JP2013242538A - 液晶光学素子及びそれを備えた画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】最適なプリズム設計がなされた液晶プリズム素子を提供する。
【解決手段】液晶プリズム素子４０は、第１プリズムアレイ４５と、第２プリズムアレイ４６と、液晶層４７とを備える。第２プリズムアレイ４６は、第１プリズムアレイ４５と対向して配置されている。液晶層４７は、第１プリズムアレイ４５と第２プリズムアレイ４６との間に設けられている。第１プリズムアレイ４５は、Ｙ軸方向に延びる稜線を有する第１プリズム４３が、Ｘ軸方向に所定の間隔を空けて複数配列して構成されている。第２プリズムアレイ４６は、Ｙ軸方向に延びる稜線を有する第２プリズム４５が、Ｘ軸方向に所定の間隔を空けて複数配列して構成されている。第１プリズム４３は、液晶層４７の中央側を向く斜面８１を有している。第２プリズム４４は、液晶層４７の中央側を向く斜面８４を有している。
【選択図】図１

Description

本開示は、液晶ディスプレイなどの画像を表示させるための画像表示装置に関する。

特許文献１には、複数の観測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、観測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。

特表２０１０−５２９４８５号公報

本開示は、印加電圧に応じて配向状態と偏向角を変化させることができ、かつ、最適なプリズム設計がなされた液晶プリズム素子を提供することを目的とする。

上記課題を解決する液晶光学素子は、第１プリズムアレイと、第１プリズムアレイと対向して配置された第２プリズムアレイと、第１及び第２プリズムアレイの間に設けられた液晶層とを備える。第１プリズムアレイは、第１方向に延びる稜線を有する第１プリズムが、第１方向に対して垂直な第２方向に所定の間隔を空けて複数配列して構成されており、第２プリズムアレイは、第１方向に延びる稜線を有する第２プリズムが、第２方向に所定の間隔を空けて複数配列して構成されている。第１プリズムは、液晶層の中央側を向く第１傾斜面を有し、第２プリズムは、液晶層の中央側を向く第２傾斜面を有している。

本開示は、印加電圧に応じて配向状態と偏向角を変化させることができ、かつ、最適なプリズム設計がなされた液晶プリズム素子を構成するのに有効である。

実施の形態に係る画像表示装置の概略構成図 画像表示装置の一部の分解斜視図 液晶プリズム素子の中央側の部分拡大図 液晶プリズム素子の右端の部分拡大図 比較例に係る液晶プリズム素子の断面図 比較例に係る液晶プリズム素子の屈折率分布を示す概略図 比較例に係る液晶プリズム素子における凹部近傍の屈折率分布を模式的に示した図 実施の形態の液晶プリズム素子の屈折率分布を示す概略図

以下、適宜図面を参照しながら、実施の形態を詳細に説明する。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。

なお、発明者は、当業者が本開示を十分に理解するために添付図面およ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。

＜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４８ａ、４８ｂ、４９ａ、４９ｂの記載が省略されている。

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２に示すように、Ｘ軸方向は、画像表示パネル５０の表示面に対してユーザ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５０の表示面に対してユーザ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５０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、ユーザがこの「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２の左側が、視聴者から見た表示画面の右側となる。

画像表示装置１０は、光源切替型のバックライト２０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５０と、画像表示装置１０を使用しているユーザの位置検出を行う位置検出部７０と、検出されたユーザ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６０とから構成される。

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、ユーザ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。

以下、各構成の詳細について説明する。

＜２．バックライトの構成＞
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。

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５０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、交互に点灯及び点滅を繰り返す。すなわち、画像表示パネル５０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５０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。

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及び２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。

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。

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。

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、上面のレンチキュラーレンズにより集光され、液晶プリズム素子４０に入射する。

＜３．液晶プリズム素子４０の構成＞
図１及び図２に示すように、液晶プリズム素子４０は、基板４１と、基板４２と、第１プリズムアレイ４５と、第２プリズムアレイ４６と、液晶層４７と、電極４８ａ及び４８ｂと、電極４９ａ及び４９ｂと、を備える。

基板４１と基板４２は互いに対向して配置されている。

基板４１の内面（基板４２と対向する側の面）には、第１プリズムアレイ４５が形成されている。また、基板４２の内面（基板４１と対向する側の面）には第２プリズムアレイ４６が形成されている。第１プリズムアレイ４５と第２プリズムアレイ４６は互いに対向して配置されている。

第１プリズムアレイ４５は、複数の第１プリズム４３により構成されている。第１プリズム４３は、Ｙ軸方向に延びた稜線を有している。Ｙ軸方向は、第１方向の一例である。第１プリズム４３は、Ｘ軸方向に複数並べて配置されている。Ｘ軸方向は、第２方向の一例である。Ｘ軸方向に隣り合う第１プリズム４３の間には、所定の間隔が設けられている。

第２プリズムアレイ４６は、複数の第２プリズム４４により構成されている。第２プリズム４４は、Ｙ軸方向に延びた稜線を有している。第２プリズム４４は、Ｘ軸方向に複数並べて配置されている。Ｘ軸方向に隣り合う第２プリズム４４の間には、画面中央より外側の領域において、所定の間隔が設けられている。尚、図１及び２に示す例では、画面の中央線を挟んで隣接して配置される２つの第２プリズム４４の間には間隔が設けられていないが、両者の間に間隔を設けても良い。

第１プリズム４３及び第２プリズム４４は、ＸＺ平面における断面が略三角形の形状を有する。本実施の形態では、第１プリズム４３及び第２プリズム４４の断面は、直角三角形である。図１に示すように、ＸＺ平面上において、第１プリズム４３の斜辺（直角三角形の直角の対辺）と第２プリズム４４の斜辺（直角三角形の直角の対辺）とが液晶層４７に接するよう構成されている。

また、図２に示すように、第１プリズム４３及び第２プリズム４４は、Ｙ軸方向に伸びた形状で形成されている。すなわち、第１プリズム４３及び第２プリズム４４は、三角柱状に構成されている。

基板４１と第１プリズムアレイ４５との間には、電極４８ａ及び電極４８ｂが形成されている。また、基板４２と第２プリズムアレイ４６との間には、電極４９ａ及び電極４９ｂが形成されている。

液晶層４７は、基板４１と基板４２との間に形成されている。詳細には、液晶層４７は、基板４１側において電極４８ａ、電極４８ｂ、第１プリズムアレイ４５と接している。

なお、本実施の形態では、第１プリズム４３及び第２プリズム４４は、Ｙ軸方向に伸びる形状としているが、第１プリズム４３及び第２プリズム４４は、Ｙ軸に対して所定の角度傾いた方向に伸びる形状でもよい。このような構成にすることで、モアレ（干渉縞）の発生を低減することができる。モアレは、周期的な構造が複数枚合わされたときに、それらの周期のずれにより視覚的に発生する縞模様である。本実施の形態では、画像表示パネル５０の画素の配置や、光制御フィルム３０（プリズム３１、シリンドリカルレンズ３２）、液晶プリズム素子４０（第１プリズムアレイ４５、第２プリズムアレイ４６）など、周期的な構造が複数重ね合わされた状態になっているため、モアレが発生しやすい。そこで、第１プリズム４３や第２プリズム４４をＹ軸に対して所定角度傾けた方向に伸びる形状にすることで、モアレを発生しにくくすることができる。

また、本実施の形態では、それぞれの電極は、基板とプリズムアレイとの間に形成されているが、電極は、プリズムアレイが設けられる面と反対側の面に形成されてもよい。また、本実施の形態では、プリズムアレイと基板は別体で構成されているが、プリズムアレイと基板は一体成形されていてもよい。

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、ユーザの右眼の位置に集光するように、偏光方向を制御する。

また、液晶プリズム素子４０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、ユーザの左眼の位置に集光するように、偏光方向を制御する。

図１及び２から理解されるように、複数の第１プリズム４３が、電極４９ａ及び４９ｂ上にＸ軸方向に並べて設けられている。複数の第１プリズム４３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、第１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５０の表示面と直交する平面を、Ｐとする。ＸＺ平面と平行な平面上で見たときに、領域Ｒ１に配置される第１プリズム４３の断面形状と、領域Ｒ２に配置される第１プリズム４３の断面形状とは、図１及び１Ｂに示すように、平面Ｐに対して対称となるように設計されている。

電極４８ａは、基板４１の内面の領域Ｒ１に形成され、電極４８ｂは、基板４１の内面の領域Ｒ２に形成されている。同様に、電極４９ａは、基板４２の内面の領域Ｒ１に形成され、電極４９ｂは、基板４２の内面の領域Ｒ２に形成されている。

更に、第１プリズム４３の表面上及び電極４８ａ及び４８ｂ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８０が設けられている（図３参照）。配向膜８０は、電極４８ａ、４８ｂ、電極４９ａ、４９ｂ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８０はなくても良い。

尚、基板４１及び４２、第１プリズム４３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。第１プリズム４３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、第１プリズム４３を形成することができる。液晶プリズム素子４０は、電極４９ａ及び４９ｂを成膜した基板４２上に第１プリズム４３の一次元配列を形成した後、基板４２と、電極４８ａ及び４８ｂを成膜した基板４１とを貼り合わせ、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。

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４７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４７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。

本実施の形態では、液晶層４７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、対向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。なお、液晶分子はネガ型液晶であってもよい。

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。

また、同じ液晶材料を用いて液晶プリズム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。

尚、液晶プリズム素子４０では、第１プリズム４３の斜面の傾斜方向が、画面の中心線（平面Ｐ）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、出射光を第１プリズム４３の傾斜面から遠ざける方向への偏向と比べて、出射光を第１プリズム４３の傾斜面に近づける方向への偏向の効率が低いという性質がある。そこで、第１プリズム４３の傾斜面を平面Ｐに対して対称とし、第１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４９ａ及び４９ｂ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。

＜４．画像表示パネルの構成＞
液晶プリズム素子４０を透過した光は、画像表示パネル５０に入射する。画像表示パネル５０は、画像や映像を表示する。画像表示パネル５０は、例えば液晶パネルで構成される。画素表示パネル５０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５０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５０を透過した光は、指向性を持ち、視聴者の眼の位置に集光される。

＜５．制御部の構成＞
制御部６０は、視聴位置算出部７２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、ユーザの視聴位置が、画面中央から左端側に移動した場合、領域Ｒ１では、液晶層４７の屈折率を第１プリズム４３の屈折率より小さく、領域Ｒ２では、液晶層４７の屈折率を第１プリズム４３の屈折率より大きくすることによって、第１プリズム４３からの出射光を画面の左前方に偏向させる。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の偏向角とを揃えることができる。逆に、ユーザの視聴位置が、画面中央から右端側に移動した場合、領域Ｒ１では液晶層４７の屈折率を第１プリズム４３の屈折率より大きく、領域Ｒ２では、液晶層４７の屈折率を第１プリズム４３の屈折率より小さくすることによって、第１プリズム４３からの出射光を画面の右前方に偏向させる。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小さく、領域Ｒ２への印加電圧より大きくすることによって、領域Ｒ１の偏向角と領域Ｒ２の偏向角とを揃えることができる。

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。

＜６．位置検出部の構成＞
位置検出部７０は、カメラ７１と視聴位置算出部７２とを含む。カメラ７１は、ユーザの画像を所定周期で撮影する。視聴位置算出部７２は、カメラ７１によって撮影された画像を解析し、ユーザの視聴位置を表す視聴位置情報を算出する。カメラ７１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７２が求める視聴位置情報は、ユーザ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。

＜７．液晶プリズム素子の構成＞
以下、液晶プリズム素子４０の詳細について図３を用いて説明する。図３Ａは、液晶プリズム素子４０の画面中央側の領域を拡大した部分拡大図である。図３Ｂは、液晶プリズム素子４０の画面右端側の領域を拡大した部分拡大図である。すなわち、図３Ａ及び３Ｂは、図１に示す液晶プリズム素子４０の部分拡大図である。具体的には、図３Ａ及び３Ｂは、図１に示す液晶プリズム素子４０の右側のＲ２領域の一部を拡大した図である。図３Ａ及び３Ｂにおいて、点線は、第１プリズム４３及び第２プリズム４４が存在しない部分に示した補助線である。

第１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り、２つの斜面、すなわち、基板４２の中央側の斜面８１と、基板４２の側方部の壁面８２と、底面８３とを有する。斜面８１は、液晶層４７の中央側を向いている。第１プリズム４３の斜面８１は、第１傾斜面の一例である。

また、第２プリズム４４も同様に、斜面８４、壁面８５、底面８６を有する。第２プリズム４４の斜面８４は、液晶層４７の中央側を向いている。斜面８４は、第２傾斜面の一例である。

第１プリズムアレイ４５は、所定の間隔Ｐ１を空けて配置された複数の第１プリズム４３で構成されている。第１プリズム４３のＸ軸方向の幅はＱ１である。間隔Ｐ１と幅Ｑ１は同じである。

第１プリズム４３の間隔Ｐ１及び幅Ｑ１は、液晶プリズム素子４０全体に亘って同一である。すなわち、第１プリズム４３は、画面中央近傍でも画面右端でも同一の幅Ｑ１を有するように形成されている。また、第１プリズム４３同士の間隔Ｐ１も、画面中央近傍でも画面右端でも同一である。

第２プリズムアレイ４６は、所定の間隔Ｐ２を空けて配置された複数の第２プリズム４４で構成されている。第２プリズム４４のＸ軸方向の幅はＱ２である。所定の間隔Ｐ２と幅Ｑ２は同じである。

第２プリズム４４の間隔Ｐ２及び幅Ｑ２は、液晶プリズム素子４０全体に亘って同一である。すなわち、第２プリズム４４は、画面中央近傍でも画面右端でも同一の幅Ｑ２を有するように形成されている。また、第２プリズム４２同士の間隔Ｐ２も、画面中央近傍でも画面右端でも同一である。

本実施の形態では、第１プリズム４３間の間隔Ｐ１よりも第２プリズム４４間の間隔Ｐ２の方が大きくなるように設計されている。また、第１プリズム４３の幅Ｑ１よりも第２プリズムの幅Ｑ２の方が大きくなるように設計されている。このような構成にすることで、画面中央では、第１プリズム４３及び第２プリズム４４が相補的に配置され、画面端では、第１プリズム４３及び第２プリズム４４が部分的に重なるように、第１プリズム４３と第２プリズム４４との位置関係を調整することができる。

例えば、視聴者が画面中央で画像表示装置１０を視聴しているとする。画面中央にいる視聴者に光を集光させる場合、液晶プリズム素子４０の画面中央近傍では、図３Ａの矢印で示すように、光をＺ軸方向と平行に透過させる必要がある。そのため、第１プリズム４３と第２プリズム４４とがＺ軸方向から見たときに重ならないように配置している。一方、画面右端では、図３Ｂの矢印で示すように、光をＺ軸に対して所定の角度だけ中心側に傾けた方向に透過させる必要がある。そのため、第１プリズム４３と第２プリズム４４とがＺ軸に対して所定の角度だけ中心側に傾けた方向から見たときに重ならないように配置している。

このような構成を実現するため、第１プリズム４３間の間隔Ｐ１よりも第２プリズム４４間の間隔Ｐ２の方を大きく設計している。

上述したような構成にすることで、画面中央近傍では、Ｚ軸方向から見たとき、図３Ａに示すように、隣り合う第１プリズム４３同士の間に第２プリズム４４が配置される。また。隣り合う第２プリズム４４同士の間に第１プリズム４３が配置される。言い換えると、画面中央近傍では、Ｚ軸方向から見たとき、第１プリズム４３と第２プリズム４４とがほぼ重ならないように配置されている。

一方、画面右端の領域では、Ｚ軸方向から見たとき、第１プリズム４３の一部と第２プリズム４４の一部とが重なるように配置されている。言い換えると、Ｚ軸に対して所定の角度傾いた方向から見たとき、第１プリズム４３と第２プリズム４４は互いに重ならないように配置されている。

次に、比較例に係る液晶プリズム素子の構成について図４Ａ〜４Ｃを用いて説明する。

図４Ａは、比較例に係る液晶プリズム素子２００の断面図である。図４Ｂは、図４Ａに示す液晶プリズム素子２００の屈折率分布を示す概略図である。図４Ｃは、図４Ａに示す液晶プリズム素子における凹部近傍の屈折率分布を模式的に示した図である。図４Ｂに示す液晶層２２０内の複数の曲線は、屈折率が同じ点を結んだものである。また、各曲線の線の位置における屈折率の値を、図４Ｂの右側に示す。

図４Ａに示すように、従来の液晶プリズム素子２００は、プリズム２１０と液晶層２２０とを備える。プリズム２１０は、Ｘ軸方向に間隔を空けることなく複数並べて配置されている。

液晶プリズム素子２００に電圧を印加することで、液晶層２２０の液晶分子の配向が示すように変化する。プリズム２１０の斜面８１及び壁面８２の近傍では、アンカリングにより液晶分子の配向が変化しない。そのため、斜面８１及び壁面８２近傍の領域と、それよりも内側の領域とでは屈折率が異なる。その結果、図４Ｂに示すような屈折率分布が発生する。特に、斜面８１と壁面８２とで形成される凹部近傍（図４Ｂにおいて実線で囲んだ”Ｍ”部分）では、曲面状の屈折率分布が発生する。図４Ｃに示すように、屈折率が高い領域と屈折率が低い領域との間に凹状の曲面ができるので、この領域が凹レンズのように作用する。そのため、この領域に入射した光は凹レンズの作用により拡散される。このような現象が、液晶プリズム素子２００全体で発生するため、液晶プリズム素子２００を透過する光は、指向性を失い散乱してしまう。その結果、ユーザの左右の目に入射する光の量が減ってしまう。

そこで本実施の形態の液晶プリズム素子４０は、図３Ａ及び３Ｂに示す構成にしている。

図５に本実施の形態の液晶プリズム素子４０の屈折率分布の変化を示す。図５に示す液晶層４７内の複数の曲線は、屈折率が同じ点を結んだものである。また、各曲線の線の位置における屈折率の値を、図５の右側に示す。本実施の形態では、第１プリズム４３を所定の間隔を空けて配置している。そのため、従来のように、斜面８１と壁面８２とで構成される、挟角の小さな凹部がない。

その結果、図５において実線で囲んだ”Ｎ”部分では、同じ屈折率の点を結んだ曲線が、図４Ｂに示す”Ｍ”部分と比べて緩やかであり、従来のような曲面状の屈折率変化が抑制されている。したがって、液晶プリズム素子４０は、液晶層４７での光の散乱を低減することができる。液晶層４７での光の散乱が少なくなるので、液晶プリズム素子４０を透過する光は指向性を持ったまま視聴者の目に届く。この結果、ユーザの左右の目に入射する光の量が低減することが抑制される。

＜まとめ＞
上述したとおり、本実施の形態の液晶プリズム素子４０は、第１プリズムアレイ４５と、第２プリズムアレイ４６と、液晶層４７とを備える。

第２プリズムアレイ４６は、第１プリズムアレイ４５と対向して配置されている。

液晶層４７は、第１プリズムアレイ４５と第２プリズムアレイ４６との間に設けられている。

第１プリズムアレイ４５は、Ｙ軸方向（第１方向の一例）に延びる稜線を有する第１プリズム４３が、Ｘ軸方向（第２方向の一例）に所定の間隔を空けて複数配列して構成されている。

第２プリズムアレイ４６は、Ｙ軸方向（第１方向の一例）に延びる稜線を有する第２プリズム４４が、Ｘ軸方向（第２方向の一例）に所定の間隔を空けて複数配列して構成されている。

第１プリズム４３は、液晶層４７の中央側を向く斜面８１（第１傾斜面の一例）を有しいている。

第２プリズム４４は、液晶層４７の中央側を向く斜面８４（第２傾斜面の一例）を有している。

このような構成により、液晶層４７の屈折率分布を従来よりも適切に制御することができる。その結果、表示面の輝度の低下を従来よりも抑えることができる。

＜その他の実施の形態＞
尚、本実施の形態では、光源２１ａ及び２１ｂで共用されているが、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。

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。

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。

更に、本実施の形態では、液晶プリズム素子４０内の第１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Ｐ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に分けて第１プリズム４３及び電極を設けることがより好ましい。

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、視聴者の動きに追従して、視聴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。

以上のように、本開示における技術の例示として、実施の形態を説明した。そのために、添付図面および詳細な説明を提供した。

したがって、添付図面および詳細な説明に記載された構成要素の中には、課題解決のために必須な構成要素だけでなく、上記技術を例示するために、課題解決のためには必須でない構成要素も含まれ得る。そのため、それらの必須ではない構成要素が添付図面や詳細な説明に記載されていることをもって、直ちに、それらの必須ではない構成要素が必須であるとの認定をするべきではない。

また、上述の実施の形態は、本開示における技術を例示するためのものであるから、特許請求の範囲またはその均等の範囲において種々の変更、置き換え、付加、省略などを行うことができる。

本開示は、立体画像を表示する画像表示装置などに適用可能である。具体的には、テレビ、パソコン、デジタルスチルカメラの表示面、ムービーの表示面、カメラ機能付き携帯電話機の表示面、スマートフォンの表示面などに、本開示は適用可能である。

１０ 画像表示装置
２０ バックライト
２２ 反射フィルム
２３ 導光板
２４ 複数の傾斜面
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 基板
４２ 基板
４３ 第１プリズム
４４ 第２プリズム
４５ 第１プリズムアレイ
４６ 第２プリズムアレイ
４７ 液晶層
５０ 画像表示パネル
６０ 制御部
７０ 位置検出部
７１ カメラ
７２ 視聴位置算出部
８０ 配向膜
８１ 斜面
８２ 壁面
８３ 底面
２００ 液晶プリズム素子
２２０ 液晶層

Claims (3)

1. 第１プリズムアレイと、
   前記第１プリズムアレイと対向して配置された第２プリズムアレイと、
   前記第１及び第２プリズムアレイの間に設けられた液晶層とを備え、
   前記第１プリズムアレイは、第１方向に延びる稜線を有する第１プリズムが、前記第１方向に対して垂直な第２方向に所定の間隔を空けて複数配列して構成されており、
   前記第２プリズムアレイは、前記第１方向に延びる稜線を有する第２プリズムが、前記第２方向に所定の間隔を空けて複数配列して構成されており、
   前記第１プリズムは、前記液晶層の中央側を向く第１傾斜面を有し、
   前記第２プリズムは、前記液晶層の中央側を向く第２傾斜面を有する、液晶光学素子。
2. 前記第１方向及び前記第２方向に対して垂直な第３方向から見たとき、少なくとも一部の領域において、隣り合う前記第１プリズムの間に前記第２プリズムが配置されるよう構成されている、請求項１に記載の液晶光学素子。
3. 請求項１に記載の液晶光学素子を備える、画像表示装置。

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