JP2972079B2 - 投影型画像表示装置 - Google Patents

投影型画像表示装置

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JP2972079B2
JP2972079B2 JP8507294A JP8507294A JP2972079B2 JP 2972079 B2 JP2972079 B2 JP 2972079B2 JP 8507294 A JP8507294 A JP 8507294A JP 8507294 A JP8507294 A JP 8507294A JP 2972079 B2 JP2972079 B2 JP 2972079B2
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浩 中西
浩 浜田
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、投影型画像表示装置に
関し、より詳細にはマトリックス型液晶表示パネル手段
により表示される画像をスクリーン上に投影、表示する
投影型画像表示装置に関する。
【0002】
【従来の技術】従来、画像をスクリーン上に投影、表示
する投影型画像表示装置が知られている。この投影型画
像表示装置は、図9に示すように、画像を表示するCR
T14と、CRT14上に表示された画像を反射型液晶
ライトバルブ3に結像するレンズ15と、CRT14か
らの画像に対応した画像を形成する反射型液晶ライトバ
ルブ3と、読み出し用光源4と、読み出し用光源4から
の光を偏光ビームスプリッタ6に平行光に変換後入射さ
せるコンデンサーレンズ5と、所定偏光方向の光を反射
する偏光ビームスプリッタ6と、偏光ビームスプリッタ
6を透過した反射光を拡大する投影レンズ7と、投影レ
ンズ7により拡大された画像を投影するスクリーン8と
を具備している。
【0003】反射型液晶ライトバルブ3は、図10に示
すように、2枚のガラス基板16a,16bに透明導電
膜からなる透明電極17a,17bがそれぞれ形成され
ており、透明電極17a上に非晶質水素化シリコン(a
−Si:H)からなる光導電体層11が形成されてい
る。なお、非結晶水素化シリコンは、シランガスと水素
ガスとを原料とし、プラズマCDV法を用いて作成され
る。光導電体層11上に誘電体ミラー18としてTiO
2 とSiO2 の多層膜がスパッタ法により作成されてい
る。誘電体ミラー18上に配向膜19aとしてポリイミ
ド膜がスピンコートによって形成されており、透明電極
17b上に配向膜19bとしてポリイミド膜がスピンコ
ートによって形成されている。ラビングによる分子配向
処理が施され、ガラス基板16a,16bがスペーサ2
0を介して張り合わされる。液晶層21としてカイラル
材料を添加した混合ネマティック液晶が注入されて封止
されることによりハイブリッド電界効果モードの反射型
液晶ライトバルブ3が形成される。透明電極17a,1
7b間には交流電源22によって電圧が印加されてい
る。なお、反射型液晶ライトバルブ3の動作モードとし
ては垂直配向のECBモード、ゲストホストモードなど
を用いてもよい。
【0004】次に、本従来例の動作について説明する。
【0005】CRT14上に表示された画像は、レンズ
15によりライトバルブ3に結像される。ガラス基板1
6a側からCRT14の画像を結像させると、入射光量
によって光導電体層11のインピーダンスが変化する。
これによって、液晶層21に印加される電圧が変化した
画像が形成される。このようにして画像が形成されたラ
イトバルブ3に、読み出し用光源4からの光がコンデン
サーレンズ5及びビームスプリッタ6を介して入射する
と、この入射光は誘電体ミラー18によって反射され、
このうち液晶層21の配向状態が変化している部分を透
過した反射光は電気光学的効果によって偏光方向が変化
するので、ビームスプリッタ6を透過できる。この反射
光は投影レンズ7によって拡大され、ライトバルブ3に
形成された画像がスクリーン8に投影される。
【0006】次に、特開平4−181226号公報及び
特開平4−204919号公報に開示されている従来の
投影型画像表示装置を図11を参照しながら説明する。
【0007】なお、図9と同一構成部分には同一符号を
付して説明を省略する。
【0008】投影型画像表示装置は、書き込み用光源2
3からの光によりレンズ24を介して透過型表示パネル
25が照射されてライトバルブ3に画像が形成される。
透過型表示パネル25を使用することにより装置の小型
化が可能となり、最近では高解像度の透過型表示パネル
も開発されている。透過型表示パネル25は、それ自身
は発光しないが、その透過率が駆動信号によって変化す
るため、別に設けられた光源からの光の強度を変調する
ことにより、画像や文字が表示される。透過型表示パネ
ル25は、例えば液晶パネル、エレクトロクロミックデ
ィスプレイ、PLZT等の透光性セラミックを用いたデ
ィスプレイ等がある。中でも液晶表示パネルはポケッタ
ブルTV、ワードプロセッサ、プロジェクター等に広く
利用されており、完成度が高い。
【0009】透過型表示パネルの一例としてのアクティ
ブマトリックス方式の液晶パネルは、図12に示すよう
に、2枚の対向基板26a,26bと、対向基板26
a,26bを所定の間隔に維持するスペーサ28と、対
向基板26a,26b間に封入された液晶層27と、対
向基板26b上に形成されたスイッチング素子29と、
対向基板26b上に形成された画素領域30と、画素領
域30に対応した開口部10aを有する対向基板26a
上に形成された遮光層10とから構成されている。
【0010】しかし、上述したような構成では、CRT
や透過型表示パネルの表示画像を反射型ライトバルブ3
の光導電体層11に書き込む場合に、ガラス基板厚によ
って視差が生じ、解像力が低下するため、表示画面全体
を一つのレンズで光導電体層に結像させる必要がある
が、書き込み光学系が大掛かりになるという問題点があ
る。
【0011】そこで、この問題点を解消するために、特
開平2−55386号公報には、CRTと反射型液晶ラ
イトバルブとの間に正立等倍結像手段、例えばロッドレ
ンズアレイを用いることにより、光導電体層にCRTの
画像を結像し、ガラス基板厚による視差が生じず、かつ
光学系をコンパクト化した方法が開示されている。
【0012】ただし、該出願では具体的なセルフォック
レンズの受光角や画像表示手段のサイズ、表示画素のピ
ッチ、照明光の平行度については触れられておらず、ま
た該特許(特開平2−55386号公報)が出願された
時点(1988年8月)では、CRT以上の解像度をも
ち、且つCRTよりも小型の液晶パネルは開発されてい
ないため、CRTの代わりに液晶パネルを用いるという
概念は提示されていない。
【0013】米国特許第5,083,854号には、液
晶パネルと反射型液晶ライトバルブとの間にロッドレン
ズアレイが配置され、液晶表示パネルの画素開口部を拡
大して光感光体層に結像させる方法が開示されている。
また、特開平2−149823号公報にて反射型液晶ラ
イトバルブの書き込み光源側のガラス基板にファイバー
プレートを配置する方法が開示されている。
【0014】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、特開平
2−55386号公報に開示された従来装置では、CR
Tを用いるため、画像を形成する電子ビームの径や蛍光
体のにじみなどによりCRTのサイズを小さくすると、
解像度が低下するので、HDTVに適合するCRTを用
いても5型より小さくすることは難しく、その結果、光
学系を小型化できない。また、CRTは地磁気の影響を
受けるため、画像が歪んだり、RGBの各色に対する反
射型液晶ライトバルブを用いる3板式のプロジェクショ
ンにおいてコンバージョンのずれが発生する。
【0015】米国特許第5,083,854号に開示さ
れた従来装置では、その動作原理上、ロッドレンズアレ
イと液晶表示パネルを1対1に対応させる必要があるた
め、両者のピッチを一致させなければならない。しか
し、近時、液晶パネルの画素ピッチは100μm前後の
ものが開発されており、HDTVに対応する高精度のも
のでは30μm前後のもの(SID´93digest
P383−386)が最近開発されているのに対し、
現在商品化されているロッドレンズアレイ、例えば日本
板硝子(株)製のセルフォックレンズR のピッチは1m
m程度であり、液晶パネルの画素ピッチと比べて非常に
大きく、これらを一致させるのは技術的に困難である。
仮に、この点が解決されたとしても一つのセルフォック
レンズR (登録商標)により対応する画素だけでなく隣
の画素も結像する画素の二重結像を防止するため、照明
光の平行度をかなり制限する必要があり、書き込み光が
極端に暗くなる。セルフォックレンズR と画素とが位置
ずれを起こすと、モアレ縞が発生するため、両者の正確
な位置合わせが必要であり、その手間が煩雑である。
【0016】特開平2−149823号公報に開示され
ている反射型液晶ライトバルブの書き込み光源側のガラ
ス基板にファイバープレートを配置する方法では、ファ
イバープレート自体が非常に高価であり、画像表示装置
のコストがアップする。
【0017】本発明は、上記のような課題を解消するた
めになされたもので、光学系のコンパクト化を図り、高
解像度な画像を得ることを目的としている。
【0018】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、前述の
目的は、光照射により像を形成する光書き込み型液晶ラ
イトバルブ手段と、前記液晶ライトバルブ手段に書き込
まれる光パターンを形成するマトリックス型液晶表示パ
ネル手段と、前記マトリックス型液晶表示パネル手段に
光を照射する照明手段と、前記マトリックス型液晶表示
パネル手段と前記液晶ライトバルブ手段との間に配置さ
れており、前記マトリックス型液晶表示パネル手段から
出射される光を受容する正立等倍結像手段とを具備する
投影型画像表示装置であって、前記正立等倍結像手段の
光の受光角θ(半角)、及び前記照明手段から出射され
る光の平行度α(半角)のいずれもがtan-1(P/3
1/2 ・L)よりも大きく、かつ、前記受光角θ(半角)
または前記平行度α(半角)の少なくとも一方が20°
以下であり、ここで、Pは前記正立等倍結像手段のピッ
チ、Lは前記正立等倍結像手段の光の入射端面からマト
リックス型液晶表示パネルの画素までの距離である請求
項1に記載の投影型画像表示装置によって達成される。
【0019】本発明によれば、前述の目的は、前記マト
リックス型液晶表示パネル手段の対角長が76mm(3
型)以下である請求項2に記載の投影型画像表示装置に
よって達成される。
【0020】本発明によれば、前述の目的は、前記マト
リックス型液晶表示パネル手段を構成する画素のピッチ
が100μm以下である請求項3に記載の投影型画像表
示装置によって達成される。
【0021】本発明によれば、前述の目的は、前記照明
手段からの照明光の主光線は、前記マトリックス型液晶
表示パネル手段の法線に対し、マトリックス型液晶表示
パネル手段の視角方向に傾斜して照射される請求項4に
記載の投影型画像表示装置によって達成される。
【0022】
【作用】請求項1の投影型画像表示装置によれば、正立
等倍結像手段の受光角θ(半角)及び照明手段から出射
される光の平行度α(半角)のいずれもがtan-1(P
/31/2 ・L)(Pは正立等倍結像手段のピッチ、Lは
入射端面からマトリックス型液晶表示パネル手段の画素
までの距離)よりも大きく、かつ前記受光角θ(半角)
または前記平行度α(半角)の少なくとも一方が20°
以下であるので、視差による解像度の低下がなく、かつ
高コントラストな画像が得られる。
【0023】請求項2の投影型画像表示装置によれば、
前記マトリックス型液晶表示パネル手段の対角長が76
mm(3型)以下であるので、光学系のコンパクト化が
図れる。
【0024】請求項3の投影型画像表示装置によれば、
前記マトリックス型液晶表示パネル手段を構成する画素
のピッチが100μm以下であるので更に光学系のコン
パクト化が図れる。
【0025】請求項4の投影型画像表示装置によれば、
ファイバー光源からコリメートレンズを介し出射される
照明光の主光線が、前記マトリックス型液晶表示パネル
手段の法線に対し、マトリックス型液晶表示パネル手段
の視角方向に傾斜して照射されるので、液晶表示パネル
の最適視角方向に照射され、更に高コントラストな画像
が得られる。
【0026】
【実施例】以下、本発明の投影型画像表示装置の第1の
実施例を図1を参照しながら説明する。
【0027】投影型画像表示装置は、光を照射する照明
手段としての書き込み用バックライト光源9と、光パタ
ーンを形成するマトリックス型液晶表示パネル手段とし
ての3型液晶表示パネル1と、液晶表示パネル1に形成
された光パターンを正立等倍結像する正立等倍結像手段
としてのロッドレンズアレイ2と、ロッドレンズアレイ
2からの光に対応した画像を形成する反射型液晶ライト
バルブ3と、読み出し用光源4と、読み出し用光源4か
らの光を偏光ビームスプリッタ6に平行光に変換後入射
させるコンデンサーレンズ5と、所定偏光方向の光を反
射する偏光ビームスプリッタ6と、偏光ビームスプリッ
タ6を透過した反射光を拡大する投影レンズ7と、投影
レンズ7により拡大された画像を投影するスクリーン8
とを具備している。なお、ライトバルブ3の構成は、図
10と同一なので詳細な説明を省略する。ここで、液晶
表示パネル1の絵素ピッチは縦40×横40μm、開口
部は縦20×横20μmのアクティブマトリックス方式
である。
【0028】ロッドレンズアレイ2は、図2に示すよう
に、複数のロッドレンズ2aが千鳥格子状に積層されて
いる。ロッドレンズ2aは、屈折率が中心軸から周辺に
向かって減少していくロッド状レンズであり、従来のレ
ンズが光の入出力端面の曲面により光を屈折させて結像
するのに対し、ロッドレンズは、図3に示すように、ロ
ッドレンズ内に形成された屈折率分布で連続的に光を屈
折させて像を形成する。従って、両端面が平面であって
もレンズ作用を示す。ロッドレンズは、図4に示す様
に、それ自体で受光角θの制限が可能であるが、図4
(a)に示すように、受光角θを小さくし過ぎると、そ
れぞれのロッドレンズが受け持つ結像範囲が狭くなり、
ロッドレンズをアレイ状に配置しても個々のロッドレン
ズの結像範囲がオーバーラップせず、画面全体がとぎれ
とぎれになってしまうため、受光角を次に示す値以上に
設定する必要がある。ロッドレンズアレイ2は、図5に
示すようにロッドレンズ2aが俵積み状になっているた
め、それぞれのロッドレンズ2aの結像範囲が隙間無く
オーバーラップするための条件は、ロッドレンズアレイ
2のピッチをP、光の入射端面からマトリックス型液晶
表示パネルの画素までの距離をL、受光角をθ(半角)
とすると、結像範囲を図中の点線より大きく、例えば結
像範囲の半径を線分ABより長くする必要があるため、 tan-1(P/31/2 ・L)≦θ の条件を満たすような受光角θを設定しなければならな
い。なお、Aはロッドレンズ2aの中心であり、Bは三
つのロッドレンズの中心を結んだ正三角形の中心であ
る。
【0029】しかし、受光角を大きくし過ぎると、図6
に示すように、液晶表示パネルの視角依存性によりコン
トラストの低下が発生する。このため、本発明では、結
像範囲がオーバーラップするための最小の受光角を下限
に、実用レベル以上のコントラスト、例えば100以上
が得られる受光角を上限に選び、ロッドレンズの受光角
を規定している。
【0030】なお、ロッドレンズの受光角を制限した
が、液晶表示パネル1を照明する照明光の平行度をロッ
ドレンズの受光角と同様に規定することにより同様の効
果が得られる。
【0031】液晶表示パネルのコントラストの高い最適
視角はラビング方向により異なるが、通常液晶表示パネ
ル法線より数度傾いているため、最適視角方向に照明光
が入射するように、照明光または液晶表示パネルを傾け
ることによりロッドレンズの受光角及び照明光の平行度
を制限する効果がより有効となる。なお、本発明におい
ては、ロッドレンズと液晶表示パネルとのアライメント
は必要ない。
【0032】次に、本実施例の動作について説明する。
【0033】バックライト光源9より放射された光は、
液晶表示パネル1により選択的に透過または遮断され、
ロッドレンズアレイ2を通して反射型液晶ライトバルブ
3の光導電体層11に入射される。読み出し用光源4か
らの光がコンデンサーレンズ5によって集光され、偏光
ビームスプリッタ6により直線偏光されて反射型液晶ラ
イトバルブ3に入射される。ライトバルブ3に入射され
た光は、誘電体ミラー18によって反射されて再び偏光
ビームスプリッタ6に入射される。誘電体ミラー18に
より反射された光のうち画像が表示された液晶層部分す
なわち光導電体層11に光が入射して液晶に電界が加わ
った部分を透過した光は、液晶の電気光学的効果によっ
て偏光方向が変化するので、ビームスプリッタ6を透過
できる。この透過光は投影レンズ7によって拡大され、
ライトバルブ3に形成された画像がスクリーン8に投影
される。
【0034】例えば、ロッドレンズアレイ2として日本
板硝子(株)製のセルフォックレンズR (登録商標)を
用いる。本実施例においては、図7に示すように、セル
フォックレンズR として直径1.2mmφ、物体−レン
ズ間及びレンズ−像間距離を8mmに設定した正立等倍
結像のものをピッチ1.3mmで俵積み状に2次元アレ
イ化して用いており、その受光角θ(半角)は、 tan-1(1.3/31/2 ・8)=5.3°≦θ≦20° となるため、θ=10°に設定されている。
【0035】上記条件の下で液晶表示パネル1に表示さ
れた画像がセルフォックレンズR 2により光導電体層1
1上で結像され、視差による解像度の低下がなくかつ1
00以上の高いコントラストの画像が得られる。
【0036】なお、上述実施例においては、日本板硝子
(株)製のセルフォックレンズR を用いて説明したが、
コーニング社製の“SMILElenses”R (登録
商標)のような正立等倍結像機能を有するレンズであれ
ばどの様なものでもよい。
【0037】次に、本発明に投影型画像表示装置の第2
の実施例を図8を参照しながら説明する。なお、図1と
同一構成部分には同一符号を付して説明を省略する。
【0038】投影型画像表示装置は、照明用の光源とし
て出射端が21mmφのファイバー光源12と、焦点距
離が60mmのコリメートレンズ13とを具備してお
り、これにより照射光の平行度αを規定している。な
お、セルフォックレンズR 2の直径、ピッチ、物体−レ
ンズ間距離及びレンズ−像間距離は上述第1の実施例と
同様であり、受光角は25°のものを用い、照射光の平
行度αを次式より α=tan-1(21/2×60) ≒10° に設定している。従って、上述第1の実施例と同様に高
解像度かつ高コントラストな画像が得られる。
【0039】なお、ファイバー光源12の出射端を光軸
からずらし、照明光の角度分布を図6に示す液晶表示パ
ネルの最適視角方向に約4°傾けると、更に高コントラ
ストな画像が得られる。
【0040】
【発明の効果】以上説明したように、請求項1の投影型
画像表示装置によれば、正立等倍結像手段の受光角θ
(半角)及び照明手段から出射される光の平行度α(半
角)のいずれもがtan-1(P/31/2 ・L)(Pは正
立等倍結像手段のピッチ、Lは入射端面からマトリック
ス型液晶表示パネル手段の画素までの距離)よりも大き
く、かつ前記受光角θ(半角)または前記平行度α(半
角)の少なくとも一方が20°以下であるので、視差に
よる解像度の低下がなく、かつ高コントラストな画像が
得られる。
【0041】これにより、請求項2に記載の画面の対角
長が76mm以下(3インチ)で、請求項3に記載の画
素ピッチが100μm以下の小型で高精細な液晶パネル
を用いることができるため、光学系のコンパクト化を図
れ、地磁気の影響をまったく受けない画像が提供でき
る。
【0042】請求項4の投影型画像表示装置によれば、
ファイバー光源からコリメートレンズを介し出射される
照明光の主光線が、前記マトリックス型液晶表示パネル
手段の法線に対し、マトリックス型液晶表示パネル手段
の視角方向に傾斜して照射されるので、液晶表示パネル
の最適視角方向に照射され、更に高コントラストな画像
が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施例の投影型画像表示装置の
概略構成を示す図である。
【図2】本発明の第1の実施例の投影型画像表示装置の
ロッドレンズアレイを示す斜視図である。
【図3】本発明の第1の実施例の投影型画像表示装置の
ロッドレンズアレイの屈折原理を説明するための図であ
る。
【図4】本発明の第1の実施例の投影型画像表示装置の
ロッドレンズアレイの入射角を示す図である。
【図5】本発明の第1の実施例の投影型画像表示装置の
ロッドレンズアレイを示す正面図である。
【図6】液晶表示パネルのコントラスト比の視角依存性
を示す図である。
【図7】本発明の第1の実施例の投影型画像表示装置の
ロッドレンズアレイの拡大図である。
【図8】本発明の第2の実施例の投影型画像表示装置の
概略構成を示す図である。
【図9】従来の投影型画像表示装置の概略構成を示す図
である。
【図10】反射型液晶ライトバルブを示す断面図であ
る。
【図11】従来の投影型画像表示装置の概略構成を示す
図である。
【図12】透過型表示パネルを示す断面図である。
【符号の説明】
1 液晶表示パネル 2 ロッドレンズアレイ 3 反射型液晶ライトバルブ 4 読み出し用光源 5 コンデンサーレンズ 6 偏光ビームスプリッタ 7 投影レンズ 8 スクリーン 9 書き込み用バックライト光源 10 遮光層 11 光導電体層 12 ファイバー光源 13 コリメートレンズ 14 CRT 15 レンズ 16a,b ガラス基板 17a,b 透明電極 18 誘電体ミラー 19a,b 配向膜 20 スペーサー 21 液晶層 22 交流電源 23 書き込み用光源 24 レンズ 25 透過型表示パネル 26a,b 対向基板、TFT基板 27 液晶層 28 スペーサー 29 スイッチング素子 30 絵素領域
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平6−118439(JP,A) 特開 平2−55386(JP,A) 米国特許5083854(US,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) G02B 27/18 G02F 1/13 505 G02F 1/1347 H04N 5/74

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 光照射により像を形成する光書き込み型
    液晶ライトバルブ手段と、前記液晶ライトバルブ手段に
    書き込まれる光パターンを形成するマトリックス型液晶
    表示パネル手段と、前記マトリックス型液晶表示パネル
    手段に光を照射する照明手段と、前記マトリックス型液
    晶表示パネル手段と前記液晶ライトバルブ手段との間に
    配置されており、前記マトリックス型液晶表示パネル手
    段から出射される光を受容する正立等倍結像手段とを具
    備する投影型画像表示装置であって、 前記正立等倍結像手段の光の受光角θ(半角)、及び前
    記照明手段から出射される光の平行度α(半角)のいず
    れもがtan-1(P/31/2 ・L)よりも大きく、かつ
    前記受光角θ(半角)または前記平行度α(半角)の少
    なくとも一方が20°以下であり、ここで、Pは前記正
    立等倍結像手段のピッチ、Lは前記正立等倍結像手段の
    光の入射端面からマトリックス型液晶表示パネルの画素
    までの距離である投影型画像表示装置。
  2. 【請求項2】前記マトリックス型液晶表示パネル手段の
    対角長が76mm(3型)以下である請求項1に記載の
    投影型画像表示装置。
  3. 【請求項3】前記マトリックス型液晶表示パネル手段を
    構成する画素のピッチが100μm以下である請求項1
    又は2に記載の投影型画像表示装置。
  4. 【請求項4】 前記照明手段からの照明光の主光線は、
    前記マトリックス型液晶表示パネル手段の法線に対し、
    マトリックス型液晶表示パネル手段の視角方向に傾斜し
    て照射される請求項1から3のいずれか一項に記載の投
    影型画像表示装置。
JP8507294A 1993-06-02 1994-04-22 投影型画像表示装置 Expired - Fee Related JP2972079B2 (ja)

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