(57)【要約】【課題】光経路を調節する液晶レンズおよびこれを含む表示装置を提供すること。【解決手段】本発明に係る液晶レンズは、互いに対向する第１電極および第２電極と、第１電極および第２電極間に配設され、上面および下面が平坦な液晶層と、第２電極と液晶層との間に配設された誘電層を含み、誘電層は、誘電層の上面および下面間のキャパシタンスが水平方向に沿って変化する区間を含む。【選択図】図２
2013003588.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに対向する第１電極及び第２電極と、
前記第１電極と前記第２電極との間に配設され、上面及び下面が平坦な液晶層と、
前記第２電極と前記液晶層との間に配設された誘電層と、
を含み、
前記誘電層は、前記誘電層の上面及び下面間のキャパシタンスが水平方向に沿って変化する区間を含む
ことを特徴とする、液晶レンズ。
【請求項２】
前記水平方向に対する前記誘電層の上面及び下面間のキャパシタンスの分布は、上に凸形状又は下に凸形状の放物線形状である
ことを特徴とする、請求項１に記載の液晶レンズ。
【請求項３】
前記誘電層は上下面が平坦である
ことを特徴とする、請求項１又は２に記載の液晶レンズ。
【請求項４】
前記液晶レンズは、第１光変調特性を示す第１単位レンズ区間及び第２光変調特性を示す第２単位レンズ区間を含む
ことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の液晶レンズ。
【請求項５】
前記第１光変調特性及び前記第２光変調特性は、互いに同一のものである
ことを特徴とする、請求項４に記載の液晶レンズ。
【請求項６】
前記液晶レンズは、複数の単位レンズ区間を含み、
前記誘電層は、それぞれの前記単位レンズ区間ごとに前記上面及び前記下面間のキャパシタンスが水平方向に沿って変化する区間を含む
ことを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の液晶レンズ。
【請求項７】
前記単位レンズ区間ごとに、前記水平方向のそれぞれ同一の位置に応じた前記誘電層の上面及び下面間のキャパシタンスの分布が互いに同一である
ことを特徴とする、請求項６に記載の液晶レンズ。
【請求項８】
前記第１電極及び前記第２電極に互いに異なる電圧が印加されると、前記各単位レンズ区間の液晶層は、各々グリンレンズ構造を形成する
ことを特徴とする、請求項６又は７に記載の液晶レンズ。
【請求項９】
前記第１電極及び第２電極は、各々全面電極である
ことを特徴とする、請求項１に記載の液晶レンズ。
【請求項１０】
前記第１電極及び前記第２電極は、互いに平行になるように配置されている
ことを特徴とする、請求項１に記載の液晶レンズ。
【請求項１１】
前記誘電層は、誘電層の媒質と、前記誘電層の媒質内の水平位置に応じて密度分布が異なるドーパントと、を含む
ことを特徴とする、請求項１に記載の液晶レンズ。
【請求項１２】
互いに対向する第１電極及び第２電極と、
前記第１電極および前記第２電極間に配設され、上面及び下面が平坦な液晶層と、
前記第２電極と前記液晶層との間に配設され、第１誘電率を有する第１サブ誘電層及び当該第１誘電率と異なる第２誘電率を有する第２サブ誘電層を含む誘電層と、
を備え、
前記誘電層は、前記水平方向に沿って前記第１サブ誘電層と前記第２サブ誘電層のうち少なくとも一つの高さが変化する区間を含む
ことを特徴とする、液晶レンズ。
【請求項１３】
水平方向に沿って前記第１サブ誘電層の高さ及び前記第２サブ誘電層の高さの和が一定である
ことを特徴とする、請求項１２に記載の液晶レンズ。
【請求項１４】
前記第１サブ誘電層の屈折率及び前記第２サブ誘電層の屈折率は同一である
ことを特徴とする、請求項１２又は１３に記載の液晶レンズ。
【請求項１５】
前記第１サブ誘電層は、相互に連結された複数個の単位パターンを含む
ことを特徴とする、請求項１２〜１４のいずれか１項に記載の液晶レンズ。
【請求項１６】
前記複数の単位パターンのうち少なくとも一つは、当該単位パターンの断面が曲線部を有する
ことを特徴とする、請求項１５に記載の液晶レンズ。
【請求項１７】
前記第１サブ誘電層は、相互に離隔した複数個の単位パターンを含む
ことを特徴とする、請求項１２〜１６のいずれか１項に記載の液晶レンズ。
【請求項１８】
前記第１サブ誘電層の各単位パターンは、前記第２サブ誘電層によって囲まれている
ことを特徴とする、請求項１７に記載の液晶レンズ。
【請求項１９】
前記第１サブ誘電層の複数の単位パターンのうち少なくとも一つは、当該単位パターンの断面が半球形、台形、凸レンズ又は凹レンズ形状である
ことを特徴とする、請求項１８に記載の液晶レンズ。
【請求項２０】
前記誘電層は、上下面が平坦である
ことを特徴とする、請求項１２〜１９のいずれか１項に記載の液晶レンズ。
【請求項２１】
前記第１電極及び第２電極は、各々全面電極である
ことを特徴とする、請求項１２〜２０のいずれか１項に記載の液晶レンズ。
【請求項２２】
前記第１電極及び前記第２電極は、相互に平行になるように配置されている
ことを特徴とする、請求項２１に記載の液晶レンズ。
【請求項２３】
前記第１電極の下、又は、前記第２電極の上に配置された光学レンズをさらに含む
ことを特徴とする、請求項１２〜２２のいずれか１項に記載の液晶レンズ。
【請求項２４】
第１電極と、
前記第１電極上に形成されて上下面が平坦な液晶層と、
前記液晶層上に形成され、上面が曲面を含む誘電層と、
前記誘電層の上面にコンフォーマルに形成された第２電極と、
を備える
ことを特徴とする、液晶レンズ。
【請求項２５】
前記誘電層は、相互に連結された複数個の単位パターンを含む
ことを特徴とする、請求項２４に記載の液晶レンズ。
【請求項２６】
前記第１電極及び第２電極は、各々全面電極である
ことを特徴とする、請求項２４又は２５に記載の液晶レンズ。
【請求項２７】
光提供装置と、
前記光提供装置上に配置された液晶レンズと、
を備え、
前記液晶レンズは、
互いに対向する第１電極及び第２電極と、
前記第１電極と前記第２電極との間に配設され、上面及び下面が平坦な液晶層と、
前記第２電極と前記液晶層との間に配設された誘電層と、
を有し、
前記誘電層は、前記誘電層の上面と下面との間のキャパシタンスが水平方向に沿って変化する区間を含む
ことを特徴とする、表示装置。
【請求項２８】
前記光提供装置は、表示パネルを含む
ことを特徴とする、請求項２７に記載の表示装置。
【請求項２９】
前記表示パネルは、ＯＬＥＤ（Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ）、ＬＥＤ、無機ＥＬ（Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｔ  ｄｉｓｐｌａｙ）、ＦＥＤ（Ｆｉｅｌｄ  Ｅｍｉｓｓｉｏｎ  Ｄｉｓｐｌａｙ）、ＳＥＤ（ｓｕｒｆａｃｅ−ｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎ  ｅｌｅｃｔｒｏｎ−ｅｍｉｔｔｅｒ  ｄｉｓｐｌａｙ）、ＰＤＰ（Ｐｌａｓｍａ  Ｄｉｓｐｌａｙ  Ｐａｎｅｌ）、ＣＲＴ（Ｃａｔｈｏｄｅ  Ｒａｙ  Ｔｕｂｅ）、ＬＣＤ（Ｌｉｑｕｉｄ  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｄｉｓｐｌａｙ）及び電気泳動表示装置（Ｅｌｅｃｔｒｏｐｈｏｒｅｔｉｃ  Ｄｉｓｐｌａｙ、ＥＰＤ）のうちいずれか一つである
ことを特徴とする、請求項２８に記載の表示装置。
【請求項３０】
前記表示パネルは、マトリックス形態で配列された複数の画素領域を含み、
前記前記液晶レンズは、複数の単位レンズ区間を含み、
前記誘電層は、前記各単位レンズ区間に前記上面及び前記下面間のキャパシタンスが水平方向に沿って変化する区間を含み、
前記各単位レンズ区間の幅内に２以上の前記画素領域が配置される
ことを特徴とする、請求項２８又は２９に記載の表示装置。
【請求項３１】
前記単位レンズ区間それぞれは、前記水平方向のそれぞれ同一の位置に応じた前記誘電層の上面と下面との間のキャパシタンスの分布が相互に同一である
ことを特徴とする、請求項３０に記載の表示装置。
【請求項３２】
前記水平方向に対する前記誘電層の上面と下面との間のキャパシタンスの分布は、上に凸形状または下に凸形状である放物線形状となる
ことを特徴とする、請求項２７〜３１のいずれか１項に記載の表示装置。
【請求項３３】
前記液晶レンズは、複数の単位レンズ区間を含み、
前記誘電層は、前記各単位レンズ区間に前記上面と前記下面との間のキャパシタンスが水平方向に沿って変化する区間を含む
ことを特徴とする、請求項３０に記載の表示装置。
【請求項３４】
光提供装置と、
前記光提供装置上に配置された液晶レンズと、
を備え、
前記液晶レンズは、
互いに対向する第１電極及び第２電極と、
前記第１電極と前記第２電極との間に配設され、上面及び下面が平坦な液晶層と、
前記第２電極と前記液晶層との間に配設され、第１誘電率を有する第１サブ誘電層及び当該第１誘電率と異なる第２誘電率を有する第２サブ誘電層を含む誘電層と、
を有し、
前記誘電層は、前記水平方向に沿って前記第１サブ誘電層と前記第２サブ誘電層のうち少なくとも一つの高さが変化する区間を含む
ことを特徴とする、表示装置。
【請求項３５】
前記光提供装置は、表示パネルを含む
ことを特徴とする、請求項３４に記載の表示装置。
【請求項３６】
前記表示パネルは、ＯＬＥＤ（Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ）、ＬＥＤ、無機ＥＬ（Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｔ  ｄｉｓｐｌａｙ）、ＦＥＤ（Ｆｉｅｌｄ  Ｅｍｉｓｓｉｏｎ  Ｄｉｓｐｌａｙ）、ＳＥＤ（ｓｕｒｆａｃｅ−ｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎ  ｅｌｅｃｔｒｏｎ−ｅｍｉｔｔｅｒ  ｄｉｓｐｌａｙ）、ＰＤＰ（Ｐｌａｓｍａ  Ｄｉｓｐｌａｙ  Ｐａｎｅｌ）、ＣＲＴ（Ｃａｔｈｏｄｅ  Ｒａｙ  Ｔｕｂｅ）、ＬＣＤ（Ｌｉｑｕｉｄ  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｄｉｓｐｌａｙ）及び電気泳動表示装置（Ｅｌｅｃｔｒｏｐｈｏｒｅｔｉｃ  Ｄｉｓｐｌａｙ、ＥＰＤ）のうちいずれか一つである
ことを特徴とする、請求項３５に記載の表示装置。
【請求項３７】
前記表示パネルは、マトリックス形態で配列された複数の画素領域を含み、
前記第１サブ誘電層は、相互に連結された複数個の単位パターンを含み、
前記各単位パターンの幅内に２以上の前記画素領域が配置される
ことを特徴とする、請求項３５又は３６に記載の表示装置。
【請求項３８】
前記表示パネルは、マトリックス形態で配列された複数の画素領域を含み、
前記第１サブ誘電層は、相互に離隔した複数個の単位パターンを含み、
前記各単位パターンのピッチごとに２以上の前記画素領域が配置される
ことを特徴とする、請求項３５又は３６に記載の表示装置。
【請求項３９】
水平方向に沿って前記第１サブ誘電層の高さ及び前記第２サブ誘電層の高さの和が一定である
ことを特徴とする、請求項３４〜３８のいずれか１項に記載の表示装置。
【請求項４０】
前記第１サブ誘電層の屈折率及び前記第２サブ誘電層の屈折率は、同一である
ことを特徴とする、請求項３４〜３９のいずれか１項に記載の表示装置。
【請求項４１】
光提供装置と、
前記光提供装置上に配置された液晶レンズと
を備え、
前記液晶レンズは、
第１電極と、
前記第１電極上に形成され、上下面が平坦な液晶層と、
前記液晶層上に形成され、上面が曲面を含む誘電層と、
前記誘電層の上面にコンフォーマルに形成された第２電極と、
を有する
ことを特徴とする、表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液晶レンズ及び表示装置に関するものであり、より詳細には、光経路を調節することが可能な液晶レンズ及び表示装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
表示装置は、多様な方式で光を出射して映像を表示する。表示装置の光を出射する方式は表示装置の種類を区分する基準になることもある。各光出射方式については、出射される光の輝度を効果的に制御し、表示品質を向上させるための多様な研究が競争的に行われている。
【０００３】
近年、光輝度制御とは別に、光経路制御により３次元映像を実現する立体映像表示装置に関する研究が注目を浴びている。この立体映像表示装置は、左眼映像を観察者の左眼に提供するとともに、右眼映像を観察者の右眼に提供することで、観察者は映像を立体的に認識できるという点を基本原理としている。偏光方式、時分割方式などのメガネ方式や、パララックス−バリアー方式、レンチキュラ（ｌｅｎｔｉｃｕｌａｒ）またはマイクロレンズ方式およびブリンキングライト（ｂｌｉｎｋｉｎｇ  ｌｉｇｈｔ）方式などのメガネを不要にした方式が、主に研究されている。
【０００４】
一方、３次元映像を長時間視聴するとめまいを感じることがある。また、視聴者が３次元映像コンテンツだけでなく２次元映像コンテンツの視聴を所望する場合もある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】韓国公開特許第２００８−０１０５５７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
光経路をモード別に異なるように制御できると、２次元映像および３次元映像をいずれも表示することが可能である。また、光経路を自在に制御することにより、表示装置だけでなく、光を利用する多様な応用分野を創り出すことができる。
【０００７】
そこで、本発明は、上記内容に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、光経路の調節をすることが可能な、液晶レンズ及び当該液晶レンズを含む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】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、互いに対向する第１電極及び第２電極と、前記第１電極と前記第２電極との間に配設され、上面及び下面が平坦な液晶層と、前記第２電極と前記液晶層との間に配設された誘電層とを含み、前記誘電層は、前記誘電層の上面と下面との間のキャパシタンスが水平方向に沿って変化する区間を含む液晶レンズが提供される。
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、互いに対向する第１電極及び第２電極と、前記第１電極と前記第２電極との間に配設され、上面及び下面が平坦な液晶層と、前記第２電極と前記液晶層との間に配設され、第１誘電率を有する第１サブ誘電層
及び当該第１誘電率と異なる第２誘電率を有する第２サブ誘電層を含む誘電層と、を含み、前記誘電層は、前記水平方向に沿って前記第１サブ誘電層と前記第２サブ誘電層のうち少なくとも一つの高さが変化する区間を含む液晶レンズが提供される。
【００１０】
上記課題を解決するために、本発明の更に別の観点によれば、第１電極と、前記第１電極上に形成されて上下面が平坦な液晶層と、前記液晶層上に形成され、上面が曲面を含む誘電層と、前記誘電層の上面にコンフォーマルに形成された第２電極とを含む液晶レンズが提供される。
【００１１】
上記課題を解決するために、本発明の更に別の観点によれば、光提供装置と、前記光提供装置上に配置された液晶レンズとを備え、前記液晶レンズは、互いに対向する第１電極及び第２電極と、前記第１電極と前記第２電極との間に配設され、上面及び下面が平坦な液晶層と、前記第２電極と前記液晶層との間に配設された誘電層とを含み、前記誘電層は、前記誘電層の上面と下面との間のキャパシタンスが水平方向に沿って変化する区間を含む表示装置が提供される。
【００１２】
上記課題を解決するために、本発明の更に別の観点によれば、光提供装置と、前記光提供装置上に配置された液晶レンズとを備え、前記液晶レンズは、互いに対向する第１電極及び第２電極と、前記第１電極と前記第２電極との間に配設され、上面及び下面が平坦な液晶層と、前記第２電極と前記液晶層との間に配設され、第１誘電率を有する第１サブ誘電層及び当該第１誘電率と異なる第２誘電率を有する第２サブ誘電層を含む誘電層とを含み、前記誘電層は、前記水平方向に沿って前記第１サブ誘電層と前記第２サブ誘電層のうち少なくとも一つの高さが変化する区間を含む表示装置が提供される。
【００１３】
上記課題を解決するために、本発明の更に別の観点によれば、光提供装置と、前記光提供装置上に配置された液晶レンズとを備え、前記液晶レンズは、第１電極と、前記第１電極上に形成され、上下面が平坦な液晶層と、前記液晶層上に形成され、上面が曲面を含む誘電層と、前記誘電層の上面にコンフォーマルに形成された第２電極とを含む表示装置が提供される。
【００１４】
その他、本発明の実施形態の具体的な内容は、以下に示す詳細な説明及び図面に含まれている。
【発明の効果】
【００１５】
以上説明したように本発明によれば、少なくとも次のような効果がある。
【００１６】
本発明に係る液晶レンズによれば、多様な光経路の調節が可能である。したがって、表示装置、太陽電池、イメージセンサなど光を利用した多様な素子に適用することができる。また、本発明に係る液晶レンズを採用した表示装置の場合、多様な光経路の調節が可能であるため、２Ｄ／３Ｄスイッチングが可能であり、３次元映像と２次元映像いずれも表示することができる。さらに、焦点距離の調節が容易であるため、簡便に３次元映像視聴可能視点を探すことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施形態に係る表示装置の概略構成図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る液晶レンズの断面図である。
【図３Ａ】図２の誘電層の位置ごとの誘電率を示すグラフである。
【図３Ｂ】図２の誘電層の位置ごとのエラスタンスを示すグラフである。
【図４】本発明の一実施形態に係る液晶レンズの第１モードの動作を示す概略図である。
【図５】本発明の一実施形態に係る液晶レンズの第１モードで液晶層の水平方向位置ごとの屈折率を示すグラフである。
【図６】本発明の一実施形態に係る液晶レンズの第２モードの動作を示す概略図である。
【図７】本発明の一実施形態に係る液晶レンズの第２モードで液晶層の水平方向位置ごとの屈折率を示すグラフである。
【図８】本発明の他の実施形態に係る液晶レンズの断面図である。
【図９】図８の誘電層の位置ごとの誘電率を示すグラフである。
【図１０】本発明の更に別の実施形態に係る液晶レンズの断面図である。
【図１１】図１０の誘電層の位置ごとの誘電率を示すグラフである。
【図１２】本発明の更に別の実施形態に係る液晶レンズの断面図である。
【図１３】図１２の誘電層の位置ごとの誘電率を示すグラフである。
【図１４】本発明の更に別の実施形態に係る液晶レンズの断面図である。
【図１５】図１４の誘電層の位置ごとのエラスタンスの分布を示すグラフである。
【図１６】本発明の多様な実施形態に係る液晶レンズの断面図である。
【図１７】本発明の多様な実施形態に係る液晶レンズの断面図である。
【図１８】本発明の多様な実施形態に係る液晶レンズの断面図である。
【図１９】本発明の多様な実施形態に係る液晶レンズの断面図である。
【図２０】本発明の多様な実施形態に係る液晶レンズの断面図である。
【図２１】本発明の多様な実施形態に係る液晶レンズの断面図である。
【図２２】図２１の誘電層製造の例示的な一方法を説明するための断面図である。
【図２３】図２１の誘電層製造の例示的な他の方法を説明するための断面図である。
【図２４】本発明の多様な実施形態に係る液晶レンズの断面図である。
【図２５】本発明の多様な実施形態に係る液晶レンズの断面図である。
【図２６】本発明の多様な実施形態に係る液晶レンズの断面図である。
【図２７】本発明の多様な実施形態に係る液晶レンズの断面図である。
【図２８】本発明の多様な実施形態に係る液晶レンズの断面図である。
【図２９】本発明の多様な実施形態に係る液晶レンズの断面図である。
【図３０】本発明の多様な実施形態に係る液晶レンズの断面図である。
【図３１】本発明の多様な実施形態に係る液晶レンズの断面図である。
【図３２】本発明の多様な実施形態に係る液晶レンズの断面図である。
【図３３】本発明の多様な実施形態に係る液晶レンズの断面図である。
【図３４】本発明の多様な実施形態に係る液晶レンズの断面図である。
【図３５】本発明の一実施形態に係る表示装置の断面図である。
【図３６】第２モードにおける表示装置の例示的な動作を説明するための断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
【００１９】
なお、本発明の実施形態に係る課題は、以上で言及した課題に制限されず、言及されていないまた他の課題は次の記載から当業者に明確に理解できるであろう。
【００２０】
また、本発明の実施形態に係る効果は、以上で例示された内容によって制限されず、さらに多様な効果が本明細書内に含まれている。
【００２１】
素子（ｅｌｅｍｅｎｔｓ）又は層が、他の素子又は層の「上（ｏｎ）」にあると称されるものは、他の素子又は層の直上だけでなく、中間に他の層又は他の素子を介在した場合をすべて含む。
【００２２】
第１、第２などといった表記が、多様な素子、構成要素を説明するために使用される。しかしながら、これら構成要素は、これらの用語によって制限されないことはもちろんである。これらの用語は、単に一つの構成要素を構成要素と区別するために使用されるものである。したがって、以下で言及される第１素子は、本発明の技術的思想の範囲内で第２素子あり得ることはもちろんである。
【００２３】
本明細書においてエラスタンス（ｅｌａｓｔａｎｃｅ）とは、キャパシタンス（ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ）の逆数（１／Ｃ）を意味する。
【００２４】
図１は、本発明の一実施形態による表示装置の概略構成図である。図１を参照すると、表示装置３０は、光提供装置２０及び光提供装置２０の一側に配置された液晶レンズ１０を含む。
【００２５】
光提供装置２０は、液晶レンズ１０に光を提供する。光提供装置２０が液晶レンズ１０に提供する光は、光提供装置２０からの出射光及び／又は液晶レンズ１０から入射して光提供装置２０で反射される反射光を含んでもよい。
【００２６】
光提供装置２０は、表示パネルを含んでもよい。いくつかの実施形態において、表示パネルは、ＯＬＥＤ（Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ）、ＬＥＤ、無機ＥＬディスプレイ（Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｔ  ｄｉｓｐｌａｙ）、ＦＥＤ（Ｆｉｅｌｄ  Ｅｍｉｓｓｉｏｎ  Ｄｉｓｐｌａｙ）、ＳＥＤ（ｓｕｒｆａｃｅ−ｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎ  ｅｌｅｃｔｒｏｎ−ｅｍｉｔｔｅｒ  ｄｉｓｐｌａｙ）、ＰＤＰ（Ｐｌａｓｍａ  Ｄｉｓｐｌａｙ  Ｐａｎｅｌ）、ＣＲＴ（Ｃａｔｈｏｄｅ  Ｒａｙ  Ｔｕｂｅ）などのような自発光表示パネルである。他のいくつかの実施形態において、表示パネルはＬＣＤ（Ｌｉｑｕｉｄ  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｄｉｓｐｌａｙ）、電気泳動表示装置（Ｅｌｅｃｔｒｏｐｈｏｒｅｔｉｃ  Ｄｉｓｐｌａｙ、ＥＰＤ）などのような非発光表示パネルである。表示パネルが非発光表示パネルである場合、光提供装置２０は、バックライトアセンブリのような光源を更に含んでもよい。
【００２７】
液晶レンズ１０は、光提供装置２０の一側に配置されており、光提供装置１０から出射された光が入射する。液晶レンズ１０は、入射した光の経路や位相などの光特性を、少なくとも部分的に変調する。いくつかの実施形態で、液晶レンズ１０の光特性変調は、モードによって異なってもよい。例えば、第１モードで液晶レンズ１０は光特性を変調しないが、第２モードで液晶レンズ１０は光特性を変調し得る。モード別に光変調特性を異なるように変調すると、光提供装置２０の表示パネルから出射される画像をモード別に異なるように変調することができ、それにより液晶レンズ１０を介して出射される画像を、モード別に異なるように制御することができる。このような液晶レンズ１０のモード別の選択的光変調特性は、後述するように、２Ｄ／３Ｄスイッチングが可能なディスプレイを実現可能なものにする。
【００２８】
以下、本発明の一実施形態による液晶レンズについて、より詳細に説明する。図２は、本発明の一実施形態に係る液晶レンズの断面図である。図２を参照すると、液晶レンズ１１００は、互いに対向する第１電極１１０及び第２電極１２０と、第１電極１１０と第２電極１２０との間に配設された液晶層１３０及び誘電層１４０と、を含む。
【００２９】
第１電極１１０及び第２電極１２０は、各々透明な導電性物質により形成される。この第１電極１１０及び第２電極１２０は、例えば、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ  Ｔｉｎ  Ｏｘｉｄｅ）、ＩＺＯ（Ｉｎｄｉｕｍ  Ｚｉｎｃ  Ｏｘｉｄｅ）、ＺＯ（Ｚｉｎｃ  Ｏｘｉｄｅ）、ＩＯ（Ｉｎｄｉｕｍ  Ｏｘｉｄｅ）、ＴｉＯ（Ｔｉｔａｎｉｕｍ  Ｏｘｉｄｅ）等のような酸化物で形成されてもよい。また他の例として、第１電極１１０及び第２電極１２０は、ＣＮＴ（Ｃａｒｂｏｎ  Ｎａｎｏｔｕｂｅ）、金属ナノワイヤー（ｍｅｔａｌ  ｎａｎｏｗｉｒｅ）、導電性高分子（Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ  Ｐｏｌｙｍｅｒ）等の物質を含んでもよい。なお、第１電極１１０と第２電極１２０とは、必ず同一物質で形成される必要はなく、第１電極１１０の形成に用いられる物質と、第２電極１２０の形成に用いられる物質とは、異なっていてもよい。
【００３０】
第１電極１１０は、第１電圧の印加を受け、第２電極１２０は、第２電圧の印加を受ける。したがって、第１電極１１０の上面１１０ａと第２電極１２０の下面１２０ｂとの間には、第１電圧と第２電圧との差分に相応する所定の電界が形成され得る。
【００３１】
本発明のいくつかの実施形態で、第１電極１１０及び第２電極１２０は、各々パターニングされない全面（ｗｈｏｌｅ  ｓｕｒｆａｃｅ）電極であってもよい。第１電極１１０及び第２電極１２０は、互いに平行になるように配置されてもよい。
【００３２】
第１電極１１０及び第２電極１２０の間には、液晶層１３０及び誘電層１４０が配設される。図２では、第１電極１１０上に液晶層１３０が積層され、液晶層１３０上に誘電層１４０が積層された例を図示しているが、液晶層１３０と誘電層１４０との積層順序は、変更可能である。
【００３３】
液晶層１３０の上面（１３０＿１）と下面（１３０＿２）は、実質的に平坦な面を有し得る。液晶層１３０の上面（１３０＿１）と下面（１３０＿２）が平坦な方が、液晶分子１３５を均一に分布するためには有利である。更に、液晶層１３０の上面（１３０＿１）及び下面（１３０＿２）は、互いに平行であってもよい。
【００３４】
上面（１３０＿１）と下面（１３０＿２）により定義された空間内で、液晶層１３０は複数の液晶分子１３５を含む。このような液晶分子１３５は、液晶層１３０の全領域にわたって均一な密度で分布され得る。本実施形態で、液晶分子１３５は、正の誘電率異方性を有し、水平方向に初期配向されている。ここで、水平方向に配向されているとは、液晶分子１３５の長軸が水平方向に平行になるように配置される状態であり、例えば液晶分子１３５の方位角が０°である状態を意味する。
【００３５】
本発明の他のいくつかの実施形態で、液晶分子１３５は、負の誘電率異方性を有していてもよい。この場合、液晶分子１３５は垂直方向に初期配向されていてもよい。ここで、垂直方向に初期配向されているとは、液晶分子１３５の方位角が９０°である場合だけでなく、所定角度だけプレチルト角を有する場合をも含む。このような観点から、垂直方向に初期配向された液晶分子１３５の方位角は、例えば、８０〜９０°であってもよい。
【００３６】
誘電層１４０は、少なくとも一つの誘電物質を含み、構成される。液晶レンズ１１００の水平方向を第１方向（Ｘ）とし、第１方向に垂直な方向である厚さ方向、すなわち液晶層１３０と誘電層１４０とが積層される方向を第２方向（Ｙ）とするとき、誘電層１４０の上面（１４０＿１）と下面（１４０＿２）との間のキャパシタンス（Ｃ）は、第１方向（Ｘ）に沿って位置ごとに少なくとも部分的に異なっていてもよい。すなわち、誘電層１４０は、第１方向（Ｘ）に沿って誘電層１４０の上面（１４０＿１）と下面（１４０＿２）との間のキャパシタンス（Ｃ）が変化する区間を含む。誘電層１４０の上面（１４０＿１）と下面（１４０＿２）との間の距離が第１方向（Ｘ）に沿って同一に維持される場合、例えば誘電層１４０の上面（１４０＿１）と下面（１４０＿２）が各々平坦であり、相互に平行である場合には、位置ごとに異なるキャパシタンス（Ｃ）は、位置ごとに異なる誘電率によって実現することができる。
【００３７】
液晶レンズ１１０は、誘電層１４０のキャパシタンス（Ｃ）の分布又は誘電率の分布によって、２以上の単位レンズ区間（Ｌ１、Ｌ２）を含んでもよい。各単位レンズ区間（Ｌ１、Ｌ２）は、第１電極１１０及び第２電極１２０に印加される電圧によって、凸レンズ、凹レンズなどの光学レンズと類似の光学的特性を示し得る。各単位レンズ区間（Ｌ１、Ｌ２）の光学特性は、第１電極１１０及び第２電極１２０に印加される電圧に応じて変化し得る。すなわち、各単位レンズ区間（Ｌ１、Ｌ２）は、可変レンズとして機能することができる。
【００３８】
単一光学レンズは、単一光変調特性を有すものと理解することができる。例えば、凸レンズの場合、光がレンズ面に入射する位置によって、光が屈折する程度などに差異があるが、これらが集まって、例えば集光という統合的な一つの光変調特性を有すものと理解することができる。このような観点から、液晶レンズ１１００の各単位レンズ区間（Ｌ１、Ｌ２）は、光学レンズに対応する別途の光変調特性を示すことができる。すなわち、第１単位レンズ区間（Ｌ１）は、第１光変調特性を示し、第２単位レンズ区間（Ｌ２）は、第２光変調特性を示すことができる。第１光変調特性と第２光変調特性は、実質的に同一なものであってもよい。例えば、第１光変調特性と第２光変調特性は、いずれも同一凸レンズの光学特性を示すことができる。この場合、第１単位レンズ区間（Ｌ１）及び第２単位レンズ区間（Ｌ２）は、光学的に二つの同一凸レンズを配列したように動作することができる。
【００３９】
図２、及び、図３〜図７を参照して、各単位レンズ区間（Ｌ１、Ｌ２）の光変調特性を詳細に説明する。
【００４０】
図３Ａは、図２の誘電層の位置ごとの誘電率を示すグラフである。図３Ｂは、図２の誘電層の位置ごとのエラスタンスを示すグラフである。図２及び図３Ａを参照すると、第１単位レンズ区間（Ｌ１）で誘電層１４０の誘電率は、Ｐ０地点からＰ１方向に向かうに従い減少してその後増加するという、下に凸の放物線形状グラフを描く。第２単位レンズ区間（Ｌ２）で誘電層の誘電率は、Ｐ１地点からＰ２方向に向かうに従い減少してその後増加するという、下に凸の放物線形状グラフを描く。第１単位レンズ区間（Ｌ１）の放物線形状グラフと第２単位レンズ区間（Ｌ２）の放物線形状グラフとは、互に同一であってもよい。すなわち、各単位レンズ区間ごと（Ｌ１、Ｌ２）に水平方向のそれぞれ同一の位置に応じた誘電率の分布が相互同一であってもよい。この場合、本実施形態の第１単位レンズ区間（Ｌ１）と第２単位レンズ区間（Ｌ２）とは、実質的に同一な電気、光学的特性を示すことができる。誘電層１４０の上面（１４０＿１）と下面（１４０＿２）との間の距離が第１方向（Ｘ）に沿って一定であれば、誘電層１４０のキャパシタンスは、誘電率に比例するため、キャパシタンスの位置ごとのグラフも図３Ａと実質的に同一パターンを示す。したがって、誘電層１４０キャパシタンスの逆数であるエラスタンス（１／Ｃ）の分布に関するグラフは図３Ｂに示すように、誘電層１４０の誘電率分布のグラフを逆さにしたものと実質的に同一である。したがって、エラスタンス（１／Ｃ）は誘電率が最小である水平地点で最大となる。
【００４１】
また、各単位レンズ区間ごと（Ｌ１、Ｌ２）に水平方向のそれぞれ同一の位置に応じた誘電率が同一であれば、水平方向のそれぞれ同一の位置に応じたキャパシタンスまたはエラスタンスの分布も相互に同一であり得る。
【００４２】
前記のような構成を有する液晶レンズ１１００の動作について説明する。図４は、本発明の一実施形態による液晶レンズの第１モードの動作を示す概略図である。図５は、本発明の一実施形態による液晶レンズの第１モードで液晶層の水平方向位置ごとの屈折率を示すグラフである。
【００４３】
図４及び図５を参照すると、液晶レンズ１１００の第１モードは、液晶層１３０の液晶分子１３５を水平方向である第１方向（Ｘ）の位置に関係なくいずれも同一方位角に配列するモードである。例えば、第１モードは、第１電極１１０と第２電極１２０に同一電圧が印加されることによって実現することができる。第１電極１１０と第２電極１２０に同一電圧が印加されると、誘電層１４０及び液晶層１３０に印加される電位差（Ｖ１）は０Ｖである。液晶層１３０に電圧が印加されないため、液晶分子１３５は、初期配向方向の水平方向を維持する。したがって、液晶レンズ１１００に入射した光は、図５に示すように液晶層１３０の水平方向位置に関係がなく、同一屈折率の影響を受ける。したがって、液晶層１３０に入射した光は、液晶層１３０内で光進行経路を変えず、直進する。
【００４４】
液晶層１３０を通過した光が誘電層１４０に到達するとき、誘電層１４０の屈折率が液晶層１３０の屈折率と同一であれば、光は誘電層１４０を光学的に他の物質として認識しない。したがって、誘電層１４０は、光経路を変更することなく、光をそのまま透過させる。仮に、液晶層１３０の屈折率と誘電層１４０の屈折率とが異なっていても、液晶層１４０を垂直透過した大多数の光は屈折率が互いに異なる界面で波長の変移のみを起こすだけであり、光経路は変更されない。さらに、誘電層１４０が２以上の互いに異なる物質からなるとしても、これらが同一の屈折率を有すると、その界面で光経路は変更されない。２以上の屈折率を有する物質からなるとしても、光がその界面に垂直入射した場合、光経路は変更されない。したがって、図４に示すように、液晶レンズ１１００に入射した光は、液晶層１３０と誘電層１４０とをそのまま通過する。
【００４５】
図６は、本発明の一実施形態による液晶レンズの第２モードの動作を示す概略図である。図７は、本発明の一実施形態による液晶レンズの第２モードで液晶層の水平方向位置ごとの屈折率を示すグラフである。
【００４６】
図６及び図７を参照すると、液晶レンズ１１００の第２モードは、液晶層１３０の液晶分子１３５が水平方向位置に応じて少なくとも部分的に異なる方位角を有するように配列するモードである。例えば、第１電極１１０と第２電極１２０とに互いに異なる電圧を印加し、第１電極１１０及び第２電極１２０の間に所定の電界を形成すると、第２モードが駆動されることとなる。第２モードにおいても、第１電極１１０の上面１１０ａと第２電極１２０の下面１２０ａとの間は、水平方向に沿って位置ごとの電界は同一である。しかし、液晶層１３０の観点からは、上下面（１３０＿１、１３０＿２）の電界が水平方向の位置ごとに異なる。
【００４７】
より詳細に説明すると、第１電極１１０と第２電極１２０との間には、液晶層１３０及び誘電層１４０が存在する。液晶層１３０の下面（１３０＿２）は、第１電極１１０と隣接するため、水平方向の位置に関係なく第１電圧がそのまま印加される。しかし、液晶層１３０の上面（１３０＿１）は、第１電極１１０との間では液晶層１３０を介在し、第２電極１２０との間では誘電層１４０を介在する。液晶層１３０は、上面（１３０＿１）と下面（１３０＿２）との間で第１キャパシタンスを有する第１キャパシタを構成し、誘電層１４０は、上面（１３０＿１）と下面（１３０＿２）との間で第２キャパシタンスを有す第２キャパシタを構成する。等価回路上では、第１キャパシタと第２キャパシタとは、直列に連結する。なお、直列に連結された複数のキャパシタにかかる電圧は、各キャパシタのキャパシタンスの大きさ（Ｃ）に反比例し、エラスタンス（１／Ｃ）に比例する。
【００４８】
液晶層１３０の上面（１３０＿１）、すなわち誘電層の下面（１４０＿２）には、第１電極１１０に印加される第１電圧と第２電極１２０に印加される第２電圧との間の値に該当する電圧が印加されるが、誘電層１４０のキャパシタンスが大きければ、相対的に誘電層１４０の上下面に印加される電圧の大きさが小さい。したがって、液晶層１３０上面（１３０＿１）に印加される電圧は、相対的に第１電圧との差分が大きくなる。同様に、誘電層１４０のキャパシタンスが小さければ、液晶層１３０上面（１３０＿１）に印加される電圧は相対的に第１電圧との差分が小さい。
【００４９】
しかし、図３Ａおよび図３Ｂを参照して説明したように、誘電層１４０は、水平方向に誘電率やキャパシタンスが異なるため、液晶層１３０の上面（１３０＿１）に印加される電圧も異なる。誘電層１４０の誘電率が高い区間（キャパシタンスが大きい区間）では、液晶層の上面（１３０＿１）に相対的に第１電圧との差異が大きい電圧が印加される。その結果、液晶層１３０の上下面（１３０＿１、１３０＿２）に印加される電界の大きさが大きくなる。誘電層１４０の誘電率が低い区間（キャパシタンスが小さい区間）では、液晶層１３０の上面（１３０＿１）に相対的に第１電圧との差異が小さい電圧が印加されるため、液晶層１３０の上下面（１３０＿１、１３０＿２）に印加される電界のサイズが小さくなる。
【００５０】
前述したように、本実施形態において液晶分子１３５は正の誘電率異方性を有するため、電界が大きいほど電界方向にさらに多く回転する。したがって、液晶分子１３５の配列は、図６に図示するように、誘電層１４０の誘電率が低い区間では液晶分子１３５が垂直方向に多く回転し、誘電層１４０の誘電率が高い区間では液晶分子１３５の回転が相対的に少ない。
【００５１】
一方、液晶分子１３５は、屈折率に対しても異方性を有する。すなわち、液晶分子１３５は、光学的に長軸方向の光に対する常光線（ｏｒｄｉｎａｒｙ  ｒａｙ）屈折率（ｎｏ）と、短縮方向の光に対する異常光線（ｅｘｔｒａｏｒｄｉｎａｒｙ  ｒａｙ）屈折率（ｎｅ）という二つの種類の屈折率を有する。ここで、常光線屈折率（ｎｏ）は、異常光線屈折率（ｎｅ）より低くてもよい。例えば、液晶分子１３５の常光線屈折率（ｎｏ）は約１．５であり、液晶分子１３５の異常光線屈折率（ｎｅ）は約１．７であってもよい。
【００５２】
したがって、液晶分子１３５が水平配列されていれば、光は、異常光線屈折率（ｎｅ）の影響を受けるため、相対的に屈折率が高くなる。これに対し、液晶分子１３５が垂直方向に回転すると、光は相対的により小さい常光線屈折率（ｎｏ）の影響を受けるため、相対的に屈折率がより低くなる。したがって、液晶層１３０の第１方向（Ｘ）の位置に応じた屈折率は、図７のような分布を示すこととなる。図７を図３Ｂと比べると、屈折率の分布のグラフは、キャパシタンスの逆数であるエラスタンスの分布のグラフと実質的に同一である。したがって、屈折率は、キャパシタンスが最小である水平地点で最大となる。
【００５３】
光は、屈折率が均一な媒質内では直線進行するが、図７のように媒質内で屈折率が漸進的に変わるグリン（ＧＲＩＮ、Ｇｒａｄｉｅｎｔ  Ｉｎｄｅｘ）レンズ構造では、屈折率が低い媒質から屈折率が高い媒質側に光経路が曲がる。前記グリンレンズの構造及び動作原理については、米国特許第５、７９０、３１４号に開示されており、前記特許の開示内容は、本明細書に十分に開示されているため、援用して統合される。
【００５４】
したがって、第２モードで液晶層１３０を通過する光は、高屈折率の媒質側に光経路が曲がり、図６のような光進行経路を示すこととなる。図６の光進行経路の変調は、凸レンズを通過した光進行経路と類似する。すなわち、第２モードでは、液晶レンズ１１００の液晶層１３０は、別途の凸レンズがなくとも光を集光することができる。
【００５５】
液晶層１３０を通過した光は、誘電層１４０の界面に到るが、液晶層１３０を通過しながら曲がった光は、誘電層１４０に対して所定入射角で入射する。誘電層１４０が液晶層１３０と実質的に同一屈折率を有する場合、光は、光経路の変化なく進行する。誘電層１４０が液晶層１３０と異なる屈折率を有する場合、界面で光は屈折する。仮に、誘電層１４０の屈折率が液晶層１３０より低ければ、スネルの法則に基づき、入射角よりより大きい角で屈折し、集光される焦点距離を減らす。逆に、誘電層１４０の屈折率が液晶層１３０より高ければ、その逆になることは自明である。
【００５６】
第１電圧と第２電圧のサイズ（大きさ）は、第１モードと第２モードを決定するだけでなく、同一の第２モード内でも光変調特性を異なるように制御する。前述したように、第１電極１１０と第２電極１２０に同一電圧が印加されると、液晶レンズ１１００は、第１モードとして駆動する。一方、第１電圧と第２電圧との差が非常に大きい場合にも、第１モードとして駆動することができる。例えば、極端な例として、第１電圧と第２電圧との差異が無限大であると仮定すると、液晶層１３０の上面（１３０＿１）に印加される電圧が水平方向の位置に応じて異なったとしても、液晶層１３０の上面（１３０＿１）の電圧と液晶層１３０の下面（１３０＿２）の電圧差の絶対値が非常に大きいため、すべての液晶分子１３５が垂直方向に回転することができる。すなわち、液晶層１３０のすべての液晶分子１３５の方位角が９０°であり、同一であるため、液晶層１３０を通過する光は水平方向の位置と関係がなくいずれも常光線の屈折率の影響を受ける。この場合、グリンレンズが構成されないため、光は液晶層１３０内で曲がらずに直進することとなる。
【００５７】
一方、第１電圧と第２電圧が異なる値を有するが、その差異が非常に小さい場合には、液晶層１３０の上下面（１３０＿１、１３０＿２）に印加される電界の最大値が液晶分子１３５を回転させるための閾値電界レベルを超過しなければ、この場合にもすべての液晶分子１３０が水平配向を維持することができる。したがって、グリンレンズが構成されないため、光は液晶層１３０内で曲がらずに直進する。
【００５８】
以上により、液晶レンズ１３０の第２モードを駆動する条件は、単に第１電圧と第２電圧が異なることで満たされるのではなく、第１電圧と第２電圧との差異が所定範囲内でなければならないことが分かる。すなわち、第１電圧と第２電圧との差異によって液晶層１３０の上下面（１３０＿１、１３０＿２）に印加される電界の最大値は、液晶分子１３５を回転させるための閾値電界レベルより大きくなければならず、同時に第１電圧と第２電圧との差異によって液晶層１３０の上下面（１３０＿１、１３０＿２）に印加される電界の最小値は、液晶分子１３５を垂直（方位角が９０°）に回転させ得る電界より小さくなければならない。
【００５９】
一方、液晶レンズ１１００が第２モードで駆動されても、第１電圧及び第２電圧との差異により、屈折率の分布が異なる場合もある。すなわち、第１電圧及び第２電圧の差異は、図７に例示するグリンレンズの曲率を多様に制御する。これにより、互いに異なる焦点距離を調整できることは自明である。
【００６０】
前記のような第１モードと第２モードとを駆動する詳細な条件や、第２モードの焦点距離制御方法などは、本技術分野の当業者であれば、以上で開示した内容を参照して誘電体の誘電率、液晶分子の種類などにより第１電圧と第２電圧を適切に調節することによって簡単に実現できるものである。そのため、本発明が曖昧になることを避けるために、具体的な例示は省略する。
【００６１】
以上の実施形態では、液晶レンズ１１００が２個の単位レンズ区間（Ｌ１、Ｌ２）を有するものを例示したが、３個以上の単位レンズ区間を有し得ることはもちろんであり、これは以下の実施形態でも同様である。
【００６２】
以下、本発明の多様な実施形態による液晶レンズについて説明する。
【００６３】
本発明のいくつかの実施形態で、液晶レンズは、第１単位レンズ区間と第２単位レンズ区間とで互いに異なる光変調特性を有することができる。図８〜図１１は、このような特性を有する液晶レンズを例示する。
【００６４】
図８は、本発明の他の実施形態による液晶レンズの断面図である。図９は、図８の誘電層の位置ごとの誘電率を示すグラフである。
【００６５】
図８及び図９を参照すると、本実施形態による液晶レンズ１１０１は、第１単位レンズ区間（Ｌ１）の誘電層１４０ａの誘電率最小値を与える水平位置と、第２単位レンズ区間（Ｌ２）の誘電層１４０ａの誘電率最小値を与える水平位置とが互いに異なる。すなわち、第１単位レンズ区間（Ｌ１）において誘電率の最小値は、Ｐ０地点とＰ１地点の中間地点を基準に右側に存在する。これに対し、第２単位レンズ区間（Ｌ２）において誘電率１４０の最小値は、Ｐ１地点とＰ２地点の中間地点を基準に左側に存在する。これにより、図８に図示するように、第１単位レンズ区間（Ｌ１）での光進行経路は、図６と比較すると、右側に偏ることに対し、第２単位レンズ区間（Ｌ２）での光進行経路は、相対的に左側に偏る。
【００６６】
図１０は、本発明の更に別の実施形態による液晶レンズの断面図である。図１１は、図１０の誘電層の位置ごとの誘電率を示すグラフである。
【００６７】
図１０及び図１１を参照すると、本実施形態による液晶レンズ１１０２は、第１単位レンズ区間（Ｌ１）の誘電層１４０ｂの誘電率最大値と第２単位レンズ区間（Ｌ２）の誘電層１４０ｂの誘電率最大値とが互いに異なる。これにより、図１１に図示するように第１単位レンズ区間（Ｌ１）の誘電層１４０ｂの誘電率のグラフ曲率が、第２単位レンズ区間の誘電層１４０ｂの誘電率のグラフ曲率より大きい。
【００６８】
したがって、第１単位レンズ区間（Ｌ１）の誘電率変化量が大きく、これにより液晶層１３０上下面（１３０＿１、１３０＿２）に印加される電界の水平方向の変化率も、第１単位レンズ区間（Ｌ１）がより大きい。その結果、図１０に図示するように、第２モード駆動時の第１単位レンズ区間（Ｌ１）の液晶分子１３５は、水平位置ごとの方位角の差異がさらに大きくなり、液晶分子１３５の屈折率の変化率も大きくなり、光進行経路が第２単位レンズ区間（Ｌ２）より、更に多く曲がるようになる。したがって、第１単位レンズ区間（Ｌ１）での光焦点距離が、第２単位レンズ区間（Ｌ２）での光焦点距離より短くなる。
【００６９】
図面に図示していないが、本発明のいくつかの他の実施形態による液晶レンズの場合、第１単位レンズ区間の誘電層は、図３に例示されているように水平位置に応じて異なる誘電率を有するが、第２単位レンズ区間の誘電層は水平位置に関係なく同一誘電率を有し得る。この場合、液晶レンズの第１単位レンズ区間は、第２モードで凸レンズと類似の光変調特性を有するが、第２単位レンズ区間の場合、内部で光変調が行われない第１モードのみが駆動されるであろう。
【００７０】
図１２は、本発明の更に別の実施形態に係る液晶レンズの断面図である。図１３は、図１２の誘電層の位置ごとの誘電率を示すグラフである。
【００７１】
図１２及び図１３を参照すると、本実施形態に係る液晶レンズ１１０３は、第１単位レンズ区間（Ｌ１）で誘電層１４０ｃの誘電率がＰ０地点からＰ１方向に向かうに従い増加してその後減少するという、上に凸の放物線形状グラフを描く。第２単位レンズ区間（Ｌ２）の場合も、実質的に同一のグラフを形成する。したがって、屈折率の分布は、下に凸のグラフを形成する。前述したように、グリンレンズ構造では、屈折率が低い媒質から屈折率が高い媒質側に光経路が曲がるため、図１２の液晶層１３０は、第２モードであたかも凹レンズと類似の光進行経路の変調を誘発する。すなわち、第２モードで液晶レンズの液晶層１３０は、別途の凹レンズがなくても光を発散または拡散することができる。
【００７２】
なお、以上で説明した実施形態は、相互多様に組み合わせてもよい。
【００７３】
引き続き、水平方向に沿って誘電層の誘電率を異なるように調整する具体的な実施形態について説明する。以前の実施形態と同一の構成又は部材に対しては同一図面符号を付与し、その説明を省略又は簡略にするものとする。
【００７４】
図１４は、本発明の更に別の実施形態による液晶レンズの断面図である。図１５は、図１４の誘電層の位置ごとのエラスタンス（１／Ｃ）を示すグラフである。
【００７５】
図１４を参照すると、本実施形態による液晶レンズは、互いに対向する第１電極１１０及び第２電極１２０、第１電極１１０及び第２電極１２０間に配設された液晶層１３０及び誘電層１４１を含む。誘電層１４１は、第１サブ誘電層１４１ａ及び第２サブ誘電層１４１ｂを含む。
【００７６】
第１電極１１０は、第１基板１０１上に形成されてもよい。第２電極１２０は、第２基板１０２上に形成されてもよい。第１基板１０１及び第２基板１０２は、透明基板であってもよい。例えば、第１基板１０１及び第２基板１０２は、透明なプラスチック基板、透明なガラス基板、又は、透明な石英基板等で形成されてもよい。いくつかの実施形態で、第１基板１０１及び第２基板１０２のうち少なくとも一つは、フレキシブル基板であってもよい。
【００７７】
第１電極１１０上には、液晶層１３０が形成される。液晶層１３０の上面（１３０＿１）と下面（１３０＿２）とは、実質的に平坦である。更に、液晶層１３０の上面（１３０＿１）及び下面（１３０＿２）は、相互に平行であってもよい。図示していないが、第１電極１１０と液晶層１３０の下面（１３０＿１）との間には、液晶層１３０内の液晶分子１３５を初期配向する第１配向膜が存在してもよい。
【００７８】
液晶層１３０上には、誘電層１４１が形成される。液晶層１３０の上面（１３０＿１）と誘電層１４１の下面（１４１＿２）との間には、第２配向膜（図示せず）が存在してもよい。誘電層１４１の上面（１４１＿１）と下面（１４１＿２）とは、各々平坦であってもよく、さらには平行であってもよい。
【００７９】
誘電層１４１は、第１サブ誘電層１４１ａ及び第２サブ誘電層１４１ｂを含む。第１サブ誘電層１４１ａと第２サブ誘電層１４１ｂとは、互いに異なる誘電率を有する。例えば、第１サブ誘電層１４１ａの誘電率はε１であり、第２サブ誘電層１４１ｂの誘電率はε１より大きいε２であってもよい。
【００８０】
またいくつかの実施形態において、第１サブ誘電層１４１ａと第２サブ誘電層１４１ｂの屈折率は相互に同一であってもよい。第１サブ誘電層１４１ａと第２サブ誘電層１４１ｂの誘電率が互いに異なるとしても、その屈折率が相互に同一であれば、第１サブ誘電層１４１ａと第２サブ誘電層１４１ｂとの界面で光の入射角と関係なく光経路が屈折されないこともある。
【００８１】
第１サブ誘電層１４１ａの下面と上面との間の距離（換言すれば、第１サブ誘電層１４１ａ断面の高さ（ｄ１））は、水平方向の位置に応じて異なってもよい。例えば、第１サブ誘電層１４１ａの下面は平坦であるが、第１サブ誘電層１４１ａの上面が曲面で構成されると、水平方向の位置に応じて高さが異なる。例示的な第１サブ誘電層１４１ａの形状は、その断面が半球形または凸レンズ形状である。図示していないが、第１サブ誘電層の形状が凹レンズ形状の場合もある。
【００８２】
第１サブ誘電層１４１ａ上には、第２サブ誘電層１４１ｂが形成される。第２サブ誘電層１４１ｂは、第１サブ誘電層１４１ａを完全に覆う形状で形成されてもよい。
【００８３】
第１サブ誘電層１４１ａの配列は、液晶レンズ１１１０を２以上の単位レンズ区間（Ｌ１、Ｌ２）に区分する基準になる。図１４のように第１サブ誘電層１４１ａが相互連結された凸レンズ形状の単位パターンが複数個配列された場合、各パターンに単位レンズ区間が付与され得る。第１サブ誘電層１４１ａの各パターンが実質的に同一であれば、各単位レンズ区間の電気光学特性は実質的に同一であることは自明である。図１４の断面図では、複数の凸レンズ形状のパターンが点（Ｎ１）で連結されており、連結点（Ｎ１）が液晶層１３０の上面（１３０＿１）の真上に位置しているが、これとは異なって連結点（Ｎ１）が液晶層１３０の上面（１３０＿１）から離隔して位置し、各凸パターンの下段部が面に連結されていても同一である。
【００８４】
一方、一つの単位レンズ区間（Ｌ１、Ｌ２）内で、誘電層１４１の上下面（１４１＿１、１４１＿２）の間のキャパシタンスは、水平位置に応じて異なる。各水平位置での第１サブ誘電層１４１ａの高さをｄ１とし、第２サブ誘電層１４１ｂの高さをｄ２とし、全体誘電層１４１の上下面（１４１＿１、１４１＿２）が平坦でかつ平行であると仮定すると、次の等式（式１）が成立する。
【００８５】
Ｄ＝ｄ１＋ｄ２  ・・・（式１）
【００８６】
ここで、前記式１において、Ｄは、全体誘電層１４１の上下面（１４１＿１、１４１＿２）の間の距離であり、定数である。
【００８７】
各水平位置での誘電層１４１の上下面（１４１＿１、１４１＿２）の間のエラスタンス（１／Ｃ）は、次の式２によって求めることができる。
【００８８】
１／Ｃ＝１／Ｃ１＋１／Ｃ２＝（ｄ１／ε１Ｓ）＋（ｄ２／ε２Ｓ）  ・・・（式２）
【００８９】
ここで、前記式２において、Ｃ１は第１サブ誘電層１４１ａのキャパシタンスを示し、Ｃ２は第２サブ誘電層１４１ｂのキャパシタンスを示し、Ｓは断面積を示す。
【００９０】
前記式１と式２を利用すると、以下の式３が導出される。
【００９１】
１／Ｃ＝（ｄ１ε２＋ｄ２ε１）／ε１ε２Ｓ＝｛（ε２−ε１）ｄ１＋Ｄε１｝／ε１ε２Ｓ
・・・（式３）
【００９２】
前記式３において、ε１、ε２、Ｄ、Ｓは、いずれも定数として取り扱われ得るため、誘電層１４１のキャパシタンス（Ｃ）およびエラスタンス（１／Ｃ）は、第１サブ誘電層１４１ａの高さ（ｄ１）に応じて変化することが分かる。ε２がε１より大きければ（ε２−ε１）は正数であるため、誘電層１４１のエラスタンス（１／Ｃ）は、第１サブ誘電層１４１ａの高さ（ｄ１）が大きいほど大きくなる。
【００９３】
したがって、図１４に図示する液晶レンズ１１１０において、誘電層１４１のエラスタンス（１／Ｃ）のグラフは、図１５のように第１サブ誘電層１４１ａのパターンと類似のパターンで描かれる。これは、図３ｂで説明した図２の液晶レンズ誘電層１４０の位置ごとのエラスタンス（１／Ｃ）の分布グラフと類似する。したがって、図１４の液晶レンズ１１１０も、図２に示す液晶レンズ１１００と実質的に同一な電気、光学的特性を示すものであることを、簡単に理解することができる。
【００９４】
本実施形態では、ε２がε１より大きい場合を例にあげたが、同一構造でε２がε１より小さい場合もある。このような場合には、上記式２から次のような式４が導出される。
【００９５】
１／Ｃ＝（ｄ１ε２＋ｄ２ε１）／ε１ε２Ｓ＝｛（ε１−ε２）ｄ２＋Ｄε２｝／ε１ε２Ｓ
・・・（式４）
【００９６】
前記式４において、ε１、ε２、Ｄ、Ｓは、すべて定数として取り扱われ得るため、誘電層１４１のキャパシタンス（Ｃ）およびエラスタンス（１／Ｃ）は、第２サブ誘電層１４１ｂの高さ（ｄ２）に応じて変化することが分かる。ε１がε２より大きいので（ε１−ε２）は正数である。したがって、誘電層１４１のキャパシタンスの逆数であるエラスタンス（１／Ｃ）は、第２サブ誘電層１４１ｂの高さ（ｄ２）が大きいほど大きくなる。しかし、前記式１において、ｄ１とｄ２の和は一定であるため、ｄ２が大きくなるほどｄ１は小さくなる。したがって、誘電層１４１のエラスタンス（１／Ｃ）は、第１サブ誘電層１４１ａの高さ（ｄ１）が小さいほど大きくなる。
【００９７】
したがって、本実施形態でε２がε１より大きければ、液晶レンズ１１１０の誘電層１４１のエラスタンス（１／Ｃ）のグラフは、図３ｂで説明した図２の液晶レンズ誘電層１４０のエラスタンス（１／Ｃ）の分布グラフを逆さにしたのと類似に図示されるであろう。この場合、液晶レンズ１１１０は、図１２の液晶レンズ１１０３と実質的に同一な電気、光学的特性を示すものであることを、簡単に予想できる。
【００９８】
図１６は、本発明の更に別の実施形態による液晶レンズの断面図である。
【００９９】
図１６を参照すると、本実施形態による液晶レンズ１１１１は、第１サブ誘電層１４２ａの上面が部分的に曲面で構成されるが、一部は平坦面を有するように構成され、第２サブ誘電層１４２ｂは、第１サブ誘電層１４２ａを部分的に覆うが、第１サブ誘電層１４２ａの平坦面は覆わない構造で形成される点が、図１４の実施形態と異なる。また、第２サブ誘電層１４２ｂの上面は平坦面で構成されるが、第１サブ誘電層１４２ａの平坦な上面領域では断絶されている。したがって、誘電層１４２の上面（１４２＿１）の構成要素は、第２サブ誘電層１４２ｂの平坦な上面だけではなく、第１サブ誘電層１４２ａの平坦な上面を共に含む。誘電層１４２の下面（１４２＿２）は、第２サブ誘電層１４２ｂの下面で構成される。
【０１００】
第１サブ誘電層１４２ａの上面が曲面を構成する第１区間（ＣＳ）で、誘電層１４２のエラスタンス（１／Ｃ）の分布は、図１４の実施形態と実質的に同一である。これに対し、第１サブ誘電層１４２ａの上面が平坦面を成す第２区間（ＰＳ）は、第２サブ誘電層１４２ｂは存在せず、第１サブ誘電層１４２ａのみが存在する。また、第２区間（ＰＳ）での第１サブ誘電層１４２ａの高さも一定であるため、この第２区間（ＰＳ）の誘電層１４２全体のキャパシタンス（Ｃ）は、同一になる。したがって、ε２がε１より大きいという仮定のもとで、本実施形態の誘電層１４２のエラスタンス（１／Ｃ）グラフは、第１区間（ＣＳ）では上に凸の曲線を描くが、第２区間（ＰＳ）では区間軸に平行な直線形態になる。
【０１０１】
このようなエラスタンス（１／Ｃ）分布を有する場合、少なくとも第１区間（ＣＳ）では液晶層１３０に印加される電界が水平位置ごとに異なるため、第２モード駆動時の水平位置ごとの液晶分子１３５は、異なる方位角を有するように配列される。したがって、少なくとも第１区間（ＣＳ）ではグリンレンズ構造が形成されるため、凸レンズと類似の光学特性を示すことができる。
【０１０２】
一方、第２区間（ＰＳ）は、液晶層１３０に印加される電界が水平位置ごとに同一である。したがって、液晶層１３０の電界は、第２区間全体にかけて液晶分子１３５の方位角を同一に維持させようとする。ただし、液晶分子１３５の方位角は該当電界だけではなく、隣接する液晶分子１３５の方位角や隣接する電界からも影響を受け得る。
【０１０３】
例えば、順次に隣接する第１〜第３水平地点で液晶分子１３５が各々初期配向角０°で配置されており、第１水平地点の液晶分子１３５は電界によって２０°の方位角を有するように設計されており、第２水平地点及び第３水平地点での液晶分子１３５は電界によって１０°の方位角を有するように設計されていると仮定する。この場合、第２水平地点の液晶分子１３５がたとえ電界によっては１０°だけ回転するようになっているとしても、隣接する第１水平地点液晶分子１３５の回転によって物理的に影響を受けることとなり、その結果、第２水平地点の液晶分子１３５は、２０°よりは小さいが１０°よりは大きい方位角で回転することができる。したがって、設計された電界によれば、方位角が水平方向に沿って階段式に急激に変わる場合でも、液晶分子１３５が隣接する他の液晶分子１３５の回転によって影響を受けると、方位角のサイズが緩やかに変更され得る。このような現象は、隣接する電界の影響によっても発生し得る。
【０１０４】
図１６の実施形態でも、前記のような液晶分子１３５や隣接する電界の影響によって、第１区間（ＣＳ）と第２区間（ＰＳ）の境界部では、誘電率分布より実際の液晶分子１３５の方位角の大きさが、緩やかに変更される場合もある。水平方向に液晶分子１３５の方位角が変化すると、前述したグリン構造がよりうまく生成され、誘電層１４２内で光の進行方向が曲がるようにすることに有用である。
【０１０５】
図１７は、本発明の更に別の実施形態による液晶レンズの断面図である。
【０１０６】
図１７を参照すると、本実施形態による液晶レンズ１１１２は、図１４の実施形態と比較すると、誘電層１４３の構造が上下逆になっている点が異なる。すなわち、第１サブ誘電層１４３ａは上面が平坦であり、下面が曲面構造を成す断面が凸レンズの形状で形成される。第２サブ誘電層１４３ｂは、第１サブ誘電層１４３ａの下方で第１サブ誘電層１４３ａを覆う。図１７の誘電層１４３構造でも、水平方向に沿って異なる誘電率が実現されるため、液晶レンズ１１１２は水平方向に沿って異なる屈折率を有するグリン構造を形成する。ここで、第１サブ誘電層１４３ａの誘電率はε１であり、第２サブ誘電層１４３ｂの誘電率はε１より大きいε２である場合、本実施形態の液晶レンズ１１１２は、水平方向誘電層１４３のエラスタンス（１／Ｃ）の分布が図１５とは逆に下に凸の放物線グラフを描くことはもちろんである。
【０１０７】
図１８は、本発明の更に別の実施形態による液晶レンズの断面図である。
【０１０８】
図１８を参照すると、本実施形態による液晶レンズ１１１３は、第１サブ誘電層１４４ａの断面が梯形形状（台形形状）の場合を例示する。梯形形状は、互いに平行となるように対向する第１辺（１４４ａ＿１）及び第２辺（１４４ａ＿２）と、この２つの辺の間を連結する斜線部（１４４ａ＿３）を含む。
【０１０９】
斜線部（１４４ａ＿３）を含む区間（ＡＳ２）では、図１７と同様に第１サブ誘電層１４４ａと第２サブ誘電層１４４ｂとを含む全体誘電層１４４のキャパシタンス（Ｃ）が、水平位置ごとに異なる。曲面を成してはいないが、この区間（ＡＳ２）でキャパシタンス（Ｃ）の差異による液晶分子１３５の方位角が異なるように配列され、液晶レンズの屈折率変化を誘導する。したがって、グリンレンズ構造が形成されるため、光経路を曲げるようにする光学的レンズとして作用することができる。
【０１１０】
一方、第１辺（１４４ａ＿１）が含まれた区間（ＡＳ１）では、第１サブ誘電層１４４ａの高さ（ｄ１）と第２サブ誘電層１４４ｂの高さ（ｄ２）が一定であるため、同一の全体誘電率及びキャパシタンス（Ｃ）を示す。したがって、液晶層１３０の電界は、第１辺（１４４ａ＿１）が含まれた区間（ＡＳ１）全体にかけて液晶分子１３５の方位角を同一に維持させようとすると考えられる。ただし、図１６を参照して説明したように、液晶分子１３５の方位角は該当電界だけではなく、隣接する液晶分子１３５の方位角や隣接する電界からも影響を受け得るため、この区間（ＡＳ１）でも液晶分子１３５方位角のサイズが緩やかに変化し得るため、グリンレンズ構造が形成されることができる。
【０１１１】
図１８の実施形態は、また、第１サブ誘電層１４４ａが互いに離隔して分離された複数の単位パターンを含む場合を例示する。第１サブ誘電層１４４ａの各単位パターンは、第２サブ誘電層１４４ｂによって囲まれている。
【０１１２】
第１サブ誘電層１４４ａの単位パターンが相互に分離しているため、水平方向に第１サブ誘電層１４４ａが存在することなく第２サブ誘電層１４４ｂのみが存在する区間（ＢＳ）が存在する。ここで、第２サブ誘電層１４４ｂのみが存在する区間（ＢＳ）は、誘電率が同一であり、これによりキャパシタンス（Ｃ）も同一である。したがって、同区間（ＢＳ）での液晶層１３０の電界は、液晶分子１３５を同一方位角で維持させようとすると考えられる。ただし、図１６を参照して説明したように、液晶分子１３５の方位角は該当電界だけではなく、隣接する液晶分子１３５の方位角や隣接する電界からも影響を受け得るため、この区間（ＢＳ）でも液晶分子１３５方位角のサイズが緩やかに変化することができる。
【０１１３】
第２サブ誘電層１４４ｂのみが存在する区間（ＢＳ）の左右には、第１サブ誘電層１４４ａの単位パターンが各々配置される。左右に位置する第１サブ誘電層１４４ａの単位パターンが同一形状であれば、第２サブ誘電層１４４ｂのみが存在する区間（ＢＳ）での液晶分子１３５の方位角は、同区間（ＢＳ）の中心（ＣＰ）から実質的に対称に分布する。したがって、液晶レンズ１１１３は、第２サブ誘電層１４４ｂのみが存在する区間（ＢＳ）の中心を境界にし、互いに異なる単位レンズ区間（Ｌ１、Ｌ２）に区分され得る。
【０１１４】
結局、本実施形態による液晶レンズ１１１３の第２モードでの屈折率分布は、区間ごとに屈折率変化率の差異はあるが、全体的に図１７の液晶レンズ１１１２と実質的に類似する。したがって、所定のグリンレンズとして動作することができる。
【０１１５】
図１９は、本発明の更に別の実施形態による液晶レンズの断面図である。
【０１１６】
図１９を参照すると、本実施形態による液晶レンズ１１１４は、第１サブ誘電層１４５ａの断面形状が長方形の点で、図１８の実施形態と異なる。長方形は、互いに平行に対向する第１辺（１４５ａ＿１）及び第２辺（１４５ａ＿２）を含むことは台形と同様であるが、この２つの辺の間を連結する辺が斜めではなく、第１辺（１４５ａ＿１）及び第２辺（１４５ａ＿２）に対して垂直な辺（１４５ａ＿３）である点が異なる。
【０１１７】
したがって、液晶層１３０は、第１サブ誘電層１４５ａが形成されている区間（ＡＳ）では第１サブ誘電層１４５ａの高さ（ｄ１）と第２サブ誘電層（ｄ２）の高さが同一であるため、同一の全体誘電率及びキャパシタンス（Ｃ）を示す。第１サブ誘電層１４５ａが存在しない区間（ＢＳ）は、前記の区間（ＡＳ）とは異なるが区間（ＢＳ）にかけては同一な全体誘電率及びキャパシタンス（Ｃ）を示す。すなわち、第１サブ誘電層１４５ａの第１辺（１４５ａ＿１）及び第２辺（１４５ａ＿２）に垂直な辺（１４５ａ＿３）を境界とし、全体誘電率及びキャパシタンス（Ｃ）が急激に変わり、その他の地点では、全体誘電率及びキャパシタンス（Ｃ）の変化はない。
【０１１８】
ただし、この場合にも図１６を参照して説明したように、液晶分子１３５の方位角が該当電界だけではなく、隣接する液晶分子１３５の方位角や隣接する電界からも影響を受け得る。したがって、第１サブ誘電層１４５ａの第１辺（１４５ａ＿１）および第２辺（１４５ａ＿２）に垂直した線（１４５ａ＿３）を中心に、液晶分子１３５方位角が緩やかに変化し得、グリンレンズ構造が形成されることができる。
【０１１９】
図２０は、本発明の更に別の実施形態による液晶レンズの断面図である。
【０１２０】
図２０を参照すると、本実施形態による液晶レンズ１１１５は、第１サブ誘電層１４６ａの形状は図１９の実施形態と同一であるが、第１サブ誘電層１４６ａが第２サブ誘電層１４６ｂ内に埋もれて配置されている点が、図１９の実施形態とは異なる。
【０１２１】
本実施形態において、第１サブ誘電層１４６ａの配置に差異があるにもかかわらず、第１サブ誘電層１４６ａを含む区間（ＡＳ）での第１サブ誘電層１４６ａの高さ（ｄ１）は、図１９の第１サブ誘電層１４５ａの高さ（ｄ１）と同一である。また、同区間（ＡＳ）で第２サブ誘電体１４６ｂの高さの総合は、図１９の第２サブ誘電体（１４５ｂ）の高さと同一である。したがって、誘電層１４６の全体誘電率及びキャパシタンス（Ｃ）は図１９と実質的に同一であり、これにより同一方式で動作することが簡単に分かる。
【０１２２】
図２１は、本発明の更に別の実施形態による液晶レンズの断面図である。
【０１２３】
図２１を参照すると、本実施形態による液晶レンズ１１１６の誘電層１４７は、誘電層の媒質１４７ｂ及び当該媒質１４７に含まれたドーパント１４７ａを含む。ドーパント１４７ａは、誘電層の媒質１４７ｂ内で水平位置に応じて異なる密度分布を有する。
【０１２４】
誘電層１４７の誘電率は、誘電層の媒質１４７ｂ自らの誘電率だけでなく、媒質に含まれるドーパント１４７ａの含有量及びドーパント１４７ａの誘電率によっても影響を受ける。例えば、ドーパント１４７ａとして導電性物質を使用する場合、ドーパント１４７ａの含有量が多いほど、誘電層の媒質１４７ｂの誘電率に対する誘電層１４７の誘電率が小さくなる。ドーパント１４７ａの誘電率が誘電層の媒質１４７ｂの誘電率より高い場合、誘電層１４７の誘電率は、誘電層の媒質１４７ｂの誘電率に対して大きくなる。
【０１２５】
ドーパント１４７ａによる誘電率変化は、ドーパント１４７ａの含有量が増加するほどより大きくなる。したがって、ドーパント１４７ａの含有量が水平位置に応じて異なれば、誘電層１４７の水平位置ごとに他の誘電率を実現することができる。ドーパント１４７ａの誘電率と含有量及び分布を制御すると、以前に例示された多様な実施形態と実質的に同一の水平方向誘電率分布を有する誘電層１４７を形成することができる。
【０１２６】
図２２は、図２１に示す誘電層製造の例示的な一方法を説明するための断面図である。図２２を参照すると、第２基板１０２上に第２電極１２０を形成し、その上に誘電層の媒質１４７ｂを形成した後、マスク３１０を介してドーパント１４７ａをイオン注入する。マスク３１０のオープン部３１２を介して誘電層の媒質１４７ｂに注入されたドーパント１４７ａは、熱処理などを経て拡散する。このとき、熱処理時間などを調整すると、周辺への拡散程度を制御することができ、これにより水平方向への誘電層１４７内のドーパント１４７ａの密度分布を制御することができる。
【０１２７】
図２３は、図２１の誘電層製造の例示的な他の方法を説明するための断面図である。図２３を参照すると、第２基板１０２上に第２電極１２０を形成し、その上に誘電層の媒質１４７ｂを形成した後、誘電層の媒質１４７ｂ上にマスクパターン３２０を形成する。マスクパターン３２０はオープン部を露出するかまたは少なくとも水平方向により高さが異なる形状で形成する。マスクパターンは、例えばフォトレジストで形成され得る。
【０１２８】
次に、ドーパント１４７ａをイオン注入する。このとき、ドーパント１４７ａの含有量及び／又は注入エネルギーを調節すると、ドーパント１４７ａの注入の深さを制御することができる。ドーパント１４７ａの注入深さをマスクパターン３２０の最大高さより小さく設計すると、水平方向ごとに互いに異なるドーパント１４７ａの密度分布を制御することができる。
【０１２９】
図２４は、本発明の更に別の実施形態による液晶レンズの断面図である。
【０１３０】
図２４を参照すると、本実施形態による液晶レンズ１１１７は、第１サブ誘電層１４８ａが第３サブ誘電層１４８ｃを覆っている点で、図１４の実施形態と異なる。したがって、誘電層１４８は、水平位置ごとに第１サブ誘電層１４８ａと第２サブ誘電層１４８ｂとを含む区間も有するが、第１サブ誘電層１４８ａ、第２サブ誘電層１４８ｂ及び第３サブ誘電層１４８ｃをすべて含む区間も有しており、この区間での誘電層１４８の誘電率は、３個のサブ誘電層（１４８ａ、１４８ｂ、１４８ｃ）の誘電率及び該当高さを共に考慮する。
【０１３１】
このように、サブ誘電層（１４８ａ、１４８ｂ、１４８ｃ）の数が増加すると、多様な誘電率の組み合わせを実現できるため、誘電層１４８の誘電率分布の微細チューニングに有利である。
【０１３２】
図２５は、本発明の更に別の実施形態による液晶レンズの断面図である。
【０１３３】
図２５を参照すると、本実施形態による液晶レンズ１１１８は、第１サブ誘電層１４９ａ並びに第２サブ誘電層１４９ｂの形状及び相対的な配置は、図１４の実施形態と実質的に同一であるが、第１サブ誘電層１４９ａと第２サブ誘電層１４９ｂの下方に、上下面が平坦でありかつ平行な第３サブ誘電層１４９ｃを含む点が、図１４の実施形態と異なる。水平位置での誘電層１４９の全体誘電率及びキャパシタンス（Ｃ）は、第１サブ誘電層１４９ａ及び第２サブ誘電層１４９ｂだけではなく、第３サブ誘電層１４９ｃの誘電率及び高さによって影響を受ける。但し、第３サブ誘電層１４９ｃは水平位置別の高さが同一であるため、実質的な水平位置での誘電率の分布は、図１５と類似する。本実施形態では、第１サブ誘電層１４９ａ及び第２サブ誘電層１４９ｂの下に第３サブ誘電層１４９ｃが形成される場合を例示しているが、第３サブ誘電層１４９ｃが第１サブ誘電層１４９ａ及び第２サブ誘電層１４９ｂの上に積層されてもよく、下方及び上方共に積層されてもよい。
【０１３４】
図２６は、本発明の更に別の実施形態による液晶レンズの断面図である。
【０１３５】
図２６を参照すると、本実施形態による液晶レンズ１１１９は、誘電層１５０が第１サブ誘電層１５０ａ及び第２サブ誘電層１５０ｂだけではなく、その上に第３サブ誘電層１５０ｃ及び第４サブ誘電層１５０ｄをさらに含む点が、図１４の実施形態と異なる。第１サブ誘電層１５０ａ並びに第２サブ誘電層１５０ｂの形状及び配置は、図１４と実質的に同一である。第３サブ誘電層１５０ｃ並びに第４サブ誘電層１５０ｄの形状及び配置は、第１サブ誘電層１５０ａ並びに第２サブ誘電層１５０ｂの形状及び配置と実質的に同一である。すなわち、図２６の実施形態は、図１４の誘電層１４１を２層で積層した形態を例示する。したがって、図１４の液晶レンズ１１１０より実質的に同一な屈折率分布を有するが、屈折率変化量の勾配がより大きいグリンレンズを構成することができる。一方、第３サブ誘電層１５０ｃ及び第４サブ誘電層１５０ｄの誘電率は、第１サブ誘電層１５０ａ及び第２サブ誘電層１５０ｂの誘電率と各々同一な場合もあり、異なる場合もある。
【０１３６】
図２７及び図２８は、本発明の更に別の実施形態による液晶レンズの断面図である。
【０１３７】
図２７の液晶レンズ１１２０は、第３サブ誘電層１５１ｃの単位パターンのサイズ及びピッチが、第１サブ誘電層１５１ａより小さい場合を例示する。具体的には、第３サブ誘電層１５１ｃの単位パターンのサイズ及びピッチが、第１サブ誘電層１５１ａの半分の例である。このような構造は、誘電層１５１の全体誘電率をより細密に制御するのに有利である。符号１５１ｂ及び１５１ｄは、各々第２サブ誘電層及び第４サブ誘電層を指し示すものである。
【０１３８】
図２８の液晶レンズ１１２１は、第３サブ誘電層１５２ｃの単位パターンが第１サブ誘電層１５２ａとサイズは同一であるが交錯配列（千鳥配列）を有する場合を例示する。このような構造によって、より多様な誘電率分布の制御が可能になる。符号１５２ｂ及び１５２ｄは、各々第２サブ誘電層および第４サブ誘電層を指し示すものである。
【０１３９】
図２９は、本発明の更に別の実施形態による液晶レンズの断面図である。
【０１４０】
図２９を参照すると、本実施形態による液晶レンズ１１２２は、第３サブ誘電層１５３ｃ及び第４サブ誘電層１５３ｄが液晶層１３０の下に形成されている点が、図２６の実施形態と異なる。第１電極１１０は、第３サブ誘電層１５３ｃ及び第４サブ誘電層１５３ｄの下に配置される。第１サブ誘電層１５３ａ及び第２サブ誘電層１５３ｂは、図２６と実質的に同一である。したがって、本実施形態の電気光学的構造は、図２６と実質的に同一であるため、これと実質的に類似であるグリンレンズを実現することができる。
【０１４１】
図２６〜図２９の実施形態では、第１サブ誘電層と第３サブ誘電層の単位パターンがいずれも上に凸の曲面を有する場合を例示したが、第１サブ誘電層と第３サブ誘電層の単位パターンのうち少なくとも一つ、さらにはすべてが、図１７の実施形態のように下に凸の曲面を有し得ることはもちろんである。
【０１４２】
図３０は、本発明の更に別の実施形態による液晶レンズの断面図である。
【０１４３】
図３０を参照すると、本実施形態による液晶レンズ１１２３は、第２電極１２１が誘電層１５４と液晶層１３０上に配置されず、誘電層１５４内に、具体的には、第１サブ誘電層１５４ａと第２サブ誘電層１５４ｂとの間に配置される点が、図１７の実施形態と異なる。第１サブ誘電層１５４ａの上面が曲面を成すため、第１サブ誘電層１５４ａの上面にコンフォーマル（ｃｏｎｆｏｒｍａｌ）に形成される第２電極１２１も曲面を成すように形成され得る。第２電極１２１と液晶層１３０の上面（１３０＿１）との間には、第２サブ誘電層１５４ｂが存在することなく第１サブ誘電層１５４ａのみが存在する。
【０１４４】
第１サブ誘電層１５４ａの誘電率が水平方向に沿って同一であっても、第１サブ誘電層１５４ａの高さ（ｄ１）は水平方向に沿って異なる。したがって、水平方向ごとに異なるエラスタンス（１／Ｃ）の分布を有する。すなわち、第１サブ誘電層１５４ａの高さ（ｄ１）が最も低い区間はエラスタンス（１／Ｃ）値も最も小さいが、その高さが増加するほどエラスタンス（１／Ｃ）値も大きくなる。したがって、水平方向に沿って液晶層１３０の上面（１３０＿１）に印加される電圧も異なることが分かる。その結果、第２モード駆動時、水平方向ごとに液晶分子１３５の方位角が異なり、グリンレンズ構造を実現することができる。
【０１４５】
本実施形態で第２サブ誘電層１５４ｂの誘電率は、液晶層１３０に印加される電界に影響を与えない。したがって、第２サブ誘電層１５４ｂは省略されてもよい。
【０１４６】
図３１は、本発明の更に別の実施形態による液晶レンズの断面図である。
【０１４７】
図３１を参照すると、本実施形態による液晶レンズ１１２４は、液晶層１３０の下に、上面が曲面である第３サブ誘電層１５５ｃと、第３サブ誘電層１５５ｃを覆う第４サブ誘電層１５５ｄとが配置され、かつ、第１電極１１１が第３サブ誘電層１５５ｃと第４サブ誘電層１５５ｄとの間に形成されている点が、図３０の実施形態と異なる。第３サブ誘電層１５５ｃ、第４サブ誘電層１５５ｄ及び第１電極１１１は、液晶層１３０の下で第１サブ誘電層１５５ａ、第２サブ誘電層１５５ｂ及び第２電極１２１と実質的に同一な形状及び配列で配置されてもよい。
【０１４８】
本実施形態では、水平方向に沿って液晶層１３０の上面（１３０＿１）だけではなく、下面（１３０＿２）に印加される電圧も異なってもよい。したがって、液晶層１３０の上下面（１３０＿１、１３０＿２）に形成される電界の差異が倍になり得て、これによりグリンレンズ構造の実現が容易になる。
【０１４９】
図３２は、本発明の更に別の実施形態による液晶レンズの断面図である。
【０１５０】
図３２を参照すると、本実施形態による液晶レンズ１１２５は、第２電極１２０の上、具体的には、第２基板１０２上に光学レンズ１６０をさらに含む点が、図１４の実施形態と異なる。すなわち、本実施形態による液晶レンズ１１２５は、図１４の液晶レンズ１１１０上に断面が凸レンズ形状である光学レンズ１６０を積層した構造を例示する。光学レンズ１６０の単位レンズは、第１サブ誘電層１４１ａの単一パターンと実質的に同一なピッチで配列されてもよい。光学レンズ１６０の光変調特性は、液晶層１３０などによって実現されるグリンレンズ構造と組み合わせて光経路を変調することができる。例えば、グリンレンズが集光特性を示す場合、凸レンズは焦点距離をさらに短くすることができる。仮に、グリンレンズが発散特性を示す場合、凸レンズの集光特性がこれを相殺することによって、光の発散や集光程度を緩和できる。さらに、発散及び集光が正確に相殺されるように制御されると、グリンレンズを介して発散された光が直進するように経路を変更することができる。適用される光学レンズ１６０が凹レンズであれば、これと反対の効果があることは自明である。
【０１５１】
より多様な光制御のため、光学レンズ１６０の単位レンズのサイズやピッチを、第１サブ誘電層１４１ａの単位パターンのサイズやピッチと異なるように設計することができる。本発明の他のいくつかの実施形態で、光学レンズ１６０は第１電極１１０の下、例えば第１基板１０１の下に配置されてもよい。
【０１５２】
図３３は、本発明の更に別の実施形態による液晶レンズの斜視図である。
【０１５３】
図３３の実施形態による液晶レンズ１１２７は、誘電層１５６が、第１方向（Ｘ）及び第２方向（Ｙ）に直交する第３方向（Ｚ）に沿って実質的に同一パターンを維持している場合を例示する。すなわち、本実施形態で第１サブ誘電層１５６ａは、第３方向（Ｚ）に沿って延長されたレンティキュラタイプで形成される。したがって、あたかもレンティキュラレンズの場合のように、第３方向（Ｚ）に沿って液晶レンズの光変調特性も均一に維持することができる。符号１５６ｂは、第２サブ誘電層である。
【０１５４】
図３４は、本発明の更に別の実施形態による液晶レンズの斜視図である。
【０１５５】
図３４の実施形態による液晶レンズ１１２８は、誘電層１５７が第１方向（Ｘ）及び第２方向（Ｙ）に直交する第３方向（Ｚ）に沿ってパターンが変わる場合を例示する。すなわち、本実施形態で、第３方向（Ｚ）に沿っても複数の単位パターンが配列される。第１サブ誘電層１５７ａは、マイクロレンズタイプで形成される。したがって、実質的にマイクロレンズと類似の光変調特性を有すことがわかる。符号１５７ｂは、第２サブ誘電層である。
【０１５６】
図３３及び図３４の実施形態は、前記の断面図を例にあげて説明した多様な実施形態と組み合わせて適用されてもよい。
【０１５７】
以上で説明した液晶レンズは、図１を参照して説明したように、光提供装置と共に表示装置を構成することができる。のみならず、光経路を自在に変更および制御できるため、太陽電池、イメージセンサなど光を利用した多様な素子にも適用することができる。
【０１５８】
以下では、液晶レンズが表示パネルと共に使用され、２Ｄ／３Ｄスイッチングが可能なディスプレイを実現する具体的な例を詳細に説明する。
【０１５９】
図３５は、本発明の一実施形態に係る表示装置の断面図である。図３６は、第２モードにおける表示装置の例示的な動作を説明するための断面図である。図３５及び図３６は、液晶レンズとして図１４の実施形態による液晶レンズを採用し、光提供装置として液晶表示パネルを適用した例を図示する。
【０１６０】
図３５及び図３６を参照すると、本発明の一実施形態による表示装置３００は、液晶表示パネル２００及び液晶レンズ１１１０を含む。
【０１６１】
液晶表示パネル２００は、互いに対向する下部基板２１０及び上部基板２２０、並びにこれらの間に配設された液晶分子層２３０を含む。
【０１６２】
下部基板２１０上には、マトリックス形態で配列されるように定義された複数の画素領域（ＰＡ１−ＰＡ１２）ごとに画素電極２１１が形成されている。画素電極２１１は、薄膜トランジスタのようなスイッチング素子に接続し、個別的に画素電圧の印加を受ける。
【０１６３】
上部基板２２０の下には、画素電極２１１と対向する共通電極２２４が配置されている。上部基板２２０には、画素領域（ＰＡ１−ＰＡ１２）別に対応してＲ、ＧおよびＢカラーフィルタ２２１が配置されてもよい。画素領域（ＰＡ１−ＰＡ１２）の境界には、ブラックマトリックス２２２が形成されてもよい。カラーフィルタ２２１及び共通電極２２４の間には、平坦化膜２２３が存在してもよい。
【０１６４】
下部基板２１０と上部基板２２０との間には、液晶分子層２３０が存在する。液晶分子層２３０の液晶分子２３５は、画素電極２１１と共通電極２２４との間に形成される電界によって回転して、液晶表示パネル２００の透過率を制御する。
【０１６５】
下部基板２１０及び上部基板２２０の外側には、各々偏光板（図示せず）を取り付けてもよい。いくつかの実施形態で、液晶レンズ１１１０の第１基板１０１の外側面にも、偏光板（図示せず）を取り付けてもよい。この場合、上部基板２２０上の偏光板は省略してもよい。
【０１６６】
液晶表示パネル２００の下側には、バックライトアセンブリ（図示せず）が配置されてもよい。
【０１６７】
液晶表示パネル２００上には、液晶レンズ１１１０が配置される。図面では液晶レンズ１１１０が液晶表示パネル２００と離隔して配置された例を図示しているが、これに制限されるものではなく、液晶レンズ１１１０が液晶表示パネル２００に取り付けられてもよい。
【０１６８】
液晶レンズ１１１０の各単位レンズ区間（Ｌ１、Ｌ２）は、液晶表示パネル２００の複数の画素領域（ＰＡ１−ＰＡ１２）に対応するように配置されてもよい。図３５は、６個の画素領域と一つの単位レンズ区間が相互対応する場合を例示する。すなわち、一つの単位レンズ区間の幅内にＲ、Ｇ、Ｂ、Ｒ、Ｇ、Ｂの６個の画素領域が配列される。
【０１６９】
このような表示装置で、液晶レンズ１１１０を第１モードで駆動すると、液晶レンズ１１１０が光経路を特別に変調させないため、表示装置３００は２次元映像を表示することができる。これに対し、液晶レンズ１１１０を第２モードで駆動すると、表示装置３００は３次元映像を表示することができる。より詳細な説明のため、図３６を参照する。
【０１７０】
図３６は第２モードにおける表示装置の例示的な動作を説明するための断面図である。
【０１７１】
図３６を参照すると、第２モードにおける液晶レンズ１１１０の光学特性は、図１４及び図１５を参照して説明したように凸レンズの光学特性と類似する。したがって、各単位レンズ区間（Ｌ１、Ｌ２）の中央部を基準に左側に配列されたＲ、Ｇ、Ｂ３個の画素領域から単位レンズ区間に入射された光はあたかも凸レンズの左側領域を通過するように光経路が変調するため、右側方向に曲がって行く。これに対し、各単位レンズ区間の中央部を基準に右側に配列されたＲ、Ｇ、Ｂ３個の画素領域から単位レンズ区間に入射された光はあたかも凸レンズの右側領域を通過するように光経路が変調するため、左側方向に曲がって行く。前記光が各々観察者の左眼（Ｅ１）及び右眼（Ｅ２）に入力されると、観察者は３次元映像を認識することができる。
【０１７２】
図３５及び図３６の実施形態では、一つの単位レンズ区間の幅内に６個の画素領域を配列することを例示したが、一つの単位レンズ区間の幅内にさらに多い画素領域を配列してもよく、この場合、多視点３次元映像駆動が可能になる。また、前述したように液晶レンズの第１電極及び第２電極に印加される電圧を調節すると、液晶レンズの焦点距離を変えることができるため、３次元視聴が可能な視点の距離を調節することができる。例えば、観察者がリモコンを介して表示装置に視点転換モードを作動させ、その応答として液晶レンズの第１電極及び第２電極に印加される電圧が順次に変わり、視点が前後方に移動するようにすると、簡単に３次元映像視聴可能視点を見つけることができる。
【０１７３】
本発明の他のいくつかの実施形態で、液晶表示パネルの共通電極に印加される共通電圧は、液晶レンズの第１電極に印加される第１電圧又は第２電極に印加される第２電圧と同一であってもよい。この場合、駆動回路がシンプルになる。
【０１７４】
また、本発明の他のいくつかの実施形態で、液晶表示パネルの上部基板は、液晶レンズの第１基板と共有してもよい。したがって、液晶表示パネルの上部基板及び液晶レンズの第１基板のうちいずれか一つは、省略してもよい。さらに、液晶表示パネルの共通電極と液晶レンズの第１電極のうちいずれか一つを省略して共有してもよい。
【０１７５】
図３５及び図３６の実施形態では、光提供装置として液晶表示パネル２００を適用したのを例示したが、前述したように、ＯＬＥＤ、ＬＥＤ、無機ＥＬ、ＦＥＤ、ＳＥＤ、ＰＤＰ、ＣＲＴ、電気泳動表示装置などを適用してもよい。これについての実施形態は当業者であれば、図３５及び図３６の実施形態から簡単に類推できるものであるため、本発明が曖昧になることを避けるために、具体的な説明を省略する。
【０１７６】
また、図３５及び図３６の実施形態では、液晶レンズとして図１４の実施形態による液晶レンズ１１１０を採用した場合を例示したが、その他の本発明の多様な実施形態による液晶レンズを適用できることは自明である。
【０１７７】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【符号の説明】
【０１７８】
１１０    第１電極
１２０    第２電極
１３０    液晶層
１３５    液晶分子
１４０    誘電層
１１００    液晶レンズ
【図１】
2013003588.tif 000003
【図２】
2013003588.tif 000004
【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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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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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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