(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光軸の位置を周期的にシフトさせる画像シフト部を少なくとも１つ備えた画像シフト素子であって、
前記画像シフト部は、
印加電圧のＨｉｇｈ／Ｌｏｗに応じて、光の偏光方向を、直交する２つの方向の間で切り替える液晶セルと、
光の偏光方向によって屈折率が異なる複屈折素子と、
を備えており、
前記液晶セルおよび複屈折素子は、この順序で光を透過するように配置され、
前記液晶セルは、液晶層と、前記液晶層と接する配向膜とを有しており、
前記液晶セルに含まれる液晶層は、自然ピッチ長をｐ、セルギャップをｄとしたとき、０．５＜ｄ／ｐ＜１の関係式を満足するＴＮモード液晶層から形成され、前記配向膜によって前記液晶セル内で９０°捩れるように配置されており、
前記印加電圧がＬｏｗのとき、前記液晶層において液晶分子のプレチルトが発生し、前記液晶層のプレチルト角は５°未満に調節されている、画像シフト素子。
【請求項２】
前記液晶層の自然ピッチ長ｐは、カイラル剤の添加によって調節されている請求項１に記載の画像シフト素子。
【請求項３】
前記液晶層は、ｄ／ｐ＜０．７５の関係式を満足する請求項１または２に記載の画像シフト素子。
【請求項４】
前記画像シフト部の個数は複数である、請求項１から３のいずれかに記載の画像シフト素子。
【請求項５】
請求項１から４のいずれかに記載の画像シフト素子と、
前記画像シフト素子の前記液晶セルに電圧を供給する駆動回路と、
を備え、
前記駆動回路は、シフトさせるべき画像の切り替えタイミングに同期させて前記電圧を変化させる画像シフト素子モジュール。
【請求項６】
前記駆動回路は、選択された期間、前記画像シフト素子の液晶セルに含まれる液晶層の略全体に対して７ボルト以上の電圧を印加する請求項５に記載の画像シフト素子モジュール。
【請求項７】
前記選択された期間は、画像のサブフィールド期間以上の長さを有している請求項６に記載の画像シフト素子モジュール。
【請求項８】
画像を表示する画像表示部と、
請求項１から４のいずれかに記載の画像シフト素子と、
を備えた画像表示装置であって、
前記画像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、画像表示装置。
【請求項９】
前記画像シフト素子の前記液晶セルに電圧を供給する駆動回路を更に備えている請求項８に記載の画像表示装置。
【請求項１０】
前記駆動回路は、選択された期間、前記画像シフト素子の液晶セルに含まれる液晶層の略全体に対して７ボルト以上の電圧を印加する請求項９に記載の画像表示装置。
【請求項１１】
前記選択された期間は、画像のサブフィールド期間以上の長さを有している請求項１０に記載の画像表示装置。
【請求項１２】
前記画像表示部から出て前記画像シフト素子に入射する光は直線偏光である、請求項８から１１のいずれかに記載の画像表示装置。
【請求項１３】
前記画像のシフトにより、前記画像を構成する画素が時分割で重畳される、請求項８から１２のいずれかに記載の画像表示装置。
【請求項１４】
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、
を備えた画像表示装置であって、
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４のいずれかに記載の画像シフト素子と、
を備え、
前記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で前記被投影面上の同一領域を順次照射する画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ヘッド・マウント・ディスプレイ（以下、「ＨＭＤ」と称する。）や投影型画像表示装置（プロジェクタ）などに好適に用いられる画像シフト素子、および当該画像シフト素子を備えた画像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。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。この電圧印加によって液晶層の光学特性（光の透過率や反射率）が画素ごとに変化するため、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スイッチング素子が基板上に配列される。このようなスイッチング素子が配列された基板をアクティブマトリクス基板と呼ぶ。アクティブマトリクス基板上のスイッチング素子は、対応する画素電極と信号配線との間で電気的な導通／非導通状態を切り替える働きをする。このようなスイッチング素子には、金属−絶縁体−金属（ＭＩＭ）素子や薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）などが好適に用いられている。
【０００５】
スイッチング素子は、非導通状態のとき、可能な限り高い電気抵抗を示すことが要求される。しかし、非導通状態にあるスイッチング素子に対して強い光が入射すると、スイッチング素子の電気抵抗が低下し、リーク電流が発生するため、画素電極に蓄えられていた電荷が放電されてしまうという問題が生じる。また、画素電極に適切なレベルの駆動電圧が印加されず、本来の表示動作が実行されなくなり、黒状態でも光が漏れてコントラスト比が低下するという問題も生じる。
【０００６】
液晶表示素子が透過型の場合は、上記問題を解決するため、アクティブマトリクス基板上、または、アクティブマトリクス基板とは液晶層を挟んで対向する対向基板に、ブラックマトリクスと呼ばれる遮光層が配置される。このブラックマトリクスの存在は、画素開口部の面積割合（開口率）を小さくしてしまう。ブラックマトリクスの占有面積を縮小して高精細化を達成するには、スイッチング素子や配線を微細化すればよいが、スイッチング素子や配線を微細化すると、駆動力の低下や配線抵抗の増加を招くことになる。また、製造技術上の制約からも、スイッチング素子や配線を微細化するのは難しい。
【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させる技術が米国特許第４,９８４,０９１号に開示されている。この技術によれば、画素の移動に同期させ、移動した画素位置に対応する映像を表示される。その結果、見かけ上の画素数が増えるため、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となる。
【０００８】
米国特許第６,０６１,１０３号は、赤、緑、青（以下、「ＲＧＢ」と称する。）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を開示している。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、表示パネル上の画素ピッチを縮小せずに、見かけの解像度を３倍に向上させることができる。
【０００９】
上記米国特許第６,０６１,１０３には、画像を光学的にシフトさせる手段として、液晶素子と複屈折素子とを組み合わせた画像シフト素子が開示されている。複屈折素子は、入射する光の偏光方向によって光の屈折方向が変わる材料から形成されたものである。複屈折素子に入射する光の偏光方向を液晶素子によって変えれば、複屈折素子から出る光の光軸をシフトざることができる。
【００１０】
図１は、公知の画像シフト素子を示している。この画像シフト素子は、光線の伝搬方向に沿って直列的に配列された液晶素子７および複屈折素子１１を備えている。液晶素子７は、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。複屈折素子１１は、入射してきた直線偏光の偏光面の向きに応じて光線をシフトさせることができる。
【００１１】
図１に示されている例では、液晶素子７に入射する光の電場ベクトル方向（偏光方向）は紙面に垂直である。液晶素子７は屈折率異方性△εが正のＴＮモードの液晶（ＴＮ液晶）を用いているため、液晶素子７の液晶層に電圧が印加されていない時（電圧ＯＦＦ状態の時）、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、液晶素子７の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状態の時）、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、入射光の偏光面は紙面に垂直なまま出射されることになる。そして、図示されている複屈折素子１１は、偏光面が紙面に垂直な光はそのまま透過させるが、紙面に平行な光はシフトさせることができる。
【００１２】
図１に示すような画像シフト素子内の液晶素子７は、印加される電圧の大きさに応じて、第１の直線偏光を出射する状態と、これに垂直な偏光面を有する第２の直線偏光を出射する状態との間で状態を適切かつ迅速に切り替えることが求められる。
【００１３】
前述したように、上記のＴＮ液晶を用いた液晶素子の場合、電圧をＴＮ液晶に印加しないとき、液晶素子に入射した直線偏光は偏光面が９０°回転した直線偏光として出射されるが、ＴＮ液晶に電圧を印加すると、液晶分子の向きは電界によって速やかに変化し、入射光の偏光を変化させない状態に遷移する。一方、ＴＮ液晶に対する電圧の印加を停止すると、液晶分子は、もとの状態に遷移（緩和）するが、その速度は遅い。
【００１４】
このように、液晶層に印加する電圧をＬｏｗ（典型的には０ボルト）からＨｉｇｈ（例えば５ボルト）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は、液晶分子の向きが変化する速度が異なっている。この応答速度を評価するには、液晶層の前後に一対の直交した偏光子を配置し、光の透過率の時間的変化を測定すればよい。図２は、印加電圧をＬｏｗからＨｉｇｈへと変化させた後、所定時間経過後に印加電圧をＨｉｇｈからＬｏｗへと変化させた場合の透過率（ｔｒａｎｓｍｉｔｔａｎｃｅ）の変化を示している。ここで、透過率が最大値からゼロまで下降する時間を「液晶の立ち上がり応答時間τｒ」をと称し、透過率がゼロから最大値まで上昇する時間を「液晶の立ち下がり応答時間τｄ」と称することとする。液晶の立ち上がり応答時間τｒは比較的短いが、立ち下がり応答時間τｄは、比較的長い。液晶の立ち下がり応答時間τｄが長いと、画像表示素子が表示する画像の切り替えのタイミングに同期させて画像をシフトさせることができなくなる。この問題を説明する前に、まず、像表示装置における画像の切り替え速度について説明する。
【００１５】
通常、画像表示素子の駆動方法には、インターレース駆動とノンインターレース駆動のどちらかが一般的に用いられる。インターレース駆動は、フィールド毎に奇数行のみと偶数行のみをそれぞれ選択し、奇数と偶数のフィールドで１つの画像を完成させる表示方法で、各フィールドの選択時間は、通常１６．６ミリ秒（６０Hz）である。一方、ノンインターレース駆動は、表示素子の奇数行と偶数行に関係なく、順次選択する表示方法であり、各フィールドの選択時間は、インターレース駆動と同様に通常１６．６ミリ秒（６０Hz）である。ここで、フィールドとは、インターレース駆動、ノンインターレース駆動を問わず、画像の垂直同期間の期間を呼ぶ。液晶表示素子では、ブランキングタイムを含めたスキャン期間がフィールド期間に相当する。
【００１６】
上記の米国特許第６,０６１,１０３号に記載されている方法では、Ｒ、G、Ｂのシフト位置に応じて１フィールド期間を分割し、分割され期間（以下、「サブフィールド期間」と称する。）毎に異なる画像（「サブフィールド画像」）を画像表示素子に表示させることなる。この場合のサブフィールド期間は５ミリ秒程度となるため、画像シフト素子は、５ミリ秒程度の短い時間間隔で画像をシフトさせる必要がある。更に、画像シフト素子による画像のシフトは、サブフィールドの切り替えとタイミングを同期させる必要があるため、サブフィールドの切り替えと同時に液晶素子に印加される電圧に応答して高速に状態を遷移させることが求められる。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、実際の液晶素子の場合、電圧の印加に応答して高速に状態を遷移させることが難しい。例えばＴＮモード液晶の場合、図２に示すように、立ち上がりの応答時間τｒは比較的短いが、立ち下がりの応答時間τｄは、通常十数ミリ秒程度であり、サブフィールドの選択期間よりも長い。
【００１８】
このように応答時間に差が生じる理由は、図２における曲線の「立ち上がり」が、電圧を液晶に印加して液晶分子の向きを強制的に１方向に配向させることによって行うのに対し、「立ち下がり」は、液晶への電圧印加を停止して液晶分子の配向をもとの状態に自然に緩和させることによって行うためである。
【００１９】
このように立ち下がり応答時間τｄの長い液晶を用いたのでは、偏光の切り替えが適切に行えないという問題がある。図１を参照しながら、この問題を説明する。図１に示すように、液晶セル７への電圧印加を「ＯＮ」状態から「ＯＦＦ」状態に変化させると、液晶素子７から出射した光の偏光面が９０°回転し、その結果、複屈折素子１１から出射する光の光軸は、位置Ｂから位置Ａにシフトする。このとき、立ち下がり応答時間τｄが長すぎると、立ち下がりの過渡的段階で直線偏光が楕円偏光化し、位置Ａおよび位置Ｂの両方に同じ映像が２重に表示されてしまうため、解像度が低下することになる。
【００２０】
また、立ち下がり応答時間τｄと立ち上がり応答時間τｒとの間に大きな差が存在すると、画像を位置Ａから位置Ｂにシフトさせる場合と、その逆の場合とで、２重像の発生レベルに差異が生じ、こからフリッカとして視認されることになる。
【００２１】
なお、特開２０００−１９９９０１号公報は、ＴＮモード型液晶表示装置において、液晶に添加するカイラル剤の濃度を調節することにより、液晶固有の捩れ角を大きくし、それによって、電圧を「ＯＮ状態」から「ＯＦＦ状態」に変化させるときの液晶応答速度を改善できることを教示している。しかしながら、液晶表示装置の場合、このようにカイラル剤の濃度を高めると、電圧「ＯＮ」状態において液晶層に印加されるべき電圧の大きさを従来に比べて高める必要があるるが、このことは表示領域内のスイッチング素子として機能する半導体薄膜トランジスタの能力を考慮すると、実用上困難であった。また、液晶固有の捩れ角を大きくする程、電圧「ＯＦＦ」状態の液晶が不安定となり、９０°の捩れを短時間の間しか維持できなくなるという問題もあった。このため、上記の技術は実際の液晶素子に適用されることはなかった。
【００２２】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その主な目的は、電圧印加が「ＯＮ」状態から「ＯＦＦ」状態に遷移させる際の液晶の応答遅れに起因する２重像の発生を抑制した画像シフト素子、および、当該画像シフト素子を用いた画像表示装置を提供することにある。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
本発明による画像シフト素子は、光軸の位置を周期的にシフトさせる画像シフト部を少なくとも１つ備えた画像シフト素子であって、前記画像シフト部は、印加電圧のＨｉｇｈ／Ｌｏｗに応じて、光の偏光方向を、直交する２つの方向の間で切り替える液晶セルと、光の偏光方向によって屈折率が異なる複屈折素子と、を備えており、前記液晶セルおよび複屈折素子は、この順序で光を透過するように配置され、前記液晶セルに含まれる液晶層は、自然ピッチ長をｐ、セルギャップをｄとしたとき、０．２５＜ｄ／ｐ＜１の関係式を満足するＴＮモード液晶層から形成され、前記液晶セル内で９０°捩れるように配置されている。
【００２４】
好ましい実施形態において、前記液晶層の自然ピッチ長ｐは、カイラル剤の添加によって調節されている。
【００２５】
好ましい実施形態において、前記液晶層は、０．５＜ｄ／ｐの関係式を満足する。
【００２６】
好ましい実施形態において、前記液晶層は、ｄ／ｐ＜０．７５の関係式を満足する。
【００２７】
好ましい実施形態において、前記液晶層のプレチルト角は５°未満に調節されている。
【００２８】
好ましい実施形態において、前記画像シフト部の個数は複数である。
【００２９】
本発明による画像シフト素子モジュールは、上記いずれかの画像シフト素子と、前記画像シフト素子の前記液晶セルに電圧を供給する駆動回路とを備え、前記駆動回路は、シフトさせるべき画像の切り替えタイミンングに同期させて前記電圧を変化させる。
【００３０】
好ましい実施形態において、前記駆動回路は、選択された期間、前記画像シフト素子の液晶セルに含まれる液晶層の略全体に対して７ボルト以上の電圧を印加する。
【００３１】
前記選択された期間は、画像のサブフィールド期間以上の長さを有している。
【００３２】
本発明による画像表示装置は、画像を表示する画像表示部と、上記いずれかの画像シフト素子とを備えた画像表示装置であって、前記画像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。
【００３３】
好ましい実施形態において、前記画像シフト素子の前記液晶セルに電圧を供給する駆動回路を更に備えている。
【００３４】
好ましい実施形態において、前記駆動回路は、選択された期間、前記画像シフト素子の液晶セルに含まれる液晶層の略全体に対して７ボルト以上の電圧を印加する。
【００３５】
好ましい実施形態において、前記選択された期間は、画像のサブフィールド期間以上の長さを有している。
【００３６】
好ましい実施形態において、前記画像表示部から出て前記画像シフト素子に入射する光は直線偏光である。
【００３７】
好ましい実施形態において、前記画像のシフトにより、前記画像を構成する画素が時分割で重畳される。
【００３８】
本発明による他の画像表示装置は、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を備えた画像表示装置であって、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上記いずれかに記載の画像シフト素子とを備え、前記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で前記被投影面上の同一領域を順次照射する。
【００３９】
【発明の実施の形態】
本発明による画像シフト素子は、光軸の位置を周期的にシフトさせる画像シフト部を少なくとも１つ備えている。この画像シフト部は、図１に示す従来の画像シフト素子と同様に、液晶セルおよび複屈折素子を備えている。本発明の特徴のひとつは、液晶セルに含まれる液晶層が、自然ピッチ長をｐ、セルギャップをｄとしたとき、０．２５＜ｄ／ｐ＜１の関係式を満足するＴＮモード液晶層から形成され、液晶セル内で９０°捩れるように配置されている点にある。
【００４０】
ｄ／ｐで示される値は、液晶層に添加するカイラル剤の種類と濃度によって制御することができる。カイラル剤のＨＴＰ（Herical Twisting Power）をｘ、カイラル剤の濃度をｃとすると、液晶の自然ピッチｐは、ｘおよびｃによって以下の式で表される。
【００４１】
ｐ＝１／（ｃ・ｘ）
【００４２】
ｘは、液晶およびカイラル剤の組み合わせに固有の値であるため、カイラル剤の濃度ｃを調節することにより、所望の自然長ピッチｐを得ることができる。
【００４３】
ここで、セルギャップｄ（＝液晶層の厚さ）の液晶層において、自然捩れ角度φは、以下の式で示される。
【００４４】
φ＝（ｄ／ｐ）・３６０°
【００４５】
この自然捩れ角φは、液晶層の上面および下面における液晶分子の向きを配向膜などによって規制しない場合の自然な捩れの角度である。
【００４６】
本発明では、カイラル剤の濃度ｃを調節することにより、ｐを小さくし、ｄ／ｐが０．２５＜ｄ／ｐ＜１の関係式を満足するようにしている。この場合、自然捩れ角φは９０°＜φ＜３６０°を満足する大きさになる。一方、本発明では、配向膜などによって捩れ角を規制することにより、上記液晶層の捩れ角を９０°に設定している。
【００４７】
このように本発明では、実用化されている液晶表示装置に比べて高い濃度のカイラル剤を画像シフト素子の液晶層に添加することにより、自然捩れ角φを９０°を超える大きさに設定している。このため、配向膜などによって９０°の捩れを液晶層に与えた状態では液晶層に歪みが生じることになる。このような歪みの導入により、液晶層に印加する電圧をＯＮ状態からＯＦＦ状態に変化させたときの応答速度を向上させることができる。
【００４８】
応答速度を高めるという観点からは、０．５＜ｄ／ｐの関係式を満足することが好ましい。ただし、ｄ／ｐが大きくなるほど、ＯＮ状態の印加電圧を大きくする必要があるため、ｄ／ｐ＜０．７５とすることが好ましい。
【００４９】
本発明では、ｄ／ｐを高めに設定した液晶層を、液晶表示装置内ではなく、画像シフト素子内の液晶セルに用いている。画像シフト素子内の液晶セルでは、中間調の表示は不要であり、入射光の偏光面を回転させる状態と回転させない状態との間で２値的なスイッチングを行うことが求められる。また、画像シフト素子の液晶セルでは、通常、線順次走査ではなく、面一括的なスイッチングで画像をシフトさせることが必要である。このため、画像シフト素子の液晶セルでは、液晶層の広い領域（典型的には略全体）に電圧を印加し、しかも、サブフィールド期間以上の間、電圧印加状態を継続させることになる。すなわち、画像シフト素子の液晶セルでは、アクティブマトリクス駆動ではなく、スタティック駆動を行うことができ、しかも、液晶層の状態が遷移する単位領域は、画素程度の大きさではなく、例えば数平方センチメール以上の広さを持つ。
【００５０】
一方、液晶表示装置では、画像を形成するために、画素単位の狭い領域ごとに液晶層の電圧印加状態を変化させる必要がある。また、線順次駆動の場合、例えば、ある走査線上の液晶領域に低電圧が印加された後、次の走査線上の液晶領域に対して高電圧が印加される場合がある。このような場合、隣接する画素領域で液晶の状態が干渉する結果、液晶の状態が不安定化するおそれがある。
【００５１】
このような液晶表示装置では、ｄ／ｐの大きさを例えば０．５よりも大きくすると、プレチルト角を５°以上に設定しないかぎり、液晶の状態が隣接する領域の液晶によって強い影響を受け、光漏れ領域やディスクリネーションが発生して表示品位の以下を引き起こしたり、安定した動作が不能になるおそれがある。
【００５２】
これに対し、本発明の画像表示装置の液晶セルでは、液晶層の広い領域にわたって略一様な電圧をスタティックに印加するため、ｄ／ｐの大きさを０．５よりも大きくしても、液晶の安定性は保たれ、プレチルト角を任意に設定することができる。逆に、本発明においてプレチルト角を大きくとすると、電圧無印加状態における液晶層による旋光に異常が生じ、偏光に残留成分が加わる結果、偏光度が劣化することになる。このため、本発明では、プレチルト角を小さくすることが好ましい。故に、本発明では、ブレチルト角を、好ましくは５°未満、より好ましくは、４°未満、更に好ましくは３°未満に設定する。
【００５３】
このように、本発明の画像シフト素子の場合、ｄ／ｐが大きい場合でも、プレチルト角を充分に小さな値に設定することができるので、液晶の偏光特性を急峻にスイッチングすることが可能になる。
【００５４】
上述のように、本発明の画像シフト素子では、サブフィールド期間、または、それ以上の長い期間にわたって、液晶層の略全体に対し、駆動回路によって（薄膜トランジスタなどを介することなく）所定の電圧を持続的に印加するため、液晶状態が安定的に保持され、偏光面のスイッチングが高い精度で実現する。従って、ｄ／ｐを液晶表示装置では実用上採用が困難な大きな値（例えば０．５よりも大きな値）に設定しても、プレチルト角を充分に小さくしたままで電圧ＯＦＦ時の液晶状態を安定化できるため、二重像の発生を効果的に防止することができる。
【００５５】
以下、図１０から図１３を参照しながら、液晶の応答速度とｄ／ｐとの関係を説明する。
【００５６】
まず、図１０を参照する。図１０は、液晶の「立ち下がり応答」とｄ／ｐとの関係を示している。この関係は、計算機シミュレーションによって求めたものである。図１０からわかるように、ｄ／ｐが０．２５を超えて１に近づくほど、液晶の立ち下がり応答時間は短くなる。
【００５７】
また、図１０からは、ｄ／ｐが０．２５以下の場合、透過率（Ｔｒａｎｓｍｉｔｔａｎｃｅ）が一旦減少した後、再び増加して１００％に達していることがわかる。これは、液晶層に印加する電圧を解除したとき、液晶層の略中央部における液晶分子が、基板に近い側に位置する液晶の粘性により、反対方向の力を受けるために生じる現象（バックフロー）に起因している。カイラル剤の添加量を増加させれば、このバックフローを抑制して応答速度を高めることが可能になる。
【００５８】
図１１は、「電圧−透過率曲線」がｄ／ｐによってどのように変化するかを示している。この電圧−透過率曲線も計算機シミュレーションによって求めた。図１１からわかるように、透過率（Ｔｒａｎｓｍｉｔｔａｎｃｅ）をゼロにするのに必要な電圧（電圧Ｈｉｇｈのレベル）は、ｄ／ｐが０．２５を超えて１に近づくほど高くする必要がある。実験によれば、印加電圧は７ボルト以上であることが好ましく、１０ボルト以上であることが更に好ましい。
【００５９】
なお、液晶表示装置の場合、アクティブマトリクス駆動を行うときは、スイッチング素子および画素電極を介して液晶層に電圧が印加されるため、７ボルトを越えるような大きな電圧を液晶層に印加することができず、また、印加電圧の大きさも時間とともに減少する傾向がある。このため、液晶表示装置では、ｄ／ｐを大きくすると、透過率が低下、または経時的に減少するという問題が生じる。しかしながら、画像シフト素子の場合は、液晶セルの一対の透明電極に対して、駆動回路から所定の電圧を印加できるため、液晶層の状態制御に必要な所望の大きさの電圧を適確に液晶層に印加することができる。
【００６０】
図１２は、ｄ／ｐが０．０４、０．２６、０．５１の場合において、実際の測定により求めた液晶の「立ち下がり」応答曲線を示している。図１２からわかるように、ｄ／ｐが０．２６の場合は、前述したバックフローが抑制されている。このバックフローの抑制は、ｄ／ｐが０．５を超えた場合に顕著であることがわかる。
【００６１】
図１３は、液晶の立ち下がり応答時間τｄの実測値とｄ／ｐとの関係を示すグラフである。図１３からわかるように、ｄ／ｐが０．２５を超えて大きくなるほど、液晶の立ち下がり応答速度τｄは短くなっている。ｄ／ｐが０．５を超えると、その立ち下がり応答速度τｄは、ｄ／ｐが０．０４の場合（比較例）の立ち下がり応答速度τｄの５０％以下に短縮している。実験によると、ｄ／ｐが０．５を超えて１に近づくほど、液晶の９０°捩れた状態が不安定化し、２７０°の捩れが発生するおそれが強まる。このため、ｄ／ｐは０．７５よりも小さく設定することが好ましい。ｄ／ｐの最も好ましい範囲は０．５＜ｄ／ｐ＜０．６５である。
【００６２】
なお、本明細書では、液晶層に印加する電圧のＨｉｇｈ／Ｌｏｗによって、液晶を透過した光の偏光面が９０°異なる２つの状態をとり得る場合において、液晶層にＨｉｇｈの電圧を印加し、所定の直線偏光を出射し得る状態にしたとき、「液晶層（または液晶セル）はＯＮ状態にある」と称する。そして、液晶層を「ＯＮ状態」にするために必要な電圧の大きさ（絶対値）よりも充分に小さい電圧を液晶層に印加し、その結果、その液晶層が「ＯＮ状態」にあるときに得られる出射光の偏光面に対して略直交する偏光面を持つ光が液晶層から出射されるとき、「液晶層（または液晶セル）はＯＦＦ状態にある」と称する。
【００６３】
液晶層を「ＯＦＦ状態」にするには、その液晶層に印加する電圧（Ｌｏｗ）の大きさをゼロにすればよい。ただし、液晶層を「ＯＦＦ状態」にするとき、ゼロでない値（例えば２．５ボルト）を有する電圧（オフセット電圧）を印加してもよい。
【００６４】
なお、本明細書で用いる印加電圧「Ｈｉｇｈ」とは、液晶層を「ＯＮ状態」にできるレベルの電圧であり、印加電圧「Ｌｏｗ」とは、液晶層を「ＯＦＦ状態」にできるレベルの電圧である。屈折率異方性△εが正のＴＮ液晶を用いた場合、「ＯＮ状態」の液晶は、電界の向きに液晶分子を配向させており、「ＯＦＦ状態」の液晶は、約９０°捩れた状態にある。一方、屈折率異方性△εが負のＴＮ液晶を用いた場合、「ＯＮ状態」の液晶は、約９０°捩れた状態にあり、「ＯＦＦ状態」の液晶は、液晶分子を一方向に配向させている。本明細書では、屈折異方性△εが正の液晶を用いた場合を中心に発明を説明するが、本発明は屈折率異方性△εが負の液晶を用いても実現できる。
【００６５】
以下、図面を参照しながら、本発明による画像表示装置の好ましい実施形態を説明する。
【００６６】
（実施形態１）
まず、図３を参照する。図３は本発明の画像表示装置の模式図である。
【００６７】
図示されている本実施形態の画像表示装置は、バックライト１、液晶表示素子２、画像シフト素子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装置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、画像シフト素子３および観察光学系４を介して、液晶表示装置２で表示された画像を観察することができる。
【００６８】
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、反射型の液晶表示素子だけでなく、有機ＥＬ素子やプラズマスディスプレスパネル（ＰＤＰ）などの自発光型の表示素子を用いることもできる。
【００６９】
画像シフト素子３の動作は、画像シフト素子用の駆動回路６によって制御される。この駆動回路６は、液晶表示素子２の映像表示に同期した駆動信号を画像シフト素子３に供給する。駆動回路６は画像シフト素子３に含まれる液晶素子に対してＨｉｇｈまたはＬｏｗの電圧を印加するための電圧印加部を有している。このような画像シフト素子３と駆動回路によって画像シフト素子モジュールが構成される。
【００７０】
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、従来の画像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、画像シフト素子３の構成および動作にある。以下、図４（ａ）〜（ｄ）を参照しながら、画像シフト素子３を詳細に説明する。
【００７１】
図示されている画像シフト素子３は、２枚の液晶素子７と３枚の複屈折素子８を用いて作製されている。２枚の液晶素子７は、それぞれ、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とを備えている。本実施形態における各液晶素子７は、入射光の偏光面を約９０°回転させる状態（第１の状態）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（第２の状態）との間でスイッチングし、印加電圧の大きさに応じて、いずれかの状態を選択的にとり得る。
【００７２】
本実施形態における液晶素子７は、例えば、メルク社製のＺＬＩ−２２９３の液晶に対して、カイラル剤（Ｓ−８１１：メルク社製）を１．５〜３質量％程度添加することによって、ｄ／ｐを０．５５〜０．７５程度に設定した液晶セルを用いて作製される。ｄ／ｐの値は、上記の範囲に限定されず、０．２５〜１の範囲内で必要な値に設定される。本実施形態の場合において、ｄ／ｐの好ましい範囲は、０．５〜０．６５である。
【００７３】
複屈折素子８は、一軸結晶材料（例えば水晶）から作製される。複屈折素子８に用いられる材料も、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、表示装置の総重量を小さくする必要がある場合、屈折率異方性（△ｎ）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。△ｎ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８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。
【００７４】
複屈折素子８は、複屈折素子８の光入射面から傾斜した光学軸を有している。複屈折素子８は、入射光の進行方向および光学軸を含む平面（以下、「主断面」と称する。）内において、入射光線を常光と異常光に分離することができる。従って、複屈折素子へ入射する光の偏光方向が「主断面」に対して垂直であれば、入射光は複屈折素子８にとって常光となるため、主断面内をまっすぐに伝搬する。一方、複屈折素子８へ入射する光の偏光方向が主断面に対して平行であれば、入射光は複屈折素子８にとって異常光となるため、主断面内を屈折する。
【００７５】
以上のことから、液晶素子７に印加する電圧レベルを変えることにより、入射光の偏光方向を複屈折素子８の主断面に対して垂直または水平な方向にスイッチングすれば、複屈折素子８の主断面内において、入射光線をシフトさせることができる。そして、その結果、表示素子２に表示された画像を入射光軸に垂直な方向へシフトさせることができる。本実施形態では、ｄ／ｐを調節することによって立ち下がり応答速度を向上させたＴＮ液晶を用いているため、偏光方向の切り替えを高速に行うことができる。なお、本実施形態では、プレチルト角を２°程度に設定した。
【００７６】
図４（ａ）では、２枚の液晶素子７を、いずれも「ＯＦＦ」状態にすることより、仮想平面上の位置Ａに光線を導いている。図４（ｂ）では、２枚の液晶素子７を、それぞれ、「ＯＮ」状態および「ＯＮ」状態にすることより、上記仮想平面上の位置Ｂに光線を導いている。図４（ｃ）では、２枚の液晶素子７を、それぞれ、「ＯＮ」状態および「ＯＦＦ」状態にすることより、仮想平面上の位置Ｃに光線を導いている。図４（ｄ）では、２枚の液晶素子７を、いずれも「ＯＦＦ」状態にすることより、仮想平面上の位置Ｄに光線を導いている。
【００７７】
以上のように、２つの液晶素子７に印加する電圧を制御することにより、表示素子２上の画像をＡ→Ｂ→Ｃ→Ｄ→Ａ→・・・とシフトさせることができる。このような画像のシフトは、表示素子２で表示される画像の切り替えのタイミングと同期して実行される。
【００７８】
図５（ａ）は、上記画像シフト素子によるシフト動作を行わない場合の画素配列を示し、図５（ｂ）は、画像シフト素子によるシフト動作を行った場合の画素配列を示している。画像シフト素子を用いることにより、液晶表示素子２の画素数が実効的に４倍に増加していることがわかる。
【００７９】
なお、本明細書では、偏光面制御用の電圧が液晶素子７に印加され、液晶素子７から出射した光の偏光面が電圧無印加の場合に比べて約９０°回転するとき、「液晶素子はＯＮ状態にある」と称することとする。そして、液晶素子を「ＯＮ状態」にするために必要な電圧の大きさ（絶対値）よりも充分に小さい電圧を液晶素子７の液晶に印加し、その結果、液晶素子７が「ＯＮ状態」にあるときに得られる出射光の偏光面に対して略直交する偏光面を持つ光が液晶素子７から出射されるとき、「液晶素子はＯＦＦ状態にある」と称することにする。
【００８０】
液晶素子を「ＯＦＦ状態」にするには、ゼロでない値（例えば２．５ボルト）を有する電圧（オフセット電圧）を印加してもよい。
【００８１】
前述したように、本実施形態では、画像シフト素子内の各液晶素子７に印加する電圧の大きさを相対的に高いレベル（例えば８ボルト以上）と相対的に低いレベル（例えば１ボルト以下）との間でスイッチングし、それによって、ある仮想平面上で１つの画素をＡ→Ｂ→Ｃ→Ｄの４つの異なる位置に順次シフトさせる。
【００８２】
本実施形態では、表示画素を４つの位置に順次シフトさせるが、本発明による画像シフト素子のシフト方向及びシフト位置数は、これに限定されるものではない。また、本実施形態の表示装置は、ＨＭＤとして好適に用いられ得るものであるが、本発明はこれに限定されない。本発明は、投影型画像表示装置に適用することも可能である。この場合、拡散光を出すバックライト１に代えて、指向性を有する照明光源を用い、観察光学系に代えて投射レンズを用いればよい。
【００８３】
（実施形態２）
次に、図６を参照しながら、本実施形態による画像表示装置の他の実施形態を説明する。
【００８４】
本実施形態に係る画像表示装置では、光源５０１から出た光（少なくともＲＧＢ成分を含む光）が放物面鏡５０２によって反射され、略平行光にされた後、フライアイレンズ５０３に入射する。フライアイレンズ５０３は、液晶パネル５０４を均一に照明するために用いられる。フライアイレンズ５０３の出射側には、液晶パネル５０４に入射する照明光の平行度を規制するアパーチャー５０５が設置されている。アパーチャー５０５は、矩形の開口部を有しており、その形状は画素形状に合わせて設計される。アパーチャー５０５を通過した光は、レンズ５０６を通過した後、ダイクロイックミラー５０７Ｒ、５０７Ｇ、５０７ＢでＲＧＢの光に分離される。液晶パネル５０４は、レンズ５０６およびレンズ５０８によって略平行化した光に照射されるが、ダイクロイックミラーによって分離されたＲＧＢ光のそれぞれは液晶パネル５０４に異なる角度で入射する。なお、本実施形態では、液晶パネル５０４として、０．９型パネル（７６８×１０２４ドット）を用いる。
【００８５】
図７は、ＲＧＢ光が液晶パネル５０８に入射する様子を示す断面図である。図７に示されるように、液晶パネル５０４の光入射側には、３つの画素（Ｒ用画素、Ｇ用画素、およびＢ用画素）に１つの割合でマイクロレンズ５０９のアレイが配置されている。各マイクロレンズ５０９は、異なる角度で入射してきたＲＧＢ光を、対応する画素に入射させる。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。
【００８６】
再び、図６を参照する。液晶パネル５０４透過することによって変調された光は、画像シフト素子５１０を通って投射レンズ５１１に入射する。投影レンズ５１１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、画像シフト素子によって周期的にシフトする。
【００８７】
次に、図８を参照しながら、本実施形態の画像シフト素子５１０を詳細に説明する。画像シフト素子５１０は、図８に示すように、２枚の液晶素子１０と２枚の複屈折素子１１とが交互に直列配置された構成を有しており、光軸と交差する面（「主断面」）内における異なる３つの位置（Ａ、Ｂ、Ｃ）に画像をシフトさせることができる。液晶素子１０と複屈折素子１１のそれぞれ組み合わせは。図３に示す構成と同様の構成を有しており、画像シフト素子５１０を構成する液晶素子は、第１の実施形態に係る表示装置と同様の同じ特性をもつＴＮ液晶を用いて構成されている。
【００８８】
図９は、図８に示す画像シフト素子５１０によってシフトしたサブフレーム画像が上下する様子を模式的に示している。画像シフト素子５１０の働きにより、画像を構成するサブフレーム画像が上下方向（又は左右方向）に１画素ピッチずつ順次シフトする結果、スクリーン上における同一画素領域を照射する光の帯域が例えばＢ→Ｇ→Ｒ→Ｂ→Ｇ→Ｒ・・・と変化することになる。このような構成を採用することにより、単板式であっても、３枚の液晶表示パネルを用いる３板式の投射型画像表示装置と同等レベルの解像度を実現することができる。
【００８９】
本実施形態によれば、立ち下がり応答速度の速い液晶層を用いて画像シフト素子を構成しているため、２重像の発生を抑制しつつ、画像シフトを高速に行うことが可能である。
【００９０】
なお、本実施形態では、光源５０１として、出力１２０Ｗ、アーク長１.４ｍｍのフィリップス社製ＵＨＰランプを用いているが、光源としては、この他に、ハロゲンランプ、キセノンランプ、メタルハライドランプなどを用いることができる。
【００９１】
なお、本実施形態の画像表示装置は、スクリーンに表示画像を投影する投影型表示装置であるが、観察光学系を用いることにより、ＨＭＤに適用することも可能である。
【００９２】
【発明の効果】
本発明による画像シフト素子によれば、印加電圧をＯＮ状態からＯＦＦ状態に変化させたときの液晶の応答速度を速め、２重像の発生を抑制しつつ高い周波数で画像のシフトを行うことができる。このような画像シフト素子を用いることにより、高解像度の画像を表示する画像表示装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】液晶素子と複屈折素子を組み合わせた画像シフト素子の従来の構成を示す図である。
【図２】一対の偏光板を直交配置し、偏光板間に液晶素子を配置した場合における液晶印加電圧−透過率特性を示すグラフである。縦軸および横軸は任意単位である。
【図３】本発明による画像シフト素子モジュールの基本構成を示す断面図である。
【図４】（ａ）から（ｄ）は、第１の実施形態で用いる画像シフト素子の動作を示す図である。
【図５】図３の画像シフト素子による画像の高解像度化を示す図であり、（ａ）は画像シフト素子が動作していないときの画像を示し、（ｂ）は、画像シフト素子が動作しているときの画像を示している。
【図６】本発明による画像表示装置の第２の実施形態を示す図である。
【図７】第２の実施形態で用いる液晶表示パネルを示す断面図である。
【図８】第２の実施形態で用いる画像シフト素子を示す断面図である。
【図９】画像のシフトを模式的に示す図である。
【図１０】液晶の「立ち下がり応答」とｄ／ｐとの関係を示すグラフである（シミュレーション）。横軸は時間（任意単位）である。
【図１１】「電圧−透過率曲線」がｄ／ｐによってどのように変化するかを示すグラフである（シミュレーション）。横軸は電圧（任意単位）である。
【図１２】ｄ／ｐが０．０４、０．２６、０．５１の場合における「立ち下がり応答」の実測値を示すグラフである。横軸は時間（任意単位）である。
【図１３】図１３は、立ち下がり応答時間τｄ（実測値）とｄ／ｐとの関係を示すグラフである。縦軸は時間（任意単位）である。
【符号の説明】
１      バックライト
２      液晶表示パネル
３      画像シフト素子
４      観察光学系
５      液晶素子パネル用駆動回路
６      画像シフト素子用駆動回路
７      液晶セル
１１    複屈折素子
【図１】
0003998954.tif 000002
【図２】
0003998954.tif 000003
【図３】
0003998954.tif 000004
【図４】
0003998954.tif 000005
【図５】
0003998954.tif 000006
【図６】
0003998954.tif 000007
【図７】
0003998954.tif 000008
【図８】
0003998954.tif 000009
【図９】
0003998954.tif 000010
【図１０】
0003998954.tif 000011
【図１１】
0003998954.tif 000012
【図１２】
0003998954.tif 000013
【図１３】
0003998954.tif 000014