(57)【要約】【課題】シリンドリカルレンズ状のレンズ効果を２つの方向に容易に切り替えることができるようにしたレンズアレイ素子および画像表示装置を提供する。【解決手段】液晶層３を挟んで第１の電極群１４と第２の電極群２４とを対向配置し、かつ、第１の電極群１４と第２の電極群２４とを異なる２方向に延在する複数の透明電極で構成する。それら第１の電極群１４と第２の電極群２４とに印加する電圧の状態を適切に制御することで液晶層３におけるレンズ効果を適切に制御する。液晶層３を、レンズ効果の無い状態と、第１の方向に延在するような第１のシリンドリカルレンズ状のレンズ効果が発生する第１のレンズ状態と、第２の方向に延在するような第２のシリンドリカルレンズ状のレンズ効果が発生する第２のレンズ状態との３つの状態に電気的に切り替える。【選択図】図１
2010170068.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
間隔を空けて互いに対向配置された第１および第２の基板と、
前記第１の基板上における前記第２の基板に対向する側に形成され、第１の方向に延在する複数の透明電極が幅方向に間隔を空けて並列配置されてなる第１の電極群と、
前記第２の基板上における前記第１の基板に対向する側に形成され、前記第１の方向とは異なる第２の方向に延在する複数の透明電極が幅方向に間隔を空けて並列配置されてなる第２の電極群と、
前記第１の基板と前記第２の基板との間に配置され、屈折率異方性を有する液晶分子を含み、前記第１の電極群と前記第２の電極群とに印加される電圧に応じて前記液晶分子の配列方向が変化することでレンズ効果が発生する液晶層と
を備え、
前記液晶層が、
前記第１の電極群と前記第２の電極群とに印加される電圧の状態に応じて、レンズ効果の無い状態と、前記第１の方向に延在するような第１のシリンドリカルレンズ状のレンズ効果が発生する第１のレンズ状態と、前記第２の方向に延在するような第２のシリンドリカルレンズ状のレンズ効果が発生する第２のレンズ状態との３つの状態に電気的に切り替わる
ようになされているレンズアレイ素子。
【請求項２】
前記液晶層を前記レンズ効果の無い状態にする場合には、前記第１の電極群を構成する複数の透明電極と前記第２の電極群を構成する複数の透明電極とがすべて同電位となるような電圧状態とし、
前記液晶層を前記第２のレンズ状態にする場合には、前記第１の電極群を構成する複数の透明電極のすべてに共通の電圧を印加すると共に、前記第２の電極群を構成する複数の透明電極のうち、前記第２のシリンドリカルレンズのレンズピッチに相当する位置にある透明電極のみに選択的に駆動電圧を印加するようにし、
前記液晶層を前記第１のレンズ状態にする場合には、前記第２の電極群を構成する複数の透明電極のすべてに共通の電圧を印加すると共に、前記第１の電極群を構成する複数の透明電極のうち、前記第１のシリンドリカルレンズのレンズピッチに相当する位置にある透明電極のみに選択的に駆動電圧を印加する
ようになされている請求項１に記載のレンズアレイ素子。
【請求項３】
前記第１の電極群を構成する複数の透明電極として、第１の幅を有して前記第１の方向に延在する第１の電極と、前記第１の幅よりも大きい第２の幅を有して前記第１の方向に延在する第２の電極とをそれぞれ複数有し、前記第１の電極群は、それら第１の電極と第２の電極とが交互に並列配置された構成とされ、
前記第２の電極群を構成する複数の透明電極として、第１の幅を有して前記第２の方向に延在する第１の電極と、前記第１の幅よりも大きい第２の幅を有して前記第２の方向に延在する第２の電極とをそれぞれ複数有し、前記第２の電極群は、それら第１の電極と第２の電極とが交互に並列配置された構成とされている
請求項１に記載のレンズアレイ素子。
【請求項４】
前記液晶層を前記レンズ効果の無い状態にする場合には、前記第１の電極群を構成する複数の透明電極と前記第２の電極群を構成する複数の透明電極とがすべて同電位となるような電圧状態とし、
前記液晶層を前記第２のレンズ状態にする場合には、前記第１の電極群を構成する複数の透明電極のすべてに共通の電圧を印加すると共に、前記第２の電極群を構成する複数の透明電極のうち前記第１の電極のみに選択的に駆動電圧を印加するようにし、
前記液晶層を前記第１のレンズ状態にする場合には、前記第２の電極群を構成する複数の透明電極のすべてに共通の電圧を印加すると共に、前記第１の電極群を構成する複数の透明電極のうち前記第１の電極のみに選択的に駆動電圧を印加する
ようになされている請求項３に記載のレンズアレイ素子。
【請求項５】
前記第２のレンズ状態にする場合には、前記第２の電極群を構成する複数の透明電極のうち、前記第１の電極のみに選択的に駆動電圧を印加し、かつ前記第２の電極を接地させるようにし、
前記第１のレンズ状態にする場合において、前記第１の電極群を構成する複数の透明電極のうち、前記第１の電極のみに選択的に駆動電圧を印加し、かつ前記第２の電極を接地させる
ようになされている請求項４に記載のレンズアレイ素子。
【請求項６】
前記第２のレンズ状態にする場合には、前記第１の電極群を構成する複数の透明電極のすべてに共通の第１の駆動電圧を印加すると共に、前記第２の電極群を構成する複数の透明電極のうち前記第１の電極のみに選択的に第２の駆動電圧を印加するようにし、
前記第１のレンズ状態にする場合には、前記第２の電極群を構成する複数の透明電極のすべてに共通の前記第２の駆動電圧を印加すると共に、前記第１の電極群を構成する複数の透明電極のうち前記第１の電極のみに選択的に前記第１の駆動電圧を印加するようにし、
前記第１の駆動電圧と前記第２の駆動電圧として、電圧振幅が同じで、かつ互いに位相が１８０°異なる矩形波を印加する
ようになされている請求項５に記載のレンズアレイ素子。
【請求項７】
前記第１の電極群における前記第１の電極は、前記第１のシリンドリカルレンズのレンズピッチに相当する間隔で配置され、
前記第２の電極群における前記第１の電極は、前記第２のシリンドリカルレンズのレンズピッチに相当する間隔で配置されている
請求項３に記載のレンズアレイ素子。
【請求項８】
前記第２の方向は、前記第１の方向に対して直交する方向であり、直交する前記第１の方向と前記第２の方向との２方向にレンズ効果のある状態が電気的に切り替わる
ようになされている請求項１に記載のレンズアレイ素子。
【請求項９】
２次元的に画像表示を行う表示パネルと、
前記表示パネルの表示面側に対向配置され、前記表示パネルからの光線の通過状態を選択的に変化させるレンズアレイ素子と
を備え、
前記レンズアレイ素子は、
間隔を空けて互いに対向配置された第１および第２の基板と、
前記第１の基板上における前記第２の基板に対向する側に形成され、第１の方向に延在する複数の透明電極が幅方向に間隔を空けて並列配置されてなる第１の電極群と、
前記第２の基板上における前記第１の基板に対向する側に形成され、前記第１の方向とは異なる第２の方向に延在する複数の透明電極が幅方向に間隔を空けて並列配置されてなる第２の電極群と、
前記第１の基板と前記第２の基板との間に配置され、屈折率異方性を有する液晶分子を含み、前記第１の電極群と前記第２の電極群とに印加される電圧に応じて前記液晶分子の配列方向が変化することでレンズ効果が発生する液晶層と
を有し、
前記液晶層が、
前記第１の電極群と前記第２の電極群とに印加される電圧の状態に応じて、レンズ効果の無い状態と、前記第１の方向に延在するような第１のシリンドリカルレンズ状のレンズ効果が発生する第１のレンズ状態と、前記第２の方向に延在するような第２のシリンドリカルレンズ状のレンズ効果が発生する第２のレンズ状態との３つの状態に電気的に切り替わる
ようになされている画像表示装置。
【請求項１０】
前記レンズアレイ素子において、前記レンズ効果の無い状態と、前記第１のレンズ状態および前記第２のレンズ状態とを切り替えることにより、２次元表示と３次元表示とが電気的に切り替わる
ようになされている請求項９に記載の画像表示装置。
【請求項１１】
前記レンズアレイ素子を前記レンズ効果の無い状態として、前記表示パネルからの表示画像光を偏向させることなく透過させることで２次元表示を行い、
前記レンズアレイ素子を前記第１のレンズ状態として、前記表示パネルからの表示画像光を前記第１の方向に直交する方向に偏向させることで、前記第１の方向に直交する方向に両眼を置いたときに立体感が得られるような３次元表示を行い、
前記レンズアレイ素子を前記第２のレンズ状態として、前記表示パネルからの表示画像光を前記第２の方向に直交する方向に偏向させることで、前記第２の方向に直交する方向に両眼を置いたときに立体感が得られるような３次元表示を行う
ようになされている請求項１０に記載の画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液晶を用いて電気的にレンズ効果の発生の制御を行うことができるレンズアレイ素子、およびそのレンズアレイ素子を用いて、例えば２次元表示と３次元表示とを電気的に切り替えることができる画像表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、観察者の両眼に視差のある視差画像を見せることで立体視を実現する２眼式または多眼式の立体表示装置が知られている。また、より自然な立体視を実現する方法として、空間像方式の立体表示装置がある。空間像方式では、放射方向の異なる複数の光線を空間中に放射することで、複数の視野角に対応した空間像を形成する。
【０００３】
これらの立体表示装置を実現する方法としては、例えば、液晶ディスプレイなどの２次元表示装置と、２次元表示装置からの表示画像光を複数の視野角方向に偏向させる３次元表示用の光学デバイスとを組み合わせたものが知られている。３次元表示用の光学デバイスとしては、例えば、複数のシリンドリカルレンズ（円筒レンズ）を並列配置したレンズアレイが用いられる。例えば２眼式の場合、左右で異なる視差画像を見せることで左右方向に両眼を置いたときに立体感が得られる。これを実現するためには、２次元表示装置の表示面に対して、縦方向に延在するシリンドリカルレンズを横方向に複数並列配置し、２次元表示装置からの表示画像光を左右方向に偏向させ、左右の視差画像が適切に観察者の左右の眼に到達するようにさせれば良い。
【０００４】
このような３次元表示用の光学デバイスとしては、例えば樹脂成型されたマイクロレンズアレイを用いることができる。また、液晶レンズによる切り替え式のレンズアレイを用いることができる。液晶レンズによる切り替え式のレンズアレイの場合、レンズ効果の有無を電気的に切り替えることができるため、２次元表示装置と組み合わせて、２次元表示モードと３次元表示モードとの２つの表示モードを切り替えることができる。すなわち、２次元表示モードでは、レンズアレイをレンズ効果の無い状態（屈折力の無い状態）とし、２次元表示装置からの表示画像光をそのままの状態で通過させる。３次元表示モードでは、レンズアレイをレンズ効果を発生させた状態（例えば正の屈折力を有する状態）とし、２次元表示装置からの表示画像光を複数の視野角方向に偏向させることで立体視を実現する。
【０００５】
図１５および図１６は、液晶レンズによる切り替え式のレンズアレイの第１の構成例を示している。このレンズアレイは、例えばガラス材料よりなる透明な第１の基板２２１および第２の基板２２２と、それら第１の基板２２１および第２の基板２２２の間に挟まれた液晶層２２３とを備えている。第１の基板２２１における液晶層２２３側の表面には、例えばＩＴＯ（Indium Tin Oxide）膜などの透明な導電膜からなる第１の透明電極２２４がほぼ全面に一様に形成されている。第２の基板２２２における液晶層２２３側の表面にも同様に第２の透明電極２２５がほぼ全面に一様に形成されている。
【０００６】
液晶層２２３は、例えばレプリカ法（Photoreplication Process）と呼ばれる製造方法で、凹レンズ形状に成型された型に液晶分子２３１が充填された構成となっている。液晶層２２３における第１の基板２２１側の面には、配向膜２３２が平面的に設けられている。液晶層２２３における第２の基板２２２側には、レプリカ２３４の型によって凸形状とされた配向膜２３３が設けられている。すなわち、液晶層２２３において、下層の平面的な配向膜２３２と上層の凸形状の配向膜２３３との間には液晶分子２３１が充填され、上層のその他の領域はレプリカ２３４とされている。これにより、液晶層２２３では液晶分子２３１が充填された部分が凸形状とされている。この凸形状の部分が、電圧の印加に応じて選択的にマイクロレンズとなる部分である。
【０００７】
液晶分子２３１は、屈折率異方性を有し、例えば長手方向と短手方向とで通過光線に対して屈折率の異なる屈折率楕円体の構造を有している。また、液晶分子２３１は、第１の透明電極２２４と第２の透明電極２２５とにより与えられる電圧の印加に応じて分子配列が変わるようになっている。ここで、液晶分子２３１に差電圧として所定の電圧が与えられた状態での分子配列で与えられる、通過光線に対する屈折率をｎ０とする。また、差電圧がゼロの状態での分子配列で与えられる、通過光線に対する屈折率をｎｅとする。また、屈折率の大きさはｎｅ＞ｎ０の関係とする。レプリカ３４の屈折率は、液晶分子２３１に差電圧として所定の電圧が与えられた状態での低い方の屈折率ｎ０と同じとなるようにする。
【０００８】
これにより、第１の透明電極２２４と第２の透明電極２２５とにより与えられる差電圧がゼロの状態では、通過光線Ｌに対する液晶分子２３１の屈折率ｎｅとレプリカ２３４の屈折率ｎ０とに屈折率差が生じる。結果、図１６に示したように、凸形状の部分が凸レンズとして作用する。一方、差電圧が所定の電圧の状態では、通過光線Ｌに対する液晶分子２３１の屈折率ｎ０とレプリカ２３４での屈折率ｎ０とが同じとなり、凸形状の部分は凸レンズとして作用しなくなる。これにより、図１５に示したように、液晶層２２３を通過する光線は偏向することなく、そのまま透過する。
【０００９】
図１７（Ａ），（Ｂ）、図１８および図１９は、液晶レンズによる切り替え式のレンズアレイの第２の構成例を示している。このレンズアレイは、図１７（Ａ），（Ｂ）に示したように、例えばガラス材料よりなる透明な第１の基板１０１および第２の基板１０２と、それら第１の基板１０１および第２の基板１０２の間に挟まれた液晶層１０３とを備えている。第１の基板１０１と第２の基板１０２は、間隔ｄを空けて対向配置されている。
【００１０】
第１の基板１０１上における第２の基板１０２に対向する側には、図１８および図１９に示したように、ＩＴＯ膜などの透明な導電膜からなる第１の透明電極１１１がほぼ全面に一様に形成されている。また、第２の基板１０２上における第１の基板１０１に対向する側には、図１８および図１９に示したように、ＩＴＯ膜などの透明な導電膜からなる第２の透明電極１１２が部分的に形成されている。第２の透明電極１１２は、図１９に示したように、例えば幅Ｌの電極幅を有して例えば縦方向に延在している。そして、第２の透明電極１１２は、レンズ効果を発生させたときのレンズピッチｐに相当する周期間隔で複数、並列的に配置されている。隣り合う２つの第２の透明電極１１２間は間隔Ａの開口とされている。なお、図１９では、第２の透明電極１１２の電極配置を説明するため、第１の基板１０１を上側に、第２の基板１０２を下側にして、上下を逆にした状態で図示している。
【００１１】
なお、図示を省略するが第１の透明電極１１１と液晶層１０３との間には配向膜が形成されている。同様に、第２の透明電極１１２と液晶層１０３との間には配向膜が形成されている。図１７（Ａ）に示したように液晶層１０３は、図１５および図１６で示した構成例のようなレンズ状の型はなく、屈折率異方性を有する液晶分子１０４が一様に分布している。
【００１２】
このレンズアレイでは、図１７（Ａ）に示したように、印加電圧が０Ｖの通常の状態では、液晶分子１０４が配向膜によって規定される所定の方向に一様に配列される。このため、通過光線の波面２０１は平面波となり、レンズ効果の無い状態となる。一方、このレンズアレイでは、第２の透明電極１１２が、図１８および図１９に示したように間隔Ａの開口を有して離間配置されているため、図１８に示したような状態で所定の駆動電圧を印加すると、液晶層１０３内での電界分布に偏りが生ずる。すなわち、第２の透明電極１１２が形成されている領域に対応する部分では駆動電圧に応じて電界強度が強くなり、間隔Ａの開口の中心部に行くほど電界強度が弱くなるような電界が発生する。このため、図１７（Ｂ）に示したように、液晶分子１０４の配列が電界強度分布に応じて変化する。これにより、通過光線の波面２０２が変化し、レンズ効果が発生する状態となる。
【００１３】
特許文献１には、図１８および図１９に示した電極構造における第２の透明電極１１２の部分を２層構造とした液晶レンズが開示されている。この液晶レンズでは、液晶層の片側に形成する透明電極の配置間隔を第１層目と第２層目とで変えることで、液晶層に形成される電界分布の制御をより最適化しやすくしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特開２００８−９３７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
しかしながら、図１５および図１６に示したレンズアレイを２次元表示モードと３次元表示モードとの切り替えに使用する場合、以下のような問題がある。まず、液晶分子２３１を充填するための型を基板上に形成させる必要があり、プロセス的にもコスト的にも非常に不利である。また、液晶層２２３に電圧を印加しない状態でレンズ効果が発生する状態、すなわち３次元表示モードとなるが、現時点では、２次元表示の使用頻度の方が高いことが容易に予想がつくため、消費電力の面で不利と考えられる。また、液晶層２２３に明確な型があるためか、また、液晶の視野角依存性のためか、２次元表示モードでの画像表示品位が悪いという問題がある。
【００１６】
一方、図１７（Ａ），（Ｂ）に示したレンズアレイを使用する場合、液晶層１０３に電圧を印加しない状態がレンズ効果が無い状態、すなわち２次元表示モードとなる。このため、２次元表示の使用頻度が高い場合には、消費電力の点では有利である。また、液晶層１０３にはレンズ状の型はないため、図１５および図１６に示したレンズアレイに比べて２次元表示モードでの画像表示品位の悪化は少ない。
【００１７】
ところで、通常、据え置き型の表示装置の場合には、画面の縦横方向の表示状態は常に固定されている。例えば画面が横に長い据え置き型の表示装置の場合には、常に横長の表示状態で固定されている。しかしながら、例えば最近の携帯電話機等のモバイル機器では、ディスプレイ部の画面の表示状態を、縦長の状態（画面の縦横比率が縦の方が大きい状態）と、横長の状態（画面の縦横比率が横の方が大きい状態）とに切り替え可能なものが開発されている。このような縦横の表示状態の切り替えは、例えば機器全体、またはディスプレイ部分を表示面内で独立して９０°回転させると共に、表示画像も９０°回転させることで実現できる。ここで、このような縦横切り替え可能な機器において、３次元表示を行うことを考える。液晶レンズを用いない樹脂成型されたシリンドリカルレンズアレイによって３次元表示を行う方式の場合、通常、２次元表示装置の表示面に対してシリンドリカルレンズアレイは固定されている。このため、縦横のいずれか一方の表示状態でしか正常に３次元表示を行うことができない。例えば横長の表示状態で正常に３次元表示を行えるようにシリンドリカルレンズアレイを配置した場合、縦長の表示状態では、上下方向に屈折力を持つが左右方向には屈折力を持たない状態になるので、正常に立体視を行うことができない。従来の液晶レンズによるシリンドリカルレンズアレイを用いた場合にも、同様の問題が生ずる。すなわち、従来では、液晶レンズを用いて２次元表示モードと３次元表示モードとを切り替えることができるが、３次元表示モードでは縦横の表示状態の切り替えに応じた適切な表示切り替えを行うことができない。
【００１８】
また、特許文献１に記載の液晶レンズのように液晶層の片側を２層の電極構造とする場合には、２層に電極を配置する必要があり、非常にプロセス的にもコスト的にも不利となる。また、デバイス構造としてみると、上下の基板で上の基板側の２層の電極を隔てる誘電体膜分、電気的に非対象構造となっている。この状態を極言すると、上側だけ厚い配向膜を付けたものと同じとなり、液晶の焼付き現象が増長されるなどの問題を引き起こすことが自明である。
【００１９】
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、シリンドリカルレンズ状のレンズ効果を２つの方向に容易に切り替えることができるようにしたレンズアレイ素子、およびそのレンズアレイ素子を用いた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】
【００２０】
本発明によるレンズアレイ素子は、間隔を空けて互いに対向配置された第１および第２の基板と、第１の基板上における第２の基板に対向する側に形成され、第１の方向に延在する複数の透明電極が幅方向に間隔を空けて並列配置されてなる第１の電極群と、第２の基板上における第１の基板に対向する側に形成され、第１の方向とは異なる第２の方向に延在する複数の透明電極が幅方向に間隔を空けて並列配置されてなる第２の電極群と、第１の基板と第２の基板との間に配置され、屈折率異方性を有する液晶分子を含み、第１の電極群と第２の電極群とに印加される電圧に応じて液晶分子の配列方向が変化することでレンズ効果が発生する液晶層とを備えている。そして、液晶層が、第１の電極群と第２の電極群とに印加される電圧の状態に応じて、レンズ効果の無い状態と、第１の方向に延在するような第１のシリンドリカルレンズ状のレンズ効果が発生する第１のレンズ状態と、第２の方向に延在するような第２のシリンドリカルレンズ状のレンズ効果が発生する第２のレンズ状態との３つの状態に電気的に切り替わるようになされているものである。
【００２１】
本発明によるレンズアレイ素子では、液晶層が、第１の電極群と第２の電極群とに印加される電圧の状態に応じて、レンズ効果の無い状態と、第１の方向に延在するような第１のシリンドリカルレンズ状のレンズ効果が発生する第１のレンズ状態と、第２の方向に延在するような第２のシリンドリカルレンズ状のレンズ効果が発生する第２のレンズ状態との３つの状態に電気的に切り替わる。例えば、液晶層をレンズ効果の無い状態にする場合には、第１の電極群を構成する複数の透明電極と第２の電極群を構成する複数の透明電極とがすべて同電位となるような電圧状態とする。第１のレンズ状態にする場合には、第２の電極群を構成する複数の透明電極のすべてに共通の電圧を印加すると共に、第１の電極群を構成する複数の透明電極のうち、第１のシリンドリカルレンズのレンズピッチに相当する位置にある透明電極のみに選択的に駆動電圧を印加する。第２のレンズ状態にする場合には、第１の電極群を構成する複数の透明電極のすべてに共通の電圧を印加すると共に、第２の電極群を構成する複数の透明電極のうち、第２のシリンドリカルレンズのレンズピッチに相当する位置にある透明電極のみに選択的に駆動電圧を印加する。
【００２２】
本発明による画像表示装置は、２次元的に画像表示を行う表示パネルと、表示パネルの表示面側に対向配置され、表示パネルからの光線の通過状態を選択的に変化させるレンズアレイ素子とを備えている。そして、そのレンズアレイ素子を、上記本発明のレンズアレイ素子で構成したものである。
【００２３】
本発明による画像表示装置では、レンズアレイ素子を、レンズ効果の無い状態と、第１のレンズ状態および第２のレンズ状態とに適切に切り替えることにより、例えば２次元表示と３次元表示との電気的な切り替えが可能となる。例えば、レンズアレイ素子をレンズ効果の無い状態として、表示パネルからの表示画像光を偏向させることなく透過させることで２次元表示を行う。また、レンズアレイ素子を第１のレンズ状態として、表示パネルからの表示画像光を第１の方向に直交する方向に偏向させることで、第１の方向に直交する方向に両眼を置いたときに立体感が得られるような３次元表示を行う。また、レンズアレイ素子を第２のレンズ状態として、表示パネルからの表示画像光を第２の方向に直交する方向に偏向させることで、第２の方向に直交する方向に両眼を置いたときに立体感が得られるような３次元表示を行う。
【発明の効果】
【００２４】
本発明のレンズアレイ素子によれば、液晶層を挟んで第１の電極群と第２の電極群とを対向配置し、かつ、第１の電極群と第２の電極群とを異なる２方向に延在する複数の透明電極で構成し、それら第１の電極群と第２の電極群とに印加する電圧の状態を適切に制御することで液晶層におけるレンズ効果を適切に制御するようにしたので、レンズ効果の有無を容易に電気的に切り替えることができる。また、シリンドリカルレンズ状のレンズ効果を２つの方向に容易に電気的に切り替えることができる。
【００２５】
本発明の画像表示装置によれば、表示パネルからの光線の通過状態を選択的に変化させる光学デバイスとして、本発明のレンズアレイ素子を用いるようにしたので、例えば２次元表示と３次元表示との電気的な切り替えを容易に行うことができる。また、例えば３次元表示を行う場合の表示方向を、異なる２方向に容易に電気的に切り替えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るレンズアレイ素子の一構成例を示す断面図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係るレンズアレイ素子の電極部分の構成例を示す斜視図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態に係るレンズアレイ素子における電圧印加の状態と発生するレンズ効果との対応関係を、電極の接続関係と共に示す説明図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態に係るレンズアレイ素子におけるレンズ効果の切り替え状態をシリンドリカルレンズで光学的に等価に示した説明図である。
【図５】本発明の第１の実施の形態に係る画像表示装置における表示状態の切り替え例を示した説明図である。
【図６】本発明の第２の実施の形態に係るレンズアレイ素子における電圧印加の状態と発生するレンズ効果との対応関係を、電極の接続関係と共に示す説明図である。
【図７】本発明の第２の実施の形態に係るレンズアレイ素子における各電極の電圧印加の状態と発生するレンズ効果との対応関係を示す説明図である。
【図８】本発明の第２の実施の形態に係るレンズアレイ素子における駆動電圧を示す波形図であり、（Ａ）は第１の駆動電圧の波形、（Ｂ）は第２の駆動電圧の波形を示す。
【図９】第２のレンズ状態（Ｙ方向シリンドリカルレンズ）での上下方向の電極間電位を示す波形図であり、（Ａ）は第２の電極群２４の第１の電極２１Ｙに対応する部分の電圧波形、（Ｂ）は第２の電極２２Ｙに対応する部分の電圧波形を示す。
【図１０】第１のレンズ状態（Ｘ方向シリンドリカルレンズ）での上下方向の電極間電位を示す波形図であり、（Ａ）は第１の電極群１４の第１の電極１１Ｘに対応する部分の電圧波形、（Ｂ）は第２の電極１２Ｘに対応する部分の電圧波形を示す。
【図１１】本発明の一実施例に係る画像表示装置の構成を示す断面図である。
【図１２】本発明の一実施例に係る画像表示装置における画像表示面の画素構成を示す平面図である。
【図１３】本発明の一実施例に係る画像表示装置におけるレンズアレイ素子の電極の大きさを示す平面図である。
【図１４】本発明の一実施例に係る画像表示装置の３次元表示の見え方の評価の説明図である。
【図１５】液晶レンズによる切り替え式のレンズアレイの第１の構成例を示し、レンズ効果の無い状態での断面図である。
【図１６】液晶レンズによる切り替え式のレンズアレイの第１の構成例を示し、レンズ効果を発生させた状態での断面図である。
【図１７】液晶レンズによる切り替え式のレンズアレイの第２の構成例を示す断面図であり、（Ａ）はレンズ効果の無い状態、（Ｂ）はレンズ効果を発生させた状態を示す。
【図１８】図１７に示した液晶レンズにおける電極部分の構成例を示す断面図である。
【図１９】図１７に示した液晶レンズにおける電極部分の構成例を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００２８】
＜第１の実施の形態＞
［レンズアレイ素子および画像表示装置の全体構成］
図１は、本発明の第１の実施の形態に係るレンズアレイ素子１の一構成例を示している。このレンズアレイ素子１は、間隔ｄを空けて互いに対向配置された第１の基板１０および第２の基板２０と、それら第１の基板１０および第２の基板２０の間に配置された液晶層３とを備えている。第１の基板１０および第２の基板２０は、例えばガラス材料または樹脂材料よりなる透明基板である。第１の基板１０上における第２の基板２０に対向する側には、第１の方向に延在する複数の透明電極が幅方向に間隔を空けて並列配置されてなる第１の電極群１４が形成されている。第１の基板１０上にはまた、第１の電極群１４を介して配向膜１３が形成されている。第２の基板２０上における第１の基板１０に対向する側には、第１の方向とは異なる第２の方向に延在する複数の透明電極が幅方向に間隔を空けて並列配置されてなる第２の電極群２４が形成されている。第２の基板２０上にはまた、第２の電極群２４を介して配向膜２３が形成されている。
【００２９】
このレンズアレイ素子１は、２次元的に画像表示を行う表示パネル２と組み合わされて、例えば、２次元表示モードと３次元表示モードとの２つの表示モードを切り替えることが可能な画像表示装置を構成する。この場合、レンズアレイ素子１は、図１に示したように、表示パネル２の表示面２Ａ側に対向するように配置される。そして、レンズアレイ素子１は、表示モードに応じてレンズ効果を制御することで、表示パネル２からの光線の通過状態を選択的に変化させる。この場合、表示パネル２は、例えば液晶表示ディスプレイで構成することができる。そして、表示パネル２は、２次元表示を行う場合には２次元画像データに基づく映像表示を行い、３次元表示を行う場合には３次元画像データに基づく映像表示を行う。なお、３次元画像データとは、例えば、３次元表示における複数の視野角方向に対応した複数の視差画像を含むデータである。例えば２眼式の３次元表示を行う場合、右眼表示用と左眼表示用の視差画像のデータである。
【００３０】
液晶層３は、液晶分子５を含み、第１の電極群１４と第２の電極群２４とに印加される電圧に応じて液晶分子５の配列方向が変化することでレンズ効果が制御されるようになっている。液晶分子５は、屈折率異方性を有し、例えば長手方向と短手方向とで通過光線に対して屈折率の異なる屈折率楕円体の構造を有している。液晶層３は、第１の電極群１４と第２の電極群２４とに印加される電圧の状態に応じて、レンズ効果の無い状態と、第１のレンズ状態と、第２のレンズ状態との３つの状態に電気的に切り替わるようになっている。第１のレンズ状態は、第１の方向に延在するような第１のシリンドリカルレンズ状のレンズ効果が発生する状態である。第２のレンズ状態は、第２の方向に延在するような第２のシリンドリカルレンズ状のレンズ効果が発生する状態である。なお、このレンズアレイ素子１において、２つの異なる方向にレンズ効果が切り替わって発生することを除いて、そのレンズ効果発生の基本原理は、図１７（Ａ），（Ｂ）に示した液晶レンズと同様である。
【００３１】
以下、本実施の形態では、上記第１の方向を図１のＸ方向（紙面の横方向）、上記第２の方向を図１のＹ方向（紙面に直交する方向）として説明する。Ｘ方向とＹ方向は、基板面内で互いに直交する方向である。
【００３２】
［レンズアレイ素子１の電極構造］
図２は、このレンズアレイ素子１の電極構造の一構成例を示している。なお、図２では、図１９に示した従来の電極構造との違いを分かりやすくするため、第１の基板１０を上側に、第２の基板２０を下側にして、図１とは上下を逆にした状態で図示している。
【００３３】
第１の電極群１４は、複数の透明電極として、異なる電極幅を有する２種類の電極を交互に並列配置した構成とされている。すなわち、第１の電極群１４は、Ｘ方向第１電極（第１の電極１１Ｘ）と、Ｘ方向第２電極（第２の電極１２Ｘ）とをそれぞれ複数有し、それら第１の電極１１Ｘと第２の電極１２Ｘとが交互に並列配置された構成とされている。第１の電極１１Ｘは、第１の幅Ｌｙを有して第１の方向（Ｘ方向）に延在している。第２の電極１２Ｘは、第１の幅Ｌｙよりも大きい第２の幅Ｓｙを有して第１の方向に延在している。第１の電極１１Ｘは、レンズ効果として発生する第１のシリンドリカルレンズのレンズピッチｐに相当する周期間隔で、複数、並列配置されている。第１の電極１１Ｘと第２の電極１２Ｘは、間隔ａの幅を空けて配置されている。
【００３４】
第２の電極群２４も同様に、複数の透明電極として、異なる電極幅を有する２種類の電極を交互に並列配置した構成とされている。すなわち、第２の電極群２４は、Ｙ方向第１電極（第１の電極２１Ｙ）と、Ｙ方向第２電極（第２の電極２２Ｙ）とをそれぞれ複数有し、それら第１の電極２１Ｙと第２の電極２２Ｙとが交互に並列配置された構成とされている。第１の電極２１Ｙは、第１の幅Ｌｘを有して第２の方向（Ｙ方向）に延在している。第２の電極２２Ｙは、第１の幅Ｌｘよりも大きい第２の幅Ｓｘを有して第２の方向に延在している。第１の電極２１Ｙは、レンズ効果として発生する第２のシリンドリカルレンズのレンズピッチｐに相当する周期間隔で、複数、並列配置されている。第２の電極２１Ｙと第２の電極２２Ｙは、間隔ａの幅を空けて配置されている。
【００３５】
［レンズアレイ素子の製造］
このレンズアレイ素子１の製造を行う場合、まず、例えばガラス材料または樹脂材料よりなる第１の基板１０および第２の基板２０のそれぞれに、例えばＩＴＯ膜などの透明導電膜を所定のパターンで形成して第１の電極群１４および第２の電極群２４を形成する。配向膜１３，２３は、ポリイミド等の高分子化合物を布で一方向に擦るラビング法や、ＳｉＯ等の斜方蒸着法により形成する。これにより、液晶分子５の長軸を一方向に配向させる。配向膜１３，２３上には、第１の基板１０と第２の基板２０との間隔ｄを一様に保つために、シール材にガラス材料または樹脂材料からなるスペーサ４を分散させたものを印刷する。そして、第１の基板１０と第２の基板２０とを貼り合わせ、スペーサ入りのシール材を硬化させる。その後に、公知のＴＮ、ＳＴＮ等の液晶材料を、シール材開口部から第１の基板１０と第２の基板２０との間に注入し、シール材開口部を封止する。そして、液晶組成物を等方相まで加熱してから、徐冷することにより、レンズアレイ素子１を完成させる。なお、本実施の形態においては、液晶分子５の屈折率異方性Δｎが大きいほど、より大きいレンズ効果が得られるので、液晶材料をそのような内容組成にすることが好ましい。一方で、屈折率異方性Δｎが大きい液晶組成物の場合、却って液晶組成物の物性を損ね、粘性が増加してしまうことによる基体間への注入が困難となったり、低温では結晶に近い状態になったり、内部電界が増大し、液晶素子の駆動電圧が高くなってしまうことがある。このため、製造性とレンズ効果との双方を考慮した内容組成にすることが好ましい。
【００３６】
［レンズアレイ素子の制御動作］
次に、図３および図４（Ａ）〜（Ｃ）を参照して、このレンズアレイ素子１の制御動作（レンズ効果の制御動作）を説明する。図３は、レンズアレイ素子１における電圧印加の状態と発生するレンズ効果との対応関係を、電極の接続関係と共に示している。図４（Ａ）〜（Ｃ）は、レンズアレイ素子１で発生するレンズ効果を光学的に等価に示している。
【００３７】
このレンズアレイ素子１では、液晶層３が、第１の電極群１４と第２の電極群２４とに印加される電圧の状態に応じて、レンズ効果の無い状態と、第１のレンズ状態と、第２のレンズ状態との３つの状態に電気的に切り替わる。第１のレンズ状態は、第１の方向（Ｘ方向）に延在するような第１のシリンドリカルレンズ状のレンズ効果が発生する状態である。第２のレンズ状態は、第２の方向（Ｙ方向）に延在するような第２のシリンドリカルレンズ状のレンズ効果が発生する状態である。
【００３８】
このレンズアレイ素子１では、液晶層３をレンズ効果の無い状態にする場合には、第１の電極群１４を構成する複数の透明電極と第２の電極群２４を構成する複数の透明電極とがすべて同電位（０Ｖ）となるような電圧状態とする（図３の中央段に示した状態）。この場合、図１７（Ａ）に示した場合と同様の原理で、液晶分子５が配向膜１３，２３によって規定される所定の方向に一様に配列されるので、レンズ効果の無い状態となる。
【００３９】
また、液晶層３を第１のレンズ状態にする場合には、液晶層３を挟む上下の透明電極間で、第１の電極群１４の第１の電極１１Ｘに対応する部分において、液晶分子５の配列に変化を生じさせることが可能となるような所定の電位差が生じるようにする。例えば、第２の電極群２４を構成する複数の透明電極（第１の電極２１Ｙおよび第２の電極２２Ｙ）のすべてに共通の電圧を印加する。かつ、第１の電極群１４を構成する複数の透明電極（第１の電極１１Ｘおよび第２の電極１２Ｘ）のうち第１の電極１１Ｘのみに選択的に所定の駆動電圧を印加する（図３の下段に示した状態）。第２の電極群２４を構成する複数の透明電極（第１の電極２１Ｙおよび第２の電極２２Ｙ）のすべてに共通の電圧を印加する。かつ、第１の電極群１４を構成する複数の透明電極（第１の電極１１Ｘおよび第２の電極１２Ｘ）のうち第１の電極１１Ｘのみに選択的に所定の駆動電圧を印加する（図３の下段に示した状態）。この場合、図１７（Ｂ）に示した場合と同様の原理で、液晶層３内での電界分布に偏りが生ずる。すなわち、第１の電極１１Ｘが形成されている領域に対応する部分では駆動電圧に応じて電界強度が強くなり、第１の電極１１Ｘから離れるほど電界強度が弱くなるような電界が発生する。すなわち、第２の方向（Ｙ方向）にレンズ効果が発生するように電界分布が変化する。すなわち、等価的には、図４（Ｂ）に示したように、Ｘ方向に延在しＹ方向に屈折力のある第１のシリンドリカルレンズ（Ｘ方向シリンドリカルレンズ）３１Ｘが、Ｙ方向に複数、並列配置されたようなレンズ状態となる。この場合には、第１の電極群１４のうち、第１のシリンドリカルレンズ３１Ｘのレンズピッチｐに相当する位置にある透明電極（第１の電極１１Ｘ）のみに選択的に電圧が印加されていることになる。
【００４０】
また、液晶層３を第２のレンズ状態にする場合には、液晶層３を挟む上下の透明電極間で、第２の電極群２４の第１の電極２１Ｙに対応する部分において、液晶分子５の配列に変化を生じさせることが可能となるような所定の電位差が生じるようにする。例えば、第１の電極群１４を構成する複数の透明電極のすべてに共通の電圧を印加する。かつ、第２の電極群２４を構成する複数の透明電極のうち第１の電極２１Ｙのみに選択的に所定の駆動電圧を印加する（図３の上段に示した状態）。この場合、図１７（Ｂ）に示した場合と同様の原理で、液晶層３内での電界分布に偏りが生ずる。すなわち、第１の電極２１Ｙが形成されている領域に対応する部分では駆動電圧に応じて電界強度が強くなり、第１の電極２１Ｙから離れるほど電界強度が弱くなるような電界が発生する。すなわち、第１の方向（Ｘ方向）にレンズ効果が発生するように電界分布が変化する。すなわち、等価的には、図４（Ａ）に示したように、Ｙ方向に延在しＸ方向に屈折力のある第２のシリンドリカルレンズ（Ｙ方向シリンドリカルレンズ）３１Ｙが、Ｘ方向に複数、並列配置されたようなレンズ状態となる。この場合には、第２の電極群２４のうち、第２のシリンドリカルレンズ３１Ｙのレンズピッチｐに相当する位置にある透明電極（第１の電極２１Ｙ）のみに選択的に電圧が印加されていることになる。
【００４１】
なお、第１の電極群１４と第２の電極群２４とで、電極幅（Ｌｙ，Ｌｘ等）や電極間の間隔ａを同じに構成しても良い（Ｌｙ＝Ｌｘ等にする）。この場合、方向が異なるのみでレンズピッチｐが同じ、かつ同じ屈折力を持ったシリンドリカルレンズの効果を発生させることができる。逆にいうと、第１の電極群１４と第２の電極群２４とで、電極幅や電極間の間隔ａを異なる構成にすることで、第１のレンズ状態と第２のレンズ状態とで、異なるレンズピッチを有するシリンドリカルレンズの効果を発生させることができる。
【００４２】
［画像表示装置の制御動作］
さらに、図５を参照して、このレンズアレイ素子１を用いた画像表示装置の制御動作を説明する。図５は、画像表示装置における表示状態の切り替え例を示している。ここでは、画像表示装置を、例えばモバイル機器のように画面の表示状態を縦長の状態と横長の状態とに切り替え可能なものに適用する場合を例に説明する。かつ、画像表示装置が２次元表示モードと３次元表示モードとに切り替えることができる場合を例に説明する。
【００４３】
この画像表示装置では、レンズアレイ素子１を、上記したような、レンズ効果の無い状態と、第１のレンズ状態および第２のレンズ状態とに適切に切り替えることにより、２次元表示と３次元表示との電気的な切り替えを行う。例えば、レンズアレイ素子１をレンズ効果の無い状態として、表示パネル２からの表示画像光を偏向させることなく透過させることで２次元表示を行う。図５（Ｃ）は画面の表示状態を横長にした状態で２次元表示を行った画面例、図５（Ｄ）は縦長にした状態で２次元表示を行った画面例を示している。
【００４４】
また、レンズアレイ素子１を第１のレンズ状態として、表示パネル２からの表示画像光を第１の方向（Ｘ方向）に直交する方向（Ｙ方向）に偏向させることで、第１の方向に直交する方向に両眼を置いたときに立体感が得られるような３次元表示を行う。これは、図５（Ｂ）に示したように画面の表示状態を縦長にした状態で３次元表示を行った場合に相当する。この状態では、レンズ効果としては図４（Ｃ）に示したような状態（図４（Ｂ）の状態を構造的に９０°回転させた状態）でレンズ効果が発生しているので、画面の表示状態を縦長にした状態で左右方向に両眼を置いたときに立体感が得られる。
【００４５】
また、レンズアレイ素子１を第２のレンズ状態として、表示パネル２からの表示画像光を第２の方向（Ｙ方向）に直交する方向（Ｘ方向）に偏向させることで、第２の方向に直交する方向に両眼を置いたときに立体感が得られるような３次元表示を行う。これは、図５（Ａ）に示したように画面の表示状態を横長にした状態で３次元表示を行った場合に相当する。この状態では、レンズ効果としては図４（Ａ）に示したような状態でレンズ効果が発生しているので、画面の表示状態を横長にした状態で左右方向に両眼を置いたときに立体感が得られる。
【００４６】
以上説明したように、本実施の形態に係るレンズアレイ素子１によれば、第１の電極群１４と第２の電極群２４とに印加する電圧の状態を適切に制御することで液晶層３におけるレンズ効果を適切に制御するようにした。これにより、レンズ効果の有無を容易に電気的に切り替えることができる。また、シリンドリカルレンズ状のレンズ効果を２つの方向に容易に電気的に切り替えることができる。このレンズアレイ素子１では、液晶層３を挟んで対向する電極の構造が１層の構造となっているので、特許文献１に記載の液晶レンズのように液晶層の片側を２層の電極構造にした場合に比べて、プロセス的にもコスト的にも有利である。さらに、２層の電極構造にした場合のような、液晶の焼付き現象を抑えることができる。
【００４７】
また、本実施の形態に係る画像表示装置によれば、表示パネル２からの光線の通過状態を選択的に変化させる光学デバイスとして、レンズアレイ素子１を用いるようにしたので、２次元表示と３次元表示との電気的な切り替えを容易に行うことができる。また、３次元表示を行う場合の表示方向を、異なる２方向に容易に電気的に切り替えることができる。
【００４８】
＜第２の実施の形態＞
次に、本発明の第２の実施の形態に係るレンズアレイ素子および画像表示装置について説明する。なお、上記第１の実施の形態に係るレンズアレイ素子１および画像表示装置と実質的に同一の構成部分には同一の符号を付し、適宜説明を省略する。
【００４９】
上記第１の実施の形態に係るレンズアレイ素子１において、上下の透明電極間での駆動電圧の印加状態を図３に示したような駆動方法で実施した場合、経時的にレンズ形状（液晶分子５の配向状態）が変化し、所望のレンズ状態に制御できなくなるおそれがある。特に、より高精細化させ、かつ応答速度を速くさせる等の目的で、電極間ギャップ（基板間隔ｄ）を狭くした場合、所望のレンズ状態に制御できなくなる可能性が高い。例えば図３の上段に示した状態では、第２の電極群２４のうち第１の電極２１Ｙのみを例えば外部駆動回路に接続して選択的に所定の駆動電圧を印加しているが、第２の電極２２Ｙは回路的に切り離され、フローティングした状態となってしまっている。この場合、連続動作させていくと、第２の電極２２Ｙの部分がフローティングしているために、その部分の液晶分子５の配向が初期状況からかけ離れ、制御できていない状況となるおそれがある。図３の上段に示した状態に対して良好なレンズ状態を維持するためには、第２の電極２２Ｙの部分はあたかも電極がないような振る舞いをさせ、かつ回路的にフローティングさせない状況を作り出す必要がある。本実施の形態は、上記第１の実施の形態に係るレンズアレイ素子１に対する駆動方法の改善に関する。レンズアレイ素子および画像表示装置としての基本的な構成は、上記第１の実施の形態と同様であるため、以下、駆動方法に関する部分のみ説明する。
【００５０】
図６は、本実施の形態に係るレンズアレイ素子における電圧印加の状態と発生するレンズ効果との対応関係を、電極の接続関係と共に示している。本実施の形態において、第１１の電極群１４を構成する複数の透明電極（第１の電極１１Ｘおよび第２の電極１２Ｘ）はそれぞれ、一端が、第１の外部駆動回路としてのＸ方向信号発生器（第１の駆動信号発生器４０Ｘ）に接続可能とされている。また、第２の電極群２４を構成する複数の透明電極（第１の電極２１Ｙおよび第２の電極２２Ｙ）はそれぞれ、一端が、第２の外部駆動回路としてのＹ方向信号発生器（第２の駆動信号発生器４０Ｙ）に接続可能とされている。
【００５１】
図７は、このレンズアレイ素子における各電極の電圧印加の状態と発生するレンズ効果との対応関係を示している。図８（Ａ）は、このレンズアレイ素子においてレンズ効果を発生させる場合に、第１の駆動信号発生器４０Ｘが発生する駆動信号（第１の駆動電圧（振幅Ｖｘ））の電圧波形の一例を示している。図８（Ｂ）は、第２の駆動信号発生器４０Ｙが発生する駆動信号（第２の駆動電圧（振幅Ｖｙ））の電圧波形の一例を示している。第１の駆動信号発生器４０Ｘと第２の駆動信号発生器４０Ｙは、例えば３０Ｈｚ以上の矩形波の信号を発生する。図８（Ａ），（Ｂ）に示したように、第１の駆動信号発生器４０Ｘと第２の駆動信号発生器４０Ｙは、電圧振幅がほぼ同じ（Ｖｘ＝Ｖｙ）で、互いの位相が１８０°異なる駆動信号を発生する。
【００５２】
図９（Ａ），（Ｂ）は、本実施の形態における第２のレンズ状態（図６の上段、Ｙ方向シリンドリカルレンズ）での上下方向の電極間電位を示している。特に、図９（Ａ）は第２の電極群２４の第１の電極２１Ｙに対応する部分の電圧波形、図９（Ｂ）は第２の電極２２Ｙに対応する部分の電圧波形を示している。第２のレンズ状態にする場合には、液晶層３を挟む上下の透明電極間で、第２の電極群２４の第１の電極２１Ｙに対応する部分において、液晶分子５の配列に変化を生じさせることが可能となるような所定の電位差が生じるようにする。まず、第１の電極群１４を構成する複数の透明電極の一端をそれぞれ、第１の駆動信号発生器４０Ｘに接続し、すべてに共通の電圧（第１の駆動電圧（振幅Ｖｘ））を印加する。また、第２の電極群２４を構成する複数の透明電極のうち第１の電極２１Ｙのみを第２の駆動信号発生器４０Ｙに接続し、選択的に所定の駆動電圧（第２の駆動電圧（振幅Ｖｙ））を印加する。かつ、第２の電極群２４を構成する複数の透明電極のうち第２の電極２２Ｙを接地する。これにより、図３の上段の状態に比べて、第２の電極２２Ｙが回路的にフローティングとなることが防止される。ここで、第１の駆動信号発生器４０Ｘと第２の駆動信号発生器４０Ｙは図８（Ａ），（Ｂ）に示したように電圧振幅がほぼ同じで、互いの位相が１８０°異なる矩形波の駆動信号を発生する。このため、第２の電極群２４の第１の電極２１Ｙと、その第１の電極２１Ｙに対応する部分に存在する第１の電極群１４との電極間には、図９（Ａ）に示したように、（Ｖｘ＋Ｖｙ）の振幅電圧を有する矩形波が印加されることになる。一方、第２の電極群２４の第２の電極２２Ｙと、その第２の電極２２Ｙに対応する部分に存在する第１の電極群１４との電極間には、図９（Ｂ）に示したように、Ｖｘ＝Ｖｙ＝（Ｖｘ＋Ｖｙ）／２の振幅電圧を有する矩形波が印加されることになる。このとき、第２の電極２２Ｙに対応する部分では、その振幅電圧が液晶の閾値電圧以下であれば、液晶分子５の動きが実際には起きないが、第２の電極２２Ｙによる横電界によって初期の液晶分子５の配向分布すなわち屈折率分布を引き起こすことができる。
【００５３】
図１０（Ａ），（Ｂ）は、本実施の形態における第１のレンズ状態（図６の下段、Ｘ方向シリンドリカルレンズ）での上下方向の電極間電位を示している。特に、図１０（Ａ）は第１の電極群１４の第１の電極１１Ｘに対応する部分の電圧波形、図１０（Ｂ）は第２の電極１２Ｘに対応する部分の電圧波形を示している。第１のレンズ状態にする場合には、液晶層３を挟む上下の透明電極間で、第１の電極群１４の第１の電極１１Ｘに対応する部分において、液晶分子５の配列に変化を生じさせることが可能となるような所定の電位差が生じるようにする。まず、第２の電極群２４を構成する複数の透明電極の一端をそれぞれ、第２の駆動信号発生器４０Ｙに接続し、すべてに共通の電圧（第２の駆動電圧（振幅Ｖｙ））を印加する。また、第１の電極群１４を構成する複数の透明電極のうち第１の電極１１Ｘのみを第１の駆動信号発生器４０Ｘに接続し、選択的に所定の駆動電圧（第１の駆動電圧（振幅Ｖｘ））を印加する。かつ、第１の電極群１４を構成する複数の透明電極のうち第２の電極１２Ｘを接地する。これにより、図３の下段の状態に比べて、第２の電極１２Ｘが回路的にフローティングとなることが防止される。ここで、第１の駆動信号発生器４０Ｘと第２の駆動信号発生器４０Ｙは図８（Ａ），（Ｂ）に示したように電圧振幅がほぼ同じで、互いの位相が１８０°異なる矩形波の駆動信号を発生する。このため、第１の電極群１４の第１の電極１１Ｘと、その第１の電極１１Ｘに対応する部分に存在する第２の電極群２４との電極間には、図１０（Ａ）に示したように、（Ｖｘ＋Ｖｙ）の振幅電圧を有する矩形波が印加されることになる。一方、第１の電極群１４の第２の電極１２Ｘと、その第２の電極１２Ｘに対応する部分に存在する第２の電極群２４との電極間には、図１０（Ｂ）に示したように、Ｖｘ＝Ｖｙ＝（Ｖｘ＋Ｖｙ）／２の振幅電圧を有する矩形波が印加されることになる。このとき、第２の電極１２Ｘに対応する部分では、その振幅電圧が液晶の閾値電圧以下であれば、液晶分子５の動きが実際には起きないが、第２の電極１２Ｘによる横電界によって初期の液晶分子５の配向分布すなわち屈折率分布を引き起こすことができる。
【００５４】
液晶層３をレンズ効果の無い状態にする場合には、第１の電極群１４を構成する複数の透明電極と第２の電極群２４を構成する複数の透明電極とがすべて同電位（０Ｖ）となるような電圧状態とする（図６の中央段に示した状態）。すなわち、各電極を接地する。この場合、図１７（Ａ）に示した場合と同様の原理で、液晶分子５が配向膜１３，２３によって規定される所定の方向に一様に配列されるので、レンズ効果の無い状態となる。
【００５５】
このように、本実施の形態に係るレンズアレイ素子によれば、レンズ効果を発生させる場合に、回路的にフローティングとならないような駆動を行うようにしたので、経時的なレンズ形状（液晶分子５の配向状態）の変化を防止することができる。これにより、連続的に所望のレンズ状態となるような制御を行うことができる。
【実施例】
【００５６】
次に、本実施の形態に係るレンズアレイ素子１を用いた画像表示装置の具体的な実施例について説明する。
【００５７】
図１１は、本実施例に係る画像表示装置の構成を示している。本実施例では、レンズアレイ素子１の第１の基板１０および第２の基板２０として、ガラス基板にＩＴＯからなる透明電極を設けた電極基板を用いた。そして、周知のフォトリソグラフィ法ならびにウェットエッチングもしくはドライエッチング法により、第１の電極群１４（第１の電極１１Ｘ、第２の電極１２Ｘ）および第２の電極群２４（第１の電極２１Ｙ、第２の電極２２Ｙ）の電極形状をパターンニングした。その電極上にポリイミドをそれぞれスピンコートして焼成し、各配向膜１３，２３を形成した。材料の焼成後には、各配向膜１３，２３の表面をラビング処理し、さらにはＩＰＡ等で洗浄−加熱乾燥させた。冷却後、ラビング方向が向き合うように第１の基板１０および第２の基板２０を約３０〜５０μｍの間隔ｄで貼り合わせた。この間隔ｄは、スペーサを全面に分散させることにより保持した。その後、シール材開口部から真空注入法によって、液晶材料を注入し、シール材開口部を封止した。そして、等方相まで液晶セルを加熱してから徐冷した。本実施例で用いた液晶材料は代表的なネマティック液晶であるＭＢＢＡ（p-methoxybenzylidene-p'-butylaniline）を用いた。屈折率異方性Δｎの値は、２０℃で０．２５５である。
【００５８】
【化１】
2010170068.tif 000003
【００５９】
表示パネル２としては、１画素の大きさが７０．５μｍのＴＦＴ−ＬＣＤパネルを用いた。この表示パネル２は、Ｒ（赤色）用画素、Ｇ（緑色）用画素、およびＢ（青色）用画素からなる画素を複数有し、それら複数の画素がマトリクス状に配置されている。また、レンズアレイ素子１によって形成されるシリンドリカルレンズのピッチｐに対して、表示パネル２の画素数を２以上Ｎ個というように、整数倍にした。このＮ個分、３次元表示における光線数（視線数）を提示することになる。
【００６０】
以下の表１に、実施例１〜６として設定した設計パラメータの値を示す。Ｎは表示パネル２のレンズピッチｐに対する画素数を示す。電極幅Ｌｘ，Ｓｘ，Ｌｙ，Ｓｙ、電極間隔ａ，基板間隔ｄの意味は、図２に示した通りである。なお、本発明の構成は、以下に示す実施例の設計パラメータの値に限定されるものではない。
【００６１】
【表１】
2010170068.tif 000004
【００６２】
実施例１〜６では、表示パネル２として、図１２に示したような３インチＷＶＧＡ（８６４×４８０画素）のものを用いた。図１３（Ａ），（Ｂ）は、図１２に示した表示パネル２の画素構成に対応するレンズアレイ素子１の電極構造を示している。図１３（Ａ）は第１の基板１０側、図１３（Ｂ）は第２の基板２０側の電極構造を示している。
【００６３】
図１４は、本実施例での３次元表示の見え方の評価の概念を示している。３次元表示品位の良し悪しを判断する明確な試験手段がないため、本実施例では、簡略的に以下のような評価によって、３次元表示として認識できるかどうかの判断基準とした。図１４の例では、レンズアレイ素子１によって発生する１つのシリンドリカルレンズに対して、青色２画素、赤色２画素の計４画素分が対応している。これは実施例１〜３に相当するイメージ図である。これに対して、実施例４〜６では、各シリンドリカルレンズに対して、青色１画素、赤色１画素の計２画素分が対応している。なお、図１４は概念図であり、図１１および図１２に示したものとは画素形状等が異なるような図示をしている。
【００６４】
概念的に図１４に示したように、表示パネル２に対して、右眼と左眼にそれぞれ青と赤の色が見えるように表示パターンを出力する。左右の眼の位置に相当するところにカメラを配置し、それを撮影し、それぞれ、赤と青に分離して見えるかどうかを判断基準とした。表示画面が横長で見たときと縦長でみたときとで、同様に評価した。なお、駆動振幅電圧を少しずつ上げ、その電圧を上げてもほとんど視認性が変わらなくなってくる領域があり、飽和直前の電圧値を駆動電圧とする。また、０Ｖを印加することで、３次元表示モードから２次元表示モードへと変化するのときの時間（２Ｄ切替応答時間）を観測した。結果を表２に示す。表２において、◎は十分に赤と青に分離して見えたことを示す。△は、赤と青に分離する限界の状態のように見えたことを示す。○は、それらの中間の見え方をしたことを示す。
【００６５】
本実施例において、レンズアレイ素子１における電圧印加の状態と発生するレンズ効果との対応関係は図３または図６に示したものと同じである。電圧印加に用いる外部電源として、３０Ｈｚ以上の矩形波を用いることを標準とする。その際の振幅電圧は５Ｖ〜１０Ｖ程度であり、シリンドリカルレンズのピッチや上下電極基板のギャップなどに応じ、調整する。基板間隔ｄが厚くなるほど、振幅電圧は高く設定する必要がある。上述したように、図６に示した第２の駆動方法による場合、第１の駆動信号発生器４０Ｘと第２の駆動信号発生器４０Ｙとで、電圧振幅がほぼ同じ（Ｖｘ＝Ｖｙ）で、互いの位相が１８０°異なる駆動信号を発生する。図３に示した第１の駆動方法による場合、各レンズ状態で各電極に印加する矩形波の電圧振幅ＶはＶ＝２Ｖｘ＝２Ｖｙとする。
【００６６】
【表２】
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【００６７】
図３に示した第１の駆動方法による場合と図６に示した第２の駆動方法による場合とで、基本的な見え方の評価は同じであり、表２に示したとおりである。ただし、連続的な駆動を行った場合に、第１の駆動方法と第２の駆動方法とで、液晶分布の状態に経時変化（レンズ形状の経時変化）が生じた。この駆動方法の違いによる経時的な変化の評価を表３に示す。経時的に初期のレンズ形状が変化せずに良好な状態を維持しているものから、乱れが発生してしまうものまで、変化の度合いを３段階に主観評価した。表３において、○はレンズ形状の変化がほとんどないもの、×はレンズ形状に乱れが発生してしまったものであることを示す。△は、レンズ形状の変化がそれらの中間であることを示す。表３から分かるように、第１の駆動方法では、電極間ギャップ（基板間隔ｄ）が比較的狭い実施例で、経時的な変化が生じやすい傾向にある。これに対し、第１の駆動方法では、すべての実施例で、経時的な変化は生じなかった。
【００６８】
【表３】
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【００６９】
なお、２次元表示モードへの切替応答をより速くさせるためには電極間ギャップ（基板間隔ｄ）をより狭くすることが必須である。一方、レンズ効果の大きさは、屈折率異方性Δｎと基板間隔ｄとに影響される（Δｎ×ｄ）。従って、よりΔｎが大きい液晶材料を用いれば本実施例での基板間隔ｄよりも薄くすることができる。
【００７０】
＜その他の実施の形態＞
本発明は、上記各実施の形態および実施例に限定されず種々の変形実施が可能である。例えば上記各実施の形態および実施例では、レンズ効果が発生する方向を９０°切り替える場合について説明したが、切り替えの角度は９０°に限らず、任意の角度での実施が可能である。例えば、シリンドリカル状のレンズ効果が縦方向と縦方向から数度または数１０度斜めにずれた方向とに切り替えるような構成にすることも可能である。この場合、第１の電極群１４と第２の電極群２４とを、その切り替える角度に応じた角度で形成すれば良い。
【符号の説明】
【００７１】
１…レンズアレイ素子、２…表示パネル、２Ａ…表示面、３…液晶層、４…スペーサ、５…液晶分子、１０…第１の基板、１１Ｘ…第１の電極（Ｘ方向第１電極）、１２Ｘ…第２の電極（Ｘ方向第２電極）、１３，２３…配向膜、１４…第１の電極群、２０…第２の基板、２１Ｙ…第１の電極（Ｙ方向第１電極）、２２Ｙ…第２の電極（Ｙ方向第２電極）、２４…第２の電極群、３１Ｙ…第２のシリンドリカルレンズ、３１Ｘ…第１のシリンドリカルレンズ、４０Ｘ…第１の駆動信号発生器（Ｘ方向信号発生器）、４０Ｙ…第２の駆動信号発生器（Ｙ方向信号発生器）。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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