(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
偏光した照明光を射出する照明手段と、
該照明光の一方の偏光に対して光路を変調するよう機能する偏光変調素子と複屈折材とからなる光路変調手段と、
該光路変調手段からの出射光路中に設けられた反射型画像表示素子と、
該反射型画像表示素子による反射光路中に設けられた結像レンズとを備え、
前記光路変調手段は、前記反射型画像表示素子への入射光および該反射型画像表示素子による反射光の光路中、且つ、前記反射型画像表示素子と前記結像レンズとの間に配置されていることを特徴とする表示装置。
【請求項２】
前記偏光した照明光を射出する照明手段として偏光ビームスプリッタを備え、
該偏光ビームスプリッタと前記反射型画像表示素子との間の光路上に前記光路変調手段を配置したことを特徴とする請求項１に記載の表示装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の表示装置を用いて構成した画像投射装置であって、投射レンズを介して画像をスクリーンに投射することを特徴とする画像投射装置。
【請求項４】
照明光の色を時間的に順次切り替える手段を有することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１に記載の表示装置。
【請求項５】
照明光の色を時間的に順次切り替える手段を有することを特徴とする請求項３に記載の画像投射装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、表示装置および画像投射装置、より詳細には、反射型表示素子を使用して高精細な画像表示を得ることができるようにした表示装置と、該表示装置を用いた画像投射装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
液晶などの小型画像表示素子の画像をレンズ系を介して拡大して表示する表示装置には、ヘッドマウントディスプレイと呼ばれる眼前に装着またはかざして拡大像を観察するタイプと、拡大像をスクリーンに投影して投影像を観察するいわゆる投射型の表示装置がある。
【０００３】
一般に表示装置においては、画面の解像度が表示品質を決める上で重要な要因となる。従来の拡大投射型表示装置においては、画面の解像度を上げるために小型画像表示素子の表示画素数を増やす方法が採られてきた。小型画像表示素子としては一般に各画素に対応させてトランジスタを形成した液晶表示素子が用いられている。このような素子においては、微細加工技術や配線抵抗、またトランジスタ領域や配線領域の確保の問題から微細化において限界がある上、このような素子は歩留まりの低下などによって高コストとなる。また、素子の画素密度を変えずに素子を大型化する方法では、素子の生産性が低下するため、同じくコストが高くなるという問題があり、さらに照明光学系や投射光学系が大型化し、装置の大型化やさらなる高コスト化の問題が生じる。
【０００４】
一方、特許第２９３９８２６号公報には、投射型の表示装置において、表示素子とスクリーンの間（すなわち表示素子の出射光路中）に偏光方向を旋回できる光学素子と複屈折効果を有する透明素子とを設け、投影画像をシフトさせることによって高解像度化を実現する手法が開示されている。この手法は、画素数の少ない廉価な画像表示素子を用いて高解像度を実現することができるため、高精細化を実現するための有力な手法である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
拡大表示に用いる液晶表示素子は透過型と反射型に大別される。透過型は前述の特許第２９３９８２６号公報で採用されている構成であり、ガラスなどの透光性基板の上にトランジスタ及びその配線、さらに画素電極を形成してなる基板積層体を用いた液晶素子である。このような透過型の素子では、画素を高密度化した際には、配線とトランジスタの領域のために実質的な開口率が低下するという問題が生じる。これは、光源の光量が一定であれば明るさの低下を招き、明るさを一定にするためには光源光量の増加すなわち消費電力の増加を招く。
【０００６】
一方、反射型の液晶素子はシリコンウェハーなどの非透光性基板上にトランジスタおよび配線を形成し、さらにその上に反射電極を形成してなる基板積層体を用いた液晶素子である。このような構成の特徴から、反射型の液晶表示素子は高密度化した際にも開口率の維持が容易であり、高精細化と光利用効率の両立が可能であるという特徴を有する。
【０００７】
しかしながら、上記の特許第２９３９８２６号公報には、反射型の表示素子を用いた場合の構成については記載されていない。反射型では表示素子近傍で照明光と投射光が同じ光路を通ることになるため、透過型とは異なる特殊な光学系となり、透過型の構成を適用することは困難を伴う場合がある。
【０００８】
図２７は、特許第２９３９８２６号公報の構成を反射型に適用した構成例を光路とともに示す概略図で、図中、２０１は光源、２０２，２０３はフライアイレンズからなるインテグレータ光学系、２０４は偏光ビームスプリッタ、２０５は反射型の液晶表示素子、２０６は偏光変調素子、２０７は複屈折板、２０８は投射レンズである。また２０９はフィールドレンズであり、フライアイレンズ２０２，２０３を透過した光を液晶表示素子２０５上に集光するよう機能する。
【０００９】
偏光変調素子２０６及び複屈折板２０７は、偏光ビームスプリッタ２０４と投射レンズ２０８の間に配置されている。図中に示した光線はインテグレータ光学系２０２の中央のフライアイレンズからの照明光及び投射光を示したものである。各フライアイレンズは、図２７に示すように反射型の液晶表示素子２０５の前面を拡大照明するよう構成される。このため、液晶表示素子２０５からの反射光は、投射レンズ２０８に至る過程において図示するように広がる。
【００１０】
上記のような構成において、発散する光線に対して光路変調を行わせるためには、図２７に示すごとくの液晶表示素子２０５よりかなり大型の偏光変調素子２０６及び複屈折板２０７を用いなければならない。さらに、必要な画素のずれ量を確保するための光路のずれ量も大きくなり、複屈折板２０７を用いた例では複屈折板の厚さを厚くする必要がある。複屈折板２０７は、シフト量の精度を確保するために、一般に光学結晶を切り出したものが用いられ、高価なものである。このような複屈折板２０７の大型化、厚板化は高コスト化を招き、また偏光変調素子２０６の大型化も同じくコスト増の要因となる。また、複屈折板２０７の厚さの増加は、投射レンズ２０８のバックフォーカス長の増加を招き、高価で大型のレンズ系を採用する必要が生じる。
【００１１】
本発明は、上述のごとき実情に鑑みてなされたもので、従来の光路変調方式を用いたときの問題を解決して効率的な光路のずれ量を確保できるようにすることにより、小型でかつ低コストの高精細な表示装置及び該表示装置を用いた画像投射装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、偏光した照明光を射出する照明手段と、該照明光の一方の偏光に対して光路を変調するよう機能する偏光変調素子と複屈折材とからなる光路変調手段と、該光路変調手段からの出射光路中に設けられた反射型画像表示素子と、該反射型画像表示素子による反射光路中に設けられた結像レンズとを備え、前記光路変調手段は、前記反射型画像表示素子への入射光および該反射型画像表示素子による反射光の光路中、且つ、前記反射型画像表示素子と前記結像レンズとの間に配置されていることを特徴としたものである。
【００２１】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記偏光した照明光を射出する照明手段として偏光ビームスプリッタを備え、該偏光ビームスプリッタと前記反射型画像表示素子との間の光路上に前記光路変調手段を配置したことを特徴としたものである。
【００２３】
請求項３の発明は、請求項１または２に記載の表示装置を用いて構成した画像投射装置であって、投射レンズを介して画像をスクリーンに投射することを特徴としたものである。
【００２４】
請求項４の発明は、請求項１ないし３のいずれか１の発明において、照明光の色を時間的に順次切り替える手段を有することを特徴としたものである。
【００２５】
請求項５の発明は、請求項３の発明において、照明光の色を時間的に順次切り替える手段を有することを特徴としたものである。
【００２６】
【発明の実施の形態】
本発明の表示装置は、反射型画像表示素子の画像表示のタイミングに同期させて偏光変調素子または可変光路変調手段を作用させることによって、光路が変調されていない画像光と光路が変調された画像光を時系列的に射出させるものである。すなわち、反射型画像表示装置の表示フレーム周期をサブフレームに分割し、それに同期させて偏光変調素子または可変光路変調手段を動作させる。
【００２７】
図１は、本発明に適用する画像高精細化の手法について説明するための図で、図中、Ｐは画素である。図１（Ａ）の表示を行う際、例えば偶数サブフレームにおいて図１（Ｂ）に示すごとくの表示を画像表示素子に行わせる。ついで偶数フレームにおいては、図１（Ｃ）なる表示を行わせるとともに、偏光変調素子または可変光路変調手段を光路シフトするように作動させ、図１（Ｂ）の表示の隙間を埋める。これを繰り返すことで表示素子の２倍の表示画素数を得ることができる。さらに直交する方向に作用する偏光変調素子または可変光路変調手段を設けることで、４倍の画素密度をも実現することができる。
【００２８】
上述のようにして構成した画像表示装置において、ユーザによる画像の観察は、結像レンズを用いて反射型画像投射装置の像を直接観察するか、画像をレンズによりスクリーンに拡大投射することによって実現することができる。以下に本発明に係わる実施例を添付された図面を参照しながら具体的に説明する。なお、実施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は同じ符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。
【００２９】
〔構成例１〕
本構成例は、偏光した照明光を射出する照明手段と、該照明光の一方の偏光に対して光路を変調するように機能する光路変調手段と、その光路変調手段の出射光路中に設けられた反射型画像表示素子と、その反射型画像表示素子からの反射光路中に設けられた結像レンズとを備え、上記光路変調手段を画像表示素子への入射光及び該画像表示素子からの反射光の光路中に配置したことを特徴とする表示装置について説明するものである。上記光路変調手段としては、入射する光の偏光方向を略直交する方向に変調可能な偏光変調素子と、その偏光変調素子の一方の偏光に対して光路を変化させる光路変更光学素子とを備えることが好ましく、また、ここで用いる偏光変調素子としては強誘電性液晶を基板間に狭持した液晶素子を用いることが、高速の変調を行わせる上で好ましい。このような構成において、光路変更光学素子としてはその光軸が一方の偏光軸と入射光主光軸の作る面内にあって、入射主光軸に対して光路変調手段の光軸が傾斜配置された複屈折板であることが必要である。以下に本構成例１に係わる具体的な実施例１ないし３を示す。
【００３０】
（実施例１）
図２は、本発明による表示装置の構成例を光路ともに図示した概略図で、図中、１０１は光源、１０２，１０３はフライアイレンズからなるインテグレータ光学系、１０４は偏光ビームスプリッタ、１０５は反射型の画像表示素子である液晶表示素子、１０６は偏光変調素子、１０７は複屈折板（光路変更光学素子）、１０８は投射レンズである。また図中、１０９はフィールドレンズであり、フライアイレンズ１０３を透過した光を液晶表示素子１０５上に集光するように機能する。
【００３１】
偏光変調素子１０６、及び複屈折板からなる光路変更光学素子１０７は、偏光ビームスプリッタ１０４と液晶表示素子１０５との間に配置されている。このような構成とすることにより、偏光変調素子１０６及び光路変更光学素子１０７から構成される光路変調手段が画像表示素子の入射（照明）及び反射の共通光路中に配置されることになる。
【００３２】
図３ないし図６は、本実施例の作用を説明するもので、これらの図において、偏光変調素子１０６及び液晶表示素子１０５は、ｏｎの時に入射光の偏光面を９０度変調するものとする。なお、図３ないし図６では説明のために液晶表示素子１０５への入射光である照明光と反射光である画像光の光軸をずらして示しているが、これら図中の２本の一点鎖線は本来一致しているものである。
【００３３】
図３は、偏光変調素子１０６がｏｎで、液晶表示素子１０５がｏｆｆの場合の作用を示す図で、図中、矢印は光の偏光方向を表している。図３の左側には、図しない偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）が配され、該ＰＢＳから出射した光Ｌ１は強誘電性液晶素子である偏光変調素子１０６を透過し、紙面垂直方向の偏光に変調され、複屈折板からなる光路変更光学素子１０７に入射する。光路変更光学素子１０７は、点線１０７ｘで示した方向に光軸を有した複屈折板であり、その光軸は、偏光変調素子１０６からの出射光の一方の偏光軸（本例では、偏光変調素子がｏｆｆの時の縦方向の偏光方向）と入射光主光軸の作る面内にあって、入射主光軸に対して傾斜配置されている。このような構成において、偏光変調素子１０６を透過した光は光路の変調を受けることなく液晶表示素子１０５を照明する。
【００３４】
この場合、液晶表示素子１０５はｏｆｆであるので、光の偏光方向は変調されることなく反射し、再度光路変更光学素子１０７に入射し、ここでも光路変調を受けることなく偏光変調素子１０６に入射する。偏光変調素子１０６の出射光は偏光変調素子１０６がｏｎであるので偏光面が９０度回転され入射偏光Ｌ１と同じ光路、及び偏光状態で再度ＰＢＳに入射する（Ｌ２a−ｏｆｆ）。この偏光は図２に示す光学系において、ＰＢＳ１０４の反射光となるので投射光とはならず光源１０１に戻る。
【００３５】
図４は、図３に示す構成において、液晶表示素子１０５がｏｎである場合を示している。このとき、液晶表示素子１０５からの反射光は、偏光変調を受けて縦方向の偏光となる。この光は光路変更光学素子１０７により光路シフトを受けて出射し、偏光変調素子１０６によって偏光面が９０度変えられて射出する（Ｌ２ａ−ｏｎ）。この偏光は図２に示す光学系において、ＰＢＳ１０４の透過光となるので投射光となって投射レンズ１０８を介してスクリーンに至る。この投射光の光軸は図のように−ｄの距離だけシフトすることになる。
【００３６】
図５は、図２において偏光変調素子１０６がｏｆｆの場合を示す図である。この場合、入射光Ｌ１は偏光面の変調は受けずに再度ＰＢＳに戻る。この偏光は図２において、ＰＢＳ１０４の反射光となるので投射光とはならず光源１０１に戻る。なお、光路は図５に示すように２度変調されるが、元の光路に戻るだけであり、また非投射光であるので画像には関与しない。
【００３７】
図６は、図５において液晶表示素子１０５がｏｎである場合を示す図である。この場合、光路は図のように往路で＋ｄのシフトを受け、帰路ではシフトを受けない。図２の構成でＰＢＳ１０４に戻る光はＰＢＳ１０４の透過光となるので投射光となってスクリーンに至る。なおこの場合、ＰＢＳ出射光は全体で＋ｄのシフトを受けることになるが、実際の画像シフトは投射光と画素の位置関係で決まり、照明光のシフトは影響しないのでこの場合には実質的にはシフトは起こらない。投射光のみに注目すると、図４と図６の対比から偏光変調素子１０６のｏｎ／ｏｆｆによってｄの光路シフトが起こることになる。
【００３８】
上記のような構成において、図２に示すように、偏光変調素子１０６及び光路変更光学素子１０７は、液晶表示素子１０５近傍の最も光路幅の狭い場所に配置可能である。このことから、図２７の構成に比べて二つの素子を小型に形成できる。また、画像として必要な光軸のシフト量は、画素のピッチ、及び光軸変調を行う場所での画像の拡大倍率に依存するので、図２に示す光学系のように投射レンズ１０８に近づくほど発散する光学系では液晶表示素子１０５に近いほど小さいシフト量ですむことになる。
【００３９】
光路変更光学素子１０７としては、光学結晶を斜めに切り出したものを好適に用いることができる。光路シフト量は光軸の傾斜角、常光および異常光に対する光学結晶の屈折率（複屈折）、及び光学結晶の厚さに依存するので、本発明のように小さいシフト量の場合には薄い結晶や小さい複屈折の材料を使用することができ、材料コストを低減することができる。さらに、光路変更光学素子１０７と偏光変調素子１０６の面積が小さいことからも低コスト化が可能である。また、光路変更光学素子１０７を薄く形成した場合には、投射レンズ１０８のバックフォーカス長を短く設定できるため、安価な投射レンズを採用できるという利点がある。
【００４０】
なお、図３ないし図６において、入射光の偏光方向が９０度回転した構成においても同様の効果が得られる。さらに、図２ではＰＢＳ１０４の反射光を液晶表示素子１０５に導く構成で説明したが、透過光を液晶表示素子１０５に導き、反射光を投射レンズ１０８に導くよう構成することもできる。
【００４１】
（実施例２）
図７は、本発明による表示装置の他の構成例を光路とともに図示した概略図で、図中、１０５ｒ、１０５ｇ、１０５ｂは反射型の画像表示素子である液晶表示素子、１０６ｒ、１０６ｇ、１０６ｂは偏光変調素子、１０７ｒ、１０７ｇ、１０７ｂは複屈折板（光路変更光学素子）、１１０はダイクロイックプリズムである。
【００４２】
図２においては、液晶表示素子１０５を１枚で構成した例について説明したが、図７の構成のように、３枚の液晶表示素子１０５ｒ、１０５ｇ、１０５ｂを用いて構成することもできる。ここでダイクロイックプリズム１１０は、照明光を３色に分離するとともに、液晶表示素子１０５ｒ、１０５ｇ、１０５ｇからの反射光を合成するよう機能する。図７ではクロスダイクロイックプリズムとして示したが、同様の機能を有するいわゆるフィリップスプリズムであってもよい。液晶表示素子１０５ｒ、１０５ｇ、１０５ｂ、偏光変調素子１０６ｒ、１０６ｇ、１０６ｂ及び光路変更光学素子１０７ｒ、１０７ｇ、１０７ｂは、それぞれ赤、緑、青の色光に対して設けられるものである。この構成においては、偏光変調素子、光路変更光学素子が液晶表示素子の数に対応させて必要となるが、波長に応じた適切なシフト量が設定できる上、偏光変調素子を波長にあわせて特性を設定できるため、画像のにじみを最小限に押さえることができるという利点がある。
【００４３】
（実施例３）
図８は、偏光ビームスプリッタを各波長ごとに分離して設け（ＰＢＳ１０４ｒ、１０４ｇ、１０４ｂ）、ダイクロイックプリズム１１０を合成のみに用いた構成例を示すものである。分光はダイクロイックミラー１１１ａ、１１１ｂで行い、ミラー１１２などを用いて照明光を各偏光ビームスプリッタ１０４ｒ、１０４ｇ、１０４ｂに導く。また図８において、１１３は光路調整のためのリレーレンズである。この構成は、図７の構成に比べてプリズムが多くなり、光学系が大きくなる反面、さらに高いコントラストが得られるという利点がある。
【００４４】
ここで上記各実施例に用いる偏光変調素子１０６（１０６ｒ、１０６ｇ、１０６ｂ）は、入射光の偏光方向を略９０度変調できるものであれば使用することができ、電気光学結晶や液晶セルを好ましく例示することができる。なかでも液晶セルは、上記のような機能を廉価なコストで実現できるため特に好ましく用いることができる。液晶セルとしては９０度ねじれたネマティック液晶によるセルや、同じくネマティック液晶の電界による傾き角変化を利用した複屈折モードの液晶セル、強誘電性液晶のティルト角変化を利用した強誘電性液晶セルなどを採用することができるが、中でも高速応答性が得られることから強誘電性液晶セルを特に好ましく用いることができる。なお、各実施例の説明ではすべてフライアイレンズを用いた均一化照明系を例にしているが、本発明において、照明方式はこれに限られるものではない。
【００４５】
本発明で用いる反射型の液晶表示素子１０５としては、光の偏光方向を略９０度変調できる反射型の表示素子であれば用いることができる。具体的には液晶を用いたものを好ましく用いる。液晶動作方式としては、９０度ねじれたねじれネマティック液晶による方式や、同じくネマティック液晶の電界による傾き角変化を利用した複屈折モード方式、強誘電性液晶や反強誘電性液晶のティルト角変化を利用した強誘電性液晶方式、反強誘電性液晶方式などを採用することができるが、中でも高速応答性が得られることから強誘電性液晶方式及び反強誘電性液晶方式を特に好ましく用いることができる。
【００４６】
強誘電性液晶ないし反強誘電性液晶の場合、液晶のｏｎ状態とｏｆｆ状態のうち一方の状態で１／４波長板として機能させ、他方の状態で位相差を持たないよう構成することが好ましい。このような構成によって、一方の配向状態で往復の光路で１／２波長板として機能させることができる。その際、偏光変調素子１０６は、強誘電性液晶などのように液晶の複屈折を用いた方式の場合、液晶のｏｎ状態とｏｆｆ状態のうち一方の状態では１／２波長板として機能させ、他方の状態では位相差を持たないよう構成することが好ましい。
【００４７】
さらに偏光変調素子１０６と液晶表示素子１０５は、位相差を有する配向状態において互いに位相差を減ずるよう構成することが好ましい。このように構成することで、可視波長域に渡って高いコントラストを実現することができる。具体的には、両者が位相差を有する状態での配向方向（照明光の主光軸に垂直な面に投影した際の方向）を互いに直交するよう構成することによって上記機能を実現することができる。
【００４８】
〔構成例２〕
本構成例は、偏光した照明光を射出する照明手段、該照明光の一方の偏光に対して光路を変調するよう機能する光路変調手段、光路変調手段の出射光路中に設けられた反射型画像表示素子、画像表示素子の反射光路中に設けられた結像レンズを備え、前記光路変調手段を画像表示素子への入射光及び該画像表示素子からの反射光の光路中に配置したことを特徴とする表示装置において、上記光路変調手段が特定の偏光に対して光路の変調量が可変である可変光路変調手段であることを特徴とする表示装置について説明するものである。
【００４９】
ここで用いる光路変調手段としては、光軸が一方の偏光軸と入射光主光軸の作る面内にあって、かつ、該光軸の主光軸に対する傾斜角を変化させることによって入射偏光の光路を変調させる光路変調手段、または、主光軸に対して傾斜した界面を有し、界面を形成する物質の少なくとも一方の屈折率を変化させることにより入射偏光の光路を変調させる光路変調手段を好ましく用いる。以下に本構成例に係わる具体的な実施例４ないし６を説明する。
【００５０】
（実施例４）
図９は、本発明による表示装置の更に他の構成例を光路とともに図示した概略図で、単板式の投射装置を構成した例に示したものである。図９において、１１４は光路変調手段であり、具体的には、光軸が一方の偏光軸と入射光主光軸の作る面内にあって、かつ、該光軸の主光軸に対する傾斜角を変化させることによって入射偏光の光路を変調させる光路変調手段、または、主光軸に対して傾斜した界面を有し、界面を形成する物質の少なくとも一方の屈折率を変化させることにより入射偏光の光路を変調させる光路変調手段を好ましく例示できる。
【００５１】
図１０ないし図１３は、本実施例の作用を説明するための図で、矢印は光の偏光方向を表している。これらの図において、液晶表示素子１０５はｏｎの時に入射光の偏光面を９０度変調するものとし、光路変調手段１１４はｏｎの時に特定の偏光方向を有する光の光路を曲折またはシフトさせるものとする。なお、図１０ないし図１３では、説明のために液晶表示素子１０５への入射光である照明光と反射光である画像光の光軸をずらして表記しているが、各図中の２本の一点鎖線は本来一致しているものである。
【００５２】
図１０は、光路変調手段１１４がｏｆｆで液晶表示素子１０５がｏｆｆの場合の作用を示す図である。図１０の左側にある図示しない偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）から入射した直線偏光Ｌ１は、光路変調を受けずに光路変調手段１１４を透過し、液晶表示素子１０５を照明する。この場合、液晶表示素子１０５はｏｆｆであるので光の偏光方向は変調されることなく反射し、再度光路変調手段１１４に入射する。光路変調手段１１４に再度入射した光は同様に変調を受けずに出射して入射偏光Ｌ１と同じ光路及び偏光状態で再度ＰＢＳに入射する（Ｌ２ａ−ｏｆｆ）。この偏光は図９に示す光学系において、ＰＢＳ１０４の反射光となるので投射光とはならず光源に戻る。
【００５３】
図１１は、図１０において液晶表示素子１０５がｏｎである場合を示す図である。このとき、液晶表示素子１０５からの反射光は偏光変調を受けて縦方向の偏光となる。しかしながら、この偏光は光路変調手段１１４がｏｆｆであるので光路シフトを受けず光路変調手段１１４を射出する（Ｌ２ａ−ｏｎ）。この偏光は図９に示す光学系において、ＰＢＳ１０４の透過光となるので投射光となってスクリーンに至る。
【００５４】
図１２は、図１０において光路変調手段１１４がｏｎの場合を示す図である。この場合にも、入射光Ｌ１は、図１０と同様に偏光面及び光路の変調は受けずに再度ＰＢＳに戻る。この偏光は図９において、ＰＢＳ１０４の反射光となるので投射光とはならず光源に戻る。
【００５５】
図１３は、図１２において液晶表示素子１０５がｏｎの場合について説明した図である。この場合、光路は図１３に示すように復路で−ｄのシフトを受ける。ＰＢＳに戻る光の偏光方向はＰＢＳの透過光となるので投射光となってスクリーンに至る。すなわち投射光のみに注目すると、図１１と図１３の対比から光路変調手段１１４のｏｎ／ｏｆｆによって−ｄの光路シフトが起こることになる。
【００５６】
上記のような構成において、図９に示すように、光路変調手段１１４は液晶表示素子１０５の近傍の最も光路幅の狭い場所に配置可能である。このことから、図２７の構成に比べて二つの素子を小型に形成できる。また、画像として必要な光軸のシフト量は、画素のピッチ及び光軸変調を行う場所での画像の拡大倍率に依存するので、図９に示すように、投射レンズ１０８に近づくほど発散する光学系では液晶表示素子１０５に近いほど小さいシフト量ですむことになる。
【００５７】
図１４ないし図１６は、光路変調手段１１４として上記例示したもののうちの前者すなわち、光軸が一方の偏光軸と入射光主光軸の作る面内にあって、かつ、該光軸の主光軸に対する傾斜角を変化させることによって入射偏光の光路を変調させる光路変調手段の具体的構成例を示したものである。図１４ないし図１６において、１１４ｍは液晶などの光学異方性を有する分子、１１４ａ、１１４ｂは基板を表し、液晶１１４ｍは、主光軸と変調すべき偏光の偏光面とが形成する平面内において主光軸に対して傾斜した配向構造を形成するようにしたものである。さらに液晶１１４ｍの配向方向は、外部電界などによって変調可能であり、図１４ないし図１７にそれぞれ示すような配向構造間で構造変化を行なわせることができる。図１４の状態では、図示したように縦方向の偏光に対して複屈折効果によって光路が曲折するのに対して、図１５及び図１６の状態では曲折は生じない。また図１７では図１４に対して逆方向の曲折が生ずることになる。一方、紙面垂直方向の偏光に対しては、上記図１４ないし図１７のいずれの状態においても光路の変調を起こすことはない。
【００５８】
また図１０ないし図１３で示したような光路シフトの効果を用いた高精細化を実現するには、光路を曲折する分子の傾斜方向は、主光軸と投射光となる偏光状態の偏光方向とが形成する面内にあることが必要である。このような光路変調手段１１４としては、誘電異方性が正または負のネマティック液晶を傾斜配向させた液晶素子、誘電異方性が負のネマティック液晶を垂直配向させた液晶素子、誘電異方性が正のネマティック液晶を水平配向させた液晶素子及び垂直配向させた強誘電性液晶素子などを好ましく例示することができる。
【００５９】
上記のような光路変調手段１１４の構成において、光路のシフト量は液晶分子の傾斜角、液晶の常光および異常光に対する光路変調手段の屈折率（複屈折）、及び光路変調手段の厚さに依存するので、本発明のように小さいシフト量の場合には薄い液晶層厚で実現することができ、液晶の応答速度を改善することができる。さらに、光路変調手段の面積が小さいことから、低コスト化が可能である。
【００６０】
さらに、図２で説明した光学系と同様に、図９においてＰＢＳ１０４の透過光を液晶表示素子に導き、反射光を投射レンズ１０８に導くよう構成することもできる。同様に、図７や図８の光学系と同様に３板式として構成することも可能であり、この場合の効果も図２の光学系の場合と同様である。
【００６１】
（実施例５）
図１８及び図１９は、光路変調手段の別の好ましい構成を示した図で、主光軸に対して傾斜した界面を有し、界面を形成する物質の少なくとも一方の屈折率を変化させることにより入射偏光の光路を変調させるものである。本実施例に示す光路変調手段は、基板１１５ａ、１１５ｂの間に液晶などからなる外場によって光学特性が変化する材料（本実施例では液晶１１６）が挟持されている。基板１１５ａ、１１５ｂと液晶１１６の界面は、図示するように主光軸に対して傾斜するように構成されている。
【００６２】
液晶１１６は、電界等の印加によって例えば図１８と図１９のような状態との間で可逆的に変化を起こす。基板１１５ａ、１１５ｂに挟持された材料が本例のように液晶である場合、液晶の常光に対する屈折率をｎｏ、異常光に対する屈折率をｎｅとしたとき、液晶層に入射した光の曲折は基板の屈折率ｎｓと液晶層の実効的な屈折率で決定される。垂直方向の偏光に対しては、図１８においては、ほぼｎｅが実効的に働き、図１９ではｎｏが実効的となる。
【００６３】
一般にｎｅ＞ｎｏであるので、電界によって図１８と図１９の間で配向を変化させることで、光路の曲折の程度を制御可能である。図では簡略化のためにｎｏ＝ｎｓとして記載した。一方、紙面垂直方向の偏光に対してはいずれの配向の場合も実効的にｎｏが作用するので光路は曲折されずに素子を透過する。
【００６４】
図２０及び図２１は、図１８及び図１９に示す光路変調手段を変形した別の好ましい構成例を示す図であり、鋸歯状構造１１７を基板１１５ａの内面に形成することによって傾斜した界面を構成した例を示すものである。図２２は、図２０に対応する別の構成例であり両側の基板１１５ａ、１１５ｂに鋸歯状構造１１７を形成した例を示すものである。図２３は、図２０の構成をさらに改良したものであり、傾斜界面（図示する例では鋸歯状構造１１７）を有する素子を二つ組み合わせたものである。本構成では、２つの素子の間隔を調整することによって任意の光路シフト量を得ることができるという特徴を有する。
【００６５】
本実施例に用いる液晶１１６を封入した素子としては、誘電異方性が負のネマティック液晶を垂直配向させた液晶素子、誘電異方性が正のネマティック液晶を水平配向させた液晶素子及び水平配向させた強誘電性液晶素子などを好ましく例示することができる。強誘電性液晶の場合、電界による配向状態の変化は図２０と図２４に示す状態間の変化となり、同様にして光軸シフトの変調が可能となる。とくに強誘電性液晶を用いた場合には、高速の光路変調が可能となり特に好ましい。ここで説明した構成例２（実施例４及び実施例５）では、構成例１（実施例１ないし３）に比べて光路変調をさせるための構造が簡略化できるという特徴がある。
【００６６】
（実施例６）
図２５は、本発明による画像表示装置の好ましい構成例を示す図で、図２に示した構成を用いた画像表示装置を示すものである。図２５に示す画像表示装置は、照明光の色選択手段１１８が新たに付加されている。色選択手段１１８としては、たとえば図２６に示すような複数色のカラーフィルタ１１８ｒ，１１８ｇ，１１８ｂからなる回転フィルターを例示することができる。このカラーフィルタによる色選択手段１１８は、回転することにより順次異なる色光で反射型画像表示装置を照明する。このように構成することにより、単板においてもフルカラー表示を実現することができる。
【００６７】
上記構成に用いることができる他の色選択手段１１８としては、カラーリンク社からカラースイッチという商品名で商品化されているもので、液晶および位相差板を用いた色選択手段を好ましく用いることができる。なお、図２５において、１１９はコンデンサーレンズ、１２０はコリメートレンズを表す。このような単板方式のカラー表示装置は、上記の例のように白色光源に色選択手段を組み合わせて実現することもできるが、光源自体の発光波長自体を制御することによっても実現することができる。具体的には、発光ダイオードやレーザなど高速変調可能な光源を照明光として用いればよい。この際、必要に応じてダイクロイックプリズムなどの光束合成手段などを用いる。
【００６８】
上述のようにして構成した画像表示装置は、単純な光学系で多色表示を行わせることができるため特に好ましい構成である。なお、図２５では図２の構成をもとに説明したが、図９の構成を用いることによっても同様にして好適な構成を実現することができる。
【００６９】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１の発明によれば、偏光した照明光を射出する照明手段と、該照明光の一方の偏光に対して光路を変調するよう機能する偏光変調素子と複屈折材とからなる光路変調手段と、該光路変調手段からの出射光路中に設けられた反射型画像表示素子と、該反射型画像表示素子による反射光路中に設けられた結像レンズとを備え、前記光路変調手段は、前記反射型画像表示素子への入射光および該反射型画像表示素子による反射光の光路中、且つ、前記反射型画像表示素子と前記結像レンズとの間に配置されていることを特徴とする表示装置とすることにより、反射型の画像表示素子を用いた画像拡大表示装置において、表示素子の画素数以上の高精細表示を簡略な構成で実現できる。また光路変調手段を表示素子近傍に配置することができるので、光路変調手段自体の小型化、薄型化が可能となり、装置全体の小型化、低コスト化を達成することができる。また高精細な反射型表示素子を使用するため、きわめて高精細な画像が得られ、文字や画像を表示した際、印刷物のような自然な表示を得ることができる。
【００７８】
請求項２の発明によれば、請求項１の発明において、前記偏光した照明光を射出する照明手段として偏光ビームスプリッタを備え、該偏光ビームスプリッタと前記反射型画像表示素子との間の光路上に前記光路変調手段を配置したことを特徴とする表示装置とすることにより、光学系構成のより具体的な好ましい構成例を提供し、これにより小型で光コントラスト表示可能な表示装置を提供することができる。
【００８０】
請求項３の発明は、請求項１または２に記載の発明において、投射レンズを介して画像をスクリーンに投射することを特徴とする画像投射装置とすることにより、表示装置を用いた画像投射装置の構成を提供できる。
【００８１】
請求項４の発明によれば、請求項１ないし３のいずれか１の発明において、照明光の色を時間的に順次切り替える手段を有することを特徴とする表示装置とすることにより、１組の表示素子および光路変調手段でカラー表示を行わせることができるため、小型のカラー表示装置を提供することができる。
【００８２】
請求項５の発明によれば、請求項３の発明において、照明光の色を時間的に順次切り替える手段を有することを特徴とする画像投射装置とすることにより、１組の表示素子および光路変調手段でカラー表示を行わせることができるため、小型のカラー画像投射装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に適用する画像高精細化の手法について説明するための図である。
【図２】  本発明による表示装置の構成例を光路とともに図示した概略図である。
【図３】  本発明の第１の実施例の作用を説明するための図である。
【図４】  本発明の第１の実施例の作用を説明するための他の図である。
【図５】  本発明の第１の実施例の作用を説明するための更に他の図である。
【図６】  本発明の第１の実施例の作用を説明するための更に他の図である。
【図７】  本発明による表示装置の他の構成例を光路とともに図示した概略図である。
【図８】  偏光ビームスプリッタを各波長ごとに分離して設け、ダイクロイックプリズムを合成のみに用いた構成例を示す図である。
【図９】  本発明による表示装置の更に他の構成例を光路とともに図示した概略図で、単板式の投射装置を構成した例に示した図である。
【図１０】  本発明の第４の実施例の作用を説明するための図である。
【図１１】  本発明の第４の実施例の作用を説明するための他の図である。
【図１２】  本発明の第４の実施例の作用を説明するための更に他の図である。
【図１３】  本発明の第４の実施例の作用を説明するための更に他の図である。
【図１４】  光路変調手段の構成例とその作用を示す図である。
【図１５】  光路変調手段の構成例とその作用を示す他の図である。
【図１６】  光路変調手段の構成例とその作用を示す更に他の図である。
【図１７】  光路変調手段の構成例とその作用を示す更に他の図である。
【図１８】  光路変調手段の別の好ましい構成及び作用を示した図である。
【図１９】  光路変調手段の別の好ましい構成及び作用を示した他の図である。
【図２０】  図１８及び図１９に示す光路変調手段を変形した他の好ましい構成例を示す図である。
【図２１】  図１８及び図１９に示す光路変調手段を変形した更に他の好ましい構成例を示す図である。
【図２２】  図２０に対応する別の構成例であり、両側の基板に鋸歯状構造を形成した例を示す図である。
【図２３】  図２０の構成をさらに改良したものであり、傾斜界面を有する素子を二つ組み合わせたことを示す図である。
【図２４】  図２０の強誘電性液晶の他の配向状態を示す図である。
【図２５】  本発明による画像表示装置の好ましい構成例を示す図で、図２に示した構成を用いた画像表示装置を示す図である。
【図２６】  色選択手段の一例である回転フィルタを示す図である。
【図２７】  従来の構成を反射型に適用した構成例を光路とともに示す概略図である。
【符号の説明】
１０１…光源、１０２，１０３…インテグレータ光学系、１０４，１０４ｒ，１０４ｇ，１０４ｂ…偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）、１０５，１０５ｒ，１０５ｇ，１０５ｂ…液晶表示素子、１０６，１０６ｒ，１０６ｇ，１０６ｂ…偏光変調素子、１０７，１０７ｒ，１０７ｇ，１０７ｂ…複屈折板（光路変更光学素子）、１０８…投射レンズ、１０９…フィールドレンズ、１１０…ダイクロイックプリズム、１１１ａ、１１１ｂ…ダイクロイックミラー、１１２…ミラー、１１３…リレーレンズ、１１４…光路変調手段、１１４ａ，１１４ｂ，１１５ａ，１１５ｂ…基板、１１４ｍ…液晶、１１６…液晶、１１７…鋸歯状構造、１１８…色選択手段、１１９…コンデンサーレンズ、１２０…コリメートレンズ、２０１…光源、２０２，２０３…インテグレータ光学系、２０４…偏光ビームスプリッタ、２０５…反射型の液晶表示素子、２０６…偏光変調素子、２０７…複屈折板、２０８…投射レンズ、２０９…フィールドレンズ、Ｐ…画素。
【図１】
0004913291.tif 000002
【図２】
0004913291.tif 000003
【図３】
0004913291.tif 000004
【図４】
0004913291.tif 000005
【図５】
0004913291.tif 000006
【図６】
0004913291.tif 000007
【図７】
0004913291.tif 000008
【図８】
0004913291.tif 000009
【図９】
0004913291.tif 000010
【図１０】
0004913291.tif 000011
【図１１】
0004913291.tif 000012
【図１２】
0004913291.tif 000013
【図１３】
0004913291.tif 000014
【図１４】
0004913291.tif 000015
【図１５】
0004913291.tif 000016
【図１６】
0004913291.tif 000017
【図１７】
0004913291.tif 000018
【図１８】
0004913291.tif 000019
【図１９】
0004913291.tif 000020
【図２０】
0004913291.tif 000021
【図２１】
0004913291.tif 000022
【図２２】
0004913291.tif 000023
【図２３】
0004913291.tif 000024
【図２４】
0004913291.tif 000025
【図２５】
0004913291.tif 000026
【図２６】
0004913291.tif 000027
【図２７】
0004913291.tif 000028