JP2009258207A

JP2009258207A - ディスプレイ装置

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Publication number: JP2009258207A
Application number: JP2008104425A
Authority: JP
Inventors: Toshifumi Yokoyama; 敏史横山; Kazuhisa Yamamoto; 和久山本; Hiroyuki Furuya; 博之古屋; Tetsuo Mizushima; 哲郎水島; Tatsuo Ito; 達男伊藤
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2008-04-14
Filing date: 2008-04-14
Publication date: 2009-11-05

Abstract

【課題】ディスプレイ用の光源にレーザーを用いる場合、赤色光用の波長６４０ｎｍ近傍の赤色半導体レーザーは高温で発振しにくいため、ディスプレイ装置が高温になると非常に小さい出力しか得られない。また、温度が６０℃以上になると発振しなくなるため、赤色光が全く得られなくなる。特に車載用のディスプレイ装置として用いる場合、炎天下での起動時には赤色光が得られず画像表示が正確に行われない。
【解決手段】発振波長の異なる赤色半導体レーザーを複数搭載する。発振波長が６５０ｎｍ以上であれば高温下でも発振しやすいため高温起動時でも赤色出力が得られる。また、波長の異なる赤色光の合波にバンドパスフィルターを用いれば光出力のロスを小さくして合波が可能となる。さらに複数の赤色半導体レーザーの偏光方向を異なる方向にすれば合波が容易となるだけでなく、ダイクロイックミラーでの合波も容易になり、スペックルノイズも低減される。
【選択図】図１

Description

本発明は、赤色半導体レーザーを用いるディスプレイ装置に関するものである。

光源としてレーザーを用いたディスプレイ装置が提案されている（特許文献１）。また、レーザーを用いたディスプレイを車載する提案がある（特許文献２）。光源として半導体レーザーやＳＨＧレーザーのような発振波長スペクトルの限定された光源を用いているため、光学部品の設計もランプを用いた場合に比べて容易であり、光学系が小型化できるため、装置を小型にできるだけでなく、ランプやＬＥＤを用いるディスプレイ装置に比べ低消費電力化が実現できる。

レーザーを用いたディスプレイ装置の一例を図７に示す。図７はディスプレイ装置５１を上面から見たものである。青色光源５２、緑色光源５３、赤色光源５４から出力されたレーザー光はミラー部５５に導かれ、ミラー部５５により水平方向および垂直方向に走査され、スクリーン５６に映像が投射される。

赤色光源５４（発振波長６４０ｎｍ近傍）、青色光源５２（発振波長４４０ｎｍ近傍）としては半導体レーザーが用いられている。緑色光源５３として波長変換を用いるＳＨＧ（ＳｅｃｏｎｄＨａｒｍｏｎｉｃＧｅｎｅｒａｔｉｏｎ）レーザーが用いられている。
国際公開第２００６／０９３１３４号パンフレット特開平０７−２７０７１１号公報

しかしながら、前記従来の装置においては赤色光を得るために用いられる波長６４０ｎｍ近傍の赤色半導体レーザーが高温で発振しにくいため、ディスプレイ装置が高温になると非常に小さい出力しか得られない。また、温度が６０℃以上になると発振しなくなるため、赤色光が全く得られなくなる。前期課題により、特に車載用のディスプレイ装置として用いる場合、炎天下での起動時には赤色光が得られないため画像表示が正確に行われないという問題が発生する。

上記の課題を解決するため、本発明のディスプレイ装置は、前記ディスプレイ用光源として発振波長の異なる複数の赤色半導体レーザーが搭載されていることを特徴とする。

また、前記ディスプレイ装置内に発振波長が６４０ｎｍ近傍の赤色半導体レーザーと発振波長６５０ｎｍ以上の赤色半導体レーザーが含まれることが望ましい。波長６５０ｎｍ以上の赤色半導体レーザーの利用により高温でも赤色高出力を得ることが可能となる。

また、前記複数の赤色半導体レーザーからの出射光の合波を、バンドパスフィルターを用いて行うことが好ましい。バンドパスフィルターを用いれば前記波長の異なる赤色光が同一偏光の場合の合波が容易になる。

また、赤色半導体レーザーが３個以上含まれる場合、発振波長６４０ｎｍ近傍の赤色半導体レーザーの個数≦発振波長６５０ｎｍ以上の赤色半導体レーザーの個数の関係であることが望ましい。波長６５０ｎｍ以上の赤色光は視感度が低いため、６４０ｎｍと同等の視感度を得るのに効果がある。

また、ディスプレイ装置内の温度センサーにより装置の温度をモニターし、発振波長が６４０ｎｍ近傍の赤色半導体レーザーと発振波長６５０ｎｍ以上の赤色半導体レーザーの駆動切り替えを行うことが望ましい。切り替えにより省電力化が可能となる。

また、前記ディスプレイ装置内に含まれる青色および緑色のレーザー光源について発振波長の異なる複数の光源が用いられていることが好ましい。青色、緑色についても高温動作で有利な波長のレーザーを搭載することで高温動作時での出力低下を回避できる。

また、装置温度が５０℃以下では発振波長が６４０ｎｍ近傍の赤色半導体レーザーを、６０℃以上では発振波長６５０ｎｍ以上の赤色半導体レーザーを用い、５０〜６０℃では両方用いることが好ましい。前記駆動により赤色光量を保ちながら省電力駆動が可能となる。

また、発振波長６５０ｎｍ以上の赤色半導体レーザーは常に駆動され、発振波長が６４０ｎｍ近傍の赤色半導体レーザーは５０℃以下の場合だけ駆動されることが好ましい。前記駆動方法では波長６４０ｎｍの赤色半導体レーザーの寿命を延ばすことができる。

また、装置温度が５０℃以上の場合、赤の比率を下げた映像信号に変換することが好ましい。前記信号処理により、赤色光源への負担が軽減される。

また、発振波長が６４０ｎｍ近傍の赤色半導体レーザーが劣化した場合、発振波長６５０ｎｍ以上の赤色半導体レーザーを駆動することが望ましい。

また、発振波長が６４０ｎｍ近傍の赤色半導体レーザーと発振波長６５０ｎｍ以上の赤色半導体レーザーの偏光方向が異なることが望ましい。偏光方向の異なる光源を用いることで合波が容易となるのに加え、スペックルノイズを低減できる。

また、発振波長が６４０ｎｍ近傍の赤色半導体レーザーがＴＭモードで発振し、発振波長６５０ｎｍ以上の赤色半導体レーザーＴＥモードで発振していることが好ましい。

また、前記偏光方向の異なる複数の赤色半導体レーザーからの出射光の合波を、ダイクロイックミラーを用いて行うことが好ましい。ダイクロイックミラーの作製は比較的容易であり、製作コストも低くできる。

また、前記ディスプレイ装置内に含まれる半導体レーザーが、出力ゼロを含んだ変調を行い駆動されていることが望ましい。前記駆動方法により、半導体レーザーの発熱が抑制できる。

また、装置温度が５０℃以上であれば自動車に具備されたバッテリーを用いて冷却を行うことが好ましい。

また、自動車走行時には風を用いて冷却し、自動車停止時にはファンを用いて冷却することが望ましい。

また、装置温度が５０℃以上であれば車内冷房時に使用するエアコンのガスを用いて冷却することが好ましい。

また、装置温度が５０℃以上の場合、自動車のカギが開いた瞬間から冷却を開始することが望ましい。

以上の発明により、高温時の起動の際に、適切な色バランスの映像を提供できる。特に高温時に赤色主杖欲が得られるようになる。また、１つの赤色半導体レーザーが劣化しても赤色の代替出力があるため映像を得ることが可能である。また、複数の赤色半導体レーザーを用いても複数の出射光の光路を容易に同じ光路に一致させることが可能となる。また、本発明により半導体レーザーで発生する発熱を抑制し、高出力化を実現できる。また、本発明によりディスプレイ装置を車載した場合の温度が安定化されるとともに、高温起動時の温度を早く低下させることが可能である。

以下の実施の形態では、高温時でもディスプレイ装置から色バランスの整った映像が得られる構成および方法に関して説明する。

（実施の形態１）
図１は本発明のディスプレイ装置１を上面から見たものである。青色光源２、緑色光源３、第１の赤色光源４および第２の赤色光源５から出力されたレーザー光はダイクロイックミラー７またはバンドパスフィルター８を用いてミラー部６に導かれる。ミラー部６では、平行光となった各色のレーザー光を水平および垂直方向に走査し、スクリーン１１上に映像を表示する。青色光源および赤色光源は半導体レーザーを用いた。緑色光源には赤外光の波長変換を用いたＳＨＧ光源を用いた。本ディスプレイ装置には赤色光源が２つ搭載されている。第１の赤色光源４は発振波長が６４０ｎｍ（温度２５℃にて）近傍の半導体レーザーである。一方、第２の赤色光源５は発振波長が６５０ｎｍ以上のものである。人間の眼の視感度を考慮すると波長６４０ｎｍ近傍の赤色光源を用いるのが低出力でよいため有利である。しかしながら、波長６４０ｎｍ近傍の赤色半導体レーザーは高温で発振しにくいため、ディスプレイ装置が高温になると非常に小さい出力しか得られない。また、温度が６０℃以上になると発振しなくなるため、赤色光が全く得られなくなるという問題がある。よって、本ディスプレイ装置を高温下で起動すると赤色のない映像となり不都合が生じる。本ディスプレイ装置を車載した場合、高温下で起動する機会が多くなるため、高温時でも赤色光を得る手段が必要である。

本実施の形態では第２の赤色光源５として発振波長が６５０ｎｍ以上（２５℃にて）の半導体レーザーを搭載した。発振波長６５０ｎｍ以上の赤色半導体レーザーは高温でも駆動可能であるので有効である。温度センサー９を用いて装置の温度をモニターし、温度が５０℃以上になった場合に第２の赤色光源を、制御回路１０を用いて駆動するように設定して使用した。本実施の形態では５０℃以下では６４０ｎｍ近傍の赤色光源を、５０〜６０℃では両方、６０℃以上では波長６５０ｎｍ以上の赤色光源を用いる設定とした。本設定は省電力化を前提としたものである。供給電力に余裕がある場合は常に両方の光源を点灯させてもよい。その場合は２つの異なる波長の光線が照射されることになるため、レーザーをディスプレイ装置に用いたときに課題となるスペックルノイズの低減が実現される。

前記設定により高温時でも赤色光の割合を減らすことなく映像表示が可能となった。ただし、波長が６５０ｎｍ以上になると視感度が低下するため大きな赤色出力が必要となる。図１では第２の赤色光源として１個だけ搭載した場合について図示してあるが、場合によっては波長６５０ｎｍ以上の赤色半導体レーザーを２個以上搭載するのも有効である。波長６４０ｎｍ近傍の赤色半導体レーザーが複数搭載されることも考えられるが、その場合でも波長６４０ｎｍ近傍の半導体レーザーの個数よりも波長６５０ｎｍ以上の半導体レーザーの個数を多くしておけば、高温時でも眼で感じられる赤色光の低下を防止することが容易になる。

次に、部品寿命の観点から対策を行った。一般的に波長６４０ｎｍの赤色光源のほうが６５０ｎｍ以上の赤色光源に比べて寿命が短い。よって、波長６４０ｎｍの赤色光源が劣化した場合、６５０ｎｍ以上の赤色光源を点灯させ代替光源として利用するように制御することにした。本体策により赤色光が得られない状況を長期にわたりほぼなくすことができる。

また、映像信号の処理について説明する。高温時には赤、青、緑光源のうち赤色光源の割合が最も低下する。よって映像信号も赤色出力低下の影響を抑えるため赤色の青色および緑色の出力を補正した信号に変換した。前記対応により対策前には青緑色に近い白色光であったものが純白に近づけられた。

次に、赤色光源を２つ用いる場合の課題と対策を説明する。上述のように高温時の駆動対策として波長の異なる複数の光源を用いた場合、それぞれの光源から出射したビームが同一の角度でミラー上の同一のポイントに入射しなければならない。前記課題を解決するため、本実施の形態ではバンドパスフィルターを利用した。本実施の形態では第１の赤色光源からの出射光と第２の赤色光源からの出射光の合波に誘電体多層膜を用いたバンドパスフィルターを用いた。波長の異なるビームを合波するには通常ダイクロイックミラーを用い、片方からの入射光は反射し、もう一方からの入射光を透過させる。しかし、本実施の形態のように波長が６４０ｎｍ、６５０ｎｍと近い場合には図２に示すように２つの波長を分離するのが非常に困難である。図２に示す例では波長６５０ｎｍの赤色光の一部がコーティング面で反射されてしまい、赤色光のロスが発生してしまう。一方、本実施の形態のようにバンドパスフィルターを用いれば２つのビームを合波するのは容易になる。バンドパスフィルターは図２中のグラフのようにある一定の波長近傍の光のみを透過させるものである。バンドパスフィルターは６５０ｎｍ〜６６０ｎｍの範囲で透過するように設計した。バンドパスフィルターを用いれば波長の異なる２つの赤色光源から出射されたビームはどちらも低損失で利用することが可能となる。波長の異なる赤色半導体レーザーの偏光方向が同一である場合には本構成が非常に有効である。

なお、本実施の形態では赤色光源についてのみ言及したが、青色、緑色光源についても高温時の課題が発生する場合は温度特性の異なる複数の光源を搭載すればよいのは明らかである。特に緑色光源についてはＳＨＧ光源を用いる場合、波長変換素子の位相整合温度が最適温度からずれた場合に出力が低下しやすいため、位相整合温度の異なる光源を追加すれば効果がある。

また、本実施の形態ではレーザー光をスキャンして映像表示するタイプのディスプレイ装置を採り上げているが、液晶パネルやＤＭＤなどを用いたディスプレイ装置にも適用できるのは自明である。

（実施の形態２）
本実施の形態では、偏光方向の異なる赤色光源を搭載する場合について説明する。基本的構成は実施の形態と同じである。高温時の赤色出力対策として波長６４０ｎｍ近傍の赤色半導体レーザーと波長６５０ｎｍ以上の赤色半導体レーザーを搭載する点についても同様である。ただし、本実施の形態では前記２つの赤色半導体レーザーの偏光方向が異なっている。波長６４０ｎｍ近傍の赤色半導体レーザーはＴＭモードで発振し、波長６５０ｎｍ以上の半導体レーザーはＴＥモードで発振する。波長６４０ｎｍ近傍の赤色半導体レーザーはＴＭモードで発振するほうが発光効率や寿命の点で有利になる場合が多い。以下では発振波長および偏光方向の異なる赤色半導体レーザーを用いた場合の光学構成の例を２つ説明する。

第１の例を図３に示す。図３に示す構成は実施の形態１とほぼ同じであるが、偏光ビームスプリッター１２を用いて同一の光軸に合波している。２つの赤色半導体レーザーの偏光方向が異なるため合波が容易になっている。

第２の例を図４（ａ）に示す。図４（ａ）では偏光方向のことなる２つの赤色半導体レーザーからの出射光を、ダイクロイックミラー１３を用いて合波している。図４（ｂ）はダイクロイックミラー１３の特性を示すものである。図４（ｂ）から、偏光方向が異なると透過する波長帯域が異なることがわかる。Ｐ偏光とＳ偏光では透過帯域が波長で３０ｎｍ程度離れているのでダイクロイックミラー１３での反射ロス無しに合波が可能である。ダイクロイックミラーは作製が比較的容易であり、部品コストの低減が期待できる。

なお、本実施の形態では赤色光源についてのみ言及したが、青色、緑色光源についても同様の対策を行えば同じ効果が得られるのは明らかである。

（実施の形態３）
本実施の形態では、ディスプレイ装置に用いている光源の温度上昇を抑制し、高温時でも駆動しやすくする方法について説明する。本実施の形態で用いたディスプレイ装置の構成は実施の形態１で用いたものと同様である。ただし、半導体レーザーの駆動方法を変えている。図５を用いて半導体レーザーの駆動方法を説明する。通常スキャンにより映像を表現する場合には図５（ａ）のような電流波形を半導体レーザーに供給し出力を変調して階調表現を行う。しかし、このような駆動方法の場合では連続して高輝度表示の信号が与えられた場合半導体レーザーの温度が上昇し、高出力を得ることが困難となる。高温時に駆動する際には影響がさらに大きくなる。そこで、図５（ｂ）のように半導体レーザーの駆動時に出力ゼロの期間を含んだ変調を行うことにした。ただし、ピーク出力を図５（ａ）の場合よりも大きくし、輝度の低下を防止している。図５（ｂ）の駆動方法を用いた場合のほうが、高輝度信号が連続したときの半導体レーザーの温度上昇が抑制され、高温時でも半導体レーザーの出力を得るのが容易になり、駆動時の平均電流が低減できるので省電力化が実現できる。また、温度上昇が低減できるため、半導体レーザーの寿命を長くすることができる。

本実施の形態では赤色および青色半導体レーザーに関して本駆動方法を適用した。緑色光源に関しては固体レーザーを用いた内部共振器型ＳＨＧ光源を用いているため適用しなかったが、変調速度が速くても対応可能な、波長１０６４ｎｍの半導体レーザー光を直接波長変換するタイプのＳＨＧ光源では波長１０６４ｎｍの半導体レーザーの駆動を赤色や青色の半導体レーザーと同様にすれば対応可能である。

（実施の形態４）
本実施の形態ではレーザーを用いたディスプレイ装置を車載した場合のディスプレイ装置の冷却方法について説明する。本実施の形態で用いたディスプレイ装置の構成は実施の形態１で用いたものと同様である。図６はディスプレイ装置１を車載した場合の図である。ディスプレイ装置１には放熱フィン１４が具備されている。また、放熱フィン１４には冷却ファン１５が付加されている。ディスプレイ装置１には温度センサーが備え付けられている（図示せず）。ディスプレイ装置の温度が５０℃以上になった場合には車載されているバッテリー１６を用いてディスプレイ装置内のペルチエ素子（図示せず）に電流供給し、装置の冷却を行い、半導体レーザーが発振可能な温度まで冷却する。ペルチエ素子に電流を供給するタイミングとしては自動車の鍵が開けられた瞬間から開始すればエンジン始動前に映像出力が可能となるため実用上非常に有効である。ペルチエ素子以外の冷却方法としては車内の空調に用いられる冷房用のガスを用いてディスプレイ装置を冷却する方法もある。その他、ディスプレイ装置の周囲に水冷用のパイプを付加し、バッテリーやエンジンの動力を用いて水などの冷却媒体を循環させても良い。ディスプレイ装置に付加された放熱フィン１４は自動車走行時に発生する空気の流れを用いてディスプレイ装置の放熱を行う。自動車停止時には冷却ファン１５が起動され、放熱フィン１４に空気を流し放熱を行う。上記構成により車載された場合においても安定した光出力が得られ。映像が出力されない状態を防止できる。

本発明にかかるディスプレイ装置はプロジェクターとして有用である。特に車載用のディスプレイ装置に有用である。

ディスプレイ装置の概略図（ａ）ダイクロイックミラーを用いた場合の合波を説明する図（ｂ）バンドパスフィルターを用いた場合の合波を説明する図偏光ビームスプリッターを用いた場合の合波を説明する図偏光方向の異なる半導体レーザーを用い、ダイクロイックミラーを用いて合波する場合の説明図半導体レーザーの駆動方法を示す図車載時のディスプレイ装置の冷却方法を説明する図従来のディスプレイ装置の構成を示す図

符号の説明

１ディスプレイ装置
２青色光源
３緑色光源
４第１の赤色光源
５第２の赤色光源
６ミラー部
７ダイクロイックミラー
８バンドパスフィルター
９温度センサー
１０制御回路
１１スクリーン
１２偏光ビームスプリッター
１３ダイクロイックミラー
１４放熱フィン
１５冷却ファン
１６バッテリー
５１ディスプレイ装置
５２青色光源
５３緑色光源
５４赤色光源
５５ミラー部
５６スクリーン

Claims

レーザー光源が含まれ、レーザー光を被写体に投射するタイプのディスプレイ装置であり、前記ディスプレイ用光源として発振波長の異なる複数の赤色半導体レーザーが搭載されていることを特徴とするディスプレイ装置。
前記ディスプレイ装置内に発振波長が６４０ｎｍ近傍の赤色半導体レーザーと発振波長６５０ｎｍ以上の赤色半導体レーザーが含まれることを特徴とする請求項１に記載のディスプレイ装置。
前記複数の赤色半導体レーザーからの出射光の合波を、バンドパスフィルターを用いて行うことを特徴とする請求項１に記載のディスプレイ装置。
赤色半導体レーザーが３個以上含まれる場合、発振波長６４０ｎｍ近傍の赤色半導体レーザーの個数≦発振波長６５０ｎｍ以上の赤色半導体レーザーの個数の関係であることを特徴とする請求項２に記載のディスプレイ装置。
ディスプレイ装置内の温度センサーにより装置の温度をモニターし、発振波長が６４０ｎｍ近傍の赤色半導体レーザーと発振波長６５０ｎｍ以上の赤色半導体レーザーの駆動切り替えを行うことを特徴とする請求項２に記載のディスプレイ装置。
前記ディスプレイ装置内に含まれる青色および緑色のレーザー光源について発振波長の異なる複数の光源が用いられていることを特徴とする請求項１に記載のディスプレイ装置。
装置温度が５０℃以下では発振波長が６４０ｎｍ近傍の赤色半導体レーザーを、６０℃以上では発振波長６５０ｎｍ以上の赤色半導体レーザーを用い、５０〜６０℃では両方用いることを特徴とする請求項２に記載のディスプレイ装置。
発振波長６５０ｎｍ以上の赤色半導体レーザーは常に駆動され、発振波長が６４０ｎｍ近傍の赤色半導体レーザーは５０℃以下の場合だけ駆動されることを特徴とする請求項２に記載のディスプレイ装置。
装置温度が５０℃以上の場合、赤の比率を下げた映像信号に変換することを特徴とする請求項１に記載のディスプレイ装置。
発振波長が６４０ｎｍ近傍の赤色半導体レーザーが劣化した場合、発振波長６５０ｎｍ以上の赤色半導体レーザーを駆動することを特徴とする請求項２に記載のディスプレイ装置。
発振波長が６４０ｎｍ近傍の赤色半導体レーザーと発振波長６５０ｎｍ以上の赤色半導体レーザーの偏光方向が異なることを特徴とする請求項２に記載のディスプレイ装置。
発振波長が６４０ｎｍ近傍の赤色半導体レーザーがＴＭモードで発振し、発振波長６５０ｎｍ以上の赤色半導体レーザーＴＥモードで発振していることを特徴とする請求項１１に記載のディスプレイ装置。
前記偏光方向の異なる複数の赤色半導体レーザーからの出射光の合波を、ダイクロイックミラーを用いて行うことを特徴とする請求項１１に記載のディスプレイ装置。
前記ディスプレイ装置内に含まれる半導体レーザーが、出力ゼロを含んだ変調を行い駆動されていることを特徴とする請求項１に記載のディスプレイ装置。
レーザー光源が含まれ、装置温度が５０℃以上であれば自動車に具備されたバッテリーを用いて冷却を行うことを特徴とする車載用のディスプレイ装置。
レーザー光源が含まれ、自動車走行時には風を用いて冷却し、自動車停止時にはファンを用いて冷却することを特徴とする車載用のディスプレイ装置。
レーザー光源が含まれ、装置温度が５０℃以上であれば車内冷房時に使用するエアコンのガスを用いて冷却することを特徴とする車載用のディスプレイ装置。
レーザー光源が含まれ、装置温度が５０℃以上の場合、自動車のカギが開いた瞬間から冷却を開始することを特徴とする車載用のディスプレイ装置。