JPWO2013161257A1 - 液晶光学素子及びそれを備えた画像表示装置 - Google Patents

Abstract

液晶分子の初期配向が最適化された液晶光学素子を提供する。本開示における液晶光学素子は、第１方向に延びる稜線を有するプリズムが、第１の方向と直交する第２方向に複数配列して構成されたプリズムアレイと、プリズムアレイ上に設けられた液晶層と、液晶層に電圧を印加する電極とを備える。液晶層に印加される電圧が０ボルトのとき、液晶層の液晶分子の長軸が、第２方向と直交する平面内において、第１方向に対して所定の角度傾くように配向される。

Description

本開示は、入射した光を偏向する液晶光学素子及びこれ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液晶光学素子及びこれを備える画像表示装置を提供する。

本開示における液晶光学素子は、第１方向に延びる稜線を有するプリズムが、第１の方向と直交する第２方向に複数配列して構成されたプリズムアレイと、プリズムアレイ上に設けられた液晶層と、液晶層に電圧を印加する電極とを備える。液晶層に印加される電圧が０ボルトのとき、液晶層の液晶分子の長軸が、第２方向と直交する平面内において、第１方向に対して所定の角度傾くように配向される。

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液晶光学素子及びこれを備える画像表示装置を実現するのに有効である。

図１は、実施形態に係る画像表示装置の概略構成図である。 図２は、画像表示装置の一部の分解斜視図である。 図３（ａ）は液晶分子の配向が０度のときの構成を示す概略図、図３（ｂ）は液晶分子の配向が４５度のときの構成を示す概略図、図３（ｃ）は液晶分子の配向が９０度のときの構成を示す概略図、図３（ｄ）は液晶分子の配向が０度のときの構成を示す概略図、図３（ｅ）は液晶分子の配向が４５度のときの構成を示す概略図、図３（ｆ）は液晶分子の配向が９０度のときの構成を示す概略図である。 図４（ａ）は液晶分子の配向が０度のときの光の強度を示すグラフ、図４（ｂ）は液晶分子の配向が４５度のときの光の強度を示すグラフ、図４（ｃ）は液晶分子の配向が９０度のときの光の強度を示すグラフである。 図５（ａ）は液晶分子の配向が０度のときの構成を示す概略図、図５（ｂ）は液晶分子の配向が４５度のときの構成を示す概略図、図５（ｃ）は液晶分子の配向が９０度のときの構成を示す概略図、図５（ｄ）は液晶分子の配向が０度のときの構成を示す概略図、図５（ｅ）は液晶分子の配向が４５度のときの構成を示す概略図、図５（ｆ）は液晶分子の配向が９０度のときの構成を示す概略図である。 図６（ａ）は液晶分子の配向が４５度のときの光の強度を示すグラフ、図６（ｂ）は液晶分子の配向が９０度のときの光の強度を示すグラフである。

以下、適宜図面を参照しながら、実施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、図面においては、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、実施形態に係る画像表示装置１０の概略断面図であり、図２は、図１に示す画像表示装置１０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４８ａ、４８ｂ、４９ａ、４９ｂの記載が省略されている。

本実施形態では、画像表示装置１０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及び図２に示すように、Ｘ軸方向は、画像表示パネル５０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５０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５０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及び図２は、画像表示装置１０の上側から見た図に相当する。したがって、図１及び図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１０は、光源切替型のバックライト２０と、液晶プリズム素子４０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５０と、画像表示装置１０を使用している観察者の位置検出を行う位置検出部７０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４０へ出力する液晶駆動電圧を制御する制御部６０とから構成される。

画像表示装置１０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２１ａ及び２１ｂ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。

以下、各構成の詳細について説明する。

＜２．バックライトの構成＞
バックライト２０は、互いに対向する光源２１ａ及び２１ｂと、反射フィルム２２と、導光板２３と、光制御フィルム３０とを備える。反射フィルム２２は導光板２３の下面側（背面側）に設けられており、光制御フィルム３０は導光板２３の上面側（前面側）に設けられている。

光源２１ａ及び２１ｂは、導光板２３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２１ａは、導光板２３の左側面に配置されており、光源２１ｂは導光板２３の右側面に配置されている。光源２１ａ及び２１ｂ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２１ａ及び２１ｂは、画像表示パネル５０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５０が右眼用画像を表示する場合は、光源２１ａが点灯して光源２１ｂが消灯し、画像表示パネル５０が左眼用画像を表示する場合は、光源２１ａが消灯して光源２１ｂが点灯する。

光源２１ａ及び２１ｂから出射された光は、導光板２３の上面と下面とで全反射を繰り返しながら導光板２３内に広がる。導光板２３内で全反射角度を超える角度を持った光が導光板２３の上面から出射される。導光板２３の下面は、図１及び２に示すように、複数の傾斜面２４により構成されている。これらの傾斜面２４により、導光板２３内を伝搬する光は様々な方向に反射されるので、導光板２３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２２は、導光板２３の下面側に設けられている。導光板２３の下面に設けられた傾斜面２４の全反射角度を破った光は、反射フィルム２２により反射され、再び導光板２３内に入射し、最終的に上面から出射される。導光板２３から出射された光は、光制御フィルム３０に入射する。

光制御フィルム３０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３１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３０の下面には、三角形状の断面を有するプリズム３１が１次元アレイ配置されている。また、光制御フィルム３０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３２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３０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３０の下面に入射した光は、プリズム３１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４０に入射する。

＜３．液晶プリズム素子の構成＞
図１及び図２に示すように、液晶プリズム素子４０は、基板４１と、基板４２と、複数のプリズム４３で構成されるプリズムアレイ４４と、液晶層４５と、電極４８ａ及び４８ｂと、電極４９ａ及び４９ｂとを備える。

基板４１と基板４２は互いに対向して配置されている。

基板４１の内面（基板４２と対向する側の面）には、プリズムアレイ４４が形成されている。プリズムアレイ４４は、複数のプリズム４３により構成されている。プリズム４３は、Ｘ軸方向（第２方向の一例）に複数並べて配置されている。

プリズム４３は、ＸＺ平面における断面が略三角形の形状を有する。本実施形態では、プリズム４３の断面は、直角三角形である。図１に示すように、Ｙ軸方向から見たとき、プリズム４３の斜辺（直角三角形の直角の対辺）が液晶層４５に接するよう構成されている。

また、図２に示すように、プリズム４３は、Ｙ軸方向（第１方向の一例）に伸びた形状で形成されている。すなわち、プリズム４３は、三角柱状に構成されている。

基板４１と液晶プリズム素子４０との間には、電極４８ａ及び電極４８ｂが形成されている。また、基板４２と液晶プリズム素子４０との間には、電極４９ａ及び電極４９ｂが形成されている。液晶層４５は、基板４１と基板４２との間に形成されている。詳細には、液晶層４５は、基板４１側において電極４８ａ、電極４８ｂ、プリズムアレイ４４と接している。

なお、本実施形態では、プリズム４３は、Ｙ軸方向に伸びた形状としているが、プリズム４３は、Ｙ軸に対して所定の角度傾いた方向に伸びた形状でもよい。このような構成にすることで、モアレ（干渉縞）の発生を低減することができる。モアレは、周期的な構造が複数枚合わされたときに、それらの周期のずれにより視覚的に発生する縞模様である。本実施形態では、画像表示パネル５０の画素の配置や、光制御フィルム３０（プリズム３１、シリンドリカルレンズ３２）、液晶プリズム素子４０（プリズムアレイ４４）など、周期的な構造が複数重ね合わされた状態になっているため、モアレが発生しやすい。そこで、プリズムをＹ軸に対して所定角度傾けた方向に伸ばした形状にすることで、モアレを発生しにくくすることができる。

また、本実施形態では、それぞれの電極は、基板とプリズムアレイとの間に形成されているが、電極は、プリズムアレイと反対側の面に形成されてもよい。また、本実施形態では、プリズムアレイと基板は別体で構成されているが、プリズムアレイと基板は一体成形されていてもよい。

液晶プリズム素子４０は、左側の光源２１ａから出射され、導光板２３及び光制御フィルム３０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。

また、右側の光源２１ｂから出射され、導光板２３及び光制御フィルム３０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。

図１及び図２から理解されるように、複数のプリズム４３が、電極４９ａ及び４９ｂ上にＸ軸方向に並べて設けられている。複数のプリズム４３の断面形状は、液晶プリズム素子４０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４３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５０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４３の断面形状と、領域Ｒ２に配置されるプリズム４３の断面形状とは、図１及び図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４８ａは、基板４１の内面の領域Ｒ１に形成され、電極４８ｂは、基板４１の内面の領域Ｒ２に形成されている。同様に、電極４９ａは、基板４２の内面の領域Ｒ１に形成され、電極４９ｂは、基板４２の内面の領域Ｒ２に形成されている。

尚、基板４１及び４２、プリズム４３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４３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４３を形成することができる。液晶プリズム素子４０は、電極４９ａ及び４９ｂを成膜した基板４２上にプリズム４３の一次元配列を形成した後、基板４２と、電極４８ａ及び４８ｂを成膜した基板４１とを貼り合わせ、基板４１及び４２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４０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４５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４５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、液晶プリズム素子４０に電圧が印加されていない状態において、液晶分子の配向が所定の角度傾いて形成されている。液晶分子の配向については後述する。

本実施形態では、液晶層４５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。なお、液晶分子はネガ型液晶であってもよい。

一般的に、液晶プリズム素子４０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４０では、プリズム４３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４０では、出射光をプリズム４３の傾斜面から遠ざける方向（図２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４３の傾斜面に近づける方向（図２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４３の傾斜面を平面Ｐ１に対して対称とし、プリズム４３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４０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４０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４９ａ及び４９ｂ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。

＜４．画像表示パネルの構成＞
液晶プリズム素子４０を透過した光は、画像表示パネル５０に入射する。画像表示パネル５０は、画像や映像を表示する。画像表示パネル５０は、例えば液晶パネルで構成される。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５０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５０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。

＜５．制御部の構成＞
制御部６０は、視聴位置算出部７２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４０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４４の屈折率をプリズム４３の屈折率より小さく、領域Ｒ２では、液晶層４４の屈折率をプリズム４３の屈折率より大きくすることによって、プリズム４３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への印加電圧より小さくすることによって、領域Ｒ１の偏向角と領域Ｒ２の偏向角とを揃えることができる。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４４の屈折率をプリズム４３の屈折率より大きく、領域Ｒ２では、液晶層４４の屈折率をプリズム４３の屈折率より小さくすることによって、プリズム４３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への印加電圧より大きくすることによって、領域Ｒ１の偏向角と領域Ｒ２の偏向角とを揃えることができる。

尚、印加電圧に対する液晶プリズム素子４０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１０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。

＜６．位置検出部の構成＞
位置検出部７０は、カメラ７１と視聴位置算出部７２とを含む。カメラ７１は、観察者の画像を所定周期で撮影する。視聴位置算出部７２は、カメラ７１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７１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７２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。

＜７．液晶プリズム素子の詳細＞
次に本実施形態の液晶プリズム素子４０の液晶分子の配向について説明する。本実施形態では、液晶プリズム素子４０に電圧が印加されていない状態で、液晶分子は所定の角度傾いている。すなわち、液晶分子は所定の角度傾いた状態で初期配向されている。

ここで、説明を容易にするため、まず初期配向が０度の場合について図３及び図４を用いて説明する。その後、初期配向が所定の角度傾いている場合について説明する。

図３は、初期配向が０度の場合の液晶分子とプリズムとの関係を示している。

図３（ａ）〜（ｃ）は、液晶分子とプリズムとの関係を示す概略斜視図である。図３（ｄ）〜（ｆ）は、図３（ａ）〜（ｃ）の構成をＸ軸方向から見たときの概略図である。図３（ｄ）〜（ｆ）に示す基準線Ｍは、Ｙ軸に平行な線である。すなわち、基準線Ｍは、プリズムの長手方向に平行な線である。

図３（ａ）及び（ｄ）は、液晶層に電圧がかけられていない状態を示している。すなわち、図３（ａ）及び（ｄ）は、液晶分子の初期配向を示している。図３（ｄ）に示すように、液晶分子は、長軸が基準線Ｍと平行となるように配向している。このときの液晶分子の初期配向角度を０度とする。

図３（ｂ）及び（ｅ）は、液晶層に所定の電圧がかけられた状態を示している。図３（ｅ）に示すように、液晶分子は、長軸が基準線Ｍに対して４５度傾くように配向している。

図３（ｃ）及び（ｆ）は、液晶層にさらに大きな電圧がかけられた状態を示している。図３（ｆ）に示すように、液晶分子は、長軸が基準線Ｍに対して９０度傾くように配向している。

図４は、光の配向角度と光の強度の分布を示すグラフである。グラフの横軸は画像表示装置から出射される光の出射角度を示している。出射角度は、画像表示装置の表示面と直交する場合を０度とする。また、出射角度の符号は、画像表示装置の右前方に向けて偏向された光が表示面の法線に対してなす角度を正とする。

観察者が画像表示装置の中央で視聴している場合は、光の出射角度は０度近傍にピークが発生する。観察者が画像表示装置の左側（すなわち、観察者にとっては右側）で視聴している場合は、光は画像表示装置の左側に向かって偏向される。したがって、横軸の角度のマイナス側にピークが発生する。観察者が画像表示装置の右側（すなわち、観察者にとっては左側）で視聴している場合は、光は画像表示装置の右側に向かって偏向される。したがって、横軸の角度のプラス側にピークが発生する。また、グラフの縦軸は、光の相対強度を示している。すなわち、縦軸は、液晶プリズム素子に入射した光の強度に対する、液晶プリズム素子から出射する光の強度の割合を示している。液晶プリズム素子に入射した光が、すべて液晶プリズム素子から出射されたときの相対強度を「１」としている。

図４（ａ）は、図３（ａ）及び（ｄ）の状態での光の強度分布を示している。観察者が画像表示装置の左側で視聴している場合、図４（ａ）に示すように、出射される光の相対強度は０．８程度を示しており、視聴するのに十分な強度となっている。

図４（ｂ）は、図３（ｂ）及び（ｅ）の状態での光の強度分布を示している。観察者が画像表示装置の中央で視聴している場合、図４（ｂ）に示すように、出射される光の相対強度は０．５から０．６程度である。

図４（ｃ）は、図３（ｃ）及び（ｆ）の状態での光の強度分布を示している。観察者が画像表示装置の右側で視聴している場合、図４（ｃ）に示すように、出射される光の相対強度は０．８程度であり、視聴するのには十分な強度となっている。

このように、液晶分子の初期配向が０度の場合は、観察者が画面中央にいる場合の光の相対強度が低下してしまう。通常、観察者が画面中央で視聴する頻度は多いと考えられるため、画面中央での光の強度が低いことは観察者にとって不便である。さらに、液晶分子を配向させるために所定の電圧をかけているので、消費電力も高くなってしまう。

このような現象が起きる原因については、以下のような理由が考えられる。

プリズムとの界面近くの液晶分子は、初期配向の状態を維持する性質がある。そのため、液晶分子を基準線Ｍに対して４５度配向させても、プリズム界面近くの液晶分子は、初期配向の影響を受けるため、４５度には配向しない。その結果、プリズムの近くとプリズムから離れた領域とで液晶分子の配向が異なる。それにより、液晶層の内部で屈折率の分布が発生してしまう。この屈折率の分布は、プリズムの形状に依存する。すなわち、プリズムの斜面と隣のプリズムの壁面とで形成される凹部の領域では、凹部の形状に沿うように緩やかに湾曲するように屈折率分布が発生する。この湾曲した部分が凹レンズのようなレンズ作用を有してしまう。この湾曲した部分を通る光が凹レンズの作用により拡散されてしまう。その結果、液晶プリズム素子から出射される光は、指向性を失った状態で、観察者側に進んでいく。指向性を失った（拡散された）光は、観察者の目に集光されることがないので、光の強度が低下してしまう。

そこで、本実施形態では、以下に説明するように、初期配向において液晶分子が所定の角度傾くようにしている。

本実施形態の液晶分子の配向について図５及び図６を用いて説明する。

図５（ａ）〜（ｃ）は、液晶分子とプリズムとの関係を示す概略斜視図である。図５（ｄ）〜（ｆ）は、図５（ａ）〜（ｃ）の構成をＸ軸方向から見たときの概略図である。図５（ｄ）〜（ｆ）に示す基準線Ｍは、Ｙ軸に平行な線である。すなわち、基準線Ｍは、プリズムの長手方向に平行な線である。

図５（ａ）及び（ｄ）は、液晶層に所定の電圧（第１の電圧）がかけられている状態を示している。図５（ｄ）に示すように、液晶分子は、長軸が基準線Ｍと平行となるように配向している。

図５（ｂ）及び（ｅ）は、液晶層に電圧がかけられていない状態を示している。すなわち、図５（ｂ）は、液晶分子の初期配向を示している。図５（ｅ）に示すように、液晶分子は、長軸が基準線Ｍに対して４５度傾くように配向している。

図５（ｃ）及び（ｆ）は、液晶層に所定の電圧（第１の電圧とは異なる第２の電圧）がかけられている状態を示している。図５（ｆ）に示すように、液晶分子は、長軸が基準線Ｍに対して９０度傾くように配向している。

図６は、光の配向角度と光の強度の分布を示すグラフである。図６（ｂ）は、図５（ｃ）及び（ｆ）の状態での光の強度分布を示している。観察者が画像表示装置の右側で視聴している場合、図６（ｂ）に示すように、出射される光の相対強度は０．６０程度を示している。この相対強度は、図４（ｃ）に示した相対強度よりは低い値であるが、視聴するのに十分な強度となっている。また、ここでは詳細な説明を割愛するが、画像表示装置の左側で視聴している場合においても、同様に図４（ａ）に示した強度より若干低い値であるが、視聴するのに十分な相対強度が得られる。

図６（ａ）は、図５（ｂ）及び（ｅ）の状態での、光の強度分布を示している。観察者が画像表示装置の中央で視聴している場合、図６（ａ）に示すように、出射される光の相対強度は０．８５程度である。図４（ｂ）に示した強度よりも高い強度が得られていることが分かる。

このように、本実施形態では、液晶層に電圧がかけられていない状態で、液晶分子の長軸を基準線Ｍに対して所定の角度傾けている。言い換えると、本実施形態では、液晶分子の初期配向が基準線Ｍに対して所定の角度傾くように構成している。その結果、初期配向が０度の場合よりも、初期配向が所定の角度傾いている場合の方が、画面中央で視聴する際の光の強度が強くなっている。液晶分子が所定の角度傾くよう初期配向されているので、当然、液晶層全体で液晶分子は同じ方向に傾いている。その結果、初期配向が０度のときに発生したような屈折率分布が発生しない。したがって、液晶プリズム素子から出射される光の強度が十分強くなったと考えられる。また、最も視聴頻度が高い画面中央での視聴の際に、電圧をかけることなく初期配向のまま対応できるため、消費電力も抑えることができる。

尚、上記の実施形態では、説明の簡略化のため、初期配向角度が４５度である例を説明したが、液晶分子の初期配向角度は４５度でなくても良い。具体的に、初期配向における液晶分子の傾きは、２２．５度以上６７．５度以下であることが好ましい。液晶分子の傾きを２２．５度以上６７．５度以下にすることで、画面中央での視聴の際の光の強度を確保しつつ、観察者が画像表示装置の左右端に動いた場合であっても、液晶分子の角度を調整することで、十分な輝度を確保することができる。

また、初期配向における液晶分子の傾きは、４０度以上５０度以下であることがさらに好ましい。このような範囲にすることで、画面中央前方に集光させる際に印可する電圧を低減できるので、消費電力を低減することができる。

次に、液晶分子の長軸が基準線に対して所定の角度傾くように初期配向させる方法について説明する。ここでは、液晶分子の初期配向が４５度の場合を想定して説明する。

まず、リアクディブメソゲン（重合性液晶。以下単に「ＲＭ」と称する）を準備する。ＲＭは、紫外線を照射することで硬化する性質を有している。また、ＲＭは、少なくとも反応性メゾゲン基を有する材料である。このＲＭを液晶の中に混ぜる。そして、ＲＭが混ぜられた液晶に電圧を印加することで、液晶分子及びＲＭの分子を４５度に配向させる。この状態で、ＲＭが混ぜられた液晶に紫外線を照射する。これにより、ＲＭ分子が４５度に配向した状態で固まる。液晶分子は、近くにある構造物の影響を受けて配向する性質を有している。そのため、液晶分子は、ＲＭ分子の配向に沿って４５度傾いた状態となる。これにより初期配向４５度を実現することができる。

上述の方法では、ＲＭを液晶の中に混ぜたが、ＲＭをプリズム表面に塗布する方法でもよい。プリズム表面にＲＭをスピンコートにより塗布したあと、液晶分子及びＲＭ分子の配向が４５度になるよう電圧をかける。この状態で、ＲＭに紫外線を照射することでＲＭを硬化させる。上述したように、液晶分子は、近くの構造物の影響を受けて配向するので、液晶分子は、ＲＭ分子の配向に沿って４５度で配向する。

なお、ＲＭを液晶中に混ぜる方法とＲＭをプリズム表面に塗布する方法の両方を用いて、液晶分子の初期配向を調整してもよい。

＜まとめ＞
上述したとおり、本実施形態の液晶プリズム素子４０（液晶光学素子の一例）は、プリズムアレイ４４と、液晶層４５と、電極４８及び４９とを有する。

プリズムアレイ４４は、Ｙ軸方向（第１方向の一例）に延びるプリズム４３が、Ｘ軸方向（第２方向の一例）に複数配列して構成されている。

液晶層４５は、プリズムアレイ４４上に設けられている。

電極４８及び４９は、液晶層４５に電圧を印加するためのものである。

そして、液晶層４５に印加される電圧が０ボルトのとき、液晶層４５の液晶分子の長軸が、ＹＺ平面上内でＹ軸に対して所定の角度傾いている。

このような構成により、最も視聴頻度が高い画面中央での視聴の際に、十分な輝度を確保することができる。さらに、最も視聴頻度が高い画面中央での視聴の際に液晶層に印加する電圧を、従来よりも抑えることができるので消費電力も低減することができる。

＜その他の実施形態＞
尚、本実施形態では、光源２１ａ及び２１ｂで共用されているが、光源２１ａ用の導光板と光源２１ｂ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光制御フィルム３０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２０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、本実施形態では、液晶プリズム素子４０内のプリズム４３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素子４０全体で一定としても良い。この場合、本実施形態のように、液晶プリズム素子４０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４３及び電極を設けることがより好ましい。

更に、本実施形態では、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２１ａ及び２１ｂ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。

本開示は、立体画像を表示する画像表示装置などに適用可能である。具体的には、テレビ、パソコン、デジタルスチルカメラの表示面、ムービーの表示面、カメラ機能付き携帯電話機の表示面、スマートフォンの表示面などに、本開示は適用可能である。

１０ 画像表示装置
２０ バックライト
２２ 反射フィルム
２３ 導光板
２４ 複数の傾斜面
３０ 光制御フィルム
３１ プリズム
３２ シリンドリカルレンズ
４０ 液晶プリズム素子
４１ 基板
４２ 基板
４３ プリズム
４４ プリズムアレイ
４５ 液晶層
５０ 画像表示パネル
６０ 制御部
７０ 位置検出部
７１ カメラ
７２ 視聴位置算出部

本開示は、入射した光を偏向する液晶光学素子及びこれ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液晶光学素子及びこれを備える画像表示装置を提供する。

本開示における液晶光学素子は、第１方向に延びる稜線を有するプリズムが、第１の方向と直交する第２方向に複数配列して構成されたプリズムアレイと、プリズムアレイ上に設けられた液晶層と、液晶層に電圧を印加する電極とを備える。液晶層に印加される電圧が０ボルトのとき、液晶層の液晶分子の長軸が、第２方向と直交する平面内において、第１方向に対して所定の角度傾くように配向される。

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液晶光学素子及びこれを備える画像表示装置を実現するのに有効である。

実施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 図３（ａ）は液晶分子の配向が０度のときの構成を示す概略図、図３（ｂ）は液晶分子の配向が４５度のときの構成を示す概略図、図３（ｃ）は液晶分子の配向が９０度のときの構成を示す概略図、図３（ｄ）は液晶分子の配向が０度のときの構成を示す概略図、図３（ｅ）は液晶分子の配向が４５度のときの構成を示す概略図、図３（ｆ）は液晶分子の配向が９０度のときの構成を示す概略図 図４（ａ）は液晶分子の配向が０度のときの光の強度を示すグラフ、図４（ｂ）は液晶分子の配向が４５度のときの光の強度を示すグラフ、図４（ｃ）は液晶分子の配向が９０度のときの光の強度を示すグラフ 図５（ａ）は液晶分子の配向が０度のときの構成を示す概略図、図５（ｂ）は液晶分子の配向が４５度のときの構成を示す概略図、図５（ｃ）は液晶分子の配向が９０度のときの構成を示す概略図、図５（ｄ）は液晶分子の配向が０度のときの構成を示す概略図、図５（ｅ）は液晶分子の配向が４５度のときの構成を示す概略図、図５（ｆ）は液晶分子の配向が９０度のときの構成を示す概略図 図６（ａ）は液晶分子の配向が４５度のときの光の強度を示すグラフ、図６（ｂ）は液晶分子の配向が９０度のときの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、図面においては、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、実施形態に係る画像表示装置１０の概略断面図であり、図２は、図１に示す画像表示装置１０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４８ａ、４８ｂ、４９ａ、４９ｂの記載が省略されている。

本実施形態では、画像表示装置１０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及び図２に示すように、Ｘ軸方向は、画像表示パネル５０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５０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５０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及び図２は、画像表示装置１０の上側から見た図に相当する。したがって、図１及び図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１０は、光源切替型のバックライト２０と、液晶プリズム素子４０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５０と、画像表示装置１０を使用している観察者の位置検出を行う位置検出部７０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４０へ出力する液晶駆動電圧を制御する制御部６０とから構成される。

画像表示装置１０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２１ａ及び２１ｂ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。

以下、各構成の詳細について説明する。

＜２．バックライトの構成＞
バックライト２０は、互いに対向する光源２１ａ及び２１ｂと、反射フィルム２２と、導光板２３と、光制御フィルム３０とを備える。反射フィルム２２は導光板２３の下面側（背面側）に設けられており、光制御フィルム３０は導光板２３の上面側（前面側）に設けられている。

光源２１ａ及び２１ｂは、導光板２３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２１ａは、導光板２３の左側面に配置されており、光源２１ｂは導光板２３の右側面に配置されている。光源２１ａ及び２１ｂ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２１ａ及び２１ｂは、画像表示パネル５０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５０が右眼用画像を表示する場合は、光源２１ａが点灯して光源２１ｂが消灯し、画像表示パネル５０が左眼用画像を表示する場合は、光源２１ａが消灯して光源２１ｂが点灯する。

光源２１ａ及び２１ｂから出射された光は、導光板２３の上面と下面とで全反射を繰り返しながら導光板２３内に広がる。導光板２３内で全反射角度を超える角度を持った光が導光板２３の上面から出射される。導光板２３の下面は、図１及び２に示すように、複数の傾斜面２４により構成されている。これらの傾斜面２４により、導光板２３内を伝搬する光は様々な方向に反射されるので、導光板２３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２２は、導光板２３の下面側に設けられている。導光板２３の下面に設けられた傾斜面２４の全反射角度を破った光は、反射フィルム２２により反射され、再び導光板２３内に入射し、最終的に上面から出射される。導光板２３から出射された光は、光制御フィルム３０に入射する。

光制御フィルム３０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３１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３０の下面には、三角形状の断面を有するプリズム３１が１次元アレイ配置されている。また、光制御フィルム３０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３２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３０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３０の下面に入射した光は、プリズム３１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４０に入射する。

＜３．液晶プリズム素子の構成＞
図１及び図２に示すように、液晶プリズム素子４０は、基板４１と、基板４２と、複数のプリズム４３で構成されるプリズムアレイ４４と、液晶層４５と、電極４８ａ及び４８ｂと、電極４９ａ及び４９ｂとを備える。

基板４１と基板４２は互いに対向して配置されている。

基板４１の内面（基板４２と対向する側の面）には、プリズムアレイ４４が形成されている。プリズムアレイ４４は、複数のプリズム４３により構成されている。プリズム４３は、Ｘ軸方向（第２方向の一例）に複数並べて配置されている。

プリズム４３は、ＸＺ平面における断面が略三角形の形状を有する。本実施形態では、プリズム４３の断面は、直角三角形である。図１に示すように、Ｙ軸方向から見たとき、プリズム４３の斜辺（直角三角形の直角の対辺）が液晶層４５に接するよう構成されている。

また、図２に示すように、プリズム４３は、Ｙ軸方向（第１方向の一例）に伸びた形状で形成されている。すなわち、プリズム４３は、三角柱状に構成されている。

基板４１と液晶プリズム素子４０との間には、電極４８ａ及び電極４８ｂが形成されている。また、基板４２と液晶プリズム素子４０との間には、電極４９ａ及び電極４９ｂが形成されている。液晶層４５は、基板４１と基板４２との間に形成されている。詳細には、液晶層４５は、基板４１側において電極４８ａ、電極４８ｂ、プリズムアレイ４４と接している。

なお、本実施形態では、プリズム４３は、Ｙ軸方向に伸びた形状としているが、プリズム４３は、Ｙ軸に対して所定の角度傾いた方向に伸びた形状でもよい。このような構成にすることで、モアレ（干渉縞）の発生を低減することができる。モアレは、周期的な構造が複数枚合わされたときに、それらの周期のずれにより視覚的に発生する縞模様である。本実施形態では、画像表示パネル５０の画素の配置や、光制御フィルム３０（プリズム３１、シリンドリカルレンズ３２）、液晶プリズム素子４０（プリズムアレイ４４）など、周期的な構造が複数重ね合わされた状態になっているため、モアレが発生しやすい。そこで、プリズムをＹ軸に対して所定角度傾けた方向に伸ばした形状にすることで、モアレを発生しにくくすることができる。

また、本実施形態では、それぞれの電極は、基板とプリズムアレイとの間に形成されているが、電極は、プリズムアレイと反対側の面に形成されてもよい。また、本実施形態では、プリズムアレイと基板は別体で構成されているが、プリズムアレイと基板は一体成形されていてもよい。

液晶プリズム素子４０は、左側の光源２１ａから出射され、導光板２３及び光制御フィルム３０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。

また、右側の光源２１ｂから出射され、導光板２３及び光制御フィルム３０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。

図１及び図２から理解されるように、複数のプリズム４３が、電極４９ａ及び４９ｂ上にＸ軸方向に並べて設けられている。複数のプリズム４３の断面形状は、液晶プリズム素子４０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４３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５０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４３の断面形状と、領域Ｒ２に配置されるプリズム４３の断面形状とは、図１及び図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４８ａは、基板４１の内面の領域Ｒ１に形成され、電極４８ｂは、基板４１の内面の領域Ｒ２に形成されている。同様に、電極４９ａは、基板４２の内面の領域Ｒ１に形成され、電極４９ｂは、基板４２の内面の領域Ｒ２に形成されている。

尚、基板４１及び４２、プリズム４３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４３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４３を形成することができる。液晶プリズム素子４０は、電極４９ａ及び４９ｂを成膜した基板４２上にプリズム４３の一次元配列を形成した後、基板４２と、電極４８ａ及び４８ｂを成膜した基板４１とを貼り合わせ、基板４１及び４２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４０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４５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４５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、液晶プリズム素子４０に電圧が印加されていない状態において、液晶分子の配向が所定の角度傾いて形成されている。液晶分子の配向については後述する。

本実施形態では、液晶層４５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。なお、液晶分子はネガ型液晶であってもよい。

一般的に、液晶プリズム素子４０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４０では、プリズム４３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４０では、出射光をプリズム４３の傾斜面から遠ざける方向への偏向と比べて、出射光をプリズム４３の傾斜面に近づける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４３の傾斜面を平面Ｐ１に対して対称とし、プリズム４３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４０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４０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４９ａ及び４９ｂ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。

＜４．画像表示パネルの構成＞
液晶プリズム素子４０を透過した光は、画像表示パネル５０に入射する。画像表示パネル５０は、画像や映像を表示する。画像表示パネル５０は、例えば液晶パネルで構成される。画素表示パネル５０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５０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５０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。

＜５．制御部の構成＞
制御部６０は、視聴位置算出部７２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４０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４４の屈折率をプリズム４３の屈折率より小さく、領域Ｒ２では、液晶層４４の屈折率をプリズム４３の屈折率より大きくすることによって、プリズム４３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への印加電圧より小さくすることによって、領域Ｒ１の偏向角と領域Ｒ２の偏向角とを揃えることができる。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４４の屈折率をプリズム４３の屈折率より大きく、領域Ｒ２では、液晶層４４の屈折率をプリズム４３の屈折率より小さくすることによって、プリズム４３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への印加電圧より大きくすることによって、領域Ｒ１の偏向角と領域Ｒ２の偏向角とを揃えることができる。

尚、印加電圧に対する液晶プリズム素子４０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１０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。

＜６．位置検出部の構成＞
位置検出部７０は、カメラ７１と視聴位置算出部７２とを含む。カメラ７１は、観察者の画像を所定周期で撮影する。視聴位置算出部７２は、カメラ７１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７１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７２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。

＜７．液晶プリズム素子の詳細＞
次に本実施形態の液晶プリズム素子４０の液晶分子の配向について説明する。本実施形態では、液晶プリズム素子４０に電圧が印加されていない状態で、液晶分子は所定の角度傾いている。すなわち、液晶分子は所定の角度傾いた状態で初期配向されている。

ここで、説明を容易にするため、まず初期配向が０度の場合について図３及び図４を用いて説明する。その後、初期配向が所定の角度傾いている場合について説明する。

図３は、配向が０〜９０度の場合の液晶分子とプリズムとの関係を示している。

図３（ａ）〜（ｃ）は、液晶分子とプリズムとの関係を示す概略斜視図である。図３（ｄ）〜（ｆ）は、図３（ａ）〜（ｃ）の構成をＸ軸方向から見たときの概略図である。図３（ｄ）〜（ｆ）に示す基準線Ｍは、Ｙ軸に平行な線である。すなわち、基準線Ｍは、プリズムの長手方向に平行な線である。

図３（ａ）及び（ｄ）は、液晶層に電圧がかけられていない状態を示している。すなわち、図３（ａ）及び（ｄ）は、液晶分子の初期配向を示している。図３（ｄ）に示すように、液晶分子は、長軸が基準線Ｍと平行となるように配向している。このときの液晶分子の初期配向角度を０度とする。

図３（ｂ）及び（ｅ）は、液晶層に所定の電圧がかけられた状態を示している。図３（ｅ）に示すように、液晶分子は、長軸が基準線Ｍに対して４５度傾くように配向している。

図３（ｃ）及び（ｆ）は、液晶層にさらに大きな電圧がかけられた状態を示している。図３（ｆ）に示すように、液晶分子は、長軸が基準線Ｍに対して９０度傾くように配向している。

図４は、光の配向角度と光の強度の分布を示すグラフである。グラフの横軸は画像表示装置から出射される光の出射角度を示している。出射角度は、画像表示装置の表示面と直交する場合を０度とする。また、出射角度の符号は、画像表示装置の右前方に向けて偏向された光が表示面の法線に対してなす角度を正とする。

観察者が画像表示装置の中央で視聴している場合は、光の出射角度は０度近傍にピークが発生する。観察者が画像表示装置の左側（すなわち、観察者にとっては右側）で視聴している場合は、光は画像表示装置の左側に向かって偏向される。したがって、横軸の角度のマイナス側にピークが発生する。観察者が画像表示装置の右側（すなわち、観察者にとっては左側）で視聴している場合は、光は画像表示装置の右側に向かって偏向される。したがって、横軸の角度のプラス側にピークが発生する。また、グラフの縦軸は、光の相対強度を示している。すなわち、縦軸は、液晶プリズム素子に入射した光の強度に対する、液晶プリズム素子から出射する光の強度の割合を示している。液晶プリズム素子に入射した光が、すべて液晶プリズム素子から出射されたときの相対強度を「１」としている。

図４（ａ）は、図３（ａ）及び（ｄ）の状態での光の強度分布を示している。観察者が画像表示装置の左側で視聴している場合、図４（ａ）に示すように、出射される光の相対強度は０．８程度を示しており、視聴するのに十分な強度となっている。

図４（ｂ）は、図３（ｂ）及び（ｅ）の状態での光の強度分布を示している。観察者が画像表示装置の中央で視聴している場合、図４（ｂ）に示すように、出射される光の相対強度は０．５から０．６程度である。

図４（ｃ）は、図３（ｃ）及び（ｆ）の状態での光の強度分布を示している。観察者が画像表示装置の右側で視聴している場合、図４（ｃ）に示すように、出射される光の相対強度は０．８程度であり、視聴するのには十分な強度となっている。

このように、液晶分子の初期配向が０度の場合は、観察者が画面中央にいる場合の光の相対強度が低下してしまう。通常、観察者が画面中央で視聴する頻度は多いと考えられるため、画面中央での光の強度が低いことは観察者にとって不便である。さらに、液晶分子を配向させるために所定の電圧をかけているので、消費電力も高くなってしまう。

このような現象が起きる原因については、以下のような理由が考えられる。

プリズムとの界面近くの液晶分子は、初期配向の状態を維持する性質がある。そのため、液晶分子を基準線Ｍに対して４５度配向させても、プリズム界面近くの液晶分子は、初期配向の影響を受けるため、４５度には配向しない。その結果、プリズムの近くとプリズムから離れた領域とで液晶分子の配向が異なる。それにより、液晶層の内部で屈折率の分布が発生してしまう。この屈折率の分布は、プリズムの形状に依存する。すなわち、プリズムの斜面と隣のプリズムの壁面とで形成される凹部の領域では、凹部の形状に沿うように緩やかに湾曲するように屈折率分布が発生する。この湾曲した部分が凹レンズのようなレンズ作用を有してしまう。この湾曲した部分を通る光が凹レンズの作用により拡散されてしまう。その結果、液晶プリズム素子から出射される光は、指向性を失った状態で、観察者側に進んでいく。指向性を失った（拡散された）光は、観察者の目に集光されることがないので、光の強度が低下してしまう。

そこで、本実施形態では、以下に説明するように、初期配向において液晶分子が所定の角度傾くようにしている。

本実施形態の液晶分子の配向について図５及び図６を用いて説明する。

図５（ａ）〜（ｃ）は、液晶分子とプリズムとの関係を示す概略斜視図である。図５（ｄ）〜（ｆ）は、図５（ａ）〜（ｃ）の構成をＸ軸方向から見たときの概略図である。図５（ｄ）〜（ｆ）に示す基準線Ｍは、Ｙ軸に平行な線である。すなわち、基準線Ｍは、プリズムの長手方向に平行な線である。

図５（ａ）及び（ｄ）は、液晶層に所定の電圧（第１の電圧）がかけられている状態を示している。図５（ｄ）に示すように、液晶分子は、長軸が基準線Ｍと平行となるように配向している。

図５（ｂ）及び（ｅ）は、液晶層に電圧がかけられていない状態を示している。すなわち、図５（ｂ）は、液晶分子の初期配向を示している。図５（ｅ）に示すように、液晶分子は、長軸が基準線Ｍに対して４５度傾くように配向している。

図５（ｃ）及び（ｆ）は、液晶層に所定の電圧（第１の電圧とは異なる第２の電圧）がかけられている状態を示している。図５（ｆ）に示すように、液晶分子は、長軸が基準線Ｍに対して９０度傾くように配向している。

図６は、光の配向角度と光の強度の分布を示すグラフである。図６（ｂ）は、図５（ｃ）及び（ｆ）の状態での光の強度分布を示している。観察者が画像表示装置の右側で視聴している場合、図６（ｂ）に示すように、出射される光の相対強度は０．６０程度を示している。この相対強度は、図４（ｃ）に示した相対強度よりは低い値であるが、視聴するのに十分な強度となっている。また、ここでは詳細な説明を割愛するが、画像表示装置の左側で視聴している場合においても、同様に図４（ａ）に示した強度より若干低い値であるが、視聴するのに十分な相対強度が得られる。

図６（ａ）は、図５（ｂ）及び（ｅ）の状態での、光の強度分布を示している。観察者が画像表示装置の中央で視聴している場合、図６（ａ）に示すように、出射される光の相対強度は０．８５程度である。図４（ｂ）に示した強度よりも高い強度が得られていることが分かる。

このように、本実施形態では、液晶層に電圧がかけられていない状態で、液晶分子の長軸を基準線Ｍに対して所定の角度傾けている。言い換えると、本実施形態では、液晶分子の初期配向が基準線Ｍに対して所定の角度傾くように構成している。その結果、初期配向が０度の場合よりも、初期配向が所定の角度傾いている場合の方が、画面中央で視聴する際の光の強度が強くなっている。液晶分子が所定の角度傾くよう初期配向されているので、当然、液晶層全体で液晶分子は同じ方向に傾いている。その結果、初期配向が０度のときに発生したような屈折率分布が発生しない。したがって、液晶プリズム素子から出射される光の強度が十分強くなったと考えられる。また、最も視聴頻度が高い画面中央での視聴の際に、電圧をかけることなく初期配向のまま対応できるため、消費電力も抑えることができる。

尚、上記の実施形態では、説明の簡略化のため、初期配向角度が４５度である例を説明したが、液晶分子の初期配向角度は４５度でなくても良い。具体的に、初期配向における液晶分子の傾きは、２２．５度以上６７．５度以下であることが好ましい。液晶分子の傾きを２２．５度以上６７．５度以下にすることで、画面中央での視聴の際の光の強度を確保しつつ、観察者が画像表示装置の左右端に動いた場合であっても、液晶分子の角度を調整することで、十分な輝度を確保することができる。

また、初期配向における液晶分子の傾きは、４０度以上５０度以下であることがさらに好ましい。このような範囲にすることで、画面中央前方に集光させる際に印可する電圧を低減できるので、消費電力を低減することができる。

次に、液晶分子の長軸が基準線に対して所定の角度傾くように初期配向させる方法について説明する。ここでは、液晶分子の初期配向が４５度の場合を想定して説明する。

まず、リアクディブメソゲン（重合性液晶。以下単に「ＲＭ」と称する）を準備する。ＲＭは、紫外線を照射することで硬化する性質を有している。また、ＲＭは、少なくとも反応性メゾゲン基を有する材料である。このＲＭを液晶の中に混ぜる。そして、ＲＭが混ぜられた液晶に電圧を印加することで、液晶分子及びＲＭの分子を４５度に配向させる。この状態で、ＲＭが混ぜられた液晶に紫外線を照射する。これにより、ＲＭ分子が４５度に配向した状態で固まる。液晶分子は、近くにある構造物の影響を受けて配向する性質を有している。そのため、液晶分子は、ＲＭ分子の配向に沿って４５度傾いた状態となる。これにより初期配向４５度を実現することができる。

上述の方法では、ＲＭを液晶の中に混ぜたが、ＲＭをプリズム表面に塗布する方法でもよい。プリズム表面にＲＭをスピンコートにより塗布したあと、液晶分子及びＲＭ分子の配向が４５度になるよう電圧をかける。この状態で、ＲＭに紫外線を照射することでＲＭを硬化させる。上述したように、液晶分子は、近くの構造物の影響を受けて配向するので、液晶分子は、ＲＭ分子の配向に沿って４５度で配向する。

なお、ＲＭを液晶中に混ぜる方法とＲＭをプリズム表面に塗布する方法の両方を用いて、液晶分子の初期配向を調整してもよい。

＜まとめ＞
上述したとおり、本実施形態の液晶プリズム素子４０（液晶光学素子の一例）は、プリズムアレイ４４と、液晶層４５と、電極４８及び４９とを有する。

プリズムアレイ４４は、Ｙ軸方向（第１方向の一例）に延びるプリズム４３が、Ｘ軸方向（第２方向の一例）に複数配列して構成されている。

液晶層４５は、プリズムアレイ４４上に設けられている。

電極４８及び４９は、液晶層４５に電圧を印加するためのものである。

そして、液晶層４５に印加される電圧が０ボルトのとき、液晶層４５の液晶分子の長軸が、ＹＺ平面上内でＹ軸に対して所定の角度傾いている。

このような構成により、最も視聴頻度が高い画面中央での視聴の際に、十分な輝度を確保することができる。さらに、最も視聴頻度が高い画面中央での視聴の際に液晶層に印加する電圧を、従来よりも抑えることができるので消費電力も低減することができる。

＜その他の実施形態＞
尚、本実施形態では、光源２１ａ及び２１ｂで共用されているが、光源２１ａ用の導光板と光源２１ｂ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光制御フィルム３０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２０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、本実施形態では、液晶プリズム素子４０内のプリズム４３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素子４０全体で一定としても良い。この場合、本実施形態のように、液晶プリズム素子４０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４３及び電極を設けることがより好ましい。

更に、本実施形態では、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２１ａ及び２１ｂ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。

本開示は、立体画像を表示する画像表示装置などに適用可能である。具体的には、テレビ、パソコン、デジタルスチルカメラの表示面、ムービーの表示面、カメラ機能付き携帯電話機の表示面、スマートフォンの表示面などに、本開示は適用可能である。

１０ 画像表示装置
２０ バックライト
２２ 反射フィルム
２３ 導光板
２４ 複数の傾斜面
３０ 光制御フィルム
３１ プリズム
３２ シリンドリカルレンズ
４０ 液晶プリズム素子
４１ 基板
４２ 基板
４３ プリズム
４４ プリズムアレイ
４５ 液晶層
５０ 画像表示パネル
６０ 制御部
７０ 位置検出部
７１ カメラ
７２ 視聴位置算出部

本開示における液晶光学素子は、第１方向に延びる稜線を有するプリズムが、第１方向と直交する第２方向に複数配列して構成されたプリズムアレイと、プリズムアレイ上に設けられた液晶層と、液晶層に電圧を印加する電極とを備える。液晶層に印加される電圧が０ボルトのとき、液晶層の液晶分子の長軸が、第２方向と直交する平面内において、第１方向に対して所定の角度傾くように配向される。

Claims (4)

1. 第１方向に延びる稜線を有するプリズムが、前記第１の方向と直交する第２方向に複数配列して構成されたプリズムアレイと、
   前記プリズムアレイ上に設けられた液晶層と、
   前記液晶層に電圧を印加する電極とを備え、
   前記液晶層に印加される電圧が０ボルトのとき、前記液晶層の液晶分子の長軸が、前記第２向と直交する平面内において、前記第１方向に対して所定の角度傾くように配向される、液晶光学素子。
2. 前記液晶層に印加される電圧が０ボルトのとき、前記液晶分子の長軸が、前記第２方向と直交する平面内において前記第１の方向に対してなす角度が、２２．５度以上６７．５度以下である、請求項１に記載の液晶光学素子。
3. 前記液晶層は、少なくとも反応性メゾゲン基を有する材料を含む、請求項１に記載の液晶光学素子。
4. 請求項１に記載の液晶光学素子を備える画像表示装置。

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