(57)【要約】【課題】画像表示装置に好適に用いられる光学シフト素子、および、それを備え、高品位の表示が可能な画像表示装置ならびに投影型画像表示装置を提供する。【解決手段】入射した光の偏光方向を変調する偏光変調素子２と、光の偏光方向によって屈折率が異なり、光の偏光方向に応じて光軸位置をシフトさせる複屈折素子３とを含む光学シフト部１を少なくとも１つ備えた光学シフト素子である。光学シフト部１は、複屈折素子３を通過する常光と異常光との換算距離の差を補償する補償素子を有する。【選択図】  図１
2004272170.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射した光の偏光方向を変調する偏光変調素子と、光の偏光方向によって屈折率が異なり、光の偏光方向に応じて光軸位置をシフトさせる第１の複屈折素子とを含む光学シフト部を少なくとも１つ備えた光学シフト素子であって、
前記少なくとも１つの光学シフト部のうちの少なくとも一部の光学シフト部は、前記第１の複屈折素子を通過する常光と異常光との換算距離の差を補償する補償素子を有する、光学シフト素子。
【請求項２】
前記補償素子は、光の偏光方向によって屈折率が異なり、光の偏光方向に応じて光軸位置をシフトさせる第２の複屈折素子および第３の複屈折素子を含み、
前記第２の複屈折素子による光軸位置のシフト方向は、前記第１の複屈折素子による光軸位置のシフト方向と略直交し、
前記第３の複屈折素子による光軸位置のシフト方向は、前記第２の複屈折素子による光軸位置のシフト方向とは反対であり、
前記第２の複屈折素子および前記第３の複屈折素子による光軸位置のシフト量は互いに略等しい、請求項１に記載の光学シフト素子。
【請求項３】
前記第２の複屈折素子および前記第３の複屈折素子は、前記第１の複屈折素子と同じ材料から形成されており、
前記第２の複屈折素子および前記第３の複屈折素子による光軸位置のシフト量は、それぞれ前記第１の複屈折素子による光軸位置のシフト量の略半分である、請求項２に記載の光学シフト素子。
【請求項４】
前記補償素子は、光の偏光方向によって屈折率が異なり、光の偏光方向に応じて光軸位置をシフトさせる第４の複屈折素子を含み、
前記第４の複屈折素子による光軸位置のシフト方向は、前記第１の複屈折素子による光軸位置のシフト方向と略直交し、
前記第４の複屈折素子は、前記第１の複屈折素子と同じ材料から形成されており、
前記第４の複屈折素子による光軸位置のシフト量は、前記第１の複屈折素子による光軸位置のシフト量と略等しい、請求項１に記載の光学シフト素子。
【請求項５】
前記補償素子は、光の偏光方向によって屈折率が異なる第５の複屈折素子を含み、前記第５の複屈折素子が有する光学軸は、前記少なくとも一部の光学シフト部に入射する光の光軸に対して略垂直である、請求項１に記載の光学シフト素子。
【請求項６】
前記補償素子は、光の偏光方向によって屈折率が異なり、光の偏光方向に応じて光軸位置をシフトさせる第６の複屈折素子と、入射光の偏光方向と出射光の偏光方向とが直交するように光の偏光方向を回転させる第１の偏光回転素子とを含み、
前記第１の偏光回転素子は、前記第１の複屈折素子と前記第６の複屈折素子との間に配置されており、
前記第６の複屈折素子による光軸位置のシフト方向は、前記第１の複屈折素子による光軸位置のシフト方向とは反対であり、
前記第６の複屈折素子による光軸位置のシフト量は、前記第１の複屈折素子による光軸位置のシフト量と略等しい、請求項１に記載の光学シフト素子。
【請求項７】
前記第６の複屈折素子は、前記第１の複屈折素子と同じ材料から形成されている、請求項６に記載の光学シフト素子。
【請求項８】
前記補償素子は、光の偏光方向によって屈折率が異なり、光の偏光方向に応じて光軸位置をシフトさせる第７の複屈折素子および第８の複屈折素子と、入射光の偏光方向と出射光の偏光方向とが直交するように光の偏光方向を回転させる第２の偏光回転素子および第３の偏光回転素子とを含み、
前記第２の偏光回転素子は、前記第１の複屈折素子と前記第７の複屈折素子との間に配置され、前記第３の偏光回転素子は、前記第７の複屈折素子と前記第８の複屈折素子との間に配置されており、
前記第７の複屈折素子による光軸位置のシフト方向は、前記第１の複屈折素子による光軸位置のシフト方向とは反対で、前記第７の複屈折素子による光軸位置のシフト量は、前記第１の複屈折素子による光軸位置のシフト量の略２倍であり、
前記第８の複屈折素子による光軸位置のシフト方向は、前記第１の複屈折素子による光軸位置のシフト方向と同じで、前記第８の複屈折素子による光軸位置のシフト量は、前記第１の複屈折素子による光軸位置のシフト量と略等しい、請求項１に記載の光学シフト素子。
【請求項９】
前記第７の複屈折素子および前記第８の複屈折素子は、前記第１の複屈折素子と同じ材料から形成されている、請求項８に記載の光学シフト素子。
【請求項１０】
前記少なくとも１つの光学シフト部は、光路上に直列的に配列された複数の光学シフト部であり、前記複数の光学シフト部を通過した光の光軸を３つ以上の位置に設定することができる、請求項１から９のいずれかに記載の光学シフト素子。
【請求項１１】
前記複数の光学シフト部のうち前記光路上で光が最後に入射する光学シフト部が前記補償素子を有している、請求項１０に記載の光学シフト素子。
【請求項１２】
前記複数の光学シフト部のうち光軸位置のシフト量がもっとも大きい光学シフト部が前記補償素子を有している、請求項１０に記載の光学シフト素子。
【請求項１３】
前記複数の光学シフト部を通過して光軸が前記３つ以上の位置に設定された光の換算距離が２種類である、請求項１０から１２のいずれかに記載の光学シフト素子。
【請求項１４】
前記複数の光学シフト部のそれぞれが前記補償素子を有している、請求項１０に記載の光学シフト素子。
【請求項１５】
前記複数の光学シフト部を通過して光軸が前記３つ以上の位置に設定された光の換算距離が１種類である、請求項１０または１４に記載の光学シフト素子。
【請求項１６】
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、
前記画像表示パネルから出射した光が入射するように配置された請求項１から１５のいずれかに記載の光学シフト素子とを備えた画像表示装置。
【請求項１７】
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、
前記画像表示パネルから出射した光が入射するように配置された請求項１から１５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画像表示装置や投影型画像表示装置に関する。
【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、行及び列（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、スイッチング素子や配線が形成された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。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は画素開口部の割合（開口率）を小さくしてしまう。
【０００５】
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。
【０００６】
そこで、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、高精細の表示パネルを製造する場合と比較して開口率の低下が抑制される。
【０００７】
上記のような画像をシフトさせる技術は、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画像表示装置や、観察光学系を用いて虚像の拡大像を観察するＨＭＤにも適用することができる。
【０００８】
液晶表示素子を用いた投影型画像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た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。
【０００９】
前者の３板式の投影型画像表示装置は、光源から発せられた白色光を赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３原色の光束（色光）に分離し、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、各色光を変調するための３枚の液晶表示パネルとを備えており、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】
３板式の投影型画像表示装置では、光源からの光を有効に利用でき、また、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、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り、また、液晶表示パネルを３枚用いるので、光学系が繁雑で部品点数が多くなってしまい、低コスト化及び小型化の点では、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画像表示装置では、使用する液晶表示パネルが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、低コスト化および小型化に適している。単板式の投影型画像表示装置としては、モザイク状やストライプ状に配列された３原色のカラーフィルタが設けられた液晶表示パネルを用い、この液晶表示パネルで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に開示されている単板式の投影型画像表示装置では、扇形に配列されたダイクロイックミラーと、マイクロレンズアレイが貼り付けられた液晶パネルとを用いて、液晶パネルの各画素にＲＧＢの光を分離・集光させるので、カラーフィルタを用いずにフルカラー表示を実現することができ、その結果、投影画像の明るさが向上する。
【００１３】
ここで３板式と単板式とを画像の解像度の点から比較する。同じ解像度（画素数）の液晶表示パネルを用いる場合には、３板式と単板式とではそ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なうため、各液晶表示パネルの画素数と同じ画素数のフルカラー画像をスクリーン上で表示できる。これに対して、単板式では液晶表示パネルの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。
【００１４】
勿論、液晶表示パネルの画素数を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、それに伴う問題点は既に述べた通りである。このような問題点を解決して単板式の投影型画像表示装置で解像度の高い表示を行うために、上述した画像をシフトさせる技術を用いることができる。
【００１５】
特許文献４には、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の各画素を光学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式が開示されている。この方式では、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、見かけ上の解像度を３倍に向上させることができる。
【００１６】
図１５に、特許文献４に開示されている方式を用いた投影型画像表示装置を模式的に示す。この投影型画像表示装置は、図１５に示すように、カラーフィルタを備えた画像表示素子９０７と、画像表示素子９０７に表示された画像をスクリーン上に拡大投影する投影レンズ９０８と、画像表示素子９０７で変調された光の光軸の位置をシフトさせることによってスクリーン９０９上での画像の位置をシフトさせる光学シフト素子９００とを備えている。
【００１７】
光学シフト素子９００は、光路上に直列的に配置された２つの光学シフト部９０１、９０２を有している。光学シフト部９０１、９０２は、光の伝搬方向に沿って直列的に配置された液晶セル９０３、９０５と複屈折素子９０４、９０６とを備えている。
【００１８】
液晶セル９０３、９０５は、液晶層を含み、入射する直線偏光の電場ベクトルの振動面（以下「偏光面」と称する。）を制御する。液晶セル９０３、９０５の液晶層は、ＴＮモードの液晶層である。液晶セル９０３、９０５の液晶層に電圧が印加されていないとき（オフ状態）には、液晶層の液晶分子は液晶層の厚さ方向に沿って９０°ねじれており、入射光の偏光面は液晶分子の旋光性によって９０°回転する。一方、液晶セル９０３、９０５の液晶層に適切なレベル電圧が印加されているとき（オン状態）には、液晶分子の向きは電界の向きに整合しているので、入射光の偏光面は光が液晶層を通過する過程で回転しない。液晶セル９０３、９０５は、画像表示素子９０７のような画素構造は有しておらず、その構造が単純であるので、比較的容易に作製できる。
【００１９】
複屈折素子９０４、９０６は、一軸性の結晶材料（例えば水晶）から形成された平行平板型の素子であり、その光学軸９０４´、９０６´の方向は、図１５に示したように、紙面と平行で光の入射する面の法線に対して４５°傾いている。従って、偏光面が紙面に垂直な入射光は複屈折素子９０４、９０６にとっては常光であり、通常のスネルの法則に従って複屈折素子９０４、９０６を通過する。そのため、偏光面が紙面に垂直な光が複屈折素子９０４、９０６の入射面に垂直に入射すると、まっすぐに通過することになる。一方、偏光面が紙面に平行な光は複屈折素子９０４、９０６にとっては異常光であり、入射光の光軸と複屈折素子９０４、９０６の光学軸９０４´、９０６´とを含む面内で屈折してその進行方向が変わる。異常光が複屈折素子９０４、９０６から出射すると、その進行方向はまた常光と同じに戻るが、異常光の光軸の位置は、複屈折素子９０４、９０６を通過する間にその厚さに比例した分のシフトを受ける。
【００２０】
光が先に通過する複屈折素子９０４によるシフト量と後に通過する複屈折素子９０６によるシフト量は、共に画像表示素子９０７の１画素ピッチ相当であり、これらの複屈折素子９０４、９０６によるシフトの向きは同じ方向（紙面上方向）である。従って、光学シフト素子９００は、光の光軸の位置を、シフト量がゼロの位置、１画素分シフトした位置、２画素分シフトした位置の３つの位置に設定することができる。
【００２１】
なお、「光学軸（ｏｐｔｉｃ  ａｘｉｓ）」とは、水晶や方解石等の１軸性の複屈折結晶において、複屈折の生じない光線の進行方向の軸である。光学軸は、光学系の光軸（ｏｐｔｉｃａｌ  ａｘｉｓ）とは異なりただ１本だけ存在する訳ではなく、例示された一本の光学軸に平行な方向は全て光学軸とみなせる。
【００２２】
図１５では、光学シフト素子９００に入射する光の偏光面が紙面に平行な場合を例示している。このときの液晶セル９０３、９０５への印加電圧（オン／オフ）とシフト位置との対応関係を表１に示す。表１に示すように、液晶セル９０３、９０５への印加電圧を適宜選択することによってシフト位置を選択することができる。
【００２３】
【表１】
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【００２４】
ＲＧＢの画素を重ね合わせるためには、具体的には、以下の操作を行う。
【００２５】
まず、各フレーム期間を３つの期間（「サブフレーム期間」と称する）に分割し、各フレーム画像からシフト軸上で１画素分ずつずれた画像（「サブフレーム画像」と称する）を各サブフレーム期間ごとに作成する。そして、作成した３つのサブフレーム画像を画像表示素子９０７に順次表示させる。画像表示素子９０７が有するＲＧＢの画素はシフト方向に沿って周期的に並んでおり、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素子９０７の画素領域に対応する。
【００２６】
３つのサブフレーム画像の表示の切り替えに同期して、サブフレーム画像の作成の際にずらしたのとは逆方向に、光学シフト素子９００で画像シフトを行う。サブフレーム画像をシフト位置Ａ、Ｂ、Ｃに対応させ、例えばＡＢＣＡＢＣ・・・と周期的に切替表示するとき、光学シフト素子９００には表１の印加電圧をシフト位置ＡＢＣに応じて切替えた駆動波形が与えられる。
【００２７】
図１６（ａ）〜（ｃ）は、スクリーン９０９上での各サブフレームの表示状態を視点を動かさずに観察したときの画面の一部である。図１６（ａ）、（ｂ）および（ｃ）は、それぞれ図１５に示したシフト位置Ａ、Ｂ、Ｃに対応している。ただし、投影レンズ９０８で投影する際に画像が１８０°回転するので、図１５のシフト位置Ａ、Ｂ、Ｃと図１６（ａ）、（ｂ）、（ｃ）とではシフト方向が逆向きにみえる。
【００２８】
図１６（ａ）〜（ｃ）では、シフトの状態が分かり易い様に同一のＧ画素に白丸を付している。図１６（ａ）のシフト位置Ａでの白丸の位置に注目すると、シフト位置Ｂ（図１６（ｂ））では、全体が１画素分右にシフトするのでＧ画素の左側にあるＲ画素が表示され、シフト位置Ｃ（図１６（ｃ））では、Ｇ画素の２画素左にあるＢ画素が表示される。
【００２９】
各サブフレーム画像は、この位置に対応する画素のＲＧＢの色情報をそれぞれ表示し、他の場所についてもＲＧＢの情報が画素シフトと共に順次選択表示されるので、３つのサブフレームを通じて、スクリーン９０９上では全ての画素位置においてＲＧＢの情報がそれぞれ１回ずつ表示される。サブフレーム表示とシフトの切替え周期は元映像のフレーム表示の３倍速で行なわれており、本来１画素がＲＧＢの内１色しか表示できない単板式の投影型画像表示装置を用いて、３板式と同様の１画素毎にＲＧＢのカラー表示能力を持った投影画像を人間の目に映すことができ、表示装置の解像度を向上させることができる。
【００３０】
【特許文献１】
米国特許第４９８４０９１号明細書
【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
【００３１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、光学シフト素子を用いて解像度を向上させる画像表示装置、とりわけ、比較的画面のサイズが小さな画像表示素子の表示画面を何十倍にも拡大することによって大画面表示を行う投影型の画像表示装置においては、以下のような問題が発生することを本願発明者は見出した。
【００３２】
図１６に示した各サブフレームの表示とシフトとの関係は、実は理想的な状態を示している。画像表示素子９０７の画素開口部によって形成される光点のサイズ（≒画素サイズ）は、理想的には、図１６（ａ）〜（ｃ）に示した２本の点線からもわかるようにそれぞれのシフト位置で揃っており、スクリーン９０９上の１つの画素に対応する領域では、均一な大きさのＲＧＢの画素が重なって表示される。
【００３３】
ところが、実際のスクリーン９０９上で、シフト位置Ａ（シフト量がゼロ）にピントを合わせて各シフト位置における表示状態を観察すると、図１７（ａ）〜（ｃ）に示すように、画素開口部によって形成される光点のサイズ（≒画素のサイズ）がシフト位置によって変化する現象が起きている。図１７（ａ）、（ｂ）および（ｃ）はそれぞれ図１５におけるシフト位置Ａ、Ｂ、Ｃに対応している。図１７（ａ）〜（ｃ）からわかるように、スクリーン９０９上に映る画素のサイズは、シフト量が大きくなるにつれて大きくなり、シフト位置Ａにおいてもっとも小さく、シフト位置Ｃにおいてもっとも大きい。
【００３４】
スクリーン９０９上に映る画素のサイズがもっとも大きくなるシフト位置（ここではシフト位置Ｃ）において、ＲＧＢのどの色の画素が表示されるのかは、スクリーン９０９上の画素に対応する領域ごとに異なり、もっとも大きく表示される画素の色は、スクリーン９０９上で周期的に変化する。つまり、ある領域においてＲ画素がもっとも大きく表示される場合には、その領域に隣接する領域ではＧまたはＢの画素がもっとも大きく表示される。例えば、図１７（ａ）において白丸を付したＧ画素の位置では、シフト位置ＣにおいてＢ画素が表示されるので、Ｂ画素がもっとも大きく表示される。また、図１７（ｂ）において白丸を付したＧ画素の位置では、シフト位置ＣにおいてＲ画素が表示されるので、Ｒ画素がもっとも大きく表示される。
【００３５】
従って、光学的なシフトによって解像度を向上させた場合、たとえ白一色の画像であっても、よく見ると、各画素の白表示の色味がＲ、Ｇ、Ｂ、Ｒ、Ｇ、Ｂ・・・と周期的に変化する３画素単位の周期構造、あるいは、各画素の白表示の色味がＲＧＢの補色であるシアン、マゼンタ、イエロー、シアン、マゼンタ、イエロー・・・と周期的に変化する３画素単位の周期構造が観察されてしまうので、表示品位が低下してしまう。また、１本線を表示した場合には、上述の色味の変化と共に、線幅が周期的に変化するうねりが観察されてしまい、非常に表示品位が低下してしまう。なお、もっともシフト量が大きいシフト位置Ｃにピントを合わせると、今度はシフト位置Ａにおいて画素のサイズがもっとも大きくなり、同様に表示品位が低下する。
【００３６】
ここでは、ＲＧＢの各画素が重なり合うように画素のシフトを行う場合について説明したが、ブラックマトリクスによる非表示領域に画素開口部による光点が位置するように画素のシフトを行う方式でも同様であり、シフト位置によって画素のサイズが異なるため、大きさが不揃いの画素が並んだ表示画像を見ることになって画質が低下する。
【００３７】
上述したように、従来の光学シフト素子を用いて画像表示装置の解像度を向上させると、高品位の表示を行うことができない。
【００３８】
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、投影型画像表示装置に好適に用いられる光学シフト素子、および、それを備え、高解像度で高品位の表示が可能な画像表示装置ならびに投影型画像表示装置を提供することにある。
【００３９】
【課題を解決するための手段】
本発明による光学シフト素子は、入射した光の偏光方向を変調する偏光変調素子と、光の偏光方向によって屈折率が異なり、光の偏光方向に応じて光軸位置をシフトさせる第１の複屈折素子とを含む光学シフト部を少なくとも１つ備えた光学シフト素子であって、前記少なくとも１つの光学シフト部のうちの少なくとも一部の光学シフト部は、前記第１の複屈折素子を通過する常光と異常光との換算距離の差を補償する補償素子を有し、そのことによって上記目的が達成される。
【００４０】
ある好適な実施形態において、前記補償素子は、光の偏光方向によって屈折率が異なり、光の偏光方向に応じて光軸位置をシフトさせる第２の複屈折素子および第３の複屈折素子を含み、前記第２の複屈折素子による光軸位置のシフト方向は、前記第１の複屈折素子による光軸位置のシフト方向と略直交し、前記第３の複屈折素子による光軸位置のシフト方向は、前記第２の複屈折素子による光軸位置のシフト方向とは反対であり、前記第２の複屈折素子および前記第３の複屈折素子による光軸位置のシフト量は互いに略等しい。
【００４１】
前記第２の複屈折素子および前記第３の複屈折素子は、前記第１の複屈折素子と同じ材料から形成されており、前記第２の複屈折素子および前記第３の複屈折素子による光軸位置のシフト量は、それぞれ前記第１の複屈折素子による光軸位置のシフト量の略半分であることが好ましい。
【００４２】
ある好適な実施形態において、前記補償素子は、光の偏光方向によって屈折率が異なり、光の偏光方向に応じて光軸位置をシフトさせる第４の複屈折素子を含み、前記第４の複屈折素子による光軸位置のシフト方向は、前記第１の複屈折素子による光軸位置のシフト方向と略直交し、前記第４の複屈折素子は、前記第１の複屈折素子と同じ材料から形成されており、前記第４の複屈折素子による光軸位置のシフト量は、前記第１の複屈折素子による光軸位置のシフト量と略等しい。
【００４３】
ある好適な実施形態において、前記補償素子は、光の偏光方向によって屈折率が異なる第５の複屈折素子を含み、前記第５の複屈折素子が有する光学軸は、前記少なくとも一部の光学シフト部に入射する光の光軸に対して略垂直である。
【００４４】
ある好適な実施形態において、前記補償素子は、光の偏光方向によって屈折率が異なり、光の偏光方向に応じて光軸位置をシフトさせる第６の複屈折素子と、入射光の偏光方向と出射光の偏光方向とが直交するように光の偏光方向を回転させる第１の偏光回転素子とを含み、前記第１の偏光回転素子は、前記第１の複屈折素子と前記第６の複屈折素子との間に配置されており、前記第６の複屈折素子による光軸位置のシフト方向は、前記第１の複屈折素子による光軸位置のシフト方向とは反対であり、前記第６の複屈折素子による光軸位置のシフト量は、前記第１の複屈折素子による光軸位置のシフト量と略等しい。
【００４５】
前記第６の複屈折素子は、前記第１の複屈折素子と同じ材料から形成されていることが好ましい。
【００４６】
ある好適な実施形態において、前記補償素子は、光の偏光方向によって屈折率が異なり、光の偏光方向に応じて光軸位置をシフトさせる第７の複屈折素子および第８の複屈折素子と、入射光の偏光方向と出射光の偏光方向とが直交するように光の偏光方向を回転させる第２の偏光回転素子および第３の偏光回転素子とを含み、前記第２の偏光回転素子は、前記第１の複屈折素子と前記第７の複屈折素子との間に配置され、前記第３の偏光回転素子は、前記第７の複屈折素子と前記第８の複屈折素子との間に配置されており、前記第７の複屈折素子による光軸位置のシフト方向は、前記第１の複屈折素子による光軸位置のシフト方向とは反対で、前記第７の複屈折素子による光軸位置のシフト量は、前記第１の複屈折素子による光軸位置のシフト量の略２倍であり、前記第８の複屈折素子による光軸位置のシフト方向は、前記第１の複屈折素子による光軸位置のシフト方向と同じで、前記第８の複屈折素子による光軸位置のシフト量は、前記第１の複屈折素子による光軸位置のシフト量と略等しい。
【００４７】
前記第７の複屈折素子および前記第８の複屈折素子は、前記第１の複屈折素子と同じ材料から形成されていることが好ましい。
【００４８】
ある好適な実施形態において、前記少なくとも１つの光学シフト部は、光路上に直列的に配列された複数の光学シフト部であり、前記複数の光学シフト部を通過した光の光軸を３つ以上の位置に設定することができる。
【００４９】
ある好適な実施形態において、前記複数の光学シフト部のうち前記光路上で光が最後に入射する光学シフト部が前記補償素子を有している。
【００５０】
ある好適な実施形態において、前記複数の光学シフト部のうち光軸位置のシフト量がもっとも大きい光学シフト部が前記補償素子を有している。
【００５１】
ある好適な実施形態において、前記複数の光学シフト部を通過して光軸が前記３つ以上の位置に設定された光の換算距離が２種類である。
【００５２】
ある好適な実施形態において、前記複数の光学シフト部のそれぞれが前記補償素子を有している。
【００５３】
ある好適な実施形態において、前記複数の光学シフト部を通過して光軸が前記３つ以上の位置に設定された光の換算距離が１種類である。
【００５４】
本発明による画像表示装置は、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、前記画像表示パネルから出射した光が入射するように配置された上記構成を有する光学シフト素子とを備えており、そのことによって上記目的が達成される。
【００５５】
本発明による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、前記画像表示パネルから出射した光が入射するように配置された上記構成を有する光学シフト素子とを備えており、そのことによって上記目的が達成される。
【００５６】
【発明の実施の形態】
まず、スクリーン上の画素の大きさがシフト位置によって変化する原因を説明する。
【００５７】
画素の大きさが変化するのは、画像のシフトによってスクリーン上からピントがずれてしまうためであり、このピントのずれは、光学シフト素子の「換算距離」がシフトの有無やシフト量に応じて異なることによって発生する。以下、画素の大きさが変化するメカニズムを説明する。
【００５８】
「換算距離」とは、一般には光の伝播する媒質の距離（厚さ）をその屈折率で割った値を指し、空気換算距離または（空気）換算厚と呼ぶこともある。図１５に示した従来の投影型画像表示装置において、光学シフト素子９００に入射する光は、シフト位置Ａの表示をしているときには複屈折素子９０４および９０６の両方を常光として通過し、シフト位置Ｃの表示をしているときには複屈折素子９０４および９０６の両方を異常光として通過する。また、光学シフト素子９００に入射する光は、シフト位置Ｂにおいては、複屈折素子９０４および９０６の一方を常光、他方を異常光として通過する。
【００５９】
複屈折素子９０４および９０６は、入射する異常光と常光とに対してそれぞれ異なる屈折率を示すので、光学シフト素子９００の、特に複屈折素子９０４および９０６において、常光と異常光とで換算距離に差が生じる。
【００６０】
ここで、図１５に示した投影型画像表示装置におけるスクリーンへの画像投影を幾何光学的に考える。
【００６１】
画像表示素子９０７の画面サイズ（対角線長さ）をＡ、画像表示素子９０７から投影レンズ９０８までの「物側距離」をａ、スクリーン９０９における投影画面サイズ（対角線長さ）をＢ、投影レンズ９０８からスクリーン９０９までの「像側距離」をｂ、投影レンズ９０８の焦点距離をｆとし、各画面サイズＡ、Ｂと、各距離ａ、ｂ、ｆとに理想的な結像公式が適用できるとすると、これらは以下の式（１）と式（２）との関係を有している。
【００６２】
Ｂ／Ａ＝ｂ／ａ・・・・・・・・（１）
１／ａ＋１／ｂ＝１／ｆ・・・・（２）
【００６３】
式（１）は画面の拡大率Ｂ／Ａを示す式であり、式（２）は結像関係を示す式であるといえる。
【００６４】
この投影型画像表示装置では、小型の画像表示素子９０７の画面を大画面に拡大するので、拡大率Ｂ／Ａの値は大きい。また、物側距離ａは焦点距離ｆより大きいものの焦点距離ｆにごく近い値である。そのため、物側距離ａの変化は敏感に像側距離ｂに反映される。つまり、画面拡大の倍率に応じて、物側距離ａの変化に対する像側距離ｂの変化の度合いが増大される。
【００６５】
画像表示素子９０７と投影レンズ９０８との間に配置された光学シフト素子９００は、画像シフトに際して換算距離を変化させる。この換算距離の変化は物側距離ａの変化を意味するので、像側距離ｂの変化（その度合いは拡大率に応じて増大されている）を引き起こす。そのため、あるシフト位置でスクリーンにピントを合わせても別のシフト位置ではピントがずれ、画素サイズが大きくなってしまう。
【００６６】
本発明は、本願発明者が見出した上記知見に基づいて想到されたものである。以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。
【００６７】
（実施形態１）
本発明による光学シフト素子の第１の実施形態を説明する。図１（ａ）および（ｂ）は、本実施形態における光学シフト素子１００を模式的に示す図である。なお、ここでは光軸位置のシフトがわかりやすいように、互いに直交する２つの方向からみた断面を示している。光学シフト素子１００を通過する光の進行方向をＺ軸とするＸＹＺ座標系を考えたとき、図１（ａ）は、光学シフト素子１００をＹ軸方向から見た（紙面がＸＺ平面になる向きから見た）図に相当し、図１（ｂ）は、光学シフト素子１００をＸ軸方向から見た（紙面がＹＺ平面になる向きから見た）図に相当する。
【００６８】
光学シフト素子１００は、入射した光をその光軸位置をシフトさせて出射し得る光学シフト部１を備えており、この光学シフト部１は、入射した光の偏光方向を変調する偏光変調素子２と、光の偏光方向によって屈折率が異なり、光の偏光方向に応じて光軸位置をシフトさせる複屈折素子３とを含んでいる。偏光変調素子２と複屈折素子３とは、光路上に直列的に配置されており、偏光変調素子２を通過した光が複屈折素子３に入射するように配置されている。
【００６９】
本実施形態における偏光変調素子２は、液晶層と、液晶層に電圧を印加する少なくとも一対の透明電極と、これらを挟持する一対の透明基板とを備えた液晶素子（液晶セル）である。ここでは、液晶素子２は、ＴＮモードの液晶素子であり、印加電圧のオン／オフに応じて、入射光の偏光面（偏光方向）を略９０°回転させる状態（オフ状態）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（オン状態）との間でスイッチングされる。勿論、液晶素子２としては、ＴＮモードの液晶素子に限定されず、偏光方向の変調が可能であれば如何なるものであってもよい。例えば、ＥＣＢモードの液晶素子を用いることもできる。
【００７０】
また、本実施形態における複屈折素子３は、正の一軸性結晶である水晶から形成された平行平板である。複屈折素子３の光学軸３´の方向は図１（ａ）において紙面と平行で、入射光の光軸（ここでは光が入射する面の法線と一致する）に対して４５°傾いている。従って、偏光面が図１（ａ）において紙面に垂直な光は、複屈折素子３にとって常光であり、通常のスネルの法則に従って通過するので光軸位置をシフトされない。
【００７１】
これに対して、偏光面が図１（ａ）において紙面に平行な光は、複屈折素子３にとって異常光であるので、ＸＺ平面内で光学軸３´の方向へそれて屈折する。異常光は、複屈折素子３から出射するとまた常光と同じ進行方向に戻るが、複屈折素子３を通過する間にその厚さに比例した分光軸位置をシフトされることになる。ここでは、複屈折素子３を通過する異常光は、Ｘ軸方向、つまり図１（ａ）における紙面上方向に光軸位置をシフトされる。
【００７２】
以下、光学シフト素子１００のより具体的な構成を説明するが、以下では特に断らない限り、後に述べる画像表示素子（画像表示パネル）と組み合せることを想定して、２１μｍのシフト量を持つ光学シフト部を作製する場合を例として説明する。
【００７３】
平行平板型の複屈折素子３の常光屈折率をＮｏ、異常光屈折率をＮｅ、光学軸の傾斜角度（入射光の光軸に対してなす角度）をθ、厚さをｄとすると、この複屈折素子３に垂直に入射した異常光のシフト量ΔＤは以下の式（３）で表される。
【００７４】
【数１】
2004272170.tif 000004
【００７５】
水晶の場合、λ＝５８９ｎｍの光に対する異常光屈折率Ｎｅは１．５５３４であり、常光屈折率Ｎｏは１．５４４３である。従って、θ＝４５°となるように複屈折素子３を配置したときに、シフト量ΔＤを２１μｍとするために必要な複屈折素子３の厚さｄ（図１（ｂ）中のｔ１）は、式（３）より約３．６ｍｍと求められる。
【００７６】
複屈折素子３は、常光として入射する光と異常光として入射する光とに対して異なる屈折率を示すので、複屈折素子３を通過する常光と異常光との換算距離に差が生じている。
【００７７】
本発明による光学シフト素子１００では、光学シフト部１は、複屈折素子３を通過する常光と異常光との換算距離の差を補償する（実質的にゼロにする）補償素子を有している。本実施形態では、液晶素子２および複屈折素子３に対して直列的に光路上に配列された複屈折素子４および５が補償素子として機能する。
【００７８】
複屈折素子４および５は、光の偏光方向によって屈折率が異なり、光の偏光方向に応じて光軸位置をシフトさせる。本実施形態では、複屈折素子４および５として、複屈折素子３と同じ材料である水晶から形成された平行平板を用いる。
【００７９】
補償素子として機能する複屈折素子４および５は、その「主断面」（入射光の光軸と複屈折素子の光学軸とを含む平面）が複屈折素子３の主断面と直交するように配置されている。そのため、複屈折素子３にとっての常光が複屈折素子４および５にとって異常光となり、複屈折素子３にとっての異常光が複屈折素子４および５にとっての常光となる。
【００８０】
複屈折素子４の光学軸４´と複屈折素子５の光学軸５´とはそれぞれＹＺ平面に平行で、光軸から４５°傾けられており、異常光が入射すると光はＹＺ平面内でそれて屈折する。そのため、複屈折素子４および複屈折素子５によるシフト方向は、複屈折素子３によるシフト方向と直交する。ただし、複屈折素子４の光学軸４´と複屈折素子５の光学軸５´とは、同じ平面に含まれるものの互いに直交しているので、複屈折素子５によるシフト方向は、複屈折素子４によるシフト方向とは反対である。
【００８１】
複屈折素子４および５の厚さｔ２およびｔ３は互いに等しく、複屈折素子４および５によるシフト量は互いに等しい。また、複屈折素子４および５の厚さｔ２およびｔ３は、具体的には、１．８ｍｍであり、複屈折素子３の厚さｔ１（＝３．６ｍｍ）の半分である。そのため、複屈折素子４および５のそれぞれによるシフト量は１０．５μｍであり、複屈折素子３によるシフト量の半分である。
【００８２】
複屈折素子４に異常光として入射した光は、Ｙ軸方向（図１（ｂ）における紙面上方向）に１０．５μｍシフトされ、その後、複屈折素子５において今度は反対の方向（図１（ｂ）における紙面下方向）に１０．５μｍシフトされる。そのため、複屈折素子４と複屈折素子５とによるＹ軸方向のシフト量は実質的にはゼロになっている。つまり、複屈折素子４と複屈折素子５とを一個の素子として考えると、異常光成分と常光成分は、内部での光の経路が異なるものの、出射光は分離されない。
【００８３】
次に、本実施形態の光学シフト素子１００の動作を説明する。
【００８４】
図１（ａ）および（ｂ）に示すように偏光面がＹ軸方向（図１（ａ）の紙面垂直方向）に平行な光が光学シフト素子１００に入射する場合を考える。
【００８５】
液晶素子２をオフ状態にしたときには、液晶素子２を通過した光は、Ｘ軸方向に平行な偏光面を有する光となるので、複屈折素子３でシフトされ、複屈折素子４および５ではシフトされない。従って、シフト量の合計はＸ軸方向に２１μｍである。このとき、光学シフト素子１００に入射した光が常光として通過する複屈折素子の厚さは、複屈折素子４および５の厚さの合計３．６ｍｍであり、異常光として通過する複屈折素子の厚さは、複屈折素子３の厚さの３．６ｍｍである。
【００８６】
一方、液晶素子２をオン状態にしたときには、液晶素子２を通過した光は、Ｙ軸方向に平行な偏光面を有する光のままであるので、複屈折素子３ではシフトされず、複屈折素子４でＹ軸方向に１０．５μｍシフトされ、複屈折素子５で複屈折素子４とは反対方向に等量の１０．５μｍシフトされる。従って、シフト量の合計はゼロである。このとき、光学シフト素子１００に入射した光が常光として通過する複屈折素子の厚さは、複屈折素子３の厚さの３．６ｍｍであり、異常光として通過する複屈折素子の厚さは、複屈折素子４および複屈折素子５の厚さの合計３．６ｍｍである。
【００８７】
このように、光学シフト素子１００は、液晶素子２がオフ状態のときには光の光軸位置をＸ軸方向に２１μｍシフトさせ、液晶素子２がオン状態のときには光軸位置をシフトさせないので、液晶素子２の電圧印加状態を切り替えることによって光軸をシフト位置Ａまたはシフト位置Ｂに設定することができる。なお、液晶素子２のオン／オフとシフトの有無との関係は、光学シフト素子１００への入射光（液晶素子２への入射光）の偏光面の向きや液晶素子２の液晶層の設定次第で逆転させることができることは言うまでもない。
【００８８】
本発明による光学シフト素子１００では、光軸をシフトさせない場合（すなわち位置Ａに設定する場合）においても、光は補償素子としての複屈折素子４および５を異常光として通過するので、シフトの有無に関わらず複屈折素子を常光として３．６ｍｍ通過し、異常光として同じく３．６ｍｍ通過する。そのため、位置Ａを選択した場合と位置Ｂを選択した場合とで、複屈折素子による換算距離は一定であり、換算距離の差が生じない。
【００８９】
つまり、複屈折素子４および５は、複屈折素子３にとっての常光を異常光として通過させ、複屈折素子３にとっての異常光を常光として通過させることによって、複屈折素子３を通過する常光と異常光との換算距離の差を補償し、各シフト位置における換算距離を実質的に同じにする。
【００９０】
従って、光学シフト素子１００を用いて投影型画像表示装置を製作すると、光学的なシフトを行っても物側距離が変化しないので、投影画像にピントずれは発生せず、スクリーン上での画素サイズを一定に保つことができる。従って、どの画素位置でも均一なサイズのＲＧＢ画素が重なり合うので、色味の周期むらや線幅のうねりをなくすことができる。その結果、解像度を向上させても高品位な表示を実現することができる。
【００９１】
なお、光学シフト素子１００においては、複屈折素子３、４および５だけでなく、液晶素子２においても換算距離は存在するが、液晶素子２における換算距離は実質的に無視することができる。例えば、液晶素子２を構成する一対の透明基板（ガラス基板等）は、光学的にほぼ等方性であるので、光の偏光状態によって換算距離は変化せず、画素サイズの変化を生じさせない。また、液晶素子２の液晶層は、複屈折性を有する液晶分子の向きによって偏光面の回転を制御するので、オン状態とオフ状態とでその換算距離が変化するが、複屈折素子の厚さがミリメートル（ｍｍ）のオーダーであるのに対して液晶層の厚さは数μｍしかないので、液晶層の状態による換算距離の変化は複屈折素子で生じる換算距離の変化と比べると非常に小さく、実質的に無視することができる。
【００９２】
光学シフト素子１００のシフト量は、ここで例示した数値に限定されるものではなく、解像度を向上させる画像表示素子の画素構造・画素ピッチに応じて任意に設定することができる。
【００９３】
また、複屈折素子３、４および５に用いられる材料は、水晶に限定されず、一軸性の結晶材料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。
【００９４】
なお、複屈折素子３と、複屈折素子４および５とを異なる材料から形成する場合には、複屈折素子３の厚さと、複屈折素子４および５の厚さの合計とを単に等しくするだけでは、常光と異常光との換算距離を等しくすることができない。そのため、光が複屈折素子３を異常光として通過するときの換算距離と、常光として通過するときの換算距離とをそれぞれ計算し、その差を補償することができるように、補償素子としての複屈折素子４および５の厚さを計算する必要がある。このことは、複屈折素子３と複屈折素子４および５とを同じ材料から形成する場合であっても、光学軸の傾斜角度が異なるときには同様である。なお、換算距離の計算方法については、他の実施形態の説明において詳述する。
【００９５】
これに対して、本実施形態のように、専ら光軸位置のシフトに寄与する（つまりシフト用の）複屈折素子３と、補償素子として機能する複屈折素子４および５とを同じ材料を用いて形成し、それらの光学軸の傾斜角度も同一とすれば、わざわざ換算距離を計算しなくても、複屈折素子３の厚さと、複屈折素子４および５の厚さの合計とを同じとするだけで換算距離の差を補償することができるので、設計・製造が容易となるという利点が得られる。従って、複屈折素子３と、補償素子としての複屈折素子４および５とは、同じ材料から形成されていることが好ましく、光学軸の傾きも同じであることが好ましい。また、複屈折素子４と複屈折素子５とが同じ材料から形成されていると、それぞれの厚さを同じとすることでそれぞれのシフト量を同じとすることができ、補償素子による光軸位置のシフト量をゼロとすることが容易となる。
【００９６】
本実施形態では、図１（ａ）および（ｂ）に示したように、補償素子としての複屈折素子４および５を、シフト用の複屈折素子３よりも後に光が入射するように配置するが、これらの複屈折素子の配置順序はこれに限定されない。
【００９７】
複屈折素子３、４および５は、いずれも通過する光の偏光面を回転させないので、光路上において液晶素子２よりも後に光が入射するように配置されていればよい。例えば、図２（ａ）に示すように、液晶素子２側から複屈折素子４、複屈折素子５、複屈折素子３の順に配置されていてもよいし、図２（ｂ）に示すように、複屈折素子４、複屈折素子３、複屈折素子５の順に配置されていてもよく、同じ効果を得ることができる。さらには複屈折素子４と複屈折素子５とを入れ替えて配置してもよい。
【００９８】
また、図１および図２では、液晶素子２、複屈折素子３、４および５は、それぞれ所定の間隔で配置されているが、これらが光学接着剤などによって一体化されていてもよい。このことは、他の実施形態についても同様である。
【００９９】
（実施形態２）
図３を参照しながら、本発明による光学シフト素子の第２の実施形態を説明する。図３は、本実施形態における光学シフト素子２００を模式的に示している。
【０１００】
光学シフト素子２００が備える光学シフト部１Ａは、液晶素子２および複屈折素子３を有しており、これらの液晶素子２および複屈折素子３は、実施形態１における光学シフト素子１００の液晶素子２および複屈折素子３と実質的に同じ構造・機能を有している。
【０１０１】
光学シフト部１Ａは、さらに、補償素子として、光の偏光方向によって屈折率が異なる複屈折素子６を有している。本実施形態では、複屈折素子６として、複屈折素子３と同じ材質である水晶から形成された平行平板を用いる。複屈折素子６は、その主断面が複屈折素子３の主断面と直交するように配置されている。ただし、複屈折素子６は、その光学軸６´が、光学シフト部１Ａに入射する光の光軸に対して垂直である点において図１（ａ）、（ｂ）などに示した複屈折素子４および５とは異なる。図３において、複屈折素子３の光学軸３´が紙面に平行であるのに対して、複屈折素子６の光学軸６´は紙面に垂直である。
【０１０２】
複屈折素子３の主断面と複屈折素子６の主断面とは直交しているので、複屈折素子３にとっての異常光（複屈折素子３でシフトされる光）は複屈折素子６にとっての常光であり、複屈折素子３にとっての常光（複屈折素子３でシフトされない光）は複屈折素子６にとっての異常光である。ただし、複屈折素子６の光学軸６´は、光軸に対して略垂直であるので、式（３）における右辺の分子が常にゼロとなり、複屈折素子６を通過する光は、たとえ異常光であっても複屈折素子６によって光軸位置をシフトされない。
【０１０３】
複屈折素子６は、その厚さが、複屈折素子３による常光と異常光との換算距離の差を補償できるように設定されている。そのため、本実施形態の光学シフト素子２００を画像表示装置に用いることによって、実施形態１における光学シフト素子１００と同様に、高品位の表示を実現することができる。
【０１０４】
ここで、複屈折素子６の厚さの設定方法を説明する。複屈折素子３と複屈折素子６とを同じ材料を用いて作成しても、これらの光学軸の傾斜角度が互いに異なっていると、複屈折素子３の厚さと複屈折素子６の最適な厚さとの関係は単純ではない。本実施形態や、実施形態１の光学シフト素子１００において複屈折素子３と複屈折素子４および５とで光学軸の傾斜角度が異なっている場合には、複屈折素子３を通過する常光および異常光の換算距離を以下のようにして求めればよい。
【０１０５】
まず、図４を参照しながら、常光の換算距離を求める方法を説明する。図４は、空気中に置かれた屈折率Ｎ、厚さｄの透明な平行平板７を光が通過するときの振舞いを示している。常光の場合には、複屈折性のない媒質を通過するときと同じ扱いをすることができ、また、異常光であっても複屈折素子６を通過する場合のようにシフトされないときも同様である。
【０１０６】
平行平板７の左側にある物点Ｐから右側へ向かう光線は、平行平板７を通過する際に屈折し、経路ＰＥＡＢまたは経路ＰＦＣＤをとる。平行平板１２の右側から眺めると、点Ｐは経路ＢＡおよび経路ＤＣの延長線の交点Ｐ´に位置するように見えるので、図４上では本来の距離よりもＬ−Ｌ´だけ近づいて見える。
【０１０７】
この距離の差Ｌ−Ｌ´は、平行平板７の実際の厚さｄと平行平板７の換算距離（幾何光学的なみかけ上の距離、換算厚と呼ぶ場合もある）ｄ´との差に等しいので、ｄ−ｄ´＝Ｌ−Ｌ´である。また、空気から平行平板７への入射角度（空気中）をｉ、平行平板７中での屈折角度（スネルの法則から求めることができる）をｒとすると、Ｌ´＝ＨＡ／ｔａｎｉ、Ｌ＝ｄ＋（ＨＡ―ｄ・ｔａｎｒ）／ｔａｎｉである。そのため、換算距離ｄ´は下式（４）で表される。
【０１０８】
ｄ´＝ｄ×（ｔａｎｒ／ｔａｎｉ）・・・・（４）
【０１０９】
三角関数の定義からｔａｎθ＝ｓｉｎθ／ｃｏｓθであり、スネルの法則からｓｉｎｉ＝Ｎｓｉｎｒであるので、式（４）は下式（５）のように表現することもできる。
【０１１０】
ｄ´＝ｄ×（ｃｏｓｉ／Ｎｃｏｓｒ）・・・・（５）
【０１１１】
従って、ｉが十分に小さい場合（ゼロに近づいた場合）には、換算距離ｄ´は、下式（６）で表すことができる。
【０１１２】
ｄ´＝ｄ／Ｎ・・・・・（６）
【０１１３】
次に、図５を参照しながら異常光がシフトされる場合の換算距離を求める方法を説明する。図５は、空気中に置かれた厚さｄの平行平板型の複屈折板８を異常光が通過するときの振舞いを示している。
【０１１４】
複屈折板８の下側にある物点Ｐから複屈折板８に垂直に入射する異常光線は、複屈折板８を通過する際に屈折して経路ＰＤＯＡをとる。また、物点Ｐから複屈折板８に角度ｉで入射する異常光線は、複屈折板８を通過する際に屈折して経路ＰＦＣＢを通る。図５中、ｒは空気中から入射角度ｉで入射したときの異常光の屈折角度、ｒ０はｉ＝０°のとき、すなわち垂直入射時の屈折角度である。
【０１１５】
図５において、複屈折板８の上側から眺めると、点Ｐは経路ＡＯ及び経路ＢＣの延長線の交点Ｐ´に位置するように見え、図５上では本来の距離よりも、Ｌ−Ｌ´の分だけ近づいて見える。この距離の差Ｌ−Ｌ´は、複屈折板８の実際の厚さｄと複屈折板８の換算距離ｄ´との差に等しいので、ｄ−ｄ´＝Ｌ−Ｌ´である。また、Ｌ´＝ＯＣ／ｔａｎｉ、Ｌ＝ｄ＋（ＯＣ＋ｄ・ｔａｎｒ０−ｄ・ｔａｎｒ）／ｔａｎｉであるので、換算距離ｄ’は下式（７）で表される。
【０１１６】
ｄ´＝ｄ×（ｔａｎｒ−ｔａｎｒ０）／ｔａｎｉ・・・・（７）
【０１１７】
一方、入射角度ｉと屈折角度ｒの関係は下式（８）または（８´）で表される。
【０１１８】
【数２】
2004272170.tif 000005
【０１１９】
【数３】
2004272170.tif 000006
【０１２０】
複屈折板８として水晶を用いる場合、λ＝５８９ｎｍにおける異常光屈折率Ｎｅは１．５５３４、常光屈折率Ｎｏは１．５４４３であるので、複屈折板８の光学軸８´の傾斜角θを４５°とすると、垂直入射時の屈折角度ｒ０は０．３３６６°になる。ここで入射角度ｉが十分小さい場合（例えばｉ＝１°）を考えると、式（８）より、屈折角度ｒは０．９８２２°であり、式（７）より、換算距離ｄ´は０．６４５６ｄである。
【０１２１】
一方、常光の場合は式（６）に水晶の常光屈折率Ｎｏ（＝１．５４４３）を代入することによって、換算距離ｄ´は０．６４７５ｄと求められる。
【０１２２】
従って、ここでは、常光の方が換算距離が大きく、常光と異常光との換算距離の差Δｄ´は０．００１９ｄであり、複屈折板８の厚さの約２／１０００であることが判る。
【０１２３】
本実施形態では複屈折素子３の厚さは３．６ｍｍなので、換算距離の差Δｄ´は約６．８μｍになる。
【０１２４】
この換算距離の差を補償するために、補償素子としての複屈折素子６を常光が通過するときと異常光が通過するときとの換算距離の差を上記の値と一致させる。複屈折素子６を通過する際に生じる換算距離ｄ´は、式（６）より、異常光の場合は式（９）で表され、常光の場合は式（１０）で表される。
【０１２５】
ｄ´＝ｄ／Ｎｅ＝０．６４３７ｄ・・・・・（９）
ｄ´＝ｄ／Ｎｏ＝０．６４７５ｄ・・・・・（１０）
【０１２６】
従って、換算距離の差Δｄ´は０．００３８ｄであるので、複屈折素子６の厚さを約１．８ｍｍとすることによって、複屈折素子３において生じる換算距離の差と複屈折素子６において生じる換算距離の差とを一致させることができる。勿論、すでに述べたように、複屈折素子３を異常光として通過した光が複屈折素子６にとっての常光になるように複屈折素子６の光学軸の方向が定められている。
【０１２７】
本実施形態では、補償素子としての複屈折素子６は、その光学軸６´が入射光の光軸に対して垂直であるので、シフト用の複屈折素子３や、光学シフト素子１００の複屈折素子４および５よりも、単位厚さあたりの換算距離の差が大きい（ここではほぼ２倍）。従って、実施形態１の光学シフト素子１００と比較すると、補償に必要な複屈折素子の厚さや総体積を小さく（具体的には約半分）することができるので、製造コストを低減することができる。
【０１２８】
図３では、補償素子としての複屈折素子６を光路上において複屈折素子３よりも光出射側に（後に光が入射するように）配置する場合を示したが、図６に示したように、複屈折素子６が液晶素子２と複屈折素子３との間に配置されていてもよい。
【０１２９】
なお、本実施形態では、複屈折素子として用いる水晶の常光屈折率および異常光屈折率と光学軸の傾斜角度とから、補償用の複屈折素子６の最適な厚さを求めた結果、複屈折素子３の厚さのほぼ１／２となったが、他の複屈折材料を用いた場合にも必ず半分の厚さになるわけではない。
【０１３０】
また、複屈折素子３のシフト量が異なる場合、複屈折素子３と複屈折素子６とを異なる材料で構成した場合、あるいは複屈折素子３の光学軸角度が４５°でない場合でも、式（６）や式（７）あるいは式（８）を用いて補償するのに最適な複屈折素子６の厚さを求めることができる。
【０１３１】
さらに、例えば複屈折素子３の材料として正の一軸性の結晶材料（例えば水晶）を用い、複屈折素子６に負の一軸性の結晶材料（例えば方解石）を用いた場合には、屈折率の違いを複屈折素子６の厚さに反映させるのは勿論であるが、方解石では常光の方が換算距離が小さくなるので、複屈折素子３を常光で通過した光が複屈折素子６でも常光となるように、光学軸６´の向きを光軸周りに、図３の場合よりも９０°回転させればよい。
【０１３２】
（実施形態３）
図７を参照しながら、本発明による光学シフト素子の第３の実施形態を説明する。図７は、本実施形態における光学シフト素子３００を模式的に示している。
【０１３３】
光学シフト素子３００が備える光学シフト部１Ｂは、偏光変調素子としての液晶素子２と、光の偏光方向によって屈折率が異なり、光の偏光方向に応じて光軸位置をシフトさせる複屈折素子９および１０と、入射光の偏光方向と出射光の偏光方向とが直交するように光の偏光方向を回転させる偏光回転素子１１とを有している。液晶素子２、複屈折素子９、偏光回転素子１１、複屈折素子１０は、光路上に光入射側からこの順に配列されている。
【０１３４】
液晶素子２は、実施形態１および実施形態２の光学シフト素子１００、２００が備える液晶素子と同様の構造・機能を有している。
【０１３５】
本実施形態における複屈折素子９および１０は、正の一軸性結晶である水晶から形成された平行平板である。複屈折素子９および１０の光学軸９´および１０´の方向は図７において紙面と平行で、かつ、光軸に対して４５°傾いている。ただし、複屈折素子９の光学軸９´と複屈折素子１０の光学軸１０´とは光軸に対して互いに反対方向に傾斜しており、互いに直交している。従って、複屈折素子９による光軸位置のシフト方向は、複屈折素子１０による光軸位置のシフト方向とは反対である。
【０１３６】
複屈折素子９および１０の厚さは、互いに等しい。そのため、複屈折素子９および１０による光軸位置のシフト量は、互いに等しい。具体的には、複屈折素子および１０の厚さはそれぞれ１．８ｍｍである。
【０１３７】
なお、複屈折素子９と複屈折素子１０とは光学軸の向きが異なっているが、実質的には同じ部材であり、重ね方を変えるだけで上記の光学軸配置を実現できる。
【０１３８】
偏光回転素子１１は、複屈折素子９と複屈折素子１０との間に配置されている。本実施形態では、偏光回転素子１１は、入射光の偏光面を９０°回転させる素子であり、例えばアートン（ＡＲＴＯＮ）フィルムを延伸して作られた１／２波長板である。
【０１３９】
液晶素子２に紙面に垂直な偏光面を有する光が入射する場合について光学シフト素子３００の動作を説明する。
【０１４０】
液晶素子２がオフ状態であるときには、偏光面が紙面に垂直な光は、液晶素子２を通過する際に偏光面を９０°回転されるので、複屈折素子９に異常光として入射して紙面上方向に１０．５μｍシフトされる。複屈折素子９でシフトされた光は、偏光回転素子１１で偏光面を９０°回転され、複屈折素子１０に常光として入射するので、複屈折素子１０を通過する際にはシフトされない。従って、液晶素子２がオフ状態である場合、光学シフト素子３００に入射した光は、光軸位置を紙面上方向に１０．５μｍシフトされる（シフト位置Ｂ）。
【０１４１】
一方、液晶素子２がオン状態である場合は、偏光面が紙面に垂直な光は、液晶素子２を通過する際に偏光面を回転されないので、複屈折素子９に常光として入射して、シフトされずに複屈折素子９を通過する。複屈折素子９からシフトされずに出射した光は、偏光回転素子１１で偏光面を９０°回転され、複屈折素子１０に異常光として入射するので、紙面下方向に１０．５μｍシフトされる。従って、液晶素子２がオン状態である場合、光学シフト素子３００に入射した光は、光軸位置を紙面下方向に１０．５μｍシフトされる（シフト位置Ａ）。
【０１４２】
従って、シフト位置Ａとシフト位置Ｂとの間のずれ量は、１０．５μｍ＋１０．５μｍ＝２１μｍであり、光学シフト素子３００は、液晶素子２のオン状態とオフ状態とを切り替えることによって、互いに２１μｍ離れた２つの位置に光軸を設定することができる。
【０１４３】
光学シフト素子３００では、液晶素子２がオン状態であるときとオフ状態であるときとで、光が異常光として複屈折素子を通過する厚さと、光が常光として複屈折素子を通過する厚さとがそれぞれ１．８ｍｍと等しく、シフト位置Ａにおいてもシフト位置Ｂにおいても、換算距離が等しい。
【０１４４】
そのため、本実施形態においても、光学シフト素子１００や光学シフト素子２００と同様に、解像度が高く、且つ、高品位の表示を行うことができる。
【０１４５】
光学シフト素子１００および２００では、シフト用の複屈折素子３とは別途に、光軸位置のシフトに寄与しない補償用の複屈折素子４、５、６を設けているのに対して、本実施形態では、複屈折素子９と複屈折素子１０とがそれぞれ光軸位置のシフト機能を担いつつ、偏光回転素子１１が存在することによって互いに相補的に補償素子としても機能する。つまり、複屈折素子９および偏光回転素子１１によって、複屈折素子１０によって生じる換算距離の差が補償されるし、また、複屈折素子１０および偏光回転素子１１によって複屈折素子９によって生じる換算距離の差が補償される。
【０１４６】
そのため、光学シフト部１Ｂに必要とされる複屈折素子の総厚さや総体積を、光学シフト素子１００、２００に比べて小さくすることができる。具体的には、光学シフト素子１００、２００と同じだけのシフト量を確保するためには、光学シフト素子１００、２００の複屈折素子３と同じだけの厚さ（体積）の複屈折素子材料を用意すればよい。従って、従来の光学シフト素子と同じだけの複屈折素子材料を用意すればよく、製造コストの増加は、複屈折素子を２枚に分けたことによる加工費用と偏光回転素子１１の分だけで済む。その結果、補償素子を設けることによる製造コストの上昇を抑制することができる。
【０１４７】
なお、２枚の複屈折板と、これらの間に設けられた１／２波長板とから構成された素子が、ビオ・サバール板の変形として「続・光の鉛筆」鶴田匡夫著  ｐ．３７６に紹介されているが、この素子は、レーザー光などの単波長光線の干渉実験（波動光学）に考案されたものであり、入射光を常光成分と異常光成分に分離する際の「光路長」を揃えるためのものである。この素子は、液晶セルなどの偏光状態を変調する素子を有しておらず、偏光成分に従って常光成分と異常光成分とを分離する働きしかない。本発明による光学シフト素子は、非コヒーレント光を用いる画像表示装置に好適に用いられるものであり、レンズ結像（幾何光学）のための「換算距離」を揃えるための構成を有している点で、上記文献に記載されている素子とは使用用途も構成も大きく異なっている。「光路長」が素子の厚さに屈折率を乗じたものであるのに対して、「換算距離」は素子の厚さを屈折率で割ったものであり、光学的意味が全く異なる。
【０１４８】
図７に示した光学シフト素子３００では、液晶素子２よりも光出射側に偏光回転素子１１が配置されているので、液晶素子２を出射するときと、光学シフト部１Ｂから出射するときとでは光の偏光面の向きが異なっている。偏光変調素子から出射したときと光学シフト部から出射したときとで偏光面の向きが同じであることが好ましい場合には、図８に示す光学シフト素子４００のような構成を用いてもよい。
【０１４９】
光学シフト素子４００が備える光学シフト部１Ｃは、図８に示したように、偏光変調素子としての液晶素子２と、複屈折素子１２、１３および１４と、偏光回転素子１５および１６とを有している。これらは、光路上に光入射側から液晶素子２、複屈折素子１２、偏光回転素子１５、複屈折素子１３、偏光回転素子１６、複屈折素子１４の順に配列されている。
【０１５０】
複屈折素子１２、１３および１４は、正の一軸性結晶である水晶から形成された平行平板である。複屈折素子１２、１３および１４の光学軸１２´、１３´および１４´の方向は図８において紙面と平行で、かつ、光軸に対して４５°傾いている。ただし、複屈折素子１２および１４の光学軸１２´および１４´と複屈折素子１３の光学軸１３´とは光軸に対して互いに反対方向に傾斜しており、互いに直交している。従って、複屈折素子１２および１４による光軸位置のシフト方向は、複屈折素子１３による光軸位置のシフト方向とは反対である。
【０１５１】
複屈折素子１２および１４の厚さは互いに等しく、複屈折素子１３の厚さの半分である。そのため、複屈折素子１２および１４のそれぞれによるシフト量は複屈折素子１３によるシフト量の半分である。
【０１５２】
複屈折素子１２と複屈折素子１３との間に配置された偏光回転素子１５と、複屈折素子１３と複屈折素子１４との間に配置された偏光回転素子１６は、入射光の偏光方向と出射光の偏光方向とが直交するように光の偏光方向を回転させる。本実施形態では、偏光回転素子１５および１６は、入射光の偏光面を９０°回転させる素子であり、例えばアートン（ＡＲＴＯＮ）フィルムを延伸して作られた１／２波長板である。
【０１５３】
液晶素子２に紙面に垂直な偏光面を有する光が入射する場合について光学シフト素子４００の動作を説明する。
【０１５４】
液晶素子２がオフ状態であるときには、偏光面が紙面に垂直な光は、液晶素子２を通過する際に偏光面を９０°回転されるので、複屈折素子１２に異常光として入射して紙面上方向にシフトされる。複屈折素子１２でシフトされた光は、偏光回転素子１５で偏光面を９０°回転され、複屈折素子１３に常光として入射するので、複屈折素子１３を通過する際にはシフトされない。複屈折素子１３からシフトされずに出射した光は、偏光回転素子１６で偏光面を９０°回転され、複屈折素子１４に異常光として入射するので紙面上方向にシフトされる。従って、液晶素子２がオフ状態である場合、光学シフト素子４００に入射した光は、光軸位置を紙面上方向にシフトされる（シフト位置Ｂ）。
【０１５５】
一方、液晶素子２がオン状態である場合は、偏光面が紙面に垂直な光は、液晶素子２を通過する際に偏光面を回転されないので、複屈折素子１２に常光として入射して、シフトされずに複屈折素子１２を通過する。複屈折素子１２からシフトされずに出射した光は、偏光回転素子１５で偏光面を９０°回転され、複屈折素子１３に異常光として入射するので、紙面下方向にシフトされる。複屈折素子１３でシフトされた光は、偏光回転素子１６で偏光面を９０°回転され、複屈折素子１４に常光として入射するので、複屈折素子１４を通過する際にはシフトされない。従って、液晶素子２がオン状態である場合、光学シフト素子４００に入射した光は、光軸位置を紙面下方向にシフトされる（シフト位置Ａ）。
【０１５６】
従って、シフト位置Ａとシフト位置Ｂとの間のずれ量は、複屈折素子１２によるシフト量と、複屈折素子１３によるシフト量と、複屈折素子１４によるシフト量の合計であり、複屈折素子１２によるシフト量の４倍である。このように、光学シフト素子４００は、液晶素子２のオン状態とオフ状態とを切り替えることによって異なる２つの位置に光軸を設定することができる。
【０１５７】
なお、２１μｍのシフト量を確保するために必要な各複屈折素子の厚さは、材料として水晶を用いる場合、複屈折素子１２および１４では０．９ｍｍ、複屈折素子１３では１．８ｍｍになる。
【０１５８】
光学シフト素子４００では、液晶素子２がオン状態であるときとオフ状態であるときとで、光が異常光として複屈折素子を通過する厚さと、光が常光として複屈折素子を通過する厚さとがそれぞれ等しく、シフト位置Ａにおいてもシフト位置Ｂにおいても、換算距離が等しい。そのため、本実施形態においても、光学シフト素子３００と同様に、解像度が高く、且つ、高品位の表示を行うことができる。光学シフト素子４００では、光学シフト素子３００に比べて複屈折素子が１つ増えるので、部品点数は増えるものの、複屈折素子の総厚さや総体積は変わらないので、製造コストの上昇はほとんど生じない。
【０１５９】
なお、ここでは複屈折素子１２および複屈折素子１４の厚さが互いに等しい構成を示したが、複屈折素子１２および複屈折素子１４の厚さの合計が複屈折素子１３の厚さと等しければ、シフト量を変化させることなく換算距離の補償を行うことができる。図８に示した光学シフト部１Ｃにおいて複屈折素子１４の厚さをゼロにし、その代わりに複屈折素子１２の厚さを１．８ｍｍから３．６ｍｍにした構成は、図７に示した光学シフト部１Ｂの光出射側にさらに偏光回転素子を追加した構成と同じものとなる。ここで例示したように、複屈折素子１２および複屈折素子１４の厚さが互いに等しい構成とすると、同じ部材を使用できるので製造上の利点が得られる。
【０１６０】
偏光回転素子としては、例示したものに限定されず、入射光の偏光面と出射光の偏光面とが直交するように光の偏光面を回転できる素子であれば、一般に知られている素子を用いることが可能である。例えば、液晶素子２とほぼ同じ構成の液晶セルを用いることもできる。このとき、これらの液晶セルは、偏光面を回転させるために常にオフ状態で用いるので、電圧印加のための透明電極を省略することができ、そのことによって光透過率を向上することができる。
【０１６１】
ここまで述べたように、補償素子が光軸位置のシフトに寄与する構成を採用することもできるし、補償素子が光軸位置のシフトに寄与しない構成を採用することもできる。補償素子が光軸位置のシフトに寄与する構成としては、図９（ａ）および（ｂ）に示す光学シフト素子５００のような構成としてもよい。
【０１６２】
光学シフト素子５００は、光学シフト素子１００の複屈折素子４および５を、１枚の複屈折素子１７に置き換えたものである。光学シフト素子１００では、
光学シフト素子５００の光学シフト部１Ｄが備える複屈折素子１７は、その主断面が複屈折素子３の主断面と直交するように配置されている。具体的には、複屈折素子１７の光学軸１７´は、図９（ｂ）において紙面に平行な面内に含まれ、光軸に対して４５°傾斜している。従って、複屈折素子１７による光軸位置のシフト方向は、複屈折素子３による光軸位置のシフト方向と直交している。
【０１６３】
また、複屈折素子１７の厚さは、複屈折素子３の厚さと等しく、複屈折素子１７による光軸位置のシフト量は、複屈折素子３による光軸位置のシフト量と等しい。
【０１６４】
光学シフト素子５００においても、液晶素子２がオン状態であるとき（シフト位置Ａ）とオフ状態であるとき（シフト位置Ｂ）とで、光が異常光として複屈折素子を通過する厚さと、光が常光として複屈折素子を通過する厚さとがそれぞれ等しく、シフト位置Ａにおいてもシフト位置Ｂにおいても、換算距離が等しい。そのため、光学シフト素子５００を用いても、解像度が高く、且つ、高品位の表示を行うことができる。
【０１６５】
なお、光学シフト素子５００は、光学シフト素子１００とは異なり光軸位置をＸＹ平面内で斜め方向（より具体的にはＸ軸、Ｙ軸と４５°をなす方向）にシフトさせる。
【０１６６】
（実施形態４）
図１０を参照しながら、本発明による画像表示装置の実施形態を説明する。図１０は、本実施形態における画像表示装置６００を模式的に示している。この画像表示装置６００は、カラーフィルタを用いないでフルカラー画像を表示する単板式の投影型画像表示装置である。
【０１６７】
画像表示装置６００は、図１０に示すように、光源としての白色光源６０１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６０７と、画像表示パネル６０７から出射した光が入射するように配置された光学シフト素子（画像シフト素子）７００と、画像表示パネル６０７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しての投影レンズ６０９とを有している。画像表示パネル６０７に表示された画像は、投影レンズ６０９の後方に配置されたスクリーン上に投影表示される。
【０１６８】
画像表示パネル６０７は、本実施形態では、液晶表示パネルであり、画像表示装置６００は、さらに、ダイクロイックミラー６０４Ｒ・６０４Ｇ・６０４Ｂと、液晶表示パネル６０７の光入射側に設けられたマイクロレンズアレイ６０５とを備えている。
【０１６９】
白色光源６０１としては、ここではメタルハライドランプを用いるが、ハロゲンランプやキセノンランプなどを用いてもよい。白色光源６０１は、球面鏡６０２、コンデンサーレンズ６０３とともに光源部を構成している。なお、図１０では省略しているが、画像表示装置６００には、液晶表示パネル６０７への無用な紫外線および赤外線をカットするためのＵＶ−ＩＲカットフィルタがコンデンサーレンズ６０３の光束の出射口に挿入配置されている。これによって、紫外線および赤外線による液晶表示パネル６０７の不要な温度上昇を低減できる。
【０１７０】
ダイクロイックミラー６０４Ｒ、６０４Ｇ、６０４Ｂ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６０４Ｒ、６０４Ｇ、６０４Ｂは、公知の多層膜コーティング技術によって作製することができる。
【０１７１】
ダイクロイックミラー６０４Ｒ、６０４Ｇ、６０４Ｂで反射されたそれぞれの光束は、マイクロレンズアレイ６０５に入射される。このとき光束は、マイクロレンズアレイ６０５に対してダイクロイックミラー６０４Ｒからの反射光（以下、Ｒ光と称する）はほぼ垂直に、ダイクロイックミラー６０４Ｇからの反射光（以下、Ｇ光と称する）とダイクロイックミラー６０４Ｂからの反射光（以下、Ｂ光と称する）とはＲ光を中心にして水平面内でそれぞれ反対方向に、所定の角度だけ傾いて、且つマイクロレンズアレイ６０５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ようになっている。
【０１７２】
図１１はＲＧＢ光が液晶表示パネル６０７に入射する様子を示す断面図である。
液晶表示パネル６０７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６０６が配置されている。
【０１７３】
マイクロレンズアレイ６０５および液晶表示パネル６０７は一体的に積層されている。各マイクロレンズ６０６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。
【０１７４】
液晶表示パネル６０７は、画素ピッチが縦横ともに２１μｍ、画素数が横１２８６、縦７２０の対角約３１ｍｍサイズで、解像度１２８０×７２０のハイビジョン映像を表示することができる。また、画面横方向にはその方向に画像シフトを行うために余分の画素が存在する。
【０１７５】
液晶表示パネル６０７の画素配列は、図１６のように、ＲＧＢ各色の正方形画素が横方向に配列されたデルタ配列である。ただし、液晶表示パネル６０７にはカラーフィルタは設けられていない。液晶表示パネル６０７に画像信号を入力する映像回路は対応する色用の階調信号を送り込むだけであり、液晶表示パネル６０７単体ではモノクロ映像を表示するにすぎない。扇形に配置されたダイクロイックミラー６０４Ｒ、６０４Ｇ、６０４Ｂとマイクロレンズアレイ６０５とによってＲＧＢに色分離された光が各画素に集光されることでカラー表示が実現される。
【０１７６】
液晶表示パネル６０７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７００を通過して投影レンズ６０９に入射し、投影レンズ６０９を経た光がスクリーン上に画像を形成する。スクリーン上の画像は、光学シフト素子７００によって周期的に画面横方向にシフトされる。
【０１７７】
画像表示装置６００に入力されたフレーム周波数６０Ｈｚ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で順次切替表示される。光学シフト素子６０８は、シフト素子駆動回路（不図示）から印加電圧を供給され、表示されるサブフレーム画像の切り替えに同期して画像のシフトを行う。３つのサブフレームを通じて、スクリーン上では全ての画素位置においてＲＧＢがそれぞれ１回ずつ表示される。サブフレーム表示とシフトの切り替え周期は映像源の画像フレームの３倍と早く行なわれており、結果として人間の目には３板式と同様、１画素毎にＲＧＢのカラー表示能力を持った投影画像として映る。本実施形態では、単板式で３板式と同様のフルカラーの投影画像を実現できるので、３板式と比較して製造コストが低減される。
【０１７８】
本実施形態における光学シフト素子７００は、光路上に直列的に配列された複数の光学シフト部を備えており、複数の光学シフト部を通過した光の光軸を３つ以上の位置に設定することができる。光学シフト素子７００としては、例えば、図１２、図１３および図１４に示す光学シフト素子７００Ａ、７００Ｂおよび７００Ｃを用いることができる。
【０１７９】
図１２に示す光学シフト素子７００Ａは、光路上に直列的に配置された２つの光学シフト部１Ｅおよび１Ｆを有している。２つの光学シフト部１Ｅおよび１Ｆのうち、光出射側に配置された（後に光が入射する）光学シフト部１Ｆのみが補償素子を有しており、光入射側に配置された（先に光が入射する）光学シフト部１Ｅは、補償素子を有していない。
【０１８０】
光入射側の光学シフト部１Ｅは、液晶素子２と複屈折素子１８とを有しており、複屈折素子１８の光学軸１８´は、紙面に平行で、かつ、光軸に対して４５°傾斜している。複屈折素子１８は、ここでは、水晶から形成されており、その厚さは３．６ｍｍである。
【０１８１】
光出射側の光学シフト部１Ｆは、液晶素子２と、複屈折素子１９および２０と、複屈折素子１９および２０の間に配置された偏光回転素子２１とを有しており、図７に示した光学シフト素子３００の光学シフト部１Ｂと実質的に同じ構成を有している。複屈折素子１９および２０の光学軸１９´および２０´は、ともに紙面に平行で、光軸に対して４５°傾斜している。ただし、光学軸１９´および２０´とは、光軸に対して反対方向に傾いており、互いに直交している。複屈折素子１９および２０は、ともに水晶から形成されており、これらの厚さはそれぞれ１．８ｍｍである。
【０１８２】
光学シフト部１Ｅおよび１Ｆのそれぞれは、液晶表示パネル６０７の画面横方向（図１２の紙面における上下方向）に沿って光軸を１画素ピッチ（２１μｍ）シフトさせる。
【０１８３】
２つの液晶素子２がともにオン状態であると、光軸はシフト位置Ａに設定される。このとき、光が常光として通過する複屈折素子の厚さは５．４ｍｍ、異常光として通過する複屈折素子の厚さは１．８ｍｍである。
【０１８４】
光入射側の液晶素子２がオン状態、光出射側の液晶素子２がオフ状態であると、光軸はシフト位置Ｂに設定される。このとき、光が常光として通過する複屈折素子の厚さは５．４ｍｍ、異常光として通過する複屈折素子の厚さは１．８ｍｍであり、シフト位置Ａの場合と換算距離が同一になる。
【０１８５】
２つの液晶素子２がともにオフ状態であると、光軸はシフト位置Ｂ´に設定される。シフト位置Ｂ´は、シフト位置Ｂと同じ位置であるが、最終的に出射される光の偏光面がシフト位置Ｂとは異なっている。このとき、光が常光として通過する複屈折素子の厚さは１．８ｍｍ、異常光として通過する複屈折素子の厚さは５．４ｍｍである。なお、シフトさせる際には、シフト位置Ｂとシフト位置Ｂ´とを両方用いてもよいし、一方のみを用いてもよい。
【０１８６】
光入射側の液晶素子２がオフ状態、光出射側の液晶素子２がオン状態であると、光軸はシフト位置Ｃに設定される。このとき、光が常光として通過する複屈折素子の厚さは１．８ｍｍ、異常光として通過する複屈折素子の厚さは５．４ｍｍであり、シフト位置Ｂ´の場合と換算距離が同一になる。
【０１８７】
光学シフト素子７００Ａを用いてＡ、Ｂ（またはＢ´）、Ｃの３つの位置間でシフトを行うと、補償素子を有しない光学シフト部１Ｅの分だけ換算距離の差が残存する。
【０１８８】
しかしながら、２つの光学シフト部の両方が補償素子を有しない場合（例えば、光学シフト部１Ｅを２つ直列的に配置した場合）には、最大では７．２ｍｍ厚の複屈折素子をすべて常光として通過するときとすべて異常光として通過するときとの換算距離の差が生じるのに対して、光学シフト素子７００Ａでは一方の光学シフト部１Ｆにおいて換算距離の差が補償されるので、換算距離の差およびスクリーン上での画素サイズの変化を抑制（ここでは半分に）することができる。そのため、表示品位の低下を抑制することができる。
【０１８９】
また、２つの光学シフト部の両方が補償素子を有しない場合には、３種類の換算距離が生じるので、スクリーン上の画素サイズも図１７（ａ）〜（ｃ）に示すように３種類になる。これに対して、光学シフト素子７００Ａでは一方の光学シフト部１Ｆにおいて換算距離の差が補償されることによって換算距離が２種類になるので、スクリーン上の画素サイズも２種類になる。そのため、スクリーンのピント位置をこれらの中間に設定して、両方とも同程度のピントぼけになるように焦点をあわせると、画像のシフトを行っても、スクリーン上の画素のサイズが変化しなくなる。その結果、同一のサイズのＲＧＢ画素が重なり合うことになるので、すべての光学シフト部において換算距離の差を補償しなくても画質を改善することができる。
【０１９０】
ここでは、光学シフト素子が２つの光学シフト部を備える場合について説明したが、３つ以上の光学シフト部を備える場合についても、少なくとも１つの光学シフト部が補償素子を備えていることによって、換算距離の差を小さくすることができるので、表示品位を向上することができる。また、複数の光学シフト部のうちの一部に補償素子を設けて換算距離を２種類とすることによって、十分に画質を改善することができる。
【０１９１】
なお、光路上に直列的に配列された複数の光学シフト部のうちのいずれに補償素子を設けてもよいが、偏光回転素子の性能が悪い場合や、組立て精度の制約により偏光面の回転を異常光と常光との間でうまく切り替えられない場合には、通過光がさらに常光成分と異常光成分とに分離されて二重像を生じる可能性がある。このような場合には、複数の光学シフト部のうち光路上で光が最後に入射する光学シフト部に補償素子を設けることによって、二重像の発生を抑制することができる。
【０１９２】
なお、図１２では、光学シフト部１Ｆとして、光学シフト素子３００の光学シフト部１Ｂと実質的に同じものを用いたが、光学シフト素子１００の光学シフト部１や光学シフト素子２００の光学シフト部１Ａと実質的に同じものを用いてもよい。光学シフト素子５００の光学シフト部１Ｄを用いる場合には、この光学シフト部１Ｄは他の光学シフト部とは異なり斜め方向（Ｘ軸、Ｙ軸と４５°の角度をなす方向）にシフトを行うので、光学シフト部１Ｄおよびこれに入射する光の偏光面を予め光軸（Ｚ軸）周りに４５°回転させることによって画面横方向（Ｘ軸方向）にシフトを行うようにするか、あるいは、シフトした画素が斜め方向に隣接した画素と重なるように光学シフト素子を設計すればよい。このとき、デルタ配列の画像表示パネルでは斜め方向に隣接した画素が比較的遠いので、ストライプ配列の画像表示パネルを用いることが好ましい。勿論、光学シフト素子１００、２００、３００、４００の光学シフト部をストライプ配列の画像表示パネルと組み合わせてもよい。
【０１９３】
また、図１２には、２つの光学シフト部１Ｅおよび１Ｆによる光軸位置のシフト量が互いに等しい構成を示したが、複屈折素子の厚さを２つの光学シフト部間で異ならせることによって、光軸位置のシフト量が２つの光学シフト部間で異なる構成としてもよい。例えば、一方の光学シフト部に２画素ピッチ分、他方の光学シフト部に１画素ピッチ分のシフト量を持たせることによって、光学シフト素子全体でのシフト量をゼロ、１画素ピッチ、２画素ピッチ、３画素ピッチの４種類にすることができる。
【０１９４】
複数の光学シフト部間でシフト量が異なる場合、シフト量が大きい光学シフト部ほど複屈折素子の厚さが厚く、換算距離の差が大きい。そのため、シフト量が大きい光学シフト部に優先的に補償素子を設けることが好ましく、光軸位置のシフト量がもっとも大きい光学シフト部が補償素子を有していることが好ましい。
【０１９５】
図１３に示す光学シフト素子７００Ｂは、互いに光軸位置のシフト量が異なる２つの光学シフト部１Ｇおよび１Ｈを有しており、光軸位置のシフト量がより大きい光学シフト部１Ｇにおいて換算距離の差を補償している。
【０１９６】
光入射側の光学シフト部１Ｇは、液晶素子２と、複屈折素子２２および２３と、複屈折素子２２および２３の間に配置された偏光回転素子２４とを有しており、図７に示した光学シフト素子３００の光学シフト部１Ｂと実質的に同じ構成を有している。複屈折素子２２および２３の光学軸２２´および２３´は、ともに紙面に平行で、光軸に対して４５°傾斜している。ただし、光学軸２２´および２３´は、光軸に対して互いに反対方向に傾いており、互いに直交している。複屈折素子２２および２３は、ともに水晶から形成されており、これらの厚さはそれぞれ３．６ｍｍである。
【０１９７】
光出射側の光学シフト部１Ｈは、液晶素子２と複屈折素子２５とを有しており、複屈折素子２５の光学軸２５´は、紙面に平行で、かつ、光軸に対して４５°傾斜している。複屈折素子２５は、ここでは、水晶から形成されており、その厚さは３．６ｍｍである。
【０１９８】
光入射側の光学シフト部１Ｇによるシフト量は、２画素ピッチ分であり、光出射側の光学シフト部１Ｈによるシフト量は、１画素ピッチ分である。
【０１９９】
ここで、仮に、光学シフト部１Ｇにおいて換算距離の差を補償せず、光学シフト部１Ｈにおいて換算距離の差を補償するものとした場合には、２画素ピッチシフトさせる分の複屈折素子に起因した換算距離の差が残存する。
【０２００】
これに対して、２画素ピッチ分のシフトを行う光学シフト部１Ｇの方において換算距離の差を補償すれば、残存する換算距離の差は、１画素ピッチシフトさせる分の複屈折素子に起因したものであるので、画素サイズの変化量をより小さくすることができる。
【０２０１】
また、光学シフト素子７００Ｂにおいても、一方の光学シフト部において換算距離の差が補償されていることによって換算距離が４種類から２種類に減少するので、先に述べた手法でスクリーンのピント位置を調整することによって、スクリーン上での画素サイズの変化を抑制でき、画質を向上することができる。
【０２０２】
ここまでは、複数の光学シフト部のうちの一部の光学シフト部が補償素子を備えている場合について説明したが、複数の光学シフト部のそれぞれが補償素子を有している構成とすることによって、より高品位の表示を行うことができる。
【０２０３】
図１４に示す光学シフト素子７００Ｃは、２つの光学シフト部１Ｉおよび１Ｊの両方が補償素子を有している。この光学シフト素子７００Ｃは光学シフト部１Ｉおよび１Ｊが有する液晶素子２のオン／オフ状態を切り替えることによって、シフト位置Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄの４つの位置を選択することができる。
【０２０４】
光入射側の光学シフト部１Ｉは、液晶素子２、複屈折素子２６、偏光回転素子２８および複屈折素子２７を光路に沿って光入射側からこの順に有しており、図１３に示した光学シフト部１Ｇと実質的に同じ構成を有している。
【０２０５】
光出射側の光学シフト部１Ｊは、液晶素子２、複屈折素子２９、偏光回転素子３１および複屈折素子３０を光路に沿って光入射側からこの順に有しており、図１２に示した光学シフト部１Ｆと実質的に同じ構成を有している。
【０２０６】
光学シフト素子７００Ｃにおいては、光学シフト部１Ｉおよび１Ｊのそれぞれにおいて換算距離の差が補償されているので、光の換算距離が１種類となる。すなわち、４つのシフト位置ＡＢＣＤのどのシフト位置においても換算距離は一定に保たれる。従ってスクリーンに投影される画素サイズは常に一定の大きさになり、より高画質の表示画像を得ることができる。
【０２０７】
なお、上述の実施形態１から４では、図９に示した光学シフト素子５００を除いて、画像シフトの方向が表示画面の横方向である場合について説明したが、表示画面の縦方向にシフトさせる場合においても本発明を適用できることは言うまでもないし、横方向へのシフトと縦方向へのシフトの両方を行う場合や、斜め方向へのシフトを行う場合においても本発明を適用して画質を改善させることができる。
【０２０８】
勿論、例示した光学シフト部を１つまたは２つ備える構成に限定されず、光学シフト部を３つ以上備える場合にも、少なくとも１つの光学シフト部が補償素子を備えていることによって表示品位を向上させることができる。光学シフト部の数が増えるほど、換算距離の差が大きくなり、画素サイズの種類も増加してしまうので、本発明による効果が顕著に得られる。
【０２０９】
また、ＲＧＢの画素を重ね合わせるのではなく、シフト方向とシフト量とを調整し、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ることによって解像度を向上する方式においても、本発明を用いることによって表示品位の向上を図ることができる。また、単板式だけでなく３板式の投影型画像表示装置の高解像度化においても本発明を用いることができる。
【０２１０】
さらに、投影型画像表示装置だけでなく、ＨＭＤタイプの画像表示装置にも本発明を用いることができる。ＨＭＤではスクリーンが存在しないが、レンズを通して表示素子の拡大虚像を観察する構成上、光学シフト素子に起因した換算距離の変化が、拡大虚像の微小な前後位置の変化と画面サイズの振動を発生させるからである。
【０２１１】
【発明の効果】
本発明によると、画像表示装置、特に、投影型画像表示装置に好適に用いられる光学シフト素子が提供される。本発明による光学シフト素子においては、シフトの有無やシフト量に応じた換算距離の差の発生が抑制されるので、本発明による画像シフト素子を画像表示装置や投影型画像表示装置に用いると、高解像度で高品位の表示が実現される。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）および（ｂ）は、本発明による実施形態の光学シフト素子１００を模式的に示す断面図である。
【図２】（ａ）および（ｂ）は、光学シフト素子１００が備える液晶素子および複屈折素子の他の配置を模式的に示す図である。
【図３】本発明による実施形態の光学シフト素子２００を模式的に示す断面図である。
【図４】常光の換算距離を求める方法を説明するための図である。
【図５】異常光の換算距離を求める方法を説明するための図である。
【図６】光学シフト素子２００が備える液晶素子および複屈折素子の他の配置を模式的に示す図である。
【図７】本発明による実施形態の光学シフト素子３００を模式的に示す断面図である。
【図８】本発明による実施形態の光学シフト素子４００を模式的に示す断面図である。
【図９】（ａ）および（ｂ）は、本発明による実施形態の光学シフト素子５００を模式的に示す断面図である。
【図１０】本発明による実施形態の画像表示装置６００を模式的に示す図である。
【図１１】画像表示装置６００の画像表示パネルに光が入射する様子を模式的に示す断面図である。
【図１２】本発明による実施形態の光学シフト素子７００Ａを模式的に示す断面図である。
【図１３】本発明による実施形態の光学シフト素子７００Ｂを模式的に示す断面図である。
【図１４】本発明による実施形態の光学シフト素子７００Ｃを模式的に示す断面図である。
【図１５】光学シフト素子を備えた従来の画像表示装置を模式的に示す図である。
【図１６】（ａ）、（ｂ）および（ｃ）は、スクリーン上において画素がシフトする理想的な様子を示す図である。
【図１７】（ａ）、（ｂ）および（ｃ）は、スクリーン上において画素がシフトする実際の様子を示す図である。
【符号の説明】
１  光学シフト部
２  液晶素子
３、４、５  複屈折素子
１１  偏光回転素子
１００、２００、３００、４００、５００  光学シフト素子
６００  画像表示装置
７００、７００Ａ、７００Ｂ、７００Ｃ  光学シフト素子
【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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