JP2003262893A

JP2003262893A - 光路偏向装置及び画像表示装置

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Publication number: JP2003262893A
Application number: JP2002065560A
Authority: JP
Inventors: Masanori Kobayashi; 正典小林; Toshiaki Tokita; 才明鴇田; Hiroyuki Sugimoto; 浩之杉本; Yoshirou Futamura; 恵朗二村; Yumi Matsuki; ゆみ松木; Yasuyuki Takiguchi; 康之滝口
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2002-03-11
Filing date: 2002-03-11
Publication date: 2003-09-19
Anticipated expiration: 2022-03-11
Also published as: JP4155747B2

Abstract

(57)【要約】【課題】温度変化と無関係に光路偏向素子の光の偏向
量を一定に維持する。【解決手段】光路偏向素子１は、一対の透明な基板、
この基板間に設けた電圧印加により屈折率分布を制御可
能な液晶層、及び、この液晶層に電圧を印加する電極を
有している。温度検出素子２２は、液晶層又はその近傍
の温度変化を検出する。光路偏向駆動回路１８は、光路
偏向素子１に電圧を印加して駆動する。電圧制御回路２
４は、温度検出素子２２の温度検出信号に応じて、光路
偏向駆動回路１８による光路偏向素子１への印加電圧を
制御して、光路の偏向量を一定に維持する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、電気信号により
光の方向を変える光路偏向装置及びこの光路偏向装置を
利用した画像表示装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】このような光路偏向装置に使用する光路
偏向素子は、外部からの電気信号により光の光路を偏
向、すなわち、入射光に対して出射光を平行にシフトす
るか、ある角度をもって回転させるか、あるいは、その
両者を組合せて光路を切換えるための光学素子である。

【０００３】液晶材料を用いた光路偏向素子としては、
従来、次のようなものが提案されている。

【０００４】まず、特開平６−１８９４０号公報には、
光空間スイッチの光の損失を低減することを目的に、人
工複屈折板からなる光ビームシフタが提案されている。

【０００５】また、ピクセルシフト素子としては、特許
第２９３９８２６号公報、特開平６−３２４３２０号公
報、特開２０００−１９３９２５公報に開示の技術が知
られている。

【０００６】ここでいうピクセルシフト素子とは、少な
くとも画像情報に従って光を制御可能な複数の画素が二
次元的に配列された画像表示素子と、画像表示素子を照
明する光源と、画像表示素子に表示した画像パターンを
観察するための光学部材と、画像フィールドを時間的に
分割した複数のサブフィールド毎に画像表示素子と光学
部材の間の光路を偏向する光路偏向素子とを有し、サブ
フィールド毎の光路の偏向に応じて表示位置がずれてい
る状態の画像パターンを表示することで、画像表示素子
の見かけ上の画素数を増倍して表示する画像表示装置に
おいて、光路偏向素子として使用されるデバイスであ
る。

【０００７】その他、ホール・パターン電極を用いた液
晶レンズについては、“O plus E,Vol.20, No.10 (199
8)「液晶マイクロレンズ」”に開示されている。ホール
・パターン電極の液晶レンズをアレイ状にし、光結合素
子の光の結合効率を可変する技術は、特開平１１−１０
９３０３号公報、特開平１１−１０９３０４号公報に開
示されている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、液晶材
料の特性には温度依存性があるため、光路偏向素子等の
光学素子として液晶材料を用いる場合、光路偏向素子の
周囲の温度により光路偏向量が変動するという不具合が
ある。

【０００９】また、液晶材料を用いた光路偏向素子等の
光学素子の作製において、この光学素子の液晶層を挟持
している一対の基板間のギャップを均一に作製すること
は難しく、このギャップにむらがある場合にも光路偏向
量は変動するという不具合がある。例えば、光スイッチ
や光結合効率可変等の用途に該光路偏向素子を用いた場
合、偏向量が変動すると光利用効率が悪くなり、また、
画像表示装置に用いた場合では表示画像のドット位置ず
れが発生し、コントラスト低下を引き起こす原因にな
る。

【００１０】この発明の目的は、温度変化と無関係に光
路偏向素子の光の偏向量を一定に維持することである。

【００１１】この発明の別の目的は、この場合の光路偏
向素子の印加電圧の設定誤差を吸収することができる。

【００１２】この発明の別の目的は、光路偏向素子の基
板間のギャップの大きさにかかわらず、光路偏向素子の
光の偏向量を一定に維持することである。

【００１３】この発明の別の目的は、経年変化等により
光路偏向素子の光の偏向量が変動しても、光路偏向素子
の光の偏向量を一定に調整できるようにすることであ
る。

【００１４】この発明の別の目的は、光路偏向素子の光
の偏向量のずれを検出して、光路偏向素子の光の偏向量
を一定に維持することである。

【００１５】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明
は、一対の透明な基板、この基板間に設けた電圧印加に
より屈折率分布を制御可能な液晶層、及び、この液晶層
に電圧を印加する電極を有する光路偏向素子と、前記液
晶層又はその近傍の温度変化を検出する温度検出素子
と、前記電極に電圧を印加して前記光路偏向素子を駆動
する光路偏向駆動回路と、前記温度検出素子の温度検出
信号に応じて、前記光路偏向駆動回路による前記電極へ
の印加電圧を制御する制御手段と、を備えている光路偏
向装置である。

【００１６】したがって、液晶層の温度変化に応じて光
路偏向素子の駆動電圧を制御することができるので、温
度変化と無関係に光路偏向素子の光の偏向量を一定に維
持することができる。

【００１７】請求項２に記載の発明は、請求項１に記載
の光路偏向装置において、温度検出素子は、抵抗値の変
化により温度検出を行なう透明な抵抗体である。

【００１８】したがって、温度検出素子を光路偏向素子
の光を遮るような液晶層の近傍に配置しても、光路偏向
素子の光の利用効率は低下せず、液晶層の温度変化を正
確に捉えることができる。

【００１９】請求項３に記載の発明は、請求項１又は２
に記載の光路偏向装置において、前記制御手段は、前記
温度検出信号の補正値に応じて、前記光路偏向駆動回路
による前記電極への印加電圧を制御するものである。

【００２０】したがって、温度検出信号の補正値を用い
ることにより、光路偏向素子の印加電圧の設定誤差を吸
収することができる。

【００２１】請求項４に記載の発明は、請求項１〜３の
いずれかの一に記載の光路偏向装置において、前記制御
手段は、前記基板間のギャップの大きさに応じた補正量
で前記電極への印加電圧を補正するものである。

【００２２】したがって、光路偏向素子の基板間のギャ
ップの大きさにかかわらず、光路偏向素子の光の偏向量
を一定に維持することができる。

【００２３】請求項５に記載の発明は、請求項１〜４の
いずれかの一に記載の光路偏向装置において、前記光路
偏向駆動回路による前記電極への印加電圧の大きさの手
動による調整を受付ける電圧調整回路を備えている。

【００２４】したがって、経年変化等により光路偏向素
子の光の偏向量が変動しても、光路偏向素子の光の偏向
量を一定に調整することができる。

【００２５】請求項６に記載の発明は、請求項１〜５の
いずれかの一に記載の光路偏向装置において、前記光路
偏向素子の出射光の偏向量を検出する偏向量検出素子を
備え、前記制御手段は、前記温度検出素子の温度検出信
号に応じて、前記光路偏向駆動回路による前記電極への
印加電圧を制御するものである。

【００２６】したがって、光路偏向素子の光の偏向量の
ずれを検出して、光路偏向素子の光の偏向量を一定に維
持することができる。

【００２７】請求項７に記載の発明は、請求項６に記載
の光路偏向装置において、前記偏向量検出素子を前記光
路偏向素子の出射光の光路上と当該光路外とに選択的に
移動する移動機構を備えている。

【００２８】したがって、不要なときは光路偏向素子を
遮らないように偏向量検出素子を光路外に移動して、光
路偏向素子の光の利用効率を高く維持することができ
る。

【００２９】請求項８に記載の発明は、請求項６に記載
の光路偏向装置において、前記光路偏向素子の出射光の
一部を屈曲して当該出射光の光路外に導く光学素子を備
えている。

【００３０】したがって、光路偏向素子を遮らないよう
に光路外で偏向量検出素子による検出を行なって、光路
偏向素子の光の利用効率を高く維持することができる。

【００３１】請求項９に記載の発明は、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
する請求項１〜８のいずれかの一に記載の光路偏向装置
と、を備えている画像表示装置である。

【００３２】したがって、請求項１〜８のいずれかの一
に記載の発明と同様の作用、効果を奏する。

【００３３】

【発明の実施の形態】この発明の実施の形態について説
明する。

【００３４】図１は、この実施の形態である画像表示装
置１１の概略構成を示す概念図である。光源１２は、白
色あるいは任意の色の光を高速にＯＮ／ＯＦＦできるも
のなら様々な光源を用いることができる。例えば、ＬＥ
Ｄランプやレーザー光源、白色のランプ光源にシャッタ
ーを組合せたものなど用いることができる。照明装置１
３は光源１２から出射した光を均一に画像表示素子１４
に照射する光学素子であり、拡散板１３ａ、コンデンサ
レンズ１３ｂなどから構成される。

【００３５】画像表示素子１４は、表示駆動回路１９に
より駆動されて、入射した均一照明光を空間光変調して
出射する素子で、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。

【００３６】光源駆動回路１５で点灯駆動されて光源１
２から放出した光は、拡散板１３ａにより均一化された
照明光となり、コンデンサレンズ１３ｂにより画像表示
素子１４をクリティカル照明する。ここでは、画像表示
素子１４の一例として透過型液晶ライトバルブを用いて
いる。この液晶ライトバルブで空間光変調された照明光
は、画像光として投射レンズ１６で拡大されスクリーン
１７に投射される。

【００３７】ここで、画像表示素子１４よりスクリーン
１７側に配置された光路偏向素子１は光路偏向駆動回路
１８により駆動されて、画像表示素子１４を出射した画
像光は画素の配列方向に任意の距離だけシフトする。光
路偏向駆動回路１８と表示駆動回路１９とは、画像表示
制御回路２１による制御を受け、画像表示素子１４と光
路偏向素子１とは同期して駆動される。

【００３８】図１の例では、画像表示素子１４の直後に
光路偏向素子１を設置しているが、この位置関係に限定
する必要はなく、スクリーン１７の直前などに配置して
もよい。但し、スクリーン１７付近に設置する場合、光
路偏向素子１の大きさや透明電極３のピッチなどは、そ
の位置での画面サイズや画素サイズに応じて設定され
る。いずれの場合でも、画素のシフト量は画素ピッチの
整数分の１であることが望ましい。画素の配列方向に対
して２倍の画像増倍を行なう場合は画素ピッチの１／２
にし、３倍の画素増倍を行なう場合は画素ピッチの１／
３にする。また、光路偏向駆動回路１８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よい。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
ルドの画像信号で画像表示素子１４を駆動し、図２に示
すように、実際の画素２０ａが見かけ上の画素２０ａ，
２０ｂに倍増される画素増倍効果が得られ、見かけ上使
用した画像表示素子１４の解像度以上の高精細で、コン
トラストのよい画像を表示することができる（図２に
は、画素２０ａ２０ｂへのシフト量、画素２０ａの画素
ピッチも示している）。

【００３９】なお、図１の例では、カラーフィルターを
組合せた透過型液晶ライトバルブである画像表示素子１
４と白色ランプを用いた光源１２の例を示した。また、
単板の画像表示素子１４を時間順次に３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。このとき、白色ランプ光源と回
転カラーフィルターを組合せて時間順次の３原色光を生
成してもよい。

【００４０】次に、光路偏向素子１について詳細に説明
する。

【００４１】図３は、この実施の形態である光路偏向素
子１の構成を説明する概念図である。図３に示すよう
に、光路偏向素子１は、二枚の透明基板２と、少なくと
も一方の基板上２に形成したストライプ型の透明ライン
電極３と、もう一方の基板上２に形成した透明電極６
と、二枚の基板２，２間に収納され電圧印加によって屈
折率分布の制御が可能な液晶層４とを有する液晶セル１
ａを備えている。図３は、このような光路偏向素子１を
構成する液晶セル１ａの非動作時の液晶配向状態を模式
的に示している。無電界の状態では液晶分子５が基板２
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。

【００４２】この図３の例では、液晶分子５の長軸が図
３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。上側の透明基板２には透明ライン電極３がアレイ状
に形成されており、透明ライン電極３のピッチや幅など
は特に限定する必要はない。下側の透明電極６は基板２
の全面に形成されているが、上側の基板２に設けられた
透明ライン電極３と対称な透明ライン電極として形成し
てもよい。透明基板２の材料としては、ガラス、プラス
チック等を使用でき、透明電極の材料としては、ＩＴＯ
等が利用できる。電極３，６は必ずしも透明でなくても
よく、Ａｌ、Ｃｒ等の導電性を示すものなら様々な材料
を用いることができる。電極３，６は基板２の液晶層４
側になるように設ける。使用する基板２自身が導電性を
有している場合は、基板２を電極３，６としても利用す
ることができる。液晶層４を構成する液晶材料として
は、一般的なネマチ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が大きいものを用いるのが
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４
の厚さは基板２，２間に介装する図示しないスペーサ部
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する。

【００４３】なお、透明ライン電極３のピッチは画素ピ
ッチと一対一で対応している必要はなく、所望の屈折率
分布を得るために、画素ピッチの整数倍あるいは整数分
の１に一致させてもよい。また、複数本の透明ライン電
極３を一組として、その組を画素ピッチに対応させるよ
うにしてもよい。透明電極３，６の液晶層４に接する面
は、液晶分子５が配向するように処理することが望まし
い。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、ラ
ビング処理や光配向処理を施すことが望ましい。さら
に、透明電極の表面には絶縁膜を設けてもよい。

【００４４】図４は、光路偏向素子１の動作を説明する
説明図である。図４（ａ）（状態）はグレイ色で示し
た透明ライン電極３（３ａ）にのみ所定の閾値以上の電
圧を印加した場合を示す。電圧を印加した電極３ａ，６
間では電界によって液晶分子５が垂直に配向し、無印加
の電極３，６間では水平に配向したままになる。この液
晶セル１ａ内部の不均一電界による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４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５の長軸が基板２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４（ｃ）の実線（状態）
のような屈折率分布の影響を受ける（図４（ｃ）のグラ
フの位置と、図４（ａ）（ｂ）の紙面の左右方向の位置
とは対応している）。この屈折率分布は図４（ｃ）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。次に、図４（ｂ）（状態）のように電圧を印加す
る電極３を電極３ｂに切換えると、液晶分子５の配向状
態も変化し、図４（ｃ）の破線（状態）のような屈折
率分布に変化する。

【００４５】このように電圧をライン電極３に印加する
ことによって、光路偏向素子１を透過する光路７（図
４）は偏向されて集光し、電圧を印加する電極３を切換
えることによって、その焦点位置はシフトする。つまり
焦点位置によって光路偏向量は決まる（この明細書で、
光路偏向素子１を透過する光の焦点位置の変化と光路偏
向量の変化は同一の現象について述べている）。この焦
点位置は液晶の配向に起因する屈折率分布によって変化
する。液晶の配向は電極３，６に印加する電圧値によっ
て変化するため、この印加電圧を調節すれば、焦点位置
は可変でき、光の偏向量も可変できる。つまり、光路偏
向量が何らかの原因で変化したとき、液晶層４への印加
電圧を調節することにより光路偏向量を均一に設定する
ことができる。

【００４６】また、光路偏向量が変化する一つの原因と
して液晶層４の周囲温度の変化を挙げることができる。
これは液晶材料の特性には温度依存性があるためであ
る。例えば、液晶材料の弾性定数、誘電率の温度特性に
よって、温度が下がると閾値電圧は上昇する。すなわ
ち、液晶層４に印加される電圧が一定の場合、温度が変
化すると、図３に示すように、温度によって光路７の偏
向量又は集光特性は変化する。そこで、液晶層４又はそ
の近傍の温度を検出し、この検出温度に応じて液晶層４
への印加電圧を調節するようにすれば、光路偏向量を均
一にすることができる。

【００４７】そこで、図１に示すように、この画像表示
装置１では、温度検出素子２２を設け、温度検出回路２
３により、この温度検出素子２２で液晶層４の温度を検
出している。そして、電圧制御回路２４は、温度検出回
路２３からの温度の温度検出信号に基づいて、光路偏向
素子１を透過する光の焦点位置の変化（光路偏向量の変
化）が略一定範囲に維持できるように、光路偏向駆動回
路１８を制御して、電極３，６間の印加電圧を制御して
いる。光路偏向素子１、光路偏向駆動回路１８、温度検
出素子２２、温度検出回路２３、電圧制御回路２４によ
り、光路偏向装置２５を構成している。

【００４８】例えば、図５に示すように、図４（ａ）の
状態の例で、図５（ａ）の液晶層４の温度をＴ１、図
５（ｂ）の液晶層４の温度をＴ２として（Ｔ１＞Ｔ
２）、電極３，６間への印加電圧がどちらも等しくＶで
あったときは、光路７の焦点位置の変化（光路偏向量の
変化）は、図５（ａ）と図５（ｂ）とに示すように異な
る。

【００４９】そこで、図５（ａ）に示すように、検出素
子２２による検出温度がＴ１からＴ２へ変化した場合に
は（Ｔ１＞Ｔ２）、図５（ｂ）に示すように、電極３，
６間への印加電圧をＶ２からＶ１に調節することで（Ｖ
１＜Ｖ２）、図７に示すように、光路偏向量を均一にす
ることができる。なお、電極３，６への印加電圧の調整
範囲は、基準電圧Ｖ１に対して０〜２Ｖ１の範囲とする
ことが望ましい。例えば、Ｖ１＝１６ボルトのとき、０
〜３２ボルトの間で調整するのが望ましい。

【００５０】温度検出素子２２は、熱電対、サーミスタ
などを用いることができ、温度検出素子２２の設置は液
晶層４の動作温度を検知できる位置であればどこでもよ
いが、望ましくは液晶層４の近傍に設置する。

【００５１】この例では、温度検出素子２２として透明
抵抗体を形成しており、この透明抵抗体としてはＩＴＯ
等を用いることができる。この抵抗体は温度変化により
内部抵抗が変化し、この内部抵抗の変化に基づいて温度
を検出する素子である。このように、透明抵抗体からな
る温度検出素子２２を設置することで、温度検出素子２
２を液晶層４に近接して設けることができ、液晶層４の
温度を正確に検出して、光路偏向量を精度良く均一に制
御するこができる。

【００５２】また、電圧制御回路２４は、実際には、温
度検出素子２２の位置等の諸条件に応じて、温度検出素
子２２の温度検出値を補正した補正値を用い、この補正
値に応じて光路偏向駆動回路１８を制御して、電極３，
６間の印加電圧を制御する。具体的には、温度検出素子
２２の温度検出値を所定の換算式で換算してもよいし、
ルックアップテーブルにより、温度検出素子２２の温度
検出値を電圧値に換算するようにしてもよい。

【００５３】液晶層４の温度は一定であっても、なおか
つ、光路偏向素子１を透過する光の光路偏向量が変化す
る一つの原因として、光路偏向素子１のギャップむらが
ある。すなわち、個々の光路偏向素子１ごとに基板２，
２間のギャップの差がある場合、図８に示すように、光
路の偏向量は変化する。図８の例では、印加電圧Ｖ、液
晶層４の温度Ｔは共通であるが、基板２，２間のギャッ
プは、図８（ａ）がｄ１、図８（ｂ）がｄ２で（ｄ１＞
ｄ２）差があるため、光路偏向素子１を透過する光の光
路偏向量も異なっている。

【００５４】そこで、１台１台の光路偏向素子１により
異なる基板２，２間のギャップに対応して、電極３，６
間の印加電圧を調節することで、図９に示すように、光
路偏向量は均一にできる。図９（ａ）は図８（ａ）の場
合、図９（ｂ）は図８（ｂ）の場合を示している。この
ような光路偏向素子１のギャップむらは、主に光路偏向
素子１の製造工程で発生するため、あらかじめ出荷時に
基板２，２間のギャップに応じた電極３，６間への印加
電圧の補正量を、電圧制御回路２４において設定してお
き、この補正量で電極３，６間への印加電圧を補正する
ようにする。具体的には、この補正量を用いた所定の換
算式で電極３，６間への印加電圧の値を換算してもよい
し、この補正量を考慮したルックアップテーブルによ
り、温度検出素子２２の温度検出値を電圧値に換算する
ようにしてもよい。

【００５５】図１０は、電圧制御回路２４が行なう電極
３，６間の印加電圧の制御を説明するフローチャートで
ある。すなわち、電圧制御回路２４はマイコンを備えて
いる。まず、このマイコンのＣＰＵが、温度検出回路２
３から温度検出信号を取り込み（ステップＳ１）、この
温度検出信号の値をマイコンのＲＯＭに格納されている
ルックアップテーブルを用いて、電極３，６間に印加す
る電圧値に換算する（ステップＳ２）。このルックアッ
プテーブルには、温度検出素子２２の位置等の諸条件に
応じて、温度検出素子２２の温度検出値を補正した補正
値や、基板２，２間のギャップに応じた電極３，６間へ
の印加電圧の補正量を考慮して、電極３，６間に印加す
る電圧値が登録されている。そして、ステップＳ２でテ
ーブルルックアップにより電極３，６間に印加する電圧
値を求めると、光路偏向駆動回路１８を制御して、電極
３，６間の印加電圧がステップＳ２で求めた値となるよ
うにする（ステップＳ３）。この図１０の処理により、
制御手段を実現している。

【００５６】次に、光路偏向素子１の動作について詳細
に説明する。

【００５７】図１１（ａ）は、光路偏向素子１の液晶セ
ル１ａの非動作時の液晶配向状態を模式的に示してい
る。無電界では液晶分子５が基板に沿って平行になるよ
うに、光路偏向素子１はホモジニアス配向処理されてい
る。この図１１の例では、液晶分子５の長軸が紙面の左
右方向になるような配向処理を想定している。

【００５８】図１１（ｂ）（状態）は、着色して表示
した透明ライン電極３（３ａ）にのみ（温度検出素子２
２により検知した温度に対応した）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３ａ，６間では
液晶分子５が電界によって垂直に配向し、電圧を無印加
の電極３ｂ，６間では水平に配向したままになる。この
液晶セル１ａ内部の不均一電界による配向方向の分布に
よって異常光に対する屈折率分布が生じる。図１１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５の長軸が基板２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１１（ｄ）の実線（状態
）のようなピッチが比較的大きな凸レンズ状の屈折率
分布の影響を受ける。そのため、入射した光は電圧を無
印加の電極３ｂに集光するように偏向する。

【００５９】次に、図１１（ｃ）（状態）のように電
圧を印加する電極３を電極３ｂに切換えると、液晶分子
５の配向状態も変化し、図１１（ｄ）の破線（状態）
のような屈折率分布に変化する。この場合、画像表示素
子１４の２画素に対して一つの凸レンズ効果を持たせ
る。状態とを画像表示素子１４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。

【００６０】光路偏向素子１では、液晶セル１ａに入射
する入射側の画素のサイズは比較的大きく設定される。
例えば、光路偏向素子１の液晶セル１ａが図１１（ｂ）
の状態のとき、図１２の４つの入射側画素３１に第一
のサブフレームとしての状態を表示すると、図
１１（ｄ）の実線の屈折率分布によって、と、と
の画素３１の画像がそれぞれ縮小される。この時、図
１２上部に実線で示した出射側画素３２のように、画素
ピッチは一定でなくなる。

【００６１】次に、第二のサブフレームの表示タイミン
グに合わせて、図１１（ｃ）の状態のように電圧を印
加する電極３を電極３ｂを切換えると、屈折率分布は図
１１（ｄ）の破線のように切換わる。ここで、入射側画
素３１に第二のサブフレームとしての状態を表
示すると、図１３上部の破線で示した位置に縮小された
画素３２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１ａ上では、見かけ
上、と変則的に並んだ８つの画素３２
となる。

【００６２】しかしながら、前述したように光路偏向量
は温度によって変化するので、温度がＴ１からＴ２また
はＴ２からＴ１（Ｔ１＞Ｔ２）に変化した場合、図１３
に示すように出射側画素３２の位置はずれる（温度Ｔ１
のときの光路が７ａ、画素が３２ａ、温度Ｔ２のときの
光路が７ｂ、画素が３２ｂ）。これにより、隣合う画素
３２が重なりあって、コントラストを低下させる原因と
なる。

【００６３】そこで、図６に示すように、温度検出素子
２２により検知した温度に対応して、電極３，６間に印
加する電圧を調節することで、図１６のように出射側画
素３２の位置は温度によらず一定になり、コントラスト
の低下が防止できる。

【００６４】この場合に、電圧制御回路２４は、実際に
は、温度検出素子２２の位置等の諸条件に応じて、温度
検出素子２２の温度検出値を補正した補正値を用いるの
で、電極３，６間の印加電圧の調節または設定誤差を少
なくすることができる。これにより、出射側画素３２の
位置を精度良く均一にすることができる。

【００６５】また、液晶層４の温度が一定の場合でも、
光路偏向量は基板２，２間のギャップむらによって変化
するため、図１５に示すように、出射側画素３２の位置
はずれ、コントラストを低下する。すなわち、図１５
（ａ）は基板２，２間のギャップがｄ１と広い場合を、
図１５（ｂ）は基板２，２間のギャップがｄ２と狭い場
合を示しており、ギャップがｄ１と広い前者の場合は、
出射側画素３２ａは大きくなり、ギャップがｄ２と広い
後者の場合は、出射側画素３２ｂは小さくなる。

【００６６】しかし、あらかじめ出荷時に基板２，２間
のギャップに応じた電極３，６間への印加電圧の補正量
を、電圧制御回路２４において設定しておき、この補正
量で電極３，６間への印加電圧を補正するので、図１６
に示すように、出射側画素３２の位置は基板２，２間の
ギャップむらにかかわらず一定になり、コントラストの
低下が防止できる。

【００６７】次に、画像表示装置１１の他の構成例につ
いて説明する。図１７は、この画像表示装置１１の構成
例を示す概念図である。この画像表示装置１１が、図１
〜図１６を参照して説明した画像表示装置１１と相違す
るのは、電圧調節回路２６を備えている点である。その
他の点については図１〜図１６を参照して説明した画像
表示装置１１と同様であり、図１７に同一符号を付し
て、詳細な説明は省略する。

【００６８】電圧調節回路２６は、手動操作により光路
偏向駆動回路１８が光路偏向素子１に印加する電圧を調
整することができる。よって、電圧制御回路２４により
前述のように設定される基板３，６間の電圧より、当該
電圧を高くあるいは低く、所望に調整することができ
る。

【００６９】すなわち、長期的な経時劣化や環境変動に
より、光路偏向素子１の偏向特性が変化し、出射側画素
３２にずれが発生した場合、この電圧制御回路２４によ
って光路偏向量を正確に調節することで、出射側画素３
２のずれを補正することができる。また、表示画像の劣
化、コントラスト低下等の発生も実際の画像を確認しな
がら、電圧調整用コントローラで光路偏向量を調節でき
るので、好みの表示画像に設定することができる。

【００７０】画像表示装置１１の他の構成例について説
明する。図１８は、この画像表示装置１１の構成例を示
す概念図である。この画像表示装置１１が、図１〜図１
６を参照して説明した画像表示装置１１と相違するの
は、光路偏向素子１の外部に光路偏向素子１による光路
７のシフト量を検出する偏向量検出素子２７と、この偏
向量検出素子２を移動する移動機構２８とを備えている
点である。

【００７１】偏向量検出素子２７としては、微小な受光
素子をアレイ状に密に配列したものを用い、光路偏向素
子１からの出射光線の受光位置の変化を検出する。受光
素子としてはＣＣＤやフォトダイオードアレイなどを用
いることができる。一つの受光素子のサイズは、数μｍ
〜数十μｍ程度であり、所望の光路７のシフト量よりも
小さくする。また、レンズなどを用いて偏向量を拡大し
てもよい。

【００７２】光路偏向素子１からの出射光路７中に常に
偏向量検出素子２７を配置すると、利用可能な光量を減
少させ、出射光路７を遮光してしまう。そのため、偏向
量検出素子２７を出射光路７中に出し入れする移動機構
２８を設けることが望ましい。この移動機構２８は電圧
制御回路２４の制御により駆動され、偏向量検出素子２
７は偏向量検出回路２９により、光路７の偏向量を検出
して、その片光量検出信号は電圧制御回路２４に入力さ
れる。移動機構２８としては、ソレノイドによる往復機
構、回転モータによる回転機構、回転機構を往復運動に
変換するリンク機構などを用いることができる。

【００７３】他の望ましい構成として、移動機構２８に
代えて出射光路７を屈曲させる光学素子を設けて、固定
した偏向量検出素子２７への入射を切換えるようにして
もよい。この出射光路７を屈曲させる光学素子として
は、平面鏡や偏光ビームスプリッターなどを用いること
ができる。特に、この光路偏向素子１では、出射光が直
線偏光であるため、ツイストネマチック液晶セルのよう
に電気的に偏光面を９０°回転させる液晶を用いた液晶
セル１ａと偏光ビームスプリッターを組合せれば、電気
的に出射光路７を屈曲させることができる。このよう
に、出射光路７を屈曲させる光学素子を用いた場合は、
機械的な可動部が無いので、装置の小型化や静音化など
の点で有利である。

【００７４】このように偏向量検出素子２７を用い、所
望のタイミングで出射光路７を偏向量検出素子２７上に
導き、実際に偏向動作を行なわせてその偏向量を検出す
る。そして、電圧制御回路２４では、検出した偏向量の
大きさに応じて、電極３，６間に印加する電圧を自動調
節する。

【００７５】具体的には、偏向量の検出値を所定の換算
式で換算してもよいし、ルックアップテーブルにより、
温度検出素子２２の温度検出値のみならず、偏向量の検
出値も考慮して、電圧値に換算するようにしてもよい。

【００７６】図１９は、電圧制御回路２４による制御の
一例を示すフローチャートである。すなわち、電圧制御
回路２４のマイコンのＣＰＵが、温度検出回路２３から
温度検出信号を取り込み（ステップＳ１１）、また、偏
向量検出回路２９から偏向量検出信号を取り込み（実際
には、例えば、画像表示装置１１の主電源が投入される
たびに偏向量検出回路２９から偏向量検出信号を取り込
んで、その値をＲＡＭに記憶し、この記憶している値を
用いるなどする）（ステップＳ１２）、この温度検出信
号及び偏向量検出信号の値をマイコンのＲＯＭに格納さ
れているルックアップテーブルを用いて、電極３，６間
に印加する電圧値に換算する（ステップＳ１３）。この
ルックアップテーブルには、温度検出素子２２の位置等
の諸条件に応じて、温度検出素子２２の温度検出値を補
正した補正値や、基板２，２間のギャップに応じた電極
３，６間への印加電圧の補正量や、光路７の偏向量に応
じた補正量も考慮して、電極３，６間に印加する電圧値
が登録されている。そして、ステップＳ１３でテーブル
ルックアップにより電極３，６間に印加する電圧値を求
めると、光路偏向駆動回路１８を制御して、電極３，６
間の印加電圧がステップＳ２で求めた値となるようにす
る（ステップＳ１４）。この図１９の処理により制御手
段を実現している。

【００７７】このような構成によれば、長期的な経時劣
化や環境変動により光路偏向素子１の偏向特性が変化し
た場合でも、実際の光路７のシフト量を検出して制御系
にフィードバックすることで、正確な光偏向動作を行な
うことができ、出射側画素３２のずれを補正することが
できる。

【００７８】以上説明したように、この画像表示装置１
１によれば、簡単な電極構成で、液晶レンズの集光によ
る画素縮小効果と、液晶レンズの形成位置の切換えによ
る画素シフト効果を一つの液晶セル１ａで両立でき、表
示画像のコントラストの低下を防止することができる。

【００７９】

【実施例】この発明の実施例について説明する。

【００８０】（実施例１）光路偏向素子１（液晶セル１
ａ）の基本構成は、透明ガラス基板（基板２）（３ｃｍ
×４ｃｍ、厚さ１．１ｍｍ）を二枚用い、一方の基板２
上にはＣｒのライン電極３を形成した。このライン電極
３は交互に同一電圧を印加できるように，図２０のよう
な櫛形電極とした。もう一方の基板２は、その片面側全
面にＩＴＯを形成し、ベタ電極の電極６とした。基板２
のＩＴＯ側にポリイミド系の配向材料（AL3046-R31、JS
R社製）をスピンコートし、約０．３μｍの配向膜を形
成した。基板２のアニール処理後、Ｃｒラインに対して
直角方向にラビング処理を行った。二枚の基板２，２間
に３μｍのスペーサ（真絲球）を挟み、上下基板２，２
を張り合わせ（電極面は対向させる）、加圧した後、Ｕ
Ｖ硬化接着剤で封止をして空セルを作製した。この空セ
ルの中に、誘電率異方性が正のネマチック液晶（ZLI-24
71、メルク社製）を毛細管法で注入し、液晶セル１ａを
作製した。上下基板２，２のラビング処理の方向は一致
しているため、液晶分子５は基板２に対して平行で全て
同じ向きに配向（ホモジニアス配向）した状態となる。
作製したセル１ａに温度検出素子２２と温度検出回路２
３を取り付けた。これは、安立計器製のデジタル温度計
を改造して使用した。温度検出素子２２をセル１ａの両
面に配置し、両者の検出値の平均値を光路偏向素子１の
温度として検出するようにした。

【００８１】以上の構成で、光路偏向素子１に電圧を印
加して動作させる。印加電圧は３台のファンクションジ
ェネレイターを使い、１台はトリガーとして、図２０に
示す櫛型電極Ａ，Ｂへ交互に電圧を印加するために用い
た。入力周波数は１００Ｈｚ、電圧の入力波形は三角波
とし、電圧値はオシロスコープ、テスターで確認した。
観察評価系は白色ランプにアパーチャー（１．５ｍｍ）
を取り付け、コリメートレンズにより平行光にし、液晶
セル１ａに白色光を入射する。その透過光を顕微鏡（対
物レンズ゛（４０×）、リレーレンズ及びＣＣＤカメラ
で構成）で観察、ＣＣＤカメラを通してデジタルビデオ
で撮影し、この映像から光強度分布のラインプロファイ
ルを解析ソフト（Image pro plus）に取りこみ、この光
強度のプロファイルから光路シフト量を求めた。

【００８２】光路偏向素子１を動作させる電圧は１６Ｖ
とし、光源ＯＮから数分後、１時間後のシフト量を測定
した結果、約１μｍの差があり、光シフト量は変化し
た。光源１２のＯＮから数分後、１時間後の光路偏向素
子１の温度を温度検出素子２２により測定したところ、
それぞれ２５℃、３５℃であった。そこで、光源１２の
ＯＮから１時間後、光路偏向素子１を動作させる電圧を
１０Ｖに設定し、シフト量を測定した結果、光源１２の
ＯＮから数分後のシフト量と同じになった。したがっ
て、測定温度に応じて液晶セル１ａへの印加電圧を調節
することで、光路７のシフト量を一定にすることができ
た。

【００８３】（実施例２）図１のような画像表示装置１
１を作製した。画像表示素子１４として対角０．９イン
チＸＧＡ（１０２４×７６８ドット）のポリシリコンＴ
ＦＴ液晶ライトバルブを用いた。画素ピッチは縦横とも
に約1８μｍである。画素の開口率は約５０％である。
また、画像表示素子１４の光源１２側にマイクロレンズ
アレイを設けて、照明光の集光率を高める構成とした。
光源１２としては白色ランプを用い、カラーフィルター
を各画素表面に設けた透過型液晶ライトバルブを画像表
示素子１４として使用してカラー表示を行なった。光路
偏向素子１は実施例１と同様のものを用い、この光路偏
向素子１を画像表示素子１４の直後に設置して、画素位
置と透明ライン電極３の位置合わせを調整した。また、
液晶セル１ａの出射側に薄い拡散層を有する拡散板を合
わせて、出射面での拡散光を拡大し、観察した。

【００８４】光路偏向素子１を動作させる印加電圧は１
６Ｖとし、光源１２をＯＮにして数分後の表示画像を観
察した結果、横方向の画素密度が二倍の、高精細でコン
トラストのよい画像が得られた。しかし、光源１２のＯ
Ｎ状態のまま１時間放置し、表示画像を観察した結果、
表示画像のコントラストは悪くなっていた。光源１２の
ＯＮから数分後、１時間後の光路偏向素子１の温度を温
度検出素子２２により測定したところ、それぞれ２５
℃、３５℃であった。そこで、光源１２のＯＮから１時
間後、光路偏向素子１を動作させる印加電圧を１０Ｖに
したところ、数分後の表示画像と同様にコントラストの
よい画像が得られた。

【００８５】（実施例３）図２１のように分割したパタ
ーン電極３、基板２、２０μｍのスペーサ４１を用い、
実施例１と同様にして作製したセルの基板２，２間のギ
ャップは、図２１に示すように５μｍの差が生じてい
た。印加電圧を一定にして実施例１と同様にセル１ａを
動作させ、ギャップが小さい位置と大きい位置の光路シ
フト量を測定したところ、基板２，２間のギャップが小
さい位置と大きい位置とでは、光路７のシフト量が約２
μｍずれた。印加電圧を８Ｖにし、セル１ａを動作さ
せ、ギャップが小さい位置での光路７のシフト量を測定
した。また、印加電圧を７Ｖにし、セル１ａを動作さ
せ、ギャップが大きい位置での光路７のシフト量を測定
した。すると、ギャップが小さい位置と大きい位置での
光路シフト量は同じであった。従って、ギャップ差によ
って電圧を調節することで、光路７のシフト量を一定に
することができた。

【００８６】（実施例４）実施例３で作製した光路偏向
素子１を用いて、実施例２と同様の画像表示装置１１を
作製し、その表示画像を観察した。

【００８７】光路偏向素子１を動作させる印加電圧を８
Ｖにし、表示画像を観察した結果、表示画像に一部ドッ
トずれが生じており、コントラストが低下しているとこ
ろがあった。光路偏向素子１の電極３（のＡ〜Ｆ）への
印加電圧を、図２２のように設定したところ、表示画像
のドットずれはなくなり、コントラストも良くなった。

【００８８】（実施例５）実施例２の画像表示素子１４
におけるスクリーン１７の周辺部に、投射光路の端部に
おいて、ＣＣＤ素子が挿入可能な機構を設けた。この機
構は、通常の画像表示状態では、ＣＣＤ素子を光路７上
からの待避位置に置くが、使用時間の累積が１０００時
間毎に、ソレノイドにより投射光路中の端部に挿入する
ものである。そして、この挿入と同時に投射レンズ１６
のピントを微調整し、投射画像がＣＣＤ面上に結像する
ように設定する。この状態で予めテストパターンとして
記憶されているドット画像を投影し、ＣＣＤ素子の表面
上でのシフト量を測定した。最初の測定では、シフト量
は狙いの設定値より３５μｍずれており、表示画像にボ
ケが生じコントラストが良くなかった。

【００８９】そこで、ＣＣＤ面上でのシフト量が狙いの
設定値である１２５μｍとなるように、電極３への印加
電圧を調整し、その時の電圧を新たな制御目標電圧とし
て再設定した。このような調整の実施により、表示画像
にボケがなくなり、コントラストがよくなった。

【００９０】

【発明の効果】請求項１に記載の発明は、温度変化と無
関係に光路偏向素子の光の偏向量を一定に維持すること
ができる。

【００９１】請求項２に記載の発明は、請求項１に記載
の光路偏向装置において、温度検出素子を光路偏向素子
の光を遮るような液晶層の近傍に配置しても、光路偏向
素子の光の利用効率は低下せず、液晶層の温度変化を正
確に捉えることができる。

【００９２】請求項３に記載の発明は、請求項１又は２
に記載の光路偏向装置において、光路偏向素子の印加電
圧の設定誤差を吸収することができる。

【００９３】請求項４に記載の発明は、請求項１〜３の
いずれかの一に記載の光路偏向装置において、光路偏向
素子の基板間のギャップの大きさにかかわらず、光路偏
向素子の光の偏向量を一定に維持することができる。

【００９４】請求項５に記載の発明は、請求項１〜４の
いずれかの一に記載の光路偏向装置において、経年変化
等により光路偏向素子の光の偏向量が変動しても、光路
偏向素子の光の偏向量を一定に調整することができる。

【００９５】請求項６に記載の発明は、請求項１〜５の
いずれかの一に記載の光路偏向装置において、光路偏向
素子の光の偏向量のずれを検出して、光路偏向素子の光
の偏向量を一定に維持することができる。

【００９６】請求項７に記載の発明は、請求項６に記載
の光路偏向装置において、不要なときは光路偏向素子を
遮らないように偏向量検出素子を光路外に移動して、光
路偏向素子の光の利用効率を高く維持することができ
る。

【００９７】請求項８に記載の発明は、請求項６に記載
の光路偏向装置において、光路偏向素子を遮らないよう
に光路外で偏向量検出素子による検出を行なって、光路
偏向素子の光の利用効率を高く維持することができる。

【００９８】請求項９に記載の発明は、請求項１〜８の
いずれかの一に記載の発明と同様の効果を奏する。

【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
構成を示す概念図である。

【図２】画像表示装置による見かけ上の画素倍増を説明
する説明図である。

【図３】光路偏向素子の液晶セルの概念図である。

【図４】光路偏向素子について説明する説明図である。

【図５】光路偏向素子の温度の違いによる光路の偏向量
について説明する説明図である。

【図６】光路偏向素子の温度の違いに応じた印加電圧に
ついて説明するグラフである。

【図７】光路偏向素子の温度の違いによる光路の偏向量
の補正について説明する説明図である。

【図８】光路偏向素子の基板間のギャップの違いによる
光路の偏向量について説明する説明図である。

【図９】光路偏向素子の基板間のギャップの違いによる
光路の偏向量の補正について説明する説明図である。

【図１０】光路偏向素子の印加電圧の制御について説明
するフローチャートである。

【図１１】光路偏向素子の動作について説明する説明図
である。

【図１２】光路偏向素子の動作について説明する説明図
である。

【図１３】光路偏向素子の温度の違いによる光路の偏向
量について説明する説明図である。

【図１４】光路偏向素子の温度の違いによる光路の偏向
量の補正について説明する説明図である。

【図１５】光路偏向素子の基板間におけるギャップの違
いによる光路の偏向量について説明する説明図である。

【図１６】光路偏向素子の基板間におけるギャップの違
いによる光路の偏向量の補正について説明する説明図で
ある。

【図１７】この発明の別の実施の形態である画像表示装
置の構成を示す概念図である。

【図１８】この発明の別の実施の形態である画像表示装
置の構成を示す概念図である。

【図１９】光路偏向素子の印加電圧の制御について説明
するフローチャートである。

【図２０】実施例１の光路偏向素子のライン電極の平面
図である。

【図２１】実施例３の液晶セル及びライン電極の説明図
である。

【図２２】実施例３のライン電極に対する印加電圧の説
明図である。

【符号の説明】

１画像表示素子２基板３電極６電極１１画像表示装置１４画像表示素子１８光路偏向駆動回路２２温度検出素子２５画像表示装置２６電圧調整回路２７偏向量検出素子２８移動機構

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者杉本浩之東京都大田区中馬込１丁目３番６号株式会社リコー内 (72)発明者二村恵朗東京都大田区中馬込１丁目３番６号株式会社リコー内 (72)発明者松木ゆみ東京都大田区中馬込１丁目３番６号株式会社リコー内 (72)発明者滝口康之東京都大田区中馬込１丁目３番６号株式会社リコー内Ｆターム(参考） 2H088 EA12 EA45 GA02 HA02 HA10 HA24 HA28 JA09 JA11 KA05 KA06 KA26 KA27 MA20 2H091 FA26X FA41Z HA05 LA04 LA05 LA16 MA07 2K002 AA07 AB06 AB07 CA14 DA14 EB09 EB15 HA03 2K103 AA05 AB01 AB04 AB08 BC16 CA60 DA03 5C058 BA23 BA35 EA02 EA11 EA26

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】一対の透明な基板、この基板間に設けた
電圧印加により屈折率分布を制御可能な液晶層、及び、
この液晶層に電圧を印加する電極を有する光路偏向素子
と、前記液晶層又はその近傍の温度変化を検出する温度検出
素子と、前記電極に電圧を印加して前記光路偏向素子を駆動する
光路偏向駆動回路と、前記温度検出素子の温度検出信号に応じて、前記光路偏
向駆動回路による前記電極への印加電圧を制御する制御
手段と、を備えている光路偏向装置。
【請求項２】温度検出素子は、抵抗値の変化により温
度検出を行なう透明な抵抗体である、請求項１に記載の
光路偏向装置。
【請求項３】前記制御手段は、前記温度検出信号の補
正値に応じて、前記光路偏向駆動回路による前記電極へ
の印加電圧を制御するものである、請求項１又は２に記
載の光路偏向装置。
【請求項４】前記制御手段は、前記基板間のギャップ
の大きさに応じた補正量で前記電極への印加電圧を補正
するものである、請求項１〜３のいずれかの一に記載の
光路偏向装置。
【請求項５】前記光路偏向駆動回路による前記電極へ
の印加電圧の大きさの手動による調整を受付ける電圧調
整回路を備えている、請求項１〜４のいずれかの一に記
載の光路偏向装置。
【請求項６】前記光路偏向素子の出射光の偏向量を検
出する偏向量検出素子を備え、前記制御手段は、前記温度検出素子の温度検出信号に応
じて、前記光路偏向駆動回路による前記電極への印加電
圧を制御するものである、請求項１〜５のいずれかの一
に記載の光路偏向装置。
【請求項７】前記偏向量検出素子を前記光路偏向素子
の出射光の光路上と当該光路外とに選択的に移動する移
動機構を備えている、請求項６に記載の光路偏向装置。
【請求項８】前記光路偏向素子の出射光の一部を屈曲
して当該出射光の光路外に導く光学素子を備えている、
請求項６に記載の光路偏向装置。
【請求項９】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請求項１
〜８のいずれかの一に記載の光路偏向装置と、を備えて
いる画像表示装置。