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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、画像表示装置、より具体的には、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用素子を拡大像形成光学素子を利用して画像を観察する画像表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
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用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、小型の画像表示用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。
【０００３】
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ＱＳＸＧＡ走査線２０４８本、'９９電子ディスプレイ展にて東芝社のＱＵＸＧＡ走査線２４００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、また開口率が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。
【０００４】
従来の複数の画像表示用素子を用いて２倍以上に大画素数化する方法が開示された例としては、例えば、特開平３−１５０５２５号公報、及び特開平４−２６７２９０号公報等がある。これらは、互いにずれた位置にある複数の画像表示用素子を光学的に配置し、一方の画像表示用素子の画素の隙間にもう一方の画像表示用素子の画素を配置している。しかしながら、上述の機構は複数の画素間の位置合わせが困難であり、また画像表示用素子を複数枚使用することからコストアップになったり、大きな投射レンズが必要となったりとしていた。
【０００５】
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、及び特開平６−３２４３２０号公報等には単一の画像表示用素子を用いて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７−３６５０４号公報には、単一の画像表示用素子を用いて４倍以上の画素数を有する表示装置が記述されている。これらが使用す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光手段として公知の技術である。また、特開平６−３２４３２０号公報には、電気光学効果を示す部材と複屈折結晶との組み合わせ以外に、光路を変更する手段として、レンズをシフト可能な手段、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、また特開平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。
【０００６】
図１６は、レンズをシフトする方法により画像表示用素子の高解像度化を行ったレンズにより拡大した虚像を観察する、特開平６−３２４３２０号公報に記載の従来の表示方法を示す図である。図１６において、５０はＬＣＤパネル、６０はＬＣＤドライブ回路、７０は光路変更手段、７１は接眼レンズ、７２はボイスコイル、７３はレンズ取付台、８０はボイスコイルのドライブ回路で、上記の光路変更手段７０は、接眼レンズ７１、ボイスコイル７２、レンズ取付台７３、及びボイスコイルのドライブ回路８０により構成される。
【０００７】
ボイスコイル７２は、ドライブ回路８０で駆動され、このドライブ回路８０は、ＬＣＤドライブ回路６０から入力されたカラー映像信号の奇数フィールドと偶数フィールドの判別信号にＯ／Ｅに従って、ボイスコイルに流れる電流を制御し、ＬＣＤパネル５０の位置が、光学的に接眼レンズ７１の光軸に垂直な方向にシフトするようにする。
【０００８】
特開平６−３２４３２０号公報には、接眼レンズ７１をシフトする手段、つまり往復運動させる駆動系としては、ボイスコイルに限らず、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。また、光路を変更する方法としては、レンズや光学部材をシフトさせる方法以外に、光学部材を挿入する方法、光学部材を回転する方法、ミラーを回転する方法、アクティブプリズム、電気光学素子と複屈折材料を使用する方法等が記載されている。
【０００９】
図１７は、電気光学素子と複屈折材料を使用する方法により画像表示用素子の高解像度化を行ったレンズにより拡大した虚像を観察する、特開平６−３２４３２０号公報に記載の従来の表示方法を示す図である。図１７において、９１は電気光学素子となる偏光面回転部材、９２は複屈折板である。偏光面回転部材９１は、液晶板９３の両面に透明電極９４，９５が被着形成されて構成され、両透明電極９４，９５間に液晶駆動電圧が印加されて、偶数と奇数のフィールド毎に偏光面が回転されて偏向されて、複屈折板９２の正常光と異常光の偏光面に一致させられる。この正常光と異常光は、複屈折材料の屈折率差により偏向量が変化する。
【００１０】
しかしながら、上述のような方法では、画素がシフトすることにより隣接する画素どうしが重なって隣接した画素のクロストークが生じてしまい、コントラストが低減するばかりか、解像度も増加しない場合が生じてしまう。ＲＧＢの３色に空間分割された方向の画素のうちの少なくとも２色以上がシフト方向に配列している場合には、画素どうしが重なっても、異なる色の画素が重なるだけであるので、同じ色の画素が重なる状態とはならず、コントラストが低減することもなく、解像度は増加する。しかし、ＲＧＢに空間的に分割された方向とは異なる方向に画素をシフトする場合には、同じ色が重なって隣接した画素のクロストークが生じ、コントラストが低減し、また解像度が増加しない場合が生じる。また、モノクロ表示または、フィールドシーケンシャル表示や、３板式プリズム重ね合わせ表示の場合には、シフト方向に同じ色が存在する状態となるので、隣接した画素のクロストークが生じ、コントラストが低減し、また解像度が増加しない場合が生じる。
【００１１】
このような問題を解決する従来の方法としては、特開平９−０５４５５４号公報に示される、集光機能部分を表示装置の光源側に設けて、集光画素サイズを表示画素の開口面積よりも小さく絞り込む装置がある。
【００１２】
図１８は、特開平６−３２４３２０号公報に記載の従来の方法を示す図で、図中、１０１は入射光ビーム、１０１ａは集光画素サイズ、１０２は集光光学系、１０２ａは微小レンズ部、１０３はモザイク状表示部、１０３ａは表示画素開口部、１０４は出射ビームである。微小レンズ部１０２ａは、バックライト側からの入射光ビーム１０１を、モザイク状表示部１０３の表示ピント面において、表示画素開口部１０３ａよりも小さい集光画素サイズ１０１ａに絞り込んで、出射ビーム１０４を観察者側もしくはスクリーン側に出射させるものである。この場合、集光された入射ビームは、表示画素開口部１０３ａの位置で最も小さい形状となる状態が記述されている。また、特開平６−３２４３２０号公報には、開口率向上のために設けたマイクロレンズを流用して、集光画素を絞り込む例も記述されている。
【００１３】
しかしながら、通常の透過型の液晶素子に用いられるアクティブ素子において、透明基板状に形成されたポリシリコン、アモルファスシリコン、導電性有機材料のどれも吸光度の大きい材料であり、入射ビームを透過させることが実質的にできない。このため、開口率が１００％未満であることが通常であり、この開口率が１００％未満であることによる照明光の利用効率の低下を改善させるために照明光の入射側にマイクロレンズを設けることは周知の事実であり、このマイクロレンズが照明光を開口部分つまりは表示素子の画素部分に集光させる結果、画素サイズが小さくなるのも周知の事実である。また、高解像度の表示装置であるほど、１つの画素のサイズが小さくなるので、この開口率は小さくなりやすい。このため、画素をシフトして高解像度を実現する表示装置に、マイクロレンズのような集光機能部分を設けることは、なんら特別な組み合わせではなく、周知の組み合わせであり新規性のあるものではない。また、画素の開口の開口面積以下に集光画素サイズを絞り込むことも、光利用効率の向上のために、高解像度の表示装置に利用されている構成であることは周知である。
【００１４】
また、上記の方法は透過型の表示素子しか考慮しておらず、反射型の表示素子に適用することはできない。つまり、透過型の表示素子においては、集光光学系は入射時しか作用しないために、画素サイズに合わせて、画素とマイクロレンズの距離やマイクロレンズの焦点距離を最適にすることにより、入射ビームを絞り込むことができるが、反射型の表示素子においては、入射した方向と同じ側に出射するので、マイクロレンズにより反射面である画素の開口部で集光されたビームが反射されたあと、その集光方向の光線の方向が維持されてそのまま拡散してビームが広がってしまう。このため、反射光である出射ビームとしては画素の大きさを縮小することができずに、開口効率の向上のみを実現できる。これは、開口効率の向上としては非常に好ましいことである。しかしながら、画素をシフトさせた場合に、画素がシフトすることにより隣接する画素どうしが重ってクロストークを生じてしまい、コントラストが低減するばかりか、解像度が増加しない場合も生じてしまう。
【００１５】
また、反射型の表示素子に対しては、アクティブ素子やブラックマトリクスによる開口率をもともと５０％または２５％にすることによって、画素をシフトして２倍または４倍にしても、画素の隣接する画素どうしが重ならず、コントラストも低減せず、解像度も増加させることができるが、この場合には、照明光の利用効率が５０％または２５％となってしまい、消費電力が２倍、４倍となるばかりか、照明光の光源コストが増加してしまい、表示装置が非常に高価になってしまう。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
第１の本発明は、反射型表示素子を用いて画素をシフトすることにより高解像度化を実現する画像表示装置において、画素間のクロストークを低減させることができる画像表示装置を提供することを目的とする。
【００１７】
第２の本発明は、反射型表示素子を用いて画素をシフトすることにより高解像度化を実現する画像表示装置において、画素間のクロストークを低減させることができるより高解像度化できる画像表示装置を提供することを目的とする。
【００２８】
第３の本発明は、斜入射の反射型表示素子や透過型表示素子以を用いた場合においても、画素をシフトすることにより高解像度化を実現する画像表示装置において、画素間のクロストークを低減させることができる画像表示装置を提供することを目的とする。
【００３０】
第４の本発明は、画素をシフトすることにより高解像度化を実現する画像表示装置において、より画素間のクロストークを低減させることができる画像表示装置を提供することを目的とする。
【００３１】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の課題は、本発明の「画像情報に従って照明光を制御可能な複数の画素を有する反射型画像表示用素子に形成された像を拡大像形成素子により表示する画像表示装置において、画像フィールドを構成する複数のサブフィールド毎に前記拡大像形成素子の光軸に対する前記反射型画像表示用素子の位置を画素の略配列面方向に変位させる変位手段を有し、該反射型画像表示用素子の画素への入射照明光の開口率より、該反射型画像表示用素子の画素からの出射表示光の開口率を小さくさせる開口率縮小光学素子を、該反射型画像表示用素子の反射面に対して照明光の入射側かつ表示光の出射側に設け、前記開口率縮小光学素子は、プリズムアレイであり、前記プリズムアレイは、前記反射型画像表示用素子の画素のそれぞれに対して複数の傾斜を備えることを特徴とする画像表示装置」により達成される。
【００３２】
本発明の第２の課題は、本発明の「前記拡大像形成素子の物面と前記反射型画像表示用素子の反射面とを異なる位置とする該拡大像形成素子を設けることを特徴とする画像表示装置」により達成される。
【００４３】
本発明の第３の課題は、本発明の「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用素子に形成された像を像形成素子により表示する画像表示装置において、画像フィールドを構成する複数のサブフィールド毎に前記拡大像形成素子の光軸に対する前記画像表示用素子の位置を画素の略配列面方向に変位させる変位手段を有し、該画像表示用素子を中間結像する中間結像レンズを設け、該画像表示用素子の画素への入射照明光の開口率より、該画像表示用素子の画素からの反射表示光の開口率を小さくさせる開口率縮小光学素子を、該中間結像レンズによる該画像表示用素子の中間結像面付近に設け、前記開口率縮小光学素子は、プリズムアレイであり、前記プリズムアレイは、前記反射型画像表示用素子の画素のそれぞれに対して複数の傾斜を備えることを特徴とする画像表示装置」により達成される。
【００４５】
本発明の第４の課題は、本発明の「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用素子に形成された像を像形成素子により表示する画像表示装置において、画像フィールドを構成する複数のサブフィールド毎に前記拡大像形成素子の光軸に対する前記画像表示用素子の位置を画素の略配列面方向に変位させる変位手段を有し、該画像表示用素子を結像する中間結像レンズを設け、該画像表示用素子の画素への入射照明光の開口率より、該画像表示用素子の画素からの反射表示光の開口率を小さくさせる開口率縮小光学素子を、前記画像表示用素子の反射面に対して照明光の入射側かつ表示光の出射側である反射面と前記中間結像レンズとの間と、該中間結像レンズによる画像表示用素子の中間結像面付近とに設け、前記開口率縮小光学素子は、プリズムアレイであり、前記プリズムアレイは、前記反射型画像表示用素子の画素のそれぞれに対して複数の傾斜を備えることを特徴とする画像表示装置」により達成される。
【００４６】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明による画像表示装置の実施例及び比較例を、添付された図面を参照して具体的に説明する。なお、実施例及び比較例を説明するための全図において、同様の機能を有する部分には従来例とともに同じ符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
【００４７】
本発明の画像表示装置は、画像情報に従って光を制御可能な複数の画素を有する反射型画像表示素子１０と、該反射型画像表示素子１０よりの反射光を表示するための像形成素子（図示せず）とを有する画像表示装置において、前記反射型画像表示素子１０は、解像度を増大させるために画像フィールドを構成する複数のサブフィールド毎に該反射型画像表示素子の位置を画素の略配列面方向に変位させる変位手段と、前記反射型画像表示素子１０の画素への入射照明光の開口率と該反射型画像表示素子の画素からの反射表示光の開口率とを異ならせるようにした光学素子１６，１７とを有し、前記像形成素子の物面と前記反射型画像表示素子１０の反射面とが光路上の異なる位置に設定されているものである。
【００４８】
図１は、本発明の画像表示装置の一実施例における反射型画像表示素子の部分概略構成及びその作用を説明するための図で、１１は前部ガラス、１２は液晶層、１３（１３ａ〜１３ｅ）はアルミニウム反射電極（画素）、１４はシリコン基板、１５ａ〜１５ｅは照明光の入射光線および出射光線、１６はプリズムアレイであり、１０は前部ガラス１１，液晶層１２，及びシリコン基板１４からなる反射型画像表示素子である。入射光線または出射光線１５ａ〜１５ｅは説明のためにその一部または全部を示している。
【００４９】
図１において、反射型画像表示素子１０はＬＣＯＳ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｏｎ Ｓｉｌｉｃｏｎ）と呼ばれるシリコン基板１４にドライブ素子、メモリー素子等を設け、この上に液晶層１２を設けて反射型画像表示素子としたものである。この反射型画像表示素子１０は、液晶層として用いたＴＮ液晶のねじれ構造やＯＤＢ構造により、垂直入射のＰ偏光またはＳ偏光の照明光を画像情報に従ってＰ偏光またはＳ偏光に制御することができる。このため、この反射型画像表示素子１０にＰ偏光またはＳ偏光を入射させ、反射型画像表示素子１０の光源側に偏光ビームススプリッタ（ＰＢＳ）や偏光子／検光子を設けることにより、光の反射率を制御することが可能となり、反射型画像表示装置１０からの出射光を実像形成素子または虚像形成素子によって像形成することにより、画像表示を行うことができる。
【００５０】
図１におけるプリズムアレイ１６の作用を説明する。説明の簡略化のため、光源からの照明光はレーザ光をコリメートした平行な光とする。プリズムアレイ１６は、１つの画素に対して３等分する状態の３つのスロープ１６ａ，１６ｂ，１６ｃを有しており、これら３つのスロープのうち中央のスロープ１６ｂはシリコン基板１４と平行となるように設けてあり、他の二つのスロープ１６ａ，１６ｃはシリコン基板１４に対して同じ角度でかつ正負の符号を異にした角度で設けてある。中央の１つのスロープ１６ｂに入射した平行な照明光は、１５ａに示すように、入射光と全く同じ角度、幅で反射する。厳密には、回折による広がりとアルミニウム反射電極１３ａの微小な凹凸による散乱光により若干光束が広がるが、ほぼ同じ角度及び幅で反射させることができる。これに対して、中央より上側のスロープ１６ａに入射した平行な照明光は、１５ｂに示すように、反射するときには中央の基板に平行なスロープ１６ｂを透過して、入射光と異なる角度、位置で反射される。この角度は反射光が中央のスロープ１６ｂに入射するように、プリズムの角度とプリズムを形成する材料の屈折率により決定される。同様に、中央より下側のスロープ１６ｃに入射した平行な照明光は、１５ｃに示すように、反射するときには基板に平行な中央のスロープ１６ｂを透過して、入射光と異なる角度、位置で反射される。
【００５１】
プリズムアレイ１６の３つ種類のスロープ１６ａ，１６ｂ，１６ｃにより、１つの画素１３ｄに対して入射した1５ｄに示すような照明光は、１５ｅに示すように１つの画素１３ｅから出射した反射光として振るまい、中央のスロープ１６ｂの部分のみから若干広がった光束で出射させることができる。これにより、反射型画像表示素子１０に入射される開口率を１００％にしながら、同じ光学系を透過させた反射光であるにもかかわらず、出射光の開口率をプリズムアレイ１６で３３％とすることができる。
【００５２】
また、このプリズムアレイ１６は、反射型画像表示素子１０の反射面と異なる位置にあり、像形成するレンズに対して十分に離れた距離とすることができ、従ってプリズムアレイ１６の面を像形成素子であるレンズの物面とすることにより、反射型画像表示素子１０の開口率を３３％とすることができる。これにより、画像を１／２画素の大きな距離でシフトした場合においても、隣接した画像が重なることがなく、画素間のクロストークを低減し、コントラストを増加させ、解像度が増加しない場合を低減させる、すなわち、信頼性をもって解像度を上げることができる。
【００５３】
上述の像形成素子の物面は、プリズムアレイ１６の面に限定されるわけではなく、反射型画像表示素子１０の反射面でなければよく、またプリズムアレイ１６中やプリズムアレイ１６を出射したあとの空中でもよく、開口率を異ならせる光学素子の形状により適切に設計される。像形成素子の焦点距離、位置、ＮＡを適切に設計することにより、反射型画像表示素子１０の反射面と物面との距離や被写体深度を適切な値とすることができる。
【００５４】
このようなプリズムアレイ１６は、１方向のみに作用させてもよいが、２重に重ねて２方向に作用させてもよい。このときは、反射型画像表示素子１０の垂直、水平の両方向の解像度を画素をシフトすることにより増加させた場合においても、画素間のクロストークを低減し、コントラストを増加させ、解像度が増加しない場合を低減させる、すなわち、信頼性をもって解像度を上げることができる。
【００５５】
またプリズムアレイ１６のスロープの分割数は２以上であればよく、図１に示す３つのスロープ１６ａ，１６ｂ，１６ｃによる構成以外に、４つ以上の複数のスロープを有していてもよい。スロープの数が多いほど、プリズムアレイを高精度で形成するためのコストが増加するが、反射光の光束の角度及び幅を最適に制御できるようになる。プリズムアレイ１６は、厚い場合には型にプラスチック材料を流し込んで成型したり、カッティングすることにより容易に成型でき、また薄い場合には、型と密着させながら転写することによって容易に成型できる。
【００５６】
プリズムアレイ１６のより具体的な角度は、ＬＣＯＳの画素サイズと前部ガラス１１の厚さに大きく影響されるが、２１μｍサイズのＬＣＯＳで、前部ガラス１１の厚さが薄い０.４ｍｍの場合には、厚さ０.１５ｍｍのポリカーボネートからなるプラスチック材を用いた場合に、わずか約０.５５度の角度を有したプリズムにするだけでよく、わずかの加工で済む。前部ガラス１１の厚さが厚い場合、またはプラスチック材の厚さが厚い場合には、加工する角度をより小さくすることができる。ＬＣＯＳの画素サイズが小さい場合も、加工する角度をより小さくすることができる。また、プリズムアレイ１６の表面と反射面との距離は約０.５５ｍｍであり、像形成レンズの物面の位置を十分に調節することが可能な距離である。像形成レンズとプリズムアレイや画像表示素子との設計の最適化を図ることが好ましい。
【００５７】
上記はレーザ光を用いた平行な照明光に対して説明したが、放電ランプの場合には３〜５度程度の光束の広がりがあり、この分だけ反射光の開口率が大きくなるので、画素をシフトして解像度を２倍にしたい場合には、平行光束の場合における開口率を１次元方向で５０％より小さい３３％程度に小さくしておくことが好ましい。ＬＥＤ光源の場合には、５〜１０度程度の光束の広がりあるので、さらに平行光束の場合における開口率を小さくしておくことが好ましい。また、開口率を変化させる素子としては、上記のプリズムアレイに限定されるものではなく、アルミニウム反射電極１３の部分をプリズムアレイと同様に作用する角柱形状としても効果的であり、また凹面形状としても効果的である。
【００５８】
図２は、本発明の画像表示装置の全体構成の一例を説明するための概要を光路とともに示す図で、図中、２０は液晶パネルユニット、２１は液晶パネル、２２は支持体、２３は圧電素子、２４は赤色ＬＥＤを２次元アレイ状に配列した照明光源、２５は拡散板、２６はコンデンサレンズ、２７はＰＢＳ、２８は投射レンズ、２９はスクリーン、３０は光源ドライブ部、３１は液晶パネルのドライブ部、３２は圧電素子ドライブ部である。
【００５９】
光源ドライブ部３０で制御されて照明光源２４から放出された照明光は、拡散板２５により均一化された照明光となり、コンデンサレンズ２６により液晶ドライブ部３１で照明光源と同期して制御されて液晶パネル２１をクリティカル照明する。この液晶パネル２１で空間光変調された照明光は投射レンズ２８で拡大されスクリーン２９に投射される。このとき、液晶パネル２１は上下方向に支持体２２と接続され、この支持体２２はピエゾからなる小型の圧電素子２３に固定されており、この圧電素子２３は圧電素子ドライブ部３２により制御される。また、図示はしていないが、液晶パネル２１は紙面と垂直方向にも圧電素子に固定された支持体に接続しており紙面の上下方向と同様に圧電素子ドライブ部３２により制御され、液晶パネルユニット２０を形成している。
【００６０】
図２において、圧電素子ドライブ部３２により、液晶パネル２１はｘ，ｙ方向にそれぞれその画素ピッチの１／２を、１フィールドを１つの基本単位として、４つのサブフィールドに分割されて移動する。この移動する期間は、拡大されたスクリーン状の液晶パネルの画像に感じるフリッカーが実用レベルの時間以下の期間とする。このとき、この液晶パネル２１の変位された位置に対応するサブフィールドについて、その位置に対応する画像データを画像表示装置で表示することにより、４倍の画素数の画像表示を行うことができる。
【００６１】
図３は、図２の液晶パネルユニット２０を背面側（図２の右方向）から見たときの概略構成を説明するための図で、図中、２２′，２３′は、それぞれ、図２で図示してはいなかった紙面と垂直方向の支持体及び圧電素子である。図３において、位置ｘ１→ｘ０となる変位値Δｘ３３，及び位置ｙ１→ｙ０となる変位値Δｙ３４で、液晶パネルユニット２０内の液晶パネル２１の位置を変位させることができる。
【００６２】
図４は、液晶パネル２１の画素（３×３の液晶パネルの実画素分）を拡大観察した場合の概要及び圧電素子による変位量を説明するための図である。画素ピッチがｘ方向、ｙ方向に、それぞれ２Δｘ、２Δｙであるとき、その１／２ピッチとなるΔｘ、Δｙを変位値とすることにより、液晶パネル２１の実画素１つによって、４倍の４つの画素を表示することができる。図４において、画素位置３５ａに（ｘ０，ｙ０）＝（０，０）の場合の開口率が約１２％の実画素が設けてあるとき、それぞれのサブフィールドで（ｘ０，ｙ０）＝（０，０），（Δｘ、０），（０，Δｙ），（Δｘ、Δｙ）とすることにより、それぞれ画素位置３５ｄ，３５ｂ，３５ｃに画素を表示することができる。
【００６３】
これらのピッチは、ｘ、ｙとも実画素のピッチの１／２に限定される必要はなく、両方向に１／３として、９倍の画素を表示することもできるし、ｙ方向にのみ１／２とし、ＮＴＳＣの偶数と奇数のフィールドをサブフィールドとして２倍の画素を表示することもできる。また、開口は大きくても小さくても良いが、２５％付近であることが、画素間の空間的クロストークを減少しかつ画素間の表示抜けが視認されにくいので好ましい。
【００６４】
図２において、従来のように液晶パネルと光路をサブフィールドごとに偏向させる必要がないので、画素を増倍しない場合と全く同じ照明光学系及び投射光学系を用いることができ、光学系のＭＴＦを劣化させることがないので、低コストで高解像度の表示を行うことができる。高解像度の投射レンズには、従来よりも２倍の空間周波数に対して同程度のＭＴＦを確保する必要があるため、投射光学系の設計負担を大きく減少することができる。また、圧電素子を用いることにより、コイルやモータ等を用いた方法と比較して、正確に変位量を制御することができるので、常に変位量をフィードバックする必要がなく、液晶パネルを変位させるドライブ部を簡略化でき、かつ正確に変位でき、これにより、低コストでかつ位置ずれによる画像品質の低下の少ない高解像度の画像表示を行うことができる。また、圧電素子は一般に印加電圧と積層数との制約によって変位量が小さいが、図２のように１０〜５０倍の拡大像を観察する画像表示装置では、元の液晶パネル２１の変位量が、観察される変位に対して１／５０〜１／１０と微小量でよいので、変位量が絶対値として小さく、２００Ｖ以内、場合によっては１００Ｖ以内での電圧での圧電素子の可動範囲内ですみ、圧電素子の実用的な電圧での変位量の制約を受けにくい。
【００６５】
さらには、従来の照明光学系及び投射光学系をそのまま用いることができるので、新たな設計の負担がなく低コストの画像表示装置を提供できる。また、圧電素子による変位を行わない、すなわち画素増倍しない表示においては、通常と同様の光学特性を実現でき、これは同じ画像表示装置においてモードを切り替えることで容易に可能である。
【００６６】
圧電素子２３，２３′としては、上述のようにピエゾ素子を用いたものが好ましい。例えば、株式会社トーキンの圧電素子（型番：ＡＥ０２０３Ｄ０８）を用いて、１００ｖでの変位量で約６μｍを得ることができる。この圧電素子の共振周波数は１３８ｋＨｚであり、この３分の１の周波数を最大周波数として、約４０ｋＨｚ以上の高速変位を実行でき、また矩形的な変位以外に、変位の開始と終了時の加速度を低減した変位プロファイルを実現することもできる。
【００６７】
液晶パネル２１としては、画素が１２μｍピッチのディスプレイテクノロジー社（米）のＬＣＯＳ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｕｔａｌ ｏｎ Ｓｉ）型の空間変調素子を用いることにより、図１と同様にして反射型の照明光学系および投射光学系を構成して、４倍の画素増倍を行うことができる。ただし、前述のように投射レンズの空間周波数への要求が高解像度のために２倍となるので、高解像度対応の投射レンズを使用する必要がある。
【００６８】
図２では、投射レンズ２８によりスクリーン２９に空間光変調器の実像を形成して拡大しているが、本発明ではこのような構成に限定されるものではなく、投射レンズ２９のかわりに接眼レンズを用いて、直接に拡大した虚像を観察してもよい。
【００６９】
図５は、上述した本発明のプリズムアレイのような光学素子を用いることなく画素をシフトさせる場合の比較例について説明するための図で、画像表示装置の画像表示素子の部分概略構成の一例を光路とともに示す図である。なお、入射光線及び出射光線２５は、説明のためにその一部または全部を示している。図５において、入射した平行な照明光１５は、入射光と全く同じ角度及び幅で反射する。厳密には、回折による広がりとアルミニウム反射電極１３の微小な凹凸による散乱光により若干光束が広がるが、ほぼ同じ角度及び幅で反射させることができる。このため、開口率がほぼ１００％のままであり、画素をシフトさせた場合に、画素がシフトすることにより隣接する画素どうしが重ってクロストークとなってしまい、コントラストが低減するばかりか、解像度が増加しない場合も生じてしまう。
【００７０】
図６は、本発明の画像表示装置の他の実施例における反射型画像表示素子の部分概略構成を光路とともに示す図で、図中、１７はマイクロレンズアレイである。また図６において入射光線及び出射光線１５ａ，１５ｂは、説明のためにその一部または全部を示している。
【００７１】
図６におけるマイクロレンズアレイ１７の作用を説明する。説明の簡略化のため、光源からの照明光はレーザ光をコリメートした平行な光とする。マイクロレンズアレイ１７に入射した照明光１５ａからなる光束が最小面積を与える距離が、マイクロレンズアレイ１７とアルミニウム反射電極１３との距離よりも大きくなっており、この場合にはマイクロレンズアレイ１７を出射した後の空気部分に反射光１５ｂが最小面積を与える部分がある。図６では、斜線部分において２直線が交差した点となっているが、実際には回折により小さな最小面積を有する。また、レンズの収差やアルミニウム反射電極１３の微小な凹凸による散乱光により、この最小面積は大きくなる。
【００７２】
このとき、マイクロレンズアレイ１７のレンズ面での光束の大きさは、もとのマイクロレンズの直径に対して約１／２であり、面積比で約２５％にすることができる。このマイクロレンズ面を像形成素子の物面とすることにより、入射光の開口率をほぼ１００％とすると同時に、反射光の開口率を約２５％と小さくすることができる。また、マイクロレンズの焦点距離、形状を最適化することにより、１０％〜１００％の範囲で反射光の開口率を制御することは容易であり、画素のシフト量に対して、プリズムアレイの場合よりもより開口率を適正にできる。これにより、画像を１／２画素の大きな距離でシフトした場合においても、隣接した画像が重なることがなく、画素間のクロストークを低減し、コントラストを増大させ、解像度が増加しない場合を低減させることができる。また、マイクロレンズアレイは、既に多くの液晶表示素子に対して用いられているため、他のマイクロ光学素子に対して構造が簡単で安価な方法であり、簡単に低コストで実現できる。
【００７３】
図７は、本発明の画像表示装置の更に他の実施例における反射型画像表示素子の部分概略構成を光路とともに示す図である。図７において、入射光線及び出射光線１５ａ，１５ｂは、説明のためにその一部または全部を示している。
【００７４】
図７における構成も、図６の構成と同様に、マイクロレンズアレイ１７に入射した照明光１５ａからなる光束が最小面積を与える距離が、マイクロレンズアレイ１７とアルミニウム反射電極１３との距離よりも大きくなっているが、この場合にはマイクロレンズアレイ１７を出射する前のマイクロレンズ材料中に反射光１５ｂが最小面積を与える部分がある。図７においては、マイクロレンズの材料中で２直線が交差した点となっているが、実際には回折により小さな最小面積を有する。また、レンズの収差や反射電極の微小な凹凸による散乱光により、この最小面積は大きくなる。また、マイクロレンズアレイ１７は、レジスト溶融、レジスト形状転写、及びイオン拡散等の方法で容易に透明基板上または基板内に成型できる。また、マイクロレンズアレイ１７としてバイナリ素子やホログラム素子等を用いてもよい。また、マイクロレンズアレイ１７は球面形状である必要はなく、非球面、シリンドリカル面であってもよく、複数種類重ねて構成してもよい。
【００７５】
このとき、図６の場合と同様に、マイクロレンズアレイ１７のマイクロレンズ面での光束の大きさは、もとのマイクロレンズの直径に対して約１／２であり、面積比で約２５％にすることができる。このマイクロレンズ面を像形成素子の物面とすることにより、入射光の開口率をほぼ１００％とすると同時に、反射光の開口率を約２５％と小さくすることができる。これにより、画像を１／２画素の大きな距離でシフトした場合においても、隣接した画像が重なることがなく、画素間のクロストークを低減し、コントラストを増加させ、解像度が増加しない場合を低減させることができる。また、マイクロレンズアレイ１７は、既に多くの液晶表示素子に対して用いられているため、他のマイクロ光学素子に対して構造が簡単で安価であり、簡単に低コストで実現できる。
【００７６】
図７の構成は、図６の構成と比較して、アルミニウム反射電極１３からマイクロレンズ１７の表面の間で光束が比較的に小さいことから、像形成素子の焦点深度が多少マイクロレンズ表面から反射電極方向にずれても開口率が小さいままであるので、図６の構成よりも好ましいといえる。
【００７７】
マイクロレンズアレイ１７に入射した照明光１５ａからなる光束が最小面積を与える距離は、マイクロレンズの曲率が大きい場合には、その光束の角度や進行方向により、マイクロレンズとしての像側または物側主点からの焦点までの距離が重要となるが、通常の曲率のマイクロレンズであれば、ほぼ焦点距離ｆまたはマイクロレンズ表面と焦点との距離に等しい。ただし、光束が空気中か他の媒質中かによって、実効屈折率を考慮する必要がある。
【００７８】
また、光束が最小となる位置は、焦点距離付近である場合以外にも、球面収差の影響により焦点距離よりも小さくなる場合がある。光束の角度分布がガウシアン分布のように０度付近の強度が強い場合には、球面収差の影響により焦点距離よりも、遠くなる場合がある。また、これらの光束が最小となる場合の画素の形状は、光束の角度分布に大きく影響されるために、光束の角度分布と必要とする画素形状から光束が最小とするのが、最大径か、円または正方形または他の形状の換算径か、半値幅か等によっても異なってくる。
【００７９】
また、２つ以上のマイクロレンズを、画素の配列に対応させて形成すると光束を高い光利用効率で縮小することに効果的である。１つのマイクロレンズアレイの上にもう一つのマイクロレンズアレイを積層することにより、収差をおさえたり、より焦点距離の小さいマイクロレンズを形成することができる。また、リレーレンズ等の中間像をマイクロレンズで機能させることにより、画素を効果的に作用することもできる。
【００８０】
今、像形成素子の物面をマイクロレンズ表面としたときに、曲率の小さいマイクロレンズで、その焦点距離をｆ、マイクロレンズアレイ１７のレンズ表面とアルミニウム反射電極１３との距離をｄとするならば、その好ましい関係は、ｄ＜ｆであり、さらに好ましい関係は、１.５×ｄ≦ｆ≦３×ｄである。その関係が、ｄ＜ｆの場合には、開口率を小さくすることができ、その関係が、１.５×ｄ≦ｆ≦３×ｄの場合には、開口率を２５〜５０％以下にすることができる。レンズの収差、実際の照明光の光束の広がり、さらに像形成素子の焦点深度との適正化を考慮すると、特に２×ｄ≦ｆ≦３×ｄの関係にあることが好ましい。１.５×ｄ＝ｆは図６の状態であり、３×ｄ＝ｆは図７の状態である。いずれも、平行な照明光で、無収差のマイクロレンズの場合には、開口率を約２５％にできる。また、２×ｄ＝ｆのときには、平行な照明光で、無収差のマイクロレンズの場合には、マイクロレンズ表面での開口率を最小にできる。ただし、上記とは別に、像形成素子の物面を空中とした場合には、２×ｄ≦ｆであることが特に好ましい。
【００８１】
図８に、１０ミクロン角の強誘電液晶からなる画素上に、厚さ１００μｍの石英基板からなるマイクロレンズを設けた場合の、照明角と画素の開口率縮小による焦点距離２０ｍｍの投射レンズの焦点合わせを最適にした場合の疑似ＭＴＦ（矩形入力に対する出力関数）との関係の実験結果を示す。マイクロレンズの焦点距離は、ガラス中で約２００μｍであが、疑似ＭＴＦが最良になるように最適化してある。また、レンズ形状は１次のコーニック係数を有する矩形開口の非球面である。横軸は、照明角（度）であり、縦軸は疑似ＭＴＦである。照明光の角度分布はランバート分布である。
また、図９に、図８における照明角度１度の場合の、投射レンズの焦点をはずした場合の疑似ＭＴＦの実験結果を示す。横軸は、デーフォーカス量（μｍ）であり、縦軸は疑似ＭＴＦである。
さらに、図１０に、疑似ＭＴＦが８０％の場合を、光学計算評価ソフトであるＬｉｇｈｔ Ｔｏｏｌｓ（サイバネット社）により光線追跡した場合の、開口を縮小された画素のビームプロファイルを示す。
図８，図９，図１０からわかるように、反射面上に設けたマイクロレンズにより、良好なビームプロファイルで画素の開口率が縮小されている。
【００８２】
図１１は、本発明による図６及び図７の構成に対する比較例を示す図であり、画像表示装置の反射型画像表示素子の部分概略構成例を光路とともに示す図である。入射光線および出射光線１５ａ，１５ｂは、説明のためにその一部または全部を示している。図１１において、入射した平行な照明光は、入射光１５ａと全く同じ角度及び幅で反射して反射光１５ｂとなる。厳密には、レンズの収差や、回折による広がりとアルミニウム反射電極１３の微小な凹凸による散乱光により若干光束が広がるが、ほぼ同じ角度及び幅で反射させることができる。このため、開口率がほぼ１００％のままであり、画素をシフトさせた場合に、画素がシフトすることにより隣接する画素どうしによってクロストークが生じてしまい、コントラストが低減するばかりか、解像度も増加しない場合も生じてしまう。
【００８３】
図１２は、本発明の画像表示装置の更に他の実施例における反射型画像表示素子の部分概略構成を光路とともに示す図で、図中、１８ａ〜１８ｃ及び１９ａ〜１９ｃはマイクロ偏光ビームムスプリッタ（ＭＰＢＳ）であり、４１ａ〜４１ｃは画素サイズよりも小さくかつ画素間に設けたマイクロレンズである。また図１２において、入射光線および出射光線１５ａ〜１５ｃは、説明のためにその一部または全部を示している。
【００８４】
図１２におけるマイクロレンズアレイ１７の作用を説明する。説明の簡略化のため、光源からの照明光はレーザ光をコリメートした平行な光とする。マイクロレンズアレイ１７に入射したＰ偏光の照明光１５ａからなる光束は、反射電極１３ａで最小面積を与える。この反射光は、液晶層１２により偏光方向を回転されてＳ偏光となって出射する。このとき、前部ガラス１１中に設けた２種類の組になったＭＰＢＳ１８ａ，１９ａ；１８ｂ，１９ｂ；１８ｃ，１９ｃにより２回反射されて、１５ｂに示す状態となり、これは１５ｃの状態の光束で示すように画素間のマイクロレンズアレイ４１ｃにより光束を集光され、さらに画素間でかつマイクロレンズの凹面部分を光束が透過して発散されて出射する。
【００８５】
このとき、マイクロレンズアレイ１７のレンズ面での光束の大きさは、もとのマイクロレンズの直径に対して約１／２であり、面積比で約２５％にすることができる。このマイクロレンズ面を像形成素子の物面とすることにより、入射光の開口率をほぼ１００％とすると同時に、反射光の開口率を約２５％と小さくすることができる。これにより、画像を１／２画素の大きな距離でシフトした場合においても、隣接した画像が重なることがなく、画素間のクロストークをより低減し、コントラストを増加させ、解像度が増加しない場合を低減させることができる。
【００８６】
ただし、画素サイズが２０ミクロンよりも小さいときには、多層膜によって製作するＭＰＢＳへの制約が大きくなり消光比が低減しやすいために、偏光分離素子であるＭＰＢＳを使用しない構成である図６のものと比較してかえって画素間のクロストークが増加してしまう場合があり、画素サイズが２０ミクロンよりも大きい場合に適用することがより好ましい。また、画素間のマイクロレンズ４１ａ〜４１ｃは、イオンの拡散または空気層形成によって作成するが、どちらの場合も、画素サイズが２０ミクロンよりも大きいときに作成しやすい。このため、シリコン上に作成したＬＣＯＳよりも、比較的画素サイズが大きく、かつ安価にできるアモルファスシリコンまたは低温多結晶等のアクティブ素子を用いた低コストな反射型表示装置に適用することがより好ましい。結晶等の光学材料を用いてＭＰＢＳを製作した場合には、上記のような制限はなくなるが、逆に微細加工の困難さや高いコストが問題となる。
【００８７】
また、ＭＰＢＳを構成する多層膜のかわりに、ホログラム素子を用いてもよい。多層膜を形成する時間が短縮できるために、より低コストで実現することができる。また、マイクロレンズを２つ使用する必要はなく、焦点距離やレイアウトを変更することにより、１つにしてもよい。さらに、偏光分離素子としての多層膜も、２つ使用する必要はなく、偏向方向やレイアウトを偏向することにより、１つにしてもよい。また、３つ以上使用してもよい。
【００８８】
図１３は、本発明の画像表示装置の更に他の実施例における画像表示素子の部分概略構成を光路とともに示す図で、図中、４２ａ〜４２ｃ及び４３ａ〜４３ｃは凸レンズ作用のある偏光性ホログラム素子である。入射光線及び出射光線１５ａ，１５ｂは、説明のためにその一部または全部を示している。
【００８９】
図１３における偏光性ホログラム素子４２ａ〜４２ｃ，４３ａ〜４３ｃの作用を説明する。説明の簡略化のため、光源からの照明光はレーザ光をコリメートした平行な光とする。偏光性ホログラム素子４２ａに入射したＰ偏光からなる照明光１５ａは、Ｐ偏光に対する偏光性ホログラム素子４２ａが凸レンズとして作用し、アルミニウム反射電極１３ａで最小面積を与える。さらにこの反射光は、液晶層１２により偏光方向が回転されてＳ偏光となって出射する。このとき、Ｓ偏光からなる反射光は、Ｓ偏光に対する偏光性ホログラム素子４３ｂが凸レンズとして作用し、このＳ偏光からなる反射光はほぼ平行な光束となり、図１３に示される１５ｂの状態の反射光となる。
【００９０】
このとき、偏光性ホログラム素子４２ｂの面での光束の大きさは、もとの偏光性ホログラム素子の直径に対して約１／２であり、面積比で約２５％にすることができる。この偏光性ホログラム素子面を像形成素子の物面とすることにより、入射光の開口率をほぼ１００％とすると同時に、反射光の開口率を約２５％と小さくすることができる。これにより、画像を１／２画素の大きな距離でシフトした場合においても、隣接した画像が重なることがなく、画素間のクロストークをより低減し、コントラストを増加させ、解像度が増加しない場合を低減させることができる。また、ＭＰＢＳのような基板に斜めの面を有する光学素子を平面的な画像表示素子付近に用いる必要がないので、非常に薄型で小型化することができる。
【００９１】
また、図１３に示すように、液晶からなる偏光方向を制御する画像表示装置を組み合わせた場合には、入射と反射の場合の偏光特性が異なるため、この偏光特性に対応した偏光性光学素子を設けることにより、反射面に対して、光学素子の光学特性を非対称とすることがでるが、この偏光性の光学素子としてホログラム素子を用いることより、高効率の偏光制御が可能である。
また、ホログラム素子以外にも、グレーティング光学素子、フォトニック光学結晶素子、電気光学結晶素子、複屈折材料光学素子、ＭＰＢＳ等も同様に用いることができる。
【００９２】
また、図１３に示すように、照明光の光束が最小となる位置または集光される位置は、反射面上にすることもできるため、高効率で、反射型像表示素子の反射面中央部に集光することができるので、画素に設けた駆動素子による元の画素の開口率の影響を小さくすることができるようになる。さらに、ブラックマトリクスを設けた場合のコントラスト増加の効果も大きくすることがでるようになる。また、開口率を縮小された画素の光軸方向の位置が、物理的実体である反射型像表示素子の反射面に固定されるので、投射レンズの焦点合わせが容易となる。
【００９３】
この偏光性ホログラム素子は、一般のホログラム形成技術を用いて作成でき、レジストに２光束干渉で露光させて作成してもよいし、屈折率可変のフォトポリマー材料を露光して作成してもよいし、ＣＧＨにより薄い基板をステップエッチングしたり、銀塩フィルムを用いたりしてもよい。また必要に応じて異方性材材料等を用いてもかまわない。
【００９４】
図１４は、本発明の画像表示装置の更に他の実施例における反射型画像表示素子の部分概略構成を光路とともに示す図で、図中、４４ａ，４４ｂは凸レンズとして作用する偏光性ホログラム素子である。なお、入射光線および出射光線１５ａ，１５ｂは、説明のためにその一部または全部を示している。
【００９５】
図１４におけるマイクロレンズアレイ１７及び偏光性ホログラム４４ａ，４４ｂの作用を説明する。説明の簡略化のため、光源からの照明光はレーザ光をコリメートした平行な光とする。マイクロレンズアレイ１７に入射したＰ偏光からなる照明光１５ａは、凸型マイクロレンズが凸レンズとして作用し、アルミニウム反射電極１３ａで最小面積を与える。さらにこの反射光は、液晶層１２により偏光方向を回転されてＳ偏光となって出射する。このとき、Ｓ偏光からなる反射光は、Ｓ偏光に対する偏光性ホログラム素子４４ａが凸レンズとして作用し、このＳ偏光からなる反射光のみの光束がほぼ平行な光束となり、さらにマイクロレンズ１７による集光作用をうけて、図に示される１５ｂの状態のように、マイクロレンズ表面付近で弱く反射光となる表示素子とすることができる。
【００９６】
このとき、マイクロレンズアレイ１７のレンズ表面での光束の大きさは、もとのマイクロレンズの直径に対して約１／２であり、面積比で約２５％にすることができる。このマイクロレンズ表面を像形成素子の物面とすることにより、入射光の開口率をほぼ１００％とすると同時に、反射光の開口率を約２５％と小さくすることができる。これにより、画像を１／２画素の大きな距離でシフトした場合においても、隣接した画像が重なることがなく、画素間のクロストークをより低減し、コントラストを増加させ、解像度が増加しない場合を低減させることができる。また、ＭＰＢＳのような基板に斜めの面を有する光学素子を平面的な画像表示素子付近に用いる必要がないので、非常に薄型で小型化することができる。
【００９７】
図１５は、本発明の画像表示装置の更に他の実施例における部分概略構成を光路とともに示す図で、反射型画像表示素子部分、結像レンズ、及び反射型画像表示素子の結像面に設けたマイクロレンズを示しており、観察者がさらに図示しない像形成素子を通してマイクロレンズを観察することにより画像表示を行う。図１２において、４５は結像レンズ、４６ａ〜４６ｃは透明の基板４７上に設けたマイクロレンズ、４８はマイクロレンズを設けた基板４７の反対面である。
【００９８】
図１５において、反射型画像表示素子１０の画素１３ｂからの反射光は、結像レンズ４５によってマイクロレンズ４６ｂに等倍結像されて入射する。このマイクロレンズ４６ｂに入射した光束は、マイクロレンズの凸レンズ作用により集光されて、マイクロレンズを設けた基板４７の反対面４８において、ほぼ１／２の大きさになる。このとき、このマイクロレンズを設けた基板４７の反対面４８に、像形成素子の物面を設けることにより、観察者の観察する画像表示面の画素の開口率が約２５％となる。これにより、画像を１／２画素の大きな距離でシフトした場合においても、隣接した画像が重なることがなく、画素間のクロストークをより低減し、コントラストを増加させ、解像度が増加しない場合を低減させることができる。
【００９９】
このように結像レンズとマイクロレンズを用いることにより、画像表示素子の付近にはマイクロレンズやプリズムアレイのような光学素子を設ける必要がないので、デジタルミラーアレイ（ＤＭＤ：テキサスインスツルメンツ社）のような垂直方向に入射光と反射光が一致しない画像表素子や、ＬＣＯＳに対して斜入射の照明光学系を用いる場合に使用することができるようになる。このとき、マイクロレンズは、レジスト溶融、レジスト形状転写、イオン拡散等の方法で容易に透明基板上または基板内に成型できる。また、バイナリ素子やホログラム素子等を用いてもよい。また、図１５の結像レンズと像形成レンズを共通化して、スクリーン面にマイクロレンズを設けてもよい。
【０１００】
また、画素の開口率を縮小させる光学素子を、反射型像表示素子の前面に設ける同時に、これを中間結像形成レンズで中間結像を形成した中間結像面に設けることは、２ステップで画素の開口率を縮小しているので、それぞれのステップでの画素の開口率を縮小させる際の収差の影響が小さくなるので、高光利用効率とすることができるようになる。
【０１０１】
【発明の効果】
第１の本発明の画像表示装置においては、反射型像表示素子に照明光の入射と表示光の出射の両方に作用する開口縮小光学素子を設けているので、光束の開口率が効率よく縮小されるので、反射型表示素子を用いて画素をシフトすることにより高解像度化を実現する画像表示装置において、画素間のクロストークを低減させることができる画像表示装置を提供できる。
【０１０２】
第２の本発明の画像表示装置においては、拡大像形成素子の物面と反射型画像表示用素子の反射面とを異なる位置とする拡大像形成素子を設けているので、画素の反射面の大きさと異なる大きさの開口率が十分に縮小されると同時にその画素を拡大表示することができるので、画素間のクロストークを低減させることができるより高解像度化できる画像表示装置を提供できる。
【０１１３】
第３の本発明の画像表示装置においては、表示素子を中間結像する中間結像レンズを設け、画像表示用素子の画素への入射照明光の開口率と、画像表示用素子の画素からの反射表示光の開口率が異ならせる開口率縮小光学素子を、中間結像レンズによる表示素子の中間結像面付近に設けているので、開口率縮小光学素子を画像表示用素子付近に設ける必要がないので、斜入射の反射型表示素子や透過型表示素子以を用いた場合においても、画素間のクロストークを低減させることができる画像表示装置を提供することができる。
【０１１５】
第４の本発明の画像表示装置においては、画像表示用素子付近と画像表示用素子の中間像面との２つの部分に開口率縮小光学素子を設けているので、それぞれの集光作用のパワーを乗ずることができるので、画素をシフトすることにより高解像度化を実現する画像表示装置においても、より画素間のクロストークを低減させることができる画像表示装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の画像表示装置の一実施例における反射型画像表示素子の部分概略構成及びその作用を説明するための図である。
【図２】 本発明の画像表示装置の全体構成の一例を説明するための概要を光路とともに示す図である。
【図３】 図２の液晶パネルユニット２０を背面側（図２の右方向）から見たときの概略構成を説明するための図である。
【図４】 液晶パネル２１の画素（３×３の液晶パネルの実画素分）を拡大観察した場合の概要及び圧電素子による変位量を説明するための図である。
【図５】 上述した本発明のプリズムアレイのような光学素子を用いることなく画素をシフトさせる場合の比較例について説明するための図である。
【図６】 本発明の画像表示装置の他の実施例における反射型画像表示素子の部分概略構成を光路とともに示す図である。
【図７】 本発明の画像表示装置の更に他の実施例における反射型画像表示素子の部分概略構成を光路とともに示す図である。
【図８】 照明角と、投射レンズの焦点合わせを最適にした場合の疑似ＭＴＦの実験結果を示す図である。
【図９】 図８における照明角度１度の場合の、投射レンズの焦点をはずした場合の疑似ＭＴＦの実験結果を示す図である。
【図１０】 疑似ＭＴＦが８０％の場合を、光学計算評価ソフトにより光線追跡した場合の、開口を縮小された画素のビームプロファイルを示す図である。
【図１１】 本発明による図６及び図７の構成に対する比較例を示す図である。
【図１２】 本発明の画像表示装置の更に他の実施例における反射型画像表示素子の部分概略構成を光路とともに示す図である。
【図１３】 本発明の画像表示装置の更に他の実施例における反射型画像表示素子の部分概略構成を光路とともに示す図である。
【図１４】 本発明の画像表示装置の更に他の実施例における反射型画像表示素子の部分概略構成を光路とともに示す図である。
【図１５】 本発明の画像表示装置の更に他の実施例における部分概略構成を光路とともに示す図である。
【図１６】 レンズをシフトする方法により画像表示用素子の高解像度化を行ったレンズにより拡大した虚像を観察する、特開平６−３２４３２０号公報に記載の従来の表示方法を示す図である。
【図１７】 電気光学素子と複屈折材料を使用する方法により画像表示用素子の高解像度化を行ったレンズにより拡大した虚像を観察する、特開平６−３２４３２０号公報に記載の従来の表示方法を示す図である。
【図１８】 特開平６−３２４３２０号公報に記載の従来の方法を示す図である。
【符号の説明】
１０…反射型画像表示素子、１１…前部ガラス、１２…液晶層、１３（１３ａ〜１３ｅ）…アルミニウム反射電極、１４…シリコン基板、１５ａ〜１５ｅ…照明光の入射光線および出射光線、１６…プリズムアレイ（光学素子）、１７…マイクロレンズアレイ（光学素子）、１８ａ〜１８ｃ，１９ａ〜１９ｃ…マイクロ偏光ビームムスプリッタ（ＭＰＢＳ）、２０…液晶パネルユニット、２１…液晶パネル、２２，２２′…支持体、２３，２３′…圧電素子、２４…照明光源、２５…拡散板、２６…コンデンサレンズ、２７…ＰＢＳ、２８…投射レンズ、２９…スクリーン、３０…光源ドライブ部、３１…液晶パネルのドライブ部、３２…圧電素子ドライブ部、３３…変位値Δｘ、３４…変位値Δｙ、３５ａ，３５ｂ，３５ｃ，３５ｄ…画素位置、４１ａ〜４１ｃ…マイクロレンズ、４２ａ〜４２ｃ，４３ａ〜４３ｃ，４４ａ，４４ｂ…凸レンズ作用のある偏光性ホログラム素子、４５…結像レンズ、４６ａ，４６ｂ，４６ｃ…マイクロレンズ、４７…基板、４８…基板反対面、５０…ＬＣＤパネル、６０…ＬＣＤドライブ回路、７０…光路変更手段、７１…接眼レンズ、７２…ボイスコイル、７３…レンズ取付台、８０…ボイスコイルのドライブ回路、９１…偏光面回転部材、９２…複屈折板、９３…液晶板、９４，９５…透明電極、１０１…入射光ビーム、１０１ａ…集光画素サイズ、１０２…集光光学系、１０２ａ…微小レンズ部、１０３…モザイク状表示部、１０３ａ…表示画素開口部、１０４…出射ビーム。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an image display device, and more specifically, to an image display device that observes an image using an enlarged image forming optical element for an image display element having a plurality of pixels that can control light according to image information.
[0002]
[Prior art]
As an image display device for observing an image obtained by magnifying a small image display element having a plurality of pixels whose light can be controlled according to image information with a lens, it is widely used under a trade name such as a front projector, a rear projector, or a head mounted display. in use. 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, and the like have been studied. In addition to the CRT, liquid crystal panel, inorganic EL, inorganic LED, and organic LED described above, the image display device for observing an image of a small image display element at an equal magnification instead of observing an image enlarged with a lens. Plasma displays, fluorescent display tubes and the like are used as products, and FED (field emission display), PALC (plasma addressing display) and the like are also being 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.
[0003]
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 for the purpose of high-resolution display of computers has been announced with a technology using a liquid crystal panel (at the '98 flat panel display exhibition, 2048 QSXGA scanning lines from IBM Japan, ' (2400 TUXGA scanning lines from Toshiba at the 99 Electronic Display Exhibition). However, increasing the number of pixels reduces the yield of the liquid crystal panel and decreases the aperture ratio, which increases costs, decreases brightness and contrast, and increases power consumption. .
[0004]
Examples of a conventional method for increasing the number of pixels more than twice using a plurality of image display elements include, for example, Japanese Patent Laid-Open Nos. 3-150525 and 4-267290. . In these, a plurality of image display elements that are shifted from each other are optically arranged, and pixels of the other image display element are arranged in a gap between pixels of one image display element. However, the above-described mechanism is difficult to align between a plurality of pixels, and the use of a plurality of image display elements increases the cost and requires a large projection lens.
[0005]
With respect to these problems, Japanese Patent Laid-Open Nos. 4-113308, 5-289004, and 6-324320 disclose that a single image display element is used to double the number of pixels. An image display device that performs interlaced display is described. Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-36504 describes a display device having a pixel number four times or more using a single image display element. The combination of a member exhibiting an electro-optic effect and a birefringent crystal used by these is a known technique as a polarization means conventionally used as an optical switch or an optical switch in the field of optical communication. Japanese Patent Laid-Open No. 6-324320 discloses, in addition to a combination of a member exhibiting an electro-optic effect and a birefringent crystal, means for changing the optical path, means for shifting the lens, vari-angle prism, rotating mirror, rotating Glass and the like are described, and Japanese Patent Laid-Open No. 7-104278 describes means for moving the wedge prism.
[0006]
FIG. 16 is a diagram showing a conventional display method described in Japanese Patent Laid-Open No. 6-324320 in which a virtual image enlarged by a lens whose image display element has been increased in resolution by a lens shifting method is observed. In FIG. 16, 50 is an LCD panel, 60 is an LCD drive circuit, 70 is an optical path changing means, 71 is an eyepiece, 72 is a voice coil, 73 is a lens mounting base, and 80 is a voice coil drive circuit. The means 70 includes an eyepiece 71, a voice coil 72, a lens mount 73, and a voice coil drive circuit 80.
[0007]
The voice coil 72 is driven by a drive circuit 80. The drive circuit 80 generates a current flowing through the voice coil in accordance with O / E according to the discrimination signal of the odd field and the even field of the color video signal input from the LCD drive circuit 60. The position of the LCD panel 50 is optically shifted in a direction perpendicular to the optical axis of the eyepiece lens 71.
[0008]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 6-324320 discloses not only a voice coil but also a piezoelectric element, a bimorph, a step motor, a solenoid coil, and the like as means for shifting the eyepiece lens 71, that is, a driving system for reciprocating movement. In addition to shifting the lens and optical member, the optical path can be changed by inserting an optical member, rotating the optical member, rotating a mirror, active prism, electro-optic element and birefringence. The method of using the material is described.
[0009]
FIG. 17 shows a conventional display method described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 6-324320, in which a virtual image enlarged by a lens whose image display element has been increased in resolution is observed by a method using an electro-optic element and a birefringent material. FIG. In FIG. 17, 91 is a polarization plane rotating member that becomes an electro-optical element, and 92 is a birefringent plate. The polarization plane rotating member 91 is configured by depositing transparent electrodes 94 and 95 on both surfaces of the liquid crystal plate 93, and a liquid crystal driving voltage is applied between the transparent electrodes 94 and 95 so that each of even and odd fields is applied. The polarization plane is rotated and deflected so as to coincide with the polarization planes of normal light and extraordinary light of the birefringent plate 92. The amount of deflection between the normal light and the extraordinary light varies depending on the refractive index difference of the birefringent material.
[0010]
However, in the above-described method, when pixels are shifted, adjacent pixels are overlapped with each other, resulting in crosstalk between adjacent pixels, and not only the contrast is reduced but also the resolution is not increased. When at least two or more of the pixels in the direction of spatial division into RGB three colors are arranged in the shift direction, even if the pixels overlap, only the pixels of different colors will overlap, so the same The color pixels do not overlap and the resolution increases without reducing the contrast. However, when pixels are shifted in a direction different from the direction spatially divided into RGB, the same color overlaps to cause crosstalk between adjacent pixels, resulting in reduced contrast and no increase in resolution. Arise. In the case of monochrome display, field sequential display, or 3-plate prism overlay display, the same color exists in the shift direction, so that crosstalk between adjacent pixels occurs, contrast is reduced, and In some cases, the resolution does not increase.
[0011]
As a conventional method for solving such a problem, as shown in JP-A-9-055454, a light condensing function portion is provided on the light source side of the display device, and the light condensing pixel size is larger than the aperture area of the display pixel. There is a device to narrow down.
[0012]
FIG. 18 is a diagram showing a conventional method described in Japanese Patent Laid-Open No. 6-324320. In FIG. 18, 101 is an incident light beam, 101a is a condensing pixel size, 102 is a condensing optical system, and 102a is a microlens unit. 103 is a mosaic display portion, 103a is a display pixel aperture, and 104 is an outgoing beam. The microlens unit 102a narrows the incident light beam 101 from the backlight side to a condensing pixel size 101a smaller than the display pixel opening 103a on the display focus surface of the mosaic display unit 103, and observes the outgoing beam 104 The light is emitted to the person side or the screen side. In this case, the focused incident beam is described as having the smallest shape at the position of the display pixel opening 103a. Japanese Patent Application Laid-Open No. 6-324320 also describes an example in which a condensing pixel is narrowed down by using a microlens provided for improving the aperture ratio.
[0013]
However, in an active element used for a normal transmissive liquid crystal element, polysilicon, amorphous silicon, and conductive organic material formed on a transparent substrate are all highly absorbing materials and can transmit an incident beam. Practically impossible. For this reason, it is normal that the aperture ratio is less than 100%, and a microlens is provided on the incident light incident side in order to improve the decrease in the use efficiency of the illumination light due to the aperture ratio being less than 100%. This is a well-known fact, and it is also a well-known fact that the pixel size is reduced as a result of the microlens condensing illumination light on the aperture, that is, the pixel portion of the display element. Further, since the size of one pixel becomes smaller as the display device has a higher resolution, the aperture ratio tends to be smaller. For this reason, providing a light condensing function part such as a microlens in a display device that achieves high resolution by shifting pixels is not a special combination but a known combination and is not novel. . Further, it is well known that narrowing the size of the condensing pixel to be equal to or smaller than the aperture area of the aperture of the pixel is a configuration used for a high-resolution display device in order to improve light utilization efficiency.
[0014]
In addition, the above method considers only a transmissive display element and cannot be applied to a reflective display element. In other words, in a transmissive display element, the condensing optical system works only at the time of incidence. Therefore, by optimizing the distance between the pixel and the microlens and the focal length of the microlens according to the pixel size, the incident beam However, in the reflective display element, the light is emitted to the same side as the incident direction, so that the light collected by the aperture of the pixel that is the reflective surface is reflected by the microlens, The direction of the light beam in the condensing direction is maintained and diffused as it is to spread the beam. For this reason, the size of the pixel cannot be reduced as the outgoing beam that is the reflected light, and only the improvement of the aperture efficiency can be realized. This is very preferable for improving the aperture efficiency. However, when the pixel is shifted, the pixel shift causes adjacent pixels to overlap each other, resulting in crosstalk, which not only reduces the contrast but also increases the resolution.
[0015]
In addition, for a reflective display element, the aperture ratio of the active element or the black matrix is originally set to 50% or 25%, so that even if the pixel is shifted twice or four times, it is adjacent to the pixel. The pixels do not overlap, the contrast is not reduced, and the resolution can be increased. In this case, however, the use efficiency of the illumination light is 50% or 25%, and the power consumption is doubled and 4%. In addition to being doubled, the light source cost of the illumination light increases, and the display device becomes very expensive.
[0016]
[Problems to be solved by the invention]
The first aspect of the present invention provides an image display device capable of reducing crosstalk between pixels in an image display device that achieves high resolution by shifting pixels using a reflective display element. Objective.
[0017]
According to a second aspect of the present invention, in an image display device that achieves higher resolution by shifting pixels using a reflective display element, the image display device can achieve higher resolution that can reduce crosstalk between pixels. The purpose is to provide.
[0028]
Third The present invention reduces crosstalk between pixels in an image display device that achieves high resolution by shifting pixels even when using an oblique-incidence reflective display element or transmissive display element. An object of the present invention is to provide an image display device capable of performing the above.
[0030]
4th It is an object of the present invention to provide an image display device that can further reduce crosstalk between pixels in an image display device that achieves higher resolution by shifting pixels.
[0031]
[Means for Solving the Problems]
A first object of the present invention is to provide a reflective image display element having a plurality of pixels capable of controlling illumination light in accordance with image information. Image formed on In an image display device that displays an image by an enlarged image forming element, for each of a plurality of subfields constituting an image field Enlarged image forming element Displacement means for displacing the position of the reflective image display element with respect to the optical axis of the reflective image display element in the direction of the substantially array plane of the pixels, and the aperture ratio of incident illumination light to the pixel of the reflective image display element Than , The aperture ratio of the display light emitted from the pixel of the reflective image display element Make it smaller An aperture ratio reducing optical element is provided on the incident light incident side and the display light emitting side with respect to the reflective surface of the reflective image display element. The aperture ratio reducing optical element is a prism array, and the prism array has a plurality of inclinations with respect to each of the pixels of the reflective image display element. This is achieved by an image display device characterized by the above.
[0032]
A second problem of the present invention is that "the magnified image forming element having the object surface of the magnified image forming element and the reflective surface of the reflective image display element in different positions of the present invention is provided. Achieved by “image display device”.
[0043]
Of the present invention Third An object of the present invention is to provide an image display element having a plurality of pixels capable of controlling light according to image information. Image formed on For each of a plurality of subfields constituting an image field in an image display device Enlarged image forming element A displacement means for displacing the position of the image display element with respect to the optical axis of the image display element in a substantially array plane direction of the pixel, and an intermediate imaging lens for intermediately imaging the image display element is provided. Aperture ratio of illumination light incident on the pixel Than, The aperture ratio of reflected display light from the pixels of the image display element Make it smaller An aperture ratio reducing optical element is provided in the vicinity of the intermediate imaging surface of the image display element by the intermediate imaging lens. The aperture ratio reducing optical element is a prism array, and the prism array has a plurality of inclinations with respect to each of the pixels of the reflective image display element. This is achieved by an image display device characterized by the above.
[0045]
Of the present invention 4th An object of the present invention is to provide an image display element having a plurality of pixels capable of controlling light according to image information. Image formed on For each of a plurality of subfields constituting an image field in an image display device Enlarged image forming element A displacement means for displacing the position of the image display element with respect to the optical axis of the image display element in a substantially array plane direction of the pixel, an intermediate imaging lens for imaging the image display element is provided, and the pixel of the image display element Aperture ratio of illumination light incident on Than, The aperture ratio of reflected display light from the pixels of the image display element Make it smaller An aperture ratio reducing optical element is formed between the reflecting surface on the incident light incident side and the display light emitting side with respect to the reflecting surface of the image display element and the intermediate imaging lens, and by the intermediate imaging lens. Provided near the intermediate image plane of the image display element The aperture ratio reducing optical element is a prism array, and the prism array has a plurality of inclinations with respect to each of the pixels of the reflective image display element. This is achieved by an image display device characterized by the above.
[0046]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments and comparative examples of an image display device according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Note that, in all the drawings for explaining the examples and comparative examples, portions having the same functions are denoted by the same reference numerals as those of the conventional example, and repeated description thereof is omitted.
[0047]
The image display device of the present invention includes a reflective image display element 10 having a plurality of pixels whose light can be controlled according to image information, and an image forming element for displaying reflected light from the reflective image display element 10 (FIG. The reflective image display element 10 includes a pixel array in which the position of the reflective image display element is arranged for each of a plurality of subfields constituting the image field in order to increase the resolution. Displacement means for displacing in the surface direction, the aperture ratio of the illumination light incident on the pixels of the reflective image display element 10 and the aperture ratio of the reflected display light from the pixels of the reflective image display element are made different. The object surface of the image forming element and the reflection surface of the reflective image display element 10 are set at different positions on the optical path.
[0048]
FIG. 1 is a diagram for explaining a partial schematic configuration and operation of a reflective image display element in an embodiment of an image display apparatus of the present invention, in which 11 is a front glass, 12 is a liquid crystal layer, and 13 (13a to 13a- 13e) is an aluminum reflective electrode (pixel), 14 is a silicon substrate, 15a to 15e are incident and outgoing rays of illumination light, 16 is a prism array, 10 is the front glass 11, liquid crystal layer 12, and silicon substrate 14. A reflective image display element comprising: The incident light rays or the outgoing light rays 15a to 15e are partially or entirely shown for explanation.
[0049]
In FIG. 1, a reflection type image display element 10 is a reflection type image display element in which a drive element, a memory element and the like are provided on a silicon substrate 14 called LCOS (Liquid Crystal On Silicon) and a liquid crystal layer 12 is provided thereon. It is. This reflective image display element 10 can control normal incident P-polarized light or S-polarized illumination light to P-polarized light or S-polarized light according to image information by the twisted structure or ODB structure of the TN liquid crystal used as the liquid crystal layer. . For this reason, P-polarized light or S-polarized light is incident on the reflective image display element 10, and a polarization beam splitter (PBS) or a polarizer / analyzer is provided on the light source side of the reflective image display element 10. The rate can be controlled, and image display can be performed by forming an image of the emitted light from the reflective image display device 10 by a real image forming element or a virtual image forming element.
[0050]
The operation of the prism array 16 in FIG. 1 will be described. For simplification of explanation, the illumination light from the light source is assumed to be parallel light obtained by collimating the laser light. The prism array 16 has three slopes 16 a, 16 b, and 16 c that are divided into three equal parts with respect to one pixel. Of these three slopes, the central slope 16 b is parallel to the silicon substrate 14. The other two slopes 16a and 16c are provided at the same angle with respect to the silicon substrate 14 and at angles with different signs. Parallel illumination light incident on one central slope 16b is reflected at exactly the same angle and width as the incident light, as shown at 15a. Strictly speaking, the light beam is slightly spread by the spread due to diffraction and the scattered light due to the minute unevenness of the aluminum reflecting electrode 13a, but can be reflected at substantially the same angle and width. On the other hand, as shown in 15b, the parallel illumination light incident on the slope 16a above the center passes through the slope 16b parallel to the central substrate when reflected, and at a different angle and position from the incident light. Reflected. This angle is determined by the angle of the prism and the refractive index of the material forming the prism so that the reflected light is incident on the central slope 16b. Similarly, the parallel illumination light incident on the slope 16c below the center passes through the central slope 16b parallel to the substrate when reflected, and is reflected at a different angle and position from the incident light, as indicated by 15c. Is done.
[0051]
Illumination light as indicated by 15d incident on one pixel 13d is reflected as reflected light emitted from one pixel 13e as indicated by 15e by the three types of slopes 16a, 16b and 16c of the prism array 16. In other words, it can be emitted with a light beam slightly spreading only from the central slope 16b. As a result, the aperture ratio of the emitted light is 33% by the prism array 16 in spite of the reflected light transmitted through the same optical system while the aperture ratio incident on the reflective image display element 10 is 100%. can do.
[0052]
Further, the prism array 16 is located at a position different from the reflection surface of the reflective image display element 10 and can be a distance sufficiently away from the lens for forming an image. Therefore, the surface of the prism array 16 is image-formed. By using the object surface of the lens as an element, the aperture ratio of the reflective image display element 10 can be 33%. As a result, even when the image is shifted by a large distance of ½ pixel, adjacent images do not overlap, reducing crosstalk between pixels, increasing contrast, and reducing the case where resolution does not increase. That is, the resolution can be increased with reliability.
[0053]
The object surface of the above-described image forming element is not limited to the surface of the prism array 16, and may be any other than the reflecting surface of the reflective image display element 10, and after being emitted from the prism array 16 or the prism array 16. It is suitable for the shape of the optical element that varies the aperture ratio. By appropriately designing the focal length, position, and NA of the image forming element, the distance between the reflecting surface and the object surface of the reflective image display element 10 and the object depth can be set to appropriate values.
[0054]
Such a prism array 16 may be applied only in one direction, but may be applied in two directions in a double manner. In this case, even when the vertical and horizontal resolutions of the reflective image display element 10 are increased by shifting the pixels, the crosstalk between the pixels is reduced, the contrast is increased, and the resolution is not increased. The case can be reduced, that is, the resolution can be increased with reliability.
[0055]
The number of divisions of the slope of the prism array 16 may be two or more. In addition to the configuration of the three slopes 16a, 16b, and 16c shown in FIG. As the number of slopes increases, the cost for forming the prism array with high accuracy increases, but the angle and width of the light flux of the reflected light can be optimally controlled. When the prism array 16 is thick, it can be easily molded by pouring a plastic material into a mold or by cutting, and when it is thin, it can be easily molded by transferring it while being in close contact with the mold.
[0056]
The more specific angle of the prism array 16 is greatly influenced by the pixel size of the LCOS and the thickness of the front glass 11. However, when the thickness of the front glass 11 is 0.4 mm with a 21 μm-size LCOS. For example, when a plastic material made of polycarbonate having a thickness of 0.15 mm is used, a prism having an angle of only about 0.55 degrees may be used. When the thickness of the front glass 11 is large, or when the plastic material is thick, the processing angle can be further reduced. Even when the pixel size of the LCOS is small, the processing angle can be further reduced. Further, the distance between the surface of the prism array 16 and the reflecting surface is about 0.55 mm, which is a distance that can sufficiently adjust the position of the object surface of the image forming lens. It is preferable to optimize the design of the image forming lens, the prism array, and the image display element.
[0057]
Although the above has been described for parallel illumination light using laser light, in the case of a discharge lamp, the luminous flux spreads by about 3 to 5 degrees, and the aperture ratio of reflected light increases by this amount. When it is desired to double the resolution by shifting the aperture, it is preferable to reduce the aperture ratio in the case of a parallel light flux to about 33%, which is smaller than 50% in the one-dimensional direction. In the case of an LED light source, since the light beam spreads by about 5 to 10 degrees, it is preferable to further reduce the aperture ratio in the case of a parallel light beam. Further, the element for changing the aperture ratio is not limited to the prism array described above, and the aluminum reflecting electrode 13 portion is also effective as a prismatic shape that acts in the same manner as the prism array, and also has a concave shape. Is also effective.
[0058]
FIG. 2 is a diagram showing an outline for explaining an example of the overall configuration of the image display apparatus of the present invention together with an optical path. In the figure, 20 is a liquid crystal panel unit, 21 is a liquid crystal panel, 22 is a support, and 23 is a piezoelectric. Elements, 24 is an illumination light source in which red LEDs are arranged in a two-dimensional array, 25 is a diffuser plate, 26 is a condenser lens, 27 is a PBS, 28 is a projection lens, 29 is a screen, 30 is a light source drive unit, and 31 is a liquid crystal panel The drive unit 32 is a piezoelectric element drive unit.
[0059]
The illumination light that is controlled by the light source drive unit 30 and emitted from the illumination light source 24 becomes illumination light that is made uniform by the diffusion plate 25, and is controlled by the condenser lens 26 in synchronization with the illumination light source by the liquid crystal drive unit 31. Panel 21 is critically illuminated. The illumination light spatially modulated by the liquid crystal panel 21 is enlarged by the projection lens 28 and projected onto the screen 29. At this time, the liquid crystal panel 21 is connected to a support body 22 in the vertical direction, and the support body 22 is fixed to a small piezoelectric element 23 made of piezo. The piezoelectric element 23 is controlled by a piezoelectric element drive unit 32. . Although not shown, the liquid crystal panel 21 is connected to a support fixed to the piezoelectric element in the direction perpendicular to the paper surface, and is controlled by the piezoelectric element drive unit 32 in the same manner as the vertical direction of the paper surface. A unit 20 is formed.
[0060]
In FIG. 2, the piezoelectric element drive unit 32 moves the liquid crystal panel 21 in the x and y directions by dividing one half of the pixel pitch into four subfields with one field as one basic unit. This moving period is a period in which the flicker felt in the image of the enlarged screen-like liquid crystal panel is not longer than a practical level. At this time, with respect to the subfield corresponding to the displaced position of the liquid crystal panel 21, the image data corresponding to the position is displayed on the image display device, whereby the image display with four times the number of pixels can be performed.
[0061]
FIG. 3 is a diagram for explaining a schematic configuration when the liquid crystal panel unit 20 of FIG. 2 is viewed from the back side (right direction of FIG. 2). In FIG. The support and the piezoelectric element in the direction perpendicular to the paper surface, not shown in FIG. In FIG. 3, the position of the liquid crystal panel 21 in the liquid crystal panel unit 20 can be displaced by a displacement value Δx33 where the position x1 → x0 and a displacement value Δy34 where the position y1 → y0.
[0062]
FIG. 4 is a diagram for explaining the outline when the pixels of the liquid crystal panel 21 (the actual pixels of a 3 × 3 liquid crystal panel) are enlarged and the amount of displacement by the piezoelectric element. When the pixel pitch is 2Δx and 2Δy in the x-direction and y-direction, respectively, Δx and Δy that are ½ pitches are used as displacement values, so that the actual pitch of the liquid crystal panel 21 is four times four. One pixel can be displayed. In FIG. 4, when an actual pixel having an aperture ratio of about 12% in the case of (x0, y0) = (0, 0) is provided at the pixel position 35a, (x0, y0) = (0) in each subfield. , 0), (Δx, 0), (0, Δy), (Δx, Δy), pixels can be displayed at the pixel positions 35d, 35b, and 35c, respectively.
[0063]
These pitches need not be limited to 1/2 of the pitch of actual pixels for both x and y, and can be displayed as 1/3 in both directions to display 9 times as many pixels, or 1 / only in the y direction. 2 and the NTSC even and odd fields can be used as subfields to display twice as many pixels. The opening may be large or small, but it is preferably around 25% because spatial crosstalk between pixels is reduced and display omission between pixels is hardly visible.
[0064]
In FIG. 2, since it is not necessary to deflect the liquid crystal panel and the optical path for each subfield as in the prior art, the same illumination optical system and projection optical system as when pixels are not multiplied can be used. Therefore, high-resolution display can be performed at low cost. Since a high-resolution projection lens needs to ensure the same MTF for a spatial frequency twice that of the conventional one, the design burden of the projection optical system can be greatly reduced. In addition, by using a piezoelectric element, the amount of displacement can be accurately controlled as compared with a method using a coil, a motor, etc., so there is no need to always feed back the amount of displacement, and a drive that displaces the liquid crystal panel. The portion can be simplified and accurately displaced, whereby high-resolution image display can be performed at low cost and with little deterioration in image quality due to displacement. In addition, the displacement amount of the piezoelectric element is generally small due to the restriction of the applied voltage and the number of layers. However, in an image display device that observes a magnified image 10 to 50 times as shown in FIG. 2, the displacement amount of the original liquid crystal panel 21 is small. Since the displacement can be as small as 1/50 to 1/10 of the observed displacement, the displacement is small as an absolute value and within the movable range of the piezoelectric element at a voltage within 200V, and in some cases within 100V. Thus, the displacement of the piezoelectric element at a practical voltage is not easily restricted.
[0065]
Furthermore, since the conventional illumination optical system and projection optical system can be used as they are, it is possible to provide a low-cost image display apparatus without burden of new design. Further, in the display without displacement by the piezoelectric element, that is, without pixel multiplication, the same optical characteristics as usual can be realized, and this can be easily performed by switching the mode in the same image display device.
[0066]
As the piezoelectric elements 23 and 23 ', those using piezoelectric elements as described above are preferable. For example, using a piezoelectric element (model number: AE0203D08) manufactured by Tokin Corporation, about 6 μm can be obtained with a displacement of 100v. The resonance frequency of this piezoelectric element is 138 kHz, and a high-speed displacement of about 40 kHz or more can be executed with this one-third frequency as the maximum frequency. Besides the rectangular displacement, the acceleration at the start and end of the displacement can be A reduced displacement profile can also be realized.
[0067]
As the liquid crystal panel 21, by using a LCOS (Liquid Crystal on Si) type spatial modulation element of Display Technology Inc. (USA) with a pixel pitch of 12 μm, a reflective illumination optical system and projection optics are used in the same manner as in FIG. The system can be configured to perform 4 × pixel multiplication. However, as described above, since the requirement for the spatial frequency of the projection lens is doubled for high resolution, it is necessary to use a projection lens compatible with high resolution.
[0068]
In FIG. 2, a real image of the spatial light modulator is formed and enlarged on the screen 29 by the projection lens 28, but the present invention is not limited to such a configuration, and an eyepiece instead of the projection lens 29. You may observe the virtual image expanded directly.
[0069]
FIG. 5 is a diagram for explaining a comparative example in the case where pixels are shifted without using an optical element such as the prism array of the present invention described above, and an example of a partial schematic configuration of the image display element of the image display device. It is a figure shown with an optical path. In addition, the incident light beam and the outgoing light beam 25 are shown partially or entirely for explanation. In FIG. 5, the incident parallel illumination light 15 is reflected at exactly the same angle and width as the incident light. Strictly speaking, the light beam spreads slightly due to the spread by diffraction and the scattered light due to the minute unevenness of the aluminum reflecting electrode 13, but it can be reflected at substantially the same angle and width. For this reason, the aperture ratio remains almost 100%, and when the pixel is shifted, adjacent pixels overlap each other due to the pixel shift, resulting in crosstalk, and the contrast is reduced. In some cases, the resolution does not increase.
[0070]
FIG. 6 is a diagram showing a partial schematic configuration of a reflective image display element in another embodiment of the image display apparatus of the present invention together with an optical path. In the figure, 17 is a microlens array. In FIG. 6, incident light and outgoing light 15a and 15b are partially or entirely shown for explanation.
[0071]
The operation of the microlens array 17 in FIG. 6 will be described. For simplification of explanation, the illumination light from the light source is assumed to be parallel light obtained by collimating the laser light. The distance that the luminous flux made of the illumination light 15 a incident on the microlens array 17 gives the minimum area is larger than the distance between the microlens array 17 and the aluminum reflecting electrode 13. In this case, the microlens array 17 exits the microlens array 17. There is a portion where the reflected light 15b gives the minimum area in the air portion after the operation. In FIG. 6, two straight lines intersect at the hatched portion, but actually have a small minimum area due to diffraction. Further, the minimum area becomes large due to the aberration of the lens and the scattered light due to the minute unevenness of the aluminum reflecting electrode 13.
[0072]
At this time, the size of the light beam on the lens surface of the microlens array 17 is about ½ of the diameter of the original microlens, and the area ratio can be about 25%. By making this microlens surface the object surface of the image forming element, the aperture ratio of incident light can be reduced to approximately 100%, and the aperture ratio of reflected light can be decreased to approximately 25%. In addition, by optimizing the focal length and shape of the microlens, it is easy to control the aperture ratio of reflected light in the range of 10% to 100%. Therefore, the aperture ratio can be made more appropriate. As a result, even when the image is shifted by a large distance of ½ pixel, adjacent images do not overlap, reducing crosstalk between pixels, increasing contrast, and reducing the case where resolution does not increase. be able to. In addition, since the microlens array is already used for many liquid crystal display elements, it is a simple and inexpensive method with respect to other microoptical elements, and can be easily realized at low cost.
[0073]
FIG. 7 is a diagram showing a partial schematic configuration of a reflective image display element in still another embodiment of the image display apparatus of the present invention together with an optical path. In FIG. 7, incident light and outgoing light 15 a and 15 b are partially or entirely shown for explanation.
[0074]
In the configuration in FIG. 7 as well, in the same manner as the configuration in FIG. In this case, however, there is a portion where the reflected light 15b gives the minimum area in the microlens material before exiting the microlens array 17. In FIG. 7, two straight lines intersect each other in the microlens material, but actually have a small minimum area due to diffraction. In addition, the minimum area is increased by the aberration of the lens and the scattered light due to the minute unevenness of the reflective electrode. The microlens array 17 can be easily molded on or in a transparent substrate by methods such as resist melting, resist shape transfer, and ion diffusion. Further, a binary element, a hologram element or the like may be used as the microlens array 17. Further, the microlens array 17 does not have to be spherical, and may be an aspherical surface or a cylindrical surface, and may be configured by overlapping a plurality of types.
[0075]
At this time, similarly to the case of FIG. 6, the size of the light beam on the microlens surface of the microlens array 17 is about ½ of the diameter of the original microlens, and the area ratio is about 25%. Can be. By making this microlens surface the object surface of the image forming element, the aperture ratio of incident light can be reduced to approximately 100%, and the aperture ratio of reflected light can be decreased to approximately 25%. As a result, even when the image is shifted by a large distance of ½ pixel, adjacent images do not overlap, reducing crosstalk between pixels, increasing contrast, and reducing the case where resolution does not increase. be able to. In addition, since the microlens array 17 is already used for many liquid crystal display elements, the structure is simple and inexpensive with respect to other microoptical elements, and can be easily realized at low cost.
[0076]
7 has a relatively small luminous flux between the aluminum reflecting electrode 13 and the surface of the microlens 17 as compared with the configuration of FIG. 6, the depth of focus of the image forming element is somewhat reflected from the surface of the microlens. Since the aperture ratio remains small even if it is shifted in the electrode direction, it can be said that it is preferable to the configuration of FIG.
[0077]
The distance at which the light beam composed of the illumination light 15a incident on the microlens array 17 gives the minimum area, when the curvature of the microlens is large, depends on the angle and the traveling direction of the light beam, and the main image side or object side as the microlens. Although the distance from the point to the focal point is important, in the case of a microlens having a normal curvature, it is approximately equal to the focal length f or the distance between the microlens surface and the focal point. However, it is necessary to consider the effective refractive index depending on whether the light beam is in the air or another medium.
[0078]
Further, the position where the light flux is minimum may be smaller than the focal length due to the influence of spherical aberration, in addition to the case where it is near the focal length. When the intensity distribution near 0 degrees is strong like the Gaussian distribution, the angular distribution of the light beam may be farther than the focal length due to the influence of spherical aberration. In addition, since the shape of the pixel when these light fluxes are minimized is greatly influenced by the angular distribution of the luminous flux, is it the maximum diameter that minimizes the luminous flux from the angular distribution of the luminous flux and the required pixel shape? It also depends on whether it is a reduced diameter of a circle, square, or other shape, a half width, or the like.
[0079]
Further, when two or more microlenses are formed corresponding to the pixel arrangement, it is effective to reduce the luminous flux with high light utilization efficiency. By laminating another microlens array on one microlens array, it is possible to reduce the aberration and form a microlens with a smaller focal length. In addition, pixels can be effectively acted on by causing an intermediate image such as a relay lens to function as a microlens.
[0080]
Now, when the object surface of the image forming element is a microlens surface, if the microlens has a small curvature, the focal length is f, and the distance between the lens surface of the microlens array 17 and the aluminum reflecting electrode 13 is d. For example, the preferable relationship is d <f, and the more preferable relationship is 1.5 × d ≦ f ≦ 3 × d. When the relationship is d <f, the aperture ratio can be reduced. When the relationship is 1.5 × d ≦ f ≦ 3 × d, the aperture ratio is 25 to 50% or less. can do. Considering the appropriateness of the aberration of the lens, the spread of the actual luminous flux of the illumination light, and the depth of focus of the image forming element, it is particularly preferable that the relationship is 2 × d ≦ f ≦ 3 × d. 1.5 × d = f is the state of FIG. 6, and 3 × d = f is the state of FIG. In either case, the aperture ratio can be reduced to about 25% in the case of a microlens having parallel illumination light and no aberration. Further, when 2 × d = f, the aperture ratio on the surface of the microlens can be minimized in the case of a microlens that is parallel illumination light and has no aberration. However, apart from the above, it is particularly preferable that 2 × d ≦ f when the object surface of the image forming element is in the air.
[0081]
In FIG. 8, when a microlens made of a quartz substrate with a thickness of 100 μm is provided on a pixel made of a ferroelectric liquid crystal of 10 μm square, the focal point of a projection lens having a focal length of 20 mm due to reduction of the illumination angle and the aperture ratio of the pixel. The experimental result of the relationship with pseudo MTF (output function with respect to a rectangular input) when the alignment is optimized is shown. The focal length of the microlens is about 200 μm in the glass, but is optimized for the best pseudo MTF. The lens shape is an aspherical surface with a rectangular aperture having a first-order conic coefficient. The horizontal axis is the illumination angle (degrees), and the vertical axis is the pseudo MTF. The angular distribution of illumination light is a Lambertian distribution.
FIG. 9 shows the experimental results of the pseudo MTF when the projection lens is defocused in the case of the illumination angle of 1 degree in FIG. The horizontal axis is the day focus amount (μm), and the vertical axis is the pseudo MTF.
Further, FIG. 10 shows a beam profile of a pixel whose aperture is reduced when the pseudo MTF is 80% and the ray is traced by Light Tools (Cybernet), which is optical calculation evaluation software.
As can be seen from FIG. 8, FIG. 9, and FIG. 10, the aperture ratio of the pixel is reduced with a good beam profile by the microlens provided on the reflecting surface.
[0082]
FIG. 11 is a diagram showing a comparative example of the configuration of FIGS. 6 and 7 according to the present invention, and is a diagram showing a partial schematic configuration example of a reflective image display element of an image display device together with an optical path. The incident light rays and the outgoing light rays 15a and 15b are partially or entirely shown for explanation. In FIG. 11, the incident parallel illumination light is reflected at exactly the same angle and width as the incident light 15a to become reflected light 15b. Strictly speaking, the light flux is slightly expanded by the aberration of the lens, the spread due to diffraction, and the scattered light due to the minute unevenness of the aluminum reflecting electrode 13, but it can be reflected at substantially the same angle and width. Therefore, the aperture ratio remains almost 100%, and when the pixel is shifted, the pixel shift causes crosstalk between adjacent pixels, which not only reduces the contrast but also increases the resolution. It may also happen if you do not.
[0083]
FIG. 12 is a diagram showing a partial schematic configuration of a reflective image display element in still another embodiment of the image display apparatus of the present invention together with an optical path. In the figure, reference numerals 18a to 18c and 19a to 19c denote micro-polarized beam beam splitters ( MPBS) and 41a to 41c are microlenses smaller than the pixel size and provided between the pixels. In FIG. 12, incident light and outgoing light 15a to 15c are partially or entirely shown for explanation.
[0084]
The operation of the microlens array 17 in FIG. 12 will be described. For simplification of explanation, the illumination light from the light source is assumed to be parallel light obtained by collimating the laser light. The light beam composed of the P-polarized illumination light 15a incident on the microlens array 17 gives a minimum area at the reflective electrode 13a. The reflected light is rotated in the polarization direction by the liquid crystal layer 12 and emitted as S-polarized light. At this time, it is reflected twice by the MPBSs 18a, 19a; 18b, 19b; 18c, 19c, which are two kinds of sets provided in the front glass 11, and is in a state shown in 15b, which is a light beam in the state of 15c. As shown in the figure, the light beam is condensed by the microlens array 41c between the pixels, and further, the light beam is transmitted and diverged between the pixels and through the concave portion of the microlens.
[0085]
At this time, the size of the light beam on the lens surface of the microlens array 17 is about ½ of the diameter of the original microlens, and the area ratio can be about 25%. By making this microlens surface the object surface of the image forming element, the aperture ratio of incident light can be reduced to approximately 100%, and the aperture ratio of reflected light can be decreased to approximately 25%. As a result, even when the image is shifted by a large distance of 1/2 pixel, adjacent images do not overlap, reducing crosstalk between pixels, increasing contrast, and reducing the case where resolution does not increase. Can be made.
[0086]
However, when the pixel size is smaller than 20 microns, the restriction on the MPBS manufactured by the multilayer film is increased, and the extinction ratio is easily reduced. Therefore, the configuration shown in FIG. In comparison, there is a case where crosstalk between pixels increases, and it is more preferable to apply when the pixel size is larger than 20 microns. The microlenses 41a to 41c between the pixels are formed by ion diffusion or air layer formation. In either case, the microlenses 41a to 41c are easily formed when the pixel size is larger than 20 microns. For this reason, it is more preferable to apply it to a low-cost reflective display device using an active element such as amorphous silicon or low-temperature polycrystal which can be made relatively inexpensive and has a relatively large pixel size than LCOS formed on silicon. . When an MPBS is manufactured using an optical material such as a crystal, the above-mentioned limitation is eliminated, but conversely, difficulty in fine processing and high cost are problems.
[0087]
Further, a hologram element may be used instead of the multilayer film constituting the MPBS. Since the time for forming the multilayer film can be shortened, it can be realized at a lower cost. Further, it is not necessary to use two microlenses, and one microlens may be used by changing the focal length and layout. Further, it is not necessary to use two multilayer films as polarization separation elements, and one may be used by deflecting the deflection direction and layout. Three or more may be used.
[0088]
FIG. 13 is a diagram showing a partial schematic configuration of an image display element in still another embodiment of the image display apparatus of the present invention together with an optical path, in which 42a to 42c and 43a to 43c are polarizing hologram elements having a convex lens action. It is. The incident light rays and the outgoing light rays 15a and 15b are partially or entirely shown for explanation.
[0089]
The operation of the polarization hologram elements 42a to 42c and 43a to 43c in FIG. 13 will be described. For simplification of explanation, the illumination light from the light source is assumed to be parallel light obtained by collimating the laser light. In the illumination light 15a made of P-polarized light incident on the polarizing hologram element 42a, the polarizing hologram element 42a for P-polarized light acts as a convex lens, and the aluminum reflective electrode 13a gives a minimum area. Further, the reflected light is emitted as S-polarized light whose polarization direction is rotated by the liquid crystal layer 12. At this time, the reflected light composed of S-polarized light acts as a convex lens by the polarization hologram element 43b with respect to S-polarized light, and the reflected light composed of S-polarized light becomes a substantially parallel light beam, and is reflected in the state 15b shown in FIG. It becomes.
[0090]
At this time, the size of the light beam on the surface of the polarizing hologram element 42b is about ½ of the diameter of the original polarizing hologram element, and the area ratio can be about 25%. By making this polarizing hologram element surface the object surface of the image forming element, the aperture ratio of incident light can be reduced to approximately 100% and the aperture ratio of reflected light can be decreased to approximately 25%. As a result, even when the image is shifted by a large distance of 1/2 pixel, adjacent images do not overlap, reducing crosstalk between pixels, increasing contrast, and reducing the case where resolution does not increase. Can be made. Further, since it is not necessary to use an optical element having an inclined surface on a substrate such as MPBS in the vicinity of a planar image display element, it can be very thin and downsized.
[0091]
Also, as shown in FIG. 13, when an image display device that controls the polarization direction made of liquid crystal is combined, the polarization characteristics in the case of incidence and reflection are different. Therefore, a polarizing optical element corresponding to this polarization characteristic is required. By providing the optical element, the optical characteristic of the optical element can be asymmetric with respect to the reflecting surface. However, by using a hologram element as the polarizing optical element, highly efficient polarization control is possible.
In addition to the hologram element, a grating optical element, a photonic optical crystal element, an electro-optical crystal element, a birefringent material optical element, an MPBS, and the like can be used similarly.
[0092]
Further, as shown in FIG. 13, the position at which the luminous flux of the illumination light is minimized or focused can be on the reflecting surface, so that the central portion of the reflecting surface of the reflective image display element is highly efficient. Therefore, the influence of the aperture ratio of the original pixel due to the driving element provided in the pixel can be reduced. Furthermore, the effect of increasing the contrast when the black matrix is provided can be increased. In addition, since the position of the pixel with the reduced aperture ratio in the optical axis direction is fixed to the reflection surface of the reflective image display element, which is a physical entity, it is easy to focus the projection lens.
[0093]
This polarizing hologram element can be produced by using a general hologram forming technique, and may be produced by exposing a resist with two-beam interference or by exposing a photopolymer material having a variable refractive index. Then, a thin substrate may be step-etched with CGH, or a silver salt film may be used. Moreover, you may use anisotropic material etc. as needed.
[0094]
FIG. 14 is a diagram showing a partial schematic configuration of a reflective image display element in still another embodiment of the image display apparatus according to the present invention together with an optical path, in which 44a and 44b are polarization hologram elements that act as convex lenses. . The incident light and the outgoing light 15a and 15b are partially or entirely shown for the sake of explanation.
[0095]
The operation of the microlens array 17 and the polarization holograms 44a and 44b in FIG. 14 will be described. For simplification of explanation, the illumination light from the light source is assumed to be parallel light obtained by collimating the laser light. In the illumination light 15a made of P-polarized light incident on the microlens array 17, the convex microlens acts as a convex lens, and the aluminum reflective electrode 13a gives a minimum area. Further, the reflected light is rotated in the polarization direction by the liquid crystal layer 12 and is emitted as S-polarized light. At this time, the reflected hologram element 44a with respect to the S-polarized light acts as a convex lens, and the reflected light composed only of the S-polarized light becomes a substantially parallel light beam. Accordingly, as shown in the state of 15b shown in the figure, a display element that is weakly reflected light near the surface of the microlens can be obtained.
[0096]
At this time, the size of the light beam on the lens surface of the microlens array 17 is about ½ of the diameter of the original microlens, and the area ratio can be about 25%. By making the surface of the microlens the object surface of the image forming element, the aperture ratio of incident light can be reduced to approximately 100%, and the aperture ratio of reflected light can be decreased to approximately 25%. As a result, even when the image is shifted by a large distance of 1/2 pixel, adjacent images do not overlap, reducing crosstalk between pixels, increasing contrast, and reducing the case where resolution does not increase. Can be made. Further, since it is not necessary to use an optical element having an inclined surface on a substrate such as MPBS in the vicinity of a planar image display element, it can be very thin and downsized.
[0097]
FIG. 15 is a diagram showing a partial schematic configuration together with an optical path in still another embodiment of the image display device of the present invention, which is provided on the imaging surface of the reflective image display element portion, the imaging lens, and the reflective image display element. The microlens is shown, and an image is displayed by the observer observing the microlens through an image forming element (not shown). In FIG. 12, 45 is an imaging lens, 46a to 46c are microlenses provided on a transparent substrate 47, and 48 is an opposite surface of the substrate 47 provided with microlenses.
[0098]
In FIG. 15, the reflected light from the pixel 13 b of the reflective image display element 10 is incident on the microlens 46 b by the imaging lens 45 with the same magnification. The light beam incident on the microlens 46b is condensed by the convex lens action of the microlens and becomes approximately ½ the size on the opposite surface 48 of the substrate 47 provided with the microlens. At this time, by providing the object surface of the image forming element on the opposite surface 48 of the substrate 47 provided with the microlens, the aperture ratio of the pixels on the image display surface observed by the observer becomes about 25%. As a result, even when the image is shifted by a large distance of 1/2 pixel, adjacent images do not overlap, reducing crosstalk between pixels, increasing contrast, and reducing the case where resolution does not increase. Can be made.
[0099]
By using the imaging lens and the microlens in this way, there is no need to provide an optical element such as a microlens or a prism array in the vicinity of the image display element, so a digital mirror array (DMD: Texas Instruments Incorporated) is used. It can be used when an image surface element in which incident light and reflected light do not coincide with each other in a vertical direction, or an illumination optical system obliquely incident on LCOS is used. At this time, the microlens can be easily molded on or in the transparent substrate by methods such as resist melting, resist shape transfer, and ion diffusion. Further, a binary element, a hologram element, or the like may be used. Further, the imaging lens and the image forming lens of FIG. 15 may be shared and a micro lens may be provided on the screen surface.
[0100]
In addition, an optical element for reducing the aperture ratio of the pixel is provided on the front surface of the reflective image display element, and at the same time, it is provided on the intermediate imaging surface formed by the intermediate imaging lens to form an intermediate image in two steps. Since the aperture ratio of the pixel is reduced, the influence of aberration when reducing the aperture ratio of the pixel in each step is reduced, so that high light utilization efficiency can be achieved.
[0101]
【The invention's effect】
In the image display device of the first aspect of the present invention, the aperture type optical element that acts on both the incident illumination light and the emitted display light is provided on the reflective image display element, so that the aperture ratio of the luminous flux is efficiently reduced. Therefore, an image display device that can reduce crosstalk between pixels can be provided in an image display device that achieves high resolution by shifting pixels using a reflective display element.
[0102]
In the image display apparatus according to the second aspect of the present invention, the enlarged image forming element is provided in which the object surface of the enlarged image forming element and the reflective surface of the reflective image display element are located at different positions. Since the aperture ratio of a size different from the size can be sufficiently reduced and the pixel can be enlarged and displayed, it is possible to provide an image display apparatus capable of higher resolution that can reduce crosstalk between pixels.
[0113]
Third In the image display device of the present invention, an intermediate imaging lens for intermediately forming an image on the display element is provided, the aperture ratio of incident illumination light to the pixel of the image display element, and the reflection display from the pixel of the image display element Since the aperture ratio reducing optical element that changes the aperture ratio of light is provided in the vicinity of the intermediate image forming surface of the display element by the intermediate imaging lens, it is not necessary to provide the aperture ratio reducing optical element in the vicinity of the image display element. In addition, even when an oblique-incidence reflective display element or transmissive display element is used, an image display device capable of reducing crosstalk between pixels can be provided.
[0115]
4th In the image display device according to the present invention, since the aperture ratio reducing optical element is provided in two parts, the vicinity of the image display element and the intermediate image plane of the image display element, the power of each condensing action is multiplied. Therefore, even in an image display apparatus that achieves high resolution by shifting pixels, an image display apparatus that can further reduce crosstalk between pixels can be provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a view for explaining a partial schematic configuration and operation of a reflective image display element in an embodiment of an image display apparatus of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing an outline for explaining an example of the overall configuration of the image display apparatus of the present invention together with an optical path.
3 is a diagram for explaining a schematic configuration when the liquid crystal panel unit 20 of FIG. 2 is viewed from the back side (right direction of FIG. 2).
FIG. 4 is a diagram for explaining an outline when a pixel of a liquid crystal panel 21 (a real pixel of a 3 × 3 liquid crystal panel) is enlarged and a displacement amount by a piezoelectric element;
FIG. 5 is a diagram for explaining a comparative example in which pixels are shifted without using an optical element such as the prism array of the present invention described above.
FIG. 6 is a diagram showing a partial schematic configuration of a reflective image display element in another embodiment of the image display apparatus of the present invention together with an optical path.
FIG. 7 is a diagram showing a partial schematic configuration of a reflective image display element in still another embodiment of the image display apparatus of the present invention together with an optical path.
FIG. 8 is a diagram showing experimental results of pseudo MTF when the illumination angle and the focusing of the projection lens are optimized.
FIG. 9 is a diagram showing the experimental results of pseudo MTF when the projection lens is out of focus when the illumination angle is 1 degree in FIG. 8;
FIG. 10 is a diagram showing a beam profile of a pixel whose aperture is reduced when ray tracing is performed by optical calculation evaluation software when the pseudo MTF is 80%.
11 is a diagram showing a comparative example for the configurations of FIGS. 6 and 7 according to the present invention. FIG.
FIG. 12 is a diagram showing a partial schematic configuration of a reflective image display element in still another embodiment of the image display apparatus of the present invention together with an optical path.
FIG. 13 is a diagram showing a partial schematic configuration of a reflection type image display device in still another embodiment of the image display apparatus of the present invention together with an optical path.
FIG. 14 is a diagram showing a partial schematic configuration of a reflective image display element in still another embodiment of the image display apparatus of the present invention together with an optical path.
FIG. 15 is a diagram showing a partial schematic configuration together with an optical path in still another embodiment of the image display apparatus of the present invention.
FIG. 16 is a diagram showing a conventional display method described in Japanese Patent Laid-Open No. 6-324320 in which a virtual image enlarged by a lens whose image display element has been increased in resolution by a lens shifting method is observed.
FIG. 17 shows a conventional display method described in Japanese Patent Laid-Open No. 6-324320, in which a virtual image enlarged by a lens whose image display element has been increased in resolution is observed by a method using an electro-optic element and a birefringent material. FIG.
FIG. 18 is a diagram showing a conventional method described in JP-A-6-324320.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Reflective type image display element, 11 ... Front glass, 12 ... Liquid crystal layer, 13 (13a-13e) ... Aluminum reflective electrode, 14 ... Silicon substrate, 15a-15e ... Incident ray and outgoing ray of illumination light, 16 ... Prism array (optical element), 17 ... micro lens array (optical element), 18a to 18c, 19a to 19c ... micro polarization beam splitter (MPBS), 20 ... liquid crystal panel unit, 21 ... liquid crystal panel, 22, 22 '... Support, 23, 23 '... Piezoelectric element, 24 ... Illumination light source, 25 ... Diffuser, 26 ... Condenser lens, 27 ... PBS, 28 ... Projection lens, 29 ... Screen, 30 ... Light source drive unit, 31 ... Liquid crystal panel Drive unit, 32 ... Piezoelectric element drive unit, 33 ... Displacement value Δx, 34 ... Displacement value Δy, 35a, 35b, 35c, 35d ... Pixel position 41a to 41c... Micro lens, 42a to 42c, 43a to 43c, 44a and 44b... Polarizing hologram element having a convex lens action, 45... Imaging lens, 46a, 46b and 46c. DESCRIPTION OF SYMBOLS ... Board | substrate opposite surface, 50 ... LCD panel, 60 ... LCD drive circuit, 70 ... Optical path changing means, 71 ... Eyepiece lens, 72 ... Voice coil, 73 ... Lens mount, 80 ... Drive circuit of voice coil, 91 ... Polarizing plane Rotating member, 92 ... birefringent plate, 93 ... liquid crystal plate, 94,95 ... transparent electrode, 101 ... incident light beam, 101a ... condensing pixel size, 102 ... condensing optical system, 102a ... micro lens part, 103 ... mosaic Display portion 103a, display pixel opening 104, outgoing beam.

Claims (4)

画像情報に従って照明光を制御可能な複数の画素を有する反射型画像表示用素子に形成された像を拡大像形成素子により表示する画像表示装置において、
画像フィールドを構成する複数のサブフィールド毎に前記拡大像形成素子の光軸に対する前記反射型画像表示用素子の位置を画素の略配列面方向に変位させる変位手段を有し、
該反射型画像表示用素子の画素への入射照明光の開口率より、該反射型画像表示用素子の画素からの出射表示光の開口率を小さくさせる開口率縮小光学素子を、該反射型画像表示用素子の反射面に対して照明光の入射側かつ表示光の出射側に設け、
前記開口率縮小光学素子は、プリズムアレイであり、
前記プリズムアレイは、前記反射型画像表示用素子の画素のそれぞれに対して複数の傾斜を備えることを特徴とする画像表示装置。In an image display apparatus for displaying an image formed on a reflective image display element having a plurality of pixels capable of controlling illumination light according to image information by means of an enlarged image forming element,
Displacement means for displacing the position of the reflective image display element with respect to the optical axis of the magnified image forming element for each of a plurality of subfields constituting an image field in the direction of a substantially array plane of pixels;
An aperture ratio reducing optical element that reduces the aperture ratio of the emitted display light from the pixel of the reflective image display element from the aperture ratio of the incident illumination light to the pixel of the reflective image display element is the reflective image. Provided on the incident light incident side and display light emission side with respect to the reflective surface of the display element ,
The aperture ratio reducing optical element is a prism array,
The image display apparatus, wherein the prism array has a plurality of inclinations with respect to each of the pixels of the reflective image display element . 前記拡大像形成素子の物面と前記反射型画像表示用素子の反射面とを異なる位置とする該拡大像形成素子を設けることを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。  The image display apparatus according to claim 1, wherein the magnified image forming element is provided such that an object surface of the magnified image forming element and a reflective surface of the reflective image display element are in different positions. 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用素子に形成された像を像形成素子により表示する画像表示装置において、
画像フィールドを構成する複数のサブフィールド毎に前記拡大像形成素子の光軸に対する前記画像表示用素子の位置を画素の略配列面方向に変位させる変位手段を有し、
該画像表示用素子を中間結像する中間結像レンズを設け、該画像表示用素子の画素への入射照明光の開口率より、該画像表示用素子の画素からの反射表示光の開口率を小さくさせる開口率縮小光学素子を、該中間結像レンズによる該画像表示用素子の中間結像面付近に設け、
前記開口率縮小光学素子は、プリズムアレイであり、
前記プリズムアレイは、前記反射型画像表示用素子の画素のそれぞれに対して複数の傾斜を備えることを特徴とする画像表示装置。In an image display device for displaying an image formed on an image display element having a plurality of pixels capable of controlling light according to image information by an image forming element,
Displacement means for displacing the position of the image display element with respect to the optical axis of the magnified image forming element for each of a plurality of subfields constituting the image field in the direction of the substantially array plane of the pixels,
An intermediate imaging lens for intermediately imaging the image display element is provided, and the aperture ratio of the reflected display light from the pixel of the image display element is determined from the aperture ratio of the illumination light incident on the pixel of the image display element. An aperture ratio reducing optical element to be reduced is provided in the vicinity of the intermediate imaging surface of the image display element by the intermediate imaging lens ,
The aperture ratio reducing optical element is a prism array,
The image display apparatus, wherein the prism array has a plurality of inclinations with respect to each of the pixels of the reflective image display element . 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用素子に形成された像を像形成素子により表示する画像表示装置において、
画像フィールドを構成する複数のサブフィールド毎に前記拡大像形成素子の光軸に対する前記画像表示用素子の位置を画素の略配列面方向に変位させる変位手段を有し、
該画像表示用素子を結像する中間結像レンズを設け、該画像表示用素子の画素への入射照明光の開口率より、該画像表示用素子の画素からの反射表示光の開口率を小さくさせる開口率縮小光学素子を、前記画像表示用素子の反射面に対して照明光の入射側かつ表示光の出射側である反射面と前記中間結像レンズとの間と、該中間結像レンズによる画像表示用素子の中間結像面付近とに設け、
前記開口率縮小光学素子は、プリズムアレイであり、
前記プリズムアレイは、前記反射型画像表示用素子の画素のそれぞれに対して複数の傾斜を備えることを特徴とする画像表示装置。In an image display device for displaying an image formed on an image display element having a plurality of pixels capable of controlling light according to image information by an image forming element,
Displacement means for displacing the position of the image display element with respect to the optical axis of the magnified image forming element for each of a plurality of subfields constituting the image field in the direction of the substantially array plane of the pixels,
An intermediate imaging lens for imaging the image display element is provided, and the aperture ratio of reflected display light from the pixel of the image display element is made smaller than the aperture ratio of incident illumination light to the pixel of the image display element. An aperture ratio reducing optical element is provided between the intermediate imaging lens and the reflecting surface on the illumination light incident side and the display light emitting side with respect to the reflecting surface of the image display element. provided on the vicinity of the intermediate image plane of the image display device by,
The aperture ratio reducing optical element is a prism array,
The prism array images display you further comprising a plurality of inclined to each of the pixels of the reflection type image display device.
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