液晶シリンドリカルレンズアレイおよび表示装置
【課題】低電圧で動作し、隣り合う液晶レンズの間隔が狭くなってもレンズパワーが大きく、光学特性が優れた液晶シリンドリカルレンズアレイおよび表示装置を実現する。
【解決手段】透明な第１の電極２１を有する第１の基板１１、開口部を有する複数の第２の電極および前記開口部内でそれぞれ第３の電極が配置された第２の基板１２の間に収容された、液晶分子を一方向に配向させた液晶層３１を備え、前記開口部及び前記第２の電極および第３の電極と前記液晶層との間に透明絶縁層５１及び透明な高抵抗層による２重層が配置されている液晶シリンドリカルレンズアレイであって、前記第２の電極が存在する領域に重なって前記透明な高抵抗層４１の抵抗値よりも大きな抵抗値を有する高抵抗層４２を配置する。
【解決手段】透明な第１の電極２１を有する第１の基板１１、開口部を有する複数の第２の電極および前記開口部内でそれぞれ第３の電極が配置された第２の基板１２の間に収容された、液晶分子を一方向に配向させた液晶層３１を備え、前記開口部及び前記第２の電極および第３の電極と前記液晶層との間に透明絶縁層５１及び透明な高抵抗層による２重層が配置されている液晶シリンドリカルレンズアレイであって、前記第２の電極が存在する領域に重なって前記透明な高抵抗層４１の抵抗値よりも大きな抵抗値を有する高抵抗層４２を配置する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、簡単な構造で、狭い間隔で隣り合うシリンドリカルレンズ間を分離し、レンズパワーが大きく光学特性が優れたシリンドリカルレンズアレイおよび前記シリンドリカルレンズアレイを含む表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
液体のような流動性を持ち、電気光学的特性に異方性を示す液晶の中で、ネマティック液晶は比較的低い電圧印加により実効的な屈折率を概異常光に対する値から常光に対する値まで連続的に可変できるという特徴を持っており、この特徴を利用することで、種々の電圧可変型の液晶レンズ等の光学デバイスが提案されている。
【０００３】
たとえば、直径が数１００ミクロンの円形の穴型パターンを有する電極を用いて、軸対称的な不均一電界による液晶分子配向効果を利用することで、空間的な放物面状の屈折率分布特性を有する液晶レンズを得る方法が特許文献１に開示されている。このような口径がミリメートル以下の小さな液晶レンズは液晶マイクロレンズと呼ばれている。
【０００４】
また、同様の構造に基づく液晶レンズを発展させた構成として、液晶層を挟む基板面に設けた電極群の延伸方向が２枚の基板において互いに直交するように配置することで、２方向における視認位置においても３次元と２次元の表示を切り替えることができる液晶シリンドリカルレンズが特許文献２において開示されている。
【０００５】
これらの特許文献１、２で開示されている液晶レンズでは、電極が液晶層に接している構造であるため、液晶層の厚みを一定として開口径が大きなレンズを構成すると、電極の開口部により生じる不均一電界の効果が開口部の中央付近まで及ばない。その結果として、レンズ特性を得るために必要な液晶分子の空間配向分布が得られないため、レンズ効果を得るためには開口径と液晶層の厚みの比が２対１から３対１程度とする必要があるという問題があった。
【０００６】
そこで、特許文献１で開示されている液晶レンズに類似した構造で、開口部を有する電極を液晶層に接触させずに、液晶層からある一定の距離を置くように配置することで、電極の開口部分の直径を大きくしても、軸対称の不均一電界が開口部の中央付近まで生じるようにすることが可能となる。この原理に基づき、液晶層と穴型パターン電極との間に絶縁層を挿入することで、液晶層から前記穴形電極との距離を保持する方法が特許文献３で開示されており、液晶レンズにおいて最良の特性が得られる穴型パターンの口径と液晶層の厚みの比に関る条件が緩和され、開口径の大きさや液晶層の厚みによらず、任意の寸法の液晶レンズを構成できることが示されている。
【０００７】
さらに、液晶層と穴型パターン電極との間に絶縁層を挿入した液晶レンズにおいて、穴型パターン電極の外部又はパターン電極内に透明な第３の電極を配置して２電圧で駆動することで良好な特性を維持した状態で凹レンズ特性から凸レンズ特性まで広範囲に焦点距離を可変できる液晶レンズが特許文献４に開示されている。
【０００８】
しかし、特許文献３、４で開示されている液晶層と穴型パターン電極の間に距離を設定するために絶縁層を設けた構造では、液晶層と電極との間に配置した絶縁層のために駆動電圧が高くなるという問題があり、特に開口部が大きいレンズを得るためには絶縁層の厚みがさらに厚くなって高電圧が必要とされるため口径が大きいレンズを得ることが困難であるという問題があった。また、絶縁層の厚みのために液晶レンズ全体の厚みを薄くすることができないという問題があった。
【０００９】
この問題を解決するために、透明絶縁層の中に透明な高抵抗層として高抵抗の媒質を設け、高抵抗媒質の電位分布を利用して不均一電界が開口部の中央付近まで及ぶようにした方法が特許文献５に開示されている。また、透明な高抵抗の薄膜を使用することでさらに低電圧化行う方法が非特許文献１に報告されている。これらの手法は、高抵抗層による電位分布の中継効果を利用したもので、透明絶縁層の実効的な厚みを薄くして駆動電圧を低下するものである。
【００１０】
上記の原理に基づき、透明電極を付けたガラス基板と短冊状の透明電極を付けたガラス基板間に一方向に配向させた液晶を封入した構造の液晶レンズにより円筒レンズと呼ばれるシリンドリカルレンズを構成することができる。特に、前述のように透明絶縁層及び透明高抵抗層を用いることで、開口径と液晶層に関る制限が無く、任意の厚みの液晶層を使用し、且つ低電圧で駆動できるという特徴を有している。
【００１１】
この液晶シリンドリカルレンズを多数配列したレンズアレイ構造とすることで、焦点を可変できるシリンドリカルレンズアレイ、すなわち焦点可変のレンチキュラーレンズが構成され、眼鏡を使用せず裸眼で立体視を実現する表示装置に適用することができる。さらに、電圧印加によりレンズ効果を可変することで、２次元表示と３次元表示の間の切り替え等を行うことができる。
【００１２】
液晶シリンドリカルレンズアレイを表示装置の前面に配置して３次元表示を行なう場合には、効率よく明るい表示を得るために各々のレンズの開口径を広くすることが望まれる。したがって、個々の液晶レンズ間の間隔に対応する電極の幅をできるだけ狭くすることが必要とされる。透明絶縁層及び透明高抵抗層を有する液晶レンズアレイにおいては、個々の液晶レンズの間隔を狭くすると液晶レンズ間の相互作用が大きくなり、良好なレンズ特性を得ることが困難になってくる。すなわち、一定の電圧を印加した場合には、レンズ間の間隔が狭くなるに従ってレンズパワーが小さくなることが問題であった。また、レンズアレイにおいても各液晶レンズが独立している場合と同程度のレンズパワーの値を得るためには、レンズの間隔が狭くなるとともに駆動電圧の値を大きくしなければならないという問題点があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開平１１−１０９３０３号公報
【特許文献２】特開平２０１０−１７００６８号公報
【特許文献３】特開２００４−４６１６号公報
【特許文献４】特開２００６−９１８２６号公報
【特許文献５】特開２００８−２０３３６０号公報
【非特許文献】
【００１４】
【非特許文献１】葉茂、王濱、内田勝、梁瀬智、高橋慎吾、山口真紀、佐藤進（M.Ye, B.Wang, M.Uchida, S.Yanase, M.Yamaguchi and S.Sato)，「低電圧駆動液晶レンズ（Low-Voltage-Driving Liquid Crystal Lens）」, Japanese Journal of Applied Physics,２０１０年１０月、Ｖｏｌ．４９，ｐｐ．１００２０４−１−３（２０１０）．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
そこでこの発明の目的は、上記問題を解決し、低電圧で動作し、隣り合う液晶レンズの間隔が狭くなってもレンズパワーが大きく、光学特性が優れた液晶シリンドリカルレンズアレイを提供し、また前記シリンドリカルレンズアレイを含む画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】
【００１６】
この発明は、上記の課題を解決するために、その基本として、透明な第１の電極を有する第１の基板、前記第１の電極に対向し開口部を有する複数の第２の電極が配置され、前記それぞれの開口部に対して絶縁層を介して、又は前記開口部内で前記第２の電極に対して間隔をおいてそれぞれ第３の電極が配置された第２の基板の間に収容された、液晶分子を一方向に配向させた液晶層を備え、前記第１の電極と第２の電極との間に第１の電圧を加え、また前記第１の電極と第３の電極との間に前記第１の電圧とは独立した第２の電圧を加えることで光学特性を可変制御することができ、前記開口部及び前記第２の電極および第３の電極と前記液晶層との間に透明絶縁層及び透明な高抵抗層による２重層が配置されている液晶シリンドリカルレンズアレイであって、前記第２の電極が存在する領域に重なって前記第２の電極の幅に等しいか、もしくは第２の電極の幅よりも狭い範囲において、前記高抵抗層の抵抗値が大きな値となっていることを特徴とする。
【００１７】
前記第２の電極が存在する領域に重なって前記第２の電極の幅に等しいか、もしくは第２の電極の幅よりも狭い範囲において、前記透明な高抵抗層を除去してもよい。
【００１８】
前記複数の第２の電極がそれぞれスリットを介して分離されており、前記分離された電極にそれぞれ異なる電圧を加えることができる。
【００１９】
前記液晶シリンドリカルレンズアレイを前面に配置した表示パネル及び位置センサを備え、前記位置センサによる位置に関る信号により前記液晶シリンドリカルレンズアレイに加える電圧を制御して表示パネルの特性を調整することもでき、また前記表示パネルが、液晶表示パネル、有機ＥＬ表示パネル、プラズマ表示パネル、電界発光表示パネルのいずれかの表示パネルを使用することができる。
【発明の効果】
【００２０】
上記の手段により、液晶を利用したシリンドリカルレンズアレイにおいて、実効的な光学位相差量及びレンズパワーが大きく、且つ隣り合うレンズ間の分離が優れた液晶シリンドリカルレンズアレイを提供することができ、この液晶シリンドリカルレンズアレイを用いることで良好な３次元表示画像が得られる３次元表示装置を提供する。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】図１(Ａ)は、本発明に係る液晶シリンドリカルレンズアレイの一実施の形態を示す構成説明図であり、図１(Ｂ)は図１(Ａ)の第２の基板および第２の電極および第３の電極の平面図である。
【図２】図２は、図１に類似した構成をとり透明高抵抗層の抵抗値が全範囲で一定の値となっている液晶シリンドリカルレンズにおいて、開口部の幅を１００ミクロン、液晶層の厚みを１５ミクロン、高抵抗層の抵抗率を８０Ωｍとした場合の隣り合うレンズ間の間隔、すなわち第２の電極の幅とレンズ特性が良好な状態でレンズパワーが６００ジオプトリ（１／ｍ）程度となるために必要な駆動電圧（第１の電圧Ｖ１）の関係を求めた結果である。ここで、第２の電圧Ｖ２＝０．５ボルト（一定）である。なお、電圧は周波数１ｋＨｚの正弦波で、実効値で示している。
【図３】図３は、図１の構成において第２の電極が存在する領域に重なって前記第２の電極の幅よりも狭い範囲で前記高抵抗層の抵抗値を６桁大きな値とした場合の液晶シリンドリカルレンズにおいて、隣り合うレンズ間の間隔、すなわち第２の電極の幅とレンズパワーの関係を求めた結果である。ここで、駆動電圧は周波数１ｋＨｚの正弦波で、第１の電圧Ｖ１＝３ボルト（実効値）、第２の電圧Ｖ２＝０．５ボルト（実効値）である。
【図４】図４は、複数の第２の電極がそれぞれスリットを介して分離されており、異なる電圧を加えることができるように構成された液晶シリンドリカルレンズアレイの一実施の形態を示す構成説明図である。
【図５】図５は図４に示した構成の液晶シリンドリカルレンズにおいて、Ｖ１ａ＝４．５ボルト、Ｖ１ｂ＝１．５ボルト、Ｖ２＝０．５ボルトの電圧を加えた時の光学位相差分布をシミュレーションにより求めた結果である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
本発明が着目した点は、従来の技術において見られた複数の課題について、それぞれを一体に解決できるように工夫したものである。上記の複数の課題を明確化するために以下に表を示す。
【００２３】
【表１】
【００２４】
表１から分かるように特許文献１、特許文献２の技術では、開口径と液晶層の厚みに関る制限を無くすこと、およびレンズパワーの可変範囲を広げることが課題である。特許文献３では
駆動電圧を低下すること、レンズパワーの可変範囲を広げること、および隣り合うレンズ間の分離を良くすることが課題である。特許文献４では駆動電圧を低下すること、および隣り合うレンズ間の分離を良くすることが課題である。特許文献５および非特許文献１では隣り合うレンズ間の分離を良くすることが課題である。 上記の事項を踏まえて、本発明では低電圧で動作し、レンズパワーの可変範囲が広く、また隣り合うレンズ間の分離が良好な液晶シリンドリカルレンズアレイを得ることを課題としている。 次に、この発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。図１においてその基本構成を述べる。
【実施例１】
【００２５】
図１（Ａ）は、この発明の液晶シリンドリカルレンズアレイの一実施の形態として、液晶シリンドリカルレンズとして動作する素子の基本構成を断面から見た構成を示している。透明な第１の電極２１は第１の基板１１の上に形成され、第２の基板１２を所定の厚みを保つための図示されていないスペーサを介して重ね合わせることで液晶セルを構成する。第１の基板１１と前記第２の基板１２の間には、第１の電極２１と対向するように収容された、液晶分子を一方向に配向させた液晶層３１を備える。
【００２６】
前記第１の基板１１の前記液晶層３１に接する面には液晶分子を一方向に配向させる効果を有する配向膜６１が配置されている。
【００２７】
また、第２の基板１２の液晶層に面する側には複数の第２の電極２２１〜２２３、および第２の電極の間の開口部に第３の電極２３１、２３２が形成されており、さらに透明な絶縁層５１、透明な高抵抗層として透明な第１の高抵抗層４１、および配向膜６２がそれぞれ積層されている。なお、この透明な高抵抗層４１はいずれの電極とも接続されておらず、直接電圧を印加していない。さらに、前記第２の電極２２１〜２２３が存在する領域に重なって第１の高抵抗層４１の代わりに第１の高抵抗層４１の抵抗値よりも大きな抵抗値を有する第２の高抵抗層４２が配置されている。
【００２８】
前記配向膜６１及び配向膜６２には一方向にラビング処理を行うことで、液晶分子の長軸方向に対応するダイレクタがプレティルト角と呼ばれる基板面から１度程度傾いた角度をなして配向するような状態となっている。
【００２９】
図１（Ｂ）は、図１（Ａ）の液晶シリンドリカルレンズアレイを平面的に見た図であり、前記第２の基板１２に形成されている複数の第２の電極２２１、２２２，２２３と前記第１の電極２１との間に第１の電源８１から第１の電圧Ｖ１を加える。また、前記第１の電極２１と前記第３の電極２３１、２３２の間には第２の電源８２から第２の電圧Ｖ２を印加することができるように配置されている。
【００３０】
ここで、図１に示した構成から、透明な絶縁層５１、透明な第１の高抵抗層４１および第２の高抵抗層４２を除いた構成とした場合について説明する。初期状態として、液晶分子の長軸方向に対応するダイレクタが電極面につけた配向膜面に対してプレティルト角である１度程度傾いて一方向に配向しているホモジニアス配向になっている場合を考える。Ｖ１およびＶ２を０、すなわち電圧が加えられていないときは液晶層における実効的な屈折率は基板面内方向で一様になっている。
【００３１】
次に、Ｖ１およびＶ２を適宜設定することで、液晶のしきい値以上の電界が加わるようにすると、電界強度が大きいところでは液晶のダイレクタが配向膜面に垂直方向にある角度をなして立ち上がり、電界強度が弱いところではダイレクタが配向膜面から立ち上がる角度が小さくなる。配向膜面に対してダイレクタが傾く角度が大きくなると、実効的な屈折率が小さくなり、角度が小さくなると共に実効的な屈折率が大きくなる。つまり、電界強度に依存してダイレクタが配向膜面になす角度が異なり、配向膜面すなわち基板面に対して分布する結果として、実効的な屈折率が分布しているという状態が得られる。
【００３２】
短冊状の形状で一定の間隔で配置されている第２の電極２２１，２２２，２２３と第１の電極２１の間に第１の電源８１からしきい値以上で第２の電源８２から加えた第２の電圧Ｖ２の値よりも大きな第１の電圧Ｖ１を印加すると、第２の電極２２１と２２２の間、また２２２と２２３の間のそれぞれ中央付近での電界が最も小さく、それぞれ第２の電極に向かって電界が次第に大きくなるような電界分布となる。この電界分布により、液晶分子の長軸方向に対応するダイレクタが電界方向に配向することから、液晶の実効的な屈折率が第２の電極間の中央から電極部に向かって次第に小さくなるような屈折率分布特性となり、液晶層は液晶のダイレクタの方向に偏光した入射光に対して収束する凸レンズ機能が得られる。また、第１の電圧を固定し、第２の電圧を調整することで、凸レンズの焦点距離を連続的に可変することができる。
【００３３】
逆に、第２の電圧を第１の電圧よりも大きくすると、第２の電極の中間部で電界が最も大きく、第２の電極に向かって電界が次第に小さくなるような電界分布となり、液晶の実効的な屈折率が中心から周辺部に向かって次第に大きくなるような屈折率分布特性となり、液晶層は液晶のダイレクタの方向に偏光した入射光に対して発散する凹レンズ機能が得られる。凹レンズの動作をしている場合には、第２の電圧を固定し、第１の電圧を調整することで連続的に焦点距離を可変することができる。
【００３４】
さらに、これらの屈折率の分布形状が第２の電極間で２次関数（放物線）状となるように第１の電圧Ｖ１および第２の電圧Ｖ２を調整すると、収差が小さい円筒レンズ特性を得ることができる。これらの液晶レンズの動作原理の詳細については特許文献３および特許文献４に開示されている。
【００３５】
図１に示した構成のように、透明な絶縁層５１、透明な高抵抗層４１等を付与することで、高抵抗層による電位分布の中継効果を利用できることから、透明絶縁層の厚みを薄くしても良好な光学特性を有するレンズを構成することが可能となる。透明な絶縁層および高抵抗層を有する液晶レンズの動作原理については、特許文献５および非特許文献１に報告されている。
【００３６】
次に、具体的な実施例について説明する。図１において、第１の基板１１は３００μｍ厚の透明ガラス板であり、液晶層３１に接する内面側に、インジウム・スズ系の酸化物（ＩＴＯ）からなる透明な第１の電極２１が形成されている。第２の基板１２は３００μｍ厚のガラス板であり、第２の基板の液晶層３１に接する側には複数の第２の電極となる短冊状のＩＴＯ電極２２１〜２２３が形成されており、第２の電極の間には第３の電極となる短冊状のＩＴＯ電極２３１、２３２が形成されている。これらの第２の電極２２１〜２２３と第１の電極２１の間には第１の電源８１から第１の電圧Ｖ１が加えられ、第３の電極２３１、２３２と第１の電極２１の間には第２の電源８２から第２の電圧Ｖ２が加えられている。
【００３７】
特にこの液晶レンズでは、複数の第２の電極および第３の電極を有する第２の基板１２と液晶層３１の間に透明絶縁層５１および透明な高抵抗層として第１の高抵抗層４１を配置している。さらに、第２の電極２２１、２２２、２２３が存在する領域に重なって前記第２の電極の幅に等しいか、もしくは第２の電極の幅よりも狭い範囲において、前記高抵抗層の抵抗値が大きな値となっている第２の高抵抗層４２が配置されている。第２の電極が金属薄膜のように光を透過しないような材料で構成されている場合には、第２の高抵抗層は必ずしも透明である必要はない。また、液晶層３１の液晶材料としてはＭＬＣ−６０８０（メルク社製）を使用し、液晶層を挟む電極や高抵抗層の面には配向膜６１，６２としてポリイミド膜を約０．１５ミクロンの厚みに塗布し、熱処理を行い安定化させた後に一方向にラビング処理が施されている。
【００３８】
ラビング処理を行った場合には、一般にラビング方向に対して液晶分子の長軸方向が基板面からプレティルト角と呼ばれる数度程度の小さな角度傾いた配向状態となることが知られている。したがって、対向する基板上の配向膜に対するラビングの方向をそれぞれ逆向きとなるように処理した場合（アンチパラレルと呼ばれる）は、液晶分子は基板面に一様にプレティルト角傾いた配向状態となっている。
【００３９】
なお、液晶層３１を所定の厚みに保つために図示していない直径が１５μｍの球状スペーサを接着剤に分散したものを用い、また図示していないが各基板の周辺部等は接着剤により液晶が封止されている。
【００４０】
透明絶縁膜５１としては、０．５ミクロン厚のアモルファス石英膜を使用したが、絶縁が保たれる範囲で薄くすることもできる。また、他の有機系・無機系を問わず絶縁材料や、または誘電率が大きな材料であっても使用することができる。
【００４１】
透明な第１の高抵抗層４１としては厚みが約２５ｎｍの酸化亜鉛系の薄膜を使用したが、導電性微粒子を分散した樹脂系の導電膜、たとえば三菱マテリアル電子化成株式会社製の導電膜ＴＷＨ-１（１μｍ）なども使用することができる。本実施例で使用した酸化亜鉛系の高抵抗層の抵抗は面抵抗値として１ＭΩ〜１００ＧΩ程度であった。第１の高抵抗層の抵抗値よりも大きな抵抗値を有する第２の高抵抗層としては、同様に酸化亜鉛系の薄膜を使用することができる。さらに、これらの高抵抗層を構成する材料として、他の無機系薄膜、たとえば抵抗値を最適な値に設定したＩＴＯや酸化チタン、硫化亜鉛、又はこれらの材料の混合系などの透明な薄膜を使うこともできる。
【００４２】
各々の第２の電極間の開口部の間隔を１００ミクロンとし、それぞれ４ミクロン幅のスリットを介して９２ミクロン幅の第３の電極が配置されている。第１の電圧Ｖ１および第２の電圧Ｖ２はいずれも１ｋＨｚの正弦波で同位相であり、また光源としては白色光源と干渉フィルター（透過波長６３３ｎｍ）を組み合わせたものを用いている。
【００４３】
図２は、図１に類似した構成であって第２の高抵抗層が無く、透明高抵抗層の抵抗値が全範囲で同一の値となっている液晶シリンドリカルレンズにおいて、開口部の幅を１００ミクロン、液晶層の厚みを１５ミクロン、高抵抗層の抵抗率を８０Ωｍとした場合の隣り合うレンズ間の間隔、すなわち第２の電極の幅と、液晶シリンドリカルレンズのレンズ特性が良好な状態で焦点距離の逆数に対応するレンズパワーが６００（ジオプトリ、１／ｍ）程度になるように調整した場合に必要な駆動電圧（第１の電圧Ｖ１）の関係を求めた結果である。ここで、第２の電圧Ｖ２＝０．５ボルト（一定）である。なお、電圧は周波数１ｋＨｚの正弦波で、電圧は実効値で示している。第２の電極の幅が狭くなるに従って必要な第１の電圧が急速に増加し、第２の電極の幅が２ミクロンの場合では駆動電圧が８０ボルトまで高くなっていることが分かる。ここで第２の電極の幅は隣り合うレンズ間の間隔に等しいので、各液晶シリンドリカルレンズの間隔を狭めると必要な駆動電圧が急上昇することになる。言い換えると、駆動電圧を一定に保つ場合には、各液晶シリンドリカルレンズの間隔が狭くなると共にレンズパワーが急速に減少するという問題が生じる。
【００４４】
図３は、図１の構成において第２の電極が存在する領域に重なって前記第２の電極の幅よりも４ミクロン狭い幅で第２の高抵抗層として抵抗値を６桁大きな値とした場合の液晶シリンドリカルレンズにおいて、隣り合うレンズ間の間隔、すなわち第２の電極の幅とレンズパワーの関係を求めた結果である。ここで、駆動電圧は周波数１ｋＨｚの正弦波で、第１の電圧Ｖ１＝３ボルトおよび第２の電圧Ｖ２＝０．５ボルトをそれぞれ一定とした場合のレンズパワーを求めた。図３から、第２の電極の幅すなわち隣り合うシリンドリカルレンズ間の間隔が狭くなってもレンズパワーが６００（ジオプトリ、１／ｍ）以上でほぼ一定の値となるという結果が得られた。
【００４５】
本実施例では、隣り合うシリンドリカルレンズの間隔に対応する第２の電極が存在する領域に重なる範囲で第２の高抵抗層の抵抗値を第１の高抵抗層の抵抗値よりも大きな値とすることで、各レンズ間の相互作用がなく、レンズ間の分離状態が良好で
あるため、レンズの間隔を狭めてもレンズパワーの減少がなく、低電圧で駆動することができる。なお、抵抗値を大きくする領域すなわち第２の高抵抗層の幅は第２の電極の幅よりも狭い範囲としてもよく、その場合には素子の製造工程における位置合わせ等の精度が緩和されるので有利である。また、図１では液晶シリンドリカルレンズ２個のみを示してあるが、これらのレンズを多数配列したレンズアレイを構成することは容易に実現できる。
【００４６】
なお、本実施例では、各々のシリンドリカルレンズが隣り合う第２の電極が存在する領域における透明高抵抗層の抵抗値を大きくした場合について示したが、この領域で透明高抵抗層を除去することで、抵抗値を大きくした場合と同様に隣り合うレンズ間の分離を行うことができる。なお、透明高抵抗層を除去することは、透明高抵抗層の抵抗値を非常に大きくした場合に対応することから、各レンズ間の分離の効果をより強くすることができるが、電界分布が急峻になるため液晶分子配向の不連続に起因するディスクリネーション欠陥が生じ易くなるという問題点がある。
【実施例２】
【００４７】
また、他の実施例について具体的に説明する。図４は、第２の電極２２１、２２２，２２３がそれぞれスリットを介して２分割されており、分離された電極２２１ａ、２２１ｂ、２２２ａ、２２２ｂ、２２３ａ、２２３ｂにそれぞれ異なる電圧を加えることができるように構成されている。本実施例では、分離された電極２２１ａ、２２２ａ、２２３ａと第１の電極２１の間に電源８１ａからＶ１１の電圧を加え、これらの電極と対になる電極２２１ｂ、２２２ｂ、２２３ｂと第１の電極２１の間に電源８１ｂからＶ１２の電圧を加えられるように構成されている。なお、分割された第２の電極が存在する領域に重なって前記第２の電極の幅に等しいか、もしくは第２の電極の幅よりも狭い範囲において、前記高抵抗層の抵抗値が大きな値となっている第２の高抵抗層４２が配置されている。
【００４８】
Ｖ１１の値とＶ１２の値が等しい場合には、液晶層３１に生じる光学位相差分布は第２の電極間の開口部において対称な形状となる。一方、Ｖ１１の値とＶ１２の値が異なる場合には電極間の開口部における光学位相差分布は非対称となり、入射高が液晶層を通る間に実効的な屈折率が大きい方に偏向するという効果が得られる。
【００４９】
図５は図４に示した構成の液晶シリンドリカルレンズにおいて、液晶層の厚みを４０μとし、Ｖ１ａ＝４．５ボルト、Ｖ１ｂ＝１．５ボルト、Ｖ２＝０．５ボルトの電圧を加えた時の光学位相差分布をシミュレーションにより求めた結果である。２分割された第２の電極に加える電圧の値がそれぞれ異なっているため、光学位相差分布特性は非対称な分布となっており、その結果として入射光は液晶層を通る間に偏向作用を受けることになる。この場合は、入射光は液晶層を透過した後に約２度偏向されるという結果が得られた。この偏向角は、それぞれの電圧を可変することで連続的の調整することができる。さらに、第１の電圧を調整することで、凸レンズとしての焦点距離を連続的に可変することができる。
【００５０】
なお、上記の実施例１および実施例２では、各々のレンズが隣り合う境界領域すなわち第２の電極が存在する領域における第２の高抵抗層の抵抗値を第１の透明高抵抗層の抵抗値よりも大きくした場合について示したが、この第２の高抵抗層を除去したスリットを設けることでも、同様にデバイス間の分離を行うことができる。なお、第２の高抵抗層を除去してスリットを設けることは、第２の高抵抗層の抵抗値を非常に大きくした場合に対応することから、デバイス間の分離の効果をより強くすることができるが、電界分布が急峻になるため液晶分子配向の不連続に起因するディスクリネーション欠陥が生じ易くなるという問題点がある。
【００５１】
透明な高抵抗層の代わりに、透明な強誘電体層を使用することもできる。この場合には、第２の電極がある領域では誘電体の誘電率が小さい材料を使うことで、透明高抵抗層を使用した場合と同様に隣り合うレンズ間の分離を行うことができる。なお、強誘電体材料としては、チタン酸バリウム、ニオブ酸リチウム、タンタル酸ニオブ酸カリウムなどを使用することができる。このような透明なインピーダンス層として、強誘電体材料による薄膜を使用すると、駆動電圧の周波数依存性が無くなるという利点がある。
【実施例３】
【００５２】
さらに、他の実施例について説明する。前記液晶シリンドリカルレンズアレイを液晶表示パネルの前面に配置し、さらに観察者等の位置を検出する位置センサを配置した。この位置センサを用いて観察者の表示パネルからの距離や方位等の情報に関わる信号により前記液晶シリンドリカルレンズアレイの電圧を制御して表示装置の表示特性を調整することができる。
【００５３】
実施例１の液晶シリンドリカルレンズアレイを使用した場合には、位置センサとして距離センサを用い、観察者と表示パネルの距離に関わる信号を用いて液晶シリンドリカルレンズの焦点距離を可変制御することで、観察者が表示パネルに近づいたり、離れたりしても
【００５４】
実施例２の液晶シリンドリカルレンズアレイを使用した場合には、焦点距離の他に左右の偏向特性も得られるので、制御効果はさらに有効になる。すなわち、表示パネルと観察者の間の距離のみならず、観察者の方位に関わる情報も検出できる位置センサを使用し、観察者と表示パネルの距離および方位に関わる信号を用いて液晶シリンドリカルレンズの焦点距離および偏向角を可変制御することで、観察者が動いた場合でも常に最良の三次元表示特性が得られるように調整することができる。
【００５５】
液晶シリンドリカルレンズアレイおよび位置センサを使用した三次元表示装置を構成する場合には、前記表示パネルが、液晶表示パネル、有機ＥＬ表示パネル、プラズマ表示パネル、電界発光表示パネルのいずれかの表示パネルを使用することができる。
【００５６】
なお、具体的な実施例として、複数の短冊状の電極を有する液晶レンズについて説明したが、本発明は液晶レンズのみに限定されるものではなく、他の形状のパターン電極を用いた種々の光学デバイス等にも適用することが可能である。
【００５７】
また、この発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。また、２枚の基板でそれぞれ直交する方向に電極を配列した構成とすることもできる。
【００５８】
さらに、液晶層を２層に分割し、液晶分子の配向方向がそれぞれ直交するようにすることで、自然光に対応できる液晶シリンドリカルレンズアレイを構成すること間可能である。
【産業上の利用可能性】
【００５９】
本発明の液晶シリンドリカルレンズアレイは、通常の受動型のレンズアレイとは異なり、電極間に電圧を印加して媒質である液晶の実効的な屈折率を可変制御することで、光学レンズとしてのレンズパワーすなわち焦点距離を可変することや、入射光に対する偏向角を連続的に可変調整する機能を有しているので、三次元表示装置のみならず、ロボットにおいて視覚機能として用いられる撮像部のレンズなど種々の用途が可能である。
【符号の説明】
【００６０】
１１・・・第１の基板、１２・・・第２の基板、２１・・・第１の電極、２２１〜２２３・・・第２の電極、２３１，２３２・・・第３の電極、３１・・・液晶層、４１・・・第１の透明高抵抗層、４２・・・第２の高抵抗層、５１・・・透明絶縁層、６１、６２・・・配向膜、８１、８２・・・駆動電源。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、簡単な構造で、狭い間隔で隣り合うシリンドリカルレンズ間を分離し、レンズパワーが大きく光学特性が優れたシリンドリカルレンズアレイおよび前記シリンドリカルレンズアレイを含む表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
液体のような流動性を持ち、電気光学的特性に異方性を示す液晶の中で、ネマティック液晶は比較的低い電圧印加により実効的な屈折率を概異常光に対する値から常光に対する値まで連続的に可変できるという特徴を持っており、この特徴を利用することで、種々の電圧可変型の液晶レンズ等の光学デバイスが提案されている。
【０００３】
たとえば、直径が数１００ミクロンの円形の穴型パターンを有する電極を用いて、軸対称的な不均一電界による液晶分子配向効果を利用することで、空間的な放物面状の屈折率分布特性を有する液晶レンズを得る方法が特許文献１に開示されている。このような口径がミリメートル以下の小さな液晶レンズは液晶マイクロレンズと呼ばれている。
【０００４】
また、同様の構造に基づく液晶レンズを発展させた構成として、液晶層を挟む基板面に設けた電極群の延伸方向が２枚の基板において互いに直交するように配置することで、２方向における視認位置においても３次元と２次元の表示を切り替えることができる液晶シリンドリカルレンズが特許文献２において開示されている。
【０００５】
これらの特許文献１、２で開示されている液晶レンズでは、電極が液晶層に接している構造であるため、液晶層の厚みを一定として開口径が大きなレンズを構成すると、電極の開口部により生じる不均一電界の効果が開口部の中央付近まで及ばない。その結果として、レンズ特性を得るために必要な液晶分子の空間配向分布が得られないため、レンズ効果を得るためには開口径と液晶層の厚みの比が２対１から３対１程度とする必要があるという問題があった。
【０００６】
そこで、特許文献１で開示されている液晶レンズに類似した構造で、開口部を有する電極を液晶層に接触させずに、液晶層からある一定の距離を置くように配置することで、電極の開口部分の直径を大きくしても、軸対称の不均一電界が開口部の中央付近まで生じるようにすることが可能となる。この原理に基づき、液晶層と穴型パターン電極との間に絶縁層を挿入することで、液晶層から前記穴形電極との距離を保持する方法が特許文献３で開示されており、液晶レンズにおいて最良の特性が得られる穴型パターンの口径と液晶層の厚みの比に関る条件が緩和され、開口径の大きさや液晶層の厚みによらず、任意の寸法の液晶レンズを構成できることが示されている。
【０００７】
さらに、液晶層と穴型パターン電極との間に絶縁層を挿入した液晶レンズにおいて、穴型パターン電極の外部又はパターン電極内に透明な第３の電極を配置して２電圧で駆動することで良好な特性を維持した状態で凹レンズ特性から凸レンズ特性まで広範囲に焦点距離を可変できる液晶レンズが特許文献４に開示されている。
【０００８】
しかし、特許文献３、４で開示されている液晶層と穴型パターン電極の間に距離を設定するために絶縁層を設けた構造では、液晶層と電極との間に配置した絶縁層のために駆動電圧が高くなるという問題があり、特に開口部が大きいレンズを得るためには絶縁層の厚みがさらに厚くなって高電圧が必要とされるため口径が大きいレンズを得ることが困難であるという問題があった。また、絶縁層の厚みのために液晶レンズ全体の厚みを薄くすることができないという問題があった。
【０００９】
この問題を解決するために、透明絶縁層の中に透明な高抵抗層として高抵抗の媒質を設け、高抵抗媒質の電位分布を利用して不均一電界が開口部の中央付近まで及ぶようにした方法が特許文献５に開示されている。また、透明な高抵抗の薄膜を使用することでさらに低電圧化行う方法が非特許文献１に報告されている。これらの手法は、高抵抗層による電位分布の中継効果を利用したもので、透明絶縁層の実効的な厚みを薄くして駆動電圧を低下するものである。
【００１０】
上記の原理に基づき、透明電極を付けたガラス基板と短冊状の透明電極を付けたガラス基板間に一方向に配向させた液晶を封入した構造の液晶レンズにより円筒レンズと呼ばれるシリンドリカルレンズを構成することができる。特に、前述のように透明絶縁層及び透明高抵抗層を用いることで、開口径と液晶層に関る制限が無く、任意の厚みの液晶層を使用し、且つ低電圧で駆動できるという特徴を有している。
【００１１】
この液晶シリンドリカルレンズを多数配列したレンズアレイ構造とすることで、焦点を可変できるシリンドリカルレンズアレイ、すなわち焦点可変のレンチキュラーレンズが構成され、眼鏡を使用せず裸眼で立体視を実現する表示装置に適用することができる。さらに、電圧印加によりレンズ効果を可変することで、２次元表示と３次元表示の間の切り替え等を行うことができる。
【００１２】
液晶シリンドリカルレンズアレイを表示装置の前面に配置して３次元表示を行なう場合には、効率よく明るい表示を得るために各々のレンズの開口径を広くすることが望まれる。したがって、個々の液晶レンズ間の間隔に対応する電極の幅をできるだけ狭くすることが必要とされる。透明絶縁層及び透明高抵抗層を有する液晶レンズアレイにおいては、個々の液晶レンズの間隔を狭くすると液晶レンズ間の相互作用が大きくなり、良好なレンズ特性を得ることが困難になってくる。すなわち、一定の電圧を印加した場合には、レンズ間の間隔が狭くなるに従ってレンズパワーが小さくなることが問題であった。また、レンズアレイにおいても各液晶レンズが独立している場合と同程度のレンズパワーの値を得るためには、レンズの間隔が狭くなるとともに駆動電圧の値を大きくしなければならないという問題点があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開平１１−１０９３０３号公報
【特許文献２】特開平２０１０−１７００６８号公報
【特許文献３】特開２００４−４６１６号公報
【特許文献４】特開２００６−９１８２６号公報
【特許文献５】特開２００８−２０３３６０号公報
【非特許文献】
【００１４】
【非特許文献１】葉茂、王濱、内田勝、梁瀬智、高橋慎吾、山口真紀、佐藤進（M.Ye, B.Wang, M.Uchida, S.Yanase, M.Yamaguchi and S.Sato)，「低電圧駆動液晶レンズ（Low-Voltage-Driving Liquid Crystal Lens）」, Japanese Journal of Applied Physics,２０１０年１０月、Ｖｏｌ．４９，ｐｐ．１００２０４−１−３（２０１０）．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
そこでこの発明の目的は、上記問題を解決し、低電圧で動作し、隣り合う液晶レンズの間隔が狭くなってもレンズパワーが大きく、光学特性が優れた液晶シリンドリカルレンズアレイを提供し、また前記シリンドリカルレンズアレイを含む画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】
【００１６】
この発明は、上記の課題を解決するために、その基本として、透明な第１の電極を有する第１の基板、前記第１の電極に対向し開口部を有する複数の第２の電極が配置され、前記それぞれの開口部に対して絶縁層を介して、又は前記開口部内で前記第２の電極に対して間隔をおいてそれぞれ第３の電極が配置された第２の基板の間に収容された、液晶分子を一方向に配向させた液晶層を備え、前記第１の電極と第２の電極との間に第１の電圧を加え、また前記第１の電極と第３の電極との間に前記第１の電圧とは独立した第２の電圧を加えることで光学特性を可変制御することができ、前記開口部及び前記第２の電極および第３の電極と前記液晶層との間に透明絶縁層及び透明な高抵抗層による２重層が配置されている液晶シリンドリカルレンズアレイであって、前記第２の電極が存在する領域に重なって前記第２の電極の幅に等しいか、もしくは第２の電極の幅よりも狭い範囲において、前記高抵抗層の抵抗値が大きな値となっていることを特徴とする。
【００１７】
前記第２の電極が存在する領域に重なって前記第２の電極の幅に等しいか、もしくは第２の電極の幅よりも狭い範囲において、前記透明な高抵抗層を除去してもよい。
【００１８】
前記複数の第２の電極がそれぞれスリットを介して分離されており、前記分離された電極にそれぞれ異なる電圧を加えることができる。
【００１９】
前記液晶シリンドリカルレンズアレイを前面に配置した表示パネル及び位置センサを備え、前記位置センサによる位置に関る信号により前記液晶シリンドリカルレンズアレイに加える電圧を制御して表示パネルの特性を調整することもでき、また前記表示パネルが、液晶表示パネル、有機ＥＬ表示パネル、プラズマ表示パネル、電界発光表示パネルのいずれかの表示パネルを使用することができる。
【発明の効果】
【００２０】
上記の手段により、液晶を利用したシリンドリカルレンズアレイにおいて、実効的な光学位相差量及びレンズパワーが大きく、且つ隣り合うレンズ間の分離が優れた液晶シリンドリカルレンズアレイを提供することができ、この液晶シリンドリカルレンズアレイを用いることで良好な３次元表示画像が得られる３次元表示装置を提供する。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】図１(Ａ)は、本発明に係る液晶シリンドリカルレンズアレイの一実施の形態を示す構成説明図であり、図１(Ｂ)は図１(Ａ)の第２の基板および第２の電極および第３の電極の平面図である。
【図２】図２は、図１に類似した構成をとり透明高抵抗層の抵抗値が全範囲で一定の値となっている液晶シリンドリカルレンズにおいて、開口部の幅を１００ミクロン、液晶層の厚みを１５ミクロン、高抵抗層の抵抗率を８０Ωｍとした場合の隣り合うレンズ間の間隔、すなわち第２の電極の幅とレンズ特性が良好な状態でレンズパワーが６００ジオプトリ（１／ｍ）程度となるために必要な駆動電圧（第１の電圧Ｖ１）の関係を求めた結果である。ここで、第２の電圧Ｖ２＝０．５ボルト（一定）である。なお、電圧は周波数１ｋＨｚの正弦波で、実効値で示している。
【図３】図３は、図１の構成において第２の電極が存在する領域に重なって前記第２の電極の幅よりも狭い範囲で前記高抵抗層の抵抗値を６桁大きな値とした場合の液晶シリンドリカルレンズにおいて、隣り合うレンズ間の間隔、すなわち第２の電極の幅とレンズパワーの関係を求めた結果である。ここで、駆動電圧は周波数１ｋＨｚの正弦波で、第１の電圧Ｖ１＝３ボルト（実効値）、第２の電圧Ｖ２＝０．５ボルト（実効値）である。
【図４】図４は、複数の第２の電極がそれぞれスリットを介して分離されており、異なる電圧を加えることができるように構成された液晶シリンドリカルレンズアレイの一実施の形態を示す構成説明図である。
【図５】図５は図４に示した構成の液晶シリンドリカルレンズにおいて、Ｖ１ａ＝４．５ボルト、Ｖ１ｂ＝１．５ボルト、Ｖ２＝０．５ボルトの電圧を加えた時の光学位相差分布をシミュレーションにより求めた結果である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
本発明が着目した点は、従来の技術において見られた複数の課題について、それぞれを一体に解決できるように工夫したものである。上記の複数の課題を明確化するために以下に表を示す。
【００２３】
【表１】
【００２４】
表１から分かるように特許文献１、特許文献２の技術では、開口径と液晶層の厚みに関る制限を無くすこと、およびレンズパワーの可変範囲を広げることが課題である。特許文献３では
駆動電圧を低下すること、レンズパワーの可変範囲を広げること、および隣り合うレンズ間の分離を良くすることが課題である。特許文献４では駆動電圧を低下すること、および隣り合うレンズ間の分離を良くすることが課題である。特許文献５および非特許文献１では隣り合うレンズ間の分離を良くすることが課題である。 上記の事項を踏まえて、本発明では低電圧で動作し、レンズパワーの可変範囲が広く、また隣り合うレンズ間の分離が良好な液晶シリンドリカルレンズアレイを得ることを課題としている。 次に、この発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。図１においてその基本構成を述べる。
【実施例１】
【００２５】
図１（Ａ）は、この発明の液晶シリンドリカルレンズアレイの一実施の形態として、液晶シリンドリカルレンズとして動作する素子の基本構成を断面から見た構成を示している。透明な第１の電極２１は第１の基板１１の上に形成され、第２の基板１２を所定の厚みを保つための図示されていないスペーサを介して重ね合わせることで液晶セルを構成する。第１の基板１１と前記第２の基板１２の間には、第１の電極２１と対向するように収容された、液晶分子を一方向に配向させた液晶層３１を備える。
【００２６】
前記第１の基板１１の前記液晶層３１に接する面には液晶分子を一方向に配向させる効果を有する配向膜６１が配置されている。
【００２７】
また、第２の基板１２の液晶層に面する側には複数の第２の電極２２１〜２２３、および第２の電極の間の開口部に第３の電極２３１、２３２が形成されており、さらに透明な絶縁層５１、透明な高抵抗層として透明な第１の高抵抗層４１、および配向膜６２がそれぞれ積層されている。なお、この透明な高抵抗層４１はいずれの電極とも接続されておらず、直接電圧を印加していない。さらに、前記第２の電極２２１〜２２３が存在する領域に重なって第１の高抵抗層４１の代わりに第１の高抵抗層４１の抵抗値よりも大きな抵抗値を有する第２の高抵抗層４２が配置されている。
【００２８】
前記配向膜６１及び配向膜６２には一方向にラビング処理を行うことで、液晶分子の長軸方向に対応するダイレクタがプレティルト角と呼ばれる基板面から１度程度傾いた角度をなして配向するような状態となっている。
【００２９】
図１（Ｂ）は、図１（Ａ）の液晶シリンドリカルレンズアレイを平面的に見た図であり、前記第２の基板１２に形成されている複数の第２の電極２２１、２２２，２２３と前記第１の電極２１との間に第１の電源８１から第１の電圧Ｖ１を加える。また、前記第１の電極２１と前記第３の電極２３１、２３２の間には第２の電源８２から第２の電圧Ｖ２を印加することができるように配置されている。
【００３０】
ここで、図１に示した構成から、透明な絶縁層５１、透明な第１の高抵抗層４１および第２の高抵抗層４２を除いた構成とした場合について説明する。初期状態として、液晶分子の長軸方向に対応するダイレクタが電極面につけた配向膜面に対してプレティルト角である１度程度傾いて一方向に配向しているホモジニアス配向になっている場合を考える。Ｖ１およびＶ２を０、すなわち電圧が加えられていないときは液晶層における実効的な屈折率は基板面内方向で一様になっている。
【００３１】
次に、Ｖ１およびＶ２を適宜設定することで、液晶のしきい値以上の電界が加わるようにすると、電界強度が大きいところでは液晶のダイレクタが配向膜面に垂直方向にある角度をなして立ち上がり、電界強度が弱いところではダイレクタが配向膜面から立ち上がる角度が小さくなる。配向膜面に対してダイレクタが傾く角度が大きくなると、実効的な屈折率が小さくなり、角度が小さくなると共に実効的な屈折率が大きくなる。つまり、電界強度に依存してダイレクタが配向膜面になす角度が異なり、配向膜面すなわち基板面に対して分布する結果として、実効的な屈折率が分布しているという状態が得られる。
【００３２】
短冊状の形状で一定の間隔で配置されている第２の電極２２１，２２２，２２３と第１の電極２１の間に第１の電源８１からしきい値以上で第２の電源８２から加えた第２の電圧Ｖ２の値よりも大きな第１の電圧Ｖ１を印加すると、第２の電極２２１と２２２の間、また２２２と２２３の間のそれぞれ中央付近での電界が最も小さく、それぞれ第２の電極に向かって電界が次第に大きくなるような電界分布となる。この電界分布により、液晶分子の長軸方向に対応するダイレクタが電界方向に配向することから、液晶の実効的な屈折率が第２の電極間の中央から電極部に向かって次第に小さくなるような屈折率分布特性となり、液晶層は液晶のダイレクタの方向に偏光した入射光に対して収束する凸レンズ機能が得られる。また、第１の電圧を固定し、第２の電圧を調整することで、凸レンズの焦点距離を連続的に可変することができる。
【００３３】
逆に、第２の電圧を第１の電圧よりも大きくすると、第２の電極の中間部で電界が最も大きく、第２の電極に向かって電界が次第に小さくなるような電界分布となり、液晶の実効的な屈折率が中心から周辺部に向かって次第に大きくなるような屈折率分布特性となり、液晶層は液晶のダイレクタの方向に偏光した入射光に対して発散する凹レンズ機能が得られる。凹レンズの動作をしている場合には、第２の電圧を固定し、第１の電圧を調整することで連続的に焦点距離を可変することができる。
【００３４】
さらに、これらの屈折率の分布形状が第２の電極間で２次関数（放物線）状となるように第１の電圧Ｖ１および第２の電圧Ｖ２を調整すると、収差が小さい円筒レンズ特性を得ることができる。これらの液晶レンズの動作原理の詳細については特許文献３および特許文献４に開示されている。
【００３５】
図１に示した構成のように、透明な絶縁層５１、透明な高抵抗層４１等を付与することで、高抵抗層による電位分布の中継効果を利用できることから、透明絶縁層の厚みを薄くしても良好な光学特性を有するレンズを構成することが可能となる。透明な絶縁層および高抵抗層を有する液晶レンズの動作原理については、特許文献５および非特許文献１に報告されている。
【００３６】
次に、具体的な実施例について説明する。図１において、第１の基板１１は３００μｍ厚の透明ガラス板であり、液晶層３１に接する内面側に、インジウム・スズ系の酸化物（ＩＴＯ）からなる透明な第１の電極２１が形成されている。第２の基板１２は３００μｍ厚のガラス板であり、第２の基板の液晶層３１に接する側には複数の第２の電極となる短冊状のＩＴＯ電極２２１〜２２３が形成されており、第２の電極の間には第３の電極となる短冊状のＩＴＯ電極２３１、２３２が形成されている。これらの第２の電極２２１〜２２３と第１の電極２１の間には第１の電源８１から第１の電圧Ｖ１が加えられ、第３の電極２３１、２３２と第１の電極２１の間には第２の電源８２から第２の電圧Ｖ２が加えられている。
【００３７】
特にこの液晶レンズでは、複数の第２の電極および第３の電極を有する第２の基板１２と液晶層３１の間に透明絶縁層５１および透明な高抵抗層として第１の高抵抗層４１を配置している。さらに、第２の電極２２１、２２２、２２３が存在する領域に重なって前記第２の電極の幅に等しいか、もしくは第２の電極の幅よりも狭い範囲において、前記高抵抗層の抵抗値が大きな値となっている第２の高抵抗層４２が配置されている。第２の電極が金属薄膜のように光を透過しないような材料で構成されている場合には、第２の高抵抗層は必ずしも透明である必要はない。また、液晶層３１の液晶材料としてはＭＬＣ−６０８０（メルク社製）を使用し、液晶層を挟む電極や高抵抗層の面には配向膜６１，６２としてポリイミド膜を約０．１５ミクロンの厚みに塗布し、熱処理を行い安定化させた後に一方向にラビング処理が施されている。
【００３８】
ラビング処理を行った場合には、一般にラビング方向に対して液晶分子の長軸方向が基板面からプレティルト角と呼ばれる数度程度の小さな角度傾いた配向状態となることが知られている。したがって、対向する基板上の配向膜に対するラビングの方向をそれぞれ逆向きとなるように処理した場合（アンチパラレルと呼ばれる）は、液晶分子は基板面に一様にプレティルト角傾いた配向状態となっている。
【００３９】
なお、液晶層３１を所定の厚みに保つために図示していない直径が１５μｍの球状スペーサを接着剤に分散したものを用い、また図示していないが各基板の周辺部等は接着剤により液晶が封止されている。
【００４０】
透明絶縁膜５１としては、０．５ミクロン厚のアモルファス石英膜を使用したが、絶縁が保たれる範囲で薄くすることもできる。また、他の有機系・無機系を問わず絶縁材料や、または誘電率が大きな材料であっても使用することができる。
【００４１】
透明な第１の高抵抗層４１としては厚みが約２５ｎｍの酸化亜鉛系の薄膜を使用したが、導電性微粒子を分散した樹脂系の導電膜、たとえば三菱マテリアル電子化成株式会社製の導電膜ＴＷＨ-１（１μｍ）なども使用することができる。本実施例で使用した酸化亜鉛系の高抵抗層の抵抗は面抵抗値として１ＭΩ〜１００ＧΩ程度であった。第１の高抵抗層の抵抗値よりも大きな抵抗値を有する第２の高抵抗層としては、同様に酸化亜鉛系の薄膜を使用することができる。さらに、これらの高抵抗層を構成する材料として、他の無機系薄膜、たとえば抵抗値を最適な値に設定したＩＴＯや酸化チタン、硫化亜鉛、又はこれらの材料の混合系などの透明な薄膜を使うこともできる。
【００４２】
各々の第２の電極間の開口部の間隔を１００ミクロンとし、それぞれ４ミクロン幅のスリットを介して９２ミクロン幅の第３の電極が配置されている。第１の電圧Ｖ１および第２の電圧Ｖ２はいずれも１ｋＨｚの正弦波で同位相であり、また光源としては白色光源と干渉フィルター（透過波長６３３ｎｍ）を組み合わせたものを用いている。
【００４３】
図２は、図１に類似した構成であって第２の高抵抗層が無く、透明高抵抗層の抵抗値が全範囲で同一の値となっている液晶シリンドリカルレンズにおいて、開口部の幅を１００ミクロン、液晶層の厚みを１５ミクロン、高抵抗層の抵抗率を８０Ωｍとした場合の隣り合うレンズ間の間隔、すなわち第２の電極の幅と、液晶シリンドリカルレンズのレンズ特性が良好な状態で焦点距離の逆数に対応するレンズパワーが６００（ジオプトリ、１／ｍ）程度になるように調整した場合に必要な駆動電圧（第１の電圧Ｖ１）の関係を求めた結果である。ここで、第２の電圧Ｖ２＝０．５ボルト（一定）である。なお、電圧は周波数１ｋＨｚの正弦波で、電圧は実効値で示している。第２の電極の幅が狭くなるに従って必要な第１の電圧が急速に増加し、第２の電極の幅が２ミクロンの場合では駆動電圧が８０ボルトまで高くなっていることが分かる。ここで第２の電極の幅は隣り合うレンズ間の間隔に等しいので、各液晶シリンドリカルレンズの間隔を狭めると必要な駆動電圧が急上昇することになる。言い換えると、駆動電圧を一定に保つ場合には、各液晶シリンドリカルレンズの間隔が狭くなると共にレンズパワーが急速に減少するという問題が生じる。
【００４４】
図３は、図１の構成において第２の電極が存在する領域に重なって前記第２の電極の幅よりも４ミクロン狭い幅で第２の高抵抗層として抵抗値を６桁大きな値とした場合の液晶シリンドリカルレンズにおいて、隣り合うレンズ間の間隔、すなわち第２の電極の幅とレンズパワーの関係を求めた結果である。ここで、駆動電圧は周波数１ｋＨｚの正弦波で、第１の電圧Ｖ１＝３ボルトおよび第２の電圧Ｖ２＝０．５ボルトをそれぞれ一定とした場合のレンズパワーを求めた。図３から、第２の電極の幅すなわち隣り合うシリンドリカルレンズ間の間隔が狭くなってもレンズパワーが６００（ジオプトリ、１／ｍ）以上でほぼ一定の値となるという結果が得られた。
【００４５】
本実施例では、隣り合うシリンドリカルレンズの間隔に対応する第２の電極が存在する領域に重なる範囲で第２の高抵抗層の抵抗値を第１の高抵抗層の抵抗値よりも大きな値とすることで、各レンズ間の相互作用がなく、レンズ間の分離状態が良好で
あるため、レンズの間隔を狭めてもレンズパワーの減少がなく、低電圧で駆動することができる。なお、抵抗値を大きくする領域すなわち第２の高抵抗層の幅は第２の電極の幅よりも狭い範囲としてもよく、その場合には素子の製造工程における位置合わせ等の精度が緩和されるので有利である。また、図１では液晶シリンドリカルレンズ２個のみを示してあるが、これらのレンズを多数配列したレンズアレイを構成することは容易に実現できる。
【００４６】
なお、本実施例では、各々のシリンドリカルレンズが隣り合う第２の電極が存在する領域における透明高抵抗層の抵抗値を大きくした場合について示したが、この領域で透明高抵抗層を除去することで、抵抗値を大きくした場合と同様に隣り合うレンズ間の分離を行うことができる。なお、透明高抵抗層を除去することは、透明高抵抗層の抵抗値を非常に大きくした場合に対応することから、各レンズ間の分離の効果をより強くすることができるが、電界分布が急峻になるため液晶分子配向の不連続に起因するディスクリネーション欠陥が生じ易くなるという問題点がある。
【実施例２】
【００４７】
また、他の実施例について具体的に説明する。図４は、第２の電極２２１、２２２，２２３がそれぞれスリットを介して２分割されており、分離された電極２２１ａ、２２１ｂ、２２２ａ、２２２ｂ、２２３ａ、２２３ｂにそれぞれ異なる電圧を加えることができるように構成されている。本実施例では、分離された電極２２１ａ、２２２ａ、２２３ａと第１の電極２１の間に電源８１ａからＶ１１の電圧を加え、これらの電極と対になる電極２２１ｂ、２２２ｂ、２２３ｂと第１の電極２１の間に電源８１ｂからＶ１２の電圧を加えられるように構成されている。なお、分割された第２の電極が存在する領域に重なって前記第２の電極の幅に等しいか、もしくは第２の電極の幅よりも狭い範囲において、前記高抵抗層の抵抗値が大きな値となっている第２の高抵抗層４２が配置されている。
【００４８】
Ｖ１１の値とＶ１２の値が等しい場合には、液晶層３１に生じる光学位相差分布は第２の電極間の開口部において対称な形状となる。一方、Ｖ１１の値とＶ１２の値が異なる場合には電極間の開口部における光学位相差分布は非対称となり、入射高が液晶層を通る間に実効的な屈折率が大きい方に偏向するという効果が得られる。
【００４９】
図５は図４に示した構成の液晶シリンドリカルレンズにおいて、液晶層の厚みを４０μとし、Ｖ１ａ＝４．５ボルト、Ｖ１ｂ＝１．５ボルト、Ｖ２＝０．５ボルトの電圧を加えた時の光学位相差分布をシミュレーションにより求めた結果である。２分割された第２の電極に加える電圧の値がそれぞれ異なっているため、光学位相差分布特性は非対称な分布となっており、その結果として入射光は液晶層を通る間に偏向作用を受けることになる。この場合は、入射光は液晶層を透過した後に約２度偏向されるという結果が得られた。この偏向角は、それぞれの電圧を可変することで連続的の調整することができる。さらに、第１の電圧を調整することで、凸レンズとしての焦点距離を連続的に可変することができる。
【００５０】
なお、上記の実施例１および実施例２では、各々のレンズが隣り合う境界領域すなわち第２の電極が存在する領域における第２の高抵抗層の抵抗値を第１の透明高抵抗層の抵抗値よりも大きくした場合について示したが、この第２の高抵抗層を除去したスリットを設けることでも、同様にデバイス間の分離を行うことができる。なお、第２の高抵抗層を除去してスリットを設けることは、第２の高抵抗層の抵抗値を非常に大きくした場合に対応することから、デバイス間の分離の効果をより強くすることができるが、電界分布が急峻になるため液晶分子配向の不連続に起因するディスクリネーション欠陥が生じ易くなるという問題点がある。
【００５１】
透明な高抵抗層の代わりに、透明な強誘電体層を使用することもできる。この場合には、第２の電極がある領域では誘電体の誘電率が小さい材料を使うことで、透明高抵抗層を使用した場合と同様に隣り合うレンズ間の分離を行うことができる。なお、強誘電体材料としては、チタン酸バリウム、ニオブ酸リチウム、タンタル酸ニオブ酸カリウムなどを使用することができる。このような透明なインピーダンス層として、強誘電体材料による薄膜を使用すると、駆動電圧の周波数依存性が無くなるという利点がある。
【実施例３】
【００５２】
さらに、他の実施例について説明する。前記液晶シリンドリカルレンズアレイを液晶表示パネルの前面に配置し、さらに観察者等の位置を検出する位置センサを配置した。この位置センサを用いて観察者の表示パネルからの距離や方位等の情報に関わる信号により前記液晶シリンドリカルレンズアレイの電圧を制御して表示装置の表示特性を調整することができる。
【００５３】
実施例１の液晶シリンドリカルレンズアレイを使用した場合には、位置センサとして距離センサを用い、観察者と表示パネルの距離に関わる信号を用いて液晶シリンドリカルレンズの焦点距離を可変制御することで、観察者が表示パネルに近づいたり、離れたりしても
【００５４】
実施例２の液晶シリンドリカルレンズアレイを使用した場合には、焦点距離の他に左右の偏向特性も得られるので、制御効果はさらに有効になる。すなわち、表示パネルと観察者の間の距離のみならず、観察者の方位に関わる情報も検出できる位置センサを使用し、観察者と表示パネルの距離および方位に関わる信号を用いて液晶シリンドリカルレンズの焦点距離および偏向角を可変制御することで、観察者が動いた場合でも常に最良の三次元表示特性が得られるように調整することができる。
【００５５】
液晶シリンドリカルレンズアレイおよび位置センサを使用した三次元表示装置を構成する場合には、前記表示パネルが、液晶表示パネル、有機ＥＬ表示パネル、プラズマ表示パネル、電界発光表示パネルのいずれかの表示パネルを使用することができる。
【００５６】
なお、具体的な実施例として、複数の短冊状の電極を有する液晶レンズについて説明したが、本発明は液晶レンズのみに限定されるものではなく、他の形状のパターン電極を用いた種々の光学デバイス等にも適用することが可能である。
【００５７】
また、この発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。また、２枚の基板でそれぞれ直交する方向に電極を配列した構成とすることもできる。
【００５８】
さらに、液晶層を２層に分割し、液晶分子の配向方向がそれぞれ直交するようにすることで、自然光に対応できる液晶シリンドリカルレンズアレイを構成すること間可能である。
【産業上の利用可能性】
【００５９】
本発明の液晶シリンドリカルレンズアレイは、通常の受動型のレンズアレイとは異なり、電極間に電圧を印加して媒質である液晶の実効的な屈折率を可変制御することで、光学レンズとしてのレンズパワーすなわち焦点距離を可変することや、入射光に対する偏向角を連続的に可変調整する機能を有しているので、三次元表示装置のみならず、ロボットにおいて視覚機能として用いられる撮像部のレンズなど種々の用途が可能である。
【符号の説明】
【００６０】
１１・・・第１の基板、１２・・・第２の基板、２１・・・第１の電極、２２１〜２２３・・・第２の電極、２３１，２３２・・・第３の電極、３１・・・液晶層、４１・・・第１の透明高抵抗層、４２・・・第２の高抵抗層、５１・・・透明絶縁層、６１、６２・・・配向膜、８１、８２・・・駆動電源。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
透明な第１の電極を有する第１の基板、前記第１の電極に対向し開口部を有する複数の第２の電極が配置され、前記それぞれの開口部に対して絶縁層を介して、又は前記開口部内で前記第２の電極に対して間隔をおいてそれぞれ第３の電極が配置された第２の基板の間に収容された、液晶分子を一方向に配向させた液晶層を備え、前記第１の電極と第２の電極との間に第１の電圧を加え、また前記第１の電極と第３の電極との間に前記第１の電圧とは独立した第２の電圧を加えることで光学特性を可変制御することができ、前記開口部及び前記第２の電極および第３の電極と前記液晶層との間に透明絶縁層及び透明な高抵抗層による２重層が配置されている液晶シリンドリカルレンズアレイであって、前記第２の電極が存在する領域に重なって前記第２の電極の幅に等しいか、もしくは第２の電極の幅よりも狭い範囲において、前記高抵抗層の抵抗値が大きな値となっていることを特徴とする液晶シリンドリカルレンズアレイ。
【請求項２】
請求項１に記載の液晶シリンドリカルレンズアレイにおいて、前記第２の電極が存在する領域に重なって前記第２の電極の幅に等しいか、もしくは第２の電極の幅よりも狭い範囲において、前記透明な高抵抗層を除去したことを特徴とする液晶シリンドリカルレンズアレイ。
【請求項３】
請求項１および請求項２に記載のいずれかの液晶シリンドリカルレンズアレイにおいて、複数の第２の電極がそれぞれスリットを介して分離されており、前記分離された電極にそれぞれ異なる電圧が加えられていることを特徴とする液晶シリンドリカルレンズアレイ。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３に記載の液晶シリンドリカルレンズアレイを前面に配置した表示パネル及び位置センサを備え、前記位置センサによる位置に関る信号により前記液晶シリンドリカルレンズアレイに加える電圧を制御して表示パネルの特性を調整することを特徴とする表示装置。
【請求項５】
請求項４に記載の表示パネルが、液晶表示パネル、有機EL表示パネル、プラズマ表示パネル、電界発光表示パネルのいずれかの表示パネルであることを特徴とする表示装置。
【請求項１】
透明な第１の電極を有する第１の基板、前記第１の電極に対向し開口部を有する複数の第２の電極が配置され、前記それぞれの開口部に対して絶縁層を介して、又は前記開口部内で前記第２の電極に対して間隔をおいてそれぞれ第３の電極が配置された第２の基板の間に収容された、液晶分子を一方向に配向させた液晶層を備え、前記第１の電極と第２の電極との間に第１の電圧を加え、また前記第１の電極と第３の電極との間に前記第１の電圧とは独立した第２の電圧を加えることで光学特性を可変制御することができ、前記開口部及び前記第２の電極および第３の電極と前記液晶層との間に透明絶縁層及び透明な高抵抗層による２重層が配置されている液晶シリンドリカルレンズアレイであって、前記第２の電極が存在する領域に重なって前記第２の電極の幅に等しいか、もしくは第２の電極の幅よりも狭い範囲において、前記高抵抗層の抵抗値が大きな値となっていることを特徴とする液晶シリンドリカルレンズアレイ。
【請求項２】
請求項１に記載の液晶シリンドリカルレンズアレイにおいて、前記第２の電極が存在する領域に重なって前記第２の電極の幅に等しいか、もしくは第２の電極の幅よりも狭い範囲において、前記透明な高抵抗層を除去したことを特徴とする液晶シリンドリカルレンズアレイ。
【請求項３】
請求項１および請求項２に記載のいずれかの液晶シリンドリカルレンズアレイにおいて、複数の第２の電極がそれぞれスリットを介して分離されており、前記分離された電極にそれぞれ異なる電圧が加えられていることを特徴とする液晶シリンドリカルレンズアレイ。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３に記載の液晶シリンドリカルレンズアレイを前面に配置した表示パネル及び位置センサを備え、前記位置センサによる位置に関る信号により前記液晶シリンドリカルレンズアレイに加える電圧を制御して表示パネルの特性を調整することを特徴とする表示装置。
【請求項５】
請求項４に記載の表示パネルが、液晶表示パネル、有機EL表示パネル、プラズマ表示パネル、電界発光表示パネルのいずれかの表示パネルであることを特徴とする表示装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１２−１４１５５２（Ｐ２０１２−１４１５５２Ａ）
【公開日】平成２４年７月２６日（２０１２．７．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１２１７（Ｐ２０１１−１２１７）
【出願日】平成２３年１月６日（２０１１．１．６）
【出願人】（５９１１０８１７８）秋田県 (126)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年７月２６日（２０１２．７．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１月６日（２０１１．１．６）
【出願人】（５９１１０８１７８）秋田県 (126)
【Ｆターム（参考）】
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