JP4040869B2 - 画像表示装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光路偏向素子及び画像表示装置に関し、さらに詳しくは、光の偏向を用いる光学素子及び該光学素子を利用した画像表示装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の技術として、「O plus E, Vol.20, No.10 (1998)」「液晶マイクロレンズ」には、電極分割構造の液晶マイクロレンズを用いて、電界分布を非対称的にすることで、光軸方向以外に焦点を移動することができる技術が提案されている。また、特許第３０１６７４４号公報には、ネマチック液晶中で光重合によるポリマーを形成する技術について開示されており、それによると、メモリー性があり、レンズ特性が可変にできると述べられている。また、特開平１１−１０９３０３号公報、特開平１１−１０９３０４号公報には、円形状の穴抜きパターン電極をアレイ状に配置した液晶マイクロレンズを用いて、焦点距離が可変なレンズとし、光インターコネクション素子の光の結合効率を可変として、分割電極により焦点位置の制御も可能である技術について開示されている。さらに、特開平１０−５５０２９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ついて開示されており、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について述べられている。それによると、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又は振動させる。その光路変調手段として、「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.28,1994）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。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
液晶レンズは前記のように光路偏向手段として用いられる。文献O plus E, Vol.20, No.10 (1998)「液晶マイクロレンズ」にホール・パターン電極を用いた液晶レンズが記載されており、これは対のホール・パターン電極間に液晶が挟まれ、その電極間に電圧を印加することでレンズ特性をもつことを特徴としている。レンズ特性は印加電圧に依存して変化し、焦点位置は光軸方向に可変できるが、この構成では光軸方向の焦点可変には有効であるが、光軸以外の方向には可変できない。そのため、ホール・パターン電極を分割した構成が考えられている。分割した電極に異なった電圧を印加することで、焦点位置は光軸以外にも可変できるようになる。
また、特開平１１−１０９３０３号公報、特開平１１−１０９３０４号公報は、このようなホール・パターン電極の液晶レンズをアレイ状にし、光結合素子の光の結合効率を可変することを特徴としている。また、液晶レンズの他のアプリケーションとして、特開平１０−５５０２９号公報に開示されているような、見かけ上の画素を増やして、高精細な画像表示を目的とした表示装置も考えられている。しかし、このような分割したホール・パターン電極をアレイ状にする場合、電極配線が非常に複雑となる問題が生じている。
このような問題を解決する技術として、同一出願人により、透明ライン電極を用いた液晶レンズが提案されている。これによると、ライン電極は簡単にアレイ状にでき、電極配線も単純な構成でできるため、上述の問題を解決している。透明ライン電極を用いた液晶レンズは、ライン電極アレイに電圧を印加して動作させると、ホール・パターン電極と同様に、レンズ効果が得られ、焦点位置は可変できる。しかし、電圧を印加したとき、ライン電極部の中心付近では電界の焦点移動方向の勾配はなく、液晶分子の配向がその方向に変化しないため、電極部では屈折率の変化による偏向作用が起きず、電極部に入射する光は直進する。ライン電極は透明であるため、電極部で光が通り抜けて漏れ光となる。また、ライン電極のピッチが小さい場合、回折等の影響から素子開口部以外に光が漏れる。前記のように透明ライン電極を用いた液晶レンズでは電極部に漏れ光が生じ、コントラストが低くなるという課題がある。
本発明は、かかる課題に鑑み、遮光部を設けることにより、コントラストを向上した光路偏向素子を備えた画像表示装置を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明はかかる課題を解決するために、請求項１は、画像情報に従って光の透過または反射を選択的に制御する複数の画素を二次元配列した画像表示素子と、該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の光路を偏向する光路偏向素子と、該光路偏向素子により偏向された光画像をスクリーン上に焦点を結ぶ光学部材と、前記画像を投影するスクリーンとを備え、前記光路偏向素子をサブフィールド毎の前記画像情報で駆動し、前記光路偏向素子の偏向に応じて前記スクリーン上の表示位置をずらして表示する画像表示装置において、前記光学部材の１つが投射レンズにより構成され、該投射レンズの焦点位置近傍に前記画像表示素子の画素を整数分の１に分割した表示画素に対応した開口を有する遮光部を備えたことを特徴とする。
光路偏向素子の透明電極アレイは紙面の上下方向にライン状に形成されている。画像表示素子を出射した光が紙面に左右方向の直線偏光の場合、画像表示素子の全体を紙面の左右方向に画素シフトさせることができる。このような遮光部を設けた光路偏向素子を用いることで、画面の横方向シフトすることにより、高精細でコントラスト低下の少ない画像表示装置が実現できる。
かかる発明によれば、前記光路偏向素子をサブフィールド毎の前記画像情報で駆動し、前記光路偏向素子の偏向に応じて前記スクリーン上の表示位置をずらして表示するので、高精細でコントラスト低下の少ない画像表示装置が実現できる。また、投射レンズの焦点位置に画像表示素子の画素を整数分の１に分割した表示画素に対応した開口をもった遮光部を設けることで、更にコントラストの良い画像を表示することができる。
請求項２は、前記光路偏向素子は、少なくとも一方の基板上に櫛型電極アレイを有する一対の透明基板と、該透明基板間に挟まれ電圧印加によって屈折率分布が変化する液晶層と、前記櫛型電極アレイの各電極を交互に切換えながら電圧を印加する電圧制御手段とを備えた光路偏向素子において、前記電圧制御手段により前記櫛型電極アレイの各電極を交互に切換え、前記液晶層に入射した光の焦点位置を切換えて光を出射させ、該光の出射側の透明基板面からみて前記櫛型電極アレイの各電極と重なる位置に遮光部を設けたことを特徴とする。
各透明電極部に遮光部を設けることにより、コントラストを向上する光路偏向素子を提供することができる。つまり、光路偏向素子へ光が入射し、入射光が液晶の屈折率に作用されない部分は、集光されず透明電極から漏れ光となる。光の出射側の透明基板面からみて前記櫛型電極アレイの各電極と重なる位置に遮光部を設けることにより漏れ光を遮光することができ、出射側の受光面では明暗がはっきりし、コントラストを向上することができる。
かかる発明によれば、前記電圧制御手段により前記櫛型電極アレイの各電極を交互に切換え、前記液晶層に入射した光の焦点位置を切換えて光を出射させ、該光の出射側の透明基板面からみて前記櫛型電極アレイの各電極と重なる位置に遮光部を設けることにより、出射側の受光面では明暗がはっきりし、コントラストを向上することができる。
【０００５】
請求項３は、前記光路偏向素子は、少なくとも一方の基板上に櫛型電極アレイを有する一対の透明基板と、該透明基板間に挟まれ電圧印加によって屈折率分布が変化する液晶層と、前記櫛型電極アレイの各電極を交互に切換えながら電圧を印加する電圧制御手段とを備えた光路偏向素子において、前記電圧制御手段により前記櫛型電極アレイの各電極を交互に切換え、前記液晶層に入射した光の焦点位置を切換えて光を出射させ、該光の出射側の櫛型電極アレイの各電極を遮光部材で構成したことを特徴とする。
光の出射側の透明基板面からみて前記櫛型電極アレイの各電極と重なる位置、すなわち、漏れ光を遮光する位置に遮光部を設けることで、コントラストの低下を改善することができる。また、光の出射側の基板上に遮光部を設けてもよいが、これに限らず、光の出射側の透明基板面からみて前記櫛型電極アレイの各電極と重なる位置に設けてもよい。遮光部は漏れ光を遮光する観点からみれば大きいほうが好ましいが、大きすぎると必要な光まで遮光することになり全体の光量が低下する。一方、遮光部が小さいと全体的な光量は増加するが漏れ光を遮光する能力が低下し、コントラストの低下を生じてしまう。したがって、遮光部の大きさは、全体の光量およびコントラストの良し悪し、遮光部の位置等に応じて適切に設定する必要がある。また、使用する遮光部が金属等であって導電性を有している場合は、遮光部を電極として利用できる。この場合には遮光部が電極を兼ねることで加工プロセスが削減でき、低コスト化につながる。
かかる発明によれば、前記電圧制御手段により前記櫛型電極アレイの各電極を交互に切換え、前記液晶層に入射した光の焦点位置を切換えて光を出射させ、該光の出射側の櫛型電極アレイの各電極を遮光部材で構成したことにより、漏れ光の遮光と電界印加を同時に行い、加工プロセスが削減でき、低コスト化することができる。
【０００６】
請求項４は、前記光路偏向素子は、前記遮光部を前記液晶層を挟む基板間のスペーサ−とすることも本発明の有効な手段である。
黒色のスペーサを用いて、漏れ光が発生する位置に対応してスペーサを分散した場合、漏れ光を遮光してコントラストの低下を防止し、かつ基板間の厚さを精度良く均一にすることが可能になる。このスペーサ材料は光を遮光できるものならなんでもよい。かかる技術手段によれば、前記遮光部を前記液晶層を挟む基板間のスペーサ−とすることにより、漏れ光を遮光してコントラストの低下を防止すると共に、基板間の厚さを精度良く均一にすることができる。
請求項５は、前記光路偏向素子は、前記光の出射側に前記遮光部を設けることも本発明の有効な手段である。
光路偏向素子の焦点距離は電極ピッチ、透明基板間のギャップ、印加電圧値等の設定によって変化する。そのため、コントラストの低下を防止するには、遮光部を設ける位置をそれに合わせて変化させる必要がある。ここで、光路偏向素子へ入射した光は液晶層内で偏向されるため、遮光部を光の入射側に設けると偏向される光量が減り、光の利用効率が低下する。従って、遮光部を光の出射側に設けることで光の利用効率の低下を抑えることができる。かかる技術手段によれば、前記光の出射側に前記遮光部を設けるため、光の利用効率の低下を抑えることができる。
請求項６は、前記光路偏向素子は、前記液晶層と前記櫛型電極アレイの各電極の間に前記遮光部を設けることも本発明の有効な手段である。
焦点位置が透明基板の内部、または液晶層と電極基板の界面にある場合、遮光部は入射光側、あるいは液晶層内などの設置位置が考えられるが、入射光側に設けた場合、前述したように、液晶層に入射される前に光を遮光してしまうため、光利用効率が悪くなる。また、液晶層内に遮光部を設ける場合、遮光部の位置と焦点位置との距離は離れてしまい、遮光部の面積が大きくなる。そこで、焦点位置に近い液晶層と電極基板の界面に遮光部を設けることで、遮光部の面積は比較的小さくでき、コントラストの低下を防止できる。かかる技術手段によれば、前記液晶層と前記櫛型電極アレイの各電極の間に前記遮光部を設けるため、遮光部の面積は比較的小さくでき、コントラストの低下を防止できる。
【０００７】
請求項７は、前記光路偏向素子は、前記透明基板に対して前記液晶層とは反対側に前記遮光部を設けることも本発明の有効な手段である。
透明基板に対して液晶層とは反対側、例えば、透明基板の表面に遮光部を設ける構成にすると、その遮光部を設ける際に漏れ光の位置を確認してから遮光部が設置可能なので、遮光位置の精度が良くなりセル作製後にプリント加工などが可能である。かかる技術手段によれば、前記透明基板に対して前記液晶層とは反対側に前記遮光部を設けるので、遮光位置の精度が良くなりセル作製後にプリント加工が可能となる。
請求項８は、前記光路偏向素子は、前記焦点位置近傍に前記遮光部を設けたことも本発明の有効な手段である。
焦点位置と遮光部の位置との距離が離れるにつれて、漏れ光を遮光するのに必要な遮光部の面積は大きくなり光利用効率が悪くなる。そこで、焦点位置に遮光部を設けることで、遮光部の面積を最小にでき、コントラストの低下を防止できる。かかる技術手段によれば、前記焦点位置近傍に前記遮光部を設けることにより、遮光部の面積を最小にでき、コントラストの低下を防止することができる。
請求項９は、前記光路偏向素子は、前記遮光部に光吸収体を設けることも本発明の有効な手段である。
遮光部が金属等の反射する部材を使用すると、遮光する漏れ光が遮光部で反射してしまい２次、３次の漏れ光が発生する可能性がある。このような場合は、遮光部に光吸収体を設けることによって、遮光部での反射光を防止し、２次、３次の漏れ光を防ぐことができる。かかる技術手段によれば、前記遮光部に光吸収体を設けることにより、２次、３次の漏れ光を防ぐことができる。
請求項１０は、前記光路偏向素子は、前記遮光部の光入射側に集光光学素子を設けることも本発明の有効な手段である。
遮光部近傍は漏れ光が直進してくる。そこでその漏れ光をレンズにより光路を内側に曲げ、遮光部避けるようにすれば、遮光される光を有効に利用することができる。かかる技術手段によれば、前記遮光部の光入射側に集光光学素子を設けることにより、漏れ光が集光され光利用効率を良くすることができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載される構成要素、種類、組み合わせ、形状、その相対配置などは特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する主旨ではなく単なる説明例に過ぎない。
図１は本発明の第１の実施形態に係る光路偏向素子の構成図であり、液晶セルの非動作時の液晶配向状態を模式的に示している。この構成は、二枚の透明基板２，６と、少なくとも一方の基板上に形成した櫛型透明電極アレイ３と、二枚の基板間に電圧印加によって屈折率分布の制御が可能な液晶層４と、液晶層４への入射光、または液晶層４からの出射光を遮光する遮光部１と、平面の透明電極５と、透明電極アレイ３への電圧印加状態を変化させる図示しない光路偏向電圧制御手段（図１０参照）とを有する。透明基板２，６の材質としては、ガラス、プラスチック等を使用でき、透明電極３，５の材質としてはＩＴＯ等が利用できる。透明電極層は液晶相層側になるように設置する。使用する基板自身が導電性を有している場合は、基板を電極としても利用することができる。また、遮光部１の材質は光の透過を防ぐものならなんでもよく、例えばAl、Cr等の金属、カーボンを添加したアクリル樹脂、レジスト材料などの有機材料、あるいはカーボン単体などがある。
無電界では液晶分子３６が透明基板２，６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。この図１では液晶分子３６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。上側の透明基板２には図示しない透明電極ラインがアレイ状に形成されており、透明電極アレイ３のピッチや幅などは特に限定しない。下側の透明電極５は全面に形成されているが、上側の透明基板２と対称なアレイ電極でも良い。
【００１０】
ここで、図２に遮光部１を設けていない場合の光路偏向素子の動作を示す。図２（ａ）（状態▲１▼）は３ａと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を示す。電圧を印加した電極部３ａでは電界によって垂直に配向し、無印加の電極部３ｂでは水平に配向したままになる。この液晶セル内部の不均一電界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。紙面の平行な偏光面を持つ直線偏光を入射する場合、液晶分子長軸が基板に垂直に配向するにしたがって実効的な屈折率が小さくなり、光路が８，９のように屈折され、図３の実線（状態▲１▼）のような屈折率分布の影響を受ける。この屈折率分布は図３の実線のようにピッチが比較的大きな凸レンズ状になっている。次に、図２（ｂ）（状態▲２▼）のように電圧を印加する電極を３ａから３ｂに切換えると、液晶分子の配向状態も変化し、光路が１０，１１のように屈折され、図３の破線（状態▲２▼）のような屈折率分布に変化する。このように電圧を電極アレイに印加することによって光路は偏向され集光し、印加する電極の位置を切換えることによって、その焦点位置はシフトする。
図４は前記した光路偏向素子を透過した光の焦点位置の光強度分布図である。図２に示すように電極部に入射する光は、液晶分子の配向による屈折率分布によって偏向されることなく直進し、漏れ光７となっており、コントラストを低下させる原因となる。そのため、図５のように、光の出射側の透明基板面からみて前記櫛型電極アレイ３の各電極と重なる位置、すなわち、漏れ光を遮光する位置に遮光部１を設けることで、前述した図２の焦点位置では図６のような光強度分布が得られ、櫛型電極アレイ３の位置の光強度が減衰され、コントラストの低下を改善できる。図５では光の出射側の透明基板２上に遮光部１を設けているが、これに限られず図中の矢印で示す漏れ光７上（光の出射側の透明基板面からみて前記櫛型電極アレイ３の各電極と重なる位置）に設けてもよい。遮光部１は漏れ光７を遮光する観点からみれば大きいほうが好ましいが、大きすぎると必要な光まで遮光することになり全体の光量が低下する。一方、遮光部１が小さいと全体的な光量は増加するが漏れ光７を遮光する能力が低下し、コントラストの低下を生じる。したがって、遮光部１の大きさは、全体の光量およびコントラストの良し悪し、遮光部１の位置等に応じて適切に設定する必要がある。
また、上記の実施の形態で使用する遮光部が金属等であって導電性を有している場合は、遮光部を電極として利用できる。この場合には遮光部が電極を兼ねることで加工プロセスが削減でき、低コスト化につながる。
【００１１】
次に本発明の第２の実施形態を説明する。本実施形態における光路偏向素子の遮光部以外の基本的な構成は前記た第１の実施形態で説明した光路偏向素子と同じである。光路偏向素子の焦点距離は電極ピッチ、透明基板間のギャップ、印加電圧値等の設定によって変化する。そのため、コントラストの低下を防止するには、遮光部を設ける位置をそれに合わせて変化させる必要がある。ここで、光路偏向素子へ入射した光は液晶層内で偏向されるため、遮光部を光の入射側に設けると偏向される光量が減り、光の利用効率が低下する。従って、遮光部を光の出射側に設けることで光の利用効率の低下を防止することができる。
図８は、本発明の第２の実施形態に係る光路偏向素子の構成図であり、焦点位置が透明基板の内部、または液晶層と電極基板の界面にある場合を示す。図８のように液晶層１７と透明電極アレイ１５の界面に遮光部１６を設けることで、偏向されないで直進する光２０を遮光し、図６の実線のような光強度分布が得られる。焦点位置が透明基板の内部、または液晶層１７と透明電極アレイ１５の界面にある場合、遮光部１６は入射光側、液晶層内などの設置位置が考えられるが、入射光側に設けた場合、前述したように、液晶層１７に入射される前に光を遮光してしまうため、光利用効率が悪くなる。また、液晶層内に遮光部を設ける場合、遮光部の位置と焦点位置との距離は離れてしまい、遮光部の面積が大きくなる。そこで、焦点位置に近い液晶層と透明電極アレイ１５の界面に遮光部を設けることで、遮光部１６の面積は比較的小さくでき、コントラストの低下を防止できる。
また、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出来るが、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がガラス基板の屈折率に近い1.5〜1.6程度で、異常光屈折率が1.7〜1.8程度と大きいことが好ましい。液晶層１７の厚さは基板間のスペーサ部材の厚さよって設定し、ΔｎやΔεに応じて所望の光路偏向量や応答速度が得られるように最適化される。ここで、図１８のように黒色のスペーサ８７を用いて、漏れ光が発生する位置に対応してスペーサを分散した場合、漏れ光を遮光してコントラストの低下を防止し、かつ基板間の厚さを精度良く均一にすることが可能になる。このスペーサ材料は光を遮光できるものならなんでもよい。
【００１２】
次に本発明の第３の実施形態を説明する。本実施形態における光路偏向素子の遮光部以外の基本的な構成は前記した第１の実施形態で説明した光路偏向素子と同様である。透明基板に対して液晶層とは反対側、例えば、図１や図５などのように透明基板の表面に遮光部を設ける構成にすると、その遮光部を設ける際に、漏れ光の位置を確認してから遮光部が設置可能なので、遮光位置の精度が良くなり、セル作製後にプリント加工などが可能である。
図９は本発明の第３の実施形態に係る光路偏向素子の構成図であり、焦点位置が透明基板の表面または、表面を通り抜けたある空間にある場合を示す。図９のように透明基板２６の表面、または焦点位置がある近傍の空間に遮光部２５を設けることで、偏向されないで直進する光３２を遮光し、図６の実線のような光強度分布が得られる。また、焦点位置が透明基板の表面、または表面を通り抜けたある空間にある場合、遮光部は入射光側、液晶層内、液晶層と電極基板の界面などの設置位置が考えられるが、焦点位置と遮光部の位置との距離が離れるにつれて、漏れ光を遮光するのに必要な遮光部の面積は大きくなり、光利用効率が悪くなる。そこで、焦点位置に遮光部２５を設けることで、遮光部の面積は最小にでき、コントラストの低下を防止できる。
尚、遮光する漏れ光が遮光部で反射して２次、３次の漏れ光が発生する場合は、前記すべての実施形態で説明した遮光部に光吸収体を設けることによって、遮光部での反射光を防止し、２次、３次の漏れ光を防ぐことができる。さらに、例えば図７のように、前記のすべての実施形態で説明した遮光部近傍にマイクロレンズ１３などの集光光学素子を設けると、漏れ光７が集光され、光利用効率も良くできる。
【００１３】
次に、本発明の光路偏向素子及び光路偏向素子を用いた画像表示装置について詳細に説明する。図１０は本発明の実施形態に係る画像表示装置の構成図である。この構成は、ＬＥＤ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光源５０と、光源からの光束を均一化する拡散板５１と、画像表示素子をクリティカル照明するコンデンサレンズ５２と、入射した均一照明光を選択的に反射または透過することにより空間光変調する透過型液晶ライトバルブ５３と、画像光の光路を偏向する本発明の光路偏向素子５４と、拡大してスクリーンに投射する投射レンズ５５と、拡大された投射光を表示するスクリーン５６と、光源を制御する光源駆動手段５７と、透過型液晶ライトバルブ５３を駆動制御する表示駆動手段５８と、光路偏向素子５４を駆動制御する光路偏向電圧制御手段５９と、全ての制御を司る画像表示制御回路６０から構成されている。
尚、光源としては、白色あるいは任意の色の光を高速にＯＮ／ＯＦＦ出来るものならば全て用いることができる。例えば、ＬＥＤ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用いることが可能である。照明装置は光源から出た光を均一に画像表示装置に照射するものであり、拡散板５１、コンデンサレンズ５２などから構成される。画像表示素子は、入射した均一照明光を選択的に反射または透過することにより空間光変調して出射するもので、透過型液晶ライトバルブ５３や、その他反射型液晶ライトバルブ、ＤＭＤ素子などを用いることができる。
【００１４】
次に、この概略動作について説明する。光源駆動手段５７で制御されて光源５０から放出された光は、拡散板５１により均一化された照明光となり、コンデンサレンズ５２により画像表示素子をクリティカル照明する。ここでは、画像表示素子の一例として透過型液晶ライトバルブ５３を用いている。この透過型液晶ライトバルブ５３で空間光変調された照明光は、画像光として投射レンズ５５で拡大されスクリーン５６に投射される。ここで、透過型液晶ライトバルブ５３の後方に配置された光路偏向素子５４を光路偏向電圧制御手段５９により印加電圧を制御することで、画像光が画素の配列方向に任意の距離だけシフトされる。図１０では、透過型液晶ライトバルブ５３の直後に光路偏向素子５４を設置しているが、この位置には限定されず、スクリーン５６の直前などでも良い。但し、スクリーン付近に設置する場合、光路偏向素子５４の大きさや透明電極ピッチ、遮光部ピッチなどは、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。いずれの場合でも、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。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にし、３倍の画素増倍を行う場合は画素ピッチの１／３にする。また、光路偏向電圧制御手段５９の構成によってシフト量が大きくなる場合には、シフト量を画素ピッチの(整数倍＋整数分の１)の距離に設定しても良い。いずれの場合も、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で透過型液晶ライトバルブ５３を駆動し、図１１のように見かけ上の画素増倍効果が得られ、使用したライトバルブの解像度以上の高精細でコントラストの良い画像を表示することができる。
【００１５】
図１０では、カラーフィルターを組み合わせた透過型液晶ライトバルブ５３と白色ランプを用いたカラーの画像表示装置を示した。また、単板の画像表示素子を時間順次に三原色光で照明するフィールドシーケンシャル方式でもフルカラー画像を表示することができる。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て時間順次の三原色光を生成しても良い。本発明では光路偏向素子として、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を特徴とする。液晶セルは、二枚の透明基板と、少なくとも一方の基板上に画素ピッチに対応して形成した櫛型透明電極アレイと、二枚の基板間に電圧印加によって屈折率分布の制御が可能な液晶層と、液晶層への入射光、または液晶層からの出射光を遮光する遮光部と、表示駆動手段と同期して透明電極アレイへの電圧印加状態を変化させる光路偏向電圧制御手段とを有する。
光路偏向素子について、少なくとも一方の基板側では、透明電極が画素ピッチに対応してアレイ状に形成されている。ここで、透明電極アレイのピッチは画素ピッチと一対一で対応している場合に限らず、所望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場合も有り得る。透明電極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。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が利用できる。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、透明電極の表面には絶縁膜を設けても良い。
【００１６】
図１２は本発明実施形態に係る光路偏向素子の断面図であり、（ａ）は光路偏向素子（液晶セル）の非動作時の液晶配向状態を模式的に示している。無電界では液晶分子３６が透明基板２，６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。この図１２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。上側の透明基板２には透明電極ラインがアレイ状に形成されており、透明電極アレイのピッチや幅などは特に限定しない。下側の透明電極５は全面に形成されているが、上側基板２と対称なアレイ電極でも良い。図１２では、上側の透明基板２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が形成されている。図１２（ｂ）（状態▲１▼）は３ａと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を示す。電圧を印加した電極部では電界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。この液晶セル内部の不均一電界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。紙面の平行な偏光面を持つ直線偏光を入射する場合、液晶分子長軸が基板に垂直に配向するにしたがって実効的な屈折率が小さくなり、図１３の実線（状態▲１▼）のようなピッチが比較的大きな凸レンズ状の屈折率分布の影響を受ける。そのため、入射した光８，９は無印加電極に集光するように偏向する。偏向されないで直進する漏れ光７は遮光部１によって遮光される。次に、図１２（ｃ）（状態▲２▼）のように電圧を印加する電極を３ａから３ｂ切換えると、液晶分子の配向状態も変化し、図１３の破線（状態▲２▼）のような屈折率分布に変化する。この場合、画像表示素子の２画素に対して一つの凸レンズ効果を持たせる。状態▲１▼と▲２▼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切換えることで、見かけ上の画素増倍作用を得ることができる。
本発明では液晶セルに入射する入射側画素のサイズは比較的大きく設定される。例えば、液晶セルが図１２の状態▲１▼の時、図１４の四つの入射側画素４０に第一のサブフレームとして▲１▼▲３▼▲５▼▲７▼の状態を表示すると、図１３実線の屈折率分布によって▲１▼と▲３▼、▲５▼と▲７▼がそれぞれ縮小される。この時、図１４上部に実線で示した出力側画素のように、画素ピッチは一定でなくなる。次に第二のサブフレームの表示タイミングに合わせて、図１２下段（状態▲２▼）のように電圧を印加する電極を切換えると、屈折率分布は図１３の破線のように切換わる。ここで、入射側画素に第二のサブフレームとして▲２▼▲４▼▲６▼▲８▼の状態を表示すると、図１４上部の破線で示した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３８上では見かけ上▲２▼▲１▼▲３▼▲４▼▲６▼▲５▼▲７▼▲８▼と変則的に並んだ８つの画素となる。この構成では、簡単な電極構成に遮光部を設けることで、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を一つの液晶セルで両立でき、表示画像のコントラストの低下を防止しすることができる。
図１５は、本発明の光路偏向素子の配置の概略を示す図である。光路偏向素子７２の透明電極アレイ７３は紙面の上下方向にライン状に形成されている。画像表示素子７１を出射した光が紙面に左右方向の直線偏光７５の場合、画像表示素子７１の全体を紙面の左右方向７６に画素シフトさせることができる。このような遮光部を設けた光路偏向素子７２を用いることで、画面の横方向シフトにおいて高精細でコントラスト低下の少ない画像表示装置が実現できる。また、投射レンズの焦点位置に図１６に示すような画像表示素子７１の画素を整数分の１分割した表示画素に対応した開口をもった遮光部８０を設けることで更にコントラストの良い画像を表示できる。
【００１７】
以下、本発明の光路偏向素子の実施例について詳細に説明する。
[実施例]
液晶セル作製の製造工程
ステップ１：
透明ガラス基板（３ｃｍ×４ｃｍ、厚さ１．１ｍｍ）を二枚用い、一方の基板上にはＩＴＯまたは、Ｃｒのライン電極を形成した。このライン電極は交互に同一電圧を印加できるように図１７のような櫛形電極Ａ８５，Ｂ８６とした。もう一方の基板は基板の片側全面にＩＴＯを形成し、ベタ電極とした。
ステップ２：
ガラス基板のＩＴＯ側にポリイミド系の配向材料（AL3046-R31、JSR社）をスピンコートし、約０．３μｍの配向膜を形成した。ガラス基板のアニール処理後、ＩＴＯ、またはＣｒラインに対して直角方向にラビング処理を行った。
ステップ３：
二枚のガラス基板の間にスペーサを挟み、上下基板を張り合わせ（電極面は対向させる）加圧した後、ＵＶ硬化接着剤で封止をして空セルを作製した。
ステップ４：
空セルの中に、誘電率異方性が正のネマチック液晶（ZLI-2471、メルク社）を毛細管法で注入し、液晶セルを作製した。上下基板のラビング処理の方向は一致しているため、液晶分子は基板に対して平行で全て同じ向きに配向（ホモジニアス配向）した状態となる。
【００１８】
（比較例１）
液晶セル作製において、ステップ１では、ＩＴＯのライン電極を電極幅５μｍ、ピッチ１０μｍで基板上に形成した。ステップ３については、スペーサに３μｍのビーズ（真絲球）を用いた。ステップ２、４については同様にして行ない、セルを作製した。このセルをサンプル１とする。
（実施例１）
液晶セル作製において、ステップ１では、Ｃｒのライン電極を電極幅５μｍ、ピッチ１０μｍで基板上に形成した。ステップ３については、スペーサに３μｍのビーズ（真絲球）を用いた。ステップ２、４については同様にして行ない、セルを作製した。このセルをサンプル２とする。
（比較例２）
液晶セル作製において、ステップ１では、ＩＴＯのライン電極を電極幅３μｍ、ピッチ１０μｍで基板上に形成した。ステップ３については、スペーサに３μｍのビーズ（真絲球）を用いた。ステップ２、４については同様にして行ない、セルを作製した。このセルをサンプル３とする。
（実施例２）
液晶セル作製において、ステップ１では、Ｃｒのライン電極を電極幅３μｍ、ピッチ１０μｍで基板上に形成した。ステップ３については、スペーサに３μｍのビーズ（真絲球）を用いた。ステップ２、４については同様にして行ない、セルを作製した。このセルをサンプル４とする。
（比較例３）
液晶セル作製において、ステップ１では、ＩＴＯのライン電極を電極幅２５μｍ、ピッチ２５０μｍで基板上に形成した。ステップ３については、スペーサに５０μｍ厚のペットマイラーを用いた。ステップ２、４については同様にして行ない、セルを作製した。このセルをサンプル５とする。
（実施例３）
液晶セル作製において、ステップ１では、ＩＴＯのライン電極を電極幅２５μｍ、ピッチ２５０μｍで形成した。ステップ３についてはスペーサに５０μｍ厚のペットマイラーを用いた。ステップ２、４については同様にして行ない、セルを作製した。セル作製後、ＩＴＯライン電極の形成されている反対の面にＩＴＯライン電極に対応する位置へ遮光部として黒いインクを２５μｍのライン幅でプリント加工した。このセルをサンプル６とする。
（実施例４）
液晶セル作製において、ステップ１では、ＩＴＯのライン電極を電極幅２５μｍ、ピッチ２５０μｍで形成した。ステップ３についてはスペーサに５０μｍ厚のペットマイラーを用いた。ステップ２、４については同様にして行ない、セルを作製した。また、遮光部として黒色色素（染料、顔料）を含有するアクリル樹脂を２０μｍのライン幅で形成し、焦点位置に設けた。このセルをサンプル７とする。
以上の、実施例１〜４、比較例１〜３におけるサンプルを以下に述べる方法で駆動させ、ＣＴＦを算出した。
【００１９】
以下に液晶セル動作方法及びＣＴＦ評価方法について説明する。
作製した液晶セルに電圧を印加して動作させる。印加電圧は３台のファンクションジェネレイターを使い、１台はトリガーとして、図１７に示す櫛型電極Ａ８５、Ｂ８６へ交互に電圧を印加するために用いた。入力周波数は１００Ｈｚ、電圧の入力波形は三角波とし電圧値はオシロスコープ、テスターで確認した。観察評価系は白色ランプにアパーチャー（１．５ｍｍ）を取りつけ、コリメートレンズにより平行光にし、液晶セルに白色光を入射する。その透過光を顕微鏡［対物レンズ（４０×）＋リレーレンズ＋ＣＣＤ（“１／３）］で観察、ＣＣＤカメラを通してデジタルビデオ（ＤＶ）で撮影し、ＤＶの映像から光強度分布のラインプロファイルを解析ソフト（Image pro plus）で取りこみ、この光強度のプロファイルからＣＴＦを求めた。
ＣＴＦの算出は、下式
ＣＴＦ＝［Ｉ(max)−Ｉ(min)］／［Ｉ(max)＋Ｉ(min)］
（Ｉ(max)は強度の最大値、Ｉ(min)は電圧印加電極上の強度を平均化）
より求めた。
【００２０】
ここで各サンプルのＣＴＦを下表にまとめる。
【表１】
サンプル１、２とサンプル３、４とサンプル６、７、８をそれぞれ比較すると、遮光部を設けた方が、CTFがよくなることが分かる。
サンプル１、２とサンプル３、４をそれぞれ比較すると、遮光部が電極を兼ねていてもＣＴＦがよくなることが分かる。
サンプル２、４を比較すると、焦点位置が基板内部にあるとき、遮光部を液晶層と基板の界面に設けることによって、遮光部の面積を２μｍ小さくすることができた。また、ＣＴＦもよくなった。
サンプル５、６を比較すると、焦点位置が基板を通り抜けた空間にあるとき、遮光部を基板表面上に設けることによって、ＣＴＦはよくなった。
サンプル６、７を比較すると、遮光部を焦点位置に設けることによって、遮光部の面積を５μｍ小さくすることができ、ＣＴＦはよくなった。
【００２１】
（実施例５）
液晶セル作製のステップ１において、ＩＴＯのライン電極を電極幅５μｍ、ピッチ１０μｍで基板上に形成した。また、Ｃｒのライン電極を電極幅５μｍ、ピッチ１０μｍで基板上に形成した。形成した基板枚数はＩＴＯ、Ｃｒともに５０枚である。この５０枚から任意に５枚選択し、ライン線幅を測定した結果を下表に示す。
【表２】
ＩＴＯは±１μｍ、Ｃｒは±０．５μｍの誤差で形成された。このことより、加工精度はＣｒの方がよいことが分かる。
（実施例６）
液晶セル作製において、ステップ１ではＩＴＯのライン電極を電極幅１５μｍ、ピッチ３０μｍで基板上に形成した。ステップ２、３では、ＩＴＯライン電極を有した基板に配向膜を形成し、ラビング処理した後、レジスト材料（CFPR BK-748S、東京応化）をスピンコートにより塗布し、乾燥させて１０μｍ厚の壁材層を基板の電極側に形成した。その後、フォトマスクを用いてパターン露光後、現像・リンスを行なって、ライン電極に対応した位置に凸状１０μｍ厚のスペーサを形成した。ステップ４については同様にして行い、セルを作製した。凸状スペーサのレジスト材料（カラーフィルタ作成用顔料分散型ネガタイプ）には黒色色素の顔料を含有しているため、遮光作用をもっている。このセルをサンプル８とする。
【００２２】
（比較例４）
液晶セル作製において、ステップ１では、ＩＴＯのライン電極を電極幅１５μｍ、ピッチ３０μｍで基板上に形成した。ステップ３についてはスペーサに１０μｍのペットマイラーを用いた。ステップ２、４については同様にして行い、セルを作製した。このセルをサンプル９とする。
サンプル８とサンプル９のセルギャップに対するばらつき、ＣＴＦの比較結果を下表に示す。セルギャップについては基板中心辺りの２０ｍｍ×１０ｍｍ範囲を縦横方向で等間隔に５点ずつ、顕微偏光分光光度計（オーク社）により測定した。ＣＴＦの算出方は液晶セル動作方法及びＣＴＦ評価方法に記載した。
【表３】
スペーサにマイラーを用いたセルギャップのばらつきは±２μｍ、スペーサとしてレジストを用いたセルギャップのばらつきは±１μｍであった。このことからスペーサにレジストを用いたセルの方がギャップを均一化できた。また、スペーサが遮光部を兼ねることで、ＣＴＦもよくなった。
（実施例７）
サンプル２のＣｒ電極を有した液晶セルにおいて、Ｃｒ電極を有している基板を光の入射側にして設置した場合とＣｒ電極を有している基板を光の出射側にして設置した場合のセル透過光の光量エネルギーを比較した結果を下表に示す。
【表４】
光の出射側に設置した場合の方が光量が3.7％大きかった。光の出射側に遮光部を設けた方が光利用効率がよい。
【００２３】
（実施例８）
図１０のような画像表示装置を作製した。画像表示素子として対角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。光源としては白色ランプを用い、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により、カラー表示を行なった。ここで実施例２で作製したサンプル２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結果、横方向の画素密度が二倍の高精細でコントラストのよい画像が得られた。
（実施例９）
実施例８と同様の画像表示装置の構成に、光路変更素子として実施例１で作製したサンプル１を用いた。また、投射レンズの焦点位置に画素に対応した開口をもつ遮光部を設け、表示画像を観察した結果、実施例８の表示画像よりもコントラストのよい画像が得られた。
【００２４】
【発明の効果】
以上記載のごとく本発明によれば、 請求項１は、前記光路偏向素子をサブフィールド毎の前記画像情報で駆動し、前記光路偏向素子の偏向に応じて前記スクリーン上の表示位置をずらして表示するので、高精細でコントラスト低下の少ない画像表示装置が実現できる。また、投射レンズの焦点位置に画像表示素子の画素を整数分の１に分割した表示画素に対応した開口をもった遮光部を設けることで、更にコントラストの良い画像を表示することができる。
また請求項２は、前記電圧制御手段により前記櫛型電極アレイの各電極を交互に切換え、前記液晶層に入射した光の焦点位置を切換えて光を出射させ、該光の出射側の透明基板面からみて前記櫛型電極アレイの各電極と重なる位置に遮光部を設けることにより、出射側の受光面では明暗がはっきりし、コントラストを向上することができる。
また請求項３は、前記電圧制御手段により前記櫛型電極アレイの各電極を交互に切換え、前記液晶層に入射した光の焦点位置を切換えて光を出射させ、該光の出射側の櫛型電極アレイの各電極を遮光部材で構成したことにより、漏れ光の遮光と電界印加を同時に行い、加工プロセスが削減でき、低コスト化することができる。
また請求項４は、前記遮光部を前記液晶層を挟む基板間のスペーサ−とすることにより、漏れ光を遮光してコントラストの低下を防止すると共に、基板間の厚さを精度良く均一にすることができる。
また請求項５は、前記光の出射側に前記遮光部を設けるため、光の利用効率の低下を抑えることができる。
【００２５】
また請求項６は、前記液晶層と前記櫛型電極アレイの各電極の間に前記遮光部を設けるため、遮光部の面積は比較的小さくでき、コントラストの低下を防止できる。
また請求項７は、前記透明基板に対して前記液晶層とは反対側に前記遮光部を設けるので、遮光位置の精度が良くなりセル作製後にプリント加工が可能となる。
また請求項８は、前記焦点位置近傍に前記遮光部を設けることにより、遮光部の面積を最小にでき、コントラストの低下を防止することができる。
また請求項９は、前記遮光部に光吸収体を設けることにより、２次、３次の漏れ光を防ぐことができる。
また請求項１０は、前記遮光部の光入射側に集光光学素子を設けることにより、漏れ光が集光され光利用効率を良くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る光路偏向素子の構成図である。
【図２】本発明の遮光部を設けていない場合の光路偏向素子の動作を示す図である。
【図３】本発明の屈折率分布図である。
【図４】本発明の遮光部なしの光強度分布図である。
【図５】本発明の光路偏向素子における漏れ光と遮光部位置を示す図である。
【図６】本発明の本発明の遮光部ありの光強度分布図である。
【図７】本発明の集光光学素子を設けた光路偏向素子の図である。
【図８】本発明の焦点位置が基板内部の光路偏向素子の図である。
【図９】本発明の焦点位置が空間の光路偏向素子の図である。
【図１０】本発明の実施形態に係る画像表示装置の構成図である。
【図１１】本発明の見かけ上の画素倍増を説明する図である。
【図１２】本発明の画像表示装置における光路偏向素子の動作を説明する図である。
【図１３】本発明の図１２の屈折率分布図である。
【図１４】本発明の画像縮小効果と画素シフト効果を説明する図である。
【図１５】本発明の光路偏向素子の概略配置図である。
【図１６】本発明の表示画素に対応した開口をもつ遮光部の図である。
【図１７】本発明の櫛型電極パターン図である。
【図１８】本発明の光路偏向素子の構成図である。
【符号の説明】
１ 遮光部、２，６ 透明基板、３ 櫛型透明電極アレイ、４ 液晶層、５ 透明電極
【発明の属する技術分野】
本発明は、光路偏向素子及び画像表示装置に関し、さらに詳しくは、光の偏向を用いる光学素子及び該光学素子を利用した画像表示装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の技術として、「O plus E, Vol.20, No.10 (1998)」「液晶マイクロレンズ」には、電極分割構造の液晶マイクロレンズを用いて、電界分布を非対称的にすることで、光軸方向以外に焦点を移動することができる技術が提案されている。また、特許第３０１６７４４号公報には、ネマチック液晶中で光重合によるポリマーを形成する技術について開示されており、それによると、メモリー性があり、レンズ特性が可変にできると述べられている。また、特開平１１−１０９３０３号公報、特開平１１−１０９３０４号公報には、円形状の穴抜きパターン電極をアレイ状に配置した液晶マイクロレンズを用いて、焦点距離が可変なレンズとし、光インターコネクション素子の光の結合効率を可変として、分割電極により焦点位置の制御も可能である技術について開示されている。さらに、特開平１０−５５０２９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ついて開示されており、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について述べられている。それによると、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又は振動させる。その光路変調手段として、「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.28,1994）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。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
液晶レンズは前記のように光路偏向手段として用いられる。文献O plus E, Vol.20, No.10 (1998)「液晶マイクロレンズ」にホール・パターン電極を用いた液晶レンズが記載されており、これは対のホール・パターン電極間に液晶が挟まれ、その電極間に電圧を印加することでレンズ特性をもつことを特徴としている。レンズ特性は印加電圧に依存して変化し、焦点位置は光軸方向に可変できるが、この構成では光軸方向の焦点可変には有効であるが、光軸以外の方向には可変できない。そのため、ホール・パターン電極を分割した構成が考えられている。分割した電極に異なった電圧を印加することで、焦点位置は光軸以外にも可変できるようになる。
また、特開平１１−１０９３０３号公報、特開平１１−１０９３０４号公報は、このようなホール・パターン電極の液晶レンズをアレイ状にし、光結合素子の光の結合効率を可変することを特徴としている。また、液晶レンズの他のアプリケーションとして、特開平１０−５５０２９号公報に開示されているような、見かけ上の画素を増やして、高精細な画像表示を目的とした表示装置も考えられている。しかし、このような分割したホール・パターン電極をアレイ状にする場合、電極配線が非常に複雑となる問題が生じている。
このような問題を解決する技術として、同一出願人により、透明ライン電極を用いた液晶レンズが提案されている。これによると、ライン電極は簡単にアレイ状にでき、電極配線も単純な構成でできるため、上述の問題を解決している。透明ライン電極を用いた液晶レンズは、ライン電極アレイに電圧を印加して動作させると、ホール・パターン電極と同様に、レンズ効果が得られ、焦点位置は可変できる。しかし、電圧を印加したとき、ライン電極部の中心付近では電界の焦点移動方向の勾配はなく、液晶分子の配向がその方向に変化しないため、電極部では屈折率の変化による偏向作用が起きず、電極部に入射する光は直進する。ライン電極は透明であるため、電極部で光が通り抜けて漏れ光となる。また、ライン電極のピッチが小さい場合、回折等の影響から素子開口部以外に光が漏れる。前記のように透明ライン電極を用いた液晶レンズでは電極部に漏れ光が生じ、コントラストが低くなるという課題がある。
本発明は、かかる課題に鑑み、遮光部を設けることにより、コントラストを向上した光路偏向素子を備えた画像表示装置を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明はかかる課題を解決するために、請求項１は、画像情報に従って光の透過または反射を選択的に制御する複数の画素を二次元配列した画像表示素子と、該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の光路を偏向する光路偏向素子と、該光路偏向素子により偏向された光画像をスクリーン上に焦点を結ぶ光学部材と、前記画像を投影するスクリーンとを備え、前記光路偏向素子をサブフィールド毎の前記画像情報で駆動し、前記光路偏向素子の偏向に応じて前記スクリーン上の表示位置をずらして表示する画像表示装置において、前記光学部材の１つが投射レンズにより構成され、該投射レンズの焦点位置近傍に前記画像表示素子の画素を整数分の１に分割した表示画素に対応した開口を有する遮光部を備えたことを特徴とする。
光路偏向素子の透明電極アレイは紙面の上下方向にライン状に形成されている。画像表示素子を出射した光が紙面に左右方向の直線偏光の場合、画像表示素子の全体を紙面の左右方向に画素シフトさせることができる。このような遮光部を設けた光路偏向素子を用いることで、画面の横方向シフトすることにより、高精細でコントラスト低下の少ない画像表示装置が実現できる。
かかる発明によれば、前記光路偏向素子をサブフィールド毎の前記画像情報で駆動し、前記光路偏向素子の偏向に応じて前記スクリーン上の表示位置をずらして表示するので、高精細でコントラスト低下の少ない画像表示装置が実現できる。また、投射レンズの焦点位置に画像表示素子の画素を整数分の１に分割した表示画素に対応した開口をもった遮光部を設けることで、更にコントラストの良い画像を表示することができる。
請求項２は、前記光路偏向素子は、少なくとも一方の基板上に櫛型電極アレイを有する一対の透明基板と、該透明基板間に挟まれ電圧印加によって屈折率分布が変化する液晶層と、前記櫛型電極アレイの各電極を交互に切換えながら電圧を印加する電圧制御手段とを備えた光路偏向素子において、前記電圧制御手段により前記櫛型電極アレイの各電極を交互に切換え、前記液晶層に入射した光の焦点位置を切換えて光を出射させ、該光の出射側の透明基板面からみて前記櫛型電極アレイの各電極と重なる位置に遮光部を設けたことを特徴とする。
各透明電極部に遮光部を設けることにより、コントラストを向上する光路偏向素子を提供することができる。つまり、光路偏向素子へ光が入射し、入射光が液晶の屈折率に作用されない部分は、集光されず透明電極から漏れ光となる。光の出射側の透明基板面からみて前記櫛型電極アレイの各電極と重なる位置に遮光部を設けることにより漏れ光を遮光することができ、出射側の受光面では明暗がはっきりし、コントラストを向上することができる。
かかる発明によれば、前記電圧制御手段により前記櫛型電極アレイの各電極を交互に切換え、前記液晶層に入射した光の焦点位置を切換えて光を出射させ、該光の出射側の透明基板面からみて前記櫛型電極アレイの各電極と重なる位置に遮光部を設けることにより、出射側の受光面では明暗がはっきりし、コントラストを向上することができる。
【０００５】
請求項３は、前記光路偏向素子は、少なくとも一方の基板上に櫛型電極アレイを有する一対の透明基板と、該透明基板間に挟まれ電圧印加によって屈折率分布が変化する液晶層と、前記櫛型電極アレイの各電極を交互に切換えながら電圧を印加する電圧制御手段とを備えた光路偏向素子において、前記電圧制御手段により前記櫛型電極アレイの各電極を交互に切換え、前記液晶層に入射した光の焦点位置を切換えて光を出射させ、該光の出射側の櫛型電極アレイの各電極を遮光部材で構成したことを特徴とする。
光の出射側の透明基板面からみて前記櫛型電極アレイの各電極と重なる位置、すなわち、漏れ光を遮光する位置に遮光部を設けることで、コントラストの低下を改善することができる。また、光の出射側の基板上に遮光部を設けてもよいが、これに限らず、光の出射側の透明基板面からみて前記櫛型電極アレイの各電極と重なる位置に設けてもよい。遮光部は漏れ光を遮光する観点からみれば大きいほうが好ましいが、大きすぎると必要な光まで遮光することになり全体の光量が低下する。一方、遮光部が小さいと全体的な光量は増加するが漏れ光を遮光する能力が低下し、コントラストの低下を生じてしまう。したがって、遮光部の大きさは、全体の光量およびコントラストの良し悪し、遮光部の位置等に応じて適切に設定する必要がある。また、使用する遮光部が金属等であって導電性を有している場合は、遮光部を電極として利用できる。この場合には遮光部が電極を兼ねることで加工プロセスが削減でき、低コスト化につながる。
かかる発明によれば、前記電圧制御手段により前記櫛型電極アレイの各電極を交互に切換え、前記液晶層に入射した光の焦点位置を切換えて光を出射させ、該光の出射側の櫛型電極アレイの各電極を遮光部材で構成したことにより、漏れ光の遮光と電界印加を同時に行い、加工プロセスが削減でき、低コスト化することができる。
【０００６】
請求項４は、前記光路偏向素子は、前記遮光部を前記液晶層を挟む基板間のスペーサ−とすることも本発明の有効な手段である。
黒色のスペーサを用いて、漏れ光が発生する位置に対応してスペーサを分散した場合、漏れ光を遮光してコントラストの低下を防止し、かつ基板間の厚さを精度良く均一にすることが可能になる。このスペーサ材料は光を遮光できるものならなんでもよい。かかる技術手段によれば、前記遮光部を前記液晶層を挟む基板間のスペーサ−とすることにより、漏れ光を遮光してコントラストの低下を防止すると共に、基板間の厚さを精度良く均一にすることができる。
請求項５は、前記光路偏向素子は、前記光の出射側に前記遮光部を設けることも本発明の有効な手段である。
光路偏向素子の焦点距離は電極ピッチ、透明基板間のギャップ、印加電圧値等の設定によって変化する。そのため、コントラストの低下を防止するには、遮光部を設ける位置をそれに合わせて変化させる必要がある。ここで、光路偏向素子へ入射した光は液晶層内で偏向されるため、遮光部を光の入射側に設けると偏向される光量が減り、光の利用効率が低下する。従って、遮光部を光の出射側に設けることで光の利用効率の低下を抑えることができる。かかる技術手段によれば、前記光の出射側に前記遮光部を設けるため、光の利用効率の低下を抑えることができる。
請求項６は、前記光路偏向素子は、前記液晶層と前記櫛型電極アレイの各電極の間に前記遮光部を設けることも本発明の有効な手段である。
焦点位置が透明基板の内部、または液晶層と電極基板の界面にある場合、遮光部は入射光側、あるいは液晶層内などの設置位置が考えられるが、入射光側に設けた場合、前述したように、液晶層に入射される前に光を遮光してしまうため、光利用効率が悪くなる。また、液晶層内に遮光部を設ける場合、遮光部の位置と焦点位置との距離は離れてしまい、遮光部の面積が大きくなる。そこで、焦点位置に近い液晶層と電極基板の界面に遮光部を設けることで、遮光部の面積は比較的小さくでき、コントラストの低下を防止できる。かかる技術手段によれば、前記液晶層と前記櫛型電極アレイの各電極の間に前記遮光部を設けるため、遮光部の面積は比較的小さくでき、コントラストの低下を防止できる。
【０００７】
請求項７は、前記光路偏向素子は、前記透明基板に対して前記液晶層とは反対側に前記遮光部を設けることも本発明の有効な手段である。
透明基板に対して液晶層とは反対側、例えば、透明基板の表面に遮光部を設ける構成にすると、その遮光部を設ける際に漏れ光の位置を確認してから遮光部が設置可能なので、遮光位置の精度が良くなりセル作製後にプリント加工などが可能である。かかる技術手段によれば、前記透明基板に対して前記液晶層とは反対側に前記遮光部を設けるので、遮光位置の精度が良くなりセル作製後にプリント加工が可能となる。
請求項８は、前記光路偏向素子は、前記焦点位置近傍に前記遮光部を設けたことも本発明の有効な手段である。
焦点位置と遮光部の位置との距離が離れるにつれて、漏れ光を遮光するのに必要な遮光部の面積は大きくなり光利用効率が悪くなる。そこで、焦点位置に遮光部を設けることで、遮光部の面積を最小にでき、コントラストの低下を防止できる。かかる技術手段によれば、前記焦点位置近傍に前記遮光部を設けることにより、遮光部の面積を最小にでき、コントラストの低下を防止することができる。
請求項９は、前記光路偏向素子は、前記遮光部に光吸収体を設けることも本発明の有効な手段である。
遮光部が金属等の反射する部材を使用すると、遮光する漏れ光が遮光部で反射してしまい２次、３次の漏れ光が発生する可能性がある。このような場合は、遮光部に光吸収体を設けることによって、遮光部での反射光を防止し、２次、３次の漏れ光を防ぐことができる。かかる技術手段によれば、前記遮光部に光吸収体を設けることにより、２次、３次の漏れ光を防ぐことができる。
請求項１０は、前記光路偏向素子は、前記遮光部の光入射側に集光光学素子を設けることも本発明の有効な手段である。
遮光部近傍は漏れ光が直進してくる。そこでその漏れ光をレンズにより光路を内側に曲げ、遮光部避けるようにすれば、遮光される光を有効に利用することができる。かかる技術手段によれば、前記遮光部の光入射側に集光光学素子を設けることにより、漏れ光が集光され光利用効率を良くすることができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載される構成要素、種類、組み合わせ、形状、その相対配置などは特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する主旨ではなく単なる説明例に過ぎない。
図１は本発明の第１の実施形態に係る光路偏向素子の構成図であり、液晶セルの非動作時の液晶配向状態を模式的に示している。この構成は、二枚の透明基板２，６と、少なくとも一方の基板上に形成した櫛型透明電極アレイ３と、二枚の基板間に電圧印加によって屈折率分布の制御が可能な液晶層４と、液晶層４への入射光、または液晶層４からの出射光を遮光する遮光部１と、平面の透明電極５と、透明電極アレイ３への電圧印加状態を変化させる図示しない光路偏向電圧制御手段（図１０参照）とを有する。透明基板２，６の材質としては、ガラス、プラスチック等を使用でき、透明電極３，５の材質としてはＩＴＯ等が利用できる。透明電極層は液晶相層側になるように設置する。使用する基板自身が導電性を有している場合は、基板を電極としても利用することができる。また、遮光部１の材質は光の透過を防ぐものならなんでもよく、例えばAl、Cr等の金属、カーボンを添加したアクリル樹脂、レジスト材料などの有機材料、あるいはカーボン単体などがある。
無電界では液晶分子３６が透明基板２，６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。この図１では液晶分子３６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。上側の透明基板２には図示しない透明電極ラインがアレイ状に形成されており、透明電極アレイ３のピッチや幅などは特に限定しない。下側の透明電極５は全面に形成されているが、上側の透明基板２と対称なアレイ電極でも良い。
【００１０】
ここで、図２に遮光部１を設けていない場合の光路偏向素子の動作を示す。図２（ａ）（状態▲１▼）は３ａと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を示す。電圧を印加した電極部３ａでは電界によって垂直に配向し、無印加の電極部３ｂでは水平に配向したままになる。この液晶セル内部の不均一電界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。紙面の平行な偏光面を持つ直線偏光を入射する場合、液晶分子長軸が基板に垂直に配向するにしたがって実効的な屈折率が小さくなり、光路が８，９のように屈折され、図３の実線（状態▲１▼）のような屈折率分布の影響を受ける。この屈折率分布は図３の実線のようにピッチが比較的大きな凸レンズ状になっている。次に、図２（ｂ）（状態▲２▼）のように電圧を印加する電極を３ａから３ｂに切換えると、液晶分子の配向状態も変化し、光路が１０，１１のように屈折され、図３の破線（状態▲２▼）のような屈折率分布に変化する。このように電圧を電極アレイに印加することによって光路は偏向され集光し、印加する電極の位置を切換えることによって、その焦点位置はシフトする。
図４は前記した光路偏向素子を透過した光の焦点位置の光強度分布図である。図２に示すように電極部に入射する光は、液晶分子の配向による屈折率分布によって偏向されることなく直進し、漏れ光７となっており、コントラストを低下させる原因となる。そのため、図５のように、光の出射側の透明基板面からみて前記櫛型電極アレイ３の各電極と重なる位置、すなわち、漏れ光を遮光する位置に遮光部１を設けることで、前述した図２の焦点位置では図６のような光強度分布が得られ、櫛型電極アレイ３の位置の光強度が減衰され、コントラストの低下を改善できる。図５では光の出射側の透明基板２上に遮光部１を設けているが、これに限られず図中の矢印で示す漏れ光７上（光の出射側の透明基板面からみて前記櫛型電極アレイ３の各電極と重なる位置）に設けてもよい。遮光部１は漏れ光７を遮光する観点からみれば大きいほうが好ましいが、大きすぎると必要な光まで遮光することになり全体の光量が低下する。一方、遮光部１が小さいと全体的な光量は増加するが漏れ光７を遮光する能力が低下し、コントラストの低下を生じる。したがって、遮光部１の大きさは、全体の光量およびコントラストの良し悪し、遮光部１の位置等に応じて適切に設定する必要がある。
また、上記の実施の形態で使用する遮光部が金属等であって導電性を有している場合は、遮光部を電極として利用できる。この場合には遮光部が電極を兼ねることで加工プロセスが削減でき、低コスト化につながる。
【００１１】
次に本発明の第２の実施形態を説明する。本実施形態における光路偏向素子の遮光部以外の基本的な構成は前記た第１の実施形態で説明した光路偏向素子と同じである。光路偏向素子の焦点距離は電極ピッチ、透明基板間のギャップ、印加電圧値等の設定によって変化する。そのため、コントラストの低下を防止するには、遮光部を設ける位置をそれに合わせて変化させる必要がある。ここで、光路偏向素子へ入射した光は液晶層内で偏向されるため、遮光部を光の入射側に設けると偏向される光量が減り、光の利用効率が低下する。従って、遮光部を光の出射側に設けることで光の利用効率の低下を防止することができる。
図８は、本発明の第２の実施形態に係る光路偏向素子の構成図であり、焦点位置が透明基板の内部、または液晶層と電極基板の界面にある場合を示す。図８のように液晶層１７と透明電極アレイ１５の界面に遮光部１６を設けることで、偏向されないで直進する光２０を遮光し、図６の実線のような光強度分布が得られる。焦点位置が透明基板の内部、または液晶層１７と透明電極アレイ１５の界面にある場合、遮光部１６は入射光側、液晶層内などの設置位置が考えられるが、入射光側に設けた場合、前述したように、液晶層１７に入射される前に光を遮光してしまうため、光利用効率が悪くなる。また、液晶層内に遮光部を設ける場合、遮光部の位置と焦点位置との距離は離れてしまい、遮光部の面積が大きくなる。そこで、焦点位置に近い液晶層と透明電極アレイ１５の界面に遮光部を設けることで、遮光部１６の面積は比較的小さくでき、コントラストの低下を防止できる。
また、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出来るが、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がガラス基板の屈折率に近い1.5〜1.6程度で、異常光屈折率が1.7〜1.8程度と大きいことが好ましい。液晶層１７の厚さは基板間のスペーサ部材の厚さよって設定し、ΔｎやΔεに応じて所望の光路偏向量や応答速度が得られるように最適化される。ここで、図１８のように黒色のスペーサ８７を用いて、漏れ光が発生する位置に対応してスペーサを分散した場合、漏れ光を遮光してコントラストの低下を防止し、かつ基板間の厚さを精度良く均一にすることが可能になる。このスペーサ材料は光を遮光できるものならなんでもよい。
【００１２】
次に本発明の第３の実施形態を説明する。本実施形態における光路偏向素子の遮光部以外の基本的な構成は前記した第１の実施形態で説明した光路偏向素子と同様である。透明基板に対して液晶層とは反対側、例えば、図１や図５などのように透明基板の表面に遮光部を設ける構成にすると、その遮光部を設ける際に、漏れ光の位置を確認してから遮光部が設置可能なので、遮光位置の精度が良くなり、セル作製後にプリント加工などが可能である。
図９は本発明の第３の実施形態に係る光路偏向素子の構成図であり、焦点位置が透明基板の表面または、表面を通り抜けたある空間にある場合を示す。図９のように透明基板２６の表面、または焦点位置がある近傍の空間に遮光部２５を設けることで、偏向されないで直進する光３２を遮光し、図６の実線のような光強度分布が得られる。また、焦点位置が透明基板の表面、または表面を通り抜けたある空間にある場合、遮光部は入射光側、液晶層内、液晶層と電極基板の界面などの設置位置が考えられるが、焦点位置と遮光部の位置との距離が離れるにつれて、漏れ光を遮光するのに必要な遮光部の面積は大きくなり、光利用効率が悪くなる。そこで、焦点位置に遮光部２５を設けることで、遮光部の面積は最小にでき、コントラストの低下を防止できる。
尚、遮光する漏れ光が遮光部で反射して２次、３次の漏れ光が発生する場合は、前記すべての実施形態で説明した遮光部に光吸収体を設けることによって、遮光部での反射光を防止し、２次、３次の漏れ光を防ぐことができる。さらに、例えば図７のように、前記のすべての実施形態で説明した遮光部近傍にマイクロレンズ１３などの集光光学素子を設けると、漏れ光７が集光され、光利用効率も良くできる。
【００１３】
次に、本発明の光路偏向素子及び光路偏向素子を用いた画像表示装置について詳細に説明する。図１０は本発明の実施形態に係る画像表示装置の構成図である。この構成は、ＬＥＤ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光源５０と、光源からの光束を均一化する拡散板５１と、画像表示素子をクリティカル照明するコンデンサレンズ５２と、入射した均一照明光を選択的に反射または透過することにより空間光変調する透過型液晶ライトバルブ５３と、画像光の光路を偏向する本発明の光路偏向素子５４と、拡大してスクリーンに投射する投射レンズ５５と、拡大された投射光を表示するスクリーン５６と、光源を制御する光源駆動手段５７と、透過型液晶ライトバルブ５３を駆動制御する表示駆動手段５８と、光路偏向素子５４を駆動制御する光路偏向電圧制御手段５９と、全ての制御を司る画像表示制御回路６０から構成されている。
尚、光源としては、白色あるいは任意の色の光を高速にＯＮ／ＯＦＦ出来るものならば全て用いることができる。例えば、ＬＥＤ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用いることが可能である。照明装置は光源から出た光を均一に画像表示装置に照射するものであり、拡散板５１、コンデンサレンズ５２などから構成される。画像表示素子は、入射した均一照明光を選択的に反射または透過することにより空間光変調して出射するもので、透過型液晶ライトバルブ５３や、その他反射型液晶ライトバルブ、ＤＭＤ素子などを用いることができる。
【００１４】
次に、この概略動作について説明する。光源駆動手段５７で制御されて光源５０から放出された光は、拡散板５１により均一化された照明光となり、コンデンサレンズ５２により画像表示素子をクリティカル照明する。ここでは、画像表示素子の一例として透過型液晶ライトバルブ５３を用いている。この透過型液晶ライトバルブ５３で空間光変調された照明光は、画像光として投射レンズ５５で拡大されスクリーン５６に投射される。ここで、透過型液晶ライトバルブ５３の後方に配置された光路偏向素子５４を光路偏向電圧制御手段５９により印加電圧を制御することで、画像光が画素の配列方向に任意の距離だけシフトされる。図１０では、透過型液晶ライトバルブ５３の直後に光路偏向素子５４を設置しているが、この位置には限定されず、スクリーン５６の直前などでも良い。但し、スクリーン付近に設置する場合、光路偏向素子５４の大きさや透明電極ピッチ、遮光部ピッチなどは、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。いずれの場合でも、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。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にし、３倍の画素増倍を行う場合は画素ピッチの１／３にする。また、光路偏向電圧制御手段５９の構成によってシフト量が大きくなる場合には、シフト量を画素ピッチの(整数倍＋整数分の１)の距離に設定しても良い。いずれの場合も、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で透過型液晶ライトバルブ５３を駆動し、図１１のように見かけ上の画素増倍効果が得られ、使用したライトバルブの解像度以上の高精細でコントラストの良い画像を表示することができる。
【００１５】
図１０では、カラーフィルターを組み合わせた透過型液晶ライトバルブ５３と白色ランプを用いたカラーの画像表示装置を示した。また、単板の画像表示素子を時間順次に三原色光で照明するフィールドシーケンシャル方式でもフルカラー画像を表示することができる。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て時間順次の三原色光を生成しても良い。本発明では光路偏向素子として、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を特徴とする。液晶セルは、二枚の透明基板と、少なくとも一方の基板上に画素ピッチに対応して形成した櫛型透明電極アレイと、二枚の基板間に電圧印加によって屈折率分布の制御が可能な液晶層と、液晶層への入射光、または液晶層からの出射光を遮光する遮光部と、表示駆動手段と同期して透明電極アレイへの電圧印加状態を変化させる光路偏向電圧制御手段とを有する。
光路偏向素子について、少なくとも一方の基板側では、透明電極が画素ピッチに対応してアレイ状に形成されている。ここで、透明電極アレイのピッチは画素ピッチと一対一で対応している場合に限らず、所望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場合も有り得る。透明電極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。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が利用できる。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、透明電極の表面には絶縁膜を設けても良い。
【００１６】
図１２は本発明実施形態に係る光路偏向素子の断面図であり、（ａ）は光路偏向素子（液晶セル）の非動作時の液晶配向状態を模式的に示している。無電界では液晶分子３６が透明基板２，６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。この図１２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。上側の透明基板２には透明電極ラインがアレイ状に形成されており、透明電極アレイのピッチや幅などは特に限定しない。下側の透明電極５は全面に形成されているが、上側基板２と対称なアレイ電極でも良い。図１２では、上側の透明基板２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が形成されている。図１２（ｂ）（状態▲１▼）は３ａと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を示す。電圧を印加した電極部では電界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。この液晶セル内部の不均一電界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。紙面の平行な偏光面を持つ直線偏光を入射する場合、液晶分子長軸が基板に垂直に配向するにしたがって実効的な屈折率が小さくなり、図１３の実線（状態▲１▼）のようなピッチが比較的大きな凸レンズ状の屈折率分布の影響を受ける。そのため、入射した光８，９は無印加電極に集光するように偏向する。偏向されないで直進する漏れ光７は遮光部１によって遮光される。次に、図１２（ｃ）（状態▲２▼）のように電圧を印加する電極を３ａから３ｂ切換えると、液晶分子の配向状態も変化し、図１３の破線（状態▲２▼）のような屈折率分布に変化する。この場合、画像表示素子の２画素に対して一つの凸レンズ効果を持たせる。状態▲１▼と▲２▼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切換えることで、見かけ上の画素増倍作用を得ることができる。
本発明では液晶セルに入射する入射側画素のサイズは比較的大きく設定される。例えば、液晶セルが図１２の状態▲１▼の時、図１４の四つの入射側画素４０に第一のサブフレームとして▲１▼▲３▼▲５▼▲７▼の状態を表示すると、図１３実線の屈折率分布によって▲１▼と▲３▼、▲５▼と▲７▼がそれぞれ縮小される。この時、図１４上部に実線で示した出力側画素のように、画素ピッチは一定でなくなる。次に第二のサブフレームの表示タイミングに合わせて、図１２下段（状態▲２▼）のように電圧を印加する電極を切換えると、屈折率分布は図１３の破線のように切換わる。ここで、入射側画素に第二のサブフレームとして▲２▼▲４▼▲６▼▲８▼の状態を表示すると、図１４上部の破線で示した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３８上では見かけ上▲２▼▲１▼▲３▼▲４▼▲６▼▲５▼▲７▼▲８▼と変則的に並んだ８つの画素となる。この構成では、簡単な電極構成に遮光部を設けることで、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を一つの液晶セルで両立でき、表示画像のコントラストの低下を防止しすることができる。
図１５は、本発明の光路偏向素子の配置の概略を示す図である。光路偏向素子７２の透明電極アレイ７３は紙面の上下方向にライン状に形成されている。画像表示素子７１を出射した光が紙面に左右方向の直線偏光７５の場合、画像表示素子７１の全体を紙面の左右方向７６に画素シフトさせることができる。このような遮光部を設けた光路偏向素子７２を用いることで、画面の横方向シフトにおいて高精細でコントラスト低下の少ない画像表示装置が実現できる。また、投射レンズの焦点位置に図１６に示すような画像表示素子７１の画素を整数分の１分割した表示画素に対応した開口をもった遮光部８０を設けることで更にコントラストの良い画像を表示できる。
【００１７】
以下、本発明の光路偏向素子の実施例について詳細に説明する。
[実施例]
液晶セル作製の製造工程
ステップ１：
透明ガラス基板（３ｃｍ×４ｃｍ、厚さ１．１ｍｍ）を二枚用い、一方の基板上にはＩＴＯまたは、Ｃｒのライン電極を形成した。このライン電極は交互に同一電圧を印加できるように図１７のような櫛形電極Ａ８５，Ｂ８６とした。もう一方の基板は基板の片側全面にＩＴＯを形成し、ベタ電極とした。
ステップ２：
ガラス基板のＩＴＯ側にポリイミド系の配向材料（AL3046-R31、JSR社）をスピンコートし、約０．３μｍの配向膜を形成した。ガラス基板のアニール処理後、ＩＴＯ、またはＣｒラインに対して直角方向にラビング処理を行った。
ステップ３：
二枚のガラス基板の間にスペーサを挟み、上下基板を張り合わせ（電極面は対向させる）加圧した後、ＵＶ硬化接着剤で封止をして空セルを作製した。
ステップ４：
空セルの中に、誘電率異方性が正のネマチック液晶（ZLI-2471、メルク社）を毛細管法で注入し、液晶セルを作製した。上下基板のラビング処理の方向は一致しているため、液晶分子は基板に対して平行で全て同じ向きに配向（ホモジニアス配向）した状態となる。
【００１８】
（比較例１）
液晶セル作製において、ステップ１では、ＩＴＯのライン電極を電極幅５μｍ、ピッチ１０μｍで基板上に形成した。ステップ３については、スペーサに３μｍのビーズ（真絲球）を用いた。ステップ２、４については同様にして行ない、セルを作製した。このセルをサンプル１とする。
（実施例１）
液晶セル作製において、ステップ１では、Ｃｒのライン電極を電極幅５μｍ、ピッチ１０μｍで基板上に形成した。ステップ３については、スペーサに３μｍのビーズ（真絲球）を用いた。ステップ２、４については同様にして行ない、セルを作製した。このセルをサンプル２とする。
（比較例２）
液晶セル作製において、ステップ１では、ＩＴＯのライン電極を電極幅３μｍ、ピッチ１０μｍで基板上に形成した。ステップ３については、スペーサに３μｍのビーズ（真絲球）を用いた。ステップ２、４については同様にして行ない、セルを作製した。このセルをサンプル３とする。
（実施例２）
液晶セル作製において、ステップ１では、Ｃｒのライン電極を電極幅３μｍ、ピッチ１０μｍで基板上に形成した。ステップ３については、スペーサに３μｍのビーズ（真絲球）を用いた。ステップ２、４については同様にして行ない、セルを作製した。このセルをサンプル４とする。
（比較例３）
液晶セル作製において、ステップ１では、ＩＴＯのライン電極を電極幅２５μｍ、ピッチ２５０μｍで基板上に形成した。ステップ３については、スペーサに５０μｍ厚のペットマイラーを用いた。ステップ２、４については同様にして行ない、セルを作製した。このセルをサンプル５とする。
（実施例３）
液晶セル作製において、ステップ１では、ＩＴＯのライン電極を電極幅２５μｍ、ピッチ２５０μｍで形成した。ステップ３についてはスペーサに５０μｍ厚のペットマイラーを用いた。ステップ２、４については同様にして行ない、セルを作製した。セル作製後、ＩＴＯライン電極の形成されている反対の面にＩＴＯライン電極に対応する位置へ遮光部として黒いインクを２５μｍのライン幅でプリント加工した。このセルをサンプル６とする。
（実施例４）
液晶セル作製において、ステップ１では、ＩＴＯのライン電極を電極幅２５μｍ、ピッチ２５０μｍで形成した。ステップ３についてはスペーサに５０μｍ厚のペットマイラーを用いた。ステップ２、４については同様にして行ない、セルを作製した。また、遮光部として黒色色素（染料、顔料）を含有するアクリル樹脂を２０μｍのライン幅で形成し、焦点位置に設けた。このセルをサンプル７とする。
以上の、実施例１〜４、比較例１〜３におけるサンプルを以下に述べる方法で駆動させ、ＣＴＦを算出した。
【００１９】
以下に液晶セル動作方法及びＣＴＦ評価方法について説明する。
作製した液晶セルに電圧を印加して動作させる。印加電圧は３台のファンクションジェネレイターを使い、１台はトリガーとして、図１７に示す櫛型電極Ａ８５、Ｂ８６へ交互に電圧を印加するために用いた。入力周波数は１００Ｈｚ、電圧の入力波形は三角波とし電圧値はオシロスコープ、テスターで確認した。観察評価系は白色ランプにアパーチャー（１．５ｍｍ）を取りつけ、コリメートレンズにより平行光にし、液晶セルに白色光を入射する。その透過光を顕微鏡［対物レンズ（４０×）＋リレーレンズ＋ＣＣＤ（“１／３）］で観察、ＣＣＤカメラを通してデジタルビデオ（ＤＶ）で撮影し、ＤＶの映像から光強度分布のラインプロファイルを解析ソフト（Image pro plus）で取りこみ、この光強度のプロファイルからＣＴＦを求めた。
ＣＴＦの算出は、下式
ＣＴＦ＝［Ｉ(max)−Ｉ(min)］／［Ｉ(max)＋Ｉ(min)］
（Ｉ(max)は強度の最大値、Ｉ(min)は電圧印加電極上の強度を平均化）
より求めた。
【００２０】
ここで各サンプルのＣＴＦを下表にまとめる。
【表１】
サンプル１、２とサンプル３、４をそれぞれ比較すると、遮光部が電極を兼ねていてもＣＴＦがよくなることが分かる。
サンプル２、４を比較すると、焦点位置が基板内部にあるとき、遮光部を液晶層と基板の界面に設けることによって、遮光部の面積を２μｍ小さくすることができた。また、ＣＴＦもよくなった。
サンプル５、６を比較すると、焦点位置が基板を通り抜けた空間にあるとき、遮光部を基板表面上に設けることによって、ＣＴＦはよくなった。
サンプル６、７を比較すると、遮光部を焦点位置に設けることによって、遮光部の面積を５μｍ小さくすることができ、ＣＴＦはよくなった。
【００２１】
（実施例５）
液晶セル作製のステップ１において、ＩＴＯのライン電極を電極幅５μｍ、ピッチ１０μｍで基板上に形成した。また、Ｃｒのライン電極を電極幅５μｍ、ピッチ１０μｍで基板上に形成した。形成した基板枚数はＩＴＯ、Ｃｒともに５０枚である。この５０枚から任意に５枚選択し、ライン線幅を測定した結果を下表に示す。
【表２】
（実施例６）
液晶セル作製において、ステップ１ではＩＴＯのライン電極を電極幅１５μｍ、ピッチ３０μｍで基板上に形成した。ステップ２、３では、ＩＴＯライン電極を有した基板に配向膜を形成し、ラビング処理した後、レジスト材料（CFPR BK-748S、東京応化）をスピンコートにより塗布し、乾燥させて１０μｍ厚の壁材層を基板の電極側に形成した。その後、フォトマスクを用いてパターン露光後、現像・リンスを行なって、ライン電極に対応した位置に凸状１０μｍ厚のスペーサを形成した。ステップ４については同様にして行い、セルを作製した。凸状スペーサのレジスト材料（カラーフィルタ作成用顔料分散型ネガタイプ）には黒色色素の顔料を含有しているため、遮光作用をもっている。このセルをサンプル８とする。
【００２２】
（比較例４）
液晶セル作製において、ステップ１では、ＩＴＯのライン電極を電極幅１５μｍ、ピッチ３０μｍで基板上に形成した。ステップ３についてはスペーサに１０μｍのペットマイラーを用いた。ステップ２、４については同様にして行い、セルを作製した。このセルをサンプル９とする。
サンプル８とサンプル９のセルギャップに対するばらつき、ＣＴＦの比較結果を下表に示す。セルギャップについては基板中心辺りの２０ｍｍ×１０ｍｍ範囲を縦横方向で等間隔に５点ずつ、顕微偏光分光光度計（オーク社）により測定した。ＣＴＦの算出方は液晶セル動作方法及びＣＴＦ評価方法に記載した。
【表３】
（実施例７）
サンプル２のＣｒ電極を有した液晶セルにおいて、Ｃｒ電極を有している基板を光の入射側にして設置した場合とＣｒ電極を有している基板を光の出射側にして設置した場合のセル透過光の光量エネルギーを比較した結果を下表に示す。
【表４】
【００２３】
（実施例８）
図１０のような画像表示装置を作製した。画像表示素子として対角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。光源としては白色ランプを用い、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により、カラー表示を行なった。ここで実施例２で作製したサンプル２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結果、横方向の画素密度が二倍の高精細でコントラストのよい画像が得られた。
（実施例９）
実施例８と同様の画像表示装置の構成に、光路変更素子として実施例１で作製したサンプル１を用いた。また、投射レンズの焦点位置に画素に対応した開口をもつ遮光部を設け、表示画像を観察した結果、実施例８の表示画像よりもコントラストのよい画像が得られた。
【００２４】
【発明の効果】
以上記載のごとく本発明によれば、 請求項１は、前記光路偏向素子をサブフィールド毎の前記画像情報で駆動し、前記光路偏向素子の偏向に応じて前記スクリーン上の表示位置をずらして表示するので、高精細でコントラスト低下の少ない画像表示装置が実現できる。また、投射レンズの焦点位置に画像表示素子の画素を整数分の１に分割した表示画素に対応した開口をもった遮光部を設けることで、更にコントラストの良い画像を表示することができる。
また請求項２は、前記電圧制御手段により前記櫛型電極アレイの各電極を交互に切換え、前記液晶層に入射した光の焦点位置を切換えて光を出射させ、該光の出射側の透明基板面からみて前記櫛型電極アレイの各電極と重なる位置に遮光部を設けることにより、出射側の受光面では明暗がはっきりし、コントラストを向上することができる。
また請求項３は、前記電圧制御手段により前記櫛型電極アレイの各電極を交互に切換え、前記液晶層に入射した光の焦点位置を切換えて光を出射させ、該光の出射側の櫛型電極アレイの各電極を遮光部材で構成したことにより、漏れ光の遮光と電界印加を同時に行い、加工プロセスが削減でき、低コスト化することができる。
また請求項４は、前記遮光部を前記液晶層を挟む基板間のスペーサ−とすることにより、漏れ光を遮光してコントラストの低下を防止すると共に、基板間の厚さを精度良く均一にすることができる。
また請求項５は、前記光の出射側に前記遮光部を設けるため、光の利用効率の低下を抑えることができる。
【００２５】
また請求項６は、前記液晶層と前記櫛型電極アレイの各電極の間に前記遮光部を設けるため、遮光部の面積は比較的小さくでき、コントラストの低下を防止できる。
また請求項７は、前記透明基板に対して前記液晶層とは反対側に前記遮光部を設けるので、遮光位置の精度が良くなりセル作製後にプリント加工が可能となる。
また請求項８は、前記焦点位置近傍に前記遮光部を設けることにより、遮光部の面積を最小にでき、コントラストの低下を防止することができる。
また請求項９は、前記遮光部に光吸収体を設けることにより、２次、３次の漏れ光を防ぐことができる。
また請求項１０は、前記遮光部の光入射側に集光光学素子を設けることにより、漏れ光が集光され光利用効率を良くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る光路偏向素子の構成図である。
【図２】本発明の遮光部を設けていない場合の光路偏向素子の動作を示す図である。
【図３】本発明の屈折率分布図である。
【図４】本発明の遮光部なしの光強度分布図である。
【図５】本発明の光路偏向素子における漏れ光と遮光部位置を示す図である。
【図６】本発明の本発明の遮光部ありの光強度分布図である。
【図７】本発明の集光光学素子を設けた光路偏向素子の図である。
【図８】本発明の焦点位置が基板内部の光路偏向素子の図である。
【図９】本発明の焦点位置が空間の光路偏向素子の図である。
【図１０】本発明の実施形態に係る画像表示装置の構成図である。
【図１１】本発明の見かけ上の画素倍増を説明する図である。
【図１２】本発明の画像表示装置における光路偏向素子の動作を説明する図である。
【図１３】本発明の図１２の屈折率分布図である。
【図１４】本発明の画像縮小効果と画素シフト効果を説明する図である。
【図１５】本発明の光路偏向素子の概略配置図である。
【図１６】本発明の表示画素に対応した開口をもつ遮光部の図である。
【図１７】本発明の櫛型電極パターン図である。
【図１８】本発明の光路偏向素子の構成図である。
【符号の説明】
１ 遮光部、２，６ 透明基板、３ 櫛型透明電極アレイ、４ 液晶層、５ 透明電極
Claims (10)
- 画像情報に従って光の透過または反射を選択的に制御する複数の画素を二次元配列した画像表示素子と、
該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の光路を偏向する光路偏向素子と、
該光路偏向素子により偏向された光画像をスクリーン上に焦点を結ぶ光学部材と、
前記画像を投影するスクリーンとを備え、
前記光路偏向素子をサブフィールド毎の前記画像情報で駆動し、前記光路偏向素子の偏向に応じて前記スクリーン上の表示位置をずらして表示する画像表示装置において、
前記光学部材の１つが投射レンズにより構成され、
該投射レンズの焦点位置近傍に前記画像表示素子の画素を整数分の１に分割した表示画素に対応した開口を有する遮光部を備えたことを特徴とする画像表示装置。 - 前記光路偏向素子は、少なくとも一方の基板上に櫛型電極アレイを有する一対の透明基板と、該透明基板間に挟まれ電圧印加によって屈折率分布が変化する液晶層と、前記櫛型電極アレイの各電極を交互に切換えながら電圧を印加する電圧制御手段とを備え、
前記電圧制御手段により前記櫛型電極アレイの各電極を交互に切換え、前記液晶層に入射した光の焦点位置を切換えて光を出射させ、該光の出射側の透明基板面からみて前記櫛型電極アレイの各電極と重なる位置に遮光部を設けたことを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。 - 前記光路偏向素子は、前記電圧制御手段により前記櫛型電極アレイの各電極を交互に切換え、前記液晶層に入射した光の焦点位置を切換えて光を出射させ、該光の出射側の櫛型電極アレイの各電極を遮光部材で構成したことを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
- 前記光路偏向素子は、前記遮光部を前記液晶層を挟む基板間のスペーサ−とすることを特徴とする請求項２に記載の画像表示装置。
- 前記光路偏向素子は、前記光の出射側に前記遮光部を設けることを特徴とする請求項２又は３に記載の画像表示装置。
- 前記光路偏向素子は、前記液晶層と前記櫛型電極アレイの各電極との間に前記遮光部を設けることを特徴とする請求項５に記載の画像表示装置。
- 前記光路偏向素子は、前記透明基板に対して前記液晶層とは反対側に前記遮光部を設けることを特徴とする請求項６に記載の画像表示装置。
- 前記光路偏向素子は、前記焦点位置近傍に前記遮光部を設けたことを特徴とする請求項７に記載の画像表示装置。
- 前記光路偏向素子は、前記遮光部に光吸収体を設けることを特徴とする請求項１乃至８の何れか一項に記載の画像表示装置。
- 前記光路偏向素子は、前記遮光部の光入射側に集光光学素子を設けることを特徴とする請求項１乃至９の何れか一項に記載の画像表示装置。
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