TWI502221B - 液晶透鏡裝置及影像顯示裝置 - Google Patents

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TWI502221B
TWI502221B TW102104574A TW102104574A TWI502221B TW I502221 B TWI502221 B TW I502221B TW 102104574 A TW102104574 A TW 102104574A TW 102104574 A TW102104574 A TW 102104574A TW I502221 B TWI502221 B TW I502221B
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Ayako Takagi
Shinichi Uehara
Masako Kashiwagi
Yoshiharu Momonoi
Masahiro Baba
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Description

液晶透鏡裝置及影像顯示裝置 交叉參照相關申請案
本案是基於並請求自2012年3月28日所申請的先前的日本專利案，案號2012-073792；其中的全部內容藉由引用併入本文。
本文所描述的實施方式一般關於液晶透鏡裝置和影像顯示裝置。
液晶光學元件是已知的，其中折射率的分佈根據電壓的施加改變，藉由利用液晶分子的雙折射。存在立體影像顯示裝置，其結合影像顯示單元和這樣的液晶光學元件。
藉由改變液晶光學元件的折射率的分佈，立體影像顯示裝置在狀態和狀態之間切換，其中顯示於影像顯示單元中的影像是入射在人類觀看者的眼睛上，如在影像顯示單元上所顯示，和其中顯示於影像顯示單元上的影 像入射在人類觀看者的眼睛上，如多重視差影像。藉此，高解晰度的二維像素顯示操作和三維影像顯示操作被實現，其中由於多重視差影像，三維影像顯示操作包括用肉眼立體觀看。實現在立體影像顯示裝置中所使用的液晶光學元件的良好光學特性是合意的。
根據一個實施方式，一種影像顯示裝置包括液晶透鏡裝置和影像顯示單元。液晶透鏡裝置包括液晶光學元件單元。液晶光學元件單元包括第一基板單元，第二基板單元，和液晶層。第一基板單元包括具有一第一主表面的第一基板，以及設置於第一主表面上以沿第一方向延伸的多個第一電極。第一電極配置在不平行於第一方向的方向。第二基板單元包括具有與第一主表面相對的第二主表面之第二基板，以及設置於第二主表面上的反電極。液晶層設置於第一基板單元和第二基板單元之間。液晶層具有第一對位方向和第二對位方向。第一對位方向是在第一基板單元上的液晶分子當被投射到第一主表面上時的長軸方向。第一對位方向正交於第一方向。第二對位方向是在第二基板單元上的液晶分子當被投射到第一主表面上時的長軸方向。液晶層沿著第一主表面的法線方向軸具有介於第一對位方向和第二對位方向之間扭轉不小於5度且不超過45度的角度之對位。影像顯示單元包括顯示單元。第二基板單元設置於第一基板單元和顯示單元之間。顯示單 元配置以造成具有平行於第二對位方向的偏振軸之偏振光的影像光被入射在液晶光學元件單元上。
根據一個實施方式，一種影像顯示裝置包括液晶透鏡裝置和影像顯示單元。液晶透鏡裝置包括液晶光學元件單元。液晶光學元件單元包括第一基板單元，第二基板單元，和液晶層。第一基板單元包括具有一第一主表面的第一基板，以及設置於第一主表面上以沿第一方向延伸的多個第一電極。第一電極配置在不平行於第一方向的方向。第二基板單元包括具有與第一主表面相對的第二主表面之第二基板，以及設置於第二主表面上的反電極。液晶層設置於第一基板單元和第二基板單元之間。液晶層具有第一對位方向和第二對位方向。第一對位方向是在第一基板單元上的液晶分子當被投射到第一主表面上時的長軸方向。介於第一對位方向和第二方向之間的角度的絕對值是多於0度且不多於5度。第二方向平行於第一主表面且垂直於第一方向。第二對位方向是在第二基板單元上的液晶分子當被投射到第一主表面上時的長軸方向。液晶層沿著第一主表面的法線方向軸具有介於第一對位方向和第二對位方向之間扭轉不小於5度且不超過45度的角度之對位。影像顯示單元包括顯示單元。第二基板單元設置於第一基板單元和顯示單元之間。顯示單元配置以造成具有平行於第二對位方向的偏振軸之偏振光的影像光被入射在液晶光學元件單元上。
根據一個實施方式，一種液晶透鏡裝置包括 液晶光學元件單元。液晶光學元件單元包括第一基板單元，第二基板單元，和液晶層。第一基板單元包括具有一第一主表面的第一基板，以及設置於第一主表面上以沿第一方向延伸的多個第一電極。第一電極配置在不平行於第一方向的方向。第二基板單元包括具有與第一主表面相對的第二主表面之第二基板，以及設置於第二主表面上的反電極。液晶層設置於第一基板單元和第二基板單元之間。第一對位方向正交於第一方向。第一對位方向是在第一基板單元上的液晶分子當被投射到第一主表面上時的長軸方向。液晶層沿著第一主表面的法線方向軸具有介於第一對位方向和第二對位方向之間扭轉不小於5度且不超過45度的角度之對位。
110‧‧‧液晶透鏡裝置
110a‧‧‧液晶透鏡裝置
110b‧‧‧液晶透鏡裝置
110c‧‧‧液晶透鏡裝置
110s‧‧‧側
110u‧‧‧液晶光學元件單元
119‧‧‧液晶透鏡裝置
10u‧‧‧第一基板單元
10‧‧‧第一基板
11‧‧‧第一電極
10a‧‧‧第一主表面
16‧‧‧第一對位膜
20u‧‧‧第二基板單元
20‧‧‧第二基板
21‧‧‧反電極
21s‧‧‧狹縫
20a‧‧‧第二主表面
26‧‧‧第二對位膜
30‧‧‧液晶層
30a‧‧‧第一層
30b‧‧‧第二層
31‧‧‧折射率分佈
50‧‧‧視差影像
77‧‧‧控制單元
87‧‧‧顯示控制單元
120‧‧‧顯示單元
120s‧‧‧側
121‧‧‧第一偏振層
121p‧‧‧第一透射軸
122‧‧‧第二偏振層
122p‧‧‧第二透射軸
123‧‧‧顯示液晶層
125‧‧‧影像光
210‧‧‧影像顯示裝置
D1‧‧‧第一方向
D2‧‧‧第二方向
L1‧‧‧第一對位方向
L2‧‧‧第二對位方向
θLC1‧‧‧第一對位角
θLC2‧‧‧第二對位角
θe1‧‧‧電極延伸角
θe2‧‧‧電極正交角
θLC0‧‧‧扭轉角
PX1‧‧‧第一視差影像
PX3‧‧‧第三視差影像
P1‧‧‧偏振軸
θ2‧‧‧第二角度
Tr‧‧‧透射率
圖1A至圖1F是根據第一實施方式繪示液晶透鏡裝置的配置的示意圖；圖2是根據第一實施方式繪示液晶透鏡裝置的配置的示意剖面圖；圖3A至圖3C是根據第一實施方式繪示液晶透鏡裝置的使用的狀態的示意圖；圖4是根據第一實施方式繪示液晶透鏡裝置的特性的曲線圖；圖5是根據第一實施方式繪示液晶透鏡裝置的特性的曲線圖； 圖6是根據第一實施方式繪示液晶透鏡裝置的特性的曲線圖；以及圖7是根據第一實施方式繪示液晶透鏡裝置的配置的示意透視圖。
現在將參照附圖描述實施方式。
附圖是示意性的或概念的；部位的厚度和寬度之間的關係，部位之間的大小的比例等，並不一定和它們的實際值相同。另外，在附圖之間的尺寸和/或比例可以不同的方式繪示，即使對於相同的部位。
在本案附圖和說明書中，關於與其中/上所述的那些組件類似的組件以類似的參考標號標記，並適當地省略了詳細的說明。
第一實施方式
圖1A至圖1F是根據第一實施方式繪示液晶透鏡裝置的配置的示意圖。
圖1A是繪示液晶透鏡裝置110的配置的示意性透視圖。圖1B至圖1F是繪示液晶透鏡裝置110的光軸的示意圖。如圖1A所示，組件被繪製為彼此分開以方便查看。
如圖1A所示，根據實施方式的液晶透鏡裝置110包括液晶光學元件單元110u。
液晶光學元件單元110u包括第一基板單元10u，第二基板單元20u，和液晶層30。
第一基板單元10u包括第一基板10和多個第一電極11。第一基板10具有第一主表面10a。
多個第一電極11設置在第一主表面10a上。第一電極11沿第一方向D1延伸。多個第一電極11被佈置在不平行於第一方向D1的方向。
擷取平行於第一主表面10a和垂直於第一方向D1的方向作為第二方向D2。例如，多個第一電極11被佈置在第二方向D2中。
第二基板單元20u包括第二基板20和反電極21。第二基板20具有與第一主表面10a相對的第二主表面20a。反電極21設置在第二主表面20a上。
在本案說明書中，「相對」不僅包括直接彼此面對的狀態，也包括彼此面對並具有另一個組件插入其間的狀態。
液晶層30設置在第一基板單元10u與第二基板單元20u之間。在液晶層30包括接觸第一基板單元10u的第一層30a，和接觸第二基板單元20u的第二層30b。第一層30a在第一基板單元10u與液晶層30之間的界面對應液晶層30的部；和第二層30b在第二基板單元20u與液晶層30之間的界面對應液晶層30的部。當第一層30a的液晶分子被投射到第一主表面10a上時長軸的方向被擷取為第一對位方向L1。
另一方面，當液晶層30內的第二層30b的液晶分子被投射到第一主表面10a上時長軸的方向被擷取為第二對位方向L2。
第一對位方向L1和第二對位方向L2之每一者包括在除了軸的資訊之外的定向的資訊(從起點朝著終點的方向)。
如圖1A所示，垂直於第一主表面10a的軸被擷取為Z軸方向。一個垂直於Z軸方向的軸被擷取為X軸方向。垂直於Z軸方向和X軸方向的方向被擷取Y軸方向。
如圖1B所示，第二對位方向L2從起點朝著終點的方向的被擷取為平行X軸方向。換句話說，具有X軸方向作為基準的第二對位方向L2從起點朝著終點的方向的角度(第二對位角θLC2(度))為0度。
如圖1C所示，具有X軸方向作為基準的第一對位方向L1從起點朝著終點的方向的角度被擷取為第一對位角θLC1(度)。當第二對位方向L2從起點朝著終點的方向是參考時，第一對位角θLC1是第一對位方向L1從起點朝著終點的方向的角度。諸如第一對位角θLC1等的角度被表示不小於0度和不超過180度或在-180度和0度之間。
在第一對位角θLC1是180度的情況下，第一對位方向L1是反平行於第二對位方向L2。在這種情況下，均勻對位形成於液晶層30中。另一方面，在第一對 位角θLC1是0度的情況下，第一對位方向L1的定向是與第二對位方向L2相同的定向。在液晶層30中有預傾斜的情況下，形成斜面對位(或彎曲對位)。或者，形成具有180度等的角度的扭轉對位。
在本實施方式中，第一對位方向L1被設定為不平行於第二對位方向L2。因此，第一對位方向L1既不是0度也不是180度。在本實施方式中，液晶層30的對位的扭轉被設定為小於90度。然後，形成不是斜面對位(或彎曲對位)的對位。在這種情況下，預傾角可以是不小於0度。
如圖1D所示，由第一對位方向L1和第二對位方向L2決定的液晶的扭轉角θLC0(度)的是藉由公式定義：θLC0 (度)=180-θLC1 (度)。
在下文所描述的實施方式中，扭轉角θLC0被設定為不小於5度且不超過45度。液晶層30的液晶的對位從第一對位方向L1朝向第二對位方向L2被扭轉。換句話說，液晶層30具有由不小於5度且不大於45度的扭轉角θLC0扭轉的對位。
在這種情況下，當第二對位方向L2(當第二層30b的液晶分子投射到第一主表面10a上的長軸方向)從起點朝著終點的方向是參考時，第一對位方向L1(當第一層30a的液晶分子投射到第一主表面10a上的長軸方向)從起點朝著終點的方向的角度(第一對位方向L1)是不小於135度和不超過175度。
在如圖1E所示的實施方式中，第一對位方向L1被設置為大致垂直於第一方向D1。換句話說，第一對位方向L1大致平行於第二方向D2。
在本說明書中，考慮到製造震盪等，正交的狀態不僅包括其中軸之間的角度為90度的狀態，也包括其中此角度不小於85度和不大於95度的情況。同樣地，在本說明書中，平行的狀態不僅其中包括軸之間的角度為0度的情況，也包括其中此角度不低於-5度且不大於+5度(絕對值不超過5度)的狀態。
換句話說，如示於圖1F，第一對位方向L1和第一方向D1之間的角度的絕對值不小於85度和不大於95度。第一對位方向L1和第二方向D2之間的角度(第一角度θ1)的絕對值不超過5度。
因此，在本實施方式中，第一對位方向L1正交於所述第一方向D1(第一對位方向L1和第一方向D1之間的角度的絕對值不小於85度且不大於95度)，其是當第一基板單元10u的液晶分子投射到第一主表面10a上的長軸方向在的液晶分子的長軸的方向。液晶層30具有沿著第一主表面10a的法線方向軸(Z軸)扭轉不小於5度且不超過45度的角度的對位。即，在液晶層30具有沿垂直於第一主表面10a的軸(Z軸)扭轉不小於5度且不超過45度的角度的對位。
另一方面，如示於圖1E，第二方向D2和第二對位方向L2之間的角度(電極正交角θe2(度))與扭 轉角θLC0(不小於5度且不大於45度)相同。在第一方向D1和第二對位方向L2之間的角度(電極延伸角θe1(度))等於90減去扭轉角θLC0(度)，並且不小於45度和不大於85度。
圖2是根據第一實施方式繪示液晶透鏡裝置的配置的示意剖面圖。圖2亦根據本實施方式繪示的液晶透鏡裝置110的使用狀態的一個例子。藉由與顯示單元120結合，液晶透鏡裝置110可用於作為影像顯示裝置210。
影像顯示裝置210包括液晶透鏡裝置110(液晶光學元件單元110u)和顯示單元120。顯示單元120被以液晶光學元件單元110u堆疊。
在本說明書中，「堆疊」不僅包括直接重疊的狀態，也包括具有另一個組件插入其間的重疊的狀態。
第二基板單元20u設置在第一基板單元10u和顯示單元120之間。顯示單元120造成是偏振光的影像光125入射在液晶光學元件單元110u上。
顯示單元120可以包括任何顯示裝置。例如，液晶顯示裝置，有機EL顯示裝置，電漿顯示器等，可以被用作為顯示單元120。
例如，在液晶顯示裝置被用作為顯示單元120的情況下，顯示單元120包括第一偏振層121，第二偏振層122，和顯示液晶層123。顯示液晶層123設置在第一偏振層121和第二偏振層122之間。第一偏振層121和第 二偏振層122可包括，例如，偏振器，偏振膜，偏振濾光器等。在這個例子中，顯示液晶層123設置在第一偏振層121和液晶光學元件單元110u之間；和第二偏振層122設置在顯示用液晶層123的液晶光學元件單元110u之間。從顯示單元120發射的影像光125的偏振光是由第二偏振層122形成。
影像光125包括影像資訊。影像顯示裝置210可以進一步包括控制顯示單元120的顯示控制單元87。顯示單元120製造根據從顯示控制單元87提供至顯示單元120的信號所調變的影像光125。例如，顯示單元120發射包括多個視差影像50(例如，第一至第三視差影像PX1至PX3等)的影像光125。
在液晶光學元件單元110u，液晶層30的液晶的對位是藉由施加反電極21和第一電極11之間的電壓改變。由此，液晶層30的有效折射率的改變；且折射率分佈31形成在液晶層30的內部。因為第一電極11沿著第一方向D1延伸，折射率在第一方向D1為常數。在結合設置第一電極11的位置中，折射率沿第二方向D2改變。換句話說，形成具有沿第一方向D1延伸的雙凸透鏡的配置的透鏡。
因此，例如，液晶光學元件單元110u作用為液晶梯度指數(Gradient Index；GRIN)透鏡。液晶光學元件單元110u的折射率分佈31是可變的。例如，當未施加電壓於反電極21和第一電極11之間，在D1-D2平面 中的折射率大致是均勻的。在這種狀態下，經過液晶光學元件單元110u的光的光路大致不會改變。當施加電壓於反電極21和第一電極11之間，折射率沿著第二方向D2改變。在這種狀態下的光路中的光，經過液晶光學元件單元110u的光的光路被調變。
在液晶光學元件單元110u中，在第一基板單元10u可進一步包括設置在第一主面10a上的另一電極。例如，另一個電極設置在第一電極11之間並沿Y軸方向延伸。例如，另一個電極的電位被設定與反電極21的電位相同。第一電極11對應透鏡終點；且上述另一個電極的位置對應透鏡中心的位置。
如圖1A和圖2所示，液晶透鏡裝置110可以進一步包括控制單元77。控制單元77被電連接到第一電極11和反電極21。控制單元77藉由控制第一電極11的電位和反電極21的電位在液晶層30中形成的折射率分佈31。
例如，影像顯示裝置210在操作狀態中提供二維影像顯示，其中液晶光學元件單元110u大致不調變光路。例如，影像顯示裝置210在操作狀態中提供三維影像顯示，其中液晶光學元件單元110u調變光路。在三維影像顯示期間，立體視覺是用肉眼察覺。
如圖2所示，第一基板單元10u可以進一步包括第一對位膜16。第一對位膜16設置在第一主表面10a上和第一電極11上。第二基板單元20u可以進一步 包括第二對位膜26。第二對位膜26設置在反電極21(包括設置在第二主表面20a上)上。液晶層30的初始對位藉由執行這些對位膜規定的處理形成。
例如，在藉由摩擦形成液晶層30的液晶對位的情況下，第一對位方向L1大致與第一基板單元10u的摩擦方向相符。第二對位方向L2與第二基板單元20u的的摩擦相符。摩擦方向可以藉由觀察或當電壓(特別是直流電壓)被施加到液體晶體層30等時所發生液晶層30的對位的不均勻性(例如，摩擦刮傷等)的各向異性，另外，當旋轉液晶光學元件單元110u的同時，對位方向可藉由測量液晶光學元件單元110u的光學特性以識別。液晶層30的液晶對位可藉由光對位法等形成，並且可以藉由任何方法形成。
圖3A至圖3C是根據第一實施方式繪示液晶透鏡裝置的使用的狀態的示意圖。
圖3A是表示液晶透鏡裝置110和影像顯示裝置210的配置的示意透視圖。圖3B和圖3C是繪示液晶透鏡裝置110和影像顯示裝置210的光軸的示意圖。如圖3A所示，組件被繪製為彼此分開的，以方便查看。
如圖3A所示，顯示單元120的第一偏振層121具有第一透射軸121p。第一透射軸121p是垂直於第一偏振層121(例如，第一偏振層121的延伸方向)的吸收軸的軸。第二偏振層122具有第二透射軸122p。第二透射軸122p是垂直於第二偏振層122(例如，第二偏振 層122的延伸方向)的吸收軸的軸。
在這個例子中，第二偏振層122設置於顯示液晶層123的液晶光學元件的單元110u之間。影像光125從顯示單元120發射，是具有偏振軸P1的偏振光；並且影像光125是入射到液晶光學元件單元110u上。
影像光125是大致直線偏振光。影像光125沿偏振軸P1的振動(電場的振動)的分量大於影像光125沿正交於偏光軸P1的軸振動(電場的振動)的分量。
顯示單元120的配置是任意的。任何配置，例如，VA模式，TN模式，IPS模式等，適用於顯示液晶層123。第一透射軸121p和第二透射軸122p之間的角度藉由使用於顯示用液晶層123中的液晶的模式設定。相位差層(相位差板)，可以設置在選自第一偏振層121和顯示液晶層123之間的區域和第二偏振層122和顯示液晶層123之間的區域的至少一者。
如圖3B所示，偏振軸P1大致平行於於第二對位方向L2。因此，顯示單元120使具有偏振軸P1的偏振光的影像光125入射在液晶光學元件單元110u上。偏振軸P1大致平行於於第二對位方向L2，其是當第二基板單元20u上的液晶分子投射到第一主表面10a上的長軸方向。
換句話說，液晶光學元件單元110u的第二對位方向L2被設定為大致平行於從顯示單元120發射的影 像光125的偏振軸P1。
考慮到製造的震盪等，以及在這種情況下，平行的狀態包括其中角度的絕對值不超過5度的狀態。
換句話說，如圖3C所示，第二對位方向L2和偏振軸P1之間的角度的絕對值(第二角度θ2)是不超過5度。
第一基板10，第二基板20，第一電極11和反電極21可包括，例如，透明(透明於影像光125)的材料。
第一基板10和第二基板20可以包括，例如，玻璃，樹脂等。例如，第一電極11和反電極21包括氧化物，其包括選自由銦，錫，鋅，和鈦組成的群組中的至少一種元素。第一電極11和反電極21可以包括，例如，氧化銦錫。例如，第一電極11和反電極21可以是選自氧化銦和氧化錫中的至少一者。例如，第一電極11和反電極21可以是薄的金屬層。
第一對位膜16和第二對位膜26可包括，例如，樹脂如聚亞醯胺樹脂等。例如，第一對位膜16和第二對位膜26的膜厚是200nm(例如，不小於100nm和不大於300nm)。
例如，液晶層30包括向列型液晶。
包括在液晶層30中的液晶的介電各向異性是，例如，正向的。不施加電壓至液晶層30的狀態被擷取為非啟動狀態。在液晶層30具有臨界電壓的情況下， 非啟動狀態可以是其中被施加的電壓是不超過臨界電壓的狀態。電壓被施加到液晶層30的狀態被擷取為啟動狀態。此電壓大於臨界電壓。例如，在非啟動狀態下，液晶層30有大致水平的對位。在這種狀態下，液晶分子當投射至第一主表面10a的長軸方向時對應於對位方向。在介電各向異性為正向的情況下，在非啟動狀態中液晶的預傾角(導向器和基板的主表面之間的角度)是，例如，不低於0度和不超過30度。
包括在液晶層30中的液晶的介電各向異性可以是負的。例如，在啟動狀態中，其中電壓被施加到液晶層30，液晶層30的液晶分子的長軸方向具有平行於第一主表面10a的分量。在這種狀態下，液晶分子當投射至第一主表面10a的長軸方向時對應於對位方向。在介電各向異性為負向的情況下，在非啟動狀態中液晶的預傾角是，例如，不低於60度和不超過90度。
因此，液晶光學元件單元110u結合顯示單元120使用。結果發現，波紋發生在這樣的使用狀態中。結果發現，這種情況由於設置在顯示單元120中的像素的對位干擾液晶光學元件單元110u的第一電極11的對位而發生。
根據本案的發明人的調查，發現到，波紋被抑制，且波紋實際上不再藉由傾斜第一電極11相對於設置在顯示單元120中的像素對位的延伸方向(第一方向D1)察覺。例如，傾斜角不小於約5度且不超過約45 度。更具體地，角度(第一方向D1和設置在顯示單元120中的像素對位的方向之間的角度)是不小於約7度且不超過約15度。在波紋實際上還沒有察覺的角度根據像素的對位的規格等改變多個視差像素等的數量。
例如，為了抑制波紋，其中設置在顯示單元120中的像素的佈置方向在顯示表面中傾斜的配置可被使用。然而，從顯示裝置的設計和製造的觀點，中，其中像素的佈置方向在表面中傾斜的像素的對位實際上不能採用。換句話說，實際上，設置在顯示單元120中的像素的佈置方向設定垂直或平行於顯示單元120的顯示表面的側的方向。
另一方面，影像光125的偏振軸P1和像素(或顯示表面的側的方向)的佈置方向之間的角度為，例如，0度，45度，或90度是有利的。在這樣的情況下，例如，很容易在顯示用液晶層123中獲得高的光利用效率和高對比度等，其被使用作為顯示單元120。此外，因為偏振層(偏振器)藉由被拉長製造，像素的佈置方向和偏振軸P1之間的角度為0度或90度是有利的以獲得更大的偏振層。
從這樣的觀點，從顯示單元120發射的影像光125的偏振軸P1被固定在預定的角度。例如，雖然藉由使用相位差層等以旋轉偏振軸P1是可能的，但是因為零件的數量增加，難以採用這樣的結構。
因此，為了抑制波紋，調查了在表面中的第 一電極11的延伸方向(第一方向D1)傾斜。然而，發現到，各種問題可能會發生第一電極11的延伸方向(第一方向D1)在表面中傾斜情況下。
在如上所述的液晶光學元件單元110u中，折射率分佈31沿著第二方向D2形成。因此，影像光125的偏振軸P1平行於第二方向D2是合意的。在偏振軸P1相對於沿第二方向D2傾斜和液晶層30的對位是沒有扭轉的平行對位的情況下，偏振軸P1的光的振動方向是相對於液晶分子的長軸傾斜的方向。因此，在這種情況下，形成於液晶層30中的折射率分佈31的有效變化減小。在折射率分佈31的有效變化減小的情況下，調變光行進方向的透鏡效應不再被充分地實現。
本案的發明人調查到除了傾斜在表面中的第一電極11的延伸方向(第一方向D1)，引入扭轉對位至液晶層30。換句話說，具有偏振軸P1的影像光125入射在其上的第二基板單元20u的對位方向(第二對位方向L2)被設定為大致平行於偏振軸P1。然後，液晶的對位從第二基板單元20u到第一基板單元10u被扭轉在液晶層30內部。在第一基板單元10u上，液晶的對位方向(第一對位方向L1)被設定為大致平行於第二方向D2。
由此，在接觸其中光入射在液晶層30上的第二基板單元20u的第二層30b中，光的偏振軸P1與液晶分子的長軸方向相符；並且光入射伴隨著偏振的平面被大致保持。然後，當光行進經過液晶層30時，由於液晶層 30的旋光性，光的偏振的平面旋轉；在其中偏振的平面與液晶分子的長軸的方向相符的狀態被維持。然後，在第一基板單元10u上的第一層30a中，光的偏振的平面大致平行於第二方向D2。由此，獲得大的折射率的改變。
在本實施方式中，當保持折射率相對於入射的影像光125大效果的改變的同時，波紋可以被抑制。根據實施方式，可以設置具有良好的光學特性的影像顯示裝置和液晶透鏡裝置。
在這個例子中，是偏振光的影像光125藉由包括在顯示單元120中的第二偏振層122形成。實施方式不限於此；且對應第二偏振層122的部可以被包括在液晶透鏡裝置110中。
換句話說，除了單元10u的第一基板，第二基板單元20u，和液晶層30之外，液晶透鏡裝置110可以進一步包括偏振層(例如，示於圖3A的第二偏振層122)。第二基板單元20u設置在第一基板單元10u和偏振層(第二偏振層122)之間。偏振層(例如，第二偏振層122)使具有平行於第二對位方向L2的偏振軸的偏振光(例如，影像光125)經由第二基板單元20u入射在液晶層30上，其中第二對位方向L2是當第二基板單元20u的液晶分子投射到第一主表面10a上時的長軸方向。以及在這種情況下，可以提供具有良好光學特性的液晶透鏡裝置。偏振層(例如，第二偏振層122)可被認為包括在液晶光學元件單元110u中。
如圖3A所示，考慮到實際裝置配置，這是有利的顯示單元120的外部形式的一側120s(在延伸方向中)是平行或垂直於液晶光學元件單元110u的外部形式的一側110s(在延伸方向中)。外部形式在這些角度傾斜的情況下是大的。
另一方面，液晶光學元件單元110u的外部形式具有平行於第一主表面10a的側110s。第二對位方向L2平行或垂直於側110s的延伸方向是有利的。由此，裝置的外部形式結合顯示單元120可以是小的。
第一方向D1和側110s延伸方向之間的角度不小於5度且不大於45度或小於45度且不大於85度是有利的。第二方向D2和側110s延伸方向之間的角度不小於5度且不大於45度或小於45度且不大於85度是有利的。由此，當抑制波紋同時，裝置的外部形式可以是小的。
圖4是根據第一實施方式繪示液晶透鏡裝置的特性的曲線圖。
圖4繪示液晶透鏡裝置110的液晶光學元件單元110u的折射率分佈31的模擬結果。
在模擬中，第一電極11(第一電極11沿第二方向D2的中心之間的距離)的配置間距為480μm，和第一電極11的寬度(沿第二方向D2的長度)為20μm。液晶層30的厚度為75μm。
第一方向D1和第二對位方向L2之間的角度 (電極延伸角度θe1)為80度。換言之，第二方向D2和第二對位方向L2之間的角度(電極正交角度θe2)為10度。液晶層30的扭轉角θLC0是10度。第二對位方向L2平行於入射光(對應於影像光125)的偏振軸P1。
圖4的水平軸是沿第二方向D2的位置x2，並且被規一化，使得第一電極11的配置間距的1/2為1。垂直軸是液晶層30的折射率內夫。折射率內夫被歸一化，使得最大值是1。
如圖4所示，折射率內夫在第一電極11之間改變，並獲的良好的透鏡特性。圖4是折射率分佈31的一個例子；折射率分佈31的特性(配置)根據所施加的電壓改變。
圖5是根據第一實施方式繪示液晶透鏡裝置的特性的曲線圖。
圖5繪示液晶光學元件單元的折射率分佈31的模擬的結果。在此模擬中，液晶層30的扭轉角θLC0被改變。換句話說，有效折射率內夫使用用於情況決定，其中扭轉角θLC0是5度(液晶透鏡裝置110a)，10度(液晶透鏡裝置110b)，45度(液體內夫晶體透鏡裝置110c的)，0度(液晶透鏡裝置118)，和90度(液晶透鏡裝置119)。在這種情況下，第二方向D2和第二對位方向L2之間的角度(電極正交角度θe2)與扭轉角θLC0相同。圖5的水平軸是沿第二方向D2的位置x2，繪示的配置間距的1/2的範圍，並且被規一化，使得第一電極11 的配置間距的1/2為1。
如圖5所示，用於其中的扭轉角θLC0是5度，10度，45度之液晶透鏡裝置110a和110b和110c的內夫折射率特性大致與用於其中的扭轉角θLC0是0度之液晶透鏡裝置118的內夫折射率特性相符合。如圖5所示，液晶透鏡裝置110a和110b和110c的線大致覆蓋液晶透鏡裝置118的線。
相反地，在用於液晶透鏡裝置119的扭轉角θLC0的是90度的情況下，折射率內夫的特性自液晶透鏡裝置118的特性偏離。經考慮認為，這是因為折射率分佈的配置的控制是困難的，由於對位變形相對於電場的行為的改變。
因此，在其中扭轉角θLC0不超過45度的情況下，當扭轉角θLC0的是0度時，獲得相同的折射率特性。
圖6是根據第一實施方式繪示液晶透鏡裝置的特性的曲線圖。
圖6繪示發射自液晶光學元件單元110u的光的透射率的模擬結果，在的液晶光學元件單元110u和顯示單元120被堆疊的情況下。在此模擬中，從顯示單元120發射的影像光125的偏振軸P1平行於X軸方向(例如，水平軸)。第二對位方向L2和正交於第一電極11的延伸方向的第二方向D2之間的角度(電極正交角度θe2)被改變為0度至45度的範圍內。模擬被執行用於有關其 中扭轉角θLC0是電極正交角度θe2(扭轉對位的液晶透鏡裝置110)的情況以及其中扭轉角θLC0的是0度(平行對位的液晶透鏡裝置118)的情況的特性。圖6的水平軸是電極正交角度θe2。垂直軸是有關具有偏振軸P1(對應於影像光125)的光的透射率Tr。透射率Tr被歸一化，使得最大值是1。
如圖6所示，在平行對位的液晶透鏡裝置118中，當第一電極11的角度(電極正交角度θe2)增加時，透射率Tr顯著降低。
相反地，在具有扭轉對位的液晶透鏡裝置110中沒有觀察到透射率Tr的下降，使得扭轉角θLC0與電極正交角度θe2是相同的。
從圖5和圖6中所示的特性，對於扭轉角θLC0(即，在電極正交角度θe2)不超過45°是有利的。從抑制波紋的觀點考慮，對於電極正交角度θe2被設定為不小於5°是有利的。換句話說，對於扭轉角θLC0被設定為不小於5°的是有利的。
在第一電極11的延伸方向和液晶的對位方向在本實施方式中是嚴格正交的情況下，當施加的電壓時，反向傾斜可能發生在第一電極11的週邊，其中液晶分子的傾斜方向顛倒。結果發現，反向傾斜可以經由相對於第一電極11的延伸方向稍微傾斜液晶的對位方向抑制。因此，例如，第一對位方向L1和正交於第一電極11的延伸方向的第二方向D2之間的角度的絕對值可以設定為大於 0度且不大於5度。由此，可以抑制反向傾斜，可以得到更好的特性。
第二實施方式
圖7是根據第一實施方式繪示液晶透鏡裝置的配置的示意透視圖。如圖7所示，根據實施方式的液晶透鏡裝置111包括液晶光學元件單元110u。液晶透鏡裝置111可以進一步包括控制單元77。
液晶光學元件單元110u包括第一基板單元10u，第二基板單元20u，和液晶層30。液晶透鏡裝置111的第一基板單元10u和液晶層30的配置可以是與液晶透鏡裝置110的配置相同的，因此省略說明。
以及在液晶透鏡裝置111中，第二基板單元20u包括第二基板20和反電極21。反電極21設置在第二基板20的第二主表面20a上。在本實施方式中，反電極21具有的狹縫21s。例如，狹縫21s在正交於對位方向(即，第二對位方向L2)延伸，其是當第二基板單元20u的液晶分子被投射到第一主表面10a上的長軸方向。然而，實施方式並不限於此。狹縫21s的延伸方向可以相對於第二對位方向L2傾斜。
在這個例子中，反電極21具有帶配置。反電極21的帶配置的寬度(劃分狹縫21s的部的寬度)比第一電極11的寬度寬。
藉由在反電極21中作出狹縫以控制形成在液 晶層30中的折射率分佈31變得更容易。
在該液晶層30中，以及在這種情況下，第一對位方向L1是大致正交於第一方向D1，當被投射到第一主表面10a上時，其是在第一基板單元10u上的液晶分子的長軸的方向。液晶層30沿垂直於第一主表面10a的軸具有扭轉的角度不小於5度且不超過45度的對位。
由此，結合顯示單元120可以抑制波紋，同時保持了大的折射率的變化。另外，可以保持高透射率。
影像顯示裝置210可以包括以上所述的液晶透鏡裝置111和顯示單元120。以及在這種情況下，顯示單元120導致的影像光125入射在液晶光學元件單元110u上。影像光125是具有偏振軸P1的偏振光。偏振軸P1是平行於第二對位方向L2。當被投射至第一主表面10a上時，第二對位方向L2是在第二基板單元20u上的液晶分子的長軸方向。
根據實施方式，提供具有良好光學特性的液晶透鏡裝置和影像顯示裝置。
在本案說明書中，「垂直」和「平行」不僅指嚴格垂直和嚴格平行，而且包括，例如，由於製造過程的震盪等。其足以作為大致垂直和大致平行。
以上，本發明的實施方式參考具體例子描述。然而，本發明的實施方式不局限於這些具體的例子。例如，本領域的技術人員在本領域中可以類似地實施本發明，藉由適當地選擇包括在液晶透鏡裝置中的組件的特定 配置，如第一基板單元，第二基板單元，液晶層，第一基板，第一電極，第二基板，反電極，和控制單元，和影像顯示裝置的特定配置，如顯示單元，和顯示單元的組件等，從已知技術中，這種實務被包括在本發明的範圍內到獲得同樣的效果的程度。
此外，具體例子的任何兩個或兩個以上的組件可在技術可行性的程度內被結合，並包括在本發明的範圍之內到包括本發明的精神的程度。
此外，所有藉由本領域的技術人員根據上述作為本發明的實施方式中所述的液晶透鏡裝置和影像顯示裝置適當的設計變更的切實可行的液晶透鏡裝置和影像顯示裝置，也可以是在本發明的範圍之內到包括本發明的精神的程度。
本領域技術人員可以在本技術領域本發明的精神範圍內設想各種其它的改變和修改，並且應當理解，這些變化和修改也包含在本發明的範圍之內。
雖然已經描述了某些實施方式，這些實施方式的僅作為示例的方式，並且不打算限制本發明的範圍。事實上，本文所述新穎的實施方式可以各種其他形式來實施，此外，以本文所描述的實施方式的形式的各種省略，替代和變化可以在不脫離本發明的精神之下完成。所附申請專利範圍及其等效物意在涵蓋將落在本發明的範圍和精神內的這樣的形式或修改。
20‧‧‧第二基板
20a‧‧‧第二主表面
20u‧‧‧第二基板單元
21‧‧‧反電極
30‧‧‧液晶層
30a‧‧‧第一層
30b‧‧‧第二層
10‧‧‧第一基板
10a‧‧‧第一主表面
10u‧‧‧第一基板單元
11‧‧‧第一電極
77‧‧‧控制單元
110‧‧‧液晶透鏡裝置
L1‧‧‧第一對位方向
L2‧‧‧第二對位方向
D1‧‧‧第一方向
D2‧‧‧第二方向
θLC0‧‧‧扭轉角
θLC1‧‧‧第一對位角
θLC2‧‧‧第二對位角
θe1‧‧‧電極延伸角
θe2‧‧‧電極正交角
θ1‧‧‧第一角度
110u‧‧‧液晶光學元件單元

Claims (20)

  1. 一種影像顯示裝置，包含：一液晶透鏡裝置，包括一液晶光學元件單元，該液晶光學元件單元包括一第一基板單元，包括一第一基板，具有一第一主表面，以及多個第一電極，設置於該第一主表面上以沿一第一方向延伸，該第一電極配置在不平行於該第一方向的一方向，一第二基板單元，包括一第二基板，具有與該第一主表面相對的一第二主表面，以及一反電極，設置於該第二主表面上，以及一液晶層，設置於該第一基板單元和該第二基板單元之間，該液晶層具有一第一對位方向和一第二對位方向，該第一對位方向是在該第一基板單元上的液晶分子當被投射到該第一主表面上時的一長軸方向，該第一對位方向正交於該第一方向，該第二對位方向是在該第二基板單元上的液晶分子當被投射到該第一主表面上時的一長軸方向，該液晶層沿著該第一主表面的一法線方向軸具有介於該第一對位方向和該第二對位方向之間扭轉不小於5度且不超過45度的一角度之一對位；以及一影像顯示單元，包括一顯示單元，該第二基板單元設置於該第一基板單元和該顯示單元之間，該顯示單元配 置以造成具有平行於該第二對位方向的一偏振軸之偏振光的影像光被入射在該液晶光學元件單元上。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中該反電極包括一狹縫。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之裝置，其中該狹縫沿垂直於該第二對位方向的一方向延伸。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之裝置，其中藉由該狹縫劃分之該反電極的一部的一寬度比該第一電極的一寬度寬。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之裝置，更包含電連接該第一電極和該反電極的一控制單元，該控制單元藉由控制該第一電極的一電位和該反電極的一電位配置以在該液晶層中形成一折射率分佈。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中該第一基板單元更包含設置於該第一電極上的一第一對位膜，以及該第二基板單元更包含設置於該反電極上的一第二對位膜。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中該液晶層具有不少於0度且不多於30度的一預傾斜角度。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中該第一基板，該第二基板，該第一電極，和該反電極對該影像光是透明的。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之裝置，其中該第一電極和該反電極包括一氧化物，其包括選自由銦，錫，鋅，和鈦所組成的群組之至少一元素。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中介於該第一方向和設置於該顯示單元中的像素的一對位的一方向之間的一角度不少於7度且不多於15度。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中該顯示單元包括複數個像素，該像素的一對位的一方向垂直於該偏振軸或平行於該偏振軸。
  12. 如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中該顯示單元包括一第一偏振層，一第二偏振層，和設置於該第一偏振層和該第二偏振層之間的一顯示液晶層。
  13. 如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中該第二對位方向平行或垂直於該液晶光學元件單元的一外部形狀的一側的一延伸方向，該側平行於該第一主表面。
  14. 如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中介於該第一方向和該液晶光學元件單元的一外部形狀的一側的一延伸方向之間的一角度不少於5度且不多於45度或不少於45度且不多於85度，該側平行於該第一主表面。
  15. 如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中介於第二方向和該液晶光學元件單元的一外部形狀的 一側的一延伸方向之間的一角度不少於5度且不多於45度或不少於45度且不多於85度，該第二方向平行於該第一主表面並垂直於該第一方向，該側平行於該第一主表面。
  16. 一種影像顯示裝置，包含：一液晶透鏡裝置，包括一液晶光學元件單元，該液晶光學元件單元包括一第一基板單元，包括一第一基板，具有一第一主表面，以及多個第一電極，設置於該第一主表面上以沿一第一方向延伸，該第一電極配置在不平行於該第一方向的一方向，一第二基板單元，包括一第二基板，具有與該第一主表面相對的一第二主表面，以及一反電極，設置於該第二主表面上，以及一液晶層，設置於該第一基板單元和該第二基板單元之間，該液晶層具有一第一對位方向和一第二對位方向，該第一對位方向是在該第一基板單元上的液晶分子當被投射到該第一主表面上時的一長軸方向，介於該第一對位方向和一第二方向之間的一角度的一絕對值是多於0度且不多於5度，該第二方向平行於該第一主表面且垂直於該第一方向，該第二對位方向是在該第二基板單元上的液晶分子當被投射到該第一主表面上時的一長軸方向，該液 晶層沿著該第一主表面的一法線方向軸具有介於該第一對位方向和該第二對位方向之間扭轉不小於5度且不超過45度的一角度之一對位；以及一影像顯示單元，包括一顯示單元，該第二基板單元設置於該第一基板單元和該顯示單元之間，該顯示單元配置以造成具有平行於該第二對位方向的一偏振軸之偏振光的影像光被入射在該液晶光學元件單元上。
  17. 一種液晶透鏡裝置，包含一液晶光學元件單元，該液晶光學元件單元包括：一第一基板單元，包括一第一基板，具有一第一主表面，以及多個第一電極，設置於該第一主表面上以沿一第一方向延伸，該第一電極配置在不平行於該第一方向的一方向，一第二基板單元，包括一第二基板，具有與該第一主表面相對的一第二主表面，以及一反電極，設置於該第二主表面上，以及一液晶層，設置於該第一基板單元和該第二基板單元之間，一第一對位方向正交於該第一方向，該第一對位方向是在該第一基板單元上的液晶分子當被投射到該第一主表面上時的一長軸方向，該液晶層沿著該第一主表面的一法線方向軸具有扭轉不小於5度且不超過45度的一角度之一對位。
  18. 如申請專利範圍第17項所述之裝置，其中該反電極包括一狹縫。
  19. 如申請專利範圍第17項所述之裝置，更包含電連接該第一電極和該反電極的一控制單元，該控制單元藉由控制該第一電極的一電位和該反電極的一電位配置以在該液晶層中形成一折射率分佈。
  20. 如申請專利範圍第17項所述之裝置，更包含一偏振層，該第二基板單元設置於該第一基板單元和該偏振層之間，該偏振層配置以經由該第二基板單元造成偏振光被入射在該液晶層上，該偏振光具有平行於一第二對位方向的一偏振軸，該第二對位方向是在該第二基板單元上的液晶分子當被投射到該第一主表面上時的一長軸方向。
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