JP4633391B2 - 画像表示装置及び画像表示方法 - Google Patents

Description

本発明は、強誘電性液晶又は反強誘電性液晶からなる画像表示素子を用いた画像表示装置及び画像表示方法に関する。

強誘電性液晶又は反強誘電性液晶を用いた画像表示素子は、ネマティック液晶を用いた画像表示素子に比べて高速駆動が可能であることから、広く研究開発されており、その一部が商品化されている。その反面、強誘電性液晶又は反強誘電性液晶を用いた画像表示素子は、これらの液晶を電界駆動する場合に印加電圧に直流（ＤＣ）成分が残存すると、イオン性物質が生成されて良好な駆動が妨げられることが知られている。そこで、強誘電性液晶又は反強誘電性液晶を利用した従来の画像表示装置は、画像表示の時間単位としての１フレームを２つのサブフレームに分割して、半分の時間で画像表示信号に応じた電圧（＋Ｖ）を印加しながら画像表示素子からの出射光を観察者が視認できるように出射し、残り半分の時間は上記印加電圧と逆極性の電圧（−Ｖ）を印加しながら遮光するようにしている（例えば非特許文献１参照）。

また、別の従来の画像表示装置は、第１偏光板と第２偏光板との間に画像表示素子としての表示パネル、補正パネルをこの順に設け、表示パネルから出射した画像光の偏光面を補正パネルにより切替えるようにしている（例えば特許文献１参照）。
Hirokazu Furuta, Jun Xu, Shunsuke Kobayashi共著「Electro-optic properties of an intrinsic half-V-mode FLCD and its application to field-sequential full color LCDs using a poly-Si TFT matrix array, Journal of the SID」 V. 11, No. 3,２００３年出版、 P. 433 特開２００３−１２１８７２号公報

しかしながら、上記従来の画像表示装置のうち、前者の画像表示装置にあっては、比較的簡単な構造で高コントラストの画像が得られる利点を有するものの、遮光により光利用効率が実質的に半減してしまうといった問題があった。また、後者の画像表示装置にあっては、可視光全域にわたって偏光面を精度良く切替えることのできる補正パネルを製作するのは困難であり、またコントラストの低下を招きやすくなるのみならず、補正パネルが画像表示素子と投射レンズとの間に挿入されるので、投射レンズのバックフォーカス長が長くなり投射レンズが大型化してしまうといった問題点があった。

本発明は、従来の問題を解決するためになされたもので、遮光に起因した光利用効率の低下を防ぐとともに、補正パネルの挿入に起因した、コントラストの低下、製作困難性、及び装置の大型化を解消することができる画像表示装置及び画像表示方法を提供することを目的とする。

請求項１に記載の本発明の画像表示装置は、少なくとも片方が透明である一対の基板と、該基板間に設けられて該基板と平行な面内で配向方向が切り替えられる強誘電性液晶又は反強誘電性液晶からなる液晶層と、透明の基板の液晶層側に設けられて強誘電性液晶又は反強誘電性液晶の配列方向を画像表示信号に応じて切り替える画素電極とを有する画像表示素子を用い、該画像表示素子を照明光学系の光源からの偏光状態を変化させる照明光で照明して画像を表示する画像表示装置において、照明光学系内に、画像表示素子の極性反転前後における出射画像光の偏光状態が同一となるように、該画像表示素子に入射される入射光の偏光状態を時間的に切り替える偏光状態切替え手段を設けるとともに、偏光状態切替え手段が、一対の透明基板と、該透明基板間に設けられ透明基板と平行な面内で配向方向が切り替えられる強誘電性液晶又は反強誘電性液晶からなる液晶層と、透明基板の内面側に設けられて液晶層の配向方向をフレーム信号に応じて切り替える電極とを有する光学素子である構成を有する。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の画像表示装置において、偏光状態切替え手段が、互いに異なる偏光状態をとる複数の照明光学系と、照明光学系の照明光を時間的に切替えて画像表示素子を照明する照明切替え手段とを備えた構成を有する。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の画像表示装置において、互いに異なる偏光状態をとる複数の照明光学系の光源が固体レーザである構成を有する。

請求項４に記載の発明は、少なくとも片方が透明である一対の基板と、該基板間に設けられて該基板と平行な面内で配向方向が切り替えられる強誘電性液晶又は反強誘電性液晶からなる液晶層と、透明の基板の液晶層側に設けられて強誘電性液晶又は反強誘電性液晶の配列方向を画像表示信号に応じて切り替える画素電極とを有する画像表示素子を用い、該画像表示素子を照明光学系の光源からの偏光状態を変化させる照明光で照明して画像を表示する画像表示装置において、照明光学系内に、画像表示素子の極性反転前後における出射画像光の偏光状態が同一となるように、該画像表示素子に入射される入射光の偏光状態を時間的に切り替える偏光状態切替え手段を設けるとともに、偏光状態切替え手段が、照明光の入射面及び出射面となる複数の異なる偏光方向の偏光フィルタ面が形成され、回転中心が照明光の光軸と直交する方向を向いた状態で光源と画像表示素子との間に配置されて、フレーム周波数と同期する回転速度で回転され、照明光光線の入射面及び出射面の組合せを異ならせることにより偏光状態を切り替える多角体偏光フィルタを備えた構成を有する。

請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の画像表示装置において、多角体偏光フィルタは四角柱状であり、４つの側面が偏光フィルタ面である構成を有する。

請求項６に記載の発明は、請求項４又は５に記載の画像表示装置において、多角体偏光フィルタによって画像表示素子上の画素に入射する光の偏光状態が切り替わるタイミングと、画像表示信号による画素の書替えタイミングとが一致するようにした構成を有する。

請求項７に記載の発明は、請求項１乃至６のいずれかに記載の画像表示装置において、１つの画像フレームを構成する複数のサブフレームごとに画像表示素子からの出射光の位置を変位させ、画像表示素子のみかけ上の画素数を増やして表示する光路偏向手段を設けた構成を有する。

請求項８に記載の発明は、一対の基板が、両基板とも透明基板からなる請求項１乃至７のいずれかに記載の画像表示装置において、画像表示素子が、この各画素の入射光側の基板上に設けられて照明光を画素の中央に集光する集光素子を備えた構成を有する。

請求項９に記載の本発明の画像表示方法は、少なくとも片方が透明である一対の基板と、該基板間に設けられて該基板と平行な面内で配向方向が切り替えられる強誘電性液晶又は反強誘電性液晶からなる液晶層と、透明の基板の液晶層側に設けられて強誘電性液晶又は反強誘電性液晶の配列方向を画像表示信号に応じて切り替える画電極素とを有する画像表示素子を用い、該画像表示素子を照明光学系の光源からの偏光状態を変化させる照明光で照明して画像を表示する画像表示方法において、画像表示素子に入射される入射光の偏光状態を時間的に切り替えることにより、画像表示素子の極性反転前後における出射画像光の偏光状態が同一となるようにするとともに、画像表示素子に入射される入射光の偏光状態の切り替えが、一対の透明基板と、該透明基板間に設けられ透明基板と平行な面内で配向方向が切り替えられる強誘電性液晶又は反強誘電性液晶からなる液晶層と、透明基板の内面側に設けられて液晶層の配向方向をフレーム信号に応じて切り替える電極とを有する光学素子により行われる構成を有する。

請求項１０に記載の発明は、請求項９に記載の画像表示方法において、互いに異なる偏光状態をとる複数の照明光学系から照射される照明光を時間的に切り替えることにより、画像表示素子に入射する入射光の偏光状態を切り替える構成を有する。

請求項１１に記載の発明は、請求項１０に記載の画像表示方法において、互いに異なる偏光状態をとる複数の照明光学系の光源が固体レーザである構成を有する。

請求項１２に記載の発明は、少なくとも片方が透明である一対の基板と、該基板間に設けられて該基板と平行な面内で配向方向が切り替えられる強誘電性液晶又は反強誘電性液晶からなる液晶層と、透明の基板の液晶層側に設けられて強誘電性液晶又は反強誘電性液晶の配列方向を画像表示信号に応じて切り替える画電極素とを有する画像表示素子を用い、該画像表示素子を照明光学系の光源からの偏光状態を変化させる照明光で照明して画像を表示する画像表示方法において、画像表示素子に入射される入射光の偏光状態を時間的に切り替えることにより、画像表示素子の極性反転前後における出射画像光の偏光状態が同一となるようにするとともに、画像表示素子に入射される入射光の偏光状態の切り替えが、照明光の入射面及び出射面となる複数の異なる偏光方向の偏光フィルタ面が形成され、回転中心が照明光の光軸と直交する方向を向いた状態で光源と画像表示素子との間に配置されて、フレーム周波数と同期する回転速度で回転され、照明光光線の入射面及び出射面の組合せを異ならせることにより偏光状態を切り替える多角体偏光フィルタにより行われる構成を有する。

請求項１３に記載の発明は、請求項１２に記載の画像表示方法において、多角体偏光フィルタは四角柱状であり、４つの側面が偏光フィルタ面である構成を有する。

請求項１４に記載の発明は、請求項１２又は１３に記載の画像表示方法において、多角体偏光フィルタによって画像表示素子上の画素に入射する光の偏光状態が切り替わるタイミングと、画像表示信号による画素の書替えタイミングとが一致するようにした構成を有する。

請求項１５に記載の発明は、請求項９乃至１４のいずれかに記載の画像表示方法において、１つの画像フレームを構成する複数のサブフレームごとに画像表示素子からの出射光の位置を変位させ、画像表示素子のみかけ上の画素数を増やして表示する構成を有する。

請求項１６に記載の発明は、一対の基板が、両基板とも透明基板からなる請求項９乃至１５のいずれかに記載の画像表示方法において、画像表示素子が、この各画素の入射光側の基板上に設けられて照明光を画素の中央に集光する集光素子を備えた構成を有する。

請求項１に記載の発明の画像表示装置によれば、遮光に起因した光利用効率の低下を防ぐとともに、補正パネルの挿入に起因した、コントラストの低下、製作困難性、及び投射レンズの大型化を解消することができる。
また、光学素子内の液晶配向方向を、光学素子に入射する偏光の振動方向もしくは回転方向に合わせて設定して時間的に切り替えることで、時間的に偏光状態を切り替える照明光を形成することができる。この場合、従来のランプを用いた画像表示装置と比較してほぼ同等の大きさの照明光学系とすることができる。

請求項２に記載の発明によれば、可視光全域に渡って良好な偏光状態を得ることができる。

請求項３に記載の発明によれば、固体レーザーが出射状態で直線偏光しているので、偏光変換ロスを伴うことなく照明光学系を構築できる。また、固体レーザーにより広い色再現範囲が得られ、ランプ光源を用いた場合に比べて優れた演色性を有する画像表示装置を構成することが可能となる。

請求項４に記載の発明によれば、画像表示素子が線順次駆動される場合に、画像の書替えタイミングと照明の偏光状態の切り替えタイミングとを一致させることができ、コントラストのさらなる向上を図ることができる。

請求項５に記載の発明によれば、偏光状態切替え手段を最も偏光面数が少ない小型のものとすることができ、この結果、装置全体の小型化を図ることができる。また、その形状が直方体形状であるので、加工が容易でコストを低下させることができる。

請求項６に記載の発明によれば、画像の書替えタイミングと照明の偏光状態の切り替えタイミングとを一致させることができ、コントラストのさらなる向上を図ることができる。

請求項７に記載の発明によれば、高速でスイッチング可能な画像素子を用いることで画像のコントラストを向上させ光利用効率を高めることができる。特に、透過型の画像表示素子を用いた場合には、偏光ビームスプリッタ等を光路偏向手段と画像表示素子との間に挿入する必要がなくなり、光路偏向手段の大型化を抑えることができる。

請求項８に記載の発明によれば、画像表示素子の各画素液晶部の照明範囲を画素範囲より小さくでき、照明光が液晶駆動用トランジスタ等の非透明部に遮られずに透過できるので、光利用効率が高まり、またその高速駆動特性によるコントラストの改善が図れるとともに、見かけの画素数を向上させた時の画素間の重なりを容易に回避することができる。

請求項９に記載の本発明の画像表示方法によれば、遮光に起因した光利用効率の低下を防ぐとともに、補正パネルの挿入に起因した、コントラストの低下、製作困難性、及び投射レンズの大型化を解消することができる。
また、光学素子内の液晶配向方向を、光学素子に入射する偏光の振動方向もしくは回転方向に合わせて設定して時間的に切り替えることで、時間的に偏光状態を切り替える照明光を形成することができる。この場合、従来のランプを用いた画像表示装置と比較してほぼ同等の大きさの照明光学系とすることができる。

請求項１０に記載の発明によれば、可視光全域に渡って良好な偏光状態を得ることができる。

請求項１１に記載の発明によれば、固体レーザーが出射状態で直線偏光しているので、偏光変換ロスを伴うことなく照明光学系を構築できる。また、固体レーザーにより広い色再現範囲が得られ、ランプ光源を用いた場合に比べて優れた演色性を有する画像表示方法を構成することが可能となる。

請求項１２に記載の発明によれば、画像表示素子が線順次駆動される場合に、画像の書替えタイミングと照明の偏光状態の切り替えタイミングとを一致させることができ、コントラストのさらなる向上を図ることができる。

請求項１３に記載の発明によれば、多角体偏光フィルタを最も偏光面数が少ない小型のものとすることができ、この結果、装置全体の小型化を図ることができる。また、その形状が直方体形状であるので、加工が容易でコストを低下させることができる。

請求項１４に記載の発明によれば、画像の書替えタイミングと照明の偏光状態の切り替えタイミングとを一致させることができ、コントラストのさらなる向上を図ることができる。

請求項１５に記載の発明によれば、高速でスイッチング可能な画像素子を用いることで画像のコントラストを向上させ光利用効率を高めることができる。特に、透過型の画像表示素子を用いた場合には、偏光ビームスプリッタ等を光路偏向手段と画像表示素子との間に挿入する必要がなくなり、光路偏向手段の大型化を抑えることができる。

請求項１６に記載の発明によれば、画像表示素子の各画素液晶部の照明範囲を画素範囲より小さくでき、照明光が液晶駆動用トランジスタ等の非透明部に遮られずに透過できるので、光利用効率が高まり、またその高速駆動特性によるコントラストの改善が図れるとともに、見かけの画素数を向上させた時の画素間の重なりを容易に回避することができる。

以下、本発明に係る実施の形態の画像表示装置及び画像表示方法について、図面を用いて説明する。なお、以下の各実施例において、実質的の同じ部材については同じ符号を付し、その説明を省略する。

まず、画像表示装置で用いられる画素表示素子の構成につき、図１を用いて説明する。図１（ａ）は、画像表示素子１の平面図、図１（ｂ）は画像表示素子１の側面断面図をそれぞれ示す。同図に示すように、画像表示素子１は、２次元に配列された複数の画素１ａを有し、画素１ａごとにそれぞれ独立に液晶層５に電圧を印加可能な画素電極３が設けられている。

液晶層５は、強誘電性液晶又は反強誘電性液晶からなり、一対の透明な基板２ａ、２ｂ間に挟まれる。一対の基板２ａ、２ｂのうち、入射光側にある基板２ａの液晶層５側の面には，画素表示素子１の画像表示領域全面にわたり、透明な導電性材料からなる画素電極３が、また出射光側にある基板２ｂの液晶層５側の面には，画素表示素子１の画像表示領域全面にわたり、透明な導電性材料からなる対極電極４がそれぞれ設けられる。なお、画像表示装置によっては、液晶を所定方向に配向させる配向膜や、液晶層の厚さを均一に保つスペーサ等が用いられることもあるが、これらは図１では省略してある。

入射光としては直線偏光や円偏光等が用いられ、印加電圧によりその偏光状態を変化させた液晶層５を通って出射するようにしている。この画像表示素子１の出射光側には偏光フィルタが設けられ、ここで偏光状態の変化を光量変化に置換してスクリーン上に投射するようになっている。

なお、ここで本発明の画像表示装置は、観察者の視認形態に関わらず、画像表示素子１を照明しその出射光を画像光として利用できるものであればよい。すなわち、スクリーンに対して投射光学系と同じ側から画像を視認するフロント型である場合と、スクリーンに対して投射光学系と逆側から画像を視認するリア型である場合とでは、装置の構成が異なるが、本発明の画像表示装置にあってはどちらの投射型でも適用可能である。さらには、スクリーンに投射することなく、空間像を観察者が視認する非投射型のものであっても適用可能である。

図２は、画像表示素子１の一つの画素１ａを拡大し、その中にある液晶の配向状態を示す図である。画像表示素子１には、強誘電性液晶に分類されるスメクチックＣ液晶、又は反強誘電性液晶のいずれの液晶をも用いることも可能である。

なお、スメクチック液晶とは、液晶分子の長軸方向が層状に配列している液晶分子であり、この層の法線方向（層法線方向）と液晶分子長軸方向とが一致している液晶をスメクチックＡ相、層法線方向と液晶分子長軸方向とが一致していない液晶をキラルスメクチックＣ相という。キラルスメクチックＣ相強誘電性液晶は、一般的に外部電界が作用していない状態においては各層ごとに液晶ダイレクタ方向が螺旋状に回転している、いわゆる螺旋構造をとる。なお、キラルスメクチックＣ相反強誘電性液晶では、各層ごとに液晶ダイレクタが対向する方向を向く。このような螺旋構造の螺旋ピッチをスメクチック層ピッチという。

ここで、キラルスメクチックＣ相の液晶層の厚さを液晶分子が螺旋構造をとれないほど薄い層厚に設定すると、液晶層内の液晶分子は液晶層界面での分子長軸方向により規制されて同じ方向をとることとなる。これらの液晶分子は、その分子構造中に不斉炭素を有し、この不斉炭素により自発分極をしている結果、自発分極Ｐｓと外部電界Ｅとから決定される方向に液晶分子が再配列するため、その光学特性を制御することが可能となる。

キラルスメクチックＣ相強誘電性液晶の構造は、主鎖、スペーサ、骨格、結合部、キラル部等よりなる。主鎖構造としては、ポリアクリレート、ポリメタクリレート、ポリシロキサン、ポリオキシエチレン等が利用可能である。スペーサは、分子回転を担う骨格、結合部、キラル部を主鎖と結合させるものであり、適当な長さのメチレン鎖等が選択される。またカイラル部とビフェニル構造などの剛直な骨格とを結合する結合部には−COO−結合等が選択される。

図２は、電界の方向を紙面に対し上下方向に変化させた時の、液晶分子５ａの配向方向の変化を示す。ここでは、液晶は自発分極Psが負となるものを想定している。また液晶はここではいわゆる双安定方向をとる場合を示しているが、単安定方向の液晶であっても問題なく用いることが可能である。同図中、反転中心８は、液晶分子５ａが一点鎖線６と一点鎖線７との間に並ぶスメクチック層の層面に対して垂直な方向であり、この反転中心８に対して同じ角度（「コーン角」という）θだけ左右に傾いた状態で液晶分子５ａが安定する。

ここでコーン角θを２２．５度に設定し、ある波長λにおける液晶の屈折率差Δｎと液晶層厚ｄとの間に、Δｎ・ｄ＝λ／２の関係がある場合につき、入射光の偏光状態がどのように変化するかを説明する。

照明光の進行方向と入射前の偏光方向を同図（ａ）に示すように設定する。すなわち、偏光は直線偏光であり、液晶分子５ａの長軸方向と平行な縦方向である。この場合、直線偏光は液晶分子５ａの屈折率異方性を感じることなく、偏光状態を縦方向に維持したまま出射する。一方、液晶分子５ａの長軸方向と直線偏光とが４５度の傾きをとる同図（ｂ）の場合では、直線偏光の、液晶分子５ａの長軸に平行な成分と垂直な成分で位相ずれが発生して、液晶層を通過する間にλ／２の位相ずれを生じ、言い換えれば偏光面の回転が発生し、この結果、入射光の偏光面から直角に傾いた状態で出射する。この場合、出射光側に、入射光の偏光方向と平行な透過軸を有する偏光子を設ければ、同図（ａ）の状態では明表示、同図（ｂ）の状態では暗表示が得られることになる。

次に、強誘電性液晶及び反強誘電性液晶の極性反転について説明する。極性反転とは、強誘電性液晶又は反強誘電性液晶の駆動時の電圧にＤＣ成分が残存することに起因した不具合を解消するために行う駆動方法である。なお、ここでは極性反転の方法を理解するため、まず従来から利用されている極性反転につき図３と図４に示す２つの方法を採り上げて説明し、その後、これらと対比しながら本発明の各実施例ごとにその特徴を説明していくことにする。

図３は、極性反転をさせながら画像を表示するための遮光を用いた方式を説明するためのタイムチャートである。

すなわち、この極性反転では、同図に示すように、照明光は、画像表示の時間単位としての１フレームTf間に照明期間と遮光期間とが同じ時間長さとなるように設定する。照明期間において、液晶駆動信号onの期間T1が「明」表示期間であり、液晶駆動信号offの期間T2が「暗」表示期間である。なお、液晶駆動信号onの期間T1の長さは、表示画像の階調情報により決定される。

一方、遮光期間は照明光を遮光するため画像形成には何ら関与せず、液晶の極性反転のために設けられる期間であって、液晶駆動信号offの期間T1'及び液晶駆動信号onの期間T2'はそれぞれ期間T1、T2と長さが等しくなるように設定される。これによって、期間T1と期間T1'、また期間T2と期間T2'の電圧が平均的に中和されることとなり、ＤＣ成分がなくなる。このように、極性反転にあっては、画像を表示するための電圧に対し、逆極性の電圧を同じ時間だけ印加することでＤＣ成分を相殺する。

図４は、図３の場合とは異なり、遮光を用いることなく極性反転を可能にするもので、補正パネルを用いた例を示す。同図中、照明光は左から右に向かい、第１偏光板１１と第２偏光板１２との間に画像表示素子１と補正パネル１３とが光進行方向に対してこの順で配置される。画像表示素子１を極性反転させるのと同期させながら補正パネル１３の配向方向を変化させれば、図３の遮光を用いる場合のように光利用効率を低下させることなく、画像を表示することが可能となる。

以下、本発明の各実施例の画像表示装置につき、図とともに説明する。

［実施例１］
本発明に係る実施例１の画像表示装置の構成を図５に示す。

画像表示装置は、異なる偏光状態をとる第１照明光学系２１および第２照明光学系２２と、これら第１、第２照明光学系２１、２２の光を時間的に切替えて画像表示素子１を照明する照明切替え手段２０とを備えている。ここで、異なる偏光状態とは、直線偏光の振動方向、円偏光の回転方向等、画像表示素子１の液晶配向方向を切替えることでその配列状態を変え得る偏光状態を指す。なお、第１、第２の照明光学系２１、２２と照明切替え手段２０とは、本発明の偏光状態切替え手段を構成する。

第１及び第２照明光学系２１、２２は、レーザーを発する第１光源２３、第２光源２４をそれぞれ有しており、図中の光路内に示す偏光方向をとるように、あらかじめそれらの方位が設定される。第１光源２３及び第２光源２４から出射した光は、コリメートレンズ２５、２６や均一な光量分布を得るためのインテグレータ（図示せず）、スペックルパターンを抑制するための拡散板（図示せず）等により、所定範囲内で均一な光量分布となる照明光として生成される。

第１光源２３からの偏光した照明光はこれより後方に配置した偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）２７に対しｐ偏光として入射し、ＰＢＳ２７を透過する。これに対し、第２光源２４からの偏光はこれより後方に配置したＰＢＳ２７に対してｓ偏光として入射し、ＰＢＳ２７で反射される。このように、第１照明光学系２１からの照明光がＰＢＳ２７を透過し第２照明光学系２２からの照明光がＰＢＳ２７で反射されることで、いずれの照明光も画像表示素子１に到達する。

照明切替え手段２０は、第１光源２３及び第２光源２４のon、offを画像表示素子１の画像書替えタイミングに同期して切替え制御するものである。たとえば、図６に示すように、第１光源２３及び第２光源２４にそれぞれ３原色（赤Ｒ、緑Ｇ、青Ｂ）を配置してこれらをフィールドシーケンシャル駆動する。すなわち、極性反転しながらこのようなフィールドシーケンシャル駆動を行う場合、カラーブレークを低減するため、１Ｒ→２Ｒ→１Ｇ→２Ｇ→１Ｂ→２Ｂ→・・・といった順序ではなく、図６に示すように１Ｒ→１Ｇ→１Ｂ→２Ｒ→２Ｇ→２Ｂ→・・・といった順序で駆動するのが好ましい。

このように液晶駆動信号を極性反転させ液晶配向方向を反転させただけでも、極性反転前後で同じ時間（例えば図６中T1とT1'）だけ明表示が可能となるが、以下、この理由を図２と図６に基づき説明する。

図２においては入射偏光を縦方向に設定していたが、同図（ａ）の場合には出射光も縦偏光であることから、画像表示素子の後方に設けた偏光子によりこの光が明表示となることを前述した。これは図６において液晶駆動信号のon（＋Ｖ）電圧が、図２（ａ）に示す電界方向と同方向の電界を発生させる場合に相当し、期間T1では液晶がこの状態をとることから明表示となる。

一方、図２（ｂ）の場合には、出射光が横偏光となることから、画像表示素子の後方に設ける偏光子によってこの光が暗表示となる。これは図６において期間T2の液晶の状態に相当し、この期間T2では暗表示となる。ここで、画像表示素子１を照明するのは図５における第１の照明光学系２１であり、その偏光方向は図２の縦方向であるとした。期間T1'の状態では、液晶状態は図２（ｂ）と同様の状態であるが、入射する偏光の方向が図５における第２の照明光学系２２によって横方向となるため、出射する偏光は縦方向となる。すなわち、この期間の出射光の偏光状態は期間T1での偏光状態と等しくなり、明表示となる。同様に、期間T2'の状態では、液晶状態は図２（ａ）と同様の状態であるが、入射する偏光の方向が横方向であることから、出射する偏光は横方向のままであり、出射光の偏光状態は期間T2での偏光状態に等しい。

以上説明したように、本実施例１の画像表示装置においては、極性反転を行いながらT1とT1'（ただし、T1'＝T1）とで設定される所望の光量の出力が可能となって遮光を必要としないので、図３に示す場合に比べて光利用効率を向上させることができる。
［実施例２］
本発明に係る実施例２の画像表示装置の構成を図７に示す。

本実施例にあっては、光源３０は図５の第１光源２３と同じものを用いる。光源３０の後方にあるコリメートレンズ３１とこの後方の画像表示素子１との間には偏光状態切替え用光学素子３２が配置される。この偏光状態切替え用光学素子３２は、本発明の偏光状態切替え手段を構成し、図１に示したものと同様に、一対の透明基板と、これらの透明基板間に設けられて基板と平行な面内で配向方向が切り替えられる強誘電性液晶又は反強誘電性液晶からなる液晶層と、透明基板の内面側に設けられて液晶層の配列方向をフレーム信号に応じて切替える電極とを備えている。

偏光状態切替え用光学素子３２内の液晶の配列は図２に示すものと同じである。その機能は偏光状態切替え用光学素子３２に入射する照明光の偏光方向を極性反転のタイミングに一致させ９０度回転させることであり、全面一括してスイッチングする以外は、図２における画素内の液晶の動作と同様であるので、この詳細な説明は省略する。

なお、画像表示素子１が線順次駆動の場合に、画像の書替えタイミングと偏光状態切替えのタイミングとを一致させることにより、きわめて良好な画像を得ることができ、図２の電極を画像表示素子１の副走査方向に平行ないくつかの帯状電極に分割して、帯状電極の電圧反転タイミングを画像書替えタイミングと一致させるようにしてもよい。

図８は、光源３０からの照明光、偏光状態切替え用光学素子３２の液晶駆動信号、画像表示素子１の液晶駆動信号のタイムチャートを示す。

偏光状態切替え用光学素子３２の液晶駆動信号、画像表示素子１の液晶駆動信号が両者ともonである場合には、光源３０からの直線偏光は回転することなく進み、明表示となる。偏光状態切替え用光学素子３２の液晶駆動信号がoff、画像表示素子１の液晶駆動信号がonの場合には、偏光状態切替え用光学素子３２から出射した偏光が９０度回転され、画像表示素子１では偏光がこの偏光状態を保ったまま透過するので、暗表示となる。偏光状態切替え用光学素子３２の液晶駆動信号がon、画像表示素子１の液晶駆動信号がoffの場合には、偏光状態切替え用光学素子３２から出射した偏光は、回転することなく透過し、画像表示素子１で９０度回転するので、暗表示となる。偏光状態切替え用光学素子３２の液晶駆動信号、画像表示素子１の液晶駆動信号が両者ともoffである場合には、偏光状態切替え用光学素子３２から出射した偏光が９０度回転し、画像表示素子１でさらに９０度回転するので、明表示となる。

なお、図７と図８では光源３０に３色のレーザーを使用しているが、ランプ光源を用いて回転カラーホイール等によるフィールドシーケンシャルカラー生成を行うようにしてもよい。

以上説明したように、本実施例２の画像表示装置においては、極性反転を行いながらT1とT1'（T1'＝T1）とで設定される所望の光量の出力が可能となって、図３の例に比較して遮光を必要としないので、光利用効率を向上させることができる。また、図４の構成のものに比べて画像表示素子１と光進行方向の最後方に位置する投射レンズ２８（図４では図示せず）との間に補正パネルがないことから、コントラストの低下を抑止することが可能となる。
［実施例３］
本実施例３の画像表示装置の構成を図９に示す。

本実施例３の画像表示装置にあっては、照明光学系の光源４０として高圧水銀ランプ等のように無偏光の光を出射するものを適用している。光源４０から出射した光は回転カラーホイール４１等により時分割で３色以上の光に分割された後、コリメートレンズ４２により照明角を調整された後、多角体偏光フィルタ４３に入射される。多角体偏光フィルタ４３は、異なる方向の偏光フィルタを周期的に設けた多角柱状の回転体であり、その回転が照明光の光軸と直交する方向を向いた状態で設けられて、フレーム周波数と同期する回転速度で回転され、照明光も光線が入射、出射する多角体偏光フィルタ４３の入射面及び出射面の組合せによって偏光状態を切替える機能を有する。したがって、多角体偏光フィルタ４３は、本発明の偏光状態切替え手段を構成する。なお、多角体偏光フィルタ４３の前後に照明光の均一性を向上させるためのフライアイレンズ等を設けてもよい。多角体偏光フィルタ４３を出射した光はコンデンサレンズ４４を経て画像表示素子１へ入射され、ここから出射し投射レンズ２８を透過する。

図１０及び図１１は、その多角体偏光フィルタ４３の表面構造の例を示したものである。多角体偏光フィルタ４３は、直線偏光を入射させる場合、入射面と出射面との透過軸を平行に設定する必要があるため、その面数が４の倍数となるように設定される。たとえば、図１０の多角体偏光フィルタ４３は、偏光フィルタ面４３ａ、４３ｂ、・・・が４面になるような４角柱状に形成され、また図１１の多角体偏光フィルタ４５は、偏光フィルタ面４５ａ、４５ｂ、４５ｃ、・・・が８面になるような８角柱状に形成される。これらを比較すると、後者は、特に高速で偏光フィルタ面を切替える場合に前者より有利であり、この傾向は面数が多いほど強まる。反面、前者は、同じ面積の偏光面を使いながら小型化が可能となり、装置の省スペース化が図れるといった利点がある。一般的に、画像表示装置にあっては数十Ｈｚの駆動周波数で駆動するので、速度的な面では４面の偏光面でも問題ないことから、通常は４面の多角体偏光フィルタを用いるのが好ましい。

図１２は、多角体偏光フィルタ４３の機能を概念的に示す図である。多角体偏光フィルタ４３は照明光路中に位置され、同図（ａ）〜同図（ｃ）に示すように回転している。多角体偏光フィルタ４３の表面には、図１０に示した偏光フィルタが設けられている。図１２（ａ）の状態では、照明光の入射面と出射面とに位置する偏光フィルタと光軸は垂直であり、照明光はすべて１つの面（入射面５０ａ）から入射し、１つの面（出射面５０ｂ）から出射する。入射面５０ａと出射面５０ｂとに縦方向の透過軸を有する偏光フィルタを設けることにより、縦方向の偏光のみ出射する。同様に、同図（ｃ）の状態では、横方向の成分のみ出射する。また、同図（ｂ）の状態では、入射面５１ａ、５２ａ、出射面５１ｂ、５２ｂともに２つの面にまたがる。第１入射面５１ａでは偏光フィルタが縦方向の透過軸を有するので縦方向の成分のみ透過させるが、この光は多面体偏光フィルタ４３内部の透明材質の屈折率に応じて屈折して第１出射面５１ｂに導かれる。第１出射面５１ｂでは第１入射面５１ａと同様に縦方向の偏光を透過するので、この出射光は縦方向偏光成分のみを有することとなる。第２入射面５２ａでは偏光フィルタが横方向の透過軸を有するので横方向の成分のみ透過させるが、上記同様に、この光は多角体偏光フィルタ４３の屈折率に応じて屈折し第２出射面５２ｂに導かれる。第２出射面５２ｂでは第２入射面５２ａと同様に横方向の偏光を透過するので、この出射光は横方向偏光成分のみを有することになる。

図９に示すように、多角体偏光フィルタ４３の後方に配置したコンデンサレンズ４４のパワーを適切に設定することにより、画像表示素子１に到達する照明光は偏光方向が上から下へ順次変化することになる。

なお、図１２（ｄ）に示すように、画像表示素子１が線順次駆動される場合には、この偏光状態切替えのタイミングと画像書替えのタイミングとを一致させることにより、きわめて良好な画像を得ることができる。

なお、ここでは無偏光の照明光を多角体偏光フィルタ４３に入射させるようにしているが、直線偏光の入射光であっても多角体偏光フィルタ４３を用いることが可能であり、図１３にこの例を示す。

同図において、多角体偏光フィルタ４３として第１入射面５１ａ及び第１出射面５１ｂに位置する面に１／４波長フィルタを設け、第２入射面５２ａ及び第２出射面５２ｂに位置する面には、上記１／４波長フィルタの透過率と同等の等方媒質を設ける。これにより、第１入射面５１ａから入射した照明光は多角体偏光フィルタ４３中では円偏光となり第１出射面５１ｂを通過した後、偏光面が入射光とは９０度異なる直線偏光となる。第２入射面５２ａから入射した照明光はその偏光状態を変えることなく第２出射面５２ｂから出射する。

また、ランプ光源等の無偏光の照明光を直線偏光に変換させる方法は偏光変換素子を用いることが従来から提案されており、本画像表示装置においても利用することができる。

次に、本発明に係る別の実施の形態に係る画像表示装置につき図とともに説明する。この画像表示装置では、反射型の画像表示素子１０を用いており、その構成を図１４に示す。

この画像表示装置では、その照明光学系を、図９の照明光学系において画像表示素子１に照明するためのコンデンサレンズ４４のパワーを変更するとともに、投射レンズ２８のバックフォーカス長を調整することで構成することが可能である。このように反射型の画像表示素子１０を用いて画像表示装置を得ることも可能である。

図１５に示すように、本実施例の画像装置は、光源４０からの光照明をダイクロイックミラー４９ａ、４９ｂ、４９ｃにより３色に分離した後、多角体偏光フィルタ５３ａ、５３ｂ、５３ｃにより偏光状態を切替え、コンデンサレンズ４４ａ、４４ｂ、４４ｃを透過させた後、ダイクロイックミラー５０ａ、５０ｂ、５０ｃで方向変改して投射レンズ２８を透過させるように構成している。また、ダイクロイックミラー４９ａ、４９ｂ間、ダイクロイックミラー４９ｂ、４９ｃ間には、コンデンサレンズ５４ａ、コンデンサレンズ５４ｂがそれぞれ配置される。このように構成することで、図９の回転カラーホイールを用いる画像表示装置に比べて光利用効率を高めることができる。ここで、多角体偏光フィルタ５３ａ、５３ｂ、５３ｃは、本発明の偏光状態切替え手段を構成する。なお、画像表示素子は、ここではその図示を省略しているが、ダイクロイックミラー５０ｃと投射レンズ２８との間に配置する。
［実施例４］
図１６に示す本実施例４の画像表示装置は、図９に示した照明光学系において画像表示素子１と投射レンズ２８との間に光路偏向素子４７を配置したもので、その他の構成は図９のものと同様である。この照明光学系を用いる画像表示装置では、複数のサブフレームにより１つの画像フレームを構成し、光路偏向素子４７でサブフレームごとに画像表示素子１からの出射光の位置を変位させ、画像表示素子１のみかけ上の画素数を増やして表示することができる。ここで、光路偏向素子４７およびその駆動方法としては、たとえば特開２００２−３２８４０２号公報に記載されたものを用いる。なお、ここでも、偏光状態切替え手段としての多角体偏光フィルタ４３を用いる。
［実施例５］
本実施例５の画像表示素子は、図１７に示すように、投射型画像表示装置に搭載する透過型の画像表示素子１５であって、各画素液晶部の照明範囲が画素範囲より小さくなるように、各画素に対応させて、入射側の基板２ａ上に集光素子としてのレンズ４８が複数個配置される。その他の構成は図１のものと同様である。

従来からネマティック液晶を用いた透過型の画素表示素子は存在していたものの、応答速度が数ｍｓから数十ｍｓであり図１６の投射型画像表示装置に搭載するには十分な応答速度ではなかった。今回対象とする強誘電性液晶又は反強誘電性液晶からなる画素表示素子は数十μｓから数百μｓのより早い応答性を有しており、きわめてコントラスト改善に対する効果が高い。そして、集光素子としてのレンズ４８を設けることにより、照明光が液晶駆動用トランジスタ等の非透明部に遮られずに透過できるので、光利用効率を高めることができ、さらに光偏向により見かけの画素数を向上させた時の画素間の重なりを回避することが可能となる。

以上のように、本発明にかかる画像表示装置及び画像表示方法は、光利用効率の低下を防ぐとともに、コントラストの低下、製作困難性、及び装置の大型化を抑えることができるという効果を有し、液晶による画像表示や画像形成のための装置や方法として有用である。

本発明の実施の形態に係る画像表示素子の平面図と側面断面図である。 図１の画像表示素子の画素中における電界方向に応じた液晶分子の配列方向変化を説明する図である。 従来から利用されている、極性反転を得るための液晶駆動電流のタイムチャートである。 従来から利用された別の極性反転を得る方法であって補正パネルを用いるものの説明図である。 本発明に係る実施例１の画像表示装置の構成を示す図である。 実施例１の画像表示装置で利用される液晶駆動信号のタイムチャートである。 本発明に係る実施例２の画像表示装置の構成を示す図である。 実施例２の画像表示装置で利用される液晶駆動信号のタイムチャートである。 本発明に係る実施例３の画像表示装置の構成を示す図である。 実施例３の画像表示装置で用いられる４つの偏光フィルタ面を有する多角体偏光フィルタの斜視図である。 実施例３の画像表示装置で用いられる８つの偏光フィルタ面を有する多角体偏光フィルタの斜視図である。 多角体偏光フィルタの回転位置と入射光及び出射光との関係を説明する図である。 無偏光の入射光を用いた場合の角体偏光フィルタと入射光及び出射光との関係を説明する図である。 本発明の別の実施の形態である反射型画像表示装置の構成を示す図である。 図１４の反射型画像表示装置に、照明光を３色に分離するダイクロイックミラーを適用した画像表示装置を示す図である。 本発明に係る実施例４の画像表示装置の構成を示す図である。 本発明に係る実施例５の集光素子を取り付けた画像表示素子の側面断面図である。

符号の説明

１、１０、１５ 画像表示素子
１ａ 画素
２ａ、２ｂ 基板
３ 画素電極
５ 液晶層
５ａ 液晶分子
２０ 照明切替え手段
２１ 第１照明光学系
２２ 第２照明光学系
２３、２４、３０、４０ 光源
２７ 偏光ビームスプリッタ
２８ 投射レンズ
３２ 偏光状態切替え用光学素子
４３、４５、５３ａ、５３ｂ、５３ｃ 多角体偏光フィルタ
４３ａ、４３ｂ、４５ａ、４５ｂ、４５ｃ 偏光フィルタ面
４８ レンズ（集光素子）
５０ａ、５１ａ、５２ａ 入射面
５０ｂ、５１ｂ、５２ｂ 出射面

Claims (16)

1. 少なくとも片方が透明である一対の基板と、該基板間に設けられて該基板と平行な面内で配向方向が切り替えられる強誘電性液晶又は反強誘電性液晶からなる液晶層と、前記透明の基板の液晶層側に設けられて前記強誘電性液晶又は前記反強誘電性液晶の配列方向を画像表示信号に応じて切り替える画素電極とを有する画像表示素子を用い、該画像表示素子を照明光学系の光源からの偏光状態を変化させる照明光で照明して画像を表示する画像表示装置において、
   前記照明光学系内に、前記画像表示素子の極性反転前後における出射画像光の偏光状態が同一となるように、該画像表示素子に入射される入射光の偏光状態を時間的に切り替える偏光状態切替え手段を設けるとともに、
   前記偏光状態切替え手段が、一対の透明基板と、該透明基板間に設けられ前記透明基板と平行な面内で配向方向が切り替えられる強誘電性液晶又は反強誘電性液晶からなる液晶層と、前記透明基板の内面側に設けられて前記液晶層の配向方向をフレーム信号に応じて切り替える電極とを有する光学素子であることを特徴とする画像表示装置。
2. 請求項１に記載の画像表示装置において、
   前記偏光状態切替え手段が、互いに異なる偏光状態をとる複数の照明光学系と、該照明光学系の照明光を時間的に切り替えて前記画像表示素子を照明する照明切替え手段とを有することを特徴とする画像表示装置。
3. 請求項２に記載の画像表示装置において、
   前記互いに異なる偏光状態をとる複数の照明光学系の光源が固体レーザであることを特徴とする画像表示装置。
4. 少なくとも片方が透明である一対の基板と、該基板間に設けられて該基板と平行な面内で配向方向が切り替えられる強誘電性液晶又は反強誘電性液晶からなる液晶層と、前記透明の基板の液晶層側に設けられて前記強誘電性液晶又は前記反強誘電性液晶の配列方向を画像表示信号に応じて切り替える画素電極とを有する画像表示素子を用い、該画像表示素子を照明光学系の光源からの偏光状態を変化させる照明光で照明して画像を表示する画像表示装置において、
   前記照明光学系内に、前記画像表示素子の極性反転前後における出射画像光の偏光状態が同一となるように、該画像表示素子に入射される入射光の偏光状態を時間的に切り替える偏光状態切替え手段を設けるとともに、
   前記偏光状態切替え手段が、前記照明光の入射面及び出射面となる複数の異なる偏光方向の偏光フィルタ面が形成され、回転中心が照明光の光軸と直交する方向を向いた状態で前記光源と前記画像表示素子との間に配置されて、フレーム周波数と同期する回転速度で回転され、前記照明光光線の前記入射面及び前記出射面の組合せを異ならせることにより偏光状態を切り替える多角体偏光フィルタを有することを特徴とする画像表示装置。
5. 請求項４に記載の画像表示装置において、
   前記多角体偏光フィルタは四角柱状であり、４つの側面が偏光フィルタ面であることを特徴とする画像表示装置。
6. 請求項４又は５に記載の画像表示装置において、
   前記多角体偏光フィルタによって前記画像表示素子上の画素に入射する光の偏光状態が切り替わるタイミングと、前記画像表示信号による前記画素の書替えタイミングとが一致するようにしたことを特徴とする画像表示装置。
7. 請求項１乃至６のいずれかに記載の画像表示装置において、
   １つの画像フレームを構成する複数のサブフレームごとに前記画像表示素子からの出射光の位置を変位させ、前記画像表示素子のみかけ上の画素数を増やして表示する光路偏向手段を設けたことを特徴とする画像表示装置。
8. 前記一対の基板が、両基板とも透明基板からなる請求項１乃至７のいずれかに記載の画像表示装置において、
   前記画像表示素子が、この各画素の入射光側の基板上に設けられて照明光を前記画素の中央に集光する集光素子を有することを特徴とする画像表示装置。
9. 少なくとも片方が透明である一対の基板と、該基板間に設けられて該基板と平行な面内で配向方向が切り替えられる強誘電性液晶又は反強誘電性液晶からなる液晶層と、前記透明の基板の液晶層側に設けられて前記強誘電性液晶又は前記反強誘電性液晶の配列方向を画像表示信号に応じて切り替える画電極素とを有する画像表示素子を用い、該画像表示素子を照明光学系の光源からの偏光状態を変化させる照明光で照明して画像を表示する画像表示方法において、
   前記画像表示素子に入射される入射光の偏光状態を時間的に切り替えることにより、前記画像表示素子の極性反転前後における出射画像光の偏光状態が同一となるようにするとともに、
   前記画像表示素子に入射される入射光の偏光状態の切り替えが、前記一対の透明基板と、該透明基板間に設けられ前記透明基板と平行な面内で配向方向が切り替えられる強誘電性液晶又は反強誘電性液晶からなる液晶層と、前記透明基板の内面側に設けられて前記液晶層の配向方向をフレーム信号に応じて切り替える電極とを有する光学素子により行われることを特徴とする画像表示方法。
10. 請求項９に記載の画像表示方法において、
    互いに異なる偏光状態をとる複数の照明光学系から照射される照明光を時間的に切り替えることにより、前記画像表示素子に入射する入射光の偏光状態を切り替えることを特徴とする画像表示方法。
11. 請求項１０に記載の画像表示方法において、
    前記互いに異なる偏光状態をとる複数の照明光学系の光源が固体レーザであることを特徴とする画像表示方法。
12. 少なくとも片方が透明である一対の基板と、該基板間に設けられて該基板と平行な面内で配向方向が切り替えられる強誘電性液晶又は反強誘電性液晶からなる液晶層と、前記透明の基板の液晶層側に設けられて前記強誘電性液晶又は前記反強誘電性液晶の配列方向を画像表示信号に応じて切り替える画電極素とを有する画像表示素子を用い、該画像表示素子を照明光学系の光源からの偏光状態を変化させる照明光で照明して画像を表示する画像表示方法において、
    前記画像表示素子に入射される入射光の偏光状態を時間的に切り替えることにより、前記画像表示素子の極性反転前後における出射画像光の偏光状態が同一となるようにするとともに、
    前記画像表示素子に入射される入射光の偏光状態の切り替えが、前記照明光の入射面及び出射面となる複数の異なる偏光方向の偏光フィルタ面が形成され、回転中心が照明光の光軸と直交する方向を向いた状態で前記光源と前記画像表示素子との間に配置されて、フレーム周波数と同期する回転速度で回転され、前記照明光光線の前記入射面及び前記出射面の組合せを異ならせることにより偏光状態を切り替える多角体偏光フィルタにより行われることを特徴とする画像表示方法。
13. 請求項１２に記載の画像表示方法において、
    前記多角体偏光フィルタは四角柱状であり、４つの側面が偏光フィルタ面であることを特徴とする画像表示方法。
14. 請求項１２又は１３に記載の画像表示方法において、
    前記多角体偏光フィルタによって前記画像表示素子上の画素に入射する光の偏光状態が切り替わるタイミングと、前記画像表示信号による前記画素の書替えタイミングとが一致するようにしたことを特徴とする画像表示方法。
15. 請求項９乃至１４のいずれかに記載の画像表示方法において、
    １つの画像フレームを構成する複数のサブフレームごとに前記画像表示素子からの出射光の位置を変位させ、前記画像表示素子のみかけ上の画素数を増やして表示することを特徴とする画像表示方法。
16. 前記一対の基板が、両基板とも透明基板からなる請求項９乃至１５のいずれかに記載の画像表示方法において、
    前記画像表示素子が、この各画素の入射光側の基板上に設けられて照明光を前記画素の中央に集光する集光素子を有することを特徴とする画像表示方法。

Images