(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
画像フィールドを時間的に細分割した複数個の画像サブフィールドごとに照明光を画像情報に基づいて空間光変調して画像光として出射する画像表示素子と、
この画像表示素子と同期し、前記画像サブフィールドごとに駆動される前記画像表示素子の各画素から入射されてくる画像光の光路を偏向して前記画像表示素子の見かけ上の画素数を増倍して表示する光路偏向素子と、を備えていて、
前記光路偏向素子は、
電圧印加によって屈折率分布の制御が可能な液晶セルにより画素の２次元的な方向の一方向に前記画素数の倍増を行なう第１の光路偏向素子と、
この第１の光路偏向素子の出射光が入射され、電圧印加によって屈折率分布の制御が可能な液晶セルにより画素の２次元的な方向で前記第１の光路偏向素子とは異なる方向に前記画素数の倍増を行なう第２の光路偏向素子と、を有しており、
前記第１の光路偏向素子の配向膜の配向処理方向と、前記第２の光路偏向素子の配向膜の配向処理方向とは、ほぼ一致しており、
前記第１の光路偏向素子及び第２の光路偏向素子の少なくとも一方の液晶層は、下記化学式１で示される光硬化型高分子の１以上を含んでいることを特徴とする画像表示装置。
【化１】
0004050065.tif 000003
【請求項２】
前記第１の光路偏向素子と前記第２の光路偏向素子とは互いに独立して駆動される、請求項１に記載の画像表示装置。
【請求項３】
前記第１の光路偏向素子及び第２の光路偏向素子は、いずれも液晶に電圧を印加するライン電極のライン方向と前記配向処理方向とがほぼ４５°をなしている、請求項１又は２に記載の画像表示装置。
【請求項４】
前記第１の光路偏向素子及び第２の光路偏向素子の少なくとも一方は、液晶層の片面側ではホモジニアス、他面側では垂直配向となるように前記配向処理がされている、請求項１〜３のいずれかの１に記載の画像表示装置。
【請求項５】
前記第１の光路偏向素子及び第２の光路偏向素子の少なくとも一方は、光照射により配向規制力を生じる材料を配向膜としている、請求項１〜４のいずれかの１に記載の画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、画像光の画素数の倍増を行なって画像を表示することができる画像表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
画像表示素子の画像数を見かけ上増倍して、高解像表示する技術としては、特開平６−３２４３２０号公報、特開平１０−０２０２４２号公報、米国特許（ＵＳＰ）６０８２８６２に開示の技術が知られている。
【０００３】
光路を偏向する技術としては、特開平１０−１３３１３５号公報に開示の技術が知られている。
【０００４】
液晶を用いた光偏向技術としては、「IBM Technical Disclosure Bulletin, Vol.15, No.8 (1973)“LIGHT SCANNER EMPLOYING A NEMATIC LIQUID CRYSTAL”」や、「ELECTRONICS LETTERS, Vol.11, No.16 (1975)“LARGE-ANGLE BEAM DEFLCTOR USING LIQUID CRYSTAL”」に開示の技術が知られている。
【０００５】
液晶マイクロレンズに関する技術としては、「O plus E, Vol.20, No.10 (1998)“液晶マイクロレンズ”」、特許第０３０１６７４４号公報、特開平１１−１０９３０３号公報、特開平１１−１０９３０４号公報に開示の技術が知られている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
これらの従来技術に対し、本出願人は、光源の発する照明光を、画像フィールドを時間的に分割した複数個の画像サブフィールドごとに、画像情報に基づいて空間光変調して画像光として出射する画像表示素子と、画像サブフィールドごとに駆動される画像表示素子の各画素から入射されてくる画像光の光路を偏向して、画像表示素子の見かけ上の画素数を増倍して表示する光路偏向素子とを備えている画像表示装置を提案している（特願２００１−１２３９７、平成１３年１月１９日出願（本出願時において未出願公開））。
【０００７】
かかる技術によれば、前述の光路偏向素子を２枚用い、それぞれの光路偏向素子で縦横２方向の画素シフトが可能として、高精細画像を得ることができる。
【０００８】
しかしながら、かかる技術においては、画像表示素子を出射する画像光が最初に入射する光路偏向素子と次に入射する光路偏向素子との間に、偏光面回転手段を設ける必要がある。これは、最初の光路偏向素子の出射光と次の光路偏向素子の出射光とで、光偏光面の方向が９０°ずれているため、２番目の光路偏向素子に入射する前に画像光の光偏光面を回転する必要があるからである。このように、偏光面回転手段を設けねばならないとすると、部品点数が増加して、製造コストを高め、装置の省スペース化が図れないという不具合がある。
【０００９】
この発明の目的は、部品点数を減少させて、製造コストを低減し、装置の省スペース化を図ることである。
【００１０】
この発明の別の目的は、第１の光路偏向素子と第２の光路偏向素子とで、ライン電極に対する配向処理方向が９０°異なっていても、第１、第２の光路偏向素子それぞれの集光位置を一致させることである。
【００１１】
この発明の別の目的は、第１、第２の光路偏向素子の設計、製作が容易で、また、簡易な構成の画像表示システムを提供することである。
【００１２】
この発明の別の目的は、高精細な画像を表示することである。
【００１３】
この発明の別の目的は、製造工程の清潔性が維持できるようにすることである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、画像フィールドを時間的に分割した複数個の画像サブフィールドごとに照明光を画像情報に基づいて空間光変調して画像光として出射する画像表示素子と、この画像表示素子と同期し、前記画像サブフィールドごとに駆動される前記画像表示素子の各画素から入射されてくる画像光の光路を偏向して前記画像表示素子の見かけ上の画素数を増倍して表示する光路偏向素子と、を備えていて、前記光路偏向素子は、電圧印加によって屈折率分布の制御が可能な液晶セルにより画素の２次元的な方向の一方向に前記画素数の倍増を行う第１の光路偏向素子と、この第１の光路偏向素子の出射光が入射され、電圧印加によって屈折率分布の制御が可能な液晶セルにより画素の２次元的な方向で前記第１の光路偏向素子とは異なる方向に前記画素数の倍増を行う第２の光路偏向素子と、を有しており、前記第１の光路偏向素子の配向膜の配向処理方向と、前記第２の光路偏向素子の配向膜の配向処理方向とは、ほぼ一致している、画像表示装置である。
【００１５】
したがって、第１の光路偏向素子の配向膜の配向処理方向と、第２の光路偏向素子の配向膜の配向処理方向とは、ほぼ一致しているため、第１の光路偏向素子と第２の光路偏向素子とで液晶配列方向がほぼ一致し、よって、第１の光路偏向素子と第２の光路偏向素子との間に偏光面を回転させる手段を設ける必要がないので、部品点数を減少させて、製造コストを低減し、装置の省スペース化を図ることができる。
【００１６】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記第１の光路偏向素子と前記第２の光路偏向素子とは互いに独立して駆動される。
【００１７】
したがって、第１の光路偏向素子と第２の光路偏向素子の両者で印加電圧が独立して駆動されるため、第１の光路偏向素子と第２の光路偏向素子とで、ライン電極に対する配向処理方向が９０°異なっていても、第１、第２の光路偏向素子それぞれの集光位置を一致させることができる。
【００１８】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の発明において、前記第１の光路偏向素子及び第２の光路偏向素子は、いずれも液晶に電圧を印加するライン電極のライン方向と前記配向処理方向とがほぼ４５°をなしている。
【００１９】
したがって、第１の光路偏向素子と第２の光路偏向素子とを同一構成のデバイスとして設計、製作することができ、第１、第２の光路偏向素子の設計、製作が容易となる。また、ライン電極に対する液晶の配列方向を第１、第２の光路偏向素子で同一とすることができるため、第１、第２の光路偏向素子での電圧印加を共通にして、簡易な構成の画像表示システムを提供することができる。
【００２０】
請求項１に記載の発明はまた、前記第１の光路偏向素子及び第２の光路偏向素子の少なくとも一方の液晶層には高分子を含んでいることを特徴とする。上記高分子は、後述する「化学式１」の（ａ）〜（ｇ）に構造式を示す光硬化型の高分子であり、その１以上が用いられる。この特徴は上記請求項２、３にも共通である。
【００２１】
したがって、高速応答が可能で、ディスクリネーションが起こりにくいので、高精細な動画像を表示することができる。
【００２２】
請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれかの１に記載の発明において、前記第１の光路偏向素子及び第２の光路偏向素子の少なくとも一方は、液晶層の片面側ではホモジニアス、他面側では垂直配向となるように前記配向処理がされている。
【００２３】
したがって、ディスクリネーションが起こりにくいので、高精細な綺麗な画像を表示することができる。
【００２４】
請求項５に記載の発明は、請求項１〜４のいずれかの１に記載の発明において、前記第１の光路偏向素子及び第２の光路偏向素子の少なくとも一方は、光照射により配向規制力を生じる材料を配向膜としている。
【００２５】
したがって、配向膜への汚染や静電気の発生が起こらないので、製造工程の清潔性が維持でき、また、液晶の均一性が高まるため、高精細な綺麗な画像が得られる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
この発明の１実施の形態について説明する。
【００２７】
図１は、この発明の１実施の形態である画像表示装置の概要を示す概念図である。図１において、符号１は、照明用の光源であり、白色あるいは任意の色の光を高速にＯＮ／ＯＦＦできるものであるならば、いかなる種類や型の光源であっても利用することができる。たとえば、ＬＥＤランプやレーザ光源、あるいは、白色のランプ光源などを２次元アレイ状に配列して、かかる光源に対して高速動作するシャッタを組み合わせたものなどを照明用の光源として用いることができる。
【００２８】
符号２は、光源から出た光を均一に画像表示素子３に照射させるための照明装置であり、拡散板２ａ、コンデンサレンズ２ｂなどから構成される。
【００２９】
符号３は、照明装置２から入射した均一の照明光を、画像フィールドを時間的に分割した複数個の画像サブフィールドごとに、画像情報に基づいて空間光変調して、画像光として出射する画像表示素子である。画像表示素子３としては、透過型液晶ライトバルブ、反射型液晶ライトバルブ、ＤＭＤ素子などを用いることができる。
【００３０】
符号４は、前記画像サブフィールドごとに、画像表示素子３から出射される画像光の光路を偏向して、偏向画像光として、出射する光路偏向素子である。該光路偏向素子４により、画像サブフィールドごとの光路の偏向量に応じて、スクリーン６上に投射される画像表示位置がずらされる状態となる画像パターンを表示させることが可能となり、画像表示素子３の実際の画素数を見かけ上増倍した画素数として、画像表示させることができる。
【００３１】
符号５，６は、画像表示素子３に表示された画像パターンを観察するための光学部材であり、符号５は投射レンズ、符号６はスクリーンである。さらに、符号７は光源１を駆動するための光源駆動手段であり、符号８は画像表示素子３を駆動するための表示駆動手段であり、符号９は光路偏向素子４を駆動するための光路偏向駆動手段である。また、符号１０は、光源駆動手段７、表示駆動手段８、光路偏向駆動手段９などを含め画像表示装置の全体を制御するための画像表示制御回路である。
【００３２】
次に、図１に示す画像表示装置の基本的な動作について説明する。光源駆動手段７で制御されて光源１から放射された光は、拡散板２ａにより均一化された照明光となり、コンデンサレンズ２ｂにより、光源駆動手段７と同期して動作する表示駆動手段８により制御されている画像表示素子３をクリティカルに照明する。ここでは、画像表示素子３の例として、透過型液晶パネル、すなわち、透過型液晶ライトバルブを用いている。透過型液晶ライトバルブからなる画像表示素子３により空間光変調された照明光は、画像光として光路偏向素子４に入射され、光路偏向素子４から出射された出射光は、偏向画像光として、投射レンズ５で拡大された後、スクリーン６に投射される。すなわち、透過型液晶ライトバルブからなる画像表示素子３の画像光の出射側に配置されている光路偏向素子４によって、画像光は、光路偏向駆動手段９からの駆動信号に応じて、画素の配列方向に任意の距離だけシフト（偏向）された偏向画像光として出射されて、投射レンズ５を介して、スクリーン６上に投射される。
【００３３】
なお、図１においては、透過型液晶ライトバルブからなる画像表示素子３の直後に、光路偏向素子４を配置しているが、光路偏向素子４の配置位置はかかる場合に限定されるものではなく、スクリーン６の直前などに配置することとしても良い。ただし、スクリーン６付近に配置する場合、光路偏向素子４を形成する光路偏向素子の大きさや、更には、光路偏向素子を形成する透明電極の配設ピッチなどを、光路偏向素子４の配置位置における画面サイズや画素サイズに応じて設定することが必要になる。
【００３４】
しかし、いかなる配置位置に光路偏向素子４を配置する場合であっても、前記偏向画像光の光路のシフト（偏向）量は、画素ピッチの整数分の１であることが好ましい。すなわち、画素の配列方向に対して２倍の画素増倍を行なう場合は、偏向画像光の光路のシフト量は、画素ピッチの１／２とし、配列方向に対して３倍の画素増倍を行なう場合は、画素ピッチの１／３とすることが望ましい。また、光路偏向素子４の構成によって、偏向画像光の光路のシフト量が画素ピッチよりも大きくなる場合には、光路のシフト量を画素ピッチの（整数倍＋整数分の１）の距離に設定しても良い。
【００３５】
この光路偏向素子４を画素配列方向の縦横２次元に用いることにより、例えば２倍の画像増倍を行なう光路偏向素子を２枚用いることにより、図２に示すように、見かけ上の画素４倍の効果が得られ、使用した透過型液晶ライトバルブの解像度以上の高精細な画像を表示することができる。また、光路偏向素子４の構成によってシフト量が大きくなる場合には、シフト量を画素ピッチの（整数倍＋整数分の１）の距離に設定しても良い。いずれの場合も、画素のシフト位置に対応したサブフィールドの画像信号で透過型液晶ライトバルブである画像表示素子３を駆動する。
【００３６】
なお、図１では、単板の透過型液晶ライトバルブと単色ＬＥＤランプを用いた単色の画像表示装置を示したが、３原色の光源１と、照明装置２と、３枚の画像表示素子３とを用いて、３原色の画像を混合してフルカラー画像を表示させることもできる。また、単板の画像表示素子３を時間順次に三原色光で照明するフィールドシーケンシャル方式でもフルカラー画像を表示することができる。この場合、三色の光源１からの光路をクロスプリズムで混合して照明しても良いし、白色ランプ光源１と回転カラーフィルターの組み合わせで、時間順次の三原色光を生成してもよい。
【００３７】
この実施の形態である画像表示装置では、縦横２方向に画素増倍を行なう。そのため、図３に示すような光路偏向素子４を用いる。この光路偏向素子４は、光路を図１の紙面に垂直（図３の水平）方向（第一方向）にシフトさせる第１の光路偏向素子となる光路偏向素子４ａと、図１の紙面の上下（図３の垂直）方向（第二方向）にシフトさせる第２の光路偏向素子となる光路偏向素子４ｂとからなる。本実施の形態では、光路偏光素子４として、電圧印加によって屈折率分布の制御が可能な液晶セル３２（図８参照）である光路偏向素子４ａ，４ｂを画素の２次元的な配列方向（水平方向、垂直方向）に対して１枚づつ、合計２枚配してなるものであり、画像表示素子３の見かけ上の画素数を増倍して表示する。
【００３８】
そして、図５に示すように、光路偏向素子４ａ，４ｂの各々は、２枚の透明な基板１１，１２と、一方の基板１１又は１２上に画素ピッチに対応して形成した透明なライン電極１３と、他方の基板１１又は１２上に形成した透明な電極１４と、２枚の基板１１，１２間に内包され、ライン電極１３と電極１４とによる電圧印加によって屈折率分布の制御が可能な液晶層１５とを備えている。なお、電極１４もライン電極として構成してもよいが、以下では、電極１３のみがライン電極であるとして説明する。
【００３９】
光路偏向素子４ａ、４ｂの液晶セル３２基板の材質としては、ガラス、プラスチック等を使用できる。電極１３，１４の材質としては、ＩＴＯ，Ｃｒ等が利用できる。また、使用する基板１１，１２自身が導電性を有している場合は、基板１１，１２を電極１３，１４としても利用することができる。また、複数本のライン電極１３を１組として、その組を画素ピッチに対応させることも考えられる。
【００４０】
光路偏向駆動手段９は、表示駆動手段８と同期してライン電極１３への電圧印加状態を変化させる。そして、光路偏向素子４ａは、画素の２次元的な配列方向に対して、第一方向に沿って光路の偏向または焦点位置の移動が可能であり、光路偏向素子４ｂは、画素の２次元的な配列方向に対して、第二方向に沿って光路の偏向または焦点位置の移動が可能である。
【００４１】
各光路偏向素子４ａ，４ｂを構成する基板１１，１２や、電極１３，１４などの液晶層１５と接する表面は配向処理がなされていて、当該基板は配向膜とされている。そして、光路偏向素子４ａの配向処理の方向と、光路偏向素子４ｂの配向処理の方向とは、ほぼ一致している。この例では、図３に示すように、光路偏向素子４ａの配向処理方向は、ライン電極１３のライン方向（図３の紙面の上下方向）に対してほぼ垂直（図３の紙面の左右方向）であり、光路偏向素子４ｂの配向処理方向は、ライン電極１３のライン方向（図３の紙面の上下方向）にほぼ一致している。
【００４２】
ただし、各光路偏向素子４ａ，４ｂの配向処理の方向とライン電極１３のライン方向との関係は、これに限定されるものではなく、図４に示すように、ライン電極１３のライン方向ａに対して、０〜９０°の範囲で様々に設定することができる。
【００４３】
このように、光路偏向素子４ａの配向処理方向と、光路偏向素子４ｂの配向処理方向とを、ほぼ一致させることにより、光路偏向素子４ａから光路偏向素子４ｂへ光を入射させる際に偏光面を回転させる必要がなくなるため、エネルギーロスも低減し、装置の小型化、製造コストの低減を図ることができる。
【００４４】
前述の配向処理には、ＴＮ液晶、ＳＴＮ液晶等に用いられるポリイミド等の通常の配向膜が利用できる。また、配向処理としてラビング処理等を施すことが好ましい。さらに、配向処理として、光照射により配向規制力を生じる材料を配向膜として使用した光配向を用いることにより、配向膜への汚染や静電気の発生が起こらないため、工程の清潔性が維持でき液晶の均一性が高まるため、高精細な綺麗な画像が得られるので、好適である。
【００４５】
また、前述のように、光路偏向素子４ａと４ｂとで、ライン電極１３のライン方向が９０°異なっていて、配向処理方向はほぼ一致しているため、光路偏向素子４ａと４ｂとでは、ライン電極１３のライン方向に対する配向処理方向がほぼ９０°異なる。そのため、両者で印加電圧を一定とすると、光路偏向素子４ａ，４ｂのそれぞれの集光位置が異なってしまう可能性があるが、図６に示すように、光路偏向素子４ａ，４ｂのそれぞれの印加電圧を独立に制御するようにすれば、集光位置をコントロールすることで集光位置を一致させることができる。すなわち、図６に示すように、光路偏向駆動手段９は、光路偏向素子４ａと４ｂとを、それぞれ独立して駆動する液晶駆動回路２１，２２を備えていて、液晶駆動回路２１，２２は画像表示制御回路１０により、それぞれ独立して制御される。
【００４６】
さらに、光路偏向素子４ａ及び４ｂの配向処理方向ｂを、いずれもライン電極１３のライン方向ｃからほぼ４５°とすれば、光路偏向素子４ａと４ｂは同一構成のディバイスを用いることができ、光路偏向素子４ａと４ｂとを別個に設計、製作する必要がなくなる。また、ライン電極１３に対する液晶の配列方向が２つのセルで同一となるため、２つのセルでの電圧印加がほぼ同様に行なうことができるので、画像表示システムとして簡単な構成とすることができる（図７参照）。
【００４７】
また、配向処理を片面はホモジニアス、他面は垂直配向となるように処理することにより、液晶をハイブリッド型に配向させることで液晶のねじれ方向が一様となり易いため、ディスクリネーションが少なくなり、高解像度の表示が可能となる。
【００４８】
液晶材料としては、一般的なネマティック液晶を用いることができるが、複屈折Δｎや誘電異方性Δεが大きい方が望ましい。特に、液晶材料の常光屈折率がガラス基板の屈折率に近い1.5〜1.6程度で、異常光屈折率が1.7〜1.8程度と大きいことが望ましい。液晶層１５の厚さは基板間のスペーサ部材の厚さよって設定し、ΔｎやΔεに応じて所望の光路偏向量や応答速度が得られるように最適化される。さらに、液晶層１５中に高分子を含ませることにより、ディスクリネーションが減少し、さらに、セル駆動速度が上がるため、スムーズな動画にも対応できる。これは、液晶と高分子の接触面積が広く、液晶に対する高分子の配向規制力が強いため、液晶の電界に対する応答速度を大幅に高速化できるためである。
この発明においては、第１の光路偏向素子及び第２の光路偏向素子の少なくとも一方の液晶層は、下記化学式１で示される光硬化型高分子の１以上を含んでいる。
【００４９】
【化１】
0004050065.tif 000002
【００５０】
以下では、光路偏向素子４ａ（４ｂ）の更に具体的な構成や動作について説明する。
【００５１】
図５（ａ）は、液晶セル３２の非動作時の液晶配向状態を模式的に示している。この図では、無電界では液晶分子１６が基板１１，１２に沿って平行になるようにホモジニアス配向処理されている。また、液晶分子１６の長軸が図面の紙面の左右方向になるような配向処理を想定している。上側の基板１１には電極ライン１３がアレイ状に形成されている。この例では、間隔の広い２本の電極ライン１３，１３を１組として、画素１つに対応させる。電極１３，１４間の間隔が狭い部分は画素間の境界部に対応する。下側の電極１４は基板１２の全面に形成されているが、上述のように、上側の基板１１と対称なアレイ電極としてもよい。
【００５２】
図５（ｂ）（状態▲１▼）では、グレイに着色して表示した電極ライン１３にのみ閾値以上の電圧を印加した場合を示す。電圧を印加した電極１３，１４間では電界によって液晶分子１６が垂直に配向し、無印加の電極１３，１４間では水平に配向したままになる。この液晶セル３２内部の不均一電界による液晶分子１６の配向方向の分布によって、異常光に対する屈折率分布が生じる。図５の紙面に平行な偏光面を持つ直線偏光を入射する場合、液晶分子１６の長軸が基板１１，１２に垂直に配向するにしたがって実効的な屈折率が小さくなり、図５（ｄ）の実線（状態▲１▼）のような屈折率分布の影響を受ける。状態▲１▼の画素の中心部に入射した偏光は、屈折率の傾斜による屈折効果によって図の右側に偏向される。
【００５３】
次に、図５（ｃ）（状態▲２▼）のように電圧を印加する電極ライン１３を切換えると、液晶分子１６の配向状態も変化し、図５（ｄ）の破線のような屈折率分布に変化する。状態▲２▼の画素の中心部に入射した偏光は、屈折率の傾斜によるレンズ効果によって図の左側に偏向される。この時の偏向の変化速度は、液晶材料の物性や電界によって最適化される。画素シフト方式では、サブフレームの時間が１０ｍｓｅｃ以下とすることが望ましいため、応答時間としては数ｍｓｅｃ以下が要求される。ネマティック液晶を用いた場合には、２周波駆動法又は液晶相に高分子を混合することにより高速応答化してもよい。２周波駆動法を用いる場合には、１つの電極ライン１３に駆動周波数の異なる電圧が印加できる液晶駆動回路２１，２２を用いる必要がある。いずれかの方法で、状態▲１▼と▲２▼を光路偏向素子４ａ（４ｂ）に表示するサブフレームの駆動タイミングに合わせて切換えることで、見かけ上の画素増倍作用を得ることができる。
【００５４】
図８では、光路偏向素子４ａ（４ｂ）の４つの画素３１から出射してきた光が紙面下側から液晶セル３２に入射する場合の模式図を示している。例えば、第１のサブフレームで４つの画素３１がそれぞれ▲１▼▲３▼▲５▼▲７▼の状態の時、液晶セル３２を図５（ｂ）の状態▲１▼にすると、各画素からの光は図８の左側に偏向する。第２のサブフレームでは４つの画素３１をそれぞれ▲２▼▲４▼▲６▼▲８▼の状態に切換え、それに同期して、液晶セル３２を状態▲２▼に切換えると、各画素からの光は図８の右側に偏向する。液晶セル３２中で斜めに進んだ光は、サブフレームを数十Ｈｚから数百Ｈｚで切換えることで、液晶セル３２上では見かけ上▲１▼▲２▼▲３▼▲４▼▲５▼▲６▼▲７▼▲８▼と並んだ８つの画素３３となる。また、液晶セル３２から出射した光が投射光学系の光軸に対して平行になるような所定の光学素子を設けるようにしてもよい。なお、符号３４は、液晶セル３２への入射光、符号３５は、液晶セル３２からの出射光である。
【００５５】
図９の例では、上側の基板１１に画像表示素子３の画素ピッチと同じピッチでライン電極１３が形成されている。各ライン電極１３の幅は特に限定する必要はないが、液晶セル３２内の所望の電界強度分布に応じて設定される。図９（ａ）（状態▲１▼）では、等間隔のライン電極１３の交互に閾値以上の電圧を印加している（グレイに色を付したライン電極１３）。この電圧印加により、前述の説明のように液晶層１５に屈折率分布が生じる。図５の例に比べて電圧を印加する電極の間隔が大きく、屈折率分布も図１０（ｄ）の実線のようにピッチが比較的大きな凸レンズ状になっている。この場合、画像表示素子３の２画素に対して１つの凸レンズ効果を持たせることが特徴である。ここで、図８と同様な説明図を図１０として示す。この例では、液晶セル３２に入射する入射側画素３１のサイズは比較的大きく設定される。例えば、液晶セル３２が状態▲１▼（図９（ｂ））の時、４つの画素３１に第１のサブフレームとして▲１▼▲３▼▲５▼▲７▼の状態を表示すると、図１０（ｄ）実線の屈折率分布によって、▲１▼と▲３▼、▲５▼と▲７▼がそれぞれ縮小される。この時、図１０に実線で示した出力側画素３３のように、画素ピッチは一定でなくなる。
【００５６】
次に第２のサブフレームの表示タイミングに合わせて、図９（ｃ）（状態▲２▼）のように電圧を印加するライン電極を切換えると、屈折率分布は図１０（ｄ）の破線のように切換わる。ここで、第２のサブフレームとして▲２▼▲４▼▲６▼▲８▼の状態を表示すると、図１０の破線で示した位置に縮小された画素が移動する。サブフレームを数十Ｈｚから数百Ｈｚで切換えることで、液晶セル３２上では見かけ上▲２▼▲１▼▲３▼▲４▼▲６▼▲５▼▲７▼▲８▼と変則的に並んだ８つの画素となる。この様な変則的な画素シフトによる表示画像が正常な画像として形成されるように、画像表示素子３上でサブフィールド画像のデータを補正して表示する。
【００５７】
この構成では、簡単なライン電極１３の構成で、液晶レンズの集光による画素縮小効果と、液晶レンズ形成位置の切換えによる画素シフト効果を１つの液晶セル３２で両立できる。図１１には液晶をハイブリッド型に配向させたときの概略図を示した。
【００５８】
図１０の構成では、光路が液晶レンズにより集光された非平行光であるため、液晶セル３２の出射側からの位置によって、画素サイズが変化してしまう。例えば、投射光学系を用いずに、液晶セル３２の出射側に拡散板などをおいて直接画像を観察するような場合、液晶セル３２と拡散板の位置がずれると、見かけ上の画素サイズが変わってしまう。また、拡大光学系を用いる場合でも、レンズ設計の点からセルからの出射光は平行であることが望ましい。
【００５９】
そこで、図１２に示すように、液晶セル３２から出射した光が投射光学系の光軸に対して平行になるような光学素子３６を設けるようにしてもよい。液晶レンズアレイの特性が凸レンズの場合、その光路を平行光にもどすような凹レンズアレイであることが望ましい。これは、入射側の画素３１の画素ピッチに等しく、入射側画素３３の位置に対して半画素分ずらした位置に設置することが望ましい。
【００６０】
なお、図５や図９の例では、上部の基板１１のライン電極１３のみアレイ状に形成しているが、図１３に示すように、上下両基板１１，１２のライン電極１３をアレイ状に形成してもよい。
【００６１】
また、図１４の斜線部で示したように、電極アレイ１３を追加し、液晶層１５内の電界分布を調整するために補助的に電圧を印加してもよい。図１４では、１画素に対して補助的な電極アレイ１３を１本ずつ追加しているが、より細かく屈折率分布を調整するために複数本ずつ追加して、印加電圧を段階的に変化させてもよい。
【００６２】
【実施例】
次に、本発明の実施例について説明する。以下の実施例１〜６のうちで、実施例４がこの発明の実施例であり、他は具体例であるが、用語の繁雑をさけるため実施例１〜６として説明する。
【００６３】
（実施例１）
図１に示す画像表示装置を作成した。光源１としてＬＥＤランプ、画像表示素子３として対角0.9インチＸＧＡ（1024×768ドット）のポリシリコンＴＦＴ液パネルを用いた。画素ピッチは縦横ともに約18μmである。
【００６４】
光路偏向素子４ａ，４ｂには、ライン電極１３のライン方向に対し９０°の方向に配向処理された液晶マイクロレンズとライン電極のライン方向に対し０°の方向に配向処理された液晶マイクロレンズを、互いの配向処理方向の相対的な方向が同一の方向になるように配置した。
【００６５】
画像の縦横方向に４倍の画素増倍を行なうためには、スイッチング時間を１ミリ秒以下と高速に切換える必要があるため、ネマティック液晶セル３２の２周波駆動方式を採用した。
【００６６】
光路偏向素子４ａ，４ｂである液晶マイクロレンズは以下のように作成した。
【００６７】
液晶マイクロレンズの作成：
薄いガラス基板（３ｃｍ×４ｃｍ、厚さ0.10ｍｍ）上のＩＴＯ蒸着膜をエッチングして、幅１０μｍ、ピッチ１８μｍのＩＴＯラインを形成した。このＩＴＯラインの交互に同一電圧を印加できるように、くし形電極とした。ガラス基板のＩＴＯ側に配向膜としてAL3046-R31（ＪＳＲ社製）をスピンコートで形成し、ローラーラビング装置で配向処理した。ラビング方向はＩＴＯ電極ラインのライン方向から０°とした。このガラス基板を２枚用意し、その間の周辺部に４μｍ厚のスペーサを挟み、上下ガラス基板のＩＴＯライン位置が一致するように張り合わせて空セルを作成した。このセルの中に、ネマティック液晶を常圧下で注入し、液晶マイクロレンズを作成した。これを光路偏向素子４ａとした。
【００６８】
光路偏向素子４ｂは、光路偏向素子４ａの作成において、ラビング方向をＩＴＯ電極ラインのライン方向から９０°とした以外は、同様な方法で作成した。
【００６９】
本実施例の画像表示装置は、光路偏向素子４ｂと、光路偏向素子４ａとで液晶配列方向が一致するため、光路偏向素子４ｂから光路偏向素子４ａに光を入射させる際に、偏光面を回転させる必要がないので、エネルギーロスも少なく、デバイスの小型化が可能となり、さらにコストダウンがはかれた。
【００７０】
（実施例２）
実施例１の画像表示装置において、光路偏向素子４ｂの駆動電圧と、光路偏向素子４ａの駆動電圧とを、焦点位置により独立に制御した。
【００７１】
画像表示素子３は、ライン電極１３に対する液晶の配列方向が光路偏向素子４ｂと光路偏向素子４ａとで異なるため、光路偏向素子４ｂと光路偏向素子４ａとを同一の駆動電圧で駆動すると、焦点位置が最適な位置からずれることがある。しかし、本実施例２では、それぞれの光路偏向素子４ｂ，４ａを独立に制御することで、よりコントラストの良い画像が得られた。
【００７２】
（実施例３）
実施例１の液晶マイクロレンズの作成において、同様な基板に配向材料としてベンゾフェノン骨格を持つポリイミドをスピンコートし、330nmの偏光を５分間照射することにより光配向処理を行った以外は、全く同様に画像表示装置を作成した。
【００７３】
本実施例３では、ラビング処理を行なわずに配向処理を行ったので、不純物によるディスクリネーションが全く起こらず極めて均一な液晶配向がなされ、高精細画像が得られた。
【００７４】
（実施例４）
実施例１の液晶マイクロレンズの作成方法を以下のように変更した以外は、全く同様に画像表示装置を作成した。駆動方式としては、通常の単一周波数での駆動とした。
【００７５】
液晶マイクロレンズの作成では、実施例１により作成した空セルに、液晶として液晶性骨格を部分構造として有する光硬化高分子のプレポリマー（２０重量％）をネマティック液晶（メルク社製、ZLI-2471を使用）と混合し、毛細管法によりセル中に注入した。液晶性骨格を部分構造として有す光硬化型高分子のプレポリマーは、前述した化１のa、d、gの混合物を用い、それぞれの割合がa：ｄ：ｇ＝４８：４８：４とした。また、この中に、光重合開始剤（IRG-651、チバガイギー社製）を上記重合性液晶に対して１ｗｔ％混合した。該プレポリマーは20mW/cm2の強度の紫外線を１分間室温で照射し高分子化した。
【００７６】
本実施例４では、一方の光路偏向素子４ａ又は４ｂのラビング方向が、ＩＴＯ電極のライン方向から０°となっており、比較的低電圧で大きな屈折率変化が得られる構成となっているが、液晶のみであるとディスクリネーションが発生しやすい。しかし、高分子を混合したことにより、液晶の配向方向に規制力が働き、ディスクリネーションの発生が抑えられ、高品質の画像が得られた。さらに、液晶と高分子の接触面積が広く、液晶に対する高分子の配向規制力が強いため、液晶の電界に対する応答速度を大幅に高速化でき、２周波駆動を必要とせず、単一の周波数での駆動で十分なセルの応答速度が得られ、画像表示ができた。
【００７７】
（実施例５）
実施例１の液晶マイクロレンズの作成方法において、ラビング方向がＩＴＯ電極のライン方向から４５°とした以外は、全く同様に画像表示装置を作成した。
【００７８】
本実施例５の場合には、光路偏向素子４ａと４ｂとが同一方向に配向処理されることとなるため、光路偏向素子４ａと４ｂとは同一設計のデバイスとすることができ、デバイス設計、製作の手間を省くことができた。
【００７９】
また、光路偏向素子４ａと４ｂとで液晶配列方向が一致するため、光路偏向素子４ａから光路偏向素子４ｂに光を入射させる際に偏光面を回転させる必要がないので、エネルギーロスも少なく、デバイスの小型化が可能となり、製造コストダウンが図れた。さらに、ライン電極１３に対する液晶の配列方向が２つのセルで同一となるため、２つのセルでの電圧印加がほぼ同様に行なうことができ、画像表示システムとして簡易な構成とすることができた。
【００８０】
（実施例６）
実施例１の液晶マイクロレンズの作成方法を下記のように変更した以外は、全く同様に画像表示装置を作成した。
【００８１】
すなわち、液晶マイクロレンズの一方のガラス基板のＩＴＯ側に配向膜としてAL3046-R31（ＪＳＲ社製）をスピンコートで形成し、ローラーラビング装置で配向処理した。ラビング方向はＩＴＯ電極のライン方向から０°とし、対向電極のＩＴＯ側にJALS-2021-R2（ＪＳＲ社製）を用いて垂直配向処理を行った。この２枚のガラス基板の間の周辺部に、４μｍ厚のスペーサを挟み、上下ガラス基板のＩＴＯライン位置が一致するように張り合わせて、空セルを作成した。このセルの中に、ネマティック液晶を常圧下で注入し、液晶マイクロレンズを作成した。これを光路偏向素子４ａとした。
【００８２】
光路偏向素子４ｂは、光路偏向素子４ａの作成において、ラビング方向をＩＴＯ電極ラインのライン方向から９０°とした以外は、同様な方法で作成した。
【００８３】
これにより、液晶がハイブリッド型に配向されているので、電圧印加時の液晶のねじれ方向が一様となり易く、ディスクリネーションが少なく、高解像度の画像表示ができた。
【００８４】
【発明の効果】
請求項１に記載の発明は、部品点数を減少させて、製造コストを低減し、装置の省スペース化を図ることができる。
【００８５】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、第１の光路偏向素子と第２の光路偏向素子とで、ライン電極に対する配向処理方向が９０°異なっていても、第１、第２の光路偏向素子それぞれの集光位置を一致させることができる。
【００８６】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の発明において、第１、第２の光路偏向素子の設計、製作が容易となる。また、第１、第２の光路偏向素子での電圧印加を共通にして、簡易な構成の画像表示システムを提供することができる。
【００８７】
請求項１〜３の任意の１に記載の発明はまた高精細な動画像を表示することができる。
【００８８】
請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれかの１に記載の発明において、高精細な綺麗な画像を表示することができる。
【００８９】
請求項５に記載の発明は、請求項１〜４のいずれかの１に記載の発明において、製造工程の清潔性が維持でき、また、高精細な綺麗な画像が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施の形態である画像表示装置の全体構成の概念図である。
【図２】画像表示装置による画素シフトの説明図である。
【図３】画像表示装置の斜視図である。
【図４】光路変換素子のライン電極と配向処理方向との関係の説明図である。
【図５】光路変換素子である液晶マイクロレンズの動作の説明図である。
【図６】光路偏向駆動手段を説明するブロック図である。
【図７】光路偏向素子のライン電極と配向処理方向とが４５°となる例を説明する説明図である。
【図８】光路偏向素子の画素シフトを説明する説明図である。
【図９】光路偏向素子である液晶マイクロレンズの他の例における動作の説明図である。
【図１０】光路偏向素子の画素シフトの他の例を説明する説明図である。
【図１１】光路偏向素子である液晶マイクロレンズの他の例における動作の説明図である。
【図１２】光路偏向素子の画素シフトの他の例を説明する説明図である。
【図１３】光路偏向素子である液晶マイクロレンズの他の構成例の説明図である。
【図１４】光路偏向素子である液晶マイクロレンズの他の構成例の説明図である。
【符号の説明】
３      画像表示素子
４      光路偏向素子
４ａ    第１の光路偏向素子
４ｂ    第２の光路偏向素子
１１    基板
１２    基板
１３    ライン電極
１４    電極
３２    液晶セル
ａ      ライン電極のライン方向
ｂ      ライン電極のライン方向
ｃ      配向処理方向
【図１】
0004050065.tif 000004
【図２】
0004050065.tif 000005
【図３】
0004050065.tif 000006
【図４】
0004050065.tif 000007
【図５】
0004050065.tif 000008
【図６】
0004050065.tif 000009
【図７】
0004050065.tif 000010
【図８】
0004050065.tif 000011
【図９】
0004050065.tif 000012
【図１０】
0004050065.tif 000013
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
0004050065.tif 000016
【図１４】
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