JP4291837B2 - 投写型表示装置および画像形成装置 - Google Patents

Description

本発明は、スクリーンなどに画像を投射させて表示する投射型表示装置、および、画像形成装置に関する。

従来、この種の表示装置は、光源と、光源から出射された光を画像信号を用いて画素毎に透過・遮断させる液晶パネル、あるいは、画素毎に反射方向を変えるデジタルマイクロミラーデバイスのような光変調素子と、変調された光を投射する投射レンズとを有しており、光源としてはハロゲンランプなどの放電型ランプやＬＥＤ等が用いられていた。

（例えば、特許文献１を参照。）
特開２００２−３６９０５０号公報

しかしながら、従来の投射型表示装置は、スクリーン上に画像を表示させるために光源を常に点灯させておかなければならず、消費電力や発熱が大きいという問題点があった。

本発明は上述の課題を解決するためになされたもので、小型で消費電力の少ない投射型表示装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明に係る投射型表示装置では、入力された画像情報に基づいて画像を形成する画像形成部と、該画像形成部により形成された画像を投影する投射レンズとを備え、前記画像形成部は、基板と、該基板の表面に密着させて形成され、前記基板と接する面と反対側の面が平坦化された絶縁膜と、前記絶縁膜の平坦化された面に圧着され、前記基板の表面に沿って２次元状に配列させた複数の薄膜状の発光素子と、前記複数の発光素子のうち、第１の方向に配列させた発光素子を選択的に駆動する第１の駆動素子と、前記第１の方向と略直交する第２の方向に配列させた発光素子を選択的に駆動する第２の駆動素子と、前記第１の駆動素子と前記発光素子とを接続する第１の配線と、前記第２の駆動素子と前記発光素子とを接続する第２の配線とを有し、前記複数の発光素子の各々は、前記絶縁膜と圧着される面と反対側に、第１の電極と、第２の電極とを有し、前記第１の電極と前記第１の配線、前記第２の電極と前記第２の配線は、ともに当該発光素子の同じ面側で接続されたことを特徴とする。

本発明の投射型表示装置によれば、２次元状に配列させた複数の発光素子を選択的に駆動し、これにより得られた画像を投射するよう構成したので投射型表示装置の消費電力を少なくすることができる。

複数のＬＥＤを形成した半導体薄膜を基板に固着して２次元状に配列させたため、画像形成装置を小型にすることができる。

以下に発明を実施するための最良の形態を示す。

（構成）
図１は、実施例１で用いる投射型表示装置１００の構造を説明する配置図である。

２は、外光を遮断すると共に、内部の光が漏れないよう光を通さない物質で形成された筐体である。

５は制御部であって、画像信号の蓄積および変換を行う部分である。

１０は画像形成部としてのＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）アレイパネルであって、制御部５により変換された画像信号を用いて画像を形成する。

３は投射レンズであり、ＬＥＤアレイパネル１０により形成された画像を投射するものである。

４はスクリーンであり、ＬＥＤアレイパネル１０から投射レンズ３を介した画像が投射されるものである。ここで、スクリーン４に投射された画像は、スクリーンの投射面の反対側から観察者により観察される構造をとっている。

図２は投射型表示装置１００の機能を説明するブロック図である。

画像入力部８は、外部装置（例えば、ＤＶＤプレーヤーなどの動画再生装置）から画像信号を受け入れる部分である。

制御部５は、画像入力部８から入力された画像信号をＬＥＤアレイパネル１０で形成可能な形式に変換し、制御信号とともに出力する画像制御部６と、画像信号を記憶する記憶部７とからなる。

ＬＥＤアレイパネル１０は、画像制御部６により変換された画像信号を用いて被駆動素子であるＬＥＤを駆動する駆動部１２、駆動部１３と、薄膜状に形成されたＬＥＤを多数配列させた薄膜ＬＥＤアレイ群１１とを含む。

駆動部１２（アノードドライバ）は、画像制御部６から入力された画像信号に応じて接続された薄膜ＬＥＤアレイ群１１に備えられた各ＬＥＤに電流を供給する機能を備えており、例えば、シフトレジスタ回路、ラッチ回路、定電流回路、増幅回路などで構成される。

駆動部１３（カソードドライバ）は、画像制御部６から入力された制御信号に応じて、接続された薄膜ＬＥＤアレイ群１１に備えられた各ＬＥＤを走査する機能を備えており、選択回路などで構成される。

図３は、ＬＥＤアレイパネル１０の構造を説明する断面図である。

基板２０は、駆動部１２、駆動部１３、薄膜ＬＥＤアレイ１１などの部品が実装される基体となるものであり、シリコン、石英、ガラスもしくはセラミックなどを材料とする。ここで、基板２０の部品実装面側には、ポリイミド膜などの有機材料もしくは無機材料を用いて形成された絶縁膜２１が形成されており、部品の搭載面が数十ナノメートル以下に平坦化されている。

冷却手段としてのヒートシンク２２は、薄膜ＬＥＤアレイ１１や駆動部１２、駆動部１３が発し、基板２０を介して伝わった熱を放散するためのものである。ここでは、ヒートシンク２２の形状をフィンを有するものとしたが、発熱量に応じて適宜形状を決めればよい。

薄膜ＬＥＤアレイ（群）１１は、駆動部１２（および図示せぬ駆動部１３）により駆動されると基板２０の部品搭載面と略垂直方向（図３の矢印Ａの方向）に光を発する。

図４は、薄膜ＬＥＤアレイ１１の構造を説明する断面図である。

薄膜ＬＥＤアレイ１１は、これに含まれるＬＥＤの発光波長により、赤色（波長６２０〜７１０ナノメートル）に発光するもの（１１−Ｒ）、緑色（波長５００〜５８０ナノメートル）に発光するもの（１１−Ｇ）、および、青色（波長４５０〜５００ナノメートル）に発光するもの（１１−Ｂ）の３種類を用いるが、ここでは、赤色に発光するものを例にとって説明する。

２３は、半絶縁性、あるいは、ノンドープのＧａＡｓから成る半導体層である。

２４は、ｎ型不純物をドープしたＡｌＧａＡｓから成るｎ型半導体層である。

２５は、ｎ型半導体層２４の表面側からｐ型不純物（例えば、Ｚｎ）を拡散させて形成したｐ型半導体領域である。ここでｎ型半導体層２４とｐ型半導体領域との界面にｐｎ接合が形成され、ＬＥＤとして機能する。

２６は、隣り合うｐ型半導体領域を電気的に分離するための素子分離領域であり、半導体層２３に達する分離溝をエッチングにより形成したものである。なお、この後、平坦化のため絶縁材料を充填したものであってもよい。

２７はｐ側電極であり、複数のｐ型半導体領域２５の各々に対応させて設けられており、対応するｐ型半導体領域２５と電気的に接続されている。

２８はｎ側電極であり、素子分離領域２６により分離された複数のｎ型半導体層２４の領域の各々に対応させて設けられており、対応するｎ型半導体層２４の領域と電気的に接続されている。

以上の説明では、赤色に発光する薄膜ＬＥＤアレイ１１−Ｒの構造を説明したが、緑色に発光するものとしては、ＡｌＧａＩｎＰもしくはＧａＰを用い、青色に発光するものとしては、ＧａＮもしくはＩｎＧａＮを用いることができる。

また、ＬＥＤを形成する半導体層に、ヘテロ構造もしくはダブルへテロ構造を持たせた方がより好ましい。

図５は、薄膜ＬＥＤアレイ１１の製造工程を説明する説明図である。

以下、図５の（ａ）から（ｄ）まで順を追って説明する。なお、ここでも赤色に発光する薄膜ＬＥＤアレイ１１−Ｒを例にとって説明する。
（ａ）ＧａＡｓを材料とする母材３０の上に、ＡｌＡｓを材料とする犠牲層３１を形成する。ここで、母材３０は、前述の基板２０とは異なるものである。
（ｂ）次に、ＡｌＧａＡｓ等を材料とし、ＭＯＣＶＤ法などの気相成長法によりエピタキシャル成長させて積層された半導体薄膜３２を形成する。
（ｃ）積層された半導体薄膜３２上に、ｐｎ接合を形成して複数のＬＥＤを形成する。
（ｄ）エッチング液に燐酸過水などを用い、図５における奥行き方向には、発光領域（図４におけるｐ型半導体領域２５に相当し、例えば２０μｍ角）より広い幅で、かつ、図５における横方向には、所定数個（図５では３つ）の発光領域が含まれる長さの短冊状にホトリソエッチング技術を用いてエッチングする。その後、弗化水素液もしくは塩酸液などの剥離エッチング液に母材３０ごと浸漬させることにより、犠牲層３１がエッチング除去され、複数のＬＥＤが形成された半導体薄膜３２と母材３０とが分離される。。
（ｅ）母材３０から分離された半導体薄膜３２は、基板２０（表面に形成された絶縁膜２１）に押圧されることにより、基板２０の表面と固着される。ここで、絶縁膜２１により基板２０の表面を平坦化したことは、水素結合を代表とする分子間力による基板２０と薄膜ＬＥＤアレイ１１との固着を容易にしている。
（ｆ）基板２０と固着された薄膜ＬＥＤアレイ層は、例えばエッチング液として燐酸過水を用いて、ホトリソエッチング法により各ＬＥＤ素子に分離される。この後、各ＬＥＤ素子にｐ側電極２７とｎ側電極２８を蒸着／ホトリソエッチング法もしくはリフトオフ法を用いて形成することにより、図４に示した薄膜ＬＥＤアレイ１１（１１−Ｒ）が完成する。

図６は、ＬＥＤアレイパネル１０の構造を説明する平面図である。

基板２０上には、列方向（図６の上下方向）に同じ色に発光する薄膜ＬＥＤアレイ１１（１１−Ｒ、１１−Ｇ、１１−Ｂ）が配置されている。また、行方向（図６の左右方向）には、隣り合う薄膜ＬＥＤアレイが異なる色に発光するものになるよう配置されている。

１４（１４−Ｒ１、１４−Ｇ１、１４−Ｂ１、１４−Ｒ２、１４−Ｇ２、１４−Ｂ２）はアノード配線であり、駆動部１２（アノードドライバ）と、薄膜ＬＥＤアレイ１１上の各ＬＥＤ素子のｐ側電極２７と接続されている。

１５（１５−１〜１５−６）はカソード配線であり、駆動部１３（カソードドライバ）と、薄膜ＬＥＤアレイ１１上の各ＬＥＤ素子のｎ側電極２８と接続されている。

アノード配線１４、カソード配線１５は、蒸着／ホトリソエッチング法もしくはリフトオフ法により、Ａｕ、Ａｌ、もしく、はこれらの金属とＮｉ、Ｔｉなどの金属材料が薄膜積層されて形成されたものである。アノード配線１４およびカソード配線１５は、前述のｐ側電極２７とｎ側電極２８と同じ工程で形成してもよい。
（動作）
次に、図２および図６を参照して投射型表示装置１００の表示動作を説明する。

まず、画像入力部８から入力された画像信号は、画像制御部６を介して画像データとして一旦記憶部７に蓄積される。なお、ここでは、画像蓄積型として説明するが、入力された画像信号を直接画像データ、制御信号に変換して出力してもよい。

画像制御部６は、記憶部７に蓄積された画像データを読出し、所定の制御信号とともに、駆動部１２および駆動部１３に出力する。

次に、駆動部１２（アノードドライバ）は、画像制御部６から入力された画像データを１走査線分（図６では横に配列された１行分で、カソード配線１５−１が共通に接続されているＬＥＤ素子に対応）シフトレジスタに順次格納する。ここで、画像データは、対応するＬＥＤ素子を発光させるか否かを示すデータである。

シフトレジスタに格納されると、１走査線分の画像データは、ラッチ回路に移される。

次に、駆動部１３は、画像制御部６から受け入れた制御信号により、カソードライン１５−１を選択（導通）させる。ここで、駆動部１２のラッチ回路の中で対応するＬＥＤを発光させるデータが格納されているものは、駆動部１２の定電流回路、増幅回路から対応するＬＥＤ素子のｐ側電極（アノード）、ｎ側電極（カソード）を介して、カソードライン１５−１に流れ、対応するＬＥＤ素子が発光する。

以下、１本のカソードライン１５に共通接続されているＬＥＤ素子に対応する１走査線分画像データの格納、対応する１本のカソードライン１５の選択を繰り返し、全ての走査線の選択が成されると１画面分のＬＥＤ素子による発光が終了する。

走査線毎の光は、投射レンズ３によりスクリーン４上に投射され１画面分の表示がなされる。

以上の説明では、説明の簡略化のためＬＥＤアレイパネル１０に配列させるＬＥＤ素子の数を６×６（３６個）としたが、任意の数に変えることができる。

また、各発光部の形状、縦横比、配置も、薄膜ＬＥＤアレイ１１を形成する際に任意の形状にすることができる。例えば、本実施例のように３色（Ｒ、Ｇ、Ｂ）のＬＥＤ素子を用いる場合は、Ｒ、Ｇ、Ｂの３つの画素を合わせた領域の形状が正方形になるようにするとよい。また、形状もダイヤ状、楕円状など任意の形状をとることができる。

さらに、上述の説明では、基板２０上に薄膜ＬＥＤアレイ１１を平面状に配列させたが、これに限らず、異なる薄膜ＬＥＤアレイ１１を互いのＬＥＤ素子の発光領域が隠れないよう積層して接合させてもよい。
（投射型表示装置としての別の実施形態１）
図７は、投射型表示装置としての別の実施形態を説明する配置図である。

図７における投射型表示装置２００は、図１の筐体２を筐体３３に、図１のスクリーン４の代りにズームレンズ９を設けたものである。

この形態では、ＬＥＤアレイパネル１０により形成された画像は、投射レンズ３、ズームレンズ９を介して、投射型表示装置２００の外部に設置された図示せぬスクリーンに投射するよう構成されている。このように構成すると、投射型表示装置２００とスクリーン間の距離、ズームレンズ９の調整により、任意の拡大表示を行うことができる。
（投射型表示装置としての別の実施形態２）
図８は、投射型表示装置としての別の実施形態を説明する配置図である。

なお、本図では筐体は省略している。

図８における投射型表示装置３００は、光路切替部としてのプリズム３４と、撮像素子としてのＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ−Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）３５を設けた点が図７の投射型表示装置２００と異なる。ここでプリズム３４は、光の入射方向により反射するか透過されるか選択されるハーフミラーとしての機能を備えている。

投射型表示装置３００の表示機能としては、ＬＥＤアレイパネル１０から矢印Ｆ方向に出射された画像がプリズム３４の反射面で略直角方向に反射されて投射レンズ３に導かれる点を除き、投射型表示装置１００、２００と同様である。

撮像機能としては、ズームレンズ９から入射された画像が、投射レンズ３を介してプリズム３４を透過し、矢印Ｇ方向に向かい、ＣＣＤ３５上に達する。ここで、ＣＣＤ３５は、図示せぬ記憶部に記憶される。この記憶部は、図２の記憶部と共用としてもよい。

以上のように、光路切替部と撮像素子を設けたことにより、小型の構造で投射表示機能と撮像機能とを併せ持つ投射型表示装置が得られる。
（実施例１の効果）
以上のように、実施例１の投射型表示装置によれば、２次元状に配列させた複数の発光素子と、配列させた複数の発光素子を選択的に駆動する駆動部とを有する画像形成部により形成した画像を投射レンズにより投射する構成としたので、光源を常時点灯させておく必要がなく、消費電力の少ない投射型表示装置が得られる。

また、実施例１の画像形成装置によれば、複数のＬＥＤ素子を有する半導体薄膜を、複数枚基板上に固着配列させた構成としたので、薄型で高精細な画像形成装置が得られる。

（構成）
図９は実施例２で用いる投射型表示装置４００の構造を説明する配置図である。

本図では、筐体は省略している。

５０はＬＥＤアレイパネルであり、各々に含まれるＬＥＤの発光色により５０−Ｒ（赤色発光）、５０−Ｇ（緑色発光）、および、５０−Ｂ（青色発光）と表記する。

５１は、画像合成手段としてのプリズムであり、ＬＥＤアレイパネル５０−Ｒ、５０−Ｇ、５０−Ｂの各々から入射した画像を合成し、投射レンズ３へ出力するものである。

ここで、ＬＥＤアレイパネル５０−Ｒ（矢印Ｂ方向）から入射した画像（赤色画像）は、略直角方向に反射され、矢印Ｅ方向に出射される。

ＬＥＤアレイパネル５０−Ｇ（矢印Ｃ方向）から入射した画像（緑色画像）は、略直進し、矢印Ｅ方向に出射される。

ＬＥＤアレイパネル５０−Ｂ（矢印Ｄ方向）から入射した画像（青色画像）は、略直角方向に反射され、矢印Ｅ方向に出射される。

図１０は、ＬＥＤアレイパネル５０（５０−Ｒ）の構造を説明する平面図である。

本実施例のＬＥＤアレイパネル５０は、図６に示したＬＥＤアレイパネル１０に対して、基板２０に固着された薄膜ＬＥＤアレイ１１（１１−Ｒ）の発光色が一色（本図では赤色発光）のみである点が異なり、電極と駆動部１２、駆動部１３との配線は変わらないものである。

同様にＬＥＤパネル５０−Ｇは薄膜ＬＥＤアレイ１１（１１−Ｇ）の発光色が緑色のみ、ＬＥＤパネル５０−Ｂは薄膜ＬＥＤアレイ１１（１１−Ｂ）の発光色が青色のみとしている。
（動作）
図９および図１０を参照して、投射型表示装置４００の動作を説明する。

画像の入力から各ＬＥＤアレイパネル５０により画像を形成する動作は、実施例１のＬＥＤアレイパネル１０と同様であるため、３色のＬＥＤアレイパネルのそれぞれにより形成された画像が合成される動作のみ説明する。

ＬＥＤアレイパネル５０−Ｒの１走査線分（カソード配線１５−１に共通接続されている）ＬＥＤの発光に同期させて、ＬＥＤアレイパネル５０−Ｇの対応する１走査線分のＬＥＤ、および、ＬＥＤアレイパネル５０−Ｂの対応する１走査線分のＬＥＤが発光するよう駆動部１３（カソードドライバ）が制御される。

ＬＥＤアレイパネル５０−Ｒ、５０−Ｂ、５０−Ｂから出射された画像は、プリズム５１により合成され矢印Ｅ方向に向かい、投射レンズ３、ズームレンズ９を介して図示せぬスクリーン上に投射される。

以下、走査線をカソード配線１５−２、１５−３、・・・、１５−６と順次切り替え、１画面分の画像をスクリーン上に表示させる。

以上の説明では、３色のＬＥＤアレイパネルを用いて説明したが、これに限らず２色あるいは４色以上のＬＥＤアレイパネルを用いてもよい。この場合、プリズムの代りにダイクロイックミラーを用いるとよい。
（実施例２の効果）
以上のように、実施例２の投射型表示装置によれば、互いに異なる発光色をもつ複数のＬＥＤアレイパネルにより形成された画像を画像合成手段により合成して投射するよう構成したので、実施例１で得られる効果に加え、高精細なカラー画像が得られる。

実施例１で用いる投写型表示装置の構造を説明する配置図である。 投射型表示装置の機能を説明するブロック図である。 ＬＥＤアレイパネルの構造を説明する断面図である。 薄膜ＬＥＤアレイの構造を説明する断面図である。 薄膜ＬＥＤアレイの製造工程を説明する説明図である。 ＬＥＤアレイパネルの構造を説明する平面図である。 投射型表示装置の別の形態を説明する配置図である。 投射型表示装置の別の形態を説明する要部配置図である。 実施例２で用いる投写型表示装置の構造を説明する要部配置図である。 ＬＥＤアレイパネルの構造を説明する平面図である。

符号の説明

３ 投射レンズ
５ 制御部
１０、５０ ＬＥＤアレイパネル
１１ 薄膜ＬＥＤアレイ
１２、１３ 駆動部
２０ 基板
２１ 絶縁膜
３０ 母材
１００、２００、３００、４００ 投射型表示装置

Claims (8)

1. 入力された画像情報に基づいて画像を形成する画像形成部と、該画像形成部により形成された画像を投影する投射レンズとを備え、
   前記画像形成部は、
   基板と、
   該基板の表面に密着させて形成され、前記基板と接する面と反対側の面が平坦化された絶縁膜と、
   前記絶縁膜の平坦化された面に圧着され、前記基板の表面に沿って２次元状に配列させた複数の薄膜状の発光素子と、
   前記複数の発光素子のうち、第１の方向に配列させた発光素子を選択的に駆動する第１の駆動素子と、前記第１の方向と略直交する第２の方向に配列させた発光素子を選択的に駆動する第２の駆動素子と、
   前記第１の駆動素子と前記発光素子とを接続する第１の配線と、
   前記第２の駆動素子と前記発光素子とを接続する第２の配線とを有し、
   前記複数の発光素子の各々は、前記絶縁膜と圧着される面と反対側に、第１の電極と、第２の電極とを有し、前記第１の電極と前記第１の配線、前記第２の電極と前記第２の配線は、ともに当該発光素子の同じ面側で接続されたことを特徴とする投射型表示装置。
2. 前記画像形成部は、前記複数の発光素子を冷却する冷却手段を備えることを特徴とする請求項１記載の投射型表示装置。
3. 前記複数の発光素子は、少なくとも３つの異なる波長で発光する発光素子を含み、同じ波長で発光する発光素子は、前記第１の方向または前記第２の方向の何れか一方向に配列されたことを特徴とする請求項１記載の投射型表示装置。
4. 複数の前記画像形成部と、各々の画像形成部で形成された画像を合成する画像合成手段を備え、複数の前記画像形成装置はそれぞれ発光波長を同じくする複数の発光素子を含み、異なる画像形成装置間では、発光素子の発光波長が異なることを特徴とする請求項１記載の投射型表示装置。
5. 前記投射レンズにより投射された画像を受けるスクリーンをさらに備え、該スクリーンは、前記画像形成部から投射される面の裏側から観察者により観察されるよう配置されたことを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか一項に記載された投射型表示装置。
6. 前記複数の発光素子は積層形成された半導体薄膜内に所定数単位で形成され、互いに素子分離されたＬＥＤであり、前記半導体薄膜と前記絶縁膜とは分子間力により固着されたことを特徴とする請求項１に記載の投射型表示装置。
7. 撮像素子と、選択的に光路を切り替える光路切替部とをさらに備え、
   該光路切替部は、前記画像形成部により形成された画像を前記投射レンズに導くか、前記投射レンズから入射された画像を前記撮像素子に導くか何れかを切り替えることを特徴とする請求項１記載の投射型表示装置。
8. 複数の薄膜状の前記発光素子の各々は、前記基板とは異なる母材上に犠牲層を介して形成され、該犠牲層をエッチング除去することにより剥離されたものであることを特徴とする請求項１記載の画像形成装置。

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