JP4155747B2 - 光路偏向装置及び画像表示装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、電気信号により光の方向を変える光路偏向装置及びこの光路偏向装置を利用した画像表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
このような光路偏向装置に使用する光路偏向素子は、外部からの電気信号により光の光路を偏向、すなわち、入射光に対して出射光を平行にシフトするか、ある角度をもって回転させるか、あるいは、その両者を組合せて光路を切換えるための光学素子である。
【０００３】
液晶材料を用いた光路偏向素子としては、従来、次のようなものが提案されている。
【０００４】
まず、特開平６−１８９４０号公報には、光空間スイッチの光の損失を低減することを目的に、人工複屈折板からなる光ビームシフタが提案されている。
【０００５】
また、ピクセルシフト素子としては、特許第２９３９８２６号公報、特開平６−３２４３２０号公報、特開２０００−１９３９２５公報に開示の技術が知られている。
【０００６】
ここでいうピクセルシフト素子とは、少なくとも画像情報に従って光を制御可能な複数の画素が二次元的に配列された画像表示素子と、画像表示素子を照明する光源と、画像表示素子に表示した画像パターンを観察するための光学部材と、画像フィールドを時間的に分割した複数のサブフィールド毎に画像表示素子と光学部材の間の光路を偏向する光路偏向素子とを有し、サブフィールド毎の光路の偏向に応じて表示位置がずれている状態の画像パターンを表示することで、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、光路偏向素子として使用されるデバイスである。
【０００７】
その他、ホール・パターン電極を用いた液晶レンズについては、“O plus E, Vol.20, No.10 (1998)「液晶マイクロレンズ」”に開示されている。ホール・パターン電極の液晶レンズをアレイ状にし、光結合素子の光の結合効率を可変する技術は、特開平１１−１０９３０３号公報、特開平１１−１０９３０４号公報に開示されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、液晶材料の特性には温度依存性があるため、光路偏向素子等の光学素子として液晶材料を用いる場合、光路偏向素子の周囲の温度により光路偏向量が変動するという不具合がある。
【０００９】
また、液晶材料を用いた光路偏向素子等の光学素子の作製において、この光学素子の液晶層を挟持している一対の基板間のギャップを均一に作製することは難しく、このギャップにむらがある場合にも光路偏向量は変動するという不具合がある。例えば、光スイッチや光結合効率可変等の用途に該光路偏向素子を用いた場合、偏向量が変動すると光利用効率が悪くなり、また、画像表示装置に用いた場合では表示画像のドット位置ずれが発生し、コントラスト低下を引き起こす原因になる。
【００１０】
この発明の目的は、温度変化と無関係に光路偏向素子の光の偏向量を一定に維持することである。
【００１１】
この発明の別の目的は、この場合の光路偏向素子の印加電圧の設定誤差を吸収することができる。
【００１２】
この発明の別の目的は、光路偏向素子の基板間のギャップの大きさにかかわらず、光路偏向素子の光の偏向量を一定に維持することである。
【００１３】
この発明の別の目的は、経年変化等により光路偏向素子の光の偏向量が変動しても、光路偏向素子の光の偏向量を一定に調整できるようにすることである。
【００１４】
この発明の別の目的は、光路偏向素子の光の偏向量のずれを検出して、光路偏向素子の光の偏向量を一定に維持することである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、一対の透明な基板、この基板間に設けた電圧印加により屈折率分布を制御可能な液晶層、及び、この液晶層に電圧を印加する電極を有し、前記電極は前記液晶層の出射面側に一対の櫛形電極が交互配列で設けられ、入射面側にベタ電極が設けられ、前記液晶層は前記櫛形電極の配列方向と略同方向となるようにホモジニアス配向処理され、前記一対の櫛形電極へ交互に電圧が印加されることで、入射した光を無印加の前記電極に集光するように偏向させる光路偏向素子と、前記液晶層又はその近傍の温度変化を検出する温度検出素子と、前記電極に電圧を印加して前記光路偏向素子を駆動する光路偏向駆動回路と、前記光路偏向素子の出射光の一部の偏光面を９０°回転させるツイストネマチック液晶セルと、該偏光面が９０°回転した出射光を屈曲して当該出射光の光路外に導く偏光ビームスプリッターと、前記偏光ビームスプリッターからの出射光を受光し、前記光路偏向素子の出射光の偏向量を検出する偏向量検出素子と、前記温度検出素子の温度検出信号と前記偏向量検出素子の偏向量検出信号に応じて、前記光路偏向駆動回路による前記電極への印加電圧を制御する制御手段と、を備えていることを特徴とする光路偏向装置である。
【００１６】
したがって、液晶層の温度変化に応じて光路偏向素子の駆動電圧を制御することができるので、温度変化と無関係に光路偏向素子の光の偏向量を一定に維持することができる。又、光路偏向素子の光の偏向量のずれを検出して、光路偏向素子の光の偏向量を一定に維持することができる。又、光路偏向素子を遮らないように光路外で偏向量検出素子による検出を行なって、光路偏向素子の光の利用効率を高く維持することができる。
【００１７】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の光路偏向装置において、温度検出素子は、抵抗値の変化により温度検出を行なう透明な抵抗体である。
【００１８】
したがって、温度検出素子を光路偏向素子の光を遮るような液晶層の近傍に配置しても、光路偏向素子の光の利用効率は低下せず、液晶層の温度変化を正確に捉えることができる。
【００１９】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の光路偏向装置において、前記制御手段は、前記温度検出信号の補正値に応じて、前記光路偏向駆動回路による前記電極への印加電圧を制御するものである。
【００２０】
したがって、温度検出信号の補正値を用いることにより、光路偏向素子の印加電圧の設定誤差を吸収することができる。
【００２１】
請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれかの一に記載の光路偏向装置において、前記制御手段は、前記基板間のギャップの大きさに応じた補正量で前記電極への印加電圧を補正するものである。
【００２２】
したがって、光路偏向素子の基板間のギャップの大きさにかかわらず、光路偏向素子の光の偏向量を一定に維持することができる。
【００２３】
請求項５に記載の発明は、請求項１〜４のいずれかの一に記載の光路偏向装置において、前記光路偏向駆動回路による前記電極への印加電圧の大きさの手動による調整を受付ける電圧調整回路を備えている。
【００２４】
したがって、経年変化等により光路偏向素子の光の偏向量が変動しても、光路偏向素子の光の偏向量を一定に調整することができる。
【００２５】
請求項６に記載の発明は、照明光を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と、この画像表示素子と同期し、前記画像表示素子の各画素から入射されてくる画像光の光路を偏向して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請求項１〜５のいずれかの一に記載の光路偏向装置と、を備えていることを特徴とする画像表示装置である。
【００２６】
したがって、請求項１〜５のいずれかの一に記載の発明と同様の作用、効果を奏する。
【００３３】
【発明の実施の形態】
この発明の実施の形態について説明する。
【００３４】
図１は、この実施の形態である画像表示装置１１の概略構成を示す概念図である。光源１２は、白色あるいは任意の色の光を高速にＯＮ／ＯＦＦできるものなら様々な光源を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せたものなど用いることができる。照明装置１３は光源１２から出射した光を均一に画像表示素子１４に照射する光学素子であり、拡散板１３ａ、コンデンサレンズ１３ｂなどから構成される。
【００３５】
画像表示素子１４は、表示駆動回路１９により駆動されて、入射した均一照明光を空間光変調して出射する素子で、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。
【００３６】
光源駆動回路１５で点灯駆動されて光源１２から放出した光は、拡散板１３ａにより均一化された照明光となり、コンデンサレンズ１３ｂにより画像表示素子１４をクリティカル照明する。ここでは、画像表示素子１４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で空間光変調された照明光は、画像光として投射レンズ１６で拡大されスクリーン１７に投射される。
【００３７】
ここで、画像表示素子１４よりスクリーン１７側に配置された光路偏向素子１は光路偏向駆動回路１８により駆動されて、画像表示素子１４を出射した画像光は画素の配列方向に任意の距離だけシフトする。光路偏向駆動回路１８と表示駆動回路１９とは、画像表示制御回路２１による制御を受け、画像表示素子１４と光路偏向素子１とは同期して駆動される。
【００３８】
図１の例では、画像表示素子１４の直後に光路偏向素子１を設置しているが、この位置関係に限定する必要はなく、スクリーン１７の直前などに配置してもよい。但し、スクリーン１７付近に設置する場合、光路偏向素子１の大きさや透明電極３のピッチなどは、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、画素のシフト量は画素ピッチの整数分の１であることが望ましい。画素の配列方向に対して２倍の画像増倍を行なう場合は画素ピッチの１／２にし、３倍の画素増倍を行なう場合は画素ピッチの１／３にする。また、光路偏向駆動回路１８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よい。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画像表示素子１４を駆動し、図２に示すように、実際の画素２０ａが見かけ上の画素２０ａ，２０ｂに倍増される画素増倍効果が得られ、見かけ上使用した画像表示素子１４の解像度以上の高精細で、コントラストのよい画像を表示することができる（図２には、画素２０ａ２０ｂへのシフト量、画素２０ａの画素ピッチも示している）。
【００３９】
なお、図１の例では、カラーフィルターを組合せた透過型液晶ライトバルブである画像表示素子１４と白色ランプを用いた光源１２の例を示した。また、単板の画像表示素子１４を時間順次に３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。このとき、白色ランプ光源と回転カラーフィルターを組合せて時間順次の３原色光を生成してもよい。
【００４０】
次に、光路偏向素子１について詳細に説明する。
【００４１】
図３は、この実施の形態である光路偏向素子１の構成を説明する概念図である。図３に示すように、光路偏向素子１は、二枚の透明基板２と、少なくとも一方の基板上２に形成したストライプ型の透明ライン電極３と、もう一方の基板上２に形成した透明電極６と、二枚の基板２，２間に収納され電圧印加によって屈折率分布の制御が可能な液晶層４とを有する液晶セル１ａを備えている。図３は、このような光路偏向素子１を構成する液晶セル１ａの非動作時の液晶配向状態を模式的に示している。無電界の状態では液晶分子５が基板２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。
【００４２】
この図３の例では、液晶分子５の長軸が図３の紙面の左右方向になるような配向処理を想定している。上側の透明基板２には透明ライン電極３がアレイ状に形成されており、透明ライン電極３のピッチや幅などは特に限定する必要はない。下側の透明電極６は基板２の全面に形成されているが、上側の基板２に設けられた透明ライン電極３と対称な透明ライン電極として形成してもよい。透明基板２の材料としては、ガラス、プラスチック等を使用でき、透明電極の材料としては、ＩＴＯ等が利用できる。電極３，６は必ずしも透明でなくてもよく、Ａｌ、Ｃｒ等の導電性を示すものなら様々な材料を用いることができる。電極３，６は基板２の液晶層４側になるように設ける。使用する基板２自身が導電性を有している場合は、基板２を電極３，６としても利用することができる。液晶層４を構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Δｎや誘電異方性Δεが大きいものを用いるのが望ましい。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望ましい。液晶層４の厚さは基板２，２間に介装する図示しない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する。
【００４３】
なお、透明ライン電極３のピッチは画素ピッチと一対一で対応している必要はなく、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に一致させてもよい。また、複数本の透明ライン電極３を一組として、その組を画素ピッチに対応させるようにしてもよい。透明電極３，６の液晶層４に接する面は、液晶分子５が配向するように処理することが望ましい。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。また、ラビング処理や光配向処理を施すことが望ましい。さらに、透明電極の表面には絶縁膜を設けてもよい。
【００４４】
図４は、光路偏向素子１の動作を説明する説明図である。図４（ａ）（状態▲１▼）はグレイ色で示した透明ライン電極３（３ａ）にのみ所定の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３ａ，６間では電界によって液晶分子５が垂直に配向し、無印加の電極３，６間では水平に配向したままになる。この液晶セル１ａ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。図４の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５の長軸が基板２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４（ｃ）の実線（状態▲１▼）のような屈折率分布の影響を受ける（図４（ｃ）のグラフの位置と、図４（ａ）（ｂ）の紙面の左右方向の位置とは対応している）。この屈折率分布は図４（ｃ）の実線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。次に、図４（ｂ）（状態▲２▼）のように電圧を印加する電極３を電極３ｂに切換えると、液晶分子５の配向状態も変化し、図４（ｃ）の破線（状態▲２▼）のような屈折率分布に変化する。
【００４５】
このように電圧をライン電極３に印加することによって、光路偏向素子１を透過する光路７（図４）は偏向されて集光し、電圧を印加する電極３を切換えることによって、その焦点位置はシフトする。つまり焦点位置によって光路偏向量は決まる（この明細書で、光路偏向素子１を透過する光の焦点位置の変化と光路偏向量の変化は同一の現象について述べている）。この焦点位置は液晶の配向に起因する屈折率分布によって変化する。液晶の配向は電極３，６に印加する電圧値によって変化するため、この印加電圧を調節すれば、焦点位置は可変でき、光の偏向量も可変できる。つまり、光路偏向量が何らかの原因で変化したとき、液晶層４への印加電圧を調節することにより光路偏向量を均一に設定することができる。
【００４６】
また、光路偏向量が変化する一つの原因として液晶層４の周囲温度の変化を挙げることができる。これは液晶材料の特性には温度依存性があるためである。例えば、液晶材料の弾性定数、誘電率の温度特性によって、温度が下がると閾値電圧は上昇する。すなわち、液晶層４に印加される電圧が一定の場合、温度が変化すると、図３に示すように、温度によって光路７の偏向量又は集光特性は変化する。そこで、液晶層４又はその近傍の温度を検出し、この検出温度に応じて液晶層４への印加電圧を調節するようにすれば、光路偏向量を均一にすることができる。
【００４７】
そこで、図１に示すように、この画像表示装置１では、温度検出素子２２を設け、温度検出回路２３により、この温度検出素子２２で液晶層４の温度を検出している。そして、電圧制御回路２４は、温度検出回路２３からの温度の温度検出信号に基づいて、光路偏向素子１を透過する光の焦点位置の変化（光路偏向量の変化）が略一定範囲に維持できるように、光路偏向駆動回路１８を制御して、電極３，６間の印加電圧を制御している。光路偏向素子１、光路偏向駆動回路１８、温度検出素子２２、温度検出回路２３、電圧制御回路２４により、光路偏向装置２５を構成している。
【００４８】
例えば、図５に示すように、図４（ａ）の状態▲１▼の例で、図５（ａ）の液晶層４の温度をＴ１、図５（ｂ）の液晶層４の温度をＴ２として（Ｔ１＞Ｔ２）、電極３，６間への印加電圧がどちらも等しくＶであったときは、光路７の焦点位置の変化（光路偏向量の変化）は、図５（ａ）と図５（ｂ）とに示すように異なる。
【００４９】
そこで、図５（ａ）に示すように、検出素子２２による検出温度がＴ１からＴ２へ変化した場合には（Ｔ１＞Ｔ２）、図５（ｂ）に示すように、電極３，６間への印加電圧をＶ２からＶ１に調節することで（Ｖ１＜Ｖ２）、図７に示すように、光路偏向量を均一にすることができる。なお、電極３，６への印加電圧の調整範囲は、基準電圧Ｖ１に対して０〜２Ｖ１の範囲とすることが望ましい。例えば、Ｖ１＝１６ボルトのとき、０〜３２ボルトの間で調整するのが望ましい。
【００５０】
温度検出素子２２は、熱電対、サーミスタなどを用いることができ、温度検出素子２２の設置は液晶層４の動作温度を検知できる位置であればどこでもよいが、望ましくは液晶層４の近傍に設置する。
【００５１】
この例では、温度検出素子２２として透明抵抗体を形成しており、この透明抵抗体としてはＩＴＯ等を用いることができる。この抵抗体は温度変化により内部抵抗が変化し、この内部抵抗の変化に基づいて温度を検出する素子である。このように、透明抵抗体からなる温度検出素子２２を設置することで、温度検出素子２２を液晶層４に近接して設けることができ、液晶層４の温度を正確に検出して、光路偏向量を精度良く均一に制御するこができる。
【００５２】
また、電圧制御回路２４は、実際には、温度検出素子２２の位置等の諸条件に応じて、温度検出素子２２の温度検出値を補正した補正値を用い、この補正値に応じて光路偏向駆動回路１８を制御して、電極３，６間の印加電圧を制御する。具体的には、温度検出素子２２の温度検出値を所定の換算式で換算してもよいし、ルックアップテーブルにより、温度検出素子２２の温度検出値を電圧値に換算するようにしてもよい。
【００５３】
液晶層４の温度は一定であっても、なおかつ、光路偏向素子１を透過する光の光路偏向量が変化する一つの原因として、光路偏向素子１のギャップむらがある。すなわち、個々の光路偏向素子１ごとに基板２，２間のギャップの差がある場合、図８に示すように、光路の偏向量は変化する。図８の例では、印加電圧Ｖ、液晶層４の温度Ｔは共通であるが、基板２，２間のギャップは、図８（ａ）がｄ１、図８（ｂ）がｄ２で（ｄ１＞ｄ２）差があるため、光路偏向素子１を透過する光の光路偏向量も異なっている。
【００５４】
そこで、１台１台の光路偏向素子１により異なる基板２，２間のギャップに対応して、電極３，６間の印加電圧を調節することで、図９に示すように、光路偏向量は均一にできる。図９（ａ）は図８（ａ）の場合、図９（ｂ）は図８（ｂ）の場合を示している。このような光路偏向素子１のギャップむらは、主に光路偏向素子１の製造工程で発生するため、あらかじめ出荷時に基板２，２間のギャップに応じた電極３，６間への印加電圧の補正量を、電圧制御回路２４において設定しておき、この補正量で電極３，６間への印加電圧を補正するようにする。具体的には、この補正量を用いた所定の換算式で電極３，６間への印加電圧の値を換算してもよいし、この補正量を考慮したルックアップテーブルにより、温度検出素子２２の温度検出値を電圧値に換算するようにしてもよい。
【００５５】
図１０は、電圧制御回路２４が行なう電極３，６間の印加電圧の制御を説明するフローチャートである。すなわち、電圧制御回路２４はマイコンを備えている。まず、このマイコンのＣＰＵが、温度検出回路２３から温度検出信号を取り込み（ステップＳ１）、この温度検出信号の値をマイコンのＲＯＭに格納されているルックアップテーブルを用いて、電極３，６間に印加する電圧値に換算する（ステップＳ２）。このルックアップテーブルには、温度検出素子２２の位置等の諸条件に応じて、温度検出素子２２の温度検出値を補正した補正値や、基板２，２間のギャップに応じた電極３，６間への印加電圧の補正量を考慮して、電極３，６間に印加する電圧値が登録されている。そして、ステップＳ２でテーブルルックアップにより電極３，６間に印加する電圧値を求めると、光路偏向駆動回路１８を制御して、電極３，６間の印加電圧がステップＳ２で求めた値となるようにする（ステップＳ３）。この図１０の処理により、制御手段を実現している。
【００５６】
次に、光路偏向素子１の動作について詳細に説明する。
【００５７】
図１１（ａ）は、光路偏向素子１の液晶セル１ａの非動作時の液晶配向状態を模式的に示している。無電界では液晶分子５が基板に沿って平行になるように、光路偏向素子１はホモジニアス配向処理されている。この図１１の例では、液晶分子５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。
【００５８】
図１１（ｂ）（状態▲１▼）は、着色して表示した透明ライン電極３（３ａ）にのみ（温度検出素子２２により検知した温度に対応した）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３ａ，６間では液晶分子５が電界によって垂直に配向し、電圧を無印加の電極３ｂ，６間では水平に配向したままになる。この液晶セル１ａ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。図１１の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５の長軸が基板２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１１（ｄ）の実線（状態▲１▼）のようなピッチが比較的大きな凸レンズ状の屈折率分布の影響を受ける。そのため、入射した光は電圧を無印加の電極３ｂに集光するように偏向する。
【００５９】
次に、図１１（ｃ）（状態▲２▼）のように電圧を印加する電極３を電極３ｂに切換えると、液晶分子５の配向状態も変化し、図１１（ｄ）の破線（状態▲２▼）のような屈折率分布に変化する。この場合、画像表示素子１４の２画素に対して一つの凸レンズ効果を持たせる。状態▲１▼と▲２▼を画像表示素子１４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。
【００６０】
光路偏向素子１では、液晶セル１ａに入射する入射側の画素のサイズは比較的大きく設定される。例えば、光路偏向素子１の液晶セル１ａが図１１（ｂ）の状態▲１▼のとき、図１２の４つの入射側画素３１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１１（ｄ）の実線の屈折率分布によって、▲１▼と▲３▼、▲５▼と▲７▼の画素３１の画像がそれぞれ縮小される。この時、図１２上部に実線で示した出射側画素３２のように、画素ピッチは一定でなくなる。
【００６１】
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１１（ｃ）の状態▲２▼のように電圧を印加する電極３を電極３ｂを切換えると、屈折率分布は図１１（ｄ）の破線のように切換わる。ここで、入射側画素３１に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１３上部の破線で示した位置に縮小された画素３２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１ａ上では、見かけ上、▲２▼▲１▼▲３▼▲４▼▲６▼▲５▼▲７▼▲８▼と変則的に並んだ８つの画素３２となる。
【００６２】
しかしながら、前述したように光路偏向量は温度によって変化するので、温度がＴ１からＴ２またはＴ２からＴ１（Ｔ１＞Ｔ２）に変化した場合、図１３に示すように出射側画素３２の位置はずれる（温度Ｔ１のときの光路が７ａ、画素が３２ａ、温度Ｔ２のときの光路が７ｂ、画素が３２ｂ）。これにより、隣合う画素３２が重なりあって、コントラストを低下させる原因となる。
【００６３】
そこで、図６に示すように、温度検出素子２２により検知した温度に対応して、電極３，６間に印加する電圧を調節することで、図１６のように出射側画素３２の位置は温度によらず一定になり、コントラストの低下が防止できる。
【００６４】
この場合に、電圧制御回路２４は、実際には、温度検出素子２２の位置等の諸条件に応じて、温度検出素子２２の温度検出値を補正した補正値を用いるので、電極３，６間の印加電圧の調節または設定誤差を少なくすることができる。これにより、出射側画素３２の位置を精度良く均一にすることができる。
【００６５】
また、液晶層４の温度が一定の場合でも、光路偏向量は基板２，２間のギャップむらによって変化するため、図１５に示すように、出射側画素３２の位置はずれ、コントラストを低下する。すなわち、図１５（ａ）は基板２，２間のギャップがｄ１と広い場合を、図１５（ｂ）は基板２，２間のギャップがｄ２と狭い場合を示しており、ギャップがｄ１と広い前者の場合は、出射側画素３２ａは大きくなり、ギャップがｄ２と広い後者の場合は、出射側画素３２ｂは小さくなる。
【００６６】
しかし、あらかじめ出荷時に基板２，２間のギャップに応じた電極３，６間への印加電圧の補正量を、電圧制御回路２４において設定しておき、この補正量で電極３，６間への印加電圧を補正するので、図１６に示すように、出射側画素３２の位置は基板２，２間のギャップむらにかかわらず一定になり、コントラストの低下が防止できる。
【００６７】
次に、画像表示装置１１の他の構成例について説明する。図１７は、この画像表示装置１１の構成例を示す概念図である。この画像表示装置１１が、図１〜図１６を参照して説明した画像表示装置１１と相違するのは、電圧調節回路２６を備えている点である。その他の点については図１〜図１６を参照して説明した画像表示装置１１と同様であり、図１７に同一符号を付して、詳細な説明は省略する。
【００６８】
電圧調節回路２６は、手動操作により光路偏向駆動回路１８が光路偏向素子１に印加する電圧を調整することができる。よって、電圧制御回路２４により前述のように設定される基板３，６間の電圧より、当該電圧を高くあるいは低く、所望に調整することができる。
【００６９】
すなわち、長期的な経時劣化や環境変動により、光路偏向素子１の偏向特性が変化し、出射側画素３２にずれが発生した場合、この電圧制御回路２４によって光路偏向量を正確に調節することで、出射側画素３２のずれを補正することができる。また、表示画像の劣化、コントラスト低下等の発生も実際の画像を確認しながら、電圧調整用コントローラで光路偏向量を調節できるので、好みの表示画像に設定することができる。
【００７０】
画像表示装置１１の他の構成例について説明する。図１８は、この画像表示装置１１の構成例を示す概念図である。この画像表示装置１１が、図１〜図１６を参照して説明した画像表示装置１１と相違するのは、光路偏向素子１の外部に光路偏向素子１による光路７のシフト量を検出する偏向量検出素子２７と、この偏向量検出素子２を移動する移動機構２８とを備えている点である。
【００７１】
偏向量検出素子２７としては、微小な受光素子をアレイ状に密に配列したものを用い、光路偏向素子１からの出射光線の受光位置の変化を検出する。受光素子としてはＣＣＤやフォトダイオードアレイなどを用いることができる。一つの受光素子のサイズは、数μｍ〜数十μｍ程度であり、所望の光路７のシフト量よりも小さくする。また、レンズなどを用いて偏向量を拡大してもよい。
【００７２】
光路偏向素子１からの出射光路７中に常に偏向量検出素子２７を配置すると、利用可能な光量を減少させ、出射光路７を遮光してしまう。そのため、偏向量検出素子２７を出射光路７中に出し入れする移動機構２８を設けることが望ましい。この移動機構２８は電圧制御回路２４の制御により駆動され、偏向量検出素子２７は偏向量検出回路２９により、光路７の偏向量を検出して、その偏向量検出信号は電圧制御回路２４に入力される。移動機構２８としては、ソレノイドによる往復機構、回転モータによる回転機構、回転機構を往復運動に変換するリンク機構などを用いることができる。
【００７３】
他の望ましい構成として、移動機構２８に代えて出射光路７を屈曲させる光学素子を設けて、固定した偏向量検出素子２７への入射を切換えるようにしてもよい。この出射光路７を屈曲させる光学素子としては、平面鏡や偏光ビームスプリッターなどを用いることができる。特に、この光路偏向素子１では、出射光が直線偏光であるため、ツイストネマチック液晶セルのように電気的に偏光面を９０°回転させる液晶を用いた液晶セルと偏光ビームスプリッターを組合せれば、電気的に出射光路７を屈曲させることができる。このように、出射光路７を屈曲させる光学素子を用いた場合は、機械的な可動部が無いので、装置の小型化や静音化などの点で有利である。
【００７４】
このように偏向量検出素子２７を用い、所望のタイミングで出射光路７を偏向量検出素子２７上に導き、実際に偏向動作を行なわせてその偏向量を検出する。そして、電圧制御回路２４では、検出した偏向量の大きさに応じて、電極３，６間に印加する電圧を自動調節する。
【００７５】
具体的には、偏向量の検出値を所定の換算式で換算してもよいし、ルックアップテーブルにより、温度検出素子２２の温度検出値のみならず、偏向量の検出値も考慮して、電圧値に換算するようにしてもよい。
【００７６】
図１９は、電圧制御回路２４による制御の一例を示すフローチャートである。すなわち、電圧制御回路２４のマイコンのＣＰＵが、温度検出回路２３から温度検出信号を取り込み（ステップＳ１１）、また、偏向量検出回路２９から偏向量検出信号を取り込み（実際には、例えば、画像表示装置１１の主電源が投入されるたびに偏向量検出回路２９から偏向量検出信号を取り込んで、その値をＲＡＭに記憶し、この記憶している値を用いるなどする）（ステップＳ１２）、この温度検出信号及び偏向量検出信号の値をマイコンのＲＯＭに格納されているルックアップテーブルを用いて、電極３，６間に印加する電圧値に換算する（ステップＳ１３）。このルックアップテーブルには、温度検出素子２２の位置等の諸条件に応じて、温度検出素子２２の温度検出値を補正した補正値や、基板２，２間のギャップに応じた電極３，６間への印加電圧の補正量や、光路７の偏向量に応じた補正量も考慮して、電極３，６間に印加する電圧値が登録されている。そして、ステップＳ１３でテーブルルックアップにより電極３，６間に印加する電圧値を求めると、光路偏向駆動回路１８を制御して、電極３，６間の印加電圧がステップＳ２で求めた値となるようにする（ステップＳ１４）。この図１９の処理により制御手段を実現している。
【００７７】
このような構成によれば、長期的な経時劣化や環境変動により光路偏向素子１の偏向特性が変化した場合でも、実際の光路７のシフト量を検出して制御系にフィードバックすることで、正確な光偏向動作を行なうことができ、出射側画素３２のずれを補正することができる。
【００７８】
以上説明したように、この画像表示装置１１によれば、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、液晶レンズの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１ａで両立でき、表示画像のコントラストの低下を防止することができる。
【００７９】
【実施例】
この発明の実施例について説明する。
【００８０】
（実施例１）
光路偏向素子１（液晶セル１ａ）の基本構成は、透明ガラス基板（基板２）（３ｃｍ×４ｃｍ、厚さ１．１ｍｍ）を二枚用い、一方の基板２上にはＣｒのライン電極３を形成した。このライン電極３は交互に同一電圧を印加できるように，図２０のような櫛形電極とした。もう一方の基板２は、その片面側全面にＩＴＯを形成し、ベタ電極の電極６とした。基板２のＩＴＯ側にポリイミド系の配向材料（AL3046-R31、JSR社製）をスピンコートし、約０．３μｍの配向膜を形成した。基板２のアニール処理後、Ｃｒラインに対して直角方向にラビング処理を行った。二枚の基板２，２間に３μｍのスペーサ（真絲球）を挟み、上下基板２，２を張り合わせ（電極面は対向させる）、加圧した後、ＵＶ硬化接着剤で封止をして空セルを作製した。この空セルの中に、誘電率異方性が正のネマチック液晶（ZLI-2471、メルク社製）を毛細管法で注入し、液晶セル１ａを作製した。上下基板２，２のラビング処理の方向は一致しているため、液晶分子５は基板２に対して平行で全て同じ向きに配向（ホモジニアス配向）した状態となる。作製したセル１ａに温度検出素子２２と温度検出回路２３を取り付けた。これは、安立計器製のデジタル温度計を改造して使用した。温度検出素子２２をセル１ａの両面に配置し、両者の検出値の平均値を光路偏向素子１の温度として検出するようにした。
【００８１】
以上の構成で、光路偏向素子１に電圧を印加して動作させる。印加電圧は３台のファンクションジェネレイターを使い、１台はトリガーとして、図２０に示す櫛型電極Ａ，Ｂへ交互に電圧を印加するために用いた。入力周波数は１００Ｈｚ、電圧の入力波形は三角波とし、電圧値はオシロスコープ、テスターで確認した。観察評価系は白色ランプにアパーチャー（１．５ｍｍ）を取り付け、コリメートレンズにより平行光にし、液晶セル１ａに白色光を入射する。その透過光を顕微鏡（対物レンズ゛（４０×）、リレーレンズ及びＣＣＤカメラで構成）で観察、ＣＣＤカメラを通してデジタルビデオで撮影し、この映像から光強度分布のラインプロファイルを解析ソフト（Image pro plus）に取りこみ、この光強度のプロファイルから光路シフト量を求めた。
【００８２】
光路偏向素子１を動作させる電圧は１６Ｖとし、光源ＯＮから数分後、１時間後のシフト量を測定した結果、約１μｍの差があり、光シフト量は変化した。光源１２のＯＮから数分後、１時間後の光路偏向素子１の温度を温度検出素子２２により測定したところ、それぞれ２５℃、３５℃であった。そこで、光源１２のＯＮから１時間後、光路偏向素子１を動作させる電圧を１０Ｖに設定し、シフト量を測定した結果、光源１２のＯＮから数分後のシフト量と同じになった。したがって、測定温度に応じて液晶セル１ａへの印加電圧を調節することで、光路７のシフト量を一定にすることができた。
【００８３】
（実施例２）
図１のような画像表示装置１１を作製した。画像表示素子１４として対角０．９インチＸＧＡ（１０２４×７６８ドット）のポリシリコンＴＦＴ液晶ライトバルブを用いた。画素ピッチは縦横ともに約1８μｍである。画素の開口率は約５０％である。また、画像表示素子１４の光源１２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。光源１２としては白色ランプを用い、カラーフィルターを各画素表面に設けた透過型液晶ライトバルブを画像表示素子１４として使用してカラー表示を行なった。光路偏向素子１は実施例１と同様のものを用い、この光路偏向素子１を画像表示素子１４の直後に設置して、画素位置と透明ライン電極３の位置合わせを調整した。また、液晶セル１ａの出射側に薄い拡散層を有する拡散板を合わせて、出射面での拡散光を拡大し、観察した。
【００８４】
光路偏向素子１を動作させる印加電圧は１６Ｖとし、光源１２をＯＮにして数分後の表示画像を観察した結果、横方向の画素密度が二倍の、高精細でコントラストのよい画像が得られた。しかし、光源１２のＯＮ状態のまま１時間放置し、表示画像を観察した結果、表示画像のコントラストは悪くなっていた。光源１２のＯＮから数分後、１時間後の光路偏向素子１の温度を温度検出素子２２により測定したところ、それぞれ２５℃、３５℃であった。そこで、光源１２のＯＮから１時間後、光路偏向素子１を動作させる印加電圧を１０Ｖにしたところ、数分後の表示画像と同様にコントラストのよい画像が得られた。
【００８５】
（実施例３）
図２１のように分割したパターン電極３、基板２、２０μｍのスペーサ４１を用い、実施例１と同様にして作製したセルの基板２，２間のギャップは、図２１に示すように５μｍの差が生じていた。印加電圧を一定にして実施例１と同様にセル１ａを動作させ、ギャップが小さい位置と大きい位置の光路シフト量を測定したところ、基板２，２間のギャップが小さい位置と大きい位置とでは、光路７のシフト量が約２μｍずれた。印加電圧を８Ｖにし、セル１ａを動作させ、ギャップが小さい位置での光路７のシフト量を測定した。また、印加電圧を７Ｖにし、セル１ａを動作させ、ギャップが大きい位置での光路７のシフト量を測定した。すると、ギャップが小さい位置と大きい位置での光路シフト量は同じであった。従って、ギャップ差によって電圧を調節することで、光路７のシフト量を一定にすることができた。
【００８６】
（実施例４）
実施例３で作製した光路偏向素子１を用いて、実施例２と同様の画像表示装置１１を作製し、その表示画像を観察した。
【００８７】
光路偏向素子１を動作させる印加電圧を８Ｖにし、表示画像を観察した結果、表示画像に一部ドットずれが生じており、コントラストが低下しているところがあった。光路偏向素子１の電極３（のＡ〜Ｆ）への印加電圧を、図２２のように設定したところ、表示画像のドットずれはなくなり、コントラストも良くなった。
【００８８】
（実施例５）
実施例２の画像表示素子１４におけるスクリーン１７の周辺部に、投射光路の端部において、ＣＣＤ素子が挿入可能な機構を設けた。この機構は、通常の画像表示状態では、ＣＣＤ素子を光路７上からの待避位置に置くが、使用時間の累積が１０００時間毎に、ソレノイドにより投射光路中の端部に挿入するものである。そして、この挿入と同時に投射レンズ１６のピントを微調整し、投射画像がＣＣＤ面上に結像するように設定する。この状態で予めテストパターンとして記憶されているドット画像を投影し、ＣＣＤ素子の表面上でのシフト量を測定した。最初の測定では、シフト量は狙いの設定値より３５μｍずれており、表示画像にボケが生じコントラストが良くなかった。
【００８９】
そこで、ＣＣＤ面上でのシフト量が狙いの設定値である１２５μｍとなるように、電極３への印加電圧を調整し、その時の電圧を新たな制御目標電圧として再設定した。このような調整の実施により、表示画像にボケがなくなり、コントラストがよくなった。
【００９０】
【発明の効果】
請求項１に記載の発明は、温度変化と無関係に光路偏向素子の光の偏向量を一定に維持することができる。又、光路偏向素子の光の偏向量のずれを検出して、光路偏向素子の光の偏向量を一定に維持することができる。又、光路偏向素子を遮らないように光路外で偏向量検出素子による検出を行なって、光路偏向素子の光の利用効率を高く維持することができる。又、ツイストネマチック液晶セルのように電気的に偏光面を９０°回転させる液晶を用いた液晶セルと偏光ビームスプリッターとを組合せることにより、機械的な可動部を用いることなく電気的に出射光路を屈曲させることができるため、装置の小型化や静音化などの点で有利である。
【００９１】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の光路偏向装置において、温度検出素子を光路偏向素子の光を遮るような液晶層の近傍に配置しても、光路偏向素子の光の利用効率は低下せず、液晶層の温度変化を正確に捉えることができる。
【００９２】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の光路偏向装置において、光路偏向素子の印加電圧の設定誤差を吸収することができる。
【００９３】
請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれかの一に記載の光路偏向装置において、光路偏向素子の基板間のギャップの大きさにかかわらず、光路偏向素子の光の偏向量を一定に維持することができる。
【００９４】
請求項５に記載の発明は、請求項１〜４のいずれかの一に記載の光路偏向装置において、経年変化等により光路偏向素子の光の偏向量が変動しても、光路偏向素子の光の偏向量を一定に調整することができる。
【００９５】
請求項６に記載の発明は、請求項１〜５のいずれかの一に記載の発明と同様の作用、効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施の形態である画像表示装置の構成を示す概念図である。
【図２】画像表示装置による見かけ上の画素倍増を説明する説明図である。
【図３】光路偏向素子の液晶セルの概念図である。
【図４】光路偏向素子について説明する説明図である。
【図５】光路偏向素子の温度の違いによる光路の偏向量について説明する説明図である。
【図６】光路偏向素子の温度の違いに応じた印加電圧について説明するグラフである。
【図７】光路偏向素子の温度の違いによる光路の偏向量の補正について説明する説明図である。
【図８】光路偏向素子の基板間のギャップの違いによる光路の偏向量について説明する説明図である。
【図９】光路偏向素子の基板間のギャップの違いによる光路の偏向量の補正について説明する説明図である。
【図１０】光路偏向素子の印加電圧の制御について説明するフローチャートである。
【図１１】光路偏向素子の動作について説明する説明図である。
【図１２】光路偏向素子の動作について説明する説明図である。
【図１３】光路偏向素子の温度の違いによる光路の偏向量について説明する説明図である。
【図１４】光路偏向素子の温度の違いによる光路の偏向量の補正について説明する説明図である。
【図１５】光路偏向素子の基板間におけるギャップの違いによる光路の偏向量について説明する説明図である。
【図１６】光路偏向素子の基板間におけるギャップの違いによる光路の偏向量の補正について説明する説明図である。
【図１７】この発明の別の実施の形態である画像表示装置の構成を示す概念図である。
【図１８】この発明の別の実施の形態である画像表示装置の構成を示す概念図である。
【図１９】光路偏向素子の印加電圧の制御について説明するフローチャートである。
【図２０】実施例１の光路偏向素子のライン電極の平面図である。
【図２１】実施例３の液晶セル及びライン電極の説明図である。
【図２２】実施例３のライン電極に対する印加電圧の説明図である。
【符号の説明】
１ 光路偏向素子
２ 基板
３ 電極
６ 電極
１１ 画像表示装置
１４ 画像表示素子
１８ 光路偏向駆動回路
２２ 温度検出素子
２５ 画像表示装置
２６ 電圧調整回路
２７ 偏向量検出素子
２８ 移動機構

Claims (6)

1. 一対の透明な基板、この基板間に設けた電圧印加により屈折率分布を制御可能な液晶層、及び、この液晶層に電圧を印加する電極を有し、前記電極は前記液晶層の出射面側に一対の櫛形電極が交互配列で設けられ、入射面側にベタ電極が設けられ、前記液晶層は前記櫛形電極の配列方向と略同方向となるようにホモジニアス配向処理され、前記一対の櫛形電極へ交互に電圧が印加されることで、入射した光を無印加の前記電極に集光するように偏向させる光路偏向素子と、
   前記液晶層又はその近傍の温度変化を検出する温度検出素子と、
   前記電極に電圧を印加して前記光路偏向素子を駆動する光路偏向駆動回路と、
   前記光路偏向素子の出射光の一部の偏光面を９０°回転させるツイストネマチック液晶セルと、
   該偏光面が９０°回転した出射光を屈曲して当該出射光の光路外に導く偏光ビームスプリッターと、
   前記偏光ビームスプリッターからの出射光を受光し、前記光路偏向素子の出射光の偏向量を検出する偏向量検出素子と、
   前記温度検出素子の温度検出信号と前記偏向量検出素子の偏向量検出信号に応じて、前記光路偏向駆動回路による前記電極への印加電圧を制御する制御手段と、を備えていることを特徴とする光路偏向装置。
2. 温度検出素子は、抵抗値の変化により温度検出を行なう透明な抵抗体である、請求項１に記載の光路偏向装置。
3. 前記制御手段は、前記温度検出信号の補正値に応じて、前記光路偏向駆動回路による前記電極への印加電圧を制御するものである、請求項１又は２に記載の光路偏向装置。
4. 前記制御手段は、前記基板間のギャップの大きさに応じた補正量で前記電極への印加電圧を補正するものである、請求項１〜３のいずれかの一に記載の光路偏向装置。
5. 前記光路偏向駆動回路による前記電極への印加電圧の大きさの手動による調整を受付ける電圧調整回路を備えている、請求項１〜４のいずれかの一に記載の光路偏向装置。
6. 照明光を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と、
   この画像表示素子と同期し、前記画像表示素子の各画素から入射されてくる画像光の光路を偏向して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請求項１〜５のいずれかの一に記載の光路偏向装置と、を備えていることを特徴とする画像表示装置。

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