JP4052803B2

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Publication number: JP4052803B2
Application number: JP2001012397A
Authority: JP
Inventors: 浩之杉本; 才明鴇田; 幾雄加藤; 健司亀山; 康之滝口
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2001-01-19
Filing date: 2001-01-19
Publication date: 2008-02-27
Anticipated expiration: 2021-01-19
Also published as: JP2002214579A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、画像情報に基づいて、照明光を制御可能とする複数の画素が二次元的に配置されている画像表示用素子を、レンズにより拡大した画像または直接の画像として観察する画像表示装置に関し、特に、光路をシフトさせて実画素数を増倍させる画素シフト方式により、高精細な画像を表示せしめる画像表示装置に関する。
また、本発明に係る画像表示装置は、プロジェクションディスプレイ，ヘッドマウントディスプレイなどの電子ディスプレイ装置にも応用することができる。
【０００２】
【従来の技術】
画像情報に基づいて照明光を制御可能とする複数個の画素を有する画像表示用素子をレンズで拡大した画像として観察する画像表示装置は、既に、フロントプロジェクタ，リアプロジェクタ，ヘッドマウンテッドディスプレイ等の商品名により広く使用されている。また、かかる画像表示用素子としては、ＣＲＴ（Cathode Ray Tube），液晶パネル，ＤＭＤ（Digital Micro-mirror Device：テキサスインストルメント社（米国）製の画像表示装置の商品名）等が、既に、商品として使用されており、また、無機ＥＬ（Electro-Luminescence），無機ＬＥＤ（Light Emitting Diode），有機ＬＥＤ等も研究されている。
【０００３】
一方、小型の画像表示用素子をレンズで拡大した画像として観察するのではなく、等倍で観察する画像表示装置としては、既述のＣＲＴ，液晶パネル，無機ＥＬ，無機ＬＥＤ，有機ＬＥＤ以外に、プラズマディスプレイ，蛍光表示管等が、既に、商品として使用されており、また、ＦＥＤ（Field Emission Display：フィールドエミッションディスプレイ），ＰＡＬＣ（Plasma Addressing Liquid Crystal Display：プラズマアドレッシング液晶ディスプレイ）等も研究されている。なお、画像表示装置としては、自発光型と空間光変調器型との２つの型に大きく分類されるが、いずれの型においても、照明光を制御可能とする複数個の画素を有しているものである。
【０００４】
かかる画像表示装置において共通の課題は、高解像度化、つまりは、大画素数化であり、既に、ブロードキャスト表示を目的とした走査線１０００本程度のＨＤＴＶ（High Definition Television）用の画像表示装置が商品化され、また、ワークステーションコンピュータの高解像度表示を目的とした走査線２０００本程度の開発品（たとえば、‘９８フラットパネルディスプレイ展における日本ＩＢＭ社製画像表示装置のＱＳＸＧＡ即ち走査線２０４８本、‘９９電子ディスプレイ展における東芝社製画像表示装置のＱＵＸＧＡ即ち走査線２４００本等）についても、液晶パネルを用いた技術として発表されている。しかしながら、このような実際の画素数を増加させる場合においては、液晶パネルの歩留まりを低下させ、また、開口率を減少させるなどにより、コストが上昇したり、輝度やコントラストが低下したり、あるいは、消費電力が増加したりと課題が多い。
【０００５】
かかる問題に対する解決策として、特開平４−１１３３０８号公報「投影表示装置」，特開平５−２８９００４号公報「光スイッチ」，特開平６−３２４３２０号公報「画像表示装置、画像表示装置の解像度改善方法、撮像方法、記録装置及び再生装置」等においては、単一の画像表示用素子を用いて、見かけ上の画素数を実画素数の２倍の画素数とするインタレース表示を行なう画像表示装置が開示されている。また、特開平７−３６０５４号公報「光学装置」においては、単一の画像表示用素子を用いて、実画素数の４倍以上となる見かけ上の画素数を有する画像表示装置が開示されている。これらの画像表示装置は、いずれの場合においても、画像表示用素子から出射した光の光路を時分割で高速に偏向させ、見かけ上の画素数を増大させる方法、いわゆる、画素シフト技術を採用している。
【０００６】
画像表示素子の画像数を見かけ上増倍して高解像度の画像表示とする、いわゆる、画素シフト技術の具体的な実施例としては、たとえば、前記の特開平６−３２４３２０号公報「画像表示装置、画像表示装置の解像度改善方法、撮像方法、記録装置及び再生装置」や、特開平１０−０２０２４２号公報「投射型表示装置」、米国特許第６０８２８６２号「IMAGE TILING TECHNIQUE BASED ON ELECTRICALLY SWITCHABLE HOLOGRAMS」等に、具体的な記述がなされている。
【０００７】
特開平６−３２４３２０号公報において開示されている画素シフト技術は、ＬＣＤ等の画像表示装置の画素数を増加させることなく、画像フィールド毎に、光路を光学部材により切り換えることにより、表示画像の解像度を、見かけ上向上させるものである。即ち、縦方向及び横方向に配列された複数個の画素の各々が、表示画素パターン（即ち、表示画像情報）に応じて発光することにより、画像が表示される画像表示装置において、観測者またはスクリーンとの間に、光路を画像フィールド毎に偏向させる光学部材を配する。また、前記画像フィールド毎に、前記光路の偏向に応じて表示位置がずれている状態の前記表示画素パターンを画像表示装置に表示することにより、画像表示装置の解像度を改善させんとするものである。
【０００８】
また、特開平１０−０２０２４２号公報において開示されている画素シフト技術は、画像表示素子とマイクロレンズアレイとを組み合わせ、マイクロレンズアレイを振動させることにより、画素シフトを行なうものである。即ち、マイクロレンズアレイが、光変調素子から投射レンズに至る光路上に配置され、光変調素子の４画素に対応して、一つの凸レンズが形成されている。一方、アクチュエータは、前記マイクロレンズアレイの各マイクロレンズを垂直方向と水平方向とに振動させるものから構成されていて、前記光変調素子に供給するフィールド信号に同期させてアクチュエータを駆動させることにより、前記マイクロレンズアレイに入射する光の光軸に直交する水平／垂直方向に前記マイクロレンズアレイを移動または振動させて、画素シフトを行なわせるように構成されている。
【０００９】
また、米国特許第６０８２８６２号において開示されている画素シフト技術は、電気的スイッチングが可能なホログラフィック光学素子を用いたプロジェクションシステムに適用されるものであり、液晶材料から成るホログラフィック光学素子により光路の角度を高速に変化させ、表示画像の位置を高速にシフトさせるように構成するものである。
【００１０】
また、たとえば、「液晶を利用した焦点可変レンズ」（佐藤進；光技術コンタクト，ＶＯＬ３２，Ｎｏ．１１，ｐ．２４〜ｐ．２８，１９９４）には、円形状の穴抜き電極パターンを持つ液晶マイクロレンズアレイを利用して、画像フィールド信号に同期させて選択的に電圧を印加してレンズの形成位置を変化させる技術が記述されている。
【００１１】
一方、このような画素シフト技術を実現するための光路偏向手段としては、たとえば、特開平６−３２４３２０号公報「画像表示装置、画像表示装置の解像度改善方法、撮像方法、記録装置及び再生装置」においては、電気光学素子と複屈折材料との組合わせ機構，レンズシフト機構，バリアングルプリズム，回転ミラー，回転ガラス等が開示されており、また、特開平５−３１３１１６号公報「投影機」においては、圧電素子などからなるアクチュエータを用いて画像表示用素子自体を画素ピッチよりも小さい距離だけ高速に機械的に揺動させる光路偏向手段が開示されている。
【００１２】
また、特開平７−１０４２７８号公報「光軸変換装置及びビデオプロジェクタ」においては、水晶板のような複屈折素子を利用する光路偏向手段の他に、傾斜面を所定間隔で対向させた１対のウェッジプリズムの一方を機械的に振動させることにより光路を偏向させる手段が開示されている。
【００１３】
また、特開平１０−１３３１３５公報「光ビーム偏向装置」においては、光ビームの進行路上に配置される透光性の圧電素子と、該圧電素子の表面に設けられた透明の電極と、該圧電素子の光ビーム入射面と光ビーム出射面との間の光路長を変化させて光ビームの光軸を偏向させるために、前記電極を介して該圧電素子に電圧を印加する電圧印加手段と、を備える構成とすることにより、圧電素子の光路長である厚みを変化させて、光路をシフトさせる方式が提案されている。
即ち、特開平１０−１３３１３５号公報に係る発明は、回転機械要素を不要とし、全体の小型化、高精度・高分解能化を実現でき、しかも外部からの振動の影響を受け難い光ビーム偏向装置を提供することを目的としているものである。
【００１４】
更には、特開平６−２０８３４５号公報「画像表示装置」においては、特開平６−３２４３２０号公報の場合と同様に、透明な板状の屈折板を用いて、透明屈折板の厚さや光軸との傾斜角度を切り換えることによって、光路のシフト量を変化させる方法が記載されており、かかる切換え手段として、透明屈折板を一枚の円形回転体の厚さや傾斜角度が部分的に異なる構成とし、該円形回転体を、回転ガラスにより構成する例が示されている。
【００１５】
更に、本出願人により特許出願がなされた特願２０００−３６２０９０号「画像表示装置」においては、光路偏向手段としてポリマー分散液晶によるブラッグ回折素子を用いる技術を提案している。該技術は、光利用効率向上のためには画素縮小素子が別途必要になるが、微小な液晶滴構造に基づく高速応答性を有するという特徴を有している。
【００１６】
更に、液晶を用いた光偏向技術としては、“LIGHT SCANNER EMPLOYING A NEMATIC LIQUID CRYSTAL”（IBM Technical Disclosure Bulletin，Ｖｏｌ．１５，Ｎｏ．８（１９７３））に記載されている技術があり、該技術は、ネマチック液晶の配向角度を変化させて直線偏光の光路を曲げさせるものである。
【００１７】
また、液晶を用いた光偏向技術の別の開示例としては、“LARGE−ANGLE BEAM DEFLCTOR USING LIQUID CRYSTAL”（ELECTRONICS LETTERS，Ｖｏｌ．１１，Ｎｏ．１６（１９７５））に記載されている技術があり、該技術は、ネマチック液晶に不均一電界を与えて直線偏光の光路を曲げさせるものである。
【００１８】
更に、液晶マイクロレンズに関する技術としては、「液晶マイクロレンズ」（Ｏ Plus Ｅ，Ｖｏｌ．２０，Ｎｏ．１０（１９９８））、特許第０３０１６７４４号「液晶マイクロレンズ」、特開平１１−１０９３０３号公報「光結合器」、特開平１１−１０９３０４号公報「光結合器」等において開示されている技術がある。
【００１９】
「液晶マイクロレンズ」（Ｏ Plus Ｅ，Ｖｏｌ．２０，Ｎｏ．１０（１９９８））において開示されている技術は、電極分割構造の液晶マイクロレンズを用いて、電界分布を非対称的にすることにより、光軸方向以外に焦点を移動することができるものである。
【００２０】
また、特許第０３０１６７４４号において開示されている技術は、ネマチック液晶中で光重合によりポリマーを形成するものであり、メモリ性があり、レンズ特性が可変にできる特徴を有している。
【００２１】
また、特開平１１−１０９３０３号公報及び特開平１１−１０９３０４号公報において開示されている技術は、円形状の穴抜きパターン電極をアレイ状に配置した液晶マイクロレンズを用いることにより、焦点距離が可変なレンズとし、光インターコネクション素子の光の結合効率を可変とするものであり、分割電極により焦点位置の制御も可能とするものである。
【００２２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述のごとき従来の技術として開示されている各種の光路偏向手段は、以下に示すごとき問題を有している。
たとえば、電気光学効果を示す部材と複屈折材料との組み合わせ機構による光路偏向手段は、応答速度も早く、従来から光通信分野での光分配，光スイッチとして用いられている光路偏向手段であり、既に公知の技術である。しかしながら、電気光学素子と複屈折材料との組合わせ機構による光路偏向手段は、比較的大きな結晶の複屈折材料を必要とするため、装置コストが上昇するという問題を有している。
【００２３】
また、光路偏向手段として、レンズシフト機構を用いる場合つまりレンズを機械的に往復直線運動させる場合や、回転ミラーを回転運動させる機構を採用する場合においては、かかる運動の駆動系として、ボイスコイル，圧電素子，バイモルフ，ステップモータ，ソレノイドコイル等が、特開平６−３２４３２０号公報に記載されており、また、ウェッジプリズムを振動させる場合の駆動系としては、圧電素子やムービングコイルを用いる例が、特開平７−１０４２７８号公報に記載されている。しかしながら、いずれの駆動系を用いる場合であっても、数十から数百Ｈｚ程度の周期で、レンズやプリズム等を機械的に繰り返し運動させるものであり、振動や雑音の発生源となる問題が伴ってしまう。
【００２４】
また、光路偏向手段として、カメラ一体型ＶＴＲのいわゆる手ぶれ防止用として用いられているバリアングルプリズムを利用する場合においても、プリズムの頂角を変更させるべく２枚の基板をつないだ蛇腹が往復運動を行なうため、やはり、振動や雑音の発生が問題となる。
【００２５】
また、特開平５−３１３１１６号公報における画像表示素子自体を高速に機械的に揺動させる方式は、光学系が固定されているので、諸収差の発生が少なく、高精細に表示できる利点はあるものの、画像表示素子自体を正確かつ高速に平行移動させる必要があるため、該画像表示素子の可動部の精度や耐久性が要求されるのみならず、機械的な高速振動動作を行なわしめるものであるので、やはり、振動や雑音の発生が問題となる。
【００２６】
また、特開平１０−１３３１３５公報における透明圧電素子の光路長を変化させる方式は、比較的大きな透明圧電素子を必要とし、装置コストの上昇を招く問題がある。
【００２７】
また、特開平６−２０８３４５号公報や特開平６−３２４３２０号公報における回転ガラスを用いた円形回転体により光路長を変化させる方式は、一枚の円形回転体で構成するだけでは一次元方向のみの光路シフトに限られてしまうこと、また、比較的大きな円形回転体を必要とすることから、光学系全体が大型化してしまうという問題がある。
【００２８】
また、液晶を用いた光路偏向や液晶マイクロレンズを画像表示素子に適用した従来の技術においても、次のような問題がある。
たとえば、「液晶を利用した焦点可変レンズ」（佐藤進；光技術コンタクト，ＶＯＬ３２，Ｎｏ．１１，ｐ．２４〜ｐ．２８，１９９４）にて開示されているように、円形状の穴抜き電極パターンを持つ液晶マイクロレンズアレイを利用してレンズの形成位置を変化させる光路偏向手段を用いる場合は、光軸方向に対して焦点距離を変化させることは比較的容易であるが、液晶マイクロレンズアレイの配列面方向で集光位置（即ち、焦点位置）を変化させることができないという問題を有す。
【００２９】
そこで、液晶マイクロレンズアレイの配列面方向での集光位置を変化させることを可能とする技術として、特開平１１−１０９３０３号公報「光結合器」及び特開平１１−１０９３０４号公報「光結合器」において、分割電極による制御技術が開示されている。しかしながら、分割電極を有する液晶マイクロレンズをアレイ状に配置した場合、各分割電極への配線が複雑となるため、液晶マイクロレンズの形成間隔を比較的広く設定しなければならなくなる。
従って、半導体レーザアレイと複数の光ファイバとの結合のように、比較的設置間隔が広くても良い場合には適しているが、画像表示素子の画素ピッチのように、比較的設置間隔が狭い場合には、レンズ形成部の開口率が小さくなってしまうという問題を有する。
【００３０】
更に、液晶を用いた光偏向技術として、“LIGHT SCANNER EMPLOYING A NEMATIC LIQUID CRYSTAL”（IBM Technical Disclosure Bulletin，Ｖｏｌ．１５，Ｎｏ．８（１９７３）），“LARGE−ANGLE BEAM DEFLCTOR USING LIQUID CRYSTAL”（ELECTRONICS LETTERS，Ｖｏｌ．１１，Ｎｏ．１６（１９７５））等に記載されているように、ネマチック液晶の配向角度を変化させたり、または、ネマチック液晶に不均一電界を与えることにより、直線偏光の光路を曲げさせる技術は、いずれも、単一ビームの偏向器に適用されるものであり、そのままでは、二次元画像の画素シフトには適用することができない問題がある。
【００３１】
更に、液晶マイクロレンズに関する技術として、「液晶マイクロレンズ」（Ｏ Plus Ｅ，Ｖｏｌ．２０，Ｎｏ．１０（１９９８））に記載のように、電界分布を非対称的とした電極分割構造の液晶マイクロレンズ技術は、単一ビームの偏向方向を二次元的に制御する場合には適しているが、アレイ化する場合には電極配線が複雑になるため、画像表示素子のようにアレイ状のビームの偏向装置への応用には向いていない。
【００３２】
本発明は、かかる問題に鑑みてなされたものであり、機械的な振動機構を設けることなく、電気光学的な効果を利用して、比較的簡単な電極構成であっても、光路シフトを行なわしめ、かつ、光の利用効率を低下させることなく、見かけ上の画素増倍による高精細画像を得ることができる画像表示装置を実現することを目的とするものである。
【００３３】
即ち、第１の課題は、現状の比較的低解像度の画像表示素子をそのまま用いても、機械的（メカニカル）な移動機構を用いるのではなく、液晶層内に不均一電界を形成させることにより生じる液晶層内の屈折率分布により、比較的簡単な構成で、光路の偏向を実現させ、低コストで、振動や雑音の発生が無く、かつ、高解像度の画像表示を可能とする画像表示装置を提供することにある。
【００３４】
また、第２の課題は、現状の比較的低解像度の画像表示素子をそのまま使用する場合であっても、簡単な構成で、画像表示素子の画素からの画像光の光路を集光させると同時に、集光位置をシフトさせる液晶マイクロレンズ効果を実現させることにより、画素シフト機能と画素縮小機能とを両立させて、低コストで、見かけ上、高解像度化し、かつ、光利用効率が高く明るい画像表示装置を実現することにある。
【００３５】
また、第３の課題は、液晶マイクロレンズ効果を有する光路偏向手段からの出射面側に凹レンズアレイを配設して、光路偏向手段からの出射光（即ち、偏向画像光）を平行光化させることにより、見かけ上、高解像度化した表示画像に関して、全表示画像領域に亘って画素ピッチが一定となる高精細な画質を実現することにある。
【００３６】
また、第４の課題は、画像の横方向への画素シフトと縦方向への画素シフトとを組合わせて、二次元方向に見かけ上の画素増倍を行なうことにより、更に高精細度の画像表示が可能となる画像表示装置を提供することにある。
【００３７】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、画像情報に基づいて、照明光を制御可能とする複数の画素が二次元的に配列されている画像表示素子と、前記画像情報の表示時間を示す画像フィールドを更に複数個の画像サブフィールドに時間的に分割して前記画像表示素子を駆動することができる表示駆動手段と、該表示駆動手段により前記画像サブフィールド毎に駆動される前記各画素から入射されてくる画像光の光路を偏向する光路偏向手段とを有することにより、前記画像表示素子の見かけ上の画素数を増倍して表示させることができる画像表示装置であって、前記光路偏向手段が、二枚の透明基板と、それぞれの前記透明基板上に配設される透明電極と、二枚の前記透明基板間に介在される液晶層とを有し、前記透明電極のうち、少なくとも一方の前記透明基板上に配設される前記透明電極が、前記画素の画素ピッチに対応させた配設ピッチで、アレイ状に形成されている透明電極アレイであり、前記液晶層が、前記透明電極アレイと他方の前記透明基板上の透明電極との間への電圧印加状態によって、屈折率分布の制御が可能となる液晶層であり、かつ、前記表示駆動手段と同期させて、前記画像サブフィールド毎に、前記透明電極アレイへの電圧印加状態を変化させる画像表示装置において、前記光路偏向手段が、あらかじめ定められた配設ピッチで配設された前記透明電極アレイへの電圧印加状態により、前記各画素から入射されてくる前記画像光を集光可能とする液晶マイクロレンズアレイを形成し、かつ、前記透明電極アレイのうち、電圧印加される透明電極の位置が、隣接する透明電極間で時間順次に切り換えられることにより、前記透明電極アレイの配列方向に沿って、該液晶マイクロレンズアレイの焦点位置を、時間順次に切り換えて移動させることを特徴とする画像表示装置である。
【００３８】
請求項２の発明は、請求項１に記載の画像表示装置において、前記画素の画素ピッチに対応させた配設ピッチで、アレイ状に形成されている前記透明電極アレイの配設ピッチが、該画素ピッチと一対一となる間隔のみに限らず、該画素ピッチの整数倍、あるいは、整数分の一の間隔に一致させていることを特徴とする画像表示装置である。
【００３９】
請求項３の発明は、請求項１または２に記載の画像表示装置において、前記透明電極アレイの前記配設ピッチが、複数個の透明電極を一組として、該一組の透明電極毎の配設ピッチとなっていることを特徴とする画像表示装置である。
【００４１】
請求項４の発明は請求項１に記載の画像表示装置において、前記光路偏向手段が、前記液晶マイクロレンズアレイによって集光された光を、光軸と平行な平行光として出射させることができる凹レンズアレイを、該光路偏向手段の出射面側に有していることを特徴とする画像表示装置である。
【００４２】
請求項５の発明は、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、前記画素の二次元的な配列方向に対して、前記画素の第一の画素配列方向に沿って、入射されてくる前記画像光の光路の偏向、及び／または、該画像光の集光される焦点位置の移動が可能な第一の光路偏向手段と、前記画素の第二の画素配列方向に沿って、前記第一の光路偏向手段を介して入射されてくる前記画像光の光路の偏向、及び／または、該画像光の集光される焦点位置の移動が可能な第二の光路偏向手段とを有し、更には、直線偏光の偏光面の方向を、前記第一の画素配列方向から前記第二の画素配列方向に回転させることができる偏光面回転手段が、前記第一の光路偏向手段と前記第二の光路偏向手段との間に配置されていることを特徴とする画像表示装置である。
【００４３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る画像表示装置の一実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本発明に係る画像表示装置の一構成例の概要を示す構成概略図である。
図１において、１は、照明用の光源であり、白色あるいは任意の色の光を高速にＯＮ／ＯＦＦできるものであるならば、いかなる種類や型の光源であっても利用することができる。たとえば、ＬＥＤランプやレーザ光源、あるいは、白色のランプ光源などを２次元アレイ状に配列して、かかる光源に対して高速動作するシャッタを組み合わせたものなどを照明用の光源として用いることができる。２は、光源から出た光を均一に画像表示素子３に照射させるための照明装置であり、拡散板２ａ、コンデンサレンズ２ｂなどから構成される。
【００４４】
また、３は、照明装置２から入射した均一の照明光を、画像フィールドを時間的に更に細分割した複数個の画像サブフィールド毎に、画像情報に基づいて空間光変調して、画像光として、出射する画像表示素子である。画像表示素子３としては、透過型液晶ライトバルブ、反射型液晶ライトバルブ、ＤＭＤ素子などを用いることができる。
４は、前記画像サブフィールド毎に、画像表示素子３から出射される画像光の光路を偏向して、偏向画像光として、出射する光路偏向手段である。該光路偏向手段４により、前記画像サブフィールド毎の光路の偏向量に応じて、スクリーン６上に投射される画像表示位置がずらされる状態となる画像パターンを表示させることが可能となり、画像表示素子３の実際の画素数を見かけ上増倍した画素数として、画像表示させることができる。
【００４５】
５，６は、画像表示素子３に表示された画像パターンを観察するための光学部材であり、それぞれ投射レンズ，スクリーンを示している。
更に、７は光源１を駆動するための光源駆動手段であり、８は画像表示素子３を駆動するための表示駆動手段であり、また、９は光路偏向手段４を駆動するための光路偏向駆動手段である。
また、１０は、光源駆動手段７，表示駆動手段８，光路偏向駆動手段９などを含め画像表示装置全体を制御するための画像表示制御回路である。
【００４６】
次に、図１に示す画像表示装置の動作について説明する。
光源駆動手段７で制御されて光源１から放射された光は、拡散板２ａにより均一化された照明光となり、コンデンサレンズ２ｂにより、光源駆動手段７と同期して動作する表示駆動手段８により制御されている画像表示素子３をクリティカルに照明する。
ここでは、画像表示素子３の一例として、透過型液晶パネル即ち透過型液晶ライトバルブを用いている。該透過型液晶ライトバルブからなる画像表示素子３により空間光変調された照明光は、画像光として、光路偏向手段４に入射され、該光路偏向手段４から出射された出射光は、偏向画像光として、投射レンズ５で拡大された後、スクリーン６に投射される。即ち、透過型液晶ライトバルブからなる画像表示素子３の後方に配置されている光路偏向手段４によって、前記画像光は、光路偏向駆動手段９からの駆動信号に応じて、画素の配列方向に任意の距離だけシフト（偏向）された偏向画像光として出射されて、投射レンズ５を介して、スクリーン６上に投射される。
【００４７】
なお、図１においては、透過型液晶ライトバルブからなる画像表示素子３の直後に、光路偏向手段４となる光路偏向素子を配置しているが、該光路偏向手段４の配置位置はかかる場合に限定されるものではなく、スクリーン６の直前などに配置することとしても良い。ただし、スクリーン６付近に配置する場合、光路偏向手段４を形成する光路偏向素子の大きさや、更には、該光路偏向素子を形成する透明電極の配設ピッチなどを、光路偏向手段４の配置位置における画面サイズや画素サイズに応じて設定することが必要になる。しかし、いかなる配置位置に光路偏向手段４を配置する場合であっても、前記偏向画像光の光路のシフト（偏向）量は、画素ピッチの整数分の１であることが好ましい。
【００４８】
即ち、画素の配列方向に対して２倍の画素増倍を行なう場合は、前記偏向画像光の光路のシフト量は、画素ピッチの１／２とし、配列方向に対して３倍の画素増倍を行う場合は、画素ピッチの１／３とすることが望ましい。また、光路偏向手段４の構成によって、前記偏向画像光の光路のシフト量が画素ピッチよりも大きくなる場合には、該光路のシフト量を画素ピッチの（整数倍＋整数分の１）の距離に設定しても良い。
本実施形態においては、図１の光路偏向手段４上、及び、スクリーン６上に示すように、光路偏向手段４により、画素の配列方向である水平方向（即ち、紙面と直交する表裏方向）に画素シフトを行なう例を示しているが、光路偏向手段４により、水平方向に偏向された画素のシフト位置に対応した画像サブフィールドの画像情報に基づいて、表示駆動手段８で透過型液晶ライトバルブからなる画像表示素子３を駆動することにより、図２に示すように、見かけ上の画素増倍効果が得られ、使用した透過型液晶ライトバルブの解像度以上の高精細な画像を表示させることができる。
【００４９】
ここに、図２は、スクリーン６上に表示された見かけ上の画素倍増の一例を示す模式図であり、透過型液晶ライトバルブにおける実際の画素数の２倍に増加させた画素数に見せかけて、スクリーン６上に画像表示させている例を示している。即ち、図２において、画素ピッチとして表示されている横方向に互いに隣接する画素の間に、シフト量として表示されている量だけ、画素の配列方向である横方向に光路を偏向させて、見かけ上の画素を表示させることにより、透過型液晶ライトバルブの実画素数の２倍の解像度となる高精細な画像を表示させることができる。
【００５０】
図１においては、光源１として単色ＬＥＤランプを用い、画像表示素子３として単板の透過型液晶ライトバルブを用いた単色の画像表示装置の例を示しているが、光源１，照明装置２としてそれぞれ三原色の光源，照明装置を用い、また、画像表示素子３として３枚の画像表示素子を用いることにより、三原色の画像を混合したフルカラー画像を表示させることもできる。
また、単板の画像表示素子３であっても、該画像表示素子３を時間順次に三原色光を発する光源１からの照明光で照明するフィールドシーケンシャル方式を用いることによって、フルカラー画像を表示させることもできる。かかる場合においては、三原色の光源１からの光路をクロスプリズムによって混合することにより照明することとしても良いし、白色ランプ光源と回転カラーフィルタとを組み合わせて時間順次の三原色光を生成することとしても良い。
【００５１】
本実施形態においては、光路偏向手段４として、電圧印加によって屈折率分布の制御が可能な液晶セルを用いることを特徴としている。該液晶セルは、二枚の透明基板と、それぞれの前記透明基板上に配設される透明電極と、二枚の前記透明基板間に介在される液晶層とを有し、前記透明電極のうち、少なくとも一方の前記透明基板上に配設される前記透明電極が、前記画素の画素ピッチに対応させた配設ピッチで、アレイ状に形成されている透明電極アレイであり、前記液晶層が、前記透明電極アレイと他方の前記透明基板上の透明電極との間への電圧印加状態によって、屈折率分布の制御が可能となる液晶層である。更には、画像表示素子３を駆動する表示駆動手段８と同期させて、前記画像サブフィールド毎に、前記透明電極アレイへの電圧印加状態を変化させることができる光路偏向駆動手段９を有している。
【００５２】
前記透明基板の材質としては、ガラス、プラスチック等の高透明性を有する材料を使用することができる。また、前記透明電極の材質としては、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）等が利用できる。なお、前記透明電極層は、液晶相層側になるように設置する。
また、前記透明基板自身が導電性を有している場合は、該透明基板自身を電極として利用することができる。
更に、少なくとも一方の前記透明基板側においては、前記透明電極が画素ピッチに対応してアレイ状に形成されている。ここで、前記透明電極の電極アレイのピッチは、画素ピッチと一対一で対応している場合のみに限ることなく、所望の屈折率分布を得るために、画素ピッチの整数倍あるいは整数分の１に一致させる場合もありうる。また、複数本の前記透明電極のラインを一組として、当該一組毎を画素ピッチに対応させる場合もありうる。
【００５３】
また、前記透明電極の液晶層に接する面は、液晶分子が配向するように配向処理することが好ましい。該配向処理としては、ＴＮ液晶、ＳＴＮ液晶等に用いられるポリイミド等の通常の配向膜を利用することができる。また、ラビング処理や光配向処理を施すことが好ましい。更に、前記透明電極の表面には絶縁膜を設けても良い。
【００５４】
ここに、前記液晶層を形成する液晶材料としては、一般的なネマチック液晶を用いることができるが、複屈折率Δｎや誘電率異方性Δεは大きい方が好ましい。特に、液晶材料の常光屈折率が、ガラス基板の屈折率に近い１.５〜１.６程度であり、一方、異常光屈折率が１.７〜１.８程度と大きいことが好ましい。
また、前記液晶層の厚さは、前記透明基板間に配設するスペーサ部材の厚さによって設定され、複屈折率Δｎや誘電率異方性Δεに応じて、所望の光路偏向量や応答速度が得られるように最適化される。該スペーサ部材の配設位置は、前記液晶セル内の光の透過を阻害することが無いように、前記液晶層の周辺部にのみ配設されることが好ましい。
【００５５】
次に、光路偏向手段４を形成する液晶セルにおける光路の偏向動作の詳細について、本発明の画像表示装置を説明するための参考例として示した図３，図４を用いて説明する。ここに、図３は、光軸に沿って光路偏向手段となる該液晶セルを切断した場合における該液晶セルの断面図を示すものであり、紙面の下から上方向に向かって、画像表示素子３からの出射光である画像光が入射されている。また、図４は、図３に示す該光路偏向手段４における直線偏光に対する屈折率分布を示す模式図であり、図３に示す光路偏向手段４を形成している液晶セルの上側の透明電極４３（即ち、光路の下流側に配置されている透明電極アレイ）との位置関係を示す図と共に、液晶層４５の屈折率分布を模式的に示している。
【００５６】
図３において、４１，４２は、それぞれ液晶層４５を内包させるための透明基板であり、４３，４４は、液晶層４５に電界を印加するための透明電極である。なお、光路の下流側即ち紙面上側の透明基板４１には、透明電極４３のラインが、画像表示素子３の画素ピッチと対応させて、アレイ状に形成されている。
また、本実施形態においては、アレイ状に形成されている透明電極４３のラインの配設位置に関し、隣接する電極間の間隔が広い場合と狭い場合とが交互に配置されている例を示している。即ち、間隔が広い２本の透明電極４３（即ち、図３の右側にある透明電極４３ａと左側にある透明電極４３ｂ）の透明電極ラインを一組として、画像表示素子３の画素一つに対応させ、一組の透明電極ラインの中心が、画像表示素子の中心と一致する位置関係となるように配置されている。一方、透明電極４３間の間隔が狭い部分は、画素間の境界部に対応させている。
【００５７】
なお、図３の紙面下側に位置する透明電極４４（即ち、光路の上流側に配置されている透明電極）は、透明基板４２の全面に形成されている場合を示しているが、上側の透明電極４３と対称な配列となるアレイ電極として形成させても、もちろん良い。
また、４６は、液晶層４５を形成している液晶分子である。
【００５８】
図３（Ａ）は、前記液晶セルの非動作状態時における液晶配向状態を模式的に示している。即ち、透明電極４３，４４に電圧を印加していなく、液晶セルが無電界の状態にあっては、各液晶分子４６は透明基板４１，４２に沿って平行になるようにホモジニアス配向処理がなされている。ここに、図３（Ａ）においては、液晶分子４６の長軸が紙面の左右方向即ち透明基板４１，４２に対して平行な方向になるような配向処理を想定している。
かかる状態においては、紙面と平行な偏光面を有する直線偏光（即ち、画像表示素子３から出射された画像光）が、前記液晶セルのどの部位に入射されても、前記液晶セルを介して、該液晶セルから出射される出射光（即ち、偏向画像光）は、何ら、光路偏向されることなく、そのまま、直進して出射される。
【００５９】
また、図３（Ｂ）（以下、状態αと記す）は、上側に配置されている透明電極４３の前記一組の電極において、右側に配置されている透明電極４３ａ（ハッチを施している電極）ラインにのみ、閾値以上の電圧を印加している場合を示している。電圧が印加された透明電極４３ａ部の位置に配置されている液晶分子４６は、印加電界によって長軸が９０度回転して、紙面の上下方向即ち透明基板４１，４２に対して垂直となる方向に配向され、一方、電圧無印加の透明電極４３ｂ部の位置に配置されている液晶分子４６は、紙面の左右方向即ち透明基板４１，４２に対して平行な方向に配向された状態のままになっている。
【００６０】
液晶セル内部におけるかかる不均一電界によって生じる液晶分子４６の配向方向の分布によって、異常光に対する屈折率分布が発生する。即ち、紙面と平行な偏光面を有する直線偏光（即ち、画像表示素子３から出射された画像光）を入射した場合には、液晶分子４６の長軸が、透明基板４１，４２に垂直な配向となるに従って、実効的な屈折率が小さくなり、図４に示す実線（即ち、状態α）のような屈折率分布となる。
従って、状態αの状態にある前記一組の透明電極４３(４３ａ，４３ｂ)ラインに対応して配設されている画素の中心部に入射された直線偏光は、屈折率の傾斜による屈折効果によって、図３（Ｂ）に示すように、紙面の左側方向に偏向されて、偏向画像光として出射されることとなる。
【００６１】
次に、図３（Ｃ）（以下、状態βと記す）は、上側に配置されている透明電極４３の前記一組の電極において、左側に配置されている透明電極４３ｂ（ハッチを施している電極）ラインにのみ、閾値以上の電圧を印加している場合を示している。図３（Ｃ）に示す状態βのように、電圧を印加する透明電極４３を、透明電極４３ａから透明電極４３ｂのラインに切り換えると、液晶分子４６の配向状態も変化することとなり、紙面と平行な偏光面を有する直線偏光に対する実効的な屈折率は、図４に示す破線（即ち、状態β）のような屈折率分布に変化する。
従って、状態βの状態にある前記一組の透明電極４３（４３ａ，４３ｂ）ラインに対応して配設されている画素の中心部に入射された直線偏光は、屈折率の傾斜による屈折効果によって、図３（Ｃ）に示すように、図３（Ｂ）の場合とは反対方向、即ち、紙面の右側方向に偏向されて、偏向画像光として出射されることとなる。
【００６２】
光路偏向手段４に入射された直線偏光（即ち、画像表示素子３からの画像光）が、図３（Ｂ）から図３（Ｃ）の状態に変化される変化速度即ち応答時間は、液晶層４５を形成する液晶材料の物性や印加される電界強度によって最適化される。画像表示装置として用いられる画素シフト方式においては、前記画像サブフレームの時間として１０ミリ秒以下とすることが好ましいため、前記応答時間としては、数ミリ秒以下とすることが要求される。
ここに、前記液晶材料としてネマチック液晶を用いた場合には、２周波駆動法を用いることにより、高速応答化しても良い。ただし、該２周波駆動法を用いる場合には、光路偏向駆動手段９として、一つの透明電極４３ラインに対して、駆動周波数の異なる電圧を印加することができる電極駆動手段を用いる必要がある。該２周波駆動法に限らず、何らかの手段による光路偏向駆動手段９を用いて、画像表示素子３を形成する透過型液晶ライトバルブに表示させる画像サブフレームの駆動タイミングに同期させて、状態αと状態βとを切り換えることにより、スクリーン６上における見かけ上の画素増倍作用を実現させることができる。
【００６３】
図５は、画像表示素子３を形成する透過型液晶ライトバルブの四つの画素から出射されて来た直線偏光が図３に示す光路偏向手段４を形成する液晶セルに入射された場合の光路を示す模式図であり、紙面の下側方向から該液晶セルに入射される場合を示している。
【００６４】
図５において、例えば、第一の画像サブフレームにおいて、画像表示素子３を形成する前記透過型液晶ライトバルブの四つの画素が、それぞれａ，ｃ，ｅ，ｇの状態にある時、光路偏向手段４を形成する前記液晶セルを図３（Ｂ）に示す状態αの状態、即ち、上側に配置されている透明電極４３の前記一組の電極（４３ａ，４３ｂ）において、右側に配置されている透明電極４３ａラインにのみ、閾値以上の電圧を印加すると、前記液晶セルに対して、前記透過型液晶ライトバルブの各画素から入射された直線偏光（即ち、画像光）は、紙面の左側方向に偏向されて、偏向画像光として出射される。
【００６５】
また、第二の画像サブフレームにおいて、前記透過型液晶ライトバルブの四つの画素が、それぞれｂ，ｄ，ｆ，ｈの状態に切り換えられ、該切換えに同期して、前記液晶セルを図３（Ｃ）に示す状態βの状態、即ち、上側に配置されている透明電極４３の前記一組の電極（４３ａ，４３ｂ）において、左側に配置されている透明電極４３ｂラインにのみ、閾値以上の電圧を印加する状態に切り換えると、前記液晶セルに対して、前記透過型液晶ライトバルブの各画素から入射された直線偏光（即ち、画像光）は、紙面の右側方向に偏向されて、偏向画像光として出射される。
【００６６】
図５に示すごとく、前記液晶セル中を斜めに進む直線偏光が、第一及び第二の画像サブフレーム間を数十Ｈｚから数百Ｈｚの周期で切り換えられることにより、偏向画像光として、前記液晶セルから出射する際には、見かけ上、ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆ，ｇ，ｈと配列されている八個の画素が形成されていることになる。
なお、前記液晶セルから出射された偏向画像光が、投射光学系の光軸に対して平行になる平行光とするような光学素子を、前記液晶セルの後段に設けることにしても良い。
【００６７】
図６は、画像表示装置における光路偏向手段４の配置位置の概略を示す斜視図である。図６において、図１，図３と同じ部位に対しては、同一の符号を付している。なお、矢印３ｚは、画像表示素子３からの出射光（即ち、画像光）である直線偏光の偏光方向を示し、矢印４ｚは、光路偏向手段４により偏向される画素シフト方向を示しているが、本実施形態においては、矢印３ｚ，４ｚは、共に、紙面の左右方向（即ち、画面の水平方向）であることを示している。また、４ｏ_１は、光路偏向手段４により、一方向（即ち、紙面の左右方向）にのみ画素増倍を施した場合の観察画像を示している。
【００６８】
光路偏向手段４を構成する少なくとも一方の前記透明電極４３アレイは、図６に示す光路偏向手段４内の紙面の手前側（即ち、光路の下流側）にあって、紙面の上下方向（即ち、画面の垂直方向）にライン状に形成されている。画像表示素子３を出射した画像光が紙面の左右方向（即ち、画面の水平方向）３ｚに偏光された直線偏光の場合には、前述の通り、光路偏向手段４によって、画像表示素子３の全体を、図６の紙面の左右方向（即ち、画面の水平方向）４ｚに画素シフトさせて、偏向画像光として出射させることができる。
従って、前述のごとく、比較的簡単な透明電極の構成によって、画面の横方向即ち水平方向における解像度が高い高精細な画像表示装置を実現することが可能となる。（請求項１乃至３のいずれかに記載の発明に対応）
【００６９】
なお、図５に示すように、光路偏向手段４を構成する液晶セルにより、光路の方向のみが偏向される場合には、出射側の画素サイズ（即ち、光路偏向手段４から出射される偏向画像光の画素サイズ）に合わせて、入射側の画素サイズ（即ち、液晶表示素子３から入射される画像光の画素サイズ）を細かく調整しておく必要がある。
入射側の画素サイズの調整法としては、画素位置に対応した開口部を有するマスクを通して光路を規制する方法や、画素位置に対応して配置したマイクロレンズアレイによって集光する方法などを適用することもできる。しかしながら、前記マスクを使う方式は光利用効率が低下するし、一方、前記マイクロレンズアレイを新たに設けるとなると、画像表示装置のコストアップにつながる。そこで、本発明に係る画像表示装置の構成例では、一つの前記液晶セルに画素サイズの縮小機能（集光機能）と光路偏向機能（画素シフト機能）との双方の機能を同時に持たせる構成としている。
【００７０】
次に、かかる画素縮小機能と光路偏向手段とを有する光路偏向手段４の構成例について、図７，８に基づいて説明する。図７は、本発明にかかる画像表示装置における光路偏向手段４の実施形態を示す断面図であり、画素縮小機能と光路偏向機能とを備えた液晶光偏向素子の概略を示すものである。なお、図７に示す光路偏向手段４の断面図は、図３における断面図の場合と同様に、光軸に沿って、光路偏向手段４となる液晶セルを切断した場合における該液晶セルの断面図を示している。また、図８は、図７に示す該光路偏向手段４における直線偏光に対する屈折率分布を示す模式図であり、該光路偏向手段４を形成している液晶セルの上側の透明電極４３（即ち、光路下流側に配置されている透明電極アレイ）との位置関係を示す図と共に、液晶層４５の屈折率分布を模式的に示している。
【００７１】
図７に示す前記液晶セルに使用する材料や処理方法などに関する基本的な構成は、図３の場合と同様で良く、透明電極アレイの配設ピッチや幅のみを変更しているものである。図７において、図３と同じ機能を有する部位については、同じ符号を付して示している。即ち、図７においては、上側の透明基板４１上に画像表示素子３の画素の画素ピッチと同じピッチで、前記各画素間の境界部に対応する位置に、それぞれ、透明電極４３がアレイ状に形成されている例を示している。各透明電極４３の液晶層４５に対面する側の電極幅は、特に限定されるものではないが、光路偏向手段４となる前記液晶セル内における光路偏向量と画素縮小量とに対応して、前記液晶セル内が、所望の電界強度分布となるように設定される。
【００７２】
図７（Ａ）（以下、状態γと記す）に示すように、図３（Ｂ）に示す場合に比して、透明電極４３ラインの配設間隔が広く、かつ、等間隔に配設されている。かかる透明電極４３ラインにおいて、交互に配設されている一方の透明電極４３ｃ（ハッチを施している電極）ラインに閾値以上の電圧を印加している。該電圧が印加されると、図３，４において説明した場合と同様に、液晶分子４６の配向方向が変化して、液晶層４５に屈折率分布が生じる。即ち、紙面と平行な偏光面を有する直線偏光（即ち、画像表示素子３から出射された画像光）を入射した場合には、液晶分子４６の長軸が、透明基板４１，４２に垂直な配向となるにしたがって、実効的な屈折率が小さくなり、図８に示す実線（即ち、状態γ）のような屈折率分布となる。
【００７３】
ただし、図３に比べて、電圧を印加する透明電極４３の配設間隔が大きいので、図８の実線（即ち、状態γ）のように、屈折率分布もピッチが比較的大きな凸レンズ状になっている（即ち、凸レンズ効果を呈している）。従って、図７（Ａ）に示す透明電極４３ｃ（ハッチを施している電極）ラインに対して閾値以上の電圧が印加された状態γの場合、透明電極４３ｃ，４３ｄが配置されている中間部に入射された直線偏光は、屈折率の傾斜による屈折効果（凸レンズ効果）によって、図７（Ａ）に示すように、電圧が印加されていない透明電極４３ｄ側に向かって、紙面の左右方向にそれぞれ交互に偏向されると共に、集光されて、偏向画像光として、出射されることとなる。
【００７４】
次に、図７（Ｂ）（以下、状態δと記す）は、交互に配置されていて、図７（Ａ）とは異なる側の透明電極４３ｄ（ハッチを施している電極）ラインに対して閾値以上の電圧を印加している場合を示している。図７（Ｂ）に示す状態δのように、電圧を印加する透明電極４３を、透明電極４３ｃから透明電極４３ｄのラインに切り換えると、液晶分子４６の配向状態も変化することとなり、紙面と平行な偏光面を有する直線偏光に対する実効的な屈折率は、図８に示す破線（即ち、状態δ）のような屈折率分布に変化する。
従って、図７（Ｂ）に示す透明電極４３ｄ（ハッチを施している電極）ラインに対して閾値以上の電圧が印加された状態δの場合、透明電極４３ｃ，４３ｄが配置されている中間部に入射された直線偏光は、屈折率の傾斜による屈折効果によって、図７（Ｂ）に示すように、電圧が印加されていない透明電極４３ｃ側に向かって、紙面の左右方向にそれぞれ交互に偏向されると共に、集光されて、偏向画像光として、出射されることとなる。
【００７５】
前述のごとき透明電極４３の配置状態においては、画像表示素子３の２画素に対して、一つの凸レンズ効果を持たせることが可能となり、簡単な素子構成で、光路偏向機能と画像縮小機能との双方を同時に実現させることができる構成としていることが、本発明のもう一つの特徴となっている。
【００７６】
ここで、図５において示した説明図と類似の図を、図９に示して、前記凸レンズ効果について更に詳細に説明する。即ち、図９は、画像表示素子３を形成する透過型液晶ライトバルブの四つの画素から出射されて来た直線偏光が図７に示す光路偏向手段４を形成する液晶セルに入射された場合の光路を示す模式図であり、紙面の下側方向から該液晶セルに入射される場合を示している。
【００７７】
本実施形態においては、光路偏向手段４を形成する前記液晶セルに入射される入射側画素のサイズは、図５の場合に比して、比較的大きく設定されている。
従って、例えば、第一の画像サブフレームにおいて、前記液晶セルが図７（Ａ）に示す状態γにある時、画像表示素子３を形成する前記透過型液晶ライトバルブの四つの画素が、それぞれａ，ｃ，ｅ，ｇの状態を表示すると、図８の実線（即ち、状態γ）の屈折率分布によって、図９に示すごとく、前記液晶セルの出射側画素（即ち、前記液晶セルを出射した偏向画像光の画素）は、ａとｃ、ｅとｇとが、それぞれ近接する方向で偏向されると同時に集光されて縮小されることとなる。即ち、かかる場合においては、屈折率分布により、図９上部に実線で示している出射側画素の位置に、図９下部に示す入射側画素サイズに比し、縮小された画素として表示される。しかし、出射側画素の画素ピッチは、一定ではなく、狭い間隔と広い間隔とが交互に配置される状態となる。
【００７８】
次に、第二の画像サブフレームの表示タイミングに合わせて、前記液晶セルが図７（Ｂ）に示す状態δのように、電圧を印加する透明電極４３を透明電極４３ｃから透明電極４３ｄに切り換えると、屈折率分布は、図８の破線（即ち、状態δ）のように切り換わる。ここで、該切換えに同期させて、第二の画像サブフレームとして、画像表示素子３を形成する前記透過型液晶ライトバルブの四つの画素が、それぞれｂ，ｄ，ｆ，ｈの状態を表示すると、図９上部に破線で示している出射側画素の位置に、図７（Ａ）の場合から、縮小された画素が移動する。
【００７９】
第一及び第二の画像サブフレームが数十Ｈｚから数百Ｈｚで切り換えられることにより、前記液晶セルを、偏向画像光として出射する際には、見かけ上、ｂ，ａ，ｃ，ｄ，ｆ，ｅ，ｇ，ｈと変則的に配列されている八個の画素が形成されていることになる。
なお、かかる変則的な配列となる画素シフトによる表示画像が、正常な画像として形成されるように、画像表示素子３上においては、表示駆動手段８により、あらかじめサブフィールド画像のデータを補正して表示させることとしている。
【００８０】
以上述べたごとき構成により、非常に簡単な透明電極構成を用いて、液晶レンズ効果による集光作用としての画素縮小効果と、液晶レンズ形成位置の切換えによる画素シフト効果とを、同時に一つの液晶セルによって両立させることができる。従って、単純な素子構成で、集光機能を有する光路偏向手段を構成できるので、低コストで、かつ、光の利用効率の低下も防止した、明るい高精細の画像表示をすることができる。（請求項１乃至３のいずれかに記載の発明に対応）
【００８１】
なお、図７または図９に示すごとき光路偏向手段４の構成においては、該光路偏向手段４から出射される偏向画像光の光路が、液晶レンズ効果によって集光された非平行光となるため、該光路偏向手段４を構成する液晶セルの出射側位置によって、出射される偏向画像光の画素サイズが変化してしまう。例えば、投射光学系を何ら用いずに、前記液晶セルの出射側に、拡散板などを配置して、直接画像を観察するような場合、前記液晶セルと該拡散板との位置がずれると、見かけ上の画素サイズが変わってしまうことになる。従って、前記液晶セルから出射される偏向画像光は、光軸に対して平行な平行光であることが望ましい。
また、拡大光学系を用いる場合においても、レンズ系の設計の点から、同様に、前記液晶セルから出射される偏向画像光が平行光であることが好ましい。
【００８２】
そこで、本発明の更に他の構成例として、前記液晶セルから出射された偏向画像光が、投射光学系の光軸に対して平行になるような光学素子を設ける場合について、図１０を用いて、次に説明する。
図１０は、図９に示す光路偏向手段４において、該光路偏向手段４の出射側に光束平行化手段を配設している場合の一実施例を示す模式図であり、該光束平行化手段４９として、凹レンズアレイを用いることにより、光路偏向手段から出射される偏向画像光が、平行光化されている例を示している。
【００８３】
即ち、光路偏向手段４を形成する前記液晶レンズアレイの特性が、前述の図８に示すような凸レンズ効果を有する場合には、前記光学素子即ち光束平行化手段４９としては、前記液晶セルから出射された偏向画像光の光路を平行光に戻すような凹レンズアレイであることが好ましい。従って、例えば、図１０に示すように、光束平行化手段４９として、凹レンズアレイを、入射側の画素ピッチに等しく、かつ、該光路偏向手段の入射側画素位置に対して半画素分ずつずらした位置（即ち、入射側各画素間の境界部に、各凹レンズの中心軸が配置されるごとき位置）に設置することとすれば、図９に示すごとき非平行な出射光（即ち、偏向画素光）が、該光束平行化手段４９により、全画素において、光軸に対して平行な出射光（即ち、平行光化された偏向画像光）を得ることができる。
【００８４】
図１０に示す前記液晶セルを、図６に示す場合と同様の配置位置に配置することにより、画像表示素子３を出射した画像光が、紙面に対して左右方向（即ち、画面の水平方向）の直線偏光の場合には、画像表示素子３の全体を、紙面の左右方向（即ち、画面の水平方向）に、均一に画素シフトさせ、かつ、集光させた出射光（即ち、平行光化された偏向画像光）を得ることができる。
従って、前述のごとく、比較的簡単な透明電極の構成によって、画面の横方向即ち水平方向における解像度が高く、光利用効率が良く、更には、画素の位置精度が高い高精細な画像表示装置を実現することができる。（請求項４に記載の発明に対応）
【００８５】
次に、本発明に係る画像表示装置における光路偏向手段として、更に異なる他の実施形態について、図１１，図１２を用いて説明する。ここに、図１１は、光路偏向手段における上下双方の透明電極をアレイ状に配置した場合の構成を示す断面図であり、図１２は、図１１に示す光路偏向手段に、更に、補助透明電極アレイを追加した場合の構成を示す断面図である。
【００８６】
図３や図７に示す光路偏向手段４を形成する液晶セルにおいては、上部側（即ち、光路の下流側）に位置する透明基板４１上に配置されている透明電極４３のみをアレイ状に形成しているが、図１１に示すように、上下双方の透明基板４１，４２上にそれぞれ配置されている透明電極４３，４４の双方を共にアレイ状に形成することとしても良い。かかる場合においては、上下双方の透明電極４３，４４アレイの透明基板４１，４２上での配設位置を一致させるように、調整することが望ましい。
【００８７】
更に、液晶層４５内の電界分布を調整するために、図１２において斜線部で示すような補助透明電極４７のアレイを更に追加することにより、補助的に電圧を印加させることができる手段を備えさせることにしても良い。なお、図１２においては、一画素に対して補助透明電極４７のアレイを１本づつ追加している場合を示しているが、より細かく屈折率分布を調整するために、更に、一画素に対して補助透明電極４７を複数本づつ追加して印加電圧を段階的に変化させる構成としても良い。
【００８８】
以上に説明した各光路偏向手段の構成においては、一個の液晶セルを用いて、一方向にのみ画素増倍（前述の各実施例においては、たとえば、図６に示す紙面の横方向、即ち、画面の水平方向のみの画素増倍）を行なうことはできるが、より高精細な画像表示を行なうためには、縦・横即ち画面の水平・垂直の二方向に対して、画素増倍を行なう必要がある。
【００８９】
次に、図１３及び図１４を用いて、かかる縦横二方向に画素増倍を行なう場合の画像表示装置の構成例について、説明する。ここに、図１３は、本発明に係る画像表示装置における更なる他の構成例の概要を示す構成概略図であり、縦・横二方向に画素増倍を行なう光路偏向手段４の構成の一例を示している。また、図１４は、図１３に示す光路偏向手段４の配置位置の概略を示す斜視図である。
図１３に示す光路偏向手段４は、互いに直交する縦横二方向に光路を偏向させる手段を有しており、光路を紙面の表裏方向（即ち、スクリーン６上の画面の水平方向）に偏向させる第一光路偏向手段４ａと、紙面の上下方向（即ち、スクリーン６上の画面の垂直方向）に偏向させる第二光路偏向手段４ｃとを有している。
【００９０】
即ち、図１４の斜視図に示すごとく、光路を紙面の左右方向（即ち、画面の水平方向）に偏向させる第一光路偏向手段４ａが光路の上流側に配置され、紙面の上下方向（即ち、画面の垂直方向）に偏向させる第二光路偏向手段４ｃが光路の下流側に配置されており、更に、第一及び第二の光路偏向手段４ａ，４ｃの間に、入射される直線偏光の偏光面を回転させる偏光面回転手段４ｂが配置されている。
【００９１】
なお、第一及び第二の光路偏光手段４ａ，４ｃの内部の構成は、前述の図３，図７，図１１，あるいは、図１２に示す液晶セルのいずれかによる光路偏向手段４と同様の構成である。また、それぞれの光路偏向手段４ａ，４ｃによる偏向方向は、二次元的に配列されている画像表示素子３の画素配列の二方向のそれぞれに一致するように配設される。即ち、一般的には、画像表示素子３の画素配列の方向は、縦横二方向に互いに直交させて配列されているので、図１４に示すように、第一及び第二光路偏向手段４ａ，４ｃの作用方向即ち光路偏向方向も互いに直交するように、各第一及び第二光路偏向手段４ａ，４ｃにおけるそれぞれの透明電極４３，４４アレイ（図１４には、光路の下流側の透明電極４３のみを示し、上流側の透明電極４４は示していない）の方向や液晶層（図１４には示していない）の配向処理の方向が設定されることになる。
【００９２】
また、光路偏向手段４ａ，４ｃとして、液晶セルを用いる場合、各光路偏向手段４ａ，４ｃへの入射光である直線偏光の方向と該入射光の光路を偏向させる方向とが一致している必要があるため、二つの光路偏向手段４ａ，４ｃの間には、前述のごとく、偏光面回転手段４ｂを設けている。該偏光面回転手段４ｂにおいて、第一光路偏向手段４ａからの出射光の直線偏光方向を、第二光路偏向手段４ｃの光路偏向方向と一致させるまで（本実施形態においては、９０度）、回転させてから、第二光路偏向手段４ｃに入射させる。
【００９３】
該偏光面回転手段４ｂの構成材料としては、ＴＮ液晶セルや強誘電性液晶セル、半波長板、あるいは、ファラデー回転子などを用いることができる。
なお、強誘電性液晶セルを用いる場合は、電圧印加によるスイッチングをする必要は無いので、透明電極は設けなくても良いが、透明基板表面の配向処理やその方向性を最適化する必要がある。
また、半波長板など波長依存性がある材料を用いる場合は、ダイクロイックミラーなどにより、入射光の各色毎に一旦光路を分離して、各色毎の半波長板を設け、再び合成することとしても良い。
また、１次元周期のサブ波長構造は複屈折を示すので、この性質を用いて色補償された複屈折位相板を作ることもできる。微細構造の位相板では、構造による強い波長分散特性を用いて位相差の波長依存を打ち消すことができる。例えば、波長が長くなるにつれて屈折率が小さくなる常分散の場合、その波長分散の度合いは偏光方向によって大きく異なる。そこで、周期構造を最適化することで、屈折率の差Δｎが波長に比例する部分が現れる。位相差は波長に反比例するので、Δｎが波長に比例することと打ち消しあって、波長依存性が解消できる。
【００９４】
以上に説明したように、画像表示素子３上の画素配列方向と一致する二方向に光路を偏向させる光路偏向手段４ａ，４ｃを設け、更に、二つの光路偏向手段４ａ，４ｃの間に、偏光面回転手段４ｂを設けることにより、図１４に示す観察画像４ｏ_２のごとく、互いに直交する縦横二方向に見かけ上の画素数が増倍した高精細な画像を表示させることができる。
従って、従来の技術のように、円形状の穴抜き電極パターンの液晶マイクロレンズを用いて、縦横二方向に光路偏向させるような複雑な電極構成にしなくても良く、比較的簡単な電極構成の素子を組合わせることにより、縦横二方向への光路偏向（即ち、画素シフト）を実現させることができる。（請求項５に記載の発明に対応）
【００９５】
次に、本発明に係る画像表示装置の各実施形態に関し、更に具体的な構成例を示して、各種評価試験の結果について説明する。
【００９６】
（評価試験例１）
図１に示した画像表示装置において、画像表示素子３として、対角０.９インチＸＧＡ（１０２４×７６８ドット）のポリシリコンＴＦＴ液晶パネルを用い、画素ピッチを縦横ともに約１８μｍ、各画素の開口率を約５０％としている。また、画像表示素子３の光源側にマイクロレンズアレイを設けて、照明光の集光率を高める構成とした。
【００９７】
また、光源１として、ＲＧＢ三原色のＬＥＤ光源を用い、画像表示素子３を形成する一枚の前記ポリシリコンＴＦＴ液晶パネルに照射する照明光の色を高速に切り換えてカラー表示を行なわしめる、いわゆるフィールドシーケンシャル方式を採用している。画像表示のフレーム周波数が６０Ｈｚの場合、一般的には、１フレーム内をさらに３色分に分割するため、各色に対応した画像を１８０Ｈｚで切り換えることになる。
【００９８】
前記ポリシリコンＴＦＴ液晶パネルの各色の画像表示タイミングに合わせて、対応した色の前記ＬＥＤ光源をＯＮ／ＯＦＦすることにより、観察者には、見かけ上、フルカラー画像が表示されたように見える。かかる方式は、カラーフィルタを使用することなく、一枚の前記ポリシリコンＴＦＴ液晶パネルで構成できるので、画像の高精細化と合わせて、装置の小型化にも有利である。従って、本評価試験例１においては、フィールドシーケンシャル方式と画素シフト方式とを組み合わせて用いている。
【００９９】
ここで、画面の横方向に２倍の画素増倍を行なわせるためには、画素位置を、画像表示のフレーム周波数の２倍となる１２０Ｈｚの周期でシフトさせる必要があるので、サブフィールド画像の表示時間は８.３ミリ秒以内となる。該表示時間には、光路が切り換わるのに必要な時間（即ち、光路切換え時間）Δｔと前記ポリシリコンＴＦＴ液晶パネルが画像表示に使用できる時間とが含まれている。
一方、画像表示に使用できる時間が長いほど、フィールドシーケンシャル方式のＬＥＤ発光時間を長くすることができるため、ＬＥＤの発光輝度を小さくすることができ、ＬＥＤ光源に対する負担が小さくなる。
【０１００】
従って、光路切換え時間Δｔは、できるだけ短い方が好ましく、高速な光路切換え手段が必要になる。本評価試験例１に示す画像表示装置においては、スイッチング時間を１ミリ秒以下として高速に切り換えることができるネマチック液晶セルの二周波駆動方式を採用した。高速動作が可能な光路切換え手段としては、該二周波駆動方式以外にも、圧電アクチュエータなどの揺動機構を用いて、屈折板の傾斜角度を変化させる方式も可能ではあるが、前述したように、かかる揺動運動を用いることに伴って、振動や雑音が発生する場合があるため、好ましくない。
【０１０１】
次に、光路偏向手段４を形成する液晶マイクロレンズアレイの作製工程について、詳細に説明する。
まず、薄いガラス基板（３ｃｍ×４ｃｍ、厚さ０.１５ｍｍ）上にＩＴＯ(Indium Tin Oxide)蒸着膜をエッチングして、幅１０μｍ、配設ピッチ１８μｍのＩＴＯ透明電極ラインを形成した。
次いで、該ＩＴＯ透明電極ラインの交互に同一電圧を印加できるように、交互に相互接続させた串形電極を形成した。
更に、前記ガラス基板面のうち、ＩＴＯ透明電極ラインを形成した面側に、ポリイミド系の配向材料をスピンコートし、約０.１μｍの配向膜を形成した。
その後、該ガラス基板のアニール処理後、ＩＴＯ透明電極ラインに対して直角方向にラビング処理を行なった。
【０１０２】
かかる作製工程により作製した二枚のガラス基板を、ＩＴＯ透明電極ライン形成面を対向させた状態として、上下に対向させて、該ガラス基板の周辺部に８μｍ厚のスペーサ部材を挟み込み、かつ、上下に対向させた二枚の前記ガラス基板上の形成されている双方のＩＴＯ透明電極ラインの配設位置が一致するように、位置合わせをして貼り合わせて、中間部が空洞の空セルを作製した。
次いで、該空セルの中に、誘電率異方性が正の値を有するネマチック液晶を常圧下で注入し、液晶セルを作製した。ここで、上下二枚の前記ガラス基板それぞれに施されているラビング処理の方向が、一致しているので、前記図３（Ａ）に示すように、液晶分子４６は、全て同じ向きに配向された状態（図３（Ａ）においては、液晶分子４６の長軸が、紙面の左右方向に配向された状態）となる。
【０１０３】
次に、作製した前記液晶セルの動作確認のため、次の検証試験を実施した。即ち、画像表示装置において該液晶セルの前段に配置することになる透過型液晶ライトバルブを擬似して、開口幅１３μｍ×１３μｍ角の開口部を有し、該開口部の縦横の配置ピッチが１８μｍとなる遮光マスクを用意し、該遮光マスクを、前記液晶セルの入射側に配置した。
更に、前記遮光マスクの開口部の中心と前記液晶セルのＩＴＯ透明電極ラインの中心の位置が一致するように位置合わせをした後、互いに貼り付けた。
【０１０４】
その後、前記遮光マスク側から、前記液晶セルに対して、垂直に入射される平行光を照射した状態で、該液晶セルの出射側から観察したところ、前記遮光マスクの開口部の形状がそのまま観察され、前記液晶セルが無電界である状態においては、入射平行光をそのまま透過させていることが確認された。
【０１０５】
更に、図７に示すように、交互のＩＴＯ透明電極ラインのうち、一方のＩＴＯ透明電極ラインに約３Ｖの電圧を印加したところ、液晶層４５内に、図８に示すごとき液晶レンズ効果が現れた。即ち、前記液晶セルの出射側に薄い拡散層を有する拡散板を合わせて、前記液晶セルの出射面における拡散光を観察したところ、前記遮光マスクの開口部の開口幅が、１３μｍ×１３μｍ角から約４μｍ×１３μｍに縮小されて、たとえば、図９上部に記載している出射側画素の実線のような画素位置に配列されていることが確認できた。
次に、電圧を印加するＩＴＯ透明電極ラインを切り換えて、他方のＩＴＯ透明電極ラインに印加したところ、縮小された光路（即ち、１３μｍ×１３μｍ角から約４μｍ×１３μｍの開口幅）の焦点位置が移動して、図９上部に記載している出射側画素の破線のような画素位置に、移動して配列されていることが確認できた。
従って、前記液晶セルは、画像縮小効果（集光効果）と画素シフト効果（光路偏向効果）とを同時に併せ持つ液晶レンズ効果を有する液晶レンズセルとして動作していることが確認できた。
【０１０６】
次いで、かかる液晶レンズ効果を有する前記液晶レンズセルを、画像表示素子を構成する透過型液晶ライトバルブの直後に配置し、該画像表示素子の画素位置と前記液晶レンズセルのＩＴＯ透明電極ラインとの位置関係が、図９に示すごとく、半画素分ずれた位置関係となるように調整して、液晶レンズセルを作製した。
【０１０７】
然る後、光源として、小型の白色ランプを用い、透過型液晶ライトバルブによる白黒表示の観察実験を行なった。即ち、透過型液晶ライトバルブを１２０Ｈｚのサブフィールド画像信号によって駆動し、それに同期させて、液晶セルのＩＴＯ透明電極ラインへの印加電圧の駆動周波数を切り換えながら、該ＩＴＯ透明電極ラインへの電圧印加を交互に切り換えた。即ち、交互のＩＴＯ透明電極ラインのうち、一方の透明電極ライン群には２００Ｈｚの低周波電圧を印加し、他方の透明電極ライン群には１００ＫＨｚの高周波電圧を交互に印加した。かかる条件において、前記液晶レンズセルの切換え時間を測定したところ、０.８ミリ秒であり、目標通りの高速の切換えが可能であることが確認できた。
【０１０８】
なお、本評価試験例１においては、図９に示すように、各画素のシフト方向が、共通の方向とはならないので、透過型液晶ライトバルブのサブフィールド画像を補正して駆動している。
前記液晶レンズセルの出射側に薄い拡散層を有する拡散板を合わせて、前記液晶レンズセルの出射面における拡散光を拡大観察したところ、横方向即ち画面の水平方向の画素密度が２倍の高精細な表示画像が得られた。
【０１０９】
（評価試験例２）
しかしながら、評価試験例１の場合、画像周辺部付近において、画素サイズが不均一となっている部分が生じる場合があった。かかる不均一が生じる原因は、前記液晶レンズセルの出射面と拡散板との間の間隔が不均一となった結果、前記液晶レンズセルからの出射光が平行光となっていないことに伴って生じる光路の集光に起因して、拡散板上の画素サイズが変化したものである。
そこで、次に、前記液晶レンズセルの出射光（即ち、偏向画像光）を平行光化するための評価試験を実施した。
【０１１０】
まず、評価試験例１の場合と同様にして、液晶レンズセルを作製した。更に、作製した該液晶レンズセルの出射面に、図１０に示すごとく、入射側の画素ピッチと等しい１８μｍピッチのシリンドリカルマイクロ凹レンズアレイを設けた。更に、図１０に示すごとく、該凹レンズアレイを、入射側画素位置に対して、半画素分ずつずらした位置に設置し、更に、該凹レンズアレイからの出射光が、画面全体に亘って、均一な光路シフト量となるように、該凹レンズアレイの各凹レンズの焦点距離を調整した。即ち、前記液晶レンズセルから出射して集光される光が平行光となるように、各凹レンズの焦点距離を設定し、同一方向に向かって、出射光の光路シフトが可能となる光路偏向手段を作製した。
【０１１１】
然る後、評価試験例１の場合と同様に、拡散板を用いて、光路偏向手段の出射面における拡散光を、直接、及び、拡大観察したところ、評価試験例１の場合とは異なり、画面全面に亘って、画素サイズが一定で、かつ、横方向の画素密度が２倍の高精細な画像を観察することができた。
【０１１２】
（評価試験例３）
次に、縦横二方向に画素シフトを行なわしめる場合の評価試験を行なった。
まず、偏光面回転素子を作製するために、薄いガラス基板（３ｃｍ×４ｃｍ、厚さ０.１５ｍｍ）上に、ポリイミド系の配向材料をスピンコートし、約０.１μｍの配向膜を形成した後、該ガラス基板のアニール処理後、ラビング処理を行なった。
かかる作製工程で作製した二枚のガラス基板を上下に対向させた周辺部に８μｍ厚のスペーサ部材を挟み込み、ラビング方向が互いに直交するように上下二枚の前記ガラス基板を貼り合わせて、中間部が空洞の空セルを作製した。
その後、該空セルの中に、誘電率異方性が正の値を有するネマチック液晶にカイラル材を適量混合した材料を常圧下で注入し、液晶分子の配向が９０度捻じれたＴＮ液晶セルを作製した。該ＴＮ液晶セルは、電極を有していないため、単なる偏光面回転素子として機能することになる。
【０１１３】
更に、評価試験例２の場合と同様の光路偏向手段（即ち、液晶レンズセル）を２個作製し、第一光路偏向手段のＩＴＯ透明電極ラインの方向と第二光路偏向手段のＩＴＯ透明電極ラインの方向とが互いに直交するように配置すると共に、その中間に、前記偏光面回転素子を配置した。なお、２個の前記光路偏向手段のうち、照明光の入射側に配置した第一光路偏向手段から出射した光の偏光面と前記偏光面回転素子の入射面のラビング方向とが一致する（即ち、第一光路偏向手段の透明電極ラインの方向と前記偏光面回転素子の入射面のラビング方向とが直交する）ように、前記偏光面回転素子の向きを調整した状態で、前記偏光面回転素子が、二つの光路偏向手段の間に、挟んで配置されている。
【０１１４】
かかる配置の光学系において、評価試験例１および２と同様にして、第二光路偏向手段の出射光（即ち、偏向画像光）を、拡散板上で直接観察を行なった。本評価試験例３においては、縦横二方向に画素シフトを行なわしめる場合であるが、かかる場合であっても、縦横の各方向への画素シフトを行なう印加電圧の周波数は１２０Ｈｚであり、一方向の画素シフトの場合と同じである。ただし、評価試験例３においては、更に、縦方向と横方向との位相を互いに９０度ずつずらして、合わせて四方向に画素シフトするように、駆動タイミングを設定せしめた。従って、画像表示素子に表示するサブフィールド画像が２４０Ｈｚの周期で書き換えられることとなり、縦横二方向に見かけ上の画素数が４倍に増倍して見える高精細画像を表示することができた。また、フリッカーの発生などは観測されなかった。
【０１１５】
なお、以上の評価試験例１，２，３においては、たとえば、図１に示す画像表示素子３の各画素を、光路偏向手段４の出射面側で、図６に示すごとく、直接、あるいは、拡大レンズ系を通して観察した評価結果を示しているが、図１の投射レンズ５を通して、スクリーン６上に投影して観察した場合においても、全く同様な効果が得られている。
【０１１６】
【発明の効果】
（請求項１乃至３のいずれかに記載の発明の作用効果）
機械的（メカニカル）な移動機構を用いるのではなく、配設間隔を比較的広くした透明電極の交互に電圧を切り換えて印加することにより、液晶層内にレンズ状（たとえば、凸レンズ状）の屈折率分布を有し、かつ、該レンズの焦点位置を電気的に制御可能とする液晶マイクロレンズを形成させて、更には、電圧印加位置を交互に切り換えているので、画像表示素子の画素からの画像光の光路を集光させると同時に、焦点位置（即ち、集光位置）をシフトさせることができる。つまり、効率的な画素縮小機能と画素シフト機能とを一つの素子（液晶マイクロレンズ）により両立させることができる。このことにより、表示画素の位置を高速にシフトさせることができ、かつ、振動や雑音の発生を抑止することができる。
また、見かけ上の画素数を増倍させた高精細な画像を表示させることができる。
【０１１８】
また、開口率は高いが、画素ピッチが大きな画像表示素子を用いた場合であっても、光利用効率を低下させずに、画素増倍による高解像度化を実現させることができる。
従って、比較的低解像度の画像表示素子をそのまま使用しても、簡易な素子構成で、明るく高解像度の画像を低コストで実現させることができる。
【０１１９】
（請求項４に記載の発明の作用効果）
前記請求項１に記載の発明に係る液晶マイクロレンズにより、偏向され、更には、集光された光の光路は、光軸に対して、平行になってはいない。従って、かかる液晶マイクロレンズを適用した光学装置の位置精度が悪い場合においては、各画素毎に、画素サイズや画素ピッチが一定でなくなるおそれが生じる場合もありうる。しかしながら、本請求項４に係る発明のごとく、液晶層の凸レンズ効果により集光させた光は、液晶マイクロレンズの出射側に配置した凹レンズアレイにより、平行光化させることができるので、各画素毎に、画素サイズや画素ピッチを一定とすることが可能となり、全表示画像領域に亘って、高画質の画像表示を実現することができる。
【０１２０】
（請求項５に記載の発明の作用効果）
画像の横方向への画素シフトを行なう光路偏向手段と縦方向への画素シフトを行なう光路偏向手段とを組合わせることにより、二次元方向に対する画素増倍が可能となるが、かかる二つの光路偏向手段の組み合わせのみでは、互いに偏向できる直線偏光面が異なってしまうので、画素シフトを縦横二方向に行なわしめることはできない。而して、本請求項５に係る発明のごとく、二つの光路偏向手段の間に、偏光面回転手段を設けて、後段の光路偏向手段への入射光の直線偏光面を後段の光路偏向手段の画素シフト方向と一致させることにより、確実に二次元方向への画素シフトを行なわしめることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る画像表示装置の一構成例の概要を示す構成概略図である。
【図２】スクリーン上に表示された見かけ上の画素倍増の一例を示す模式図である。
【図３】本発明にかかる画像表示装置の参考例として、光軸に沿って光路偏向手段となる液晶セルを切断した場合における該液晶セルの断面図を示すものである。
【図４】図３に示す光路偏向手段における直線偏光に対する屈折率分布を示す模式図である。
【図５】画像表示素子を形成する透過型液晶ライトバルブの四つの画素から出射されて来た直線偏光が図３に示す光路偏向手段を形成する液晶セルに入射された場合の光路を示す模式図である。
【図６】画像表示装置における光路偏向手段の配置位置の概略を示す斜視図である。
【図７】本発明にかかる画像表示装置における光路偏向手段の実施形態を示す断面図である。
【図８】図７に示す光路偏向手段における直線偏光に対する屈折率分布を示す模式図である。
【図９】画像表示素子を形成する透過型液晶ライトバルブの四つの画素から出射されて来た直線偏光が図７に示す光路偏向手段を形成する液晶セルに入射された場合の光路を示す模式図である。
【図１０】図９に示す光路偏向手段において、該光路偏向手段の出射側に光束平行化手段を配設している場合の一実施例を示す模式図である。
【図１１】光路偏向手段における上下双方の透明電極をアレイ状に配置した場合の構成を示す断面図である。
【図１２】図１１に示す光路偏向手段に、更に、補助透明電極アレイを追加した場合の構成を示す断面図である。
【図１３】本発明に係る画像表示装置における更なる他の構成例の概要を示す構成概略図である。
【図１４】図１３に示す光路偏向手段の配置位置の概略を示す斜視図である。
【符号の説明】
１…光源、２…照明装置、２ａ…拡散板、２ｂ…コンデンサレンズ、３…画像表示素子、３ｚ…直線偏光の偏光方向、４，４ａ，４ｃ…光路偏向手段、４ｂ…偏光面回転手段、４ｏ_１，４ｏ_２…観察画像、４ｚ…画素シフト方向、５…投射レンズ、６…スクリーン、７…光源駆動手段、８…表示駆動手段、９…光路偏向駆動手段、１０…画像表示制御回路、４１，４２…透明基板、４３，４４…透明電極、４５…液晶層、４６…液晶分子、４７…補助透明電極、４９…光束平行化手段。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an image display device for observing an image display element in which a plurality of pixels capable of controlling illumination light are two-dimensionally arranged based on image information as an image enlarged by a lens or a direct image In particular, the present invention relates to an image display device that displays a high-definition image by a pixel shift system that shifts an optical path to increase the number of actual pixels.
The image display device according to the present invention can also be applied to electronic display devices such as a projection display and a head mounted display.
[0002]
[Prior art]
An image display device for observing an image display element having a plurality of pixels that can control illumination light based on image information as an image enlarged by a lens has already been used in front projectors, rear projectors, head mounted displays, etc. Widely used by trade name. Further, as such image display elements, CRT (Cathode Ray Tube), liquid crystal panel, DMD (Digital Micro-mirror Device: trade name of image display device manufactured by Texas Instruments (USA)) and the like have already been introduced. In addition, inorganic EL (Electro-Luminescence), inorganic LED (Light Emitting Diode), organic LED, and the like have been studied.
[0003]
On the other hand, as an image display device for observing a small image display element at an equal magnification instead of observing as a magnified image with a lens, other than the aforementioned CRT, liquid crystal panel, inorganic EL, inorganic LED, and organic LED Plasma displays, fluorescent display tubes, etc. have already been used as products, and FED (Field Emission Display), PALC (Plasma Addressing Liquid Crystal Display), etc. have been studied. Yes. Note that image display devices can be broadly classified into two types, a self-luminous type and a spatial light modulator type, but each type has a plurality of pixels that can control illumination light. It is what.
[0004]
A common problem in such an image display device is to increase the resolution, that is, to increase the number of pixels. An image display device for HDTV (High Definition Television) having about 1000 scanning lines already intended for broadcast display is already available. Commercialized and developed products with about 2000 scanning lines for the purpose of high-resolution display on workstation computers (for example, QSXGA, ie, 2048 scanning lines of image display device manufactured by IBM Japan in the '98 flat panel display exhibition, The image display device manufactured by Toshiba Corporation at the '99 Electronic Display Exhibition, such as QUXGA (2400 scanning lines), has also been announced as a technology using a liquid crystal panel. However, when the actual number of pixels is increased, the yield of the liquid crystal panel is decreased, the aperture ratio is decreased, the cost is increased, the brightness and contrast are decreased, or There are many problems such as increased power consumption.
[0005]
As a solution to such a problem, Japanese Patent Application Laid-Open No. 4-113308 “Projection Display Device”, Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-289004 “Optical Switch”, Japanese Patent Application Laid-Open No. 6-324320 “Image Display Device and Image Display Device Resolution Improvement” Method, imaging method, recording apparatus, and reproduction apparatus ", etc., an image display that performs interlaced display using a single image display element with an apparent number of pixels that is twice the actual number of pixels. An apparatus is disclosed. Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-36054, “Optical device”, discloses an image display device having an apparent number of pixels that is four times or more the actual number of pixels using a single image display element. Yes. In any case, these image display devices employ a so-called pixel shift technique, which is a method of deflecting the optical path of light emitted from the image display element at high speed in a time-sharing manner to increase the apparent number of pixels. ing.
[0006]
As a specific example of a so-called pixel shift technique for apparently multiplying the number of images on an image display element to display a high-resolution image, see, for example, the above-mentioned Japanese Patent Application Laid-Open No. 6-324320 “Image display device” , Image display device resolution improving method, imaging method, recording device and playback device ", Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-020242" Projection Display Device ", US Patent No. 6082862" IMAGE TILING TECHNIQUE BASED ON ELECTRICALLY SWITCHABLE HOLOGRAMS ", etc. There is a specific description.
[0007]
The pixel shift technique disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 6-324320 discloses a resolution of a display image by switching an optical path by an optical member for each image field without increasing the number of pixels of an image display device such as an LCD. Is apparently improved. That is, in an image display device in which an image is displayed by each of a plurality of pixels arranged in the vertical direction and the horizontal direction emitting light according to a display pixel pattern (that is, display image information), an observer or An optical member that deflects the optical path for each image field is disposed between the screen and the screen. In addition, the display pixel pattern in a state where the display position is shifted according to the deflection of the optical path is displayed on the image display device for each image field, thereby improving the resolution of the image display device. is there.
[0008]
In addition, the pixel shift technique disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-020242 is a technique for performing pixel shift by combining an image display element and a microlens array and vibrating the microlens array. That is, the microlens array is disposed on the optical path from the light modulation element to the projection lens, and one convex lens is formed corresponding to the four pixels of the light modulation element. On the other hand, the actuator is configured to vibrate each microlens of the microlens array in the vertical direction and the horizontal direction, and by driving the actuator in synchronization with a field signal supplied to the light modulation element, The pixel shift is performed by moving or vibrating the microlens array in a horizontal / vertical direction orthogonal to the optical axis of light incident on the microlens array.
[0009]
Further, the pixel shift technique disclosed in US Pat. No. 6,082,862 is applied to a projection system using a holographic optical element capable of electrical switching, and an optical path is formed by a holographic optical element made of a liquid crystal material. The angle is changed at a high speed, and the position of the display image is shifted at a high speed.
[0010]
Further, for example, “Focus variable lens using liquid crystal” (Susumu Sato; Optical Technology Contact, VOL32, No. 11, p.24-p.28, 1994) has a liquid crystal having a circular hole electrode pattern. A technique is described in which a lens forming position is changed by selectively applying a voltage in synchronization with an image field signal using a microlens array.
[0011]
On the other hand, as an optical path deflecting means for realizing such a pixel shift technique, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 6-324320 “Image display device, resolution improving method of image display device, imaging method, recording device, and reproducing device” Discloses a combination mechanism of an electro-optic element and a birefringent material, a lens shift mechanism, a vari-angle prism, a rotating mirror, a rotating glass, and the like, and in Japanese Patent Laid-Open No. 5-313116 “Projector”. Discloses an optical path deflecting means for mechanically swinging the image display element itself at a high speed by a distance smaller than the pixel pitch by using an actuator made of a piezoelectric element or the like.
[0012]
In Japanese Patent Laid-Open No. 7-104278 “Optical Axis Conversion Device and Video Projector”, in addition to the optical path deflecting means using a birefringent element such as a quartz plate, a pair of inclined surfaces facing each other at a predetermined interval. Means for deflecting the optical path by mechanically vibrating one of the wedge prisms is disclosed.
[0013]
Japanese Patent Laid-Open No. 10-133135 “Light Beam Deflector” discloses a translucent piezoelectric element disposed on a traveling path of a light beam, a transparent electrode provided on the surface of the piezoelectric element, and the piezoelectric element. Voltage applying means for applying a voltage to the piezoelectric element via the electrode in order to deflect the optical axis of the light beam by changing the optical path length between the light beam incident surface and the light beam emitting surface of the element; A method of shifting the optical path by changing the thickness, which is the optical path length of the piezoelectric element, has been proposed.
That is, the invention according to Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-133135 eliminates the need for a rotating machine element, can realize an overall size reduction, high accuracy and high resolution, and is hardly affected by external vibration. It is intended to provide.
[0014]
Further, in the “image display device” of Japanese Patent Laid-Open No. 6-208345, as in the case of Japanese Patent Laid-Open No. 6-324320, the thickness of the transparent refracting plate and the optical axis are used. And a method of changing the shift amount of the optical path by switching the tilt angle between the transparent refracting plate and the transparent refracting plate is configured such that the thickness and tilt angle of a single circular rotating body are partially different. An example in which the circular rotating body is constituted by rotating glass is shown.
[0015]
Further, Japanese Patent Application No. 2000-362090 “Image display device”, for which a patent application has been filed by the present applicant, proposes a technique using a Bragg diffraction element made of polymer dispersed liquid crystal as an optical path deflecting means. This technique has a feature that it has a high-speed response based on a fine liquid crystal droplet structure, although a pixel reduction element is separately required to improve light utilization efficiency.
[0016]
Further, as a light deflection technique using liquid crystal, there is a technique described in “LIGHT SCANNER EMPLOYING A NEMATIC LIQUID CRYSTAL” (IBM Technical Disclosure Bulletin, Vol. 15, No. 8 (1973)). The optical path of linearly polarized light is bent by changing the orientation angle of the nematic liquid crystal.
[0017]
Further, as another disclosure example of the optical deflection technology using liquid crystal, there is a technology described in “LARGE-ANGLE BEAM DEFLCTOR USING LIQUID CRYSTAL” (ELECTRONICS LETTERS, Vol. 11, No. 16 (1975)). The technique applies a non-uniform electric field to the nematic liquid crystal to bend the optical path of linearly polarized light.
[0018]
Furthermore, as a technique related to the liquid crystal microlens, “Liquid Crystal Microlens” (O Plus E, Vol. 20, No. 10 (1998)), Japanese Patent No. 0316744 “Liquid Crystal Microlens”, Japanese Patent Laid-Open No. 11-109303 “ There are techniques disclosed in "Optical coupler", Japanese Patent Laid-Open No. 11-109304, "Optical coupler", and the like.
[0019]
The technique disclosed in “Liquid Crystal Microlens” (O Plus E, Vol. 20, No. 10 (1998)) uses a liquid crystal microlens having an electrode division structure to make the electric field distribution asymmetric. The focal point can be moved in directions other than the optical axis direction.
[0020]
In addition, the technique disclosed in Japanese Patent No. 0316744 is a technique for forming a polymer by photopolymerization in a nematic liquid crystal, has a memory property, and has a feature that lens characteristics can be varied.
[0021]
In addition, the technique disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open Nos. 11-109303 and 11-109304 uses a liquid crystal microlens in which circular hole-patterned electrodes are arranged in an array to change the focal length. In this case, the light coupling efficiency of the optical interconnection element is variable, and the focal position can be controlled by the divided electrodes.
[0022]
[Problems to be solved by the invention]
However, the various optical path deflecting means disclosed as the prior art as described above have the following problems.
For example, the optical path deflecting means based on the combination mechanism of the member exhibiting the electro-optic effect and the birefringent material has a high response speed, and is an optical path deflecting means conventionally used as an optical switch or an optical switch in the optical communication field. This is a known technique. However, the optical path deflecting means using the combination mechanism of the electro-optic element and the birefringent material requires a relatively large crystal birefringent material, and thus has a problem that the apparatus cost increases.
[0023]
Also, when using a lens shift mechanism as the optical path deflecting means, that is, when mechanically moving the lens back and forth linearly, or when adopting a mechanism that rotates the rotating mirror, a voice coil, A piezoelectric element, a bimorph, a step motor, a solenoid coil, and the like are described in JP-A-6-324320, and examples of using a piezoelectric element or a moving coil as a drive system when vibrating a wedge prism include: This is described in JP-A-7-104278. However, regardless of which drive system is used, the lens or prism is mechanically moved repeatedly with a period of about several tens to several hundreds of Hz, which causes a problem of generating vibration and noise. It will accompany.
[0024]
In addition, when using a vari-angle prism used for so-called camera shake prevention of a camera-integrated VTR as an optical path deflecting means, the bellows connecting two substrates to reciprocate the prism to change the apex angle of the prism. Therefore, the generation of vibration and noise is also a problem.
[0025]
Further, the method of mechanically swinging the image display element itself in Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-313116 has an advantage in that since the optical system is fixed, various aberrations are reduced and high-definition display is possible. However, since it is necessary to translate the image display element itself accurately and at high speed, not only the accuracy and durability of the movable part of the image display element is required, but also mechanical high-speed vibration operation is performed. Because of this, vibration and noise are still a problem.
[0026]
Further, the method of changing the optical path length of a transparent piezoelectric element in Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-133135 requires a relatively large transparent piezoelectric element, and there is a problem that the apparatus cost increases.
[0027]
In addition, the method of changing the optical path length by a circular rotating body using a rotating glass in Japanese Patent Application Laid-Open Nos. 6-208345 and 6-324320 is only one-dimensional direction by using a single circular rotating body. However, there is a problem that the entire optical system is increased in size because it is limited to this optical path shift and requires a relatively large circular rotating body.
[0028]
In addition, there are the following problems in the conventional technology in which an optical path deflection using liquid crystal or a liquid crystal microlens is applied to an image display element.
For example, as disclosed in “Focus variable lens using liquid crystal” (Sato Susumu; Optical Technology Contact, VOL32, No. 11, p.24-p.28, 1994), a circular punched electrode When using an optical path deflecting unit that changes the lens formation position using a liquid crystal microlens array having a pattern, it is relatively easy to change the focal length with respect to the optical axis direction. There is a problem that the condensing position (that is, the focal position) cannot be changed in the arrangement plane direction.
[0029]
Therefore, as a technique that makes it possible to change the condensing position in the direction of the arrangement surface of the liquid crystal microlens array, Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-109303 “Optical Coupler” and Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-109304 “Optical Coupler”. ”Discloses a control technique using divided electrodes. However, when the liquid crystal microlenses having divided electrodes are arranged in an array, wiring to each divided electrode becomes complicated, so that the formation interval of the liquid crystal microlenses must be set relatively wide.
Therefore, it is suitable when a relatively large installation interval may be used, such as a combination of a semiconductor laser array and a plurality of optical fibers, but the installation interval is relatively small, such as a pixel pitch of an image display element. In this case, there is a problem that the aperture ratio of the lens forming portion is reduced.
[0030]
Furthermore, as light deflection technology using liquid crystal, “LIGHT SCANNER EMPLOYING A NEMATIC LIQUID CRYSTAL” (IBM Technical Disclosure Bulletin, Vol. 15, No. 8 (1973)), “LARGE-ANGLE BEAM DEFLCTOR USING LIQUID CRYSTAL” (ELECTRONICS As described in LETTERS, Vol. 11, No. 16 (1975)), the optical path of linearly polarized light is changed by changing the orientation angle of the nematic liquid crystal or applying a non-uniform electric field to the nematic liquid crystal. Any of the bending techniques is applied to a single beam deflector, and cannot be applied to pixel shift of a two-dimensional image as it is.
[0031]
Further, as a technique related to a liquid crystal microlens, as described in “Liquid Crystal Microlens” (O Plus E, Vol. 20, No. 10 (1998)), a liquid crystal microlens having an electrode division structure in which an electric field distribution is asymmetric. The technology is suitable for controlling the deflection direction of a single beam two-dimensionally, but in the case of arraying, the electrode wiring becomes complicated, so that the deflection of the arrayed beam like an image display element is required. Not suitable for application to equipment.
[0032]
The present invention has been made in view of such a problem, and performs an optical path shift even with a relatively simple electrode configuration using an electro-optic effect without providing a mechanical vibration mechanism. It is an object of the present invention to realize an image display device capable of obtaining a high-definition image by apparent pixel multiplication without reducing the light use efficiency.
[0033]
That is, the first problem is that, even if the current relatively low-resolution image display element is used as it is, a non-uniform electric field is formed in the liquid crystal layer instead of using a mechanical moving mechanism. An image display device that realizes deflection of the optical path with a relatively simple configuration by the generated refractive index distribution in the liquid crystal layer, is low-cost, does not generate vibration and noise, and enables high-resolution image display. Is to provide.
[0034]
The second problem is that, even when the current relatively low-resolution image display element is used as it is, the optical path of the image light from the pixels of the image display element is condensed simultaneously with a simple configuration. By realizing the liquid crystal microlens effect that shifts the light collection position, the pixel shift function and the pixel reduction function are both achieved at a low cost, apparently high resolution, and a light image with high light utilization efficiency. It is to realize a display device.
[0035]
The third problem is that a concave lens array is arranged on the exit surface side from the optical path deflecting means having a liquid crystal microlens effect, and the outgoing light from the optical path deflecting means (that is, deflected image light) is converted into parallel light. Accordingly, it is to realize a high-definition image quality in which a pixel pitch is constant over the entire display image region with respect to a display image with a high resolution.
[0036]
Further, the fourth problem is that a higher-definition image is obtained by performing apparent pixel multiplication in the two-dimensional direction by combining pixel shift in the horizontal direction and pixel shift in the vertical direction. An object is to provide an image display device capable of display.
[0037]
[Means for Solving the Problems]
The invention of claim 1 further includes an image display element in which a plurality of pixels capable of controlling illumination light are two-dimensionally arranged based on image information, and a plurality of image fields indicating display times of the image information. Display driving means capable of driving the image display element in time division into image subfields, and images incident from the pixels driven by the display driving means for each of the image subfields An image display device having an optical path deflecting unit that deflects an optical path of light, and capable of displaying the image display element by multiplying the apparent number of pixels. Because The optical path deflecting means has two transparent substrates, a transparent electrode disposed on each of the transparent substrates, and a liquid crystal layer interposed between the two transparent substrates, and the transparent electrode The transparent electrode disposed on at least one of the transparent substrates is a transparent electrode array formed in an array with an arrangement pitch corresponding to the pixel pitch of the pixel, and the liquid crystal layer Is a liquid crystal layer in which the refractive index distribution can be controlled by applying a voltage between the transparent electrode array and the transparent electrode on the other transparent substrate, and in synchronization with the display driving means. An image display device that changes a voltage application state to the transparent electrode array for each image subfield In the liquid crystal micro, the optical path deflecting means is capable of condensing the image light incident from the pixels by applying a voltage to the transparent electrode array arranged at a predetermined arrangement pitch. A lens array is formed, and among the transparent electrode arrays, the position of the transparent electrode to which a voltage is applied is switched sequentially between adjacent transparent electrodes, thereby along the arrangement direction of the transparent electrode array, The focal position of the liquid crystal microlens array is switched by switching sequentially in time. An image display device characterized in that
[0038]
According to a second aspect of the present invention, in the image display device according to the first aspect, the arrangement pitch of the transparent electrode array formed in an array with an arrangement pitch corresponding to the pixel pitch of the pixels is The image display device is not limited to the one-to-one interval with the pixel pitch, and is an integer multiple of the pixel pitch or an interval equal to an integer.
[0039]
According to a third aspect of the present invention, in the image display device according to the first or second aspect, the arrangement pitch of the transparent electrode array includes a plurality of transparent electrodes as a set, and the arrangement for each set of the transparent electrodes. The image display device is characterized in that the pitch is set.
[0041]
Claim 4 The invention of claim 1 In the image display device according to the above, the optical path deflecting unit outputs a concave lens array capable of emitting the light condensed by the liquid crystal microlens array as parallel light parallel to the optical axis. It is an image display device characterized by having on the surface side.
[0042]
Claim 5 The invention of claim 1 to claim 1 4 In the image display device according to any one of the above, the deflection of the optical path of the image light incident along the first pixel arrangement direction of the pixels with respect to the two-dimensional arrangement direction of the pixels, and And / or a first optical path deflecting unit capable of moving a focal position at which the image light is collected and incident along the second pixel array direction of the pixels via the first optical path deflecting unit. And second optical path deflecting means capable of moving a focal position where the image light is condensed, and further comprising a polarization plane of linearly polarized light. A polarization plane rotating means capable of rotating the direction from the first pixel arrangement direction to the second pixel arrangement direction is disposed between the first optical path deflection means and the second optical path deflection means. The image display device is characterized by the above.
[0043]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of an image display device according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing an overview of a configuration example of an image display apparatus according to the present invention.
In FIG. 1, reference numeral 1 denotes a light source for illumination, and any type or type of light source can be used as long as it can turn on / off white light or an arbitrary color light at high speed. For example, an LED lamp, a laser light source, a white lamp light source, or the like arranged in a two-dimensional array and combined with a shutter that operates at high speed with respect to the light source can be used as an illumination light source. Reference numeral 2 denotes an illuminating device for uniformly irradiating the image display element 3 with light emitted from the light source, and includes a diffusion plate 2a, a condenser lens 2b, and the like.
[0044]
Further, 3 is a method in which uniform illumination light incident from the illumination device 2 is spatially light-modulated based on image information for each of a plurality of image subfields obtained by further subdividing the image field in terms of time to obtain image light. An image display element that emits light. As the image display element 3, a transmissive liquid crystal light valve, a reflective liquid crystal light valve, a DMD element, or the like can be used.
Reference numeral 4 denotes an optical path deflecting unit that deflects the optical path of the image light emitted from the image display element 3 for each image subfield and outputs the deflected image light. The optical path deflecting means 4 can display an image pattern in which the image display position projected on the screen 6 is shifted in accordance with the deflection amount of the optical path for each image subfield. The actual number of pixels of 3 can be displayed as an apparent number of pixels.
[0045]
Reference numerals 5 and 6 denote optical members for observing the image pattern displayed on the image display element 3, which respectively indicate a projection lens and a screen.
Further, 7 is a light source driving means for driving the light source 1, 8 is a display driving means for driving the image display element 3, and 9 is an optical path deflection drive for driving the optical path deflecting means 4. Means.
Reference numeral 10 denotes an image display control circuit for controlling the entire image display apparatus including the light source driving means 7, the display driving means 8, the optical path deflection driving means 9, and the like.
[0046]
Next, the operation of the image display apparatus shown in FIG. 1 will be described.
The light emitted from the light source 1 controlled by the light source driving means 7 becomes illumination light made uniform by the diffusion plate 2a, and is controlled by the display driving means 8 operating in synchronism with the light source driving means 7 by the condenser lens 2b. The image display element 3 is illuminated critically.
Here, as an example of the image display element 3, a transmissive liquid crystal panel, that is, a transmissive liquid crystal light valve is used. Illumination light spatially modulated by the image display element 3 comprising the transmissive liquid crystal light valve is incident on the optical path deflecting means 4 as image light, and the outgoing light emitted from the optical path deflecting means 4 is deflected image light. After being enlarged by the projection lens 5, it is projected on the screen 6. That is, the image light is arbitrarily transmitted in the pixel arrangement direction in accordance with the drive signal from the optical path deflection driving means 9 by the optical path deflecting means 4 disposed behind the image display element 3 composed of a transmissive liquid crystal light valve. Is output as deflected image light shifted (deflected) by a distance of 5 mm and projected onto the screen 6 through the projection lens 5.
[0047]
In FIG. 1, an optical path deflecting element serving as the optical path deflecting means 4 is disposed immediately after the image display element 3 composed of a transmissive liquid crystal light valve. It is not limited, and may be arranged immediately before the screen 6. However, when the optical path deflecting unit 4 is disposed, the size of the optical path deflecting element that forms the optical path deflecting unit 4 and the pitch of the transparent electrodes that form the optical path deflecting element are also determined. It is necessary to set according to the screen size and pixel size. However, it is preferable that the optical path shift amount (deflection) of the deflected image light is 1 / integer of the pixel pitch regardless of the arrangement position of the optical path deflecting unit 4.
[0048]
That is, when performing pixel multiplication twice in the pixel arrangement direction, the shift amount of the optical path of the deflected image light is ½ of the pixel pitch, and the pixel multiplication is three times in the arrangement direction. When performing the above, it is desirable to set the pixel pitch to 1/3. In addition, when the shift amount of the optical path of the deflected image light is larger than the pixel pitch due to the configuration of the optical path deflecting unit 4, the shift amount of the optical path is a distance of (integer multiple + 1 / integer) of the pixel pitch. It may be set to.
In the present embodiment, as shown on the optical path deflecting unit 4 and the screen 6 in FIG. 1, the optical path deflecting unit 4 causes the pixel arrangement direction in the horizontal direction (that is, the front and back direction orthogonal to the paper surface). Although an example of performing pixel shift is shown, a transmissive liquid crystal light valve is displayed by display drive means 8 based on image information of an image subfield corresponding to a shift position of pixels deflected in the horizontal direction by optical path deflecting means 4. By driving the image display element 3 comprising, as shown in FIG. 2, an apparent pixel multiplication effect can be obtained, and a high-definition image higher than the resolution of the transmissive liquid crystal light valve used can be displayed. it can.
[0049]
FIG. 2 is a schematic diagram showing an example of the apparent pixel doubling displayed on the screen 6, and it looks like the number of pixels increased to twice the actual number of pixels in the transmissive liquid crystal light valve. An example in which an image is displayed on the screen 6 is shown. That is, in FIG. 2, the optical path is deflected in the horizontal direction, which is the pixel arrangement direction, by the amount displayed as the shift amount between the pixels adjacent to each other in the horizontal direction displayed as the pixel pitch. By displaying the upper pixel, it is possible to display a high-definition image having a resolution twice the actual number of pixels of the transmissive liquid crystal light valve.
[0050]
FIG. 1 shows an example of a monochromatic image display device using a monochromatic LED lamp as the light source 1 and a single-plate transmissive liquid crystal light valve as the image display element 3. By using three primary color light sources and illumination devices, and using three image display elements as the image display element 3, it is possible to display a full color image in which the three primary color images are mixed.
Further, even if the image display element 3 is a single plate, a full-color image can be displayed by using a field sequential method in which the image display element 3 is illuminated with illumination light from the light source 1 that emits three primary color lights in time order. You can also. In such a case, the light paths from the light sources 1 of the three primary colors may be illuminated by mixing with a cross prism, or the time-sequential three primary color lights may be generated by combining a white lamp light source and a rotating color filter. good.
[0051]
In this embodiment, a liquid crystal cell capable of controlling the refractive index distribution by applying a voltage is used as the optical path deflecting unit 4. The liquid crystal cell includes two transparent substrates, a transparent electrode disposed on each of the transparent substrates, and a liquid crystal layer interposed between the two transparent substrates. The transparent electrode disposed on at least one of the transparent substrates is a transparent electrode array formed in an array with an arrangement pitch corresponding to the pixel pitch of the pixel, and the liquid crystal layer is It is a liquid crystal layer in which the refractive index distribution can be controlled by applying a voltage between the transparent electrode array and the transparent electrode on the other transparent substrate. Furthermore, it has optical path deflection drive means 9 that can change the voltage application state to the transparent electrode array for each of the image subfields in synchronization with the display drive means 8 for driving the image display element 3. Yes.
[0052]
As the material of the transparent substrate, a highly transparent material such as glass or plastic can be used. Moreover, ITO (Indium Tin Oxide) etc. can be utilized as a material of the said transparent electrode. The transparent electrode layer is disposed on the liquid crystal phase layer side.
Further, when the transparent substrate itself has conductivity, the transparent substrate itself can be used as an electrode.
Furthermore, on at least one of the transparent substrates, the transparent electrodes are formed in an array corresponding to the pixel pitch. Here, the pitch of the electrode array of the transparent electrodes is not limited to one-to-one correspondence with the pixel pitch, and in order to obtain a desired refractive index distribution, an integer multiple of the pixel pitch or a fraction of an integer. In some cases, it may match. In addition, there may be a case where a plurality of lines of the transparent electrode are set as one set and each set corresponds to the pixel pitch.
[0053]
The surface of the transparent electrode in contact with the liquid crystal layer is preferably subjected to an alignment treatment so that liquid crystal molecules are aligned. As the alignment treatment, a normal alignment film such as polyimide used for TN liquid crystal, STN liquid crystal or the like can be used. Moreover, it is preferable to perform a rubbing process or a photo-alignment process. Furthermore, an insulating film may be provided on the surface of the transparent electrode.
[0054]
Here, as a liquid crystal material for forming the liquid crystal layer, general nematic liquid crystal can be used, but it is preferable that the birefringence Δn and the dielectric anisotropy Δε are large. In particular, it is preferable that the ordinary light refractive index of the liquid crystal material is about 1.5 to 1.6, which is close to the refractive index of the glass substrate, while the extraordinary light refractive index is as large as about 1.7 to 1.8.
The thickness of the liquid crystal layer is set by the thickness of the spacer member disposed between the transparent substrates, and a desired optical path deflection amount and response speed are determined according to the birefringence Δn and the dielectric anisotropy Δε. Is optimized to obtain The spacer member is preferably disposed only in the periphery of the liquid crystal layer so as not to impede light transmission in the liquid crystal cell.
[0055]
Next, details of the deflection operation of the optical path in the liquid crystal cell forming the optical path deflection means 4 , Shown as a reference example for explaining the image display device of the present invention This will be described with reference to FIGS. FIG. 3 shows a cross-sectional view of the liquid crystal cell when the liquid crystal cell serving as an optical path deflecting unit is cut along the optical axis. The image light which is the emitted light from 3 is incident. 4 is a schematic diagram showing a refractive index distribution with respect to linearly polarized light in the optical path deflecting means 4 shown in FIG. 3, and a transparent electrode 43 on the upper side of the liquid crystal cell forming the optical path deflecting means 4 shown in FIG. A refractive index distribution of the liquid crystal layer 45 is schematically shown together with a diagram showing a positional relationship with (that is, a transparent electrode array arranged on the downstream side of the optical path).
[0056]
In FIG. 3, 41 and 42 are transparent substrates for enclosing the liquid crystal layer 45, respectively, and 43 and 44 are transparent electrodes for applying an electric field to the liquid crystal layer 45. In addition, on the transparent substrate 41 on the downstream side of the optical path, that is, on the upper side of the paper, the line of the transparent electrode 43 is formed in an array corresponding to the pixel pitch of the image display element 3.
Further, in the present embodiment, with respect to the arrangement position of the line of the transparent electrode 43 formed in an array, an example is shown in which the case where the interval between adjacent electrodes is wide and the case where it is narrow are alternately arranged. Yes. That is, a pair of the transparent electrode lines of the two transparent electrodes 43 (that is, the transparent electrode 43a on the right side and the transparent electrode 43b on the left side in FIG. The centers of the pair of transparent electrode lines are arranged so as to coincide with the center of the image display element. On the other hand, the part where the space | interval between the transparent electrodes 43 is narrow is made to respond | correspond to the boundary part between pixels.
[0057]
In addition, although the transparent electrode 44 (namely, the transparent electrode arrange | positioned in the upstream of an optical path) located in the paper surface lower side of FIG. 3 shows the case where it forms in the whole surface of the transparent substrate 42, upper side is shown. Of course, it may be formed as an array electrode that is symmetrical to the transparent electrode 43.
Reference numeral 46 denotes liquid crystal molecules forming the liquid crystal layer 45.
[0058]
FIG. 3A schematically shows a liquid crystal alignment state when the liquid crystal cell is not in operation. That is, when no voltage is applied to the transparent electrodes 43 and 44 and the liquid crystal cell is in a state of no electric field, each liquid crystal molecule 46 is subjected to a homogeneous alignment process so as to be parallel along the transparent substrates 41 and 42. ing. Here, in FIG. 3A, an alignment process is assumed in which the major axis of the liquid crystal molecules 46 is in the horizontal direction of the paper, that is, in the direction parallel to the transparent substrates 41 and 42.
In such a state, linearly polarized light having a polarization plane parallel to the paper surface (that is, image light emitted from the image display element 3) is incident on any part of the liquid crystal cell via the liquid crystal cell. The outgoing light (that is, the deflected image light) emitted from the liquid crystal cell is emitted straight ahead without being deflected at all.
[0059]
FIG. 3B (hereinafter referred to as state α) shows a transparent electrode 43a (hatched electrode) arranged on the right side in the set of electrodes of the transparent electrode 43 arranged on the upper side. ) Shows a case where a voltage equal to or higher than the threshold is applied only to the line. The liquid crystal molecules 46 arranged at the position of the transparent electrode 43a portion to which the voltage is applied rotate the major axis by 90 degrees by the applied electric field, and is the vertical direction of the paper surface, that is, the direction perpendicular to the transparent substrates 41 and 42. On the other hand, the liquid crystal molecules 46 arranged at the position of the transparent electrode 43b portion to which no voltage is applied remain aligned in the horizontal direction of the paper, that is, in the direction parallel to the transparent substrates 41 and 42. It has become.
[0060]
Due to the distribution in the alignment direction of the liquid crystal molecules 46 caused by such a non-uniform electric field inside the liquid crystal cell, a refractive index distribution with respect to extraordinary light is generated. That is, when linearly polarized light having a plane of polarization parallel to the paper surface (that is, image light emitted from the image display element 3) is incident, the major axis of the liquid crystal molecules 46 is aligned perpendicular to the transparent substrates 41 and 42. As a result, the effective refractive index decreases, and the refractive index distribution as shown by the solid line (ie, state α) shown in FIG. 4 is obtained.
Therefore, the linearly polarized light incident on the central portion of the pixel arranged corresponding to the line of the pair of transparent electrodes 43 (43a, 43b) in the state α is caused by the refraction effect due to the gradient of the refractive index. As shown in FIG. 3B, the light is deflected in the left direction of the paper and is emitted as deflected image light.
[0061]
Next, FIG. 3C (hereinafter referred to as a state β) shows a transparent electrode 43b (hatched) disposed on the left side in the set of electrodes of the transparent electrode 43 disposed on the upper side. This shows the case where a voltage equal to or higher than the threshold is applied only to the (electrode) line. When the transparent electrode 43 to which a voltage is applied is switched from the transparent electrode 43a to the transparent electrode 43b as in the state β shown in FIG. 3C, the alignment state of the liquid crystal molecules 46 also changes and is parallel to the paper surface. The effective refractive index for linearly polarized light having a plane of polarization changes to a refractive index distribution as shown by a broken line (that is, state β) shown in FIG.
Accordingly, the linearly polarized light incident on the central portion of the pixel disposed corresponding to the set of transparent electrode 43 (43a, 43b) lines in the state β is caused by the refraction effect due to the gradient of the refractive index. As shown in FIG. 3C, the light is deflected in the opposite direction to that in FIG. 3B, that is, in the right direction of the paper surface, and is emitted as deflected image light.
[0062]
The change speed, that is, the response time at which the linearly polarized light (that is, the image light from the image display element 3) incident on the optical path deflecting unit 4 is changed from the state shown in FIG. 3B to the state shown in FIG. 45 is optimized by the physical properties of the liquid crystal material forming 45 and the applied electric field strength. In the pixel shift method used as an image display device, the time of the image subframe is preferably 10 milliseconds or less, and therefore the response time is required to be several milliseconds or less.
Here, when nematic liquid crystal is used as the liquid crystal material, high-speed response may be achieved by using a two-frequency driving method. However, when the two-frequency driving method is used, it is necessary to use, as the optical path deflection driving means 9, an electrode driving means that can apply voltages having different driving frequencies to one transparent electrode 43 line. The state α and the state α are synchronized with the drive timing of the image sub-frame displayed on the transmissive liquid crystal light valve forming the image display element 3 using the optical path deflection drive means 9 by some means, not limited to the two-frequency drive method. By switching to the state β, an apparent pixel multiplication effect on the screen 6 can be realized.
[0063]
FIG. 5 shows the optical path when linearly polarized light emitted from the four pixels of the transmissive liquid crystal light valve forming the image display element 3 enters the liquid crystal cell forming the optical path deflecting means 4 shown in FIG. It is the schematic diagram shown, and shows the case where it injects into this liquid crystal cell from the lower side of the paper surface.
[0064]
In FIG. 5, for example, when the four pixels of the transmissive liquid crystal light valve forming the image display element 3 are in the states a, c, e, and g, respectively, in the first image subframe, the optical path deflecting means 4 is disposed on the right side in the set of electrodes (43a, 43b) of the transparent electrode 43 disposed on the upper side in the state α shown in FIG. 3B. When a voltage equal to or higher than the threshold is applied only to the transparent electrode 43a line, linearly polarized light (that is, image light) incident from each pixel of the transmissive liquid crystal light valve on the liquid crystal cell in the left direction of the paper surface. It is deflected and emitted as deflected image light.
[0065]
In the second image sub-frame, the four pixels of the transmissive liquid crystal light valve are switched to b, d, f, and h, respectively. C) in the state β, that is, in the pair of electrodes (43a, 43b) of the transparent electrode 43 arranged on the upper side, only the voltage on the transparent electrode 43b line arranged on the left side is equal to or higher than the threshold voltage. Is switched to a state in which the linearly polarized light (that is, image light) incident on the liquid crystal cell from each pixel of the transmissive liquid crystal light valve is deflected in the right direction of the paper surface, and is deflected image light. Is emitted.
[0066]
As shown in FIG. 5, the linearly polarized light traveling obliquely in the liquid crystal cell is switched between the first and second image subframes at a period of several tens Hz to several hundred Hz, so that the deflected image light When the light is emitted from the liquid crystal cell, eight pixels arranged as a, b, c, d, e, f, g, and h are apparently formed.
An optical element may be provided in the subsequent stage of the liquid crystal cell so that the deflected image light emitted from the liquid crystal cell is parallel light that is parallel to the optical axis of the projection optical system.
[0067]
FIG. 6 is a perspective view schematically showing the arrangement position of the optical path deflecting means 4 in the image display device. In FIG. 6, the same parts as those in FIGS. 1 and 3 are denoted by the same reference numerals. Note that an arrow 3z indicates the polarization direction of linearly polarized light that is light emitted from the image display element 3 (that is, image light), and an arrow 4z indicates the pixel shift direction deflected by the optical path deflecting unit 4. In this embodiment, the arrows 3z and 4z both indicate the horizontal direction of the paper (that is, the horizontal direction of the screen). 4o ₁ These show an observation image when pixel multiplication is performed only in one direction (that is, in the left-right direction on the paper surface) by the optical path deflecting means 4.
[0068]
At least one of the transparent electrode 43 arrays constituting the optical path deflecting unit 4 is on the front side of the paper surface in the optical path deflecting unit 4 shown in FIG. It is formed in a line shape in the vertical direction of the screen. In the case where the image light emitted from the image display element 3 is linearly polarized light that is polarized in the left-right direction (that is, the horizontal direction of the screen) 3z of the paper surface, as described above, the entire image display element 3 is obtained by the optical path deflecting unit 4. Can be shifted in the left-right direction (that is, the horizontal direction of the screen) 4z in FIG. 6 and emitted as deflected image light.
Accordingly, as described above, it is possible to realize a high-definition image display device having a high resolution in the horizontal direction of the screen, that is, in the horizontal direction, with a relatively simple transparent electrode configuration. (Corresponding to the invention according to any one of claims 1 to 3)
[0069]
As shown in FIG. 5, when only the direction of the optical path is deflected by the liquid crystal cell constituting the optical path deflecting unit 4, the pixel size on the emission side (that is, the deflected image output from the optical path deflecting unit 4). It is necessary to finely adjust the pixel size on the incident side (that is, the pixel size of the image light incident from the liquid crystal display element 3) in accordance with the pixel size of the light.
As a method for adjusting the pixel size on the incident side, a method of regulating an optical path through a mask having an opening corresponding to the pixel position, a method of condensing with a microlens array arranged corresponding to the pixel position, or the like is applied. You can also. However, in the method using the mask, the light use efficiency is lowered. On the other hand, if the microlens array is newly provided, the cost of the image display device is increased. Therefore, an image display device according to the present invention is provided. Set Configuration example Then A configuration in which one liquid crystal cell has both a pixel size reduction function (condensing function) and an optical path deflection function (pixel shift function) simultaneously. is doing .
[0070]
Next, a configuration example of the optical path deflecting unit 4 having the pixel reduction function and the optical path deflecting unit will be described with reference to FIGS. FIG. 7 shows the optical path deflecting means 4 in the image display apparatus according to the present invention. The fruit FIG. 3 is a cross-sectional view showing an embodiment, and schematically shows a liquid crystal light deflection element having a pixel reduction function and an optical path deflection function. 7 is a cross-sectional view of the liquid crystal cell when the liquid crystal cell serving as the optical path deflecting unit 4 is cut along the optical axis, as in the cross-sectional view of FIG. The figure is shown. FIG. 8 is a schematic diagram showing a refractive index distribution with respect to linearly polarized light in the optical path deflecting means 4 shown in FIG. 7, and the transparent electrode 43 on the upper side of the liquid crystal cell forming the optical path deflecting means 4 (that is, A refractive index distribution of the liquid crystal layer 45 is schematically shown together with a diagram showing a positional relationship with the transparent electrode array disposed on the downstream side of the optical path.
[0071]
The basic configuration relating to the materials and processing methods used for the liquid crystal cell shown in FIG. 7 may be the same as in FIG. 3, and only the arrangement pitch and width of the transparent electrode array are changed. 7, parts having the same functions as those in FIG. 3 are denoted by the same reference numerals. That is, in FIG. 7, the transparent electrodes 43 are arranged in an array on the upper transparent substrate 41 at the same pitch as the pixel pitch of the pixels of the image display element 3 and at positions corresponding to the boundaries between the pixels. The example which is formed is shown. The electrode width of each transparent electrode 43 on the side facing the liquid crystal layer 45 is not particularly limited, but corresponds to the optical path deflection amount and the pixel reduction amount in the liquid crystal cell serving as the optical path deflecting means 4, The inside of the liquid crystal cell is set to have a desired electric field intensity distribution.
[0072]
As shown in FIG. 7 (A) (hereinafter referred to as state γ), the transparent electrode 43 lines are arranged at a wider interval at equal intervals than in the case shown in FIG. 3 (B). ing. In the transparent electrode 43 line, a voltage equal to or higher than a threshold value is applied to one of the alternately arranged transparent electrode 43c (hatched electrode) lines. When the voltage is applied, the orientation direction of the liquid crystal molecules 46 changes and a refractive index distribution is generated in the liquid crystal layer 45 as in the case described with reference to FIGS. That is, when linearly polarized light having a plane of polarization parallel to the paper surface (that is, image light emitted from the image display element 3) is incident, the major axis of the liquid crystal molecules 46 is aligned perpendicular to the transparent substrates 41 and 42. As a result, the effective refractive index decreases, and the refractive index distribution as shown by the solid line (that is, state γ) shown in FIG. 8 is obtained.
[0073]
However, since the arrangement interval of the transparent electrodes 43 to which the voltage is applied is larger than that in FIG. 3, the refractive index distribution is a convex lens having a relatively large pitch as shown by the solid line in FIG. (That is, it exhibits a convex lens effect). Therefore, in the case of a state γ in which a voltage equal to or higher than the threshold is applied to the transparent electrode 43c (hatched electrode) line shown in FIG. 7A, the intermediate electrode where the transparent electrodes 43c and 43d are arranged is arranged. As shown in FIG. 7 (A), the incident linearly polarized light is refracted by the refractive index gradient (convex lens effect) toward the transparent electrode 43d to which no voltage is applied, in the horizontal direction of the drawing. The light is alternately deflected, condensed, and emitted as deflected image light.
[0074]
Next, FIG. 7B (hereinafter referred to as a state δ) is arranged alternately, with respect to the transparent electrode 43d (hatched electrode) line on the side different from FIG. 7A. The case where the voltage more than a threshold value is applied is shown. When the transparent electrode 43 to which the voltage is applied is switched from the transparent electrode 43c to the transparent electrode 43d line as in the state δ shown in FIG. 7B, the alignment state of the liquid crystal molecules 46 also changes and is parallel to the paper surface. The effective refractive index for linearly polarized light having a plane of polarization changes to a refractive index distribution as shown by a broken line (ie, state δ) shown in FIG.
Therefore, in the case of a state δ in which a voltage equal to or higher than the threshold is applied to the transparent electrode 43d (hatched electrode) line shown in FIG. 7B, the intermediate electrode where the transparent electrodes 43c and 43d are arranged is arranged. As shown in FIG. 7B, the incident linearly polarized light is alternately deflected in the left-right direction on the paper surface toward the transparent electrode 43c side to which no voltage is applied, as shown in FIG. At the same time, the light is condensed and emitted as deflected image light.
[0075]
In the arrangement state of the transparent electrode 43 as described above, one convex lens effect can be given to the two pixels of the image display element 3, and the optical path deflection function and the image reduction function can be achieved with a simple element configuration. Another feature of the present invention is that the configuration can realize both of them simultaneously.
[0076]
Here, a diagram similar to the explanatory diagram shown in FIG. 5 is shown in FIG. 9, and the convex lens effect will be described in more detail. That is, FIG. 9 shows the case where the linearly polarized light emitted from the four pixels of the transmissive liquid crystal light valve forming the image display element 3 enters the liquid crystal cell forming the optical path deflecting means 4 shown in FIG. It is a schematic diagram which shows an optical path, and has shown the case where it injects into this liquid crystal cell from the lower direction of the paper surface.
[0077]
In the present embodiment, the size of the incident side pixels incident on the liquid crystal cell forming the optical path deflecting unit 4 is set to be relatively large as compared with the case of FIG.
Therefore, for example, in the first image subframe, when the liquid crystal cell is in the state γ shown in FIG. 7A, the four pixels of the transmissive liquid crystal light valve forming the image display element 3 are respectively a , C, e, and g are displayed, the emission side pixel of the liquid crystal cell (ie, the liquid crystal cell is emitted) as shown in FIG. 9 by the refractive index distribution of the solid line (ie, state γ) of FIG. In the pixel of the deflected image light, a and c and e and g are deflected in the directions close to each other and simultaneously condensed and reduced. That is, in such a case, due to the refractive index distribution, the pixel is displayed as a reduced pixel at the position of the emission side pixel indicated by the solid line in the upper part of FIG. 9 compared to the incident side pixel size shown in the lower part of FIG. However, the pixel pitch of the emission side pixels is not constant, and a narrow interval and a wide interval are alternately arranged.
[0078]
Next, in accordance with the display timing of the second image sub-frame, the liquid crystal cell switches the transparent electrode 43 to which the voltage is applied from the transparent electrode 43c to the transparent electrode 43d as in the state δ shown in FIG. 7B. Then, the refractive index distribution is switched as shown by a broken line in FIG. 8 (that is, state δ). Here, in synchronization with the switching, when the four pixels of the transmissive liquid crystal light valve forming the image display element 3 display the states b, d, f, and h, respectively, as the second image subframe. From the case of FIG. 7A, the reduced pixel moves to the position of the emission side pixel indicated by the broken line in the upper part of FIG.
[0079]
When the first and second image sub-frames are switched from several tens of Hz to several hundreds of Hz, when the liquid crystal cell is emitted as deflected image light, apparently b, a, c, d, f , E, g, and h, eight pixels that are irregularly arranged are formed.
It should be noted that on the image display element 3, the data of the subfield image is corrected in advance by the display driving means 8 so that the display image by the pixel shift having such an irregular arrangement is formed as a normal image. It is supposed to be displayed.
[0080]
With the configuration as described above, using a very simple transparent electrode configuration, a pixel reduction effect as a light condensing effect due to the liquid crystal lens effect and a pixel shift effect due to switching of the liquid crystal lens formation position can be performed simultaneously in one liquid crystal cell. Can be made compatible. Therefore, since the optical path deflecting means having a condensing function can be configured with a simple element configuration, it is possible to display a bright high-definition image that is low in cost and prevents a decrease in light use efficiency. (Claims Any one of 1 to 3 Corresponding to the invention described in the above)
[0081]
In the configuration of the optical path deflecting unit 4 as shown in FIG. 7 or FIG. 9, the optical path of the deflected image light emitted from the optical path deflecting unit 4 becomes non-parallel light collected by the liquid crystal lens effect. The pixel size of the output deflection image light changes depending on the exit side position of the liquid crystal cell constituting the optical path deflecting means 4. For example, without using any projection optical system, when a diffuser plate or the like is arranged on the emission side of the liquid crystal cell and the image is directly observed, if the position of the liquid crystal cell and the diffuser plate is shifted, The apparent pixel size will change. Therefore, it is desirable that the deflected image light emitted from the liquid crystal cell is parallel light parallel to the optical axis.
Also in the case of using the magnifying optical system, it is preferable that the deflected image light emitted from the liquid crystal cell is also parallel light from the viewpoint of designing the lens system.
[0082]
Therefore, as still another configuration example of the present invention, a case where an optical element is provided so that the deflected image light emitted from the liquid crystal cell is parallel to the optical axis of the projection optical system will be described with reference to FIG. Next, it will be described.
FIG. 10 is a schematic diagram showing an embodiment of the light path deflecting means 4 shown in FIG. 9 in which a light beam collimating means is disposed on the exit side of the light path deflecting means 4. 49 shows an example in which the deflected image light emitted from the optical path deflecting means is converted into parallel light by using a concave lens array.
[0083]
That is, when the characteristic of the liquid crystal lens array forming the optical path deflecting means 4 has the convex lens effect as shown in FIG. 8, the optical element, that is, the light beam collimating means 49 is emitted from the liquid crystal cell. A concave lens array that returns the optical path of the deflected image light to parallel light is preferable. Therefore, for example, as shown in FIG. 10, as the beam collimating means 49, the concave lens array is equal to the incident-side pixel pitch, and is shifted by half a pixel from the incident-side pixel position of the optical path deflecting means. If it is installed at a position (that is, a position where the central axis of each concave lens is arranged at the boundary between pixels on the incident side), non-parallel emitted light (that is, deflected pixel light as shown in FIG. 9). However, the light beam collimating means 49 can obtain outgoing light parallel to the optical axis (that is, deflected image light converted into parallel light) in all pixels.
[0084]
By arranging the liquid crystal cell shown in FIG. 10 at the same arrangement position as that shown in FIG. 6, the image light emitted from the image display element 3 is in the left-right direction (ie, the horizontal direction of the screen). In the case of linearly polarized light, the entire image display element 3 is pixel-shifted uniformly in the horizontal direction of the paper (that is, the horizontal direction of the screen), and the emitted light (that is, converted into parallel light) is condensed. Deflected image light) can be obtained.
Therefore, as described above, a high-definition image display device having a relatively simple transparent electrode configuration, high resolution in the horizontal or horizontal direction of the screen, good light use efficiency, and high pixel position accuracy. Can be realized. (Claims 4 Corresponding to the invention described in the above)
[0085]
Next, still another embodiment as an optical path deflecting unit in the image display apparatus according to the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 11 is a cross-sectional view showing the configuration when the upper and lower transparent electrodes in the optical path deflecting unit are arranged in an array, and FIG. 12 shows the auxiliary transparent electrode in addition to the optical path deflecting unit shown in FIG. It is sectional drawing which shows a structure at the time of adding an array.
[0086]
In the liquid crystal cell forming the optical path deflecting means 4 shown in FIGS. 3 and 7, only the transparent electrodes 43 arranged on the transparent substrate 41 located on the upper side (that is, the downstream side of the optical path) are formed in an array. However, as shown in FIG. 11, both of the transparent electrodes 43 and 44 respectively disposed on the upper and lower transparent substrates 41 and 42 may be formed in an array. In such a case, it is desirable to adjust the arrangement positions of the upper and lower transparent electrodes 43 and 44 array on the transparent substrates 41 and 42 to coincide with each other.
[0087]
Furthermore, in order to adjust the electric field distribution in the liquid crystal layer 45, means for additionally applying a voltage by adding an array of auxiliary transparent electrodes 47 as shown by the hatched portion in FIG. 12 is provided. You may decide to let FIG. 12 shows a case where one array of auxiliary transparent electrodes 47 is added to one pixel. However, in order to finely adjust the refractive index distribution, one pixel is further added. A plurality of auxiliary transparent electrodes 47 may be added and the applied voltage may be changed stepwise.
[0088]
In the configuration of each optical path deflecting unit described above, a single liquid crystal cell is used and pixel multiplication is performed only in one direction (in each of the above-described embodiments, for example, in the horizontal direction of the paper surface shown in FIG. Pixel multiplication only in the horizontal direction of the screen) can be performed, but in order to display a higher-definition image, pixel multiplication is performed in the vertical and horizontal directions, that is, in the horizontal and vertical directions of the screen. There is a need.
[0089]
Next, a configuration example of the image display apparatus when performing pixel multiplication in two vertical and horizontal directions will be described with reference to FIGS. 13 and 14. FIG. 13 is a schematic diagram showing the outline of still another example of the configuration of the image display device according to the present invention, and shows an example of the configuration of the optical path deflecting unit 4 that performs pixel multiplication in two vertical and horizontal directions. Is shown. FIG. 14 is a perspective view schematically showing the arrangement position of the optical path deflecting means 4 shown in FIG.
The optical path deflecting means 4 shown in FIG. 13 has means for deflecting the optical path in two vertical and horizontal directions orthogonal to each other. The optical path deflecting means 4 deflects the optical path in the front and back direction of the paper (that is, the horizontal direction of the screen on the screen 6). One optical path deflecting means 4a and second optical path deflecting means 4c for deflecting in the vertical direction of the paper (that is, the vertical direction of the screen on the screen 6) are provided.
[0090]
That is, as shown in the perspective view of FIG. 14, the first optical path deflecting means 4a for deflecting the optical path in the horizontal direction of the paper (that is, the horizontal direction of the screen) is disposed on the upstream side of the optical path, and the vertical direction of the paper (that is, The second optical path deflecting means 4c for deflecting in the vertical direction of the screen is disposed on the downstream side of the optical path, and the linearly polarized light that is incident between the first and second optical path deflecting means 4a and 4c. A polarization plane rotating means 4b for rotating the plane is arranged.
[0091]
The internal configuration of the first and second optical path polarization means 4a and 4c is the same as that of the optical path deflecting means 4 of any of the liquid crystal cells shown in FIG. 3, FIG. 7, FIG. 11, or FIG. It is a configuration. Further, the deflecting directions by the respective optical path deflecting means 4a and 4c are arranged so as to coincide with the two directions of the pixel array of the image display elements 3 arrayed two-dimensionally. That is, in general, the pixel arrangement direction of the image display element 3 is arranged so as to be orthogonal to each other in two vertical and horizontal directions, so that the first and second optical path deflecting units 4a and 4c are arranged as shown in FIG. The transparent electrodes 43 and 44 array in each of the first and second optical path deflecting units 4a and 4c (only the transparent electrode 43 on the downstream side of the optical path is shown in FIG. And the direction of the alignment treatment of the liquid crystal layer (not shown in FIG. 14) is set.
[0092]
When a liquid crystal cell is used as the optical path deflecting units 4a and 4c, the direction of linearly polarized light that is incident light on each of the optical path deflecting units 4a and 4c needs to match the direction of deflecting the optical path of the incident light. Therefore, as described above, the polarization plane rotating means 4b is provided between the two optical path deflecting means 4a and 4c. The polarization plane rotating means 4b rotates until the linear polarization direction of the light emitted from the first optical path deflecting means 4a coincides with the optical path deflection direction of the second optical path deflecting means 4c (90 degrees in this embodiment). Then, the light is incident on the second optical path deflecting unit 4c.
[0093]
As a constituent material of the polarization plane rotating means 4b, a TN liquid crystal cell, a ferroelectric liquid crystal cell, a half-wave plate, a Faraday rotator, or the like can be used.
In the case of using a ferroelectric liquid crystal cell, it is not necessary to perform switching by applying a voltage. Therefore, it is not necessary to provide a transparent electrode, but it is necessary to optimize the alignment treatment and directionality of the transparent substrate surface. .
In addition, when using a wavelength-dependent material such as a half-wave plate, the optical path is once separated for each color of incident light by a dichroic mirror, etc., and a half-wave plate for each color is provided and synthesized again. good.
Further, since the sub-wavelength structure having a one-dimensional period exhibits birefringence, a color-compensated birefringent phase plate can be made using this property. In the phase plate having a fine structure, the wavelength dependence of the phase difference can be canceled by using a strong wavelength dispersion characteristic depending on the structure. For example, in the case of normal dispersion where the refractive index decreases as the wavelength increases, the degree of chromatic dispersion varies greatly depending on the polarization direction. Therefore, by optimizing the periodic structure, a portion where the refractive index difference Δn is proportional to the wavelength appears. Since the phase difference is inversely proportional to the wavelength, it cancels out that Δn is proportional to the wavelength, and the wavelength dependency can be eliminated.
[0094]
As described above, the optical path deflecting units 4a and 4c for deflecting the optical path in two directions that coincide with the pixel arrangement direction on the image display element 3 are provided, and further, the polarized light is provided between the two optical path deflecting units 4a and 4c. By providing the surface rotating means 4b, the observation image 4o shown in FIG. ₂ As described above, it is possible to display a high-definition image in which the apparent number of pixels is increased in two vertical and horizontal directions orthogonal to each other.
Accordingly, it is not necessary to use a complicated electrode configuration in which the optical path is deflected in two vertical and horizontal directions using a liquid crystal microlens having a circular hole electrode pattern as in the prior art, and a relatively simple electrode configuration. By combining the elements, optical path deflection (that is, pixel shift) in two vertical and horizontal directions can be realized. (Claims 5 Corresponding to the invention described in the above)
[0095]
Next, regarding each embodiment of the image display device according to the present invention, the results of various evaluation tests will be described with more specific configuration examples.
[0096]
(Evaluation Test Example 1)
In the image display device shown in FIG. 1, a 0.9-inch diagonal XGA (1024 × 768 dots) polysilicon TFT liquid crystal panel is used as the image display element 3, and the pixel pitch is about 18 μm in both vertical and horizontal directions. The rate is about 50%. In addition, a microlens array is provided on the light source side of the image display element 3 to increase the collection rate of illumination light.
[0097]
In addition, a so-called field display is performed in which an LED light source of RGB three primary colors is used as the light source 1, and the color of illumination light applied to one polysilicon TFT liquid crystal panel forming the image display element 3 is switched at high speed. The sequential method is adopted. When the frame frequency of image display is 60 Hz, in general, since one frame is further divided into three colors, the image corresponding to each color is switched at 180 Hz.
[0098]
By turning ON / OFF the LED light source of the corresponding color in accordance with the image display timing of each color of the polysilicon TFT liquid crystal panel, it seems to the observer that a full color image is displayed. Such a method can be constituted by a single polysilicon TFT liquid crystal panel without using a color filter, and is advantageous in reducing the size of the apparatus together with the high definition of the image. Therefore, in this evaluation test example 1, the field sequential method and the pixel shift method are used in combination.
[0099]
Here, in order to perform double pixel multiplication in the horizontal direction of the screen, it is necessary to shift the pixel position at a period of 120 Hz which is twice the frame frequency of the image display. The display time is within 8.3 milliseconds. The display time includes a time required for switching the optical path (that is, an optical path switching time) Δt and a time during which the polysilicon TFT liquid crystal panel can be used for image display.
On the other hand, the longer the time that can be used for image display, the longer the LED light emission time of the field sequential method, so that the light emission luminance of the LED can be reduced and the burden on the LED light source is reduced.
[0100]
Accordingly, the optical path switching time Δt is preferably as short as possible, and high-speed optical path switching means is required. In the image display device shown in this evaluation test example 1, a two-frequency driving method of a nematic liquid crystal cell that can be switched at high speed with a switching time of 1 millisecond or less was adopted. As the optical path switching means capable of high-speed operation, in addition to the two-frequency driving method, a method of changing the tilt angle of the refracting plate using a swing mechanism such as a piezoelectric actuator is possible. This is not preferable because vibration and noise may occur with the use of such a swinging motion.
[0101]
Next, a manufacturing process of the liquid crystal microlens array forming the optical path deflecting unit 4 will be described in detail.
First, an ITO (Indium Tin Oxide) deposited film was etched on a thin glass substrate (3 cm × 4 cm, thickness 0.15 mm) to form an ITO transparent electrode line having a width of 10 μm and an arrangement pitch of 18 μm.
Next, skewed electrodes that were alternately connected were formed so that the same voltage could be applied alternately to the ITO transparent electrode lines.
Further, a polyimide-based alignment material was spin-coated on the glass substrate surface on which the ITO transparent electrode line was formed to form an alignment film of about 0.1 μm.
Thereafter, the glass substrate was annealed and then rubbed in a direction perpendicular to the ITO transparent electrode line.
[0102]
The two glass substrates produced by this production process are opposed to each other with the ITO transparent electrode line formation surface facing each other, and a spacer member having a thickness of 8 μm is sandwiched between the peripheral portions of the glass substrate, and Align and paste together so that the placement positions of both ITO transparent electrode lines formed on the two glass substrates opposed to each other match, creating an empty cell with a hollow in the middle did.
Next, a nematic liquid crystal having a positive dielectric anisotropy was injected into the empty cell under normal pressure to produce a liquid crystal cell. Here, since the rubbing treatment directions applied to the two upper and lower glass substrates are the same, as shown in FIG. 3A, all the liquid crystal molecules 46 are aligned in the same direction. (In FIG. 3A, the long axis of the liquid crystal molecules 46 is aligned in the left-right direction of the paper surface).
[0103]
Next, in order to confirm the operation of the manufactured liquid crystal cell, the following verification test was performed. That is, the image display device simulates a transmissive liquid crystal light valve to be disposed in front of the liquid crystal cell, has an opening with an opening width of 13 μm × 13 μm square, and the vertical and horizontal arrangement pitch of the opening is 18 μm. A light shielding mask is prepared, and the light shielding mask is disposed on the incident side of the liquid crystal cell.
Furthermore, after aligning so that the center of the opening part of the said light shielding mask and the center of the ITO transparent electrode line of the said liquid crystal cell might correspond, it mutually affixed.
[0104]
Thereafter, when the liquid crystal cell is irradiated with perpendicularly incident parallel light from the light shielding mask side and observed from the emission side of the liquid crystal cell, the shape of the opening of the light shielding mask is observed as it is. Thus, it was confirmed that the incident parallel light was transmitted as it was in the state where the liquid crystal cell had no electric field.
[0105]
Furthermore, as shown in FIG. 7, when a voltage of about 3 V is applied to one of the ITO transparent electrode lines, the liquid crystal lens effect as shown in FIG. It was. That is, when the diffused light having a thin diffusion layer is put on the emission side of the liquid crystal cell and the diffused light on the emission surface of the liquid crystal cell is observed, the opening width of the opening of the light shielding mask is from 13 μm × 13 μm square. It was confirmed that the pixel size was reduced to about 4 μm × 13 μm and arranged at a pixel position such as the solid line of the emission side pixel described in the upper part of FIG.
Next, when the ITO transparent electrode line to which the voltage is applied is switched and applied to the other ITO transparent electrode line, the focal position of the reduced optical path (that is, the opening width of about 13 μm × 13 μm square to about 4 μm × 13 μm) is obtained. It has confirmed that it moved and was arranged in the pixel position like the broken line of the radiation | emission side pixel described in the upper part of FIG.
Therefore, it was confirmed that the liquid crystal cell was operating as a liquid crystal lens cell having a liquid crystal lens effect having both an image reduction effect (condensing effect) and a pixel shift effect (optical path deflection effect).
[0106]
Next, the liquid crystal lens cell having such a liquid crystal lens effect is disposed immediately after the transmissive liquid crystal light valve constituting the image display element, and the pixel position of the image display element and the ITO transparent electrode line of the liquid crystal lens cell As shown in FIG. 9, the positional relationship was adjusted so that the positional relationship was shifted by half a pixel, and a liquid crystal lens cell was manufactured.
[0107]
Thereafter, a small white lamp was used as a light source, and a black and white display observation experiment was performed using a transmissive liquid crystal light valve. That is, the transmissive liquid crystal light valve is driven by a 120 Hz subfield image signal, and the voltage applied to the ITO transparent electrode line is switched in synchronization with switching the driving frequency of the applied voltage to the ITO transparent electrode line of the liquid crystal cell. Were switched alternately. That is, among the alternating ITO transparent electrode lines, a low frequency voltage of 200 Hz was applied to one transparent electrode line group, and a high frequency voltage of 100 KHz was alternately applied to the other transparent electrode line group. Under such conditions, when the switching time of the liquid crystal lens cell was measured, it was 0.8 milliseconds, and it was confirmed that the switching as fast as the target was possible.
[0108]
In this evaluation test example 1, as shown in FIG. 9, since the shift direction of each pixel is not the common direction, the subfield image of the transmissive liquid crystal light valve is corrected and driven.
When a diffuser plate having a thin diffusion layer is put on the exit side of the liquid crystal lens cell and the diffused light on the exit surface of the liquid crystal lens cell is enlarged and observed, the pixel density in the horizontal direction, that is, the horizontal direction of the screen is twice as high. A fine display image was obtained.
[0109]
(Evaluation Test Example 2)
However, in the case of Evaluation Test Example 1, there may be a portion where the pixel size is not uniform in the vicinity of the periphery of the image. This non-uniformity is caused by the fact that the light emitted from the liquid crystal lens cell is not parallel light as a result of the non-uniform spacing between the exit surface of the liquid crystal lens cell and the diffusion plate. The pixel size on the diffuser plate is changed due to the condensing of the generated optical path.
Then, next, an evaluation test for collimating the light emitted from the liquid crystal lens cell (that is, deflected image light) was performed.
[0110]
First, a liquid crystal lens cell was produced in the same manner as in Evaluation Test Example 1. Further, as shown in FIG. 10, a cylindrical micro concave lens array having a pitch of 18 μm equal to the pixel pitch on the incident side was provided on the exit surface of the liquid crystal lens cell thus produced. Furthermore, as shown in FIG. 10, the concave lens array is installed at a position shifted by half a pixel from the incident-side pixel position, and the light emitted from the concave lens array is uniform over the entire screen. The focal length of each concave lens of the concave lens array was adjusted so that the amount of optical path shift was small. That is, the optical path deflecting means that sets the focal length of each concave lens so that the light emitted from the liquid crystal lens cell and collected becomes parallel light, and the optical path of the emitted light can be shifted in the same direction. Was made.
[0111]
Thereafter, as in the case of the evaluation test example 1, when the diffused light on the exit surface of the optical path deflecting means was directly and enlarged observed using the diffusion plate, unlike the case of the evaluation test example 1, A high-definition image having a constant pixel size and a double pixel density in the horizontal direction could be observed over the entire screen.
[0112]
(Evaluation Test Example 3)
Next, an evaluation test was performed in the case where the pixel shift was performed in two vertical and horizontal directions.
First, in order to produce a polarization plane rotating element, a polyimide alignment material was spin-coated on a thin glass substrate (3 cm × 4 cm, thickness 0.15 mm) to form an alignment film of about 0.1 μm. The glass substrate was annealed and then rubbed.
A spacer member having a thickness of 8 μm is sandwiched between the two glass substrates manufactured in this manufacturing process so as to face each other vertically, and the two glass substrates are bonded to each other so that the rubbing directions are orthogonal to each other. A hollow empty cell was produced.
Thereafter, a TN liquid crystal cell in which a nematic liquid crystal having a positive dielectric anisotropy and a proper amount of a chiral material mixed therein is injected into the empty cell under normal pressure, and the orientation of liquid crystal molecules is twisted by 90 degrees. Was made. Since the TN liquid crystal cell does not have an electrode, it functions as a simple polarization plane rotation element.
[0113]
Further, two optical path deflecting means (that is, liquid crystal lens cells) similar to those in Evaluation Test Example 2 are produced, and the direction of the ITO transparent electrode line of the first optical path deflecting means and the ITO transparent electrode line of the second optical path deflecting means. The polarization plane rotation element is arranged in the middle thereof. Of the two optical path deflecting units, the polarization plane of the light emitted from the first optical path deflecting unit disposed on the incident light incident side coincides with the rubbing direction of the incident plane of the polarization plane rotating element (that is, The polarization plane rotating element in a state in which the direction of the polarization plane rotating element is adjusted so that the direction of the transparent electrode line of the first optical path deflecting unit and the rubbing direction of the incident plane of the polarization plane rotating element are orthogonal to each other However, it is disposed between two optical path deflecting means.
[0114]
In the optical system having such an arrangement, the light emitted from the second optical path deflecting unit (that is, the deflected image light) was directly observed on the diffusion plate in the same manner as in Evaluation Test Examples 1 and 2. In this evaluation test example 3, the pixel shift is performed in two vertical and horizontal directions, but even in such a case, the frequency of the applied voltage for performing the pixel shift in each vertical and horizontal direction is 120 Hz, and one direction This is the same as the case of pixel shift. However, in Evaluation Test Example 3, the drive timing was set such that the phases of the vertical direction and the horizontal direction were shifted by 90 degrees from each other, and the pixels were shifted in four directions together. Therefore, the subfield image displayed on the image display element is rewritten at a cycle of 240 Hz, and a high-definition image that can be seen by multiplying the apparent number of pixels by four times in the vertical and horizontal directions can be displayed. In addition, no flicker was observed.
[0115]
In the above evaluation test examples 1, 2, and 3, for example, each pixel of the image display element 3 shown in FIG. 1 is directly or as shown in FIG. Although the evaluation result observed through the magnifying lens system is shown, the same effect can be obtained even when the image is projected onto the screen 6 through the projection lens 5 of FIG.
[0116]
【The invention's effect】
(Effects of the invention according to any one of claims 1 to 3)
Instead of using a mechanical movement mechanism, By alternately switching and applying voltages to transparent electrodes having a relatively wide arrangement interval, the liquid crystal layer has a lens-like (for example, convex lens-like) refractive index distribution, and the focal position of the lens is determined. Since the liquid crystal microlens that can be electrically controlled is formed and the voltage application position is alternately switched, the optical path of the image light from the pixel of the image display element is condensed and the focal position ( That is, the condensing position) can be shifted. That is, an efficient pixel reduction function and a pixel shift function can be achieved by a single element (liquid crystal microlens). As a result, The position of the display pixel can be shifted at high speed, and the occurrence of vibration and noise can be suppressed.
Also ,You see It is possible to display a high-definition image in which the number of pixels on the screen is multiplied.
[0118]
Further, even when an image display element having a high aperture ratio but a large pixel pitch is used, it is possible to achieve high resolution by pixel multiplication without reducing light utilization efficiency.
Therefore, even if a relatively low resolution image display element is used as it is, a bright and high resolution image can be realized at a low cost with a simple element configuration.
[0119]
(Claims 4 (Effects of invention described in 1)
Said claim 1 The optical path of the light deflected and collected by the liquid crystal microlens according to the invention described in (1) is not parallel to the optical axis. Therefore, when the position accuracy of the optical device to which such a liquid crystal microlens is applied is poor, there is a possibility that the pixel size and the pixel pitch may not be constant for each pixel. However, this claim 4 Since the light condensed by the convex lens effect of the liquid crystal layer can be collimated by the concave lens array arranged on the emission side of the liquid crystal microlens, the pixel size and the pixel are set for each pixel. The pitch can be made constant, and high-quality image display can be realized over the entire display image area.
[0120]
(Claims 5 (Effects of invention described in 1)
By combining an optical path deflecting unit that performs pixel shift in the horizontal direction of the image and an optical path deflecting unit that performs pixel shift in the vertical direction, pixel multiplication in the two-dimensional direction can be performed. Since the linear polarization planes that can be deflected are different only by a combination of means, pixel shift cannot be performed in two vertical and horizontal directions. Thus, this claim 5 As in the invention according to the present invention, the polarization plane rotating means is provided between the two optical path deflecting means so that the linear polarization plane of the incident light to the latter optical path deflecting means coincides with the pixel shift direction of the latter optical path deflecting means. Thus, the pixel shift in the two-dimensional direction can be surely performed.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing an overview of a configuration example of an image display device according to the present invention.
FIG. 2 is a schematic diagram showing an example of an apparent pixel multiplication displayed on a screen.
[Fig. 3] As a reference example of the image display device according to the present invention, FIG. 2 is a cross-sectional view of a liquid crystal cell when the liquid crystal cell serving as an optical path deflecting unit is cut along the optical axis.
4 is a schematic diagram showing a refractive index distribution with respect to linearly polarized light in the optical path deflecting means shown in FIG. 3. FIG.
5 is a schematic diagram showing an optical path when linearly polarized light emitted from four pixels of a transmissive liquid crystal light valve forming an image display element is incident on a liquid crystal cell forming the optical path deflecting means shown in FIG. FIG.
FIG. 6 is a perspective view schematically showing an arrangement position of an optical path deflecting unit in the image display apparatus.
FIG. 7 shows an optical path deflecting unit in the image display apparatus according to the present invention. The fruit It is sectional drawing which shows embodiment.
8 is a schematic diagram showing a refractive index distribution for linearly polarized light in the optical path deflecting means shown in FIG.
9 is a schematic diagram showing an optical path when linearly polarized light emitted from four pixels of a transmissive liquid crystal light valve forming an image display element is incident on a liquid crystal cell forming the optical path deflecting means shown in FIG. FIG.
FIG. 10 is a schematic diagram showing an embodiment in the case where a beam collimating unit is provided on the exit side of the optical path deflecting unit in the optical path deflecting unit shown in FIG.
FIG. 11 is a cross-sectional view showing a configuration when upper and lower transparent electrodes in an optical path deflecting unit are arranged in an array.
12 is a cross-sectional view showing a configuration when an auxiliary transparent electrode array is further added to the optical path deflecting means shown in FIG.
FIG. 13 is a structural schematic diagram showing an outline of still another structural example of the image display device according to the present invention.
14 is a perspective view schematically showing the arrangement position of the optical path deflecting means shown in FIG.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Light source, 2 ... Illuminating device, 2a ... Diffuser plate, 2b ... Condenser lens, 3 ... Image display element, 3z ... Polarization direction of linearly polarized light, 4, 4a, 4c ... Optical path deflecting means, 4b ... Polarizing surface rotating means, 4o ₁ , 4o ₂ ... observation image, 4z ... pixel shift direction, 5 ... projection lens, 6 ... screen, 7 ... light source drive means, 8 ... display drive means, 9 ... optical path deflection drive means, 10 ... image display control circuit, 41, 42 ... transparent Substrate, 43, 44 ... transparent electrode, 45 ... liquid crystal layer, 46 ... liquid crystal molecule, 47 ... auxiliary transparent electrode, 49 ... light beam collimating means.

Claims

Based on image information, an image display element in which a plurality of pixels capable of controlling illumination light are two-dimensionally arranged, and an image field indicating the display time of the image information is further divided into a plurality of image subfields. Display driving means capable of driving the image display element in a divided manner, and an optical path for deflecting an optical path of image light incident from each pixel driven for each image subfield by the display driving means by having a deflection unit, an image display device capable of displaying by multiplying the number of pixels on the apparent of the image display device, the optical path deflecting means, and two transparent substrates, each A transparent electrode disposed on the transparent substrate, and a liquid crystal layer interposed between the two transparent substrates, before being disposed on at least one of the transparent electrodes The transparent electrode is a transparent electrode array formed in an array with an arrangement pitch corresponding to the pixel pitch of the pixel, and the liquid crystal layer includes the transparent electrode array and the transparent electrode on the other transparent substrate. And a voltage application state to the transparent electrode array for each image subfield in synchronization with the display driving means. In the image display device that changes a state, the optical path deflecting unit is configured to apply the image light incident from each pixel according to a voltage application state to the transparent electrode array arranged at a predetermined arrangement pitch. A liquid crystal microlens array that can collect light is formed, and the position of the transparent electrode to which voltage is applied in the transparent electrode array is sequentially switched between adjacent transparent electrodes. By Erareru, along said direction of arrangement of the transparent electrode array, an image display apparatus, wherein a focal position of the liquid crystal microlens array, moved sequentially switching times.

2. The image display device according to claim 1, wherein the arrangement pitch of the transparent electrode array formed in an array is one-to-one with the pixel pitch at an arrangement pitch corresponding to the pixel pitch of the pixels. An image display device that is not limited to the interval, but is made equal to an integer multiple of the pixel pitch or an interval of an integer.

3. The image display device according to claim 1, wherein the disposition pitch of the transparent electrode array is a disposition pitch for each set of the transparent electrodes, with a plurality of transparent electrodes as one set. An image display device characterized by the above.

The image display device according to claim 1 , wherein the optical path deflecting unit includes a concave lens array capable of emitting the light collected by the liquid crystal microlens array as parallel light parallel to an optical axis. An image display device characterized in that the image display device is provided on the exit surface side of the means.

The image display device according to any one of claims 1 to 4, with respect to two-dimensional arrangement direction of the pixels along the first pixel arrangement direction of the pixels, of the image light being incident A first optical path deflecting means capable of deflecting an optical path and / or moving a focal position at which the image light is collected, and the first optical path deflection along a second pixel arrangement direction of the pixels; A second optical path deflecting means capable of deflecting an optical path of the image light incident through the means and / or moving a focal position where the image light is collected, and further, a straight line Polarization plane rotating means capable of rotating the direction of the polarization plane of polarized light from the first pixel arrangement direction to the second pixel arrangement direction are the first optical path deflection means and the second optical path deflection means. An image display device characterized by being arranged between the two.