JPH10221673A - 投射型カラー画像表示装置 - Google Patents

投射型カラー画像表示装置

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JPH10221673A
JPH10221673A JP9021834A JP2183497A JPH10221673A JP H10221673 A JPH10221673 A JP H10221673A JP 9021834 A JP9021834 A JP 9021834A JP 2183497 A JP2183497 A JP 2183497A JP H10221673 A JPH10221673 A JP H10221673A
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color
light
liquid crystal
filter
image
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JP9021834A
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Tetsuo Urabe
哲夫 占部
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Sony Corp
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    • G02B5/201Filters in the form of arrays
    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
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    • H04N9/00Details of colour television systems
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 純度の高い色分離が可能で、しかも褪色しに
くい簡単な構成の投射型カラー画像表示装置を提供す
る。 【解決手段】 略平行な白色光束はカラーフィルタ10
へ入射し、ここで赤色,緑色,青色の3原色に色分離さ
れる。色分離された平行光束はリレー光学系11によっ
てf2 /f1 という倍率で光束径の変換を受け、PBS
13に入射する。PBS13はp偏光成分を通過させ、
これが液晶表示素子12へ入射する。カラーフィルタ1
0におけるR,G,Bの各フィルタ要素の像が液晶表示
素子12の各対応画素電極上に縮小されて結像され、反
射する。液晶表示素子12に入射したp偏光成分は、各
画素電極に印加される画像信号電圧に応じて変調(偏光
方向の変化)を受ける。これにより生じたs偏光成分は
PBS13で反射し、投影レンズ14によってスクリー
ン15に拡大投影される。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、例えば液晶プロジ
ェクタ等の投射型カラー画像表示装置に係り、特に、液
晶表示素子等の光変調素子を1枚のみ用いて構成した単
板方式の投射型カラー画像表示装置に関する。
【0002】
【従来の技術】液晶表示装置には、直視型表示装置のほ
かに、スクリーンに投影して表示を行う投射型の表示装
置(いわゆる液晶プロジェクタ)がある。この液晶プロ
ジェクタでは、一般に、単一の白色光源から放射される
光から色分離したカラー表示用3原色を、それぞれの色
に対応する液晶表示素子の画素(液晶セル)に導き、こ
こで再生画像信号に応じて変調した後、スクリーン上に
投影させることによってカラー画像の表示が可能とな
る。このようなカラー液晶プロジェクタとしては、赤(R
ed=R),緑(Green =G),青(Blue=B)の3色へ
の色分離手段を備えた単一の液晶表示素子を用いて構成
した単板方式と、モノクロ液晶パネルを赤,緑および青
の光路ごとに3枚使った3板方式とに大別される。
【0003】このうち単板方式のカラー液晶プロジェク
タにおいては、色分離手段としてカラーフィルタが用い
るのが一般的であるが、従来、このカラーフィルタは液
晶表示素子と一体に構成されていた。
【0004】図7は、このようなカラーフィルタ一体型
液晶表示素子(以下、CF一体型液晶表示素子とい
う。)を用いて構成した従来の単板方式カラー液晶プロ
ジェクタを表すものである。この液晶プロジェクタで
は、光源ランプ101から発せられた白色光は紫外線・
赤外線カットフィルタ102に入射し、ここで紫外線と
赤外線とが吸収されたのち、集光レンズ103に入射す
る。この集光レンズ103で集光された光は、集光レン
ズ103の後段に設けられたCF一体型液晶表示素子1
04へ照射される。この白色光は、CF一体型液晶表示
素子104の図示しない液晶層を通過する際に、CF一
体型液晶表示素子104上の各原色(R,G,B)用の
画素電極に印加される画像信号に応じて変調される。そ
して、さらにCF一体型液晶表示素子104に一体に形
成されたカラーフィルタ104aによってR光,G光,
B光に色分離されたのち、CF一体型液晶表示素子10
4を透過し出射する。これらの変調された各色光は、C
F一体型液晶表示素子104の後段の投影レンズ105
によって集光合成され、スクリーン106上に拡大投影
される。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】この構成の投射型カラ
ー画像表示装置において、上記したCF一体型液晶表示
素子104におけるカラーフィルタ104aは、有機系
の顔料により形成されるのが一般的であった。この顔料
タイプのカラーフィルタは、入射光から特定の波長光を
吸収して他の波長域の光を透過させるものであるため、
その吸収された光が熱に変換されて発熱し、カラーフィ
ルタ自体の劣化を招くと共に、他の構成要素に悪影響を
及ぼす。特に、有機系顔料を用いたカラーフィルタは元
々耐候性に劣ることから、使用により容易に褪色し、表
示画像の色品質が劣化するという問題があった。したが
って、特に今後の高輝度化の流れの中では、この発熱を
抑制することは重要な課題である。
【0006】また、有機系顔料を用いたカラーフィルタ
は、その分光透過率曲線が緩やかなカーブを描き、特定
波長以外の光をも広く透過させるという特性を有する。
このため、このタイプのカラーフィルタを用いた場合に
は、結像した画像の色純度が悪いという問題があった。
【0007】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
ので、その目的は、純度の高い色分離が可能で、しかも
褪色しにくい簡単な構成の投射型カラー画像表示装置を
提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明の投射型カラー画
像表示装置は、カラー表示に必要な各基本色に対応して
所定パターンで配列された画素電極を有しこれらの各画
素電極に印加される画像信号に応じて各基本色の入射光
を画素単位で変調する光変調素子と、この光変調素子か
ら離間して配置されると共に各基本色用のフィルタ要素
を所定パターンに対応したパターンで配列してなるカラ
ーフィルタと、カラーフィルタの各フィルタ要素の像を
光変調素子上に結像させる結像手段とを備えている。こ
こで、カラーフィルタとしては、例えば、無機薄膜を積
層してなる薄膜干渉フィルタを用い、光変調素子として
は、例えば液晶表示素子を用いることができる。さら
に、この光変調素子は、例えば、各画素電極への電圧印
加により入射光に複屈折を生じさせる電圧制御複屈折型
の素子で構成することができる。また、結像手段は、カ
ラーフィルタから出射されて入射される平行光束を集光
結像させる第1のレンズと、この第1のレンズによる像
から出る光を、第1のレンズに入射する平行光束よりも
小さい光束径の平行光束に変換して出射する第2のレン
ズとを含んで構成した光束縮小光学系とすることができ
る。
【0009】本発明に係る投射型カラー画像表示装置で
は、光変調素子の各基本色用の画素電極上に、カラーフ
ィルタの各対応フィルタ要素からの光が入射してその像
が結像すると共に、各画素電極に印加される画像信号に
応じて各基本色の入射光が画素単位で変調される。結像
手段を、平行光束の径を縮小変換する光束縮小光学系と
して構成した場合には、カラーフィルタの各フィルタ要
素の像は、光変調素子上に縮小投影されて結像する。
【0010】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して詳細に説明する。
【0011】図1は本発明の一実施の形態に係る投射型
カラー画像表示装置(液晶プロジェクタ)の要部構成を
表すものである。この装置は、カラーフィルタ10と、
このカラーフィルタ10の後段に同軸に配置された凸レ
ンズ11aおよび凸レンズ11bからなるリレー光学系
11と、凸レンズ11bの後段に配置されたライトバル
ブとしての液晶表示素子12と、凸レンズ11bと液晶
表示素子12との間に配設された偏光ビームスプリッタ
13(Polarizing Beams Splitter ;以下、単に「PB
S」と記す。)と、凸レンズ11aおよび凸レンズ11
bの光軸と直交する光軸を有すると共にPBS13の側
方に配設された投影レンズ14と、投影レンズ14に対
向して配設されたスクリーン15とを備えている。ここ
で、液晶表示素子12は本発明における光変調素子に対
応し、カラーフィルタ10は本発明におけるカラーフィ
ルタに対応し、凸レンズ11a,11bからなるリレー
光学系11は本発明における結像手段に対応する。
【0012】カラーフィルタ10は、図2に示すように
R,G,Bの各色用のフィルタ要素を規則的に配列して
形成したものである。ここで、R,G,Bの3原色は本
発明におけるカラー表示に必要な各基本色に対応する。
これらの各フィルタ要素は、例えば、金属や誘電体等の
薄膜を積層して形成した薄膜干渉フィルタとして構成さ
れたもので、白色光が入射すると、Rの部分はB光とG
光とを反射してR光のみを透過し、Gの部分はR光とB
光とを反射してG光のみを透過し、Bの部分はR光とG
光とを反射してB光のみを透過するようになっている。
このような薄膜干渉フィルタは、屈折率の高い膜(例え
ば、二酸化チタン膜(TiO2 ))と、屈折率の低い膜
(例えば、二酸化シリコン膜(SiO2 ))とを交互に
積層して形成することができる。また、R,G,Bの各
フィルタ要素の形成は、周知のフォトリソグラフィ技術
を用いた薄膜積層工程を繰り返すことで形成可能である
が、その場合、各フィルタ要素に要求される特性は、例
えば各薄膜の膜厚や積層数を適宜設定することで容易に
得ることが可能である。なお、R,G,Bの各フィルタ
要素の配列パターンは図に限定されるものではなく、液
晶表示素子12の画素電極の配列パターンに対応する限
りにおいて任意の配列パターンとすることが可能であ
る。
【0013】PBS13は、p偏光は透過するがs偏光
は反射するという特性をもつ偏光分離面13aを備えて
いる。このPBS13は、偏光分離面13aがリレー光
学系11の光軸とほぼ45度をなすように配置されてい
る。ここで、p偏光成分とは、偏光分離面13aに入射
する光の電気ベクトルの振動方向が入射面(偏光分離面
13aの法線と波面法線(光の進行方向)とを含む面)
内に含まれる直線偏光をいい、s偏光成分とは、偏光分
離面13aに入射する光の電気ベクトルの振動方向が入
射面と直交する直線偏光をいう。
【0014】液晶表示素子12は、例えば電圧制御複屈
折(ECB)型の光変調素子であり、例えば図3に示し
たような構造を有する。この図に示したように、液晶表
示素子12は、画素電極12a,12b等が規則的に形
成された画素基板12cと、この画素基板12cの前面
側(光入射側)に所定距離を隔てて対向配設された対向
基板12dと、画素基板12cと対向基板12dとによ
って挟まれた液晶層12eと、対向基板12dの後面側
(光出射側)に形成された対向電極12fとを備えてい
る。画素電極12a,12b等は、入射した光を表面で
反射させる反射電極として構成されている。液晶表示素
子12における画素電極12a,12b等の配列パター
ンは、カラーフィルタ10における各フィルタ要素
(R,G,B)の配列パターンに対応している。すなわ
ち、例えば、カラーフィルタ10の1つのフィルタ要素
Rは、液晶表示素子12におけるR用の一画素電極に対
応している。他のフィルタ要素についても同様である。
【0015】なお、画素電極12a,12b等の間の領
域は、各画素電極への電圧印加をスイッチングするため
に各画素電極ごとに設けられたTFT等が配設されたブ
ラックマトリクス部であり、図示しないアルミニウム等
の金属膜で遮光され、光照射によってTFTが誤動作す
ることがないようになっている。
【0016】各画素電極12a,12b等は各色(B,
R,G)用としてそれぞれ割り当てられており、それぞ
れに各色用画像信号電圧が印加されることによって、そ
の画素電極に対応した領域の液晶層12eの液晶分子配
向が変化し、ここを通過する光の偏光方向を変化させる
ようになっている。すなわち、図3に示したように、液
晶層12eは、例えば電圧を印加していない画素電極1
2aの領域では光軸と平行な方向に配向しているが、電
圧を印加した画素電極12bの領域では光軸と直交する
方向に配向するようになっている。但し、電圧印加時の
配向方向Aは、図4に示したように、PBS13を通過
してp偏光成分のみとなった入射光の偏光方向Bに対し
て45度の傾きをもつように設定されている。したがっ
て、液晶表示素子12に入射したG,B,Rの各色光
は、液晶層12eを往復する間に、各画素電極ごとに、
偏光方向が印加電圧に応じた角度だけ変化するような変
調を選択的に受ける。そして、液晶表示素子12から出
射された各色光のうちのs偏光成分のみがPBS13で
反射されて投影レンズ14に導かれて集光合成され、ス
クリーン15上への結像に供されるようになっている。
【0017】本実施の形態では、凸レンズ11aと凸レ
ンズ11bとの距離dは、次の(1)式を満たすように
設定する。 d=f1 +f2 ……(1) ここに、f1 は凸レンズ11aの焦点距離、f2 は凸レ
ンズ11bの焦点距離である。すなわち、凸レンズ11
a,11bは、倍率がf2 /f1 であるようなリレー光
学系を構成している。
【0018】凸レンズ11bと液晶表示素子12との距
離は、カラーフィルタ10の各フィルタ要素の凸レンズ
12a,12bからなるリレー光学系による像が液晶表
示素子12上に結像されるように設定されている。すな
わち、カラーフィルタ10と凸レンズ12aとの距離を
a、凸レンズ11bと液晶表示素子12との距離をbと
すると、この距離bは次の(2)、(3)式を満たすよ
うに設定される。 b=〔f2 (f1 +f2 )−af1 2 /(a−f1 )〕 /〔f1 −af1 /(a−f1 )〕……(2) b=x+ny+z……(3) ここに、xは凸レンズ11bとPBS13の距離、yは
PBS13の光軸方向の長さ、zはPBS13と液晶表
示素子12の距離、nはPBS13の屈折率である。
【0019】次に、以上のような構成の投射型カラー画
像表示装置の動作を説明する。
【0020】光源(図示せず)から放射された白色光は
平行光としてカラーフィルタ10へ入射する。カラーフ
ィルタ10の各フィルタ要素は、それぞれ、白色入射光
のうちの特定の波長光を反射して、それ以外の波長光を
透過することにより、R,G,Bの3原色の色光を分離
する。色分離された各色光からなる平行光束はリレー光
学系の凸レンズ11aに入射し、集光されて焦点を結ん
だのち、凸レンズ11bによって再び平行光束に変換さ
れる。このとき、凸レンズ11bから出射する平行光の
光束径は元の光束のf2 /f1 倍になっている。凸レン
ズ11bから出射した平行光は、PBS13に入射し、
そのうちp偏光成分のみがPBS13の偏光面13aを
透過して液晶表示素子12に入射する。これにより、液
晶表示素子12上に、カラーフィルタ10の各フィルタ
要素のf2 /f1 倍に縮小されたパターン像が投影結像
されることとなる。このときのパターン像は、画素基板
12c上の各画素電極12a,12b等(図3)の配列
パターンと一致する。すなわち、例えば、カラーフィル
タ10の1つのフィルタ要素Rの縮小像は、液晶表示素
子12におけるR用の画素電極上に結像する。カラーフ
ィルタ10の他のフィルタ要素の縮小像についても同様
である。
【0021】図3に示したように、液晶表示素子12の
液晶層12eでは、画素電極に電圧が印加されていない
ときは液晶が垂直配向しているが、電圧が印加されると
液晶が水平配向して入射光の複屈折が生じる。従って、
液晶表示素子12への入射光(p偏光成分)は各画素電
極に印加される電圧に応じて変調され、s偏光成分が発
生する。このs偏光成分はPBS13で反射されて投影
レンズ14によってスクリーン15上に拡大投影され
る。
【0022】図5は、干渉薄膜タイプのカラーフィルタ
と顔料タイプのカラーフィルタの分光透過率特性を表す
ものである。ここでは、一例としてG用のフィルタ要素
について図示している。この図で、符号21は顔料タイ
プ、符号22は干渉薄膜タイプのカラーフィルタの分光
透過率特性を表している。なお、横軸は光の波長を表
し、縦軸は分光透過率を表す。
【0023】この図からも明らかなように、顔料タイプ
21では、干渉薄膜タイプ22に比べて分光透過率曲線
のピーク高さが低く、しかも、目的とする透過波長域以
外の波長域に至るまで緩やかにカーブを描いており、透
過バンド幅も広くなっている。したがって、この顔料タ
イプのカラーフィルタを用いた場合には、結像した画像
の輝度が低く、かつ色純度が悪い。一方、干渉薄膜タイ
プ22では分光透過率曲線のピークが高く、しかも、透
過バンド幅のエッジがシャープであるため、特定の波長
領域の光のみを透過させることができる。したがって、
この干渉薄膜タイプのカラーフィルタを用いた場合に
は、結像した画像の輝度が高く、かつ色純度が良いこと
から、高品質の画像表示を行うことができる。しかも、
干渉薄膜タイプでは、有機膜を用いる顔料タイプと異な
り、無機膜を用いて形成されているため、褪色せず、耐
候性、耐久性に富んでいる。
【0024】このように本実施の形態に係る投射型カラ
ー画像表示装置では、カラーフィルタと液晶表示素子と
を一体化せず、液晶表示素子12と離間して別個にカラ
ーフィルタを配設すると共に、カラーフィルタ10の各
フィルタ要素の像をリレー光学系11によって液晶表示
素子12上に縮小して結像させるようにしたので、カラ
ーフィルタ10におけるフィルタ要素配列パターンのサ
イズやピッチが比較的粗くても、これらの各フィルタ要
素の像は液晶表示素子12の対応画素電極上に縮小投影
されて高精細な画素電極配列パターンに合致することと
なる。すなわち、カラーフィルタ10の製作精度をあま
り上げることなく、各画素電極による各色光ごとの変調
を精度よく行うことができ、高精細な画像表示を実現す
ることができる。また、カラーフィルタ10を液晶表示
素子12と別体に構成したので、モノクロ装置用に製作
されたものを液晶表示素子12として用いることも可能
となる。この場合には、モノクロ用液晶表示素子があた
かもカラーフィルタを備えているかのように機能し、高
精細なカラー画像を表示することが可能となる。また、
本実施の形態では、カラーフィルタ10を干渉薄膜タイ
プとして形成するようにしたので、顔料タイプのように
吸収による発熱がなく、かつ、耐候性、耐久性に富み、
褪色しにくいという利点もある。
【0025】以上、実施の形態を挙げて本発明を説明し
たが、本発明はこの実施の形態に限定されるものではな
く、その均等の範囲で種々変形可能である。例えば、上
記実施の形態ではリレー光学系11を2つの凸レンズ1
1a,11bを用いたいわゆるケプラータイプとして構
成したが、そのほか、図6に示したように、凸レンズ3
1と凹レンズ32とを用いたいわゆるガリレオタイプと
して構成することも可能である。この場合には、凸レン
ズ31の虚焦点33が凹レンズ32の新たな虚物点とな
り、この凹レンズ32から光束径の縮小された平行光束
が出射されることとなる。
【0026】また、本実施の形態では、液晶表示素子1
2を反射型とし、PBS13によって反射光を分離する
ようにしたが、透過型の液晶表示素子にも適用可能であ
る。この場合にはPBS13は不要であり、投影レンズ
14およびスクリーン15は液晶表示素子12の後方に
順に配置すればよい。
【0027】また、本実施の形態では、液晶表示素子1
2は、電圧制御複屈折(ECB)型の光変調素子として
説明したが、そのほか、反射光強度変調型あるいは光散
乱型の液晶表示素子としてもよい。
【0028】さらに、本実施の形態では、電圧制御複屈
折型の光変調素子として液晶表示素子を例に説明した
が、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、
ジルコンチタン酸鉛にストロンチウムをドープして得ら
れる透明セラミックであるPLZT(plomb lanthanum z
irconate titanate)のように、電圧を印加することによ
って入射光に複屈折を生じさせるような他の素子を用い
ることも可能である。
【0029】さらに、カラーフィルタ10は、薄膜干渉
タイプには限定されず、他のタイプ(例えば従来のよう
な有機顔料タイプ)としてもよい。
【0030】
【発明の効果】以上説明したように、請求項1ないし5
のいずれかに記載の投射型カラー画像表示装置によれ
ば、カラーフィルタを光変調素子から離間して配置する
と共に、光変調素子の各基本色用の画素電極上にカラー
フィルタの各対応フィルタ要素からの光を入射させてそ
の像を結像させ、各画素電極に印加した画像信号に応じ
て各基本色の入射光を画素単位で変調するようにしたの
で、カラーフィルタを光変調素子と別体で製作してカラ
ー画像表示に供することができる。したがって、モノク
ロ用の光変調素子をカラー用として転用することが可能
となるという効果がある。また、装置を製作する上で、
各光学要素のレイアウトの自由度が大きくなるという効
果もある。
【0031】特に、請求項2記載の投射型カラー画像表
示装置によれば、カラーフィルタを、無機薄膜を積層し
て形成した薄膜干渉フィルタで構成するようにしたの
で、透過率ピークが高くかつ透過バンド幅のエッジがシ
ャープな分光透過特性を有するカラーフィルタを得るこ
とができる。このため、高い輝度と高い色純度の画像表
示が可能になるという効果がある。また、顔料タイプの
カラーフィルタと異なって吸収による発熱の問題がな
く、かつ、耐候性、耐久性に富み、褪色しにくいという
効果もある。
【0032】また、請求項5記載の投射型カラー画像表
示装置によれば、平行光束の径を縮小変換する光束縮小
光学系によってカラーフィルタの各対応フィルタ要素の
像を光変調素子上に結像させるようにしたので、カラー
フィルタの各フィルタ要素の像が光変調素子の各対応画
素電極上に縮小されて投影される。このため、カラーフ
ィルタの精細度を上げることなく高精細な画像表示が可
能となる。したがって、低コストで高品質の投射型カラ
ー画像表示装置を得ることができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施の形態に係る投射型カラー画像
表示装置の光学系の概略構成を表す図である。
【図2】図1に示したカラーフィルタにおける各色フィ
ルタ要素の配列パターンを表す図である。
【図3】図1における液晶表示素子の一構成例およびそ
の動作を表す断面図である。
【図4】図3の液晶表示素子における液晶配向方向と入
射光の偏光方向との関係を示す図である。
【図5】干渉薄膜タイプのカラーフィルタと顔料タイプ
のカラーフィルタの分光透過率特性を表す図である。
【図6】本発明の投射型カラー画像表示装置に使用する
リレー光学系の他の構成例を表す図である。
【図7】従来の投射型カラー画像表示装置における液晶
表示素子の概略構成を表す断面図である。
【符号の説明】 10…カラーフィルタ、11…リレー光学系、11a,
11b,31…凸レンズ、12…液晶表示素子、12
a,12b…画素電極、12c…画素基板、12d…対
向基板、12f…対向電極、12e…液晶層、13…偏
光ビームスプリッタ、14…投影レンズ、15…スクリ
ーン、32…凹レンズ

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 カラー表示に必要な各基本色に対応して
    所定パターンで配列された画素電極を有し、これらの各
    画素電極に印加される画像信号に応じて各基本色の入射
    光を画素単位で変調する光変調素子と、 この光変調素子から離間して配置されると共に、前記各
    基本色用のフィルタ要素を前記所定パターンに対応した
    パターンで配列してなるカラーフィルタと、 このカラーフィルタの各フィルタ要素の像を前記光変調
    素子上に結像させる結像手段とを備えたことを特徴とす
    る投射型カラー画像表示装置。
  2. 【請求項2】 前記カラーフィルタは、無機薄膜を積層
    してなる薄膜干渉フィルタからなることを特徴とする請
    求項1記載の投射型カラー画像表示装置。
  3. 【請求項3】 前記光変調素子は、液晶表示素子からな
    ることを特徴とする請求項1記載の投射型カラー画像表
    示装置。
  4. 【請求項4】 前記光変調素子は、各画素電極への電圧
    印加により入射光に複屈折を生じさせる電圧制御複屈折
    型の素子であることを特徴とする請求項1記載の投射型
    カラー画像表示装置。
  5. 【請求項5】 前記結像手段は、 前記カラーフィルタから出射されて入射される平行光束
    を集光結像させる第1のレンズと、 この第1のレンズによる像から出る光を、前記第1のレ
    ンズに入射する平行光束よりも小さい光束径の平行光束
    に変換して出射する第2のレンズとを含んで構成される
    光束縮小光学系であることを特徴とする請求項1記載の
    投射型カラー画像表示装置。
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