JP2010527027A - 表示装置、方法および光源 - Google Patents

Abstract

この発明によれば、光源を備える表示装置が提供され、前記光源は少なくとも１つの高輝度発光ダイオード（ＳＬＥＤ）を備え、装置はさらに、前記光源によって放出された光ビームのビーム経路に配置され、前記光ビームが入射すると影響された光を放出するよう動作可能な、少なくとも１つの光変調デバイスを備え、光変調デバイスは電子制御機器に作動的に接続され、表示装置はさらに、前記影響された光のビーム経路に配置された投影光学部品を備える。

Description

発明の分野
この発明は表示システムの分野に属し、光源を有する表示システムに関する。

発明の背景
光源を含む表示システムは、広範囲に及ぶ用途を有している。それらは、（モニタ画面およびテレビ画面といった画面を含む）背面投影ディスプレイ、ＬＣＤ、ＤＬＰ、ＬＣＯＳ（など）といった前面投影システム、ならびに、ピコプロジェクタ（ポケットプロジェクタとも呼ばれる）、ヘッドアップディスプレイなどを含む。

表示システムは画像を表面（たとえばパネル）上に、または直接人間の目の中に投影する。照射システムは、適切な光検出器によって検出されるのに好適な広帯域の光を生成して、環境（たとえば人間の目）を照らす。投影システムおよび表示システムで通常使用される光源は、大きい色域を可能にするよう広帯域であり、また、パネル上にしみおよび影をもたらし得る異なる光路間の干渉を回避するよう非干渉性である。光源では、主として投影システムに関連したかなりの光学的損失に起因して、パネル上で好適な強度を得るには高いパワーレベルが必要とされる。現代の投影表示システムは、電子情報から画像を生成する光変調デバイスを含み、とりわけ、空間光変調器（ＳＬＭ）、マイクロメカニカルシステム（ＭＥＭＳ）、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）、デジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）、デジタル光プロジェクタ（ＤＬＰ）、回折格子光制御弁（ＧＬＶ）、および電気的に切換可能なブラッグ回折格子（ＥＳＢＧ）などを含む。あらゆる分割システムおよび変調システムは、照射ビームの強度を操作して画像をパネル上に生成するという目的を有している。これは、米国特許第６８９７９９９号に記載されているように、光学的に書込まれるディスプレイと呼ばれることがある。全体的なシステム効率は、光源と変調ユニットとの結合によって強く影響される（「投影ディスプレイのスループット：光伝送および光源収集の効率」（Projection display throughput: Efficiency of optical transmission and light-source collection）、ＩＢＭジャーナル・オブ・リサーチ・アンド・ディベロップメント（IBM Journal of Research and Development）、５月〜７月 １９９８年を参照）。したがって、システム全体の効率的なエネルギ変換、または強度操作のために、光源での良好なビーム品質が必要とされる。

典型的な投影ディスプレイは、以下の機能部品から作られる：
・高パワーアークランプといった広帯域光源；
・スペクトルの紫外成分および赤外成分を除去するフィルタ（光源および光学系の残りによって必要とされる場合）；
・１つの軸に沿って光を偏光する偏光子（変調ユニットによって必要とされる場合）；
・光を複数の主な色に分割するビームスプリッタ；
・各部における画像の強度を規定する１つ以上の光変調ユニット；
・複数の色を再度組合せて白色画像を形成するビームミキサ；
・画面上に光の焦点を合わせる投影レンズ。

光学系の複雑性に起因して、全体的なパワー効率は通常、非常に低い（Ｆ．Ｅ．ドアニー（Doany）他、ＩＢＭジャーナル・オブ・リサーチ・アンド・ディベロップメント、第４２巻、no.３／４、５月／６月 １９９８年を参照）。変調デバイスを含むシステムの変換効率は、光源と変調ユニットとの結合によって強く影響される。現代のプロジェクタは広帯域光源としてキセノンランプを使用している。生成された光は、パラボラ反射器を
用いて光学系へと向けられる。これにもかかわらず、光源と第１のレンズ群との間の最大結合効率は通常、約８０％である。さらに、アークランプは超広帯域光源であり、すなわち、スペクトルの使用可能な部分は光源の自然放出スペクトルよりも狭く、システム内部のいくつかの光学部品の損傷を防ぐためにＵＶ成分およびＩＲ成分双方をフィルタリングすることで、かなりの量のエネルギが失われる。以下の表は、従来技術の投影システムにおける異なる段階の光伝送効率を示す。

たとえば第１世代のＬＣＤのように、変調デバイスの中には１つの偏光に対してのみ敏感なものがある。したがって、これらのシステムでは、かなりの量のエネルギが偏光子でも失われる。今日、多くのディスプレイは、画像の各部における光強度を変更するために、各素子が非常に迅速にオンおよびオフに切換わり得る複合ミラーからなるデジタル光プロセッサ（ＤＬＰ）を使用している。この変調デバイスは光偏光を感じず、偏光に依存する変調ユニットに比べて良好な効率を提供する（ラース Ａ．ヨーダー（Lars A. Yoder）、「デジタル光処理（ＤＬＰ^TM）技術入門」（An Introduction to the Digital Light
Processing (ＤＬＰ^TM) Technology）、テキサス・インスツルメンツ白書（Texas Instruments white paper）を参照）。

そのようなディスプレイシステム用に、以下を含むさまざまな光源が市場に出回っている：
・白熱電球；
・ガス放電灯；
・キセノンランプ；
・陰極線管；
・超高圧（ＵＨＰ）ランプ。

今日、白熱電球およびガス放電灯は典型的には、照射システム用にのみ使用されている。白熱電球はまた、極めて長い寿命値を特徴として備えてはいないが、各品目のコストが低いため、総コストが非常に手頃になっている。しかしながら、変換効率が低いため、国によっては、温室効果ガスの排出の削減に役立てるために電球を禁止したところもある。ガス放電灯はその点でより有益であるが、輝度およびスペクトル幅が制限されているという欠点を抱えている。

しかしながら、投影システム用には、上述の低い全体的パワー効率に起因して、高パワーランプのみが好適である。通常、投影表示システムでは、表示パネル上の好適な光強度を確実にするために、高パワーのキセノンランプが採用されている。電球は安価である一方、キセノンランプのコストは非常に高く、そのためそれはシステム全体のコストにかなりの部分寄与する。光源の寿命は、もう１つの問題である。典型的には、キセノンランプ
の寿命値は約３０００時間であり、たとえその時間の直後にそれらが機能しなくなることはないとしても、ディスプレイ上に形成される画像の品質は、時間の経過とともに低下する。

より一般的には、画像投影システムまたは照射システムによく見られるあらゆる光源は、いくつかのよく確立した特徴を有する：
・広い面積の照射を可能にする、高い光パワー；
・必要な量の光を生成するためにかなりの余熱が発生したことを意味する、低いエネルギ変換値；
・パネルまたは照射面上に形成された画像に縞模様またはしみをもたらし得る異なる光路間の干渉を回避するための、電磁放射の非干渉性の時間的推移；
・使用される光検出器の（たとえば人間の目の）スペクトル応答全体をカバーする、広帯域の放出スペクトル；
・他の光学素子との良好な結合を確実にするのに好適ではないため、ビームの指向性および他の光学素子との良好な結合を確実にするよう製造業者等にレンズ、ミラー、パラボラ偏向器、および他の光学素子を使用させるようにする、ビーム特性；
・信頼性および寿命の問題。

ピコプロジェクタ（ピコＰ）は、極めて小型のプロジェクタである。現在の照射源はＬＥＤであり、用途によってはレーザである。ピコＰはバッテリにより駆動され、その目的は手持ち装置（用途によってはデスクトップ）である。したがって、それらは、ＰＤＡ、デジタルカメラ、携帯電話といった装置に埋め込まれる／組み込まれるよう意図されており、より大きなピコＰの場合、ラップトップコンピュータまたはＤＶＤプレイヤーに埋め込まれる／組み込まれるよう意図されている。

発明の概要
この発明の一目的は、先行技術の表示装置の欠点を克服する表示装置を提供することである。この発明のさらに別の目的は、信頼性が向上した光源を有する表示装置を提供することである。さらに別の目的は、先行技術の表示装置に比べて寿命が向上した光源を有する表示装置を提供することである。この発明のさらに別の目的は、全体的な（プラグ外の（out-of-the plug））効率が向上した表示装置を提供することである。この発明の他の目的は、全範囲が幅広い光源を有する表示装置を提供することである。さらなる目的は、小さい形状因子および／またはより簡単なセットアップを有する表示装置を提供することである。また、この発明の一目的は、情報を表示する改良された方法を提供することである。最後に、さらに別の目的は、表示装置用の光源を提供することである。

この発明によれば、光源を備える表示装置が提供され、前記光源は少なくとも１つの高輝度発光ダイオード（ＳＬＥＤ）を備え、装置はさらに、前記光源によって放出された光ビームのビーム経路に配置され、前記光ビームが入射すると影響された光を放出するよう動作可能な、少なくとも１つの光変調デバイスを備え、光変調デバイスは電子制御機器に作動的に接続され、表示装置はさらに、前記影響された光のビーム経路に配置された投影光学部品を備える。

高輝度発光ダイオード（ＳＬＥＤ）は、増幅自然放出によって光を生成する光電子デバイスである。これは、自然放出された光子が導波路内部の誘導放出によって増幅され、開口へと向けられることを意味する。ＳＬＥＤは通常、レーザデバイスとＬＥＤデバイスとのハイブリッドであると考えられる。

光変調デバイスは、時間の関数である、或る特定の方向に送られた光の平均強度に、たとえば吸収または偏向によって影響を与えるデバイスである。これにより、所望の画像が生成される。したがって、光変調デバイスは、能動的な電子制御式デバイスである。

第１の実施例によれば、表示装置は単色性であってもよく、光源は、本質的に同一の放出スペクトルを有するたった１つのＳＬＥＤまたは１群のＳＬＥＤを備えていてもよい。

代替的な好ましい一実施例によれば、光源は、多色表示装置の光源であってもよく、また、複数のＳＬＥＤデバイスまたは複数の群のＳＬＥＤデバイスを備え、各ＳＬＥＤデバイスまたは各群のＳＬＥＤデバイスは中心波長が異なる放出スペクトルを有していてもよい。「中心波長」という用語は、放出スペクトルが特定の対称性を必ず有すること、またはそれが必ず連続的であることを意味してはおらず、むしろ、中央の波長を示している。

たとえば、少なくとも１つの赤色、緑色および青色のＳＬＥＤが存在してもよい。光源のＳＬＥＤは、少なくとも部分的に物理的にグループ化されてもよく、または、異なる場所に物理的に配置されて、一緒に接続されていなくてもよい（ただし、たとえば、装置のまたはその光源サブユニットの共通の筐体内に搭載されることによる場合を除く）。

複数のＳＬＥＤの代替例として、少なくとも１つのＳＬＥＤおよび少なくとも１つの他の光源、たとえばレーザが使用されてもよい。そのようなハイブリッド表示システムのＳＬＥＤおよびレーザは、たとえば異なる中心波長で放射してもよく、そのため多色表示システムが可能となる。

多色表示装置（この用語は、少なくとも２色の画像を表示可能な表示装置を示す）の場合、装置は単一の光変調ユニットを備えていてもよい。異なる色のＳＬＥＤから生じる光部分はその場合、同じ光変調ユニット区域上にすべて投影される。この設計では、ＳＬＥＤおよび光変調デバイスは、２つ以上の光変調ユニットを必要とせずにカラー画像を表示できるよう、時分割多重方式で動作可能であり、そのため任意の色感がディスプレイ面上に生成され得る。これは、十分に高い周波数については、目は、網膜に持続する画像のため、画像における「飛び（jump）」が見えないためである。

そのようなアプローチにより、光変調ユニットの数を抑えることができる。そのようなアプローチを提供する可能性は、この発明に従った装置のさらに別の利点である。なぜなら、高パワーガスレーザ、電球またはキセノンランプとは対照的に、ＳＬＥＤ光源は非常に迅速にオンおよびオフに切換可能であるためである。迅速にオンオフに切換える能力の欠落は、従来技術のシステムがビームスプリッタおよびビーム結合器を持たざるを得ない理由の１つとなっている。

ＳＬＥＤの時間交換式動作は、光変調デバイスの動作と同期した態様でＳＬＥＤをオンおよびオフに切換えることによって、または、ＳＬＥＤが放出した光を適切な光遮断器または再方向付け器が適切な間隔の間のみ変調デバイスに届くようにすることによって実現され得る。そのような光遮断器または再方向付け器は、たとえば、部分的に黒い回転ホイール、回転ミラー、またはＭＥＭＳ作動式ミラーなどを含んでいてもよい。

異なるＳＬＥＤの光ビームが同じ光変調デバイスに向けられ、光源が時間的に交互に作動される場合、ビームスプリッタの必要はなく、また、光源が一度に１つしかアクティブにならない場合、エネルギが節約できる。

時分割多重方式の動作の一代替例として、表示装置は、複数の、好ましくは１色につき
１つの光変調ユニットを備えていてもよい。異なる色のＳＬＥＤからの光はその場合、関連する光変調ユニットに当たり、そこから表示対象上へと投影される。対応する投影光学部品はその場合、（逆に作動する）ビームスプリッタといった、異なる光比率を画像に併合するための手段を含んでいてもよい。

上述の事項によれば、この発明に従ったアプローチは、以下の手段のうちの少なくとも１つによって、白色光から始める必要なく所望の色を得る可能性を提供する：
１．異なる波長の光比率が異なる時間に光変調デバイスに作用する。

２．異なる波長の光比率の光路は、光変調デバイスの上流では異なっており（交互配置されておらず）、光変調デバイスの下流でのみ交互配置されている。

いずれの場合も、光変調ユニットへの入射光のスペクトルは、生成されるべき画像の全スペクトルの一部にしか対応していない。放出スペクトルが異なるＳＬＥＤによって放出された光は、好ましくは、白色光を提供するために組合されない。光変調デバイス／ユニットへの入射光はまた、「単色性」であるとして見られてもよく、ここで、この文脈での「単色性」は、対応する半導体レーザによって放出された光スペクトルに比べて比較的幅広い、単一のＳＬＥＤによって放出された光の光スペクトルを特徴づけている。光変調デバイス／ユニットへの入射光は、好ましくは、ＳＬＥＤによって直接放出された光の光スペクトルに対応するスペクトルを有する光である。すなわち、ＳＬＥＤによって出力された主要光からの周波数範囲のカットオフは、しばしば不必要である。

光変調デバイス（またはそれらのユニット）は、たとえば、フル画像が縮小されて作成され、投影光学部品が画像を拡大してそれを所望の場所に投影するようになっている。適切な光変調ユニット区域上に縮小されて作成されたフル画像は、この文では前画像と呼ばれることもある。複数の光変調ユニットを含む実施例では、好ましくは、たとえば３つのユニットの各々がフル前画像を生成し、（たとえば青色、緑色および赤色に対応する）３つのユニットの３つの画像が、同じ画像区域へ投影される。

いずれの場合も、光変調デバイスまたはそのユニットは前画像を作り出し、それはフル画像へと、または少なくともその大部分、たとえばその少なくとも１／１０、たとえば１／２へと結像される。これは、多数の光源が存在し、各々が生成されるべき画像の小さな一部（たとえば画素）を作り出す、光変調デバイスがない仮想のシステムとは対照的である。

ＳＬＥＤデバイスと変調デバイスとの間、および変調デバイスと投影対象との間に、この装置は好ましくは光学素子を備える。ＳＬＥＤによって放出された光は、好ましくはコリメートされる。照射均質性を向上させるために、光変調デバイス／ユニットは、デバイス／ユニットが多かれ少なかれビーム強度が最大である場所に位置するように、光変調デバイス／ユニット自体よりも大きい面積を有するビームによって照らされてもよい。そのような場合にビームを形作り、それにより変調デバイス／ユニット上の、ひいてはパネル上の照射均質性を向上させるために、非点収差補正レンズが使用可能である。加えて、またはそれに代えて、主要光の強度を補正する均質照射が、強度フィルタによってもたらされてもよい。

光変調デバイスによって作り出された前画像は、投影対象上へと結像される。そのような画像化を行なう方法は当業者には公知であり、それを行なうさまざまな方法はここではこれ以上追求しない。

ＳＬＥＤ光源を光変調デバイスと組合せるこの発明に従ったアプローチは、先行技術の
ディスプレイを上回る重要な利点を特徴とする。

今日、半導体技術により、画像システムおよび表示システムにおいて使用可能な可視電磁放射の生成が可能になっている。従来技術の半導体ベースの光源は、２つの主な種類に分類され得る：
・幅広いエネルギスペクトルと非干渉性の光とを有する発光ダイオード（ＬＥＤ）；光は導かれないため、外部の光学素子への結合が悪い；
・狭いスペクトルと干渉性が高い光ビームとを有する、放射の誘導放出による光増幅器（レーザ）；狭い導波路は電磁放射を閉じ込め、光の良好なファイバ内結合、すなわち高い空間干渉性をもたらす。

大まかに言えば、半導体光源は、従来のランプに比べてはるかに長い寿命と、より小さい形状因子およびより良好なエネルギ変換効率とを提供し、より低い電気料金を示唆する。さらに、可視スペクトルで放出する多数の半導体光源を用いたシステムは、ユーザ体験を向上させるために拡張された色域を約束する。にもかかわらず、半導体光源は、深刻な欠点のため、特別な場合にのみ表示装置用に検討されてきた。

一方、ＬＥＤは小さい光出力パワーしか提供しない。この問題を克服するために、放出区域は通常、デバイスの表面を増加させることによって拡大される。これは、放出された光ビームをコリメートすることに関連する問題をもたらし、ビーム品質はダイサイズとともに低下する。したがって、光は、光変調ユニットに効率的に結合できない。

他方、レーザダイオードは、高パワー、コンパクトな設計、光への良好なエネルギ変換、および外部光学系への良好な結合効率、すなわち高い空間干渉性を提供する。しかしながら、レーザダイオードによって出力された光の高い時間干渉性は、しみという深刻な欠点をもたらす。しみは、投影画面の散乱中心間の相互作用によって生じる干渉効果である。これは特に、投影レンズの小さい瞳孔が投影された画像に十分な干渉性を発生させ、キセノンランプといった非干渉性の光源を用いてもしみが生じる背面投影システムにおいて顕著な問題である。現代の背面投影画面はこの効果を最小限に抑えるよう設計されているが、それらはそれを完全には除去できない。レーザなどの干渉性光源はしみを受け入れられなくする。これを回避するために、投影システムでは複雑な偏光解消システムが使用され、デバイスの全体的な効率をかなり低下させる。しみを減らすために、（１）空間干渉性の制御、（２）時間干渉性の制御、（３）空間サンプリング、（４）空間平均化、および（５）画面設計、といった方法が提案されている。空間サンプリングおよび平均化はディスプレイの解像度を低下させ、高解像度のディスプレイ用には受け入れられない。光トンネルといった時間干渉性を低減させる他の手段は複雑であり、多数の部品を必要とし、光強度のかなりの損失をもたらす。

多色ディスプレイ用の光源としてのレーザダイオードのさらに別の欠点は、知覚される色品質である。原則として、何らかの色を生成するには、赤色、緑色、および青色の光を放出する３つのレーザ源を組合せればよい。これはレーザ表示装置で通常行なわれていることである。しかしながら、結果として生じる画像は、適正に色づけされているように見えるものの、多くの人はそれが、キセノンランプなどのフィラメントランプを有する表示システムを用いて生成された画像とは異なることに気付くであろう。キセノンランプなどの広帯域光源は、ユーザが好む色を生成するのにより好適である。これはおそらく、放出されたスペクトルが黒体放射のスペクトルにより類似しているためであろう。より多くの光源が使用される場合でさえ、スペクトルにおける非連続性は、画像品質にとって有害である。

投影システムにおいてレーザダイオードを用いる際のさらに別の障害は、このデバイスが放出する光子の偏光によってもたらされる。レーザダイオードにおいて、ｐ偏光された光子およびｓ偏光された光子の双方を生成するために能動空隙が設計可能な場合でさえ、デバイスの動作中、能動空隙のフィードバックにより、一方の偏光が優勢になる。他方の偏光は常に存在しているが、パワーレベルは数ｄＢ低い。これは、偏光された入射光が実際に１つの利点である第１世代のＬＣＤなどの光変調デバイスにとっては、問題ではない。しかしながら、今日、光変調ユニットの多くは偏光を感じない。したがって、レーザ表示システムでは、光偏光解消器か、または２つのデバイスさえ使用しなければならない。

ＳＬＥＤデバイスは、ＬＥＤ光源およびレーザ光源双方の欠点を克服している。ＳＬＥＤデバイスは誘導放出を用いて、自然放出された光子を増幅し、匹敵する形状因子用の通常のＬＥＤよりも多くのパワーを得る。

ＳＬＥＤデバイスはさらに、それらが放出する光スペクトル帯域幅が大きいため、非常に低い時間干渉性を提供する。この品質により、前に概説したしみに関連する問題はすべて克服される。さらに、半導体レーザと同様に、ＳＬＥＤは、狭い縞の導波路を有して実現されてもよい。光がＳＬＥＤ内部の導波路内を伝搬するにつれて、出力ビームはほぼ回折限界的となってもよく、すなわち、ビームは空間干渉性となり、したがってレンズなどの外部光学系、ひいては光変調デバイスにより良好に結合可能となる。これは通常、光源と光学系との高いエタンデュ整合と呼ばれ、表示システムにおけるＬＥＤの効率的な使用を妨げる主な限定要因である。

また、ＳＬＥＤデバイスは、ｐ偏光およびｓ偏光双方に対して同じパワーを有するよう設計可能であり、すなわち、偏光に依存しない光源である。したがって、ＳＬＥＤデバイ
スは、偏光解消器を必要としないＤＬＰなどの、偏光を感じない光変調デバイスとともに使用可能である。

さらに、ＳＬＥＤはまた、（特に、光を異なる色の光部分へと分割し、それらを再度合体させるために高性能の光学部品が必要とされる場合に、キセノンランプまたは同様の光源と比べて）小さい形状因子を有し、また、より低い消費電力、ならびに拡張された色域を有する。

最後に、ＳＬＥＤは、レーザに比べて幅広いものの、たとえばキセノンランプに比べてより狭いスペクトル放出を特徴としている。これは、電磁スペクトルの必要な部分のみをカバーし、ＵＶ成分およびＩＲ成分のフィルタリングに対する必要性を無くすことを可能にして、全体的なパワー効率を高め、システムの複雑性を低減させる。また、電磁スペクトルの可視部分は、非常に限られた数の異なるＳＬＥＤ、たとえば３つの主要色である赤色、緑色、および青色で放出するＳＬＥＤによってカバーされてもよい。光源は、色の知覚される品質を高めるよう選択され得る。

この発明に従った装置は、鮮明で高品質の画像を提供する装置として設計可能である。これらは以下を含むが、それらに限定されない：
・良好なエネルギ変換値を提供する、背面投影ディスプレイ；
・余熱が最低限に抑えられ、光生成デバイスの寿命の増加によりシステム寿命が向上した、前面投影システム；
・形状因子の低減により全体的な設計がコンパクトに保たれるようになった、ピコプロジェクタ。低いパワー要件により、そのようなデバイスは、半導体ベースの単一放出体デバイスなどの低パワー光源にとって好適となる。これは特に、この種の光源の高い信頼性、および形状因子が小さいシステムに光源を統合する可能性のおかげである；
・形状因子およびエネルギ変換の双方が重大な要因である、統合ディスプレイ；
・形成される画像が目に近いなどの理由にも起因して、画像の鮮明性が必要不可欠である、ヘッドアップディスプレイ。

ＳＬＥＤデバイスはビーム形状が従来のレーザデバイスと同様であるため、それらは、高い空間干渉性が必要とされる０次元フライングスポットスキャナや１次元線形配列といった表示ベクトルシステムにおいても使用可能である。この発明に従った装置はまた、ビーム品質によって良好なエタンデュ整合が可能となるため、２次元マイクロディスプレイベースのプロジェクタにも使用可能である。

システムは、しみを回避するために偏光子または光トンネルを必要としない。なぜなら、それは光源によって要求されていないためである。また、好ましくは、光源から表示対象への光路は、変調デバイスとは別に、ミラー、レンズ、プリズムといった再方向付け手段のみを備えており、光強度の一部をカットする手段を備えていない。加えて、ＳＬＥＤは光スペクトルの必要な部分のみをカバーするよう設計されているため、ビームスプリッタもＵＶフィルタおよびＩＲフィルタも必要ない。

この発明はまた、表示装置用の光源に関しており、光源は、ＰＮ接合を形成する第１の半導体ヘテロ構造と、光ビーム経路を規定する第１の導波路とを備える、第１の高輝度発光ダイオードを備え、ヘテロ構造は、利得領域と、利得領域から光ビーム経路に沿って光放出を生成するよう、利得領域のＰＮ接合に電圧を印加するための接点とを含み、第１の高輝度発光ダイオードは、中心波長が光スペクトルの可視部分にある第１の放出スペクトルを有しており、光源はさらに、ＰＮ接合を形成する第２の半導体ヘテロ構造と、光ビーム経路を規定する第２の導波路とを備える、第２の高輝度発光ダイオードを備え、第２のヘテロ構造は、利得領域と、利得領域から光ビーム経路に沿って光放出を生成するよう、
利得領域のＰＮ接合に電圧を印加するための接点とを含み、第２の高輝度発光ダイオードは、中心波長が光スペクトルの可視部分にある第２の放出スペクトルを有しており、第２の発光スペクトルは、第１の発光スペクトルとは異なっている。

特に、光源は、赤色、緑色、および青色の光をそれぞれ放出する少なくとも３つの高輝度発光ダイオードを備えていてもよい。光源はまた、１つの中心波長につき（「１色につき」）２つ以上のＳＬＥＤを備えていてもよく、たとえば２つの赤色ＳＬＥＤ、２つの緑色ＳＬＥＤ、および２つの青色ＳＬＥＤ、または各々それを上回るＳＬＥＤを備えていてもよい。１色あたりのＳＬＥＤの数は、すべての色について等しいものである必要はなく、異なっていてもよい。たとえば、赤色ＳＬＥＤが青色ＳＬＥＤよりも高い出力パワーを有する場合、光源は、赤色ＳＬＥＤよりも青色ＳＬＥＤを多く備えていてもよい。

加えて、この発明は、画像を表示する方法に関しており、前記方法は、導波路を有する半導体ヘテロ構造を設けるステップと、半導体ヘテロ構造に可視光を放出させ、誘導放出によって前記可視光を増幅させて、それにより導波路に主な光ビームを作り出すステップと、実質的な光ビーム部分が半導体ヘテロ構造にフィードバックされることなく、光ビームが半導体ヘテロ構造から離れるよう放射されるようにするステップと、前画像を生じさせるために光ビームを変調するステップと、画像の全区域上へ前画像を結像するステップとを含む。

「実質的な光ビーム部分がない」とは、反射により、または他の方法でヘテロ構造に戻るよう放出された潜在的な残留光が、ヘテロ構造を優勢な態様でレーザ発光させるのに十分ではないこと、すなわち、光が前後に循環する光共振器をヘテロ構造が形成していないことを意味する。

図面の簡単な説明
この発明の前述のおよび他の特徴ならびに利点を、添付図面に示すようなこの発明の好ましい実施例の以下のより特定的な説明において、さらに説明する。図面はすべて概略的であり、縮尺どおりではない。図中、同じ参照番号は同じまたは対応する要素を指す。

単色ディスプレイに対応するこの発明の第１の実施例を示す図である。 レーザ表示システムおよびこの発明に従ったシステムにおけるスペクトル多重光源を示す図である。 カラーディスプレイに対応するこの発明の一実施例を示す図である。 カラーディスプレイの代替的な一実施例を示す図である。 カラーディスプレイの代替的なさらに別の実施例を示す図である。 モノリシック多色ＳＬＥＤ光源の方式を示す図である。 前面投影ディスプレイの原理を表わす図である。 背面投影ディスプレイの原理を示す図である。 ヘッドアップディスプレイを示す図である。

好ましい実施例の説明
図１に示す表示システムは、表示装置１と、表示面を有する投影対象とを含む。図示された実施例では、投影対象は、非常に概略的に図示された画面１１またはパネルである。

表示装置１は、光源と、コリメート光学部品３とを備える。光源は、高輝度発光ダイオード２を含む。

そのような高輝度発光ダイオードは、当該技術分野において公知である。それらは、利得媒質において励起によって反転分布が維持され、これにより、自然放出された放射が誘導放出によって増幅されるという原則に依拠している。高輝度発光ダイオードにおける放射は、導波手段によって導かれてもよい。しかしながら、レーザとは異なり、利得媒質から到来する放出された放射は、利得媒質に再度入るよう再循環してはおらず、このため、利得媒質は光共振器ビーム経路にはない。ここに引用により援用される国際特許出願公報ＷＯ２００５／０７１ ７６２は、ＳＬＥＤデバイスがレーザ発光しないようにするための可能な手段、およびそれを行うための新規な手段の記述を含んでいる。

高輝度発光ダイオード（ＳＬＥＤ）２は、多くの先行技術の高輝度発光ダイオードとは異なり、可視光を放出する。たとえば、ＳＬＥＤ２は、赤色または緑色もしくは青色の光を放出してもよい。青色光を放出すべき場合、ＳＬＥＤは、青色光については、青色レーザ半導体材料用の相応値に類似する、ＧａＮまたはより正確にはＩｎ_xＧａ_1-xＮ（ｘ=０．０５〜０．２）のヘテロ接合を含み、緑色光についてはＩｎ_xＧａ_1-xＮ（ｘ=０．２〜０．３）のヘテロ接合、赤色光についてはたとえばＧａ_1-xＩｎ_xＮ（ｘ≒０．５２）のヘテロ接合を含む。誘導放射の原理によって可視光を生成するのに好適な他の材料のシステムが可能である。

変形例では、ＳＬＥＤによって放出された電磁放射は周波数変換されるため、そのような変形例では、少なくとも１つのＳＬＥＤに隣接する光源も、周波数変換器、たとえば色付けを含む。しかしながら、半導体デバイス、ひいてはＳＬＥＤによって直接放出された光を変調することが好ましいことが多い。

ＳＬＥＤ光源によって放出された（オプションでコリメートされた）光は、光変調デバイス４に当たる。そのような光変調デバイスは、表示されるべき画像を提供するために入射光を変調するとして公知の技術に基づいていてもよい。たとえば、光変調デバイスは、デジタル光処理として公知の原理に基づいていてもよく、その原理はたとえば、デジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）機構と呼ばれることもある機構、すなわち、配向および／または位置が制御され得る複数の小型ミラーによる光変調に依拠している。光変調デバイスは、代替例として、回折格子光制御弁といった他のＭＥＭＳベースの機構に基づいていてもよい。さらに別の代替例として、光変調デバイスは、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）の原理、または電気的に切換可能なブラッグ回折格子（ＥＳＢＧ）の原理、もしくは他の光変調原理に依拠していてもよい。光変調デバイスは、図１に示すような反射型のものであってもよく、または（たとえばＬＣＤの原理に基づく場合）透過型のものであってもよい。

光変調デバイスは、図１に概略的に示された電子制御機器５を備える。電子制御機器またはその部品は、オプションで、チップなどの単一ユニットにおいて光変調デバイス４と統合されてもよく、もしくは、それはそれから離れていてもよい。

変調された光は投影光学部品８によって投影面に向けられ、投影光学部品は好ましくは表示装置の一部であり、たとえば単一の筐体において他の表示装置の構成部品と統合されてもよいが、必ずしもその必要はない。

図１に示すような単色ディスプレイはこの発明の範囲内に存在するが、この発明の利点の中には、カラー（すなわち多色）ディスプレイについてより明らかとなるものもある。

図２は左パネルに、青色、緑色および赤色のレーザのスペクトルを示す。見てわかるように、３つのスペクトルを加えても、可視範囲を完全にはカバーしておらず、３つのレーザタイプのスペクトルの間には隙間が残っている。

３つのレーザ源によって放出された光は、原則として、白色および任意の色の光を生成するために組合されてもよい。この手法では、色域全体を完成させることが理想的には可能である。これは、レーザ表示装置において通常行なわれることである。結果として生じる画像は、適正に色づけされているように見えるものの、多くの人はそれが、キセノンランプなどのフィラメントランプを有する表示システムを用いて生成された画像とは異なることに気付くであろう。

したがって、原則としてはあらゆる色が３つのレーザの寄与の重ね合わせによって混合可能であるとしても、それらの色、特に全３色の混合から生じる白色光は理想的ではないと知覚される。むしろ、キセノンランプなどの広帯域光源はユーザが好む色を生成するのにより好適であることがこれまで観察されているが、これはおそらく、スペクトルが黒体放射のスペクトルにより類似しているためであろう。

レーザとは異なり、ＳＬＥＤデバイスは広帯域光源であり、つまり、単一の各光源は大きいスペクトル範囲にわたって光を生成可能である。これにもかかわらず、１つのＳＬＥＤは、人間の目が知覚できるのと同じぐらい幅広いスペクトルをカバーしてはおらず、したがってフィラメントランプとしての単一光源光生成デバイスではない。しかしながら、図２の右パネルに示すような、黒体により類似した全体形状を確実にする、スペクトルが部分的に重複する２つ以上のＳＬＥＤを含むシステムを設計することは、可能である。見てわかるように、相応するより狭い帯域幅のレーザ光とは対照的に、青色、緑色、および赤色のＳＬＥＤ光のスペクトルは重複している。したがって、３つ以上のＳＬＥＤによって放出される光の重ね合わせにより、レーザよりもはるかに良好に、黒体放射が近似化され得る。そのような重複は、レーザデバイスを用いては実現できない。なぜなら、それは多すぎる別個のレーザを必要とするためである。

しかしながら、１つのＳＬＥＤのスペクトルは依然として、ＳＬＥＤデバイスの数およびスペクトル特性が、人間の視覚にとって好適な周波数範囲においてのみエネルギが放出されるように設計されるために十分狭く、明確に規定されている。これは、キセノンランプとともに必要とされるＵＶフィルタおよびＩＲフィルタを使わないことを可能にし、システムの全体的なエネルギ変換効率を向上させる。

この発明に従った多色表示装置１の第１の例を図３に示す。光源は、赤色、緑色、および青色用の３つのＳＬＥＤ素デバイス２、２′、２″を備える。ＳＬＥＤデバイスの活性領域は、上述の半導体材料組成を備えていてもよい。ＳＬＥＤによって放出された光は、コリメート光学部品３、３′、３″を通って、光変調デバイス４上に投影される。変調デバイスによって準備された画像情報を内部に有する光は次に、照射されるべき表示面１１上に焦点を合わされる。

図３に示す設計に従った光変調デバイスは、たった１つの光変調ユニット（ゆえに、表示面上に結像されるべき前画像を作成するたった１つのユニット）を特徴とする。複数のＳＬＥＤから生じる光部分はすべて、同じ光変調ユニット区域６上に投影される。したがって、この設計では、ＳＬＥＤおよび光変調デバイスは、任意の色感が表示面上に生成可能となるよう、たとえば少なくとも２００Ｈｚという十分な交換周波数で、時分割多重方式で動作されなければならない。

図４に示す光変調デバイス４も反射型であるが、上に示す実施例と同様に、この概念は透過型の光変調デバイスにも有効であろう。

図４に従った多色表示装置１は透過型の光変調デバイスを備える。すなわち、光変調デ
バイスは、少なくとも１つのユニットを備え、それを通って光が伝送され、それにより変調されて前画像を提供する。より具体的には、多色表示装置の光変調デバイス４は、複数の透過型光変調ユニット１４、１４′、１４″を備える。光変調ユニットは、たとえば、当該技術分野において公知であるようなタイプの液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）ユニットであってもよい。光変調ユニットの数は、光源のＳＬＥＤデバイスによって提供される色の数（たとえば赤色、緑色、および青色用の３つ）に対応しており、また、好ましくは１色につきちょうど１つのＳＬＥＤデバイス、または１群のＳＬＥＤデバイスが存在するため、図示された実施例ではＳＬＥＤデバイス２、２′、２″の数にも対応している。図示された実施例における投影光学部品８は、（表示面上に前画像を結像することに加え）異なるＳＬＥＤデバイスから生じる光比率を合体させる（併合する）追加の機能性を有している。これは、たとえば、ビームスプリッタ（図示せず）の適切な構成によって行なわれてもよい。

この発明のすべての実施例について、１色につき２つ以上のＳＬＥＤデバイスを設けることも可能である。光源はその場合、同じ放出スペクトルを有する少なくとも１群の複数のＳＬＥＤデバイスを備える。

また、図５に示す表示装置１の実施例は、複数のＳＬＥＤデバイス２、２′、２″と、専用のコリメート光学部品３、３′、３″とを備える。図４の実施例とは異なり、光変調デバイスは透過型ではなく、図１に示すものと同様の反射型である。光変調デバイスは、各々単一色の前画像を規定するよう動作可能な３つの光変調ユニット１４、１４′、１４″を備える。投影光学部品８は、３つの前画像が互いに重ね合わされて全範囲をカバーするカラー画像が作成されるような態様で、投影面上に３つの前画像を結像させるよう動作可能である。図示された構成の投影光学部品は、ダイクロイック（または、正確に言うとトリクロイック）プリズム２１を含む。図示されているように、光変調ユニット１４、１４′、１４″は、空間的に離れていてもよく、または、その代わりに、共通の搬送素子上に配置されてもよい。

前に示した実施例では、ＳＬＥＤデバイスは、互いから離れた個々のデバイスとして示され、各々はたとえば適切な電流を供給するためのそれ自体の接触手段を有しており、また、各々はたとえばそれ自体の筐体（もしあれば）を有していた。こうである必要はない。むしろ、多数のＳＬＥＤが集積可能であり、たとえば共通の基板上に配置可能である。そのようなモノリシックに集積されたＳＬＥＤは、本質的に同一（すべてが同じ色を放出する）であってもよく、または、それらが異なる波長で放出するように異なる半導体材料組成の層を含んでいてもよい。たとえば、赤色、緑色、および青色のＳＬＥＤが共通の基板上にあってもよく、この発明の図４および図５の実施例または他の多色ディスプレイの実施例用に使用されるような多色光源を構成していてもよい。

図６は、複数のＳＬＥＤデバイスが共通の基板上に集積されている光源の一例を、非常に概略的に示す。３つのＳＬＥＤは、隆起２２、２２′、２２″によって形成された規定導波路である。３つのＳＬＥＤが異なるスペクトル組成の光を放出する場合、必要なＰＮ接合を形成する層構造（図示せず）は水平に構築されており、すなわち、異なる材料組成の領域、または場合によっては、「水平の」（すなわち層に垂直な）位置の（図示された実施例ではｘの位置の）関数としての組成勾配を備える。そのような水平構築は、マスクという手段、または半導体デバイスを構築するための当該技術分野において公知であるような他の手段によって達成されてもよい。隆起の下に形成された（たとえば赤色、緑色、および青色の光の）３つの光照射野２３、２３′、２３″も、図示されている。

図７〜図９を参照すると、この発明に従った装置を含む異なるセットアップが非常に概略的に示されている。

図７は、投影光学部品を取り入れたこの発明に従った装置３１が筐体を備えており、単一のパワーケーブル入力およびパワー供給ユニット（図示せず）を有するおそらく可搬型のデバイスであり、電子制御機器に供給されるべき映像データ用のデータインターフェイスをさらに備えている、前面投影システムを示している。前面投影装置は、たとえば、前面プロジェクタまたはピコプロジェクタにおいて、映像またはデータプロジェクタとして使用されてもよい。

図８は、この発明に従った装置が投影面３３を含んでいる、背面投影システムを示す。投影面は、背面側から入射する光の拡散器を含む。光源と光変調デバイスといくつかの光学部品とを含む投影ユニット３１によって放出された光は、適切な数のミラー、レンズおよび他の受動光学構成部品を含み得る再方向付けおよび結像手段３２によって、装置内で再方向付けされる。図８に示す種類の装置は、たとえば、カラーテレビ機またはモニタとして使用されてもよい。

図９には、ヘッドアップディスプレイが非常に概略的に示されており、ここで、この発明に従った装置は、光源と光変調デバイスといくつかの光学部品とを含む投影ユニット３１である。画像は、風防ガラス、安全ガラスまたは他のメガネの透明部分、表示面などの少なくとも部分的に反射する素子４１を介して、人間の目４２へ投影される。そのような実施例では、投影ユニット３１の結像機能性は、ユーザが素子４１上に焦点を合わせると画像が見えるように、少なくとも部分的に反射する素子４１上に所望の画像を結像するようなものであってもよい。代替例として、投影ユニットは仮想網膜表示（網膜操作表示）デバイスの機能性を含んでいてもよく、この場合、表示された情報は網膜上に直接結像され、そのためユーザは画面上に焦点を合わせる必要がなく、画像が遠距離に（たとえば、ユーザがたとえば運転または飛行中に遠くの対象に焦点を合わせると、画像の焦点が合わされるよう、有限距離に）配置されている印象を得る。それ自体目に非常に近い反射素子４１とともに使用することもできる網膜操作ディスプレイの手法は公知であり、ここではより詳細には説明しない。

この発明の範囲および精神から逸脱することなく、さまざまな他の実施例が構想されてもよい。

Claims (19)

1. 投影対象上に画像を投影するための表示装置であって、表示装置は光源を備え、前記光源は少なくとも１つの高輝度発光ダイオードを備え、装置はさらに、前記光源によって放出された光ビームのビーム経路に配置され、前記光ビームが入射すると影響された光を放出するよう動作可能な、少なくとも１つの光変調デバイスを備え、光変調デバイスは電子制御機器に作動的に接続され、表示装置はさらに、前記影響された光のビーム経路に配置された投影光学部品を備える、表示装置。
2. 光源は複数の高輝度発光ダイオードを備え、前記高輝度発光ダイオードは中心波長を有する光を放出するよう動作可能であり、前記複数の高輝度発光ダイオードのうちの少なくとも２つによって放出された光の中心波長は異なっている、請求項１に記載の表示装置。
3. 光源は、異なる中心波長を有する少なくとも２つの光ビームを放出するよう動作可能であり、２つの光ビームは、放出角度および位置のうちの少なくとも１つが異なっている、請求項２に記載の表示装置。
4. 高輝度発光ダイオードは互いから離れている、請求項３に記載の表示装置。
5. 高輝度発光ダイオードのうちの少なくとも２つはモノリシックに集積され、共通の基板上に配置されている、請求項３に記載の表示装置。
6. 光変調デバイスは、異なる位置に配置された複数の光変調ユニットを備え、前記高輝度発光ダイオードのうちの第１の高輝度発光ダイオードによって放出された光は、前記光変調ユニットのうちの第１の光変調ユニットに当たり、前記高輝度発光ダイオードのうちの第２の高輝度発光ダイオードの光は、前記光変調ユニットのうちの第２の光変調ユニットに当たり、第１および第２の高輝度発光ダイオードは異なる放出スペクトルを有している、請求項２〜５のいずれかに記載の表示装置。
7. 各光変調ユニットは、投影光学部品によって画像の全区域上へ結像される前画像を得るように入射光を変調するよう動作可能である、請求項６に記載の表示装置。
8. 画像の赤色、緑色、および青色の部分用の前画像をそれぞれ規定するよう動作可能なちょうど３つの光変調ユニットを備える、請求項６または７に記載の表示装置。
9. 光源はちょうど３つの高輝度発光ダイオードを備え、前記高輝度発光ダイオードのうちの第１の高輝度発光ダイオードによって放出された光は、前記光変調ユニットのうちの第１の光変調ユニットに当たり、前記高輝度発光ダイオードのうちの第２の高輝度発光ダイオードによって放出された光は、前記光変調ユニットのうちの第２の光変調ユニットに当たり、前記高輝度発光ダイオードの第３の高輝度発光ダイオードによって放出された光は、前記光変調ユニットのうちの第３の光変調ユニットに当たる、請求項８に記載の表示装置。
10. 時分割多重方式で動作可能な単一の光変調ユニットを備える、請求項２〜５のいずれかに記載の表示装置。
11. 異なる放出スペクトルの前記高輝度発光ダイオードのうちの少なくとも２つからの光路は、光変調デバイスの同じ光変調ユニット区域に収束し、光変調デバイスは時分割多重方式で動作されるよう動作可能である、請求項２〜１０のいずれかに記載の表示装置。
12. 光変調デバイスは、デジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）機構、回折格子光制御弁機構、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）機構、または電気的に切換可能なブラッグ回折格子（ＥＳＢＧ）機構という機構のうちの１つに基づいている、前述の請求項のいずれかに記載の表示装置。
13. 光変調デバイスはちょうど１つの光変調ユニットを備え、その光変調ユニット区域は、投影光学部品によって画像の全区域上へ結像される、請求項１２に記載の表示装置。
14. 光源は、少なくとも１つの高輝度発光ダイオードに加え、高輝度発光ダイオードではない他の発光素子を備える、前述の請求項のいずれかに記載の表示装置。
15. 背面投影ディスプレイ、前面投影システム、ピコプロジェクタ、統合ディスプレイ、およびヘッドアップディスプレイのうちの少なくとも１つである、前述の請求項のいずれかに記載の表示デバイス。
16. 表示装置用の光源であって、光源は、
    ＰＮ接合を形成する第１の半導体ヘテロ構造と、光ビーム経路を規定する第１の導波路とを備える、第１の高輝度発光ダイオードを備え、
    ヘテロ構造は、利得領域と、利得領域から光ビーム経路に沿って光放出を生成するよう、利得領域のＰＮ接合に電圧を印加するための接点とを含み、
    第１の高輝度発光ダイオードは、中心波長が光スペクトルの可視部分にある第１の放出スペクトルを有しており、光源はさらに、
    ＰＮ接合を形成する第２の半導体ヘテロ構造と、光ビーム経路を規定する第２の導波路とを備える、第２の高輝度発光ダイオードを備え、
    第２のヘテロ構造は、利得領域と、利得領域から光ビーム経路に沿って光放出を生成するよう、利得領域のＰＮ接合に電圧を印加するための接点とを含み、
    第２の高輝度発光ダイオードは、中心波長が光スペクトルの可視部分にある第２の放出スペクトルを有しており、
    第２の発光スペクトルは、第１の発光スペクトルとは異なっている、光源。
17. 画像を表示する方法であって、
    前記方法は、
    導波路を有する半導体ヘテロ構造を設けるステップと、
    半導体ヘテロ構造に可視光を放出させ、誘導放出によって前記可視光を増幅させて、それにより導波路に主な光ビームを作り出すステップと、
    実質的な光ビーム部分が半導体ヘテロ構造にフィードバックされることなく、光ビームが半導体ヘテロ構造から離れるよう放射されるようにするステップと、
    前画像を生じさせるために光ビームを変調するステップと、
    画像の全区域上へ前画像を結像するステップとを含む、方法。
18. 時分割多重方式で複数の前画像を生成する追加のステップを備え、すべての前画像は画像の全区域上へ結像され、それにより画像を作り出す、請求項１７に記載の方法。
19. 複数の前画像は同時に作り出され、前画像は画像の全区域上へ結像され、それにより画像を作り出す、請求項１７に記載の方法。

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