JP4612638B2 - 光源装置とこれを用いた映像表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、発光管から出射された出射光を反射するためのリフレクタを有する光源装置とこれを用いた映像表示装置に関する。

図１２は、投影型映像表示装置の構成の一例を示す図である。発光管２０としては、フィラメント型の電極構造を持つハロゲンランプや、アーク放電を発生させる電極構造を持つメタルハライドランプやキセノンショートアークランプ、高圧型の水銀ランプが使用されている。前記発光管２０からの出射光は、主にガラス基材から成る楕円面や双曲面で構成される反射鏡２１（以下リフレクタ）を用いて、所望の方向、領域に照射するように構成されている。前記発光管２０と、リフレクタ２１を含めて、光源装置１９とする。尚、便宜上、光源装置１９を光路の上流とし、スクリーン２８を光路の下流とし、以下説明する。

このような光源装置を用いた投影型映像表示装置は、例えば、図１２に示すようなＤｉｇｉｔａｌ Ｌｉｇｈｔ Ｐｒｏｊｅｃｔｏｒ（以下ＤＬＰ）と呼ばれる物があり、Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ（以下ＤＭＤ）と呼ばれるミクロンオーダーの可動ミラーアレイ２６を制御する事で映像を構成する素子が用いられている。

このＤＬＰ方式においては、光源装置１９の出射光の焦点近傍に、カラーホイール（以下ＣＷ）２２が配置されている。ＣＷ２２の下流側もしくは上流側に、ロッドインテグレータ（以下ロッド）２３が配置されている。ロッド２３は主にガラス基材からなり、ロッド２３に所望の広がり角で入射した光線群は、ロッド２３硝材と空気との屈折率差から、ロッド２３硝材内側の界面で全反射を繰り返し、ロッド２３硝材内部を効率良く伝播する。

そして、ロッド２３出射部での光線は所望の広がり角が維持されたままの光源の多重反射像となり、光源像はミキシングされるため、ロッド２３出射面の照度は均一化される。ロッド２３の光路の下流には、コンデンサレンズ２４、ミラー２５等を経て、ＤＭＤ２６が配置されている。

ここで、ＣＷ２２は、少なくとも赤色（以下Ｒ）、緑色（以下Ｇ）および青色（以下Ｂ）の光線を透過するダイクロイックミラー（以下ＤＭ）が形成された３つ以上のセグメントに分割されており、回転制御されている。ＣＷ２２は、ＤＭＤ２６の同期信号により位相回転制御されており、ＤＭＤ２６にＲ画像データが入力されている時間帯に発光管２０の出射光線はＣＷ２２のＲセグメントを通過する。

そして、発光管２０の出射光線は、ＣＷ２２を通過する際に、時間順次的にＲ、Ｇ、Ｂの光線となり、それと同期して、ＤＭＤ２６も時間順次的にＲ、Ｇ、Ｂ画面を構成し、前記Ｒ、Ｇ、Ｂ光線がＤＭＤ２６に入出射することで、時間順次的にＲ、Ｇ、Ｂ映像（光線）が形成される。

ＤＭＤ２６の光路の下流には投影レンズ２７が配置されており、スクリーン２８上には、投影レンズ２７により、時間順次的にＲ、Ｇ、Ｂの映像が投射される。この際、スクリーン２８上に投射されたＲ、Ｇ、Ｂ映像は、各々が１８０Ｈｚ以上の人間の色分解能以上の速さで切り替えられているため、錯覚的にカラー映像として視認される。

次に図７および図８を参照して、光源装置の背景技術について説明する。図７は、従来の光源装置の構造を示す図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）は平断面図である。図８は、従来の光源装置における光線の振る舞いを説明する平断面図である。

従来、輝度の高い光源を必要とする投影型表示装置等に用いられている光源装置においては、先にも述べたが、メタルハライドランプや、キセノンショートアークランプ、そして図７に示す高圧型の水銀ランプといった、アーク放電を発生させることにより照明を行う発光管４が使用されている。

ここで、図７において、発光管４は、発光部５を中心とし、その両側にカソード電極封し部６とアノード電極封し部７がある構成となっている。そして、リフレクタ１５の反射面１６は楕円面となっており、その楕円の第１焦点近傍に発光管４の発光部５の内部の輝点を位置させることで、前記輝点からの光線は、図８に示したように反射面１６で反射され、前記楕円の第２焦点である所望の点Ｓｐに集光する。ここで、反射面１６の形状としては、楕円の外、球面、双曲面等があり、以降の光学系の設計と併せて選定される。

リフレクタ１５と発光管４の位置合わせは、リフレクタ１５を専用のアングル台に固定させ、発光管４はＸＹ、もしくはＸＹＺステージとチャック機構が一体になったシステムに固定され、リフレクタ１５の内部に挿入、配置される。前記リフレクタ１５の楕円の第２焦点には、所望の寸法の開口（アパーチャ）ジグが設けられている。

リフレクタ１５と発光管４の位置合わせ後、発光管４を点灯させ、ＸＹステージで発光管４の位置を調整し、前記アパーチャを通過する光線が最も多くなるように調整し位置決めを行なう。

次に、発光管４を消灯し、固着材１８をリフレクタ１５の発光管保持部１７（以下ホール部）と発光管４のアノード電極封し部７との隙間に充填する。前記固着材１８は大凡１００度以上３０分の焼成をする事で最大強度で硬化する物が使用されている。

従来のリフレクタ１５の材料としては耐熱ガラスが用いられており、リフレクタ１５の外側からホール部１７に充填する。ここで、従来のリフレクタ１５がガラス基材であるため、固着材１８の充填量は図７（ａ）のように外側から目視で観察できるため、経験者でなくとも、目的の固着箇所までの充填を迅速且つ、正確に行なえる。

上記ガラス基材からなるリフレクタと発光管の固着方法の改善する提案として、以下先行技術を記載する。

特許文献１には、ホール部をテーパ形状にした照明装置が記載されている。図９および１０は、このような従来技術の照明装置の構造を示す図である。図９の場合、ホール１７の発光管の発光部側（図の右側）からの固着材１８の充填が好ましく、固着量が多くても、リフレクタ１５の外側にはみ出すだけで、光学性能を落とすことはない。図１１の場合、固着材１８の充填は、発光管４の電極封し部７の外端部（図では左側）からの充填が好ましく、ホール部１７が反射面１６側に向うに従い、小径となっているため発光管４の発光部５まで固着材が流れ込みにくい物である。

特許文献２には、発光管の固着側の封し部に穴開きの仕切り板を設け、固着材のはみ出しを防止する固着量管理に関する物が記載されている。

昨今では、モバイル用途の小型プロジェクタの需要が増え、光源装置の小型化が望まれている。この場合、図９に示すように、リフレクタ１５の反射面１６と発光管４の発光部５の距離が短くなり、従来のガラス基材のリフレクタ１５では熱伝導率が悪いため、発光部５に最も近い箇所の反射面１６に熱集中が起きるため、反射膜を破壊してしまう課題がある。

このため、アルミニウム（合金）基材を主体とした金属リフレクタを用いる提案がある。アルミニウム基材の熱伝導率はガラス基材に比べ２桁効率が良いため、リフレクタに用いた際、前記リフレクタ全体に熱が伝導するため、リフレクタの一部で熱集中を無くす事が可能であり、反射膜を破壊する事が無く寿命改善に繋がる。

また、安全面では、従来のガラス基材のリフレクタ１５では、万が一、発光管４が爆発した際に、ガラス基材リフレクタ自体も破壊される可能性があり、ガラス欠片や、発光管に封しされていた水銀等人体に危険を及ぼす成分が周辺に飛び散るという危険性があった。金属リフレクタでは、発光管が爆発しても発光管のガラス欠片や水銀が周辺に飛び散る事は無く、更に密閉構造とする事も容易である。

ここで、金属リフレクタを用いた光源装置の提案として、以下先行技術を記載する。
特許文献３、特許文献４では、共に発光管の温度を金属リフレクタに伝導させることで前記発光管の最適点灯温度制御、寿命改善を行うことが提案されている。
また、特許文献５では、超小型高輝度光源装置で、且つ、金属リフレクタにて発光管の温度制御も効率良く行なえ、密閉構造が可能なものが提案されている。

実登３００４７９３号公報 特開２００５−２６６６４３号公報 特開２００５−１４９９６８号公報 特開２００６−１７９４５０号公報 特開２００５−２３４４７１号公報

しかしながら、リフレクタが小型になると、図１０に示したように発光管４側からはホール部１７（図中では点線で標記）が見えないため、発光管側からの固着材の充填が困難であるという課題がある。

また、図９のリフレクタ１５を金属基材にすると前記リフレクタ１５は不透明となるため、リフレクタ１５の外側からホール部内の固着材１８の充填量が目視で確認できないため、発光管４の発光部５にまで固着材が流れ込む事例が多くなり、光学性能を著しく低下させたり、寿命を著しく低下させるという課題がある。

尚、上記の光学性能を低下させる要因としては、固着材１８の透過率が悪いため、前記発光管４の発光部に付着すると光線量が減る。また、この際、発光管４の発光部５の温度の局部的低下を引き起こし、発光部内部のハロゲンサイクルが不安定になるため、発光効率が低下する事から、主に黒化が起こり、これが、光を吸収する事で熱集中が発生し発光管の寿命が落ちる事が挙げられる。

また、金属基材のリフレクタ１５では、発光管４の点灯中、熱膨張により、リフレクタ１５のホール部１７の内径寸法が広がる方向に変化する。固着材１８および、発光管４（石英）の熱膨張は、金属より小さいため、ホール部１７内径と固着材１８間の固着部分が剥がれてしまい、発光管４の数回の点灯、消灯を繰り返しているうちに、前記発光管４とリフレクタ基材１５にズレ、回転が生じ、発光部５の輝点部分が、リフレクタ１５の反射面２の第１焦点から外れ劇的に明るさが低下するといった課題がある。

そこで本発明は、簡易かつコンパクトな構成にしながらも、光の取込み効率の低下を招くことが無く、不透明基材リフレクタと発光管の確実な固着、固着量制御を可能にする光源装置とこれを用いた映像表示装置の提供を目的としている。

上記目的を達成するための本発明の構成は、次のとおりである。

発光部および電極封し部を有する発光管と、前記発光管からの出射光を反射すると共に、前記発光管を保持する発光管保持部を有するリフレクタとを備え、前記リフレクタは不透明基材から成り、前記リフレクタは、前記リフレクタの発光管保持部に固着材を充填して前記発光管の電極封し部と固定される、光源装置において、前記リフレクタの発光管保持部の発光部側にスリット又は貫通穴を設けたことを特徴とする。
前記スリット又は貫通孔は、複数あってもよい。
本発明の映像表示装置は、このような光源装置を用いる映像表示装置である。

本発明によれば、簡易かつコンパクトな構成にしながらも、光の取込み効率の低下を招くことが無く、不透明基材リフレクタと発光管の確実な固着、固着量制御を可能にする光源装置とこれを用いた映像表示装置が実現される。

以下に、本発明の実施の形態について、図１〜図８を参照して説明する。まず、図１、図３を参照して、本発明の第１の実施形態に係る光源装置を説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る光源装置の基本構成を示す図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）は断面図である。リフレクタ１の基材は、アルミ合金を主成分とし、金型鋳造（ダイカスト）にて作製する。リフレクタ１の基本構成は、発光管４の出射光線を所望の領域に集光する楕円状の反射面２と、前記発光管４を保持するホール部３にて構成される。前記反射面２は、その面精度を面粗さで規定し、必要により切削や研磨等を行なった後、耐熱性のベースコート材を塗布し、可視光線を反射する誘電体多層膜を蒸着する。

ベースコート材に関しては、反射面２の面粗さにより、必要により塗布量を調整する。また、反射膜に関しては、上記の他、アルミニウムや銀の全反射膜、増反射膜でも構わない。ここで、アルミニウム基材のリフレクタには防錆処理をしても構わなく、例えば、クロム酸アルマイトを施す事で、発光管から出射する赤外線を熱に変換し、放熱する効果が得られる。

発光管４は、従来の技術にて前述した図７の発光管４と同じ構成である。その構成について詳細に説明する。

発光管４は、直径１０（ｍｍ）ほどの直流点灯型の高圧型水銀型の発光管である発光部５（封体）と、一対の主電極、アノード電極、カソード電極からなり、各電極を封しするカソード電極側の電極封し部６と、アノード電極側の電極封し部７とで構成される。一般的に、アノード電極側の電極封し部７側をリフレクタ１のホール部３に固着する。これは、カソード電極からアノード電極に電子流が発生しているため、アノード電極は高温となり、寿命の観点から、より冷却を必要とするためである。発光管４の投入電力は、例えば約１５０（Ｗ）から約２００（Ｗ）である。

金属基材リフレクタ１のホール部３の、発光管４の発光部５側（近傍）に、合計６個のスリット８ａを設ける。第一の実施の形態においては、前記スリット８ａはダイキャスト時に一体形成する。

図３は、本発明の第２の実施形態に係る光源装置の基本構成を示す図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）は断面図である。図１に示す第１の実施形態とほぼ同様であるが、スリット８ａの代わりに、金属基材リフレクタ１のホール部３の、発光管４の発光部５側（近傍）に合計６個の貫通角穴８ｂを設ける。第２の実施の形態においては、貫通角穴８ｂは２次加工にて形成するが、ダイキャスト時に一体形成も可能である。

ここで、発光管４とリフレクタ１の位置合わせに関しては、従来の技術にて前述したように、ＸＹＺステージ一体型のチャックジグに発光管４を固定させ、前記ＸＹＺステージにチャックされた発光管４をリフレクタ１のホール部３に挿入し、発光管４を点灯させ、位置合わせ（光軸合わせ）を行なう。

リフレクタ１と発光管４の位置合わせが完了した後、発光管４を消灯させ、図２や図４に示したように固着材９をリフレクタ１のホール部３に充填する。図２および図４は、それぞれ図１および図３に示す光源装置において固着剤を充填した様子を示す図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）は断面図である。固着材９は、アノード側電極封し部の端（図２、４中の左側）方向から充填を行なう。

固着材９は、注射器を用い、前記注射器の注入部には、開口Φ１〜２ｍｍのゴム材が取り付けてある。充填量を増していくと、リフレクタ１のホール部３に設けられた角穴８ｂから、充填状況が目視にて確認できる。更に充填量を増やしていくと、図５のように角穴８ｂの奥側は固着材９で満たされる。この固着材９が満たされた時点を固着量の規定値として設計する。

リフレクタ１のホール部３に設ける角穴８ｂの数を増やしていき、アッセンブリ性（正確さ、時間）を評価したところ、４個以上とする事で、経験者でなくとも、固着量を短時間で規定値まで充填する事が可能になる結果が得られた。

ここで、密閉性を重視する場合には、前記リフレクタ１のホール部３のスリット８ａ又は角穴８ｂの外側から固着材９を補助充填することや、別途スリット８ａ又は角穴８ｂを塞ぐ部品を設けても構わない。

また、密閉性に拘らず、強制空冷を効率良く行なう際には、スリット８ａ又は角穴８ｂを固着材９で塞がず、図２や図４のように半分程度の充填で完了し、スリット８ａ又は角穴８ｂに風が流れるような設計としても構わない。

図６は、本発明の第３の実施形態に係る光源装置の基本構成を示す図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）は断面図である。図６に示すのは、光軸ＬＡに対して発光管４が略垂直に配置されたタイプの光源装置の実施の形態である。

先ず、発光管４を光軸ＬＡに対して横に配置した際の光学的な説明を行なう。発光管４の発光部５から出射した光線の振る舞いは、大別して、２通り存在する。先ず１つ目は、リフレクタ１ｓの楕円反射面２ｓ１で反射し、所望の領域Ｓｐに集光する光線群。２つ目は、楕円反射面２ｓ１には照射せず、集光レンズ１０に入射し、所望の領域Ｓｐに集光する光線群である。また、発光管４の後方（光軸ＬＡの反対方向）に進行する光線群は、球状反射面２ｓ２で反射し、発光管４の発光部５に再入射した後、楕円反射面２ｓ１で反射し、所望の領域Ｓｐに集光する光線群と、前記楕円反射面２ｓ１には照射せず、集光レンズ１０に入射し、所望の領域Ｓｐに集光する光線群に分かれる。

発光管４を光軸ＬＡに対して垂直配置することで、発光管から光軸方向ＬＡ方向に発光管４の電極封し部等の障害物が存在しないため、短焦点化可能なため、小型化が期待できる光源装置である。第３の本実施の形態のリフレクタに関してもアルミニウム合金基材を使用する。

次に、図６の光源装置のアッセンブリに関する説明を行なう。先ず、リフレクタ１ｓを組み立て台に固定し、発光管４をチャック機構が一体となったＸＹＺステージで保持する。発光管４をチャックした状態で、前記発光管４をリフレクタ１ｓのホール部３Ｓ１、もしくはホール部３Ｓ２から挿入し、略発光管４の発光部５中心が光軸上に位置した時点で、発光管４の挿入を停止する。前記組み立て台には所望の領域Ｓｐの開口が形成された即ち、アパーチャジグが予め備え付けてあり、発光管４を点灯させ、位置合わせを行い、前記アパーチャジグを通過する光束が最大なった時点で、発光管４の位置合わせを終了し発光管４を消灯する。

リフレクタ１ｓと発光管４の固定に関しては、従来の光源装置と同様に、発光管４のアノード電極側の電極封し部とリフレクタのホール部３ｓ１に固着材を充填する。ここで、図８の光源装置を密閉構造とする場合には、上記発光管４のアノード電極側の電極封し部とリフレクタのホール部３ｓ１に固着材を充填することと併せ、カソード電極の電極封し部とリフレクタのホール部３ｓ２にも固着材を充填しても構わないし、別途、キャップ材で密閉しても構わない。

リフレクタ１ｓのホール部３ｓ１、３ｓ２に固着材を充填する際、充填量目視確認用の貫通穴８ｓを設けない場合、経験者であっても、良品率は８０％を下回る結果となり、充填時間も従来の１．５倍以上となった。充填失敗の主な原因は、球状反射面２ｓ２に固着材が流れ込んでしまう事、次いで、充填量不足のための発光管外れであった。楕円面２ｓ１側に関しては、光軸ＬＡ方向からリフレクタ１ｓの内部を観察可能であり、充填状況が目視で観察可能であるが、球状反射面２ｓ２側は光軸ＬＡ方向からリフレクタ１ｓ内部を観察しても、発光管４があるため、目視観察が不可能であるため良品率が低下している。

そこで、充填量目視観察用の穴８ｓを両発光管保持部３ｓ１、３ｓ２に各６箇所形成し、充填を行ったところ、良品率は９５%以上、充填時間に関しても、従来同等となった。

第３の実施の形態においても、ダイキャスト金型で形成しても、追加工にて形成しても構わない。

また、発光管４の発光部５（封体）の径がリフレクタ１ｓの各ホール部３ｓ１，３ｓ２の径よりも大きい場合には、リフレクタ１ｓを上下分割構造にしても、楕円反射面側と球状反射面側で分割構造としても構わない。分割されたリフレクタ１ｓの接続はリフレクタがアルミニウム基材であるため、ネジ等で容易に行なえる。

本発明は、光源装置とこれを用いた映像表示装置に利用可能である。

本発明の第１の実施形態に係る光源装置の基本構成を示す図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）は断面図である。 図１に示す光源装置において固着剤を充填した様子を示す図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）は断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る光源装置の基本構成を示す図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）は断面図である。 図３に示す光源装置において固着剤を充填した様子を示す図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）は断面図である。 図３に示す光源装置において固着剤の充填が完了した様子を示す図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）は断面図である。 本発明の第３の実施形態に係る光源装置の基本構成を示す図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）は断面図である。 従来の光源装置の構造を示す図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）は平断面図である。 従来の光源装置における光線の振る舞いを説明する平断面図である。 従来技術の照明装置の構造を示す図である。 従来技術の照明装置の構造を示す図である。 従来技術の照明装置の構造を示す図である。 投影型映像表示装置の構成の一例を示す図である。

符号の説明

１、１ｓ、１５、２１ リフレクタ
２、１６ 反射面
２ｓ１ 楕円反射面
２ｓ２ 球状反射面
３、３ｓ１、３ｓ２、１７ ホール部
４、２０ 発光管
５ 発光部
６ カソード電極側の電極封し部
７ アノード電極側の電極封し部
８ａ スリット
８ｂ 貫通角穴
８ｓ 貫通穴
９、１８ 固着剤
１０ 集光レンズ
１９ 光源装置
２２ ＣＷ
２３ ロッド
２４ コンデンサレンズ
２５ ミラー
２６ ＤＭＤ
２７ 投影レンズ
２８ スクリーン

Claims (5)

1. 発光部および電極封し部を有する発光管と、
   前記発光管からの出射光を反射すると共に、前記発光管を保持する発光管保持部を有するリフレクタとを備え、
   前記リフレクタは不透明基材から成り、
   前記リフレクタは前記リフレクタの発光管保持部に固着剤を充填して前記発光管の電極封し部と固定され、
   前記リフレクタの発光管保持部の発光部側にスリットを設け、
   前記スリットの少なくとも一部は前記固着剤で塞がれることを特徴とする光源装置。
2. 前記リフレクタの発光管保持部の発光部側に設けたスリットは複数あることを特徴とする請求項１記載の光源装置。
3. 発光部および電極封し部を有する発光管と、
   前記発光管からの出射光を反射すると共に、前記発光管を保持する発光管保持部を有するリフレクタとを備え、
   前記リフレクタは不透明基材から成り、
   前記リフレクタは前記リフレクタの発光管保持部に固着材を充填して前記発光管の電極封し部と固定され、
   前記リフレクタの発光管保持部の発光部側に貫通穴を設け、
   前記貫通穴の少なくとも一部は前記固着剤で塞がれることを特徴とする光源装置。
4. 前記リフレクタの発光管保持部の発光部側に設けた貫通穴は複数あることを特徴とする請求項３記載の光源装置。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載の光源装置を用いた映像表示装置。

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