JP3998954B2 - Image shift element and image display device - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ヘッド・マウント・ディスプレイ(以下、「HMD」と称する。)や投影型画像表示装置(プロジェクタ)などに好適に用いられる画像シフト素子、および当該画像シフト素子を備えた画像表示装置に関している。
【0002】
【従来の技術】
液晶表示素子は、一対の基板と、これらの基板間に挟まれた液晶層とを備えている。基板は、行および列(マトリクス)状に規則的に配列された複数の画素電極を有しており、画像信号に対応した駆動電圧が画素電極のそれぞれに印加される。この電圧印加によって液晶層の光学特性(光の透過率や反射率)が画素ごとに変化するため、画像や文字などを表示することができる。
【0003】
基板上の各画素電極に独立した駆動電圧を印加する方式には、「単純マトリクス方式」と「アクティブマトリクス方式」とがある。
【0004】
アクティブマトリクス方式の場合、各画素電極に対応するスイッチング素子が基板上に配列される。このようなスイッチング素子が配列された基板をアクティブマトリクス基板と呼ぶ。アクティブマトリクス基板上のスイッチング素子は、対応する画素電極と信号配線との間で電気的な導通/非導通状態を切り替える働きをする。このようなスイッチング素子には、金属−絶縁体−金属(MIM)素子や薄膜トランジスタ(TFT)などが好適に用いられている。
【0005】
スイッチング素子は、非導通状態のとき、可能な限り高い電気抵抗を示すことが要求される。しかし、非導通状態にあるスイッチング素子に対して強い光が入射すると、スイッチング素子の電気抵抗が低下し、リーク電流が発生するため、画素電極に蓄えられていた電荷が放電されてしまうという問題が生じる。また、画素電極に適切なレベルの駆動電圧が印加されず、本来の表示動作が実行されなくなり、黒状態でも光が漏れてコントラスト比が低下するという問題も生じる。
【0006】
液晶表示素子が透過型の場合は、上記問題を解決するため、アクティブマトリクス基板上、または、アクティブマトリクス基板とは液晶層を挟んで対向する対向基板に、ブラックマトリクスと呼ばれる遮光層が配置される。このブラックマトリクスの存在は、画素開口部の面積割合(開口率)を小さくしてしまう。ブラックマトリクスの占有面積を縮小して高精細化を達成するには、スイッチング素子や配線を微細化すればよいが、スイッチング素子や配線を微細化すると、駆動力の低下や配線抵抗の増加を招くことになる。また、製造技術上の制約からも、スイッチング素子や配線を微細化するのは難しい。
【0007】
ブラックマトリクス上の非表示領域を利用して高精細化をはかる目的で、表示画像を画素ピッチ程度だけ光学的に移動させる技術が米国特許第4,984,091号に開示されている。この技術によれば、画素の移動に同期させ、移動した画素位置に対応する映像を表示される。その結果、見かけ上の画素数が増えるため、解像度の低い表示素子を用いても、高精細の表示パネルを用いた場合と同様の表示が可能となる。
【0008】
米国特許第6,061,103号は、赤、緑、青(以下、「RGB」と称する。)の各画素をシフト素子によって光学的に順次シフトさせ、シフトした画素を重ね合わせて表示する方法を開示している。この方法では、1つの画素に対応する領域において、RGBの各画素が時分割で表示される。その結果、表示パネル上の画素ピッチを縮小せずに、見かけの解像度を3倍に向上させることができる。
【0009】
上記米国特許第6,061,103には、画像を光学的にシフトさせる手段として、液晶素子と複屈折素子とを組み合わせた画像シフト素子が開示されている。複屈折素子は、入射する光の偏光方向によって光の屈折方向が変わる材料から形成されたものである。複屈折素子に入射する光の偏光方向を液晶素子によって変えれば、複屈折素子から出る光の光軸をシフトざることができる。
【0010】
図1は、公知の画像シフト素子を示している。この画像シフト素子は、光線の伝搬方向に沿って直列的に配列された液晶素子7および複屈折素子11を備えている。液晶素子7は、入射してきた直線偏光の電場ベクトル振動面(以下、「偏光面」と称する。)を90°回転させた状態と、回転させずにそのまま透過する状態との間で偏光状態をスイッチングする。複屈折素子11は、入射してきた直線偏光の偏光面の向きに応じて光線をシフトさせることができる。
【0011】
図1に示されている例では、液晶素子7に入射する光の電場ベクトル方向(偏光方向)は紙面に垂直である。液晶素子7は屈折率異方性△εが正のTNモードの液晶(TN液晶)を用いているため、液晶素子7の液晶層に電圧が印加されていない時(電圧OFF状態の時)、液晶分子は90°ねじれた状態にあり、その旋光性によって入射光の偏光面は90°回転する。一方、液晶素子7の液晶層に所定レベル以上の電圧が印加されている時(電圧ON状態の時)、液晶分子の向きは電界の向きに整合した状態にあるため、入射光の偏光面は紙面に垂直なまま出射されることになる。そして、図示されている複屈折素子11は、偏光面が紙面に垂直な光はそのまま透過させるが、紙面に平行な光はシフトさせることができる。
【0012】
図1に示すような画像シフト素子内の液晶素子7は、印加される電圧の大きさに応じて、第1の直線偏光を出射する状態と、これに垂直な偏光面を有する第2の直線偏光を出射する状態との間で状態を適切かつ迅速に切り替えることが求められる。
【0013】
前述したように、上記のTN液晶を用いた液晶素子の場合、電圧をTN液晶に印加しないとき、液晶素子に入射した直線偏光は偏光面が90°回転した直線偏光として出射されるが、TN液晶に電圧を印加すると、液晶分子の向きは電界によって速やかに変化し、入射光の偏光を変化させない状態に遷移する。一方、TN液晶に対する電圧の印加を停止すると、液晶分子は、もとの状態に遷移(緩和)するが、その速度は遅い。
【0014】
このように、液晶層に印加する電圧をLow(典型的には0ボルト)からHigh(例えば5ボルト)へと変化させる場合と、印加電圧をHighからLowへと変化させる場合との間では、液晶分子の向きが変化する速度が異なっている。この応答速度を評価するには、液晶層の前後に一対の直交した偏光子を配置し、光の透過率の時間的変化を測定すればよい。図2は、印加電圧をLowからHighへと変化させた後、所定時間経過後に印加電圧をHighからLowへと変化させた場合の透過率(transmittance)の変化を示している。ここで、透過率が最大値からゼロまで下降する時間を「液晶の立ち上がり応答時間τr」をと称し、透過率がゼロから最大値まで上昇する時間を「液晶の立ち下がり応答時間τd」と称することとする。液晶の立ち上がり応答時間τrは比較的短いが、立ち下がり応答時間τdは、比較的長い。液晶の立ち下がり応答時間τdが長いと、画像表示素子が表示する画像の切り替えのタイミングに同期させて画像をシフトさせることができなくなる。この問題を説明する前に、まず、像表示装置における画像の切り替え速度について説明する。
【0015】
通常、画像表示素子の駆動方法には、インターレース駆動とノンインターレース駆動のどちらかが一般的に用いられる。インターレース駆動は、フィールド毎に奇数行のみと偶数行のみをそれぞれ選択し、奇数と偶数のフィールドで1つの画像を完成させる表示方法で、各フィールドの選択時間は、通常16.6ミリ秒(60Hz)である。一方、ノンインターレース駆動は、表示素子の奇数行と偶数行に関係なく、順次選択する表示方法であり、各フィールドの選択時間は、インターレース駆動と同様に通常16.6ミリ秒(60Hz)である。ここで、フィールドとは、インターレース駆動、ノンインターレース駆動を問わず、画像の垂直同期間の期間を呼ぶ。液晶表示素子では、ブランキングタイムを含めたスキャン期間がフィールド期間に相当する。
【0016】
上記の米国特許第6,061,103号に記載されている方法では、R、G、Bのシフト位置に応じて1フィールド期間を分割し、分割され期間(以下、「サブフィールド期間」と称する。)毎に異なる画像(「サブフィールド画像」)を画像表示素子に表示させることなる。この場合のサブフィールド期間は5ミリ秒程度となるため、画像シフト素子は、5ミリ秒程度の短い時間間隔で画像をシフトさせる必要がある。更に、画像シフト素子による画像のシフトは、サブフィールドの切り替えとタイミングを同期させる必要があるため、サブフィールドの切り替えと同時に液晶素子に印加される電圧に応答して高速に状態を遷移させることが求められる。
【0017】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、実際の液晶素子の場合、電圧の印加に応答して高速に状態を遷移させることが難しい。例えばTNモード液晶の場合、図2に示すように、立ち上がりの応答時間τrは比較的短いが、立ち下がりの応答時間τdは、通常十数ミリ秒程度であり、サブフィールドの選択期間よりも長い。
【0018】
このように応答時間に差が生じる理由は、図2における曲線の「立ち上がり」が、電圧を液晶に印加して液晶分子の向きを強制的に1方向に配向させることによって行うのに対し、「立ち下がり」は、液晶への電圧印加を停止して液晶分子の配向をもとの状態に自然に緩和させることによって行うためである。
【0019】
このように立ち下がり応答時間τdの長い液晶を用いたのでは、偏光の切り替えが適切に行えないという問題がある。図1を参照しながら、この問題を説明する。図1に示すように、液晶セル7への電圧印加を「ON」状態から「OFF」状態に変化させると、液晶素子7から出射した光の偏光面が90°回転し、その結果、複屈折素子11から出射する光の光軸は、位置Bから位置Aにシフトする。このとき、立ち下がり応答時間τdが長すぎると、立ち下がりの過渡的段階で直線偏光が楕円偏光化し、位置Aおよび位置Bの両方に同じ映像が2重に表示されてしまうため、解像度が低下することになる。
【0020】
また、立ち下がり応答時間τdと立ち上がり応答時間τrとの間に大きな差が存在すると、画像を位置Aから位置Bにシフトさせる場合と、その逆の場合とで、2重像の発生レベルに差異が生じ、こからフリッカとして視認されることになる。
【0021】
なお、特開2000−199901号公報は、TNモード型液晶表示装置において、液晶に添加するカイラル剤の濃度を調節することにより、液晶固有の捩れ角を大きくし、それによって、電圧を「ON状態」から「OFF状態」に変化させるときの液晶応答速度を改善できることを教示している。しかしながら、液晶表示装置の場合、このようにカイラル剤の濃度を高めると、電圧「ON」状態において液晶層に印加されるべき電圧の大きさを従来に比べて高める必要があるるが、このことは表示領域内のスイッチング素子として機能する半導体薄膜トランジスタの能力を考慮すると、実用上困難であった。また、液晶固有の捩れ角を大きくする程、電圧「OFF」状態の液晶が不安定となり、90°の捩れを短時間の間しか維持できなくなるという問題もあった。このため、上記の技術は実際の液晶素子に適用されることはなかった。
【0022】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その主な目的は、電圧印加が「ON」状態から「OFF」状態に遷移させる際の液晶の応答遅れに起因する2重像の発生を抑制した画像シフト素子、および、当該画像シフト素子を用いた画像表示装置を提供することにある。
【0023】
【課題を解決するための手段】
本発明による画像シフト素子は、光軸の位置を周期的にシフトさせる画像シフト部を少なくとも1つ備えた画像シフト素子であって、前記画像シフト部は、印加電圧のHigh/Lowに応じて、光の偏光方向を、直交する2つの方向の間で切り替える液晶セルと、光の偏光方向によって屈折率が異なる複屈折素子と、を備えており、前記液晶セルおよび複屈折素子は、この順序で光を透過するように配置され、前記液晶セルに含まれる液晶層は、自然ピッチ長をp、セルギャップをdとしたとき、0.25<d/p<1の関係式を満足するTNモード液晶層から形成され、前記液晶セル内で90°捩れるように配置されている。
【0024】
好ましい実施形態において、前記液晶層の自然ピッチ長pは、カイラル剤の添加によって調節されている。
【0025】
好ましい実施形態において、前記液晶層は、0.5<d/pの関係式を満足する。
【0026】
好ましい実施形態において、前記液晶層は、d/p<0.75の関係式を満足する。
【0027】
好ましい実施形態において、前記液晶層のプレチルト角は5°未満に調節されている。
【0028】
好ましい実施形態において、前記画像シフト部の個数は複数である。
【0029】
本発明による画像シフト素子モジュールは、上記いずれかの画像シフト素子と、前記画像シフト素子の前記液晶セルに電圧を供給する駆動回路とを備え、前記駆動回路は、シフトさせるべき画像の切り替えタイミンングに同期させて前記電圧を変化させる。
【0030】
好ましい実施形態において、前記駆動回路は、選択された期間、前記画像シフト素子の液晶セルに含まれる液晶層の略全体に対して7ボルト以上の電圧を印加する。
【0031】
前記選択された期間は、画像のサブフィールド期間以上の長さを有している。
【0032】
本発明による画像表示装置は、画像を表示する画像表示部と、上記いずれかの画像シフト素子とを備えた画像表示装置であって、前記画像シフト素子を用いることにより、前記画像表示部から出た光を前記画像表示部の表示に同期させながらシフトさせる。
【0033】
好ましい実施形態において、前記画像シフト素子の前記液晶セルに電圧を供給する駆動回路を更に備えている。
【0034】
好ましい実施形態において、前記駆動回路は、選択された期間、前記画像シフト素子の液晶セルに含まれる液晶層の略全体に対して7ボルト以上の電圧を印加する。
【0035】
好ましい実施形態において、前記選択された期間は、画像のサブフィールド期間以上の長さを有している。
【0036】
好ましい実施形態において、前記画像表示部から出て前記画像シフト素子に入射する光は直線偏光である。
【0037】
好ましい実施形態において、前記画像のシフトにより、前記画像を構成する画素が時分割で重畳される。
【0038】
本発明による他の画像表示装置は、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を備えた画像表示装置であって、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に記載の画像シフト素子とを備え、前記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で前記被投影面上の同一領域を順次照射する。
【0039】
【発明の実施の形態】
本発明による画像シフト素子は、光軸の位置を周期的にシフトさせる画像シフト部を少なくとも1つ備えている。この画像シフト部は、図1に示す従来の画像シフト素子と同様に、液晶セルおよび複屈折素子を備えている。本発明の特徴のひとつは、液晶セルに含まれる液晶層が、自然ピッチ長をp、セルギャップをdとしたとき、0.25<d/p<1の関係式を満足するTNモード液晶層から形成され、液晶セル内で90°捩れるように配置されている点にある。
【0040】
d/pで示される値は、液晶層に添加するカイラル剤の種類と濃度によって制御することができる。カイラル剤のHTP(Herical Twisting Power)をx、カイラル剤の濃度をcとすると、液晶の自然ピッチpは、xおよびcによって以下の式で表される。
【0041】
p=1/(c・x)
【0042】
xは、液晶およびカイラル剤の組み合わせに固有の値であるため、カイラル剤の濃度cを調節することにより、所望の自然長ピッチpを得ることができる。
【0043】
ここで、セルギャップd(=液晶層の厚さ)の液晶層において、自然捩れ角度φは、以下の式で示される。
【0044】
φ=(d/p)・360°
【0045】
この自然捩れ角φは、液晶層の上面および下面における液晶分子の向きを配向膜などによって規制しない場合の自然な捩れの角度である。
【0046】
本発明では、カイラル剤の濃度cを調節することにより、pを小さくし、d/pが0.25<d/p<1の関係式を満足するようにしている。この場合、自然捩れ角φは90°<φ<360°を満足する大きさになる。一方、本発明では、配向膜などによって捩れ角を規制することにより、上記液晶層の捩れ角を90°に設定している。
【0047】
このように本発明では、実用化されている液晶表示装置に比べて高い濃度のカイラル剤を画像シフト素子の液晶層に添加することにより、自然捩れ角φを90°を超える大きさに設定している。このため、配向膜などによって90°の捩れを液晶層に与えた状態では液晶層に歪みが生じることになる。このような歪みの導入により、液晶層に印加する電圧をON状態からOFF状態に変化させたときの応答速度を向上させることができる。
【0048】
応答速度を高めるという観点からは、0.5<d/pの関係式を満足することが好ましい。ただし、d/pが大きくなるほど、ON状態の印加電圧を大きくする必要があるため、d/p<0.75とすることが好ましい。
【0049】
本発明では、d/pを高めに設定した液晶層を、液晶表示装置内ではなく、画像シフト素子内の液晶セルに用いている。画像シフト素子内の液晶セルでは、中間調の表示は不要であり、入射光の偏光面を回転させる状態と回転させない状態との間で2値的なスイッチングを行うことが求められる。また、画像シフト素子の液晶セルでは、通常、線順次走査ではなく、面一括的なスイッチングで画像をシフトさせることが必要である。このため、画像シフト素子の液晶セルでは、液晶層の広い領域(典型的には略全体)に電圧を印加し、しかも、サブフィールド期間以上の間、電圧印加状態を継続させることになる。すなわち、画像シフト素子の液晶セルでは、アクティブマトリクス駆動ではなく、スタティック駆動を行うことができ、しかも、液晶層の状態が遷移する単位領域は、画素程度の大きさではなく、例えば数平方センチメール以上の広さを持つ。
【0050】
一方、液晶表示装置では、画像を形成するために、画素単位の狭い領域ごとに液晶層の電圧印加状態を変化させる必要がある。また、線順次駆動の場合、例えば、ある走査線上の液晶領域に低電圧が印加された後、次の走査線上の液晶領域に対して高電圧が印加される場合がある。このような場合、隣接する画素領域で液晶の状態が干渉する結果、液晶の状態が不安定化するおそれがある。
【0051】
このような液晶表示装置では、d/pの大きさを例えば0.5よりも大きくすると、プレチルト角を5°以上に設定しないかぎり、液晶の状態が隣接する領域の液晶によって強い影響を受け、光漏れ領域やディスクリネーションが発生して表示品位の以下を引き起こしたり、安定した動作が不能になるおそれがある。
【0052】
これに対し、本発明の画像表示装置の液晶セルでは、液晶層の広い領域にわたって略一様な電圧をスタティックに印加するため、d/pの大きさを0.5よりも大きくしても、液晶の安定性は保たれ、プレチルト角を任意に設定することができる。逆に、本発明においてプレチルト角を大きくとすると、電圧無印加状態における液晶層による旋光に異常が生じ、偏光に残留成分が加わる結果、偏光度が劣化することになる。このため、本発明では、プレチルト角を小さくすることが好ましい。故に、本発明では、ブレチルト角を、好ましくは5°未満、より好ましくは、4°未満、更に好ましくは3°未満に設定する。
【0053】
このように、本発明の画像シフト素子の場合、d/pが大きい場合でも、プレチルト角を充分に小さな値に設定することができるので、液晶の偏光特性を急峻にスイッチングすることが可能になる。
【0054】
上述のように、本発明の画像シフト素子では、サブフィールド期間、または、それ以上の長い期間にわたって、液晶層の略全体に対し、駆動回路によって(薄膜トランジスタなどを介することなく)所定の電圧を持続的に印加するため、液晶状態が安定的に保持され、偏光面のスイッチングが高い精度で実現する。従って、d/pを液晶表示装置では実用上採用が困難な大きな値(例えば0.5よりも大きな値)に設定しても、プレチルト角を充分に小さくしたままで電圧OFF時の液晶状態を安定化できるため、二重像の発生を効果的に防止することができる。
【0055】
以下、図10から図13を参照しながら、液晶の応答速度とd/pとの関係を説明する。
【0056】
まず、図10を参照する。図10は、液晶の「立ち下がり応答」とd/pとの関係を示している。この関係は、計算機シミュレーションによって求めたものである。図10からわかるように、d/pが0.25を超えて1に近づくほど、液晶の立ち下がり応答時間は短くなる。
【0057】
また、図10からは、d/pが0.25以下の場合、透過率(Transmittance)が一旦減少した後、再び増加して100%に達していることがわかる。これは、液晶層に印加する電圧を解除したとき、液晶層の略中央部における液晶分子が、基板に近い側に位置する液晶の粘性により、反対方向の力を受けるために生じる現象(バックフロー)に起因している。カイラル剤の添加量を増加させれば、このバックフローを抑制して応答速度を高めることが可能になる。
【0058】
図11は、「電圧−透過率曲線」がd/pによってどのように変化するかを示している。この電圧−透過率曲線も計算機シミュレーションによって求めた。図11からわかるように、透過率(Transmittance)をゼロにするのに必要な電圧(電圧Highのレベル)は、d/pが0.25を超えて1に近づくほど高くする必要がある。実験によれば、印加電圧は7ボルト以上であることが好ましく、10ボルト以上であることが更に好ましい。
【0059】
なお、液晶表示装置の場合、アクティブマトリクス駆動を行うときは、スイッチング素子および画素電極を介して液晶層に電圧が印加されるため、7ボルトを越えるような大きな電圧を液晶層に印加することができず、また、印加電圧の大きさも時間とともに減少する傾向がある。このため、液晶表示装置では、d/pを大きくすると、透過率が低下、または経時的に減少するという問題が生じる。しかしながら、画像シフト素子の場合は、液晶セルの一対の透明電極に対して、駆動回路から所定の電圧を印加できるため、液晶層の状態制御に必要な所望の大きさの電圧を適確に液晶層に印加することができる。
【0060】
図12は、d/pが0.04、0.26、0.51の場合において、実際の測定により求めた液晶の「立ち下がり」応答曲線を示している。図12からわかるように、d/pが0.26の場合は、前述したバックフローが抑制されている。このバックフローの抑制は、d/pが0.5を超えた場合に顕著であることがわかる。
【0061】
図13は、液晶の立ち下がり応答時間τdの実測値とd/pとの関係を示すグラフである。図13からわかるように、d/pが0.25を超えて大きくなるほど、液晶の立ち下がり応答速度τdは短くなっている。d/pが0.5を超えると、その立ち下がり応答速度τdは、d/pが0.04の場合(比較例)の立ち下がり応答速度τdの50%以下に短縮している。実験によると、d/pが0.5を超えて1に近づくほど、液晶の90°捩れた状態が不安定化し、270°の捩れが発生するおそれが強まる。このため、d/pは0.75よりも小さく設定することが好ましい。d/pの最も好ましい範囲は0.5<d/p<0.65である。
【0062】
なお、本明細書では、液晶層に印加する電圧のHigh/Lowによって、液晶を透過した光の偏光面が90°異なる2つの状態をとり得る場合において、液晶層にHighの電圧を印加し、所定の直線偏光を出射し得る状態にしたとき、「液晶層(または液晶セル)はON状態にある」と称する。そして、液晶層を「ON状態」にするために必要な電圧の大きさ(絶対値)よりも充分に小さい電圧を液晶層に印加し、その結果、その液晶層が「ON状態」にあるときに得られる出射光の偏光面に対して略直交する偏光面を持つ光が液晶層から出射されるとき、「液晶層(または液晶セル)はOFF状態にある」と称する。
【0063】
液晶層を「OFF状態」にするには、その液晶層に印加する電圧(Low)の大きさをゼロにすればよい。ただし、液晶層を「OFF状態」にするとき、ゼロでない値(例えば2.5ボルト)を有する電圧(オフセット電圧)を印加してもよい。
【0064】
なお、本明細書で用いる印加電圧「High」とは、液晶層を「ON状態」にできるレベルの電圧であり、印加電圧「Low」とは、液晶層を「OFF状態」にできるレベルの電圧である。屈折率異方性△εが正のTN液晶を用いた場合、「ON状態」の液晶は、電界の向きに液晶分子を配向させており、「OFF状態」の液晶は、約90°捩れた状態にある。一方、屈折率異方性△εが負のTN液晶を用いた場合、「ON状態」の液晶は、約90°捩れた状態にあり、「OFF状態」の液晶は、液晶分子を一方向に配向させている。本明細書では、屈折異方性△εが正の液晶を用いた場合を中心に発明を説明するが、本発明は屈折率異方性△εが負の液晶を用いても実現できる。
【0065】
以下、図面を参照しながら、本発明による画像表示装置の好ましい実施形態を説明する。
【0066】
(実施形態1)
まず、図3を参照する。図3は本発明の画像表示装置の模式図である。
【0067】
図示されている本実施形態の画像表示装置は、バックライト1、液晶表示素子2、画像シフト素子3、および観察光学系4を備えている。バックライト1は透過型の液晶表示装置2を照明する光源であり、液晶表示素子2は、駆動回路5から駆動信号および映像信号を受け取り、映像信号に応じた内容を持つ画像を表示することができる。観察光学系4は、液晶表示素子2で表示された画像を光学的に拡大するための光学系である。観察者は、画像シフト素子3および観察光学系4を介して、液晶表示装置2で表示された画像を観察することができる。
【0068】
本実施形態では、バックライトが必要な透過型液晶表示素子を用いているが、画像を表示できる素子であれば、反射型の液晶表示素子だけでなく、有機EL素子やプラズマスディスプレスパネル(PDP)などの自発光型の表示素子を用いることもできる。
【0069】
画像シフト素子3の動作は、画像シフト素子用の駆動回路6によって制御される。この駆動回路6は、液晶表示素子2の映像表示に同期した駆動信号を画像シフト素子3に供給する。駆動回路6は画像シフト素子3に含まれる液晶素子に対してHighまたはLowの電圧を印加するための電圧印加部を有している。このような画像シフト素子3と駆動回路によって画像シフト素子モジュールが構成される。
【0070】
上記構成素子のうち、バックライト1、液晶表示素子2、観察光学系4、および駆動回路5は、従来の画像表示装置で用いられてきた素子や回路と同様の構成を有しており、本実施形態に係る表示装置の特徴点は、画像シフト素子3の構成および動作にある。以下、図4(a)〜(d)を参照しながら、画像シフト素子3を詳細に説明する。
【0071】
図示されている画像シフト素子3は、2枚の液晶素子7と3枚の複屈折素子8を用いて作製されている。2枚の液晶素子7は、それぞれ、液晶層と、液晶層の光入射面および光出射面を挟み込む一対の透明電極とを備えている。本実施形態における各液晶素子7は、入射光の偏光面を約90°回転させる状態(第1の状態)と、入射光の偏光面を実質的に回転させずにそのまま出射する状態(第2の状態)との間でスイッチングし、印加電圧の大きさに応じて、いずれかの状態を選択的にとり得る。
【0072】
本実施形態における液晶素子7は、例えば、メルク社製のZLI−2293の液晶に対して、カイラル剤(S−811:メルク社製)を1.5〜3質量%程度添加することによって、d/pを0.55〜0.75程度に設定した液晶セルを用いて作製される。d/pの値は、上記の範囲に限定されず、0.25〜1の範囲内で必要な値に設定される。本実施形態の場合において、d/pの好ましい範囲は、0.5〜0.65である。
【0073】
複屈折素子8は、一軸結晶材料(例えば水晶)から作製される。複屈折素子8に用いられる材料も、水晶に限定されず、一軸結晶であれば、如何なるものであってもよい。例えば、ニオブ酸リチウム、方解石、雲母、ルチル(TiO2)、チリ硝石(NaNO3)などの材料を用いることができる。ただし、HMDのように、表示装置の総重量を小さくする必要がある場合、屈折率異方性(△n)が相対的に大きなニオブ酸リチウムやルチルを用いることが好ましい。△nが大きい材料であれば、必要な画像シフト量を得るために必要な複屈折素子8の厚さを薄くできるため、小型化および軽量化に適している。
【0074】
複屈折素子8は、複屈折素子8の光入射面から傾斜した光学軸を有している。複屈折素子8は、入射光の進行方向および光学軸を含む平面(以下、「主断面」と称する。)内において、入射光線を常光と異常光に分離することができる。従って、複屈折素子へ入射する光の偏光方向が「主断面」に対して垂直であれば、入射光は複屈折素子8にとって常光となるため、主断面内をまっすぐに伝搬する。一方、複屈折素子8へ入射する光の偏光方向が主断面に対して平行であれば、入射光は複屈折素子8にとって異常光となるため、主断面内を屈折する。
【0075】
以上のことから、液晶素子7に印加する電圧レベルを変えることにより、入射光の偏光方向を複屈折素子8の主断面に対して垂直または水平な方向にスイッチングすれば、複屈折素子8の主断面内において、入射光線をシフトさせることができる。そして、その結果、表示素子2に表示された画像を入射光軸に垂直な方向へシフトさせることができる。本実施形態では、d/pを調節することによって立ち下がり応答速度を向上させたTN液晶を用いているため、偏光方向の切り替えを高速に行うことができる。なお、本実施形態では、プレチルト角を2°程度に設定した。
【0076】
図4(a)では、2枚の液晶素子7を、いずれも「OFF」状態にすることより、仮想平面上の位置Aに光線を導いている。図4(b)では、2枚の液晶素子7を、それぞれ、「ON」状態および「ON」状態にすることより、上記仮想平面上の位置Bに光線を導いている。図4(c)では、2枚の液晶素子7を、それぞれ、「ON」状態および「OFF」状態にすることより、仮想平面上の位置Cに光線を導いている。図4(d)では、2枚の液晶素子7を、いずれも「OFF」状態にすることより、仮想平面上の位置Dに光線を導いている。
【0077】
以上のように、2つの液晶素子7に印加する電圧を制御することにより、表示素子2上の画像をA→B→C→D→A→・・・とシフトさせることができる。このような画像のシフトは、表示素子2で表示される画像の切り替えのタイミングと同期して実行される。
【0078】
図5(a)は、上記画像シフト素子によるシフト動作を行わない場合の画素配列を示し、図5(b)は、画像シフト素子によるシフト動作を行った場合の画素配列を示している。画像シフト素子を用いることにより、液晶表示素子2の画素数が実効的に4倍に増加していることがわかる。
【0079】
なお、本明細書では、偏光面制御用の電圧が液晶素子7に印加され、液晶素子7から出射した光の偏光面が電圧無印加の場合に比べて約90°回転するとき、「液晶素子はON状態にある」と称することとする。そして、液晶素子を「ON状態」にするために必要な電圧の大きさ(絶対値)よりも充分に小さい電圧を液晶素子7の液晶に印加し、その結果、液晶素子7が「ON状態」にあるときに得られる出射光の偏光面に対して略直交する偏光面を持つ光が液晶素子7から出射されるとき、「液晶素子はOFF状態にある」と称することにする。
【0080】
液晶素子を「OFF状態」にするには、ゼロでない値(例えば2.5ボルト)を有する電圧(オフセット電圧)を印加してもよい。
【0081】
前述したように、本実施形態では、画像シフト素子内の各液晶素子7に印加する電圧の大きさを相対的に高いレベル(例えば8ボルト以上)と相対的に低いレベル(例えば1ボルト以下)との間でスイッチングし、それによって、ある仮想平面上で1つの画素をA→B→C→Dの4つの異なる位置に順次シフトさせる。
【0082】
本実施形態では、表示画素を4つの位置に順次シフトさせるが、本発明による画像シフト素子のシフト方向及びシフト位置数は、これに限定されるものではない。また、本実施形態の表示装置は、HMDとして好適に用いられ得るものであるが、本発明はこれに限定されない。本発明は、投影型画像表示装置に適用することも可能である。この場合、拡散光を出すバックライト1に代えて、指向性を有する照明光源を用い、観察光学系に代えて投射レンズを用いればよい。
【0083】
(実施形態2)
次に、図6を参照しながら、本実施形態による画像表示装置の他の実施形態を説明する。
【0084】
本実施形態に係る画像表示装置では、光源501から出た光(少なくともRGB成分を含む光)が放物面鏡502によって反射され、略平行光にされた後、フライアイレンズ503に入射する。フライアイレンズ503は、液晶パネル504を均一に照明するために用いられる。フライアイレンズ503の出射側には、液晶パネル504に入射する照明光の平行度を規制するアパーチャー505が設置されている。アパーチャー505は、矩形の開口部を有しており、その形状は画素形状に合わせて設計される。アパーチャー505を通過した光は、レンズ506を通過した後、ダイクロイックミラー507R、507G、507BでRGBの光に分離される。液晶パネル504は、レンズ506およびレンズ508によって略平行化した光に照射されるが、ダイクロイックミラーによって分離されたRGB光のそれぞれは液晶パネル504に異なる角度で入射する。なお、本実施形態では、液晶パネル504として、0.9型パネル(768×1024ドット)を用いる。
【0085】
図7は、RGB光が液晶パネル508に入射する様子を示す断面図である。図7に示されるように、液晶パネル504の光入射側には、3つの画素(R用画素、G用画素、およびB用画素)に1つの割合でマイクロレンズ509のアレイが配置されている。各マイクロレンズ509は、異なる角度で入射してきたRGB光を、対応する画素に入射させる。各画素は独立して駆動されるため、RGB光は、それぞれ、独立して変調される。
【0086】
再び、図6を参照する。液晶パネル504透過することによって変調された光は、画像シフト素子510を通って投射レンズ511に入射する。投影レンズ511を経た光は、スクリーン上に画像を形成する。スクリーンの画像は、画像シフト素子によって周期的にシフトする。
【0087】
次に、図8を参照しながら、本実施形態の画像シフト素子510を詳細に説明する。画像シフト素子510は、図8に示すように、2枚の液晶素子10と2枚の複屈折素子11とが交互に直列配置された構成を有しており、光軸と交差する面(「主断面」)内における異なる3つの位置(A、B、C)に画像をシフトさせることができる。液晶素子10と複屈折素子11のそれぞれ組み合わせは。図3に示す構成と同様の構成を有しており、画像シフト素子510を構成する液晶素子は、第1の実施形態に係る表示装置と同様の同じ特性をもつTN液晶を用いて構成されている。
【0088】
図9は、図8に示す画像シフト素子510によってシフトしたサブフレーム画像が上下する様子を模式的に示している。画像シフト素子510の働きにより、画像を構成するサブフレーム画像が上下方向(又は左右方向)に1画素ピッチずつ順次シフトする結果、スクリーン上における同一画素領域を照射する光の帯域が例えばB→G→R→B→G→R・・・と変化することになる。このような構成を採用することにより、単板式であっても、3枚の液晶表示パネルを用いる3板式の投射型画像表示装置と同等レベルの解像度を実現することができる。
【0089】
本実施形態によれば、立ち下がり応答速度の速い液晶層を用いて画像シフト素子を構成しているため、2重像の発生を抑制しつつ、画像シフトを高速に行うことが可能である。
【0090】
なお、本実施形態では、光源501として、出力120W、アーク長1.4mmのフィリップス社製UHPランプを用いているが、光源としては、この他に、ハロゲンランプ、キセノンランプ、メタルハライドランプなどを用いることができる。
【0091】
なお、本実施形態の画像表示装置は、スクリーンに表示画像を投影する投影型表示装置であるが、観察光学系を用いることにより、HMDに適用することも可能である。
【0092】
【発明の効果】
本発明による画像シフト素子によれば、印加電圧をON状態からOFF状態に変化させたときの液晶の応答速度を速め、2重像の発生を抑制しつつ高い周波数で画像のシフトを行うことができる。このような画像シフト素子を用いることにより、高解像度の画像を表示する画像表示装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図1】液晶素子と複屈折素子を組み合わせた画像シフト素子の従来の構成を示す図である。
【図2】一対の偏光板を直交配置し、偏光板間に液晶素子を配置した場合における液晶印加電圧−透過率特性を示すグラフである。縦軸および横軸は任意単位である。
【図3】本発明による画像シフト素子モジュールの基本構成を示す断面図である。
【図4】(a)から(d)は、第1の実施形態で用いる画像シフト素子の動作を示す図である。
【図5】図3の画像シフト素子による画像の高解像度化を示す図であり、(a)は画像シフト素子が動作していないときの画像を示し、(b)は、画像シフト素子が動作しているときの画像を示している。
【図6】本発明による画像表示装置の第2の実施形態を示す図である。
【図7】第2の実施形態で用いる液晶表示パネルを示す断面図である。
【図8】第2の実施形態で用いる画像シフト素子を示す断面図である。
【図9】画像のシフトを模式的に示す図である。
【図10】液晶の「立ち下がり応答」とd/pとの関係を示すグラフである(シミュレーション)。横軸は時間(任意単位)である。
【図11】「電圧−透過率曲線」がd/pによってどのように変化するかを示すグラフである(シミュレーション)。横軸は電圧(任意単位)である。
【図12】d/pが0.04、0.26、0.51の場合における「立ち下がり応答」の実測値を示すグラフである。横軸は時間(任意単位)である。
【図13】図13は、立ち下がり応答時間τd(実測値)とd/pとの関係を示すグラフである。縦軸は時間(任意単位)である。
【符号の説明】
1 バックライト
2 液晶表示パネル
3 画像シフト素子
4 観察光学系
5 液晶素子パネル用駆動回路
6 画像シフト素子用駆動回路
7 液晶セル
11 複屈折素子
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an image shift element suitably used for a head-mounted display (hereinafter referred to as “HMD”), a projection image display apparatus (projector), and the like, and an image display apparatus including the image shift element. Yes.
[0002]
[Prior art]
The liquid crystal display element includes a pair of substrates and a liquid crystal layer sandwiched between the substrates. The substrate has a plurality of pixel electrodes regularly arranged in rows and columns (matrix), and a driving voltage corresponding to an image signal is applied to each of the pixel electrodes. Application of this voltage changes the optical characteristics (light transmittance and reflectance) of the liquid crystal layer for each pixel, so that images, characters, and the like can be displayed.
[0003]
There are a “simple matrix method” and an “active matrix method” as methods for applying an independent drive voltage to each pixel electrode on the substrate.
[0004]
In the case of the active matrix method, switching elements corresponding to the pixel electrodes are arranged on the substrate. A substrate on which such switching elements are arranged is called an active matrix substrate. The switching element on the active matrix substrate functions to switch an electrical conduction / non-conduction state between the corresponding pixel electrode and the signal wiring. As such a switching element, a metal-insulator-metal (MIM) element, a thin film transistor (TFT), or the like is preferably used.
[0005]
The switching element is required to exhibit as high an electrical resistance as possible when in a non-conducting state. However, when strong light is incident on a switching element that is in a non-conducting state, the electrical resistance of the switching element is reduced and a leakage current is generated, so that the charge stored in the pixel electrode is discharged. Arise. In addition, a driving voltage of an appropriate level is not applied to the pixel electrode, the original display operation is not performed, and there is a problem that light leaks even in a black state and the contrast ratio is lowered.
[0006]
When the liquid crystal display element is a transmissive type, a light shielding layer called a black matrix is disposed on the active matrix substrate or on a counter substrate facing the active matrix substrate with a liquid crystal layer interposed therebetween in order to solve the above problem. . The presence of this black matrix reduces the area ratio (opening ratio) of the pixel opening. To achieve high definition by reducing the area occupied by the black matrix, the switching elements and wirings can be miniaturized. However, miniaturization of the switching elements and wirings leads to a decrease in driving force and an increase in wiring resistance. It will be. In addition, it is difficult to miniaturize switching elements and wiring due to restrictions on manufacturing technology.
[0007]
US Pat. No. 4,984,091 discloses a technique for optically moving a display image by a pixel pitch for the purpose of achieving high definition using a non-display area on a black matrix. According to this technique, an image corresponding to the moved pixel position is displayed in synchronization with the movement of the pixel. As a result, the apparent number of pixels increases, so that even when a display element with a low resolution is used, the same display as when a high-definition display panel is used is possible.
[0008]
US Pat. No. 6,061,103 discloses a method in which red, green, and blue (hereinafter referred to as “RGB”) pixels are optically sequentially shifted by a shift element, and the shifted pixels are superimposed and displayed. Is disclosed. In this method, each pixel of RGB is displayed in a time division manner in an area corresponding to one pixel. As a result, the apparent resolution can be improved by a factor of three without reducing the pixel pitch on the display panel.
[0009]
The above-mentioned US Pat. No. 6,061,103 discloses an image shift element in which a liquid crystal element and a birefringence element are combined as means for optically shifting an image. The birefringent element is formed of a material whose light refraction direction changes depending on the polarization direction of incident light. If the polarization direction of the light incident on the birefringent element is changed by the liquid crystal element, the optical axis of the light emitted from the birefringent element can be shifted.
[0010]
FIG. 1 shows a known image shift element. The image shift element includes a liquid crystal element 7 and a birefringent element 11 arranged in series along the light propagation direction. The liquid crystal element 7 changes the polarization state between a state in which an incident electric field vector oscillation plane (hereinafter referred to as a “polarization plane”) of linearly polarized light that is incident is rotated by 90 ° and a state that is transmitted without being rotated. Switch. The birefringent element 11 can shift the light beam according to the direction of the polarization plane of the linearly polarized light that has entered.
[0011]
In the example shown in FIG. 1, the electric field vector direction (polarization direction) of the light incident on the liquid crystal element 7 is perpendicular to the paper surface. Since the liquid crystal element 7 uses a TN mode liquid crystal (TN liquid crystal) having a positive refractive index anisotropy Δε, a voltage is not applied to the liquid crystal layer of the liquid crystal element 7 (when the voltage is in an OFF state). The liquid crystal molecules are twisted by 90 °, and the polarization plane of the incident light rotates by 90 ° due to its optical rotation. On the other hand, when a voltage of a predetermined level or higher is applied to the liquid crystal layer of the liquid crystal element 7 (when the voltage is in an ON state), the liquid crystal molecules are aligned with the direction of the electric field. The light is emitted while being perpendicular to the paper surface. The birefringent element 11 shown in the figure transmits light whose polarization plane is perpendicular to the paper surface as it is, but can shift light parallel to the paper surface.
[0012]
The liquid crystal element 7 in the image shift element as shown in FIG. 1 emits a first linearly polarized light and a second straight line having a polarization plane perpendicular to the state according to the magnitude of the applied voltage. It is required to switch the state appropriately and quickly between the state of emitting polarized light.
[0013]
As described above, in the case of the liquid crystal element using the above TN liquid crystal, when no voltage is applied to the TN liquid crystal, the linearly polarized light incident on the liquid crystal element is emitted as linearly polarized light whose polarization plane is rotated by 90 °. When a voltage is applied to the liquid crystal, the orientation of the liquid crystal molecules changes rapidly due to the electric field, and transitions to a state where the polarization of incident light is not changed. On the other hand, when the application of voltage to the TN liquid crystal is stopped, the liquid crystal molecules transition (relax) to the original state, but the speed is slow.
[0014]
Thus, between the case where the voltage applied to the liquid crystal layer is changed from Low (typically 0 volts) to High (for example, 5 volts) and the case where the applied voltage is changed from High to Low, The speed at which the orientation of liquid crystal molecules changes is different. In order to evaluate this response speed, a pair of orthogonal polarizers may be disposed before and after the liquid crystal layer, and the temporal change in light transmittance may be measured. FIG. 2 shows the change in transmittance when the applied voltage is changed from High to Low after a predetermined time has elapsed after the applied voltage is changed from Low to High. Here, the time for the transmittance to fall from the maximum value to zero is referred to as “liquid crystal rise response time τr”, and the time for the transmittance to rise from zero to the maximum value is referred to as “liquid crystal fall response time τd”. I will do it. The rise response time τr of the liquid crystal is relatively short, but the fall response time τd is relatively long. When the falling response time τd of the liquid crystal is long, the image cannot be shifted in synchronization with the switching timing of the image displayed by the image display element. Before describing this problem, first, the image switching speed in the image display device will be described.
[0015]
Usually, either an interlaced drive or a non-interlaced drive is generally used as a driving method of the image display element. Interlaced driving is a display method in which only odd and even rows are selected for each field, and one image is completed in odd and even fields. The selection time for each field is usually 16.6 milliseconds (60 Hz). ). On the other hand, non-interlaced driving is a display method of sequentially selecting regardless of odd and even rows of display elements, and the selection time of each field is normally 16.6 milliseconds (60 Hz) as in interlaced driving. . Here, the field refers to a period between vertical synchronizations of images regardless of interlace driving or non-interlace driving. In the liquid crystal display element, a scanning period including blanking time corresponds to a field period.
[0016]
In the method described in the above-mentioned US Pat. No. 6,061,103, one field period is divided according to the R, G, and B shift positions, and the divided period (hereinafter referred to as “subfield period”). .) Different images (“subfield images”) are displayed on the image display element. Since the subfield period in this case is about 5 milliseconds, the image shift element needs to shift the image at a short time interval of about 5 milliseconds. Furthermore, since the image shift by the image shift element needs to synchronize the subfield switching and timing, the state can be changed at high speed in response to the voltage applied to the liquid crystal element simultaneously with the subfield switching. Desired.
[0017]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the case of an actual liquid crystal element, it is difficult to change the state at high speed in response to voltage application. For example, in the case of a TN mode liquid crystal, as shown in FIG. 2, the rise response time τr is relatively short, but the fall response time τd is usually about a dozen milliseconds, which is longer than the subfield selection period. .
[0018]
The reason for the difference in response time is that the “rise” of the curve in FIG. 2 is performed by applying a voltage to the liquid crystal and forcibly aligning the liquid crystal molecules in one direction. The “falling” is performed by stopping the application of voltage to the liquid crystal and naturally relaxing the orientation of the liquid crystal molecules to the original state.
[0019]
If a liquid crystal having a long fall response time τd is used as described above, there is a problem that polarization cannot be switched appropriately. This problem will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 1, when the voltage application to the liquid crystal cell 7 is changed from the “ON” state to the “OFF” state, the polarization plane of the light emitted from the liquid crystal element 7 is rotated by 90 °, resulting in birefringence. The optical axis of the light emitted from the element 11 is shifted from the position B to the position A. At this time, if the falling response time τd is too long, the linearly polarized light becomes elliptically polarized at the transitional stage of the falling, and the same image is displayed twice at both the position A and the position B, so the resolution decreases. Will do.
[0020]
In addition, if there is a large difference between the falling response time τd and the rising response time τr, there is a difference in the generation level of the double image between when the image is shifted from position A to position B and vice versa. Will be recognized as flicker.
[0021]
In JP-A-2000-199901, in a TN mode type liquid crystal display device, by adjusting the concentration of the chiral agent added to the liquid crystal, the twist angle inherent to the liquid crystal is increased, whereby the voltage is turned on. The liquid crystal response speed when changing from "" to "OFF state" can be improved. However, in the case of a liquid crystal display device, when the concentration of the chiral agent is increased in this way, the magnitude of the voltage to be applied to the liquid crystal layer in the voltage “ON” state needs to be increased compared to the conventional case. Considering the ability of a semiconductor thin film transistor that functions as a switching element in the display region, it was difficult in practice. Further, as the twist angle inherent to the liquid crystal is increased, the liquid crystal in the voltage “OFF” state becomes unstable, and the 90 ° twist can be maintained only for a short time. For this reason, the above technique has not been applied to an actual liquid crystal element.
[0022]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and a main object of the present invention is to generate a double image due to a response delay of liquid crystal when voltage application is changed from an “ON” state to an “OFF” state. It is an object of the present invention to provide an image shift element in which the image shift is suppressed and an image display device using the image shift element.
[0023]
[Means for Solving the Problems]
The image shift element according to the present invention is an image shift element including at least one image shift unit that periodically shifts the position of the optical axis, and the image shift unit is configured to be in accordance with High / Low of the applied voltage. A liquid crystal cell that switches a polarization direction of light between two directions orthogonal to each other; and a birefringent element having a refractive index different depending on the polarization direction of the light. The liquid crystal cell and the birefringent element are arranged in this order. The TN mode is arranged so as to transmit light, and the liquid crystal layer included in the liquid crystal cell satisfies a relational expression of 0.25 <d / p <1, where p is a natural pitch length and d is a cell gap. It is formed of a liquid crystal layer and is arranged so as to be twisted by 90 ° in the liquid crystal cell.
[0024]
In a preferred embodiment, the natural pitch length p of the liquid crystal layer is adjusted by adding a chiral agent.
[0025]
In a preferred embodiment, the liquid crystal layer satisfies a relational expression of 0.5 <d / p.
[0026]
In a preferred embodiment, the liquid crystal layer satisfies a relational expression of d / p <0.75.
[0027]
In a preferred embodiment, the pretilt angle of the liquid crystal layer is adjusted to be less than 5 °.
[0028]
In a preferred embodiment, the number of the image shift units is plural.
[0029]
An image shift element module according to the present invention includes any one of the image shift elements described above and a drive circuit that supplies a voltage to the liquid crystal cell of the image shift element, and the drive circuit performs switching timing of an image to be shifted. The voltage is changed in synchronization.
[0030]
In a preferred embodiment, the driving circuit applies a voltage of 7 volts or more to substantially the entire liquid crystal layer included in the liquid crystal cell of the image shift element for a selected period.
[0031]
The selected period has a length equal to or longer than the subfield period of the image.
[0032]
An image display device according to the present invention is an image display device that includes an image display unit that displays an image and any one of the image shift elements described above. The received light is shifted while being synchronized with the display of the image display unit.
[0033]
In a preferred embodiment, a drive circuit for supplying a voltage to the liquid crystal cell of the image shift element is further provided.
[0034]
In a preferred embodiment, the driving circuit applies a voltage of 7 volts or more to substantially the entire liquid crystal layer included in the liquid crystal cell of the image shift element for a selected period.
[0035]
In a preferred embodiment, the selected period has a length equal to or longer than a subfield period of the image.
[0036]
In a preferred embodiment, the light exiting from the image display unit and entering the image shift element is linearly polarized light.
[0037]
In a preferred embodiment, the pixels constituting the image are superimposed in a time division manner by the shift of the image.
[0038]
Another image display device according to the present invention includes a light source, an image display panel having a plurality of pixel regions each capable of modulating light, and light from the light source in the plurality of pixel regions according to a wavelength region. An image display device comprising: a light control unit that focuses light on a corresponding pixel region; and an optical system that forms an image on a projection surface by light modulated by the image display panel, A plurality of sub-frame image data is generated from each frame image data, and the image display panel displays the plurality of sub-frame images in a time-division manner; and the plurality of sub-frame images displayed by the image display panel The image shift element according to any one of the above, wherein the sub-frame image selected from the sub-frame images is shifted on the projection surface; Same area on the projection surface by the light belonging to different wavelength ranges that have been modulated by comprising a pixel region sequentially irradiating.
[0039]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The image shift element according to the present invention includes at least one image shift unit that periodically shifts the position of the optical axis. This image shift unit includes a liquid crystal cell and a birefringence element, similarly to the conventional image shift element shown in FIG. One of the features of the present invention is that the liquid crystal layer included in the liquid crystal cell has a TN mode liquid crystal layer satisfying a relational expression of 0.25 <d / p <1, where p is a natural pitch length and d is a cell gap. And is arranged so as to be twisted by 90 ° in the liquid crystal cell.
[0040]
The value indicated by d / p can be controlled by the type and concentration of the chiral agent added to the liquid crystal layer. Assuming that the chiral agent HTP (Herical Twisting Power) is x and the concentration of the chiral agent is c, the natural pitch p of the liquid crystal is expressed by the following formula by x and c.
[0041]
p = 1 / (c · x)
[0042]
Since x is a value inherent to the combination of the liquid crystal and the chiral agent, a desired natural length pitch p can be obtained by adjusting the concentration c of the chiral agent.
[0043]
Here, in the liquid crystal layer having the cell gap d (= the thickness of the liquid crystal layer), the natural twist angle φ is expressed by the following equation.
[0044]
φ = (d / p) · 360 °
[0045]
The natural twist angle φ is a natural twist angle when the orientation of the liquid crystal molecules on the upper and lower surfaces of the liquid crystal layer is not restricted by an alignment film or the like.
[0046]
In the present invention, by adjusting the concentration c of the chiral agent, p is reduced and d / p satisfies the relational expression of 0.25 <d / p <1. In this case, the natural twist angle φ becomes a size satisfying 90 ° <φ <360 °. On the other hand, in the present invention, the twist angle of the liquid crystal layer is set to 90 ° by regulating the twist angle with an alignment film or the like.
[0047]
As described above, in the present invention, the natural twist angle φ is set to exceed 90 ° by adding a chiral agent having a higher concentration than that of a liquid crystal display device in practical use to the liquid crystal layer of the image shift element. ing. For this reason, in a state where a 90 ° twist is applied to the liquid crystal layer by an alignment film or the like, the liquid crystal layer is distorted. By introducing such distortion, it is possible to improve the response speed when the voltage applied to the liquid crystal layer is changed from the ON state to the OFF state.
[0048]
From the viewpoint of increasing the response speed, it is preferable to satisfy the relational expression of 0.5 <d / p. However, since it is necessary to increase the applied voltage in the ON state as d / p increases, it is preferable to satisfy d / p <0.75.
[0049]
In the present invention, a liquid crystal layer having a high d / p is used in a liquid crystal cell in an image shift element, not in a liquid crystal display device. The liquid crystal cell in the image shift element does not require halftone display and is required to perform binary switching between a state where the polarization plane of incident light is rotated and a state where the plane of polarization is not rotated. Further, in a liquid crystal cell of an image shift element, it is usually necessary to shift an image not by line sequential scanning but by plane switching. For this reason, in the liquid crystal cell of the image shift element, a voltage is applied to a wide region (typically substantially the entire region) of the liquid crystal layer, and the voltage application state is continued for a subfield period or longer. That is, in the liquid crystal cell of the image shift element, static driving can be performed instead of active matrix driving, and the unit region where the state of the liquid crystal layer transitions is not as large as a pixel, for example, several square centimeter mail. It has the above width.
[0050]
On the other hand, in the liquid crystal display device, in order to form an image, it is necessary to change the voltage application state of the liquid crystal layer for each narrow region of a pixel unit. In the case of line sequential driving, for example, after a low voltage is applied to a liquid crystal region on a certain scanning line, a high voltage may be applied to the liquid crystal region on the next scanning line. In such a case, the liquid crystal state may become unstable as a result of interference of the liquid crystal state in adjacent pixel regions.
[0051]
In such a liquid crystal display device, when the magnitude of d / p is larger than 0.5, for example, the liquid crystal state is strongly influenced by the liquid crystal in the adjacent region unless the pretilt angle is set to 5 ° or more. There is a possibility that a light leakage area or disclination may occur, resulting in poor display quality, or a stable operation being disabled.
[0052]
On the other hand, in the liquid crystal cell of the image display device of the present invention, since a substantially uniform voltage is statically applied over a wide area of the liquid crystal layer, even if the magnitude of d / p is larger than 0.5, The stability of the liquid crystal is maintained, and the pretilt angle can be arbitrarily set. On the contrary, when the pretilt angle is increased in the present invention, an optical rotation by the liquid crystal layer in a state where no voltage is applied is abnormal, and a residual component is added to the polarized light, resulting in a deterioration in the degree of polarization. For this reason, in the present invention, it is preferable to reduce the pretilt angle. Therefore, in the present invention, the blur tilt angle is preferably set to less than 5 °, more preferably less than 4 °, and still more preferably less than 3 °.
[0053]
Thus, in the case of the image shift element of the present invention, even when d / p is large, the pretilt angle can be set to a sufficiently small value, so that the polarization characteristics of the liquid crystal can be switched sharply. .
[0054]
As described above, in the image shift element of the present invention, a predetermined voltage is maintained by a drive circuit (without a thin film transistor or the like) for substantially the entire liquid crystal layer over a subfield period or a longer period. Therefore, the liquid crystal state is stably maintained, and the polarization plane is switched with high accuracy. Therefore, even when d / p is set to a large value that is difficult to be practically used in a liquid crystal display device (for example, a value larger than 0.5), the liquid crystal state when the voltage is OFF is maintained with the pretilt angle kept sufficiently small. Since it can be stabilized, the occurrence of double images can be effectively prevented.
[0055]
Hereinafter, the relationship between the response speed of liquid crystal and d / p will be described with reference to FIGS.
[0056]
First, referring to FIG. FIG. 10 shows the relationship between “falling response” of liquid crystal and d / p. This relationship is obtained by computer simulation. As can be seen from FIG. 10, as d / p exceeds 0.25 and approaches 1, the falling response time of the liquid crystal becomes shorter.
[0057]
Further, FIG. 10 shows that when d / p is 0.25 or less, the transmittance (Transmittance) once decreases and then increases again to reach 100%. This is a phenomenon that occurs when the voltage applied to the liquid crystal layer is released, because the liquid crystal molecules in the approximate center of the liquid crystal layer receive a force in the opposite direction due to the viscosity of the liquid crystal located on the side close to the substrate (backflow). ). If the amount of chiral agent added is increased, this backflow can be suppressed and the response speed can be increased.
[0058]
FIG. 11 shows how the “voltage-transmittance curve” varies with d / p. This voltage-transmittance curve was also obtained by computer simulation. As can be seen from FIG. 11, the voltage (voltage high level) required to make the transmittance zero is required to increase as d / p exceeds 0.25 and approaches 1. According to experiments, the applied voltage is preferably 7 volts or more, and more preferably 10 volts or more.
[0059]
In the case of a liquid crystal display device, when active matrix driving is performed, since a voltage is applied to the liquid crystal layer through the switching element and the pixel electrode, it is possible to apply a large voltage exceeding 7 volts to the liquid crystal layer. In addition, the magnitude of the applied voltage tends to decrease with time. For this reason, in the liquid crystal display device, when d / p is increased, there arises a problem that the transmittance decreases or decreases with time. However, in the case of an image shift element, a predetermined voltage can be applied from the drive circuit to the pair of transparent electrodes of the liquid crystal cell. Can be applied to the layer.
[0060]
FIG. 12 shows the “falling” response curve of the liquid crystal obtained by actual measurement when d / p is 0.04, 0.26, and 0.51. As can be seen from FIG. 12, when d / p is 0.26, the above-described backflow is suppressed. It can be seen that the suppression of the backflow is significant when d / p exceeds 0.5.
[0061]
FIG. 13 is a graph showing the relationship between the measured value of the liquid crystal falling response time τd and d / p. As can be seen from FIG. 13, as d / p increases beyond 0.25, the falling response speed τd of the liquid crystal decreases. When d / p exceeds 0.5, the falling response speed τd is shortened to 50% or less of the falling response speed τd when d / p is 0.04 (comparative example). According to experiments, as d / p exceeds 0.5 and approaches 1, the 90 ° twisted state of the liquid crystal becomes unstable, and the risk of 270 ° twisting increases. For this reason, it is preferable to set d / p smaller than 0.75. The most preferable range of d / p is 0.5 <d / p <0.65.
[0062]
In this specification, in the case where the polarization plane of the light transmitted through the liquid crystal can take two different states by 90 ° depending on the voltage High / Low applied to the liquid crystal layer, a high voltage is applied to the liquid crystal layer, It is referred to as “the liquid crystal layer (or liquid crystal cell) is in the ON state” when it is in a state where it can emit predetermined linearly polarized light. Then, when a voltage sufficiently smaller than the magnitude (absolute value) of the voltage necessary to turn on the liquid crystal layer is applied to the liquid crystal layer, and as a result, the liquid crystal layer is in the “ON state” When light having a plane of polarization substantially orthogonal to the plane of polarization of the emitted light obtained in the above is emitted from the liquid crystal layer, it is referred to as “the liquid crystal layer (or liquid crystal cell) is in the OFF state”.
[0063]
In order to put the liquid crystal layer in the “OFF state”, the voltage (Low) applied to the liquid crystal layer may be set to zero. However, when the liquid crystal layer is set to the “OFF state”, a voltage (offset voltage) having a non-zero value (for example, 2.5 volts) may be applied.
[0064]
The applied voltage “High” used in this specification is a voltage at a level that can turn the liquid crystal layer “ON”, and the applied voltage “Low” is a voltage that can turn the liquid crystal layer “OFF”. It is. When a TN liquid crystal having a positive refractive index anisotropy Δε is used, the liquid crystal in the “ON state” has liquid crystal molecules aligned in the direction of the electric field, and the liquid crystal in the “OFF state” is twisted by about 90 °. Is in a state. On the other hand, when a TN liquid crystal having a negative refractive index anisotropy Δε is used, the liquid crystal in the “ON state” is twisted by about 90 °, and the liquid crystal in the “OFF state” has the liquid crystal molecules in one direction. Oriented. In the present specification, the invention will be described centering on the case where a liquid crystal having a positive refractive anisotropy Δε is used. However, the present invention can also be realized by using a liquid crystal having a negative refractive index anisotropy Δε.
[0065]
Hereinafter, preferred embodiments of an image display device according to the present invention will be described with reference to the drawings.
[0066]
(Embodiment 1)
First, referring to FIG. FIG. 3 is a schematic diagram of the image display apparatus of the present invention.
[0067]
The illustrated image display apparatus of the present embodiment includes a backlight 1, a liquid crystal display element 2, an image shift element 3, and an observation optical system 4. The backlight 1 is a light source that illuminates the transmissive liquid crystal display device 2. The liquid crystal display element 2 can receive a drive signal and a video signal from the drive circuit 5 and display an image having contents corresponding to the video signal. it can. The observation optical system 4 is an optical system for optically enlarging an image displayed on the liquid crystal display element 2. The observer can observe the image displayed on the liquid crystal display device 2 through the image shift element 3 and the observation optical system 4.
[0068]
In this embodiment, a transmissive liquid crystal display element that requires a backlight is used. However, as long as the element can display an image, not only a reflective liquid crystal display element but also an organic EL element or a plasma display panel ( A self-luminous display element such as a PDP can also be used.
[0069]
The operation of the image shift element 3 is controlled by a drive circuit 6 for the image shift element. The drive circuit 6 supplies a drive signal synchronized with the video display of the liquid crystal display element 2 to the image shift element 3. The drive circuit 6 has a voltage application unit for applying a High or Low voltage to the liquid crystal elements included in the image shift element 3. Such an image shift element 3 and a drive circuit constitute an image shift element module.
[0070]
Among the above-described constituent elements, the backlight 1, the liquid crystal display element 2, the observation optical system 4, and the drive circuit 5 have the same configuration as the elements and circuits used in the conventional image display apparatus. The characteristic point of the display device according to the embodiment is the configuration and operation of the image shift element 3. Hereinafter, the image shift element 3 will be described in detail with reference to FIGS.
[0071]
The illustrated image shift element 3 is manufactured using two liquid crystal elements 7 and three birefringent elements 8. Each of the two liquid crystal elements 7 includes a liquid crystal layer and a pair of transparent electrodes that sandwich the light incident surface and the light output surface of the liquid crystal layer. Each liquid crystal element 7 in the present embodiment has a state in which the polarization plane of incident light is rotated by about 90 ° (first state) and a state in which the polarization plane of incident light is emitted without being substantially rotated (second state). , And any one of the states can be selectively taken according to the magnitude of the applied voltage.
[0072]
The liquid crystal element 7 in the present embodiment is obtained by adding about 1.5 to 3% by mass of a chiral agent (S-811: manufactured by Merck) to, for example, ZLI-2293 liquid crystal manufactured by Merck. It is produced using a liquid crystal cell in which / p is set to about 0.55 to 0.75. The value of d / p is not limited to the above range, and is set to a necessary value within the range of 0.25 to 1. In the case of this embodiment, the preferable range of d / p is 0.5 to 0.65.
[0073]
The birefringent element 8 is made from a uniaxial crystal material (for example, quartz). The material used for the birefringent element 8 is not limited to quartz, and any material can be used as long as it is a uniaxial crystal. For example, lithium niobate, calcite, mica, rutile (TiO 2 ), Chile nitrate (NaNO) Three ) Or the like can be used. However, when it is necessary to reduce the total weight of the display device, such as an HMD, it is preferable to use lithium niobate or rutile having a relatively large refractive index anisotropy (Δn). If the material has a large Δn, the thickness of the birefringent element 8 necessary for obtaining a necessary image shift amount can be reduced, which is suitable for miniaturization and weight reduction.
[0074]
The birefringent element 8 has an optical axis inclined from the light incident surface of the birefringent element 8. The birefringent element 8 can separate incident light into ordinary light and extraordinary light within a plane including the traveling direction of the incident light and the optical axis (hereinafter referred to as “main cross section”). Therefore, if the polarization direction of the light incident on the birefringent element is perpendicular to the “main cross section”, the incident light becomes ordinary light for the birefringent element 8 and propagates straight in the main cross section. On the other hand, if the polarization direction of the light incident on the birefringent element 8 is parallel to the main cross section, the incident light becomes extraordinary light for the birefringent element 8 and is refracted in the main cross section.
[0075]
From the above, if the voltage level applied to the liquid crystal element 7 is changed so that the polarization direction of the incident light is switched in a direction perpendicular or horizontal to the main cross section of the birefringent element 8, the main Within the cross section, the incident light can be shifted. As a result, the image displayed on the display element 2 can be shifted in a direction perpendicular to the incident optical axis. In this embodiment, since the TN liquid crystal whose falling response speed is improved by adjusting d / p is used, the polarization direction can be switched at high speed. In this embodiment, the pretilt angle is set to about 2 °.
[0076]
In FIG. 4A, the light is guided to the position A on the virtual plane by setting the two liquid crystal elements 7 to the “OFF” state. In FIG. 4B, the light beams are guided to the position B on the virtual plane by setting the two liquid crystal elements 7 to the “ON” state and the “ON” state, respectively. In FIG. 4C, the light is guided to the position C on the virtual plane by setting the two liquid crystal elements 7 to the “ON” state and the “OFF” state, respectively. In FIG. 4D, the light is guided to the position D on the virtual plane by setting the two liquid crystal elements 7 to the “OFF” state.
[0077]
As described above, by controlling the voltages applied to the two liquid crystal elements 7, the image on the display element 2 can be shifted in the order of A → B → C → D → A →. Such a shift of the image is executed in synchronization with the switching timing of the image displayed on the display element 2.
[0078]
FIG. 5A shows a pixel array when the shift operation by the image shift element is not performed, and FIG. 5B shows a pixel array when the shift operation by the image shift element is performed. It can be seen that the number of pixels of the liquid crystal display element 2 is effectively increased fourfold by using the image shift element.
[0079]
In this specification, when a voltage for controlling the polarization plane is applied to the liquid crystal element 7 and the polarization plane of the light emitted from the liquid crystal element 7 is rotated by about 90 ° as compared with the case where no voltage is applied, Is in the ON state ". Then, a voltage sufficiently smaller than the magnitude (absolute value) of the voltage necessary for turning on the liquid crystal element is applied to the liquid crystal of the liquid crystal element 7, and as a result, the liquid crystal element 7 is turned on. When light having a polarization plane substantially orthogonal to the polarization plane of the emitted light obtained when the liquid crystal element 7 is emitted from the liquid crystal element 7, it is referred to as “the liquid crystal element is in an OFF state”.
[0080]
In order to put the liquid crystal element in the “OFF state”, a voltage (offset voltage) having a non-zero value (for example, 2.5 volts) may be applied.
[0081]
As described above, in this embodiment, the magnitude of the voltage applied to each liquid crystal element 7 in the image shift element is set to a relatively high level (for example, 8 volts or more) and a relatively low level (for example, 1 volt or less). Thus, one pixel is sequentially shifted to four different positions of A → B → C → D on a certain virtual plane.
[0082]
In this embodiment, the display pixels are sequentially shifted to four positions. However, the shift direction and the number of shift positions of the image shift element according to the present invention are not limited to this. Moreover, although the display apparatus of this embodiment can be used suitably as HMD, this invention is not limited to this. The present invention can also be applied to a projection type image display apparatus. In this case, a illuminating light source having directivity may be used instead of the backlight 1 that emits diffused light, and a projection lens may be used instead of the observation optical system.
[0083]
(Embodiment 2)
Next, another embodiment of the image display apparatus according to the present embodiment will be described with reference to FIG.
[0084]
In the image display apparatus according to the present embodiment, the light emitted from the light source 501 (light including at least RGB components) is reflected by the parabolic mirror 502 to be substantially parallel light, and then enters the fly-eye lens 503. The fly-eye lens 503 is used to illuminate the liquid crystal panel 504 uniformly. An aperture 505 that restricts the parallelism of illumination light incident on the liquid crystal panel 504 is installed on the exit side of the fly-eye lens 503. The aperture 505 has a rectangular opening, and the shape thereof is designed according to the pixel shape. The light that has passed through the aperture 505 passes through the lens 506 and is then separated into RGB light by the dichroic mirrors 507R, 507G, and 507B. The liquid crystal panel 504 is irradiated with the light substantially parallelized by the lens 506 and the lens 508, but each of the RGB lights separated by the dichroic mirror is incident on the liquid crystal panel 504 at different angles. In the present embodiment, a 0.9-type panel (768 × 1024 dots) is used as the liquid crystal panel 504.
[0085]
FIG. 7 is a cross-sectional view showing how RGB light enters the liquid crystal panel 508. As shown in FIG. 7, on the light incident side of the liquid crystal panel 504, an array of microlenses 509 is arranged at a ratio of one for three pixels (R pixel, G pixel, and B pixel). . Each microlens 509 causes RGB light incident at different angles to enter corresponding pixels. Since each pixel is driven independently, the RGB light is modulated independently.
[0086]
Reference is again made to FIG. The light modulated by being transmitted through the liquid crystal panel 504 enters the projection lens 511 through the image shift element 510. The light that has passed through the projection lens 511 forms an image on the screen. The screen image is periodically shifted by an image shift element.
[0087]
Next, the image shift element 510 of this embodiment will be described in detail with reference to FIG. As shown in FIG. 8, the image shift element 510 has a configuration in which two liquid crystal elements 10 and two birefringent elements 11 are alternately arranged in series, and a plane intersecting the optical axis (“ The image can be shifted to three different positions (A, B, C) within the "main section"). What are the combinations of the liquid crystal element 10 and the birefringent element 11? 3 has the same configuration as that shown in FIG. 3, and the liquid crystal element constituting the image shift element 510 is configured using TN liquid crystal having the same characteristics as the display device according to the first embodiment. Yes.
[0088]
FIG. 9 schematically shows how the sub-frame image shifted by the image shift element 510 shown in FIG. 8 moves up and down. As a result of the action of the image shift element 510, the sub-frame images constituting the image are sequentially shifted by one pixel pitch in the vertical direction (or the horizontal direction), so that the band of light that irradiates the same pixel area on the screen is B → G → R → B → G → R... By adopting such a configuration, a resolution equivalent to that of a three-plate projection type image display apparatus using three liquid crystal display panels can be realized even with a single-plate type.
[0089]
According to this embodiment, since the image shift element is configured using the liquid crystal layer having a fast fall response speed, it is possible to perform image shift at high speed while suppressing the generation of a double image.
[0090]
In this embodiment, a Philips UHP lamp having an output of 120 W and an arc length of 1.4 mm is used as the light source 501, but a halogen lamp, a xenon lamp, a metal halide lamp, or the like is also used as the light source. be able to.
[0091]
Note that the image display apparatus according to the present embodiment is a projection display apparatus that projects a display image on a screen, but can also be applied to an HMD by using an observation optical system.
[0092]
【The invention's effect】
According to the image shift element of the present invention, it is possible to increase the response speed of the liquid crystal when the applied voltage is changed from the ON state to the OFF state, and to shift the image at a high frequency while suppressing the generation of the double image. it can. By using such an image shift element, an image display device that displays a high-resolution image is provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram illustrating a conventional configuration of an image shift element in which a liquid crystal element and a birefringent element are combined.
FIG. 2 is a graph showing liquid crystal applied voltage-transmittance characteristics when a pair of polarizing plates are arranged orthogonally and a liquid crystal element is arranged between the polarizing plates. The vertical and horizontal axes are arbitrary units.
FIG. 3 is a cross-sectional view showing a basic configuration of an image shift element module according to the present invention.
FIGS. 4A to 4D are diagrams illustrating the operation of the image shift element used in the first embodiment. FIGS.
FIGS. 5A and 5B are diagrams showing an increase in the resolution of an image by the image shift element of FIG. 3, in which FIG. 5A shows an image when the image shift element is not operating, and FIG. 5B is an image shift element operating; The image is shown when
FIG. 6 is a diagram showing a second embodiment of an image display device according to the present invention.
FIG. 7 is a cross-sectional view showing a liquid crystal display panel used in the second embodiment.
FIG. 8 is a cross-sectional view showing an image shift element used in the second embodiment.
FIG. 9 is a diagram schematically illustrating image shift.
FIG. 10 is a graph showing the relationship between “falling response” of liquid crystal and d / p (simulation). The horizontal axis is time (arbitrary unit).
FIG. 11 is a graph showing how the “voltage-transmittance curve” varies with d / p (simulation). The horizontal axis is voltage (arbitrary unit).
FIG. 12 is a graph showing measured values of “falling response” when d / p is 0.04, 0.26, and 0.51. The horizontal axis is time (arbitrary unit).
FIG. 13 is a graph showing a relationship between a fall response time τd (actual measurement value) and d / p. The vertical axis represents time (arbitrary unit).
[Explanation of symbols]
1 Backlight
2 LCD panel
3 Image shift element
4 Observation optical system
5 Liquid crystal element panel drive circuit
6 Image shift element drive circuit
7 Liquid crystal cell
11 Birefringent elements

Claims (14)

光軸の位置を周期的にシフトさせる画像シフト部を少なくとも1つ備えた画像シフト素子であって、
前記画像シフト部は、
印加電圧のHigh/Lowに応じて、光の偏光方向を、直交する2つの方向の間で切り替える液晶セルと、
光の偏光方向によって屈折率が異なる複屈折素子と、
を備えており、
前記液晶セルおよび複屈折素子は、この順序で光を透過するように配置され、
前記液晶セルは、液晶層と、前記液晶層と接する配向膜とを有しており、
前記液晶セルに含まれる液晶層は、自然ピッチ長をp、セルギャップをdとしたとき、0.5<d/p<1の関係式を満足するTNモード液晶層から形成され、前記配向膜によって前記液晶セル内で90°捩れるように配置されており、
前記印加電圧がLowのとき、前記液晶層において液晶分子のプレチルトが発生し、前記液晶層のプレチルト角は5°未満に調節されている、画像シフト素子。
An image shift element including at least one image shift unit that periodically shifts the position of the optical axis,
The image shift unit includes:
A liquid crystal cell that switches the polarization direction of light between two orthogonal directions according to the applied voltage High / Low;
A birefringent element having a different refractive index depending on the polarization direction of light;
With
The liquid crystal cell and the birefringent element are arranged to transmit light in this order,
The liquid crystal cell has a liquid crystal layer and an alignment film in contact with the liquid crystal layer,
The liquid crystal layer included in the liquid crystal cell, when the natural pitch length p, the cell gap is d, is formed from a TN mode liquid crystal layer to satisfy the 0.5 <d / p <1 in equation, the alignment layer are arranged so twisted 90 ° in the liquid crystal cell by,
When the applied voltage is low, a pretilt of liquid crystal molecules occurs in the liquid crystal layer, and the pretilt angle of the liquid crystal layer is adjusted to be less than 5 °.
前記液晶層の自然ピッチ長pは、カイラル剤の添加によって調節されている請求項1に記載の画像シフト素子。  The image shift element according to claim 1, wherein a natural pitch length p of the liquid crystal layer is adjusted by adding a chiral agent. 前記液晶層は、d/p<0.75の関係式を満足する請求1または2に記載の画像シフト素子。The image shift element according to claim 1 , wherein the liquid crystal layer satisfies a relational expression of d / p <0.75. 前記画像シフト部の個数は複数である、請求項1から3のいずれかに記載の画像シフト素子。  The image shift element according to claim 1, wherein the number of the image shift units is plural. 請求項1から4のいずれかに記載の画像シフト素子と、
前記画像シフト素子の前記液晶セルに電圧を供給する駆動回路と、
を備え、
前記駆動回路は、シフトさせるべき画像の切り替えタイミングに同期させて前記電圧を変化させる画像シフト素子モジュール。
An image shift element according to any one of claims 1 to 4,
A drive circuit for supplying a voltage to the liquid crystal cell of the image shift element;
With
Wherein the driving circuit, an image shifting device module for changing the voltage in synchronization with the switching timing of the image to be shifted.
前記駆動回路は、選択された期間、前記画像シフト素子の液晶セルに含まれる液晶層の略全体に対して7ボルト以上の電圧を印加する請求項5に記載の画像シフト素子モジュール。  6. The image shift element module according to claim 5, wherein the drive circuit applies a voltage of 7 volts or more to substantially the entire liquid crystal layer included in the liquid crystal cell of the image shift element for a selected period. 前記選択された期間は、画像のサブフィールド期間以上の長さを有している請求項6に記載の画像シフト素子モジュール。  The image shift element module according to claim 6, wherein the selected period has a length equal to or longer than a subfield period of the image. 画像を表示する画像表示部と、
請求項1から4のいずれかに記載の画像シフト素子と、
を備えた画像表示装置であって、
前記画像シフト素子を用いることにより、前記画像表示部から出た光を前記画像表示部の表示に同期させながらシフトさせる、画像表示装置。
An image display unit for displaying an image;
An image shift element according to any one of claims 1 to 4,
An image display device comprising:
An image display device that shifts light emitted from the image display unit in synchronization with the display of the image display unit by using the image shift element.
前記画像シフト素子の前記液晶セルに電圧を供給する駆動回路を更に備えている請求項8に記載の画像表示装置。  The image display device according to claim 8, further comprising a drive circuit that supplies a voltage to the liquid crystal cell of the image shift element. 前記駆動回路は、選択された期間、前記画像シフト素子の液晶セルに含まれる液晶層の略全体に対して7ボルト以上の電圧を印加する請求項9に記載の画像表示装置。  The image display apparatus according to claim 9, wherein the driving circuit applies a voltage of 7 volts or more to substantially the entire liquid crystal layer included in the liquid crystal cell of the image shift element during a selected period. 前記選択された期間は、画像のサブフィールド期間以上の長さを有している請求項10に記載の画像表示装置。  The image display device according to claim 10, wherein the selected period has a length equal to or longer than a subfield period of the image. 前記画像表示部から出て前記画像シフト素子に入射する光は直線偏光である、請求項8から11のいずれかに記載の画像表示装置。  The image display device according to claim 8, wherein light that exits from the image display unit and enters the image shift element is linearly polarized light. 前記画像のシフトにより、前記画像を構成する画素が時分割で重畳される、請求項8から12のいずれかに記載の画像表示装置。  The image display device according to claim 8, wherein pixels constituting the image are superimposed in a time division manner by the shift of the image. 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、
を備えた画像表示装置であって、
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、請求項1から4のいずれかに記載の画像シフト素子と、
を備え、
前記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で前記被投影面上の同一領域を順次照射する画像表示装置。
A light source;
An image display panel having a plurality of pixel regions each capable of modulating light;
Light control means for condensing light from the light source in a corresponding pixel region of the plurality of pixel regions according to a wavelength range;
An optical system for forming an image on a projection surface by light modulated by the image display panel;
An image display device comprising:
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;
The image shift element according to any one of claims 1 to 4, wherein a subframe image selected from the plurality of subframe images displayed by the image display panel is shifted on the projection surface.
With
An image display device that sequentially irradiates the same region on the projection surface with light belonging to different wavelength regions modulated in different pixel regions of the image display panel.
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