(57)【要約】【課題】生産性および素子特性に優れ、偏光板が不要な液晶光学素子およびそれを備えた三次元画像表示装置を提供する。【解決手段】液晶光学素子は、一対の基板１０および２０と、これらの間に設けられ、液晶分子３１および二色性色素３２を含む液晶層３０とを備え、液晶層３０を介して互いに対向する一対の電極１２および２２でそれぞれが規定される複数の単位領域を有する。複数の単位領域のそれぞれにおいて、液晶層３０は、一対の基板１０および２０の基板面に平行なある方向に沿って可視光の波長の略１／２以下の範囲内に、一対の電極１２および２２間に電圧が印加されていないときの液晶分子３１の配向方向の方位角方向が互いに略９０°の角をなす第１液晶領域３０ａおよび第２液晶領域３０ｂを有する。【選択図】　図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の基板と、前記一対の基板の間に設けられ、液晶分子および二色性色素を含む液晶層とを備え、前記液晶層を介して互いに対向する一対の電極でそれぞれが規定される複数の単位領域を有し、
前記複数の単位領域のそれぞれにおいて、前記液晶層は、前記一対の基板の基板面に平行なある方向に沿って可視光の波長の略１／２以下の範囲内に、前記一対の電極間に電圧が印加されていないときの前記液晶分子の配向方向の方位角方向が互いに略９０°の角をなす第１および第２液晶領域を有する、液晶光学素子。
【請求項２】
前記液晶層は、複数のスメクチック層を含むスメクチック液晶層であり、前記スメクチック層の法線方向に対する前記液晶分子の傾き角が略４５°である、請求項１に記載の液晶光学素子。
【請求項３】
前記スメクチック液晶層は反強誘電相を呈する、請求項２に記載の液晶光学素子。
【請求項４】
前記スメクチック液晶層はフェリ誘電相を呈する、請求項２に記載の液晶光学素子。
【請求項５】
前記一対の電極間に電圧が印加されていないとき、前記スメクチック層の法線方向に対してある方向に傾斜している液晶分子と、前記ある方向とは反対方向に傾斜している液晶分子とがほぼ同じ確率で存在する、請求項４に記載の液晶光学素子。
【請求項６】
前記スメクチック液晶層はＶ字型スイッチング特性を有する、請求項２に記載の液晶光学素子。
【請求項７】
前記スメクチック液晶層の前記液晶分子の傾き角が４３．５°〜４６．５°の範囲内にある、請求項２から６のいずれかに記載の液晶光学素子。
【請求項８】
前記スメクチック液晶層の前記液晶分子の傾き角が４０．３°〜４９．７°の範囲内にある、請求項２から６のいずれかに記載の液晶光学素子。
【請求項９】
前記スメクチック液晶層の前記液晶分子の傾き角が３７．０°〜５３．０°の範囲内にある、請求項２から６のいずれかに記載の液晶光学素子。
【請求項１０】
前記スメクチック液晶層の前記液晶分子の傾き角が３２．７°〜５７．４°の範囲内にある、請求項２から６のいずれかに記載の液晶光学素子。
【請求項１１】
請求項３から６のいずれかに記載の液晶光学素子を備え、前記液晶光学素子が有する前記複数の単位領域は、供給される画像信号に応じて表示を行うための複数の絵素領域であり、
前記複数の絵素領域のそれぞれにおいて左眼用の画像と右眼用の画像とが交互に表示されることによって三次元画像の表示を行う三次元画像表示装置であって、
前記複数の絵素領域のそれぞれにおいて、左眼用の画像信号が供給されるときと右眼用の画像信号が供給されるときとで前記一対の電極間に異なる極性の電圧が印加される、三次元画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液晶光学素子およびそれを備えた三次元画像表示装置に関し、特に、偏光板を有しない液晶光学素子およびそれを備えた三次元画像表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、液晶表示装置（Ｌｉｑｕｉｄ　Ｃｒｙｓｔａｌ　Ｄｉｓｐｌａｙ）は、薄型で低消費電力であるという特徴を生かして、ワードプロセッサやパーソナルコンピュータなどのＯＡ機器、電子手帳などの携帯情報機器、あるいは液晶モニターを備えたカメラー体型ＶＴＲなどに広く用いられている。
【０００３】
現在実用化されている液晶表示装置には、一般的にネマチック液晶が用いられており、ネマチック液晶は応答速度が遅い。そのため、従来の液晶表示装置は動画表示の点でＣＲＴ（ブラウン管）に劣る。
【０００４】
そこで、応答速度が遅いネマチック液晶に代わって、高速応答が可能なスメクチック液晶が注目を集めている。特に、強誘電性や反強誘電性を示すスメクチック液晶は、自発分極を有し、電界印加時に自発分極と電界との相互作用によって応答を行うので、応答時間が１ｍｓ以下の高速応答が可能である。
【０００５】
強誘電性液晶を用いた光学素子としては、例えば、表面安定化強誘電性液晶（ＳＳＦＬＣ）光学素子が挙げられる。ＳＳＦＬＣ光学素子は、印加電場に対して双安定性を示し、２つの安定状態間のスイッチングが高速（１ｍｓ以下）であるという特徴を有している。
【０００６】
しかしながら、双安定性を示すＳＳＦＬＣ光学素子の電気光学応答は、明状態と暗状態の２つの状態間のスイッチングに限定されるので、電圧制御による中間調表示は困難である。
【０００７】
これに対して、反強誘電性液晶は、電場無印加時の反強誘電相と、電場印加時の強誘電相との電場誘起相転移に基づく三安定性を示し、３つの安定状態間のスイッチングがＳＳＦＬＣ光学素子と同様に高速（１ｍｓ以下）であるという特徴を有している。
【０００８】
反強誘電性液晶は、バイアス電場印加下でスイッチングさせることによって単純マトリクス方式での駆動を行うことができる。また、反強誘電相と強誘電相の共存状態を電圧制御することによって、単純マトリクス駆動で中間調表示を行うことができる。例えば、非特許文献１には、反強誘電性液晶と単純マトリクス駆動とを組み合わせた対角６インチのフルカラー表示が可能な液晶光学素子が開示されている。
【０００９】
この反強誘電性液晶を用いた、偏光板の不要な液晶光学素子が提案されている。偏光板は高価なものであるため、偏光板が不要となることで液晶光学素子の製造コストの低減を図ることができる。また、偏光板が不要になると、偏光板の貼り合わせ工程時に異物が混入することによる良品率の低下を抑制することができるという利点もある。
【００１０】
例えば、特許文献１には、二色性色素を含む反強誘電性スメクチック液晶が封入された２つの液晶セルを備え、偏光板が省略された液晶光学素子が開示されている。図８および図９に、特許文献１に開示されている液晶光学素子５００を模式的に示す。
【００１１】
図８に示したように、液晶光学素子５００は、２つの液晶セル５００ａおよび５００ｂが積層されて構成されている。
【００１２】
液晶セル５００ａおよび５００ｂは、それぞれ、一対の基板５１０および５２０と、これらの間に設けられた反強誘電性スメクチック液晶層５３０と、基板５１０および５２０の液晶層５３０側の表面に形成された電極５１２および５２２とを有している。電極５１２および５２２上には、配向膜（不図示）が形成されている。
【００１３】
図９に示したように、液晶層５３０は、液晶分子５３１と二色性色素５３２とを含み、吸収軸に平行な偏光を吸収し、透過軸に平行な偏光を透過する。また、液晶セル５００ａおよび５００ｂは、液晶層５３０のスメクチック層５３４の法線方向が互いに直交するように配置されている。
【００１４】
液晶層５３０に電圧が印加されていない状態においては、液晶セル５００ａの液晶層５３０の吸収軸と、液晶セル５００ｂの液晶層５３０の吸収軸とが直交しているので、暗状態の表示を行うことができる。
【００１５】
一方、液晶層５３０に所定の電圧が印加されると、液晶セル５００ａと液晶セル５００ｂとの吸収軸が直交しない状態となるので、明状態の表示を行うことができる。
【００１６】
また、特許文献２には、二色性色素を含む２つの反強誘電性スメクチック液晶層を、スメクチック層の法線方向が一致し、かつ、電場印加に応じた液晶分子のチルト方向が互いに逆になるように積層したゲストホスト型の液晶光学素子が開示されている。この液晶光学素子においては、特許文献１に開示されている液晶光学素子５００とは逆に、電圧無印加時に明状態、電圧印加時に暗状態の表示を行うことができる。
【００１７】
【特許文献１】
特開平８−１２２８３０号公報
【特許文献２】
特開平４−１２２９１３号公報
【非特許文献１】
Ｙ．Ｙａｍａｄａ、他七名，「Ａ　Ｆｕｌｌ−Ｃｏｌｏｒ　Ｖｉｄｅｏ−Ｒａｔｅ　Ａｎｔｉ−Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ　ＬＣＤ　ｗｉｔｈ　Ｗｉｄｅ　Ｖｉｅｗｉｎｇ　Ａｎｇｌｅ」，ＳＩＤ９５ＤＩＧＥＳＴ，ｐ．７８９−７９２
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１に開示されている液晶光学素子５００においては、液晶セルが２つ用いられるので、液晶セルを１つしか用いない従来の構成の液晶表示装置に比べて製造コストが倍増するという問題がある。
【００１９】
また、特許文献２には、２つの液晶層を積層するための構成として、液晶セルを２つ用いた構成が開示されているが、この構成は、特許文献１の液晶光学素子５００と同様に製造コストの上昇を招いてしまう。
【００２０】
なお、特許文献２には、一対の基板間に２つの液晶層が積層された構成も開示されている。この構成を実現するためには、所定の間隙を介して貼り合わされた一対の基板間に液晶材料を注入するという一般的な液晶注入工程を用いることはできない。そこで、フィルム化された２つの液晶層を順次積層する工程が考えられるが、反強誘電性液晶をフィルム化するには複雑な材料形成技術が必要である。また、フィルム化する場合には、高分子液晶材料を用いるか、あるいは、液晶層中に高分子材料のネットワークを形成することになるので、印加電圧に対する応答特性が著しく低下してしまう。
【００２１】
上述したように、特許文献１および２に開示されている、偏光板が不要な液晶光学素子には、生産性および素子特性が悪いという問題がある。
【００２２】
本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、生産性および素子特性に優れ、偏光板が不要な液晶光学素子およびそれを備えた三次元画像表示装置を提供することにある。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
本発明による液晶光学素子は、一対の基板と、前記一対の基板の間に設けられ、液晶分子および二色性色素を含む液晶層とを備え、前記液晶層を介して互いに対向する一対の電極でそれぞれが規定される複数の単位領域を有し、前記複数の単位領域のそれぞれにおいて、前記液晶層は、前記一対の基板の基板面に平行なある方向に沿って可視光の波長の略１／２以下の範囲内に、前記一対の電極間に電圧が印加されていないときの前記液晶分子の配向方向の方位角方向が互いに略９０°の角をなす第１および第２液晶領域を有し、そのことによって上記目的が達成される。
【００２４】
ある好適な実施形態において、前記液晶層は、複数のスメクチック層を含むスメクチック液晶層であり、前記スメクチック層の法線方向に対する前記液晶分子の傾き角が略４５°である。
【００２５】
前記スメクチック液晶層が反強誘電相を呈する構成としてもよい。
【００２６】
また、前記スメクチック液晶層がフェリ誘電相を呈する構成としてもよい。この構成を採用する場合には、前記一対の電極間に電圧が印加されていないとき、前記スメクチック層の法線方向に対してある方向に傾斜している液晶分子と、前記ある方向とは反対方向に傾斜している液晶分子とがほぼ同じ確率で存在することが好ましい。
【００２７】
あるいは、前記スメクチック液晶層がＶ字型スイッチング特性を有する構成としてもよい。
【００２８】
前記スメクチック液晶層の前記液晶分子の傾き角が４３．５°〜４６．５°の範囲内にあることが好ましい。
【００２９】
前記スメクチック液晶層の前記液晶分子の傾き角が４０．３°〜４９．７°の範囲内にあってもよい。
【００３０】
前記スメクチック液晶層の前記液晶分子の傾き角が３７．０°〜５３．０°の範囲内にあってもよい。
【００３１】
前記スメクチック液晶層の前記液晶分子の傾き角が３２．７°〜５７．４°の範囲内にあってもよい。
【００３２】
本発明による三次元画像表示装置は、前記スメクチック液晶層が反強誘電相を呈する構成、前記スメクチック液晶層がフェリ誘電相を呈する構成あるいは前記スメクチック液晶層がＶ字型スイッチング特性を有する構成の液晶光学素子を備え、前記液晶光学素子が有する前記複数の単位領域は、供給される画像信号に応じて表示を行うための複数の絵素領域であり、前記複数の絵素領域のそれぞれにおいて左眼用の画像と右眼用の画像とが交互に表示されることによって三次元画像の表示を行う三次元画像表示装置であって、前記複数の絵素領域のそれぞれにおいて、左眼用の画像信号が供給されるときと右眼用の画像信号が供給されるときとで前記一対の電極間に異なる極性の電圧が印加される構成を有し、そのことによって上記目的が達成される。
【００３３】
以下、本発明の作用を説明する。
【００３４】
本発明による液晶光学素子は、一対の基板と、一対の基板の間に設けられ、液晶分子および二色性色素を含む液晶層とを備え、液晶層を介して互いに対向する一対の電極でそれぞれが規定される複数の単位領域を有している。
【００３５】
複数の単位領域のそれぞれにおいて、一対の電極間への印加電圧の大きさに応じて液晶層の液晶分子の配向方向が変化する。このとき、二色性色素の配向方向は、液晶分子の配向方向の変化に応じて変化する。より具体的には、二色性色素の配向方向は、液晶分子の配向方向に沿うように変化する。二色性色素の吸光軸は、二色性色素の配向方向（すなわち長軸方向）に対して典型的には平行であり、二色性色素の配向方向の変化に応じて変化する。そのため、一対の電極への印加電圧の大きさに応じて、液晶層に含まれる二色性色素の吸光軸が変化し、そのことによって、各単位領域から出射する光量が変化する。
【００３６】
本発明による液晶光学素子においては、複数の単位領域のそれぞれにおいて、液晶層は、基板面に平行なある方向に沿って可視光の波長（典型的には４００ｎｍ〜７００ｎｍ）の略１／２以下（すなわち略２００ｎｍ以下）の範囲内に、一対の電極間に電圧が印加されていないときの液晶分子の配向方向の方位角方向が互いに略９０°の角をなす第１および第２液晶領域を有する。第１および第２液晶領域内に位置する液晶分子の配向方向の方位角が互いに略９０°の角をなしているので、第１および第２液晶領域内に位置する二色性色素の配向方向の方位角も互いに略９０°の角をなす。従って、電圧無印加時には、第１および第２液晶領域内の二色性色素の吸収軸（基板面に平行な面内で規定される吸収軸）は互いに略直交している。そのため、本発明による液晶光学素子においては、可視光の波長の略１／２以下の範囲内に、二色性色素の吸収軸が互いに直交する２つの領域が混在している。従って、電圧無印加時には、液晶層に入射した光のあらゆる成分が第１液晶領域および第２液晶領域で吸収されるので、黒表示が実現される。また、一対の電極間に所定の電圧を印加すると、上記の配向状態が崩れ、液晶層に入射した光の一部が透過または反射されるので、そのことによって白表示を行うことができる。
【００３７】
本発明による液晶光学素子は、偏光板を用いる必要がないので、製造コストの低減や、偏光板の貼り合わせ工程時に異物が混入することによる良品率の低下の抑制を図ることができる。また、本発明による液晶光学素子は、２つの液晶セルを用いる必要がないので、２つの液晶セルを用いることによる製造コストの上昇も発生しない。このように、本発明による液晶光学素子は、生産性に優れている。また、本発明による液晶光学素子は、液晶層を積層する必要がないので、液晶層をフィルム化する必要がなく、従って、フィルム化に伴う応答速度の低下が発生しない。そのため、本発明による液晶光学素子は、素子特性に優れている。
【００３８】
上述したような第１および第２液晶領域を有する液晶層は、例えば、複数のスメクチック層を含み、スメクチック層の法線方向に対する液晶分子の傾き角が略４５°であるスメクチック液晶層を用いることによって形成され得る。液晶分子がスメクチック層の法線方向に対してある方向に略４５°傾斜した領域を第１液晶領域とすると、液晶分子が第１液晶領域の液晶分子とは反対方向に略４５°傾斜した領域が第２液晶領域となる。
【００３９】
このようなスメクチック液晶層としては、反強誘電相を呈するスメクチック液晶層や、フェリ誘電相を呈するスメクチック液晶層を好適に用いることができる。
【００４０】
反強誘電相においては、隣接するスメクチック層の液晶分子が、隣接する層間で分極を打ち消すように、層法線方向に対して互いに反対方向に傾斜する。つまり、スメクチック層の法線方向に対して液晶分子が右回りに略４５°傾斜したスメクチック層と、液晶分子が左回りに略４５°傾斜したスメクチック層とが交互に積層されている。従って、第１液晶領域と第２液晶領域とがスメクチック層法線方向に沿って交互に配置された配向状態が得られる。そのため、この状態を用いて黒表示を行うことができる。また、反強誘電相を呈する液晶層にしきい値以上の電圧を印加すると、液晶分子がスメクチック層の法線方向に対して１方向に傾斜した強誘電相への相転移が起こるので、この強誘電相を呈した状態を用いて白表示を行うことができる。
【００４１】
また、フェリ誘電相においては、スメクチック層の法線方向に対してある方向に傾斜した液晶分子と、それとは反対方向に傾斜した液晶分子とが混在する。つまり、スメクチック層の法線方向に対して液晶分子が右回りに略４５°傾斜したスメクチック層と、液晶分子が左回りに略４５°傾斜したスメクチック層とが混在する。従って、第１液晶領域と第２液晶領域とが混在した配向状態が得られる。そのため、この状態を用いて黒表示を行うことができる。なお、光を効率よく吸収してより暗い黒表示を行う観点からは、ある方向に傾斜した液晶分子とそれとは反対側に傾斜した液晶分子とがほぼ同じ確率で存在する（ほぼ同数存在する）ことが好ましい。また、フェリ誘電相を呈する液晶層にしきい値以上の電圧を印加すると、液晶分子がスメクチック層の法線方向に対して１方向に傾斜した強誘電相への相転移が起こるので、この強誘電相を呈した状態を用いて白表示を行うことができる。
【００４２】
あるいは、Ｖ字型スイッチング特性を有するスメクチック液晶層を用いてもよい。正極性の電圧と負極性の電圧とに対して対称的に光透過率が上昇するようなＶ字型スイッチング特性を有するスメクチック液晶層においては、電圧無印加時にはスメクチック層の法線方向に対してある方向に傾斜する液晶分子とそれとは反対側に傾斜する液晶分子とがほぼ同じ確率で存在するので、黒表示を行うことができる。また、電圧印加によって強誘電相への相転移が起こるので、強誘電相を呈した状態を用いて白表示を行うことができる。
【００４３】
スメクチック液晶層の液晶分子の傾き角が４５°であると、コントラスト比の最大値（極大値）が得られ、非常に良好な表示を行うことができる。
【００４４】
また、スメクチック液晶層の液晶分子の傾き角が４３．５°〜４６．５°の範囲内にあると、傾き角が４５°のときと比較したコントラスト比の低下は１０％以内であり、良好な表示を行うことができる。
【００４５】
さらに、スメクチック液晶層の液晶分子の傾き角が４０．３°〜４９．７°の範囲内にあると、２０以上のコントラスト比が得られる。そのため、実用上ほとんど問題のない表示を行うことができる。
【００４６】
また、スメクチック液晶層の前記液晶分子の傾き角が３７．０°〜５３．０°の範囲内にあると、１０以上のコントラスト比が得られ、現在実用化されている携帯情報端末などに用いられている反射型の液晶表示素子とほぼ同等のコントラスト比が得られる。そのため、同様な文字情報の入出力が主たる用途である場合に十分な品位の表示を行うことができる。
【００４７】
そして、スメクチック液晶層の液晶分子の傾き角が３２．７°〜５７．４°の範囲内にあると、５以上のコントラスト比が得られ、新聞などの印刷物とほぼ同等のコントラスト比が得られる。そのため、モノクロの文字情報源が主たる用途である場合に十分な品位の表示を行うことができる。
【００４８】
上述したように、液晶分子の傾き角が４５°に近いほど高コントラスト比が得られる。ただし、傾き角が小さいほど応答特性が向上するので、動画表示の品位を向上する観点からは、傾き角が小さいことが好ましい。
【００４９】
なお、第１液晶領域および第２液晶領域を有する液晶層は、一対の基板の液晶層側の表面に、第１方位角方向に液晶分子を配向させる第１配向規制領域と、第１方位角方向と略９０°の角をなす第２方位角方向に液晶分子を配向させる第２配向規制領域とを設けることによって形成されてもよい。このような第１および第２配向規制領域は、例えば、光配向法などの微細配向処理技術を用いて実現することができる。ただし、液晶光学素子の製造の容易さの観点からは、上述したスメクチック液晶層のように、自発的に第１および第２液晶領域が形成される液晶層を用いることが好ましい。
【００５０】
本発明による液晶光学素子は、画像や文字を表示する液晶表示装置に用いられる。このとき、液晶光学素子が有する複数の単位領域は、供給される画像信号に応じて表示を行うための複数の絵素領域として機能する。
【００５１】
特に、液晶層として、反強誘電相を呈するスメクチック液晶層や、フェリ誘電相を呈するスメクチック液晶層、あるいは、Ｖ字型スイッチング特性を有するスメクチック液晶層を備えていると、複数の絵素領域のそれぞれにおいて左眼用の画像と右眼用の画像とを交互に表示することによって三次元画像の表示を行う三次元画像表示装置に好適に用いられる。
【００５２】
反強誘電相を呈するスメクチック液晶層、フェリ誘電相を呈するスメクチック液晶層およびＶ字型スイッチング特性を有するスメクチック液晶層は、しきい値以上の電圧が印加されたときに、液晶分子がスメクチック層の法線方向に対して１方向に傾斜した強誘電相への相転移を誘起され、その傾斜方向は印加電圧の極性の正負に応じて逆転する。そのため、正極性の電圧印加時と負極性の電圧印加時とで、液晶層からは異なる偏光方向の光が出射する。
【００５３】
従って、各絵素領域において、左眼用の画像信号が供給されるときと右眼用の画像信号が供給されるときとで一対の電極間に異なる極性の電圧を印加することによって、左眼用の画像に対応した光と、右眼用の画像に対応した光とを偏光方向が互いに異なる光として出射させることができる。
【００５４】
そのため、本発明による液晶光学素子を備えた三次元画像表示装置は、比較的簡便な構造で三次元画像を表示することができる。また、スメクチック液晶層は高速応答性を有するので、左眼用の画像信号と右眼用の画像信号とを交互に高周波数で供給しても正確な表示を行うことができる。
【００５５】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明による実施形態を説明する。なお、以下では、文字や図形等を表示する液晶表示装置を例に本発明を説明するが、本発明はこれに限定されず、入射光の透過量を調整する調光装置や光シャッター等の液晶光学素子全般に好適に用いることができる。
【００５６】
まず、図１および図２（ａ）〜（ｃ）を参照しながら、本発明による実施形態の液晶光学素子である液晶表示装置１００の構造を説明する。図１は液晶表示装置１００を模式的に示す断面図であり、図２（ａ）〜（ｃ）は液晶表示装置１００を模式的に示す斜視図である。また、図２（ａ）は液晶層に正極性の電圧が印加された状態、図２（ｂ）は電圧無印加状態（あるいはしきい値以下の電圧が印加された状態）、図２（ｃ）は負極性の電圧が印加された状態をそれぞれ示している。
【００５７】
液晶表示装置１００は、図１に示すように、一対の基板（例えばガラス基板）１０および２０と、一対の基板１０および２０の間に設けられた液晶層３０とを備えている。基板１０および２０の液晶層３０側の表面には、電極１２および２２が設けられており、液晶表示装置１００は、液晶層３０を介して互いに対向する一対の電極１２および２２でそれぞれが規定される複数の「単位領域」を有する。「単位領域」は、液晶光学素子において、液晶層３０からの出射光量が独立に制御され得る最小の領域を指す。液晶表示装置１００においては、この「単位領域」は、表示の最小単位である「絵素」に対応した「絵素領域」である。「絵素領域」は、供給される画像信号に応じて表示を行うための領域であり、アクティブマトリクス型の液晶表示装置においては絵素電極とそれに対向する対向電極とによって規定されるし、単純マトリクス型の液晶表示装置においては、ストライプ状の列電極（信号電極）と行電極（走査電極）との交差部によって規定される。
【００５８】
液晶層３０は、図２（ａ）〜（ｃ）に示すように、液晶分子３１と二色性色素３２とを含んでいる。二色性色素３２は、液晶分子３１とほぼ平行に配向し、その長軸方向に対して特定の方向に振動する光を吸収する。本実施形態では、二色性色素３２として、その長軸方向に平行な偏光を吸収するもの、つまり、長軸方向に平行な吸収軸を有するものを用いる。勿論、吸収軸が長軸方向に対して平行でない（例えば垂直である）ものを用いてもよい。また、典型的には電極１２および２２上には一対の配向層（不図示）が設けられている。配向層は、例えば水平配向膜である。
【００５９】
複数の絵素領域のそれぞれにおいて、液晶層３０は、図２（ｂ）に示すように、一対の電極１２および２２間に電圧が印加されていないときの液晶分子３１の配向方向の方位角方向（基板面に平行な面内における配向方向）が互いに略９０°の角をなす第１液晶領域３０ａおよび第２液晶領域３０ｂを有する。
【００６０】
本実施形態では、液晶層３０は、反強誘電相を呈するスメクチック液晶層である。スメクチック液晶層３０は、図２（ａ）〜（ｃ）に示したように層状構造を形成する。この層状構造は、複数のスメクチック層３４が基板面に平行なある方向（液晶層３０の厚さ方向に直交する方向）に沿って積層されて形成されている。スメクチック層３４の法線方向に対する液晶分子３１の傾き角（「コーン角」とも呼ぶ。）θは略４５°であり、液晶分子３１がスメクチック層３４の法線方向に対して右回りに略４５°傾斜したスメクチック層３４が第１液晶領域３０ａに相当し、左回りに略４５°傾斜したスメクチック層３４が第２液晶領域３０ｂに相当する。
【００６１】
反強誘電相においては、隣接するスメクチック層３４の液晶分子３１が、隣接するスメクチック層３４間で分極を打ち消すように、層法線方向に対して互いに反対方向に傾斜する。従って、本実施形態では、液晶分子３１がスメクチック層３４の法線方向に対して右回りに傾斜したスメクチック層３４と左回りに傾斜したスメクチック層３４とがスメクチック層３４の法線方向に沿って積層されており、第１液晶領域３０ａと第２液晶領域３０ｂとが基板面に平行なある方向に沿って交互に配置されている。
【００６２】
第１液晶領域３０ａおよび第２液晶領域３０ｂは、基板面（基板１０および２０の基板面）に平行なある方向（例えばスメクチック層３４の法線方向）に沿って可視光の波長（４００ｎｍ〜７００ｎｍ）の略１／２以下（略２００ｎｍ以下）の範囲内に混在している。言い換えると、液晶表示装置１００の液晶層３０は、この範囲内に第１液晶領域３０ａと第２液晶領域３０ｂの両方を有している。典型的には、個々のスメクチック層３４の厚さは約４ｎｍ程度であるので、上記範囲内にスメクチック層３４は約５０層程度積層されている。上記範囲内に例えばスメクチック層３４が５０層積層されている場合、上記範囲内にはストライプ状の２５個の第１液晶領域３０ａと同じくストライプ状の２５個の第２液晶領域３０ｂとが交互に配置されていることになる。
【００６３】
上述したように、本発明による実施形態の液晶表示装置１００においては、電圧無印加時に、第１液晶領域３０ａと第２液晶領域３０ｂとが基板面に平行な方向に沿って可視光の波長の略１／２以下の範囲内に混在している。従って、液晶層３０に入射した光は、第１液晶領域３０ａおよび第２液晶領域３０ｂの一方のみを通過することはできず、必ず両方を通過する。この理由は、光の回折現象に起因して、波長λの光にはλ／２以下の分解能がないからである。このことは光学顕微鏡の分解能がλ／２であることでも知られている。そのため、可視光の波長の略１／２以下の範囲内に第１液晶領域３０ａおよび第２液晶領域３０ｂが混在すると、光は必ずこの２つの領域を通過することになる。第１液晶領域３０ａと第２液晶領域３０ｂとでは、液晶分子３１の配向方向の方位角方向が互いに略９０°の角をなすので、二色性色素３２の吸収軸も互いに略直交している。従って、第１液晶領域３０ａと第２液晶領域３０ｂの両方を通過した光は、第１液晶領域３０ａの二色性色素３２および／または第２液晶領域３０ｂの二色性色素３２で吸収され、液晶層３０からはほとんど光が出射しない。そのため、液晶表示装置１００においては、電圧無印加時に黒表示が実現される。
【００６４】
また、反強誘電相を呈するスメクチック液晶層３０は、所定のしきい値以上の電圧が印加されたときには、反強誘電相から相転移し、図２（ａ）および（ｂ）に示したように強誘電相を呈する。強誘電相においては、液晶分子３１は、スメクチック層３４の法線方向に対して一方向に傾斜する。従って、絵素領域内の二色性色素３２の吸収軸も一方向に沿っている。従って、所定のしきい値以上の電圧が印加されたこの状態では、吸収軸に直交する偏光が液晶層３０から出射するので、白表示を行うことができる。なお、強誘電相においては、図２（ａ）および（ｃ）に示したように、液晶分子３１は、印加される電圧の極性に応じて傾斜する方向が逆転する。そのため、正極性の電圧が印加されている白表示状態と、負極性の電圧が印加されている白表示状態とでは、液晶層３０から出射する光の偏光方向が異なる（典型的には互いに略直交する）。
【００６５】
本発明による液晶表示装置１００は、上述したように、偏光板を用いることなく表示を行うことができる。従って、偏光板を用いる必要がないので、製造コストの低減や、偏光板の貼り合わせ工程時に異物が混入することによる良品率の低下の抑制を図ることができる。また、２つの液晶セルを用いる必要がないので、２つの液晶セルを用いることによる製造コストの上昇が発生しない。このように、本発明による液晶表示装置１００は、生産性に優れている。
【００６６】
また、本発明による液晶表示装置１００においては、単層の液晶層を用いて表示を行うことができ、液晶層を積層する必要がないので、液晶層をフィルム化する必要がない。従って、フィルム化に伴う応答速度の低下が発生しない。そのため、本発明による液晶表示装置１００は、素子特性に優れているといえる。
【００６７】
また、スメクチック液晶層は高速応答性を有しているので、本実施形態のように液晶層３０としてスメクチック液晶層を用いると、高速の応答が可能な液晶表示装置が得られる。
【００６８】
なお、図２（ａ）〜（ｃ）では、液晶分子３１のスメクチック層３４法線方向に対する傾き角θが４５°の場合を図示したが、傾き角θは厳密に４５°である必要はなく、略４５°であれば表示を好適に行うことができる。
【００６９】
図３に、液晶分子３１の傾き角θと、コントラスト比（白表示状態の透過率／黒表示状態の透過率）との関係を示す。
【００７０】
図３からわかるように、液晶分子３１の傾き角θが４５°であると、コントラスト比の最大値（極大値）が得られ、非常に良好な表示を行うことができる。
【００７１】
また、液晶分子３１の傾き角θが４３．５°〜４６．５°の範囲内にあると、傾き角が４５°のときと比較したコントラスト比の低下は１０％以内であり、良好な表示を行うことができる。
【００７２】
さらに、液晶分子３１の傾き角θが４０．３°〜４９．７°の範囲内にあると、２０以上のコントラスト比が得られる。そのため、実用上ほとんど問題のない表示を行うことができる。
【００７３】
また、液晶分子３１の傾き角θが３７．０°〜５３．０°の範囲内にあると、１０以上のコントラスト比が得られ、現在実用化されている携帯情報端末などに用いられている反射型の液晶表示素子とほぼ同等のコントラスト比が得られる。そのため、同様な文字情報の入出力が主たる用途である場合に十分な品位の表示を行うことができる。
【００７４】
そして、液晶分子３１の傾き角θが３２．７°〜５７．４°の範囲内にあると、５以上のコントラスト比が得られ、新聞などの印刷物とほぼ同等のコントラスト比が得られる。そのため、モノクロの文字情報源が主たる用途である場合に十分な品位の表示を行うことができる。
【００７５】
上述したように、液晶分子３１の傾き角θが４５°に近いほど高コントラスト比が得られる。ただし、傾き角θが小さいほど応答特性が向上するので、動画表示の品位を向上する観点からは、傾き角θが小さいことが好ましい。つまり、所望するコントラスト比と応答特性とに応じて、上記略４５°の角度範囲内で、傾き角θを設定すればよい。
【００７６】
なお、ここでは、スメクチック液晶層３０として反強誘電相を呈するものを用いる場合について説明したが、フェリ誘電相を呈するものを用いてもよい。図２（ａ）および（ｃ）に示したように、液晶分子３１がスメクチック層３４の法線方向に対して一方向に傾いている相を強誘電相とよび、図２（ｂ）および図４（ａ）に示すように液晶分子３１が１層ごとに反対に傾いている相を反強誘電相とよび、図４（ｂ）および（ｃ）に示すように、これら以外の傾き方をするものをフェリ誘電相とよぶ。
【００７７】
フェリ誘電相においては、図４（ｂ）および（ｃ）に示したように、スメクチック層３４の法線方向に対してある方向に傾斜した液晶分子３１と、それとは反対方向に傾斜した液晶分子３２とが混在するので、液晶分子３１の配向方向の方位角方向が略９０°の角をなす第１液晶領域と第２液晶領域とが可視光の波長の略１／２以下の範囲内に混在した配向状態を実現することができる。そのため、この状態を用いて黒表示を行うことができる。なお、光を効率よく吸収してより暗い黒表示を実現する観点からは、ある方向に傾斜した液晶分子３１とそれとは反対側に傾斜した液晶分子３１とが可視光の波長の略１／２以下の範囲内にほぼ同じ確率で存在する（ほぼ同数存在する）ことが好ましい。また、フェリ誘電相を呈する液晶層にしきい値以上の電圧を印加すると、液晶分子がスメクチック層の法線方向に対して１方向に傾斜した強誘電相への相転移が起こる。従って、強誘電相を呈した状態を用いて白表示を行うことができる。
【００７８】
また、反強誘電相もフェリ誘電相も呈さないが、正極性の電圧と負極性の電圧とに対して対称的に光透過率が上昇するようなＶ字型スイッチング特性を有するスメクチック液晶層（例えば、Ａ．Ｆｕｋｕｄａ，「Ｐｒｅｔｒａｎｓｉｔｉｏｎａｌ　Ｅｆｆｅｃｔ　ｉｎ　ＡＦ−Ｆ　Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ：　Ｔｏ　Ｓｕｐｐｒｅｓｓ　Ｉｔ　ｏｒ　ｔｏ　Ｅｎｈａｎｃｅ　Ｉｔ，　Ｔｈａｔ　ｉｓ　Ｍｙ　Ｑｕｅｓｔｉｏｎ　ａｂｏｕｔ　ＡＦＬＣＤｓ」，　Ｐｒｏｃ．　１５ｔｈ　Ｉｎｔ．　Ｄｉｓｐｌａｙ　Ｃｏｎｆ．，　Ａｓｉａ　Ｄｉｓｐｌａｙ’９５　Ｓ６−１，　ｐ．６１に報告されている）を用いてもよい。このようなスメクチック液晶層においても、電圧無印加時に、スメクチック層法線方向に対してある方向に傾斜している液晶分子とそれとは反対方向に傾斜している液晶分子とがほぼ同じ確率で混在すると考えられ、この状態を用いて黒表示を行うことができる。また、電圧印加によって強誘電相への相転移が起こるので、強誘電相を呈した状態を用いて白表示を行うことができる。
【００７９】
なお、本実施形態では、液晶層３０として、自発的に第１液晶領域３０ａおよび第２液晶領域３０ｂが形成されるスメクチック液晶層を用いる場合について説明したが、本発明はこれに限定されない。第１液晶領域および第２液晶領域を有する液晶層は、一対の基板の液晶層側の表面に、ある方位角方向（便宜的に「第１方位角方向」と呼ぶ。）に液晶分子を配向させる第１配向規制領域と、第１方位角方向と略９０°の角をなす第２方位角方向に液晶分子を配向させる第２配向規制領域とを設けることによって形成されてもよい。このような第１および第２配向規制領域は、例えば、光配向法などの微細配向技術を用いて実現することができる。ただし、液晶光学素子の製造の容易さの観点からは、上述したスメクチック液晶層のように、自発的に第１液晶領域および第２液晶領域が形成される液晶層を用いることが好ましい。
【００８０】
また、本実施形態では、透過型の液晶表示装置を例に本発明を説明したが、本発明はこれに限定されず、反射型の液晶表示装置にも好適に用いることができる。
【００８１】
本発明による液晶表示装置（液晶光学素子）１００は、三次元画像表示装置に用いられる。特に、液晶層３０として、反強誘電相を呈するスメクチック液晶層や、フェリ誘電相を呈するスメクチック液晶層あるいはＶ字型スイッチング特性を有するスメクチック液晶層を備えていると、三次元画像表示装置に好適に用いられる。
【００８２】
三次元画像表示装置は、右眼用と左眼用とに互いに偏光軸が異なる偏光板を備えた偏光板付きメガネを着用した観察者に対して、左眼用の画像（左眼で見るべき画像）に対応した光と、右眼用の画像（右眼で見るべき画像）に対応した光とを偏光方向が互いに異なる光として出射させ、左眼と右眼とにそれぞれ用の画像に対応した光を選択的に入射させることによって、三次元画像の表示を行う。
【００８３】
反強誘電相を呈するスメクチック液晶層、フェリ誘電相を呈するスメクチック液晶層およびＶ字型スイッチング特性を有するスメクチック液晶層は、図２（ａ）および（ｃ）などに示したように、しきい値以上の電圧が印加されたときに、液晶分子３１がスメクチック層３４の法線方向に対して１方向に傾斜した強誘電相への相転移を誘起され、その傾斜方向は印加電圧の極性の正負に応じて逆転する。そのため、正極性の電圧印加時と負極性の電圧印加時とで、液晶層３０からは異なる偏光方向の光が出射する。
【００８４】
従って、各絵素領域に、左眼用の画像信号と右眼用の画像信号とを交互に供給し、左眼用の画像信号が供給されるときと右眼用の画像信号が供給されるときとで電極間に異なる極性の電圧を印加することによって、左眼用の画像に対応した光と、右眼用の画像に対応した光とを偏光方向が互いに異なる光として出射させることができる。また、スメクチック液晶層は高速応答性を有するので、左眼用の画像信号と右眼用の画像信号とを交互に高周波数で供給しても正確な表示を行うことができる。
【００８５】
従来、左眼用の画像に対応した光と右眼用の画像に対応した光とを偏光方向を互いに異ならせて出射させる構成として、液晶セルが備える偏光板に吸収軸が互いに略直交する２つの領域を設ける方法が提案されているが、このような偏光板を製造することは非常に困難である。また、表示装置の前面に、観察者側に出射する光の偏光方向を電気的な制御で切り替えて変化させる素子を設ける方法も提案されてはいるが、このような素子を設けると構造が複雑化し、製造コストが増加するなどのデメリットがある。
【００８６】
これに対して、本発明による液晶表示装置１００を備えた三次元画像表示装置は、上述したように、比較的簡便な構造で三次元画像を表示することができる。
【００８７】
【実施例】
以下に、具体的な実施例に基づいて本発明を説明する。本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【００８８】
（実施例１）
実施例１では、図１および図２に示した液晶表示素子１００を作製した。
【００８９】
基板１０および２０としてガラス基板を用い、透明導電材料であるＩＴＯを用いて電極１２および２２を形成した。配向膜としてポリイミドからなる配向膜を用い、やわらかい布を用いてラビング処理を施した。
【００９０】
電極１２および２２と配向膜とが形成された基板１０および２０を１．５μｍの間隙を介して貼り合わせた。間隙の制御は、基板１０および２０のいずれかの表面に、フォトレジスト膜を１０μｍ×１０μｍのサイズでパターニングした厚さ１．５μｍの柱状スペーサを形成しておくことで行った。
【００９１】
反強誘電相を呈するスメクチック液晶層３０を、Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃｓ，　Ｖｏｌ．２４４　ｐ．１１５−１２８に開示されている液晶材料を用いて形成した。この液晶材料の組成物の構造式を図５に示す。この液晶材料からなるスメクチック液晶層３０は、図２（ｂ）に示したように、隣接する層間で、液晶分子３１が傾斜する方向が互いに反対であり、スメクチック層３４の法線方向に対する傾斜角がほぼ４５°である。この液晶材料に、市販の二色性色素を混入し、一対の基板１０および２０間に封入することによって液晶層３０を形成した。
【００９２】
このようにして作製された本実施例の液晶表示装置の電圧−透過率特性を図６に示す。図６に示したように、本実施例の液晶表示装置は、しきい値電圧以下では黒表示状態を示し、しきい値電圧を超えると白表示状態を示す。
【００９３】
正面方向のコントラスト比は４０以上であり、偏光板を用いずとも１つの液晶セルで良好な表示を行うことができることが確認された。
【００９４】
（実施例２）
実施例１の液晶表示装置を備えた三次元画像表示装置を作製した。駆動方法は単純マトリクス方式である。印加電圧の波形としては、ＳＩＤ９５ＤＩＧＥＳＴ，　ｐ．７８９−７９２に記載されているものを用い、反転駆動の方式としては、図７（ａ）に示すように、ラインごとに印加電圧の極性が反転し、さらに、フィールドごとに印加電圧の極性が反転するライン反転駆動を用いた。
【００９５】
各絵素領域に供給する画像信号としては、三次元表示用にあらかじめ用意したものを用い、正極性の電圧が印加されるときに左眼用の画像を表示し、負極性の電圧が印加されるときに右眼用の画像を表示した。
【００９６】
観察者は、偏光板付きメガネを着用した。この偏光板付きメガネは、正極性電圧印加時の液晶分子の長軸方向に平行な吸収軸を有する偏光板を左眼用として備え、負極性電圧印加時の液晶分子の長軸方向に平行な吸収軸を有する偏光板を右眼用として備えている。このようなメガネを着用することによって、左眼には正極性の電圧が印加されているときの左眼用の画像のみが見え、右眼には負極性の電圧が印加されているときの右眼用の画像のみが見えるので、三次元画像を観察することができた。
【００９７】
各絵素領域において左眼用の画像と右眼用の画像とを交互に表示するため、三次元表示によって解像度が低下することはなかった。
【００９８】
なお、本実施例ではライン反転駆動を採用するが、図７（ｂ）に示すようなフィールド反転駆動や図７（ｃ）に示すようなドット反転駆動を用いてもよい。ただし、ちらつきが少ない優れた表示品位を実現する観点からは、図７（ｂ）に示したようなフィールド反転駆動よりも、図７（ａ）に示したライン反転駆動が好ましく、図７（ｃ）に示したドット反転駆動がさらに好ましい。
【００９９】
【発明の効果】
本発明によると、偏光板を用いず、単層の液晶層を用いて表示を行うことができる。従って、生産性および素子特性に優れ、偏光板が不要な液晶光学素子が提供される。また、本発明による液晶光学素子は、三次元画像表示装置の表示装置として好適に用いることができ、比較的簡便な構造で三次元画像を表示することができる三次元画像表示装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による実施形態の液晶光学素子である液晶表示装置１００を模式的に示す断面図である。
【図２】（ａ）、（ｂ）および（ｃ）は、液晶表示装置１００を模式的に示す斜視図である。（ａ）は液晶層に正極性の電圧が印加された状態を示し、（ｂ）は電圧無印加状態（あるいはしきい値以下の電圧が印加された状態）を示し、（ｃ）は負極性の電圧が印加された状態を示す。
【図３】スメクチック層の法線方向に対する液晶分子の傾き角と、コントラスト比（白表示状態の透過率／黒表示状態の透過率）との関係を示すグラフである。
【図４】（ａ）は、反強誘電相における液晶分子の配向状態を模式的に示す図であり、（ｂ）および（ｃ）は、フェリ誘電相における液晶分子の配向状態を模式的に示す図である。
【図５】実施例１で用いた液晶材料の組成物の構造式を示す図である。
【図６】実施例１の液晶表示装置の電圧−透過率特性を示すグラフである。
【図７】（ａ）、（ｂ）および（ｃ）は、実施例２の三次元画像表示装置において絵素領域に印加される電圧の極性を示す図であり、（ａ）はライン反転駆動、（ｂ）はフィールド反転駆動、（ｃ）はドット反転駆動の場合を示している。
【図８】従来の液晶光学素子５００を模式的に示す断面図である。
【図９】従来の液晶光学素子５００を模式的に示す斜視図である。
【符号の説明】
１０　基板
１２　電極
２０　基板
２２　電極
３０　液晶層
３１　液晶分子
３２　二色性色素
３４　スメクチック層
１００　液晶表示装置（液晶光学素子）
【図１】
2004144823.tif 000003
【図２】
2004144823.tif 000004
【図３】
2004144823.tif 000005
【図４】
2004144823.tif 000006
【図５】
2004144823.tif 000007
【図６】
2004144823.tif 000008
【図７】
2004144823.tif 000009
【図８】
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【図９】
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