JP2005215602A - Optical shift element and projection type picture display device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は画像表示装置に関し、特にカラーフィルタを用いずに1枚の画像表示パネルによってカラー表示を行う単板式投影型画像表示装置およびその装置に好適な光学シフト素子に関している。 The present invention relates to an image display device, and more particularly to a single-plate projection image display device that performs color display using a single image display panel without using a color filter, and an optical shift element suitable for the device.
画像表示装置として、液晶表示パネルを用いた投影型画像表示装置が従来より知られている。液晶表示パネルを用いた投影型画像表示装置では、液晶表示パネル自体が発光しないため、別に光源を設ける必要がある。しかし、CRTを用いた投影型画像表示装置と比較すると、色再現範囲が広く、小型で軽量であり、コンバージェンス調整が不用であるなどの非常に優れた特徴を投影型画像表示装置は備えている。 As an image display device, a projection type image display device using a liquid crystal display panel is conventionally known. In a projection type image display apparatus using a liquid crystal display panel, the liquid crystal display panel itself does not emit light, so that it is necessary to provide a separate light source. However, compared with a projection type image display apparatus using a CRT, the projection type image display apparatus has very excellent features such as a wide color reproduction range, a small size and a light weight, and no need for convergence adjustment. .
液晶表示パネルを用いた投影型画像表示装置によってフルカラー表示を行うには、3原色に応じて液晶表示パネルを3枚用いる3板式と、1枚のみを用いる単板式がある。 In order to perform full color display by a projection type image display apparatus using a liquid crystal display panel, there are a three-plate type using three liquid crystal display panels according to three primary colors and a single-plate type using only one sheet.
3板式の投影型画像表示装置では、白色光を赤(R)、緑(G)、および青(B)の3原色それぞれに分割する光学系と、R、G、およびB色の光をそれぞれ変調して画像を形成する3枚の液晶表示パネルとを用い、R、G、およびB色の各々の画像を光学的に重畳することによってフルカラーの表示を実現している。3板式の投影型画像表示装置では、白色光源から放射される光を有効に利用できるが、光学系が繁雑で部品点数が多くなってしまうため、一般に、コストおよびサイズの観点で単板式の投影型画像表示装置よりも不利である。 In the three-plate projection type image display device, an optical system that divides white light into three primary colors of red (R), green (G), and blue (B), and R, G, and B light respectively Full-color display is realized by optically superimposing R, G, and B color images using three liquid crystal display panels that modulate to form images. In the three-plate projection type image display device, light emitted from a white light source can be effectively used. However, since the optical system is complicated and the number of parts increases, generally, a single-plate projection is performed from the viewpoint of cost and size. This is disadvantageous compared to the type image display device.
単板式の投影型画像表示装置は、モザイク状またはストライプ状に配列した3原色のカラーフィルタを備えた1枚の液晶表示パネルを用いる。そして、液晶表示パネルで表示したフルカラー画像を投影光学系によってスクリーンなどの被投影面に投影する。このような単板式の投影型画像表示装置は、たとえば特許文献1に開示されている。単板式の場合、1枚の液晶表示パネルを用いるので、光学系も3板式の場合に比較して単純な構成で済み、小型の投影型画像表示装置を低コストで提供するのに適している。
A single-plate projection-type image display apparatus uses a single liquid crystal display panel provided with color filters of three primary colors arranged in a mosaic shape or a stripe shape. Then, the full color image displayed on the liquid crystal display panel is projected onto a projection surface such as a screen by the projection optical system. Such a single-plate projection-type image display device is disclosed in, for example,
しかし、カラーフィルタを用いる単板式の場合、カラーフィルタでの光吸収が発生するため、同等の光源を用いた3板式の場合と比較して画像の明るさが約1/3に低下してしまう。また、液晶表示パネルのR、G、Bに対応する3つの画素領域が1組となって1画素の表示を行う必要があるため、画像の解像度も3板式の解像度の1/3に低下してしまう。 However, in the case of a single plate type using a color filter, light absorption occurs in the color filter, so that the brightness of the image is reduced to about 1/3 compared to the case of a three plate type using an equivalent light source. . In addition, since it is necessary to display one pixel as a set of three pixel areas corresponding to R, G, and B of the liquid crystal display panel, the resolution of the image is reduced to 1/3 of the resolution of the three-plate type. End up.
光源を明るくすることは明るさ低下に対する1つの解決法であるが、民生用として使用する場合、消費電力の大きな光源を用いることは好ましくない。また、吸収タイプのカラーフィルタを用いる場合、カラーフィルタに吸収された光のエネルギーが熱に変わるため、いたずらに光源を明るくすると、液晶表示パネルの温度上昇を引き起こすだけでなく、カラーフィルタの退色が加速される。したがって、与えられた光をいかに有効に利用するかが、投影型画像表示装置の利用価値を向上させる上で重要な課題である。 Brightening the light source is one solution to the reduction in brightness, but it is not preferable to use a light source with high power consumption when used for consumer use. In addition, when an absorption type color filter is used, the energy of light absorbed by the color filter changes to heat, so if the light source is brightened unnecessarily, the temperature of the liquid crystal display panel not only rises, but the color filter fades. Accelerated. Therefore, how to effectively use the given light is an important issue in improving the utility value of the projection type image display apparatus.
単板式投影型画像表示装置による画像の明るさを向上させるため、カラーフィルタを用いずにフルカラー表示を行う液晶表示装置がたとえば特許文献2に開示されている。この液晶表示装置では、光源から放射された白色光をダイクロイックミラーのような誘電体ミラーによってR、G、Bの各光束に分割し、各光束を液晶表示パネルの光源側に配置されたマイクロレンズアレイに異なった角度で入射させる。マイクロレンズに入射した各光束は、マイクロレンズを透過することによって、入射角に応じて対応する画素領域に集光される。このため、分離されたR、G、Bの各光束は、別々の画素領域で変調され、フルカラー表示に用いられる。
For example,
上述の誘電体ミラーを用いる代わりに、R、G、B光に対応する透過型のホログラム素子を用いて光利用率向上を図った表示装置が特許文献3に開示されている。また、画素ピッチに対応した周期的構造を透過型ホログラム素子に持たせ、誘電体ミラーおよびマイクロレンズの機能を与えた装置が特許文献4に開示されている。
単板式のもう1つの課題である解像度については、フィールド順次方式の表示を採用することによって、1枚の液晶表示パネルで3板式と同等の解像度を得ることができる。フィールド順次方式では、人間の視覚で分解できない速さで光源の色の切り替えを行うことにより、時分割表示される各画像の色が加法混色によって構成される現象(継続加法混色)を利用する。 As for resolution, which is another problem of the single-plate type, by adopting field sequential display, a single liquid crystal display panel can obtain a resolution equivalent to that of the three-plate type. The field sequential method uses a phenomenon (continuous additive color mixture) in which the colors of each image displayed in a time-division manner are formed by additive color mixture by switching the color of the light source at a speed that cannot be resolved by human vision.
フィールド順次方式でフルカラー表示を行う投影型画像表示装置は、たとえば、図1に示す構成を有している。この表示装置では、R、G、Bのカラーフィルタから構成された円盤501を液晶表示パネル502の垂直走査周期に合わせて高速に回転させ、カラーフィルタの色に対応した画像信号を液晶表示パネル502の駆動回路に順次入力する。人間の目には、各色に対する画像503r、503g、503bの合成像504が認識される。
A projection-type image display device that performs full-color display by a field sequential method has, for example, the configuration shown in FIG. In this display device, a
このようなフィールド順次方式の表示装置によれば、単板方式と異なり、液晶表示パネルの各画素でR、G、B画像を時分割で表示するため、その解像度は3板式と同等レベルになる。 According to such a field sequential display device, unlike the single-plate method, R, G, and B images are displayed in a time-sharing manner on each pixel of the liquid crystal display panel. .
フィールド順次方式の他の表示装置として、R、G、Bの各々の光束で液晶表示パネルの異なる領域を照射する投影型画像表示装置が非特許文献1に開示されている。この表示装置では、光源から放射された白色光を誘電体ミラーによってR、G、Bの光束に分離し、R、G、Bの各々の光束で液晶表示パネルの異なる領域を照射する。液晶表示パネルに対するR、G、Bの光照射位置は、キューブ状のプリズムを回転させることによって順次切り替えられる。
As another field sequential display device, Non-Patent
特許文献2、特許文献3および特許文献4等に開示されている装置によれば、明るさは改善されるが、解像度は3板式の1/3のままである。その理由は、1つの画素(ドット)を表示するのに空間的に分離されたR、G、およびB用の3つ画素を1組として用いるためである。
According to the devices disclosed in
これに対して、通常のフィールド順次方式の場合は解像度が3板式の解像度と同等レベルに改善される。しかし、カラーフィルタを用いるため、画像の明るさやカラーフィルタの劣化などの点で従来の単板式と同様の問題を有している。 On the other hand, in the case of the normal field sequential method, the resolution is improved to the same level as the resolution of the three-plate type. However, since a color filter is used, there are problems similar to those of the conventional single plate type in terms of image brightness and color filter deterioration.
一方、非特許文献1に記載されている上記の表示装置の場合、R、G、Bの光照射位置が相互に重ならないようにするために、平行度が非常に高い照明光を用いる必要がある。しかし、このような照明光を得るためには、光源で発生した光のうち平行でない成分を除去しなければならない。このため、得られる平行度が非常に高い照明光は光源で発生する光に対して利用効率が低くなってしまう。
On the other hand, in the case of the above-described display device described in
このように、上述の従来技術では、何れも、単板式の課題である明るさおよび解像度の両方を改善させることは実現していない。 As described above, none of the above-described conventional technologies achieves improvement of both brightness and resolution, which are problems of a single plate type.
これに対して、出願人は、特許文献5および6に示す単板式の投影型画像表示装置を提案している。
On the other hand, the applicant has proposed a single-plate projection type image display device shown in
特許文献5に記載されている投影型画像表示装置では、特許文献2に記載されている液晶表示装置と同様の液晶表示装置を用い、同様の方法で白色光を色毎の光束に分割し、各光束を異なった角度で画素領域に入射させている。この投影型画像表示装置では、光の利用効率を向上させ、かつ、高解像度表示を実現するために、各フレーム画像を複数のサブフレーム画像に時分割し、液晶表示パネルの垂直走査周期に同期させて光束の入射角度を周期的に切り替えている。
In the projection type image display device described in
また、特許文献6に示す投影型画像表示装置では、ダイクロイックミラー用いて白色光をR、G、Bの光束に分割し、得られた各光束をマイクロレンズアレイを用いて異なった角度で画像表示パネルの異なる画素領域に入射させる。画像表示パネルには、画像を構成する各フレーム画像のデータから生成された複数のサブフレーム画像のデータを時分割で表示させる。そして、これらのサブフレーム画像を被投影面上で順次シフトさせることによりが画像表示パネルの異なる画素領域で変調された異なる波長域に属する光(R、G、B光)で被投影面上の同一領域を順次照射する。
Moreover, in the projection type image display apparatus shown in
これらの投影型画像表示装置によれば、カラーフィルタを用いないため、高い光の利用効率を達成することができ、また、高解像度の画像を表示させることができる。 According to these projection type image display devices, since no color filter is used, high light use efficiency can be achieved, and a high-resolution image can be displayed.
特許文献6に示す投影型画像表示装置では、サブフレーム画像を被投影面上で順次シフトさせて所定の被投影面上でサブフレーム画像を合成するために、光学シフト素子を用いる。図2に示すように、光学シフト素子は、第1の光学シフト部g3および第2の光学シフトg4を含む。各光学シフト部は、図3に示すように、光の偏光方向を変調する液晶層からなる第1の素子g1および光の偏光方向により屈折率の異なる複屈折板(水晶板)からなる第2の素子g2を有する。ここで、「偏光方向」とは、光の電場ベクトルの振動方向を意味する。偏光方向は、光の伝搬方向kに垂直である。また、電場ベクトルと光の伝搬方向kの両方を含む平面を「振動面」または「偏光面」と称することとする。
In the projection-type image display device disclosed in
図示されている例では、画像表示パネルを出た光が垂直方向に偏光しているとする(偏光方向=画面垂直方向)。液晶素子g1の液晶層に電圧を印加していない場合には、図2に示すように、画像表示パネルを出た光の偏光面は、光が液晶素子g1を透過する過程で回転しない。これに対し、液晶素子g1の液晶層に適切なレベル電圧を印加している場合は、図3に示すように、画像表示パネルを出た光の偏光面は液晶層によって90°だけ回転させられる。なお、ここでは、回転角度が90°の場合を例示しているが、液晶層の設計によっては、回転角度を任意に設定することが可能である。 In the illustrated example, it is assumed that light exiting the image display panel is polarized in the vertical direction (polarization direction = screen vertical direction). When no voltage is applied to the liquid crystal layer of the liquid crystal element g1, the polarization plane of the light exiting the image display panel does not rotate in the process of light passing through the liquid crystal element g1, as shown in FIG. On the other hand, when an appropriate level voltage is applied to the liquid crystal layer of the liquid crystal element g1, as shown in FIG. 3, the polarization plane of light exiting the image display panel is rotated by 90 ° by the liquid crystal layer. . Although the case where the rotation angle is 90 ° is illustrated here, the rotation angle can be arbitrarily set depending on the design of the liquid crystal layer.
水晶板g2は、単軸結晶(正結晶)であり、複屈折性を持つため、方位によって異なる屈折率を示す。水晶板g2は、その光入射面が入射光の光軸(伝搬方向kに平行)と垂直となるように配置されている。水晶板g2の光学軸は、図2および図3において、垂直な面内に含まれているが、水晶板g2の光入射面からは傾斜している。このため、図2に示すように、偏光方向が垂直な光が水晶板g2に入射すると、光は水晶板g2内で光学軸の傾きに応じて、光学軸を含む面内で屈折し、光は垂直方向にシフトする。この場合、水晶板g2の光学軸と入射光の光軸の両方を含む平面(以下、「主断面」と称する。)が入射光の偏光面と平行な関係にある。このように偏光面が主断面に平行な入射光は、水晶板g2にとって「異常光」である。 The quartz plate g2 is a uniaxial crystal (positive crystal) and has birefringence, and therefore exhibits a different refractive index depending on the orientation. The quartz plate g2 is arranged so that its light incident surface is perpendicular to the optical axis of incident light (parallel to the propagation direction k). The optical axis of the quartz plate g2 is included in a vertical plane in FIGS. 2 and 3, but is inclined from the light incident surface of the quartz plate g2. Therefore, as shown in FIG. 2, when light having a perpendicular polarization direction is incident on the quartz plate g2, the light is refracted in a plane including the optical axis in accordance with the inclination of the optical axis in the quartz plate g2, and the light Shifts vertically. In this case, a plane including both the optical axis of the quartz plate g2 and the optical axis of the incident light (hereinafter referred to as “main cross section”) is in a parallel relationship with the polarization plane of the incident light. Thus, the incident light whose polarization plane is parallel to the main cross section is “abnormal light” for the quartz plate g2.
一方、図3に示すように、偏光面が水平横方向の光が水晶板g2に入射すると、偏光面が水晶板g2の光学軸(または主断面)と直交するため、光は屈折せず、光束のシフトも生じない。この場合、水晶板g2に入射する光は、水晶板g2にとって「常光」である。 On the other hand, as shown in FIG. 3, when the light whose polarization plane is in the horizontal horizontal direction is incident on the quartz plate g2, the polarization plane is orthogonal to the optical axis (or main cross section) of the quartz plate g2, so that the light is not refracted, There is no shift of the luminous flux. In this case, the light incident on the quartz plate g2 is “ordinary light” for the quartz plate g2.
このように、液晶素子g1に電圧を印加するか否かによって、水晶板g2に入射する光の偏光方向を制御し、光束のシフトを調節することができる。 Thus, the polarization direction of the light incident on the crystal plate g2 can be controlled and the shift of the light flux can be adjusted depending on whether or not a voltage is applied to the liquid crystal element g1.
ここで、今、水晶板g2の厚さをtとし、水晶板g2の異常光および常光の屈折率をそれぞれ、ne1およびno1とする。また、光学軸が主断面内において入射面から45°傾斜している場合、光束のシフト量ΔDは以下の式で表される。 Here, it is assumed that the thickness of the quartz plate g2 is t and the refractive indexes of the extraordinary light and the ordinary light of the quartz plate g2 are ne1 and no1 , respectively. When the optical axis is inclined 45 ° from the incident surface in the main cross section, the light flux shift amount ΔD is expressed by the following equation.
t=ΔD・(2・ne1・no1)/(ne1 2−no1 2) t = ΔD · (2 · n e1 · n o1) / (n e1 2 -n o1 2)
この式から、光束のシフト量ΔDと水晶板g2の厚さtとは比例することがわかる。水晶板g2の厚さtを調節することによって、サブフレーム画像のシフト量を任意の値に設定することができる。 From this equation, it can be seen that the shift amount ΔD of the luminous flux is proportional to the thickness t of the quartz plate g2. By adjusting the thickness t of the crystal plate g2, the shift amount of the subframe image can be set to an arbitrary value.
特許文献6に示される他の光学シフト素子の例では、2つの光学シフト部のそれぞれにおいて、液晶層を挟む2枚の基板のいずれか一方の基板の液晶側表面に、微小プリズムもしくは回折格子を形成し、液晶層に電圧を印加する事により、入射光のシフトを行っている。図5および図6に示すように、この光学シフト部i6は、液晶層i5と、この液晶層i5を挟む2枚の透明基板とを有しており、一方の透明基板の液晶側表面に微小プリズムアレイi3が形成されている。より詳細には光学シフト部i6は、透明電極i1および配向膜i2で表面が覆われた微小プリズムアレイi3が形成された透明基板と、透明電極i1および配向膜i2で表面が覆われた透明基板と、これらによって挟まれたネマチック液晶層i5を含んでいる。液晶層i5はホモジニアス配向させられており、2つの透明電極i1の間に電圧が印加されると、図6に示すように基板と垂直な方向に配向するが、電圧を印加しない状態では、図6に示すようにホモジニアスな配向状態をとる。電圧を印加しない場合における液晶層i5の屈折率をne2、電圧を印加している場合における液晶層i5の屈折率をno2とする。微小プリズムアレイi3は、no2と近い値の屈折率n2からなる材料によって構成する。
In another example of the optical shift element disclosed in
液晶層i5に電圧を印加していないとき、液晶層i5と微小プリズムアレイi3との間に屈折率差が生じるため、微小プリズムアレイi3に入射した光束はスネルの法則にしたがって屈折する。これに対し、電圧を印加しているときは、印加電圧の大きさに応じて液晶層i5と微小プリズムアレイi3との間の屈折率差が減少する。屈折率差の減少に伴い、微小プリズムアレイi3に入射した光束の屈折角度も減少する。 When no voltage is applied to the liquid crystal layer i5, a difference in refractive index is generated between the liquid crystal layer i5 and the microprism array i3. Therefore, the light beam incident on the microprism array i3 is refracted according to Snell's law. On the other hand, when a voltage is applied, the refractive index difference between the liquid crystal layer i5 and the minute prism array i3 decreases according to the magnitude of the applied voltage. As the refractive index difference decreases, the refraction angle of the light beam incident on the microprism array i3 also decreases.
微小プリズムの頂角をθ4とすると、液晶層i5に電圧を印加してないときの光束の屈折角δは以下の式で表される。 When the apex angle of the minute prism is θ 4 , the refraction angle δ of the light beam when no voltage is applied to the liquid crystal layer i5 is expressed by the following equation.
δ=(ne2−n2)×θ4 δ = (n e2 −n 2 ) × θ 4
光学シフト部i6を2個組み合わせて図7に示すように配置すれば、光学シフト素子が形成される。この光学シフト素子による画像のシフト量ΔDは、2つの微小プリズムアレイ間の距離をLとすると、以下の式で表される。 If two optical shift portions i6 are combined and arranged as shown in FIG. 7, an optical shift element is formed. The image shift amount ΔD by the optical shift element is expressed by the following equation, where L is the distance between the two microprism arrays.
ΔD=L・tanδ
上述の特許文献6の図2から図4および図5から図7に示される光学シフト素子では、出射光の光軸のシフト位置ごとに光学シフト素子を透過する際の光路長が図2に示すように異なる。このため、特許文献6に開示された画像表示装置において、光学シフト素子を通過した光は、光路長の差異によって集光状態に違いが生じ、投影レンズによる焦点の位置も異なる。つまり、スクリーン上において、光軸のシフト位置ごとに各画素の大きさ(ボケ方)が異なってしまう。その結果、隣接する画素が重なり被投影面の画面内に、周期的なドット状の模様が現れ、投影された画像の画質を損なうという問題が生じる。
In the optical shift element shown in FIGS. 2 to 4 and FIGS. 5 to 7 of
また、たとえば図2から図4に示す光学シフト素子では複屈折板として水晶やニオブ酸リチウムなどの複屈折性を有する結晶板を用いる。しかし、こうした材料の単結晶を育成するためには長い時間を要する。さらに成長した基板の表面を光学的に研磨する必要もある。たとえば水晶からなる結晶性基板の場合、結晶成長に数ヶ月を要するため、いったん結晶成長を始めると、基板の仕様を途中で変更することも容易でない。したがって、図2から図4に示す光学シフト素子を工業的に大量生産することは難しく、また、その製造コストを低減することも困難である。 Further, for example, in the optical shift element shown in FIGS. 2 to 4, a crystal plate having birefringence such as crystal or lithium niobate is used as the birefringence plate. However, it takes a long time to grow a single crystal of such a material. Further, it is necessary to optically polish the surface of the grown substrate. For example, in the case of a crystalline substrate made of quartz, it takes several months for crystal growth. Therefore, once crystal growth is started, it is not easy to change the specifications of the substrate halfway. Therefore, it is difficult to industrially mass-produce the optical shift element shown in FIGS. 2 to 4 and it is difficult to reduce the manufacturing cost.
図5から図7に示す光学シフト素子では、液晶層が微小プリズムではさまれているため、液晶層セルギャップ(液晶層の厚み)が不均一となる。このため、液晶の応答速度がセルギャップに応じて変化してしまう。特に、微小プリズムの谷の部分、すなわち最も液晶層のセルギャップの大きなところでは、応答速度が遅くなり表示品位が低下する。このような液晶層であっても、液晶を均一に駆動することも可能ではあるが、そのためには、液晶層に印加する電圧の分布を複雑に制御する必要がある。また、微小プリズムの山の部分が対向する基板と接触しないようにする必要がある。 In the optical shift element shown in FIGS. 5 to 7, since the liquid crystal layer is sandwiched between microprisms, the liquid crystal layer cell gap (the thickness of the liquid crystal layer) is not uniform. For this reason, the response speed of the liquid crystal changes according to the cell gap. In particular, at the valley portion of the micro prism, that is, where the cell gap of the liquid crystal layer is the largest, the response speed becomes slow and the display quality deteriorates. Even with such a liquid crystal layer, it is possible to drive the liquid crystal uniformly, but for this purpose, it is necessary to control the distribution of the voltage applied to the liquid crystal layer in a complicated manner. In addition, it is necessary to prevent the peak portion of the microprism from coming into contact with the opposing substrate.
本発明は、上記課題の少なくとも1つを解決するためになされたものであって、その目的は、明るく高解像度で均一かつ高品質な表示を行うことができ、小型化および低コスト化に適した投影型画像表示装置を実現するための光学シフト素子および投影型画像表示装置を提供することにある。 The present invention has been made to solve at least one of the above-described problems, and its purpose is to provide bright, high-resolution, uniform and high-quality display, which is suitable for downsizing and cost reduction. Another object of the present invention is to provide an optical shift element and a projection type image display device for realizing the projection type image display device.
本発明の光学シフト素子は、入射した光の光軸の位置に対して、第1および第2の位置に選択的に光軸をシフトさせて光を出射し得る第1の光学シフト部を備えている。前記第1の光学シフト部は、入射した光の偏光方向を変調する変調部と、斜面を有する複数の微小プリズムが一主面に設けられた基板および前記複数の微小プリズムに接するように配置された、光の偏光方向によって屈折率が異なる複屈折材料をそれぞれ有する第1および第2の導光部とを含み、前記変調部を透過した光が前記第1の導光部に入射し、前記第1および第2の導光部の微小プリズムの斜面が互いに平行となるよう前記第1および第2の導光部が配置されている。 The optical shift element of the present invention includes a first optical shift unit that can emit light by selectively shifting the optical axis to the first and second positions with respect to the position of the optical axis of the incident light. ing. The first optical shift unit is disposed so as to be in contact with a modulation unit that modulates the polarization direction of incident light, a substrate on which a plurality of micro prisms having inclined surfaces are provided on one main surface, and the plurality of micro prisms. The first and second light guide parts each having a birefringent material having a refractive index different depending on the polarization direction of the light, and the light transmitted through the modulation part is incident on the first light guide part, The first and second light guides are arranged so that the slopes of the micro prisms of the first and second light guides are parallel to each other.
ある好ましい実施形態において、前記第1および第2の導光部のそれぞれは、主面に配向処理が施された第1の透明板をさらに有し、前記複屈折材料は液晶材料であって、前記配向処理が施された主面と接するように、前記複屈折材料が前記基板および前記透明板に挟まれている。 In a preferred embodiment, each of the first and second light guide parts further includes a first transparent plate having a main surface subjected to an alignment treatment, and the birefringent material is a liquid crystal material, The birefringent material is sandwiched between the substrate and the transparent plate so as to be in contact with the main surface subjected to the alignment treatment.
ある好ましい実施形態において、前記第1の光学シフト部は、第2の透明板をさらに含み、前記第1および第2の導光部の前記第1の透明基板が前記第2の透明板を挟むように前記第2の透明板ならびに前記第1および第2の導光部が一体的に配置されている。 In a preferred embodiment, the first optical shift unit further includes a second transparent plate, and the first transparent substrates of the first and second light guide units sandwich the second transparent plate. As described above, the second transparent plate and the first and second light guide portions are integrally disposed.
ある好ましい実施形態において、前記第1の光学シフト部は、透明板をさらに含み、前記第1および第2の導光部のそれぞれの複屈折材料が前記透明板を挟み込むように透明板ならびに前記第1および第2の導光部が一体的に配置されている。 In a preferred embodiment, the first optical shift unit further includes a transparent plate, and the birefringent material of each of the first and second light guide units sandwiches the transparent plate and the first optical shift unit. The 1st and 2nd light guide part is arrange | positioned integrally.
ある好ましい実施形態において、前記透明板の前記複屈折材料と接する領域は配向処理が施されており、前記複屈折材料は液晶材料である。 In a preferred embodiment, a region in contact with the birefringent material of the transparent plate is subjected to an alignment treatment, and the birefringent material is a liquid crystal material.
ある好ましい実施形態において、前記前記複屈折材料は高分子液晶である。 In a preferred embodiment, the birefringent material is a polymer liquid crystal.
ある好ましい実施形態において、前記第1の位置および前記第2の位置は、入射した光の光軸の位置に対して対称である。 In a preferred embodiment, the first position and the second position are symmetric with respect to the position of the optical axis of the incident light.
ある好ましい実施形態において、前記第1の光学シフト部に入射し、出射するまでの光路長は、前記光軸のシフト位置にかかわらず等しい。 In a preferred embodiment, the optical path length from entering the first optical shift unit to exiting is equal regardless of the shift position of the optical axis.
ある好ましい実施形態において、前記前記第1および第2の導光部の複屈折材料は、前記微小プリズムの稜線方向に平行な光軸を有する。 In a preferred embodiment, the birefringent material of the first and second light guide portions has an optical axis parallel to a ridge line direction of the microprism.
ある好ましい実施形態において、光学シフト素子は、前記第1の光学シフト部から出射した光が入射し、入射した光の光軸の位置に対して第1および第2の位置に選択的に光軸をシフトさせて光を出射し得る第2の光学シフト部をさらに備え、前記第2の光学シフト部は、前記第1の光学シフト部と同じ構造を備えている。 In a preferred embodiment, the optical shift element is configured such that the light emitted from the first optical shift unit is incident, and the optical axis is selectively placed at the first and second positions with respect to the position of the optical axis of the incident light. And a second optical shift unit capable of emitting light by shifting the second optical shift unit, and the second optical shift unit has the same structure as the first optical shift unit.
ある好ましい実施形態において、前記第1の光学シフト部における前記第1および第2の導光部の微小プリズムの斜面の方向と、前記第2の光学シフト部における前記第1および第2の導光部の微小プリズムの斜面の方向とは、前記第1の光学シフト部に入射する光の光軸に対して対称である。 In a preferred embodiment, the direction of the inclined surface of the micro prism of the first and second light guides in the first optical shift unit, and the first and second light guides in the second optical shift unit. The direction of the inclined surface of the micro prism of the portion is symmetric with respect to the optical axis of the light incident on the first optical shift portion.
ある好ましい実施形態において、前記第1の光学シフト部における前記第1および第2の導光部の微小プリズムの斜面の距離は、前記第2の光学シフト部における前記第1および第2の導光部の微小プリズムの斜面の距離の約2倍または約1/2である。 In a preferred embodiment, the distance between the slopes of the micro prisms of the first and second light guide sections in the first optical shift section is the first and second light guide sections in the second optical shift section. It is about twice or about 1/2 of the distance of the slope of the microprism.
ある好ましい実施形態において、前記第1の光学シフト部および前記第2の光学シフト部における前記複屈折材料の光学特性または前記微小プリズムの斜面の傾斜角度が異なっている。 In a preferred embodiment, optical characteristics of the birefringent material or inclination angles of the inclined surfaces of the microprisms in the first optical shift unit and the second optical shift unit are different.
ある好ましい実施形態において、前記第1の光学シフト部における前記第1および第2の導光部の微小プリズムの斜面において光軸の屈折する角度が、前記第2の光学シフト部における前記第1および第2の導光部の微小プリズムの斜面において光軸の屈折する角度の約2倍または約1/2である。 In a preferred embodiment, the angle at which the optical axis is refracted on the slope of the micro prisms of the first and second light guides in the first optical shift unit is the first and second in the second optical shift unit. The angle of refraction of the optical axis at the slope of the micro prism of the second light guide is about twice or about ½.
ある好ましい実施形態において、前記第2の光学シフト部における前記前記第1および第2の導光部の複屈折材料は、前記微小プリズムの稜線方向に平行な光軸を有する。 In a preferred embodiment, the birefringent materials of the first and second light guide sections in the second optical shift section have an optical axis parallel to the ridge line direction of the microprism.
ある好ましい実施形態において、前記変調部は、印加電圧に応じて光の偏向方向を変調する液晶セルを含む。
また、本発明の投影型画像表示装置は、光源と、各々が光を変調することができる複数の画素領域を有する画像表示パネルと、前記光源からの光を複数の波長域の光に分離し、前記分離された波長域の光をその波長域に応じて前記複数の画素領域のうちの対応する画素領域に集光させる光制御手段と、前記画像表示パネルで変調された光によって被投影面上に画像を形成する光学系と、前記画像を構成する各フレーム画像のデータから複数のサブフレーム画像のデータを生成し、前記画像表示パネルによって前記複数のサブフレーム画像を時分割で表示させる回路と、前記画像表示パネルによって表示される前記複数のサブフレーム画像のうち選択されたサブフレーム画像を前記被投影面上でシフトさせる上記いずれかの光学シフト素子とを備える。
In a preferred embodiment, the modulation unit includes a liquid crystal cell that modulates a light deflection direction in accordance with an applied voltage.
The projection type image display device of the present invention separates light from a light source, an image display panel having a plurality of pixel regions each capable of modulating light, and light of a plurality of wavelength regions. A light control means for condensing the light of the separated wavelength region in a corresponding pixel region of the plurality of pixel regions according to the wavelength region, and a projection surface by the light modulated by the image display panel An optical system that forms an image thereon, and a circuit that generates data of a plurality of subframe images from the data of each frame image constituting the image, and displays the plurality of subframe images in a time division manner on the image display panel And any one of the optical shift elements that shifts a subframe image selected from the plurality of subframe images displayed by the image display panel on the projection surface. Obtain.
本発明によれば、微小プリズムによって、入射光の光軸の位置に対して出射光の光軸の位置を第1および第2位置にシフトさせることができ、これにより、光学シフト素子において、シフトさせる2つの光路の光路長差を小さくすることができる。したがって、この光学シフト素子を用いた投影型画像表示装置によれば、被投影面の画面内に周期的なドット状の模様などがない高品位の画像を投影することができる。 According to the present invention, the position of the optical axis of the emitted light can be shifted to the first and second positions with respect to the position of the optical axis of the incident light by the microprism. The difference in optical path length between the two optical paths can be reduced. Therefore, according to the projection type image display apparatus using this optical shift element, it is possible to project a high-quality image having no periodic dot-like pattern or the like on the screen of the projection surface.
本発明の投影型画像表示装置では、特許文献6に開示されているように、光源から出射する白色光を、ダイクロイックミラーなどの光制御手段を用いて、赤(R)、緑(G)、青(B)の波長領域にその成分を持つ光に分離する。分離されたR、G、B光は、マイクロレンズアレイを用いて画像表示パネルの異なる画素領域に異なった角度で入射され、時間の経過にかかわらず、同一の画層領域には、同じ色の光が照射される。
In the projection type image display apparatus of the present invention, as disclosed in
画像表示パネルには、画像を構成する各フレーム画像のデータから生成された複数のサブフレーム画像のデータを時分割で表示させる。たとえば、各フレーム画像は、3つのサブフレーム画像に分割され、3つのサブフレーム画像は、画像表示パネル上において、1画素分ずつシフトして表示される。この時、あるフレーム画像を構成する1つの画素に注目すると、この画素は、R、G、B光がそれぞれ照射されている画像表示パネル上の画素領域に対応する。 On the image display panel, data of a plurality of subframe images generated from the data of each frame image constituting the image is displayed in a time division manner. For example, each frame image is divided into three sub-frame images, and the three sub-frame images are displayed by being shifted by one pixel on the image display panel. At this time, when attention is paid to one pixel constituting a certain frame image, this pixel corresponds to a pixel region on the image display panel irradiated with R, G, B light.
画像表示パネルに異なった角度で入射したR、G、Bの光は互いに異なった角度で画像表示パネルから出射する。出射するR、G、Bの光は、サブフレーム画像のデータを用いて画像表示パネルにより変調されるため、サブフレーム画像となる。 R, G, and B light incident on the image display panel at different angles are emitted from the image display panel at different angles. The emitted R, G, and B light is modulated by the image display panel using the data of the subframe image, and thus becomes a subframe image.
これらの複数のサブフレーム画像のうち、選択されたサブフレーム画像は、光学シフト素子によって、被投影面上においてその位置がシフトされて表示される。 Among the plurality of subframe images, the selected subframe image is displayed with its position shifted on the projection surface by the optical shift element.
この方式においては、被投影面上で同じ位置に投影されるべき各色画素の結像状態(大きさ、ボケ)に違いが生じていると、投影された画像はスクリーン全体においてドット模様を含み、画質の劣化を引き起こす。このため、結像状態の差異を生じさせる光学シフト素子におけるシフトポジションの違いにおける光路長の差異を抑制することが重要である。 In this method, when there is a difference in the imaging state (size, blur) of each color pixel to be projected at the same position on the projection surface, the projected image includes a dot pattern on the entire screen, Causes degradation of image quality. For this reason, it is important to suppress a difference in optical path length due to a difference in shift position in an optical shift element that causes a difference in imaging state.
本発明の光学シフト素子は、入射した光の光軸の位置に対して、少なくとも第1および第2の位置に選択的に光軸をシフトさせて光を出射することのできる少なくとも1つの光学シフト部を備えている。この光学シフト部は、入射した光の偏光方向を変調する変調部、光の偏光方向によって屈折率が異なる複屈折材料と微小プリズムとが貼り合わせられており、変調部を透過した光が入射する第1の導光部、および、第1の導光部と同じ構造を備え、微小プリズムの斜面が第1の導光部の微小プリズムの斜面と平行になるように第1の導光部に対して配置された第2の導光部を含んでいる。 The optical shift element of the present invention has at least one optical shift that can emit light by selectively shifting the optical axis to at least the first and second positions with respect to the position of the optical axis of the incident light. Department. This optical shift unit is a modulation unit that modulates the polarization direction of incident light, a birefringent material having a different refractive index depending on the polarization direction of light, and a minute prism are bonded together, and light that has passed through the modulation unit is incident The first light guide unit and the first light guide unit have the same structure as the first light guide unit, and the slope of the micro prism is parallel to the slope of the micro prism of the first light guide unit. The 2nd light guide part arrange | positioned with respect is included.
光学シフト素子による光軸のシフト量は、第1の導光部と第2の導光部との間隔、第1の導光部および第2の導光部とのにおける微小プリズムの斜面の角度、第1の導光部および第2の導光部における複屈折材料や微小プリズムの材料の光学特性などの多くのパラメータに依存する。このため、光軸のシフト量を調整することが容易である。 The amount of shift of the optical axis by the optical shift element is determined by the distance between the first light guide unit and the second light guide unit, and the angle of the inclined surface of the microprism between the first light guide unit and the second light guide unit. It depends on many parameters such as the optical properties of the birefringent material and the material of the microprism in the first light guide and the second light guide. For this reason, it is easy to adjust the shift amount of the optical axis.
本発明の光学シフト素子では、光軸をシフトさせても光学シフト素子における光路長の差が小さい。このため、被投影面上における結像状態が均一となり、高品位の画像を表示しうる投影型画像表示装置が実現する。なお、本発明の適用範囲は投影型画像表示装置に限定されず、ビュワーやヘッド・マウント・ディスプレイなどの直視型画像表示装置にも好適に適用されるが、以下においては、投影型の画像表示装置を例にとり、本発明の好ましい実施形態を説明する。 In the optical shift element of the present invention, even if the optical axis is shifted, the optical path length difference in the optical shift element is small. For this reason, the image formation state on the projection surface becomes uniform, and a projection type image display apparatus capable of displaying a high-quality image is realized. Note that the scope of application of the present invention is not limited to a projection type image display device, but can be suitably applied to a direct-view type image display device such as a viewer or a head-mounted display. A preferred embodiment of the present invention will be described using an apparatus as an example.
(第1の実施形態)
まず、図8から図10を参照しながら本実施形態の投影型画像表示装置の構造を概略的に説明する。
(First embodiment)
First, the structure of the projection type image display apparatus of the present embodiment will be schematically described with reference to FIGS.
本実施形態の投影型画像表示装置は、光源1と、液晶表示パネル8と、光源1からの光を波長域に応じて液晶表示パネル8の対応する画素領域に集光させる光制御手段と、液晶表示パネル8によって変調された光を被投影面上に投射する投影光学系とを備えている。
The projection-type image display apparatus according to the present embodiment includes a
この投影型画像表示装置は、光源1から後方に出た光(白色光)を前方に反射する球面鏡2と、光源1および球面鏡2からの光を平行光束にするコンデンサーレンズ3と、この光束を波長域に応じて複数の光束に分離するダイクロイックミラー4、5、6をさらに備えている。ダイクロイックミラー4、5、6によって反射された光は、波長域に応じて異なる角度でマイクロレンズアレイ7に入射する。マイクロレンズアレイ7は液晶表示パネル8の光源側基板に取りつけられており、異なる角度でマイクロレンズ7に入射した光は、それぞれ異なる位置の対応する画素領域に集められる。
This projection-type image display device includes a
本投影型画像表示装置の投影光学系は、フィールドレンズ9および投影レンズ11から構成されており、液晶表示パネル8を透過した光束12をスクリーン(被投影面)13に投射する。本実施形態では、フィールドレンズ9と投影レンズ11との間に、光学シフト素子10が配置されている。図8には、光学シフト素子10によって被投影面に平行な方向にシフトされた光束12a、12bが示されている。光束のシフトを行うには、光学シフト素子10は液晶表示パネル8とスクリーン13との間の何れかの位置に挿入されていればよく、投影レンズ11とスクリーン13との間に配置されていても良い。
The projection optical system of the present projection type image display apparatus includes a
次に、本投影型画像表示装置の各構成要素を順に説明する。本実施形態においては、光源1として、光出力150W、アーク長5mm、アーク径2.2mmのメタルハライドランプを用い、このランプをアーク長方向が図面の紙面と平行となるように配置している。光源1としては、メタルハライドランプ以外に、ハロゲンランプ、超高圧水銀ランプ、またはキセノンランプ等を用いてもよい。本実施形態で使用する光源1は、三原色に対応する3つの波長域の光を含む白色光を放射する。
Next, each component of the projection type image display apparatus will be described in order. In the present embodiment, a metal halide lamp having an optical output of 150 W, an arc length of 5 mm, and an arc diameter of 2.2 mm is used as the
光源1の背面には球面鏡2が配置され、光源1の前面には口径80mmφ、焦点距離60mmのコンデンサーレンズ3が配置されている。球面鏡2は、その中心が光源1の発光部の中心と一致するように配置されており、コンデンサーレンズ3は、その焦点が光源1の中心と一致するように配置されている。
A
このような配置構成により、光源1から出射された光は、コンデンサーレンズ3によって平行化され、液晶表示パネル8を照らすことになる。コンデンサーレンズ3を通過した光の平行度は、たとえば、アーク長方向(図1の紙面に平行な方向)に約2.2°、アーク径方向に約1°となる。
With such an arrangement, the light emitted from the
本実施形態で使用する液晶表示パネル8は、光源側の透明基板上にマイクロレンズアレイ7が配置された透過型液晶表示素子である。液晶の種類や動作モードは任意に選択できるが、高速動作し得るものであることが好ましい。本実施形態ではTN(ツイステッド・ネマティック)モードで動作する。液晶表示パネル8には、光を変調するための複数の画素領域が設けられている。本願明細書における「画素領域」とは、画像表示パネルにおいて空間的に分離された個々の光変調部を意味する。液晶表示パネル8の場合、個々の画素領域に対応する画素電極によって液晶層の対応部分に電圧が印加され、その部分の光学特性が変化することによって光の変調が行われる。
The liquid
この液晶表示パネル8では、たとえば768(H)×1024(V)の走査線がノンインターレースで駆動される。液晶表示パネル8の画素領域は透明基板上に二次元的に配列されており、本実施形態の場合、画素領域のピッチは水平方向に沿って測定した値も垂直方向に沿って計測した値も20μmである。図9は、図8に示す液晶表示パネル8近傍の構造を拡大して示している。図9に示すように、本実施形態の場合、R用、G用、B用画素領域8R、8G、8Bは、それぞれ、画面の水平方向(図2では紙面に垂直な方向)に沿ってストライプ状に配列され、各マイクロレンズ7aが3つの画素領域(R用、G用、B用画素領域8R、8G、8B)からなるセットに対して1つ割り当てられている。
In the liquid
本実施形態においては、R用、G用、B用画素領域8R、8G、8Bは、それぞれ、画面の水平方向(図2では紙面に垂直な方向)に沿ってストライプ状に配列されているが、各マイクロレンズ7aが3つの画素領域(R用、G用、B用画素領域8R、8G、8B)からなるセットに割り当てられてさえいれば、R用、G用、B用画素領域8R、8G、8Bはモザイク状に配列されていてもよい。
In the present embodiment, the R, G, and
液晶表示パネル8を照射するR、G、およびB光は、図8に示すように、光源1から放射された白色光をダイクロイックミラー4、5、6によって分離したものであり、液晶表示パネル8上のマイクロレンズアレイ7へ異なる角度で入射する。R、G、およびB光のマイクロレンズアレイ7への入射角度を適切に設定することにより、図9に示すように、マイクロレンズ7によって各波長域に対応する画素領域へ適切に振り分けられる。本実施形態では、マイクロレンズ7の焦点距離を120μmとし、各光束がなす角度が10.02°になるように設計している。より詳細には、R光は液晶表示パネル8に対して垂直に入射し、B光およびG光は、それぞれ、R光に対して10.02°の角度で入射する。
The R, G, and B lights that irradiate the liquid
ダイクロイックミラー4、5、6は、図10に示すような分光特性を有しており、それぞれ、緑色(G)、赤色(R)、および青色(B)の光を選択的に反射する。G光の波長域は520〜580nm、R光の波長域は600〜650nm、B光の波長域は420〜480nmである。 The dichroic mirrors 4, 5, and 6 have spectral characteristics as shown in FIG. 10, and selectively reflect green (G), red (R), and blue (B) light, respectively. The wavelength range of G light is 520 to 580 nm, the wavelength range of R light is 600 to 650 nm, and the wavelength range of B light is 420 to 480 nm.
本実施形態では、3原色の光を対応する画素領域に集めるためにダイクロイックミラー4、5、6およびマイクロレンズアレイ7を用いているが、他の光学的な手段(たとえば、光の回折・分光機能を付与された透過型ホログラム)を用いてもよい。
In the present embodiment, the
上述したように液晶表示パネル8はノンインターレースで駆動されるため、1秒間に60フレームの画像が表示され、各フレームに割り当てられる時間(フレーム期間)Tは1/60秒、すなわち、T=1/60(秒)≒16.6(ミリ秒)となる。なお、インターレースで駆動される場合は、画面内の走査線を偶数ラインと奇数ラインに分け、交互に表示していくため、T=1/30(秒)≒33.3(ミリ秒)となる。また、各フレームを構成する偶数フィールドおよび奇数フィールドの各々に割り当てられた時間(1フィールド期間)は、1/60≒16.6(ミリ秒)となる。
As described above, since the liquid
本実施形態の投影型画像表示装置は、各フレーム画像の情報(データ)からなる画像データを受け取り、各フレーム画像のデータを逐次フレームメモリに蓄え、そのフレームメモリから選択的に読み出した情報に基づいて複数のサブフレーム画像を順次形成し、サブフレーム画像を画像表示パネル8に時分割で表示させるサブフレーム画像生成回路14を備える。以下、サブフレーム画像生成回路14におけるサブフレーム画像の形成方法を詳細に説明する。
The projection type image display apparatus according to the present embodiment receives image data including information (data) of each frame image, stores the data of each frame image in a frame memory sequentially, and is based on information selectively read from the frame memory. A subframe
たとえば、あるフレームの画像(フレーム画像)が図11(a)に示すような画像であるとする。このフレーム画像はカラー表示されるべきものであり、各画素の色は、上記フレーム画像を規定するデータに基づいて決定される。なお、インターレース駆動の場合は、或るフィールドの画像が本願明細書における「フレーム画像」と同様に取り扱われ得る。 For example, it is assumed that an image of a certain frame (frame image) is an image as shown in FIG. This frame image is to be displayed in color, and the color of each pixel is determined based on data defining the frame image. In the case of interlace driving, an image of a certain field can be handled in the same manner as the “frame image” in the present specification.
まず、図11(a)に示すカラー表示用のフレームデータから各画素についてR、G、およびB光用のデータを分離し、図11(b)、(c)、および(d)に示すように、R画像用フレーム、G画像用フレーム、およびB画像用フレームの各データを生成する。これらのデータは図10の左側に示すように、R、G、およびB用フレームメモリにそれぞれ格納される。 First, the R, G, and B light data for each pixel is separated from the color display frame data shown in FIG. 11A, as shown in FIGS. 11B, 11C, and 11D. Then, each data of an R image frame, a G image frame, and a B image frame is generated. These data are respectively stored in the R, G, and B frame memories as shown on the left side of FIG.
図12の右側部分には、表示サブフレーム1〜3が示されている。本実施形態によれば、あるフレームの最初の3分の1の期間(第1サブフレーム期間)において、被投影面上には表示サブフレーム1の画像が被投影面上に表示される。そして、次の3分の1の期間(第2サブフレーム期間)には、表示サブフレーム2の画像が表示され、最後の3分の1の期間(第3サブフレーム期間)には、表示サブフレーム3の画像が表示される。本実施形態では、これら3つのサブフレーム画像が図13に示すようにシフトし、時間的にずれながら合成される結果、人間の目には図11(a)に示すような原画像が認識されることになる。
In the right part of FIG. 12,
次に、表示サブフレーム1を例にとり、サブフレーム画像のデータ構成を詳細に説明する。まず、表示サブフレーム1の第1行画素領域用データは、図12に示すように、R用フレームメモリに記憶されている第1行目画素(R1)に関するデータから形成される。表示サブフレーム1の第2行画素領域用データは、G用フレームメモリに記憶されている第2行目画素(G2)に関するデータから形成される。表示サブフレーム1の第3行画素領域用データは、B用フレームメモリに記憶されている第3行目画素(B3)に関するデータから形成される。表示サブフレーム1の第4行画素領域用データは、R用フレームメモリに記憶されている第4行目画素(R4)に関するデータから形成される。以下、同様の手順で表示サブフレーム1のデータが構成される。
Next, taking the
表示サブフレーム2および3のデータも、表示サブフレーム1の場合と同様にして構成される。たとえば表示サブフレーム2の場合、第0行画素領域用データは、B用フレームメモリに記憶されている第1行目画素(B1)に関するデータから形成され、表示サブフレーム2の第1行画素領域用データはR用フレームメモリに記憶されている第2行目画素(R2)に関するデータから形成される。表示サブフレーム2の第2行画素領域用データはG用フレームメモリに記憶されている第3行目画素(G3)に関するデータから形成され、表示サブフレーム2の第3行画素領域用データはB用フレームメモリに記憶されている第4行目画素(B4)に関するデータから形成される。
The data of
このようにしてR、G、およびB用フレームメモリの各々から読み出したデータを予め設定された順序で組み合わせることによって、時分割表示されるサブフレームの各々のデータが生成される。この結果、サブフレーム用データの各々は、R、G、およびBの全ての色に関する情報を含んでいるが、R、G、およびBのそれぞれについて、空間的には全体の3分の1の領域に関する情報を有しているだけである。より詳細に述べれば、図12から明らかにように、表示サブフレーム1は、R画像フレームの第1、4、7、10…行の画素に関するデータと、G画像フレームの第2、5、8、11…行の画素に関するデータと、B画像フレームの第3、6、9、12…行の画素に関するデータとを含む。表示サブフレーム2は、B画像フレームの第1、4、7、10…行の画素に関するデータと、R画像フレームの第2、5、8、11…行の画素に関するデータと、G画像フレームの第3、6、9、12…行の画素に関するデータとを含む。また、表示サブフレーム3は、G画像フレームの第1、4、7、10…行の画素に関するデータと、B画像フレームの第2、5、8、11…行の画素に関するデータと、R画像フレームの第3、6、9、12…行の画素に関するデータとを含む。なお、図12からわかるように、画像表示パネルの画素領域の全行数は、1つのサブフレーム画像を構成する画素の全行数よりも2行だけ多い。この2行は光学シフトのマージンとして機能する。
In this way, the data read from each of the R, G, and B frame memories are combined in a preset order, whereby the data of each subframe displayed in a time division manner is generated. As a result, each of the subframe data includes information on all the colors of R, G, and B, but each of R, G, and B is spatially one third of the whole. It only has information about the region. More specifically, as is clear from FIG. 12, the
原画像フレームを再現するためには、R画像フレームの第1行、B画像フレームの第1行およびG画像フレームの第1行を合成しなければならない。図12に示すように、これらの情報は、表示サブフレーム1、2および3において、1行目、0行目および−1行目に割り当てられる。したがって、これらのサブフレーム画像を被投影面上において、表示サブフレーム1に対して、表示サブフレーム2は1画素分、シフトさせて表示し、表示サブフレーム1に対して、表示サブフレーム3は2画素分シフトさせて表示する。つまり、投影面上の各画素では、3つの表示サブフレームが順次シフトして表示される。この各サブフレーム間における画像のシフトは光学シフト素子10によって行われる。
In order to reproduce the original image frame, the first row of the R image frame, the first row of the B image frame, and the first row of the G image frame must be synthesized. As shown in FIG. 12, these pieces of information are assigned to the first row, the 0th row, and the −1 row in the
なお、サブフレームの生成方法および生成したサブフレームの時分割表示方法は、上述した一例に限定されるものではない。特許文献6に開示されているように、3以上のサブフレームを用いて時分割表示をおこなってもよい。
Note that the method for generating subframes and the time-division display method for generated subframes are not limited to the above-described example. As disclosed in
次に、光学シフト素子10を説明する。図14は光学シフト素子10に用いられる第1の光学シフト部10’を模式的に示している。図14に示すように、光学シフト部10’は、変調部g1、第1の導光部g2および第2の導光部g3を含んでいる。
Next, the
変調部g1は、変調部g1に垂直に入射した光の偏光方向を変調する。この光は、図8に示すように、画像表示パネル8によって変調されたサブフレーム画像に該当する。具体的には、変調部g1は光の偏光方向を直交する2つの方向の間で切り替える。このために、変調部g1は液晶層203および液晶層203を挟む一対の透明電極201、202有する液晶セルによって構成され、適切な電圧を液晶層203の全体に印加することができる。たとえば、液晶層203として誘電率異方性Δεが正のTN液晶を用い、電圧を印加したときに、電界の向きに液晶分子を配向させることによって入射光の偏光方向を回転させず、電圧を印加しないときに、液晶分子を90°ねじれた配向を行わせることによって入射光の偏光方向を90°回転させる。
The modulation unit g1 modulates the polarization direction of the light incident perpendicularly to the modulation unit g1. This light corresponds to a sub-frame image modulated by the
第1の導光部g2は、マイクロプリズムアレイを構成するように、斜面101aを有する微小プリズム101bが一主面に複数設けられた基板101と、微小プリズム101bに接し、微小プリズム101bの溝を埋めるように設けられた複屈折材料102とを含む。各微小プリズム101bは光軸をシフトさせる方向に対して垂直な方向(図14におけるz方向)に伸びており、微小プリズム101bの斜面101aは、基板101の微小プリズム101bの設けられていない他の主面101cに対し角度θだけ傾いている。複屈折材料102は、入射する光の偏光方向により異なる屈折率を有している。本実施形態では、基板101をポリマー樹脂で形成し、複屈折材料102には液晶を用いる。したがって、複屈折材料102を保持するために、第1の導光部g2は第1の透明基板103をさらに有し、複屈折材料102を基板101と第1の透明基板103とで挟みこんでいることが好ましい。ここで「透明」とは、光学シフト素子10を適用する機器が利用する光を透過させることをいい、光学シフト素子10が投影型画像表示装置に用いられる場合には、可視光を透過させることを言う。
The first light guide portion g2 is in contact with the
たとえば、微小プリズム101bを有する基板101は屈折率が1.531の熱硬化性ポリマー樹脂によって成形されており、プリズムの斜面101aの角度θが5度(頂角が85度)、プリズムのピッチが200μmになるように設計されている。このような基板101は、金型を用いて熱硬化性ポリマー樹脂を硬化させることにより容易に製造することができる。複屈折材料102には屈折率がne=1.580、no=1.482の液晶を用いる。第1の透明板103には屈折率1.52のガラス板を用いる。複屈折材料102の液晶が微小プリズム101bの伸びる方向(z方向)と平行に配向するよう、微小プリズム101bの斜面101aおよび第1の基板103の複屈折材料102と接する面の少なくとも一方に配向処理が施されていることが好ましい。
For example, the
このように構成される第1の導光部g2において、複屈折材料102は微小プリズム101bの伸びる方向と平行な偏光方向(z方向)を有する光に対し、1.580の屈折率を示し、微小プリズム101bの伸びる方向と垂直な偏光方向(y方向)を有する光に対し、1.482の屈折率を示す。このため、第1の導光部g2において、微小プリズム101bの斜面101aと複屈折材料102との屈折率差は、第1の導光部g2に入射する光の偏光面の方向によって異なる。具体的には、微小プリズム101bの伸びる方向と平行な偏光方向を有する光に対する屈折率差は+0.049(1.580−1.531)であり、微小プリズム101bの伸びる方向と垂直な偏光方向を有する光に対する屈折率差は、−0.049(1.482−1.531)となる。複屈折材料102に垂直ではない入射角度で入射した光はスネルの法則にしたがい、この屈折率差に応じた割合で屈折する。
In the first light guide portion g2 configured in this way, the
第2の導光部g3も微小プリズム101bが複数設けられた基板101および複屈折材料102を含み、第1の導光部g2と同じ構造を備えている。複屈折材料102として液晶を用いる場合には、第1の導光部g2と同様、液晶を保持するために第1の透明基板103をさらに含んでいることが好ましい。
The second light guide part g3 also includes the
第1の光学シフト部10’において変調部g1および第1の導光部g2は、第1の光学シフト部10’に入射する光がまず変調部g1に入射し、変調部g1を透過した光が第1の導光部g2に入射するよう配置される。また、第1の導光部g2および第2の導光部g3は、それぞれの微小プリズム101bの斜面101aが互いに平行となるように配置される。本実施形態では、第1の導光部g2と第2の導光部g3との間隔を調整するため、これらの間に第2の透明板104を設けている。第2の透明板104は1.52の屈折率を有し、第2の透明板104と第1の導光部g2および第2の導光部g3の第1の透明板103との合計の厚さが3.5mmとなるように調整されている。
In the first
次に第1の光学シフト部10’の動作を説明する。液晶層203に電圧を印加した状態で変調部g1に図14に示すようにy方向に偏光方向を有する光軸liの光を垂直に入射させた場合、変調部g1は入射光の偏光方向を回転させないため、y方向に偏光方向を有する光が出射する。この光が、第1の導光部g2の基板101へ入射すると、y方向に偏光方向を有する光に対して複屈折材料102は1.482の屈折率を示すため、入射角より屈折角のほうが大きくなり、光軸lo2'を有する光が出射する。
Next, the operation of the first
第1の導光部g1の複屈折材料102から出射した光は第1の透明板103および第2の透明板104に入射し、その後、第2の導光部g3の複屈折材料102へ入射する。そして、第2の導光部g2における複屈折材料102と基板101との界面において再び光は屈折する。この際、複屈折材料102と基板101との屈折率差は第1の導光部g1における複屈折材料102と基板101との屈折率差と等しく、符号が逆となる。このため、第1の導光部g1に入射した光の光軸liと平行な光軸lo2を有する光が第2の導光部g3から出射する。
The light emitted from the
一方、液晶層203に電圧を印加しない状態で変調部g1に図14に示すようにy方向に偏光方向を有する光軸liの光入射させた場合、変調部g1は入射光の偏光方向を回転させ、z方向に偏光方向を有する光軸liの光が出射する。この光が、第1の導光部g2へ入射すると、z方向に偏光方向を有する光に対して複屈折材料102は1.580の屈折率を示すため、入射角より屈折角のほうが小さくなり、光軸lo1'を有する光が出射する。
On the other hand, when no light is applied to the
第1の導光部g1の複屈折材料102から出射した光は第1の透明板103および第2の透明板104に入射し、その後、第2の導光部g3の複屈折材料102へ入射する。そして、第2の導光部g2における複屈折材料102と基板101との界面において再び光は屈折する。この際、複屈折材料102と基板101との屈折率差は第1の導光部g1における複屈折材料102と基板101との屈折率差と等しく、符号が逆となる。このため、第1の導光部g1に入射した光の光軸liと平行な光軸lo1を有する光が第2の導光部g3から出射する。
The light emitted from the
図14に示すように、第1の光学シフト部10’に入射する光の光軸liのx−y平面における位置をp0とした場合、第1の光学シフト部10’を出射する光の光軸l01のx−y平面における位置p1はp0より+y方向にΔd1だけシフトしている。また、第1の光学シフト部10’を出射する光の光軸l02のx−y平面における位置p2はp0より−y方向にΔd2だけシフトしている。つまり、第1の光学シフト部10’は、変調部g1の動作によって選択的に光軸をシフトさせて光を出射することができる。
As shown in FIG. 14, when the position in the xy plane of the optical axis l i of the light incident on the first
光軸のシフト量Δd1およびΔd2は、基板101の屈折率、微小プリズム101bの斜面の角度θ、複屈折材料の屈折率を含む光学特性、第1の透明基板103および第2の透明基板104の屈折率および厚さなどを適宜調整することにより、任意の値に設定でき、シフト量Δd1とΔd2とを等しくすることもできる。つまり、出射する光の光軸lo1の位置および光軸lo2の位置を入射した光の光軸li位置に対して対称に配置することができる。これにより、第1の光学シフト部10’において2つのシフト位置をとる光の光路長を等しくすることができる。
The shift amounts Δd1 and Δd2 of the optical axis are the optical characteristics including the refractive index of the
本実施形態では、第1の透明板103および第2の透明板104の屈折率を等しくし、これらの合計の厚さを3.5mmにすることにより、Δd1およびΔd2をそれぞれ10μmにすることができる。
In the present embodiment, Δd1 and Δd2 can be set to 10 μm, respectively, by making the refractive indexes of the first
なお、第1の導光部g2および第2の導光部g3の複屈折材料102と第1の透明板103とで屈折率が異なる場合には、複屈折材料102と第1の透明板103との界面においても光は屈折する。しかし、光は複屈折材料102と透明板103との界面および透明板103と複屈折材料102との界面を通過するため、それぞれの界面で生じた屈折が相殺され、第1の導光部g2の複屈折材料102から出射する光と平行な光が第2の導光部g3の複屈折材料102に入射する。ただし、第2の導光部g3の複屈折材料102に入射する光の光軸は第1の導光部g2の複屈折材料102から出射する光の光軸の位置からシフトしている。本実施形態では、このシフト量は無視し得る程度の大きさであるため、第1の導光部g2の複屈折材料102から出射する光の光軸がシフトすることなく第2の導光部g3の複屈折材料102に入射すると仮定している。シフト量が無視し得えない場合には、第1の透明板103および第2の透明板104の屈折率や厚さを調整したり、第1の導光部g2および第2の導光部g3の基板101の屈折率や斜面101aの角度を調整することによって(つまり光学的距離を考慮することによって)、Δd1およびΔd2を等しくすることができる。
In the case where the refractive indexes of the
また、第2の透明板104を設けず、図15に示すように、空気や他のガスで満たされた空間106を介して第1の導光部g2および第2の導光部g3を配置してもよい。第1の導光部g2および第2の導光部g3はそれぞれの複屈折材料102が対向するように配置されているが、第1の導光部g2または第2の導光部g3の複屈折材料102が第2の導光部g3または第1の導光部g2の基板101と対向するように配置してもよい。
Also, the second light guide part g2 and the second light guide part g3 are arranged through the
また、本実施形態では、光学シフト部10’において、適切な電圧を変調部g1の液晶層203の全体に一括的に印加することができるようにしているが、部分的に電圧を印加してもよく、さらに、画像表示パネルの走査に同期して、順次対応する液晶層の領域に電圧を印加するとなお良い。
In the present embodiment, an appropriate voltage can be collectively applied to the entire
上述したように、第1の光学シフト部10’は、図14に示すように、入射した光の光軸をシフトさせることによって、画像をシフトさせことができる。つまり、2つの異なる位置を選択することができる。しかし、図8から図13を参照して説明したように、R、G、Bの光を被投影面上で重ねあわせるためには、画像パネルにより変調されたサブフレーム画像を1画素分および2画素分、被投影面上でシフトさせる必要があり、したがって、光学シフト素子10は、少なくとも3つの異なる位置を選択できなければならない。
As described above, the first
このため、本実施形態の光学シフト素子10は、図14に示されるような光学シフト部10’を2つ含んでいる。この2つの光学シフト部を第1の光学シフト部10’aおよび第2の光学シフト部10’bとすると、図16に示すように光路上に直列的に配置することにより、最大で4つの異なる位置を選択できるよう画像をシフトさせることができる。この光学シフト素子10によれば、光路上の光入射側に位置する第1の光学シフト部10’aの変調部g1および光出射側に位置する第2の光学シフト部10’bの変調部g1のそれぞれの液晶層へ印加する電圧にしたがって、被投影面上における4つの異なる位置を選択することができる。
For this reason, the
図16は3つの光軸の位置を選択することのできる光学シフト素子を示している。図に示すように、第1の光学シフト部10’aを透過した光が第2の光学シフト部10’bを透過するよう配置し、第1の光学シフト部10’aおよび第2の光学シフト部10’bにおけるシフト量Δd1+Δd2を等しくする。また、4つの位置を選択するには、第1の光学シフト部10’aおよび第2の光学シフト部10’bにおいて選択できる光軸の位置のシフト量Δd1+Δd2を2:1もしくは、1:2になるように設計すればよい。
FIG. 16 shows an optical shift element capable of selecting positions of three optical axes. As shown in the drawing, the light transmitted through the first
第1の光学シフト部10’aと第2の光学シフト部10’bとにおいて、光軸のシフト量Δd1+Δd2を異ならせるためには、上述したように、基板101の屈折率、微小プリズム101bの斜面の角度θ、複屈折材料の屈折率を含む光学特性、第1の透明基板103および第2の透明基板104の屈折率および厚さなどを調整すればよい。これらの値が第1の光学シフト部10’aと第2の光学シフト部10’bとにおいて異なっていてもよい。
In order to make the optical axis shift amount Δd1 + Δd2 different between the first
たとえば、第1の光学シフト部10’aおよび第2の光学シフト部10’bにおいて選択できる光軸の位置のシフト量Δd1+Δd2を2:1もしくは、1:2にするには、第1の光学シフト部10’aにおける第1の導光部g2の微小プリズムの斜面と第2の導光部g3の微小プリズムの斜面との距離が第2の光学シフト部10’aにおける第1の導光部g2の微小プリズムの斜面と第2の導光部g3の微小プリズムの斜面との距離の実質的に2倍または約1/2倍となるよう、第1の透明基板103および/または第2の透明基板104の厚さを調整すればよい。あるいは、前記第1の光学シフト部における前記第1および第2の導光部の微小プリズムの斜面において光軸の屈折する角度が、前記第2の光学シフト部における前記第1および第2の導光部の微小プリズムの斜面において光軸の屈折する角度の実質的に2倍または約1/2となるよう微小プリズム101bの斜面の角度θや基板と複屈折材料との屈折率差を調整してもよい。
For example, in order to set the shift amount Δd1 + Δd2 of the position of the optical axis that can be selected in the first
また、第1の光学シフト部10’aにおける第1の導光部g2および第2の導光部g3の微小プリズムの斜面の傾斜方向と第2の光学シフト部10’aにおける第1の導光部g2および第2の導光部g3の微小プリズムの斜面の傾斜方向とは異なっていてもよい。つまり、入射する光の光軸に対して、第1の光学シフト部10’aにおける第1の導光部g2および第2の導光部g3の微小プリズムの斜面の傾斜方向と第2の光学シフト部10’aにおける第1の導光部g2および第2の導光部g3の微小プリズムの斜面の傾斜方向とは対称になるよう第1の光学シフト部10’aおよび第2の光学シフト部10’bが配置されていてもよい。
In addition, the inclination direction of the slopes of the micro prisms of the first light guide part g2 and the second light guide part g3 in the first optical shift part 10'a and the first guide in the second optical shift part 10'a. The inclination direction of the inclined surfaces of the microprisms of the light part g2 and the second light guide part g3 may be different. That is, with respect to the optical axis of the incident light, the inclination direction of the slopes of the micro prisms of the first light guide part g2 and the second light guide part g3 in the first optical shift part 10'a and the second optical The first
選択される3つ(あるいは4つ)の異なる位置は、第1の光学シフト部10’aの変調部g1(光入射側)に対する電圧印加状態(ON/OFF)および第2の光学シフト部10’bの変調部g1(光出射側)に対する電圧印加状態(ON/OFF)の組み合わせ、すなわち、それぞれの液晶層における偏光方向の選択によって決定される。
Three (or four) different positions to be selected are the voltage application state (ON / OFF) to the modulation unit g1 (light incident side) of the first
このように、本実施形態によれば、図14に示すように、変調部g1における偏光方向の選択にかかわらず、第1の導光部g2における光路が入射光の光軸に対して対称となる。このため、シフトポジションにかかわらず光学シフト素子を透過する光路長が等しくなる。その結果、画質の劣化がなく高品位の画像を投影することのできる投影型画像表示装置が実現する。 Thus, according to the present embodiment, as shown in FIG. 14, the optical path in the first light guide g2 is symmetrical with respect to the optical axis of the incident light, regardless of the selection of the polarization direction in the modulator g1. Become. For this reason, the optical path lengths transmitted through the optical shift element are equal regardless of the shift position. As a result, a projection type image display apparatus capable of projecting a high-quality image without deterioration in image quality is realized.
また、光学シフト素子における光軸のシフト量は光学シフト素子を構成する構成要素の厚さや屈折率など種々のパラメータによって設定できるため、シフト量を容易に調整することが可能である。水晶やニオブ酸リチウムなどの大きな結晶を用いないため、光学シフト素子を低コストで製造することができ、設計変更も容易である。 Further, since the shift amount of the optical axis in the optical shift element can be set by various parameters such as the thickness and refractive index of the components constituting the optical shift element, the shift amount can be easily adjusted. Since a large crystal such as quartz or lithium niobate is not used, the optical shift element can be manufactured at a low cost and the design can be easily changed.
さらに、本発明の光学シフト素子の光学シフト部は、微小プリズムを用いた導光部に入射する光の偏光方向を変調部によって切り替える。変調部では光の偏光方向のみを切り替えればよいため、変調部を単純な液晶セルにより構成することが可能である。 Furthermore, the optical shift unit of the optical shift element of the present invention switches the polarization direction of the light incident on the light guide unit using the micro prism by the modulation unit. Since only the polarization direction of light needs to be switched in the modulation unit, the modulation unit can be configured by a simple liquid crystal cell.
なお、上述したように光学シフト素子10の第1の光学シフト部10’aおよび第2の光学シフト部10’bにおいて、第1の導光部g2と第2の導光部g3との間隔を規定する第2の透明板と複屈折材料を保持するための第1の透明板とを1つの透明板で構成してもよい。具体的には図17に示すように、第1の光学シフト部10’aおよび第2の光学シフト部10’bにおいて、第1の導光部g2と第2の導光部g3と間に透明板105を設け、第1の導光部g2の複屈折材料102および第2の導光部g3の複屈折材料102が透明板105の両主面と接して透明板15を挟み込むように第1の導光部g2および第2の導光部g3を配してもよい。この場合、複屈折材料102として用いる液晶を所定の方向に配向させるため、透明板105の両主面に配向処理を施してもよい。このような構成にすることによって、透明板の張り合わせ工程の数を減少させ、製造時間の短縮および製造コストの低減を図ることができる。
As described above, in the first
(第2の実施形態)
本発明による光学シフト素子の第2の実施形態を説明する。図18に示すように、光学シフト素子11は、第1の光学シフト部11’aおよび第2の光学シフト部11’bを備える。第1の光学シフト部11’aおよび第2の光学シフト部11’bのそれぞれは、変調部g1、第1の導光部g2および第2の導光部g3を含む。図において変調部g1の構造は詳細に示していないが、第1の実施形態の変調部と同じ構造を備えている。
(Second Embodiment)
A second embodiment of the optical shift element according to the present invention will be described. As shown in FIG. 18, the
第1の導光部g2および第2の導光部g3はそれぞれ複数の微小プリズムが形成された基板106と複屈折材料107とを有する。基板106および複屈折材料107はそれぞれを構成している材料が異なる点を除いて第1の実施形態の基板101および複屈折材料102と同じ構造を備えている。本実施形態において、基板106はポリマー樹脂によって構成されており、複屈材料107はUV光硬化型高分子液晶によって構成されている。
Each of the first light guide part g2 and the second light guide part g3 includes a
第1の光学シフト部11’aおよび第2の光学シフト部11’bは透明板108をさらに含み、第1の導光部g2の複屈折材料107および第2の導光部g3の複屈折材料107が透明板108の両主面と接して透明板108を挟み込むように第1の導光部g2および第2の導光部g3が配置されている。
The first
より詳細には、微小プリズムを有する基板106は1.567の屈折率を有するポリマー樹脂によって成形されており、プリズムの斜面の角度が5度(頂角が85度)、プリズムのピッチが200μmになるように設計されている。複屈折材料107は硬化時においてne=1.580、no=1.482の屈折率を有するUV光硬化型高分子液晶を用いる。透明板108には屈折率1.52のガラス板を用いる。
More specifically, the
第1の実施形態と同様、複屈折材料107は微小プリズムの伸びる方向と平行な偏光方向(z方向)を有する光に対し、1.580の屈折率を示し、微小プリズム101bの伸びる方向と垂直な偏光方向(y方向)を有する光に対し、1.482の屈折率を示す。このため、第1の導光部g2において、微小プリズムの斜面106aと複屈折材料107との屈折率差は、第1の導光部g2に入射する光の偏光面の方向によって異なる。微小プリズムの伸びる方向と平行な偏光方向を有する光に対する屈折率差は+0.013(1.580−1.567)であり、微小プリズム101bの伸びる方向と垂直な偏光方向を有する光に対する屈折率差は、−0.085(1.482−1.567)となる。複屈折材料107に入射した光はスネルの法則にしたがってこの屈折率差に応じた割合で屈折する。
Similar to the first embodiment, the
第1の実施形態と同様、第1の導光部g2および第1の導光部g3を図18に示すようにそれぞれのプリズムの斜面が平行となるように配置することにより、本実施形態の光学シフト素子の第1の光学シフト部11’aが構成される。第2の光学シフト部11’bも同様に構成される。第1の光学シフト部11’aと第2の光学シフト部11’bにおいて、第1の導光部g2および第2の導光部g3の微小プリズムの斜面の向き(光の入射面)がそれぞれ逆向きになってもよい。
As in the first embodiment, the first light guide part g2 and the first light guide part g3 are arranged so that the slopes of the respective prisms are parallel as shown in FIG. A first
第1の光学シフト部11’aおよび第2の光学シフト部11’bにおいて、第1の導光部g2と第1の導光部g3との間隔を調整することにより出射する光の光軸のシフト量を容易に調整できる。本実施形態では、透明板108の2.225mmの厚さおよび1.52の屈折率を有するガラス板を透明板108として用いる。これにより、変調部g1からy方向に偏光方向を有する光が出射した場合には、第2の導光部g3から出射する光の光軸lo2は、入射光の光軸liに対してΔd2=3.7μmシフトし、変調部g1からz方向に偏光方向を有する光が出射した場合には、第2の導光部g3から出射する光の光軸lo1は、入射光の光軸liに対してΔd1=16.4μmシフトする。
In the first
このように、本実施形態では、変調部g1の動作によって選択的にシフトする2つの出射光の光軸の位置は、入射光の位置に対して非対称である。しかし、微小プリズムを用い、複屈折材料に垂直ではない入射角で光を入射させるため、入射光の光軸の位置に対して出射光の光軸の位置をいずれもシフトさせることが可能となり、従来に比べて光路長差を小さくすることができる。第1の実施形態で説明したように、光軸のシフト量Δd1およびΔd2は、基板106の屈折率、微小プリズムの斜面の角度、複屈折材料の屈折率を含む光学特性、透明基板108の屈折率および厚さなどを適宜調整することにより、任意の値に設定できる。また、基板106のかわりに間隙を設けて第1の導光部g2および第2の導光部g3を配置してもよい。
Thus, in the present embodiment, the positions of the optical axes of the two outgoing lights that are selectively shifted by the operation of the modulation unit g1 are asymmetric with respect to the position of the incident light. However, since the light is incident at an incident angle that is not perpendicular to the birefringent material using a microprism, it becomes possible to shift the position of the optical axis of the outgoing light with respect to the position of the optical axis of the incident light, The optical path length difference can be reduced as compared with the prior art. As described in the first embodiment, the shift amounts Δd1 and Δd2 of the optical axis are the optical characteristics including the refractive index of the
第1の光学シフト部11’aおよび第2の光学シフト部11’bの配置や第1の光学シフト部11’aおよび第2の光学シフト部11’bにおけるシフト量は第1の実施形態と同様に設定することができる。特に、第1の光学シフト部11’aおよび第2の光学シフト部11’bにおける光軸のシフト量Δd1+Δd2を2:1にすれば、光軸を4つの位置にシフトさせるように駆動する場合において光路長差をより小さくすることができる。このようにシフト量を設定するためには、たとえば、微小プリズムの傾斜面の角度を第1の光学シフト部11’aと第2の光学シフト部11’bとで異ならせ、第1の光学シフト部11’aの微小プリズムの傾斜面と第2の光学シフト部11’bの微小プリズムの傾斜面とが非平行になるようにすればよい。
The arrangement of the first
このように本実施形態の光学シフト素子では、光学シフト素子を透過する光の光路長差従来に比べて小さくなる。このため、投影型画像表示装置に本実施形態の光学シフト素子を用いた場合、従来よりも画質の劣化が少なく、より品位の高い画像を表示することができる。また、第1の実施形態に比べて、微小プリズムを有する基板を光硬化タイプの樹脂によって形成するため、製造プロセスにおける熱収縮等の光学性能のばらつきを小さくすることができ、工業的に光学シフト素子を量産するのに適している。 As described above, in the optical shift element of the present embodiment, the optical path length difference of the light transmitted through the optical shift element is smaller than the conventional one. For this reason, when the optical shift element of the present embodiment is used in the projection type image display apparatus, it is possible to display a higher quality image with less deterioration of image quality than in the past. Compared to the first embodiment, since the substrate having the microprism is formed of a photo-curing type resin, it is possible to reduce variations in optical performance such as heat shrinkage in the manufacturing process, and industrially shift optically. Suitable for mass production of devices.
(第3の実施形態)
本発明による光学シフト素子の第3の実施形態を説明する。図19に示すように、光学シフト素子12は、第1の光学シフト部12’aおよび第2の光学シフト部12’bを備える。第1の光学シフト部12’aおよび第2の光学シフト部12’bのそれぞれは、変調部g1、第1の導光部g2および第2の導光部g3を含む。第1の導光部g2と第2の導光部g3との間隔は透明板111によって調整されている。
(Third embodiment)
A third embodiment of the optical shift element according to the present invention will be described. As shown in FIG. 19, the
第1の導光部g2および第2の導光部g3はそれぞれ複数の微小プリズムが形成された基板109と複屈折材料110とを有する。基板109および複屈折材料110はそれぞれを構成している材料が異なる点を除いて第1の実施形態の基板101および複屈折材料102と同じ構造を備えている。本実施形態において、基板109および複屈折材料110はいずれもUV光硬化型高分子液晶によって構成されている。
Each of the first light guide part g2 and the second light guide part g3 includes a
より詳細には、微小プリズムを有する基板109はne=1.580、no=1.482の屈折率を有するUV光硬化型高分子液晶によって成形されており、プリズムの斜面の角度が5度(頂角が85度)、微小プリズムのピッチが200μmになるように設計されている。複屈折材料110はne=1.580、no=1.482の屈折率を有するUV光硬化型高分子液晶を用いる。基板109を構成するUV光硬化型高分子液晶は硬化していることが好ましいが、複屈折材料110を構成するUV光硬化型高分子液晶は必ずしも硬化している必要はない。硬化していない場合には、透明板111の表面および基板109の微小プリズムの斜面の少なくとも一方に配向処理が施されていることが好ましい。
More specifically, the
基板109を構成するUV光硬化型高分子液晶の光軸は微小プリズムの伸びる方向(z方向に垂直向であり、複屈折材料110を構成するUV光硬化型高分子液晶の光軸は微小プリズムの伸びる方向と平行である。このため、変調部g1から出射する光の偏光方向にかかわらず基板109と複屈折材料110との界面での屈折率差の絶対値等しい。具体的には、変調部g1から出射する光の偏光方向がy軸方向と平行である場合には、屈折率差は+0.098(1.580−1.482)となり、変調部g1から出射する光の偏光方向がz軸方向と平行である場合には、屈折率差は−0.098(1.482−1.580)となる。複屈折材料110に入射した光はスネルの法則にしたがってこの屈折率差に応じた割合で屈折する。このため、変調部g1の動作によって選択的にシフトする2つの出射光の光軸の位置は、入射光の光軸の位置に対して対称となり、シフト量Δd1とΔd2とは等しくなり、シフト位置にかかわらず、第1の光学シフト部12’aおよび第2の光学シフト部12’bにおける光路長は等しくなる。その結果、画質の劣化がなく高品位の画像を投影することのできる投影型画像表示装置が実現する。
The optical axis of the UV photocurable polymer liquid crystal constituting the
本発明は、液晶パネルを用いた投影型画像表示装置をはじめについて、液晶表示素子以外の表示素子、たとえば、デジタルミラーデバイス(DMD)などを画像表示パネルに用いる投影型画像表示装置に適用することができる。また、ヘッド・マウント・ディスプレイなど直視型画像表示装置にも本発明を適用することができる。 The present invention is applied to a projection type image display apparatus using a display element other than a liquid crystal display element, such as a digital mirror device (DMD), for an image display panel, including a projection type image display apparatus using a liquid crystal panel. Can do. The present invention can also be applied to a direct-view image display device such as a head-mounted display.
さらに、本発明の光学シフト素子は、光学軸をシフトさせる機能が利用される種々の装置に適用することができる。 Furthermore, the optical shift element of the present invention can be applied to various devices in which the function of shifting the optical axis is used.
1 光源
2 球面鏡
3 コンデンサーレンズ
4 、5、6 ダイクロイックミラー
7 マイクロレンズアレイ
8 液晶表示パネル
9 フィールドレンズ
10 光学シフト素子
10’ 光学シフト部
10’a 第1の光学シフト部
10’b 第2の光学シフト部
101、106、109 基板
101a 斜面
101b 微小プリズム
102、107、110 複屈折材料
103 第1の透明板
104 第2の透明板
105、108、111 透明板
DESCRIPTION OF
Claims (17)
前記第1の光学シフト部は、
入射した光の偏光方向を変調する変調部と、
斜面を有する複数の微小プリズムが一主面に設けられた基板および前記複数の微小プリズムに接するように配置された、光の偏光方向によって屈折率が異なる複屈折材料をそれぞれ有する第1および第2の導光部と、
を含み、
前記変調部を透過した光が前記第1の導光部に入射し、前記第1および第2の導光部の微小プリズムの斜面が互いに平行となるよう前記第1および第2の導光部が配置された光学シフト素子。 An optical shift element including a first optical shift unit capable of emitting light by selectively shifting the optical axis to first and second positions with respect to the position of the optical axis of incident light,
The first optical shift unit includes:
A modulator that modulates the polarization direction of incident light;
A plurality of microprisms having inclined surfaces are provided on a substrate provided on one main surface, and a first birefringent material and a second birefringent material are arranged so as to be in contact with the plurality of microprisms and have different refractive indexes depending on the polarization direction of light. A light guide part,
Including
The first and second light guide sections so that light transmitted through the modulation section enters the first light guide section, and the inclined surfaces of the micro prisms of the first and second light guide sections are parallel to each other. Is an optical shift element.
前記複屈折材料は液晶材料であって、前記配向処理が施された主面と接するように、前記複屈折材料が前記基板および前記透明板に挟まれている請求項1に記載の光学シフト素子。 Each of the first and second light guide parts further includes a first transparent plate whose main surface is subjected to orientation treatment,
2. The optical shift element according to claim 1, wherein the birefringent material is a liquid crystal material, and the birefringent material is sandwiched between the substrate and the transparent plate so as to be in contact with the main surface subjected to the alignment treatment. .
前記第2の光学シフト部は、前記第1の光学シフト部と同じ構造を備えている請求項1から8のいずれかに記載の光学シフト素子。 A second light that is incident on the light emitted from the first optical shift unit and that can emit light by selectively shifting the optical axis to the first and second positions with respect to the position of the optical axis of the incident light. The optical shift unit of
The optical shift element according to claim 1, wherein the second optical shift unit has the same structure as the first optical shift unit.
各々が光を変調することができる複数の画素領域を有する画像表示パネルと、
前記光源からの光を複数の波長域の光に分離し、前記分離された波長域の光をその波長域に応じて前記複数の画素領域のうちの対応する画素領域に集光させる光制御手段と、
前記画像表示パネルで変調された光によって被投影面上に画像を形成する光学系と、
前記画像を構成する各フレーム画像のデータから複数のサブフレーム画像のデータを生成し、前記画像表示パネルによって前記複数のサブフレーム画像を時分割で表示させる回路と、
前記画像表示パネルによって表示される前記複数のサブフレーム画像のうち選択されたサブフレーム画像を前記被投影面上でシフトさせる光学シフト素子と、
を備えた投影型画像表示装置であって、
前記光学シフト素子が、請求項1から16のいずれかに規定される光学シフト素子である投影型画像表示装置。
A light source;
An image display panel having a plurality of pixel regions each capable of modulating light;
Light control means for separating light from the light source into light of a plurality of wavelength regions and condensing the light of the separated wavelength regions in a corresponding pixel region of the plurality of pixel regions according to the wavelength region When,
An optical system for forming an image on a projection surface by light modulated by the image display panel;
A circuit for generating data of a plurality of sub-frame images from data of each frame image constituting the image, and displaying the plurality of sub-frame images in a time division manner by the image display panel;
An optical shift element that shifts a subframe image selected from the plurality of subframe images displayed by the image display panel on the projection surface;
A projection-type image display device comprising:
A projection-type image display device, wherein the optical shift element is an optical shift element defined in any one of claims 1 to 16.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2004025363A JP2005215602A (en) | 2004-02-02 | 2004-02-02 | Optical shift element and projection type picture display device |
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-
2004
- 2004-02-02 JP JP2004025363A patent/JP2005215602A/en active Pending
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