JP2003066405A - 光路偏向素子、画像表示装置および光路偏向素子の制御方法 - Google Patents

光路偏向素子、画像表示装置および光路偏向素子の制御方法

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JP2003066405A JP2001258824A JP2001258824A JP2003066405A JP 2003066405 A JP2003066405 A JP 2003066405A JP 2001258824 A JP2001258824 A JP 2001258824A JP 2001258824 A JP2001258824 A JP 2001258824A JP 2003066405 A JP2003066405 A JP 2003066405A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 画像表示素子の画素数を見かけ上増大する
と共に、画素の色の違いによって透過光偏向量に偏差が
生じることに起因する色ずれを解消する。 【解決手段】 光源駆動手段111で制御されて光源
である白色ランプ121から放出された光は、拡散板1
22により均一化された照明光となり、コンデンサレン
ズ123により画像表示素子である透過型液晶ライトバ
ルブ124をクリティカル照明する。この透過型液晶ラ
イトバルブ124で空間光変調された照明光は、画像光
として投射レンズ126で拡大され、スクリーン127
上に投射される。ここで、透過型液晶ライトバルブ12
4の後方に配置された光路偏向素子125に印加される
電圧を、光路偏向電圧制御手段113により制御するこ
とで、画像光が画素の配列方向に任意の距離だけシフト
する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、光路偏向素子、画
像表示装置および光路偏向素子の制御方法に関し、特
に、透明電極に制御電圧を印加することにより液晶分子
の偏光率を変えて光路を偏向させる光路偏向素子と、そ
の光路偏向素子を利用した画像表示装置および光路偏向
素子の制御方法に関する。
【0002】
【従来の技術】ところで、従来の光路偏向素子を使用し
た画像表示装置においては、例えば、液晶を使用する場
合などで、光路偏向素子ユニットの画素数を増大する
と、開口率が悪化したり、輝点欠点が発生したりして、
生産時の歩留りを低下させることとなり、これにより、
コストが増大することが避けられなかった。そこで、実
際には、光路偏向素子ユニットの画素数を増大すること
なく、見かけ上の画素数の増大を図り、かつ、同時に、
表示画面上でのコントラストも向上させる様々な技術が
案出されている。従来の光路偏向素子の制御方法 およ
び画像表示装置に関する技術を、特許公報を対象として
遡及調査すると、例えば、特許第2939826号公報
には、表示素子に表示された画像を投写光学系によりス
クリーン上に拡大投影する投影表示装置において、前記
表示素子から前記スクリーンに至る光路の途中に透過光
の偏光方向を旋回できる光学素子を少なくとも1個以上
と、複屈折効果を有する透明素子を少なくとも1個以上
を有して成る投影画像をシフトする手段と、前記表示素
子の開口率を実効的に低減させ、表示素子の各画素の投
影領域が前記スクリーン上で離散的に投影される手段と
を備えたことを特徴とする技術が示されている。
【0003】また、特開平6−324320号公報に
は、縦方向 および横方向に配列された複数個の画素の
各々を表示画素パターンに応じて発光させて画像を表示
する画像表示手段を備え、この画像表示手段と観測者ま
たはスクリーンとの間に、光路をフィールドごとに変更
する光学部材を配し、前記フィールド毎に、前記光路の
変更に応じて表示位置がずれている状態の表示画素パタ
ーンを前記画像表示手段に表示することにより、LCD
(液晶ディスプレイ)等で構成された画像表示装置の画
素数を増加させることなく、表示画像の解像度を、見掛
け上、向上させる技術が示されている。この場合、屈折
率が異なる部位が、画像情報のフィールドごとに、交互
に、画像表示装置と観測者またはスクリーンとの間の光
路中に現れるようにすることで、前記光路の変更が行わ
れる。また、特開平8−29779号公報には、低解像
度の表示素子を使用して高精細な画像を表示可能にする
と共に、コントラストを改善するための偏光スクリーン
上でのコントラストの改善を図る技術が示されている。
この場合、フィールド毎にLCDからの表示光の偏波面
を第1の偏波面回転素子により回転させ、複屈折光学素
子を通過させて一方のフィールドの光路を他方に対して
シフトさせ、見かけ上の画素を増大させる。
【0004】さらに、前記複屈折光学素子の後段に第2
の偏波面回転素子を配置することにより、前記複屈折光
学素子から出射された偏波面が回転された一方のフィー
ルドの表示光の偏波面を逆に回転させて、その偏波面を
通常の垂直に戻している。さらに、特開平10−550
29号公報には、1フレームの画像を複数フィールドに
分割して表示させる投射型表示装置に関し、画素数の少
ない光変調素子を用いても光の透過率やコントラストを
低下させずに簡単な構成で時分割表示を行い、高解像度
で画像を表示できる投射型表示装置が示されている。こ
の場合、光変調素子に供給するフィールド信号に同期さ
せてアクチュエータを駆動させることにより、マイクロ
レンズアレイに入射する光の光軸に直交する水平/垂直
方向にマイクロレンズアレイを移動 または振動させ
る。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】一方、前述の光路偏向
素子の制御方法 および画像表示装置の従来技術では、
通常、液晶材料は波長によって屈折率が異なる性質、即
ち、波長分散特性があるため、光学素子(光路偏向素
子)として液晶材料を用いた場合に、上記光学素子へ入
射される入射光の波長により、光路シフト量が変動し、
そのためスクリーン上に投射される表示画像の色にドッ
トの位置ずれが生じるといった問題点を有していた。な
お、前述の特開平第2939826号公報の「投影表示
装置」では、光の波長により投影画像のシフト量が変動
し解像度が低下し易くなる。また、特開平6−3243
20号公報の「画像表示装置、画像表示装置の解像度改
善方法、撮像装置、記録装置 および再生装置」では、
光路を変更するための具体的な手段として、電気光学素
子と複屈折材料の組合わせ機構、レンズシフト機構、バ
リアングルプリズム、回転ミラー、回転ガラス等から成
る装置が示されており、この他に、ボイスコイル、圧電
素子等によりレンズ、反射板、複屈折板等の光学素子を
変位(平行移動、傾斜)させて光路を切り替える方式を
提案しているが、これらの装置や方式では、光学素子を
駆動するために構成が複雑となり、従って、コストが高
くなる。
【0006】また、特開平8−29779号公報の「偏
光回転による光学ウォブリング表示装置」では、複屈折
光学素子に加えて、複屈折光学素子の後段の第2の偏波
面回転素子が必要となるので、コストが増大する。ま
た、特開平10−55029号公報の「投射型表示装
置」では、光路変調手段として、入射光の光軸に直交す
る水平/垂直方向にマイクロレンズアレイを物理的に移
動 または振動させるため、振動、音の発生が問題とな
る。さらに、特開平10−55029号公報の本文中に
は、「本実施の形態では複数画素に対応したマイクロレ
ンズアレイ4を移動変化させたが、光変調素子の隣接す
る複数画素からの出射光をそれぞれの口径内に含む複数
の集光光学素子を隣接配置した集光手段と、集光手段に
より離散的にされた投射画像を補間するように投射領域
を変更する手段があればよいので、例えば文献(「佐藤
進;液晶を利用した焦点可変レンズ」,光技術コンタク
ト,Vol32,No.11,p.24〜p.28,1
994)に開示されているような液晶レンズを利用し、
フィールド信号に同期させて選択的に電圧を印加してレ
ンズの形成位置を変化させるようにしてもよい」、とい
う記載がある。
【0007】但し、上記文献に記載の円形穴形パターン
を持つ液晶マイクロレンズアレイでは、光軸方向での焦
点距離を変化させることは比較的容易であるが、レンズ
アレイの配列方向で集光位置を変化させることは出来な
い。なお、この点を解決する技術として、レンズの配列
面方向での集光位置を制御する技術として特開平11−
109304号公報に分割電極による方法が開示されて
いる。しかしながら、分割電極を有する液晶レンズをア
レイ状とした場合、電極配線が複雑となるため、レンズ
形成の間隔を比較的広く設定しなければならない。それ
故、特開平11−109304号公報で開示されている
ような半導体レーザーアレイと複数の光ファイバーの結
合を用いる場合のように、レンズの設置間隔が比較的広
くても良い場合には適しているが、特開平10−550
29号公報に示されている画像表示素子の画素ピッチの
ように、レンズ形成の間隔が比較的狭い場合には、レン
ズ形成部の開口率が小さくなってしまうといった問題点
を有していた。
【0008】本発明は、上述した事情に鑑みてなされた
もので、透明電極へ印加する電圧を制御して透過光の波
長域に対応した光路シフトを行ない、表示画素を見かけ
上増大すると共に光路のシフト量を均一に保つことがて
きる光路偏向素子を提供することを目的としている。本
発明の請求項1の目的は、特に、光の波長分散を補正
し、光路シフト量を一定にすることができる光路偏向素
子を提供することにある。本発明の請求項2の目的は、
特に、光路偏向素子に時間的に異なる波長域の波長が入
射してくる場合でも光路シフト量を均一にする光路偏向
素子を提供することにある。本発明の請求項3の目的
は、特に、光路偏向素子に空間的に異なる波長が入射し
てくる場合でも、光路シフト量を一定にする光路偏向素
子を提供することにある。
【0009】本発明の請求項4の目的は、特に、空間的
に分割して異なる波長が入射してくる場合でも、光路シ
フト量を一定にする光路偏向素子を提供することにあ
る。本発明の請求項5の目的は、特に、入射側画素の画
素ピッチよりも高い解像度で透過光偏向量の制御を行う
ことができると共に、表示画像の色によるドットの位置
ずれを補正し得る光路偏向素子を提供することにある。
本発明の請求項6の目的は、特に、フィールド・シーケ
ンシャル方式を用いた場合でも表示画像の色によるドッ
トの位置ずれを補正し、且つ比較的小型な画像表示装置
を提供することにある。 本発明の請求項7の目的は、
特に、表示画像の色の違いによるドットの位置ずれを補
正し得ると共に、表示画像の画素数を見掛け上増倍し得
る光路偏向素子の制御方法を提供することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】請求項1に記載した本発
明に係る光路偏向素子は、上記した目的を達成するため
に、一対の透明基板と、前記一対の透明基板間の液晶層
と、前記液晶層に電界を印加する透明電極を有する光路
偏向素子において、前記液晶層への入射光の波長域に対
応して、複数個の前記透明電極の各々に異なる印加電圧
を印加する光路偏向電圧制御手段を備えたことを特徴と
している。また、請求項2に記載した本発明に係る光路
偏向素子の前記光路偏向電圧制御手段は、複数の異なる
波長域の光が時間的に順次切り替わりながら光路偏向素
子に入射するとき、各波長域に対応して、印加電圧の値
を時間的に順次切り替えるように構成したことを特徴と
している。請求項3に記載した本発明に係る光路偏向素
子は、上記目的を達成するために、一対の透明基板と、
前記一対の透明電極間の液晶層と、前記液晶層に電界を
印加する透明電極を有し、複数の異なる波長域の光が空
間的に分布した状態で入射する光路偏向素子において、
各波長域に対応した複数領域が形成され、前記領域毎に
異なる光路偏向条件を設定する条件設定手段を有するこ
とを特徴としている。
【0011】請求項4に記載した本発明に係る光路偏向
素子の前記条件設定手段は、前記領域毎に異なる印加電
圧を設定する光路偏向電圧制御手段を有することを特徴
としている。請求項5に記載した本発明に係る画像表示
装置は、上記した目的を達成するために少なくとも画像
情報に従って、光を制御可能な複数の画素を二次元的に
配列した画像表示素子と、前記画像表示素子を照明する
光源と、前記画像表示素子に表示した画像パターンを観
察するための光学部材と、画像フィールドを時間的に分
割した複数のサブフィールド毎に前記画像表示素子と前
記光学部材の間の光路を偏向する請求項1、2、3また
は4に記載される光路偏向素子を有し、サブフィールド
毎の光路の偏向に応じて表示装置がずれている状態の画
像パターンを表示することで、前記画像表示素子の見か
け上の画素数を増倍すると共に表示画像の色によるドッ
トの位置ずれを補正して表示するように構成したことを
特徴としている。
【0012】請求項6に記載した本発明に係る画像表示
装置は、複数の異なる波長域の光を時間的に順次切り替
えながら前記画像表示素子に照射する光源または波長切
替手段を有し、各波長に対応する画像信号を用いて前記
画像表示素子を駆動することでカラー画像を得る画像表
示装置において、前記各波長の切替えタイミングに同期
させて、光路偏向素子の印加電圧を変化する光路偏向電
圧制御手段を有することを特徴としている。また、請求
項7に記載した本発明に係る光路偏向素子の制御方法
は、上記した目的を達成するために、一対の透明基板
と、前記透明基板間の液晶層と、前記液晶層に電界を印
加する透明電極を備えた光路偏向素子の制御方法におい
て、前記透明電極に印加する印加電圧の電圧値を、前記
液晶層と前記透明電極とを通過する液晶光の波長域に対
応させて制御することを特徴としている。
【0013】
【作用】すなわち、本発明の請求項1による光路偏向素
子は、一対の透明基板と、前記一対の透明基板間の液晶
層と、前記液晶層に電界を印加する透明電極を有する光
路偏向素子において、前記液晶層への入射光の波長域に
対応して、光路偏向電圧制御手段により複数個の前記透
明電極の各々に異なる電圧を印加するようにしている。
このような構成により、光路偏向素子の偏向特性を入射
光の各波長域で別々に設定し、各波長域毎の光の波長分
散を補正しているので、光路シフト量を一定にすること
ができる。また、請求項2による光路偏向素子の前記光
路偏向電圧制御手段は、複数の異なる波長域の光が時間
的に順次切り替わりながら光路偏向素子に入射すると
き、各波長域に対応して、印加電圧の値を時間的に順次
切り替えるように構成してある。このような構成によ
り、入射光の各波長域が時間分割されて入射するとき、
その各波長に対応して印加電圧の値を切り替えるので、
各波長域における光路シフト量を、確実に均一にするこ
とができる。
【0014】また、請求項3による光路偏向素子は、一
対の透明基板と、前記一対の透明電極間の液晶層と、前
記液晶層に電界を印加する透明電極を有し、複数の異な
る波長域の光が空間的に分布した状態で入射する光路偏
向素子において、条件設定手段により、各波長域に対応
した複数領域が形成され、前記領域毎に異なる光路偏向
条件を設定できるように構成してある。このような構成
により、入射光の各波長域に対応した複数領域での光路
偏向が一定になるような条件が光路偏向素子に設定され
ているので、光路シフト量を一定にすることができる。
また、請求項4による光路偏向素子における前記条件設
定手段は、前記領域毎に異なる印加電圧を設定する光路
偏向電圧制御手段を有している。このような構成によ
り、入射光の各波長域に対応した複数領域での光路偏向
が一定になるような条件が光路偏向素子に設定されてい
るので、光路シフト量を一定にすることができる。
【0015】また、請求項5による画像表示装置は、少
なくとも画像情報に従って、光を制御可能な複数の画素
を二次元的に配列した画像表示素子と、前記画像表示素
子を照明する光源と、前記画像表示素子に表示した画像
パターンを観察するための光学部材と、画像フィールド
を時間的に分割した複数のサブフィールド毎に前記画像
表示素子と前記光学部材の間の光路を偏向する請求項
1、2、3または4に記載される光路偏向素子を有し、
サブフィールド毎の光路の偏向に応じて表示装置がずれ
ている状態の画像パターンを表示することで、前記画像
表示素子の見かけ上の画素数を増倍すると共に表示画像
の色によるドットの位置ずれを補正して、表示するよう
に構成してある。このような構成により、光路偏向素子
への入射光の波長域に対応した電圧を該光路偏向素子に
印加させ、光路シフト量を一定にすることが可能な光路
偏向素子を有しているので、表示画像の画素数を増倍
し、かつ表示画像の色によるドットの位置ずれを補正す
ることができる。
【0016】また、請求項6による画像表示装置は、複
数の異なる波長域の光を時間的に順次切り替えながら前
記画像表示素子に照射する光源または波長切替え手段を
有し、各波長に対応する画像信号を用いて前記画像表示
素子を駆動することでカラー画像を得る画像表示装置に
おいて、光路偏向電圧制御手段により前記各波長の切替
えタイミングに同期させて、光路偏向素子の印加電圧を
変化するように構成してある。このような構成により、
フィールドシーケンシャル方式により、光路偏向素子へ
の入射光の各波長域が時間分割され、その各波長に対応
して印加電圧の値を切り替えて、光路シフト量を均一に
保つ光路偏向素子を有しているので、表示画像の色によ
るドットの位置ずれを補正し、且つ装置を小型化するこ
とができる。また、請求項7による光路偏向素子の制御
方法は、一対の透明基板と、前記透明基板間の液晶層
と、前記液晶層に電界を印加する透明電極を有する光路
偏向素子の制御方法において、前記透明電極に印加する
印加電圧の電圧値を、前記液晶層と前記透明電極とを通
過する液晶光の波長域に対応させて制御する。このよう
な構成により、表示画像の画素数を見掛け上増倍し、且
つ表示画像の色の違いによるドットの位置ずれを補正す
ることができる。
【0017】尚、本発明は、つぎのように構成してもよ
い。すなわち、本発明の光路偏向素子は、一対の透明基
板と、前記透明基板間の液晶層と、前記液晶層に電界を
印加する透明電極とを備えた光路偏向素子において、前
記透明電極は、液晶層側に接するように設置する。この
ような構成により、液晶層に制御用の電界作用を効果的
に及ぼすことができる。本発明の光路偏向素子は、前記
透明電極を前記一対の透明基板の少なくともいずれか1
つの面上に設置し、かつ入射側画素の画素ピッチに対応
してアレイ状に形成する。このような構成により、入射
側画素の画素ピッチを維持する解像度で透過光偏向量の
制御を行うことができる。本発明の光路偏向素子は、前
記透明電極が前記一対の透明基板の少なくともいずれか
1つの面上に設置し、かつ前記透明電極のピッチは入射
側画素の画素ピッチの整数倍、または整数分の1に一致
して形成する。このような構成により、入射側画素の画
素ピッチを基準とする望みの解像度で透過光偏向量の制
御を行うことができる。
【0018】本発明の光路偏向素子は、前記透明電極を
前記一対の透明基板の少なくともいずれか1つの面に接
して設置し、かつ複数本の透明電極ラインは一組として
配置し、かつ透明電極ラインの組は、入射側画素の画素
ピッチに対応して形成する。このような構成により、入
射側画素の画素ピッチよりも高い解像度で透過光偏向量
の制御を行うことができる。本発明の光路偏向素子は、
前記透明基板に導電性を付与し、かつ前記透明電極を前
記透明基板で代用する。このような構成により、コスト
を低減することができる。本発明の光路偏向素子は、前
記液晶層の液晶分子が、前記液晶層が無電界の場合に前
記透明基板に沿って平行となるように予めホモジニアス
配向処理される。このような前処理により、透過光偏向
量の制御を容易に実行することができる。本発明の光路
偏向素子の制御方法は、前記透明電極に印加する印加電
圧の電圧値を、前記液晶層と前記透明電極とを通過する
液晶光の周波数の増大に対応して増大させる。このよう
な構成により、表示画像の色の違いによるドットの位置
ずれを簡単な電圧制御手段で補正することができる。
【0019】本発明の光路偏向素子の制御方法は、前記
透明電極に印加する印加電圧の電圧値を、前記領域毎に
設定される光路偏向条件に対応させて制御する。このよ
うな構成により、前記領域毎の光路の物理的な特性を考
慮すると共に、前記領域毎の入射光の波長域に対応させ
て透過光偏向量を均一に制御することができる。さら
に、本発明の画像表示装置は、複数の画素を有する画像
表示素子に表示された画像を、透過光を偏向させる光路
偏向素子を介してスクリーンに上に拡大表示する画像表
示装置において、前記光路偏向素子内を透過する光の光
路を複数のサブフィールドに分割すると共に、前記サブ
フィールド内を透過する光の偏向量を、前記光の波長に
応じて制御する光路偏向電圧制御手段を有する。このよ
うな構成により、画像表示素子が表示する画像を、画像
表示素子の画素ピッチを基準とする望みの解像度で、ス
クリーンに表示する画像表示装置を実現することができ
る。また、本発明の画像表示装置は、前記光路偏向素子
内を透過する光の波長の切替タイミングに同期させて、
前記制御用電圧の電圧値を変化させる。このような構成
により、表示画像の画素数を見かけ上増倍し、かつ表示
画像の色の違いによるドットの位置ずれを補正する画像
表示装置を実現することができる。
【0020】本発明の画像表示装置は、前記画像表示装
置において複数の異なる波長域の光を時間的に順次切り
替えながら前記画像表示素子に照射する光源または波長
域切替手段と、前記波長域に対応する画像信号を用いて
前記画像表示素子を駆動する表示駆動手段とを備える。
このような構成により、いわゆるフィールドシーケンシ
ャル方式を採用した画像表示素子からの表示画像の色の
違いによるドットの位置ずれを補正し、かつ装置を小型
化することができる。本発明の画像表示装置は、前記光
路偏向素子が、前記サブフィールドに対応した制御用電
圧の電圧値に応じて、前記サブフィールドを透過する光
の偏向量を変化させる光路偏向電圧制御手段を有する。
このような構成により、前記サブフィールド毎の光路の
物理的な特性を考慮すると共に、前記サブフィールド毎
の入射光の波長域に対応させた透過光偏向量の制御が可
能な画像表示装置を実現することができる。
【0021】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態に基づ
き、図面を参照して本発明の光路偏向素子および画像表
示装置を説明する。図1は、本発明の第1の実施の形態
に係る画像表示装置の要部の構成を示す構成図である。
図1に示す画像表示装置は、光源駆動手段111、表示
駆動手段112、光路偏向電圧制御手段113、画像表
示制御回路114、白色ランプ121、拡散板122、
コンデンサレンズ123、透過型液晶ライトバルブ12
4、光路偏向素子125、投射レンズ126およびスク
リーン127を具備している。このうち、光源駆動手段
111は、光源である白色ランプ121を駆動制御した
り、複数の異なる波長域の光を時間的に順次切り替えな
がら、透過型液晶型ライトバルブ124に照射するよう
に制御する。また、表示駆動手段112は、画像表示素
子である透過型液晶ライトバルブ124を駆動制御し、
例えば、各波長に対応する画像信号を用いて上記ライト
バルブ124を駆動制御する。さらに、光路偏向電圧制
御手段113は、光路偏向素子125に印加される電圧
を制御する。
【0022】例えば液晶層313への入射光の波長域に
対応して複数個の透明電極アレイ312の各々に異なる
電圧を印加する。また、画像表示制御回路114は、光
源駆動手段111、表示駆動手段112、光路偏向電圧
制御手段113の駆動タイミングを制御する。なお、白
色ランプ121は、バックライト、即ち、画像表示素子
である透過型液晶ライトバルブ124を照明するための
光源として機能する。また、拡散板122は、白色ラン
プ121から放出された光を均一化された照明光に変換
する。さらに、コンデンサレンズ123は、拡散板12
2で得られた照明光が、透過型液晶ライトバルブ124
をクリティカルに照明できるような照明光に変換する。
透過型液晶ライトバルブ124は、コンデンサレンズ1
23で得られた照明光を画像光に変換する画像表示素子
として機能する。また、光路偏向素子125は、透過型
液晶ライトバルブ124で得られた画像光を、画素の配
列方向に任意の距離だけシフトする。さらに、光学部材
としての投射レンズ126は、光路偏向素子125を通
過した画像光を拡大し、スクリーン127に投射する。
スクリーン127は、投射レンズ126を通過した画像
光を映像に変換する。
【0023】なお、第1の実施の形態では、光源として
白色ランプ121を示しているが、一般に、光源として
白色あるいは任意の色の光を高速にON/OFFできる
ものならば全て用いることが可能である。例えば、LE
D(発光ダイオード)ランプや、レーザー光源、白色の
ランプ光源にシャッターを組合わせたものなどを用いる
ことが可能である。また、この第1の実施の形態では、
画像表示素子として透過型液晶ライトバルブ124を示
しているが、一般に、本発明には、画像表示素子とし
て、透過型液晶ライトバルブの他に、反射型液晶ライト
バルブや、DMD(Digital Micromirror Device)素子
などを用いることが可能である。さらに、光源から出た
光を均一に画像表示装置に照射する装置としては、本実
施の形態で示している拡散板122、コンデンサレンズ
123の他に、フライアレンズを使用することも可能で
ある。
【0024】以下、第1の実施の形態に係る画像表示装
置の機能をさらに詳細に説明する。電源または波長切替
手段を有する光源駆動手段111で制御されて光源であ
る白色ランプ121から放出された光は、拡散板122
により均一化された照明光となり、コンデンサレンズ1
23により画像表示素子である透過型液晶ライトバルブ
124をクリティカル照明する。この透過型液晶ライト
バルブ124で空間光変調された照明光は、画像光とし
て投射レンズ126で拡大され、スクリーン127上に
投射される。ここで、透過型液晶ライトバルブ124の
後方に配置された光路偏向素子125に印加される電圧
を、光路偏向電圧制御手段(以下、「電圧制御手段」と
略称することがある)113により制御することで、画
像光が画素の配列方向に任意の距離だけシフトする。こ
の第1の実施の形態では、透過型液晶ライトバルブ12
4の直後に光路偏向素子125を配しているが、本発明
では、一般に、光路偏向素子125を配する位置は、前
述の位置には限定されず、例えば、スクリーン127の
直前などに配置してもよい。但し、スクリーン127の
付近に配置する場合には、光路偏向素子125のサイズ
や、光路偏向素子125の構成要素である透明電極ピッ
チ(図示は省略)などは、その位置での画面サイズや画
素サイズに応じて設定されるので、大型化、高コスト化
を来たすことになる。
【0025】いずれの場合であっても、画像光のシフト
量は、画素ピッチの整数分の1であることが好ましい。
例えば、画素の配列方向に対して2倍の画像増倍を行う
場合は、画素ピッチの1/2に設定し、3倍の画素増倍
を行う場合は、画素ピッチの1/3に設定することが好
ましい。また、光路偏向電圧制御手段113の構成によ
って大きいシフト量が得られる場合には、このシフト量
を画素ピッチの(整数倍+整数分の1)の長さに設定し
てもよい。いずれの場合にも、画素のシフト位置に対応
したサブフィールドの画像信号を用いて透過型液晶ライ
トバルブ124を駆動し、かつ光路偏向素子125へ入
射する光の波長に対応して光路偏向電圧制御手段113
における電圧制御を行い、これにより、図2に示すよう
に、光路シフト量を一定に保つことが可能である。図2
は、第1の実施の形態に係る画像表示装置によって得ら
れる画像の画素構成を示す構成図である。
【0026】第1の実施の形態に掛かる画像表示装置で
は、図2に示すように、実際の画素2a(実線の矩形で
示す)に加えて、見かけ上の画素である画素2b(破線
の矩形で示す)による増倍効果が得られ、使用したライ
トバルブの解像度以上の高精細な画像を色収差なく表示
することを可能にしている。なお、図1に示す透過型液
晶ライトバルブ124は、カラーフィルターを組み合わ
せて構成することが可能である。また、単板の画像表示
素子を時間的に順次に3原色光で照明するフィールドシ
ーケンシャル方式を採用しても、フルカラー画像を表示
することが可能である。この時、白色ランプ光源と回転
カラーフィルターを組み合わせることにより、時間にず
らせて順次の3原色光を生成してもよい。また、図1に
示す光路偏向電圧制御手段113としては、電圧印加に
よって屈折率分布の制御が可能な液晶セルを用いること
が可能であり、さらに、この液晶セルとして、第2の実
施の形態で示す光路偏向素子を使用することも可能であ
る。
【0027】図3は、本発明の第2の実施の形態に係る
光路偏向素子の状態別断面図である。このうち、図3
(a)は、第2の実施の形態に係る光路偏向素子の非動
作時の構造を模式的に示している。図3(b)および図
3(c)は、第2の実施の形態に係る光路偏向素子の動
作時の構造を模式的に示し、透明電極アレイ312のう
ち、網掛け表示した透明電極にのみ閾値以上の電圧を印
加した場合の(即ち、光路偏向素子の各動作時におけ
る)構造を模式的に示している。この第2の実施の形態
は、本発明の請求項1に対応する。図3(a)、
(b)、(c)に示す光路偏向素子は、一対の透明基板
311,315、このうち一方の透明基板311に連接
された透明電極アレイ312、この透明電極アレイ31
2と透明電極314との間に挟まれた液晶層313を具
備する。透明電極アレイ312は複数とし、その各々に
は、上述した光路偏向電圧制御手段113などにより、
それぞれ異なる電圧を印加することができるものとす
る。なお、この要請を具体化するには、印加電圧を供給
する配線回路を透明電極アレイ312毎に別系統として
設置することが可能である。
【0028】透明電極アレイ312は、透明基板311
の下部に画素ピッチに対応してアレイ状に形成されてい
る。液晶層313は、透明電極アレイ312と透明電極
314との間に電圧が印加されることによって屈折率分
布が制御される。透明基板311,315の材質は、ガ
ラス、プラスチック等を使用できる。また、透明電極3
14の材質には、ITO(Indium Tin Oxide)等が使用
可能である。透明電極314は、液晶層側に接するよう
に設置する。また、基板(ここでは、透明基板311,
315)自体が導電性を有している場合は、この基板を
電極としても利用することができる。透明電極アレイ3
12のピッチは、画素ピッチと1対1で対応している場
合だけとは限らず、所定の屈折率分布を得るために、画
素ピッチの整数倍あるいは整数分の1に一致させる場合
もあってよいものとする。また、複数本の透明電極ライ
ンを一組として、その組を画素ピッチに対応させること
も可能であるものとする。
【0029】透明電極314の液晶層に接する面は、液
晶分子が配向するように処理することが好ましい。この
配向処理には、TN液晶、STN液晶等に用いられるポ
リイミド等の通常の配向膜を利用することが可能であ
る。また、ラビング処理や光配向処理を施すことが好ま
しい。さらに、透明電極314の表面には絶縁膜を設け
ても構わない。液晶層313を形成する液晶材料として
は、一般的なネマチック液晶を用いることが可能である
が、複屈折Δnや誘電異方性Δεが大きい方が好まし
い。特に、液晶材料の常光屈折率は、ガラス基板の屈折
率に近い1.5〜1.6程度とし、かつ、異常光屈折率
は1.7〜1.8程度と大きくすることが好ましい。液
晶層313の厚さは、透明基板311,315間のスペ
ーサ部材の厚さに応じて設定し、上述のΔnやΔεに応
じて所定の光路偏向量や応答速度が得られるように最適
化するものとする。なお、スペーサ部材は、光の透過を
阻害することが無いように、液晶層の周辺部にのみ設け
ることが好ましい。
【0030】図3(a)に示す光路偏向素子では、無電
界の場合に、液晶分子が透明基板311に沿って平行に
なるようにホモジニアス配向処理されている(ここで
は、液晶分子の長軸が紙面の左右方向になるような配向
処理を想定している)。透明基板311の下部には、前
述のように透明電極ライン312がアレイ状に形成され
ている(ここでは、間隔の広い2本の電極ラインを1組
として、画素1つに対応させている。なお、電極ライン
間の間隔が狭い部分は、画素間の境界部に対応してい
る)。透明電極314は、ここでは素子全面に形成され
ているが、図22に示すように、透明電極ライン312
と対称をなすアレイ電極であってもよい。図3(b)
は、光路偏向素子(動作状態aに対応)が、透明電極ラ
イン312のうち、ハッチングにて表示した透明電極ラ
インにのみ閾値以上の電圧を印加した場合の構造を模式
的に示す。電圧を印加した電極部では、液晶分子が電界
の作用によって垂直に配向し、無印加の電極部では水平
に配向したままになる。この光路偏向素子の内部に存在
する不均一電界の作用による配向方向の分布によって、
異常光に対する屈折率分布が生じる。
【0031】図4は、本発明の第2の実施の形態に係る
光路偏向素子の動作状態(a)、(b)における透明電
極に沿った方向の液晶層の位置と屈折率との関係を示す
グラフである。紙面の平行な偏光面を持つ直線偏光が入
射する場合、液晶分子長軸が基板に垂直に配向するに従
って実効的な屈折率が小さくなり、図4に示す実線グラ
フ(動作状態aに対応)のような屈折率分布の影響を受
ける。また、前述のように構成される画素の各々の中心
部に、下部から上部に入射した偏光は、屈折率の傾斜に
よる屈折効果によって図3(b)に示すように左側に偏
向される。図3(c)に示す光路偏向素子(動作状態b
に対応)の構造は、図3(b)に示す光路偏向素子の透
明電極アレイ312のうち、電圧が印加される電極を隣
接の透明電極に切り換えることにより得られるが、この
時、液晶分子の配向状態も変化し、図4に示す破線グラ
フ(動作状態bに対応)のような屈折率分布に変化す
る。この場合、前述のように構成される画素の各々の中
心部に、下部から上部に入射した偏光は、屈折率の傾斜
による屈折効果によって図3(c)に示すように右側に
偏向される。
【0032】この時の屈折率の変化速度は、液晶材料の
物性や電界によって最適化される。画素シフト方式で
は、サブフレームの時間を10msec以下とすることが好
ましいため、応答時間としては数msec以下が要求され
る。ネマチック液晶を用いた場合には、2周波駆動法を
用いて高速応答化しても良い。2周波駆動法を用いる場
合には、1つの透明電極ラインに駆動周波数の異なる電
圧の印加が可能な駆動方法を用いる必要がある。この光
路偏向素子を使用する際には、いずれかの駆動方法で、
動作状態aと、動作状態bとを、液晶ライトバルブに表
示するサブフレームの駆動タイミングに合わせて光路偏
向電圧制御手段113によって交互に切換えることで、
図2に示したような、見かけ上の画素増倍作用を得るこ
とができる。但し、この偏向量は、入射光の波長の違い
によっても変化する。図22および23は、本発明の第
3および第4の実施の形態に係る光路偏向素子の構造を
模式的に示す断面図である。図3に示す光路偏向素子で
は、上部透明基板311の下部の透明電極のみを透明電
極アレイ312としてアレイ状に形成しているが、図2
2に示す第3の実施形態では、透明電極アレイ312を
上下両基板に形成している。
【0033】また、図23に示す第4の実施の形態で
は、斜線部で示したように電極アレイ316を追加し、
液晶層内の電界分布をさらに微調整するために補助的に
電圧を印加し、波長を変えることができるようにしてあ
る。さらに、図23に示す第4の実施の形態に係る光路
偏向素子では、1画素当たりに補助的な電極アレイ31
6を1本づつ追加しているが、より細かく屈折率分布を
調整するために、1画素当たりに複数本づつ追加すると
共に、これらの追加された補助的な電極アレイ316に
対しては、波長によって印加電圧を段階的に変化させて
もよいものとする。図5は、本発明の第2の実施の形態
に係る光路偏向素子の第1の制御方法を示し、液晶ライ
トバルブの4つの画素からの出射光が液晶セルに入射す
る場合の光路を模式的に示す説明図である。図5で、例
えば、第1のサブフレームで4つの入射側画素55がそ
れぞれa,c,e,gの状態の時、液晶セル53(本発
明の光路偏向素子に相当)を図3の動作状態aにする
と、液晶セル53の下面に入射された入射側画素の各々
からの光は、上方に進むにつれて左側に偏向する。ま
た、第2のサブフレームでは4つの入射側画素55をそ
れぞれb,d,f,hの状態に切換え、それに同期して
液晶セル53を図3の動作状態bに切換えると、液晶セ
ル53の下面に入射された入射側画素の各々からの光
は、上方に進むにつれて右側に偏向する。
【0034】この第3の実施の形態に係る光路偏向素子
の制御方法では、サブフレームを数十Hzから数百Hz
で切換えることで、液晶セル53中で斜めに進んだ光
は、液晶セル53の上面では見かけ上、a,b,c,
d,e,f,g,hと並んだ8つの出射側画素51とな
って出力される。なお、液晶セル53から出射した光が
投射光学系の光軸に対して平行になるような光学素子を
設けてもよい。図6は、本発明の第3の実施の形態に係
る光路偏向素子の制御方法を示し、透明電極に印加する
電圧の制御を行わない場合の、透過光の波長と偏向量と
の関係を模式的に示す説明図である。また、図7は、本
発明の第3の実施の形態に係る光路偏向素子の制御方法
を示し、透明電極に印加する電圧の制御を行った場合
の、透過光の波長と偏向量との関係を模式的に示す説明
図である。
【0035】さらに、図8は、本発明の第3の実施の形
態に係る光路偏向素子の制御方法を説明するためのもの
で、画素と、液晶ライトバルブの画素との対応関係を模
式的に示す説明図である。前述のとおり、波長の違いに
よって光の偏向量は変化する。例えば、図6に示すよう
に液晶層313が図3の状態aのとき、入射光として波
長の異なる3原色の入射側画素55(符号R,G,Bで
示す)の光が、液晶層313の下面にそれぞれ入射され
ると、各色によって出射側画素51のシフト量が変化
し、色の違いによるドットの位置ずれが生じる。図6で
は、R,G,Bの順で偏向料が大きくなっていく様子が
示されている。前述のとおり、複数の透明電極312の
各々には、それぞれ異なる電圧を印加することが可能で
ある。そこで、この複数の透明電極312の各々に、そ
れぞれ異なる電圧を印加するような電圧制御手段を採用
することにより偏向量を一定にし、色の違いによるドッ
トの位置ずれを補正することができる。
【0036】本発明の構成でフルカラー画像を表示する
ために、液晶ライトバルブにカラーフィルターを合わせ
たような場合、図8に示すように液晶ライトバルブの1
画素に3原色(R,G,B)の各色が構成されている。
液晶ライトバルブ82の1画素と光路偏向素子81の1
画素とは1対1に対応し、かつ、それぞれ同一方向の直
線で結ぶことが可能であるので、光路偏向素子へは決ま
った位置に決まった波長の光が入射する。図3で示すよ
うに、液晶の配向状態により屈折率分布が変化し、偏向
がなされるが、図6で示すように、透過光の波長の違い
により偏向量が変化するが、入射する光の各波長(色)
毎に電圧を制御することにより、偏向量を一定にするこ
とが可能となる。図7に、偏向量を一定に補正する電圧
の制御方法を示す。液晶の波長分散は、波長が高く(長
く)なるにつれ屈折率は小さくなる傾向があるため、赤
色の偏光に起因する電圧をV、緑色の偏光に起因する
電圧をV、青色の偏光に起因する電圧をVとする
と、V≦ V≦ Vとなるように電圧を制御する
ことで、各色の偏向量は一定になる。
【0037】しかし、液晶の種類によって波長分散は異
なるため、印加電圧の電圧値は、光路偏向電圧制御手段
113を備えた条件設定手段(図示せず)により、液晶
の種類毎に適した値を選定して設定する。また、偏向量
を一定にする手段として、フィルタ等を採用し、出射光
の屈折率を変化させて偏向量を制御してもよく、電極構
造、液晶層の厚さを適した条件に設定して制御してもよ
い。なお、図5に示すように、液晶セル53により光の
方向のみが変えられる場合には、出射側の画素サイズに
合わせて入射側の画素サイズを小さく調整しておく必要
がある。入射側の画素サイズの調整法としては、画素位
置に対応した開口部を持つマスクを通して光路を規制す
る方法や、画素位置に対応したマイクロレンズアレイで
集光する方法などを適用できる。しかし、マスクを使う
方法は光利用効率が低下するし、マイクロレンズアレイ
で集光する方法は、マイクロレンズアレイを新たに設け
る必要があり、その分コストアップになる。そこで、本
発明に係る光路偏向素子の他の構成では、1つの液晶セ
ルに画素サイズの縮小機能と光路偏向機能を同時に持た
せている。図9は、本発明の第3の実施の形態に係る光
路偏向素子の制御方法を示し、画素縮小機能を付加した
場合の構造を模式的に示す状態別断面図である。
【0038】また、図10は、本発明の第3の実施の形
態に係る光路偏向素子に画素縮小機能を付加した場合の
液晶層の配列方向と屈折率との関係を示すグラフであ
る。使用する材料や処理方法などの基本的な構成は、図
3に示す光路偏向素子と同じでよいが、透明電極アレイ
312のピッチや幅などが図3に示す光路偏向素子とは
異なる。図9に示す光路偏向素子では、上側の透明基板
311の下部に画像表示素子の画素ピッチと同じピッチ
で透明電極アレイ312が形成されている。各電極の幅
は、特に限定されないが、液晶層313内の所望の電界
強度分布に応じて設定される。図9(a)は、動作状態
aにおける光路偏向素子の構造を模式的に示し、この場
合は、透明電極アレイ312の等間隔で並ぶ透明電極
(ハッチングにて示す電極)に対して、交互に閾値以上
の電圧を印加している。この電圧印加により前述の説明
のように液晶層313に屈折率分布が生じる。この屈折
率分布は、図10の実線グラフ(a)で示すように、ピ
ッチが比較的大きな凸レンズ状になっている。この場
合、画像表示素子の2画素に対して1つの凸レンズ効果
を持たせる。しかし、この場合も波長によって、偏向量
が変化する。
【0039】ここで、図5と同様な説明図を図11に示
す。図11は、本発明の第3の実施の形態に係る光路偏
向素子の制御方法を示し、画素縮小機能を付加した場合
において、液晶ライトバルブの4つの画素からの出射光
が液晶セルに入射する場合の光路を模式的に示す説明図
である。本発明では、液晶セル53(本発明の光路偏向
素子に相当)に入射する入射側画素55のサイズは比較
的大きく設定される。図11に示す4つの入射側画素5
5に、第1のサブフレームとして、a,c,e,gの状
態が表示されると、図10に示す実線グラフの屈折率分
布によってaとc、eとgがそれぞれ縮小される。この
時、図11の上部に実線で示した出力側画素51のよう
に、画素ピッチは一定でなくなる。次に、第2のサブフ
レームの表示タイミングに合わせて、図9(b)に示す
ように、透明電極アレイ312のうちで、電圧を印加す
る透明電極を切換えると、屈折率分布は、図10に示す
破線グラフ(b)のように切換わる。
【0040】ここで、入射側画素55が、第2のサブフ
レームとして、b,d,f,hの状態を表示すると、図
11の上部の破線で示した出射側画素51の位置に、縮
小された画素が移動する。サブフレームを数十Hzから
数百Hzで切換えることで、液晶セル53の上部面上で
は、見掛け上、b,a,c,d,f,e,g,hと、変
則的に並んだ8個の画素となる。前述したように、この
場合も波長によって偏向量が変化する。図12は、本発
明の第3の実施の形態に係る光路偏向素子に画素縮小機
能を付加した場合において、透明電極に印加する電圧の
補正制御を行わない場合の、透過光の波長と偏向量との
関係を模式的に示す説明図である。図13は、本発明の
第3の実施の形態に係る光路偏向素子に画素縮小機能を
付加した場合において、透明電極に印加する電圧の補正
制御を行う場合の、透過光の波長と偏向量との関係を模
式的に示す説明図である。例えば、図12に示すように
図9(a)に示す動作状態aの場合、入射光として波長
の異なる3原色の光が液晶セル53の各位置に入射され
ると、出射側の画素サイズが一定でなくなり、色の違い
によるドットの位置ずれが生じるのである。
【0041】図13に示す電圧の制御方法の場合、光路
偏向素子の各色の偏光に起因する電極に、V≦ V
≦ Vとなるような電圧を印加し、制御することによ
って、偏向量は一定となり、色の違いによるドットの位
置ずれが補正されるのである。このような変則的な画素
シフトによる表示画像が、正常な画像として形成される
ように、画像表示素子上でサブフィールド画像のデータ
を補正し、光路偏向素子を電圧制御することによって光
路シフト量を一定にして画素を表示することができる。
第3の本実施の形態では、簡単な電極構成で、液晶レン
ズの集光による画素縮小効果と、液晶レンズ形成位置の
切換えによる画素シフト効果とを、1つの液晶セルで両
立させることができる。したがって、単純な素子構成
で、かつ、光の利用効率の低下を防止し、色の違いによ
るドットの位置ずれを補正することが可能となる。図1
4は、本発明の第3の実施の形態に係る光路偏向素子を
採用する画像表示装置の構成を主要な構成要素別に例示
した説明図である。
【0042】図14では、光路偏向手段を形成する光路
偏向素子81の透明電極アレイ312は、紙面の上下方
向に沿ってライン状に形成されている。この場合は、画
像表示素子61を出射した光が、紙面に対して左右方向
の直線偏光である場合、画像表示素子61の全体を紙面
の左右方向に沿って画素シフトさせることができる。従
って、比較的簡単な電極構成で、画面の横方向での色収
差の生じない高精細な画像表示装置を実現することがで
きる。 図15は、単板の画像表示素子を時間順次に三
原色光で照明し、フルカラー画像を表示するフィールド
シーケンシャル方式の概略構成を示す斜視図である。図
16は、フィールドシーケンシャル方式の画像表示装置
において、透明電極に印加する電圧の補正制御を行わな
い場合の、透過光の波長と偏向量との関係を模式的に示
す説明図である。
【0043】図17は、フィールドシーケンシャル方式
の画像表示装置において、透明電極に印加する電圧の補
正制御を行わない場合の、透過光の波長と偏向量との関
係を模式的に示す他の説明図である。単板の画像表示素
子を時間順次に3原色光で照明し、フルカラー画像を表
示するフィールドシーケンシャル方式を採用する場合に
も、図16,17に示すように、色の違いによるドット
の位置ずれが生じるため、図18に示すように、電圧を
時間分割して補正制御することにより、偏向量を一定に
することができる。図18は、フィールドシーケンシャ
ル方式の画像表示装置において、透明電極に印加する電
圧の補正制御の方法を示す説明図である。図19は、フ
ィールドシーケンシャル方式の画像表示装置において、
透明電極に印加する電圧の補正制御を実施している途中
の、透過光の波長と偏向量との関係を模式的に示す説明
図である。図20は、本発明に係るフィールドシーケン
シャル方式の画像表示装置において、透明電極に印加す
る電圧の補正制御を実施した場合の、透過光の波長と偏
向量との関係を模式的に示す説明図である。
【0044】図18において、横軸のtは光が入射する
時間経過を示しており、赤色が入射してくる時間帯をt
、緑色が入射してくる時間帯をt、青色が入射して
くる時間帯をtとしている。また、縦軸のλは波長を
示している。各色が入射する時間帯のタイミングに同期
させて、波長域に対応した電圧を印加することによっ
て、図19、20に示すように、シフト量は一定にな
り、色の違いによるドットの位置ずれを補正することが
できる。また、白色ランプ光源と回転カラーフィルター
を組み合わせて時間順次の3原色光を生成した場合でも
図19、図20に示す場合と同様に色の違いによるドッ
トの位置ずれを補正することができる。図11に示す構
成では、光路が液晶レンズにより集光された非平行光で
あるため、液晶セル53の出射側からの位置によって、
新たに画素サイズが変化してしまう。例えば、投射光学
系を用いずに液晶セル53の出射側に拡散板などをおい
て直接画像を観察するような場合、液晶セル53と拡散
板の位置がずれると見かけ上の画素サイズが変わってし
まう。また、拡大光学系を用いる場合でも、レンズ設計
の点から、セルからの出射光は平行であることが好まし
い。そこで、第5の実施の形態に係る他の構成では、液
晶セルから出射した光が投射光学系の光軸に対して平行
になるような光学素子を設けることができる。
【0045】図21は、本発明の第5の実施の形態に係
る光路偏向素子の制御方法を示し、液晶層が形成する液
晶レンズアレイによる光路の偏向を補正する光学素子の
配置を模式的に示す説明図である。光路偏向素子の液晶
層が形成する液晶レンズアレイの特性が凸レンズである
場合、前述の光学素子は、光路を平行光に戻すような凹
レンズアレイであることが好ましい。例えば、前述の光
学素子は、図21の光束平行化部56として示すよう
に、入射側画素55の画素ピッチに等しく、かつ入射側
画素位置に対して半画素分ずらした位置に設置すること
が好ましい。この第5の実施の形態では、図11に示す
液晶セル53に対応する光路偏向部57を、図14に示
す光路偏向素子81と同様にして配置することで、画像
表示素子を出射した光が紙面に対し左右方向の直線偏光
である場合に、画像表示素子の全体を、実効的に紙面の
左右方向に画素シフトさせることができる。従って、画
面の横方向での解像度が高まり、また、色収差が解消
し、さらに、画素の位置精度が高い高精細な画像表示装
置を実現することができる。
【0046】
【実施例】(実施例1)第2の実施の形態に係る光路偏
向素子を使用して、図1に示すような第1の実施の形態
に係る画像表示装置を作成した。画像表示素子(図1の
透過型液晶ライトバルブ124に相当)として、対角
0.9インチXGA(1024×768ドット)のポリシリコン
TFT液晶パネルを用いた。画素ピッチは、縦横ともに
約18μmである。画素の開口率は約50%である。ま
た、画像表示素子の光源側にマイクロレンズアレイを設
けて照明光の集光率を高める構成とした。本実施例で
は、光源としてRGB三色のLED光源を用い、波長切替
手段により上記の一枚の液晶パネルに照射する光の色を
高速に切換えてカラー表示を行う、いわゆるフィールド
シーケンシャル方式を採用している。一般的には、画像
表示のフレーム周波数が60Hzの場合、1フレーム内を
さらに3色分に分割するため、各色に対応した画像を1
80Hzで切換えるようにした。液晶パネルの各色の画
像の表示タイミングに合わせて、対応した色のLED光
源をON/OFFすることで、観察者にはフルカラー画
像が見える。
【0047】この方式は、カラーフィルターを使用せ
ず、一枚の液晶パネルでよいので、画像の高精細化と装
置の小型化に有利である。本実施例では、フィールドシ
ーケンシャル方式に画素シフト方式を組み合わせてい
る。画像の横方向に2倍の画素増倍を行うためには、画
素位置を120Hzでシフトさせ、サブフィールド画像
の表示時間は8.3ミリ秒以内とする。この期間内に
は、光路が切り変わるのに必要な時間(光路切換え時間)
Δtと、液晶パネルが画像表示に使用できる時間とを含
んでいる。画像表示に使用できる時間が長いほど、フィ
ールドシーケンシャル方式でのLEDの発光時間を長く
できるため、このLEDの発光輝度を小さくすることが
できることになり、LEDのための光源の負担が小さく
て済む。従って、光路切換え時間Δtは、出来るだけ短
い方が好ましく、高速な光路切換え手段が必要になる。
本実施例では、スイッチング時間を1ミリ秒以下と高速
に切換える必要があるため、ネマチック液晶セルの二周
波駆動方式を採用した。本発明の比較例として、高速動
作が可能な光路切換え手段として、圧電アクチュエータ
などの揺動機構を用いて屈折板の傾斜角度を変化させる
方式も可能であるが、揺動運動によって振動や音が発生
する場合があるため好ましくない。
【0048】液晶マイクロレンズアレイは、以下の仕様
に基づいて作成した。薄いガラス基板(3cm×4cm、厚
さ0.15mm)上のITO蒸着膜をエッチングして、幅
10μm、ピッチ18μmのITOラインを形成した。こ
のITOラインは、交互に同一電圧を印加できるように
串形電極とした。ガラス基板のITO側にポリイミド系
の配向材料をスピンコートし、約0.1μm の配向膜を
形成した。ガラス基板のアニール処理後、ITOライン
に対して直角方向にラビング処理を行った。この二枚の
ガラス基板の間の周辺部に11μm厚のスペーサを挟
み、上下基板のITOライン位置が一致するように張り
合わせて空セルを作製した。このセルの中に、誘電率異
方性が正のネマチック液晶を常圧下で注入し、液晶セル
を作成した。上下基板のラビング処理の方向は一致して
いるため、図3(a)に示すように液晶分子が全て同じ
向きに配向した状態となる。
【0049】この液晶セルを、液晶ライトバルブの直後
に設置し、画素位置と透明電極ラインの位置合わせを調
整した。また、液晶セルの出射側に薄い拡散層を有する
拡散板を合わせて、出射面での拡散光を拡大し観察し
た。この液晶セルに入射される赤色、緑色、青色の光の
タイミングに合わせて透明電極ラインに1:1:1の比
率で電圧を印加したところ、液晶層内にレンズ効果が現
れて、画素は縮小されていたが、色によって縮小量が異
なっていた。次に、電圧を印加する電極ラインを切換え
たところ、縮小された画素の位置は移動するが、色によ
ってその移動量は異なっていた。そこで、入射される赤
色、緑色、青色の光のタイミングに合わせて7.1:
8.5:9.2の比率の電圧を透明電極に印加し、液晶
セルの拡散光を観察したところ、色むらのない良好な画
像が見られた。印加電圧の比較結果を表1に簡単にまと
める。
【0050】
【表1】
【0051】(実施例2)実施例1と同様にして液晶レ
ンズセルを作成し、光源としては白色ランプを使用し、
カラーフィルターを、各画素表面に設けた透過型液晶ラ
イトバルブを介してカラー表示を行なった。作成した液
晶セルを液晶ライトバルブの直後に設置し、画素位置と
透明電極ラインの位置合わせを調整した。また、液晶セ
ルの出射側に薄い拡散層を有する拡散板を合わせて、出
射面での拡散光を拡大し観察した。液晶セルに入射され
る赤色、緑色、青色の光の位置に合わせて透明電極ライ
ンに1:1:1の比率で電圧を切換えながら印加したと
ころ、画素の縮小、移動は観察されたが、第1の実施例
と同様の問題(色によって縮小量、移動量が異なる)が
生じた。そこで、入射される赤色、緑色、青色の光の位
置に合わせて、7.1:8.5:9.2の比率の電圧を
透明電極に印加したところ、色むらのない良好な画像が
見られた。印加電圧の比較結果を表2に示す。
【0052】
【表2】
【0053】以上の各実施例では、画像表示素子を直接
あるいは拡大レンズ系を通して観察したが、投射レンズ
を通してスクリーン上に投影して観察しても同様な効果
が得られる。
【0054】
【発明の効果】以上詳しく述べたように、本発明の請求
項1による光路偏向素子によれば、一対の透明基板と、
前記一対の透明基板間の液晶層と、前記液晶層に電界を
印加する透明電極を有する光路偏向素子において、前記
液晶層への入射光の波長域に対応して、光路偏向電圧制
御手段により複数個の前記透明電極の各々に異なる電圧
を印加するように構成したので、光路偏向素子の偏向特
性を入射光の各波長域で別々に設定し、各波長域毎の光
の波長分散を補正しているので、光路シフト量を一定に
することができる。また、請求項2による光路偏向素子
の前記光路偏向電圧制御手段は、複数の異なる波長域の
光が時間的に順次切り替わりながら光路偏向素子に入射
するとき、各波長域に対応して、印加電圧の値を時間的
に順次切り替えるように構成したので、入射光の各波長
域が時間分割されて入射するとき、その各波長に対応し
て印加電圧の値を切り替えるので、各波長域における光
路シフト量を、確実に均一にすることができる。
【0055】また、請求項3による光路偏向素子は、一
対の透明基板と、前記一対の透明電極間の液晶層と、前
記液晶層に電界を印加する透明電極を有し、複数の異な
る波長域の光が空間的に分布した状態で入射する光路偏
向素子において、条件設定手段により、各波長域に対応
した複数領域が形成され、前記領域毎に異なる光路偏向
条件を設定できるように構成したので、入射光の各波長
域に対応した複数領域での光路偏向が一定になるような
条件が光路偏向素子に設定されているので、光路シフト
量を一定にすることができる。また、請求項4による光
路偏向素子における前記条件設定手段は、前記領域毎に
異なる印加電圧を設定する光路偏向電圧制御手段を有
し、入射光の各波長域に対応した複数領域での光路偏向
が一定になるような条件が光路偏向素子に設定されてい
るので、光路シフト量を一定にすることができる。
【0056】また、請求項5による画像表示装置は、少
なくとも画像情報に従って、光を制御可能な複数の画素
を二次元的に配列した画像表示素子と、前記画像表示素
子を照明する光源と、前記画像表示素子に表示した画像
パターンを観察するための光学部材と、画像フィールド
を時間的に分割した複数のサブフィールド毎に前記画像
表示素子と前記光学部材の間の光路を偏向する請求項
1、2、3または4に記載される光路偏向素子を有し、
サブフィールド毎の光路の偏向に応じて表示装置がずれ
ている状態の画像パターンを表示することで、前記画像
表示素子の見かけ上の画素数を増倍すると共に表示画像
の色によるドットの位置ずれを補正して、表示するよう
に構成したので、表示画像の画素数を増倍し、かつ表示
画像の色によるドットの位置ずれを補正することができ
る。また、請求項6による画像表示装置は、複数の異な
る波長域の光を時間的に順次切り替えながら前記画像表
示素子に照射する光源または波長切替え手段を有し、各
波長に対応する画像信号を用いて前記画像表示素子を駆
動することでカラー画像を得る画像表示装置において、
光路偏向電圧制御手段により前記各波長の切替えタイミ
ングに同期させて、光路偏向素子の印加電圧を変化する
ように構成し、フィールドシーケンシャル方式により、
光路偏向素子への入射光の各波長域が時間分割され、そ
の各波長に対応して印加電圧の値を切り替えて、光路シ
フト量を均一に保つ光路偏向素子を有しているので、表
示画像の色によるドットの位置ずれを補正し、且つ装置
を小型化することができる。
【0057】また、請求項7による光路偏向素子の制御
方法は、一対の透明基板と、前記透明基板間の液晶層
と、前記液晶層に電界を印加する透明電極を有する光路
偏向素子の制御方法において、前記透明電極に印加する
印加電圧の電圧値を、前記液晶層と前記透明電極とを通
過する液晶光の波長域に対応させて制御するように構成
したので、表示画像の画素数を見掛け上増倍し、且つ表
示画像の色の違いによるドットの位置ずれを補正するこ
とができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態に係る画像表示装置
の要部の構成を模式的に示す構成図である。
【図2】第1の形態に係る画像表示装置によって得られ
る画像の画素構成を示す構成図である。
【図3】本発明の第2の実施の形態に係る光路偏向素子
の状態別断面図である。
【図4】本発明の第2の実施の形態に係る光路偏向素子
の液晶セル内の画素配列と屈折率との関係を示すグラフ
である。
【図5】本発明の第2の実施の形態に係る光路偏向素子
の液晶ライトバルブの4つの画素からの出射光が液晶セ
ルに入射する場合の光路を模式的に示す説明図である。
【図6】本発明の第2の実施の形態に係る光路偏向素子
の透明電極に印加する電圧の制御を行わない場合の、透
過光の波長と偏向量との関係を模式的に示す説明図であ
る。
【図7】本発明の第2の実施の形態に係る光路偏向素子
の透明電極に印加する電圧の制御を行った場合の、透過
光の波長と偏向量との関係を模式的に示す説明図であ
る。
【図8】本発明の第2の実施の形態に係る光路偏向素子
の画素と、液晶ライトバルブの画素との対応関係を模式
的に示す説明図である。
【図9】本発明の第2の実施の形態に係る光路偏向素子
の制御方法を示し、画素縮小機能を付加した場合の構造
を模式的に示す状態別断面図である。
【図10】本発明の第2の実施の形態に係る光路偏向素
子に画素縮小機能を付加した場合の液晶セル内の画素配
列方向位置と屈折率との関係を示すグラフである。
【図11】本発明の第2の実施の形態に係る光路偏向素
子に画素縮小機能を付加した場合において、液晶ライト
バルブの4つの画素からの出射光が液晶セルに入射する
場合の光路を模式的に示す説明図である。
【図12】本発明の第2の実施の形態に係る光路偏向素
子の画素縮小機能を付加した場合において、透明電極に
印加する電圧の補正制御を行わない場合の、透過光の波
長と偏向量との関係を模式的に示す説明図である。
【図13】本発明の第3の実施の形態に係る光路偏向素
子の制御方法を示し、画素縮小機能を付加した場合にお
いて、透明電極に印加する電圧の補正制御を行う場合
の、透過光の波長と偏向量との関係を模式的に示す説明
図である。
【図14】本発明の第3の実施の形態に係る光路偏向素
子の制御方法を採用する画像表示装置の構成を主要な構
成要素別に例示した説明図である。
【図15】本発明の第3の実施の形態に係る光路偏向素
子の制御方法を採用するフィールドシーケンシャル方式
の画像表示装置の主要な構成を例示した斜視図である。
【図16】本発明の第1の実施の形態に係る光路偏向素
子のフィールドシーケンシャル方式の画像表示装置にお
いて、透明電極に印加する電圧の補正制御を行わない場
合の、透過光の波長と偏向量との関係を模式的に示す説
明図である。
【図17】本発明のフィールドシーケンシャル方式の画
像表示装置において、透明電極に印加する電圧の補正制
御を行わない場合の、透過光の波長と偏向量との関係を
模式的に示す他の説明図である。
【図18】本発明のフィールドシーケンシャル方式の画
像表示装置において、透明電極に印加する電圧の補正制
御の方法を示す説明図である。
【図19】本発明のフィールドシーケンシャル方式の画
像表示装置において、透明電極に印加する電圧の補正制
御を実施している途中の、透過光の波長と偏向量との関
係を模式的に示す説明図である。
【図20】本発明のフィールドシーケンシャル方式の画
像表示装置において、透明電極に印加する電圧の補正制
御を実施した場合の、透過光の波長と偏向量との関係を
模式的に示す説明図である。
【図21】本発明の第5の実施の形態に係る光路偏向素
子の制御方法を示し、液晶層が形成する液晶レンズアレ
イによる光路の偏向を補正する光学素子の配置を示す説
明図である。
【図22】本発明の第3の実施の形態に係る光路偏向素
子の構成を模式的に示す断面図である。
【図23】本発明の第4の実施の形態に係る光路偏向素
子の構成を模式的に示す断面図である。
【符号の説明】
2a 実際の画素 2b 見かけ上画素 51 出射側画素 52 出射光 53 液晶セル 54 入射光 55 入射側画素 56 光束平行化部 57 光路偏向部 61 画像表示素子 62 光源・照明装置 81 光路偏向素子(液晶) 82 ライトバルブ 111 光源駆動手段 112 表示駆動手段 113 光路偏向電圧制御手段 114 画像表示制御回路 121 白色ランプ 122 拡散板 123 コンデンサレンズ 124 透過型液晶ライトバルブ 125 光路偏向素子 126 投射レンズ 127 スクリーン 311 透明基板 312 透明電極アレイ 313 液晶層 314 透明電極 315 透明基板
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) G03B 21/00 G03B 21/00 E (72)発明者 杉本 浩之 東京都大田区中馬込1丁目3番6号 株式 会社リコー内 (72)発明者 二村 恵朗 東京都大田区中馬込1丁目3番6号 株式 会社リコー内 (72)発明者 松木 ゆみ 東京都大田区中馬込1丁目3番6号 株式 会社リコー内 (72)発明者 滝口 康之 東京都大田区中馬込1丁目3番6号 株式 会社リコー内 Fターム(参考) 2H088 EA13 EA15 EA45 HA01 HA02 HA06 HA24 HA28 JA09 MA03 MA05 2H091 FA26X FA26Z FA41Z FA50Z GA02 GA11 HA09 LA15 LA16 MA07 2H093 NA65 NC02 NC43 ND17 ND20 NE03 NE06 NF09 NG02 NG07

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 一対の透明基板と、前記一対の透明基板
    間の液晶層と、前記液晶層に電界を印加する透明電極を
    有する光路偏向素子において、前記液晶層への入射光の
    波長域に対応して、複数個の前記透明電極の各々に異な
    る印加電圧を印加する光路偏向電圧制御手段を備えたこ
    とを特徴とする光路偏向素子。
  2. 【請求項2】 前記光路偏向電圧制御手段は、複数の異
    なる波長域の光が時間的に順次切り替わりながら光路偏
    向素子に入射するとき、各波長域に対応して、印加電圧
    の値を時間的に順次切り替えるように構成したことを特
    徴とする請求項1に記載の光路偏向素子。
  3. 【請求項3】 一対の透明基板と、前記一対の透明電極
    間の液晶層と、前記液晶層に電界を印加する透明電極を
    有し、複数の異なる波長域の光が空間的に分布した状態
    で入射する光路偏向素子において、 各波長域に対応した複数領域が形成され、前記領域毎に
    異なる光路偏向条件を設定する条件設定手段を有するこ
    とを特徴とする光路偏向素子。
  4. 【請求項4】 前記条件設定手段は、前記領域毎に異な
    る印加電圧を設定する光路偏向電圧制御手段を有するこ
    とを特徴とする請求項3に記載の光路偏向素子。
  5. 【請求項5】 少なくとも画像情報に従って、光を制御
    可能な複数の画素を二次元的に配列した画像表示素子
    と、前記画像表示素子を照明する光源と、前記画像表示
    素子に表示した画像パターンを観察するための光学部材
    と、画像フィールドを時間的に分割した複数のサブフィ
    ールド毎に前記画像表示素子と前記光学部材の間の光路
    を偏向する請求項1、2、3または4に記載される光路
    偏向素子を有し、サブフィールド毎の光路の偏向に応じ
    て表示装置がずれている状態の画像パターンを表示する
    ことで、 前記画像表示素子の見かけ上の画素数を増倍すると共に
    表示画像の色によるドットの位置ずれを補正して表示す
    るように構成したことを特徴とする画像表示装置。
  6. 【請求項6】 複数の異なる波長域の光を時間的に順次
    切り替えながら前記画像表示素子に照射する光源または
    波長切替手段を有し、各波長に対応する画像信号を用い
    て前記画像表示素子を駆動することでカラー画像を得る
    画像表示装置において、前記各波長の切替えタイミング
    に同期させて、光路偏向素子の印加電圧を変化する光路
    偏向電圧制御手段を有することを特徴とする請求項5に
    記載の画像表示装置。
  7. 【請求項7】 一対の透明基板と、前記透明基板間の液
    晶層と、前記液晶層に電界を印加する透明電極を備えた
    光路偏向素子の制御方法において、 前記透明電極に印加する印加電圧の電圧値を、前記液晶
    層と前記透明電極とを通過する液晶光の波長域に対応さ
    せて制御することを特徴とする光路偏向素子の制御方
    法。
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