(57)【要約】  液晶レンズアレイ（１２）の液晶層（１８）を挟んで互いに対向するようにして設けられた平板電極（１３）に対向するストリップ状電極は、液晶レンズアレイのピッチ方向において、各液晶レンズの両端に端部電極（１４２）が位置するとともに、液晶レンズの中央部において中心電極（１４１）が位置するような周期で配置され、平板電極と中心電極との電位差が液晶層の立ち上がり電圧Ｖｔｈ未満に設定され、端部電極には、絶対値において、平板電極に印加された第１の電圧Ｖ１及び中心電極に印加された第２の電圧Ｖ２よりも大きく、かつ立ち上がり電圧よりも大きな第３の電圧Ｖ３が印加され、各液晶レンズの厚さ方向の全体に亘って屈折率分布が形成されるとともに、液晶レンズアレイのピッチ方向における長さを１とし、端部電極の幅をｗｓ、中央電極の幅をｗｇとした場合において、０．０７５＜ｗｓ＜０．１５、０．１５＜ｗｇ＜０．２９なる関係を満足するように立体画像表示装置（１０）を構成する。
2011036736.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の画素を有し、偏光を有する画像光を出射する画像表示素子と、
前記画像表示素子の、前記画像光の出射側に設けられた液晶レンズアレイと、
前記液晶レンズアレイの液晶層を挟んで互いに対向するようにして設けられた一対の透明基板と、
前記一対の透明基板の一方に設けられた平板電極と、
前記液晶レンズアレイの各々に対応する位置の、前記一対の透明基板の他方に設けられたストリップ状電極とを具え、
前記ストリップ状電極は、前記液晶レンズアレイのピッチ方向において、各液晶レンズの両端に端部電極が位置するとともに、前記液晶レンズの中央部において中心電極が位置するような周期で配置され、
前記平板電極と前記中心電極との電位差が前記液晶層の立ち上がり電圧Ｖｔｈ未満に設定され、
前記端部電極には、絶対値において、前記平板電極に印加された第１の電圧Ｖ１及び前記中心電極に印加された第２の電圧Ｖ２よりも大きく、かつ前記立ち上がり電圧よりも大きな第３の電圧Ｖ３が印加され、
各液晶レンズの厚さ方向の全体に亘って屈折率分布が形成されるとともに、前記液晶レンズアレイのピッチ方向における長さを１とし、前記端部電極の幅をｗｓ、前記中央電極の幅をｗｇとした場合において、
０．０７５＜ｗｓ＜０．１５
０．１５＜ｗｇ＜０．２９
なる関係を満足することを特徴とする、立体画像表示装置。
【請求項２】
前記平板電極及び前記中心電極はグランド電位であることを特徴とする、請求項１に記載の立体画像表示装置。
【請求項３】
前記平板電極はグランド電位であり、前記中心電極はグランド電位より低く、絶対値において前記液晶層の立ち上がり電圧Ｖｔｈと等しく、極性が異なる負の電圧に相当する電位よりも高いことを特徴とする、請求項１又は２に記載の立体画像表示装置。
【請求項４】
前記一対の透明基板の厚さを相異なるようにしたことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一に記載の立体画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、立体画像表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
複数の視線方向からの画像を画像表示面に合成表示し、観測者の視点位置に応じて対応する画像を選択的に視認させる、２次元平面表示装置を用いた立体画像表示方法がある。【０００３】
立体像の表示方法として、表示画像を左右の眼の視点位置において観察されるべき２枚の画像とすることで２眼式、同様に複数の視点位置に対して多数枚とすることで多眼式がある。また、視点位置を意識せずに、多数の視線方向に対して画像を画像表示面に合成表示するインテグラルフォトグラフィ法（ＩＰ法）がある。さらに、インテグラルフォトグラフィ法を応用し、ＦＰＤを用いたインテグラルイメージング法（ＩＩ法）がある。【０００４】
画像を選択する手段として、ピンホールあるいはスリット状に光学的遮蔽部と開口部との組をアレイ状に設ける方法と、レンズアレイ、あるいはレンチキュラーレンズアレイを画像表示面上に設け、レンズの結像位置を画素位置とする方法が知られている。表示輝度の観点からは、画像選択手段は、遮蔽部の存在により表示輝度が低下するため、レンズを使用する方が望ましい。【０００５】
一方で、２次元画像と立体画像とを選択的に同一の表示装置を用いて表示したいという要求に応えるため、２次元画像と立体画像とを選択的に表示する手法がある。レンズアレイを画像選択手段に用いた構成においては、レンズを屈折率可変層とすることで、レンズ作用の有無を切換える。屈折率制御実現手段に液晶の配向を電圧制御する液晶レンズを利用する。レンズ作用の有無を切換えることで、２次元画像を表示する際に、２次元平面表示装置が有する本来の解像度で画像を表示することが可能となる（特許文献１）。【０００６】
また、パーソナルコンピュータやデジタル端末などのディスプレイ上において、２次元画像と立体画像とを選択的に表示したいという要求が高まっている。しかしながら、このような機器においては、ディスプレイと観測者との間の視距離が、４０ｃｍ〜７０ｃｍ程度と極めて短い。そのような短い視距離で立体画像を得るには、極めて広い視域角が要求される。しかしながら、現状においては、このような広い視域角を実現できるようなレンズ、特に液晶レンズは未だに実現がなされていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０００−１０２０３８公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、高解像度で広い視域角を有する液晶レンズを具え、２次元画像と立体画像とを選択的に切り替えることが可能な立体画像表示装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一態様は、複数の画素を有し、偏光を有する画像光を出射する画像表示素子と、前記画像表示素子の、前記画像光の出射側に設けられた液晶レンズアレイとを具え、前記液晶レンズアレイは、液晶層を挟んで互いに対向するようにして設けられた一対の透明基板と、前記一対の透明基板の一方に設けられた平板電極と、前記液晶レンズアレイの各々に対応する位置の、前記一対の透明基板の他方に設けられたストリップ状電極を具え、前記ストリップ状電極は、前記液晶レンズアレイのピッチ方向において、各液晶レンズの両端に端部電極が位置するとともに、前記液晶レンズの中央部において中心電極が位置するような周期で配置され、前記平板電極と前記中心電極との電位差が前記液晶層の立ち上がり電圧Ｖｔｈ未満に設定され、前記端部電極には、絶対値において、前記平板電極に印加された第１の電圧Ｖ１及び前記中心電極に印加された第２の電圧Ｖ２よりも大きく、かつ前記立ち上がり電圧よりも大きな第３の電圧Ｖ３が印加され、各液晶レンズの、前記液晶レンズアレイのピッチ方向における長さを１とし、前記端部電極の幅をｗｓ、前記中心電極の幅をｗｇとした場合において、０．０７５＜ｗｓ＜０．１５、０．１５＜ｗｇ＜０．２９なる関係を満足することを特徴とする、立体画像表示装置に関する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、高解像度で広い視域角を有する液晶レンズを具え、２次元画像と立体画像とを選択的に切り替えることが可能な立体画像表示装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】第１の実施形態の立体画像表示装置。
【図２】液晶レンズアレイの１つの液晶レンズを抜き出して示す、レンズピッチ方向の断面構成図。
【図３】液晶レンズアレイの１つの液晶レンズを抜き出して示す、レンズピッチ方向の断面構成図。
【図４】液晶レンズのレンズピッチ方向における屈折率分布。
【図５】液晶レンズのレンズピッチ方向における屈折率分布。
【図６】液晶レンズのレンズピッチ方向における屈折率分布。
【図７】液晶レンズのレンズピッチ方向における屈折率分布。
【図８】液晶レンズの中心電極の幅ｗｇに対するクロストーク依存性。
【図９】液晶レンズの中心電極の幅ｗｓに対するクロストーク依存性。
【図１０】第２の実施形態の立体画像表示装置。
【図１１】第３の実施形態の立体画像表示装置。
【図１２】第３の実施形態の立体画像表示装置。
【図１３】図１１に示す立体画像表示装置の、液晶レンズ内の光線の通過及び屈折に係る様子を示す概念図。
【図１４】図１２に示す立体画像表示装置の、液晶レンズ内の光線の通過及び屈折に係る様子を示す概念図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の詳細、並びにその他の特徴及び利点について、実施の形態に基づいて説明する。
【００１３】
（第１の実施形態）
図１は、本実施形態の立体画像表示装置の概略構成を示す図である。図２及び図３は、図１に示す立体画像表示装置における液晶レンズアレイの１つの液晶レンズを抜き出して示す、レンズピッチ方向の断面構成図である。図２は、液晶レンズの液晶層に対して電圧が印加されておらず、液晶のダイレクタが液晶を封止している透明基板（ガラス基板）と平行になっている状態を示すものである。図３は、液晶レンズの液晶層に対して電圧が印加され、液晶のダイレクタが液晶層の厚さ方向に変化して、液晶レンズとして機能している状態を示すものである。なお、図１においては、簡略化のため、液晶を封止する透明基板については省略している。
【００１４】
図１に示すように、本実施形態の立体画像表示装置１０は、画像表示素子としてのＬＣＤ１１と、このＬＣＤ１１から発せられる画像光の出射側に配置された、３つの液晶レンズを持つ液晶レンズアレイ１２とを有している。ＬＣＤ１１の両面には図示しない偏光板が設けられており、偏光を有する画像光が出射されるように構成されている。なお、ＬＣＤ１１は複数の画素を有しており、これら画素は３つの画素群１１１，１１２，１１３に分割されている。液晶レンズアレイを構成する各液晶レンズは、これら画素群１１１，１１２，１１３のそれぞれに対応するようにして設けられている。
【００１５】
なお、本実施形態では、液晶レンズアレイを３つの液晶レンズから構成しているが、その数については限定されない。また、ＬＣＤ１１を構成する複数の画素は画素群を構成するようにしているが、これに限定されるものではなく、必要に応じて任意の形態とすることができる。
【００１６】
また、液晶レンズアレイ１２のＬＣＤ１１と反対側の面には平板電極１３が形成されている。さらに、液晶レンズアレイ１２のＬＣＤ１１側の面には、レンズピッチ方向と直交するように延在したストリップ状電極１４１及び１４２を有している。ストリップ状電極１４１及び１４２は、レンズピッチ方向において所定の周期で配置されている。
【００１７】
液晶レンズアレイ１２は、これを構成する各液晶レンズの中央部の屈折率と端部の屈折率とが大きく異なる。液晶レンズアレイ１２は、理想的なリターデーションを生ぜしめることが可能なレンズとして機能するような大きな屈折力を有する。したがって、液晶レンズアレイ１２から出射される画像光は、前記屈折力を受けて大きく偏向され、広範囲に広がることによって大きな視域角を得ることができる。
【００１８】
次に、図２及び図３に示す液晶レンズの断面構成図を参照して、上述した作用効果について詳述する。なお、ＬＣＤ１１から出射された画像光の偏光方向は、液晶レンズ１２１（１２２，１２３）の液晶層１８におけるダイレクタ１８Ａと一致するようにする。
【００１９】
図２及び図３に示すように、各液晶レンズ１２１（１２２，１２３）においては、一対の透明基板１５及び１６（例えばガラス基板）によって液晶層１８を狭持（封止）している。透明基板１５上には液晶層１８と対向するようにして上述した平板電極１３が設けられている。透明基板１６上には液晶層１８と対向するようにして上述したストリップ状電極１４１及び１４２が設けられている。
【００２０】
なお、ストリップ状電極１４１は、液晶レンズ１２１（１２２，１２３）の中央部に配置されて中心電極を構成する。ストリップ状電極１４２は、液晶レンズ１２１（１２２，１２３）の両端に配置されて端部電極を構成する。
【００２１】
透明電極１５及び１６の主面と平行にラビング処理を施し、平板電極１３、中心電極１４１及び端部電極１４２間に電圧を印加しない状態では、図２に示すように、液晶層１８の液晶のダイレクタ１８Ａは透明電極１５及び１６の主面と平行となる。この場合は、液晶レンズ１２１（１２２，１２３）において、レンズピッチ方向における液晶のダイレクタ１８Ａ（ダイレクタ１８Ａの軸と直交する方向に生じる）に起因した複屈折は一定となる。よって、液晶レンズ１２１（１２２，１２３）のレンズピッチ方向においてほとんど屈折率分布は生じない。図２に示すような状態では、液晶レンズ１２１（１２２，１２３）は実際にはレンズとしての機能を奏しない。
【００２２】
一方、例えば、平板電極１３をグランド電位（電圧Ｖ１）とする。中心電極１４１をグランド電位（電圧Ｖ２）とする。端部電極１４２に対して、液晶層１８中の液晶の立ち上がり電圧Ｖｔｈよりも大きな電圧Ｖ３を印加する。図３に示すように、端部電極１４２の近傍では液晶が立ち上がってダイレクタ１８Ａが上方を向く。また、平板電極１３の、中心電極１４１の上方の領域に近づくにつれて、ダイレクタ１８Ａは透明基板１５及び１６の主面と略平行になる。
【００２３】
液晶レンズ１２１（１２２，１２３）の端部では、ＬＣＤ１１から出射された画像光は、その偏光方向が液晶層１８におけるダイレクタ１８Ａと一致した状態において、液晶のダイレクタ１８Ａと垂直に交わる割合が少ないため複屈折の影響をさほど受けず、画像光に対する屈折率は比較的低くなる。一方、液晶レンズ１２１（１２２，１２３）の中心に向かうにつれて、ＬＣＤ１１から出射された画像光は、液晶のダイレクタ１８Ａと垂直に交わる割合が多くなるため複屈折の影響を大きく受け、画像光に対する屈折率は比較的高くなる。
【００２４】
この結果、液晶レンズ１２１（１２２，１２３）内には、破線Ａで示すような大きな屈折率分布が生じる。なお、上側程屈折率が高く、下側程屈折率が低い。したがって、液晶レンズ１２１（１２２，１２３）内に上述のように大きな屈折率分布Ａが生じる。屈折率分布Ａに起因して液晶レンズ１２１（１２２，１２３）は大きな屈折力を有する。このため、ＬＣＤ１１から出射された画像光の、液晶レンズ１２１（１２２，１２３）の入射位置の相違に基づいて、画像光の偏向が大きく変化する。結果、液晶レンズアレイ１２の視域角が増大する。
【００２５】
このように、液晶レンズ１２１（１２２，１２３）は、その内部に上述した屈折率分布Ａを有することによって上述のような偏向作用を奏するようになるので、図３に示すような構成の場合において、実際にレンズとしての機能を奏するようになる。
【００２６】
なお、上述した説明から明らかなように、本実施形態では、図２及び図３に示すように、端部電極１４２に電圧印加を行うことによって液晶レンズ１２１（１２２，１２３）の液晶層１８に屈折率分布を生ぜしめ、液晶レンズ本来の機能を発現させて立体画像（３次元画像）を表示するようにしている。一方、平面画像（２次元画像）を表示するには、端部電極１４２に電圧印加を行わず、図２に示すような液晶ダイレクタ分布とすることによって実現することができる。
【００２７】
次に、本実施形態における実施例を示す。図４〜図７は、液晶レンズ１２１（１２２，１２３）のレンズピッチ方向における屈折率分布を示すグラフである。なお、本実施例においては、液晶レンズ１２１（１２２，１２３）を厚さ方向において３分割（下段、中断、上段）する。各分割領域におけるレンズピッチ方向における屈折率分布と、これら屈折率分布を合成した液晶レンズ１２１（１２２，１２３）の厚さ方向全体に亘る屈折率分布とを示す。なお、各図には、（１）式より得られる理想的な屈折率分布を合わせて示している。
【００２８】
なお、液晶レンズ１２１（１２２，１２３）のピッチＬ（例えば０．３５）ｍｍと厚さＴ（例えば０．１）ｍｍとの比Ｌ／Ｔ＝３とし、上述した分割は厚さ方向において１／３Ｌづつ均等に実施した。また、液晶には下記の特性を有するものを使用した。
【００２９】
−液晶の物性の例−
弾性定数：Ｋ１１広がり変形に関する、Ｋ２２ねじれ変形に関する、Ｋ３３曲がり変形に関する
ε２（液晶のダイレクタ方向の誘電率）
ε１(液晶のダイレクタに垂直な方向の誘電率）
Ｎｅ  液晶のダイレクタ方向の屈折率、Ｎｏ  液晶のダイレクタ方向と垂直な屈折率
回転粘性率  Γ
を定義すると一般的な液晶により、本構造で所望の屈折率分布が電圧を適当に変えることにより得られる。液晶にかける電圧は低く保つ方が望ましい。液晶の厚みが厚くなっても液晶ＧＲＩＮレンズにおける電源上部で、すべてのダイレクタが立ち上がるために、Δε＝ε１−ε２≧６が望ましい。また、回転粘性率Γ＞0.1[ｍＰａ／ｓ]が望ましい。液晶GRINレンズはダイレクタ分布が徐々に電界分布に従い、傾きが変わっていく方が望ましい。粘性が低いとダイレクタの傾きに関して、局所的に急激な変化が起きる恐れがあるからである。Ｋ１１は１３から１５、Ｋ２２は６から８、Ｋ３３は１４から１８の一般的な液晶の値を用いる。
【００３０】
また、中心電極ｗｇの幅及び端部電極ｗｓの幅は、８０μｍ及び３０μｍ（ピッチＬを１とした場合、それぞれ０．２２９及び０．０８６：実施例）、３０μｍ及び３０μｍ（ピッチＬを１とした場合、それぞれ０．０８６及び０．０８６：比較例）とした。
【００３１】
図４に示すように、液晶レンズ１２１（１２２，１２３）の下段において得られる屈折率分布は、実施例及び比較例において、それぞれ理想とする屈折率分布よりも相対的に高くなっていることが分かる。また、特に液晶レンズ１２１（１２２，１２３）のレンズピッチ方向における中心部近傍において、高い屈折率を示すことが分かる。
【００３２】
また、図５及び図６に示すように、液晶レンズ１２１（１２２，１２３）の中断及び上段において得られる屈折率分布は、実施例及び比較例において、それぞれ理想とする屈折率分布よりも相対的に低くなっていることが分かる。また、特に液晶レンズ１２１（１２２，１２３）のレンズピッチ方向における中心部近傍における屈折率が、理想とする屈折率分布よりも顕著に小さくなっていることが分かる。
【００３３】
以上より、液晶レンズ１２１（１２２，１２３）の厚さ方向全体に亘る屈折率分布は、図７に示すように、特に図４に示す下段の屈折率分布における中心部近傍の高い屈折率と、図５及び図６に示す中断及び上段の屈折率分布における中心部近傍の低い屈折率とが相殺される。特に実施例の場合において、理想とする屈折率分布と略同等の屈折率分布を呈することが分かる。したがって、上述したように視域角が増大するような所望の屈折率分布を得ることができ、理想とする液晶レンズとして機能することが分かる。
【００３４】
一方、比較例の場合においては、特に液晶レンズ１２１（１２２，１２３）のレンズピッチ方向の中心から約±０．２５ピッチ離隔した位置において変曲点を有し、理想とする屈折率分布との差が大きく、理想とする液晶レンズが得られないことが分かる。
【００３５】
なお、本例においては、中心電極１４１をグランド電位としたが、グランド電位より低く、絶対値において液晶層１８の液晶の立ち上がり電圧Ｖｔｈと等しく、極性が異なる負の電圧に相当する電位よりも高く、具体的には中心電極１４１の電位をＶｃｐとした場合、０＞Ｖｃｐ＞−Ｖｔｈとすることができる。これは、中心電極１４１と端部電極１４２との距離が増大した場合に有効である。すなわち、中心電極１４１と端部電極１４２との距離が増大すると、その間に印加される電圧に起因して生じる電界が小さくなってしまう。液晶のダイレクタが水平とならずに、上方に向くようになってしまう。このような場合は、上述のように、視域角を増大するような液晶レンズとして機能する理想的な屈折率分布を得ることができなくなる。
【００３６】
しかしながら、中心電極１４１の電位を上述のように設定すると、中心電極１４１と端部電極１４２との距離が増大しても、その間に印加される電圧に起因して生じる電界が大きくなる。液晶のダイレクタが水平となるため、上述のように、視域角を増大するような液晶レンズとして機能する屈折率分布を得ることができるようになる。
【００３７】
なお、Ｖｃｐ＞−Ｖｔｈとしているのは、もし、中心電極１４１の電位Ｖｃｐ≦−Ｖｔｈとなると、平板電極１３と中心電極１４１との間に、液晶の立ち上がり電圧以上の大きさの電圧が実質的に印加されることになる。液晶のダイレクタが上向きに配向してしまうため、上述のように、視域角を増大するような液晶レンズとして機能する屈折率分布を得ることができなくなってしまう
【００３８】
なお、図４〜図７に示す実施例及び比較例に関する屈折率分布は、市販の液晶シミュレータを用いて実施した。シミュレーションに用いた条件は、液晶レンズ１２１（１２２，１２３）のピッチＬを０．１７ｍｍ〜０．７ｍｍの範囲に設定し、高さＬを０．０２５ｍｍ〜０．２ｍｍの範囲に設定した。また、液晶層１８の広がり変形に関係する弾性係数Ｋ１１を１４、ねじれ変形に関する弾性係数Ｋ２２を７及び曲り変形に関する弾性係数Ｋ３３を１７とした。さらに、液晶層１８のダイレクタ１８Ａ方向の誘電率ε２を３とし、ダイレクタ１８Ａ方向と垂直な方向の誘電率ε１を９とした。また、端部電極１４２に印加する電圧は５Ｖ〜１２Ｖの範囲に設定した。
【００３９】
シミュレーションにおいては、液晶のダイレクタ分布が得られるのみであるので、実際の屈折率分布は、下記の（１）式を用いて実施した。
【００４０】
【数１】
2011036736.tif 000003
【００４１】
ここで、Ｎｅは液晶のダイレクタ１８Ａ方向の屈折率、Ｎ０は液晶のダイレクタ１８Ａ方向と垂直な方向における屈折率を示す。また、θは、ＬＣＤ１１から出射された光線（画像光）と液晶のダイレクタ１８Ａとの成す角度である。
【００４２】
また、液晶レンズにおける理想的な屈折率分布は、液晶層１８における液晶の長軸方向の屈折率をｎｅとし、短軸方向の屈折率をｎ０とした場合に、下記式（２）によって表わされるものである（例えば、APPLIED OPTICS, Vol. 23, No. 2, 15 January 1984, “Focusing by electrical modulation of refraction in a liquid crystal cell”（参考文献）参照）。
【００４３】
【数２】
2011036736.tif 000004
【００４４】
ここで、Ｘは、各液晶レンズ１２１（１２２，１２３）のレンズピッチ方向にとった座標軸であり、０≦Ｘ≦Ｌの範囲で変化する。
【００４５】
このように実施例及び比較例のいずれにおいても、各液晶レンズ１２１（１２２，１２３）の厚さ方向の全体に亘って屈折率分布を有するようになるので、大きな視域角を得ることができる。
【００４６】
一方、実施例の場合においては、各液晶レンズ１２１（１２２，１２３）の厚さ方向の全体に亘って（１）式で示されるほぼ理想的な屈折率分布に近い形を採るが、比較例の場合においては、各液晶レンズ１２１（１２２，１２３）の厚さ方向の全体に亘って（１）式で示される屈折率分布と若干異なる形状となる。特に、各液晶レンズ１２１（１２２，１２３）の中心部から約１／４ピッチ（１／４Ｌ）移動した箇所においては、屈折率分布に変曲点が生じており、上述した理想的な屈折率分布に比較していびつな形状を有していることが分かる。
【００４７】
したがって、比較例の場合においては、図１に示すＬＣＤ１１の隣接する画素から出射される視差画像が互いに干渉し、クロストークが増大してしまうために、解像度が減少してしまうことになる。
【００４８】
次に、本実施形態における立体画像表示装置１０のクロストークについて議論する。
クロストークは、(Ｉwhite-I main）/I whiteで表すことができる。Ｉ mainは１つの画素が点灯した際の、視差画像における輝度を示し、I whiteは全画素が点灯した際の輝度を示している。
【００４９】
立体表示画像装置において高解像度を実現するためには、少なくともクロストークが０．５以下であることが要求される。図８及び図９は、中心電極１４１の幅ｗｇに対するクロストーク依存性及び端部電極１４２の幅ｗｓに対するクロストーク依存性を示すグラフである。図８及び図９から明らかなように、クロストークが０．５以下となるためには、各液晶レンズ１２１（１２２，１２３）のピッチ（長さＬ）を１とした場合において、０．０７５＜ｗｓ＜０．１５、０．１５＜ｗｇ＜０．２９なる関係を満足することが分かる。
【００５０】
以上より、本実施形態の立体画像表示装置１０によれば、クロストークが低く、高い解像度で高い視域角を実現することが可能となる。
【００５１】
（第２の実施形態）
図１０は、本実施形態における立体画像表示装置の概略構成図である。なお、第１の実施形態に示す立体画像表示装置と類似あるいは同一の構成要素に関しては、同一の参照数字を用いている。また、本実施形態の特徴を明確にすべく、図１０においては、液晶レンズ１２１（１２２，１２３）と本実施形態の特徴部分である偏光方向可変セルとのみを示している。
【００５２】
図１０に示すように、本実施形態においては、第１の実施形態と同様に構成された液晶レンズ１２１（１２２，１２３）の下方（ＬＣＤ１１）側において、偏光方向可変セル１９を設けている。したがって、ＬＣＤ１１からの光線（画像光）を偏光方向可変セル１９を通過させる。偏光方向を例えば９０度回転させることにより、液晶レンズ１２１（１２２，１２３）の液晶のダイレクタ１８Ａの方向と直交させるようにすることができる。この場合、液晶レンズ１２１（１２２，１２３）の中央部を通過する画像光は液晶のダイレクタ１８Ａと直交する度合が高く、液晶レンズ１２１（１２２，１２３）の端部に向かうにつれて、液晶のダイレクタ１８Ａと直交する度合が低くなる。
【００５３】
この結果、液晶レンズ１２１（１２２，１２３）の端部から中央部に向かうにつれて、屈折率の低下度合が増大する。結果として、液晶レンズ１２１（１２２，１２３）の全体の屈折率は総て端部における屈折率Ｎ０と等しくなる。したがって、図１０に示すように、液晶レンズ１２１（１２２，１２３）の端部電極１４２に電圧が印加されてＯＮ状態となっており、立体画像（３次元画像）が表示されているような場合においても、偏光方向可変セル１９によって画像光の偏光方向を変化させることにより、液晶レンズ１２１（１２２，１２３）の屈折率分布を消失させてＯＦＦ状態とし、平面画像（２次元画像）を表示するようにすることもできる。
【００５４】
（第３の実施形態）
図１１及び図１２は、本実施形態における立体画像表示装置の概略構成図である。なお、第１の実施形態に示す立体画像表示装置と類似あるいは同一の構成要素に関しては、同一の参照数字を用いている。また、本実施形態の特徴を明確にすべく、図１０及び図１１においては、各液晶レンズ１２１（１２２，１２３）とそれに対応するＬＣＤ１１の画素群１１１（１１２，１１３）の部分のみを示している。
【００５５】
第１の実施形態では、透明基板１５及び１６の厚さを互いに同一としたが、本実施形態では互いに相異なるようにしている。具体的には、平板電極１３側の透明電極１５の厚さをストリップ状電極１６側の透明電極１６の厚さよりも大きくしている。但し、透明電極１６の厚さを透明電極１５の厚さより大きくしてもよい。
【００５６】
この場合、図１１の画像立体表示装置２０に示すように、液晶レンズ１２１（１２２，１２３）の透明電極１５をＬＣＤ１１すなわち画素群１１１（１１２，１１３）側に向けて配置した場合の焦点距離ｆ１と、図１２の画像立体表示装置３０に示すように、液晶レンズ１２１（１２２，１２３）の透明電極１６をＬＣＤ１１すなわち画素群１１１（１１２，１１３）側に向けて配置した場合の焦点距離ｆ２とを比較した場合、ｆ１＞ｆ２なる関係が成立する。したがって、図１２に示す立体画像表示装置３０の方が図１１に示す立体画像表示装置２０よりも大きな視域角を得ることができる。
【００５７】
なお、立体画像表示装置において、レンズと表示装置との焦点距離を短くすることによって視域角が増大することは、当業者にとって公知の技術的事項である。
【００５８】
次に、図１２に示す立体画像表示装置３０の焦点距離ｆ２が図１１に示す立体画像表示装置２０の焦点距離ｆ１に比較して小さくなる理由について説明する。
【００５９】
図３の領域Ｂで示すように、液晶のダイレクタ分布に関し、ストリップ状電極１４１，１４２側における液晶のダイレクタは水平方向を向いている場合が多い。平板電極１３側においては液晶のダイレクタが傾いている場合が多い。このように、液晶レンズ１２１（１２２，１２３）、すなわち液晶層１８の厚さ方向において液晶のダイレクタ分布が変わる場合、図１２に示す立体画像表示装置３０においては、液晶レンズ１２１（１２２，１２３）に垂直に入射した光線は、最初に、透明基板１５側の傾いたダイレクタを通過することによって比較的高い屈折率の下に、大きく屈折するようになる。
【００６０】
したがって、最終的に透明基板１６側の水平方向のダイレクタを通過する場合においても、その通過の際にはある程度傾いた入射角度で入射するようになる。比較的小さい屈折率分布においても比較的大きく屈折するようになる。この結果、上記光線が液晶レンズ１２１（１２２，１２３）を通過する際には比較的大きな角度θ２で傾斜するようにして出射される。
【００６１】
なお、上述した液晶レンズ１２１（１２２，１２３）内の光線の通過及び屈折に係る様子の概念を図１３及び図１４に示す。
【００６２】
一方、図１１に示す立体画像表示装置２０においては、液晶レンズ１２１（１２２，１２３）に垂直に入射した光線は、最初に、透明基板１６側の水平なダイレクタを通過するのでほとんど屈折しない。光線は、後に、平板電極１５側の傾いたダイレクタを通過する際に徐々に屈折されるようになる。この結果、上記光線が液晶レンズ１２１（１２２，１２３）を通過する際には、比較的小さい角度θ１（＜θ２）で傾斜するようにして出射される。
【００６３】
なお、上述した液晶レンズ１２１（１２２，１２３）内の光線の通過及び屈折に係る様子の概念を図１３及び図１４に示す。
【００６４】
したがって、図１３及び図１４に示すような、入射した光線の液晶レンズ１２１（１２２，１２３）内の屈折度合いに起因した出射角度θ１及びθ２の大小関係（θ１＜θ２）に基づき、焦点距離ｆ１及びｆ２の大小関係が決定される。すなわち、図１２に示す立体画像表示装置３０においては、液晶レンズ１２１（１２２，１２３）から出射される光線の角度θ２が大きいので焦点距離ｆ２が短くなる。図１１に示す立体画像表示装置２０においては、液晶レンズ１２１（１２２，１２３）から出射される光線の角度θ１が大きいので焦点距離ｆ１が焦点距離ｆ２に比較して長くなる。
【００６５】
なお、本実施形態において、平板電極１３側の透明電極１５の厚さをストリップ状電極１６側の透明電極１６の厚さよりも大きくしたのは、図１１に示す立体画像表示装置２０及び図１２に示す立体画像表示装置３０において、上述した焦点距離の差をより顕著にするためである。透明基板１６の厚さを増大させると、図１３及び図１４に示すようにして光線が屈折を受けても、透明基板１６の厚さに起因して焦点距離が増大してしまう。特に図１２に示す立体画像表示装置３０において顕著である。光線の屈折による焦点距離の短縮化を相殺してしまう。
【００６６】
したがって、本実施形態では、透明基板１６の厚さを透明基板１５の厚さよりも小さくして、液晶レンズ１２１（１２２，１２３）内の屈折度合いに起因した焦点距離の大小をより顕著に出現させるようにする。
【００６７】
以上、本発明を上記具体例に基づいて詳細に説明したが、本発明は上記具体例に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない限りにおいてあらゆる変形や変更が可能である。
【００６８】
例えば、上記実施形態では、画像表示素子としてＬＣＤを用いた場合について説明したが、ＣＲＴ、ＰＤＰ、ＯＬＥＤ、ＦＥＤなどの表示面に偏光板を設けたものを使用することもできる。
【符号の説明】
【００６９】
１０  立体画像表示装置
１１  ＬＣＤ
１２  液晶レンズアレイ
１２１，１２２，１２３  液晶レンズ
１３  平板電極
１４１  ストリップ状電極の中心電極
１４２  ストリップ状電極の端部電極
１５，１６  透明電極
１８  液晶層
１８Ａ  液晶のダイレクタ
【図１】
2011036736.tif 000005
【図２】
2011036736.tif 000006
【図３】
2011036736.tif 000007
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2011036736.tif 000011
【図８】
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【図９】
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【図１０】
2011036736.tif 000014
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
2011036736.tif 000017
【図１４】
2011036736.tif 000018
【手続補正書】
【提出日】平成22年11月29日(2010.11.29)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の画素を有し、偏光を有する画像光を出射する画像表示素子と、
前記画像表示素子の、前記画像光の出射側に設けられた液晶レンズアレイと、
前記液晶レンズアレイの液晶層を挟んで互いに対向するようにして設けられた一対の透明基板と、
前記一対の透明基板の一方に設けられた平板電極と、
前記液晶レンズアレイの各々に対応する位置の、前記一対の透明基板の他方に設けられたストリップ状電極とを具え、
前記ストリップ状電極は、前記液晶レンズアレイのピッチ方向において、各液晶レンズの両端に端部電極が位置するとともに、前記液晶レンズの中央部において中心電極が位置するような周期で配置され、
前記平板電極と前記中心電極との電位差が前記液晶層の立ち上がり電圧Ｖｔｈ未満に設定され、
前記端部電極には、絶対値において、前記平板電極に印加された第１の電圧Ｖ１及び前記中心電極に印加された第２の電圧Ｖ２よりも大きく、かつ前記立ち上がり電圧よりも大きな第３の電圧Ｖ３が印加され、
各液晶レンズの厚さ方向の全体に亘って屈折率分布が形成されるとともに、前記液晶レンズアレイのピッチ方向における長さを１とし、前記端部電極の幅をｗｓ、前記中央電極の幅をｗｇとした場合において、
０．０７５＜ｗｓ＜０．１５
０．１５＜ｗｇ＜０．２９
なる関係を満足することを特徴とする、立体画像表示装置。
【請求項２】
前記平板電極及び前記中心電極はグランド電位であることを特徴とする、請求項１に記載の立体画像表示装置。
【請求項３】
複数の画素を有し、偏光を有する画像光を出射する画像表示素子と、
前記画像表示素子の、前記画像光の出射側に設けられた液晶レンズアレイと、
前記液晶レンズアレイの液晶層を挟んで互いに対向するようにして設けられた一対の透明基板と、
前記一対の透明基板の一方に設けられた平板電極と、
前記液晶レンズアレイの各々に対応する位置の、前記一対の透明基板の他方に設けられたストリップ状電極とを具え、
前記ストリップ状電極は、前記液晶レンズアレイのピッチ方向において、各液晶レンズの両端に端部電極が位置するとともに、前記液晶レンズの中央部において中心電極が位置するような周期で配置され、
前記平板電極はグランド電位であり、
前記中心電極の電位をＶｃｐ、前記液晶層の立ち上がり電圧をＶｔｈとした場合に、０＞Ｖｃｐ＞−Ｖｔｈなる関係を満足し、
前記端部電極は、絶対値において、前記中心電極の電位Ｖｃｐ及び前記立ち上がり電圧Ｖｔｈよりも大きな電位に設定され、
各液晶レンズの厚さ方向の全体に亘って屈折率分布が形成されるとともに、前記液晶レンズアレイのピッチ方向における長さを１とし、前記端部電極の幅をｗｓ、前記中央電極の幅をｗｇとした場合において、
０．０７５＜ｗｓ＜０．１５
０．１５＜ｗｇ＜０．２９
なる関係を満足することを特徴とする、立体画像表示装置。
【請求項４】
前記一対の透明基板の厚さを相異なるようにしたことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一に記載の立体画像表示装置。
【国際調査報告】
2011036736.tif 000019
2011036736.tif 000020
2011036736.tif 000021