JPH0130151B2 - - Google Patents

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JPH0130151B2
JPH0130151B2 JP54055604A JP5560479A JPH0130151B2 JP H0130151 B2 JPH0130151 B2 JP H0130151B2 JP 54055604 A JP54055604 A JP 54055604A JP 5560479 A JP5560479 A JP 5560479A JP H0130151 B2 JPH0130151 B2 JP H0130151B2
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liquid crystal
light
light source
image forming
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Aaru Ritsuchitei Uiriamu
Jei Fuaaraa Jon
Jii Kutsuku Reishii
Enu Aansutotsufu Maikeru
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Hughes Aircraft Co
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Publication date
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Publication of JPH0130151B2 publication Critical patent/JPH0130151B2/ja
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Description

【発明の詳細な説明】 液晶を用いた表示装置は次のような米国特許に
記載されている。第3824002号、第3844879号、第
3885095号、第3824003号、第3862360号、第
3915548号、第3976361号、第4019807号。
これらのうちのいくつか、たとえば第3824002
号、第3862360号はこの発明の装置に使用される
液晶表示素子を開示している。他のもの、たとえ
ば第3915548号及び第3885095号はこの発明の装置
とは異なる光学技術を使用するヘツドアツプ式表
示装置を開示しているがそれらは本発明によつて
達成できた高い輝度やコントラストを持たない。
この発明の目的は航空機の操縦者席内での使用
に適し、非常に高い輝度と高いコントラストを与
える液晶像投影装置を提供することである。
この投影装置は、液晶表示セルのための外部照
明として使用される効率のよいランプと、ランプ
からの光を集めて液晶の表面に投射する非球面反
射器と、投影されるべき像を形成する液晶板と、
該液晶板を形成する液晶の働きによつて液晶板上
に形成された像を像観察用のスクリーン上に結像
する投影レンズに伝播させる上記非球面反射器に
設けられた開口からなる絞りを具備する。くさび
形のガラスまたはその他の透明材料からなるくさ
び形部材は液晶表示セルの前に配置される。その
結果上記くさび形部材の前方表面からの反射光は
上記絞り用の開口に向う方向とは異る方向に反射
され液晶表示セルの反射電極の表面からの反射光
だけが上記開口を通つて伝播される。
次にこの発明の液晶像投影装置の実施例を説明
する。
第1図は、この発明の液晶像投影装置を光学的
に表現した略図である。この装置は基板10を含
み、その上には、スペーサ部材13によつて離隔
された透明な第1表面、すなわちガラス製の前板
11と光を反射できる後板12との間に形成され
た中央空所14の中に液晶14bを挿入した液晶
表示セル、すなわち像形成手段14aが取付けら
れ、液晶表示セル14aには図の左方から基板1
0を介して、光学的または電気的入力信号が周知
の方法で供給される。透明な前板11には液晶1
4bの側に、たとえばインジウムすず酸化物
(indium tin oxide)のフイルタにより形成され
た透明な電極11aが取付けられている。図の左
方すなわちこの装置の後方に配置された後板12
には液晶14bの側にそれぞれデジタル式電気信
号が印加されたとき、該電圧に対応して別々の反
射率で光を反射する多数の電極素子12aのマト
リツクス配列が設けられている。このような液晶
表示セル14aを有する液晶像投影装置により、
陰極線管等から得られた像を表示するために、上
記後板12には投射される光の量によつて電気抵
抗値を変化する光導電ダイオードを含む周知のサ
ンドイツチ構造に形成され前板11と後板との間
には電圧が印加されている。
この装置に用いられる液晶14bは、動的散乱
方式で駆動され、像の形成は反射方式(specular
mode)を用いて行なわれる。すなわち、基板1
0に投射された像の明るい部分に位置する電極素
子の作用をうける液晶14bは“オフ”状態すな
わち動的散乱状態でない状態となり、光源15か
ら前板11側に投射された入力光は“オフ”状態
にある液晶を通過し、該液晶に接して配置された
マトリツクス配列の電極素子12aに反射されて
該液晶14aと前板11を通つて該前板11から
外部に送出される。これに対して投射された像の
暗い部分に相当する液晶14bは“オン”状態す
なわち動的散乱状態となつた液晶によつて散乱さ
れ、、電極素子12aからの強い反射光が存在し
ないことによるのである。このような作用を円滑
に実現するためにこの発明の液晶は動的散乱方式
に適するものが選ばれる。この点はしばしば複屈
折を用いた従来装置と異つているのである。上記
動的散乱方式に於て、投射された像の明るい部分
に相当する液晶が“オフ”状態となるのは、投射
された像の明るい部分に位置する光導電ダイオー
ドの抵抗値が変化し、該液晶にかかる電圧が低く
なるので液晶が動的散乱状態とならず、電極素子
による強い反射が行なわれるからであり、これに
対して投射された像の暗い部分に対応する光導電
ダイオードの抵抗値は僅かに変化するだけでほと
んど変化することなく、従つて液晶に印加される
電圧は高く、液晶は動的散乱状態となり電極素子
による反射が極めて少いからである。
液晶表示セル14aに光を送出する光源15に
は、高効率で狭いスペクトル周波数帯を有するヨ
ウ化タリウムアークランプが適当であるが、通常
の用途には一般のランプまたは照明源を用いても
よい。
図の16はフイルタ手段、すなわち赤外線およ
び紫外線用フイルターで、光源15の前に配置さ
れる。それは強い紫外線は液晶に有害な影響を与
えるからであり、赤外線は密封された液晶表示セ
ル14aの中に入つて液晶の温度を上昇させるか
らである。この実施例では上記要求に適するフイ
ルタとして、高温に耐える鏡面被覆を施された球
面断面を有する西独のシヨツト社製のGG475UV
フイルタが用いられている。しかし一般の場合に
は、赤外線または紫外線用の標準的なフイルタを
使用してもよい。
光源15からの光はフイルタ16を通して非球
面からなり凹表面を有する反射器すなわち非球面
反射手段17へ送られる。この反射器は円以外の
所定の曲線を所定の中心軸線をめぐつて回転させ
て得られる回転体の表面の一部によつて形成され
る。製作容易な回転体としては、2つの焦点18
と19を結ぶ直線を中心軸とする回転だ円体に所
定の修正を行なつた形状が用いられる。この修正
式は後に説明する式(1)の第2〜5項に示す修正で
その意義は後に述べる。第2図に示す20は、焦
点18と19を結ぶ直線を中心とする回転だ円体
である。第1図の反射器17の断面は、第2図の
回転だ円体の長軸を含む面で切断しただ円形の一
部である。光源15を焦点19に置けば焦点19
から放射された光は焦点18に集まり、その逆も
同じである。第2図には原点41と直交3軸すな
わちX軸、Y軸およびZ軸からなる直交座標系
が、Y軸およびZ軸を紙面内に置いた状態が示さ
れている。回転だ円体20は、回転中心軸をZ軸
に一致して配置され、長軸の先端は原点41にあ
る。従つて上記回転だ円体の表面の一点42の位
置は上記座標系の座標X、YおよびZによつて定
義される。
第2図のだ円形の右側の焦点19及びその近く
の反射器17が第1図に示されている。反射器1
7の一方の焦点15に配置された光源15からフ
イルタ16を通して投射され、反射器17から反
射された光は、液晶表示セル14aに向かつて
(図の左方すなわち後方に)進行する。液晶表示
セル14aの前板11の前面には、透明なくさび
形部材24が取付けられている。該部材24は前
板11と一体的に同じ材料で形成されてもよい。
くさびの角度θは、光源15からの光のくさび形
部材24の前方の表面S1からの反射光が反射器1
7の開口26から出射されぬように方向を定め、
液晶が“オフ”状態となつた場合後板12に設け
られた電極素子12aから反射した光は液晶14
bと前板11を通つて、後側の面S2からくさび形
部材24に入り、その内側表面S1から上記開口2
6を通つて送出されるようにするためである。従
つてマトリツクス状に配列された上記電極素子1
2aの後側の面S3からの反射光によつてスクリー
ン30上の像が形成される。上記反射器17の形
状はくさび形部材24の存在によつて表示された
像に生じたひずみを矯正するように設計されてい
る。
次に上記反射器17の形状を説明する。反射器
17の形状は第2図に示す回転だ円体20に、上
記矯正のための修正を加えたものの表面の一部分
から成る。従つて第1図の反射器17上の各点の
座標は、3次元直交XYZ座標のX座標とY座標
と、上記両座標の関数としてあらわされたZ座標
で定義することができる。この実施例で採用する
上記関数は下記の如くである。
ここに P2=X2+Y2である。 …(2) この式(1)は本発明の反射器17のような非球面
形の鏡面を製造するときに、英国に於て通常用い
られる標準的な式である。
上記の式に含まれたパラメータC、K、d、
e、f、gの実例の1組は次の如くである。
C=0.268190 K=−0.2089665 d=−0.92134×10-4 e=0.75362×10-4 f=−0.75273×10-5 g=−0.23999×10-6 但し上記式中のC、Kは下記式により算出され
た値である。
K=A2−B2/B2 …(3) C=1/B(K+1) …(4) 上記の(3)及び(4)のAおよびBは修正前の回転だ
円体の長手方向中心軸を含む断面の形状、すなわ
ちだ円形の短径の1/2および長径の1/2である。A
と、Bと、該だ円形の焦点間の距離の1/2である
Dとは A2=B2−D2 …(5) の関係にある。
又上記パラメータC、K、d、e、f及びgの
うちCは前記(4)式によつて計算される。このC
は、反射体17の形を定める回転だ円体の焦点
(第2図の18,19)を通り、長軸に直角な平
面と該回転体との交りである円の半径の逆数であ
る。またKは前記(3)式で示され、第2図に示すだ
円の離心率の2乗に負符号を付したものであり、
d、e、f及びgは反射体17の形状を定める高
次の項を算出するために用いられ実験的に定めら
れる。修正された回転体のYZ面断面の形状は上
記の諸式に於てX=Oと置けばよい。上式のう
ち、(5)式はだ円の長径の1/2と短径の1/2と、焦点
間の距離の1/2との周知の関係式である。この実
施例に於ては、後板12の液晶14b側に向いた
前表面S3には、光源15から送出され、該前表面
に達した入射光を多くの画素に分解して反射する
ようにマトリツクス状に分布された多数の電極素
子すなわちマトリツクス駆動信号手段12aが配
置されている。このような液晶表示セル14aは
前記特許第3824003号および第3862360号に開示さ
れたものである。上記電極素子12aの配置面積
及び密度は、表示される像の大きさと要求される
分解能によつて定められる。
上記後板12の電極素子12aで反射した光
は、開口26を通つて延出し、投影レンズ28に
よつて拡大又は縮小され、像表示のための拡散性
の面手段、又は拡散スクリーン手段とも称せられ
るスクリーン30上に結像される。従つて該スク
リーン30上には、上記液晶表示セル14aから
強く投射された光によつて形成された像が表示さ
れる。図示されたスクリーン30は直線的に描か
れているが、所望により彎曲したスクリーンを用
いることもできる。
上述の構成を有する本発明の装置に於ては、焦
点19(第2図)に置かれた光源15から送出さ
れた光は、2個の焦点(第2図の19及び18)
を有する反射器17で反射された後、更に後板1
2で反射されて開口26を通る。上記反射器17
と、光源15と、後板12の位置と、開口26の
相互関係位置は、光源15を反射器17の一方の
すなわち第1の焦点19に置いたとき、後板12
で反射した光が開口26で集結した上、投影レン
ズ手段(この場合投影レンズ)28に入射するよ
うになつている。すなわち開口26は、光学的に
表現すれば反射器17の第2の焦点18の位置に
配置されているわけである。光源15と開口26
の位置がこのような関係となるのは、光源15か
ら送出される光(第1図では3本の光線で代表し
て示されている)が反射器17で反射された後、
後板12が無い場合にはすべて、反射器17の第
2の焦点に集るようになつていること、及び開口
26と上記第2の焦点が後板12に対して鏡像関
係にあるように形成されているからである。上述
のように、光源と開口の関係が回転だ円体の一部
である反射器17の第1及び第2の焦点にあるよ
うにするためには、反射器17の形状を回転だ円
体の一部にするというだけでなく、前記の式(1)の
第1項(回転だ円体を示す項)に対して第2項乃
至第5項によつて示される修正を行なわねばなら
ない。それは像形式手段14aの前側に前板11
を保持するくさび形部材24を設けたからであ
る。この場合もしくさび形でなく、厚さが一様な
透明平板を用いた場合には、開口26に達する光
は、液晶14bが動的散乱状態にない場合に電極
素子12aから反射する強い反射光のみでなく、
上記透明平板の前面から反射する光も開口26の
中に入つてくる。しかも液晶14bが動的散乱状
態となつて電極素子12aから強い反射光が無い
場合にも、光源15から像形成手段14aに投射
され、上記透明平板の前面から反射する光は、液
晶が動的散乱状態とならない場合と同じ強さで開
口26に達し、スクリーン30上に形成される像
の明部と暗部のコントラストは低くなるという欠
点を生ずる。像形成手段14aの前板11の前に
くさび形部材24を配置したのは、その傾斜した
前面で反射した光が開口26と異なる方向に向け
て進み、開口26を通してスクリーン26に投射
されぬようにし、像のコントラストの低下を防止
するためである。
上記のようにして、くさび形部材24の表面か
らの反射光が開口26を通過するのを防止するこ
とができるが、なお開口26に向かう光が存在す
る。その1つは前板11の電極被覆1aの前後面
からの反射光であり、その一部は開口26に達
し、これも表示された像のコントラストを低下さ
れる一因となる。この発明では、この不都合を解
消するために、後に説明するように該電極被覆1
1aの厚さを入射光の波長の約1/4に選び、被覆
両面からの反射光をほぼ打消すようにしている。
以上の外装置の内部で像形成に役立たない僅か
の反射や透過が有り得るが、これ等は像の形成及
び像のコントラストに多くの影響を与えることは
ない。
上述のようにくさび形部材24の使用は必要で
あるが、該くさび形部材24を使用したために通
常球面修正及びコマ修差と称するように、第2の
焦点位置である開口26の位置に電極素子からの
反射光が集まらず、その前後及び横方向にずれる
という不都合及び光源15の像が大きくなるとい
う不都合を生ずる。このような不都合を減少する
ように、反射器17の形を純粋な回転だ円体から
修正するのが前述の式(1)の第2項乃至第5項なの
である。このような修正は完全に行なうのは困難
であるが、反射器17は回転体表面の一部として
形成されるので、製造が容易であり、コスト低下
に対して有効である。投影レンズ28は光軸40
が開口26を通るように配置され、該光軸40と
後板12の垂線との間の角度は外部の光学装置が
配置される角度によつて種々選ばれる。第1図の
実施例では、この角度はほぼ10.5度に定められて
いる。もし上記角度を10.5度以外の角度を必要と
する場合には式(1)を、使用する多くのパラメータ
を前記の値と異る値に代えて用いればよい。上記
新しいパラメータは、周知の光線追跡技術に基づ
いて算出することができる。
次にこの液晶像投影装置の作用について総括的
に記載する。この装置の液晶表示セル14a内に
使用される液晶14bは反射方式で用いられる。
像の明るい部分に配置された反射電極素子には強
い電圧が印加されることなく、該反射電極素子の
前方に配置された液晶は“オフ”状態となる。従
つて該液晶14b内に乱流を生じないので、光源
15からの入射光は散乱されることなく、液晶内
を通つた後電極素子12aで反射され(図の27
a,27b,27cはこの反射光の中の3本の光
線を示す)、再び液晶内を通つて進み液晶表示セ
ル14aから強い反射光として送出され、開口2
6を通り、投影レンズ28を介して観察スクリー
ン30に明るく表示される。従つて多数の電極素
子12aから反射される光により、表示するべき
像の画素がスクリーン30上に表示される。
又像の暗い部分に位置する電極素子12aに
は、像の暗さに基づいて高い電圧が印加され、こ
の電圧を受けた液晶は“オン”状態すなわち動的
散乱状態になる。従つて該液晶は光源15からの
入射光を散乱するようになり、入射光のうちの極
めて僅かな部分、たとえば1%以下の部分が開口
26及び投影レンズ28を経てスクリーン30に
達するにすぎない。従つてスクリーン30上に
は、表示されるべき像に相当する濃淡を有する像
が表示される。上記濃淡の程度は画素を形成する
“オン”信号の強さによつて定められる。すなわ
ち液晶に印加される電圧が大きいほど液晶に生ず
る乱流は強く、光源15からの入射光は更に強く
散乱され、開口26を通過してスクリーン30に
達する光は少くなる。
又スクリーン30に表示された像のコントラス
トは、液晶が“オフ”状態にある場合の液晶表示
セルの高い反射率と、反射率液晶が“オン”状態
にある場合に得られる液晶表示セル14aの低い
反射率と、前板11の液晶側と表面と該表面に設
けられたインジウム・すず酸化物からなる電極被
覆11aとの反射率の関数として定まる。上記電
極11aからの光の反射をできるだけ小さくする
ために、該電極11aの厚さを入射光の波長の約
1/4に選び、電極から反射した光が入射する光と
約半波長の位相差を有して互に打消し合うように
する方法がとられている。
この実施例に於ては、電極素子12aの反射率
は約50%、であり、インジウム・すず酸化物被覆
と前板11の液晶側表面の反射率は約1.0%であ
る。又液晶に対して約2度をなす直径の絞りを通
して通過する分散された光は約0.85%である。上
記データに基づいてスクリーン上に表示された像
の明部と暗部のコントラスト比C.R.の達成可能な
値は上記数値を用いて、次式によつて算出され
る。
C.R.=50/1.0+0.85≒27 ここに言うコントラスト比C.R.とは、表示され
た像のうちの最も明るい部分と最も暗い部分の明
るさの比である。
この発明の装置により、次に記す種々の利点を
得ることができる。すなわち投射された表示する
べき像は、通常の写真フイルム用投影器とほぼ同
じ方法でスクリーン30に投影される。像はスク
リーンの両側から見ることができる。スクリーン
の利得は用途に応じて選択される。たとえば、高
利得スクリーンは光線角度を制御できる光学装置
用に使用するのに適し、ランベルトの表面に近い
低利得スクリーンは観察者がスクリーンを直接見
る装置に使用することができる。後のタイプのス
クリーンは見る方向によつて見にくくなるような
事はない。スクリーンが他の光学装置に結合され
る場合には、スクリーン30を拡能用スクリーン
32とフレネルレンズ31を用いて形成すること
ができる。拡散用スクリーン32は像を目視する
ための表面を粗面にしたスクリーン又は乳白色ガ
ラスで形成される。又上記フレネルレンズは拡散
用スクリーン32上の像を他の光学装置に結合す
る場合、像の大きさを所望の大きさに変換して、
該光学装置の入射ひとみに適合させるために用い
られる。又上記のフレネルレンズは、ホログラム
を用いて形成した厚さが薄く形成できる回折レン
ズに代えることができる この発明の装置によれば、光源15から大きな
立体角内に送出される光は、該光源15を大きな
立体角で取囲む反射器17に投射されて、液晶表
示セル14aに導かれるので、光源15から送出
された光の大部分は、該液晶表示セル14aに投
射されるという利点が得られる。従つて光源15
からの光エネルギを有効に利用することができ、
光源15はパワーの割に明るい像をスクリーン3
0上に表示することができる。なおこの発明の装
置では、絞りすなわち開口26は反射器17の一
部に形成されているので製作しやすく、又表示さ
れた像の明るさの最高値は光源15の出力によつ
て主として決定される。従つて該像は強力な光源
を用いることによつて明るくすることができると
ともに、像のコントラストを高いものとすること
ができる。この装置で得られる上記コントラスト
は従来装置のいずれよりも高い。従つてこの発明
の装置では、陰極線管のように走査によつて画面
を形成するものに比べて明るくしかもコントラス
トの高い像を得ることができる。又スクリーン3
0の大きさは、投影用レンズ28を適当に選ぶこ
とにより大きくも小さくもすることができるし、
像の解像力は画素の大きさ、その数、スクリーン
の大きさ、投影レンズ28の倍率を適当に選ぶこ
とによつて、広い範囲に変化することができる。
更にこの発明の装置の利点は従来の陰極線管使
用の装置に比べて小形に形成されることである。
それは第1図に示すように、反射器17と液晶表
示セル14aを用いて、光源15から送出させる
投射光が開口26を出る迄の光路を屈曲させるこ
とにより、反射器17の2つの焦点19と18
(第2図)が実質上反射器17と液晶表示セル1
4aの間にあるように形成したためである。
【図面の簡単な説明】
第1図はこの発明の液晶影像投影システムの光
学的略図の断面図である。第2図は非球面反射器
の設計基礎であるだ円の幾何学的形状を説明する
図である。 10……基板、11……前板、11a……電
極、12……後板、12a……電極素子、13…
…スペーサ部材、14……中央空所、14a……
液晶表示セル、14b……液晶、15……光源、
16……紫外線及び赤外線フイルタ、17……反
射器、18,19……焦点、20……回転だ円
体、21……接平面、24……くさび形部材、2
6……開口、27a,27b,27c……光線、
28……投影レンズ、30……スクリーン、31
……フレネルレンズ、32……拡散スクリーン、
40……光軸、S1,S2……表面、S3……面。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 表示されるべき像を生ずるための光学的要素
    としての液晶を使用する像形成手段と、上記像形
    成手段を照明する光源手段と、上記像形成手段に
    よつて得られた像を表面に表示する面手段と、上
    記像形成手段で形成された像を上記面手段上に結
    像させる投影用レンズ手段を有する液晶像投影装
    置において、 (a) 上記光源手段からの光を集めて、前記像形成
    手段の所定の表面に投射する凹表面を有する非
    球面反射器手段と; (b) 上記非球面反射器手段に設けられた開口によ
    り形成された絞り手段と; (c) 上記光源手段から上記非球面反射器の凹表面
    に投射された光が該凹表面によつて反射された
    上、上記像形成手段の第1透明表面を通過し
    て、上記像形成手段に設けられ、光を反射でき
    る電極の上に導かれ、該電極によつて反射され
    た後、上記絞り手段及び上記投影レンズ手段を
    通つて上記面手段上に像を形成するように、前
    記影像投影装置を構成する上記諸光学部材を配
    置する手段; を有することを特徴とする液晶像投影装置。 2 液晶を使用した上記像形成手段が、内部に用
    いられた液晶を電気的に駆動できるマトリツクス
    駆動信号手段を有することを特徴とする特許請求
    の範囲第1項に記載の液晶像投影装置。 3 上記光源手段が、該光源手段と上記非球面反
    射器手段との間に、該光源手段から放射される光
    に含まれる紫外線及び赤外線を減少させるフイル
    タ手段を有することを特徴とする特許請求の範囲
    第1項に記載の液晶像投影装置。 4 上記像形成手段の中で使用される液晶が動的
    散乱状態で使用され、像形成が反射方式で行なわ
    る液晶であることを特徴とする特許請求の範囲第
    1項に記載の液晶像投影装置。 5 上記像形成手段が、上記非球面反射器手段か
    らの光を投射される側すなわち前方に設けられて
    いる第1表面に取付けられ、上記第1表面からの
    反射光が上記非球面反射手段に設けられた絞り手
    段を通過するのを防止し、上記面手段に表示され
    た像のコントラスト比の低下を防ぐガラス製のく
    さび形部材を有し、又上記非球面反射手段の形状
    は、上記くさび形部材による像のひずみを矯正す
    る形状を有することを特徴とする特許請求の範囲
    第1項に記載の液晶像投影装置。 6 前記非球面反射器手段が、主軸の1つのまわ
    りの回転により形成する回転だ円体の表面の一部
    の形状を有することを特徴とする特許請求の範囲
    第1項、第2項および第5項のいずれか1に記載
    の液晶像投影装置。 7 前記光源手段が上記回転だ円体の焦点位置に
    置かれたことを特徴とする特許請求の範囲第6項
    に記載の液晶像投影装置。 8 前記影像用の表面手段が所望の射出ひとみ寸
    法に合わせるサイズの拡散スクリーン手段を有す
    ることを特徴とする特許請求の範囲第1項、第2
    項および第5項のいずれか1に記載の液晶像投影
    装置。 9 上記面手段が上記非球面拡散用スクリーン手
    段を介して送られた光の方向を所望の方向に転ず
    る手段を有することを特徴とする特許請求の範囲
    第8項に記載の液晶像投影装置。
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