WO2005062116A1 - 二次元画像表示装置 - Google Patents

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WO2005062116A1
WO2005062116A1 PCT/JP2004/019059 JP2004019059W WO2005062116A1 WO 2005062116 A1 WO2005062116 A1 WO 2005062116A1 JP 2004019059 W JP2004019059 W JP 2004019059W WO 2005062116 A1 WO2005062116 A1 WO 2005062116A1
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light source
display device
dimensional image
image display
wavelength
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PCT/JP2004/019059
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Ken'ichi Kasazumi
Kiminori Mizuuchi
Kazuhisa Yamamoto
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Matsushita Electric Industrial Co., Ltd.
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    • H04N9/3141—Constructional details thereof
    • H04N9/315—Modulator illumination systems

Definitions

  • the present invention relates to a two-dimensional image display device, and more particularly to a two-dimensional image display device such as a video projector, a television receiver, and a liquid crystal panel which is improved.
  • image projection devices have become widespread as two-dimensional image display devices using a high-pressure mercury discharge lamp as a light source.
  • This device divides the light emitted from a high-pressure mercury discharge lamp into red light (long wavelength light), green light (intermediate wavelength light), and blue light (short wavelength light) using a wavelength selection mirror.
  • These lights are individually modulated by a liquid crystal panel, multiplexed by a dichroic prism, and a color image is projected on a screen by a projection lens.
  • the emission spectrum of the lamp covers the entire visible range, and the spectrum of the light split by the wavelength selective mirror has a relatively wide spectral width exceeding 100 nm. For this reason, a bright pure color cannot be displayed. Therefore, a laser display capable of more vivid color expression has attracted attention.
  • This uses three types of laser light sources, red, green, and blue, and has a configuration as shown in FIG. 9, for example.
  • reference numeral 200 denotes a laser display, which is a laser light source la-lc that emits laser light of three colors of RGB, a diffusion plate 6a-6c that diffuses light, and light emitted from the laser light source la-lc. And an optical system for irradiating each of the applied laser beams to the diffusion plates 6a-6c.
  • the laser display 200 includes diffusion plate swinging means 13a-13c for swinging each of the diffusion plates 6a-6c, and the laser light sources lalclc diffused by the diffusion plate swinging means 13a-13c. And a spatial light modulator 7a-7c for modulating light from the light source.
  • the laser display 200 is a dichroic prism 9 for multiplexing the light passing through each of the spatial light modulators 7a to 7c, and enlarges and projects the light multiplexed by the dichroic prism 9 on a screen 11. With projection lens 10!
  • the laser light source la is a red laser light source that emits red laser light.
  • the optical system corresponding to the red laser light source la converts the light emitted from the laser light source la. It has an expanding beam expander 2a and an optical integrator 3a for making the in-plane intensity distribution of the light expanded by the beam expander 2a uniform.
  • the optical system includes a condenser lens 12a for condensing the light from the optical integrator 3a, a mirror 15a for reflecting the light condensed by the condenser lens 12a, and a reflected light from the mirror 15a.
  • a field lens 8a for converting the light into a convergent beam and irradiating the light to the diffusion plate 6a.
  • the laser light source lb is a green laser light source that emits green laser light.
  • the optical system corresponding to the green laser light source lb equalizes the beam expander 2b for expanding the light emitted from the laser light source lb, and makes the cross-sectional intensity distribution of the light expanded by the beam expander 2b uniform.
  • an optical integrator 3b The optical system further includes a condenser lens 12b for condensing light from the light integrator 3b, and converts the light condensed by the condenser lens 12b into a convergent beam and irradiates the light to the diffusion plate 6b.
  • a field lens 8b is a field lens 8b.
  • the laser light source lc is a blue laser light source that emits blue laser light.
  • the optical system corresponding to the blue laser light source lc equalizes the beam expander 2c for expanding the light emitted from the laser light source lc and the cross-sectional intensity distribution of the light expanded by the beam expander 2c.
  • Optical integrator 3c The optical system includes a condenser lens 12c for condensing the light from the light integrator 3c, a mirror 15c for reflecting the light condensed by the condenser lens 12c, and a reflection from the mirror 15c.
  • a field lens 8c for converting light into a convergent beam and irradiating the light to a diffusion plate 6c.
  • the lights from the red, green, and blue laser light sources la, lb, and lc are expanded by the beam expanders 2a, 2b, and 2c, respectively, and pass through the optical integrators 3a, 3b, and 3c and the condenser lenses 12a, 12b, and 12c.
  • the optical paths are bent 90 degrees by mirrors 15a and 15c, and then illuminate spatial light modulators 7a, 7b, and 7c via field lenses 8a, 8b, and 8c and diffusion plates 6a, 6b, and 6c. I do.
  • the light passes through the light integrators 3a, 3b, 3c, so that the illuminance distribution on the spatial light modulators 7a, 7b, 7c becomes uniform.
  • the lights modulated independently by the spatial light modulators 7a, 7b, 7c are combined by the dichroic prism 9, are enlarged and projected by the projection lens 10, and are imaged on the screen 11. At that time, the laser light Because of high coherence, speckle noise is superimposed on the image projected on the screen.
  • the diffusion plates 6a, 6b, 6c are oscillated by the diffusion plate moving means 13a, 13b, 13c, and this is suppressed by time-averaging the speckle noise.
  • the most distinctive feature of the device shown in Fig. 9 is that the emission spectrum of the light from the laser light source is very narrow, for example, 5 nm or less, so that the color range that can be expressed by mixing the colors becomes very wide. is there.
  • This is represented on a chromaticity diagram (1931 CIE chromaticity diagram) as shown in Fig. 7.
  • the triangle indicated by the triangle indicates the color range of the video signal specified by the NTSC standard
  • the triangle indicated by the triangle indicates the red light source with a center wavelength of 633 ⁇ m.
  • the color range when a green light source with a center wavelength of 532 nm and a blue light source with a center wavelength of 457 nm are used.
  • the laser display ex- cepts a small part of the blue region, and the color range (the region inside the three squares) is larger than the color range that can be represented by the NTSC signal (the region inside the three triangles). Area) is wide and vivid color expression is possible.
  • the difference in the color range significantly affects the sharpness and realism of an image, so that a longer wavelength red light source and a shorter wavelength blue light source are used. Is required.
  • a long-wavelength red light source or a short-wavelength blue light source is used, the visibility of the human eye drops rapidly, so a light source with a larger output is required.
  • each light source is set to an optimal wavelength in view of a trade-off relationship between a wide color range and a required light source output. It has been considered necessary to do so.
  • a red light source of 635 nm or less that does not significantly reduce visibility, and a blue light of 455 nm or more that similarly does not significantly reduce visibility. It is said that a light source should be used.
  • Patent Document 1 JP-A-10-293268 (Pages 3 to 7, Figure 2 to Figure 6)
  • a major problem in realizing the above laser display is the light emission efficiency of a laser light source.
  • Conventional laser displays include helium neon lasers and krypton lasers. Some lasers use a gas laser such as a laser as a light source, and others use a laser that performs wavelength conversion by combining a YAG (Yttrium Aluminum Garnet) solid laser and a nonlinear optical element as a light source. These light sources have the disadvantage that the light source size and power consumption are large in order to realize a bright large screen display with relatively low luminous efficiency. As a result, the entire device has become large-scale, and has prevented the realization of a practical laser display.
  • the present invention has been made to solve the above-mentioned conventional problems, and can solve the problems of large power consumption of a light source and a large light source size, and a two-dimensional light source capable of emitting pure white light.
  • a light source and a large light source size and a two-dimensional light source capable of emitting pure white light.
  • the two-dimensional image display device is a red light source that emits red light, a green light source that emits green light, a blue light source that emits blue light, and the light source of the three colors.
  • It is characterized by being not less than 20 nm and not more than 455 nm.
  • the center wavelength of the red light source is 635 nm or more and 655 nm or less.
  • the center wavelength is 505 nm or more and 550 nm or less.
  • the two-dimensional image display device is the two-dimensional image display device according to claim 1, wherein the light output of the blue light source and the light output of the green light source during white display are different.
  • the ratio is 0.5: 1 or more and 4: 1 or less, and the ratio between the light output of the red light source and the light output of the green light source in white display is 0.4: 1 or more and 1.3: 1 or less. It is characterized by the following.
  • a two-dimensional image display device is the two-dimensional image display device according to claim 1, wherein the central wavelength of the red light source is 635 nm or more and 655 nm or less. It is.
  • a two-dimensional image display device is the two-dimensional image display device according to claim 1, wherein the center wavelength of the green light source is 505 nm or more and 550 nm or less. It is.
  • a two-dimensional image display device is the two-dimensional image display device according to claim 1, wherein the center wavelength of the blue light source is 440 nm or more and 455 nm or less. It is.
  • a two-dimensional image display device is the two-dimensional image display device according to claim 1, wherein the center wavelength of the blue light source is 440 nm or less. is there.
  • a two-dimensional image display device is the two-dimensional image display device according to claim 1, wherein the blue light source is a gallium nitride-based semiconductor laser. That's what I do.
  • a two-dimensional image display device is characterized in that, in the two-dimensional image display device according to claim 1, the red light source is a semiconductor laser based on AlGalnP. It is assumed that.
  • the two-dimensional image display device according to claim 10 of the present invention is the two-dimensional image display device according to claim 1, wherein each of the light sources has an emission light equal to or less than that of a semiconductor laser light source. It has a spectral width.
  • a red light source that emits red light a green light source that emits green light, a blue light source that emits blue light, and the three colors Means for forming a two-dimensional image using light from the light source of (1), wherein the center wavelength of the blue light source is not less than 420 nm and not more than 455 nm. It is possible to reduce the power consumption to a range in which a wide color range can be obtained, as a result.
  • the center wavelength of the red light source is 635 nm or more and 655 nm or less
  • the center wavelength of the green light source is 505 nm or more and 550 nm or less
  • the center wavelengths of the red light source and the green light source can be made to be within a region where the light output is small and a relatively wide color range can be obtained. Power consumption can be reduced.
  • the center wavelength as described above for each light source it is possible to suppress Smart white light emission can be realized.
  • the light output of the blue light source and the green light source during white display are displayed.
  • the ratio to the light output is 0.5: 1 or more and 4: 1 or less
  • the ratio of the light output of the red light source to the light output of the green light source in white display is 0.4: 1 or more and 1. Since the ratio is set to 3: 1 or less, the center wavelength of the blue light source, the red light source, and the green light source can be set in a range where the light output is small and a wide color range can be obtained. Furthermore, by selecting the above center wavelength for each light source, it is possible to realize pure white light emission while suppressing the light output.
  • the center wavelength of the red light source is 635 nm or more and 655 nm or less.
  • the center wavelength of the red light source can be set within a range where the light output is small and a wide color range can be obtained.
  • the center wavelength of the green light source is 505 nm or more and 550 nm or less.
  • the center wavelength of the green light source can be set within a range where the light output is small and a wide color range can be obtained.
  • the center wavelength of the blue light source is 440 nm or more and 455 nm or less. Therefore, the center wavelength of the blue light source can be set within a range where the light output is minimum and a wide color range can be obtained.
  • the center wavelength of the blue light source is 440 nm or less.
  • the light source can be made highly efficient and highly reliable.
  • the blue light source is a gallium nitride-based semiconductor laser. Therefore, the blue light source can be downsized and highly efficient.
  • the red light source is a semiconductor laser based on AlGalnP. Therefore, it is possible to reduce the size and efficiency of the red light source.
  • the light emitted from each of the light sources is equivalent to a semiconductor laser light source. Since it has a spectrum width smaller than that, it is possible to express bright colors with a light source with a narrow spectrum width.
  • FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration example of a two-dimensional image display device according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram showing calculation results of a light source output required for white display with respect to a wavelength of a blue light source.
  • FIG. 3 is a diagram showing calculation results of a light source required for white display with respect to a wavelength of a blue light source.
  • FIG. 4 is a diagram showing calculation results of a light source required for white display with respect to a wavelength of a blue light source.
  • FIG. 5 is a diagram showing a calculation result of a light source output required for white display with respect to a wavelength of a blue light source.
  • FIG. 6 is a diagram showing calculation results of a light source output required for white display with respect to a wavelength of a red light source.
  • FIG. 7 is a chromaticity diagram showing a color range that can be expressed by a laser projector and the NTSC standard.
  • FIG. 8 is a diagram showing a relationship between an oscillation wavelength and an oscillation threshold of an AlGalnN-based semiconductor laser.
  • FIG. 9 is a diagram showing a schematic configuration of a conventional two-dimensional image display device.
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration example of a two-dimensional image display device according to Embodiment 1 of the present invention.
  • reference numeral 100 denotes a two-dimensional image display device according to the first embodiment of the present invention.
  • This two-dimensional image display device 100 uses a semiconductor laser as a blue light source and a red light source in the conventional two-dimensional image display device shown in FIG.
  • the center wavelength of the red semiconductor laser 21a which is a red light source, is 635 nm to 655 nm
  • the center wavelength of the blue semiconductor laser 21c which is a blue light source
  • the center wavelength of the green laser 21b is 505 nm to 550 nm.
  • the red semiconductor laser 21a and the blue semiconductor laser 21c are connected to high-frequency power supplies 25a and 25c, respectively, to broaden the oscillation spectrum.
  • the beam expanders 2a-2c, the optical integrators 3a-3c, the optical system for irradiating the spatial light modulators 7a-7c with the condenser lenses 12a-12c, and the diffusion plates 6a-6c are formed as diffusion plates.
  • the optical system that reduces the speckle noise by oscillating by the oscillating means 13a-13c, and the optical system (means for forming a two-dimensional image) that projects onto the screen 11 by the dichroic prism 9 and the projection lens 10 are conventional. It is similar to that of
  • the two-dimensional image display device shown in FIG. 1 uses a semiconductor laser as an example of a blue light source and a red light source
  • the light source is not limited to a semiconductor laser
  • the emitted light is not limited to a semiconductor laser. Any light source having a spectrum width equal to or less than that is acceptable.
  • super. Lumines sense. Diode (S U p er Luminescence Diode) may be used.
  • S U p er Luminescence Diode S U p er Luminescence Diode
  • the two-dimensional image display device of this embodiment is obtained by optimizing the range of the center wavelength of the blue light source and the red light source (the red semiconductor laser 21a and the blue semiconductor laser 21c in FIG. 1), and will be described in detail below. .
  • the output required for each light source when the oscillation wavelength of the blue light source or the red light source was changed was calculated so that white light equivalent to the standard white light source was obtained while suppressing the output. .
  • the maximum output required for each light source is determined by the output required to display bright white. Therefore, the light output for white display was calculated by considering the balance of the light source output of each of the three colors, which can be determined only by eye visibility. As a result, in the blue region where the luminosity changes monotonically with wavelength, the light output required for the wavelength of the light source varies monotonically. It has been found that there is a certain optimum wavelength at which the required light output is minimized. The results are shown in Figs.
  • the chromaticity and luminous flux of a composite color when two types of light are mixed can be calculated according to the following equations. That is, the chromaticity of the composite color when the luminous flux of A1 lumen whose chromaticity coordinates are represented by (xl, yl) and the luminous flux of A2 lumen whose chromaticity coordinates are represented by (x2, y2) Coordinates (x3, y 3) and luminous flux A3 are
  • x3 (y2 * xl * Al + yl * x2 * A2) / (y2 water Al + y 1 water A2)
  • y3 y 1 * y2 * (yl + y2) / (y2 * Al + y 1 * A2)
  • the light when the three colors of light are mixed is first calculated by using the above-described formula, using the chromaticity coordinates and the luminous flux of the composite color when the first and second two colors of the light are mixed. It can be obtained by calculating and further mixing the combined color and the third light.
  • the luminous flux of the three colors of light corresponding to each point is determined at random, and the chromaticity coordinates and luminous flux of the composite color obtained by mixing the three colors are calculated.
  • the chromaticity coordinates of the composite colors when the respective luminous fluxes are appropriately selected and mixed are calculated each time, and the chromaticity coordinates of the three composite colors are determined by the light of the standard white light source d65 (d is an abbreviation of daylight).
  • Fig. 2 to Fig. 5 show that the center wavelength of the red light source is set to 635nm or 655nm, the center wavelength of the green light source is set to 505 or 535nm, and when the light output from the light source is mixed, the total luminous flux is 1000 lumens. And the respective light source outputs when the coordinates on the chromaticity diagram match the coordinates of the color of the standard white light source d65 are plotted against the wavelength of the blue light source.
  • the center wavelength of the red light source and the center wavelength of the green light source are set as described above because the center wavelength of the red light source is 635 nm to 655 nm, the light output is small, and a wide color range can be obtained.
  • the center wavelength of the green light source is 505 nm to 550 nm, the light output is small, and a wide color range can be obtained. Furthermore, for red light sources, expressible colors From the chromaticity diagram in Fig. 7, it can be predicted that the wavelength should be in the vicinity if NTSC is expanded from NTSC, and even if the wavelength is changed in this vicinity, the outline of the output graph of the blue light source The shape does not change qualitatively. In addition, the total luminous flux was set to 1000 lumens, because if a brightness comparable to that of a commercially available projector is to be secured, such a value is required.
  • the center wavelength of the red light source is set to 635 nm or 655 nm or the center wavelength of the green light source is set to 505 nm or 550 nm
  • the center wavelength of the blue light source is not changed. It has been found that the output can be suppressed in the range of 420 nm to 480 nm. Furthermore, if the center wavelength of the blue light source is 455 nm or more (region 103 in FIG. 2 to FIG. 5), a wide color range cannot be obtained, so the blue light source requires a small output and has a wide color range.
  • the obtained 420 nm-455 nm is the optimal region (the optimal region 101 shown in Fig. 2-5).
  • the ratio of the output of the blue light source and the output of the green light source during white display in this optimal region 101 is approximately 0.5: 1 to 4: 1, and the ratio of the output of the red light source and the green light source during white display is approximately 0.4: 1 or more and 1.3: 1 or less.
  • the region (the region 102) of the center wavelength of 440 nm to 455 nm where the output is minimized is a more preferable region for the blue light source.
  • the conventional laser display device uses a relatively long wavelength blue light source and a relatively short wavelength red light source.
  • the center wavelength of the light source By setting the center wavelength of the light source to be 420 nm to 455 nm, the center wavelength of the red light source to be 635 ⁇ m to 655 nm, and the center wavelength of the green light source to be 505 nm to 550 nm, pure white light can be emitted with smaller output.
  • a two-dimensional image display device capable of obtaining a wide color range can be realized.
  • the center wavelength of the blue light source at 440 nm or more and 455 nm or less, it is possible to obtain pure white light while suppressing the output of the blue light source to a minimum.
  • Db and Dr in Fig. 7 show the optimal region 101 of the blue light source and the region of the central wavelength of 635nm-655nm of the red light source in a chromaticity diagram, and it is possible to expand the color range. To help.
  • the blue light source is limited to a semiconductor laser.
  • the blue light source is sandwiched between a region 106 where the visibility is small, a region 103 where a wide color range cannot be obtained, and a region 105 where it is difficult to realize a high output blue semiconductor laser.
  • the region 104 is the optimum region for the blue semiconductor laser. That is, the reason why a large output is required in the region 106 on the shorter wavelength side than the region 104 is that visibility deteriorates.
  • the region on the longer wavelength side than 455 nm is also a region where it is difficult to realize a high-output blue semiconductor laser.
  • the center wavelength of the light source in order to obtain an image having the same brightness with a small light output, it is preferable to set the center wavelength of the light source to about 435 nm to 455 nm.
  • This region 104 overlaps with the optimum region 101 shown in FIGS. 2 to 5 in which the output of the blue light source requires a small output and a wide color range can be obtained. Helped to be effective.
  • FIG. 6 shows that the center wavelength of the green light source is fixed at 532 nm and the center wavelength of the blue light source is fixed at 457 nm.
  • the center wavelength of the green light source is set to 532 nm
  • the center wavelength of the blue light source was set to 457 nm.
  • the short wavelength region 205 of 635 nm or less is also a region where it is difficult to realize a high-output red semiconductor laser. Therefore, the optimum region 204 is 635 nm or more and 655 nm or less.
  • the output ratio between the red light source and the green light source in this region 204 is approximately 1.8: 1 or more, and 5: 1 It is as follows.
  • Db and Dr in Fig. 7 show the optimum region 104 of the blue semiconductor laser and the optimum region 204 of the red semiconductor laser in a chromaticity diagram, and it can be seen that the color range can be expanded.
  • a laser light source that outputs light in a wavelength range capable of displaying a bright image with a smaller light output is a helium neon laser having a wavelength of 633 nm, a krypton laser having a wavelength of 647 nm, or a 630 nm wavelength in red.
  • gas lasers such as helium-neon lasers and wavelength-converted lasers require large laser heads to realize bright displays with relatively low light emission efficiency, which leads to an increase in the size of the device or power consumption.
  • drawbacks such as large.
  • the AlGaInP semiconductor laser is smaller in size and higher in efficiency than the laser, and is advantageous for miniaturization of the device and lower power consumption.
  • red semiconductor lasers having a power exceeding 100 mW has been put to practical use for recording / reproducing optical disk drives, which are being developed with increasing output.
  • a projector of about 100 inches or less requires a light source output of 11 W, but unlike a light source for an optical disk drive, a light source for a projector has a small restriction on wavefront aberration.
  • semiconductor lasers in excess of one watt are easily feasible.
  • Another advantage of using a semiconductor laser is that by superimposing a high-frequency signal on a drive current, coherence is reduced, and speckle noise can be easily reduced.
  • AlGalnP crystal is represented by the formula (AlxGal-x) InP, and the red semiconductor using this crystal is represented by the following formula:
  • the band gap forbidden bandwidth
  • a band gap of about 2.3 eV wavelength of about 540 nm
  • the confinement of carriers (especially electrons) in the active layer becomes insufficient, and the reactive current increases due to an increase in overflow current.
  • high-power operation and high-temperature operation become difficult. Due to this limitation, laser In order to obtain the output of several watts required for spraying at room temperature, the oscillation wavelength should be set to 635 nm or more.
  • a blue laser light source that outputs light in a wavelength range capable of displaying a bright image with a smaller light output
  • a 441 nm wavelength helium cadmium laser or a neodymium-doped YAG solid-state laser combined with a nonlinear optical element is used.
  • This SHG laser converts laser light from a solid-state laser into half-wavelength light using a nonlinear medium of a nonlinear optical element.
  • AlGalnN-based semiconductor lasers based on gallium nitride (AlGalnN-based) with a wavelength of 400 nm to 460 nm have been actively developed in recent years, and watt-class lasers are being realized.
  • AlGalnN-based semiconductor lasers are smaller in size and higher in efficiency than the above-mentioned lasers.
  • the center wavelength of the AlGalnN-based semiconductor laser changes depending on the composition ratio of In, and the longer the In composition ratio, the longer the wavelength of light can be obtained.
  • concentration of In increases, the amount of In bias in the crystal increases, making it difficult to realize a highly efficient and reliable AIGaInN-based semiconductor laser that oscillates at a low threshold current.
  • Several types of semiconductor lasers were prototyped with different In concentrations in the active layer region, and their oscillation wavelengths and oscillation threshold currents were measured.
  • Figure 8 shows the results. As shown in the figure, the force at which the threshold current increases as the wavelength becomes longer increases beyond a wavelength of 440 nm, and the threshold rises markedly.
  • Oscillation cannot be achieved in the region beyond the wavelength of 455 nm. From these results, it is preferable to use a laser with a wavelength of 455 nm or less in order to realize a two-dimensional image display device using an AlGalnN-based semiconductor laser. In addition, since it is more difficult to simultaneously achieve high output and long life in a semiconductor laser having a large threshold current, it is more preferable to use a laser having a wavelength of 440 nm or less. The use of this technique has the potential to realize a highly efficient and reliable two-dimensional image display device with a relatively small oscillation threshold.
  • the blue light source was used.
  • the center wavelength of the light source was set to 420 nm or more and 455 nm or less and the center wavelength of the red light source to 635 nm or more and 655 nm or less, it is possible to realize a two-dimensional image display device that is compact, highly efficient, and can obtain a wide color range. Power.
  • the secondary image display device when the secondary image display device is realized by a semiconductor laser, a red semiconductor laser light source having a center wavelength of 635 nm to 655 nm is used, and a blue semiconductor laser light source is used.
  • a laser with a center wavelength of 420 nm to 455 nm can solve the problem of large light source size, which consumes large power when using a gas laser or solid-state laser. It is possible to realize a two-dimensional image display device capable of emitting light.
  • the output of the blue light source can be increased, and the reliability of the power can be improved.
  • the present invention can also be applied to a rear projection display. Also, the present invention can be applied to a two-dimensional optical switch type display such as a liquid crystal panel type display using a laser light source as a knock light.
  • the gallium nitride-based and AlGalnP-based semiconductor lasers described above may be used as the blue semiconductor laser light source and the red semiconductor laser light source, respectively.
  • a semiconductor laser of another material may be used as long as blue or red oscillation is possible using a material. In this case, it is expected that the output characteristics of the semiconductor laser will change due to a change in the material system and composition of the semiconductor laser. It is needless to say that the present invention can be applied to the case where there is a region corresponding to.
  • the two-dimensional image display device can reduce the power consumption of the light source and the size of the light source, can emit pure white light, and can be used as a video projector and a rear projection type television receiver. Useful.
  • a projection type device by using a similar light source for the back illumination light, it can also be used for an optical switch type image display device such as a liquid crystal television and a liquid crystal display.

Abstract

　従来、レーザを用いたディスプレイ装置では、短波長の青色光源や長波長の赤色光源では視感度が低下するために比較的長波長の青色光源や比較的短波長の赤色光源が用いられてきた。このため、表示可能な色範囲が制限される、白色表示時に大きな光出力が必要になるなどの課題があった。 　よって、本発明の二次元画像表示装置は、赤色光源の中心波長を６３５ｎｍ以上６５５ｎｍ以下に、青色光源の中心波長を４２０ｎｍ以上４５５ｎｍ以下に設定することで、より低消費電力で明るく、色鮮やかな画像を得る。

Description

明 細 書
二次元画像表示装置
技術分野
[0001] 本発明は、二次元画像表示装置に関するものであり、特に、映像プロジェクタ、テレ ビ受像機、液晶パネルなどの映像表示装置の改良を図ったものに関する。
背景技術
[0002] 近年、高圧水銀放電ランプを光源とした二次元画像表示装置として画像投写装置 が普及してきている。この装置は高圧水銀放電ランプからの出射光を、波長選択ミラ 一で赤色光 (長波長光)、緑色光（中間波長光)、青色光 (短波長光）に分割し、それ ぞれの色の光を個別に液晶パネルで変調し、ダイクロイツクプリズムにて合波して、投 写レンズにてスクリーンにカラー画像を投写するものである。ところが、ランプの発光 スペクトルは可視域全体に及び、波長選択ミラーで分割された光のスペクトルは 100 nmを超える比較的広いスペクトル幅を持つ。このため、鮮やかな純色を表示できな い。よって、より鮮やかな色表現が可能なレーザディスプレイが注目されている。これ は、赤色、緑色、青色の 3種のレーザ光源を用いたもので、例えば図 9のような構成を とる。
[0003] 図 9において、 200はレーザディスプレイであり、 RGB3色のレーザ光を出射するレ 一ザ光源 la— lcと、光を拡散する拡散板 6a— 6cと、前記レーザ光源 la— lcから出 力された各レーザ光を前記拡散板 6a— 6cに照射する光学系とを有している。前記レ 一ザディスプレイ 200は、前記各拡散板 6a— 6cを揺動する拡散板揺動手段 13a— 1 3cと、前記拡散板揺動手段 13a— 13cで拡散された前記各レーザ光源 la— lcから の光を変調する空間光変調素子 7a— 7cとを有して 、る。前記レーザディスプレイ 20 0は、前記各空間光変調素子 7a— 7cを通過した光を合波するダイクロイツクプリズム 9と、前記ダイクロイツクプリズム 9により合波された光をスクリーン 11上に拡大投写す る投写レンズ 10とを有して!/、る。
[0004] ここで、前記レーザ光源 laは、赤色レーザ光を出射する赤色レーザ光源である。こ の赤色レーザ光源 laに対応する光学系は、前記レーザ光源 laから出射された光を 拡大するビームエキスパンダ 2aと、前記ビームエキスパンダ 2aにより拡大された光の 面内強度分布を均一化する光インテグレータ 3aとを有している。また、この光学系は 、前記光インテグレータ 3aからの光を集光する集光レンズ 12aと、前記集光レンズ 12 aにより集光された光を反射するミラー 15aと、該ミラー 15aからの反射光を収束ビー ムに変換して拡散板 6aに照射するフィールドレンズ 8aとを有している。
[0005] 前記レーザ光源 lbは、緑色レーザ光を出射する緑色レーザ光源である。この緑色 レーザ光源 lbに対応する光学系は、前記レーザ光源 lbから出射された光を拡大す るビームエキスパンダ 2bと、前記ビームエキスパンダ 2bにより拡大された光の断面強 度分布を均一化する光インテグレータ 3bとを有している。また、この光学系は、前記 光インテグレータ 3bからの光を集光する集光レンズ 12bと、前記集光レンズ 12bによ り集光された光を収束ビームに変換して拡散板 6bに照射するフィールドレンズ 8bと を有している。
[0006] 前記レーザ光源 lcは、青色レーザ光を出射する青色レーザ光源である。この青色 レーザ光源 lcに対応する光学系は、前記レーザ光源 lcから出射された光を拡大す るビームエキスパンダ 2cと、前記ビームエキスパンダ 2cにより拡大された光の断面強 度分布を均一化する光インテグレータ 3cとを有している。また、この光学系は、前記 光インテグレータ 3cからの光を集光する集光レンズ 12cと、前記集光レンズ 12cによ り集光された光を反射するミラー 15cと、該ミラー 15cからの反射光を収束ビームに変 換して拡散板 6cに照射するフィールドレンズ 8cとを有している。
[0007] 次に動作について説明する。
赤色、緑色、青色レーザ光源 la、 lb、 lcからの光はそれぞれビームエキスパンダ 2 a, 2b, 2cで拡大されて光インテグレータ 3a, 3b, 3c及び集光レンズ 12a, 12b, 12c を通過し、赤色光および青色光についてはミラー 15aおよび 15cにより光路を 90度 曲げられた後、フィールドレンズ 8a, 8b, 8c、拡散板 6a, 6b, 6cを介して空間光変調 素子 7a, 7b, 7cを照射する。この間、光は、光インテグレータ 3a, 3b, 3cを通過する ことで空間光変調素子 7a, 7b, 7c上での照度分布が均一になる。空間光変調素子 7a, 7b, 7cでそれぞれ独立に変調された光はダイクロイツクプリズム 9で合波され、投 写レンズ 10にて拡大投射されてスクリーン 11上に結像される。その際、レーザ光は 可干渉性が高いため、スクリーンに投写された像にはスペックルノイズが重畳される。 これを防ぐために拡散板 6a, 6b, 6cを拡散板移動手段 13a, 13b, 13cにて揺動し、 スペックルノイズを時間平均することでこれを抑圧する。
[0008] 図 9の装置の最大の特徴は、レーザ光源からの光はその発光スペクトルが例えば 5 nm以下と非常に狭いため、それらを混色して表現できる色範囲が非常に広くなるこ とである。これを色度図（1931 CIE chromaticity diagram)上で表現すると、図 7のよう になる。図中△印を頂点とする三角形で示した範囲は NTSC規格にて規定された映 像信号の色範囲を示し、〇印を頂点とする三角形で示した範囲は、中心波長 633η mの赤色光源と、中心波長 532nmの緑色光源と、中心波長 457nmの青色光源とを 用いたときの色範囲を示す。この色度図から分力るように、レーザディスプレイは青色 領域のごく一部を除き NTSC信号で表現可能な色の範囲（3つの の内側の領域） よりも色の範囲（3つの〇の内側の領域）が広ぐ鮮やかな色表現が可能である。
[0009] ところで、特に赤色と青色の領域においては、色範囲の広さの差が画像の鮮明さ、 臨場感に顕著に影響を与えるため、より長い波長の赤色光源とより短い波長の青色 光源が求められる。しかし、長い波長の赤色光源や短い波長の青色光源を用いた場 合には、人間の目の視感度が急激に低下するため、より大きな出力の光源を必要と する。
[0010] このように、実用的な二次元画像表示装置を実現するには、色範囲の広さと、必要 とされる光源出力とのトレードオフの関係から、それぞれの光源を最適な波長に設定 する必要があると考えられてきた。例えば特許文献 1によれば、二次元画像表示装置 のレーザ光源として、視感度の低下が顕著にならない 635nm以下の赤色光源と、同 じく視感度の低下が顕著にならな 、455nm以上の青色光源を用いるのがよ 、とされ ている。
特許文献 1 :特開平 10— 293268号公報 (第 3頁-第 7頁、図 2-図 6)
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0011] 以上のようなレーザディスプレイを実現する上での大きな課題は、レーザ光源の発 光効率である。従来のレーザディスプレイにはヘリウムネオンレーザ、クリプトンレー ザなどの気体レーザを光源として用いたものや、 YAG(Yttrium Aluminum Garnet)固 体レーザと非線形光学素子を組み合わせた波長変換を行うものを光源として用いた ものがあった。これらの光源は比較的発光効率が低ぐ明るい大画面ディスプレイを 実現するには光源サイズや消費電力が大きくなるという欠点があった。このため装置 全体が大規模になり、実用的なレーザディスプレイの実現を阻んできた。
[0012] 本発明は前記従来の課題を解決するためになされたもので、光源の消費電力が大 きい、光源サイズが大きいという課題を解決できるとともに、純粋な白色の発光が可 能な二次元画像表示装置を提供することを目的として！ヽる。
課題を解決するための手段
[0013] 本発明の請求項 1に係る二次元画像表示装置は、赤色光を出射する赤色光源と、 緑色光を出射する緑色光源と、青色光を出射する青色光源と、前記 3色の光源から の光を用いて二次元の画像を形成する手段とを備え、前記青色光源の中心波長が 4
20nm以上 455nm以下であることを特徴とするものである。
[0014] 本発明の請求項 2に係る二次元画像表示装置は、請求項 1に係る二次元画像表 示装置において、前記赤色光源の中心波長が 635nm以上 655nm以下であり、前 記緑色光源の中心波長が 505nm以上 550nm以下であることを特徴とするものであ る。
[0015] 本発明の請求項 3に係る二次元画像表示装置は、請求項 1に係る二次元画像表 示装置において、白色表示時の前記青色光源の光出力と前記緑色光源の光出力と の比が 0. 5 : 1以上、 4 : 1以下であり、白色表示時の前記赤色光源の光出力と前記 緑色光源の光出力との比が 0. 4 : 1以上、 1. 3 : 1以下であることを特徴とするもので ある。
[0016] 本発明の請求項 4に係る二次元画像表示装置は、請求項 1記載の二次元画像表 示装置において、前記赤色光源の中心波長が 635nm以上 655nm以下であること を特徴とするものである。
[0017] 本発明の請求項 5に係る二次元画像表示装置は、請求項 1記載の二次元画像表 示装置において、前記緑色光源の中心波長が 505nm以上 550nm以下であること を特徴とするものである。 [0018] 本発明の請求項 6に係る二次元画像表示装置は、請求項 1に記載の二次元画像 表示装置において、前記青色光源の中心波長が 440nm以上 455nm以下であるこ とを特徴とするものである。
[0019] 本発明の請求項 7に係る二次元画像表示装置は、請求項 1に記載の二次元画像 表示装置において、前記青色光源の中心波長が 440nm以下であることを特徴とす るものである。
[0020] 本発明の請求項 8に係る二次元画像表示装置は、請求項 1に記載の二次元画像 表示装置において、前記青色光源が窒化ガリウムをベースとした半導体レーザであ ることを特徴とするちのである。
[0021] 本発明の請求項 9に係る二次元画像表示装置は、請求項 1に記載の二次元画像 表示装置にぉ 、て、前記赤色光源が AlGalnPをベースにした半導体レーザである ことを特徴とするものである。
[0022] 本発明の請求項 10に係る二次元画像表示装置は、請求項 1に記載の二次元画像 表示装置において、前記各光源は、その出射光が半導体レーザ光源と同等、または それ以下のスペクトル幅を有することを特徴とする。
発明の効果
[0023] 本発明の請求項 1に係る二次元画像表示装置によれば、赤色光を出射する赤色 光源と、緑色光を出射する緑色光源と、青色光を出射する青色光源と、前記 3色の 光源からの光を用いて二次元の画像を形成する手段とを備え、前記青色光源の中 心波長が 420nm以上 455nm以下であるものとしたので、青色光源の中心波長を、 光出力が小さぐかつ広い色範囲が得られる領域に収まるものにでき、その結果、消 費電力を低減することができる。
[0024] また、本発明の請求項 2に係る二次元画像表示装置によれば、請求項 1に記載の 二次元画像表示装置において、前記赤色光源の中心波長が 635nm以上 655nm 以下であり、前記緑色光源の中心波長が 505nm以上 550nm以下であるものとした ので、赤色光源及び緑色光源の中心波長を、光出力が小さぐ比較的広い色範囲が 得られる領域に収まるものにでき、その結果、消費電力を低減することができる。さら に、各光源に対して上述のような中心波長を選択することで、光出力を抑えつつ、純 粋な白色の発光を実現できる。
[0025] また、本発明の請求項 3に係る二次元画像表示装置によれば、請求項 1に記載の 二次元画像表示装置において、白色表示時の前記青色光源の光出力と前記緑色 光源の光出力との比が 0. 5 : 1以上、 4 : 1以下であり、白色表示時の前記赤色光源 の光出力と前記緑色光源の光出力との比が 0. 4 : 1以上、 1. 3 : 1以下であるものとし たので、青色光源、赤色光源及び緑色光源の中心波長を、光出力が小さぐかつ広 い色範囲が得られる領域に収まるものにできる。さらに、各光源に対して上述のような 中心波長を選択することにより、光出力を抑えつつ、純粋な白色の発光を実現できる
[0026] また、本発明の請求項 4に係る二次元画像表示装置によれば、請求項 1記載の二 次元画像表示装置において、前記赤色光源の中心波長が 635nm以上 655nm以 下であるものとしたので、赤色光源の中心波長を、光出力が小さぐ広い色範囲が得 られる領域に収まるものにできる。
[0027] また、本発明の請求項 5に係る二次元画像表示装置によれば、請求項 1記載の二 次元画像表示装置において、前記緑色光源の中心波長が 505nm以上 550nm以 下であるものとしたので、緑色光源の中心波長を、光出力が小さぐ広い色範囲が得 られる領域に収まるものにできる。
[0028] 本発明の請求項 6に係る二次元画像表示装置によれば、請求項 1に記載の二次元 画像表示装置において、前記青色光源の中心波長が 440nm以上 455nm以下であ るもとしたので、青色光源の中心波長を、光出力が最小で、広い色範囲が得られる領 域に収まるものにできる。
[0029] また、本発明の請求項 7に係る二次元画像表示装置によれば、請求項 1に記載の 二次元画像表示装置において、前記青色光源の中心波長が 440nm以下となるよう にしたので、青色光源に半導体レーザを使用する場合に、光源を高効率かつ高信 頼'性なものにできる。
[0030] また、本発明の請求項 8に係る二次元画像表示装置によれば、請求項 1に記載の 二次元画像表示装置において、前記青色光源が窒化ガリウムをベースとした半導体 レーザであるものとしたので、青色光源の小型化，高効率ィ匕が可能となる。 [0031] また、本発明の請求項 9に係る二次元画像表示装置によれば、請求項 1に記載の 二次元画像表示装置にぉ 、て、前記赤色光源が AlGalnPをベースにした半導体レ 一ザであるものとしたので、赤色光源の小型化，高効率ィ匕が可能となる。
[0032] また、本発明の請求項 10に係る二次元画像表示装置は、請求項 1に記載の二次 元画像表示装置において、前記各光源は、その出射光が半導体レーザ光源と同等 、またはそれ以下のスペクトル幅を有するものとしたので、スペクトル幅の狭い光源に よって鮮やかな色表現が可能となる。 図面の簡単な説明
[0033] [図 1]図 1は本発明の実施の形態 1に係る二次元画像表示装置の概略構成例を表す 図である。
[図 2]図 2は青色光源の波長に対する、白色表示に必要な光源出力の計算結果を表 す図である。
[図 3]図 3は青色光源の波長に対する、白色表示に必要な光源の計算結果を表す図 である。
[図 4]図 4は青色光源の波長に対する、白色表示に必要な光源の計算結果を表す図 である。
[図 5]図 5は青色光源の波長に対する、白色表示に必要な光源出力の計算結果を表 す図である。
[図 6]図 6は赤色光源の波長に対する、白色表示に必要な光源出力の計算結果を表 す図である。
[図 7]図 7はレーザプロジェクタ及び NTSC規格が表現可能な色範囲を表す色度図 である。
[図 8]図 8は AlGalnN系半導体レーザの発振波長と発振閾値の関係を示す図である
[図 9]図 9は従来の二次元画像表示装置の概略構成を表す図である。
符号の説明
[0034] la 赤色光源
lb 緑色光源 lc 青色光源
2a— 2c ビームエキスノ ンダ
3a— 3c 光インテグレータ
6a— 6c 拡散板
7a— 7c 空間光変調素子
8a— 8c フィールドレンズ
9 ダ'イクロイックプリズム
10 投写レンズ
11 スクリーン
12a— 12c 集光レンズ
13a— 13c 拡散板移動手段
15a, 15c ミラー
21a 赤色半導体レーザ光源
21b 緑色レーザ光源
21c 青色半導体レーザ光源
25a, 25c 高周波電源
101 最適領域
102 青色出力が最小の領域
103, 203 広い色範囲が得られない波長領域
104 青色半導体レーザの最適領域
105 大出力青色半導体レーザの実現が困難な領域
204 赤色半導体レーザの最適領域
106, 201 視感度が小さい波長領域
205 大出力赤色半導体レーザの実現が困難な領域
発明を実施するための最良の形態
(実施の形態 1)
以下、本発明の実施の形態について説明する。
図 1は本発明の実施の形態 1に係る二次元画像表示装置の構成例を示す図である 。図 1において、 100は本発明の実施の形態 1の二次元画像表示装置である。
この二次元画像表示装置 100は、図 9に示す従来の二次元画像表示装置におけ る青色光源と赤色光源に半導体レーザを用いたものである。赤色光源である赤色半 導体レーザ 21aの中心波長は 635nm— 655nmであり、青色光源である青色半導体 レーザ 21cの中心波長は 420nm— 455nmであり、緑色レーザ 21bの中心波長は 5 05nm— 550nmである。また、赤色半導体レーザ 21a、青色半導体レーザ 21cはそ れぞれ高周波電源 25a、 25cが接続され、発振スペクトルを広げている。
[0036] なお、ビームエキスパンダ 2a— 2c、光インテグレータ 3a— 3c、集光レンズ 12a— 12 cによって空間光変調素子 7a— 7cを照射する光学系、および、拡散板 6a— 6cを拡 散板揺動手段 13a— 13cによって揺動してスペックルノイズを低減する光学系、さら にダイクロイツクプリズム 9、投写レンズ 10によってスクリーン 11に投影する光学系（二 次元の画像を形成する手段）は従来のものと同様である。
[0037] また、図 1に示す二次元画像表示装置は青色光源及び赤色光源の一例として半導 体レーザを用いているが、光源は半導体レーザに限るものではなぐ出射光が半導 体レーザと同等またはそれ以下のスペクトル幅を有する光源であれば良 、。例えば、 スーパー.ルミネスセンス.ダイオード（SUper Luminescence Diode)でも良い。光源と して半導体レーザを用いない場合は、高周波電源 25a、 25cを備える必要はない。
[0038] 次に作用効果について説明する。
この実施の形態の二次元画像表示装置は、青色光源及び赤色光源（図 1では、赤 色半導体レーザ 21a及び青色半導体レーザ 21c)の中心波長の範囲を最適化したも のであり、以下詳しく説明する。
[0039] まず、標準白色光源に相当する白色を、出力を抑えつつ得られるように、青色光源 あるいは赤色光源の発振波長を変化させたときのそれぞれの光源に必要になる出力 を計算により求めた。
[0040] それぞれの光源に必要な最大出力は、明るい白色を表示する際に必要な出力で 決まる。そのため、目の視感度だけでなぐ 3色それぞれの光源出力のバランスを考 慮して白色表示をする際の光出力を計算した。その結果、波長に対して単調に視感 度が変化する青色領域において、光源の波長に対して必要な光出力は単調な変化 を示すのではなぐ必要な光出力が最小となる或る最適な波長が存在することを見い だした。その結果を図 2—図 5に示す。
[0041] この図 2—図 5に関する計算方法は以下の通りである。
一般に、 2種の光を混色する際の合成色の色度及び光束は以下の式に従って計 算できる。すなわち、色度座標が（xl, yl)で表される A1ルーメンの光束と、色度座 標が（x2, y2)で表される A2ルーメンの光束とを混色したときの合成色の色度座標 ( x3, y 3)と光束 A3はそれぞれ、
x3= (y2 * xl *Al +yl * x2 * A2) / (y2水 Al +y 1水 A2)
y3 =y 1 * y2 * (yl +y2) / (y2 * Al +y 1 * A2)
A3=A1 +A2
で表わされる。
[0042] 従って、 3色の光を混色したときの光は、前記計算式を用いて、まず第 1、第 2の 2色 の光を混色したときの合成色の色度座標と光束とを計算し、さらに、前記合成色と第 3の光を混色することで求めることができる。
[0043] 図 2—図 5に示す光源の出力を計算する際には、以下のような手順で計算を行う。
まず、それぞれの点に対応する波長の 3色の光の光束を無作為に決定し、それらを 混色した合成色の色度座標と光束を計算する。次に、それぞれの光束を適宜選んで 混色した時の合成色の色度座標をその都度計算し、 3色の合成色の色度座標が標 準白色光源 d65(dは daylightの略)の光と同じ (X, y) = (0. 313, 0. 329)となるよう に青色，赤色，緑色の光の光束をカットアンドトライで決定したものである。
[0044] 図 2—図 5は、赤色光源の中心波長を 635nmまたは 655nmに、緑色光源の中心 波長を 505または 535nmに設定し、光源から出力される光を混色した際に全光束が 1000ルーメンになり、色度図上での座標が標準白色光源 d65の色の座標と一致す るときのそれぞれの光源出力を、青色光源の波長に対してプロットしたものである。こ こで赤色光源の中心波長と緑色光源の中心波長を上述のように設定したのは、赤色 光源では中心波長が 635nm— 655nmで光出力が小さぐかつ、広い色範囲が得ら れるからであり、緑色光源では中心波長が 505nm— 550nmで、光出力が小さぐか つ、広い色範囲が得られるからである。さらに、赤色光源については、表現可能な色 を NTSCより拡大しょうとすれば、この近傍の波長とすればよいことが図 7の色度図よ り予測できること、なおかつこの近傍で波長を変化させたとしても、青色光源の出力 のグラフの概形が定性的に変化しないこと、による。また、全光束を 1000ルーメンに 設定したのは、市販のプロジェクタと同程度の明るさを確保しょうとすれば、この程度 の値が必要となるからである。
[0045] 図 2—図 5に示すように、赤色光源の中心波長を 635nmまたは 655nmに設定して も、緑色光源の中心波長を 505nmまたは 550nmに設定しても、青色光源は、中心 波長が 420nm— 480nmの範囲で、その出力を抑えることができることが分かった。 さらに、青色光源では中心波長が 455nm以上になると（図 2—図 5の領域 103)、広 い色範囲が得られないことから、青色光源は必要な出力が小さくて済み、かつ広い 色範囲が得られる 420nm— 455nmが最適領域（図 2— 5に示す最適領域 101)とな ることが分かる。また、この最適領域 101における白色表示時の青色光源と緑色光源 の出力の比はおよそ 0. 5 : 1以上 4 : 1以下であり、白色表示時の赤色光源と緑色光 源の出力の比は 0. 4 : 1以上 1. 3 : 1以下である。
[0046] さらに、出力の観点力 判断すると、出力が最小になる中心波長 440nm— 455nm の領域 (領域 102)が、青色光源にとってさらに好ましい領域となる。
[0047] 以上のことを総合すると、従来のレーザディスプレイ装置では比較的長波長の青色 光源と比較的短波長の赤色光源を用いて 、たのに対し、本実施の形態 1のように、 青色光源の中心波長を 420nm以上 455nm以下とし、赤色光源の中心波長を 635η m以上 655nm以下とし、緑色光源の中心波長を 505nm以上 550nm以下とすること で、より小さい出力で純粋な白色の発光が可能で、広い色範囲が得られる二次元画 像表示装置が実現可能となる。さらに、青色光源の中心波長を 440nm以上 455nm 以下とすることで、青色光源の出力を最小になるように抑えつつ、純粋な白色の発光 を得ることができる。
[0048] そして、青色光源の最適領域 101及び赤色光源の中心波長 635nm— 655nmの 領域を色度図で示したものが図 7における Dbおよび Drであり、色範囲を拡大できて 、ることが分力る。
[0049] ここで、青色光源を半導体レーザに限定した場合について説明を行う。この場合、 図 2—図 5に示すように、青色光源は、視感度が小さい領域 106と、広い色範囲が得 られない領域 103と、大出力青色半導体レーザの実現が困難な領域 105とに挟まれ た領域 104が青色半導体レーザの最適領域となることが分かる。すなわち、領域 104 より短波長側の領域 106で大きな出力が必要になるのは視感度が低下するためであ る。また 455nmより長波長側の領域 103で大きな出力が必要になるのは、光源の色 が表示色の d65光源の色に接近するため、赤色光，緑色光に比べてより大きな光出 力を必要とするためである。また、 455nmより長波長側の領域は大出力青色半導体 レーザの実現が困難な領域でもある。このように、青色半導体レーザでは、小さい光 出力で同じ明るさの映像を得るためには、光源の中心波長を 435nm— 455nm程度 に設定するのがよい。この領域 104は、図 2—図 5に示す、青色光源の出力が小さく て済み、広い色範囲が得られる最適領域 101と重複することから、青色光源として半 導体レーザを用いる場合でも、本発明は有効であることが分力つた。
[0050] 次に、赤色光源を半導体レーザに限定する場合についても図 6を用いて説明する 。図 6に関する計算方法は図 2—図 5に関する計算方法と同様であるので説明を省 略する。図 6は、緑色光源の中心波長を 532nm、青色光源の中心波長を 457nmに 固定し、光源から出力される光を混色した際に全光束が 1000ルーメンになり、色度 図上での位置が標準白色光源 d65光源の色の座標と一致するときのそれぞれの光 源の出力を赤色光源の波長に対してプロットしたものである。なお、緑色光源の中心 波長を 532nm、青色光源の中心波長を 457nmに設定したのは、これらの波長の光 源がすでに市販されて!ヽるカゝらである。
[0051] 赤色光の場合、長波長側の領域 201で視感度が低下するため、ここで計算した 61 Onm以上の範囲では、波長がより短い方が光源出力はより小さくてよい。具体的には 、赤色光源の出力が、青色、緑色光源出力の 5倍以下で白色表示が可能となる中心 波長 655nm以下に選ぶのがよい。また光源波長が 625nm以下の領域 203になると 色範囲が NTSC規格程度にまで狭くなり、レーザディスプレイ装置の特徴を活かせ なくなる。また、 635nm以下の短波長領域 205は大出力赤色半導体レーザの実現 が困難な領域でもある。従って、 635nm以上、 655nm以下が最適領域 204となる。 この領域 204における赤色光源と緑色光源との出力の比はおよそ 1. 8 : 1以上、 5 : 1 以下である。
[0052] そしてこれら青色半導体レーザの最適領域 104および赤色半導体レーザの最適領 域 204を色度図で示したものが図 7における Dbおよび Drであり、色範囲を拡大でき ていることが分かる。
[0053] 前記のように、より小さい光出力で明るい画像表示が可能な波長範囲の光を出力 するレーザ光源としては、赤色では波長 633nmのヘリウムネオンレーザや波長 647 nmのクリプトンレーザ、あるいは波長 630nmのネオジゥム YAG固体レーザを基本と した波長変換レーザ、波長 630nm— 680nmの AlGalnP半導体レーザなどがある。
[0054] これらのうち、ヘリウムネオンレーザ等の気体レーザと波長変換レーザは比較的発 光効率が低ぐ明るいディスプレイを実現するには大きなレーザヘッドが必要になり、 装置が大きくなる、あるいは消費電力が大きいなどの欠点がある。これに対して AlGa InP半導体レーザは、前記レーザに比べてサイズも小さぐ高効率であり、装置の小 型化、低消費電力化に有利である。
[0055] 近年赤色半導体レーザの高出力化の進展がめざましぐ記録再生型光ディスクドラ イブ用として lOOmWを越える出力のものが実用化されている。 100インチ程度以下 のプロジェクタには 1一数 Wの光源出力が必要となるが、光ディスクドライブ用光源と 異なり、プロジェクタ用光源は波面収差の制約が小さいため、発光点サイズの大きな ワイドストライプ半導体レーザが利用可能になることから、 1ワットを越える半導体レー ザは容易に実現可能である。また半導体レーザを用いることの別の利点は、駆動電 流に高周波信号を重畳することで可干渉性を低下させ、簡単にスペックルノイズを低 減することができることである。
[0056] ところで、半導体レーザの発振波長は以下のような理由で制限される。 AlGalnP結 晶は、（AlxGal-x) In Pなる式でその糸且成が表され、この結晶を用いた赤色半導
0.5 0.5
体レーザにおいては、 A1組成 Xの割合を増やすことでバンドギャップ (禁制帯幅）が 増大し、発振波長が短波長化する。例えば x=0. 7でバンドギャップ約 2. 3eV (波長 約 540nm)が得られる。し力しながら、 xが大きくなる領域では、活性層へのキャリア（ 特に電子）の閉じ込めが不十分となり、オーバーフロー電流の増大により無効電流が 増加する。その結果、高出力動作や高温動作が困難となる。この制限よりレーザディ スプレイに必要な数 Wの出力を室温条件下で得るためには、発振波長を 635nm以 上に設定すればよい。
[0057] また、より小さい光出力で明るい画像表示が可能な波長範囲の光を出力する青色 レーザ光源としては、波長 441nmのヘリウムカドミウムレーザや、ネオジゥムドープ Y AG固体レーザと非線形光学素子とを組み合わせた波長 457nmの SHG(Second Harmonic Generation;第 2高調波)レーザがある。この SHGレーザは、固体レーザか らのレーザ光を非線形光学素子の非線形媒質によって半波長の光にする。また波長 400nm— 460nmの窒化ガリウム（AlGalnN系）をベースとした半導体レーザの開発 が近年盛んであり、ワットクラスのレーザが実現しつつある。これらのうち、ヘリウムカド ミゥムレーザと SHGレーザは比較的発光効率が低ぐ明るいディスプレイを実現する には大きなレーザヘッドが必要になり、装置が大きくなる、あるいは消費電力が大き いなどの欠点がある。これに対して AlGalnN系半導体レーザは、前記のレーザに比 ベてサイズも小さぐ高効率である。
[0058] AlGalnN系半導体レーザの中心波長は Inの組成比率によって変化し In組成比を 高くするほど長波長の光を得ることができる。しかしながら In濃度の上昇に伴って結 晶中の In偏祈が多くなり、低閾値電流でレーザ発振する高効率かつ信頼性の高い A IGaInN系半導体レーザの実現は困難である。活性層領域の In濃度を変えて数種の 半導体レーザを試作し、その発振波長と発振閾値電流とを測定した結果を図 8に示 す。図のように波長が長くなると閾値電流が大きくなる力 波長 440nmを越えると閾 値上昇が顕著になり、さらに波長 455nmを越える領域では発振させることができなか つた。この結果より、 AlGalnN系半導体レーザを用いて二次元画像表示装置を実現 するためには波長 455nm以下のレーザを用いるのが良い。また、閾値電流が大きい 半導体レーザにおいては高出力かつ長寿命を同時に実現する事がより困難になる ため、さらに好ましくは、波長 440nm以下のレーザを用いることであり、このような波 長のレーザを用いることで発振閾値が比較的小さぐ高効率かつ信頼性の高い二次 元画像表示装置が実現できることが分力つた。
[0059] 以上を総合すると、従来のレーザディスプレイ装置では比較的長波長の青色光源 と比較的短波長の赤色光源を用いていたのに対し、本実施の形態 1では、青色光源 の中心波長を 420nm以上 455nm以下とし、赤色光源の中心波長を 635nm以上 6 55nm以下とすることで小型、高効率かつ広 ゝ色範囲が得られる二次元画像表示装 置が実現可能となることが分力 た。またさらに望ましくは青色光源に中心波長が 42 Onm以上 440nm以下の AlGalnN系半導体レーザを用いることで、発振閾値が比 較的小さぐ高効率かつ信頼性の高い二次元画像表示装置が実現可能となることが 分かった。
[0060] 緑色レーザについては現在 1ワットを越える半導体レーザそのものの実現のめどは ないが、半導体レーザ励起ネオジゥムドープ YAG固体レーザの出力光（波長 1064 nm)の 2次高調波（波長 532nm)を利用した光源が市販されており、半導体レーザ の直接発振には及ばないものの、比較的高効率かつ小型の緑色固体レーザが利用 できる。
[0061] このようにして、光源の波長を限定することで高効率かつ低消費電力のレーザディ スプレイを実現することができる。
[0062] このように、本実施の形態 1によれば、二次画像表示装置を半導体レーザにより実 現する際、赤色半導体レーザ光源として中心波長 635nm— 655nmのものを使用し 、青色半導体レーザ光源として中心波長 420nm— 455nmのものを使用することで、 気体レーザや固体レーザを使用する際の、光源の消費電力が大きぐ光源サイズが 大きいという問題を解決できるとともに、より小さい出力で純粋な白色の発光が可能な 二次元画像表示装置を実現することが可能となる。
[0063] また、青色半導体レーザ光源として特に中心波長 420nm以上、 440nm以下のも のを使用することで、青色光源の出力の増加を可能にし、し力もその信頼性を向上さ せることができる。
[0064] なお、以上では投写型ディスプレイを例にとって本発明の二次元画像表示装置の 説明を行ったが、本発明は、背面投写型ディスプレイにも適用することができる。また ノ ックライトにレーザ光源を用いた液晶パネル型ディスプレイのような二次元光スイツ チ型ディスプレイにも適用可能である。
[0065] また、青色半導体レーザ光源および赤色半導体レーザ光源には、それぞれ上述の ような窒化ガリウム系および AlGalnP系の半導体レーザを使用すればよいが、他の 材料系を用 、て青色や赤色の発振が可能になれば他の材料系の半導体レーザを 用いてもよい。この場合、半導体レーザの材料系や組成が変化することにより半導体 レーザの出力特性が変化することが予想されるが、その場合でも、図 2—図 6に示す 半導体レーザ光源の最適領域 104、 204に相当する領域が存在する場合は、本発 明を適用できることは言うまでもない。
[0066] さらに、緑色光源についても半導体レーザが実現できればこれを用いるのが望まし ぐその場合も出力の最適領域が存在する場合は、本発明を適用できることは言うま でもない。
産業上の利用可能性
[0067] 以上のように、本発明に係る二次元画像表示装置は、光源の消費電力や光源サイ ズを低減できるとともに、純粋な白色を発光でき、映像プロジェクタ、背面投写型テレ ビ受像機として有用である。このような投写型装置の他、背面照明光に同様の光源を 用いることで、液晶テレビ、液晶ディスプレイのような光スィッチ型の画像表示装置に も利用可能である。

Claims

請求の範囲
[1] 赤色光を出射する赤色光源と、
緑色光を出射する緑色光源と、
青色光を出射する青色光源と、
前記 3色の光源からの光を用いて二次元の画像を形成する手段とを備え、 前記青色光源の中心波長が 420nm以上 455nm以下である、
ことを特徴とする二次元画像表示装置。
[2] 請求項 1記載の二次元画像表示装置において、
前記赤色光源の中心波長が 635nm以上 655nm以下であり、
前記緑色光源の中心波長が 505nm以上 550nm以下である、
ことを特徴とする二次元画像表示装置。
[3] 請求項 1記載の二次元画像表示装置において、
白色表示時の前記青色光源の光出力と前記緑色光源の光出力との比が 0. 5 : 1以 上、 4 : 1以下であり、
白色表示時の前記赤色光源の光出力と前記緑色光源の光出力との比が 0. 4 : 1以 上、 1. 3 : 1以下である、
ことを特徴とする二次元画像表示装置。
[4] 請求項 1記載の二次元画像表示装置において、
前記赤色光源の中心波長が 635nm以上 655nm以下である、
ことを特徴とする二次元画像表示装置。
[5] 請求項 1記載の二次元画像表示装置において、
前記緑色光源の中心波長が 505nm以上 550nm以下である、
ことを特徴とする二次元画像表示装置。
[6] 請求項 1に記載の二次元画像表示装置にお!、て、
前記青色光源の中心波長が 440nm以上 455nm以下である、
ことを特徴とする二次元画像表示装置。
[7] 請求項 1に記載の二次元画像表示装置にお!、て、
前記青色光源の中心波長が 440nm以下である、 ことを特徴とする二次元画像表示装置。
[8] 請求項 1に記載の二次元画像表示装置にお!、て、
前記青色光源が窒化ガリウムをベースとした半導体レーザである、
ことを特徴とする二次元画像表示装置。
[9] 請求項 1に記載の二次元画像表示装置にお!、て、
前記赤色光源が AlGalnPをベースにした半導体レーザである、
ことを特徴とする二次元画像表示装置。
[10] 請求項 1に記載の二次元画像表示装置において、
前記各光源は、その出射光が半導体レーザ光源と同等、またはそれ以下のスぺク トル幅を有することを特徴とする二次元画像表示装置。
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