(57)【要約】【課題】安価で優れた特性を備えた光学シフト素子、および、それを用いた投影型画像表示装置を提供する。【解決手段】本発明の光学シフト素子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を備える。第１の光学シフト部は、入射した光の偏光方向を変調する第１の素子ｇ１、および、光の偏光方向によって屈折率が異なっており、第１の素子を透過した光が入射する第２の素子ｇ２を含む。前記第２の素子ｇ２は、光の偏光方向によって屈折率が異なる複数の基板１０２が積層された積層板を有する。【選択図】  図１０
2004157223.tif 000002
【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の光学シフト部を備えた光学シフト素子であって、
前記第１の光学シフト部は、入射した光の偏光方向を変調する第１の素子、および、光の偏光方向によって屈折率が異なっており、前記第１の素子を透過した光が入射する第２の素子を含み、
前記第２の素子は、光の偏光方向によって屈折率が異なる複数の基板が積層された積層板を有する光学シフト素子。
【請求項２】
入射した光の偏光方向を変調する第１の素子、および、光の偏光方向によって屈折率が異なっており、前記第１の素子を透過した光が入射する第２の素子を含む第２の光学シフト部をさらに備え、
前記第２の光学シフト部の第２の素子は、前記第１の光学シフト部の第２の素子が有する複数の基板のうちのひとつと同じ形状を備えている請求項１に記載の光学シフト素子。
【請求項３】
前記複数の基板のそれぞれは光学軸を有し、前記光学軸と前記基板の主面とのなす角が６０〜７０度である請求項１に記載の光学シフト素子。
【請求項４】
前記複数の基板は光学軸をそれぞれ有し、前記複数の基板の光学軸が一致するように積層されている請求項１に記載の光学シフト素子。
【請求項５】
前記複数の基板の数は２つであり、前記２つの基板は互いに逆の旋光性を有している請求項１に記載の光学シフト素子。
【請求項６】
前記２つの基板は同じ旋光能を有する請求項５に記載の光学シフト素子。
【請求項７】
前記複数の基板の数は２つであり、前記２つの基板は、等しい旋光能および互いに逆の旋光性を有する請求項２に記載の光学シフト素子。
【請求項８】
前記第２の光学シフト部を出射した光が前記第１の光学シフト部に入射するよう前記第１の光学シフト部および前記第２の光学シフト部が配置されている請求項７に記載の光学シフト素子。
【請求項９】
前記基板は単軸結晶からなる水晶基板である請求項１から８のいずれかに記載の光学シフト素子。
【請求項１０】
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９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１３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
【特許文献７】
特開平５−３２７３８３号公報
【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。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素子と、複屈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。
【００２５】
このような機能を備えた複屈折素子は水晶板やニオブ酸リチウム板などの単結晶を用いて作製する必要があり、１つの単結晶原石から、所望の物性を備えた複屈折素子を多く取り出すことできなかったり、また、所望の物性を備えた複屈折素子を得るためには、非常に大きな単結晶原石を育成する必要がある。このため、複屈折素子が非常に高価になってしまう。
【００２６】
本発明の目的は、上述した課題を解決し、安価で優れた特性を備えた光学シフト素子、および、それを用い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の光学シフト部を備える。前記第１の光学シフト部は、入射した光の偏光方向を変調する第１の素子、および、光の偏光方向によって屈折率が異なっており、前記第１の素子を透過した光が入射する第２の素子を含む。前記第２の素子は、光の偏光方向によって屈折率が異なる複数の基板が積層された積層板を有する。
【００２８】
ある好ましい実施形態において、前記光学シフト素子は、入射した光の偏光方向を変調する第１の素子、および、光の偏光方向によって屈折率が異なっており、前記第１の素子を透過した光が入射する第２の素子を含む第２の光学シフト部をさらに備え、前記第２の光学シフト部の第２の素子は、前記第１の光学シフト部の第２の素子が有する複数の基板のうちのひとつと同じ形状を備えている。
【００２９】
ある好ましい実施形態において、前記複数の基板のそれぞれは光学軸を有し、前記光学軸と前記基板の主面とのなす角が６０〜７０度である。
【００３０】
ある好ましい実施形態において、前記複数の基板は光学軸をそれぞれ有し、前記複数の基板の光学軸が一致するように積層されている。
【００３１】
ある好ましい実施形態において、前記複数の基板の数は２つであり、前記２つの基板は互いに逆の旋光性を有している。
【００３２】
ある好ましい実施形態において、前記２つの基板は同じ旋光能を有する。
【００３３】
ある好ましい実施形態において、前記複数の基板の数は２つであり、前記２つの基板は、等しい旋光能および互いに逆の旋光性を有し、前記第２の光学シフト部を出射した光が前記第１の光学シフト部に入射するよう前記第１の光学シフト部および前記第２の光学シフト部が配置されている。
【００３４】
ある好ましい実施形態において、前記基板は単軸結晶からなる水晶基板である。
【００３５】
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前記いずれかの光学シフト素子とを備えている。
【００３６】
【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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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素子と、複屈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。
【００４０】
複屈折素子は、水晶板やニオブ酸リチウム板などの単結晶からなり、上述した機能を複屈折素子が実現するために、水晶板などの単結晶板は、基板の主面に対して所望の角度傾斜した光学軸を備えている必要がある。ここで、「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。図１１は、水晶原石１００から所望の角度で傾斜した光学軸ｋ２を有する水晶基板１０２を切り出す場合の水晶原石１００中の水晶基板１０２の配置を模式的に示している。図１１に示すように、一般に、水晶原石１００は、種結晶１０１を用いて大型のオートクレーブ（高圧育成炉）中で育成させる。種結晶１０１の２つの主面に対して垂直な方向に水晶は成長し、結晶の成長方向が光学軸ｋ２となる。
【００４１】
図１１に示すように、水晶原石は結晶の対称性を反映しながら成長するため、水晶の成長が進むにつれて、成長面１００ａの端部が傾斜した側面１００ｂを形成し、成長面１００ａは小さくなる。つまり、水晶原石１００が大きくなるほど、側面１００ｂが大きくなり、光学軸に垂直な成長面１００ａは小さくなる。また、結晶の成長速度は遅い。典型的には、成長面１００ａと種結晶１０１との距離ｄが３０ｍｍに達するまでに約４〜５ヶ月の時間を要する。このため、同じ種結晶１０１を用いる場合、一般に、水晶基板１０２のサイズが大きくなるほど、水晶原石１００から切り出し得る水晶基板１０２の数は減る。また、大きな水晶原石１００の製造には時間がかかる。その結果、水晶基板１０２のサイズが大きくなるほど、製造コストが急激にたかくなる。
【００４２】
図１２に示すように、水晶基板１０２の厚さをｔとし、光学軸を含む平面内における水晶基板１０２の横幅をＨとし、光学軸ｋ２の水晶基板１０２の主面に対する傾きをα（αは９０度以下の角度）とした場合、水晶基板１０２を切り出す水晶原石に必要な厚さｄは、以下の式（１）によって求められる。
【００４３】
【数１】
2004157223.tif 000003
【００４４】
式（１）から明らかなように、水晶基板１０２の横幅Ｈおよび水晶基板１０２の厚さｔが小さくほど、水晶原石に必要な厚さｄは小さくなる。また、水晶基板１０２の主面に対する光学軸ｋ２の傾きαも大きい方が好ましい。
【００４５】
このため、本願発明の一実施形態では、光学シフト素子に用いる水晶基板１０２として、複数の水晶板をその厚さ方向に張り合わせたものを用いる。ｎ枚の水晶板を積層する場合、各水晶板の厚さは１／ｎでよい。このため、水晶基板１０２を切り出す水晶原石１００の厚さｄを小さくすることができ、水晶基板１０２の製造コストを低減することができる。
【００４６】
本願発明の他の実施形態では、水晶基板１０２の主面に対する光学軸ｋ２の傾きαを６０〜７０度に設定する。一般に、水晶基板１０２の横幅Ｈは水晶基板１０２の厚さｔよりも大きいので、式（１）において、角度αを大きくした方が、水晶基板１０２を切り出す水晶原石１００の厚さｄを小さくすることができる。しかし、角度αがあまり大きくなりすぎると水晶原石の厚さに垂直な面内に占める水晶基板の面積が増える為、同じ水晶原石から取出せる水晶基板の数が少なくなり、また、光学活性も増加するという問題が生じる。このため、光学軸ｋ２の傾きαは６０〜７０度の範囲にあることが好ましい。このとき、水晶基板１０２の主面に垂直な法線と光学軸ｋ２のなす角θは２０〜３０度である。
【００４７】
また、本願発明の光学シフト素子は、入射する光の偏光方向を変調し、変調された偏向方向に基づいて、画像をシフトさせる。本願発明者は、通常の光学系では問題とならない水晶の光学活性に基づく物性が、本発明の光学シフト素子の動作に影響を及ぼすことを見出した。
【００４８】
水晶の光学活性とは、直線偏光（正常光および異常光のそれぞれ）が結晶を透過するとき、その偏光面が回転する現象を言いう。光学活性な媒質は、右円偏光および左円偏光が固有偏光となり、それぞれｎＲおよびｎＬの屈折率で伝播すると考えられる。この時、媒質の単位長さあたりの両円偏光の位相差δは式（２）で与えられる。
【００４９】
【数２】
2004157223.tif 000004
【００５０】
一般に直線偏光は、左右両方向の円偏光の和として式（３）で示すように表すことができる。式（３）において、第１項は左円偏光、第２項は右円偏光である。
【００５１】
【数３】
2004157223.tif 000005
【００５２】
このため、直線偏光の左右両方向の円偏光間にδの位相差がある場合、直線偏光は式（４）で示すように表される。
【００５３】
【数４】
2004157223.tif 000006
【００５４】
この時、直線偏光の方位は式（５）で表される。
【００５５】
【数５】
2004157223.tif 000007
【００５６】
この方位角ρの大きさを旋光能という。
【００５７】
本願発明者は、水晶板の旋光能のため、光学シフト素子を透過した光の偏光度および偏光方向の乱れが生じることを見出した。そして、直線偏光が右回りに回転する水晶基板、および、直線偏光が左回りに回転する水晶基板を張り合わせた積層水晶板を光学シフト素子の水晶板として用いることにより、上述の旋光能をゼロにし、光学シフト素子を透過する光の偏光度および偏光方向に悪影響が生じるのを防止できることを見出した。
【００５８】
以下、本発明の具体的な実施例として、投影型画像装置の実施形態を説明する。しかし、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。
【００５９】
まず、図１から図３を参照しながら本実施形態の投影型画像表示装置の構造を概略的に説明する。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
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サブフレーム画像生成回路１４を備える。以下、サブフレーム画像生成回路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。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
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。
【００７９】
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。
【００８０】
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６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光学シフト素子１０によって行われる。
【００８１】
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。
【００８２】
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。
【００８３】
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、光の偏向方向を直交する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をからなる第２の素子（水晶板）ｇ２とを有している。本実施形態では、第１の素子は液晶層を含む液晶素子であり、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。
【００８４】
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。
【００８５】
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だけ平行にシフトする。入射する光の光軸と出射する光の光軸とは平行になっている。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。
【００８６】
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。したがって、水晶いたｇ２から出射する光の光軸は入射光の光軸と一致する。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。
【００８７】
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。
【００８８】
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。
【００８９】
【数６】
2004157223.tif 000008
【００９０】
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
【００９１】
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。
【００９２】
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。
【００９３】
本実施形態の光学シフト部１０‘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。
【００９４】
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。
【００９５】
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。
【００９６】
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。
【００９７】
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。
【００９８】
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倍になっているため、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。
【００９９】
ここで、第１の光学シフト部１０’ａの水晶板ｇ２の光学軸ｋ２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、入射面の法線に対して角度θ（入射面に対して角度α）傾いている。入射光に対する傾きも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とは等しい。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。
【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、第２の光学シフト部１０’ｂの液晶素子ｇ１には電圧を印加しない場合、光学シフト素子１０に入射した光は、入射光がシフトしないで出射する位置ＡからΔｄだけシフトした位置Ｂから出射する。図１０に示すように、第１の光学シフト部１０’ａでシフトした光は、第２の光学シフト部１０’ｂの液晶素子ｇ１に印加する電圧によって位置Ｃまたは位置Ｄから出射させることができる。このようにして、光学シフト素子１０は、入射した光の光軸をＢ〜Ｄの位置にシフトさせることができる。したがって、光軸がシフトしないで位置Ａから出射させる場合も含め、合計４つの位置を選択し得る。シフト量となる各位置間の距離はΔｄだけ離れており、この距離は画素ピッチに対応している。以下、本発明による光学シフト素子のより具体的な例を説明する。
【０１０１】
（第１の実施形態）
本実施形態では、図１０に示すように、光学シフト素子１０のシフト量Δｄを２６μｍとし、水晶板ｇ２の光学軸ｋ２の主面に対する角度αを４５度（主面の法線からの角度θは４５度）とした。この場合、式（６）より、第１の光学シフト部１０’ａの水晶板ｇ２に必要な厚さ２ｔは８．８６ｍｍとなり、第２の光学シフト部１０’ｂの水晶板ｇ２に必要な厚さｔは４．４３ｍｍである。水晶板の主面は、４０ｍｍ（Ｈ）×４０ｍｍの矩形を有する。
【０１０２】
本実施形態では、４．４３ｍｍの厚さを有する水晶基板１０２を水晶原石１００から複数枚切り出し、水晶基板１０２を２枚張り合わせた積層基板を第１の光学シフト部１０’ａの水晶板ｇ２として用い、第２の光学シフト部１０’ｂの水晶板ｇ２には水晶基板１０２をそのまま用いる。張り合わせる２枚の水晶基板１０２の光学軸ｋ２はそれぞれの主面あるいは主面と垂直な法線に対して等しい角度で傾斜している。
【０１０３】
水晶基板１０２を２枚張り合わせた積層基板を第１の光学シフト部１０’ａの水晶板ｇ２として用いる場合、２つの水晶基板１０２間に隙間が生じないように接合することが好ましい。たとえば、文献７に開示されているような直接接合の技術を用いれば、隙間のない良好な接合を得ることができる。また、２枚の水晶基板１０２の光学軸ｋ２の方向が完全に一致するように張り合わせる。
【０１０４】
液晶素子ｇ１としては、上述したように屈折率異方性Δεが正のＴＮ液晶を一対の透明電極で挟み込んだ液晶セルを用いる。これらを用いて光学シフト素子を作製し、上述したように投影型画像表示装置に組み込ことによって、良好な品位の画像を表示することができる投影型画像表示装置を作製することができる。
【０１０５】
本実施形態によると、４．４３ｍｍの水晶基板を３枚用いて光学シフト素子を作製することができる。水晶基板を積層せずに、８．８６ｍｍの水晶基板および４．４３ｍｍの水晶基板を用いて光学シフト素子を作製する場合と、必要な水晶原石の総体積は同じであるが、必要な水晶原石の厚さを小さくすることができる。したがって、光学シフト素子の製造コストを低減させることができる。また、第１の光学シフト部１０’ａの水晶板ｇ２として張り合わせる水晶基板１０２は、第２の光学シフト部１０’ｂの水晶板ｇ２と同じ形状を備えており、光学シフト素子の作製に必要な水晶基板の仕様も１種類になるので、生産性が向上する。
【０１０６】
（第２の実施形態）
本実施形態では、図１０に示すように、光学シフト素子１０のシフト量Δｄを２６μｍとし、水晶板ｇ２の光学軸ｋ２の主面に対する角度αを６５度（主面の法線からの角度θは２５度）とした。この場合、式（６）より、第１の光学シフト部１０’ａの水晶板ｇ２に必要な厚さ２ｔは１１．５２ｍｍとなり、第２の光学シフト部１０’ｂの水晶板ｇ２に必要な厚さｔは５．７６ｍｍである。水晶板の主面は、４０ｍｍ（Ｈ）×４０ｍｍの矩形を有する。
【０１０７】
第１の実施形態と同様、５．７６ｍｍの厚さを有する水晶基板１０２を水晶原石１００から複数枚切り出し、水晶基板１０２を２枚張り合わせた積層基板を第１の光学シフト部１０’ａの水晶板ｇ１として用い、第２の光学シフト部１０’ｂの水晶板ｇ２には水晶基板１０２をそのまま用いる。そして、光学シフト素子および投影型画像表示装置を作製する。本実施形態の光学シフト素子を用いても、良好な品位の画像を表示することができる投影型画像表示装置を作製することができる。
【０１０８】
本実施形態に用いる水晶基板１０２では、幅Ｈが４０ｍｍであり、厚さｔが５．７６ｍｍであり、水晶基板１０２の主面に対する光学軸の傾きαは６５度である。この水晶基板１０２を切り出すのに必要な水晶原石１００の厚さｄは、式（１）から、ｄ＝４０×ｃｏｓ６５°＋５．７６×ｓｉｎ６５°＝２２．１３ｍｍとなる。一方、水晶基板１０２のサイズはそのままにして、光学軸の傾きαを４５度とした場合、水晶原石１００の厚さｄは、ｄ＝４０×ｃｏｓ４５°＋４．４３×ｓｉｎ４５°＝３１．４２ｍｍとなる。したがって、本実施形態によれば、水晶板の光学軸の傾きαが４５度である場合に比べて、水晶原石１００の厚さｄを約７割程度にすることができ、光学シフト素子の製造コストを大幅に低減することができる。
【０１０９】
（第３の実施形態）
本実施形態では、第１の実施形態と同様、光学シフト素子１０のシフト量Δｄを２６μｍとし、水晶板ｇ２の光学軸ｋ２の主面に対する角度αを４５度（主面の法線からの角度θは４５度）とした。この場合、式（６）より、第１の光学シフト部１０’ａの水晶板ｇ２に必要な厚さ２ｔは８．８６ｍｍとなり、第２の光学シフト部１０’ｂの水晶板ｇ２に必要な厚さｔは４．４３ｍｍである。水晶板の主面は、４０ｍｍ（Ｈ）×４０ｍｍの矩形を有する。
【０１１０】
本実施形態においても、水晶基板１０２を２枚張り合わせた積層基板を第１の光学シフト部１０’ａの水晶板ｇ１として用い、第２の光学シフト部１０’ｂの水晶板ｇ２には水晶基板１０２をそのまま用いる。張り合わせる２枚の水晶基板１０２は光学活性を有し、その旋回の方向は互いに異なっている。つまり、２枚の水晶基板１０２の一方は右旋回性を有し、他方は左旋回性を備えている。旋回の方向は逆であるが、旋光能は等しく、同じ角度だけ回転させる。
【０１１１】
旋回方向の異なる右旋回性水晶基板１０２および左旋回性水晶基板１０２は、それぞれ右旋回性および左旋回性の種水晶を用意して、結晶を成長させることにより、右旋回性および左旋回性水晶原石１００を作製し、それぞれの水晶原石１００から切り出すことによって得られる。
【０１１２】
この場合、式（２）で規定される単位長さに対する両円偏光の位相差δの符号が右旋回性水晶基板１０２および左旋回性水晶基板１０２とで逆になる。また、右旋回性水晶基板１０２および左旋回性水晶基板１０２はいずれも４．４３ｍｍの厚さを有するので、右旋回性水晶基板１０２および左旋回性水晶基板１０２全体としての旋光能の大きさは等しい。このため、右旋回性水晶基板１０２および左旋回性水晶基板１０２を張り合わせて作製した積層板からなる水晶板ｇ２は旋光能がゼロとなる。
【０１１３】
この積層板からなる水晶板ｇ２を第１の光学シフト部１０’ａに用い、第２の光学シフト部１０’ｂの水晶板ｇ２には、いずれかの右旋回性水晶基板１０２または左旋回性水晶基板１０２のいずれかを用いて光学シフト素子を作製する。
【０１１４】
この光学シフト素子において、第１の光学シフト部１０’ａの水晶板ｇ２を透過する光は、水晶板ｇ２において旋回しないため、第２の光学シフト部１０’ｂに入射する光は、水平または垂直にのみ偏向している。したがって、第２の光学シフト部１０’ｂによるシフトが不完全となり、２つの位置に光がシフトされることなく、第２の光学シフト部１０’ｂによって入射した光のすべてが正しく制御され、所定の位置にのみ光をシフトさせることができる。
【０１１５】
また、この光学シフト素子を用いて投影型画像表示装置を作製することによって、解像度の低下がなく、表示品位の高い画像を表示することのできる投影型画像表示装置が得られる。
【０１１６】
なお、上記実施形態では２枚の水晶基板を積層した積層板を第１の光学シフト部の水晶板に用いたが、第２の光学シフト部の水晶板に水晶基板を積層した積層板を用いてもよい。また、積層する水晶基板の数は２枚に限定されるものではなく、３枚以上の水晶基板を張り合わせた積層板を用いてもよい。
【０１１７】
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およびそれに用いられる光学シフト素子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。
【０１１８】
【発明の効果】
本発明によれば、安価で優れた特性を備えた光学シフト素子が得られる。また、この光学素子を用いることによって、良好な表示品位の画像を表示することのできる投影型画像表示装置が得られる。
【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】画像シフト素子を示す模式図である。
【図１１】水晶原石、水晶原石から切り出す基板、およびその光学軸の関係を示す図である。
【図１２】水晶原石から切り出された基板における光学軸および水晶原石における厚さの方向を示す図である。
【図１３】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
１００  水晶原石
１０１  種結晶
１０２  水晶板
【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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