JP2006058588A - 光学デバイス、光学装置、表示装置及び立体画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、時間的に偏光状態を切り替え可能で、かつ波長依存性が少なく偏光純度の優れた偏光が得られる光学デバイス、光学装置、及びピクセルシフトが簡単に高精度に行うことができ、高精細化を図れる。
【解決手段】 本発明の光学デバイスは、回転軸を有し、回転軸に対して平行でかつ透光性を有する面を備え、面の少なくとも一部が光学的異方性媒質により形成され、回転に伴い面を通る光線の偏光状態を時間的に切り替えて出射する。
【選択図】 図１

Description

本発明は光学デバイス、光学装置、表示装置及び立体画像表示装置に関し、詳細には投射型表示装置、特にデジタルマイクロミラーデバイス（以下ＤＭＤと略す）を用いた投射型表示装置に利用され、その高精細化を図る技術に関する。

はじめに、本明細書における用語を以下のとおり定義しておく。先ず、「ピクセルシフト技術」とは、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、画像表示素子を照明する光源と、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画像表示素子と光学部材の間の光路を偏向する光偏向手段とを有したピクセルシフト素子を用い、光偏向手段によりサブフィールド毎の光路の偏向に応じて表示位置がずれている状態の画像パターンを表示させることで、画像表示素子の見掛け上の画素数を増倍して表示する技術を指す。また、「直線偏光の偏光方向」とは、直線偏光における電界ベクトルの振動方向を指す。

従来のピクセルシフト技術は、画像表示素子や投射光学系の光学要素を揺動したり、液晶等による光偏光素子を利用したりする方式であるが、前者の揺動方式では機械的振動を伴うため、画像表示素子や光学要素の耐久性を損ねたり、発熱、騒音等の問題が生じる。後者の液晶方式は、機械的信頼性の点では優れているが、液晶配向制御が不十分な場合、画像コントラストを劣化させ、素子化のためのコストが多くかかる。

一方で、ＤＭＤを用いた投射型表示装置が開発されている。このＤＭＤを用いた投射型表示装置には、カラーホイールを用いたフィールドシーケンシャルカラー方式によるカラー化を図った装置があるが、この装置を図面を用いて以下説明する。図２１は従来の投射型表示装置の構成を示す概略図である。同図において、高圧水銀ランプ、キセノンランプ等白色光源を有するランプユニット１から出射した光線は、図２２に示すような構成を有し、回転するカラーホイール２を通過する際、時間的に赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の各色に切り替えられる。カラーホイール２から出射した光はレンズ３により光強度の均一性を向上させるためのロッドインテグレータ４に導かれ、コンデンサレンズ５を介してＤＭＤ６に照射される。ＤＭＤ６はマイクロミラーよりなる画素が２次元的に配列されている画像表示素子である。各ピクセルに対応する画像信号によって、ピクセル毎にミラーの角度を切り替え、投射レンズ７の方向に反射する時間の長さと投射レンズ以外の方向に反射する時間の長さを制御することで、画素毎に所定の明るさを得る。

ここで、ＤＭＤの高精細化、画像スムーズ化を図る技術として特許文献１にピクセルシフトと類似する技術が開示されている。また、特許文献２には、回転プリズムを表示装置に用いた技術が開示されている。この回転プリズムは、単板の画像表示素子でカラー表示を行うに際し、光利用効率を高める目的で、複数色のライトバンド（照明系からの光の帯）を画像表示素子内で移動させるために用いられている。

また、立体画像表示システムに関する従来技術としては、例えば特許文献３、特許文献４等に開示されている。特許文献３には、偏光ビームスプリッタにより光源光をＳ及びＰ偏光に分離し、これらの光を右眼用及び左眼用の各液晶パネルに入射させ、投射レンズでスクリーンに投射する立体表示装置が提案されている。また、特許文献４には、レンチキュラースクリーン手前に偏光方向を時分割に切り替えるための偏光切り替え手段を配置し、レンチキュラースクリーンとして、直交する偏光フィルタをストライプ状に設けた偏光板列を設けた立体表示装置が提案されている。
特開２００４−０７０３６５号公報 特許第３，３５２，１００号明細書 特開平０８−０６８９６３号公報 特開平０９−１５９９７１号公報

しかしながら、上記特許文献１は機械的振動を伴うため、画像表示素子や光学要素の耐久性を損ねたり、発熱、騒音等の問題が生じる。また、上記特許文献２はカラー化に有効であるが偏光を切り替えることまでは至っておらず、よってＤＭＤの高精細化を図ることができない。更に、特許文献３は左眼右眼に対応させて画像表示素子、投射レンズを２組用意しているため、装置が大型化するという問題がある。また、特許文献４によれば、偏光切り替え手段を通ることによる画像劣化、偏光板列により実質光量を半減させてしまうことによる光利用効率低下が問題である。

本発明はこれらの問題点を解決するためのものであり、時間的に偏光状態を切り替え可能で、かつ波長依存性が少なく偏光純度の優れた偏光が得られる光学デバイス、光学装置、及びピクセルシフトが簡単に高精度に行うことができ高精細化を図れる表示装置、並びに小型でかつ良好な立体画像を表示する立体画像表示装置を提供することを目的とする。

前記問題点を解決するために、本発明の光学デバイスは、回転軸を有し、回転軸に対して平行でかつ透光性を有する面を備え、面の少なくとも一部が光学的異方性媒質により形成され、回転に伴い面を通る光線の偏光状態を時間的に切り替えて出射することに特徴がある。よって、液晶等を用いた従来の偏光変換に比較して、波長依存性が少なく偏光純度の優れた偏光が得られる。複屈折板と組み合わせることで光の進行方向を周期的に切り替えることが可能となり、プロジェクションディスプレイの高精細化を図れ、ピクセルシフトが簡単に高精度に行うことができる。

また、本発明の光学デバイスは、回転軸を有し、回転軸に対して平行でかつ透光性を有する面を備えた多角柱であり、少なくとも側面の一部が光学的異方性媒質により形成されている。よって、光学的異方性媒質を形成されている面を平面とすることで、時間的に切り替わる偏光状態において所定単位時間内の偏光状態を均質化でき、発散光もしくは収束光であっても収差設計がしやすくでき、多層膜構造を容易に採用することができる。

更に、本発明の光学デバイスは、回転軸を有した円柱であり、少なくとも側面の一部が光学的異方性媒質により形成されている。よって、時間的に切り替わる偏光状態において光路長の時間的変化を解消できる。

また、光学的異方性媒質は光学デバイスの回転方向に沿って所定間隔で形成された偏光子であることにより、無偏光を入射し、時間的に状態の異なる直線偏光が得られ、光学系の簡略化、小型化が図れる。

更に、光学デバイスの回転方向に沿って、出射光の偏光方向が異なる複数の偏光子が配列されてなることにより、光学系の簡略化、小型化が図れる。

また、光学デバイスの回転方向に沿って、出射光の偏光方向が直交する２つの偏光子が交互に配列されてなることにより、偏光方向が直交する２つの状態の出射光が得られ、デジタルマイクロミラーデバイスを用いた場合のピクセルシフトが簡単に高精度に行うことができる。

更に、光学的異方性媒質は光学デバイスの回転方向に沿って所定間隔で形成された１／２波長素子であることにより、入射光が直線偏光である場合に時間的に状態の異なる直線偏光を出射できる。

また、光学デバイスの回転方向に沿って、１／２波長素子の間隙に、１／２波長素子透過時の光路長と一致する光学的等方性媒質が設けられている。よって、光路長不一致による収差を防ぐことができ、デジタルマイクロミラーデバイスへの照明系に用いた場合配光分布の時間的な変化を解消できる。

更に、光学デバイスの回転方向に沿って、１／２波長素子の間隙に、１／２波長素子透過時の透過率と等しい透過率を有する光学的等方性媒質が設けられている。よって、透過率の時間的な変化を防ぐことができ、デジタルマイクロミラーデバイスへの照明系に用いた場合光量の時間的な変化を解消できる。

また、光学的異方性媒質は光学デバイスの回転方向に沿って所定間隔で形成された１／４波長素子であることにより、出射光の波長分散等を容易に揃えられる。

更に、光学デバイスの回転方向に沿って、位相方向の異なる１／４波長素子が交互に配列されてなることにより、入射光が円偏光である場合直交する直線偏光を時間的に切り替えて出射できる。

また、光学デバイスの回転方向に沿って色フィルタが備わり、少なくとも１つ以上の色フィルタが光学的異方性媒質を兼ねることにより、偏光状態と共に色も時間的に切り替えることができ、小型化も図れる。

更に、色フィルタは、少なくとも赤（Ｒ），緑（Ｇ），青（Ｂ）の３色を含み、１回転の間に各色毎に直交する偏光を少なくとも６偏光状態で出射する。よって、表示用の三色の光を得ながら、高精細化のための偏光状態の切り替えを行うことができ、ピクセルシフト技術により光学デバイス１回転の間に２つの位置にピクセルシフトを行い二倍の高精細化が図れる。

また、６偏光状態において隣接する偏光状態の色は異なる色に設定することにより、カラーブレークを防ぐことができる。

更に、色フィルタは、赤（Ｒ），緑（Ｇ），青（Ｂ），緑（Ｇ）よりなり、１回転の間にそれぞれの緑（Ｇ）が直交する偏光を出射することにより、表示用の出射光を得ながら高精細化のための偏光状態の切り替えを行うことができ、その上緑のみの偏光変化であるため状態変化は４つとなり偏光状態を取る時間を１．５倍に増やすことが可能となり、プロジェクションディスプレイに用いる場合光利用効率を向上させることができる。

また、赤（Ｒ），青（Ｂ）の出射光はいずれかの緑（Ｇ）の偏光方向と平行な直線偏光を出射する偏光状態に設定することにより、緑以外に、赤、青の光線も直線偏光化でき、画素位置が二重像とならないようにでき、よって細線表示時の解像性能の優れた画像表示装置を提供できる。

更に、赤（Ｒ），青（Ｂ）の色フィルタ透過率は、いずれの緑（Ｇ）の色フィルタの透過率より高いことにより、緑の色フィルタを２回通るため二倍の光量となるが赤、青の色フィルタの透過率を上げ色バランスを整えることが可能となり、よって高精細でかつ色再現性能に優れたプロジェクション画像を得ることができる。

また、赤（Ｒ），青（Ｂ）の色フィルタの回転方向の幅は、いずれの緑（Ｇ）の色フィルタの幅より広いことにより、緑の色フィルタを２回通るため二倍の光量となるが赤、青の色フィルタの幅を広げ光線の通過時間を緑以上に多くとることで色バランスを整えることが可能となり、よって高精細でかつ色再現性能に優れたプロジェクション画像を得ることができる。

更に、別の発明としての光学装置は、上記の光学デバイスを少なくとも１つ備え、光学デバイスに対して所定方向から光線を入射させ、入射光の偏光状態と異なる偏光状態の光線を時間的に切り替えて出射することに特徴がある。よって、極めて高精度の偏光状態の切り替えが可能となる光学装置を提供できる。

また、光学デバイスに形成されている光学的異方性媒質を透過する光線の光軸は回転軸に対して垂直であることにより、良好な出射光の偏光状態を得ることができ、プロジェクション装置のピクセルシフトに応用した場合各ピクセルシフト位置での二重像を抑制し高画質な画像を得ることができる。

更に、光学的異方性媒質を透過する光線の光軸を含む直線が、光学デバイスの回転軸を通ることにより、良好な出射光の偏光状態を得ることができ、プロジェクション装置のピクセルシフトに応用した場合各ピクセルシフト位置での二重像を抑制し高画質な画像を得ることができる。

また、光学的異方性媒質に入射する光線が収束光であり、収束点が光学的異方性媒質が形成されている部分と一致することにより、光学的異方性媒質を透過する光を小径化でき、装置の小型化が図れる。

更に、光学デバイスを透過する間に、光学的異方性媒質が形成されている面を１回通過することにより、複数回通ることで生じる偏光状態の劣化を防ぐことができる。

また、光学デバイスの内部であって、光学的異方性媒質を透過する光線の光路上に、固定ミラーが設置されていることにより、極めて簡単な構成で光学装置を具現化できる。

更に、光学デバイスにおける光線の進行方向は、固定ミラーから光学的異方性媒質に向かう方向であることにより、偏光状態を切り替えた後に反射面を設けることによる偏光乱れを回避でき、偏光乱れによる二重像の発生を抑制できる。

また、光学的異方性媒質が光学デバイスの回転方向に沿って所定間隔で形成された１／４波長素子である光学デバイスに入射する光線が円偏光であることにより、出射光の波長分散等を容易に揃えられる。

更に、光学デバイスを透過する間に、光学的異方性媒質が形成されている面を２回通過することにより、光学デバイスを光線が通過する前後で光軸が共通の直線上に乗るように構成できるため光学設計及び調整が容易となる。

また、光学的異方性媒質が光学デバイスの回転方向に沿って所定間隔で形成された偏光子である光学デバイスに入射する光線が無偏光であることにより、無偏光を入射させるため装置構成を簡単にできる。

更に、光学的異方性媒質が光学デバイスの回転方向に沿って所定間隔で形成された１／２波長素子である光学デバイスに入射する光線が直線偏光であることにより、前段で無偏光から偏光変換技術により直線偏光を得て、光学装置に入射させる場合に、光利用効率を向上させることができる。

また、時間的に切り替わる出射光の偏光状態が、直交する２つの直線偏光であることにより、プロジェクション装置のピクセルシフトに応用した場合各ピクセルシフト位置での二重像を抑制し高画質な画像を得ることができる。

更に、別の発明としての表示装置は、上記光学装置を具備することに特徴がある。よって、画像表示素子や投射光学系の光学要素を揺動したり、液晶等による光偏光素子を利用したりするピクセルシフト方式に比べ、照明側で光線を制御するため、画像表示素子に負荷をかけることなく、また投射光学系のバックフォーカスを増やすことなく良好なピクセルシフトが行うことができる。

また、デジタルマイクロミラーデバイスを有することより、ピクセルシフトが簡単に高精度に行うことができる。

更に、デジタルマイクロミラーデバイスの照明光側に、光学装置を設置することにより、バックフォーカスを短縮化でき、かつ投射光学系側に配置した場合ミラーの平面度によって生じる画像の歪を回避できる。

また、光学装置に含まれた光学デバイスを出射し、時間的に偏光方向を切り替えながらデジタルマイクロミラーデバイスに入射する光線の偏光方向がデジタルマイクロミラーデバイス内のピクセルの対角方向と垂直又は平行な方向であることにより、４つの近接するピクセル間を補間する位置にピクセルシフトさせることが可能となり効率よく高精細化が図れる。

更に、光学装置に含まれた光学デバイスを出射し、時間的に偏光方向を切り替えながらデジタルマイクロミラーデバイスに入射する光線の偏光方向が、デジタルマイクロミラーデバイス内のピクセルの辺方向と垂直又は平行な方向である。よって、上下あるいは左右方向の走査線間を補間する位置にピクセルシフトさせることが可能となり効率よく高精細化が図れる。

また、デジタルマイクロミラーデバイスからの出射光側に、光軸に対して傾斜した方向に光学軸を有する複屈折素子を設置することにより、光の進行方向を周期的に切り替えることが可能な投射型の表示装置を提供できる。

更に、光学装置に含まれた光学デバイスを出射し、時間的に偏光方向を切り替えながら複屈折素子に入射する光線の偏光方向が、複屈折素子の光学軸と光軸を含む面に対し、垂直又は平行な方向であることにより、二重像が発生せずに、光の進行方向を周期的に切り替えることが可能な投射型の表示装置を提供できる。

また、複屈折素子に入射する光線の偏光方向が複屈折素子の光学軸と光軸を含む面に対して平行な方向であるときの光線の複屈折による偏光量が偏光方向におけるデジタルマイクロミラーデバイスにおけるピクセル配列の半ピッチであることにより、ピクセル配列の半ピッチに相当する位置にシフトさせることで高精細な画像が得られる。

更に、デジタルマイクロミラーデバイスの表示切替タイミングと光学装置に含まれた光学デバイスの偏光状態切替タイミングが同期していることにより、タイミング不良による二重像を防止でき、良好な高精細な画像が得られる。

また、別の発明としての立体画像表示装置は、上記の表示装置と、表示装置から出射されるそれぞれの直線偏光の偏光方向と一致する透過軸を有する偏光フィルタを、観察者の左右眼用に対応して有している偏光選択手段とを有することに特徴がある。よって、波長依存性が少なく偏光純度の優れた偏光が得ら、高画質の立体画像を形成できる。また、照明系内に光学デバイスを設けることで、投射レンズのバックフォーカス増大を回避でき装置小型化が図れる。装置小型化に伴い低コスト化や、リアプロジェクションタイプの場合は薄型化、そして投射系内の光学部品点数を低減させ画像品質向上が図れる。更に、立体画像形成のための新たな構成部品を必要としないので投射光学系の設計が容易となる。

更に、偏光選択手段が眼鏡型であり、偏光フィルタが各眼に対応する眼鏡に設けられていることにより、観察者の位置にかかわらずして良好な立体画像が観察できる。

また、デジタルマイクロミラーデバイスが右眼用又は左眼用の画像を表示している時間帯において、眼鏡型の偏光選択手段の右眼又は左眼の位置に設けられた偏光フィルタの透過軸と平行な直線偏光が観察者に到達するように偏光方向を制御することにより、良好な立体画像が形成できる。

本発明の光学デバイスによれば、時間的に偏光状態を切り替えられ、かつ波長依存性が少なく偏光純度の優れた偏光が得られる。

図１は本発明の第１の実施の形態例に係る光学デバイスの構成を示す斜視図である。同図に示す本実施の形態例の光学デバイス１０は、回転軸１１を有する四角柱をなし、回転軸１１に対して平行でかつ透光性を有する４つの面１２を備え、この面１２の少なくとも一部が光学的異方性媒質により形成され、回転に伴い面１２を通る光線の偏光状態を時間的に切り替え出射する。

図２は本発明の第１の実施の形態例に係る光学デバイスの他の例の構成を示す斜視図である。同図に示す光学デバイス２０は、回転軸２１を有する六角形柱をなし、回転軸２１に対して平行でかつ透光性を有する６つの面２２を備え、この面２２の少なくとも一部が光学的異方性媒質により形成され、回転に伴い面２２を通る光線の偏光状態を時間的に切り替え出射する。

なお、本実施の形態例の光学デバイスは、図１のような四角柱や図２のような六角形柱に限定されず、多角柱状であればよい。また、回転軸１１，２１は回転対称軸と一致して選ばれている。光学的異方性媒質は多角柱の側面に形成されている。

図３は本発明の第２の実施の形態例に係る光学デバイスの構成を示す斜視図である。同図に示す本実施の形態例の光学デバイス３０は、回転軸３１を有する円柱をなし、光学デバイス３０における光学的異方性媒質が円柱の側面３２に形成されている。また、光学デバイス３０は、例えば光が通る部位を避け、金属や樹脂等でフレームを形成し、このフレームに光学的異方性媒質のエッジを接着することで形成できる。また、ガラス、透明樹脂等、あるいは透明性で光学的に等方性を有する材料で基材を成型し、その上に光学的異方性媒質を印刷し、又は真空成膜などにより形成してもよい。

以上説明したように、第１，第２の実施の形態例における光学的異方性媒質としては、ある所定方向の偏光のみ透過し、それ以外の方向の光線を遮光する直線偏光子、偏光方向により光線の伝播速度に差を持たせる位相シフタが用いられる。特に、位相シフタとして、入射光と出射光に半波長分の位相差を持たせる１／２波長素子、１／４波長分の位相差を持たせる１／４波長素子が選ばれる。それぞれの異方性媒体は、可視光域全般に均一な特性を持つものが好ましいが、特に緑色域で良好に機能するものが望ましい。その材料としては一般的に光学部品として用いられているものを利用でき、例えばポリビニルアルコール、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリカーボネート、ポリアリレート、ポリサルフォン、ポリオレフィンなどの樹脂を延伸し光学異方性を持たせたものを用いることができる。

また、図１及び図２に示す第１の実施の形態例において、各面毎に異なる方向の直線偏光子を配置させることで、各面毎に偏光方向を制御させることが可能である。また、図３に示す第２の実施の形態例においては、側面３２で回転方向に所定の間隔で直線偏光を形成させることで、偏光方向を制御できる。更に、ＤＭＤを用いたピクセルシフトにおいては、直交する偏光を時間的に切り替えることが必要であり、その意味から偏光方向としては、出射光の偏光方向が直交する２つの偏光子が交互に配列されてなる構造が有用である。いずれの場合においても偏光子から出射する光線の波長特性が均等であることが望ましく、同種類の偏光子を９０度傾けた状態で配置していくのがよい。図４に示すように、透明な円盤の表面４１に直線偏光子を形成した構成のものを用意し、円盤４０を回転することで偏光状態を時間的に切り替えることも可能であるが、光線通過領域全域４２で均一な方向の直線偏光を得ることはできない。

図５は別の発明の第１の実施の形態例に係る光学装置の構成を示す斜視図である。同図に示す本実施の形態例の光学装置５０は、図３に示す光学デバイス３０の内部に、光学的異方性媒質を透過する光線の光路上に固定ミラー５１が設置されて構成されている。光線５２は光学的異方性媒質が備わる面３２を１回だけ通過する。この光学的異方性媒質は直交する２つの偏光子よりなり、入射光が無偏光である場合、図５に示すように、直交する偏光が時間的に切り替わりながら出射する。この場合、図４と比較し光線通過領域全域で均一な方向直線偏光が得られる。図５では光線の進行方向を固定ミラー５１から光学的異方性媒質に向かう方向に設定しており、このように設定することで、例えば図６に示すとおり、ＤＭＤに至るまでの光路に反射面を設ける必要がなく反射面の面精度に起因する偏光乱れを回避できる。図６において、ランプユニット６１から出射した光線は、カラーホイール６２の面で一旦集光し、色が時間的にＲＧＢに分割され出射する。カラーホイール６２から出射した光はレンズ６３によりロッドインテグレータ６４に導かれ光量分布の均質化が図られる。ロッドインテグレータ６４から出射した光は、上述したような図５の光学装置５０に導かれる。カラーホイール６２の１周期毎に光学装置５０によって偏光方向が切り替わるタイミングで偏光状態を変える。その後、コンデンサレンズ６５を介してＤＭＤ６６を照明する。ＤＭＤ６６では、各ピクセル毎に進行方向の変調を行う。投射レンズ６８の方向に進む光線が複屈折素子６７を通過するとき、後述する偏光状態の差によって直進する光線と偏向する光線を制御することが可能で、これら２つの光線を用いて高精細画像が得られる。最終的に投射レンズ６８を介して図示しないスクリーンにカラー画像として結像する。なお、図６において光学装置５０は、ＤＭＤ６６の投射側に配置することも可能であるが、投射レンズ６８のバックフォーカスが長くなってしまうため、照明側に配置するのがより好ましい。

図７は別の発明の第２の実施の形態例に係る光学装置の構成を示す斜視図である。同図の光学装置７０は、図３に示す光学デバイス３０の回転方向に沿って色フィルタ７３が備わり、少なくとも１つ以上の色フィルタ７３が光学的異方性媒質を兼ねる構造を有している。特に、ここでは無偏光を入射させ時間的に色、偏光方向がともに切り替わる構成の例である。この光学デバイス３０を用いることによって、図６の光学系からカラーホイール６２を除いた場合、つまり図８に示すような構成でも、同様の機能が得られるようになり、装置小型化及び低コスト化が図れる。なお、図８においてはロッドインテグレータ６４の後にリレーレンズ８１を設け、光学的異方性媒質の部分とロッドインテグレータ６４の出射部とを共役な関係とし、光線の収束点とした。

ここで、図６及び図８において、光学的異方性媒質を透過する光線の光軸は、回転軸と垂直であるのが良好な偏光状態を得るのに望ましく、更に、光学的異方性媒質を透過する光線の光軸を含む直線が、光学デバイスの回転軸を通ることがより一層望ましい。また、光学的異方性媒質に入射する光線が収束光であり、収束点が光学的異方性媒質部と一致するように配置するのがよい。

次に、ピクセルシフトのモードとして以下の２つを考える。１つは各ピクセルがシフト位置として２つの位置（ＳＰ１，ＳＰ２）を取り、それぞれの位置でＲＧＢ各色位置に応じた明るさを取る場合である。この場合、図９の（ａ），（ｃ）に示すように、１つの画像フィールドは６つのサブフィールドに分けられ、６つの偏光・色状態が各サブフィールド毎に設定される。このモードを達成するためには、図７に示す光学装置７０における光学デバイス３０に対して、回転方向に沿って備わる色フィルタ７３が、少なくとも赤（Ｒ）緑（Ｇ）青（Ｂ）の３色を含み、１回転の間にそれぞれの色毎に直交する偏光を出射するよう構成すればよい。この場合、隣接するサブフィールドの色はカラーブレーク、すなわち人間が時間的な色の変化を感じてしまい違和感を覚える現象を抑制するために異なる色に設定するのが好ましい。もう１つのピクセルシフトのモードは、各ピクセルがシフト位置として２つの位置を取り、一方の位置ではＲＧＢの各色を表示し、もう一方の位置では緑のみ表示する場合である。この場合図９の（ｂ），（ｄ）に示すように１つの画像フィールドは４つのサブフィールドに分けられる。図７に示す光学装置７０の光学デバイス３０に対して、回転方向に沿って備わる色フィルタ７３が、赤（Ｒ）緑（Ｇ）青（Ｂ）緑（Ｇ）よりなり、１回転の間にそれぞれの緑（Ｇ）が、直交する偏光を出射するよう構成すればよい。

図１０は図３の光学デバイスの側面図である。各色には図中示す方向の偏光子が形成されている。この場合赤（Ｒ）と青（Ｂ）はいずれかの偏光方向と一致する偏光状態に設定するのが望ましく、さらには後述する複屈折板を通過する際に常光となる方向に設定するのが、波長分散による色劣化を抑える上で好ましい。また、図１０の（ｂ）に示すように、赤（Ｒ），青（Ｂ）の色フィルタの透過率を、いずれの緑（Ｇ）の色フィルタの透過率より高く（図中緑（Ｇ）の透過率が低いことを網掛けで表示）設定したり、図１０の（ｃ）に示すように、赤（Ｒ），青（Ｂ）の色フィルタの回転方向の幅をいずれの緑（Ｇ）の色フィルタの幅より広くとることで色バランスを良好に保つことができる。

図１１は別の発明の第１の実施の形態例に係る表示装置の構成を示す概略構成図である。同図に示す本実施の形態例の表示装置１１０によれば、図６及び図８に示すロッドインテグレータ６４に代え偏光変換素子１１１を設けた光学系を有している投射型の表示装置であって、光学装置５０の光学デバイスに入射する光線の偏光を制御可能であり、例えば直線偏光、円偏光を入射させることができる。そして、光学的異方性媒質を、光学デバイスの回転方向に沿って所定間隔で形成された１／２波長素子で構成し、入射する直線偏光に対して１／２波長素子の遅相軸方向を偏光方向から所定角度、傾斜させることで、任意の偏光方向の直線偏光を取り出せる。光学デバイスの回転方向に沿って、１／２波長素子の間隙に、１／２波長素子透過時の光路長と一致する光学的等方性媒質を設けておくことにより、等方性媒質を光線が通過する場合は偏光状態を保持し、光学的異方性媒質を通過するときに偏光方向を切り替えることが可能となる。また、光路長を等しく設定しておけば結像位置が変化しない。更に、両者の透過率を等しく設定することで色バランスを保持することができる。各波長で同等の透過率に設定するのが好ましく、投射型表示装置の場合、とりわけ緑色を同等に設定する必要がある。また、光学的異方性媒質を、光学デバイスの回転方向に沿って所定間隔で形成された１／４波長素子で構成することができる。入射する円偏光に対して位相方向の異なる１／４波長素子を交互に配置することで、直交する直線偏光を取り出せる。更に、１／２波長素子や１／４波長素子を直線偏光子と同様に色フィルタと組み合わせて用いることもできる。偏光変換素子との組み合わせでそれぞれ時間的に切り替わる直線偏光を得るための光学装置を構成することができる。

図１２は別の発明の第２の実施の形態例に係る表示装置の構成を示す概略構成図である。同図に示す本実施の形態例の表示装置１２０は、光学装置の光学デバイスを透過する間に光学的異方性媒質が備わる面を２回通過する投射型の表示装置である。ここでの光学装置には図１に示す四角柱の光学デバイス１０を用いている。同図において、光学デバイスの後段にあるコンデンサレンズのパワーを適切に設定することで、画像表示素子に到達する照明光は偏光方向が上から下へ順次変化することになる。

図１３は、図１２の光学装置における光学デバイスを光が透過する場合の動作を模式的に示した図であり、ここでは光線は無偏光であって図中左から右に進行している。光学デバイス１０は光路中に位置し図示の通り回転している。図１３の（ａ）の状態では、光の入射面と出射面とに位置する偏光子と光軸は垂直であり、光は全て１つの面から入射し１つの面から出射する。入射面と出射面に縦方向の透過軸を有する偏光子を設けることで縦方向の偏光のみ出射する。図１３の（ｃ）の状態では同様に横方向の成分のみ出射する。図１３の（ｂ）の状態では、入射面、出射面とも２つの面にまたがる。入射面１では偏光子が縦方向の透過軸を有するため縦方向の成分のみ透過させるが、この光は多角体偏光フィルタ内部の透明材質の屈折率によって屈折し出射面１に導かれる。出射面１では入射面１と同様縦方向の偏光を透過するのでこの出射光は縦方向偏光成分のみ有することになる。入射面２では偏光子が横方向の透過軸を有するため横方向の成分のみ透過させるが、同様に、この光は多角体偏光フィルタの屈折率によって屈折し出射面２に導かれる。出射面２では入射面２と同様横方向の偏光を透過するのでこの出射光は横方向偏光成分のみ有することになる。

なお、上記の場合、無偏光の光を多角体偏光フィルタに入射させる例を示したが、直線偏光の入射光であっても多角体偏光フィルタを用いることが可能である。図１４は、この例を示すもので光学的異方性媒体として入射面１および出射面１に位置する面に１／４波長素子を設け入射面２および出射面２に位置する面には１／４波長素子の透過率と同等の等方媒質を設ける。これによって入射面１から入射した光は光学デバイス中では円偏光となり、出射面１を通過した後、入射光とは偏光面が９０度異なる直線偏光となる。入射面２から入射した光は状態を変えることなく出射面２から出射する。ランプ光源等の無偏光の照明光を直線偏光に変換させる方法は従来より偏光変換素子として提案されており、本投射型画像表示装置においても利用することができる。

次に、ピクセルシフトの方向と位置について説明する。図１５の（ａ）は、ピクセルシフトの方向がＤＭＤ内ピクセルの対角方向であり、この場合光学デバイスを出射し時間的に偏光方向を切り替えながらＤＭＤに入射する光線の偏光方向は、ＤＭＤのピクセルの対角方向と垂直もしくは平行な方向をとる。図１５の（ｂ）は、ピクセルシフトの方向がＤＭＤ内ピクセルの辺方向であり、この場合光学デバイスを出射し時間的に偏光方向を切り替えながらＤＭＤに入射する光線の偏光方向は、ＤＭＤのピクセルの辺方向と垂直もしくは平行な方向をとる。よって、上下あるいは左右方向の走査線間を補間する位置にピクセルシフトさせることが可能となり効率よく高精細化が図れる。例えばＨＤＴＶのＤ４規格である７２０本の走査線に対してＤＭＤの副走査方向のピクセル数が半数３６０本であっても、ピクセルシフトにより７２０本相当の画像が得られる。

図１６は本発明で用いられる複屈折素子の構造を示す図である。図１６の（ａ）に示すように、光軸に対して傾斜した方向に光学軸を有している。なおここでは簡単のため、光軸と複屈折素子の表面は垂直な関係にあるとする。また、図１６に示した直交座標系において、図１６の（ｂ）の光線１に示すように、光線がｘ方向に偏光方向を有する場合、すなわち複屈折素子の光学軸と光軸を含む面に対し垂直な状態であるとき、この偏光は常光として振る舞い複屈折素子中を直進する。一方、光線２に示すように、光線がｙ方向に偏光方向を有する場合、すなわち複屈折素子の光学軸と光軸を含む面に対し平行な状態であるとき、この偏光は異常光として振る舞い複屈折素子中を直進する。これ以外の方向に直線偏光の方向がある場合、直進する成分と偏光する成分が発生する。したがって、光学デバイスを出射し時間的に偏光方向を切り替えながら、複屈折素子に入射する光線の偏光方向が、複屈折素子の光学軸と光軸を含む面に対し、平行な状態と垂直な状態で切り替えることで、直進と偏光を制御できる。また、異常光のシフト量ｓをＤＭＤピクセル配列の半ピッチとすることでピクセル間を等分に補間するため高品位の画像が得られる。更に、複屈折板の材料としては、KH_２PO_４（KDP）、NH_４H_２PO_４（ADP）、LiNbO_３、LiTaO_３、GaAs、CdTeなど第１次電気光学効果(ポッケルス効果)の大きな材料や、KTN、SrTiO_３、CS_２、ニトロベンゼンなどの第２次電気光学効果の大きな材料、等を用いることができる。

図１７は本発明の光学装置における、ＤＭＤ駆動信号、偏光状態の１フィールド内における時間配分の例を示すタイムチャートである。同図からわかるように、表示切替タイミングと光学デバイスの偏光状態切替タイミングが同期しており、画像劣化が抑制できる。この同期は例えば光学デバイスの所定位置に光学検出用のマークを形成し、マークからの反射光により同期信号を得ることで行えばよい。

図１８は別の発明の一実施の形態例に係る立体画像表示システムの構成を示す概略構成図である。同図に示す本実施の形態例の立体画像表示システムには、例えば図８と同様の投射型表示装置を用いている。この投射型表示装置からは、光学装置７０の光学デバイスによって、直交する偏光が１フレームの間に交互に出射している。この直交する偏光をそれぞれ右眼、左眼で独立に認識できるように、直線偏光の偏光方向と一致する透過軸を有する偏光フィルタを左右眼用に対応して形成した偏光選択手段を設ける。なお、図１８の立体画像表示システムにおいては観察者が眼鏡型偏光選択手段１８０をかけている。

図１９は別の発明の立体画像表示システムにおける、ＤＭＤ駆動信号、偏光状態の１フィールド内における時間配分の例を示すタイムチャートである。同図からわかるように、表示切替タイミングと光学デバイスの偏光状態切替タイミングは前述同様に同期しており、画像劣化が抑制できる。そして、ＤＭＤに入力する立体画像信号は、例えば図２０に示すように両眼に対応し２台のカメラ２０１，２０２で被写体２００を撮影した画像を用いることができる。各カメラ２０１，２０２において同一タイミングで得たそれぞれのフレーム画像２０３，２０４は、ＲＧＢに分解され６枚のサブフィールド画像２０５〜２１０を得る。図１８の光学装置７０の光学デバイスから出射する光の偏光方向と色は、図１９に示す通り、例えば［右Ｒ］→［左Ｇ］→［右Ｂ］→［左Ｒ］→［右Ｇ］→［左Ｂ］とすればよく、これに合せて６枚のサブフィールド画像に対応した画像信号を図１８のＤＭＤ６６に伝送する。これによって１フィールドの間に左右両眼にカラーの立体画像が視認できるようになる。隣接するサブフィールド画像では偏光方向、色ともに異なるように設定するのがフリッカを抑制するために望ましい。

なお、図１８に示すような眼鏡型偏光選択手段１８０を用いずに立体画像表示システムを構成することも可能である。例えば図１８のスクリーン１８１にレンチキュラースクリーンを用い、レンチキュラースクリーン内に、直交する偏光フィルタをストライプ状に形成した偏光板列を設ける。そして、ストライプの一方を通る光が全て右眼に、他方を通る光が全て左眼に導かれるようにレンチキュラーレンズを設計する。その上で、ＤＭＤ６６から出射した光は光学装置７０の光学デバイスにより時分割に偏光方向が切り替えられるため、ストライプ状偏光フィルタを通る光は交互に遮光されることになる。よって、遮光されない光が導かれる側の眼に対応してＤＭＤ６６の画像を切り替えることで左右眼独立の画像を形成することができ、立体画像を形成することができる。ただし、偏光板列により実質光量を半減させてしまうことによる光利用効率低下が問題である。

なお、本発明は上記実施の形態例に限定されるものではなく、特許請求の範囲内の記載であれば多種の変形や置換可能であることは言うまでもない。

本発明の第１の実施の形態例に係る光学デバイスの構成を示す斜視図である。 本発明の第１の実施の形態例に係る光学デバイスの他の例の構成を示す斜視図である。 本発明の第２の実施の形態例に係る光学デバイスの構成を示す斜視図である。 透明な円盤の表面に直線偏光子を形成した構成例を示す平面図である。 別の発明の第１の実施の形態例に係る光学装置の構成を示す斜視図である。 第１の実施の形態例の光学装置を用いた表示装置の構成を示す概略構成図である。 別の発明の第２の実施の形態例に係る光学装置の構成を示す斜視図である。 第２の実施の形態例の光学装置を用いた表示装置の構成を示す概略構成図である。 ピクセルシフト位置とＲＧＢ各色位置の関係を示す図である。 図３の光学デバイスの側面図である。 別の発明の第１の実施の形態例に係る表示装置の構成を示す概略構成図である。 別の発明の第２の実施の形態例に係る表示装置の構成を示す概略構成図である。 図１２の光学装置における光学デバイスを光が透過する場合の動作を模式的に示した図である。 多角体偏光フィルタを用いた光学デバイスを光が透過する場合の動作を模式的に示した図である。 ピクセルシフトの方向と位置の別の例を示す図である。 本発明で用いられる複屈折素子の構造を示す図である。 ＤＭＤ駆動信号、偏光状態の１フィールド内における時間配分の例を示すタイムチャートである。 別の発明の一実施の形態例に係る立体画像表示システムの構成を示す概略構成図である。 別の発明の立体画像表示システムにおける、ＤＭＤ駆動信号、偏光状態の1フィールド内における時間配分の例を示すタイムチャートである。 ２台のカメラを用いて得られるＤＭＤに入力する立体画像信号を示す図である。 従来の投射型表示装置の構成を示す概略構成図である。 カラーホイールの構成例を示す図である。

符号の説明

１０，２０，３０；光学デバイス、１１，２１，３１；回転軸、
１２，２２；面、３２；側面、５０，７０；光学装置、
５１，７１；固定ミラー、１１０，１２０；表示装置、
１８０；眼鏡型偏光選択手段、１８１；スクリーン。

Claims (42)

1. 回転軸を有し、前記回転軸に対して平行でかつ透光性を有する面を備え、該面の少なくとも一部が光学的異方性媒質により形成され、回転に伴い前記面を通る光線の偏光状態を時間的に切り替えて出射することを特徴とする光学デバイス。
2. 回転軸を有し、前記回転軸に対して平行でかつ透光性を有する面を備えた多角柱であり、少なくとも側面の一部が光学的異方性媒質により形成されている請求項１記載の光学デバイス。
3. 回転軸を有した円柱であり、少なくとも側面の一部が光学的異方性媒質により形成されている請求項１記載の光学デバイス。
4. 前記光学的異方性媒質は、光学デバイスの回転方向に沿って所定間隔で形成された偏光子である請求項１〜３のいずれかに記載の光学デバイス。
5. 光学デバイスの回転方向に沿って、出射光の偏光方向が異なる複数の偏光子が配列されてなる請求項４記載の光学デバイス。
6. 光学デバイスの回転方向に沿って、出射光の偏光方向が直交する２つの偏光子が交互に配列されてなる請求項５記載の光学デバイス。
7. 前記光学的異方性媒質は、光学デバイスの回転方向に沿って所定間隔で形成された１／２波長素子である請求項１〜３のいずれかに記載の光学デバイス。
8. 光学デバイスの回転方向に沿って、１／２波長素子の間隙に、１／２波長素子透過時の光路長と一致する光学的等方性媒質が設けられている請求項７記載の光学デバイス。
9. 光学デバイスの回転方向に沿って、１／２波長素子の間隙に、１／２波長素子透過時の透過率と等しい透過率を有する光学的等方性媒質が設けられている請求項７記載の光学デバイス。
10. 前記光学的異方性媒質は、光学デバイスの回転方向に沿って所定間隔で形成された１／４波長素子である請求項１〜３のいずれかに記載の光学デバイス。
11. 光学デバイスの回転方向に沿って、位相方向の異なる１／４波長素子が交互に配列されてなる請求項１０記載の光学デバイス。
12. 光学デバイスの回転方向に沿って色フィルタが備わり、少なくとも１つ以上の色フィルタが光学的異方性媒質を兼ねる請求項１〜１１のいずれかに記載の光学デバイス。
13. 前記色フィルタは、少なくとも赤（Ｒ），緑（Ｇ），青（Ｂ）の３色を含み、１回転の間に各色毎に直交する偏光を少なくとも６偏光状態で出射する請求項１２記載の光学デバイス。
14. ６偏光状態において隣接する偏光状態の色は異なる色に設定する請求項１３記載の光学デバイス。
15. 前記色フィルタは、赤（Ｒ），緑（Ｇ），青（Ｂ），緑（Ｇ）よりなり、１回転の間にそれぞれの緑（Ｇ）が直交する偏光を出射する請求項１２記載の光学デバイス。
16. 赤（Ｒ），青（Ｂ）の出射光は、いずれかの緑（Ｇ）の偏光方向と平行な直線偏光を出射する偏光状態に設定する請求項１５記載の光学デバイス。
17. 赤（Ｒ），青（Ｂ）の色フィルタ透過率は、いずれの緑（Ｇ）の色フィルタの透過率より高い請求項１５又は１６に記載の光学デバイス。
18. 赤（Ｒ），青（Ｂ）の色フィルタの回転方向の幅は、いずれの緑（Ｇ）の色フィルタの幅より広い請求項１５又は１６記載の光学デバイス。
19. 請求項１〜１８のいずれかに記載の光学デバイスを少なくとも１つ備え、該光学デバイスに対して所定方向から光線を入射させ、入射光の偏光状態と異なる偏光状態の光線を時間的に切り替えて出射することを特徴とする光学装置。
20. 前記光学デバイスに形成されている光学的異方性媒質を透過する光線の光軸は回転軸に対して垂直である請求項１９記載の光学装置。
21. 前記光学的異方性媒質を透過する光線の光軸を含む直線が、前記光学デバイスの回転軸を通る請求項１９又は２０に記載の光学装置。
22. 前記光学的異方性媒質に入射する光線が収束光であり、収束点が前記光学的異方性媒質が形成されている部分と一致する請求項１９〜２１のいずれかに記載の光学装置。
23. 前記光学デバイスを透過する間に、前記光学的異方性媒質が形成されている面を１回通過する請求項１９〜２２のいずれかに記載の光学装置。
24. 前記光学デバイスの内部であって、前記光学的異方性媒質を透過する光線の光路上に、固定ミラーが設置されている請求項２３記載の光学装置。
25. 前記光学デバイスにおける光線の進行方向は、前記固定ミラーから光学的異方性媒質に向かう方向である請求項２４記載の光学装置。
26. 請求項７〜９のいずれかに記載の前記光学デバイスに入射する光線が直線偏光である請求項２３〜２５のいずれかに記載の光学装置。
27. 前記光学デバイスを透過する間に、前記光学的異方性媒質が形成されている面を２回通過する請求項１９〜２２のいずれかに記載の光学装置。
28. 請求項４〜６のいずれかに記載の前記光学デバイスに入射する光線が無偏光である請求項２３〜２５、２７のいずれかに記載の光学装置。
29. 請求項１０又は１１に記載の前記光学デバイスに入射する光線が直線偏光である請求項２３〜２５、２７のいずれかに記載の光学装置。
30. 時間的に切り替わる出射光の偏光状態が、直交する２つの直線偏光である請求項１９〜２９のいずれかに記載の光学装置。
31. 請求項１９〜３０のいずれかに記載の光学装置を具備することを特徴とする表示装置。
32. デジタルマイクロミラーデバイスを有する請求項３１記載の表示装置。
33. 前記デジタルマイクロミラーデバイスの照明光側に、前記光学装置を設置する請求項３１又は３２に記載の表示装置。
34. 前記光学装置に含まれた光学デバイスを出射し、時間的に偏光方向を切り替えながら前記デジタルマイクロミラーデバイスに入射する光線の偏光方向が、前記デジタルマイクロミラーデバイス内のピクセルの対角方向と垂直又は平行な方向である請求項３２又は３３に記載の表示装置。
35. 前記光学装置に含まれた光学デバイスを出射し、時間的に偏光方向を切り替えながら前記デジタルマイクロミラーデバイスに入射する光線の偏光方向が、前記デジタルマイクロミラーデバイス内のピクセルの辺方向と垂直又は平行な方向である請求項３２又は３３に記載の表示装置。
36. 前記デジタルマイクロミラーデバイスからの出射光側に、光軸に対して傾斜した方向に光学軸を有する複屈折素子を設置する請求項３２〜３５のいずれかに記載の表示装置。
37. 前記光学装置に含まれた光学デバイスを出射し、時間的に偏光方向を切り替えながら前記複屈折素子に入射する光線の偏光方向が、前記複屈折素子の光学軸と光軸を含む面に対し、垂直又は平行な方向である請求項３６記載の表示装置。
38. 前記複屈折素子に入射する光線の偏光方向が前記複屈折素子の光学軸と光軸を含む面に対して平行な方向であるときの光線の複屈折による偏光量が偏光方向における前記デジタルマイクロミラーデバイスにおけるピクセル配列の半ピッチである請求項３７記載の表示装置。
39. 前記デジタルマイクロミラーデバイスの表示切替タイミングと前記光学装置に含まれた光学デバイスの偏光状態切替タイミングが同期している請求項３２〜３８のいずれかに記載の表示装置。
40. 請求項３３〜３５のいずれかに記載の表示装置と、該表示装置から出射されるそれぞれの直線偏光の偏光方向と一致する透過軸を有する偏光フィルタを観察者の左右眼用に対応して有する偏光選択手段とを有することを特徴とする立体画像表示装置。
41. 前記偏光選択手段が眼鏡型であり、前記偏光フィルタが各眼に対応する眼鏡に設けられている請求項４０記載の立体画像表示装置。
42. デジタルマイクロミラーデバイスが右眼用又は左眼用の画像を表示している時間帯において、眼鏡型の前記偏光選択手段の右眼又は左眼の位置に設けられた前記偏光フィルタの透過軸と平行な直線偏光が観察者に到達するように偏光方向を制御する請求項４０又は４１に記載の立体画像表示装置。
    

Images