(57)【要約】      （修正有）【課題】簡単な構成を採用しながら、画像シフト切り替えを高速で行える光学シフト素子および当該光学シフト素子を備えた表示装置を提供する。【解決手段】光学シフト素子は、入射して来た直線偏光の光軸の位置を周期的にシフトさせる第１シフト部７および第２のシフト部８を備える。第１のシフト部７は、第１の印加電圧のＨｉｇｈ／Ｌｏｗに応答して、光の偏光方向を直交する２つの方向の間で切り替える第１の液晶セル９と、第１の複屈折素子１２とを備える。第２のシフト部８は、第２の印加電圧Ｈｉｇｈ／Ｌｏｗに応答して、光の偏光方向を直交する２つの方向の間で切り替える第２の液晶セル１０と、第３の印加電圧のＨｉｇｈ／Ｌｏｗに応答して、光の偏光方向を直交する２つの方向の間で切り替える第３の液晶セル１１と、第２の複屈折素子１３とを備える。【選択図】  図２
2004198693.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射してきた直線偏光の光軸の位置を周期的にシフトさせる第１のシフト部および第２のシフト部を備えた光学シフト素子であって、
前記第１のシフト部は、
第１の印加電圧のＨｉｇｈ／Ｌｏｗに応答して、入射してきた光の偏光方向を直交する２つの方向の間で切り替えることができる第１の液晶セルと、
前記第１の液晶セルを透過してきた光を透過する第１の複屈折素子と、
を備え、
前記第２のシフト部は、
第２の印加電圧のＨｉｇｈ／Ｌｏｗに応答して、入射してきた光の偏光方向を直交する２つの方向の間で切り替えることができる第２の液晶セルと、
第３の印加電圧のＨｉｇｈ／Ｌｏｗに応答して、入射してきた光の偏光方向を直交する２つの方向の間で切り替えることができる第３の液晶セルと、
前記第３の液晶セルを透過してきた光を透過する第２の複屈折素子と、
を備え、
前記第１の液晶セル、前記第１の複屈折素子、前記第２の液晶セル、前記第３の液晶セル、および前記第２の複屈折素子がこの順序で直列的に配列されており、
前記第１の複屈折素子でのシフトの方向と前記第２の複屈折素子でのシフトの方向とが略平行または略反平行であり、かつ、シフト量が略等しく、
前記第３の液晶セルに含まれる液晶層は、直線偏光が前記第２の液晶セルに含まれる液晶層を透過する過程で発生した不要な偏光成分を低減する、光学シフト素子。
【請求項２】
前記第２および第３の液晶セルに含まれる液晶層の中間部のダイレクタが相互に直交するように前記第２および第３の液晶セルが配置されている請求項１に記載の光学シフト素子。
【請求項３】
前記第１の複屈折素子および前記第２の複屈折素子の配置関係は、前記第１のシフト部によるシフト方向と前記第２のシフト部によりるシフト方向とが略一致するように決定されている請求項１または２に記載の光学シフト素子。
【請求項４】
前記第１から第３の液晶セルのそれぞれに前記第１から第３の印加電圧を供給する駆動回路を備えた請求項１または２に記載の光学シフト素子。
【請求項５】
前記駆動回路は、
シフトすべき画像の切り替えタイミングに同期させて、前記第１から第３のいずれか一方の印加電圧をＬｏｗ状態からＨｉｇｈ状態に変化させる請求項４に記載の光学シフト素子。
【請求項６】
前記駆動回路は、
シフトすべき画像の表示が継続されている間に前記第１の印加電圧をＬｏｗ状態に変化させ、
前記画像の表示が継続している間に前記第２および第３の印加電圧を、同時にＨｉｇｈの状態からＬｏｗ状態に変化させる請求項５に記載の光学シフト素子。
【請求項７】
前記駆動回路は、
前記第２および第３の印加電圧の一方のみがＨｉｇｈ状態のときに、前記第１の印加電圧をＨｉｇｈ状態からＬｏｗ状態に変化させる請求項４から６のいずれかに記載の光学シフト素子。
【請求項８】
画像を表示する画像表示部と、
請求項１から３のいずれかに記載の光学シフト素子と、
を備えた表示装置であって、
前記光学シフト素子を用いることにより、前記画像表示部から出た光を前記画像表示部の表示に同期させながらシフトさせる表示装置。
【請求項９】
前記光学シフト素子の第１から第３の液晶セルのそれぞれに前記第１から第３の印加電圧を供給する駆動回路を備えた請求項８に記載の表示装置。
【請求項１０】
前記駆動回路は、
シフトすべき画像の切り替えタイミングに同期させて、前記第１から第３のいずれか一方の印加電圧をＬｏｗ状態からＨｉｇｈ状態に変化させる請求項９に記載の表示装置。
【請求項１１】
前記駆動回路は、
シフトすべき画像の表示が継続されている間に前記第１の印加電圧をＬｏｗ状態に変化させ、
前記画像の表示が継続している間に前記第２および第３の印加電圧を、同時にＨｉｇｈの状態からＬｏｗ状態に変化させる請求項１０に記載の表示装置。
【請求項１２】
前記駆動回路は、
前記第２および第３の印加電圧の一方のみがＨｉｇｈ状態のときに、前記第１の印加電圧をＨｉｇｈ状態からＬｏｗ状態に変化させる請求項９から１１のいずれかに記載の表示装置。
【請求項１３】
前記駆動回路は、前記画像表示部を駆動する回路が形成された基板上に形成されている、請求項９から１２のいずれかに記載の表示装置。
【請求項１４】
請求項１から３のいずれかに記載の光学シフト素子に対して前記第１から第３の印加電圧を供給する駆動回路であって、
前記光学シフト素子によってシフトすべき画像の切り替えタイミングに同期させて、前記第１から第３のいずれか一方の印加電圧をＬｏｗ状態からＨｉｇｈ状態に変化させるステップと、
次の画像の切り替えの前に、前記第１の印加電圧をＬｏｗ状態に変化させるステップと、
前記切り替えの前に、前記第２および第３の印加電圧を、同時にＨｉｇｈの状態からＬｏｗ状態に変化させるステップと、
を実行する駆動回路。
【請求項１５】
前記第２および第３の印加電圧の一方のみがＨｉｇｈ状態のときに、前記第１の印加電圧をＨｉｇｈ状態からＬｏｗ状態に変化させるステップを実行する請求項１４に駆動回路。
【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（以下、「ＨＭＤ」と称する。）や、投影型表示装置（プロジェクタ）などに好適に用いられる光学シフト素子、および当該光学シフト素子を備えた表示装置に関している。
【０００２】
【従来の技術】
液晶表示素子は、一対の透明基板と、これらの基板間に挟まれた液晶層とを備えている。透明基板は、行および列（マトリクス）状に規則的に配列された複数の画素電極を有しており、画像信号に対応した駆動電圧が画素電極のそれぞれに印加される。この印加電圧によって液晶層の光学特性（光の透過率や反射率）が画素毎に変化するため、画像や文字などを表示することができる。
【０００３】
基板上の各画素電極に独立した駆動電圧を印加する方式には「単純マトリクス方式」と「アクティブマトリクス方式」とがある。
【０００４】
アクティブマトリクス方式の場合、各画素電極に対応する薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）や金属−絶縁体−金属（ＭＩＭ）素子等のスイッチング素子や、信号配線等が基板上に一緒に形成され、スイッチング素子部や配線領域はブラックマトリクス（ＢＭ）と呼ばれる遮光層で遮光されている。
【０００５】
画素のうち、光を通す領域を画素開口部と呼ぶが、ブラックマトリクスの存在が画素開口部の割合（開口率）を小さくしてしまう。
【０００６】
画素を正常に駆動するためにはスイッチング素子や配線領域にある程度の占有面積を必要とするので、高精細画面を実現しようとして同じ画面サイズのまま画素数を増やすと、開口率が低下して画面が暗くなってしまうし、画素サイズをそのままで画面サイズを大きくするとコストが大幅に上昇することになる。
【０００７】
ブラックマトリクス上の非表示領域を利用して高精細化をはかる目的で、表示画像を画素ピッチ程度だけ光学的に移動（シフト）させる技術が特許文献１に開示されている。この技術によれば、画素のシフトに同期させて移動した画素位置に対応する映像を表示する。その結果見かけ上の画素数が増えるので解像度の低い表示素子を用いても高精細の表示パネルを用いた場合と同様の表示が可能になる。また、実際に高精細の表示パネルを製造する場合と比較して開口率が低下しない。
【０００８】
上記のような光学シフト素子と画像表示用の液晶表示素子との組み合わせは、更に観察光学系を用いて虚像の拡大像をみることによってＨＭＤに適用したり、投影レンズでスクリーンに表示画像を拡大投影する投影型表示装置に適用されたりしている。
【０００９】
液晶表示素子を用いた投影型表示装置における画像表示方式には、光の３原色のそれぞれに対応して設けられる３枚の液晶表示パネル（液晶表示素子）を用いる３板式と、１枚の液晶表示パネルを用いる単板式とがある。前者の３板式の投影型液晶表示装置は、光源から発せられた白色光を赤・緑・青（以下、「ＲＧＢ」と称する。）の３原色の光束（色光）にそれぞれ分離し、それぞれの色光を各液晶表示パネルに向かわせる光学系と、各色光を制御して画像を形成するための３枚の液晶表示パネルとを備えており、各液晶表示パネルによって各色の光を変調する。このようにして変調された各色の光をスクリーン上で光学的に重畳することによってフルカラー表示を行うことができる。
【００１０】
この３板式の構成では光源からの光を有効に利用できる。更に、表示画像の色純度が高いという利点も得られる。しかしながら、上述のように色光を各液晶表示パネルに向かわせるための光学系と、各パネルで変調された色光を合成するための光学系とが必要である。また、液晶表示パネルを３枚用いる。このため、光学系が繁雑で部品点数が多くなってしまい、低コスト化および小型化の点では、後述の単板式に比べて一般的に不利である。
【００１１】
これに対して、後者の単板式の投影型液晶表示装置では、使用する液晶表示素子が１枚で足り、光学系の構成も３板式に比べて単純になるので、低コスト化が実現でき、また小型の投影型システムに適している。単板式の投影型液晶表示装置としては、モザイク状、ストライプ状等のパターンで形成された３色のカラーフィルターが設けられた液晶表示素子を用い、この液晶表示素子において変調された光を投影光学系によって投影するものが知られており、例えば特許文献２などに開示されている。
【００１２】
また、特許文献３には、扇形に配列したダイクロイックミラーと、マイクロレンズを付加した液晶パネルとを用いて、カラーフィルターなしで各画素にＲＧＢの光を分離・集光し、投影画像の明るさを改善した単板式の投影型表示装置が開示されている。
【００１３】
３板式の投影型液晶表示装置と上述の単板式の投影型液晶表示装置とを比較すると、同じ解像度（画素数）の液晶表示素子を用いる場合には、液晶パネルの使用枚数の違いからスクリーン上に投影される画像の解像度には３倍の差が生じる。３板式では、各液晶表示パネルから出射されたＲＧＢ光をスクリーン上で混合してカラー表示を行うため、各液晶表示素子の画素数と同じ画素数を持つフルカラー画像をスクリーン上で表示できる。これに対し、単板式では液晶表示素子の１画素はＲＧＢのいずれか１色にしか対応していないため、スクリーン上では液晶表示パネルの画素数の１／３の画素数を持つフルカラー画像しか表示できない。液晶表示素子の画素数を３倍にすれば、単板式でも３板式の場合と同様の解像度を実現することができるが、その弊害は最初に書いた通りであり、解決策として前述の光学シフト素子との組み合わせがある。
【００１４】
特許文献４には、ＲＧＢの各画素をシフト素子によって光学的に順次シフトさせ、シフトした画素を重ね合わせて表示する方法が開示されている。この方法では、１つの画素に対応する領域において、ＲＧＢの各画素が時分割で表示される。その結果、表示パネルの画素数を増やさずに、見かけの解像度を３倍に向上させることができる。
【００１５】
図１２は、特許文献４に用いられる光学シフト素子を示している。図示されている光学シフト素子９００は、２つのシフト部９０１およびシフト部９０２を備えており、これにより、光軸を異なる３つの位置の間で配置させることが可能となる。本願明細書では、入射光の光軸がシフトされずにそのまま出射される場合の位置（厳密には無シフト位置）も、「シフト位置」に含めることとする。
【００１６】
第１のシフト部９０１は、液晶セル９０３と複屈折素子９０４とを備え、第２のシフト部９０２は、液晶セル９０５と複屈折素子９０６とを備えている。このように、シフト部９０１および９０２は、それぞれ、光線の伝播方向に沿って直列的に配列された液晶セルと平行平板の複屈折素子とを備えており、２つのシフト位置間で光軸の位置を切り替えることができる。
【００１７】
光学シフト素子９００に含まれる液晶セル９０３および液晶セル９０５は、いずれも、入射してきた直線偏光の電場ベクトル振動面（以下「偏光面」と称する。）を９０°回転させた状態と、回転させずにそのまま透過する状態との間で偏光状態をスイッチングすることができる。液晶セル９０３、９０５は、いずれも、ＴＮモードの液晶（ＴＮ液晶）を用いて好適に作製される。液晶セル９０３のＴＮ液晶層に電圧が印加されていないとき（電圧ＯＦＦの時）、液晶分子は９０°ねじれた状態にあり、その旋光性によって入射光の偏光面は９０°回転する。一方、液晶セル９０３のＴＮ液晶層に所定レベル以上の電圧が印加されている時（電圧ＯＮの時）、液晶分子の向きは電界の向きに整合した状態にあるため、入射光の偏光面は回転を受けずに出射される。液晶セル９０３、９０５は、画像を表示しないため、画像表示素子のようなマトリクス駆動される電極構造を有している必要はなく、単純な構造を有しており、比較的容易に作製される。
【００１８】
複屈折素子９０４および複屈折素子９０６は、いずれも、一軸性の結晶（例えば水晶）から形成される。これらの複屈折素子における結晶の光学軸９０７は、図１２に示すように、図の紙面と平行であり、かつ、光が入射する複屈折素子の表面に立てた法線に対して約４５°傾斜している。この場合、偏光面が紙面に垂直な光は、各複屈折素子にとっては常光であり、通常のスネルの法則に従って通過する。一方、偏光面が紙面に平行な光は、複屈折素子にとっては異常光であり、入射光の光軸および光学軸の両方を含む平面内で屈折する。異常光は、複屈折素子から出射するとき、常光と同じ進行方向に出射されるが、複屈折素子を通過する間に素子の厚さに比例した距離だけ光軸がシフトすることになる。複屈折素子９０４によるシフト量と複屈折素子９０６によるシフト量は共に、図示していない画像表示素子の１画素ピッチに相当する大きさを持ち、シフトの向きも同じ方向である。従って、光学シフト素子９００によれば、シフト量がゼロの位置と、シフト量が１画素分の位置と、シフト量が２画素分の位置との間で画像シフトを制御できる。
【００１９】
なお、結晶の「光学軸」とは、水晶等の複屈折材料において複屈折の生じない光線の進行方向の軸のことを意味し、英語では「ｏｐｔｉｃ ａｘｉｓ」と翻訳される。一方、光の伝搬方向を規定する直線は、光軸（ｏｐｔｉｃａｌ ａｘｉｓ）と呼ばれている。１つの光ビームについて、光軸は一本であり、その光軸に垂直な方向に光軸をシフトさせたものは、シフト前の光軸とは異なるものである。これに対して、結晶の光学軸は、その光学軸に平行な軸をすべて含む集合的な概念である。
【００２０】
図１２では、光学シフト素子９００に最初に入射する光の偏光面は図の紙面に平行であり、液晶セル９０３、９０５への印加電圧とそのときのシフト位置の対応は表１に示す通りである。
【００２１】
上記の特許文献４に開示されている方法では、ＲＧＢの画素を重ね合わせるための３つのシフト位置に応じて動画像の各１フレーム期間を分割し、分割された期間（以下「サブフレーム期間」と称する）毎に異なる画像（「サブフレーム画像」）を画像表示素子に表示させる。
【００２２】
３つのシフト位置に応じた３種類のサブフレーム画像（シフト位置に対応してＡ、Ｂ、Ｃと分類する。）をＡＢＣＡＢＣ…と周期的に切り替えて表示するとき、光学シフト素子９００に印加する駆動電圧の波形は、図１３に示すようになる。図１３は、液晶セルの応答が瞬時に生じると仮定したときの駆動波形を示している。
【００２３】
図１３の駆動波形９０８は、液晶セル９０３に印加される電圧を示し、駆動波形９０９は、液晶セル９０５に印加される電圧を示している。なお、図１３では、液晶セルに印加される電圧が「Ｈｉｇｈ」のときを「ＯＮ」、「Ｌｏｗ」のときを「ＯＦＦ」と着さしている。これらの駆動波形における立ち上がりと立下りは、サブフレームの表示切り替わりに同期しており、画像切り替わりと同時に次のサブフレームのための電圧が各液晶セルに印加される。印加電圧のＯＮ／ＯＦＦとシフト位置との関係を以下の表１に示す。
【００２４】
【表１】
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【００２５】
なお、図１３の駆動波形は、液晶セル９０３および液晶セル９０５における液晶層が極めて高速に応答し、印加電圧の変化とともに瞬時に偏光面を回転させると仮定した場合の理想波形である。実際には、前述したＴＮ液晶セルの液晶層は有限の応答速度を持っており、更には、印加する電圧をＬｏｗ（典型的には０ボルト：ＯＦＦ）からＨｉｇｈ（液晶分子を動かすのに十分な電圧、例えば１０Ｖ：ＯＮ）へと変化させる場合と、印加電圧をＨｉｇｈからＬｏｗへと変化させる場合との間でも応答速度が異なる。その理由は、電圧をＬｏｗからＨｉｇｈにするときは、液晶層に形成される電界によって液晶分子の向きを強制的に１方向に配列させるのに対し、電圧をＨｉｇｈからＬｏｗにするときは、液晶層の界が弱くなり、液晶分子の配向が元の状態に自然に緩和されるのを待つためである。
【００２６】
液晶セル９０３と液晶セル９０５の応答速度は、光学シフト素子９００の前後に一対の偏光板を互いに直交させて配置し、光の透過率の時間変化で測定することができる。入射側偏光板で作られる直線偏光光の偏光面を回転させずに出射側の偏光板で遮光される暗状態を０％、偏光面が９０°回転し、出射側偏光板を透過できる最大の明状態を１００％とする。
【００２７】
測定対象の液晶セルの印加電圧をＯＮからＯＦＦまたはＯＦＦからＯＮに瞬間的に変化させると、透過率は液晶層の応答速度に応じたスピードで変化し、シフト位置の変化も、この透過率変化に対応して変化する。ただし、変化の過程で（例えばシフト位置ＢからＣへの変更において）シフト位置ＢとＣの中間量のシフト位置が発生する訳ではなく、シフト位置ＢとＣの存在比（強度比）が刻々と変化する。つまり、液晶分子の遷移の過渡的段階では直線偏光は楕円偏光化し、光学シフト素子の複屈折素子にとっては常光成分と異常光成分が両方存在する状態であり、同じ画像が２つのシフト位置に２重に表示される。
【００２８】
実際の高解像度画像表示おける光学シフト素子の動作は、サブフレーム画像の表示と画像シフトの関係を良好にするために、シフト位置の存在比の変化の中間点、即ち透過率が５０％になる時点とサブフレーム画像の切り替わりタイミングが略一致するように、駆動電圧の変更をサブフレームの切り替わりに先行させて行う。この駆動方法は例えば特許文献５に開示されている。
【００２９】
図１４は、図１３に示す理想駆動波形を、実際の液晶の応答速度を考慮して修正した駆動波形を示している。そのときの液晶セル単独の応答波形も併記している。
【００３０】
液晶セル９０３には駆動波形９１１が、液晶セル９０５には駆動波形９１３がそれぞれ印加され、その時の液晶セル単独での応答波形が応答波形９１２と応答波形９１４になる。光学シフト素子９００が一体化されている場合の液晶セル９０３および液晶セル９０５単独の応答速度を測定するには、もう一方の液晶セルで偏光面を回転させないように残りの液晶セルを常時ＯＮにしている。
【００３１】
図１４からも判るように、ＯＦＦからＯＮへの応答は高速なのでサブフレーム境界より少し手前の時刻で電圧印加を切り替えればよいが、ＯＮからＯＦＦへの応答は比較的長い時間を必要とするので、サブフレームの境界よりかなり前の時間に電圧印加を切り替えている。
【００３２】
ただし、すべての印加電圧の切り替えタイミングはそれぞれの応答速度から逆算して一意に決定されたものである。従って、「印加電圧の切り替えタイミングは、サブフレームの表示切り替えタイミングに同期している。」と言える。
【００３３】
【特許文献１】
米国特許第４、９８４、０９１号
【特許文献２】
特開昭５９−２３０３８３号公報
【特許文献３】
特開平４−６０５３８号公報
【特許文献４】
特開平９−１５５４８号公報
【特許文献５】
特開平１１−３２６８７７号公報
【００３４】
【発明が解決しようとする課題】
前述の液晶セルの応答速度を測定するための光学系では、透過光の偏光面方向を検知するだけなので、各シフト位置Ａ、Ｂ、Ｃの時間変化を直接に測定することはできない。特に、図１４に示す波形を持つ電圧を液晶セルに印加した場合、シフト位置Ａおよびシフト位置Ｂは、光学シフト素子９００を通過した後の光の偏光面が同一の向きになっているので両者を区別できない。しかし、液晶セル９０３、９０５を単独で動作させたときの応答波形９１２、９１４を数値処理することより、各シフト位置の存在比の時間変化９１５〜９１７を求めることができる。上記の方法で求めたシフト位置の存在比の変化を説明すると、以下のようになる。
【００３５】
まず、サブフレームＣでは、液晶セル９０３および液晶セル９０５が共にＯＮにある。このため、サブフレームＣからサブフレームＡに切り替わるタイミングにあわせて、液晶セル９０３のみをＯＮからＯＦＦに変化させることになる。このとき、液晶セル９０３における液晶の応答は、ＯＮからＯＦＦへの遷移であるため、ゆっくりと進行し、応答波形９１２の立ち上がりは緩やかである、これに対応して、シフト位置Ｃにおる存在比９１７も徐々に減少し、その代わりに、シフト位置Ａにおける存在比９１５が徐々に増加することになる。
【００３６】
サブフレームＡからサブフレームＢへの次ぎの切り替わりにおいては、液晶セル９０３の状態と液晶セル９０５の状態を同時に変化させる。具体的には、まず先に液晶セル９０５をＯＮからＯＦＦに変化させ、次に液晶セル９０３をＯＦＦからＯＮに変化させる。液晶セル９０５の状態変化を先行させる理由は、ＯＮからＯＦＦの切り替えによる液晶の応答速度が遅いためである。前述したように、サブフレームＡからサブフレームＢへの表示切り替わりの時点で、状態変化の程度（応答の程度）が５０％になるように、駆動波形９１１および９１３の遷移タイミングを調節している。
【００３７】
図１４からわかるように、サブフレームＡとサブフレームＢとの境界の時刻においては、応答波形９１２は急激に右下がりに変化し、応答波形９１４はゆっくりと右上がりに変化している。しかし、シフト位置Ａにおける存在比およびシフト位置Ｂにおける存在比の変化の速度は、応答の遅い方によって規定される。
【００３８】
サブフレームＢからサブフレームＣへの変化は、液晶セル９０５のみをＯＦＦからＯＮに変化させることによって行われる。このため、応答波形９１４のみが素早く変化するのに対応して、シフト位置Ｂにおける存在比は急速に減少し、シフト位置Ｃにおける存在比は急速に増加する。
【００３９】
サブフレームＣからサブフレームＡへの切り替わりが生じると、その後は、上記の動作が周期的に繰り返される。
【００４０】
以上説明してきたように、図１４に示す駆動の例によれば、サブフレームＢからサブフレームＣへの切り替わりに同期したシフト位置の切り替わりは高速に行われるが、サブフレームＣからサブフレームＡへの切り替わりに同期したシフト位置の切り替わりと、サブフレームＡからサブフレームＢへの切り替わりに同期したシフト位置の切り替わりは、いずれも、液晶の相対的に遅い応答速度のためにゆっくりとしか変化しない。このとき、２つのシフト位置に２重に画像が長期間表示されるので、解像度が低下することになる。
【００４１】
また、シフト位置Ａでは、シフト位置Ｃからシフト位置Ａに切り替わるときと、シフト位置Ａからシフト位置Ｂに切り替わるときの両方で２重像が発生する。これに対して、シフト位置Ｂおよびシフト位置Ｃでは、１フレームに１回だけ２重像が形成される。このため、シフト位置Ａでは、シフト位置Ｂおよびシフト位置Ｃに比べて解像力が更に低くなる。このようなシフト位置による解像度の差異は、シフト位置を周期的に変化させるとき、フリッカとして画像観察者に認識される。
【００４２】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、できる限り簡単な構成を採用しながら、画像シフト切り替えを高速で行える光学シフト素子および当該光学シフト素子を備えた表示装置を提供することにある。
【００４３】
【課題を解決するための手段】
本発明の光学シフト素子は、入射してきた直線偏光の光軸の位置を周期的にシフトさせる第１のシフト部および第２のシフト部を備えた光学シフト素子であって、前記第１のシフト部は、第１の印加電圧のＨｉｇｈ／Ｌｏｗに応答して、入射してきた光の偏光方向を直交する２つの方向の間で切り替えることができる第１の液晶セルと、前記第１の液晶セルを透過してきた光を透過する第１の複屈折素子とを備え、前記第２のシフト部は、第２の印加電圧のＨｉｇｈ／Ｌｏｗに応答して、入射してきた光の偏光方向を直交する２つの方向の間で切り替えることができる第２の液晶セルと、第３の印加電圧のＨｉｇｈ／Ｌｏｗに応答して、入射してきた光の偏光方向を直交する２つの方向の間で切り替えることができる第３の液晶セルと、前記第３の液晶セルを透過してきた光を透過する第２の複屈折素子とを備え、前記第１の液晶セル、前記第１の複屈折素子、前記第２の液晶セル、前記第３の液晶セル、および前記第２の複屈折素子がこの順序で直列的に配列されており、前記第１の複屈折素子でのシフトの方向と前記第２の複屈折素子でのシフトの方向とが略平行または略反平行であり、かつ、シフト量が略等しく、前記第３の液晶セルに含まれる液晶層は、直線偏光が前記第２の液晶セルに含まれる液晶層を透過する過程で発生した不要な偏光成分を低減する。
【００４４】
ある好ましい実施形態において、前記第２および第３の液晶セルに含まれる液晶層の中間部のダイレクタが相互に直交するように前記第２および第３の液晶セルが配置されている。
【００４５】
ある好ましい実施形態において、前記第１の複屈折素子および前記第２の複屈折素子の配置関係は、前記第１のシフト部によるシフト方向と前記第２のシフト部によるシフト方向とが略一致するように決定されている。
【００４６】
ある好ましい実施形態において、前記第１から第３の液晶セルのそれぞれに前記第１から第３の印加電圧を供給する駆動回路を備えている。
【００４７】
ある好ましい実施形態において、前記駆動回路は、シフトすべき画像の切り替えタイミングに同期させて、前記第１から第３のいずれか一方の印加電圧をＬｏｗ状態からＨｉｇｈ状態に変化させる。
【００４８】
ある好ましい実施形態において、前記駆動回路は、シフトすべき画像の表示が継続されている間に前記第１の印加電圧をＬｏｗ状態に変化させ、前記画像の表示が継続している間に前記第２および第３の印加電圧を、同時にＨｉｇｈの状態からＬｏｗ状態に変化させる。
【００４９】
ある好ましい実施形態において、前記駆動回路は、前記第２および第３の印加電圧の一方のみがＨｉｇｈ状態のときに、前記第１の印加電圧をＨｉｇｈ状態からＬｏｗ状態に変化させる。
【００５０】
本発明の表示装置は、画像を表示する画像表示部と、上記いずれかの光学シフト素子とを備えた表示装置であって、前記光学シフト素子を用いることにより、前記画像表示部から出た光を前記画像表示部の表示に同期させながらシフトさせる。
【００５１】
ある好ましい実施形態において、前記光学シフト素子の第１から第３の液晶セルのそれぞれに前記第１から第３の印加電圧を供給する駆動回路を備えている。
【００５２】
ある好ましい実施形態において、前記駆動回路は、シフトすべき画像の切り替えタイミングに同期させて、前記第１から第３のいずれか一方の印加電圧をＬｏｗ状態からＨｉｇｈ状態に変化させる。
【００５３】
ある好ましい実施形態において、前記駆動回路は、シフトすべき画像の表示が継続されている間に前記第１の印加電圧をＬｏｗ状態に変化させ、前記画像の表示が継続している間に前記第２および第３の印加電圧を、同時にＨｉｇｈの状態からＬｏｗ状態に変化させる。
【００５４】
ある好ましい実施形態において、前記駆動回路は、前記第２および第３の印加電圧の一方のみがＨｉｇｈ状態のときに、前記第１の印加電圧をＨｉｇｈ状態からＬｏｗ状態に変化させる。
【００５５】
ある好ましい実施形態において、前記駆動回路は、前記画像表示部を駆動する回路が形成された基板上に形成されている。
【００５６】
本発明の駆動回路は、上記いずれかの光学シフト素子に対して前記第１から第３の印加電圧を供給する駆動回路であって、前記光学シフト素子によってシフトすべき画像の切り替えタイミングに同期させて、前記第１から第３のいずれか一方の印加電圧をＬｏｗ状態からＨｉｇｈ状態に変化させるステップと、次の画像の切り替えの前に、前記第１の印加電圧をＬｏｗ状態に変化させるステップと、前記切り替えの前に、前記第２および第３の印加電圧を、同時にＨｉｇｈの状態からＬｏｗ状態に変化させるステップとを実行する。
【００５７】
ある好ましい実施形態において、前記第２および第３の印加電圧の一方のみがＨｉｇｈ状態のときに、前記第１の印加電圧をＨｉｇｈ状態からＬｏｗ状態に変化させるステップを実行する。
【００５８】
【発明の実施の形態】
（実施形態１）
図１から図４を参照しながら、本発明による表示装置の第１の実施形態を説明する。
【００５９】
図１に示されている本実施形態の表示装置は、バックライト１、液晶表示素子２、光学シフト素子３、および観察光学系４を備えている。バックライト１は透過型の液晶表示素子２を照明する光源であり、液晶表示素子２は、駆動回路５から駆動信号および映像信号を受け取り、映像信号に応じた内容を持つ画像を表示することができる。観察光学系４は、液晶表示素子２で表示された画像を光学的に拡大するための光学系である。観察者は光学シフト素子３および観察光学系４を介して、液晶表示素子２で表示された画像を観察することができる。
【００６０】
本実施形態ではバックライトが必要な透過型液晶表示素子を用いているが、画像を表示できる素子であれば、反射型の液晶表示であってもよく、また有機ＥＬ素子やプラズマディスプレイパネル（ＰＤＰ）などの自発光形の表示素子を用いることもできる。
【００６１】
光学シフト素子３の動作は、光学シフト素子用の駆動回路６によって制御される。駆動回路６は液晶表示素子２の映像表示に同期した駆動信号を光学シフト素子３に供給する。駆動回路６は光学シフト素子３に含まれる複数の液晶セルに対して個別に複数レベル（Ｈｉｇｈ／Ｌｏｗ）の電圧を印加するための電圧印加部を有している。
【００６２】
上記構成素子のうち、バックライト１、液晶表示素子２、観察光学系４、および駆動回路５は、基本的に、従来の表示装置で用いられてきた素子や回路と同様の構成を有しており、本実施形態に係る表示装置の特徴点は、光学シフト素子３の構成および動作にある。
【００６３】
図２は、本実施形態における光学シフト素子３の構成を示している。光学シフト素子３は、液晶表示素子２に表示された画像を画面の水平横方向にシフトさせる第１シフト部７と第２シフト部８とを有している。図２は、シフトする光の経路を見やすいように、図１の表示装置を上方から眺めた上面図である。
【００６４】
第１シフト部７は、光の入射側から直列的に配置された液晶セル９および複屈折素子１２を備えている。一方、第２シフト部８は、光の入射側から直列的に配置された液晶セル１０、液晶セル１１、および複屈折素子１３を備えている。
【００６５】
光学シフト素子３に含まれる液晶セル９〜１１の各々は、液晶層と、液晶層の光入射面および光出射面を挟み込む一対の透明電極（不図示）と、これらを挟み込む一対の透明基板とを備えている。液晶セル９および複屈折素子１２は、接着剤などによって一体化され、第１シフト部７がひとつの部品として機能するように構成されていてもよい。また、液晶セル１０、液晶セル１１、および複屈折素子１３が接着剤などによって一体化され、第２シフト部８がひとつの部品として機能すように構成されていてもよい。
【００６６】
液晶セル９〜１１は、ＴＮモードの液晶を用いて作製されており、印加電圧のＨｉｇｈ／Ｌｏｗに応じて、入射光の偏光面を約９０°回転させる状態（ＯＦＦ）と、入射光の偏光面を実質的に回転させずにそのまま出射する状態（ＯＮ）との間でスイッチングする。
【００６７】
なお、印加電圧がＨｉｇｈとは、液晶分子の旋光を解消させる（ＯＮ）に足る十分な電圧を意味し、印加電圧がＬｏｗとは液晶分子の配列に影響を与えない（ＯＦＦ）範囲の小さい電圧（典型的には０Ｖ）であることを意味する。本明細書では、「印加電圧がＯＮである」の表現を用いることがあるが、その意味するところは、液晶セルに印加する電圧が液晶分子をＯＮにする大きさを有していることにある。一方、「印加電圧がＯＦＦである」の意味は、液晶に印加する電圧が液晶分子の配列に影響を与えない大きさを有していることを意味する。
【００６８】
本実施形態では、第２シフト部８における液晶セル１０、１１のそれぞれの液晶層中間部におけるダイレクタ（配向ベクトル）は互いに直交しており、液晶セル１０および液晶セル１１は、それぞれ、光の進行方向に対して左回り（左旋）および右回り（右旋）に直線偏光を９０°回転させる。
【００６９】
液晶セル１０、１１に用いることのできる液晶の種類は、ＴＮ液晶に限定されず、両方の液晶層が共にＯＮからＯＦＦへ遷移する間において、一方の液晶層によって発生する不要な偏光成分を他方の液晶で低減（好ましくは「キャンセル」）できるものであれば、如何なるタイプの液晶であってもよい。例えば、ＥＣＢモードの液晶を用いることができる。
【００７０】
第１シフト部７は、液晶セル９とともに対を構成する他の液晶セルを含んでおらず、液晶セル９に用いる液晶の種類は任意である。液晶セル１０、１１とは異なる液晶材料を用いて液晶セル９を作製してもよい。
【００７１】
複屈折素子１２および複屈折素子１３は、いずれも、一軸性の結晶（例えば水晶）から形成される。これらの複屈折素子における結晶の光学軸は、図２に示すように、図の紙面と平行であり、かつ、光が入射する複屈折素子の表面に立てた法線に対して約４５°傾斜している。ただし、本実施形態の場合、複屈折素子１２の光学軸が傾斜する方向と複屈折素子１３の光学軸が傾斜する方向は反対側を向いており、２つの光学軸は直交している。
【００７２】
上記のような構成を採用しているため、偏光面が紙面に垂直な光は、複屈折素子１２、１３にとって常光であり、通常のスネルの法則に従って通過し、シフトしない。一方、偏光面が紙面に平行な光は、複屈折素子１２、１３にとって異常光となるため、正の複屈折材料によって複屈性素子を作製している場合には、光学軸が傾斜している方向に屈折することになる。異常光は、複屈折素子１２、１３から出ると、また常光の進行方向と同じ方向に進行するが、複屈折素子１２、１３を通過する間に、素子の厚さに比例した距離だけシフトする。図２に示す構成では、図の紙面の上または下方向にシフトする。より具体的には、複屈折素子１２によるシフトの方向は、図２の矢印Ｓ１で示され、複屈折素子１３によるシフトの方向は、矢印Ｓ２で示される。
【００７３】
本実施形態では、複屈折素子１２によるシフトの方向Ｓ１と複屈折素子１３によるシフトの方向Ｓ３とは、正反対であり、かつ、シフト量は液晶表示素子２における水平横方向の１画素ピッチに相当する。なお、本明細書における「シフトの方向（シフト方向）」とは、各複屈折素子における屈折で生じる光軸シフトの基点から終点に向いた方向を意味し、「シフトの量（シフト量）」とは、シフトの基点から終点までの距離を意味するものとする。
【００７４】
複屈折素子１２、１３に用いられる材料は、前述の水晶に限定されず、一軸結晶であれば如何なるものであってもよい。例えばニオブ酸リチウム、方解石、雲母、ルチル（ＴｉＯ2）、チリ硝石（ＮａＮＯ3）などの材料を用いることができる。ただしＨＭＤのように、表示装置の総従量を小さくする必要がある場合、屈折率異方性（Δｎ）が相対的に大きなニオブ酸リチウムやルチルを用いることが好ましい。Δｎが大きい材料であれば、必要な画像シフト量を得るために必要な複屈折素子１２、１３の厚さを薄くできるため、小型化および軽量化に適している。
【００７５】
液晶表示素子２からの光は、図２の紙面に垂直な方向に振動面を持つ直線偏光として光学シフト素子３に入射し、上記の構成により光学シフト素子３は、液晶セル９〜１１の各々の印加電圧を制御することにより入射光の偏光面方向をスイッチングし複屈折素子１２、１３で所定の画像シフトを発生させることができる。なお、液晶表示素子２を透過してくる光の偏光方向が図２の紙面に垂直ではなく、紙面に対して傾斜している場合は、液晶セル９に入射するまでに偏光方向を回転させることによって紙面に垂直な方向にすることが好ましい。このような偏光方向の回転は、１／２波長板などの位相差板によって行うことができる。
【００７６】
次に、光学シフト素子３の動作を説明する。
【００７７】
まず、表２を参照する。表２は、液晶セル９〜１１に印加される電圧の組み合わせが取り得る８つ状態と、各電圧印加状態に対応するシフト位置とを示している。光学シフト素子３が３つの液晶セルを含むため、取り得る電圧印加の状態の数は２×２×２＝８であるが、シフト位置は３種類しかない。なお、表２に示すシフト位置のＡ、Ｂ、Ｃは、図２の右側に示すシフト位置Ａ、Ｂ、Ｃと対応している。
【００７８】
【表２】
2004198693.tif 000004
【００７９】
次に、表３を参照する。表３は、駆動回路６によって実際に液晶セル９〜１１に印加される電圧の状態変化とシフト位置との関係を示している。
【００８０】
【表３】
2004198693.tif 000005
【００８１】
本実施形態では、光学シフト素子３の駆動を次のように実行する。
【００８２】
まず、表３に示すシフト順序１のとき、液晶セル１０のみがＯＮの状態にある。このとき、複屈折素子１２を通過する光は異常光となるため、図２の紙面における上方向（矢印Ｓ１の方向）にシフトするが、複屈折素子１３では常光となるため、シフトせずに通過し、シフト位置Ｃに到達する。
【００８３】
シフト順序２のとき、液晶セル９をＯＦＦからＯＮに変化させることにより、シフト位置をＣからＡに遷移させる。このとき、複屈折素子１２に入射する光は常光となるためシフトせず、複屈折素子１３では異常光となるため、図２の紙面における下方向（矢印Ｓ２の方向）にシフトする。このときの画像シフトは、液晶セル９をＯＦＦからＯＮに変化させることによって行うため、サブフレームの切り替えタイミングに同期させて素早く実行することができる。
【００８４】
シフト順序３のとき、液晶セル１１をＯＦＦからＯＮに変化させることにより、シフト位置をＡからＢに遷移させる。光学シフト素子３に入射した光は、複屈折素子１１および１２のいずれにとっても常光となるため、入射光の光軸はシフトしない。このときの画像シフトも、液晶セルをＯＦＦからＯＮにすることによって行うので、サブフレームの切り替えタイミングに同期させて素早く実行することができる。
【００８５】
この後、次のサブフレームへの切り替えまでの間に、液晶セル９〜１１をすべてＯＮからＯＦＦにする。ＯＮからＯＦＦへ遷移するとき、液晶セル１０および１１の各々の応答が遅いのは従来と変わりない。しかし、本実施形態では、右旋光の液晶セル１０と左旋光の液晶セル１１を組み合わせているため、液晶セル１０および１１が同時にＯＮからＯＦＦへ遷移する過渡状態にあっても、互いに相手の液晶セルによる旋光をキャンセルしたままである。そのため、状態変化の最中であっても、２つの液晶セル１０および１１を通過する光の偏光方向は変化しない。このように２枚の液晶セル１０、１１を組み合わせることにより、状態遷移の過程で生じる偏光の乱れを補償することが可能となる。このような２つの液晶セルを組み合わせた構成を第１のシフト部７に用いても、第２のシフト部８と同様に動作させることが可能であるが、本実施形態では、あえて第１のシフト部７に配置する液晶セルの数は１つに限定し、軽量化をはかっている。液晶セル９がＯＮからＯＦＦへの変化するときも、その変化の応答速度は遅いが、本実施形態の構成によれば、シフト位置はＢのままで変化しない。その理由は、以下の通りである。
【００８６】
すなわち、液晶セル９のＯＮからＯＦＦへの遷移においては、液晶セル９を通過した直線偏光は楕円偏光となってしまうため、複屈折素子１２を通過する際に異常光成分と常光成分の２経路に分離される。より詳細に述べれば、常光成分はシフトせずに複屈折素子１２を直進するが、異常光成分は図２において紙面における上方へシフトする。複屈折素子１２を出た異常光成分は、液晶セル１０および１１を通過する際に、その偏光面を回転させることなく、そのまま異常光成分として複屈折素子１３に入射する。このため、複屈折素子１２で矢印Ｓ１の方向にシフトした異常光成分は、今度は複屈折素子１３で矢印Ｓ２の方向に同じ量（距離）だけシフトする。一方、常光成分は、複屈折素子１２、１３でシフトを受けずに通過し、異常光成分と合流する。このため、液晶セル９をＯＮからＯＦＦへ変化させる過程で異常光成分と常光成分とが発生しても、その両者はシフト位置Ｂに集まるため、２重像は形成されない。
【００８７】
ここで、３つの液晶セルにおける電圧の印加状態を（液晶セル９の状態、液晶セル１０の状態、液晶セル１１の状態）と表現することにする。本実施形態によれば、（ＯＮ、ＯＮ、ＯＮ）から（ＯＦＦ、ＯＦＦ、ＯＦＦ）状態に至るまでの間に、（ＯＮ、ＯＦＦ、ＯＦＦ）および（ＯＦＦ、ＯＮ、ＯＮ）の中間状態が存在することになり、合計で４種の状態が存在することになる。しかし、表２からわかるように、これら４種の状態のすべてにおいて、シフト位置はＢである。このため、状態変化の途中でもシフト位置はＢのまま変化せず、液晶の応答速度が遅くとも、２重像は発生しない。
【００８８】
なお、上記の状態遷移の最中には、光学シフト素子３から出てくる光の偏光面は楕円偏光になり、しかも、遷移の途中では図の紙面に垂直な直線偏光と紙面に平行な方向にの直線偏光との比率は刻々と変化している。しかし、観察者の眼は偏光自体を検知できないため、このような偏光の変化は無視することができる。
【００８９】
上述のように、サブフレームの切り替えまでの間に液晶セル９〜１１の応答が完了し、次の表示切り替えと同時に液晶セル１０だけをＯＮにする。これにより、高速にシフト位置をＢから元の位置Ｃに切り替えることができ、電圧印加状態も最初の状態に戻る（シフト状態１）。
【００９０】
次に、図３を参照しながら、上記動作を行うために液晶セル９〜１１に印加する電圧の波形を説明する。
【００９１】
図３に示すサブフレームＡ〜Ｃは、それぞれ、図２のシフト位置Ａ〜Ｃに対応している。駆動波形１４は、液晶セル９に、駆動波形１６と１７は液晶セル１０と１１に印加される。表示画像がサブフレームＡからサブフレームＢに切り替わった後で、液晶セル１０、１１に印加する電圧をＯＮからＯＦＦに同時に変化させる。液晶セル９は、ペアとなる液晶セルを有してないため、液晶セル９をＯＮからＯＦＦにするタイミングは、液晶セル１０、１１をＯＦＦにするタイミングと同時でもよいし、多少前後にずれても構わない。
【００９２】
上記の駆動により、シフト位置Ａ、Ｂ、Ｃにおける照射光の存在比（強度比率）は、図３に示す存在比波形１９〜２１に従って変化する。本実施形態によれば、サブフレームが切り替わる各タイミングにおいて各シフト位置での照射光の存在比が急峻に増減するため、２重像の発生を大幅に抑えることができる。そして、シフト位置Ａ、Ｂ、Ｃにおける表示のされ方も均一化されるため、フリッカーの発生も抑えることができる。
【００９３】
なお、液晶材料の信頼性の観点から、交流駆動法を採用し、液晶セル９〜１１に実際に印加する電圧は、数百〜数ｋＨｚの交流であることが好ましい。この場合、ＯＮは、例えば振幅が１０Ｖの交流に対応し、ＯＦＦは、振幅が０Ｖまたは液晶分子の配列に影響を与えない大きさの交流に対応する。
【００９４】
図３に示す駆動波形によれば、液晶セル１０をＯＮにするタイミングは液晶セル１１をＯＮにするタイミングよりも早い。駆動波形１６と駆動波形１７との関係を逆にし、液晶セル１１をＯＮにするタイミングが液晶セル１１をＯＮにするタイミングよりも早くなってもよい。更に、画像シフトの繰り返しの途中で、駆動波形１６と駆動波形１７とを交互に入れ替えて液晶セル１０および１１に電圧を印加してもよい。
【００９５】
図４（ａ）〜（ｃ）は、上記のように画像シフト素子を駆動するとき、観察者に見える画像の状態を模式的に示している。図４（ａ）〜（ｃ）に示されている画像（画素配列）の位置関係は、図３に示すシフト位置Ａ〜Ｃに対応している。
【００９６】
シフト状態が分かり易いように、図４では、液晶表示素子２における同一のＧ画素に丸印をつけている。サブフレームの切換タイミングに同期して、画素は、図４（ａ）〜（ｃ）に示すように画面の水平横方向に１画素ずつシフトする。このシフト動作の結果、３つのサブフレームからなる期間内において、Ｒ、Ｇ、Ｂの画素（画素開口部）が同一の位置で１回ずつ重なって観察されることになる。このため、画素毎にＲＧＢを表示でき、液晶表示素子２の解像度を３倍に向上させることができる。
【００９７】
以上、説明したように、本実施形態によれば、光学シフト素子に含まれる液晶セルの数を図１２に示す従来の光学シフト素子に含まれる液晶セルの数よりも１つ増加させるだけで、常に高速な画像シフトを実現し、２重画像の発生を抑えることができる。また、必要な液晶セルの数を抑えることにより、駆動回路６の規模の拡大や光学シフト素子の重量増加を抑えることもできる。重量増加の抑制は、軽量化が求められているＨＭＤに本発明の光学シフト素子を用いる場合に特に有効である。
【００９８】
サブフレーム毎に画素を重ねて表示する代わりに、画素と画素の間のブラックマトリクスの位置に画素をシフトさせてもよい。その場合でも、解像度を高める効果を得ることができるからである。
【００９９】
なお、バックライト光として指向性を有する照明光を用いると共に、観察光学系の代りに投射レンズを設置すれば、本発明の表示装置を投影型表示装置として機能させることも可能である。この場合も、光学シフト素子によって解像度が向上する効果が得られる。
【０１００】
（実施形態２）
次に、図５および図６を参照しながら本実施形態による表示装置の第２の実施形態を説明する。
【０１０１】
本実施形態の表示装置と実施形態１の表示装置との差異は、本実施形態では、光学シフト素子３の代わりに光学シフト素子３０を採用している点にあり、その他の構成については、実施形態１の構成と全く同じであるので、その詳細な説明は省略する。
【０１０２】
まず、図５を参照する。図５は、本実施形態で用いる光学シフト素子３０の構成を示している。この光学シフト素子３０が、図２に示す光学シフト素子３と異なる点は、１／２波長板３１が第１シフト部７と第２シフト部８の間に配置されている点である。１／２波長板３１は、例えば、ＡＲＴＯＮフィルムを延伸して作られた位相差板である。光学シフト素子３と共通する部材には、同じ参照符号を付与している。
【０１０３】
本実施形態における光学シフト素子３０によれば、第１シフト部７の複屈折素子１２から出た光の偏光面は、１／２波長板３１によって常に９０°回転する。１／２波長板３１を透過した光は、第２シフト部８の液晶セル１０に入射するため、光学シフト素子３０と光学シフト素子３との間では、第２シフト部８における常光と異常光との関係が逆転する。このような構成によれば、液晶セル９〜１１の電圧印加状態とシフト位置の関係は、以下の表４に示す通りとなる。
【０１０４】
【表４】
2004198693.tif 000006
【０１０５】
なお、表４に示すシフト位置Ａ〜Ｃは、それぞれ、図５に示すシフト位置Ａ〜Ｃに対応している。光学シフト素子３０は、駆動回路６により、以下の表５に示すように動作する。
【０１０６】
【表５】
2004198693.tif 000007
【０１０７】
まず、シフト順序１において、液晶セル１０〜１２のすべてがＯＦＦであり、シフト位置はＣになる。次に、シフト順序２において、液晶セル９をＯＦＦからＯＮに変化させる。すると、シフト位置はＣからＡに移動する。この画像シフトは、液晶セルをＯＦＦからＯＮへ変化させることによって生じるため、これまでに述べたように、サブフレームの切り替えタイミングに同期させて素早く実行することができる。
【０１０８】
次に、シフト順序３において、液晶セル１０をＯＦＦからＯＮへ変化させる。これにより、シフト位置はＡからＢに移動する。このときの画像シフトも、液晶セルをＯＦＦからＯＮに変化させることによって行うため、サブフレームの切り替えタイミングに同期させて素早く実行することができる。
【０１０９】
次のサブフレームへの切り替えまでの間に、液晶セル９のみをＯＮからＯＦＦにする。液晶セル９のＯＮからＯＦＦへの応答速度は遅いが、本実施形態でも、その状態遷移期間においてシフト位置はＢのまま変わらない。過渡段階において液晶セル９を通過した光は、複屈折素子１２でシフトする異常光成分とシフトしない常光成分の２つに分かれるが、これら２つの成分は、１／２波長板３１から複屈折素子１３を通過する段階で合流するからである。
【０１１０】
電圧の印加状態を（液晶セル９の状態、液晶セル１０の状態、液晶セル１１の状態）と表現したとき、表４に示す駆動方法によれば、（ＯＮ、ＯＮ、ＯＦＦ）から（ＯＦＦ、ＯＮ、ＯＦＦ）状態へ変化する。表４からわかるように、この変化に際して、両方の状態ともシフト位置はＢである。このため、過渡段階でもシフト位置が動かず、２重画像は発生しない。
【０１１１】
次のサブフレームに切り替えるタイミングにおいて、液晶セル１１をＯＦＦからＯＮに変化させ、続いて液晶セル１０および１１を同時にＯＮからＯＦＦに変化させる。液晶セルをＯＮに変化させたことにより、シフト位置はＢからＣへ高速に切り替わるが、その後に液晶セル１０および１１を同時にＯＦＦにしても、シフト位置はＣのまま変化しない。
【０１１２】
以降の動作は、上記手順の繰り返しであり、３つの位置Ａ〜Ｃの間で画像を高速に切り替えることができる。
【０１１３】
図６は、本実施形態において光学シフト素子に印加する駆動電圧の波形と液晶の応答を示している。図６において、液晶セル９〜１１に印加する電圧は、それぞれ、駆動波形１４、１６、１７で示される波形を有している。液晶セル９の応答は、応答波形１５で示される波形を有し、液晶セル１０および１１の応答は、応答波形１８で示される波形を有している。また、シフト位置Ａ〜Ｃのそれぞれの位置における光の強度は、存在比１９〜２１で示すように変化する。
【０１１４】
本実施形態によれば、実施形態１と同様に、サブフレーム画像の切替わり時に高速で画像の位置をシフトさせることができる。
【０１１５】
本実施形態によれば、１／２波長板３１を追加したことにより、コストおよび透過率ロスが増加するが、それ以外の点では、実施形態１と同様の効果を得ることができる。
【０１１６】
本実施形態では、サブフレーム画像Ｂの表示期間中に液晶セル９のみをＯＮからＯＦＦに変化させ、サブフレーム画像Ｃ中に液晶セル１０および液晶セル１１を同時にＯＮからＯＦＦに変化させている。これに対して、実施形態１では、サブフレーム画像Ｂの表示期間中に、液晶セル９、液晶セル１０、および液晶セル１１をＯＮからＯＦＦに変化させている。
【０１１７】
本実施形態では、液晶セル９をＯＦＦにするタイミングと、液晶セル１０および液晶セル１１を同時にＯＦＦするするタイミングとを分けたことにより、同時に状態変化が起きる液晶セルの枚数が減るため、液晶の状態変化過程に生じる偏光の乱れがより少なくなり、２重像の発生を更に抑えることができる。
【０１１８】
１／２波長板３１は、図５に示す位置にではなく、液晶セル１１と複屈折素子１３との間に配置しても良い。このような配置を採用する場合でも、液晶セル９〜１１の駆動波形は図６の駆動波形と同一でよい。
【０１１９】
１／２波長板３１としては、延伸した板を複数枚重ねた広帯域波長板を用いても良い。また、通過光の偏光面を９０°回転させるには、１／２波長板３１の代わりに、適切な光学軸方向と厚みを持つ複屈折材料や、液晶セルを用いても良いてもよい。この場合に用いる液晶セルは通過光の偏光面を常に９０°回転させるためのものであるため、液晶セル９〜１１のように電圧を印加する必要がない。従って、１／２波長板の代わりに用いる１枚の液晶セルには、透明電極が不要であり、その分透過率の低下が抑えられる。ただし、ＨＭＤの場合、重量の増加は可能な限り抑える必要があるため、フィルム等から作製される１／２波長板を用いることが好ましい。
【０１２０】
（実施形態３）
次に、本実施形態による表示装置の更に他の実施形態を説明する。
【０１２１】
本実施形態の表示装置は、図１の表示装置において、画像表示シフト素子３を以下に説明する光学シフト素子３２に置き換えたものであり、その他の構成については実施形態１と全く同等であるので詳細は省略する。
【０１２２】
図７は、本実施形態に係る光学シフト素子３２の構成を示している。図２に示している光学シフト素子３と共通の部材には同一の参照符号を付与している。
【０１２３】
本実施形態の光学シフト３２が、光学シフト素子３と異なる点は、第２シフト部８が、複屈折素子１３に代えて複屈折素子３３を有している点にある。ただし、複屈折素子１３と複屈折素子３３との違いは、結晶の光学軸の向きだけである。すなわち、本実施形態における複屈折素子３３の光学軸は、複屈折素子１２の光学軸と平行である。言い換えると、光の透過方向を回転軸として複屈折素子１３を１８０度回転させることにより、図７の構成を得ることができる。
【０１２４】
本実施形態によれば、複屈折素子１２および３３は、いずれも、異常光が入射すると同じ方向（図の紙面における上方向）に１画素分に相当する距離だけ光軸をシフトする。
【０１２５】
本実施形態における液晶セル９〜１１に印加する電圧の状態とシフト位置の関係は、第２シフト部８におけるシフトの有無と向きが異なるものの、実施形態２における表４に示すものと全く同じである。従って、光学シフト素子３２の駆動方法および駆動波形も、それぞれ、表５および図６に示すとおりである。
【０１２６】
本実施形態においては、１／２波長板が不要であるため、光学シフト素子の透過率の低下を抑えることができ、全体として実施形態１の光学シフト素子と同程度の透過率を示すことになる。
【０１２７】
一方、本実施形態では、実施形態２の光学シフト素子と同じように駆動することができるため、実施形態１よりも好適な画像シフトを実行できる。
【０１２８】
以上説明してきたように、本発明では各液晶セルをＯＮからＯＦＦへ変化させるときにシフト位置を変化させないため、各液晶セルのＯＮからＯＦＦへの切り替えタイミングは、サブフレームの切り替わりと同期させる必要はない。例えば図８に示すように、各サブフレームの表示期間がＯＮからＯＦＦへの応答時間より十分に長い場合は、液晶セル９〜１１の駆動波形１４〜１７におけるＨｉｇｈからＬｏｗへの遷移タイミングは、例えば図８の斜線領域内で任意に設定することができる。
【０１２９】
また、液晶セル９の駆動波形１４におけるＨｉｇｈからＬｏｗへの遷移タイミングは、サブフレームＢからサブフレームＣに切り替わるまでに液晶セル９の応答が略終わるように設定すればよい。なお、液晶セル１０および１１が同時にＯＮからＯＦＦへ変化しつつある間は、液晶セル１０および１１を通過する光の偏光面が回転せず、また、サブフレームＣからサブフレームＡへの切り替わりに伴う画像シフトは液晶セル９をＯＦＦからＯＮに変化させることによって行う。このため、液晶セル１０および１１の駆動波形１６および１７におけるＨｉｇｈからＬｏｗへの遷移タイミングは、サブフレームＣおよびサブフレームＢの期間内に液晶の応答が略終わるように設定すればよく、駆動波形１４に比べて遷移タイミングの選択幅（図８の斜線部）が広くなっている。
【０１３０】
（実施形態４）
本発明による表示装置の更に他の実施形態を説明する。
【０１３１】
ここでは、一枚の液晶表示素子を使用した単板式の投影型カラー表示装置を説明する。
【０１３２】
本実施形態に係る投影型カラー表示装置は、特開平４−６０５３８号公報に開示されている投影型表示装置に本発明の光学シフト素子を組み合わせたものである。この投影型表示装置は、カラーフィルターを用いずにフルカラー画像を表示する単板式の投影型表示装置である。
【０１３３】
図９は、この投影型カラー表示装置の構成を示している。この表示装置は、図９に示すように、白色光源１０１、球面鏡１０２、およびコンデンサーレンズ１０３を有する光源部と、ダイクロイックミラー１０４Ｒ、１０４Ｇ、１０４Ｂと、マイクロレンズアレイ１０５が設けられた液晶表示素子１０７と、光学シフト素子１０８と、投影レンズ１０９とを備えている。本投影型カラー表示装置で形成される画像は、投影レンズ１０９の後方に配置されたスクリーンに投影表示される。
【０１３４】
白色光源１０１としては、メタルハライドランプ、ハロゲンランプ、またはキセノンランプなどの光源が好適に使用される。なお、図９には記載していないが、本投影型カラー表示装置には、液晶表示素子１０７への無用な紫外線および赤外線をカットするＵＶ−ＩＲカットフィルタがコンデンサーレンズ１０３の光束の出射口に挿入配置されている。これにより、紫外線および赤外線による液晶表示素子１０７の不要な温度上昇を低減できる。
【０１３５】
ダイクロイックミラー１０４Ｒ、１０４Ｇ、１０４Ｂは、それぞれ赤、緑、青の各波長帯の光を選択的に反射するものであって、１種類の波長帯の光以外は透過するようになっており、光源部からの略平行光の進行方向に対してそれぞれ異なる角度で配置されている。これらダイクロイックミラー１０４Ｒ、１０４Ｇ、１０４Ｂは、公知の多層膜コーティングによって作製される。
【０１３６】
上記ダイクロイックミラー１０４Ｒ、１０４Ｇ、１０４Ｂのそれぞれで反射された光束は、マイクロレンズアレイ１０５に入射する。このとき、ダイクロイックミラー１０４Ｒからの反射光（以下、Ｒ光と称する）はマイクロレンズアレイ１０５に対して略垂直に入射するが、ダイクロイックミラー１０４Ｇからの反射光（以下、Ｇ光と称する）およびダイクロイックミラー１０４Ｂからの反射光（以下、Ｂ光と称する）は、上記Ｒ光に対してそれぞれ反対方向に角度θｍだけ傾いてマイクロレンズアレイ１０５に入射する。より詳細には、図１０に示すように、マイクロレンズアレイ１０５上で各色の光束の照射領域が互いに重なり合うように入射する。
【０１３７】
図１０は、ＲＧＢ光が液晶表示素子１０７に入射する様子を示す断面図である。液晶素子１０７の光入射側には、３つの画素（Ｒ用画素、Ｇ用画素、Ｂ用画素）にひとつの割合でマイクロレンズ１０６が配置されている。このようなマイクロレンズアレイ１０５は、液晶表示素子１０７上に貼り付けられ、一体化されている。各マイクロレンズ１０６は、異なる角度で入射してきたＲＧＢ光を、対応する３つの画素に入射させる。各画素は独立して駆動されるため、ＲＧＢ光はそれぞれ独立して変調される。
【０１３８】
本実施形態における液晶表示素子１０７は、対角約２３ｍｍの画面サイズを有しており、画素は格子状に配列され、画素ピッチＰは縦横ともに１８μｍである。総画素数は縦７６８、横１０２４で、いわゆる「ＸＧＡ（eXtened Graphics Alley）」タイプの表示が可能である。ＴＦＴ素子が設けられている側の透明基板１０７ｂ基板は、ＯＡ用途で市販されている３板式の投影型表示装置に用いられるものを流用している。
【０１３９】
液晶表示素子１０７における画素配置は、図１１に示すようにＲＧＢ各色の正方形画素が斜め方向に直線状に並んだモザイク配列にしたがっている。ただし、ＲＧＢの各色の割り当てについては、対応する画素に対して映像回路から適切な色の階調信号が供給されるが、実際には、その色のカラーフィルターが液晶表示素子１０７に設けられている訳ではない。液晶表示素子１０７は、モノクロ映像を表示する構成を有しているが、図１０に示すようにＲＧＢの光を入射させ、透過させることにより、対応する画素からＲＧＢの光が出射されることになる。
【０１４０】
本実施形態では、光学シフト素子１０８として、実施形態３における光学シフト素子と同様の構成を有するものを使用している。光学シフト素子１０８の第１シフト部および第２シフト部のそれぞれにおける画像シフト量は、液晶表示素子１０７の画素ピッチ１８μｍに整合させている。
【０１４１】
液晶表示素子１０７を透過することによって変調された光は、光学シフト素子１０８を通って投影レンズ１０９に入射する。投影レンズ１０９を経た光はスクリーン上に画像を形成する。スクリーンの画像は、光学シフト素子によって周期的に画面横方向にシフトする。
【０１４２】
本投影型表示装置に入力されたフレーム周波数６０ＨｚのＸＧＡ解像度の映像信号は、各フレーム画像が３つのサブフレームに分解され、３倍の速さの１８０Ｈｚで順次切り替え表示される。光学シフト素子１０８は、図示していないシフト素子駆動回路から実施形態１〜３に述べた駆動法による印加電圧が加えられ、表示されるサブフレーム画像に同期して常に高速に画像シフトを行い２重像のない画像表示を行う。
【０１４３】
図１１（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ、３つの連続したサブフィールド期間においてスクリーン上に表示される画素配列を模式的に示している。スクリーン上に現れる図１１（ａ）の画素配列に比べると、図１１（ｂ）の画素配列は水平横方向に１画素分だけシフトしており、図１１（ｃ）の画素配列は水平横方向に２画素分だけシフトしている。図１１（ａ）〜（ｃ）の画素配列の位置は、それぞれ、前述したシフト位置Ａ〜Ｃに対応している。なお、図１１（ａ）〜（ｃ）では、シフト状態が分かり易いように、同一のＧ画素に丸印をつけている。ただし、投影レンズを通過することで液晶表示素子１０７の映像は１８０°回転してスクリーンに投影されるので、シフト方向は、図４（ａ）〜（ｃ）に示すシフト方向とは反対である。
【０１４４】
スクリーン上において画素に対応する固定した位置には、連続した３つのサブフレーム期間の間に、ＲＧＢの画素が１回ずつ表示される。サブフレームの表示周期および画像シフトの切り替え周期は、映像源の１フレームの３分の１であり、切換周波数は３倍である。その結果、人間の目には３板式と同様、１画素毎にＲＧＢのカラー表示能力を持ったＸＧＡ解像度の投影画像として認識される。言い換えると、本実施形態の表示装置によれば、単板式でありながら、３板式と同様のフルカラーの投影画像を実現できる。このため、投影型表示装置の低コスト化および軽量化に大きく寄与することになる。
【０１４５】
以上説明してきたように、本実施形態によれば、３枚の液晶セルを有する光学シフト素子を採用することにより、高速な画像シフトを実現し、解像度を向上させても２重画像のない高品位な映像を表示することができる。
【０１４６】
一般に、投影型表示装置では、各光学部品の透過率が投影画像の明るさに影響するが、光学シフト素子の透過率ロスは、従来の２枚の液晶セルを備えた光学シフト素子に１枚の液晶セルを追加しただけなので、明るさの低下を最小限に抑えることができる。
【０１４７】
なお、本実施形態の表示装置においても、画素を重ねるように画像シフトを行う代わりに、画素と画素との間のブラックマトリクスの位置に画像をシフトしても解像度を向上させることができる。
【０１４８】
上記の実施形態１〜４では、表示画面の水平横方向に画像をシフトしているが、表示画面の縦方向にシフトさせてもよい。その場合、映像回路が適切なサブフレーム画像を作成し、選択的に表示すれば、上記実施形態の効果と同様の効果が得られる。また、光学シフト素子に最初に入射する光の偏光面が各図の紙面に垂直な場合でも、３つのシフト位置を高速に切り替えることができる。
【０１４９】
以上の説明において、光学シフト素子を駆動するための回路（駆動回路６）を表示装置のどの部分に設けるかについては特に言及していないが、表示装置を駆動するための回路（駆動回路５）と一体化することが好ましい。表示素子として液晶表示パネルを用いる場合、駆動回路５は、集積度向上の観点から、アクティブマトリクス基板上に形成されることが好ましいが、このとき、光学シフト素子のための駆動回路６も同一基板上に形成することが望ましい。また、光学シフト素子の側に駆動回路６を設け、光学シフトモジュールとして一体化してもよい。
【０１５０】
【発明の効果】
本発明の光学シフト素子によれば、３枚の液晶セルと２枚の複屈折素子とを用いることにより、高速で光学シフトを実行することができる。このような光学シフト素子を用いることにより、２重像の発生を抑え、高解像度の画像を表示する軽量で明るい画面の表示装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による表示装置の第１の実施形態の構成を示す図である。
【図２】第１の実施形態における光学シフト素子の構成を示す図である。
【図３】図２の光学シフト素子を駆動するための電圧の波形と応答波形を示す図である。
【図４】（ａ）から（ｃ）は、画像シフトを示す図である。
【図５】本発明による表示装置の第２の実施形態における光学シフト素子の構成を示す図である。
【図６】本発明の第２および第３の実施形態における光学シフト素子を駆動すめための電圧波形と応答波形を示す図である。
【図７】本発明による表示装置の第３の実施形態における光学シフト素子の構成を示す図である。
【図８】本発明の第２および第３の実施形態のにおける光学シフト素子を駆動すめための他の電圧波形および応答波形を示す図である。
【図９】本発明による表示装置の第４の実施形態を示す図である。
【図１０】第４の実施形態で用いる液晶表示素子１０４における光の経路を示す断面図である。
【図１１】（ａ）から（ｃ）は、第４の実施形態における画像シフトを示す図である。
【図１２】従来の光学シフトの構成を示す図である。
【図１３】従来の光学シフト素子を駆動するための電圧の理想的な波形を示す図である。
【図１４】従来の光学シフト素子を駆動するための電圧の実際の波形と応答波形を示す図である。
【符号の説明】
１      バックライト
２      液晶表示素子
３、３０、３２  光学シフト素子
４      観察光学系
５      液晶表示素子の駆動回路
６      光学シフト素子の駆動回路
７      第１シフト部
８      第２シフト部
９〜１１  液晶セル
１２、１３、３３  複屈折素子
１４、１６、１７  液晶セルの駆動波形
１５、１８  液晶セルの応答波形
１９〜２１  シフト位置の存在比波形
３１    １／２波長板
１０１  白色光源
１０２  球面鏡
１０３  コンデンサーレンズ
１０４Ｒ、Ｇ、Ｂ  ダイクロイックミラー
１０５  マイクロレンズアレイ
１０６  マイクロレンズ
１０７  液晶表示素子
１０８  光学シフト素子
１０９  投影レンズ
９００  （従来の）光学シフト素子
９０１、９０２  シフト部
９０３、９０５  液晶セル
９０４、９０６  複屈折素子
９０７  光学軸
９０８、９０９  液晶セルの駆動波形（理想）
９１１、９１３  液晶セルの駆動波形
９１２、９１４  液晶セルの応答波形
９１５〜９１７  シフト位置の存在比波形
【図１】
2004198693.tif 000008
【図２】
2004198693.tif 000009
【図３】
2004198693.tif 000010
【図４】
2004198693.tif 000011
【図５】
2004198693.tif 000012
【図６】
2004198693.tif 000013
【図７】
2004198693.tif 000014
【図８】
2004198693.tif 000015
【図９】
2004198693.tif 000016
【図１０】
2004198693.tif 000017
【図１１】
2004198693.tif 000018
【図１２】
2004198693.tif 000019
【図１３】
2004198693.tif 000020
【図１４】
2004198693.tif 000021