特許 6806880 光学素子及び光学装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6806880

(24)【登録日】2020年12月8日

(45)【発行日】2021年1月6日

(54)【発明の名称】光学素子及び光学装置

(51)【国際特許分類】

   G02F 1/1347 20060101AFI20201221BHJP

   G02F 1/13 20060101ALI20201221BHJP

   G02B 27/01 20060101ALI20201221BHJP

   G03B 21/62 20140101ALI20201221BHJP

   B60K 35/00 20060101ALI20201221BHJP

【ＦＩ】

   G02F1/1347

   G02F1/13 505

   G02B27/01

   G03B21/62

   B60K35/00 A

【請求項の数】7

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2019-509100(P2019-509100)

(86)(22)【出願日】2018年3月6日

(86)【国際出願番号】JP2018008496

(87)【国際公開番号】WO2018180271

(87)【国際公開日】20181004

【審査請求日】2019年8月27日

(31)【優先権主張番号】特願2017-66644(P2017-66644)

(32)【優先日】2017年3月30日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000005016

【氏名又は名称】パイオニア株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001025

【氏名又は名称】特許業務法人レクスト国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】橋川 広和

【審査官】 鈴木 俊光

(56)【参考文献】

【文献】 特開平０５−１９７０２３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−１５３９８２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０４−３１５１３９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−２５５２９９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１４／００２８９３３（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開２０１５−０３４９１９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０２Ｆ １／１３４７

Ｇ０２Ｆ １／１３

Ｇ０２Ｂ ２７／０１

Ｇ０３Ｂ ２１／６２

Ｂ６０Ｋ ３５／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

各々が互いに対向する一対の透光電極層と前記一対の透光電極層の互いに対向する面上にそれぞれ形成された一対の配向膜と前記一対の配向膜間に挟持された液晶層とを含む複数の光学層であって、前記複数の光学層の各々の延在方向と垂直な方向において互いに重なるように配された複数の光学層を含み、
前記複数の光学層のうちの１の光学層における前記一対の透光電極層の一方は、マトリクス状に配列された複数の開口部を有し、
前記複数の光学層のうちの他の光学層における前記一対の透光電極層の一方は、前記１の光学層に垂直な方向から見たとき、前記１の光学層における前記一方の透光電極層の開口部間領域に重なるように配置された複数の開口部を有することを特徴とする光学素子。

【請求項2】

前記複数の光学層は、第１、第２及び第３の光学層を有し、
前記第１、第２及び第３の光学層の各々における前記一対の透光電極層の一方は、マトリクス状に配列された複数の開口部を有し、
前記第１の光学層に垂直な方向から見たとき、前記第１、第２又は第３の光学層のうちのいずれか１つの光学層における前記一方の透光電極層の前記複数の開口部のみが配置された領域と、前記第１、第２及び第３の光学層のうちの少なくとも２つの光学層における前記一方の透光電極層の前記複数の開口部が重なる領域とが設けられていることを特徴とする請求項１に記載の光学素子。

【請求項3】

前記第１、第２及び第３の光学層の各々における前記一方の透光電極層の前記複数の開口部は、直径Ｄの円形状を有しかつピッチＰで正三角格子状に配置され、
前記第１の光学層における前記複数の開口部の各々は、前記第２及び第３の光学層における前記複数の開口部の各々から、当該正三角格子の一辺に垂直な方向に距離Ｌだけオフセットされた位置に配置され、
前記第２の光学層における前記複数の開口部の各々は、前記第３の光学層における前記複数の開口部の各々から、当該正三角格子の一辺に垂直な方向に前記距離Ｌだけオフセットされた位置に配置されていることを特徴とする請求項２に記載の光学素子。

【請求項4】

前記直径Ｄ、ピッチＰは、Ｄ≧（２／３）Ｐの関係を満たし、
前記距離Ｌ及びピッチＰは、Ｌ＝（１／３^1/2）Ｐの関係を満たすことを特徴とする請求項３に記載の光学素子。

【請求項5】

各々が互いに対向する一対の透光電極層と前記一対の透光電極層の互いに対向する面上にそれぞれ形成された一対の配向膜と前記一対の配向膜間に挟持された液晶層とを含む複数の光学層であって、前記複数の光学層の各々の延在方向と垂直な方向において互いに重なるように配された複数の光学層を含み、
前記一対の透光電極層の一方がマトリクス状に配列された複数の開口部を有する前記複数の光学層のうちの第１の光学層と、
前記一対の透光電極層の一方が前記第１の光学層に垂直な方向から見たときに前記第１の光学層における前記一方の透光電極層の開口部間領域に重なるように配置された複数の開口部を有する前記複数の光学層のうちの第２の光学層と、
前記第１の光学層に垂直な方向から見たとき、前記第１及び第２の光学層の各々における前記一方の透光電極層の開口部間領域に重なる位置に配置された遮光層と、を有する光学素子。

【請求項6】

外部からの入射光の光軸に沿った方向において互いに離間する複数の光学素子及び前記複数の光学素子の各々を選択的に駆動する駆動回路を有し、
前記複数の光学素子の各々は、各々が互いに対向する一対の透光電極層と前記一対の透光電極層の互いに対向する面上にそれぞれ形成された一対の配向膜と前記一対の配向膜間に挟持された液晶層とを含む複数の光学層であって、前記複数の光学層の各々の延在方向と垂直な方向において互いに重なるように配された複数の光学層を含み、
前記複数の光学層のうちの１の光学層における前記一対の透光電極層の一方は、マトリクス状に配列された複数の開口部を有し、
前記複数の光学層のうちの他の光学層における前記一対の透光電極層の一方は、前記１の光学層に垂直な方向から見たとき、前記１の光学層における前記一方の透光電極層の開口部間領域に重なるように配置された複数の開口部を有することを特徴とする光学装置。

【請求項7】

各々が互いに対向する一対の透光電極層と前記一対の透光電極層の互いに対向する面上にそれぞれ形成された一対の配向膜と前記一対の配向膜間に挟持された液晶層とを含む複数の光学層であって、前記複数の光学層の各々の延在方向と垂直な方向において互いに重なるように配された複数の光学層を含み、
前記複数の光学層のうちの１の光学層における前記一対の透光電極層の一方は、複数の開口部を有し、
前記複数の光学層のうちの他の光学層における前記一対の透光電極層の一方は、前記１の光学層に垂直な方向から見たとき、前記１の光学層における前記一方の透光電極層の開口部間領域に重なるように配置された複数の開口部を有することを特徴とする光学素子。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、液晶層を用いたマイクロレンズアレイを含む光学素子及び光学装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来から、液晶レンズを用いたマイクロレンズアレイが知られている。当該マイクロレンズアレイは、例えば、プロジェクタからの光を散乱させて出射するスクリーンとして機能する。例えば、特許文献１には、液晶マイクロレンズアレイを用いた背面投射型プロジェクションテレビ用の透過型スクリーンが開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開2006-153982号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

マイクロレンズアレイを用いた光学素子においては、入力（入射）された光に対して正確にかつ高効率で光学処理を行うことが求められる。例えば、当該光学素子においては、高い解像度で光学処理が行われること、入射光の利用効率が高いこと、また、処理後の光にノイズが重畳されないことが好ましい。例えば、当該光学素子は、表示用途に用いられる場合、例えばスクリーンとして用いられる場合、高い解像度でかつノイズが少なく、高輝度な画像（映像）が表示されることが好ましい。

【0005】

本発明は上記した点に鑑みてなされたものであり、高い利用効率でかつノイズの発生を抑制しつつ入射光の光学処理を行うことが可能な光学素子及び光学装置を提供することを課題の１つとしている。

【課題を解決するための手段】

【0006】

請求項１に記載の発明は、各々が、液晶層、液晶層を挟む一対の配向膜及び一対の配向膜上に形成された一対の透光電極層を含む複数の光学層を有し、複数の光学層のうちの１の光学層における一対の透光電極層の一方は、マトリクス状に配列された複数の開口部を有し、複数の光学層のうちの他の光学層における一対の透光電極層の一方は、１の光学層に垂直な方向から見たとき、１の光学層における一方の透光電極層の開口部間領域に重なるように配置された複数の開口部を有することを特徴とする。
請求項７に記載の発明は、各々が、液晶層、液晶層を挟む一対の配向膜及び一対の配向膜上に形成された一対の透光電極層を含む複数の光学層を有し、複数の光学層のうちの１の光学層における一対の透光電極層の一方は、複数の開口部を有し、複数の光学層のうちの他の光学層における一対の透光電極層の一方は、１の光学層に垂直な方向から見たとき、１の光学層における一方の透光電極層の開口部間領域に重なるように配置された複数の開口部を有することを特徴とする。

【0007】

請求項５に記載の発明は、液晶層、液晶層を挟む一対の配向膜及び一対の配向膜上に形成された一対の透光電極層を含み、一対の透光電極層の一方がマトリクス状に配列された複数の開口部を有する第１の光学層と、液晶層、液晶層を挟む一対の配向膜及び一対の配向膜上に形成された一対の透光電極層を含み、一対の透光電極層の一方が第１の光学層に垂直な方向から見たときに第１の光学層における一方の透光電極層の開口部間領域に重なるように配置された複数の開口部を有する第２の光学層と、第１の光学層に垂直な方向から見たとき、第１及び第２の光学層の各々における一方の透光電極層の開口部間領域に重なる位置に配置された遮光層と、を有することを特徴とする。

【0008】

請求項６に記載の発明は、外部からの入射光の光軸に沿った方向において互いに離間する複数の光学素子及び複数の光学素子の各々を選択的に駆動する駆動回路を有し、複数の光学素子の各々は、液晶層、液晶層を挟む一対の配向膜及び一対の配向膜上に形成された一対の透光電極層を各々が含む複数の光学層を有し、複数の光学層のうちの１の光学層における一対の透光電極層の一方は、互いに離間してマトリクス状に配列された複数の開口部を有し、複数の光学層のうちの他の光学層における一対の透光電極層の一方は、１の光学層に垂直な方向から見たとき、１の光学層における一方の透光電極層の開口部間領域に重なるように配置された複数の開口部を有することを特徴とする。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】実施例１に係る表示装置の構成を模式的に示す図である。

【図2A】実施例１に係る光学素子の平面図である。

【図2B】実施例１に係る光学素子の断面図である。

【図3A】実施例１に係る光学素子における各光学層の電極構成を模式的に示す図である。

【図3B】実施例１に係る光学素子における各光学層の電極構成を模式的に示す図である。

【図4A】実施例２に係る光学素子の平面図である。

【図4B】実施例２に係る光学素子の断面図である。

【図5】実施例３に係る光学装置の構成を模式的に示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下に本発明の実施例について詳細に説明する。

【実施例1】

【0011】

図１は、実施例１に係る表示装置１０の構成を模式的に示す図である。本実施例においては、表示装置１０は、車両のダッシュボードＤＢ内に設置されることができる。表示装置１０は、例えば、車両のフロントガラスＦＧに虚像ＶＩを表示するヘッドアップディスプレイである。なお、図１には、表示装置１０が表示する虚像ＶＩを破線で示している。また、図１には、虚像ＶＩを観察する観察者、例えば車両の運転者の目の位置を視点ＥＹとして示している。

【0012】

なお、本明細書においては、虚像ＶＩを観察する観察者の観察方向に沿った方向をｚ軸方向とし、このｚ方向に垂直でかつ互いに垂直な方向をそれぞれｘ軸方向及びｙ軸方向とする。また、ｘ軸方向を幅方向（左右方向）、ｙ軸方向を高さ方向（上下方向）、ｚ軸方向を奥行方向（前後方向）と称する場合がある。また、視点ＥＹから虚像ＶＩに向かう方向を前方とする。すなわち、虚像ＶＩは、観察者の前方に表示される。

【0013】

表示装置１０は、出射光Ｌ１（本実施例においては虚像ＶＩを投影するための光）を生成及び出射する光源１１を有する。例えば、光源１１は、画像（映像）を投影するプロジェクタである。光源１１は、画像の色表現及び階調表現を行う光を出射光Ｌ１として生成する。

【0014】

本実施例においては、光源１１は、出射光Ｌ１としてレーザ光を生成するレーザ光源である。また、光源１１は、当該レーザ光を走査して所定領域に画像表示を行うレーザ光を出射する走査型のレーザプロジェクタである。例えば、光源１１は、出射光Ｌ１としてレーザ光を生成するレーザ素子（図示せず）と、当該レーザ光を走査する走査素子（図示せず）とを有する。例えば、光源１１としてのレーザ光源は、所定領域を走査領域とし、レーザ光をラスタースキャンによって走査する。

【0015】

表示装置１０は、光源１１からの出射光Ｌ１を散乱させて散乱光Ｌ２を生成し、散乱光Ｌ２を出力する光学素子１２を有する。光学素子１２には、光源１１からの出射光Ｌ１が入射される。また、本実施例においては、光学素子１２は、散乱光Ｌ２を表示光（投影光）として出力する表示スクリーン（投影スクリーン）として機能する。

【0016】

また、表示装置１０は、光学素子１２からの散乱光Ｌ２をフロントガラスＦＧに向けて反射させる凹面鏡１３を有する。凹面鏡１３によって反射された光は、投影光Ｌ３としてフロントガラスＦＧに投影される。

【0017】

観察者は、視点ＥＹからフロントガラスＦＧを観察すると、フロントガラスＦＧの奥側（ｚ軸方向における前方）に虚像ＶＩを視認することができる。具体的には、観察者は、スクリーン（光学素子１２）とフロントガラスＦＧとの間の距離や凹面鏡１３の曲率に応じた位置に結像された虚像ＶＩを、フロントガラスＦＧ越しに視認することとなる。

【0018】

なお、表示装置１０は、虚像ＶＩを表示するために光学素子１２に入射させる画像データを生成する画像データ生成部（図示せず）を有する。当該画像データ生成部は、例えば、外部から、車両の状態などを示す車両情報、車両周辺の情報を示す周辺情報、及び車両の走行を案内するナビゲーション情報などを取得し、これらの情報を表示させる画像データを生成する。

【0019】

また、表示装置１０は、光源１１を駆動する駆動回路（図示せず）を有する。当該駆動回路は、当該画像データ生成部によって生成された画像データに基づいて光源１１を駆動する光源駆動信号を生成する。また駆動回路は、当該光源駆動信号を光源１１に供給する。光源１１は、当該光源駆動信号に基づいて出射光Ｌ１を生成して出射する。

【0020】

図２Ａは、光学素子１２の模式的な平面図である。図２Ａは、光学素子１２における光源１１からの出射光Ｌ１の入射面Ｓ１を模式的に示す図である。また、図２Ｂは、光学素子１２の模式的な断面図である。図２Ｂは、図２ＡのＶ−Ｖ線に沿った断面図であるが、その一部のみを示している。図２Ａ及び図２Ｂを用いて、光学素子１２の構成について説明する。なお、以下においては、光源１１による出射光Ｌ１を光学素子１２の入射光と称する場合がある。

【0021】

まず、光学素子１２は、光源１１からの入射光Ｌ１が入射する入射面Ｓ１と、光学素子１２によって生成された散乱光Ｌ２が出射する出射面Ｓ２とを有する。また、光学素子１２は、入射面Ｓ１における入射光Ｌ１の入射領域Ｒ１と、出射面Ｓ２における散乱光Ｌ２の出射領域Ｒ２とを有する。例えば、光源１１がレーザ光源からなる場合、入射面Ｓ１はレーザ光の被照射面であり、入射領域Ｒ１はレーザ光の走査領域に対応する。

【0022】

また、光学素子１２は、入射光Ｌ１の光軸ＡＸに沿って積層された３つの光学層（それぞれ、第１、第２及び第３の光学層）２０、３０及び４０を有する。本実施例においては、光学素子１２は、主面の一方を入射光Ｌ１の入射面Ｓ１として有する透光板１２Ａと、主面の一方を散乱光Ｌ２の出射面Ｓ２として有する透光板１２Ｂとを有する。光学層２０〜４０の各々は、透光板１２Ａ及び１２Ｂにおける他方の主面間に挟まれるように形成されている。

【0023】

また、本実施例においては、光学層２０及び３０間に形成された透光板１２Ｃと、光学層３０及び４０間に形成された透光板１２Ｄとを有する。なお、本実施例においては、光学層２０は透光板１２Ａ上に形成され、光学層４０は透光板１２Ｄ上に形成されている。すなわち、本実施例においては、光学素子１２は、光学層２０〜４０が一体的に形成された構造を有する。透光板１２Ａ〜１２Ｄの各々は、入射光Ｌ１に対して透光性を有する材料、例えばガラス材料や樹脂材料からなる。

【0024】

また、本実施例においては、光学層２０〜４０の各々は、それぞれ複数のレンズ２０Ｌ、３０Ｌ及び４０Ｌを有する。すなわち、光学層２０〜４０の各々は、マイクロレンズアレイを構成する。光学層２０〜４０の各々における複数のレンズ２０Ｌ〜３０Ｌの各々は、入射光Ｌ１の入射領域Ｒ１上に形成されている。

【0025】

本実施例においては、光学層２０は、複数のレンズ２０Ｌが正三角格子状（六角格子状）に配列された構造を有する。また、光学層３０及び４０は、それぞれ複数のレンズ３０Ｌ及び４０Ｌが正三角格子状に配列された構造を有する。また、光学素子１２は、入射光Ｌ１の光軸ＡＸに沿った方向において、光学層２０の複数のレンズ２０Ｌの隣接するレンズ間の領域に光学層３０のレンズ３０Ｌ又は光学層４０のレンズ４０Ｌが配置されるように構成されている。

【0026】

より具体的には、図２Ｂに示すように、光学層２０は、液晶分子を含む液晶層２１と、液晶層２１を挟む一対の配向膜２２及び２３と、配向膜２２及び２３上にそれぞれ形成された透光電極層（以下、単に電極層と称する）２４及び２５と、を有する。また、本実施例においては、電極層２５は、各々が円形状を有しかつ正三角格子状に配列された複数の開口部２５Ａを有する。

【0027】

例えば、液晶層２１は、ネマティック液晶を構成する液晶分子を含む。配向膜２２及び２３は、例えば液晶層２１内の液晶分子を所定方向に整列して配向させる溝を含む。電極層２４及び２５は、電圧の印加により液晶層２１の液晶分子の配向を調節する（変化させる）。また、電極層２４及び２５は、入射光Ｌ１に対して透光性を有する導電材料、例えばＩＴＯやＩＺＯなどからなる。

【0028】

同様に、光学層３０は、液晶分子を含む液晶層３１と、液晶層３１を挟む一対の配向膜３２及び３３と、配向膜３２及び３３上にそれぞれ形成された透光電極層（以下、単に電極層と称する）３４及び３５と、を有する。また、本実施例においては、電極層３５は、各々が円形状を有しかつ正三角格子状に配列された複数の開口部３５Ａを有する。

【0029】

また、光学層４０は、液晶分子を含む液晶層４１と、液晶層４１を挟む一対の配向膜４２及び４３と、配向膜４２及び４３上にそれぞれ形成された透光電極層（以下、単に電極層と称する）４４及び４５と、を有する。また、本実施例においては、電極層４５は、各々が円形状を有しかつ正三角格子状に配列された複数の開口部４５Ａを有する。

【0030】

なお、本実施例においては、電極層２４、３４及び４４の各々は、液晶層２１、３１及び４１の全面を覆うように形成されている。すなわち、本実施例においては、光学層２０は、液晶層２１を挟む一対の電極層２４及び２５のうち、一方の電極層２４が全面電極であり、他方の電極層２５がパターン電極である。同様に、光学層３０及び４０においても、電極層３４及び４４が全面電極であり、電極層３５及び４５がパターン電極である。

【0031】

なお、光学素子１２は、光学層２０〜４０の各々における電極層２４及び２５間、電極層３４及び３５間並びに電極層４４及び４５間に駆動電圧（駆動信号）を印加（供給）して光学層２０〜４０の各々を駆動する駆動回路（図示せず）を有する。

【0032】

まず、光学層２０の電極層２４及び２５間に駆動電圧が印加されると、液晶層２１における液晶分子の配向が変化する。また、電極層２５の開口部２５Ａと電極層２４とに挟まれた液晶層２１の領域においては液晶分子の配向が一様ではなくなる。

【0033】

従って、この電極層２５の開口部２５Ａと電極層２４とに挟まれた液晶層２１内の領域では屈折率が一様ではなくなる。これによって、液晶層２１における電極層２５の開口部２５Ａに対応する領域は、レンズ２０Ｌとして機能する。なお、電極層２４及び２５間に印加する電圧値を調節することで、液晶層２１内の屈折率分布、すなわちレンズ２０Ｌのレンズ形状を調節することができる。これによって、レンズ２０Ｌに入射した入射光Ｌ１の散乱角度分布を調節することができる。

【0034】

換言すれば、光学層２０のレンズ２０Ｌは、電極層２５の開口部２５Ａと電極層２４に挟まれた液晶層２１の領域内に形成される。同様に、光学層３０のレンズ３０Ｌは、電極層３５の開口部３５Ａと電極層３４とに挟まれた液晶層３１の領域内に設けられる。また、光学層４０のレンズ４０Ｌは、電極層４５の開口部４５Ａと電極層４４とに挟まれた液晶層４１の領域内に設けられる。

【0035】

また、図２Ｂに示すように、本実施例においては、光学層２０の電極層２５には、開口部２５Ａが設けられた領域である開口部領域Ａ１と、隣接する開口部２５Ａ間の領域である開口部間領域Ａ２とが設けられる。なお、この電極層２５の開口部領域Ａ１は、光学層２０におけるレンズ２０Ｌが設けられた領域、すなわちレンズ領域に対応する。また、電極層２５の開口部間領域Ａ２は、隣接するレンズ２０Ｌ間の領域であるレンズ間領域に対応する。

【0036】

また、本実施例においては、入射光Ｌ１の光軸ＡＸに沿った方向から見たとき、光学層２０の電極層２５の開口部間領域Ａ２上には、光学層３０の電極層３５の開口部３５Ａ又は光学層４０の電極層４５の開口部４５Ａが設けられている。従って、入射光Ｌ１の光軸ＡＸに沿った方向から見たとき、光学層２０におけるレンズ間領域Ａ２上には、他の光学層３０又は４０のレンズ３０Ｌ又は４０Ｌが形成されている。

【0037】

従って、図２Ａに示すように、入射光Ｌ１の光軸ＡＸに沿った方向、すなわち光学素子１２における入射光Ｌ１の入射面Ｓ１に垂直な方向から見たとき、入射光Ｌ１の入射領域Ｒ１内には、少なくとも１つのレンズ２０Ｌ、３０Ｌ又は４０Ｌが設けられている。従って、入射光Ｌ１は、必ずレンズ２０Ｌ〜４０Ｌのいずれかに入射することとなる。

【0038】

従って、入射光Ｌ１は、その全てが光学素子１２によって散乱Ｌ２となる。すなわち、入射光Ｌ１が光学層２０〜４０の各々をそのまま透過する（素通りする）ことが抑制される。従って、入射光Ｌ１を、高効率で、散乱光Ｌ２（本実施例においては表示光）として利用することができる。

【0039】

図３Ａ及び図３Ｂを用いて、光学層２０、３０及び４０の各々における電極層２５、３５及び４５の構成について詳細に説明する。まず、図３Ａに示すように、光学層２０における電極層２５の開口部２５Ａの各々は、直径Ｄの円形状を有し、ピッチＰで正三角格子状に配列されている。光学層３０における電極層３５の開口部３５Ａの各々、及び光学層４０における電極層４５の開口部４５Ａの各々は、電極層２５の開口部２５Ａと同様に、直径Ｄの円形状を有しかつピッチＰで正三角格子状に配列されている。

【0040】

また、図３Ｂに示すように、光学層３０の電極層３５の開口部３５Ａの各々は、光学層２０の電極層２５の開口部２５Ａの各々から、当該正三角格子の一辺に垂直な方向に距離Ｌだけオフセットされた位置に配置されている。また、光学層４０の電極層４５の開口部４５Ａの各々は、光学層３０の電極層３５の開口部３５Ａの各々から、距離Ｌだけオフセットされた位置に配置されている。また、光学層２０の電極層２５の開口部２５Ａの各々は、光学層４０の電極層４５の開口部４５Ａの各々から、距離Ｌだけオフセットされた位置に配置されている。

【0041】

ここで、各開口部２５Ａ、３５Ａ及び４５Ａの各々において、その直径Ｄ及び配列ピッチＰは、Ｄ≧（２／３）Ｐの関係を満たす。また、光学層２０及び３０の開口部２５Ａ及び３５Ａ間の距離Ｌ並びに光学層３０及び４０の開口部３５Ａ及び４５Ａ間の距離Ｌは、Ｌ＝（１／３^1/2）Ｐの関係を満たす。例えば、直径Ｄは約７５μｍ、ピッチＰは約１５０μｍである。

【0042】

これによって、図３Ｂに示すように、入射光Ｌ１の光軸ＡＸに沿った方向から見たとき、１つの開口部（例えば開口部２５Ａ）のみが設けられた領域すなわち１つのレンズのみが設けられた単一レンズ領域ＡＡと、当該単一レンズ領域ＡＡの周囲に設けられかつ複数のレンズが重なる複数レンズ領域ＡＢとが形成される。また、単一レンズ領域ＡＡは、全レンズ２０Ｌ〜４０Ｌの個数だけ設けられる。

【0043】

換言すれば、光学素子１２においては、光学層２０〜４０の各々における電極層２５〜４５は、互いに離間してマトリクス状に配列された複数の開口部２５Ａ〜４５Ａを有する。また、光学層２０に垂直な方向から見たとき、光学層２０〜４０のうちのいずれか１つの光学層における電極層の開口部のみが配置された領域ＡＡと、光学層２０〜４０のうちの少なくとも２つの光学層における電極層の開口部が重なる領域ＡＢとが設けられている。

【0044】

従って、光学素子１２から出力される散乱光Ｌ２は、単一レンズ領域ＡＡを通過した光と、複数レンズ領域ＡＢを通過した光とを含む。これによって、光学素子１２によって散乱された散乱光Ｌ２における解像度の低下が抑制され、かつノイズが抑制される。

【0045】

具体的には、単一レンズ領域ＡＡの個数は、表示光として出力される散乱光Ｌ２の解像度に対応する。従って、光学層２０〜４０の全体で単一レンズ領域ＡＡが各レンズ２０Ｌ〜４０Ｌの個数と同一個数だけ形成されることで、散乱光Ｌ２の解像度が保たれる。

【0046】

また、単一レンズ領域ＡＡの周囲に複数レンズ領域ＡＢが設けられることで、散乱光Ｌ２のノイズが大幅に低減される。具体的には、複数レンズ領域ＡＢを透過する光は、レンズ２０Ｌ、３０Ｌ及び４０Ｌのうちの少なくとも２つのレンズを通過した光であり、単一レンズ領域ＡＡを通過した光に比べて複雑な光路を進む。従って、複数レンズ領域ＡＢを通過した光は、単一レンズ領域ＡＡを通過した光に比べて大きく散乱する。従って、散乱光Ｌ２のノイズが大幅に低減される。例えばレーザ光を入射光Ｌ１として用いる場合、スペックルノイズが大幅に低減される。

【0047】

また、上記したように、光学層２０〜４０及び透光板１２Ａ〜１２Ｄは、その入射領域Ｒ１及び出射領域Ｒ２の各々間では全て透光性を有する部材からなる。従って、光学素子１２を透過型スクリーンとして用いた場合、スクリーンの表示領域の全域で明るい画像を視認することができる。

【0048】

また、本実施例においては、表示装置１０が光源１１としてレーザ光を走査して出射するレーザ光源を有する。すなわち、光学素子１２に入射される入射光Ｌ１は、レーザ光である。

【0049】

仮に、光学素子１２の入射領域Ｒ１に、レンズが設けられない領域、すなわち入射光Ｌ１の透過領域（非散乱領域）が設けられている場合、レーザ光がそのまま透過して観察者に向けて出射される場合がある。これによって、観察者の目が早期に疲労する場合がある。

【0050】

これに対し、本実施例においては、光学素子１２は、入射領域Ｒ１の全域にいずれかのレンズが配置される。従って、確実に散乱光Ｌ２のみを観察者に出射させることができ、観察者の目に疲労を与えにくい画像を表示させることができる。

【0051】

なお、本実施例においては、光学素子１２が３つの光学層２０〜４０が積層された構造を有する場合について説明した。しかし、光学素子１２の構成はこれに限定されない。例えば、光学素子１２は複数（少なくとも２つ）の光学層、例えば光学層２０及び３０のみから構成されていてもよい。

【0052】

この場合、例えば光学層２０の電極層２５がマトリクス状に配列された複数の開口部２５Ａを有し、光学層３０の電極層３５は入射光Ｌ１の光軸ＡＸに沿った方向において光学層２０における電極層２５の開口部間領域Ａ２に重なるように配置されていればよい。この場合、電極層３５の開口部３５Ａの形状は円形状に限定されない。

【0053】

また、本実施例においては、電極層２５、３５及び４５の各々が同一直径Ｄかつ同一ピッチＰの円形状の開口部２５Ａ、３５Ａ及び４５Ａを有する場合について説明した。しかし、電極層３５及び４５における開口部３５Ａ及び４５Ａの各々は、全体として、電極層２５の開口部間領域Ａ２を埋めるように、また電極層２５の開口部領域Ａ１に部分的に重なるように配置されていればよい。従って、開口部２５Ａ、３５Ａ及び４５Ａは互いに異なるサイズ及び配置構成を有していてもよい。

【0054】

また、本実施例においては、開口部２５Ａの各々が正三角格子状に配列される場合について説明した。しかし、開口部２５Ａの配置構成はこれに限定されない。例えば、開口部２５Ａの各々は、正方格子状に配列されていてもよい。すなわち、光学層２０は、電極層２５（一対の電極層２４及び２５の一方）がマトリクス状に配列された複数の開口部２５Ａを有していればよい。

【0055】

なお、本実施例においては、光学層２０〜４０の各々においては、全面電極（電極層２４、３４及び４４）と、パターン電極（電極層２５、３５及び４５）とが交互に積層された構造を有する。具体的には、例えば、光学層２０及び３０間においては、入射光Ｌ１の入射面Ｓ１側から、電極層２４（全面電極）、電極層２５（パターン電極）、電極層３４（全面電極）及び電極層３５（パターン電極）が交互に形成されている。

【0056】

すなわち、本実施例においては、パターン電極間の各々に全面電極が介在している。これによって、光学層２０における液晶層２１が、他の光学層のパターン電極（例えば光学層３０の電極層３５）によって印加された電位の影響を受けることが抑制される。従って、正確に液晶層２１の液晶分子の配向制御を行うことができ、所望のレンズを構成することができる。

【0057】

上記したように、光学素子１２は、各々が、液晶層（液晶層２１〜４１）、当該液晶層を挟む一対の配向膜（配向膜２２及び２３、３２及び３３並びに４２及び４３）及び当該一対の配向膜上に形成された一対の透光電極層（電極層２４及び２５、３４及び３５並びに４４及び４５）を含む複数の光学層２０〜４０を有する。

【0058】

また、光学層２０〜４０のうち、１の光学層２０における一対の透光電極層の一方（電極層２５）は、マトリクス状に配列された複数の開口部２５Ａを有し、光学層２０〜４０のうちの他の光学層３０又は４０における一対の透光電極層の一方（電極層３５又は４５）は、当該１の光学層２０に垂直な方向から見たとき、当該１の光学層２０における一方の透光電極層２５の開口部間領域Ａ２に重なるように配置された複数の開口部３５Ａ又は４５Ａを有する。

【0059】

従って、高い利用効率でかつノイズの発生を抑制しつつ入射光Ｌ１の光学処理を行うことが可能な光学素子１２を提供することができる。

【実施例2】

【0060】

図４Ａは、実施例２に係る光学素子１４の平面図である。図４Ａは、光学素子１４における入射光Ｌ１の入射面Ｓ１を模式的に示す平面図である。また、図４Ｂは、光学素子１４の模式的な断面図である。図４Ｂは、図４ＡのＷ−Ｗ線に沿った断面図である。図４Ａ及び図４Ｂを用いて、光学素子１４の構成について説明する。

【0061】

光学素子１４は、２つの光学層（第１及び第２の光学層）２０及び３０を有する。本実施例においては、光学層２０及び３０の各々は、光学素子１２と同様に、それぞれ、マトリクス状に配列された複数のレンズ部２０Ｌ及び３０Ｌを有する。

【0062】

具体的には、図４Ｂに示すように、光学層２０は、電圧の印加によりレンズ部２０Ｌを形成する電極層２５を有し、当該電極層２５はマトリクス状に配列された複数の開口部２５Ａを有する。また、光学層３０は、マトリクス状に配列された複数の開口部３５Ａを有する電極層３５を有する。また、本実施例においては、光学層３０における電極層３５の開口部３５Ａは、光学層２０に垂直な方向から見たとき、光学層２０における電極層２５の開口部２５Ａの開口部間領域Ａ２１に配置されている。

【0063】

本実施例においては、光学素子１４は、光学層２０の開口部間領域Ａ２１と、光学層３０における電極層３５の開口部３５間に設けられた開口部間領域Ａ２２とが重なる領域（重複開口部間領域）Ａ３に設けられた遮光層５０を有する。例えば、遮光層５０は、入射光Ｌ１を吸収する材料、例えば樹脂材料からなる。

【0064】

すなわち、図４Ａに示すように、光学素子１４は、２つの光学層２０及び３０におけるレンズ２０Ｌ及び３０Ｌのどちらにも重ならない領域に遮光層５０が設けられている。従って、２つの光学層２０及び３０、すなわち２つのマイクロレンズアレイのレンズ間領域が重複する部分は遮光されている。

【0065】

本実施例のように、例えば円形状のレンズ２０Ｌ及び３０Ｌをマトリクス状に配置して積層した場合、光学層２０及び３０のレンズ間領域が重なる部分（開口部間重複領域Ａ３）が生じ得る。従って、このレンズ間領域においては、入射光Ｌ１が素通りする。従って、純粋な散乱光Ｌ２を得られない場合がある。

【0066】

これに対し、本実施例においては、この光学層２０及び３０における開口部間領域Ａ２２及びＡ２３が重複した重複開口部間領域Ａ３に遮光層５０が設けられている。従って、入射光Ｌ１がそのまま光学素子１４から出射されることが抑制される。従って、光学層２０及び３０が入射光Ｌ１を散乱させて所望の散乱光Ｌ２を得られる場合には、遮光層５０によって入射光Ｌ１の透過を抑制することで、高い利用効率でかつノイズの発生を抑制しつつ入射光Ｌ１の光学処理を行うことが可能となる。

【0067】

上記したように、本実施例においては、光学素子１４は、各々が、液晶層（液晶層２１及び３１）、当該液晶層を挟む一対の配向膜（配向膜２２及び２３並びに３２及び３３）及び当該一対の配向膜上に形成された一対の透光電極層（電極層２４及び２５並びに３４及び３５）を含む第１及び第２の光学層２０及び３０と、遮光層５０とを有する。

【0068】

また、第１の光学層２０における一対の透光電極層の一方（電極層２５）は、マトリクス状に配列された複数の開口部２５Ａを有し、第２の光学層３０における一対の透光電極層の一方（電極層３５）は、第１の光学層２０に垂直な方向から見たとき、第１の光学層２０における一方の透光電極層２５の開口部間領域Ａ２１に重なるように配置された複数の開口部３５Ａを有する。

【0069】

また、遮光層５０は、第１の光学層２０に垂直な方向から見たとき、第１及び第２の光学層２０及び３０における電極層２５及び３５の開口部間領域Ａ２１及びＡ２２が重なる領域Ａ３に配置されている。従って、高い利用効率でかつノイズの発生を抑制しつつ入射光Ｌ１の光学処理を行うことが可能な光学素子１４を提供することができる。

【実施例3】

【0070】

図５は、実施例３に係る光学装置１５の構成を模式的に示す図である。光学装置１５は、上記した実施例１に係る光学素子１２が互いに離間して複数個（本実施例においては３つ）配置された構造を有する。また、光学装置１５は、複数の光学素子１２の各々を選択的に駆動する駆動回路１５Ａを有する。

【0071】

すなわち、光学装置１５は、入射光Ｌ１の光軸ＡＸに沿った方向において互いに離間して配置された複数の光学素子１２及び複数の光学素子１２を選択的に駆動する駆動回路１５Ａを有する。

【0072】

本実施例においては、駆動回路１５Ａは、光学素子１２の各々における各電極層に接続されている。また、駆動回路１５Ａは、光学素子１２の各々に駆動信号（駆動電圧）を供給する。また、駆動回路１５Ａは、本実施例においては、３つの光学素子１２のうちのいずれか１つを駆動させる（レンズ動作を行わせる）ように構成されている。

【0073】

例えば、光学装置１５は、実施例１に係る表示装置１０において光学素子１２に代えて搭載されることができる。この場合、光学装置１５は、駆動される光学素子１２（被駆動素子）を切替えることで、当該被駆動素子に対応する虚像ＶＩを表示することができる。例えば、光源１１が光学装置１５への入射光Ｌ１として映像光を出射した場合、奥行き方向において当該被駆動素子に対応する位置に結像された複数の画像を選択的に表示（投影）させることができる。従って、光学装置１５は、任意の位置に画像及び映像を表示させることができる。

【0074】

また、例えば、３つの光学素子１２を順次駆動し、また、入射光Ｌ１を被駆動素子に合わせて切替えるように光源１１を駆動することで、奥行き方向において複数の画像が重なり合うように虚像ＶＩを表示させることができる。従って、観察者は、奥行きのある画像及び映像を視認することができる。

【0075】

このように、本実施例においては、光学装置１５は、外部からの入射光Ｌ１の光軸ＡＸに沿った方向において互いに離間する複数の光学素子１２と、複数の光学素子１２の各々を選択的に駆動する駆動回路１５Ａとを有する。

【0076】

また、光学素子１２の各々は、液晶層（液晶層２１〜４１）、当該液晶層を挟む一対の配向膜（配向膜２２及び２３、３２及び３３並びに４２及び４３）及び当該一対の配向膜上に形成された一対の透光電極層（電極層２４及び２５、３４及び３５並びに４４及び４５）を各々が含む複数の光学層２０〜４０を有する。

【0077】

また、光学層２０〜４０のうちの１の光学層２０における一対の透光電極層の一方（電極層２５）は、マトリクス状に配列された複数の開口部２５Ａを有し、光学層２０〜４０のうちの他の光学層３０又は４０における一対の透光電極層の一方（電極層３５又は４５）は、当該１の光学層２０に垂直な方向から見たとき、当該１の光学層２０における一方の透光電極層２５の開口部間領域Ａ２に重なるように配置された複数の開口部３５Ａ又は４５Ａを有する。

【0078】

従って、高い利用効率でかつノイズの発生を抑制しつつ入射光Ｌ１の光学処理を行うことが可能な光学装置１５を提供することができる。

【符号の説明】

【0079】

１０ 表示装置
１１ 光源
１２、１４ 光学素子
２１、３１、４１ 液晶層
２５、３５、４５ 透光電極層
２５Ａ、３５Ａ、４５Ａ 開口部
Ａ２、Ａ２１、Ａ２２ 開口部間領域
Ａ３ 重複開口部間領域
５０ 遮光層
１５Ａ 駆動回路

【図1】

【図2A】

【図2B】

【図3A】

【図3B】

【図4A】

【図4B】

【図5】