JP3783920B2 - 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、コントラストや色度が良好で、広視野角特性を有する液晶表示装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
最近、液晶表示装置は、情報表示、画像表示等に広く利用されている。
この液晶表示装置について図6及び図7を用いて説明する。
図6は、従来の液晶表示装置に用いられる反射型空間光変調部を示す図である。
図7は、従来の液晶表示装置を示す図である。
図7中、液晶表示装置20は、シリコン基板5、画素電極7を有する画素電極層8、液晶層10及び透明ガラス板13のみを図示してあり、その他の構成は省略してある。
【0003】
まず、従来の液晶表示装置20に用いられる反射型空間光変調部19について図6を用いて説明する。
図6に示すように、反射型空間光変調部19は、シリコン基板5上に形成されたアクティブマトリクス駆動回路6と、このアクティブマトリクス駆動回路6によって選択的に制御駆動される画素電極7をマトリクス状に規則的に配列せしめた画素電極層8と、配向膜9と、液晶層10と、配向膜11及び透明な画素電極12を備えた透明ガラス板13とを順次積層した構成を有している。
【0004】
ここで、液晶層10には、負の誘電率異方性を有するネマティック液晶が用いられ、このネマティック液晶の中で、例えば、長い電荷保持時間を有するフッ素系液晶化合物が用いられている。
このネマチック液晶は、初期状態(電圧を印加しない状態)でその液晶分子の長軸がシリコン基板5の表面に対して垂直あるいは僅かな傾きをもつホメオトロピック配向を有している。また、光学的に正の複屈折率を有し、ラグビーボール型の屈折率楕円体を有している。
【0005】
このネマチック液晶の光変調率は、液晶分子の長軸がシリコン基板5の表面に対する法線となす角を大きくすることによって、大きくすることができる。
一般に、液晶分子の配向は、液晶層10に入射する光の波面の方向に対して最もリタデーションが大きくなる45°方向になるように選択される。
なお、液晶層10のリタデーションは、液晶層10の屈折率異方性とその厚さの積として表わされる。
【0006】
次に、この反射型空間光変調部19の作用を説明する。
画像信号電圧が液晶層10に印加された状態で、読み出し光を透明ガラス板13側から入射させると、この読み出し光は、画像信号電圧に応じて液晶層10で光変調された後、画素電極層8によって反射され、再び液晶層10で光変調されて透明ガラス板13から画像情報光として出射する。
【0007】
次に、従来の液晶表示装置20について図7を用いて説明する。
図7に示すように、従来の液晶表示装置20の構成は、発光ダイオードや半導体レーザ等からなる光源2と、光源2から出射される不定偏光の読み出し光を平行光にするコンデンサレンズ21と、前記読み出し光を選択的に偏光分離し、S偏光成分(若しくはP偏光成分)を反射し、前記S偏光成分(若しくはP偏光成分)と直交するP偏光成分(若しくはS偏光成分)を透過する偏光ビームスプリッタ22と、前記反射されたS偏光成分(若しくはP偏光成分)を画像情報に応じて液晶層10で光変調してP偏光成分(若しくはS偏光成分)にした後、画素電極層8で反射させて、再び液晶層10で光変調し、透明ガラス板13側から出射する反射型空間光変調部19と、反射型空間光変調部19から出射したP偏光成分(若しくはS偏光成分)を偏光ビームスプリッタ22に再入射させ、通過させた後、必要に応じて配設され、虚像の画像を観測位置Mの観察者側に結像するレンズ4とからなる。
【0008】
次に、この液晶表示装置20の作用について説明する。
光源2から出射された不定偏光の読み出し光をコンデンサレンズ21で平行にした後、偏光ビームスプリッタ22に入射させ、この偏光ビームスプリッタ22により選択的に偏光分離された読み出し光のうち、P偏光成分(S偏光成分)を透過させ、S偏光成分(P偏光成分)を反射し、このS偏光成分(若しくはP偏光成分)を反射型空間光変調部19に入射させる。
前記S偏光成分(若しくはP偏光成分)は、反射型空間光変調部19の液晶層10において、画像情報に基づきP偏光成分(若しくはS偏光成分)に光変調される。
【0009】
この後、この画像情報を含むP偏光成分(若しくはS偏光成分)を反射型空間光変調部19の画素電極層8で反射させた後、再び液晶層10で光変調し、反射型空間光変調部19の透明ガラス板13側から出射させ、再度偏光ビームスプリッタ22を通過させ、次にレンズ4で拡大した虚像を観測位置Mの観察者側に結像する。
このようにして、観察者は、この拡大された虚像からなる仮想の画像を見ることができる。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、液晶表示装置20の場合には、図7に示すように、観察者が偏光ビームスプリッタ22の斜め方向(図6中では右下方)の観測位置M0から見ると、この偏光ビームスプリッタ22の視野角依存性により、コントラストや色度が変化して見えていた。
【0011】
このように、偏光ビームスプリッタ22に視野角依存性があると、偏光ビームスプリッタ22への読み出し光の入射角や観察者の観測位置が異なることにより、コントラストや色度が変化するため、高品質の画像表示ができないといった問題を生じていた。
【0012】
また、一般的に、偏光ビームスプリッタ22の材質は、ガラスであるため、重くて嵩張り、価格が高いといった問題があった。
更に、観察者が反射型空間光変調部19を斜め方向(図6中では右下方)の観測位置M0から見ると、液晶層10の屈折率異方性のために、液晶層10に電圧が印加されていない場合でも、この液晶層10にリタデーションが生じる。
このため、液晶層10に光変調作用を生じ、観察者は、黒表示としてみることができない。即ち、反射型空間光変調部19から出射した光を漏れ光として観察することになる。このため、コントラストが低下して、高コントラスト比な画像が得られる視野角が狭かった。
【0013】
そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、偏光ビームスプリッタを用いず、読み出し光の入射角や観測位置依存性が低減された高コントラストで、色度の変化が小さい液晶表示装置を提供することを目的とする。
【0014】
【課題を解決するための手段】
本発明は、光源と、この光源から出射される読み出し光を前記読み出し光に応じた画像情報で光変調し反射して画像情報光として出射する反射型空間光変調部と、前記反射型空間光変調部から出射された前記画像情報光を観察者側に結像させるレンズと、を備えた液晶表示装置において、前記反射型空間光変調部は、基板上に画素電極と、負の誘電率を有する液晶層と、透明ガラス基板と、前記読み出し光の波長をλとして、リタデーション値が(1/4)λである位相差フィルムが複数枚組み合わされてなる第1の位相差フィルムと、前記読み出し光を直線偏光にする偏光板と、が順次積層され、前記透明ガラス基板と前記第1の位相差フィルムとの間に、前記液晶層のリタデーション値と光学的に正負が反対で、かつその大きさが同一となる第2の位相差フィルムを設けたことを特徴とする液晶表示装置を提供する。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態における液晶表示装置について、図1乃至図5を用いて説明する。
従来技術と同一構成には同一符号を付し、その説明を省略する。
図1は、本発明の実施形態における液晶表示装置を示す図である。
図1中、反射型空間光変調部3は、シリコン基板5、画素電極7を有する画素電極層8、液晶層10、透明ガラス板13、位相差フィルム14及び偏光板15のみを図示してあり、その他の構成は省略してある。
図2は、本発明の実施形態で用いられる第1反射型空間光変調部を示す図である。
図3は、位相差フィルムの波長分散特性を示す図である。
図4は、本発明の実施形態で用いられる第2反射型空間光変調部を示す図である。
図5は、本発明の実施形態で用いられる第3反射型空間光変調部を示す図である。
【0016】
図1に示すように、本発明の実施形態における液晶表示装置1の構成は、従来の液晶表示装置20における反射型空間光変調部19の代わりに第1反射型空間光変調部3を、偏光ビームスプリッタ22を用いずに読み出し光を直接第1反射型空間光変調部3に入射させるようにしたものである。
【0017】
また、図2に示すように、第1反射型空間光変調部3は、従来の反射型空間光変調部19における透明ガラス基板13上に1/4波長位相差フィルム14A(以下、λを波長として、(1/4)λ位相差フィルム14Aという)と1/2波長位相差フィルム14B(以下、(1/2)λ位相差フィルム14Bという)からなる位相差フィルム14と、読み出し光を直線偏光にする偏光板15とを順次積層したもので、それ以外は従来と同様である。
【0018】
ここでは、読み出し光の偏光方向が、偏光板15の透過軸方向(若しくは消光軸方向)と0°をなす時、位相差フィルム14を構成する(1/4)λ位相差フィルム14Aの遅相軸方向(若しくは進相軸方向)は、偏光板15の透過軸方向(若しくは消光軸方向)とのなす角が80°で、そのリタデーション値が134nmであり、(1/2)λ位相差フィルム14Bの遅相軸方向(若しくは進相軸方向)は、偏光板15の透過軸方向(若しくは消光軸方向)とのなす角が17.5°で、そのリタデーション値が270nmである。
【0019】
ここで、位相差フィルム14の波長分散特性について図3を用いて説明する。波長分散特性は、位相差フィルム14に可視光領域400nm〜700nmの読み出し光を入射させ、その時のリタデーション値を測定して調べた。
図3中、Pは、位相差フィルム14が遅相軸方向(若しくは進相軸方向)を所定の角度をなすようにして重ね合わされた(1/4)λ位相差フィルム14Aと(1/2)λ位相差フィルム14Bとからなる2枚の場合、Qは、位相差フィルム14が(1/4)λ位相差フィルム14Aだけの1枚の場合であり、縦軸は、リタデーション/波長であり、横軸は、読み出し光の波長(nm)である。
そして、可視光領域(400nm〜700nm)におけるリタデーション/波長値が一定になるほど波長依存性は、小さいことを示す。
【0020】
図3に示すように、読み出し光の波長が400nm〜700nmの可視光領域では、波長分散は、Qの場合には大きく変化しているのに対して、Pの場合には、小さい。
即ち、位相差フィルム14として、(1/4)λ位相差フィルム14Aと(1/2)λ位相差フィルム14Bとを重ね合わせた場合には、偏光板15により読み出し光を直線偏光にして、この位相差フィルム14に入射させれば、広帯域で円偏光が得られることを示している。
【0021】
例えば、緑色光を円偏光にする(1/4)λ位相差フィルム14Aでは、赤色光、青色光は楕円偏光となるが、(1/2)λ位相差フィルム14Bがこの楕円偏光を円偏光に補正を行う作用を有することになるので、波長分散を小さくすることができる。
なお、(1/2)λ位相差フィルム14Bは、2枚の(1/4)λ位相差フィルムで構成するようにしても良い。
位相差フィルム14として、リタデーション値が(1/4)λで、複数枚の位相差フィルムからなる構成にしても良い。このようにしても同様な効果が得られる。
【0022】
次に、本発明の実施形態における液晶表示装置1の作用について説明する。
光源2から出射された不定偏光の読み出し光を第1反射型空間光変調部3に入射させる。
この後、第1反射型空間光変調部3において、読み出し光を偏光板15に通過させて直線偏光にした後、位相差フィルム14で円偏光にし、液晶層10を通過させ偏光状態を変え、画素電極層8で旋回方向を左右反転させて、反射させ、再び液晶層10を通過させて、偏光状態を変え、位相差フィルム14で偏光方向が同じ直線偏光に戻る成分を偏光板15から出射させる。
次に、偏光板15を出射した読み出し光をレンズ4で拡大した虚像を見る。
【0023】
ここで、第1反射型空間光変調部3による画像表示について詳細に説明する。
第1反射型空間光変調部3が駆動していない場合には、第1反射型空間光変調部3に入射する読み出し光は、偏光板15を通過して直線偏光となった後、位相差フィルム14を通過して円偏光になり、更に、液晶層10を通過した後、画素電極層8で反射された際に光の旋回方向が左右交換し、再び液晶層10を通過して、位相差フィルム14に入射する。次に、この読み出し光は、位相差フィルム14で偏光板15の透過軸と90°偏光方向が異なった直線偏光となって、偏光板15に入射するので、偏光板15からは出射されないため暗状態となり、黒表示となる。
【0024】
第1反射型空間光変調部3が駆動している場合には、第1反射型空間光変調部3に入射する読み出し光は、偏光板15を通過して直線偏光となった後、位相差フィルム14を通過して円偏光になり、更に、液晶層10で変調されて偏光状態を変え、画素電極層8で旋回方向を左右反転させて反射され、再び液晶層10で変調されて偏光状態を変え、位相差フィルム14に入射する。次に、この読み出し光は、位相差フィルム14で偏光板15の透過軸と同じ偏光方向に戻る直線偏光成分が偏光板15から出射するので、明状態となり、画像が表示される。
【0025】
また、第1反射型空間光変調部3の代わりに、図4に示すような第2反射型空間光変調部16を用いても良い。
第2反射型空間光変調部16は、第1反射型空間光変調部3における位相差フィルム14と透明ガラス板13との間に液晶層10のリタデーションと光学的に正負が反対で、かつ大きさが略同一となるポリカーボネートからなる位相差フィルム17を形成したのものであり、これ以外は同一構成である。
位相差フィルム17は、光学的に負の複屈折率を有し、かつ厚さ方向にリタデーション値を有するアンパン型の屈折率楕円体である。
【0026】
液晶層10は、光学的に正の複屈折率を有し、これの液晶分子は面方向にリタデーションを有するラグビーボール型の屈折率楕円体となる。このため、偏光板15側から第2反射型空間光変調部16を見ると、屈折率楕円体は球型となり、液晶層10のリタデーション値は、位相差フィルム17のリタデーション値で光学的に補償される。この結果、第2反射型空間光変調部16を斜め方向から見た場合でも、光透過がなくなり、広視野角で高コントラストな画像が得られる。
【0027】
更にまた、第1反射型空間光変調部3の代わりに、図5に示すような第3反射型空間光変調部18を用いても良い。
第3反射型空間光変調部18は、第1反射型空間光変調部3における液晶層10中にこの厚さよりも径が小さい疎水性の球状のシリカ粒子Sを混入させたものであり、それ以外は同一構成である。
このシリカ粒子Sの代わりに球状のプラスチック粒子を用いても良い。このプラスチック粒子としては、例えば、ポリメチルメタアクリレート(略して、PMMA)がある。
【0028】
第3反射型空間光変調部18では、シリカ粒子Sが疎水性であるので、液晶層10の液晶分子は、シリコン基板5の表面に対してだけでなく、このシリカ粒子Sの周囲表面に対しても垂直あるいは僅かな傾きをもつ。即ち、液晶層10の液晶分子は、シリカ粒子Sを中心として放射状に分布する。
このため、第3反射型空間光変調部18が駆動している場合には、液晶層10の液晶分子が電界の影響を受けてさまざまな方向に傾斜する。
【0029】
この結果、第3反射型空間光変調部18に入射する読み出し光は、第1反射型空間光変調部3と同様に、偏光板15を通過して直線偏光となった後、位相差フィルム14を通過して円偏光になり、更に、液晶層10で変調されて偏光状態を変え、画素電極層8で旋回方向を左右反転させて反射され、再び液晶層10で変調されて偏光状態を変え、位相差フィルム14に入射し、位相差フィルム14で偏光板15の透過軸と同じ偏光方向に戻る直線偏光成分が偏光板15から出射する。この際、液晶層10の液晶分子が電界の影響を受けて、さまざまな方向に傾斜するので、読み出し光は、この液晶分子により、等方的に広視野角で放射されるので、液晶分子の傾く方向が全方向になる。このため、観測する方向によるリタデーションの差がなくなり、広視野角な画像が得られる。
【0030】
以上のように、本発明の実施形態の構成によれば、第1反射型空間光変調部3の透明ガラス板13上にリタデーション値が(1/4)λである複数枚の位相差フィルム14と、読み出し光を直線偏光にする偏光板15とを順次積層する構成にしたので、偏光変換に偏光ビームスプリッタ22が不用となり、観察者が斜め方向から直視しても視野角依存性が小さく、色度の変化が小さい画像が得られ、かつ軽量で安価となる。
【0031】
また、第1反射型空間光変調部3の代わりに第2反射型空間光変調部16を用いれば、観察者が斜め方向から見ても、液晶層10のリタデーションを位相差フィルム17のリタデーションで補償するため、更に広視野角で高コントラストな画像が得られる。
【0032】
更にまた、第1反射型空間光変調部3の代わりに第3反射型空間光変調部18を用いれば、観察者が斜め方向から見ても、液晶層10中に疎水性のシリカ粒子Sを混入させて、液晶層10の液晶分子がシリカ粒子Sを中心として放射状に分布するようにしているため、液晶分子の傾く方向が全方向になり、広視野角な画像が得られる。
シリカ粒子Sの代わりにプラスチック粒子を用いても同様の効果が得られる。
【0033】
第1、第2及び第3反射型空間光変調部3、16、18における位相差フィルム14は、透明ガラス板13上に形成したが、偏光板15と共に、この透明ガラス板13から離間して配置しても良い。また、第2反射型空間光変調部16における位相差フィルム17は、この上に積層された位相差フィルム14、偏光板15と共に透明ガラス板13から離間して配置しても良い。
【0034】
本発明の実施形態では、MOS型トランジスタの代わりにアモルファスシリコンやポリシリコンの薄膜トランジスタを用いても同様の効果が得られる。
また、本発明によれば、マイクロディスプレイの分野や投射光学系により大きな投射像を形成するプロジェクタ分野への応用が可能である。
【0035】
【発明の効果】
本発明の液晶表示装置によれば、光源と、この光源から出射される読み出し光を前記読み出し光に応じた画像情報で光変調し反射して画像情報光として出射する反射型空間光変調部と、前記反射型空間光変調部から出射された前記画像情報光を観察者側に結像させるレンズと、を備えた液晶表示装置において、前記反射型空間光変調部は、基板上に画素電極と、負の誘電率を有する液晶層と、透明ガラス基板と、前記読み出し光の波長をλとして、リタデーション値が(1/4)λである位相差フィルムが複数枚組み合わされてなる第1の位相差フィルムと、前記読み出し光を直線偏光にする偏光板と、が順次積層され、前記透明ガラス基板と前記第1の位相差フィルムとの間に、前記液晶層のリタデーション値と光学的に正負が反対で、かつその大きさが同一となる第2の位相差フィルムを設けたので、液晶層のリタデーション値が第2の位相差フィルムのリタデーション値で光学的に補償されるので、完全な暗表示を行うことができ、かつ観察者が斜め方向から見ても、広視野角で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】本発明の実施形態における液晶表示装置を示す図である。
【図2】本発明の実施形態で用いられる第1反射型空間光変調部を示す図である。
【図3】位相差フィルムの波長分散特性を示す図である。
【図4】本発明の実施形態で用いられる第2反射型空間光変調部を示す図である。
【図5】本発明の実施形態で用いられる第3反射型空間光変調部を示す図である。
【図6】従来の液晶表示装置に用いられる反射型空間光変調部を示す図である。
【図7】従来の液晶表示装置を示す図である。
【符号の説明】
1…液晶表示装置、2…光源、3…第1反射型空間光変調部(反射型空間光変調部)、4…レンズ、5…シリコン基板(基板)、6…アクティブマトリクス駆動回路、7…画素電極、8…画素電極層、9,11…配向膜、10…液晶層、12…共通電極、13…透明ガラス板(透明ガラス基板)、14…位相差フィルム(位相差フィルム)、14A…(1/4)λ位相差フィルム、14B…(1/2)λ位相差フィルム、15…偏光板、16…第2反射型空間光変調部(反射型空間光変調部)、17…位相差フィルム(他の位相差フィルム)、18…第3反射型空間光変調部(反射型空間光変調部)、S…シリカ粒子
Claims (1)
- 光源と、この光源から出射される読み出し光を前記読み出し光に応じた画像情報で光変調し反射して画像情報光として出射する反射型空間光変調部と、前記反射型空間光変調部から出射された前記画像情報光を観察者側に結像させるレンズと、を備えた液晶表示装置において、
前記反射型空間光変調部は、基板上に画素電極と、負の誘電率を有する液晶層と、透明ガラス基板と、前記読み出し光の波長をλとして、リタデーション値が(1/4)λである位相差フィルムが複数枚組み合わされてなる第1の位相差フィルムと、前記読み出し光を直線偏光にする偏光板と、が順次積層され、
前記透明ガラス基板と前記第1の位相差フィルムとの間に、前記液晶層のリタデーション値と光学的に正負が反対で、かつその大きさが同一となる第2の位相差フィルムを設けたことを特徴とする液晶表示装置。
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