JP4751619B2 - 中間結像光学系、それを用いた画像表示装置、および中間結像光学系に用いられる電圧印加方法 - Google Patents

Description

本発明は、画素ずらし手段を用いた画像投射装置技術に関する。具体的には、同技術における光学系、光学エンジン、光学装置、投射装置、プロジェクタ装置に適用される。

液晶ライトバルブやＬＣｏＳ(Liquid Crystal on Silicon)、ＤＭＤ（Digital Mirror Device）などの空間光変調素子、広義には異なる色を発する複数の画素を配列してなるライトバルブ素子、を有する表示装置、具体的にはプロジェクタ、ヘッドマウントディスプレイ、などにおいて、ライトバルブ素子などの表示素子の画素数は年々増加している。画素数の増大に付随して画素サイズは小さくなり、画素の駆動機構も微細化、複雑化する傾向にあり、コストアップするという課題がある。また画素サイズが小さくなると有効画素面積比が低下して光利用効率が下がる場合がある。画素サイズを小さくすることなく、画素数を増やせば、表示素子のサイズが増加し、付随する光学系が大型化し、これもコストアップにつながる。
一方、表示素子のもつ画素数は増やさずに、表示される実効的な画素数を増加させる技術として、画素ずらし技術がある。ウォブリング技術とも呼ばれている。画素ずらし技術とは、表示素子の画素を、表示面上で画素サイズよりも小さい距離だけずらした像とずらさない像、あるいはずらした像同士を時分割的に交互に表示するものである。あるいは、ずらした像とずらさない像、もしくはずらした像同士を同時に重ねて表示することもある。表示される画素の位置を時分割的に変えながら表示させる場合には、第１の表示位置の像が残像効果で見えているうちに第２の表示位置に像を表示させることで、見かけ上２つの画素があるように見せることができる。あるいは複数の表示素子を用いて、各々の画素位置がわずかにずれるように重ねて表示する方法もある。画素をずらす距離としては画素サイズの１／２もしくは１／４なる例がある。

画素像の表示位置をずらす画素ずらし手段のひとつに、液晶を用いた手段がある。より詳細には、液晶中を通過する光の光軸を偏向（狭義にはシフト）して、表示素子上の画素の像を投射面に表示させる。液晶の複屈折性を用いて、液晶の配向角度を光軸と傾け、液晶分子の主軸と光軸を傾けて配置すると、異常光線成分は複屈折作用を受ける。また、液晶分子の配向角度は、たとえば、液晶層に対して印加する電圧によってスイッチングできる。よって、液晶および液晶への電圧印加手段をもつ素子によって、液晶を通過する光の光軸シフトをスイッチング動作できる。以上の原理を用いた画素ずらし手段は既に知られるところのものである。
画素ずらし表示する場合には、第１の位置に表示される画像の残像効果が持続している間に画素を移動させて第２の位置に画像を表示することが、表示画像の高精細化に対し効果的である。動画再生表示にも対応させるため、１つの画面フレームの表示周波数は６０Ｈｚないしそれ以上にすることが一般的である。画素ずらしは、フレーム表示周波数よりも高い周波数で行う。よって、液晶配向は比較的高速に移動させる必要がある。印加電圧に対する応答性が速い液晶としては強誘電性液晶が挙げられる。
液晶の主軸が液晶層の厚さ方向に配向する垂直配向型強誘電性液晶は、画素ずらしを高速に行う目的に対して好適な材料として知られるところである。
垂直配向型強誘電性液晶の複屈折性および電圧印加手段による液晶配向制御動作原理を利用した画素ずらし素子がで発表されている（例えば、非特許文献１ 参照。）。この画素ずらし素子の動作原理は、液晶層の両側に誘電体薄膜層を設け、その外側にＩＴＯ薄膜電極層を設け、その外側をカバーガラスで挟持した構成であり、光軸をＺとし、光軸に直交する面をＸ・Ｙ平面として、電圧の印加のＯＮ／ＯＦＦによって、液晶の主軸と光軸の成す角（チルト角）θをＹＺ面内で±Ｙ方向にスイッチングさせ、液晶層に入射した光線の異常光成分を、液晶の方向に応じて±Ｙ方向に平行シフトさせるというものである。この光路シフト原理を用いれば、後述の実施例のように、±Ｙ、±Ｘの４方向に画素ずらしすることもできる。

画素ずらしを行う基本的な工程は、第１の位置に画素の像を表示させる工程、第２の位置に画素の像を移動させる工程、第２の位置に画素の像を表示させる工程、第１の位置に画素の像を移動させる工程から構成される。この場合、移動して表示される画素は２つであり、画素によって形成される画像フレーム数が通常の２倍になる。
上記の表示原理の応用として、画素を縦横２方向に移動させて、表示される画素数を４つにすることもできる。この場合、画素ずらし手段は画素を縦横２方向にシフトさせる手段を用いる。２方向にシフトさせるには、垂直配向型強誘電性液晶などの液晶の配向方向を±Ｘ方向にスイッチさせる画素ずらし素子と±Ｙ方向にシフトさせる画素ずらし素子を併用する。このときライトバルブ素子の縦横の方向もＸＹ方向にあわせておけば、画素は±Ｘおよび±Ｙの２方向にシフトする。この場合、表示される画像のフレーム数は通常の４倍になり、表示される情報量も４倍になる。

画素ずらし表示をする場合、移動中（画素ずらし動作中）の画素の像が表示されていると、画素がつながってみえる。とりわけ、画素ずらしの前後に表示される画像の情報差が大きい場合には、隣接画素の像がつながっていない方が画素間の分離が良好で分解能の高い表示性能が得られる。そこで、移動中の画素の像が表示されないようにする技術が公開されている（例えば、特許文献１ 参照。）。厳密には特にデルタ配列された画素を有する液晶パネルにおける課題を主としているが、移動中の画素が表示されないようにするという概念に触れている。
これとは別に、表示素子の画素が表示する画像は１フレーム毎にフレームメモリから読み込まれ更新されるのが一般的である。一般に表示素子のフレーム更新において全ての画素を一斉に更新するには高速性が要求され、画素列からなる走査線単位で線順次的に更新されることが多い。

図１１は走査線の更新と画素ずらしのタイミングを説明するための図である。
同図において符号Ｔは時刻を表す。
画素ずらしする場合、１フレーム中に２回以上画素ずらしを行う。ここで、画素ずらしして表示するフレームをサブフレームと称すれば、サブフレームの更新に要する速度はサブフレームの表示時間よりも更に速い。このため、全面一斉更新はさらに難しくなり、線順次的な更新になる可能性が高い。
ここで問題になるのは、画素ずらしするタイミングと、サブフレーム画像の更新タイミングの関係である。更新期間中において、表示階調をゼロレベルにするように表示素子を変調制御し、更新期間内に画素ずらしを完了させれば、移動する画素の像は表示されない。しかし、この画像フレームの更新期間は、走査線間で線順次に遅延している。

同図において、横軸は時刻、縦軸は走査線列方向である。先頭列の第一走査線の更新開始時刻をＴ１、同終了時刻をＴ２と示している。また、最終列の走査線の更新開始時刻はＴ３、同終了時刻はＴ４である。同図に示すようにＴ３はＴ１よりも遅く、Ｔ４はＴ２よりも遅い。これを更新タイミングの遅延と称している。同図では画素ずらし開始時刻をＴ５、同終了時刻をＴ６としている。
同図では、最終走査線の更新開始時刻Ｔ３から先頭走査線の更新終了時刻Ｔ２の間に、画素ずらしが終わっていないので、同図のハッチングした領域では、画素ずらし中の画素の像が表示されてしまっている。また、網点の領域では、前のフレームが表示されているうちに、画素ずらしが始まっており、この場合も、画素ずらし中の像が表示されてしまう。画素ずらし中の画素の像が表示されないようにするためには、画素ずらしする時間（＝Ｔ６−Ｔ５）を、表示素子全体の更新時間（Ｔ４−Ｔ１）よりも短くしなければならない。あるいは、フレーム更新が早く完了しても、画素ずらしが終わるまで次のサブフレームを表示しないよう、余計な待機時間を設ける必要がある。このようにすると、画像を表示しない時間が増えて、光利用効率が低下し、その結果として画像が暗くなる、という状態が生じる。これらの点については特許文献１では触れられていない。
一方、走査線の垂直走査に同期するように画素位置をシフトさせる方法に触れた文献もある（例えば、特許文献２ 参照。）。この方法は、フレーム更新された走査線領域のみが、偏光作用を受けて画素がずらされて表示されるが、１フレーム前の状態の走査線領域は、偏光作用を受けないので画素の表示位置がずれない、と記載されているが、フレーム更新期間中の線順次的な動作作用における上記の課題には触れられていない。

図１２は更新タイミングの遅延に合わせて走査線の更新期間中に画素ずらしを行う理想状態を示す図である。
縦軸、横軸および符号は前図に準ずる。
線順次的な画像の更新動作に対して、表示画像の明るさを確保するためには、同図のように、画像が更新された走査線上の画素に対応する領域を、線順次的に画素ずらしすることが望ましい。
同図では、第一走査線の画素ずらし開始時刻をＴ５、終了時刻をＴ６、最終走査線の画素ずらし開始時刻をＴ７、終了時刻をＴ８としている。同図は、走査線ごとに、画素ずらしの開始終了時刻を線順次に遅延させるという方法である。これができれば、画像更新時間と画素ずらし時間の差を縮める、あるいは一致させることができるので、表示画面を明るくすることができる。同図において、Ｔ１＝Ｔ５、Ｔ２＝Ｔ６、Ｔ３＝Ｔ７、Ｔ４＝Ｔ８とすれば、差がなくなり、無駄な非表示時間がなくなり、最も効率よく画像表示できる。
ところで、上記のような線順次的な画素ずらしは、従来の画素ずらし光学系によって行うことができない。

図１３は従来の画素ずらし光学系の代表例を示す図である。
同図において符号１はライトバルブ、２は偏光ビームスプリッタ、３は色合成プリズム、４は画素ずらし素子、５は画素ずらし素子をそれぞれ示す。
ライトバルブ１からの光が、偏光ビームスプリッタ２と、色合成プリズム３を介したのちに、画素ずらし素子４に入射し、画素ずらし素子４において、光路シフトの作用を受けたのちに、拡大投射系５によって、画素ずらしされた画像を投射する。
なお、本来はＲ、Ｇ、Ｂの３色に対応するライトバルブ１と偏光ビームスプリッタ２、照明光学系、などが含まれるが、説明の主旨から同図では記載を省略している。
上記の光学系においては、同図に示すように、ライトバルブ１上の１つの画素から発する光は、画素ずらし素子４に、光束が広がった状態で入射している。このため、ライトバルブ１上において、異なる走査線上にある画素からの光同士は、画素ずらし素子４の位置では、互いに一部重なった状態で入射している。このため、画素に対応する光を空間的に分離することができない。この状態では、走査線上の画素に対応して、線順次的に画素ずらしを行うことができない、という課題がある。

図１４はカラーホイールを用いた画像表示装置を示す図である。
同図において符号６はランプ光源、７はカラーホイール、８はフライアイレンズアレイをそれぞれ示す。
ランプ光源６から出た光束は、カラーホイール７でＲ、Ｇ、Ｂのいずれかの色に単色化され、フライアイレンズアレイ８によって光強度分布が均等化されるとともに特定の方向に偏光面を与えられ、偏光ビームスプリッタ２に入射する。光束は偏光反射面により反射されてライトバルブ１に入射する。ライトバルブ１において画像情報で変調された光束は、偏光方向も９０度変えられていて、偏光反射面を透過して画素ずらし素子に入射する。以後は前図において説明したのと同様である。
同図のように、１枚のライトバルブ素子を用い、カラーホイールによってＲ、Ｇ、Ｂの色画像をシーケンシャルに表示する光学系においても、画素ずらし手段の適用効果は同様にある。前図の場合と同様に、画素ずらし素子においては、ライトバルブの走査線に対応する画素からの光が相互に空間的に分離されていないために、線順次的な画素ずらしを行うことができない。

特開平９−１５５４８号公報 特開平６−３２４３２０号公報 Ｔ．Ｔｏｋｉｔａ、他５名、"FLC Resolution-Enhancing Device for Projection Display"、SOCIETY FOR INFORMATION DISPLAY 2002 INTERNATIONAL SYMPOSIUM DIGEST OF TECHNICAL PAPERS 、米国、２００２年５月、VOLUME XXXIII、NUMBER I、６３８−６３９頁

画素ずらしを用いる画像表示装置において、画素ずらしの手段として垂直配向型強誘電性液晶を用いる場合、ライトバルブと画素ずらし素子の位置が離れているため、線順次で更新される画像情報に対し、画素ずらしのタイミングを正しく合わせることができず、画像の劣化が生じやすい。それを避けるため、更新期間を長くすると平均的な画像の明るさが不足するようになる。

請求項１に記載の発明では、少なくとも、線順次に画像フレームが更新されるライトバ
ルブと、該ライトバルブ上に表示される画像の投影光路上で該画像の位置を移動させる電
圧印加手段を含む画素ずらし手段を有し、前記ライトバルブと前記画素ずらし手段の間の
光路上に設けられ、前記画像の中間像を前記画素ずらし手段の位置に結像させる中間結像
素子を有する中間結像光学系であり、以下の特徴を有する。
即ち、中間結像素子と画素ずらし手段との間に、直線偏光子が設けられる。
画素ずらし手段は、液晶層と、該液晶層を挟持する透光性部材とを有し、電圧印加手段
が前記液晶層へ電圧を印加することによって液晶軸の方向を変化させて、前記液晶層への
入射光を光路シフトするものである。
前記直線偏光子は、中間結像素子側からの結像光のうち、画素ずらし手段による光路シ
フト方向に平行な偏光方向の光を、画素ずらし手段側へ透過させるものである。
前記画素ずらし手段は、画素ずらし面内において、ライトバルブの走査線並び方向に並
列に複数の画素ずらし領域を有し、前記複数の画素ずらし領域それぞれに含まれる走査線数が、走査線列の中央部に近い画素ずらし領域よりも、走査線列の周辺部の画素ずらし領域の方が少ない。
請求項２に記載の発明では、請求項１記載の中間結像光学系において、前記ライトバル
ブ上に表示される画像は拡大されて中間結像されることを特徴とする。

請求項３に記載の発明では、請求項２に記載の中間結像光学系において、前記画素ずらし手段は、走査線列方向の両端において、前記電圧印加手段を設けた位置よりも外側にも、液晶層領域があることを特徴とする。
請求項４に記載の発明では、請求項１ないし３のいずれか１つに記載の中間結像光学系において、前記ライトバルブへの照明光と前記ライトバルブからの反射光を光路分離する光路分離手段を、前記ライトバルブと前記中間結像素子の間の光路上に設けたことを特徴とする。

請求項５に記載の発明では、請求項１ないし４のいずれか１つに記載の中間結像光学系において、前記中間結像素子は、該中間結像素子と前記画素ずらし手段の間の像空間においてテレセントリシティを有することを特徴とする。

請求項６に記載の発明では、請求項１ないし５のいずれか１つに記載の中間結像光学系
において、前記画素ずらし手段は、独立に駆動可能な複数の画素ずらし領域が、光軸と直
交する面内方向に並列配置された構造をもつことを特徴とする。
請求項７に記載の発明では、請求項６に記載の中間結像光学系において、前記画素ずら
し手段は、前記複数の画素ずらし領域が、対応するライトバルブの走査線の更新されるタ
イミングと同期して、前記中間像を線順次的にシフト移動することを特徴とする。

請求項８に記載の発明では、請求項１ないし７のいずれか１つに記載の中間結像光学系を用いた画像表示装置を特徴とする。
請求項９に記載の発明では、請求項６ないし８のいずれか１つに記載の中間結像光学系に用いられる前記画素ずらし手段への電圧印加方法において、前記複数の画素ずらし領域に対し各々独立に電圧を印加することを特徴とする。
請求項１０に記載の発明では、請求項９に記載の電圧印加方法において、前記複数の画素ずらし領域に対する電圧印加は、当該領域に対応するライトバルブ上の画像のフレーム更新期間中に行うことを特徴とする。

本発明によれば、画像投射装置に用いられる画素ずらし手段において、表示画像を明るく保ったまま、線順次に更新される画像情報に対し、画素ずらしが更新期間中に開始・終了できるようになる。

図１は、画像表示装置の中間結像光学系を説明するための図である。
同図（ａ）は入射光の３色分離の様子を示す図、同図（ｂ）は画像情報光の３色合成の様子を示す図である。
同図において符号９はダイクロイックミラー、１０は偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳと略す）、１１は反射型ライトバルブ、１２は色合成プリズム、１３は中間結像素子、１４は画素ずらし素子、１５はミラーをそれぞれ示す。添え字のＲ、Ｇ、Ｂは関連する赤、緑、青の各色を示す。
同図（ａ）において、下方から入射する照明光は、ダイクロイックミラー９ＲＧ−Ｂ（Ｒ、Ｇは反射光、Ｂは透過光の色を表す）によって赤（Ｒ）、緑（Ｇ）の光束を右方向に反射し、青（Ｂ）の光束は上方に透過し、ミラー１５で右方向に反射される。
赤および緑の反射光はさらにダイクロイックミラー９Ｇ−Ｒによって緑（Ｇ）の光束を上方向に反射し、赤（Ｒ）の光束は右方向に透過する。かくして入射光束３色に光路分離される。光路分離された照明光は、光路分離手段としての偏光ビームスプリッタ１０Ｒ、１０Ｇ、１０Ｂ（以下、３色を一括して示すときはＲ、Ｇ、Ｂを省略する。他の符号についても同様）をそれぞれ透過して、反射型ライトバルブ１１Ｒ、１１Ｇ、１１Ｂをそれぞれ照明する。反射型ライトバルブ１１上に形成される表示画像は、線順次にフレーム更新される。

同図（ｂ）において、ライトバルブ１１に入射した照明光は、ライトバルブ１１で反射される。同図において、反射光は画像中心と周辺の３点からの主光線で示す。偏光面を変えられた反射光は、ＰＢＳ１０に再帰して反射される。ＰＢＳ１０による反射光は色合成プリズム１２に入射する。Ｒ、Ｇ、Ｂ各色に対するライトバルブ１１からの反射光は、色合成プリズム１２にてあたかも１つの画像であるかのように合成され、中間結像素子１３を介して画素ずらし素子１４に入射する。ライトバルブ１１から中間結像素子１３までの光路空間はテレセントリックに構成されているので、図示の３本の主光線は光軸に平行であり、また、中間結像素子１３から画素ずらし素子１４迄の空間においても、テレセントリックに構成されているので、上記３本の主光線は光軸に平行となる。また、ライトバルブ１１と画素ずらし素子１４は、中間結像素子１３に関し、光学的に互いに共役な配置となっている。
画素ずらし素子１４はハッチングされた領域において、光路シフトの作用を与える。ライトバルブの反射面を中間結像素子１３の物体面としたとき、像面は、画素ずらし素子１４のハッチング領域にくるように配置している。ライトバルブ１１上の任意の走査線上にある画素の中間像が、画素ずらし素子１４のハッチング領域に中間結像する。ライトバルブと画素ずらし素子の大きさは、作製の難易の関係から通常は画素ずらし素子の方が大きくなる。したがって、中間結像素子による中間像は拡大される場合が多い。光源から中間結像位置までの構成を中間結像光学系と呼ぶ。
画素ずらし素子１４は、垂直配向型強誘電性液晶層とこれを挟持するガラス板の間にＩＴＯ透明電極層を設けており、液晶に対する電圧印加が可能である。液晶の主軸は光軸Ｚに対してＹＺ面内で傾いており、光軸に対する傾角θは、電圧のオン／オフでプラス／マイナス方向に変化する。これに伴い、液晶層中を透過する光線は光路シフト作用を受ける。これにより、画素ずらし作用が得られる。

同図において、中間結像素子１３はＰＢＳ１０と画素ずらし素子１４の間の光路上に設けられている。したがって、中間結像素子１３はＰＢＳ１０に入射する光束の偏光特性には影響を与えないので、偏光分離特性は劣化しない。
同図の光学配置によって、ライトバルブ１１上における任意の第Ｎ走査線上にある画素の中間像と、Ｎ＋１走査線上にある画素の中間像を、空間的に分離することができるので、空間的に分離された走査線の中間像の領域に対して、領域選択的に画素ずらしを行うことによって、走査線に対応した画素ずらし動作を行うことができるようになる。なお、中間結像面にて集光した光は、拡大投射系１５（図示せず）に入射する。拡大投射系１５に入射した光は、最終像面上１６（図示せず）に拡大されて再結像される。

図２は画素ずらし素子に用いる液晶の作用を説明するための図である。
同図において符号４０は液晶素子、４１は液晶層、４２は液晶、４３、４４は透光性部材からなる透明基板、Ｌｉは入射主光線、Ｌｏは出射主光線をそれぞれ示す。
上記の画素ずらし素子においては、同図に示すように、液晶層４１に対し垂直に入射した主光線のうち、異常光線ＬｉがＬｏとして液晶層１に対して垂直に射出するように設計され、空間変調素子面上の全ての物体高に対する光路シフト量が同一になるようにしている。このため、上記の画素ずらし素子１４を用いた際において、画素ずらし素子に入射する主光線Ｌｉが液晶層４１と垂直に入射することが重要である。（因みに常光線は光路シフトしない。）
同図において、液晶層４１への印加電圧をＯＦＦにすると、液晶４２の主軸の傾きが反転し、射出光線Ｌｏの位置は下方へシフトする仕組みである。液晶層４１と透明基板４３および４４の間には、対向電極があり、液晶層４１に電圧を印加することができる。
対向電極としては、ＩＴＯ透明電極を用いることができる。
用いる液晶としては、ホメオトロピック配向をなすキラルスメクチックＣ相を形成可能な液晶があげられる。

図３は中間結像素子の作用を説明するための図である。
同図において、代表的な３つの主光線を示している。これらの主光線は全て、中間結像素子１３の光軸に対して平行に入射し、同素子を出射後、画素ずらし素子１４のＸ−Ｙ面に対して垂直に入射している。このため、中間結像手段においては、その像空間においてテレセントリシティをもつようにしている。これにより、画素ずらし手段の位置に生成されるライトバルブの中間像における、任意の画素が受ける画素ずらし量を一定にすることができる。
ただし、中間結像素子３の開口がライトバルブ１１の有効サイズより十分大きい場合は、通常の倒立実像系光学素子であっても、画素ずらし素子１４の面に垂直に入射する光線が主光線からあまり離れないので実用可能である。

図４、図５は画素ずらし素子への入射光の偏光性を確保する構成を説明するための概要図である。ただし、説明に関係しない部分は一部省略した。
両図において符号１７は直線偏光子（単に偏光板と称す）、Ｌｃは楕円偏光波、Ｌｓは直線偏光波をそれぞれ示す。
図２において説明したように、画素ずらし素子１４に対して、印加電圧のスイッチングによって液晶が移動する面、すなわちＹ−Ｚ面に対して、Ｙ方向直線偏光波を入射させることが好ましい。したがって、ライトバルブ１１からの反射光はＹ方向の直線偏光であることが好ましいが、中間結像素子１３を通過させると、レンズ面での屈折によって生じる偏光解消作用のため、偏光状態が楕円化する。そこで、図４に示すように、中間結像素子１３と画素ずらし素子１４との間には、偏光板１７を設け、Ｙ偏波のみが透過して画素ずらし素子１４に入射するようにした。
図５に示すように、偏光解消によって楕円化した偏光波Ｌｃを、偏光板１７によって、直線偏光成分を透過させて直線偏光波Ｌｓとして、これを、画素ずらし素子１４に入射させる。

中間結像素子１３によって、生成されるライトバルブの像のサイズを任意に変えることができる。ライトバルブのサイズは、小さいもので対角０．５インチ（約１２．７ｍｍ）、大きいものでも対角２インチ以下である。ライトバルブの像のサイズが、ライトバルブよりも小さくなるようにすると、画素ずらし素子１４において、画素ずらしを線順次的に行う際、素子の構成が緻密になる。画素ずらしする領域を、線順次的に分割して、分割された領域ごとに画素ずらしを行うとき、画素ずらしする領域が狭くなると、液晶の動作安定性は劣化する。このため、ここでは、像のサイズがライトバルブより大きく、拡大されるようにした。これによって、駆動領域が分割された液晶の動作安定性を向上することができる。液晶層において領域が分割されていなくてもよい。液晶層に与える電圧印加手段が、領域分割され、各々の領域が独立に電圧印加できるようにすればよい。
画素ずらし手段は、ライトバルブの走査線並び方向に、画素ずらし駆動領域が分割された構成にしている。分割数は、走査線数よりも少なくしたので、液晶層に対する駆動の安定性がよい。分割数を多くすると、画素ずらししない領域にも電圧がかかり、画素ずらしする隣の領域も画素ずらしされてしまう。分割数を少なくしても、画素ずらしする領域の、隣の領域の一部にも電圧がかかるが、その影響は、領域の全範囲には及ばず、隣接している一部の領域に留まるので、隣の領域が画素ずらしされてしまう傾向は、極めて低くなる。

画素ずらし手段における画素ずらし駆動領域の分割数を、ライトバルブの走査線数と等しいか同一のレベルにしておくが、同一のタイミングで画素ずらし駆動する駆動領域は、細密に分割した駆動領域のひとつでなく、互いに隣り合う複数の駆動領域をひとつの駆動領域とする。このようにしても、画素ずらししない領域に与える相互干渉を、実効的に、低くすることができる。画素ずらしする駆動領域の分割数を多く作っておけば、ライトバルブの走査線数が変わっても、同一の画素ずらし素子を用いて、線順次的な画素ずらし動作を行うことができるようになる。すなわち、同時に画素ずらしする領域に含まれる走査線数を変えるという発想で、その領域に対して電圧駆動すればよい。電圧駆動回路は、細密に分割した領域の各々に対して、独立に電圧がかけられるように、予め作っておく。
別の方法として画素ずらし手段において、同一のタイミングで画素ずらし駆動する分割領域に含まれる走査線数が、互いに同数となるようにした。分割された画素ずらし駆動領域に対応する液晶層における、電圧の印加に伴い生じる電界分布状態が、分割領域間で均一になるので、画素ずらし動作の、分割領域間の均一性を高くすることができる。

分割領域に含まれる走査線数が、走査線列の中央部に近い画素ずらし領域では多く、周辺部の画素ずらし領域では少ないようにすることもできる。このとき、画面の中央部における画素ずらし動作の安定性を高くすることができる。
ＴＶなどの用途では画面中央に視線が集中する傾向があるので、そのような場合に対し、好適な画質を得ることができる。
また、投射装置では、画面の周辺は中央よりも暗くなる傾向があり、画面の明るさを均一化するために、中央の明るさを落とすなどの対策が講じられているが、中央部の画素ずらし領域の走査線数を増やすと、その分画像が暗くなるので、中央から周辺に向かって、走査線の数を漸次減らしていけば、画面全体の明るさのバランスを取ることができる。
画素ずらし素子における、走査線列方向の両端にある対向電極の位置に対して、その外側に液晶層の領域がないと、電圧を印加したときに生じる、液晶層内での電界分布は、中央部と比べて、非対称になるので、液晶の駆動状態が、中央部と比べて同じにならない。
このため、画素ずらしの動作も、中央部と異なってくる。しかしながら、端部の電極対よりも外側にも液晶層の領域を設ければ、電界分布の不均一性が解消される。同一の理由から、別なる構成として、画素ずらし手段における、有効領域、すなわち、ライトバルブの像を画素ずらしする領域よりも大きめに、画素ずらし手段を形成すれば、端部における上記の不具合が解消できる。
ライトバルブの画像フレームは線順次に画像フレームが更新される。また、中間像面は、画素ずらし素子によって、隣接する複数の走査線群の単位で、画像フレームが更新されるタイミングと同期して、線順次的にシフト移動するようにした。

図６は画像の走査線を群分けして群単位で画素ずらしを行う方法を説明するための図である。
同図において符号１８は第１走査線群、１９は第２走査線群、２０は第３走査線群をそれぞれ示す。
第１走査線群１８は、走査線番号１〜Ｍ（Ｍは整数）からなる。第１走査線群１８のフレーム更新に対し、走査線番号Ｍの更新開始時刻Ｔ５から、走査線番号１の更新終了時刻Ｔ２の間に、走査線番号１〜Ｍ上の画素の中間像領域を画素ずらしする。次に、走査線番号Ｍ＋１〜Ｎ（Ｎは整数）の第２走査線群１９のフレーム更新に対し、同様に、走査線番号Ｎの更新開始時刻から走査線番号Ｍ＋１の更新終了時刻の間に、走査線番号Ｍ＋１〜Ｎの画素の中間像領域を画素ずらしする。以下同様にして、最終走査線列までの画素を、完全に線順次ではないが、走査線群単位で、線順次的に画素ずらしを行うようにした。
このように、複数の画素ずらし領域の総数を、走査線数よりも少なくすることにより、従来よりも、画素の像が非表示になっている時間が短くなるため、従来よりも画像が明るくなるという効果が得られる。同図では３つの領域に分割して、ライトバルブのフレーム更新に合わせて分割動作をさせているが、分割数はこれよりも多くてもよい。例えば、後述のように分割領域のＹ方向の幅を狭めてゆき、ひとつの領域に含まれる走査線数が１となるようにしてもよい。

図７は図６に示す画素ずらしを実施するための画素ずらし素子を示す図である。
同図において符号１４１は第１走査線群に対応する中間像領域、１４２は第２走査線群に対応する中間像領域、１４３は第３走査線群に対応する中間像領域をそれぞれ示す。
同図において、画素ずらし素子１４の入射面における中間像領域１４１、１４２，１４３は、図６における走査線群１８、１９、２０に対応している。画素ずらし素子は中間像領域１４１，１４２，１４３に対応する複数の画素ずらし領域が、光軸と直交する面内で列状に集積された構造をもち、画像フレームの更新のタイミングと同期して、互いに独立に画素ずらし駆動される。

図８は画素ずらし素子への電圧印加の様子を示す図である。
図７に示された、並列に領域分割された画素ずらし素子１４における、各々の領域の液晶層に対し、各領域の対向電極への電圧印加手段を設け、独立に電圧を印加できるようにしている。各領域の対向電極対は領域間で互いに分離している。
図８の分割領域を、走査線数相当数に分割数を増やし、各領域に対し、電圧印加手段を独立に与えることで、各領域の画素ずらしを独立に行うようにすると、走査線単位での画素ずらしが実現する。この場合も、隣接する領域の電極は互いに分離している。
各電圧印加手段に対する、電圧印加のタイミングは、第１列は、第１走査線群における最終走査線の更新開始時刻から第１走査線の更新完了時刻の間に印加する。第２列は、第２走査線群における最終走査線の更新開始時刻から第１走査線の更新完了時刻の間に印加する。第３列は、第３走査線群における最終走査線の更新開始時刻から第１走査線の更新完了時刻の間に印加する。第２列は、第１列よりも時間遅延して印加しており、第３列は第２列よりも時間遅延して印加している。
走査線単位で画素ずらしする場合は、任意の第Ｎ列は、走査線Ｎにおける更新開始時刻から走査線１の更新終了時刻の間に電圧印加する。第Ｎ＋１列は、第Ｎ列よりも、電圧印加のタイミングを遅延して印加する。
ライトバルブの画面の法線をＺ軸にとり、走査線の列並び方向をＹ軸にとったとき、画素ずらし素子１４における、画素ずらし面（液晶面）をＸ−Ｙ面とし、液晶面の法線をＺ軸として、−Ｙ方向に線順次に画素ずらしが行われるように、ライトバルブと画素ずらし素子の配置関係を与えることで、ライトバルブ上で線順次にフレームが更新される方向と、画素ずらし素子上で、線順次に画素ずらし動作を行う方向を一致させている。

図９はカラーホイールを用いた画像表示装置に本発明を適用した例を示す図である。
同図において符号２１は照明光源、２２はカラーホイール、２３は照明分布均一化のためのフライアイレンズアレイ、２４はライトバルブ、２５はＰＢＳ、２６は中間結像素子、２７は画素ずらし手段をそれぞれ示す。
同図は、反射型ライトバルブ２４が１枚であり、カラーホイール２２によって、照明光源２１からの白色光をＲ、Ｇ、Ｂにタイムシーケンシャルにライトバルブ２４に照明している。同図の構成においては、ＰＢＳ２５と画素ずらし手段２７の間の光路上に、中間結像手段２６を設けている。中間像は、図１の例と同様に、画素ずらし手段２７に生成されるようにした。

図１０は画素ずらし素子に入射する光束の偏光方向を制御する方法を示す図である。
同図において符号２８は直線偏光子を示す。
同図のように、中間結像素子２６と、画素ずらし素子２７の間に、直線偏光子２８を設け、画素ずらし素子に対し、直線偏光波が入射するようにした。これによる作用効果は、図４における説明と同様である。
図１０の例以外に、ライトバルブがＤＭＤや透過型液晶ライトバルブである場合においても、中間結像手段２６の配置条件を適用することができ、加えて、直線偏光子２８の配置を併用することで、同様の効果が得られる。

画像表示装置の中間結像光学系を説明するための図である。 画素ずらし素子に用いる液晶の作用を説明するための図である。 中間結像素子の作用を説明するための図である。 画素ずらし素子への入射光の偏光性を確保する構成を説明するための概要図である。 画素ずらし素子への入射光の偏光性を確保する構成を説明するための概要図である。 画像の走査線を群分けして群単位で画素ずらしを行う方法を説明するための図である。 図６に示す画素ずらしを実施するための画素ずらし素子を示す図である。 画素ずらし素子への電圧印加の様子を示す図である。 カラーホイールを用いた画像表示装置に本発明を適用した例を示す図である。 画素ずらし素子に入射する光束の偏光方向を制御する方法を示す図である。 走査線の更新と画素ずらしのタイミングを説明するための図である。 更新タイミングの遅延に合わせて走査線の更新期間中に画素ずらしを行う理想状態を示す図である。 従来の画素ずらし光学系の代表例を示す図である。 カラーホイールを用いた画像表示装置を示す図である。

符号の説明

９ ダイクロイックミラー
１０、２５ 偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）
１１、２４ 反射型ライトバルブ
１２ 色合成プリズム
１３、２６ 中間結像素子
１４、２７ 画素ずらし素子
１７、２８ 直線偏光子（偏光板）
２１ 光源
２２ カラーホイール
４１ 液晶層
４２ 液晶

Claims (10)

1. 少なくとも、線順次に画像フレームが更新されるライトバルブと、該ライトバルブ上に
   表示される画像の投影光路上で該画像の位置を移動させる電圧印加手段を含む画素ずらし
   手段を有し、前記ライトバルブと前記画素ずらし手段の間の光路上に設けられ、前記画像
   の中間像を前記画素ずらし手段の位置に中間結像させる中間結像素子を有する中間結像光
   学系において、
   前記中間結像素子と前記画素ずらし手段との間に、直線偏光子が設けられ、
   前記画素ずらし手段が、液晶層と、該液晶層を挟持する透光性部材とを有し、前記電圧
   印加手段が前記液晶層へ電圧を印加することによって液晶軸の方向を変化させて、前記液
   晶層への入射光を光路シフトするものであり、
   前記直線偏光子は、前記中間結像素子側からの結像光のうち、前記画素ずらし手段によ
   る光路シフト方向に平行な偏光方向の光を、前記画素ずらし手段側へ透過させるものであ
   り、
   前記画素ずらし手段は、画素ずらし面内において、ライトバルブの走査線並び方向に並
   列に複数の画素ずらし領域を有し、
   前記複数の画素ずらし領域それぞれに含まれる走査線数が、走査線列の中央部に近い画素ずらし領域よりも周辺部の画素ずらし領域の方が少ないことを特徴とする中間結像光学系。
2. 請求項１に記載の中間結像光学系において、
   前記ライトバルブ上に表示される画像は拡大されて中間結像されることを特徴とする中
   間結像光学系。
3. 請求項１または２に記載の中間結像光学系において、
   前記画素ずらし手段は、走査線列方向の両端において、前記電圧印加手段を設けた位置
   よりも外側にも、液晶層領域があることを特徴とする中間結像光学系。
4. 請求項１ないし３のいずれか１つに記載の中間結像光学系において、
   前記ライトバルブへの照明光と前記ライトバルブからの反射光を光路分離する光路分離
   手段を、前記ライトバルブと前記中間結像素子の間の光路上に設けたことを特徴とする中
   間結像光学系。
5. 請求項１ないし４のいずれか１つに記載の中間結像光学系において、
   前記中間結像素子は、該中間結像素子と前記画素ずらし手段の間の像空間においてテレ
   セントリシティを有することを特徴とする中間結像光学系。
6. 請求項１ないし５のいずれか１つに記載の中間結像光学系において、
   前記画素ずらし手段は、独立に駆動可能な複数の画素ずらし領域が、光軸と直交する面
   内方向に並列配置された構造をもつことを特徴とする中間結像光学系。
7. 請求項６に記載の中間結像光学系において、
   前記画素ずらし手段は、前記複数の画素ずらし領域が、対応するライトバルブの走査線
   の更新されるタイミングと同期して、前記中間像を線順次的にシフト移動することを特徴
   とする中間結像光学系。
8. 請求項１ないし７のいずれか１つに記載の中間結像光学系を用いたことを特徴とする
   画像表示装置。
9. 請求項６ないし８のいずれか１つに記載の中間結像光学系に用いられる前記画素ずらし手段への電圧印加方法において、
   前記複数の画素ずらし領域に対し各々独立に電圧を印加することを特徴とする電圧印加
   方法。
10. 請求項９に記載の電圧印加方法において、
    前記複数の画素ずらし領域に対する電圧印加は、当該領域に対応するライトバルブ上の
    画像のフレーム更新期間中に行うことを特徴とする電圧印加方法。

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