JP2004109334A - 画像表示方法および画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光路シフト素子を用いる画像表示方法および画像表示装置において、光路シフトに起因するよる各色画像のずれを防止もしくは軽減する。
【解決手段】２以上の色の画像光を合成して第１合成画像光とする第１色合成手段１８と、第１色合成手段により合成された第１合成画像光と、残りの色の画像光とを合成し、結像手段７により結像させるべき第２合成画像光とする第２色合成手段１７と、第１合成画像光の光路を進行方向と直交する所定方向へシフトさせる第１の光路シフト素子１０１と、残りの色の画像光の光路を進行方向と直交する所定方向へシフトさせる第２の光路シフト素子１０２とを有する。
【選択図】　　図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は画像表示方法および画像表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
液晶パネル等の小型の画像表示素子に表示された画像を、レンズ系を介して結像・拡大して表示する画像表示装置としては、装置本体を眼前に装着またはかざして拡大像を観察する「ヘッドマウントディスプレイ型」と呼ばれるものと、拡大像をスクリーンに投影して投影像を観察する「投射型」のものがある。
【０００３】
一般に画像表示装置においては「画面の解像度」が、表示品質を決定する重要な因子となる。画面の解像度を上げる方法として、投射型の画像表示装置に関連して、画像表示素子とスクリーンの間に「結像光束の光路を光軸に直交する方向へシフトさせる光路シフト素子」を配置して光路シフトを行うことにより投影画像をスクリーン上でシフトさせ、観察者の観察する画像の解像度を見かけ上「高解像度化」する方法が知られている（非特許文献１参照）。
【０００４】
非特許文献１記載の画像表示装置は、カラー画像を表示する装置で「３原色に色分解された光を用い、３枚の液晶パネルを互いに異なる色の光で照明し、各液晶パネルにより強度変調された画像光を合成して結像レンズによりスクリーン上に拡大・結像させるもの」であり、結像光束の光路をシフトする「光路シフト素子」は、単一の素子が「合成された画像光に対して共通」に設けられ、３色の画像光に対して光路シフトを行っている。
【０００５】
光路シフト素子としては種々のものが知られているが、従来から知られたシフト素子は、光路シフト量が波長依存性を持ち、「カラー画像を形成するために合成された可視波長領域の光に対して共通に使用」した場合には、各色の画像光に対する光路シフト量に差異が生じ、スクリーン上に結像される各色画像にずれを生じ、上記差異が著しい場合には却って表示画像の解像度低下を招くことが、発明者らの研究により明らかになった。
【０００６】
また、各画像表示素子から結像レンズへ向う画像光は一般に発散性であり、上記のように３色の画像光を合成した後に光路シフト素子に入射させる場合、各画像表示素子から光路シフト素子に至る光路長が長くなるため、光路シフト素子に入射する時点で「合成された画像光の光束径」が大きくなり、必然的に、光路シフト素子も大型のものが必要とされることになる。
【０００７】
このような大型の光路シフト素子は高価であるし、画像表示装置を大型化する原因となる。また、可視波長領域にわたって光束シフト量の均一な光路シフト素子は低コストでの実現は困難である。
【０００８】
【非特許文献１】
Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＳＩＤ　５／３，１９９７　ｐ．２９９
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
この発明は光路シフト素子を用いる画像表示方法および画像表示装置において、光路シフト素子による各色画像のずれを防止もしくは軽減して表示画像の解像度を高め、且つ、光路シフト素子の大型化、高コスト化を有効に軽減することを課題とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
この発明の画像表示装置は「３つもしくは４つの画像表示素子に画像を表示し、照明手段によりこれら画像表示素子を互いに異なる色の光で照明し、各画像表示素子により画像に応じて変調された各色の画像光を合成し、結像手段により結像表示する画像表示装置」である。この発明の画像表示装置は「ヘッドマウントディスプレイ型」のものにも「投射型」のものにも適用することができる。
【００１１】
３つもしくは４つの画像表示素子には、カラー画像もしくは多色画像を合成的に表示するための画像が表示される。例えば、３つの画像表示素子を用いてカラー画像を表示する場合であれば、３つの画像表示素子には、カラー画像の赤成分画像・緑成分画像・青成分画像、あるいは、マゼンタ成分画像・イエロー成分画像・シアン成分画像が表示される。
【００１２】
画像表示素子はライトバルブと呼ばれるものが好適であり、例えば、透過式もしくは反射式の液晶パネルを好適に使用することができる。
【００１３】
請求項１記載の画像表示装置は以下の如き特徴を有する。
即ち、各画像表示素子により画像に応じて変調された各色の画像光は、色合成手段により合成されて「結像手段により結像させるべき合成画像光」となるが、各画像表示素子と色合成手段との間に「各画像表示素子に対応して、各画像光の光路を進行方向と直交する所定方向へシフトさせる光路シフト素子」が配設され、各光路シフト素子の光路シフト量が実質的に等しく設定される。
【００１４】
即ち、光路シフト素子は「各画像光ごとに設けられる」ので、画像光の光路シフトは「画像光に応じた光路シフト素子」により行われ、その光路シフト量は光路シフト素子ごとに独立に設定できる。従って、上記光路シフト量を各光路シフト素子ごとに実質的に等しく設定することにより、表示画像を構成する各色の画像光の「結像間における光路シフト量の差に起因するずれ」がなくなり、解像度の高い画像を表示できる。
【００１５】
請求項１記載の画像表示装置における「各画像表示素子に対応して配設される光路シフト素子の配設位置」は、色合成手段への入射位置側であることも（請求項２）、各画像表示素子に近接した位置である（請求項３）こともできる。
【００１６】
各光路シフト素子の配置位置は「各画像表示素子と色合成手段」との間であるので、非特許文献１記載のもののように「色合成手段の下流側」に光路シフト素子を配置する場合に比して、光路シフト素子と画像表示素子との間隔が小さくなり、画像表示素子から光路シフト素子に至る間における画像光の光束径の増大が小さく、従って小型の光路シフト素子の使用が可能になる。特に、請求項３に記載の場合には、光路シフト素子の大きさを「画像表示素子と実質的に同大」にすることができる。
【００１７】
請求項４記載の画像表示装置は、第１色合成手段と、第２色合成手段と、第１の光路シフト素子と、第２の光路シフト素子とを有する。
「第１色合成手段」は、２以上の色の画像光を合成して第１合成画像光とする色合成手段である。
【００１８】
「第２色合成手段」は、この第１色合成手段により合成された第１合成画像光と、残りの色の画像光とを合成し、結像手段により結像させるべき第２合成画像光とする色合成手段である。
「第１の光路シフト素子」は、第１合成画像光が第２色合成手段へ入射する第１の入射光路中に配置され、第１合成画像光の光路を進行方向と直交する所定方向へシフトさせる。
【００１９】
「第２の光路シフト素子」は、残りの色の画像光が、第１合成画像光と合成されるべく第２色合成手段へ入射する第２の入射光路中に配置され、残りの色の画像光の光路を進行方向と直交する所定方向へシフトさせる。
【００２０】
即ち、請求項１ないし３記載の画像表示装置では、画像表示素子と同数個、即ち３個もしくは４個の光路シフト素子が用いられるのであるが、請求項４記載の画像表示装置では、画像表示素子が３であるか４であるかに拘わらず、２つの光路シフト素子で足りるのである。このように、光路シフト素子の個数が少なくなることにより、画像表示装置をさらに低コスト化・コンパクト化することが可能となる。
【００２１】
請求項４記載の画像表示装置は、第２の光路シフト素子に入射する残りの色の画像光が「２つの画像光を合成したもの」であることができる（請求項５）。　即ち、請求項４記載の画像表示装置において、画像表示素子の個数が３である場合には、第１色合成手段は２色、例えば赤画像光と緑画像光とを合成して「第１合成画像光」とし、第２色合成手段は、この第１合成画像光と残りの青画像光とを合成して「第２合成画像光」とする。
【００２２】
また、請求項４記載の画像表示装置で、画像表示素子の個数が４である場合には、第１色合成手段で３つの画像光を合成して第１合成画像光とし、この第１合成画像光と残りの１つの画像光を第２色合成手段により合成して第２合成画像光とすることもできるし、上記請求項４記載のように、第１色合成手段で２つの画像光を合成して第１合成画像光とし、この第１合成画像光と残りの２つの画像光を第２色合成手段により合成して第２合成画像光とするようにし、上記残りの２つの画像光を「第２色合成手段に入射する段階で予め合成しておく」こともできるのである。
【００２３】
上記請求項４または５記載の画像表示装置において、２つの画像光が合成されて入射する光路シフト素子への入射光は、互いに波長領域が隣接する画像光の合成光であることが好ましい（請求項６）。
【００２４】
また、請求項４または５または６記載の画像表示装置においては「第１および第２の光路シフト素子による光路シフト量が、各画像光間で略等しくなるように、第１および第２の光路シフト素子の光路シフト量を調整する」ことができる（請求項７）。
【００２５】
前述したように、光路シフト素子の光路シフト量に波長依存性があると、可視領域の全域にわたって同じ光路シフト量を実現することはできない。しかし、請求項６の場合のように、２つの画像光が合成されて入射する光路シフト素子への入射光が「互いに波長領域が隣接する画像光の合成光」であるようにすると、波長領域が隣接しているために、これら画像光の光路シフト量の差異が小さくなり、請求項７記載の場合の如く「第１および第２の光路シフト素子による光路シフト量が、各画像光間で略等しくなるように、第１および第２の光路シフト素子の光路シフト量を調整する」ことができ、表示される画像における各色画像光の結像間の「光路シフト量の差」に起因するずれを小さくできる。
【００２６】
上記請求項１ないし７の任意の１に記載の画像表示装置において用いる「光路シフト素子」は「画像光の光軸光線に対して傾斜した面を有する光学部材を備えた光学素子で、この光学素子の、材質の屈折率、もしくは傾斜した面の傾斜角、もしくは光学部材の厚さ、またはこれらの組み合わせを制御することにより光路シフト量を制御可能としたもの」であることができる（請求項８）。
【００２７】
請求項１ないし７の任意の１に記載の画像表示装置において用いる「光路シフト素子」はまた「画像光の光軸光線に対して傾斜した１軸性光学異方体による光路変化を利用したもので、１軸性光学異方体の、傾斜角、または屈折率、または厚さ、またはこれらの組み合わせを制御することにより光路シフト量を制御可能としたもの」であることもできる（請求項９）。この場合において、「１軸性光学異方体」は、印加電圧によって配向の変化する液晶材料で、印加電圧の制御により実質的な屈折率を制御するものであることができる（請求項１０）。
【００２８】
請求項１ないし７の任意の１に記載の画像表示装置において用いる「光路シフト素子」は「少なくとも一方が１軸性光学異方体である少なくとも２つの材料によって形成され、画像光の光軸光線に対して傾斜した界面を有し、この界面の傾斜角、媒質の入射光線に対する実質的な屈折率、またはこれら双方を制御することで、光路シフト量を制御可能としたもの」であることができ（請求項１１）、この場合「１軸性光学異方体」は、印加電圧によって配向の変化する液晶材料で、印加電圧の制御により実質的な屈折率を制御するものであることができる（請求項１２）。
【００２９】
上記請求項１１または１２記載の画像表示装置における「光路シフト素子」は「少なくとも一方が１軸性光学異方体である２つの媒質の、画像光の光軸光線に対して傾斜した界面を有する複数のシフト素子から構成され、これらシフト素子間の距離またはシフト素子の媒質の屈折率、またはこれら双方を制御することにより光路シフト素子の光路シフト量を制御可能としたもの」であることができる（請求項１３）。
【００３０】
前記請求項４ないし７の任意の１に記載の画像表示装置においては「第１色合成手段」をダイクロイックプリズム、「第２色合成手段」を偏光ビームスプリッタとすることも（請求項１４）、「第１および第２色合成手段」を共に偏光ビームスプリッタとすることもできる（請求項１５）。勿論、これら請求項１４、１５記載の画像表示装置においても、上記請求項８〜１３の任意の１に記載された光路シフト素子を用いることができる。
【００３１】
この発明の画像表示方法は「３つもしくは４つの画像表示素子に画像を表示し、照明手段によりこれら画像表示素子を互いに異なる色の光で照明し、各画像表示素子により画像に応じて変調された各色の画像光を合成し、結像手段により結像表示する画像表示方法」であって、請求項１ないし１５の任意の１に記載の画像表示装置を用い、１画像フレームを複数のサブフレームに分割し、サブフレームの切り替えに応じて光路シフト素子による光路シフトを行い、画像が表示される位置をサブフレームごとに制御することにより、画像表示素子の画素数より大きい表示画素数を得ることを特徴とする（請求項１６）。
【００３２】
【発明の実施の形態】
以下、実施の形態を説明する。
図１は、請求項１、２記載の画像表示装置の実施の１形態を説明するための図である。
即ち、図１（ａ）に要部を略示する画像表示装置は「投影型」のものであり、３つの画像表示素子４０５ｒ、４０５ｇ、４０５ｂに画像を表示し、照明手段によりこれら画像表示素子を互いに異なる色の光で照明し、各画像表示素子４０５ｒ、４０５ｇ、４０５ｂにより画像に応じて変調された各色の画像光を合成し、結像手段４０７により結像表示する画像表示装置において、各画像表示素子と、これら画像表示素子により画像に応じて変調された各色の画像光を、結像手段４０７により結像させるべき合成画像光とする色合成手段４１４との間に、各画像表示素子に対応して、各画像光の光路を進行方向と直交する所定方向へシフトさせる光路シフト素子４１０ｒ、４１０ｇ、４１０ｂを配設し、各光路シフト素子の光路シフト量を実質的に等しく設定したこともの（請求項１）であり、各画像表示素子４０５ｒ、４０５ｇ、４０５ｂに対応して配設される光路シフト素子４１０ｒ、４１０ｇ、４１０ｂの配設位置が、色合成手段４１４への入射位置側である（請求項２）。
【００３３】
若干詳しく説明すると、光源４０１を出た白色光はフライアイレンズ４０２、４０３による「インテグレータ光学系」を介して画像表示素子４０５ｒ、４０５ｇ、４０５ｂを照明する。符号４０９はフィールドレンズ、符号４１７はリレーレンズを示す。
【００３４】
インテグレータ光学系からの光はフィールドレンズ４０９を介してダイクロイックミラー４１５ｂｇに入射する。ダイクロイックミラー４１５ｂｇは、入射する白色光のうち緑色成分光と青色成分光とを反射し、赤色成分光を透過させる。ダイクロイックミラー４１５ｂｇにより反射された光はダイクロイックミラー４１５ｂに入射し、緑色成分光が反射される。反射された緑色性分光は偏光ビームスプリッタ４１７ｇに入射し、同スプリッタ４１７ｇに反射されたＳ偏光成分が照明光として画像表示素子４０５ｇを照明する。
【００３５】
ダイクロイックミラー４１５ｂに入射し、これを透過した青色成分光は偏光ビームスプリッタ４１７ｂに入射し、同スプリッタ４１７ｂに反射されたＳ偏光成分が照明光として画像表示素子４０５ｂを照明する。
【００３６】
ダイクロイックミラー４１５ｂｇを透過した赤色性分光は、リレーレンズ４１７を介してミラー４１６により光路を折り曲げられ、偏光ビームスプリッタ４１７ｒに入射し、同スプリッタ４１７ｒに反射されたＳ偏光成分が照明光として画像表示素子４０５ｒを照明する。
【００３７】
即ち、光源１とフライアイレンズ４０２、４０３、フィールドレンズ４０９、ダイクロイックミラー４１５ｂｇ、４１５ｇ、リレーレンズ４１７、ミラー４１６は「照明手段」を構成する。
【００３８】
画像表示素子４０５ｒ、４０５ｇ、４０５ｂは、この実施の形態において反射形の液晶パネルであり、これらに画像を表示すると、表示された画像に応じた反射光部分に偏光面の旋回が生じる。
【００３９】
画像表示素子４０５ｇを例に取ると、画像表示素子４０５ｇにはカラー画像を構成する３原色成分のうちの緑成分画像が表示される。この緑成分画像を表示された画像表示素子４０５ｇが緑色成分光で照明されると、反射光は緑成分画像に応じて偏光面の旋回が生じ、このように偏光面の旋回を生じた成分のみが偏光ビームスプリッタ４１７ｇを透過してダイクロイックプリズム４１４に入射し、同プリズム４１４を結像手段である結像レンズ４０７側へ透過する。
【００４０】
従って、ダイクロイックプリズム４１４へ入射する緑色成分光は「緑成分画像に応じて変調された緑画像光」である。
【００４１】
同様に、赤成分画像を表示された画像表示素子４０５ｒによる赤色反射光は赤画像光となって偏光ビームスプリッタ４１７ｒを透過し、ダイクロイックプリズム４１４により結像レンズ４０７側へ反射される。青成分画像を表示された画像表示素子４０５ｂによる青色反射光は青画像光となって偏光ビームスプリッタ４１７ｂを透過し、ダイクロイックプリズム４１４により結像レンズ４０７側へ反射される。
【００４２】
このようにして、赤・緑・青画像光が「色合成手段」としてのダイクロイックプリズム４１４により、結像レンズ４０７により結像させるべき合成画像光として色合成される。このようにして合成された合成画像光は、結像レンズ４０７により図示されないスクリーン上にカラーの拡大画像として結像される。
【００４３】
光路シフト素子４１０ｒ、４１０ｇ、４１０ｂは合成される以前の各色画像光の光路を「進行方向と直交する所定方向」へシフトさせる。各光路シフト素子４１０ｒ、４１０ｇ、４１０ｂの光路シフト量は実質的に等しく設定される。
【００４４】
画像表示が行われる際、１画像フレームは複数のサブフレームに分割され、サブフレームの切り替えに応じて光路シフト素子４１０ｒ、４１０ｇ、４１０ｂによる光路シフトが行われ、画像が表示される位置がサブフレームごとに制御され、画像表示素子４０５ｒ、４０５ｇ、４０５ｂの画素数より大きい表示画素数が得られる。
【００４５】
即ち、図１（ａ）の画像表示装置により「３つの画像表示素子４０５ｒ、４０５ｇ、４０５ｂに画像を表示し、照明手段によりこれら画像表示素子を互いに異なる色の光で照明し、各画像表示素子により画像に応じて変調された各色の画像光を合成し、結像手段４０７により結像表示する画像表示方法であって、請求項１、２記載の画像表示装置を用い、１画像フレームを複数のサブフレームに分割し、サブフレームの切り替えに応じて光路シフト素子４１０ｒ、４１０ｇ、４１０ｂによる光路シフトを行い、画像が表示される位置をサブフレームごとに制御することにより、画像表示素子４０５ｒ、４０５ｇ、４０５ｂの画素数より大きい表示画素数を得る画像表示方法（請求項１６）」が実施される。
【００４６】
なお、図１に示す実施の形態に用いられる照明手段においては、十分な光量を得るため、放電型のランプおよび反射鏡が光源４０１として用いられる。このとき、ランプの発光部は点光源であることがより均一な発散角分布を得るために理想であるが、現実にはランプの寿命や発光効率などを勘案して、発光部のアーク長は１ｍｍ前後に設定される。
【００４７】
このようなサイズの発光部に対してより均一な発散角分布を持たせるため、反射鏡としては略５０ｍｍ以上の径を有するものが用いられる。一方、画像表示素子４０５ｒ等は「小さければ小さいほど低コストで製造できる」ため対角長：０．５インチ（約１３ｍｍ）〜１．３インチ（約３３ｍｍ）のものが一般に用いられる。
【００４８】
図１（ｂ）は、図１（ａ）に示した実施の形態におけるフライアイレンズ４０２、４０３とフィールドレンズ４０９の照明作用を、画像表示素子４０５ｇの照明の場合を例にとって示す説明図である。
【００４９】
フィールドレンズ４０９は、照明光を縮小して画像表示素子４０５ｇを照明するよう作用する。図１（ｂ）の左方からフライアイレンズ４０２に入射した光はフライアイレンズ４０２の各フライアイ（フライアイレンズを構成する個々の微小レンズ）により、フライアイレンズ４０３の対応するフライアイに集光する。フライアイレンズ４０２の各フライアイと、画像表示素子４０５ｇは共役の関係にあり、フライアイレンズ４０３の各フライアイに集光された光が、各々画像表示素子４０５ｇの全面を照明する。
【００５０】
このとき一般に、照明光の光束幅は画像表示素子４０５ｇの位置で最小となり、それ以降は拡大する。このため、光路シフト素子４１０ｒ、４１０ｇ、４１０ｂの大きさが大きくならないようにするには、光路シフト素子を対応する画像表示素子になるべく近接して配置することが好ましい。図１（ａ）の実施の形態では、画像表示素子と対応する光路シフト素子との間の距離が「両者間に介在する偏光ビームスプリッタの大きさ」と略等しいので、この距離は然程大きくならず、光路シフト素子４１０ｒ等の大きさも然程大きくはならない。
【００５１】
図２は、請求項１、３記載の画像表示装置の実施の１形態を示している。繁雑を避けるため、混同の虞がないと思われるものについては、図１（ａ）におけると同一の符号を付した。従って、図１（ａ）におけると同一の符号の部分は、図１におけると同様のものであるので、これらについての詳細な説明は省略する。
【００５２】
図２に示す実施の形態が、図１（ａ）に示す実施の形態と異なる点は、各画像表示素子４０５ｒ、４０５ｇ、４０５ｂに対応して配設される光路シフト素子４１０ｒ’、４１０ｇ’、４１０ｂ’の配置位置が、各画像表示素子４０５ｒ、４０５ｇ、４０５ｂに近接した位置であること（請求項３）にある。
【００５３】
このようにすると、光路シフト素子４１０ｒ’、４１０ｇ’、４１０ｂ’が対応する画像表示素子のすぐ近傍になるので、各光路シフト素子のサイズを実質的に画像表示素子のサイズと同一にできる。しかし反面、光が光路シフト素子を往復透過するため、図１（ａ）の場合と比して光利用効率が低くなるので、図１の実施の形態よりも強力な照明手段を必要とする。
【００５４】
図２に実施の形態を示す画像表示装置においても、図１のものと同様に請求項１６記載の画像表示方法を実施できる。
【００５５】
図１、図２に示す実施の形態においては、個々の画像表示素子により変調された画像光に対し、光路シフト素子による光路シフトを個別的に行うので、各光路シフト素子による各画像光の光路シフト量を相互に「実質的に等しく」設定でき、スクリーン上に結像される各色画像にずれが生じないので、解像度の高い表示画像を表示できる。
【００５６】
図３は、請求項４以下に記載の画像表示装置の実施の形態を説明するための図である。
図３において、光源１１を出た白色光はフライアイレンズ１２、１３によるインテグレータ照明系およびフィールドレンズ１９によって、画像表示素子５Ｒ、５Ｇ、５Ｂを照明する。画像表示素子５Ｒ、５Ｇ、５Ｂは、先に図１、図２に示した実施の形態におけると同様の「反射型の液晶パネル」である。
【００５７】
符号１４で示す偏光変換素子は、光源１１からのランダム偏光を一方向に振動する直線偏光に変換する作用を有するものであり「必要に応じて設け」られる。この実施の形態においては、偏光変換素子１４は、照明光の偏光方向を図面に直交する方向に揃えるようになっている。
【００５８】
符号２０で示す「波長選択性偏光面旋回手段（以下、単に偏光面旋回手段という）」は「特定波長域の光の偏光方向」を、他の色の光に対して９０度旋回させる機能をもつ光学素子であり、例えば、カラーリンク社から市販されている積層型の位相板である「カラーセレクト（商品名）」を用いることができる。
【００５９】
偏光面旋回手段２０は、説明中の実施の形態においては「赤色成分光の偏光方向を図面に平行な方向に旋回」させる。偏光面旋回手段２０を透過した光は偏光ビームスプリッタ１７に入射し、Ｐ偏向は直進して画像表示素子５Ｒを照明光として照射する。即ち、ビームスプリッタ１７を透過した赤色成分光は光路シフト素子１０２を透過し、光路長バランス用のキュービックガラス２１を透過して画像表示素子５Ｒを照射する。
【００６０】
一方、偏光面旋回手段２０により偏光面の旋回を受けなかった透過光である緑色成分光と青色成分光とは、偏光ビームスプリッタ１７にＳ偏光として入射し、同スプリッタ１７により反射され、光路シフト素子１０１を透過してダイクロイックプリズム１８に入射する。青色成分光はダイクロイックプリズム１８を透過して画像表示素子５Ｂを照射し、緑色性分光はダイクロイックプリズム１８により反射されて画像表示素子５Ｇを照射する。
【００６１】
上記キュービックガラス２１は、ダイクロイックプリズム１８を介して照明される画像表示素子５Ｇ、５Ｂに対して、画像表示素子５Ｒの光路長をバランスさせるために用いられている。
【００６２】
画像表示素子５Ｒ、５Ｇ、５Ｂにそれぞれ赤、緑、青成分画像を表示すると、これら画像表示素子による反射光は画像に応じて変調され（変調された部分の偏光面が旋回する）画像光となる。画像表示素子５Ｂで変調された青画像光、画像変調素子５Ｇで変調された緑画像光はダイクロイックプリズム１８により合成され、光路シフト素子１０１を介して偏光ビームスプリッタ１７に入射し、偏光面を旋回された成分は偏光ビームスプリッタ１７を透過して結像レンズ７へ向う。
【００６３】
一方、画像表示素子５Ｒで変調された赤画像光は、キュービックガラス２１と光路シフト素子１０２を透過して偏光ビームスプリッタ１７に入射し、同スプリッタ１７に反射されて結像レンズ７に向う。このようにして、各画像表示素子からの画像光が合成されて結像レンズ７に入射し、結像レンズ７により図示されないスクリーン上に拡大カラー画像として結像・投影される。
【００６４】
光路シフト素子１０１、１０２は、画像光の光軸光線（結像レンズ７の光軸に平行となる光線）を、これに直交する所定の方向へ能動的にずらすように作用する。光路シフト素子１０１、１０２による光路シフト量は「各画像光間で略等しくなる」ように調整される。
【００６５】
即ち、光路シフト素子１０１、１０２の作用状態に応じて光軸光線のシフト量が、例えば「画素ピッチの１／２」シフトするようにする。
【００６６】
このとき、画像データの１フレームを「シフト位置に対応する２つのサブフレーム」に分割し、順次画像表示素子に表示する。この画像切り替えに応じ、光路シフト素子１０１、１０２の作用状態を切り替えることにより「実質２倍の画像情報を表示」できる。
【００６７】
光路シフト素子によるシフトの方向を「互いに直交する２方向」に対して行うことで４倍の画像情報を表示することもできる。シフトレベルを３以上に多値化することでさらに大きな画像情報を表示することも可能である。
【００６８】
即ち、図３に実施の形態を示した画像表示装置は、３つの画像表示素子５Ｒ、５Ｇ、５Ｂに画像を表示し、照明手段によりこれら画像表示素子を互いに異なる色の光で照明し、各画像表示素子により画像に応じて変調された各色の画像光を合成し、結像手段により結像表示する画像表示装置において、２以上の色の画像光を合成して第１合成画像光とする第１色合成手段１８と、この第１色合成手段１８により合成された第１合成画像光（青画像光と緑画像光）と、残りの色の画像光（赤画像光）を合成し、結像手段７により結像させるべき第２合成画像光とする第２色合成手段１７と、第１合成画像光が第２色合成手段１７へ入射する第１の入射光路中に配置され、第１合成画像光の光路を進行方向と直交する所定方向へシフトさせる第１の光路シフト素子１０１と、残りの色の画像光（赤画像光）が、第１合成画像光と合成されるべく第２色合成手段１７へ入射する第２の入射光路中に配置され、残りの色の画像光の光路を進行方向と直交する所定方向へシフトさせる第２の光路シフト素子１０２とを有するもの（請求項４）である。
【００６９】
また、第１および第２の光路シフト素子１０１、１０２による光路シフト量は「各画像光間で略等しくなる」ように調整される（請求項７）。
【００７０】
このような構成により、図３の画像表示装置は、図１、図２に画像表示装置において３個必要であった光路シフト素子を２個に抑えることができる。すなわち、２個の光路シフト素子のうち１個（光路シフト素子１０１）を、２つの異なる色の合成光（緑画像光と青画像光を合成した「第１合成画像光」）に対して作用させることで光路シフト素子数を低減している。
【００７１】
図３から分かるように、各画像表示素子と光路シフト素子との間の光路長は、ダイクロイックプリズム１８およびキュービックガラス２１の厚み分でよく、画像表示素子と光路シフト素子との間における光束の広がりが少ないので、光路シフト素子１０１、１０２は小型のものを用いることができる。
【００７２】
また、図３の画像表示装置において、第１色合成手段がダイクロイックプリズム１８で、第２色合成手段１７が偏光ビームスプリッタである（請求項１４）。
【００７３】
上記の如く、図３の画像表示装置を用いると、３つの画像表示素子５Ｒ、５Ｇ、５Ｂに画像を表示し、照明手段によりこれら画像表示素子を互いに異なる色の光で照明し、各画像表示素子により画像に応じて変調された各色の画像光を合成し、結像手段により結像表示する画像表示方法であって、請求項４記載の画像表示装置を用い、１画像フレームを複数のサブフレームに分割し、サブフレームの切り替えに応じて光路シフト素子１０１、１０２による光路シフトを行い、画像が表示される位置をサブフレームごとに制御することにより、画像表示素子の画素数より大きい表示画素数を得る画像表示方法（請求項１６）を実施できる。
【００７４】
図４は、請求項４記載の画像表示装置の実施の別形態を示している。
繁雑を避けるべく、混同の虞がないと思われるものについては、図３におけると同一の符号を用いた。
光源１からフィールドレンズ１９に至る「照明手段」は、図３のものと同じである。光源手段からの白色光は偏光面旋回手段２０１に入射する。この段階において白色光は、偏光変換素子１４により偏光方向を「図面に直交する方向」に揃えられている。
【００７５】
偏光面旋回手段２０１（例えば前述の「商品名：カラーセレクト」）は、入射する白色光のうち、赤色成分光と緑色成分光との偏光面を９０度旋回させて図面に平行な方向とする。従って、偏光面旋回手段２０１を透過した赤色成分光と青色成分光とは偏光ビームスプリッタ１７１にＰ偏光として入射し、同スプリッタ１７１を透過する。青色成分光は偏光ビームスプリッタ１７１に対してＳ偏光として入射し、同スプリッタ１７１に反射される。
【００７６】
偏光ビームスプリッタ１７１を透過した光は、第２の偏光面旋回手段２０２に入射して透過すると、赤色光成分が選択的に偏光面を旋回される。偏光面旋回手段２０２を透過した緑色成分光は偏光ビームスプリッタ１７２をＰ偏光として透過し、画像表示素子５Ｇを照明する。赤色成分光は偏光ビームスプリッタ１７２２より反射されて画像表示素子５Ｒを照射する。
【００７７】
偏光ビームスプリッタ１７１により反射された青色光成分は、偏光ビームスプリッタ１７３にＳ偏光として入射して反射され、画像表示素子５Ｂを照射する。
【００７８】
画像表示素子５Ｒ、５Ｇ、５Ｂにより変調された反射光は、それぞれ赤画像光、緑画像光、青画像光となる。
【００７９】
赤画像光と緑画像光とは偏光ビームスプリッタ１７２により合成されて「第１合成画像光」となり、第３の偏光面旋回手段２０３と光路シフト素子１０１とを介して偏光ビームスプリッタ１７４に入射する。偏光面旋回手段２０３（例えば前述の「商品名：カラーセレクト」）は、赤画像光の偏光面を９０度旋回させて偏光ビームスプリッタ１７４に対してＳ偏光とする。このようにして偏光ビームスプリッタ１７４に入射する第１合成画像光（赤画像光、緑画像光）は偏光ビームスプリッタ１７４に対してＳ偏光となり、偏光ビームスプリッタ１７４に反射されて図示されない結像手段（結像レンズ等）へ向う。
【００８０】
青画像光は偏光ビームスプリッタ１７３をＰ偏光として透過し、光路シフト素子１０２を透過し、偏光ビームスプリッタ１７４をＰ偏光として透過し、上記第１合成画像光と合成される。このようにして、赤・緑・青画像光が合成されて第２合成画像光となり、図示されない結像手段により、図示されないスクリーン上に拡大カラー画像として結像・表示される。その際、光路シフト素子１０１、１０２による光路シフトが行われる。
【００８１】
図４の画像表示装置では、第１および第２色合成手段が共に偏光ビームスプリッタである（請求項１５）。即ち、偏光ビームスプリッタ１７２は赤画像光と緑画像光を合成する「第１色合成手段」であり、偏光ビームスプリッタ１７４は、偏光ビームスプリッタ１７２により合成された「第１合成画像光」に対して、残りの青画像光を合成する「第２色合成手段」である。
【００８２】
図３に示した実施の形態においては、各色の光は照明光として１回、変調された画像光として１回、合計２回光路シフト素子を透過しているが、図４の実施の形態においては、光路シフト素子１０１、１０２を透過する光は変調された画像光のみであり、照明光は別の光路で各画像表示素子を照明するため、図３の実施の形態に比して「光路シフト素子１０１、１０２による光量低下」を低減することができる。
【００８３】
各画像表示素子５Ｒ、５Ｇと光路シフト素子１０１との間の光路長は偏光ビームスプリッタ１７２の厚み分でよく、画像表示素子５Ｂと光路シフト素子１０２との間の光路長は偏光ビームスプリッタ１７３の厚み分でよい。このため、画像表示素子と光路シフト素子との間における光束の広がりが少なく、光路シフト素子１０１、１０２は小型のものを用いることができる。
【００８４】
図４の実施の形態では、赤色成分光および緑色成分光をＰ偏光、青色成分光をＳ偏光としたが、逆に構成し、偏光ビームスプリッタ１７３の側に赤、緑色成分光用の画像表示素子、偏光ビームスプリッタ１７２の側に青色成分光用の画像表示素子を設け、偏光面旋回手段２０３を偏光ビームスプリッタ１７３と１７４の間に配する構成とすることもできる。
【００８５】
また、第１合成画像光と単独光の組み合わせは「赤＋緑（第１合成画像光）と青」以外にも「緑＋青（第１合成画像光）と赤」、「赤＋青（第１合成画像光）と緑」も可能である。
【００８６】
図４において、偏光ビームスプリッタ１７３の側に、さらに「別の画像表示素子」を追加して設け、偏光ビームスプリッタ１７１と１７３の間、および偏光ビームスプリッタ１７３と１７４の間に第３の偏光面旋回手段を設けることで画像表示素子を４つ用いる構成とすることも可能である。
【００８７】
図３、図４に示した画像表示装置では、画像表示素子５Ｒ、５Ｇ、５Ｂとして反射型の液晶パネルを用いたが、これに限らず、透過型の画像表示素子を用いることもできる。
【００８８】
図３の画像表示装置の変形例として、画像表示素子５Ｒ、５Ｇ、５Ｂに代えて、透過型の画像表示素子５１Ｒ、５１Ｇ、５１Ｂを用いた実施の形態を図５に示す。図３と同一の符号を付したものは図３におけると同一のものである。
【００８９】
図４の画像表示装置の変形例として、画像表示素子５Ｒ、５Ｇ、５Ｂに代えて、透過型の画像表示素子５１Ｒ、５１Ｇ、５１Ｂを用いた実施の形態を図６に示す。図４と同一の符号を付したものは図４におけると同一のものである。
【００９０】
図５、図６においては、照明手段を省略したが、照明手段としては例えば図１や図２に示したものと同様のものを用いればよい。図１や図２に示した実施の形態においても、反射型の画像表示素子に代えて、透過型の画像表示素子を用い得ることは勿論である。
【００９１】
図３〜図６に示した画像表示素子においては、合成すべき画像光が３つあるのに対し光路シフト素子を２個用い、光路シフト素子のうちの１つは、２つの画像光に共通化している。これら光路シフト素子１０１、１０２は、各色画像光の光路シフト量が略等しくなるように調整されるのであるが、２つの色の画像光に共用される光路シフト素子においては、光路シフト量の波長依存性を０にはできないから、この場合、２つの色の画像光に光路シフト量の差が生じてしまう。
【００９２】
図３の実施の形態では、第１合成画像光として合成されるのが緑画像光と青画像光であるが、この場合のように、光路シフト素子に入射する第１合成画像光が「隣接する波長帯域の光の合成光」であることが好ましい（請求項６）。従って、別の色の組み合わせとして、赤画像光と緑画像光を第１合成画像光として組合わせ、他の画像光を青画像光とすることも好ましい。
【００９３】
前述の如く、光路シフト素子の作用を「可視域全般に対して同等に作用させ」ることは光路シフト量の波長依存性により困難であるが、上記の如く「隣接した波長帯域」間では波長依存性に起因する光路シフト量の差も大きくはなく、スクリーン上における各成分画像のずれを有効に軽減して実用上十分な解像度を得ることができる。
【００９４】
一般に、光路シフト素子では「材料の屈折率の波長分散」が波長特性（波長依存性）に大きく影響する。可視域が透明である材料では、波長分散は長波長側で少なく、短波長側で大きくなる特性を有する。このような傾向を考慮すると、３色の画像光の場合には第１合成画像光は「赤画像光と緑画像光の合成光」とすることがより好ましい。
【００９５】
以下には、光路シフト素子について説明する。
この発明の画像表示装置に用いることのできる光路シフト素子としては、
（１）光軸光線に対して傾斜した面を有する光学部材を備えたもの
（２）光軸光線に対して傾斜した１軸性光学異方体による光路変化を利用するもの
（３）少なくとも一方が１軸性の光学異方体である２つの媒質からなる光軸光線に対して傾斜した界面を有するもの
を好ましい例として挙げることができる。
【００９６】
以下、これらの光路シフト素子を説明する。
図７に示すものは、光軸光線ＡＬに対して傾斜面を有する光学素子２０１１の傾斜面の傾斜角を変化させて屈折角を制御し、光路シフトを行うものである。この方式の光路シフト素子の光路シフト量は、光学素子２０１１の「屈折率、傾斜角および厚さ」で決定されるため、これらを単独または他のものと組み合わせて制御することで光路シフト素子の光路シフト量を制御できる（請求項８）。
【００９７】
図８（ａ）に示すものは、水晶やニオブ酸リチウムなどの１軸性光学結晶ないし同様の光学特性を有する１軸性光学異方体からなる光学素子２０２１からなり、結晶軸または主光軸（光学素子２０２１内部の「斜め線」）が入射光軸光線ＡＬに斜めに配置された光学素子である。
【００９８】
このような光学素子２０２１に「直線偏光」を入射させた場合、入射光の偏光方向と「主光軸の傾斜方向」が一致している場合（図の上側の光線ＡＬ１）には、複屈折効果によって光路シフトを生じ、傾斜方向と偏光方向が直交している場合（図の下側の光線ＡＬ２）にはシフトを受けない。
【００９９】
このような光学素子２０２１を能動的に用いるには、従来公知のように、図８の（ｂ）に示すような偏光面を変調可能な素子２０３１を設け、光学素子２０２１に入射する偏光の方向を制御する構成が考えられる。「偏光面を変調可能な素子」としては、ツイステッドネマティック型の液晶、ネマティック液晶の複屈折変化を利用した各種方式、水平配向させた強誘電性液晶を用いた方式等「液晶の電気光学効果を用いた方式のもの」を用いることができる。
【０１００】
１軸性光学異方体による光路シフト量は、主光軸の傾斜角、屈折率およびその異方性、厚さによって制御されるので、これらを単独または組み合わせて制御することで光路シフト素子の偏向特性を制御することができる（請求項９）。
【０１０１】
但し、この方式では「光路シフト素子を出射する光の振動方向が偏光変調素子の動作状態に依存して変化してしまう」ため、色合成に偏光ビームスプリッタを用いる場合には問題がある。
【０１０２】
そこで、この場合には、偏光変調手段２０３１を用いずに光路シフトを行わせる構成が好ましい。このような構成例の模式断面図を図９に示す。
液晶層２１３は、基板２１１、２１２に挟まれている。液晶層２１３は「電場などの外場」によって、液晶分子の傾斜角（図中の角：θ）が変化するように構成されている。
【０１０３】
液晶分子が基板２１１、２１２に対して垂直または水平に配向していると、入射光Ｌの光路は図中の「ａ」のように変化を受けないが、図のように基板２１１側から２１２側へ向って「右上がりに傾斜」していると、液晶分子の複屈折率、傾斜角：θ、厚さ：ｄで定まるシフトを受け、「ｂ」のようになる。逆に、液晶分子が基板２１１側から２１２側へ「右下がりに傾斜」している場合にはシフトの向きが逆になり、図中の「ｂ’」のようになる。
【０１０４】
この方式では、入射光Ｌの偏光方向を制御する手段を必要とせず、液晶素子のみで光路シフトを行わせることができ、射出光の偏光状態がシフト状態に依存しないので、図３に示す画像表示装置のように、光路シフト素子を「照明光と投射光の共通光路中に配置する」場合に特に好適である。
【０１０５】
なかでも「垂直配向させた強誘電性液晶を用いた光路シフト素子」は、光路シフトを高速で行えるので特に好適である（請求項１０）。
図１０は、「垂直配向させた強誘電性液晶を用いた光路シフト素子」の構成を説明するための図である。（ａ）に示すように、１対の透明基板３の間に液晶層１が挟持されている。透明基板３の「液晶と接する面」には「液晶を基板に対して垂直に配向させる」ための配向膜２がそれぞれ形成されている。電極４は、透明基板３の基板面に平行な方向に電界を印加する。
【０１０６】
図１０（ｂ）は光路シフト素子の動作を説明する図である。符号１Ａは、液晶層１における「模式化されて描かれた液晶分子」を示している。電極４に電圧を印加すると、強誘電性液晶の自発分極（矢印）が（Ｙ軸の＋方向）に配向し、液晶分子１Ａは図のように基板面に対し傾斜して配向する。印加電界の極性を反転させると、自発分極は逆向き（Ｙ軸の−方向）に再配向し、液晶分子は逆方向に傾斜して配向することになる。
【０１０７】
このような動作により、図９における傾き角：θの状態として「＋θと―θに傾いた２つの状態」を電圧の極性切り替えで実現できる。
【０１０８】
この方式の光路シフト素子では、先に１軸性光学異方体に即して説明したように、光路シフト量は「主光軸すなわち液晶の傾斜角、屈折率およびその異方性、厚さ」によって制御されるので、これらを単独または組み合わせて制御することで光路シフト素子の光路シフト量を制御できる。また、傾斜角を電界で制御できるので、印加電圧の大きさによっても光路シフト量を制御できる。
【０１０９】
図１１は、「少なくとも一方が１軸性の光学異方体である２つの媒質からなり、光軸光線ＡＬに対して傾斜した界面を有する光路シフト素子（請求項１１）」の構成例を示す。
【０１１０】
図１１（ａ）において、透光性基板１１Ａ、１２Ａの間に、これら基板とは屈折率の異なる媒体３０が挟持されており、両者の界面は光軸光線ＡＬに対して傾斜して構成されている。入射光は「界面の傾き角度および両者の屈折率によって定まる角度」だけ屈折され、図のように光路がシフトされる。屈折率の異なる媒体３０としては「屈折率異方性を有する液晶」を用いることが好ましい。
【０１１１】
図１１の例においては、媒体３０として「ホモジニアス配向した液晶」が用いられている。このような構成により「入射光の偏光方向と液晶３０の配向方向の組み合わせ」によって「偏光が受ける実効的な屈折率」を変化させ、シフト量を制御できる。
【０１１２】
用いる液晶３０が「電場等の外場で配向変化を起こす場合」、外場の制御によりシフト量を制御可能である。高速でかつ「大きな屈折率変化」を得るためには、液晶３０が基板面に平行な面内で、図１１（ｂ）に示すような「液晶分子３１の配向変化」をとることが最も好ましい。この例では「コーン角」が９０°である強誘電性液晶３０を用いることでこのような効果を発現させている。
【０１１３】
液晶３０の両側に透明電極４０が形成され、ホモジニアス配向している液晶ダイレクタに直交する方向、即ち「液晶ダイレクタの自発分極方向」に電界が印加される構成となっている。さらに、この構成においては、液晶３０の層が光の入射方向に対して傾き角：φをなしている。
【０１１４】
図１１（ｂ）の液晶層の断面図（Ａ−Ａ’断面図）に示されたように、液晶ダイレクタ３１は電極４からの電界方向に対応して２方向に配向される。
【０１１５】
この構成においては、液晶配向を「略直交する方向」に規制することで効率良く光路シフトさせることが可能である。即ち、図１１において、入射光の直線偏光面をＸＺ面になるよう入射光を操作してこの光路シフト素子に入射させたとき、液晶ダイレクタ３１がＹ軸方向を向くように電界を印加すると、入射光は常光として振るまいシフトすることなく透過する。
【０１１６】
電界印加方向を反転させ液晶ダイレクタ３１がＺ方向を向くようにすると、直線偏光は異常光として振る舞いシフトされる（請求項１２）。
【０１１７】
液晶ダイレクト３１の配向を「互いに直交する方向」に規制するため、両基板１１Ａ、１２Ａの表面に形成される配向膜に対して、液晶配向に対応する方向にラビング処理等の配向処理を行うことが好ましい。
【０１１８】
図１２は「強誘電性液晶を用いた光路シフト素子」の別の構成例を示す。図１２において液晶１１０に接する透明基板１１１の境界面は、図１２（ｂ）に示すように「所定角：ψ_１（≠０）」だけ傾斜している。
【０１１９】
液晶１１０は、図１１の場合と同様に「ホモジニアス配向」しており、液晶１１０と両側の基板１１１、１２１との両界面付近に形成された図示されない透明電極により、図１１におけると同様の配向制御が行われる。傾斜角：ψ_１を保持した状態で透明基板１１１、１２１間のギャップを所望の範囲に収めるため、図１２（ａ）に示すように、境界面の傾斜部を「ある間隔で鋸刃状に形成する」ことが好ましい。このように形成する方法としては、ガラスによる透明基板１１１をエッチングしたり、透明プラスチック材料を射出成形等により加工して透明基板１１１とすればよい。
【０１２０】
この構成の特徴は「入射光に対する出射光が、液晶ダイレクタ１１０Ａ（図１２（ｂ））の制御により回転移動可能」である点にある。また、光路シフト素子と受光部との距離を適切に選ぶことで所望のシフト量を得ることができる。
【０１２１】
図１２の光路シフト素子を２つ、図１３のように組合せ、液晶部１１０から液晶部２１０までの距離を適切に選ぶことにより、入射光と射出光を平行に保ったまま必要な光路シフト量を得ることができる。これによって光路シフト量を容易に調整でき、利便性に優れたシステムを構成できる。また光路シフト量が一定であれば中間基板を介して１つの素子内に液晶を２層設けても良い。
【０１２２】
この方式は、偏光変調手段等の「別のスイッチング素子」を必要とせず、簡単な構成で所望の光路シフト量を実現でき、また低電圧で動作可能で、射出偏光の偏光状態がシフト状態に依存しないので、図１の画像表示装置におけるように照明光と投射光の共通光路中に配置するのに好適である。
【０１２３】
この光路シフト素子においては「界面の傾斜角、媒質の入射光線に対する実質的な屈折率またはこれらの両方」を制御することで、光路シフト素子の光路シフト量を制御できる。また、図１３のように複数の光路シフト素子を備えた構成ではさらに、光路シフト素子間の距離または光路シフト素子間の媒質の屈折率、またはこれらの両方を制御することで２つの光路シフト素子の光路シフト量を制御可能である。
【０１２４】
前述したように、この発明の画像表示装置では、１画像フレームを光路シフト素子のシフトレベル数に応じた複数のサブフレームに分割し、サブフレームの切り替えに応じて光路シフト素子を動作させるとともに、光路シフト素子のシフト位置に対応した画像情報を画像表示素子に表示させる。即ち、光路シフト素子のシフトレベルが２であれば２つのサブフレームに分割する。
【０１２５】
光路シフト素子の構成によっては、直交する二つの方向にシフトさせることもでき、それぞれの方向に対してｎレベルおよびｍレベルの光路シフトレベルであれば「ｍ・ｎのサブフレーム」に分割することで、ｍ・ｎ倍の画素数を実現できる。たとえば、図８〜１３に即して説明したような「シフト方向に偏向依存のある光路シフト素子を用いる」場合は、図１４に示すように、互いに直交するｘ、ｙ方向に光路シフトを行わせる２個の光路シフト素子１０１ｘ、１０１ｙを組み合わせるとともに、中間に偏光面を９０°回転させる素子、例えば１／２波長板やライトガイドのような素子を設けることにより、所望の光路シフト素子を実現できる。
【０１２６】
なお、光路シフト素子からの出射光は、色合成手段である偏光ビームスプリッタで反射光として結像手段に導かれる場合にはＳ偏向に、透過光である場合にはＰ偏向として偏光ビームスプリッタに入射するように構成する必要があるが、これは、必要に応じて偏光制御用の１／２波長板やライトガイドのような素子を偏光ビームスプリッタを含む光路中に設けたり、図４の構成では偏光面旋回手段２０３の射出偏光の方向を設定することで実現できる。
【０１２７】
【実施例】
以下、請求項４記載の画像表示装置に関する具体的な実施例を挙げる。
【０１２８】
実施例１
図３に示した投写型の画像表示装置と同様のものを以下の如く作成した。
光源として１２０Ｗの高圧水銀灯を用い、その反射鏡として口径：６０ｍｍの回転放物面反射鏡を用いた。インテグレータのフライアイレンズには「５５ｍｍ×５５ｍｍで６×８個のフライアイレンズ」を用い、フィールドレンズを組み合わせることで反射型の画像表示素子を照明した。
【０１２９】
照明系のＦ値は４．０とし、画像表示素子としては「画素数：１０２４×７６８、対角長：０．９インチで反射型強誘電性液晶の液晶表示素子（画素ピッチ１７．９μｍ、有効サイズ１３．７ｍｍ×１８．３ｍｍ）」を用いた。この液晶表示素子には、入射側のガラス基板に、画素に対応させてマイクロレンズアレイを設けてあり、これによって照明光を各画素に縮小照明する。
【０１３０】
偏光面旋回手段としては、カラーリンク社製のカラーセレクト（商品名）を用い、偏光ビームスプリッタへの入射光が、赤色成分光と青色成分光はＳ偏向となり、緑色成分光はＰ偏向となるよう構成した。ダイクロイックプリズムには赤色成分光反射、青色成分光透過の特性を有するものを用いた。
【０１３１】
緑用の画像表示素子と偏光ビームスプリッタの間には、光路長調整用にダイクロイックプリズムと同じ光路長のキュービックガラスを設けた。ダイクロイックプリズムと偏光ビームスプリッタの間、ダイクロイックプリズムとキュービックガラスの間には、垂直配向させた強誘電性液晶（コーン角：２２．５°、ｎ０（常光線屈折率）＝１．６１（４５０ｎｍ）、１．６０（５５０ｎｍ）、１．５９（６５０ｎｍ）、ｎｅ（異常光線屈折率）＝１．８３（４５０ｎｍ）、１．８０（５５０ｎｍ）、１．７８（６５０ｎｍ））による光路シフト素子を、液晶の傾斜方向が結像光の偏光方向と一致するように設けた。
【０１３２】
液晶層の厚さは５３μｍとした。この光路シフト素子は、電圧印加によって±４．５μｍの光路シフト量を生ずる。光路シフトの方向は「画像表示素子の短辺方向」とした。各プリズムおよびキュービックガラスの屈折率は１．６５とし、サイズは３５ｍｍ角とした。ダイクロイックプリズムの出射側にはＦＮｏ．２．０の結像レンズを投射レンズとして設け、スクリーン位置における投射カラー画像を、ＣＣＤカメラを用いて評価した。
【０１３３】
この実施例において「ケラレ」なしに光路シフトを行わせるための光路シフト素子のサイズは２０ｍｍ×２６ｍｍであり、偏光ビームスプリッタと結像レンズとの間における偏光ビームスプリッタ直後の位置に配置した場合の必要サイズ：２６ｍｍ×３５ｍｍに対し５７％の面積であった。
【０１３４】
光路シフト素子を動作させることで、１０２４×１５３６の画素数の表示を行うことができた。光路シフト量は画像表示素子の画素サイズに対して、青、緑、赤の各画像光に対し、それぞれ４．７５、４．５０、４．４０μｍ相当であり、色による誤差は８％であった。
【０１３５】
ここに「色による誤差」は、光路シフト量：Ａ＜Ｂ＜Ｃとするとき、「｛（Ｃ−Ａ）／Ｂ｝×１００で定義される。
【０１３６】
実施例２
上記実施例１において、偏光面旋回手段として「波長選択特性の異なるもの」を用い、偏光ビームスプリッタへの入射光が、緑色成分光と青色成分光に対しては偏光ビームスプリッタに対してＳ偏向、赤色成分光に対してはＰ偏向となるように構成した。
【０１３７】
ダイクロイックプリズムとしては青色成分光を反射し、緑色成分光を透過させるものを用いた。赤用の画像表示素子と偏光ビームスプリッタの間には、光路長調整用にダイクロイックプリズムと同じ光路長のキュービックガラスを設けた。
【０１３８】
光路シフト素子の液晶層の厚さは、緑画像光と青画像光に対して５３μｍ、赤画像光に対して５５μｍとした。
【０１３９】
この装置においても実施例１と同様、小型の光路シフト素子が用いることができることを確認できた。光路シフト量は、表示素子の画素サイズに対して青、緑、赤の各画像光に対しそれぞれ４．７５、４．５０、４．５６μｍ相当であり、色による誤差は実施例１における８％から５％に改善された。
【０１４０】
実施例３
実施例１において、偏光面旋回手段として「波長選択特性の異なるもの」を用いることで、偏光ビームスプリッタへの入射光が、赤色成分光と緑色成分光に対してはＳ偏向となるよう、青色成分光に対してはＰ偏向となるよう構成した。ダイクロイックプリズムには赤色成分光を反射し、緑色成分光を透過させるものを用いた。
【０１４１】
青用の画像表示素子と偏光ビームスプリッタの間には、光路長調整用にダイクロイックプリズムと同じ光路長のキュービックガラスを設けた。
【０１４２】
光路シフト素子の液晶層の厚さは、緑画像光と赤画像光に対して５３μｍ、青画像光に対して５０μｍとした。
【０１４３】
この装置においても実施例１と同様、小型の光路シフト素子が用いることができることを確認できた。光路シフト量は、画像表示素子の画素サイズに対して青、緑、赤の各画像光に対し、それぞれ４．４８、４．５０、４．４０μｍ相当であり、色による誤差は２％に改善された。
【０１４４】
実施例４
図４に示した投写型の画像表示装置と同様の構成のものを作製した。
光源として１２０Ｗの高圧水銀灯をランプに用い、反射鏡として口径：６０ｍｍの回転放物面反射鏡を用いた。インテグレータのフライアイレンズには「５５ｍｍ×５５ｍｍで６×８個のフライアイレンズ」を用い、フィールドレンズを組み合わせることで反射型の画像表示素子を照明した。
【０１４５】
照明系のＦ値は４．０とし、画像表示素子として「画素数：１０２４×７６８、対角長：０．９インチの反射型強誘電性液晶の液晶表示素子（画素ピッチ：１７．９μｍ、有効サイズ：１３．７ｍｍ×１８．３ｍｍ）」を用いた。
【０１４６】
この液晶表示素子は、入射側のガラス基板に、画素に対応させてマイクロレンズアレイを設けてあり、これによって照明光を各画素に縮小照明する。偏光面旋回手段２０１としてカラーリンク社製のカラーセレクトを用い、偏光ビームスプリッタ１７１への入射光が、赤色成分光と青色成分光はＰ偏向、緑色成分光はＳ偏向となるよう構成した。
【０１４７】
偏光ビームスプリッタ１７１と１７２の間に、２色の照明光をそれぞれＰ偏向、Ｓ偏向に変換するためのカラーセレクト２０２を設けた。偏光ビームスプリッタ１７２の射出側には、射出光の偏光方向を揃えるためのカラーセレクト２０３を配した。カラーセレクト２０３と偏光ビームスプリッタ１７４の間、および、偏光ビームスプリッタ１７３と１７４の間には、垂直配向させた強誘電性液晶（コーン角：２２．５°、ｎ０＝１．６１（４５０ｎｍ）、１．６０（５５０ｎｍ）、１．５９（６５０ｎｍ）、ｎｅ＝１．８３（４５０ｎｍ）、１．８０（５５０ｎｍ）、１．７８（６５０ｎｍ））からなる光路シフト素子１０２を、液晶の傾斜方向が投射光の偏光方向と一致するように設けた。液晶層の厚さは５３μｍとした。この光路シフト素子は電圧印加によって±４．５μｍの光路シフトを生ずる。光路シフトの方向は画像表示素子の短辺方向とした。
【０１４８】
各偏光ビームスプリッタの屈折率は１．６５とし、サイズは３５ｍｍ角とした。偏光ビームスプリッタ１７４の射出側にはＦＮｏ．２．０の投射レンズを設け、スクリーン位置における投射カラー画像をＣＣＤカメラを用いて評価した。
【０１４９】
この実施例の構成において、「ケラレ」なしに光路シフトを行わせるための光路シフト素子１０１、１０２のサイズは２０ｍｍ×２７ｍｍで、偏光ビームスプリッタ１７４の射出側の直後に配置した場合の必要サイズ：２６ｍｍ×３５ｍｍの５７％の面積であった。
【０１５０】
光路シフト素子を動作させることで、１０２４×１５３６の画素数の表示を行うことができた。光路シフト量は、画像表示素子の画素サイズに対して青、緑、赤の各画像光に対し、それぞれ４．７５，４．５０，４．４０μｍ相当であり、色による誤差は８％であった。
【０１５１】
また、スクリーン輝度は実施例１に比して７％向上した。
【０１５２】
実施例５
実施例４において、偏光ビームスプリッタ１７１への入射光が、緑色成分光と青色成分光はＰ偏向、赤色成分光はＳ偏向となるよう構成した。
光路シフト素子１０１、１０２には、実施例２と同じ組み合わせのものを用いた。この実施例装置では、各素子サイズ、輝度に対して実施例４と同等の性能が得られ、色によるシフト誤差は実施例２と同様に５％に改善された。
【０１５３】
実施例６
実施例４において、偏光ビームスプリッタ１７１への入射光が、緑と赤に対してはＰ偏向、青に対してはＳ偏向となるよう構成した。ダイクロイックプリズムは「赤反射、緑透過の特性を有するもの」を用いた。
光路シフト素子には実施例３と同じ組み合わせのものを用いた。この装置は、素子サイズ、輝度に対しては実施例４と同等の性能が得られ、色によるシフト誤差は実施例３と同様に２％に改善されていた。
【０１５４】
実施例７
実施例１において、光路シフト素子として図１３に即して説明したものを用いた。１対の素子はそれぞれ、傾斜角：１°で１００μｍピッチの鋸刃構造を片側基板１１１、２１２に有し、コーン角が９０°である強誘電性液晶をホモジニアス配向させた素子であり、これらを前後に配列して平行シフトを行わせるものとした。
【０１５５】
用いた液晶は、屈折率：ｎ０＝１．６１（４５０ｎｍ）、１．６０（５５０ｎｍ）、１．５９（６５０ｎｍ）、ｎｅ＝１．８３（４５０ｎｍ）、１．８０（５５０ｎｍ）、１．７８（６５０ｎｍ））のもので、電圧印加の正逆による液晶の２つの配向方向は、偏光ビームスプリッタに対するＰ偏向とＳ偏向の振動方向に一致させた。鋸刃構造の「くさびの向き」は、画像表示素子の短辺と一致させた。液晶層の厚さは平均で２μｍとした。２個の素子間は（図１３における基板１２１と２１１を一体化させて）屈折率：１．６のガラスとし、対向する基板の屈折率も１．６とした。
【０１５６】
この光路シフト素子は、電圧印加によって約９μｍ（５５０ｎｍ）の光路シフトを生ずる。各プリズムおよびキュービックガラスの屈折率は１．６５とし、サイズは３５ｍｍ角とした。ダイクロイックプリズムの射出側にはＦＮ０．２．０の投射レンズを設け、スクリーン位置における投射カラー画像をＣＣＤカメラを用いて評価した。
【０１５７】
この実施例構成において、「ケラレ」なしに光路シフトを行わせるための光路シフト素子のサイズは２０ｍｍ×２６ｍｍであり、偏光ビームスプリッタの射出側直後に配置した場合の必要サイズ２６ｍｍ×３５ｍｍに対し５７％の面積であった。
【０１５８】
光路シフト素子を動作させることで、１０２４×１５３６の画素数の表示を行うことができた。シフト量は、画像表示素子の画素サイズに対して青、緑、赤の各画像光に対しそれぞれ８．３、８．９、１．０μｍ相当であり、色による誤差は２１％であった。
【０１５９】
実施例８〜１１
上記実施例７において、偏光ビームスプリッタで分離する偏光の組み合わせ及びダイクロイックプリズムの分離特性を変え、光路シフト素子における鋸刃構造の傾斜角、１対の素子間の透明基板厚を種々に変えて装置を作成した結果、光路シフト素子のサイズ、表示カラー画像の輝度に対しては実施例７と同等の性能が得られ、色によるシフト誤差も実用上十分であった。以下、一覧として示す。
【０１６０】
一覧において「偏光分離」は、偏光ビームスプリッタによる偏光分離特性であり、「Ｓ」は、光路シフト素子１０１側に反射される色成分光、「Ｐ」は、光路シフト素子１０２側へ透過する色成分光、「色分離」は、ダイクロイックプリズムによる色の分離で「透」は透過、「反」は反射を意味する。「傾斜角」は、実施例７において用いた型の光路シフト素子における鋸刃構造の傾斜角（度）、「中間基板厚」は、図１３における基板１２１と２１１を一体化させた屈折率：１．６のガラス板の厚さ（ｍｍ）であり、「ａ」は光路シフト素子１０１、「ｂ」は光路シフト素子１０２である。「シフト誤差」は、前述の「色によるシフト誤差（％）」である。
【０１６１】

【０１６２】
実施例１２〜１６
前記実施例４において、光路シフト素子として上記実施例７〜１１と同じものを用い、偏光面旋回手段２０１、２０２、２０３の偏光分離特性を、色成分光の分配に応じて変えることで５種類の装置（実施例１２〜１６）を作製した。これらの装置においても、光路シフト素子のサイズ、表示されたカラー画像の輝度については実施例７と同等の性能が得られた。
【０１６３】
また波長域が隣接する色成分光が同じ光路シフト素子で光路シフトされるように分光方法を選択し、光路シフト素子の鋸刃構造の傾斜角および上記中間基板厚を調整し、色によるシフト誤差を改善できた。以下に一覧として示す。
【０１６４】
「偏光分離」、「Ｓ」、「Ｐ」、「傾斜角」、「中間基板厚」、「ａ」、「ｂ」、「シフト誤差」の意味するところは上記実施例８〜１１におけると同様である。
【０１６５】

【０１６６】
【発明の効果】
以上に説明したように、この発明によれば画像表示方法および画像表示装置を実現できる。この発明の請求項１〜３に記載の画像表示装置は、表示されるべき画像を構成する画像光ごとに光路シフト素子による光路シフトを行い、各光路シフト量を実質的に同一とするので、各画像光の結像相互のずれがない。
【０１６７】
また、請求項４以下の画像表示装置は、各画像光の結像相互のずれが少なく、光路シフト素子が２個ですむ。
【０１６８】
従って、これらの画像表示装置を用いて行うこの発明の画像表示方法により、解像度の高い良好な画像を表示することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】画像表示装置の実施の１形態を説明するための図である。
【図２】画像表示装置の実施の別形態を説明するための図である。
【図３】画像表示装置の実施の他の形態を説明するための図である。
【図４】画像表示装置の実施の他の形態を説明するための図である。
【図５】画像表示装置の実施の他の形態を要部のみ示す図である。
【図６】画像表示装置の実施の他の形態を要部のみ示す図である。
【図７】この発明の画像表示装置に使用できる光路シフト素子の１例を説明するための図である。
【図８】この発明の画像表示装置に使用できる光路シフト素子の別例を説明するための図である。
【図９】この発明の画像表示装置に使用できる光路シフト素子の他の例を説明するための図である。
【図１０】この発明の画像表示装置に使用できる光路シフト素子の他の例を説明するための図である。
【図１１】この発明の画像表示装置に使用できる光路シフト素子の他の例を説明するための図である。
【図１２】この発明の画像表示装置に使用できる光路シフト素子の他の例を説明するための図である。
【図１３】この発明の画像表示装置に使用できる光路シフト素子の他の例を説明するための図である。
【図１４】この発明の画像表示装置に使用できる光路シフト素子の他の例を説明するための図である。
【符号の説明】
１１　　　　　　　　　光源
１２、１３　　　　　　フライアイレンズ
１９　　　　　　　　　フィールドレンズ
２０　　　　　　　　　波長選択性偏光面旋回手段（偏光面旋回手段）
１７　　　　　　　　　偏光ビームスプリッタ
１８　　　　　　　　　ダイクロイックプリズム
５Ｒ、５Ｇ、５Ｂ　　　画像表示素子
１０１、１０２　　　　光路シフト素子
７　　　　　　　　　　結像レンズ

Claims (16)

1. ３つもしくは４つの画像表示素子に画像を表示し、照明手段によりこれら画像表示素子を互いに異なる色の光で照明し、上記各画像表示素子により画像に応じて変調された各色の画像光を合成し、結像手段により結像表示する画像表示装置において、
   各画像表示素子と、これら画像表示素子により画像に応じて変調された各色の画像光を、結像手段により結像させるべき合成画像光とする色合成手段との間に、各画像表示素子に対応して、各画像光の光路を進行方向と直交する所定方向へシフトさせる光路シフト素子を配設し、
   各光路シフト素子の光路シフト量を実質的に等しく設定したことを特徴とする画像表示装置。
2. 請求項１記載の画像表示装置において、
   各画像表示素子に対応して配設される光路シフト素子の配設位置が、色合成手段への入射位置側であることを特徴とする画像表示装置。
3. 請求項１記載の画像表示装置において、
   各画像表示素子に対応して配設される光路シフト素子の配置位置が、各画像表示素子に近接した位置であることを特徴とする画像表示装置。
4. ３つもしくは４つの画像表示素子に画像を表示し、照明手段によりこれら画像表示素子を互いに異なる色の光で照明し、上記各画像表示素子により画像に応じて変調された各色の画像光を合成し、結像手段により結像表示する画像表示装置において、
   ２以上の色の画像光を合成して第１合成画像光とする第１色合成手段と、
   この第１色合成手段により合成された上記第１合成画像光と、残りの色の画像光とを合成し、結像手段により結像させるべき第２合成画像光とする第２色合成手段と、
   上記第１合成画像光が第２色合成手段へ入射する第１の入射光路中に配置され、上記第１合成画像光の光路を進行方向と直交する所定方向へシフトさせる第１の光路シフト素子と、
   上記残りの色の画像光が、上記第１合成画像光と合成されるべく上記第２色合成手段へ入射する第２の入射光路中に配置され、上記残りの色の画像光の光路を進行方向と直交する所定方向へシフトさせる第２の光路シフト素子とを有することを特徴とする画像表示装置。
5. 請求項４記載の画像表示装置において、
   第２の光路シフト素子に入射する残りの色の画像光が、２つの画像光を合成したものであることを特徴とする画像表示装置。
6. 請求項４または５記載の画像表示装置において、
   ２つの画像光が合成されて入射する光路シフト素子への入射光は、互いに波長領域が隣接する画像光の合成光であることを特徴とする画像表示装置。
7. 請求項４または５または６記載の画像表示装置において、
   第１および第２の光路シフト素子による光路シフト量が、各画像光間で略等しくなるように、上記第１および第２の光路シフト素子の光路シフト量を調整したことを特徴とする画像表示装置。
8. 請求項１ないし７の任意の１に記載の画像表示装置において、
   光路シフト素子が、画像光の光軸光線に対して傾斜した面を有する光学部材を備えた光学素子であり、この光学素子の、材質の屈折率、もしくは上記傾斜した面の傾斜角、もしくは上記光学素子の厚さ、またはこれらの組み合わせを制御することにより光路シフト量を制御可能としたものであることを特徴とする画像表示装置。
9. 請求項１ないし７の任意の１に記載の画像表示装置において、
   光路シフト素子が、画像光の光軸光線に対して傾斜した１軸性光学異方体による光路変化を利用したものであり、上記１軸性光学異方体の、傾斜角、または屈折率、または厚さ、またはこれらの組み合わせを制御することにより光路シフト量を制御可能としたものであることを特徴とする画像表示装置。
10. 請求項９記載の画像表示装置において、
    １軸性光学異方体が、印加電圧によって配向の変化する液晶材料で、印加電圧の制御により実質的な屈折率を制御するものであることを特徴とする画像表示装置。
11. 請求項１ないし７の任意の１に記載の画像表示装置において、
    光路シフト素子が、少なくとも一方が１軸性光学異方体である少なくとも２つの材料によって形成され、画像光の光軸光線に対して傾斜した界面を有し、該界面の傾斜角、媒質の入射光線に対する実質的な屈折率、またはこれら双方を制御することで、光路シフト量を制御可能としたものであることを特徴とする画像表示装置。
12. 請求項１１記載の画像表示装置において、
    １軸性光学異方体が、印加電圧によって配向の変化する液晶材料で、印加電圧の制御により実質的な屈折率を制御するものであることを特徴とする画像表示装置。
13. 請求項１１または１２記載の画像表示装置において、
    光路シフト素子が、少なくとも一方が１軸性光学異方体である２つの媒質の、画像光の光軸光線に対して傾斜した界面を有する複数のシフト素子から構成され、これらシフト素子間の距離またはシフト素子の媒質の屈折率、またはこれら双方を制御することにより光路シフト素子の光路シフト量を制御可能としたものであることを特徴とする画像表示装置。
14. 請求項４ないし７の任意の１に記載の画像表示装置において、
    第１色合成手段がダイクロイックプリズムで、第２色合成手段が偏光ビームスプリッタであることを特徴とする画像表示装置。
15. 請求項４ないし７の任意の１に記載の画像表示装置において、
    第１および第２色合成手段が偏光ビームスプリッタであることを特徴とする画像表示装置。
16. ３つもしくは４つの画像表示素子に画像を表示し、照明手段によりこれら画像表示素子を互いに異なる色の光で照明し、上記各画像表示素子により画像に応じて変調された各色の画像光を合成し、結像手段により結像表示する画像表示方法であって、
    請求項１ないし１５の任意の１に記載の画像表示装置を用い、
    １画像フレームを複数のサブフレームに分割し、サブフレームの切り替えに応じて光路シフト素子による光路シフトを行い、画像が表示される位置をサブフレームごとに制御することにより、画像表示素子の画素数より大きい表示画素数を得ることを特徴とする画像表示方法。

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