JP2008164658A - 画像表示装置及び画像投射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】順次走査の空間光変調素子と光路偏向素子とを組合せて表示された画像の二重像を低減して高画質にするとともに消費電力を低減する。
【解決手段】画素の配列を有し、画素の配列において複数の画素毎に画素の電気的光学的状態を順次変化させ、この順次変化を周期的に行う空間光変調素子２と、複数の領域からなる液晶層を有し、複数の領域における液晶の配向状態を領域毎に順次変化させる光路偏向素子３とを組合せてスクリーン４に画像を表示するとき、空間光変調素子２は順次変化の一周期の初めか終り、あるいは初めと終りに部分的に黒表示を行い、表示された二重像のうち実体の強度を向上してゴーストの強度を低下し、良質な画像を表示する。
【選択図】 図７

Description

この発明は、液晶を用いた空間光変調素子（ライトバルブ）と光の光路を変える光路偏向素子を有する画像表示装置及び画像投射装置、特に、順次走査による空間光変調素子と光路偏向素子を使用して形成する画像の二重像を低減し、高品質の画像を表示することに関する。

液晶を用いた空間光変調素子と光路偏向素子を使用した画像表示装置が、例えば特許文献１に開示されている。この画像表示装置は、液晶を用いて画像を表現する空間光変調素子とその画像を拡大表示する光学系との間に光路偏向素子を配置し、光路偏向素子で光路をシフトして表示する画像の画素数を見かけ上増大させている。

この画像表示装置に使用する光路偏向素子は、特許文献１や特許文献２に示すように、一対の透光性基板の表面に透明電極と配向膜とを形成し、二枚の基板を配向膜が内側になるようにスペーサを介して対向した配置し、スペーサにより生じた隙間に液晶を注入して液晶層を形成して構成する。そして透明電極に交流の電圧を印加して、電圧の極性（正負）に応じて液晶分子の配向方向を変えるものである。この光路偏向素子に入射する光は、液晶の配向状態に応じて光路を変える。これは液晶の複屈折性による。このように入射した光の光路を変えることにより画像表示装置の画素数を見かけ上増加させることができる。この液晶の配向状態の変化は印加する電界の極性と強度による。

この光路偏向素子に使用する液晶はキラルスメクチックＣ相が形成可能な強誘電性液晶が高速応答の観点からは好ましい。すなわち、従来のネマチック相を形成する液晶では応答速度に制限があるからである。また、配向膜にはポリイミド，無機材料，ＳｉＯｘ（ｘ≦２）斜方蒸着膜などを用いる。透明電極はＩＴＯ（Indium Tin Oxide）などである。この透明電極の構造は液晶層に均一な電界を形成させるため、特許文献１や特許文献２に示すように多数のライン状が好ましく、キラルスメクチックＣ相の液晶の配向はホメオトロピック（垂直配向）である。

この多数のライン状透明電極のうちから二本を選び電位差を与えると電界が発生する。この二本の電極は隣り合う必要はなく、中間に複数の透明電極が入っていても構わない。また、二本の電極の選定を多数のライン状電極のなかで順次変えて行くと光路の順次偏向が可能となる。

ここで例えばライン状の透明電極が四本だけある簡単な場合を考える。このうち隣り合う二本を対とすると電極対が三組できる。これらの電極対に独立に電圧を印加すると液晶層が三つの領域に分割されたことに相当する。そして電圧の印加方法により領域毎に液晶の配向状態を変化させることができ、この変化を順次行うことが可能となる。この光路偏向素子の領域毎の液晶配向の順次の変化と空間光変調素子の画素毎の順次変化とを同期させて行う。

空間光変調素子は、一辺が数μｍ〜数十μｍである微小な画素を多数配列させたものであり、各画素の点滅の状態や仕方により文字や画像を表現する。液晶を用いた空間光変調素子では入出射光の偏光状態により透過と反射により明暗を表現する。この液晶は透明電極が形成された一対の透光性基板に封入されて液晶層を形成する。この液晶層は複数の微小な画素に区切られている。この画素区切りの一つ一つの液晶層に電圧を印加して液晶分子の配向状態を変化させ、この液晶分子の配向状態により入出射する光の偏光状態が変化する。

また、中間調（グレースケール）は印加する電圧を調整して液晶の偏光に対する透過率を変えるなどする。画素配列全体の点滅の状態を変えると、表示されている文字や画像が変る。これを画像の更新，情報の更新，書換え等と呼ぶ。この画素の配列全体の画像を更新する際に一斉に更新させる方法と部分的に順次更新していく方法とがある。この空間光変調素子は白黒及びグレースケールの表示では一枚あれば良く、三枚用いて色の三原色である赤（Ｒ），緑（Ｇ），青（Ｂ）の三色に対応させることによりカラー表示が可能となる。

画素の配列全体の画像を更新する際に一斉に更新させる方法は、画素の配列の行（横）と列（縦）すべてを同時に更新し、部分的に順次更新する方法には、細かくは幾つかあり、更新する単位で考えると、画素（ドット）、画素の１行或いは複数行（ライン，複数のライン）、又は画素の１行或いは複数行の分割（ブロック）等に分けられる。ドットの場合は例えばＣＲＴ（陰極線管）である。ここではライン，ブロックによるものを順次走査と呼ぶ。

線順次走査の空間光変調素子２の一例を図１６に示す。図に示すように、空間光変調素子２は画素（ドット）２０１が縦横に配列されている。この画素２０１は実際にはＸＧＡ（Extended Graphics Array）では1024×768ドット（画素）あり、ＳＸＧＡ（Super Extended Graphics Array）では2048×1536ドットである。他にも規格はあり、技術の進歩とともに画素数は増大している。線順次走査は横方向であるＸ方向一ラインを単位とし、縦方向であるＹ方向に走査する。この縦方向にある画素の数を以下では走査線数と呼ぶ。すなわち図１６で矢印方向に走査線単位で画像を順次更新し、一番下までくると再び上に戻り、これを繰り返す順次変化を周期的に行う。なお、下から上に順次更新する場合もある。この周期を１フレームと呼び、１周期に要する時間を16.7ｍｓ（６０Ｈｚ）とする。この６０Ｈｚとするのは、人が走査によるちらつき（フリッカ）を感知できない周波数と言われているからである。

この順次走査のタイミングチャートを図１７に示す。図１７において縦軸が走査線数であり、横軸が時間を示し、斜めに引いた線は画像の更新の開始或いは終了時間を示している。ここで走査線数を例えば540としている。そして、あるフレームを基準とし、そのフレームの開始と前のフレームの終了とを連続して描いている。

従来の画像表示装置に用いられた光路偏向素子は、画素配列全体が有する情報を一斉に更新する空間光変調素子に対応したものであった。この光路偏向素子を線順次走査型の空間光変調素子に用いると、線順次走査をしている時間と比べて光路偏向している時間が短すぎる問題があった。具体的には光路を偏向する時間は数10μｓであるが、線順次走査は走査線数が540本の場合、540回の走査を16.7ｍｓ（６０Ｈｚ）で連続的に行うものであり、図１８に示すように、540回の走査のうち光路偏向のタイミングと合うのはごく一部の走査線のみであった。したがって、このタイミングが合った分しか画素数の増大は行えず、路偏光の効率が悪かった。

これに対して特許文献１や特許文献２に示すように、光路偏向素子として液晶層をライン電極により多数の領域に分割して各領域を順次駆動させるようにして線順次走査の空間光変調素子に対応させて、空間光変調素子の走査に追随した光路偏向が行うことができるようにしている。この光路偏向素子の分割は、理想的には空間光変調素子の走査線数と同じとし、液晶層を極性の異なる電界により複数の領域に分割すると良い。ここでは線順次走査の空間光変調素子として説明したが、他の順次走査の空間光変調素子でも同様である。
特開２００４−１０１７０４号公報 特開２００６−１８４４８９号公報

特許文献２に示すように、順次走査空間光変調素子を有する画像投影装置に線順次走査の空間光変調素子を設ける場合、光路偏向素子を空間光変調素子に隣接させて配置する場合と、投射レンズの直前に配置する場合とがある。空間光変調素子を赤（Ｒ），緑（Ｂ），青（Ｂ）の三色に対応させて三枚用いる方式の画像投影装置の場合、光路偏向素子を空間光変調素子に隣接して配置すると光路偏向素子を三枚用いる必要があるのに対して、光路偏向素子を投射レンズの直前に置くと、Ｒ，Ｇ，Ｂの三色をまとめて光路偏向でき、光路偏向素子を一枚使用すれば良く、コスト的に有利である。

しかしながら画像投影装置内の光は平行光でなく、図１に示すように、照明角を有するため、空間光変調素子２と光路偏向素子３とが離れていると、空間光変調素子２上の一点から出た光は円錐状に広がり、光路偏向素子３上では円形の照射領域が形成される。このため線順次走査の光路偏向素子２では複数の分割領域に光が跨る。光路偏向素子３を例えば三分割して各領域毎に走査すると、光路偏向素子３の円形の照射領域は三分割されたいずれの領域にも跨っている。この光路偏向素子３の三分割された領域毎のあるタイミングにおける光路偏向の方向を矢印で表すと、下向きの矢印の領域を通過した光は下方向に偏向され、スクリーン４上の位置Ｐ２に投射される。一方、上向きの矢印の領域を通過した光は上方向に偏向され、スクリーン４上の位置Ｐ１に投射される。すなわち、空間光変調素子２の一点からでた光がスクリーン４上の二点に投射されて、光路偏向素子３の三分割された領域のそれぞれの面積比に比例した強度比の二重像が生じ、スクリーン４に表示した画像の劣化が生じるという問題がある。

これに対して空間光変調素子２と光路偏向素子３とを隣接させて配置すると、二重像の問題はほとんど生じない。すなわち、図１から明らかなように、光路偏向素子３上の円の大きさは照明角の大きさと空間光変調素子２と光路偏向素子３との距離に依存するからである。したがって空間光変調素子２と光路偏向素子３との距離が短いほど光路偏向素子３上の円形の照射領域の半径は小さくすることができる。また、照明角も小さいほど円形の照射領域の半径を小さくできるが、この場合、スクリーン４に表示された画像が暗くなってしまう。

また、光路偏向素子は高電圧で駆動させるため、空間光変調素子にノイズの混入など電気的に悪影響を与える可能性があり、場合によっては電気的に空間光変調素子を破壊するおそれがある。この観点からは空間光変調素子と光路偏向素子との間に距離はあったほうが良い。また、両者を近づけても絶縁すれば良いが、光路偏向素子を三枚駆動させるために電力の消費が大きくなるという問題がある。

光路偏向素子を空間光変調素子から離した場合は、前記のように光路偏向素子は一枚で良く、コスト的に有利であり、かつ電気的悪影響はないが、二重像により表示した画像の画質が劣化するという問題がある。

この発明は、このような問題を解消して、順次走査の空間光変調素子と光路偏向素子とを組合せて表示された画像の二重像を低減して高画質にするとともに消費電力を低減することができる画像表示装置と画像投影装置を提供することを目的とするものである。

この発明の画像表示装置は、少なくとも画素の配列を有し、前記画素の配列において複数の画素毎に画素の電気的光学的状態を順次変化させ、この順次変化を周期的に行う空間光変調素子と、複数の領域からなる液晶層を有し、その複数の領域における液晶の配向状態を領域毎に順次変化させる光路偏向素子とを有し、前記空間光変調素子は、前記順次変化の一周期において部分的に黒表示を行うことを特徴とする。

前記空間光変調素子は、部分的に黒表示を前記順次変化の一周期の初めか終り、あるいは初めと終りに行なうことを特徴とする。

また、前記空間光変調素子は、複数の画素毎間において形成される画像の明るさが複数の画素毎間で等しくなるように画素毎の電気的光学的状態を変化させると良い。

さらに、前記空間光変調素子で前記部分的に黒表示を行う時間は、前記順次変化の一周期において複数の画素毎間で等しいことが望ましい。

また、前記空間光変調素子の画像を表示させる有効領域を前記画素の配列の全体よりも小さく限定すると良い。

また、前記光路偏向素子の液晶層はキラルスメクチックＣ層を形成可能な液晶である。

この発明の画像投射装置は、前記画像表示装置を有することを特徴とする。

この発明は、順次走査の空間光変調素子と光路偏向素子とを組合せて画像を表示するため空間光変調素子で画像を表示するとき、順次変化の一周期において部分的に黒表示を行うことにより、表示された二重像のうち実体の強度を向上してゴーストの強度を低下して良質な画像を表示することができる。

また、部分的に黒表示を行うのは順次変化の一周期の初めか終り、あるいは初めと終りにする事により、さらに実体の強度を向上してゴーストの強度を低減することができる。

さらに、空間光変調素子は、複数の画素毎間において形成される画像の明るさが複数の画素毎間で等しくなるように画素毎の電気的光学的状態を変化させることにより、輝度ムラを低減した良質な画像を表示することができる。

また、部分的に黒表示を行う時間を順次変化の一周期において複数の画素毎間で等しくすることにより、輝度ムラを解消した良質な画像を表示することができる。

また、空間光変調素子の画像を表示させる有効領域を前記画素の配列の全体よりも小さく限定してゴースト強度の大きな領域をカットすることにより、高画質な画像を表示することができる。

さらに、光路偏向素子の液晶にキラルスメクチックＣ相が形成可能な強誘電性液晶を用いることにより高速応答を可能にすることができる。

また、前記のように高画質化が可能な素子を有する画像表示装置を画像投射装置に用いることにより、空間光変調素子と光路偏向素子との距離が離れていてもゴーストを低減した高画質な画像を表示することができる。

図１はこの発明の画像表示装置１の順次走査型の空間光変調素子２と光路偏向素子３及び画像投影面であるスクリーン４を示す構成図である。この画像表示装置１の光路偏向素子３は、キラルスメクチックＣ相を形成可能な強誘電性液晶からなる液晶層を有する。透明基板５は、図２の構成図に示すように、三分割した領域６ａ，６ｂ，６ｃを有する。各領域６ａ〜６ｃにはそれぞれ複数のライン状電極７と、各ライン状電極７の端部に電気的に接続された抵抗膜８を有するライン電極群９ａ〜９ｃを有する。ライン電極群９ａ〜９ｃはそれぞれ交流電圧を印加する電圧印加手段１０ａ〜１０ｂに接続され、電圧印加手段１０ａ〜１０ｂから各ライン状電極群９ａ〜９ｃに電圧を周期的で異なるタイミングで順次印加してライン状電極７と直交する電界を液晶層に発生させ、液晶分子の配向方向を変える。

この液晶層に発生する電界の極性を反転すると液晶分子の配向方向が変化し、光路偏向素子３に入射した光の光路が切り替わる。これは原理的には液晶の複屈折による。この光路偏光素子３に入射する直線偏光の偏光主軸はライン状電極６及び液晶分子配向方向と平行である。この液晶分子の配向方向と光路偏向の方向を図３の側面断面図に示す。図３において電界は紙面に対して垂直方向に発生し、（ａ）と（ｂ）とでは電界の極性が反対となる。この電界の極性により液晶層１１の液晶分子の配向方向が反対となり、光路の偏向方向も第１出射光と第２出射光で反対となる。なお、図３では配向膜を省略しているが、一対の基板５の内側には配向膜が形成されている。この配向膜はポリイミドの有機膜やＳｉＯｘ（ｘ≦２）の斜方蒸着膜などである。また、ライン状電極群９ａ〜９ｃは基板５の外側か内側のいずれか一方に形成されていれば良い。また、第１出射光と第２出射光の偏向量は、スクリーン４面上で画素ピッチ（サイズ）の１／２程度とする。これは光路偏向素子３の液晶層１１の厚みと液晶の屈折率及び印加電圧により決まる。

この光路偏向素子３の三分割した領域６ａ〜６ｃの液晶の配向方向及び光路の偏向方向の変化を図４に示す。光路偏向素子３を三分割して領域６ａ〜６ｃを設けた場合、光路偏向が上下の二方向として全部で、図４（ａ）〜（ｆ）の６つの状態を取り、（ａ）から（ｆ）に順次切り替わって行き、再び（ａ）に戻り、以下これを繰り返す。この（ａ）から（ｆ）を一周期として空間光変調素子２の線順次走査の１フレームと合わせて６０Ｈｚとする。そして空間光変調素子２の線順次走査のタイミングチャートに光路偏向素子３の順次のタイミングチャートを合わせたものを図５に示す。図５において、斜め線は空間光変調素子２の線順次走査を示し、階段状の太線は光路偏向素子３の線順次走査を示している。そして図５に記載した横方向の（ａ）から（ｆ）は、図４に示す（ａ）から（ｆ）に対応しており、縦方向の三分割も対応している。この三分割は、光路偏向素子３の三分割に相当する。また、図５に示す上下の矢印は光路偏向の方向を表す。この光路偏向素子３の領域６ａ〜６ｃ毎の液晶配向の順次の変化と空間光変調素子２の順次変化と、図５に示すように同期させて行う。すなわち空間光変調素子２の画像更新の斜め線が時間軸において三分割されるように同期させる。

この画像表示装置１で光路偏向素子３により光路偏向を行い空間光変調素子２の画素数を見かけ上増大させるとき、空間光変調素子２の１フレームを増大数分だけサブフレームに分割する必要がある。光路偏向素子３が上下方向の光路偏向（画素数二倍）を行なう場合、１フレームを二つのサブフレーム、すなわち１ｓｔサブフレームと２ｎｄサブフレーム）に分割し、１ｓｔサブフレームと２ｎｄサブフレームとを合わせて完全な１画像を表示させる。この１画像のライン数（走査線数）を1080本（フレーム番号で１から1080）とする。１ｓｔサブフレームでは奇数のライン、２ｎｄサブフレームでは偶数のライン（偶奇が逆転しても良い）を表示させる。空間光変調素子２の走査線数は540であり、1080ラインの画像を表示する場合、１ｓｔサブフレームで1080ラインの奇数ライン540本を表示し、次の２ｎｄサブフレームで1080ラインの偶数ライン540本を表示する。この１ｓｔサブフレームと２ｎｄサブフレームでは光路偏向により光路が異なりスクリーン４上では異なる位置に投射される。このスクリーン４にと投射されて表示された画像を、例えば高速度カメラなどを用いて１２０Ｈｚ以下の短い時間で観察すると、一ライン毎の隙間のあいた画像が見える。しかし、人の目では残像のため１ｓｔサブフレームと２ｎｄサブフレームとからなる画素数の多い高精細な画像と見える。ここで表示している画像が静止画像であれば、同じ１ｓｔサブフレームと２ｎｄサブフレームとが交互に表示される。

図５は空間光変調素子２の走査線数が540の場合であり、光路偏向素子３の走査のタイミングは、空間光変調素子２の走査線の90，270，450番目と合わせて、この90，270，450番目の走査で光路偏向のタイミングと空間光変調素子２の走査のタイミングを一致させている。すなわち空間光変調素子２で画像を更新すると同時に光路偏向素子３で光路偏向を行う。しかし、この90，270，450番目の上下ではずれが大きくなり、走査線１番目が最もずれが大きく、90番目に近づくにしたがって小さくなる。また、90番目から180
番目に向ってずれが大きくなる。180番目以降も同様である。ここで走査線数を540としたのは計算上便利なためであり、この数に限定されるものではない。

走査線一本を時間的に細かく分割すると、図５に示すように、１サブフレームでａ１，ａ２，ｂ１，ｂ２，ｃ１，ｃ２，ｄ１，ｄ２のように８分割される。但し、走査線が90，270，450番目は６分割となる。また、８分割でも走査線が１〜90番目と91〜180番目とでは異なる。ここでは光路偏向素子３を三分割して領域６ａ〜６ｃを設け、線順次走査は三段の階段状になるが、光路偏向素子３の分割数が540であれば540段の階段状となり、一段の段差は小さく、空間光変調素子２の走査線の斜め線と一致する。このとき空間光変調素子２と光路偏向素子３との更新のタイミングが一致して理想的である。但し、これは空間光変調素子２と光路偏向素子３とを隙間なく隣接させた場合であり、画像表示装置１のように光路偏向素子３を空間光変調素子２から離して設けた場合は、空間光変調素子２からの照明角により光路偏向素子３の入射光が複数の分割領域６に跨り、スクリーン４に投影する像が分割される。

サブフレームを考慮して、このスクリーン４に投影する像が分割される現象を説明する。１ｓｔサブフレームで表示される画像は、本来、スクリーン４上で奇数番目のラインだけで構成される画像となる。しかしながら光路偏向素子３の複数の分割領域６を跨いだ光は２ｎｄサブフレームで表示される偶数番目のラインにも投射される。同様に、２ｎｄサブフレームで表示される偶数番目のラインだけで構成される画像も光路偏向素子２の複数の分割領域６を跨いだ光により１ｓｔサブフレームで表示される奇数番目のラインに投射される。すなわち同じ画像が光路偏向量分だけ僅かにずれて重ね合わされ二重像となる。ここで、本来のサブフレームで表示されるべき画像を実体、光路偏向素子３の領域６の分割により生じた表示されるべきでない画像をゴーストと言うことにする。この実体とゴーストとは相補的な関係にある。空間光変調素子２から出射される光の強度を100として途中の光学系で損失がなく、その光が全部スクリーン４に届くものとし、実体の強度をＩとすると、ゴーストの強度は（100−Ｉ）であり、合計で必ず100となる。

この実体とゴーストの強度比は、図１から明らかなように、空間光変調素子２の位置すなわち像高と走査線方向によって異なる。この像高により実体とゴーストとの強度比が異なることは、二重像の見え方がスクリーン４上の位置により異なることを意味し、縦方向で異なり、横方向は変らない。空間光変調素子２の一点から出射した光は、図１に示すように、円錐状に広がりながら光路偏向素子３に入射する。したがって光路偏向素子３の入射面で円形になり、この円が光路偏向素子３の分割した領域６ａ〜６ｃで三分割される。この分割のされ方は像高に依存する。円を三本の平行線で三分割して、その面積をそれぞれＳ１，Ｓ２，Ｓ３とする。光路偏向素子３の光路偏向が，図４（ａ）又は（ｄ）に示すように、全て同じ方向であれば、光路偏向素子３を出射した光は全てスクリーン４上の同じ位置に投射される。このときのスクリーン４上の光強度は（Ｓ１＋Ｓ２＋Ｓ３）に比例する。しかし次の走査で、図４（ｂ）又は（ｅ）に示すように、一領域の光路偏向の方向が異なると、スクリーン４上に実体とゴーストに分裂して投射される。このとき実体とゴーストとの強度比は分割された円の面積比（Ｓ２＋Ｓ３）：Ｓ１である。図４（ｃ）又は（ｆ）の場合も同様に実体とゴーストとの強度比は分割された円の面積比に比例する。そして実体とゴーストとの強度比は三分割した円の面積Ｓ１〜Ｓ３と光路偏向方向の組合せで異なる。

この実体とゴーストの強度比には、さらに時間的因子が入る。図５のタイミングチャートにおいて空間光変調素子２の一走査線を時間的に細かく８分割した各々の分割において光路偏向素子３による光路の偏向方向が異なる。ここで一サブフレームの時間をｔｓとすると、一走査線の各々の分割ａ１〜ｄ２と分割ａ’１〜ｄ’２の時間ｔｓに占める割合は、（ａ１／ｔｓ）＝Ａ１、（ａ２／ｔｓ）＝Ａ２、（ｂ１／ｔｓ）＝Ｂ１、（ｂ２／ｔｓ）＝Ｂ２、（ｃ１／ｔｓ）＝Ｃ１、（ｃ２／ｔｓ）＝Ｃ２、（ｄ１／ｔｓ）＝Ｄ１、（ｄ２／ｔｓ）＝Ｄ２、（ａ’１／ｔｓ）＝Ａ’１、（ａ’２／ｔｓ）＝Ａ’２、（ｂ’１／ｔｓ）＝Ｂ’１、（ｂ’２／ｔｓ）＝Ｂ’２、（ｃ’１／ｔｓ）＝Ｃ’１、（ｃ’２／ｔｓ）＝Ｃ’２、（ｄ’１／ｔｓ）＝Ｄ’１、（ｄ’２／ｔｓ）＝Ｄ’２となって１走査線の時間分割も空間光変調素子２の走査線の位置（像高）により決まる。

光路偏向素子３の入射面において分割した領域６ａ〜６ｃで三分割された面積による強度比は、この時間分割の数だけあり、ＳＡ１、ＳＡ２、ＳＢ１、ＳＢ２、ＳＣ１、ＳＣ２、ＳＤ１、ＳＤ２、ＳＡ’１、ＳＡ’２、ＳＢ’１、ＳＢ’２、ＳＣ’１、ＳＣ’２、ＳＤ’１、ＳＤ’２と表すと、走査線の実体の強度Ｉｒは
Ｉｒ＝Ａ１×ＳＡ１＋Ａ２×ＳＡ２
＋Ｂ１×ＳＢ１＋Ｂ２×ＳＢ２
＋Ｃ１×ＳＣ１＋Ｃ２×ＳＣ２
＋Ｄ１×ＳＤ１＋Ｄ２×ＳＤ２
＋Ａ’１×ＳＡ’１＋Ａ’２×ＳＡ’２
＋Ｂ’１×ＳＢ’１＋Ｂ’２×ＳＢ’２
＋Ｃ’１×ＳＣ’１＋Ｃ’２×ＳＣ’２
＋Ｄ’１×ＳＤ’１＋Ｄ’２×ＳＤ’２
である。
ゴーストの強度Ｉｇ＝１−Ｉｒであり、実体の強度Ｉｒとゴーストの強度Ｉｇとは走査線位置（像高）の関数であるとも言える。ただし、円が必ず三分割されるように光路偏向素子３の大きさ及び分割幅を設定するものとする。

次に上記を基に計算実験を行った。計算条件として空間光変調素子２と光路偏向素子３との距離を33ｍｍ、照明のＦ値を1.4とした。光路偏向素子３の領域６の分割数は３である。空間光変調素子３の一点から出射する光は円錐状に広がり、光路偏向素子３の入射面では半径11.8ｍｍの円となる。空間光変調素子２の走査線数（縦の画素数）は540とし、走査線一本の時間分割は図５に示したものである。そして計算により実体とゴーストとの強度比を各走査線に対して求めた結果を図６に示す。図６において横軸が走査線番号、縦軸が強度比である。図６に示すように実体とゴーストの強度比は左右対称であることが判る。また、中央の実体の強度が大きく、周辺に行くに従いゴーストの強度比が増大することが判る。したがって画像の上下の端でゴーストが目立つ。好ましくは走査線全体でゴーストの強度が小さく、実体の強度が大きいほうが良い。また、図６では走査線数が540であるが、スクリーン４上では光路偏向により1080の画像となり画素数が増大している。

このゴーストの強度を小さくするため、空間光変調素子２は順次変化の一周期において、部分的に黒表示となる画像を形成する。すなわち、図７のタイミングチャートで示すように、各走査線の黒く三角で印を付けた時間には黒表示をさせる。このような表示方法は画素を明状態にしておくトータルの時間が短くなるため、画像としては黒表示を全部加算した分だけ暗くなる。
このようにして前記と同様の数値実験を行った結果を図８のタイミングチャートに示す。図８から明らかなように、ゴーストの強度が下がり、実体の強度が向上することが判った。ここで図６と図８に示した結果を比べると、図６に示した場合は、実体とゴーストの曲線の積分値を求めて実体に対するゴーストの比を求めると34.3％であるのに対して、順次変化の一周期において部分的に黒表示となる画像を形成した図８の場合は、実体とゴーストの曲線の積分値を求めて実体に対するゴーストの比を求めると30.4％であり、ゴーストの強度を約３％低減し、部分的に黒表示を行う効果が得られた。

図８のタイミングチャートでは、空間光変調素子２は一周期の初めに部分的に黒表示となる画像を形成する場合について説明したが、図９のタイミングチャートに示すように、空間光変調素子２は一周期の終りに部分的に黒表示となる画像を形成しても良い。

このように空間光変調素子２で順次変化の一周期において部分的に黒表示となる画像を形成するとゴーストの強度を低減できるが、図８に示すように、実体とゴーストの強度は左右が非対称で、かつ不連続点がある。これは画面の上下で画像の見え方が異なり、不連続のところでは階調がとんだように見える可能性がある。これを改善するため、図１０のタイミングチャートに示すように、空間光変調素子２は一走査線において黒表示を走査の開始と終りとに行う。このようにして前記と同様の計算実験を行った結果を図１１に示す。図１１に示すように、実体とゴーストの強度は左右対称となり、不連続も低減されている。また、実体に対するゴーストの比を求めると27.64％であり、ゴーストの強度を図８の場合より約３％低減することができた。

前記図７と図９及び図１０のタイミングチャートでは走査線数（位置）により黒表示を行う時間が異なる。例えば図７において、90，270，450番目の走査線は黒表示時間が零であるが、１，180，360，540番目の走査線は黒表示時間が最大であり、その時間は2.78ｍｓである。いま、走査線が白表示をしたとして、90，270，450番目の走査線の輝度を100％とすると、１，180，360，540番目の走査線の輝度は83％＝｛（16.7−2.78）／16.7｝しかない。すなわち17％の光利用効率の損失がある。また、１〜89，91〜179，181〜269，271〜359，361〜449，451〜539番目の走査線は、０〜17％の範囲で光利用効率の損失が線形に変化し、走査線間で輝度の不均一がありムラのある画像となる。この不均一を解消するために、90，270，450番目の走査線の白表示時の輝度を100％から83％に抑え、１，180，360，540番目の走査線の輝度の83％と合わせる。また、１〜89，91〜179，181〜269，271〜359，361〜449，451〜539番目の走査線に関しても０〜17％の範囲で輝度の調整を行う。具体的には空間光変調素子２の画素の液晶に印加する電圧を調整する。例えば，輝度を100％とするのにｘボルト必要であったとすれば、輝度83％に抑えるために0.83ｘボルト印加すれば良い。このようにして形成される画像の明るさを複数の画素毎間で等しくなるようにすることができ、全体的に暗くはなるが、輝度の不均一を低減してムラのない高品位な画像を表示することができる。

また、黒表示の時間が不均一あることにより生じる輝度の不均一に対して、図１２のタイミングチャートに示すように、斜めの帯状に黒表示を行うと、全走査線において黒表示の時間が等しくなり輝度の不均一は生じなく、また、走査線毎に輝度の制限を行う必要がなく、より高品位な画像を表示することができる。

さらに、図６と図８及び図１１の実体とゴーストの強度比に示すように、走査線の初めと終り、すなわち空間光変調素子２の上下の端にいくにしたがいゴーストの強度比が大きくなる。したがって、この領域を画像表示に用いなければより高画質化を図ることができる。このため空間光変調素子２の画素の配列全体に対して有効領域を設ければ良い。この有効領域は、図１３（ａ）に示すように、空間光変調素子２の画素の配列への光照射領域を光学系により小さくしたり、図１３（ｂ）に示すように、空間光変調素子２の画素の配列をマスクなどで覆い両端を遮光すれば良い。このように有効領域を設けることにより、図１４に示すように、画素数は少なくなるがゴースト強度が高い表示領域の両端を切ることができ、表示する画像の高画質化を図ることができる。

前記説明では光路偏向素子３を三分割した場合を示したが、分割数は三に限られるものではなく二以上であればよく、また、空間光変調素子２の走査線数と同数であることがもっとも好ましい。また、ｎ分割した場合、光路偏向が上下の二方向として全部で２ｎの状態を取り得る。また、走査線数も540に限られない。

次に、空間光変調素子２と光路偏向素子３を有する画像投射装置の一例を図１５に示す。図１５に示す画像投射装置２０は光学素子の最低限のものを示し、光源２１とフライアイレンズ２２と偏光変換素子２３と複数のダイクロックミラー２４ａ，２４ｂ，２４ｃとミラー２５ａ，２５ｂと、赤（Ｒ），緑（Ｇ），青（Ｂ）の空間光変調素子２Ｒ，２Ｇ，２Ｂと、クロスプリズム２６と光路偏向素子３と投射レンズ２７及びスクリーン２８を有する。この画像投影装置２０において、空間光変調素子２Ｒ，２Ｇ，２Ｂと光路偏向素子３はクロスプリズム２５を隔てて配置されている。各空間光変調素子２Ｒ，２Ｇ，２Ｂの線順次走査の方向はＸ方向であり、光路偏向素子３の光路偏向方向は紙面と直交するＹ方向である。そして各空間光変調素子２Ｒ，２Ｇ，２Ｂは線順次走査において部分的に黒表示を行う。このようにしてスクリーン２８に表示されるゴーストを低減して高画質な画像を表示することができる。

この発明の画像表示装置の概略を示す構成図である。 光路偏向素子の構成図である。 光路偏向素子の液晶分子の配向方向と光路偏向の方向を示す側面断面図である。 光路偏向素子の三分割した領域の液晶の配向方向及び光路の偏向方向の変化を示す模式図である。 空間光変調素子の線順次走査と光路偏向素子の順次走査を示すタイミングチャートである。 図５に示した走査タイミングで表示した実体とゴーストの各走査線に対する強度比の分布図である。 順次変化の一周期の初めに部分的に黒表示を行う走査を示すタイミングチャートである。 図７に示した走査タイミングで表示した実体とゴーストの各走査線に対する強度比の分布図である。 順次変化の一周期の終りに部分的に黒表示を行う走査を示すタイミングチャートである。 順次変化の一周期の初めと終りに部分的に黒表示を行う走査を示すタイミングチャートである。 図１０に示した走査タイミングで表示した実体とゴーストの各走査線に対する強度比の分布図である。 画像の明るさが複数の画素毎間で等しくなるような走査を示すタイミングチャートである。 空間光変調素子の有効領域を示す模式図である。 空間光変調素子の有効領域で表示した実体とゴーストの各走査線に対する強度比の分布図である。 この発明の画像投射装置の構成図である。 空間光変調素子の線順次走査を示す模式図である。 空間光変調素子の線順次走査を示すタイミングチャートである。 空間光変調素子の線順次走査と光路偏向素子の一括走査を示すタイミングチャートである。

符号の説明

１；画像表示装置、２；空間光変調素子、３；光路偏向素子、４；スクリーン、
５；透明基板、６；分割した領域、７；ライン状電極、８；抵抗膜、
９；ライン電極群、１０；電圧印加手段、１１；液晶分子、２０；画像投射装置。

Claims (7)

1. 少なくとも画素の配列を有し、前記画素の配列において複数の画素毎に画素の電気的光学的状態を順次変化させ、この順次変化を周期的に行う空間光変調素子と、
   複数の領域からなる液晶層を有し、その複数の領域における液晶の配向状態を領域毎に順次変化させる光路偏向素子とを有し、
   前記空間光変調素子は、前記順次変化の一周期において部分的に黒表示を行う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、前記空間光変調素子は、部分的に黒表示を前記順次変化の一周期の初めか終り、あるいは初めと終りに行なうことを特徴とする画像表示装置。
3. 請求項１又は２記載の画像表示装置において、前記空間光変調素子は、複数の画素毎間において形成される画像の明るさが複数の画素毎間で等しくなるように画素毎の電気的光学的状態を変化させることを特徴とする画像表示装置。
4. 請求項１記載の画像表示装置において、前記空間光変調素子で前記部分的に黒表示を行う時間は、前記順次変化の一周期において複数の画素毎間で等しいことを特徴とする画像表示装置。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載の画像表示装置において、前記空間光変調素子の画像を表示させる有効領域は、前記画素の配列の全体よりも小さいことを特徴とする画像表示装置。
6. 請求項１乃至５のいずれかに記載の画像表示装置において、前記光路偏向素子の液晶層はキラルスメクチックＣ層を形成可能な液晶であることを特徴とする画像表示装置．
7. 請求項１乃至６のいずれかに記載の画像表示装置を有することを特徴とする画像投射装置。

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