JP2009086269A - 投写型映像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】投写型映像表示装置において光源アレイを光源とする光源エレメントを簡素な構成で温度制御が可能となるようにし、環境温度の変化および光源エレメント自体の構造的経年変化に拘わらず、長期に亘り常に高い精度の色再現が可能となり、光源アレイの寿命が長く保てるようにする。
【解決手段】少なくとも３原色の光を画像情報により変調して合成することにより投写光が得られるようにした投写型映像表示装置であり、同一基板上に複数の光源素子を配列した光源アレイを受熱板に配設し、且つ、該受熱板に加熱手段および温度検出手段を配設してなる複数の光源エレメントを、３原色毎に合成プリズムの照射面に導光するように、階層状に配置して光源ユニットを構成し、前記光源エレメントの受熱板を冷却手段に接続するとともに、前記加熱手段および温度検出手段を制御手段に接続する。
【選択図】図３

Description

本発明は、３原色の光を画像情報により変調して合成することにより投写光を生成し、投写レンズを介してスクリーンに映像を投影する投写型映像表示装置（プロジェクタ）において、光源アレイを採用した光源ユニットの改良に関するものである。

従来の多くの投写型映像表示装置においては、３原色の光を生成するための光源にメタルハライドランプや超高圧水銀ランプなどの放電型ランプが採用され、いわゆる３板式による場合は、放電型ランプが発する白色光をダイクロイックミラーにより赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）の３原色に分離し、この３原色を画像情報により変調して合成プリズム（ダイクロイックプリズム）で合成した後、投写レンズを介して映像をスクリーンに表示するようにしている。

このような放電型ランプを採用する投写型映像表示装置において高輝度化（高出力化）の要求に対応するためには、高出力の放電型ランプを採用したり、多灯化が試みられている。ところが、このような対応は放電型ランプからの発熱が多くなることから冷却構造が大型化し、騒音や電源の大型化などの対策も不可欠なものとなる。また、放電型ランプの発光スペクトルは、黄色にピークを持つため、その出射光を有効に利用するためには、赤色もしくは緑色に黄色を混ぜて使用する必要がある。したがって、生成される単色の色純度が悪く、高い色再現性を期待することができないという課題があった。さらに、放電型ランプは、発光スペクトルにおける緑色、青色の波長帯域の光量に比べ、赤色の波長帯域の光量が十分でないため、この赤色の波長帯域の光量を補う対策が必要であるという課題があった。

放電型ランプを採用した投写型映像表示装置にはこのような課題があるにも拘わらず、近年、業務市場などにおいてはスクリーンに投影する映像の大型化の要求が高まり、これに伴って３原色の発光量の増大が市場の要求となっている。そこで、上記のような放電型ランプを採用した場合の課題を解決するため、特に高出力化を目的とする光源の要素に光源アレイを採用する試みがなされている（特許文献１参照）。

この光源アレイは、例えば、同一基板上にモノシリックで数１０個以上の光源素子が高密度に配列されてアレイ化されたものであり、配列数に相当する発光スポットが形成されるようにしている。このような光源アレイを採用する場合において、この光源アレイの各素子を安定に発光発振させるため、光源アレイ動作設定温度を一定に保つことが重要な課題となっている。

光源アレイ動作設定温度が変動すると、光源素子からの発光出力が変動し、色合成の結果に影響が生じるとともに、寿命を短くすることにもなる。そこで、特許文献１に開示された技術では、ペルチェ素子とヒートシンクを組み合わせ、光源アレイを冷却している。また、光源アレイを強制的に冷却する他の手段として、冷却装置から冷却媒体通路を光源アレイに対して並列的に配置することにより所定の温度に冷却するようにしたものがある（特許文献２参照）。
特開２００７−２０１２８５号公報 特開２００５−０２６５７５号公報

光源アレイを光源とした場合、放電型ランプを採用した場合に比べて瞬時点灯および消灯が可能であり、色再現性が広く長寿命であるという特質がある。しかしながら、光源素子は温度が上昇すると発光効率が低下し、結晶欠陥の増加が進行する。これに伴って非発光遷移の割合が増加することから、本来の発光原理として動作する遷移機構においても発熱し、素子の温度が上昇して発光能力が加速度的に低下することになり、寿命の短期化にもつながることになる。

本発明は、このような光学的物性のある複数の光源素子を配列した光源アレイから出射される３原色を合成する構成を前提とするものであるが、前述したように光源素子においては温度による影響を大きく受ける特質を備えるもので、素子の温度が変化すると、出射光の波長、輝度が変化する。このような状態に至ると、ホワイトバランスが崩れ、正確な色階調表現ができなくなり、コントラストなどに影響が生ずることになる。

したがって、光源アレイは、安定した動作が維持される一定の動作設定温度に常時保たれるようにしなければならない。例えば、光源素子は室温より比較的低い温度において高い出力が得られ、長い寿命を保つことができるので、環境温度がどのように変化しても光源アレイ動作設定温度を一定に保つ冷却手段が必要となり、その温度を指定範囲内で厳密に制御する必要がある。

ところが、上記特許文献１に開示された冷却手段においては、ペルチェ素子とヒートシンクの複合構造によるもので、光源エレメントの周辺部が複雑かつ大型化することから、３原色毎に複数の光源アレイを配置する構成の光源エレメントには採用することはできず、個々の光源アレイを正確に温度制御することはできない。また、上記特許文献２に開示された冷却手段においては、個々の光源アレイの温度状態を把握することが困難であるとともに、冷却冷媒の流量の調整手段を個々に備えるというきわめて大掛かりな装置となる。

本発明は、光源アレイを受熱板に配設してなる複数の光源エレメントを、３原色毎に合成プリズムの照射面に向けて階層状に配置するようにした光源ユニットを備える投写型映像表示装置において、各光源アレイの温度状況を常時監視し、冷却手段および加熱手段の相互の作用により全ての光源アレイが所望の動作設定温度に保たれるようにすることにより、環境温度の変化に拘わらず高い精度の色再現が可能となり、光源アレイの寿命が長く保たれるようにすることを目的とするものである。

そこで本発明は、以下に述べる各手段により上記課題を解決するようにした。即ち、請求項１記載の発明では、少なくとも３原色の光を画像情報により変調して合成することにより投写光が得られるようにした投写型映像表示装置であり、同一基板上に複数の光源素子を配列した光源アレイを受熱板に配設し、且つ、該受熱板に加熱手段および温度検出手段を配設してなる複数の光源エレメントを、３原色毎に合成プリズムの照射面に導光するように、階層状に配置して光源ユニットを構成し、前記光源エレメントの受熱板を冷却手段に接続するとともに、前記加熱手段および温度検出手段を制御手段に接続する。

請求項２記載の発明では、少なくとも３原色の光を画像情報により変調して合成することにより投写光が得られるようにした投写型映像表示装置であり、同一基板上に複数の光源素子を配列した光源アレイを受熱板に配設し、且つ、該受熱板に加熱手段および温度検出手段を配設してなる複数の光源エレメントを、３原色毎に合成プリズムの照射面に導光するように、階層状に配置して光源ユニットを構成し、前記光源エレメントを冷却手段に接続するとともに、前記加熱手段および温度検出手段を制御手段に接続してなり、前記冷却手段により同時に冷却された複数の光源エレメントから前記温度検出手段により検出された各温度値において最高温度値を示した光源エレメントが所望の光源アレイ動作設定温度となるように冷却手段を制御する一方、その他の光源エレメントを各々の加熱手段にて昇温することにより所望の光源アレイ動作設定温度となるようにする。

本発明の請求項１記載の発明によれば、少なくとも３原色毎に合成プリズムの照射面に導光するように、階層状に配置した光源エレメントの受熱板を同時に冷却し、個々の光源エレメントの温度検出手段から温度値を検出するとともに、加熱手段による加熱が可能となるようにしたので、簡素な構成による光源エレメントの温度制御が可能となる。

本発明の請求項２記載の発明によれば、各光源エレメントから検出された各温度値において最高温度値を示した光源エレメントが冷却手段により光源アレイ動作設定温度となり、その他の光源エレメントは各々の加熱手段により所望の光源アレイ動作設定温度となるようにした温度制御により、環境温度の状況および光源エレメント自体の構造的経年変化に拘わらず、長期に亘り常に高い精度の色再現が可能となり、しかも、光源素子の寿命を長く保つことができる。

以下、本発明の実施の形態を図にもとづいて詳細に説明する。図１は、本発明の光源ユニットの基本的構成を示す平面図であり、同光源ユニットの組立状態の斜視図を図２に示す。図３は、本発明の要部の構成を示す図であり、本発明に採用する冷却手段の例を図４に示し、光源ユニットの冷却の態様を図５乃至図９に示す。

図１は、本発明の投写型映像表示装置Ｐの要部となる光源ユニット１の基本的構成を示す平面図であり、中央に配置された合成プリズム２の３側面に３原色のレーザ光の照射面２Ｒ、２Ｇ、２Ｂが形成されている。前記照射面２Ｒには赤色レーザ光が照射され、照射面２Ｇには緑色レーザ光が照射され、照射面２Ｂには青色レーザ光が照射される。

各照射面２Ｒ、２Ｇ、２Ｂには液晶パネル３Ｒ、３Ｇ、３Ｂとともに入射側偏光板４Ｒ、４Ｇ、４Ｂおよび出射側偏光板５Ｒ、５Ｇ、５Ｂが対面して平行に配設されている。前記液晶パネル３Ｒ、３Ｇ、３Ｂに特定の直線偏光成分を入射させるため、入射側偏光板４Ｒ、４Ｇ、４Ｂにおいて各原色の光束を所定の偏光方向（Ｐ偏光）に揃え、そのＰ偏光が液晶パネル３Ｒ、３Ｇ、３Ｂで変調された後、変調光のＳ偏光成分のみが出射側偏光板５Ｒ、５Ｇ、５Ｂから透過される。

そして、均一な照度分布が得られるようにするコンデンサレンズ６Ｒ、６Ｇ、６Ｂが入射側偏光板４Ｒ、４Ｇ、４Ｂに対面して平行に配設され、さらに、各レーザ光の輝度を均一化するためのインテグレータ（フライアイレンズ対）７Ｒ、７Ｇ、７Ｂがコンデンサレンズ６Ｒ、６Ｇ、６Ｂに対面して平行に配設されている。前記インテグレータ７Ｒは光源エレメント８から赤色レーザ光を入射し、インテグレータ７Ｇは光源エレメント９から緑色レーザ光を入射し、インテグレータ７Ｂは光源エレメント１０から青色レーザ光を入射する。

前記各光源エレメント８、９、１０は全て同一に構成されるもので、熱伝導性に優れた金属により形成された受熱板８ａ、９ａ、１０ａの先端に、光源素子となる数１０個以上の半導体レーザ素子を配列した半導体レーザ素子アレイ８ｂ、９ｂ、１０ｂを、例えば、熱伝導性接着剤により固定する。なお、例えば、半導体レーザ素子アレイ８ｂからは赤色の波長帯域である６５０ｎｍ近辺、半導体レーザ素子アレイ９ｂからは緑色の波長帯域である５５０ｎｍ近辺、半導体レーザ素子アレイ１０ｂからは青色の波長帯域である４４０ｎｍ近辺のレーザ光が出射される。

このように構成された半導体レーザ素子アレイ８ｂ、９ｂ、１０ｂから出射される３原色のレーザ光は、合成プリズム２へ所定の光量で入射するようにしなければならない。したがって、３原色毎の個々の半導体レーザ素子の発光量を配慮し、配列する素子数を定めたり、あるいは駆動電流を３原色毎に設定して供給することは設計上の課題として重要となる。

光源エレメント８、９、１０は以上のように構成され、図２に示すように同一原色の照射範囲内に同一原色を発光する複数の光源エレメント８、９、１０が合成プリズム２の照射面２Ｒ、２Ｇ、２Ｂに向けて階層状に配置される。同図では、合成プリズム２の照射面２Ｂに向けて青色を発光する光源エレメント１０の配置状態を例示しているが、赤色を発光する光源エレメント８および緑色を発光する光源エレメント９も各々照射面２Ｒ、２Ｇに向けて同様に配置される。なお、階層間の光源エレメント８、９、１０は、照射光が分散されるように千鳥状などの配置状態とすることを要する。

このように構成された光源ユニット１を駆動すると、光源エレメント８、９、１０から３原色のレーザ光が合成プリズム２の照射面２Ｒ、２Ｇ、２Ｂに向けて出射される。そして、各色レーザ光の輝度はインテグレータ７Ｒ、７Ｇ、７Ｂにおいて均一化され、さらに、コンデンサレンズ６Ｒ、６Ｇ、６Ｂにおいて照度分布が均一となり、入射側偏光板４Ｒ、４Ｇ、４Ｂへ入射する。

このようにして均一化された３原色の各レーザ光は、液晶パネル３Ｒ、３Ｇ、３Ｂへ入射し、画像を形成するため階調（強度）変調され、出射側偏光板５Ｒ、５Ｇ、５Ｂを介して合成プリズム２へ入射する。階調変調された３原色のレーザ光は、この合成プリズム２において合成される。そして、この投写光は出射面２Ｓから出射し、投写レンズＬを介してスクリーンに投影される。

ところで、前記光源エレメント８、９、１０が、受熱板８ａ、９ａ、１０ａに半導体レーザ素子アレイ８ｂ、９ｂ、１０ｂを熱伝導性接着剤により接着、あるいはネジ止めされるような場合、接合面に空気が僅かでも存在すると接触熱抵抗に誤差が生じ、受熱板８ａ、９ａ、１０ａに吸収される熱量に差異が生じてしまうことになる。このような誤差の生じる原因は、製造工程における組立誤差に起因する場合もあり、構造的経年変化による場合もあるが、何れにしても熱伝導率が区々の状態で半導体レーザ素子アレイ８ｂ、９ｂ、１０ｂを発光させると、熱的条件の相違から発光量が均一とならなくなり、寿命も相違してくることになる。

そこで、本発明では、以下に述べる対策を施すことにより全ての光源アレイが動作設定温度の許容範囲内で作動できるようにした。即ち、図３に示すように光源エレメント８、９、１０の全ての受熱板８ａ、９ａ、１０ａに加熱手段となる電熱ヒータ２０および温度検出手段となる温度センサ２１を配設し、この電熱ヒータ２０と温度センサ２１をリード線Ｌ１、Ｌ２により制御装置２２に接続する。なお、前記加熱手段にはペルチェ素子なども採用することができ、電熱ヒータに限定されるものではない。

前記受熱板８ａ、９ａ、１０ａは、冷却手段となる冷凍機２３から延設され、合成プリズム２の照射面２Ｒ、２Ｇ、２Ｂへ各別に対面する冷媒回路２４Ｒ、２４Ｇ、２４Ｂ中に設けられた吸熱器（蒸発器）２５に熱伝導性接着剤などの適宜手段により固定され、受熱板８ａ、９ａ、１０ａの熱が吸熱器２５に吸収されるようにしている。

図４は前記冷凍機２３内の冷媒回路の例を示すもので、冷媒圧縮機２３ａ、凝縮器２３ｂ、減圧器２３Ｒ、２３Ｇ、２３Ｂ、吸熱器２５、アキュームレータ２３ｃの順で環状に接続されている。この冷媒回路の冷媒圧縮機２３ａで圧縮された高温高圧の冷媒は、凝縮器２３ｂの送風ファン２３ｄにて外気（空冷の場合）と熱交換して温度が下がり低温高圧の冷媒となる。次いで、減圧器２３Ｒ、２３Ｇ、２３Ｂにて流量が絞られた後、吸熱器２５にて蒸発する。この際の吸熱作用により受熱板８ａ、９ａ、１０ａの冷却が行われる。なお、減圧器２３Ｒ、２３Ｇ、２３Ｂにおいて冷媒の絞り量を調整することにより３原色毎の吸熱器２５の冷却の程度を調整することができる。

さらに本発明では、前記光源エレメント８、９、１０の温度センサ２１からの信号を入力し、前記電熱ヒータ２０の発熱制御および前記減圧器２３Ｒ、２３Ｇ、２３Ｂによる冷媒の流量調整制御を行う制御装置２２を備え、受熱板８ａ、９ａ、１０ａの冷却および加熱の相互の制御が可能となるようにし、全ての半導体レーザ素子アレイ８ｂ、９ｂ、１０ｂが動作設定温度に定まるようにしている。

ここで、前記制御装置２２による制御の態様の例を以下に説明する。投写型映像表示装置Ｐを起動する以前においては、光源エレメント８、９、１０の温度Ｔは環境温度に同化しており、例えば、環境温度が２６℃であると図５に示すように、全ての光源エレメント８、９、１０は２６℃となっている。なお、同図においては、理解を容易とするため、青色の光源エレメント１０を代表例として例示し、枝番号により個々の光源エレメント１０の温度状態が把握できるようにしている。また、光源エレメント８、９、１０の温度は、各温度センサ２１の検出信号を入力する制御装置２２において個々に把握される。

かかる状態において本発明の投写型映像表示装置Ｐが起動され、冷凍機２３が駆動を開始すると、光源エレメント８、９、１０は冷却されて予め設定した温度（例えば、２０℃）の許容範囲内（例えば、±１℃）となるように冷凍機２３は冷媒を冷却し、吸熱器２５に供給される。このようにして、吸熱器２５は光源エレメント８、９、１０を包括的に冷却し、半導体レーザ素子アレイ８ｂ、９ｂ、１０ｂからの発熱を吸収して安定状態に至ると、前述したような接触熱抵抗の誤差などがある場合、図６に示すように各光源エレメント１０−１〜１０−ｎの間で温度の差異が生じる。

同図に示す例では、光源エレメント１０−２、１０−４が目標とする光源アレイ動作設定温度の許容範囲（１９〜２１℃）から外れた状態にあることになる。そこで、制御装置２２は、同一の冷媒回路に接続されている複数の光源エレメント８、９、１０において、最高温度値を抽出し、この最高温度値（図６に示す例では、光源エレメント１０−４の２３℃）を光源アレイ動作設定温度（２０℃）の許容上限値（２１℃）まで降下すべく、冷凍機２３の運転を制御する。

この結果、図７に示すように光源エレメント１０−４を光源アレイ動作設定温度の許容上限値の２１℃に一致させることができるが、その他の各光源エレメントの温度も変化することになる。そこで、再度、各光源エレメント８、９、１０の温度センサ２１により温度を検出し、光源エレメント１０−４以外の光源エレメントの最高温度が光源アレイ動作設定温度の許容上限値を越える場合には（図７に示す例では、光源エレメント１０−２の２２℃）、光源エレメント１０−２を光源アレイ動作設定温度の許容上限値（２１℃）まで降下すべく冷凍機を制御する。

この結果、図８に示すように、光源エレメント１０−２を光源アレイ動作設定温度の許容上限値（２１℃）にすることができるが、許容温度下限値（１９℃）を外れる光源エレメント（例えば、１０−１、１０−６）も存在する。そこで、制御装置２２は、各光源エレメント８、９、１０の温度センサ２１により検出した温度値と光源アレイ動作設定温度（２０℃）を比較し、その差分の温度が補填されて光源アレイ動作設定温度（２０℃）の許容範囲（１９〜２１℃）が維持されるように電熱ヒータ２０に電流を流し、光源エレメントを昇温する。

即ち、図８において、例えば、光源エレメント１０−１は光源アレイ動作設定温度（２０℃）の許容下限値より１℃低い状態にあるため、制御装置２２は電熱ヒータ２０により１℃昇温し、光源エレメント１０−６は２℃昇温することになる。このようにして、各光源エレメントの温度が補完され、図９に示すように全ての光源エレメント１０−１〜１０−ｎを目標の光源アレイ動作作設定温度（２０℃）の許容温度範囲（１９〜２１℃）内に定めることができる。

このように本発明では、同一の冷媒配管に接続された光源エレメントを冷却するにあたり、特定の光源エレメントが示した最高温度値を冷凍機により目標の動作設定温度の許容上限値まで降下させ、許容温度下限値を下回る光源エレメントを電熱ヒータにより昇温するようにしたので、温度センサの検出信号と光源アレイ動作設定温度が常に照合される状態となり、環境温度の変化はもとより、光源エレメントの構造的経年変化により接触熱抵抗に変化が生じた場合においても正確な温度制御が可能となる。

これにより、半導体レーザ素子アレイなどの光源素子アレイを安定に作動して常に高い精度の色再現が可能となるとともに寿命を長く保つことができ、信頼性の高い投写型映像表示装置を提供することができるなど本発明特有の効果を奏する。

なお、上述した実施例では、透過型液晶パネルを採用した例について説明したが、これに代わる表示素子として、例えば、反射型液晶パネルを用いて３板式あるいは単板式で光源ユニットを構成した場合においても、同等の効果を奏することができる。また、上述した実施の形態においては、光源素子として半導体レーザ素子を用いた投写型映像表示装置を例として説明したが、本発明は光源素子の種類に限定されることなく実施することが可能である。

本発明の光源ユニットの基本的構成を示す平面図である。 本発明の光源ユニットの組立状態を示す斜視図である。 本発明の要部の構成を示す図である。 本発明に採用する冷却手段の例を示す図である。 本発明における光源エレメントの冷却の態様を説明する図である。 本発明における光源エレメントの冷却の態様を説明する図である。 本発明における光源エレメントの冷却の態様を説明する図である。 本発明における光源エレメントの冷却の態様を説明する図である。 本発明における光源エレメントの冷却の態様を説明する図である。

符号の説明

Ｐ・・・・・投写型映像表示装置
Ｌ・・・・・投写レンズ
１・・・・・光源ユニット
２・・・・・合成プリズム
３Ｒ、３Ｇ、３Ｂ・・・・・液晶パネル
４Ｒ、４Ｇ、４Ｂ・・・・・入射側偏光板
５Ｒ、５Ｇ、５Ｂ・・・・・出射側偏光板
６Ｒ、６Ｇ、６Ｂ・・・・・コンデンサレンズ
７Ｒ、７Ｇ、７Ｂ・・・・・インテグレータ
８、９、１０・・・・・光源エレメント
８ａ、９ａ、１０ａ・・・・・受熱板
８ｂ、９ｂ、１０ｂ・・・・・光源アレイ（半導体レーザ素子アレイ）
２０・・・・・電熱ヒータ（加熱手段）
２１・・・・・温度センサ（温度検出手段）
２２・・・・・制御装置
２３・・・・・冷凍機
２４Ｒ、２４Ｇ、２４Ｂ・・・・・冷媒回路
２５・・・・・吸熱器

Claims (2)

1. 少なくとも３原色の光を画像情報により変調して合成することにより投写光が得られるようにした投写型映像表示装置であり、
   同一基板上に複数の光源素子を配列した光源アレイを受熱板に配設し、且つ、該受熱板に加熱手段および温度検出手段を配設してなる複数の光源エレメントを、３原色毎に合成プリズムの照射面に導光するように、階層状に配置して光源ユニットを構成し、
   前記光源エレメントの受熱板を冷却手段に接続するとともに、前記加熱手段および温度検出手段を制御手段に接続したことを特徴とする投写型映像表示装置。
2. 少なくとも３原色の光を画像情報により変調して合成することにより投写光が得られるようにした投写型映像表示装置であり、
   同一基板上に複数の光源素子を配列した光源アレイを受熱板に配設し、且つ、該受熱板に加熱手段および温度検出手段を配設してなる複数の光源エレメントを、３原色毎に合成プリズムの照射面に導光するように、階層状に配置して光源ユニットを構成し、
   前記光源エレメントを冷却手段に接続するとともに、前記加熱手段および温度検出手段を制御手段に接続してなり、
   前記冷却手段により同時に冷却された複数の光源エレメントから前記温度検出手段により検出された各温度値において最高温度値を示した光源エレメントが所望の光源アレイ動作設定温度となるように冷却手段を制御する一方、その他の光源エレメントを各々の加熱手段にて昇温することにより所望の光源アレイ動作設定温度となるようにしたことを特徴とする投写型映像表示装置。

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