(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
画像情報に従って照明光を制御可能な複数の画素を有する反射型画像表示用素子に形成された像を拡大像形成素子により表示する画像表示装置において、
画像フィールドを構成する複数のサブフィールド毎に前記拡大像形成素子の光軸に対する前記反射型画像表示用素子の位置を画素の略配列面方向に変位させる変位手段を有し、
該反射型画像表示用素子の画素への入射照明光の開口率より、該反射型画像表示用素子の画素からの出射表示光の開口率を小さくさせる開口率縮小光学素子を、該反射型画像表示用素子の反射面に対して照明光の入射側かつ表示光の出射側に設け、
前記開口率縮小光学素子は、プリズムアレイであり、
前記プリズムアレイは、前記反射型画像表示用素子の画素のそれぞれに対して複数の傾斜を備えることを特徴とする画像表示装置。
【請求項２】
前記拡大像形成素子の物面と前記反射型画像表示用素子の反射面とを異なる位置とする該拡大像形成素子を設けることを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
【請求項３】
画像情報に従って光を制御可能な複数の画素を有する画像表示用素子に形成された像を像形成素子により表示する画像表示装置において、
画像フィールドを構成する複数のサブフィールド毎に前記拡大像形成素子の光軸に対する前記画像表示用素子の位置を画素の略配列面方向に変位させる変位手段を有し、
該画像表示用素子を中間結像する中間結像レンズを設け、該画像表示用素子の画素への入射照明光の開口率より、該画像表示用素子の画素からの反射表示光の開口率を小さくさせる開口率縮小光学素子を、該中間結像レンズによる該画像表示用素子の中間結像面付近に設け、
前記開口率縮小光学素子は、プリズムアレイであり、
前記プリズムアレイは、前記反射型画像表示用素子の画素のそれぞれに対して複数の傾斜を備えることを特徴とする画像表示装置。
【請求項４】
画像情報に従って光を制御可能な複数の画素を有する画像表示用素子に形成された像を像形成素子により表示する画像表示装置において、
画像フィールドを構成する複数のサブフィールド毎に前記拡大像形成素子の光軸に対する前記画像表示用素子の位置を画素の略配列面方向に変位させる変位手段を有し、
該画像表示用素子を結像する中間結像レンズを設け、該画像表示用素子の画素への入射照明光の開口率より、該画像表示用素子の画素からの反射表示光の開口率を小さくさせる開口率縮小光学素子を、前記画像表示用素子の反射面に対して照明光の入射側かつ表示光の出射側である反射面と前記中間結像レンズとの間と、該中間結像レンズによる画像表示用素子の中間結像面付近とに設け、
前記開口率縮小光学素子は、プリズムアレイであり、
前記プリズムアレイは、前記反射型画像表示用素子の画素のそれぞれに対して複数の傾斜を備えることを特徴とする画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、画像表示装置、より具体的には、画像情報に従って光を制御可能な複数の画素を有する画像表示用素子を拡大像形成光学素子を利用して画像を観察する画像表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
画像情報に従って光を制御可能な複数の画素を有する小型の画像表示用素子をレンズで拡大した画像を観察する画像表示装置としては、フロントプロジェクタ、リアプロジェクタ、ヘッドマウンテッドディスプレイ等の商品名で広く使用されている。この画像表示用素子としては、ＣＲＴ、液晶パネル、ＤＭＤ（商品名：テキサスインストルメント社：米国）等が商品として使用されており、また無機ＥＬ、無機ＬＥＤ、有機ＬＥＤ等も研究されている。また、小型の画像表示用素子をレンズで拡大した画像を観察するのではなく、等倍で観察する画像表示装置としては、既述のＣＲＴ、液晶パネル、無機ＥＬ、無機ＬＥＤ、有機ＬＥＤ以外に、プラズマディスプレイ、蛍光表示管等が商品として使用されており、またＦＥＤ（フィールドエミッションディスプレイ）、ＰＡＬＣ（プラズマアドレッシングディスプレイ）等も研究されている。これらは、自発光型と空間光変調器型の２つに大きく分類されるが、いずれも光を制御可能な複数の画素を有するものである。
【０００３】
これらの画像表示装置に共通の課題は、高解像度化、つまりは大画素数化であり、ブロードキャストの表示を目的とした走査線１０００本程度のＨＤＴＶ用の表示装置が既に商品化され、ワークステーションコンピュータの高解像度表示を目的とした走査線２０００本程度の開発品が、液晶パネルを用いた技術で発表されている（'９８フラットパネルディスプレイ展にて日本ＩＢＭ社のＱＳＸＧＡ走査線２０４８本、'９９電子ディスプレイ展にて東芝社のＱＵＸＧＡ走査線２４００本等）。しかしながら、画素数を増加させることは、液晶パネルの歩留まりを低下させ、また開口率が減少するなどにより、コストが増加したり、輝度やコントラストが低下したり、消費電力が増加したりしていた。
【０００４】
従来の複数の画像表示用素子を用いて２倍以上に大画素数化する方法が開示された例としては、例えば、特開平３−１５０５２５号公報、及び特開平４−２６７２９０号公報等がある。これらは、互いにずれた位置にある複数の画像表示用素子を光学的に配置し、一方の画像表示用素子の画素の隙間にもう一方の画像表示用素子の画素を配置している。しかしながら、上述の機構は複数の画素間の位置合わせが困難であり、また画像表示用素子を複数枚使用することからコストアップになったり、大きな投射レンズが必要となったりとしていた。
【０００５】
これらの問題に対して、特開平４−１１３３０８号公報、特開平５−２８９００４号公報、及び特開平６−３２４３２０号公報等には単一の画像表示用素子を用いて２倍の画素数を有するインタレース表示を行う画像表示装置が記述されている。また、特開平７−３６５０４号公報には、単一の画像表示用素子を用いて４倍以上の画素数を有する表示装置が記述されている。これらが使用する電気光学効果を示す部材と複屈折結晶との組み合わせは、従来から光通信分野での光分配、光スイッチとして用いられている偏光手段として公知の技術である。また、特開平６−３２４３２０号公報には、電気光学効果を示す部材と複屈折結晶との組み合わせ以外に、光路を変更する手段として、レンズをシフト可能な手段、バリアングルプリズム、回転ミラー、回転ガラス等が記述されており、また特開平７−１０４２７８号公報にはウエッジプリズムを移動する手段が記述されている。
【０００６】
図１６は、レンズをシフトする方法により画像表示用素子の高解像度化を行ったレンズにより拡大した虚像を観察する、特開平６−３２４３２０号公報に記載の従来の表示方法を示す図である。図１６において、５０はＬＣＤパネル、６０はＬＣＤドライブ回路、７０は光路変更手段、７１は接眼レンズ、７２はボイスコイル、７３はレンズ取付台、８０はボイスコイルのドライブ回路で、上記の光路変更手段７０は、接眼レンズ７１、ボイスコイル７２、レンズ取付台７３、及びボイスコイルのドライブ回路８０により構成される。
【０００７】
ボイスコイル７２は、ドライブ回路８０で駆動され、このドライブ回路８０は、ＬＣＤドライブ回路６０から入力されたカラー映像信号の奇数フィールドと偶数フィールドの判別信号にＯ／Ｅに従って、ボイスコイルに流れる電流を制御し、ＬＣＤパネル５０の位置が、光学的に接眼レンズ７１の光軸に垂直な方向にシフトするようにする。
【０００８】
特開平６−３２４３２０号公報には、接眼レンズ７１をシフトする手段、つまり往復運動させる駆動系としては、ボイスコイルに限らず、圧電素子、バイモルフ、ステップモータ、ソレイドコイル等が記載されている。また、光路を変更する方法としては、レンズや光学部材をシフトさせる方法以外に、光学部材を挿入する方法、光学部材を回転する方法、ミラーを回転する方法、アクティブプリズム、電気光学素子と複屈折材料を使用する方法等が記載されている。
【０００９】
図１７は、電気光学素子と複屈折材料を使用する方法により画像表示用素子の高解像度化を行ったレンズにより拡大した虚像を観察する、特開平６−３２４３２０号公報に記載の従来の表示方法を示す図である。図１７において、９１は電気光学素子となる偏光面回転部材、９２は複屈折板である。偏光面回転部材９１は、液晶板９３の両面に透明電極９４，９５が被着形成されて構成され、両透明電極９４，９５間に液晶駆動電圧が印加されて、偶数と奇数のフィールド毎に偏光面が回転されて偏向されて、複屈折板９２の正常光と異常光の偏光面に一致させられる。この正常光と異常光は、複屈折材料の屈折率差により偏向量が変化する。
【００１０】
しかしながら、上述のような方法では、画素がシフトすることにより隣接する画素どうしが重なって隣接した画素のクロストークが生じてしまい、コントラストが低減するばかりか、解像度も増加しない場合が生じてしまう。ＲＧＢの３色に空間分割された方向の画素のうちの少なくとも２色以上がシフト方向に配列している場合には、画素どうしが重なっても、異なる色の画素が重なるだけであるので、同じ色の画素が重なる状態とはならず、コントラストが低減することもなく、解像度は増加する。しかし、ＲＧＢに空間的に分割された方向とは異なる方向に画素をシフトする場合には、同じ色が重なって隣接した画素のクロストークが生じ、コントラストが低減し、また解像度が増加しない場合が生じる。また、モノクロ表示または、フィールドシーケンシャル表示や、３板式プリズム重ね合わせ表示の場合には、シフト方向に同じ色が存在する状態となるので、隣接した画素のクロストークが生じ、コントラストが低減し、また解像度が増加しない場合が生じる。
【００１１】
このような問題を解決する従来の方法としては、特開平９−０５４５５４号公報に示される、集光機能部分を表示装置の光源側に設けて、集光画素サイズを表示画素の開口面積よりも小さく絞り込む装置がある。
【００１２】
図１８は、特開平６−３２４３２０号公報に記載の従来の方法を示す図で、図中、１０１は入射光ビーム、１０１ａは集光画素サイズ、１０２は集光光学系、１０２ａは微小レンズ部、１０３はモザイク状表示部、１０３ａは表示画素開口部、１０４は出射ビームである。微小レンズ部１０２ａは、バックライト側からの入射光ビーム１０１を、モザイク状表示部１０３の表示ピント面において、表示画素開口部１０３ａよりも小さい集光画素サイズ１０１ａに絞り込んで、出射ビーム１０４を観察者側もしくはスクリーン側に出射させるものである。この場合、集光された入射ビームは、表示画素開口部１０３ａの位置で最も小さい形状となる状態が記述されている。また、特開平６−３２４３２０号公報には、開口率向上のために設けたマイクロレンズを流用して、集光画素を絞り込む例も記述されている。
【００１３】
しかしながら、通常の透過型の液晶素子に用いられるアクティブ素子において、透明基板状に形成されたポリシリコン、アモルファスシリコン、導電性有機材料のどれも吸光度の大きい材料であり、入射ビームを透過させることが実質的にできない。このため、開口率が１００％未満であることが通常であり、この開口率が１００％未満であることによる照明光の利用効率の低下を改善させるために照明光の入射側にマイクロレンズを設けることは周知の事実であり、このマイクロレンズが照明光を開口部分つまりは表示素子の画素部分に集光させる結果、画素サイズが小さくなるのも周知の事実である。また、高解像度の表示装置であるほど、１つの画素のサイズが小さくなるので、この開口率は小さくなりやすい。このため、画素をシフトして高解像度を実現する表示装置に、マイクロレンズのような集光機能部分を設けることは、なんら特別な組み合わせではなく、周知の組み合わせであり新規性のあるものではない。また、画素の開口の開口面積以下に集光画素サイズを絞り込むことも、光利用効率の向上のために、高解像度の表示装置に利用されている構成であることは周知である。
【００１４】
また、上記の方法は透過型の表示素子しか考慮しておらず、反射型の表示素子に適用することはできない。つまり、透過型の表示素子においては、集光光学系は入射時しか作用しないために、画素サイズに合わせて、画素とマイクロレンズの距離やマイクロレンズの焦点距離を最適にすることにより、入射ビームを絞り込むことができるが、反射型の表示素子においては、入射した方向と同じ側に出射するので、マイクロレンズにより反射面である画素の開口部で集光されたビームが反射されたあと、その集光方向の光線の方向が維持されてそのまま拡散してビームが広がってしまう。このため、反射光である出射ビームとしては画素の大きさを縮小することができずに、開口効率の向上のみを実現できる。これは、開口効率の向上としては非常に好ましいことである。しかしながら、画素をシフトさせた場合に、画素がシフトすることにより隣接する画素どうしが重ってクロストークを生じてしまい、コントラストが低減するばかりか、解像度が増加しない場合も生じてしまう。
【００１５】
また、反射型の表示素子に対しては、アクティブ素子やブラックマトリクスによる開口率をもともと５０％または２５％にすることによって、画素をシフトして２倍または４倍にしても、画素の隣接する画素どうしが重ならず、コントラストも低減せず、解像度も増加させることができるが、この場合には、照明光の利用効率が５０％または２５％となってしまい、消費電力が２倍、４倍となるばかりか、照明光の光源コストが増加してしまい、表示装置が非常に高価になってしまう。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
第１の本発明は、反射型表示素子を用いて画素をシフトすることにより高解像度化を実現する画像表示装置において、画素間のクロストークを低減させることができる画像表示装置を提供することを目的とする。
【００１７】
第２の本発明は、反射型表示素子を用いて画素をシフトすることにより高解像度化を実現する画像表示装置において、画素間のクロストークを低減させることができるより高解像度化できる画像表示装置を提供することを目的とする。
【００２８】
第３の本発明は、斜入射の反射型表示素子や透過型表示素子以を用いた場合においても、画素をシフトすることにより高解像度化を実現する画像表示装置において、画素間のクロストークを低減させることができる画像表示装置を提供することを目的とする。
【００３０】
第４の本発明は、画素をシフトすることにより高解像度化を実現する画像表示装置において、より画素間のクロストークを低減させることができる画像表示装置を提供することを目的とする。
【００３１】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の課題は、本発明の「画像情報に従って照明光を制御可能な複数の画素を有する反射型画像表示用素子に形成された像を拡大像形成素子により表示する画像表示装置において、画像フィールドを構成する複数のサブフィールド毎に前記拡大像形成素子の光軸に対する前記反射型画像表示用素子の位置を画素の略配列面方向に変位させる変位手段を有し、該反射型画像表示用素子の画素への入射照明光の開口率より、該反射型画像表示用素子の画素からの出射表示光の開口率を小さくさせる開口率縮小光学素子を、該反射型画像表示用素子の反射面に対して照明光の入射側かつ表示光の出射側に設け、前記開口率縮小光学素子は、プリズムアレイであり、前記プリズムアレイは、前記反射型画像表示用素子の画素のそれぞれに対して複数の傾斜を備えることを特徴とする画像表示装置」により達成される。
【００３２】
本発明の第２の課題は、本発明の「前記拡大像形成素子の物面と前記反射型画像表示用素子の反射面とを異なる位置とする該拡大像形成素子を設けることを特徴とする画像表示装置」により達成される。
【００４３】
本発明の第３の課題は、本発明の「画像情報に従って光を制御可能な複数の画素を有する画像表示用素子に形成された像を像形成素子により表示する画像表示装置において、画像フィールドを構成する複数のサブフィールド毎に前記拡大像形成素子の光軸に対する前記画像表示用素子の位置を画素の略配列面方向に変位させる変位手段を有し、該画像表示用素子を中間結像する中間結像レンズを設け、該画像表示用素子の画素への入射照明光の開口率より、該画像表示用素子の画素からの反射表示光の開口率を小さくさせる開口率縮小光学素子を、該中間結像レンズによる該画像表示用素子の中間結像面付近に設け、前記開口率縮小光学素子は、プリズムアレイであり、前記プリズムアレイは、前記反射型画像表示用素子の画素のそれぞれに対して複数の傾斜を備えることを特徴とする画像表示装置」により達成される。
【００４５】
本発明の第４の課題は、本発明の「画像情報に従って光を制御可能な複数の画素を有する画像表示用素子に形成された像を像形成素子により表示する画像表示装置において、画像フィールドを構成する複数のサブフィールド毎に前記拡大像形成素子の光軸に対する前記画像表示用素子の位置を画素の略配列面方向に変位させる変位手段を有し、該画像表示用素子を結像する中間結像レンズを設け、該画像表示用素子の画素への入射照明光の開口率より、該画像表示用素子の画素からの反射表示光の開口率を小さくさせる開口率縮小光学素子を、前記画像表示用素子の反射面に対して照明光の入射側かつ表示光の出射側である反射面と前記中間結像レンズとの間と、該中間結像レンズによる画像表示用素子の中間結像面付近とに設け、前記開口率縮小光学素子は、プリズムアレイであり、前記プリズムアレイは、前記反射型画像表示用素子の画素のそれぞれに対して複数の傾斜を備えることを特徴とする画像表示装置」により達成される。
【００４６】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明による画像表示装置の実施例及び比較例を、添付された図面を参照して具体的に説明する。なお、実施例及び比較例を説明するための全図において、同様の機能を有する部分には従来例とともに同じ符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
【００４７】
本発明の画像表示装置は、画像情報に従って光を制御可能な複数の画素を有する反射型画像表示素子１０と、該反射型画像表示素子１０よりの反射光を表示するための像形成素子（図示せず）とを有する画像表示装置において、前記反射型画像表示素子１０は、解像度を増大させるために画像フィールドを構成する複数のサブフィールド毎に該反射型画像表示素子の位置を画素の略配列面方向に変位させる変位手段と、前記反射型画像表示素子１０の画素への入射照明光の開口率と該反射型画像表示素子の画素からの反射表示光の開口率とを異ならせるようにした光学素子１６，１７とを有し、前記像形成素子の物面と前記反射型画像表示素子１０の反射面とが光路上の異なる位置に設定されているものである。
【００４８】
図１は、本発明の画像表示装置の一実施例における反射型画像表示素子の部分概略構成及びその作用を説明するための図で、１１は前部ガラス、１２は液晶層、１３（１３ａ〜１３ｅ）はアルミニウム反射電極（画素）、１４はシリコン基板、１５ａ〜１５ｅは照明光の入射光線および出射光線、１６はプリズムアレイであり、１０は前部ガラス１１，液晶層１２，及びシリコン基板１４からなる反射型画像表示素子である。入射光線または出射光線１５ａ〜１５ｅは説明のためにその一部または全部を示している。
【００４９】
図１において、反射型画像表示素子１０はＬＣＯＳ（Ｌｉｑｕｉｄ  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｏｎ  Ｓｉｌｉｃｏｎ）と呼ばれるシリコン基板１４にドライブ素子、メモリー素子等を設け、この上に液晶層１２を設けて反射型画像表示素子としたものである。この反射型画像表示素子１０は、液晶層として用いたＴＮ液晶のねじれ構造やＯＤＢ構造により、垂直入射のＰ偏光またはＳ偏光の照明光を画像情報に従ってＰ偏光またはＳ偏光に制御することができる。このため、この反射型画像表示素子１０にＰ偏光またはＳ偏光を入射させ、反射型画像表示素子１０の光源側に偏光ビームススプリッタ（ＰＢＳ）や偏光子／検光子を設けることにより、光の反射率を制御することが可能となり、反射型画像表示装置１０からの出射光を実像形成素子または虚像形成素子によって像形成することにより、画像表示を行うことができる。
【００５０】
図１におけるプリズムアレイ１６の作用を説明する。説明の簡略化のため、光源からの照明光はレーザ光をコリメートした平行な光とする。プリズムアレイ１６は、１つの画素に対して３等分する状態の３つのスロープ１６ａ，１６ｂ，１６ｃを有しており、これら３つのスロープのうち中央のスロープ１６ｂはシリコン基板１４と平行となるように設けてあり、他の二つのスロープ１６ａ，１６ｃはシリコン基板１４に対して同じ角度でかつ正負の符号を異にした角度で設けてある。中央の１つのスロープ１６ｂに入射した平行な照明光は、１５ａに示すように、入射光と全く同じ角度、幅で反射する。厳密には、回折による広がりとアルミニウム反射電極１３ａの微小な凹凸による散乱光により若干光束が広がるが、ほぼ同じ角度及び幅で反射させることができる。これに対して、中央より上側のスロープ１６ａに入射した平行な照明光は、１５ｂに示すように、反射するときには中央の基板に平行なスロープ１６ｂを透過して、入射光と異なる角度、位置で反射される。この角度は反射光が中央のスロープ１６ｂに入射するように、プリズムの角度とプリズムを形成する材料の屈折率により決定される。同様に、中央より下側のスロープ１６ｃに入射した平行な照明光は、１５ｃに示すように、反射するときには基板に平行な中央のスロープ１６ｂを透過して、入射光と異なる角度、位置で反射される。
【００５１】
プリズムアレイ１６の３つ種類のスロープ１６ａ，１６ｂ，１６ｃにより、１つの画素１３ｄに対して入射した1５ｄに示すような照明光は、１５ｅに示すように１つの画素１３ｅから出射した反射光として振るまい、中央のスロープ１６ｂの部分のみから若干広がった光束で出射させることができる。これにより、反射型画像表示素子１０に入射される開口率を１００％にしながら、同じ光学系を透過させた反射光であるにもかかわらず、出射光の開口率をプリズムアレイ１６で３３％とすることができる。
【００５２】
また、このプリズムアレイ１６は、反射型画像表示素子１０の反射面と異なる位置にあり、像形成するレンズに対して十分に離れた距離とすることができ、従ってプリズムアレイ１６の面を像形成素子であるレンズの物面とすることにより、反射型画像表示素子１０の開口率を３３％とすることができる。これにより、画像を１／２画素の大きな距離でシフトした場合においても、隣接した画像が重なることがなく、画素間のクロストークを低減し、コントラストを増加させ、解像度が増加しない場合を低減させる、すなわち、信頼性をもって解像度を上げることができる。
【００５３】
上述の像形成素子の物面は、プリズムアレイ１６の面に限定されるわけではなく、反射型画像表示素子１０の反射面でなければよく、またプリズムアレイ１６中やプリズムアレイ１６を出射したあとの空中でもよく、開口率を異ならせる光学素子の形状により適切に設計される。像形成素子の焦点距離、位置、ＮＡを適切に設計することにより、反射型画像表示素子１０の反射面と物面との距離や被写体深度を適切な値とすることができる。
【００５４】
このようなプリズムアレイ１６は、１方向のみに作用させてもよいが、２重に重ねて２方向に作用させてもよい。このときは、反射型画像表示素子１０の垂直、水平の両方向の解像度を画素をシフトすることにより増加させた場合においても、画素間のクロストークを低減し、コントラストを増加させ、解像度が増加しない場合を低減させる、すなわち、信頼性をもって解像度を上げることができる。
【００５５】
またプリズムアレイ１６のスロープの分割数は２以上であればよく、図１に示す３つのスロープ１６ａ，１６ｂ，１６ｃによる構成以外に、４つ以上の複数のスロープを有していてもよい。スロープの数が多いほど、プリズムアレイを高精度で形成するためのコストが増加するが、反射光の光束の角度及び幅を最適に制御できるようになる。プリズムアレイ１６は、厚い場合には型にプラスチック材料を流し込んで成型したり、カッティングすることにより容易に成型でき、また薄い場合には、型と密着させながら転写することによって容易に成型できる。
【００５６】
プリズムアレイ１６のより具体的な角度は、ＬＣＯＳの画素サイズと前部ガラス１１の厚さに大きく影響されるが、２１μｍサイズのＬＣＯＳで、前部ガラス１１の厚さが薄い０.４ｍｍの場合には、厚さ０.１５ｍｍのポリカーボネートからなるプラスチック材を用いた場合に、わずか約０.５５度の角度を有したプリズムにするだけでよく、わずかの加工で済む。前部ガラス１１の厚さが厚い場合、またはプラスチック材の厚さが厚い場合には、加工する角度をより小さくすることができる。ＬＣＯＳの画素サイズが小さい場合も、加工する角度をより小さくすることができる。また、プリズムアレイ１６の表面と反射面との距離は約０.５５ｍｍであり、像形成レンズの物面の位置を十分に調節することが可能な距離である。像形成レンズとプリズムアレイや画像表示素子との設計の最適化を図ることが好ましい。
【００５７】
上記はレーザ光を用いた平行な照明光に対して説明したが、放電ランプの場合には３〜５度程度の光束の広がりがあり、この分だけ反射光の開口率が大きくなるので、画素をシフトして解像度を２倍にしたい場合には、平行光束の場合における開口率を１次元方向で５０％より小さい３３％程度に小さくしておくことが好ましい。ＬＥＤ光源の場合には、５〜１０度程度の光束の広がりあるので、さらに平行光束の場合における開口率を小さくしておくことが好ましい。また、開口率を変化させる素子としては、上記のプリズムアレイに限定されるものではなく、アルミニウム反射電極１３の部分をプリズムアレイと同様に作用する角柱形状としても効果的であり、また凹面形状としても効果的である。
【００５８】
図２は、本発明の画像表示装置の全体構成の一例を説明するための概要を光路とともに示す図で、図中、２０は液晶パネルユニット、２１は液晶パネル、２２は支持体、２３は圧電素子、２４は赤色ＬＥＤを２次元アレイ状に配列した照明光源、２５は拡散板、２６はコンデンサレンズ、２７はＰＢＳ、２８は投射レンズ、２９はスクリーン、３０は光源ドライブ部、３１は液晶パネルのドライブ部、３２は圧電素子ドライブ部である。
【００５９】
光源ドライブ部３０で制御されて照明光源２４から放出された照明光は、拡散板２５により均一化された照明光となり、コンデンサレンズ２６により液晶ドライブ部３１で照明光源と同期して制御されて液晶パネル２１をクリティカル照明する。この液晶パネル２１で空間光変調された照明光は投射レンズ２８で拡大されスクリーン２９に投射される。このとき、液晶パネル２１は上下方向に支持体２２と接続され、この支持体２２はピエゾからなる小型の圧電素子２３に固定されており、この圧電素子２３は圧電素子ドライブ部３２により制御される。また、図示はしていないが、液晶パネル２１は紙面と垂直方向にも圧電素子に固定された支持体に接続しており紙面の上下方向と同様に圧電素子ドライブ部３２により制御され、液晶パネルユニット２０を形成している。
【００６０】
図２において、圧電素子ドライブ部３２により、液晶パネル２１はｘ，ｙ方向にそれぞれその画素ピッチの１／２を、１フィールドを１つの基本単位として、４つのサブフィールドに分割されて移動する。この移動する期間は、拡大されたスクリーン状の液晶パネルの画像に感じるフリッカーが実用レベルの時間以下の期間とする。このとき、この液晶パネル２１の変位された位置に対応するサブフィールドについて、その位置に対応する画像データを画像表示装置で表示することにより、４倍の画素数の画像表示を行うことができる。
【００６１】
図３は、図２の液晶パネルユニット２０を背面側（図２の右方向）から見たときの概略構成を説明するための図で、図中、２２′，２３′は、それぞれ、図２で図示してはいなかった紙面と垂直方向の支持体及び圧電素子である。図３において、位置ｘ１→ｘ０となる変位値Δｘ３３，及び位置ｙ１→ｙ０となる変位値Δｙ３４で、液晶パネルユニット２０内の液晶パネル２１の位置を変位させることができる。
【００６２】
図４は、液晶パネル２１の画素（３×３の液晶パネルの実画素分）を拡大観察した場合の概要及び圧電素子による変位量を説明するための図である。画素ピッチがｘ方向、ｙ方向に、それぞれ２Δｘ、２Δｙであるとき、その１／２ピッチとなるΔｘ、Δｙを変位値とすることにより、液晶パネル２１の実画素１つによって、４倍の４つの画素を表示することができる。図４において、画素位置３５ａに（ｘ０，ｙ０）＝（０，０）の場合の開口率が約１２％の実画素が設けてあるとき、それぞれのサブフィールドで（ｘ０，ｙ０）＝（０，０），（Δｘ、０），（０，Δｙ），（Δｘ、Δｙ）とすることにより、それぞれ画素位置３５ｄ，３５ｂ，３５ｃに画素を表示することができる。
【００６３】
これらのピッチは、ｘ、ｙとも実画素のピッチの１／２に限定される必要はなく、両方向に１／３として、９倍の画素を表示することもできるし、ｙ方向にのみ１／２とし、ＮＴＳＣの偶数と奇数のフィールドをサブフィールドとして２倍の画素を表示することもできる。また、開口は大きくても小さくても良いが、２５％付近であることが、画素間の空間的クロストークを減少しかつ画素間の表示抜けが視認されにくいので好ましい。
【００６４】
図２において、従来のように液晶パネルと光路をサブフィールドごとに偏向させる必要がないので、画素を増倍しない場合と全く同じ照明光学系及び投射光学系を用いることができ、光学系のＭＴＦを劣化させることがないので、低コストで高解像度の表示を行うことができる。高解像度の投射レンズには、従来よりも２倍の空間周波数に対して同程度のＭＴＦを確保する必要があるため、投射光学系の設計負担を大きく減少することができる。また、圧電素子を用いることにより、コイルやモータ等を用いた方法と比較して、正確に変位量を制御することができるので、常に変位量をフィードバックする必要がなく、液晶パネルを変位させるドライブ部を簡略化でき、かつ正確に変位でき、これにより、低コストでかつ位置ずれによる画像品質の低下の少ない高解像度の画像表示を行うことができる。また、圧電素子は一般に印加電圧と積層数との制約によって変位量が小さいが、図２のように１０〜５０倍の拡大像を観察する画像表示装置では、元の液晶パネル２１の変位量が、観察される変位に対して１／５０〜１／１０と微小量でよいので、変位量が絶対値として小さく、２００Ｖ以内、場合によっては１００Ｖ以内での電圧での圧電素子の可動範囲内ですみ、圧電素子の実用的な電圧での変位量の制約を受けにくい。
【００６５】
さらには、従来の照明光学系及び投射光学系をそのまま用いることができるので、新たな設計の負担がなく低コストの画像表示装置を提供できる。また、圧電素子による変位を行わない、すなわち画素増倍しない表示においては、通常と同様の光学特性を実現でき、これは同じ画像表示装置においてモードを切り替えることで容易に可能である。
【００６６】
圧電素子２３，２３′としては、上述のようにピエゾ素子を用いたものが好ましい。例えば、株式会社トーキンの圧電素子（型番：ＡＥ０２０３Ｄ０８）を用いて、１００ｖでの変位量で約６μｍを得ることができる。この圧電素子の共振周波数は１３８ｋＨｚであり、この３分の１の周波数を最大周波数として、約４０ｋＨｚ以上の高速変位を実行でき、また矩形的な変位以外に、変位の開始と終了時の加速度を低減した変位プロファイルを実現することもできる。
【００６７】
液晶パネル２１としては、画素が１２μｍピッチのディスプレイテクノロジー社（米）のＬＣＯＳ（Ｌｉｑｕｉｄ  Ｃｒｙｓｕｔａｌ  ｏｎ  Ｓｉ）型の空間変調素子を用いることにより、図１と同様にして反射型の照明光学系および投射光学系を構成して、４倍の画素増倍を行うことができる。ただし、前述のように投射レンズの空間周波数への要求が高解像度のために２倍となるので、高解像度対応の投射レンズを使用する必要がある。
【００６８】
図２では、投射レンズ２８によりスクリーン２９に空間光変調器の実像を形成して拡大しているが、本発明ではこのような構成に限定されるものではなく、投射レンズ２９のかわりに接眼レンズを用いて、直接に拡大した虚像を観察してもよい。
【００６９】
図５は、上述した本発明のプリズムアレイのような光学素子を用いることなく画素をシフトさせる場合の比較例について説明するための図で、画像表示装置の画像表示素子の部分概略構成の一例を光路とともに示す図である。なお、入射光線及び出射光線２５は、説明のためにその一部または全部を示している。図５において、入射した平行な照明光１５は、入射光と全く同じ角度及び幅で反射する。厳密には、回折による広がりとアルミニウム反射電極１３の微小な凹凸による散乱光により若干光束が広がるが、ほぼ同じ角度及び幅で反射させることができる。このため、開口率がほぼ１００％のままであり、画素をシフトさせた場合に、画素がシフトすることにより隣接する画素どうしが重ってクロストークとなってしまい、コントラストが低減するばかりか、解像度が増加しない場合も生じてしまう。
【００７０】
図６は、本発明の画像表示装置の他の実施例における反射型画像表示素子の部分概略構成を光路とともに示す図で、図中、１７はマイクロレンズアレイである。また図６において入射光線及び出射光線１５ａ，１５ｂは、説明のためにその一部または全部を示している。
【００７１】
図６におけるマイクロレンズアレイ１７の作用を説明する。説明の簡略化のため、光源からの照明光はレーザ光をコリメートした平行な光とする。マイクロレンズアレイ１７に入射した照明光１５ａからなる光束が最小面積を与える距離が、マイクロレンズアレイ１７とアルミニウム反射電極１３との距離よりも大きくなっており、この場合にはマイクロレンズアレイ１７を出射した後の空気部分に反射光１５ｂが最小面積を与える部分がある。図６では、斜線部分において２直線が交差した点となっているが、実際には回折により小さな最小面積を有する。また、レンズの収差やアルミニウム反射電極１３の微小な凹凸による散乱光により、この最小面積は大きくなる。
【００７２】
このとき、マイクロレンズアレイ１７のレンズ面での光束の大きさは、もとのマイクロレンズの直径に対して約１／２であり、面積比で約２５％にすることができる。このマイクロレンズ面を像形成素子の物面とすることにより、入射光の開口率をほぼ１００％とすると同時に、反射光の開口率を約２５％と小さくすることができる。また、マイクロレンズの焦点距離、形状を最適化することにより、１０％〜１００％の範囲で反射光の開口率を制御することは容易であり、画素のシフト量に対して、プリズムアレイの場合よりもより開口率を適正にできる。これにより、画像を１／２画素の大きな距離でシフトした場合においても、隣接した画像が重なることがなく、画素間のクロストークを低減し、コントラストを増大させ、解像度が増加しない場合を低減させることができる。また、マイクロレンズアレイは、既に多くの液晶表示素子に対して用いられているため、他のマイクロ光学素子に対して構造が簡単で安価な方法であり、簡単に低コストで実現できる。
【００７３】
図７は、本発明の画像表示装置の更に他の実施例における反射型画像表示素子の部分概略構成を光路とともに示す図である。図７において、入射光線及び出射光線１５ａ，１５ｂは、説明のためにその一部または全部を示している。
【００７４】
図７における構成も、図６の構成と同様に、マイクロレンズアレイ１７に入射した照明光１５ａからなる光束が最小面積を与える距離が、マイクロレンズアレイ１７とアルミニウム反射電極１３との距離よりも大きくなっているが、この場合にはマイクロレンズアレイ１７を出射する前のマイクロレンズ材料中に反射光１５ｂが最小面積を与える部分がある。図７においては、マイクロレンズの材料中で２直線が交差した点となっているが、実際には回折により小さな最小面積を有する。また、レンズの収差や反射電極の微小な凹凸による散乱光により、この最小面積は大きくなる。また、マイクロレンズアレイ１７は、レジスト溶融、レジスト形状転写、及びイオン拡散等の方法で容易に透明基板上または基板内に成型できる。また、マイクロレンズアレイ１７としてバイナリ素子やホログラム素子等を用いてもよい。また、マイクロレンズアレイ１７は球面形状である必要はなく、非球面、シリンドリカル面であってもよく、複数種類重ねて構成してもよい。
【００７５】
このとき、図６の場合と同様に、マイクロレンズアレイ１７のマイクロレンズ面での光束の大きさは、もとのマイクロレンズの直径に対して約１／２であり、面積比で約２５％にすることができる。このマイクロレンズ面を像形成素子の物面とすることにより、入射光の開口率をほぼ１００％とすると同時に、反射光の開口率を約２５％と小さくすることができる。これにより、画像を１／２画素の大きな距離でシフトした場合においても、隣接した画像が重なることがなく、画素間のクロストークを低減し、コントラストを増加させ、解像度が増加しない場合を低減させることができる。また、マイクロレンズアレイ１７は、既に多くの液晶表示素子に対して用いられているため、他のマイクロ光学素子に対して構造が簡単で安価であり、簡単に低コストで実現できる。
【００７６】
図７の構成は、図６の構成と比較して、アルミニウム反射電極１３からマイクロレンズ１７の表面の間で光束が比較的に小さいことから、像形成素子の焦点深度が多少マイクロレンズ表面から反射電極方向にずれても開口率が小さいままであるので、図６の構成よりも好ましいといえる。
【００７７】
マイクロレンズアレイ１７に入射した照明光１５ａからなる光束が最小面積を与える距離は、マイクロレンズの曲率が大きい場合には、その光束の角度や進行方向により、マイクロレンズとしての像側または物側主点からの焦点までの距離が重要となるが、通常の曲率のマイクロレンズであれば、ほぼ焦点距離ｆまたはマイクロレンズ表面と焦点との距離に等しい。ただし、光束が空気中か他の媒質中かによって、実効屈折率を考慮する必要がある。
【００７８】
また、光束が最小となる位置は、焦点距離付近である場合以外にも、球面収差の影響により焦点距離よりも小さくなる場合がある。光束の角度分布がガウシアン分布のように０度付近の強度が強い場合には、球面収差の影響により焦点距離よりも、遠くなる場合がある。また、これらの光束が最小となる場合の画素の形状は、光束の角度分布に大きく影響されるために、光束の角度分布と必要とする画素形状から光束が最小とするのが、最大径か、円または正方形または他の形状の換算径か、半値幅か等によっても異なってくる。
【００７９】
また、２つ以上のマイクロレンズを、画素の配列に対応させて形成すると光束を高い光利用効率で縮小することに効果的である。１つのマイクロレンズアレイの上にもう一つのマイクロレンズアレイを積層することにより、収差をおさえたり、より焦点距離の小さいマイクロレンズを形成することができる。また、リレーレンズ等の中間像をマイクロレンズで機能させることにより、画素を効果的に作用することもできる。
【００８０】
今、像形成素子の物面をマイクロレンズ表面としたときに、曲率の小さいマイクロレンズで、その焦点距離をｆ、マイクロレンズアレイ１７のレンズ表面とアルミニウム反射電極１３との距離をｄとするならば、その好ましい関係は、ｄ＜ｆであり、さらに好ましい関係は、１.５×ｄ≦ｆ≦３×ｄである。その関係が、ｄ＜ｆの場合には、開口率を小さくすることができ、その関係が、１.５×ｄ≦ｆ≦３×ｄの場合には、開口率を２５〜５０％以下にすることができる。レンズの収差、実際の照明光の光束の広がり、さらに像形成素子の焦点深度との適正化を考慮すると、特に２×ｄ≦ｆ≦３×ｄの関係にあることが好ましい。１.５×ｄ＝ｆは図６の状態であり、３×ｄ＝ｆは図７の状態である。いずれも、平行な照明光で、無収差のマイクロレンズの場合には、開口率を約２５％にできる。また、２×ｄ＝ｆのときには、平行な照明光で、無収差のマイクロレンズの場合には、マイクロレンズ表面での開口率を最小にできる。ただし、上記とは別に、像形成素子の物面を空中とした場合には、２×ｄ≦ｆであることが特に好ましい。
【００８１】
図８に、１０ミクロン角の強誘電液晶からなる画素上に、厚さ１００μｍの石英基板からなるマイクロレンズを設けた場合の、照明角と画素の開口率縮小による焦点距離２０ｍｍの投射レンズの焦点合わせを最適にした場合の疑似ＭＴＦ（矩形入力に対する出力関数）との関係の実験結果を示す。マイクロレンズの焦点距離は、ガラス中で約２００μｍであが、疑似ＭＴＦが最良になるように最適化してある。また、レンズ形状は１次のコーニック係数を有する矩形開口の非球面である。横軸は、照明角（度）であり、縦軸は疑似ＭＴＦである。照明光の角度分布はランバート分布である。
また、図９に、図８における照明角度１度の場合の、投射レンズの焦点をはずした場合の疑似ＭＴＦの実験結果を示す。横軸は、デーフォーカス量（μｍ）であり、縦軸は疑似ＭＴＦである。
さらに、図１０に、疑似ＭＴＦが８０％の場合を、光学計算評価ソフトであるＬｉｇｈｔ  Ｔｏｏｌｓ（サイバネット社）により光線追跡した場合の、開口を縮小された画素のビームプロファイルを示す。
図８，図９，図１０からわかるように、反射面上に設けたマイクロレンズにより、良好なビームプロファイルで画素の開口率が縮小されている。
【００８２】
図１１は、本発明による図６及び図７の構成に対する比較例を示す図であり、画像表示装置の反射型画像表示素子の部分概略構成例を光路とともに示す図である。入射光線および出射光線１５ａ，１５ｂは、説明のためにその一部または全部を示している。図１１において、入射した平行な照明光は、入射光１５ａと全く同じ角度及び幅で反射して反射光１５ｂとなる。厳密には、レンズの収差や、回折による広がりとアルミニウム反射電極１３の微小な凹凸による散乱光により若干光束が広がるが、ほぼ同じ角度及び幅で反射させることができる。このため、開口率がほぼ１００％のままであり、画素をシフトさせた場合に、画素がシフトすることにより隣接する画素どうしによってクロストークが生じてしまい、コントラストが低減するばかりか、解像度も増加しない場合も生じてしまう。
【００８３】
図１２は、本発明の画像表示装置の更に他の実施例における反射型画像表示素子の部分概略構成を光路とともに示す図で、図中、１８ａ〜１８ｃ及び１９ａ〜１９ｃはマイクロ偏光ビームムスプリッタ（ＭＰＢＳ）であり、４１ａ〜４１ｃは画素サイズよりも小さくかつ画素間に設けたマイクロレンズである。また図１２において、入射光線および出射光線１５ａ〜１５ｃは、説明のためにその一部または全部を示している。
【００８４】
図１２におけるマイクロレンズアレイ１７の作用を説明する。説明の簡略化のため、光源からの照明光はレーザ光をコリメートした平行な光とする。マイクロレンズアレイ１７に入射したＰ偏光の照明光１５ａからなる光束は、反射電極１３ａで最小面積を与える。この反射光は、液晶層１２により偏光方向を回転されてＳ偏光となって出射する。このとき、前部ガラス１１中に設けた２種類の組になったＭＰＢＳ１８ａ，１９ａ；１８ｂ，１９ｂ；１８ｃ，１９ｃにより２回反射されて、１５ｂに示す状態となり、これは１５ｃの状態の光束で示すように画素間のマイクロレンズアレイ４１ｃにより光束を集光され、さらに画素間でかつマイクロレンズの凹面部分を光束が透過して発散されて出射する。
【００８５】
このとき、マイクロレンズアレイ１７のレンズ面での光束の大きさは、もとのマイクロレンズの直径に対して約１／２であり、面積比で約２５％にすることができる。このマイクロレンズ面を像形成素子の物面とすることにより、入射光の開口率をほぼ１００％とすると同時に、反射光の開口率を約２５％と小さくすることができる。これにより、画像を１／２画素の大きな距離でシフトした場合においても、隣接した画像が重なることがなく、画素間のクロストークをより低減し、コントラストを増加させ、解像度が増加しない場合を低減させることができる。
【００８６】
ただし、画素サイズが２０ミクロンよりも小さいときには、多層膜によって製作するＭＰＢＳへの制約が大きくなり消光比が低減しやすいために、偏光分離素子であるＭＰＢＳを使用しない構成である図６のものと比較してかえって画素間のクロストークが増加してしまう場合があり、画素サイズが２０ミクロンよりも大きい場合に適用することがより好ましい。また、画素間のマイクロレンズ４１ａ〜４１ｃは、イオンの拡散または空気層形成によって作成するが、どちらの場合も、画素サイズが２０ミクロンよりも大きいときに作成しやすい。このため、シリコン上に作成したＬＣＯＳよりも、比較的画素サイズが大きく、かつ安価にできるアモルファスシリコンまたは低温多結晶等のアクティブ素子を用いた低コストな反射型表示装置に適用することがより好ましい。結晶等の光学材料を用いてＭＰＢＳを製作した場合には、上記のような制限はなくなるが、逆に微細加工の困難さや高いコストが問題となる。
【００８７】
また、ＭＰＢＳを構成する多層膜のかわりに、ホログラム素子を用いてもよい。多層膜を形成する時間が短縮できるために、より低コストで実現することができる。また、マイクロレンズを２つ使用する必要はなく、焦点距離やレイアウトを変更することにより、１つにしてもよい。さらに、偏光分離素子としての多層膜も、２つ使用する必要はなく、偏向方向やレイアウトを偏向することにより、１つにしてもよい。また、３つ以上使用してもよい。
【００８８】
図１３は、本発明の画像表示装置の更に他の実施例における画像表示素子の部分概略構成を光路とともに示す図で、図中、４２ａ〜４２ｃ及び４３ａ〜４３ｃは凸レンズ作用のある偏光性ホログラム素子である。入射光線及び出射光線１５ａ，１５ｂは、説明のためにその一部または全部を示している。
【００８９】
図１３における偏光性ホログラム素子４２ａ〜４２ｃ，４３ａ〜４３ｃの作用を説明する。説明の簡略化のため、光源からの照明光はレーザ光をコリメートした平行な光とする。偏光性ホログラム素子４２ａに入射したＰ偏光からなる照明光１５ａは、Ｐ偏光に対する偏光性ホログラム素子４２ａが凸レンズとして作用し、アルミニウム反射電極１３ａで最小面積を与える。さらにこの反射光は、液晶層１２により偏光方向が回転されてＳ偏光となって出射する。このとき、Ｓ偏光からなる反射光は、Ｓ偏光に対する偏光性ホログラム素子４３ｂが凸レンズとして作用し、このＳ偏光からなる反射光はほぼ平行な光束となり、図１３に示される１５ｂの状態の反射光となる。
【００９０】
このとき、偏光性ホログラム素子４２ｂの面での光束の大きさは、もとの偏光性ホログラム素子の直径に対して約１／２であり、面積比で約２５％にすることができる。この偏光性ホログラム素子面を像形成素子の物面とすることにより、入射光の開口率をほぼ１００％とすると同時に、反射光の開口率を約２５％と小さくすることができる。これにより、画像を１／２画素の大きな距離でシフトした場合においても、隣接した画像が重なることがなく、画素間のクロストークをより低減し、コントラストを増加させ、解像度が増加しない場合を低減させることができる。また、ＭＰＢＳのような基板に斜めの面を有する光学素子を平面的な画像表示素子付近に用いる必要がないので、非常に薄型で小型化することができる。
【００９１】
また、図１３に示すように、液晶からなる偏光方向を制御する画像表示装置を組み合わせた場合には、入射と反射の場合の偏光特性が異なるため、この偏光特性に対応した偏光性光学素子を設けることにより、反射面に対して、光学素子の光学特性を非対称とすることがでるが、この偏光性の光学素子としてホログラム素子を用いることより、高効率の偏光制御が可能である。
また、ホログラム素子以外にも、グレーティング光学素子、フォトニック光学結晶素子、電気光学結晶素子、複屈折材料光学素子、ＭＰＢＳ等も同様に用いることができる。
【００９２】
また、図１３に示すように、照明光の光束が最小となる位置または集光される位置は、反射面上にすることもできるため、高効率で、反射型像表示素子の反射面中央部に集光することができるので、画素に設けた駆動素子による元の画素の開口率の影響を小さくすることができるようになる。さらに、ブラックマトリクスを設けた場合のコントラスト増加の効果も大きくすることがでるようになる。また、開口率を縮小された画素の光軸方向の位置が、物理的実体である反射型像表示素子の反射面に固定されるので、投射レンズの焦点合わせが容易となる。
【００９３】
この偏光性ホログラム素子は、一般のホログラム形成技術を用いて作成でき、レジストに２光束干渉で露光させて作成してもよいし、屈折率可変のフォトポリマー材料を露光して作成してもよいし、ＣＧＨにより薄い基板をステップエッチングしたり、銀塩フィルムを用いたりしてもよい。また必要に応じて異方性材材料等を用いてもかまわない。
【００９４】
図１４は、本発明の画像表示装置の更に他の実施例における反射型画像表示素子の部分概略構成を光路とともに示す図で、図中、４４ａ，４４ｂは凸レンズとして作用する偏光性ホログラム素子である。なお、入射光線および出射光線１５ａ，１５ｂは、説明のためにその一部または全部を示している。
【００９５】
図１４におけるマイクロレンズアレイ１７及び偏光性ホログラム４４ａ，４４ｂの作用を説明する。説明の簡略化のため、光源からの照明光はレーザ光をコリメートした平行な光とする。マイクロレンズアレイ１７に入射したＰ偏光からなる照明光１５ａは、凸型マイクロレンズが凸レンズとして作用し、アルミニウム反射電極１３ａで最小面積を与える。さらにこの反射光は、液晶層１２により偏光方向を回転されてＳ偏光となって出射する。このとき、Ｓ偏光からなる反射光は、Ｓ偏光に対する偏光性ホログラム素子４４ａが凸レンズとして作用し、このＳ偏光からなる反射光のみの光束がほぼ平行な光束となり、さらにマイクロレンズ１７による集光作用をうけて、図に示される１５ｂの状態のように、マイクロレンズ表面付近で弱く反射光となる表示素子とすることができる。
【００９６】
このとき、マイクロレンズアレイ１７のレンズ表面での光束の大きさは、もとのマイクロレンズの直径に対して約１／２であり、面積比で約２５％にすることができる。このマイクロレンズ表面を像形成素子の物面とすることにより、入射光の開口率をほぼ１００％とすると同時に、反射光の開口率を約２５％と小さくすることができる。これにより、画像を１／２画素の大きな距離でシフトした場合においても、隣接した画像が重なることがなく、画素間のクロストークをより低減し、コントラストを増加させ、解像度が増加しない場合を低減させることができる。また、ＭＰＢＳのような基板に斜めの面を有する光学素子を平面的な画像表示素子付近に用いる必要がないので、非常に薄型で小型化することができる。
【００９７】
図１５は、本発明の画像表示装置の更に他の実施例における部分概略構成を光路とともに示す図で、反射型画像表示素子部分、結像レンズ、及び反射型画像表示素子の結像面に設けたマイクロレンズを示しており、観察者がさらに図示しない像形成素子を通してマイクロレンズを観察することにより画像表示を行う。図１２において、４５は結像レンズ、４６ａ〜４６ｃは透明の基板４７上に設けたマイクロレンズ、４８はマイクロレンズを設けた基板４７の反対面である。
【００９８】
図１５において、反射型画像表示素子１０の画素１３ｂからの反射光は、結像レンズ４５によってマイクロレンズ４６ｂに等倍結像されて入射する。このマイクロレンズ４６ｂに入射した光束は、マイクロレンズの凸レンズ作用により集光されて、マイクロレンズを設けた基板４７の反対面４８において、ほぼ１／２の大きさになる。このとき、このマイクロレンズを設けた基板４７の反対面４８に、像形成素子の物面を設けることにより、観察者の観察する画像表示面の画素の開口率が約２５％となる。これにより、画像を１／２画素の大きな距離でシフトした場合においても、隣接した画像が重なることがなく、画素間のクロストークをより低減し、コントラストを増加させ、解像度が増加しない場合を低減させることができる。
【００９９】
このように結像レンズとマイクロレンズを用いることにより、画像表示素子の付近にはマイクロレンズやプリズムアレイのような光学素子を設ける必要がないので、デジタルミラーアレイ（ＤＭＤ：テキサスインスツルメンツ社）のような垂直方向に入射光と反射光が一致しない画像表素子や、ＬＣＯＳに対して斜入射の照明光学系を用いる場合に使用することができるようになる。このとき、マイクロレンズは、レジスト溶融、レジスト形状転写、イオン拡散等の方法で容易に透明基板上または基板内に成型できる。また、バイナリ素子やホログラム素子等を用いてもよい。また、図１５の結像レンズと像形成レンズを共通化して、スクリーン面にマイクロレンズを設けてもよい。
【０１００】
また、画素の開口率を縮小させる光学素子を、反射型像表示素子の前面に設ける同時に、これを中間結像形成レンズで中間結像を形成した中間結像面に設けることは、２ステップで画素の開口率を縮小しているので、それぞれのステップでの画素の開口率を縮小させる際の収差の影響が小さくなるので、高光利用効率とすることができるようになる。
【０１０１】
【発明の効果】
第１の本発明の画像表示装置においては、反射型像表示素子に照明光の入射と表示光の出射の両方に作用する開口縮小光学素子を設けているので、光束の開口率が効率よく縮小されるので、反射型表示素子を用いて画素をシフトすることにより高解像度化を実現する画像表示装置において、画素間のクロストークを低減させることができる画像表示装置を提供できる。
【０１０２】
第２の本発明の画像表示装置においては、拡大像形成素子の物面と反射型画像表示用素子の反射面とを異なる位置とする拡大像形成素子を設けているので、画素の反射面の大きさと異なる大きさの開口率が十分に縮小されると同時にその画素を拡大表示することができるので、画素間のクロストークを低減させることができるより高解像度化できる画像表示装置を提供できる。
【０１１３】
第３の本発明の画像表示装置においては、表示素子を中間結像する中間結像レンズを設け、画像表示用素子の画素への入射照明光の開口率と、画像表示用素子の画素からの反射表示光の開口率が異ならせる開口率縮小光学素子を、中間結像レンズによる表示素子の中間結像面付近に設けているので、開口率縮小光学素子を画像表示用素子付近に設ける必要がないので、斜入射の反射型表示素子や透過型表示素子以を用いた場合においても、画素間のクロストークを低減させることができる画像表示装置を提供することができる。
【０１１５】
第４の本発明の画像表示装置においては、画像表示用素子付近と画像表示用素子の中間像面との２つの部分に開口率縮小光学素子を設けているので、それぞれの集光作用のパワーを乗ずることができるので、画素をシフトすることにより高解像度化を実現する画像表示装置においても、より画素間のクロストークを低減させることができる画像表示装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の画像表示装置の一実施例における反射型画像表示素子の部分概略構成及びその作用を説明するための図である。
【図２】  本発明の画像表示装置の全体構成の一例を説明するための概要を光路とともに示す図である。
【図３】  図２の液晶パネルユニット２０を背面側（図２の右方向）から見たときの概略構成を説明するための図である。
【図４】  液晶パネル２１の画素（３×３の液晶パネルの実画素分）を拡大観察した場合の概要及び圧電素子による変位量を説明するための図である。
【図５】  上述した本発明のプリズムアレイのような光学素子を用いることなく画素をシフトさせる場合の比較例について説明するための図である。
【図６】  本発明の画像表示装置の他の実施例における反射型画像表示素子の部分概略構成を光路とともに示す図である。
【図７】  本発明の画像表示装置の更に他の実施例における反射型画像表示素子の部分概略構成を光路とともに示す図である。
【図８】  照明角と、投射レンズの焦点合わせを最適にした場合の疑似ＭＴＦの実験結果を示す図である。
【図９】  図８における照明角度１度の場合の、投射レンズの焦点をはずした場合の疑似ＭＴＦの実験結果を示す図である。
【図１０】  疑似ＭＴＦが８０％の場合を、光学計算評価ソフトにより光線追跡した場合の、開口を縮小された画素のビームプロファイルを示す図である。
【図１１】  本発明による図６及び図７の構成に対する比較例を示す図である。
【図１２】  本発明の画像表示装置の更に他の実施例における反射型画像表示素子の部分概略構成を光路とともに示す図である。
【図１３】  本発明の画像表示装置の更に他の実施例における反射型画像表示素子の部分概略構成を光路とともに示す図である。
【図１４】  本発明の画像表示装置の更に他の実施例における反射型画像表示素子の部分概略構成を光路とともに示す図である。
【図１５】  本発明の画像表示装置の更に他の実施例における部分概略構成を光路とともに示す図である。
【図１６】  レンズをシフトする方法により画像表示用素子の高解像度化を行ったレンズにより拡大した虚像を観察する、特開平６−３２４３２０号公報に記載の従来の表示方法を示す図である。
【図１７】  電気光学素子と複屈折材料を使用する方法により画像表示用素子の高解像度化を行ったレンズにより拡大した虚像を観察する、特開平６−３２４３２０号公報に記載の従来の表示方法を示す図である。
【図１８】  特開平６−３２４３２０号公報に記載の従来の方法を示す図である。
【符号の説明】
１０…反射型画像表示素子、１１…前部ガラス、１２…液晶層、１３（１３ａ〜１３ｅ）…アルミニウム反射電極、１４…シリコン基板、１５ａ〜１５ｅ…照明光の入射光線および出射光線、１６…プリズムアレイ（光学素子）、１７…マイクロレンズアレイ（光学素子）、１８ａ〜１８ｃ，１９ａ〜１９ｃ…マイクロ偏光ビームムスプリッタ（ＭＰＢＳ）、２０…液晶パネルユニット、２１…液晶パネル、２２，２２′…支持体、２３，２３′…圧電素子、２４…照明光源、２５…拡散板、２６…コンデンサレンズ、２７…ＰＢＳ、２８…投射レンズ、２９…スクリーン、３０…光源ドライブ部、３１…液晶パネルのドライブ部、３２…圧電素子ドライブ部、３３…変位値Δｘ、３４…変位値Δｙ、３５ａ，３５ｂ，３５ｃ，３５ｄ…画素位置、４１ａ〜４１ｃ…マイクロレンズ、４２ａ〜４２ｃ，４３ａ〜４３ｃ，４４ａ，４４ｂ…凸レンズ作用のある偏光性ホログラム素子、４５…結像レンズ、４６ａ，４６ｂ，４６ｃ…マイクロレンズ、４７…基板、４８…基板反対面、５０…ＬＣＤパネル、６０…ＬＣＤドライブ回路、７０…光路変更手段、７１…接眼レンズ、７２…ボイスコイル、７３…レンズ取付台、８０…ボイスコイルのドライブ回路、９１…偏光面回転部材、９２…複屈折板、９３…液晶板、９４，９５…透明電極、１０１…入射光ビーム、１０１ａ…集光画素サイズ、１０２…集光光学系、１０２ａ…微小レンズ部、１０３…モザイク状表示部、１０３ａ…表示画素開口部、１０４…出射ビーム。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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