(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の画素を規則的に配列してなる表示面を有する表示素子と、
前記表示面から発する光の光軸を所定の方向に振動させる振動手段と、
この振動手段による光軸の振動に同期して、前記表示素子に異なる画像を表示させる画像表示制御手段と、
前記振動手段による光軸の振動方向と交差する方向に、前記表示面からの光を複数の光に分離する光分離手段とを有することを特徴とする画像表示装置。
【請求項２】
請求項１記載の画像表示装置において、
前記光分離手段は回折格子であることを特徴とする画像表示装置。
【請求項３】
請求項１記載の画像表示装置において、
前記光分離手段は異方性結晶であることを特徴とする画像表示装置。
【請求項４】
請求項１，２または３記載の画像表示装置において、
前記表示素子は、３色の画素をデルタ配列してなるカラー表示素子で、
前記振動手段は、前記カラー表示素子の表示面からの光の光軸を、水平画素列の方向ではその画素ピッチのほぼ０．７５ピッチ、垂直画素列の方向ではその画素ピッチのほぼ０．５ピッチとなるように、前記水平画素列に対して斜め方向に振動させるよう構成した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】
この発明は、ウォブリングによる画素ずらしを行って画像を表示する画像表示装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の画像表示装置として、例えば特開平７−７７０４号公報には、離散的な画素配列を有する表示素子と観察位置との間の光路中に、偏光変換素子および複屈折媒体を順次配列してなる画素ずらし素子を配置し、表示素子の同一画素に奇数フィールドおよび偶数フィールドの画像を順次書き込んで表示すると共に、そのフィールドに同期して前段の偏光変換素子を駆動して、表示素子からの光の偏光面を選択的に変化させ、これにより後段の複屈折媒体で出射光の光軸を所定の方向に選択的にずらして、すなわち表示素子の表示面をウォブリングして、奇数フィールドと偶数フィールドとの画像を空間的に分離し、解像度の向上を図るようにしたものが開示されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、本発明者による種々の実験によれば、上述した従来のウォブリングを採用する画像表示装置にあっては、解像度の向上は図れても、画像によってはウォブリングの方向に線状の縞模様が観察され、画質が低下するという問題があることが分かった。特に、表示素子が、３色の画素をデルタ配列してなるカラー表示素子の場合には、その縞模様が顕著に観察され、画質の低下が著しくなる。
【０００４】
この発明は、このような従来の問題点に着目してなされたもので、ウォブリングによる画質低下の方向依存性を除去し、高解像度で、画質の優れた画像を観察できるように適切に構成した画像表示装置を提供することを目的とするものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、この発明に係る画像表示装置は、
複数の画素を規則的に配列してなる表示面を有する表示素子と、
前記表示面から発する光の光軸を所定の方向に振動させる振動手段と、
この振動手段による光軸の振動に同期して、前記表示素子に異なる画像を表示させる画像表示制御手段と、
前記振動手段による光軸の振動方向と交差する方向に、前記表示面からの光を複数の光に分離する光分離手段とを有することを特徴とするものである。
【０００６】
この発明の一実施形態においては、前記光分離手段を回折格子をもって構成する。
このように、回折格子を用いれば、回折格子はほとんど偏光特性を持たないので扱いやすいという利点があると共に、表示面からの光を、例えば０次光と±１次光との３つの光に分離することができるので、より高解像度で高画質の画像を観察することが可能となる。
【０００７】
さらに、この発明の一実施形態においては、前記光分離手段を異方性結晶をもって構成する。
このように、異方性結晶を用いれば、回折格子を用いる場合よりも安価にできる利点がある。
【０００８】
さらに、この発明の一実施形態においては、前記表示素子を、３色の画素をデルタ配列してなるカラー表示素子とし、前記振動手段は、前記カラー表示素子の表示面からの光の光軸を、水平画素列の方向ではその画素ピッチのほぼ０．７５ピッチ、垂直画素列の方向ではその画素ピッチのほぼ０．５ピッチとなるように、前記水平画素列に対して斜め方向に振動させるよう構成する。
このように構成すれば、高解像度で高画質のカラー画像を観察することが可能となる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１は、この発明の一実施形態の構成を示すものである。この実施形態では、表示素子として、走査線数がＮＴＳＣの１／２で、Ｒ，Ｇ，Ｂのそれぞれの画素をデルタ配列してなるカラー液晶パネル（以下、カラーＬＣＤと称する）１を用いる。このカラーＬＣＤ１には、その同一画素に、画像表示制御回路２を介して入力映像信号の奇数フィールド画像と偶数フィールド画像とを表示させ、その表示するタイミングに合わせて、カラーＬＣＤ１からの光の光軸を所定の方向に振動させるウォブリングを行い、さらにそのウォブリング方向と交差する方向に、カラーＬＣＤ１からの光を複数の光に分離して、ウォブリングによる画質低下の方向依存性を除去するようにする。このため、カラーＬＣＤ１の背面側には、白色光を発するバックライト３を配置し、カラーＬＣＤ１の前面側には、振動手段を構成するウォブリング素子４および光分離手段としての光学的ローパスフィルタ５を配置する。なお、カラーＬＣＤ１は、図面を明瞭とするために、走査線数を数本に省略して示してある。
【００１０】
ウォブリング素子４は、偏光変換用液晶板６およびその前面側に配置した複屈折板７を有し、カラーＬＣＤ１に表示する映像信号の同期信号に基づいて、ウォブリング用結晶駆動回路８により偏光変換用液晶板６への電圧のオン・オフを制御し、これにより電圧がオンの状態では、カラーＬＣＤ１からの光の偏光を変化させることなく透過させ、電圧がオフの状態では、カラーＬＣＤ１からの光の偏光を９０°変化させて透過させて、その偏光方向に応じて複屈折板７により射出する位置を変化させてウォブリングを行うようにする。ここで、複屈折板７は、例えば、水晶（α−SiO2）、ニオブ酸リチウム（LiNbO3）、ルチル（TiO2）、方解石(CaCo3) 、チリ硝石(NaNo3) 、YVO4等の異方性結晶をもって構成することができる。なお、カラーＬＣＤ１は、次のフィールドの画像に書き換えるまでは前のフィールドの画像を保持するので、偏光変換用液晶板６の一方の電極は、例えば５ライン程度の複数ラインに分割し、他方の電極は共通電極として、一方の電極をカラーＬＣＤ１のライン走査のタイミングに合わせて選択して電圧の印加を制御するようにする。
【００１１】
この実施形態では、カラーＬＣＤ１に奇数フィールド画像と偶数フィールド画像とを交互に表示する際、図２（ａ）に示すように、カラーＬＣＤ１のデルタ配列の水平方向の画素ピッチをＰｘ、垂直方向の画素ピッチをＰｙとするとき、奇数フィールド画像を表示するときは、図２（ｂ）に破線で示す位置にカラーＬＣＤ１の画素列が位置し、偶数フィールド画像を表示するときは、実線で示す位置に画素列が位置するように、上記のウォブリング素子４により、水平方向に０．７５Ｐｘ、垂直方向に０．５Ｐｙの斜め方向にウォブリングを行う。すなわち、例えばＰｘが１８μｍ、Ｐｙが４７．５μｍの場合には、水平方向に１３．５μｍ、垂直方向に２３．７５μｍずれた斜め方向に、距離がほぼ２７．３μｍのウォブリングを行う。
【００１２】
このため、図３に示すように、複屈折板７の結晶軸７ａは、ＬＣＤ面におけるｘ−ｙ座標と、その法線方向であるｚ方向に対して傾いた方向に設定して、入射偏光方向がカラーＬＣＤ１からの光の偏光方向と一致する場合には、異常光として透過させて画素ずらしを行うようにし、入射偏光方向がカラーＬＣＤ１からの光の偏光方向に対して９０°回転している場合には、画素ずらしを行うことなく常光としてそのまま透過させるようにする。この複屈折板７の厚み（ｚ方向の寸法）は、上記のように水平方向に１３．５μｍ、垂直方向に２３．７５μｍずれた斜め方向にウォブリングを行う場合には、例えば、ニオブ酸リチウムでほぼ０．６８ｍｍ、ルチルでほぼ０．２６ｍｍとすることができる。
【００１３】
このようにして、図４に示すように、カラーＬＣＤ１に奇数フィールドの画像を表示するときは、その書き換えられる水平ラインに対応する偏光変換用液晶板６の領域への電圧の印加をオンにして、そのラインからの光の偏光方向を９０°回転させることなくそのまま透過させ、その光を複屈折板７により異常光として出射させて画素ずらしし、偶数フィールドの画像を表示するときは、その書き換えられる水平ラインに対応する偏光変換用液晶板６の領域への電圧の印加をオフにして、そのラインからの光の偏光方向を９０°回転させて透過させ、その光を複屈折板７により画素ずらしを行うことなく常光としてそのまま出射させる。
【００１４】
以上のウォブリングを行うことにより、カラーＬＣＤ１の水平および垂直方向の解像度をそれぞれ２倍にすることができるが、そのままでは、図２（ｂ）から明らかなように、Ｒ，Ｇ，Ｂのそれぞれの画素が斜め方向に並ぶため、斜めの縞模様が現れ、画質が劣化することになる。そこで、このウォブリングによる画質低下の方向依存性を除去するため、光学的ローパスフィルタ５により、カラーＬＣＤ１からの光をウォブリング方向と交差する方向に複数の光に分離して、画素を散乱させる。
【００１５】
光学的ローパスフィルタ５は、例えば、図５に示すような回折格子９をもって構成する。この実施形態では、回折格子９の溝の方向を、ウォブリング素子４によるウォブリング方向とほぼ一致させ、これによりカラーＬＣＤ１からの光をウォブリング方向とほぼ直交する方向に回折させて、０次光および±１次光の３つに分離するようにする。このように、回折格子９でカラーＬＣＤ１からの光を回折させると、図２（ａ）に示す画素は、図６に示すように観察されることになる。なお、図６において、実線は０次光による画素を、一点鎖線は±１次光による画素をそれぞれ示し、ウォブリングによって画素ずらしされる画素は示していない。
【００１６】
ここで、回折格子９は、本発明者による種々の実験によれば、±１次光の回折効率が０次光の回折効率に対して７０％程度となるように構成するのが好ましい。また、図７に示すように、±１次光の回折角θは、カラーＬＣＤ１の表示面における回折光の虚像が、水平画素ピッチＰｘに対して８０％前後、垂直画素ピッチＰｙに対して２５％前後の斜め方向に位置するようにするのが好ましい。例えば、上述したように、Ｐｘが１８μｍ、Ｐｙが４７．５μｍの場合には、水平方向にほぼ１４．４μｍ、垂直方向にほぼ１２μｍずれた斜め方向の位置に±１次光の虚像がそれぞれ形成されるようにする。この場合、表示面上での実像と虚像との距離ｄは、（１４．４2 ＋１２2 ）1/2 ≒１８．７（μｍ）、となるので、カラーＬＣＤ１と回折格子９との間の距離Ｌを１ｍｍとすると、回折角θはほぼ１．１°となる。また、回折格子９の格子ピッチは、例えば中心の緑色光の波長λ（λ＝５５０ｎｍ）で、ほぼ２９μｍとすればよい。
【００１７】
図８は、図１に示す画像表示制御回路２の一例の構成を示すものである。この画像表示制御回路２では、入力される映像信号を映像信号受信部１１で受信して同期信号分離部１２で、輝度信号と水平および垂直同期信号とに分離する。分離された輝度信号および垂直同期信号は信号合成部１３に供給し、水平同期信号はスイッチング回路１４に供給する。スイッチング回路１４は、垂直同期信号に基づいてフィールド毎に切り換え制御して、奇数フィールドについては水平同期信号を遅延回路１５に供給し、ここで０．７５Ｐｘに相当する遅延時間を与えて信号合成部１３に供給し、偶数フィールドについては水平同期信号を遅延回路１５を通すことなく信号合成部１３に供給するようにする。
【００１８】
信号合成部１３では、同期分離回路１２からの輝度信号および垂直同期信号と、スイッチング回路１４を通して供給される水平同期信号とを合成してＬＣＤ駆動回路１６に供給し、これによりカラーＬＣＤ１に奇数フィールド画像と偶数フィールド画像とを交互に表示させるようにする。また、同期分離回路１２で分離した水平同期信号および垂直同期信号は、ウォブリング用液晶駆動回路８にも供給し、これにより上述したように偏光変換用液晶板６への電圧の印加を制御するようにする。
【００１９】
このように、偶数フィールドの画像に対して奇数フィールドの画像を、０．７５Ｐｘに相当する時間分、すなわち水平方向への画素ずらし分に相当する時間分遅延してサンプリングを行った画像を、カラーＬＣＤ１に表示してウォブリングを行うことにより、表示面上で奇数フィールドと偶数フィールドとで異なるタイミングでサンプリングした高解像度の画像を表示することができる。
【００２０】
図９は、この実施形態において観察されるカラーＬＣＤ１の表示面の画素を示すものである。図９において、実線は図２（ａ）に示すカラーＬＣＤ１上の画素位置を示し、破線は図２（ｂ）に示すウォブリングによる画素位置を示し、一点鎖線は図６に示す回折による画素位置を示す。図９からも明らかなように、カラーＬＣＤ１上の各画素は、画素ずらしされない本来の位置において回折され、さらに、ウォブリングにより画素ずらしされた位置においても回折されることになる。
【００２１】
以上のように、この実施形態によれば、デルタ配列のカラーＬＣＤ１の解像度をウォブリングによって縦横それぞれ２倍にすることができると共に、そのウォブリングによる画質低下の方向依存性を回折格子９による回折作用により有効に除去することができる。したがって、高解像度で、画質の優れた画像を観察することができる。また、光分離手段を回折格子９をもって構成したので、偏光に影響されることなく、任意の次数光を得ることができる。したがって、設計の自由度を高めることができる。
【００２２】
図１０は、図１に示す画像表示装置を適用する頭部装着型画像表示装置（以下、ＨＭＤと称する）の一例の構成を示すものである。このＨＭＤは、表示装置本体部２１、側頭フレーム２２および頭頂フレーム２３を有し、側頭フレーム２２および頭頂フレーム２３を観察者２４の頭部に装着することにより、表示装置本体部２１が観察者２４の顔面に保持されるようになっている。また、側頭フレーム２２には、板バネ２５を介してリヤフレーム２６が取り付けられ、このリヤフレーム２６に観察者の耳の位置に対応してスピーカ２７が設けられている。
【００２３】
表示装置本体部２１には、観察者２４の左右の眼球に対応して、図１１（ａ）または（ｂ）に示すような光学系が設けられている。図１１（ａ）に示す光学系は、シースルータイプのもので、図１に示すバックライト、カラーＬＣＤ、ウォブリング素子および光学的ローパスフィルタを有する画像表示装置３１での表示画像を、ハーフミラープリズム３２を透過させて凹面鏡３３で反射させ、さらにハーフミラープリズム３２で反射させて対応する眼球に拡大して導くと共に、外界像を、例えば、液晶シャッタ３４およびハーフミラープリズム３２を経て対応する眼球に導くようにしたものである。また、図１１（ｂ）に示す光学系は、図１に示す構成の画像表示装置３１での表示画像を接眼レンズ３６を経て対応する眼球に導くようにしたものである。
【００２４】
表示装置本体部２１は、ケーブル２８を介して、音声信号のレベル等を調整するボリューム等の調整手段３０を有する再生装置２９に接続され、この再生装置２９から所要の映像信号が左右の画像表示装置に供給されて表示され、音声信号がスピーカ２７から出力されるようになっている。
【００２５】
なお、表示装置本体部２１は、ケーブル２８を介して既存のビデオデッキや、ＴＶチューナに接続して、映像を表示するようにすることもできるし、あるいはコンピュータ等に接続してコンピュータグラフィックスの映像や、コンピュータからのメッセージ映像等を表示するようにすることもできる。また、ケーブル２８を用いることなく、表示装置本体部２１にアンテナを設けて、外部からの信号を電波によって受信して表示するようにすることもできる。さらに、左右の画像表示装置に、例えば、視差を有する映像信号を供給して表示させることにより、立体画像を観察するようにすることもできる。
【００２６】
上述したＨＭＤにおいて、画像表示装置を構成するカラーＬＣＤは、例えば、１．３インチと小型であり、その画素数もせいぜい多くて３０万画素である。したがって、このようなカラーＬＣＤを用いて上述したウォブリングおよびフィルタリングを行うことは、広画角のＨＭＤにおいて、高解像度および高画質を図るうえで極めて有効である。
【００２７】
なお、この発明は、上述した実施形態にのみ限定されるものではなく、幾多の変形または変更が可能である。例えば、上述した実施形態では、表示素子としてカラーＬＣＤを用いるようにしたが、モノクロのＬＣＤ、プラズマディスプレイ、ＥＬ、ホトクロミック等の表示素子を用いる場合にもこの発明を有効に適用することができると共に、その画素配列もデルタ配列に限られるものではない。また、図１では、表示素子からの光を振動手段を経て光分離手段に入射させるようにしたが、表示素子からの光を光分離手段を経て振動手段に入射させるよう構成することもできる。このように構成しても、図１の場合と同様の効果を得ることができる。
【００２８】
また、振動手段による光軸の振動方向（ウォブリング方向）も、上述した実施形態に限らず任意に設定できると共に、光分離手段による光軸の分離方向（図１では回折方向）も、必ずしもウォブリング方向に対してほぼ直交させる必要はない。このウォブリング方向と分離方向との交差角は、本発明者による種々の実験によれば、２０°以上であれば、ウォブリングによる画質低下の方向依存性を十分除去することができ、高解像度・高画質の画像を観察することができることが確認できた。したがって、上述した実施形態において、回折格子９の溝方向をカラーＬＣＤ１の垂直方向の画素列とほぼ平行にして、水平方向に回折させるように構成することもできる。
【００２９】
さらに、光分離手段は、回折格子に限らず、振動手段を構成する複屈折板と同様の異方性結晶を用いて構成することもできる。この場合において、上述した実施形態と同様に、振動手段を経た光の光軸を表示素子の水平画素列に対して斜め方向に分離する場合には、光分離手段を例えば図１２（ａ）に示すように、旋光子４１と水晶板４２とを用いて構成し、振動手段を経た光の偏光方向を、その振動に応じて旋光子４１により水平および垂直方向の偏光に旋光し、それらの偏光を水晶板４２でそれぞれ斜め方向に分離するようにすればよい。したがって、この場合の水晶板４２の結晶軸４２ａは、ｘ軸，ｙ軸およびｚ軸に対してそれぞれ傾いた方向に設定する。また、振動手段を経た光の光軸を表示素子の水平画素列に対して平行な方向に分離する場合には、光分離手段を例えば図１２（ｂ）に示すように、水晶板４３を用いて構成すればよい。この場合、水晶板４３の結晶軸４３ａは、ｘ−ｚ軸平面内で傾いた方向に設定する。
【００３０】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、表示素子への異なる画像の表示に同期して、表示面から発する光の光軸を所定の方向にウォブリングし、さらにそのウォブリング方向と交差する方向に表示面からの光を複数の光に分離するようにしたので、ウォブリングによる画質低下の方向依存性を有効に除去することができ、高解像度で、画質の優れた画像を観察することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施形態の構成を示す図である。
【図２】図１に示すウォブリング素子の作用を説明するための図である
【図３】図１に示す複屈折板の作用を説明するための図である。
【図４】図１に示す実施形態の動作を説明するための図である。
【図５】図１に示す光学的ローパスフィルタの一例の構成を示す斜視図である。
【図６】図５に示す回折格子の作用を説明するための図である。
【図７】同じく、回折格子の作用を説明するための図である。
【図８】図１に示す画像表示制御回路の一例の構成を示すブロック図である。
【図９】図１に示す実施形態において観察されるカラーＬＣＤの表示面の画素を示すものである。
【図１０】図１に示す画像表示装置を適用する頭部装着型画像表示装置の一例の構成を示す図である。
【図１１】図１０に示す頭部装着型画像表示装置において、観察者の左右の眼球に対応して表示装置本体部に設ける光学系の二つの例を示す図である。
【図１２】この発明の変形例を説明するための図である。
【符号の説明】
１  カラーＬＣＤ
２  画像表示制御回路
３  バックライト
４  ウォブリング素子
５  光学的ローパスフィルタ
６  偏光変換用液晶板
７  複屈折板
８  ウォブリング用結晶駆動回路
９  回折格子
１１  映像信号受信部
１２  同期信号分離部
１３  信号合成部
１４  スイッチング回路
１５  遅延回路
１６  ＬＣＤ駆動回路
３１  画像表示装置
４１  旋光子
４２，４３  水晶板
【図１】
0003813693.tif 000002
【図２】
0003813693.tif 000003
【図３】
0003813693.tif 000004
【図４】
0003813693.tif 000005
【図５】
0003813693.tif 000006
【図６】
0003813693.tif 000007
【図７】
0003813693.tif 000008
【図８】
0003813693.tif 000009
【図９】
0003813693.tif 000010
【図１０】
0003813693.tif 000011
【図１１】
0003813693.tif 000012
【図１２】
0003813693.tif 000013