JP5919510B2 - 画像表示装置 - Google Patents

Description

本開示は、入射した光を偏向する光偏向素子を用いた画像表示装置に関する。

特許文献１には、複数の観察者のそれぞれの眼に右眼用画像の光と左眼用画像の光とを交互に提示することによって、映像を立体視させる自動立体視ディスプレイが開示されている。特許文献１の装置では、観察者の眼球位置移動に追従するように、偏向手段による光屈折挙動を変化させている。この偏向手段は、２種類の混合しない液体を内包する液滴制御セルによって構成されており、液滴制御セルに電圧を印加することによって液体の界面を変化させて、液滴制御セルにプリズム機能を発揮させている。

特表２０１０−５２９４８５号公報

本開示は、観察者の位置に追従して入射した光を偏向することができ、かつ、観察者の位置にかかわらず観察者の目に届く光の強度の低下を抑制できる光偏向素子を用いた画像表示装置を提供する。

本開示における画像表示装置は、画像表示パネルと、画像表示パネルの背面側に配置されるバックライト装置と、画像表示パネルとバックライト装置との間に配置される入射光を偏向する光偏向素子とを備える。光偏向素子は、入射光を偏向させる第１光学素子と、印加される電圧に応じて屈折率を変化させることにより出射光の偏向方向を変化させる液晶からなる第２光学素子と、バックライト装置との間に設けられた第１電極と、画像表示装置との間に設けられた複数の第２電極と、第２光学素子に印加する電圧を制御する制御部とを備え、かつ第１光学素子がバックライト装置側に位置し、第２光学素子が画像表示パネル側に位置するように配置される。さらに第１光学素子は、第１方向に延びる複数の偏向部材を第１方向と直交する第２方向に一次元アレイ状に配置することにより構成される。複数の第２電極は、偏向部材のそれぞれの両端縁に対向する位置と、偏向部材のそれぞれの中央部に対向する位置とに設けられている。制御部は、複数の偏向部材のそれぞれの両端縁において対向する第２電極と第１電極との間の第１電位差が、複数の偏向部材のそれぞれの中央部において対向する第２電極と第１電極との間の第２電位差より大きくなるように第２電極に印加する電圧を制御する。

本開示は、観察者の位置に追従して入射した光を偏向することができ、かつ、観察者の位置にかかわらず観察者の目に届く光の強度の低下を抑制できる光偏向素子を用いた画像表示装置を実現するのに有効である。

実施の形態に係る画像表示装置の概略構成図 画像表示装置の一部の分解斜視図 液晶プリズム素子の部分拡大図 液晶プリズム素子に入射する光の配光分布を示すグラフ 比較例に係る液晶プリズム素子の構成を示す概略図 図６（ａ）は観察者が画像表示装置の左端に位置している状態を示す概略図、図６（ｂ）は比較例に係る液晶プリズム素子の屈折率分布を示す図、図６（ｃ）は比較例に係る液晶プリズム素子から出射する光の強度を示すグラフ 図７（ａ）は観察者が画像表示装置の右端に位置している状態を示す概略図、図７（ｂ）は比較例に係る液晶プリズム素子の屈折率分布を示す図、図７（ｃ）は比較例に係る液晶プリズム素子から出射する光の強度を示すグラフ 図８（ａ）は観察者が画像表示装置の中央に位置している状態を示す概略図、図８（ｂ）は比較例に係る液晶プリズム素子の屈折率分布を示す図、図８（ｃ）は図８（ｂ）の囲み部分の拡大図、図８（ｄ）は比較例に係る液晶プリズム素子から出射する光の強度を示すグラフ 図９（ａ）は観察者が画像表示装置の中央に位置している状態を示す概略図、図９（ｂ）は実施の形態に係る液晶プリズム素子の屈折率分布を示す図、図９（ｃ）は図９（ｂ）の囲み部分の拡大図、図９（ｄ）は実施の形態に係る液晶プリズム素子から出射する光の強度を示すグラフ

以下、適宜図面を参照しながら、実施の形態を詳細に説明する。但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。また、図面において、理解しやすくするために、主要な構成要素を模式的に示している。

なお、発明者らは、当業者が本開示を十分に理解するために添付図面及び以下の説明を提供するのであって、これらによって特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図するものではない。

＜１．画像表示装置の構成＞
図１は、実施の形態に係る画像表示装置１の概略断面図であり、図２は、図１に示す画像表示装置１の一部の分解斜視図である。尚、図１においては、図２に記載の電極４０ａ、４０ｂ、４１ａ、４１ｂの記載が省略されている。

本実施の形態では、画像表示装置１に対して３次元直交座標系を設定し、座標軸を用いて方向を特定する。図１及び２に示すように、Ｘ軸方向は、画像表示パネル４の表示面に対して観察者が正対したときの左右方向（水平方向）と一致している。Ｙ軸方向は、画像表示パネル４の表示面に対して観察者が正対したときの上下方向に一致している。Ｚ軸方向は、画像表示パネル４の表示面に対して垂直な方向に一致している。ここで、「正対」とは、例えば表示面に「Ａ」という文字が表示されている場合において、観察者がこの「Ａ」という文字を正しい方向から見るように、表示面の真正面に向かって位置していることを意味する。また、図１及び２は、画像表示装置１の上側から見た図に相当する。したがって、図１及び２の左側が、観察者から見た表示画面の右側となる。

画像表示装置１は、光源切替型のバックライト２（バックライト装置の一例）と、液晶プリズム素子３と、右眼用画像及び左眼用画像を交互に切り替えながら表示する画像表示パネル４と、画像表示装置１を使用している観察者の位置検出を行う位置検出部３８と、検出された観察者の位置情報に基づいて、液晶プリズム素子３へ出力する液晶駆動電圧を制御する制御部６とから構成される。以下、各構成に対してそれぞれ詳細を述べる。

バックライト２は、互いに対向する光源７ａ及び７ｂと、反射フィルム８と、導光板９と、光制御フィルム１０とで構成される。反射フィルム８は導光板９の下面側に設けられており、光制御フィルム１０は導光板９の上面側に設けられている。

光源７ａ及び７ｂは、導光板９の一対の側面のそれぞれに沿って配置されており、Ｘ軸方向において互いに対向している。光源７ａは、導光板９の左側面に配置されており、光源７ｂは導光板９の右側面に配置されている。光源７ａ及び７ｂは、それぞれＹ軸方向に配列された複数のＬＥＤ素子を有している。光源７ａ及び７ｂは、画像表示パネル４に表示される左眼用画像及び右眼用画像の切り替えに同期して、交互に点灯及び点滅を繰り返す。すなわち、画像表示パネル４が右眼用画像を表示する場合は、光源７ａが点灯して光源７ｂが消灯し、画像表示パネル４が左眼用画像を表示する場合は、光源７ａが消灯して光源７ｂが点灯する。

光源７ａ及び７ｂから出射された光は、導光板９の上面と下面とで全反射を繰り返しながら導光板９内に広がる。導光板９内で全反射角度を超える角度を持った光が導光板９の上面から出射される。導光板９の下面は、図１及び２に示すように、複数の傾斜面３５により構成されている。これらの傾斜面３５により、導光板９内を伝搬する光は様々な方向に反射されるので、導光板９から出射する光の強度が上面全体にわたって均一になる。

反射フィルム８は、導光板９の下面側に設けられている。導光板９の下面に設けられた傾斜面３５の全反射角度を破った光は、反射フィルム８により反射され、再び導光板９内に入射し、最終的に上面から出射される。導光板９から出射された光は、光制御フィルム１０に入射する。

光制御フィルム１０の下面には、三角形状の断面及びＹ軸方向に延びる稜線を有する複数のプリズム３６が、Ｘ軸方向に並列に配置されている。すなわち、光制御フィルム１０の下面には、三角形状の断面を有するプリズム３６が１次元アレイ配置されている。また、光制御フィルム１０の上面には、Ｙ軸方向に延びる複数のシリンドリカルレンズ３７がＸ軸方向に並列に配置されている。すなわち、光制御フィルム１０の上面には、レンチキュラーレンズが形成されている。

光制御フィルム１０の下面に入射した光は、プリズム３６によりＺ軸方向に立ち上げられ、上面のレンチキュラーレンズにより集光され、液晶プリズム素子３に入射する。

図３は、図１に示す液晶プリズム素子３の部分拡大図である。具体的には、図３は、図１に示す液晶プリズム素子３の右側の領域の一部を拡大した図である。以下、図１〜３を併せて参照しながら、液晶プリズム素子３の詳細を説明する。

液晶プリズム素子３は、左側の光源７ａから出射され、導光板９及び光制御フィルム１０を通じて入射した光が、観察者の右眼の位置に集光するように、偏光方向を制御する。

液晶プリズム素子３は、第１の光学素子としてのプリズムと、第２の光学素子としての液晶とからなる。

また、液晶プリズム素子３は、右側の光源７ｂから出射され、導光板９及び光制御フィルム１０を通じて入射した光が、観察者の左眼の位置に集光するように、偏光方向を制御する。

より詳細には、液晶プリズム素子３は、一対の対向基板１３及び１４と、対向基板１３及び１４の間に封入される複数のプリズム１７（第１の光学素子の一例）及び液晶層２０（第２の光学素子の一例）と、対向基板１３の内面に設けられる電極４０ａ及び４０ｂ（第１電極の一例）と、対向基板１４の内面に設けられる電極４１ａ及び４１ｂ（第２電極の一例）と、電極４０a及び４０ｂ上に設けられる配向膜１８と、プリズム１７の２つの斜面上に設けられる配向膜１９とを備える。電極４０ａ及び４０ｂは、それぞれ複数の電極４０１、４０２、４０３で構成されている。更に、ガラス基板１３及び１４の外面には、入射光及び出射光の偏向方向を揃えるための偏光子２１及び２２がそれぞれ設けられている。ここで、本実施形態では偏光子２１及び２２の透過軸はＹ軸方向としている。つまり、Ｙ軸方向以外の偏光方向成分の光は吸収される。

なお、本実施形態では、基板１３側の電極４０ａ及び４０ｂを複数の電極で構成しているが、基板１４側の電極４１ａ及び４１ｂを複数の電極で構成してもよい。しかし、液晶層２０の液晶分子の配向を制御する観点で言えば、液晶層２０に近い基板１３側の電極４０ａ及び４０ｂを複数の電極で構成する方が好ましい。

プリズム１７は、三角形の断面とＹ軸方向に延びる稜線とを有する三角柱形状であり、２つの斜面、すなわち、対向基板１４の中央側の斜面６１と、対向基板１４の側方部の斜面６２と、底面６３とを有する。

図１及び２から理解されるように、複数のプリズム１７が、電極４１ａ及び４１ｂ上にＸ軸方向に並ぶように、すなわち、一次元アレイ状に設けられている。プリズム１７の各々は、Ｙ軸方向に延びるように形成され、入射光を偏向する偏向部材に相当する。複数のプリズム１７の断面形状は、液晶プリズム素子３の全体で左右対称となるように構成されている。説明を容易にするために、プリズム１７の形成領域を図１及び２における左半分及び右半分に二分し、左側の領域をＲ１、領域Ｒ１とＸ軸方向に隣接する右側の領域をＲ２とする。また、領域Ｒ１及びＲ２の境界線（中央線）を通過し、かつ、画像表示パネル４の表示面と直交する平面を、Ｐ１とする。ＸＺ平面と平行な平面上で見たときに、領域Ｒ１に配置されるプリズム１７の断面形状と、領域Ｒ２に配置されるプリズム１７の断面形状とは、図１及び２に示すように、平面Ｐ１に対して対称となるように設計されている。

電極４０ａは、対向基板１３の内面の領域Ｒ１に形成され、電極４０ｂは、対向基板１３の内面の領域Ｒ２に形成されている。同様に、電極４１ａは、対向基板１４の内面の領域Ｒ１に形成され、電極４１ｂは、対向基板１４の内面の領域Ｒ２に形成されている。

更に、プリズム１７の表面上及び電極４０a及び４０ｂ上には、液晶分子の配向方向を所望の方向に制御するための配向処理を施した配向膜１８及び１９が設けられている。配向膜１８及び１９は、電極４０a、４０ｂ、電極４１ａ、４１ｂに電圧が印加されていない状態で、液晶分子の長軸がＹ軸方向となるように液晶分子を配向させる。ただし、液晶分子の配向が均一に保てるのであれば、配向膜１８及び１９はなくても良い。

図３に示すように、本実施形態では、電極４０ｂはそれぞれ独立に電圧を印加することが可能な３つの電極４０１、４０２及び４０３で構成されている。電極４０ａは電極４０ｂとＰ１面に対して対称な構成となるため、説明は省略する。

尚、対向基板１３及び１４、プリズム１７の形成材料としては、ガラスまたは樹脂を用いることができる。プリズム１７の材料として樹脂を用いる場合、一例として、ガラス基板上にＵＶ硬化樹脂をインプリントすることによって、プリズム１７を形成することができる。液晶プリズム素子３は、電極４１ａ及び４１ｂを成膜した対向基板１４上にプリズム１７の一次元配列を形成した後、対向基板１４と、電極４０ａ及び４０ｂを成膜した対向基板１３とを貼り合わせ、対向基板１３及び１４の間に液晶を封入することによって作製できる。

液晶プリズム素子３は、外部からの印加電圧の大きさに応じて、透過する光の偏向角度の大きさを制御できる素子である。その原理を簡単に述べる。通常、液晶分子は楕円体形状をしており、長手方向と短手方向とで誘電率が異なる。このため、液晶層２０は、入射光の偏光方向毎に屈折率が異なる複屈折の性質を有する。また、液晶分子の長軸配向（ダイレクタ）の向きが光の偏光方向に対して相対的に変化すれば、液晶層２０の屈折率も変化する。そのため、ある印加電圧を与えて発生させた電場により液晶の配向を変化させると、透過する光に対する屈折率が変わるため、光の屈折角である偏向角が変化する。

本実施形態では、液晶層２０を構成する材料としては１軸性のポジ型液晶を用いた場合を考える。そして、対向電極間に電圧が印加されていない場合には液晶分子長軸がＹ軸方向に配向しており、電圧が印加された場合は、液晶分子長軸がＺ軸方向に配向する場合を考える。

偏光子２１及び２２の透過軸がＹ軸方向であるため、電圧が印加されていない場合の液晶層２０の屈折率は異常光屈折率、電圧が印加された場合の液晶層２０の屈折率は常光屈折率となる。

一般的に、液晶プリズム素子３等のアクティブ素子で光を偏向させる場合に、偏向角を大きくするためには、Δｎ（＝異常光に対する屈折率ｎｅ−常光に対する屈折率ｎｏ）が大きな液晶材料を用いることが望ましい。しかしながら、市販されている中でΔｎが大きな液晶材料は少なく、一般的に、Δｎは約０．２程度である。

また、同じ液晶材料で用いて液晶プリズムを構成しても配向方向の設計、電場のかけ方が液晶プリズム素子の能力である偏向角や、電力や、スイッチングスピードなどといった素子性能を大きく左右する重要な項目である。

尚、液晶プリズム素子３では、プリズム１７の斜面の傾斜方向が、画面の中心線（平面Ｐ１）を境界にして左右で異なっている。液晶プリズム素子３では、出射光をプリズム１７の傾斜面から遠ざける方向（例えば、図３における左上方向に相当）への偏向と比べて、出射光をプリズム１７の傾斜面に近づける方向（例えば、図３における右上方向）への偏向の効率が低いという性質がある。そこで、プリズム１７の傾斜面を平面Ｐ１に対して対称とし、プリズム１７の傾斜面を画面の中央部の前方に向けることによって、液晶プリズム素子３は、画面の左端近傍に入射した光を画面の右前方へと効率的に偏向することができ、画面の右端近傍に入射した光を画面の左前方へと効率的に偏向することができる。この場合、液晶プリズム素子３の左右の領域に異なる電圧が印加される。そのために、電極４１ａ及び４１ｂとは、画面中央で分離されている。また、同一基板内にある電極を２つとも接地端子として用いる場合は中央で分離しなくても良い。

液晶プリズム素子３を透過した光は、画像表示パネル４に入射する。画素表示パネル４の一例として、Ｉｎ−Ｐｌａｎｅ−Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ方式のパネルが挙げられる。ただし、画像表示パネル４として他の方式の画像表示パネルを採用することもできる。画像表示パネル４を透過した光は、指向性を持ち、観察者の眼の位置に集光される。

画像表示装置１は、右眼用画像と左眼用画像の切り替えに同期させて、光源７ａ及び７ｂの切り替えを行っている。また、右眼用画像と左眼用画像との切り替えを１２０Ｈｚ以上の周波数で行うことで、観察者は右眼用画像と左眼用画像とに基づいて立体画像を認識することができる。

位置検出部３８は、カメラ５と視聴位置算出部３９とを含む。カメラ５は、観察者の画像を所定周期で撮影する。視聴位置算出部３９は、カメラ５によって撮影された画像を解析し、観察者の視聴位置を表す視聴位置情報を算出する。カメラ５が行う画像解析には、顔や顔の一部（眼や鼻など）の位置を認識する公知のアルゴリズムを利用できる。また、視聴位置算出部３９が求める視聴位置情報は、観察者の目の位置を表すものであることが好ましいが、眼の位置に代えて顔や鼻等の位置を表しても良い。

制御部６は、視聴位置算出部３９によって求められた視聴位置情報に基づいて、液晶プリズム素子３に印加する電圧値を制御する。より詳細には、観察者の視聴位置が、図１に示すように、画面中央から左端側に移動した場合、領域Ｒ１では、液晶層２０の屈折率をプリズム１７の屈折率より小さく、領域Ｒ２では、液晶層２０の屈折率をプリズム１７の屈折率より大きくすることによって、プリズム１７からの出射光を観察者から見て右方向に偏向させる。このとき、光を偏向しない時の印加電圧に対して、領域Ｒ１への印加電圧をより大きく、領域Ｒ２への印加電圧をより小さくする。逆に、観察者の視聴位置が、画面中央から右端側に移動した場合、領域Ｒ１では、液晶層２０の屈折率をプリズム１７の屈折率より大きく、領域Ｒ２では、液晶層２０の屈折率をプリズム１７の屈折率より小さくすることによって、プリズム１７からの出射光を観察者から見て左方向に偏向させる。このとき、光を偏向しない時の印加電圧に対して、領域Ｒ１への印加電圧をより小さく、領域Ｒ２への印加電圧をより大きくする。

尚、印加電圧に対する液晶プリズム３の偏向角及び光の集光点の位置情報は設計段階で想定できるため、予め印加電圧と位置情報とを関連付けたデータを用意し、画像表示装置１が備える記憶装置に格納しておけば良い。また、製品完成後、キャリブレーションを行って、集光点の位置の補正を行っても良い。

以上説明した視聴位置情報に基づく偏向制御を所定の周期毎に繰り返し行うことによって、画像表示装置１に対して観察者が自由に移動した場合でも、任意の場所で、立体画像を視聴する事が可能となる。よって、本開示によれば、視域の広い画像表示装置を実現できる。また、光を観察者の目の位置に集光させることで、高輝度かつ省エネの画像表示装置１を実現できる。

尚、本実施の形態では、光源７ａ及び７ｂで共用されているが、光源７ａ用の導光板と光源７ｂ用の導光板とを設け、２枚の導光板を重ねて配置しても良い。

また、プリズムとレンチキュラーレンズとが一体になった制御フィルム１０に代えて、プリズムシート及びレンチキュラーレンズシートを別個に設けても良い。

更に、バックライト２は、図１及び２に記載された構成に限定されず、左右の画像信号の切り替えと同期して、右眼用の光と左眼用の光とを時分割で交互に出射できるものであれば、他の構成を採用しても良い。

更に、本実施の形態では、液晶プリズム３内のプリズム１７の傾斜面の向きを領域Ｒ１及びＲ２で異ならせ、平面Ｐ１に対して対称となるように構成しているが、プリズムの傾斜面の向きを液晶プリズム３全体で一定としても良い。この場合、本実施の形態のように、液晶プリズム３の領域Ｒ１及びＲ２で電極を分ける代わりに、表示画面全領域にわたって、１つの電極を設ける。しかしながら、配向変化に対する光線の偏向角及び透過効率の面で、２つの領域Ｒ１及びＲ２に分けてプリズム１７及び電極を設けることがより好ましい。

更に、本実施の形態では、視差のある右眼用画像及び左眼用画像を時分割で表示する立体画像表示装置を例として説明したが、視差のない画像を表示しても良い。この場合、光源７ａ及び７ｂを交互に点滅させる代わりに、常時点灯させる。３次元画像に限らず、二次元画像を表示する際にも、観察者の動きに追従して、観察者の眼付近にのみ画像を縮小投影させることにより、省エネだけでなく、周辺の人から表示されている内容を覗かれることも防止でき、プライバシー保護も向上できる。

＜２．液晶プリズム素子の詳細説明＞
以下、液晶プリズム素子３の詳細について説明する。実施の形態に係る液晶プリズム素子３の理解を助けるため、比較例として、領域Ｒ１及びＲ２のそれぞれに、領域Ｒ１およびＲ２のほぼ全面を覆う単一の電極を設けた液晶プリズム素子を例示し、実施の形態に係る液晶プリズム素子３と比較例に係る液晶プリズム素子とを対比して説明する。

ここでは、観察者の視聴位置として、画像表示装置１の中央、左端、左端の３つの視聴位置を想定している。「画像表示装置１の中央の位置」とは、観察者が画像表示装置１の画面の中央に位置していること意味する。「画像表示装置１の左端」とは、観察者が画像表示装置１の画面の左端、すなわち、観察者から見て画像表示装置１の右端に、観察者が位置していることを意味する。「画像表示装置１の右端」とは、観察者が画像表示装置１の画面の右端、すなわち、観察者から見て画像表示装置１の右端に、観察者が位置していることを意味する。

詳細は後述するが、観察者が画像表示装置の左端及び右端の位置で視聴する場合、比較例の液晶プリズム素子でも、所望の輝度を実現することができる。すなわち、観察者は、画像表示装置の左端及び右端で視聴する際は、表示画像の輝度の低下はあまり気にならない。しかし、比較例の液晶プリズム素子では、観察者が画面中央に位置する場合、観察者の目に入射する光の強度が低下してしまうという課題がある。これに対して、実施の形態に係る液晶プリズム素子３では、図３に示すように、一方の面に形成された電極を複数の電極に分割し、１つのプリズム１７に対して複数の電極が対向している。このような構成により、画面中央での光の強度の低下を抑えることができる。以下、詳細について説明する。

本実施の形態に係る電極４０ｂの最適な設計の説明に先だって、まず、比較例に係る液晶プリズム素子の構成を説明する。以下の説明の設定条件として、観察者と画像表示装置との垂直距離（図１のｈ）を３００ｍｍとし、画像表示パネル４の幅（図１のｗ）を２２１ｍｍ、液晶材料の異常光屈折率ｎｅを１．７６３とし、常光屈折率ｎｏを１．５１４（Δｎ＝０．２５）とし、プリズムの屈折率ｎを１．６１とした。プリズムの繰り返し周期は２０μｍ、プリズム角（底角）が６０°、液晶プリズムのセルギャップ（電極４０ｂと電極４１ｂの距離）は５０μｍとした。

（比較例）
図４は、液晶プリズム素子に入射する光の配光分布を示すグラフである。図５は、比較例に係る液晶プリズム素子の構成を示す概略図である。比較例では、図５で示すように液晶層２０側の電極が１つの電極４０ｃだけで構成されている。液晶プリズム素子には、図４に示すような配光分布を有する光が入射する。図４のグラフは、右眼用の光の配光分布を示している。図４において、横軸の角度の符号は、液晶プリズム素子の出射面の法線に対して、出射光が画面の右側に向かって出射する場合を正としている。一方、左眼用の光の配向分布は、右眼用の光の配光分布を反転した配光分布となる。左眼用の光の配光分布と右眼用の光の配光分布とは、縦軸と平行で、かつ、角度θの値が０°の軸（すなわち、画面の左右の中央線）を中心として対称となる。このような配光分布は導光板９と光制御フィルム１０を適正な形状に設計することで得られる。

まず、観察者が画面中央から画面左端に移動した場合について、図６を用いて説明する。図６（ａ）は、観察者が画像表示装置の左端に位置している状態を示す概略図である。図６（ｂ）は、比較例に係る液晶プリズム素子の屈折率分布を示す図である。図６（ｃ）は、比較例に係る液晶プリズム素子から出射する光の強度を示すグラフである。

図６（ａ）に示すように、観察者が画面中央から左端（観察者から見て右端）側に移動した場合は、電極４０ｃ、電極４１ｂのどちらにも電圧を印加しない（０Ｖ）ことにより、液晶層２０の屈折率を異常光の屈折率である１．７６３とする。

図６（ｂ）は、電極４０ｃ、電極４１ｂのどちらにも電圧を印加しない場合の屈折率分布を示している。電圧を印加しない場合には、液晶分子の長軸は一様にＹ方向に配向しているため、液晶層２０の全面にわたって均一な屈折率分布が得られることがわかる。

図６（ｃ）は、図４の配光分布を有する光が比較例に係る液晶プリズム素子を通過した後の配光分布を示している。図４に示す配光特性では、ピーク角度が−６°であったのに対して、比較例に係る液晶プリズム素子のピーク角度は、−１６°となった。すなわち、図６（ｃ）のグラフは、比較例に係る液晶プリズム素子が観察者のいる画面左側に入射光を１０°偏向できていることを示している。一方で、プリズムを出射した後、隣接したプリズムに入射する光があるため、ピーク強度は約２．５割低下している。

次に、観察者が画面中央から画面左端に移動した場合について、図７を用いて説明する。図７（ａ）は、観察者が画像表示装置の右端に位置している状態を示す概略図である。図７（ｂ）は、比較例に係る液晶プリズム素子の屈折率分布を示す図である。図７（ｃ）は、比較例に係る液晶プリズム素子から出射する光の強度を示すグラフである。

観察者が画面中央から左端側に移動した場合は、電極４０ｃには電界を印加せず（０Ｖ）、電極４１ｂに液晶分子の長軸を十分にＺ方向に配向させる電圧を印加することにより、液晶層２０の屈折率を常光の屈折率である１．５１４とする。

具体的に、図７（ｂ）は、電極４０ｃに０Ｖ、電極４１ｂに２０Ｖの電圧を印加した場合の屈折率分布を示している。液晶プリズム素子の斜面６１、壁面６２、電極４０ｂ近傍の微小領域の液晶分子がアンカリングのために配向方向が変化しないが、液晶層２０の全面にわたって概ね均一な屈折率分布が得られることがわかる。

図７（ｃ）は、図４の配光分布を有する光が液晶プリズム素子を通過した後の配光分布を示している。図４に示す配光特性では、ピーク角度が−６°であったのに対して、比較例の液晶プリズム素子のピーク角度は、４°となった。すなわち、図７（ｃ）に示すグラフは、比較例の液晶プリズム素子が観察者のいる画面右側に入射光を偏向できていることを示している。一方で、プリズムの斜面でフレネル反射及び全反射される光があるため、ピーク強度は約２割低下している。

次に、観察者が画面中央に位置する場合について、図８を用いて説明する。図８（ａ）は、観察者が画像表示装置の中央に位置している状態を示す概略図である。図８（ｂ）は、比較例に係る液晶プリズム素子の屈折率分布を示す図である。図８（ｃ）は、図８（ｂ）の囲み部分の拡大図である。図８（ｄ）は、比較例に係る液晶プリズム素子から出射する光の強度を示すグラフである。

観察者が画面中央に移動した場合は、電極４０ｃは電界を印加せず（０Ｖ）、電極４１ｂに液晶分子の長軸がある程度Ｚ方向に配向する電圧を印加することにより、液晶層２０の屈折率をプリズム１７の屈折率と同じ１．６１にする。

具体的に、図８（ａ）は、電極４０ｃに０Ｖ、電極４１ｂに５Ｖの電圧を印加した場合の屈折率分布を示している。プリズムの斜面６１、壁面６２、電極４０ｂ近傍の微小領域の液晶分子がアンカリングのために配向方向が変化していない。さらに、プリズムの斜面６１、壁面６２、電極４０ｂから離れるに従って、屈折率は徐々に小さくなり、屈折率は１．６２まで変化している。つまり、液晶層２０は屈折率１．７６３から１．６２までの屈折率分布を持つことになる。

図８（ｄ）は、図４の配光分布を有する光が液晶プリズムを通過した後の配光分布を示している。図３と同じように図８（ｄ）においてもピーク角度は−６°近傍であり、観察者のいる画面中央に入射光を偏向できていることを示している。しかし、ピーク強度は約７割程度低下している。この原因は、屈折率分布が生じることによって、指向性を持って液晶プリズムに入射した光が、その配光を維持できていないためと考えられる。

同じ媒質中で屈折率分布が存在すると、屈折率の高い部分では光の進行速度が遅く、屈折率の低い部分では光の進行速度が速くなる。つまり、屈折率の低い部分から高い部分へと光が偏向されることを意味する。

すなわち、プリズムと液晶との界面で偏向された光は、液晶層２０の屈折率分布によってさらに偏向される。比較例では、図８（ｂ）に示すように、斜面６１、壁面６２に対して垂直に、高い屈折率から低い屈折率に徐々に変化しているため、＋Ｚ方向に進行する光は、斜面のある＋Ｘ方向または壁面のある−Ｘ方向に偏向されながら液晶層２０中を伝搬していく。したがって、図８（ｄ）に示すようにピークが低下した配光特性になると考えられる。

（実施の形態）実施の形態に係る液晶プリズムの電極構成について図９を用いて詳細に説明する。図９（ａ）は、観察者が画像表示装置の中央に位置している状態を示す概略図である。図９（ｂ）は、実施の形態に係る液晶プリズム素子の屈折率分布を示す図である。図９（ｃ）は、図９（ｂ）の囲み部分の拡大図である。図９（ｄ）は、実施の形態に係る液晶プリズム素子から出射する光の強度を示すグラフである。電極構成以外の部分については比較例と同じであるため説明は省略する。

上述したように、比較例に係る液晶プリズム素子では、画像表装置の左端及び右端に観察者が位置する場合は、視聴するには十分な光の輝度を確保することができた。しかし、観察者が画像表示装置の中央に位置する場合は、光の強度が大きく低下した。

そこで本実施の形態では、観察者が画像表示装置の中央に位置する場合であっても、十分な光の輝度を確保することができるよう構成している。なお、本実施の形態における画像表装置の左端及び右端に観察者が位置する場合の光の強度は、比較例の場合とほぼ同じであるため、説明を省略する。

実施の形態に係る液晶プリズム素子では、図３に示すように、電極４０ｂが複数の電極から構成されており、１つのプリズム１７に対向するように３つの電極４０１、４０２、４０３が配置されている。電極４０１〜４０３には、それぞれ独立に異なる電圧を印加することができる。電極４０１〜４０３の詳細な構成について説明する。

電極４０１、４０３は幅２．５μｍ、電極４０２は幅５μｍで、それぞれの電極は、５μｍの間隔を開けて配置されている。また、電極４０１、４０３は隣接するプリズムに対向して配置される電極とつながっている。また、電極４０１、４０３には０Ｖ、電極４０２には０．７５Ｖ、電極４１ｂには６Ｖの電圧が印加されている。すなわち、電極４１ｂと電極４０ｂの両側（電極４０１，４０３）との間の電位差は、電極４１と電極４０ｂの内側（電極４０２）との間の電位差よりも高い。このような構成にすることで、後述するような最適な屈折率分布を実現することができる。

図９（ｂ）及び（ｃ）は、実施の形態に係る液晶プリズム素子における液晶層２０の屈折率分布を示す図である。図９（ｂ）及び（ｃ）に示すように、実施の形態に係る液晶層２０の屈折率分布は、比較例の図８（ｂ）及び（ｃ）に示す屈折率分布と比較して、基板１３近傍（液晶層２０の上側）の屈折率分布が大きく異なる。尚、図８（ｃ）及び９（ｃ）において、屈折率がある値となる点を結んだ曲線を破線で示す。図８（ｃ）の破線の位置における液晶層の屈折率と、図９（ｃ）の破線の位置における液晶層の屈折率とは等しい。また、説明の便宜上、破線で示す曲線より基板側（図における上側）にある液晶層の部分を「相対的に屈折率が高い部分」といい、破線で示す曲線よりプリズム側（図における下側にある液晶層の部分を「相対的に屈折率が低い部分」という。

図８（ｃ）で液晶層の基板１３近傍部分についてみると、相対的に屈折率が高い部分（色の薄い部分）の厚みは、中央部（Ｘ＝１０μｍ）の方が、両端部（Ｘ＝０μｍ、２０μｍ）よりも薄くなっている。一方、図９（ｂ）で液晶層の基板１３近傍部分についてみると、相対的に屈折率の高い部分（色の薄い部分）の厚みは、中央部（Ｘ＝１０μｍ）の方が、両端部（Ｘ＝０μｍ、２０μｍ）よりも厚くなっている。言い換えると、図８（ｃ）では、基板１３近傍において、所定の屈折率となる点を結んだ曲線（破線）が＋Ｚ方向に凸となり、屈折率が相対的に高い部分が凹レンズ形状をなしているのに対して、図９（ｂ）では、基板１３近傍において、所定の屈折率となる点を結んだ曲線（破線）が−Ｚ方向に凸となり、屈折率が相対的に高い部分が凸レンズ形状をなしている。

図８（ｂ）と図９（ｂ）の共通する点は、斜面６１、壁面６２に対して垂直に、高い屈折率から低い屈折率へと液晶層の屈折率が変化している点である。したがって、＋Ｚ方向に進行する光は、斜面のある＋Ｘ方向または壁面のある−Ｘ方向に偏向されながら液晶層２０中を伝搬していく。

一方で異なる点は、図８（ｂ）では、液晶層の基板１３近傍において、屈折率が相対的に高い部分が凹レンズ形状をなしていたが、図９（ｂ）では、液晶層の基板１３近傍において、屈折率が相対的に高い部分が凸レンズ形状をなしている。

したがって、図８（ｂ）では、基板１３近傍において、屈折率が相対的に高い部分が凹レンズ形状に分布することによって、＋Ｚ方向に進行する光線は発散するように偏向される。一方で、図９（ｂ）では、基板１３近傍において、屈折率が相対的に高い部分が凸レンズ形状に分布することによって、＋Ｚ方向に進行する光線は収束するように偏向される。

つまり、図８（ｂ）では液晶層２０内を＋Ｚ方向に進行する光線は、壁面、斜面の屈折率分布により、斜面のある＋Ｘ方向または壁面のある−Ｘ方向に広げられ、さらに、基板１３近傍の屈折率分布により、さらに広げられる。一方で、図９（ｂ）では、液晶２０内を＋Ｚ方向に進行する光線は、壁面、斜面の屈折率分布により、斜面のある＋Ｘ方向または壁面のある−Ｘ方向に広げられるが、基板１３近傍の屈折率分布により収束するように偏向される。つまり、屈折率分布により一度広げられた光線が、屈折率分布により収束する。

実施の形態に係る電極構成とすることで、屈折率分布を用いて光線の広がりを制御することができる。

図９（ｃ）は、図４の配光の光が実施の形態に係る液晶プリズム素子３を通過した後の配光分布を示している。図４と同じように図９（ｃ）においてもピーク角度は−６°であり、観察者のいる画面中央に入射光を偏向できていることを示している。さらに、ピーク強度は図４に示す配向特性と比較して約６割程度低下しているが、図８（ｃ）に示す比較例の強度よりも１．３倍集光効率が改善されていることがわかる。

一対の対向基板の間に、ストライプ状に延びる複数の三角プリズムと液晶とを封入して構成した液晶プリズム素子は、印加電圧に応じて出射光の偏向角を変化させることができるが、液晶プリズム素子に電圧を印加した際の液晶の配向状態と光の偏向角に関してはこれまで十分に検討されていなかった。

これに対し、本開示における液晶プリズム素子では、１つのプリズムに対向するように複数の電極を設け、各電極に印加する電圧を異ならせることによって、液晶の配向状態を細かく制御することができる。したがって、本開示によれば、偏向角を細かく制御することが可能となり、観察者の位置に追従して光の偏向角を変化させることができ、かつ、観察者の位置にかかわらず観察者の目に届く光の強度の低下を抑制できる光偏向素子を構成できる。

尚、上記の実施の形態では、１つのプリズムに対して３つの液晶層側電極を設けた例を説明したが、液晶層側電極の数は３に限らず、４以上であっても良い。液晶層側電極の数を多くした場合、電極間の電位差をより細かく設定できるので、液晶分子の配光を更に細かく制御することができる。この結果、観察者の目に届く光の強度低下をより抑制することが可能となる。

以上のように、本開示における技術の例示として、実施の形態を説明した。そのために、添付図面および詳細な説明を提供した。

したがって、添付図面および詳細な説明に記載された構成要素の中には、課題解決のために必須な構成要素だけでなく、上記技術を例示するために、課題解決のためには必須でない構成要素も含まれ得る。そのため、それらの必須ではない構成要素が添付図面や詳細な説明に記載されていることをもって、直ちに、それらの必須ではない構成要素が必須であるとの認定をするべきではない。

また、上述の実施の形態は、本開示における技術を例示するためのものであるから、特許請求の範囲またはその均等の範囲において種々の変更、置き換え、付加、省略などを行うことができる。

本開示における光偏向素子は、入射した光を観察者の位置に高効率で偏向させることができるので、高輝度、高効率、高解像度の画像表示装置に利用できる。また、本開示における光偏向素子は、３次元画像の表示用途だけでなく、２次元画像の表示用途にも広く適用することができる。また、本開示における光偏向素子は、簡便な構成で３Ｄ液晶表示装置やプライバシーディスプレイ等に適用することが可能である。

１ 画像表示装置
２ バックライト
３ 液晶プリズム素子
４ 画像表示パネル
５ カメラ
６ 制御部
７a、７ｂ 光源
８ 反射フィルム
９ 導光板
１０ 光制御フィルム
１３ 対向基板
１４ 対向基板
１７ プリズム
２０ 液晶層
６１、６２ 斜面
６３ 底面

Claims (2)

1. 画像表示パネルと、前記画像表示パネルの背面側に配置されるバックライト装置と、前記画像表示パネルと前記バックライト装置との間に配置される入射光を偏向する光偏向素子とを備え、
   前記光偏向素子は、入射光を偏向させる第１光学素子と、印加される電圧に応じて屈折率を変化させることにより出射光の偏向方向を変化させる液晶からなる第２光学素子と、前記第１光学素子と前記バックライト装置との間に設けられた第１電極と、前記第２光学素子側と前記画像表示装置との間に設けられた複数の第２電極と、前記第２光学素子に印加する電圧を制御する制御部とを備え、かつ前記第１光学素子が前記バックライト装置側に位置し、前記第２光学素子が前記画像表示パネル側に位置するように配置され、
   さらに前記第１光学素子は、第１方向に延びる複数の偏向部材を前記第１方向と直交する第２方向に一次元アレイ状に配置することにより構成され、
   複数の前記第２電極は、前記偏向部材のそれぞれの両端縁に対向する位置と、前記偏向部材のそれぞれの中央部に対向する位置とに設けられており、
   前記制御部は、前記複数の偏向部材のそれぞれの両端縁において対向する前記第２電極と前記第１電極との間の第１電位差が、前記複数の偏向部材のそれぞれの中央部において対向する前記第２電極と前記第１電極との間の第２電位差より大きくなるように前記第２電極に印加する電圧を制御する、画像表示装置。
2. 前記画像表示パネルは、視差が与えられた右眼用画像信号及び左眼用画像信号が時分割で交互に入力され、
   前記バックライト装置は、一対の側面を有し、前記側面から入射された光を出射面に導く導光板と、前記側面の一方に対向するように配置され、右眼用画像を表示するための照明光を出射する第１光源と、前記側面の他方に対向するように配置され、左眼用画像を表示するための照明光を出射する第２光源と、前記導光板の出射面側に向けた一方面に並列に配置された複数のプリズムと、他方面に配置されたレンチキュラーレンズとを有し、前記第１光源及び前記第２光源から出射された光を前記表示パネル中央の前方に偏向する光制御シートとを含み、かつ前記右眼用画像信号と前記左眼用画像信号との切り替えに同期して、前記第１光源及び前記第２光源が交互に点灯するように構成した請求項１に記載の画像表示装置。