液体光学素子アレイおよび立体像表示装置
【課題】長期安定性に優れた液体光学素子アレイを提供する。
【解決手段】対向配置された平面基板２１，２２と、平面基板２１の面２１Ｓに立設され、平面基板２１上の領域を複数のセル領域に分割する隔壁２４と、隔壁２４の壁面に、互いに対向して配置された第１および第２の電極２６Ａ，２６Ｂと、平面基板２２の面２２Ｓに設けられた第３の電極２６Ｃと、セル領域において平面基板２１に立設する突起部２５と、平面基板２１と第３の電極２６Ｃとの間に封入され、互いに異なる屈折率を有すると共に分離された状態を保つ極性液体２８および無極性液体２９とを備える。液体光学素子アレイの姿勢に関わらず、極性液体２８および無極性液体２９は突起部２５により安定して保持される。
【解決手段】対向配置された平面基板２１，２２と、平面基板２１の面２１Ｓに立設され、平面基板２１上の領域を複数のセル領域に分割する隔壁２４と、隔壁２４の壁面に、互いに対向して配置された第１および第２の電極２６Ａ，２６Ｂと、平面基板２２の面２２Ｓに設けられた第３の電極２６Ｃと、セル領域において平面基板２１に立設する突起部２５と、平面基板２１と第３の電極２６Ｃとの間に封入され、互いに異なる屈折率を有すると共に分離された状態を保つ極性液体２８および無極性液体２９とを備える。液体光学素子アレイの姿勢に関わらず、極性液体２８および無極性液体２９は突起部２５により安定して保持される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エレクトロウェッティング現象を利用した液体光学素子アレイ、およびそれを備えた表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、エレクトロウェッティング現象（電気毛管現象）により光学作用を発揮する液体光学素子が開発されている。エレクトロウェッティング現象とは、電極と導電性を有する液体との間に電圧を印加した場合に、その電極の表面と液体との界面エネルギーが変化し、液体の表面形状が変化する現象をいう。
【０００３】
エレクトロウェッティング現象を利用した液体光学素子としては、例えば特許文献１，２に記載された液体のシリンドリカルレンズが挙げられる。また、例えば特許文献３には、液体のレンチキュラーレンズが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−１６２５０７号公報
【特許文献２】特開２００９−２５１３３９号公報
【特許文献３】特表２００７−５３４０１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記特許文献１〜３に開示されたような液体レンズでは、一般に、互いに分離し、かつ屈折率の異なる２種の液体の界面形状を電極への印加電圧を制御することにより変化させ、所望の焦点距離を得るようにしている。また、２種の液体における比重をほぼ同一とすることで、液体レンズの姿勢を様々に変化させても重力による偏りが生じにくくなっている。
【０００６】
しかしながら、異なる成分の液体同士では、環境温度に対する比重の相違が生じる。すなわち、初期の環境温度（例えば２０℃）において２種の液体の比重が同一であったとしても、その環境温度が変化すれば、それに応じて各々の液体の比重が変化してしまう可能性がある。このため、例えば特許文献１，２に記載のシリンドリカルレンズでは、一対の対向基板の間の所定のセル領域に充填された２種の液体が初期位置から大きく移動してしまうおそれがある。すなわち、そのシリンドリカルレンズの軸方向を鉛直方向として使用する場合、その長さによっては比重の比較的小さな液体がセル領域の上方に移動すると共に比重の比較的大きな液体がセル領域の下方に移動してしまう。そうすると、電圧を印加していない状態では、本来、２種の液体の界面が一対の対向基板の面と平行であるべきところ、図１０に示したように、界面１３０が一対の対向基板の面に対して傾斜してしまう。なお、図１０に示した液体光学素子アレイは、対向配置された一対の平面基板１２１，１２２と、これらの平面基板１２１，１２２の外縁に沿って立設し、平面基板１２１，１２２を支持する側壁１２３とを備えている。それら平面基板１２１，１２２および側壁１２３によって密閉された空間には、極性液体１２８および無極性液体１２９が封入されており、上記の界面１３０を形成している。こうした場合、電極への印加電圧を変化させてもエレクトロウェッティング現象が発生せず、あるいは、界面形状の正確な制御が困難となってしまう。したがって、屈折率の異なる２種の液体の界面を、長期に亘って安定して維持することが望まれる。
【０００７】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、長期に亘って安定したエレクトロウェッティング現象を発現可能に維持し、良好な光学作用を安定してもたらすことのできる液体光学素子アレイ、およびそれを備えた立体像表示装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の液体光学素子アレイは、以下の（Ａ１）から（Ａ６）の各構成要件を備えるものである。
（Ａ１）対向配置された第１および第２の基板。
（Ａ２）第１の基板の、第２の基板と対向する面に立設され、この第１の基板上の領域を複数のセル領域に分割し、かつ各々のセル領域を取り囲む隔壁。
（Ａ３）隔壁の壁面に、互いに対向して配置された第１および第２の電極。
（Ａ４）第２の基板の、第１の基板と対向する面に設けられた第３の電極。
（Ａ５）セル領域において第１の基板または第２の基板に立設する突起部。
（Ａ６）第１の基板と第３の電極との間に封入され、互いに異なる屈折率を有する極性液体および無極性液体。
【０００９】
本発明の立体像表示装置は、表示手段と、上記した本発明の液体光学素子アレイとを備える。表示手段は、例えば、複数の画素を有し、映像信号に応じた２次元表示画像を生成するディスプレイである。
【００１０】
本発明の液体光学素子アレイおよび立体像表示装置では、隔壁によって区画されたセル領域における第１の基板または第２の基板に突起部を立設させるようにした。これにより、セル領域が鉛直方向に延びる姿勢であっても、屈折率および比重の異なる２種の液体が、毛管現象によって突起部および隔壁などの周囲の部材に安定して保持される。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の液体光学素子アレイによれば、その姿勢による重力の影響を受けることなく、内包する２種の液体の界面を長期に亘って安定して保持し、所望の光学作用を安定して発揮することができる。このため、この液体光学素子アレイを備えた本発明の立体像表示装置によれば、所定の映像信号に対応した正確な画像表示を実現することが長期に亘って可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施の形態に係る立体像表示装置の構成を表す概略図である。
【図２】図１に示した波面変換偏向部の要部構成を表す断面図である。
【図３】図１に示した波面変換偏向部の要部構成を表す他の断面図である。
【図４】図３に示した液体光学素子の動作を説明するための概念図である。
【図５】図３に示した液体光学素子の動作を説明するための他の概念図である。
【図６】変形例１としての波面変換偏向部の概略構成を表す断面図である。
【図７】変形例２としての波面変換偏向部の概略構成を表す斜視図である。
【図８】変形例３としての波面変換偏向部の概略構成を表す斜視図である。
【図９】図１に示した波面変換偏向部の他の使用例を説明するための断面図である。
【図１０】従来の液体光学素子の一構成例を表す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明を実施するための形態（以下、実施の形態という。）について、図面を参照して詳細に説明する。
【００１４】
＜立体像表示装置の構成＞
まず、図１を参照して、本発明における一実施の形態としての液体光学素子アレイを用いた立体像表示装置について説明する。図１は、本実施の形態の立体像表示装置の、水平面内における一構成例を表す概略図である。
【００１５】
図１に示したように、この立体像表示装置は、光源（図示せず）の側から、画素１１を複数有する表示部１と、液体光学素子アレイとしての波面変換偏向部２とを順に備えている。ここでは、光源からの光の進行方向をＺ軸方向とし、水平方向をＸ軸方向とし、鉛直方向をＹ軸方向としている。
【００１６】
表示部１は、映像信号に応じた２次元表示画像を生成するものであり、例えばバックライトＢＬが照射されることにより表示画像光を射出するカラー液晶ディスプレイである。表示部１は、光源の側からガラス基板１１と、それぞれ画素電極および液晶層を含む複数の画素１２（１２Ｌ，１２Ｒ）と、ガラス基板１３とが順に積層された構造を有している。ガラス基板１１およびガラス基板１３は透明であり、いずれか一方には例えば赤（Ｒ），緑（Ｇ），青（Ｂ）の着色層を有するカラーフィルタが設けられている。このため、画素１２は、赤色を表示する画素Ｒ−１２と緑色を表示する画素Ｇ−１２と青色を表示する画素Ｂ−１２とに分類される。この表示部１では、Ｘ軸方向においては画素Ｒ−１２と、画素Ｇ−１２と、画素Ｂ−１２とが順に繰り返し配置される一方、Ｙ軸方向においては同色の画素１２が揃うように配置されている。さらに、画素１２は、左眼用の画像を形成する表示画像光を射出するものと、右眼用の画像を形成する表示画像光を射出するものとに分類され、それらはＸ軸方向において交互に配置されている。図１では、左眼用の表示画像光を射出する画素１２を画素１２Ｌと表し、右眼用の表示画像光を射出する画素１２を画素１２Ｒと表す。
【００１７】
波面変換偏向部２は、例えばＸ軸方向に隣り合う１組の画素１２Ｌ，１２Ｒに対応して設けられた１つの液体光学素子２０が、Ｘ軸方向に複数配列されたアレイ状をなすものである。波面変換偏向部２は、表示部１から射出された表示画像光に対し、波面変換処理および偏向処理を行う。具体的には、波面変換偏向部２では、各画素１２に対応する各液体光学素子２１がシリンドリカルレンズとして機能する。すなわち、波面変換偏向部２は、全体としてレンチキュラーレンズとして機能する。これによって各画素１２Ｌ，１２Ｒからの表示画像光の波面が、鉛直方向（Ｙ軸方向）に並ぶ一群の画素１２を一単位として所定の曲率を有する波面に一括して変換される。波面変換偏向部２では、併せて、必要に応じてそれらの表示画像光を水平面内（ＸＺ平面内）において一括して偏向することも可能となっている。
【００１８】
図２および図３を参照して、波面変換偏向部２の具体的な構成について説明する。
【００１９】
図２は、表示画像光の進行方向と直交するＸＹ平面に平行な波面変換偏向部２の要部拡大断面図である。また、図３（Ａ），３（Ｂ）は、それぞれ、図２に示したIII（Ａ）−III（Ａ）線およびIII（Ｂ）−III（Ｂ）線に沿った矢視方向の断面図である。なお、図２は、図３（Ａ），３（Ｂ）に示したII−II線に沿った矢視方向の断面に相当する。
【００２０】
図２、図３（Ａ）および図３（Ｂ）に示したように、波面変換偏向部２は、対向配置された一対の平面基板２１，２２と、これらの平面基板２１，２２の外縁に沿って立設し、平面基板２１，２２を支持する側壁２３とを有している。平面基板２１，２２および側壁２３によって取り囲まれた空間領域には、Ｙ軸方向に延在する複数の液体光学素子２０がＸ軸方向へ並んでいる。平面基板２１，２２は、例えばガラスや透明なプラスチックなど、可視光を透過する透明な絶縁材料によって構成される。
【００２１】
平面基板２１の、平面基板２２と対向する面２１Ｓには、この平面基板２１上の空間領域を複数のセル領域２０Ｚに分割する複数の隔壁２４が立設している。ここでは、複数の隔壁２４がそれぞれＹ軸方向に延在しており、Ｙ軸方向に並ぶ一群の画素１２に対応した矩形状の平面形状を有するセル領域２０Ｚを、側壁２３と共に複数形成している。隔壁２４によって区画されたセル領域２０Ｚには、無極性液体２９（後出）が保持されている。すなわち、無極性液体２９は、隔壁２４によって隣り合う他のセル領域２０Ｚへ移動（流出）しないようになっている。隔壁２４は、極性液体２８および無極性液体２９に溶解等しない材料、例えば、エポキシ系樹脂やアクリル系樹脂などによって構成されることが望ましい。
【００２２】
各隔壁２４の壁面には、互いに対向して配置された銅（Ｃｕ）やＩＴＯなどの導電性材料からなる第１および第２の電極２６Ａ，２６Ｂが設けられている。第１および第２の電極２６Ａ，２６Ｂは、それぞれ、平面基板２１に埋設された信号線と制御部とを介して外部電源（いずれも図示せず）と接続されている。第１および第２の電極２６Ａ，２６Ｂは、上述の制御部によってそれぞれ所定の大きさの電位に設定できるようになっている。これらの第１および第２の電極２６Ａ，２６Ｂは、疎水性絶縁膜２７によって密に覆われていることが望ましい。この疎水性絶縁膜２７は、極性液体２８（後出）に対して疎水性（撥水性）を示す（より厳密には無電界下において無極性液体２９（後出）に親和性を示す）と共に、電気的絶縁性に優れた性質を有する材料からなるものである。具体的には、フッ素系の高分子であるポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）やポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）が挙げられる。但し、第１の電極２６Ａと第２の電極２６Ｂとの電気的絶縁性をより高めることを目的として、第１および第２の電極２６Ａ，２６Ｂと疎水性絶縁膜２７との間に例えばスピン・オン・グラス（ＳＯＧ）などからなる他の絶縁膜を設けるようにしてもよい。なお、隔壁２４の上端もしくはそれを覆う疎水性絶縁膜２７は、平面基板２２および第３の電極２６Ｃと離間していることが望ましい。
【００２３】
各セル領域２０Ｚには、平面基板２１に立設するように、１または２以上の突起部２５が設けられている。突起部２５を複数設ける場合には、Ｙ軸方向に沿って等間隔で並ぶようにするとよい。この突起部２５は、例えば隔壁２４と同種の材料からなり、隔壁２４ならびに第１および第２の電極２６Ａ，２６Ｂと離間して配置されている。さらに、突起部２５は、平面基板２２および第３の電極２６Ｃと離間していることが望ましい。なお、突起部２５は、図２ではＹ軸方向に沿って複数配置される場合を例示したが、その数は任意に選択可能である。
【００２４】
平面基板２２の、平面基板２１と対向する面２２Ｓには、第３の電極２６Ｃが設けられている。第３の電極２６Ｃは、例えば酸化インジウム錫（ＩＴＯ：Indium Tin Oxide）や酸化亜鉛（ＺｎＯ）などの透明な導電材料によって構成されており、接地電極として機能する。
【００２５】
一対の平面基板２１，２２と側壁２３とによって完全に密閉された空間領域には、極性液体２８および無極性液体２９が密封されている。極性液体２８および無極性液体２９は、その閉空間において互いに溶解せずに分離して存在し、界面ＩＦを形成している。
【００２６】
無極性液体２９は、ほとんど極性を有さず、かつ、電気絶縁性を示す液体材料であり、例えばデカン、ドデカン、ヘキサデカンもしくはウンデカンなどの炭化水素系材料のほか、シリコンオイルなどが好適である。無極性液体２９は、第１の電極２６Ａと第２の電極２６Ｂとの間に電圧を印加しない場合において、平面基板２１の表面を全て覆う程度に十分な容量を有していることが望ましい。
【００２７】
一方、極性液体２８は、極性を有する液体材料であり、例えば水のほか、塩化カリウムや塩化ナトリウムなどの電解質を溶解させた水溶液が好適である。極性液体２８に電圧を印加すると、内表面２７Ａ，２７Ｂに対する濡れ性（極性液体２８と内表面２７Ａ，２７Ｂとの接触角）が無極性液体２９と比べて大きく変化する。極性液体２８は、接地電極としての第３の電極２６Ｃと接している。
【００２８】
なお、極性液体２８および無極性液体２９は、室温（例えば２０℃）において互いにほぼ同等の比重を有するように調整されており、極性液体２８と無極性液体２９との位置関係は封入する順序で決定される。極性液体２８および無極性液体２９は透明であることから、界面ＩＦを透過する光は、その入射角と、極性液体２８および無極性液体２９の屈折率とに応じて屈折する。
【００２９】
また、極性液体２８および無極性液体２９は、突起部２５の存在により、安定して初期位置（図３に示した位置）に保持される。これは、極性液体２８および無極性液体２９が突起部２５と接することにより、その接触界面における界面張力が作用するからである。特に、同一のセル領域２０Ｚに配置された突起部２５同士の間隔Ｌ１（図２参照）は、以下の条件式（１）で表される毛管長Ｋ-1以下の長さであるとよい。ここでいう毛管長Ｋ-1 とは、極性液体２８と無極性液体２９との界面に生じる界面張力に対して重力の影響を全く無視できる最大の長さをいう。したがって、間隔Ｌ１が条件式（１）を満足する場合には、極性液体２８および無極性液体２９は、波面変換部２（および偏向部３）の姿勢の影響を受けずに極めて安定して初期位置（図３に示した位置）に保持される。
【００３０】
Κ-1 ＝｛Δγ／（Δρ×ｇ）｝0.5 ……（１）
但し、
Κ-1：毛管長（ｍｍ）
Δγ：極性液体と無極性液体との界面張力（ｍＮ／ｍ）
Δρ：極性液体と無極性液体との密度差（ｇ／ｃｍ3 ）
ｇ：重力加速度（ｍ／ｓ2 ）
【００３１】
さらに本実施の形態では、上記と同様の理由により、複数の突起部２５のうちＹ軸方向において両端に位置するものは、Ｙ軸方向における側壁２３からの最短の距離Ｌ２（図２）が上記の条件式（１）で表される毛管長Ｋ-1以下の長さであるとよい。
【００３２】
上記のように、毛管長Ｋ-1 は、界面を構成する２つの媒体の種類によって異なる。例えば極性液体２８が水であり無極性液体２９が油である場合、条件式（１）の界面張力Δγは２９．５ｍＮ／ｍであり密度差Δρは０．１２９ｇ／ｃｍ3 であるから、毛管長Ｋ-1 は１５．２ｍｍとなる。したがって、密度差Δρを０．１２９ｇ／ｃｍ3 以下とすることで、間隔Ｌ１および距離Ｌ２を最大１５．２ｍｍとすることが可能である。
【００３３】
液体光学素子２０では、第１および第２の電極２６Ａ，２６Ｂの間に電圧が印加されていない状態（電極２６Ａ，２６Ｂの電位がいずれも零である状態）では、図３（Ａ）に示したように、界面ＩＦは、極性液体２８の側から無極性液体２９へ向けて凸の曲面をなしている。このときの界面ＩＦの曲率はＹ軸方向において一定であり、各液体光学素子２０は１つのシリンドリカルレンズとして機能する。また、界面ＩＦの曲率はこの状態（第１および第２の電極２６Ａ，２６Ｂの間に電圧を印加しない状態）が最大となる。内表面２７Ａに対する無極性液体２９の接触角θ１、および内表面２７Ｂに対する無極性液体２９の接触角θ２は、例えば疎水性絶縁膜２７の材料種を選択することによって調整することができる。ここで、無極性液体２９が極性液体２８よりも大きな屈折率を有していれば、液体光学素子２０は負の屈折力を発揮する。これに対し、無極性液体２９が極性液体２８よりも小さな屈折率を有していれば、液体光学素子２０は正の屈折力を発揮する。例えば、無極性液体２９が炭化水素系材料またはシリコンオイルであり、極性液体２８が水または電解質水溶液であれば、液体光学素子２０が負の屈折力を発揮することとなる。
【００３４】
第１および第２の電極２６Ａ，２６Ｂの間に電圧が印加されると界面ＩＦの曲率が小さくなり、ある一定以上の電圧を印加すると例えば図４（Ａ），４（Ｂ）に表したように平面となる。なお、図４（Ａ）は、第１の電極２６Ａの電位（Ｖ１とする）と第２の電極２６Ｂの電位（Ｖ２とする）とが互いに等しい（Ｖ１＝Ｖ２）場合を示している。この場合、接触角θ１，θ２がいずれも直角（９０°）となる。このとき、液体光学素子２０へ入射して界面ＩＦを通過した入射光は、界面ＩＦにおいて収束、発散もしくは偏向などの光学作用を受けることなく、そのまま液体光学素子２０から射出する。
【００３５】
電位Ｖ１と電位Ｖ２とが異なる場合（Ｖ１≠Ｖ２）には、例えば図４（Ｂ），４（Ｃ）に表したように、Ｘ軸およびＺ軸に対して傾斜した平面（Ｙ軸に対しては平行な面）となる（θ１≠θ２）。具体的には、電位Ｖ１が電位Ｖ２よりも大きい場合（Ｖ１＞Ｖ２）、図４（Ｂ）に示したように接触角θ１が接触角θ２よりも大きくなる（θ１＞θ２）。反対に、電位Ｖ１よりも電位Ｖ２が大きいと（Ｖ１＜Ｖ２）、図４（Ｃ）に示したように、接触角θ１よりも接触角θ２が大きくなる（θ１＜θ２）。これらの場合（Ｖ１≠Ｖ２）、例えば第１の電極２６Ａ，２６Ｂと平行に進行して液体光学素子２０へ入射した入射光は、界面ＩＦにおいてＸＺ平面内で屈折し、偏向される。したがって、電位Ｖ１および電位Ｖ２の大きさを調整することで、入射光をＸＺ平面内の所定の向きへ偏向可能となる。
【００３６】
なお、上記の現象（電圧の印加による接触角θ１，θ２の変化）は以下のように生じるものと推察される。すなわち、電圧印加により、内表面２７Ａ，２７Ｂに電荷が蓄積され、その電荷のクーロン力によって、極性を有する極性液体２８が疎水性絶縁膜２７へ引き寄せられる。すると、極性液体２８が内表面２７Ａ，２７Ｂと接触する面積を拡大する一方、無極性液体２９が内表面２７Ａ，２７Ｂと接触する部分から極性液体２８によって排除されるように移動（変形）し、結果として界面ＩＦが平面に近づくこととなる。
【００３７】
また、電位Ｖ１および電位Ｖ２の大きさの調整により界面ＩＦの曲率が変わるようになっている。例えば、電位Ｖ１，Ｖ２（Ｖ１＝Ｖ２とする）を、界面ＩＦが水平面となる場合の電位Ｖmaxよりも低い値とすれば、例えば図５（Ａ）に表したように、電位Ｖ１，Ｖ２が零の場合の界面ＩＦ0（破線で表示）よりも曲率の小さな界面ＩＦ1（実線で表示）が得られる。このため、界面ＩＦを透過する光に対して発揮する屈折力は、電位Ｖ１および電位Ｖ２の大きさを変えることで調整可能である。すなわち、液体光学素子２０は、可変焦点レンズとして機能する。さらに、その状態で電位Ｖ１と電位Ｖ２とが互いに異なる大きさ（Ｖ１≠Ｖ２）となれば、界面ＩＦは適度な曲率を有しつつ、傾斜した状態となる。例えば電位Ｖ１のほうが大きい（Ｖ１＞Ｖ２）場合には、図５（Ｂ）において実線で表した界面ＩＦａが形成される。一方、電位Ｖ２のほうが大きい（Ｖ１＜Ｖ２）場合には、図５（Ｂ）において破線で表した界面ＩＦｂが形成される。したがって、電位Ｖ１および電位Ｖ２の大きさを調整することで、液体光学素子２０は、入射光に対して適度な屈折力を発揮しつつ、その入射光を所定の向きへ偏向することが可能である。なお、図５（Ａ），５（Ｂ）では、無極性液体２９が極性液体２８よりも大きな屈折率を有しており、液体光学素子２０が負の屈折力を発揮する場合に、界面ＩＦ1，ＩＦａを形成したときの入射光の変化を表している。
【００３８】
＜立体像表示装置の動作＞
この立体像表示装置では、表示部１に映像信号が入力されると、画素１２Ｌから左眼用の表示画像光ＩＬが射出されると共に画素１２Ｒから右眼用の表示画像光ＩＲが射出される。表示画像光ＩＬ，ＩＲは、いずれも液体光学素子２０に入射する。液体光学素子２０では、その焦点距離が、例えば画素１２Ｌ，１２Ｒと界面ＩＦとの間の屈折率を空気換算した距離となるように、適切な値の電圧を第１および第２の電極２６Ａ，２６Ｂに印加する。なお、観察者の位置に応じて、液体光学素子２０の焦点距離を前後させるようにしてもよい。液体光学素子２０における極性液体２８と無極性液体２９との界面ＩＦが形成するシリンドリカルレンズの作用により、表示部１の各画素１２Ｌ，１２Ｒから射出された表示画像光ＩＬ，ＩＲの射出角度が選択される。そのため、図１に示したように、表示画像光ＩＬは観察者の左眼に入射し、表示画像光ＩＲは観察者の右眼に入射する。これにより、観察者は立体映像を観察することができる。
【００３９】
また、液体光学素子２０において界面ＩＦを平坦面（図４（Ａ）参照）とし、表示画像光ＩＬ，ＩＲに対する波面変換を行わないことにより、高解像度な二次元画像の表示も可能となる。
【００４０】
このように、本実施の形態の波面変換偏向部２では、隔壁２４によって区画されたセル領域２０Ｚにおける平面基板２１に突起部２５を立設させるようにした。これにより、セル領域２０Ｚが鉛直方向に延びる姿勢となるように波面変換偏向部２（液体光学素子２０）が配置された場合であっても、屈折率および比重の異なる２種の液体（極性液体２８および無極性液体２９）が、毛管現象によって突起部２５および隔壁２４などの周囲の部材に安定して保持される。すなわち、液体光学素子２０が自らの姿勢による重力の影響を受けることなく、界面ＩＦを長期に亘って安定して維持し、所望の光学作用を安定して発揮することができる。このため、この液体光学素子２０を備えた立体表示装置によれば、所定の映像信号に対応した正確な画像表示を実現することが長期に亘って可能となる。
【００４１】
また、本実施の形態では、平面基板２１に立設する突起部２５を、疎水性絶縁膜２７に覆われた隔壁２４、平面基板２２および第３の電極２６Ｃのそれぞれと離間して配置するようにした。このため、同一のセル領域２０Ｚにおける界面ＩＦの位置のばらつきを回避し、Ｙ軸方向にならぶ複数の画素１２Ｌ（または１２Ｒ）からの表示画像光ＩＬ（またはＩＲ）に対して、安定した光学作用を付与することができる。また、突起部２５をその両隣の隔壁２４と接続するように設けた場合には、突起部２５および隔壁２４によって複数の閉じた領域が形成される。この場合、製造段階において、それら複数の閉領域に対し、極性液体２８および無極性液体２９を個別に充填する必要が生じ、効率性の面で不利であり、充填量のばらつきも懸念される。これに対し、本実施の形態では、突起部２５を隔壁２４から離間させるようにしたので、そのような問題点は解消される。
【００４２】
＜変形例１＞
図６に、本実施の形態の第１の変形例（変形例１）としての波面変換偏向部２Ａを示す。図６は、波面変換偏向部２Ａの断面構成を表すものであり、上記実施の形態の図３（Ｂ）に対応している。上記実施の形態では、突起部２５を平面基板２１に隔壁２４と共に立設させるようにしたが、本変形例は、突起部２５を平面基板２２に立設させるようにした。こうすることにより、波面変換偏向部２Ａを組み立てる際、平面基板２１に立設する隔壁２４と平面基板２２に立設する突起部２５とを嵌合させることにより、平面基板２１と平面基板２２との位置あわせが容易となる。なお、この変形例においても、突起部２５は、平面基板２２、隔壁２４、第１〜第３の電極２６Ａ〜２６Ｃの各々と離間して配置されているとよい。
【００４３】
＜変形例２＞
図７に、本実施の形態の第２の変形例（変形例２）としての波面変換偏向部２Ｂを示す。図７は、波面変換偏向部２Ｂの概略構成を表す斜視図である。上記実施の形態では突起部２５の側方端部を隔壁２４と離間させるようにしたが、本変形例は、突起部２５の側方端部と隔壁２４の側面とを接続するようにしたものである。こうすることにより、構造上の安定性の向上が期待できる。
【００４４】
＜変形例３＞
図８に、本実施の形態の第３の変形例（変形例３）としての波面変換偏向部２Ｃを示す。上記変形例２では、突起部２５の上端位置を隔壁２４の上端位置とほぼ同等の高さとしたが、本変形例は、突起部２５の上端位置を、隔壁２４の上端位置よりも低くするようにした。こうすることにより、変形例２と比較して、隔壁２４の側面に形成される第１および第２の電極２６Ａ，２６Ｂの、突起部２５を跨ぐ部分での抵抗増大を低減することができる。
【００４５】
以上、実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、種々変形が可能である。例えば、上記実施の形態では、波面変換偏向部２における液体光学素子２０により、集光もしくは発散作用と、偏向作用との双方を発揮させるようにした。しかしながら、波面変換部と偏向部とを個別に設け、集光もしくは発散作用と、偏向作用とを別々のデバイスによって表示画像光に付与するようにしてもよい。
【００４６】
また、図９に示したように、１組の画素１２Ｌ，１２Ｒについて複数の液体光学素子２０を対応させ、それら複数の液体光学素子２０を組み合わせて１つのシリンドリカルレンズとして機能させるようにしてもよい。なお、図９では、液体光学素子２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃにより、１つのシリンドリカルレンズを構成する例を示している。
【００４７】
また、上記実施の形態では、第３の電極２６Ｃを、複数のセル領域２０Ｚの全てと対応するように平面基板２２の面２２Ｓにおいて延在させた。しかしながら、第３の電極２６Ｃは、極性液体２８と僅かでも接触した状態が常に維持されるのであれば、その大きさ（形成面積）は任意に選択可能である。
【００４８】
また、上記実施の形態では、２次元画像生成手段（表示部）としてバックライトを使用するカラー液晶ディスプレイを例示したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば有機ＥＬ素子を用いたディスプレイやプラズマディスプレイであってもよい。
【符号の説明】
【００４９】
１…表示部、１１，１３…ガラス基板、１２（１２Ｌ，１２Ｒ）…画素、２…波面変換偏向部、２０，３０…液体光学素子、２１，２２…平面基板、２３…側壁、２４…隔壁、２５…突起部、２６（２６Ａ〜２６Ｃ）…第１〜第３の電極、２７…疎水性絶縁膜、２８…極性液体、２９…無極性液体、ＩＦ…界面、
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エレクトロウェッティング現象を利用した液体光学素子アレイ、およびそれを備えた表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、エレクトロウェッティング現象（電気毛管現象）により光学作用を発揮する液体光学素子が開発されている。エレクトロウェッティング現象とは、電極と導電性を有する液体との間に電圧を印加した場合に、その電極の表面と液体との界面エネルギーが変化し、液体の表面形状が変化する現象をいう。
【０００３】
エレクトロウェッティング現象を利用した液体光学素子としては、例えば特許文献１，２に記載された液体のシリンドリカルレンズが挙げられる。また、例えば特許文献３には、液体のレンチキュラーレンズが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−１６２５０７号公報
【特許文献２】特開２００９−２５１３３９号公報
【特許文献３】特表２００７−５３４０１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記特許文献１〜３に開示されたような液体レンズでは、一般に、互いに分離し、かつ屈折率の異なる２種の液体の界面形状を電極への印加電圧を制御することにより変化させ、所望の焦点距離を得るようにしている。また、２種の液体における比重をほぼ同一とすることで、液体レンズの姿勢を様々に変化させても重力による偏りが生じにくくなっている。
【０００６】
しかしながら、異なる成分の液体同士では、環境温度に対する比重の相違が生じる。すなわち、初期の環境温度（例えば２０℃）において２種の液体の比重が同一であったとしても、その環境温度が変化すれば、それに応じて各々の液体の比重が変化してしまう可能性がある。このため、例えば特許文献１，２に記載のシリンドリカルレンズでは、一対の対向基板の間の所定のセル領域に充填された２種の液体が初期位置から大きく移動してしまうおそれがある。すなわち、そのシリンドリカルレンズの軸方向を鉛直方向として使用する場合、その長さによっては比重の比較的小さな液体がセル領域の上方に移動すると共に比重の比較的大きな液体がセル領域の下方に移動してしまう。そうすると、電圧を印加していない状態では、本来、２種の液体の界面が一対の対向基板の面と平行であるべきところ、図１０に示したように、界面１３０が一対の対向基板の面に対して傾斜してしまう。なお、図１０に示した液体光学素子アレイは、対向配置された一対の平面基板１２１，１２２と、これらの平面基板１２１，１２２の外縁に沿って立設し、平面基板１２１，１２２を支持する側壁１２３とを備えている。それら平面基板１２１，１２２および側壁１２３によって密閉された空間には、極性液体１２８および無極性液体１２９が封入されており、上記の界面１３０を形成している。こうした場合、電極への印加電圧を変化させてもエレクトロウェッティング現象が発生せず、あるいは、界面形状の正確な制御が困難となってしまう。したがって、屈折率の異なる２種の液体の界面を、長期に亘って安定して維持することが望まれる。
【０００７】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、長期に亘って安定したエレクトロウェッティング現象を発現可能に維持し、良好な光学作用を安定してもたらすことのできる液体光学素子アレイ、およびそれを備えた立体像表示装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の液体光学素子アレイは、以下の（Ａ１）から（Ａ６）の各構成要件を備えるものである。
（Ａ１）対向配置された第１および第２の基板。
（Ａ２）第１の基板の、第２の基板と対向する面に立設され、この第１の基板上の領域を複数のセル領域に分割し、かつ各々のセル領域を取り囲む隔壁。
（Ａ３）隔壁の壁面に、互いに対向して配置された第１および第２の電極。
（Ａ４）第２の基板の、第１の基板と対向する面に設けられた第３の電極。
（Ａ５）セル領域において第１の基板または第２の基板に立設する突起部。
（Ａ６）第１の基板と第３の電極との間に封入され、互いに異なる屈折率を有する極性液体および無極性液体。
【０００９】
本発明の立体像表示装置は、表示手段と、上記した本発明の液体光学素子アレイとを備える。表示手段は、例えば、複数の画素を有し、映像信号に応じた２次元表示画像を生成するディスプレイである。
【００１０】
本発明の液体光学素子アレイおよび立体像表示装置では、隔壁によって区画されたセル領域における第１の基板または第２の基板に突起部を立設させるようにした。これにより、セル領域が鉛直方向に延びる姿勢であっても、屈折率および比重の異なる２種の液体が、毛管現象によって突起部および隔壁などの周囲の部材に安定して保持される。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の液体光学素子アレイによれば、その姿勢による重力の影響を受けることなく、内包する２種の液体の界面を長期に亘って安定して保持し、所望の光学作用を安定して発揮することができる。このため、この液体光学素子アレイを備えた本発明の立体像表示装置によれば、所定の映像信号に対応した正確な画像表示を実現することが長期に亘って可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施の形態に係る立体像表示装置の構成を表す概略図である。
【図２】図１に示した波面変換偏向部の要部構成を表す断面図である。
【図３】図１に示した波面変換偏向部の要部構成を表す他の断面図である。
【図４】図３に示した液体光学素子の動作を説明するための概念図である。
【図５】図３に示した液体光学素子の動作を説明するための他の概念図である。
【図６】変形例１としての波面変換偏向部の概略構成を表す断面図である。
【図７】変形例２としての波面変換偏向部の概略構成を表す斜視図である。
【図８】変形例３としての波面変換偏向部の概略構成を表す斜視図である。
【図９】図１に示した波面変換偏向部の他の使用例を説明するための断面図である。
【図１０】従来の液体光学素子の一構成例を表す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明を実施するための形態（以下、実施の形態という。）について、図面を参照して詳細に説明する。
【００１４】
＜立体像表示装置の構成＞
まず、図１を参照して、本発明における一実施の形態としての液体光学素子アレイを用いた立体像表示装置について説明する。図１は、本実施の形態の立体像表示装置の、水平面内における一構成例を表す概略図である。
【００１５】
図１に示したように、この立体像表示装置は、光源（図示せず）の側から、画素１１を複数有する表示部１と、液体光学素子アレイとしての波面変換偏向部２とを順に備えている。ここでは、光源からの光の進行方向をＺ軸方向とし、水平方向をＸ軸方向とし、鉛直方向をＹ軸方向としている。
【００１６】
表示部１は、映像信号に応じた２次元表示画像を生成するものであり、例えばバックライトＢＬが照射されることにより表示画像光を射出するカラー液晶ディスプレイである。表示部１は、光源の側からガラス基板１１と、それぞれ画素電極および液晶層を含む複数の画素１２（１２Ｌ，１２Ｒ）と、ガラス基板１３とが順に積層された構造を有している。ガラス基板１１およびガラス基板１３は透明であり、いずれか一方には例えば赤（Ｒ），緑（Ｇ），青（Ｂ）の着色層を有するカラーフィルタが設けられている。このため、画素１２は、赤色を表示する画素Ｒ−１２と緑色を表示する画素Ｇ−１２と青色を表示する画素Ｂ−１２とに分類される。この表示部１では、Ｘ軸方向においては画素Ｒ−１２と、画素Ｇ−１２と、画素Ｂ−１２とが順に繰り返し配置される一方、Ｙ軸方向においては同色の画素１２が揃うように配置されている。さらに、画素１２は、左眼用の画像を形成する表示画像光を射出するものと、右眼用の画像を形成する表示画像光を射出するものとに分類され、それらはＸ軸方向において交互に配置されている。図１では、左眼用の表示画像光を射出する画素１２を画素１２Ｌと表し、右眼用の表示画像光を射出する画素１２を画素１２Ｒと表す。
【００１７】
波面変換偏向部２は、例えばＸ軸方向に隣り合う１組の画素１２Ｌ，１２Ｒに対応して設けられた１つの液体光学素子２０が、Ｘ軸方向に複数配列されたアレイ状をなすものである。波面変換偏向部２は、表示部１から射出された表示画像光に対し、波面変換処理および偏向処理を行う。具体的には、波面変換偏向部２では、各画素１２に対応する各液体光学素子２１がシリンドリカルレンズとして機能する。すなわち、波面変換偏向部２は、全体としてレンチキュラーレンズとして機能する。これによって各画素１２Ｌ，１２Ｒからの表示画像光の波面が、鉛直方向（Ｙ軸方向）に並ぶ一群の画素１２を一単位として所定の曲率を有する波面に一括して変換される。波面変換偏向部２では、併せて、必要に応じてそれらの表示画像光を水平面内（ＸＺ平面内）において一括して偏向することも可能となっている。
【００１８】
図２および図３を参照して、波面変換偏向部２の具体的な構成について説明する。
【００１９】
図２は、表示画像光の進行方向と直交するＸＹ平面に平行な波面変換偏向部２の要部拡大断面図である。また、図３（Ａ），３（Ｂ）は、それぞれ、図２に示したIII（Ａ）−III（Ａ）線およびIII（Ｂ）−III（Ｂ）線に沿った矢視方向の断面図である。なお、図２は、図３（Ａ），３（Ｂ）に示したII−II線に沿った矢視方向の断面に相当する。
【００２０】
図２、図３（Ａ）および図３（Ｂ）に示したように、波面変換偏向部２は、対向配置された一対の平面基板２１，２２と、これらの平面基板２１，２２の外縁に沿って立設し、平面基板２１，２２を支持する側壁２３とを有している。平面基板２１，２２および側壁２３によって取り囲まれた空間領域には、Ｙ軸方向に延在する複数の液体光学素子２０がＸ軸方向へ並んでいる。平面基板２１，２２は、例えばガラスや透明なプラスチックなど、可視光を透過する透明な絶縁材料によって構成される。
【００２１】
平面基板２１の、平面基板２２と対向する面２１Ｓには、この平面基板２１上の空間領域を複数のセル領域２０Ｚに分割する複数の隔壁２４が立設している。ここでは、複数の隔壁２４がそれぞれＹ軸方向に延在しており、Ｙ軸方向に並ぶ一群の画素１２に対応した矩形状の平面形状を有するセル領域２０Ｚを、側壁２３と共に複数形成している。隔壁２４によって区画されたセル領域２０Ｚには、無極性液体２９（後出）が保持されている。すなわち、無極性液体２９は、隔壁２４によって隣り合う他のセル領域２０Ｚへ移動（流出）しないようになっている。隔壁２４は、極性液体２８および無極性液体２９に溶解等しない材料、例えば、エポキシ系樹脂やアクリル系樹脂などによって構成されることが望ましい。
【００２２】
各隔壁２４の壁面には、互いに対向して配置された銅（Ｃｕ）やＩＴＯなどの導電性材料からなる第１および第２の電極２６Ａ，２６Ｂが設けられている。第１および第２の電極２６Ａ，２６Ｂは、それぞれ、平面基板２１に埋設された信号線と制御部とを介して外部電源（いずれも図示せず）と接続されている。第１および第２の電極２６Ａ，２６Ｂは、上述の制御部によってそれぞれ所定の大きさの電位に設定できるようになっている。これらの第１および第２の電極２６Ａ，２６Ｂは、疎水性絶縁膜２７によって密に覆われていることが望ましい。この疎水性絶縁膜２７は、極性液体２８（後出）に対して疎水性（撥水性）を示す（より厳密には無電界下において無極性液体２９（後出）に親和性を示す）と共に、電気的絶縁性に優れた性質を有する材料からなるものである。具体的には、フッ素系の高分子であるポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）やポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）が挙げられる。但し、第１の電極２６Ａと第２の電極２６Ｂとの電気的絶縁性をより高めることを目的として、第１および第２の電極２６Ａ，２６Ｂと疎水性絶縁膜２７との間に例えばスピン・オン・グラス（ＳＯＧ）などからなる他の絶縁膜を設けるようにしてもよい。なお、隔壁２４の上端もしくはそれを覆う疎水性絶縁膜２７は、平面基板２２および第３の電極２６Ｃと離間していることが望ましい。
【００２３】
各セル領域２０Ｚには、平面基板２１に立設するように、１または２以上の突起部２５が設けられている。突起部２５を複数設ける場合には、Ｙ軸方向に沿って等間隔で並ぶようにするとよい。この突起部２５は、例えば隔壁２４と同種の材料からなり、隔壁２４ならびに第１および第２の電極２６Ａ，２６Ｂと離間して配置されている。さらに、突起部２５は、平面基板２２および第３の電極２６Ｃと離間していることが望ましい。なお、突起部２５は、図２ではＹ軸方向に沿って複数配置される場合を例示したが、その数は任意に選択可能である。
【００２４】
平面基板２２の、平面基板２１と対向する面２２Ｓには、第３の電極２６Ｃが設けられている。第３の電極２６Ｃは、例えば酸化インジウム錫（ＩＴＯ：Indium Tin Oxide）や酸化亜鉛（ＺｎＯ）などの透明な導電材料によって構成されており、接地電極として機能する。
【００２５】
一対の平面基板２１，２２と側壁２３とによって完全に密閉された空間領域には、極性液体２８および無極性液体２９が密封されている。極性液体２８および無極性液体２９は、その閉空間において互いに溶解せずに分離して存在し、界面ＩＦを形成している。
【００２６】
無極性液体２９は、ほとんど極性を有さず、かつ、電気絶縁性を示す液体材料であり、例えばデカン、ドデカン、ヘキサデカンもしくはウンデカンなどの炭化水素系材料のほか、シリコンオイルなどが好適である。無極性液体２９は、第１の電極２６Ａと第２の電極２６Ｂとの間に電圧を印加しない場合において、平面基板２１の表面を全て覆う程度に十分な容量を有していることが望ましい。
【００２７】
一方、極性液体２８は、極性を有する液体材料であり、例えば水のほか、塩化カリウムや塩化ナトリウムなどの電解質を溶解させた水溶液が好適である。極性液体２８に電圧を印加すると、内表面２７Ａ，２７Ｂに対する濡れ性（極性液体２８と内表面２７Ａ，２７Ｂとの接触角）が無極性液体２９と比べて大きく変化する。極性液体２８は、接地電極としての第３の電極２６Ｃと接している。
【００２８】
なお、極性液体２８および無極性液体２９は、室温（例えば２０℃）において互いにほぼ同等の比重を有するように調整されており、極性液体２８と無極性液体２９との位置関係は封入する順序で決定される。極性液体２８および無極性液体２９は透明であることから、界面ＩＦを透過する光は、その入射角と、極性液体２８および無極性液体２９の屈折率とに応じて屈折する。
【００２９】
また、極性液体２８および無極性液体２９は、突起部２５の存在により、安定して初期位置（図３に示した位置）に保持される。これは、極性液体２８および無極性液体２９が突起部２５と接することにより、その接触界面における界面張力が作用するからである。特に、同一のセル領域２０Ｚに配置された突起部２５同士の間隔Ｌ１（図２参照）は、以下の条件式（１）で表される毛管長Ｋ-1以下の長さであるとよい。ここでいう毛管長Ｋ-1 とは、極性液体２８と無極性液体２９との界面に生じる界面張力に対して重力の影響を全く無視できる最大の長さをいう。したがって、間隔Ｌ１が条件式（１）を満足する場合には、極性液体２８および無極性液体２９は、波面変換部２（および偏向部３）の姿勢の影響を受けずに極めて安定して初期位置（図３に示した位置）に保持される。
【００３０】
Κ-1 ＝｛Δγ／（Δρ×ｇ）｝0.5 ……（１）
但し、
Κ-1：毛管長（ｍｍ）
Δγ：極性液体と無極性液体との界面張力（ｍＮ／ｍ）
Δρ：極性液体と無極性液体との密度差（ｇ／ｃｍ3 ）
ｇ：重力加速度（ｍ／ｓ2 ）
【００３１】
さらに本実施の形態では、上記と同様の理由により、複数の突起部２５のうちＹ軸方向において両端に位置するものは、Ｙ軸方向における側壁２３からの最短の距離Ｌ２（図２）が上記の条件式（１）で表される毛管長Ｋ-1以下の長さであるとよい。
【００３２】
上記のように、毛管長Ｋ-1 は、界面を構成する２つの媒体の種類によって異なる。例えば極性液体２８が水であり無極性液体２９が油である場合、条件式（１）の界面張力Δγは２９．５ｍＮ／ｍであり密度差Δρは０．１２９ｇ／ｃｍ3 であるから、毛管長Ｋ-1 は１５．２ｍｍとなる。したがって、密度差Δρを０．１２９ｇ／ｃｍ3 以下とすることで、間隔Ｌ１および距離Ｌ２を最大１５．２ｍｍとすることが可能である。
【００３３】
液体光学素子２０では、第１および第２の電極２６Ａ，２６Ｂの間に電圧が印加されていない状態（電極２６Ａ，２６Ｂの電位がいずれも零である状態）では、図３（Ａ）に示したように、界面ＩＦは、極性液体２８の側から無極性液体２９へ向けて凸の曲面をなしている。このときの界面ＩＦの曲率はＹ軸方向において一定であり、各液体光学素子２０は１つのシリンドリカルレンズとして機能する。また、界面ＩＦの曲率はこの状態（第１および第２の電極２６Ａ，２６Ｂの間に電圧を印加しない状態）が最大となる。内表面２７Ａに対する無極性液体２９の接触角θ１、および内表面２７Ｂに対する無極性液体２９の接触角θ２は、例えば疎水性絶縁膜２７の材料種を選択することによって調整することができる。ここで、無極性液体２９が極性液体２８よりも大きな屈折率を有していれば、液体光学素子２０は負の屈折力を発揮する。これに対し、無極性液体２９が極性液体２８よりも小さな屈折率を有していれば、液体光学素子２０は正の屈折力を発揮する。例えば、無極性液体２９が炭化水素系材料またはシリコンオイルであり、極性液体２８が水または電解質水溶液であれば、液体光学素子２０が負の屈折力を発揮することとなる。
【００３４】
第１および第２の電極２６Ａ，２６Ｂの間に電圧が印加されると界面ＩＦの曲率が小さくなり、ある一定以上の電圧を印加すると例えば図４（Ａ），４（Ｂ）に表したように平面となる。なお、図４（Ａ）は、第１の電極２６Ａの電位（Ｖ１とする）と第２の電極２６Ｂの電位（Ｖ２とする）とが互いに等しい（Ｖ１＝Ｖ２）場合を示している。この場合、接触角θ１，θ２がいずれも直角（９０°）となる。このとき、液体光学素子２０へ入射して界面ＩＦを通過した入射光は、界面ＩＦにおいて収束、発散もしくは偏向などの光学作用を受けることなく、そのまま液体光学素子２０から射出する。
【００３５】
電位Ｖ１と電位Ｖ２とが異なる場合（Ｖ１≠Ｖ２）には、例えば図４（Ｂ），４（Ｃ）に表したように、Ｘ軸およびＺ軸に対して傾斜した平面（Ｙ軸に対しては平行な面）となる（θ１≠θ２）。具体的には、電位Ｖ１が電位Ｖ２よりも大きい場合（Ｖ１＞Ｖ２）、図４（Ｂ）に示したように接触角θ１が接触角θ２よりも大きくなる（θ１＞θ２）。反対に、電位Ｖ１よりも電位Ｖ２が大きいと（Ｖ１＜Ｖ２）、図４（Ｃ）に示したように、接触角θ１よりも接触角θ２が大きくなる（θ１＜θ２）。これらの場合（Ｖ１≠Ｖ２）、例えば第１の電極２６Ａ，２６Ｂと平行に進行して液体光学素子２０へ入射した入射光は、界面ＩＦにおいてＸＺ平面内で屈折し、偏向される。したがって、電位Ｖ１および電位Ｖ２の大きさを調整することで、入射光をＸＺ平面内の所定の向きへ偏向可能となる。
【００３６】
なお、上記の現象（電圧の印加による接触角θ１，θ２の変化）は以下のように生じるものと推察される。すなわち、電圧印加により、内表面２７Ａ，２７Ｂに電荷が蓄積され、その電荷のクーロン力によって、極性を有する極性液体２８が疎水性絶縁膜２７へ引き寄せられる。すると、極性液体２８が内表面２７Ａ，２７Ｂと接触する面積を拡大する一方、無極性液体２９が内表面２７Ａ，２７Ｂと接触する部分から極性液体２８によって排除されるように移動（変形）し、結果として界面ＩＦが平面に近づくこととなる。
【００３７】
また、電位Ｖ１および電位Ｖ２の大きさの調整により界面ＩＦの曲率が変わるようになっている。例えば、電位Ｖ１，Ｖ２（Ｖ１＝Ｖ２とする）を、界面ＩＦが水平面となる場合の電位Ｖmaxよりも低い値とすれば、例えば図５（Ａ）に表したように、電位Ｖ１，Ｖ２が零の場合の界面ＩＦ0（破線で表示）よりも曲率の小さな界面ＩＦ1（実線で表示）が得られる。このため、界面ＩＦを透過する光に対して発揮する屈折力は、電位Ｖ１および電位Ｖ２の大きさを変えることで調整可能である。すなわち、液体光学素子２０は、可変焦点レンズとして機能する。さらに、その状態で電位Ｖ１と電位Ｖ２とが互いに異なる大きさ（Ｖ１≠Ｖ２）となれば、界面ＩＦは適度な曲率を有しつつ、傾斜した状態となる。例えば電位Ｖ１のほうが大きい（Ｖ１＞Ｖ２）場合には、図５（Ｂ）において実線で表した界面ＩＦａが形成される。一方、電位Ｖ２のほうが大きい（Ｖ１＜Ｖ２）場合には、図５（Ｂ）において破線で表した界面ＩＦｂが形成される。したがって、電位Ｖ１および電位Ｖ２の大きさを調整することで、液体光学素子２０は、入射光に対して適度な屈折力を発揮しつつ、その入射光を所定の向きへ偏向することが可能である。なお、図５（Ａ），５（Ｂ）では、無極性液体２９が極性液体２８よりも大きな屈折率を有しており、液体光学素子２０が負の屈折力を発揮する場合に、界面ＩＦ1，ＩＦａを形成したときの入射光の変化を表している。
【００３８】
＜立体像表示装置の動作＞
この立体像表示装置では、表示部１に映像信号が入力されると、画素１２Ｌから左眼用の表示画像光ＩＬが射出されると共に画素１２Ｒから右眼用の表示画像光ＩＲが射出される。表示画像光ＩＬ，ＩＲは、いずれも液体光学素子２０に入射する。液体光学素子２０では、その焦点距離が、例えば画素１２Ｌ，１２Ｒと界面ＩＦとの間の屈折率を空気換算した距離となるように、適切な値の電圧を第１および第２の電極２６Ａ，２６Ｂに印加する。なお、観察者の位置に応じて、液体光学素子２０の焦点距離を前後させるようにしてもよい。液体光学素子２０における極性液体２８と無極性液体２９との界面ＩＦが形成するシリンドリカルレンズの作用により、表示部１の各画素１２Ｌ，１２Ｒから射出された表示画像光ＩＬ，ＩＲの射出角度が選択される。そのため、図１に示したように、表示画像光ＩＬは観察者の左眼に入射し、表示画像光ＩＲは観察者の右眼に入射する。これにより、観察者は立体映像を観察することができる。
【００３９】
また、液体光学素子２０において界面ＩＦを平坦面（図４（Ａ）参照）とし、表示画像光ＩＬ，ＩＲに対する波面変換を行わないことにより、高解像度な二次元画像の表示も可能となる。
【００４０】
このように、本実施の形態の波面変換偏向部２では、隔壁２４によって区画されたセル領域２０Ｚにおける平面基板２１に突起部２５を立設させるようにした。これにより、セル領域２０Ｚが鉛直方向に延びる姿勢となるように波面変換偏向部２（液体光学素子２０）が配置された場合であっても、屈折率および比重の異なる２種の液体（極性液体２８および無極性液体２９）が、毛管現象によって突起部２５および隔壁２４などの周囲の部材に安定して保持される。すなわち、液体光学素子２０が自らの姿勢による重力の影響を受けることなく、界面ＩＦを長期に亘って安定して維持し、所望の光学作用を安定して発揮することができる。このため、この液体光学素子２０を備えた立体表示装置によれば、所定の映像信号に対応した正確な画像表示を実現することが長期に亘って可能となる。
【００４１】
また、本実施の形態では、平面基板２１に立設する突起部２５を、疎水性絶縁膜２７に覆われた隔壁２４、平面基板２２および第３の電極２６Ｃのそれぞれと離間して配置するようにした。このため、同一のセル領域２０Ｚにおける界面ＩＦの位置のばらつきを回避し、Ｙ軸方向にならぶ複数の画素１２Ｌ（または１２Ｒ）からの表示画像光ＩＬ（またはＩＲ）に対して、安定した光学作用を付与することができる。また、突起部２５をその両隣の隔壁２４と接続するように設けた場合には、突起部２５および隔壁２４によって複数の閉じた領域が形成される。この場合、製造段階において、それら複数の閉領域に対し、極性液体２８および無極性液体２９を個別に充填する必要が生じ、効率性の面で不利であり、充填量のばらつきも懸念される。これに対し、本実施の形態では、突起部２５を隔壁２４から離間させるようにしたので、そのような問題点は解消される。
【００４２】
＜変形例１＞
図６に、本実施の形態の第１の変形例（変形例１）としての波面変換偏向部２Ａを示す。図６は、波面変換偏向部２Ａの断面構成を表すものであり、上記実施の形態の図３（Ｂ）に対応している。上記実施の形態では、突起部２５を平面基板２１に隔壁２４と共に立設させるようにしたが、本変形例は、突起部２５を平面基板２２に立設させるようにした。こうすることにより、波面変換偏向部２Ａを組み立てる際、平面基板２１に立設する隔壁２４と平面基板２２に立設する突起部２５とを嵌合させることにより、平面基板２１と平面基板２２との位置あわせが容易となる。なお、この変形例においても、突起部２５は、平面基板２２、隔壁２４、第１〜第３の電極２６Ａ〜２６Ｃの各々と離間して配置されているとよい。
【００４３】
＜変形例２＞
図７に、本実施の形態の第２の変形例（変形例２）としての波面変換偏向部２Ｂを示す。図７は、波面変換偏向部２Ｂの概略構成を表す斜視図である。上記実施の形態では突起部２５の側方端部を隔壁２４と離間させるようにしたが、本変形例は、突起部２５の側方端部と隔壁２４の側面とを接続するようにしたものである。こうすることにより、構造上の安定性の向上が期待できる。
【００４４】
＜変形例３＞
図８に、本実施の形態の第３の変形例（変形例３）としての波面変換偏向部２Ｃを示す。上記変形例２では、突起部２５の上端位置を隔壁２４の上端位置とほぼ同等の高さとしたが、本変形例は、突起部２５の上端位置を、隔壁２４の上端位置よりも低くするようにした。こうすることにより、変形例２と比較して、隔壁２４の側面に形成される第１および第２の電極２６Ａ，２６Ｂの、突起部２５を跨ぐ部分での抵抗増大を低減することができる。
【００４５】
以上、実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、種々変形が可能である。例えば、上記実施の形態では、波面変換偏向部２における液体光学素子２０により、集光もしくは発散作用と、偏向作用との双方を発揮させるようにした。しかしながら、波面変換部と偏向部とを個別に設け、集光もしくは発散作用と、偏向作用とを別々のデバイスによって表示画像光に付与するようにしてもよい。
【００４６】
また、図９に示したように、１組の画素１２Ｌ，１２Ｒについて複数の液体光学素子２０を対応させ、それら複数の液体光学素子２０を組み合わせて１つのシリンドリカルレンズとして機能させるようにしてもよい。なお、図９では、液体光学素子２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃにより、１つのシリンドリカルレンズを構成する例を示している。
【００４７】
また、上記実施の形態では、第３の電極２６Ｃを、複数のセル領域２０Ｚの全てと対応するように平面基板２２の面２２Ｓにおいて延在させた。しかしながら、第３の電極２６Ｃは、極性液体２８と僅かでも接触した状態が常に維持されるのであれば、その大きさ（形成面積）は任意に選択可能である。
【００４８】
また、上記実施の形態では、２次元画像生成手段（表示部）としてバックライトを使用するカラー液晶ディスプレイを例示したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば有機ＥＬ素子を用いたディスプレイやプラズマディスプレイであってもよい。
【符号の説明】
【００４９】
１…表示部、１１，１３…ガラス基板、１２（１２Ｌ，１２Ｒ）…画素、２…波面変換偏向部、２０，３０…液体光学素子、２１，２２…平面基板、２３…側壁、２４…隔壁、２５…突起部、２６（２６Ａ〜２６Ｃ）…第１〜第３の電極、２７…疎水性絶縁膜、２８…極性液体、２９…無極性液体、ＩＦ…界面、
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対向配置された第１および第２の基板と、
前記第１の基板の、前記第２の基板と対向する面に立設され、この第１の基板上の領域を複数のセル領域に分割する隔壁と、
前記隔壁の壁面に、互いに対向して配置された第１および第２の電極と、
前記第２の基板の、前記第１の基板と対向する面に設けられた第３の電極と、
前記セル領域において前記第１の基板または第２の基板に立設する突起部と、
前記第１の基板と前記第３の電極との間に封入され、互いに異なる屈折率を有する極性液体および無極性液体と
を備えた液体光学素子アレイ。
【請求項２】
前記第１の基板に立設する前記突起部は、前記第２の基板および第３の電極と離間して配置され、
前記第２の基板に立設する前記突起部は、前記第１の基板と離間して配置されている
請求項１記載の液体光学素子アレイ。
【請求項３】
前記隔壁は、前記第２の基板および第３の電極と離間して配置されている請求項１または請求項２に記載の液体光学素子アレイ。
【請求項４】
前記突起部は、前記隔壁ならびに前記第１および第２の電極と離間して配置されている請求項１または請求項２に記載の液体光学素子アレイ。
【請求項５】
前記複数のセル領域は、第１の方向に並ぶと共にそれぞれ前記第１の方向と直交する第２の方向を長手方向とする矩形状を有し、
前記突起部は、前記第２の方向に沿って複数配置されている
請求項１記載の液体光学素子アレイ。
【請求項６】
前記第１および第２の電極は、前記極性液体に対して疎水性を呈する疎水性絶縁膜によって覆われている請求項１記載の液体光学素子アレイ。
【請求項７】
同一の前記セル領域に配置された前記突起部同士の間隔は、以下の条件式（１）で表される毛管長以下の長さである
請求項１記載の液体光学素子アレイ。
Κ-1 ＝｛Δγ／（Δρ×ｇ）｝0.5 ……（１）
但し、
Κ-1：毛管長（ｍｍ）
Δγ：極性液体と無極性液体との界面張力（ｍＮ／ｍ）
Δρ：極性液体と無極性液体との密度差（ｇ／ｃｍ3 ）
ｇ：重力加速度（ｍ／ｓ2 ）
とする。
【請求項８】
表示手段と、液体光学素子アレイとを備え、
前記液体光学素子アレイは、
対向配置された第１および第２の基板と、
前記第１の基板の、前記第２の基板と対向する面に立設され、この第１の基板上の領域を複数のセル領域に分割し、かつ各々の前記セル領域を取り囲む隔壁と、
前記隔壁の壁面に、互いに対向して配置された第１および第２の電極と、
前記第２の基板の、前記第１の基板と対向する面に設けられた第３の電極と、
前記セル領域において前記第１の基板または第２の基板に立設する突起部と、
前記第１の基板と前記第３の電極との間に封入され、互いに異なる屈折率を有する極性液体および無極性液体と
を備えたものである
立体像表示装置。
【請求項９】
前記液体光学素子アレイは、前記表示手段からの表示画像光を水平方向に偏向する機能を有するものである
請求項８記載の立体像表示装置。
【請求項１０】
前記液体光学素子アレイは、前記表示手段からの表示画像光における波面の曲率を変換する波面変換手段としても機能するものである
請求項９記載の立体像表示装置。
【請求項１】
対向配置された第１および第２の基板と、
前記第１の基板の、前記第２の基板と対向する面に立設され、この第１の基板上の領域を複数のセル領域に分割する隔壁と、
前記隔壁の壁面に、互いに対向して配置された第１および第２の電極と、
前記第２の基板の、前記第１の基板と対向する面に設けられた第３の電極と、
前記セル領域において前記第１の基板または第２の基板に立設する突起部と、
前記第１の基板と前記第３の電極との間に封入され、互いに異なる屈折率を有する極性液体および無極性液体と
を備えた液体光学素子アレイ。
【請求項２】
前記第１の基板に立設する前記突起部は、前記第２の基板および第３の電極と離間して配置され、
前記第２の基板に立設する前記突起部は、前記第１の基板と離間して配置されている
請求項１記載の液体光学素子アレイ。
【請求項３】
前記隔壁は、前記第２の基板および第３の電極と離間して配置されている請求項１または請求項２に記載の液体光学素子アレイ。
【請求項４】
前記突起部は、前記隔壁ならびに前記第１および第２の電極と離間して配置されている請求項１または請求項２に記載の液体光学素子アレイ。
【請求項５】
前記複数のセル領域は、第１の方向に並ぶと共にそれぞれ前記第１の方向と直交する第２の方向を長手方向とする矩形状を有し、
前記突起部は、前記第２の方向に沿って複数配置されている
請求項１記載の液体光学素子アレイ。
【請求項６】
前記第１および第２の電極は、前記極性液体に対して疎水性を呈する疎水性絶縁膜によって覆われている請求項１記載の液体光学素子アレイ。
【請求項７】
同一の前記セル領域に配置された前記突起部同士の間隔は、以下の条件式（１）で表される毛管長以下の長さである
請求項１記載の液体光学素子アレイ。
Κ-1 ＝｛Δγ／（Δρ×ｇ）｝0.5 ……（１）
但し、
Κ-1：毛管長（ｍｍ）
Δγ：極性液体と無極性液体との界面張力（ｍＮ／ｍ）
Δρ：極性液体と無極性液体との密度差（ｇ／ｃｍ3 ）
ｇ：重力加速度（ｍ／ｓ2 ）
とする。
【請求項８】
表示手段と、液体光学素子アレイとを備え、
前記液体光学素子アレイは、
対向配置された第１および第２の基板と、
前記第１の基板の、前記第２の基板と対向する面に立設され、この第１の基板上の領域を複数のセル領域に分割し、かつ各々の前記セル領域を取り囲む隔壁と、
前記隔壁の壁面に、互いに対向して配置された第１および第２の電極と、
前記第２の基板の、前記第１の基板と対向する面に設けられた第３の電極と、
前記セル領域において前記第１の基板または第２の基板に立設する突起部と、
前記第１の基板と前記第３の電極との間に封入され、互いに異なる屈折率を有する極性液体および無極性液体と
を備えたものである
立体像表示装置。
【請求項９】
前記液体光学素子アレイは、前記表示手段からの表示画像光を水平方向に偏向する機能を有するものである
請求項８記載の立体像表示装置。
【請求項１０】
前記液体光学素子アレイは、前記表示手段からの表示画像光における波面の曲率を変換する波面変換手段としても機能するものである
請求項９記載の立体像表示装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１２−４２７５８（Ｐ２０１２−４２７５８Ａ）
【公開日】平成２４年３月１日（２０１２．３．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１８４３６３（Ｐ２０１０−１８４３６３）
【出願日】平成２２年８月１９日（２０１０．８．１９）
【出願人】（０００００２１８５）ソニー株式会社 (34,172)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年３月１日（２０１２．３．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年８月１９日（２０１０．８．１９）
【出願人】（０００００２１８５）ソニー株式会社 (34,172)
【Ｆターム（参考）】
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