JP2008026538A - Optical device and projector including the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、画像形成用の光学装置に関し、さらに、当該光学装置を組み込んだプロジェクタに関する。 The present invention relates to an optical device for image formation, and further relates to a projector incorporating the optical device.
従来の液晶プロジェクタとして、ツイストネマティック型の液晶パネルを用い、液晶パネルと入射偏光板や射出偏光板との間に、ラビング方向に向くとともに入射面に対して所定角だけ傾いた光学軸を有する補償用光学素子を配置しているものがある(特許文献1参照)。このような液晶プロジェクタでは、液晶パネルに近接して配置される補償用光学素子の光学軸や厚さの調整によって液晶のプレチルトを補償することができ、コントラストや視野角を改善することができる。
しかし、上記のような液晶プロジェクタでは、液晶パネルの入射側と射出側との双方に一枚ずつもしくは片側に二枚補償用光学素子を配置して液晶層の両表面に形成されるプレチルトに起因する位相ずれを補償しているので、補償用光学素子によるコスト増加が大きく、補償用光学素子を取り付けるための空間確保が容易でなく取付部材や工程が複雑となる。 However, in the liquid crystal projector as described above, it is caused by the pretilt formed on both surfaces of the liquid crystal layer by arranging one piece of compensation optical element on both the incident side and the exit side of the liquid crystal panel or on one side. Since the phase shift is compensated, the cost of the compensation optical element is greatly increased, it is not easy to secure a space for attaching the compensation optical element, and the attachment member and the process are complicated.
そこで、本発明は、低コストかつ省スペースで補償用光学素子を組み込むことができ、良好なコントラストや視野角特性を確保することができる光変調装置すなわち光学装置を提供することを目的とする。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a light modulation device, that is, an optical device, which can incorporate a compensation optical element at low cost and save space and can ensure good contrast and viewing angle characteristics.
上記課題を解決するため、本発明に係る光学装置は、(a)ツイストネマティックモードで動作する液晶を含むとともに、入射面及び射出面に隣接する液晶の光軸が当該入射面及び射出面に対して所定のプレチルト角だけ傾斜配向する液晶セルと、(b)液晶セルの入射側及び射出側のいずれか一方に配置され、負の一様な光学軸を有する一軸性結晶で形成されるとともに、入射面に隣接する液晶の傾斜配向方向に対応する第1ラビング方向と射出面に隣接する液晶の傾斜配向方向に対応する第2ラビング方向とに対してそれぞれゼロでない角度をなす所定の中間方向を光学軸の配向方位とする一種類の光学補償素子と、(c)液晶セル及び光学補償部材を挟むように配置される一対の偏光素子とを備える。 In order to solve the above problems, an optical device according to the present invention includes (a) a liquid crystal that operates in a twisted nematic mode, and the optical axis of the liquid crystal adjacent to the incident surface and the emission surface is relative to the incident surface and the emission surface. A liquid crystal cell that is tilt-aligned by a predetermined pretilt angle, and (b) disposed on either the incident side or the exit side of the liquid crystal cell, and formed of a uniaxial crystal having a negative uniform optical axis, A predetermined intermediate direction that forms a non-zero angle with respect to the first rubbing direction corresponding to the tilt alignment direction of the liquid crystal adjacent to the incident surface and the second rubbing direction corresponding to the tilt alignment direction of the liquid crystal adjacent to the exit surface. One type of optical compensation element having an orientation orientation of the optical axis, and (c) a pair of polarizing elements arranged so as to sandwich the liquid crystal cell and the optical compensation member.
上記光学装置では、液晶セルにおいて入射面及び射出面に隣接する液晶の光軸が入射面の法線に対して所定のプレチルト角だけ傾斜配向しているが、入射側及び射出側のいずれか一方に配置される光学補償素子が、入射側の第1ラビング方向と射出側の第2ラビング方向とに対してそれぞれゼロでない角度をなす所定の中間方向を光学軸の配向方位とする負の一軸性結晶で形成されるので、上記所定の中間方向の調整によって、液晶の入射側及び射出側に形成された各プレチルトによって生じる正面方向に関する像光のリタデーションを近似的に相殺又は低減することができる。これにより、例えば電界が印可されるオン時に液晶セルの正面方向において黒が浮き上がって画像のコントラストが低下する現象を抑えることができる。 In the above optical device, the optical axis of the liquid crystal adjacent to the entrance surface and the exit surface in the liquid crystal cell is inclined with respect to the normal of the entrance surface by a predetermined pretilt angle, but either the entrance side or the exit side. Negative uniaxiality in which the optical compensator arranged in the optical axis is a predetermined intermediate direction that forms a non-zero angle with respect to the first rubbing direction on the incident side and the second rubbing direction on the exit side, respectively. Since it is formed of crystals, the adjustment of the predetermined intermediate direction can approximately cancel or reduce the retardation of the image light in the front direction caused by each pretilt formed on the incident side and the emission side of the liquid crystal. Thereby, for example, it is possible to suppress a phenomenon in which black rises in the front direction of the liquid crystal cell when the electric field is applied and the contrast of the image is lowered.
なお、ツイストネマティック型の液晶セルのオフ状態(すなわち電圧無印可状態)において、入射面及び射出面に隣接する液晶の光軸が入射面の法線に対して傾斜配向する結果として、液晶に所謂プレチルトが生じてしまう。このような入射面と出射面付近の液晶のプレチルトは、液晶セルがオン状態になってもほぼ同じ状態に維持される。本発明では、光学補償素子による補償の対象がオン状態の液晶である場合、このオン状態で入射面及び射出面に隣接する液晶に残存する平均的チルト状態をプレチルトと呼ぶものとし、補償の対象がオフ状態の液晶である場合、このオフ状態で入射面及び射出面に隣接する液晶に残存する平均的チルト状態をプレチルトと呼ぶものとする。 In addition, in the off-state of the twisted nematic liquid crystal cell (that is, the state in which no voltage is applied), the liquid crystal adjacent to the entrance surface and the exit surface is tilted with respect to the normal to the entrance surface. Pretilt occurs. Such a pretilt of the liquid crystal near the entrance surface and the exit surface is maintained in substantially the same state even when the liquid crystal cell is turned on. In the present invention, when an object to be compensated by the optical compensation element is an on-state liquid crystal, an average tilt state remaining in the liquid crystal adjacent to the entrance surface and the exit surface in the on state is referred to as a pretilt, and the compensation object Is an off-state liquid crystal, the average tilt state remaining in the liquid crystal adjacent to the entrance surface and the exit surface in this off state is referred to as pre-tilt.
また、本発明の具体的な態様又は観点によれば、上記光学装置において、光学補償素子の光学軸が、液晶セルの互いに平行な入射面及び射出面の法線方向に対して所定の傾斜角だけ傾斜している。この場合、正面方向に対して傾いた方向に関してもプレチルトの影響を補償することができるので、視野角特性に偏りが発生することを一定範囲で抑制することができる According to a specific aspect or aspect of the present invention, in the optical device, the optical axis of the optical compensation element has a predetermined inclination angle with respect to the normal direction of the incident surface and the exit surface parallel to each other of the liquid crystal cell. Just tilted. In this case, since the influence of the pretilt can be compensated for the direction inclined with respect to the front direction, it is possible to suppress the occurrence of bias in the viewing angle characteristics within a certain range.
本発明のさらに別の態様では、光学補償素子が、液晶セルの入射面及び射出面に平行な入射平面及び射出平面を有するとともに、当該入射平面及び射出平面の法線に対して光学軸を傾斜させた平板素子である。この場合、光学補償素子が液晶セル等に対して平行に配置されるので光学補償素子を簡易に安定した状態で精密に固定することができる。 In yet another aspect of the present invention, the optical compensation element has an incident plane and an emission plane parallel to the incident surface and the emission surface of the liquid crystal cell, and the optical axis is inclined with respect to the normal line of the incident plane and the emission plane. Flat plate element. In this case, since the optical compensation element is arranged in parallel to the liquid crystal cell or the like, the optical compensation element can be simply and accurately fixed in a stable state.
本発明のさらに別の態様では、光学補償素子が、液晶セルの入射面及び射出面に対して傾斜した互いに平行な入射平面及び射出平面を有するとともに、当該入射平面及び射出平面の法線方向に光学軸が存在する平板素子を含む。この場合、光学補償素子の光学軸を入射平面等に垂直な方向に設定することができ、光学補償素子の加工や製作が比較的容易となる。 In yet another aspect of the present invention, the optical compensation element has an entrance plane and an exit plane parallel to each other that are inclined with respect to the entrance plane and the exit plane of the liquid crystal cell, and is in the normal direction of the entrance plane and the exit plane. It includes a flat element with an optical axis. In this case, the optical axis of the optical compensation element can be set in a direction perpendicular to the incident plane and the like, and the processing and production of the optical compensation element are relatively easy.
本発明のさらに別の態様では、光学補償素子が、液晶セル中における液晶のうち入射面及び射出面の近傍に存在する液晶に起因するリタデーションを実効的にキャンセルするような厚さを有する。この場合、液晶セルの正面方向だけでなくその近傍を含めた範囲でリタデーションを効果的に低減することができ、光学装置によって形成される像の画質を高めることができる。 In yet another aspect of the present invention, the optical compensation element has a thickness that effectively cancels the retardation caused by the liquid crystal present in the vicinity of the entrance surface and the exit surface of the liquid crystal in the liquid crystal cell. In this case, the retardation can be effectively reduced not only in the front direction of the liquid crystal cell but also in the range including the vicinity thereof, and the image quality of the image formed by the optical device can be improved.
また、本発明の具体的な態様又は観点によれば、上記光学装置において、光学補償素子が、液晶セルの射出面側に配置されている。この場合、光束調整用のマイクロレンズアレイを入射側に配置しても、コントラストや視野角特性の改善に関して十分な効果が得られる。 According to a specific aspect or aspect of the present invention, in the optical device, the optical compensation element is disposed on the emission surface side of the liquid crystal cell. In this case, even if the microlens array for adjusting the luminous flux is arranged on the incident side, a sufficient effect can be obtained with respect to improvement in contrast and viewing angle characteristics.
本発明のさらに別の態様では、液晶セルが、少なくとも入射側にマイクロレンズアレイを備える。この場合、液晶セルに入射させる光束の角度調整が可能になる。 In yet another aspect of the present invention, the liquid crystal cell includes a microlens array at least on the incident side. In this case, the angle of the light beam incident on the liquid crystal cell can be adjusted.
本発明に係るプロジェクタは、(a)上述した光変調用の光学装置と、(b)光学装置を照明する照明装置と、(c)光学装置によって形成された画像を投射する投射レンズとを備える。 A projector according to the present invention includes (a) the optical device for light modulation described above, (b) an illumination device that illuminates the optical device, and (c) a projection lens that projects an image formed by the optical device. .
上記プロジェクタにおいては、上述の光学装置を備えており、例えばオン時に液晶セルの正面方向において黒が浮き上がって画像のコントラストが低下する現象を抑えることができる。これにより、省スペースでコスト増加を抑えつつ液晶セルによる調光すなわち光変調の精度を向上させることができるので、簡単な構造でありながら高品位の画像を投射できるプロジェクタを提供することができる。 The projector includes the above-described optical device, and can suppress, for example, a phenomenon in which black rises in the front direction of the liquid crystal cell and the contrast of the image decreases when the projector is turned on. As a result, it is possible to improve the dimming, that is, the accuracy of light modulation by the liquid crystal cell while saving space and suppressing an increase in cost. Therefore, it is possible to provide a projector that can project a high-quality image with a simple structure.
〔第1実施形態〕
図1は、本発明の第1実施形態に係る光学装置である液晶ライトバルブ(光変調装置)の構造を説明する拡大断面図である。
[First Embodiment]
FIG. 1 is an enlarged cross-sectional view illustrating the structure of a liquid crystal light valve (light modulation device) that is an optical device according to a first embodiment of the present invention.
図示の液晶ライトバルブ31において、入射側の偏光板である第1偏光フィルタ31bと、射出側の偏光板である第2偏光フィルタ31cとは、クロスニコルを構成する。これら第1及び第2偏光フィルタ31b,31cの間に挟まれた偏光変調部31aは、入射光の偏光方向を、入力信号に応じて画素単位で変化させる液晶パネルである。
In the illustrated liquid
偏光変調部31aは、ツイストネマティックモードで動作する液晶(すなわちツイストネマティック型の液晶)で構成される液晶層71を挟んで、入射側に透明な第1基板72aと、射出側に透明な第2基板72bとを備える。さらに、偏光変調部31aは、入射側の第1基板72aの外側に入射側カバー74aを備え、射出側の第2基板72bの外側に射出側カバー74bを備える。なお、図示を省略しているが、第1基板72aには、後述する液晶セル(画素)に対応して配置される例えば微小レンズからなるマイクロレンズアレイが埋め込むように形成されている。
The
第1基板72aの液晶層71側の面上には、透明な共通電極75が設けられており、その上には、例えば配向膜76が形成されている。一方、第2基板72bの液晶層71側の面上には、マトリクス状に配置された複数の透明画素電極77と、各透明画素電極77に電気的に接続されている薄膜トランジスタ(不図示)とが設けられており、その上には、例えば配向膜78が形成されている。ここで、第1及び第2基板72a,72bと、これらに挟まれた液晶層71と、電極75,77とは、入射光の偏光状態を変化させるための液晶セルとなっている。また、液晶セルを構成する各画素は、1つの画素電極77と、共通電極75と、これらの間に挟まれた液晶層71とを含む。なお、第1基板72aと共通電極75との間には、各画素を区分するように格子状のブラックマトリックス79が設けられている。
A transparent
ここで、配向膜76,78は、液晶層71を構成する液晶性化合物を必要な方向に配列させるためのものである。配向膜76は、これに接する液晶性化合物を第1ラビング方向(X軸方向)に配向させ、配向膜78は、これに接する液晶性化合物を第2ラビング方向(Y軸方向)に配向させる。液晶層71に電圧が印加されないオフ状態において、配向膜76は、液晶性化合物の光学軸を第1偏光フィルタ31bの偏光面であるXZ面を含んだ方向に配向させる役割を有し、配向膜78は、液晶性化合物の光学軸を第2偏光フィルタ31cの偏光面であるYZ面を含んだ方向に配向させる役割を有する。結果的に、液晶層71中の液晶性化合物の光学軸は、第1基板72aから第2基板72bにかけて徐々にねじれるように配置される。つまり、第1及び第2基板72a,72bすなわち配向膜76,78に隣接して液晶層71の両端側に配置される一組の液晶性化合物の光学軸は、XY平面上に投影した場合、互いに例えば90°のツイスト角をなす。これにより、一対の偏光フィルタ31b,31cの間に挟まれた液晶層71をノーマリオンモードで動作させることになり、電圧非印加のオフ状態で最大透過状態(光オン状態)を確保することができる。なお、後に詳述するが、液晶層71の両端側すなわち配向膜76,78の近傍位置において、液晶性化合物の光学軸は、XY平面すなわち配向膜76,78に対向する入射面や出射面に平行になっておらず、かかる入射面や出射面に対して一定のプレチルト角だけ傾いた状態で配置されている。
Here, the
一方、液晶層71に電圧が印加されたオン状態すなわち遮光状態(光オフ状態)において、配向膜76,78から離れた位置にある液晶性化合物の光学軸は、第1基板72aの法線に平行な方向(具体的にはZ方向)に配向する。しかしながら、液晶層71の両端側すなわち配向膜76,78の近傍において、液晶性化合物の光学軸は、略元のままに維持されている。つまり、両端側における液晶性化合物の光学軸は、第1及び第2偏光フィルタ31b,31cの偏光面に沿ったX方向やY方向に配向されているが、XY面すなわち配向膜76,78に対向する入射面や出射面に水平になっておらず、入射面や出射面に対して一定のチルト角だけ傾いた状態に維持されている。なお、液晶層71に電圧が印加されていないオフ状態と電圧が印加されたオン状態とにおいて、配向膜76,78の近傍位置に存在する液晶性化合物の光学軸は、多少変動するがXY面に対して傾いた傾斜状態に維持される。よって、オン状態すなわち遮光状態の液晶層71に対する光学的補償を目的とする場合、このような傾斜状態に対応する傾斜角もプレチルト角と呼ぶものとする。
On the other hand, in the ON state where the voltage is applied to the
この偏光変調部31aにおいて、射出側カバー74bの射出面すなわち第2偏光フィルタ31cに対向する一方の平坦面には、例えば1〜200μm程度の厚さを有する薄い光学補償板84が貼り付けられている。ここで、光学補償板84は、光学接着剤によって入射側カバー74aの射出側の平坦面上に貼り付けられて光学補償素子OCを構成しており、このような光学補償素子OCは、第2基板72bの射出面上に光学接着剤によって貼り付けられる。
In this
光学補償板84は、光入射端面と光射出端面とが平行な平板素子であり、透明な負の一軸性結晶で形成される。光学補償板84の光学軸は、XZ面に対してもYZ面に対しても一定の角をなすとともに、Z軸に対して所定の傾斜角をなすように配置されている。つまり、光学補償板84の光学軸は、X軸とY軸の中間方向、すなわち第1偏光フィルタ31bの偏光面に沿ったX方向に対してゼロでない角度をなすとともに第2偏光フィルタ31cの偏光面に沿ったY方向に対してゼロでない角度をなす中間方向を、その配向方位としている。
The
図2は、オン状態における液晶層71の屈折率と光学補償板84の屈折率とを説明する側方断面の概念図である。また、図3(a)は、液晶層71の屈折率を概念的に説明する斜視図であり、図3(b)は、液晶層71の入出射端における屈折率の近似を説明する斜視図であり、図3(c)は、液晶層71における屈折率のさらなる近似を説明する斜視図である。なお、以上の図2等において、液晶層71の入射面71a及び射出面71bと、光学補償板84の入射平面84a及び射出平面84bとは、互いに全て平行になっている。
FIG. 2 is a conceptual side sectional view for explaining the refractive index of the
図2に示すオン状態の液晶層71において、液晶性化合物の屈折率楕円体RIE1の長軸すなわち光学軸OA1は、Z軸に対して概ね平行に配置されており入射面71a及び射出面71bに対して概ね垂直になっている。しかしながら、入射面71a及び射出面71bに近い位置において、屈折率楕円体RIE1の光学軸OA1は、Z軸に対してある程度傾いた状態となっており、入射面と出射面それぞれに極めて近い液晶性化合物は電圧を印加する前のチルト角と等しく、一般的に入射面との角度は10度未満程度である。さらに液晶層中心部に向かうにしたがって液晶性化合物の光学軸は急激に入射面法線方向に平行になる角度に近づく。
In the
一方、光学補償板84において、これを構成する負の一軸性結晶の屈折率楕円体RIE2の短軸すなわち光学軸OA2は、Z軸を含みXZ平面とYZ平面とに略同じ角度で傾いた平面に存在し、Z軸に対してあまり大きくない一定の傾き角を有している。より詳細に説明すると、屈折率楕円体RIE2の傾き方向すなわち配向方位は、第1及び第2偏光フィルタ31b,31cの偏光面の中間方向になっており、この配向方位は、X方向に対して約45°をなすとともにY方向に対しても約45°をなしている。
On the other hand, in the
ここで、図3(a)〜(c)を参照して、液晶層71の屈折率異方性の近似的処理について説明する。図3(a)に示すように、液晶層71のうち電界に素直に応答する中央部分CPでは、液晶性化合物の屈折率楕円体RIE10がZ軸に沿った状態になっており、Z軸に沿って進行する正面光束に対して複屈折作用を与えない。しかしながら、液晶層71のうち入射面71aに近い端部分EP1では、液晶性化合物の屈折率楕円体RIE111,RIE112がZ軸に対してプレチルト角だけ傾いた状態になっており、Z軸に沿って進行する正面光束に対して複屈折作用を与える。なお、入射面71aにより近い屈折率楕円体RIE111は、入射面71aに対して比較的小さな傾斜状態でX軸方向に配向する長軸を有し、入射面71aから相対的に離れた屈折率楕円体RIE112は、入射面71aに対して比較的大きな傾斜状態でX軸とY軸の中間方向に配向する。同様に、液晶層71のうち射出面71bに近い端部分EP2でも、液晶性化合物の屈折率楕円体RIE121,RIE122がZ軸に対してプレチルト角だけ傾いた状態になっており、Z軸に沿って進行する正面光束に対して複屈折作用を与える。なお、射出面71bにより近い屈折率楕円体RIE121は、射出面71bに対して比較的小さな傾斜状態でY軸方向に配向する長軸を有し、射出面71bから相対的に離れた屈折率楕円体RIE122は、射出面71bに対して比較的大きな傾斜状態でX軸とY軸の中間方向に配向する。
Here, with reference to FIGS. 3A to 3C, an approximate process of the refractive index anisotropy of the
ここで、図3(b)を参照して、図3(a)に示す液晶層71の屈折率の近似について考える。図3(b)に示す液晶層71の入射側の端部分EP1において、液晶性化合物の平均的な屈折率を近似的に表す屈折率楕円体RIE11は、図3(a)に示す屈折率楕円体RIE111,RIE112を厚みに応じて平均化したものである。同様に、図3(b)に示す液晶層71の射出側の端部分EP2において、液晶性化合物の平均的な屈折率を近似的に表す屈折率楕円体RIE12は、図3(a)に示す屈折率楕円体RIE121,RIE122を厚みに応じて平均化したものである。結果的に、入射側の表面近傍である端部分EP1の屈折率楕円体RIE11は、ある傾斜状態でX軸とY軸の中間方向であるがX軸方向寄りに配向し、射出側の表面近傍である端部分EP2の屈折率楕円体RIE12は、屈折率楕円体RIE11と同様の傾斜状態でX軸とY軸の中間方向であるがY軸方向寄りに配向する。なお、以上の説明では、上下の端部分EP1,EP2において2段階で屈折率が変化するように説明しているが、実際は連続的に多段階で屈折率が変化しており、両屈折率楕円体RIE11,RIE12のサイズや傾斜量等は、液晶層71の既知の特性を前提として、シミュレーションや実験等に基づいて近似的に決定される。
Here, the approximation of the refractive index of the
次に、図3(c)を参照して、図3(b)に示す液晶層71の屈折率のさらなる近似について考える。図3(b)に示す液晶層71の端部分EP1,EP2は、分離して存在するが、近似的には単一の層と考えることもできる。よって、図3(b)に示す液晶層71の両端部分EP1,EP2を総合した屈折率、すなわち図3(c)に示す近似屈折率楕円体RIE3は、両屈折率楕円体RIE11,RIE12を平均化した正の一軸性材料に相当するものになっている。このような近似屈折率楕円体RIE3は、XY面に対して比較的大きな傾斜状態でX軸とY軸の中間方向DAに配向しており、近似屈折率楕円体RIE3の長軸すなわち光学軸OAC1は、中間方向DAに対して近似プレチルト角TAだけ傾斜した状態となる。この近似プレチルト角TAは、Z軸に対する垂直近似チルト角θ1に対応するものとなっている。また、近似屈折率楕円体RIE3が配向する中間方向DAは、X軸方向に対して角αを成しているものとする。この角αは液晶層71の対称性から約45°になっている。なお、図3(c)の近似屈折率楕円体RIE3は、端部分EP1,EP2の平均的な屈折率を表すとして説明しているが、液晶層71全体の平均的な屈折率を表すものとすることもできる。この場合、近似屈折率楕円体RIE3は、各部分EP1,EP2,CPによって形成されるものであり、図3(b)に示す屈折率楕円体RIE11,RIE12,RIE10を合成したものとなる。
Next, with reference to FIG. 3C, a further approximation of the refractive index of the
図4(a)は、液晶層71の屈折率を説明するための側面図であり、図4(b)は、液晶層71の屈折率を説明する平面図である。また、図5(a)は、光学補償板84の屈折率を説明する側面図であり、図5(b)は、光学補償板84の屈折率を説明する平面図である。
4A is a side view for explaining the refractive index of the
まず、液晶層71について考えると、その近似屈折率楕円体RIE3は、図3(c)でも説明したように、正の一軸性材料に相当するものとなっており、屈折率を基準とする各軸方向の屈折率をnx,ny,nzとすると、近似的にnx=ny<nzの関係が成り立ち、屈折率nzの長軸に対応する光学軸OAC1が、液晶層71の入射面71aに法線方向から入射する光線(垂直入射光)の光路VPに対して、近似配向方向に垂直近似チルト角θ1だけ傾いた状態となっている。ここで、図4(a)に示すように正常屈折率がnoで異常屈折率がneであり、つまりnx=ny=no,nx=neであり、図4(b)に示すように近似配向方向(垂直入射光の遅相軸方向)に振動する光の近似配向方向屈折率がn2で進相軸方向に振動する光の垂直方向屈折率がn1であるとすると、
以下では、液晶ライトバルブ31への入射光が角度分布を有する場合について考察する。まず、空気中から液晶ライトバルブ31に斜めに入射するある光束L1について考え、空気中での傾き角をη0とし、液晶層71中での傾き角をη1とし、光学補償板84中での傾き角をη2とする。この場合、液晶層71において、noとneとの差が小さいことからno≒neとなるので、空気中から液晶層71に傾き角η0で入射した光束については、以下の条件を満たすような光路をたどる。
sin(η0):sin(η1)=1:1/no
sin(η1)=sin(η0)/no … (7)
さらに、光学補償板84において、No≒Neとなるので、液晶層71中から光学補償板84に傾き角η1で入射した光束については、以下のようになる。
sin(η1):sin(η2)=1/no:1/No
sin(η2)=sin(η1)(no/No) … (8)
以上では、入射面71aに法線に対して傾き角η0で入射する光束について考えたが、入射光の傾斜の方向も問題となる。ここでは、近似配向方向すなわち中間方向DAを基準として傾斜方向を考えるものとして、上述の傾き角η0を極角とし、入射光束の方位角をφであるとする。この場合、液晶ライトバルブ31を通過する光束が液晶層71中の光学軸OAC1となす角w1と、同光束が光学補償板84中において光学軸OA2となす角w2とは、上記変数η0,φとこれらに基づいて得られるη1,η2とから幾何学的に求めることができる。このような斜め入射光が液晶層71と光学補償板84とを通過する際のリタデーションRe’は、次式
sin (η0): sin (η1) = 1: 1 / n o
sin (η1) = sin (η0 ) / n o ... (7)
Further, since N o ≈N e in the
sin (η1): sin (η2) = 1 / n o : 1 / N o
sin (η2) = sin (η1 ) (n o / N o) ... (8)
In the above, the light beam incident on the
結果的に、液晶ライトバルブ31と光学補償板84を通過する際のリタデーションRe’は、屈折率no,ne,No,Ne,d1,d2が定数であり、値η1,η2,w1,w2が上記値η0,φによって決定されるパラメータであるので、以下のような関数f
Re’=f(η0,φ) … (10)
と考えて処理することができる。よって、上記式(10)に基づいて、全ての入射光線に関してリタデーションRe’を求めてこれらの総和が最小値になるように、光学補償板84の厚みd2を最適化することもでき、この場合、液晶ライトバルブ31の透過及び遮光によって決定される画像のコントラストは近似的に最大となる。例えばある一定のNAで液晶ライトバルブ31に垂直入射する光束の場合、開口角に対応するη0が0〜ηmaxとなり、方位角φが0〜360°となるので、以下の積分値
Re ′ = f (η0, φ) (10)
Can be processed. Therefore, the thickness d2 of the
以上の式(11)によって表される積分値(合計リタデーション)は、高速演算を行うシミュレーションによって迅速に求めることができ、液晶層71の特性や光学補償板84の屈折率特性を入力することで、光学補償板84の厚みd2や傾斜角θ2を迅速に決定することができる。
The integral value (total retardation) represented by the above equation (11) can be quickly obtained by a simulation that performs high-speed calculation, and by inputting the characteristics of the
具体的な実施例について説明すると、ツイストネマティック型の各種液晶層71に対して、光学補償板84としてサファイア結晶を用いた場合、厚みd2は、1〜100μm程度の範囲となった。特に一般的なツイストネマティック型の液晶層71を備える液晶ライトバルブ31に関してシミュレーションを行った結果では、光学補償板84の厚みd2=50μmが適切で、上記式(11)で与えられる積分値を最小値とできた。結果を図7のグラフに示す。このグラフで、縦軸はゲインを示し、横軸の「補償なし」は光学補償板84を設けなかった場合を示し、「サファイア補償」はサファイア結晶製の光学補償板84を設けた場合を示す。
A specific example will be described. When a sapphire crystal is used as the
図8は、具体的な液晶ライトバルブ31に対応するデータでシミュレーションを行った結果を示す。図8(a)は、実施例の液晶ライトバルブ31の視野角特性を示し、図8(b)は、比較例の液晶ライトバルブの視野角特性を示す。比較例の液晶ライトバルブは、図7のグラフの「補償なし」に相当し、比較例の液晶ライトバルブは、同グラフの「サファイア補償」に相当する。両視野角特性において、等高線は、入射面の法線方向に対する傾斜角を意味する。図からも明らかなように、実施例の液晶ライトバルブ31の場合、視野角特性が入射面の法線方向に関して広い範囲で良好であり、液晶ライトバルブ31の正面方向のコントラストを著しく向上させていることが分かる。
FIG. 8 shows the result of simulation with data corresponding to a specific liquid crystal
以下、光学補償板84を備える光学補償素子OCの製造方法について説明する。まず、光学補償素子OCの構成要素となる、光学補償板84及び射出側カバー74bの材料を準備する。すなわち、光学補償板84の材料となるサファイアをなるべく薄く切り出して、屈折率楕円体RIE2の傾き方向(配向方位)と傾斜角(極角)θ2とが液晶層71の近似屈折率楕円体RIE3と同じになるようにする。次に、切り出したサファイア板の一対の対向する平面に対して研磨等の加工を施して表面を滑らかにする。次に、射出側カバー74bの材料となる、石英、白板ガラス等の透過率が高く複屈折性有しない平行平板状の支持基板を準備する。次に、洗浄後の支持基板上に紫外線硬化樹脂を介して洗浄後のサファイア板を貼り合わせた後、硬化によって固定する。その後、支持基板上のサファイア板を比較的粗い砥粒で研磨して、サファイア層が例えば60μm程度の光学補償板84になるようにする。この際、両面研磨等を用いるならば、リタデーションを計測することで、サファイア層である光学補償板84の厚みを判定することができ、片面研磨を用いるならば、マイクロゲージによってサファイア層である光学補償板84の厚みを判定することができる。なお、片面研磨であっても、貼り合わせる支持基板が透明で複屈折性の無いもの(例えば白板、石英)であれば、サファイア板を貼り合わせた状態でリタデーションによる厚さの計測も可能ある。研磨された面には細かい傷がつくので、光学補償板84と同程度の屈折率を有する接着材等で傷を埋め、或いは比較的細かい砥粒で再度研磨を行って、光学補償板84の表面を平滑化する。
Hereinafter, a method for manufacturing the optical compensation element OC including the
以上の第1実施形態において、光学補償板84を射出側カバー74bに取り付けているが、光学補償板84が一対の偏光フィルタ31b,31c間に配置されていれば一定の効果を達成することができるから、光学補償板84を例えば入射側カバー74aに取り付けることもできる。
In the first embodiment described above, the
〔第2実施形態〕
以下、本発明の第2実施形態に係る光学装置である液晶ライトバルブについて説明する。第2実施形態の液晶ライトバルブは、第1実施形態の液晶ライトバルブを変形したものであり、特に説明しない部分は、第1実施形態と同様であり重複説明を省略する。
[Second Embodiment]
Hereinafter, a liquid crystal light valve which is an optical device according to a second embodiment of the present invention will be described. The liquid crystal light valve of the second embodiment is a modification of the liquid crystal light valve of the first embodiment, and the portions that are not specifically described are the same as those of the first embodiment, and redundant description is omitted.
図9は、第2実施形態の液晶ライトバルブに組み込まれる光学補償素子OCを説明する側方断面図である。この場合、液晶層71の入射面71aに対して光学補償素子OCを傾斜させて配置する。すなわち、液晶層71の入射面71aに対して垂直入射する光束の光路VPは、平板素子である光学補償板184の入射平面184aに対して傾斜して入射し、射出平面184bから同様の傾斜角で射出する。ここで、光学補償板184は、第1実施形態の場合と同様に、透明な負の一軸性結晶で形成された平板素子であるが、その光学軸OA2の方向が入射平面184aに垂直になるように加工されている。この光学補償板184は、ガラス等の等方性材料からなる透明板181に支持されており、全体としての光学補償素子OCは、不図示のホルダによって、液晶層71等を含む液晶パネルの本体側に固定されている。
FIG. 9 is a side sectional view for explaining the optical compensation element OC incorporated in the liquid crystal light valve of the second embodiment. In this case, the optical compensation element OC is inclined with respect to the
本実施形態では、光学補償板184において、屈折率楕円体RIE2の短軸すなわち光学軸OA2が、液晶層71に垂直入射する光束の光路VPに対して一定の傾斜角θ2を有している。この傾斜角θ2は、液晶層71に付与されている垂直近似チルト角θ1と略等しくなっている。ここで、光学補償板184の屈折率楕円体RIE2の短軸の傾斜角θ2と液晶層71の垂直近似チルト角θ1とが略等しいとしたのは、第1実施形態と同様に、光学補償板184と液晶層71との屈折率の差を考慮した場合、θ1とθ2とに若干の差が生じる場合があるからである。
In the present embodiment, in the
以上のような光学補償板184は、3つの主屈折率の内ひとつが補償素子表面の法線方向に存在しているためサファイアのみならず、TAC等の延伸フィルムによって容易に形成することができる。延伸フィルムは、大量生産に向いている。
The
本実施形態でも、光学補償素子OC中における光学補償板184の屈折率楕円体RIE2、厚みd2、傾き等を適宜調節することで、様々な照明装置に対して第1実施形態で説明したリタデーションRe’=f(η0,φ)の積分値を極小化することができるので、液晶ライトバルブ31によって形成される画像のコントラストを最大限高めることができる。なお、本実施形態では、光学補償素子OCを液晶層71の前段に配置しているが、光学補償素子OCを液晶層71の後段に配置することもでき、同様の効果を得ることができる。
Also in this embodiment, the retardation Re described in the first embodiment for various illumination devices by appropriately adjusting the refractive index ellipsoid RIE2, the thickness d2, the inclination, etc. of the
〔第3実施形態〕
以下、本発明の第3実施形態に係る液晶装置である液晶ライトバルブ(光変調装置)について説明する。第3実施形態の液晶ライトバルブは、第2実施形態の液晶ライトバルブを変形したものであり、特に説明しない部分は、第2実施形態と同様であり重複説明を省略する。
[Third Embodiment]
Hereinafter, a liquid crystal light valve (light modulation device) which is a liquid crystal device according to a third embodiment of the present invention will be described. The liquid crystal light valve of the third embodiment is a modification of the liquid crystal light valve of the second embodiment, and parts that are not specifically described are the same as those of the second embodiment, and redundant description is omitted.
図10は、第3実施形態の液晶ライトバルブに組み込まれる光学補償素子OCを説明する側方断面図である。この場合、光学補償素子OCは、その光学軸OA2の方向が入射平面184aに垂直になるように加工されている光学補償板184と、この光学補償板184を挟むように接合された一対の楔状プリズム281a,281bとを備える。ここで、楔状プリズム281a,281bの屈折率は、光学補償板184の屈折率と略等しいものとなっている。結果的に、液晶層71の入射面71aに対して垂直入射する光束VPは、光学補償素子OCの入射面285aに対して垂直入射するが、光学補償板184の入射平面184aに対しては、傾斜して入射する。
FIG. 10 is a side sectional view for explaining the optical compensation element OC incorporated in the liquid crystal light valve of the third embodiment. In this case, the optical compensation element OC has an
本実施形態では、光学補償板184において、屈折率楕円体RIE2の短軸すなわち光学軸OA2は、液晶層71に垂直入射する光束VPに対して一定の傾斜角θ2を有している。この傾斜角θ2は、液晶層71に付与されている垂直近似チルト角θ1と等しくなっている。
In the present embodiment, in the
本実施形態でも、光学補償素子OC中における光学補償板184の屈折率楕円体RIE2、厚みd2、傾き等を適宜調節することで、様々な照明装置に対して第1実施形態で説明したリタデーションRe’=f(η0,φ)の積分値を極小化することができるので、液晶ライトバルブ31によって形成される画像のコントラストを最大限高めることができる。なお、本実施形態では、光学補償素子OCを液晶層71の前段に配置しているが、光学補償素子OCを液晶層71の後段に配置することもできる。
Also in this embodiment, the retardation Re described in the first embodiment for various illumination devices by appropriately adjusting the refractive index ellipsoid RIE2, the thickness d2, the inclination, etc. of the
〔第4実施形態〕
図11は、図1に示す液晶ライトバルブ31等を組み込んだプロジェクタの光学系の構成を説明する図である。
[Fourth Embodiment]
FIG. 11 is a diagram for explaining the configuration of an optical system of a projector incorporating the liquid crystal
本プロジェクタ10は、光源光を発生する光源装置21と、光源装置21からの光源光を赤緑青の3色に分割する色分離光学系23と、色分離光学系23から射出された各色の照明光によって照明される光変調部25と、光変調部25からの各色の像光を合成するクロスダイクロイックプリズム27と、クロスダイクロイックプリズム27を経た像光をスクリーン(不図示)に投射するための投射光学系である投射レンズ29とを備える。このうち、光源装置21、色分離光学系23、光変調部25、及びクロスダイクロイックプリズム27は、スクリーンに投射すべき像光を形成する画像形成装置となっている。
The
以上のプロジェクタ10において、光源装置21は、光源ランプ21aと、凹レンズ21bと、一対のフライアイ光学系21d,21eと、偏光変換部材21gと、重畳レンズ21iとを備える。このうち、光源ランプ21aは、例えば高圧水銀ランプからなり、光源光を回収して前方に射出させる凹面鏡を備える。凹レンズ21bは、光源ランプ21aからの光源光を平行化する役割を有するが、省略することもできる。一対のフライアイ光学系21d,21eは、マトリックス状に配置された複数の要素レンズからなり、これらの要素レンズによって凹レンズ21bを経た光源ランプ21aからの光源光を分割して個別に集光・発散させる。偏光変換部材21gは、フライアイ光学系21eから射出した光源光を例えば図11の紙面に垂直なS偏光成分のみに変換して次段光学系に供給する。重畳レンズ21iは、偏光変換部材21gを経た照明光を全体として適宜収束させることにより、光変調部25に設けた各色の光変調装置に対する重畳照明を可能にする。つまり、両フライアイ光学系21d,21eと重畳レンズ21iとを経た照明光は、以下に詳述する色分離光学系23を経て、光変調部25に設けられた各色の液晶パネル25a,25b,25cを均一に重畳照明する。
In the
色分離光学系23は、第1及び第2ダイクロイックミラー23a,23bと、補正光学系である3つのフィールドレンズ23f,23g,23hと、反射ミラー23j,23m,23n,23oとを備え、光源装置21とともに照明装置を構成する。ここで、第1ダイクロイックミラー23aは、赤緑青の3色のうち例えば赤光及び緑光を反射し青光を透過させる。また、第2ダイクロイックミラー23bは、入射した赤及び緑の2色のうち例えば緑光を反射し赤光を透過させる。この色分離光学系23において、光源装置21からの略白色の光源光は、反射ミラー23jで光路を折り曲げられて第1ダイクロイックミラー23aに入射する。第1ダイクロイックミラー23aを通過した青光は、例えばS偏光のまま、反射ミラー23mを経てフィールドレンズ23fに入射する。また、第1ダイクロイックミラー23aで反射されて第2ダイクロイックミラー23bでさらに反射された緑光は、例えばS偏光のままフィールドレンズ23gに入射する。さらに、第2ダイクロイックミラー23bを通過した赤光は、例えばS偏光のまま、レンズLL1,LL2及び反射ミラー23n,23oを経て、入射角度を調節するためのフィールドレンズ23hに入射する。レンズLL1,LL2及びフィールドレンズ23hは、リレー光学系を構成している。このリレー光学系は、第1レンズLL1の像を、第2レンズLL2を介してほぼそのままフィールドレンズ23hに伝達する機能を備えている。
The color separation
光変調部25は、3つの液晶パネル25a,25b,25cと、各液晶パネル25a,25b,25cを挟むように配置される3組の偏光フィルタ25e,25f,25gとを備える。ここで、青光用の液晶パネル25aと、これを挟む一対の偏光フィルタ25e,25eとは、輝度変調後の像光のうち青光を画像情報に基づいて2次元的に輝度変調するための青色用の液晶ライトバルブを構成する。青色用の液晶ライトバルブは、図1に示す液晶ライトバルブ31と同様の構造を有しており、コントラスト向上のための光学補償素子OCすなわち光学補償板84等を組み込んでいる。同様に、緑光用の液晶パネル25bと、対応する偏光フィルタ25f,25fも、緑色用の液晶ライトバルブを構成し、赤光用の液晶パネル25cと、偏光フィルタ25g,25gも、赤色用の液晶ライトバルブを構成する。そして、これら緑光及び赤色用の液晶ライトバルブも、図1に示す液晶ライトバルブ31と同様の構造を有している。
The
青光用の第1液晶パネル25aには、色分離光学系23の第1ダイクロイックミラー23aを透過することによって分岐された青光が、フィールドレンズ23fを介して入射する。緑光用の第2液晶パネル25bには、色分離光学系23の第2ダイクロイックミラー23bで反射されることによって分岐された緑光が、フィールドレンズ23gを介して入射する。赤光用の第3液晶パネル25cには、第2ダイクロイックミラー23bを透過することによって分岐された赤光が、フィールドレンズ23hを介して入射する。各液晶パネル25a〜25cは、入射した照明光の空間的強度分布を画素単位で変調する非発光型の光変調装置であり、各液晶パネル25a〜25cにそれぞれ入射した3色の光は、各液晶パネル25a〜25cに電気的信号として入力された駆動信号或いは画像信号に応じて変調される。その際、偏光フィルタ25e,25f,25gによって、各液晶パネル25a〜25cに入射する照明光の偏光方向が調整されるとともに、各液晶パネル25a〜25cから射出される変調光から所定の偏光方向の成分光が像光として取り出される。
The blue light branched by passing through the first
クロスダイクロイックプリズム27は、光合成部材であり、4つの直角プリズムを貼り合わせた平面視略正方形状をなし、直角プリズム同士を貼り合わせた界面には、X字状に交差する一対の誘電体多層膜27a,27bが形成されている。一方の第1誘電体多層膜27aは青色光を反射し、他方の第2誘電体多層膜27bは赤色光を反射する。このクロスダイクロイックプリズム27は、液晶パネル25aからの青光を第1誘電体多層膜27aで反射して進行方向右側に射出させ、液晶パネル25bからの緑光を第1及び第2誘電体多層膜27a,27bを介して直進・射出させ、液晶パネル25cからの赤光を第2誘電体多層膜27bで反射して進行方向左側に射出させる。
The cross
投射レンズ29は、クロスダイクロイックプリズム27で合成されたカラーの像光を、所望の倍率でスクリーン(不図示)上に投射する。つまり、各液晶パネル25a〜25cに入力された駆動信号或いは画像信号に対応する所望の倍率のカラー動画やカラー静止画がスクリーン上に投射される。
The
以上実施形態に即して本発明を説明したが、本発明は、上記の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。 Although the present invention has been described based on the above embodiments, the present invention is not limited to the above embodiments, and can be implemented in various modes without departing from the gist thereof. Such modifications are also possible.
すなわち、上記実施形態では、光学補償板84としてサファイアやTACを用いた例について説明したが、サファイアやTAC以外の負の一軸性材料を用いることができる。具体的には、方解石、KDP(二水素カリウム)、ADP(リン酸二水素アンモニウム)等の無機材料を使用することができ、オレフィン系の各種有機材料を使用することができる。
That is, in the above-described embodiment, an example in which sapphire or TAC is used as the
また、上記実施形態では、液晶層71に電圧が印加されたオン状態すなわち光オフ状態でリタデーションを補償してコントラストを向上させているが、液晶層71に電圧が印加されていないオフ状態すなわち光オン状態でリタデーションを補償することもできる。この場合も、オフ状態の液晶層71について近似屈折率楕円体RIE3を求め、透過輝度を高めることができる。
Further, in the above embodiment, the contrast is improved by compensating the retardation in the on state where the voltage is applied to the
また、上記実施形態のプロジェクタ10では、光源装置21を、光源ランプ21a、一対のフライアイ光学系21d,21e、偏光変換部材21g、及び重畳レンズ21iで構成したが、フライアイ光学系21d,21e、偏光変換部材21g等については省略することができ、光源ランプ21aも、LED等の別光源に置き換えることができる。
In the
また、上記実施形態では、色分離光学系23を用いて照明光の色分離を行って、光変調部25において各色の変調を行った後に、クロスダイクロイックプリズム27において各色の像の合成を行っているが、単一の液晶パネルすなわち液晶ライトバルブ31によって画像を形成することもできる。
Further, in the above embodiment, the color separation
上記実施形態では、3つの液晶パネル25a〜25cを用いたプロジェクタ10の例のみを挙げたが、本発明は、1つの液晶パネルのみを用いたプロジェクタ、2つの液晶パネルを用いたプロジェクタ、あるいは、4つ以上の液晶パネルを用いたプロジェクタにも適用可能である。
In the above embodiment, only the example of the
上記実施形態では、スクリーンを観察する方向から投射を行なうフロントタイプのプロジェクタの例のみを挙げたが、本発明は、スクリーンを観察する方向とは反対側から投射を行なうリアタイプのプロジェクタにも適用可能である。 In the above embodiment, only an example of a front type projector that projects from the direction of observing the screen is given, but the present invention is also applicable to a rear type projector that projects from the side opposite to the direction of observing the screen. Is possible.
10…プロジェクタ、 21…光源装置、 21g…偏光変換部材、 23…色分離光学系、 23a,23b…ダイクロイックミラー、 25…光変調部、 25a,25b,25c…液晶パネル、 25e,25f,25g…偏光フィルタ、 27…クロスダイクロイックプリズム、 27a,27b…誘電体多層膜、 29…投射レンズ、 31…液晶ライトバルブ、 31a…偏光変調部、 31b…第1偏光フィルタ、 31c…第2偏光フィルタ、 71…液晶層、 71a…入射面、 71b…射出面、 72a,72b…基板、 74a,74b…カバー、 75,77…電極、 76,78…配向膜、 77…透明画素電極、 84…光学補償板、 84a…入射平面、 84b…射出平面、 CP…中央部分、 DA…中間方向、 EP1,EP2…端部分、 OA1,OA2…光学軸、 OAC1…光学軸、 OC…光学補償素子、 RIE1,RIE2…屈折率楕円体、 RIE11,RIE12,RIE10…屈折率楕円体
DESCRIPTION OF
Claims (8)
前記液晶セルの入射側及び射出側のいずれか一方に配置され、負の一様な光学軸を有する一軸性結晶で形成されるとともに、前記入射面に隣接する液晶の傾斜配向方向に対応する第1ラビング方向と前記射出面に隣接する液晶の傾斜配向方向に対応する第2ラビング方向とに対してそれぞれゼロでない角度をなす所定の中間方向を前記光学軸の配向方位とする一種類の光学補償素子と、
前記液晶セル及び前記光学補償部材を挟むように配置される一対の偏光素子と
を備える光学装置。 A liquid crystal cell that includes a liquid crystal that operates in a twisted nematic mode, and in which the optical axis of the liquid crystal adjacent to the entrance surface and the exit surface is tilt-aligned by a predetermined pretilt angle with respect to the entrance surface and the exit surface;
The liquid crystal cell is disposed on one of the incident side and the emission side, is formed of a uniaxial crystal having a negative uniform optical axis, and corresponds to a tilt alignment direction of liquid crystal adjacent to the incident surface. One kind of optical compensation in which a predetermined intermediate direction that forms a non-zero angle with respect to one rubbing direction and a second rubbing direction corresponding to the tilt alignment direction of the liquid crystal adjacent to the exit surface is the alignment direction of the optical axis. Elements,
An optical apparatus comprising a pair of polarizing elements arranged so as to sandwich the liquid crystal cell and the optical compensation member.
前記光学装置を照明する照明装置と、
前記光学装置によって形成された画像を投射する投射レンズと
を備えるプロジェクタ。 An optical device for light modulation according to any one of claims 1 to 7,
An illumination device for illuminating the optical device;
A projector comprising: a projection lens that projects an image formed by the optical device.
Priority Applications (1)
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| JP2006198049A JP2008026538A (en) | 2006-07-20 | 2006-07-20 | Optical device and projector including the same |
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| JP (1) | JP2008026538A (en) |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2010169851A (en) * | 2009-01-22 | 2010-08-05 | Seiko Epson Corp | Liquid crystal display and projector |
| US8294836B2 (en) | 2007-12-06 | 2012-10-23 | Seiko Epson Corporation | Liquid crystal display device and projector |
-
2006
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