屈折率分布型液晶光学素子および画像表示装置
【課題】簡素な構造で駆動が容易な低コストの屈折率分布型液晶光学素子および表示装置を提供する。
【解決手段】第１基板と第２基板との間に挟持される液晶層と、第１基板上の液晶層側に設けられ、第１方向に沿って配列される複数の第１電極、複数の第２電極および複数の第３電極と、第２基板上の液晶層側に形成された第４電極とを備え、第３電極のそれぞれに対して、第３電極の両側のうちの一方の側に前記第１電極と第２電極とを有する第１電極対が配置されるとともに、他方の側に第１電極と第２電極とを有する第２電極対が配置され、第１電極対において、第２基板からみて第１方向に沿った断面における第２電極の中心は第１電極の中心よりも第３電極側に位置するように配置され、第２電極対において、第２基板からみて第１方向に沿った断面における第２電極の中心は第１電極の中心よりも第３電極側に位置するように配置される。
【解決手段】第１基板と第２基板との間に挟持される液晶層と、第１基板上の液晶層側に設けられ、第１方向に沿って配列される複数の第１電極、複数の第２電極および複数の第３電極と、第２基板上の液晶層側に形成された第４電極とを備え、第３電極のそれぞれに対して、第３電極の両側のうちの一方の側に前記第１電極と第２電極とを有する第１電極対が配置されるとともに、他方の側に第１電極と第２電極とを有する第２電極対が配置され、第１電極対において、第２基板からみて第１方向に沿った断面における第２電極の中心は第１電極の中心よりも第３電極側に位置するように配置され、第２電極対において、第２基板からみて第１方向に沿った断面における第２電極の中心は第１電極の中心よりも第３電極側に位置するように配置される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、屈折率分布型液晶光学素子および画像表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
立体画像（３次元画像）を表示可能な表示装置が提案されている。また、２次元画像の表示と３次元画像の表示とを同一の表示装置で切り替えて実現したいという要求があり、その要求に応えるための技術が提案されている。例えば、液晶レンズアレイ素子を用いて２次元画像表示と３次元画像表示とを切り替える技術である。この液晶レンズアレイ素子は、一方の基板上に周期的に配置された棒状の電極を有している。そして、対向するもう一方の基板上に形成された電極との間で電界分布を作り出し、この電界分布により液晶層の配向を変化させ、レンズとして作用する屈折率分布を生成する。電極に印加する電圧を制御することにより、レンズ作用をオンまたはオフすることができるため、２次元画像表示と３次元画像表示とを切り替えることができる。このように電界により液晶分子の配向方向を制御する方式は、液晶屈折率分布型レンズ方式、または、液晶ＧＲＩＮ（gradient index）レンズ方式）と呼称される。
【０００３】
また、一方の基板上に周期的に配置された棒状の電極に２種類の異なる電圧を印加する技術が提案されている。そして、２種類の異なる電圧を印加することにより、レンズアレイとしてより好ましい屈折率分布を生成している。
【０００４】
このように、液晶ＧＲＩＮレンズを実現するための試みが行われている。ただし、液晶ＧＲＩＮレンズを用いて良好な３次元画像表示を実現するためには、液晶ＧＲＩＮレンズの焦点距離を、液晶ＧＲＩＮレンズの主点と画像表示部の画素面との距離程度に設定する必要がある。このためには、液晶ＧＲＩＮレンズの液晶層にある程度の屈折力が求められることになる。しかし、液晶分子の屈折率異方性は通常０．２程度と小さいため、液晶層の厚みを通常の表示パネルよりもかなり大きくする必要がある。これは、液晶の使用量を増大させてコスト高を招くばかりか、製造における難易度も高くなるという課題がある。
【０００５】
そこで、液晶ＧＲＩＮレンズをフレネルレンズ化することが提案されている。これは、一方の基板上に多数の棒状の電極を設置し、多数の異なる電圧を印加することで、フレネルレンズとしての屈折率分布を実現している。
【０００６】
しかしながら、フレネルレンズ型の液晶ＧＲＩＮレンズアレイにおいては、各レンズに多数の棒状の電極を配置する必要があり、透明電極を微細に加工する技術が必要になる。透明電極の微細加工は、高精度のステッパやドライエッチング装置などが必要となるため、コストアップとなる課題がある。また、多数の棒状電極に異なる多数の電圧を印加する必要があり、駆動が複雑でコストアップとなる課題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０００−１０２０３８号公報
【特許文献２】特開２０１０−２２４１９１号公報
【特許文献３】米国特許出願公開第２０１０／００２６９２０号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明が解決しようとする課題は、簡素な構造で駆動が容易な低コストの屈折率分布型液晶光学素子および表示装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本実施形態の屈折率分布型液晶光学素子は、第１基板と、前記第１基板に対向配置される第２基板と、前記第１基板と前記第２基板との間に挟持される液晶層と、前記第１基板上の前記液晶層側に設けられ、第１方向に沿って配列される、複数の第１電極と、前記第１基板上の前記液晶層側に前記第１電極に対応して設けられ、前記第１方向に配列される複数の第２電極と、前記第１基板上の前記液晶層側に設けられ、前記第１方向に配列される複数の第３電極と、前記第２基板上の前記液晶層側に形成された第４電極と、を備え、前記第３電極のそれぞれに対して、第３電極の両側のうちの一方の側に前記第１電極とこの第１電極に対応する第２電極とを有する第１電極対が配置されるとともに、他方の側に第１電極とこの第１電極に対応する第２電極とを有する第２電極対が配置され、前記第１電極対において、前記第２基板からみて、前記第１方向に沿った断面における前記第２電極の中心は前記第１電極の中心よりも前記第３電極側に位置するように配置され、前記第２電極対において、前記第２基板からみて、前記第１方向に沿った断面における前記第２電極の中心は前記第１電極の中心よりも前記第３電極側に位置するように配置されることを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】第１実施形態による画像表示装置を示す断面図。
【図２】第１実施形態における液晶ＧＲＩＮレンズアレイの上面図。
【図３】図２の切断線Ａ−Ａによって切断した電圧印加時の液晶ダイレクタ分布を示す断面図。
【図４】横軸にレンズピッチ方向での座標をとり、縦軸に光路長をとって、図３に示す液晶ダイレクタ分布から計算した屈折率分布を示すグラフ。
【図５】第１実施形態の画像表示装置を示すブロック図。
【図６】第１実施形態の第１変形例による画像表示装置を示す断面図。
【図７】第１実施形態の第２変形例による画像表示装置を示す断面図。
【図８】第１実施形態の第３変形例による画像表示装置を示す断面図。
【図９】第１実施形態の第４変形例による画像表示装置を示す断面図。
【図１０】第２実施形態による画像表示装置を示す断面図。
【図１１】第３実施形態による画像表示装置を示す断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参照して実施形態について詳細に説明する。なお、以下の実施形態では、同一の参照符号を付した部分は同様の動作をおこなうものとして、重複する説明を適宜省略する。
【００１２】
（第１実施形態）
第１実施形態による画像表示装置について、図１乃至図５を参照して説明する。第１実施形態の画像表示装置を図１に示す。この実施形態の画像表示装置は、屈折率分布型液晶光学素子１と、画像表示部５とを備えている。画像表示部５は、表示面にマトリクス状に配列された画素を有する表示パネルであり、例えば、液晶パネル、有機ＥＬパネル、プラズマディスプレイパネル等を好適に用いることができる。なお、本実施形態においては、画像表示部５は、矢印が示す第１方向６１の直線偏光を出射するように構成されている。また、本実施形態においては、屈折率分布型液晶光学素子１は、液晶ＧＲＩＮレンズアレイであり、この液晶ＧＲＩＮレンズアレイ１の上面図を図２に示す。
【００１３】
この液晶ＧＲＩＮレンズアレイ１は、画像表示部５の前面に設けられ、透明な第１基板１１と、第１基板１１に対向配置された透明な第２基板１２との間に、液晶層４が挟持された構成を有している。第１基板１１の液晶層側の面には、透明な第１電極２１と、透明な第２電極２２と、透明な第３電極２３と、透明な第５電極２５と、透明な誘電体層３とが設けられている。これらの第１電極２１、第２電極２２、第３電極２３、および第５電極２５はそれぞれ、図２に示すように、第１方向６１と交差する第２方向６２に延在するように設けられる。なお、図２では、第２方向６２は、第１方向６１と直交するように配置されるが、直交していなくてもよい。また、第２基板１２の液晶層側の面には、透明な第４電極２４が設けられている。この第４電極２４は、上記第１電極２１、第２電極２２、第３電極２３、および第５電極２５に対向するように設けられ、第２基板１２の液晶層側の面のほぼ全面に設けられる。液晶層４は、液晶分子４１を含んでおり、本実施形態においては、液晶分子４１として一軸性複屈折を示す物質を用いている。第１乃至第５電極に電圧を印加しない場合の液晶分子４１の初期配向は、その長軸方向が第１方向６１となっている。
【００１４】
第１基板１１の液晶層側の面上には、第１方向６１に第３電極２３が複数個並行に配置され、各第３電極の両側には第１電極２１が配置された構成となっている。隣接する第３電極間のほぼ中央に第５電極２５が配置された構成となっている。これらの第１電極２１、第３電極２３、および第５電極は、誘電体層３によって覆われている。そして、この誘電体層３上に、第１電極２１のそれぞれに対応するように第２電極２２が設けられている。したがって、第２電極２２は、第１電極２１、第３電極２３、および第５電極と誘電体層３によって電気的に絶縁される。また、各第２電極２２は、第２方向に延在する中心軸が、対応する第１電極２１の中心軸に対して第３電極２３側に位置するように配置される。
【００１５】
そして、本明細書では、図面上で第３電極２３の左側に配置される第１電極２１とこの第１電極２１に対応する第２電極２２との組を電極対２００Ａと呼び、第３電極２３の右側に配置される第１電極２１とこの第１電極２１に対応する第２電極２２との組を電極対２００Ｂと呼ぶ。すると、第１基板１１上には、図１の左から、電極対２００Ａ、第３電極２３、電極対２００Ｂ、第５電極２５、電極対２００Ａ、第３電極２３、電極対２００Ｂの順に配置された構成を有している。すなわち、隣接第３電極２３の間には電極対２００Ａと電極対２００Ｂとが配置され、これらの電極対２００Ａと電極対２００Ｂとの間には第５電極が配置された構成となっている。また、第３電極２３の両側の配置される、電極対２００Ａおよび電極対２００Ｂは、第３電極２３に対して対称に配置されている。すなわち、図２に示す上面図で見た場合に、第３電極２３の中心軸に対して線対称に配置されている。
【００１６】
次に、電極対２００Ａ、２００Ｂ間の距離について説明する。第２基板側から見たとき、第３電極２３の中心軸とこの第３電極２３の左側に配置される電極対２００Ａの中心軸との距離をＰ１とし、上記第３電極の中心軸とこの第３電極２３の右側に配置される電極対２００Ｂの中心軸との距離をＰ２とする。このとき、隣接する第３電極２３間に配置される電極対２００Ａと電極対２００Ｂとのそれぞれの中心軸間の距離をＰ３とすると、
Ｐ３ ＞ Ｐ１＋Ｐ２
の条件を満たすように配置された構成となっている（図２）。なお、第３電極２３の左側に配置される電極対２００Ａの中心軸は、上記第３電極２３に対して電極対２００Ａの第２方向６２に平行な、最も遠い側面と最も近い側面との真ん中に位置し、第３電極２３の右側に配置される電極対２００Ｂの中心軸は、上記第３電極２３に対して電極対２００Ｂの第２方向６２に平行な、最も遠い側面と最も近い側面との真ん中に位置する。
【００１７】
次に、第１実施形態の表示装置における液晶ＧＲＩＮレンズアレイ１の動作について説明する。各電極に電圧を印加した場合の、図２に示す切断線Ａ−Ａ線で切断した面内における液晶ダイレクタの分布を図３に示す。この液晶ダイレクタの分布は、シミュレーションによって求めた。図３に示す液晶ダイレクタ分布から計算した屈折率分布を図４に示す。図４に示す横軸は、レンズピッチ方向での座標であり、図２に示す第５電極２５の中心軸を原点にとり、第１方向６１に平行な方向をｘ軸とし、上記原点からの距離を示している。また、図４の縦軸は光路長を示している。
【００１８】
第１実施形態における液晶ＧＲＩＮレンズアレイ１においては、第４電極２４を基準電圧（例えばＧＮＤ）としたとき、第５電極２５は第４電極２４と同じ電圧が印加されている。そして、電極対２００Ａ、電極対２００Ｂのいずれにおいても、第２電極２２より第１電極２１の方が、高い電圧が印加されている。具体的には、第１電極２１の電圧をＶ１、第２電極２２の電圧をＶ２とすれば、Ｖ１＞Ｖ２である。
【００１９】
そして、第２電極２２の電圧Ｖ２は、第５電極２５の電圧より高くなるように設定されている。ただし、第２電極２２と第５電極２５との電圧差は、液晶層４のしきい値電圧Ｖｔｈより小さくなるように設定されている。すなわち、Ｖ２＜Ｖｔｈである。また、第３電極２３の電圧Ｖ３は、第１電極２１の電圧Ｖ１と同じ電圧が印加されている。
【００２０】
このように電圧が印加された場合の液晶分子４１の配向状態について説明する。まず、第５電極２５と第４電極２４との間においては、電圧差がゼロであるため、図３及び図４に示すように、液晶分子４１は初期の配向状態を保っている。すなわち、見かけの屈折率が大きく、その結果として光路長も大きくなっている。
【００２１】
次に、第１電極２１と第４電極２４との間では、所定の電圧Ｖ１が印加されており、液晶分子４１は立ち上がっている。この結果、見かけの屈折率は小さくなり、その結果として光路長も小さくなっている。なお、第５電極２５と第１電極２１との間では、屈折率は序々に変化し、これに従って光路長も序々に変化している。
【００２２】
一方、第２電極２２と第４電極２４との間では、電圧差が液晶層４のしきい値電圧Ｖｔｈよりも小さいＶ２に設定されている。このため、液晶分子４１の立ち上がりはほとんど見られない。この結果、見かけの屈折率が大きくなり、光路長も大きくなっている。なお、第１電極２１と第２電極２２が積層して形成されているため、この部分における屈折率の変化は急峻なものとなっている。
【００２３】
そして、第３電極２３と第４電極２４との間では、前述したように第１電極２１の電圧Ｖ１と同じ電圧が印加されているため、見かけの屈折率は小さくなり、結果として光路長も小さくなっている。
【００２４】
このようにして、フレネルレンズとしての屈折率分布（光路長分布）が実現されることになる。
【００２５】
なお、図５に示すように、液晶ＧＲＩＮレンズアレイ１は、駆動回路８１によって駆動され、液晶ＧＲＩＮレンズアレイ１の各電極２１〜２５には上述した条件を満たす電圧が印加される。また、画像表示部５は、駆動回路８５に駆動される。このとき、駆動回路８１は駆動回路８５と同期し、画像表示部５が３次元画像を表示する場合には、上述した条件を満たす電圧が駆動回路８１によって液晶ＧＲＩＮレンズアレイ１の各電極２１〜２５に印加される。このとき、図１に示す隣接する第３電極２３間がレンズの１単位、すなわちレンズピッチとなり、３次元画像を表示する際の射出瞳の一つに対応する。また、画像表示部５が２次元画像を表示する場合には、駆動回路８１によって液晶ＧＲＩＮレンズアレイ１の各電極２１〜２５には基準電圧（ＧＮＤ）が印加される。
【００２６】
次に、第１実施形態の効果について説明する。
【００２７】
本実施形態においては、上述のように、電極対２００Ａにおける第２電極２２の中心軸は第１電極２１の中心軸よりも第３電極２３側に配置され、電極対２００Ｂにおける第２電極２２の中心は第１電極２１の中心よりも第３電極２３側に配置される。これにより、従来技術に比べて、少ない電極数でフレネルレンズアレイを実現できる。このため、透明電極を微細に加工する専用の技術を用いずに、通常の半導体製造技術を用いて加工することが可能となり、低コストで液晶ＧＲＩＮレンズアレイを生産することができる。また、電極数が少ないため、制御に要する電圧の種類も少なくすることができ、駆動を単純化して低コスト化が可能となる。
【００２８】
また、本実施形態のように第１電極２１とこの第１電極２１に対応する第２電極２２とを形成することにより、フレネルレンズとして適切な急峻な屈折率分布を作ることができ、レンズとしての高い性能を実現することができる。このような急峻な屈折率分布を生成するためには、上記第１電極２１と上記第２電極２２との間隙、すなわち、上記第１電極２１と上記第２電極２２との最小距離を小さくすることが好ましいことが、本発明者らの検討により判明した。ここで、第１電極２１と第２電極２２との最小距離とは、第１電極２１の任意の点と、第２電極２２との任意の点との距離のうちの最小値を意味する。本実施形態においては、上記第１電極２１と上記第２電極２２とは、第４電極２４からみたとき、オーバーラップしているので、両電極間の間隙が誘電体層３の厚さと第１電極２１の厚さの差となっている。この結果、図３に示すように、電気力線はオーバーラップしている部分が両電極間に閉じ込められ、オーバーラップしていない部分から漏れ出た電界によって急峻な屈折率分布が生成される。しかし、第１電極２１と第２電極２２との第１方向６１における間隔、すなわち第４電極２４からみたときのオーバーラップしていない部分の第１方向６１における最大距離は、少なくとも誘電体層３の厚み以下となることが好ましい。これは、上記最大距離が誘電体層３の厚みよりも大きくなると、両電極間の漏れ電界が大きくなり、第１方向６１に平行な電界成分が生成されて、急峻な屈折率分布を生成するのが困難になるからである。ここで、第１電極２１と第２電極２２との最大距離とは、第１電極２１の任意の点と、第２電極２２との任意の点との距離のうちの最大値を意味する。
【００２９】
また前述したように、第１方向６１における各電極の配置を、
Ｐ３ ＞ Ｐ１＋Ｐ２
となるように配置することにより、液晶層４の厚みをより低減することが可能となる。これは、図４に示す屈折率分布を参照すれば、レンズの光軸、すなわち第５電極２５の中心軸近辺にフレネルの段差を設けるよりも、レンズの端部、すなわち第３電極２３の中心軸近辺に設けた方が、液晶層４の厚みを低減できることから明白である。なお、液晶層４の厚みが最も薄くできるのは、図４に示す屈折率分布において、光軸における値と、フレネルの段差部における値が一致する場合である。このような屈折率分布が実現されるように、各電極を予め配置するととともに、印加電圧を調整することが好ましい。
【００３０】
また、第１実施形態の液晶ＧＲＩＮレンズアレイ１に印加される電圧に関しては、第２電極２２と第４電極２４との間の電圧差が、液晶層４のしきい値電圧Ｖｔｈより小さい値に設定されている。これにより、第２電極２２と第４電極２４間の液晶分子４１の立ち上がりを抑制することが可能となり、フレネルレンズとして適切な急峻な屈折率分布を実現することができる。更には、第２電極２２に印加される電圧を大きくすることができるため、第１電極２１との電圧差を小さくすることが可能となり、第１電極２１と第２電極間の漏れ電界を抑制できる。この結果、漏れ電界の第１方向６１に平行な成分を低減して、より急峻な屈折率特性を実現できる。
【００３１】
なお、第１実施形態においては、第１電極２１とこの第１電極に対応する第２電極２２に関して、第３電極２３側と反対側、すなわち第５電極２５側の端部（側面）のそれぞれの位置は、図１に示すように、第２電極２２の端部の位置が第１電極２１の端部の位置より第３電極２３側にある。しかし、第２電極２２の端部の位置が第１電極２１の端部の位置より第５電極２５側にはみ出していてもよい。しかし、誘電体層３の厚みをｔとすると、第２電極２２の端部の位置が第１電極２１の端部の位置より第５電極２５側にはみ出す量はｔ以下となっていることが好ましい。これは、仮に、はみ出す量がｔよりも大きい場合には、第２電極２２に起因する電気力線が第１電極２１で十分に遮蔽されず、レンズとしての屈折率分布が乱されて性能が低下するからである。すなわち、上述のように構成することにより、フレネルレンズとして適切な屈折率分布を実現することができ、性能を向上することができる。
【００３２】
また、第１実施形態においては、第１電極２１とこの第１電極２１に対応する第２電極２２に関する、第３電極２３側のそれぞれの端部の位置は、図１に示すように第２電極２２の端部の位置が第１電極２１の端部の位置よりはみ出している。このはみ出し量は、誘電体層３の厚みをｔとすると、ｔ以上であることが好ましい。これは、仮にはみ出す量がｔよりも小さい場合には、第２電極２２に起因する電気力線が第１電極２１で遮蔽されてしまい、フレネルレンズとしての性能が低下する。すなわち、上述のように構成することにより、レンズ性能を向上することができ、好ましい。
【００３３】
更には、第１電極２１とこの第１電極２１対応する第２電極の幅を比較した場合、第４電極２４から見て、第１電極２１と重ならない第２電極２２の部分の幅が、第１電極２１の幅よりも大きい方が好ましい。このように構成することにより、フレネルレンズに特有の屈折率分布を好適に実現することができる。すなわち、なだらかな屈折率分布を実現すべき第２電極２２の電極幅は、より急な屈折率分布を実現すべき第１電極２１の電極幅よりも大きくなるように構成する方が好ましい。
【００３４】
第１実施形態においては、電極対２００Ａと電極対２００Ｂは、第３電極２３に対して対称に配置されるものとして説明したが、これに限定されるものではない。必ずしも対称に配置される必要はない。ただし対称に配置した方が、レンズとしての屈折率分布をより望ましいものにすることができ、好ましい。
【００３５】
また、第１実施形態においては、第２電極２２が誘電体層３上に配置されているので、第２電極２２は、第１電極２１に比べて液晶層４側に位置し、これにより、よりなだらかな屈折率分布を実現すべき部分（電極２２の近辺）の電界の乱れを抑制することが可能となり、レンズ性能を向上することができる。
【００３６】
また、第１実施形態においては、隣接する第３電極２３間に第５電極２５が設けられているので、レンズとしての屈折率分布をより理想的にすることが可能となり、レンズ性能を向上することができる。
【００３７】
以上説明したように、第１実施形態によれば、簡素な構造で駆動が容易な低コストの屈折率分布型液晶光学素子および表示装置を提供することができる。
【００３８】
（第１変形例）
次に、第１実施形態の第１変形例による画像表示装置を図６に示す。図６は、第１変形例の画像表示装置を示す断面図である。この第１変形例の画像表示装置は、図１に示す第１実施形態の画像表示装置において、液晶ＧＲＩＮレンズアレイ１を液晶ＧＲＩＮレンズアレイ１Ａに置き換えた構成となっている。この液晶ＧＲＩＮレンズアレイ１Ａは、図１に示す液晶ＧＲＩＮレンズアレイ１において、第１電極２１および第３電極を誘電体層２上に配置し、第２電極２２を第１基板１１上に配置した構成となっている。
【００３９】
このように構成された第１変形例も第１実施形態と同様に、簡素な構造で駆動が容易な低コストの屈折率分布型液晶光学素子および表示装置を提供することができる。また、第１変形例においては、第１電極２１、第３電極２３が、誘電体層３の液晶層４側に配置されている。これにより、第１電極２１及び第３電極２３においては、誘電体層３による電圧降下を抑制することができる。第１電極２１及び第３電極２３は、第２電極２２及び第５電極２５よりも相対的に高い電圧を印加するため、駆動電圧低減の効果は大きい。すなわち、駆動回路の最大出力電圧を低減することができるため、駆動回路の簡素化が可能になるばかりか、消費電力を低減することができ好ましい。
【００４０】
（第２変形例）
次に、第１実施形態の第２変形例による画像表示装置を図７に示す。図７は、第２変形例の画像表示装置を示す断面図である。この第２変形例の画像表示装置は、図１に示す第１実施形態の画像表示装置において、液晶ＧＲＩＮレンズアレイ１を液晶ＧＲＩＮレンズアレイ１Ｂに置き換えた構成となっている。この液晶ＧＲＩＮレンズアレイ１Ｂは、図１に示す液晶ＧＲＩＮレンズアレイ１において、第３電極２３を誘電体層３上に配置した構成となっている。
【００４１】
このように構成された第２変形例も第１実施形態と同様に、簡素な構造で駆動が容易な低コストの屈折率分布型液晶光学素子および表示装置を提供することができる。
【００４２】
また、第２変形例のように、第２電極２２が第１電極２１に比べて液晶層４側に設けられていることにより、第１変形例に比べて、よりなだらかな屈折率分布を実現すべき部分（電極２２の近辺）の電界の乱れを抑制することができ、レンズ性能を向上することができる。
【００４３】
（第３変形例）
次に、第１実施形態の第３変形例による画像表示装置を図８に示す。図８は、第３変形例の画像表示装置を示す断面図である。この第３変形例の画像表示装置は、図６に示す第１変形例の画像表示装置において、液晶ＧＲＩＮレンズアレイ１Ａを液晶ＧＲＩＮレンズアレイ１Ｃに置き換えた構成となっている。この液晶ＧＲＩＮレンズアレイ１Ｃは、図６に示す液晶ＧＲＩＮレンズアレイ１Ａにおいて、第５電極２５を削除した構成となっている。
【００４４】
このように構成された第３変形例も第１変形例と同様に、簡素な構造で駆動が容易な低コストの屈折率分布型液晶光学素子および表示装置を提供することができる。
【００４５】
（第４変形例）
次に、第１実施形態の第４変形例による画像表示装置を図９に示す。図９は、第４変形例の画像表示装置を示す断面図である。この第４変形例の画像表示装置は、図１に示す第１実施形態の画像表示装置において、液晶ＧＲＩＮレンズアレイ１を液晶ＧＲＩＮレンズアレイ１Ｄに置き換えた構成となっている。この液晶ＧＲＩＮレンズアレイ１Ｄは、図１に示す液晶ＧＲＩＮレンズアレイ１において、第１電極２１を誘電体層３上に配置し、第２電極２２を第１基板１１上に配置した構成となっている。すなわち、第１基板１１上に、第２電極２２、第３電極２３、第５電極２５が配置された構成となっている。
【００４６】
一般に、第１基板１１上に形成された電極と誘電体層３上に形成された電極とは、形成する際に位置あわせ誤差が生じることもある。この位置合わせ誤差による影響を低減するため、本変形例では、第３電極２３、第５電極２５、第２電極２２を同一層、すなわち第１基板１１上に形成するのが有効である。これにより、レンズ端とレンズ中心の位置関係が同一の露光プロセスで作成できるため、レンズの中心など主要部分のずれを抑制することが可能となり、レンズ性能を向上することができる。なお、レンズ端とレンズ中心の電極をどちらも第１基板１１上に形成する方が、どちらも誘電体層３上に形成する場合よりも好ましい。これは、前者の方が誘電体層３の影響を排除できるためである。さらに、この第４変形例においては、第３電極２３、第５電極２５、第２電極２２を第１基板１１上に形成し、第１電極を誘電体層３上に形成したが、逆に形成してもよい。すなわち、第３電極２３、第５電極２５、第２電極２２を誘電体層３上に形成し、第１電極を第１基板１１上に形成してもよい。
【００４７】
このように構成された第４変形例も第１実施形態と同様に、簡素な構造で駆動が容易な低コストの屈折率分布型液晶光学素子および表示装置を提供することができる。
【００４８】
なお、第１実施形態および第１乃至第４変形例においては、液晶の初期配向は水平方向の水平配向であるものとして説明したが、液晶の初期配向はこれに限定されるものではない。他の液晶配向モードも適用可能である。
【００４９】
また、第１実施形態および第１乃至第４変形例においては、屈折率分布型液晶光学素子が液晶レンズアレイ素子であるとして説明したが、これに限定されるものではない。光学素子は３次元画像の表示を実現するための性能を備えていればよい。例えば、完全なレンズとしての屈折率分布が実現されていなくてもよいし、プリズムアレイ素子として機能するものでもよい。
【００５０】
更には、第１実施形態および第１乃至第４変形例においては、画像表示部５からの光線を制御する屈折率分布型光学素子として、屈折率分布型液晶光学素子を用いたが、使用される材料は液晶に限定されるものではない。同様の電気光学効果を有する材料であれば上記屈折率分布型光学素子として適用可能である。
【００５１】
また、第１実施形態および第１乃至第４変形例においては、レンズアレイが第１方向６１に沿って配列するものとして説明したが、これに限定されるものではない。例えば、２次元状に配列することにより、フライアイレンズを実現することもできる。
【００５２】
（第２実施形態）
次に、第２実施形態による画像表示装置について、図１０を参照して説明する。図１０は第２実施形態の画像表示装置を示す断面図である。
【００５３】
この第２実施形態の画像表示装置は、図６に示す第１実施形態の第１変形例による画像表示装置において、液晶ＧＲＩＮレンズアレイ１Ａを液晶ＧＲＩＮレンズアレイ１Ｅに置き換えた構成となっている。この液晶ＧＲＩＮレンズアレイ１Ｅは、図６に示す液晶ＧＲＩＮレンズアレイ１Ａにおいて、第５電極２５の左側でかつ第３電極２３との間に、第１電極２１および第２電極２２を含む電極対２００Ｂを更に少なくとも一組以上設け、第５電極２５の右側でかつ第３電極２３との間に、第１電極２１および第２電極２２を含む電極対２００Ａを更に少なくとも一組以上設けた構成となっている。なお、図１０では、更に設けられた電極対２００Ａ、２００Ｂは、それぞれ一組となっている。すなわち、第１実施形態および第１乃至第４変形例においては、液晶ＧＲＩＮレンズアレイは２段のフレネルレンズであった。これに対し、第２実施形態においては、多段のフレネルレンズが実現されている点が異なる。
【００５４】
なお、第２実施形態における動作は、第１実施形態で説明した場合と同様である。
【００５５】
第２実施形態においては、フレネルレンズの多段化により、液晶層４の厚みをより一層低減して、低コスト化することができる。
【００５６】
また、第２実施形態も第１実施形態と同様に、簡素な構造で駆動が容易な低コストの屈折率分布型液晶光学素子および表示装置を提供することができる。
【００５７】
なお、この第２実施形態のようなフレネルレンズの多段化は、第１実施形態またはそれらの変形例においても適用することができる。
【００５８】
（第３実施形態）
次に、第３実施形態による画像表示装置について、図１１を参照して説明する。図１１は第３実施形態の画像表示装置を示す断面図である。
【００５９】
第１および第２実施形態においては、液晶ＧＲＩＮレンズアレイは誘電体層３を有し、第１電極２１と第２電極２２は誘電体層３を挟んで、異なる層に形成されていた。これに対し、第３実施形態においては、誘電体層３は設けられておらず、第１電極２１と第２電極２２が第１基板１１上に形成されている点が異なる。この第３実施形態における動作は第１実施形態で説明した場合と同様である。
【００６０】
この第３実施形態においては、同一の層（単層）で構成される電極で液晶ＧＲＩＮレンズのフレネル化を実現することができる。単層の電極は、第１乃至第２実施形態のような積層構造の電極を作製するよりもプロセス数を削減することができるため、低コスト化が可能である。
【００６１】
また、第３実施形態も第１実施形態と同様に、簡素な構造で駆動が容易な低コストの屈折率分布型液晶光学素子および表示装置を提供することができる。
【００６２】
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。これらの実施形態は、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。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、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ものである。
【符号の説明】
【００６３】
１ 液晶ＧＲＩＮレンズアレイ
１Ａ 液晶ＧＲＩＮレンズアレイ
１Ｂ 液晶ＧＲＩＮレンズアレイ
１Ｃ 液晶ＧＲＩＮレンズアレイ
１Ｄ 液晶ＧＲＩＮレンズアレイ
１Ｅ 液晶ＧＲＩＮレンズアレイ
１Ｆ 液晶ＧＲＩＮレンズアレイ
１１ 第１基板
１２ 第２基板
２１ 第１電極
２２ 第２電極
２３ 第３電極
２４ 第４電極
２５ 第５電極
３ 誘電体層
４ 液晶層
４１ 液晶分子
５ 画像表示部
６１ 第１方向
６２ 第２方向
２００Ａ 電極対
２００Ｂ 電極対
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、屈折率分布型液晶光学素子および画像表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
立体画像（３次元画像）を表示可能な表示装置が提案されている。また、２次元画像の表示と３次元画像の表示とを同一の表示装置で切り替えて実現したいという要求があり、その要求に応えるための技術が提案されている。例えば、液晶レンズアレイ素子を用いて２次元画像表示と３次元画像表示とを切り替える技術である。この液晶レンズアレイ素子は、一方の基板上に周期的に配置された棒状の電極を有している。そして、対向するもう一方の基板上に形成された電極との間で電界分布を作り出し、この電界分布により液晶層の配向を変化させ、レンズとして作用する屈折率分布を生成する。電極に印加する電圧を制御することにより、レンズ作用をオンまたはオフすることができるため、２次元画像表示と３次元画像表示とを切り替えることができる。このように電界により液晶分子の配向方向を制御する方式は、液晶屈折率分布型レンズ方式、または、液晶ＧＲＩＮ（gradient index）レンズ方式）と呼称される。
【０００３】
また、一方の基板上に周期的に配置された棒状の電極に２種類の異なる電圧を印加する技術が提案されている。そして、２種類の異なる電圧を印加することにより、レンズアレイとしてより好ましい屈折率分布を生成している。
【０００４】
このように、液晶ＧＲＩＮレンズを実現するための試みが行われている。ただし、液晶ＧＲＩＮレンズを用いて良好な３次元画像表示を実現するためには、液晶ＧＲＩＮレンズの焦点距離を、液晶ＧＲＩＮレンズの主点と画像表示部の画素面との距離程度に設定する必要がある。このためには、液晶ＧＲＩＮレンズの液晶層にある程度の屈折力が求められることになる。しかし、液晶分子の屈折率異方性は通常０．２程度と小さいため、液晶層の厚みを通常の表示パネルよりもかなり大きくする必要がある。これは、液晶の使用量を増大させてコスト高を招くばかりか、製造における難易度も高くなるという課題がある。
【０００５】
そこで、液晶ＧＲＩＮレンズをフレネルレンズ化することが提案されている。これは、一方の基板上に多数の棒状の電極を設置し、多数の異なる電圧を印加することで、フレネルレンズとしての屈折率分布を実現している。
【０００６】
しかしながら、フレネルレンズ型の液晶ＧＲＩＮレンズアレイにおいては、各レンズに多数の棒状の電極を配置する必要があり、透明電極を微細に加工する技術が必要になる。透明電極の微細加工は、高精度のステッパやドライエッチング装置などが必要となるため、コストアップとなる課題がある。また、多数の棒状電極に異なる多数の電圧を印加する必要があり、駆動が複雑でコストアップとなる課題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０００−１０２０３８号公報
【特許文献２】特開２０１０−２２４１９１号公報
【特許文献３】米国特許出願公開第２０１０／００２６９２０号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明が解決しようとする課題は、簡素な構造で駆動が容易な低コストの屈折率分布型液晶光学素子および表示装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本実施形態の屈折率分布型液晶光学素子は、第１基板と、前記第１基板に対向配置される第２基板と、前記第１基板と前記第２基板との間に挟持される液晶層と、前記第１基板上の前記液晶層側に設けられ、第１方向に沿って配列される、複数の第１電極と、前記第１基板上の前記液晶層側に前記第１電極に対応して設けられ、前記第１方向に配列される複数の第２電極と、前記第１基板上の前記液晶層側に設けられ、前記第１方向に配列される複数の第３電極と、前記第２基板上の前記液晶層側に形成された第４電極と、を備え、前記第３電極のそれぞれに対して、第３電極の両側のうちの一方の側に前記第１電極とこの第１電極に対応する第２電極とを有する第１電極対が配置されるとともに、他方の側に第１電極とこの第１電極に対応する第２電極とを有する第２電極対が配置され、前記第１電極対において、前記第２基板からみて、前記第１方向に沿った断面における前記第２電極の中心は前記第１電極の中心よりも前記第３電極側に位置するように配置され、前記第２電極対において、前記第２基板からみて、前記第１方向に沿った断面における前記第２電極の中心は前記第１電極の中心よりも前記第３電極側に位置するように配置されることを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】第１実施形態による画像表示装置を示す断面図。
【図２】第１実施形態における液晶ＧＲＩＮレンズアレイの上面図。
【図３】図２の切断線Ａ−Ａによって切断した電圧印加時の液晶ダイレクタ分布を示す断面図。
【図４】横軸にレンズピッチ方向での座標をとり、縦軸に光路長をとって、図３に示す液晶ダイレクタ分布から計算した屈折率分布を示すグラフ。
【図５】第１実施形態の画像表示装置を示すブロック図。
【図６】第１実施形態の第１変形例による画像表示装置を示す断面図。
【図７】第１実施形態の第２変形例による画像表示装置を示す断面図。
【図８】第１実施形態の第３変形例による画像表示装置を示す断面図。
【図９】第１実施形態の第４変形例による画像表示装置を示す断面図。
【図１０】第２実施形態による画像表示装置を示す断面図。
【図１１】第３実施形態による画像表示装置を示す断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参照して実施形態について詳細に説明する。なお、以下の実施形態では、同一の参照符号を付した部分は同様の動作をおこなうものとして、重複する説明を適宜省略する。
【００１２】
（第１実施形態）
第１実施形態による画像表示装置について、図１乃至図５を参照して説明する。第１実施形態の画像表示装置を図１に示す。この実施形態の画像表示装置は、屈折率分布型液晶光学素子１と、画像表示部５とを備えている。画像表示部５は、表示面にマトリクス状に配列された画素を有する表示パネルであり、例えば、液晶パネル、有機ＥＬパネル、プラズマディスプレイパネル等を好適に用いることができる。なお、本実施形態においては、画像表示部５は、矢印が示す第１方向６１の直線偏光を出射するように構成されている。また、本実施形態においては、屈折率分布型液晶光学素子１は、液晶ＧＲＩＮレンズアレイであり、この液晶ＧＲＩＮレンズアレイ１の上面図を図２に示す。
【００１３】
この液晶ＧＲＩＮレンズアレイ１は、画像表示部５の前面に設けられ、透明な第１基板１１と、第１基板１１に対向配置された透明な第２基板１２との間に、液晶層４が挟持された構成を有している。第１基板１１の液晶層側の面には、透明な第１電極２１と、透明な第２電極２２と、透明な第３電極２３と、透明な第５電極２５と、透明な誘電体層３とが設けられている。これらの第１電極２１、第２電極２２、第３電極２３、および第５電極２５はそれぞれ、図２に示すように、第１方向６１と交差する第２方向６２に延在するように設けられる。なお、図２では、第２方向６２は、第１方向６１と直交するように配置されるが、直交していなくてもよい。また、第２基板１２の液晶層側の面には、透明な第４電極２４が設けられている。この第４電極２４は、上記第１電極２１、第２電極２２、第３電極２３、および第５電極２５に対向するように設けられ、第２基板１２の液晶層側の面のほぼ全面に設けられる。液晶層４は、液晶分子４１を含んでおり、本実施形態においては、液晶分子４１として一軸性複屈折を示す物質を用いている。第１乃至第５電極に電圧を印加しない場合の液晶分子４１の初期配向は、その長軸方向が第１方向６１となっている。
【００１４】
第１基板１１の液晶層側の面上には、第１方向６１に第３電極２３が複数個並行に配置され、各第３電極の両側には第１電極２１が配置された構成となっている。隣接する第３電極間のほぼ中央に第５電極２５が配置された構成となっている。これらの第１電極２１、第３電極２３、および第５電極は、誘電体層３によって覆われている。そして、この誘電体層３上に、第１電極２１のそれぞれに対応するように第２電極２２が設けられている。したがって、第２電極２２は、第１電極２１、第３電極２３、および第５電極と誘電体層３によって電気的に絶縁される。また、各第２電極２２は、第２方向に延在する中心軸が、対応する第１電極２１の中心軸に対して第３電極２３側に位置するように配置される。
【００１５】
そして、本明細書では、図面上で第３電極２３の左側に配置される第１電極２１とこの第１電極２１に対応する第２電極２２との組を電極対２００Ａと呼び、第３電極２３の右側に配置される第１電極２１とこの第１電極２１に対応する第２電極２２との組を電極対２００Ｂと呼ぶ。すると、第１基板１１上には、図１の左から、電極対２００Ａ、第３電極２３、電極対２００Ｂ、第５電極２５、電極対２００Ａ、第３電極２３、電極対２００Ｂの順に配置された構成を有している。すなわち、隣接第３電極２３の間には電極対２００Ａと電極対２００Ｂとが配置され、これらの電極対２００Ａと電極対２００Ｂとの間には第５電極が配置された構成となっている。また、第３電極２３の両側の配置される、電極対２００Ａおよび電極対２００Ｂは、第３電極２３に対して対称に配置されている。すなわち、図２に示す上面図で見た場合に、第３電極２３の中心軸に対して線対称に配置されている。
【００１６】
次に、電極対２００Ａ、２００Ｂ間の距離について説明する。第２基板側から見たとき、第３電極２３の中心軸とこの第３電極２３の左側に配置される電極対２００Ａの中心軸との距離をＰ１とし、上記第３電極の中心軸とこの第３電極２３の右側に配置される電極対２００Ｂの中心軸との距離をＰ２とする。このとき、隣接する第３電極２３間に配置される電極対２００Ａと電極対２００Ｂとのそれぞれの中心軸間の距離をＰ３とすると、
Ｐ３ ＞ Ｐ１＋Ｐ２
の条件を満たすように配置された構成となっている（図２）。なお、第３電極２３の左側に配置される電極対２００Ａの中心軸は、上記第３電極２３に対して電極対２００Ａの第２方向６２に平行な、最も遠い側面と最も近い側面との真ん中に位置し、第３電極２３の右側に配置される電極対２００Ｂの中心軸は、上記第３電極２３に対して電極対２００Ｂの第２方向６２に平行な、最も遠い側面と最も近い側面との真ん中に位置する。
【００１７】
次に、第１実施形態の表示装置における液晶ＧＲＩＮレンズアレイ１の動作について説明する。各電極に電圧を印加した場合の、図２に示す切断線Ａ−Ａ線で切断した面内における液晶ダイレクタの分布を図３に示す。この液晶ダイレクタの分布は、シミュレーションによって求めた。図３に示す液晶ダイレクタ分布から計算した屈折率分布を図４に示す。図４に示す横軸は、レンズピッチ方向での座標であり、図２に示す第５電極２５の中心軸を原点にとり、第１方向６１に平行な方向をｘ軸とし、上記原点からの距離を示している。また、図４の縦軸は光路長を示している。
【００１８】
第１実施形態における液晶ＧＲＩＮレンズアレイ１においては、第４電極２４を基準電圧（例えばＧＮＤ）としたとき、第５電極２５は第４電極２４と同じ電圧が印加されている。そして、電極対２００Ａ、電極対２００Ｂのいずれにおいても、第２電極２２より第１電極２１の方が、高い電圧が印加されている。具体的には、第１電極２１の電圧をＶ１、第２電極２２の電圧をＶ２とすれば、Ｖ１＞Ｖ２である。
【００１９】
そして、第２電極２２の電圧Ｖ２は、第５電極２５の電圧より高くなるように設定されている。ただし、第２電極２２と第５電極２５との電圧差は、液晶層４のしきい値電圧Ｖｔｈより小さくなるように設定されている。すなわち、Ｖ２＜Ｖｔｈである。また、第３電極２３の電圧Ｖ３は、第１電極２１の電圧Ｖ１と同じ電圧が印加されている。
【００２０】
このように電圧が印加された場合の液晶分子４１の配向状態について説明する。まず、第５電極２５と第４電極２４との間においては、電圧差がゼロであるため、図３及び図４に示すように、液晶分子４１は初期の配向状態を保っている。すなわち、見かけの屈折率が大きく、その結果として光路長も大きくなっている。
【００２１】
次に、第１電極２１と第４電極２４との間では、所定の電圧Ｖ１が印加されており、液晶分子４１は立ち上がっている。この結果、見かけの屈折率は小さくなり、その結果として光路長も小さくなっている。なお、第５電極２５と第１電極２１との間では、屈折率は序々に変化し、これに従って光路長も序々に変化している。
【００２２】
一方、第２電極２２と第４電極２４との間では、電圧差が液晶層４のしきい値電圧Ｖｔｈよりも小さいＶ２に設定されている。このため、液晶分子４１の立ち上がりはほとんど見られない。この結果、見かけの屈折率が大きくなり、光路長も大きくなっている。なお、第１電極２１と第２電極２２が積層して形成されているため、この部分における屈折率の変化は急峻なものとなっている。
【００２３】
そして、第３電極２３と第４電極２４との間では、前述したように第１電極２１の電圧Ｖ１と同じ電圧が印加されているため、見かけの屈折率は小さくなり、結果として光路長も小さくなっている。
【００２４】
このようにして、フレネルレンズとしての屈折率分布（光路長分布）が実現されることになる。
【００２５】
なお、図５に示すように、液晶ＧＲＩＮレンズアレイ１は、駆動回路８１によって駆動され、液晶ＧＲＩＮレンズアレイ１の各電極２１〜２５には上述した条件を満たす電圧が印加される。また、画像表示部５は、駆動回路８５に駆動される。このとき、駆動回路８１は駆動回路８５と同期し、画像表示部５が３次元画像を表示する場合には、上述した条件を満たす電圧が駆動回路８１によって液晶ＧＲＩＮレンズアレイ１の各電極２１〜２５に印加される。このとき、図１に示す隣接する第３電極２３間がレンズの１単位、すなわちレンズピッチとなり、３次元画像を表示する際の射出瞳の一つに対応する。また、画像表示部５が２次元画像を表示する場合には、駆動回路８１によって液晶ＧＲＩＮレンズアレイ１の各電極２１〜２５には基準電圧（ＧＮＤ）が印加される。
【００２６】
次に、第１実施形態の効果について説明する。
【００２７】
本実施形態においては、上述のように、電極対２００Ａにおける第２電極２２の中心軸は第１電極２１の中心軸よりも第３電極２３側に配置され、電極対２００Ｂにおける第２電極２２の中心は第１電極２１の中心よりも第３電極２３側に配置される。これにより、従来技術に比べて、少ない電極数でフレネルレンズアレイを実現できる。このため、透明電極を微細に加工する専用の技術を用いずに、通常の半導体製造技術を用いて加工することが可能となり、低コストで液晶ＧＲＩＮレンズアレイを生産することができる。また、電極数が少ないため、制御に要する電圧の種類も少なくすることができ、駆動を単純化して低コスト化が可能となる。
【００２８】
また、本実施形態のように第１電極２１とこの第１電極２１に対応する第２電極２２とを形成することにより、フレネルレンズとして適切な急峻な屈折率分布を作ることができ、レンズとしての高い性能を実現することができる。このような急峻な屈折率分布を生成するためには、上記第１電極２１と上記第２電極２２との間隙、すなわち、上記第１電極２１と上記第２電極２２との最小距離を小さくすることが好ましいことが、本発明者らの検討により判明した。ここで、第１電極２１と第２電極２２との最小距離とは、第１電極２１の任意の点と、第２電極２２との任意の点との距離のうちの最小値を意味する。本実施形態においては、上記第１電極２１と上記第２電極２２とは、第４電極２４からみたとき、オーバーラップしているので、両電極間の間隙が誘電体層３の厚さと第１電極２１の厚さの差となっている。この結果、図３に示すように、電気力線はオーバーラップしている部分が両電極間に閉じ込められ、オーバーラップしていない部分から漏れ出た電界によって急峻な屈折率分布が生成される。しかし、第１電極２１と第２電極２２との第１方向６１における間隔、すなわち第４電極２４からみたときのオーバーラップしていない部分の第１方向６１における最大距離は、少なくとも誘電体層３の厚み以下となることが好ましい。これは、上記最大距離が誘電体層３の厚みよりも大きくなると、両電極間の漏れ電界が大きくなり、第１方向６１に平行な電界成分が生成されて、急峻な屈折率分布を生成するのが困難になるからである。ここで、第１電極２１と第２電極２２との最大距離とは、第１電極２１の任意の点と、第２電極２２との任意の点との距離のうちの最大値を意味する。
【００２９】
また前述したように、第１方向６１における各電極の配置を、
Ｐ３ ＞ Ｐ１＋Ｐ２
となるように配置することにより、液晶層４の厚みをより低減することが可能となる。これは、図４に示す屈折率分布を参照すれば、レンズの光軸、すなわち第５電極２５の中心軸近辺にフレネルの段差を設けるよりも、レンズの端部、すなわち第３電極２３の中心軸近辺に設けた方が、液晶層４の厚みを低減できることから明白である。なお、液晶層４の厚みが最も薄くできるのは、図４に示す屈折率分布において、光軸における値と、フレネルの段差部における値が一致する場合である。このような屈折率分布が実現されるように、各電極を予め配置するととともに、印加電圧を調整することが好ましい。
【００３０】
また、第１実施形態の液晶ＧＲＩＮレンズアレイ１に印加される電圧に関しては、第２電極２２と第４電極２４との間の電圧差が、液晶層４のしきい値電圧Ｖｔｈより小さい値に設定されている。これにより、第２電極２２と第４電極２４間の液晶分子４１の立ち上がりを抑制することが可能となり、フレネルレンズとして適切な急峻な屈折率分布を実現することができる。更には、第２電極２２に印加される電圧を大きくすることができるため、第１電極２１との電圧差を小さくすることが可能となり、第１電極２１と第２電極間の漏れ電界を抑制できる。この結果、漏れ電界の第１方向６１に平行な成分を低減して、より急峻な屈折率特性を実現できる。
【００３１】
なお、第１実施形態においては、第１電極２１とこの第１電極に対応する第２電極２２に関して、第３電極２３側と反対側、すなわち第５電極２５側の端部（側面）のそれぞれの位置は、図１に示すように、第２電極２２の端部の位置が第１電極２１の端部の位置より第３電極２３側にある。しかし、第２電極２２の端部の位置が第１電極２１の端部の位置より第５電極２５側にはみ出していてもよい。しかし、誘電体層３の厚みをｔとすると、第２電極２２の端部の位置が第１電極２１の端部の位置より第５電極２５側にはみ出す量はｔ以下となっていることが好ましい。これは、仮に、はみ出す量がｔよりも大きい場合には、第２電極２２に起因する電気力線が第１電極２１で十分に遮蔽されず、レンズとしての屈折率分布が乱されて性能が低下するからである。すなわち、上述のように構成することにより、フレネルレンズとして適切な屈折率分布を実現することができ、性能を向上することができる。
【００３２】
また、第１実施形態においては、第１電極２１とこの第１電極２１に対応する第２電極２２に関する、第３電極２３側のそれぞれの端部の位置は、図１に示すように第２電極２２の端部の位置が第１電極２１の端部の位置よりはみ出している。このはみ出し量は、誘電体層３の厚みをｔとすると、ｔ以上であることが好ましい。これは、仮にはみ出す量がｔよりも小さい場合には、第２電極２２に起因する電気力線が第１電極２１で遮蔽されてしまい、フレネルレンズとしての性能が低下する。すなわち、上述のように構成することにより、レンズ性能を向上することができ、好ましい。
【００３３】
更には、第１電極２１とこの第１電極２１対応する第２電極の幅を比較した場合、第４電極２４から見て、第１電極２１と重ならない第２電極２２の部分の幅が、第１電極２１の幅よりも大きい方が好ましい。このように構成することにより、フレネルレンズに特有の屈折率分布を好適に実現することができる。すなわち、なだらかな屈折率分布を実現すべき第２電極２２の電極幅は、より急な屈折率分布を実現すべき第１電極２１の電極幅よりも大きくなるように構成する方が好ましい。
【００３４】
第１実施形態においては、電極対２００Ａと電極対２００Ｂは、第３電極２３に対して対称に配置されるものとして説明したが、これに限定されるものではない。必ずしも対称に配置される必要はない。ただし対称に配置した方が、レンズとしての屈折率分布をより望ましいものにすることができ、好ましい。
【００３５】
また、第１実施形態においては、第２電極２２が誘電体層３上に配置されているので、第２電極２２は、第１電極２１に比べて液晶層４側に位置し、これにより、よりなだらかな屈折率分布を実現すべき部分（電極２２の近辺）の電界の乱れを抑制することが可能となり、レンズ性能を向上することができる。
【００３６】
また、第１実施形態においては、隣接する第３電極２３間に第５電極２５が設けられているので、レンズとしての屈折率分布をより理想的にすることが可能となり、レンズ性能を向上することができる。
【００３７】
以上説明したように、第１実施形態によれば、簡素な構造で駆動が容易な低コストの屈折率分布型液晶光学素子および表示装置を提供することができる。
【００３８】
（第１変形例）
次に、第１実施形態の第１変形例による画像表示装置を図６に示す。図６は、第１変形例の画像表示装置を示す断面図である。この第１変形例の画像表示装置は、図１に示す第１実施形態の画像表示装置において、液晶ＧＲＩＮレンズアレイ１を液晶ＧＲＩＮレンズアレイ１Ａに置き換えた構成となっている。この液晶ＧＲＩＮレンズアレイ１Ａは、図１に示す液晶ＧＲＩＮレンズアレイ１において、第１電極２１および第３電極を誘電体層２上に配置し、第２電極２２を第１基板１１上に配置した構成となっている。
【００３９】
このように構成された第１変形例も第１実施形態と同様に、簡素な構造で駆動が容易な低コストの屈折率分布型液晶光学素子および表示装置を提供することができる。また、第１変形例においては、第１電極２１、第３電極２３が、誘電体層３の液晶層４側に配置されている。これにより、第１電極２１及び第３電極２３においては、誘電体層３による電圧降下を抑制することができる。第１電極２１及び第３電極２３は、第２電極２２及び第５電極２５よりも相対的に高い電圧を印加するため、駆動電圧低減の効果は大きい。すなわち、駆動回路の最大出力電圧を低減することができるため、駆動回路の簡素化が可能になるばかりか、消費電力を低減することができ好ましい。
【００４０】
（第２変形例）
次に、第１実施形態の第２変形例による画像表示装置を図７に示す。図７は、第２変形例の画像表示装置を示す断面図である。この第２変形例の画像表示装置は、図１に示す第１実施形態の画像表示装置において、液晶ＧＲＩＮレンズアレイ１を液晶ＧＲＩＮレンズアレイ１Ｂに置き換えた構成となっている。この液晶ＧＲＩＮレンズアレイ１Ｂは、図１に示す液晶ＧＲＩＮレンズアレイ１において、第３電極２３を誘電体層３上に配置した構成となっている。
【００４１】
このように構成された第２変形例も第１実施形態と同様に、簡素な構造で駆動が容易な低コストの屈折率分布型液晶光学素子および表示装置を提供することができる。
【００４２】
また、第２変形例のように、第２電極２２が第１電極２１に比べて液晶層４側に設けられていることにより、第１変形例に比べて、よりなだらかな屈折率分布を実現すべき部分（電極２２の近辺）の電界の乱れを抑制することができ、レンズ性能を向上することができる。
【００４３】
（第３変形例）
次に、第１実施形態の第３変形例による画像表示装置を図８に示す。図８は、第３変形例の画像表示装置を示す断面図である。この第３変形例の画像表示装置は、図６に示す第１変形例の画像表示装置において、液晶ＧＲＩＮレンズアレイ１Ａを液晶ＧＲＩＮレンズアレイ１Ｃに置き換えた構成となっている。この液晶ＧＲＩＮレンズアレイ１Ｃは、図６に示す液晶ＧＲＩＮレンズアレイ１Ａにおいて、第５電極２５を削除した構成となっている。
【００４４】
このように構成された第３変形例も第１変形例と同様に、簡素な構造で駆動が容易な低コストの屈折率分布型液晶光学素子および表示装置を提供することができる。
【００４５】
（第４変形例）
次に、第１実施形態の第４変形例による画像表示装置を図９に示す。図９は、第４変形例の画像表示装置を示す断面図である。この第４変形例の画像表示装置は、図１に示す第１実施形態の画像表示装置において、液晶ＧＲＩＮレンズアレイ１を液晶ＧＲＩＮレンズアレイ１Ｄに置き換えた構成となっている。この液晶ＧＲＩＮレンズアレイ１Ｄは、図１に示す液晶ＧＲＩＮレンズアレイ１において、第１電極２１を誘電体層３上に配置し、第２電極２２を第１基板１１上に配置した構成となっている。すなわち、第１基板１１上に、第２電極２２、第３電極２３、第５電極２５が配置された構成となっている。
【００４６】
一般に、第１基板１１上に形成された電極と誘電体層３上に形成された電極とは、形成する際に位置あわせ誤差が生じることもある。この位置合わせ誤差による影響を低減するため、本変形例では、第３電極２３、第５電極２５、第２電極２２を同一層、すなわち第１基板１１上に形成するのが有効である。これにより、レンズ端とレンズ中心の位置関係が同一の露光プロセスで作成できるため、レンズの中心など主要部分のずれを抑制することが可能となり、レンズ性能を向上することができる。なお、レンズ端とレンズ中心の電極をどちらも第１基板１１上に形成する方が、どちらも誘電体層３上に形成する場合よりも好ましい。これは、前者の方が誘電体層３の影響を排除できるためである。さらに、この第４変形例においては、第３電極２３、第５電極２５、第２電極２２を第１基板１１上に形成し、第１電極を誘電体層３上に形成したが、逆に形成してもよい。すなわち、第３電極２３、第５電極２５、第２電極２２を誘電体層３上に形成し、第１電極を第１基板１１上に形成してもよい。
【００４７】
このように構成された第４変形例も第１実施形態と同様に、簡素な構造で駆動が容易な低コストの屈折率分布型液晶光学素子および表示装置を提供することができる。
【００４８】
なお、第１実施形態および第１乃至第４変形例においては、液晶の初期配向は水平方向の水平配向であるものとして説明したが、液晶の初期配向はこれに限定されるものではない。他の液晶配向モードも適用可能である。
【００４９】
また、第１実施形態および第１乃至第４変形例においては、屈折率分布型液晶光学素子が液晶レンズアレイ素子であるとして説明したが、これに限定されるものではない。光学素子は３次元画像の表示を実現するための性能を備えていればよい。例えば、完全なレンズとしての屈折率分布が実現されていなくてもよいし、プリズムアレイ素子として機能するものでもよい。
【００５０】
更には、第１実施形態および第１乃至第４変形例においては、画像表示部５からの光線を制御する屈折率分布型光学素子として、屈折率分布型液晶光学素子を用いたが、使用される材料は液晶に限定されるものではない。同様の電気光学効果を有する材料であれば上記屈折率分布型光学素子として適用可能である。
【００５１】
また、第１実施形態および第１乃至第４変形例においては、レンズアレイが第１方向６１に沿って配列するものとして説明したが、これに限定されるものではない。例えば、２次元状に配列することにより、フライアイレンズを実現することもできる。
【００５２】
（第２実施形態）
次に、第２実施形態による画像表示装置について、図１０を参照して説明する。図１０は第２実施形態の画像表示装置を示す断面図である。
【００５３】
この第２実施形態の画像表示装置は、図６に示す第１実施形態の第１変形例による画像表示装置において、液晶ＧＲＩＮレンズアレイ１Ａを液晶ＧＲＩＮレンズアレイ１Ｅに置き換えた構成となっている。この液晶ＧＲＩＮレンズアレイ１Ｅは、図６に示す液晶ＧＲＩＮレンズアレイ１Ａにおいて、第５電極２５の左側でかつ第３電極２３との間に、第１電極２１および第２電極２２を含む電極対２００Ｂを更に少なくとも一組以上設け、第５電極２５の右側でかつ第３電極２３との間に、第１電極２１および第２電極２２を含む電極対２００Ａを更に少なくとも一組以上設けた構成となっている。なお、図１０では、更に設けられた電極対２００Ａ、２００Ｂは、それぞれ一組となっている。すなわち、第１実施形態および第１乃至第４変形例においては、液晶ＧＲＩＮレンズアレイは２段のフレネルレンズであった。これに対し、第２実施形態においては、多段のフレネルレンズが実現されている点が異なる。
【００５４】
なお、第２実施形態における動作は、第１実施形態で説明した場合と同様である。
【００５５】
第２実施形態においては、フレネルレンズの多段化により、液晶層４の厚みをより一層低減して、低コスト化することができる。
【００５６】
また、第２実施形態も第１実施形態と同様に、簡素な構造で駆動が容易な低コストの屈折率分布型液晶光学素子および表示装置を提供することができる。
【００５７】
なお、この第２実施形態のようなフレネルレンズの多段化は、第１実施形態またはそれらの変形例においても適用することができる。
【００５８】
（第３実施形態）
次に、第３実施形態による画像表示装置について、図１１を参照して説明する。図１１は第３実施形態の画像表示装置を示す断面図である。
【００５９】
第１および第２実施形態においては、液晶ＧＲＩＮレンズアレイは誘電体層３を有し、第１電極２１と第２電極２２は誘電体層３を挟んで、異なる層に形成されていた。これに対し、第３実施形態においては、誘電体層３は設けられておらず、第１電極２１と第２電極２２が第１基板１１上に形成されている点が異なる。この第３実施形態における動作は第１実施形態で説明した場合と同様である。
【００６０】
この第３実施形態においては、同一の層（単層）で構成される電極で液晶ＧＲＩＮレンズのフレネル化を実現することができる。単層の電極は、第１乃至第２実施形態のような積層構造の電極を作製するよりもプロセス数を削減することができるため、低コスト化が可能である。
【００６１】
また、第３実施形態も第１実施形態と同様に、簡素な構造で駆動が容易な低コストの屈折率分布型液晶光学素子および表示装置を提供することができる。
【００６２】
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。これらの実施形態は、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。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、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ものである。
【符号の説明】
【００６３】
１ 液晶ＧＲＩＮレンズアレイ
１Ａ 液晶ＧＲＩＮレンズアレイ
１Ｂ 液晶ＧＲＩＮレンズアレイ
１Ｃ 液晶ＧＲＩＮレンズアレイ
１Ｄ 液晶ＧＲＩＮレンズアレイ
１Ｅ 液晶ＧＲＩＮレンズアレイ
１Ｆ 液晶ＧＲＩＮレンズアレイ
１１ 第１基板
１２ 第２基板
２１ 第１電極
２２ 第２電極
２３ 第３電極
２４ 第４電極
２５ 第５電極
３ 誘電体層
４ 液晶層
４１ 液晶分子
５ 画像表示部
６１ 第１方向
６２ 第２方向
２００Ａ 電極対
２００Ｂ 電極対
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１基板と、
前記第１基板に対向配置される第２基板と、
前記第１基板と前記第２基板との間に挟持される液晶層と、
前記第１基板上の前記液晶層側に設けられ、第１方向に沿って配列される、複数の第１電極と、
前記第１基板上の前記液晶層側に前記第１電極に対応して設けられ、前記第１方向に配列される複数の第２電極と、
前記第１基板上の前記液晶層側に設けられ、前記第１方向に配列される複数の第３電極と、
前記第２基板上の前記液晶層側に形成された第４電極と、
を備え、
前記第３電極のそれぞれに対して、第３電極の両側のうちの一方の側に前記第１電極とこの第１電極に対応する第２電極とを有する第１電極対が配置されるとともに、他方の側に第１電極とこの第１電極に対応する第２電極とを有する第２電極対が配置され、
前記第１電極対において、前記第２基板からみて、前記第１方向に沿った断面における前記第２電極の中心は前記第１電極の中心よりも前記第３電極側に位置するように配置され、
前記第２電極対において、前記第２基板からみて、前記第１方向に沿った断面における前記第２電極の中心は前記第１電極の中心よりも前記第３電極側に位置するように配置されることを特徴とする屈折率分布型液晶光学素子。
【請求項２】
隣接する２つの第３電極間に、一組の前記第１電極対と一組の前記第２電極対とが、配置されることを特徴とする請求項１記載の屈折率分布型液晶光学素子。
【請求項３】
隣接する２つの第３電極間に、複数組の前記第１電極対と、複数組の前記第２電極対とが、配置されることを特徴とする請求項１記載の屈折率分布型液晶光学素子。
【請求項４】
隣接する２つの第３電極間に配置された、前記一組の第１電極対と前記一組の第２電極対との、前記第１方向に沿った断面における中心間距離は、前記２つの第３電極の一方の電極の前記第１方向に沿った断面における中心とこの一方の電極の一方の側に設けられた第１電極対の前記第１方向に沿った断面における中心との間の距離と、前記２つの第３電極の一方の電極の前記第１方向に沿った断面における中心とこの一方の電極の他方の側に設けられた第２電極対の前記第１方向に沿った断面における中心との間の距離との和よりも大きいことを特徴とする請求項２記載の屈折率分布型液晶光学素子。
【請求項５】
前記第３電極の一方の側に配置された前記第１電極対と、他方の側に配置された前記第２電極対とは、前記第３電極に対して対称に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の屈折率分布型液晶光学素子。
【請求項６】
複数の前記第１電極、複数の前記第２電極、複数の前記第３電極が前記第１方向と異なる第２方向に沿って延伸していることを特徴とする請求項１記載の屈折率分布型液晶光学素子。
【請求項７】
前記第１電極と前記第２電極との間に誘電体層が設けられていることを特徴とする請求項１記載の屈折率分布型液晶光学素子。
【請求項８】
前記第１電極対および前記第２電極対のそれぞれにおいて、前記第１方向における前記第１電極と前記第２電極との最大距離が前記誘電体層の厚み以下であることを特徴とする請求項７記載の屈折率分布型液晶光学素子。
【請求項９】
前記第１電極対と前記第２電極対との間に第５電極が設けられていることを特徴とする請求項１記載の屈折率分布型液晶光学素子。
【請求項１０】
請求項１乃至９のいずれかに記載の屈折率分布型液晶光学素子と、画像表示部とを具備することを特徴とする画像表示装置。
【請求項１】
第１基板と、
前記第１基板に対向配置される第２基板と、
前記第１基板と前記第２基板との間に挟持される液晶層と、
前記第１基板上の前記液晶層側に設けられ、第１方向に沿って配列される、複数の第１電極と、
前記第１基板上の前記液晶層側に前記第１電極に対応して設けられ、前記第１方向に配列される複数の第２電極と、
前記第１基板上の前記液晶層側に設けられ、前記第１方向に配列される複数の第３電極と、
前記第２基板上の前記液晶層側に形成された第４電極と、
を備え、
前記第３電極のそれぞれに対して、第３電極の両側のうちの一方の側に前記第１電極とこの第１電極に対応する第２電極とを有する第１電極対が配置されるとともに、他方の側に第１電極とこの第１電極に対応する第２電極とを有する第２電極対が配置され、
前記第１電極対において、前記第２基板からみて、前記第１方向に沿った断面における前記第２電極の中心は前記第１電極の中心よりも前記第３電極側に位置するように配置され、
前記第２電極対において、前記第２基板からみて、前記第１方向に沿った断面における前記第２電極の中心は前記第１電極の中心よりも前記第３電極側に位置するように配置されることを特徴とする屈折率分布型液晶光学素子。
【請求項２】
隣接する２つの第３電極間に、一組の前記第１電極対と一組の前記第２電極対とが、配置されることを特徴とする請求項１記載の屈折率分布型液晶光学素子。
【請求項３】
隣接する２つの第３電極間に、複数組の前記第１電極対と、複数組の前記第２電極対とが、配置されることを特徴とする請求項１記載の屈折率分布型液晶光学素子。
【請求項４】
隣接する２つの第３電極間に配置された、前記一組の第１電極対と前記一組の第２電極対との、前記第１方向に沿った断面における中心間距離は、前記２つの第３電極の一方の電極の前記第１方向に沿った断面における中心とこの一方の電極の一方の側に設けられた第１電極対の前記第１方向に沿った断面における中心との間の距離と、前記２つの第３電極の一方の電極の前記第１方向に沿った断面における中心とこの一方の電極の他方の側に設けられた第２電極対の前記第１方向に沿った断面における中心との間の距離との和よりも大きいことを特徴とする請求項２記載の屈折率分布型液晶光学素子。
【請求項５】
前記第３電極の一方の側に配置された前記第１電極対と、他方の側に配置された前記第２電極対とは、前記第３電極に対して対称に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の屈折率分布型液晶光学素子。
【請求項６】
複数の前記第１電極、複数の前記第２電極、複数の前記第３電極が前記第１方向と異なる第２方向に沿って延伸していることを特徴とする請求項１記載の屈折率分布型液晶光学素子。
【請求項７】
前記第１電極と前記第２電極との間に誘電体層が設けられていることを特徴とする請求項１記載の屈折率分布型液晶光学素子。
【請求項８】
前記第１電極対および前記第２電極対のそれぞれにおいて、前記第１方向における前記第１電極と前記第２電極との最大距離が前記誘電体層の厚み以下であることを特徴とする請求項７記載の屈折率分布型液晶光学素子。
【請求項９】
前記第１電極対と前記第２電極対との間に第５電極が設けられていることを特徴とする請求項１記載の屈折率分布型液晶光学素子。
【請求項１０】
請求項１乃至９のいずれかに記載の屈折率分布型液晶光学素子と、画像表示部とを具備することを特徴とする画像表示装置。
【図１】
【図２】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図３】
【図２】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図３】
【公開番号】特開２０１２−１３７６６２（Ｐ２０１２−１３７６６２Ａ）
【公開日】平成２４年７月１９日（２０１２．７．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２９０６４４（Ｐ２０１０−２９０６４４）
【出願日】平成２２年１２月２７日（２０１０．１２．２７）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年７月１９日（２０１２．７．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１２月２７日（２０１０．１２．２７）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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