JP5157542B2 - 投射型液晶表示装置および電子機器 - Google Patents
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Description
これは、固体光源を用いてバッテリ駆動の携帯型あるいは超小型プロジェクタ等による新たな表現、情報交換手段を創出し新規市場を実現したいためと考えられる。
なぜなら、そのほうがより小型で且つ安くできるからである。特に、同じ単板LV方式で比較するとDLP方式に比較して液晶単板方式のほうがデバイスのコストははるかに低コストと考えられる。
反射型としてはLCOS(Liquid Crystal On Silicon)方式等があり、高精細化に向き、FS方式による単板LVが実用化されている。
この対応のため、液晶の応答スピードを速くしなければならず、強誘電液晶を用いたモードが使用されている。
強誘電液晶は、一般的に用いられるTN液晶、VA液晶等に比較して市場で使用量が少なく、材料選定に際して不利な面が現実としてある。
この例では、シリンドリカルレンズにRGB色毎に光入射角度を違えて入射し、それらの像をリレーレンズ光学系を用い、LCD上にライン毎にRGB光結像させるように投射している。
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、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。
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5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(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。
平行度の調整は、1m以上離れた距離にパワーメータ(Power mater)を設置し、ビーム位置を同定し、行うことが可能である。また、偏光方向は、λ/2板を使用し、RGBの3色同方向とすることが可能である。
さらに、ランプ光学系と比較し、色分離のためのダイクロイックミラー等が必要でないことは、自明でありかつ色再現範囲が拡大する。また、光源自体の小型化が可能であり、その結果プロジェクタそのものの、小型化、低価格化等に有益である。
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、RGB入射角固定型ラインスクローリング素子24B,24G,24R、並びに色分離および入射角度制御素子としての屈折型光学素子25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屈折型の光学素子(ED)の場合、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、1.0mm以下である。
図3は、本実施形態に係るラインスクローリング素子の構成例を示す図である。
一つの素子は、所定電圧を印加すると光を直進し、電圧をオフすると(0Vにすると)、PDLC内に形成してある樹脂成分と液晶との屈折率差により異なった方向にブラッグ回折させる。ブラッグ回折方向が(+−ψ)になるように、同一の光りに対し、2つ配置し、RGBの3色で計6つのスイッチ素子SW24R1,SW24R2、SW24G1,SW24G2、SW24B1,SW24B2で形成される。
スイッチ素子SW24R1は、透明電極ELR11,ELR12、これら透明電極ELR11,ELR12により挟持された液晶部LCR1、および電圧印加部VR1により形成されている。
電圧印加部VR1は、透明電極ELR11,ELR12間に電圧Vr1(Vpr)またはV0(0V)を選択的に印加する。
スイッチ素子SW24R1は、電圧Vr1(Vpr)が印加されるとRレーザ光を直進させ、電圧V0が印加されるとPDLC内に形成してある樹脂成分と液晶との屈折率差により異なった方向にブラッグ回折させる。
スイッチ素子SW24R2は、透明電極ELR21,ELR22、これら透明電極ELR21,ELR22により挟持された液晶部LCR2、および電圧印加部VR2により形成されている。
電圧印加部VR2は、透明電極ELR21,ELR22間に電圧Vr2(Vpr)またはV0(0V)を選択的に印加する。
スイッチ素子SW24R2は、電圧Vr2(Vpr)が印加されるとRレーザ光を直進させ、電圧V0が印加されるとPDLC内に形成してある樹脂成分と液晶との屈折率差により異なった方向にブラッグ回折させる。
スイッチ素子SW24G1は、透明電極ELG11,ELG12、これら透明電極ELG11,ELG12により挟持された液晶部LCG1、および電圧印加部VG1により形成されている。
電圧印加部VG1は、透明電極ELG11,ELG12間に電圧Vg1(Vpg)またはV0(0V)を選択的に印加する。
スイッチ素子SW24G1は、電圧Vg1(Vpg)が印加されるとGレーザ光を直進させ、電圧V0が印加されるとPDLC内に形成してある樹脂成分と液晶との屈折率差により異なった方向にブラッグ回折させる。
スイッチ素子SW24G2は、透明電極ELG21,ELG22、これら透明電極ELG21,ELG22により挟持された液晶部LCG2、および電圧印加部VG2により形成されている。
電圧印加部VG2は、透明電極ELG21,ELG22間に電圧Vg2(Vpg)またはV0(0V)を選択的に印加する。
スイッチ素子SW24G2は、電圧Vg2(Vpg)が印加されるとRレーザ光を直進させ、電圧V0が印加されるとPDLC内に形成してある樹脂成分と液晶との屈折率差により異なった方向にブラッグ回折させる。
スイッチ素子SW24B1は、透明電極ELB11,ELB12、これら透明電極ELB11,ELB12により挟持された液晶部LCB1、および電圧印加部VB1により形成されている。
電圧印加部VB1は、透明電極ELB11,ELB12間に電圧Vb1(Vpb)またはV0(0V)を選択的に印加する。
スイッチ素子SW24B1は、電圧Vb1(Vpb)が印加されるとBレーザ光を直進させ、電圧V0が印加されるとPDLC内に形成してある樹脂成分と液晶との屈折率差により異なった方向にブラッグ回折させる。
スイッチ素子SW24B2は、透明電極ELB21,ELB22、これら透明電極ELB21,ELB22により挟持された液晶部LCB2、および電圧印加部VB2により形成されている。
電圧印加部VB2は、透明電極ELB21,ELB22間に電圧Vb2(Vpb)またはV0(0V)を選択的に印加する。
スイッチ素子SW24B2は、電圧Vb2(Vpb)が印加されるとRレーザ光を直進させ、電圧V0が印加されるとPDLC内に形成してある樹脂成分と液晶との屈折率差により異なった方向にブラッグ回折させる。
図5(A)〜(C)は、本実施形態に係るラインスクローリング素子の光操作を模式的に示す図である。
図6(A)〜(C)は、本実施形態に係るラインスクローリング素子の光操作を受けたレーザ光の液晶表示パネルへの入射状態を模式的に示す図である。
τ1とτ2、τ2とτ3の間隔は、たとえば16.7ms(ミリ秒)またはそれ以下に設定される。
制御される光出射角度θは、数度、たとえば5度程度である。
また、図5のηは発散角度を示しており、R,G,Bとも同じで、略1度である。
ラインスクローリング素子24Rにおいて、スイッチ素子SW24R1の透明電極ELR11,ELR12に電圧Vr1(Vpr)が印加され、スイッチ素子SW24R2の透明電極ELR21,ELR22に電圧V0(0V)が印加される。
その結果、ラインスクローリング素子24Rに入射したRレーザ光は、光軸に対して角度θをもって第1方向(図中の下方向)に出射される。
ラインスクローリング素子24Gにおいて、スイッチ素子SW24G1の透明電極ELG11,ELG12に電圧Vg1(Vpg)が印加され、スイッチ素子SW24G2の透明電極ELG21,ELG22に電圧Vg1(Vpg)が印加される。
その結果、ラインスクローリング素子24Gに入射したGレーザ光は、光軸に方向に直進するように出射される。
ラインスクローリング素子24Bにおいて、スイッチ素子SW24B1の透明電極ELB11,ELB12に電圧V0(0V)が印加され、スイッチ素子SW24B2の透明電極ELB21,ELB22に電圧Vb1(Vpb)が印加される。
その結果、ラインスクローリング素子24Bに入射したBレーザ光は、光軸に対して角度θをもって第2方向(図中の上方向)に出射される。
ラインスクローリング素子24Rにおいて、スイッチ素子SW24R1の透明電極ELR11,ELR12に電圧V0(0V)が印加され、スイッチ素子SW24R2の透明電極ELR21,ELR22に電圧Vr1(Vpr)が印加される。
その結果、ラインスクローリング素子24Rに入射したRレーザ光は、光軸に対して角度θをもって第2方向(図中の上方向)に出射される。
ラインスクローリング素子24Gにおいて、スイッチ素子SW24G1の透明電極ELG11,ELG12に電圧Vg1(Vpg)が印加され、スイッチ素子SW24G2の透明電極ELG21,ELG22に電圧V0(0V)が印加される。
その結果、ラインスクローリング素子24Gに入射したBレーザ光は、光軸に対して角度θをもって第1方向(図中の下方向)に出射される。
ラインスクローリング素子24Bにおいて、スイッチ素子SW24B1の透明電極ELB11,ELB12に電圧Vb1(Vpb)が印加され、スイッチ素子SW24B2の透明電極ELB21,ELB22に電圧Vb1(Vpb)が印加される。
その結果、ラインスクローリング素子24Bに入射したBレーザ光は、光軸に方向に直進するように出射される。
ラインスクローリング素子24Rにおいて、スイッチ素子SW24R1の透明電極ELR11,ELR12に電圧Vb1(Vpr)が印加され、スイッチ素子SW24B2の透明電極ELR21,ELR22に電圧Vr1(Vpr)が印加される。
その結果、ラインスクローリング素子24Rに入射したRレーザ光は、光軸に方向に直進するように出射される。
ラインスクローリング素子24Gにおいて、スイッチ素子SW24G1の透明電極ELG11,ELG12に電圧V0(0V)が印加され、スイッチ素子SW24G2の透明電極ELG21,ELG22に電圧Vg1(Vpg)が印加される。
その結果、ラインスクローリング素子24Gに入射したRレーザ光は、光軸に対して角度θをもって第2方向(図中の上方向)に出射される。
ラインスクローリング素子24Bにおいて、スイッチ素子SW24B1の透明電極ELB11,ELB12に電圧Vb1(Vpb)が印加され、スイッチ素子SW24B2の透明電極ELB21,ELBG22に電圧V0(0V)が印加される。
その結果、ラインスクローリング素子24Bに入射したBレーザ光は、光軸に対して角度θをもって第1方向(図中の下方向)に出射される。
屈折型光学素子25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、屈折型光学素子(たとえば、RPC photonics社製、商品名Engineering Diffuserなど)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。
このように、屈折型光学素子25は、微小なマイクロレンズで構成されているため、斜め入射例えば(+−ψ)で入射した光は、主光線は、+−ψの角度で拡散することとなる。
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。
図7は、本実施形態に係る反射型単板ML液晶表示パネルの基本的な構成例を示す図である。
そして、R画素52Rと反射部53Rによりサブ画素SUB−Rが形成され、G画素52Gと反射部53Gによりサブ画素SUB−Gが形成され、B画素52Bと反射部53Bによりサブ画素SUB−Bが形成される。
ITO(Indium Tin Oxide)などの透明導電材料からなる対向共通電極502が形成され、液晶層503を挟んでTFT(Thin Film Transistor)基板504側に同じくITOなどの透明導電材料からなる画素電極505R,505G,505Bが形成されている。
そして、TFT基板504において、画素電極505R,505G,505Bに対応して反射部53R,53G,53Bが形成されている。
また、液晶デバイス52は、液晶層503としてたとえば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る。
反射部53R,53G,53Bは、たとえば主点PP(Principal Point)を中心にし、マイクロレンズ(ML)51の焦点距離、または、それより若干短い距離の半径の球面形状に形成される。
反射部53R,53G,53BのAl層は、Siバックプレーン(Back Plane)側に形成されている画素電極505R,505G,505Bとコンタクトホールを介して電気的に接続され、反射ミラーおよび光シールド層として機能する。ただし、液晶分子の電極としては機能しない。
また、下層の反射部53R,53G,53BのAl層と透明電極とのコンタクトは、たとえば図8に示すように、画素の隅に形成されたコンタクトホール506R,506G,506Bを介してとるように形成される。
また、各サブ画素SUB−R,SUB−G,SUB−Bの長さは、6〜10μmに設定される。
また、各反射部53R,53G,53Bの傾き角度ηは3〜5度に設定せれ、端部の底部からの高さtは0.63〜0.96μmに設定される。
TFT基板504上に、たとえばSiO2からなるバッファ層510が形成されている。
バッファ層510上には、たとえばWSi膜からなる迷光入射防止膜511が形成されている。
そして、SiO2などの層間絶縁膜512を介してチャネル、ソース、ドレインを形成するポリシリコンからなる活性層513が形成されている。
活性層513のチャネルとなる領域上に酸化膜(熱酸化膜)がゲート絶縁膜514として形成され、このゲート絶縁膜514上にp型イオンを含むポリシリコンからなるゲート電極515が形成される。
ゲート電極515、ゲート絶縁膜514、活性層513、層間絶縁膜512上に層間絶縁膜516が形成されている。
そして、層間絶縁膜516に形成されたコンタクトホールを介して活性層513のソース、ドレインに接続する信号電極517,518が形成されている。
信号電極517,518、層間絶縁膜516上に層間絶縁膜519が形成され、層間絶縁膜519に形成されたコンタクトホールを介して、たとえば信号電極518に接続されるTiなどからなるブラックメタル層520が形成されている。
ブラックメタル層520、層間絶縁膜519上に層間絶縁膜521が形成され、層間絶縁膜521に形成されたコンタクトホールを介してブラックメタル層520に接続されるメタル層522が形成されている。
メタル層522、層間絶縁膜421上にTEOS、SiO2など層間絶縁膜523が凹状に形成され、その凹部にAlからなる湾曲反射層524が形成され、その上にTEOS、SiO2など層間絶縁膜525が形成されている。
層間絶縁膜525上にITO等の透明電極からなる画素電極505Rが形成されている。
そして、画素電極505Rと湾曲反射層524とのコンタクト用コンタクトホール526が層間絶縁膜525に形成されている。
いずれにしても、画素電極505R,505G,505Bは、ITOなどの透明電極層により液晶層に面して形成し、光反射層は、Alなどで形成し層間絶縁膜を通してITO層下に形成する。
このような場合、レーザ光の光発散角(〜+−1度程度)が小さいため、隣接する画素に洩れる光の量は、比較的少なく混色による色度低減効果は少ない。
図12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。
反射型単板式投影装置の応用であり、光学系もほとんど変えずに、可能になる。通常の3板式プロジェクタの光学系より、安価にでき、家庭内普及等に効果が期待できる。
レーザまたはLEDを光源に用いることにより、さらに小型化が達成できる。
低周波(たとえば、180Hz駆動)で駆動しうるため高性能なICが不要で、かつ一ライン毎のカラーシーケンシャルであるため、カラーブレークを発生させない。
また、単板式でありながら、3板式と同じ解像度を達成しうる。
また、一ライン毎のRGB変調を行うので、本質的にカラーブレークが生じない。しかも周波数は、180Hzであればよく、通常のVA液晶の応答スピードで十分である。
また、市販でよく用いられるVA液晶等を用いることができるため、材料の設計・最適選択を行いやすい現状の光学系のアライメント精度で、非常に高精細なプロジェクタを提供することが可能である。
それゆえ、レーザ光源等を用いることにより、他の部分のアライメント精度の向上を図れ、超小型化が可能である。
図13は、本発明の第3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 (10)
- 赤(R)、緑(G)および青(B)の光ビームを出射する固体素子を含む光源部と、
RGB色分離した光を対応する画素に集光させるようにバックプレーン基板の対向基板内にマイクロレンズが形成された単板式の液晶表示パネルと、
上記光源部から出射されたレーザ光ビームを導波して液晶表示パネルに照射する光学系と、
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、
上記光学系は、
RGB光を、R光,G光,B光の角度関係が入れ替わるようにスクローリングさせ、対応する画素にRGB光を時分割に集光させる機能を有する
投射型液晶表示装置。 - 上記光学系は、
液晶表示パネルへのR光,G光,B光を時分割で一定の角度でスクローリングさせる複数のラインスクローリング素子を含む
請求項1記載の投射型液晶表示装置。 - 上記各ラインスクローリング素子は、
液晶によるブラッグ反射を利用したスイッチの組み合わせにより形成されている
請求項2記載の投射型液晶表示装置。 - 上記各ラインスクローリング素子は、
所定の電圧が選択的に印加される2つの電極により液晶部を挟持したスイッチ素子を含み、
あらかじめ設定した分割時間ごとに、上記各ラインスクローリング素子の各スイッチング素子に印加する電圧を変化させて、液晶表示パネルへのR光,G光,B光を時分割で一定の角度でスクローリングさせる
請求項2記載の投射型液晶表示装置。 - 上記各ラインスクローリング素子は、
R,G,B光の出射方向が光軸に対しそれぞれ異なる方向となるように、R光,G光,B光を時分割で一定の角度でスクローリングさせ、かつ、分割時間ごとにR光,G光,B光の出射方向を変化させる
請求項4記載の投射型液晶表示装置。 - 上記光学系は、
上記ラインスクローリング素子の出射側に、光屈折によって各RGB光を、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2から5のいずれか一に記載の投射型液晶表示装置。 - 上記液晶表示パネルは、
RGB光の入出射部に配置されたマイクロレンズと、
RGB画素が形成される液晶デバイスと、
上記マイクロレンズに対して所定角度をもって入射し、上記液晶デバイスのR画素、G画素,B画素を通したRGB光をそれぞれ入射方向に反射するための複数の反射部と、を含む
請求項1から6のいずれか一に記載の投射型液晶表示装置。 - 上記複数の反射部は、
主点を中心にし、上記マイクロレンズの焦点距離、または、それより短い距離の半径の球面形状に形成される
請求項7記載の投射型液晶表示装置。 - 上記複数の反射部は、
上記主点を中心とする球面は、近似的に光軸に垂直な方向から傾き角をもった反射鏡として形成される
請求項8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、
赤(R)、緑(G)および青(B)の光ビームを出射する固体素子を含む光源部と、
RGB色分離した光を対応する画素に集光させるようにバックプレーン基板の対向基板内にマイクロレンズが形成された単板式の液晶表示パネルと、
上記光源部から出射されたレーザ光ビームを導波して液晶表示パネルに照射する光学系と、
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、
上記光学系は、
RGB光を、R光,G光,B光の角度関係が入れ替わるようにスクローリングさせ、対応する画素にRGB光を時分割に集光させる機能を有する
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