KR101216768B1

KR101216768B1 - 입체 화상 표시 장치

Info

Publication number: KR101216768B1
Application number: KR1020117020076A
Authority: KR
Inventors: 아야꼬 다까기; 마사꼬 가시와기; 다쯔오 사이슈
Original assignee: 가부시끼가이샤 도시바
Priority date: 2009-09-28
Filing date: 2009-09-28
Publication date: 2012-12-28
Also published as: JP5197852B2; JPWO2011036736A1; KR20110107405A; CN102341743B; US20120069255A1; CN102341743A; US8482684B2; WO2011036736A1

Abstract

본 발명은 액정 렌즈 어레이(12)의 액정층(18)을 사이에 두고 서로 대향하도록 하여 설치된 평판 전극(13)에 대향하는 스트립 형상 전극은 액정 렌즈 어레이의 피치 방향에 있어서, 각 액정 렌즈의 양단에 단부 전극(142)이 위치함과 함께 액정 렌즈의 중앙부에 있어서 중심 전극(141)이 위치하는 것과 같은 주기로 배치되어, 평판 전극과 중심 전극과의 전위차가 액정층의 전위차가 상기 액정층의 상승 전압 Vth 미만으로 설정되고, 상기 단부 전극에는 절대값에 있어서, 상기 평판 전극에 인가된 제1 전압 V1 및 상기 중심 전극에 인가된 제2 전압 V2보다 크고, 또한 상승 전압보다 큰 제3 전압 V3이 인가되어, 각 액정 렌즈의 상기 액정 렌즈의 두께 방향의 전체에 걸쳐서 굴절률 분포가 형성됨과 함께 액정 렌즈 어레이의 피치 방향에서의 길이를 1로 하고, 단부 전극의 폭을 ws, 중앙 전극의 폭을 wg로 한 경우에 있어서, 0.075<ws<0.15, 0.15<wg<0.29가 되는 관계를 만족하는 것과 같은 입체 화상 표시 장치(10)을 구성한다.

Description

입체 화상 표시 장치{STEREOSCOPIC IMAGE DISPLAY DEVICE}

본 발명은 입체 화상 표시 장치에 관한 것이다.

복수의 시선 방향으로부터의 화상을 화상 표시면에 합성 표시하고, 관측자의 시점 위치에 따라서 대응하는 화상을 선택적으로 시인시키는, 2차원 평면 표시 장치를 사용한 입체 화상 표시 방법이 있다.

입체상의 표시 방법으로서, 표시 화상을 좌우의 눈의 시점 위치에 있어서 관찰되어야 하는 2장의 화상으로 함으로써 2안식, 마찬가지로 복수의 시점 위치에 대하여 다수매로 함으로써 다안식이 있다. 또한, 시점 위치를 의식하지 않고, 다수의 시선 방향에 대하여 화상을 화상 표시면에 합성 표시하는 인테그랄 포토그래피법(IP법)이 있다. 또한, 인테그랄 포토그래피법을 응용하여, FPD를 사용한 인테그랄 이미징법(II법)이 있다.

화상을 선택하는 수단으로서, 핀홀 또는 슬릿 형상으로 광학적 차폐부와 개구부와의 조를 어레이 형상으로 설치하는 방법과, 렌즈 어레이, 또는 렌티큘러 렌즈 어레이를 화상 표시면 상에 설치하여, 렌즈의 결상 위치를 화소 위치로 하는 방법이 알려져 있다. 표시 휘도의 관점에서는, 화상 선택 수단은 차폐부의 존재에 의해 표시 휘도가 저하되기 때문에, 렌즈를 사용하는 쪽이 바람직하다.

한편으로, 2차원 화상과 입체 화상을 선택적으로 동일한 표시 장치를 사용하여 표시하고자 하는 요구에 따르기 위해서, 2차원 화상과 입체 화상을 선택적으로 표시하는 방법이 있다. 렌즈 어레이를 화상 선택 수단에 사용한 구성에 있어서는 렌즈를 굴절률 가변층으로 함으로써, 렌즈 작용의 유무를 전환한다. 굴절률 제어 실현 수단에 액정의 배향을 전압 제어하는 액정 렌즈를 이용한다. 렌즈 작용의 유무를 전환함으로써, 2차원 화상을 표시할 때에 2차원 평면 표시 장치가 갖는 본래의 해상도에서 화상을 표시하는 것이 가능하게 된다(특허문헌 1).

또한, 퍼스널 컴퓨터나 디지털 단말기 등의 디스플레이 상에 있어서, 2차원 화상과 입체 화상을 선택적으로 표시하고자 하는 요구가 높아지고 있다. 그러나, 이러한 기기에 있어서는 디스플레이와 관측자 사이의 시거리가 40cm 내지 70cm 정도로 지극히 짧다. 그러한 짧은 시거리로 입체 화상을 얻기 위해서는, 지극히 넓은 시영역각이 요구된다. 그러나, 현 상황에 있어서는, 이러한 넓은 시영역각을 실현할 수 있는 것과 같은 렌즈, 특히 액정 렌즈는 아직도 실현이 이루어지지 않고 있다.

일본 특허 공개 제2000-102038 공보

본 발명은 고해상도에서 넓은 시영역각을 갖는 액정 렌즈를 구비하고, 2차원 화상과 입체 화상을 선택적으로 전환하는 것이 가능한 입체 화상 표시 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 일 형태는 복수의 화소를 갖고, 편광을 갖는 화상광을 출사하는 화상 표시 소자와, 상기 화상 표시 소자의, 상기 화상광의 출사측에 설치된 액정 렌즈 어레이를 구비하고, 상기 액정 렌즈 어레이는 액정층을 사이에 두고 서로 대향하도록 하여 설치된 한 쌍의 투명 기판과, 상기 한 쌍의 투명 기판의 한쪽에 설치된 평판 전극과, 상기 액정 렌즈 어레이의 각각에 대응하는 위치의, 상기 한 쌍의 투명 기판의 다른 쪽에 설치된 스트립 형상 전극을 구비하고, 상기 스트립 형상 전극은 상기 액정 렌즈 어레이의 피치 방향에 있어서, 각 액정 렌즈의 양단부에 단부 전극이 위치함과 함께 상기 액정 렌즈의 중앙부에 있어서 중심 전극이 위치하는 것과 같은 주기로 배치되어, 상기 평판 전극과 상기 중심 전극과의 전위차가 상기 액정층의 상승 전압 Vth 미만으로 설정되고, 상기 단부 전극에는 절대값에 있어서, 상기 평판 전극에 인가된 제1 전압 V1 및 상기 중심 전극에 인가된 제2 전압 V2보다도 크고, 또한 상기 상승 전압보다도 큰 제3 전압 V3이 인가되어, 각 액정 렌즈의 상기 액정 렌즈 어레이의 피치 방향에서의 길이를 1로 하고, 상기 단부 전극의 폭을 ws, 상기 중심 전극의 폭을 wg로 했을 경우에 있어서, 0.075<ws<0.15, 0.15<wg<0.29가 되는 관계를 만족하는 것을 특징으로 하는 입체 화상 표시 장치에 관한 것이다.

본 발명에 따르면, 고해상도에서 넓은 시영역각을 갖는 액정 렌즈를 구비하고, 2차원 화상과 입체 화상을 선택적으로 전환하는 것이 가능한 입체 화상 표시 장치를 제공할 수 있다.

도 1은 제1 실시 형태의 입체 화상 표시 장치.
도 2는 액정 렌즈 어레이의 1개의 액정 렌즈를 뽑아내서 나타내는, 렌즈 피치 방향의 단면 구성도.
도 3은 액정 렌즈 어레이의 1개의 액정 렌즈를 뽑아내서 나타내는, 렌즈 피치 방향의 단면 구성도.
도 4는 액정 렌즈의 렌즈 피치 방향에서의 굴절률 분포.
도 5는 액정 렌즈의 렌즈 피치 방향에서의 굴절률 분포.
도 6은 액정 렌즈의 렌즈 피치 방향에서의 굴절률 분포.
도 7은 액정 렌즈의 렌즈 피치 방향에서의 굴절률 분포.
도 8은 액정 렌즈의 중심 전극의 폭 wg에 대한 크로스 토크 의존성.
도 9는 액정 렌즈의 중심 전극의 폭 ws에 대한 크로스 토크 의존성.
도 10은 제2 실시 형태의 입체 화상 표시 장치.
도 11은 제3 실시 형태의 입체 화상 표시 장치.
도 12는 제3 실시 형태의 입체 화상 표시 장치.
도 13은 도 11에 도시하는 입체 화상 표시 장치의, 액정 렌즈 내의 광선의 통과 및 굴절에 관한 모습을 나타내는 개념도.
도 14는 도 12에 나타내는 입체 화상 표시 장치의, 액정 렌즈 내의 광선의 통과 및 굴절에 관한 모습을 나타내는 개념도.

이하, 본 발명의 상세, 및 기타의 특징 및 이점에 대해서, 실시 형태에 기초하여 설명한다.

(제1 실시 형태)

도 1은 본 실시 형태의 입체 화상 표시 장치의 개략 구성을 도시하는 도면이다. 도 2 및 도 3은 도 1에 나타내는 입체 화상 표시 장치에 있어서의 액정 렌즈 어레이의 1개의 액정 렌즈를 뽑아내서 나타내는, 렌즈 피치 방향의 단면 구성도이다. 도 2는 액정 렌즈의 액정층에 대하여 전압이 인가되어 있지 않고, 액정의 디렉터가 액정을 밀봉하고 있는 투명 기판(유리 기판)과 평행하게 되어 있는 상태를 나타내는 것이다. 도 3은 액정 렌즈의 액정층에 대하여 전압이 인가되어, 액정의 디렉터가 액정층의 두께 방향으로 변화하고, 액정 렌즈로서 기능하고 있는 상태를 나타내는 것이다. 또한, 도 1에 있어서는 간략화를 위해, 액정을 밀봉하는 투명 기판에 대해서는 생략하고 있다.

도 1에 도시한 바와 같이, 본 실시 형태의 입체 화상 표시 장치(10)는 화상 표시 소자로서의 LCD11과, 이 LCD11로부터 발해지는 화상광의 출사측에 배치된, 3개의 액정 렌즈를 갖는 액정 렌즈 어레이(12)를 갖고 있다. LCD11의 양면에는 도시하지 않은 편광판이 설치되어 있고, 편광을 갖는 화상광이 출사되게 구성되어 있다. 또한, LCD11은 복수의 화소를 갖고 있으며, 이들 화소는 3개의 화소군(111,112,113)으로 분할되어 있다. 액정 렌즈 어레이를 구성하는 각 액정 렌즈는 이것들 화소군(111,112,113) 각각에 대응하도록 하여 설치되어 있다.

또한, 본 실시 형태에서는 액정 렌즈 어레이를 3개의 액정 렌즈로 구성하고 있지만, 그의 수에 대해서는 한정되지 않는다. 또한, LCD11을 구성하는 복수의 화소는 화소군을 구성하도록 하고 있지만, 이것으로 한정되는 것은 아니고, 필요에 따라서 임의의 형태로 할 수 있다.

또한, 액정 렌즈 어레이(12)의 LCD11과 반대측의 면에는 평판 전극(13)이 형성되어 있다. 또한, 액정 렌즈 어레이(12)의 LCD11측의 면에는 렌즈 피치 방향과 직교하도록 연장된 스트립 형상 전극(141 및 142)을 갖고 있다. 스트립 형상 전극(141 및 142)은 렌즈 피치 방향에 있어서 소정의 주기로 배치되어 있다.

액정 렌즈 어레이(12)는 이것을 구성하는 각 액정 렌즈의 중앙부의 굴절률과 단부의 굴절률이 크게 상이하다. 액정 렌즈 어레이(12)는 이상적인 리터데이션을 발생하게 하는 것이 가능한 렌즈로서 기능하는 것과 같은 큰 굴절력을 갖는다. 따라서, 액정 렌즈 어레이(12)로부터 출사되는 화상광은 상기 굴절력을 받아서 크게 편향되고, 광범위하게 퍼짐으로써 큰 시영역각을 얻을 수 있다.

이어서, 도 2 및 도 3에 도시하는 액정 렌즈의 단면 구성도를 참조하여, 상술한 작용 효과에 대해서 상세하게 설명한다. 또한, LCD11로부터 출사된 화상광의 편광 방향은 액정 렌즈(121(122, 123))의 액정층(18)에 있어서의 디렉터(18A)와 일치하도록 한다.

도 2 및 도 3에 도시한 바와 같이, 각 액정 렌즈(121(122, 123))에 있어서는 한 쌍의 투명 기판(15 및 16)(예를 들면 유리 기판)에 의해 액정층(18)을 협지(밀봉)하고 있다. 투명 기판(15) 상에는 액정층(18)과 대향하도록 상술한 평판 전극(13)이 설치되어 있다. 투명 기판(16) 상에는 액정층(18)과 대향하도록 상술한 스트립 형상 전극(141 및 142)이 설치되어 있다.

또한, 스트립 형상 전극(141)은 액정 렌즈(121(122, 123))의 중앙부에 배치되어서 중심 전극을 구성한다. 스트립 형상 전극(142)은 액정 렌즈(121(122, 123))의 양단부에 배치되어서 단부 전극을 구성한다.

투명 전극(15 및 16)의 주면과 평행하게 러빙 처리를 실시하고, 평판 전극(13), 중심 전극(141) 및 단부 전극(142) 사이에 전압을 인가하지 않은 상태에서는 도 2에 도시한 바와 같이, 액정층(18)의 액정의 디렉터(18A)는 투명 전극(15 및16)의 주면과 평행하게 된다. 이 경우는, 액정 렌즈(121(122, 123))에 있어서, 렌즈 피치 방향에서의 액정의 디렉터(18A)(디렉터(18A)가 축과 직교하는 방향으로 발생함)에 기인한 복굴절은 일정해진다. 따라서, 액정 렌즈(121(122, 123))의 렌즈 피치 방향에 있어서 대부분 굴절률 분포는 발생하지 않는다. 도 2에 도시하는 것과 같은 상태에서는 액정 렌즈(121(122, 123))는 실제로는 렌즈로서의 기능을 발휘하지 않는다.

한편, 예를 들면 평판 전극(13)을 접지 전위(전압 V1)로 한다. 중심 전극(141)을 접지 전위(전압 V2)로 한다. 단부 전극(142)에 대하여, 액정층(18) 중의 액정의 상승 전압 Vth보다 큰 전압 V3을 인가한다. 도 3에 도시한 바와 같이, 단부 전극(142)의 근방에서는 액정이 상승되어서 디렉터(18A)가 상방을 향한다. 또한, 평판 전극(13)의, 중심 전극(141)의 상방의 영역에 접근함에 따라서, 디렉터(18A)는 투명 기판(15 및 16)의 주면과 대략 평행해진다.

액정 렌즈(121(122, 123))의 단부에서는 LCD11로부터 출사된 화상광은 그의 편광 방향이 액정층(18)에 있어서의 디렉터(18A)와 일치한 상태에 있어서, 액정의 디렉터(18A)와 수직으로 교차하는 비율이 적기 때문에 복굴절의 영향을 그다지 받지 않고, 화상광에 대한 굴절률은 비교적 낮아진다. 한편, 액정 렌즈(121(122, 123))의 중심을 향함에 따라서, LCD11로부터 출사된 화상광은 액정의 디렉터(18A)와 수직으로 교차하는 비율이 많아지기 때문에 복굴절의 영향을 크게 받고, 화상광에 대한 굴절률은 비교적 높아진다.

이 결과, 액정 렌즈(121(122, 123)) 내에는 파선(A)에서 나타내는 것과 같은 큰 굴절률 분포가 발생한다. 또한, 상측 정도 굴절률이 높고, 하측 정도 굴절률이 낮다. 따라서, 액정 렌즈(121(122, 123)) 내에 상술한 바와 같이 큰 굴절률 분포(A)가 발생한다. 굴절률 분포(A)에 기인해서 액정 렌즈(121(122, 123))는 큰 굴절력을 갖는다. 이로 인해, LCD11로부터 출사된 화상광의 액정 렌즈(121(122, 123))의 입사 위치의 차이에 기초하여, 화상광의 편향이 크게 변화한다. 결과, 액정 렌즈 어레이(12)의 시영역각이 증대한다.

이와 같이, 액정 렌즈(121(122, 123))는 그의 내부에 상술한 굴절률 분포(A)를 가짐으로써 상술한 바와 같은 편향 작용을 발휘하게 되므로, 도 3에 도시하는 것과 같은 구성의 경우에 있어서, 실제로 렌즈로서의 기능을 발휘하게 된다.

또한, 상술한 설명으로부터 명백해진 바와 같이, 본 실시 형태에서는 도 2 및 도 3에 도시한 바와 같이, 단부 전극(142)에 전압 인가를 행함으로써 액정 렌즈(121(122, 123))의 액정층(18)에 굴절률 분포를 발생하게 하고, 액정 렌즈 본래의 기능을 발현시켜서 입체 화상(3차원 화상)을 표시하도록 하고 있다. 한편, 평면 화상(2차원 화상)을 표시하기 위해서는 단부 전극(142)에 전압 인가를 행하지 않고, 도 2에 도시하는 것과 같은 액정 디렉터 분포로 함으로써 실현할 수 있다.

이어서, 본 실시 형태에 있어서의 실시예를 나타낸다. 도 4 내지 도 7은 액정 렌즈(121(122, 123))의 렌즈 피치 방향에서의 굴절률 분포를 나타내는 그래프이다. 또한, 본 실시예에서는 액정 렌즈(121(122, 123))를 두께 방향에 있어서 3분할(하단, 중단, 상단)한다. 각 분할 영역에서의 렌즈 피치 방향에서의 굴절률 분포와, 이들 굴절률 분포를 합성한 액정 렌즈(121(122, 123))의 두께 방향 전체에 걸친 굴절률 분포를 나타낸다. 또한, 각 도면에는 수학식 1에 의해 얻어지는 이상적인 굴절률 분포를 합하여 나타내고 있다.

또한, 액정 렌즈(121(122, 123))의 피치(L)(예를 들면 0.35)mm와 두께(T)(예를 들면 0.1)mm와의 비 L/T=3으로 하고, 상술한 분할은 두께 방향에 있어서 1/3L씩 균등하게 실시하였다. 또한, 액정에는 하기의 특성을 갖는 것을 사용하였다.

-액정의 물성의 예-

탄성 상수: K11은 확대 변형에 관하고, K22는 비틀림 변형에 관하고, K33은 구부러짐 변형에 관한다.

ε2(액정의 디렉터 방향의 유전율)

ε1(액정의 디렉터에 수직인 방향의 유전율)

Ne 액정의 디렉터 방향의 굴절률, No 액정의 디렉터 방향과 수직한 굴절률

회전 점성률 Γ

를 정의하면 일반적인 액정에 의해, 본 구조에서 원하는 굴절률 분포가 전압을 적당히 변경함으로써 얻어진다. 액정에 가하는 전압은 낮게 유지하는 쪽이 바람직하다. 액정의 두께가 두꺼워져도 액정 GRIN 렌즈에 있어서의 전원 상부에서, 모든 디렉터가 상승되기 때문에, Δε=ε1-ε2≥6이 바람직하다. 또한, 회전 점성률 Γ>0.1[mPa/s]이 바람직하다. 액정 GRIN 렌즈는 디렉터 분포가 서서히 전계 분포에 따라, 기울기가 바뀌어 가는 쪽이 바람직하다. 점성이 낮으면 디렉터의 기울기에 관하여, 국소적으로 급격한 변화가 일어날 우려가 있기 때문이다. K11은 13 내지 15, K22는 6 내지 8, K33은 14 내지 18의 일반적인 액정의 값을 사용한다.

또한, 중심 전극(wg)의 폭 및 단부 전극(ws)의 폭은 80μm 및 30μm(피치(L)를 1로 했을 경우, 각각 0.229 및 0.086: 실시예), 30μm 및 30μm(피치(L)를 1로 했을 경우, 각각 0.086 및 0.086: 비교예)로 하였다.

도 4에 도시한 바와 같이, 액정 렌즈(121(122, 123))의 하단에 있어서 얻어지는 굴절률 분포는 실시예 및 비교예에 있어서, 각각 이상으로 하는 굴절률 분포보다 상대적으로 높아지고 있는 것을 알 수 있었다. 또한, 특히 액정 렌즈(121(122, 123))의 렌즈 피치 방향에서의 중심부 근방에 있어서, 높은 굴절률을 나타내는 것을 알 수 있었다.

또한, 도 5 및 도 6에 도시한 바와 같이, 액정 렌즈(121(122, 123))의 중단 및 상단에 있어서 얻어지는 굴절률 분포는 실시예 및 비교예에 있어서, 각각 이상으로 하는 굴절률 분포보다 상대적으로 낮아져 있는 것을 알 수 있었다. 또한, 특히 액정 렌즈(121(122, 123))의 렌즈 피치 방향에서의 중심부 근방에 있어서의 굴절률이 이상으로 하는 굴절률 분포보다 현저하게 작아져 있는 것을 알 수 있었다.

이상에서, 액정 렌즈(121(122, 123))의 두께 방향 전체에 걸친 굴절률 분포는 도 7에 도시한 바와 같이, 특히 도 4에 도시하는 하단의 굴절률 분포에 있어서의 중심부 근방이 높은 굴절률과, 도 5 및 도 6에 도시하는 중단 및 상단의 굴절률 분포에 있어서의 중심부 근방이 낮은 굴절률이 상쇄된다. 특히 실시예의 경우에 있어서, 이상으로 하는 굴절률 분포와 대략 동등한 굴절률 분포를 나타내는 것을 알 수 있었다. 따라서, 상술한 바와 같이 시영역각이 증대되는 것과 같은 원하는 굴절률 분포를 얻을 수 있고, 이상으로 하는 액정 렌즈로서 기능하는 것을 알 수 있었다.

한편, 비교예의 경우에 있어서는, 특히 액정 렌즈(121(122, 123))의 렌즈 피치 방향의 중심으로부터 약 ±0.25 피치 이격한 위치에 있어서 변곡점을 갖고, 이상으로 하는 굴절률 분포와의 차가 크고, 이상으로 하는 액정 렌즈가 얻어지지 않는 것을 알 수 있었다.

또한, 본 예에 있어서는, 중심 전극(141)을 접지 전위로 하였지만, 접지 전위보다 낮고, 절대값에 있어서 액정층(18)의 액정의 상승 전압 Vth와 동등하고, 극성이 다른 음의 전압에 상당하는 전위보다 높고, 구체적으로는 중심 전극(141)의 전위를 Vcp로 했을 경우, 0>Vcp>-Vth로 할 수 있다. 이것은 중심 전극(141)과 단부 전극(142)과의 거리가 증대했을 경우에 유효하다. 즉, 중심 전극(141)과 단부 전극(142)과의 거리가 증대하면, 그 동안에 인가되는 전압에 기인해서 발생하는 전계가 작아져 버린다. 액정의 디렉터가 수평하게 되지 않고, 상방으로 향하게 되어 버린다. 이러한 경우에는 상술한 바와 같이, 시영역각을 증대한 것과 같은 액정 렌즈로서 기능하는 이상적인 굴절률 분포를 얻을 수 없게 된다.

그러나, 중심 전극(141)의 전위를 상술한 바와 같이 설정하면, 중심 전극(141)과 단부 전극(142)과의 거리가 증대해도, 그 동안에 인가되는 전압에 기인해서 발생하는 전계가 커진다. 액정의 디렉터가 수평하게 되기 위해서, 상술한 바와 같이, 시영역각을 증대한 것과 같은 액정 렌즈로서 기능하는 굴절률 분포를 얻을 수 있게 된다.

또한, Vcp>-Vth라고 하고 있는 것은, 가령 중심 전극(141)의 전위 Vcp≤-Vth가 되면, 평판 전극(13)과 중심 전극(141)과의 사이에, 액정의 상승 전압 이상의 크기의 전압이 실질적으로 인가되게 된다. 액정의 디렉터가 상향으로 배향해 버리기 때문에, 상술한 바와 같이, 시영역각을 증대한 것과 같은 액정 렌즈로서 기능하는 굴절률 분포를 얻을 수 없게 되어 버린다.

또한, 도 4 내지 도 7에 나타내는 실시예 및 비교예에 관한 굴절률 분포는 시판되고 있는 액정 시뮬레이터를 사용하여 실시하였다. 시뮬레이션에 사용한 조건은 액정 렌즈(121(122, 123))의 피치(L)를 0.17mm 내지 0.7mm의 범위로 설정하고, 높이(L)를 0.025mm 내지 0.2mm의 범위로 설정하였다. 또한, 액정층(18)의 확대 변형에 관계되는 탄성 계수 K11을 14, 비틀림 변형에 관한 탄성 계수 K22를 7 및 굴곡 변형에 관한 탄성 계수 K33을 17로 하였다. 또한, 액정층(18)의 디렉터(18A) 방향의 유전율 ε2를 3으로 하고, 디렉터(18A) 방향과 수직인 방향의 유전율 ε1을 9로 하였다. 또한, 단부 전극(142)에 인가하는 전압은 5V 내지 12V의 범위로 설정하였다.

시뮬레이션에 있어서는 액정의 디렉터 분포가 얻어질 뿐이므로, 실제의 굴절률 분포는 하기의 수학식 1을 사용여서 실시하였다.

여기서, N_e는 액정의 디렉터(18A) 방향의 굴절률, N₀는 액정의 디렉터(18A) 방향과 수직인 방향에 있어서의 굴절률을 나타낸다. 또한, θ는 LCD11로부터 출사된 광선(화상광)과 액정의 디렉터(18A)가 이루는 각도이다.

또한, 액정 렌즈에 있어서의 이상적인 굴절률 분포는 액정층(18)에 있어서의 액정의 장축 방향의 굴절률을 n_e로 하고, 단축 방향의 굴절률을 n₀로 했을 경우에, 하기 수학식 2에 의해 나타나는 것이다(예를 들면, 문헌[APPLIED OPTICS, Vol. 23, No. 2, 15 January 1984, "Focusing by electrical modulation of refraction in a liquid crystal cell"(참고 문헌)] 참조).

여기서, X는 각 액정 렌즈(121(122, 123))의 렌즈 피치 방향으로 취한 좌표축이며, 0≤X≤L의 범위에서 변화한다.

이렇게 실시예 및 비교예의 어떤 경우에 있어서도, 각 액정 렌즈(121(122, 123)의 두께 방향의 전체에 걸쳐서 굴절률 분포를 갖게 되므로, 큰 시영역각을 얻을 수 있다.

한편, 실시예의 경우에 있어서는 각 액정 렌즈(121(122, 123))의 두께 방향의 전체에 걸쳐서 수학식 1로 표시되는 거의 이상적인 굴절률 분포에 가까운 형태를 채용하지만, 비교예의 경우에 있어서는 각 액정 렌즈(121(122, 123))의 두께 방향의 전체에 걸쳐서 수학식 1로 표시되는 굴절률 분포와 약간 다른 형상이 된다. 특히, 각 액정 렌즈(121(122, 123))의 중심부로부터 약 1/4 피치(1/4L) 이동한 개소에 있어서는 굴절률 분포에 변곡점이 발생하고 있고, 상술한 이상적인 굴절률 분포에 비교해서 찌그러진 형상을 갖고 있는 것을 알 수 있었다.

따라서, 비교예의 경우에 있어서는, 도 1에 나타내는 LCD11의 인접하는 화소로부터 출사되는 시차 화상이 서로 간섭하여, 크로스 토크가 증대해 버리기 때문에, 해상도가 감소해 버리게 된다.

이어서, 본 실시 형태에 있어서의 입체 화상 표시 장치(10)의 크로스 토크에 대해서 논의한다.

크로스 토크는 (Iwhite-Imain)/Iwhite로 나타낼 수 있다. I main은 1개의 화소가 점등했을 때의, 시차 화상에 있어서의 휘도를 나타내고, I white는 전체 화소가 점등했을 때의 휘도를 나타내고 있다.

입체 표시 화상 장치에 있어서 고해상도를 실현하기 위해서는, 적어도 크로스 토크가 0.5 이하인 것이 요구된다. 도 8 및 도 9는 중심 전극(141)의 폭(wg)에 대한 크로스 토크 의존성 및 단부 전극(142)의 폭(ws)에 대한 크로스 토크 의존성을 나타내는 그래프다. 도 8 및 도 9로부터 명백해진 바와 같이, 크로스 토크가 0.5 이하가 되기 위해서는, 각 액정 렌즈(121(122, 123))의 피치(길이(L))를 1로 했을 경우에 있어서, 0.075<ws<0.15, 0.15<wg<0.29가 되는 관계를 만족하는 것을 알 수 있었다.

이상에서, 본 실시 형태의 입체 화상 표시 장치(10)에 의하면, 크로스 토크가 낮고, 높은 해상도에서 높은 시영역각을 실현하는 것이 가능하게 된다.

(제2 실시 형태)

도 10은 본 실시 형태에 있어서의 입체 화상 표시 장치의 개략 구성도이다. 또한, 제1 실시 형태에 나타내는 입체 화상 표시 장치와 유사 또는 동일한 구성 요소에 대해서는, 동일한 참조 숫자를 사용하고 있다. 또한, 본 실시 형태의 특징을 명확하게 하기 위해, 도 10에 있어서는 액정 렌즈(121(122, 123))와 본 실시 형태의 특징 부분인 편광 방향 가변 셀만을 나타내고 있다.

도 10에 도시한 바와 같이, 본 실시 형태에 있어서는 제1 실시 형태와 마찬가지로 구성된 액정 렌즈(121(122, 123))의 하방(LCD11)측에 있어서, 편광 방향 가변 셀(19)을 설치하고 있다. 따라서, LCD11로부터의 광선(화상광)을 편광 방향 가변 셀(19)을 통과시킨다. 편광 방향을 예를 들면 90도 회전시킴으로써, 액정 렌즈(121(122, 123))의 액정의 디렉터(18A)의 방향과 직교시키도록 할 수 있다. 이 경우, 액정 렌즈(121(122, 123))의 중앙부를 통과하는 화상광은 액정의 디렉터(18A)와 직교하는 정도가 높고, 액정 렌즈(121(122, 123))의 단부를 향함에 따라서, 액정의 디렉터(18A)와 직교하는 정도가 낮아진다.

이 결과, 액정 렌즈(121(122, 123))의 단부로부터 중앙부를 향함에 따라서, 굴절률의 저하 정도가 증대한다. 결과로서, 액정 렌즈(121(122, 123)) 전체의 굴절률은 전부 단부에 있어서의 굴절률 N₀와 동등해진다. 따라서, 도 10에 도시한 바와 같이, 액정 렌즈(121(122, 123))의 단부 전극(142)에 전압이 인가되어서 ON 상태로 되고 있고, 입체 화상(3차원 화상)이 표시되어 있는 것과 같은 경우에 있어서도, 편광 방향 가변 셀(19)에 의해 화상광의 편광 방향을 변화시킴으로써, 액정 렌즈(121(122, 123))의 굴절률 분포를 소실시켜서 OFF 상태로 하고, 평면 화상(2차원 화상)을 표시하도록 할 수도 있다.

(제3 실시 형태)

도 11 및 도 12는 본 실시 형태에 있어서의 입체 화상 표시 장치의 개략 구성도이다. 또한, 제1 실시 형태에 나타내는 입체 화상 표시 장치와 유사 또는 동일한 구성 요소에 대해서는 동일한 참조 숫자를 사용하고 있다. 또한, 본 실시 형태의 특징을 명확하게 하기 위해서, 도 10 및 도 11에 있어서는 각 액정 렌즈(121(122, 123))와 그것에 대응하는 LCD11의 화소군(111(112, 113))의 부분만을 나타내고 있다.

제1 실시 형태에서는 투명 기판(15 및 16)의 두께를 서로 동일하게 하였지만, 본 실시 형태에서는 서로 상이하도록 하고 있다. 구체적으로는 평판 전극(13)측의 투명 전극(15)의 두께를 스트립 형상 전극(16)측의 투명 전극(16)의 두께보다 크게 하고 있다. 단, 투명 전극(16)의 두께를 투명 전극(15)의 두께보다 크게 해도 좋다.

이 경우, 도 11의 화상 입체 표시 장치(20)에 도시한 바와 같이, 액정 렌즈(121(122, 123))의 투명 전극(15)을 LCD11 즉 화소군(111(112, 113))측을 향해서 배치한 경우의 초점 거리(f1)과, 도 12의 화상 입체 표시 장치(30)에 도시한 바와 같이, 액정 렌즈(121(122, 123))의 투명 전극(16)을 LCD11 즉 화소군(111(112, 113))측을 향해서 배치한 경우의 초점 거리(f2)를 비교한 경우, f1>f2가 되는 관계가 성립한다. 따라서, 도 12에 나타내는 입체 화상 표시 장치(30)쪽이 도 11에 도시하는 입체 화상 표시 장치(20)보다 큰 시영역각을 얻을 수 있다.

또한, 입체 화상 표시 장치에 있어서, 렌즈와 표시 장치와의 초점 거리를 짧게함으로써 시영역각이 증대한 것은, 당업자에 있어서 공지의 기술적 사항이다.

이어서, 도 12에 나타내는 입체 화상 표시 장치(30)의 초점 거리(f2)가 도 11에 도시하는 입체 화상 표시 장치(20)의 초점 거리(f1)에 비교해서 작아지는 이유에 대해서 설명한다.

도 3의 영역(B)에서 나타내는 바와 같이, 액정의 디렉터 분포에 관하고, 스트립 형상 전극(141, 142)측에 있어서의 액정의 디렉터는 수평 방향을 향하고 있는 경우가 많다. 평판 전극(13)측에 있어서는 액정의 디렉터가 기울고 있을 경우가 많다. 이와 같이, 액정 렌즈(121(122, 123)), 즉 액정층(18)의 두께 방향에 있어서 액정의 디렉터 분포가 바뀌는 경우, 도 12에 나타내는 입체 화상 표시 장치(30)에 있어서는, 액정 렌즈(121(122, 123))에 수직으로 입사한 광선은 최초로, 투명 기판(15)측이 기운 디렉터를 통과함으로써 비교적 높은 굴절률 하에, 크게 굴절하게 된다.

따라서, 최종적으로 투명 기판(16)측의 수평 방향의 디렉터를 통과할 경우에 있어서도, 그의 통과시에는 어느 정도 기운 입사 각도에서 입사하게 된다. 비교적 작은 굴절률 분포에 있어서도 비교적 크게 굴절하게 된다. 이 결과, 상기 광선이 액정 렌즈(121(122, 123))를 통과할 때에는 비교적 큰 각도 θ2로 경사지도록 해서 출사된다.

또한, 상술한 액정 렌즈(121(122, 123)) 내의 광선의 통과 및 굴절에 관한 모습의 개념을 도 13 및 도 14에 도시한다.

한편, 도 11에 도시하는 입체 화상 표시 장치(20)에 있어서는 액정 렌즈(121(122, 123))에 수직으로 입사한 광선은 최초로, 투명 기판(16)측이 수평한 디렉터를 통과하므로 대부분 굴절하지 않는다. 광선은 후에, 평판 전극(15)측이 기운 디렉터를 통과할 때에 서서히 굴절되게 된다. 이 결과, 상기 광선이 액정 렌즈(121(122, 123))를 통과할 때에는, 비교적 작은 각도 θ1(<θ2)에서 경사지도록 해서 출사된다.

따라서, 도 13 및 도 14에 도시하는 것과 같은, 입사한 광선의 액정 렌즈(121(122, 123)) 내의 굴절 정도에 기인한 출사 각도 θ1 및 θ2의 대소 관계(θ1<θ2)에 기초하여, 초점 거리(f1 및 f2)의 대소 관계가 결정된다. 즉, 도 12에 나타내는 입체 화상 표시 장치(30)에 있어서는, 액정 렌즈(121(122, 123))로부터 출사되는 광선의 각도(θ2)가 크므로 초점 거리(f2)가 짧아진다. 도 11에 도시하는 입체 화상 표시 장치(20)에 있어서는, 액정 렌즈(121(122, 123))로부터 출사되는 광선의 각도(θ1)가 크므로 초점 거리(f1)가 초점 거리(f2)에 비교해서 길어진다.

또한, 본 실시 형태에 있어서, 평판 전극(13)측의 투명 전극(15)의 두께를 스트립 형상 전극(16)측의 투명 전극(16)의 두께보다 크게 한 것은, 도 11에 도시하는 입체 화상 표시 장치(20) 및 도 12에 나타내는 입체 화상 표시 장치(30)에 있어서, 상술한 초점 거리의 차를 보다 현저하게 하기 위해서이다. 투명 기판(16)의 두께를 증대시키면, 도 13 및 도 14에 도시하는 바와 같이 하여 광선이 굴절을 받아도, 투명 기판(16)의 두께에 기인해서 초점 거리가 증대해 버린다. 특히 도 12에 도시한 입체 화상 표시 장치(30)에 있어서 현저하다. 광선의 굴절에 의한 초점 거리의 단축화를 상쇄해 버린다.

따라서, 본 실시 형태에서는 투명 기판(16) 두께를 투명 기판(15) 두께보다 작게 하고, 액정 렌즈(121(122, 123)) 내의 굴절 정도에 기인한 초점 거리의 대소를 보다 현저하게 출현시키도록 한다.

이상, 본 발명을 상기 구체예에 기초하여 상세하게 설명했지만, 본 발명은 상기 구체예로 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 범주를 일탈하지 않는 한에 있어서 모든 변형이나 변경이 가능하다.

예를 들면, 상기 실시 형태에서는 화상 표시 소자로서 LCD를 사용한 경우에 대해서 설명하였지만, CRT, PDP, OLED, FED 등의 표시면에 편광판을 설치한 것을 사용할 수도 있다.

10 입체 화상 표시 장치
11 LCD
12 액정 렌즈 어레이
121, 122, 123 액정 렌즈
13 평판 전극
141 스트립 형상 전극의 중심 전극
142 스트립 형상 전극의 단부 전극
15, 16 투명 전극
18 액정층
18A 액정의 디렉터

Claims

복수의 화소를 갖고, 편광을 갖는 화상광을 출사하는 화상 표시 소자와,
상기 화상 표시 소자의, 상기 화상광의 출사측에 설치된 액정 렌즈 어레이와,
상기 액정 렌즈 어레이의 액정층을 사이에 두고 서로 대향하도록 설치된 한 쌍의 투명 기판과,
상기 한 쌍의 투명 기판의 한쪽에 설치된 평판 전극과,
상기 액정 렌즈 어레이의 각각에 대응하는 위치의, 상기 한 쌍의 투명 기판의 다른 쪽에 설치된 스트립 형상 전극을 구비하고,
상기 스트립 형상 전극은, 상기 액정 렌즈 어레이의 피치 방향에 있어서 각 액정 렌즈의 양단부에 단부 전극이 위치함과 함께 상기 액정 렌즈의 중앙부에 있어서 중심 전극이 위치하는 주기로 배치되고,
상기 평판 전극과 상기 중심 전극의 전위차가 상기 액정층의 상승 전압 Vth 미만으로 설정되고,
상기 단부 전극에는, 절대값에 있어서, 상기 평판 전극에 인가된 제1 전압 V1 및 상기 중심 전극에 인가된 제2 전압 V2보다 크고 또한 상기 상승 전압보다 큰 제3 전압 V3이 인가되어,
각 액정 렌즈의 두께 방향의 전체에 걸쳐서 굴절률 분포가 형성됨과 함께, 상기 액정 렌즈 어레이의 피치 방향에서의 길이를 1로 하고, 상기 단부 전극의 폭을 ws, 상기 중앙 전극의 폭을 wg로 했을 경우에,
0.075<ws<0.15
0.15<wg<0.29
가 되는 관계를 만족하는 것을 특징으로 하는 입체 화상 표시 장치.
제1항에 있어서, 상기 평판 전극 및 상기 중심 전극은 접지 전위인 것을 특징으로 하는 입체 화상 표시 장치.
복수의 화소를 갖고, 편광을 갖는 화상광을 출사하는 화상 표시 소자와,
상기 화상 표시 소자의, 상기 화상광의 출사측에 설치된 액정 렌즈 어레이와,
상기 액정 렌즈 어레이의 액정층을 사이에 두고 서로 대향하도록 설치된 한 쌍의 투명 기판과,
상기 한 쌍의 투명 기판의 한쪽에 설치된 평판 전극과,
상기 액정 렌즈 어레이의 각각에 대응하는 위치의, 상기 한 쌍의 투명 기판의 다른쪽에 설치된 스트립 형상 전극을 구비하고,
상기 스트립 형상 전극은, 상기 액정 렌즈 어레이의 피치 방향에 있어서 각 액정 렌즈의 양단부에 단부 전극이 위치함과 함께 상기 액정 렌즈의 중앙부에 있어서 중심 전극이 위치하는 주기로 배치되고,
상기 평판 전극은 접지 전위이며,
상기 중심 전극의 전위를 Vcp, 상기 액정층의 상승 전압을 Vth로 했을 경우에, 0>Vcp>-Vth가 되는 관계를 만족하고,
상기 단부 전극은, 절대값에 있어서, 상기 중심 전극의 전위 Vcp 및 상기 상승 전압 Vth보다 큰 전위로 설정되고,
각 액정 렌즈의 두께 방향의 전체에 걸쳐서 굴절률 분포가 형성됨과 함께, 상기 액정 렌즈 어레이의 피치 방향에서의 길이를 1로 하고, 상기 단부 전극의 폭을 ws, 상기 중앙 전극의 폭을 wg로 했을 경우에,
0.075<ws<0.15
0.15<wg<0.29
가 되는 관계를 만족하는 것을 특징으로 하는 입체 화상 표시 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 한 쌍의 투명 기판의 두께를 상이하도록 한 것을 특징으로 하는 입체 화상 표시 장치.