(57)【要約】【課題】高解像度の画像表示装置及び画像表示方法を提供する。【解決手段】複数の画像表示素子と、所定偏光方向の光を偏向する光路偏向素子と、複数の画像表示素子から光路偏向素子に入射する各画像光の偏光方向を平行に揃える偏光方向切替手段とを備えることにより、１つの光路偏向素子で複数の画像表示素子すべてに対して偏向が行なえ、高解像度が得られる。【選択図】図１
2008139686.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の画像表示素子と、所定偏光方向の光を偏向する光路偏向素子と、前記複数の画像表示素子から前記光路偏向素子に入射する各画像光の偏光方向を平行に揃える偏光方向切替手段とを備えたことを特徴とする画像表示装置。
【請求項２】
光源と、該光源からの出射光路を３原色の光路に分割する分割手段と、該分割手段により分割された各色光路を合成する合成手段とを有する画像表示装置において、
前記合成手段の入射側もしくは出射側に所定偏光方向の光を偏向する光路偏向素子と、前記複数の画像表示素子から前記光路偏向素子に入射する各画像光の偏光方向を平行に揃える偏光方向切替手段とを備えたことを特徴とする画像表示装置。
【請求項３】
複数の画像表示素子より出射する画像光がそれぞれ異なる波長域の光で、かつ該所定波長域の画像光が他の画像光と異なる偏光方向であって、偏光方向切替手段が該所定波長域の光のみ偏光回転を行なう波長選択型偏光回転素子であることを特徴とする請求項１または２記載の画像表示装置。
【請求項４】
画像表示素子を３個備え、該画像表示素子から出射する画像光がR、G、Bに対応する３つの波長域の光で、かつR及びBの偏光方向がGの偏光方向と直交する方向であって、前記偏光方向切替手段がR及びBの光に対して９０°の偏光回転を行なうことで、光路偏向素子に入射するR,G,Bそれぞれの光の偏光方向を互いに平行とすることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項載の画像表示装置。
【請求項５】
少なくとも２つの画像表示素子と、該複数の画像表示素子に対応して複数設けられ所定偏光方向の光を偏向する光路偏向素子と、該光路偏向素子から色合成光学素子に入射する画像光の偏光方向を、色合成素子にて反射される画像光についてはｓ偏光に揃え、透過される画像光についてはp偏光に揃える偏光方向切替手段とを備えたことを特徴とする画像表示装置。
光路偏向素子。
【請求項６】
光路偏向素子と偏光方向切替手段とが一体に形成されてなることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項記載の画像表示装置。
【請求項７】
複数の画像表示素子から、所定偏光方向の光を偏向する光路偏向素子に入射する各画像光の偏光方向を平行に揃えることを特徴とする画像表示方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プロジェクションディスプレイ、ヘッドマウントディスプレイなどの画像表示装置、特に、電気信号によって光の方向を変える光路偏向素子、光偏向デバイス及びこれらの光路偏向素子又は光偏向デバイスを利用した画像表示装置及び画像形成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、光路偏光素子を用いたピクセルシフト技術が提案されている。
これは、光路偏光素子として、一対の透明基板と、透明基板間に充填され垂直配向をなすスメクチックＣ相よりなる液晶層と、液晶層と平行な方向に電界を生じせしめる電極とを有する光路偏向素子を用いるものであり、この種の光路偏向素子を用いた場合、高速の光路偏向が行なえることから、画像劣化の少ない高精細画像が得られることが開示されている。
【０００３】
これらの従来技術では画像表示素子としては反射型液晶、透過型液晶、マイクロミラーデバイス等が用いられているDMD（Digital Mirror Device）等が好適に用いられる。画像表示素子を複数用いることでピクセルシフト技術によりカラー画像を形成することも可能であり、その場合、色合成光学系を用いた光学系が開示されている。色合成光学系としては市販のクロスダイクロイックプリズムを利用可能であるが、クロスダイクロイックプリズムの一般的特性として、プリズム内で反射させる光をs偏光とし、透過させる光をp偏光として入射させることで、色シェーディングを低減させ光利用効率高く色合成が行なえるようになる（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
図１１に投射型の画像表示装置の従来構成例を示す。
図１１に示した投写型の画像表示装置1100において、20は光源である。光源20としては、メタルハライドランプ、高圧水銀ランプ、キセノンランプ等のランプや、レーザーダイオード、LED（発光ダイオード）などの発光素子を利用することができる。光源としてのランプ20から出射した白色光LWは、２枚のダイクロイックミラー21、22によって赤（R）、緑（G）、青（B）の３原色の光LR、LG、LBに分光される。分光に先立って、照明均一化の為のインテグレータ（不図示）、無偏光を直線偏光に変えるための偏光変換素子(不図示)を組み込んでもよい。
３原色に分光された各光LR、LG、LBは、ミラー23、24、25及びリレーレンズ26、27により対応する画像表示素子（「ライトバルブ」とも言う）31、32、33にそれぞれ導かれる。これらリレーレンズ26、27よりなるリレー光学は、系各光LR、LG、LBの光路長を補償するためのものであり、光学レイアウトに合わせて設ける必要がある。
【０００５】
コンデンサーレンズ28、29、30は、光源像をライトバルブ31、32、33にそれぞれ結像させる。ライトバルブ31〜33は、これを複数枚用いた場合でも光学系を複雑化させずに構成させることができるため、複数枚のライトバルブを使った構成が有利である。ライトバルブ31〜33には2次元に配列された画素が形成されており、それぞれの画素の透過光強度を変調することで画素数に等しい解像度の画像を形成する。各ライトバルブ31〜33から出射する画像光は、クロスダイクロイックプリズム34等の色合成光学素子によって合成されプロジェクションレンズ35を介してスクリーン36に結像される。
【０００６】
クロスダイクロイックプリズム34は斜め入射光に対する色シェーディングの低減及び色光合成効率の向上のため、図中のG光LGに対してはＰ偏光を入射させ、B光LB及びR光LRについてはＳ偏光を入射させるようになっている。尚、150は分割手段であり、151は合成手段である。
（例えば、特許文献２参照）。
【特許文献１】特開２００２−３２８４０２号公報
【特許文献２】特開２００２−１０７８２０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上述した従来技術では、このクロスダイクロイックプリズムの特性を生かし、色合成系にＳ偏光とＰ偏光とを混在させて入射させた場合、例えば、後段の光路偏向素子ではいずれか一方の偏光にしか作用しないため、そのままではすべての画像表示素子からの光について十分に行なうことができないため、必ずしも良好な画像を得ることができなかった。これは、クロスダイクロイックプリズム34を出射した光は、ライトバルブからの偏光方向を維持した状態であるため、G光LG、R光LR、及びB光LBで偏光方向が異なっているためである。なお、図中において、それぞれの偏光方向は各ライトバルブ31〜33とクロスダイクロイックプリズム34の間の光線上に矢印にて示している。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、良好に偏向させて画像を表示することが可能な画像表示装置及び画像表示方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決させるため、請求項１記載の発明は、複数の画像表示素子と、所定偏光方向の光を偏向する光路偏向素子と、前記複数の画像表示素子から前記光路偏向素子に入射する各画像光の偏光方向を平行に揃える偏光方向切替手段とを備えたことを特徴とする。
【００１０】
請求項２記載の発明は、光源と、該光源からの出射光路を３原色の光路に分割する分割手段と、該分割手段により分割された各色光路を合成する合成手段とを有する画像表示装置において、前記合成手段の入射側もしくは出射側に所定偏光方向の光を偏向する光路偏向素子と、前記複数の画像表示素子から前記光路偏向素子に入射する各画像光の偏光方向を平行に揃える偏光方向切替手段とを備えたことを特徴とする。
【００１１】
請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の発明において、複数の画像表示素子より出射する画像光がそれぞれ異なる波長域の光で、かつ該所定波長域の画像光が他の画像光と異なる偏光方向であって、偏光方向切替手段が該所定波長域の光のみ偏光回転を行なう波長選択型偏光回転素子であることを特徴とする。
【００１２】
請求項４記載の発明は、請求項１から３のいずれか１項記載の発明において、画像表示素子を３個備え、該画像表示素子から出射する画像光がR、G、Bに対応する３つの波長域の光で、かつR及びBの偏光方向がGの偏光方向と直交する方向であって、波長選択型偏光方向切替手段がR及びBの光に対して９０°の偏光回転を行なうことで、光路偏向素子に入射するR,G,Bそれぞれの光の偏光方向を互いに平行とすることを特徴とする。
【００１３】
請求項５記載の発明は、少なくとも２つの画像表示素子と、該複数の画像表示素子に対応して複数設けられ所定偏光方向の光を偏向する光路偏向素子と、該光路偏向素子から色合成光学素子に入射する画像光の偏光方向を、色合成素子にて反射される画像光についてはｓ偏光に揃え、透過される画像光についてはp偏光に揃える偏光方向切替手段とを備えたことを特徴とする。
【００１４】
請求項６記載の発明は、請求項１から５のいずれか１項記載の発明において、光路偏向素子と偏光方向切替手段とが一体に形成されてなることを特徴とする。
【００１５】
請求項７記載の発明は、複数の画像表示素子から、所定偏光方向の光を偏向する光路偏向素子に入射する各画像光の偏光方向を平行に揃えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、光路偏向素子により、良好な偏向がなされた画像を表示することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
図１に本発明に係る画像表示装置の一実施の形態の構成例を示す。なお、ここで言う画像表示装置は、投射型並びに直視型のいずれであっても良い。なお、実施の形態においては、投射型の画像表示装置についてのみ具体的に説明するが、直視型であっても変わりはない。
図１に示した画像表示装置100は、図１１に示した画像表示装置1100の構成に光路偏向素子と偏光方向切替手段（Polarization Switching element）とを設けた構成であり、偏光方向切替手段は画像表示素子から光路偏向素子に入射する各画像光の偏光方向を平行に揃える機能を有する。図１１に示した部材と同様の部材には共通の符号を用いた。
【００１８】
すなわち、本画像表示装置100は、光源としてのランプ20の出射光路上に第１のダイクロイックミラー21がランプ20の出射光路に対して斜め４５°の傾斜角で配置され、ダイクロイックミラー21の反射光路上に第２のダイクロイックミラー22がダイクロイックミラー21と平行になるように配置されている。ダイクロイックミラー21の透過光路上にはミラー25がダイクロイックミラー21と平行に配置され、ダイクロイックミラー22の透過光路上にはリレーレンズ26が配置され、リレーレンズ26の出射側の光路上にはミラー23がダイクロイックミラー22と平行、かつ反射光がランプ20の出射方向と平行になるように配置されている。
【００１９】
ダイクロイックミラー22の反射光路上にはコンデンサーレンズ30、Ｇ光LG用のライトバルブ32、クロスダイクロイックプリズム34、偏光方向切替手段37、光路光路偏向素子38、及びプロジェクションレンズ35がこの順番で配置され、その光路の延長線上にはスクリーン36が配置されている。ミラー23の反射光路上にはリレーレンズ27が配置され、リレーレンズ27の出射側の光路上にはミラー24がミラー23と直交するように配置されている。ミラー24は、その反射光路がミラー25の反射光路と一致するように配置されており、ミラー24から順番にコンデンサーレンズ28、B光LB用のライトバルブ33、クロスダイクロイックプリズム34、R光LR用のライトバルブ31、及びコンデンサーレンズ29が配置されている。尚、150-1は分割手段であり、151-1は合成手段である。
【００２０】
なお、実施の形態において、透過型の画像表示素子を用いているが、反射型であっても良いことは言うまでもない。つまり、実施の形態においては、偏光方向切替手段37と、光路偏向素子38がダイクロイックプリズム34の出射側に設けることで、１つの光路偏向素子により対応することができることを骨子とするものであるから、画像表示素子が透過型又は反射型の区別を問わず実施可能である。
【００２１】
本画像表示装置100は、光路偏向素子38により、図１１に示した画像表示素子1100の複数倍の解像度にて画像表示を行なうことが可能となっている。
偏光方向切替手段37は、所定波長域の光のみ偏光回転を行なう波長選択型の偏光回転素子であり、例えばB光LB、R光LRに対して偏光方向を９０°回転させ、G光LGの偏光方向に揃えるよう機能する。波長幅はダイクロイックミラー22に合わせて設計すればよく例えば図３のように波長を選ぶことができる。
【００２２】
本実施の形態によれば、１つの光路偏向素子で複数の画像表示素子からの光に対して偏向が行なえ、構成を簡略化することができ、高解像度が得られる。
また、光路偏向素子の前段（つまり、光路偏向素子の入射側）に偏光方向切替手段を設けたので、光路偏向素子への入射光の偏光方向を平行に揃えることが可能となり、入射光を良好に偏向することが可能となる。これにより、十分な高解像度の画像を得ることが可能となる。言い換えると、この偏向方向切替手段を設けなければ、一部の画像表示素子からの光は光路が偏向されず直進してしまうため、光路偏向素子による偏向が行なえず、十分な高解像度の画像が得られないことになる。
【００２３】
さらに、視感度の低いR（赤）,B（青）の光に対して偏光方向を切り替えることで、偏光方向切替手段を出射した光に偏光方向が切り替えられない成分が発生した場合でも、観察者から目立たないようにし、画像劣化を防ぐことができる。
【００２４】
図３は入射光の波長に対して偏光変換効率を示す図であり、横軸が波長を示し、縦軸が偏光変換効率を示す。同図において、偏光変換効率が1.0で完全に直線偏光を９０°直交する方向に偏光変換することを示す。これによって光路偏向素子には偏光方向の揃った光が入射するようになる。
図１において、光路偏向素子38と偏光方向切替手段37との間の光路上に示す矢印は偏光方向を示す。偏光方向切替手段37としては、例えばカラーセレクト（登録商標、ColorLink社）等の波長選択型の偏光回転素子が好適に用いられる。このように波長選択型の偏光方向切替手段を用いると、偏光方向をそろえることで各色を同じタイミングで同じ方向に偏向することが可能なため、色分離が発生しない。
【００２５】
さらに、光路偏向手段38は、偏光方向切替手段38からの出射偏光方向と入射偏光方向とを揃えるために一体形成するのが好ましい。
画像表示素子（ライトバルブ）31〜33のように複数枚の画像表示素子を使った構成において、光路偏向手段と偏向切替手段を用いるのが有利であることは図１の説明で示したとおりである。
【００２６】
ここで、光路光路偏向素子について図面を参照して説明する。
図４は図１に示した画像表示装置に用いられる光路偏向素子の原理的構成例を示す断面図である。
この光路偏向素子においては、まず、一対の透明な基板２，３が対向配置させて設けられている。そして、少なくとも一方、ここでは基板２の内面には配向膜４が形成されており、この配向膜４と他方の基板３との間にはキラルスメチックＣ相よりなる強誘電液晶なる液晶５が充填されている。
【００２７】
このような一対の基板２，３及び液晶５を有する構造体に対して、目的とする偏向方向に対応させて電極６a，６ｂによる一対の電極対６が配置され、電源７に接続されている。電極対６は電界印加手段として機能するもので、光路と重ならない位置（光路を挟む位置）で当該光路光路偏向素子１の液晶回転軸に対してほぼ垂直方向に電界ベクトルが向くように設置される。なお、電極対６は、基板２，３と一体化させて設けても、分離させて設けてもよい。また、液晶５の膜厚を規定するためのスペーサを電極に兼用することも可能である。偏向による光の進行方向を３方向以上に振りたい場合は、入射光の偏向方向をその偏向方向に対応させて回転させるとともに、電極対６をそれらに対応させ複数に設ければよい。
【００２８】
入射光は、電極対６より形成される電界の方向によって偏向を受け、第１の出射若しくは第２の出射の何れかの光路をとる。
【００２９】
ここで、液晶５に関して説明する。「スメクチック液晶」は、液晶分子の長軸方向を層状に配列してなる液晶分子である。このような液晶に関し、上記層の法線方向（層法線方向）と液晶分子の長軸方向とが一致している液晶を「スメクチックＡ相」、法線方向と一致していない液晶を「キラルスメクチックＣ相」と呼んでいる。キラルスメクチックＣ相よりなる強誘電液晶５は、一般的に外部電界が働かない状態において各層毎に液晶ダイレクタ方向が螺旋的に回転しているいわゆる螺旋構造をとり、キラルスメクチックＣ相反強誘電液晶は各層毎に液晶ダイレクタ方向が対向する方向を向く。これらのキラルスメクチックＣ相よりなる液晶は、不斉炭素を分子構造に有し、これによって自発分極しているため、この自発分極Ｐsと外部電界Ｅとにより定まる方向に液晶分子が再配列することで光学特性が制御される。なお、本実施の形態では、液晶５として強誘電液晶の場合で説明するが、反強誘電液晶の場合にも同様に使用することができる。
【００３０】
キラルスメクチックＣ相よりなる強誘電液晶の構造は、主鎖、スペーサ、骨格、結合部、キラル部等からなる。主鎖構造としては、ポリアクリレート、ポリメタクリレート、ポリシロキサン、ポリオキシレチレンなどが利用可能である。スペーサは、分子回転を担う骨格、結合部、キラル部を主鎖と結合させるためのものであり、適当な長さのメチレン鎖等が選ばれる。また、カイラル部とビフェニル構造など剛直な骨格とを結合する結合部には−ＣＯＯ−結合等が選ばれる。
【００３１】
光路偏向素子１においては、キラルスメクチックＣ相よりなる強誘電液晶５は配向膜４により基板２，３面に分子螺旋回転の回転軸が向いており、いわゆるホメオトロピック配向をなす。このようなホメオトロピック配向のための配向法としては、従来から行われている方法を適用することができる。すなわち、(1)ずり応力法、(2)磁場配向法、(3)温度勾配法、(4)ＳｉＯ斜法蒸着法、(5)光配向法等が挙げられる。
【００３２】
光路偏向素子１の特徴の一つは、ＩＴＯ膜等による電極パターンを素子内に形成する必要がないため、これによる光損失がない点、及び素子の光が透過する部分の相構成の製造コストが抑制できる点である。また、キラルスメクチックＣ相はスメチックＡ相やネマチック液晶に比較して極めて高速な応答性を有しており、サブｍsでのスイッチングが可能である点である。特に、電界方向に対して液晶ダイレクタ方向が一義的に決定されるため、スメクチックＡ相よりなる液晶に比べダイレクタ方向の抑制が容易であり、扱いやすい。
【００３３】
ホメオロトピック配向をなすキラルスメクチックＣ相よりなる液晶５は、ホモジニアス配向（液晶ダイレクタが基板面に平行に配向している状態）をとる場合に比べて、液晶ダイレクタの動作が基板２，３からの規制を受けにくく、外部電界方向の調整で光偏向方向の規制が行ないやすく、必要電界が低いという利点を有する。また、液晶ダイレクタがホモジニアス配向している場合、電界方向だけでなく基板面に液晶ダイレクタが強く依存するため、光路偏向素子１の設置について、より高い位置精度が求められることになる。
【００３４】
これとは逆に、本実施の形態のようなホメロトピック配向の場合は、光偏向に対して光路偏向素子１のセッティング余裕度が増す。これらの特徴を活かす上で、厳密に螺旋軸を基板面に垂直に向ける必要はなく、ある程度傾いていても差し支えない。例えば、螺旋構造をなす側面の一部が基板２，３に垂直であって螺旋軸そのものは基板法線方向から傾いている状態であっても、液晶ダイレクタが基板２，３からの規制力を受けずに２つの方向を向くことが可能であればよい。
【００３５】
無電界下のキラルスメクチックＣ相の液晶層に対して層法線方向から偏向顕微鏡によるコノスコープ像を観察すると、十字像が中央部に位置しており、一軸性光学軸を有していることが確認できる。
ここで、図５（ａ）、（ｂ）、（ｃ）にキラルスメクチックＣ層の液晶分子配列のモデル（電界による螺旋構造変化のモデル）を示す。チルト角θを有する分子層が互いにズレながら重なって螺旋構造を形成している。電界Ｅ＝０では図５（ａ）に示すように左右対称な螺旋構造によって液晶ダイレクタ方向は空間的に平均化される。液晶層の平均化された光学軸は層法線方向を向いており、この光学軸に平行な入射光に対しては光学的に等方向である。
【００３６】
次に、液晶層の水平方向に比較的小さな電界０＜Ｅ＜Ｅｓを印加すると、自発分極Ｐｓへの電界Ｅの作用で液晶分子に回転モーメントが生じるために図５（ｂ）に示すように螺旋構造が歪んで非対称となり、平均的な光学軸が一方向に傾く。この時、電界強度の増加と共に歪みが大きくなって平均的な光学軸の傾斜角も大きくなる。これは、コノスコープ像の十字像の位置が移動することから確認できる。
さらに電界強度を増加させると、ある閾値電界Ｅｓ以上で図５（ｃ）に示すように螺旋構造が消失して光学的にほぼ一軸性となる。この時の光学軸の傾斜角は液晶ダイレクタのチルト角θと等しくなる。さらに電界強度を増加させてもチルト角θは変化せず、光学軸の傾斜角も一定となる。
【００３７】
次に、光路偏向素子１の動作原理について図６及び図７（ａ）、（ｂ）を参照して説明する。
図６は、図４に示した構成に関して液晶配向を模式的に示したものである。ただし、図５（ａ）〜（ｃ）では電界が上下方向に印加されるように描いているが、図６では便宜上、紙面表裏方向に発生するものとする。また、電界方向は目的とする光の偏向方向に対応して電源７により切り替えられるようになっている。
【００３８】
図６における電極６ａ，６ｂは、上述したように基板２，３と一体化しても分離して設けてもよい。
【００３９】
また、光路偏向素子１に対する入射光は直線偏光であり、その偏光方向は図６中、上下の矢印に示す通り上下方向であって（以下、同様に偏向方向については上下あるいは左右の矢印で入射光に重ねて示す）、その偏向方向に電界方向が直交するように電極６ａ，６ｂは対向配置される。また、液晶５の膜厚を規定するためのスペーサを電極に兼用することも可能である。何れの場合においても、電極６ａ，６ｂからの漏洩電界が光路偏向素子１の周辺の機器に悪影響を及ぼさないように電磁シールドを設けるのが好ましい。
【００４０】
図６においてＸＹＺ直交座標系を図示する通りにとったとき、液晶５内のＸＺ断面において図６に示す通り液晶ダイレクタ８は、その電界方向によって第１の配向状態または第２の配向状態の何れかの状態（図７（ｂ）参照）をとって分布する。θは液晶回転軸からの液晶ダイレクタ８のチルト角であり、以下、単に「チルト角」という。液晶５の自発分極Ｐｓが正でありＹ軸正方向（紙面上向き）に電界Ｅがかかっているものとすると、液晶ダイレクタ８は液晶回転軸がほぼ基板垂直方向であるためＸＺ面内にある。液晶５の長軸方向の屈折率をｎｅとし、短軸方向の屈折率をｎｏとすると、入射光として、偏向方向をＹ軸方向にもつ直線偏光を選びＸ軸正方向に入射光が進むとき、光は液晶５内で常光として屈折率ｎｏを受け直進し、図７（ａ）中のａ方向に進む。すなわち、光偏向は受けない。
【００４１】
一方、偏向方向がＺ軸方向である直線偏光が入射するとき、入射方向の屈折率は液晶ダイレクタ８の方向及び屈折率ｎｏ，ｎｅの両者から求められる。より詳しくは、屈折率ｎｏ，ｎｅを主軸に持つ屈折率楕円形体において楕円体中心を通過する光の方向との関係から求められるが、ここでは詳細は省略する。光は屈折率ｎｏ，ｎｅ及び液晶ダイレクタ８の方向（チルト角θ）に対応した偏向を受け、図７（ａ）中のｂ（第１の配向状態の場合）に示す方向にシフトする。
【００４２】
今、液晶５の厚み（ギャップ）をｄとするときシフト量Ｓは以下の数式（１）で表される。
Ｓ＝［（１／ｎｏ）2−（１／ｎｅ）2］ｓｉｎ（２θ・ｄ）
÷［２（（１／ｎｅ）2ｓｉｎ2θ＋（１／ｎｏ）2ｃｏｓ2θ）］・・・（１）
また、電界方向を反転させた時、液晶ダイレクタ８は図７（ａ）においてＸ軸を中心とした線対称の位置（第２の配向状態）をとり、偏向方向がＺ軸方向である直線偏光の進行方向は図７（ａ）中のｂ’に示す通りとなる。
【００４３】
従って、この直線偏光に対して液晶５に作用させる電界方向を制御することで、ｂとｂ’との２位置、すなわち、２Ｓ分の光路偏向が可能となる。
【００４４】
液晶５の材料の代表的な物性値（ｎｏ＝１．６、ｎｅ＝１．８）に対して得られる光路偏向量について光路偏向量Ｓを計算した結果を図８に示す。
同図よりθ＝４５°付近が最も光路偏向量が大きいことが確認できる。仮に、液晶ダイレクタ８のチルト角が例えば２２．５°のとき、２Ｓ＝５（μｍ）の偏向量を得るためには、ここに示される通り液晶の厚みを例えば３２μｍ厚に設定すればよい。また、ホメオトロピック配向の強誘電液晶において、約７００Ｖ／ｃｍの電界に対して０．１ｍｓの応答速度が報告されており、サブｍｓオーダの十分高速な応答速度が得られる。
【００４５】
また、キラルスメクチックＣ相よりなる液晶においては、チルト角θは温度Ｔにより変化し、相転移点をＴｃとすると、以下の数式（２）なる関係がある。
θ∝（Ｔ−Ｔｃ）β・・・（２）
なる関係がある。この数式（２）の指数βは材料により異なるが０．５程度の値をとる。この特性を利用した温度制御で光路偏向量を制御することも可能である。
【００４６】
例えば、仮にチルト角θとして上記の２２．５°を設定し、これに対応する温度をＴθ=22.5°とすれば、Ｔ＞Ｔθ＝２２．５°ではθ＜２２．５°であり、Ｔ＜Ｔθ=22.5°ではθ＞２２．５°であるため、温度によりチルト角θを制御でき、これによって光路偏向量を制御できることとなる。また、位置制御に関しては、電界による微調整を同様に行なうことができ、温度、電界或いは両者の組み合わせにより適切な光路偏向を達成できる。
【００４７】
以上は、電界強度がＥｓ以上で螺旋構造が解けてチルト角θが光学軸の傾斜角に等しい場合について説明したが、電界強度がＥｓ以下の場合には、θを液晶ダイレクタ方向を平均化した光学軸の傾斜角として扱えばよい。
【００４８】
ところで、液晶５の温度制御としては、光路偏向素子１の温度をモニタし設定温度との差を低減するための加熱源若しくは冷却源等を作動するようフィードバックをかければよい。また、温度をモニタする代わりに光路偏向位置をモニタし正規位置との差を低減するように加熱／冷却源を作動させるようにしてもよい。
【００４９】
加熱源としては光路偏向素子１外部に加熱源を設けてもよいが、小型化のためには光路偏向素子１内部に後述する図１０に示す抵抗膜１７−１、１７−２を形成し、この抵抗膜１７−１、１７−２に電流を流すことで得られるジュール熱を利用するのが好ましい。冷却源としてはペルチェ素子等が好適に用いられる。
【００５０】
図９は光路偏向素子の本体の内部に加熱源となる電気抵抗材料１７からなる抵抗膜を設けた光路偏向素子である。
この電気抵抗材料１７には駆動電流を制御する温度制御手段１８が接続されており、電極対による電界発生方向の制御とこの電気抵抗材料１７とによる光路偏向素子１’、特に液晶５に対する温度制御により光路偏向素子１’による偏向位置を制御するための光路偏向位置制御手段が構成されている。
【００５１】
ここに、電気抵抗材料１７としては可視光域で透明で適当な電気抵抗を有し、さらに耐熱性（室温〜７０℃程度）に優れる材料が好ましい。具体的には、ＩＴＯが用いられており、基板２と配硬膜４との間に形成されている。
【００５２】
温度制御手段１８により、サーミスタ等の温度センサ（図示せず）により光路偏向素子１の温度をモニタして設定温度との差を低減するようにＩＴＯ（電気抵抗材料１７）への駆動電流を流すことでジュール熱発生によって温度制御がなされる。設定温度は光路偏向素子１の周囲の環境温度以上で、かつ、適切な角度θが得られる範囲が望ましい。通常は、４０〜７０℃程度の温度範囲に設定するのが好ましい。
【００５３】
従って、図９に示した光路偏向素子１’は、温度によりチルト角θを制御でき、このチルト角制御により光路偏向量を制御でき、また、位置制御に関しては、電界強度による微調整を同様に行なうことができ、温度、電界或いはその両者の組み合わせにより適切な光路偏向を達成することができる。
【００５４】
図９に示した光路偏向素子１’は、ホメオロトピック配向をなすキラルスメクチックＣ相よりなる液晶５有する構成の光路偏向素子１’への適用例として説明したが、ホモジニアス配向をなすキラルスメクチックＣ相よりなる液晶を有する構成の光路偏向素子の場合であっても同様に適用できる。
【００５５】
図１０は、図１に示した投写型画像表示装置に用いられる光路偏向素子と偏光方向切替手段とを一体化した積層体である。
このように、光路偏向素子と、偏光方向切替手段とを一体とすることにより、あらかじめ、光路偏向素子と偏光方向切替手段との方位各方向を最適に組み合わせることで、画像劣化を低減できる。
図１０に示した積層体は、キラルスメクチックＣ液晶５を配向膜４−１，４−２で挟み、両側を誘電体からなる透明基板２，３で挟み、さらに両透明基板２，３の透明ライン電極に抵抗膜１７−１、１７−２を接続した光路偏向素子３８と、偏光方向切替手段３７とを貼り合わせたものである。
図１０に示す積層体は、双方の誘電体からなる基板２，３を光学接着剤、例えばアクリル系の紫外線硬化接着剤で接着することで容易に得ることができる。接着剤は基板２，３の屈折率と近いものを選ぶことで界面反射を抑え、コントラスト等光学性能を向上させることができる。
【００５６】
図２は、本発明に係る画像表示装置の他の実施の形態の構成例を示す図である。
図２に示した画像表示装置と図１に示した投写型画像表示装置との相違点は、ダイクロイックプリズム３４の入射側に偏光方向切替手段と光路偏向素子とを配置した点である。
すなわち、図２に示す画像表示装置200は、ランプ20の出射光路上に第１のダイクロイックミラー21が斜め４５°の傾斜角で配置され、ダイクロイックミラー21の反射光路上に第２のダイクロイックミラー22がダイクロイックミラー21と平行になるように配置されている。ダイクロイックミラー21の透過光路上にはミラー25がダイクロイックミラー21と平行に配置され、ダイクロイックミラー22の透過光路上にはリレーレンズ26が配置され、リレーレンズ26の出射側の光路上にはミラー23がダイクロイックミラー22と平行、かつ反射光がランプ20の出射方向と平行になるように配置されている。
【００５７】
ダイクロイックミラー22の反射光路上にはコンデンサーレンズ30、G光LG用のライトバルブ32、光路偏向素子39、偏光方向切替手段と同一の光路長を得るためのダミー素子40、クロスダイクロイックプリズム34、及びプロジェクションレンズ35がこの順番で配置され、光路の延長線上にはスクリーン36が配置されている。
【００５８】
なお、ダミー素子４０が設けられていることから、G光LG用のライトバルブには偏光方向切替手段は設けていない。また、ミラー23の反射光路上にはリレーレンズ27が配置され、リレーレンズ27の出射側の光路上にはミラー24がミラー23と直交するように配置されている。ミラー24は、その反射光路がミラー25の反射光路と一致するように配置されている。また、ミラー２４とミラー２５との間には、ミラー24から紙面の上側に向けて順番にコンデンサーレンズ28、B光LB用のライトバルブ33、光路偏向素子43、偏光方向切替手段44、クロスダイクロイックプリズム34、偏光方向切替手段42、光路偏向素子41、R光LR用のライトバルブ31、及びコンデンサーレンズ29、ミラー25が配置されている。尚、150-2は分割手段であり、151-2は合成手段である。
【００５９】
つまり、図２に示した構成は、図１に示した構成に対し、複数の画像表示素子に対応して複数設けられた光路偏向素子、光路偏向素子から色合成光学素子に入射する画像光の偏光方向を、色合成素子にて反射される画像光についてはＳ偏光、透過される画像光についてはＰ偏光に揃える偏光方向切替手段、とを有している。
光路偏向素子を画像表示素子に近接して設置することが可能となるため、画像表示素子が線順次書換により画像形成する場合であっても、その書き換えタイミングで光路偏向素子の偏向方向を変化させることで、良好なピクセルシフト画像を形成することが可能である。
【００６０】
具体的にはR光LR、B光LBはＳ偏光を入射させ、G光LGはＰ偏光を入射させている。色合成光学素子（クロスダイクロイックプリズム）34に入射させる偏光方向を上記の通り揃える理由は、図１に示した画像表示装置と同様である。G光LGに対応するライトバルブ32については、実際には偏光方向を切り替える必要がないため偏光方向切替手段は不要であるが、光路長および光量を他の光とそろえるため、これらを補償するためのダミー素子40が必要である。
【００６１】
図１に示す光学系については偏光方向切替手段側から画像光が入射し、図２に示す構成では光路偏向素子側から画像光が入射することになる。
図２に示した投写型画像表示装置も図１に示した画像表示装置と同様に、光路偏向素子への入射光の偏光方向が平行に揃えられているので、良好に偏向することができるとの効果が得られる。
【００６２】
なお、上述した実施の形態は、本発明の好適な実施の形態の一例を示すものであり、本発明はそれに限定されることなく、その要旨を逸脱しない範囲内において、種々変形実施が可能である。
本実施形態では１枚のスクリーン36に一つの画像を表示する場合で説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、図示しない時分割手段及び光分割手段を用いて３つのスクリーンにR光LR、G光LG、及びB光LBの画像を別々に表示するようにしてもよい。
【００６３】
また、例えば、本実施の形態では画像表示素子の数が３つの場合で説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、画像表示素子の数が２つであってもよい。
例えば、R光LRとG光LGとの２色の画像をスクリーン36に表示したい場合や図示しない分割手段により２枚のスクリーンにR光LRの画像とG光LGの画像とを別々に表示したい場合には、画像表示素子33、レンズ26〜28、ミラー23、24を省略すればよい。
【産業上の利用可能性】
【００６４】
本発明は、立体画像表示装置に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本発明に係る画像表示装置の一実施の形態の構成例を示す図である。
【図２】本発明に係る画像表示装置の他の実施の形態の構成例を示す図である。
【図３】入射光の波長に対して偏光変換効率を示す図である。
【図４】光路偏向素子の原理的構成図である。
【図５】図４に示した光路偏向素子に用いられる液晶分子の電界強度による分布をモデル化して示す概略図である。
【図６】図４に示した光路偏向素子の液晶配向を模式的に示す光路偏向素子の動作原理を説明するための斜視図である。
【図７】液晶ダイレクタと光路偏向との関係を示し、（ａ）は断面構造図、（ｂ）は液晶ダイレクタの配向状態の説明図である。
【図８】液晶膜厚と液晶配向角に対する光軸シフト量との関係を示す特性図である。
【図９】光路偏向素子本体の内部に加熱源となる電気抵抗材料１７からなる抵抗膜を設けた光路偏向素子である。
【図１０】図１に示した画像表示装置に用いられる光路偏向素子と偏光方向切替手段とを一体化した積層体である。
【図１１】投射型画像表示装置の従来構成例を示す図である。
【符号の説明】
【００６６】
１００    投写型画像表示装置
２０    光源（ランプ）
２１、２２    ダイクロイックミラー
２３、２４、２５    ミラー
２６、２７    リレーレンズ
２８、２９、３０    コンデンサーレンズ
３１、３２、３３    画像表示素子（ライトバルブ）
３４    クロスダイクロイックプリズム
３５    プロジェクションレンズ
３６    スクリーン
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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