JP5877979B2 - 回折素子を用いた映像表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、回折素子を用いた映像表示装置に関する。

近年、表示装置技術の発展によって３次元（３Ｄ）の立体映像表示装置が関心を引き、様々な３次元映像表示方法が研究されている。

立体映像表示を実現する際に、最も一般に用いられる方法の１つは左右両眼視差（ｂｉｎｏｃｕｌａｒ ｄｉｓｐｌａｙ）を用いる方法である。左右両眼視差を用いる方法は、左眼に到達する映像と右眼に到達する映像とを同じ表示装置で表示し、この２つの映像をそれぞれ観察者の左眼と右眼に入れるようにするものである。つまり、両眼にそれぞれ他の角度で観察された映像が入力されるようにすることによって、観察者が立体感を感じられるようにする。

この時、映像を観察者の左眼と右眼にそれぞれ入れる方法としては、バリア（ｂａｒｒｉｅｒ）を用いる方法と、円筒形レンズ（ｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌ ｌｅｎｓ）の一種であるレンチキュラーレンズ（ｌｅｎｔｉｃｕｌａｒ ｌｅｎｓ）を用いる方法などがある。

バリアを用いる立体映像表示装置は、バリアにスリットを形成して、このスリットを通じて表示装置からの映像を左眼映像と右眼映像に分けて観察者の左眼と右眼にそれぞれ入るようにする。

レンズを用いる立体映像表示装置は、左眼映像と右眼映像をそれぞれ表示し、立体映像表示装置からの映像をレンズを用いて光経路を変更することによって左眼映像と右眼映像に分ける。

一方、２次元映像表示方法から立体映像表示方法に切換する過程で、２次元／３次元兼用映像表示装置が開発されており、これのためにスイッチングが可能なレンズが開発されている。

韓国公開特許第２００９−０００４００６号公報

本発明の目的は、レンズ特性を向上させる映像表示装置を提供することにある。

本発明の一実施形態に係る映像表示装置は、映像を表示する表示パネルと、前記表示パネルの映像を２次元映像または３次元映像と認識されるように、２次元モードまたは３次元モードで動作するように形成される回折素子と、を含み、前記回折素子は、互いに対向する第１基板及び第２基板、前記第１基板上に形成される第１電極層、前記第２基板上に形成される第２電極層、及び前記第１基板と前記第２基板との間に配置される液晶層を含み、前記回折素子が３次元モードで動作する場合、前記第２電極層には共通電圧が印加され、前記共通電圧に対して前記第１電極層に印加される電圧の極性は区間ごとに反転することを特徴とする。

前記回折素子が３次元モードで動作する場合、前記回折素子は複数の単位レンズを含んでもよい。

前記複数の単位レンズはそれぞれフレネルゾーンプレートとして動作してもよい。

前記単位レンズは、中心を基準として外側に順に位置する複数の区間を含んでもよい。

前記第１電極層は、複数の第１電極を含む第１電極アレイ、複数の第２電極を含む第２電極アレイ、及び前記第１電極アレイと前記第２電極アレイとの間を絶縁する絶縁層を含んでもよい。

前記複数の区間は、それぞれ少なくとも１つの前記第１電極と、少なくとも１つの前記第２電極とを含んでもよい。

前記複数の区間それぞれにおける位相遅延が外側から中心側に段階的に変化するように前記第１電極層に電圧を印加してもよい。

前記複数の区間において、同一のサブ区間に該当する前記第１電極または前記第２電極の電圧は、同一の位相遅延を起こすように印加してもよい。

前記複数の区間それぞれで少なくとも１つの前記第１電極及び少なくとも１つの前記第２電極に印加される電圧は、外側から中心側に段階的に変化してもよい。

前記複数の区間それぞれで少なくとも１つの前記第１電極及び少なくとも１つの前記第２電極の幅は、単位レンズの外側から中心側に向かうほど広くなってもよい。

前記複数の区間それぞれにおいて、少なくとも１つの前記第１電極及び少なくとも１つの前記第２電極に印加される電圧と前記共通電圧との差は、外側から中心側に順に減少してもよい。

前記第１電極層において、区間境界に隣接した２つの電極に印加される電圧の電圧差ｄＶは、前記各区間で最も外側に位置する電極に印加される第１電圧と、最も中心に位置する電極に印加される第２電圧との差ｄＶｍａｘ、及び前記第２電圧と前記共通電圧との差であるオフセット電圧Ｖｏｆｆｓｅｔによって設定してもよい。

前記第１電極層において、区間境界に隣接した２つの電極に印加される電圧の電圧差ｄＶは、ｄＶ＝ｄＶｍａｘ＋２Ｖｏｆｆｓｅｔであってもよい。

前記第１電極層において、区間境界に隣接した２つの電極に印加される電圧の電圧差ｄＶは、区間境界部の透過率が所定値以下となるように設定してもよい。

区間境界に隣接した２つの電極の間の間隔及びセルギャップは、区間境界部の透過率が所定値以下となるように設定してもよい。

前記複数の区間は、それぞれ２つの前記第１電極と、２つの前記第２電極とを含んでもよい。

前記複数の区間は、それぞれ２つの前記第１電極と、１つの前記第２電極とを含むか、または１つの前記第１電極と２つの前記第２電極とを含んでもよい。

互いに隣接する前記第１電極及び前記第２電極の端部は互いにオーバーラップしなくてもよい。

前記回折素子が２次元モードで動作する場合、前記回折素子は前記表示パネルで表示された映像をそのまま透過させてもよい。

前記液晶層の液晶分子を配向するための配向膜をさらに含んでもよい。

本発明によれば、レンズ特性を向上させる映像表示装置を提供することができる。

本発明の実施形態に係る映像表示装置の概略的な構造及び２次元映像を形成する方法を示す図面である。 本発明の実施形態に係る映像表示装置の概略的な構造及び３次元映像を形成する方法を示す図面である。 本発明の実施形態に係る映像表示装置の回折素子の一例を示す断面図である。 位相変調タイプのフレネルゾーンプレートの位置による位相遅延変化を示すグラフである。 本発明の実施形態に係る回折素子における単位レンズの一部を示す断面図である。 図５の回折素子で位置によって形成されるべきの位相遅延を示す図面である。 本発明の第１実施形態に係る映像表示装置における回折素子の第１電極層に印加される電圧の一例を示す図面である。 本発明の第２実施形態に係る映像表示装置における回折素子の第１電極層に印加される電圧の一例を示す図面である。 図８に示した回折素子の第１電極層に電圧が印加される場合の回折素子に形成される電界を示す図面である。 図９の回折素子で位置による位相遅延及び透過率を示す図面である。 本発明の第２実施形態に係る映像表示装置における回折素子に形成される電界を示す図面である。 図１１の場合に回折素子で位置による位相遅延及び透過率を示す図面である。

以下、添付した図面を参照して、本発明の実施形態について本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が容易に実施できるように詳細に説明する。しかし、本発明は種々の異なる形態に実現でき、ここで説明する実施形態に限られない。

図面において、種々の層及び領域を明確に表現するために厚さを拡大して示した。明細書の全体にわたって類似する部分に対しては同一の符号を付けた。層、膜、領域、板などの部分が他の部分の「上」にあるという時、これは他の部分の「すぐ上」にある場合だけでなく、その中間に他の部分がある場合も含む。一方、ある部分が他の部分の「すぐ上」にあるという時には、中間に他の部分がないことを意味する。

図１は、本発明の実施形態に係る映像表示装置の概略的な構造及び２次元映像を形成する方法を示す図面である。図２は、本発明の実施形態に係る映像表示装置の概略的な構造及び３次元映像を形成する方法を示す図面である。

図１及び図２を参照すれば、映像表示装置は、映像を表示する表示パネル３００、及び表示パネル３００の映像が表示される面の前に位置する回折素子４００を含む。表示パネル３００及び回折素子４００は２次元モードまたは３次元モードで動作することができる。

表示パネル３００は、プラズマ表示装置（ｐｌａｓｍａ ｄｉｓｐｌａｙ ｐａｎｅｌ、ＰＤＰ）、液晶表示装置（ｌｉｑｕｉｄ ｃｒｙｓｔａｌ ｄｉｓｐｌａｙ）、有機発光表示装置（ｏｒｇａｎｉｃ ｌｉｇｈｔ ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｓｐｌａｙ）などのような様々なフラット表示装置としてもよい。表示パネル３００は行列状に配列され、画像を表示する複数の画素ＰＸを含む。表示パネル３００は、２次元モードでは１つの平面映像を表示するが、３次元モードでは右眼用映像、左眼用映像などの複数の視野に該当する映像を空間または時間分割方式で交互に表示する。例えば、３次元モードで表示パネル３００は右眼用映像と左眼用映像を一列の画素ごとに交互に表示する。

回折素子４００は、２次元モードでは表示パネル３００で表示された映像がそのまま透過するようにし、３次元モードでは表示パネル３００の映像の視野を分割する。つまり、３次元モードで動作する回折素子４００は、表示パネル３００に表示された左眼用映像と右眼用映像とを含む多視点映像を光の回折及び屈折現象を用いて各視点映像別に該当する視野に像が結像する。

図１は、表示パネル３００及び回折素子４００が２次元モードで動作する場合であって、左眼と右眼に同一の映像が到達して２次元映像が認識されることを示し、図２は、表示パネル３００及び回折素子４００が３次元モードで動作する場合であって、回折素子４００が表示パネル３００の映像を左眼及び右眼のような各視野に分割して屈折させることによって、３次元映像が認識されることを示す。

図３は、本発明の実施形態に係る映像表示装置の回折素子の一例を示す断面図である。

図３を参照すれば、回折素子４００は、ガラス、プラスチックなどの絶縁物質を含み、互いに対向する第１基板１１０及び第２基板２１０、第１基板１１０と第２基板２１０との間に配置される液晶層３を含む。第１基板１１０及び第２基板２１０の外側面には偏光子（ｐｏｌａｒｉｚｅｒ）（図示せず）を設けてもよい。

第１基板１１０の上には第１電極層１９０及び配向膜１１が順に形成され、第２基板２１０の上には第２電極層２９０及び配向膜２１が順に形成される。

第１電極層１９０及び第２電極層２９０は複数の電極を含み、ＩＴＯ（ｉｎｄｉｕｍ ｔｉｎ ｏｘｉｄｅ）またはＩＺＯ（ｉｎｄｉｕｍ ｚｉｎｃ ｏｘｉｄｅ）などの透明な導電物質で形成される。第１電極層１９０及び第２電極層２９０は印加される電圧によって液晶層３に電場を形成して、液晶層３の液晶分子の配列を制御する。

配向膜１１、２１は液晶層３の液晶分子の初期配向を決定し、液晶分子の配列方向を予め決定して、液晶層３に形成された電場によって速かに配列できるようにする。

液晶層３は、水平配向モード、垂直配向モード、ＴＮ（ｔｗｉｓｔｅｄ ｎｅｍａｔｉｃ）モードなど多様なモードで配向する。

回折素子４００は、第１電極層１９０及び第２電極層２９０に印加される電圧によって２次元モードまたは３次元モードで動作する。例えば、第１電極層１９０及び第２電極層２９０に電圧が印加されない時に、回折素子４００は２次元モードで動作し、第１電極層１９０及び第２電極層２９０に電圧が印加される時に、回折素子４００は３次元モードで動作する。このために、液晶分子３１の初期配向方向及び偏光子の透過軸方向を適切に調節する。

以下、３次元モードで動作する回折素子４００について説明する。

３次元モードで動作する回折素子４００は複数の単位レンズを含む。複数の単位レンズは、回折素子４００の一側方向に一定の周期で反復配列する。回折素子４００内の単位レンズの位置は固定し、時間によって変化することも可能である。

１つの単位レンズはフレネルゾーンプレート（Ｆｒｅｓｎｅｌ ｚｏｎｅ ｐｌａｔｅ）として実現してもよい。フレネルゾーンプレートは、一般に、フレネルゾーン（Ｆｒｅｓｎｅｌ ｚｏｎｅ）のように放射状に配列され、中心から外側に向かって次第に間隔が狭くなる複数の同心円を利用して、光の屈折の代わりに光の回折現象を利用してレンズの役割を果たすようにする装置をいう。

図４は、位相変調タイプのフレネルゾーンプレートの位置による位相遅延変化を示すグラフである。ここで、フレネルゾーンプレートの各区間（ｚｏｎｅ）はグラフで反復される波形がそれぞれ属する領域となる。

図４を参照すれば、各区間で位相遅延が階段型に変化する。中心に位置する区間では位相遅延が２段階にわたって変化し、中心を除いた区間では位相遅延が４段階にわたって変化している。ただし、これは各区間で位相遅延が変化する段階の個数を制限することではない。

図４に示すように、各区間での位相遅延（Ｐｈａｓｅ ｄｅｌａｙ）が階段型に変化するフレネルゾーンプレートをマルチレベル位相変調型（ｍｕｌｔｉ−ｌｅｖｅｌ ｐｈａｓｅ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）ゾーンプレートという。回折素子は、各区間を通過する光の回折と消滅、補強干渉によって光を焦点位置に集めるように屈折させる。このように回折素子の単位レンズごとにフレネルゾーンプレートによって、位相遅延分布を形成してレンズ効果を発生させることが可能である。

図５は、本発明の実施形態に係る回折素子における単位レンズの一部を示す断面図である。以下図３の実施形態と同一の構成要素に対しては同一の図面符号を付け、同一の説明は省略する。

図５を参照すれば、回折素子は、互いに対向する第１基板１１０及び第２基板２１０、第１基板１１０と第２基板２１０との間に配置される液晶層３を含む。第１基板１１０の上には第１電極層１９０及び配向膜１１が順に形成され、第２基板２１０の上には第２電極層２９０及び配向膜２１が順に形成される。

第１電極層１９０は、複数の第１電極１９３を含む第１電極アレイ１９１、第１電極アレイ１９１の上に形成される絶縁層１８０、及び絶縁層１８０の上に形成され、複数の第２電極１９７を含む第２電極アレイ１９５を含む。

第１電極１９３及び第２電極１９７は、横方向を基準として互いに交互に位置し、互いにオーバーラップしなくてもよい。図５では、隣接する第１電極１９３及び第２電極１９７の端部はオーバーラップしないように示しているが、第１電極１９３及び第２電極１９７の端部の一部は若干オーバーラップしてもよい。

第１電極１９３及び第２電極１９７の横方向の幅、第１電極１９３の間の間隔及び第２電極１９７の間の間隔は、単位レンズの中心側から外側に向かって次第に狭くなり、各区間内の中心側から外側に向かって次第に狭くなる。（ｎ−１）番目区間（（ｎ−１）−ｔｈ ｚｏｎｅ）、ｎ番目区間（ｎ−ｔｈ ｚｏｎｅ）、及び（ｎ＋１）番目区間（（ｎ＋１）−ｔｈ ｚｏｎｅ）のように、単位レンズの各区間には２つの第１電極１９３及び第２電極１９７が位置し、各区間でそれぞれの電極１９３、１９７が位置する領域は１つのサブ区間（ｓｕｂｚｏｎｅ）ｓＺ１、ｓＺ２、ｓＺ３、ｓＺ４を形成する。１つの区間で外側に位置するサブ区間から中心側に位置するサブ区間まで順にｓＺ１、ｓＺ２、ｓＺ３及びｓＺ４で表わす。図５では１つの区間が四つのサブ区間ｓＺ１、ｓＺ２、ｓＺ３、ｓＺ４を含むことを示しているが、この数は限定されない。図５に示したこととは異なって、１つの区間に含まれている第１電極１９３及び第２電極１９７の横方向の幅は一定であり、外側区間に向かうほど各区間に含まれている電極１９３、１９７の数を減らしてもよい。

全ての区間において、第１電極１９３及び第２電極１９７の横方向の幅は液晶層３のセルギャップより大きいか同一であってもよい。しかし、工程限界と液晶屈折率の限界によってセルギャップを低くするには限界がある。

絶縁層１８０は無機絶縁物または有機絶縁物などで形成してもよく、第１電極アレイ１９１と第２電極アレイ１９５との間を電気的に絶縁する。

第２電極層２９０は第２基板２１０の全面の上に形成され、共通電圧Ｖｃｏｍなどの定められた電圧の印加を受ける。第２電極層２９０はＩＴＯ、ＩＺＯなどの透明導電物質で形成してもよい。

配向膜１１、２１は、第１電極１９３及び第２電極１９７の幅方向に対して垂直である長さ方向（図５の面に対して垂直方向）、またはこれと一定の角度を成す方向にラビング（ｒｕｂｂｉｎｇ）される。配向膜１１と配向膜２１のラビング方向は互いに反対であってもよい。

液晶層３の液晶分子３１は第１基板１１０、第２基板２１０の面に対して水平方向に初期配向されるが、液晶層３の配向モードはこれに限定されず、垂直配向なども可能である。

図６は、図５の回折素子で位置によって形成されるべき位相遅延を示す図面である。ここで、回折素子は単位レンズごとに位相変調型のフレネルゾーンプレートとして実現される。

図６を参照すれば、単位レンズの（ｎ−１）番目区間、ｎ番目区間、及び（ｎ＋１）番目区間はそれぞれ位相遅延が４段階にわたって変化する。複数の区間それぞれにおいて、位相遅延は外側から中心側に段階的に増加する。複数の区間で同一のサブ区間は同一の位相遅延を起こす。区間境界で位置に対する位相遅延の傾きは垂直である。

回折素子で位置によって形成されるべき位相遅延は、回折素子に印加される電圧を調節することによって実現される。しかし、区間境界で位置に対する位相遅延の傾きを垂直に実現するのは難しい。つまり、区間境界部では位相遅延を制御するのが難しい。位相遅延制御を容易にするために、液晶層のセルギャップを低くしなければならないが、工程限界と液晶屈折率限界によってセルギャップを低くするには限界がある。

図７は、本発明の第１実施形態に係る映像表示装置における回折素子の第１電極層に印加される電圧の例を示した図面であり、図８は、本発明の第２実施形態に係る映像表示装置における回折素子の第１電極層に印加される電圧の一例を示す図面であり、図９は、図８に示した回折素子の第１電極層に電圧が印加される場合の回折素子に形成される電界を示す図面であり、図１０は、図９の回折素子で位置による位相遅延及び透過率を示す図面である。図５の実施形態と同一の構成要素に対しては同一の図面符号を付け、同一の説明は省略する。

図７及び図８を参照すれば、回折素子において、単位レンズのｎ番目区間には共通電圧Ｖｃｏｍを基準として極性が正（＋）である電圧が印加され、単位レンズの（ｎ−１）番目区間には共通電圧Ｖｃｏｍを基準として極性が負（−）である電圧が印加される。回折素子の第２電極層２９０（図５参照）には共通電圧Ｖｃｏｍが印加される。

このように、共通電圧Ｖｃｏｍに対する第１電極層１９０に印加される電圧の極性（以下、「共通電圧に対する第１電極層に印加される電圧の極性」を略して「第１電極層に印加される電圧の極性」という）は区間ごとに反転する。これを電圧の極性の空間反転という。

このような電圧の極性の空間反転は一定の時間を周期として正（＋）であった電圧は負（−）の電圧に、負（−）であった電圧は正（＋）の電圧に変化し、時間反転を兼ねることができる。

各区間の第１電極層１９０は、外側から中心側に共通電圧Ｖｃｏｍとの差が次第に小さくなる階段型の電圧の印加を受ける。以下、外側から中心側にｎ番目区間及び（ｎ−１）番目区間のサブ区間ｓＺ１、ｓＺ２、ｓＺ３、ｓＺ４に印加される電圧を順にＶ１、．．．、Ｖ８という。

ｎ番目区間の電圧の極性が正（＋）であり、（ｎ−１）番目区間の電圧の極性が負（−）である場合、電圧Ｖ１−Ｖ８は共通電圧Ｖｃｏｍに対して次の数式１を満たす。

（数１）
Ｐ（Ｖ１−Ｖｃｏｍ）＝Ｐ（Ｖ５−Ｖｃｏｍ）
Ｐ（Ｖ２−Ｖｃｏｍ）＝Ｐ（Ｖ６−Ｖｃｏｍ）
Ｐ（Ｖ３−Ｖｃｏｍ）＝Ｐ（Ｖ７−Ｖｃｏｍ）
Ｐ（Ｖ４−Ｖｃｏｍ）＝Ｐ（Ｖ８−Ｖｃｏｍ）
ここで、Ｐ（Ｖ）は、各電極と共通電極との間に印加される電圧差Ｖによる当該電極の上部液晶方向子の再配列が発生する時、液晶層に垂直に入射した特定の単一波長光が経るようになる位相遅延を意味する。

各区間において、最も中心の側に位置した電極に印加される中心側電圧Ｖ４、Ｖ８と共通電圧Ｖｃｏｍとの差をオフセット電圧Ｖｏｆｆｓｅｔという（Ｖｏｆｆｓｅｔ＝Ｖ４−Ｖｃｏｍ又はＶｃｏｍ−Ｖ８）。図７ではオフセット電圧Ｖｏｆｆｓｅｔが０であるが、図８に示すようにオフセット電圧Ｖｏｆｆｓｅｔは調節でき、１つの単位レンズ内でも区間の位置によってオフセット電圧Ｖｏｆｆｓｅｔは異なってもよい。

区間境界に隣接した２つの電極に印加される電圧Ｖ４、Ｖ５の電圧差（ｄＶ＝Ｖ４−Ｖ５）は、各区間で最も外側に位置する電極に印加される外側電圧Ｖ１、Ｖ５と、最も中心の側に位置する電極に印加される中心側電圧Ｖ４、Ｖ８との差（ｄＶｍａｘ＝Ｖ１−Ｖ４又はＶ８−Ｖ５）、及びオフセット電圧Ｖｏｆｆｓｅｔによって設定でき、１つの単位レンズ内でも区間の位置によって電圧差ｄＶが異なってもよい。

区間境界に隣接した２つの電極に印加される電圧Ｖ４、Ｖ５の電圧差（ｄＶ＝Ｖ４−Ｖ５）は、次の数式を満たす。

（数２）
ｄＶ＝ｄＶｍａｘ＋２Ｖｏｆｆｓｅｔ

図７においては、オフセット電圧Ｖｏｆｆｓｅｔが０であるので、ｄＶ＝ｄＶｍａｘになる。

図９を参照すれば、第１電極層１９０と第２電極層２９０との間に電界が形成され、区間の境界で隣接した２つの電極の間に電界が形成される。

単位レンズのｎ番目区間には共通電圧Ｖｃｏｍを基準として極性が正（＋）の電圧が印加され、（ｎ−１）目区間には共通電圧Ｖｃｏｍを基準として極性が負（−）である電圧が印加されるので、ｎ番目区間での電界の方向と、（ｎ−１）番目区間での電界の方向とは、反対である。

各区間で第１電極層１９０と第２電極層２９０との間に形成される電界の強さは、外側から中心側に向かうほど減少する。外側から中心側に向かうほど第１電極層１９０に印加される電圧と共通電圧Ｖｃｏｍとの差が減少するためである。

ｎ番目区間の最も中心側に位置する第１電極１９３は、ｎ番目区間の隣接する第２電極１９７の間に第１電界Ｅ１、第２電極層２９０の間に第２電界Ｅ２、（ｎ−１）番目区間の隣接する第２電極１９７の間に第３電界Ｅ３がともに形成される。この時、ｎ番目区間の最も中心側に位置する第１電極１９３と、（ｎ−１）番目区間の隣接する第２電極１９７との間の電圧差が最も大きいので、第３電界Ｅ３の強さが他の電界Ｅ１、Ｅ２の強さより大きい。

図１０を参照すれば、図６に示すように、ｎ番目区間及び（ｎ−１）番目区間では各区間で位相遅延が４段階にわたって変化する。したがって、回折素子はフレネルゾーンプレートによる位相遅延分布を形成して、レンズ効果を発生することができる。

図６では区間境界における位相遅延の傾きが垂直であるが、図１０では区間境界部ＺＧにおける位相遅延の傾きが垂直でない。区間境界部ＺＧでは位相遅延を制御するのが難しいため、区間境界部ＺＧではレンズの役割を果たすために形成すべき位相遅延が実現されない。しかし、図８に示すように区間ごとに第１電極層１９０に印加される電圧の極性を反転させることによって、互いに隣接する区間の境界に電界Ｅ３が形成され、液晶層３の液晶分子は電界Ｅ３に対して垂直方向に配向され、区間境界部ＺＧで透過率を減少させる。

第１電極層１９０でそれぞれの区間境界に隣接した２つの電極に印加される電圧の電圧差ｄＶは、区間境界部ＺＧの透過率が所定値以下となるように設定してもよい。

透過率（ｔａｎｓｍｉｔｔａｎｃｅ）減少は振幅グレーティング（ａｍｐｌｉｔｕｄｅ ｇｒａｔｉｎｇ）として作用ができるが、振幅グレーティング効果より位相制御欠陥によるレンズ特性の低下がさらに大きいので、区間境界部ＺＧの透過率を低くするほど回折効率を増加させる。

図１１は、本発明の第２実施形態に係る映像表示装置で回折素子に形成される電界を示す図面であり、図１２は、図１１の場合に回折素子における位置による位相遅延及び透過率を示す図面である。前述の実施形態と同一の構成要素に対しては同一の図面符号を付け、同一の説明は省略する。

図１１の単位レンズは、図９に示した回折レンズとほぼ同じであるが、第１電極層１９０の構造が異なる。図９では各区間における第１電極層１９０は４個の電極で形成されるが、図１１では各区間における第１電極層１９０は３個の電極で形成される。

第１電極層１９０は、複数の第１電極１９４を含む第１電極アレイ１９１、第１電極アレイ１９１の上に形成される絶縁層１８０、及び絶縁層１８０の上に形成され、複数の第２電極１９８を含む第２電極アレイ１９５を含む。

第１電極層１９０に印加される電圧の極性は区間ごとに反転する。各区間の第１電極層１９０は外側から中心側に共通電圧Ｖｃｏｍとの差が順に小さくなる階段型の電圧の印加を受ける。区間ごとに同一のサブ区間に該当する電極には、該当液晶層による位相遅延が同一となるように電圧が印加される。

隣接する第１電極１９４及び第２電極１９８の端部はオーバーラップしなくてもよい。区間境界に隣接した２つの電極間の間隔ｄは図９の場合に比べて増加する。また、第１電極１９４間の間隔または第２電極１９８間の間隔である電極間隔Ｄも図９の場合に比べて増加する。

区間境界に隣接した２つの電極間の間隔ｄ、電極間隔Ｄ、及びセルギャップは、区間境界部の透過率が所定値以下となって、回折素子のレンズの役割に必要な位相遅延分布が形成されるように設定してもよい。

図１１に示すように、区間に含まれる電極の個数を減らすことによって、区間境界に隣接した２つの電極間の間隔ｄ、電極間隔Ｄを広げ、微細電極及びオーバーレイ（ｏｖｅｒｌａｙ）による工程問題を緩和することが可能となる。

図１２を参照すれば、区間ごとに外側から中心側に位相遅延が増加する。したがって、回折素子はフレネルゾーンプレートによる位相遅延分布を形成して、レンズ効果を発生することができる。

図１２も図１０と同様に、区間境界部ＺＧで位相遅延の傾きが垂直でない。区間境界部ＺＧでは位相遅延を制御するのが難しいため、区間境界部ＺＧではレンズの役割を果たすために形成されるべき位相遅延が実現されない。しかし、図１１に示したように、区間ごとに第１電極層１９０に印加される電圧の極性を反転させることによって、互いに隣接する区間の境界に電界が形成され、液晶層３の液晶分子は電界に対して垂直方向に配向され、区間境界部ＺＧで透過率を減少させる。

このように、区間ごとに電圧の極性を反転させることによって、区間境界部の透過率を低くし、レンズ特性を向上させることができる映像表示装置の提供が可能である。

各区間において、最も中心の側に位置した電極に印加される中心側電圧と共通電圧との差であるオフセット電圧Ｖｏｆｆｓｅｔを通じて、区間境界に隣接した２つの電極に印加される電圧の電圧差ｄＶを制御する。区間境界に隣接した２つの電極に印加される電圧の電圧差（ｄＶ）を制御することによって、液晶の方向子（ｄｉｒｅｃｔｏｒ）の水平回転程度を制御することができる。回折素子の透過率は、液晶の方向子の水平回転程度に影響を受けるので、区間境界部の透過率を調整することができる。これによって、回折素子の液晶レンズ特性を向上させることが可能となる。

区間ごとに電圧の極性を反転させない場合、位相遅延分布と区間境界部の透過率はセルギャップ及び回折素子に印加される電圧によって同時に決定される。しかし、本発明の実施形態によれば、位相遅延分布と区間境界部の透過率を独立的に制御することができる。したがって、セルギャップ選択に対する自由度が上昇する。つまり、セルギャップを限界以上に下げなくても良い。

また、電極の横方向の幅及びピッチ（ｐｉｔｃｈ）の自由度が上昇する。したがって、微細パターニング及びオーバレイエラー条件が緩和される。

以上、本発明の好ましい実施形態について詳細に説明したが、本発明の権利範囲はこれに限定されず、次の請求範囲で定義している本発明の基本概念を利用した当業者の種々の変形及び改良形態も本発明の権利範囲に属するものである。

３…液晶層、１１、２１…配向膜、１１０、２１０…基板、１８０…絶縁層、１９０、２９０…第１電極層、第２電極層、１９１、１９５…第１、第２電極アレイ、１９３、１９４…第１電極、１９７、１９８…第２電極、３００…表示パネル、４００…回折素子。

Claims (19)

1. 映像を表示する表示パネルと、
   前記表示パネルの映像を２次元映像または３次元映像と認識されるように、２次元モードまたは３次元モードで動作するように形成される回折素子と、を含み、
   前記回折素子は、
   互いに対向する第１基板及び第２基板、
   前記第１基板上に形成される第１電極層、
   前記第２基板上に形成される第２電極層、及び
   前記第１基板と前記第２基板との間に配置される液晶層を含み、
   前記回折素子が３次元モードで動作する場合、
   前記回折素子は、複数の単位レンズを含み、
   前記複数の単位レンズにおける各々の単位レンズは、前記液晶層を通過する光の位相遅延が各区間にわたって段階的に増加する又は減少する複数の区間を含み、
   前記第２電極層には共通電圧が印加され、
   前記複数に区間における第１区間において、前記共通電圧に対して前記第１電極層に印加される電圧の極性は、前記第１区間に隣接する第２区間において前記共通電圧に対して前記第１電極層に印加される電圧の極性と異なることを特徴とする映像表示装置。
2. 前記複数の単位レンズはそれぞれフレネルゾーンプレートとして動作することを特徴とする請求項１に記載の映像表示装置。
3. 前記複数の区間は、前記単位レンズの中心を基準として外側に順に位置することを特徴とする請求項２に記載の映像表示装置。
4. 前記第１電極層は、
   複数の第１電極を含む第１電極アレイ、
   複数の第２電極を含む第２電極アレイ、及び、
   前記第１電極アレイと前記第２電極アレイとの間を絶縁する絶縁層を含むことを特徴とする請求項３に記載の映像表示装置。
5. 前記複数の区間は、それぞれ少なくとも１つの前記第１電極と、少なくとも１つの前記第２電極とを含むことを特徴とする請求項４に記載の映像表示装置。
6. 前記複数の区間それぞれにおける位相遅延が外側から中心側に段階的に変化するように前記第１電極層に電圧が印加されることを特徴とする請求項５に記載の映像表示装置。
7. 前記複数の区間の各々は、前記第１電極と前記第２電極とによって定義される複数のサブ区間を含み、
   前記複数の区間において、対応するサブ区間に該当する前記第１電極または前記第２電極の電圧は、同一の位相遅延を起こすように印加されることを特徴とする請求項６に記載の映像表示装置。
8. 前記複数の区間それぞれで少なくとも１つの前記第１電極及び少なくとも１つの前記第２電極に印加される電圧は、外側から中心側に段階的に変化することを特徴とする請求項５に記載の映像表示装置。
9. 前記複数の区間それぞれで少なくとも１つの前記第１電極及び少なくとも１つの前記第２電極の幅は、外側から中心側に向かうほど広くなることを特徴とする請求項８に記載の映像表示装置。
10. 前記複数の区間それぞれにおいて、少なくとも１つの前記第１電極及び少なくとも１つの前記第２電極に印加される電圧と前記共通電圧との差は、外側から中心側に順に減少することを特徴とする請求項８に記載の映像表示装置。
11. 前記第１電極層において、前記第１区間と前記第２区間の境界に隣接した２つの電極に印加される電圧の電圧差ｄＶは、
    前記複数の区間の各区間で、最も外側に位置する電極に印加される第１電圧と、最も中心側に位置する電極に印加される第２電圧との差ｄＶｍａｘ、及び前記第２電圧と前記共通電圧との差であるオフセット電圧Ｖｏｆｆｓｅｔによって設定されることを特徴とする請求項１０に記載の映像表示装置。
12. 前記第１電極層において、前記第１区間と前記第２区間の境界に隣接した２つの電極に印加される電圧の電圧差ｄＶは、ｄＶ＝ｄＶｍａｘ＋２Ｖｏｆｆｓｅｔであることを特徴とする請求項１１に記載の映像表示装置。
13. 前記第１電極層において、前記第１区間と前記第２区間の境界に隣接した２つの電極に印加される電圧の電圧差ｄＶは、前記第１区間と前記第２区間の境界部の透過率が所定値以下となるように設定されることを特徴とする請求項１０に記載の映像表示装置。
14. 前記第１区間と前記第２区間の境界に隣接した２つの電極の間の間隔及びセルギャップは、前記第１区間と前記第２区間の境界部の透過率が所定値以下となるように設定されることを特徴とする請求項１０に記載の映像表示装置。
15. 前記複数の区間は、それぞれ２つの前記第１電極と、２つの前記第２電極とを含むことを特徴とする請求項５に記載の映像表示装置。
16. 前記複数の区間は、それぞれ２つの前記第１電極と、１つの前記第２電極とを含むか、または１つの前記第１電極と２つの前記第２電極とを含むことを特徴とする請求項５に記載の映像表示装置。
17. 前記複数の区間の各区間において、互いに隣接する前記第１電極及び前記第２電極の端部は互いにオーバーラップしないことを特徴とする請求項１６に記載の映像表示装置。
18. 前記回折素子が２次元モードで動作する場合、
    前記回折素子は前記表示パネルで表示された映像をそのまま透過させることを特徴とする請求項１に記載の映像表示装置。
19. 前記液晶層の液晶分子を配向するための配向膜をさらに含むことを特徴とする請求項１８に記載の映像表示装置。
    以上

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