JP2004062108A

JP2004062108A - 投写型表示装置

Info

Publication number: JP2004062108A
Application number: JP2002224209A
Authority: JP
Inventors: Jun Koide; 小出　純
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2002-07-31
Filing date: 2002-07-31
Publication date: 2004-02-26

Abstract

【課題】プリズム面反射によって投影スクリーンに映し出されるゴースト像の抑制を可能とした投与型表示装置を提供する。
【解決手段】クロスダイクロプリズムの波長帯域分離膜面と投影レンズの光軸となす鋭角側角度を４５度より大きくすることによって、クロスダイクロプリズムの屈折境界面のフレネル反射と波長帯域分離膜面の反射による迷光ゴーストを抑制することを特徴とした投与型表示装置。
【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。
【従来の技術】
従来、プロジェクタ型ディスプレイは、通常、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。
【０００２】
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ーとして偏光素子や、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。
【０００３】
このような、エネルギー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、別の照明光源は不要であり、有機ＥＬパネルは、映像情報に応じて発光しているため、透過型の液晶パネルなどは不要であり、従って得ら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、不要な光エネルギーを生成することなく、低電力にての表示を容易に得ることができ、有機ＥＬパネルのみで、映像を出力できるため、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。
【０００４】
しかしながら、現技術段階において、有機ＥＬ発光素子自体の発光輝度は、単板のＲＧＢ（レッド、グリーン，ブルー）３原色の２次元配置構造の素子を用いるとすると、拡大投写用の表示装置に用いるためにはまだまだ不足しているため、ＲＧＢ各色の変調を個別の電界発光素子で担当させ、ＲＧＢの３色を合波して投影光量を補う方法を用いるのが現実的であって、この場合には、ＲＧＢの３原色を合波するための、ダイクロイック波長帯域分離膜を配したプリズムが必要となってくる。
【０００５】
そこで、投影レンズのバックフォーカスを短くして、レンズの明るさや広角投影化に有効なダイクロイック合波プリズムとしては、ダイクロイック波長帯域分離膜を交差配置したクロスダイクロイックプリズムが現在最も有効で一般的に用いられているものである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このクロスダイクロイックプリズムによって電界発光素子からの放射光を合波する場合、電界発光素子は励起子の再結合によって指向性を有せずに光を放射するため、電界発光素子を形成する膜構造から外部に放射される光の放射特性は素子の放射面からの球状放射特性を有する。そのため、従来のダイクロイック波長帯域分離膜を直交配置した偏向面断面が正方形のクロスダイクロイックプリズムを用いて合波する場合には、電界発光素子の光放射面から斜め方向に放射した光は、クロスダイクロイックプリズムの光入射面の隣り合う直交する面によって部分的に反射して投影レンズに入射され、投影したスクリーン等の物体上に画像領域外にゴースト像として表示されやすい傾向にあった。この対策として、プリズム面の黒塗装や拡散処理、塗装や処理できない部分を反射防止膜でコーティングすることが行われるが、プリズム外形の隣り合う直交面での反射は入射角が面に対して浅くなるため界面反射率は高く、界面の処理では有効なゴースト防止の効果をえることができなかった。
【０００７】
また、一方、特開平１１−６７４４８号公報（株式会社豊田中央研究所）にて開示している有機ＥＬ素子構造内の金属電極と対向する透明電極の外部に配された多層誘電体干渉反射ミラーによる光共振構造によって、光の放射特性をより指向性を強くする場合においても、放射方向によって放射波長が変化するといった特徴を持っているうえに、放射強度の半値角度は半角で３０度から４０度ほどあり、投影レンズのＦナンバーを１．５程度としても投影レンズがとらえる入射角は２０度弱であって、プリズムの隣り合う直交面での反射が避けられるほどの指向性を有するものとはなっていないものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、電界発光素子にそれぞれ色の３原色を発光する３個の素子を用い、それぞれ複数の個別変調可能な画素を有し、ダイクロイック波長帯域分離膜をクロス状に配したクロスダイクロイックプリズム合波手段によって３個の電界発光素子から放射した光を合波した後、投影レンズにより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、電界発光素子は発光層への電荷キャリア注入によって励起子を形成し、励起子の再結合によって光生成放射する変調画素が２次元配列されたＥＬ（エレクトロ・ルミネッセンス）発光素子であって、前記クロスダイクロイックプリズム合波手段は、外形が６面以上の角柱形状であって、前記クロス状に配されたダイクロイック波長帯域分離膜の投影レンズ光軸となす鋭角側角度が４５度より大きく、ダイクロイック波長帯域分離膜によって偏向を受ける投影レンズの光軸を含めた３本の光軸に対して垂直な面を４面有し、前記４面中３面と平行に色の３原色を発光する３個の電界発光素子の変調発光面を配し、前記４面残る１面を光合波した放射光を投影レンズ側に出射する面として配置することによって、スクリーン等投影対象物体上にゴースト像の発生を抑制するものである。
【０００９】
また、ダイクロイック波長帯域分離膜と投影レンズ光軸とのなす鋭角側角度を４５度より大きく５５度より小さい範囲で選定してもよい。
【００１０】
また、クロスダイクロイックプリズム合波手段のダイクロイック波長帯域分離膜が交差する稜線から、電界発光素子の変調発光面と平行に位置するダイクロイックプリズム合波手段の３つの面に下ろした垂線の長さが、互いに等しくなるようにしてもよい。
【００１１】
また、投影像はスクリーンに投影され、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ようにしてもよい。
【００１２】
更に、投影像はスクリーンに投影され、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ようにしてもよい。
【００１３】
【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。
【００１４】
１Ｒ、１Ｇ、１Ｂはそれぞれレッド、グリーン、ブルーの加法混色の３原色をつかさどる色の光を放射する電界発光素子である。それぞれ画像情報を光の発光パターン情報として光放射する複数画素で構成され、画像信号に応じて電気的に電界発光素子を制御するコントローラ４からの電気信号にもとづき各電界発光素子１Ｒ、１Ｇ、１Ｂは担当する色の光パターンを発光する。この電界発光素子１Ｒ、１Ｇ、１Ｂから放射した光は合波プリズム６によって色合成されるが、合波プリズム６はレッド色を反射しグリーン色とブルー色を透過するレッド反射用ダイクロイック波長帯域分離膜６Ｒとブルー色を反射してグリーン色とレッド色を透過するブルー反射用ダイクロイック波長帯域分離膜６Ｂをクロス状に配したクロスダイクロイックプリズムと一般に呼ばれるものであって、本実施形態においては合波平面において、断面外形が台形形状のものを使用している。このプリズム自体の効果は後述する。したがってグリーン色においては主体的に透過する特性を有しているものである。この合波プリズム６を用いることにより、レッド色の画像情報発光を担当する電界発光素子１Ｒから放射された光はレッド反射用ダイクロイック波長帯域分離膜６Ｒによって投影レンズ２方向に偏向を受け、ブルー色の画像情報発光を担当する電界発光素子１Ｂから放射された光はブルー反射用ダイクロイック波長帯域分離膜６Ｂによって投影レンズ２方向に偏向を受け、グリーン色の画像情報発光を担当する電界発光素子１Ｇから放射された光は偏向作用を主体的に受けずに投影レンズ２の方向に進行することとなる。ただし、各電界発光素子１Ｒ、１Ｇ、１Ｂにおける複数配された画素は、各所定画素が相対的に所定精度を有して重なるように調整又はメカ的若しくは電気的に補償されることは言及するまでもない。次に合波されカラー色として変調された光は、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。
【００１５】
ここで、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。
【００１６】
次に電界発光素子１Ｒ、１Ｇ、１Ｂの構造について図２を用いて説明する。電界発光素子１Ｒ、１Ｇ、１Ｂの基本的な構造は、図２（ｂ）に示すごとく、ガラス基板１０を基材として使用している点で共通しており、また、レッド、グリーン又はブルー色の発光をつかさどるいずれかの薄膜電界発光材料層３０がＩＴＯ（酸化インジウム錫）透明薄膜電極１４と金属薄膜電極１５に挟持された構造であり、更に、電界発光材料にホールキャリアを効率的に注入するために、ホール輸送層１６がＩＴＯ透明薄膜電極１４と薄膜電界発光材料層３０の間に配されている。薄膜電界発光材料層３０に透明薄膜電極１４からホール輸送層１６を介してホールを注入し、金属薄膜電極１５から電子を注入することで薄膜電界発光材料層３０内で注入されたホールと電子によって励起子が形成され、再結合することによって発光が起こる。また有機材料の加水分解を防止するために保護層１８によって膜構造を封止している。以上が基本的な電界発光素子の構造で、図２の（ａ）に示すごとく各発光画素は、ＩＴＯ透明薄膜電極１４と、金属薄膜電極１５の配線マトリックス配置によって構成され、発光層には電子とホールを輸送するための誘導体と共に蛍光または燐光発光材料が発光体として配されている。レッド、グリーン、ブルーといった発光色は、電界発光層に配された電界発光材料である発光体の例えばイリジウム錯体の異分子構造体と電荷キャリアを輸送するための誘導体材料によって決定される。電界発光素子１Ｒは、レッド担当の電界発光材料を配したもの、電界発光素子１Ｇは、グリーン担当の電界発光材料を配したもの、電界発光素子１Ｂは、ブルー担当の電界発光材料を配したものである。
【００１７】
上記実施形態の電界発光材料は、その発光材料にイリジウム錯体を使用し、その発光波長に錯体構造の錯体基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ーギャップを変えたイリジウム錯体の種のものを使用している。なお、ホール阻止層を兼ねる電子輸送層と電子阻止層を兼ねるホール輸送層とを配したダブルへテロポテンシャル構造を形成して励起子の生成効率を向上させる膜構成を採用することもある。
【００１８】
合波プリズム６は、６面以上の角柱形状であって、クロス状に配されたダイクロイック波長帯域分離膜の投影レンズ光軸となす鋭角側角度が４５度より大きく、ダイクロイック波長帯域分離膜によって偏向を受ける投影レンズの光軸を含めた３本の光軸に対して垂直な面を４面有し、この４面中３面と平行に色の３原色を発光する３個の電界発光素子の変調発光面を配し、該４面の残る１面を光合波した放射光を投影レンズ側に出射する面として配置することにより構成されている。つまり、合波プリズム６は、イメージ的にとらえると図１に示すような合波断面外形形状において台形形状になっており、投影レンズ２の光軸に対して、レッド反射用ダイクロイック波長帯域分離膜６Ｒの面と、ブルー反射用ダイクロイック波長帯域分離膜６Ｂの面が鋭角になす角度が４５度より大きく５５度より小さくクロス状に配されることにより構成されている。このような構成から導かれる効果について図３から図５を用いて説明する。
【００１９】
図３に示す（ａ）、（ｂ）、（ｃ）図はそれぞれ投影レンズ２の光軸に対してダイクロイック波長分離膜６Ｒと６Ｂ面が鋭角になす角度（以後θｄと示す）が４５度、５０度、５５度の場合のプリズム６ａ、６ｂ、６ｃの形状および電界発光素子１Ｒ、１Ｂ、１Ｃの配置を示している。同図において、ダイクロイック波長帯域分離膜６Ｒと６Ｂがクロスする稜線から、各色の電界発光素子１Ｒ、１Ｇ、１Ｂが面するプリズム面へ下ろした垂線の距離は、等しくなるように構成されており、これによりレッド、グリーン、ブルー色のバランスが投影レンズの色収差によって極端に崩されないようにしている。ただし、プリズムガラス光路長が各色で異なっていたとしても、即ち上記垂線の距離がそれぞれ異なっていても、投影レンズ２の設計による許容範囲内であればかまわないものである。θｄが４５度から５５度に向かって大きくなるに従い電界発光素子１Ｒと１Ｂは、投影レンズ２側に近づき、プリズムの台形形状の上底辺が短くなる。その結果、電界発光素子の大きさにもよるが、投影レンズ２が電界発光素子を見込む入射側開口数を明るくするためのスペースが不足するようになる。そして、θｄが５５度以上になると、電界発光素子の配置が困難となるため、プリズム自体の大きさを大きくしなければならない。ところが、プリズムを大きくすると、投影レンズ２のバックフォーカスを長くする必要があるため、結果的に投影レンズ２が大型化し、スペース、コスト共に増大してしまう。
【００２０】
一方、電界発光素子１からの光放射特性について図４を用いて説明する。
電界発光素子１は、ガラス基板１０に電界発光膜構造を形成した構造であって、製造プロセス的には、上部から下部へ成膜がなされ、ガラス基板１０上に、ＩＴＯからなる画像を変調するためのパターン（不図示）の画素行ごとに区分けされた、ホール注入を行う透明薄膜電極１４、ホールを電界発光層に注入するためのホール輸送層１６、電子とホールで形成された励起子を再結合することによって蛍光または燐光を放射する電界発光層３０、画像を変調するための画素列ごとに区分けされた、電子注入のための金属薄膜電極１５、外気中のガスから素子を保護するための保護層１８の順で膜が形成されている。電子とホールの荷電キャリアが電界発光層３０に注入されて生成された光ｈｖは、ガラス基板１０と外部大気との屈折率差の影響が主要因となって、ガラス基板１０の外部表面から、図中の矢印を包括する球形状のような放射方向においてブロードな分布を有する光放射分布５０で素子外部に放射される。
【００２１】
次に、この特性によって生じるゴースト投影への影響を図５を用いて概略的に説明する。
【００２２】
図５に示す（ａ）、（ｂ）、（ｃ）図はそれぞれθｄが４５度、５０度、５５度の場合のプリズム６ａ、６ｂ、６ｃを配した場合の電界発光素子１Ｒ、１Ｂ、１Ｇから放射される光線の一部を示したもので、投影レンズ２によって電界発光素子から画像変調放射された光を投影する系で投影レンズ２以降スクリーン３までの構成は省略している。
【００２３】
同図（ａ）、（ｂ）、（ｃ）中で電界発光素子１Ｒ、１Ｂ、１Ｇに接するように描かれている円は、図４にて説明した各電界発光素子から放射される光放射分布５０を示すものである。点線にて示された光線はプリズムの屈折率界面で部分的にフレネル反射を受け、また、レッド色光を放射する電界発光素子１Ｒからの光線はレッド色を反射するダイクロイック波長帯域分離膜６Ｒによって反射偏向を受け、ブルー色光を放射する電界発光素子１Ｂからの光線はブルー色を反射するダイクロイック波長帯域分離膜６Ｂによって反射偏向を受け進行する。θｄが４５度のプリズム６ａを配する図（ａ）において点線で示された光線は、投影レンズ入射瞳５３を通過し以後不図示のスクリーン３へ転送されゴースト像として表示されることになる。θｄが５０度のプリズム６ｂを配する図（ｂ）において点線で示された光線は、投影レンズ入射瞳５３によって遮蔽され、不図示のスクリーン３への転送が防止されゴースト像が表示されない。θｄが５５度のプリズム６ｃを配する図（ｃ）において点線で示された光線は、投影レンズ配置領域以外に排出され、不図示のスクリーン３への転送が防止されゴースト像が表示されないことを概略的に示している。
【００２４】
しかしながら、図５に示した光線はそれぞれの電界発光素子が放射する光のほんの一部であって、θｄが４５度から５５度になるにしたがって完全にスクリーン上のゴーストが排除されものではなく、ゴースト像が表示される光強度が徐々に弱くなる傾向にあるものである。即ち、θｄを４５度から５５度に向けて大きくしていくと、入射瞳５３を通過するゴースト像に関わる光の量が減少して、スクリーン３へのゴースト像を見えにくくすることができるようになる。一方θｄが５５度を超えるプリズムの系を用いると、ゴースト像を見えにくくする傾向は保たれるものの、前述の図３を用いて説明したとおり、電界発光素子の配置が困難になり、かつもしプリズムを大きくすると、投影レンズのバックフォーカスを長くしなくてはならなくなるため、結果的に投影レンズが大型化し、スペース、コスト共に増大してしまうといった弊害が生じてしまう。従って、θｄが４５度より大きく５５度より小さいプリズムの系を用いることが望ましい。
【００２５】
【発明の効果】
以上説明したように、本願発明は、電界発光素子にそれぞれ色の３原色を発光する３個の素子を用い、それぞれ複数の個別変調可能な画素を有し、ダイクロイック波長帯域分離膜をクロス状に配したクロスダイクロイックプリズム合波手段によって３個の電界発光素子から放射した光を合波した後、投影レンズにより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、電界発光素子は発光層への電荷キャリア注入によって励起子を形成し、励起子の再結合によって光生成放射する変調画素が２次元配列されたＥＬ（エレクトロ・ルミネッセンス）発光素子であって、前記クロスダイクロイックプリズム合波手段は、外形が６面以上の角柱形状であって、前記クロス状に配されたダイクロイック波長帯域分離膜の投影レンズ光軸となす鋭角側角度が４５度より大きく、ダイクロイック波長帯域分離膜によって偏向を受ける投影レンズの光軸を含めた３本の光軸に対して垂直な面を４面有し、前記４面中３面と平行に色の３原色を発光する３個の電界発光素子の変調発光面を配し、前記４面の残る１面を光合波した放射光を投影レンズ側に出射する面として配置することによって、スクリーン等の画像情報を投影表示する物体上に不要なゴースト像が表示されにくくすることができるようにしたものである。
【００２６】
また、前記ダイクロイック波長帯域分離膜の投影レンズ光軸となす鋭角側角度を４５度より大きく５５度より小さくすることで、電界発光素子の配置上、クロスダイクロイックプリズム合波手段や投影レンズの大きさを増大する弊害を引き起こさずに、ゴースト像の表示を抑制するものである。
【００２７】
また、θｄが４５度より大きくなると、ダイクロイック波長帯域分離膜のＳ波とＰ波に対する透過反射の分離カット波長の差が縮小される方向となり、一般的に非偏光放射となる電界発光素子の放射光の色合波を行うにおいて、わずかではあるが有利に働く効果も付随的に生じるものである。
【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の要部の概略図
【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）、（ｃ））
【図３】本発明のクロスダイクロイックプリズム構成を説明する図
【図４】電界発光素子の光放射特性を示す図
【図５】本発明のクロスダイクロイックプリズムによるゴースト防止効果を概略的に説明する図（（ａ）、（ｂ）、（ｃ））
【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素子
１Ｇ　グリーン色を発光する電界発光素子
１Ｂ　ブルー色を発光する電界発光素子
２　投影レンズ
２　スクリーン
３　ビデオドライバ
６　　合波プリズム
６Ｒ　レッド反射用ダイクロイック波長帯域分離膜
６Ｂ　ブルー反射用ダイクロイック波長帯域分離膜
１０　ガラス基板
１４　透明薄膜電極
１５　金属薄膜電極
１６　ホール輸送層
１８　保護層
３０　電界発光層
５０　光放射分布
５２　投影レンズ光軸
５３　投影レンズ入射瞳

Claims

電界発光素子にそれぞれ色の３原色を発光する３個の素子を用い、それぞれ複数の個別変調可能な画素を有し、ダイクロイック波長帯域分離膜をクロス状に配したクロスダイクロイックプリズム合波手段によって、前記３個の電界発光素子から放射される光を合波した後、この合波された光を投影レンズによって物体に投影し、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３個の電界発光素子は、発光層への電荷キャリア注入によって励起子を形成し、この励起子の再結合によって光生成放射する変調画素が２次元配列されたＥＬ（エレクトロ・ルミネッセンス）発光素子であって、
前記クロスダイクロイックプリズム合波手段は、外形が６面以上の角柱形状であって、前記クロス状に配されたダイクロイック波長帯域分離膜の投影レンズ光軸となす鋭角側角度が４５度より大きく、ダイクロイック波長帯域分離膜によって偏向を受ける投影レンズの光軸を含めた３本の光軸に対して垂直な面を４面有し、前記４面中３面と平行に色の３原色を発光する３個の電界発光素子の変調発光面を配し、前記４面の残る１面を光合波した放射光を投影レンズ側に出射する面として配置することを特徴とする投写型表示装置。
前記ダイクロイック波長帯域分離膜の投影レンズ光軸となす鋭角側角度が４５度より大きく５５度より小さいことを特徴とする請求項１記載の投写型表示装置。
前記クロスダイクロイックプリズム合波手段のダイクロイック波長帯域分離膜が交差する稜線から、電界発光素子の変調発光面と平行に位置するダイクロイックプリズム合波手段の３つの面に下ろした垂線の長さが、互いに等しいことを特徴とする請求項１記載の投写型表示装置。
投影像はスクリーンに投影され、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３のいずれかに記載の投写型表示装置。
投影像はスクリーンに投影され、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３のいずれかに記載の投写型表示装置。