WO2013105240A1 - 液晶光学素子及び立体画像表示装置 - Google Patents

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electrode
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image display
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岐津　裕子
上原　伸一
亜矢子 高木
正子 柏木
伊藤　真知子
馬場　雅裕
山口　一
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株式会社 東芝
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Definitions

  • Embodiments described herein relate generally to a liquid crystal optical element and a stereoscopic image display apparatus.
  • a liquid crystal optical element that utilizes the birefringence of liquid crystal molecules and changes the refractive index distribution in response to voltage application.
  • this stereoscopic image display device by changing the refractive index distribution of the liquid crystal optical element, the state in which the image displayed on the image display unit is directly incident on the observer's eyes and the image displayed on the image display unit are displayed. Switching between a state in which a plurality of parallax images are incident on the observer's eyes. Thereby, a high-definition two-dimensional pixel display operation and a stereoscopic three-dimensional image display operation with the naked eye using a plurality of parallax images are realized. In such a display device, an easy-to-see display is required.
  • Embodiments of the present invention provide a liquid crystal optical element and a stereoscopic image display device that enable easy-to-view display.
  • a liquid crystal optical element including a first substrate unit, a second substrate unit, and a liquid crystal layer.
  • the first substrate unit includes a first substrate and a first electrode.
  • the first substrate has a first main surface.
  • the first electrode is provided on the first main surface.
  • the first electrode extends along a first direction.
  • the second substrate unit includes a second substrate and a first counter electrode.
  • the second substrate has a second main surface facing the first main surface.
  • the first counter electrode is provided on the second main surface and faces the first electrode.
  • the liquid crystal layer is provided between the first substrate unit and the second substrate unit. A first portion of the liquid crystal layer on the first substrate portion side is vertically aligned.
  • the second portion of the liquid crystal layer on the second substrate portion side has a horizontal alignment in which the major axis of the liquid crystal molecules is along the second direction.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a stereoscopic image display device according to a first embodiment.
  • 1 is a schematic perspective view showing a part of a stereoscopic image display apparatus according to a first embodiment.
  • 1 is a schematic cross-sectional view showing a part of a stereoscopic image display device according to a first embodiment.
  • 1 is a schematic cross-sectional view showing a part of a stereoscopic image display device according to a first embodiment.
  • FIG. 5A and FIG. 5B are schematic cross-sectional views showing a part of the stereoscopic image display apparatus according to the first embodiment.
  • FIG. 6A and FIG. 6B are schematic cross-sectional views showing the configuration of the reference example.
  • FIG. 7B are photographs showing the characteristics of the reference example.
  • FIG. 8A and FIG. 8B are graphs showing the characteristics of the reference example. It is a graph which shows the characteristic of the stereo image display apparatus which concerns on 1st Embodiment. It is a typical sectional view showing another stereoscopic image display device concerning a 1st embodiment. It is a typical sectional view showing another stereoscopic image display device concerning a 1st embodiment. It is a typical perspective view which shows another three-dimensional image display apparatus which concerns on 1st Embodiment. It is a typical perspective view which shows another three-dimensional image display apparatus which concerns on 1st Embodiment. It is typical sectional drawing which shows the three-dimensional image display apparatus which concerns on 2nd Embodiment.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view illustrating the configuration of the stereoscopic image display apparatus according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a schematic perspective view illustrating the configuration of a part of the stereoscopic image display apparatus according to the first embodiment.
  • FIG. 1 schematically shows a cross section taken along line A1-A2 of FIG.
  • the stereoscopic image display device 210 includes a liquid crystal optical element 110, an image display unit 120, and a control circuit 130.
  • the image display unit 120 has an image display surface 120a for displaying an image.
  • the image display surface 120a has a rectangular shape, for example.
  • the liquid crystal optical element 110 is provided on the image display surface 120a.
  • the liquid crystal optical element 110 covers, for example, the entire image display surface 120a.
  • the liquid crystal optical element 110 functions as, for example, a liquid crystal GRIN lens (Gradient Index lens).
  • the refractive index distribution of the liquid crystal optical element 110 can be changed.
  • One state of the refractive index distribution corresponds to a first state in which the image displayed on the image display surface 120a is directly incident on the eye of the observer, and another state of the refractive index distribution is displayed on the image display unit 120. This corresponds to a second state in which the obtained image is incident on the observer's eyes as a plurality of parallax images.
  • a two-dimensional image display (hereinafter referred to as 2D display) and a three-dimensional view that can be stereoscopically viewed with the naked eye.
  • Image display (hereinafter referred to as 3D display) can be selectively switched.
  • the control circuit 130 is electrically connected to the liquid crystal optical element 110.
  • the control circuit 130 is further electrically connected to the image display unit 120.
  • the control circuit 130 controls the operations of the liquid crystal optical element 110 and the image display unit 120.
  • the control circuit 130 switches between the first state and the second state of the liquid crystal optical element 110.
  • a video signal is input to the control circuit 130 by a recording medium or an external input.
  • the control circuit 130 controls the operation of the image display unit 120 based on the input video signal. An image corresponding to the input video signal is displayed on the image display surface 120a.
  • the control circuit 130 may be included in the image display unit 120.
  • control circuit 130 When performing 2D display, the control circuit 130 sets the liquid crystal optical element 110 to the first state and causes the image display unit 120 to display an image for 2D display. On the other hand, when performing 3D display, the control circuit 130 places the liquid crystal optical element 110 in the second state and causes the image display unit 120 to display an image for 3D display.
  • the liquid crystal optical element 110 includes a first substrate unit 11 s, a second substrate unit 12 s, and a liquid crystal layer 30.
  • the first substrate unit 11 s includes the first substrate 11, the first electrode 21, and the second electrode 22.
  • the second substrate unit 12 s includes the second substrate 12 and the first counter electrode 23.
  • the first substrate 11 has a first main surface 11a.
  • the second substrate 12 has a second main surface 12a facing the first main surface 11a.
  • a plurality of first electrodes 21 are provided on the first major surface 11a.
  • the plurality of first electrodes 21 each extend along the first direction and are arranged at intervals in a second direction perpendicular to the first direction.
  • the interval between the plurality of first electrodes 21 is, for example, constant.
  • the shape of the first electrode 21 is, for example, a substantially rectangular shape.
  • the direction perpendicular to the first main surface 11a and the second main surface 12a is taken as the Z-axis direction.
  • One direction perpendicular to the Z-axis direction is taken as an X-axis direction.
  • a direction perpendicular to each of the Z-axis direction and the X-axis direction is taken as a Y-axis direction.
  • the Y-axis direction is the first direction.
  • the X-axis direction is the second direction.
  • it may be an arbitrary direction perpendicular to the Z-axis direction
  • the first direction may be an arbitrary direction along the first main surface 11a.
  • the first major surface 11a is substantially parallel to the second major surface 12a.
  • one of the two mutually perpendicular sides of the rectangular image display surface 120a is parallel to the X-axis direction, and the other side is parallel to the Y-axis direction.
  • the direction of the side of the image display surface 120a is not limited to this, and may be any direction perpendicular to the Z-axis direction.
  • the second electrode 22 extends along the first direction and is spaced from the first electrode 21 in the second direction.
  • the second electrode 22 is provided between each of the plurality of first electrodes 21.
  • the second electrode 22 is disposed substantially at the center between two adjacent first electrodes 21.
  • the first electrode 21 and the second electrode 22 are alternately arranged in the X-axis direction.
  • a plurality of second electrodes 22 are also provided on the first major surface 11a.
  • the shape of the second electrode 22 is a rectangular shape extending along the Y-axis direction.
  • the length of the first electrode 21 and the second electrode 22 in the Y-axis direction is slightly longer than the length of the image display surface 120a in the Y-axis direction.
  • the first electrode 21 and the second electrode 22 cross the image display surface 120a in the Y-axis direction.
  • One end of the plurality of first electrodes 21 is connected to the first wiring portion 41.
  • the shape including the plurality of first electrodes 21 and the first wiring portion 41 is a comb blade shape.
  • the plurality of second electrodes 22 are connected to the second wiring part 42 at the end opposite to the first electrode 21.
  • By applying a voltage to the second wiring part 42 it is possible to apply a voltage to each of the plurality of second electrodes 22.
  • the second substrate unit 12s faces the first substrate unit 11s.
  • the second main surface 12a of the second substrate 12 faces the first main surface 11a.
  • the first counter electrode 23 is provided on the second major surface 12a.
  • the first counter electrode 23 faces each of the plurality of first electrodes 21 and the plurality of second electrodes 22.
  • the first counter electrode 23 is larger than the first electrode 21 and covers the first electrode 21 when viewed in the Z-axis direction.
  • the first counter electrode 23 has a portion 23 b that faces the plurality of first electrodes 21 and a portion 23 c that faces the second electrode 22.
  • the first counter electrode 23 has a third main surface 23a, and the third main surface 23a includes a portion 23b that faces the plurality of first electrodes 21, a portion 23c that faces the second electrode 22, Have
  • the first electrode 21, the second electrode 22, and the first counter electrode 23 are electrically connected to the control circuit 130 by wiring not shown. Application of voltage (setting of potential) to the first electrode 21, the second electrode 22, and the first counter electrode 23 is controlled by the control circuit 130. Switching between the first state and the second state of the liquid crystal optical element 110 is performed by applying a voltage (setting a potential) to the first electrode 21, the second electrode 22, and the first counter electrode 23.
  • the liquid crystal layer 30 is provided between the first substrate unit 11s and the second substrate unit 12s.
  • the liquid crystal layer 30 includes a liquid crystal material 36 including a plurality of liquid crystal molecules 35.
  • the liquid crystal material 36 is a liquid crystalline medium.
  • nematic liquid crystal is used for the liquid crystal layer 30, for example.
  • the dielectric anisotropy of the liquid crystal layer 30 is positive or negative.
  • a nematic liquid crystal having positive dielectric anisotropy is used as the liquid crystal layer 30 will be described.
  • a first alignment film 31 is provided between the first substrate unit 11 s and the liquid crystal layer 30.
  • the first alignment film 31 vertically aligns the liquid crystal molecules 35.
  • a second alignment film 32 is provided between the second substrate unit 12 s and the liquid crystal layer 30.
  • the second alignment film 32 horizontally aligns the liquid crystal molecules 35. Further, the second alignment film 32 directs the director (long axis) of the liquid crystal molecules 35 in the X-axis direction.
  • the liquid crystal material 36 is on the first substrate 11 side in a state where no voltage is applied to the plurality of first electrodes 21, the plurality of second electrodes 22, and the first counter electrode 23 (state illustrated in FIG. 1).
  • hybrid alignment Hybrid Aligned Nematic: HAN alignment
  • the first portion 30p of the liquid crystal layer 30 on the first substrate portion 11s side is vertically aligned.
  • the second portion 30 h on the second substrate portion 12 s side of the liquid crystal layer 30 has a horizontal alignment in which the major axis of the liquid crystal molecules 35 is along the X-axis direction.
  • the horizontal alignment includes, for example, a state in which the major axis of the liquid crystal molecules 35 is in the range of 0 ° to 30 ° when the direction perpendicular to the Z-axis direction is 0 °.
  • the vertical alignment includes, for example, a state in which the major axis of the liquid crystal molecules 35 is in the range of 60 ° to 90 °. That is, the pretilt angle in the horizontal alignment is 0 ° or more and 30 ° or less. The pretilt angle in the vertical alignment is not less than 60 ° and not more than 90 °.
  • a transparent material is used for the first substrate 11, the second substrate 12, the first electrode 21, the second electrode 22, and the first counter electrode 23.
  • the light including the image displayed on the image display unit 120 passes through them.
  • the first electrode 21, the second electrode 22, and the first counter electrode 23 include, for example, an oxide containing at least one element selected from the group consisting of In, Sn, Zn, and Ti.
  • ITO is used for the first electrode 21, the second electrode 22, and the first counter electrode 23.
  • a thin metal layer may be used for the first electrode 21, the second electrode 22, and the first counter electrode 23.
  • a resin such as polyimide is used for the first alignment film 31 and the second alignment film 32. The material of the first alignment film 31 is different from the material of the second alignment film 32.
  • a material having a relatively small surface energy is used for the first alignment film 31, and a material having a relatively large surface energy is used for the second alignment film 32.
  • a material having a relatively small surface energy is used for the first alignment film 31, and a material having a relatively large surface energy is used for the second alignment film 32.
  • materials used for the first electrode 21, the second electrode 22, and the first counter electrode 23 are used for the first wiring part 41 and the second wiring part 42.
  • the liquid crystal optical element 110 includes the first substrate unit 11s, the second substrate unit 12s, and the liquid crystal layer 30.
  • the first substrate unit 11 s includes the first substrate 11, a plurality of first electrodes 21, and a second electrode 22.
  • the first substrate 11 has a first main surface 11a.
  • the plurality of first electrodes 21 are provided on the first major surface 11a.
  • the plurality of first electrodes 21 extend along the first direction and are spaced apart in a second direction perpendicular to the first direction.
  • the second electrode 22 is provided between the plurality of first electrodes 21.
  • the second substrate unit 12 s includes the second substrate 12 and the first counter electrode 23.
  • the second substrate 12 has a second main surface 12a facing the first main surface 11a.
  • the first counter electrode 23 is provided on the second major surface 12 a and faces the plurality of first electrodes 21 and second electrodes 22.
  • the liquid crystal layer 30 is provided between the first substrate unit 11s and the second substrate unit 12s.
  • the first portion 30p of the liquid crystal layer 30 on the first substrate portion 11s side is vertically aligned.
  • the second portion 30h of the liquid crystal layer 30 on the second substrate portion 12s side is horizontally aligned with the long axis of the liquid crystal molecules 35 extending in the second direction.
  • the image display unit 120 has a plurality of pixel groups 50 arranged in a two-dimensional matrix.
  • the image display surface 120a is formed by the plurality of pixel groups 50.
  • the pixel group 50 includes a first pixel PX1, a second pixel PX2, and a third pixel PX3.
  • pixels PX when the first pixel PX1 to the third pixel PX3 are combined, they are referred to as pixels PX.
  • the pixel group 50 is disposed to face the area AR1 between the two adjacent first electrodes 21.
  • the pixel group 50 faces the second electrode 22.
  • the first pixel PX1 to the third pixel PX3 included in the pixel group 50 are arranged in the X-axis direction.
  • the plurality of pixels PX included in the pixel group 50 is not limited to three, and may be two or four or more.
  • the image display unit 120 emits light including an image to be displayed on the image display surface 120a, for example.
  • This light is in a linearly polarized state that travels substantially in the Z-axis direction.
  • the polarization axis of this linearly polarized light (azimuth axis in the XY plane of the vibration plane of the electric field) is the X-axis direction. That is, the polarization axis of this linearly polarized light is parallel to the director (long axis) of the liquid crystal molecules 35 on the second substrate portion 12s side.
  • This linearly polarized light is formed, for example, by arranging an optical filter (polarizer) having a polarization axis in the X-axis direction on the optical path.
  • the liquid crystal optical element 110 When the liquid crystal optical element 110 is switched from the first state to the second state, for example, a voltage is applied to the plurality of first electrodes 21 and the plurality of second electrodes 22 and the first counter electrode 23 are grounded. That is, the absolute value of the voltage between the first electrode 21 and the first counter electrode 23 is set larger than the absolute value of the voltage between the second electrode 22 and the first counter electrode 23. For example, the effective value of the voltage between the first electrode 21 and the first counter electrode 23 is made larger than the effective value of the voltage between the second electrode 22 and the first counter electrode 23.
  • FIG. 3 is a schematic cross-sectional view illustrating the configuration of a part of the stereoscopic image display apparatus according to the first embodiment.
  • the first alignment film 31 and the second alignment film 32 are not shown for convenience.
  • an electric force line EL is generated around the first electrode 21.
  • the electric lines of force EL have, for example, a symmetrical distribution with the first electrode 21 as the center.
  • FIG. 4 is a schematic cross-sectional view illustrating the configuration of a part of the stereoscopic image display apparatus according to the first embodiment.
  • the orientation of the liquid crystal molecules 35 in the dense region (that is, the strong electric field region) of the electric lines of force EL is in the path of the electric lines of force EL. Deform along.
  • the liquid crystal molecules 35 that are horizontally aligned on the second substrate 12 side are close to vertical alignment.
  • the liquid crystal molecules 35 remain in horizontal alignment.
  • the angle of the liquid crystal molecules 35 changes so as to gradually approach the vertical alignment from the second electrode 22 toward the first electrode 21.
  • the liquid crystal molecules 35 change the major axis angle of the liquid crystal molecules 35 in the ZX plane along the electric field lines EL.
  • the angle of the major axis of the liquid crystal molecules 35 changes with the Y axis as the rotation axis.
  • the liquid crystal molecules 35 are birefringent.
  • the refractive index for the polarized light in the major axis direction of the liquid crystal molecules 35 is higher than the refractive index in the minor axis direction of the liquid crystal molecules 35.
  • the refractive index of the liquid crystal layer 30 relating to linearly polarized light traveling in the Z-axis direction and having the polarization axis in the X-axis direction is the second electrode 22 in the liquid crystal layer 30. And gradually decreases from the portion facing the second electrode 22 toward the portion facing the first electrode 21. Thereby, a convex lens-like refractive index distribution is formed.
  • the first electrode 21 and the second electrode 22 extend along the Y-axis direction.
  • the refractive index distribution of the liquid crystal layer 30 at the time of voltage application is a cylindrical lens shape extending along the Y-axis direction.
  • a plurality of first electrodes 21 and second electrodes 22 are alternately arranged in the X-axis direction.
  • the refractive index distribution of the liquid crystal layer 30 when a voltage is applied is a lenticular lens shape in which a plurality of cylindrical lenses extending in the Y-axis direction are arranged in the X-axis direction when viewed in the entire liquid crystal layer 30.
  • the pixel group 50 of the image display unit 120 is disposed to face the area AR1 between the two adjacent first electrodes 21.
  • the convex lens-shaped refractive index distribution formed in the liquid crystal layer 30 faces the pixel group 50.
  • the high refractive index portion of the refractive index distribution of the liquid crystal layer 30 faces the second pixel PX ⁇ b> 2 arranged at the center of the pixel group 50.
  • FIG. 5A and FIG. 5B are schematic cross-sectional views illustrating a partial configuration of the stereoscopic image display apparatus according to the first embodiment.
  • the refractive index distribution of the liquid crystal layer 30 when a voltage is applied condenses the light (image) emitted from the pixel group 50 toward the observer's eye OE.
  • an image formed by the plurality of first pixels PX1 included in the image display surface 120a becomes the first parallax image.
  • An image formed by the plurality of second pixels PX2 is a second parallax image.
  • an image formed by the plurality of third pixels PX is a third parallax image.
  • the parallax image for the right eye is selectively incident on the right eye of the observer, and the parallax image for the left eye is selectively incident on the left eye of the observer.
  • 3D display becomes possible. That is, the liquid crystal optical element 110 enters the second state when a voltage is applied.
  • a plurality of pixels PX can be provided with color filters each including the three primary colors of RGB. As a result, color display is possible.
  • the color filter may further include white (colorless) and other color elements in addition to the RGB three primary colors.
  • FIG. 6A and FIG. 6B are schematic cross-sectional views illustrating the configuration of the reference example.
  • FIG. 6A is a schematic cross-sectional view showing a first state of the liquid crystal optical element 119 of the reference example.
  • FIG. 6B is a schematic cross-sectional view showing a second state of the liquid crystal optical element 119 of the reference example.
  • the alignment of the liquid crystal layer 30 is horizontal alignment.
  • the configuration of the liquid crystal optical element 110 is substantially the same.
  • the first alignment film 31 and the second alignment film 32 are aligned in a horizontal alignment in which the major axis of the liquid crystal molecules 35 is directed in the X-axis direction.
  • the liquid crystal molecules 35 of the liquid crystal layer 30 are horizontally aligned in a state where no voltage is applied to the first electrode 21, the second electrode 22, and the first counter electrode 23.
  • the refractive index distribution becomes uniform. Accordingly, the liquid crystal optical element 119 enters the first state when no voltage is applied to the first electrode 21, the second electrode 22, and the first counter electrode 23.
  • the liquid crystal optical element 119 When the liquid crystal optical element 119 is switched from the first state to the second state, for example, a voltage is applied to the plurality of first electrodes 21 and the plurality of second electrodes 22 and the first counter electrode 23 are grounded. Thereby, the electric lines of force EL shown in FIG. 3 are similarly generated. The angle of the liquid crystal molecules 35 changes along the electric lines of force EL, and a convex lens-like refractive index distribution appears. By applying a voltage to the first electrode 21, the second electrode 22, and the first counter electrode 23, the first state is changed to the second state.
  • the liquid crystal optical element 119 of the reference example has been found to have the following problems.
  • FIG. 7A and FIG. 7B are photographs illustrating characteristics of the reference example.
  • FIG. 7A is a photograph illustrating a state in which the liquid crystal optical element 119 in the second state (voltage application state) is observed under parallel Nicols.
  • FIG. 7B is a photograph illustrating a state in which the liquid crystal optical element 119 is observed under crossed Nicols. In these photographs, the liquid crystal optical element 119 is in the second state (voltage application state).
  • a region d1 indicates a portion where the first electrode 21 exists.
  • the direction AO1 of the alignment treatment of the first alignment film 31 is the direction from the left to the right (+ X direction) in the illustrated state.
  • the direction AO2 of the alignment treatment of the second alignment film 32 is a direction from the right to the left ( ⁇ X direction) in the illustrated state.
  • the liquid crystal molecules 35 have a predetermined pretilt angle. When a voltage is applied, a portion where the major axis of the liquid crystal molecules 35 changes according to the pretilt angle and a portion where the major axis changes along the lines of electric force are reversed (reverse tilt portion).
  • FIG. 8A and FIG. 8B are graphs illustrating characteristics of the reference example.
  • FIG. 8A is a graph illustrating the transmittance distribution of the liquid crystal optical element 119.
  • the horizontal axis of FIG. 8A is the position x of the liquid crystal optical element 119 in the X-axis direction.
  • the vertical axis in FIG. 8A represents the relative transmittance ⁇ of the liquid crystal optical element 110 under crossed Nicols when the maximum transmittance of parallel Nicolization is used as a reference for luminance.
  • FIG. 8B is a graph illustrating the refractive index distribution of the liquid crystal optical element 119.
  • the horizontal axis in FIG. 8B is the position x of the liquid crystal optical element 119 in the X-axis direction.
  • 8B is a value ⁇ obtained by normalizing the refractive index n of the liquid crystal layer 30 with the maximum value in the region.
  • a region d1 indicates a portion where the first electrode 21 exists.
  • a region d2 indicates a portion where the second electrode 22 exists.
  • the refractive index increases near the center of the first electrode 21. As shown in FIG. This is due to the torsional strain of the liquid crystal molecules 35.
  • FIG. 8A a region with high luminance is generated on the first electrode 21 (region d1. This is the bright line described with reference to FIGS. 7A and 7B.
  • the liquid crystal optical element 119 of the reference example twist distortion of the liquid crystal molecules 35 occurs, disclination occurs, and the lens performance deteriorates. Further, in the portion where the twist distortion of the liquid crystal molecules 35 is generated, polarization rotation is also induced, which also causes deterioration of the lens performance. As a result, the luminance unevenness becomes apparent on the first electrode 21, that is, in the vicinity of both ends of the refractive index distribution of the convex lens shape.
  • the inventor of the present application examined various measures for suppressing such bright lines generated in the reference example. For example, when homogeneous alignment (horizontal alignment) is used as the liquid crystal layer 30, the use of liquid crystal materials having different elastic constants or changing the pretilt angle using various alignment films has been studied. In addition, the use of a liquid crystal material having a homeotropic alignment (vertical alignment) and a negative dielectric anisotropy was studied. However, in these configurations, it has been difficult to eliminate this bright line. In this experiment, a cell in which an alignment film for horizontal alignment and an alignment film for vertical alignment were combined on the upper and lower substrates, that is, a cell with HAN alignment was produced by chance. The inventor of the present application evaluated this HAN cell and found that the above bright line was not generated.
  • the inventor of the present application has a configuration in which the second electrode 22 is disposed between at least two first electrodes 21 and the first counter electrode 23 is disposed so as to face the first electrode 21 and the second electrode 22. It has been found that the bright lines are not substantially generated by providing the liquid crystal layer 30 of the hybrid alignment which is vertically aligned on the first electrode 21 and second electrode 22 sides and horizontally aligned on the third electrode side.
  • HAN alignment is used as the liquid crystal layer 30.
  • the vertical alignment is performed in the vicinity of the first electrode 21.
  • the liquid crystal molecules 35 can be deformed in any direction with almost the same force. Torsional strain is not induced. For this reason, it is considered that the alignment deformation along the electric lines of force EL naturally appears in the vicinity of the first electrode 21 (see FIG. 4).
  • the part on the second substrate 12 side of the liquid crystal layer 30 of the liquid crystal optical element 110 is horizontally aligned.
  • the projection direction of the major axis of the liquid crystal molecules 35 is regulated.
  • the long axis projection direction of the liquid crystal molecules 35 on the second substrate 12 side coincides with the projection direction regulated by the electric field on the first substrate 11 side.
  • the alignment change of the liquid crystal molecules 35 naturally appears and the twisted alignment is suppressed.
  • the liquid crystal optical element 110 the generation of bright lines due to the torsional strain of the liquid crystal molecules 35 is suppressed, and the crosstalk associated therewith can be suppressed.
  • FIG. 9 is a graph illustrating characteristics of the stereoscopic image display device according to the first embodiment. Specifically, FIG. 9 is a graph illustrating the refractive index distribution of the liquid crystal optical element 110.
  • the horizontal axis in FIG. 9 is the position x of the liquid crystal optical element 110 in the X-axis direction.
  • the vertical axis in FIG. 9 is a value ⁇ obtained by normalizing the refractive index n of the liquid crystal layer 30 with the maximum value in the region.
  • a first electrode 21 is provided in the center of the region d1.
  • the refractive index is the lowest at the portion where the first electrode 21 and the first counter electrode 23 face each other.
  • the relative transmittance ⁇ of the liquid crystal optical element 110 under the crossed Nicols when the maximum transmittance of parallel Nicolization is used as a reference of luminance is less than 0.1% in the entire region at the position x.
  • the liquid crystal optical element 110 neither an abnormal refractive index increase nor an abnormal bright line is observed. That is, in the liquid crystal optical element 110, the generation of bright lines due to the torsional strain of the liquid crystal molecules 35 and the crosstalk associated therewith can be suppressed. Thereby, a parallax image can be favorably separated. Therefore, the liquid crystal optical element 110 can realize good 3D display.
  • a voltage is partially applied to the liquid crystal layer having a substantially uniform thickness to partially change the alignment of the liquid crystal molecules, thereby forming a refractive index distribution.
  • a lens effect appears.
  • the twist of the liquid crystal generated by the competition between the initial alignment of the liquid crystal and the electric field, which is peculiar to such a GRIN lens, and the generation of the bright line due thereto are suppressed by the HAN alignment.
  • the above can be realized by setting the orientation on the side where the first electrode 21 where the twist is generated to be the vertical orientation.
  • the response speed in HAN alignment is slower than that in vertical alignment or horizontal alignment. For this reason, the HAN orientation is not so well used in the field of displays and the like. Further, in order to obtain HAN alignment, different alignment films are used for the upper and lower substrates, so that the manufacturing process is more complicated than vertical alignment and horizontal alignment. Since the liquid crystal optical element according to the present embodiment is used as a lens element for switching between 2D display and 3D display, a slow response speed is not a problem. In addition, as described above, in order to exhibit the unique effect of suppressing the twist of the liquid crystal and suppressing the generation of the bright line, the HAN alignment that makes the manufacture complicated is employed.
  • the liquid crystal optical element 110 can exhibit an effect of changing the traveling direction of light (for example, a prism effect) in addition to the lens effect of condensing (or diverging) light.
  • FIG. 10 is a schematic cross-sectional view illustrating another configuration of the stereoscopic image display device according to the first embodiment.
  • the liquid crystal layer 30 of the liquid crystal optical element 112 exhibits a prismatic (triangular prism) refractive index distribution in the second state.
  • the prismatic refractive index distribution in the liquid crystal layer 30 includes, for example, the magnitude of the voltage applied to the first electrode 21, the width and cross-sectional shape of the first electrode 21 and the second electrode 22, the first electrode 21 and the second electrode 22. And the physical property value of the liquid crystal material used for the liquid crystal layer 35, and the like.
  • the liquid crystal optical element 112 in the second state changes the optical path of the light emitted from the pixel group 50 and causes the light to enter the observer's eye OE.
  • the liquid crystal optical element 112 changes the optical path in this way, and performs 3D display by selectively allowing the light emitted from the plurality of pixels 50 to enter the left and right eyes OE of the observer.
  • the refractive index distribution of the liquid crystal layer 30 using HAN alignment tends to change linearly as compared with vertical alignment and horizontal alignment.
  • the liquid crystal layer 30 using HAN alignment can form a prism-like refractive index distribution.
  • FIG. 11 is a schematic cross-sectional view illustrating another configuration of the stereoscopic image display device according to the first embodiment.
  • a liquid crystal optical element 114 including a liquid crystal layer 30 having a refractive index distribution in a convex lens shape is provided on the image display unit 120, and a prismatic refractive index distribution is provided on the liquid crystal optical element 114.
  • a liquid crystal optical element 112 including the liquid crystal layer 30 may be further provided.
  • the light emission direction is switched by driving the liquid crystal optical element 112 in a time-sharing manner for each parallax image. Thereby, the viewing angle range in which 3D display is possible can be expanded.
  • the focal length of the convex lens of the liquid crystal optical element 114 formed by the refractive index distribution can be made longer than that of the liquid crystal optical element 110.
  • the liquid crystal optical element 114 can be made of a liquid crystal material 36 having a small refractive index anisotropy ( ⁇ n).
  • the electrode configuration can be simplified.
  • the shape of the refractive index distribution of the liquid crystal layer 30 in the second state is not limited to a convex lens shape or a prism shape, and may be a shape that allows stereoscopic viewing with the naked eye.
  • FIG. 12 is a schematic perspective view illustrating another configuration of the stereoscopic image display apparatus according to the first embodiment.
  • the first substrate unit 11s includes a plurality of third electrodes 26 and a plurality of fourth electrodes 27 provided on the first main surface 11a.
  • the plurality of third electrodes 26 extend along a direction perpendicular to the first electrode 21 and the second electrode 22, that is, along the X-axis direction, and are spaced at a certain interval in the Y-axis direction perpendicular to the X-axis direction. Arranged.
  • the fourth electrode 27 is disposed near the center between each of the plurality of third electrodes 26.
  • the interval between the third electrodes 26 corresponds to the width of the plurality of pixel groups 50 in the Y-axis direction. In this example, this corresponds to the width of the two pixel groups 50 arranged in the Y-axis direction.
  • the interval between the third electrodes 26 is not limited to the width of the two pixel groups 50 in the Y-axis direction, and may be the width of three or more pixel groups 50 in the Y-axis direction.
  • the third electrode 26 faces the boundary portion between the two pixel groups 50 adjacent in the Y-axis direction. Therefore, in this example, a rectangular region formed by the plurality of first electrodes 21 and the plurality of third electrodes 26 and the two pixel groups 50 arranged in the Y-axis direction face each other.
  • the plurality of first electrodes 21, the plurality of second electrodes 22, the plurality of third electrodes 26, and the plurality of fourth electrodes 27 are separated from each other, and voltages are individually applied to the respective electrodes. It can be applied.
  • a voltage is applied to the third electrode 26, and the first counter electrode 23 and the fourth electrode 27 are grounded.
  • a cylindrical lens-like refractive index distribution along the X-axis direction can be formed in the liquid crystal layer 30.
  • a voltage is applied to each of the plurality of first electrodes 21 and the plurality of third electrodes 26, and each of the plurality of second electrodes 22, the first counter electrode 23, and the plurality of fourth electrodes 27 is grounded.
  • a refractive index distribution can be formed in a portion of the liquid crystal layer 30 that faces a region surrounded by each of the plurality of first electrodes 21 and the plurality of fourth electrodes 24.
  • FIG. 13 is a schematic perspective view illustrating another configuration of the stereoscopic image display device according to the first embodiment.
  • the liquid crystal optical element 117 including the first electrode 21 and the second electrode 22 is provided on the image display unit 120, and the third electrode 26 and the fourth electrode are provided on the liquid crystal optical element 117.
  • a liquid crystal optical element 118 including the electrode 27 may be further provided.
  • a cylindrical lens-like refractive index distribution along the Y-axis direction can be formed in the liquid crystal layer 30.
  • a cylindrical lens-like refractive index distribution along the X-axis direction can be formed in the liquid crystal layer 30.
  • the order of stacking the liquid crystal optical element 117 and the liquid crystal optical element 118 is not limited to the above, and the liquid crystal optical element 117 may be provided on the liquid crystal optical element 118. Without limiting to the liquid crystal optical element 117 and the liquid crystal optical element 118, liquid crystal optical elements having different refractive index distributions formed in the liquid crystal layer 30 may be further stacked.
  • FIG. 14 is a schematic cross-sectional view illustrating the configuration of a stereoscopic image display device according to the second embodiment.
  • FIG. 15 is a schematic perspective view illustrating the configuration of a part of the stereoscopic image display apparatus according to the second embodiment.
  • FIG. 14 schematically shows a cross section taken along line B1-B2 of FIG.
  • the stereoscopic image display device 220 includes a liquid crystal optical element 140, an image display unit 120, and a control circuit 130.
  • the configurations of the image display unit 120 and the control circuit 130 are the same as those of the stereoscopic image display device 210.
  • the second substrate 12 of the liquid crystal optical element 140 is disposed on the image display unit 120 side, and the first substrate 11 is disposed on the light emission side.
  • a plurality of first electrodes 21 and a plurality of second electrodes 22 are provided on the first major surface 11 a of the first substrate 11.
  • the width of the gap CL between the first electrode 21 and the second electrode 22 in the X-axis direction is narrower than the width of the pixel group 50 in the X-axis direction.
  • the first electrode 21 and the second electrode 22 are disposed in the vicinity of the center of the pixel group 50 in the X-axis direction with the gap CL facing each other.
  • the some 1st electrode 21 is connected with the 1st wiring part 41 in each edge part, and can apply the substantially same voltage.
  • a voltage may be individually applied to each of the plurality of first electrodes 21.
  • the plurality of second electrodes 22 is the same as the plurality of first electrodes 21.
  • the second substrate unit 12 s has a second substrate 12, a first counter electrode 23, and a second counter electrode 24.
  • the first counter electrode 23 and the second counter electrode 24 are provided on the second main surface 12 a of the second substrate 12.
  • the first counter electrode 23 faces the first electrode 21 and covers a part of the first electrode 21.
  • the second counter electrode 24 faces the second electrode 22 and covers a part of the second electrode 22.
  • the second substrate portion 12s has a region AR2 where no electrode is provided between the first counter electrode 23 and the second counter electrode 24 on the second main surface 12a.
  • the first counter electrode 23 and the second counter electrode 24 are arranged to face the boundary portion of the pixel group 50 adjacent in the X-axis direction.
  • the pixel group 50 is disposed to face the area AR ⁇ b> 2 between the first counter electrode 23 and the second counter electrode 24. It should be noted that the plurality of first counter electrodes 23 and the plurality of second counter electrodes 24 are connected to the wiring portions at their respective ends, and can apply substantially the same voltage. Alternatively, a voltage may be individually applied to each of the first counter electrode 23 and the second counter electrode 24.
  • the liquid crystal layer 30 is vertically aligned on the first substrate 11 side and horizontally aligned on the second substrate 12 side. For this reason, in this example, the image display unit 120 is horizontally oriented.
  • FIG. 14 shows a state in which no voltage is applied to the first electrode 21, the second electrode 22, the first counter electrode 23 and the second counter electrode 24.
  • the HAN-aligned liquid crystal layer 30 exhibits a uniform refractive index distribution. Therefore, the liquid crystal optical element 140 is in the first state when no voltage is applied to the first electrode 21, the second electrode 22, the first counter electrode 23, and the second counter electrode 24.
  • FIG. 16 is a schematic cross-sectional view illustrating the configuration of a part of the stereoscopic image display apparatus according to the second embodiment.
  • a voltage is applied to each of the first electrode 21, the second electrode 22, the first counter electrode 23, and the second counter electrode 24 as described above, an electric force is generated around the first electrode 21.
  • a line EL is generated.
  • the electric lines of force EL In the region from the vicinity of the gap CL to the portion facing it, the electric lines of force EL have a component parallel to the XY plane. Furthermore, the electric lines of force EL are dense in the vicinity of the gap CL (electric field is strong).
  • FIG. 17 is a schematic cross-sectional view illustrating the configuration of a part of the stereoscopic image display apparatus according to the second embodiment.
  • the alignment of the liquid crystal molecules 35 is deformed along the electric lines of force EL.
  • the vertical alignment approaches the horizontal alignment on the first substrate 11 side.
  • the angle of the liquid crystal molecules 35 changes so as to gradually approach horizontal alignment from the first counter electrode 23 toward the gap CL. .
  • the angle of the liquid crystal molecules 35 changes so as to gradually approach horizontal alignment from the second counter electrode 24 toward the gap CL.
  • the refractive index of the gap CL is high.
  • the refractive index gradually decreases from the gap CL toward the portion where the first electrode 21 and the first counter electrode 23 face each other, and from the gap CL toward the portion where the second electrode 22 and the second counter electrode 24 face each other.
  • the refractive index gradually decreases.
  • FIG. 18 is a graph illustrating characteristics of the stereoscopic image display device according to the second embodiment.
  • FIG. 18 is a graph illustrating the refractive index distribution of the liquid crystal optical element 140.
  • the horizontal axis in FIG. 18 is the position x of the liquid crystal optical element 140 in the X-axis direction.
  • the vertical axis in FIG. 18 is a value ⁇ obtained by normalizing the refractive index n of the liquid crystal layer 30 with the maximum value in the region.
  • a region d1 indicates a portion where the first electrode 21 exists.
  • a region d2 indicates a portion where the second electrode 22 exists.
  • a region d3 indicates a portion where the first counter electrode 23 exists.
  • a region d4 indicates a portion where the second counter electrode 24 exists.
  • FIG. 18 is upside down in FIGS. 14 to 17 in the Z-axis direction.
  • the refractive index of the liquid crystal optical element 140 is high in the gap CL.
  • the refractive index of the liquid crystal optical element 140 gradually decreases in the direction from the gap CL toward the first counter electrode 23 and gradually decreases in the direction from the gap CL toward the second counter electrode 24. Thus, in the liquid crystal optical element 140, no abnormal increase in refractive index is observed.
  • the liquid crystal optical element 140 Even in the configuration of the liquid crystal optical element 140, generation of bright lines due to torsional distortion of the liquid crystal molecules 35 and crosstalk associated therewith can be suppressed.
  • the tilt angle of the vertically aligned liquid crystal molecules 35 in the vicinity of the gap CL on the first substrate 11 side in the liquid crystal layer 30 is reduced by an electric field in the lateral direction (parallel to the substrate). can do.
  • the amount of modulation of the refractive index can be increased as compared with the configuration of the liquid crystal optical element 110.
  • the first substrate 11 may be disposed on the image display unit 120 side. Further, in the liquid crystal optical element 140, a refractive index distribution having another shape may be used for the liquid crystal layer 30.
  • a liquid crystal optical element and a stereoscopic image display device that enable easy display.
  • the specific configuration of each element such as the second counter electrode and the like, as long as the person skilled in the art can implement the present invention by selecting appropriately from a known range and obtain the same effect, the present invention Included in the range.
  • what combined any two or more elements of each specific example in the technically possible range is also included in the scope of the present invention as long as the gist of the present invention is included.
  • liquid crystal optical elements and stereoscopic image display devices that can be implemented by those skilled in the art based on the liquid crystal optical elements and stereoscopic image display devices described above as embodiments of the present invention are also included in the present invention. As long as the gist is included, it belongs to the scope of the invention.

Abstract

　第１基板部と、第２基板部と、液晶層と、を備えた液晶光学素子が提供される。第１基板部は、第１主面を有する第１基板と、第１主面に設けられた第１電極と、を含む。第１電極は、第１方向に沿って延びる。第２基板部は、第１主面と対向する第２主面を有する第２基板と、第１対向電極と、を含む。第１対向電極は、第２主面に設けられ、第１電極を覆う。液晶層は、第１基板部と第２基板部との間に設けられる。液晶層のうちの第１基板部側の第１部分は垂直配向である。液晶層のうちの第２基板部側の第２部分は液晶分子の長軸が第２方向に沿う水平配向である。見易い表示を可能にする液晶光学素子及び立体画像表示装置が提供される。

Description

液晶光学素子及び立体画像表示装置
　本発明の実施形態は、液晶光学素子及び立体画像表示装置に関する。
　液晶分子の複屈折性を利用し、電圧の印加に応じて屈折率の分布を変化させる液晶光学素子が知られている。また、この液晶光学素子と、画像表示部と、を組み合わせた立体画像表示装置がある。
　この立体画像表示装置では、液晶光学素子の屈折率の分布を変化させることで、画像表示部に表示された画像をそのまま観察者の眼に入射させる状態と、画像表示部に表示された画像を複数の視差画像として観察者の眼に入射させる状態と、を切り替える。これにより、高精細な二次元画素表示動作と、複数の視差画像による裸眼での立体視の三次元画像表示動作と、を実現する。このような表示装置において、見易い表示が求められている。
特開２０１０－２２４１９１号公報
　本発明の実施形態は、見易い表示を可能にする液晶光学素子及び立体画像表示装置を提供する。
　本発明の実施形態によれば、第１基板部と、第２基板部と、液晶層と、を備えた液晶光学素子が提供される。前記第１基板部は、第１基板と、第１電極と、を含む。前記第１基板は、第１主面を有する。前記第１電極は、前記第１主面に設けられる。前記第１電極は、第１方向に沿って延びる。前記第２基板部は、第２基板と、第１対向電極と、を含む。前記第２基板は、前記第１主面と対向する第２主面を有する。前記第１対向電極は、前記第２主面に設けられ、前記第１電極と対向する。前記液晶層は、前記第１基板部と前記第２基板部との間に設けられる。前記液晶層のうちの前記第１基板部側の第１部分は垂直配向である。前記液晶層のうちの前記第２基板部側の第２部分は液晶分子の長軸が前記第２方向に沿う水平配向である。
第１の実施形態に係る立体画像表示装置を示す模式的断面図である。 第１の実施形態に係る立体画像表示装置の一部を示す模式的斜視図である。 第１の実施形態に係る立体画像表示装置の一部を示す模式的断面図である。 第１の実施形態に係る立体画像表示装置の一部を示す模式的断面図である。 図５（ａ）及び図５（ｂ）は、第１の実施形態に係る立体画像表示装置の一部を示す模式的断面図である。 図６（ａ）及び図６（ｂ）は、参考例の構成を示す模式的断面図である。 図７（ａ）及び図７（ｂ）は、参考例の特性を示す写真である。 図８（ａ）及び図８（ｂ）は、参考例の特性を示すグラフ図である。 第１の実施形態に係る立体画像表示装置の特性を示すグラフ図である。 第１の実施形態に係る別の立体画像表示装置を示す模式的断面図である。 第１の実施形態に係る別の立体画像表示装置を示す模式的断面図である。 第１の実施形態に係る別の立体画像表示装置を示す模式的斜視図である。 第１の実施形態に係る別の立体画像表示装置を示す模式的斜視図である。 第２の実施形態に係る立体画像表示装置を示す模式的断面図である。 第２の実施形態に係る立体画像表示装置の一部を示す模式的斜視図である。 第２の実施形態に係る立体画像表示装置の一部を示す模式的断面図である。 第２の実施形態に係る立体画像表示装置の一部を示す模式的断面図である。 第２の実施形態に係る立体画像表示装置の特性を示すグラフ図である。
　以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。　
　なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。　
　なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
　（第１の実施の形態）　
　図１は、第１の実施形態に係る立体画像表示装置の構成を例示する模式的断面図である。　
　図２は、第１の実施形態に係る立体画像表示装置の一部の構成を例示する模式的斜視図である。　
　図１は、図２のＡ１－Ａ２線断面を模式的に表す。
　図１及び図２に表したように、立体画像表示装置２１０は、液晶光学素子１１０と、画像表示部１２０と、制御回路１３０と、を備える。　
　画像表示部１２０は、画像を表示するための画像表示面１２０ａを有している。画像表示面１２０ａは、例えば、矩形状である。　
　液晶光学素子１１０は、画像表示面１２０ａの上に設けられる。液晶光学素子１１０は、例えば、画像表示面１２０ａの全体を覆う。液晶光学素子１１０は、例えば、液晶ＧＲＩＮレンズ（Gradient Index lens）として機能する。液晶光学素子１１０の屈折率の分布は、変化可能である。屈折率の分布の１つの状態は、画像表示面１２０ａに表示された画像をそのまま観察者の眼に入射させる第１状態に対応し、屈折率分布の別の状態は、画像表示部１２０に表示された画像を複数の視差画像として観察者の眼に入射させる第２状態に対応する。
　立体画像表示装置２１０においては、液晶光学素子１１０の屈折率の分布を変化させることにより、二次元の画像の表示（以下、２Ｄ表示と称す）と、裸眼で立体視を行うことができる三次元の画像の表示（以下、３Ｄ表示と称す）と、の選択的な切り替えが可能である。
　制御回路１３０は、液晶光学素子１１０に電気的に接続される。この例では、制御回路１３０は、画像表示部１２０にさらに電気的に接続されている。制御回路１３０は、液晶光学素子１１０及び画像表示部１２０の動作を制御する。制御回路１３０は、例えば、液晶光学素子１１０の第１状態と第２状態との切り替えを行う。制御回路１３０には、記録媒体や外部入力などにより、映像信号が入力される。制御回路１３０は、入力された映像信号に基づいて画像表示部１２０の動作を制御する。入力された映像信号に応じた画像が、画像表示面１２０ａに表示される。制御回路１３０は、画像表示部１２０に含めてもよい。
　制御回路１３０は、２Ｄ表示を行う場合、液晶光学素子１１０を第１状態にし、２Ｄ表示用の画像を画像表示部１２０に表示させる。一方、制御回路１３０は、３Ｄ表示を行う場合、液晶光学素子１１０を第２状態にし、３Ｄ表示用の画像を画像表示部１２０に表示させる。
　液晶光学素子１１０は、第１基板部１１ｓと、第２基板部１２ｓと、液晶層３０と、を含む。第１基板部１１ｓは、第１基板１１と、第１電極２１と、第２電極２２と、を含む。第２基板部１２ｓは、第２基板１２と、第１対向電極２３と、を含む。
　第１基板１１は、第１主面１１ａを有する。第２基板１２は、第１主面１１ａと対向する第２主面１２ａを有する。第１電極２１は、第１主面１１ａ上に複数設けられる。複数の第１電極２１は、それぞれ第１方向に沿って延び、第１方向に対して垂直な第２方向に間隔を空けて配置される。複数の第１電極２１どうしの間隔は、例えば一定である。第１電極２１の形状は、例えば、ほぼ長方形状である。
　第１主面１１ａ及び第２主面１２ａに対して垂直な方向をＺ軸方向とする。Ｚ軸方向に対して垂直な１つの方向をＸ軸方向とする。そして、Ｚ軸方向及びＸ軸方向のそれぞれに対して垂直な方向をＹ軸方向とする。この例では、Ｙ軸方向を第１方向とする。Ｘ軸方向を第２方向とする。但し、実施形態において、Ｚ軸方向に対して垂直な任意の方向でよく、第１方向は、第１主面１１ａに沿う任意の方向でよい。
　第１主面１１ａは、第２主面１２ａと実質的に平行である。この例では、矩形状の画像表示面１２０ａの互いに垂直な２辺のうちの、一方の辺がＸ軸方向と平行であり、他方の辺がＹ軸方向と平行である。画像表示面１２０ａの辺の向きは、これに限ることなく、Ｚ軸方向に対して垂直な任意の方向でよい。
　第２電極２２は、第１方向に沿って延び、第２方向において第１電極２１と間隔を空けて配置される。第２電極２２は、複数の第１電極２１のそれぞれの間に設けられる。第２電極２２は、例えば、隣り合う２つの第１電極２１の間の実質的に中央に配置される。第１電極２１及び第２電極２２は、Ｘ軸方向に交互に並ぶ。例えば、第２電極２２も、第１主面１１ａ上に複数設けられる。第２電極２２の形状は、Ｙ軸方向に沿って延びた長方形状である。第１電極２１及び第２電極２２のＹ軸方向の長さは、画像表示面１２０ａのＹ軸方向の長さよりも僅かに長い。第１電極２１及び第２電極２２は、Ｙ軸方向において画像表示面１２０ａを横断する。
　複数の第１電極２１の一端は、第１配線部４１に接続される。複数の第１電極２１と、第１配線部４１と、を含む形状は、櫛刃状である。第１配線部４１に電圧を印加することで、複数の第１電極２１のそれぞれに電圧を印加することができる。複数の第２電極２２は、第１電極２１と反対側の端部において、第２配線部４２に接続される。第２配線部４２に電圧を印加することで、複数の第２電極２２のそれぞれに電圧を印加することができる。
　第２基板部１２ｓは、第１基板部１１ｓと対向する。第２基板１２の第２主面１２ａは、第１主面１１ａと対向する。第１対向電極２３は、第２主面１２ａ上に設けられる。第１対向電極２３は、複数の第１電極２１及び複数の第２電極２２のそれぞれと対向する。第１対向電極２３は、第１電極２１よりも大きく、Ｚ軸方向に見たときに、第１電極２１を覆う。この例では、第１対向電極２３は、複数の第１電極２１に対向する部分２３ｂと、第２電極２２に対向する部分２３ｃと、を有する。例えば、第１対向電極２３は第３主面２３ａを有しており、第３主面２３ａは、複数の第１電極２１に対向する部分２３ｂと、第２電極２２に対向する部分２３ｃと、を有する。
　第１電極２１、第２電極２２及び第１対向電極２３は、図示を省略した配線によって制御回路１３０と電気的に接続される。第１電極２１、第２電極２２及び第１対向電極２３への電圧の印加（電位の設定）は、制御回路１３０によって制御される。液晶光学素子１１０の第１状態と第２状態との切り替えは、第１電極２１、第２電極２２及び第１対向電極２３への電圧の印加（電位の設定）によって行われる。
　液晶層３０は、第１基板部１１ｓと第２基板部１２ｓとの間に設けられる。液晶層３０は、複数の液晶分子３５を含む液晶材料３６を有する。液晶材料３６は、液晶性の媒質である。液晶層３０には、例えば、ネマティック液晶が用いられる。液晶層３０の誘電異方性は、正または負である。以下では、液晶層３０として、正の誘電異方性を有するネマティック液晶を用いる場合について説明する。
　第１基板部１１ｓと液晶層３０との間には、第１配向膜３１が設けられる。第１配向膜３１は、液晶分子３５を垂直配向させる。第２基板部１２ｓと液晶層３０との間には、第２配向膜３２が設けられる。第２配向膜３２は、液晶分子３５を水平配向させる。また、第２配向膜３２は、液晶分子３５のダイレクタ（長軸）をＸ軸方向に向ける。これにより、液晶材料３６は、複数の第１電極２１と複数の第２電極２２と第１対向電極２３とに電圧が印加されていない状態（図１に表す状態）において、第１基板１１側で垂直配向となり、第２基板１２側で水平配向となるハイブリッド配向（Hybrid Aligned Nematic：ＨＡＮ配向）を呈する。液晶層３０のうちの第１基板部１１ｓ側の第１部分３０ｐは垂直配向である。液晶層３０のうちの第２基板部１２ｓの側の第２部分３０ｈは、液晶分子３５の長軸がＸ軸方向に沿う水平配向である。
　ここで、水平配向は、例えば、Ｚ軸方向に対して垂直な方向を０°としたとき、液晶分子３５の長軸が、０°以上３０°以下の範囲にある状態を含む。また、垂直配向は、例えば、液晶分子３５の長軸が、６０°以上９０°以下の範囲にある状態を含む。すなわち、水平配向におけるプレチルト角は、０°以上３０°以下である。垂直配向におけるプレチルト角は、６０°以上９０°以下である。
　第１基板１１、第２基板１２、第１電極２１、第２電極２２及び第１対向電極２３、には、透明な材料が用いられる。画像表示部１２０に表示された画像を含む光は、これらを透過する。
　第１基板１１及び第２基板１２には、例えば、ガラス、または、樹脂などが用いられる。第１電極２１、第２電極２２及び第１対向電極２３は、例えば、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｚｎ及びＴｉよりなる群から選択された少なくともいずれかの元素を含む酸化物を含む。第１電極２１、第２電極２２及び第１対向電極２３には、例えばＩＴＯが用いられる。第１電極２１、第２電極２２及び第１対向電極２３には、薄い金属層を用いても良い。第１配向膜３１、第２配向膜３２には、例えば、ポリイミドなどの樹脂が用いられる。第１配向膜３１の材料は、第２配向膜３２の材料とは異なる。第１配向膜３１には、表面エネルギーが比較的小さい材料が用いられ、第２配向膜３２には、表面エネルギーが比較的大きい材料が用いられる。第１配線部４１及び第２配線部４２には、例えば、第１電極２１、第２電極２２及び第１対向電極２３に用いられる材料が用いられる。
　このように、液晶光学素子１１０は、第１基板部１１ｓと、第２基板部１２ｓと、液晶層３０と、を備える。第１基板部１１ｓは、第１基板１１と、複数の第１電極２１と、第２電極２２と、を含む。第１基板１１は、第１主面１１ａを有する。複数の第１電極２１は、第１主面１１ａに設けられる。複数の第１電極２１は、第１方向に沿って延び、第１方向に対して垂直な第２方向に間隔を空けて配置される。第２電極２２は、複数の第１電極２１の間に設けられる。第２基板部１２ｓは、第２基板１２と、第１対向電極２３と、を含む。第２基板１２は、第１主面１１ａと対向する第２主面１２ａを有する。第１対向電極２３は、第２主面１２ａに設けられ、複数の第１電極２１及び第２電極２２と対向する。液晶層３０は、第１基板部１１ｓと第２基板部１２ｓとの間に設けられる。液晶層３０のうちの第１基板部１１ｓ側の第１部分３０ｐは垂直配向である。液晶層３０のうちの第２基板部１２ｓ側の第２部分３０ｈは液晶分子３５の長軸が第２方向に沿う水平配向である。
　画像表示部１２０は、二次元マトリクス状に配列された複数の画素群５０を有する。画像表示面１２０ａは、これら複数の画素群５０によって形成される。画素群５０は、第１画素ＰＸ１と、第２画素ＰＸ２と、第３画素ＰＸ３と、を含む。以下では、第１画素ＰＸ１～第３画素ＰＸ３をまとめる場合に、画素ＰＸと称す。画素群５０は、隣り合う２つの第１電極２１の間の領域ＡＲ１と対向して配置される。画素群５０は、第２電極２２と対向する。画素群５０に含まれる第１画素ＰＸ１～第３画素ＰＸ３は、Ｘ軸方向に並べられる。画素群５０に含まれる複数の画素ＰＸは、３つに限ることなく、２つでもよいし、４つ以上でもよい。
　画像表示部１２０は、例えば、画像表示面１２０ａに表示する画像を含む光を出射する。この光は実質的にＺ軸方向に進行する直線偏光状態にある。この直線偏光の偏光軸（電場の振動面のＸ－Ｙ平面における方位軸）は、Ｘ軸方向である。すなわち、この直線偏光の偏光軸は、第２基板部１２ｓ側の液晶分子３５のダイレクタ（長軸）と平行な方向である。この直線偏光は、例えば、Ｘ軸方向を偏光軸とする光学フィルタ（偏光子）を光路上に配置することで形成される。
　図１に表したように、液晶層３０に含まれる複数の液晶分子３５のそれぞれは、複数の第１電極２１と複数の第２電極２２と第１対向電極２３とに電圧が印加されていない場合、第１基板部１１ｓ側で垂直配向となり、第２基板部１２ｓ側で水平配向となる。これにより、Ｘ軸方向及びＹ軸方向において、ほぼ均一な屈折率分布を示す。このため、電圧が印加されていない場合は、画像表示部１２０に表示された画像を含む光の進行方向を実質的に変化させない。液晶光学素子１１０は、電圧が印加されていない場合に、第１状態となる。
　液晶光学素子１１０を第１状態から第２状態に切り替える場合には、例えば、複数の第１電極２１に電圧を印加し、複数の第２電極２２及び第１対向電極２３を接地する。すなわち、第１電極２１と第１対向電極２３との間の電圧の絶対値を、第２電極２２と第１対向電極２３との間の電圧の絶対値よりも大きくする。例えば、第１電極２１と第１対向電極２３との間の電圧の実効値を、第２電極２２と第１対向電極２３との間の電圧の実効値よりも大きくする。
　図３は、第１の実施形態に係る立体画像表示装置の一部の構成を例示する模式的断面図である。図３では、便宜的に第１配向膜３１及び第２配向膜３２の図示を省略している。
　図３に表したように、第１電極２１、第２電極２２及び第１対向電極２３のそれぞれに上記のように電圧を印加すると、第１電極２１の周りに電気力線ＥＬが発生する。電気力線ＥＬは、例えば、第１電極２１を中心とした左右対称分布となる。
　図４は、第１の実施形態に係る立体画像表示装置の一部の構成を例示する模式的断面図である。　
　図４に表したように、液晶層３０の誘電率異方性が正の場合、電気力線ＥＬの密集域（すなわち強電場域）における液晶分子３５の配向は、電気力線ＥＬの経路に沿って変形する。第１電極２１と第１対向電極２３とが対向している部分では、第２基板１２側で水平配向となっていた液晶分子３５が、垂直配向に近くなる。一方、第２電極２１と第１対向電極２３とが対向している部分では、液晶分子３５は、水平配向のままである。そして、第１電極２１と第２電極２２との間の部分では、第２電極２２から第１電極２１に向かって徐々に垂直配向に近づくように、液晶分子３５の角度が変化する。液晶分子３５は、電気力線ＥＬに沿い、Ｚ－Ｘ平面において、液晶分子３５の長軸の角度を変化させる。液晶分子３５の長軸の角度は、Ｙ軸を回転軸として変化する。
　液晶分子３５は複屈折性を有している。液晶分子３５の長軸方向の偏光に対する屈折率は、液晶分子３５の短軸方向の屈折率よりも高い。上記のように液晶分子３５の角度を変化させると、Ｚ軸方向に進行しＸ軸方向に偏光軸の向いた直線偏光に関する液晶層３０の屈折率は、液晶層３０のうちの第２電極２２と対向する部分において高く、第２電極２２と対向する部分から第１電極２１と対向する部分に向かって徐々に低くなる。これにより、凸レンズ状の屈折率分布が形成される。
　第１電極２１及び第２電極２２は、Ｙ軸方向に沿って延びている。これにより、電圧印加時の液晶層３０の屈折率分布は、Ｙ軸方向に沿って延びるシリンドリカルレンズ状である。また、第１電極２１及び第２電極２２は、Ｘ軸方向に交互に複数並べられている。これにより、電圧印加時の液晶層３０の屈折率分布は、液晶層３０全体で見たときに、Ｙ軸方向に沿って延びるシリンドリカルレンズがＸ軸方向に複数並べられたレンチキュラーレンズ状である。
　上記のように、画像表示部１２０の画素群５０は、隣り合う２つの第１電極２１の間の領域ＡＲ１と対向して配置される。液晶層３０に形成された凸レンズ状の屈折率分布は、画素群５０と対向する。この例では、液晶層３０の屈折率分布のうちの屈折率が高い部分は、画素群５０の中央に配置された第２画素ＰＸ２と対向する。
　図５（ａ）及び図５（ｂ）は、第１の実施形態に係る立体画像表示装置の一部の構成を例示する模式的断面図である。　
　図５（ａ）に表したように、電圧印加時の液晶層３０の屈折率分布は、画素群５０から出射された光（画像）を、観察者の眼ＯＥに向けて集光する。これにより、画像表示面１２０ａ内に含まれる複数の第１画素ＰＸ１によって形成される画像が、第１の視差画像となる。複数の第２画素ＰＸ２によって形成される画像が、第２の視差画像となる。そして、複数の第３画素ＰＸによって形成される画像が、第３の視差画像となる。右眼用の視差画像は、観察者の右眼に選択的に入射し、左眼用の視差画像は、観察者の左眼に選択的に入射する。これにより、３Ｄ表示が可能となる。すなわち、液晶光学素子１１０は、電圧が印加されている場合に、第２状態となる。
　図５（ｂ）に表したように、液晶光学素子１１０が第１状態である場合、画素群５０から出射された光は直進し、観察者の眼ＯＥに入射する。これにより、２Ｄ表示が可能となる。２Ｄ表示では、３Ｄ表示に対して視差数倍（この例では３倍）の解像度で、通常の２Ｄの画像を表示できる。
　複数の画素ＰＸには、各々ＲＧＢ三原色を含むカラーフィルタを設けることができる。これにより、カラー表示が可能となる。カラーフィルタには、ＲＧＢ三原色の他に、白（無色）や他の色要素をさらに含めてもよい。
　図６（ａ）及び図６（ｂ）は、参考例の構成を例示する模式的断面図である。図６（ａ）は、参考例の液晶光学素子１１９の第１状態を示す模式的断面図である。図６（ｂ）は、参考例の液晶光学素子１１９の第２状態を示す模式的断面図である。図６（ａ）に表したように、参考例の光学素子１１９の構成は、液晶層３０の配向が水平配向である。これ以外は、液晶光学素子１１０の構成と実質的に同じである。
　第１配向膜３１及び第２配向膜３２は、液晶分子３５の長軸をＸ軸方向に向ける水平配向に配向する。これにより、第１電極２１、第２電極２２及び第１対向電極２３に電圧が印加されていない状態において、液晶層３０の液晶分子３５は、水平配向となる。これにより、屈折率分布が均一になる。従って、液晶光学素子１１９では、第１電極２１、第２電極２２及び第１対向電極２３に電圧を印加していない場合に、第１状態になる。
　液晶光学素子１１９を第１状態から第２状態に切り替える場合には、例えば、複数の第１電極２１に電圧を印加し、複数の第２電極２２及び第１対向電極２３を接地する。これにより、図３に表した電気力線ＥＬが同様に発生する。液晶分子３５の角度が電気力線ＥＬに沿って変化し、凸レンズ状の屈折率分布が現れる。第１電極２１、第２電極２２及び第１対向電極２３に電圧を印加することにより、第１状態から第２状態に変化する。
　このように、参考例の液晶光学素子１１９においても、屈折率分布を変化させることができる。しかしながら、液晶光学素子１１９においては、以下のような課題があることが判明した。
　図７（ａ）及び図７（ｂ）は、参考例の特性を例示する写真である。　
　図７（ａ）は、第２状態（電圧印加状態）における液晶光学素子１１９を平行ニコル下で観察した状態を例示する写真である。図７（ｂ）は、液晶光学素子１１９を直交ニコル下で観察した状態を例示する写真である。これらの写真において、液晶光学素子１１９は、第２状態（電圧印加状態）である。図７（ａ）及び図７（ｂ）において、領域ｄ１は、第１電極２１の存在する部分を示している。
　図７（ａ）及び図７（ｂ）に表したように、液晶光学素子１１９の第２状態では、第１電極２１のＸ軸方向の中央の両側部分において、輝線（光漏れ）が生じる。この輝線は、視差画像の混視（クロストーク）の要因となり、観察者の立体視の妨げとなる。
　このように、参考例の液晶光学素子１１９を用いた場合には、輝線により、視差画像のクロストークが発生することが分かった。この輝線について説明する。
　図６（ｂ）に表した第２状態において、第１電極２１の近傍における液晶分子３５の状態に注目する。第１電極２１の左側部分において、液晶分子３５の長軸の方向が逆転する。この参考例では、第１配向膜３１の配向処理の方向ＡＯ１は、図示の状態において左から右に向かう方向（＋Ｘ方向）である。また、第２配向膜３２の配向処理の方向ＡＯ２は、図示の状態において右から左に向かう方向（－Ｘ方向）である。この配向処理の方向に伴い、液晶分子３５は所定のプレチルト角を有する。電圧印加時に、液晶分子３５の長軸がこのプレチルト角に従って変化する部分と、電気力線に沿って変化する部分と、が逆方向になる部分（リバースチルト部分）が生じる。
　このリバースチルトによるエネルギーを小さくするために、第１電極２１上、または、第１電極２１の近傍において、液晶分子３５が捩れる部分が生じると考えられる。この液晶分子３５が捩れる部分が生じることで、上記の輝線が発生すると考えられる。以下、参考例における電圧印加状態における液晶分子３５の配列をシミュレーションし、その結果に基づいて、液晶層３０中の屈折率分布及び透過率分布を求めた結果について説明する。
　図８（ａ）及び図８（ｂ）は、参考例の特性を例示するグラフ図である。
　図８（ａ）は、液晶光学素子１１９の透過率分布を例示するグラフ図である。図８（ａ）の横軸は、液晶光学素子１１９のＸ軸方向の位置ｘである。図８（ａ）の縦軸は、平行ニコル化の最大透過率を輝度の基準としたときの、直交ニコル下における液晶光学素子１１０の相対的な透過率αである。図８（ｂ）は、液晶光学素子１１９の屈折率分布を例示するグラフ図である。図８（ｂ）の横軸は、液晶光学素子１１９のＸ軸方向の位置ｘである。図８（ｂ）の縦軸は、液晶層３０の屈折率ｎを領域内の最大値で規格化した値βである。図８（ａ）及び図８（ｂ）において、領域ｄ１は、第１電極２１の存在する部分を示している。また、図８（ａ）において、領域ｄ２は、第２電極２２の存在する部分を示している。
　図８（ｂ）に表したように、液晶光学素子１１９では、第１電極２１の中央付近において、屈折率が上昇する。これは、液晶分子３５の捩れ歪に起因する。
　このため、図８（ａ）に表したように、第１電極２１の上において（領域ｄ１において輝度が高い領域が発生する。これが、図７（ａ）及び図７（ｂ）に関して説明した輝線に対応する。
　このように、参考例の液晶光学素子１１９においては、液晶分子３５の捩れ歪が発生し、ディスクリネーションが発生し、レンズ性能が劣化する。また、液晶分子３５の捩れ歪が発生している部分では、偏光回転も誘発され、これもレンズ性能の劣化を招く。この結果、第１電極２１上、すなわち凸レンズ状の屈折率分布の両端付近において、輝度ムラが顕在化する。
　本願発明者は、参考例において発生するこのような輝線を抑制するための種々の方策を検討した。　
　例えば、液晶層３０としてホモジニアス配向（水平配向）を用いる際に、弾性定数の異なる液晶材料を用いることや、種々の配向膜を用いてプレチルト角を変えることなどを検討した。また、ホメオトロピック配列（垂直配向）した誘電異方性が負の液晶材料を用いることなどを検討した。しかしながら、これらの構成においては、この輝線を解消することは困難であった。この実験の中で、上下の基板において、水平配向用の配向膜と、垂直配向用の配向膜と、を組み合わせたセル、すなわち、ＨＡＮ配向のセルが偶然に作製された。本願発明者は、このＨＡＮセルを評価し、上記の輝線が発生しないことを見出した。
　すなわち、本願発明者は、少なくとも２つの第１電極２１の間に第２電極２２を配置し、第１電極２１及び第２電極２２に対向させて第１対向電極２３を配置した構成において、第１電極２１及び第２電極２２側において垂直配向となり、第３電極側において水平配向となるハイブリッド配向の液晶層３０を設けることで、上記の輝線が実質的に発生しないことを見出した。
　実施形態に係る液晶光学素子１１０においては、液晶層３０としてＨＡＮ配向が用いられる。そして、第１電極２１の近傍において垂直配向になっている。垂直配向を起点とすると、液晶分子３５の変形は、どの方位に倒れる変形もほぼ同じ力で済む。捩れ歪みが誘発されない。このため、第１電極２１の近傍において電気力線ＥＬに沿った配向変形が自然に現れると考えられる（図４参照）。
　液晶光学素子１１０の液晶層３０の第２基板１２側の部分は、水平配向している。第２基板１２側では、液晶分子３５の長軸の射影方位が規制される。第２基板１２側における液晶分子３５の長軸の射影方位は、第１基板１１側において電場により規制される射影方位と一致している。これにより、液晶光学素子１１０の液晶層３０では、第１基板１１側及び第２基板１２側の両側において捩れ配向に対する抑止力が働く。
　このように、ＨＡＮ配向を用いた液晶層３０では、液晶分子３５の配向変化が自然に現れるとともに、捩れ配向が抑止される。これにより、液晶光学素子１１０では、液晶分子３５の捩れ歪に起因する輝線の発生が抑制され、これにともなうクロストークを抑制することができる。本実施形態によれば、見易い表示を可能にする液晶光学表示が提供できる。
　図９は、第１の実施形態に係る立体画像表示装置の特性を例示するグラフ図である。　
　具体的には、図９は、液晶光学素子１１０の屈折率分布を例示するグラフ図である。図９の横軸は、液晶光学素子１１０のＸ軸方向の位置ｘである。図９の縦軸は、液晶層３０の屈折率ｎを領域内の最大値で規格化した値βである。領域ｄ１の中央に第１電極２１が設けられている。　
　図９に表したように、液晶光学素子１１０では、第１電極２１と第１対向電極２３とが対向する部分において、屈折率が最も低くなっている。また、平行ニコル化の最大透過率を輝度の基準としたときの、直交ニコル下における液晶光学素子１１０の相対的な透過率αは、位置ｘの全領域において、０．１％未満である。
　このように、液晶光学素子１１０では、異常な屈折率の上昇も、異常な輝線の発生も見られない。すなわち、液晶光学素子１１０では、液晶分子３５の捩れ歪に起因する輝線の発生、及びこれにともなうクロストークを抑制できる。これにより、視差画像を良好に分離することができる。従って、液晶光学素子１１０では、良好な３Ｄ表示を実現できる。
　実施形態においては、厚さが実質的に均一な液晶層に、部分的に電圧を印加し、液晶分子の配列を部分的に変化させ、屈折率分布を形成する。その結果、レンズ効果が発現する。実施形態は、このようなＧＲＩＮレンズに特有に発生する、液晶の初期配向と電場との競合により発生する液晶の捩れ、及び、それによる輝線の発生をＨＡＮ配向により抑制する。このとき、上記の捩れが発生する、第１電極２１が設けられる側の配向を垂直配向とすることで、上記が実現できる。
　なお、ＨＡＮ配向における応答速度は、垂直配向や水平配向に比べて遅い。このため、ＨＡＮ配向は、ディスプレイなどの分野において、あまり好適に用いられていない。また、ＨＡＮ配向を得るためには、上下の基板で異なる配向膜を用いるため、垂直配向や水平配向に比べて製造工程が複雑である。本実施形態に係る液晶光学素子は、２Ｄ表示と３Ｄ表示とを切り替えるためのレンズ素子として用いるため、応答速度が遅いことは問題にはならない。また、上記のように、液晶の捩れを抑制し、輝線の発生を抑制する独特の効果を発揮させるために、製造が複雑になるＨＡＮ配向を敢えて採用する。
　なお、実施形態において、液晶光学素子１１０は、光を集光（または発散）させるレンズ効果の他に、光の進行方向を変化させる効果（例えばプリズム効果）を発現することができる。
　図１０は、第１の実施形態に係る立体画像表示装置の別の構成を例示する模式的断面図である。　
　図１０に表したように、液晶光学素子１１２の液晶層３０は、第２状態において、プリズム状（三角柱状）の屈折率分布を示す。液晶層３０におけるプリズム状の屈折率分布は、例えば、第１電極２１に印加する電圧の大きさ、第１電極２１及び第２電極２２の幅や断面形状、第１電極２１と第２電極２２との間隔、液晶層３０の厚さ、及び、液晶層３５に用いる液晶材料の物性値などを調整することによって、実現できる。
　第２状態である液晶光学素子１１２は、画素群５０から出射された光の光路を変化させて、観察者の眼ＯＥに入射させる。液晶光学素子１１２は、このように光路を変更し、複数の画素５０から出射された光を観察者の左右の眼ＯＥに選択的に入射させることで、３Ｄ表示を行う。ＨＡＮ配向を利用した液晶層３０の屈折率分布は、垂直配向や水平配向に比べて、直線的に変化する傾向にある。ＨＡＮ配向を利用した液晶層３０は、プリズム状の屈折率分布の形成が可能である。
　図１１は、第１の実施形態に係る立体画像表示装置の別の構成を例示する模式的断面図である。　
　図１１に表したように、画像表示部１２０の上に、凸レンズ状の屈折率分布の液晶層３０を含む液晶光学素子１１４を設け、この液晶光学素子１１４の上に、プリズム状の屈折率分布の液晶層３０を含む液晶光学素子１１２を、さらに設けてもよい。この場合、液晶光学素子１１２を視差画像毎に時分割駆動することにより、光の出射方向を切り替える。これにより、３Ｄ表示可能な視角範囲を拡大することができる。
　液晶光学素子１１４の上に液晶光学素子１１２を設ける構成では、屈折率分布によって形成する液晶光学素子１１４の凸レンズの焦点距離を、液晶光学素子１１０の構成に比べて長くできる。また、液晶光学素子１１４には、屈折率異方性（Δｎ）の小さい液晶材料３６を用いることができる。これにより、液晶光学素子１１４の上に液晶光学素子１１２を設ける構成では、材料選択の幅を広げることができる。さらに、液晶光学素子１１４の凸レンズを、液晶光学素子１１２への入射光線の方向を調整するコリメートレンズとして用いることで、画素群５０との位置合わせ精度への要求が緩和できる。さらに、電極構成を簡略化することもできる。なお、第２状態における液晶層３０の屈折率分布の形状は、凸レンズ状やプリズム状に限ることなく、裸眼による立体視が可能な形状でよい。
　図１２は、第１の実施形態に係る立体画像表示装置の別の構成を例示する模式的斜視図である。　
　図１２に表したように、液晶光学素子１１６においては、第１基板部１１ｓは、第１主面１１ａ上に設けられた、複数の第３電極２６と、複数の第４電極２７と、をさらに含む。複数の第３電極２６は、第１電極２１及び第２電極２２に対して垂直な方向、すなわちＸ軸方向に沿って延び、Ｘ軸方向に対して垂直なＹ軸方向に一定の間隔を空けて配置される。第４電極２７は、複数の第３電極２６のそれぞれの間の中央付近に配置される。第３電極２６の間隔は、複数の画素群５０のＹ軸方向の幅に対応している。この例では、Ｙ軸方向に並ぶ２つの画素群５０の幅に対応している。第３電極２６の間隔は、２つの画素群５０のＹ軸方向の幅に限ることなく、３つ以上の画素群５０のＹ軸方向の幅でもよい。また、第３電極２６は、Ｙ軸方向に隣接する２つの画素群５０の境界部分と対向する。従って、この例では、複数の第１電極２１と複数の第３電極２６とによって形成される矩形状の領域と、Ｙ軸方向に並ぶ２つの画素群５０と、が対向する。
　第１基板部１１ｓにおいて、第３電極２６と第１電極２１との間、第３電極２６と第２電極２２との間、第４電極２７と第１電極２１との間、及び、第４電極２７と第２電極２２との間に、層間絶縁層２８が設けられている。
　液晶光学素子１１６においては、複数の第１電極２１、複数の第２電極２２、複数の第３電極２６及び複数の第４電極２７のそれぞれを分離させておき、それぞれに対して個別に電圧を印加できるようにする。
　例えば、第３電極２６に電圧を印加し、第１対向電極２３及び第４電極２７を接地する。これにより、液晶光学素子１１６では、Ｘ軸方向に沿うシリンドリカルレンズ状の屈折率分布を液晶層３０に形成することができる。
　例えば、複数の第１電極２１及び複数の第３電極２６のそれぞれに電圧を印加し、複数の第２電極２２、第１対向電極２３及び複数の第４電極２７のそれぞれを接地する。これにより、液晶層３０のうちの、複数の第１電極２１と複数の第４電極２４とのそれぞれに囲われた領域と対向する部分に、屈折率分布を形成することができる。例えば、Ｘ軸方向とＹ軸方向とにマトリクス状に並ぶマイクロレンズ状の屈折率分布を形成することができる。複数の第１電極２１、複数の第２電極２２、複数の第３電極２６及び複数の第４電極２７のそれぞれに対して個別に電圧を印加できるようにすれば、任意の屈折率分布が形成でき、応用範囲が拡大する。
　図１３は、第１の実施形態に係る立体画像表示装置の別の構成を例示する模式的斜視図である。　
　図１３に表したように、画像表示部１２０の上に、第１電極２１及び第２電極２２を含む液晶光学素子１１７を設け、この液晶光学素子１１７の上に、第３電極２６及び第４電極２７を含む液晶光学素子１１８を、さらに設けてもよい。
　液晶光学素子１１７では、Ｙ軸方向に沿うシリンドリカルレンズ状の屈折率分布を液晶層３０に形成することができる。液晶光学素子１１８では、Ｘ軸方向に沿うシリンドリカルレンズ状の屈折率分布を液晶層３０に形成することができる。これにより、液晶光学素子１１７の上に液晶光学素子１１８を積層させた構成においても、任意の屈折率分布を形成でき、応用範囲を拡大させることができる。
　なお、液晶光学素子１１７と液晶光学素子１１８との積層順は、上記に限ることなく、液晶光学素子１１８の上に、液晶光学素子１１７を設けてもよい。液晶光学素子１１７及び液晶光学素子１１８に限ることなく、液晶層３０に形成される屈折率分布の異なる液晶光学素子を、さらに積層させてもよい。
　（第２の実施の形態）　
　図１４は、第２の実施形態に係る立体画像表示装置の構成を例示する模式的断面図である。　
　図１５は、第２の実施形態に係る立体画像表示装置の一部の構成を例示する模式的斜視図である。　
　図１４は、図１５のＢ１－Ｂ２線断面を模式的に表す。　
　図１４及び図１５に表したように、立体画像表示装置２２０は、液晶光学素子１４０と、画像表示部１２０と、制御回路１３０と、を備える。画像表示部１２０及び制御回路１３０の構成は、立体画像表示装置２１０と同様である。
　この例では、画像表示部１２０側に液晶光学素子１４０の第２基板１２が配置され、光の出射側に第１基板１１が配置される。第１基板１１の第１主面１１ａには、複数の第１電極２１と複数の第２電極２２とが設けられる。第１電極２１と第２電極２２との間の隙間ＣＬのＸ軸方向の幅は、画素群５０のＸ軸方向の幅よりも狭い。また、第１電極２１と第２電極２２とは、画素群５０のＸ軸方向の中央付近に隙間ＣＬを対向させて配置される。なお、複数の第１電極２１は、それぞれの端部において第１配線部４１と接続され、実質的に同じ電圧を印加できる。または、複数の第１電極２１のそれぞれに個別に電圧を印加できるようにしてもよい。複数の第２電極２２についても、複数の第１電極２１と同様である。
　第２基板部１２ｓは、第２基板１２と、第１対向電極２３と、第２対向電極２４と、を有する。第１対向電極２３及び第２対向電極２４は、第２基板１２の第２主面１２ａに設けられる。第１対向電極２３は、第１電極２１と対向し、第１電極２１の一部を覆う。第２対向電極２４は、第２電極２２と対向し、第２電極２２の一部を覆う。第２基板部１２ｓは、第２主面上１２ａの、第１対向電極２３と第２対向電極２４との間において電極が設けられていない領域ＡＲ２を有する。第１対向電極２３及び第２対向電極２４は、Ｘ軸方向に隣接する画素群５０の境界部分に対向して配置される。画素群５０は、第１対向電極２３と第２対向電極２４との間の領域ＡＲ２と対向して配置される。なお、複数の第１対向電極２３及び複数の第２対向電極２４は、それぞれの端部において配線部と接続され、実質的に同じ電圧を印加できる。または、第１対向電極２３及び第２対向電極２４のそれぞれに個別に電圧を印加できるようにしてもよい。
　液晶層３０は、第１基板１１側で垂直配向となり、第２基板１２側で水平配向となる。このため、この例では、画像表示部１２０側において水平配向となっている。
　図１４は、第１電極２１、第２電極２２、第１対向電極２３及び第２対向電極２４に電圧を印加していない状態を示している。この状態では、ＨＡＮ配向した液晶層３０が均一な屈折率分布を示す。従って、液晶光学素子１４０は、第１電極２１、第２電極２２、第１対向電極２３及び第２対向電極２４に電圧を印加していない場合に、第１状態となる。
　液晶光学素子１４０を第１状態から第２状態に切り替える場合は、例えば、第１電極２１に正電圧を印加し、第２電極２２に負電圧を印加し、第１対向電極２３及び第２対向電極２４を接地する。　
　図１６は、第２の実施形態に係る立体画像表示装置の一部の構成を例示する模式的断面図である。　
　図１６に表したように、第１電極２１、第２電極２２、第１対向電極２３及び第２対向電極２４のそれぞれに上記のように電圧を印加すると、第１電極２１の周りに電気力線ＥＬが発生する。隙間ＣＬの近傍から、これに対向する部分までの領域においては、電気力線ＥＬは、Ｘ－Ｙ平面に対して平行な成分を有する。さらに、電気力線ＥＬは、隙間ＣＬの近傍において密集している（電場が強い）。
　図１７は、第２の実施形態に係る立体画像表示装置の一部の構成を例示する模式的断面図である。　
　図１７に表したように、液晶層３０の誘電率異方性が正の場合、液晶分子３５の配向は、電気力線ＥＬに沿って変形する。この例では、隙間ＣＬと対向している部分では、第１基板１１側において、垂直配向から水平配向に近づく。隙間ＣＬと第１対向電極２３との間の領域では、第１基板１１側において、第１対向電極２３から隙間ＣＬに向かって徐々に水平配向に近づくように、液晶分子３５の角度が変化する。隙間ＣＬと第２対向電極２４との間の領域では、第１基板１１側において、第２対向電極２４から隙間ＣＬに向かって徐々に水平配向に近づくように、液晶分子３５の角度が変化する。液晶光学素子１４０の液晶層３０では、隙間ＣＬ部分の屈折率が高い。隙間ＣＬから第１電極２１と第１対向電極２３とが対向する部分に向かって、徐々に屈折率が低くなり、隙間ＣＬから第２電極２２と第２対向電極２４とが対向する部分に向かって、徐々に屈折率が低くなる。このように、液晶光学素子１４０の構成でも、第１電極２１、第２電極２２、第１対向電極２３及び第２対向電極２４に電圧を印加することにより、画素群５０と対向する部分において、レンズ状の屈折率分布が現れ、液晶光学素子１４０が第１状態から第２状態に変化する。
　図１８は、第２の実施形態に係る立体画像表示装置の特性を例示するグラフ図である。
　図１８は、液晶光学素子１４０の屈折率分布を例示するグラフ図である。
　図１８の横軸は、液晶光学素子１４０のＸ軸方向の位置ｘである。図１８の縦軸は、液晶層３０の屈折率ｎを領域内の最大値で規格化した値βである。　
　図１８において、領域ｄ１は、第１電極２１の存在する部分を示している。領域ｄ２は、第２電極２２の存在する部分を示している。領域ｄ３は、第１対向電極２３の存在する部分を示している。領域ｄ４は、第２対向電極２４の存在する部分を示している。図１８は、図１４～１７とＺ軸方向における上下が反転している。
　図１８に表したように、液晶光学素子１４０の屈折率は、隙間ＣＬ部分において高い。そして、液晶光学素子１４０の屈折率は、隙間ＣＬから第１対向電極２３に向かう方向において徐々に低くなり、隙間ＣＬから第２対向電極２４に向かう方向において徐々に低くなる。このように、液晶光学素子１４０において、異常な屈折率の上昇は、見られない。
　液晶光学素子１４０の構成でも、液晶分子３５の捩れ歪に起因する輝線の発生、及び、これにともなうクロストークを抑制することができる。液晶光学素子１４０においては、液晶層３０のうちの、第１基板１１側の隙間ＣＬ近傍部分における垂直配向した液晶分子３５のチルト角を、横方向（基板に対して平行方向）の電場により小さくすることができる。このため、液晶光学素子１４０においては、液晶光学素子１１０の構成よりも屈折率の変調量を増やすことができる。
　液晶光学素子１４０において、第１基板１１を画像表示部１２０側に配置してもよい。また、液晶光学素子１４０において、他形状の屈折率分布を液晶層３０に用いてもよい。
　本発明の実施形態によれば、見易い表示を可能とする液晶光学素子及び立体画像表示装置が提供される。
　以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、立体画像表示装置を構成する画像表示部、液晶光学素子、第１基板部、第２基板部、液晶層、第１基板、第２基板、第１電極、第２電極、第１対向電極及び第２対向電極等、各要素の具体的な構成に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含される。　
　また、各具体例のいずれか２つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。
　その他、本発明の実施の形態として上述した液晶光学素子及び立体画像表示装置を基にして、当業者が適宜設計変更して実施し得る全ての液晶光学素子及び立体画像表示装置も、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。
　その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。
　本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

Claims (6)

  1. 　　第１主面を有する第１基板と、
    　　前記第１主面に設けられ、第１方向に沿って延びる第１電極と、
    　を含む第１基板部と、
    　　前記第１主面と対向する第２主面を有する第２基板と、
    　　前記第２主面に設けられ、前記第１電極と対向する第１対向電極と、
    　を含む第２基板部と、
    　前記第１基板部と前記第２基板部との間に設けられた液晶層であって、前記液晶層のうちの前記第１基板部側の第１部分は垂直配向であり、前記液晶層のうちの前記第２基板部側の第２部分は液晶分子の長軸が前記第２方向に沿う水平配向である液晶層と、
    　を備えた液晶光学素子。
  2. 　前記第１基板部は、
    　前記第１主面に設けられ、前記第１方向に沿って延び、前記第１方向に対して垂直な第２方向において前記第１電極と間隔を空けて配置された第２電極を、さらに含む請求項１記載の液晶光学素子。
  3. 　前記第１対向電極は、前記第２電極を覆う請求項２記載の液晶光学素子。
  4. 　前記第２基板部は、前記第２電極と対向する第２対向電極をさらに含む請求項２記載の液晶光学素子。
  5. 　　第１主面を有する第１基板と、
    　　前記第１主面に設けられ、第１方向に沿って延びる第１電極と、
    　を含む第１基板部と、
    　　前記第１主面と対向する第２主面を有する第２基板と、
    　　前記第２主面に設けられ、前記第１電極を覆う第１対向電極と、
    　を含む第２基板部と、
    　前記第１基板部と前記第２基板部との間に設けられた液晶層であって、前記液晶層のうちの前記第１基板部側の第１部分は垂直配向であり、前記液晶層のうちの前記第２基板部側の第２部分は液晶分子の長軸が前記第２方向に沿う水平配向である液晶層と、
    　を含む液晶光学素子と、
    　前記液晶光学素子と積層され、画像を表示する画像表示面を有する画像表示部と、
    　を備えたことを特徴とする立体画像表示装置。
  6. 　前記第１基板部は、
    　前記第１主面に設けられ、前記第１方向に沿って延び、前記第１方向に対して垂直な第２方向において前記第１電極と間隔を空けて配置された第２電極を、さらに含み、
    　前記第１電極と前記第１対向電極との間の電圧の絶対値は、前記第２電極と前記第１対向電極との間の電圧の絶対値よりも大きい請求項５記載の立体画像表示装置。
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