JP2004012547A - 液晶表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】装置を大型化することなく高精細なカラー表示を実現することが可能な液晶表示装置を提供する。
【解決手段】複数の走査信号線とこれに交差する画像信号線との交差部に画素駆動素子がマトリクス状に配置された液晶パネルと、光学系とを有する液晶表示装置において、前記液晶パネル２２と前記光学系２６との間に、少なくとも１枚以上の液晶セル５０Ａ，５０Ｂと少なくとも１枚以上の複屈折手段としての複屈折板５２Ａ，５２Ｂとよりなる画素シフト素子３０が介在され、前記液晶パネルを赤色、緑色、青色の画像データで順次所望の順序で切り替えて走査して行くと共に、これに同期して前記液晶パネルに照射する光を、赤色光、緑色光、青色光で前記と同じ順序で時系列的に順次切り替える。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液晶表示装置に関し、特に高精細の表示を容易に実現可能な液晶表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、液晶と薄膜トランジスタを用いて構成される液晶パネルは、アクテブマトリクス回路が形成される反射電極基板と、これと対向する面上に透明な共通電極が被着形成された透明電極基板との間に液晶層を充填することによって構成される。
ここで液晶パネルの等価回路の構成の一例を図１１に基づいて説明する。
ここでは並行に配列された複数本の画像信号線Ｘと同じく並行に配列された複数本の走査信号線Ｙとが互いに直交するように配列され、各信号線Ｘ、Ｙの交差部に１つの画素Ｐが単位画素として配列される。尚、図示例では各Ｘ、Ｙ、Ｐの符号に添字としてそれぞれ正の整数を表すｉとｊが記されており、任意の位置の画素を一般化して示している。
【０００３】
単位の画素Ｐは、トランジスタＴＲ、電荷蓄積用コンデンサＣ、そして液晶層ＬＣ等により構成される。この液晶層ＬＣは各画素Ｐに対して共通にある。上述のように、この画素Ｐをマトリクス状に配列し、ＸおよびＹ方向に走査することにより画面を構成することが可能である。一般に、Ｘ方向のトランジスタＴＲのゲート端子に走査信号が同時に加わり、トランジスタＴＲを一斉にオンさせて、画像信号をコンデンサＣに電荷として書き込ませるようにし、このコンデンサＣの電圧が液晶層ＬＣに印加されて液晶分子の配向状態が変化する。これをＹ方向に順次走査を繰り返す線順次走査によって画面が形成される。
【０００４】
従来より、液晶表示装置のカラー化の手段としては、液晶パネルに赤、緑、青色の各画素を設け、これに対応させて赤色、緑色、青色のカラーフィルタを配設した液晶表示装置が広く使用されている。
ここで液晶表示装置の概略構成の一例について図１２を参照して説明する。この液晶表示装置は、カラーフィルタ２を設けた液晶パネル４と、偏光ビームスプリッタ６と、凸レンズのような光学系８と、光源１０とにより主に構成される。そして、液晶パネル駆動回路１２を介して上記液晶パネル４に画像信号Ｓ１を印加するようになっている。
上記光源１０から出射した光の所定の偏光成分が偏光ビームスプリッタ６で反射されて液晶パネル４に入射し、ここで画像信号Ｓ１に応じた光変調を受ける。そして、光変調を受けた反射光は上記偏光ビームスプリッタ６を透過して、これが光学系８により光学的に拡大されて映像となる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述したように、液晶表示装置では、多くの画素が液晶パネルに形成され、そして、この画素数によって解像度が決まる。このため、赤、緑、青用の各画素を設けて高解像度化するには液晶パネルが大きくなってしまうことや、製造の歩留まりを著しく低下させる問題点があり、カラーフィルタ２を配設した液晶パネルのカラー表示では解像度を低下させるという問題点があった。
この問題を解決するために、装置自体を大型化することなく、画素を見かけ上シフトさせる、いわゆる画素シフト法により解像度を上げる技術が知られているが、従来の液晶パネルの線順次走査で画面を形成する方法では、厳密には画素シフトを線順次走査で行う必要があり、この実現は困難であった。
本発明は、以上のような問題点に着目し、これを有効に解決すべく創案されたものである。本発明の目的は、装置を大型化することなく高精細なカラー表示を実現することが可能な液晶表示装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、光源と、前記光源から出射する光のうち第１偏光光を反射し、第２偏光光を通過させる偏光ビームスプリッタと、前記偏光ビームスプリッタから反射された第１偏光光を画像信号に応じて光変調した後、第２偏光光の画像光として出射する液晶パネルと、前記画像光を前記偏光ビームスプリッタに通過させた後、拡大投影する光学系と、前記偏光ビームスプリッタと前記光学系との間に、前記偏光ビームスプリッタを通過した前記画像光の偏光面を選択的に変化させる液晶セルと前記液晶セルから出射する光を複屈折させる複屈折手段とからなる画素シフト素子と、を備えた液晶表示装置において、前記液晶パネルを赤色、緑色、青色の画像信号で所望の順序で切り変えて走査すると共に、これに同期して前記液晶パネルに照射する光を赤色光、緑色光、青色光で前記と同じ順序で時系列的に切り換え、且つ１フィールド走査する毎に画面切り替えを行うパルスを印加して画素表示を行うことを特徴とする液晶表示装置である。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明に係る液晶表示装置の一実施例を添付図面に基づいて詳述する。
図１は本発明の液晶表示装置の一例を示す全体構成図、図２は一般的な液晶パネルの一部を示す部分拡大断面図、図３は液晶パネルを示す等価回路図、図４は本発明の第１実施例の画素シフト素子を示す分解図である。
この液晶表示装置２０は、液晶パネル２２と、偏光ビームスプリッタ２４と、画像光を拡大して投影する凸レンズのような光学系２６と、光源２８と、本発明の特徴とする画素シフト素子３０とにより主に構成される。そして、液晶パネル駆動回路３４を介して上記液晶パネル２２に画像信号Ｓ１を印加するようになっている。また、上記画素シフト素子３０は画素シフト素子駆動回路３４により駆動されるようになっている。
【０００８】
また、上記光源２８は、例えば赤色発光素子２８Ｒ、緑色発光素子２８Ｇ、青色発光素子２８Ｂを有しており、例えば液晶パネル駆動回路３２からの指命により赤色、緑色、青色を選択的に発光し得るようになっている。尚、この光源２８としては、上記構成に限定されず、赤、緑、青の３色光を選択的に出力できればその構成は問わず、例えば白色光を出力する白色光源と、赤、緑、青の各色フィルタを設けた回転フィルタ機構とにより、赤、緑、青の各色光を選択的に出力できる構成を用いてもよい。
上記液晶パネル２２は、図２に示すように、例えばシリコン基板３５の表面に画素毎に設けられた反射電極３６が絶縁層４２を介して形成された反射電極基板３８と、これに対向するように配置されて例えばガラス基板３９の対向面に透明な共通電極ＣＥが形成された透明電極基板４３とを有し、これらの両基板３８、４３間に液晶層ＬＣを挟み込んで封止している。
【０００９】
上記反射電極３６は、画素駆動素子の一部を形成する後述するトランジスタ（図３参照）と接続される。そして、シリコン基板３５の表面とは絶縁層４２を介して絶縁されている。また、上記両基板３８、４３の液晶層ＬＣと接する面には、それぞれ配向膜４４、４６が全面に形成されている。上記反射電極３６は例えばＡｌ等の金属よりなり、また、上記共通電極ＣＥはＩＴＯ等の透明電極よりなる。
【００１０】
次に、この液晶パネル２２の等価回路について図３も参照して説明する。
この液晶パネル２２では、並行に配列された複数本の画像信号線Ｘと同じく並行に配列された複数本の走査信号線Ｙとが互いに直交するように配列され、各信号線Ｘ、Ｙの交差部に１つの画素Ｐが単位画素として配列される。尚、図示例では各Ｘ、Ｙ、Ｐの符号に添字としてそれぞれ正の正数を表すｉとｊが記されており、任意の位置の画素を一般化して示している。
各画素の画素駆動素子は、第１のトランジスタＴＲ１と、第２のトランジスタＴＲ２と、電荷蓄積用のコンデンサＣとよりなる。
そして、上記第１のトランジスタＴＲ１のゲートが上記走査信号線Ｙに、ソースが上記画像信号線Ｘに、ドレインが上記コンデンサＣにそれぞれ接続され、上記第２のトランジスタＴＲ２のゲートが相互に、ソースが上記コンデンサＣに、ドレインが上記反射電極３６に、それぞれ接続される。そして、上記第２のトランジスタＴＲ２のゲートは信号線Ｚに接続される。この信号線Ｚには、上記走査信号線Ｙが全て１回走査される毎に画面切り替え用のパルスが１パルス入力され、これにより各コンデンサＣに蓄積されていた電荷が液晶層ＬＣに加えられて画面が切り替えられることになる。図３中において、ＣＥは対向面の共通電極、ＣＯＭはシリコン基板の共通電極を示す（図２中では図示せず）。
【００１１】
また、上記画素シフト素子３０は、図４に示すように構成される。この画素シフト素子３０は、少なくとも１枚以上の液晶セルと少なくとも１枚以上の複屈折板とを有する。具体的には、図４に示す場合には、２つの液晶セル５０Ａ、５０Ｂと２つの複屈折手段としての複屈折板５２Ａ、５２Ｂを有しており、光の通過する方向に沿って、第１の液晶セル５０Ａ、第１の複屈折板５２Ａ、第２の液晶セル５０Ｂ及び第２の複屈折板５２Ｂの順序で並べて互いに接合されている。上記各液晶セル５０Ａ、５０Ｂは、それぞれ通過光の偏光方向を制御するために用いられ、それぞれ電圧をオン・オフ制御することにより、個別独立的に制御できるようになっている。また、両複屈折板５２Ａ、５２Ｂは、例えば水晶などよりなり、それぞれ常光線（例えばＳ偏光）と異常光線（例えばＰ偏光）との通過で１／２画素ピッチだけシフトさせた位置に画像を表示できるようにその厚さが制御されて定まっている。また、両複屈折板５２Ａ、５２Ｂの結晶軸方向は互いに直交するように配置されており、その結晶軸方向によって画像のシフト方向が定まることになる。図４中において、複屈折板５２Ａ、５２Ｂ中の矢印は複屈折によって画像がシフトする方向を示している。
【００１２】
この時、見かけ上の画像の位置は、図５に示すように変化する。例えば図５では、４つの４角形の画像（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）が示されており、もとの画素位置、すなわち両液晶セル５０Ａ、５０Ｂに共に電圧を印加していない時の画像位置を画像（Ａ）と仮定すると、この画像（Ａ）を基準として画像幅に相当するピッチだけ、横方向（画像（Ｂ））、上方向（画像（Ｄ））へ移動し、更に上記ピッチの√２倍だけ斜め４５度上方（画像（Ｃ））へ移動する。この場合、例えば第１の液晶セル５０Ａのみに電圧を印加すると画像（Ｂ）の位置になり、第１と第２の両液晶セル５０Ａ、５０Ｂに電圧を印加すると画像（Ｃ）の位置になり、第２の液晶セル５０Ｂのみに電圧を印加すると画像（Ｄ）の位置になる。
【００１３】
まず、上記装置例の基本的動作について説明する。
さて、上記した構成において、光源２８から出力された光は、偏光ビームスプリッタ２４にて一方の偏光光のみが反射され、この反射された偏光光は液晶パネル２２に入射し、ここで画像信号Ｓ１に応じた光変調を受ける。そして、光変調を受けたこの反射光は上記偏光ビームスプリッタ２４にて変調成分のみ（例えばＰ偏光のみ）が透過して、これが画像シフト素子３０を通過した後に光学系２６にて光学的に拡大されて映像となる。
ここで、液晶パネル駆動回路３２は、１画面の画像信号Ｓ１を水平および垂直方向に１画素おきに間引いて、これら各フィールドの画像を液晶パネル２２に供給して表示させると共に、それに同期して画素シフト素子３０に画像シフト素子駆動回路３４を介して電圧を選択的に印加する。ここで、画素シフト素子３０の２つの液晶セル５０Ａ、５０Ｂへの印加電圧を別個独立に選択的にオン・オフすることで、それぞれのセル５０Ａ、５０Ｂでの偏光方向を９０°変えることができるので、各複屈折板５２Ａ、５２Ｂを通過する常光線（例えばＳ偏光）と異常光線（例えばＰ偏光）とが選択制御可能である。図４に示すように、２組の液晶セル５０Ａ、５０Ｂと複屈折板５２Ａ、５２Ｂの結晶軸方位が直交することにより、図５に示すように水平２位置（画像（Ａ）と画像（Ｂ））と垂直２位置（画像（Ｃ）と画像（Ｄ））の４位置に画像を任意に選択的にシフトさせて表示することが可能になる。
例えば偏光ビームスプリッタ２４を出た偏光光（例えばＰ偏光）は、第１の液晶セル５０Ａを通過してこの時の電圧のオン・オフ制御により偏光方向が９０度変更されて、或いは変更されず、選択的に出力される。そして、この出力光は次に前段の第１の複屈折板５２Ａに入射して、常光線（例えばＰ偏光）、或いは異常光線（例えばＳ偏光）として通過する。この時に画像シフトが選択的に生ずる。この通過光は、次に、第２の液晶セル５０Ｂを通過してこの時の電圧のオン・オフ制御により偏光方向が９０度変更されて、或いは変更されず、選択的に出力される。そして、この出力光は次に後段の第２の複屈折板５２Ｂに入射して、常光線（例えばＰ偏光）、或いは異常光線（例えばＳ偏光）として通過する。この時に画像シフトが選択的に生ずる。これにより、上記４位置内にて画像を選択的にシフトさせて表示することができる。
【００１４】
本発明に係るカラー表示を実現する画素シフト素子３０による画素の位置を図６に示す。前述したように、液晶パネル駆動回路３２により１画面の画像信号Ｓ１を水平および垂直方向に１画素おきに間引いて、更に、それぞれを赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）の画像データに分解し、これら各フィールドの画像データを液晶パネル２２に供給して順次切り替えて表示させる。これと同時に、光源２８の各発光素子２８Ｒ、２８Ｇ、２８Ｂを制御することにより、上記画面書き替えに同期して液晶パネル２２に照射する光を、時系列的に順次に赤色光、緑色光、青色光で切り替えると共に、それに同期して画素シフト素子３０の両液晶セル５０Ａ、５０Ｂに個別的に且つ選択的に電圧を印加する。
【００１５】
これにより、まず、画像（Ａ）の位置でＲ、Ｇ、Ｂの各色が表示され、次に画像（Ｂ）の位置でＲ、Ｇ、Ｂの各色が表示され、次に画像（Ｃ）の位置でＲ、Ｇ、Ｂの各色が表示され、次に画像（Ｄ）の位置でＲ、Ｇ、Ｂの各色が表示され、次に元の画像位置に戻る、という具合に画像が表示される。
この装置によると、各色光に対応した残像が人の網膜上で合成されてカラー画像として認識されるので、カラーフィルタが不要であり、しかも、単一画素で赤色、緑色、青色すべての色を表示できるので、カラー表示でも高い解像度を得ることができる。尚、ここでは画像（Ａ）→画像（Ｂ）→画像（Ｃ）→画像（Ｄ）の順番で位置をシフトしたが、この順番はどのようにしてもよく、また、Ｒ、Ｇ、Ｂの色順序も上述した順序に限定されない。
【００１６】
次に、第２実施例の画素シフト素子について説明する。
図７は第２実施例の画素シフト素子を示す分解図である。この画素シフト素子６０は、先の図４に示す画素シフト素子３０から第２の液晶セル５０Ｂを、取り除いた構成と同じになる。すなわち、この画素シフト素子６０は、偏光方向制御用の１つの液晶セル５０Ａと、水晶などよりなる２板の複屈折板５２Ａ、５２Ｂからなる。両複屈折板５２Ａ、５２Ｂは前述したように常光線（例えばＳ偏光）と異常光線（例えばＰ偏光）との通過で１／２画素ピッチシフトさせた位置に画像を表示するように厚さが制御され、２つの複屈折板５２Ａ、５２Ｂの結晶軸方位が直行して積層配置されている。
【００１７】
この第２実施例の画素シフト素子６０による画像の位置とそれに好適な画素形状の一例を図８に示す。ここでは、液晶セル５０Ａへの電圧印加をオン・オフすることにより画像（Ａ）と画像（Ｂ）とで位置がシフトする。実際の動作では、１画面の画像信号Ｓ１を水平および垂直方向に１画素おきに間引いて、これら各フィールドの画像を液晶パネル２２に供給して表示させると共に、それに同期して画素シフト素子６０に電圧を選択的に印加する。この画素シフト素子６０の液晶セル５０Ａへの印加電圧をオン・オフすることで、通過する光の偏光方向を９０°変えることができるので、複屈折板５２Ａ、５２Ｂを通過する常光線（例えばＳ偏光）と異常光線（例えばＰ偏光）とが選択制御可能である。図７に示すように、２つの複屈折板５０Ａ、５０Ｂを、その結晶軸方位が互いに直行にするように積層配置することにより、斜め４５度方向の２位置に画像（Ａ）及び画像（Ｂ）を表示することが可能になる。
【００１８】
このように、斜め４５度方向の２位置に２つの画像を選択的に表示することにより、水平方向と垂直方向をそれぞれ擬似的に２倍の解像度にすることが可能である。
ここで実際にカラー表示を実現する時の状況を図９を参照して説明する。その実施例と同様に１画面の画像信号Ｓ１を水平および垂直方向に１画素おきに間引いて、更に、それぞれを赤色、緑色、青色の画像データに分解し、これら各フィールドの画像データを液晶パネル２２に供給して順次切り替えて表示させる。これと同時に、画面書き替えに同期して液晶パネル２２に照射する光を、時系列的に順次に赤色光、緑色光、青色光で切り替えると共に、それに同期して画素シフト素子６０に電圧を選択的に印加する。これにより、画像（Ａ）の位置でＲ、Ｇ、Ｂの各色が表示され、次に画像（Ｂ）の位置でＲ、Ｇ、Ｂの各色が表示されて、次に元の位置に戻る、という具体に表示される。
【００１９】
この装置の場合にも、各色光に対応した残像が人の網膜上で合成されてカラー画像として認識されるので、カラーフィルタが不要であり、単一画素で赤色、緑色、青色すべての色を表示できるので、カラー表示でも高い解像度を得ることができる。
尚、この第２実施例の画素シフト素子６０を用いる場合には、反射電極の形状を略正方形状の４つの角部を僅かに微小三角形状に切り欠き、全体で変則的な八角形状に成形するのがよい。この時の画像は図８及び図９に示されており、また、この時の反射電極（画素）の形状及び配列状態を図１０に示す。反射電極（画素）７０の４つの角部に微小三角形状に切り欠き６２を形成している。
この場合には、４５度方向に画像の位置をシフトしたとき、上述したように液晶パネル２２の反射電極７０の形状が八角形であると、反射電極７０間に僅かな隙間が発生し、この隙間に液晶パネル２２の画像信号線と走査信号線とを通すことができる。
すなわち、通常の反射電極（画素電極）の配列は微小な正方形の反射電極を縦横に整然と配列しているが、ここでの画像シフト法により解像度を上げる技術では正方形の４隅を僅かに斜めに切り取ったような、いわゆる全体で八角形状の画素電極とし、これを図１０に示すように、斜め４５度に傾けた状態で微小間隙を隔てて縦横に整然と並べる。そして、この隙間に液晶パネル２２の画像信号線と走査信号線とを通すことができる。
【００２０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の液晶表示装置によれば、次のように優れた作用効果を発揮することができる。
装置を大型化することなく高精細なカラー表示を実現することが可能な液晶表示装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の液晶表示装置の一例を示す全体構成図である。
【図２】一般的な液晶パネルの一部を示す部分拡大断面図である。
【図３】液晶パネルを示す等価回路図である。
【図４】本発明の第１実施例の画素シフト素子を示す分解図である。
【図５】４位置に画像が選択的にシフトされた状態を示す図である。
【図６】カラー表示の画像が４位置に選択的にシフトされた状態を示す図である。
【図７】第２実施例の画素シフト素子を示す分解図である。
【図８】第２実施例の画素シフト素子による画像の位置とそれに好適な画素形状の一例を示す図である。
【図９】第２実施例の画素シフト素子によるカラー表示の画像の位置とそれに好適な画素形状の一例を示す図である。
【図１０】第２実施例の画素シフト素子の反射電極（画素）の形状及び配列の一例を示す図である。
【図１１】液晶パネルの等価回路の構成の一例を示す図である。
【図１２】液晶表示装置の概略構成の一例を示す図である。
【符号の説明】
２０…液晶表示装置、２２…液晶パネル、２４…偏光ビームスプリッタ、２６…光学系、２８…光源、３０，６０…画素シフト素子、３２…液晶パネル駆動回路、３４…画素シフト駆動回路、３６…反射電極、３８…反射電極基板、５０Ａ，５０Ｂ…液晶セル、５２Ａ，５２Ｂ…複屈折板、ＣＯＭ…共通電極、ＬＣ…液晶層、ＴＲ１，ＴＲ２…トランジスタ。

Claims (1)

1. 光源と、
   前記光源から出射する光のうち第１偏光光を反射し、第２偏光光を通過させる偏光ビームスプリッタと、
   前記偏光ビームスプリッタから反射された第１偏光光を画像信号に応じて光変調した後、第２偏光光の画像光として出射する液晶パネルと、
   前記画像光を前記偏光ビームスプリッタに通過させた後、拡大投影する光学系と、
   前記偏光ビームスプリッタと前記光学系との間に、前記偏光ビームスプリッタを通過した前記画像光の偏光面を選択的に変化させる液晶セルと前記液晶セルから出射する光を複屈折させる複屈折手段とからなる画素シフト素子と、
   を備えた液晶表示装置において、
   前記液晶パネルを赤色、緑色、青色の画像信号で所望の順序で切り変えて走査すると共に、これに同期して前記液晶パネルに照射する光を赤色光、緑色光、青色光で前記と同じ順序で時系列的に切り換え、且つ１フィールド走査する毎に画面切り替えを行うパルスを印加して画素表示を行うことを特徴とする液晶表示装置。

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