JP5893447B2 - 液晶レンズ、表示装置、及び電子機器 - Google Patents

Description

本開示は、液晶レンズ、表示装置、及び電子機器に関する。

液晶層を挟んで対向配置される電極間に電圧を印加して液晶層中の電界分布を制御すると、液晶層に含まれる液晶分子は、この電界分布に従って配向する。液晶分子は屈折率異方性を有するため、配向状態が変化すると、液晶層の入射光に対する屈折率が変化する。このような現象を利用して、レンズ効果を発現する屈折率分布となるように、電極間に印加する電圧を制御して液晶層に印加される電界分布を制御すると、液晶レンズとして用いることができる。

例えば特許文献１には、１つのレンズあたり２本の下部電極を用いた液晶レンズを有する立体表示装置が開示されている。また良好な液晶レンズを実現するためには、液晶に印加される電界分布を高精度に制御する必要がある。このため、例えば特許文献２及び特許文献３には、１つのレンズあたり多数の下部電極を等ピッチに配置された液晶レンズが開示されている。

特開２００９−５３３４５号公報 特開２０１１−１５０３４４号公報 特開２０１１−１６４５２７号公報

しかし、電極数が少ない場合には、電界分布を高精度に制御することが困難である。また電極数が多い場合には、これらの電極を制御する集積回路のサイズが大きくなってしまう。また電極数を増やして電極間の距離が狭くなると、パターン不良による歩留り低下が生じてしまう。
上記事情に鑑みれば、少ない電極数で液晶に印加される電界分布を高精度に制御することが望ましい。

本開示によれば、複数の第１電極と、上記第１電極と対向配置される第２電極と、上記第１電極及び上記第２電極の間に配置される液晶層と、を有し、上記複数の第１電極のうち、相対的に低い電圧が印加される上記第１電極は、相対的に高い電圧が印加される上記第１電極よりも近接して配置される、液晶レンズが提供される。

また本開示によれば、画像を表示する表示部と、上記表示部と対向配置され、上記表示部の表示する画像の画像光が入射する液晶レンズと、を有し、上記液晶レンズは、複数の第１電極と、上記第１電極と対向配置される第２電極と、上記第１電極及び上記第２電極の間に配置される液晶層と、を有し、上記複数の第１電極のうち、相対的に低い電圧が印加される上記第１電極は、相対的に高い電圧が印加される上記第１電極よりも近接して配置される、表示装置が提供される。

また本開示によれば、画像を表示する表示部と、上記表示部と対向配置され、上記表示部の表示する画像の画像光が入射する液晶レンズと、を有し、上記液晶レンズは、複数の第１電極と、上記第１電極と対向配置される第２電極と、上記第１電極及び上記第２電極の間に配置される液晶層と、を有し、上記複数の第１電極のうち、相対的に低い電圧が印加される上記第１電極は、相対的に高い電圧が印加される上記第１電極よりも近接して配置される、表示装置を備える電子機器が提供される。

以上説明したように本開示によれば、少ない電極数で液晶に印加される電界分布を高精度に制御することができる。

本開示の第１の実施形態にかかる液晶レンズの構成を示す説明図である。 同実施形態にかかる液晶レンズの電界分布についての説明図である。 同実施形態にかかる液晶レンズの位相差分布を理想的な位相差分布と比較して示した説明図である。 本開示の第２の実施形態にかかる液晶レンズの構成を示す説明図である。 同実施形態にかかる液晶レンズの電界分布と位相差分布を示す説明図である。 本開示の一実施形態にかかる液晶レンズを有する表示装置の断面構成例を示す説明図である。 レンチキュラレンズの外観と画面構成の一例についての説明図である。 レンチキュラレンズの原理を示す説明図である。 本開示の一実施形態にかかる液晶レンズを用いた電子機器の構成の一例を示すブロック図である。 比較例として、電極間隔が等ピッチの構成を有する液晶レンズを示す説明図である。

以下に添付図面を参照しながら、本開示の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

なお、説明は以下の順序で行うものとする。
１．第１の実施形態
２．第２の実施形態（不均一な電極幅の例）
３．適用例

＜１． 第１の実施形態＞
（１−１．構成例）
まず、図１及び図１０を参照して、本開示の第１の実施形態に係る液晶レンズの構成について説明する。図１は、本開示の第１の実施形態にかかる液晶レンズの構成を示す説明図である。図１０は、比較例として、電極間隔が等ピッチの構成を有する液晶レンズを示す説明図である。

本開示の第１の実施形態にかかる液晶レンズ１００は、第１基板１０１と、第１電極１０３と、第２基板１０５と、第２電極１０７と、液晶層１０９とを有する。

第１基板１０１と第２基板１０５とは、可視光に対して透明な材料により形成される。例えば第１基板１０１及び第２基板１０５は、ガラス材料により形成されてよい。この第１基板１０１上には、複数の第１電極１０３が形成される。第１電極１０３は、互いに間隔をあけて配置される。また第２基板１０５上には第２電極１０７がほぼ全面に一様に形成される。第１電極１０３と第２電極１０７とは、可視光に対して透明な導電膜である。例えば可視光に対して透明な導電膜の一例としては、ＩＴＯ膜（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）が挙げられる。

液晶層１０９は、第１電極１０３と第２電極１０７との間に形成される。液晶層１０９は、屈折率異方性を有する液晶分子を含む。この液晶分子は、例えば長手方向と短手方向とで入射光に対して屈折率が異なる。液晶分子は、第１電極１０３と第２電極１０７とに印加される電圧により生じる電界分布に応じて配向が変化する。これにより、入射光に対する液晶層１０９の見た目上の屈折率が変化する。このため液晶層１０９は、第１電極１０３と第２電極１０７との間の電界分布に従って屈折率分布を形成し、レンズ効果を発現することができる。

また複数の第１電極１０３のうち、相対的に低い電圧が印加される第１電極１０３は、相対的に高い電圧が印加される第１電極１０３よりも近接して（すなわち狭いピッチで）配置される。図１の例においては、レンズ中心部に近い第１電極１０３ほど低い電圧が印加される。したがって、レンズ中心部に近い第１電極１０３ほど狭いピッチで形成される。図１には独立電極数が３の場合の例が示されるが、ここで第２電極１０７および第１電極１０３−１は同電位であり、２本の第１電極１０３−２には同じ電圧が印加され、また２本の第１電極１０３−３には同じ電圧が印加される。ここで第１電極１０３に印加する電圧を適切に制御することによって、第１電極１０３と第２電極１０７との間の電界分布が制御される。

本実施形態にかかる液晶レンズ１００は、複数の第１電極１０３の配置されるピッチが不均一である。複数の第１電極１０３のうち相対的に低い電圧が印加される第１電極１０３は、相対的に高い電圧が印加される第１電極１０３よりも狭いピッチで配置される。図１の例で説明すると第１電極１０３−１と第１電極１０３−２との間の距離は、第１電極１０３−２と第１電極１０３−３との間の距離よりも近い。第１電極がこのような配置をとることにより、少ない電極の本数で高精度に液晶層１０９内の電界分布を制御し、液晶分子の配向を高精度に制御することができる。

例えば電界分布を高精度に制御する１つの方法としては、電極数を多くすることが考えられる。例えば図１０には、比較例としての液晶レンズ９００が示される。この液晶レンズ９００は、第１基板９０１と、第１電極９０３と、第２基板９０５と、第２電極９０７と、液晶層９０９とを有する。ここで第１電極９０３は、等間隔で配置される。このように１つのレンズあたりの第１電極９０３の数を増やすと、液晶層９０９に印加される電界分布を高精度に制御することができる。ところが、電極数が増えると、制御に用いられるＩＣのサイズが大きくなってしまう。また電極の数が増えると電極間の間隔が狭くなり、パターン不良による歩留まり低下も発生してしまう可能性が高い。そこで、本開示により提案されるように、少ない電極数で高精度なレンズ効果を生じることのできる液晶レンズが求められていた。

（１−２．レンズ性能）
ここで図２及び図３を参照しながら、第１電極１０３の間隔を不均一とし、独立電極数を変化させた場合のレンズ性能について示す。図２は、同実施形態にかかる液晶レンズの電界分布についての説明図である。図３は、同実施形態にかかる液晶レンズの位相差分布を理想的な位相差分布と比較して示した説明図である。

図２には、独立電極数が７本、４本、３本、２本の場合の液晶レンズ内の電界分布が示される。図２の横方向はレンズ径を示し、電極位置と、等電位面が示される。また図２中の液晶層内に記される矢印は、液晶の配向方向を示す。なおここで独立電極数が７本の例は、第１電極１０３が等間隔に配置されている。また図３には、図２に例示した各構成の場合の位相差分布が示される。図２及び図３に示されるように、独立電極数が７本の場合には、所望の光学特性を得るために理想的な位相差分布と極めて近い位相差分布を得ることができる。また、第１電極１０３の配置間隔を、レンズ中心に近いほど狭くすると、独立電極数４及び独立電極数３の場合であっても、位相差分布は、所望の光学特性を得るために理想的な位相差分布の形状を保つことができる。

＜２．第２の実施形態＞
（２−１．構成例）
ここで、図４を参照しながら本開示の第２の実施形態にかかる液晶レンズの構成について説明する。図４は、本開示の第２の実施形態にかかる液晶レンズの構成を示す説明図である。

同実施形態にかかる液晶レンズ２００は、第１基板２０１と、第１電極２０３と、第２基板２０５と、第２電極２０７と、液晶層２０９とを有する。ここで液晶レンズ２００は、上記の液晶レンズ１００と比較して電極の配置が異なる。以下、液晶レンズ１００との差異点について主に説明をし、共通する部分については説明を省略する。

液晶レンズ２００の第１電極２０３は、互いに間隔をあけて配置される。また複数の第１電極２０３のうち、相対的に低い電圧が印加される第１電極２０３は、相対的に高い電圧が印加される第１電極２０３よりも狭いピッチで配置される。またさらに、この第１電極２０３の幅は均一でない。例えば第１電極２０３−２は、第１電極２０３−１及び第１電極２０３−３よりも幅広く形成されてよい。

（２−２．レンズ性能）
ここで図５を参照しながら、本開示の第２の実施形態にかかる液晶レンズ２００のレンズ性能について示す。図５は、同実施形態にかかる液晶レンズの電界分布と位相差分布を示す説明図である。

図５には、電極幅が不均一な液晶レンズの一例として、独立電極数が３の液晶レンズ内の電界分布が示される。この液晶レンズは、レンズ径の中心と両端の間に一対の電極を有する。この電極間のピッチは不均一であり、またさらに電極幅も不均一である。図５の下図に示される位相差分布を図３と比較してもわかるように、電極幅を不均一にしても、液晶レンズの位相差分布は、所望の光学特性を得るための理想的な位相差分布の形状を保つことができる。

＜３．適用例＞
上記にて、本開示で提案する液晶レンズの第１の実施形態及び第２の実施形態について説明した。以下では、図６〜図９を参照しながら、この液晶レンズを用いた表示装置と、この表示装置を含む電子機器の構成の一例について説明する。図６は、本開示の一実施形態にかかる液晶レンズを有する表示装置の断面構成例を示す説明図である。図７は、レンチキュラレンズの外観と画面構成の一例についての説明図である。図８は、レンチキュラレンズの原理を示す説明図である。図９は、本開示の一実施形態にかかる液晶レンズを用いた電子機器の構成の一例を示すブロック図である。

まず図６を参照すると、本開示の第１の実施形態にかかる液晶レンズ１００又は第２の実施形態にかかる液晶レンズ２００を用いた表示装置１０は、液晶レンズ１００又は液晶レンズ２００と、表示パネル５００と、バックライト６００とを有する。表示パネル５００の背面にバックライト６００が配置され、表示パネル５００のバックライト６００と逆側には液晶レンズ１００又は液晶レンズ２００が配置される。

このように液晶レンズ１００又は液晶レンズ２００を表示パネル上に配置して、視差画像を提供する表示装置１０を構成するときには、液晶レンズ１００又は液晶レンズ２００は、レンチキュラレンズと等価のレンズ効果を有するように制御される。このレンチキュラレンズについて図７と図８とを参照しながら説明する。

レンチキュラレンズは、図７に示されるように半円筒型の連なったレンズをいう。レンチキュラレンズの後方に、両眼視差の含まれた２つの画像を１つの画面上に垂直１ラインごとに交互に配置し、これを特定の距離から観察すると、観察者は、立体画像として認識することができる。このレンチキュラレンズは、視線が画面に到達する位置を変化させるプリズムとして機能する。またこのレンチキュラレンズは、レンズの焦点を画面に合わせることによって、１ライン分の画像を拡大する凸レンズとして機能する。

これにより、図８に示されるように左眼には左眼用画像がレンズ全域にわたって拡大されて提供され、右眼には右眼用画像がレンズ全域にわたって拡大されて提供される。この左眼用画像と右眼用画像とに視差が含まれることによって、観察者はこの画像を立体画像として認識することができる。

液晶レンズ１００及び液晶レンズ２００は、このようなレンチキュラレンズ状のレンズ効果を有してもよい。このとき表示装置１０の液晶レンズは、図１または図４に示された液晶レンズ１００又は液晶レンズ２００の構造が繰り返し配置された構造を有する。

次に図９を参照しながら、上記の表示装置１０を用いた電子機器の構成の一例について説明する。図９を参照すると、電子機器１０００は、表示装置１０、制御回路２０、操作部３０、記憶部４０、および通信部５０を含む。電子機器１０００は、例えば、テレビジョン、携帯電話（スマートフォン）、デジタルカメラ、パーソナルコンピュータ、ナビゲーション装置、ゲーム機器など、表示部に液晶レンズを用いた何らかの機器である。

制御回路２０は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、およびＲＯＭ（Read Only Memory）などによって構成され、電子機器１０００の各部を制御する。表示装置１０も、この制御回路２０によって制御される。

操作部３０は、例えばタッチパッド、ボタン、キーボード、またはマウスなどによって構成され、電子機器１０００に対するユーザの操作入力を受け付ける。制御回路２０は、操作部３０が取得した操作入力に従って電子機器１０００を制御する。

記憶部４０は、例えば半導体メモリ、磁気ディスク、または光ディスクなどによって構成され、電子機器１０００が機能するために必要な各種のデータを格納する。制御回路２０は、記憶部４０に格納されたプログラムを読み出して実行することによって動作してもよい。

通信部５０は、付加的に設けられる。通信部５０は、有線または無線のネットワーク６０に接続される通信インターフェースであり、例えばモデムやポート、またはアンテナなどによって構成される。制御回路２０は、通信部５０を介して、ネットワーク６０からデータを受信し、またネットワーク６０にデータを送信する。

上記で説明した液晶レンズ１００、液晶レンズ２００、及び表示装置１０に加えて、これを有する電子機器１０００もまた、本開示の実施形態に含まれる。

以上、添付図面を参照しながら本開示の好適な実施形態について詳細に説明したが、本開示の技術的範囲はかかる例に限定されない。本開示の技術分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本開示の技術的範囲に属するものと了解される。

なお、図面及び上記の説明中においては、本開示の技術的内容を理解するために必要な点について主に示した。このため、図面中においては、必ずしも全ての構成を示しているとは限らない。図面中に示された以外の構成が含まれることもある。また、図面中において示した構成要素の厚み又は大きさについては、必ずしも正しい比率で描かれているとは限らない。

また上記実施形態では、液晶レンズを用いた表示装置及びこの表示装置を有する電子機器について説明したが、本技術はかかる例に限定されない。液晶分子の配向を変化させることによりレンズ効果を発現する液晶レンズ全般に適用されてよい。また上記実施形態では、液晶レンズを用いた表示装置が立体表示装置であることとしたが、本技術の適用範囲はかかる例に限定されない。例えば液晶レンズを用いた表示装置は立体表示装置に限らず、複数の視点に画像を分離して提供する表示装置全般に適用されてよい。立体表示装置は、２つの画像を一人の観察者の右眼と左眼とにそれぞれ提供することにより立体画像と認識させるが、分割した画像は、複数の観察者に提供されてもよい。このような表示装置によれば、複数の観察者にそれぞれ異なる画像を提供することができる。例えばこのような表示装置は、ナビゲーション装置に適用されてもよい。このナビゲーション装置は、運転席に座る観察者と助手席に座る観察者とにそれぞれ異なる画像を提供することができる。

また、上記実施形態では、比誘電率が正の液晶材料を用いた例について説明したが、本開示の技術的範囲はかかる例に限定されない。例えば比誘電率が負の液晶材料を用いた場合にも適用することができる。

なお、以下のような構成も本開示の技術的範囲に属する。
（１）
複数の第１電極と、
前記第１電極と対向配置される第２電極と、
前記第１電極及び前記第２電極の間に配置される液晶層と、
を備え、
前記複数の第１電極のうち、相対的に低い電圧が印加される前記第１電極は、相対的に高い電圧が印加される前記第１電極よりも近接して配置される、液晶レンズ。
（２）
前記複数の第１電極の幅は不均一である、前記（１）に記載の液晶レンズ。
（３）
前記液晶層は、屈折率異方性のある液晶分子を含み、前記第１電極と前記第２電極とによって印加される電圧に応じて前記液晶分子の配向が変化する、
前記（１）または（２）のいずれかに記載の液晶レンズ。
（４）
前記液晶レンズは、前記電圧が印加された状態でレンチキュラレンズ状のレンズ効果を発生する、
前記（１）〜（３）のいずれかに記載の液晶レンズ。
（５）
画像を表示する表示部と、
前記表示部と対向配置され、前記表示部の表示する画像の画像光が入射する液晶レンズと、
を備え、
前記液晶レンズは、
複数の第１電極と、
前記第１電極と対向配置される第２電極と、
前記第１電極及び前記第２電極の間に配置される液晶層と、
を有し、
前記複数の第１電極のうち、相対的に低い電圧が印加される前記第１電極は、相対的に高い電圧が印加される前記第１電極よりも近接して配置される、表示装置。
（６）
前記液晶レンズは、前記第１電極及び前記第２電極間に電圧が印加された状態でレンチキュラレンズ状のレンズ効果を発生する、
前記（５）に記載の表示装置。
（７）
前記液晶レンズは、前記第１電極及び前記第２電極間に前記電圧が印加されていない状態では前記レンズ効果がオフ状態となり、前記画像光を屈折させることなく透過させる、
前記（６）に記載の表示装置。
（８）
画像を表示する表示部と、
前記表示部と対向配置され、前記表示部の表示する画像の画像光が入射する液晶レンズと、
を有し、
前記液晶レンズは、
複数の第１電極と、
前記第１電極と対向配置される第２電極と、
前記第１電極及び前記第２電極の間に配置される液晶層と、
を有し、
前記複数の第１電極のうち、相対的に低い電圧が印加される前記第１電極は、相対的に高い電圧が印加される前記第１電極よりも近接して配置される、表示装置を備える電子機器。

１００，２００ 液晶レンズ
１０１，２０１ 第１基板
１０３，２０３ 第１電極
１０５，２０５ 第２基板
１０７，２０７ 第２電極
１０９，２０９ 液晶層
１０ 表示装置
１０００ 電子機器

Claims (8)

1. 複数の第１電極と、
   前記第１電極と対向配置される第２電極と、
   前記第１電極及び前記第２電極の間に配置され、前記第１電極と前記第２電極との間に印加される電圧に応じて配向が変化する液晶層と、
   を備え、
   前記複数の第１電極は、第１の第１電極と、前記第１の第１電極に印加される電圧よりも高い電圧が印加される第２の第１電極と、前記第２の第１電極に印加される電圧よりも高い電圧が印加される第３の第１電極と、を有し、
   前記第１の第１電極と前記第２の第１電極との距離は、前記第２の第１電極と前記第３の第１電極との距離より小さい、液晶レンズ。
2. 前記複数の第１電極の幅は不均一である、請求項１に記載の液晶レンズ。
3. 前記液晶層は、屈折率異方性のある液晶分子を含み、前記第１電極と前記第２電極とによって印加される電圧に応じて前記液晶分子の配向が変化する、
   請求項１に記載の液晶レンズ。
4. 前記液晶レンズは、前記電圧が印加された状態でレンチキュラレンズ状のレンズ効果を発生する、
   請求項１に記載の液晶レンズ。
5. 画像を表示する表示部と、
   前記表示部と対向配置され、前記表示部の表示する画像の画像光が入射する液晶レンズ
   と、
   を備え、
   前記液晶レンズは、
   複数の第１電極と、
   前記第１電極と対向配置される第２電極と、
   前記第１電極及び前記第２電極の間に配置され、前記第１電極と前記第２電極との間に
   印加される電圧に応じて配向が変化する液晶層と、
   を有し、
   前記複数の第１電極は、第１の第１電極と、前記第１の第１電極に印加される電圧よりも高い電圧が印加される第２の第１電極と、前記第２の第１電極に印加される電圧よりも高い電圧が印加される第３の第１電極と、を有し、
   前記第１の第１電極と前記第２の第１電極との距離は、前記第２の第１電極と前記第３の第１電極との距離より小さい、表示装置。
6. 前記液晶レンズは、前記第１電極及び前記第２電極間に電圧が印加された状態でレンチキュラレンズ状のレンズ効果を発生する、
   請求項５に記載の表示装置。
7. 前記液晶レンズは、前記第１電極及び前記第２電極間に前記電圧が印加されていない状態では前記レンズ効果がオフ状態となり、前記画像光を屈折させることなく透過させる、
   請求項６に記載の表示装置。
8. 画像を表示する表示部と、
   前記表示部と対向配置され、前記表示部の表示する画像の画像光が入射する液晶レンズと、
   を有し、
   前記液晶レンズは、
   複数の第１電極と、
   前記第１電極と対向配置される第２電極と、
   前記第１電極及び前記第２電極の間に配置され、前記第１電極と前記第２電極との間に印加される電圧に応じて配向が変化する液晶層と、
   を有し、
   前記複数の第１電極は、第１の第１電極と、前記第１の第１電極に印加される電圧よりも高い電圧が印加される第２の第１電極と、前記第２の第１電極に印加される電圧よりも高い電圧が印加される第３の第１電極と、を有し、
   前記第１の第１電極と前記第２の第１電極との距離は、前記第２の第１電極と前記第３の第１電極との距離より小さい、表示装置を備える電子機器。

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