JP5832314B2 - 立体表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、立体表示装置に係わり、特に、液晶レンズセルを使用するレンチキュラ方式の立体表示装置に適用して有効な技術に関する。

従来、専用のメガネなしで立体画像（３次元画像）を見ることができる立体表示装置として、レンチキュラレンズを用いたものが知られている。
このレンチキュラレンズを用いた立体表示装置は、例えば、液晶表示パネルなどの表示面上にレンチキュラレンズを配置し、液晶表示パネルに左眼用の画像と右眼用の画像とを交互に表示し、当該左眼用の画像と右眼用の画像とを、レンチキュラレンズで分離する。観察者は、レンチキュラレンズで分離された左眼用の画像と右眼用の画像とを、それぞれ左眼および右眼で観察することにより、３次元立体像を観察することができる。
このレンチキュラレンズを用いた立体表示装置において、レンチキュラレンズとして、液晶レンズセルを使用するものが、下記特許文献１に記載されている。

特開平７−２１７３７４号公報

液晶レンズセルは、内部に、電極を構成する透明導電膜（例えば、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide））、セルの間隔を一定に保つビーズスペーサ、配向膜、あるいは、無機絶縁膜しかなく、水を吸収する部材が少ない。
そのため、液晶レンズセルを用いた立体表示装置において、高温高湿状態になると、液晶レンズセルの液晶層に水分が進入し、温度を下げると液晶層中に溶けた水分が溶出してくるという問題があった。
本発明は、前記従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、液晶レンズセルを用いた立体表示装置において、温度を下げたときに、液晶レンズセルの液晶層中に溶けた水分が溶出してくるのを防止することが可能となる技術を提供することにある。
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述及び添付図面によって明らかにする。

本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、下記の通りである。
（１）表示装置と、前記表示装置上に配置される液晶レンズセルとを備え、前記液晶レンズセルは、第１の基板と、第２の基板と、前記第１の基板と前記第２の基板との間に狭持される液晶層と、前記第１の基板の前記液晶層側に配置される第１の電極と、前記第２の基板の前記液晶層側に配置される第２の電極とを有する立体表示装置であって、前記液晶レンズセルは、前記第１の基板および第２の基板の少なくとも一方の基板の前記液晶層側に配置される吸水膜を有する。
（２）（１）において、前記吸水膜は、アクリル樹脂、あるいはエポキシ樹脂で構成される。
（３）（１）において、前記吸水膜は、前記第１の基板と前記第１の電極との間、あるいは、前記第１の電極の前記液晶層側に配置される。
（４）（１）において、前記吸水膜は、前記第２の基板と前記第２の電極との間、あるいは、前記第２の電極の前記液晶層側に配置される。

（５）（１）において、前記液晶層の厚さをｄ、吸水膜の厚さをＴｈとするとき、７．５＜（ｄ／Ｔｈ）＜１００を満足する。
（６）（１）において、前記第１の電極は、櫛歯電極であり、前記第２の電極は、平面状の電極であり、前記液晶層の厚さをｄ、前記櫛歯電極のピッチをＱとするとき、３．５＜（Ｑ／ｄ）＜７、好ましくは、４．５＜（Ｑ／ｄ）＜５．５、より好ましくは、 （Ｑ／ｄ）＝５を満足する。
（７）（１）において、前記第１の電極は、櫛歯電極であり、前記第２の電極は、平面状の電極であり、前記櫛歯電極のピッチをＱ、前記櫛歯電極の幅をＬとするとき、１０＜（Ｑ／Ｌ）、好ましくは、１５＜（Ｑ／ｄ）＜２０を満足する。
（８）（１）において、前記液晶層の内部に配置されるビーズスペーサを有し、前記液晶層の１ｍｍ^２当たりの前記ビーズスペーサ量は、１０個以下である。

本願において開示される発明のうち代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、下記の通りである。
本発明によれば、液晶レンズセルを用いた立体表示装置において、温度を下げたときに、液晶レンズセルの液晶層中に溶けた水分が溶出してくるのを防止することが可能となる。

本発明の実施例１の立体表示装置の概略構成を示すブロック図である。 図１に示す液晶レンズセルの断面構造を示す断面図である。 図２に示す第１の電極および第２の電極の電極形状を示す図である。 図２示す液晶レンズセルの動作を説明する図である。 第２の電極を構成する櫛歯電極のピッチＱと、液晶層の厚さｄとの比（Ｑ／ｄ）が、クロストークに及ぼす影響をシミュレーションした結果を示すグラフである。 （Ｑ／ｄ）を５としたときに、第２の電極を構成する櫛歯電極のピッチＱと、櫛歯電極の幅Ｌとの比（Ｑ／Ｌ）が、クロストークに及ぼす影響をシミュレーションした結果を示すグラフである。 本発明の実施例１の液晶レンズセルに分散されるビーズスペーサの様子を示す概略図である。 一般的な液晶表示パネル（ＴＮ方式やＳＴＮ方式など液晶表示パネル）に分散されるビーズスペーサの様子を示す概略図である。 水蒸気圧に対する液晶層に進入する水分量を示すグラフである。 液晶レンズセルの内部に配置する吸水膜の膜厚を変えながら、高温高湿（７０℃、９０％の環境に５００ｈｒ放置）の環境下に、液晶レンズセルを放置したときに進入する水分を吸水膜が吸水するまでの時間を測定した結果を示すグラフである。 本発明の実施例２の立体表示装置の液晶レンズセルの断面構造を示す断面図である。 本発明の実施例３の立体表示装置の液晶レンズセルの断面構造を示す断面図である。

以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明する。
なお、実施例を説明するための全図において、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。また、以下の実施例は、本発明の特許請求の範囲の解釈を限定するためのものではない。
［実施例１］
図１は、本発明の実施例１の立体表示装置の概略構成を示すブロック図である。
図１に示すように、本実施例の立体表示装置は、表示装置１００と、液晶レンズセル１０１とで構成される。表示装置１００は、液晶表示パネル、あるいは、自発光ディスプレイである有機ＥＬ表示パネルなどが使用される。
液晶レンズセル１０１は、透明な接着部材１０２により、表示装置１００上に貼り付けられる。ここで、透明な接着部材１０２は、例えばＵＶ硬化樹脂などで構成される。

図２は、図１に示す液晶レンズセル１０１の断面構造を示す断面図である。
図２に示すように、液晶レンズセル１０１は、第１の基板（ＳＵＢ１）と、第２の基板（ＳＵＢ２）と、第１の基板（ＳＵＢ１）と第２の基板（ＳＵＢ２）との間に狭持される液晶層（ＬＣ）とを有する。第１の基板（ＳＵＢ１）及び第２の基板（ＳＵＢ２）は、例えば、ガラス基板などの透明基板で構成される。ここで、第１の基板（ＳＵＢ１）の液晶層（ＬＣ）と反対側の面が、接着部材１０２により、表示装置１００上に貼り付けられる。したがって、第２の基板（ＳＵＢ２）の液晶層（ＬＣ）と反対側の面が、観察者が観察する観察面となる。
第１の基板（ＳＵＢ１）の液晶層（ＬＣ）側の面には、第１の電極（ＥＬ１）が形成され、この第１の電極（ＥＬ１）上には、配向膜（ＡＬ１）が形成される。同様に、第２の基板（ＳＵＢ２）の液晶層（ＬＣ）側の面には、第２の電極（ＥＬ２）が形成され、この第２の電極（ＥＬ２）上には、配向膜（ＡＬ２）が形成される。なお、図２では、液晶層（ＬＣ）の間隔を一定に保つビーズスペーサの図示は省略している。
図２において、１０は吸水膜であり、吸水膜１０は、吸水性がある透明な有機材料の膜が望ましく、例えば透明なアクリル樹脂やエポキシ樹脂などが用いられる。特にアクリル樹脂は吸水性に優れているので望ましい。
ここで、配向膜（ＡＬ１，ＡＬ２）の配向方向は、水平方向である。また、液晶層（ＬＣ）は、正の誘電率異方性材料を用いる。
図３は、図２に示す第１の電極（ＥＬ１）および第２の電極（ＥＬ２）の電極形状を示す図である。図３（ａ）に示すように、第２の電極（ＥＬ２）は、平面状の電極であり、図３（ｂ）に示すように、第１の電極（ＥＬ１）は、櫛歯電極とされる。
ここで、第１の電極（ＥＬ１）および第２の電極（ＥＬ２）は、例えば、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）などの透明電極で構成される。なお、図２は、図３（ｂ）のＡ−Ａ’切断線に沿った断面構造を図示している。

図４は、図２に示す液晶レンズセル１０１の動作を説明する図である。なお、図４において、２０は電気力線であり、３０は液晶分子である。
第１の電極（ＥＬ１）と第２の電極（ＥＬ２）との間で交流の電圧を印加する。例えば、第１の電極（ＥＬ１）に、第２の電極（ＥＬ２）よりも高電位の電圧を供給すると、図４（ａ）に示すように、電気力線２０は、第１の電極（ＥＬ１）から第２の電極（ＥＬ２）に向う方向に生じ、図示は省略するが、第２の電極（ＥＬ２）に、第１の電極（ＥＬ１）よりも高電位の電圧を供給すると、電気力線２０は、第２の電極（ＥＬ２）から第１の電極（ＥＬ１）に向かう方向に生じる。
また、図４（ｂ）に示すように、第１の電極（ＥＬ１）と第２の電極（ＥＬ２）との間に電圧を印加しない状態では、液晶分子３０は、第１の基板（ＳＵＢ１）と第２の基板（ＳＵＢ２）に平行な状態になっている。この場合、表示装置１００に表示された画像はそのまま通過するので、観察者は、２次元画像を観察することができる。
また、図４（ｃ）に示すように、第１の電極（ＥＬ１）と第２の電極（ＥＬ２）との間に電圧を印加した状態では、液晶分子３０は、電界方向に整列し、液晶層（ＬＣ）の屈折率分布が変化する。したがって、表示装置１００に交互に表示された左眼用の画像と右眼用の画像とは、液晶レンズセル１０１を通過する際に、進行方向が変更され分離されるので、観察者は、液晶レンズセル１０１で分離された左眼用の画像と右眼用の画像とを、それぞれ左眼、および、右眼で観察することにより、３次元立体像を観察することができる。なお、本実施例の立体表示装置において、３次元立体画像が発現する原理については前述の特許文献１を参照されたい。
このように、本実施例では、液晶レンズセル１０１の屈折率分布によるレンズ効果（ＧＲＩＮレンズ）によって、２次元画像と３次元立体画像とを切り替えることが可能となる。

図２において、ｄは液晶層（ＬＣ）の厚さ、Ｑは、第１の電極（ＥＬ１）を構成する櫛歯電極のピッチであり、Ｌは櫛歯電極の幅である。したがって、Ｓ＝Ｑ−Ｌである。
図５は、第１の電極（ＥＬ１）を構成する櫛歯電極のピッチＱと、液晶層（ＬＣ）の厚さｄとの比（Ｑ／ｄ）が、クロストークに及ぼす影響をシミュレーションした結果を示すグラフである。
なお、クロストークとは、第１の電極（ＥＬ１）と第２の電極（ＥＬ２）との間に電圧を印加し、３次元立体像を表示した状態において、左眼用の画像に、右目用の画像が混入する割合（あるいは、右眼用の画像に、左目用の画像が混入する割合）を表す。
クロストークは１％以下であると人間の目には認識しづらくなるため、図５から分かるように、（Ｑ／ｄ）は、３．５＜（Ｑ／ｄ）＜７であることが望ましく、さらに、クロストークを下げるために、好ましくは、４．５＜（Ｑ／ｄ）＜５．５が望ましく、より好ましくは、（Ｑ／ｄ）は約５（Ｑ／ｄ≒５）が望ましい。即ち、（Ｑ／ｄ）が５のときに最も良いレンズ効果を得ることができる。
図６は、（Ｑ／ｄ）を５としたときに、第１の電極（ＥＬ１）を構成する櫛歯電極のピッチＱと、櫛歯電極の幅Ｌとの比（Ｑ／Ｌ）が、クロストークに及ぼす影響をシミュレーションした結果を示すグラフである。
図６から分かるように、Ｑ／Ｌは、１５＜（Ｑ／Ｌ）＜２０が望ましく、さらに、クロストーク１％以内とすれば、１０＜（Ｑ／Ｌ）が望ましい。

図７Ａは、本実施例の液晶レンズセル１０１に分散されるビーズスペーサ（ＢＳ）の様子を示す概略図である。なお、図７Ｂに、比較例として、一般的な液晶表示パネル（ＴＮ方式やＳＴＮ方式など液晶表示パネル）に分散されるビーズスペーサ（ＢＳ）の様子を示す。
液晶レンズセル１０１は、レンズ効果を得るために、大きなリタデーション（Δｎ×ｄ）が必要となる。本実施例では、液晶層（ＬＣ）の厚さ（ｄ）を３０μｍとしたが、すくなくとも２０μｍ以上の大きさのビーズスペーサ（ＢＳ）が必要となる。
そのため、観察者に、ビーズスペーサ（ＢＳ）が目視されてしまことになるので、図７Ａに示すように、液晶レンズセル１０１の場合は、１ｍｍ^２当たり１個（１個／ｍｍ^２）が望ましく、最大でも、１ｍｍ^２当たり１０個（１０個／ｍｍ^２）以下の密度で分散させる必要がある。
一方、図７Ｂに示すように、一般的な液晶表示パネルでは、１ｍｍ^２当たり１００個〜２００個（１００個〜２００個／ｍｍ^２）分散するのが普通である。

本実施例で用いた液晶表示パネルは、図示は省略しているが、周囲をシール材で封止してある。しかしながら、高温高湿状態（例えば、７０℃、湿度９０％、水蒸気圧約２８１ｈＰａ）に放置すると、一時間当たり０．０６ｐｐｍ／ｈｒの水分が液晶層（ＬＣ）中に進入する。この速度は、シール材が変われば変化するがそれほど大きくは変化しない。水分は主にシール材と基板界面から進入するため、ギャップが変化してもそれほど大きく変化しない。
進入した水分は、液晶層（ＬＣ）や、ビーズスペーサ（ＢＳ）、配向膜（ＡＬ１，ＡＬ２）に吸水される。ここで、ビーズスペーサ（ＢＳ）が吸水する水分量の速度は、ビーズスペーサ（ＢＳ）の表面積に依存する。
液晶レンズセル１０１に使用される、直径が３０μｍのビーズスペーサ（ＢＳ）の表面積は約２８２７μｍ^２であり、一般的な液晶表示パネルに使用される、直径が４μｍのビーズスペーサ（ＢＳ）の表面積は約５０μｍ^２である。
ここで、ビーズスペーサ（ＢＳ）の個数を１ｍｍ^２当たり、液晶レンズセル１０１が１０個、一般的な液晶表示パネルが２００個とする。この場合、単位体積（１ｍｍ^３）当たりのビーズスペーサ（ＢＳ）の個数を、液晶レンズセル１０１が１個とすると、一般的な液晶セルは１５０個となる。
よって、液晶単位体積に占めるビーズスペーサ（ＢＳ）の表面積は、
液晶レンズセルが、２８２７＝２８２７μｍ^２ ×１
一般的な液晶表示パネルが、７５４０＝５０μｍ^２ ×１５０となり、液晶レンズセル１０１は、一般的な液晶表示パネルに比べ３７％となる。

単位体積当たり、４μｍのビーズスペーサ（ＢＳ）が１５０個の一般的な液晶表示パネルの吸水率を測定したところ、単位体積あたり、約０．１ｐｐｍ／ｈｒの水を吸水することがわかった。
一方、単位体積当たり、３０μｍのビーズスペーサ（ＢＳ）が１個の液晶レンズセル１０１の吸水率は、約０．１ｐｐｍ／ｈｒの３７％となるので、０．０３７ｐｐｍ／ｈｒとなる。
単位体積当たり、３０μｍのビーズスペーサ（ＢＳ）が１個の液晶レンズセル１０１の内部に入ってくる水分量は０．０６ｐｐｍ／ｈｒなので、液晶レンズセル１０１のビーズ量では充分に水が吸収できないことを示している。
一方、一般的な液晶表示パネルの場合は液晶層中に進入するすべての水分をビーズスペーサ（ＢＳ）が吸収することができる。
なお、前述の計算式の前提となる条件は、液晶レンズセル１０１内に、３０μｍのビーズスペーサ（ＢＳ）を、１０個／ｍｍ^２分散したと仮定している。
しかしながら、ビーズスペーサ（ＢＳ）の分散量を増やしてしまうと、ビーズスペーサ（ＢＳ）が見えてしまうために、１個／ｍｍ^２が望ましい。この条件だと、さらに液晶レンズセル１０１の内部に進入する水分を吸収できないことを示している。

高温高湿状態で液晶層中に水分が進入した場合、室温に戻すと液晶層中に溶けることができる飽和水分量が低下するために、水が溶出してきてしまい欠陥として認識されてしまう。
図８に、水蒸気圧に対する液晶層に進入する水分量のグラフを示した。
水蒸気圧２８１ｈＰａ（例えば、７０℃、湿度９０％）では進入量は０．０６ｐｐｍ／ｈｒだが、５９ｈＰａ（例えば、３６℃、湿度１００％）では、進入量は０．０４となる。つまり、吸水膜１０を設けない液晶レンズセル１０１の場合、水蒸気圧６０ｈＰａ以上の環境に放置し、液晶層（ＬＣ）が吸収できる水分量以上が進入すると、水が溶出してしまう。
この課題を解決するために、本実施例では、吸水膜１０を図２に示す位置に配置する。前述したように、吸水膜１０は、例えば、アクリル樹脂やエポキシ樹脂等の透明有機絶縁膜で構成されており、ビーズスペーサ（ＢＳ）に比べると格段に吸収率が高い。
そのため、本実施例では、高温高湿状態にして液晶層（ＬＣ）中に水分が進入したとしても、吸水膜１０が飽和するまでは、液晶層（ＬＣ）中に水がたまることはない。吸収部材に、例えば、透明有機絶縁膜を用いると、７０℃、湿度９０％の環境下に、２０００ｈｒ以上放置しても、吸水膜１０の飽和値は超えないため、一般的な使用環境においては飽和水分量を超えることはない。

液晶レンズセル１０１の内部に配置する吸水膜１０の膜厚を変えながら、高温高湿（７０℃、９０％の環境に５００ｈｒ放置）の環境下に、液晶レンズセル１０１を放置したときに進入する水分を吸水膜１０が吸水するまでの時間を測定した。
測定結果を図９に示す。この図９のグラフでは、横軸に、液晶層厚／吸水膜厚を取り、縦軸に吸水時間を取った。横軸が大きければ大きいほど、吸水膜１０は薄くなる。なお、液晶層厚は３０μｍとしている。
吸水時間は、液晶層厚／吸水膜厚が７．５以下では飽和した。即ち、吸水時間が変化しなくなる。また、液晶層厚／吸水膜厚が１００以上では急激に吸水時間が増加する。
よって、図９の（Ｃ）の領域は、吸水時間が急激に伸びるために、望ましくなく、液晶層厚／吸水膜厚は１００以下にすることが望ましい。
また、図９の（Ａ）の領域は、吸水膜１０の膜厚を厚くする必要があり、吸水膜１０の光吸収により透過率が減少する可能性があり、さらに無駄な膜厚により材料コストも上がる。さらに、７．５以下では充分に飽和しているために、７．５＜液晶層厚／吸水膜厚＜１００とすることがより望ましい。

［実施例２］
図１０は、本発明の実施例２の立体表示装置の液晶レンズセル１０１の断面構造を示す断面図である。
前述の実施例１との相違点は、図１０に示すように、吸水膜１０を、櫛歯電極である第１の電極（ＥＬ１）上に配置し、吸水膜１０上に配向膜（ＡＬ１）を配置した点である。
本実施例では、吸水膜１０が絶縁性を有していれば、第１の電極（ＥＬ１）と第２の電極（ＥＬ２）とが接触し、ショートすることも防ぐことができる。さらに、第１の電極（ＥＬ１）上に吸水膜１０を配置したので、吸水率を向上させることもできる。

［実施例３］
図１１は、本発明の実施例２の立体表示装置の液晶レンズセルの断面構造を示す断面図である。
前述の実施例１との違いは、図１１に示すように、吸水膜１０を、第２の基板（ＳＵＢ２）側で、平面状の電極である第２の電極（ＥＬ２）上に配置した点である。
これにより、本実施例では、吸水率を高めることができ、前述の実施例２で問題となる第１の電極（ＥＬ１）の段差による吸水膜１０のむらも改善することができる。
なお、前述の各実施例において、吸水膜１０は、第１の基板（ＳＵＢ１）と、第２の基板（ＳＵＢ２）の両方に設けてもよいが、吸水膜１０の光吸収により透過率が減少することを考慮すると、吸水膜１０は、第１の基板（ＳＵＢ１）、あるいは、第２の基板（ＳＵＢ２）のいずれか一方に設けるのが好ましい。
以上、本発明者によってなされた発明を、前記実施例に基づき具体的に説明したが、本発明は、前記実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは勿論である。

１０ 吸水膜
２０ 電気力線
３０ 液晶分子
１００ 表示装置
１０１ 液晶レンズセル
１０２ 接着部材
ＳＵＢ１ 第１の基板
ＳＵＢ２ 第２の基板
ＡＬ１，ＡＬ２ 配向膜
ＥＬ１ 第１の電極
ＥＬ２ 第２の電極
ＬＣ 液晶層
ＢＳ ビーズスペーサ

Claims (12)

1. 表示装置と、
   前記表示装置上に配置される液晶レンズセルとを備え、
   前記液晶レンズセルは、第１の基板と、
   第２の基板と、
   前記第１の基板と前記第２の基板との間に狭持される液晶層と、
   前記第１の基板の前記液晶層側に配置される第１の電極と、
   前記第２の基板の前記液晶層側に配置される第２の電極とを有する立体表示装置であって、
   前記第１の電極は、櫛歯電極であり、
   前記第２の電極は、平面状の電極であり、
   前記液晶レンズセルは、前記第１の基板および第２の基板の少なくとも一方の基板の前記液晶層側に配置される吸水膜を有し、
   前記液晶層の厚さをｄ、吸水膜の厚さをＴｈとするとき、７．５＜（ｄ／Ｔｈ）＜１００を満足することを特徴とする立体表示装置。
2. 前記吸水膜は、アクリル樹脂、あるいは、エポキシ樹脂で構成されることを特徴とする請求項１に記載の立体表示装置。
3. 前記吸水膜は、前記第１の基板と前記第１の電極との間に配置されることを特徴とする請求項１に記載の立体表示装置。
4. 前記吸水膜は、前記第１の電極の前記液晶層側に配置されることを特徴とする請求項１に記載の立体表示装置。
5. 前記吸水膜は、前記第２の基板と前記第２の電極との間に配置されることを特徴とする請求項１に記載の立体表示装置。
6. 前記吸水膜は、前記第２の電極の前記液晶層側に配置されることを特徴とする請求項１に記載の立体表示装置。
7. 前記液晶層の厚さをｄ、前記櫛歯電極のピッチをＱとするとき、３．５＜（Ｑ／ｄ）＜７を満足することを特徴とする請求項１に記載の立体表示装置。
8. ４．５＜（Ｑ／ｄ）＜５．５を満足することを特徴とする請求項７に記載の立体表示装置。
9. （Ｑ／ｄ）＝５を満足することを特徴とする請求項８に記載の立体表示装置。
10. 前記櫛歯電極のピッチをＱ、前記櫛歯電極の幅をＬとするとき、１０＜（Ｑ／Ｌ）を満足することを特徴とする請求項１に記載の立体表示装置。
11. １５＜（Ｑ／Ｌ）＜２０を満足することを特徴とする請求項１０に記載の立体表示装置。
12. 前記液晶層の内部に配置されるビーズスペーサを有し、
    前記液晶層の１ｍｍ ^２ 当たりの前記ビーズスペーサ量は、１０個以下であることを特徴とする請求項１に記載の立体表示装置。

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