(57)【要約】【課題】半導体ダイオードを利用したプロジェクションシステムを提供する。【解決手段】複数の単色光を照射する光源モジュール１１０と、光源モジュール１１０から照射された単色光をそれぞれの色信号によって変調するものであって、Ｐ型半導体層、真性半導体層、及びＮ型半導体層を含んで構成され、逆バイアス電圧の大きさによって複数の単色光を吸収または透過させる半導体ダイオードがピクセル単位で配列された少なくとも一つの光変調器１２１、１２２、１２３と、光変調器１２１、１２２、１２３によって変調された単色光を合成して画像を形成する色合成プリズム１２７と、色合成プリズム１２７を通じて形成された画像をスクリーン側に投射させる投射レンズ１３１と、を備えている。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の単色光を照射する光源モジュールと、
前記光源モジュールから照射された単色光をそれぞれの色信号によって変調するものであって、Ｐ型半導体層、真性半導体層、及びＮ型半導体層を含んで構成され、逆バイアス電圧の大きさによって、前記複数の単色光を吸収または透過させる半導体ダイオードがピクセル単位で配列された少なくとも一つの光変調器と、
前記光変調器によって変調された単色光を合成して画像を形成する色合成プリズムと、
前記色合成プリズムを通じて形成された画像をスクリーン側に投射させる投射レンズと、
を備えることを特徴とするプロジェクションシステム。
【請求項２】
前記光変調器は、
前記真性半導体層のバンドギャップエネルギーが、逆バイアス電圧を印加しない時に赤色光を透過させる半導体ダイオードのアレイで構成された第１光変調器と、
前記真性半導体層のバンドギャップエネルギーが、逆バイアス電圧を印加しない時に緑色光を透過させる半導体ダイオードのアレイで構成された第２光変調器と、
前記真性半導体層のバンドギャップエネルギーが、逆バイアス電圧を印加しない時に青色光を透過させる半導体ダイオードのアレイで構成された第３光変調器と、
を備えることを特徴とする請求項１に記載のプロジェクションシステム。
【請求項３】
前記第１光変調器の半導体ダイオードは、真性半導体層の材質としてＩｎＧａＡｌＰを使用することを特徴とする請求項２に記載のプロジェクションシステム。
【請求項４】
前記第２光変調器の半導体ダイオードは、真性半導体層の材質としてＩｎＧａＡｌＮを使用することを特徴とする請求項２に記載のプロジェクションシステム。
【請求項５】
前記第３光変調器の半導体ダイオードは、真性半導体層の材質としてＩｎＧａＡｌＮを使用することを特徴とする請求項２に記載のプロジェクションシステム。
【請求項６】
前記Ｐ型半導体層及び前記Ｎ型半導体層は、青色、緑色、及び赤色光を何れも透過させるバンドギャップエネルギーを有することを特徴とする請求項１〜５のうち何れか１項に記載のプロジェクションシステム。
【請求項７】
前記光源モジュールは、
白色光を照射する光源と、
前記光源からの白色光を複数のカラー光に分離するための複数の二色ミラーと、
を備えることを特徴とする請求項６に記載のプロジェクションシステム。
【請求項８】
前記二色ミラーを経由した光を、経路を変えて前記光変調器に向かわせるミラーをさらに備えることを特徴とする請求項７に記載のプロジェクションシステム。
【請求項９】
前記光源モジュールは、複数の単色光源を含むことを特徴とする請求項６に記載のプロジェクションシステム。
【請求項１０】
前記複数の単色光源は、それぞれ赤色、緑色、及び青色の単色光を照射する発光ダイオードまたはレーザダイオードであることを特徴とする請求項９に記載のプロジェクションシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、本発明は、プロジェクションシステムに係り、さらに詳細には、高い光効率及び速い光変調速度を有する構造のプロジェクションシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ディスプレイ装置は、軽量化、薄型化の技術に伴い、大画面を有するディスプレイ装置の開発が盛んである。このような大画面を有するディスプレイとして、プロジェクターまたはプロジェクションＴＶがある。
【０００３】
このようなプロジェクションシステムについての新たな技術として注目されているマイクロディスプレイ素子としては、透過型ＬＣＤ（Ｌｉｑｕｉｄ  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｄｉｓｐｌａｙ）パネル、反射型ＬＣｏＳ（Ｌｉｑｕｉｄ  Ｃｒｙｓｔａｌｏｎ  Ｓｉｌｉｃｏｎ）パネル、ＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ  Ｄｅｖｉｃｅ）パネルがあり、マイクロ素子を幾つ使用するかによって、１パネル方式、２パネル方式、および３パネル方式に分類される。
【０００４】
透過型ＬＣＤの場合、３パネル方式が一般的であり、ＬＣｏＳの場合に３パネル方式、２パネル方式、または１パネル方式が、ＤＭＤの場合に１パネル方式が一般的に使われる。
【０００５】
図１は、従来の技術による透過型ＬＣＤを使用したプロジェクションシステムの概略的な構成を示す図である。図１を参照すれば、透過型ＬＣＤを使用したプロジェクションシステムは、光源１０と、光源１０から発散された光を赤色、緑色、青色に分離する二色ミラー１５と、二色ミラー１５で分離された光を入力される信号によって変調するＬＣＤパネル２０と、前記ＬＣＤパネル２０から出たイメージを合成する色合成プリズム２５と、を備える。
【０００６】
このようなプロジェクションシステムは、３パネル方式を採用してバルキー（ｂｕｌｋｙ）な構造を有しつつも、ＬＣＤパネル２０の構成品である偏光子の大きい光吸収のために、光効率が低いという問題点がある。また、ＬＣＤパネル方式は、配向膜の間の液晶配列によって光を変調するので、制御信号によって配列方向の変わった液晶が配向方向に原位置に戻るのに時間がかかって変調速度が遅いという問題点がある。
【０００７】
図２は、従来の技術によるＤＭＤパネルを使用する１パネル方式のＤＬＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｌｉｇｈｔ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ）プロジェクションシステムの構成を示す図である。図２を参照すれば、ＤＬＰプロジェクションシステムは、光源３０と、赤色、緑色、青色の光を経時的に順次に分割するカラーフィルタ３５、前記各色の画面情報を順次に表示するＤＭＤ素子４０、及びＤＭＤ素子４０から出てきた光をスクリーンに投射するための投射レンズ４５を備える。
【０００８】
このようにＤＭＤ素子を採用するプロジェクションシステムは、ＬＣＤパネルを使用する場合より光効率が高く１パネル方式を採択でき、光学部品数が減少するという利点があるが、ＤＭＤ素子に採用されるマイクロミラーのエッジ部分で光が飛び散る現象が発生して、画像周囲でグレーバンド（ｇｒａｙ  ｂａｎｄ）が生じうるという問題点がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、前記問題点を解決するために成されたものであって、高い光効率を有し、かつ、速い光変調速度を有する構造のプロジェクションシステムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記目的を達成するための本発明に係るプロジェクションシステムは、複数の単色光を照射する光源モジュールと、前記光源モジュールから照射された単色光をそれぞれの色信号によって変調するものであって、Ｐ型半導体層、真性半導体層、及びＮ型半導体層含んで構成され、逆バイアス電圧の大きさによって前記複数の単色光を吸収または透過させる半導体ダイオードがピクセル単位で配列された少なくとも一つの光変調器と、前記光変調器によって変調された単色光を合成して画像を形成する色合成プリズムと、前記色合成プリズムを通じて形成された画像をスクリーン側に投射させる投射レンズと、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
以上のように構成された本発明に係るプロジェクションシステムは、半導体ダイオードを利用して光変調を行うように構成される。本発明では、半導体ダイオードが光をその波長によって透過または吸収するものであって、透過帯域の波長に該当する場合、光の損失がほとんどなしに透過されるので、光効率が高く、また光変調速度が非常に速くすることができる。
【００１２】
また、基板に一括の工程で形成することができる構造を有しているので、製造工程が簡単であり、製造コストを低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、添付された図面を参照して本発明をさらに詳細に説明する。
【００１４】
図３及び図４は、本発明の実施形態によるプロジェクションシステムの概略的な構成を示す図である。
【００１５】
まず、図３を参照すれば、プロジェクションシステムは、複数の単色光を照射する光源モジュール１１０と、光源モジュール１１０から照射された単色光をそれぞれの色信号によって変調する光変調器１２１〜１２３と、光変調器１２１〜１２３によって変調された単色光を一つの光に合成する色合成プリズム１２７と、色合成プリズム１２７からの合成された光をスクリーンに投射する投射レンズ１３１と、を備えている。
【００１６】
光源モジュール１１０は、白色光源１１２と、白色光源１１２からの第１光、第２光、第３光に分離する第１二色ミラー１１４及び第２二色ミラー１１６を備える。
【００１７】
前記第１光、第２光、及び第３光は、赤色光（Ｒ）、青色光（Ｂ）、及び緑色光（Ｇ）となり、このとき、第１二色ミラー１１４は、赤色光を透過させ、残りの光を反射させる二色ミラーとなり、第２二色ミラー１１６は、青色光は透過させ、残りの光は反射させる二色ミラーとなる。
【００１８】
光変調器１２１〜１２３は、前記のように照射された光をそれぞれの色信号によって変調するものであって、赤色光をオン／オフ制御する第１光変調器１２１、緑色光をオン／オフ制御する第２光変調器１２２及び青色光をオン／オフ制御する第３光変調器１２３で構成される。
【００１９】
第１二色ミラー１１４と第１光変調器１２１との間には、第１ミラー１１５が配置され、第２二色ミラー１１６と第３光変調器１２３との間には、第２ミラー１１７と第３ミラー１１９とが配置されている。
【００２０】
白色光源１１２から出た光が第１二色ミラー１１４に入射されれば、第１二色ミラー１１４は、赤色光（Ｒ）を透過させ、緑色光（Ｇ）、青色光（Ｂ）は反射させる。第１二色ミラー１１４で透過された赤色光（Ｒ）はまた、第１ミラー１１５によって反射されて第１光変調器１２１に入射する。
【００２１】
一方、第１二色ミラー１１４で反射された緑色光（Ｇ）及び青色光（Ｂ）は、第２二色ミラー１１６に入射される。第２二色ミラー１１６は、入射された緑色光及び青色光のうち、緑色光は反射させ、青色光は透過させる。第２二色ミラー１１６で反射された緑色光（Ｇ）は、第２光変調器１２２に入射される。
【００２２】
第２二色ミラー１１６を透過した青色光は、第２ミラー１１７及び第３ミラー１１９によって経路を変えて第３光変調器１２３に入射される。
【００２３】
光源モジュールは、前記構造以外に、図４に示したように、光変調器１２１〜１２３に光を直接入射させるように配置され、光変調器１２１〜１２３に単色光を直接照射する複数の単色光源２１１〜２１３を備えうる。また、複数の単色光源２１１〜２１３は、例えば、それぞれ赤色光、青色光、緑色光を照射する発光ダイオードまたはレーザダイオードとなることができる。
【００２４】
第１〜第３光変調器１２１〜１２３の前方には、第１〜第３光変調器１２１〜１２３とそれぞれ対向する面を有する立方形態の色合成プリズム１２７が配置されており、色合成プリズム１２７の前方には、投射レンズ１３１が配置されている。
【００２５】
第１〜第３光変調器１２１〜１２３に入射されて後述する原理によって変調された光は、色合成プリズム１２７によって合成された後、投射レンズ１３１によって投射されてスクリーンに到達する。
【００２６】
以下、図５〜図８を参照して、本発明のプロジェクションシステムに採用された光変調器の構造と、光変調器を構成する半導体ダイオードの構造及び前記半導体ダイオードが光を透過または吸収する原理とを詳細に説明する。
【００２７】
図５は、図３及び図４に示された光変調器のＡ部分を拡大したものであって、二次元アレイ状に配列された半導体ダイオード１４０を示す。
【００２８】
まず、図５を参照すれば、光変調器を構成する半導体ダイオード１４０は、逆バイアス電圧が印加されるようにＰ型電極１４３とＮ型電極１４１とを備えており、二次元アレイ状に配置されている。
【００２９】
前記二次元アレイで、例えば、マトリックス状のｋ行ｍ列に位置する半導体ダイオード１４０のＮ型電極１４１は、行方向に配置され、所定の電位値ＶＮ，ｋ（ｋ＝１，２，３…）を有するＮ−ターミナルラインＮＬｋに連結される。そして、半導体ダイオード１４０のＰ型電極１４３は、列方向に配置され、所定の電位値ＶＰ，ｍ（ｍ＝１，２，３…）を有するＰ−ターミナルラインＰＬｍに連結される。
【００３０】
このとき、Ｎ型電極１４１とＰ型電極１４３とが連結されたそれぞれのターミナルラインＮＬｋ，ＰＬｍの電位値の差（ＶＮ，ｋ−ＶＰ，ｍ）が半導体ダイオード１４０に印加される逆バイアス電圧ＶＲの大きさに該当する。それぞれの半導体ダイオード１４０は、一つのピクセルに対応し、後述するように、印加された逆バイアス電圧の大きさによって、光を透過（オン）または吸収（オフ）させる。
【００３１】
Ｐ型、Ｎ型電極の形状を含む半導体ダイオード１４０の形状は、図示された形状に限定されるものではなく、目的に応じて、例えば、画像特性を考慮して他の形状に適宜変更することができる。
【００３２】
図６は、図５のＶＩ−ＶＩ’線の断面図である。図６を参照すれば、半導体ダイオード１４０は、Ｐ型半導体層１４５、真性半導体層１４７、及び半導体Ｎ層１４９のＰ−Ｉ−Ｎ構造となっている。Ｐ型半導体層１４５の上部及びＮ型半導体層１４９の下部には、それぞれＰ型電極１４３及びＮ型電極１４１が形成されている。Ｐ型半導体層１４５とＰ型電極１４３との間、及びＮ型半導体層１４９とＮ型電極１４１との間には、透明電極１５１が設けられている。
【００３３】
透明電極１５１としては、例えば、ＩＴＯ、ＺｎＯ、ＴＣＯ、ＮｉＯから形成することができる  外部から光が入射されるとき、半導体ダイオード１４０は、入射される光のエネルギー及び真性半導体層のバンドギャップエネルギーの大きさに基づき、光を吸収または透過させる。すなわち、真性半導体層１４７は、光の吸収層として役割を行い、入射光のエネルギーが真性半導体層１４６のバンドギャップエネルギーより大きい場合に吸収され、バンドギャップエネルギーＥｇより小さい場合に透過される。真性半導体層１４７は、多重量子ウェル構造であることができる。
【００３４】
一方、バンドギャップエネルギーは、逆バイアス電圧が上昇するにつれて小さくなる特性を有する。逆バイアス電圧が印加されれば、エネルギーバンドに電気ポテンシャルエネルギーが加えられる。このとき、加えられる電気ポテンシャルエネルギーは、位置によって異なる値となるので、エネルギーバンドが傾き、これにより、バンドギャップエネルギーが小さくなる。これを量子限定スターク効果という。バンドギャップエネルギーが小さくなるにつれて、真性半導体層１４７で吸収される入射光のエネルギーも小さくなる。
【００３５】
図７は、逆バイアス電圧による吸収スペクトルの変化を概略的に示す図である。ｘ軸が入射光の波長であり、ｙ軸は吸収係数“α”を表す。λ１、λ２、λ３、λ４は、印加された逆バイアス電圧がそれぞれ−２Ｖ、−５Ｖ、−８Ｖ、−１０Ｖである場合において、光が吸収されずに透過され始める最小波長を意味する。印加された逆バイアス電圧が大きくなるにつれて、吸収スペクトルが右側に移動しており、すなわち、逆バイアス電圧が大きくなるにつれて、半導体ダイオード１４０を透過する最小波長は大きくなっていることが分かる。
【００３６】
逆バイアス電圧を印加していない時のバンドギャップエネルギーと逆バイアス電圧を印加した時のバンドギャップエネルギーとを適切に設計することによって、特定波長帯域の光をオン／オフさせることができる。
【００３７】
図８は、逆バイアス電圧による吸収スペクトルの変化を測定したグラフである。測定に使われた半導体ダイオードは、Ｐ型半導体層及びＮ型半導体層の材質としてＧａＮが使われ、真性半導体層は、ＩｎＧａＮ／ＧａＮの多重量子ウェル構造になっている。
【００３８】
図８を参照すれば、逆バイアス電圧が−１Ｖから−２０Ｖまで変わるにつれて、透過帯域の波長が変わる。可視光線領域（３８０ｎｍ〜７８０ｎｍ）を参照すれば、透過帯域の最小波長が約４００ｎｍから４５０ｎｍに変わることが見られる。
【００３９】
実験に使われた構造の場合、波長が約４００ｎｍ〜４５０ｎｍに該当する光は、逆バイアス電圧が−１Ｖである時に半導体ダイオードを透過し、逆バイアス電圧が−２０Ｖである時に吸収される。
【００４０】
前記実験は、例示的なものであり、必要に応じて半導体ダイオードの半導体各層の構造や材質を適宜選択して設計することによって吸収特性が改善させ、または他の波長帯域に移動させることができる。
【００４１】
例えば、赤色光をオン／オフさせるための第１光変調器（図３の参照符号１２１）の場合、赤色光の波長に該当する５６０ｎｍ〜６５０ｎｍの光をオン／オフできるように半導体ダイオード１４０が設計する必要がある。前記波長帯域は、約１．９ｅＶ〜２．２ｅＶの光エネルギーに該当するので、半導体ダイオード１４０で吸収層となる真性半導体層のバンドギャップエネルギーは、赤色光を吸収させるためのバンドギャップエネルギーとしては１．９ｅＶ以下となり、赤色光を透過させるためのバンドギャップエネルギーとしては、２．２ｅＶ以上となることが望ましい。逆バイアス電圧によってバンドギャップエネルギーは小さくなるので、“０”バイアスを基準としたバンドギャップエネルギーは、少なくとも２．２ｅＶ以上になるように設計されることが望ましい。吸収層となる真性半導体層としては、ＩｎＧａＡｌＰ系列の材質を使用することができる。
【００４２】
また、緑色光をオン／オフさせるための第２光変調器（図３の参照符号１２２）の場合、緑色光のエネルギーが約２．２ｅＶ〜２．５ｅＶであるので、緑色光を吸収させるための吸収層のバンドギャップエネルギーとしては２．２ｅＶ以下となり、緑色光を透過させるためのバンドギャップエネルギーとしては２．５ｅＶ以上となることが望ましい。したがって、ゼロバイアスを基準としたバンドギャップエネルギーは、少なくとも２．５ｅＶ以上になるように設計されることが良い。吸収層となる真性半導体層としては、ＩｎＧａＡｌＮ系列の材質を使用することができる。
【００４３】
また、青色光をオン／オフさせるための第３光変調器１２３の場合、青色光のエネルギーが約２．５ｅＶ〜２．９ｅＶであるので、“０”バイアスを基準としたバンドギャップエネルギーは、少なくとも２．９ｅＶ以上になるように半導体ダイオード１４０が設計されることが望ましい。吸収層となる真性半導体層としては、ＩｎＧａＡｌＮ系列の材質を使用することができる。
【００４４】
一方、Ｐ型半導体層１４４及びＮ型半導体層１４８でも光の吸収が発生しうる。吸収層である真性半導体層で光を効果的にオン／オフさせるために、前記Ｐ型半導体層１４４及びＮ型半導体層１４８は、可視光線領域の光を透過させうるように設計されることが望ましい。すなわち、Ｐ型半導体層１４４及びＮ型半導体層１４８のバンドギャップエネルギーは、青色光の最小波長である４３０ｎｍに該当する光エネルギー、約２．９ｅＶより大きい値を有することが望ましい。
【００４５】
前記構造の第１〜第３光変調器（図３の参照符号１２１〜１２３）に入射されたそれぞれの単色光は、各ピクセルに対応する半導体ダイオードに印加された逆バイアス電圧によって真性半導体層を通過する間に吸収または透過されて光を変調する。
【００４６】
以上、本発明の理解を容易なものとするために、添付された図面に示した実施形態を参照して説明したが、これは、例示的なものに過ぎず、当業者ならば、多様な変形及び均等な他の実施形態が可能であるということが分かる。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明は、ディスプレイ装置関連の技術分野に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】従来の技術における透過型ＬＣＤを使用したプロジェクションシステムの構成を示す図面である。
【図２】従来の技術におけるＤＭＤパネルを使用するＤＬＰプロジェクションシステムの構成を示す図面である。
【図３】本発明の一実施形態に係るプロジェクションシステムの構成を示す図面である。
【図４】本発明の他の実施形態に係るプロジェクションシステムの構成を示す図面である。
【図５】図３及び図４に示された光変調器のＡ部分を拡大した図面である。
【図６】図５のＶＩ−ＶＩ’線の断面図である。
【図７】逆バイアス電圧による吸収スペクトルの変化を概略的に示すグラフである。
【図８】逆バイアス電圧による吸収スペクトルの変化を測定したグラフである。
【符号の説明】
【００４９】
１１０    光源モジュール、
１１２    白色光源、
１１４    第１二色ミラー、
１１５    第１ミラー、
１１６    第２二色ミラー、
１１７    第２ミラー、
１１９    第３ミラー、
１２１    第１光変調器、
１２２    第２光変調器、
１２３    第３光変調器、
１２７    色合成プリズム、
１３１    投射レンズ。
【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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