(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光偏向素子であって、
入射光を偏向させる第１光学素子と、
印加される電圧に応じて屈折率を変化させることにより出射光の偏向方向を変化させる第２光学素子と、
前記第２光学素子の出射側に配置された第３光学素子と、
前記第２光学素子に印加する電圧を制御する制御部とを備え、
前記第１光学素子と第２光学素子との界面、及び、前記第２光学素子と前記第３光学素子との界面の少なくとも一方が非球面であり、
前記非球面は、前記第２光学素子に電圧が印可されたときに発生する屈折率分布に起因する出射光の広がりを補正するパワーを有する、光偏向素子。
【請求項２】
前記第３光学素子は、一次元アレイ状に配列される複数のレンズを含む、請求項１に記載の光偏向素子。
【請求項３】
画像表示パネルと、
前記画像表示パネルの背面側に配置されるバックライト装置と、
前記画像表示パネルと前記バックライト装置との間において、前記バックライト装置側に前記第１光学素子が位置し、かつ、前記画像表示パネル側に前記第３光学素子が位置するように配置される、請求項１に記載の光偏向素子とを備える、画像表示装置。
【請求項４】
前記画像表示パネルには、視差が与えられた右眼用画像信号及び左眼用画像信号が時分割で交互に入力され、
前記バックライト装置は、
一対の側面を有し、前記側面から入射された光を出射面に導く導光板と、
前記側面の一方に対向するように配置され、右眼用画像を表示するための照明光を出射する第１の光源と、
前記側面の他方に対向するように配置され、左眼用画像を表示するための照明光を出射する第２の光源と、
前記第１の光源及び前記第２の光源から出射された光を前記画像表示パネル中央の前方に偏向する光制御シートとを含み、
前記右眼用画像信号と前記左眼用画像信号との切り替えに同期して、前記第１の光源及び前記第２の光源が交互に点灯する、請求項３に記載の画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、入射した光を偏向する光偏向素子及びこれを用いた画像表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、複数の観察者のそれぞれの眼に右眼用画像の光と左眼用画像の光とを交互に提示することによって、映像を立体視させる自動立体視ディスプレイが開示されている。特許文献１の装置では、観察者の眼球位置移動に追従するように、偏向手段による光屈折挙動を変化させている。この偏向手段は、２種類の混合しない液体を内包する液滴制御セルによって構成されており、液滴制御セルに電圧を印加することによって液体の界面を変化させて、液滴制御セルにプリズム機能を発揮させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特表２０１０−５２９４８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本開示は、観察者の位置に追従して入射した光を偏向することができ、かつ、観察者の位置にかかわらず観察者の目に届く光の強度の低下を抑制できる光偏向素子及びこれを用いた画像表示装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本開示における光偏向素子は、入射光を偏向させる第１光学素子と、印加される電圧に応じて屈折率を変化させることにより出射光の偏向方向を変化させる第２光学素子と、第２光学素子の出射側に配置された第３光学素子と、第２光学素子に印加する電圧を制御する制御部とを備える。第１光学素子と第２光学素子との界面、及び、第２光学素子と第３光学素子との界面の少なくとも一方が非球面であり、非球面は、第２光学素子に電圧が印可されたときに発生する屈折率分布に起因する出射光の広がりを補正するパワーを有する。
【発明の効果】
【０００６】
本開示は、観察者の位置に追従して入射した光を偏向することができ、かつ、観察者の位置にかかわらず観察者の目に届く光の強度の低下を抑制できる光偏向素子及びこれを用いた画像表示装置を実現するのに有効である。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】実施の形態に係る画像表示装置の概略構成図
【図２】実施の形態に係る画像表示装置の一部の分解斜視図
【図３】実施の形態に係る液晶プリズム素子の部分拡大図
【図４】液晶プリズム素子に入射する光の強度を示すグラフ
【図５】比較例に係る液晶プリズム素子の部分拡大図
【図６】図６（ａ）は観察者が画像表示装置の左端に位置している状態を示す概略図、図６（ｂ）は比較例に係る液晶プリズム素子の屈折率分布を示す図、図６（ｃ）は比較例に係る液晶プリズム素子から出射する光の強度を示すグラフ
【図７】図７（ａ）は観察者が画像表示装置の右端に位置している状態を示す概略図、図７（ｂ）は比較例に係る液晶プリズム素子の屈折率分布を示す図、図７（ｃ）は比較例に係る液晶プリズム素子から出射する光の強度を示すグラフ
【図８】図８（ａ）は観察者が画像表示装置の中央に位置している状態を示す概略図、図８（ｂ）は比較例に係る液晶プリズム素子の屈折率分布を示す図、図８（ｃ）は比較例に係る液晶プリズム素子から出射する光の強度を示すグラフ
【図９】図９（ａ）は観察者が画像表示装置の中央に位置している状態を示す概略図、図９（ｂ）は実施例に係る液晶プリズム素子の屈折率分布を示す図、図９（ｃ）実施例に係る液晶プリズム素子から出射する光の強度を示すグラフ
【図１０】その他の実施の形態に係る液晶プリズム素子の部分拡大図
【図１１】その他の実施の形態に係る液晶プリズム素子の部分拡大図
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、適宜図面を参照しながら、本開示の実施の形態について詳細に説明する。但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。
【０００９】
なお、発明者らは、当業者が本開示を十分に理解するために添付図面及び以下の説明を提供するのであって、これらによって特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図するものではない。
【００１０】
（実施の形態）
＜１．画像表示装置の構成＞
図１は、実施の形態に係る画像表示装置１０の概略断面図であり、図２は、図１に示す画像表示装置１０の一部の分解斜視図である。尚、図１においては、図２に記載の電極４６ａ、４６ｂ、４７ａ、４７ｂの記載が省略されている。
【００１１】
本実施の形態では、画像表示装置１０に対して３次元直交座標系を設定し、座標軸を用いて方向を特定する。図１及び図２に示すように、Ｘ軸方向は、画像表示パネル６０の表示面に対して観察者が正対したときの左右方向（水平方向）と一致している。Ｙ軸方向は、画像表示パネル６０の表示面に対して観察者が正対したときの上下方向に一致している。Ｚ軸方向は、画像表示パネル６０の表示面に対して垂直な方向に一致している。ここで、「正対」とは、例えば表示面に「Ａ」という文字が表示されている場合において、観察者がこの「Ａ」という文字を正しい方向から見るように、表示面の真正面に向かって位置していることを意味する。また、図１及び図２は、画像表示装置１０の上側から見た図に相当する。したがって、図１及び図２の左側が、観察者から見た表示画面の右側となる。
【００１２】
画像表示装置１０は、光源切替型のバックライト２０（バックライト装置の一例）と、液晶プリズム素子４０と、右眼用画像及び左眼用画像を交互に切り替えながら表示する画像表示パネル６０と、画像表示装置１０を使用している観察者の位置検出を行う位置検出部７１と、検出された観察者の位置情報に基づいて、液晶プリズム素子４０へ出力する液晶駆動電圧を制御する制御部７０とから構成される。以下、各構成に対してそれぞれ詳細を述べる。
【００１３】
バックライト２０は、互いに対向する光源２１ａ及び２１ｂと、反射フィルム２２と、導光板２３と、光制御フィルム３０とで構成される。反射フィルム２２は導光板２３の下面側（背面側）に設けられており、光制御フィルム３０は導光板２３の上面側（前面側）に設けられている。
【００１４】
光源２１ａ及び２１ｂは、導光板２３の一対の側面のそれぞれに沿って配置されており、Ｘ軸方向において互いに対向している。光源２１ａは、導光板２３の左側面に配置されており、光源２１ｂは導光板２３の右側面に配置されている。光源２１ａ及び２１ｂは、それぞれＹ軸方向に配列された複数のＬＥＤ素子を有している。光源２１ａ及び２１ｂは、画像表示パネル６０に表示される左眼用画像及び右眼用画像の切り替えに同期して、交互に点灯及び消灯を繰り返す。すなわち、画像表示パネル６０が右眼用画像を表示する場合は、光源２１ａが点灯して光源２１ｂが消灯し、画像表示パネル６０が左眼用画像を表示する場合は、光源２１ａが消灯して光源２１ｂが点灯する。
【００１５】
光源２１ａ及び２１ｂから出射された光は、導光板２３の上面と下面とで全反射を繰り返しながら導光板２３内に広がる。導光板２３内で全反射角度を超える角度を持った光が導光板２３の上面から出射される。導光板２３の下面は、図１に示すように、複数の傾斜面２４により構成されている。これらの傾斜面２４により、導光板２３内を伝搬する光は様々な方向に反射されるので、導光板２３から出射する光の強度が上面全体にわたって均一になる。
【００１６】
反射フィルム２２は、導光板２３の下面側に設けられている。導光板２３の下面に設けられた傾斜面２４の全反射角度を破った光は、反射フィルム２２により反射され、再び導光板２３内に入射し、最終的に上面から出射される。導光板２３から出射された光は、光制御フィルム３０に入射する。
【００１７】
光制御フィルム３０の下面には、三角形状の断面及びＹ軸方向に延びる稜線を有する複数のプリズム３１が、Ｘ軸方向に並列に配置されている。すなわち、光制御フィルム３０の下面には、三角形状の断面を有するプリズム３１が１次元アレイ配置されている。また、光制御フィルム３０の上面には、Ｙ軸方向に延びる複数のシリンドリカルレンズ３２がＸ軸方向に並列に配置されている。すなわち、光制御フィルム３０の上面には、レンチキュラーレンズが形成されている。
【００１８】
光制御フィルム３０の下面に入射した光は、プリズム３１によりＺ軸方向に立ち上げられ、上面のシリンドリカルレンズ３２により集光され、液晶プリズム素子４０に入射する。
【００１９】
図３は、図１に示す実施の形態に係る液晶プリズム素子４０の部分拡大図である。具体的には、図３は、図１に示す液晶プリズム素子４０の右側の領域の一部を拡大した図である。
【００２０】
以下、図１〜３を併せて参照しながら、液晶プリズム素子４０の詳細を説明する。
【００２１】
液晶プリズム素子４０は、左側の光源２１ａから出射され、導光板２３及び光制御フィルム３０を通じて入射した光が、観察者の右眼の位置に集光するように、偏向方向を制御する。または、右側の光源２１ｂから出射され、導光板２３及び光制御フィルム３０を通じて入射した光が、観察者の左眼の位置に集光するように、偏向方向を制御する。
【００２２】
液晶プリズム素子４０は、第１光学素子を構成するプリズム４３と、第２光学素子を構成する液晶層４４と、第３光学素子を構成するレンズ４５からなる。
【００２３】
より詳細には、液晶プリズム素子４０は、一対の対向基板４１及び４２と、対向基板４１及び４２の間に封入される複数のプリズム４３（第１光学素子の一例）及び液晶層４４（第２光学素子の一例）と、対向基板４１の内面に設けられる電極４６ａ及び４６ｂ（第１電極の一例）と、対向基板４２の内面に設けられる電極４７ａ及び４７ｂ（第２電極の一例）と、電極４７ａ及び４７ｂと液晶層４４との間に設けられるレンズ４５（第３光学素子の一例）と、プリズム４３の斜面上に設けられる配向膜４８ａと、レンズ４５と液晶層４４との間に設けられる配向膜４８ｂとを備える。レンズ４５の光線の入射面４５ａは、Ｘ軸方向にパワーを有する非球面で構成される。更に、対向基板４１及び４２の外面には、入射光及び出射光の偏向方向を揃えるための偏光子４９ａ及び４９ｂがそれぞれ設けられている。ここで、本実施の形態では偏光子４９ａ及び４９ｂの透過軸はＹ軸方向としている。つまり、Ｙ軸方向以外の偏光方向成分の光は吸収される。
【００２４】
プリズム４３は、三角形の断面とＹ軸方向に延びる稜線とを有する三角柱形状である。プリズム４３は、画面中央側を向いた斜面４３ａと、画面端側を向いた壁面４３ｂと、底面４３ｃとを有する。本実施の形態において、プリズム４３の斜面４３ａは平面である。
【００２５】
図２に示すように、複数のプリズム４３は、電極４６ａ及び４６ｂの内面上にＸ軸方向に並べて設けられている。複数のレンズ４５は、電極４７ａ及び４７ｂの内面上にＸ軸方向に並べて設けられている。複数のプリズム４３及びレンズ４５の断面形状は、液晶プリズム素子４０の全体で左右対称となるように構成されている。説明を容易にするために、プリズム４３の形成領域を図１及び２における左半分及び右半分に二分し、左側の領域をＲ１、領域Ｒ１とＸ軸方向に隣接する右側の領域をＲ２とする。また、領域Ｒ１及びＲ２の境界線（中央線）を通過し、かつ、画像表示パネル６０の表示面と直交する平面を、Ｐ１とする。ＸＺ平面と平行な平面上で見たときに、領域Ｒ１に配置されるプリズム４３及びレンズ４５の断面形状と、領域Ｒ２に配置されるプリズム４３及びレンズ４５の断面形状とは、図１及び図２に示すように、平面Ｐ１に対して対称となるように設計されている。
【００２６】
電極４６ａは、対向基板４１の内面の領域Ｒ１に形成され、電極４６ｂは、対向基板４１の内面の領域Ｒ２に形成されている。同様に、電極４７ａは、対向基板４２の内面の領域Ｒ１に形成され、電極４７ｂは、対向基板４２の内面の領域Ｒ２に形成されている。
【００２７】
更に、プリズム４３及びレンズ４５の液晶層４４と接する表面上には、液晶分子の配向方向を所望の方向に制御するための配向処理を施した配向膜４８ａ及び４８ｂが設けられている。配向膜４８ａ及び４８ｂは、電極４６ａ、４６ｂ、電極４７ａ、４７ｂに電圧が印加されていない状態で、液晶分子の長軸がＹ軸方向となるように液晶分子を配向させる。ただし、液晶分子の配向が均一に保てるのであれば、配向膜４８ａ、及び４８ｂはなくても良い。
【００２８】
尚、対向基板４１及び４２、プリズム４３、レンズ４５の形成材料としては、ガラスまたは樹脂を用いることができる。プリズム４３及びレンズ４５の材料として樹脂を用いる場合、一例として、ガラス基板上にＵＶ硬化樹脂をインプリントすることによって、プリズム４３及びレンズ４５を形成することができる。液晶プリズム素子４０は、電極４６ａ及び４６ｂを成膜した対向基板４１上にプリズム４３の一次元配列を形成し、電極４７ａ及び４７ｂを成膜した対向基板４２上にレンズ４５の一次元配列を形成した後、対向基板４１と４２とを貼り合わせ、対向基板４１及び４２の間に液晶を封入することによって作製できる。
【００２９】
液晶プリズム素子４０は、外部からの印加電圧の大きさに応じて、透過する光の偏向角度の大きさを制御できる素子である。その原理を簡単に述べる。通常、液晶分子は楕円体形状をしており、長手方向と短手方向とで誘電率が異なる。このため、液晶層４４は、入射光の偏光方向毎に屈折率が異なる複屈折の性質を有する。また、液晶分子の長軸配向（ダイレクタ）の向きが光の偏光方向に対して相対的に変化すれば、液晶層４４の屈折率も変化する。そのため、ある印加電圧を与えて発生させた電場により液晶の配向を変化させると、透過する光に対する屈折率が変わるため、光の屈折角である偏向角が変化する。
【００３０】
本実施の形態では、液晶層４４を構成する材料としては１軸性のポジ型液晶を用いた場合を考える。そして、電極間に電圧が印加されていない場合には液晶分子長軸がＹ軸方向に配向しており、電圧が印加された場合は、液晶分子長軸がＺ軸方向に配向する場合を考える。
【００３１】
偏光子４９ａ及び４９ｂの透過軸がＹ軸方向であるため、電圧が印加されていない場合の液晶層４４の屈折率は異常光屈折率、電圧が印加された場合の液晶層４４の屈折率は常光屈折率となる。
【００３２】
一般的に、液晶プリズム素子４０等のアクティブ素子で光を偏向させる場合に、偏向角を大きくするためには、Δｎ（＝異常光に対する屈折率ｎｅ−常光に対する屈折率ｎｏ）が大きな液晶材料を用いることが望ましい。しかしながら、市販されている中でΔｎが大きな液晶材料は少なく、一般的に、Δｎは約０．２程度である。
【００３３】
また、同じ液晶材料で用いて液晶プリズム素子４０を構成しても配向方向の設計、電場のかけ方が液晶プリズム素子４０の能力である偏向角や、電力や、スイッチングスピードなどといった素子性能を大きく左右する重要な項目である。
【００３４】
尚、液晶プリズム素子４０では、プリズム４３の斜面の傾斜方向が、画面の中心線（平面Ｐ１）を境界にして左右で異なっている。液晶プリズム素子４０では、出射光をプリズム４３の傾斜面から遠ざける方向（図３における左上方向に相当）への偏向と比べて、出射光をプリズム４３の傾斜面に近づける方向（図３における右上方向に相当）への偏向の効率が低いという性質がある。そこで、プリズム４３の傾斜面を平面Ｐ１に対して対称とし、プリズム４３の傾斜面を画面の中央部の前方に向けることによって、液晶プリズム素子４０は、画面の左端近傍に入射した光を画面の右前方へと効率的に偏向することができ、画面の右端近傍に入射した光を画面の左前方へと効率的に偏向することができる。この場合、液晶プリズム素子４０の左右の領域に異なる電圧が印加される。そのために、電極４６ａ及び４６ｂ、４７ａ及び４７ｂとは、画面中央で分離されている。また、同一基板内にある電極を２つとも接地端子として用いる場合は中央で分離しなくても良い。
【００３５】
液晶プリズム素子４０を透過した光は、画像表示パネル６０に入射する。画素表示パネル６０の一例として、Ｉｎ−Ｐｌａｎｅ−Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ方式のパネルが挙げられる。ただし、画像表示パネル６０として他の方式の画像表示パネルを採用することもできる。画像表示パネル６０を透過した光は、指向性を持ち、観察者の眼の位置に集光される。
【００３６】
画像表示装置１０は、右眼用画像と左眼用画像の切り替えに同期させて、光源２１ａ及び２１ｂの切り替えを行っている。また、右眼用画像と左眼用画像との切り替えを１２０Ｈｚ以上の周波数で行うことで、観察者は右眼用画像と左眼用画像とに基づいて立体画像を認識することができる。
【００３７】
位置検出部７１は、カメラ７２と視聴位置算出部７３とを含む。カメラ７２は、観察者の画像を所定周期で撮影する。視聴位置算出部７３は、カメラ７２によって撮影された画像を解析し、観察者の視聴位置を表す視聴位置情報を算出する。カメラ７２が行う画像解析には、顔や顔の一部（眼や鼻など）の位置を認識する公知のアルゴリズムを利用できる。また、視聴位置算出部７３が求める視聴位置情報は、観察者の目の位置を表すものであることが好ましいが、眼の位置に代えて顔や鼻等の位置を表しても良い。
【００３８】
制御部７０は、視聴位置算出部７３によって求められた視聴位置情報に基づいて、液晶プリズム素子４０に印加する電圧値を制御する。より詳細には、観察者の視聴位置が、画面中央から左端側に移動した場合、領域Ｒ１では、液晶層４４の屈折率をプリズム４３の屈折率より小さく、領域Ｒ２では、液晶層４４の屈折率をプリズム４３の屈折率より大きくすることによって、プリズム４３からの出射光を観察者から見て右方向に偏向させる。このとき、光を偏向しない時の印加電圧に対して、領域Ｒ１への印加電圧をより大きく、領域Ｒ２への印加電圧より小さくすることによって、領域Ｒ１の偏向角と領域Ｒ２の偏向角を調節できる。逆に、観察者の視聴位置が、画面中央から右端側に移動した場合、領域Ｒ１では液晶層４４の屈折率をプリズム４３の屈折率より大きく、領域Ｒ２では、液晶層４４の屈折率をプリズム４３の屈折率より小さくすることによって、プリズム４３からの出射光を観察者から見て左方向に偏向させる。このとき、光を偏向しない時の印加電圧に対して、領域Ｒ２への印加電圧より大きく、領域Ｒ１への印加電圧より小さくすることによって、領域Ｒ１の偏向角と領域Ｒ２の偏向角とを調節できる。
【００３９】
尚、印加電圧に対する液晶プリズム素子４０の偏向角及び光の集光点の位置情報は設計段階で想定できるため、予め印加電圧と位置情報とを関連付けたデータを用意し、画像表示装置１０が備える図示しない記憶装置に格納しておけば良い。また、製品完成後、キャリブレーションを行って、集光点の位置の補正を行っても良い。
【００４０】
以上説明した視聴位置情報に基づく偏向制御を所定の周期毎に繰り返し行うことによって、画像表示装置１０に対して観察者が自由に移動した場合でも、任意の場所で、立体画像を視聴する事が可能となる。よって、本開示に係る液晶プリズム素子４０によれば、視域の広い画像表示装置１０を実現できる。また、光を観察者の目の位置に集光させることで、高輝度かつ省エネの画像表示装置１０を実現できる。
【００４１】
尚、本実施の形態では、光源２１ａ及び２１ｂにより導光板２３が共用されているが、光源２１ａ用の導光板と光源２１ｂ用の導光板とを設け、２枚の導光板を重ねて配置しても良い。
【００４２】
また、プリズムとレンチキュラーレンズとが一体になった光制御フィルム３０に代えて、プリズムシート及びレンチキュラーレンズシートを別個に設けても良い。
【００４３】
更に、バックライト２０は、図１及び２に記載された構成に限定されず、左右の画像信号の切り替えと同期して、右眼用の光と左眼用の光とを時分割で交互に出射できるものであれば、他の構成を採用しても良い。
【００４４】
更に、本実施の形態では、液晶プリズム素子４０内のプリズム４３の傾斜面の向きを領域Ｒ１及びＲ２で異ならせ、平面Ｐ１に対して対称となるように構成しているが、プリズムの傾斜面の向きを液晶プリズム素子４０全体で一定としても良い。この場合、本実施の形態のように、液晶プリズム素子４０の領域Ｒ１及びＲ２で電極を分ける代わりに、表示画面全領域にわたって、１つの電極を設ける。しかしながら、配向変化に対する光線の偏向角及び透過効率の面で、２つの領域Ｒ１及びＲ２に分けてプリズム４３及び電極を設けることがより好ましい。
【００４５】
更に、本実施の形態では、視差のある右眼用画像及び左眼用画像を時分割で表示する立体画像表示装置を例として説明したが、視差のない画像を表示しても良い。この場合、光源２１ａ及び２１ｂを交互に点滅させる代わりに、常時点灯させる。３次元画像に限らず、二次元画像を表示する際にも、観察者の動きに追従して、観察者の眼付近にのみ画像を縮小投影させることにより、省エネだけでなく、周辺の人から表示されている内容を覗かれることも防止でき、プライバシー保護も向上できる。
【００４６】
＜２．液晶プリズム素子の説明＞
以下、本実施の形態に係る液晶プリズム素子４０について、図３及び図９を用いて説明する。また、比較例について、図５〜図８を用いて説明する。
【００４７】
ここでは、観察者の視聴位置として、画像表示装置１０の中央、左端、右端の３つの視聴位置を想定している。「画像表示装置１０の中央の位置」とは、観察者が画像表示装置１０の画面の中央に位置していること意味する。「画像表示装置１０の左端」とは、観察者が画像表示装置１０の画面の左端、すなわち、観察者から見て画像表示装置１０の右端に、観察者が位置していることを意味する。「画像表示装置１０の右端」とは、観察者が画像表示装置１０の画面の右端、すなわち、観察者から見て画像表示装置１０の左端に、観察者が位置していることを意味する。
【００４８】
詳細は後述するが、図６及び図７に示すように、観察者が画像表示装置の左端及び右端の位置で視聴する場合、比較例の液晶プリズム素子４０でも、所望の輝度を実現することができる。すなわち、観察者は、画像表示装置１０の左端及び右端で視聴する際は、表示画像の輝度の低下はあまり気にならない。しかし、図８に示すように、比較例の液晶プリズム素子４０では、観察者が画面中央に位置する場合、観察者の目に入射する光の強度が低下してしまうという課題がある。そこで、実施例に係る液晶プリズム素子４０では、レンズ４５を用いる。このような構成により、画面中央での光の強度の低下を抑えることができる。以下、詳細について説明する。
【００４９】
本実施の形態に係る液晶プリズム素子４０の最適な設計の説明に先だって、まず、比較例に係る液晶プリズム素子４０の構成を説明する。以下の説明の設定条件として、観察者と画像表示装置との垂直距離（図１のｈ）を３００ｍｍとし、画像表示パネル６０の幅（図１のｗ）を２２１ｍｍ、液晶材料の異常光屈折率ｎｅを１．７６３とし、常光屈折率ｎｏを１．５１４（Δｎ＝０．２５）とし、プリズムの屈折率ｎを１．６１とした。プリズムの繰り返し周期は２０ｕｍ、プリズム角が６０°、液晶プリズムのセルギャップ（電極４６ｂと電極４７ｂの距離）は５０ｕｍとした。
【００５０】
（比較例）
図５は、比較例に係る液晶プリズム素子４０の構成を示す概略図である。比較例では、図５で示すようにレンズ４５は、用いられていない。液晶プリズム素子４０には、図４に示すような配光の光が入射する。図４のグラフは、右眼用画像の配光分布を実線で、左目用画像の配光を点線で示している。このような配光分布は導光板２３と光制御フィルム３０を適正な形状に設計することで得られる。
【００５１】
まず、観察者が画面中央から画面左端に移動した場合について、図６を用いて説明する。図６（ａ）は、観察者が画像表示装置の左端に位置している状態を示す概略図である。図６（ｂ）は、比較例に係る液晶プリズム素子の屈折率分布を示す図である。図６（ｃ）は、比較例に係る液晶プリズム素子から出射する光の強度を示すグラフである。
【００５２】
図６（ａ）に示すように、観察者が画面中央から左端（観察者から見て右端）側に移動した場合は、電極４７ｂ、電極４６ｂのどちらにも電圧を印加しない（０Ｖ）ことにより、液晶層４４の屈折率を異常光の屈折率である１．７６３とする。
【００５３】
図６（ｂ）は、電極４７ｂ、電極４６ｂのどちらにも電圧を印加しない場合の屈折率分布を示している。電圧を印加しない場合には、液晶分子の長軸は一様にＹ方向に配向しているため、液晶層４４の全面にわたって均一な屈折率分布が得られることがわかる。
【００５４】
図６（ｃ）は、図４の配光の光が比較例に係る液晶プリズム素子を通過した後の配光分布を示している。以下の説明において、配光分布のグラフの横軸の符号は、液晶プリズム素子の出射面に直交する直線に対して画面左前方に出射された光の角度を正とする。また、縦軸の値は、液晶プリズム素子に入射した光の強度に対する出射光の相対強度を表す。
【００５５】
ここで、図６（ｃ）のグラフ上において右眼用の配光分布と左目用の配光分布とが交わる点の角度を走査角度αと定義すると、図４に示す配光特性では、走査角度αが０°であったのに対し、図６（ｃ）では、−１３．７°となった。すなわち、図６（ｃ）のグラフは、比較例に係る液晶プリズム素子４０が観察者のいる画面左側に入射光を−１３．７°偏向できていることを示している。
【００５６】
次に、観察者が画面中央から画面右端（観察者から見て左端）に移動した場合について、図７を用いて説明する。図７（ａ）は、観察者が画像表示装置の右端に位置している状態を示す概略図である。図７（ｂ）は、比較例に係る液晶プリズム素子４０の屈折率分布を示す図である。図７（ｃ）は、比較例に係る液晶プリズム素子４０から出射する光の強度を示すグラフである。
【００５７】
観察者が画面中央から右端側に移動した場合は、電極４７ｂには電圧を印加せず（０Ｖ）、電極４６ｂに液晶分子の長軸が十分にＺ方向に配向する電圧を印加することにより、液晶層４４の屈折率を常光の屈折率である１．５１４とする。
【００５８】
図７（ｂ）は、電極４７ｂに０Ｖ、電極４６ｂに２０Ｖの電圧を印加した場合の屈折率分布を示している。液晶プリズム素子４０の斜面４８ａ、壁面４８ｃ、電極４７ｂ近傍の微小領域の液晶分子がアンカリングのために配向方向が変化しないが、液晶層４４の全面にわたって概ね均一な屈折率分布が得られることがわかる。
【００５９】
図７（ｃ）は、図４の配光の光が液晶プリズム素子を通過した後の配光分布を示している。図４に示す配光特性では、走査角度αが０°であったのに対して、比較例の液晶プリズム素子の走査角度αは、１１°となった。すなわち、図７（ｃ）に示すグラフは、比較例の液晶プリズム素子が観察者のいる画面右側に入射光を偏向できていることを示している。
【００６０】
次に、観察者が画面中央に位置する場合について、図８を用いて説明する。図８（ａ）は、観察者が画像表示装置１０の中央に位置している状態を示す概略図である。図８（ｂ）は、比較例に係る液晶プリズム素子４０の屈折率分布を示す図である。図８（ｃ）は、比較例に係る液晶プリズム素子４０から出射する光の強度を示すグラフである。
【００６１】
観察者が画面中央に移動した場合は、電極４７ｂには電圧を印加せず（０Ｖ）、電極４６ｂに液晶分子の長軸がある程度Ｚ方向に配向する電圧を印加することにより、液晶層４４の屈折率をプリズム４３の屈折率と同じ１．６１にする。
【００６２】
図８（ｂ）は、電極４７ｂに０Ｖ、電極４６ｂに５Ｖの電圧を印加した場合の屈折率分布を示している。プリズム４３の斜面４３ａ、壁面４３ｂ、電極４７ｂ近傍の微小領域の液晶分子がアンカリングのために配向方向が変化していない。さらに、プリズム４３の斜面４３ａ、壁面４３ｂ、電極４７ｂから離れるに従って、屈折率は徐々に小さくなり、屈折率は１．６２まで変化している。つまり、液晶層４４は屈折率１．７６３から１．６２までの屈折率分布を持つことになる。
【００６３】
図８（ｃ）は、図４の配光の光が液晶プリズムを通過した後の配光分布を示している。図４と同じように図８（ｃ）において走査角度αは−１．７°近傍であり、観察者のいる画面中央に入射光を偏向できていることを示している。しかし、ピーク強度は約７割程度減少している。この原因は、屈折率分布が生じることによって、指向性を持って液晶プリズムに入射した光が、その配光を維持できていないためである。
【００６４】
同じ媒質中で屈折率分布が存在すると、屈折率の高い部分では光の進行速度が相対的に遅く、屈折率の低い部分では光の進行速度が相対的に速くなる。つまり、屈折率の低い部分から高い部分へと光が偏向されることを意味する。
【００６５】
プリズム４３と液晶層４４界面で偏向された光は、液晶層４４の屈折率分布によってさらに偏向される。比較例では、図８（ｂ）に示すように、斜面４３ａ、壁面４３ｂに対して垂直に、高い屈折率から低い屈折率に徐々に変化しているため、＋Ｚ方向に進行する光は、斜面のある＋Ｘ方向または壁面のある−Ｘ方向に偏向されながら液晶層４４中を伝搬していく。したがって、図８（ｃ）に示すようにピークが低下した配光特性になる。
【００６６】
表１に画面中央、左端及び右端におけるクロストークと視聴位置相対強度を示す。
【００６７】
【表１】
0005938720.tif 000002
【００６８】
ここで、左眼クロストークとは、観察者の左眼に届く右眼用の光の相対強度をいい、右眼クロストークとは、観察者の右眼に届く左眼用の光の相対強度をいう。具体的には、左眼クロストークは、走査角度α−６°の角度位置における右眼用配光分布の相対強度の値と定義し、右眼クロストークは、走査角度α＋６°の角度位置における左眼用配光分布の相対強度の値と定義する。また、左眼視聴位置相対強度とは、観察者の左眼に届く左眼用の光の相対強度をいい、右眼視聴位置相対強度とは、観察者の右眼に届く右眼用の光の相対強度をいう。具体的には、左眼視聴位置相対強度は、走査角度α−６°の角度位置における左眼用配光分布の相対強度の値と定義し、右眼視聴位置相対強度は、走査角α＋６°の角度位置における右眼用配光分布の相対強度の値と定義する。
【００６９】
クロストークの値は、低い程よく、クロストークの値が高いと２重像（像が２重に見える）になることが知られている。比較例では、右端及び左端位置に比べ画面中央でのクロストークの値が大きくなっている。また画面中央における視聴位置相対強度の値が右端及び左端位置に比べ低下している。
【００７０】
（実施例）
実施例に係る液晶プリズム素子４０の構成について図９を用いて詳細に説明する。図９（ａ）は、観察者が画像表示装置の中央に位置している状態を示す概略図である。図９（ｂ）は、実施例に係る液晶プリズム素子４０の屈折率分布を示す図である。図９（ｃ）は、実施例に係る液晶プリズム素子４０から出射する光の配光分布を示すグラフである。レンズ４５が設置されていること以外の部分については比較例と同じであるため説明は省略する。
【００７１】
上述したように、比較例に係る液晶プリズム素子４０では、画像表装置の左端及び右端に観察者が位置する場合は、視聴するには十分な光の強度を確保することができた。しかし、観察者が画像表示装置の中央に位置する場合は、光の強度が大きく低下した。
【００７２】
そこで本実施例では、観察者が画像表示装置の中央に位置する場合であっても、十分な光の視聴位置相対強度を確保することができるよう構成している。
【００７３】
実施例に係る液晶プリズム素子４０では、図３に示すように、レンズ４５が設けられている。レンズ４５の材質は樹脂、ガラス等が適切であるが、本実施例では、屈折率１．５の樹脂を用いている。レンズ４５の入射面は、非球面であり、その形状は（数１）の多項式で与えられる。
【００７４】
【数１】
0005938720.tif 000003
【００７５】
本実施例では各係数の値を、ａ＝−０．１６９８１，ｂ＝−２８．２３８，ｃ＝５８３２．４，ｄ＝２．１０５５ｅ＋５，ｅ＝１．０３８３ｅ＋７，ｆ＝２．６６１３ｅ＋９，ｇ＝５．９２９８ｅ＋１１とした。
【００７６】
一方レンズ４５の出射面は、平面であり、電極４７ａ、４７ｂに光学的に接している。
【００７７】
本実施例では、観察者が画面中央にいる場合の液晶の屈折率分布による配光の広がりを、レンズ４５の非球面の屈折作用により抑制し、視聴位置相対強度の低下を抑制している。
【００７８】
図９（ｃ）は、図４の配光の光が実施例に係る液晶プリズム素子４０を通過した後の配光分布を示している。図９（ｃ）において、走査角度は−３．８°であり、観察者のいる画面中央近傍に入射光を偏向できていることを示している。また図８（ｃ）に示す比較例の画面中央における配光分布に比べ、分布の広がりが抑制され、ピーク輝度が増大している。
【００７９】
表２に本実施例に関する画面中央、左端及び右端における右眼、左眼の、クロストークと視聴位置相対強度を示す。
【００８０】
【表２】
0005938720.tif 000004
【００８１】
本実施例では、画面中央のクロストークの値が比較例に比べ小さくなっており改善されている。また、視聴位置相対強度の値は、比較例より大きくなり改善されている。尚、画面左端におけるクロストークが比較例に比べ劣化してはいるが、画面中央のクロストークよりやや低く抑えられており、実用的な範囲内である。
【００８２】
（他の実施の形態）
図１０及び図１１にその他の実施の形態を示す。
【００８３】
図３では、レンズ４５を有する液晶プリズム素子４０を用いて画面中央のクロストーク、視聴位置相対強度を改善できる例を説明したが、図１０に示すように、レンズ４５を用いずに、プリズム４３の斜面４３ａの形状を非球面にすることで、同様の効果を得ることができる。すなわち、図１０の液晶プリズム素子４０は、第１光学素子であるプリズム４３と、第２光学素子である液晶層４４とからなり、プリズム４３の斜面４３ａがＸ軸方向にパワーを有する非球面になっている。
【００８４】
また、図１１に示すように、レンズ４５を用いて且つプリズム４３の形状を非球面にしても同様の効果が得られる。すなわち、図１１の液晶プリズム素子４０は、第１光学素子を構成するプリズム４３と、第２光学素子を構成する液晶４４と、第３光学素子を構成するレンズ４５からなり、プリズム４３の斜面４３ａは、Ｘ軸方向にパワーを有する非球面であり、レンズ４５の入射面４５ａは、Ｘ軸方向にパワーを有する非球面で構成される。
【００８５】
以上説明したように、第１光学素子と第２光学素子との界面、及び、第２光学素子と前記第３光学素子との界面の少なくとも一方を非球面にすることで、屈折率分布により所望の偏向角からずれた光線の角度を補正することができる。本開示における光偏向素子を用いれば、表示光の輝度低下が低減された画像表示装置を構成できる。
【産業上の利用可能性】
【００８６】
本開示における光偏向素子は、観察者の位置に追従して光を偏向させるので、高輝度、高効率、高解像度の画像表示装置を実現するのに有効である。また、本開示における光偏向素子は、３次元画像の表示用途だけでなく、２次元画像の表示用途にも広く適用することができる。また、本開示における光偏向素子は、簡便な構成で３Ｄ液晶表示装置やプライバシーディスプレイ等に適用することが可能である。
【符号の説明】
【００８７】
１０  画像表示装置
２０  バックライト
２１ａ  光源
２１ｂ  光源
２２  反射フィルム
２３  導光板
２４  傾斜面
３０  光制御フィルム
３１  プリズム
３２  シリンドリカルレンズ
４０  液晶プリズム素子
４１  対向基板
４２  対向基板
４３  第１光学素子（プリズム）
４３ａ  プリズム斜面
４３ｂ  プリズム壁面
４３ｃ  プリズム底面
４４  第２光学素子（液晶層）
４５  第３光学素子（レンズ）
４５ａ  レンズ入射面
４６ａ  電極
４６ｂ  電極
４７ａ  電極
４７ｂ  電極
４８ａ  配光膜（プリズム斜面）
４８ｂ  配光膜（レンズ面）
４８ｃ  配光膜（プリズム壁面）
４９ａ  偏光子
４９ｂ  偏光子
６０  画像表示パネル
７０  制御部
７１  位置検出部
７２  カメラ
【図１】
0005938720.tif 000005
【図２】
0005938720.tif 000006
【図３】
0005938720.tif 000007
【図４】
0005938720.tif 000008
【図５】
0005938720.tif 000009
【図６】
0005938720.tif 000010
【図７】
0005938720.tif 000011
【図８】
0005938720.tif 000012
【図９】
0005938720.tif 000013
【図１０】
0005938720.tif 000014
【図１１】
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