(57)【要約】【課題】解像度が低下したり、被投影面の画面内に周期的なドット状の模様が現れ、投影された画像の画質が損なわれたりすることなく、表示サブフレームをシフトさせることが可能な光学シフト素子を提供する。【解決手段】光学シフト素子１０は、入射した光の光軸の位置をシフトさせて出射し得る第１の光学シフト部１０’ａおよび第２の光学シフト部１０’ｂを備え、第１の光学シフト部１０’ａを透過した光が第２の光学シフト部１０’ｂに入射するよう配置される。各光学シフト部は、印加電圧に応じて光の偏向方向を変調する液晶セルを１つ含む液晶素子ｇ１、および、偏向方向によって屈折率が異なっており、液晶素子を透過した光が入射する複屈折素子ｇ２を含み、第１の光学シフト部における入射光の光軸と出射光の光軸とのシフト量は、第２の光学シフト部における入射光の光軸と出射光の光軸とのシフト量の２倍になっている。【選択図】  図１０
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射した光の光軸の位置をシフトさせて出射し得る第１の光学シフト部および第２の光学シフト部を備え、前記第１の光学シフト部を透過した光が前記第２の光学シフト部に入射するよう配置された光学シフト素子であって、
各光学シフト部は、印加電圧に応じて光の偏向方向を変調する液晶セルを１つ含む液晶素子、および、偏向方向によって屈折率が異なっており、前記液晶素子を透過した光が入射する複屈折素子を含み、
前記第１の光学シフト部における入射光の光軸と出射光の光軸とのシフト量は、前記第２の光学シフト部における入射光の光軸と出射光の光軸とのシフト量の実質的に２倍になっている光学シフト素子。
【請求項２】
前記第１の光学シフト部および前記第２の光学シフト部の複屈折素子が有する光学軸の向きは互いに一致している請求項１に記載の光学シフト素子。
【請求項３】
入射した光の光軸の位置をシフトさせて出射し得る第１の光学シフト部および第２の光学シフト部を備え、前記第１の光学シフト部を透過した光が前記第２の光学シフト部に入射するよう配置された光学シフト素子であって、
各光学シフト部は、印加電圧に応じて光の偏向方向を変調する第１および第２の液晶セルを含む液晶素子、および、偏向方向によって屈折率が異なっており、前記液晶素子を透過した光が入射する複屈折素子を含み、
前記第１の光学シフト部における入射光の光軸と出射光の光軸とのシフト量は、前記第２の光学シフト部における入射光の光軸と出射光の光軸とのシフト量と実質的に等しく、
前記第１の光学シフト部および前記第２の光学シフト部の複屈折素子が有する光学軸の向きは互いに一致している光学シフト素子。
【請求項４】
入射した光の光軸の位置をシフトさせて出射し得る第１の光学シフト部および第２の光学シフト部を備え、前記第１の光学シフト部を透過した光が前記第２の光学シフト部に入射するよう配置された光学シフト素子であって、
各光学シフト部は、印加電圧に応じて光の偏向方向を変調する第１および第２の液晶セルを含む液晶素子、および、偏向方向によって屈折率が異なっており、前記液晶素子を透過した光が入射する複屈折素子を含み、
前記第１の光学シフト部における入射光の光軸と出射光の光軸とのシフト量ならびに前記第２の光学シフト部における入射光の光軸と出射光の光軸とのシフト量は２：１または１：２の関係を実質的に満たし、
前記第１の光学シフト部および前記第２の光学シフト部の複屈折素子が有する光学軸は、同一平面上にあり、かつ、前記入射した光の光軸に対して、反対に傾斜している光学シフト素子。
【請求項５】
前記第１の光学シフト部における入射光の光軸と出射光の光軸とのシフト量は、前記第２の光学シフト部における入射光の光軸と出射光の光軸とのシフト量の実質的に２倍になっている請求項４に記載の光学シフト素子。
【請求項６】
前記第１の光学シフト部および第２の光学シフト部の液晶素子に印加する電圧によって、前記第１の光学シフト部に入射した光の光軸と一致している第１の位置、前記第１の光学シフト部に入射した光の光軸からΔｄ離れた第２の位置、または、前記第１の光学シフト部に入射した光の光軸から２Δｄ離れた第３の位置に前記第２の光学シフト部から出射する光の光軸を設定することができる請求項１に記載の光学シフト素子。
【請求項７】
前記第１の光学シフト部および第２の光学シフト部の液晶素子に印加する電圧によって、前記第１の光学シフト部に入射した光の光軸と一致している第１の位置、前記第１の光学シフト部に入射した光の光軸からΔｄ離れた第２の位置、または、前記第１の光学シフト部に入射した光の光軸から２Δｄ離れた第３の位置に前記第２の光学シフト部から出射する光の光軸を設定することができる請求項３または４に記載の光学シフト素子。
【請求項８】
前記第１の光学シフト部および第２の光学シフト部の液晶素子に印加する電圧によって、前記第１の光学シフト部に入射した光の光軸と一致している第１の位置、前記第１の光学シフト部に入射した光の光軸からΔｄ離れた第２の位置、前記第１の光学シフト部に入射した光の光軸から２Δｄ離れた第３の位置、または、前記第１の光学シフト部に入射した光の光軸から３Δｄ離れた第４の位置に前記第２の光学シフト部から出射する光の光軸を設定することができる請求項２に記載の光学シフト素子。
【請求項９】
前記第１の光学シフト部および第２の光学シフト部の液晶素子に印加する電圧によって、前記第１の光学シフト部に入射した光の光軸と一致している第１の位置、前記第１の光学シフト部に入射した光の光軸からΔｄ離れた第２の位置、前記第１の光学シフト部に入射した光の光軸から２Δｄ離れた第３の位置、または、前記第１の光学シフト部に入射した光の光軸から３Δｄ離れた第４の位置に前記第２の光学シフト部から出射する光の光軸を設定することができる請求項５に記載の光学シフト素子。
【請求項１０】
前記液晶セルは屈折率異方性Δεが正であるＴＮモード液晶セルであり、前記複屈折素子は単軸結晶の水晶板である請求項６に記載の光学シフト素子。
【請求項１１】
前記液晶セルは屈折率異方性Δεが正であるＴＮモード液晶セルであり、前記複屈折素子は単軸結晶の水晶板である請求項８に記載の光学シフト素子。
【請求項１２】
前記第１および第２の液晶セルは、それぞれ屈折率異方性Δεが正であって、旋光方向が反対の関係にあるＴＮモード液晶セルであり、対向する面においてダイレクタが相互に直交するように前記第１および第２の液晶セルは配置されており、前記複屈折素子は単軸結晶の水晶板である請求項７に記載の光学シフト素子。
【請求項１３】
前記第１および第２の液晶セルはそれぞれ屈折率異方性Δεが正であり、旋光方向が反対の関係にあるＴＮモード液晶セルであり、対向する面においてダイレクタが相互に直交するように前記第１および第２の液晶セルは配置されており、前記複屈折素子は単軸結晶の水晶板である請求項９に記載の光学シフト素子。
【請求項１４】
請求項１０に記載の光学シフト素子を駆動するための光学シフト素子駆動方法であって、前記第１の位置、第２位置および第３の位置の順に繰り返して前記第２の光学シフト部から出射する光の光軸がシフトし、前記各位置から次の位置へ光の光軸をシフトさせる際に、前記第１の画像シフト部および前記第２の画像シフト部の液晶セルに印加されていた電圧を同時に停止しないよう、前記第１の画像シフト部および前記第２の画像シフト部の液晶セルの印加する電圧を設定する光学シフト素子駆動方法。
【請求項１５】
請求項１０に記載の光学シフト素子を駆動するための光学シフト素子駆動方法であって、前記第１の位置、第２位置、第３の位置、第１の位置、第３位置および第２の位置の順に繰り返して前記第２の光学シフト部から出射する光の光軸がシフトし、前記各位置から次の位置へ光の光軸をシフトさせる際に、前記第１の画像シフト部および前記第２の画像シフト部の液晶セルに印加されていた電圧を同時に停止する回数が最小となるよう、前記第１の画像シフト部および前記第２の画像シフト部の液晶セルの印加する電圧を設定する光学シフト素子駆動方法。
【請求項１６】
請求項１１に記載の光学シフト素子を駆動するための光学シフト素子駆動方法であって、前記第１の位置、第２位置、第３の位置および第４の位置の順に繰り返して前記第２の光学シフト部から出射する光の光軸がシフトし、前記各位置から次の位置へ光の光軸をシフトさせる際に、前記第１の画像シフト部および前記第２の画像シフト部の液晶セルに印加されていた電圧を同時に停止しないよう、前記第１の画像シフト部および前記第２の画像シフト部の液晶セルの印加する電圧を設定する光学シフト素子駆動方法。
【請求項１７】
請求項１２または１３に記載の光学シフト素子を駆動するための光学シフト素子駆動方法であって、前記第１の位置、第２位置および第３の位置の順に繰り返して前記第２の光学シフト部から出射する光の光軸がシフトし、前記第１の画像シフト部および前記第２の画像シフト部の第１および第２の液晶セルが上記繰り返しの間、電圧の印加が停止されている期間が少なくとも前記各位置の１つを選択している期間よりも長くなるよう前記第１の画像シフト部および前記第２の画像シフト部の第１および第２の液晶セルの印加する電圧を設定する光学シフト素子駆動方法。
【請求項１８】
光源と、
各々が光を変調することができる複数の画素領域を有する画像表示パネルと、
前記光源からの光を複数の波長域の光に分離し、前記分離された波長域の光をその波長域に応じて前記複数の画素領域のうちの対応する画素領域に集光させる光制御手段と、
前記画像表示パネルで変調された光によって被投影面上に画像を形成する光学系と、
前記画像を構成する各フレーム画像のデータから複数のサブフレーム画像のデータを生成し、前記画像表示パネルによって前記複数のサブフレーム画像を時分割で表示させる回路と、
前記画像表示パネルによって表示される前記複数のサブフレーム画像のうち選択されたサブフレーム画像を前記被投影面上でシフトさせる請求項１から１３のいずれかに記載の光学シフト素子と、
を備えた投影型画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ヘッド・マウント・ディスプレイや投影型画像表示装置などにおいて画像の位置がシフトするよう光の光軸をシフトさせる光学シフト素子および、光学シフト素子の駆動方法に関する。また本発明はそのような光学シフト素子を用いた投影型画像表示装置にも関する。
【０００２】
【従来の技術】
画像表示装置として、液晶表示パネルを用いた投影型画像表示装置が従来より知られている。液晶表示パネルを用いた投影型画像表示装置では、液晶表示パネル自体が発光しないため、別に光源を設ける必要がある。しかし、ＣＲＴを用いた投影型画像表示装置と比較すると、色再現範囲が広い、小型、軽量、コンバージェンス調整が不用などの非常に優れた特徴を持っている。
【０００３】
液晶表示パネルを用いた投影型画像表示装置によってフルカラー表示を行うには、３原色に応じて液晶表示パネルを３枚用いる３板式と、１枚のみを用いる単板式がある。
【０００４】
３板式の投影型画像表示装置では、白色光を赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、および青（Ｂ）の３原色それぞれに分割する光学系と、Ｒ、Ｇ、およびＢ色の光をそれぞれ変調して画像を形成する３枚の液晶表示パネルとを用い、Ｒ、Ｇ、およびＢ色の各々の画像を光学的に重畳することによってフルカラーの表示を実現している。
【０００５】
３板式の投影型画像表示装置では、白色光源から放射される光を有効に利用できるが、光学系が繁雑で部品点数が多くなってしまうため、一般に、コストおよびサイズの観点で単板式の投影型画像表示装置よりも不利である。
【０００６】
単板式の投影型画像表示装置は、モザイク状またはストライプ状に配列した３原色のカラーフィルタを備えた１枚の液晶表示パネルを用いる。そして、液晶表示パネルで表示したフルカラー画像を投影光学系によってスクリーンなどの被投影面に投影する。このような単板式の投影型画像表示装置は、例えば特許文献１に記載されている。単板式の場合、１枚の液晶表示パネルを用いるので、光学系も３板式の場合に比較して単純な構成で済み、小型の投影型画像表示装置を低コストで提供するのに適している。
【０００７】
しかし、カラーフィルタを用いる単板式の場合、カラーフィルタでの光吸収が発生するため、同等の光源を用いた３板式の場合と比較して画像の明るさが約１／３に低下してしまう。また、液晶表示パネルのＲ、Ｇ、Ｂに対応する３つの画素領域が１組となって１画素の表示を行う必要があるため、画像の解像度も３板式の解像度の１／３に低下してしまう。
【０００８】
光源を明るくすることは明るさ低下に対する１つの解決法であるが、民生用として使用する場合、消費電力の大きな光源を用いることは好ましくない。また、吸収タイプのカラーフィルタを用いる場合、カラーフィルタに吸収された光のエネルギーは熱に変わるため、いたずらに光源を明るくすると、液晶表示パネルの温度上昇を引き起こすだけでなく、カラーフィルタの退色が加速される。従って、与えられた光をいかに有効に利用するかが、投影型画像表示装置の利用価値を向上させる上で重要な課題である。
【０００９】
単板式投影型画像表示装置による画像の明るさを向上させるため、カラーフィルタを用いずにフルカラー表示を行う液晶表示装置がたとえば特許文献２に開示されている。この液晶表示装置では、光源から放射された白色光をダイクロイックミラーのような誘電体ミラーによってＲ、Ｇ、Ｂの各光束に分割し、液晶表示パネルの光源側に配置されたマイクロレンズアレイに異なった角度で入射させる。マイクロレンズに入射した各光束は、マイクロレンズを透過することによって、入射角に応じて対応する画素領域に集光される。このため、分離されたＲ、Ｇ、Ｂの各光束は、別々の画素領域で変調され、フルカラー表示に用いられる。
【００１０】
上記の誘電体ミラーを用いる代わりに、Ｒ、Ｇ、Ｂ光に対応する透過型のホログラム素子を用いて光利用率向上を図った表示装置が特許文献３に開示され、画素ピッチに対応した周期的構造を透過型ホログラム素子に持たせ、誘電体ミラーおよびマイクロレンズの機能を与えた装置が特許文献４に開示されている。
【００１１】
単板式のもう１つの課題である解像度については、フィールド順次方式を採用することによって１枚の液晶表示パネルで３板式と同等の解像度を得ることができる。フィールド順次方式では、人間の視覚で分解できない速さで光源の色の切り替えを行うことにより、時分割表示される各画像の色が加法混色によって構成される現象（継続加法混色）を利用する。
【００１２】
フィールド順次方式でフルカラー表示を行う投影型画像表示装置は、例えば、図２８に示す構成を有している。この表示装置では、Ｒ、Ｇ、Ｂのカラーフィルタから構成された円盤を液晶表示パネルの垂直走査周期に合わせて高速に回転させ、カラーフィルタの色に対応した画像信号を液晶表示パネルの駆動回路に順次入力する。人間の目には、各色に対する画像の合成像が認識される。
【００１３】
このようなフィールド順次方式の表示装置によれば、単板方式と異なり、液晶表示パネルの各画素でＲ、Ｇ、Ｂ画像を時分割で表示するため、その解像度は３板式と同等レベルになる。
【００１４】
フィールド順次方式の他の表示装置として、Ｒ、Ｇ、Ｂの各々の光束で液晶表示パネルの異なる領域を照射する投影型画像表示装置が非特許文献１に開示されている。この表示装置では、光源から放射された白色光を誘電体ミラーによってＲ、Ｇ、Ｂの光束に分離し、Ｒ、Ｇ、Ｂの各々の光束で液晶表示パネルの異なる領域を照射する。液晶表示パネルに対するＲ、Ｇ、Ｂの光照射位置は、キューブ状のプリズムを回転させることによって順次切り替えられる。
【００１５】
しかしながら、特許文献２、特許文献３および特許文献４等に記載されている装置によれば、確かに明るさは改善されるが、解像度は３板式の１／３のままである。その理由は、１つの画素（ドット）を表示するのに空間的に分離されたＲ、Ｇ、およびＢ用の３つ画素を１組として用いるためである。
【００１６】
これに対して、通常のフィールド順次方式の場合は解像度が３板式の解像度と同等レベルに改善される。しかし、画像の明るさに関しては、カラーフィルタを用いるため、従来の単板式と同様の問題を有している。
【００１７】
一方、非特許文献１に記載されている上記の表示装置の場合、Ｒ、Ｇ、Ｂの光照射位置を相互に重複させないようにする必要があるが、そのためには平行度が非常に優れた照明光を必要とする。従って、照明光の平行度の規制によって光の利用効率が低下してしまうことになる。
【００１８】
以上のように、上述した従来技術では、何れも、単板式の課題である明るさおよび解像度の両方を改善させることは実現していない。
【００１９】
これに対して、出願人は、特許文献５および６に示す単板式の投影型画像表示装置を提案している。
【００２０】
特許文献５に記載されている投影型画像表示装置では、特許文献２に記載されている液晶表示装置と同様の液晶表示装置を用い、同様の方法で白色光を色毎の光束に分割し、各光束を異なった角度で画素領域に入射させている。この投影型画像表示装置では、光利用効率の向上と高解像度化の両立を実現するために、各フレーム画像を複数のサブフレーム画像に時分割し、液晶表示パネルの垂直走査周期に同期させて光束の入射角度を周期的に切り替えている。
【００２１】
また、特許文献６に示す投影型画像表示装置では、ダイクロイックミラー用いて白色光をＲ、Ｇ、Ｂの光束に分割し、マイクロレンズアレイを用いて各光束を異なった角度で画像表示パネルの異なる画素領域に入射させる。画像表示パネルには、画像を構成する各フレーム画像のデータから生成された複数のサブフレーム画像のデータを時分割で表示させる。そして、これらのサブフレーム画像を被投影面上で順次シフトさせることにより、画像表示パネルの異なる画素領域で変調された異なる波長域に属する光（Ｒ、Ｇ、Ｂ光）で被投影面上の同一領域を順次照射する。
【００２２】
これらの投影型画像表示装置によれば、カラーフィルタを用いないため、高い光の利用効率が達成することができ、また、高解像度の画像を表示させることができる。
【００２３】
【特許文献１】
特開昭５９−２３０３８３号公報
【特許文献２】
特開平４−６０５３８号公報
【特許文献３】
特開平５−２４９３１８号公報
【特許文献４】
特開平６−２２２３６１号公報
【特許文献５】
特開平９−２１４９９７号公報
【特許文献６】
国際公開第ＪＰ０１／０５０４１号パンフレット
【非特許文献１】
第６回インターナショナルディスプレーワークショップ（ＩＤＷ）予稿集、１９９９年１２月、Ｐ９８９〜Ｐ９９２
【００２４】
【発明が解決しようとする課題】
上述の特許文献５および６に開示された画像表示装置のうち、特許文献６の画像表示装置では、画像を構成する各フレーム画像のデータから生成された複数のサブフレーム画像を被投影面上で順次シフトさせる必要がある。このサブフレーム画像は、フレーム画像を時分割で表示するので、サブフレーム画像を被投影面上で順次シフトさせるタイミングは、フレーム画像の周期よりもさらに短い時間で行う必要がある。
【００２５】
特許文献６の画像表示装置では、この画像のシフトを入射光の偏光方向によって異なる屈折率を示す複屈折折素子と、複屈折折素子に入射する光の偏光方向を切り換えるための偏光方向切替素子とを有する光学シフト素子によって行っている。この場合、偏光方向切替素子による偏光方向の切り替えが、表示画像の切り替わりに応じて確実に行われないと本来表示すべき画素でない画素が表示されることになり、解像度の低下や、被投影面の画面内に、周期的なドット状の模様が現れ、投影された画像の画質を損なう。特に早い応答速度で偏光方向の切り替えることができる必要がある。
【００２６】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、応答速度が速い光学シフト素子、その駆動方法、および、それを用いた明るく高解像度で均一かつ高品質な表示を実現し、小型化および低コスト化に適した投影型画像表示装置を提供することにある。
【００２７】
【課題を解決するための手段】
本発明の光学シフト素子は、入射した光の光軸の位置をシフトさせて出射し得る第１の光学シフト部および第２の光学シフト部を備え、前記第１の光学シフト部を透過した光が前記第２の光学シフト部に入射するよう配置されている。各光学シフト部は、印加電圧に応じて光の偏向方向を変調する液晶セルを１つ含む液晶素子、および、偏向方向によって屈折率が異なっており、前記液晶素子を透過した光が入射する複屈折素子を含み、前記第１の光学シフト部における入射光の光軸と出射光の光軸とのシフト量は、前記第２の光学シフト部における入射光の光軸と出射光の光軸とのシフト量の実質的に２倍になっている。
【００２８】
ある好ましい実施形態において、前記第１の光学シフト部および前記第２の光学シフト部の複屈折素子が有する光学軸の向きは互いに一致している。
【００２９】
また、本発明の光学シフト素子は、入射した光の光軸の位置をシフトさせて出射し得る第１の光学シフト部および第２の光学シフト部を備え、前記第１の光学シフト部を透過した光が前記第２の光学シフト部に入射するよう配置されている。各光学シフト部は、印加電圧に応じて光の偏向方向を変調する第１および第２の液晶セルを含む液晶素子、および、偏向方向によって屈折率が異なっており、前記液晶素子を透過した光が入射する複屈折素子を含み、前記第１の光学シフト部における入射光の光軸と出射光の光軸とのシフト量は、前記第２の光学シフト部における入射光の光軸と出射光の光軸とのシフト量と実質的に等しく、前記第１の光学シフト部および前記第２の光学シフト部の複屈折素子が有する光学軸の向きは互いに一致している。
【００３０】
また、本発明の光学シフト素子は、入射した光の光軸の位置をシフトさせて出射し得る第１の光学シフト部および第２の光学シフト部を備え、前記第１の光学シフト部を透過した光が前記第２の光学シフト部に入射するよう配置されている。各光学シフト部は、印加電圧に応じて光の偏向方向を変調する第１および第２の液晶セルを含む液晶素子、および、偏向方向によって屈折率が異なっており、前記液晶素子を透過した光が入射する複屈折素子を含み、前記第１の光学シフト部における入射光の光軸と出射光の光軸とのシフト量ならびに前記第２の光学シフト部における入射光の光軸と出射光の光軸とのシフト量は２：１または１：２の関係を実質的に満たし、前記第１の光学シフト部および前記第２の光学シフト部の複屈折素子が有する光学軸は、同一平面上にあり、かつ、前記入射した光の光軸に対して、反対に傾斜している。
【００３１】
ある好ましい実施形態において、前記第１の光学シフト部における入射光の光軸と出射光の光軸とのシフト量は、前記第２の光学シフト部における入射光の光軸と出射光の光軸とのシフト量の実質的に２倍になっている。
【００３２】
ある好ましい実施形態において、前記第１の光学シフト部および第２の光学シフト部の液晶素子に印加する電圧によって、前記第１の光学シフト部に入射した光の光軸と一致している第１の位置、前記第１の光学シフト部に入射した光の光軸からΔｄ離れた第２の位置、または、前記第１の光学シフト部に入射した光の光軸から２Δｄ離れた第３の位置に前記第２の光学シフト部から出射する光の光軸を設定することができる。
【００３３】
ある好ましい実施形態において、前記第１の光学シフト部および第２の光学シフト部の液晶素子に印加する電圧によって、前記第１の光学シフト部に入射した光の光軸と一致している第１の位置、前記第１の光学シフト部に入射した光の光軸からΔｄ離れた第２の位置、または、前記第１の光学シフト部に入射した光の光軸から２Δｄ離れた第３の位置に前記第２の光学シフト部から出射する光の光軸を設定することができる。
【００３４】
ある好ましい実施形態において、前記第１の光学シフト部および第２の光学シフト部の液晶素子に印加する電圧によって、前記第１の光学シフト部に入射した光の光軸と一致している第１の位置、前記第１の光学シフト部に入射した光の光軸からΔｄ離れた第２の位置、前記第１の光学シフト部に入射した光の光軸から２Δｄ離れた第３の位置、または、前記第１の光学シフト部に入射した光の光軸から３Δｄ離れた第４の位置に前記第２の光学シフト部から出射する光の光軸を設定することができる。
【００３５】
ある好ましい実施形態において、前記第１の光学シフト部および第２の光学シフト部の液晶素子に印加する電圧によって、前記第１の光学シフト部に入射した光の光軸と一致している第１の位置、前記第１の光学シフト部に入射した光の光軸からΔｄ離れた第２の位置、前記第１の光学シフト部に入射した光の光軸から２Δｄ離れた第３の位置、または、前記第１の光学シフト部に入射した光の光軸から３Δｄ離れた第４の位置に前記第２の光学シフト部から出射する光の光軸を設定することができる。
【００３６】
ある好ましい実施形態において、前記液晶セルは屈折率異方性Δεが正であるＴＮモード液晶セルであり、前記複屈折素子は単軸結晶の水晶板である。
【００３７】
ある好ましい実施形態において、前記液晶セルは屈折率異方性Δεが正であるＴＮモード液晶セルであり、前記複屈折素子は単軸結晶の水晶板である。
【００３８】
ある好ましい実施形態において、前記第１および第２の液晶セルは、それぞれ屈折率異方性Δεが正であって、旋光方向が反対の関係にあるＴＮモード液晶セルであり、対向する面においてダイレクタが相互に直交するように前記第１および第２の液晶セルは配置されており、前記複屈折素子は単軸結晶の水晶板である。
【００３９】
ある好ましい実施形態において、前記第１および第２の液晶セルはそれぞれ屈折率異方性Δεが正であり、旋光方向が反対の関係にあるＴＮモード液晶セルであり、対向する面においてダイレクタが相互に直交するように前記第１および第２の液晶セルは配置されており、前記複屈折素子は単軸結晶の水晶板である。
【００４０】
また、本発明の上記光学シフト素子の駆動方法は、前記第１の位置、第２位置および第３の位置の順に繰り返して前記第２の光学シフト部から出射する光の光軸がシフトし、前記各位置から次の位置へ光の光軸をシフトさせる際に、前記第１の画像シフト部および前記第２の画像シフト部の液晶セルに印加されていた電圧を同時に停止しないよう、前記第１の画像シフト部および前記第２の画像シフト部の液晶セルの印加する電圧を設定する。
【００４１】
また、本発明の上記光学シフト素子の駆動方法は、前記第１の位置、第２位置、第３の位置、第１の位置、第３位置および第２の位置の順に繰り返して前記第２の光学シフト部から出射する光の光軸がシフトし、前記各位置から次の位置へ光の光軸をシフトさせる際に、前記第１の画像シフト部および前記第２の画像シフト部の液晶セルに印加されていた電圧を同時に停止する回数が最小となるよう、前記第１の画像シフト部および前記第２の画像シフト部の液晶セルの印加する電圧を設定する。
【００４２】
また、本発明の上記光学シフト素子の駆動方法は、前記第１の位置、第２位置、第３の位置および第４の位置の順に繰り返して前記第２の光学シフト部から出射する光の光軸がシフトし、前記各位置から次の位置へ光の光軸をシフトさせる際に、前記第１の画像シフト部および前記第２の画像シフト部の液晶セルに印加されていた電圧を同時に停止しないよう、前記第１の画像シフト部および前記第２の画像シフト部の液晶セルの印加する電圧を設定する。
【００４３】
また、本発明の上記光学シフト素子の駆動方法は、前記第１の位置、第２位置および第３の位置の順に繰り返して前記第２の光学シフト部から出射する光の光軸がシフトし、前記第１の画像シフト部および前記第２の画像シフト部の第１および第２の液晶セルが上記繰り返しの間、電圧の印加が停止されている期間が少なくとも前記各位置の１つを選択している期間よりも長くなるよう前記第１の画像シフト部および前記第２の画像シフト部の第１および第２の液晶セルの印加する電圧を設定する。
【００４４】
また本発明の投影型画像表示装置は、光源と、各々が光を変調することができる複数の画素領域を有する画像表示パネルと、前記光源からの光を複数の波長域の光に分離し、前記分離された波長域の光をその波長域に応じて前記複数の画素領域のうちの対応する画素領域に集光させる光制御手段と、前記画像表示パネルで変調された光によって被投影面上に画像を形成する光学系と、前記画像を構成する各フレーム画像のデータから複数のサブフレーム画像のデータを生成し、前記画像表示パネルによって前記複数のサブフレーム画像を時分割で表示させる回路と、前記画像表示パネルによって表示される前記複数のサブフレーム画像のうち選択されたサブフレーム画像を前記被投影面上でシフトさせる請求項１から１３のいずれかに記載の光学シフト素子とを備える。
【００４５】
【発明の実施の形態】
本発明の光学シフト素子を用いた投影型画像表示装置では、特許文献６に開示されているように、光源から出射する白色光を、ダイクロイックミラーなどの光制御手段を用いて、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の波長領域にその成分を持つ光に分離する。分離されたＲ、Ｇ、Ｂ光は、マイクロレンズアレイを用いて画像表示パネルの異なる画素領域に異なった角度で入射される。分離されたＲ、Ｇ、Ｂ光は、時間の経過にかかわらず、同一の画層領域には、同じ色の光が照射される。
【００４６】
画像表示パネルには、画像を構成する各フレーム画像のデータから生成された複数のサブフレーム画像のデータを時分割で表示させる。たとえば、各フレーム画像は、３つのサブフレーム画像に分割され、３つのサブフレーム画像は、画像表示パネル上において、１画素分ずつシフトして表示される。この時、あるフレーム画像を構成する１つの画素に注目すると、この画素は、Ｒ、Ｇ、Ｂ光がそれぞれ照射されている画像表示パネル上の画素領域に対応する。
【００４７】
画像表示パネルに異なった角度で入射したＲ、Ｇ、Ｂの光は互いに異なった角度で画像表示パネルから出射する。出射するＲ、Ｇ、Ｂの光は、サブフレーム画像のデータを用いて画像表示パネルにより変調されるため、サブフレーム画像となる。
【００４８】
これらの複数のサブフレーム画像のうち、選択されたサブフレーム画像は、光学シフト素子によって、被投影面上においてその位置がシフトされて表示される。本発明では、光学シフト素子として、入射光の偏光方向によって異なる屈折率を示す複屈折折素子と、複屈折折素子に入射する光の偏光方向を切り換えるための偏光方向切替素子とを用いる。
【００４９】
偏光方向切替素子としてＴＮモードの液晶表示パネルを用いた場合、そのＴＮモード液晶パネルが早い応答速度で偏光方向の切り替えることでき、また波長により、偏光方向の切り替えに差異が生じないことが重要である。
【００５０】
しかし、ＴＮモード液晶では、一般に電圧を印加することにより、液晶分子の向きが速やかに変化するのに対して、電圧の印加を停止することにより、液晶分子が元の状態に遷移する速度は遅い。つまり、電圧をＯＮにした時の応答は速いが、電圧をＯＦＦにしたときの応答は遅い。このため、光学シフト素子において、偏光方向切替素子に印加していた電圧を停止した場合の偏光方向の切替が遅くなり、画像のシフトが遅くなる。このことは、本来表示するべき位置とは異なる位置に画素が表示されることになり、解像度の低下につながる。
【００５１】
また、ＴＮモード液晶がノーマリ状態にあるとき、設計波長の光の偏波面は、液晶により、９０度回転させられる。しか、設計波長から外れるにしたがって、光の偏波面は完全に９０度回転することができず、偏光方向が切り替らない成分が発生する。たとえば、波長５５０ｎｍのＧ光を用いて、ＴＮモード液晶パネルを設計した場合、Ｒ光およびＢ光は本来表示するべき位置とは違う画素に表示されることになり、その結果、解像度の低下およびドット感による画質の劣化を引きこす。
【００５２】
このため、本発明では、偏光方向の切り替えを短時間で行うことができ、波長による偏光方向の特異性の少ない光学シフト素子を提供する。なお、本発明の適用範囲は投影型画像表示装置に限定されず、ビュワーやヘッド・マウント・ディスプレイなどの直視型画像表示装置にも好適に適用されるが、以下においては、投影型の画像表示装置を例にとり、本発明の好ましい実施形態を説明する。
【００５３】
まず、図１から図３を参照しながら本実施形態光学シフト素子を用いる投影型画像表示装置の構造を概略的に説明する。
【００５４】
本実施形態の投影型画像表示装置は、光源１と、液晶表示パネル８と、光源１からの光を波長域に応じて液晶表示パネル８の対応する画素領域に集光させる光制御手段と、液晶表示パネル８によって変調された光を被投影面上に投射する投影光学系とを備えている。
【００５５】
この投影型画像表示装置は、更に、光源１から後方に出た光（白色光）を前方に反射する球面鏡２と、光源１および球面鏡２からの光を平行光束にするコンデンサーレンズ３と、この光束を波長域に応じて複数の光束に分離するダイクロイックミラー４〜６を備えている。ダイクロイックミラー４〜６によって反射された光は、波長域に応じて異なる角度でマイクロレンズアレイ７に入射する。マイクロレンズアレイ７は液晶表示パネル８の光源側基板に取りつけられており、異なる角度でマイクロレンズ７に入射した光は、それぞれ異なる位置の対応する画素領域に集められる。
【００５６】
本投影型画像表示装置の投影光学系は、フィールドレンズ９および投影レンズ１１から構成されており、液晶表示パネル８を透過した光束１２をスクリーン（被投影面）１３に投射する。本実施形態では、フィールドレンズ９と投影レンズ１１との間に、光学シフト素子１０が配置されている。図１には、光学シフト素子１０によって被投影面に平行な方向にシフトされた光束１２ａ、１２ｂが示されている。光束のシフトを行うには、光学シフト素子１０は液晶表示パネル８とスクリーン１３との間の何れかの位置に挿入されていればよく、投影レンズ１１とスクリーン１３との間に配置されていても良い。
【００５７】
次に、本投影型画像表示装置の各構成要素を順番に説明する。
【００５８】
本実施形態においては、光源１として、光出力１５０Ｗ、アーク長５ｍｍ、アーク径２．２ｍｍのメタルハライドランプを用い、このランプをアーク長方向が図面の紙面と平行となるように配置している。光源１としては、メタルハライドランプ以外に、ハロゲンランプ、超高圧水銀ランプ、またはキセノンランプ等を用いても良い。本実施形態で使用する光源１は、三原色に対応する３つの波長域の光を含む白色光を放射する。
【００５９】
光源１の背面には球面鏡２が配置され、光源１の前面には口径８０ｍｍφ、焦点距離６０ｍｍのコンデンサーレンズ３が配置されている。球面鏡２は、その中心が光源１の発光部の中心と一致するように配置されており、コンデンサーレンズ３は、その焦点が光源１の中心と一致するように配置されている。
【００６０】
このような配置構成により、光源１から出射された光は、コンデンサーレンズ３によって平行化され、液晶表示パネル８を照らすことになる。コンデンサーレンズ３を通過した光の平行度は、例えば、アーク長方向（図１の紙面に平行な方向）に約２．２°、アーク径方向に約１°となる。
【００６１】
本実施形態で使用する液晶表示パネル８は、光源側の透明基板上にマイクロレンズアレイ７が配置された透過型液晶表示素子である。液晶の種類や動作モードは任意であるが、高速動作し得るものであることが好ましい。本実施形態ではＴＮ（ツイステッド・ネマティック）モードで動作する。液晶表示パネル８には、光を変調するための複数の画素領域が設けられているが、本願明細書における「画素領域」とは、画像表示パネルにおいて空間的に分離された個々の光変調部を意味する。液晶表示パネル８の場合は、個々の画素領域に対応する画素電極によって液晶層の対応部分に電圧が印加され、その部分の光学特性が変化することによって光の変調が行われる。
【００６２】
この液晶表示パネル８では、例えば７６８（Ｈ）×１０２４（Ｖ）の走査線がノンインターレースで駆動される。液晶表示パネル８の画素領域は透明基板上に二次元的に配列されており、本実施形態の場合、画素領域のピッチは水平方向に沿って測定した値も垂直方向に沿って計測した値も２６μｍである。図２は、図１に示す液晶表示パネル８近傍の構造を拡大して示している。図２に示すように本実施形態の場合、Ｒ用、Ｇ用、Ｂ用画素領域８Ｒ、８Ｇ、８Ｂは、それぞれ、画面の水平方向（図２では紙面に垂直な方向）に沿ってストライプ状に配列され、各マイクロレンズ７ａが３つの画素領域（Ｒ用、Ｇ用、Ｂ用画素領域８Ｒ、８Ｇ、８Ｂ）からなるセットに割り当てられている。
【００６３】
本実施形態においては、Ｒ用、Ｇ用、Ｂ用画素領域８Ｒ、８Ｇ、８Ｂは、それぞれ、画面の水平方向（図２では紙面に垂直な方向）に沿ってストライプ状に配列されているが、各マイクロレンズ７ａが３つの画素領域（Ｒ用、Ｇ用、Ｂ用画素領域８Ｒ、８Ｇ、８Ｂ）からなるセットに割り当てられてさえいれば、Ｒ用、Ｇ用、Ｂ用画素領域８Ｒ、８Ｇ、８Ｂはモザイク状に配列されていても良い。
液晶表示パネル８を照射するＲ、Ｇ、およびＢ光は、図１に示すように、光源１から放射された白色光をダイクロイックミラー４、５、および６によって分離したものであり、液晶表示パネル８上のマイクロレンズアレイ７へ異なる角度で入射する。Ｒ、Ｇ、およびＢ光の入射角度を適切に設定することにより、図２に示すように、マイクロレンズ７によって各波長域に対応する画素領域へ適切に振り分けられる。本実施形態では、マイクロレンズ７の焦点距離を１２０μｍとし、各光束がなす角度が１０．０２°になるように設計している。より詳細には、Ｒ光は液晶表示パネル８に対して垂直に入射し、Ｂ光およびＧ光は、それぞれ、Ｒ光に対して１０．０２°の角度で入射する。
【００６４】
ダイクロイックミラー４、５、および６は、図３に示すような分光特性を有しており、それぞれ、緑色（Ｇ）、赤色（Ｒ）、および青色（Ｂ）の光を選択的に反射する。Ｇ光の波長域は５２０〜５８０ｎｍ、Ｒ光の波長域は６００〜６５０ｎｍ、Ｂ光の波長域は４２０〜４８０ｎｍである。
【００６５】
本実施形態では、３原色の光を対応する画素領域に集めるためにダイクロイックミラー４〜６およびマイクロレンズアレイ７を用いているが、他の光学的な手段（例えば、光の回折・分光機能を付与された透過型ホログラム）を用いても良い。
【００６６】
上述したように液晶表示パネル８はノンインターレースで駆動されるため、１秒間に６０フレームの画像が表示され、各フレームに割り当てられる時間（フレーム期間）Ｔは１／６０秒、すなわち、Ｔ＝１／６０（秒）≒１６．６（ミリ秒）となる。なお、インターレースで駆動される場合は、画面内の走査線を偶数ラインと奇数ラインに分け、交互に表示していくため、Ｔ＝１／３０（秒）≒３３．３（ミリ秒）となる。また、各フレームを構成する偶数フィールドおよび奇数フィールドの各々に割り当てられた時間（１フィールド期間）は、１／６０≒１６．６（ミリ秒）となる。
【００６７】
本実施形態の投影型画像表示装置は、各フレーム画像の情報（データ）からなる画像データを受け取り、各フレーム画像のデータを逐次フレームメモリに蓄え、そのフレームメモリから選択的に読み出した情報に基づいて複数のサブフレーム画像を順次形成し、サブフレーム画像を画像表示パネル８に時分割で表示させる液晶パネル駆動回路１４を備える。以下、液晶パネル駆動回路１４におけるサブフレーム画像の形成方法を詳細に説明する。
【００６８】
例えば、あるフレームの画像（フレーム画像）が図４（ａ）に示すような画像であるとする。このフレーム画像はカラー表示されるべきものであり、各画素の色は、上記フレーム画像を規定するデータに基づいて決定される。なお、インターレース駆動の場合は、或るフィールドの画像が本願明細書における「フレーム画像」と同様に取り扱われ得る。
【００６９】
まず、図４（ａ）に示すカラー表示用のフレームデータから各画素についてＲ、Ｇ、およびＢ光用のデータを分離し、図４（ｂ）、（ｃ）、および（ｄ）に示すように、Ｒ画像用フレーム、Ｇ画像用フレーム、およびＢ画像用フレームの各データを生成する。これらのデータは図５の左側に示すように、Ｒ、Ｇ、およびＢ用フレームメモリにそれぞれ格納される。
【００７０】
図５の右側部分には、表示サブフレーム１〜３が示されている。本実施形態によれば、あるフレームの最初の３分の１の期間（第１サブフレーム期間）において、被投影面上には表示サブフレーム１の画像が被投影面上に表示される。そして、次の３分の１の期間（第２サブフレーム期間）には、表示サブフレーム２の画像が表示され、最後の３分の１の期間（第３サブフレーム期間）には、表示サブフレーム３の画像が表示される。本実施形態では、これら３つのサブフレーム画像が図６に示すようにシフトし、時間的にずれながら合成される結果、人間の目には図４（ａ）に示すような原画像が認識されることになる。
【００７１】
次に、表示サブフレーム１を例にとり、サブフレーム画像のデータ構成を詳細に説明する。まず、表示サブフレーム１の第１行画素領域用データは、図６に示すように、Ｒ用フレームメモリに記憶されている第１行目画素（Ｒ１）に関するデータから形成される。表示サブフレーム１の第２行画素領域用データは、Ｇ用フレームメモリに記憶されている第２行目画素（Ｇ２）に関するデータから形成される。表示サブフレーム１の第３行画素領域用データは、Ｂ用フレームメモリに記憶されている第３行目画素（Ｂ３）に関するデータから形成される。表示サブフレーム１の第４行画素領域用データは、Ｒ用フレームメモリに記憶されている第４行目画素（Ｒ４）に関するデータから形成される。以下、同様の手順で表示サブフレーム１のデータが構成される。
【００７２】
表示サブフレーム２および３のデータも、表示サブフレーム１の場合と同様にして構成される。例えば表示サブフレーム２の場合、第０行画素領域用データは、Ｂ用フレームメモリに記憶されている第１行目画素（Ｂ１）に関するデータから形成され、表示サブフレーム２の第１行画素領域用データはＲ用フレームメモリに記憶されている第２行目画素（Ｒ２）に関するデータから形成される。表示サブフレーム２の第２行画素領域用データはＧ用フレームメモリに記憶されている第３行目画素（Ｇ３）に関するデータから形成され、表示サブフレーム２の第３行画素領域用データはＢ用フレームメモリに記憶されている第４行目画素（Ｂ４）に関するデータから形成される。
【００７３】
このようにしてＲ、Ｇ、およびＢ用フレームメモリの各々から読み出したデータを予め設定された順序で組み合わせることによって、時分割表示されるサブフレームの各々のデータが生成される。この結果、サブフレーム用データの各々は、Ｒ、Ｇ、およびＢの全ての色に関する情報を含んでいるが、Ｒ、Ｇ、およびＢのそれぞれについて、空間的には全体の３分の１の領域に関する情報を有しているだけである。より詳細に述べれば、図５から明らかにように、表示サブフレーム１は、Ｒ画像フレームの第１、４、７、１０…行の画素に関するデータと、Ｇ画像フレームの第２、５、８、１１…行の画素に関するデータと、Ｂ画像フレームの第３、６、９、１２…行の画素に関するデータとを含む。表示サブフレーム２は、Ｂ画像フレームの第１、４、７、１０…行の画素に関するデータと、Ｒ画像フレームの第２、５、８、１１…行の画素に関するデータと、Ｇ画像フレームの第３、６、９、１２…行の画素に関するデータとを含む。また、表示サブフレーム３は、Ｇ画像フレームの第１、４、７、１０…行の画素に関するデータと、Ｂ画像フレームの第２、５、８、１１…行の画素に関するデータと、Ｒ画像フレームの第３、６、９、１２…行の画素に関するデータとを含む。なお、図５からわかるように、画像表示パネルの画素領域の全行数は、１つのサブフレーム画像を構成する画素の全行数よりも２行だけ多い。この２行は光学シフトのマージンとして機能する。
【００７４】
原画像フレームを再現するためには、Ｒ画像フレームの第１行、Ｂ画像フレームの第１行およびＧ画像フレームの第１行を合成しなければならない。図５に示すように、これらの情報は、表示サブフレーム１、２および３において、１行目、０行目および−１行目に割り当てられる。したがって、これらのサブフレーム画像を被投影面上において、表示サブフレーム１に対して、表示サブフレーム２は１画素分、シフトさせて表示し、表示サブフレーム１に対して、表示サブフレーム３は２画素分シフトさせて表示する。つまり、投影面上の各画素では、３つの表示サブフレームが順次シフトして表示される。この各サブフレーム間における画像のシフトは駆動回路１５により駆動される光学シフト素子１０によって行われる。
【００７５】
なお、サブフレームの生成方法および生成したサブフレームの時分割表示方法は、上述した一例に限定されるものではない。特許文献６に開示されているように、３以上のサブフレームを用いて時分割表示をおこなってもよい。
【００７６】
次に、光学シフト素子１０およびサブフレーム画像のシフト方法を説明する。
【００７７】
（第１の実施形態）
図７および図８は、光学シフト素子１０に用いられる光学シフト部１０’を模式的に示している。光学シフト部１０’は、光の偏光方向を直交する２つの方向の間で切り換えることにより、画像表示パネル８（図１）によって変調されたサブフレーム画像の偏光方向を変調する第１の素子（液晶素子）ｇ１と、光の偏光方向によって異なる屈折率を有する物質からなる第２の素子（水晶板）ｇ２とを有している。本実施形態では、第１の素子は液晶層および液晶層に電圧を印加する一対の電極を含む液晶セルからなる液晶素子であり、第２の素子は水晶板である。本明細書において、「偏光方向」とは、光の電場ベクトルの振動方向を意味する。偏光方向は、光の伝搬方向に垂直である。また、電場ベクトルと光の伝搬方向の両方を含む平面を「振動面」または「偏光面」と称することとする。
【００７８】
図７および図８に示されている例では、画像表示パネル８を出た光は水平方向に偏光しているとする。つまり偏光方向は図において水平方向である。液晶素子ｇ１の液晶層に電圧を印加しない場合には、図７に示すように、画像表示パネルを出た光の偏光方向は液晶層によって９０°だけ回転させられるこれに対し、液晶素子ｇ１の液晶層に適切なレベル電圧を印加している場合は、図８に示すように、画像表示パネルを出た光の偏光面は、光が液晶素子ｇ１を透過する過程で回転しない。なお、ここでは、回転角度が９０°である場合を例示しているが、液晶層の設計によっては、回転角度を任意に設定することが可能である。
【００７９】
水晶板ｇ２は、単軸結晶（正結晶）であり、複屈折性を持つため、入射光の偏光方向によって異なる屈折率を示す。水晶板ｇ２は、その光入射面ｆ２が入射光の光軸ｋ０（伝搬方向に平行）と垂直になるように配置されている。水晶板ｇ２の光学軸ｋ２は、図７および図８において、垂直な面内に含まれているが、水晶板ｇ２の光入射面ｆ２からは傾斜している。ここで、「光軸」とは、光の回転対称軸をいい、「光学軸」とは、複屈折性結晶において複屈折の起きない方向の軸をいう。このため、図７に示すように、偏光方向が垂直な光が水晶板ｇ２に入射すると、光は光軸ｋ０と水晶の光学軸ｋ２とがなす角θに応じて、光学軸ｋ２を含む面内で屈折し、光は垂直方向にΔｄだけシフトする。この場合、水晶板ｇ２の光学軸ｋ２と入射光の光軸ｋ０の両方を含む平面（以下、「主断面」と称する。）が入射光の偏光面と平行な関係にある。このように偏光面が主断面に平行な入射光は、水晶板ｇ２にとって「異常光」である。ここで、角θは９０度以下の値である。
【００８０】
一方、図８に示すように、偏光面が水平方向の光が水晶板ｇ２に入射すると、偏光面が水晶板ｇ２の光学軸ｋ２（または主断面）と直交するため、光は屈折せず、光のシフトも生じない。この場合、水晶板ｇ２に入射する光は、水晶板ｇ２にとって「常光」である。
【００８１】
このように、液晶素子ｇ１に電圧を印加するか否かによって、水晶板ｇ２に入射する光の偏光方向を制御し、また、偏光方向の異なる光を水晶板ｇ２に入射させることにより、水晶板ｇ２から出射する光のシフトを調節することができる。なお、本実施形態では液晶素子ｇ１に水平方向に偏光した光を入射させて、水晶板ｇ２において光を垂直方向にシフトさせているが、垂直方向に偏光した光を液晶素子ｇ１に入射させ、水晶板ｇ２において光を水平方向にシフトさせてもよい。
【００８２】
ここで、図９に示すように、水晶板ｇ２の厚さをｔとし、水晶板ｇ２の異常光線屈折率および常光線屈折率をそれぞれ、ｎｅおよびｎｏとする。また、光学軸ｋ２が主断面内において入射面ｆ２の法線からθ°傾斜している場合、水晶板ｇ２に対して垂直に入射する光Ｌに対する出射光Ｌ’のシフト量Δｄは以下の式で表される。
【００８３】
【数１】
2004151139.tif 000003
【００８４】
Δｄ：シフト量
ｎｅ：          異常光線屈折率
ｎｏ：          常光線屈折率
θ：  入射面の法線と光学軸ｋ２とがなす角度
ｔ：  水晶板の厚み
【００８５】
水晶板ｇ２に対して斜めから入射する光に対する出射光のシフト量Δｄは、式（１）に対して、媒質中での入射する光の光軸と水晶の光学軸とのなす角をθとし、水晶板ｇ２とそれに接する媒質との間の計算にはスネルの公式を適用して、求めることができる。
【００８６】
この式から、光束のシフト量Δｄと水晶板ｇ２の厚さｔとは比例し、光学軸の方向θによってもシフト量が変化することがわかる。したがって、水晶板ｇ２の厚さｔ、および、光軸方向θを調節することによって、サブフレーム画像のシフト量を任意の値に設定することができる。
【００８７】
本実施形態の光学シフト部では、液晶層を一対の透明電極で挟み込み、それによって適切な電圧を液晶層の全体に一括的に印加することができるようにしている。また、本実施形態では、屈折率異方性Δεが正のＴＮ液晶を用い、電圧を印加したときに、電界の向きに液晶分子を配向させることによって、入射光の偏光方向を回転させず、電圧を印加しないときに、液晶分子を９０°ねじれた配向を行わせることによって入射光の偏光方向を９０°回転させる。しかし、屈折率異方性Δεが負のＴＮ液晶を用い、液晶層に電圧を印加したとき、入射光の偏光方向を９０°回転させ、電圧を印加しないときに入射光の偏光方向を回転させないようにしてもよい。
【００８８】
本実施形態では、光学シフト部１０’において、適切な電圧を液晶層の全体に一括的に印加することができるようにしているが、部分的に印加しても良く、さらに、画像表示パネルの走査に同期して、順次対応する液晶層の領域に電圧を印加するとなお良い。
【００８９】
上述したように、光学シフト部１０’は、図７に示す状態、または、第８に示す状態をとることによって、画像をΔｄだけシフトさせことができる。つまり、２つの異なる位置を選択することができる。しかし、図４から図６を参照して説明したように、Ｒ、Ｇ、Ｂの光を被投影面上で重ねあわせるためには、画像パネルにより変調されたサブフレーム画像を１画素分および２画素分、被投影面上でシフトさせる必要があり、したがって、光学シフト素子１０は、少なくとも３つの異なる位置を選択できなければならない。
【００９０】
このため、本実施形態の光学シフト素子１０は、図７（または図８）に示されるような光学シフト部１０’を２つ含んでおり、この２つの光学シフト部１０’を光路上に直列的に配置することにより、最大で４つの異なる位置を選択できるよう画像をシフトさせることができる。この光学シフト素子１０によれば、光路上の光入射側に位置する光学シフト部１０’の液晶層および光出射側に位置する光学シフト部１０’の液晶層への電圧印加状態にしたがって、被投影面上における４つの異なる位置を選択することができる。
【００９１】
以下、２つの光学シフト部１０’の液晶層へ電圧を印加し、光学シフト素子１０を駆動する方法について説明する。ここで、液晶層に所定の値以上の電圧を印加して（ＯＮ）、液晶分子が入射光の偏光方向を変化させないように配列する場合、液晶層をＯＮ状態にすると呼び、液晶層に電圧を印加しないで（ＯＦＦ）、液晶分子が９０度ねじれた状態にする場合、液晶層をＯＦＦ状態にするという。液晶層に印加する電圧を所定の値よりも小さくすることによって、液晶層をＯＦＦ状態にしてもよい。
【００９２】
上述したように、液晶素子ｇ１に印加する電圧の状態により、２つの光学シフト部１０’はそれぞれ２つの状態をとることができる。しかし、液晶分子の電圧に対する応答速度は、電圧を印加してＯＮ状態にする場合と印加している電圧を停止してＯＦＦ状態にする場合とで一般的に大きな差があり、ＯＮ状態となるときの応答速度の方がＯＦＦ状態となるときの応答速度よりも早い。このため、２つの光学シフト部１０’の液晶素子ｇ１に対して、一方の液晶素子ｇ１の液晶層をＯＦＦ状態からＯＮ状態にし、同時にもう一方の液晶素子ｇ１液晶層をＯＮ状態からＯＦＦ状態にする場合、（ＯＦＦ・ＯＮ）→（ＯＮ・ＯＮ）→（ＯＮ・ＯＦＦ）の３段階の状態が存在し、所望しない（ＯＮ・ＯＮ）状態が発生する。つまり、２つの光学シフト部１０’の液晶素子ｇ１の液晶層が同時にＯＮ状態となり、所望しない位置へ画像がシフトされる。その結果、解像度の低下や、被投影面の画面内に、周期的なドット状の模様が現れ、投影された画像の画質が損なわれてしまう。
【００９３】
このような画質の劣化を避けるため、２つの液晶層に対して、同時に電圧を変化させる必要がある場合には、２つの光学シフト部１０’の液晶素子ｇ１の液晶層を同時にＯＦＦ状態からＯＮ状態にするか、または、同時にＯＮ状態からＯＦＦ状態にするように光学シフト素子１０を駆動する。このうち、上述したように液晶分子がＯＮ状態からＯＦＦ状態となるときの応答速度は遅いので、２つの液晶層が同時にＯＮ状態からＯＦＦ状態となる駆動はできるだけ少なくするほうが好ましい。
【００９４】
一方、第１の光学シフト部１０’ａの液晶素子ｇ１および第２の光学シフト部１０’ｂの液晶素子ｇ１のうち、一方の液晶層の状態は保ったまま、他方の液晶層の状態を変化させる場合には、上述したような遷移状態は生じない。
【００９５】
したがって、光学シフト素子１０を用いて光の光軸の位置をシフトさせる場合には、第１の光学シフト部１０’ａの液晶素子ｇ１および第２の光学シフト部１０’ｂの液晶素子ｇ１のうち、一方の液晶層の状態は保ったまま、他方の液晶層をＯＮ状態からＯＦＦ状態またはＯＦＦ状態からＯＮ状態に変化させる駆動および、第１の光学シフト部１０’ａの液晶素子ｇ１および第２の光学シフト部１０’ｂの液晶素子ｇ１の両方の液晶層を同時にＯＮ状態からＯＦＦ状態またはＯＦＦ状態からＯＮ状態に変化させる駆動を用いることが好ましい。
【００９６】
図１０は、光学シフト部１０’を２つ含む本実施形態の光学シフト素子１０の一例を示している。図１０に示す光学シフト素子１０は、第１の光学シフト部１０’ａを透過した光が第２の光学シフト部１０’ｂに入射して透過するよう、厚さ２ｔの水晶板ｇ２を有し、入射側に配置された第１の光学シフト部１０’ａと、厚さｔの水晶板ｇ２を有し、出射側に配置された第２の光学シフト部１０’ｂとを含む。第１の光学シフト部１０’ａおよび第２の光学シフト部１０’ｂの液晶素子ｇ１は上述したようにいずれもＴＮモードの液晶セルからなり、電圧を印加すると偏光方向が切り替わらず、電圧を印加しなければ偏光方向が９０度回転するように設計されている。
【００９７】
第１の光学シフト部１０’ａの水晶板ｇ２の厚さが、第２の光学シフト部１０’ｂの水晶板ｇ２の厚さの２倍ににあっているため、第１の光学シフト部における入射光の光軸と出射光の光軸とのシフト量は、前記第２の光学シフト部における入射光の光軸と出射光の光軸とのシフト量の２倍になる。
【００９８】
ここで、第１の光学シフト部１０’ａの水晶板ｇ２および第２の光学シフト部１０’ｂの第２の光学シフト部１０’ｂの光学軸ｋ２はいずれも紙面に水平な面内にあり、傾きも入射光に対して同じ方向になっている。つまり２つの光学軸ｋ２の向きは一致している。このため、第１の光学シフト部１０’ａにより異常光が屈折する方向と第２の光学シフト部１０’により異常光が屈折する方向は等しい。また、第１の光学シフト部１０’ａを透過した後の光は異常光と正常光とで偏光方向が９０°ずれている。このため、この異常光および正常光が第２の光学シフト部１０’を透過するとき、光がシフトする条件は、異常光と正常光とで逆になる。
【００９９】
本実施形態では、各フレーム画像を３つの表示サブフレームに分割する。そして、図６に示すように、光学シフト素子１０を用い、たとえば表示サブフレーム１をシフトさせず、表示サブフレーム２および３をそれぞれ１画素および２画素分シフトさせて投影する。図に示すように、シフトさせない位置、一画素分シフトした位置、および２画素分シフトした位置をそれぞれポジションＡ、ＢおよびＣとする。
【０１００】
図１０に示すように、たとえば、第１の光学シフト部１０’ａの液晶素子ｇ１に電圧を印加してＯＮ状態とし、第２の光学シフト部１０’ｂの液晶素子ｇ１に電圧を印加してＯＮ状態とした場合、光学シフト素子１０に入射した光はポジションＡにおいて投影される。また、第１の光学シフト部１０’ａの液晶素子ｇ１に電圧を印加しないでＯＦＦ状態とし、第２の光学シフト部１０’ｂの液晶素子ｇ１に電圧を印加してＯＮ状態とした場合、光学シフト素子１０に入射した光はポジションＣにおいて投影される。本実施形態では３つの表示サブフレームを用い３つの位置に表示サブフレームを投影するため、光学シフト素子１０としては４つの位置に入射光を投影することができるが、このうち、１つのシフト位置は使用されない。
【０１０１】
図１１は、図１０に示す光学シフト素子１０を用いて、表示サブフレームをＡ→Ｂ→Ｃ→Ａ→Ｂ→Ｃ・・・の順にポジションをシフトさせて表示する場合に、第１の光学シフト部１０’ａの液晶素子ｇ１および第２の光学シフト部１０’ｂの液晶素子ｇ１に印加する駆動電圧を示している。
【０１０２】
図１１に示すように、表示サブフレームをＡのポジションおいて表示する期間では、第１の光学シフト部１０’ａの液晶素子ｇ１および第２の光学シフト部１０’ｂの液晶素子ｇ１に同時に電圧を印加し、次に、表示サブフレームをＢのポジションおいて表示する期間では、第１の光学シフト部１０’ａの液晶素子ｇ１に印加している電圧はそのまま保持し、第２の光学シフト部１０’ｂの液晶素子ｇ１に印加していた電圧を停止する。そして、表示サブフレームをＣのポジションおいて表示する期間では、第１の光学シフト部１０’ａの液晶素子ｇ１に印加していた電圧を停止し、第２の光学シフト部１０’ｂの液晶素子ｇ１には引き続き電圧を印加しない状態を維持する。このような駆動電圧を駆動回路１５によって生成し、第１の光学シフト部１０’ａの液晶素子ｇ１および第２の光学シフト部１０’ｂの液晶素子ｇ１に繰り返して印加する。
【０１０３】
図１１に示すように、第１の光学シフト部１０’ａの液晶素子ｇ１および第２の光学シフト部１０’ｂの液晶素子ｇ１印加する２つの駆動電圧は、ポジションＣからＡへ移るとき、同時にＯＦＦ状態からＯＮ状態へ変化する。しかし、これ以外のタイミングで２つの駆動電圧が同時に変化することはない。このため、この駆動方法によれば、解像度の低下や、被投影面の画面内に、周期的なドット状の模様が現れ、投影された画像の画質を損うことなく、表示サブフレームをシフトさせ、高解像度で高品質の画像を表示することができる。
【０１０４】
図１２は、図１０に示す光学シフト素子１０を用いて、表示サブフレームをＡ→Ｂ→Ｃ→Ａ→Ｃ→Ｂ・・・の順にポジションをシフトさせて表示する場合に、第１の光学シフト部１０’ａの液晶素子ｇ１および第２の光学シフト部１０’ｂの液晶素子ｇ１に印加する駆動電圧を示している。図１２に示す駆動電圧の波形は図１１と一致しており、図１１において説明したように、第１の光学シフト部１０’ａの液晶素子ｇ１および第２の光学シフト部１０’ｂの液晶素子ｇ１を駆動する。
【０１０５】
図１２に示すように、第１の光学シフト部１０’ａの液晶素子ｇ１および第２の光学シフト部１０’ｂの液晶素子ｇ１印加する２つの駆動電圧は、ポジションＣからＡへ移るとき、同時にＯＦＦ状態からＯＮ状態へ変化し、ポジションＡからＣへ移るとき、同時にＯＮ状態からＯＦＦ状態へ変化している。しかし、これ以外のタイミングで２つの駆動電圧が同時に変化することはない。１周期あたり１回、同時にＯＮ状態からＯＦＦ状態へ変化しているが、その回数は最も少なく画質の劣化への影響は最小である。
【０１０６】
このため、この駆動方法によれば、解像度の低下や、被投影面の画面内に、周期的なドット状の模様が現れ、投影された画像の画質が損なることなく、表示サブフレームをシフトさせ、高解像度で高品質の画像を表示することができる。
【０１０７】
図１３は、光学シフト部１０’を２つ含む本実施形態の光学シフト素子１０の他の例を示している。図１３に示す光学シフト素子１０は、厚さ２ｔの水晶板ｇ２を有し、入射側に配置された第１の光学シフト部１０’ａと、厚さｔの水晶板ｇ２を有し、出射側に配置された第２の光学シフト部１０’ｂとを含む。第１の光学シフト部１０’ａの水晶板ｇ２および第２の光学シフト部１０’ｂの第２の光学シフト部１０’ｂの光学軸ｋ２はいずれも紙面に水平な面内にあるが、傾きは入射光に対して逆方向になっている。このため、第１の光学シフト部１０’ａにより異常光が屈折する方向と第２の光学シフト部１０’により異常光が屈折する方向とは逆になっている。
【０１０８】
図１４は、図１３に示す光学シフト素子１０を用いて、表示サブフレームをＡ→Ｂ→Ｃ→Ａ→Ｂ→Ｃ・・・の順にポジションをシフトさせて表示する場合に、第１の光学シフト部１０’ａの液晶素子ｇ１および第２の光学シフト部１０’ｂの液晶素子ｇ１印加する駆動電圧を示している。
【０１０９】
図１４に示すように、表示サブフレームをＡのポジションおいて表示する期間では、第１の光学シフト部１０’ａの液晶素子ｇ１および第２の光学シフト部１０’ｂの液晶素子ｇ１に同時に電圧を印加し、次に、表示サブフレームをＢのポジションおいて表示する期間では、第１の光学シフト部１０’ａの液晶素子ｇ１に印加していた電圧を停止し、第２の光学シフト部１０’ｂの液晶素子ｇ１に印加している電圧をそのまま保持する。そして、表示サブフレームをＣのポジションおいて表示する期間では、第１の光学シフト部１０’ａの液晶素子ｇ１には引き続き電圧を印加しない状態を維持し、第２の光学シフト部１０’ｂの液晶素子ｇ１に印加していた電圧を停止する。このような駆動電圧を駆動回路１５によって生成し、第１の光学シフト部１０’ａの液晶素子ｇ１および第２の光学シフト部１０’ｂの液晶素子ｇ１に繰り返して印加する。
【０１１０】
図１４に示すように、第１の光学シフト部１０’ａの液晶素子ｇ１および第２の光学シフト部１０’ｂの液晶素子ｇ１印加する２つの駆動電圧は、ポジションＣからＡへ移るとき、同時にＯＦＦ状態からＯＮ状態へ変化する。しかし、これ以外のタイミングで２つの駆動電圧が同時に変化することはない。このため、この駆動方法によれば、解像度の低下や、被投影面の画面内に、周期的なドット状の模様が現れ、投影された画像の画質が損なることなく、表示サブフレームをシフトさせ、高解像度で高品質の画像を表示することができる。
【０１１１】
図１５は、図１３に示す光学シフト素子１０を用いて、表示サブフレームをＡ→Ｂ→Ｃ→Ａ→Ｃ→Ｂ・・・の順にポジションをシフトさせて表示する場合に、第１の光学シフト部１０’ａの液晶素子ｇ１および第２の光学シフト部１０’ｂの液晶素子ｇ１印加する駆動電圧を示している。図１５に示す駆動電圧の波形は図１４と一致しており、図１４において説明したように、第１の光学シフト部１０’ａの液晶素子ｇ１および第２の光学シフト部１０’ｂの液晶素子ｇ１を駆動する。
【０１１２】
図１５に示すように、第１の光学シフト部１０’ａの液晶素子ｇ１および第２の光学シフト部１０’ｂの液晶素子ｇ１印加する２つの駆動電圧は、ポジションＣからＡへ移るとき、同時にＯＦＦ状態からＯＮ状態へ変化し、ポジションＡからＣへ移るとき、同時にＯＮ状態からＯＦＦ状態へ変化している。しかし、これ以外のタイミングで２つの駆動電圧が同時に変化することはない。１周期あたり１回、同時にＯＮ状態からＯＦＦ状態へ変化しているが、その回数は最も少なく画質の劣化への影響は最小である。
【０１１３】
このため、この駆動方法によれば、解像度の低下や、被投影面の画面内に、周期的なドット状の模様が現れ、投影された画像の画質が損なることなく、表示サブフレームをシフトさせ、高解像度で高品質の画像を表示することができる。
【０１１４】
（第２の実施形態）
本実施形態では、光学シフト素子１０の光学シフト部１０’が、２つの液晶層有する液晶素子を備えている。図１６に示すように、本実施形態の光学シフト部１０’において、液晶素子ｇ１は、第１の液晶層７５ａおよび第２の液晶層７５ｂを有する。第１の液晶層７５ａおよび第２の液晶層７５ｂはそれぞれ一対の透明電極で挟まれて液晶セルを構成しており、それによって適切な電圧を各液晶層の全体に一括的に印加することができるようになっている。
【０１１５】
第１の液晶層７５ａおよび第２の液晶層７５ｂはＴＮ液晶からなり、互いに旋光方向が異なっている。たとえば、第１の液晶層７５ａは右旋光性であり、第２の液晶層７５ｂは左旋光性である。図１７は、第１の液晶層７５ａおよび第２の液晶層７５ｂに印加する電圧と液晶分子の配向状態との関係を示している。図１７（ａ）に示すように、第１の液晶層７５ａおよび第２の液晶層７５ｂに電圧を印加しないＯＦＦ状態にあるとき、第１の液晶層７５ａと第２の液晶層７５ｂとが対向する面ではダイレクタ（配向ベクトル）が互いに直交するよう第１の液晶層７５ａおよび第２の液晶層７５ｂが配置されている。このため、第１の液晶層７５ａに水平方向に偏光した入射光は、第１の液晶層７５ａによりその偏光方向が９０度回転させられ、垂直方向に偏光した光が第１の液晶層７５ａから出射される。この光が、第２の液晶層７５ｂに入射すると、第２の液晶層７５ｂによりその偏光方向が逆向きに９０度回転させられる。このため、第２の液晶層７５ｂから出射する光は水平方向に偏光しており、第１の液晶層７５ａへ入射する光と同じ偏光方向を備えている。つまり、第１の液晶層７５ａおよび第２の液晶層７５ｂがＯＦＦ状態にあるときには、入射する光と出射する光の偏光方向は同じである。この状態を「非回転」と呼ぶ。
【０１１６】
図１７（ｂ）に示すように、第１の液晶層７５ａがＯＦＦ状態にあり、第２の液晶層７５ｂがＯＮ状態にあるときは、水平方向に偏光した入射光が第１の液晶層７５ａによって９０度回転させられる。第２の液晶層７５ｂでは偏光方向は変化しない。このため、第１の液晶層７５ａがＯＦＦ状態にあり、第２の液晶層７５ｂがＯＮ状態にあるときは、偏光方向が９０度回転する。この状態を「回転」と呼ぶ。
【０１１７】
図１７（ｃ）に示すように、第１の液晶層７５ａおよび第２の液晶層７５ｂがＯＮ状態にある場合には、いずれの液晶層でも偏光方向は変化しないこのため、第１の液晶層７５ａおよび第２の液晶層７５ｂがＯＮ状態にあるときには、入射する光と出射する光の偏光方向は同じである。この状態を「非回転」と呼ぶ。
【０１１８】
図１７（ｄ）に示すように、第１の液晶層７５ａがＯＮ状態にあり、第２の液晶層７５ｂがＯＦＦ状態にあるときは、水平方向に偏光した入射光は、回転せずに第２の液晶層７５ｂに入射する。第２の液晶層７５ｂは、この光の偏光方向を９０度回転させる。このため、第１の液晶層７５ａがＯＮ状態にあり、第２の液晶層７５ｂがＯＦＦ状態にあるときは、偏光方向が９０度回転する。この状態を「回転」と呼ぶ。
【０１１９】
次に図１７（ａ）〜（ｄ）で示す状態間の遷移について検討する。この場合、第１の実施形態において、第１の光学シフト部１０’ａの液晶素子ｇ１と第２の光学シフト部１０’ｂの液晶素子ｇ１に印加する電圧を変化させる場合について検討した結果がそのままあてはまる。つまり、２つの液晶層において、一方をＯＮ状態からＯＦＦ状態へ変化させ、同時に、他方をＯＦＦ状態からＯＮ状態へ変化させる場合、液晶層のＯＮ状態からＯＦＦ状態への応答速度とＯＦＦ状態からＯＮ状態への応答速度とに差があるため、所望していない遷移状態が生じ、第１の実施形態で説明したような画像の劣化を引き起こす。このため、図１７（ｂ）に示す状態と図１７（ｄ）に示す状態との間の遷移は好ましくない。
【０１２０】
第１の液晶層７５ａおよび第２の液晶層７５ｂを同時にＯＮ状態からＯＦＦ状態へ変化させる場合、液晶層のＯＮ状態からＯＦＦ状態への応答速度は遅い。しかし、第１の液晶層７５ａおよびｂ第２の液晶層において、液晶分子の旋光方向は逆であり、同じ速度で液晶分子の配向が変化するため、遷移の途中では、常に第１の液晶層７５ａおよび第２の液晶層７５互いの偏光方向をキャンセルしあうように液晶分子がねじれて配向される。このため、図１７（ｃ）に示す状態から図１７（ａ）に示す状態に、第１の液晶層７５ａおよび第２の液晶層７５ｂが遷移するとき、第１の液晶層７５ａに入射する光は、常に偏光方向をたもったまま第２の液晶層７５ｂから出射する。
【０１２１】
ただし、液晶層がＯＮ状態から完全にＯＦＦ状態へ遷移するのに要する時間は一般的に５〜１０ミリ秒であり、遷移が完了する前に、再びいずれか一方の液晶層をＯＮ状態に切り換えると、所望しない遷移状態が生じる。そして、画像の劣化を引き起こす。このため、第１の液晶層７５ａおよびｂ第２の液晶層を同時にＯＮ状態からＯＦＦ状態へ変化させる場合には、印加電圧をＯＦＦにしてから次に印加電圧をＯＮにするまでのそれぞれの液晶層のＯＦＦ状態となる期間が１サブフレームよりも長いことが好ましく、２サブフレーム以上であることがより好ましい。
【０１２２】
図１８は、以上の検討結果を考慮して、適切な駆動をおこなうことのできる光学シフト素子１０の一例を示している。図１８に示す光学シフト素子１０は、厚さｔの水晶板ｇ２を有し、入射側に配置された第１の光学シフト部１０’ａと、厚さｔの水晶板ｇ２を有し、出射側に配置された第２の光学シフト部１０’ｂとを含む。第１の光学シフト部１０’ａおよび第２の光学シフト部１０’ｂの液晶素子ｇ１は図１６に示すようにそれぞれ２つの液晶層を含んでいる。
【０１２３】
第１の光学シフト部１０’ａの水晶板ｇ２の厚さが、第２の光学シフト部１０’ｂの水晶板ｇ２の厚さと等しいため、第１の光学シフト部における入射光の光軸と出射光の光軸とのシフト量は、前記第２の光学シフト部における入射光の光軸と出射光の光軸とのシフト量と等しい。
【０１２４】
第１の光学シフト部１０’ａの水晶板ｇ２および第２の光学シフト部１０’ｂの水晶板ｇ２の光学軸ｋ２はいずれも紙面に水平な面内にあり、傾きも入射光に対して同じ方向になっている。このため、第１の光学シフト部１０’ａにより異常光が屈折する方向と第２の光学シフト部１０’により異常光が屈折する方向は等しい。また、第１の光学シフト部１０’ａを透過した後の光は異常光と正常光とで偏光方向が９０°ずれている。このため、この異常光および正常光が第２の光学シフト部１０’を透過するとき、光がシフトする条件は、異常光と正常光とで逆になる。図１８において、（回）および（非）はそれぞれ図１７（ａ）〜（ｄ）に示す「回転」および「非回転」に対応している。
【０１２５】
図１９は、図１８に示す光学シフト素子１０を用いて、表示サブフレームをＡ→Ｂ→Ｃ→Ａ→Ｂ→Ｃ・・・の順にポジションをシフトさせて表示する場合に、第１の光学シフト部１０’ａの第１の液晶層７５ａおよび第２の液晶層７５ｂならびに第２の光学シフト部１０’ｂの第１の液晶層７５ａおよび第２の液晶層７５ｂに印加する駆動電圧を示している。
【０１２６】
図１９に示すように、表示サブフレームをＡのポジションおいて表示する期間では、第１の光学シフト部１０’ａの第１の液晶層７５ａおよび第２の液晶層７５ｂに同時に電圧を印加し、その後、同時に電圧の印加を停止する。第２の光学シフト部１０’ｂの第１の液晶層７５ａおよび第２の液晶層７５ｂには電圧を印加しない。表示サブフレームをＢのポジションおいて表示する期間では、第１の光学シフト部１０’ａの第１の液晶層７５ａおよび第２の液晶層７５ｂには電圧を印加しない状態を維持する。また、第２の光学シフト部１０’ｂの第１の液晶層７５ａに電圧を印加し、第２の液晶層７５ｂには引き続き電圧を印加しない状態を維持する。表示サブフレームをＣのポジションおいて表示する期間では、第１の光学シフト部１０’ａの第１の液晶層７５ａに電圧を印加し、第２の液晶層７５ｂには引き続き電圧を印加しない状態を維持する。第２の光学シフト部１０’ｂの第１の液晶層７５ａおよび第２の液晶層７５ｂには、同時に電圧を印加し、その後、同時に電圧の印加を停止する。このような駆動電圧を駆動回路１５によって生成し、第１の光学シフト部１０’ａの液晶素子ｇ１および第２の光学シフト部１０’ｂの液晶素子ｇ１に繰り返して印加する。
【０１２７】
第１の光学シフト部１０’ａおよび第２の光学シフト部１０’ｂのそれぞれにおいて、第１の液晶層７５ａおよび第２の液晶層７５ｂが同時にＯＮ状態またはＯＦＦ状態になっている場合、入射する光の偏光方向は変化しない（非回転）。また、第１の液晶層７５ａおよび第２の液晶層７５ｂの一方がＯＮ状態にあり、他方が、ＯＦＦ状態になっている場合、入射する光の偏光方向は９０度回転する（回転）。したがって、たとえば、入射光をポジションＢへのシフトさせるためには、第１の光学シフト部１０’ａの第１の液晶層７５ａおよび第２の液晶層７５ｂを同時にＯＦＦ状態にし、入射光の偏光方向を水平方向に保つことによって、水晶板ｇ２に対して正常光となるようにする。そして、第２の光学シフト部１０’ｂでは、第１の液晶層７５ａをＯＮ状態とし、第２の液晶層７５ｂをＯＦＦ状態にし、入射光の偏光方向を９０度回転させて、水晶板ｇ２に対して異常光となるようにする。
【０１２８】
図１９に示すように、本実施形態ではポジションＡに光をシフトさせる際、ポジションＡを選択する期間の途中において、第１光学シフト部１０’ａの２つの液晶層に印加する電圧を変化させている。また、ポジションＣに光をシフトさせる際においても第２光学シフト部１０’ｂの２つの液晶層に印加する電圧を変化させている。この理由を説明する。
【０１２９】
図１８に示すように、ポジションＡを選択する場合、第１光学シフト部１０’ａおよび第２の光学シフト部１０’ｂは入射光を回転させずに透過させることが必要である。このためには、図１７に示すように、第１光学シフト部１０’ａおよび第２の光学シフト部１０’ｂにおいて、第１の液晶層７５ａおよび第２の液晶層７５ｂがいずれもＯＮ状態であるかＯＦＦ状態であればよい。
【０１３０】
図１９に示すように、ポジションＡを選択する期間の直前ではポジションＣを選択している。このため、ポジションＣの選択期間が終了した後、ポジションＡを選択する期間全体において、第１光学シフト部１０’ａの第１の液晶層７５ａおよび第２の液晶層７５ｃを同時にＯＮ状態にすることが考えられる。この遷移は、第１の液晶層７５ａのＯＮ状態を維持し、第２の液晶層７５をＯＦＦ状態からＯＮ状態へ変化させることによって達成できるので応答速度は速い。しかし、この場合、第１光学シフト部１０’ａの第１の液晶層７５ａにおいてＯＮ状態からＯＦＦ状態へ遷移した後のＯＦＦ状態の期間が１サブフレームとなり、上述した問題を生じる可能性がある。
【０１３１】
一方、ポジションＣの選択期間が終了した後、ポジションＡを選択する期間全体において、第１光学シフト部１０’ａの第１の液晶層７５ａおよび第２の液晶層７５ｃを同時にＯＦＦ状態にすることによってもポジションＡを選択することができる。しかし、この遷移は、第１の液晶層７５ａをＯＮ状態からＯＦＦ状態へ変化させ、第２の液晶層７５をＯＦＦ状態に維持することによって達成されるため応答速度が遅いという問題が生じる。
【０１３２】
このため、本実施形態では、図１９に示すように、ポジションＣの選択期間が終了した後、ポジションＡを選択する期間の最初の期間ａ１において、第１光学シフト部１０’ａの第１の液晶層７５ａおよび第２の液晶層７５ｃを同時にＯＮ状態にする。このときの遷移は、第１の液晶層７５ａのＯＮ状態を維持し、第２の液晶層７５をＯＦＦ状態からＯＮ状態へ変化させることによって達成できるので応答速度は速い。期間ａ１は、第２の液晶層７５がＯＦＦ状態からＯＮ状態へ完全に変化するのに十分の長さであればよい。たとえば、期間ａ１を０．８〜
３．０ミリ秒の範囲の値に設定することが好ましい。
【０１３３】
その後、残りの期間ａ２において、第１の液晶層７５ａおよび第２の液晶層７５ｃを同時にＯＦＦ状態にする。このときの遷移は、第１の液晶層７５ａおよび第２の液晶層７５を同時にＯＮ状態からＯＦＦ状態へ変化させることによって達成できる。上述したように、この遷移は、ＯＮ状態からＯＦＦ状態への遷移であるが、遷移前と遷移後の偏光状態が変化しないので、応答速度は問題とならない。また、２つの液晶層の旋光性が逆であるため、遷移中に画像が劣化することもない。さらに、図１９に示すように、このような駆動により、いずれの液晶層においてもＯＮ状態からＯＦＦ状態へ変化した後、次にＯＮ状態に変化するまでの、ＯＦＦ状態の期間を１サブフレームより長くすることができる。
【０１３４】
図１９から明らかなように、この駆動方法では、第１の液晶層７５ａおよび第２の液晶層７５のいずれか一方だけがＯＮ状態からＯＦＦ状態へ変化することもない。このため、異なるポジションへのシフトは短い応答時間で行うことができる。
【０１３５】
このように本実施形態によれば、解像度の低下や、被投影面の画面内に、周期的なドット状の模様が現れ、投影された画像の画質が損なることなく、表示サブフレームをシフトさせ、高解像度で高品質の画像を表示することができる。
【０１３６】
（第３の実施形態）
本実施形態による光学シフト素子１０は、第２の実施形態と同様、２つの光学シフト部１０’が、２つの液晶層を有する液晶素子を備えている。図２０に示すように、本実施形態の光学シフト素子１０は、第１の光学シフト部１０’ａの水晶板ｇ２が厚さ２ｔを備えている点で第２の実施形態を異なっている。また、第１の光学シフト部１０’ａの水晶板ｇ２および第２の光学シフト部１０’ｂの第２の光学シフト部１０’ｂの光学軸ｋ２はいずれも紙面に水平な面内にあるが、傾きは入射光に対して逆方向になっている。このため、第１の光学シフト部１０’ａにより異常光が屈折する方向と第２の光学シフト部１０’により異常光が屈折する方向は逆になっている。
【０１３７】
図２１は、図２０に示す光学シフト素子１０を用いて、表示サブフレームをＡ→Ｂ→Ｃ→Ａ→Ｂ→Ｃ・・・の順にポジションをシフトさせて表示する場合に、第１の光学シフト部１０’ａの第１の液晶層７５ａおよび第２の液晶層７５ｂならびに第２の光学シフト部１０’ｂの第１の液晶層７５ａおよび第２の液晶層７５ｂに印加する駆動電圧を示している。
【０１３８】
図２１に示すように、本実施形態で用いる駆動電圧のＡの期間およびＢの期間およびＣの期間は、図１９に示すＣの期間、Ａの期間およびＢの期間に用いられる駆動電圧と同じである。図２１から明らかなように、いずれの液晶層においてもＯＮ状態からＯＦＦ状態へ変化した後、次にＯＮ状態に変化するまでの、ＯＦＦ状態の期間を１サブフレームより長くすることができる。また、第１の液晶層７５ａおよび第２の液晶層７５のいずれか一方だけがＯＮ状態からＯＦＦ状態へ変化することもない。このため、異なるポジションへのシフトは短い応答時間で行うことができる。
【０１３９】
したがって、本実施形態によれば、解像度の低下や、被投影面の画面内に、周期的なドット状の模様が現れ、投影された画像の画質が損なることなく、表示サブフレームをシフトさせ、高解像度で高品質の画像を表示することができる。
【０１４０】
図２２は、本実施形態による他の光学シフト素子１０を示している。図２０に示す光学シフト素子１０は、第２の光学シフト部１０’ｂの水晶板ｇ２が厚さ２ｔを備えている。また、第１の光学シフト部１０’ａの水晶板ｇ２および第２の光学シフト部１０’ｂの第２の光学シフト部１０’ｂの光学軸ｋ２はいずれも紙面に水平な面内にあるが、傾きは入射光に対して逆方向になっている。
【０１４１】
図２３は、図２２に示す光学シフト素子１０を用いて、表示サブフレームをＡ→Ｂ→Ｃ→Ａ→Ｂ→Ｃ・・・の順にポジションをシフトさせて表示する場合に、第１の光学シフト部１０’ａの第１の液晶層７５ａおよび第２の液晶層７５ｂならびに第２の光学シフト部１０’ｂの第１の液晶層７５ａおよび第２の液晶層７５ｂに印加する駆動電圧を示している。
【０１４２】
図２３に示す駆動電圧は、図１９に示す第１の光学シフト部１０’ａおよび第２の光学シフト部１０’ｂに印加される電圧を入れ替えたものになっている。図２３から明らかなように、いずれの液晶層においてもＯＮ状態からＯＦＦ状態へ変化した後、次にＯＮ状態に変化するまでの、ＯＦＦ状態の期間を１サブフレームより長くすることができる。また、第１の液晶層７５ａおよび第２の液晶層７５のいずれか一方だけがＯＮ状態からＯＦＦ状態へ変化することもない。このため、異なるポジションへのシフトは短い応答時間で行うことができる。
【０１４３】
したがって、本実施形態によれば、解像度の低下や、被投影面の画面内に、周期的なドット状の模様が現れ、投影された画像の画質が損なることなく、表示サブフレームをシフトさせ、高解像度で高品質の画像を表示することができる。
【０１４４】
（第４の実施形態）
図２４に示すように、本実施形態による光学シフト素子１０は、第１の実施形態の光学シフト素子と同じ構造を備えている。本実施形態では、図２４の光学シフト素子１０を用いて、入射する光を４つのポジションにシフトさせる場合の駆動方法を説明する。
【０１４５】
これまでの実施形態ではフレーム画像から３つの表示サブフレームを生成し、生成した３つのサブフレームをポジションＡ、Ｂ、およびＣにシフトさせて画像を表示していた。本実施形態では、フレーム画像から４つの表示サブフレームを生成し、生成した４つの表示サブフレームをポジションＡ、Ｂ、ＣおよびＤにシフトさせて画像を表示する。４つの表示サブフレームとして、たとえば、図５に示す表示サブフレーム１〜３、および、表示サブフレーム１を３画素分下方向へシフトさせた表示サブフレーム４（不図示）を用いる。具体的には、表示サブフレーム４の１行目、２行目、３行目・・・には、Ｒ４、Ｇ５、Ｂ６・・・のデータが格納される。
【０１４６】
図２５は、図２４に示す光学シフト素子１０を用いて、表示サブフレームをＡ→Ｂ→Ｃ→Ｄ→Ｃ→Ｂ→・・・の順にポジションをシフトさせて表示する場合に、第１の光学シフト部１０’ａの液晶素子ｇ１および第２の光学シフト部１０’ｂの液晶素子ｇ１印加する駆動電圧を示している。図２５に示す駆動電圧は、図１１に示す駆動電圧に、表示サブフレームをＤ、ＣおよびＢのポジションおいて表示する期間における駆動電圧が付加されている。表示サブフレームをＤのポジションで表示する期間では、第１の光学シフト部１０’ａには引き続き電圧を印加しない状態を維持し、第２の光学シフト部１０’ｂには電圧を印加する。その後、ポジションＣおよびＢにおいて表示する期間に印加する電圧を繰り返す。
【０１４７】
図２５に示すように、第１の光学シフト部１０’ａの液晶素子ｇ１および第２の光学シフト部１０’ｂの液晶素子ｇ１の印加する２つの駆動電圧が同時に変化することはない。このため、この駆動方法によれば、解像度の低下や、被投影面の画面内に、周期的なドット状の模様が現れ、投影された画像の画質が損なることなく、表示サブフレームをシフトさせ、高解像度で高品質の画像を表示することができる。
【０１４８】
（第５の実施形態）
図２６に示すように、本実施形態による光学シフト素子１０は、第３の実施形態の光学シフト素子と同じ構造を備えている。本実施形態では、第４の実施形態と同様、表示サブフレームを４つの位置にシフトさせて画像を表示する。
【０１４９】
図２７は、図２６に示す光学シフト素子１０を用いて、表示サブフレームをＡ→Ｂ→Ｃ→Ｄ→Ｃ→Ｂ・・・の順にポジションをシフトさせて表示する場合に、第１の光学シフト部１０’ａの第１の液晶層７５ａおよび第２の液晶層７５ｂならびに第２の光学シフト部１０’ｂの第１の液晶層７５ａおよび第２の液晶層７５ｂに印加する駆動電圧を示している。
【０１５０】
図２７に示すように、表示サブフレームをＡ、ＢおよびＣのポジションに表示する期間ならびに、表示サブフレームをＤ、ＣおよびＤのポジションに表示する期間において第２の光学シフト部１０’ａの第１の液晶層７５ａおよび第２の液晶層７５ｂに印加する駆動電圧は、図２３に示す表示サブフレームをＣ、ＡおよびＢのポジションに表示する期間に印加される駆動電圧と同じである。
【０１５１】
一方、第１の光学シフト部１０’ａでは、表示サブフレームをＡおよびＢのポジションに表示する期間において第１の液晶層７５ａには電圧を印加し、第２の液晶層７５ｂには電圧を印加しない。表示サブフレームをＣのポジションにおいて表示する期間では、第１の光学シフト部１０’ａの第１の液晶層７５ａおよび第２の液晶層７５ｂに同時に電圧を印加し、その後、同時に電圧の印加を停止する。その後、表示サブフレームをＤおよびＣのポジションおいて表示する期間中第１の液晶層７５ａおよび第２の液晶層７５ｂには電圧を印加しない。表示サブフレームをＢのポジションにおいて表示する期間において、第１の液晶層７５ａには電圧を印加し、第２の液晶層７５ｂには電圧を印加しない。このように、本実施形態では表示サブフレームをＢおよびＣのポジションおいて表示する期間が１サイクルあたり２回ずつ存在するが、これらの期間の１回目と２回目とでは、第１の光学シフト部１０’ａおよび第２の画像シフト部１０’ｂに印加される駆動電圧は異なる。
【０１５２】
しかし、図２７から明らかなように、いずれの液晶層においてもＯＮ状態からＯＦＦ状態へ変化した後、次にＯＮ状態に変化するまでの、ＯＦＦ状態の期間を１サブフレームより長くすることができる。また、第１の液晶層７５ａおよび第２の液晶層７５のいずれか一方だけがＯＮ状態からＯＦＦ状態へ変化することもない。このため、異なるポジションへのシフトは短い応答時間で行うことができる。
【０１５３】
したがって、本実施形態によれば、解像度の低下や、被投影面の画面内に、周期的なドット状の模様が現れ、投影された画像の画質が損なることなく、表示サブフレームをシフトさせ、高解像度で高品質の画像を表示することができる。
【０１５４】
以上、液晶表示素子を画像表示パネルとして用いる投影型画像表示装置について本発明を説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。本発明は液晶表示素子以外の表示素子、たとえば、デジタルミラーデバイス（ＤＭＤ）などを画像表示パネルに用いる投影型画像表示装置にも適用することができる。また、ヘッド・マウント・ディスプレイなどの直視型画像表示装置に本発明を適用する場合には、目の網膜が画像の被投影面として機能する。
【０１５５】
また、本発明の光学シフト素子は、投影型画像表示装置以外の他の画像表示装置などの用いることができる。
【０１５６】
【発明の効果】
本発明によれば、解像度が低下したり、被投影面の画面内に周期的なドット状の模様が現れ、投影された画像の画質が損なわれたりすることなく、表示サブフレームをシフトさせることが可能な光学シフト素子が得られる。また、そのような光学シフト素子を用いて、高解像度で高品質の画像を投影することのできる投影型画像表示装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の投影型画像表示装置を示す模式図である。
【図２】図１に示す投影型画像表示装置の液晶表示パネル付近を拡大して示す断面図である。
【図３】図１に示す投影型画像表示装置のダイクロイックミラーの分光特性を示すグラフである。
【図４】現画像フレームから色別画像フレームを生成する方法を説明する図である。
【図５】色別画像フレームから３つの表示サブフレームを生成する方法を説明する図である。
【図６】表示サブフレームのシフトの態様を示す図である。
【図７】画像シフト素子の画像シフト部の構成および動作を説明する模式図である。
【図８】画像シフト素子の画像シフト部の構成および動作を説明する他の模式図である。
【図９】画像シフト部に用いられる水晶板の光学軸と透過する光の光軸のシフト方向との関係を示す図である。
【図１０】第１の実施形態による画像シフト素子を示す模式図である。
【図１１】図１０の画像シフト素子を駆動するための駆動電圧を示す波形図である。
【図１２】図１０の画像シフト素子を他の駆動方法で駆動するための駆動電圧を示す波形図である。
【図１３】第１の実施形態による他の画像シフト素子を示す模式図である。
【図１４】図１３の画像シフト素子を駆動するための駆動電圧を示す波形図である。
【図１５】図１３の画像シフト素子を他の駆動方法で駆動するための駆動電圧を示す波形図である。
【図１６】第２の実施形態による画像シフト素子の画像シフト部を示す模式図である。
【図１７】（ａ）から（ｄ）は２つの液晶セルに印加する電圧と液晶の状態との関係を示す図である。
【図１８】第２の実施形態による画像シフト素子を示す模式図である。
【図１９】図１８の画像シフト素子を駆動するための駆動電圧を示す波形図である。
【図２０】第３の実施形態による画像シフト素子を示す模式図である。
【図２１】図２０の画像シフト素子を駆動するための駆動電圧を示す波形図である。
【図２２】第３の実施形態による他の画像シフト素子を示す模式図である。
【図２３】図２２の画像シフト素子を駆動するための駆動電圧を示す波形図である。
【図２４】第４の実施形態による画像シフト素子を示す模式図である。
【図２５】図２４の画像シフト素子を駆動するための駆動電圧を示す波形図である。
【図２６】第５の実施形態による画像シフト素子を示す模式図である。
【図２７】図２６の画像シフト素子を駆動するための駆動電圧を示す波形図である。
【図２８】従来のフィールド順次投影型画像表示装置を示す図である。
【符号の説明】
１  光源
２  球面鏡
３  コンデンサーレンズ
４  、５、６  ダイクロイックミラー
７  マイクロレンズアレイ
８  液晶表示パネル
９  フィールドレンズ
１０  画像シフト素子
１０’  画像シフト部
１０’ａ  第１の画像シフト部
１０’ｂ  第２の画像シフト部
ｇ１  液晶素子
ｇ２  水晶板
ｋ２  光学軸
７５ａ  第１の液晶層
７６ａ  第２の液晶層
【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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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