画像表示装置および液晶レンズ
【課題】応答速度を改善した液晶レンズを備えた画像表示装置および、応答速度を改善した液晶レンズを提供することを目的とする。
【解決手段】マトリクス状に配置された複数の画素を有する表示パネルＰＮＬと、表示パネルＰＮＬの表示面側に配置される液晶レンズＬＺと、を有する画像表示装置であって、表示パネルＰＮＬの画素は、２以上の画素を含む複数の画素グループに分けられ、液晶レンズＬＺは、電界が印加されることにより、画素グループの各々に対応する複数のレンズ部ＬＰを有するレンズアレイを形成し、レンズ部ＬＰは、一定の屈折率を有する第１領域Ｌ１と、屈折率の分布を有する第２領域Ｌ２と、を有して構成され、第２領域Ｌ２は、レンズ部ＬＰの側部に配置され、第１領域Ｌ１は、第２領域Ｌ２よりも中央の側に配置されることを特徴とする画像表示装置。
【解決手段】マトリクス状に配置された複数の画素を有する表示パネルＰＮＬと、表示パネルＰＮＬの表示面側に配置される液晶レンズＬＺと、を有する画像表示装置であって、表示パネルＰＮＬの画素は、２以上の画素を含む複数の画素グループに分けられ、液晶レンズＬＺは、電界が印加されることにより、画素グループの各々に対応する複数のレンズ部ＬＰを有するレンズアレイを形成し、レンズ部ＬＰは、一定の屈折率を有する第１領域Ｌ１と、屈折率の分布を有する第２領域Ｌ２と、を有して構成され、第２領域Ｌ２は、レンズ部ＬＰの側部に配置され、第１領域Ｌ１は、第２領域Ｌ２よりも中央の側に配置されることを特徴とする画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、画像表示装置および液晶レンズに関する。
【背景技術】
【０００２】
液晶は、液体のような流動性を有し、電気的光学的特性に異方性を示し、かつ分子配向状態を種々制御できるという特徴を有している。このような性質を有する液晶を、一対の基板間に封入し、液晶層に印加する電圧を制御することで屈折率の分布特性を制御する液晶レンズも知られている。なお、特許文献１〜３には、液晶レンズを観察者側（前面、表示面側）に備えた画像表示装置が開示されており、例えば、特許文献１に開示されている画像表示装置は、観察者に立体視を提供する３次元ディスプレイ装置となっている。
【０００３】
ここで、図７Ａおよび図７Ｂは、液晶レンズが前面に配置された画像表示装置の表示原理を説明するための図である。
【０００４】
まず、図７Ａでは、液晶層ＬＣに電圧が印加されておらず、液晶分子の配向が初期配向状態で維持されている。このため、図７Ａでは、液晶レンズがレンズ効果を奏していない状態となっている。一方、図７Ｂでは、液晶レンズに電圧が印加されて、第１の電極Ｅ１および第２の電極Ｅ２間の電界により液晶分子の配向状態が変化しており、液晶レンズがレンズ効果を奏する状態となっている。
【０００５】
図７Ｂの場合には、表示パネルＰＮＬの各画素からの透過光が液晶レンズにより集光されて、それぞれ異なる方向に進行する。このため、図７Ａの場合と図７Ｂの場合とでは、画像表示装置を観察する所定位置の観察者に対して異なる画像（例えば２次元画像と３次元画像）が提供されることとなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平７−７２４４５号公報
【特許文献２】特開平７−７７７４８号公報
【特許文献３】特表２００９−５１１９４２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
液晶レンズを前面に備えた画像表示装置では、液晶レンズの状態を制御することで、観察者に対して表示される画像に変化を生じさせることができる。
【０００８】
ここで、例えば、図７Ｂで示されるような理想的な球面状のレンズを得ようとすると、液晶レンズを形成する液晶層の厚さを、球面状のレンズが形成できる程度に厚くする必要が生ずる。液晶層の厚さを厚くすると、液晶レンズの応答速度（例えば、２次元画像表示から３次元画像表示に切り替わる時間）が遅くなる場合がある。液晶レンズの応答速度が遅くなると、画像表示装置の観察者にストレスを生じさせる。
【０００９】
本発明の目的は、以上の課題に鑑みて、液晶レンズの応答速度を改善した画像表示装置を提供すること、或いは、応答速度を改善した液晶レンズを提供することを目的とする。本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面によって明らかにする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、上記課題に鑑みて、マトリクス状に配置された複数の画素を有する表示パネルと、前記表示パネルの観察者側（前面、表示面側）に配置される液晶レンズと、を有する画像表示装置であって、前記表示パネルの画素は、２以上の画素を含む複数の画素グループに分けられ、前記液晶レンズは、電界が印加されることにより、前記画素グループの各々に対応する複数のレンズ部を有するレンズアレイを形成し、前記レンズ部は、屈折率が一定となる第１領域と、屈折率の分布を有する第２領域と、を有して構成され、前記第２領域は、前記レンズ部の側部に配置され、前記第１領域は、前記第２領域よりも中央の側に配置される、ことを特徴とする。
【００１１】
また、本発明は、マトリクス状に配置された複数の画素を有する表示パネルと、前記表示パネルの表示面側に配置される液晶レンズと、を有する画像表示装置であって、前記表示パネルの画素は、２以上の画素を含む複数の画素グループに分けられ、前記液晶レンズは、電界が印加されることにより、前記画素グループの各々に対応する複数のレンズ部を有するレンズアレイを形成し、前記レンズ部は、レンズ機能を有さない第１領域と、レンズ機能を有する第２領域と、を有して構成され、前記第２領域は、前記レンズ部の側部に配置され、前記第１領域は、前記第２領域よりも中央の側に配置される、ことを特徴とする。
【００１２】
また、本発明に係る画像表示装置の一形態では、前記第１領域の幅は、前記レンズ部が有する幅の５％以上となる、ことを特徴としてもよい。
【００１３】
また、本発明に係る画像表示装置の一形態では、前記第２領域では、前記第２領域に入射する光（の進行方向）に対する屈折率が、前記第１領域の側に進むにつれて小さくなることを特徴としてもよい。
【００１４】
また、本発明に係る画像表示装置の一形態では、前記第２領域では、前記第２領域に入射する光の屈折の量が、前記第１領域の側に進むにつれて小さくなることを特徴としてもよい。
【００１５】
また、本発明に係る画像表示装置の一形態では、前記液晶レンズは、第１の基板と、第２の基板と、前記第１の基板および前記第２の基板の間に挟持される液晶層を有し、前記液晶層の厚みが５０ミクロン以下となる、ことを特徴としてもよい。
【００１６】
また、本発明に係る画像表示装置の一形態では、前記液晶レンズは、前記表示パネル側に配置される第１の基板と、前記表示パネルとは反対側に配置される第２の基板と、前記第１の基板側に形成される複数の第１の電極と、前記第２の基板側に形成される複数の第２の電極と、を有し、前記第１の電極および前記第２の電極は、前記画素グループの各々に対応して形成され、前記第１の電極および前記第２の電極の一方は、他方よりも広い領域に形成される、ことを特徴としてもよい。
【００１７】
また、本発明に係る画像表示装置の一形態では、２次元画像の表示と３次元画像の表示とを切替える表示切り替え手段を有し、前記液晶レンズは、２次元画像の表示時に、液晶分子の配向が一定の方向に揃えられており、３次元画像の表示時に、前記複数のレンズ部を有する前記レンズアレイを形成し、前記レンズ部の前記第１領域では、前記２次元画像の表示時の液晶分子の配向が維持され、前記レンズ部の前記第２領域では、液晶分子の配向が前記一定の方向から変化している、ことを特徴としてもよい。
【００１８】
また、本発明に係る画像表示装置の一形態では、２次元画像の表示と３次元画像の表示とを切替える表示切り替え手段を有し、前記表示切替え手段により、２次元画像および３次元画像の表示を切替える時間は、１秒以内となる、ことを特徴としてもよい。
【００１９】
また、本発明に係る画像表示装置の一形態では、前記液晶レンズは、第１の基板と、第２の基板と、前記第１の基板および前記第２の基板の間に挟持される液晶層を有し、前記液晶層の厚みは、前記画素のピッチよりも小さい、ことを特徴としてもよい。
【００２０】
また、本発明は、マトリクス状に配置された複数の画素を有する表示パネルと、所定位置から観察する観察者に対し、前記表示パネルの表示に基づいて立体視画像を出力する立体視画像出力手段と、を有する画像表示装置であって、前記表示パネルの画素は、２以上の画素を含む複数の画素グループに分けられて、前記複数の画素グループのそれぞれは、前記観察者に対して、右目用の表示をする画素と左目用の表示をする画素とを含み、前記立体視画像出力手段において前記画素グループの各々に対応する部分は、レンズ機能を有さない第１領域と、レンズ機能を有する第２領域と、を有して構成され、前記第２領域は、前記画素グループの各々に対応する部分の側部に配置され、前記第１領域は、前記第２領域よりも中央の側に配置される、ことを特徴とする。また、前記第２領域は、前記観察者の右目に前記右目用の表示が入力されるように前記表示パネルからの透過光を屈折する、或いは、前記観察者の左目に前記左目用の表示が入力されるように前記表示パネルからの透過光を屈折する、ことを特徴としてもよい。
【００２１】
また、本発明に係る液晶レンズは、電界が印加されることにより複数のレンズ部を有するレンズアレイを形成する液晶レンズであって、前記レンズ部は、レンズ機能を有さない第１領域と、レンズ機能を有する第２領域と、を有して構成され、前記第２領域は、前記レンズ部の側部に配置され、前記第１領域は、前記第２領域よりも中央の側に配置される、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、液晶レンズの応答速度を改善した画像表示装置を提供することができる。また、本発明によれば、応答速度を改善した液晶レンズを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の第１の実施形態にかかる画像表示装置を概略的に示す模式図である。
【図２】第１の実施形態の液晶レンズの電極構造を概略的に示す図である。
【図３Ａ】第１の実施形態の画像表示装置の断面を概略的に示す図である。
【図３Ｂ】第１の実施形態の画像表示装置の断面を概略的に示す図である。
【図４】液晶レンズの液晶層の厚さと応答速度の関係を示すグラフである。
【図５】第１の実施形態の液晶レンズを視差バリア方式の観点から説明する図である。
【図６】第２の実施形態の画像表示装置の断面を概略的に示す図である。
【図７Ａ】液晶レンズを有する画像表示装置の表示原理を説明する図である。
【図７Ｂ】液晶レンズを有する画像表示装置の表示原理を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明の各実施形態について、図面を参照しながら説明する。
【００２５】
［第１の実施形態］
図１は、本発明の第１の実施形態にかかる画像表示装置ＤＰの模式図である。画像表示装置ＤＰは、表示パネルＰＮＬと、表示パネルＰＮＬの観察者側（前面、表示面側）に配置される液晶レンズＬＺとを含んで構成される。また、第１の実施形態における画像表示装置ＤＰは、３次元画像の表示と２次元画像の表示を切替える機能を有している。
【００２６】
表示パネルＰＮＬは、マトリクス状に配置される複数の画素を有して構成され、当該複数の画素は、さらに、２以上の画素を含んで構成される複数の画素グループに分けられる。本実施形態の各画素グループは、複数の画素がマトリクス状に配列された表示領域において、互いに隣接するように区画されており、３次元表示の際に右目用の表示を出力する画素と、左目用の表示を出力する画素とを有している。
【００２７】
液晶レンズＬＺは、第１の基板Ｂ１と、第２の基板Ｂ２と、これらに挟持される液晶層ＬＣとを含んで構成される。液晶レンズＬＺは、液晶層ＬＣに電界が印加される際にレンズアレイを形成し、当該レンズアレイは、表示パネルＰＮＬの各画素グループに対応する複数のレンズ部を含んで構成される。本実施形態においては、液晶層ＬＣに電界が印加される際に観察者に３次元表示が提供され、電界が無印加の状態では２次元表示が提供される。
【００２８】
図２は、本実施形態の液晶レンズＬＺにおける電極構造を平面的にみた模式図であり、画像表示装置ＤＰを観察者側から見た場合を想定している。第１の電極Ｅ１は、第１の基板Ｂ１の複数箇所に短冊状に形成されて、観察者から見て上下方向に延在しており、第２の電極Ｅ２は、各画素グループに共通となる一枚の平板形状で形成される。液晶レンズＬＺは光を透過させる必要があるため、少なくとも第２の電極Ｅ２はＩＴＯなどの透明金属で形成される。
【００２９】
第１の基板Ｂ１および第２の基板Ｂ２の液晶層ＬＣ側の界面には、不図示の配向膜が形成されて、図２における矢印Ｐは、第１の基板Ｂ１および第２の基板Ｂ２における配向膜のラビング方向を示すものである。したがって、電圧が無印加となる初期配向状態では、液晶分子が第１の基板Ｂ１の主面に平行に配向されて、液晶分子の長軸方向が矢印Ｐの方向に揃えられる。
【００３０】
また、第１の電極Ｅ１と第２の電極Ｅ２との間には、表示切替え手段ＣＭが配線によって接続される。表示切替え手段ＣＭは、外部からの入力によりＯＮ状態とＯＦＦ状態とが切替えられ、ＯＮ状態の場合には、第１の電極Ｅ１および第２の電極Ｅ２間に電圧が入力されて液晶層ＬＣの配向が制御される。また、ＯＮ状態のときの印加電圧は、液晶の劣化を防ぐために交流の電圧となっている。
【００３１】
図３Ａは、図２におけるIII−IIIの位置に相当する断面を示す図であり、画像表示装置ＤＰの観察者から見て水平方向の断面となっている。同図では、表示パネルＰＮＬにおける１つの画素グループに対応する１つのレンズ部ＬＰの断面の様子が示されている。また、図３Ｂは、図３Ａにおけるレンズ部ＬＰからの透過光を説明するための図となっている。
【００３２】
ここで特に、図３Ａで示されるように、レンズ部ＬＰは、通過する光の偏光方向に対して一定の屈折率を有する第１領域Ｌ１と、一定の屈折率ではなく、通過する光の偏光方向に対して屈折率の分布を有する第２領域Ｌ２とを有して構成される。
【００３３】
まず、第１領域Ｌ１では、液晶分子の配向が揃えられて初期配向方向となっており、２つの基板間で空間的に一定の屈折率を示してレンズ機能を呈しないものとなっている。すなわち、第１領域Ｌ１は、表示パネルＰＮＬからの画素からの透過光に関して光学的に均一な媒体となり、図３Ｂの光線ＯＰ３と光線ＯＰ４で示すように、表示パネルＰＮＬからの画像が光学的な変調を受けずに、光の進行方向が屈折されることなく、そのまま出力される。一方、第２領域Ｌ２では、２つの基板間で液晶分子の配向が変化した状態となっており、レンズ機能を有するものとなっている。第２領域Ｌ２における液晶分子は、図３Ａで示されるように、垂直方向に液晶分子の長軸が配向している状態から、第１電極Ｅ１から遠ざかるに従って徐々に倒れるようにして放射状に広がるような配向となっている。
【００３４】
また、図３Ａで示されるように、第１領域Ｌ１はレンズ部ＬＰの中央に形成され、第２領域Ｌ２はレンズ部ＬＰの側部に形成され、第１領域Ｌ１と第２領域Ｌ２とは互いに隣接している。表示切替え手段ＣＭにより２次元表示から３次元表示に切替える際には、第１領域Ｌ１では、２次元表示時の液晶分子の配向（即ち、初期配向）が維持され、第１領域Ｌ１の外側に形成される第２領域Ｌ２では、印加される電界に従って液晶分子の配向が初期配向状態から変化して屈折率の分布が生じ、第２領域Ｌ２に入射される光の進行方向を屈折させる。
【００３５】
液晶分子は複屈折性を持っており、液晶分子の長軸方向に振動する（偏光方向を持つ）光に対する屈折率と、液晶分子の短軸方向に振動する（偏光方向を持つ）光に対する屈折率とが異なる。図３Ａに示す液晶レンズにおいては、液晶分子を通過する光の内、偏光方向が液晶分子の長軸方向である成分は屈折率が高く異常光となり、偏光方向が液晶分子の短軸方向である成分は屈折率が低く常光となる。
【００３６】
図３Ａにおいて、液晶レンズに入射される光の偏光方向、換言すると表示パネルＰＮＬから出射される光の偏光方向は、液晶レンズの液晶分子の初期配向（即ち、図２における矢印Ｐの方向）と同じ方向である。よって、図３ＡのＡ点、Ｄ点の液晶分子の長軸が垂直に配向されている領域では、液晶レンズに入射される光の偏光方向は、液晶分子の短軸方向の成分がほとんどである。また、Ｂ点からＣ点の間の液晶分子の長軸が水平に配向されている領域（即ち、第１領域Ｌ１）では、液晶レンズに入射される光の偏光方向は、液晶分子の長軸方向の成分がほとんどである。
【００３７】
更に、液晶分子の長軸が垂直方向に対して傾いて配向されているＡ点からＢ点の間、及びＤ点からＣ点の間の領域（即ち、第２領域Ｌ２）では、液晶レンズに入射される光の偏光方向は、液晶分子の短軸方向の成分と液晶分子の長軸方向の成分とが混在している。この混在の比率は、第２領域Ｌ２の各位置で異なっており、換言すれば、第２領域Ｌ２は通過する光の偏光方向に対して屈折率の分布を有しているとも表現できる。尚、図３Ａにおいて、Ａ点からＢ点の側、あるいは、Ｄ点からＣ点の側に進むに従って液晶分子の長軸方向の成分の比率が高くなる。
【００３８】
図３Ａにおける破線は、レンズ部ＬＰにおいて形成されるレンズ界面ＵＬを模式的に示したものである。このレンズ界面ＵＬは、レンズ部ＬＰを通過する光の偏光方向が、液晶分子の長軸方向成分が支配的であるエリアと液晶分子の短軸方向成分が支配的であるエリアとの界面に対応している。従って、第１領域Ｌ１は全て長軸方向成分が支配的であるので、破線は第２の基板Ｂ２の近傍に位置する。また、図３ＡのＡ点、Ｄ点は全て短軸方向成分が支配的であるので、破線は第１の基板Ｂ１の近傍に位置する。本実施形態における第２領域Ｌ２では、第１領域Ｌ１の側に進むに従って、長軸方向成分が短軸方向成分よりも支配的になり、通過する光の偏光方向に対して屈折率の分布が形成される。この分布により、通過する光の進行方向に対しては、凸レンズと同じような機能を有する（即ち、光の進行方向を屈折させる）液晶レンズが形成される。このため図３Ｂで示されるように、第２領域Ｌ２からの出力は、第１領域Ｌ１からの出力とは異なる方向に屈折して出力される。図中右側の第２領域Ｌ２からの出力は、主に図中左側に出力され、図中左側の第２領域Ｌ２からの出力は、主に図中右側に出力されることになる。
【００３９】
以上説明をしたように、本実施形態における液晶レンズＬＺでは、電界印加時に形成されるレンズアレイの各レンズ部ＬＰが上述の第１領域Ｌ１と第２領域Ｌ２とを有し、光の偏光方向に対する屈折率の分布が生じる部分（即ち第２領域Ｌ２）をレンズ部ＬＰの一部に限定している。このため、図７Ｂに示す液晶レンズと比べ、電界印加時に液晶分子の配向が変化する領域が少なくなる。よって、液晶レンズの応答速度が向上する。また、図７Ｂに示す液晶レンズと比べ、液晶層ＬＣの厚さを薄くすることができる。このことも、後述の通り、液晶レンズの応答速度向上に寄与する。
【００４０】
また、第１領域Ｌ１の幅は、レンズ部ＬＰが有する幅の少なくとも５％以上とし、１０％以上、或いは２０％以上とするのが好適である。また、第１領域Ｌ１の幅の上限としては、レンズ部ＬＰの幅の６０％以下、或いは５０％以下とするのが好適である。なお、ここでいう第１領域Ｌ１やレンズ部ＬＰの幅は、レンズ界面ＵＬが形成される方向（屈折率の分布が生じる方向におけるレンズ部ＬＰの長さ）のことをいい、本実施形態では、シリンドリカルレンズ状となるレンズ部ＬＰのレンズ形状を有する断面方向の長さのことをいう。また、別の観点では、レンズ部ＬＰの幅は、画素グループに対応して形成される電極パターンのピッチに対応するものとなっている。
【００４１】
次に、本実施形態における３次元画像の表示について説明する。液晶レンズＬＺは、短冊状に形成される第１電極Ｅ１のそれぞれの間に、シリンドリカルレンズ状となるレンズ部ＬＰを複数箇所に形成する。したがって、レンズ部ＬＰは、第１電極Ｅ１と同様に、画像表示装置ＤＰの上下方向に延在し、水平方向に並設されるものとなっている。また、レンズ部ＬＰに対応する画素グループは、上下方向に延在する２列の画素となっており、ＲＧＢの順番で上下方向に配置される。画素グループにおいて水平方向に隣接する２つの画素は、同じ色の画素にするのが望ましい。
【００４２】
また、各第１電極Ｅ１のピッチは、画素グループのピッチ（本実施形態では２画素のピッチ）とは厳密には異なるものとなっており、想定する観察者の視点位置に応じて適宜設計される。
【００４３】
そして図３Ｂにおいて、画素グループにおける図中左側の列の画素ＰＸ１に左目用の画像を、図中右側の列の画素ＰＸ２に右目用の画像を表示すると、まず、左目用の画像が観察者の左目に出力され、右目用の画像が観察者の右目に出力されることになり、これにより観察者に立体視が提供される。一方、第１領域Ｌ１に入射する光線ＯＰ３と光線ＯＰ４は、進行方向を変えることなく直進する。しかしながら、第１領域Ｌ１の区間は空間的に限定されており、視差バリア方式の場合と同様の効果で、立体視効果を生じさせることが可能となる。このため、本実施形態のようなレンズアレイを形成する液晶レンズＬＺであっても、即ち、凸レンズ機能を有さない第１領域Ｌ１を含む液晶レンズＬＺであっても、観察者には立体視画像が提供される。
【００４４】
ここで図４は、液晶レンズの液晶層ＬＣの厚さと応答速度の関係を示すグラフである。同図は、２次元表示から３次元表示に変化させる場合（２Ｄ→３Ｄ）の液晶レンズＬＺの応答速度と、３次元表示から２次元表示に変化させる場合（３Ｄ→２Ｄ）の液晶レンズＬＺの応答速度を示すグラフとなっている。図４に示す通り、液晶層ＬＣの厚さが小さくなると、応答速度も速くなる。ここで、図４に示す応答速度（秒）とは、２次元表示と３次元表示と変化させるために所定の電圧を第１の電極Ｅ１と第２の電極Ｅ２に印加してから、液晶レンズがレンズアレイを形成するまで（或いは、液晶レンズが形成したレンズアレイが解消されるまで）の時間のことをいう。
【００４５】
本実施形態の表示パネルＰＮＬは、３００ｐｐｉであって画素ＰＸ１と画素ＰＸ２のサイズは概ね８５μｍとなっており、画素グループの幅やレンズ部ＬＰの幅が概ね１７０μｍ（即ち、画素サイズの約２倍）となっている。この場合に、図７Ｂで示されるような理想的な円弧状のレンズ界面形状を得ようとすると、液晶層ＬＣの厚さとして画素のサイズ程度は必要とされるが、本実施形態では液晶層ＬＣの厚みを５０μｍ（即ち、画素の（例えば短辺方向、水平方向の）サイズ、或いは画素の（例えば短辺方向、水平方向の）ピッチよりも小さい厚さ）としており、これにより、２次元表示および３次元表示の切替え時間（即ち、応答速度）を改善している。
【００４６】
以上のように、本実施形態の画像表示装置は、液晶層ＬＣの厚みを薄くすることにより、図３Ａ及び図３Ｂに示す構造の液晶レンズＬＺを形成し、液晶レンズＬＺの応答速度を改善して、所定位置の観察者に立体視画像を提供するようにしている。
【００４７】
また、液晶層ＬＣの厚みを薄くして液晶レンズの応答速度を改善する場合には、液晶層ＬＣを５０μｍ以下としてもよいが、４０μｍ以下とするのがより望ましい。液晶層ＬＣの厚みを４０μｍとすることで、表示を切替える時間が１秒程度となるため視聴者へのストレスがさらに軽減される。またレンズ部ＬＰの幅との比率との関係では、液晶層ＬＣの厚みを、レンズ部ＬＰの幅の３分の１以下、或いは、４分の１以下とするのが望ましく、液晶層ＬＣを５０μｍ以下とする場合には、レンズ部ＬＰの幅を２００μｍ以下とするのが望ましい。
【００４８】
なお、図５は、第１の実施形態の液晶レンズＬＺを視差バリア方式の観点から説明するための図である。図５で示されるように、第１の実施形態の液晶レンズＬＺは、表示パネルＰＮＬからの出力に基づいて、所定位置の観察者に対して立体画像を出力する立体視画像出力手段ＶＭとして捉えることができる。立体視画像出力手段ＶＭは、各画素グループに対応する部分（画素グループ対応部）のそれぞれに、第１領域Ｌ１と第２領域Ｌ２を有し、第１領域Ｌ１（の特に中心部）は、レンズ機能を呈しないので、視差バリア方式のスリット部に対応し、第２領域Ｌ２は、当該観察者の右目Ｒ（左目Ｌ）に左目（右目）用の画像が出力されるのを妨げる機能を持っている。画素グループ対応部において、第1領域Ｌ１は、第２領域Ｌ２の内側に配置されるようになっている。
【００４９】
そして図５において、画素ＰＸ１に左目用の画像を表示し、画素ＰＸ２に右目用の画像を表示する場合には、画素ＰＸ１から左目（Ｌ）に、或いは画素ＰＸ２から右目（Ｒ）に、直線光として第１領域Ｌ１を通って進行する光（画像表示の１成分）が存在する。また、第２領域Ｌ２を通る光は、進行方向を屈折させられ、当該観察者の右目Ｒ（左目Ｌ）に左目用の画像（右目用の画像）が導かれるのを妨げるように、且つ左目用の表示（右目用の表示）を、当該観察者の左目Ｌ（右目Ｒ）に導くようになっている。観察者には、このようにして立体視画像が提供されることになる。
【００５０】
[第２の実施形態]
次に、本発明の第２の実施形態について説明をする。
【００５１】
図６は、第２の実施形態に係る画像表示装置ＤＰの断面を示す図であり、図３Ａと同様の位置の断面を示している。第１の実施形態と第２の実施形態とでは、第２の電極Ｅ２の形状や液晶層ＬＣの厚みの観点で相違しており、第２の実施形態では、第２の電極Ｅ２が短冊状に形成されている。
【００５２】
本実施形態では、第１の電極Ｅ１だけでなく第２の電極Ｅ２も、表示パネルＰＮＬの各画素グループに対応して形成される。複数の第２の電極Ｅ２は、所定ピッチで間隔を空けて第２の基板Ｂ２上に形成され、２つの第２の電極Ｅ２の間では電界が印加されないようになっている。このようになっているため、液晶分子の配向が変化するのはレンズ部ＬＰの一部となり、液晶レンズＬＺの応答速度が向上することとなる。
【００５３】
また、第２の電極Ｅ２は、第１の電極Ｅ１よりも広い領域に形成されるようになっており、このような電極パターンとすることで、第１の電極Ｅ１から遠ざかるに従って、電気力線の傾斜を緩くできて放射状に広がるような液晶分子の配向にすることができる。また、電界印加時に第２の領域Ｌ２で生じる屈折率の分布は、第１の電極Ｅ１や第２の電極Ｅ２の電極パターンを変化させることにより適宜設定できる。また、第１の電極Ｅ１と第２の電極Ｅ２の電極パターンは入れ替わっても良く、このことは、上述した第１の実施形態の場合であっても同様である。
【００５４】
なお、上記の各実施形態における画素グループは、画像表示装置ＤＰの隣り合う２列の画素列としているが、少なくとも２つの画素を含んでいれば良く、さらに多数の画素を含むようにしても良い。また、図７Ａ等で示されるように、３つのサブ画素を備えた２列の画素としてもよい。
【００５５】
なお、上記の各実施形態では、画像表示装置ＤＰの縦方向に延在するシリンドリカルレンズ状のレンズアレイを形成しているが、例えば、表示パネルＰＮＬの画素が３×３の画素を有する画素グループに分けられて、液晶レンズＬＺが、各画素グループに対応するレンズ部ＬＰを縦横方向に配列したレンズアレイを形成するようにしても良い。
【００５６】
なお、上記の各実施形態の画像表示装置ＤＰでは、画像を表示する表示領域全体の表示を液晶レンズＬＺで切替えるようにしても良いし、表示領域の一部の表示を液晶レンズＬＺで切替えるようにしても良い。
【００５７】
なお、上記の各実施形態では、表示パネルＰＮＬに液晶表示パネルを用いても良いし、有機ＥＬ表示パネルを用いても良い。液晶表示パネルを用いる場合には、さらに、表示パネルＰＮＬの背面にバックライトが配置される。
【００５８】
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく種々の変形が可能である。例えば、各実施形態で説明した構成は、実質的に同一の構成、同一の作用効果を奏する構成、又は同一の目的を達成することができる構成でおきかえることが出来る。
【符号の説明】
【００５９】
ＤＰ 画像表示装置、ＬＺ 液晶レンズ、ＬＣ 液晶層、Ｂ１ 第１基板、Ｂ２ 第２基板、ＰＮＬ 表示パネル、Ｅ１ 第１電極、Ｅ２ 第２電極、Ｐ 配向方向、ＣＭ 表示切り替え手段、ＬＰ レンズ部、Ｌ１ 第１領域、Ｌ２ 第２領域、ＰＸ１，ＰＸ２ 画素、ＵＬ レンズ界面、ＯＰ１〜ＯＰ６ 光線、Ｌ 左目、Ｒ 右目、ＳＬ スリット部、ＢＲ 屈折部分、ＶＭ 立体視画像出力手段。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、画像表示装置および液晶レンズに関する。
【背景技術】
【０００２】
液晶は、液体のような流動性を有し、電気的光学的特性に異方性を示し、かつ分子配向状態を種々制御できるという特徴を有している。このような性質を有する液晶を、一対の基板間に封入し、液晶層に印加する電圧を制御することで屈折率の分布特性を制御する液晶レンズも知られている。なお、特許文献１〜３には、液晶レンズを観察者側（前面、表示面側）に備えた画像表示装置が開示されており、例えば、特許文献１に開示されている画像表示装置は、観察者に立体視を提供する３次元ディスプレイ装置となっている。
【０００３】
ここで、図７Ａおよび図７Ｂは、液晶レンズが前面に配置された画像表示装置の表示原理を説明するための図である。
【０００４】
まず、図７Ａでは、液晶層ＬＣに電圧が印加されておらず、液晶分子の配向が初期配向状態で維持されている。このため、図７Ａでは、液晶レンズがレンズ効果を奏していない状態となっている。一方、図７Ｂでは、液晶レンズに電圧が印加されて、第１の電極Ｅ１および第２の電極Ｅ２間の電界により液晶分子の配向状態が変化しており、液晶レンズがレンズ効果を奏する状態となっている。
【０００５】
図７Ｂの場合には、表示パネルＰＮＬの各画素からの透過光が液晶レンズにより集光されて、それぞれ異なる方向に進行する。このため、図７Ａの場合と図７Ｂの場合とでは、画像表示装置を観察する所定位置の観察者に対して異なる画像（例えば２次元画像と３次元画像）が提供されることとなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平７−７２４４５号公報
【特許文献２】特開平７−７７７４８号公報
【特許文献３】特表２００９−５１１９４２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
液晶レンズを前面に備えた画像表示装置では、液晶レンズの状態を制御することで、観察者に対して表示される画像に変化を生じさせることができる。
【０００８】
ここで、例えば、図７Ｂで示されるような理想的な球面状のレンズを得ようとすると、液晶レンズを形成する液晶層の厚さを、球面状のレンズが形成できる程度に厚くする必要が生ずる。液晶層の厚さを厚くすると、液晶レンズの応答速度（例えば、２次元画像表示から３次元画像表示に切り替わる時間）が遅くなる場合がある。液晶レンズの応答速度が遅くなると、画像表示装置の観察者にストレスを生じさせる。
【０００９】
本発明の目的は、以上の課題に鑑みて、液晶レンズの応答速度を改善した画像表示装置を提供すること、或いは、応答速度を改善した液晶レンズを提供することを目的とする。本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面によって明らかにする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、上記課題に鑑みて、マトリクス状に配置された複数の画素を有する表示パネルと、前記表示パネルの観察者側（前面、表示面側）に配置される液晶レンズと、を有する画像表示装置であって、前記表示パネルの画素は、２以上の画素を含む複数の画素グループに分けられ、前記液晶レンズは、電界が印加されることにより、前記画素グループの各々に対応する複数のレンズ部を有するレンズアレイを形成し、前記レンズ部は、屈折率が一定となる第１領域と、屈折率の分布を有する第２領域と、を有して構成され、前記第２領域は、前記レンズ部の側部に配置され、前記第１領域は、前記第２領域よりも中央の側に配置される、ことを特徴とする。
【００１１】
また、本発明は、マトリクス状に配置された複数の画素を有する表示パネルと、前記表示パネルの表示面側に配置される液晶レンズと、を有する画像表示装置であって、前記表示パネルの画素は、２以上の画素を含む複数の画素グループに分けられ、前記液晶レンズは、電界が印加されることにより、前記画素グループの各々に対応する複数のレンズ部を有するレンズアレイを形成し、前記レンズ部は、レンズ機能を有さない第１領域と、レンズ機能を有する第２領域と、を有して構成され、前記第２領域は、前記レンズ部の側部に配置され、前記第１領域は、前記第２領域よりも中央の側に配置される、ことを特徴とする。
【００１２】
また、本発明に係る画像表示装置の一形態では、前記第１領域の幅は、前記レンズ部が有する幅の５％以上となる、ことを特徴としてもよい。
【００１３】
また、本発明に係る画像表示装置の一形態では、前記第２領域では、前記第２領域に入射する光（の進行方向）に対する屈折率が、前記第１領域の側に進むにつれて小さくなることを特徴としてもよい。
【００１４】
また、本発明に係る画像表示装置の一形態では、前記第２領域では、前記第２領域に入射する光の屈折の量が、前記第１領域の側に進むにつれて小さくなることを特徴としてもよい。
【００１５】
また、本発明に係る画像表示装置の一形態では、前記液晶レンズは、第１の基板と、第２の基板と、前記第１の基板および前記第２の基板の間に挟持される液晶層を有し、前記液晶層の厚みが５０ミクロン以下となる、ことを特徴としてもよい。
【００１６】
また、本発明に係る画像表示装置の一形態では、前記液晶レンズは、前記表示パネル側に配置される第１の基板と、前記表示パネルとは反対側に配置される第２の基板と、前記第１の基板側に形成される複数の第１の電極と、前記第２の基板側に形成される複数の第２の電極と、を有し、前記第１の電極および前記第２の電極は、前記画素グループの各々に対応して形成され、前記第１の電極および前記第２の電極の一方は、他方よりも広い領域に形成される、ことを特徴としてもよい。
【００１７】
また、本発明に係る画像表示装置の一形態では、２次元画像の表示と３次元画像の表示とを切替える表示切り替え手段を有し、前記液晶レンズは、２次元画像の表示時に、液晶分子の配向が一定の方向に揃えられており、３次元画像の表示時に、前記複数のレンズ部を有する前記レンズアレイを形成し、前記レンズ部の前記第１領域では、前記２次元画像の表示時の液晶分子の配向が維持され、前記レンズ部の前記第２領域では、液晶分子の配向が前記一定の方向から変化している、ことを特徴としてもよい。
【００１８】
また、本発明に係る画像表示装置の一形態では、２次元画像の表示と３次元画像の表示とを切替える表示切り替え手段を有し、前記表示切替え手段により、２次元画像および３次元画像の表示を切替える時間は、１秒以内となる、ことを特徴としてもよい。
【００１９】
また、本発明に係る画像表示装置の一形態では、前記液晶レンズは、第１の基板と、第２の基板と、前記第１の基板および前記第２の基板の間に挟持される液晶層を有し、前記液晶層の厚みは、前記画素のピッチよりも小さい、ことを特徴としてもよい。
【００２０】
また、本発明は、マトリクス状に配置された複数の画素を有する表示パネルと、所定位置から観察する観察者に対し、前記表示パネルの表示に基づいて立体視画像を出力する立体視画像出力手段と、を有する画像表示装置であって、前記表示パネルの画素は、２以上の画素を含む複数の画素グループに分けられて、前記複数の画素グループのそれぞれは、前記観察者に対して、右目用の表示をする画素と左目用の表示をする画素とを含み、前記立体視画像出力手段において前記画素グループの各々に対応する部分は、レンズ機能を有さない第１領域と、レンズ機能を有する第２領域と、を有して構成され、前記第２領域は、前記画素グループの各々に対応する部分の側部に配置され、前記第１領域は、前記第２領域よりも中央の側に配置される、ことを特徴とする。また、前記第２領域は、前記観察者の右目に前記右目用の表示が入力されるように前記表示パネルからの透過光を屈折する、或いは、前記観察者の左目に前記左目用の表示が入力されるように前記表示パネルからの透過光を屈折する、ことを特徴としてもよい。
【００２１】
また、本発明に係る液晶レンズは、電界が印加されることにより複数のレンズ部を有するレンズアレイを形成する液晶レンズであって、前記レンズ部は、レンズ機能を有さない第１領域と、レンズ機能を有する第２領域と、を有して構成され、前記第２領域は、前記レンズ部の側部に配置され、前記第１領域は、前記第２領域よりも中央の側に配置される、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、液晶レンズの応答速度を改善した画像表示装置を提供することができる。また、本発明によれば、応答速度を改善した液晶レンズを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の第１の実施形態にかかる画像表示装置を概略的に示す模式図である。
【図２】第１の実施形態の液晶レンズの電極構造を概略的に示す図である。
【図３Ａ】第１の実施形態の画像表示装置の断面を概略的に示す図である。
【図３Ｂ】第１の実施形態の画像表示装置の断面を概略的に示す図である。
【図４】液晶レンズの液晶層の厚さと応答速度の関係を示すグラフである。
【図５】第１の実施形態の液晶レンズを視差バリア方式の観点から説明する図である。
【図６】第２の実施形態の画像表示装置の断面を概略的に示す図である。
【図７Ａ】液晶レンズを有する画像表示装置の表示原理を説明する図である。
【図７Ｂ】液晶レンズを有する画像表示装置の表示原理を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明の各実施形態について、図面を参照しながら説明する。
【００２５】
［第１の実施形態］
図１は、本発明の第１の実施形態にかかる画像表示装置ＤＰの模式図である。画像表示装置ＤＰは、表示パネルＰＮＬと、表示パネルＰＮＬの観察者側（前面、表示面側）に配置される液晶レンズＬＺとを含んで構成される。また、第１の実施形態における画像表示装置ＤＰは、３次元画像の表示と２次元画像の表示を切替える機能を有している。
【００２６】
表示パネルＰＮＬは、マトリクス状に配置される複数の画素を有して構成され、当該複数の画素は、さらに、２以上の画素を含んで構成される複数の画素グループに分けられる。本実施形態の各画素グループは、複数の画素がマトリクス状に配列された表示領域において、互いに隣接するように区画されており、３次元表示の際に右目用の表示を出力する画素と、左目用の表示を出力する画素とを有している。
【００２７】
液晶レンズＬＺは、第１の基板Ｂ１と、第２の基板Ｂ２と、これらに挟持される液晶層ＬＣとを含んで構成される。液晶レンズＬＺは、液晶層ＬＣに電界が印加される際にレンズアレイを形成し、当該レンズアレイは、表示パネルＰＮＬの各画素グループに対応する複数のレンズ部を含んで構成される。本実施形態においては、液晶層ＬＣに電界が印加される際に観察者に３次元表示が提供され、電界が無印加の状態では２次元表示が提供される。
【００２８】
図２は、本実施形態の液晶レンズＬＺにおける電極構造を平面的にみた模式図であり、画像表示装置ＤＰを観察者側から見た場合を想定している。第１の電極Ｅ１は、第１の基板Ｂ１の複数箇所に短冊状に形成されて、観察者から見て上下方向に延在しており、第２の電極Ｅ２は、各画素グループに共通となる一枚の平板形状で形成される。液晶レンズＬＺは光を透過させる必要があるため、少なくとも第２の電極Ｅ２はＩＴＯなどの透明金属で形成される。
【００２９】
第１の基板Ｂ１および第２の基板Ｂ２の液晶層ＬＣ側の界面には、不図示の配向膜が形成されて、図２における矢印Ｐは、第１の基板Ｂ１および第２の基板Ｂ２における配向膜のラビング方向を示すものである。したがって、電圧が無印加となる初期配向状態では、液晶分子が第１の基板Ｂ１の主面に平行に配向されて、液晶分子の長軸方向が矢印Ｐの方向に揃えられる。
【００３０】
また、第１の電極Ｅ１と第２の電極Ｅ２との間には、表示切替え手段ＣＭが配線によって接続される。表示切替え手段ＣＭは、外部からの入力によりＯＮ状態とＯＦＦ状態とが切替えられ、ＯＮ状態の場合には、第１の電極Ｅ１および第２の電極Ｅ２間に電圧が入力されて液晶層ＬＣの配向が制御される。また、ＯＮ状態のときの印加電圧は、液晶の劣化を防ぐために交流の電圧となっている。
【００３１】
図３Ａは、図２におけるIII−IIIの位置に相当する断面を示す図であり、画像表示装置ＤＰの観察者から見て水平方向の断面となっている。同図では、表示パネルＰＮＬにおける１つの画素グループに対応する１つのレンズ部ＬＰの断面の様子が示されている。また、図３Ｂは、図３Ａにおけるレンズ部ＬＰからの透過光を説明するための図となっている。
【００３２】
ここで特に、図３Ａで示されるように、レンズ部ＬＰは、通過する光の偏光方向に対して一定の屈折率を有する第１領域Ｌ１と、一定の屈折率ではなく、通過する光の偏光方向に対して屈折率の分布を有する第２領域Ｌ２とを有して構成される。
【００３３】
まず、第１領域Ｌ１では、液晶分子の配向が揃えられて初期配向方向となっており、２つの基板間で空間的に一定の屈折率を示してレンズ機能を呈しないものとなっている。すなわち、第１領域Ｌ１は、表示パネルＰＮＬからの画素からの透過光に関して光学的に均一な媒体となり、図３Ｂの光線ＯＰ３と光線ＯＰ４で示すように、表示パネルＰＮＬからの画像が光学的な変調を受けずに、光の進行方向が屈折されることなく、そのまま出力される。一方、第２領域Ｌ２では、２つの基板間で液晶分子の配向が変化した状態となっており、レンズ機能を有するものとなっている。第２領域Ｌ２における液晶分子は、図３Ａで示されるように、垂直方向に液晶分子の長軸が配向している状態から、第１電極Ｅ１から遠ざかるに従って徐々に倒れるようにして放射状に広がるような配向となっている。
【００３４】
また、図３Ａで示されるように、第１領域Ｌ１はレンズ部ＬＰの中央に形成され、第２領域Ｌ２はレンズ部ＬＰの側部に形成され、第１領域Ｌ１と第２領域Ｌ２とは互いに隣接している。表示切替え手段ＣＭにより２次元表示から３次元表示に切替える際には、第１領域Ｌ１では、２次元表示時の液晶分子の配向（即ち、初期配向）が維持され、第１領域Ｌ１の外側に形成される第２領域Ｌ２では、印加される電界に従って液晶分子の配向が初期配向状態から変化して屈折率の分布が生じ、第２領域Ｌ２に入射される光の進行方向を屈折させる。
【００３５】
液晶分子は複屈折性を持っており、液晶分子の長軸方向に振動する（偏光方向を持つ）光に対する屈折率と、液晶分子の短軸方向に振動する（偏光方向を持つ）光に対する屈折率とが異なる。図３Ａに示す液晶レンズにおいては、液晶分子を通過する光の内、偏光方向が液晶分子の長軸方向である成分は屈折率が高く異常光となり、偏光方向が液晶分子の短軸方向である成分は屈折率が低く常光となる。
【００３６】
図３Ａにおいて、液晶レンズに入射される光の偏光方向、換言すると表示パネルＰＮＬから出射される光の偏光方向は、液晶レンズの液晶分子の初期配向（即ち、図２における矢印Ｐの方向）と同じ方向である。よって、図３ＡのＡ点、Ｄ点の液晶分子の長軸が垂直に配向されている領域では、液晶レンズに入射される光の偏光方向は、液晶分子の短軸方向の成分がほとんどである。また、Ｂ点からＣ点の間の液晶分子の長軸が水平に配向されている領域（即ち、第１領域Ｌ１）では、液晶レンズに入射される光の偏光方向は、液晶分子の長軸方向の成分がほとんどである。
【００３７】
更に、液晶分子の長軸が垂直方向に対して傾いて配向されているＡ点からＢ点の間、及びＤ点からＣ点の間の領域（即ち、第２領域Ｌ２）では、液晶レンズに入射される光の偏光方向は、液晶分子の短軸方向の成分と液晶分子の長軸方向の成分とが混在している。この混在の比率は、第２領域Ｌ２の各位置で異なっており、換言すれば、第２領域Ｌ２は通過する光の偏光方向に対して屈折率の分布を有しているとも表現できる。尚、図３Ａにおいて、Ａ点からＢ点の側、あるいは、Ｄ点からＣ点の側に進むに従って液晶分子の長軸方向の成分の比率が高くなる。
【００３８】
図３Ａにおける破線は、レンズ部ＬＰにおいて形成されるレンズ界面ＵＬを模式的に示したものである。このレンズ界面ＵＬは、レンズ部ＬＰを通過する光の偏光方向が、液晶分子の長軸方向成分が支配的であるエリアと液晶分子の短軸方向成分が支配的であるエリアとの界面に対応している。従って、第１領域Ｌ１は全て長軸方向成分が支配的であるので、破線は第２の基板Ｂ２の近傍に位置する。また、図３ＡのＡ点、Ｄ点は全て短軸方向成分が支配的であるので、破線は第１の基板Ｂ１の近傍に位置する。本実施形態における第２領域Ｌ２では、第１領域Ｌ１の側に進むに従って、長軸方向成分が短軸方向成分よりも支配的になり、通過する光の偏光方向に対して屈折率の分布が形成される。この分布により、通過する光の進行方向に対しては、凸レンズと同じような機能を有する（即ち、光の進行方向を屈折させる）液晶レンズが形成される。このため図３Ｂで示されるように、第２領域Ｌ２からの出力は、第１領域Ｌ１からの出力とは異なる方向に屈折して出力される。図中右側の第２領域Ｌ２からの出力は、主に図中左側に出力され、図中左側の第２領域Ｌ２からの出力は、主に図中右側に出力されることになる。
【００３９】
以上説明をしたように、本実施形態における液晶レンズＬＺでは、電界印加時に形成されるレンズアレイの各レンズ部ＬＰが上述の第１領域Ｌ１と第２領域Ｌ２とを有し、光の偏光方向に対する屈折率の分布が生じる部分（即ち第２領域Ｌ２）をレンズ部ＬＰの一部に限定している。このため、図７Ｂに示す液晶レンズと比べ、電界印加時に液晶分子の配向が変化する領域が少なくなる。よって、液晶レンズの応答速度が向上する。また、図７Ｂに示す液晶レンズと比べ、液晶層ＬＣの厚さを薄くすることができる。このことも、後述の通り、液晶レンズの応答速度向上に寄与する。
【００４０】
また、第１領域Ｌ１の幅は、レンズ部ＬＰが有する幅の少なくとも５％以上とし、１０％以上、或いは２０％以上とするのが好適である。また、第１領域Ｌ１の幅の上限としては、レンズ部ＬＰの幅の６０％以下、或いは５０％以下とするのが好適である。なお、ここでいう第１領域Ｌ１やレンズ部ＬＰの幅は、レンズ界面ＵＬが形成される方向（屈折率の分布が生じる方向におけるレンズ部ＬＰの長さ）のことをいい、本実施形態では、シリンドリカルレンズ状となるレンズ部ＬＰのレンズ形状を有する断面方向の長さのことをいう。また、別の観点では、レンズ部ＬＰの幅は、画素グループに対応して形成される電極パターンのピッチに対応するものとなっている。
【００４１】
次に、本実施形態における３次元画像の表示について説明する。液晶レンズＬＺは、短冊状に形成される第１電極Ｅ１のそれぞれの間に、シリンドリカルレンズ状となるレンズ部ＬＰを複数箇所に形成する。したがって、レンズ部ＬＰは、第１電極Ｅ１と同様に、画像表示装置ＤＰの上下方向に延在し、水平方向に並設されるものとなっている。また、レンズ部ＬＰに対応する画素グループは、上下方向に延在する２列の画素となっており、ＲＧＢの順番で上下方向に配置される。画素グループにおいて水平方向に隣接する２つの画素は、同じ色の画素にするのが望ましい。
【００４２】
また、各第１電極Ｅ１のピッチは、画素グループのピッチ（本実施形態では２画素のピッチ）とは厳密には異なるものとなっており、想定する観察者の視点位置に応じて適宜設計される。
【００４３】
そして図３Ｂにおいて、画素グループにおける図中左側の列の画素ＰＸ１に左目用の画像を、図中右側の列の画素ＰＸ２に右目用の画像を表示すると、まず、左目用の画像が観察者の左目に出力され、右目用の画像が観察者の右目に出力されることになり、これにより観察者に立体視が提供される。一方、第１領域Ｌ１に入射する光線ＯＰ３と光線ＯＰ４は、進行方向を変えることなく直進する。しかしながら、第１領域Ｌ１の区間は空間的に限定されており、視差バリア方式の場合と同様の効果で、立体視効果を生じさせることが可能となる。このため、本実施形態のようなレンズアレイを形成する液晶レンズＬＺであっても、即ち、凸レンズ機能を有さない第１領域Ｌ１を含む液晶レンズＬＺであっても、観察者には立体視画像が提供される。
【００４４】
ここで図４は、液晶レンズの液晶層ＬＣの厚さと応答速度の関係を示すグラフである。同図は、２次元表示から３次元表示に変化させる場合（２Ｄ→３Ｄ）の液晶レンズＬＺの応答速度と、３次元表示から２次元表示に変化させる場合（３Ｄ→２Ｄ）の液晶レンズＬＺの応答速度を示すグラフとなっている。図４に示す通り、液晶層ＬＣの厚さが小さくなると、応答速度も速くなる。ここで、図４に示す応答速度（秒）とは、２次元表示と３次元表示と変化させるために所定の電圧を第１の電極Ｅ１と第２の電極Ｅ２に印加してから、液晶レンズがレンズアレイを形成するまで（或いは、液晶レンズが形成したレンズアレイが解消されるまで）の時間のことをいう。
【００４５】
本実施形態の表示パネルＰＮＬは、３００ｐｐｉであって画素ＰＸ１と画素ＰＸ２のサイズは概ね８５μｍとなっており、画素グループの幅やレンズ部ＬＰの幅が概ね１７０μｍ（即ち、画素サイズの約２倍）となっている。この場合に、図７Ｂで示されるような理想的な円弧状のレンズ界面形状を得ようとすると、液晶層ＬＣの厚さとして画素のサイズ程度は必要とされるが、本実施形態では液晶層ＬＣの厚みを５０μｍ（即ち、画素の（例えば短辺方向、水平方向の）サイズ、或いは画素の（例えば短辺方向、水平方向の）ピッチよりも小さい厚さ）としており、これにより、２次元表示および３次元表示の切替え時間（即ち、応答速度）を改善している。
【００４６】
以上のように、本実施形態の画像表示装置は、液晶層ＬＣの厚みを薄くすることにより、図３Ａ及び図３Ｂに示す構造の液晶レンズＬＺを形成し、液晶レンズＬＺの応答速度を改善して、所定位置の観察者に立体視画像を提供するようにしている。
【００４７】
また、液晶層ＬＣの厚みを薄くして液晶レンズの応答速度を改善する場合には、液晶層ＬＣを５０μｍ以下としてもよいが、４０μｍ以下とするのがより望ましい。液晶層ＬＣの厚みを４０μｍとすることで、表示を切替える時間が１秒程度となるため視聴者へのストレスがさらに軽減される。またレンズ部ＬＰの幅との比率との関係では、液晶層ＬＣの厚みを、レンズ部ＬＰの幅の３分の１以下、或いは、４分の１以下とするのが望ましく、液晶層ＬＣを５０μｍ以下とする場合には、レンズ部ＬＰの幅を２００μｍ以下とするのが望ましい。
【００４８】
なお、図５は、第１の実施形態の液晶レンズＬＺを視差バリア方式の観点から説明するための図である。図５で示されるように、第１の実施形態の液晶レンズＬＺは、表示パネルＰＮＬからの出力に基づいて、所定位置の観察者に対して立体画像を出力する立体視画像出力手段ＶＭとして捉えることができる。立体視画像出力手段ＶＭは、各画素グループに対応する部分（画素グループ対応部）のそれぞれに、第１領域Ｌ１と第２領域Ｌ２を有し、第１領域Ｌ１（の特に中心部）は、レンズ機能を呈しないので、視差バリア方式のスリット部に対応し、第２領域Ｌ２は、当該観察者の右目Ｒ（左目Ｌ）に左目（右目）用の画像が出力されるのを妨げる機能を持っている。画素グループ対応部において、第1領域Ｌ１は、第２領域Ｌ２の内側に配置されるようになっている。
【００４９】
そして図５において、画素ＰＸ１に左目用の画像を表示し、画素ＰＸ２に右目用の画像を表示する場合には、画素ＰＸ１から左目（Ｌ）に、或いは画素ＰＸ２から右目（Ｒ）に、直線光として第１領域Ｌ１を通って進行する光（画像表示の１成分）が存在する。また、第２領域Ｌ２を通る光は、進行方向を屈折させられ、当該観察者の右目Ｒ（左目Ｌ）に左目用の画像（右目用の画像）が導かれるのを妨げるように、且つ左目用の表示（右目用の表示）を、当該観察者の左目Ｌ（右目Ｒ）に導くようになっている。観察者には、このようにして立体視画像が提供されることになる。
【００５０】
[第２の実施形態]
次に、本発明の第２の実施形態について説明をする。
【００５１】
図６は、第２の実施形態に係る画像表示装置ＤＰの断面を示す図であり、図３Ａと同様の位置の断面を示している。第１の実施形態と第２の実施形態とでは、第２の電極Ｅ２の形状や液晶層ＬＣの厚みの観点で相違しており、第２の実施形態では、第２の電極Ｅ２が短冊状に形成されている。
【００５２】
本実施形態では、第１の電極Ｅ１だけでなく第２の電極Ｅ２も、表示パネルＰＮＬの各画素グループに対応して形成される。複数の第２の電極Ｅ２は、所定ピッチで間隔を空けて第２の基板Ｂ２上に形成され、２つの第２の電極Ｅ２の間では電界が印加されないようになっている。このようになっているため、液晶分子の配向が変化するのはレンズ部ＬＰの一部となり、液晶レンズＬＺの応答速度が向上することとなる。
【００５３】
また、第２の電極Ｅ２は、第１の電極Ｅ１よりも広い領域に形成されるようになっており、このような電極パターンとすることで、第１の電極Ｅ１から遠ざかるに従って、電気力線の傾斜を緩くできて放射状に広がるような液晶分子の配向にすることができる。また、電界印加時に第２の領域Ｌ２で生じる屈折率の分布は、第１の電極Ｅ１や第２の電極Ｅ２の電極パターンを変化させることにより適宜設定できる。また、第１の電極Ｅ１と第２の電極Ｅ２の電極パターンは入れ替わっても良く、このことは、上述した第１の実施形態の場合であっても同様である。
【００５４】
なお、上記の各実施形態における画素グループは、画像表示装置ＤＰの隣り合う２列の画素列としているが、少なくとも２つの画素を含んでいれば良く、さらに多数の画素を含むようにしても良い。また、図７Ａ等で示されるように、３つのサブ画素を備えた２列の画素としてもよい。
【００５５】
なお、上記の各実施形態では、画像表示装置ＤＰの縦方向に延在するシリンドリカルレンズ状のレンズアレイを形成しているが、例えば、表示パネルＰＮＬの画素が３×３の画素を有する画素グループに分けられて、液晶レンズＬＺが、各画素グループに対応するレンズ部ＬＰを縦横方向に配列したレンズアレイを形成するようにしても良い。
【００５６】
なお、上記の各実施形態の画像表示装置ＤＰでは、画像を表示する表示領域全体の表示を液晶レンズＬＺで切替えるようにしても良いし、表示領域の一部の表示を液晶レンズＬＺで切替えるようにしても良い。
【００５７】
なお、上記の各実施形態では、表示パネルＰＮＬに液晶表示パネルを用いても良いし、有機ＥＬ表示パネルを用いても良い。液晶表示パネルを用いる場合には、さらに、表示パネルＰＮＬの背面にバックライトが配置される。
【００５８】
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく種々の変形が可能である。例えば、各実施形態で説明した構成は、実質的に同一の構成、同一の作用効果を奏する構成、又は同一の目的を達成することができる構成でおきかえることが出来る。
【符号の説明】
【００５９】
ＤＰ 画像表示装置、ＬＺ 液晶レンズ、ＬＣ 液晶層、Ｂ１ 第１基板、Ｂ２ 第２基板、ＰＮＬ 表示パネル、Ｅ１ 第１電極、Ｅ２ 第２電極、Ｐ 配向方向、ＣＭ 表示切り替え手段、ＬＰ レンズ部、Ｌ１ 第１領域、Ｌ２ 第２領域、ＰＸ１，ＰＸ２ 画素、ＵＬ レンズ界面、ＯＰ１〜ＯＰ６ 光線、Ｌ 左目、Ｒ 右目、ＳＬ スリット部、ＢＲ 屈折部分、ＶＭ 立体視画像出力手段。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
マトリクス状に配置された複数の画素を有する表示パネルと、
前記表示パネルの表示面側に配置される液晶レンズと、を有する画像表示装置であって、
前記表示パネルの画素は、２以上の画素を含む複数の画素グループに分けられ、
前記液晶レンズは、電界が印加されることにより、前記画素グループの各々に対応する複数のレンズ部を有するレンズアレイを形成し、
前記レンズ部は、
屈折率が一定となる第１領域と、
屈折率の分布を有する第２領域と、を有して構成され、
前記第２領域は、前記レンズ部の側部に配置され、
前記第１領域は、前記第２領域よりも中央の側に配置される、
ことを特徴とする画像表示装置。
【請求項２】
マトリクス状に配置された複数の画素を有する表示パネルと、
前記表示パネルの表示面側に配置される液晶レンズと、を有する画像表示装置であって、
前記表示パネルの画素は、２以上の画素を含む複数の画素グループに分けられ、
前記液晶レンズは、電界が印加されることにより、前記画素グループの各々に対応する複数のレンズ部を有するレンズアレイを形成し、
前記レンズ部は、
レンズ機能を有さない第１領域と、
レンズ機能を有する第２領域と、を有して構成され、
前記第２領域は、前記レンズ部の側部に配置され、
前記第１領域は、前記第２領域よりも中央の側に配置される、
ことを特徴とする画像表示装置。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載された画像表示装置であって、
前記第１領域の幅は、前記レンズ部が有する幅の５％以上となる、
ことを特徴とする画像表示装置。
【請求項４】
請求項１又は請求項２に記載された画像表示装置であって、
前記第２領域では、前記第２領域に入射する光に対する屈折率が、前記第１領域の側に進むにつれて小さくなることを特徴とする画像表示装置。
【請求項５】
請求項１又は請求項２に記載された画像表示装置であって、
前記第２領域では、前記第２領域に入射する光の屈折の量が、前記第１領域の側に進むにつれて小さくなることを特徴とする画像表示装置。
【請求項６】
請求項１から請求項５の何れか１項に記載された画像表示装置であって、
前記液晶レンズは、
第１の基板と、第２の基板と、前記第１の基板および前記第２の基板の間に挟持される液晶層を有し、
前記液晶層の厚みが５０ミクロン以下となる、
ことを特徴とする画像表示装置。
【請求項７】
請求項１又は請求項２に記載された画像表示装置であって、
前記液晶レンズは、
前記表示パネル側に配置される第１の基板と、
前記表示パネルとは反対側に配置される第２の基板と、
前記第１の基板側に形成される複数の第１の電極と、
前記第２の基板側に形成される複数の第２の電極と、を有し、
前記第１の電極および前記第２の電極は、前記画素グループの各々に対応して形成され、
前記第１の電極および前記第２の電極の一方は、他方よりも広い領域に形成される、
ことを特徴とする画像表示装置。
【請求項８】
請求項１又は請求項２に記載された画像表示装置であって、
２次元画像の表示と３次元画像の表示とを切替える表示切り替え手段を有し、
前記液晶レンズは、
２次元画像の表示時に、液晶分子の配向が一定の方向に揃えられており、
３次元画像の表示時に、前記複数のレンズ部を有する前記レンズアレイを形成し、前記レンズ部の前記第１領域では、前記２次元画像の表示時の液晶分子の配向が維持され、前記レンズ部の前記第２領域では、液晶分子の配向が前記一定の方向から変化している、
ことを特徴とする画像表示装置。
【請求項９】
請求項１から請求項６の何れか１項に記載された画像表示装置であって、
２次元画像の表示と３次元画像の表示とを切替える表示切り替え手段を有し、
前記表示切替え手段により、２次元画像および３次元画像の表示を切替える時間は、１秒以内となる、
ことを特徴とする画像表示装置。
【請求項１０】
請求項１又は請求項２に記載された画像表示装置であって、
前記液晶レンズは、
第１の基板と、第２の基板と、前記第１の基板および前記第２の基板の間に挟持される液晶層を有し、
前記液晶層の厚みは、前記画素のピッチよりも小さい、
ことを特徴とする画像表示装置。
【請求項１１】
マトリクス状に配置された複数の画素を有する表示パネルと、
所定位置から観察する観察者に対し、前記表示パネルの表示に基づいて立体視画像を出力する立体視画像出力手段と、を有する画像表示装置であって、
前記表示パネルの画素は、２以上の画素を含む複数の画素グループに分けられて、
前記複数の画素グループのそれぞれは、前記観察者に対して、右目用の表示をする画素と左目用の表示をする画素とを含み、
前記立体視画像出力手段において前記画素グループの各々に対応する部分は、
レンズ機能を有さない第１領域と、
レンズ機能を有する第２領域と、を有して構成され、
前記第２領域は、前記画素グループの各々に対応する部分の側部に配置され、
前記第１領域は、前記第２領域よりも中央の側に配置される、ことを特徴とする画像表示装置。
【請求項１２】
請求項１１に記載された画像表示装置において、
前記第２領域は、前記観察者の右目に前記右目用の表示が入力されるように前記表示パネルからの透過光を屈折する、或いは、前記観察者の左目に前記左目用の表示が入力されるように前記表示パネルからの透過光を屈折する、
ことを特徴とする画像表示装置。
【請求項１３】
電界が印加されることにより複数のレンズ部を有するレンズアレイを形成する液晶レンズであって、
前記レンズ部は、
レンズ機能を有さない第１領域と、
レンズ機能を有する第２領域と、を有して構成され、
前記第２領域は、前記レンズ部の側部に配置され、
前記第１領域は、前記第２領域よりも中央の側に配置される、
ことを特徴とする液晶レンズ。
【請求項１】
マトリクス状に配置された複数の画素を有する表示パネルと、
前記表示パネルの表示面側に配置される液晶レンズと、を有する画像表示装置であって、
前記表示パネルの画素は、２以上の画素を含む複数の画素グループに分けられ、
前記液晶レンズは、電界が印加されることにより、前記画素グループの各々に対応する複数のレンズ部を有するレンズアレイを形成し、
前記レンズ部は、
屈折率が一定となる第１領域と、
屈折率の分布を有する第２領域と、を有して構成され、
前記第２領域は、前記レンズ部の側部に配置され、
前記第１領域は、前記第２領域よりも中央の側に配置される、
ことを特徴とする画像表示装置。
【請求項２】
マトリクス状に配置された複数の画素を有する表示パネルと、
前記表示パネルの表示面側に配置される液晶レンズと、を有する画像表示装置であって、
前記表示パネルの画素は、２以上の画素を含む複数の画素グループに分けられ、
前記液晶レンズは、電界が印加されることにより、前記画素グループの各々に対応する複数のレンズ部を有するレンズアレイを形成し、
前記レンズ部は、
レンズ機能を有さない第１領域と、
レンズ機能を有する第２領域と、を有して構成され、
前記第２領域は、前記レンズ部の側部に配置され、
前記第１領域は、前記第２領域よりも中央の側に配置される、
ことを特徴とする画像表示装置。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載された画像表示装置であって、
前記第１領域の幅は、前記レンズ部が有する幅の５％以上となる、
ことを特徴とする画像表示装置。
【請求項４】
請求項１又は請求項２に記載された画像表示装置であって、
前記第２領域では、前記第２領域に入射する光に対する屈折率が、前記第１領域の側に進むにつれて小さくなることを特徴とする画像表示装置。
【請求項５】
請求項１又は請求項２に記載された画像表示装置であって、
前記第２領域では、前記第２領域に入射する光の屈折の量が、前記第１領域の側に進むにつれて小さくなることを特徴とする画像表示装置。
【請求項６】
請求項１から請求項５の何れか１項に記載された画像表示装置であって、
前記液晶レンズは、
第１の基板と、第２の基板と、前記第１の基板および前記第２の基板の間に挟持される液晶層を有し、
前記液晶層の厚みが５０ミクロン以下となる、
ことを特徴とする画像表示装置。
【請求項７】
請求項１又は請求項２に記載された画像表示装置であって、
前記液晶レンズは、
前記表示パネル側に配置される第１の基板と、
前記表示パネルとは反対側に配置される第２の基板と、
前記第１の基板側に形成される複数の第１の電極と、
前記第２の基板側に形成される複数の第２の電極と、を有し、
前記第１の電極および前記第２の電極は、前記画素グループの各々に対応して形成され、
前記第１の電極および前記第２の電極の一方は、他方よりも広い領域に形成される、
ことを特徴とする画像表示装置。
【請求項８】
請求項１又は請求項２に記載された画像表示装置であって、
２次元画像の表示と３次元画像の表示とを切替える表示切り替え手段を有し、
前記液晶レンズは、
２次元画像の表示時に、液晶分子の配向が一定の方向に揃えられており、
３次元画像の表示時に、前記複数のレンズ部を有する前記レンズアレイを形成し、前記レンズ部の前記第１領域では、前記２次元画像の表示時の液晶分子の配向が維持され、前記レンズ部の前記第２領域では、液晶分子の配向が前記一定の方向から変化している、
ことを特徴とする画像表示装置。
【請求項９】
請求項１から請求項６の何れか１項に記載された画像表示装置であって、
２次元画像の表示と３次元画像の表示とを切替える表示切り替え手段を有し、
前記表示切替え手段により、２次元画像および３次元画像の表示を切替える時間は、１秒以内となる、
ことを特徴とする画像表示装置。
【請求項１０】
請求項１又は請求項２に記載された画像表示装置であって、
前記液晶レンズは、
第１の基板と、第２の基板と、前記第１の基板および前記第２の基板の間に挟持される液晶層を有し、
前記液晶層の厚みは、前記画素のピッチよりも小さい、
ことを特徴とする画像表示装置。
【請求項１１】
マトリクス状に配置された複数の画素を有する表示パネルと、
所定位置から観察する観察者に対し、前記表示パネルの表示に基づいて立体視画像を出力する立体視画像出力手段と、を有する画像表示装置であって、
前記表示パネルの画素は、２以上の画素を含む複数の画素グループに分けられて、
前記複数の画素グループのそれぞれは、前記観察者に対して、右目用の表示をする画素と左目用の表示をする画素とを含み、
前記立体視画像出力手段において前記画素グループの各々に対応する部分は、
レンズ機能を有さない第１領域と、
レンズ機能を有する第２領域と、を有して構成され、
前記第２領域は、前記画素グループの各々に対応する部分の側部に配置され、
前記第１領域は、前記第２領域よりも中央の側に配置される、ことを特徴とする画像表示装置。
【請求項１２】
請求項１１に記載された画像表示装置において、
前記第２領域は、前記観察者の右目に前記右目用の表示が入力されるように前記表示パネルからの透過光を屈折する、或いは、前記観察者の左目に前記左目用の表示が入力されるように前記表示パネルからの透過光を屈折する、
ことを特徴とする画像表示装置。
【請求項１３】
電界が印加されることにより複数のレンズ部を有するレンズアレイを形成する液晶レンズであって、
前記レンズ部は、
レンズ機能を有さない第１領域と、
レンズ機能を有する第２領域と、を有して構成され、
前記第２領域は、前記レンズ部の側部に配置され、
前記第１領域は、前記第２領域よりも中央の側に配置される、
ことを特徴とする液晶レンズ。
【図１】
【図２】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７Ａ】
【図７Ｂ】
【図２】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７Ａ】
【図７Ｂ】
【公開番号】特開２０１２−２４２６８１（Ｐ２０１２−２４２６８１Ａ）
【公開日】平成２４年１２月１０日（２０１２．１２．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１１３９６０（Ｐ２０１１−１１３９６０）
【出願日】平成２３年５月２０日（２０１１．５．２０）
【出願人】（５０２３５６５２８）株式会社ジャパンディスプレイイースト (2,552)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１２月１０日（２０１２．１２．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年５月２０日（２０１１．５．２０）
【出願人】（５０２３５６５２８）株式会社ジャパンディスプレイイースト (2,552)
【Ｆターム（参考）】
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