JP5779533B2 - 表示装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、少なくとも表示領域の一部に２次元表示と３次元表示とを切り替え自在な領域を有する表示装置に関する。

近年、液晶表示装置等の表示装置において、視差画像を用いた立体視表示が可能なものが知られている。このような立体視表示が可能な表示装置の１つとして、液晶レンズ等の屈折率分布型レンズを、表示パネル上に形成したものが知られている。液晶レンズは、電圧の印加によって液晶の配向を制御することにより、液晶中に屈折率分布を与えてレンズとして機能させるものである。このような液晶レンズにより、表示装置に表示された右目画像を観察者の右目に入射させ、左目画像を観察者の左目に入射させることで立体視が実現される。また、液晶レンズへの電圧の印加のオン/オフを切り替えることによって、２次元表示と３次元表示とを切り替えることが可能である。

さらに、液晶レンズの場合、表示装置の一部領域に対応した部分をレンズとして機能させることも可能であり、このような構成によって、表示装置の一部領域で３次元表示をしつつ、他の領域で２次元表示をするといった、部分的な３次元表示が可能である。

特開２０１１−１５４１９７号公報

部分３次元表示を可能とするためには、一部領域に液晶レンズ中の液晶の配向制御をするための配向制御電極を形成し、この一部領域に形成した配向制御電極を他の電極と独立して駆動可能としておく必要がある。このための構成として、配向制御電極と異なる層に配向制御電極に電圧印加をするための電圧供給電極を設ける構成が考えられる。ただし、このような構成の場合、電圧供給電極に供給された電圧自体によって発生される電界が液晶の配向に影響を与えてしまうおそれがある。電圧供給電極により、液晶の配向の変化が生じてしまうと、屈折率分布が所望の分布から変化してしまい、３次元表示時に色むら等が生じるおそれがある。

実施形態の解決しようとする課題は、一部領域の２次元表示と３次元表示とが切り替え自在な表示装置において、電圧供給電極による液晶レンズの配向への悪影響を抑制した表示装置を提供することである。

実施形態の表示装置は、表示パネルとは別体に形成された液晶層と、第１の基板と、第２の基板から構成される液晶レンズを有している。液晶層は、電圧の印加によって屈折率分布を変化させる。第１の基板は、少なくとも画像の表示を行うための表示領域を有する表示パネルの表示領域の中に設定された２次元/３次元切替可能表示領域に対応して形成され、液晶層の配向を制御するための第１の電極と、第１の電極と異なる層に形成され、第２の表示領域を通して第１の表示領域の第１の電極に駆動電圧を供給する第２の電極と、第２の表示領域内の第２の電極と前記液晶層との間に介在され、平面視で前記第２の電極と重畳する部分を有するように形成された第３の電極と、を有する多層の基板である。第２の基板は、液晶層の配向を制御するように形成された第４の電極を有する。

実施形態の表示装置の正面図である。 図１の１−１線に沿った２次元/３次元切替可能表示領域の断面図である。 液晶レンズユニット３００のアレイ基板３０１の電極構造を示す図である。 シミュレーションの際に使用したモデルを示す図である。 シミュレーションの結果を示す図である。

以下、図面を参照して実施形態に係る表示装置を説明する。
図１は、実施形態の表示装置の正面図である。図１に示す表示装置１０は、表示領域１００が設定されている。表示領域１００は、画像が表示される領域である。また、実施形態の表示装置１０は、部分３次元表示が可能な表示装置であって、図１に示すように表示領域１００に、２次元/３次元切替可能表示領域（以下、選択表示領域という）１０１と、２次元/３次元切替不能表示領域（以下、固定表示領域という）１０２と、が夫々設定されている。

選択表示領域１０１は、表示領域１００の外周部よりも内部側の中間位置に設定される領域であって、２次元表示と３次元表示とが切り替え可能な領域である。本実施形態においては、選択表示領域１０１を、表示領域１００の端部から離して設定することが可能である。勿論、選択表示領域１０１が表示領域１００の端部に接していても良い。また、図１では、選択表示領域１０１が表示領域１００内に１つ設定されているが、２つ以上設定されても良い。さらに、１つの選択表示領域１０１が複数の領域に分割されていても良い。

固定表示領域１０２は、表示領域１００の選択表示領域１０１を囲むように設定される領域であって、２次元表示と３次元表示とが切り替え不能な領域である。図１では、固定表示領域１０２を、２次元表示が可能な領域としている。固定表示領域１０２を、３次元表示が可能な領域としても良い。

図２は、図１の１−１線に沿った選択表示領域１０１の構成を示す断面図であって、実施形態の表示装置の概略の構成を示す断面図である。ここで、図２（ａ）は、液晶レンズユニット３００中の液晶層３０３に電圧が印加されていない状態を示し、図２（ｂ）は、液晶レンズユニット３００中の液晶層３０３に電圧が印加された状態を示している。

図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すように、表示装置１０は、表示パネル２００と、液晶レンズユニット３００と、を有している。表示パネル２００と液晶レンズユニット３００とは、スペーサ２１０を介して所定の間隔を有するように貼り合わされている。表示パネル２００と液晶レンズユニット３００との間は、例えば空気層である。

但し、この図２では、説明を分かり易くするために、選択表示領域１０６のみが恰も独立した表示パネル２００と液晶レンズユニット３００から構成されているように示しているが、実際には、表示パネル２００と液晶レンズユニット３００は、固定表示領域１０２を含む全表示領域１００に跨って形成されているものであって、その一部を例示的に示しているに過ぎず、また、以下の説明も同様である。

表示パネル２００は、画像を表示する。図２（ａ）及び図２（ｂ）は、表示パネル２００を液晶表示パネルとした例を示している。しかしながら、表示パネル２００は、必ずしも液晶表示パネルとする必要はなく、有機ＥＬ表示パネルやプラズマ表示パネルとしても良い。

表示パネル２００は、アレイ基板２０１と対向基板２０２との間に液晶層２０３が介在されて構成されている。アレイ基板２０１と対向基板２０２とは、周囲を封止材２０４にて封止され、球状や柱状のスペーサ（図示せず）を介して所定の間隔を有するように貼り合わされている。また、アレイ基板２０１の裏面にはバックライト２０５が配置されている。

アレイ基板２０１は、画素を構成する画素電極がマトリクス状に形成されている。各画素電極には、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）が接続されており、対応するＴＦＴがオン状態となったときに画素電極を介して液晶層２０３に電圧を印加するように構成されている。また、アレイ基板２０１の光入射側には、偏光板２０６が設けられている。

対向基板２０２は、各画素電極と対応するように、例えば赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）のカラーフィルタ２０７が設けられ、カラーフィルタ２０７上に対向電極が形成されて構成されている。また、対向基板２０２の光出射側には、偏光板２０８が設けられている。カラーフィルタ２０７は、アレイ基板２０１側に形成することも可能である。

このような液晶表示パネル２００は、画素電極に印加する電圧の大きさを制御することにより、画素電極と対向電極との間に介在する液晶層に発生する電界を制御して表示を行う表示パネル２００である。液晶は、電界を与えることによって内部の液晶分子の配向が変化する特性を有しており、液晶分子の配向によって液晶を通過する光の透過率が変化する。この光の透過を画素単位（画素電極単位）で制御することにより、画素単位での表示を行う。

液晶レンズユニット３００は、アレイ基板３０１と対向基板３０２との間に液晶層３０３が介在されて構成されている。アレイ基板３０１と対向基板３０２とは、周囲を封止材３０４にて封止されるとともに、球状もしくは柱状のスペーサ（図示せず）を介して、所定の間隔を有するように貼り合わされている。本実施形態の場合には、作業性を考慮してビーズ状のスペーサを散布することで対応している。

以下、図２と図３を参照して液晶レンズユニット３００について説明する。図３は、液晶レンズユニット３００のアレイ基板３０１と対向基板３０２の電極構造を示す図である。図３（ａ）は、アレイ基板３０１の正面図、図３（ｂ）は、図３（ａ）の３１−３１線断面図、図３（ｃ）は、図３（ａ）の３２−３２線断面図である。

アレイ基板３０１を構成するガラス基板４０１には、表示領域１００の周辺から選択表示領域１０１に対する駆動電圧を供給するための第２の電極としての電圧供給電極４０３ａが形成されている。電圧供給電極４０３ａは、ＩＴＯ（インジウム錫酸化物）等の透明電極であり、絶縁層４０２にて被覆されている。この絶縁層４０２上には、配向制御電極４０４ａ、４０４ｂが形成されており、電圧供給電極４０３ａと、第１の電極としての選択表示領域１０１用の配向制御電極４０４ａとは、絶縁層４０２に形成したコンタクトホール４０２ａを介して電気的に接続されている。また、固定表示領域１０２用の配向制御電極４０４ｂは、別に配線された電圧供給電極４０３ｂとコンタクトホール４０２ｂを介して電気的に接続されている。電圧供給電極４０３（４０３ａ、４０３ｂ）は、図示しない液晶レンズユニット３００の駆動電源に接続されている。１つの選択表示領域１０１及び固定表示領域１０２には、夫々少なくとも一対（２つ）の配向制御電極４０４ａ、４０４ｂが形成されている。そして、夫々対をなす配向制御電極４０４aと４０４ｂとは、別々の共通の電圧供給電極４０３ａと４０３ｂとに接続される。

第１の電極としての配向制御電極４０４は、ガラス基板４０１とは異なる層である絶縁層４０２の上に形成されるＩＴＯ等の透明電極である。配向制御電極４０４と電圧供給電極４０３とを、アレイ基板３０１の異なる層に形成することにより、選択表示領域１０１を、表示領域１００の端部から離して設定しても、表示領域１００の端部から離れた選択表示領域１０１に形成されている配向制御電極４０４に、他の電極と独立して駆動電圧を供給することが可能である。このような構成の配向制御電極４０４は、対をなすように配置される配向制御電極４０４とともに、液晶層３０３に屈折率分布を与えるための駆動電圧を印加する。ここで、図２は、選択表示領域１０１に２つのレンズ部が形成されている場合の配向制御電極４０４の形成例を示している。２つのレンズ部が形成されている場合、配向制御電極４０４は二対（４つ）必要である。ただし、図２では、中間に位置する１つの配向制御電極４０４を２つのレンズ部で共用する例を示している。

さらに、絶縁層４０２には、第３の電極としての遮蔽電極４０５が形成されている。図２及び図３に示すように、遮蔽電極４０５は、配向制御電極４０４と同一層上に、電圧供給電極４０３と平行に、且つ、対向するように配置され、さらに、配向制御電極４０４とは電気的に分離独立して形成されている。さらに、遮蔽電極４０５には、配向制御電極部４０５ａが一体に形成されている。配向制御電極部４０５ａは、配向制御電極４０４と平行な方向に、且つ、固定表示領域１０２と選択表示領域１０１とを区画する配向制御電極４０４間の中間に位置するように遮蔽電極４０５に形成されている。この遮蔽電極４０５は、電圧供給電極４０３と平面視で重畳する部分は、少なくとも電圧供給電極４０３と同じ幅、望ましくは電圧供給電極４０３の幅よりも幅広に形成されていることが好ましい。

アレイ基板３０１には、さらに、これら配向制御電極４０４、電圧供給電極４０３、及び遮蔽電極４０５上に、または、絶縁層を介して配向膜（図示せず）が形成されている。ここで、配向膜のラビング処理の方向は、図３（ａ）に示すように、配向制御電極４０４と直交する方向である。さらに、ラビング処理の方向は、本実施形態の場合には、水平配向を採用しているために、図３（ａ）に示すように、アレイ側ラビング方向と対向側ラビング方向とは、逆向きとなっている。

対向基板３０２は、ガラス基板４０６上に第４の電極としての対向電極４０７が形成されている。また、対向基板３０２は、対向電極４０７の表面上、または、絶縁層を介して配向膜（図示せず）が形成されている。ここで、配向膜のラビング処理の方向は、アレイ基板３０１と逆方向である。

このような液晶レンズユニット３００は、電圧供給電極４０３ａ、４０３ｂを介して配向制御電極４０４ａ、４０４ｂに印加する電圧の大きさを制御することにより、２次元表示と３次元表示とを切り替える。

電圧供給電極４０３に電圧が印加されていない状態では、配向制御電極４０４にも電圧が印加されない。このとき、配向制御電極４０４と対向電極４０７とが等電位となって液晶層３０３には電界が発生しない。したがって、液晶層３０３中の液晶分子は、図２（ａ）に示すようにしてラビング方向に規制されるように配向する。この場合、液晶層３０３の屈折率は均一となり、表示パネル２００からの画像光は液晶層３０３中を直進する。この場合には、２次元表示が行われる。

一方、電圧供給電極４０３を介して配向制御電極４０４に電圧が印加されると、配向制御電極４０４の電位が対向電極４０７の電位よりも高くなる。このとき、配向制御電極４０４と対向電極４０７との間に電界が発生し、この電界によって図２（ｂ）に示すようにして液晶層３０３の液晶分子が配向して、配向制御電極４０４と対向電極４０７との間の部分の液晶層３０３の屈折率が小さくなる。このため、配向制御電極４０４間の液晶層３０３の屈折率分布が変化して液晶層３０３がレンズとして機能する。視差を有する画像を表示パネル２００に表示させ、視差を有する画像の夫々を、液晶レンズユニット３００を通して観察者の異なる目に入射させることにより、３次元表示が行われる。

上記説明では、液晶レンズユニット３００を表示パネル２００の前面に配置し、液晶レンズユニット３００を全て同じ構成とした場合について説明している。この場合には、選択表示領域１０１と固定表示領域１０２の全ての表示領域１００に対応して液晶レンズユニット３００が配置されているので、液晶レンズユニット３００に対して駆動電圧を供給しなければ、表示パネル２００の全面にわたり２Ｄ表示が、もしくは同じ駆動電圧を供給すれば、全面３Ｄ表示を行うことができるので、駆動電圧の印加の有無によって全面２Ｄ表示と全面３Ｄ表示の切り替えがなされることとなる。本実施形態の場合には、固定表示
領域１０２内に部分的に選択表示領域１０１を設けた場合を例示しているので、例えば、固定表示領域１０２を駆動する部分と、選択表示領域１０１を駆動する部分とを区画し、夫々に独立した電圧供給電極４０３（４０３ａ、４０３ｂ）を形成して駆動電圧の供給の有無を個別に選択して駆動することによって、固定表示領域１０２と選択表示領域１０１とに、例えば、２Ｄ表示と３Ｄ表示と異なる表示形態の画像を映出することが可能となる。遮蔽電極４０５は、この異なる選択表示領域１０１と、固定表示領域１０２との間に配置されている。

以下、遮蔽電極４０５の機能について説明する。遮蔽電極４０５は、電圧供給電極４０３と対向電極４０７との間に、不要な電界が発生しないように電圧供給電極４０３を遮蔽するものである。特に、選択表示領域１０１が固定表示領域１０２の中間部分に部分的に存在するような形態の場合には、この選択表示領域１０１に、表示領域１００の外周部から固定表示領域１０２を通過する専用の電圧供給電極４０３ａを介して固定表示領域１０２とは異なる駆動電圧が供給されることとなり、この選択表示領域１０１と、固定表示領域１０２との境界部分及び電圧供給電極４０３ａが横切る固定表示領域１０２内において不要な電界が発生する虞がある。不要な電界が発生すると、液晶に配向不良が生じ、境界部分及び固定表示領域１０２内で色むらなどが視認される虞がある。このため、遮蔽電極４０５は、特に選択表示領域１０１と固定表示領域１０２との境界部分及び固定表示領域１０２を横切る電圧供給電極４０３ａと重なるように平行に配置される。ここで、出願人は、遮蔽電極４０５の効果を明確にするために、シミュレーションを行った。図４は、シミュレーションの際に使用したモデルを示す図である。図４に示すように、モデルにおいては、遮蔽電極４０５の効果を確認するために、配向制御電極４０４を無くしている。これは、配向制御電極４０４による電界の影響を無くすためである。

図５は、シミュレーションの結果を示す。図５は、次の４つの条件について、液晶層３０３の平均屈折率分布と電界分布とをシミュレーションによって求めたものである。即ち、（１）遮蔽電極４０５が無い場合、（２）遮蔽電極４０５の電極幅を電圧供給電極４０３よりも小さく（−２μｍ）した場合、（３）遮蔽電極４０５の電極幅を電圧供給電極４０３と等しくした場合、（４）遮蔽電極４０５の電極幅を電圧供給電極４０３よりも大きく（＋２μｍ）した場合、である。さらに、電圧供給電極４０３の電極幅を８μｍに設定し、印加電圧の大きさを４Ｖとした。遮蔽電極４０５は、十分な遮蔽効果を発揮させるために、接地電位（０Ｖ）、あるいは対向電極４０７に供給される対向電極電位に設定することが好適である。本実施形態の場合には、対向電極と同じ０Ｖに設定している。

また、図５中の平均屈折率変化を示す横軸のｘは、図４に示す遮蔽電極４０５及び電圧供給電極４０３の幅方向の中心位置を基準０とした場合の、幅方向の位置を示しており、例えば、＋符号は左方向、無符号は右方向に対する位置を示している。

図５に示すように、遮蔽電極４０５が無い場合、電圧供給電極４０３の中心位置において屈折率が最小となり、電界分布が強く大きく発生していることが分かる。これは、電圧供給電極４０３と対向電極４０７との間に電界が発生し、この電界によって液晶層３０３の液晶分子が配向するためである。このような屈折率の減少が生じると、電圧供給電極４０３に対応した液晶層３０３の部分が凹レンズとして機能してしまい、表示パネル２００からの画像光が拡大されたりして、意図しない色むらが発生することを意味している。

次に、遮蔽電極４０５を設けた場合であっても、遮蔽電極４０５の幅が電圧供給電極４０３の幅よりも小さい場合には、遮蔽電極４０５が無い場合に比べて、平均屈折率変化の度合が小さくなり、電界分布の発生も弱くなるために、液晶分子の配向が抑制される。このため、屈折率の減少を抑制することが可能である。

さらに、遮蔽電極４０５の幅を電圧供給電極４０３の幅と同じに設定した場合には、平均屈折率の変化も殆ど発生していないが、電界分布は比較的大きく発生している。この電界が遮蔽電極４０５の縁を回って液晶層３０３に悪影響を与える懸念がある。そこで、遮蔽電極４０５の幅を電圧供給電極４０３の幅よりも大きく設定した場合には、更に平均屈折率変化を抑制することが可能となり、液晶分子の配向変化を殆ど生じさせず、結果、屈折率の減少を防止することが可能である。しかも電界分布も非常に小さくすることができるので、電圧供給電極４０３によって発生する電界の回り込み現象も抑制することが可能で、更なる好結果を得ることが可能となる。

以上説明したように、本実施形態によれば、電圧供給電極４０３と平行に遮蔽電極４０５を配置することにより、電圧供給電極４０３と対向電極４０７との間の電界の発生を抑制し、意図しない部分の液晶層３０３の屈折率変化を抑制することが可能である。特に、遮蔽電極４０５の幅を、電圧供給電極４０３の幅以上とすることにより、電圧供給電極４０３にて発生する電界の液晶層３０３側への回り込みを有効に抑制し得るので、屈折率変化を殆ど起こさないようにすることが可能である。

また、遮蔽電極４０５に選択表示領域１０１と、固定表示領域１０２とを分離する方向に配向制御電極部４０５ａを形成しておくことにより、選択表示領域１０１と固定表示領域１０２との境界部分における配向を制御することが可能となるので、配向制御電極部４０５ａが形成されている部分に対応した液晶層３０３における屈折率変化も抑制される。配向制御電極部４０５ａが形成される部分は、図２（ａ）及び図２（ｂ）に示す選択表示領域１０１と固定表示領域１０２との境界部分に位置する配向制御電極４０４の中間位置に対応しており、この部分に遮蔽電極４０５と同様の電極を形成することにより、選択表示領域１０１と固定表示領域１０２との区分を色むらの発生を伴わずに明確に区画することが可能である。

さらに、遮蔽電極４０５と配向制御電極４０４とを同一の層上に形成することにより、１回のプロセスで遮蔽電極４０５と配向制御電極４０４とを形成することが可能である。

また、実施形態では、選択表示領域１０１に部分３Ｄ表示を、固定表示領域１０２に２Ｄ表示を行った場合について説明しているが、これを反対にして、選択表示領域１０１に部分２Ｄ表示を、固定表示領域１０２に３Ｄ表示を行っても差し支えない。当然のことながら、信号や駆動電圧の選択によって、全画面３Ｄ表示、または、全画面２Ｄ表示に切り替え表示することも可能なことは言うまでもない。

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０…表示装置、２００…表示パネル、２０１…アレイ基板、２０２…対向基板、２０３…液晶層、２０５…バックライト、２１０…スペーサ、３００…液晶レンズユニット、３０１…アレイ基板、３０２…対向基板、３０２…液晶層、４０１…ガラス基板、４０２…絶縁層、４０２ａ…コンタクトホール、４０３…電圧供給電極、４０４…配向制御電極、４０５…遮蔽電極、４０５ａ…配向制御電極部、４０６…ガラス基板、４０７…対向電極

Claims (4)

1. ２次元表示／３次元表示の切り替えが可能な表示領域からなる第１の表示領域と残余の第２の表示領域とを有する表示パネルと、
   この表示パネルの表面側に配置される液晶レンズユニットと、
   から構成される表示装置であって、
   前記液晶レンズユニットは、
   対向する第１の基板と第２の基板との間に配置され、電圧の印加によって屈折率分布を変化させる液晶層を含み、
   前記第１の基板は、
   前記第１および第２の表示領域に対応して形成され前記液晶層の配向を制御するための第１の電極と、
   前記第１の電極とは異なる層に形成され、前記第２の表示領域を通して前記第１の表示領域の前記第１の電極に駆動電圧を供給する第２の電極と、
   前記第２の表示領域内の前記第２の電極と前記液晶層との間に介在され、平面視で前記第２の電極と重畳する部分を有するように形成された第３の電極と、を有し、
   前記第３の電極には、前記第１の表示領域および第２の表示領域を区画するように、前記液晶層の配向を制御するための配向制御電極部が形成され、
   前記第２の基板は、前記第１の電極とともに前記液晶層の配向を制御するように形成された第４の電極を有することを特徴とする表示装置。
2. 前記第１の基板は、前記第１および第２の表示領域に対応して形成されるとともに、前記第１の表示領域に対応して形成され、前記液晶層の配向を制御するための第１の電極と、前記第１の電極と異なる層に形成され、前記第２の表示領域を通して前記第１の電極に駆動電圧を供給する第２の電極と、前記第２の電極と前記液晶層との間に介在され、少なくとも前記第１と第２の表示領域の境界部分において平面視で前記第２の電極と重畳する部分を有するように形成された第３の電極と、を有することを特徴とする請求項１に記載の表示装置。
3. 前記第３の電極は、平面視で前記第２の電極の幅以上の幅を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の表示装置。
4. 前記第１の電極と前記第３の電極とは、同一の層に形成されることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の表示装置。

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