JPWO2010098341A1 - 液晶シャッターおよび液晶シャッターめがね - Google Patents

Abstract

２層の液晶層が積層された液晶シャッターにおいて、光漏れが発生するという問題を解決する。各液晶素子（８ａ、８ｂ）の一対の基板の配向膜（１１）は互いに交差する方向に配向処理されると共に、全て水平配向膜か垂直配向膜であり、配向膜が水平配向膜の場合、液晶材料は正の誘電率異方性を有し、配向膜が垂直配向膜の場合、液晶材料は負の誘電率異方性を有する液晶シャッターにおいて、互いに隣接する液晶素子（８ａ、８ｂ）に封入された液晶材料のねじれ方向（１３）を互いに逆向きとすることにより、上記の課題を解決する。

Description

本発明は、液晶シャッターおよびそれを有する液晶シャッターめがねに関し、特には、時分割表示ディスプレイを利用した立体表示システムやマルチビュー表示システムなどに用いる液晶シャッターおよびそれを有する液晶シャッターめがねに関する。

複数の画像を時分割して表示する時分割表示ディスプレイと、液晶シャッターめがねとを有する時分割表示システムが提案または開発されている。この時分割表示システムとしては、例えば、観察者に立体画像を知覚させるための立体表示システムがある。

図１は、この立体表示システムを示した模式図である。図１において、立体表示システムは、液晶シャッターめがね１と、時分割表示ディスプレイである液晶表示装置３０とを含む。また、液晶シャッターめがね１は、右眼用液晶シャッター１ａと左眼用液晶シャッター１ｂとを含む。

液晶表示装置３０は、右眼用画像と左眼用画像とを交互に表示する。また、右眼用液晶シャッター１ａおよび左眼用液晶シャッター１ｂは、この右眼用画像および左眼用画像の表示に同期して、透過状態と遮蔽状態とを切り替えることにより、観察者２の右目に右目用画像を導き、観察者２の左目に左目画像を導く。これにより、右眼用画像および左眼用画像が右目と左目の視差に応じた画像であれば、観察者に立体画像を知覚させることが可能になる。

また、時分割表示システムとしては、複数の観察者のそれぞれに異なる画像を知覚させるためのマルチビュー表示システムがある。このようなマルチビュー表示システムは、特許文献１に記載されている。

図２は、マルチビュー表示システムを示した模式図である。図２において、マルチビュー表示システムは、図１と同様に、液晶シャッターめがね１および液晶表示装置３０を含む。また、観察者は３人（観察者２ａ〜２ｃ）いるものとする。

マルチビュー表示システムにおいては、液晶表示装置３０は、複数の観察者それぞれに向けた表示画像を順番に表示する。観察者２ａ〜２ｃのそれぞれが使用する液晶シャッターめがねのそれぞれは、その観察者に向けた表示画像の表示に同期して、透過状態と遮蔽状態を切り替えることにより、観察者２ａ〜２ｃのそれぞれに、その観察者に向けた表示画像を導く。これにより、観察者２ａ〜２ｃのそれぞれに異なる表示画像を知覚させることが可能になる。

さらに、時分割表示システムとしては、液晶シャッターめがね１の使用者のみに表示画像を知覚させるためのセキュア表示システムがある。このセキュア表示システムでは、時分割表示ディスプレイとして、ノート型パーソナルコンピュータ等の携帯情報端末のディスプレイを用いることで、秘匿性の高い携帯情報端末を実現できる。

図３は、セキュア表示システムを示した模式図である。

図３において、携帯情報端末３の時分割表示ディスプレイ４は、表示画像Ａ、表示画像Ａの反転画像Ａ’、表示画像Ｂおよび表示画像Ｂの反転画像Ｂ’のように、表示画像と反転画像とを交互に表示する。これにより、液晶シャッターめがね１を装着していない観察者には、その表示画像と反転画像が積分されて無彩色化された画像が知覚されるので、表示画像ＡおよびＢが知覚できない。

また、液晶シャッターめがね１が、表示画像ＡおよびＢの表示に同期して透過状態になり、反転画像Ａ’およびＢ’の表示に同期して遮蔽状態になれば、液晶シャッターめがね１を装着した観察者２に、表示画像ＡおよびＢを知覚させることが可能になる。

これらの時分割表示システムにおける液晶シャッターめがねでは、透過状態と遮蔽状態とで透過される光の光量の差が大きい高コントラスト特性と、透過状態と遮蔽状態とが素早く切り替えられる高速応答性とが求められている。これらの特性がないと、本来遮蔽されるべき表示画像が透けて観察者に知覚される現象（クロストーク）や表示画像が暗く見える現象が生じ、良好な表示画像を観察者に知覚させることができない。

また、液晶シャッターに使用される液晶に電圧を印加したときの液晶の配向状態（ＯＮ状態）と、その液晶に電圧を印加していないとき液晶の配向状態（ＯＦＦ状態）とが変化して、液晶の光の透過率が変化する。このため、液晶シャッターでは、液晶のＯＮ状態とＯＦＦ状態とを切り替えることにより、透過状態と遮蔽状態とが切り替えられる。

しかしながら、液晶がＯＮ状態のときに電圧の印加を停止した場合において、液晶がＯＮ状態からＯＦＦ状態に遷移するまでの時間（ＯＦＦ時応答時間）は、液晶がＯＦＦ状態のときに電圧を印加した場合において、液晶がＯＦＦ状態からＯＮ状態に遷移するまでの時間（ＯＮ時応答時間）よりも長い。このため、液晶シャッターでは、透過状態から遮蔽状態になる時間と、遮蔽状態から透過状態になる時間とに差が生じる。このような時間差があると、クロストークなどが発生して、良好な表示画像を知覚させることができないという問題がある。

このような問題を解決することが可能な技術には、特許文献２に記載の液晶表示装置と、特許文献３に記載の光制御装置とがある。

特許文献２に記載の液晶表示装置では、ネマティック液晶を水平配向させた２つの液晶セルが、その液晶セルの配向方向が互いに直交するように積層され、その積層した液晶セルの両側に偏光層が配置される。

この液晶表示装置は、両方の液晶セルに電圧が印加されていない場合、遮蔽状態となり、一方の液晶セルにだけ電圧が印加されている場合、透過状態になり、両方の液晶セルに電圧が印加されている場合、遮蔽状態になる。

このため、両方の液晶セルに電圧が印加されていない場合における遮蔽状態を初期状態とすると、液晶表示装置は、一方の液晶セルに電圧を印加することで、遮蔽状態を透過状態し、その後、もう一方の液晶セルに電圧を印加することで、透過状態を遮蔽状態にする。そして、液晶表示装置は、両方の液晶セルに印加している電圧を停止することで、初期状態に戻す。

これにより、遮蔽状態を透過状態にする時間も、透過状態を遮蔽状態にする時間もＯＮ時応答時間と同程度になるので、透過状態から遮蔽状態になる時間と、遮蔽状態から透過状態になる時間とを同じにすることが可能になる。

また、特許文献３に記載の光制御装置では、２つのＴＮ型液晶セルが、その液晶セルに電圧を印加していない電圧無印加時に、その液晶セルの配向方向が直交するように積層され、その積層されたＴＮ型液晶セルの両側に偏光層が配置される。この光制御装置においても、特許文献２に記載の液晶表示装置と同様に駆動することで、透過状態から遮蔽状態になる時間と、遮蔽状態から透過状態になる時間とを同じにすることが可能になる。

また、これらとは別に、高コントラスト特性を実現するための技術には、特許文献４に記載の液晶表示装置がある。

この液晶表示装置では、２つのＴＮ型液晶セルが、それらの液晶セルの視認側の配向軸が互いに１０°以内になるよう積層され、その積層されたＴＮ型液晶セルの上下およびその積層されたＴＮ型液晶セル間のそれぞれに偏光層が配置される。これにより、ＴＮ型液晶セルが二段に重ね合わせられた構成となり、一つのＴＮ型液晶セルで構成される場合より高いコントラスト特性を実現することが可能になる。

特開２００６‐１８６７６８号公報 特開平５‐２９７４０２号公報 特開昭５０‐１４１３４４号公報 特開２００４‐２５８３７２号公報

特許文献２に記載された液晶表示装置では、ネマティック液晶を水平配向させた液晶セルが積層されている。水平配向させたネマティック液晶は、一般的に、駆動電圧が高く、電池で駆動することの多い液晶シャッターめがねに使用することは困難である。また、水平配向させたネマティック液晶はＯＦＦ時応答時間が遅いため、両方の液晶セルに印加している電圧を停止して初期状態に戻るまでに長い時間がかかり、高速応答性が得られない。したがって、特許文献２に記載の技術を液晶シャッターめがねに適用することは困難である。

特許文献３に記載の光制御装置では、ネマティック液晶の代わりに、ＯＦＦ時応答時間が短く、かつ、低電圧で駆動可能なＴＮ型液晶セルが用いられているため、この問題点を解決することができる。

しかしながら、特許文献３の図８および１３頁に記載されているように、２つのＴＮ型液晶の両方をＯＦＦ状態にする際に光漏れが生じるという問題点がある。

また、特許文献２および３には、液晶シャッターの視野角特性に関する記載はない。観察者の眼は横方向に動きやすいため、液晶シャッターめがねにおいては、遮蔽状態の場合に、観察者に対して横方向（特に、ディスプレイ等を視認する際に眼が寄りやすい顔中心方向）の光漏れを抑制する必要がある。

さらに、液晶セルの両方がＯＮ状態からＯＦＦ状態に変化する間（ＯＦＦ時）、液晶シャッターは遮蔽状態を維持する必要があるので、ＯＦＦ時においても、観察者に対して横方向の光漏れを抑制する必要がある。

また、特許文献４に記載の液晶表示装置では、液晶のスタティック駆動時のコントラストを改善しているが、遮蔽状態およびＯＦＦ時間における光漏れについての記載はない。なお、特許文献４に記載の液晶表示装置の駆動方法は、特許文献２および３に記載の技術における駆動方法と大きく異なる。

本発明の目的は、上記の課題である、光漏れが発生するという問題を解決した高速応答の液晶シャッターおよび液晶シャッターめがねを提供することである。

本発明による液晶シャッターは、配向膜が塗布された１対の基板と各基板間に封入された液晶材料とを有する複数の液晶素子が積層された積層構造体と、前記積層構造体の両側の一方に設けられた偏光子と、前記積層構造体の両側の他方に設けられた検光子と、を有し、前記液晶素子の一対の基板の配向膜は、互いに交差する方向に配向処理され、前記配向膜は、全て水平配向膜か全て垂直配向膜であり、前記配向膜が前記水平配向膜の場合、前記液晶材料は正の誘電率異方性を有し、前記配向膜が前記垂直配向膜の場合、前記液晶材料は負の誘電率異方性を有し、前記積層構造体内の互いに隣接する液晶素子に封入された液晶材料のねじれ方向が互いに逆向きである。

本発明による液晶シャッターめがねは、上記の液晶シャッターを有する液晶シャッターめがねである。

本発明によれば、光漏れを抑制することが可能になる。

立体表示システムを示した模式図である。 マルチビュー表示システムを示した模式図である。 セキュア表示システムを示した模式図である。 本発明の一実施形態の液晶シャッターの構成を模式的に示した縦断面図である。 液晶素子の一例を模式的に示した縦断面図である。 液晶素子の他の例を模式的に示した縦断面図である。 液晶シャッターのより詳細な構成を模式的に示した縦断面図である。 液晶めがねの一例を模式的に示した外観図である。 液晶めがねに用いられる液晶シャッターの構成例を示した模式図である。 液晶シャッターめがねにおける液晶シャッターの配向処理方向およびプレティルト角方向を示した模式図である。 液晶素子としてＴＮ型液晶素子を用いた場合における液晶シャッターの動作を説明するための説明図である。 電圧印加状態から電圧無印加状態へ変化する際の液晶分子の動きを示した模式図である。 液晶素子としてＲ−ＴＮ型液晶素子を用いた場合における液晶シャッターの動作を説明するための説明図である。 ＴＮ型液晶モードを用いた液晶シャッターめがねを示した模式図である。 電圧印加遮蔽時における液晶シャッターめがねの輝度分布の一例を示した説明図である。 電圧ＯＦＦ時における液晶シャッターめがねの輝度分布の一例を示した説明図である。 電圧ＯＦＦ時における液晶シャッターめがねの輝度分布の他の例を示した説明図である。 電圧ＯＦＦ時における液晶シャッターめがねの輝度分布の他の例を示した説明図である。 液晶シャッターの正面方向の光漏れを説明するための説明図である。 Ｒ−ＴＮ型液晶モードを用いた液晶シャッターめがねを示した模式図である。 電圧印加遮蔽時における液晶シャッターめがねの輝度分布の一例を示した説明図である。 電圧ＯＦＦ時における液晶シャッターめがねの輝度分布の一例を示した説明図である。 電圧ＯＦＦ時における液晶シャッターめがねの輝度分布の他の例を示した説明図である。 電圧ＯＦＦ時における液晶シャッターめがねの輝度分布の他の例を示した説明図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の説明では、同じ機能を有する構成には同じ符号を付け、その説明を省略する場合がある。

図４は、本発明の一実施形態の液晶シャッターの構成を模式的に示した縦断面図である。図４において、液晶シャッター５は、液晶素子８ａおよび８ｂが積層された積層構造体と、偏光子９と、検光子１０とを有する。なお、液晶素子の数は、図４では、２つだけだが、実際には、複数であればよい。

積層構造体の両側のうちの一方に偏光子９が配置され、積層構造体の両側のうちの他方に検光子１０が配置される。また、液晶素子８ａおよび８ｂのそれぞれは、配向膜が塗布された１対の基板６と、各基板６の間に封入された液晶材料７とを有する。なお、各基板６には、液晶素子８ａおよび８ｂに電圧を印加するための電極（不図示）が備わっているものとする。また、積層構造体の両側は、積層構造体内の液晶素子８ａおよび８ｂの基板６に平行な表面側である。

図５Ａは、液晶素子８ａのより詳細な構成を模式的に示した縦断面図であり、図５Ｂは、液晶素子８ｂのより詳細な構成を模式的に示した縦断面図であり、図５Ｃは、液晶シャッター５のより詳細な構成を模式的に示した縦断面図である。

図５Ａ〜図５Ｃでは、液晶素子８ａおよび８ｂの基板６のそれぞれに塗布された配向膜として、水平配向膜１１が設けられている。この場合、液晶素子８ａおよび８ｂの基板６の間には、液晶材料７として、誘電率異方性が正の液晶材料が封入される。

例えば、透明電極を有する基板６に水平配向膜１１を塗布し、その水平配向膜１１に配向処理（例えば、ラビング処理）を行い、その後、誘電率異方性が正の液晶材料７を基板６間に注入することで、このような液晶素子８ａおよび８ｂを生成することができる。

このとき、各液晶素子の対となる基板６の水平配向膜１１は、所定の角度で互いに交差するように配向処理される。図５Ａ〜５Ｃでは、各基板６の水平配向膜の配向処理方向１５ａ〜１５ｄが示されている。具体的には、配向処理方向１５ａおよび１５ｂは、液晶素子８ａの対となる基板６の配向処理方向であり、配向処理方向１５ｃおよび１５ｄは、液晶素子８ｂの対となる基板６の配向処理方向である。また、配向処理方向１５ａおよび１５ｂが互いに交差し、配向処理方向１５ｃおよび１５ｄが互いに交差する。

また、互いに隣接する液晶素子８ａおよび８ｂのそれぞれに封入された液晶材料７のそれぞれでは、ねじれ方向１３が互いに逆向きである。

配向膜として、水平配向膜１１の代わりに垂直配向膜が設けられてもよい。この場合、液晶素子８ａおよび８ｂの基板６の間には、液晶材料７として、誘電率異方性が負の液晶材料が封入される。また、互いに隣接する液晶素子８ａおよび８ｂのそれぞれに封入される液晶材料７のそれぞれでは、水平配向膜１１の場合と同様に、ねじれ方向が互いに逆向きである。なお、垂直配向膜が設けられているときのねじれ方向とは、液晶素子８ａおよび８ｂに電圧を印加して、液晶材料７の液晶分子が立ち下がったときのねじれ方向である。また、液晶素子８ａおよび８ｂの全ての配向膜として、同種の配向膜、つまり水平配向膜か垂直配向膜が用いられる。

これにより、液晶シャッター５では、積層された液晶素子８ａおよび８ｂの液晶分子１２が、電圧が印加されたとき、および、電圧の印加が停止されたときに、基板６の法線方向を軸として対称に運動するため、遮蔽状態での光漏れを抑制することが可能になる。

また、図５Ｃで示したように、積層された液晶素子８ａおよび８ｂの互いに隣接する基板の各配向膜は、互いに直交する方向に配向処理されることが望ましい。つまり、所定の角度が９０°であり、隣接する基板６の各配向膜の配向処理方向１５ｂおよび１５ｃが互いに直交することが望ましい。この場合、液晶シャッター５の透過状態と遮蔽状態とのコントラストを高くすることが可能になる。

さらに、液晶素子８ａおよび８ｂの各液晶材料７の厚さｄとその液晶材料７の屈折率異方性Δｎの積（ｄ・Δｎ）のそれぞれが、等しいまたは略等しいことが望ましい。また、液晶素子８ａおよび８ｂの各液晶材料７のカイラルピッチが、等しいまたは略等しいことが望ましい。この場合、遮蔽状態での光漏れをさらに抑制することが可能になる。

そして、偏光子９および検光子１０は、クロスニコルの関係となるよう配置されていることが望ましい。

次に、液晶シャッター５を用いた液晶シャッターめがねについて説明する。

図６Ａは、液晶シャッター５を有する液晶シャッターめがねを模式的に示した外観図である。図６Ａで示したように、液晶シャッターめがね１００には、左右の眼鏡枠のそれぞれに液晶シャッター５が装着されている。

図６Ｂは、液晶シャッターめがね１００に用いられる液晶シャッター５の構成を示した模式図である。なお、液晶シャッター５の液晶素子は、液晶素子８ａおよび８ｂの２つであるとする。

液晶素子８ａおよび８ｂのそれぞれにおいて、その液晶素子に含まれる１対の基板のうち一方の基板の配向膜が液晶めがね１００の幅方向（Ａ−Ｂ方向）に配向処理されている。本実施形態では、液晶素子８ａの奥側の基板の配向膜の配向処理方向１５ｂと、液晶素子８ｂの奥側の基板の配向膜の配向処理方向１５ｄとが、液晶めがね１００の幅方向を向いている。

これにより、配向処理方向１５ｂおよび１５ｄが、観察者の顔の中心線１６と直交する。なお、図６Ｂでは、液晶素子８ａの手前側の基板６ａが観察者側の基板となる。これにより、観察者２に対して横方向の視野角特性を改善することができる。

また、液晶素子８ａおよび８ｂの配向膜が水平配向膜１１の場合、図７で示したように、幅方向に配向処理された配向膜を有する基板６上（基板６の界面）の液晶分子の長軸が、液晶シャッターめがね１００の内側（図６Ａの矢印Ｃの方向）に向かうに従いその基板６から離れている。これにより、その基板のプレティルト角１７の向きが観察者の顔の中心を向くこととなり、観察者２に対して横方向の視野角特性を改善することができる。

次に、液晶シャッター５の動作について説明する。図８〜図１０は、液晶シャッター５の動作を説明するための説明図である。なお、偏光子９および検光子１０は、偏光子９の透過軸１８と検光子１０の透過軸１９とが直交するクロスニコルの関係に配置されているものとする。

図８は、液晶素子８ａおよび８ｂが水平配向膜１１を有する液晶シャッター５の動作を説明するための説明図である。

液晶素子８ａおよび８ｂが水平配向膜１１を有する場合、図８で示したように、液晶素子８ａおよび８ｂの両方に電圧が印加されていない状態（状態５Ａ：両ＯＦＦ状態）では、液晶素子８ａおよび８ｂのそれぞれの液晶材料７は基板６間でねじれた状態にある。以下、液晶素子８ａおよび８ｂのそれぞれの配向膜の配向処理方向は、互いに９０°の角度をなしているものとする。つまり、液晶素子８ａおよび８ｂのそれぞれの液晶材料７は、９０°ねじれているものとする。なお、このような液晶素子を９０°ＴＮ型液晶素子と称する。

状態５Ａでは、液晶シャッター５への入射光２０は、偏光子９を透過して偏光光となり、その偏光光である入射光２０が液晶素子８ａおよび８ｂに入射される。その入射光２０の偏光面は、液晶素子８ａおよび８ｂの液晶材料のねじれの方向に沿って回転する。この時、液晶素子８ａおよび８ｂに封入された液晶材料７は、互いに逆方向にねじれているので、その偏光面は、入射側の液晶素子８ａおよび８ｂで９０°回転し、その後、観察者側の液晶素子８ａおよび８ｂで元に戻る。偏光子９および検光子１０がクロスニコルに配置されているので、その偏光光である入射光２０は、検光子１０を透過できず検光子１０で吸収される。このため、液晶シャッター５は遮蔽状態となる。

状態５Ａにおいて液晶素子８ｂに飽和電圧以上の電圧が印加されると、液晶素子８ｂ内の液晶分子の長軸が基板６に対して垂直に配向され、液晶素子８ｂの液晶材料７のねじれが解消される（状態５Ｂ：片ＯＦＦ状態）。このとき、入射光２０の偏光面は、液晶素子８ｂで回転しなくなる。このため、入射光２０は、偏光面が９０°回転した状態で検光子１０に入射され、その検光子１０を透過する。このため、液晶シャッター５は透過状態になる。なお、飽和電圧は、液晶材料７の飽和電圧である。

状態５Ｂにおいて液晶素子８ａにも飽和電圧以上の電圧が印加されると、液晶素子８ａ内の液晶分子の長軸が基板６に対して垂直に配向され、液晶素子８ａの液晶材料７のねじれが解消される（状態５Ｃ：両ＯＮ状態）。このとき、入射光２０の偏光面は、液晶素子８ａおよび８ｂで回転しなくなり、入射光２０は、検光子１０を透過できず、液晶シャッター５は遮蔽状態となる。

このように液晶シャッター５に電圧を印加させることにより、液晶シャッター５の状態を遮蔽状態から透過状態にし、かつ、透過状態から遮蔽状態にすることができる。このため、液晶シャッター５の状態を高速に切り替えることが可能になる。なお、液晶素子８ｂ、８ａの順に電圧が印加されていたが、液晶素子８ａ、８ｂの順に電圧が印加されてもよい。

また、状態５Ｃにおいて液晶素子８ａおよび８ｂに印加された電圧が停止されると、液晶素子８ａおよび８ｂのそれぞれの液晶材料７がねじれた元の状態に戻る（状態５Ｄ）。このとき、液晶シャッター５の遮蔽状態は維持される。

状態５Ｃから状態５Ｄに遷移する際、図９で示したように、基板６に対して垂直に配向された液晶分子１２ｃは、液晶素子８ａおよび８ｂに電圧を印加していない電圧無印加状態においてねじれ方向が互いに逆であるため、基板６の法線を軸として対称にねじれていく。つまり、液晶素子８ａの液晶分子１２ａと、液晶素子８ｂの液晶分子１２ｂとが逆向きにねじれていく。このため、遮蔽状態を維持したまま、液晶素子８ａおよび８ｂに電圧が印加されていない状態５Ａに遷移させることが可能になるので光漏れを抑制することが可能になる。

図１０は、液晶素子８ａおよび８ｂが垂直配向膜を有する液晶シャッター５の動作を説明するための説明図である。

液晶素子８ａおよび８ｂが垂直配向膜を有する場合、図１０で示したように、液晶素子８ａおよび８ｂの両方に電圧が印加されていない状態（状態７Ａ：両ＯＦＦ状態）では、液晶素子８ａおよび８ｂのそれぞれの液晶材料７は、基板６に対して垂直に配向される。また、液晶素子８ａおよび８ｂの両方に飽和電圧以上の電圧が印加されると、液晶材料７は負の誘電率異方性を有するので、基板６の法線方向に対してねじれながら、基板６に対して水平方向に配向していく。以下、液晶素子８ａおよび８ｂのそれぞれの配向膜の配向処理方向は、互いに９０°の角度をなしているものとする。この場合、液晶素子８ａおよび８ｂの両方に飽和電圧以上の電圧が印加されると、液晶素子８ａおよび８ｂのそれぞれの液晶材料７は、９０°ねじれる。なお、このような液晶素子を、Ｒ−ＴＮ型液晶素子と称する。

状態７Ａでは、液晶シャッター５への入射光２０は、偏光子９を透過して偏光光となり、その偏光光である入射光２０が液晶素子８ａおよび８ｂに入射される。入射光２０の偏光面は、液晶素子８ａおよび８ｂで回転しないので、入射光２０は、検光子１０を透過できず、液晶シャッター５は遮蔽状態となる。

状態７Ａにおいて液晶素子８ｂに飽和電圧以上の電圧が印加されると、液晶素子８ｂ内の液晶分子の長軸が基板６に対して水平方向にねじれ、入射光２０の偏光面は、液晶素子８ｂで９０°回転する。このため、入射光２０は、偏光面が９０°回転した状態で検光子１０に入射され、その検光子１０を透過する。このため、液晶シャッター５は透過状態となる（状態７Ｂ：片ＯＦＦ状態）。

状態７Ｂにおいて、液晶素子８ａにも飽和電圧以上の電圧が印加されると、液晶素子８ａ内の液晶材料７は、液晶素子８ａおよび８ｂ内の液晶材料とは逆方向にねじれるので、入射光２０の偏光面は、入射側の液晶素子８ａで９０°回転し、その後、観察者側の液晶素子８ｂで元に戻る。このため、入射光２０は、検光子１０を透過できず、液晶シャッター５は遮蔽状態となる（状態７Ｃ：両ＯＮ状態）。

このように、液晶素子８ａおよび８ｂの配向膜が垂直配向膜の場合でも、液晶シャッター５に電圧を印加させることにより、液晶シャッター５の状態を遮蔽状態から透過状態にし、かつ、透過状態から遮蔽状態にすることができる。このため、液晶シャッター５の状態を高速に切り替えることが可能になる。なお、液晶素子８ｂおよび８ａの順に電圧が印加されていたが、液晶素子８ａおよび８ｂの順に電圧が印加されてもよい。

また、状態７Ｃにおいて、液晶素子８ａおよび８ｂに印加された電圧が停止されると、液晶素子８ａおよび８ｂのそれぞれの液晶材料７は、基板６に対して垂直に配向する元の垂直状態に戻る（状態７Ｄ）。このとき、液晶シャッター５の遮蔽状態は維持される。

状態７ｃから状態７Ｄに遷移する際、ねじれ状態にある液晶分子のねじれ方向が逆であるため、基板６の法線を軸として対象にねじれて垂直状態に戻っていく。このため、遮蔽状態を維持したまま、液晶素子８ａおよび８ｂに電圧が印加されていない状態５Ａに遷移させることが可能になるので光漏れを抑制することが可能になる。

以上説明した光漏れの抑制の仕組みは、液晶シャッター５の正面から入射される光に対する光漏れを抑制する仕組みである。しかしながら、液晶素子は視野角特性を有するため、観察者に対して横方向に光が漏れる横方向の光漏れを抑制する仕組みが必要となる。

以下では、液晶シャッター５が遮蔽状態である時（遮蔽時）と、ＯＦＦ時（両ＯＮ状態から両ＯＦＦ状態への変化時）における、観察者２に対して横方向の光漏れについて説明する。

特許文献４に記載の液晶表示装置のように、ＴＮ型液晶素子の間に偏光層が挿入され、ＴＮ型液晶ディスプレイを２つ重ねたものとみなされる場合、液晶表示装置の視野角特性（遮蔽状態における光漏れや遮蔽状態と透過状態とのコントラストなど）は、個々のＴＮ型液晶ディスプレイの視野角特性が連続したものと考えられる。一方、本実施形態で説明した液晶シャッターのように、液晶素子が積層され、その両側の偏光層（偏光子９および検光子１０）が配置された場合、個々の液晶素子による光学特性が重なるため、特許文献４（特に、特許文献４の図３、４および１０）に示されるような光学特性とはならない。

そこで、液晶シャッター５における遮蔽時およびＯＦＦ時における観察者に対して横方向の光漏れについて検討した。

その結果、配向膜が水平配向膜の場合、液晶素子８ａおよび８ｂの同じ方向に配向処理された配向膜の配向処理方向が液晶シャッターめがね１００の幅方向、つまり、観察者の顔の中心線に対して直交するように配置された場合に、観察者に対して横方向の光漏れを抑制することが可能になった。特に、幅方向に配向処理された配向膜を有する基板６上の液晶分子の長軸が、液晶シャッターめがね１００の内側に向かうに従いその基板６から離れている場合に、観察者２の顔の中心方向の光漏れを抑制することが可能となった。

また、配向膜が垂直配向膜の場合、液晶素子８ａおよび８ｂの同じ方向に配向処理された配向膜の配向処理方向が液晶シャッターめがね１００の幅方向に配置された場合に、配向膜が水平配向膜の場合に比べて、特に液晶素子８ａおよび８ｂの両方のＯＦＦ時における観察者に対して横方向の光漏れを抑制することが可能になった。

次に効果を整理する。

本実施形態では、各液晶素子の一対の基板６の配向膜は互いに交差する方向に配向処理される。また、配向膜は、全て水平配向膜１１か垂直配向膜であり、配向膜が水平配向膜の場合、液晶材料７は正の誘電率異方性を有し、配向膜が垂直配向膜の場合、液晶材料７は負の誘電率異方性を有する。さらに、互いに隣接する液晶素子８ａおよび８ｂに封入された液晶材料のねじれ方向が互いに逆向きである。

この場合、液晶素子８ａおよび８ｂが両ＯＮ状態から両ＯＦＦ状態に遷移するＯＦＦ時において、液晶素子８ａの液晶分子１２ａと、液晶素子８ｂの液晶分子１２ｂとが逆向きにねじれていく。このため、遮蔽状態を維持したまま両ＯＦＦ状態に遷移させることが可能になるので、ＯＦＦ時の光漏れを抑制することが可能になる。

また、配向膜が垂直配向膜の場合、電圧印加時にも垂直配向膜付近の液晶分子が垂直配向状態のまま残るため、横方向の光漏れを更に抑制することが可能になる。

また、本実施形態では、積層された液晶素子の互いに隣接する基板６の配向膜は、互いに直交する方向に配向処理される。この場合、透過状態と遮蔽状態とのコントラストをより高くすることが可能になる。

また、本実施形態では、液晶素子８ａおよび８ｂに封入された各液晶材料７の厚さとその液晶材料の屈折率異方性との積のそれぞれが、等しいまたは略等しい。この場合、液晶素子８ａおよび８ｂのそれぞれにおいて、入射光の偏光面が略等しい量だけ（逆向きに）回転されるので、遮蔽時における光漏れをさらに抑制することが可能になる。

また、本実施形態では、液晶素子８ａおよび８ｂに封入された各液晶材料７のカイラルピッチは等しいまたは略等しい。この場合、液晶素子８ａおよび８ｂのそれぞれにおいて、入射光の偏光面が略等しい割合で回転されるので、遮蔽時における光漏れをさらに抑制することが可能になる。

また、本実施形態では、液晶素子８ａおよび８ｂのそれぞれにおいて、その液晶素子に含まれる１対の基板のうち一方の基板の配向膜が液晶めがね１００の幅方向に配向処理されている。この場合、観察者に対して横方向の光漏れを抑制することが可能になる。

さらに、本実施形態では、液晶素子８ａおよび８ｂの配向膜は水平配向膜である。また、液晶シャッターめがね１００の幅方向に配向処理された配向膜を有する基板上の液晶分子の長軸が、液晶シャッターめがね１００の内側に向かうに従いその基板６から離れている。この場合、ディスプレイ等を視認する際に眼が寄りやすい顔中心方向から光が漏れることを抑制することが可能になる。

本発明の実施例１として、水平配向膜１１が用いられた液晶シャッターめがね１００の輝度分布について、図１１、図１２Ａ〜図１２Ｄを用いて説明する。

液晶素子は、液晶素子８ａおよび８ｂの二つである。また、液晶素子８ａおよび８ｂは、液晶層の厚さｄが２．３μｍであり、誘電率異方性Δｎが正（０．１７）の９０°ＴＮ型液晶素子である。

液晶シャッター５では、図１１で示したように、液晶素子８ａおよび８ｂの同じ方向に配向処理された配向膜の配向処理方向１５ｂおよび１５ｄが、観察者の顔の中心線１６に対して直交するように配置され、さらに、配向処理方向１５ｂおよび１５ｄおけるプレティルト角の向きが観察者２の顔の中心方向であるものとする。

なお、液晶素子８ａおよび８ｂのそれぞれの液晶材料７は、ねじれ方向に応じたカイラルピッチを有し、誘電率異方性Δｎは正０．１７である。

図１２Ａは、図１１で示した液晶シャッター５における液晶素子８ａおよび８ｂに電圧（５Ｖ）を印加した場合の輝度分布を示した説明図である。この場合、液晶素子８ａおよび８ｂの両方がＯＮ状態となり、液晶シャッター５が遮蔽状態になる。なお、Φは方位角、θは極角を表し、Φ=０−１８０°の線は観察者に対して横方向となる。

遮蔽領域２３（輝度の低い領域）は、Φ=０−１８０°の線付近に拡がっており、光漏れ領域２４（輝度が高い領域）は、観察者の眼の動きからはずれたΦ=１２０°、θ＝４０〜６０°あるいはΦ=２１０°、θ＝４０〜６０°の付近に拡がっている。したがって、図１１で示したように液晶シャッター５を構成することで、遮蔽状態において、観察者に対して横方向の光漏れを抑制することが可能になる。

図１２Ｂ〜図１２Ｄは、液晶素子８ａおよび８ｂのＯＦＦ時（両ＯＮ状態（５Ｖ印加状態）から両ＯＦＦ状態（電圧無印加状態）への変化時）の輝度分布を示した説明図である。なお、図１２Ｂは、電圧が４Ｖ相当の輝度分布を示し、図１２Ｃは、電圧が３Ｖ相当の輝度分布を示し、図１２Ｄは、電圧が２Ｖ相当の輝度分布を示す。

図１２Ｂでは、ＯＮ状態のときと同様に、Φ=１２０°、θ＝４０〜６０°あるいはΦ=２１０°、θ＝４０〜６０°の付近に光漏れ領域２４が拡がっている。図１２Ｃでは、光漏れ領域２４が全体的に少なくなり、図１２Ｄでは、再びΦ=１２０°、θ＝４０〜６０°あるいはΦ=２１０°、θ＝４０〜６０°の付近に光漏れ領域２４が拡がる。

いずれの場合においても、光漏れ領域２４が観察者の眼が寄りやすい顔の中心に向かう方向に存在しないので、横方向の光漏れを抑制できていることが分かる。

実施例２として、実施例１で説明した液晶シャッターめがねに用いられている液晶素子８ａおよび８ｂの応答時間とＯＦＦ時の光漏れについて、図１３を用いて説明する。

このような液晶素子８ａおよび８ｂでは、遮蔽状態から透過状態に遷移するまでの応答時間（透過率１０％から透過率９０％への変化に要する時間）は、０．６ｍＳであった。また、透過状態から遮蔽状態に遷移するまでの応答時間（透過率９０%から透過率１０%への変化に要する時間）は、遮蔽状態から透過状態に遷移するまでの応答時間と同じ０．６ｍＳであった。

図１３は、液晶シャッター５の正面方向の光漏れを示した説明図である。図１３では、横軸は、時間［ｍＳ］を示し、縦軸は、光透過率［％］を示す。また、図１３において、電圧２６は最初の液晶素子に印加される電圧を示し、電圧２７は、２番目の液晶素子に印加される電圧を示す。電気光学応答２８は、液晶シャッター５の電気光学応答（透過率）を示す。

図１３で示されたように、液晶素子シャッター５が遮蔽状態である両ＯＮ状態および両ＯＦＦ状態のときでも、両ＯＮ状態から両ＯＦＦ状態に遷移するＯＦＦ時でも、光透過率は０％付近であり、これらの場合において光透過率に顕著な差がない。したがって、遮蔽状態およびＯＦＦ時において、液晶シャッター５の正面方向の光漏れがない電気光学応答が得られることが分かる。

本発明の実施例３として、垂直配向膜が用いられた液晶シャッターめがね１００の輝度分布について、図１４、図１５Ａ〜図１５Ｄを用いて説明する。

液晶素子は、液晶素子８ａおよび８ｂの二つである。また、液晶素子８ａおよび８ｂは、液晶層の厚さｄが２．３μｍであり、誘電率異方性Δｎが−０．１７のＲ−ＴＮ型液晶素子である。

液晶シャッター５では、図１４で示したように、液晶素子８ａおよび８ｂの同じ方向に配向処理された配向膜の配向処理方向１５ｂおよび１５ｄが、観察者の顔の中心線１６に対して直交するように配置され、さらに、配向処理方向１５ｂおよび１５ｄおけるプレティルト角の向きが観察者２の顔の中心方向であるものとする。なお、図１２Ａ〜図１２Ｄと同様に、Φは方位角、θは極角を表し、Φ=０−１８０°の線は観察者に対して横方向となる。

図１５Ａは、図１３で示した液晶シャッター５における液晶素子８ａおよび８ｂに電圧（５Ｖ）を印加した場合の輝度分布を示した説明図である。この場合、液晶素子８ａおよび８ｂの両方がＯＮ状態となり、液晶シャッター５が遮蔽状態になる。

図１５Ｂ〜図１５Ｄは、液晶素子８ａおよび８ｂのＯＦＦ時（両ＯＮ状態（５Ｖ印加状態）から両ＯＦＦ状態（電圧無印加状態）への変化時）の輝度分布を示した説明図である。なお、図１５Ｂは、電圧が４Ｖ相当の輝度分布を示し、図１５Ｃは、電圧が３Ｖ相当の輝度分布を示し、図１５Ｄは、電圧が２Ｖ相当の輝度分布を示す。

図１５Ａ〜図１５Ｄで示されたように、ＴＮ型液晶素子を２層に積層した場合（図１２Ａ〜図１２Ｄ）と比較して、３Ｖ印加相当時（図１５Ｃ）を除けば、観察者に対する横方向の遮蔽領域が広い視野角特性を得ることができた。

（産業上の利用可能性）
本発明の活用例として、時分割表示ディスプレイを利用した立体表示システムやマルチビュー表示システム等の液晶シャッターめがねを用いるディスプレイシステムが挙げられる。

以上、実施形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は、上記実施形態に限定されたものではない。本願発明の構成や詳細には、本願発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更を行うことができる。

この出願は、２００９年２月２６日に出願された日本出願特願２００９−４４０４５号公報を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

Claims (7)

1. 配向膜が塗布された１対の基板と各基板間に封入された液晶材料とを有する複数の液晶素子が積層された積層構造体と、前記積層構造体の両側のうちの一方に設けられた偏光子と、前記積層構造体の両側のうちの他方に設けられた検光子と、を有し、
   前記液晶素子の一対の配向膜は、互いに交差する方向に配向処理され、
   前記配向膜は、全て水平配向膜か全て垂直配向膜であり、前記配向膜が前記水平配向膜の場合、前記液晶材料は正の誘電率異方性を有し、前記配向膜が前記垂直配向膜の場合、前記液晶材料は負の誘電率異方性を有し、
   前記積層構造体内の互いに隣接する液晶素子に封入された液晶材料のねじれ方向が互いに逆向きである、液晶シャッター。
2. 請求項１に記載の液晶シャッターにおいて、
   前記積層された液晶素子の互いに隣接する基板の配向膜は、互いに直交する方向に配向処理される、液晶シャッター。
3. 請求項１または２に記載の液晶シャッターにおいて、
   各液晶素子に封入された各液晶材料の厚さと当該液晶材料の屈折率異方性との積のそれぞれが、等しいまたは略等しい、液晶シャッター。
4. 請求項１ないし３のいずれか１項に記載の液晶シャッターにおいて、
   各液晶素子に封入された各液晶材料のカイラルピッチが、等しいまたは略等しい、液晶シャッター。
5. 請求項１ないし４のいずれか１項に記載の液晶シャッターを有する液晶シャッターめがね。
6. 請求項５に記載の液晶シャッターめがねにおいて、
   前記液晶素子は、２つあり、
   前記液晶素子のそれぞれにおいて、当該液晶素子に含まれる１対の基板のうちの一方の基板の配向膜が、前記液晶シャッターめがねの幅方向に配向処理されている、液晶シャッターめがね。
7. 請求項６に記載の液晶シャッターめがねにおいて、
   前記配向膜は、前記水平配向膜であり、
   前記幅方向に配向処理された配向膜を有する基板上の液晶分子の長軸が、前記液晶シャッターめがねの内側に向かうに従い当該基板から離れている、液晶シャッターめがね。

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