JP2006259182A - 光路シフト装置及び画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 光路の有効領域を分割して独自に駆動することが可能な光路シフト装置を提供する。
【解決手段】 光路シフト素子は、 少なくとも対向する２枚の透明基板の間に狭持されたホメオトロピック配向をなすキラルスメクチックＣ相を形成可能な液晶層と、該液晶層内に水平な方向に電界を印加するための電極とを備えている。光路が透過する有効領域を複数の領域に分割し、分割された各領域に対応した部分にのみ前記電極を形成した複数の光路シフト素子を積層し、光の通過方向から見て各領域の境界線を一致させて配置した。
【選択図】 図１

Description

本発明は、表示装置や画像入力装置等に用いられて光の光路を変更する光路シフト素子に対して光路制御を行う光路シフト装置及びこの光路シフト装置を用いた画像表示装置に関する。

以下の明細書において、「光路偏向素子」とは、外部からの電気信号により光の光路を偏向、即ち、入射光に対して出射光を平行にシフトさせるか、或る角度を持って回転させるか、或いはその両者を組合せて光路を切換えることが可能な光学素子を意味する。この説明において、平行シフトによる光路偏向に対してそのシフトの大きさを「シフト量」と呼び、回転による光路偏向に対してその回転量を「回転角」と呼ぶ。「光路偏向装置」とは、このような光路偏向素子を含み、光の光路を偏向させるデバイスを意味する。

また、「ピクセルシフト素子」とは、少なくとも画像情報に従って光を制御可能な複数の画素を二次元的に配列した画像表示素子と、画像表示素子を照明する光源と、画像表示素子に表示した画像パターンを観察するための光学部材と、画像フィールドを時間的に分割した複数のサブフィールド毎に画像表示素子と光学部材の間の光路を偏向する光偏向手段とを有する。光偏向手段によりサブフィールド毎の光路の偏向に応じて表示位置がずれている状態の画像パターンを表示させることにより画像表示素子の見掛け上の画素数を増倍して表示する画像表示装置における光偏向手段を意味する。従って、基本的には、上記定義による光偏向素子や光偏向デバイスを光偏向手段として応用することが可能となる。

従来より、ホメオトロピック配向させたキラルスメクチィックＣ液晶に横電界を印加することで液晶の傾斜角を変化させ、それに伴う複屈折変化で入射偏向の光路をシフトさせることが行われている。
また、ホメオトロピック配向させたキラルスメクチックＣ液晶を用いた光路シフト素子では、“電圧印加手段”／ライン電極、透明抵抗体によって横方向（基板に平行な方向）に均一な電界を印加することが行われている。

この光路シフト素子を表示装置に用いる場合、液晶などの画像表示素子とこの画像表示素子の画像を拡大表示する光学系との間に光路シフト素子を配置する。光路シフト素子が光路を縦横各２方向計４種類の方向に画素の半ピッチシフトさせる場合、１画面の表示内容を縦横方向について１画素おきに抽出した副画像を作製し、シフト素子の光路シフト動作に応じて、これら４枚の副画像を順次画像表示素子に表示させることで、より少ない画素数の表示素子で高精細の表示を行わせることができる。すなわち、表示素子の画素数に、シフトレベル数を乗じた画素数の表示を行わせることができる。

図１４は光路シフト素子を用いた拡大表示装置の構成を示す。同図において符号８１は照明用の光源、８２、８３はフライアイレンズアレイ、８４はコンデンサレンズ、８５は投射レンズ、８６はスクリーン、８８は液晶パネルの制御回路、８９は光路シフト手段、９０は光路シフト手段の制御回路、９１は偏光ビームスプリッター、９２は画像表示素子としての反射型液晶パネルをそれぞれ示す。

フライアイレンズアレイ８２、８３は光源光を均一化するために設けられたインテグレータ光学系を構成している。コンデンサレンズ８４は照明光を画像表示素子９２に集光、照明するために用いられる。偏光ビームスプリッター９１は照明光と画像光を分離するためのものである。

照明光源８１から放出された照明光は、インテグレータ照明系により均一化された照明光となり、コンデンサレンズ８４により液晶パネル９２をほぼ平行光で照明する。この液晶パネル９２で空間光変調された照明光は、画像光として光路シフト手段に入射し、光路シフト手段８９によって画像光が画素の配列方向に設定されたシフト量だけシフトされる。この光は投射レンズ８５で拡大されスクリーン８６に投射される。

シフト量は画素ピッチの整数分の１であることが好ましい。画素の配列方向に対して２倍の画素数増倍を行う場合は画素ピッチの１／２にし、４倍の画素数増倍を行う場合は画素ピッチの１／４にすることが好ましい。いずれの場合も、シフトレベル数に応じて画像フィールドを時間的に分割した複数のサブフィールドで構成し、各サブフィールドごとに光路偏向素子を作用させ、光路偏向素子の作用状態に応じた表示位置に対応する画像情報を画像表示素子に表示させることで、見かけ上高精細な画像を表示することができる。

なお、図１４では反射型の液晶パネルを用いた構成を例に説明したが、透過型の液晶パネルやマイクロミラーなどの光学素子を二次元的に配列し、該光学素子を動作させることで表示を行う表示素子も用いることができる。

図１５は光路シフト素子の基本構成を説明する光路図である。同図において、符号１は光路シフト素子、２、３は透明基板、４は配向膜、５はキラルスメクチックＣ相よりなる強誘電液晶をそれぞれ示す。

透明基板２、３の少なくとも一方には内面に配向膜４が形成されており、配向膜４と他方の透明基板との間にキラルスメクチックＣ相よりなる強誘電液晶５が充填されている。スメクチック液晶は液晶分子の長軸方向が層状に配列してなる液晶分子である。また上記層の法線方向と液晶分子長軸方向が一致している液晶をスメクチックＡ相、法線方向と一致していない液晶をキラルスメクチックＣ相と呼ぶ。キラルスメクチックＣ相は外部電界が働かない状態において各層毎に液晶ダイレクタ方向が螺旋的に回転している。キラルスメクチックＣ相は不斉炭素を分子構造に有し、これによって自発分極しているため、この自発分極Ｐｓと外部電界Ｅにより定まる方向に液晶分子が再配列することで光学特性が制御される。

キラルスメクチックＣ強誘電液晶５は配向膜４により基板面に垂直に分子螺旋回転の回転軸が向いており、いわゆるホメオトロピック配向をなす。この光路シフト素子には、光偏向方向に対応し、紙面の表裏方向の両側に図示しない電極対が配置される。該電極対は光路シフト素子の液晶回転軸に対して略垂直方向に電界ベクトルが向くように設置される。

またキラルスメクチックＣ相はスメクチックＡ相やネマチック液晶に比較してきわめて高速な応答性を有しており、サブｍｓでのスイッチングが可能である点が特徴である。特に電界方向に対して液晶ダイレクタ方向が一義的に決定されるため、スメクティックＡ液晶に比べダイレクタ方向制御が容易であり扱いやすい。

図１６は図１５の液晶配向を模式的に示している。電界は紙面の奥行き方向に印加されている。同図において符号８は液晶ダイレクタを示す。直交座標系を、図示するようにプロットしたとき、液晶内のＸＺ断面において、液晶ダイレクタ８は図１６に示すとおりに分布する。

図１４は図１６の縦断面を模式的に示すものである。同図においてθは液晶回転軸からの液晶ダイレクタの傾き角であり、以後単に傾き角と呼ぶ。液晶の自発分極Ｐｓが正であり、Ｙ軸正方向（紙面上向き）に電界Ｅがかかっているものとすると、液晶ダイレクタは液晶回転軸が略基板垂直方向であるためＸＺ面内にある。液晶分子の長軸方向の屈折率をｎｅ、短軸方向の屈折率をｎｏとすると、入射光として、偏光面をＹ軸方向にもつ直線偏光を選びＸ軸正方向に入射光が進むとき、光は液晶内で常光として屈折率ｎｏによる屈折を受けるが、入射面に垂直な光束は直進し図中ａ方向に進む。すなわち光偏向は受けない。

一方、偏光面がＺ軸方向である直線偏光が入射するとき、入射方向の屈折率は液晶ダイレクタ方向およびｎｏ、ｎｅ両者から求められる。より詳しくはｎｏ、ｎｅを主軸にもつ屈折率楕円体において楕円体中心を通過する光の方向との関係から求められるが、その詳細は省略する。

入射面に垂直に入射した光はｎｏ、ｎｅおよびダイレクタ方向θに対応した偏向を受け図中ｂに示す方向にシフトする。今、液晶の厚み（ギャップ）をｄとするときシフト量Ｓは以下の式１で表される（例えば、「結晶光学」応用物理学会、光学懇話会編、ｐ１９８参照）。

Ｓ＝［（１／ｎｏ）２−（１／ｎｅ）２］ｓｉｎ（２θ）×ｄ
÷［２（（１／ｎｅ）２ｓｉｎ２θ＋（１／ｎｏ）２ｃｏｓ２θ）］………式１

電界方向を反転させた時、液晶ダイレクタは図１３において一点鎖線で示すようにＸ軸を中心とした線対称の配置を取り、偏光面がＺ軸方向である直線偏光の進行方向は図中ｂ’に示す通りとなる。したがって、この直線偏光に対して、電界方向を制御することでｂとｂ’の２位置すなわちシフト量２Ｓの光偏向が可能となる。

液晶材料の代表的物性値（ｎｏ＝１．６、ｎｅ＝１．８）に対して得られる光偏向量について計算すると、液晶ダイレクタの傾き角θ＝２２．５°のとき、２・Ｓ＝５（μｍ）の偏向量を得るためには液晶の厚みを３２μｍ厚に設定すれば良い。またホメオトロピック配向強誘電液晶１において、約７００Ｖ／ｃｍの電界に対して０．１ｍｓの応答速度が報告されており（Ｏｚａｋｉ他、Ｊ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓｉｃｓ、Ｖｏｌ．３０、Ｎｏ．９Ｂ、ｐ２３６６−２３６８（１９９１）参照）、サブｍｓオーダの十分高速な応答速度が得られる。

一方、液晶パネルなどの画像表示素子は行電極と列電極がマトリクス形状を形成するような配線電極構造を有している。

図１８は画像表示素子としての液晶の構成例を示している。同図において符号９２４はマトリクス電極部、９２２は行ドライバー、９２３は列ドライバーをそれぞれ示す。行と列の電極の交叉部にはトランジスタ構造を有する能動素子が設けられ、能動素子をスイッチさせることで液晶に電圧を印加する。これに画像を表示する方法には、「一括書き換え方式」と「走査方式」が一般的である。前者は、１画面を同時に書き換えるものであり、後者はたとえば、表示を上部から線順次に書き換えるような方式である。一括方式は、デジタル的に階調を制御する方式で多く採用されており、この場合には光路シフト素子は、画面の書き換えに同期して動作させることで上述のような高精細表示を行わせることができる。後者はアナログ的に階調を表示する方式で用いられており、たとえば数十Ｈｚ〜３００Ｈｚ程度の周波数で１画面を走査しながら書き換えるものである。一括方式では光路シフト素子の動作は一括動作でよく、最も単純な構成で実現可能である。
特開平７−６４０４８号公報

一括方式はデジタル階調を行う強誘電性液晶を用いた方式で用いられるが、デジタル階調方式は階調制御のために、画像表示素子への必要なデータ転送速度がきわめて高くなるという問題がある。これは、フレームを更に分割し、高いフレームレートで動作させる必要のある光路シフト方式にとっては不都合であり、転送速度の制約から階調数または表示の画素数が制約されるという問題がある。

一方、アナログ階調で走査方式で書き込む場合には、転送速度の制約は少なくなると言う利点があるが、光路シフト素子を同時に動作させると、１つのサブフィールドの画像が異なるシフト位置に分割されて表示されてしまうという問題を生ずる。その主な理由は、画像表示素子が走査方式なのに対して、従来の光路シフト素子が全面一括シフト方式を採用しているからである。もう一つの理由として、キラルスメクチックＣ相の液晶を用いて光路シフトの応答が高速になったとはいえ、それでも応答遅れは、画像の１フィールドに要する時間から見れば決して小さくない点にある。その状況を図１９を用いて簡略化して説明する。

図１９は行電極走査位置とシフト量の関係を示している。シフト量を表す線図は台形のようになっているが、その斜辺部はシフト信号の入力変化に対する応答遅れを表している。

本来１つの表示位置に表示されるべき画像データであるサブフィールドＡが、図示のように、光路シフト素子の動作前後で分割されて表示されてしまう。符号を参照して述べれば、画像の行位置がａ１からｂ１までの画像は、時刻ｔ１まではシフト量Ｓの光路ｂを通って表示されるが、時刻ｔ１からｔ２までの時間帯は、行位置がｂ１からｃ１までの画像を含めて光路ｂから光路ｂ’へ光路を順次変化しながら通る。すなわち、所望のシフト量＋Ｓから−Ｓに向けて画像が部分的に移動することになる。時刻ｔ２からｔ３までは、行位置がａ１からｃ１までの画像と、その後走査が開始されるｄ１までの画像が、シフト量−Ｓの光路ｂ’を通って表示される。さらに、時刻ｔ３からｔ４までは行位置ｂ１からｄ１までの部分的な画像が光路ｂ’から光路ｂへ向けて移動し、最後に時刻ｔ４以降は行位置ｃ１からｄ１の画像がシフト量Ｓの光路ｂを通って表示される。したがって、サブフィールドＡは３つに分割されて、２つのシフト位置に表示される。

続くサブフィールドＢの行位置ａ２からｂ２までも、時刻ｔ３までは同じ光路ｂ’を通って表示されるので、サブフィールドＡの一部とサブフィールドＢの一部が合成されて同じシフト位置に表示されてしまう。これは、前記画像の部分的移動と共に解像度の低下を引き起こすため大きな問題である。

これらとは別に、特許文献１には、強誘電性液晶を偏光制御手段として用い、その出射側に結晶軸が傾斜した複屈折媒体を設け、複屈折媒体に入射する偏光の偏光面を、結晶軸の傾斜方向、またはそれに直交する方向に変調することで光路シフトを行う方法が開示されている。この方式では、上述のような走査型の表示素子に対して、光路シフト手段の偏光方向制御パネルの電極を走査方向に垂直な複数の領域に分割し、表示装置の走査に同期させて選択し電圧を印加する上下電極のペアを変えることで、光路シフト手段を部分的に動作させるものである。

しかしながら、垂直配向させた強誘電性液晶の場合には、基板に平行な方向の電界で動作させるという基本的な動作方式の違いのため、このような方法は採用することができない。

本発明は、このような問題点を考慮してなされたものであり、光路の有効領域を分割して独自に駆動することが可能な光路シフト装置及びこれを用いた画像表示装置を提供することを目的とする。

請求項１記載の発明は、少なくとも対向する２枚の透明基板の間に狭持されたホメオトロピック配向をなすキラルスメクチックＣ相を形成可能な液晶層と、該液晶層内に水平な方向に電界を印加するための電極とを備えた光路シフト装置において、光路が透過する有効領域を複数の領域に分割し、分割された各領域に対応した部分にのみ前記電極を形成した複数の光路シフト素子を積層し、光の通過方向から見て各領域の境界線を一致させて配置したことを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記電極が基板面上に平行に形成された複数本の透明なライン状の電極であり、前記透明ライン電極の形成面と前記液晶層の間に誘電体層を形成し、前記各透明ライン電極間を抵抗体で直列に接続したことを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の発明において、各光路シフト素子に入射した直線偏光の内、光路シフトされて出射した光線のみの偏光面を略９０度回転させるように、少なくとも電界印加領域に対応した液晶層通過後の位置に半波長素子を形成したことを特徴とする。

請求項４記載の発明は、請求項１から３のいずれか１項に記載の発明において、前記分割された領域の境界線を、透明ライン電極の配列方向あるいは長さ方向に対して斜めに形成したことを特徴とする。

請求項５記載の発明は、請求項３または４記載の発明において、前記光路の有効領域が四角形であり、分割された領域の境界線が四角形の基板の一辺に対して平行であることを特徴とする。

請求項６記載の発明は、請求項５記載の発明において、前記抵抗体が各光路シフト素子の長方形の有効領域の長辺と短辺に対応したＬ字型で形成され、該Ｌ字型の抵抗体によって各透明ライン電極間に与えられる電位差が一定となるようにＬ字型抵抗体の縦部分と横部分の幅を変えたことを特徴とする。

請求項７記載の発明は、請求項５または６記載の発明において、前記境界に対する透明ライン電極の配列方向が４５度の角度をなすことを特徴とする。

請求項８記載の発明は、請求項１から７のいずれか１項に記載の発明において、少なくとも画像情報に従って光を制御可能な複数の画素を二次元的に配列した画像表示素子と、画像表示素子を照明する光源と、画像表示素子に表示した画像パターンを観察するための光学部材と、画像フィールドを時間的に分割した複数のサブフィールド毎に画像表示素子から出射した光路を偏向する請求項１から７のいずれか１項に記載の光路シフト装置とを有することを特徴とする。

請求項９記載の発明は、請求項８記載の発明において、前記画像表示素子として順次走査型の表示素子を用い、光路シフト素子の分割領域の境界方向を前記表示素子の走査方向にほぼ直交させたことを特徴とする。

本発明によれば、光路が透過する有効領域を複数の領域に分割し、分割された各領域に対応した部分にのみ前記電極を形成した複数の光路シフト素子を積層し、光の通過方向から見て各領域の境界線を一致させて配置することにより、それぞれの領域での光路シフト方向を独自に設定することができる。これにより、分割した光路の有効領域を独自に駆動することが可能となる。

〔第１の実施形態〕
図１は本発明の第１の実施形態を示し、（Ａ）は側面図、（Ｂ）は正面図である。

この光路シフト装置は境界線１０５で分離される有効領域１０１，１０２の異なる二つの光路シフト素子１０３，１０４を積層して構成される。第一の光路シフト素子１０３は図示しない電極と電界印加手段によって図中上半分のみに上下方向に電界印加可能に構成されており、図１の（Ｂ）における左右方向に光路がシフトされる。第二の光路シフト素子１０４は図中下半分のみに上下方向に電界印加可能に構成されており、図１（Ｂ）の左右方向に光路がシフトされる。

一つの光路シフト素子の基本的構成について説明する。一対の透明な基板が対向配置させて設けられている。透明な基板としては、ガラス、石英、プラスチックなどを用いることができるが、複屈折性のない透明材料が好ましい。基板の厚みは数十μｍ〜数ｍｍが良好である。基板の内側面には垂直配向膜が形成されている。垂直配向膜は基板表面に対して液晶分子を垂直配向（ホメオトロピック配向）させる材料ならば特に限定されないが、液晶ディスプレイ用の垂直配向剤やシランカップリング剤、ＳｉＯ_２蒸着膜などを用いることができる。

ここで、垂直配向（ホメオトロピック配向）とは、基板面に対して液晶分子が垂直に配向した状態だけではなく、数十度程度までチルトした配向状態も含む。両基板間隔をスペーサーを挟んで規定し、基板間に電極と液晶層を形成する。スペーサーとしては数μｍから数ｍｍ程度の厚みを有したシート部材あるいは同程度の粒径の粒子などが用いられ、素子の有効領域外に設けられることが好ましい。素子の有効領域内に水平電界を印加するための電極としてはアルミニウム、銅、クロムなどの金属シート、基板面上に形成された前述の金属膜などが用いられるが、装置全体の光路中に配置するためには、透明電極材料を用いることが好ましい。

液晶層としてはスメクチックＣ相を形成可能な液晶が用いられる。液晶層はガラス基板間の全体に注入しても良いし、光路シフト素子の有効領域外は透明材料を充填して、電界が印加される有効領域内のみに液晶層を形成しても良い。なお、本実施の形態等では、液晶層として強誘電液晶を例にとり光偏向素子の説明を行うが、反強誘電液晶の場合にも同様に使用することができる。

図２および図３のように有効領域１０１の両端部に形成した電極１１０，１１０間に電位差を印加することで、有効領域１０１内の液晶層１１２の水平方向に電界が印加され、光路シフトが生じる。独立に電界駆動可能な複数の光路シフト素子を積層し、光の通過方向から見て各領域の境界線１０５を一致させて配置することで、一体化した一つの光路シフト素子の中に光路シフト方向がそれぞれ異なる領域を形成することができる。ここでは有効領域を２分割して二つの光路シフト素子を積層しているが、有効領域をＮ分割して、Ｎ個の光路シフト素子を積層しても良い。

また、図１では二組の独立した光路シフト素子１０３，１０４を積層しているが、二つの液晶層の間の二枚の基板を一体化し、一枚の基板の両面に透明ライン電極や誘電体層を形成し、これを中間基板として用いて二つの光路シフト層を有する３枚基板からなる光路シフト装置としても良い。

このような実施形態では、一つの光路シフト素子の中に、光路シフト方向が異なる複数の領域を形成することができ、光路の有効領域を分割して独自に駆動することが可能となる。

〔第２の実施形態〕
図２のように有効領域の両端部にのみ電極を設けた場合、有効領域の幅が広い場合、すなわち電極間の間隔が広い場合に電界が均一に印加されなくなる場合がある。そこで、第２の実施形態では、図４および図５に示すように、有効領域内に平行に配置した複数の透明なライン状の電極１１５を設け、この透明ライン電極１１５の形成面と液晶層１１２の間に誘電体層１１６を形成し、各透明ライン電極１１５間を抵抗体１１７で直列に接続するものである。

透明ライン電極１１５の材料としては、ＩＴＯ、ＺｎＯなど酸化物半導体の蒸着膜やスパッタ膜を用いることが好ましい。また、これらの酸化物半導体の微粒子を樹脂中に分散した材料を塗布することにより形成しても良い。透明ライン電極１１５の幅は細いほど好ましいが実用的には１０μｍ程度の幅に加工される。ライン電極間のピッチは数十μｍから数百μｍ程度が好ましいが、後述する誘電体層１１６の誘電率や厚みなどに関連して設定される。

誘電体層１１６としては、ガラスや樹脂など透明性の高いものを用いることができる。特に、複屈折性の無い材料を用いることが好ましい。誘電体層１１６の厚みは、数μｍから数百μｍ程度が好ましいが、透明ライン電極１１５のピッチとの関連から設定される。誘電体層１１６は透明な接着剤によって、透明ライン電極１１５を形成した基板１１８の面上に貼りつけられる。誘電体層を薄く形成する場合には、厚い誘電体層を接着した後、所望の厚みまで研磨しても良い。接着剤は透過率が高く、その屈折率が比較的大きく透明電極材料の屈折率に近いことが好ましい。さらに、誘電体層１１６の上に液晶配向膜を形成するため、配向膜形成プロセスでの加熱処理に耐えうる１００℃から２００℃程度の耐熱性も要求される。また、誘電体層１１６および配向膜が樹脂の場合、両者の塗布溶媒などを最適化しておく必要がある。このように誘電体層１１６を貼り合せて基板とし、この基板に前述の光路シフト素子を作製する。この時、素子を上から見て、上下基板の透明ライン電極が交互に配置されるように組み合わせても良い。

次に、各透明ライン電極１１５を電気的に直列に接続するために、抵抗体１１７を形成する。抵抗体１１７は所望の抵抗値を発現し透明ライン電極１１５上に形成可能なものであれば良い。抵抗体１１７が安定的に機能し、抵抗破壊等がなく、抵抗体の過度な発熱による液晶特性への悪影響を防止するためには、表面抵抗が１×１０^７Ω／ｍｍ^２以上の材料が好ましい。具体的には、酸化クロムや酸化スズ、酸化アンチモン、酸化亜鉛、ＡＴＯ（アンチモン含有酸化スズ）、またはこれらの微粒子を樹脂中に分散させた塗布型の材料などが使用できる。

透明ライン電極１１５上への抵抗体１１７の形成方法としては、蒸着やスパッタによる方法、あるいは塗布型の抵抗体材料では、スピンコート方法やフレキソ印刷、スクリーン印刷などの印刷方法、あるいはノズルやインクジェット方式などの噴射方法も用いることができる。形成方法によっては抵抗体形成部分以外をマスキングする必要もある。透明ライン電極上における抵抗体の形成幅は、抵抗体材料によっても多少異なるが、１ｍｍから５ｍｍ程度が好ましい。

また、基板上に抵抗体１１７を形成する以外に、フレキシブル基板などを用いて各透明ライン電極１１５を延長し、素子以外の別な基板上で抵抗体材料あるいは抵抗アレイに接続しても良い。両端の電極１１５間に電圧を印加することで、各透明ライン電極１１５の電位が抵抗体１１７によって分割され、有効領域内に強制的に所望の電位勾配を形成することができる。電極のエッジ部近傍には逆電界が発生するが、電極上に誘電体層を形成しているので、液晶層内での電界強度は鈍って均一になる。したがって、広い有効領域内に均一な水平電界を形成することができ、各領域内において均一な光路シフト動作を行うことができる。

このような実施形態では、透明なライン状の電極郡を抵抗体で直列に接続し、電極郡の両端部に電圧を印加することで、各ライン電極に段階的な電位差を印加することができ、広い有効領域内に水平電界を形成することができる。また、電極のエッジ部近傍には逆電界が発生するが、誘電体層を形成しているので、液晶層内での電界強度は均一になる。従って、各領域内において、均一な光路シフト動作を行うことができる。これにより、分割した各領域内において、光路シフト量を均一とすることができる。

〔第３の実施形態〕
この実施形態では、光路シフト素子に入射した直線偏光の内、光路シフトされて出射した光線のみの偏光面を略９０度回転させるように、電界印加領域に対応した液晶層通過後の位置に半波長素子１２１を形成するものである。

図６には、二枚の光路シフト素子１２０からなる場合を示す。光路シフト素子１２０には図中上下方向に電界が印加され、紙面の垂直方向の直線偏光を入射した場合に、紙面の垂直方向に光路シフトされる。素子１２０に入射した直線偏光は図中左側の第一の光路シフト素子１２０の有効領域ではシフト量Ｓだけシフトされて出射し、素子間に配置された半波長素子１２１によって偏光面が図中上下方向に略９０度回転されて右側の第二の光路シフト素子１２０に入射する。第二の素子の非有効領域に入射した光はそのまま透過するので、最終的にシフト量はＳとなる。

ここで、斜めに入射する光の成分については、図７のように第一の光路シフト１２０素子でシフト量Ｓを与えられた光が、斜めに進むことで第二の光路シフト素子１２０の有効領域に入射してしまう場合がある。その光の偏光面では第二の有効領域でもシフトされてしまうため、最終的にシフト量が２倍になる。そのため境界部付近では斜め入射光成分によってシフト量が不均一になる場合がある。

これに対し、図１６のように半波長素子１２１を配置した場合、第一の有効領域を通過してシフトされた光は偏光面が９０度回転しているため、斜めに進んで第二の素子の有効領域に入射した場合でも光路シフト現象は発生しない。したがって、境界部付近でも均一なシフト量を得ることができる。なお、第二の光路シフト素子１２０の有効領域に対応した通過後の位置にも半波長素子を形成しても良い。半波長素子１２１としては複屈折結晶や複屈折フィルムを用いることができる。なお、半波長素子を配置した領域と無い領域での厚みの差や透過率の差を解消するために、全領域に半波長素子を配置し、所望の領域のみ偏光面が９０度回転するような光学軸方向に設定し、他の領域では偏光面が回転しないような光学軸方向に設定することが好ましい。

このように光路シフト素子に斜めに入射する光がある場合、第一の光路シフト素子の有効領域を通過した光線がその下流側の第二の光路シフト素子の有効領域に入射する場合があり、有効領域を二度通過した光は、設定値の２倍のシフト量あるいはシフト量がゼロになるのに対し、この実施形態では、上流側の素子で光路シフトされて出射した光線の偏光面を略９０度回転させるように電界印加領域に対応した液晶層通過後の位置に半波長素子を形成するため、偏光面が９０度回転した光は、下流側の素子の有効領域に入射しても光路シフト現象が生じない。このため光路シフト量の異常を防止することができる。

〔第４の実施形態〕
この実施形態では、図８のように、分割された領域の境界線を、透明ライン電極１１５の配列方向あるいは長さ方向に対して斜めに形成するものである。

例えば有効領域を２分割する場合には、図８（Ａ）と（Ｂ）のような有効領域が３角形の形状の各光路シフト素子を用い、図中斜めの境界線１０５が一致するように積層する（図８（Ｃ）参照）。このような構造では、境界線１０５に対して斜めに電界を印加して光路シフトの方向を斜めに設定できる。従って、境界に対する光路シフト方向を自在に設定できるので、後述する画像表示装置においても、画素配列に対する光路シフト方向を任意に設定できる。

このようにこの実施形態では、分割された領域の境界線が電極の配列方向あるいは長さ方向に対して斜めに形成されていることにより、境界に対して斜めに電界が印加することができ、したがって、境界に対して光路シフトの方向を斜めに設定することができる。

〔第５の実施形態〕
図８の光路シフト装置を用いて四角形状の有効領域の光路を上下に分割して駆動する場合、図９のように光路シフト素子を斜めに配置し、光路有効領域の一辺と境界線を平行に配置する。この場合、光路の有効領域の面積に対して、光路シフト素子の有効領域の面積が比較大きくなり、装置のレイアウトの制約、部品コストの面で好ましくない。

この実施形態では、図１０のように、光路の有効領域１２３が四角形であり、分割された領域の境界線１０５が、四角形の基板の一辺に対して平行に設定するものである。透明ライン電極１１５は基板１２５に対して斜めに配列される。基板１２５の周囲に透明ライン電極１１５を接続する抵抗体１１７を形成する場合、図１０のように基板１２５の二辺に沿った横方向と縦方向の部分を有するＬ字型で形成することが好ましい。このような構成では、有効領域の面積に対するライン電極形成部の面積を比較的小さく設定できる。したがって、一定の有効面積に対して基板サイズを比較的小さく設定することができる。

〔第６の実施形態〕
図１０のように抵抗体１１７が各光路シフト素子の有効領域の長辺と短辺に対応したＬ字型で形成される場合、長辺方向と短辺方向のライン電極の間隔に差が生じる。したがって、両辺の抵抗体の材質、膜厚、幅を同一に設定した場合には両辺でのライン電極間の抵抗値に差が生じて有効領域内の電界強度分布が不均一になる場合がある。

これに対し、この実施形態では、Ｌ字型の抵抗体１１７によって各透明ライン電極間に与えられる電位差が一定となるようにＬ字型の抵抗体１１７の縦部分と横部分の幅を変更するものである。

図１１に抵抗体の折れ曲がり部の拡大図を示す。基板の辺あるいは有効領域の辺に対してライン電極１１５が斜めに形成されているため、図の横方向の間隔Ｌ１と縦方向の間隔Ｌ２は異なる。

ここで、抵抗体１１７中の実効的な部分、すなわち電流パスにおいて、電流は抵抗体１１７中で最も低抵抗となる部分を選択的に流れる。すなわち、抵抗体１１７上でライン電極間隔が最も小さくなる領域（図中斜線領域）において抵抗体１１７の抵抗値が最も小さくなるので、電流パスとなる抵抗体部分の有効幅はＬ３となる。したがって、抵抗体１１７の縦部分と横部分での抵抗体部分の有効幅がＬ３で一定となるように抵抗体１１７の形成幅Ｗ１とＷ２を設定する。

このように幾何学的に抵抗体１１７の幅を設定しても良いが、透明ライン電極と抵抗体の接触抵抗などの影響があるため、実験的に最適な抵抗体１１７の幅を設定することが好ましい。

この実施形態では、Ｌ字型の抵抗体１１７の縦部分と横部分の幅を変えることで電極間の抵抗値を一定にすることができ、有効面面積内で均一な光路シフト動作を行うことができる。

〔第７の実施形態〕
この実施形態では、境界に対する透明ライン電極の配列方向が４５度の角度をなすように配置するものである。図１２のように画素が二次元方向に等ピッチで配列した画像表示素子１２７と斜め４５度方向に光路シフトする光路シフト装置１２９を組み合わせた場合、一つの光路シフト装置１２９で縦方向と横方向に同じ光路シフト量を与えることができる。すなわち、図１２の実線で示した画素位置と破線で示した画像位置を合成した縦方向と横方向に均一な画素数の画像を表示することができる。また、図９のようなＬ字型の抵抗体１１７の縦部分と横部分の抵抗体の幅を同一に設定することができ、素子をさらに単純化できる。

このように、この実施形態では、四角形の基板の一辺に対して４５度の方向に透明ライン電極の配列方向を設定しているので、比較的小さな基板を用いることができる。また、画素が二次元方向に等ピッチで配列した画像表示素子から出た画像光を斜め４５度にシフトすることで、縦方向と横方向に同時に同じ光路シフト量を与えることができる。

〔第８の実施形態〕
この実施の形態は図１４に示す画像表示装置への適用例である。図１４において、８１はランプ光源であり、この光源８１からスクリーン８６に向けて発せられる光の進行方向にはフライアイレンズ８２、８３など均一照明手段、コンデンサレンズ８４、偏光フィルタ（不図示）、偏光分離プリズム９１、画像表示素子としての反射型液晶パネル９２、画像パターンを観察するための光学部材としての投射レンズ８５が順に配設されている。ここで、反射型液晶パネル９２と投射レンズ８５との間の光路上にはピクセルシフト素子として機能する光路シフト装置８９が介在されており、ドライブ部９０に接続されている。このような光路シフト装置８９として、前述したような光路シフト装置が用いられている。

図１４において、光源８１から放出された照明光は、フライアイレンズ８２などにより均一化された照明光となり、コンデンサレンズ８４と偏光分離プリズム９１を通して反射型液晶パネル９２を照明する。この反射型液晶パネル９２で空間光変調された照明光は、画像光として偏光分離素子９１および光路シフト装置８９に入射し、この光路シフト装置８９によって画像光が任意の距離だけシフトされる。この光は投射レンズ８５で拡大されスクリーン８６上に投射される。

なお、図１４では簡単のため、光源として白色光源を用い、白色光で照明する白黒表示用の画像表示装置を例示したが、照明光路中に時間順次に色を切換え可能なカラーフィルターを設けたフィールドシーケンシャル方式のカラー画像表示装置とすることもできる。あるいは、照明光を色分離フィルターで３原色に分離し、各色ごとに設けた反射型液晶パネルを照明して、各色の投射画像を合成プリズムで合成して投射することもできる。いずれも場合も光路シフト素子は反射型液晶パネルと投射レンズの間に一枚または複数枚配置することができる。

図１４では偏光分離素子９１と投射レンズ８５の間に光路シフト装置８９を設けているが、偏光分離プリズム９１と反射型液晶パネル８８との間に光路シフト装置８９を配置しても良い。さらに、データ更新の高速性などから反射型液晶パネルとしてシリコン基板回路上の液晶パネル（ＬＣＯＳ）を用いることが好ましい。

また、液晶パネルとしてポリシリコンＴＦＴ基板を用いた透過型液晶パネルを用いることもできる。また、光学系構成も図に限定されるものではない。また、光源に発光ダイオードなどを用い、画像を直接肉眼で拡大観察するいわゆるヘッドマウントディスプレイのような用途にも好ましく用いられる。

このような実施形態では、図１２のように画像表示素子の画素位置を時間順次にシフトさせて表示し、シフト動作に応じて画像表示素子の表示画像を切り替えることで、画素数の少ない画像表示素子を用いて高精細な表示画像を得ることができる。

〔第９の実施形態〕
この実施形態では、画像表示素子として順次走査型の表示素子を用い、光路シフト素子の分割領域の境界方向を、前記表示素子の走査方向にほぼ直交させるものである。

図１３に画像表示素子と光路シフト素子の動作の概要を示す。同図の左列は順次走査型表示素子がサブフィールド画像Ａ（ＳＦＡ）の状態からサブフィールド画像Ｂ（ＳＦＢ）の状態まで書き換わる状態を示しており、図５のａ２からｄ２の状態に対応している。図１３の右列は光路シフト装置の各分割領域の光路シフト方向を示し、分割領域の境界線が表示素子の走査方向（図中上下方向）に直交させている。

図１９（Ａ）では表示素子全体がサブフィールド画像Ａを表示して、光路シフト装置は上側領域と下側領域が同時に左上方向の光路シフト動作をしている。（Ｂ）では表示素子の上側からサブフレーム画像Ｂに書き換え始めているが、光路シフト装置の状態は変わらない。（Ｃ）では表示素子の略半分がサブフレーム画像Ｂに切り替わったタイミングで光路シフト装置の上半分の光路シフト方向を切り替える。この状態では表示素子上を略中央で分割して表示している二つのサブフレーム画像に対応して光路シフト装置の光路シフト方向を設定している。（Ｄ）では画像下部にサブフレーム画像Ａが残っているが、光路シフト装置の状態は変わらない。（Ｅ）で表示素子が全面サブフレーム画像Ｂを表示したタイミングで光路シフト素子の下半分の光路シフト方向を切り替える。このように、表示素子上のサブフレーム画像と光路シフト方向が一致している状態の面積と時間が長くできるため、シフト方向の不一致による画像劣化を低減できる。

この実施形態では、順次操作中の中間時点において、光路シフト素子の分割した領域の光路シフト方向を切り替えることができるので、一括した光路シフト動作時に顕著となるサブフィールドの分割現象を低減することできる。また、画像書き換え時間が比較的遅い画像表示素子も使用することができる。

以下、本発明を実施例により具体的に説明する。

（実施例１）
図５のように、厚さ１．１ｍｍ、大きさ６０ｍｍ×７０ｍｍのガラス基板の表面に幅１０μｍ、長さ５５ｍｍのＩＴＯ透明ライン電極を平行に１００μｍピッチで２５０本形成した。この透明電極ライン形成面上に厚み１５０μｍの薄板ガラスを紫外線硬化接着剤によって張り合わせた。接着剤の厚みは１０μｍ程度とした。薄板ガラスのサイズは６０ｍｍ×６０ｍｍとし、透明ライン電極が露出している幅１０ｍｍの部分に２ｍｍ幅開口の直線上のマスクを密着し、表面抵抗が１×１０^８Ω／ｍｍ^２のＣｒＳｉＯ膜をスパッタ法により成膜することで、直線上の抵抗体を形成した。

図４の素子断面図のように透明ガラスの内部に透明ライン電極が埋め込まれている形となり、各透明ライン電極を抵抗体膜によって直列に接続した状態とした。この基板表面に厚み０．０６μｍのポリイミド化合物の垂直（ホメオトロピック）配向膜を形成した。ポリイミド配向膜は、ポリアミック酸溶液をスピンコートにより塗布し、約１８０℃に加熱処理よるイミド化処理によりポリイミド膜を得た。５０μｍのスペーサーシートを有効面積外に挟んで、線対称の電極形状の二枚の基板を対向させて、上下基板の有効面積内の透明電極ラインが上から見て互いに一致するように張り合わせた。

セルを約９０℃に加熱した状態で、基板間の空間に強誘電性液晶（チッソ製ＣＳ１０２９）を毛管法にて注入した。冷却後、接着剤で封止し、液晶厚み５０ｍ、有効面積が約５０ｍｍ×２５ｍｍ角の長方径の光路シフト素子を得た。

有効領域両端のＩＴＯライン電極に配線し、パルスジェネレーターと高圧アンプを用いて±５ｋＶ、６０Ｈｚの矩形波交流電圧を印加した。光路シフト素子の入射面側に図１２のような開口部１２μｍ角、上下方向の配列ピッチ１４μｍの開口マスクパターンを設け、このマスクパターン側から白色光源からコリメートした直線偏光で照明した。直線偏光の向きは、電極の長手方向と同一に設定した。素子の温度が２５℃の状態で、マスクパターンを透過した光を光路シフト素子を通して顕微鏡で観察したところ、有効領域内のほぼ全域で均一なシフト量７μｍが得られた。また、同じ素子の有効領域外では光路シフト量はゼロであった。

これと同一の光路シフト素子をもう一枚作製し、図１のように有効領域の境界線が一致するように積層し、有効面積が５０ｍｍ角の光路シフト装置を得た。二つの素子に印加する交流電圧の位相を調整して、両者の電界の極性を常に一致させる場合と、位相を１８０度ずらして電界の極性が反対になる場合を設定し、上記と同様に顕微鏡で光路シフト量を確認した。

両領域のシフト方向が一致している場合、各有効領域内の光路シフト量は水平方向に７μｍと等しく、境界近傍の広い領域を観察すると上側と下側で光路シフトの挙動はほぼ一致していた。しかし、境界部分でシフト量が６μｍ程度に僅かに小さく観察される領域が確認できたが、その領域の幅は１ｍｍ程度であり、実用上問題無いと判断した。

また、両領域のシフト方向が逆方向の場合、各有効領域内の光路シフト量は７μｍと等しいが、境界近傍の広い領域を観察すると上側と下側で光路シフトの方向が反対になっていることが確認できた。また、境界近傍でシフト量がゼロの領域が観測されたが、その領域の幅は１ｍｍ程度であり、実用上問題無いと判断した。したがって、有効領域内を分割して独立に駆動可能な光路シフト装置が得られた。

この実施例において、この光路シフト装置に入射する光を平行光から１４度の照明角度を有する光に変えて同様な光路シフト量の確認を行ったところ、前述の平行光の場合と比べて境界部付近でのシフト量のバラツキが大きく、シフト量が大きく観察される部分もあった。これは、前述した斜めに入射して液晶層を二回通過した光の影響と推測される。

（実施例２）
実施例１と同様な二枚の光路シフト素子の間に図６のように半波長フィルムを挟んだ。貼り合せ部分の厚みと素子全体の透過率を一致させるために、素子上半分には入射偏光面に対して光学軸が４５度傾斜したフィルムを、下半分には同一フィルムだが光学軸の傾斜が０度の方向に合わせたフィルムを挟んだ。

この光路シフト素子を１４度の照明角度の白色の直線偏光で照明して、前述と同様に光路シフト量の均一性を観察した。両領域のシフト方向が一致している場合、各有効領域内の光路シフト量は７μｍと等しく、境界近傍の広い領域を観察すると上側と下側で光路シフトの挙動はほぼ一致していた。しかし、境界部分でシフト量が６μｍ程度に僅かに小さく観察される領域が確認できたが、その領域の幅は１ｍｍ程度であり、実用上問題無いと判断した。これは素子に斜めに入射して液晶層を二回通過した光の影響が減少したためと推測される。

（実施例３）
図８のように透明ライン電極の長さを５５ｍｍから８ｍｍまで変化させて有効領域が三角形の基板を用いた。境界線が電極配列方向に対して４５度となるように透明ライン電極が形成してある。また、スペーサシートの厚みを７０μｍに変えた以外は実施例２と同様に光路シフト素子を作製した。この光路シフト素子を二枚組み合わせて図１４下図のような２領域に分割された光路シフト装置を得た。

この光路シフト素子に図９のような３８ｍｍ×２８ｍｍ角の有効領域を設定し、上記と同様に光路シフト量を確認した。入射光の偏光面は４５度傾斜させ、照明角度は７度とした。両領域のシフト方向が一致している場合、各有効領域内の光路シフト量は図１２のように斜め４５度方向に１０μｍと等しく、境界近傍を含む広い領域を観察すると上側と下側で光路シフトの挙動はほぼ一致していた。しかし、境界部分でシフト量が９μｍ程度に僅かに小さく観察される領域が確認できたが、その領域の幅は１ｍｍ程度であり、実用上問題ないと判断した。

また、両領域のシフト方向が逆方向の場合、各有効領域内の光路シフト量は１０μｍと等しいが、境界近傍の広い領域を観察すると上側と下側で光路シフトの方向が反対になっていることが確認できた。また、境界近傍でシフト量がゼロの領域が観測されたが、その領域の幅は１ｍｍ程度であり、実用上問題無いと判断した。なお、３８ｍｍ×２８ｍｍ角程度の有効面積に対して、必要な基板のサイズは６０ｍｍ×７０ｍｍと比較的大きかった。

（実施例４）
大きさが５２ｍｍ×４０ｍｍと比較的小さい基板を用い、図１０のような斜め４５度に傾斜した透明ライン電極を形成した。誘電体層が無い部分および抵抗体をＬ字型に設定した以外は実施例４と同様にして光路シフト装置を作製した。ライン電極の傾斜角度が４５度であるため、ライン電極間隔は縦横方向に等しく、抵抗体の縦部と横部の形成幅は同一とした。同様に光路シフト量を観察した結果、実施例４と同様な特性が得られた。したがって、光学特性は同一だが大幅に小型化した光路シフト装置を得た。

（実施例５）
画素数が１０２４×７６８画素、応答速度が１ｍｓｅｃであるである反射型のツイステッドネマティック型の液晶表示素子を用いて図１４の投射装置を構成した。表示素子の走査方向は短辺方向である。また、表示素子は対角０．７インチのものを用い、縦と横の画素ピッチは１４μｍである。光路シフト素子としては実施例５で用いたものを用い、電極の長手方向は表示素子の走査方向から４５度傾斜した方向とした。

図１３のような表示素子の画像更新タイミングに合わせて、各領域の光路シフト素子のシフト方向を切り替えるように光路シフト装置の駆動回路を設定した。図１２のように二つのサブフレーム画像は、斜め４５度方向に画像ピッチの半分の距離をシフトさせた位置での画像とした。実施例５の光路シフト装置は斜め４５度方向に１０μｍシフトさせることが可能であるため、この表示素子の斜め４５度方向での画素間隔と一致する。

このような構成によって、１０２４×７６８画素の表示素子でありながら、二倍の画素数の表示を行わせることができた。また、表示素子の画像更新時に、一部のサブフレーム画像部分と光路シフト方向が一致しない状態が減少するため、光路シフトによる高精細化の効果が十分に確認できた。

光路シフト素子を示し、（Ａ）は側面図、（Ｂ）は正面図である。 光路シフト素子に用いる電極の側面図である。 電極の配置を示す正面図である。 透明ライン電極の側面図である。 透明ライン電極と誘電体層の配置を示す正面図である。 半波長素子を光路シフト素子の間に配置した側面図である。 光の入射を示す側面図である。 有効領域を分割した状態を示す正面図である。 光路シフト領域を設定する正面図である。 有効領域と抵抗体の配置を示す側面図である。 抵抗膜の形成を示す正面図である。 画像表示素子と光路シフト素子との組み合わせを示す正面図である。 画像表示素子と光路シフト素子の動作を示す正面図である。 画像表示装置の一例を示す配置図である。 光路シフト素子の基本構成を示す側面図である。 液晶の配向を示す斜視図である。 液晶の配向を示す断面図である。 画像表示装置を示す正面図である。 行電極とシフト量との関係を示す特性図である。

符号の説明

１０１、１０２ 有効領域
１０３、１０４ 光路シフト素子
１０５ 境界線
１１０ 電極
１１２ 液晶層
１１５ 透明ライン電極
１１６ 誘電体層
１１７ 抵抗体

Claims (9)

1. 少なくとも対向する２枚の透明基板の間に狭持されたホメオトロピック配向をなすキラルスメクチックＣ相を形成可能な液晶層と、該液晶層内に水平な方向に電界を印加するための電極とを備えた光路シフト装置において、
   光路が透過する有効領域を複数の領域に分割し、分割された各領域に対応した部分にのみ前記電極を形成した複数の光路シフト素子を積層し、光の通過方向から見て各領域の境界線を一致させて配置したことを特徴とする光路シフト装置。
2. 前記電極が基板面上に平行に形成された複数本の透明なライン状の電極であり、前記透明ライン電極の形成面と前記液晶層の間に誘電体層を形成し、前記各透明ライン電極間を抵抗体で直列に接続したことを特徴とする請求項１記載の光路シフト装置。
3. 各光路シフト素子に入射した直線偏光の内、光路シフトされて出射した光線のみの偏光面を略９０度回転させるように、少なくとも電界印加領域に対応した液晶層通過後の位置に半波長素子を形成したことを特徴とする請求項１または２記載の光路シフト装置。
4. 前記分割された領域の境界線を、透明ライン電極の配列方向あるいは長さ方向に対して斜めに形成したことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の光路シフト装置。
5. 前記光路の有効領域が四角形であり、分割された領域の境界線が四角形の基板の一辺に対して平行であることを特徴とする請求項３または４記載の光路シフト装置。
6. 前記抵抗体が各光路シフト素子の長方形の有効領域の長辺と短辺に対応したＬ字型で形成され、該Ｌ字型の抵抗体によって各透明ライン電極間に与えられる電位差が一定となるようにＬ字型抵抗体の縦部分と横部分の幅を変えたことを特徴とする請求項５記載の光路シフト装置。
7. 前記境界に対する透明ライン電極の配列方向が４５度の角度をなすことを特徴とする請求項５または６記載の光路シフト装置。
8. 少なくとも画像情報に従って光を制御可能な複数の画素を二次元的に配列した画像表示素子と、画像表示素子を照明する光源と、画像表示素子に表示した画像パターンを観察するための光学部材と、画像フィールドを時間的に分割した複数のサブフィールド毎に画像表示素子から出射した光路を偏向する請求項１から７のいずれか１項に記載の光路シフト装置とを有することを特徴とする画像表示装置。
9. 前記画像表示素子として順次走査型の表示素子を用い、光路シフト素子の分割領域の境界方向を前記表示素子の走査方向にほぼ直交させたことを特徴とする請求項８記載の画像表示装置。

Images