JP2004062106A - 投写型表示装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】ＲＧＢ層積層型カラーＥＬ変調パネルを備え、各色層のデフォーカ スによる色ボケを抑制する投写型表示装置を提供する。
【解決手段】電界発光素子は色の３原色を発光する３層の電界発光層を積層状に配置し、かつ各電界発光層は２次元マトリックス配列状に発光画素が配され、画像情報に応じた入力信号に則して色の３原色の強度分配を含めた画像変調パターンを発光放射し、前記放射光を投影レンズにより画像を表示する物体に投影して加法混色カラー像を表示する投写型表示装置において、前記投影レンズは、前記色の３原色をつかさどり発光放射する各電界発光層の配置面位置と、前記画像を表示する物体面とが各色の３原色の波長帯域の放射強度重心波長において光学的共役関係となるよう前記投影レンズが軸上色収差を有することを特徴とする投写型表示装置。
【選択図】 図１
【解決手段】電界発光素子は色の３原色を発光する３層の電界発光層を積層状に配置し、かつ各電界発光層は２次元マトリックス配列状に発光画素が配され、画像情報に応じた入力信号に則して色の３原色の強度分配を含めた画像変調パターンを発光放射し、前記放射光を投影レンズにより画像を表示する物体に投影して加法混色カラー像を表示する投写型表示装置において、前記投影レンズは、前記色の３原色をつかさどり発光放射する各電界発光層の配置面位置と、前記画像を表示する物体面とが各色の３原色の波長帯域の放射強度重心波長において光学的共役関係となるよう前記投影レンズが軸上色収差を有することを特徴とする投写型表示装置。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、画像表示装置に関するものである。特に、画像パターンを発光する素子を投影対象物に拡大投影する表示装置、すなわちプロジェクタ表示装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、プロジェクタ型ディスプレイは、通常は液晶パネルやマイクロミラーデバイスを光変調素子として受動的スイッチングに利用して、光の透過と遮断または偏向を制御して選択された光パターンをスクリーンに投射することで、スクリーン上に映像を表示する。
【０００３】
しかしながら、上述のようなディスプレイにおいて、液晶パネルやマイクロミラーデバイスを光変調素子として用いているため、必ずや遮断状態における光は不用エネルギとして偏光素子や、光吸収媒質に吸収させて、排除することが前提となっている。また、液晶の場合、光透過率や、各画素の開口効率や偏光制御精度によって不要な照明光が存在せざるおえない点、マイクロミラーデバイスにおいても各画素の開口効率や、斜入射照明による投影レンズの開口数と照明系の開口数において軸対称光学系の瞳を有効使用することが困難といった、根本的な前提に立って成立しているものである。そこで、表示画像を明るくするために、メタルハライドや高圧水銀ランプを光源として用いているが、光源電圧として高電圧を使用しなければならない点や光源が高熱を発生するという問題が別途生ずることとなっている。
【０００４】
このような、エネルギ使用効率の低さを根本的に解決する手段として、特開平１１−６７４４８号公報（株式会社豊田中央研究所）、特開２０００−６６３０１号公報（セイコーエプソン株式会社）にて提案されている。上記２件においては、有機電界発光素子（以下有機ＥＬ素子と表現する）をマトリクス配置した発光パネル（以下有機ＥＬパネルと表現する）として、この発光パネルの各有機ＥＬ素子を映像情報に基づいて駆動発光し、投影光学系によって表示対象物に投影表示することが提案されている。有機ＥＬ素子は、自発光素子であるため、別途照明光源は不要であり、有機ＥＬパネルは、映像情報に応じてパターン発光させることができるため、変調素子としての透過型の液晶パネルなどは不要であり、従って発光放射された光を有効に表示に利用することができる。このことによって、不要な光エネルギを生成することなく、低電力にて高輝度の表示を容易に得ることが期待されている、また、有機ＥＬパネルのみで、映像を変調出力できるため、その構成が簡単であり、装置の小型、軽量化を図ることが容易であるといった効果が期待できる。
【０００５】
しかしながら、画像を拡大しスクリーン等の物体に投影表示する投写型表示装置の画像変調光源として用いる場合、直視型のディスプレイとして有機ＥＬ素子を用いるのに比べ、有機ＥＬ素子からの放射光量を格段に多くしなければならない。即ち、有機ＥＬパネルに配される各画素に投入する電力エネルギを多くして、発光量を増大する必要が生じてくるが、有機ＥＬ素子を高輝度で発光させると投入電力に対する放射光量の発光効率が低下するといった不具合が発生する。
【０００６】
これは、発光層に注入する電荷キャリア量、即ち電流量を増加させるために印加電圧を高めることとなるが、電圧を高めることは発光層にかかる電界勾配を大きくすることと同等で、この電界勾配が大きくなると、発光層領域で電子とホールが留まり励起子を形成し、再結合によってフォトンを放射するエレクトロ・ルミネッセンス放射現象に対して、発光層領域に電荷キャリアが留まらず、発光層を付き抜けるリーク電流が増大することで、投入電力に対する放射光量の発光効率が低下する。電荷キャリアが発光層からあふれることを防止して発光効率を向上させるために、ダブルへテロポテンシャル構造をとる方向で開発がなされているが、電子阻止層のＬＵＭＯ側ポテンシャル障壁の高さ、ホール阻止層のＨＯＭＯ側ポテンシャル障壁の高さが構成材料に依存し、発光層にかかる電界勾配に対して十分に機能する状況までは達していないのが現状である。
【０００７】
このために色の３原色の発光画素の繰返しマトリックス配列構成した有機ＥＬパネルを投影する構成よりも、色の３原色を個別に発光する３体の別体有機ＥＬパネルを用い、ダイクロイック波長帯域分離膜を配したプリズム等合波手段によって３色の光を合波して投影する構成の方が、一つの画素にかかる電力量が減少することで、投入電力に対する放射光量の発光効率が向上する。
【０００８】
しかし、この構成においても、有機ＥＬ素子は一般的に無偏光状態の光を放射することや、光放射指向性が等方となることと、ダイクロイック波長帯域分離膜への光の入射角度による分離波長シフト特性や、Ｓ偏光とＰ偏光によってダイクロイック波長帯域分離膜の分離波長差が生じることによって、ダイクロイック波長帯域分離膜を配したプリズム等合波手段によって３色の光を合波することによる、有機ＥＬ素子からの放射光をロスなく合波することは困難であって、つまり、３色の色を発光する３枚の有機ＥＬパネルを用いて、光合波しても、光の使用効率は単純な和にはならない。
【０００９】
そこで、一つの有機ＥＬパネルであって、層構成に色の３原色をつかさどり発光する有機ＥＬ発光層を３層有する、積層型で発光層を３層有する有機ＥＬパネルを投影する構成をとることによって、各有機ＥＬ発光層に投入する電力量を少なくすることができ、かつ３色の光を合波する効率を低下させることなく、投入電力に対して発光量また、スクリーン等の物体への投影光量の効率を向上させることができる。
【００１０】
【発明の解決しようとする課題】
しかしながら、前記した一つの有機ＥＬパネルであって、層構成に色の３原色をつかさどり発光する有機ＥＬ発光層を３層有する、積層型で発光層を３層有する有機ＥＬパネルを投影する構成において、層構成で配された、色の３原色をつかさどる３層の有機ＥＬ発光層の厚み方向の配置位置のずれによって、スクリーン等の物体へ投影レンズによって投影した場合、３色の色によって結像位置が異なるため、色に依存する画像ボケが生じてしまうといった欠点が生じる。この画像ボケは投影拡大倍率が大きくなればなるほど顕著に発生し、プロジェクタと呼ばれる投射型拡大表示装置においては、致命的な欠点となってしまう。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本願発明は、電界発光素子に色の３原色を発光する３層の電界発光層を積層状に配置し、かつ各電界発光層は２次元マトリックス配列状に発光画素が配され、画像情報に応じた入力信号に則して色の３原色の発光輝度分配を含めた画像変調パターンを発光放射する変調発光パネルを用い、前記放射光を投影レンズにより投影し、画像を表示する物体に投影して加法混色カラー像を表示する投写型表示装置であって、前記投影レンズは、前記色の３原色をつかさどり発光放射する各電界発光層の配置面位置と、前記画像を表示する物体面とが３原色各色の波長帯域の放射強度重心波長において光学的共役関係となるよう前記投影レンズに軸上色収差を持たせることによって、３層の層配置位置の異なる電界発光層から放射される３色の色の投影結像位置を合わせることで、色に依存する画像ボケを防止できるようにして、かつ電界発光素子の各発光層に投入する電力を抑制し、発光効率を維持して高輝度放射、またスクリーン等の物体への投影照度を高くできるようにしたものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の投写型表示装置を図面を参照しながら説明する
本発明の投写型表示装置の実施形態を図１に基づき説明する。図１は投写型表示装置を構成する主要な光学系の断面図である。
１は画像情報を光の発光パターン情報として光放射する電界発光素子であり、１０は電界発光素子の膜構造を保持するガラス基板で、画像信号に応じて電気的に電界発光素子１を制御するコントローラ４からの電気信号にもとづき電界発光素子１はパターン化された光を発光する。電界発光素子１から放射された光は、投影レンズ２によって捕えられスクリーン３に投写される。スクリーン３はその表面において光拡散特性を有するものであって、拡散反射された光を目で見ることで画像を認識する構成となっている。
【００１３】
この構成において、投写型表示装置として、スクリーン３は反射型であっても透過型であってもよく、かつ所定拡散性を有するものを用いればスクリーン３を直視して画像を認識する表示装置として機能するものである。
【００１４】
次に第１の実施形態にて用いる電界発光素子１の構造について図２を用いて説明する。電界発光素子の基本的な構造は、図２（ｂ）に示すごとく、透明ガラス基板１０を基材として、陽極電極となるＩＴＯ（酸化インジウム錫）からなるブルー用ホール輸送透明薄膜電極１４Ｂを図２（ａ）に示すように図面横方向に配線パターニングして配し、ブルー用ホール輸送透明薄膜電極１４Ｂ上に正電荷（ホール）のみを輸送するα−ＮＰＤからなるブルー用ホール輸送層１５Ｂが配され、ブルー用ホール輸送層１５Ｂの上にブルー色を発光するＣＢＰ電荷誘導体ホストをＦｌｒｐｉｃ発光体ゲストをドーピングした材料からなるブルー色を発光する電界発光層１Ｂが配され、その上に負電荷（電子）のみを輸送するＢＣＰからなるブルー用電子輸送層１６Ｂが配され、その上に電子移動度の高いＭｇとＡｇの合金からなる数十オングストロームの厚みのブルー用薄膜金属電極１７Ｂを図２（ａ）に示すように図面縦方向にブルー用ホール輸送透明薄膜電極１４Ｂの配線方向と直交するように、配線パターニングして配されている。かつその上に電子バッファ層としてＩＴＯからなるブルー用電子輸送透明薄膜１８Ｂがブルー用薄膜金属電極１７Ｂと同等な形状でパターニングされ配されて、その上に全領域を覆うように窒化シリコン等からなるブルー用絶縁体保護層１９Ｂで絶縁カバーされている。
【００１５】
このブルー用の構成の上にグリーン用膜構成、レッド用膜構成が同様な構成で積層されるが、順に、図２（ａ）に示すようにパターニングされたＩＴＯからなるグリーン用ホール輸送透明薄膜電極１４Ｇ、正電荷（ホール）のみを輸送するα−ＮＰＤからなるグリーン用ホール輸送層１５Ｇ、グリーン色を発光するＣＢＰ電荷誘導体ホストにＩｒ（ｐｐｙ）３発光体ゲストをドーピングした材料からなるグリーン色を発光する電界発光層１Ｇ、負電荷（電子）のみを輸送するＢＣＰからなるグリーン用電子輸送層１６Ｇ、図２（ａ）に示すようにパターニングされた、電子移動度の高いＭｇとＡｇの合金からなる数十オングストロームの厚みのグリーン用薄膜金属電極１７Ｇ、図２（ａ）に示すようにパターニングされた、電子バッファ層としてＩＴＯからなるグリーン用電子輸送透明薄膜１８Ｇ、全領域を覆う窒化シリコン等からなるグリーン用絶縁体保護層１９Ｇ、図２（ａ）に示すようにパターニングされたＩＴＯからなるレッド用ホール輸送透明薄膜電極１４Ｒ、正電荷（ホール）のみを輸送するα−ＮＰＤからなるレッド用ホール輸送層１５Ｒ、レッド色を発光するＣＢＰ電荷誘導体ホストにＢｔｐ２Ｉｒ（ａｃａｃ）発光体ゲストをドーピングした材料からなるレッド色を発光する電界発光層１Ｒ、負電荷（電子）のみを輸送するＢＣＰからなるレッド用電子輸送層１６Ｒ、図２（ａ）に示すようにパターニングされた、電子移動度の高いＭｇとＡｇの合金からなる数十オングストロームの厚みのレッド用薄膜金属電極１７Ｒ、図２（ａ）に示すようにパターニングされた、電子バッファ層としてＩＴＯからなるレッド用電子輸送透明薄膜１８Ｒ、全領域を覆う窒化シリコン等からなるレッド用絶縁体保護層１９Ｒ、と構成されている。
【００１６】
ブルー用ホール輸送透明薄膜電極１４Ｂからブルー用電子輸送透明薄膜１８Ｂ、グリーン用ホール輸送透明薄膜電極１４Ｇからグリーン用電子輸送透明薄膜１８Ｇ、レッド用ホール輸送透明薄膜電極１４Ｒからレッド用電子輸送透明薄膜１８Ｒの膜構成は電界的に独立な構成を取っており、電界発光層１Ｒ、１Ｇ、１Ｂにホールキャリアを効率的に注入するためと、電子キャリアを遮蔽ブロッキングするために、ホール輸送層（１５Ｒ、１５Ｇ、１５Ｂ）が配され、また電界発光層（１Ｒ、１Ｇ、１Ｂ）に電子キャリアを効率的に注入するためと、ホールキャリアを遮蔽ブロッキングするために、電子輸送層（１６Ｒ、１６Ｇ、１６Ｂ）が配され、エネルギポテンシャル的にダブルへテロ構造で電界発光層をサンドイッチしている。ホール輸送層（１５Ｒ、１５Ｇ、１５Ｂ）には陽極電極のＩＴＯからなるホール輸送透明薄膜電極（１４Ｒ、１４Ｇ、１４Ｂ）からホールキャリアが供給され、電子輸送層（１６Ｒ、１６Ｇ、１６Ｂ）には、ＩＴＯが電子移動度が低いため数十オングストロームの超薄膜で形成することで光透過性を高くした電子移動度の高い薄膜金属電極（１７Ｒ、１７Ｇ、１７Ｂ）を介して、陰極電極として用いるＩＴＯからなる電子輸送透明薄膜（１８Ｒ、１８Ｇ、１８Ｂ）から電子キャリアのバッファ層として電子が供給されるように構成されている。
【００１７】
このように電界発光層１Ｒ、１Ｇ、１Ｂにホールと電子の電荷キャリアが注入され、ＣＢＰ電荷誘導体を介して電界キャリアが運搬され励起子を形成する。そしてこの励起子が再結合することによってフォトンが生成され放射発光が起こるものである。
以上が基本的な電界発光素子の構造で、各発光画素３０は、ホール輸送透明薄膜電極１４Ｒ、１４Ｇ、１４Ｂと、電子輸送透明薄膜電極１８Ｒ、１８Ｇ、１８Ｂの配線マトリックス配置によって構成され、発光材料であるレッド色発光のＢｔｐ２Ｉｒ（ａｃａｃ）発光体ゲスト、グリーン色発光のＩｒ（ｐｐｙ）３発光体ゲスト、ブルー色発光のＦｌｒｐｉｃ発光体ゲストは３重項状態励起子による発光である燐光発光材料である。積層構造で各色の光が、ガラス基板１０側に放射することによって、フルカラーを表現する電界発光素子１を実現するものである。またガラス基板１０側に放射する放射光量を増大させるために、レッド用絶縁体保護層１９Ｒの上にさらに誘電体光干渉多層膜や金属に反射ミラー層を設けてもよい。ただし、ブルー色を発光する電界発光層１Ｂから放射したフォトンがグリーン色を発光する電界発光層１Ｇとレッド色を発光する電界発光層１Ｒに吸収されることによるフォトルミネッセンス放射をある確率で起こすため、また同様にグリーン色を発光する電界発光層１Ｇから放射したフォトンがレッド色を発光する電界発光層１Ｒに吸収されることによるフォトルミネッセンス放射をある確率で起こすため、表示色の入力画像信号に対するチューニングが必要となってくる。
【００１８】
上記実施形態の電界発光材料に用いている発光材料にはイリジウム錯体を用い発光波長は錯体構造の配位子を一部置換した分子や末端原子を置換した分子によってポテンシャルエネルギギャップを変えたイリジウム錯体の種を用いる。レッド色発光のＢｔｐ２Ｉｒ（ａｃａｃ）発光体ゲスト、グリーン色発光のＩｒ（ｐｐｙ）３発光体ゲスト、ブルー色発光のＦｌｒｐｉｃ発光体ゲストはそれぞれ配位子を変えたものである。
【００１９】
ここで用いる燐光発光材料は電荷キャリアのパルス注入から発光が開始されピーク発光から半減発光量に減衰するまでの時間は遅くとも１ミリ秒以下のもので、イリジウム錯体を用いた燐光発光材料は発光層の膜厚によっても発光遅延減衰時間は変動するものであるが、発光層の膜厚を約３０ｎｍとした場合半減発光減衰時間は１０マイクロ秒以下で燐光を発光するものである。ここで燐光発光の半減発光減衰時間が１ミリ秒より極端に長く１０ミリ秒を超えるほど発光遅延が生じる燐光発光材料または素子構成を用いると、消光までに数１０ミリ秒の時間を要することとなり視覚認識的に残像として認識されてしまうことで動画表示の場合動作の尾引き現象が生じてしまうといった問題が生じてしまうため、好ましくは燐光発光の半減発光減衰時間は１ミリ秒より短い燐光発光材料または素子構成を取ることが必要となる。
【００２０】
一方、励起３重項状態から発光する燐光発光は励起１重項状態発光に蛍光発光に対して理論的に量子変換効率が４倍になるもので、投入電力エネルギに対して発光光量を多く変換できることで発光効率が高く投射型表示装置の変調光源として電界発光素子を用いる場合には明るい表示を得やすくなるため、投射型表示装置の品質を高めるうえでも有効である。
【００２１】
次に本発明の趣旨である、ブルー、グリーン、レッドの色の３原色をつかさどり発光放射する各電界発光層（１Ｒ，１Ｇ，１Ｂ）の配置面位置と、画像を表示する物体面とが３原色各色の波長帯域の放射強度重心波長において光学的共役関係となるよう投影レンズ２に軸上色収差を持たせることについて、図３を用いて説明する。
【００２２】
図３は投影レンズ２によって電界発光素子１が入力される画像情報に応じたて発光するパターン放射光を投影レンズの絞り６を通過する光をスクリーン３に投影する構成を示す図で、電界発光素子１は、レッド色を発光する電界発光層１Ｒから放射される光は、ガラス基板１０側の全て透明な層を透りぬけ、図中上方に放射し、このときグリーン色を発光する電界発光層１Ｇ、ブルー色を発光する電界発光層１Ｂにおいては、ポテンシャルバンドギャップエネルギがレッド色光のフォトンエネルギよりも大きいため吸収は起こらない。また同様に、グリーン色を発光する電界発光層１Ｇから放射される光は、ガラス基板１０側の全て透明な層を透りぬけ、図中上方に放射し、このときブルー色を発光する電界発光層１Ｂにおいては、ポテンシャルバンドギャップエネルギがレッド色光のフォトンエネルギよりも大きいため吸収は起こらない。即ち、レッド、グリーン、ブルー各色の光は重なって放射されるものである。
【００２３】
一方投影レンズ２は、光軸５に対して軸対称な構造を取る投影レンズ２は不図示の構成するレンズに光波長分散の設計によって、レッド色波長の焦点距離が最も長く、次にグリーン色波長の焦点距離が長く、ブルー色波長の焦点距離が最も短くなるよう、電界発光層（１Ｒ、１Ｇ、１Ｂ）の面間距離に合わせて軸上色収差が設計されたもので、電界発光層（１Ｒ、１Ｇ、１Ｂ）各層から放射される光の波長帯域の放射光量重心波長に対して、レッド色を発光する電界発光層１Ｒとグリーン色を発光する電界発光層１Ｇとブルー色を発光する電界発光層１Ｂの各発光層の面がスクリーン３の画像投影表示面と光学的共役関係になっている。即ち図中のブルーレンズ入射側光束８Ｂ、グリーンレンズ入射側光束８Ｇ、レッドレンズ入射側光束８Ｒがレンズ出射側光束７に合成集約されるようになっているものである。
【００２４】
このことによって、光拡散スクリーン上の投影像はレッド色、グリーン色、ブルー色の各色が、フォーカスした状態で重なり合うため、色による画像解像度低下が起こらなく、シャープなキレのよい高解像な画像が表示できるようになる。
【００２５】
【発明の効果】
以上説明したように、電界発光素子には色の３原色を発光する３層の電界発光層を積層状に配置し、かつ各電界発光層は２次元マトリックス配列状に発光画素が配され、画像情報に応じた入力信号に則して色の３原色の強度分配を含めた画像変調パターンを発光放射し、前記放射光を投影レンズにより画像を表示する物体に投影して加法混色カラー像を表示する投写型表示装置において、前記投影レンズは、前記色の３原色をつかさどり発光放射する各電界発光層の配置面位置と、前記画像を表示する物体面とが各色の３原色波長帯域の放射強度重心波長において光学的共役関係となるよう前記投影レンズが軸上色収差を有することによって、レッド色、グリーン色、ブルー色の光放射をつかさどる３層の電界発光層の層配置位置から放射される３色の色の投影結像位置を合わせることで、色に依存する画像ボケを防止できるようにして、かつ電界発光素子の各発光層に投入する電力を抑制し、発光効率を維持して高輝度放射、またスクリーン等の物体への投影照度を高くできるようにしたものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る投写型表示装置を構成する主要な光学系の断面図
【図２】本発明の実施形態に用いる電界発光素子の要部の概略図（（ａ），（ｂ））
【図３】本発明の投影レンズの結像関係を示す概略図
【符号の説明】
１ 電界発光素子
１Ｒ レッド色を発光する電界発光層
１Ｇ グリーン色を発光する電界発光層
１Ｂ ブルー色を発光する電界発光層
２ 投影レンズ
２ スクリーン
３ コントローラ
５ 光軸
６ 絞り
７ レンズ出射側光束
８Ｒ レッドレンズ入射側光束
８Ｇ グリーンレンズ入射側光束
８Ｂ ブルーレンズ入射側光束
１０ ガラス基板
１４Ｒ レッド用ホール輸送透明薄膜電極
１４Ｇ グリーン用ホール輸送透明薄膜電極
１４Ｂ ブルー用ホール輸送透明薄膜電極
１５Ｒ レッド用ホール輸送層
１５Ｇ グリーン用ホール輸送層
１５Ｂ ブルー用ホール輸送層
１６Ｒ レッド用電子輸送層
１６Ｇ グリーン用電子輸送層
１６Ｂ ブルー用電子輸送層
１７Ｒ レッド用薄膜金属電極
１７Ｇ グリーン用薄膜金属電極
１７Ｂ ブルー用薄膜金属電極
１８Ｒ レッド色用電子輸送透明薄膜
１８Ｇ グリーン用電子輸送透明薄膜
１８Ｂ ブルー用電子輸送透明薄膜
１９Ｒ レッド用絶縁体保護層
１９Ｇ グリーン用絶縁体保護層
１９Ｂ ブルー用絶縁体保護層
２０Ｒ レッド放射光
２０Ｇ グリーン放射光
２０Ｂ ブルー放射光
３０ 画素
【発明の属する技術分野】
本発明は、画像表示装置に関するものである。特に、画像パターンを発光する素子を投影対象物に拡大投影する表示装置、すなわちプロジェクタ表示装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、プロジェクタ型ディスプレイは、通常は液晶パネルやマイクロミラーデバイスを光変調素子として受動的スイッチングに利用して、光の透過と遮断または偏向を制御して選択された光パターンをスクリーンに投射することで、スクリーン上に映像を表示する。
【０００３】
しかしながら、上述のようなディスプレイにおいて、液晶パネルやマイクロミラーデバイスを光変調素子として用いているため、必ずや遮断状態における光は不用エネルギとして偏光素子や、光吸収媒質に吸収させて、排除することが前提となっている。また、液晶の場合、光透過率や、各画素の開口効率や偏光制御精度によって不要な照明光が存在せざるおえない点、マイクロミラーデバイスにおいても各画素の開口効率や、斜入射照明による投影レンズの開口数と照明系の開口数において軸対称光学系の瞳を有効使用することが困難といった、根本的な前提に立って成立しているものである。そこで、表示画像を明るくするために、メタルハライドや高圧水銀ランプを光源として用いているが、光源電圧として高電圧を使用しなければならない点や光源が高熱を発生するという問題が別途生ずることとなっている。
【０００４】
このような、エネルギ使用効率の低さを根本的に解決する手段として、特開平１１−６７４４８号公報（株式会社豊田中央研究所）、特開２０００−６６３０１号公報（セイコーエプソン株式会社）にて提案されている。上記２件においては、有機電界発光素子（以下有機ＥＬ素子と表現する）をマトリクス配置した発光パネル（以下有機ＥＬパネルと表現する）として、この発光パネルの各有機ＥＬ素子を映像情報に基づいて駆動発光し、投影光学系によって表示対象物に投影表示することが提案されている。有機ＥＬ素子は、自発光素子であるため、別途照明光源は不要であり、有機ＥＬパネルは、映像情報に応じてパターン発光させることができるため、変調素子としての透過型の液晶パネルなどは不要であり、従って発光放射された光を有効に表示に利用することができる。このことによって、不要な光エネルギを生成することなく、低電力にて高輝度の表示を容易に得ることが期待されている、また、有機ＥＬパネルのみで、映像を変調出力できるため、その構成が簡単であり、装置の小型、軽量化を図ることが容易であるといった効果が期待できる。
【０００５】
しかしながら、画像を拡大しスクリーン等の物体に投影表示する投写型表示装置の画像変調光源として用いる場合、直視型のディスプレイとして有機ＥＬ素子を用いるのに比べ、有機ＥＬ素子からの放射光量を格段に多くしなければならない。即ち、有機ＥＬパネルに配される各画素に投入する電力エネルギを多くして、発光量を増大する必要が生じてくるが、有機ＥＬ素子を高輝度で発光させると投入電力に対する放射光量の発光効率が低下するといった不具合が発生する。
【０００６】
これは、発光層に注入する電荷キャリア量、即ち電流量を増加させるために印加電圧を高めることとなるが、電圧を高めることは発光層にかかる電界勾配を大きくすることと同等で、この電界勾配が大きくなると、発光層領域で電子とホールが留まり励起子を形成し、再結合によってフォトンを放射するエレクトロ・ルミネッセンス放射現象に対して、発光層領域に電荷キャリアが留まらず、発光層を付き抜けるリーク電流が増大することで、投入電力に対する放射光量の発光効率が低下する。電荷キャリアが発光層からあふれることを防止して発光効率を向上させるために、ダブルへテロポテンシャル構造をとる方向で開発がなされているが、電子阻止層のＬＵＭＯ側ポテンシャル障壁の高さ、ホール阻止層のＨＯＭＯ側ポテンシャル障壁の高さが構成材料に依存し、発光層にかかる電界勾配に対して十分に機能する状況までは達していないのが現状である。
【０００７】
このために色の３原色の発光画素の繰返しマトリックス配列構成した有機ＥＬパネルを投影する構成よりも、色の３原色を個別に発光する３体の別体有機ＥＬパネルを用い、ダイクロイック波長帯域分離膜を配したプリズム等合波手段によって３色の光を合波して投影する構成の方が、一つの画素にかかる電力量が減少することで、投入電力に対する放射光量の発光効率が向上する。
【０００８】
しかし、この構成においても、有機ＥＬ素子は一般的に無偏光状態の光を放射することや、光放射指向性が等方となることと、ダイクロイック波長帯域分離膜への光の入射角度による分離波長シフト特性や、Ｓ偏光とＰ偏光によってダイクロイック波長帯域分離膜の分離波長差が生じることによって、ダイクロイック波長帯域分離膜を配したプリズム等合波手段によって３色の光を合波することによる、有機ＥＬ素子からの放射光をロスなく合波することは困難であって、つまり、３色の色を発光する３枚の有機ＥＬパネルを用いて、光合波しても、光の使用効率は単純な和にはならない。
【０００９】
そこで、一つの有機ＥＬパネルであって、層構成に色の３原色をつかさどり発光する有機ＥＬ発光層を３層有する、積層型で発光層を３層有する有機ＥＬパネルを投影する構成をとることによって、各有機ＥＬ発光層に投入する電力量を少なくすることができ、かつ３色の光を合波する効率を低下させることなく、投入電力に対して発光量また、スクリーン等の物体への投影光量の効率を向上させることができる。
【００１０】
【発明の解決しようとする課題】
しかしながら、前記した一つの有機ＥＬパネルであって、層構成に色の３原色をつかさどり発光する有機ＥＬ発光層を３層有する、積層型で発光層を３層有する有機ＥＬパネルを投影する構成において、層構成で配された、色の３原色をつかさどる３層の有機ＥＬ発光層の厚み方向の配置位置のずれによって、スクリーン等の物体へ投影レンズによって投影した場合、３色の色によって結像位置が異なるため、色に依存する画像ボケが生じてしまうといった欠点が生じる。この画像ボケは投影拡大倍率が大きくなればなるほど顕著に発生し、プロジェクタと呼ばれる投射型拡大表示装置においては、致命的な欠点となってしまう。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本願発明は、電界発光素子に色の３原色を発光する３層の電界発光層を積層状に配置し、かつ各電界発光層は２次元マトリックス配列状に発光画素が配され、画像情報に応じた入力信号に則して色の３原色の発光輝度分配を含めた画像変調パターンを発光放射する変調発光パネルを用い、前記放射光を投影レンズにより投影し、画像を表示する物体に投影して加法混色カラー像を表示する投写型表示装置であって、前記投影レンズは、前記色の３原色をつかさどり発光放射する各電界発光層の配置面位置と、前記画像を表示する物体面とが３原色各色の波長帯域の放射強度重心波長において光学的共役関係となるよう前記投影レンズに軸上色収差を持たせることによって、３層の層配置位置の異なる電界発光層から放射される３色の色の投影結像位置を合わせることで、色に依存する画像ボケを防止できるようにして、かつ電界発光素子の各発光層に投入する電力を抑制し、発光効率を維持して高輝度放射、またスクリーン等の物体への投影照度を高くできるようにしたものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の投写型表示装置を図面を参照しながら説明する
本発明の投写型表示装置の実施形態を図１に基づき説明する。図１は投写型表示装置を構成する主要な光学系の断面図である。
１は画像情報を光の発光パターン情報として光放射する電界発光素子であり、１０は電界発光素子の膜構造を保持するガラス基板で、画像信号に応じて電気的に電界発光素子１を制御するコントローラ４からの電気信号にもとづき電界発光素子１はパターン化された光を発光する。電界発光素子１から放射された光は、投影レンズ２によって捕えられスクリーン３に投写される。スクリーン３はその表面において光拡散特性を有するものであって、拡散反射された光を目で見ることで画像を認識する構成となっている。
【００１３】
この構成において、投写型表示装置として、スクリーン３は反射型であっても透過型であってもよく、かつ所定拡散性を有するものを用いればスクリーン３を直視して画像を認識する表示装置として機能するものである。
【００１４】
次に第１の実施形態にて用いる電界発光素子１の構造について図２を用いて説明する。電界発光素子の基本的な構造は、図２（ｂ）に示すごとく、透明ガラス基板１０を基材として、陽極電極となるＩＴＯ（酸化インジウム錫）からなるブルー用ホール輸送透明薄膜電極１４Ｂを図２（ａ）に示すように図面横方向に配線パターニングして配し、ブルー用ホール輸送透明薄膜電極１４Ｂ上に正電荷（ホール）のみを輸送するα−ＮＰＤからなるブルー用ホール輸送層１５Ｂが配され、ブルー用ホール輸送層１５Ｂの上にブルー色を発光するＣＢＰ電荷誘導体ホストをＦｌｒｐｉｃ発光体ゲストをドーピングした材料からなるブルー色を発光する電界発光層１Ｂが配され、その上に負電荷（電子）のみを輸送するＢＣＰからなるブルー用電子輸送層１６Ｂが配され、その上に電子移動度の高いＭｇとＡｇの合金からなる数十オングストロームの厚みのブルー用薄膜金属電極１７Ｂを図２（ａ）に示すように図面縦方向にブルー用ホール輸送透明薄膜電極１４Ｂの配線方向と直交するように、配線パターニングして配されている。かつその上に電子バッファ層としてＩＴＯからなるブルー用電子輸送透明薄膜１８Ｂがブルー用薄膜金属電極１７Ｂと同等な形状でパターニングされ配されて、その上に全領域を覆うように窒化シリコン等からなるブルー用絶縁体保護層１９Ｂで絶縁カバーされている。
【００１５】
このブルー用の構成の上にグリーン用膜構成、レッド用膜構成が同様な構成で積層されるが、順に、図２（ａ）に示すようにパターニングされたＩＴＯからなるグリーン用ホール輸送透明薄膜電極１４Ｇ、正電荷（ホール）のみを輸送するα−ＮＰＤからなるグリーン用ホール輸送層１５Ｇ、グリーン色を発光するＣＢＰ電荷誘導体ホストにＩｒ（ｐｐｙ）３発光体ゲストをドーピングした材料からなるグリーン色を発光する電界発光層１Ｇ、負電荷（電子）のみを輸送するＢＣＰからなるグリーン用電子輸送層１６Ｇ、図２（ａ）に示すようにパターニングされた、電子移動度の高いＭｇとＡｇの合金からなる数十オングストロームの厚みのグリーン用薄膜金属電極１７Ｇ、図２（ａ）に示すようにパターニングされた、電子バッファ層としてＩＴＯからなるグリーン用電子輸送透明薄膜１８Ｇ、全領域を覆う窒化シリコン等からなるグリーン用絶縁体保護層１９Ｇ、図２（ａ）に示すようにパターニングされたＩＴＯからなるレッド用ホール輸送透明薄膜電極１４Ｒ、正電荷（ホール）のみを輸送するα−ＮＰＤからなるレッド用ホール輸送層１５Ｒ、レッド色を発光するＣＢＰ電荷誘導体ホストにＢｔｐ２Ｉｒ（ａｃａｃ）発光体ゲストをドーピングした材料からなるレッド色を発光する電界発光層１Ｒ、負電荷（電子）のみを輸送するＢＣＰからなるレッド用電子輸送層１６Ｒ、図２（ａ）に示すようにパターニングされた、電子移動度の高いＭｇとＡｇの合金からなる数十オングストロームの厚みのレッド用薄膜金属電極１７Ｒ、図２（ａ）に示すようにパターニングされた、電子バッファ層としてＩＴＯからなるレッド用電子輸送透明薄膜１８Ｒ、全領域を覆う窒化シリコン等からなるレッド用絶縁体保護層１９Ｒ、と構成されている。
【００１６】
ブルー用ホール輸送透明薄膜電極１４Ｂからブルー用電子輸送透明薄膜１８Ｂ、グリーン用ホール輸送透明薄膜電極１４Ｇからグリーン用電子輸送透明薄膜１８Ｇ、レッド用ホール輸送透明薄膜電極１４Ｒからレッド用電子輸送透明薄膜１８Ｒの膜構成は電界的に独立な構成を取っており、電界発光層１Ｒ、１Ｇ、１Ｂにホールキャリアを効率的に注入するためと、電子キャリアを遮蔽ブロッキングするために、ホール輸送層（１５Ｒ、１５Ｇ、１５Ｂ）が配され、また電界発光層（１Ｒ、１Ｇ、１Ｂ）に電子キャリアを効率的に注入するためと、ホールキャリアを遮蔽ブロッキングするために、電子輸送層（１６Ｒ、１６Ｇ、１６Ｂ）が配され、エネルギポテンシャル的にダブルへテロ構造で電界発光層をサンドイッチしている。ホール輸送層（１５Ｒ、１５Ｇ、１５Ｂ）には陽極電極のＩＴＯからなるホール輸送透明薄膜電極（１４Ｒ、１４Ｇ、１４Ｂ）からホールキャリアが供給され、電子輸送層（１６Ｒ、１６Ｇ、１６Ｂ）には、ＩＴＯが電子移動度が低いため数十オングストロームの超薄膜で形成することで光透過性を高くした電子移動度の高い薄膜金属電極（１７Ｒ、１７Ｇ、１７Ｂ）を介して、陰極電極として用いるＩＴＯからなる電子輸送透明薄膜（１８Ｒ、１８Ｇ、１８Ｂ）から電子キャリアのバッファ層として電子が供給されるように構成されている。
【００１７】
このように電界発光層１Ｒ、１Ｇ、１Ｂにホールと電子の電荷キャリアが注入され、ＣＢＰ電荷誘導体を介して電界キャリアが運搬され励起子を形成する。そしてこの励起子が再結合することによってフォトンが生成され放射発光が起こるものである。
以上が基本的な電界発光素子の構造で、各発光画素３０は、ホール輸送透明薄膜電極１４Ｒ、１４Ｇ、１４Ｂと、電子輸送透明薄膜電極１８Ｒ、１８Ｇ、１８Ｂの配線マトリックス配置によって構成され、発光材料であるレッド色発光のＢｔｐ２Ｉｒ（ａｃａｃ）発光体ゲスト、グリーン色発光のＩｒ（ｐｐｙ）３発光体ゲスト、ブルー色発光のＦｌｒｐｉｃ発光体ゲストは３重項状態励起子による発光である燐光発光材料である。積層構造で各色の光が、ガラス基板１０側に放射することによって、フルカラーを表現する電界発光素子１を実現するものである。またガラス基板１０側に放射する放射光量を増大させるために、レッド用絶縁体保護層１９Ｒの上にさらに誘電体光干渉多層膜や金属に反射ミラー層を設けてもよい。ただし、ブルー色を発光する電界発光層１Ｂから放射したフォトンがグリーン色を発光する電界発光層１Ｇとレッド色を発光する電界発光層１Ｒに吸収されることによるフォトルミネッセンス放射をある確率で起こすため、また同様にグリーン色を発光する電界発光層１Ｇから放射したフォトンがレッド色を発光する電界発光層１Ｒに吸収されることによるフォトルミネッセンス放射をある確率で起こすため、表示色の入力画像信号に対するチューニングが必要となってくる。
【００１８】
上記実施形態の電界発光材料に用いている発光材料にはイリジウム錯体を用い発光波長は錯体構造の配位子を一部置換した分子や末端原子を置換した分子によってポテンシャルエネルギギャップを変えたイリジウム錯体の種を用いる。レッド色発光のＢｔｐ２Ｉｒ（ａｃａｃ）発光体ゲスト、グリーン色発光のＩｒ（ｐｐｙ）３発光体ゲスト、ブルー色発光のＦｌｒｐｉｃ発光体ゲストはそれぞれ配位子を変えたものである。
【００１９】
ここで用いる燐光発光材料は電荷キャリアのパルス注入から発光が開始されピーク発光から半減発光量に減衰するまでの時間は遅くとも１ミリ秒以下のもので、イリジウム錯体を用いた燐光発光材料は発光層の膜厚によっても発光遅延減衰時間は変動するものであるが、発光層の膜厚を約３０ｎｍとした場合半減発光減衰時間は１０マイクロ秒以下で燐光を発光するものである。ここで燐光発光の半減発光減衰時間が１ミリ秒より極端に長く１０ミリ秒を超えるほど発光遅延が生じる燐光発光材料または素子構成を用いると、消光までに数１０ミリ秒の時間を要することとなり視覚認識的に残像として認識されてしまうことで動画表示の場合動作の尾引き現象が生じてしまうといった問題が生じてしまうため、好ましくは燐光発光の半減発光減衰時間は１ミリ秒より短い燐光発光材料または素子構成を取ることが必要となる。
【００２０】
一方、励起３重項状態から発光する燐光発光は励起１重項状態発光に蛍光発光に対して理論的に量子変換効率が４倍になるもので、投入電力エネルギに対して発光光量を多く変換できることで発光効率が高く投射型表示装置の変調光源として電界発光素子を用いる場合には明るい表示を得やすくなるため、投射型表示装置の品質を高めるうえでも有効である。
【００２１】
次に本発明の趣旨である、ブルー、グリーン、レッドの色の３原色をつかさどり発光放射する各電界発光層（１Ｒ，１Ｇ，１Ｂ）の配置面位置と、画像を表示する物体面とが３原色各色の波長帯域の放射強度重心波長において光学的共役関係となるよう投影レンズ２に軸上色収差を持たせることについて、図３を用いて説明する。
【００２２】
図３は投影レンズ２によって電界発光素子１が入力される画像情報に応じたて発光するパターン放射光を投影レンズの絞り６を通過する光をスクリーン３に投影する構成を示す図で、電界発光素子１は、レッド色を発光する電界発光層１Ｒから放射される光は、ガラス基板１０側の全て透明な層を透りぬけ、図中上方に放射し、このときグリーン色を発光する電界発光層１Ｇ、ブルー色を発光する電界発光層１Ｂにおいては、ポテンシャルバンドギャップエネルギがレッド色光のフォトンエネルギよりも大きいため吸収は起こらない。また同様に、グリーン色を発光する電界発光層１Ｇから放射される光は、ガラス基板１０側の全て透明な層を透りぬけ、図中上方に放射し、このときブルー色を発光する電界発光層１Ｂにおいては、ポテンシャルバンドギャップエネルギがレッド色光のフォトンエネルギよりも大きいため吸収は起こらない。即ち、レッド、グリーン、ブルー各色の光は重なって放射されるものである。
【００２３】
一方投影レンズ２は、光軸５に対して軸対称な構造を取る投影レンズ２は不図示の構成するレンズに光波長分散の設計によって、レッド色波長の焦点距離が最も長く、次にグリーン色波長の焦点距離が長く、ブルー色波長の焦点距離が最も短くなるよう、電界発光層（１Ｒ、１Ｇ、１Ｂ）の面間距離に合わせて軸上色収差が設計されたもので、電界発光層（１Ｒ、１Ｇ、１Ｂ）各層から放射される光の波長帯域の放射光量重心波長に対して、レッド色を発光する電界発光層１Ｒとグリーン色を発光する電界発光層１Ｇとブルー色を発光する電界発光層１Ｂの各発光層の面がスクリーン３の画像投影表示面と光学的共役関係になっている。即ち図中のブルーレンズ入射側光束８Ｂ、グリーンレンズ入射側光束８Ｇ、レッドレンズ入射側光束８Ｒがレンズ出射側光束７に合成集約されるようになっているものである。
【００２４】
このことによって、光拡散スクリーン上の投影像はレッド色、グリーン色、ブルー色の各色が、フォーカスした状態で重なり合うため、色による画像解像度低下が起こらなく、シャープなキレのよい高解像な画像が表示できるようになる。
【００２５】
【発明の効果】
以上説明したように、電界発光素子には色の３原色を発光する３層の電界発光層を積層状に配置し、かつ各電界発光層は２次元マトリックス配列状に発光画素が配され、画像情報に応じた入力信号に則して色の３原色の強度分配を含めた画像変調パターンを発光放射し、前記放射光を投影レンズにより画像を表示する物体に投影して加法混色カラー像を表示する投写型表示装置において、前記投影レンズは、前記色の３原色をつかさどり発光放射する各電界発光層の配置面位置と、前記画像を表示する物体面とが各色の３原色波長帯域の放射強度重心波長において光学的共役関係となるよう前記投影レンズが軸上色収差を有することによって、レッド色、グリーン色、ブルー色の光放射をつかさどる３層の電界発光層の層配置位置から放射される３色の色の投影結像位置を合わせることで、色に依存する画像ボケを防止できるようにして、かつ電界発光素子の各発光層に投入する電力を抑制し、発光効率を維持して高輝度放射、またスクリーン等の物体への投影照度を高くできるようにしたものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る投写型表示装置を構成する主要な光学系の断面図
【図２】本発明の実施形態に用いる電界発光素子の要部の概略図（（ａ），（ｂ））
【図３】本発明の投影レンズの結像関係を示す概略図
【符号の説明】
１ 電界発光素子
１Ｒ レッド色を発光する電界発光層
１Ｇ グリーン色を発光する電界発光層
１Ｂ ブルー色を発光する電界発光層
２ 投影レンズ
２ スクリーン
３ コントローラ
５ 光軸
６ 絞り
７ レンズ出射側光束
８Ｒ レッドレンズ入射側光束
８Ｇ グリーンレンズ入射側光束
８Ｂ ブルーレンズ入射側光束
１０ ガラス基板
１４Ｒ レッド用ホール輸送透明薄膜電極
１４Ｇ グリーン用ホール輸送透明薄膜電極
１４Ｂ ブルー用ホール輸送透明薄膜電極
１５Ｒ レッド用ホール輸送層
１５Ｇ グリーン用ホール輸送層
１５Ｂ ブルー用ホール輸送層
１６Ｒ レッド用電子輸送層
１６Ｇ グリーン用電子輸送層
１６Ｂ ブルー用電子輸送層
１７Ｒ レッド用薄膜金属電極
１７Ｇ グリーン用薄膜金属電極
１７Ｂ ブルー用薄膜金属電極
１８Ｒ レッド色用電子輸送透明薄膜
１８Ｇ グリーン用電子輸送透明薄膜
１８Ｂ ブルー用電子輸送透明薄膜
１９Ｒ レッド用絶縁体保護層
１９Ｇ グリーン用絶縁体保護層
１９Ｂ ブルー用絶縁体保護層
２０Ｒ レッド放射光
２０Ｇ グリーン放射光
２０Ｂ ブルー放射光
３０ 画素
Claims (7)
- 電界発光素子は色の３原色を発光する３層の電界発光層を積層状に配置し、かつ各電界発光層は２次元マトリックス配列状に発光画素が配され、画像情報に応じた入力信号に則して色の３原色の強度分配を含めた画像変調パターンを発光放射し、前記放射光を投影レンズにより画像を表示する物体に投影して加法混色カラー像を表示する投写型表示装置において、前記投影レンズは、前記色の３原色をつかさどり発光放射する各電界発光層の配置面位置と、前記画像を表示する物体面とが各色の３原色の波長帯域の放射強度重心波長において光学的共役関係となるよう前記投影レンズが軸上色収差を有することを特徴とする投写型表示装置。
- 前記投影レンズは電界発光素子側にテレセントリック特性を有することを特徴とする請求項１記載の投写型表示装置。
- 前記電界発光素子はレッド、グリーン、ブルーの３色の光を発光放射する３層の電界発光層を有し、各電界発光層は、光放射側の表面側から順にブルー、グリーン、レッド発光放射層の層配置からなることを特徴とする請求項１記載の投写型表示装置。
- 前記電界発光素子内に積層構造にて配される色の３原色を発光する各電界発光層は、それぞれＩＴＯ（酸化インジウム錫）透明薄膜電極層、ホール輸送層、電界発光層、電子輸送層、透明薄膜金属層、ＩＴＯ透明薄膜電極層の層構成で挟持されＩＴＯ透明薄膜電極層を共通電位電極として電圧印加して電荷キャリアを注入して発光させる構造で、かつ前記透明薄膜金属層の層厚は１０ｎｍよりも薄いことを特徴とする請求項１記載の投写型表示装置。
- 各電界発光層を挟持するホール輸送層、電界発光層、電子輸送層のポテンシャルエネルギ構造はダブルへテロ構造であることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の投写型表示装置。
- 投写像はスクリーンに投写され、所定指向性を有した拡散反射光によって認識することができることを特徴とする請求項１から５記載の投写型表示装置。
- 投写像はスクリーンに投写され、所定指向性を有した拡散透過光によって認識することができることを特徴とする請求項１から５記載の投写型表示装置。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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Applications Claiming Priority (1)
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Family Applications (1)
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Country Status (1)
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-
2002
- 2002-07-31 JP JP2002224170A patent/JP2004062106A/ja active Pending
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