JP2009194161A

JP2009194161A - 画像表示装置

Info

Publication number: JP2009194161A
Application number: JP2008033402A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Fukunaga; 浩史福永
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2008-02-14
Filing date: 2008-02-14
Publication date: 2009-08-27

Abstract

【課題】色再現域および表示色の安定性にすぐれ、かつ小型化および充分な画面上輝度を実現可能な投射型画像表示装置を提供する。
【解決手段】異なる波長の光を出射する複数の光源を備えてなる画像表示装置であって、光源には、赤色光を出射する半導体レーザ装置からなる第１の光源と、青色光を出射する半導体レーザ装置からなる第２の光源と、励起光を発する半導体レーザ装置と、励起光を吸収して蛍光を発するβ型サイアロン蛍光体とを有し、励起光は蛍光よりも短波長である、緑色光を出射する第３の光源と、を含む画像表示装置に関する。
【選択図】図１

Description

本発明は、波長変換材料を用いた投射型画像表示装置に関する。

近年、投射型画像表示装置の開発分野において競争が激化している。現在までに様々な方式の投射型画像表示装置が提案されているが、明るさと色安定性および色再現性（ＮＴＳＣ比）を同時に満足する方式は見つかっていないのが現状である。

現在、投射型画像表示装置における投射光源としては、特開２０００−３４７１５３号公報（特許文献１）のように高圧水銀ランプなどの放電ランプが主に用いられている。これらの投射光源は、高輝度という利点を有しているが、寿命が短く、さらに赤色の再現域をあまり広げることができないため色再現性（ＮＴＳＣ比）が悪いという問題点がある。

そこで、特開２００５−２５１０１号公報（特許文献２）のように投射光源に高圧水銀ランプと赤色半導体レーザ装置とを組み合わせた投射型画像表示装置が提案されている。しかし、特許文献２に示されるような投射型画像表示装置は、その構造が複雑化してしまい、さらに高圧水銀ランプは白色光源であるため、光の３原色に分光するためのダイクロックミラーなどの色分解照明光学系を必要とし、投射型画像表示装置の小型化を実現することが困難である。

このような問題点を克服すべく、色表現の原色となり得る赤色、緑色、青色の少なくとも光の３原色のレーザ光を画像形成に用いたレーザディスプレイ型の投射型画像表示装置が提案されている。そして、該レーザ光を発する光源としては、ガス半導体レーザ装置および半導体レーザ励起ＳＨＧ(第２高調波発生）固体半導体レーザ装置が提案されている。ここで、光の３原色の中でも特に緑色レーザ光を発する光源に関しては、実用化の目処がついていないため、ＳＨＧ固体レーザが使用されている。しかし、ガス半導体レーザ装置はエネルギー変換効率が一般的に０．１％程度と低く、冷却機構が必要なため、結果として投射型画像表示装置が大型化し、高コストになるという問題点がある。一方で、半導体レーザ励起ＳＨＧ固体半導体レーザ装置は、高出力化に伴い、レーザ光にノイズが発生してしまい、そのため、高効率化、小型化およびコストの点で問題点が生じる。
特開２０００−３４７１５３号公報特開２００５−２５１０１号公報

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、色再現域および表示色の安定性にすぐれ、かつ小型化および充分な画面上輝度を実現可能な投射型画像表示装置を提供することである。

上記課題を解決するために、本発明者らは赤色光源としてたとえば赤色半導体レーザダイオードを用い、青色光源としてたとえば青色半導体レーザダイオードを用い、かつ緑色光源として、励起光を発する半導体レーザ装置と、励起光を吸収して該励起光よりも長波長の蛍光を発するβ型サイアロン蛍光体と組み合わせた光源を用いた場合、色再現域および表示色の安定性にすぐれ、かつ充分な画面上輝度を実現可能な投射型画像表示装置を実現することを見出した。すなわち、本発明は以下のとおりである。

本発明は、異なる波長の光を出射する複数の光源を備えてなる画像表示装置であって、光源には、赤色光を出射する半導体レーザ装置からなる第１の光源と、青色光を出射する半導体レーザ装置からなる第２の光源と、励起光を発する半導体レーザ装置と、励起光を吸収して蛍光を発するβ型サイアロン蛍光体とを有し、励起光は蛍光よりも短波長である、緑色光を出射する第３の光源と、を含む画像表示装置に関する。

また、本発明の画像表示装置において、励起光が、波長３８０ｎｍ以上４６０ｎｍ以下の範囲にピーク波長を有することが好ましく、励起光が、波長３９０ｎｍ以上４１０ｎｍ以下の範囲にピーク波長を有することが特に好ましい。

また、本発明の画像表示装置において、励起光を発する半導体レーザ装置は、レーザダイオードであることが好ましい。

また、本発明の画像表示装置において、β型サイアロン蛍光体は、Ｅｕを固溶している固溶体であることが好ましい。

また、本発明の画像表示装置において、β型サイアロン蛍光体は、酸素含有量が０．８質量％以下の固溶体であることが好ましい。

また、本発明の画像表示装置において、蛍光は、波長５２０ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の範囲にピーク波長を有することが好ましく、蛍光は、波長５２０ｎｍ以上５３５ｎｍ以下の範囲にピーク波長を有することが特に好ましい。

また、本発明の画像表示装置において、βサイアロン蛍光体は、発光スペクトルの半値全幅が５５ｎｍ以下であることが好ましい。

上記構成であれば、光源に半導体レーザ装置を用いており装置の小型化を実現することができ、かつ充分な画面上輝度を実現可能となる。また、色表現の原色となり得る２色のレーザ光源とレーザ光源と蛍光体を組み合わせた高輝度の光源を用いていることから色再現性は良好となる。

本発明の画像表示装置は、半導体レーザ装置を光源に用いているため、画像表示装置の小型化および充分な画面上輝度を実現することができる。

また、本発明の画像表示装置は、色表現の原色となり得る光の２原色をそれぞれ出射する半導体レーザ装置からなる第１の光源および第２の光源と、半導体レーザ装置と蛍光体とを組み合わせた第３の光源とを含む高輝度の光源を備えることから、色再現性は良好となる。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には、同一の参照符号を付し、その説明は繰り返さない。また、図面における長さ、大きさ、幅などの寸法関係は、図面の明瞭化と簡略化のために適宜に変更されており、実際の寸法を表してはいない。

図１は、本実施形態の画像表示装置を示す模式図である。
以下、図１に基づいて説明する。

本実施形態の画像表示装置は、異なる波長の光を出射する複数の光源を少なくとも備える。そして、該光源には、赤色光を出射する第１の光源１ａと、青色光を出射する第２の光源１ｂと、緑色光を出射する第３の光源１ｄとを含む。該第１の光源１ａおよび該第２の光源１ｂは半導体レーザ装置からなり、該第３の光源１ｄは励起光を発する半導体レーザ装置１ｃと、該励起光を吸収して蛍光を発するβ型サイアロン蛍光体２とを有する。本実施形態においては、β型サイアロン蛍光体２は、モールド樹脂３によって支持されている。そして、該励起光は該蛍光よりも短波長である。

そして、本実施形態における画像表示装置は、図１に示すように第１の光源１ａ、第２の光源１ｂ、第３の光源１ｄを合成するダイクロイックプリズム４を中心にして、それぞれの光源が設置されており、残りの面には投射レンズ５が設置されている。そして、投射レンズ５から、投射のための白色光が出射する。ただし、該本発明は、少なくとも光源に第１の光源１ａ、第２の光源１ｂおよび第３の光源１ｄを備えていれば、特にその形態は限定されない。したがって、たとえば、液晶テレビのような透過型の画像表示装置であっても、液晶プロジェクションのような投影型の画像表示装置であっても、光源として該第１の光源１ａ、第２の光源２ｂおよび第３の光源３ｃを備えることで、本発明の画像表示装置を構成することとなる。

本実施形態においては、光源のうち、緑色光を出射する第３の光源１ｄのみが半導体レーザ装置１ｃとβ型サイアロン蛍光体２とを組み合わせたものである。β型サイアロン蛍光体２は、励起光を吸収して、緑色の蛍光を発する。緑色の蛍光を発する蛍光体は複数存在するが、本実施形態においては、それらの中においてもβ型サイアロン蛍光体２を選択している。これは、本実施形態において、波長５２０ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の範囲の波長に発光ピーク波長を持ち、その半値全幅が５５ｎｍ以下のシャープな発光スペクトルを有する蛍光体である理由から、第３の光源１ｄを構成するものとしてβ型サイアロン蛍光体２を選択することが好ましいためである。

以上のような構成をとることで、高輝度かつ色再現性が良好な画像表示装置を提供することができる。

ここで以下、ＮＴＳＣ比とは、ＣＩＥ１９７６表色系におけるＣＩＥ１９７６ＵＣＳ色度座標（ｕ’、ｖ’）において、赤、緑、青各色の色度座標を結んで得られる三角形の面積の、ＮＴＳＣ（ＮａｔｉｏｎａｌＴｅｌｅｖｉｓｉｏｎＳｙｓｔｅｍＣｏｍｉｔｔｅｅ）が定めた赤、緑、青各色の色度座標（ｕ’、ｖ’）（赤（０．４９８、０．５１９）、緑（０．０７６、０．５７６）、青（０．１５２、０．１９６））を結んで得られる三角形の面積に対する比率を指すものとする。

また、本発明において光の波長は、大塚電子製蛍光スペクトル測定装置ＭＣＰＤ−７０００で測定した値を採用するものとする。

＜第１の光源＞
本実施形態において、第１の光源１ａは、半導体レーザ装置であり、特に半導体レーザ装置であることが好ましい。そして、該半導体レーザ装置としては、半導体レーザダイオードを選択することが好ましい。そして、第１の光源１ａは、赤色光を出射する。ここで、本発明においては、赤色光とは、６００ｎｍ以上７５０ｎｍ以下の波長の光をいうものとする。

そして、第１の光源１ａとしての半導体レーザ装置は、直接、赤色光を発するために、特に蛍光体等で発光波長の調整を行なう必要はない。

第１の光源１ａとしては、たとえば、ＧａＡｓ基板上に、一般式がＩｎ_x（Ｇａ_1-yＡｌ_y）_1-xＰ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）である半導体層を積層したものを選択することができる。

＜第２の光源＞
本実施形態において、第２の光源１ｂは、半導体レーザ装置である。そして、該半導体レーザ装置としては、半導体レーザダイオードを選択することが好ましい。そして、第２の光源１ｂは、青色光を出射する。ここで本発明においては、青色光とは、４３０ｎｍ以上４９０ｎｍ以下の波長の光をいうものとする。

そして、第２の光源１ｂとしての半導体レーザ装置は、直接、青色光を発するために、特に蛍光体等で発光波長の調整を行なう必要はない。

第２の光源１ｂとしては、たとえば、ＧａＮ、Ｓｉ、ＳｉＣ、Ａｌ₂Ｏ₃などからなる基板上にＩｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）を一般式とした半導体層を積層したもので、活性層の井戸層が、Ｉｎ_xＧａ_1-xＮ（０．０５≦ｘ≦０．２０）からなり、該活性層をはさんだ第１および第２の障壁層がＩｎ_xＧａ_1-xＮ（０≦ｘ≦０．１）からなるものを選択することができる。

＜第３の光源＞
本実施形態の第３の光源１ｄは、上述の通り半導体レーザ装置１ｃと、モールド樹脂３で支持されたβ型サイアロン蛍光体２とを含む。そして、半導体レーザ装置１ｃが発する励起光の波長は、β型サイアロン蛍光体２が該励起光を吸収して発する蛍光よりも短波長である。また、第３の光源は、緑色光を出射する。ここで、本発明においては、緑色光とは、５２０ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の波長の光をいうものとする。

半導体レーザ装置１ｃは、半導体レーザダイオードであることが特に好ましい。そして、半導体レーザ装置１ｃが半導体レーザダイオードである場合には、たとえば、活性層の井戸層が、Ａｌ_xＩｎ_yＧａ_1-x-yＮ（０≦ｘ≦０．１、０≦ｙ≦０．１５、ｘ＋ｙ＜１）からなり、該活性層をはさんだ第１および第２の障壁層がＡｌ_xＩｎ_yＧａ_1-x-yＮ（０≦ｘ≦０．２５、０≦ｙ≦０．１、ｘ＋ｙ＜１）からなるものを選択することができる。本実施形態において、このような半導体レーザダイオードを用いることで波長３８０ｎｍ以上４６０ｎｍ以下の範囲にピーク波長を有することができるからである。そして、本実施形態における半導体レーザ装置１ｃが発する励起光は、波長３８０ｎｍ以上４６０ｎｍ以下の範囲にピーク波長を有することが好ましく、波長３９０ｎｍ以上４１０ｎｍ以下の範囲にピーク波長を有することが特に好ましい。これは、該半導体レーザ装置１ｃが発する励起光のピーク波長が３８０ｎｍ未満である場合には紫外線としてのエネルギーが大きくなり、モールド樹脂３の劣化が大きくなる虞があり、励起光のピーク波長が４６０ｎｍ超過である場合には半導体レーザ装置１ｃの発光スペクトルとβ型サイアロン蛍光体２の発光スペクトルとの重なりが大きくなり、ＮＴＳＣ比を低下させる虞があるからである。

そして、β型サイアロン蛍光体２は、３５０ｎｍ以上４７０ｎｍ以下近紫外から青色の励起光により効率よく励起されるものを選択することが好ましく、Ｅｕを固溶している固溶体であるＥｕ付活β型サイアロン蛍光体を選択することが好ましい。本実施形態のβ型サイアロン蛍光体２は、Ｅｕ、および、Ｓｉ、Ａｌ、Ｏ、Ｎの元素を特定の組成領域範囲、特定の固溶状態および特定の結晶相で有するもので、波長５２０ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の範囲にシャープな発光ピークを持つ蛍光体であることが好ましい。該発光ピークが波長５２０ｎｍ未満である場合には、第２の光源１ｂの発光スペクトルとβ型サイアロン蛍光体２の発光スペクトルとの重なりが大きくなり、ＮＴＳＣ比を低下させる虞があり、波長５５０ｎｍ超過の場合には、第１の光源１ａの発光スペクトルとβ型サイアロン蛍光体２の発光スペクトルとの重なりが大きくなり、ＮＴＳＣ比を低下させる虞があるからである。

そして、本実施形態のβ型サイアロン蛍光体２は、β型Ｓｉ₃Ｎ₄結晶構造を有する窒化物または酸窒化物を母体結晶とし、２価のＥｕイオンを発光中心として添加したものが好ましい。そして、β型サイアロン蛍光体２が発する蛍光が、波長５２０ｎｍ以上５３５ｎｍ以下の範囲にピーク波長を有することが特に好ましい。また、β型サイアロン蛍光体は、発する蛍光の発光スペクトルの半値全幅が５５ｎｍ以下であることが好ましい。これは、色再現性（ＮＴＳＣ比）をより高くすることができるからである。

また、該β型サイアロン蛍光体においては、これを構成する結晶中に含まれる酸素含有量が０．８質量％以下となるように調製された固溶体であることが好ましい。該酸素含有量はＬＥＣＯ社製ＴＣ４３６型酸素窒素分析計によって測定することができる。該酸素含有量が０．８質量％超過の場合には、蛍光の発光スペクトルの半値全幅が大きくなる虞があるからである。このように該結晶中における酸素量が調整されたβ型サイアロン蛍光体２は、蛍光の発光スペクトルの半値全幅を小さくするような効果を有することから特に好ましい。

上述した該Ｅｕ付活β型サイアロン蛍光体としては、たとえば、Ｅｕ₂Ｏ₃、ＥｕＮ等の光学活性元素Ｅｕを含有する金属化合物粉末と、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）粉末と、窒化ケイ素粉末（Ｓｉ₃Ｎ₄）とを均一に混合し、１８００〜２０００℃程度の温度で焼成することにより得ることができる。これら原料粉末の混合比は、焼成後の蛍光体の組成比を考慮して適宜選択される。

以下、実施例を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

＜実施例１＞
以下、図１に基づいて説明する。本実施例においては、第１の光源１ａには、６３０ｎｍに発光ピーク波長を有するレーザダイオードを用い、第２の光源１ｂは、４５０ｎｍに発光ピーク波長を有するレーザダイオードを用いた。そして、第３の光源１ｄとしては、半導体レーザ装置１ｃとして、４０５ｎｍに発光ピーク波長を有するレーザダイオードを用い、β型サイアロン蛍光体２として、Ｅｕ_0.027Ｓｉ_12.15Ａｌ_0.49Ｏ_0.04Ｎ_15.32で示される組成の化合物を用い、モールド樹脂３として、シリコーン樹脂を用いた。また、β型サイアロン蛍光体：モールド樹脂＝１：１８（質量比）となるようにβ型サイアロン蛍光体２をモールド樹脂３に分散させた。

そして、直方体形状のダイクロッイックプリズム４を準備し、第１の光源１ａ、第２の光源１ｂおよび第３の光源１ｄを図１のように配置した。そして、該ダイクロイックプリズム４において光源を配置されない一面に投射レンズ５が来るように設置した。

以上のようにして画像表示装置を作製した。
＜比較例１＞
本比較例においては、実施例１における第１の光源１ａの代わりとして６３０ｎｍに発光ピーク波長を有するＬＥＤ（発光ダイオード）を用い、さらに第２の光源１ｂの代わりとして４５０ｎｍに発光ピーク波長を有するＬＥＤを用いたこと以外は実施例１と同様にして画像表示装置を作製した。

＜比較例２＞
本比較例においては、実施例１における第１の光源１ａ、第２の光源１ｂおよび第３の光源１ｄの代わりに、高圧水銀ランプ（Ｐｈｉｌｉｐｓ社製）を光源として用いたこと以外は実施例１と同様に画像表示装置を作製した。なお、該高圧水銀ランプは、出射された白色光が赤、緑、青の三原色に分離後、再びダイクロイックプリズムで合成できるように設置した。

＜検討結果＞
図２は、実施例１における画像表示装置を駆動させた際の投射レンズから発する発光スペクトルを示す図である。図３は、比較例１における画像表示装置を駆動させた際の投射レンズから発する発光スペクトルを示す図である。また、図４は、比較例２における画像表示装置を駆動させた際の投射レンズから発する発光スペクトルを示す図である。

また、実施例１、比較例１〜２の画像表示装置の白色点（ｕ’、ｖ’）＝（０．２０６、０．４７５）におけるＮＴＳＣ比を表１に示す。

まず、図２より、実施例１の発光強度は比較例１よりも大きく、高輝度であることが示された。そして、表１より、実施例１の画像表示装置は、白色点（ｕ’、ｖ’）＝（０．２０６、０．４７５）において１０３％のＮＴＳＣ比を達成し、比較例１および２よりも色再現域が優れていることが示された。また、緑色光源としてβ型サイアロン蛍光体を用いた実施例１、比較例１では、双方ともＮＴＳＣ比が１００％を超え、色再現域が優れていることが示された。

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えるできである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明における実施形態の画像表示装置を示す模式図である。実施例１における画像表示装置を駆動させた際の投射レンズから発する発光スペクトルを示す図である。比較例１における画像表示装置を駆動させた際の投射レンズから発する発光スペクトルを示す図である。比較例２における画像表示装置を駆動させた際の投射レンズから発する発光スペクトルを示す図である。

符号の説明

１ａ第１の光源、１ｂ第２の光源、１ｃ半導体レーザ装置、１ｄ第３の光源、２ β型サイアロン蛍光体、３モールド樹脂、４ダイクロイックプリズム、５投射レンズ。

Claims

異なる波長の光を出射する複数の光源を備えてなる画像表示装置であって、
前記光源には、
赤色光を出射する半導体レーザ装置からなる第１の光源と、
青色光を出射する半導体レーザ装置からなる第２の光源と、
励起光を発する半導体レーザ装置と、前記励起光を吸収して蛍光を発するβ型サイアロン蛍光体とを有し、前記励起光は前記蛍光よりも短波長である、緑色光を出射する第３の光源と、を含む画像表示装置。
前記励起光が、波長３８０ｎｍ以上４６０ｎｍ以下の範囲にピーク波長を有する請求項１に記載の画像表示装置。
前記励起光が、波長３９０ｎｍ以上４１０ｎｍ以下の範囲にピーク波長を有する請求項１に記載の画像表示装置。
前記励起光を発する半導体レーザ装置は、レーザダイオードである請求項１〜３のいずれかに記載の画像表示装置。
前記β型サイアロン蛍光体は、Ｅｕを固溶している固溶体である請求項１〜４のいずれかに記載の画像表示装置。
前記β型サイアロン蛍光体は、酸素含有量が０．８質量％以下の固溶体である請求項１〜５のいずれかに記載の画像表示装置。
前記蛍光は、波長５２０ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の範囲にピーク波長を有する請求項１〜６のいずれかに記載の画像表示装置。
前記蛍光は、波長５２０ｎｍ以下５３５ｎｍ以上の範囲にピーク波長を有する請求項１〜６のいずれかに記載の画像表示装置。
前記βサイアロン蛍光体は、発光スペクトルの半値全幅が５５ｎｍ以下である請求項１〜８のいずれかに記載の画像表示装置。