JP3990251B2

JP3990251B2 - 投写型表示装置

Info

Publication number: JP3990251B2
Application number: JP2002299568A
Authority: JP
Inventors: 厚志加藤
Original assignee: NEC Display Solutions Ltd
Current assignee: Sharp NEC Display Solutions Ltd
Priority date: 2002-10-11
Filing date: 2002-10-11
Publication date: 2007-10-10
Anticipated expiration: 2022-10-11
Also published as: JP2004133312A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光源に発光ダイオードを用いた光源装置を有する投写型表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の投写型表示装置では、光源にはメタルハライドランプや超高圧水銀ランプといった放電ランプを使い、これらの光源で発生する白色光をダイクロイックミラーやダイクロイックプリズム等の波長選択性を有する薄膜を用いた光学フィルタにより、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）、の波長成分に分割し、これらの光を対応する液晶パネルに照射し、照射後の光を再びダイクロイックプリズム等で合成して、投写レンズを介してスクリーン等に拡大表示を行う投写型液晶表示装置が知られている。この種の投写型液晶表示装置では、２次元光変調器の表示デバイスである、液晶パネルを赤用、緑用、青用、に３枚用いる３板式が主流である。
【０００３】
また、表示デバイスに液晶パネルではなく、ディジタルミラーデバイス（ＤＭＤ）を１枚用いた単板方式の投写型表示装置もある。この単板方式では、前述の３板式の投写型液晶表示装置と同様、光源には超高圧水銀ランプ等の白色光源を使用するが、この白色光を、回転するカラーフィルタ円盤を用いて時分割のカラー表示を行うもので、１つの画素に赤、緑、青の光を順次照射する。特にＤＭＤは応答速度に優れた表示素子であり、オンとオフの状態をスイッチする双安定素子であり、階調表現はＰＷＭ（パルス幅変調）制御、すなわち、オン時間を変化させることで実現される。
【０００４】
ところで、従来、光源に用いられてきた白色の放電ランプではなく、固体光源の適用が検討されている（特許文献１、２参照）。近年、発光ダイオードの開発の進歩はめざましく、高輝度で高効率な青や緑の発光ダイオードも登場し、従来において比較的高輝度、高効率であった赤色発光ダイオードと組み合わせることで投写型表示装置の光源を実現できる可能性がでてきた。
【０００５】
上記発光ダイオードは、１）消費電力が小さい、２）丈夫で小型、３）寿命が長い等、投写型表示装置にとっては都合が良い面が多く非常に有望である。特に寿命に関していえば、従来の高圧水銀ランプでは、通常２０００時間ないし３０００時間の寿命と言われているのに対し、発光ダイオードは、数万時間の寿命を有している。また、投写型表示装置の光源装置として、赤、青、緑の単色発光のものを使用する場合には、赤外線や紫外線が発生しないという利点もある。
【０００６】
また、従来例としては、複数の光源を時分割で順次点灯させ、各光源からの光の光路を、反射と透過とを切り替える光路切り替えデバイスにより、共通の光路に順次合流させ、光路切り替えデバイスとしては、１枚の円盤上に反射領域と透過領域を有し、回転により反射と透過とを切り替える回転ミラー等を用いる光源装置および投影型画像表示装置がある（例えば、特許文献３参照）。
【０００７】
【特許文献１】
特開平１１−３２２７８号公報（１−４頁、図１）
【特許文献２】
特開２００１−３４３７０６号公報（１−４頁、図２）
【特許文献３】
特開２０００−８９１３９号公報（１−４頁、図１）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来の投写型表示装置において、３板方式は装置全体のコストが高くなるという欠点がある。また、単板方式では表示素子が１個で済むため、前述の３板式の投写型液晶表示装置に比べてコスト面や小型化の点では有利となるが、カラーフィルタ円盤での照射光の２／３が吸収または反射で失われるために、投写画面上の明るさが低くなるという欠点がある。
【０００９】
また、上述した従来の投写型表示装置のいずれの方式とも、白色光源光をＲ、Ｇ、Ｂに分光するための光学素子（ダイクロイックミラーやカラーフィルタ円盤）が必要となる。しかも、白色光源の発光成分には、画像表示には必要ない赤外光や紫外光の光線も含んでおり、これらを除去するための赤外カットや紫外カットの光学フィルタも必要となる。特に赤外光成分は、ファン等を用いて、装置の外部に排出させるわけであるが、外装で覆われた装置から完全に排出することは困難であり、これらの熱により内部の光学部品や表示デバイスの温度上昇を引き起こす。中でも液晶パネルの場合には、液晶パネルの周囲温度が一般に７０℃を越えると表示品質を著しく低下させるという問題がある。
【００１０】
また、紫外カットの光学フィルタにて完全に除去しきれない紫外光成分も存在し、この光が液晶パネルに深刻なダメージを与える。液晶パネルを構成する有機系の配向膜は紫外光照射に対して劣化するという特性を有しており、これが表示品質低下を引き起こすという欠点である。
【００１１】
もし、画像表示に必要な発光成分のみを有するＲ、Ｇ、Ｂの単色の光源を利用して、これらの光を時分割にて同一方向に射出する光源装置を実現できれば、前記の分光用の光学素子や光学フィルタが不要になり、画質低下の心配がなく、かつ熱線や紫外線による内部光学部品、表示デバイスの劣化が改善した、簡易な冷却ですむ投写型表示装置が実現できる。しかも光利用効率を高く、小型化も実現できる。
【００１２】
また、光源装置においては、現状汎用品として容易に手に入る発光ダイオードランプの１個当たりの発光効率が１０〜４０Ｌｍ／Ｗ（ルーメン／ワット）程度であり、６０Ｌｍ／Ｗ以上を有する従来の高圧水銀ランプの発光効率には到底及ばない。そのため、発光ダイオードを光源として、実用輝度を得るためには、発光ダイオードの数を増やして輝度を確保することが有効である。例えば、複数の発光ダイオードをアレイ状に配置して利用することが考えられる。しかしながら、複数配置しても、投写型表示装置の性能用件である高輝度化の要求に対して、従来の放電ランプを用いるのと同等までには至らない。
【００１３】
また、上記特許文献３記載の従来例の切り替えデバイスでは、光源部分が３つあるいは４つの場合には回転ミラーが２つ必要になり、光源装置が大型化し、また回転の制御が複雑になるという問題がある。
【００１４】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、小型化に有利な単板型で、かつ、寿命特性の優れた発光ダイオードを光源部に用いた投写型表示装置において、光利用効率が高く、良好な輝度が得られる光源装置を有する投写型表示装置を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
かかる目的を達成するために、本発明の第１の投写型表示装置は、光源装置と、２次元光変調器ならびに投写レンズとを有し、時分割でカラー表示を行う投写型表示装置であって、光源装置は、パルス点灯が可能な異なる発光色を呈する複数の発光ダイオード光源と、複数の発光ダイオード光源からの光束を選択的に反射させて同一光路に合流させる反射素子とを有し、反射素子に対して複数の発光ダイオード光源を異なる方向から入射させ、反射素子は、少なくとも２つの傾斜状態を有するマイクロミラー型の光スイッチであることを特徴としている。
【００１６】
本発明の第２の投写型表示装置は、本発明の第１の投写型表示装置において、２次元光変調器として、ディジタルミラーデバイスおよびＬＣＯＳ反射型デバイスのうちいずれか１つを有することを特徴としている。
【００１７】
本発明の第３の投写型表示装置は、本発明の第１の投写型表示装置において、複数の発光ダイオード光源は、赤、青、緑の発光色を呈することを特徴としている。
【００１８】
本発明の第４の投写型表示装置は、本発明の第１の投写型表示装置において、マイクロミラー型の光スイッチは、複数の発光ダイオード光源の点灯と同期して反射面がスイッチングすることを特徴としている。
【００１９】
本発明の第５の投写型表示装置は、本発明の第１の投写型表示装置において、発光ダイオード光源は、複数の発光ダイオードをアレイ状に配列したことを特徴としている。
【００２３】
上記の構成とすることで、例えば、異なる方向に位置する赤色および青色の発光ダイオードからなる光源１と緑色の発光ダイオードからなる光源２からの各々の光束が、反射素子の傾斜状態に対応して反射され、その後、同一方向に合流されるので、合流後の光束を時間的に見れば、赤色→青色→緑色の順に繰り返しの光束が得られるので、時分割方式のカラー表示を行う投写型表示装置の光源部を構成することができる。
【００２４】
ここで、光源１からの光束と光源２からの光束は、マイクロミラー型の光スイッチの第１の傾斜状態および第２の傾斜状態と同期して点灯している訳であるが、光源１についてはマイクロミラーの第１の傾斜状態の時間内に赤色発光ダイオードと青色発光ダイオードが順次点灯と消灯とが実施される。一般に、発光ダイオードは、放電ランプと異なり、連続点灯はもちろんのこと、パルス点灯が可能である。特にパルス点灯ではデュティ比を所定に設定することで、消費電力は一定のままで出力を容易に増加させることができる。従って、マイクロミラーの傾斜状態により選択されていない状態、すなわち、第１の傾斜状態での緑色発光ダイオードまたは、第２の傾斜状態での赤、青色発光ダイオードは消灯状態とする点灯制御が可能である。よって、全ての発光ダイオードを点灯しているのと同じ光量を維持でき、光利用率を高めることができる。
【００２５】
上記マイクロミラー型の光スイッチとしては、例えば、シリコン基板上にマイクロ機械加工され、可動部が静電気的に変位動作を行うことができるシリコンマイクロマシンがある。シリコンマイクロマシンは、可動部が本体にヒンジ部で接続され、可動部がヒンジを中心に回転運動が可能なマイクロヒンジ型マイクロマシンであってもよい。また、ＤＭＤの２つの傾斜状態を用いることも可能である。さらに、特開２００１−２４９２８６号公報「ガルバノマイクロミラーとその製造方法」に記載の、光ディスク装置の光ビーム照射位置を制御するのに使用する、静電駆動方式のガルバノマイクロミラー等の周知の技術を使用することもできる。その他、特開２００１−２４２３９６号公報「２軸マイクロミラーを用いた光学スイッチを構成するマイクロマシン」に記載されている光信号のスイッチングを行うマイクロミラーアレイでも良い。マイクロミラーの傾斜状態は２箇所の他、３箇所、４箇所でも構わない。３箇所の場合には、３つの傾斜状態を各々赤色、青色、緑色の発光ダイオードからの光束に割り当てれば良く、４つの場合には、各々赤用、青用、緑用のほか白用の発光ダイオード光源を配し、マイクロミラーの傾斜状態と各発光ダイオード光源の点灯タイミングを制御すればよい。
【００２６】
また、各色の発光ダイオード光源は、複数の発光ダイオード光源をアレイ状に配列しても良い。発光ダイオードの数に応じて光源部の光出力は増加するので、高輝度化する。また、前記の光源装置と、２次元光変調器ならびに投写レンズとで投写型表示装置を構成することで、時分割でカラー表示を行う単板方式の投写型表示装置が実現できる。特に、表示デバイスについてはＤＭＤが望ましいが、応答速度の優れた強誘電性液晶等を使ったＬＣＯＳ反射型デバイスでも構わない。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施の形態を添付画面に基づいて詳細に説明する。なお、以下に述べる実施の形態は、本発明の好適な具体例であるから、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの形態に限られるものではない。
【００２８】
図２および図３は、本発明の光源装置の好ましい第１の実施の形態において、その原理を説明するための図である。図２および図３において、第１の光源１０１には赤色の発光波長を有する発光ダイオード１０４と青色の発光波長を有する発光ダイオードと１０５を使用した。また、第２の光源１０２には緑色の発光波長を有する発光ダイオード１０６を使用した。そして、反射素子１０３には２つの傾斜状態を有するマイクロミラー型の光スイッチを用いた。この光スイッチは、例えばＤＭＤのように静電気力で駆動され、回転軸に対して±θの角度傾いた２つの安定位置を有している。
【００２９】
図２において、第１の光源からの光１０７は、マイクロミラー１０３の第１の傾斜状態（例えば＋θ度傾斜、図中実線）に対応して左上から２θの角度で入射する。マイクロミラー１０３で真上方向に反射され、光源装置を射出する光線１０８となる。同様に、図３に示すように、第２の光源１０２からの光１０９は、マイクロミラー１０３の第２の傾斜状態（例えば−θ度傾斜、図中実線）に対応して右上から２θの角度で入射する。マイクロミラー１０３で反射後の光１０８は同様に真上方向に向かう光源装置射出光になる。ここで、第１の光源１０１、第２の光源１０２のいずれからの光もマイクロミラー１０３で反射後は同一の経路をとる光源装置射出光１０８となる。
【００３０】
ここで、反射素子１０３が第１の傾斜状態と第２の傾斜状態にあるときの時間をそれぞれＴ、Ｔ’とすると、Ｔ時間の期間では赤色または青色の光束が選択され、Ｔ２時間では緑色の光束が選択反射されることになる。そして、Ｔ時間内において、例えば最初のＴ／２の時間を赤色発光ダイオードの点灯に割り当て、残りのＴ／２時間を青色発光ダイオード１０４の点灯に割り当てれば、Ｔ＋Ｔ’の時間では、光源装置からは赤→青→緑を１サイクルとする時間的に赤色、青色、緑色が順次繰り返す連続的な光束が得られるので、これを照明光として、図５に示す２次元光変調器５０２を同期制御することで時分割のカラー画像表示が可能になる。
【００３１】
図４は赤、青、緑、それぞれの発光ダイオード（図２および図３に示す１０４、１０５、１０６）の点灯および消灯のタイミングを示す図である。まず、第１のマイクロミラー傾斜状態において赤色の発光ダイオード１０４が点灯する。そして、Ｔ／２時間経過したとき、赤色の発光ダイオード１０４が消灯し、同時に青色の発光ダイオード１０５の点灯が行われる。さらにＴ／２時間経過したら、青色の発光ダイオード１０５が消灯し、マイクロミラー１０３は第２の傾斜状態に切り替わる。それと同時にＴ’時間にわたり緑色発光ダイオード１０６の点灯が行われる。従って、マイクロミラー１０３の２回の傾斜を１サイクルとすると、赤→青→緑の繰り返しの光束を形成する。
【００３２】
また、図５に示すような点灯／消灯タイミングをとることも可能である。図４に示した点灯／消灯タイミングとの違いは、マイクロミラー１０３の第１の傾斜状態において、Ｔ時間を赤または青色発光ダイオードの点灯時間に割り当てた点である。第１のマイクロミラー傾斜状態においてまず、赤色の発光ダイオード１０４をＴ時間点灯する。そしてＴ時間経過したとき、赤色発光ダイオード１０４が消灯し、マイクロミラー１０３は第２の傾斜状態に切り替わる。それと同時に、Ｔ’時間にわたり緑色発光ダイオード１０６の点灯が行われる。その後、第１の傾斜状態になったら、今度は青色発光ダイオード１０５を点灯させる。そしてＴ時間経過後、第２の傾斜状態に移り、青色発光ダイオード１０５は消灯、Ｔ’時間にわたり緑色発光ダイオード１０６が点灯というサイクルを形成する。このようにして赤→緑→青→緑という時間的に繰り返す光束を形成する。
【００３３】
なお、赤、青、緑の発光ダイオードは、単体の光出力が同じでない場合が多く（発光効率が異なる）、光源装置で得られる光束のホワイトバランスを良好とするには、発光ダイオードが点灯している時間や、点灯時の印加電流を所定にすればよい。また、使用する発光ダイオードを多数用意し、アレイ状にしたものを使用することも可能である。その場合、使用する発光ダイオードの数に応じて高輝度な光束が得られる。
【００３４】
図１は本発明の光源装置を用いた投写型表示装置の構成を示す図である。本発明の投写型表示装置は、実施の形態で説明した光源装置５０１と、反射型の２次元光変調器５０２と、プリズム５０３と、投写レンズ５０４とで構成されている。反射型の２次元変調器５０２にはＤＭＤを使用した。また、ＤＭＤで変調された光を投射レンズに入射させるために全反射を利用したプリズム５０３を使用している。このプリズム５０３はＤＭＤを使用した投写型表示装置で使用される周知の技術である。
【００３５】
光源装置５０１で形成される、赤色→緑色→青色→緑色を１サイクルとする照明光束５０５は、プリズム５０３を介してＤＭＤ５０２へ入射する。ＤＭＤでは照明光束５０５の各色と同期して光変調した反射光５０６を、投写レンズ５０４を介して拡大投写してカラー画像を得る。
【００３６】
以上、実施形態で説明したように、本発明による光源装置および投写型表示装置は、発光ダイオードを光源としているので、光源装置で発生する光束成分に赤外／紫外の光成分がなく、従来の投写型表示装置が具備していた、赤外／紫外の光成分を除去する光学フィルタが不要になる。また、回転式のカラーフィルタ円盤を使用しなくとも、時分割のカラー照明光が形成されるので、光源装置がコンパクトになる。
【００３７】
【発明の効果】
本発明によれば、パルス点灯が可能な異なる発光色を呈する複数の発光ダイオード光源と、複数の発光ダイオード光源からの光束を選択的に反射させて同一光路に合流させる反射素子とを有することを特徴としているので、効率的に時分割照明光束を形成できる。
【００３８】
本発明によれば、反射素子に対して、複数の発光ダイオード光源を異なる方向から入射させることを特徴としているので、効率的に時分割照明光束を形成できる。
【００３９】
本発明によれば、発光ダイオード光源は、赤、青、緑の発光色を呈することを特徴としているので、効率的に時分割照明光束を形成できる。
【００４０】
本発明によれば、反射素子は少なくとも２つの傾斜状態を有するマイクロミラー型の光スイッチであって、複数の発光ダイオードの点灯と同期して前記マイクロミラー型の光スイッチの反射面がスイッチングすることを特徴としているので、発光ダイオードの点灯制御が可能となり、全ての発光ダイオードを点灯しているのと同じ光量を維持でき、光利用効率を高めることができる。
【００４１】
本発明によれば、発光ダイオード光源は、複数の発光ダイオードをアレイ状に配列したことを特徴としているので、光源部の光出力を高めることが容易であり、高輝度化を達成できる。
【００４２】
本発明によれば、マイクロミラー型の光スイッチは、シリコンマイクロマシン、ディジタルミラーデバイス、ガルバノマイクロミラー、マイクロミラーアレイのうち少なくとも１つであることを特徴としているので、構成を選択でき、利便性が図れる。
【００４３】
本発明によれば、光源装置と、２次元光変調器ならびに投写レンズとを有し、時分割でカラー表示を行うことを特徴としているので、コンパクトで寿命特性に優れた光学系の投写型表示装置を実現できる。
【００４４】
本発明によれば、２次元光変調器として、ディジタルミラーデバイスおよびＬＣＯＳ反射型デバイスのうちいずれか１つを有することを特徴としているので、構成を選択でき、利便性が図れる。
【００４５】
以上のように、本発明による光源装置および投写型表示装置では、異なる方向から入射する光束を時分割的に選択反射するマイクロミラー型のスイッチングデバイスを使用して、同一方向に光束を取り出すことが可能となり、効率的に時分割照明光束を形成できる。そして、光源には単色の発光ダイオードを備えているので、分光のための光学フィルタが不要となり、コンパクトな光学系の投写型表示装置を実現できる。特に、本発明の光源装置で使用する発光ダイオードの発光成分には赤外や紫外線成分を含んでいないので、装置内の温度上昇を引き起こすことはなく、しかも表示デバイスにもダメージを与えない。また、寿命特性に優れた投写型表示装置を実現できる。さらに、光源となる発光ダイオードを基板上に多数平面実装し、アレイ状とすることで、光源部の光出力を高めることが容易であり、高輝度化も達成できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光源装置を用いた投写型表示装置の構成を示す図である。
【図２】本発明の光源装置の原理を説明するための図である。
【図３】本発明の光源装置の原理を説明するための図である。
【図４】本発明の光源装置における発光ダイオードの点灯のタイミングを説明するための図である。
【図５】本発明の光源装置における発光ダイオードの点灯のタイミングを説明するための図である。
【符号の説明】
１０１第１の光源
１０２第２の光源
１０３反射素子（マイクロミラー）
１０４赤色の発光ダイオード
１０５青色の発光ダイオード
１０６緑色の発光ダイオード
１０７入射光束
１０８反射光束
１０９入射光束
５０１光源装置
５０２２次元光変調器
５０３プリズム
５０４投写レンズ
５０５照明光束
５０６変調された光束

Claims

光源装置と、
２次元光変調器ならびに投写レンズとを有し、時分割でカラー表示を行う投写型表示装置であって、
前記光源装置は、
パルス点灯が可能な異なる発光色を呈する複数の発光ダイオード光源と、
該複数の発光ダイオード光源からの光束を選択的に反射させて同一光路に合流させる反射素子とを有し、
前記反射素子に対して前記複数の発光ダイオード光源を異なる方向から入射させ、
前記反射素子は、少なくとも２つの傾斜状態を有するマイクロミラー型の光スイッチであることを特徴とする投写型表示装置。
前記２次元光変調器として、ディジタルミラーデバイスおよびＬＣＯＳ反射型デバイスのうちいずれか１つ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。
前記複数の発光ダイオード光源は、赤、青、緑の発光色を呈することを特徴とする請求項１記載の投写型表示装置。
前記マイクロミラー型の光スイッチは、前記複数の発光ダイオード光源の点灯と同期して反射面がスイッチングすることを特徴とする請求項１記載の投写型表示装置。
前記発光ダイオード光源は、複数の発光ダイオードをアレイ状に配列したことを特徴とする請求項１記載の投写型表示装置。