JP3730582B2 - 色分離合成光学系及びそれを用いた投写型液晶表示装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、光源からの照明光を液晶表示素子に照射し、液晶表示素子において形成された画像をスクリーンに投影する投写型液晶表示装置、特に投写型液晶表示装置における光学系に関する。
【0002】
【従来の技術】
大画面画像表示に好適な投写型液晶表示装置の普及には低コスト化が重要な因子である。
【0003】
低コスト化に最も効果的なのは、液晶表示素子の小型化ならびにそれに伴う投写光学系の小型化である。その一方で、高品位テレビジョンのように画素密度の高い高精細な表示も要求される。反射型の液晶表示素子は、画素のほぼ前面を反射板を兼ねた電極で覆うことにより、小型・高精細の素子においても、透過型の液晶表示素子に比べて高い開口率を維持できるのが特長である。したがって、反射型の液晶表示素子は、小型かつ高精細な投写型液晶表示装置に最適な素子であるといえる。反射型の液晶表示素子を用いた投写型液晶表示装置の投写光学系の従来例は、特開平8−271854号公報、特開平10−20273号公報、米国特許第6183091号明細書、WO 99/19758,P.M.Alt・カンファレンス・レコード・オブ・ザ・1997・インターナショナル・ディスプレイ・リサーチ・カンファレンス・M19−M28・1997年、R.L.Melcher・エスアイディー・98・ダイジェスト・pp.25−28・1998年等に記載されている。特に米国特許第6183091号明細書に記載されている投写光学系はリターダースタックと偏光ビームスプリッタとを効果的に用いることにより波長分離を行っていることを特徴とする方式である。ここでいうリターダースタックとは、屈折率異方性のある位相差フィルムを多数積層した光学素子であり、三原色光のうち選択した原色光の位相差を他の原色光に対してπだけずらす機能を備える。リターダースタックの詳細については、米国特許第5751384号明細書に記載されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、米国特許第6183091号明細書に記載されている投写光学系には次のような課題がある。米国特許第6183091号明細書に記載されている、偏光ビームスプリッタと、偏光ビームスプリッタの第一の側面に隣接した入射リターダースタックと、偏光ビームスプリッタの第ニの側面に隣接したスペーサと、偏光ビームスプリッタの第三の側面に隣接したダイクロイックビームスプリッタと、偏光ビームスプリッタの第四の側面に隣接して配置された出射リターダースタックとからなる光の三原色の分離合成システムを備えた投写光学系は、黒表示を行う際、三原色光の境界波長領域で光漏れが生じるため、高いコントラスト比を得ることができない。また、上記の投写光学系を用いた投写型液晶表示装置には、三原色光の境界波長領域において異なる原色の重なりが大きいため、色純度が低下してしまうという問題がある。
【0005】
パーソナルコンピュータのモニタやNTSCのテレビジョンの画面における縦横比は3:4が主流であったが、高品位テレビジョンなどの主として画像鑑賞を目的とする用途においては画面の縦横比が9:16の横長の画面を備える。したがって、投写型液晶表示装置における液晶パネルも横長の形状となるが、同時に投写型液晶表示における色分離合成光学系の大きさが増加するという問題が生じる。
本発明の第一の目的は、三原色光の境界波長領域での光漏れを防止し、高いコントラスト比の投写型液晶表示装置を実現することにある。
【0006】
本発明の第二の目的は、三原色光の境界波長領域における色純度を低下させる要因となる光を効果的に除去し、色純度の高い画像表示の可能な投写型液晶表示装置を実現することにある。
【0007】
本発明の第三の目的は、横長の形状の液晶パネルを備えた投写型液晶表示装置における色分離合成光学系の大きさを縮小し、ひいては投写型液晶表示装置の大きさを縮小することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、本発明の色分離合成光学系は、第一のリターダースタックと、偏光ビームスプリッタと、スペーサと、ダイクロイックビームスプリッタと第二のリターダースタックからなる色分離合成光学系において、前記偏光ビームスプリッタの第一の側面に隣接して前記第一のリターダースタックを配置し、前記偏光ビームスプリッタの第二の側面に隣接して前記スペーサを配置し、前記偏光ビームスプリッタの第三の側面に隣接して前記ダイクロイックビームスプリッタを配置し、前記偏光ビームスプリッタの第四の側面に隣接して前記第二のリターダースタックを配置し、前記偏光ビームスプリッタの第一の側面と第三の側面とが互いに向かい合っており、前記偏光ビームスプリッタの第ニの側面と第四の側面とが互いに向かい合っており、前記第一のリターダースタック及び前記第二のリターダースタックは各々可視光領域に二つのカットオフ波長を有し、前記第一のリターダースタックの短波長側のカットオフ波長は前記第二のリターダースタックの短波長側のカットオフ波長よりも短波長側に有り、前記第一のリターダースタックの長波長側のカットオフ波長は前記第二のリターダースタックの長波長側のカットオフ波長よりも長波長側に有る。
【0009】
また、上記目的を達成するために、本発明の少なくとも投写型液晶表示装置は、前記色分離合成光学系と、白色光源と、三原色の各色光に対応した複数の液晶パネルと、投写レンズを備えており、前記白色光源からの照明光を前記偏光ビームスプリッタの張り合わせ界面に対してp偏光とし、前記白色光源からの照明光を前記第一のリターダースタック側から前記偏光ビームスプリッタに入射するように構成し、前記スペーサの前記偏光ビームスプリッタに隣接する面とは反対側の面に緑色用液晶パネルを備え、前記ダイクロイックビームスプリッタの第一の出射面に赤色用液晶パネルを備え、前記ダイクロイックビームスプリッタの第二の出射面に青色用液晶パネルを備え、第二のリターダースタックに隣接して出射側偏光板及び投写レンズを順に備える。
【0010】
あるいはまた、上記目的を達成するために、本発明の少なくとも投写型液晶表示装置は、前記色分離合成光学系と、白色光源と、三原色の各色光に対応した複数の液晶パネルと、投写レンズを備えており、前記白色光源からの照明光を前記偏光ビームスプリッタの張り合わせ界面に対してs偏光とし、前記白色光源からの照明光を前記第ニのリターダースタック側から前記偏光ビームスプリッタに入射するように構成し、前記スペーサの前記偏光ビームスプリッタに隣接する面とは反対側の面に緑色用液晶パネルを備え、前記ダイクロイックビームスプリッタの第一の出射面に赤色用液晶パネルを備え、前記ダイクロイックビームスプリッタの第二の出射面に青色用液晶パネルを備え、第一のリターダースタックに隣接して出射側偏光板及び投写レンズを順に備える。
【0011】
また、上記目的を達成するために、本発明の色分離合成光学系は、第一のリターダースタックと、偏光ビームスプリッタと、スペーサと、ダイクロイックビームスプリッタと第二のリターダースタックからなり、前記偏光ビームスプリッタの第一の側面に隣接して前記第一のリターダースタックを配置し、前記偏光ビームスプリッタの第二の側面に隣接して前記スペーサを配置し、前記偏光ビームスプリッタの第三の側面に隣接して前記ダイクロイックビームスプリッタを配置し、前記偏光ビームスプリッタの第四の側面に隣接して前記第二のリターダースタックを配置し、前記偏光ビームスプリッタの第一の側面と第三の側面とが互いに向かい合っており、前記偏光ビームスプリッタの第ニの側面と第四の側面とが互いに向かい合っており、前記第一のリターダースタック及び前記第二のリターダースタックは各々可視光領域に二つのカットオフ波長を有し、前記第一のリターダースタックの長波長側のカットオフ波長を、前記ダイクロイックビームスプリッタの張り合わせ界面に対してs偏光のカットオフ波長よりも長波長側とし、前記第一のリターダースタックの短波長側のカットオフ波長を、前記ダイクロイックビームスプリッタの張り合わせ界面に対してp偏光のカットオフ波長よりも短波長側とした。
【0012】
さらに、前記色分離合成光学系における前記ダイクロイックビームスプリッタのカットオフ波長は、前記ダイクロイックビームスプリッタの張り合わせ界面に対する主たる光軸から照明光学系のF値から規定される照明光の広がり角度だけずれた角度における光に対する前記ダイクロイックビームスプリッタのカットオフ波長とした。
【0013】
また、上記の他の目的を解決するために、本発明の投写型液晶表示装置における色分離光学系においては、前記偏光ビームスプリッタの張り合わせ界面における透過光の光軸と反射光の光軸とが含まれる面と、前記ダイクロイックビームスプリッタの張り合わせ界面における透過光の光軸と反射光の光軸とが含まれる面とが概ね90度となるように配置した。
【0014】
さらには、前記偏光ビームスプリッタと前記ダイクロイックビームスプリッタとの間に、赤色光の位相を青色光のそれに対してπずらす機能を備えた第三のリターダースタックを備えた。
【0015】
あるいはまた、さらに投写型液晶表示装置を小型化するために、第一のリターダースタックと、偏光ビームスプリッタと、第二のリターダースタックからなる色分離合成光学系と、緑用液晶パネルと、時分割で赤画像と青画像とを切り替えて表示する赤/青用液晶パネルと、時分割で黄色とシアンとを切り替えて照明することが可能な照明光学系と、投写レンズとを備えた投写型液晶表示装置において、前記色分離合成光学系において、前記偏光ビームスプリッタの第一の側面に隣接して前記第一のリターダースタックを配置し、前記偏光ビームスプリッタの第二の側面に隣接して前記緑色パネルを配置し、前記偏光ビームスプリッタの第三の側面に隣接して前記赤/青用液晶パネルを配置し、前記偏光ビームスプリッタの第四の側面に隣接して前記第二のリターダースタックを配置し、前記偏光ビームスプリッタの第一の側面と第三の側面とが互いに向かい合っており、前記偏光ビームスプリッタの第ニの側面と第四の側面とが互いに向かい合っており、前記第一のリターダースタック及び前記第二のリターダースタックは各々可視光領域に二つのカットオフ波長を有し、前記第一のリターダースタックの短波長側のカットオフ波長は前記第二のリターダースタックの短波長側のカットオフ波長よりも短波長側に有り、前記第一のリターダースタックの長波長側のカットオフ波長は前記第二のリターダースタックの長波長側のカットオフ波長よりも長波長側に有る色分離合成光学系とした。
【0016】
【発明の実施の形態】
(実施例1)
図1は、本実施例の投写型液晶表示装置における色分離合成光学系の説明図であり、白表示状態を示している。本実施例の投写型液晶表示装置における色分離合成光学系は、第一のリターダースタック101と、偏光ビームスプリッタ102と、スペーサ103と、三原色の各色光毎に設けられた液晶パネル104R、104G、104Bと、ダイクロイックビームスプリッタ105と、第二のリターダースタック106と、出射側偏光板146からなる。第一のリターダースタック101は、偏光ビームスプリッタ102の第一の側面に隣接しており、スペーサ103は偏光ビームスプリッタ102の第二の側面に隣接しており、ダイクロイックビームスプリッタ105は偏光ビームスプリッタ102の第三の側面に隣接しており、第二のリターダースタック106は偏光ビームスプリッタ102の第四の側面に隣接して配置されている。偏光ビームスプリッタ102は、2つの45度プリズムを張り合わせた構成であり、張り合わせ界面に誘電体多層膜を設けて、前記張り合わせ界面に対する偏光状態に応じて入射光を透過ないし反射する特性を備える光学素子である。緑色用の液晶パネル104Gは、スペーサ103における偏光ビームスプリッタ102とは反対側の側面に隣接して配置される。赤色用の液晶パネル104Rは、ダイクロイックビームスプリッタ105の第一の出射面に隣接して配置される。青色用の液晶パネル104Bは、ダイクロイックビームスプリッタ105の第ニの出射面に隣接して配置される。ここで用いたダイクロイックビームスプリッタ105は、2つの45度プリズムを張り合わせた構成であり、張り合わせ界面に誘電体多層膜を設けて波長に応じて反射ないし透過する特性を備える光学素子である。ここで用いたダイクロイックビームスプリッタ105は、青色光を反射し、赤色光を透過する特性を備える。
【0017】
図1中には図示されていない光源からの白色光100であるWpは、予めp偏光(図1において紙面に水平方向に偏光)で第一のリターダースタック101側から偏光ビームスプリッタに入射する。第一のリターダースタック101において、Wpのうち緑色の波長成分はπの位相変調を受けs偏光(図1において紙面に垂直方向に偏光)となり、Wpのうちマゼンタの波長成分は位相変調を受けずp偏光のままであり、夫々Gs及びMpと表す。図1中にG/Mとあるが、これは緑色(G)の波長成分を位相変調し、マゼンタ(M)の波長成分は位相変調しないという機能を意味している。Gsは偏光ビームスプリッタ102の界面で反射されスペーサ103を介して緑色用液晶パネル104Gに入射する。緑色用液晶パネル104Gが白表示状態の時には、前記Gsは偏光状態の変調を受け、p偏光となる(Gp)。前記Gpは、再びスペーサ103を介して偏光ビームスプリッタ102に入射するが、今度は界面を透過して第二のリターダースタック106に入射し、πの位相変調を受けてs偏光となり出射される。一方、第一のリターダースタック101から偏光ビームスプリッタ102に入射したMpは、偏光ビームスプリッタ102を透過してダイクロイックビームスプリッタ105に入射し、その界面で青色光(Bp)と赤色光(Rp)に分離される。分離された青色光(Bp)は青色用液晶パネル104Bに入射し、分離された赤色光(Rp)は赤色用液晶パネル104Rに夫々入射して、何れも白表示の際にはπの位相変調を受けてs偏光となる(夫々Bs及びRs)。前記Bs及びRsはダイクロイックビームスプリッタ105により再び色合成されマゼンタ(Ms)となり、偏光ビームスプリッタ102に入射し、その界面によって反射される。偏光ビームスプリッタ102で反射されたMsは、先の緑色光(Gp)と合成され第二のリターダースタック106に入射する。このうちGpの波長成分が主としてπの位相変調を受けs偏光となり、位相変調を受けなかったMsと合成されてs偏光の白色光108(Ws)となり、第二のリターダースタックから出射する。前記第二のリターダースタックからの出射する白色光は、出射側偏光板146によって不要な偏光成分が除去される。前記白色光は、図示されていない投写光学系によりスクリーン等に投写され画像を形成する。
【0018】
図2に示した投写型液晶表示装置は、図1の投写型液晶表示装置と構成は同じであるが、黒表示状態を示している。図1中には図示されていない光源からの白色光100であるWpは、予めp偏光(図1において紙面に水平方向に偏光)で第一のリターダースタック101側から偏光ビームスプリッタに入射する。第一のリターダースタック101において、Wpのうち緑色の波長成分はπの位相変調を受けs偏光となり、Wpのうちマゼンタの波長成分は位相変調を受けずp偏光のままであり、夫々Gs及びMpと表す。Gsは偏光ビームスプリッタ102の界面で反射されスペーサ103を介して緑色用液晶パネル104Gに入射する。緑色用液晶パネル104Gが黒表示状態の時には、前記Gsは偏光状態の変調を受けず、s偏光のままとなる(Gs)。前記Gsは、再びスペーサ103を介して偏光ビームスプリッタ102に入射し、界面で再び反射されて第一のリターダースタック101に入射し、πの位相変調を受けてp偏光となり出射される。一方、第一のリターダースタック101から偏光ビームスプリッタ102に入射したMpは、偏光ビームスプリッタ102を透過してダイクロイックビームスプリッタ105に入射し、その界面で青色光(Bp)と赤色光(Rp)に分離される。分離された青色光(Bp)は青色用液晶パネル104Bに入射し、分離された赤色光(Rp)は赤色用液晶パネル104Rに夫々入射して、何れも黒表示の際には位相変調を受けずp偏光のままとなる(夫々Bp及びRp)。前記Bp及びRpはダイクロイックビームスプリッタ105により再び色合成されマゼンタ(Mp)となり、偏光ビームスプリッタ102に入射し、その界面を透過する。偏光ビームスプリッタ102を透過したMpは、先の緑色光(Gs)と合成され第一のリターダースタック101に入射する。このうちGsの波長成分が主としてπの位相変調を受けp偏光となり、位相変調を受けなかったMpと合成されてp偏光の白色光109(Wp)となり、第一のリターダースタックから出射する。前記白色光109は、光源方向に戻るため、スクリーン上では黒表示となる。偏光ビームスプリッタ102のp偏光透過率は100%ではないため、界面で僅かに反射されて第二のリターダースタック106方向に向かう光があるが、第二のリターダースタック106に隣接して設けた出射側偏光板146により除去されるので、コントラスト比への影響はない。しかしながら、各液晶パネル104で僅かに位相変調が生じた場合には、第二のリターダースタックから出射する光は出射側偏光板146では除去できず漏れ光112となり、スクリーン上での黒表示の輝度レベルが僅かに上昇してコントラスト比の低下につながり問題である。液晶パネル104における黒表示時の位相変調量を極力小さくする必要がある。
【0019】
漏れ光112の生じる原因は、液晶パネル104での不要な位相変調の他にも存在する。コントラスト比低下の最も大きな原因は、三原色光の境界波長領域での光漏れである。三原色光の境界波長領域での光漏れの要因としては大きく次の二つがある。一つ目の要因はリターダースタックのカットオフ波長近傍での特性である。リターダースタックのカットオフ波長とは、位相変調が0の波長領域と位相変調がπの波長領域との境界に位置し、位相変調がちょうどπ/2である波長を指す。リターダースタックのカットオフ波長近傍では、位相変調が0とπとの間の値となるため、リターダースタックに入射した直線偏光は楕円偏光となって出射する。二つ目の要因は、偏光ビームスプリッタのp偏光に対する特性である。偏光ビームスプリッタ102は、s偏光に対しては良好な反射特性を示すのに対し、p偏光に対しては透過特性と反射特性との比を十分に得ることができない。具体的には、偏光ビームスプリッタ102のs偏光反射率は99.99%以上とすることができるのに対し、p偏光透過率はたかだか80%から90%程度であり、p偏光の10%から20%程度は反射されてしまう。上記の二つの要因により漏れ光112が生じる様子を、図14を用いて緑色光と赤色光の境界波長領域(O光と称する)を例にとり説明する。
【0020】
p偏光の白色光100のうちO光は第一のリターダースタック101を通過後楕円偏光1001となる。前記楕円偏光のうちs偏光成分(Os)は偏光ビームスプリッタ102の界面で反射され緑色用パネル104Gに向かい、反射された光は再び偏光ビームスプリッタ102の界面で反射されるため、漏れ光112とはならない。一方、前記楕円偏光のうちp偏光成分(Op)は、偏光ビームスプリッタ102の界面を透過する成分(Opt)と、反射される成分(Opr)とに分離される。前記Opt光はダイクロイックビームスプリッタ105を介して赤色用液晶パネル104Rに入射する。赤色用液晶パネル104Rは黒表示状態であるので、Opt光の偏光状態は変調されないため、再び偏光ビームスプリッタの界面に到達したときに、その大部分は透過するため漏れ光112とはならないが、Opt光の10%から20%は界面で反射され(Optr)、第二のリターダースタック106に向かう。第二のリターダースタック106に隣接して設けられた出射側偏光板146の目的は、画像光の偏光状態とは異なる偏光状態以外の不要光を除去することである。ここでは、s偏光を透過しp偏光を除去するように構成されている。第二のリターダースタック106でOptr光が変調されてp偏光からs偏光となると、前記出射側偏光板146を透過してしまい、漏れ光112となる。この漏れ光112の発生を防止するために、本発明の投写型液晶表示装置における第一及び第二のリターダースタック101及び106を次に説明する構成とした。
【0021】
図3及び図4は、本発明の投写型液晶表示装置における第一のリターダースタック101及び第二のリターダースタック106の特性曲線である。図3は、第一のリターダースタック101ないしは第二のリターダースタック106のクロスニコルの偏光配置下での透過率を示しており、第一のリターダースタック101及び第二のリターダースタック106の特性曲線は夫々111G及び110Gである。図4は、第一のリターダースタック101ないしは第二のリターダースタック106の平行ニコルの偏光配置下での透過率を示しており、第一のリターダースタック101及び第二のリターダースタック106の特性曲線は夫々111M及び110Mである。本発明の投写型液晶表示装置における第一のリターダースタック101及び第二のリターダースタック106の特徴は、第一のリターダースタック101におけるカットオフ波長に対し第二のリターダースタック106におけるカットオフ波長を異なった波長としたことにある。
【0022】
さらに、第二のリターダースタック106における二つのカットオフ波長の差分であるバンド幅を、第一のリターダースタック101におけるバンド幅に対して狭帯域としたことも特徴である。
【0023】
あるいはまた、第二のリターダースタック106における短波長側のカットオフ波長は第一のリターダースタック101における短波長側のカットオフ波長に比べて長波長側とし、第二のリターダースタック106における長波長側のカットオフ波長は第一のリターダースタック101における長波長側のカットオフ波長に比べて短波長側としたことも特徴である。
【0024】
このような構成としたことにより、不要光となるはずであったOpt光はほぼ全てが位相変調されることが無いためp偏光状態を維持し、第二のリターダースタック106と投写光学系との間に設けた出射側146偏光板により除去されるため、不要光112となることはない。
【0025】
図5に、第一のリターダースタック101の長波長側のカットオフ波長と第二のリターダースタック106の長波長側のカットオフ波長との差分、及び第一のリターダースタック101の短波長側のカットオフ波長と第二のリターダースタック106の短波長側のカットオフ波長との差分Δλを夫々0nm、5nm及び10nmとした時の漏れ光112のスペクトルを示す。図5のスペクトル120、121及び122が夫々上記の差分Δλを0nm、5nm及び10nmとしたときの結果に相当する。第一及び第二のリターダースタックのカットオフ波長間の差分Δλを増加することにより、三原色光の境界波長領域における漏れ光の強度を効果的に低減できることが明らかである。
【0026】
第一及び第二のリターダースタックのカットオフ波長間に差分Δλを設けることの他の効果は色純度の向上である。図6に、第一及び第二のリターダースタックのカットオフ波長間の差分Δλを0nm、5nm及び10nmと増加させたときの白表示におけるスペクトルを示す。三原色の境界波長領域の光は色純度を低下させるが、図6からも明らかなようにΔλを増加させることにより、三原色の境界波長領域の光強度を低減でき、すなわち三原色の色分離を良好に行うことができ、色純度を向上させることが可能となる。
【0027】
図7は、本実施例の色分離合成光学系に用いたダイクロイックビームスプリッタ105の波長特性と、第一のリターダースタック101の波長特性との対応関係を示した図である。ダイクロイックビームスプリッタにおける透過率ないし反射率のカットオフ波長には、偏光依存性及び入射角度依存性が存在する。スペクトル130Tp0は、ダイクロイックビームスプリッタの界面での光軸に沿った方向でのp偏光の透過率であり、130Tp+及び130Tp−は夫々光軸に沿った方向からプラス方向及びマイナス方向に14度ずらした角度のp偏光(F値にして約2に相当)に対しての透過率スペクトルである。また、スペクトル130Ts0、130Ts+及び130Ts−は、同じくs偏光に対しての透過スペクトルである。このように、p偏光に対するカットオフ波長の方がs偏光に対するカットオフ波長よりも短波長側にある。また、入射角度が光軸に沿った方向からプラス方向にずらした角度でのカットオフ波長の方がマイナス方向でのそれよりも短波長側にある。本実施例の特徴は、ダイクロイックビームスプリッタ105の透過スペクトルのカットオフ波長を何れも第一のリターダースタック101の長波長側のカットオフ波長と短波長側のカットオフ波長との間に配置したことである。もしもダイクロイックビームスプリッタ105の透過スペクトルのカットオフ波長が第一のリターダースタック101の長波長側のカットオフ波長ないし短波長側のカットオフ波長の外側になった場合、そのはみ出した波長領域の光は光軸からのずれ角度に対し非対称に損失となり、投写画像において三原色毎に異なった輝度傾斜が生じるいわゆるカラーシェーディングの問題が生じる。したがって、ダイクロイックビームスプリッタ105の透過スペクトルのカットオフ波長を何れも第一のリターダースタック101の長波長側のカットオフ波長と短波長側のカットオフ波長との間に配置することにより、カラーシェーディングの発生を効果的に防止することができる。
【0028】
(実施例2)
図8及び図9に本実施例の投写型液晶表示装置における色分離合成光学系を示す。図8は白表示状態を示しており、図9は黒表示状態を示している。実施例1の色分離合成光学系と大きく異なる点は、光源からの白色光100を第二のリターダースタック106側から入射し、画像光を第一のリターダースタック101側から取り出す構成としたことである。本実施例の色分離合成光学系においても実施例1と同様な不要光発生の問題点があるため、第一のリターダースタック101の長波長側及び短波長側のカットオフ波長と第二のリターダースタック106の長波長側及び短波長側のカットオフ波長とは夫々異なる波長とした。具体的には、本発明の投写型液晶表示装置における第一のリターダースタック101及び第二のリターダースタック106の特徴は、第一のリターダースタック101におけるカットオフ波長に対し、第二のリターダースタック106におけるカットオフ波長を異なった波長とした。
【0029】
さらに、第二のリターダースタック106における二つのカットオフ波長の差分であるバンド幅を、第一のリターダースタック101におけるバンド幅に対して狭帯域とした。
【0030】
あるいはまた、第二のリターダースタック106における短波長側のカットオフ波長は第一のリターダースタック101における短波長側のカットオフ波長に比べて長波長側とし、第二のリターダースタック106における長波長側のカットオフ波長は第一のリターダースタック101における長波長側のカットオフ波長に比べて短波長側とした。
【0031】
(実施例3)
図10に本実施例の投写型液晶表示装置における色分離合成光学系を示す。本実施例の特徴は、偏光ビームスプリッタ102の張り合わせ界面における透過光の光軸と反射光の光軸とが含まれる面と、ダイクロイックビームスプリッタ105の張り合わせ界面における透過光の光軸と反射光の光軸とが含まれる面とが概ね90度となるように配置したことにある。液晶パネルの表示部の形状は通常横長であり、さらに高品位テレビジョンのように縦横比が9:16のように横方向に細長い形状をとりうる。本実施例のように構成することにより、ダイクロイックビームスプリッタ105のサイズを大幅に削減することが可能となり、ひいては光学系全体のサイズを縮小することが可能となる。
【0032】
(実施例4)
図11に本実施例の投写型液晶表示装置における色分離合成光学系を示す。本実施例の特徴は、実施例3の色分離合成光学系において、さらに偏光ビームスプリッタ102とダイクロイックビームスプリッタ105との間に第三のリターダースタック107を設けたことにある。第三のリターダースタック107は、赤色光をπの位相変調し、青色光に対しては位相変調がほぼ0の特性を備える。偏光ビームスプリッタ102の張り合わせ界面における透過光の光軸と反射光の光軸とが含まれる面と、ダイクロイックビームスプリッタ105の張り合わせ界面における透過光の光軸と反射光の光軸とが含まれる面とが概ね90度となるように配置しているので、実施例3においては例えば偏光ビームスプリッタ102からダイクロイックビームスプリッタ105に入射するp偏光は、ダイクロイックビームスプリッタ105の張り合わせ界面に対してはs偏光となる。逆も同様である。本実施例の色分離合成光学系においては、青色用液晶パネル104Bにはダイクロイックビームスプリッタ105の張り合わせ界面で反射されたs偏光が入射し、赤色用液晶パネル104Rにはダイクロイックビームスプリッタ105の張り合わせ界面を透過したp偏光が入射する。
【0033】
実施例1においても述べたように、ダイクロイックビームスプリッタ105には、偏光依存性及び入射角度依存性が存在する。p偏光に対するカットオフ波長はs偏光に対するカットオフ波長よりも短波長側にあり、夫々に入射角度依存性がある。言い換えれば、p偏光に対するカットオフ波長はs偏光に対するカットオフ波長よりも青色側にある。第三のリターダースタック107を設けたことにより、青色用パネル104B用の照明光はダイクロイックビームスプリッタ105の張り合わせ界面に対してs偏光となるので、赤色よりにあるダイクロイックビームスプリッタ105のs偏光に対するカットオフ波長の入射角度依存性の影響を受けない。また、赤色用パネル104R用の照明光はダイクロイックビームスプリッタ105の張り合わせ界面に対してp偏光となるので青色よりにあるダイクロイックビームスプリッタ105のp偏光に対するカットオフ波長の入射角度依存性の影響を受けない。したがって、ダイクロイックビームスプリッタ105の偏光依存性と入射角度依存性を原因とする不要な反射光等の迷光の発生を効果的に防止することができ、高コントラスト比な投写型液晶表示装置を実現することができる。
【0034】
(実施例5)
図12に本実施例の投写型液晶表示装置の模式図を示す。本実施例の投写型液晶表示装置は、白色光源141と、オプティカルインテグレータ141、142と、レンズ143、144と、ミラー145等から構成される照明光学系と、実施例1から4において述べた色分離光学系と、投写レンズ147等から主として構成される。
【0035】
白色光源141から出射される白色光は、オプティカルインテグレータ141、142、レンズ143、144及びミラー145により液晶パネル104上に、実施例1から4で述べた色分離合成光学系を介して照射強度の均一性の高い照明を行う。各液晶パネル104で変調を受けた光は再び実施例1から4で述べた色分離合成光学系を介し、投写レンズ147によって投写される。図12中には記載していないが、照明光学系において偏光変換素子を設けておくと光利用効率が増し、輝度を向上することができる。
【0036】
(実施例6)
図13に本実施例の投写型液晶表示装置の模式図を示す。本実施例の投写型液晶表示装置は、第一のリターダースタック101と、偏光ビームスプリッタ102と、第二のリターダースタック106と、出射側偏光板146からなる色分離合成光学系と、緑用液晶パネル104Gと、時分割で赤画像と青画像とを切り替えて表示する赤/青用液晶パネル104RBと、時分割で黄色とシアンとを切り替えて照明することが可能な照明光学系150と、投写レンズ147とから構成される。第一のリターダースタック101を偏光ビームスプリッタ102の第一の側面に隣接して配置し、緑色パネル104Gを偏光ビームスプリッタ102の第二の側面に隣接して配置し、赤/青用液晶パネル104RBを偏光ビームスプリッタ102の第三の側面に隣接して配置し、第二のリターダースタック106を偏光ビームスプリッタ102の第四の側面に隣接して配置した。偏光ビームスプリッタ102の第一の側面と第三の側面とが互いに向かい合っており、また第ニの側面と第四の側面とが互いに向かい合っている。第一のリターダースタック101及び第二のリターダースタック106は各々可視光領域に二つのカットオフ波長を有し、第一のリターダースタック101の短波長側のカットオフ波長は第二のリターダースタック106の短波長側のカットオフ波長よりも短波長側とし、第一のリターダースタック101の長波長側のカットオフ波長は第二のリターダースタック106の長波長側のカットオフ波長よりも長波長側とした。
【0037】
図13では、照明光学系150からの照明光100を第一のリターダースタック101側から入射し、第二のリターダースタック106側からの出射光108を投写レンズ147を介して投写する構成を示している。出射側偏光板146は第二のリターダースタック106に隣接して配置される。逆に照明光学系150からの照明光100を第二のリターダースタック106側から入射し、第一のリターダースタック101側からの出射光108を投写レンズ147を介して投写する構成とした場合には、出射側偏光板146は第一のリターダースタック101に隣接して配置される。
【0038】
本実施例の投写型液晶表示装置は、黄色光(Yp)とシアン光(Cp)とを時分割で切り替えられる照明光学系150からの照明光100を第一のリターダースタック101及び偏光ビームスプリッタ102により、緑色光(Gs)と赤色光(Rp)ないし緑色光(Gs)と青色光(Bp)に分離して、夫々緑色用液晶パネル104Gと赤/青色用液晶パネル104RGに入射させる。緑色用液晶パネル104Gは定常的に緑色光を変調して緑色画像を表示するのに対し、赤/青色用液晶パネル104RGは照明光の色の切り替えに同期させて赤色画像と青色画像を高速に時間分割で切り替えて表示する。出射光108は時間的に緑色光(Gp)と赤色光(Rs)ないしは緑色光(Gp)と青色光(Bs)とを合成してそれぞれ黄色光(Ys)ないしはシアン光(Cs)となり、高速に時間分割で切り替えて投写レンズ147を介して投写される。高速に黄色画像とシアン画像とを切り替えて表示するので、観測者には色合成されたフルカラーの画像として視認される。
【0039】
従来、赤色用液晶パネルと青色用液晶パネルの2枚のパネルを必要としていたのに対し、赤色画像と青色画像とを時分割で切り替え表示が可能な赤/青色用液晶パネル104RBを用いたことにより、さらに色分離合成光学系を縮小化することができ、投写型液晶表示装置を大幅に小型化することが可能である。
【0040】
また、第一のリターダースタック101のカットオフ波長と第二のリターダースタックの106カットオフ波長を上記のように規定したことにより、三原色の境界波長領域における光漏れを大幅に低減することが可能となり、高コントラスト比の投写型液晶表示装置を実現することができる。
【0041】
【発明の効果】
本発明の色分離合成光学系は、第一のリターダースタックと、偏光ビームスプリッタと、スペーサと、ダイクロイックビームスプリッタと第二のリターダースタックからなる色分離合成光学系において、前記偏光ビームスプリッタの第一の側面に隣接して前記第一のリターダースタックを配置し、前記偏光ビームスプリッタの第二の側面に隣接して前記スペーサを配置し、前記偏光ビームスプリッタの第三の側面に隣接して前記ダイクロイックビームスプリッタを配置し、前記偏光ビームスプリッタの第四の側面に隣接して前記第二のリターダースタックを配置し、前記偏光ビームスプリッタの第一の側面と第三の側面とが互いに向かい合っており、前記偏光ビームスプリッタの第ニの側面と第四の側面とが互いに向かい合っており、前記第一のリターダースタック及び前記第二のリターダースタックは各々可視光領域に二つのカットオフ波長を有し、前記第一のリターダースタックの短波長側のカットオフ波長は前記第二のリターダースタックの短波長側のカットオフ波長よりも短波長側に有り、前記第一のリターダースタックの長波長側のカットオフ波長は前記第二のリターダースタックの長波長側のカットオフ波長よりも長波長側に有るという特徴を備えることにより、主として三原色光の境界波長領域における光漏れを効果的に防止し、また三原色光の境界波長領域において色純度を低下させる不要な波長成分を効果的に除去し、高コントラスト比でかつ高色純度の画像表示が可能な投写型液晶表示装置を実現した。
【0042】
また、本発明の投写型液晶表示装置における色分離光学系においては、前記偏光ビームスプリッタの張り合わせ界面における透過光の光軸と反射光の光軸とが含まれる面と、前記ダイクロイックビームスプリッタの張り合わせ界面における透過光の光軸と反射光の光軸とが含まれる面とが概ね90度となるように配置することにより、高品位テレビジョンにおける画面の縦横比が9:16のような横長な表示を行う液晶パネルを用いた場合においても、色分離合成光学系の大きさを大きくすることが無く、ひいては小型な投写型液晶表示装置を実現することができた。
【0043】
さらには、前記偏光ビームスプリッタと前記ダイクロイックビームスプリッタとの間に、赤色光の位相を青色光のそれに対してπずらす機能を備えた第三のリターダースタックを備えたことにより、前記ダイクロイックビームスプリッタの偏光依存性と入射角度依存性を原因とする迷光の発生を効果的に防止し、高コントラスト比な投写型液晶表示装置を実現した。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態に係わるもので、実施例1の投写型液晶表示装置における色分離合成光学系の説明図。
【図2】本発明の実施形態に係わるもので、実施例1の投写型液晶表示装置における色分離合成光学系の説明図。
【図3】本発明の実施形態に係わるもので、第一及び第二のリターダースタックの波長特性。
【図4】本発明の実施形態に係わるもので、第一及び第二のリターダースタックの波長特性。
【図5】本発明の実施形態に係わるもので、黒画像表示時のスペクトル。
【図6】本発明の実施形態に係わるもので、白画像表示時のスペクトル。
【図7】本発明の実施形態に係わるもので、ダイクロイックビームスプリッタ及び第一のリターダースタックの波長特性。
【図8】本発明の実施形態に係わるもので、実施例2の投写型液晶表示装置における色分離合成光学系の説明図。
【図9】本発明の実施形態に係わるもので、実施例2の投写型液晶表示装置における色分離合成光学系の説明図。
【図10】本発明の実施形態に係わるもので、実施例3の投写型液晶表示装置における色分離合成光学系の説明図。
【図11】本発明の実施形態に係わるもので、実施例4の投写型液晶表示装置における色分離合成光学系の説明図。
【図12】本発明の実施形態に係わるもので、実施例4の投写型液晶表示装置の説明図。
【図13】本発明の実施形態に係わるもので、実施例6投写型液晶表示装置の説明図。
【図14】本発明の実施形態に係わるもので、漏れ光が生じる様子を緑色光と赤色光の境界波長領域(O光と称する)を例にとり説明する説明図。
【符号の説明】
100…入射白色光、101…第一のリターダースタック、102…偏光ビームスプリッタ、103…スペーサ、104…液晶パネル、105…ダイクロイックビームスプリッタ、106…第二のリターダースタック、107…第三のリターダースタック、108…出射光、110…第二のリターダースタックの波長特性、111…第一のリターダースタックの波長特性、112…漏れ光、130…ダイクロイックビームスプリッタの波長特性、147…投写レンズ。
Claims (9)
- 第一のリターダースタックと、偏光ビームスプリッタと、スペーサと、ダイクロイックビームスプリッタと第二のリターダースタックからなる色分離合成光学系において、
前記偏光ビームスプリッタの第一の側面に隣接して前記第一のリターダースタックを配置し、
前記偏光ビームスプリッタの第二の側面に隣接して前記スペーサを配置し、
前記偏光ビームスプリッタの第三の側面に隣接して前記ダイクロイックビームスプリッタを配置し、
前記偏光ビームスプリッタの第四の側面に隣接して前記第二のリターダースタックを配置し、
前記偏光ビームスプリッタの第一の側面と第三の側面とが互いに向かい合っており、
前記偏光ビームスプリッタの第ニの側面と第四の側面とが互いに向かい合っており、
前記第一のリターダースタック及び前記第二のリターダースタックは各々可視光領域に二つのカットオフ波長を有し、
前記第一のリターダースタックの短波長側のカットオフ波長は前記第二のリターダースタックの短波長側のカットオフ波長よりも短波長側に有り、
前記第一のリターダースタックの長波長側のカットオフ波長は前記第二のリターダースタックの長波長側のカットオフ波長よりも長波長側にあることを特徴とする色分離合成光学系。 - 少なくとも請求項1に記載の色分離合成光学系と、白色光源と、三原色の各色光に対応した複数の液晶パネルと、投写レンズを備えた投写型液晶表示装置において、
前記白色光源からの照明光を前記偏光ビームスプリッタの張り合わせ界面に対してp偏光とし、
前記白色光源からの照明光を前記第一のリターダースタック側から前記偏光ビームスプリッタに入射するように構成し、
前記スペーサの前記偏光ビームスプリッタに隣接する面とは反対側の面に緑色用液晶パネルを備え、
前記ダイクロイックビームスプリッタの第一の出射面に赤色用液晶パネルを備え、
前記ダイクロイックビームスプリッタの第二の出射面に青色用液晶パネルを備え、
第二のリターダースタックに隣接して出射側偏光板及び投写レンズを順に備えたことを特徴とする投写型液晶表示装置。 - 少なくとも請求項1に記載の色分離合成光学系と、白色光源と、三原色の各色光に対応した複数の液晶パネルと、投写レンズを備えた投写型液晶表示装置において、
前記白色光源からの照明光を前記偏光ビームスプリッタの張り合わせ界面に対してs偏光とし、
前記白色光源からの照明光を前記第ニのリターダースタック側から前記偏光ビームスプリッタに入射するように構成し、
前記スペーサの前記偏光ビームスプリッタに隣接する面とは反対側の面に緑色用液晶パネルを備え、
前記ダイクロイックビームスプリッタの第一の出射面に赤色用液晶パネルを備え、
前記ダイクロイックビームスプリッタの第二の出射面に青色用液晶パネルを備え、
第一のリターダースタックに隣接して出射側偏光板及び投写レンズを順に備えたことを特徴とする投写型液晶表示装置。 - 第一のリターダースタックと、偏光ビームスプリッタと、スペーサと、ダイクロイックビームスプリッタと第二のリターダースタックからなる色分離合成光学系において、
前記偏光ビームスプリッタの第一の側面に隣接して前記第一のリターダースタックを配置し、
前記偏光ビームスプリッタの第二の側面に隣接して前記スペーサを配置し、
前記偏光ビームスプリッタの第三の側面に隣接して前記ダイクロイックビームスプリッタを配置し、
前記偏光ビームスプリッタの第四の側面に隣接して前記第二のリターダースタックを配置し、
前記偏光ビームスプリッタの第一の側面と第三の側面とが互いに向かい合っており、
前記偏光ビームスプリッタの第ニの側面と第四の側面とが互いに向かい合っており、
前記第一のリターダースタック及び前記第二のリターダースタックは各々可視光領域に二つのカットオフ波長を有し、
前記第一のリターダースタックの長波長側のカットオフ波長を、前記ダイクロイックビームスプリッタの張り合わせ界面に対してs偏光のカットオフ波長よりも長波長側とし、
前記第一のリターダースタックの短波長側のカットオフ波長を、前記ダイクロイックビームスプリッタの張り合わせ界面に対してp偏光のカットオフ波長よりも短波長側としたことを特徴とする色分離合成光学系。 - 請求項4に記載の色分離合成光学系における前記ダイクロイックビームスプリッタのカットオフ波長が、
前記ダイクロイックビームスプリッタの張り合わせ界面に対する主たる光軸から照明光学系のF値から規定される照明光の広がり角度だけずれた角度における光に対する前記ダイクロイックビームスプリッタのカットオフ波長であることを特徴とする色分離合成光学系。 - 請求項2または3に記載の投写型液晶表示装置にあって、
投写型液晶表示装置の色分離光学系が、
前記偏光ビームスプリッタの張り合わせ界面における透過光の光軸と反射光の光軸とが含まれる面と、前記ダイクロイックビームスプリッタの張り合わせ界面における透過光の光軸と反射光の光軸とが含まれる面とが概ね90度となるように配置したことを特徴とする投写型液晶表示装置。 - 請求項6に記載の投写型液晶表示装置にあって、
投写型液晶表示装置の色分離合成光学系が、
前記偏光ビームスプリッタと前記ダイクロイックビームスプリッタとの間に、第三のリターダースタックを備えたことを特徴とする投写型液晶表示装置。 - 請求項7に記載の投写型液晶表示装置にあって、
投写型液晶表示装置の色分離合成光学系における前記第三のリターダースタックが、赤色光の位相を青色光のそれに対してπずらす機能を備えたリターダースタックであることを特徴とする投写型液晶表示装置。 - 第一のリターダースタックと、偏光ビームスプリッタと、第二のリターダースタックと、出射側からなる色分離合成光学系と、緑用液晶パネルと、時分割で赤画像と青画像とを切り替えて表示する赤/青用液晶パネルと、時分割で黄色とシアンとを切り替えて照明することが可能な照明光学系と、投写レンズとを備えた投写型液晶表示装置であって、
前記色分離合成光学系は、
前記偏光ビームスプリッタの第一の側面に隣接して前記第一のリターダースタックを配置し、
前記偏光ビームスプリッタの第二の側面に隣接して前記緑用液晶パネルを配置し、
前記偏光ビームスプリッタの第三の側面に隣接して前記赤/青用液晶パネルを配置し、
前記偏光ビームスプリッタの第四の側面に隣接して前記第二のリターダースタックを配置し、
前記偏光ビームスプリッタの第一の側面と第三の側面とが互いに向かい合っており、
前記偏光ビームスプリッタの第ニの側面と第四の側面とが互いに向かい合っており、
前記第一のリターダースタック及び前記第二のリターダースタックは各々可視光領域に二つのカットオフ波長を有し、
前記第一のリターダースタックの短波長側のカットオフ波長は前記第二のリターダースタックの短波長側のカットオフ波長よりも短波長側に有り、
前記第一のリターダースタックの長波長側のカットオフ波長は前記第二のリターダースタックの長波長側のカットオフ波長よりも長波長側にあることを特徴とする色分離合成光学系であることを特徴とする投写型液晶表示装置。
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