KR101170570B1 - 이차원 화상 표시 장치 - Google Patents

이차원 화상 표시 장치 Download PDF

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Abstract

종래, 레이저를 이용한 디스플레이 장치에서는, 단파장의 청색 광원이나 장파장의 적색 광원에서는 시감도가 저하하기 때문에 비교적 장파장의 청색 광원이나 비교적 단파장의 적색 광원이 이용되어 왔었다. 이 때문에, 표시 가능한 색범위가 제한되고, 백색 표시시에 큰 광출력이 필요하게 되는 등이 문제가 있었다. 따라서, 본 발명의 이차원 화상 표시 장치는, 적색 광원의 중심 파장을 635㎚ 이상 655㎚ 이하로, 청색 광원의 중심 파장을 420㎚ 이상 455㎚ 이하로 설정함으로써, 보다 저소비 전력으로 밝고, 선명한 색의 화상을 얻는다.

Description

이차원 화상 표시 장치{TWO-DIMENSIONAL IMAGE DISPLAY DEVICE}
본 발명은 이차원 화상 표시 장치에 관한 것으로, 특히, 영상 프로젝터, 텔레비전 수상기, 액정 패널 등의 영상 표시 장치의 개량을 도모한 것에 관한 것이다.
최근, 고압 수은 방전 램프를 광원으로 한 이차원 화상 표시 장치로서 화상 투사 장치가 보급되어 오고 있다. 이 장치는 고압 수은 방전 램프로부터의 출사광을, 파장 선택 미러에서 적색광(장파장 광), 녹색광(중간 파장 광), 청색광(단파장 광)으로 분할하여, 각각의 색의 광을 개별적으로 액정 패널에서 변조하고, 다이크로익 프리즘(dichroic prism)에서 합파하여, 투사 렌즈에서 스크린에 컬러 화상을 투사하는 것이다. 그런데, 램프의 발광 스펙트럼은 가시 영역 전체에 미쳐서, 파장 선택 미러에서 분할된 광의 스펙트럼은 100㎚를 초과하는 비교적 넓은 스펙트럼 폭을 가진다. 이 때문에, 선명한 순색을 표시할 수 없다. 따라서, 보다 선명한 색 표현이 가능한 레이저 디스플레이가 주목받고 있다. 이는, 적색, 녹색, 청색의 3종의 레이저 광원을 이용한 것으로, 예를 들면 도 9와 같은 구성을 취한다.
도 9에서, 200은 레이저 디스플레이로서, RGB 3색의 레이저광을 출사하는 레이저 광원(1a~1c)과, 광을 확산하는 확산판(6a~6c)과, 상기 레이저 광원(1a~1c)으로부터 출력된 각 레이저광을 상기 확산판(6a~6c)에 조사하는 광학계를 갖고 있다. 상기 레이저 디스플레이(200)는 상기 각 확산판(6a~6c)을 요동하는 확산판 요동 수단(13a~13c)과, 상기 확산판 요동 수단(13a~13c)에서 확산된 상기 각 레이저 광원(1a~1c)으로부터의 광을 변조하는 공간광 변조 소자(7a~7c)를 갖고 있다. 상기 레이저 디스플레이(200)는 상기 각 공간광 변조 소자(7a~7c)를 통과한 광을 합파하는 다이크로익 프리즘(9)과, 상기 다이크로익 프리즘(9)에 의해 합파된 광을 스크린(11) 상에 확대 투사하는 투사 렌즈(10)를 갖고 있다.
여기서, 상기 레이저 광원(1a)은 적색 레이저광을 출사하는 적색 레이저 광원이다. 이 적색 레이저 광원(1a)에 대응하는 광학계는 상기 레이저 광원(1a)으로부터 출사된 광을 확대하는 빔 익스펜더(2a)와, 상기 빔 익스펜더(2a)에 의해 확대된 광의 면내 강도 분포를 균일화하는 광 인테그레이터(integrator)(3a)를 갖고 있다. 또한, 이 광학계는 상기 광 인테그레이터(3a)로부터의 광을 집광하는 집광 렌즈(12a)와, 상기 집광 렌즈(12a)에 의해 집광된 광을 반사하는 미러(15a)와, 해당 미러(15a)로부터의 반사광을 수속 빔으로 변환하여 확산판(6a)에 조사하는 필드 렌즈(8a)를 갖고 있다.
상기 레이저 광원(1b)은 녹색 레이저광을 출사하는 녹색 레이저 광원이다. 이 녹색 레이저 광원(1b)에 대응하는 광학계는 상기 레이저 광원(1b)으로부터 출사된 광을 확대하는 빔 익스펜더(2b)와, 상기 빔 익스펜더(2b)에 의해 확대된 광의 단면 강도 분포를 균일화하는 광 인테그레이터(3b)를 갖고 있다. 또한, 이 광학계는 상기 광 인테그레이터(3b)로부터의 광을 집광하는 집광 렌즈(12b)와, 상기 집광 렌즈(12b)에 의해 집광된 광을 수속 빔으로 변환하여 확산판(6b)에 조사하는 필드 렌즈(8b)를 갖고 있다.
상기 레이저 광원(1c)은 청색 레이저광을 출사하는 청색 레이저 광원이다. 이 청색 레이저 광원(1c)에 대응하는 광학계는 상기 레이저 광원(1c)으로부터 출사된 광을 확대하는 빔 익스펜더(2c)와, 상기 빔 익스펜더(2c)에 의해 확대된 광의 단면 강도 분포를 균일화하는 광 인테그레이터(3c)를 갖고 있다. 또한, 이 광학계는 상기 광 인테그레이터(3c)로부터의 광을 집광하는 집광 렌즈(12c)와, 상기 집광 렌즈(12c)에 의해 집광된 광을 반사하는 미러(15c)와, 해당 미러(15c)로부터의 반사광을 수속 빔으로 변환하여 확산판(6c)에 조사하는 필드 렌즈(8c)를 갖고 있다.
다음에 동작에 대해서 설명한다.
적색, 녹색, 청색 레이저 광원(1a, 1b, 1c)으로부터의 광은 각각 빔 익스펜더(2a, 2b, 2c)에서 확대되어 광 인테그레이터(3a, 3b, 3c) 및 집광 렌즈(12a, 12b, 12c)를 통과하고, 적색광 및 청색광에 대해서는 미러(15a 및 15c)에 의해 광로를 90° 구부린 후, 필드 렌즈(8a, 8b, 8c), 확산판(6a, 6b, 6c)을 거쳐서 공간광 변조 소자(7a, 7b, 7c)를 조사한다. 이 동안, 광은 광 인테그레이터(3a, 3b, 3c)를 통과함으로써 공간광 변조 소자(7a, 7b, 7c) 상에서의 조도 분포가 균일하게 된다. 공간광 변조 소자(7a, 7b, 7c)에서 각각 독립적으로 변조된 광은 색변별 프리즘(9)으로 합파되고, 투사 렌즈(10)에서 확대 투사되어 스크린(11) 상에 결상된다. 이 때, 레이저광은 가간섭성이 높기 때문에, 스크린에 투사된 상에는 스펙클 노이즈가 중첩된다. 이를 방지하기 위해서, 확산판(6a, 6b, 6c)을 확산판 이동 수단(13a, 13b, 13c)에서 요동시켜서, 스펙클 노이즈를 시간 평균함으로써 이를 억압한다.
도 9의 장치의 최대의 특징은, 레이저 광원으로부터의 광은 그 발광 스펙트럼이 예를 들어 5㎚ 이하로 매우 좁기 때문에, 그것들을 혼색해서 표현할 수 있는 색범위가 매우 넓어지는 것이다. 이를 색도도(1931 CIE chromaticity diagram) 상에서 표현하면, 도 7과 같이 된다. 도면 중 △ 표시를 정점으로 하는 삼각형으로 나타낸 범위는 NTSC 규격으로써 규정된 영상 신호의 색범위를 나타내고, ○ 표시를 정점으로 하는 삼각형으로 나타낸 범위는 중심 파장 633㎚의 적색 광원과, 중심 파장 532㎚의 녹색 광원과, 중심 파장 457㎚의 청색 광원을 이용했을 때의 색범위를 나타낸다. 이 색도도로부터 알 수 있는 바와 같이, 레이저 디스플레이는 청색 영역의 극히 일부를 제외하고 NTSC 신호로 표현 가능한 색의 범위(3개의 △의 내측의 영역)보다도 색의 범위(3개의 ○의 내측의 영역)가 넓어, 선명한 색 표현이 가능하다.
그런데, 특히 적색과 청색의 영역에서는, 색범위의 넓이의 차가 화상의 선명함, 임장감(臨場感)에 현저하게 영향을 주기 때문에, 보다 긴 파장의 적색 광원보다 짧은 파장의 청색 광원이 요구된다. 그러나, 긴 파장의 적색 광원이나 짧은 파장의 청색 광원을 이용한 경우에는, 인간의 눈의 시감도가 급격히 저하하기 때문에, 보다 큰 출력의 광원을 필요로 한다.
이와 같이, 실용적인 이차원 화상 표시 장치를 실현하기 위해서는, 색범위의 넓이와, 필요한 광원 출력과의 트레이드 오프의 관계로부터, 각각의 광원을 최적의 파장으로 설정할 필요가 있다고 생각되어 왔었다. 예컨대 특허 문헌 1에 의하면, 이차원 화상 표시 장치의 레이저 광원으로서, 시감도의 저하가 현저하게 되지 않는 635㎚ 이하의 적색 광원과, 동일하게 시감도의 저하가 현저하게 되지 않는 455㎚ 이상의 청색 광원을 이용하는 것이 좋다고 되어 있다.
특허 문헌 1: 일본 특허 공개 평성 제10-293268호 공보(제 3 페이지-제 7 페이지, 도 2-도 6)
발명의 개시
발명이 해결하고자 하는 과제
이상과 같은 레이저 디스플레이를 실현하는 함에 있어서의 큰 과제는, 레이저 광원의 발광 효율이다. 종래의 레이저 디스플레이에는 헬륨 네온 레이저, 크립톤 레이저 등의 기체 레이저를 광원으로서 이용한 것이나, YAG(Yttrium Aluminum Garnet) 고체 레이저와 비선형 광학 소자를 조합한 파장 변환을 실행하는 것을 광원으로서 이용한 것이 있었다. 이들 광원은 비교적 발광 효율이 낮아, 밝은 대화면 디스플레이를 실현하기 위해서는 광원 사이즈나 소비 전력이 커진다고 하는 결점이 있었다. 이 때문에 장치 전체가 대규모로 되어, 실용적인 레이저 디스플레이의 실현을 방해해 왔었다.
본 발명은 상기 종래의 과제를 해결하기 위해서 이루어진 것으로, 광원의 소 비 전력이 크고, 광원 사이즈가 크다고 하는 과제를 해결할 수 있고, 또한, 순수한 백색의 발광이 가능한 이차원 화상 표시 장치를 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.
과제를 해결하기 위한 수단
본 발명의 청구항 1에 따른 이차원 화상 표시 장치는, 적색광을 출사하는 적색 광원과, 녹색광을 출사하는 녹색 광원과, 청색광을 출사하는 청색 광원과, 상기 3색의 광원으로부터의 광을 이용하여 이차원의 화상을 형성하는 수단을 구비하고, 상기 청색 광원의 중심 파장이 420㎚ 이상 455㎚ 이하인 것을 특징으로 하는 것이다.
본 발명의 청구항 2에 따른 이차원 화상 표시 장치는, 청구항 1에 따른 이차원 화상 표시 장치에 있어서, 상기 적색 광원의 중심 파장이 635㎚ 이상 655㎚ 이하이며, 상기 녹색 광원의 중심 파장이 505㎚ 이상 550㎚ 이하인 것을 특징으로 하는 것이다.
본 발명의 청구항 3에 따른 이차원 화상 표시 장치는, 청구항 1에 따른 이차원 화상 표시 장치에 있어서, 백색 표시시의 상기 청색 광원의 광출력과 상기 녹색 광원의 광출력의 비가 0.5:1 이상, 4:1 이하이며, 백색 표시시의 상기 적색 광원의 광출력과 상기 녹색 광원의 광출력의 비가 0.4:1 이상, 1.3:1 이하인 것을 특징으로 하는 것이다.
본 발명의 청구항 4에 따른 이차원 화상 표시 장치는, 청구항 1에 기재된 이 차원 화상 표시 장치에 있어서, 상기 적색 광원의 중심 파장이 635㎚ 이상 655㎚ 이하인 것을 특징으로 하는 것이다.
본 발명의 청구항 5에 따른 이차원 화상 표시 장치는, 청구항 1에 기재된 이차원 화상 표시 장치에 있어서, 상기 녹색 광원의 중심 파장이 505㎚ 이상 550㎚ 이하인 것을 특징으로 하는 것이다.
본 발명의 청구항 6에 따른 이차원 화상 표시 장치는, 청구항 1에 기재된 이차원 화상 표시 장치에 있어서, 상기 청색 광원의 중심 파장이 440㎚ 이상 455㎚ 이하인 것을 특징으로 하는 것이다.
본 발명의 청구항 7에 따른 이차원 화상 표시 장치는, 청구항 1에 기재된 이차원 화상 표시 장치에 있어서, 상기 청색 광원의 중심 파장이 440㎚ 이하인 것을 특징으로 하는 것이다.
본 발명의 청구항 8에 따른 이차원 화상 표시 장치는, 청구항 1에 기재된 이차원 화상 표시 장치에 있어서, 상기 청색 광원이 질화 갈륨(gallium)을 베이스로 한 반도체 레이저인 것을 특징으로 하는 것이다.
본 발명의 청구항 9에 따른 이차원 화상 표시 장치는, 청구항 1에 기재된 이차원 화상 표시 장치에 있어서, 상기 적색 광원이 AlGaInP를 베이스로 한 반도체 레이저인 것을 특징으로 하는 것이다.
본 발명의 청구항 10에 따른 이차원 화상 표시 장치는, 청구항 1에 기재된 이차원 화상 표시 장치에 있어서, 상기 각 광원은, 그 출사광이 반도체 레이저 광원과 동등, 또는 그 이하의 스펙트럼 폭을 갖는 것을 특징으로 한다.
발명의 효과
본 발명의 청구항 1에 따른 이차원 화상 표시 장치에 의하면, 적색광을 출사하는 적색 광원과, 녹색광을 출사하는 녹색 광원과, 청색광을 출사하는 청색 광원과, 상기 3색의 광원으로부터의 광을 이용하여 이차원의 화상을 형성하는 수단을 구비하고, 상기 청색 광원의 중심 파장이 420㎚ 이상 455㎚ 이하인 것으로 했기 때문에, 청색 광원의 중심 파장을, 광출력이 작고, 또한 넓은 색범위를 얻을 수 있는 영역에 들어가게 할 수 있고, 그 결과, 소비 전력을 저감할 수 있다.
또한, 본 발명의 청구항 2에 따른 이차원 화상 표시 장치에 의하면, 청구항 1에 기재된 이차원 화상 표시 장치에 있어서, 상기 적색 광원의 중심 파장이 635㎚ 이상 655㎚ 이하이며, 상기 녹색 광원의 중심 파장이 505㎚ 이상 550㎚ 이하인 것으로 했기 때문에, 적색 광원 및 녹색 광원의 중심 파장을, 광출력이 작고, 비교적 넓은 색범위를 얻을 수 있는 영역에 들어가게 할 수 있고, 그 결과, 소비 전력을 저감할 수 있다. 또한, 각 광원에 대하여 상술한 바와 같은 중심 파장을 선택함으로써, 광출력을 억제하면서, 순수한 백색의 발광을 실현할 수 있다.
또한, 본 발명의 청구항 3에 따른 이차원 화상 표시 장치에 의하면, 청구항 1에 기재된 이차원 화상 표시 장치에 있어서, 백색 표시시의 상기 청색 광원의 광출력과 상기 녹색 광원의 광출력의 비가 0.5:1 이상, 4:1 이하이며, 백색 표시시의 상기 적색 광원의 광출력과 상기 녹색 광원의 광출력의 비가 0.4:1 이상, 1.3:1 이하인 것으로 했기 때문에, 청색 광원, 적색 광원 및 녹색 광원의 중심 파장을, 광출력이 작고, 또한 넓은 색범위를 얻을 수 있는 영역에 들어가게 할 수 있다. 또한, 각 광원에 대하여 상술한 바와 같은 중심 파장을 선택함으로써, 광출력을 억제하면서, 순수한 백색의 발광을 실현할 수 있다.
또한, 본 발명의 청구항 4에 따른 이차원 화상 표시 장치에 의하면, 청구항 1에 기재된 이차원 화상 표시 장치에 있어서, 상기 적색 광원의 중심 파장이 635㎚ 이상 655㎚ 이하인 것으로 했기 때문에, 적색 광원의 중심 파장을, 광출력이 작고, 넓은 색범위를 얻을 수 있는 영역에 들어가게 할 수 있다.
또한, 본 발명의 청구항 5에 따른 이차원 화상 표시 장치에 의하면, 청구항 1에 기재된 이차원 화상 표시 장치에 있어서, 상기 녹색 광원의 중심 파장이 505㎚ 이상 550㎚ 이하인 것으로 했기 때문에, 녹색 광원의 중심 파장을, 광출력이 작고, 넓은 색범위를 얻을 수 있는 영역에 들어가게 할 수 있다.
본 발명의 청구항 6에 따른 이차원 화상 표시 장치에 의하면, 청구항 1에 기재된 이차원 화상 표시 장치에 있어서, 상기 청색 광원의 중심 파장이 440㎚ 이상 455㎚ 이하인 것으로 했기 때문에, 청색 광원의 중심 파장을, 광출력이 최소이고, 넓은 색범위를 얻을 수 있는 영역에 들어가게 할 수 있다.
또한, 본 발명의 청구항 7에 따른 이차원 화상 표시 장치에 의하면, 청구항 1에 기재된 이차원 화상 표시 장치에 있어서, 상기 청색 광원의 중심 파장이 440㎚ 이하로 되도록 했기 때문에, 청색 광원에 반도체 레이저를 사용하는 경우에, 광원을 고효율 또한 높은 신뢰성의 것으로 할 수 있다.
또한, 본 발명의 청구항 8에 따른 이차원 화상 표시 장치에 의하면, 청구항 1에 기재된 이차원 화상 표시 장치에 있어서, 상기 청색 광원이 질화 갈륨을 베이 스로 한 반도체 레이저인 것으로 했기 때문에, 청색 광원의 소형화, 고효율화가 가능해진다.
또한, 본 발명의 청구항 9에 따른 이차원 화상 표시 장치에 의하면, 청구항 1에 기재된 이차원 화상 표시 장치에 있어서, 상기 적색 광원이 AlGaInP를 베이스로 한 반도체 레이저인 것으로 했기 때문에, 적색 광원의 소형화, 고효율화가 가능해진다.
또한, 본 발명의 청구항 10에 따른 이차원 화상 표시 장치는, 청구항 1에 기재된 이차원 화상 표시 장치에 있어서, 상기 각 광원은, 그 출사광이 반도체 레이저 광원과 동등, 또는 그 이하의 스펙트럼 폭을 갖는 것으로 했기 때문에, 스펙트럼 폭이 좁은 광원에 의해서 선명한 색 표현이 가능해진다.
도 1은 본 발명의 실시예 1에 따른 이차원 화상 표시 장치의 개략적인 구성예를 나타내는 도면,
도 2는 청색 광원의 파장에 대한, 백색 표시에 필요한 광원 출력의 계산 결과를 나타내는 도면,
도 3은 청색 광원의 파장에 대한, 백색 표시에 필요한 광원의 계산 결과를 나타내는 도면,
도 4는 청색 광원의 파장에 대한, 백색 표시에 필요한 광원의 계산 결과를 나타내는 도면,
도 5는 청색 광원의 파장에 대한, 백색 표시에 필요한 광원 출력의 계산 결과를 나타내는 도면,
도 6은 적색 광원의 파장에 대한, 백색 표시에 필요한 광원 출력의 계산 결과를 나타내는 도면,
도 7은 레이저 프로젝터 및 NTSC 규격이 표현 가능한 색범위를 나타내는 색도도,
도 8은 AlGaInN계 반도체 레이저의 발진 파장과 발진 임계값의 관계를 나타내는 도면,
도 9는 종래의 이차원 화상 표시 장치의 개략적인 구성을 나타내는 도면.
부호의 설명
1a : 적색 광원 1b : 녹색 광원
1c : 청색 광원 2a~2c : 빔 익스펜더
3a~3c : 광 인테그레이터 6a~6c : 확산판
7a~7c : 공간광 변조 소자 8a~8c : 필드 렌즈
9 : 색변별 프리즘 10 : 투사 렌즈
11 : 스크린 12a~12c : 집광 렌즈
13a~13c : 확산판 이동 수단 15a, 15c : 미러
21a : 적색 반도체 레이저 광원 21b : 녹색 레이저 광원
21c : 청색 반도체 레이저 광원 25a, 25c : 고주파 전원
101 : 최적 영역
102 : 청색 출력이 최소의 영역
103, 203 : 넓은 색범위를 얻을 수 없는 파장 영역
104 : 청색 반도체 레이저의 최적 영역
105 : 대출력 청색 반도체 레이저의 실현이 곤란한 영역
204 : 적색 반도체 레이저의 최적 영역
106, 201 : 시감도가 작은 파장 영역
205 : 대출력 적색 반도체 레이저의 실현이 곤란한 영역
발명을 실시하기 위한 최선의 형태
(실시예 1)
이하, 본 발명의 실시예에 대해서 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예 1에 따른 이차원 화상 표시 장치의 구성예를 나타내는 도면이다. 도 1에서, 100은 본 발명의 실시예 1의 이차원 화상 표시 장치이다.
이 이차원 화상 표시 장치(100)는, 도 9에 나타내는 종래의 이차원 화상 표시 장치에 있어서의 청색 광원과 적색 광원에 반도체 레이저를 이용한 것이다. 적색 광원인 적색 반도체 레이저(21a)의 중심 파장은 635㎚~655㎚이고, 청색 광원인 청색 반도체 레이저(21c)의 중심 파장은 420㎚~455㎚이며, 녹색 반도체 레이저(21b)의 중심 파장은 505㎚~550㎚이다. 또한, 적색 반도체 레이저(21a), 청색 반도체 레이저(21c)는 각각 고주파 전원(25a, 25c)이 접속되어, 발진 스펙트럼을 확대하고 있다.
또한, 빔 익스펜더(2a~2c), 광 인테그레이터(3a~3c), 집광 렌즈(12a~12c)에 의해서 공간광 변조 소자(7a~7c)를 조사하는 광학계, 및, 확산판(6a~6c)을 확산판 요동 수단(13a~13c)에 의해서 요동하여 스펙클 노이즈를 저감하는 광학계, 또한 색변별 프리즘(9), 투사 렌즈(10)에 의해서 스크린(11)에 투영하는 광학계(이차원의 화상을 형성하는 수단)는 종래의 것과 마찬가지이다.
또한, 도 1에 나타내는 이차원 화상 표시 장치는 청색 광원 및 적색 광원의 일례로서 반도체 레이저를 이용하고 있지만, 광원은 반도체 레이저로 한정되는 것이 아니라, 출사광이 반도체 레이저와 동등 또는 그 이하의 스펙트럼 폭을 갖는 광원이면 좋다. 예를 들면, 슈퍼ㆍ루미네선스ㆍ다이오드(Super Luminescence Diode)이더라도 무방하다. 광원으로서 반도체 레이저를 이용하지 않는 경우는, 고주파 전원(25a, 25c)을 구비할 필요는 없다.
다음에 작용 효과에 대해서 설명한다.
이 실시예의 이차원 화상 표시 장치는, 청색 광원 및 적색 광원(도 1에서는, 적색 반도체 레이저(21a) 및 청색 반도체 레이저(21c))의 중심 파장의 범위를 최적화한 것으로서, 이하 상세히 설명한다.
먼저, 표준 백색 광원에 상당하는 백색을, 출력을 억제하면서 얻어지도록, 청색 광원 또는 적색 광원의 발진 파장을 변화시켰을 때의 각각의 광원에 필요하게 되는 출력을 계산에 의해 구하였다.
각각의 광원에 필요한 최대 출력은, 밝은 백색을 표시할 때에 필요한 출력으로 결정된다. 이 때문에, 눈의 시감도뿐만 아니라, 3색 각각의 광원 출력의 밸런스를 고려하여 백색 표시를 행할 때의 광출력을 계산하였다. 그 결과, 파장에 비해서 단조롭게 시감도가 변화되는 청색 영역에 있어서, 광원의 파장에 비해서 필요한 광출력은 단조로운 변화를 나타내지 않고, 필요한 광출력이 최소로 되는 어떤 최적의 파장이 존재하는 것을 발견하였다. 그 결과를 도 2~도 5에 나타낸다.
이 도 2~도 5에 관한 계산 방법은 이하와 같다.
일반적으로, 2종의 광을 혼색할 때의 합성색의 색도 및 광속은 이하의 식에 따라서 계산할 수 있다. 즉, 색도 좌표가 (x1, y1)로 표현되는 A1루멘의 광속과, 색도 좌표가 (x2, y2)로 표현되는 A2루멘의 광속을 혼색했을 때의 합성색의 색도 좌표 (x3, y3)와 광속 A3는 각각,
x3=(y2*x1*A1+y1*x2*A2)/(y2*A1+y1*A2)
y3=y1*y2*(y1+y2)/(y2*A1+y1*A2)
A3=A1+A2
로 표현된다.
따라서, 3색의 광을 혼색했을 때의 광은, 상기 계산식을 이용하여, 먼저 제 1, 제 2의 2색의 광을 혼색했을 때의 합성색의 색도 좌표와 광속을 계산하고, 또한, 상기 합성색과 제 3 광을 혼색함으로써 구할 수 있다.
도 2~도 5에 나타내는 광원의 출력을 계산할 때에는, 이하와 같은 순서로 계산을 한다. 먼저, 각각의 점에 대응하는 파장의 3색의 광의 광속을 무작위로 결정하고, 이들을 혼색한 합성색의 색도 좌표와 광속을 계산한다. 다음에, 각각의 광속을 적절하게 선택하여 혼색했을 때의 합성색의 색도 좌표를 그때마다 계산하고, 3색의 합성색의 색도 좌표가 표준 백색 광원 d65(d는 daylight의 약자)의 광과 동일한 (x, y)=(0.313, 0.329)로 되도록 청색, 적색, 녹색의 광의 광속을 시행착오로 결정한 것이다.
도 2~도 5는, 적색 광원의 중심 파장을 635㎚ 또는 655㎚로, 녹색 광원의 중심 파장을 505㎚ 또는 535㎚로 설정하여, 광원으로부터 출력되는 광을 혼색했을 때에 전체 광속이 1000루멘으로 되고, 색도도 상에서의 좌표가 표준 백색 광원 d65의 색의 좌표와 일치할 때의 각각의 광원 출력을, 청색 광원의 파장에 대하여 도표로 표현한 것이다. 여기서 적색 광원의 중심 파장과 녹색 광원의 중심 파장을 상술한 바와 같이 설정한 것은, 적색 광원에서는 중심 파장이 635㎚~655㎚에서 광출력이 작고, 또한, 넓은 색범위를 얻을 수 있기 때문이며, 녹색 광원에서는 중심 파장이 505㎚~550㎚에서 광출력이 작고, 또한, 넓은 색범위를 얻을 수 있기 때문이다. 또한, 적색 광원에 대해서는, 표현 가능한 색을 NTSC보다 확대하고자 하면, 이 근방의 파장으로 하면 좋다는 것을 도 7의 색도도로부터 예측할 수 있다는 점, 또한 이 근방에서 파장을 변화시켰다고 하더라도, 청색 광원의 출력 그래프의 개략 형상이 정성적으로 변화되지 않는다는 점에 의한다. 또한, 전광속을 1000루멘으로 설정한 것은, 시판되는 프로젝터와 동일한 정도의 밝기를 확보하고자 하면, 이 정도의 값이 필요하게 되기 때문이다.
도 2~도 5에 도시하는 바와 같이, 적색 광원의 중심 파장을 635㎚ 또는 655㎚로 설정하더라도, 녹색 광원의 중심 파장을 505㎚ 또는 550㎚로 설정하더라도, 청색 광원은, 중심 파장이 420㎚~480㎚인 범위에서, 그 출력을 억제할 수 있다는 것을 알 수 있었다. 또한, 청색 광원에서는 중심 파장이 455㎚ 이상으로 되면(도 2~도 5의 영역(103)), 넓은 색범위를 얻을 수 없기 때문에, 청색 광원은 필요한 출력이 작아도 되고, 또한 넓은 색범위를 얻을 수 있는 420㎚~455㎚이 최적 영역(도 2~5에 나타내는 최적 영역(101))으로 된다는 것을 알 수 있다. 또한, 이 최적 영역(101)에서의 백색 표시시의 청색 광원과 녹색 광원의 출력의 비는 약 0.5:1 이상 4:1 이하이며, 백색 표시시의 적색 광원과 녹색 광원의 출력의 비는 0.4:1 이상 1.3:1 이하이다.
또한, 출력의 관점에서 판단하면, 출력이 최소로 되는 중심 파장 440㎚~455㎚의 영역(영역(102))이 청색 광원에 있어서 보다 바람직한 영역으로 된다.
이상의 사항을 총합하면, 종래의 레이저 디스플레이 장치에서는 비교적 장파장의 청색 광원과 비교적 단파장의 적색 광원을 이용하고 있었던 것에 반하여, 본 실시예 1과 같이, 청색 광원의 중심 파장을 420㎚ 이상 455㎚ 이하로 하고, 적색 광원의 중심 파장을 635㎚ 이상 655㎚ 이하로 하며, 녹색 광원의 중심 파장을 505㎚ 이상 550㎚ 이하로 함으로써, 보다 작은 출력으로 순수한 백색의 발광이 가능하여, 넓은 색범위를 얻을 수 있는 이차원 화상 표시 장치가 실현 가능해진다. 또한, 청색 광원의 중심 파장을 440㎚ 이상 455㎚ 이하로 함으로써, 청색 광원의 출력을 최소로 되도록 억제하면서, 순수한 백색의 발광을 얻을 수 있다.
그리고, 청색 광원의 최적 영역(101) 및 적색 광원의 중심 파장 635㎚~655㎚ 의 영역을 색도도로 나타낸 것이 도 7에서의 Db 및 Dr이며, 색범위를 확대되어 있는 것을 알 수 있다.
여기서, 청색 광원을 반도체 레이저로 한정한 경우에 대해서 설명을 한다. 이 경우, 도 2~도 5에 도시하는 바와 같이, 청색 광원은 시감도가 작은 영역(106)과, 넓은 색범위를 얻을 수 없는 영역(103)과, 대출력 청색 반도체 레이저의 실현이 곤란한 영역(105) 사이에 놓인 영역(104)이 청색 반도체 레이저의 최적 영역이 된다는 것을 알 수 있다. 즉, 영역(104)보다 단파장 쪽의 영역(106)에서 큰 출력이 필요하게 되는 것은 시감도가 저하하기 때문이다. 또한, 455㎚보다 장파장 쪽의 영역(103)에서 큰 출력이 필요하게 되는 것은, 광원의 색이 표시색의 d65 광원의 색에 접근하므로, 적색광, 녹색광에 비해서 보다 큰 광출력을 필요로 하기 때문이다. 또한, 455㎚보다 장파장 쪽의 영역은 대출력 청색 반도체 레이저의 실현이 곤란한 영역이기도 하다. 이와 같이, 청색 반도체 레이저에서는, 작은 광출력으로 동일한 밝기의 영상을 얻기 위해서는, 광원의 중심 파장을 435㎚~455㎚ 정도로 설정하는 것이 좋다. 이 영역(104)은, 도 2~도 5에 도시하는, 청색 광원의 출력이 작아지고, 넓은 색범위를 얻을 수 있는 최적 영역(101)과 중복하기 때문에, 청색 광원으로서 반도체 레이저를 이용하는 경우에도, 본 발명은 유효한 것을 알 수 있었다.
다음에, 적색 광원을 반도체 레이저로 한정하는 경우에 대해서도 도 6을 이용하여 설명한다. 도 6에 관한 계산 방법은 도 2~도 5에 관한 계산 방법과 마찬가지이기 때문에 설명을 생략한다. 도 6은, 녹색 광원의 중심 파장을 532㎚, 청색 광원의 중심 파장을 457㎚로 고정하여, 광원으로부터 출력되는 광을 혼색했을 때에 전광속이 1000루멘으로 되고, 색도도 상에서의 위치가 표준 백색 광원 d65 광원의 색의 좌표와 일치할 때의 각각의 광원의 출력을 적색 광원의 파장에 대하여 도표로 표현한 것이다. 또한, 녹색 광원의 중심 파장을 532㎚, 청색 광원의 중심 파장을 457㎚로 설정한 것은, 이들 파장의 광원이 이미 시판되고 있기 때문이다.
적색광의 경우, 장파장 쪽의 영역(201)에서 시감도가 저하하기 때문에, 여기서 계산한 610㎚ 이상의 범위에서는, 파장이 보다 짧은 쪽이 광원 출력은 보다 작아서 좋다. 구체적으로는, 적색 광원의 출력이, 청색, 녹색 광원 출력의 5배 이하에서 백색 표시가 가능해지는 중심 파장 655㎚ 이하로 선택하는 것이 좋다. 또한, 광원 파장이 625㎚ 이하의 영역(203)으로 되면 색범위가 NTSC 규격 정도로까지 좁아져, 레이저 디스플레이 장치의 특징을 살리지 못하게 된다. 또한, 635㎚ 이하의 단파장 영역(205)은 대출력 적색 반도체 레이저의 실현이 곤란한 영역이기도 하다. 따라서, 635㎚ 이상, 655㎚ 이하가 최적 영역(204)으로 된다. 이 영역(204)에서의 적색 광원과 녹색 광원의 출력의 비는 약 1.8:1 이상, 5:1 이하이다.
그리고, 이들 청색 반도체 레이저의 최적 영역(104) 및 적색 반도체 레이저의 최적 영역(204)을 색도도로 나타낸 것이 도 7에서의 Db 및 Dr이며, 색범위가 확대되어 있는 것을 알 수 있다.
상기한 바와 같이, 보다 작은 광출력으로 밝은 화상 표시가 가능한 파장 범위의 광을 출력하는 레이저 광원으로서는, 적색에서는 파장 633㎚의 헬륨 네온 레이저나 파장 647㎚의 크립톤 레이저, 혹은 파장 630㎚의 네오디뮴(neodymium) YAG 고체 레이저를 기본으로 한 파장 변환 레이저, 파장 630㎚~680㎚의 AlGaInP 반도체 레이저 등이 있다.
이들 중, 헬륨 네온 레이저 등의 기체 레이저와 파장 변환 레이저는 비교적 발광 효율이 낮아, 밝은 디스플레이를 실현하기 위해서는 큰 레이저 헤드가 필요하게 되어 장치가 커지거나, 혹은 소비 전력이 큰 등의 결점이 있다. 이에 반하여 AlGaInP 반도체 레이저는, 상기 레이저에 비해서 사이즈도 작고, 고효율이며, 장치의 소형화, 저소비 전력화에 유리하다.
최근 적색 반도체 레이저의 고출력화의 진전이 눈부셔, 기록 재생형 광디스크 드라이브용으로서 100㎽를 초과하는 출력이 실용화되고 있다. 100인치 정도 이하의 프로젝터에는 1~수W의 광원 출력이 필요로 되지만, 광디스크 드라이브용 광원과 상이하게, 프로젝터용 광원은 파면 수차의 제약이 작기 때문에, 발광점 사이즈가 큰 와이드 스트라이프 반도체 레이저가 이용 가능하게 되므로, 1와트를 초과하는 반도체 레이저는 용이하게 실현 가능하다. 또한, 반도체 레이저를 이용하는 것의 다른 이점은, 구동 전류에 고주파 신호를 중첩함으로써 가간섭성을 저하시켜, 간단하게 스펙클 노이즈를 저감할 수 있는 것이다.
그런데, 반도체 레이저의 발진 파장은 이하와 같은 이유로 제한된다. AlGaInP 결정은 (AlxGal-x)0.5In0 .5P로 이루어지는 식으로 그 조성이 표현되고, 이 결정을 이용한 적색 반도체 레이저에 있어서는, Al 조성 x의 비율을 늘림으로써 밴드 갭(금지 대역 폭)이 증대하여, 발진 파장이 단파장화한다. 예를 들면, x=0.7에서 밴드 갭 약 2.3eV(파장 약 540㎚)를 얻을 수 있다. 그러나, x가 커지는 영역에서는, 활성층으로의 캐리어(특히 전자)의 가둠이 불충분하게 되어, 오버플로우 전류의 증대에 따라 무효 전류가 증가한다. 그 결과, 고출력 동작이나 고온 동작이 곤란하게 된다. 이 제한으로부터 레이저 디스플레이에 필요한 수W의 출력을 실온 조건 하에서 얻기 위해서는, 발진 파장을 635㎚ 이상으로 설정하면 된다.
또한, 보다 작은 광출력으로 밝은 화상 표시가 가능한 파장 범위의 광을 출력하는 청색 레이저 광원으로서는, 파장 441㎚의 헬륨 카드뮴 레이저나, 네오디뮴 도프 YAG 고체 레이저와 비선형 광학 소자를 조합한 파장 457㎚의 SHG(Second Harmonic Generation; 제 2 고조파) 레이저가 있다. 이 SHG 레이저는 고체 레이저로부터의 레이저광을 비선형 광학 소자의 비선형 매질에 의해서 반파장의 광으로 한다. 또한, 파장 400㎚~460㎚의 질화 갈륨(AlGaInN계)을 베이스로 한 반도체 레이저의 개발이 최근 한창이어서, 와트 등급(watt class)의 레이저가 실현되고 있다. 이들 중, 헬륨 카드뮴 레이저와 SHG 레이저는 비교적 발광 효율이 낮아, 밝은 디스플레이를 실현하기 위해서는 큰 레이저 헤드가 필요하게 되어, 장치가 커지거나, 혹은 소비 전력이 큰 등의 결점이 있다. 이에 반하여 AlGaInN계 반도체 레이저는 상기한 레이저에 비해서 사이즈도 작고, 고효율이다.
AlGaInN계 반도체 레이저의 중심 파장은 In의 조성 비율에 따라서 변화되어 In 조성비를 높게 할수록 장파장의 광을 얻을 수 있다. 그러나, In 농도의 상승에 따라 결정 중의 In 편석이 많아져, 저임계값 전류로 레이저 발진하는 고효율 또한 신뢰성이 높은 AlGaInN계 반도체 레이저의 실현은 곤란하다. 활성층 영역의 In 농 도를 변경하여 여러 종의 반도체 레이저를 시험 제작하여, 그 발진 파장과 발진 임계값 전류를 측정한 결과를 도 8에 나타낸다. 도면과 같이 파장이 길어지면 임계값 전류가 커지지만, 파장 440㎚를 초과하면 임계값 상승이 현저하게 되고, 또한 파장 455㎚을 초과하는 영역에서는 발진시킬 수 없었다. 이 결과로부터, AlGaInN계 반도체 레이저를 이용하여 이차원 화상 표시 장치를 실현하기 위해서는 파장 455㎚ 이하의 레이저를 이용하는 것이 좋다. 또한, 임계값 전류가 큰 반도체 레이저에 있어서는 고출력 또한 긴 수명을 동시에 실현하는 것이 보다 곤란하게 되기 때문에, 더욱 바람직하게는, 파장 440㎚ 이하의 레이저를 이용하는 일이 있으며, 이러한 파장의 레이저를 이용함으로써 발진 임계값이 비교적 작아, 고효율 또한 신뢰성이 높은 이차원 화상 표시 장치를 실현할 수 있는 것을 알 수 있었다.
이상을 총합하면, 종래의 레이저 디스플레이 장치에서는 비교적 장파장의 청색 광원과 비교적 단파장의 적색 광원을 이용하고 있었던 것에 반하여, 본 실시예 1에서는, 청색 광원의 중심 파장을 420㎚ 이상 455㎚ 이하로 하고, 적색 광원의 중심 파장을 635㎚ 이상 655㎚ 이하로 함으로써 소형, 고효율 또한 넓은 색범위를 얻을 수 있는 이차원 화상 표시 장치가 실현 가능해지는 것을 알 수 있었다. 또한, 더욱 바람직하게는 청색 광원에 중심 파장이 420㎚ 이상 440㎚ 이하의 AlGaInN계 반도체 레이저를 이용함으로써, 발진 임계값이 비교적 작아, 고효율 또한 신뢰성이 높은 이차원 화상 표시 장치가 실현 가능해지는 것을 알 수 있었다.
녹색 레이저에 대해서는 현재 1와트를 초과하는 반도체 레이저 그 자체의 실현의 목적은 없지만, 반도체 레이저 여기 네오디뮴 도프 YAG 고체 레이저의 출력 광(파장 1064㎚)의 2차 고조파(파장 532㎚)를 이용한 광원이 시판되고 있어, 반도체 레이저의 직접 발진에는 못 미치지만, 비교적 고효율 또한 소형의 녹색 고체 레이저를 이용할 수 있다.
이렇게 해서, 광원의 파장을 한정함으로써 고효율 또한 저소비 전력의 레이저 디스플레이를 실현할 수 있다.
이와 같이, 본 실시예 1에 의하면, 이차 화상 표시 장치를 반도체 레이저에 의해 실현할 때, 적색 반도체 레이저 광원으로서 중심 파장 635㎚~655㎚인 것을 사용하고, 청색 반도체 레이저 광원으로서 중심 파장 420㎚~455㎚인 것을 사용함으로써, 기체 레이저나 고체 레이저를 사용할 때의, 광원의 소비 전력이 크고, 광원 사이즈가 크다고 하는 문제를 해결할 수 있고, 또한, 보다 작은 출력으로 순수한 백색의 발광이 가능한 이차원 화상 표시 장치를 실현하는 것이 가능해진다.
또한, 청색 반도체 레이저 광원으로서 특히 중심 파장 420㎚ 이상, 440㎚ 이하의 것을 사용함으로써, 청색 광원의 출력의 증가를 가능하게 하고, 게다가 그 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
또한, 이상에서는 투사형 디스플레이를 예로 들어서 본 발명의 이차원 화상 표시 장치의 설명을 했지만, 본 발명은 배면 투사형 디스플레이에도 적용할 수 있다. 또한, 백 라이트에 레이저 광원을 이용한 액정 패널형 디스플레이와 같은 이차원 광 스위치형 디스플레이에도 적용 가능하다.
또한, 청색 반도체 레이저 광원 및 적색 반도체 레이저 광원으로는, 각각 상술한 바와 같은 질화 갈륨계 및 AlGaInP계의 반도체 레이저를 사용하면 좋지만, 다른 재료계를 이용하여 청색이나 적색의 발진이 가능하게 되면 다른 재료계의 반도체 레이저를 이용해도 무방하다. 이 경우, 반도체 레이저의 재료계나 조성이 변화됨으로써 반도체 레이저의 출력 특성이 변화되는 것이 예상되지만, 이 경우에도, 도 2~도 6에 나타내는 반도체 레이저 광원의 최적 영역(104, 204)에 상당하는 영역이 존재하는 경우는, 본 발명을 적용할 수 있는 것은 말할 필요도 없다.
또한, 녹색 광원에 대해서도 반도체 레이저를 실현할 수 있으면 이를 이용하는 것이 바람직하고, 그 경우도 출력의 최적 영역이 존재하는 경우는, 본 발명을 적용할 수 있다는 것은 말할 필요도 없다.
이상과 같이, 본 발명에 따른 이차원 화상 표시 장치는, 광원의 소비 전력이나 광원 사이즈를 저감할 수 있고, 또한, 순수한 백색을 발광할 수 있어, 영상 프로젝터, 배면 투사형 텔레비전 수상기로서 유용하다. 이러한 투사형 장치 외에, 배면 조명광과 마찬가지의 광원을 이용함으로써, 액정 텔레비전, 액정 디스플레이와 같은 광 스위치형의 화상 표시 장치에도 이용 가능하다.

Claims (10)

  1. 적색광을 출사하는 적색 광원과,
    녹색광을 출사하는 녹색 광원과,
    청색광을 출사하는 청색 광원과,
    상기 3색의 광원으로부터의 광을 이용하여 이차원의 화상을 형성하는 수단
    을 구비하되,
    상기 청색 광원의 중심 파장은 420㎚ 이상 455㎚ 이하이고,
    상기 적색 광원의 중심 파장은 635㎚ 이상 655㎚ 이하이고,
    상기 녹색 광원의 중심 파장은 505㎚ 이상 550㎚ 이하이며,
    백색 표시시의 상기 청색 광원의 광출력과 상기 녹색 광원의 광출력의 비는 0.5:1 이상, 4:1 이하이고,
    백색 표시시의 상기 적색 광원의 광출력과 상기 녹색 광원의 광출력의 비는 0.4:1 이상, 1.3:1 이하인 것
    을 특징으로 하는 이차원 화상 표시 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 청색 광원의 중심 파장은 440㎚ 이상 455㎚ 이하인 것을 특징으로 하는 이차원 화상 표시 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 청색 광원의 중심 파장은 420㎚ 이상 440㎚ 이하인 것을 특징으로 하는 이차원 화상 표시 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 청색 광원은 질화 갈륨(gallium)을 베이스로 한 반도체 레이저인 것을 특징으로 하는 이차원 화상 표시 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 적색 광원은 AlGaInP를 베이스로 한 반도체 레이저인 것을 특징으로 하는 이차원 화상 표시 장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 각 광원은, 그 출사광이 반도체 레이저 광원의 스펙트럼 폭 5㎚보다 작거나 같은 스펙트럼 폭을 갖는 것을 특징으로 하는 이차원 화상 표시 장치.
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