。また、第４実施形態に、第２及び第３実施形態を適用することも可能であることは勿論である。

［第５実施形態］
第５実施形態は、液晶レンズアレイに代えて、視差発生手段として液晶パララックスバリア（視差バリア）を用いて２Ｄ／３Ｄ表示切替が可能な画像表示装置１０を構成している。液晶パララックスバリアは、一方向に配列されたスリットアレイを有する。画像表示部１１からの光線は、液晶パララックスバリアのスリット（開口部）越しに観測されることになるため、画像表示部１１の画素の観測可能な方向は、ごく狭い範囲に限られる。スリットのピッチ及びスリットと画像表示部１１との距離を適正に設定することにより、画像表示装置１０は、複数の視差画像を表示することができる。これにより、観測者が立体画像を視認することが可能となる。

図１０は、第５実施形態に係る画像表示装置１０の模式図である。画像表示装置１０は、画像表示部１１、偏光板１２、液晶光学素子としての液晶パララックスバリア２０、及び偏光板１３を備えている。

図１０の偏光板１３に記載した矢印は、偏光方向を示している。偏光板１３は、第４方向Ｄ４（第２方向Ｄ２と直交する方向）の直線偏光を射出する。すなわち、偏光板１３の偏光方向は、偏光板１２の偏光方向に対して９０°の角度を成している。

図１１は、液晶パララックスバリア２０の断面図である。液晶層２３は、これに含まれる液晶分子２４が透明基板２１に水平に並んでおり、かつ透明基板２１と透明基板２２との間で９０°ねじれている、いわゆるＴＮ（Twisted Nematic）型液晶層である。これにより、電界が印加されない状態では、偏光板１２により直線偏光された光線は、その偏光方向（偏光面）が液晶分子２４に沿ってＴＮ型液晶層２３内を９０°回転し、偏光板１２に対して９０°の偏光方向を持つ偏光板１３を透過して白状態の表示となる。すなわち、液晶パララックスバリア２０は、ＴＮモード、かつ、ノーマリホワイト方式（電界が印加されていない状態で白表示となる）である。ＴＮ型液晶層２３の初期配向は、互いに直交する方向にラビング処理された２つの配向膜（図示せず）で液晶分子２４を挟むことで実現される。液晶層２３の厚さは、液晶材料に応じて、ＴＮモードが実現できる最適な値に設定される。

図１２は、複数の第１電極３０の平面図である。複数の第１電極３０は、第１方向Ｄ１に沿って等間隔に配列されている。各第１電極３０の幅は、第１電極３０の配列ピッチの半分より大きく形成される。この結果、パララックスバリアのスリットとして機能する、第１電極３０間の開口部が、第１電極３０の配列ピッチの半分未満となる。複数の第１電極３０は、第２方向Ｄ２に沿って配列する複数の第１電極領域３１に分割されている。引出線３２及び３３の構成は、第１実施形態と同じである。

次に、液晶パララックスバリア２０の動作について説明する。まず、３Ｄ表示を行う場合の液晶パララックスバリア２０の動作について説明する。

第２電圧制御部５１は、第２電極４０に基準電圧（例えば接地電圧）を印加する。第１電圧制御部５０は、３Ｄ表示を行う領域に対応する第１電極領域３１の引出線３２に、基準電圧より高い所定の電圧Ｖ１を印加する。電圧Ｖ１は、閾値電圧Ｖｔｈ以上に設定される。これにより、第１電極３０と第２電極４０とに挟まれた液晶領域には電界が印加され、液晶分子２４が立ち上がる。液晶分子２４が立ち上がった領域では、偏光板１２から射出された光線は、その偏光方向が９０°回転せず、偏光板１３によって遮断されて黒表示となる。すなわち、第１電極３０と第２電極４０とに挟まれた液晶領域は、光線を遮断するバリアとして機能する。

一方、第１電極３０と第２電極４０とに挟まれていない液晶領域、すなわち、第１電極３０が形成されていない領域（スリット）では、液晶分子２４に電界が印加されず、この液晶分子２４は、初期配向を維持する。これにより、スリットでは、偏光板１２から射出された光線は、その偏光方向が９０°回転し、偏光板１３を透過する。この結果、スリットによって、部分的に３Ｄ表示が実現される。

次に、２Ｄ表示を行う場合の液晶パララックスバリア２０の動作について説明する。第２電圧制御部５１は、第２電極４０に基準電圧（例えば接地電圧）を印加する。第１電圧制御部５０は、２Ｄ表示を行う領域に対応する第１電極領域３１の引出線３２に、第２電極４０と同じ電圧、すなわち接地電圧を印加する。この場合、液晶層２３には電界が印加されないので、液晶分子２４は初期配向を維持する。これにより、接地電圧が印加された第１電極領域３１では、偏光板１２から射出された光線は、その偏光方向が９０°回転し、偏光板１３を透過する。この結果、電界が印加されていない液晶領域では、スリットが形成されず、２Ｄ表示が実現されることになる。なお、２Ｄ表示を行う場合において、第１電極３０に印加される電圧は、接地電圧に限らず、閾値電圧Ｖｔｈ未満であればよい。

以上詳述したように本実施形態によれば、第１電極領域３１の境界（すなわち、引出線３２のライン）は、スリットの境界（すなわち、第１電極３０のライン）とは独立して設定される。そして、本実施形態では、第１電極領域３１を単位として、スリット機能のオン／オフを切り替えることが可能となる。これにより、第２方向Ｄ２に直交する方向に対して傾いたスリットを有する液晶パララックスバリア２０において、スリットの境界に束縛されることなく、矩形領域を単位として、部分的に２Ｄ表示と３Ｄ表示との切り替えを実現することができる。

また、第１電極３０の幅を第１電極３０の配列ピッチの半分よりも大きく形成することで、パララックスバリアの遮光効果を有効に発揮させることができる。本実施形態におけるその他の効果は、第１実施形態と同様である。

［第６実施形態］
前述の第４実施形態においては、透明基板２１側に形成されている電極は第１電極３０のみであった。しかし実際に液晶ＧＲＩＮレンズを形成する場合には、実現するレンズの焦点距離などの条件によっては、レンズ性能向上のために電極を追加した方が好ましい場合がある。そこで第６実施形態では、レンズ端部に第１電極３０を配置し、レンズ中央部に第１電極３０と異なる電圧制御が行える第３電極６０を配置することで、レンズ性能をより向上させるようにしている。

図１３は、第６実施形態に係る画像表示装置１０の模式図である。図１４は、液晶ＧＲＩＮレンズ２０の断面図である。液晶ＧＲＩＮレンズ２０は、一対の透明基板２１及び２２、透明基板２１及び２２間に設けられた誘電体層２５、透明基板２１及び誘電体層２５に挟持された液晶層２３、複数の第１電極３０、複数の第２電極４０、複数の第３電極６０、第１電圧制御部５０、第２電圧制御部５１、及び第３電圧制御部５２を備えている。

複数の第３電極６０は、液晶層２３側の透明基板２１上に設けられている。複数の第１電極３０は、液晶層２３側の誘電体層２５上に設けられている。複数の第２電極４０は、液晶層２３側の透明基板２２上に設けられている。第１電極３０、第２電極４０、及び第３電極６０は、透明電極からなる。誘電体層２５は、第１電極３０と第３電極６０とが導通しないようにするための絶縁層からなる。

図１５は、第１電極３０、第２電極４０及び第３電極６０の平面図である。第１電極３０及び第２電極４０の平面形状は、第４実施形態と同じである。
複数の第３電極６０は、第１電極３０と同様に、第１方向Ｄ１に沿って等間隔に配列されている。第３電極６０の配列ピッチは、第１電極３０と同じであり、各第３電極６０は、第１電極３０間に配置されている。第３電極６０の幅は、第１電極３０間の距離より小さく形成される。液晶ＧＲＩＮレンズ２０は、隣接する２つの第１電極３０によって柱状の１個のレンズが形成される。よって、隣接する２つの第１電極３０がレンズの両端に配置されて端部電極を構成し、隣接する２つの第１電極３０間の第３電極６０がレンズの中心に配置されて中心電極を構成する。

複数の第３電極６０は、第３方向Ｄ３に沿って配列する複数の第３電極領域６１に分割されている。各第３電極領域６１に含まれる所定数の第３電極６０は、引出線６２によって電気的に接続されている。引出線６２は、第３電極と同じ材料からなる。引出線６２は、第３方向Ｄ３に延伸し、第３方向Ｄ３における第３電極領域６１の端部に配置されている。第３電極領域６１は、第２電極４０に対応して配置されており、第３電極領域６１のサイズは、第２電極４０のサイズとほぼ同じである。本実施形態におけるその他の構成は、第４実施形態と同じである。

次に、液晶ＧＲＩＮレンズ２０の動作について説明する。第３電圧制御部５２は、複数の引出線６２のそれぞれに電気的に接続され、複数の引出線６２をそれぞれ独立して電圧制御できるように構成されている。

第３電圧制御部５２は、３Ｄ表示を行う領域に対応する引出線６２を駆動する。この時、第３電圧制御部５２は、引出線６２を介して第３電極６０に、第２電極４０と同じ電圧を印加する。第１電圧制御部５０及び第２電圧制御部５１の動作は、第４実施形態と同じである。

本実施形態では、第１電極３０がレンズ端部に位置し、第３電極６０がレンズ中央部に位置している。第１電極３０及び第２電極４０間の液晶領域には閾値電圧Ｖｔｈ以上の電位差が与えられ、一方、第３電極６０及び第２電極４０間の液晶領域には閾値電圧Ｖｔｈ以上の電位差が与えられない。これにより、レンズ端部では、液晶分子が基板に対して立ち上がるため、屈折率を小さくすることができる。また、第３電極６０が位置するレンズ中央部では、電位差がほぼ０Ｖに設定されるため、レンズ中央部の液晶領域には不要な電界が印加されない。このため、隣接する２つの第１電極３０間では、電界が徐々変化する理想的な電界分布が得られ、よりレンズとして好ましい屈折率分布を実現することが可能となる。

一方、２Ｄ表示を行う場合は、第１電圧制御部５０、第２電圧制御部５１及び第３電圧制御部５２はそれぞれ、第１電極３０、第２電極４０及び第３電極６０に基準電圧（例えば接地電圧）を印加する。この場合、液晶層２３には電界が印加されないので、液晶分子２４は初期配向を維持する。このため、レンズとしての屈折率分布は実現さず、２Ｄ表示が実現されることになる。

以上詳述したように本実施形態によれば、第４実施形態と同様に、画面の縦横方向のどちらにおいても、部分的に２Ｄ表示と３Ｄ表示との切り替えを実現することができる。また、１個のレンズとして機能する第１電極３０間の液晶領域において、電界分布を制御するための第３電極６０を追加しているため、より理想的な電界分布を得ることが可能となり、ひいては、よりレンズとして好ましい屈折率分布を実現することが可能となる。本実施形態におけるその他の効果は、第１実施形態と同様である。

なお、本実施形態においては、１種類の電極（第３電極６０）を追加した場合について説明したが、これに限定されない。さらに多くの電極を用いることで、電界分布をより細かく制御することも可能である。

また、第１実施形態と同様に、第２電極４０は、透明基板２２上に平面状に形成されていてもよい。この場合、複数の第３電極６０は、複数の領域に分割する必要はなく、複数の第３電極６０を纏めて１本の引出線６２で電気的に接続すればよい。

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…画像表示装置、１１…画像表示部、１２，１３…偏光板、２０…液晶光学素子（液晶ＧＲＩＮレンズ、液晶パララックスバリア）、２１，２２…透明基板、２３…液晶層、２４…液晶分子、２５…誘電体層、３０…第１電極、３１…第１電極領域、３２，３３…引出線、４０…第２電極、５０〜５２…電圧制御部、６０…第３電極、６１…第３電極領域、６２…引出線。

Claims (9)

1. 第１領域と、前記第１領域と境界線を介して接する第２領域とを有する主面を有する第１基板と、
   前記第１基板の前記主面に対向配置された第２基板と、
   前記第１及び第２基板間に設けられた液晶層と、
   前記第１領域及び前記第２領域の各々に設けられ、前記境界線と交差する第１方向に延在しかつ前記第１方向と交差する第２方向に並ぶ複数の第１電極と、
   前記各領域における複数の第１電極に電気的に接続され、前記境界線付近において前記境界線に沿って設けられた第１引出線と、
   前記液晶層側の前記第２基板上に設けられ、前記第１領域と前記第２領域とに対向して形成された複数の第２電極と、
   を具備し、
   前記第１領域及び前記第２領域は、前記境界線と交差する第３方向に並び、
   前記第１方向は、前記第３方向及び前記境界線と交差することを特徴とする液晶光学素子。
2. 前記第１電極及び前記第１引出線に電気的に接続され、前記第３方向に延在する第２引出線をさらに具備し、
   前記第１領域と前記第２領域とは、交互に配列されることを特徴とする請求項１に記載の液晶光学素子。
3. 前記第１電極の幅は、前記第１電極の配列ピッチの半分より大きいことを特徴とする請求項１に記載の液晶光学素子。
4. 前記第１電極に第１電圧を印加する第１電圧制御部と、
   前記第２電極に第２電圧を印加する第２電圧制御部と、
   をさらに具備し、
   前記第１電圧は、前記第２電圧に前記液晶層の閾値電圧を足した電圧以上であることを特徴とする請求項１に記載の液晶光学素子。
5. 第１領域と、前記第１領域と境界線を介して接する第２領域とを有する主面を有する第１基板と、
   前記第１基板の前記主面に対向配置された第２基板と、
   前記第１基板の前記主面上に設けられた誘電体層と、
   前記誘電体層及び前記第２基板間に設けられた液晶層と、
   前記誘電体層上かつ前記第１領域及び前記第２領域の各々に設けられ、前記境界線と交差する第１方向に延在しかつ前記第１方向と交差する第２方向に並ぶ複数の第１電極と、
   前記各領域における複数の第１電極に電気的に接続され、前記境界線付近において前記境界線に沿って設けられた第１引出線と、
   前記液晶層側の前記第２基板上に設けられ、前記第１領域と前記第２領域とに対向して形成された複数の第２電極と、
   前記第１基板の前記主面上に設けられ、前記第１方向に延在しかつ前記第２方向に並び、前記複数の第１電極間に配置された複数の第３電極と、
   を具備し、
   前記第１領域及び前記第２領域は、前記境界線と交差する第３方向に並び、
   前記第１方向は、前記第３方向及び前記境界線と交差することを特徴とする液晶光学素子。
6. 前記第１電極及び前記第１引出線に電気的に接続され、前記第３方向に延在する第２引出線をさらに具備し、
   前記第１領域と前記第２領域とは、交互に配列されることを特徴とする請求項５に記載の液晶光学素子。
7. 前記複数の第３電極は、前記複数の第２電極に対応して設けられた複数の電極領域に分割され、
   前記複数の電極領域の各々に含まれる第３電極は、第３引出線に電気的に接続されることを特徴とする請求項５に記載の液晶光学素子。
8. 前記第１電極に第１電圧を印加する第１電圧制御部と、
   前記第２電極及び前記第３電極に第２電圧を印加する第２電圧制御部と、
   をさらに具備し、
   前記第１電圧は、前記第２電圧に前記液晶層の閾値電圧を足した電圧以上であることを特徴とする請求項５に記載の液晶光学素子。
9. 請求項１に記載の液晶光学素子と、前記液晶光学素子に光線を射出する画像表示部とを具備することを特徴とする画像表示装置。

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