JP4057320B2 - Optical path deflecting device and image display device - Google Patents

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【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光路偏向装置と、その光路偏向装置を備え、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応用される画像表示装置に関する。より詳しくは、光軸をシフトさせて実画素数を増倍させる光路偏向装置と、画像情報に従って光を制御可能な複数の画素を有する小型の画像表示素子をレンズで拡大した画像を観察する画像表示装置に関し、特に、前記光路偏向装置を用いて光軸をシフトさせて実画素数を増倍させる画素シフト方式の画像表示装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
画像表示装置に関する従来技術として、画像表示素子の画素数を見かけ上増倍して高解像表示する技術が知られている。
例えば、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、記録装置および再生装置」には、LCD等の画像表示装置の画素数を増加させることなく、表示画像の解像度を、見掛け上、向上させることが記載されている。また、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と、観測者またはスクリーンとの間に、光路をフィールドごとに偏向する光学部材を配することが記載されている。さらに、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表示画素パターンを画像表示装置に表示することが記載されている。また、屈折率が異なる部位が、画像情報のフィールドごとに、交互に、画像表示装置と観測者またはスクリーンとの間の光路中に現れるようにすることで、前記光路の偏向が行われることが記載されている。
【0003】
特開平10−020242号公報「投射型表示装置」には、画像表示素子とマイクロレンズアレイを組合わせ、マイクロレンズアレイを振動させることで、画素シフトを行うことが記載されている。
また、本発明に直接関連する内容として、本文中に「本実施の形態では複数画素に対応したマイクロレンズアレイ4を移動変化させたが、光変調素子の隣接する複数画素からの出射光をそれぞれの口径内に含む複数の集光光学素子を隣接配置した集光手段と、集光手段により離散的にされた投射画像を補間するように投射領域を偏向する手段があればよいので、例えば文献(佐藤進;液晶を利用した焦点可変レンズ,光技術コンタクト,Vol32,No.11,p.24〜p.28,1994)に開示されているような液晶レンズを利用し、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ようにしてもよい。」との記載がある。但し、上記文献に記載の円形穴形パターンを持つ液晶マイクロレンズアレイでは光軸方向での焦点距離を変化させることは比較的容易であるが、レンズアレイの配列方向で集光位置を変化させることはできない。
【0004】
そこで、レンズの配列面方向での集光位置を制御する技術として特開平11−109304号公報のように分割電極による方法が開示されている。しかし、分割電極を有する液晶レンズをアレイ状とした場合、電極配線が複雑となるため、レンズ形成の間隔を比較的広く設定しなければならない。また、特開平11−109304号公報に開示されいるような半導体レーザーアレイと複数の光ファイバー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がある。
【0005】
米国特許USP6082862「IMAGE TILING TECHNIQUE BASED ON ELECTRICALLY SWITCHABLE HOLOGRAMS」には、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が開示されており、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ことが記載されている。
【0006】
光路を偏向する技術として、例えば、特開平10−133135号公報「光ビーム偏向装置」では、回転機械要素を不要化でき、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案している。
この光ビーム偏向装置は、光ビームの進行路上に配置される透光性の圧電素子と、この圧電素子の表面に設けられた透明の電極と、圧電素子の光ビーム入射面Aと光ビーム出射面B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電極を介して圧電素子に電圧を印加する電圧印加手段とを備えている。
【0007】
液晶を用いた光偏向技術として、例えば、IBM Technical Disclosure Bulletin, Vol.15, No.8 (1973)“LIGHT SCANNER EMPLOYING A NEMATIC LIQUID CRYSTAL”には、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ることが記載されている。
また、ELECTRONICS LETTERS, Vol.11, No.16 (1975)“LARGE-ANGLE BEAM DEFLCTOR USING LIQUID CRYSTAL”には、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ることが記載されている。
しかし、いずれも単一ビームの偏向器であり、そのままでは二次元画像の画素シフトには適用できない。
【0008】
液晶マイクロレンズに関する技術として、O plus E, Vol.20, No.10 (1998)「液晶マイクロレンズ」には、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で、光軸方向以外に焦点を移動することができることが記載されている。
しかし、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。
【0009】
特許第03016744号公報「液晶マイクロレンズ」には、ネマチック液晶中で光重合によるポリマーを形成することが記載されている。また、メモリー性があり、レンズ特性が可変にできることが記載されている。
さらに、特開平11−109303号公報、特開平11−109304号公報の「光結合器」には、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て、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ことや、分割電極により焦点位置の制御も可能であることが記載されている。
しかし、アレイ状とした場合、電極配線が複雑となるため、レンズ形成の間隔を比較的広く設定しなければならない。半導体レーザーアレイと複数の光ファイバー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。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
画像情報に従って光を制御可能な複数の画素を有する画像表示素子をレンズで拡大した画像を観察する画像表示装置としては、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で広く使用されている。この画像表示用素子としては、CRT、液晶パネル、DMD(商品名:テキサスインストルメント社:米国)等が商品として使用されており、また、無機EL、無機LED、有機LED等も研究されている。また、小型の画像表示素子をレンズで拡大した画像を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、蛍光表示管等が商品として使用されており、また、FED(フィールドエミッションディスプレイ)、PALC(プラズマアドレッシングディスプレイ)等も研究されている。これらは、自発光型と空間光変調器型の2つに大きく分類されるが、いずれも光を制御可能な複数の画素を有するものである。
【0011】
これらの画像表示装置に共通の課題は、高解像度化、つまりは大画素数化であり、ブロードキャストの表示を目的とした走査線1000本程度のHDTV用の表示装置が既に商品化され、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本程度の開発品が、液晶パネルを用いた技術で発表されている(‘98フラットパネルディスプレイ展にて日本IBM社のQSXGA2048本、‘99電子ディスプレイ展にて東芝社のQUXGA2400本等)。しかしながら、画素数を増加させることは、液晶パネルの歩留まりを低下させ、また開口率を減少するなどにより、コストが増加したり、輝度やコントラストが低下したり、消費電力が増加したりしていた。
【0012】
これらの問題に対して、特開平4−113308号公報、特開平5−289004号公報、特開平6−324320号公報等には単一の画像表示素子を用いて2倍の画素数を有するインタレース表示を行う画像表示装置が記述されている。また、特開平7−36054号公報には、単一の画像表示素子を用いて4倍以上の画素数を有する表示装置が記述されている。これらは、画像表示素子から出射した光路を時分割で高速に偏向させ、見かけ上画素数を増大させる方法、いわゆる画素シフト方式である。特開平6−324320号公報には光路を偏向する手段として、電気光学素子と複屈折材料の組合わせ機構、レンズシフト機構、バリアングルプリズム、回転ミラー、回転ガラス等が記述されており、特開平7−104278号公報にはウエッジプリズムを移動する手段が記述されている。電気光学効果を示す部材と複屈折結晶との組み合わせは、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偏向手段として公知の技術である。しかし、比較的大きな複屈折結晶を必要とし、装置コストがアップする。また、レンズシフト機構、つまりは往復運動させる駆動系としては、ボイスコイル、圧電素子、バイモルフ、ステップモータ、ソレイドコイル等が記載されているが、数十から数百Hz程度で往復運動を行うと振動や音の発生が問題となる。バリアングルプリズムも基板が往復運動するため、振動や音が問題となる。特開平5−313116号公報では、画像表示素子自体を画素ピッチよりも小さい距離だけ高速に揺動させる画素シフト方式が記載されている。この方式では、光学系は固定されているで諸収差の発生が少ないが、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、可動部の精度や耐久性が要求され、振動や音が問題となる。
【0013】
特開平10−133135号公報では、透光性の圧電素子を透明の電極で挟み、電圧を印加することで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が、比較的大きな透明圧電素子を必要とし、装置コストがアップする。
特開平6−208345号公報や特開平6−324320号公報には、透明な板状の屈折板の厚さや傾斜角度を切換えることによって光路のシフト量を変化させる方法の記載があり、切換え方式として一枚の円形回転体の屈折板の厚さや傾斜角度が部分的に異なる構成が例示されている。しかし、一枚の円形回転体では一次元方向のみの光路シフトであること、比較的大きな円形回転体を有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。
【0014】
本発明は、以上の課題を解決するためになされたものであり、二枚の光路偏向手段を用いて二次元的に光を偏向させる光路偏向装置において、光路偏向手段の液晶の配向方向とライン電極の相対的位置関係を規定することで、ディバイスの作成時間の短縮やコスト低減を図ることを目的とする。また、本発明は、上記光路偏向装置を用い、機械的な振動機構を設けることなく、比較的簡単な電極構成で電気光学的な効果により光路シフトを行い、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、表示品質を向上させることができる構成の画像表示装置を提供することを目的とする。
【0015】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項1に係る発明は、画像表示装置に用いられ、画像表示素子の画素の2次元的な配向方向に対応して設けられた各画素からの出射光の光路を偏向する光偏向素子よりなる光路偏向手段を有する光路偏向装置であって、前記画素の2次元的な配向方向に対して第一の画素配列方向に沿って光路の偏光または焦点位置の移動が可能な第一の光路偏向手段と第二の画素配列方向に沿って光路の偏向または焦点位置の移動が可能な第二の光路偏向手段とからなる一対の光路偏向手段と、該一対の光路偏向手段の間に設けられた偏光面回転手段とから構成され、前記一対の光路偏向手段の光偏向素子がそれぞれ、二枚の基板と、少なくとも一方の基板上に画素ピッチに対応して形成したライン電極アレイと、該二枚の基板間に設けられ電圧印加によって屈折率分布の制御が可能な液晶層と、少なくとも一方の液晶層界面に接して設けられ液晶分子方向を規制する配向膜とを有し、それぞれの光偏向素子においてライン電極に対する配向膜の配向処理方向が同一であることを特徴としている。
【0016】
請求項2に係る発明は、請求項1記載の光路偏向装置において、前記光偏向素子の配向膜の配向処理方向が、それぞれライン電極のライン方向と略平行であることを特徴としている。
また、請求項3に係る発明は、請求項1記載の光路偏向装置において、前記光偏向素子の配向膜の配向処理方向をライン電極のライン方向から45°以上135°以下とすることを特徴としている。
さらに請求項4に係る発明は、請求項1記載の光路偏向装置において、前記光偏向素子の液晶層に高分子を含むことを特徴としている。
【0017】
請求項5に係る発明は、請求項1記載の光路偏向装置において、前記偏光面回転手段として、直線偏光の偏光面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高分子液晶よりなる偏光面回転手段を設けたことを特徴としている。
また、請求項6に係る発明は、請求項1記載の光路偏向装置において、前記光偏向素子の一方の基板が垂直配向処理されていることを特徴としている。
さらに請求項7に係る発明は、請求項1記載の光路偏向装置において、前記光偏向素子の配向膜が、光照射によって配向規制力を生じ得るものであることを特徴としている。
【0018】
請求項8に係る発明は、画像情報に従って光を制御可能な複数の画素が二次元的に配列した画像表示素子と、該画像表示素子を照明する光源及び照明装置と、前記画像表示素子に表示した画像パターンを観察するための光学装置と、画像フィールドを時間的に分割した複数のサブフィールドで形成する表示駆動手段と、前記画像表示素子の画素の2次元的な配向方向に対応して設けられ各画素からの出射光の光路を偏向する光偏向素子よりなる光路偏向手段を有する光路偏向装置とを備え、サブフィールド毎の光路の偏向状態に応じて表示位置がずれている状態の画像パターンを表示することで、前記画像表示素子の見かけ上の画素数を増倍して表示する画像表示装置において、前記光路偏向装置として、請求項1〜7のいずれか一つに記載の光路偏向装置を備えたことを特徴としている。
【0019】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の構成、動作および作用について、図面を参照して詳細に説明する。
図1は本発明の一実施形態を示す画像表示装置の構成説明図である。この画像表示装置は、光源1、光源駆動手段2、照明装置3、画像表示素子4、表示駆動手段5、光路偏向装置6、光路偏向駆動手段7、画像表示制御回路8、投射レンズ9、スクリーン10などから構成されている。光源1としては、白色あるいは任意の色の光を高速にON/OFFできるものならば全て用いることができる。例えば、LEDランプやレーザー光源、白色のランプ光源にシャッターを組合わせたものなど用いることができる。照明装置3は光源1から出た光を均一に画像表示素子4に照射するものであり、フライアイレンズ、拡散板、コンデンサレンズなどから構成される。画像表示素子4は、入射した均一照明光を空間光変調して出射するもので、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。
【0020】
光源駆動手段2で制御されて光源1から放出された光は、照明装置3の拡散板により均一化された照明光となり、コンデンサレンズにより画像表示素子4をクリティカル照明する。ここでは、画像表示素子4の一例として透過型液晶ライトバルブを用いている。この液晶ライトバルブ4で空間光変調された照明光は、画像光として投射レンズ9で拡大されスクリーン10に投射される。ここで、液晶ライトバルブ4の後方に配置された光路偏向装置6によって画像光が画素の配列方向に任意の距離だけシフトされる。
【0021】
図1の構成では、液晶ライトバルブ4の直後に光路偏向装置6を設置しているが、この位置には限定されず、スクリーンの直前などでも良い。但し、スクリーン付近に設置する場合、光路偏向装置6を構成する光路偏向手段(例えば液晶光偏向素子)の大きさや電極ピッチなどは、その位置での画面サイズや画素サイズに応じて設定される。いずれの場合でも、シフト量は画素ピッチの整数分の1であることが好ましい。画素の配列方向に対して2倍の画像増倍を行う場合は画素ピッチの1/2にし、3倍の画素増倍を行う場合は画素ピッチの1/3にする。この光路偏向装置6を構成する光路偏向手段を画素配列方向の縦横二次元に用いることにより(例えば光路偏向装置6として、2倍の画像増倍を行う光偏向素子を二枚用いることにより)、図2のように見かけ上の画素4倍の効果が得られ、使用した液晶ライトバルブ4の解像度以上の高精細な画像を表示することができる。また、光路偏向装置6の構成によってシフト量が大きくなる場合には、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。いずれの場合も、画素のシフト位置に対応したサブフィールドの画像信号で液晶ライトバルブ4を駆動する。
【0022】
図1の構成では、単板の透過型液晶ライトバルブと単色LEDランプを用いた単色の画像表示装置を示したが、三源色の光源/照明装置と3枚の画像表示素子を用いて、三原色の画像を混合して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を時間順次に三原色光で照明するフィールドシーケンシャル方式でもフルカラー画像を表示することができる。この時、三色の光源からの光路をクロスプリズムで混合して照明しても良いし、白色ランプ光源と回転カラーフィルターの組み合わせて時間順次の三原色光を生成しても良い。
【0023】
本発明では、光路偏向装置6で縦横二方向に画素増倍を行うことを特徴としており、具体的には図3に示すような構成の光路偏向装置6を用いる。この光路偏向装置6は、光路を図1の紙面に垂直な方向(図3のSX 方向)にシフトさせる第一の光路偏向手段6aと、図1の紙面の上下方向(図3のSY 方向)にシフトさせる第二の光路偏向手段6bと、その間に設けた偏光面回転手段6cから成る。本発明では光路偏向装置6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画素の二次元的な配列方向に対して一枚づつ合計二枚の光路偏向手段(光偏向素子)6a,6bを用い、画像表示素子4の見かけ上の画素数を増倍して表示する画像表示装置であり、前記第一、第二の光路偏向手段(光偏向素子)6a,6bのそれぞれが、二枚の基板と、少なくとも一方の基板上に画素ピッチに対応して形成したライン電極アレイと、該二枚の基板間に電圧印加によって屈折率分布の制御が可能な液晶層と、少なくとも一方の液晶層界面に接して設けられ液晶分子方向を規制する配向膜とを有している。そして、本発明の画像表示装置では、表示駆動手段5と同期してライン電極アレイへの電圧印加状態を変化させる光路偏向駆動手段7において、画素の二次元的な配列方向に対して、第一の画素配列方向に沿って光路の偏向または焦点位置の移動が可能な第一の光路偏向手段(光偏向素子)6aと、第二の画素配列方向に沿って光路の偏向または焦点位置の移動が可能な第二の光路偏向手段(光偏向素子)6bを有し、該光路偏向手段(光偏向素子)を構成する基板の少なくとも一方の基板を配向処理し、配向膜の配向処理方向を第一の光路偏向手段(光偏向素子)6aにおける液晶のライン電極に対する配向処理方向と、第二の光路偏向手段(光偏向素子)6bにおける液晶のライン電極に対する配向処理方向を一致させることを特徴としている(請求項1,8)。この場合、仮に、配向膜が各光路偏向手段(光偏向素子)6a,6bにおいて液晶層の両側に設けられ、これらの配向方向が異なる場合においても、第一及び第二の光路偏向手段(光偏向素子)6a,6bにおいては、互いに液晶層の両側に対応する配向膜が設けられ、各配向膜の配向処理方向が同一の方向となるように設定されることを意味する。
【0024】
液晶セル基板の材質としては、ガラス、プラスチック等を使用できる。電極の材質としては、ITO、Cr等が利用できる。電極層は液晶層側になるように設置する。また、使用する基板自身が導電性を有している場合は、基板を電極としても利用することができる。少なくとも一方の基板側では、ライン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、ライン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に限らず、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る。また、複数本のライン電極を一組として、その組を画素ピッチに対応させる場合も有り得る。
【0025】
ライン電極の液晶層に接する面は、液晶分子が配向するように処理されており、配向処理には、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が利用できるが、配向処理としてラビング処理等を施すことが好ましい。また、配向処理として光配向を用いることにより、配向膜への汚染や静電気の発生が起こらないため、工程の清潔性が維持でき液晶の均一性が高まるため、高精細な綺麗な画像が得られより好ましい(請求項7,8)。
【0026】
配向処理方向は第一の光路偏向手段(光偏向素子)6aにおける液晶のライン電極に対する配向処理方向と、第二の光路偏向手段(光偏向素子)6bにおける液晶のライン電極に対する配向処理方向を一致させることで、二つのディバイス間で電圧に対する液晶の動作が同様となるので液晶駆動方法が単純となる。また、第一と第二の光路偏向手段(光偏向素子)6a,6bは同一のディバイスでよく、ディバイス作成時間の短縮、コストダウンが図れる(請求項1,8)。さらに、配向処理方向をライン電極のライン方向と略平行とすることにより、より低電圧で必要な屈折率分布が達成されるため好ましい。これは、図4に示すように、液晶に電圧を印加した際、電極の直下にない液晶分子の配向がねじれを伴った配向となるため屈折率変化が強くなることによる(請求項2,8)。また、配向処理方向をライン電極のライン方向から45°以上135°以下とすることにより、液晶のねじれ方向が一様となり易いためディスクリネーションが少なくなり高精細な画像に適し好ましい(請求項3,8)。
【0027】
また、配向処理を片面はホモジニアス、他面は垂直配向となるように処理することにより、液晶をハイブリッド型に配向させることで液晶のねじれ方向が一様となり易いため、ディスクリネーションが少なくなり高解像度の表示が可能となる(請求項6,8)。
【0028】
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Δnや誘電異方性Δεが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、異常光屈折率が1.7〜1.8程度と大きいことが好ましい。液晶層の厚さは基板間のスペーサ部材の厚さよって設定し、Δnや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。さらに、液晶層中に高分子を含ませることにより、ディスクリネーションが減少し、さらに、セル駆動速度が上がるためスムーズな動画にも対応できる画像素子となる。これは、液晶と高分子の接触面積が広く、液晶に対する高分子の配向規制力が強いため、液晶の電界に対する応答速度を大幅に高速化できるためである。液晶としては、例えば図15に一覧で示す化学式(a)〜(g)のような構造の光硬化型の高分子液晶が上げられるが、通常の高分子でも良く、これらに限定されない(請求項4,8)。
【0029】
以下に光路偏向装置6に用いられる単一の光偏向素子の動作説明をする。実際には以下に説明する光偏向素子を二枚用いて光路偏向装置6を構成し、画素増倍させる。図5は液晶光偏向素子の構成、動作の説明図であり、図5の(a)は液晶セルの非動作時の液晶配向状態を模式的に示している。この図5(a)の例では、無電界では液晶層13の液晶分子が基板11a,11bに沿って平行になるようにホモジニアス配向処理されている。この図では液晶分子の長軸が紙面の左右方向になるような配向処理を想定している。上側の基板11bには電極ライン12bがアレイ状に形成されている。この例では、間隔の広い2本の電極ラインを一組として、画素一つに対応させる。電極間の間隔が狭い部分は画素間の境界部に対応する。下側の電極12aは基板11aの全面に形成されているが、上側基板11bと対称なアレイ電極でも良い。
【0030】
図5の(b)(動作状態▲1▼)は黒で着色して表示した電極ラインにのみ閾値以上の電圧を印加した場合を示す。電圧を印加した電極部では電界によって垂直に配向し、無印加の電極部では水平に配向したままになる。この液晶セル内部の不均一電界による配向方向の分布によって異常光に対する屈折率分布が生じる。紙面に平行な偏光面を持つ直線偏光を入射する場合、液晶分子長軸が基板に垂直に配向するにしたがって実効的な屈折率が小さくなり、図6の実線(状態▲1▼)のような屈折率分布の影響を受ける。状態▲1▼の画素の中心部に入射した偏光は屈折率の傾斜による屈折効果によって図の右側に偏向される。
【0031】
次に、図5の(c)(動作状態▲2▼)のように電圧を印加する電極を切換えると、液晶分子の配向状態も変化し、図6の破線のような屈折率分布に変化する。状態▲2▼の画素の中心部に入射した偏光は屈折率の傾斜によるレンズ効果によって図の左側に偏向される。この時の変化速度は、液晶材料の物性や電界によって最適化される。画素シフト方式では、サブフレームの時間が10msec以下とすることが好ましいため、応答時間としては数msec以下が要求される。ネマチック液晶を用いた場合には2周波駆動法または液晶層に高分子を混合する事により高速応答化しても良い。2周波駆動法を用いる場合には、一つの電極ラインに駆動周波数の異なる電圧が印加できる駆動手段を用いる必要がある。いずれかの方法で、状態▲1▼と▲2▼を液晶ライトバルブに表示するサブフレームの駆動タイミングに合わせて切換えることで、見かけ上の画素増倍作用を得ることができる。
【0032】
図7では液晶ライトバルブの四つの画素から出射して来た光が紙面下側から液晶セルに入射する場合の模式図を示している。例えば、第一のサブフレームで四つの画素がそれぞれ▲1▼▲3▼▲5▼▲7▼の状態の時、液晶セルを図5(b)の動作状態▲1▼にすると各画素からの光は右側に偏向する。第二のサブフレームでは四つの画素をそれぞれ▲2▼▲4▼▲6▼▲8▼の状態に切換え、それに同期して液晶セルを図5(c)の動作状態▲2▼に切換えると、各画素からの光は左側に偏向する。液晶セル中で斜めに進んだ光は、サブフレームを数十Hzから数百Hzで切換えることで、液晶セル上では見かけ上▲1▼▲2▼▲3▼▲4▼▲5▼▲6▼▲7▼▲8▼と並んだ八つの画素となる。また、液晶セルから出射した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ても良い。
【0033】
次に図8は画素縮小機能を備える液晶光偏向素子の構成、動作の説明図である。図8の(a)は液晶セルの非動作時の液晶配向状態を模式的に示している。この図8(a)の例では、液晶セルの上側の基板11bに画像表示素子の画素ピッチと同じピッチで電極アレイ12bが形成されている。各電極の幅は特に限定されないが、液晶セル内の所望の電界強度分布に応じて設定される。図8の(b)(動作状態▲1▼)では等間隔の電極の交互に閾値以上の電圧を印加している。この電圧印加により前述の説明のように液晶層13に屈折率分布が生じる。この例では図5に比べて電圧を印加する電極の間隔が大きく、屈折率分布も図9の実線(状態▲1▼)のようにピッチが比較的大きな凸レンズ状になっている。この場合、画像表示素子の2画素に対して一つの凸レンズ効果を持たせることが特徴である。
【0034】
ここで、図7と同様な説明図を図10に示す。本実施例では液晶セルに入射する入射側画素のサイズは比較的大きく設定される。例えば、液晶セルが図8(b)の状態▲1▼の時、四つの画素に第一のサブフレームとして▲1▼▲3▼▲5▼▲7▼の状態を表示すると、図9の実線の屈折率分布によって▲1▼と▲3▼、▲5▼と▲7▼がそれぞれ縮小される。この時、図10の上部に実線で示した出力側画素のように、画素ピッチは一定でなくなる。次に第二のサブフレームの表示タイミングに合わせて、図8(c)(状態▲2▼)のように電圧を印加する電極を切換えると、屈折率分布は図9の破線のように切換わる。ここで、第二のサブフレームとして▲2▼▲4▼▲6▼▲8▼の状態を表示すると、図10の上部の破線で示した位置に縮小された画素が移動する。サブフレームを数十Hzから数百Hzで切換えることで、液晶セル上では見かけ上▲2▼▲1▼▲3▼▲4▼▲6▼▲5▼▲7▼▲8▼と変則的に並んだ八つの画素となる。この様な変則的な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、画像表示素子上でサブフィールド画像のデータを補正して表示する。この構成では、簡単な電極構成で、液晶レンズの集光による画素縮小効果と、液晶レンズ形成位置の切換えによる画素シフト効果を一つの液晶セルで両立できる。また、図11には液晶をハイブリッド型に配向させたときの構成、動作の概略説明図を示した。
【0035】
図10の構成では、光路が液晶レンズにより集光された非平行光であるため、液晶セルの出射側からの位置によって、画素サイズが変化してしまう。例えば、投射光学系を用いずに液晶セルの出射側に拡散板などを置いて直接画像を観察するような場合、液晶セルと拡散板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。また、拡大光学系を用いる場合でも、レンズ設計の点から液晶セルからの出射光は平行であることが好ましい。そこで、本発明の他の構成では、液晶セルから出射した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。この光学素子は、液晶レンズアレイの特性が凸レンズの場合、その光路を平行光にもどすような凹レンズアレイであることが好ましい。例えば、図12は光路偏向手段の液晶セルの出射側に凹レンズアレイを設置した例を示す説明図であり、図12に示すように、凹レンズアレイは入射側の画素ピッチに等しく、入射側画素位置に対して半画素分ずらした位置に設置することが好ましい。
【0036】
図5や図8では上部基板11bの電極12bのみアレイ状に形成しているが、図13に示す液晶光偏向素子の構成例のように、上下両基板11a,11bの電極12a,12bをアレイ状に形成しても良い。また、図14に示す液晶光偏向素子の構成例のように、上下両基板11a,11bの電極12a,12bの間に、斜線部で示すような補助電極アレイ14を追加し、液晶層13内の電界分布を調整するために補助的に電圧を印加しても良い。図14では一画素に対して補助的な電極アレイ14を1本づつ追加しているが、より細かく屈折率分布を調整するために複数本づつ追加して印加電圧を段階的に変化させても良い。
【0037】
ここまでの構成では、一つの光偏向素子(液晶セル)を用いて一方向の画素増倍を行う説明を行ったが、本発明では、二つの光偏向素子(液晶セル)を用いて縦横二方向に画素増倍を行うことを特徴とし、各光路偏向手段としての液晶セルの配向処理方向が各液晶セルのライン電極に対して同方向にされているため、液晶の配列方向が90°ずれている。このため光路偏向装置6としては、図3に示したように、二つの光偏向素子(液晶セル)6a,6bの間に偏光面回転手段6cを設ける必要がある。
この偏光面回転手段6cとしては、TN液晶セルや強誘電性液晶セル、半波長板、ファラデー回転子などを用いることができる。液晶セルの場合は電界印加によるスイッチングをする必要は無いので、電極は設けなくても良いが、基板表面の配向処理やその方向性は最適化する必要がある。さらに、液晶として高分子液晶を用いることで基板が必要で無くなるため、素子を薄くすることができる。ここで高分子液晶とは、液晶層に高分子と液晶を含むものを指す(請求項5)。
【0038】
また、半波長板など波長依存性がある場合は、ダイクロイックミラーなどで色毎に光路を分離して各色毎の半波長板を設け、再び合成しても良い。このように光路偏向装置6として、二方向への光路偏向手段(光偏向素子)6a,6bと、その間に偏光面回転手段6cを設けることで、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することができる。
【0039】
【実施例】
次に、本発明の具体的な実施例を説明する。
(実施例1)
図1,3に示すような構成の画像表示装置を作成した。光源1としてLEDランプ、画像表示素子4として対角0.9インチXGA(1024×768ドット)のポリシリコンTFT液晶パネルを用いた。画素ピッチは縦横ともに約18μmである。光路偏向装置6の第一、第二の光路偏向手段(光偏向素子)6a,6bとして、ライン電極に対し同方向に配向処理された液晶マイクロレンズを2つ作成し、互いの配向処理方向が直交するように配置し、さらに、偏光面回転手段6cとして、偏向面回転素子を二つの光路偏向手段(光偏向素子)6a,6bの間に挟んで配置した。
この光路偏向装置6の駆動方式として、画像の縦横方向に4倍の画素増倍を行うためには、スイッチング時間を1ミリ秒以下と高速に切換える必要があるため、ネマチック液晶セルの二周波駆動方式を採用した。
また、第一、第二の光路偏向手段6a,6bである二枚の液晶マイクロレンズ、および偏光面回転手段6cである偏向面回転素子は以下のように作成した。
【0040】
液晶マイクロレンズ:
薄いガラス基板(3cm×4cm、厚さ0.10mm)上のITO蒸着膜をエッチングして、幅10μm、ピッチ18μmのITOラインを形成した。このITOラインの交互に同一電圧を印加できるようにくし形電極とした。ガラス基板のITO側に配向膜としてAL3046−R31(JSR社製)をスピンコートで形成し、ローラーラビング装置で配向処理した。ラビング方向はITO電極ラインのライン方向と平行とした。この二枚のガラス基板の間の周辺部に4μm厚のスペーサを挟み、上下基板のITOライン位置が一致するように張り合わせて空セルを作製した。このセルの中に、ネマティック液晶を常圧下で注入し液晶マイクロレンズを作成した。
【0041】
偏向面回転素子:
薄いガラス基板(3cm×4cm、厚さ0.15mm)上に配向膜としてAL3046−R31(JSR社製)をスピンコートで形成し、ローラーラビング装置で配向処理した。二枚のガラス基板の間の周辺部に3μm厚のスペーサを挟み、ラビング方向が直交するように上下基板を張り合わせて空セルを作製した。このセルの中に、ネマティック液晶(メルク社、ZLI−2471)を常圧下で注入し、液晶分子の配向が90度捻じれたTN液晶セルを作成した。
【0042】
本実施例の画像表示装置では、光路偏向装置6の第一の光路偏向手段6aと第二の光路偏向手段6bが同一方向に配向処理されているため、第一の光路偏向手段6aと第二の光路偏向手段6bは同一のディバイスでよく、ディバイス作成時間の短縮、コストの点で有利となった。また、ライン電極に対する液晶の配列方向が二つのセルで同じため、電圧に対する液晶マイクロレンズの焦点位置の依存性が二つのセルで同一であるので、駆動電圧の制御が簡単であった。さらに、ラビング方向がITO電極のライン方向と平行となっており、比較的低電圧で大きな屈折率変化が得られた(請求項1,2,8)。
【0043】
(実施例2)
(1)実施例1の液晶マイクロレンズの作成において、ラビング方向をITO電極のライン方向から40°とした以外は全く同様に画像表示装置を作成した。この画像表示装置をサンプル1とする。
(2)実施例1の液晶マイクロレンズの作成において、ラビング方向をITO電極のライン方向から45°とした以外は全く同様に画像表示装置を作成した。この画像表示装置をサンプル2とする。
(3)実施例1の液晶マイクロレンズの作成において、ラビング方向をITO電極のライン方向から75°とした以外は全く同様に画像表示装置を作成した。この画像表示装置をサンプル3とする。
(4)実施例1の液晶マイクロレンズの作成において、ラビング方向をITO電極のライン方向から90°とした以外は全く同様に画像表示装置を作成した。この画像表示装置をサンプル4とする。
【0044】
サンプル1から4までの画像表示装置の画像を目視評価した。ラビング方向をITO電極のライン方向から45°以上としたサンプル2,3,4の画像は液晶配向方向が一定に決まりやすいためディスクリネーションが少なく、ラビング方向をITO電極のライン方向から45度より小さいサンプル1よりもコントラストが良く見やすかった(請求項3,8)。
【0045】
(実施例3)
実施例1の液晶マイクロレンズの作成において、同様な基板に配向材料としてベンゾフェノン骨格を持つポリイミドをスピンコートし、330nmの偏光を5分間照射することにより光配向処理を行った以外は全く同様に画像表示装置を作成した。
本実施例ではラビング処理を行わずに配向処理を行ったので、不純物によるディスクリネーションが全く起こらず極めて均一な液晶配向がなされ、高精細画像が得られた(請求項7,8)。
【0046】
(実施例4)
実施例1の液晶マイクロレンズの作成方法を変更した以外は全く同様に画像表示装置を作成した。駆動方式は通常の単一周波数での駆動を行った。
液晶マイクロレンズの作成では、実施例1により作成した空セルに、液晶として液晶性骨格を部分構造として有す光硬化高分子のプレポリマー(20重量%)をネマティック液晶(メルク社、ZLI−2471)と混合し毛細管法によりセル中に注入した。液晶性骨格を部分構造として有する光硬化型高分子のプレポリマーは図15に示す化学式(a),(d),(g)の物質の混合物を用い、それぞれの割合がa:d:g=48:48:4とした。また、この中に、光重合開始剤(IRG−651、チバガイギー社)を上記重合性液晶に対し1wt%混合した。このプレポリマーは20mW/cmの強度の紫外線を1分間室温で照射し高分子化した。
【0047】
本実施例では、ラビング方向をITO電極のライン方向から0°となっており、比較的低電圧で大きな屈折率変化が得られる構成となっているが、液晶のみであるとディスクリネーションが発生しやすい構成となっている。しかし、高分子を混合したことにより液晶の配向方向に規制力が働きディスクリネーションの発生が抑えられ高品質の画像が得られた。さらに、液晶と高分子の接触面積が広く、液晶に対する高分子の配向規制力が強いため、液晶の電界に対する応答速度を大幅に高速化でき、二周波駆動を必要とせず、単一の周波数での駆動で十分なセルの応答速度が得られ画像表示ができた(請求項4,8)。
【0048】
(実施例5)
実施例1の偏向面回転素子の作成方法を変更した以外は全く同様に画像表示装置を作成した。
偏向面回転素子は、液晶として液晶性骨格を部分構造として有す光硬化高分子のプレポリマー(図15の化学式(a),(d),(g)の物質の混合物)を用い、それぞれの割合がa:d:g=48:48:4とした。また、この中に、光重合開始剤(IRG−651、チバガイギー社)を上記重合性液晶に対し1wt%混合した。該プレポリマーは20mW/cmの強度の紫外線を5分間室温で照射し高分子化した。液晶層が硬化した後、基板をポリマーから取り除き偏向面回転素子とした。
本実施例では、液晶をポリーマー化することで基板を取り除くことができるためディバイスの薄型化が可能となった(請求項5,8)。
【0049】
(実施例6)
実施例1の液晶マイクロレンズの作成方法を変更した以外は全く同様に画像表示装置を作成した。
液晶マイクロレンズの一方のガラス基板のITO側に配向膜としてAL3046−R31(JSR社製)をスピンコートで形成し、ローラーラビング装置で配向処理した。ラビング方向はITO電極のライン方向から0°とし、対向電極のITO側にJALS−2021−R2(JSR社製)を用いて垂直配向処理を行った。この二枚のガラス基板の間の周辺部に4μm厚のスペーサを挟み、上下基板のITOライン位置が一致するように張り合わせて空セルを作製した。このセルの中に、ネマティック液晶を常圧下で注入し液晶マイクロレンズを作成した。
本実施例では、液晶がハイブリッド型に配向されているので電圧印加時の液晶のねじれ方向が一様となり易くディスクリネーションが少なく高解像度の表示ができた(請求項6,8)。
【0050】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項1記載の光路偏向装置においては、一対の光路偏向手段(光源側より第一の光路偏向手段(光偏向素子)と第二の光路偏向手段(光偏向素子))が同一方向に配向処理されているため、第一の光路偏向手段(光偏向素子)と第二の光路偏向手段(光偏向素子)は同一のディバイスでよく、ディバイス作成時間の短縮となる。また、ライン電極に対する液晶の配列方向が二つのセルで同一となるため、二つのセルでの電圧印加をほぼ同様に行うことができる。
【0051】
請求項2記載の光路偏向装置においては、請求項1の構成及び効果に加えて、電界を加えたときの屈折率変化が大きいため少ない電圧で動作が可能となる。
請求項3記載の光路偏向装置においては、請求項1の構成及び効果に加えて、液晶配向方向が一定に決まりやすいためディスクリネーションが起こりずらいので、高精細画像が得られる。また、ライン方向から45°より小さい場合、または135°より大きい場合には、ディスクリネーションが起こりやすい。
請求項4記載の光路偏向装置においては、請求項1の構成及び効果に加えて、高速応答が可能で、高分子で囲まれているためディスクリネーションが起こりずらいので、高精細な動画像が得られる。
【0052】
請求項5記載の光路偏向装置においては、請求項1の構成及び効果に加えて、素子の薄型化が可能となる。
請求項6記載の光路偏向装置においては、請求項1の構成及び効果に加えて、ディスクリネーションが起こりずらいので、高精細な画像が得られる。
請求項7記載の光路偏向装置においては、請求項1の構成及び効果に加えて、配向膜への汚染や静電気の発生が起こらないため、工程の清潔性が維持でき液晶の均一性が高まるため、高精細で綺麗な画像が得られる。
【0053】
請求項8記載の画像表示装置においては、光路偏向装置として、請求項1〜7のいずれか一つに記載の光路偏向装置を備えたことにより、請求項1〜7のいずれかの効果が得られ、機械的な振動機構を設けることなく、比較的簡単な電極構成で電気光学的な効果により光路シフトを行い、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、表示品質を向上させることができる。また、画像表示システムとして簡単な構成とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態を示す画像表示装置の構成説明図である。
【図2】図1に示す画像表示装置の画素の表示例であり、元の画素に対して見かけ上の画素が4倍となった例を示す図である。
【図3】図1に示す画像表示装置における2方向増倍用の光路偏向装置の配置、構成例を示す図である。
【図4】光路偏向装置の光偏向素子に用いられる液晶セルの一例を示す図であり、ライン電極の法線方向と90°の方向に配向処理した場合の液晶配向状態の説明図である。
【図5】光路偏向装置に用いられる液晶光偏向素子の一例を示す図であって、液晶光偏向素子の構成、動作の説明図である。
【図6】図5に示す液晶光偏向素子の液晶セル内の屈折率分布の変化を示す図である。
【図7】図5に示す液晶光偏向素子の液晶セルによる画素位置のシフトの説明図である。
【図8】光路偏向装置に用いられる液晶光偏向素子の別の例を示す図であって、画素縮小機能を備える液晶光偏向素子の構成、動作の説明図である。
【図9】図8に示す液晶光偏向素子における液晶セル内の屈折率分布の変化を示す図である。
【図10】図8に示す液晶光偏向素子の液晶レンズによる画素縮小効果と画素シフト効果の説明図である。
【図11】光路偏向装置に用いられる液晶光偏向素子のさらに別の例を示す図であって、ハイブリッド配向させたときの液晶の構成、動作の説明図である。
【図12】光路偏向手段に光束平行化手段として凹レンズアレイを設置した場合の動作の説明図である。
【図13】光路偏向装置に用いられる液晶光偏向素子のさらに別の例を示す構成説明図である。
【図14】光路偏向装置に用いられる液晶光偏向素子のさらに別の例を示す構成説明図である。
【図15】光硬化型の高分子液晶の構造を表す化学式を一覧で示す図である。
【符号の説明】
1:光源
2:光源駆動手段
3:照明装置
4:画像表示素子
5:表示駆動手段
6:光路偏向装置
6a:第一の光路偏向手段(光偏向素子)
6b:第二の光路偏向手段(光偏向素子)
6c:偏向面回転手段
7:光路偏向駆動手段
8:画像表示制御回路
9:投射レンズ
10:スクリーン
11a,11b:基板
12a:電極(または電極アレイ)
12b:電極アレイ
13:液晶層
14:補助電極アレイ
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an optical path deflecting device and an image display device including the optical path deflecting device and applied to an electronic display device such as a projection display or a head mounted display. More specifically, an image obtained by observing an image obtained by magnifying an optical path deflecting device that shifts the optical axis to increase the number of actual pixels and a small image display element having a plurality of pixels that can control light according to image information with a lens. The present invention relates to a display device, and more particularly to a pixel shift type image display device that uses the optical path deflecting device to shift the optical axis to increase the number of actual pixels.
[0002]
[Prior art]
As a conventional technique related to an image display device, a technique for high-resolution display by apparently multiplying the number of pixels of an image display element is known.
For example, Japanese Patent Laid-Open No. 6-324320 “Image display device, resolution improvement method of image display device, imaging method, recording device, and playback device” displays without increasing the number of pixels of an image display device such as an LCD. It is described that the resolution of an image is apparently improved. Further, each of the plurality of pixels arranged in the vertical direction and the horizontal direction emits light according to the display pixel pattern, so that an optical path is provided between the image display device on which the image is displayed and the observer or the screen. It is described that an optical member for deflecting each of the fields is arranged. Further, it is described that a display pixel pattern whose display position is shifted in accordance with the deflection of the optical path is displayed on the image display device for each field. Further, the optical path may be deflected by causing the portions having different refractive indexes to appear alternately in the optical path between the image display device and the observer or the screen for each field of the image information. Are listed.
[0003]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-020242 “Projection Display Device” describes that pixel shift is performed by combining an image display element and a microlens array and vibrating the microlens array.
Further, as a content directly related to the present invention, in the text, “in this embodiment, the microlens array 4 corresponding to a plurality of pixels is moved and changed, but light emitted from a plurality of pixels adjacent to the light modulation element is respectively changed. For example, there is a need to have a condensing unit in which a plurality of condensing optical elements included in the aperture of the lens are arranged adjacent to each other and a unit for deflecting the projection area so as to interpolate a projection image made discrete by the condensing unit. (Sato Susumu; Focus-variable lens using liquid crystal, Optical Technology Contact, Vol. 32, No. 11, p. 24 to p. 28, 1994) A liquid crystal lens as disclosed in FIG. The voltage may be selectively applied to change the lens formation position. " However, it is relatively easy to change the focal length in the direction of the optical axis in the liquid crystal microlens array having the circular hole pattern described in the above document, but the focusing position can be changed in the arrangement direction of the lens array. I can't.
[0004]
Therefore, as a technique for controlling the condensing position in the lens array plane direction, a method using divided electrodes is disclosed as in JP-A-11-109304. However, when the liquid crystal lens having the divided electrodes is formed in an array, the electrode wiring becomes complicated, and therefore, the lens formation interval must be set relatively wide. Further, it is suitable when the installation interval may be relatively wide, such as a combination of a semiconductor laser array and a plurality of optical fibers as disclosed in JP-A-11-109304, but the pixel pitch of the image display element is suitable. When the interval is relatively narrow as described above, there is a problem that the aperture ratio of the lens forming portion becomes small.
[0005]
US Pat. No. US Pat. No. 6,082,862 “IMAGE TILING TECHNIQUE BASED ON ELECTRICALLY SWITCHABLE HOLOGRAMS” discloses a projection system using a holographic optical element capable of electrical switching. It is described that the position of the display image is shifted at high speed by changing it at high speed.
[0006]
As a technique for deflecting an optical path, for example, in Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-133135, “Light Beam Deflector”, a rotary machine element can be eliminated, and the overall size can be reduced, and high accuracy and high resolution can be realized. We have proposed a light beam deflecting device that is not easily affected by the vibration of the light beam.
This light beam deflecting device includes a translucent piezoelectric element disposed on a traveling path of a light beam, a transparent electrode provided on the surface of the piezoelectric element, a light beam incident surface A of the piezoelectric element, and a light beam emission. Voltage applying means for applying a voltage to the piezoelectric element through the electrode in order to change the optical path length between the surface B and deflect the optical axis of the light beam.
[0007]
For example, IBM Technical Disclosure Bulletin, Vol.15, No.8 (1973) “LIGHT SCANNER EMPLOYING A NEMATIC LIQUID CRYSTAL” is an optical deflection technology that uses liquid crystals, by changing the alignment angle of nematic liquid crystals. The bending of the optical path is described.
Further, ELECTRONICS LETTERS, Vol. 11, No. 16 (1975) “LARGE-ANGLE BEAM DEFLCTOR USING LIQUID CRYSTAL” describes that a non-uniform electric field is applied to a nematic liquid crystal to bend the optical path of linearly polarized light.
However, both are single beam deflectors and cannot be applied to pixel shift of a two-dimensional image as they are.
[0008]
As a technology related to liquid crystal microlenses, O plus E, Vol.20, No.10 (1998) "Liquid crystal microlens" uses a liquid crystal microlens with an electrode division structure to make the electric field distribution asymmetric, It is described that the focal point can be moved in directions other than the optical axis direction.
However, it is suitable for two-dimensional control of the deflection direction of a single beam, but in the case of arraying, the electrode wiring becomes complicated. Therefore, an array beam deflection device such as an image display element is used. Not suitable for application.
[0009]
Japanese Patent No. 0316744 “Liquid Crystal Microlens” describes that a polymer is formed by photopolymerization in a nematic liquid crystal. It also describes that it has memory characteristics and the lens characteristics can be made variable.
Furthermore, the “optical coupler” in JP-A-11-109303 and JP-A-11-109304 uses a liquid crystal microlens in which circular hole pattern electrodes are arranged in an array, and the focal length is variable. It is described that the light coupling efficiency of the optical interconnection element can be made variable, and that the focal position can be controlled by the divided electrodes.
However, in the case of an array, the electrode wiring becomes complicated, so the lens formation interval must be set relatively wide. It is suitable when the installation interval may be relatively wide, such as a combination of a semiconductor laser array and a plurality of optical fibers, but when the interval is relatively narrow, such as the pixel pitch of an image display element, a lens forming portion The aperture ratio of the will become small.
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
As an image display device for observing an image obtained by magnifying an image display element having a plurality of pixels capable of controlling light according to image information with a lens, it is widely used under the trade names of front projector, rear projector, head mounted display, etc. Yes. As this image display element, CRT, liquid crystal panel, DMD (trade name: Texas Instruments Inc .: USA) and the like are used as products, and inorganic EL, inorganic LED, organic LED, etc. are also being studied. . In addition to observing an image obtained by magnifying a small image display element with a lens, the image display device for observing at an equal magnification, in addition to the aforementioned CRT, liquid crystal panel, inorganic EL, inorganic LED, and organic LED, Plasma displays, fluorescent display tubes, and the like are used as products, and FED (field emission display), PALC (plasma addressing display), and the like have been studied. These are broadly classified into two types, a self-luminous type and a spatial light modulator type, and each has a plurality of pixels that can control light.
[0011]
A problem common to these image display devices is to increase the resolution, that is, to increase the number of pixels, and a display device for HDTV having about 1000 scanning lines for the purpose of broadcast display has already been commercialized. A development product with about 2000 scanning lines aimed at high-resolution display of computers has been announced with technology using liquid crystal panels (QSXGA 2048 from IBM Japan, '99 electronic display at the '98 flat panel display exhibition) (Toshiba's 2400 UXGA, etc.) However, increasing the number of pixels reduces the yield of the liquid crystal panel and decreases the aperture ratio, thereby increasing costs, decreasing brightness and contrast, and increasing power consumption. .
[0012]
In response to these problems, Japanese Patent Application Laid-Open No. 4-113308, Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-289004, Japanese Patent Application Laid-Open No. 6-324320, etc. use an image display element having a double number of pixels. An image display device for displaying a race is described. Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-36054 describes a display device having a pixel number four times or more using a single image display element. These are so-called pixel shift methods, in which the optical path emitted from the image display element is deflected at high speed in a time-sharing manner to increase the number of pixels apparently. JP-A-6-324320 describes 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, etc. as means for deflecting the optical path. No. 7-104278 describes means for moving the wedge prism. A combination of a member exhibiting an electro-optic effect and a birefringent crystal is a known technique as a deflecting means that has been conventionally used as an optical switch or an optical switch in the field of optical communication. However, a relatively large birefringent crystal is required, which increases the device cost. In addition, as a lens shift mechanism, that is, a drive system that reciprocates, a voice coil, a piezoelectric element, a bimorph, a step motor, a solenoid coil, and the like are described, but when a reciprocating motion is performed at about several tens to several hundred Hz, Generation of vibration and sound becomes a problem. Since the vari-angle prism also reciprocates the substrate, vibration and sound become a problem. Japanese Patent Laid-Open No. 5-313116 describes a pixel shift method in which the image display element itself is swung at a high speed by a distance smaller than the pixel pitch. In this method, the optical system is fixed and the occurrence of various aberrations is small. However, since the image display element itself must be translated accurately and at high speed, the accuracy and durability of the movable part is required, and vibration and Sound is a problem.
[0013]
Japanese Patent Laid-Open No. 10-133135 proposes a method in which a light-transmitting piezoelectric element is sandwiched between transparent electrodes and a thickness is changed by applying a voltage to shift the optical path. An element is required, and the apparatus cost increases.
JP-A-6-208345 and JP-A-6-324320 disclose a method for changing the shift amount of the optical path by switching the thickness and the inclination angle of a transparent plate-like refracting plate. A configuration in which the thickness and inclination angle of a refracting plate of one circular rotating body are partially different is illustrated. However, there is a problem that the entire optical system becomes large because a single circular rotating body is an optical path shift only in a one-dimensional direction and a relatively large circular rotating body is included.
[0014]
The present invention has been made to solve the above problems, and in an optical path deflecting device that deflects light two-dimensionally using two optical path deflecting means, the alignment direction and lines of the liquid crystal of the optical path deflecting means. By defining the relative positional relationship of the electrodes, it is intended to shorten the time for creating the device and reduce the cost. In addition, the present invention uses the above optical path deflecting device, does not provide a mechanical vibration mechanism, performs optical path shift by an electro-optic effect with a relatively simple electrode configuration, and does not reduce the light utilization efficiency. An object of the present invention is to provide an image display apparatus having a configuration capable of obtaining a high-definition image by apparent pixel multiplication and improving display quality.
[0015]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, an invention according to claim 1 is used in an image display device, and the optical path of the emitted light from each pixel provided corresponding to the two-dimensional orientation direction of the pixel of the image display element. An optical path deflecting device having optical path deflecting means composed of a deflecting optical deflecting element, The first optical path deflecting means capable of moving the polarization or focal position of the optical path along the first pixel arrangement direction with respect to the two-dimensional orientation direction of the pixels and the optical path along the second pixel arrangement direction. A pair of optical path deflecting means composed of a second optical path deflecting means capable of deflecting or moving the focal position, and a polarization plane rotating means provided between the pair of optical path deflecting means, Each of the optical deflection elements of the pair of optical path deflecting means is provided between two substrates, a line electrode array formed on at least one substrate corresponding to the pixel pitch, and a voltage applied between the two substrates. A liquid crystal layer capable of controlling the refractive index distribution, and an alignment film that is provided in contact with at least one liquid crystal layer interface and regulates the direction of the liquid crystal molecules, and alignment processing of the alignment film with respect to the line electrode in each light deflection element It is characterized by the same direction.
[0016]
According to a second aspect of the present invention, in the optical path deflecting device according to the first aspect, the alignment treatment direction of the alignment film of the optical deflection element is substantially parallel to the line direction of the line electrode.
According to a third aspect of the present invention, in the optical path deflecting device according to the first aspect, the alignment treatment direction of the alignment film of the optical deflection element is set to 45 ° to 135 ° from the line direction of the line electrode. Yes.
According to a fourth aspect of the present invention, in the optical path deflecting device according to the first aspect, the liquid crystal layer of the optical deflection element includes a polymer.
[0017]
The invention according to claim 5 is the optical path deflecting device according to claim 1, wherein As a polarization plane rotation means The polarization plane of linearly polarized light Said From the first pixel array direction Said A polarization plane rotating means made of a polymer liquid crystal that rotates in the second pixel arrangement direction is provided.
According to a sixth aspect of the present invention, in the optical path deflecting device according to the first aspect, one substrate of the optical deflection element is subjected to a vertical alignment process.
Further, the invention according to claim 7 is the optical path deflecting device according to claim 1, characterized in that the alignment film of the optical deflection element can generate an alignment regulating force by light irradiation.
[0018]
The invention according to claim 8 is an image display element in which a plurality of pixels capable of controlling light according to image information are two-dimensionally arranged, a light source and an illumination device for illuminating the image display element, and display on the image display element Corresponding to the two-dimensional orientation direction of the pixels of the image display element, an optical device for observing the image pattern, display driving means formed by a plurality of subfields obtained by temporally dividing the image field, and Set up Kerare The And an optical path deflecting device having an optical path deflecting unit composed of an optical deflecting element that deflects an optical path of light emitted from each pixel, and an image pattern in which the display position is shifted according to the deflected state of the optical path for each subfield. In the image display device which displays by multiplying the apparent number of pixels of the image display element by displaying, the optical path deflecting device according to any one of claims 1 to 7 as the optical path deflecting device. It is characterized by having prepared.
[0019]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the configuration, operation and action of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is an explanatory diagram illustrating the configuration of an image display apparatus according to an embodiment of the present invention. The image display device includes a light source 1, a light source driving unit 2, an illumination device 3, an image display element 4, a display driving unit 5, an optical path deflecting device 6, an optical path deflection driving unit 7, an image display control circuit 8, a projection lens 9, and a screen. 10 or the like. Any light source 1 can be used as long as it can turn on / off white light or an arbitrary color light at high speed. For example, a combination of an LED lamp, a laser light source, a white lamp light source and a shutter can be used. The illumination device 3 uniformly irradiates the image display element 4 with the light emitted from the light source 1, and includes a fly-eye lens, a diffusion plate, a condenser lens, and the like. The image display element 4 emits incident uniform illumination light after spatial light modulation, and a transmissive liquid crystal light valve, a reflective liquid crystal light valve, a DMD element, or the like can be used.
[0020]
The light emitted from the light source 1 under the control of the light source driving means 2 becomes illumination light that is made uniform by the diffusion plate of the illumination device 3, and critically illuminates the image display element 4 by the condenser lens. Here, a transmissive liquid crystal light valve is used as an example of the image display element 4. Illumination light spatially modulated by the liquid crystal light valve 4 is enlarged by the projection lens 9 and projected onto the screen 10 as image light. Here, the image light is shifted by an arbitrary distance in the pixel arrangement direction by the optical path deflecting device 6 disposed behind the liquid crystal light valve 4.
[0021]
In the configuration of FIG. 1, the optical path deflecting device 6 is installed immediately after the liquid crystal light valve 4, but is not limited to this position, and may be just before the screen. However, when installed near the screen, the size, electrode pitch, etc. of the optical path deflecting means (for example, liquid crystal light deflecting element) constituting the optical path deflecting device 6 are set according to the screen size and pixel size at that position. In any case, it is preferable that the shift amount is 1 / integer of the pixel pitch. When performing image multiplication twice as much as the pixel arrangement direction, the pixel pitch is set to 1/2. When performing pixel multiplication of 3 times, the pixel pitch is set to 1/3. By using the optical path deflecting means constituting the optical path deflecting device 6 in two dimensions vertically and horizontally in the pixel array direction (for example, by using two optical deflecting elements that perform double image multiplication as the optical path deflecting device 6), As shown in FIG. 2, an effect that is four times as large as an apparent pixel is obtained, and a high-definition image that is higher than the resolution of the used liquid crystal light valve 4 can be displayed. Further, when the shift amount becomes large due to the configuration of the optical path deflecting device 6, the shift amount may be set to a distance of "integer multiple + 1 / integer" of the pixel pitch. In either case, the liquid crystal light valve 4 is driven by the image signal of the subfield corresponding to the pixel shift position.
[0022]
In the configuration of FIG. 1, a single-color image display device using a single-plate transmissive liquid crystal light valve and a single-color LED lamp is shown, but using a three-color light source / illumination device and three image display elements, It is also possible to display a full color image by mixing three primary color images. A full-color image can also be displayed by a field sequential method in which a single-panel image display element is illuminated with three primary colors in time sequence. At this time, the light paths from the three color light sources may be mixed and illuminated by a cross prism, or time-sequential three primary color lights may be generated by combining a white lamp light source and a rotating color filter.
[0023]
The present invention is characterized in that pixel multiplication is performed in two vertical and horizontal directions by the optical path deflecting device 6. Specifically, the optical path deflecting device 6 having the configuration shown in FIG. 3 is used. The optical path deflecting device 6 includes a first optical path deflecting means 6a for shifting the optical path in a direction perpendicular to the paper surface of FIG. 1 (SX direction in FIG. 3), and a vertical direction of the paper surface in FIG. 1 (SY direction in FIG. 3). The second optical path deflecting means 6b to be shifted to the first and second polarization plane rotating means 6c provided therebetween. In the present invention, as the optical path deflecting device 6, a total of two optical path deflecting means (optical deflecting elements) 6 a, each of which is a liquid crystal cell capable of controlling the refractive index distribution by applying a voltage with respect to the two-dimensional arrangement direction of the pixels. , 6b, and multiplying the apparent number of pixels of the image display element 4 for display. The first and second optical path deflecting means (light deflecting elements) 6a, 6b Two substrates, a line electrode array formed on at least one substrate corresponding to the pixel pitch, a liquid crystal layer capable of controlling a refractive index distribution by applying a voltage between the two substrates, and at least one of them And an alignment film that is provided in contact with the liquid crystal layer interface and regulates the liquid crystal molecule direction. In the image display device of the present invention, the optical path deflection driving means 7 that changes the voltage application state to the line electrode array in synchronization with the display driving means 5 is arranged in the first direction with respect to the two-dimensional arrangement direction of the pixels. The first optical path deflecting means (optical deflecting element) 6a capable of deflecting the optical path or moving the focal position along the pixel array direction, and deflecting the optical path or moving the focal position along the second pixel array direction. A second optical path deflecting means (optical deflecting element) 6b which can be used, and at least one of the substrates constituting the optical path deflecting means (optical deflecting element) is subjected to orientation processing, and the orientation processing direction of the orientation film is set to the first direction. The alignment processing direction for the liquid crystal line electrode in the optical path deflecting means (light deflecting element) 6a and the alignment processing direction for the liquid crystal line electrode in the second optical path deflecting means (light deflecting element) 6b are matched. It is (claim 1,8). In this case, if the alignment films are provided on both sides of the liquid crystal layer in each of the optical path deflecting means (optical deflecting elements) 6a and 6b and the orientation directions thereof are different, the first and second optical path deflecting means (light In the deflection elements 6a and 6b, it means that alignment films corresponding to both sides of the liquid crystal layer are provided, and the alignment treatment directions of the alignment films are set to be the same direction.
[0024]
As the material of the liquid crystal cell substrate, glass, plastic or the like can be used. As the material of the electrode, ITO, Cr, or the like can be used. The electrode layer is installed on the liquid crystal layer side. Moreover, when the board | substrate itself to be used has electroconductivity, a board | substrate can be utilized also as an electrode. On at least one substrate side, the line electrodes are formed in an array corresponding to the pixel pitch. Here, the pitch of the line electrode array is not limited to a one-to-one correspondence with the pixel pitch, but may be made to coincide with an integer multiple or a fraction of the pixel pitch in order to obtain a desired refractive index distribution. . Further, there may be a case where a plurality of line electrodes are set as one set and the set is made to correspond to the pixel pitch.
[0025]
The surface of the line electrode in contact with the liquid crystal layer is processed so that the liquid crystal molecules are aligned. For the alignment process, a normal alignment film such as polyimide used for TN liquid crystal, STN liquid crystal, etc. can be used. It is preferable to perform a rubbing treatment or the like. In addition, the use of photo-alignment as the alignment treatment prevents contamination of the alignment film and generation of static electricity, thus maintaining the cleanliness of the process and increasing the uniformity of the liquid crystal, resulting in a high-definition and clear image. More preferred (claims 7 and 8).
[0026]
The alignment processing direction matches the alignment processing direction for the liquid crystal line electrode in the first optical path deflection means (light deflection element) 6a and the alignment processing direction for the liquid crystal line electrode in the second optical path deflection means (light deflection element) 6b. By doing so, the operation of the liquid crystal with respect to the voltage is the same between the two devices, so that the liquid crystal driving method is simplified. Further, the first and second optical path deflecting means (optical deflecting elements) 6a and 6b may be the same device, so that the device creation time can be shortened and the cost can be reduced. Furthermore, it is preferable to make the alignment treatment direction substantially parallel to the line direction of the line electrode because a necessary refractive index distribution can be achieved at a lower voltage. This is because, as shown in FIG. 4, when a voltage is applied to the liquid crystal, the alignment of liquid crystal molecules that are not directly under the electrode becomes a twisted alignment, so that the refractive index change becomes strong (claims 2 and 8). ). In addition, when the alignment treatment direction is set to 45 ° or more and 135 ° or less from the line direction of the line electrode, the twist direction of the liquid crystal tends to be uniform, so that disclination is reduced and preferable for high-definition images. , 8).
[0027]
In addition, the alignment process is performed so that one side is homogeneous and the other side is vertical. By aligning the liquid crystal in a hybrid type, the twist direction of the liquid crystal tends to be uniform, resulting in less disclination and higher The resolution can be displayed (claims 6 and 8).
[0028]
A general nematic liquid crystal can be used as the liquid crystal material, but it is preferable that the birefringence Δn and the dielectric anisotropy Δε are large. In particular, the ordinary light refractive index of the liquid crystal material is preferably about 1.5 to 1.6 which is close to the refractive index of the glass substrate, and the extraordinary light refractive index is preferably as large as about 1.7 to 1.8. The thickness of the liquid crystal layer is set according to the thickness of the spacer member between the substrates, and is optimized so as to obtain a desired optical path deflection amount and response speed according to Δn and Δε. Further, by including a polymer in the liquid crystal layer, disclination is reduced, and further, the cell driving speed is increased, so that an image element that can cope with a smooth moving image can be obtained. This is because the contact area between the liquid crystal and the polymer is large and the alignment regulating force of the polymer with respect to the liquid crystal is strong, so that the response speed of the liquid crystal to the electric field can be greatly increased. As the liquid crystal, for example, photocurable polymer liquid crystals having a structure as shown in the chemical formulas (a) to (g) listed in FIG. 15 can be used, but normal polymers may be used, and the present invention is not limited to these. 4, 8).
[0029]
The operation of a single optical deflection element used in the optical path deflecting device 6 will be described below. Actually, the optical path deflecting device 6 is constituted by using two light deflecting elements described below, and the pixels are multiplied. FIG. 5 is an explanatory diagram of the configuration and operation of the liquid crystal light deflector, and FIG. 5A schematically shows the liquid crystal alignment state when the liquid crystal cell is not operating. In the example of FIG. 5A, the homogeneous alignment treatment is performed so that the liquid crystal molecules of the liquid crystal layer 13 are parallel along the substrates 11a and 11b in the absence of an electric field. This figure assumes an alignment process in which the major axis of the liquid crystal molecules is in the horizontal direction of the paper. Electrode lines 12b are formed in an array on the upper substrate 11b. In this example, two electrode lines having a wide interval are set as one set and correspond to one pixel. A portion where the distance between the electrodes is narrow corresponds to a boundary portion between the pixels. The lower electrode 12a is formed on the entire surface of the substrate 11a, but may be an array electrode symmetrical to the upper substrate 11b.
[0030]
FIG. 5B (operating state {circle around (1)}) shows a case where a voltage equal to or higher than the threshold is applied only to the electrode line colored and displayed in black. The electrode portion to which voltage is applied is oriented vertically by the electric field, and the electrode portion to which no voltage is applied remains horizontally oriented. Due to the distribution of the alignment direction due to the non-uniform electric field inside the liquid crystal cell, a refractive index distribution with respect to extraordinary light is generated. When linearly polarized light having a polarization plane parallel to the paper surface is incident, the effective refractive index decreases as the liquid crystal molecule long axis is oriented perpendicular to the substrate, as shown by the solid line in FIG. 6 (state (1)). Influenced by refractive index distribution. Polarized light that has entered the center of the pixel in state (1) is deflected to the right in the figure by the refraction effect due to the gradient of the refractive index.
[0031]
Next, when the electrode to which the voltage is applied is switched as shown in FIG. 5C (operation state (2)), the alignment state of the liquid crystal molecules also changes, and the refractive index distribution changes as shown by the broken line in FIG. . Polarized light that has entered the center of the pixel in state (2) is deflected to the left in the figure by the lens effect due to the gradient of the refractive index. The rate of change at this time is optimized by the physical properties of the liquid crystal material and the electric field. In the pixel shift method, since the subframe time is preferably 10 msec or less, the response time is required to be several msec or less. When nematic liquid crystal is used, high-speed response may be achieved by a two-frequency driving method or by mixing a polymer in the liquid crystal layer. When the two-frequency driving method is used, it is necessary to use a driving unit that can apply voltages having different driving frequencies to one electrode line. An apparent pixel multiplication effect can be obtained by switching the states {circle around (1)} and {circle around (2)} according to the driving timing of the sub-frame displayed on the liquid crystal light valve by any method.
[0032]
FIG. 7 shows a schematic diagram when light emitted from four pixels of the liquid crystal light valve enters the liquid crystal cell from the lower side of the drawing. For example, when the four pixels are in the state of (1), (3), (5), and (7) in the first sub-frame, if the liquid crystal cell is set to the operation state (1) in FIG. The light is deflected to the right. In the second sub-frame, when the four pixels are respectively switched to the states (2), (4), (6), and (8), and the liquid crystal cell is switched to the operation state (2) in FIG. Light from each pixel is deflected to the left. The light traveling obliquely in the liquid crystal cell is switched on the subframe from several tens of Hz to several hundreds of Hz, and apparently on the liquid crystal cell (1) (2) (3) (4) (5) (6) Eight pixels lined up with (7) and (8). Further, an optical element may be provided so that light emitted from the liquid crystal cell is parallel to the optical axis of the projection optical system.
[0033]
Next, FIG. 8 is an explanatory diagram of the configuration and operation of a liquid crystal light deflection element having a pixel reduction function. FIG. 8A schematically shows a liquid crystal alignment state when the liquid crystal cell is not operated. In the example of FIG. 8A, the electrode array 12b is formed on the substrate 11b on the upper side of the liquid crystal cell at the same pitch as the pixel pitch of the image display element. The width of each electrode is not particularly limited, but is set according to a desired electric field intensity distribution in the liquid crystal cell. In FIG. 8B (operating state {circle around (1)}), a voltage equal to or higher than the threshold value is alternately applied to the equally spaced electrodes. By applying this voltage, a refractive index distribution is generated in the liquid crystal layer 13 as described above. In this example, the distance between the electrodes to which the voltage is applied is larger than in FIG. 5, and the refractive index distribution is a convex lens having a relatively large pitch as shown by the solid line (state (1)) in FIG. In this case, one convex lens effect is given to two pixels of the image display element.
[0034]
Here, an explanatory view similar to FIG. 7 is shown in FIG. In this embodiment, the size of the incident-side pixel that enters the liquid crystal cell is set to be relatively large. For example, when the liquid crystal cell is in the state (1) in FIG. 8B, the state of (1), (3), (5), and (7) is displayed as the first subframe on four pixels, and the solid line in FIG. (1) and (3), (5) and (7) are reduced by the refractive index distribution. At this time, the pixel pitch is not constant like the output side pixel indicated by the solid line in the upper part of FIG. Next, when the electrode to which the voltage is applied is switched as shown in FIG. 8C (state (2)) in accordance with the display timing of the second subframe, the refractive index distribution is switched as shown by the broken line in FIG. . Here, when the state of (2), (4), (6), and (8) is displayed as the second subframe, the reduced pixel moves to the position indicated by the broken line at the top of FIG. By switching the subframes from several tens of Hz to several hundreds of Hz, it appears irregularly on the liquid crystal cell as (2) (1) (3) (4) (6) (5) (7) (8). It will be eight pixels. The subfield image data is corrected and displayed on the image display element so that a display image by such irregular pixel shift is formed as a normal image. In this configuration, with a simple electrode configuration, a single liquid crystal cell can achieve both a pixel reduction effect by condensing the liquid crystal lens and a pixel shift effect by switching the liquid crystal lens formation position. FIG. 11 is a schematic explanatory diagram of the configuration and operation when the liquid crystal is aligned in a hybrid type.
[0035]
In the configuration of FIG. 10, since the optical path is non-parallel light collected by the liquid crystal lens, the pixel size changes depending on the position from the emission side of the liquid crystal cell. For example, when an image is directly observed by placing a diffusion plate or the like on the emission side of the liquid crystal cell without using a projection optical system, the apparent pixel size changes if the positions of the liquid crystal cell and the diffusion plate are shifted. Even when the magnifying optical system is used, the light emitted from the liquid crystal cell is preferably parallel from the viewpoint of lens design. Therefore, in another configuration of the present invention, an optical element is provided so that light emitted from the liquid crystal cell is parallel to the optical axis of the projection optical system. When the characteristic of the liquid crystal lens array is a convex lens, this optical element is preferably a concave lens array that returns its optical path to parallel light. For example, FIG. 12 is an explanatory diagram showing an example in which a concave lens array is installed on the exit side of the liquid crystal cell of the optical path deflecting means. As shown in FIG. 12, the concave lens array is equal to the incident-side pixel pitch and the incident-side pixel position. It is preferable to install it at a position shifted by half a pixel.
[0036]
5 and 8, only the electrode 12b of the upper substrate 11b is formed in an array, but the electrodes 12a and 12b of the upper and lower substrates 11a and 11b are arranged in an array as in the configuration example of the liquid crystal light deflection element shown in FIG. You may form in a shape. Further, as in the configuration example of the liquid crystal light deflection element shown in FIG. 14, an auxiliary electrode array 14 as indicated by hatching is added between the electrodes 12 a and 12 b of the upper and lower substrates 11 a and 11 b, A voltage may be supplementarily applied to adjust the electric field distribution. In FIG. 14, one auxiliary electrode array 14 is added for each pixel. However, in order to finely adjust the refractive index distribution, a plurality of additional electrode arrays 14 may be added and the applied voltage may be changed stepwise. good.
[0037]
In the configuration so far, description has been given of performing pixel multiplication in one direction using one light deflection element (liquid crystal cell). However, in the present invention, two light deflection elements (liquid crystal cells) are used. The pixel multiplication is performed in the direction, and the alignment process direction of the liquid crystal cell as each optical path deflecting means is the same direction as the line electrode of each liquid crystal cell, so the liquid crystal alignment direction is shifted by 90 ° ing. Therefore, as shown in FIG. 3, the optical path deflecting device 6 needs to be provided with a polarization plane rotating means 6c between the two light deflecting elements (liquid crystal cells) 6a and 6b.
As the polarization plane rotating means 6c, 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 a liquid crystal cell, since it is not necessary to perform switching by applying an electric field, an electrode may not be provided, but the alignment treatment and directionality of the substrate surface must be optimized. Further, the use of polymer liquid crystal as the liquid crystal eliminates the need for a substrate, so that the element can be made thin. Here, the polymer liquid crystal refers to a liquid crystal layer containing a polymer and a liquid crystal (claim 5).
[0038]
In addition, when there is wavelength dependency such as a half-wave plate, a half-wave plate for each color may be provided by separating the optical path for each color with a dichroic mirror or the like, and then synthesized again. Thus, by providing the optical path deflecting means (optical deflecting elements) 6a and 6b in two directions and the polarization plane rotating means 6c between them as the optical path deflecting device 6, the apparent number of pixels is multiplied in the two vertical and horizontal directions. High-definition images can be displayed.
[0039]
【Example】
Next, specific examples of the present invention will be described.
Example 1
An image display device having a configuration as shown in FIGS. An LED lamp was used as the light source 1 and a 0.9-inch diagonal XGA (1024 × 768 dots) polysilicon TFT liquid crystal panel was used as the image display element 4. The pixel pitch is about 18 μm both vertically and horizontally. As the first and second optical path deflecting means (optical deflecting elements) 6a and 6b of the optical path deflecting device 6, two liquid crystal microlenses aligned in the same direction with respect to the line electrode are prepared, and the alignment processing directions of each other are the same. Further, the polarization plane rotation means 6c is arranged so as to sandwich the deflection plane rotation element between two optical path deflection means (light deflection elements) 6a and 6b.
As a driving method of the optical path deflecting device 6, in order to perform pixel multiplication of 4 times in the vertical and horizontal directions of the image, it is necessary to switch the switching time at a high speed of 1 millisecond or less. The method was adopted.
Further, the two liquid crystal microlenses serving as the first and second optical path deflecting units 6a and 6b and the deflecting surface rotating element serving as the polarization plane rotating unit 6c were prepared as follows.
[0040]
LCD microlens:
An ITO deposited film on a thin glass substrate (3 cm × 4 cm, thickness 0.10 mm) was etched to form an ITO line having a width of 10 μm and a pitch of 18 μm. Comb electrodes were used so that the same voltage could be applied alternately to the ITO lines. AL3046-R31 (manufactured by JSR) was formed as an alignment film on the ITO side of the glass substrate by spin coating, and alignment treatment was performed with a roller rubbing apparatus. The rubbing direction was parallel to the line direction of the ITO electrode line. An empty cell was produced by sandwiching a 4 μm thick spacer between the two glass substrates and pasting them so that the ITO line positions of the upper and lower substrates coincided. A nematic liquid crystal was injected into the cell under normal pressure to produce a liquid crystal microlens.
[0041]
Deflection surface rotating element:
AL3046-R31 (manufactured by JSR) was formed as an alignment film on a thin glass substrate (3 cm × 4 cm, thickness 0.15 mm) by spin coating, and alignment processing was performed with a roller rubbing apparatus. An empty cell was fabricated by sandwiching a 3 μm thick spacer between the two glass substrates and pasting the upper and lower substrates so that the rubbing directions were orthogonal. A nematic liquid crystal (Merck, ZLI-2471) was injected into the cell under normal pressure to prepare a TN liquid crystal cell in which the orientation of liquid crystal molecules was twisted by 90 degrees.
[0042]
In the image display device of this embodiment, the first optical path deflecting unit 6a and the second optical path deflecting unit 6b of the optical path deflecting device 6 are aligned in the same direction. The optical path deflecting means 6b may be the same device, which is advantageous in terms of shortening device creation time and cost. In addition, since the alignment direction of the liquid crystal with respect to the line electrode is the same in the two cells, the dependency of the focal position of the liquid crystal microlens on the voltage is the same in the two cells, so that the driving voltage can be easily controlled. Further, the rubbing direction is parallel to the line direction of the ITO electrode, and a large change in refractive index was obtained at a relatively low voltage (claims 1, 2, 8).
[0043]
(Example 2)
(1) An image display device was produced in exactly the same manner as in the production of the liquid crystal microlens of Example 1, except that the rubbing direction was set to 40 ° from the line direction of the ITO electrode. This image display device is designated as sample 1.
(2) An image display device was produced in exactly the same manner as in the production of the liquid crystal microlens of Example 1, except that the rubbing direction was set to 45 ° from the line direction of the ITO electrode. This image display device is designated as sample 2.
(3) An image display device was produced in exactly the same manner as in the production of the liquid crystal microlens of Example 1, except that the rubbing direction was set to 75 ° from the line direction of the ITO electrode. This image display device is designated as sample 3.
(4) An image display device was produced in exactly the same manner as in the production of the liquid crystal microlens of Example 1, except that the rubbing direction was 90 ° from the line direction of the ITO electrode. This image display device is designated as sample 4.
[0044]
The images of the image display devices of Samples 1 to 4 were visually evaluated. The images of Samples 2, 3, and 4 whose rubbing direction is 45 ° or more from the ITO electrode line direction have less disclination because the liquid crystal alignment direction is easily fixed, and the rubbing direction is 45 degrees from the ITO electrode line direction. The contrast was better and easier to see than the small sample 1 (claims 3 and 8).
[0045]
(Example 3)
In the production of the liquid crystal microlens of Example 1, the same substrate was spin coated with a polyimide having a benzophenone skeleton as an alignment material, and photoalignment treatment was performed by irradiating polarized light at 330 nm for 5 minutes. A display device was created.
In this example, since the alignment process was performed without performing the rubbing process, the disclination due to impurities did not occur at all, and an extremely uniform liquid crystal alignment was performed, and a high-definition image was obtained (claims 7 and 8).
[0046]
Example 4
An image display device was produced in exactly the same manner except that the method for producing the liquid crystal microlens of Example 1 was changed. The drive method was a normal single frequency drive.
In the production of the liquid crystal microlens, a nematic liquid crystal (Merck, ZLI-2471) was prepared by adding a prepolymer (20% by weight) of a photocurable polymer having a liquid crystalline skeleton as a partial structure to the empty cell produced in Example 1. ) And injected into the cell by capillary method. As a prepolymer of a photocurable polymer having a liquid crystalline skeleton as a partial structure, a mixture of substances represented by chemical formulas (a), (d), and (g) shown in FIG. 15 is used, and the ratio of each is a: d: g = 48: 48: 4. In addition, 1 wt% of a photopolymerization initiator (IRG-651, Ciba Geigy) was mixed with the polymerizable liquid crystal. This prepolymer is 20 mW / cm 2 UV was irradiated for 1 minute at room temperature to polymerize.
[0047]
In this embodiment, the rubbing direction is 0 ° from the line direction of the ITO electrode, and a large refractive index change can be obtained at a relatively low voltage, but disclination occurs when only the liquid crystal is used. It is easy to do. However, by mixing the polymer, the regulating force acts in the alignment direction of the liquid crystal and the occurrence of disclination is suppressed, and a high quality image is obtained. In addition, the contact area between the liquid crystal and the polymer is large, and the alignment control force of the polymer with respect to the liquid crystal is strong. Therefore, the response speed of the liquid crystal to the electric field can be greatly increased, and no dual frequency drive is required. With this driving, a sufficient cell response speed was obtained and image display was possible (claims 4 and 8).
[0048]
(Example 5)
An image display apparatus was produced in exactly the same manner except that the production method of the deflecting surface rotating element of Example 1 was changed.
The deflection surface rotating element uses a prepolymer of a photo-curing polymer having a liquid crystalline skeleton as a partial structure as a liquid crystal (a mixture of substances of chemical formulas (a), (d), and (g) in FIG. 15). The ratio was a: d: g = 48: 48: 4. In addition, 1 wt% of a photopolymerization initiator (IRG-651, Ciba Geigy) was mixed with the polymerizable liquid crystal. The prepolymer is 20 mW / cm 2 UV was irradiated for 5 minutes at room temperature to polymerize. After the liquid crystal layer was cured, the substrate was removed from the polymer to obtain a deflecting surface rotating element.
In this embodiment, since the substrate can be removed by polymerizing the liquid crystal, the thickness of the device can be reduced (claims 5 and 8).
[0049]
(Example 6)
An image display device was produced in exactly the same manner except that the method for producing the liquid crystal microlens of Example 1 was changed.
AL3046-R31 (manufactured by JSR) was formed as an alignment film on the ITO side of one glass substrate of the liquid crystal microlens by spin coating, and alignment treatment was performed with a roller rubbing apparatus. The rubbing direction was 0 ° from the line direction of the ITO electrode, and vertical alignment treatment was performed using JALS-2021-R2 (manufactured by JSR) on the ITO side of the counter electrode. An empty cell was produced by sandwiching a 4 μm thick spacer between the two glass substrates and pasting them so that the ITO line positions of the upper and lower substrates coincided. A nematic liquid crystal was injected into the cell under normal pressure to produce a liquid crystal microlens.
In this embodiment, since the liquid crystal is oriented in a hybrid type, the twist direction of the liquid crystal when the voltage is applied tends to be uniform, and there is little disclination and a high resolution display can be achieved.
[0050]
【The invention's effect】
As described above, in the optical path deflecting device according to claim 1, the pair of optical path deflecting means (the first optical path deflecting means (optical deflecting element) and the second optical path deflecting means (optical deflecting element) from the light source side). Are aligned in the same direction, the first optical path deflecting means (optical deflecting element) and the second optical path deflecting means (optical deflecting element) may be the same device, which shortens the device creation time. Further, since the alignment direction of the liquid crystal with respect to the line electrode is the same in the two cells, the voltage application in the two cells can be performed in substantially the same manner.
[0051]
In the optical path deflecting device according to the second aspect, in addition to the configuration and effect of the first aspect, the change in the refractive index when an electric field is applied is large, so that the operation can be performed with a small voltage.
In the optical path deflecting device according to the third aspect, in addition to the configuration and effect of the first aspect, the liquid crystal alignment direction is easily determined to be constant, so that disclination hardly occurs, and thus a high-definition image can be obtained. Further, when it is smaller than 45 ° from the line direction or larger than 135 °, disclination is likely to occur.
In the optical path deflecting device according to claim 4, in addition to the configuration and effect of claim 1, a high-speed response is possible, and since it is surrounded by a polymer, disclination is unlikely to occur. Is obtained.
[0052]
In the optical path deflecting device according to the fifth aspect, in addition to the configuration and effect of the first aspect, the device can be made thinner.
In the optical path deflecting device according to the sixth aspect, in addition to the configuration and effect of the first aspect, disclination hardly occurs, so that a high-definition image can be obtained.
In the optical path deflecting device according to the seventh aspect, in addition to the configuration and effect of the first aspect, the alignment film is not contaminated or static electricity is generated, so that the cleanliness of the process can be maintained and the uniformity of the liquid crystal is increased. High-definition and beautiful images can be obtained.
[0053]
In the image display device according to claim 8, by providing the optical path deflecting device according to any one of claims 1 to 7 as the optical path deflecting device, the effect of any one of claims 1 to 7 is obtained. High-definition image by apparent pixel multiplication without lowering light utilization efficiency without optical mechanical shift mechanism and optical path shift by electro-optic effect with relatively simple electrode configuration And the display quality can be improved. Moreover, it can be set as a simple structure as an image display system.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of an image display device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a display example of pixels of the image display device shown in FIG. 1, and shows an example in which the apparent number of pixels is four times that of the original pixels.
3 is a diagram illustrating an arrangement and a configuration example of an optical path deflecting device for bi-directional multiplication in the image display apparatus illustrated in FIG. 1;
FIG. 4 is a diagram showing an example of a liquid crystal cell used for an optical deflection element of an optical path deflecting device, and is an explanatory diagram of a liquid crystal alignment state when alignment processing is performed in a direction 90 ° to the normal direction of a line electrode.
FIG. 5 is a diagram illustrating an example of a liquid crystal light deflecting element used in an optical path deflecting device, and is an explanatory diagram of the configuration and operation of the liquid crystal light deflecting element.
6 is a diagram showing a change in the refractive index distribution in the liquid crystal cell of the liquid crystal light deflecting element shown in FIG.
7 is an explanatory diagram of pixel position shift by the liquid crystal cell of the liquid crystal light deflection element shown in FIG. 5; FIG.
FIG. 8 is a diagram showing another example of a liquid crystal light deflection element used in an optical path deflecting device, and is an explanatory diagram of the configuration and operation of a liquid crystal light deflection element having a pixel reduction function.
9 is a diagram showing a change in the refractive index distribution in the liquid crystal cell in the liquid crystal light deflection element shown in FIG.
10 is an explanatory diagram of a pixel reduction effect and a pixel shift effect by a liquid crystal lens of the liquid crystal light deflection element shown in FIG.
FIG. 11 is a diagram showing still another example of the liquid crystal light deflecting element used in the optical path deflecting device, and is an explanatory diagram of the configuration and operation of the liquid crystal when hybrid alignment is performed.
FIG. 12 is an explanatory diagram of the operation when a concave lens array is installed as a beam collimating unit in the optical path deflecting unit.
FIG. 13 is a configuration explanatory view showing still another example of a liquid crystal light deflecting element used in an optical path deflecting device.
FIG. 14 is a configuration explanatory view showing still another example of a liquid crystal light deflecting element used in an optical path deflecting device.
FIG. 15 is a diagram showing a list of chemical formulas representing structures of photocurable polymer liquid crystals.
[Explanation of symbols]
1: Light source
2: Light source driving means
3: Lighting device
4: Image display element
5: Display drive means
6: Optical path deflecting device
6a: First optical path deflecting means (optical deflecting element)
6b: Second optical path deflecting means (optical deflecting element)
6c: deflection surface rotating means
7: Optical path deflection drive means
8: Image display control circuit
9: Projection lens
10: Screen
11a, 11b: substrate
12a: Electrode (or electrode array)
12b: Electrode array
13: Liquid crystal layer
14: Auxiliary electrode array

Claims (8)

画像表示装置に用いられ、画像表示素子の画素の2次元的な配向方向に対応して設けられ各画素からの出射光の光路を偏向する光偏向素子よりなる光路偏向手段を有する光路偏向装置であって、
前記画素の2次元的な配向方向に対して第一の画素配列方向に沿って光路の偏光または焦点位置の移動が可能な第一の光路偏向手段と第二の画素配列方向に沿って光路の偏向または焦点位置の移動が可能な第二の光路偏向手段とからなる一対の光路偏向手段と、
該一対の光路偏向手段の間に設けられた偏光面回転手段とから構成され、
前記一対の光路偏向手段の光偏向素子が、それぞれ、二枚の基板と、少なくとも一方の基板上に画素ピッチに対応して形成したライン電極アレイと、該二枚の基板間に設けられ電圧印加によって屈折率分布の制御が可能な液晶層と、少なくとも一方の液晶層界面に接して設けられ液晶分子方向を規制する配向膜とを有し、それぞれの光偏向素子においてライン電極に対する配向膜の配向処理方向が同一であることを特徴とする光路偏向装置。
Used in the image display apparatus, the optical path deflecting having an optical path deflecting means consisting of a light deflector for deflecting the optical path of the light emitted from each pixel was set vignetting corresponds to the two-dimensional orientation of the pixel of the image display device A device,
The first optical path deflecting means capable of moving the polarization or focal position of the optical path along the first pixel arrangement direction with respect to the two-dimensional orientation direction of the pixels and the optical path along the second pixel arrangement direction. A pair of optical path deflecting means comprising a second optical path deflecting means capable of deflecting or moving the focal position;
A polarization plane rotating means provided between the pair of optical path deflecting means,
The light deflection elements of the pair of optical path deflecting means are respectively provided between two substrates, a line electrode array formed on at least one substrate corresponding to the pixel pitch, and a voltage applied between the two substrates. And a liquid crystal layer capable of controlling the refractive index distribution, and an alignment film that is provided in contact with at least one liquid crystal layer interface and regulates a liquid crystal molecular direction. The alignment of the alignment film with respect to the line electrode in each light deflection element An optical path deflecting device having the same processing direction.
請求項1記載の光路偏向装置において、
前記光偏向素子の配向膜の配向処理方向が、それぞれライン電極のライン方向と略平行であることを特徴とする光路偏向装置。
The optical path deflecting device according to claim 1,
An optical path deflecting device, wherein the alignment processing direction of the alignment film of the light deflection element is substantially parallel to the line direction of the line electrode.
請求項1記載の光路偏向装置において、
前記光偏向素子の配向膜の配向処理方向をライン電極のライン方向から45°以上135°以下とすることを特徴とする光路偏向装置。
The optical path deflecting device according to claim 1,
An optical path deflecting device characterized in that an orientation processing direction of an orientation film of the light deflection element is set to 45 ° or more and 135 ° or less from a line direction of a line electrode.
請求項1記載の光路偏向装置において、
前記光偏向素子の液晶層に高分子を含むことを特徴とする光路偏向装置。
The optical path deflecting device according to claim 1,
An optical path deflecting device comprising a polymer in a liquid crystal layer of the light deflecting element.
請求項1記載の光路偏向装置において、
前記偏光面回転手段として、直線偏光の偏光面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高分子液晶よりなる偏光面回転手段を設けたことを特徴とする光路偏向装置。
The optical path deflecting device according to claim 1,
As the polarization plane rotating means, the optical path deflecting characterized in that a polarization plane rotating means consisting of a polymer liquid crystal to rotate to the second pixel array direction of the polarization plane of the linearly polarized light from the first pixel array direction apparatus.
請求項1記載の光路偏向装置において、
前記光偏向素子の一方の基板が垂直配向処理されていることを特徴とする光路偏向装置。
The optical path deflecting device according to claim 1,
An optical path deflecting device, wherein one substrate of the light deflecting element is subjected to a vertical alignment process.
請求項1記載の光路偏向装置において、
前記光偏向素子の配向膜が、光照射によって配向規制力を生じ得るものであることを特徴とする光路偏向装置。
The optical path deflecting device according to claim 1,
The optical path deflecting device according to claim 1, wherein the alignment film of the light deflection element is capable of producing an alignment regulating force by light irradiation.
画像情報に従って光を制御可能な複数の画素が二次元的に配列した画像表示素子と、該画像表示素子を照明する光源及び照明装置と、前記画像表示素子に表示した画像パターンを観察するための光学装置と、画像フィールドを時間的に分割した複数のサブフィールドで形成する表示駆動手段と、前記画像表示素子の画素の2次元的な配向方向に対応して設けられ各画素からの出射光の光路を偏向する光偏向素子よりなる光路偏向手段を有する光路偏向装置とを備え、サブフィールド毎の光路の偏向状態に応じて表示位置がずれている状態の画像パターンを表示することで、前記画像表示素子の見かけ上の画素数を増倍して表示する画像表示装置において、
前記光路偏向装置として、請求項1〜7のいずれか一つに記載の光路偏向装置を備えたことを特徴とする画像表示装置。
An image display element in which a plurality of pixels capable of controlling light according to image information are two-dimensionally arranged, a light source and an illumination device that illuminate the image display element, and an image pattern displayed on the image display element out of the optical device, and a display driving means for forming a plurality of sub-fields obtained by dividing an image field temporally, from each pixel was set vignetting corresponds to the two-dimensional orientation of the pixel of the image display device An optical path deflecting device having an optical path deflecting unit composed of an optical deflecting element that deflects the optical path of the incident light, and displaying an image pattern in which the display position is shifted according to the deflection state of the optical path for each subfield, In an image display device that displays the image by multiplying the apparent number of pixels of the image display element,
An image display device comprising the optical path deflecting device according to claim 1 as the optical path deflecting device.
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