(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
出射光が偏光している画像表示装置と、
前記画像表示装置の前面側に配置される光学素子と、
前記光学素子と接続された駆動手段と、
を含み、
前記光学素子は、
第１基板と、
前記第１基板上に設けられた第１電極と、
前記第１電極上に設けられたプリズムアレイと、
前記第１電極及び前記プリズムアレイを覆って前記第１基板上に設けられており、配向処理が施された第１配向膜と、
第２基板と、
前記第２基板上に設けられた第２電極と、
前記第２電極を覆って前記第２基板上に設けられており、配向処理が施された第２配向膜と、
前記第１基板の前記第１配向膜と前記第２基板の前記第２配向膜の相互間に設けられたネマティック液晶層と、
を有し、
当該光学素子は、前記第１基板側を前記画像表示装置と向かい合わせ、且つ、前記第１配向膜に施された前記配向処理の方向と前記画像表示装置の前記出射光の偏光方向を略平行にして配置されており、
前記駆動手段は、前記第１電極及び前記第２電極の間に交流電圧を印加する、
画像表示システム。
【請求項２】
出射光が偏光している画像表示装置と、
前記画像表示装置の前面側に配置された光学素子と、
前記光学素子と接続された駆動手段と、
を含み、
前記光学素子は、
第１基板と、
前記第１基板上に設けられたプリズムアレイと、
前記プリズムアレイ上に設けられた第１電極と、
前記プリズムアレイ及び前記第１電極を覆って前記第１基板上に設けられており、配向処理が施された第１配向膜と、
第２基板と、
前記第２基板上に設けられた第２電極と、
前記第２電極を覆って前記第２基板上に設けられており、配向処理が施された第２配向膜と、
前記第１基板の前記第１配向膜と前記第２基板の前記第２配向膜の相互間に設けられたネマティック液晶層と、
を有し、
当該光学素子は、前記第１基板側を前記画像表示装置と向かい合わせ、且つ、前記第１配向膜に施された前記配向処理の方向と前記画像表示装置の前記出射光の偏光方向を略平行にして配置されており、
前記駆動手段は、前記第１電極及び前記第２電極の間に交流電圧を印加する、
画像表示システム。
【請求項３】
前記駆動手段は、前記交流電圧として、当該交流電圧の周期よりも低い周期で実効値が変動する交流電圧を印加する、請求項１又は２に記載の画像表示システム。
【請求項４】
前記画像表示装置が液晶表示装置である、請求項１〜３の何れか１項に記載の画像表示システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表示画像に視覚効果（例えば揺らぎ感）を与えることが可能な画像表示システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
特開平１０−４８５９７号公報（特許文献１）には、プリズムアレイと液晶層とを組み合わせた構成を有する光学装置を用いることにより、入射光の進行方向を変更する技術が開示されている（特許文献１の図１８等）。例えば、この光学装置を通して画像を観察したならば、当該画像を平行移動させる視覚効果が得られると考えられる。
【０００３】
ところで、特許文献１に係る光学装置を用いた場合、特定の方向に画像を平行移動させることは可能であるとしても、画像が平行移動する位置を自在に変化させることや画像に揺らぎ感（揺れるような表示）を与えること等の視覚効果を実現することは困難である。従来、このような視覚効果は、例えば表示用の画像データに対して画像処理を行うことにより実現されていた。しかし、このような画像処理を実現するには膨大なデータ演算が必要となるため、処理能力の低いプロセッサでは画像処理が間に合わず、処理能力の高いプロセッサを用いる必要がある。特に、動画に対して視覚効果を付与しようと考えた場合には、データ演算量が莫大なものとなる。このため、膨大なデータ演算を必要とせずに、比較的簡易な構成によって表示画像に視覚効果（例えば揺らぎ感）を付与し得る技術が望まれていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１０−４８５９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明に係る具体的態様は、膨大なデータ演算を必要とせずに、比較的簡易な構成によって表示画像に視覚効果（例えば揺らぎ感）を与えられる技術を提供することを目的の１つとする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る一態様の画像表示システムは、出射光が偏光している画像表示装置と、この画像表示装置の前面側に配置される光学素子と、この光学素子と接続された駆動手段を含む。光学素子は、（ａ）第１基板と、（ｂ）第１基板上に設けられた第１電極と、（ｃ）第１電極上に設けられたプリズムアレイと、（ｄ）第１電極及びプリズムアレイを覆って第１基板上に設けられており、配向処理が施された第１配向膜と、（ｅ）第２基板と、（ｆ）第２基板上に設けられた第２電極と、（ｇ）第２電極を覆って第２基板上に設けられており、配向処理が施された第２配向膜と、（ｈ）第１基板の第１配向膜と第２基板の第２配向膜との相互間に設けられたネマティック液晶層と、を有する。そして、この光学素子は、第１基板側を画像表示装置と向かい合わせ、且つ、第１配向膜に施された配向処理の方向と画像表示装置の出射光の偏光方向とを略平行にして配置される。駆動手段は、第１電極及び第２電極の間に交流電圧を印加する。
【０００７】
本発明に係る他の態様の画像表示システムは、出射光が偏光している画像表示装置と、この画像表示装置の前面側に配置される光学素子と、この光学素子と接続された駆動手段を含む。光学素子は、（ａ）第１基板と、（ｂ）第１基板上に設けられたプリズムアレイと、（ｃ）プリズムアレイ上に設けられた第１電極と、（ｄ）プリズムアレイ及び第１電極を覆って第１基板上に設けられており、配向処理が施された第１配向膜と、（ｅ）第２基板と、（ｆ）第２基板上に設けられた第２電極と、（ｇ）第２電極を覆って第２基板上に設けられており、配向処理が施された第２配向膜と、（ｈ）第１基板の第１配向膜と第２基板の第２配向膜との相互間に設けられたネマティック液晶層と、を有する。そして、この光学素子は、第１基板側を画像表示装置と向かい合わせ、且つ、第１配向膜に施された配向処理の方向と画像表示装置の出射光の偏光方向とを略平行にして配置される。駆動手段は、第１電極及び第２電極の間に交流電圧を印加する。
【０００８】
上記した各態様の画像表示システムにおいては、第１電極および第２電極を介して液晶層に電圧を印加することにより液晶分子の配列を変化させたときに、液晶層の屈折率値が変化する。このとき、微少な斜面を有するプリズムアレイと液晶層との界面を透過する光の屈折角を変化させることができる。この作用に基づき、液晶層へ印加する電圧の大きさを適宜設定し、或いは当該電圧を時間的に変化させることにより、光学素子を介して視認される画像表示装置の表示画像に多彩な視覚効果（位置移動、揺らぎ等）を与えることができる。本発明に係る光学素子は機械的作動部を有しないので、簡易な構成によって表示画像に視覚効果を与えられる。また、画像表示装置側では視覚効果を得るための膨大なデータ演算が不要である。また、画像表示装置からの出射光の偏光方向と、光学素子における第１配向膜への配向処理の方向とを揃えることにより、光の利用効率が高まるので、表示画像の透過率（すなわち光量）の低下を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第１実施形態の画像表示システムの全体構成を示す模式的な斜視図である。
【図２】光学素子の構造を示す模式的な断面図である。
【図３】プリズムアレイの模式的な斜視図である。
【図４】画像表示装置からの出射光の偏光方向と、光学素子における配向処理の方向との関係を説明するための図である。
【図５】プリズム用材料の熱処理前後での透過率特性を示す図である。
【図６】プリズムアレイの製造工程を示す図である。
【図７】プリズムアレイの製造工程を示す図である。
【図８】第２実施形態の光学素子の構造を示す模式的な断面図である。
【図９】第３実施形態の光学素子の構造を示す模式的な断面図である。
【図１０】画像表示装置からの出射光の偏光方向と、光学素子における配向処理の方向との関係を説明するための図である。
【図１１】光学素子を介して観察される画像表示装置の表示画像がどのように視認されるかを説明するための図である。
【図１２】光学素子を介して観察される画像表示装置の表示画像がどのように視認されるかを説明するための図である。
【図１３】光学素子を介して観察される画像表示装置の表示画像がどのように視認されるかを説明するための図である。
【図１４】光学素子を介して観察される画像表示装置の表示画像がどのように視認されるかを説明するための図である。
【図１５】光学素子を介して観察される画像表示装置の表示画像がどのように視認されるかを説明するための図である。
【図１６】光学素子を介して観察される画像表示装置の表示画像がどのように視認されるかを説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下に、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００１１】
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態の画像表示システムの全体構成を示す模式的な斜視図である。図１に示す画像表示システムは、画像表示装置１と、この画像表示装置１の前面に配置された略透明な薄板状の光学素子２と、光学素子２を駆動する駆動装置３と、を含んで構成されている。
【００１２】
画像表示装置１は、外部から入力される画像信号に基づいて画像（動画又は静止画）を表示する。この画像表示装置１としては、例えばバックライトと偏光板を使った液晶表示装置が用いられる。なお、本実施形態の画像表示装置１は、出射される光が偏光していればよく、液晶表示装置のみに限定されない。例えば、単色タイプで外観が鏡面になっていない有機ＥＬ（エレクトロルミネッセンス）表示装置等を画像表示装置１として用いてもよい。
【００１３】
光学素子２は、外観上ほぼ透明な薄板状の素子であり、画像表示装置１の前面、すなわち画像表示装置１と観察者との間に配置される。この光学素子２は、駆動装置３から供給される駆動信号に応じて、画像表示装置１から出射される光の状態を制御する。それにより、観察者側において視認される表示画像に視覚効果（詳細は後述）が与えられる。
【００１４】
図２は、光学素子２の構造を示す模式的な断面図である。なお、図２においては便宜上、一部構成を除いてハッチング記載を省略する（後述する図面においても同様）。図２に示す本実施形態の光学素子２は、第１基板１１、第１電極１２、プリズムアレイ１３、配向膜（第１配向膜）１４、第２基板１５、第２電極１６、配向膜（第２配向膜）１７、液晶層１８を含んで構成される。
【００１５】
第１基板１１および第２基板１５は、それぞれ、例えばガラス基板、プラスチック基板等の透明基板である。第１基板１１と第２基板１５との相互間には、例えば多数のスペーサー（粒状体）が分散して配置されており、それらのスペーサーによって第１基板１１と第２基板１５との相互間隔が保たれる。
【００１６】
第１電極１２は、第１基板１１の一面側に設けられている。同様に、第２電極１６は、第２基板１５の一面側に設けられている。第１電極１２および第２電極１６、それぞれ、例えばインジウム錫酸化物（ＩＴＯ）などの透明導電膜を用いて構成される。例えば本実施形態では、第１電極１２、第２電極１６ともに、基板一面に形成されている。なお、第１電極１２、第２電極１６は、適宜パターニングされていてもよい。
【００１７】
プリズムアレイ１３は、複数の微少な傾斜状の突起形状(プリズム)を一方向に配列して構成されている。図３にプリズムアレイ１３の模式的な斜視図を示す。図３のように、本実施形態における各プリズムの断面形状は直角三角形（例えば頂角７５°、底角が１５°と９０°）である。また、各プリズムの配置ピッチＰは例えば２０μｍ程度、高さｔは例えば５．２μｍ程度である。図３に示すように、プリズムアレイ１３は、上面から見るとスリット形状に形成されている。このプリズムアレイ１３は、例えば耐熱性および密着性に優れた樹脂材料を成形することにより得られる。プリズムアレイ１３の成形方法の詳細については後述する。
【００１８】
配向膜１４は、第１基板１１の一面側に、第１電極１２およびプリズムアレイ１３を覆うようにして設けられている。また、配向膜１７は、第２基板１５の一面側に、第２電極１６を覆うようにして設けられている。本実施形態においては、配向膜１４および配向膜１７として、液晶層１８の液晶分子の初期状態（電圧無印加時）における配向状態を水平配向状態に規制するもの（水平配向膜）が用いられている。これらの配向膜１４、１７に対しては、所定の表面処理（ラビング処理、光配向処理等）が施されている。
【００１９】
液晶層１８は、第１基板１１の一面と第２基板１５の一面の相互間に設けられている。本実施形態においては、誘電率異方性Δεが正（Δε＞０）のネマティック液晶材料を用いて液晶層１８が構成されている。液晶層１８に図示された太線は、液晶層１８内の液晶分子を模式的に示したものである。電圧無印加時における液晶分子は、第１基板１１および第２基板１５の各基板面に対して所定のプレティルト角を有してほぼ水平に配向する。
【００２０】
図４は、画像表示装置１からの出射光の偏光方向と、光学素子２における配向処理の方向との関係を説明するための図である。図示のように、本実施形態の画像表示装置１は、偏光板を備えた液晶表示装置であり、当該偏光板を通過した出射光が方向ａ１に偏光している。図示の例では、画像表示装置１の左右方向を基準として４５°の方向に出射光が偏光している。これに対して、第１基板１１は、配向膜１４へ施された配向処理の方向ａ２が上記した出射光の偏光方向ａ１と略平行になるように配置されている。図示の例では、配向処理の方向ａ２は、プリズムアレイ１３の各プリズムの長手方向（延在方向）ａ３との間で略４５°に設定されている。また、第２基板１５は、配向膜１７へ施された配向処理の方向ａ４が上記した第１基板１１の配向処理の方向ａ２との間でアンチパラレルの関係になるように配置されている。
【００２１】
ここで、第１基板１１の配向処理の方向ａ２を画像表示装置１の出射光の偏光方向ａ１と略平行とすることによる利点について説明する。通常、液晶層１８の液晶分子は、細長い形状を有しており、ある方向の偏光（液晶分子の長軸方向）は曲げることができるが、ある方向の偏光はそのまま透過する。したがって、画像表示装置１からの出射光の偏光方向ａ１と、光学素子２において画像表装置側１に配置される第１基板１１に施される配向処理の方向ａ２とが平行になるように配置することにより、原理的には、出射光の全成分を曲げることができる。すなわち、光の利用効率が高くなる。
【００２２】
これに対して、例えば画像表示装置１からの出射光の偏光方向ａ１と光学素子２における配向処理の方向ａ２が４５°になるように配置した場合には、原理的に、出射光のうち約１／２の成分は曲げられるが残りの成分は制御することができなくなる。さらに、偏光方向ａ１と配向処理の方向ａ２とが直交するように配置した場合には、原理的に、光学素子２によって画像表示装置１の出射光を制御することができなくなる。
【００２３】
したがって、画像表示装置１からの出射光の偏光方向ａ１と、光学素子２における配向処理の方向ａ２とが略平行になるように配置することがより望ましいといえる。なお、プリズムアレイ１３の各プリズムの長手方向ａ３については、表示画像全体をどちらの方向に移動させるかという点では考慮する必要があるが、表示画像を移動可能かという点ではどの方向に設定しても影響がない。
【００２４】
次に、第１実施形態の画像表示システムにおける光学素子２の製造方法の一例について詳述する。
【００２５】
まず、第１基板１１および第２基板１５として用いるためのガラス基板を用意する。これらのガラス基板としては、予めＩＴＯ（インジウム錫酸化物）などの透明導電材料からなる導電膜を有するものがより好ましい。例えば、厚さが１５００ÅのＩＴＯ膜を有し、板厚が０．７ｍｍ、ガラス材質が無アルカリガラスであるガラス基板を１セット用意する。第１基板１１、第２基板１５のそれぞれについて、ＩＴＯ膜を適宜パターニングすることにより、第１電極１２、第２電極１６を形成する。
【００２６】
次に、第１基板１１の第１電極１２上にプリズムアレイ１３を形成する。ここでは、断面が三角形状であり、そのピッチＰが２０ミクロン、高さｔが約５．２μｍ、頂角７５°、底角が１５°と９０°であり、上面から見るとスリット形状を有する金型（全体の大きさが例えば横８０ｍｍ×縦８０ｍｍ）を用いて、図６および図７に示す製造方法によってプリズムアレイ１３を形成する。
【００２７】
ここで、一般にプリズム用材料は耐熱性が低く、プリズムアレイ１３上に配向膜１４を形成する際の熱処理（例えば１８０℃以上）により特性が劣化してしまう場合が多い。これに対して、本実施形態では、図５にその特性を示すように、熱処理前後での透過率特性の低下がほとんど生じない光硬化性（紫外線硬化性）のアクリル系樹脂を用いる。図５に示す特性は、２２０℃で２時間の熱処理を行い、熱処理前後での透過率の違いを評価したものである。図示のサンプルのように、短波長側でごく僅かに透過率の低下が見られるものの、ほぼ全可視波長域において初期と同等の透過率を示す材料を用いてプリズムアレイ１３を形成することがより好ましい。ここで用いたアクリル系樹脂は、耐熱性だけでなくガラスへの密着性も優れているとともに金属には密着しにくい（離型性が良い）という性質を有しており、本実施形態のプリズムアレイ１３を形成する材料として好適である。なお、これ以外のエポキシ系の樹脂も耐熱性に優れており、適用可能と考えられる。
【００２８】
上記のような光硬化性樹脂を用いたプリズムアレイ１３の製造工程を図６および図７に基づいて詳述する。まず、図６（ａ）に示すように、土台６３の上側に金型６０をセットする。金型６０の大きさは、例えば横８０ｍｍ×縦６０ｍｍ程度とすることができる。この金型６０には、表面に離型剤もしくはコーティング剤が施されていることが好ましい。また、金型６０にエアー抜き用の微小な溝が形成されていることも好ましい。
【００２９】
次いで、図６（ｂ）に示すように、金型６０の上に所定量の光硬化性樹脂材料６１を供給する。光硬化性樹脂材料６１としては、例えば屈折率１．５１の材料を用いることができる。本工程における光硬化性樹脂材料６１の供給量（滴下量）を制御することにより、光学素子２のプリズムアレイ１３を所望の大きさに形成できる。
【００３０】
次いで、図６（ｃ）に示すように、金型６０の上に、光硬化性樹脂材料６１を挟んで第１基板１１を重ね合わせる。なお、図示の便宜上、第１電極１２を省略して示している。なお、第１基板１１の重ね合わせを真空中で行ってもよい。
【００３１】
さらに、図６（ｄ）に示すように、第１基板１１の裏面側に厚手の石英（例えば円形のもの）などの透明な基板６４を配置する。次いで、図６（ｅ）に示すように、所定の治具６５を用いてこの基板６４をプレスする。例えば、１分間以上プレスすることが望ましい。それにより、第１基板１１が金型６０側へ押圧され、光硬化性樹脂材料６１が金型６０と第１基板１１の間隙において十分に広がる。
【００３２】
次いで、図７（ａ）に示すように、基板６４および第１基板１１を介して光（本例では紫外線）を照射することにより光硬化性樹脂材料６１を硬化させる。それにより、第１基板１１の片面上にプリズムアレイ１３が形成される。本工程において、遮光マスク等を用いて紫外線の照射範囲を制御することによってもプリズムアレイ１３の大きさを加減できる。本工程における紫外線の照射量は例えば２０Ｊ／ｃｍ２程度とすればよい。なお、樹脂が硬化すればよいため、照射量はさほど厳密ではない。ただし、本実施形態では第１基板１１がＩＴＯ膜からなる第１電極１２を有するので、ＩＴＯ膜が紫外線を吸収することを考慮し、ＩＴＯ膜の膜厚に応じて紫外線の照射量を加減する必要がある。
【００３３】
次いで、図７（ｂ）に示すように基板６４、治具６５を取り外す。さらに、図７（ｃ）に示すように、別の治具６６を土台６３の下側にセットする。この治具６６には複数（例えば８つ）の突起部６６ａが設けられている。各突起部６６ａは、ある程度の固さを有し、かつ先端に弾力性を有している。また、土台６３には、各突起部６６ａに対応した位置に設けられた複数の貫通孔６３ａを有している。
【００３４】
次いで、図７（ｄ）に示すように、各貫通孔６３ａに各突起部６６ａを貫通させるようにして土台６３に治具６６を組み合わせることによって各突起部６６ａを第１基板１１に突き当てて、第１基板１１を金型６０から剥離する。このとき、第１基板１１がなるべく平行状態を保ったまま上方向へ移動するように治具６６を移動させる。
【００３５】
以上により、図７（ｅ）に示すように、第１基板１１上に透明樹脂膜からなるプリズムアレイ１３が完成する。その後、このプリズムアレイ１３が形成された第１基板１１を洗浄機により洗浄する。洗浄は、例えば、アルカリ洗剤を用いたブラシ洗浄、純水洗浄、エアーブロー、紫外線（ＵＶ）照射、赤外線（ＩＲ）乾燥の順に行うことができるがこれに限定されない。高圧スプレー洗浄やプラズマ洗浄などを行ってもよい。
【００３６】
次いで、プリズムアレイ１３が形成された第１基板１１に配向膜１４を形成する。同様に、第２基板１５に配向膜１７を形成する。ここでは例えばポリイミドを配向膜として用いる。フレキソ印刷法、インクジェット法、スピンコート法、スリットコート法、スリット法とスピンコート法の組みあわせ等の適宜の方法で配向膜材料を第１基板１１上、第２基板１５上にそれぞれ適当な膜厚（例えば８００Å程度）で塗布し、熱処理（例えば１８０℃で１．５時間の焼成）を行う。そして、熱処理によって得られた配向膜１４、１７のそれぞれに対して配向処理を行う。ここでは配向処理として、例えばラビング処理を行うが、光配向処理等の配向処理であってもよい。また、この配向処理は、第１基板１１と第２基板１５とを重ね合わせたときに各基板上の液晶分子の配向方向がアンチパラレル配向になるように行う。
【００３７】
ここで、図４に示したように本実施形態では、配向処理の方向ａ２がプリズムアレイ１３の各プリズムの延在方向ａ３に対して４５°となるように配向処理が行われる。なお、配向処理の方向ａ２とプリズムの延在方向ａ３との相対的関係はこれに限定されない。本例においてプリズムアレイ１３の各プリズムの延在方向ａ３に対して、配向処理の方向ａ２を４５°としたのは、上記したように画像表示装置１からの出射光が４５°方向に偏光しているので、その画像を左右(もしくは上下)に動かすのには配向処理の方向ａ２を４５°とするのがよいためである。なお、画像を斜め方向(斜め４５°)に動かしたい場合には、プリズムの延在方向ａ３と平行方向(もしくは直交方向)に配向処理の方向ａ２を設定すればよい。
【００３８】
次いで、一方の基板（例えば第１基板１１）上に、ギャップコントロール剤を適量（例えば２〜５ｗｔ％）含んだメインシール剤を形成する。メインシール剤の形成は、例えばスクリーン印刷やディスペンサーによる。また、ギャップコントロール剤の径は、プリズムアレイ１３のベース層とプリズムの高さを含め、液晶層１８の厚さが１０〜２０μｍ程度となるように材料を選ぶことができる。本実施形態では、ギャップコントロール剤としてその径が３０μｍのプラスチックボールを用いる。また、他方の基板（例えば第２基板１５）上にはギャップコントロール剤を散布する。例えば本実施形態では、１７μｍのプラスチックボールを乾式のギャップ散布機によって散布する。
【００３９】
次いで、第１基板１１と第２基板１５とを重ね合わせ、プレス機などで圧力を一定に加えた状態で熱処理することにより、メインシール剤を硬化させる。ここでは、例えば１５０℃で３時間の熱処理を行う。その後、第１基板１１と第２基板１５の間隙に液晶材料を充填することにより液晶層１８を形成する。液晶材料の充填は、例えば真空注入法によって行う。本実施形態では、誘電率異方性△εが正、屈折率異方性Δｎが０．２９８の液晶材料を用いる。液晶材料の注入後、その注入口にエンドシール剤を塗布し封止する。そして、封止後に適宜熱処理（例えば１２０℃で１時間）を行うことにより、液晶層１８の液晶分子の配向状態を整える。
【００４０】
以上により本実施形態の光学素子２が得られる。この光学素子２を画像表示装置１の前面に配置することにより、本実施形態の画像表示システムが得られる（図１参照）。光学素子２の第１電極１２および第２電極１６を用いて液晶層１８に交流電圧を印加すると、光学素子２を介して観察される画像表示装置１の表示画像は、左右方向にゆらゆら揺れるように視認される。この原理は以下のように考えられる。
【００４１】
すなわち、第１電極１２および第２電極１６を介して液晶層１８に電圧を印加することにより、液晶分子の配列が変化する。これにより、液晶層１８の屈折率値が変化するため、複数の微少な傾斜状の突起形状であるプリズムアレイ１３と液晶層１８との界面を透過する光の屈折角が変化する（スネルの法則）。液晶層１８へ印加される電圧を交流電圧とすることで、プリズムアレイ１３と液晶層１８との界面を通過する光の屈折角の大きさを動的に変化させることができる。屈折角の大きさは、プリズムアレイ１３の形状や液晶層１８の屈折率異方性の値等により一概にいえないが、上記した数値例で製造した光学素子２においては６°程度である。また、プリズムアレイ１３の斜面の傾斜角度を４５°にすると最大で１８°程度までの範囲で屈折角を変えることができる。
【００４２】
本実施形態の光学素子２では、複数の微小プリズムを一方向に配列してなるプリズムアレイ１３を設けているため、必然的に場所によりセル厚（液晶層１８の層厚）が異なることになる。一般には、液晶層１８の液晶分子の応答速度はセル厚に依存し、セル厚の２乗に比例すると言われている。このため、液晶層１８に印加する電圧を少しずつ連続的に変えると、セル厚が一番厚い位置での応答速度より電圧を変える速度が速い場合には、セル厚の違いによるレスポンスの違いにより、画像の位置を変える角度（上記の屈折角）に微妙にずれが生じる。その屈折角のずれを積極的に利用することにより、液晶表示装置１の表示画像は、光学素子２を介して観察者によって視認される際にゆらゆらと陽炎のように揺れて見える。
【００４３】
例えば、遊技機用の表示手段として本実施形態の画像表示システムを用いた場合には、“確率変動（確変）”状態に入ったときに、光学素子２の液晶層１８へ印加する電圧を連続的に上げ下げして陽炎の様に揺れる状態を表示し、確定したときには液晶層１８へ高い電圧を印加し、くっきりと見える画像を表示させるなど、これまでになかった視覚効果を実現できる。また、本実施形態の画像表示システムの用途は遊技機に限定されず、自動車用表示装置、各種照明用表示装置（一般照明、自動販売機等）など幅広い用途が考えられる（以下の実施形態も同様）。
【００４４】
なお、本実施形態の光学素子２は、一般的な液晶素子とは異なり偏光板が不要であるため原理的に高透過率である。具体的には、光学素子自体の透過率として９０％以上が見込まれ、光学素子２の表面に反射防止コート（ＡＲコート）を施した場合には９５％以上の透過率が見込まれる（後述する各実施形態においても同様）。
【００４５】
（第２実施形態）
上述した第１実施形態では、第１電極１２の上側にプリズムアレイ１３を配置した光学素子２が用いられていたが、プリズムアレイ上に第１電極を配置してもよい。上記した図５に示したような高い耐熱性を有する樹脂材料を用いて形成されたプリズムアレイ上であれば、その上側にＩＴＯ等の透明導電材料からなる第１電極を設けることができる。以下、詳細に説明する。
【００４６】
図８は、第２実施形態の光学素子の構造を示す模式的な断面図である。なお、画像表示システムの全体構成は第１実施形態の場合と同様である（図１参照）。図８に示す本実施形態の光学素子２ａは、第１基板１１、第１電極１２ａ、プリズムアレイ１３ａ、配向膜１４ａ、第２基板１５、第２電極１６、配向膜１７、液晶層１８を含んで構成される。第１実施形態に係る光学素子２との相違点は、第１基板１１上にプリズムアレイ１３ａが形成され、その上側に第１電極１２ａ、配向膜１４ａが形成されている点である。それ以外の共通要素については詳細な説明を省略する。
【００４７】
次に、第２実施形態の画像表示システムにおける光学素子２ａの製造方法の一例を詳述する。
【００４８】
まず、第１基板１１および第２基板１５として用いるためのガラス基板を用意する。本実施形態では、第１基板１１としては導電膜を有しないガラス基板を用意する。また、第２基板１５としては、予めＩＴＯ（インジウム錫酸化物）などの透明導電材料からなる導電膜を有するガラス基板を用意することが好ましい。
【００４９】
次いで、第１基板１１の一面上に、プリズムアレイ１３ａを形成する。プリズムアレイ１３ａの形成方法については上記した第１実施形態におけるプリズムアレイ１３の場合と同様であるため、ここでは詳細な説明を省略する。
【００５０】
次いで、第１基板１１のプリズムアレイ１３ａ上に、第１電極１２ａを形成する。例えば、まずプリズムアレイ１３ａが形成された第１基板１１を洗浄機にて洗浄する。洗浄方法としては、例えばアルカリ洗剤を用いたブラシ洗浄、純水洗浄、エアーブロー、ＵＶ照射、ＩＲ乾燥の順に行うことができるが、これに限定されない。高圧スプレー洗浄やプラズマ洗浄などを行ってもよい。その次に、プリズムアレイ１３ａ上に、第１電極１２ａとなるべき透明導電膜を形成する。本例ではプリズムアレイ１３ａ上にＩＴＯ膜を成膜する。
【００５１】
ここで、プリズムアレイ１３ａ上に直接にＩＴＯ膜を成膜してもよいが、ＩＴＯ膜の密着性をより向上させるために、プリズムアレイ１３ａ上に酸化珪素（ＳｉＯ２）膜を薄く形成することも好ましい。酸化珪素膜の形成は、例えばスパッタ法（交流放電）を用いて行うことができる。例えば、第１基板１１を８０℃に加熱しながら成膜を行うことにより、５００Å程度の膜厚の酸化珪素膜を形成する。それに引き続き、例えばスパッタ法（交流放電）にてＩＴＯ膜を形成する。例えば、第１基板１１を１００℃に加熱しながら成膜を行うことにより、約１０００Å程度の膜厚のＩＴＯ膜を形成する。このときＳＵＳマスクなどを用いて余分な所にはＩＴＯ膜が形成されないようにしてもよい。その後、必要に応じてＩＴＯ膜をパターニングすることにより、第１電極１２ａが得られる。なお、ここでは成膜方法の一例としてスパッタ法を挙げたが、真空蒸着法、イオンビーム法、化学気相堆積法（ＣＶＤ法）などの成膜方法を用いてもよい。
【００５２】
また、第２基板１５について、ＩＴＯ膜を適宜パターニングすることにより第２電極１６を形成する。例えば、ＩＴＯ膜付きのガラス基板を上記方法で洗浄した後に、一般的なフォトリソ工程を用いてＩＴＯ膜をパターニングする。エッチング方法としては、例えば第二塩化鉄を用いたウェットエッチングを採用できる。
【００５３】
次いで、第１基板１１、第２基板１５のそれぞれを洗浄機により洗浄する。洗浄方法としては、例えばアルカリ洗剤を用いたブラシ洗浄、純水洗浄、エアーブロー、ＵＶ照射、ＩＲ乾燥の順に行うことができるが、これに限定されない。高圧スプレー洗浄やプラズマ洗浄などを行ってもよい。
【００５４】
次いで、プリズムアレイ１３ａが形成された第１基板１１に配向膜１４ａを形成する。同様に、第２基板１５に配向膜１７を形成する。ここでは例えばポリイミドを配向膜として用いる。各配向膜１４ａ、１７の形成方法については上記した第１実施形態と同様であり、ここでは説明を省略する。この配向処理は、第１基板１１と第２基板１５とを重ね合わせたときに各基板上の液晶分子の配向方向がアンチパラレル配向になるように行う。
【００５５】
次いで、一方の基板（例えば第１基板１１）上に、ギャップコントロール剤を適量含んだメインシール剤を形成する。また、他方の基板（例えば第２基板１５）上にはギャップコントロール剤を散布する。本工程についてもその詳細は第１実施形態と同様であり、ここでは説明を省略する。
【００５６】
次いで、第１基板１１と第２基板１５とを重ね合わせ、プレス機などで圧力を一定に加えた状態で熱処理することにより、メインシール剤を硬化させる。その後、第１基板１１と第２基板１５の間隙に液晶材料を充填することにより液晶層１８を形成する。液晶材料の注入後、その注入口にエンドシール剤を塗布し封止する。そして、封止後に適宜熱処理を行うことにより、液晶層１８の液晶分子の配向状態を整える。本工程についてもその詳細は第１実施形態と同様であり、ここでは説明を省略する。
【００５７】
以上により本実施形態の光学素子２ａが得られる。この光学素子２ａを画像表示装置１の前面に配置することにより、本実施形態の画像表示システムが得られる（図１参照）。本実施形態の光学素子２ａについても、画像表示装置１からの出射光の偏光方向ａ１と、光学素子２ａの配向処理の方向ａ２とが平行となるように配置される（図４参照）。この光学素子２ａの第１電極１２および第２電極１６を用いて液晶層１８に交流電圧を印加すると、光学素子２ａを介して観察される画像表示装置１の表示画像は、左右方向にゆらゆら揺れるように視認される。また、液晶層１８に印加する電圧の大きさを徐々に上げていくと、光学素子２ａを介して視認される表示画像の位置が連続的に変化する。
【００５８】
なお、液晶層１８に印加する電圧の大きさは数ボルト程度で十分であり、第１実施形態の光学素子２に比較して低電圧化が図られる。これは、第２実施形態の光学素子２ａにおいては、第１基板１１上の第１電極１２ａと液晶層１８との間にプリズムアレイ１３ａが存在することなく、第１電極１２ａから直接的に液晶層１８へ電圧を印加できることが一因であると考え得る。また、プリズムアレイ１３ａにより液晶層１８の厚み（セル厚）が場所によって異なるが、配向処理の方向をアンチパラレルとしている本実施形態の光学素子２ａは、液晶層１８の厚さに対して閾値がほとんど依存しないため、プリズムアレイ１３ａと液晶層１８界面の屈折率変化の場所による差異がほとんどないことも一因であると考え得る。
【００５９】
上記した条件例に基づいて作製した光学素子２ａにおいては、液晶層１８に２．５ボルトを印加したときに表示画像が徐々に変化し始め、４ボルトで完全に移動して視認された。また、この電圧値の間では表示画像が同じ形のまま徐々に移動する様子が観察された。したがって、第２実施形態の光学素子２ａを用いた画像表示システムは、光学素子２ａへ印加する電圧を低くできるだけでなく連続的に配光を制御できるため、新規な視覚効果を実現できる。
【００６０】
（第３実施形態）
上述した第２実施形態では、光学素子２ａのプリズムアレイ１３ａ上に形成された第１電極１２ａには特段のパターニングが施されていなかったが、プリズムアレイ上の第１電極をパターニングすることも好ましい。以下、詳細に説明する。
【００６１】
図９は、第３実施形態の光学素子の構造を示す模式的な断面図である。なお、画像表示システムの全体構成は第１実施形態の場合と同様である（図１参照）。図９に示す本実施形態の光学素子２ｂは、第１基板１１、複数の第１電極１２ｂ、プリズムアレイ１３ｂ、配向膜１４ｂ、第２基板１５、複数の第２電極１６ｂ、配向膜１７、液晶層１８を含んで構成される。第２実施形態に係る光学素子２ａとの相違点は、各第１電極１２ｂ、各第２電極１２ｂともに、ストライプ状（短冊状）の複数の電極からなる点である。それ以外の共通要素については詳細な説明を省略する。
【００６２】
図１０は、画像表示装置１からの出射光の偏光方向と、光学素子２ｂにおける配向処理の方向との関係を説明するための図である。上記のように、画像表示装置１はその出射光が方向ａ１に偏光している（図示の例では４５°の方向）。これに対して、第１基板１１は、配向膜１４へ施された配向処理の方向ａ２が上記した出射光の偏光方向ａ１と略平行になるように配置されている。図示の例では、配向処理の方向ａ２は、プリズムアレイ１３の各プリズムの長手方向（各第１電極１２ｂの延在方向）ａ３との間で略４５°に設定されている。また、第２基板１５は、配向膜１７へ施された配向処理の方向ａ４が上記した第１基板１１の配向処理の方向ａ２との間でアンチパラレルの関係になるように配置されている。また、配向処理の方向ａ２は、各第２電極１６ｂの延在方向ａ５との間で略４５°に設定されている。
【００６３】
次に、第３実施形態の画像表示システムにおける光学素子２ｂの製造方法の一例について詳述する。光学素子２ｂの製造方法は基本的に上記した第２実施形態の光学素子２ａの製造方法と共通であり、相違点を中心に説明する。
【００６４】
まず、第１基板１１上にプリズムアレイ１３ｂが形成される。次いで、プリズムアレイ１３ｂ上にＩＴＯ膜などの透明導電膜が形成される。上記のように、プリズムアレイ１３ｂ上に酸化珪素膜を薄く形成した後に透明導電膜を形成することも好ましい。
【００６５】
次いで、プリズムアレイ１３ｂ上に透明導電膜であるＩＴＯ膜を形成する。そして、このＩＴＯ膜をパターニングすることにより、複数の第１電極１２ｂを形成する。本実施形態では、フォトリソグラフィ技術によってパターニングを行う。エッチング方法としては、例えば第二塩化鉄を用いたウェットエッチングを採用できる。
【００６６】
このときに用いるフォトマスクとして、例えば本実施形態ではパターン幅（ＩＴＯ膜が形成されている部分の幅）が８０μｍ、線間の幅（第１電極１２ｂの相互間距離）が２０μｍとなるようなフォトマスクを用いる。これにより、プリズムアレイ１３ｂの各プリズムの延在方向と平行な方向に延びるストライプ状パターンの複数の第１電極１２ｂが得られる。なお、各第１電極１２ｂの延在方向と各プリズムの延在方向とは必ずしも平行でなくともよく、直交させてもよいし任意の角度をもっていてもよい。ただし、各プリズムの延在方向と各第１電極１２ｂの延在方向とを平行またはこれに近い角度に配置したほうが第１電極１２ｂの断線をより防ぎやすい。
【００６７】
また、本実施形態では、第２基板１５上に複数の第２電極１６ｂを形成する。具体的には、第２基板１５上に透明導電膜であるＩＴＯ膜を形成し、このＩＴＯ膜をパターニングすることにより、複数の第２電極１６ｂを形成する。本実施形態では、フォトリソグラフィ技術によってパターニングを行う。エッチング方法としては、例えば第二塩化鉄を用いたウェットエッチングを採用できる。各第２電極１６ｂの形状は任意であり、本実施形態では各第１電極１２ｂと同様なストライプ状パターンとする。また、各第２電極１２ｂは、それらの延在方向が各第１電極１２ｂの延在方向と直交するように形成する。
【００６８】
次いで、第１基板１１、第２基板１５のそれぞれを適宜洗浄した後に、第１基板１１上に配向膜１４ｂを形成し、第２基板１５上に配向膜１７を形成する。次いで、一方の基板（例えば第１基板１１）上に、ギャップコントロール剤を適量含んだメインシール剤を形成し、かつ他方の基板（例えば第２基板１５）上にはギャップコントロール剤を散布する。次いで、第１基板１１と第２基板１５とを重ね合わせ、プレス機などで圧力を一定に加えた状態で熱処理することにより、メインシール剤を硬化させる。その後、第１基板１１と第２基板１５の間隙に液晶材料を充填することにより液晶層１８を形成する。液晶材料の注入後、その注入口にエンドシール剤を塗布し封止する。そして、封止後に適宜熱処理を行うことにより、液晶層１８の液晶分子の配向状態を整える。これら各工程についての詳細は第１実施形態および第２実施形態と同様であり、ここでは説明を省略する。
【００６９】
以上により本実施形態の光学素子２ｂが得られる。この光学素子２ｂを画像表示装置１の前面に配置することにより、本実施形態の画像表示システムが得られる（図１参照）。本実施形態の光学素子２ｂについても、画像表示装置１からの出射光の偏光方向ａ１と、光学素子２ａの配向処理の方向ａ２とが平行となるように配置される（図１０参照）。この光学素子２ａの各第１電極１２ｂおよび各第２電極１６ｂを用いて液晶層１８に種々の電圧を印加した場合に、光学素子２ｂを介して観察される画像表示装置１の表示画像がどのように視認されるかを、図１１〜図１６に基づいて説明する。なお、図１１〜図１４において、光学素子２ｂは、図中の上下方向に各第２電極１６ｂが並ぶように配置されているものとする。また、図１５、図１６において、光学素子２ｂは、図中の上下方向に各第１電極１２ｂが並ぶように配置されているものとする。
【００７０】
図１１に示す例では、第１基板１１の各第１電極１２ｂには基準電位（接地電位）を与え、第２基板１５の各第２電極１６ｂには基準電位よりも相対的に高い電位（例えば数ボルトの電位）を与えた。また、画像表示装置１の表示画像としては、光学素子２ｂによる効果を分かりやすくするために四角い表示パターンを含む表示画像を用いた（以下も同様）。全ての第２電極１２ｂに対して一定の電位を印加したところ、光学素子２ｂを介して視認される表示画像は図示のように四角いパターンを含む表示画像となった。また、各第２電極１６ｂへ印加する電圧の大きさに応じ、光学素子２ｂを介して観察される表示画像は、本来の位置に対して横方向に移動した形で視認された。ここでいう「本来の位置」とは、画像表示装置１によって表示され、光学素子２ｂを介さないで視認した場合の表示画像の位置である。
【００７１】
図１２に示す例では、第１基板１１の各第１電極１２ｂには基準電位（接地電位）を与えた。また、第２基板１５の各第２電極１６ｂには基準電位よりも相対的に高い電位（例えば数ボルトの電位）であってその大きさが連続的に（時間的に）変化する電位を与えた。このとき、光学素子２ｂを介して観察される表示画像は、図示のように四角いパターンを含む表示画像が、各第２電極１６ｂへの印加電圧の変化に対応して左右方向にゆらゆら揺れて視認された（第１実施形態、第２実施形態と同様）。
【００７２】
図１３に示す例では、第１基板１１の各第１電極１２ｂには基準電位（接地電位）を与えた。また、第２基板１５の各第２電極１６ｂには、基準電位よりも相対的に高い電位（例えば数Ｖの電位）であって、図示のように各第２電極１６ｂに異なる電位を与えた。詳細には、一番上と中央と一番下の第２電極１６ｂには、それぞれ所定の電位Ｖ１を与えた。また、一番上から中央までに並んだ各第２電極１６ｂには、Ｖ１よりも高い電位であって、一番上から上１／４の位置の第２電極１６ｂが最大電位（例えばＶ１より１ボルト程度高い電位）となるように、隣り合う電極同士で徐々に変化する電位を与えた。また、中央から一番下までに並んだ各第２電極１６ｂには、Ｖ１よりも低い電位であって、中央から下１／４の位置の第２電極１６ｂが最小電位（例えばＶ１より１ボルト程度低い電位）となるように、隣り合う電極同士で徐々に変化する電位を与えた。このとき、光学素子２ｂを介して観察される表示画像は、図示のように表示画像に含まれる四角いパターンが、各第２電極１６ｂへの印加電圧の変化に対応してＳ字状に歪んだ状態に視認された。
【００７３】
図１４に示す例では、図１３に示した例における各第２電極１６ｂへ与える電位を連続的に（時間的に）増減させている。このとき、光学素子２ｂを介して観察される表示画像は、図示のように表示画像に含まれる四角いパターンが、各第２電極１６ｂへの印加電圧の変化に対応してＳ字状に歪んだ状態のまま左右にゆらゆら揺れて視認された。
【００７４】
図１５に示す例では、第２基板１５の各第２電極１６ｂには基準電位（接地電位）を与えた。また、第１基板１５の各第１電極１２ｂには、基準電位よりも相対的に高い電位（例えば数ボルトの電位）であって、図示のように各第１電極１２ｂに異なる電位を与えた。詳細には、一番左と中央と一番右の第１電極１２ｂには、それぞれ所定の電位Ｖ１を与えた。また、一番左から中央までに並んだ各第１電極１２ｂには、Ｖ１よりも高い電位であって、一番左から左１／４の位置の第１電極１２ｂが最大電位（例えばＶ１より１ボルト程度高い電位）となるように、隣り合う電極同士で徐々に変化する電位を与えた。また、中央から一番右までに並んだ各第１電極１２ｂには、Ｖ１よりも低い電位であって、中央から右１／４の位置の第１電極１２ｂが最小電位（例えばＶ１より１ボルト程度低い電位）となるように、隣り合う電極同士で徐々に変化する電位を与えた。このとき、光学素子２ｂを介して観察される表示画像は、図示のように表示画像に含まれる四角いパターンが、縦方向に濃淡を有する状態に視認された。
【００７５】
図１６に示す例では、図１５に示した例における各第１電極１２ｂへ与える電位を連続的に（時間的に）増減させている。このとき、光学素子２ｂを介して観察される表示画像は、図示のように表示画像に含まれる四角いパターンが縦方向に濃淡を有する状態のまま左右にゆらゆら揺れて視認された。
【００７６】
なお、図１１〜図１６に示す各例の何れにおいても、例えば１００〜１０００Ｈｚ程度の高周波(矩形波）を基本としてその実効値が０．１ヘルツから１０ヘルツ程度の周期で変動する電位を各第１電極１２ｂ又は各第２電極１６ｂに与えることがより望ましい。液晶層１８に直流成分が加わることを回避できる点と、常に表示画像を少し動かした状態でゆらゆら揺れた状態に視認させる場合の駆動に対応しやすい点で有利だからである。
【００７７】
また、上記の図１３〜図１６の例においては、各第１電極１２ｂまたは各第２電極１６ｂに対して与えられる電位の増減が１周期分であったが、より細かな周期で増減する電位を与えることにより、表示画像のＳ字状の歪みをより細かくし、或いは濃淡のピッチを細かくすることが可能である。また、必ずしも連続的に電位を増減する必要はなく、不連続に増減する電位を与えてもよい。それにより、表示画像の歪みや濃淡の変化も不連続なものとなる。
【００７８】
このように、複数の第１電極１２ｂ又は複数の第２電極１６ｂを設け、それぞれに異なる大きさの電位を与えることにより変化に富んだ視覚効果を実現できる。
【００７９】
（変形実施の態様）
本発明は上述した各実施形態の内容に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において種々に変形して実施をすることが可能である。例えば、上記した第１実施形態の光学素子における第１電極を、第３実施形態の光学素子における第１電極のように構成してもよい。この場合でも同様の作用効果が得られる。また、第３実施形態の光学素子において、第１電極又は第２電極のいずれかはストライプ状等に構成せず、一体に構成されていてもよい。その場合、プリズムアレイがない側である第２電極のみストライプ状等にパターニングすると、エッチングによりプリズムアレイがダメージを受ける確率が減るのでより好ましい。
【００８０】
また、上記各実施形態において、液晶層１８は水平配向に規制されていたが、９０°捩れ配向等の捩れ配向としてもよい。また、液晶層１８にカイラル剤を添加することなどにより液晶分子の配列方向を変えてもよい。また、液晶層１８を形成する際の手法は真空注入にのみ限定されず、ＯＤＦ法を用いてもよい。
【００８１】
また、プリズムアレイの断面形状は、上記した三角形状にのみ限定されない。断面形状は、例えば正弦波（サインカーブ）状でもよい。また、プリズムアレイの上面形状は、上記したストライプ状にのみ限定されない。上面形状は、例えば格子状、同心円状、楕円状、フレネルレンズ状、ドット状などでもよい。さらに、プリズムアレイの各プリズムの長手方向と配向処理の方向とを４５°にしていたが、角度はこれに限定されず、狙いとする用途、視覚効果に応じて適宜設定できる。
【符号の説明】
【００８２】
１…画像表示装置、２、２ａ、２ｂ…光学素子、３…駆動装置、１１…第１基板、１２、１２ａ、１２ｂ…第１電極、１３、１３ａ、１３ｂ…プリズムアレイ、１４、１４ａ、１４ｂ…配向膜、１５…第２基板、１６、１６ｂ…第２電極、１７…配向膜、１８…液晶層
【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８】
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【図９】
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【図１０】
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【図６】
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【図７】
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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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