JP3671530B2 - 液晶表示装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、直視透過型又は投写型の液晶表示装置に関する。
【0002】
【発明の背景】
直視透過型又は投写型の液晶表示装置は、光源としてハロゲンランプなどを備えている。このようなランプは、発熱量が多くしかも可視光以外の光が多くて利用効率の点で劣るものであった。特に、カラー表示をするためにカラーフィルタを通すと、一層利用効率が劣る。
【0003】
そこで、特開平4−263244号公報には、赤、緑、青の3色のレーザ光を光源とする画像表示装置が開示されている。レーザ光は、波長が揃った色光であるため、従来のランプよりも利用効率の高いものである。
【0004】
しかしながら、光の利用効率は、液晶パネルの開口率にも起因する。つまり、光源からの光は、全てが液晶パネルを通過するのではなく、ブラックマトリクス、信号線及びトランジスタ部などのいわゆるデッドエリアで遮蔽される。そして、光が透過する率を向上させるには、デッドエリアを少なくすること、すなわち開口率を上げることが必要である。しかし、デッドエリアをなくすことはできないので、開口率の向上には限界がある。
【0005】
本発明は、上記課題を解決するものであり、その目的は、光の透過率を高め、光の利用効率を高めた液晶表示装置を提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る液晶表示装置は、光源を有する液晶表示装置において、
複数の発光素子が平面的に配列されてなる2次元発光素子アレイ板と、各発光素子に対応する複数の画素を有する液晶パネルと、を有し、
前記各発光素子の光出射部は、前記各画素の光透過領域内に配置される。
【0007】
本発明によれば、点光源としての光出射部が画素の光透過領域内に配置されているので、従来の面光源と比較して、光がほとんど遮蔽されない。
【0008】
発光素子として、発光ダイオードや半導体レーザなどがある。いずれも従来のハロゲンランプ等よりも、発熱量が少なく、必要な波長に限定することができるので、利用効率が高い。
【0009】
特に、発光素子として半導体レーザが使用されるときには、出射される光の偏波面が揃っているので、液晶パネルにおける光の入射側の偏光板を省略することができる。
【0012】
本発明は、
それぞれの前記発光素子は、半導体発光素子であり、層厚方向に配置される少なくとも3層の発光部と、少なくとも4層の反射鏡と、を含み、
第1、第2及び第3の前記発光部は、それぞれ第1、第2及び第3の異なる波長の光を放出し、第1の波長<第2の波長<第3の波長、という関係を満たし、
第1の前記反射鏡、第1の前記発光部、第2の前記反射鏡、第2の前記発光部、第3の前記反射鏡、第3の前記発光部、及び第4の前記反射鏡、の順序で多層構造をなし、
前記第1の反射鏡は、前記第4の反射鏡よりも反射率が低く、前記光出射部を構成し、
前記第2の反射鏡は、前記第1の波長の光を反射し、かつ、前記第2及び第3の波長の光を透過させ、
前記第3の反射鏡は、前記第2の波長の光を反射し、かつ、前記第3の波長の光を透過させ、
前記第4の反射鏡は、前記第3の波長の光を反射させる。
【0013】
本発明では、第1及び第2の反射鏡の間に第1の発光部が介在している。ここで、第2の反射鏡は、第1の波長の光を反射するので、第1の波長の光は第1及び第2の反射鏡の間で共振して増幅される。
【0014】
また、第1及び第3の反射鏡の間に第2の発光部が介在している。ここで、第2の反射鏡は、第2の波長の光を透過し、第3の反射鏡は、第2の波長の光を反射する。したがって、第2の波長の光は、第1及び第3の反射鏡の間で共振して増幅される。
【0015】
さらに、第1及び第4の反射鏡の間に第3の発光部が介在している。ここで、第2及び第3の反射鏡は、第3の波長の光を透過し、第4の反射鏡は、第3の波長の光を反射する。したがって、第3の波長の光は、第1及び第4の反射鏡の間で共振して増幅される。
【0016】
こうして、3層の発光部のそれぞれは、一対の反射鏡の間に介在する。そして、それぞれの発光部からの異なる波長の光を、一つの光出射部から出射することができる。
【0017】
しかも、第1の波長<第2の波長<第3の波長、という関係が満たされている。その理由は次の通りである。短い波長の光はエネルギーが大きく、長い波長の光はエネルギーが小さい。また、短い波長の光を放出するときの半導体のエネルギーギャップは大きく、長い波長の光を放出するときのエネルギーギャップは小さい。さらに、光のエネルギーが半導体のエネルギーギャップよりも大きいと、半導体による光吸収の現象によって、光が吸収される。
【0018】
本発明では、第1、第2、第3の発光部の順に、放出する光の波長が長くなりエネルギーギャップが小さくなるように層をなしている。したがって、第2の波長の光が第1の発光部を通過するときに、この光のエネルギーは、第1の発光部のエネルギーギャップよりも小さいので光吸収は生じない。また、第3の波長の光が第1及び第2の発光部を通過するときに、この光のエネルギーは、第1及び第2の発光部のエネルギーギャップよりも小さいので光吸収は生じない。
【0019】
こうして、層厚方向に形成された複数の発光部からの光を、全て同一方向から出射させることができる。
【0020】
本発明によれば、一つの画素自体を複数色にすることでカラー表示をすることができる。したがって、複数のドットを混合させて複数色にする液晶表示装置に比べて、高解像表示が可能である。
【0021】
本発明は、
前記第1、第2及び第3の波長の光は、所定の周期で順に出力され、
前記液晶パネルは、前記周期と同調して駆動され、
単位時間に前記液晶パネルを透過する各波長の光の時間的割合に応じて、目の残像作用によって複数色のカラー表示をすることが好ましい。
【0022】
本発明によれば、第1、第2及び第3の波長の光の周期に同調して、液晶パネルが駆動される。そして、所望の波長つまり色の光だけを透過させることができる。ここで、継続的に光の色が切り換えが、速すぎて人間の目には判別できないとき、残像作用によって切り換えられた色は混色されて見える。こうして、透過する光の時間的割合によって、カラー表示をすることができる。
【0023】
本発明は、
前記発光素子は、面発光型の半導体レーザであり、
活性層を挟む一対のクラッド層の少なくとも一方が、断面形状においていずれかの方向に短い柱状をなす。
【0024】
本発明によれば、断面形状の短手方向に沿った偏波面のレーザ光を出射することができる。詳しくは、特開平6−283818号公報に記載されている。この半導体レーザによれば、レーザ光の偏波面を予め設定することが容易なので、液晶パネルを透過させるのに好適な光を出射することができる。
【0025】
本発明は、レンズ及びスクリーンを有する投写型であることが好ましい。例えば、スクリーンの前面に画像を投写する前面投写型、又はスクリーンの背面に画像を投写する背面投写型等である。
前記液晶パネルは、基板を有し、前記基板には、画素電極と、この画素電極への電圧の印加を制御するスイッチとしてのトランジスタと、が設けられてもよい。
【0026】
【発明の実施の形態】
(第1の実施形態)
以下、本発明の好適な実施の形態について図面を参照して説明する。図2は、第1の実施形態に係る液晶表示装置1を示す概略図である。この液晶表示装置1は、3枚の液晶パネル10、12、14と、3枚の発光素子アレイ板20、22、24と、を有する投写型ディスプレイである。
【0027】
発光素子アレイ板20、22、24からは、それぞれ赤(R)、緑(G)、青(B)の光を発するようになっている。各液晶パネル10、12、14で変調された光は、ダイクロイックプリズム15にて合成され、レンズ16にて拡大されて、スクリーン17に投影される。
【0028】
ここで、ダイクロイックプリズム15及びレンズ16を含む光学系18は、公知の構成であるので説明を省略する。この液晶表示装置1は、スクリーン17の前面から見るようにすれば前面投写型ディスプレイとなり、スクリーン17を透過する光をその背面から見るようにすれば背面投写型ディスプレイとなる。
【0029】
図1は、液晶パネル10及び発光素子アレイ板20を示す分解斜視図である。図2に示す液晶パネル12、14及び発光素子アレイ板22、24も同様の構成である。
【0030】
図1において、液晶パネル10は、TFT基板30と対向基板32との間に液晶34を封入し、対向基板32の外側に偏光板36を取り付けて構成される。TFT基板30には、透明な画素電極38と、この画素電極38への電圧の印加を制御するスイッチとしてのトランジスタ40と、が設けられる。対向基板32には、共通電極42が設けられている。画素電極38と共通電極42との間の電位差によって液晶34が駆動される。対向基板32は、無着色で、カラーフィルタを有しない。
【0031】
この液晶パネル10は、対向基板32の外側にのみ偏光板36が設けられており、発光素子アレイ板20の側には偏光板が設けられていない。その理由は、発光素子アレイ板20から出射される光が、レーザ光であって、光の偏波面が揃っているからである。
【0032】
発光素子アレイ板20は、平面的に複数配列された半導体レーザ50を含む。図3(A)は半導体レーザ50の斜視断面図であり、図3(B)は平面図である。具体的には、図1に示す画素電極38と同数の半導体レーザ50が設けられている。例えば、画素電極38及び半導体レーザ50は、それぞれ640×480個が設けられている。
【0033】
各半導体レーザ50の光出射部となる反射鏡52は、図1に示すように、光透過領域としての画素電極38に対応する領域44内に配置されている。
【0034】
ここで、画素電極38の一辺は20μm程度であり、反射鏡52の直径は0.5〜数μm程度である。また、半導体レーザ50の一辺も1〜10数μm程度である。
【0035】
このように、本実施形態では、画素電極38に対応する領域44内に反射鏡52が配置されているので、反射鏡52から出射されるレーザ光は、トランジスタ40によって遮られない。したがって、レーザ光を遮るものがないため、光の利用効率が格段に向上する。また、半導体レーザ50は、発熱量が少なく、波長が揃っている点でも効率的である。
【0036】
さらに、半導体レーザ50は、レーザ光の偏波面を、設計通りの方向に揃えられるようになっている。その構成の詳細は、特開平6−283818号公報に開示されているので、その概略を以下説明する。
【0037】
図3(A)に示すように、半導体レーザ50において、基板54上には、バッファ層56を介して、反射鏡58が設けられている。反射鏡58上には、クラッド層60、活性層62及びクラッド層64が設けられている。
【0038】
活性層62の材料として、赤(R)のレーザ光用としてAlGaInP、AlGaAsなどの III−V族化合物半導体、緑(G)又は青(B)のレーザ光用としてInGaN、GaN、SiC又はZnSeなどのII−VI族化合物半導体が用いられる。
【0039】
クラッド層64は、柱状部64aを有する。柱状部64aの断面は、図3(B)に示すように、短辺W1 ×長辺W2 の長方形となっている。この柱状部64aの上には、導電性のコンタクト層68が形成されている。柱状部64a及びコンタクト層68は、埋込層66によって囲まれている。
【0040】
そして、埋込層66及びコンタクト層68の上には、電極層70が形成されている。この電極層70には、小孔70aが形成されている。小孔70aは、コンタクト層68上に位置しているが、コンタクト層68よりも小さく形成されている。したがって、小孔70aが形成されているにもかかわらず、電極層70はコンタクト層68と電気的に接続されている。小孔70a内には、上述した反射鏡52が形成されている。また、基板54には、バッファ層56とは反対側に電極層72が形成されている。電極層70、72によって、半導体のキャリアに反転分布を形成するための電圧を印加する。
【0041】
この半導体レーザ50によれば、レーザ光の偏波面は、クラッド層64の柱状部64aの断面における短辺W1 と平行になる。したがって、発光素子アレイ板20の全ての半導体レーザ50において、短辺W1 を同一方向に向けておけば、全てのレーザ光の偏波面が平行に揃う。これによって、本実施形態に係る液晶表示装置1において、発光素子アレイ板20の側の偏光板を省略することができる。また、偏光板によって偏波面を揃えることが行われないので、レーザ光の利用効率が高まる。
【0042】
なお、上記柱状部64aの断面は、長方形に限らず楕円形としてもよい。この場合、レーザ光の偏波面は、短直径の方向と平行になる。
【0043】
また、上記半導体レーザ50の代わりに、発光ダイオードを使用してもよい。ただし、分布反射器などのミラー層を設けた共振器構造が好ましい。この場合、狭い放射角及び高い発光効率を得ることができる。
【0044】
(第2の実施形態)
次に、図4は、第2の実施形態に係る本発明を適用した液晶表示装置2を示す概略図である。この液晶表示装置2は、1対の液晶パネル80及び発光素子アレイ板82と、レンズ84と、スクリーン86と、を有する投写型ディスプレイである。この液晶表示装置2も、スクリーン86の前面から見るようにすれば前面投写型ディスプレイとなり、スクリーン86を透過する光をその背面から見るようにすれば背面投写型ディスプレイとなる。
【0045】
発光素子アレイ板82は、図1に示す発光素子アレイ板20と同様に、複数の半導体レーザ100が配列されて構成される。半導体レーザ100の光出射部の配置等については、上記第1の実施形態と同様である。半導体レーザ100は、赤(R)、緑(G)、青(B)の3色のレーザ光を発することができる。その構成について以下説明する。
【0046】
図5(A)は半導体レーザ100の断面図である。この半導体レーザ100は、発光部110、120、130を有する。
【0047】
発光部110は、p型半導体のクラッド層112、活性層114及びn型半導体のクラッド層116からなる。活性層114は、青(B)の波長のレーザ光を発するための材料から形成される。
【0048】
発光部120は、p型半導体のクラッド層122、活性層124及びn型半導体のクラッド層126からなる。活性層124は、緑(G)の波長のレーザ光を発するための材料から形成される。
【0049】
発光部130は、p型半導体のクラッド層132、活性層134及びn型半導体のクラッド層136からなる。活性層134は、赤(R)の波長のレーザ光を発するための材料から形成される。
【0050】
そして、発光部110には、電極110a、110bにて電圧が加えられ、発光部120には、電極120a、120bにて電圧が加えられ、発光部130には、電極130a、130bにて電圧が加えられる。
【0051】
また、発光部110は反射鏡141、142間に介在し、発光部120は反射鏡142、143間に介在し、発光部130は反射鏡143、144間に介在するようになっている。
【0052】
ここで、第1の反射鏡141の反射率は、赤(R)、緑(G)、青(B)の全ての光に対して、100%よりわずかに低くなっている。したがって、反射鏡141の少なくとも一部が、レーザ光の光出射部になっている。この光出射部は、図1に示す実施形態と同様に、画素電極に対応する領域内に配置される。
【0053】
第2の反射鏡142は、青(B)の波長の光を反射するようになっている。したがって、図5(A)に示すように、発光部110において放出された青(B)の波長の光は、反射鏡141、142間で往復して、誘導放出により増幅される。
【0054】
ただし、反射鏡142は、緑(G)及び赤(R)の波長の光を透過するようになっている。
【0055】
反射鏡143は、緑(G)の波長の光を反射する。したがって、発光部120において放出された緑(G)の波長の光は、反射鏡141、143間で往復して、誘導放出により増幅される。また、反射鏡143は、赤(R)の波長の光は透過するようになっている。
【0056】
反射鏡144は、少なくとも赤(R)の波長の光を反射するようになっている。したがって、発光部130において放出された赤(R)の波長の光は、反射鏡141、144間で往復して、誘導放出により増幅される。
【0057】
以上のように、この半導体レーザ100によれば、発光部110、120、130によって、青(B)、緑(G)、赤(R)の3色の波長のレーザ光を出射することができる。
【0058】
特に、この半導体レーザ100は、光出射部から、青(B)用の発光部110、緑(G)用の発光部120、赤(R)用発光部130の順で多層構造をなすことを特徴とする。その理由を図5(B)を参照して説明する。図5(B)は、光のエネルギーと半導体のエネルギーギャップとの関係を示す図である。
【0059】
青(B)の光の波長λB と、緑(G)の光の波長λG と、赤(R)の光の波長λR とは、λB <λG <λR の関係にある。そして、波長が長いほど、その光のエネルギーが小さいことが知られている。したがって、青(B)の光のエネルギーhνB と、緑(G)の光のエネルギーhνG と、赤(R)の光のエネルギーhνR とは、
hνR <hνG <hνB
の関係にある。
【0060】
また、短い波長の光を放出する半導体のエネルギーギャップは大きく、長い波長の光を放出する半導体のエネルギーギャップは小さいことが知られている。したがって、赤(R)用の発光部130における半導体のエネルギーギャップEgR、緑(G)用の発光部120における半導体のエネルギーギャップEgG、青(B)用の発光部110における半導体のエネルギーギャップEgBは、
EgR<EgG<EgB
の関係にある。
【0061】
また、光のエネルギーが半導体のエネルギーギャップよりも大きいと、半導体による光吸収の現象によって、光が吸収されることが知られている。したがって、3層の発光部110、120、130のうち、エネルギーギャップの最も大きいものを上に配置することが好ましい。こうすることで、エネルギーの小さな光が、エネルギーギャップの大きな半導体層を通過しても、光が吸収されない。
【0062】
そこで、本実施形態では、エネルギーギャップの大きい順に上から、発光部110、120、130を配置してある。言い換えると、放出する光のエネルギーの大きい順に上から、発光部110、120、130を配置してある。
【0063】
こうすることで、放出された光が吸収されることをなくして、光の利用効率を高めている。
【0064】
以上のようにして、本実施形態では、一つの光出射部から赤(R)、緑(G)、青(B)の3原色のレーザ光を出射することができる。そして、液晶パネルの各画素を3原色のいずれかで表示することができる。
【0065】
次に、3原色を混合して、他の色を表示する方法について説明する。本実施形態では、3原色の光の時間的割合に応じて、目の残像作用によって混合色を表示する。
【0066】
図6は、第2の実施形態における液晶パネルの駆動方法を示す図である。同図に示すように、この駆動方法では、第1フレームT1 は、RサブフレームTR 、GサブフレームTG 及びBサブフレームTB に分割され、各サブフレーム毎に液晶パネルが駆動される。第2フレームT2 以降も同様である。
【0067】
RサブフレームTR 、GサブフレームTG 及びBサブフレームTB の各期間では、赤(R)、緑(G)及び青(B)のレーザ光が出射される。また、1フレームが、例えば1/60秒程度であり、各サブフレームは1/180秒程度である。なお、この液晶パネルは、ノーマリブラックモードで駆動される。
【0068】
このように、レーザ光が赤(R)、緑(G)及び青(B)の順で出射され、それぞれの色のサブフレームに対応して液晶パネルの駆動がされると、液晶パネルを透過する色のレーザ光の組合せによって混合色を表示することができる。
【0069】
例えば、図6に示す第1フレームT1 では、サブフレームTR 及びサブフレームTG の期間のみ、駆動信号がONとなって、赤(R)及び緑(G)のレーザ光が液晶パネルを透過する。そして、これらのレーザ光がスクリーン86(図4参照)に表示される。そうすると、人の目には、残像作用によって赤(R)及び緑(G)が混ざって、黄(Y)に見える。
【0070】
あるいは、第2フレームT2 では、緑(G)及び青(B)のレーザ光が混ざって、シアン(C)に見える。
【0071】
こうして、1フレームにおいて透過する2つのレーザ光によって、混合色を表示することができる。また、3つのレーザ光が混合すれば透明色となる。
【0072】
本実施形態によれば、液晶パネルの1画素がそのままカラー画素となる。そして、従来の3ドットで1カラー画素とした液晶表示装置と比較して、本実施形態は3倍の高解像表示が可能である。
【0073】
【図面の簡単な説明】
【図1】液晶パネル及び発光素子アレイ板を示す分解斜視図である。
【図2】第1の実施形態に係る液晶表示装置を示す概略図である。
【図3】図3(A)は半導体レーザの斜視断面図であり、図3(B)は半導体レーザの平面図である。
【図4】図4は、第2の実施形態に係る液晶表示装置を示す概略図である。
【図5】図5(A)は半導体レーザの断面図であり、図5(B)は、光のエネルギーと半導体のエネルギーギャップとの関係を示す図である。
【図6】第2の実施形態における液晶パネルの駆動方法を示す図である。
【符号の説明】
1、2 液晶表示装置
10、12、14、80 液晶パネル
18 光学系
20、22、24、82 発光素子アレイ板
38 画素電極(光透過領域)
50、100 半導体レーザ(発光素子)
52 反射鏡(光出射部)
110、120、130 発光部
141〜144 反射鏡
Claims (7)
- 光源を有する液晶表示装置において、
複数の発光素子が平面的に配列されてなる2次元発光素子アレイ板と、各発光素子に対応する複数の画素を有する液晶パネルと、を有し、
前記各発光素子の光出射部は、前記各画素の光透過領域内に配置され、
それぞれの前記発光素子は、半導体発光素子であり、層厚方向に配置される少なくとも3層の発光部と、少なくとも4層の反射鏡と、を含み、
第1、第2及び第3の前記発光部は、それぞれ第1、第2及び第3の異なる波長の光を放出し、第1の波長<第2の波長<第3の波長、という関係を満たし、
第1の前記反射鏡、第1の前記発光部、第2の前記反射鏡、第2の前記発光部、第3の前記反射鏡、第3の前記発光部、及び第4の前記反射鏡、の順序で多層構造をなし、
前記第1の反射鏡は、前記第4の反射鏡よりも反射率が低く、前記光出射部を構成し、
前記第2の反射鏡は、前記第1の波長の光を反射し、かつ、前記第2及び第3の波長の光を透過させ、
前記第3の反射鏡は、前記第2の波長の光を反射し、かつ、前記第3の波長の光を透過させ、
前記第4の反射鏡は、前記第3の波長の光を反射させる液晶表示装置。 - 請求項1記載の液晶表示装置において、
前記第1、第2及び第3の波長の光は、所定の周期で順に出力され、
前記液晶パネルは、前記周期と同調して駆動され、
単位時間に前記液晶パネルを透過する各波長の光の時間的割合に応じて、目の残像作用によって複数色のカラー表示をする液晶表示装置。 - 請求項1又は請求項2記載の液晶表示装置において、
前記発光素子は、面発光型の半導体レーザであり、
活性層を挟む一対のクラッド層の少なくとも一方が、断面形状においていずれかの方向に短い柱状をなす液晶表示装置。 - 請求項1から請求項3のいずれかに記載の液晶表示装置において、レンズ及びスクリーンを有する投写型の液晶表示装置。
- 請求項4記載の液晶表示装置において、
前記スクリーンの前面に画像を投写する前面投写型の液晶表示装置。 - 請求項4記載の液晶表示装置において、
前記スクリーンの背面に画像を投写する背面投写型の液晶表示装置。 - 請求項1乃至3のいずれかに記載の液晶表示装置において、
前記液晶パネルは、基板を有し、前記基板には、画素電極と、この画素電極への電圧の印加を制御するスイッチとしてのトランジスタと、が設けられる液晶表示装置。
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