JP5157374B2 - 液晶表示素子および投射型液晶表示装置、並びに電子機器 - Google Patents
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Description
レーザ安全基準は、各国において定められており、我国においては、JIS規格が存在する。熱的障害および、光化学障害に関する最大許容露光量(MPE)が決められており、各クラス分類において、最大被曝放出限界(AEL)が決められている(JIS C 6802 参照)。
それは、これらの小型携帯電子機器用レーザ光源を有するディスプレイは、子供から老人まで広い世代で利用され、いろいろな使用方法で使用されることが予想され、それらの使用態様を予想し、それらの全ての場合に対し、インタロック(interlock)を対応させることは非常に難しいことであるからである。
その万が一の対策のためには、厳重なインタロック等安全対策が必要で、その分余計な機能を要し、高コストになってしまう可能性もありうる。
現状のスキャン方式の小型プロジェクタの明るさはおおよそ10lm程度の出力であるのは、特に眼の安全性を考えての上であると考えられる。したがって、更に高出力化を図ったりすることには限界があると思われる。
この場合においては、光出力から導かれる熱的網膜障害に対しては、ほとんど問題ないが、光化学的網膜障害に対する基準でクラス1(Class1)を達成することが、難しい。
また、プロジェクタ全体を携帯電話端末などの小型の機器に内蔵できる程度に小型化することができる。
図1は、本発明の第1の実施形態に係る液晶表示素子を採用した投射型液晶表示装置の一例を示す概略構成図である。
実施形態として一番好適な例は、フィールドシーケンシャル(FSでない)マイクロレンズ(ML)を使用した単板式プロジェクタである。
その理由は、
(1)レーザ光源はエテンデュ(Etendue)が小さく、単板方式でも3板方式と同じ程度の光出力の効率を達成でき、
(2)ML単板式の場合、斜入射光の角度が発生するため、入射光の発散角を絞る必要がある。そのため結果的に3板式に比較し、輝度を落とすことになる。しかし、レーザ光を光源にした場合は、もともと光発散角が小さいため輝度を落とすことなくしかも、斜入射光角度もランプ系光源に比較して小さくできる。
からである。
この条件等に関しては後で詳述する。
この例では、光源部1は、赤色レーザ11R、緑色レーザ11Gおよび青色レーザ11Bが、X方向に並列に配列されている。
本発明では、光学系2に配置される後述の色分離およびフィールドレンズ3、液晶表示パネル4への入射角度を制御する色分離および入射角度制御素子(回折光学素子または屈折型光学素子)の入射光ビームの形状に対する鈍感性によって、赤色レーザ11R、緑色レーザ11Gおよび青色レーザ11Bとして、横モード(トランスバースモード:transverse mode)がマルチモードの半導体レーザまたは固体レーザを用いることができる。
具体的に、この例では、DPSSレーザからなる中央の緑色レーザ11Gを、赤色レーザ11Rおよび青色レーザ11Bに対して後退した位置に配置し、偏波モードの光ファイバ13Gの一端を、緑色レーザ11Gに接続し、光ファイバ13Gの他端を、赤色レーザ11Rのカンパッケージ11rと青色レーザ11Bのカンパッケージ11bとの間に導いて、光ファイバ13Gの他端から緑のレーザ光ビーム1Gが出射されるように構成する。
一般的にDPSSレーザからなる緑色レーザ11Gは半導体レーザからなる赤色レーザ11Rおよび青色レーザ11Bより大きくなるので、このように構成すると便利である。
光学系2は、所望のビーム径(たとえば直径φ1mm)を得るためのビームイクスパンダ(beam expander)21R,21G,21B、λ/2板(1/2波長板)22R,22G,22B、ダイクロイックミラー23R,23G,23B、並びに色分離および入射角度制御素子としての回折光学素子24を有する。
あるいは、半導体レーザの場合は、コリメーションレンズ系で一定のビーム径(約φ1mm程度)とすることも可能である。
各色分離光学系であるダイクロイックミラー23R,23G,23Bは、赤、緑、青の各波長帯の光を選択的に反射し他は透過する特性を有する。
赤のダイクロイックミラー23Rは約600nm以上の波長、青のダイクロイックミラー23Bは500nm未満の短波長の可視光を反射する。緑のダイクロイックミラー23Gはおよそ570−500nmの範囲を反射する。
DPSS緑色レーザ11Gの場合は、ビーム径を広げるためにコリメーションレンズを使用し、ビーム径を回折光学素子の位置で0.6mm〜0.8mm程度にしている。レーザ光ビーム径はおおむね回折型または屈折型の光学素子(DOEおよびED)の場合も共に、0.5mm〜1.0mm程度が好ましい。
また、レーザ光源11R,11G,11Bから発振された光は、ある一定間隔L、この場合、図においては、緑光を中央光としているが、R-G間距離をL1,B-G間距離をL2として、L1とL2を必ずしも等しくする必要はない。本例においては、1.5mm程度である。この距離は、実質的にパネル入射角度を規定する。
回折光学素子24は、色分離およびフィールドレンズ3、液晶表示パネル4への入射角度を制御する色分離および入射角度制御素子(あるいは光ビーム拡散成形光学素子)として機能する。
本実施形態においては、回折型または屈折型の光学素子によって、プロジェクタの光源としての半導体レーザまたは固体レーザから出射されたレーザ光ビームを、液晶ライトバルブとしての液晶表示パネルの表示領域の全域にわたるように色分離および入射角度を制御する。図1の例は、色分離および入射角度制御素子として回折光学素子を用いる場合である。
青用回折光学素子24Bは、青色レーザ11Bから出射された青のレーザ光ビーム1Bを、液晶表示パネル4の表示領域の全域にわたり、かつ液晶層を通して青の画素に入射するように入射角度を制御する。
図3は、本第1の実施形態に係る液晶表示パネルの基本的な構成例を示す図である。
液晶表示パネル4は、図3に示すよう、透明なTFTアレイ基板41と透明なマイクロレンズアレイ基板(以下、ML基板という)42との間に液晶層43が挟持されている(封入されている)。
この例では、液晶表示パネル4は、液晶としてツイスティッドネマチック(Twisted Nemamtic)液晶を用いた透過型TFTLCDパネルとして形成されている。
図3の例では、ML基板42内において、マイクロレンズ(ML)がTFT3−画素PXLに1つの割合で形成されている。
これらのマイクロレンズ(ML)は、グレイマスク法によるリソグラフィー、あるいは、多重マスクを使用したリソグラフィーおよびドライエッチング(DRY ET)法で非球面形状を先ず形成し、次に高屈折率(n=1.62〜1.67)樹脂を埋め込み、カバーガラス421を形成して形成される。
図4は、マイクロレンズの集光全角について説明するための図である。
一つのマイクロレンズ(ML)423の集光全角θは、空気中で、ML対角ピッチをp、焦点距離をfとすれば、次式で与えられる。
tan(1/2・θ)=(1/2・p)/f ・・・(1)
この場合、光の発散角度αは、レーザ光を使用した場合ははるかに狭くでき、通常のランプ光源を用いた場合に比較して、非常に光量が増す。すなわち光利用効率が高くすることができる。
単板方式においても、20〜30%程度の効率が得られる。このことは、レーザ出力を低減させ、熱発生についても抑制効果がある。
さらに、レーザ光は、液晶表示パネル4の偏光軸に一致させることができ、偏光板使用は基本的に不必要になる。このことは、現実の偏光板には、ゴミがはさまれ易く、特にレーザ光学系においては、光の発散性が小さいためゴミの影が投影されやすい欠点をなくすことになる。
・RGB sub画素ピッチP=10μm、
・ML焦点距離f=120μm(空気中で 主点換算)、
(他の場合は、画素ピッチに応じて変化させる)
・各RGBのレーザ光ビームの回折または屈折型光学素子での入射径は0.8mm、
・集光全角θは15度(deg)程度、光軸との発散光の屈折角度βは5.5度、発散角α<1度、色レーザビーム間平行度<1度である。
パネルサイズは、対角0.3インチ、アスペクト比3:4画角、総画素(pixel)数は13万ドット(Δ配列)ほどの液晶表示パネル(LCDパネル)を使用し、明るさは20〜25lmを達成している。
本実施形態においては、DPSSレーザの励起用レーザは、ペルチエ素子で冷却している他は、一切冷却用ファンは使用していない。
また、光学系2の回折または屈折型光学素子24の入射側前には、ポリカーボネート拡散板(拡散5度以内)を回転させ、スペックル対策としている。
クラス1の被爆放出限界は、JIS C6802:2005 に準拠して考察する。
このような20〜30lm相当のプロジェクタであれば、熱的網膜障害は、クラス1(Class 1)の基準を簡単にクリアしている。
したがって、以下の検討においては、化学的網膜障害について考察する。
3.9×10^(−3)×C3 Joule ・・・(2)
ここで C3=10^( 0.02×(λ−450) ) であり、 λ<450nmのとき、C3=1である。
ここでは、投射レンズ5を覗き込んだ場合を考えているので、発散角αは、図5に示すように、実際に投影レンズで作成される液晶表示パネル(LCD)4の画像面から100mm離れたところで、人間の眼が受ける光エネルギーを判断することになる。
投影レンズで結ばれるLCDの画像、そこに、1.1mmの開口を入れ、7mmφ(直径)の瞳を持つ人間の裸眼に入る光エネルギーを上述したような基準値と比較する。
図6(A)に示すように、レーザ光の露光時間および照射波長帯により基準が異なり、T2=10〜100秒になると図6(B)に示す条件との比較になる。
今回は、図6(A)中、一定値となっている領域を基準値としている。
各マイクロレンズの光束は投射レンズ5で直径fθとなる。
すべてのマイクロレンズの主光線(光束の中心の光線)は第2焦点f‘を通過する。
また、LCD画素は、無限遠方に結像し、各マイクロレンズの光束は平行光となる。
以上により、全てのマイクロレンズの光束は光源像位置に集結する。
図9において、横軸がマイクロレンズ発散角を、縦軸が最小LCD対角をそれぞれ示し、クラス1を達成する領域は矢印で表示している。
以下に本発明の特徴についてまとめると以下のようになる。
すなわち、通常αは明るくするためできるだけ大きく、ほぼ10度程度にする。また、屈折角度βとしては数度〜10度程度であり、この場合、#F〜1.7および焦点をTFT基板内に結ぶことが予想される。
この場合、投影レンズは一般的に小さい#F値であれば、設計上難しくなりかつ高価になる傾向にあり、
そのため、できるだけ投影レンズの#F値を大きくする考慮がされていることになる。
しかしながら、レーザ光源を使用する場合は、異なったML構造の思想が必要になる。
したがって、その分屈折角度βを大きくすることが、できるようになる。すなわち、MLの短焦点化をすることができるようになる。
レーザ光を使用した場合には、できうる限り短焦点化するほうが性能的に好ましい。その理由としては、光集光効率の点から、マイクロレンズ(ML)によってTFT基板面上あるいは、その近傍に集光させる場合、回折限界のビーム径は、D〜2.44・λ/D ・fであり、短焦点化できれば、ビーム径が小さくでき、その分TFT画素開口部に集光しやすくなる。
あるいは、画素開口面積を小さくすることもでき、LCDサイズの縮小化可能で、プロジェクタの小型・高輝度化、低コスト化に有効である。
また、スペックル低減の観点から、短焦点化は、スペックル低減に有効である。一般にスペックル低減には、空間的、時間的に、位相が異なったいろんな値をとる光の平均操作を利用することが重要である。
マイクロレンズ(ML)を短焦点化すると、MLを通じて集光された光の位相が異なる程度が空間的に大きくなることになる。あるいは、コヒーレンス長を短くすることができるようになる。
したがって、スペックル低減に有効である。
フロントプロジェクタにおいて想定する危険は、出射側から投影レンズを覗き込むような場合である。マイクロレンズ(ML)を短焦点化すると、LCDから出射される光の出射瞳における画素像が大きくなり、その分、眼に入射する光量・エネルギーが低減し、安全性が確保されるのである。特に目に対する化学的障害の防止には特に、有効である。
また、この場合、プロジェクタとして必要なRGB総合的な輝度を達成ために、LCDの有効画角を考慮する必要がある。小さい画角のLCDに輝度向上を図るためにレーザ光パワーを増加させると、いかにマイクロレンズで対応しても、化学的障害の危険度が増す。
すなわち、レーザ光の安全性クラス1以内の確保のためには、マイクロレンズ(ML)の焦点距離および液晶表示パネルの有効領域サイズの両方を考慮することが重要である。
これらを総合すると、ランプ光学系の場合にみられるように、投影レンズの#F値を考慮して、TFT画素面以降に焦点距離を位置させるようにするよりは、#F値を考慮しつつも、できるだけ短焦点化し、TFT基板面ないしはそれより手前側に焦点を結んだ構造とするほうが、レーザ光源を用いた場合には、安全性およびスペックル低減の面から効果があることになる。
そこで、本実施形態においては、このマイクロレンズ(ML)の焦点距離、カバーガラス厚みおよび、画角等を場合に応じて最適化し、安全性の確保およびスペックル低減した液晶プロジェクタを実現している。
本実施形態においては、レーザ光を使用したプロジェクタを点灯状態で、投影レンズを直に裸眼で覗いた場合に、クラス1を達成するマイクロレンズおよびLCDの形成条件が設定されている。
1)安全を達成しうるレーザ光源を用いたプロジェクタを実現できる。
2)スペックル対応も行うことができる。
3)レーザ光源はエテンデュ(Etendue)が小さく、単板方式でも3板方式と同じ程度の光出力の効率を達成でき、ML単板式の場合、斜入射光の角度が発生するため、入射光の発散角を絞る必要がある。そのため結果的に3板式に比較し、輝度を落とすことになる。しかし、レーザ光を光源にした場合は、もともと光発散角が小さいため輝度を落とすことなくしかも、斜入射光角度もランプ系光源に比較して小さくできる。
4)小型で高効率化を図ることができる(約30%)。
これにより、レーザ光のパワーが少なくて済み、熱対策、および安全仕様対策上非常に有利である。その結果小型化に寄与する。
高効率化が達成可能なのは、レーザ光使用のための光発散角が抑えられることに由来する。
特に、単板ML方式の場合、通常の光源では、アパーチャー等を利用しないと混色が発生し、色純度が上昇しない。この点、レーザ光発散角αは1度程度で非常に小さく、それ故高透過率化可能である。
DOEの最大回折角または拡散角は、輝度均一性とトレードオフ(trade off)であるが、30度程度まで可能であり、さらに小型化に寄与する。
本実施形態の光学系は、幅1cm×1cm×長さ3.5cm程度まで小型化可能で、大きさ的にはDSC、カムコーダー、等の色々な機器に装着可能な大きさになった。
図10は、本発明の第2の実施形態に係る液晶表示素子を採用した投射型液晶表示装置の他例を示す概略構成図である。
換言すれば、両側のレーザ光ビーム1Rおよび1Bが、フィールドレンズ31の主点に向かうように、中央のレーザ光ビーム1Gに対して、それぞれ所定角度で傾斜するように、各レーザ11R,11Gおよび11Bを配置する。
回折光学素子は高次回折光も生成するため、プロジェクタに採用する場合、屈折型光学素子の方が、光利用効率が高く、好適である。
第3の実施形態として、赤、緑および青の3色につき別個の液晶表示パネル(液晶ライトバルブ)を用いる3板式の場合を示す。
緑色用光学素子24Gによって拡散成形されたレーザ光ビーム2Gは、フィールドレンズ31Gによって平行光ビームのレーザ光ビーム3Gに変換されて、液晶表示パネル4Gに入射される。
青色用光学素子24Bによって反射し拡散成形されたレーザ光ビーム2Bは、ミラー6Bで反射され、フィールドレンズ31Bによって平行光ビームのレーザ光ビーム3Bに変換されて、液晶表示パネル4Bに入射される。
また、図13に示すように、マイクロレンズの曲率は変えず、厚さを変えるようにすることも可能である。すなわち、マイクロレンズの厚さを選択的に異なるように形成して構成することも可能である。
図14は、本発明の第4の実施形態に係る電子機器としての携帯電話端末の一例を示す図である。
Claims (17)
- 上記所定波長は、青色のレーザ光の波長帯を含む
請求項1記載の液晶表示素子。 - 上記マイクロレンズアレイにおいて、
上記マイクロレンズアレイの曲率が選択的に異なるように形成されている
請求項1または2記載の液晶表示素子。 - 上記マイクロレンズアレイにおいて、
上記マイクロレンズアレイの厚さが選択的に異なるように形成されている
請求項1または2記載の液晶表示素子。 - レーザ光ビームを出射する少なくとも一つのレーザを有する光源部と、
複数のマイクロレンズを含むマイクロレンズアレイが形成され、画像信号に応じた画像光を生成する液晶表示パネルと、
上記光源部から出射されたレーザ光ビームを導波して上記液晶表示パネルに照射する光学系と、
上記液晶表示パネルによる画像光を投射する投射レンズと、を有し、
上記マイクロレンズの集光全角、有効対角パネルサイズ、および上記投射レンズの焦点距離により規定される投射パワーが、所定波長のレーザ光に基づく基準値より低く、
上記マイクロレンズの集光全角θ、有効対角パネルサイズc、および上記投射レンズの焦点距離fとした場合に、上記投射パワーと上記所定波長のレーザ光に基づく基準値とが以下の関係を満足する
投射型液晶表示装置。
- 上記所定波長は、青色のレーザ光の波長帯を含む
請求項5記載の投射型液晶表示装置。 - 上記光源部は、
赤、緑および青のレーザ光ビームを出射する第1、第2および第3のレーザを有する
請求項5または6記載の投射型液晶表示装置。 - 上記光学系は、
光の回折または屈折によって、前記光源部から出射された各色のレーザ光ビームを、 色分離し上記液晶表示パネルへの入射角度を制御する光学素子を含む
請求項7記載の投射型液晶表示装置。 - 上記マイクロレンズアレイにおいて、
上記マイクロレンズアレイの曲率が選択的に異なるように形成されている
請求項5から8のいずれか一に記載の投射型液晶表示装置。 - 上記マイクロレンズアレイにおいて、
上記マイクロレンズアレイの厚さが選択的に異なるように形成されている
請求項5から8のいずれか一に記載の投射型液晶表示装置。 - 赤、緑および青のレーザ光ビームを出射する第1、第2および第3のレーザを有する光源部と、
複数のマイクロレンズを含むマイクロレンズアレイが形成され、赤、緑および青のレーザ光ビームが個別に照射され、画像信号に応じた画像光を生成する第1、第2および第3の液晶表示パネルと、
上記光源部から出射された赤、緑および青のレーザ光ビームを導波してそれぞれ対応する第1、第2および第3の液晶表示パネルに照射する光学系と、
上記第1の液晶表示パネルによる第1の画像光と、上記第2の液晶表示パネルによる第2の画像光と、上記第3の液晶表示パネルによる第3の画像光とを合成する合成光学手段と、
上記合成光学手段による画像光を投射する投射レンズと、を有し、
上記マイクロレンズの集光全角、有効対角パネルサイズ、および上記投射レンズの焦点距離により規定される投射パワーが、所定波長のレーザ光に基づく基準値より低く、
上記マイクロレンズの集光全角θ、有効対角パネルサイズc、および上記投射レンズの焦点距離fとした場合に、上記投射パワーと上記所定波長のレーザ光に基づく基準値とが以下の関係を満足する
投射型液晶表示装置。
- 上記所定波長は、青色のレーザ光の波長帯を含む
請求項11記載の投射型液晶表示装置。 - 上記光学系は、
光の回折または屈折によって、前記光源部から出射された各色のレーザ光ビームを、 色分離し上記各液晶表示パネルへの入射角度を制御する光学素子を含む
請求項11または12記載の投射型液晶表示装置。 - 上記マイクロレンズアレイにおいて、
上記マイクロレンズアレイの曲率が選択的に異なるように形成されている
請求項11から13のいずれか一に記載の投射型液晶表示装置。 - 上記マイクロレンズアレイにおいて、
上記マイクロレンズアレイの厚さが選択的に異なるように形成されている
請求項11から13のいずれか一に記載の投射型液晶表示装置。 - 投射型液晶表示装置を搭載した電子機器であって、
上記投射型液晶表示装置は、
レーザ光ビームを出射する少なくとも一つのレーザを有する光源部と、
複数のマイクロレンズを含むマイクロレンズアレイが形成され、画像信号に応じた画像光を生成する液晶表示パネルと、
上記光源部から出射されたレーザ光ビームを導波して上記液晶表示パネルに照射する光学系と、
上記液晶表示パネルによる画像光を投射する投射レンズと、を有し、
上記マイクロレンズの集光全角、有効対角パネルサイズ、および上記投射レンズの焦点距離により規定される投射パワーが、所定波長のレーザ光に基づく基準値より低く、
上記マイクロレンズの集光全角θ、有効対角パネルサイズc、および上記投射レンズの焦点距離fとした場合に、上記投射パワーと上記所定波長のレーザ光に基づく基準値とが以下の関係を満足する
電子機器。
- 投射型液晶表示装置を搭載した電子機器であって、
上記投射型液晶表示装置は、
赤、緑および青のレーザ光ビームを出射する第1、第2および第3のレーザを有する光源部と、
複数のマイクロレンズを含むマイクロレンズアレイが形成され、赤、緑および青のレーザ光ビームが個別に照射され、画像信号に応じた画像光を生成する第1、第2および第3の液晶表示パネルと、
上記光源部から出射された赤、緑および青のレーザ光ビームを導波してそれぞれ対応する第1、第2および第3の液晶表示パネルに照射する光学系と、
上記第1の液晶表示パネルによる第1の画像光と、上記第2の液晶表示パネルによる第2の画像光と、上記第3の液晶表示パネルによる第3の画像光とを合成する合成光学手段と、
上記合成光学手段による画像光を投射する投射レンズと、を有し、
上記マイクロレンズの集光全角、有効対角パネルサイズ、および上記投射レンズの焦点距離により規定される投射パワーが、所定波長のレーザ光に基づく基準値より低く、
上記マイクロレンズの集光全角θ、有効対角パネルサイズc、および上記投射レンズの焦点距離fとした場合に、上記投射パワーと上記所定波長のレーザ光に基づく基準値とが以下の関係を満足する
電子機器。
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