(57)【要約】【課題】簡素な光学系で解像度と光学効率の高い光源モジュールおよび映像投射装置を提供すること。【解決手段】光源モジュール１は、少なくとも赤色、青色、緑色の波長帯の光を出射する複数の発光面１１１〜１１３を積層した光源部１１と、光源部１１の各発光面に駆動電流を供給する光源駆動制御部１３と、を備え、光源部の各発光面１１１〜１１３は、可視光よりバンドギャップの大きい半導体に設けたｐｎ接合部近傍に可視光の波長より小さいナノ構造を持ち、フォノン準位を介して各波長帯の光を出射する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも赤色、青色、緑色の波長帯の光を出射する複数の発光面を積層した光源部と、
前記光源部の前記各発光面に駆動電流を供給する光源駆動制御部と、を備え、
前記光源部の前記各発光面は、可視光よりバンドギャップの大きい半導体に設けたｐｎ接合部近傍に可視光の波長より小さいナノ構造を持ち、フォノン準位を介して前記各波長帯の光を出射することを特徴とする光源モジュール。
【請求項２】
請求項１に記載の光源モジュールであって、
前記光源部の周囲温度を計測する温度モニタ部を備えたことを特徴とする光源モジュール。
【請求項３】
請求項１に記載の光源モジュールであって、
前記光源部の発光面には、半値全幅の広い白色の波長帯、または黄色の波長帯の光を出射する発光面を含むことを特徴とする光源モジュール。
【請求項４】
請求項１に記載の光源モジュールであって、
前記光源部から出射する光を拡散させる拡散部を備えたことを特徴とする光源モジュール。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光源モジュールと、
前記光源モジュールで出射された光を表示素子に照射して映像を生成する表示部と、
前記表示部で生成された映像を投射する投射部と、を備えたことを特徴とする映像投射装置。
【請求項６】
請求項５に記載の映像投射装置であって、
前記光源モジュールの前記光源部は、前記表示部の前記表示素子の面積よりも大きい四角形としたことを特徴とする映像投射装置。
【請求項７】
請求項５に記載の映像投射装置であって、
前記光源駆動制御部は、前記表示部にて生成する映像の波長帯のタイミングに同期して、前記光源部に供給する駆動電流の大きさとパルス幅を制御することを特徴とする映像投射装置。
【請求項８】
請求項７に記載の映像投射装置であって、
前記光源駆動制御部は、前記温度モニタ部で計測した温度に応じて、前記光源部に供給する駆動電流の大きさとパルス幅を調整することを特徴とする映像投射装置。
【請求項９】
請求項５に記載の映像投射装置であって、
前記光源モジュールの前記光源部は前記表示部の前記表示素子の面積よりも小さく、
前記光源モジュールと前記表示部の間に、前記光源モジュールからの光を集光する集光部を有することを特徴とする映像投射装置。
【請求項１０】
請求項９に記載の映像投射装置であって、
前記光源モジュールと前記表示部の間に、さらにライトトンネルまたはフライアイレンズを有することを特徴とする映像投射装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の波長の光を発生する光源モジュール、およびこれを用いた映像投射装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般的な表示映像のカラー化技術として、例えば特許文献１に開示されるように単色光源からの光を３色に分離するカラーフィルタを設ける方式と、特許文献２に開示されるように３色の光源を用意し、３色の映像を時分割に表示する方式とが知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平４−１７９９２０号公報
【特許文献２】特開平１０−１８６３１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１のように光源光を３色に分離するカラーフィルタを設ける方式は、簡素な光学系となるが、表示面での画素１個分の面積が大きくなるため、物理的に解像度が低く、また光学的な効率が低くなる等の課題がある。一方特許文献２のように３色の光源を独立に有する方式は、解像度の高い表示が可能になるが、光学系が複雑になることが課題である。
【０００５】
本発明の目的は、簡素な光学系で解像度と光学効率の高い光源モジュールおよび映像投射装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の光源モジュールは、少なくとも赤色、青色、緑色の波長帯の光を出射する複数の発光面を積層した光源部と、光源部の各発光面に駆動電流を供給する光源駆動制御部と、を備え、光源部の各発光面は、可視光よりバンドギャップの大きい半導体に設けたｐｎ接合部近傍に可視光の波長より小さいナノ構造を持ち、フォノン準位を介して各波長帯の光を出射する。
【０００７】
本発明の映像投射装置は、上記の光源モジュールと、光源モジュールで出射された光を表示素子に照射して映像を生成する表示部と、表示部で生成された映像を投射する投射部と、を備える。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、ピコプロジェクターやヘッドマウントディスプレイなど、モバイル用途の映像投射装置における小型・軽量化、高解像度化、省電力化に寄与する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】光源モジュールの一実施例を示す構成図（実施例１）。
【図２】光源部の発光原理を簡単に説明する図。
【図３】映像投射装置の一実施例を示す構成図（実施例２）。
【図４】映像投射装置のシステムブロック図。
【図５】光源駆動制御部による駆動電流の例を示す図（実施例３）。
【図６】光源部の発光する波長帯を説明する図（実施例４）。
【図７】光源モジュールの他の構成例を示す図（実施例５）。
【図８】映像投射装置の他の構成例を示す図（実施例６）。
【図９】映像投射装置のさらなる変形例を示す図。
【図１０】映像投射装置のさらなる変形例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明を実施するための形態を図面を用いて説明する。
【実施例１】
【００１１】
実施例１では、光源モジュールについて説明する。
図１は、光源モジュールの一実施例を示す構成図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は断面図である。光源モジュール１は、光源部１１、光源基板１２、光源駆動制御部１３、温度モニタ部１４から構成されている。光源基板１２には、光源部１１、光源駆動制御部１３、温度モニタ部１４が搭載されている。以下、各要素について説明する。
【００１２】
光源部１１は、赤色波長帯の光を出射する発光面１１１、緑色波長帯の光を出射する発光面１１２、青色波長帯の光を出射する発光面１１３を積層し、酸化インジウムスズＩＴＯから成る基板１１４，１１５，１１６、サファイアからなる基板１１７にて保持した構造となっている。各発光面１１１，１１２，１１３は、ｐｎ接合半導体（例えばｐ型半導体にポリ−３−ヘキシルチオフェンＰ３ＨＴ、ｎ型半導体に酸化亜鉛ＺｎＯを接合）であり、その表面には例えば銀Ａｇを用いて可視光の波長より小さいナノ構造が形成されている。各発光面１１１，１１２，１１３ではそれらのナノ構造の形状の違いにより、異なる波長帯の光を出射する。図１において、光源部１１は光源基板１２の中心に配置させたが、これに限るものではない。
【００１３】
光源基板１２は、ＬＥＤ用などと同じリジッド基板であり、光源モジュール１の強度を確保するとともに、表裏面に電気配線を設けている。また光源基板１２には、外部との電気的な接点を設け、外部から電気的に制御が可能である。電気的な接点は、光源基板１２の背面に設けることで、光源モジュール１を小型化することができる。
【００１４】
光源駆動制御部１３は、光源部１１へ供給する電流を制御する機能をもつ電子回路である。光源部１１から複数の波長帯の光を発光させるため、複数パターンのパルス電流を印加する機能を有している。なお、光源駆動制御部１３は光源モジュール１の外部に配置して、光源部１１を制御しても構わない。
【００１５】
温度モニタ部１４は、光源モジュール１の温度を計測する機能をもつ。例えば熱電対などを使用する。光源部１１は、周囲の温度により波長帯や出射光量などの発光特性が変化する。このため、光源駆動制御部１３は発光特性を安定化させるため、温度モニタ部１４で計測した温度に応じて、駆動パルスの電流値、パルス幅を調整する機能を有する。
【００１６】
なお、図１では省略しているが、光源モジュール１の出射光側には光源モジュールカバーを有する。光源モジュールカバーは、光源モジュール１をユーザが操作する際に、光源部１１が汚れたり光源駆動制御部１３が破損したりすることを防止するもので、耐熱性のある半透明樹脂で形成する。また、光源部１１は自然放出する光源のため、光源モジュールカバーには、周辺に進行する光を光源部１１の前方へ変換するためのリフレクタを設けても良い。
【００１７】
図２は、光源部１１の発光原理を説明する図であり、光源部のエネルギーバンド構造を示している。発光面１１１，１１２，１１３に電流を加えると、電子が半導体内で動きまわるためナノ構造の表層に格子振動（以後、フォノン）が誘起される。このフォノンのエネルギーがｐｎ接合半導体のバンドギャップよりも小さいエネルギーでの可視光の出射を可能にする。加えられた電流により、エネルギーが価電子帯１０１から伝導帯１０３に移動し、このとき同時にフォノンが誘起される。このフォノンのバンドギャップがフォノン準位１０２である。このため、伝導帯１０３にあるエネルギーは、熱として価電子帯１０１に戻るだけでなく、フォノン準位１０２を介して価電子帯１０１に戻るパスが発生する。伝導帯１０３とフォノン準位１０２の差分のエネルギーが可視光のエネルギー（ｈｃ／λ）に等しいとき、熱ではなく特定波長λの光を出射させることができる。
【００１８】
なお、特定波長の光を出射させるためのナノ構造は、ｐｎ接合半導体にバイアス電圧を加え暖めながら特定波長の光を照射すると、その波長の光により所定のフォノンを誘起するＡｇのナノ構造が自立的に形成される。
【００１９】
上述したように、可視光よりバンドギャップの大きい半導体に設けたｐｎ接合部近傍に、可視光の波長より小さいナノ構造を持たせることで、フォノン準位を介して所望の赤、青、緑の可視光を出射させることができる。ここでは、ナノ構造を例に説明したが、表層部に注入する不純物の濃度を可視光の波長より短い濃度分布にしても同様のフォノン準位が得られる。なお、このような動作は「ドレストフォトン原理」とも呼ばれる。
【００２０】
本実施例によれば、光源部１１は異なる波長帯の光を出射する複数の発光面を積層した構造としたので、１つの光源モジュールにより複数の波長帯の光を切り替えて出射でき、複数個の光源を独立に備える必要がない。よって、複数色の光源を必要とするシステムに対し、簡素な構成の光源モジュールを提供できる。
【実施例２】
【００２１】
実施例２では、光源モジュールを用いた映像投射装置について説明する。
図３は、映像投射装置の一実施例を示す構成図である。映像投射装置２は、光源モジュール１、表示部２１、投射部２３から構成されている。
【００２２】
光源モジュール１から出射した光は表示部２１に入射し、表示部２１内の表示素子２２で映像が生成される。表示素子２２で生成された映像は、投射部２３により映像投射装置２の外部に投射され、投影映像２４が表示される。破線２０は説明のため、主となる光の進行方向を示したものである。
【００２３】
映像を生成する表示素子２２は、例えば透過型液晶表示素子であり、液晶素子が画素毎に配置されている。そして、光の入射側と出射側を偏光フィルタで挟み込む構成となっている。投射部２３は投射レンズからなり、表示素子２２の映像を投射映像２４として結像する。投射映像２４は実像に限るものでなく、虚像となるように構成しても良い。
【００２４】
光源モジュール１の光源部１１は、表示部２１の表示素子２２の全体が明るくなるように照明する必要があるため、表示素子２２の面積よりも大きくする。表示部２１の形状は一般に４：３や１６：９などの四角形であるため、光源部１１の形状も表示部２１と同じ四角形とすることで、光源部１１からの出射光を有効に使用できる。
【００２５】
カラー映像を表示するには、フィールドシーケンシャルカラー方式を採用する。すなわち、１つのカラー画像を赤、緑、青の単色画像に分割し、これらを時間的にずらして表示する。表示素子２２では分割した各映像を生成する。光源部１１は、表示素子２２で生成する各映像に同期させて、赤、緑、青色の光を発光させる。このため光源駆動制御部１３は、表示部２１と同期して光源部１１を制御する。
【００２６】
図４は、映像投射装置２のシステムブロック図である。外部にあるコントローラ３に映像を表示する命令が入ると、コントローラ３は、表示部２１に映像信号を送信する。表示部２１の表示素子２２は、赤、緑、青の色の映像を時分割で生成する。同時にコントローラ３は、光源駆動制御部１３にも映像を生成するタイミング信号を送信する。光源駆動制御部１３は、タイミング信号により表示部２１と同期して赤、緑、青の光を出射するように、所定のタイミングで駆動電流を光源部１１に送る。光源駆動制御部１３は、温度モニタ部１４から得られる温度をモニタし、光源駆動制御部１３内にあるデータテーブル１３０を参照して駆動電流を増やしたり、パルス幅を増やしたりすることで、所望の波長帯や明るさが得られるように調整する。
【００２７】
本実施例によれば、１つの光源モジュールにより複数の波長帯の光を出射できるため、複数個の光源を独立に備える必要がなく、簡素な構成の映像投射装置を実現できる。また、フィールドシーケンシャルカラー方式を採用することで、表示部２１にはカラーフィルタを設ける必要がなく、高い解像度の映像を投射することが可能となる。
【００２８】
なお、本実施例では表示素子２２として透過型液晶表示素子を用いたが、デジタルミラーデバイスや、ＬＣＯＳなど他の表示素子も適用できる。
【実施例３】
【００２９】
実施例３では、光源駆動制御部１３の動作、特に温度制御について説明する。
図５は、光源駆動制御部１３による駆動電流の例を示す図で、（ａ）は通常動作時、（ｂ）温度制御時を示す。縦軸は光源部１１に供給する駆動電流Ｉを、横軸は時間ｔを示し、発光する各色（波長帯）毎の電流波形（制御信号）を模式的に示している。
【００３０】
（ａ）の通常動作時から説明する。前述したように、光源駆動制御部１３は、フィールドシーケンシャルカラー方式を採用している。このため、波長λ１（例えば青色）、λ２（例えば緑色）、λ３（例えば赤色）の光を時間軸に沿って発光させる。光源駆動制御部１３は、λ１の波長帯の光を出射するとき、λ１用の駆動パルスである制御信号を、光源部１１の発光面１１３へ送る。次にλ２の波長帯の光を出射するとき、λ１用とは異なるλ２用の駆動パルスである制御信号を、光源部１１の発光面１１２へ送る。次にλ３の波長帯の光を出射するとき、λ１、λ２用とは異なるλ３用の駆動パルスである制御信号を、光源部１１の発光面１１１へ送る。図示するように、波長λによって駆動パルス（制御信号）のパルス高さやパルス幅を異ならせている。このようにして、複数の波長帯の発光を実現する。
【００３１】
また、駆動パルス（制御信号）は高周波信号であるため、外部から伝送する場合、ノイズの影響を受けやすい。そこで、光源駆動制御部１３を光源モジュール１内に配置することで、制御信号の劣化を防止し、安定した発光を実現する。
【００３２】
次に（ｂ）の温度制御時の動作について説明する。図では、破線が調整前、実線が調整後を示している。光源部１１は、電流損失や光損失などにより発熱する。発熱により周囲温度が変化すると、光源部１１から出力される光の量や波長帯が変化する。このため、光源モジュール１には温度モニタ部１４が配置されており、光源モジュール１の周囲温度を計測する。
【００３３】
また、予め光源駆動制御部１３には温度変化に伴う出射する光の量の変化を示すデータテーブル１３０を具備しておく。光源駆動制御部１３は、温度モニタ部１４の計測した温度に従い、データテーブル１３０を参照し、図に示すように駆動電流を増やしたり、パルス幅を増やしたりすることで、所望の波長帯や明るさが得られるように調整する。
本実施例によれば、温度変化があっても投射する映像の色や明るさを安定させることができる。
【実施例４】
【００３４】
実施例４では、光源部１１の発光する波長帯について説明する。
図６は、光源部１１の発光する波長帯を説明する図であり、横軸は波長、縦軸は光束量（相対値）を示す。（ａ）〜（ｃ）の３通りの例について説明する。
【００３５】
（ａ）は３波長を有する場合である。光源部１１は３種類の波長帯λ１（青）、λ２（緑）、λ３（赤）の発光面を持っており、各々が所定の半値全幅を持っている。色再現範囲をＮＴＳＣ比１３０％以上としたい場合は、中心波長をλ１＝４５０ｎｍ、λ２＝５１５ｎｍ、λ３＝６４０ｎｍとし、半値全幅を２０ｎｍ程度に設定するのが良い。本実施例の光源部１１はフォノン準位を介して発光するので、ＬＥＤのように基板に依存せずに所定の波長帯を選択でき、色再現範囲の広い映像投射装置を容易に実現できることが利点である。なお、発光する波長帯を特定の半値全幅とするには、上記した発光面のナノ構造を製造するときに照射する光の波長を特定の半値全幅に選択すればよい。
【００３６】
（ｂ）と（ｃ）は４波長を有する場合である。３波長で色再現範囲を広く設定する場合、３波長共に中心波長が明るさに最も寄与する５５０ｎｍからずれてしまう。このため、色再現範囲とともに明るさも確保したい場合は、明るさに大きく寄与する半値全幅の広い白色の波長（（ｂ）のλ４）や、黄色の波長（（ｃ）のλ５）を追加すると良い。これらの場合、光源部１１の発光面を１つ増加し、１画像を４色画像に分割する制御を行えばよい。
【実施例５】
【００３７】
実施例５は、光源モジュール１の変形例として拡散部を設けた場合について説明する。
図７は、光源モジュールの他の構成例を示す図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は断面図である。実施例１（図１）と同じ要素には同じ符号を付与し、説明は割愛する。光源モジュール１’は、光源部１１、光源基板１２、光源駆動制御部１３、温度モニタ部１４、および拡散部１５から構成されている。実施例１（図１）の構成と比較し、光源部１１の出射側に拡散部１５を設けている。拡散部１５は、光を拡散させる機能を有しており、透明なプラスチック板の表面を粗面化したり、内部に屈折率の異なる粒子を混ぜたりすることで実現できる。
【００３８】
光源部１１では、発光面での出射光の均一性を確保することが製造上の課題であり、出射光に均一性がない場合、投射映像の色や明るさにむらが発生してしまう。そこで光源モジュール１’に拡散部１５を設けることで、出射光の均一性を改善することができる。言い換えれば、拡散部１５を設けることで、光源部１１の製造上のばらつきを改善する効果が得られる。
【実施例６】
【００３９】
実施例６は、映像投射装置２の変形例として集光部を設けた構成について説明する。
図８は、映像投射装置の他の構成例を示す図である。実施例２（図３）と同じ要素には同じ符号を付与し、説明は割愛する。映像投射装置２’は、光源モジュール１（光源部１１）、表示部２１（表示素子２２）、投射部２３、集光部２５から構成されている。実施例２（図３）と比較し、小型サイズの光源モジュール１を用いるとともに、集光部２５を設けている。光源モジュール１が小さいことから、光源部１１は表示部２１（表示素子２２）よりも十分に小さいものとなる。
【００４０】
集光部２５は集光レンズであり、光源部１１から出射した角度がランダムな光束を平行な光束に変換し集光する機能を有する。また、光源部１１から出射した光の面積を、ほぼ表示素子２２の面積の大きさに拡大する機能も有している。光源モジュール１から出射した光は、集光部２５を経て表示部２１に入射し、表示素子２２で映像が生成される。投射部２３は、表示素子２２で生成された映像を投射し投影映像２４を表示させる。
【００４１】
実施例２（図３）のように、光源部１１からの角度がランダムな光束をそのまま使用すると、投射映像に寄与する光は少なく光学効率が低くなってしまう。本実施例のように光源部１１を小さくして集光部２５により平行な光束に変換すれば、無駄な光をなくして表示素子２２に効率良く光を伝達できる。これにより、映像投射装置２’における光学的効率を大幅に向上させることができる。
【００４２】
図８の構成は、さらに次のように変形することができる。
図９は、映像投射装置のさらなる変形例を示す図である。映像投射装置２’は、図８の構成において、光源モジュール１と集光部２５の間に、さらにライトトンネル２６を配置している。ライトトンネル２６は入射する光の均一性を向上する機能を有する。このため、光源部１１から出射した光は、集光部２５に到達する前にライトトンネル２６を通過させることで、光の均一性を改善できる。その結果、映像投射装置２’は、高い光学効率を確保しながら、投射映像の色や明るさのむらをなくすことができる。
【００４３】
図１０は、映像投射装置のさらなる変形例を示す図である。映像投射装置２’は、図８の構成において、集光部２５と表示部２１の間に、さらにフライアイレンズ２７を配置している。フライアイレンズ２７は入射する光の均一性を向上する機能を有する。このため、集光部２５から出射した光束をフライアイレンズ２７に通過させることで、光の均一性を改善できる。その結果、この映像投射装置２’においても、高い光学効率を確保しながら、投射映像の色や明るさのむらをなくすことができる。
【００４４】
以上説明したように、本発明の光源モジュールによれば、１つの光源モジュールにより複数の波長帯の光を出射することができるため、簡素な光学系で小型の光源を実現できる。また、このような光源モジュールを用いることで、ピコプロジェクターやヘッドマウントディスプレイなど、モバイル用途の映像投射装置における小型・軽量化、高解像度化、省電力化に寄与する。
【符号の説明】
【００４５】
１，１’：光源モジュール、
２，２’：映像投射装置、
３：コントローラ、
１１：光源部、
１２：光源基板、
１３：光源駆動制御部、
１４：温度モニタ部、
１５：拡散部、
２１：表示部、
２２：表示素子、
２３：投射部、
２４：投射映像、
２５：集光部、
２６：ライトトンネル、
２７：フライアイレンズ、
１１１〜１１３：発光面。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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