JP5556256B2 - 照明装置および投写型画像表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、投写型画像表示装置に関し、特に光源として発光素子を備えた照明装置の放熱技術に関するものである。

近年、パーソナルコンピュータ、ビデオ装置およびデジタルカメラ等の普及に伴い、動画および静止画像を表示するための一つの方法として、投写型画像表示装置（以下、プロジェクタとも記す）を使用する事例が多くなっている。

プロジェクタの表示方法としては、光源から出力された光を所定の場所に集光させ、ＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ）や液晶素子などの光変調素子を用いてスクリーン上にカラー画像を表示する方法が一般的である。

プロジェクタでは、大きな画面に高輝度の画像を表示するためには、高輝度の光源が必要であり、従来、光源として高輝度の放電ランプが主流であったが、近年、装置における消費電力の低減、光源の長寿命化、および小型化を実現する観点から、発光ダイオードや半導体レーザーなどの発光素子を使用し、輝度を高めるために光源を複数配置する事例が提案されている（例えば、特許文献１、２参照）。

高輝度の光源を使用する場合は、プロジェクタ内部の放熱が重要な課題となり、特に高輝度の放電ランプを使用する装置では、送風装置を配設し、放電ランプと送風装置を一体化して送風ダクトから強制冷却する方法などが使用される。この構成は、光源および送風装置が大きな空間を占有するため、消費電力が大きく、装置を小型化することが難しい。これに対する措置として、光源を固体発光素子とし、送風装置を簡略化する方法が開示されている（例えば、特許文献３参照）。この事例では、光源として発光ダイオードまたは半導体レーザーを使用し、ファンから送風することにより光源の冷却を行う。また、光源としては青色光を発光する固体光源を使い、この青色光を励起光源として赤色蛍光体層および緑色蛍光体層に照射し、赤色光および緑色光を発生している。

特開２００３−２８７８０２号公報 特開２００４−３４１１０５号公報 特開２００９−２７７５１６号公報

しかしながら、上記の従来技術は、発光ダイオードや半導体レーザーなどの発光素子を利用した光源に対する放熱構造として、課題を残している。光源がランプから固体光源に移行しているにも拘らず、放熱構造には従来の方法が使用され、十分な効果を発揮することができない。高輝度ランプを使用する場合には、ランプが最も高温になるため、ランプと送風装置を一体化する冷却構造が効果的であるが、固体光源を使用する場合は、光源の種類により発熱部位が異なるため、発光部を効果的に放熱するためには、発光部における温度上昇に対して最も効果的な箇所の冷却を行う必要がある。

従来の方法は、発光部および光学経路を含めた発熱部の全体を冷却するため、発熱部の個々の部分の発熱状況に効果的に対応する構造とは言えない。特に、従来、光源を冷却する方法は開示されているが、発熱の大きい蛍光体層を対象とする冷却方法については明らかにされていない。したがって、蛍光体層を含めた光源部の放熱対策として、装置の品質向上と更なる小型化に適した効率のよい放熱方法を必要としていた。

本発明は以上の課題を解決するものであり、発光素子を使用した高輝度の投写型画像表示装置において、温度上昇を効果的に抑制し、消費電力が小さく、高輝度で小型の照明装置および投写型画像表示装置を実現することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明の照明装置は、光源と、熱伝導性の基材と、前記基材上に形成され、前記光源により励起されて発光する蛍光体層と、前記基材を保持し、前記基材と接する部分の背面位置に放熱部を有する熱伝導性の保持部材と、前記光源および前記蛍光体層から発する光の光学経路を定める光学手段と、前記放熱部を冷却する冷却手段と、を備え、前記保持部材は第１および第２の保持部材を備え、前記第１および第２の保持部材の少なくともいずれか一方が前記放熱部を有し、前記基材を前記第１および第２の保持部材により間挿して保持する。

本発明によれば、発光素子を使用した投写型画像表示装置において、高温に発熱する箇所を効果的に放熱することが可能であり、消費電力が小さく、小型で高輝度の照明装置および投写型画像表示装置を実現することができる。

本発明の実施の形態１の投写型画像表示装置における光学装置の主要構成図である。 同装置の放熱構造を示す斜視図である。 同装置の放熱構造を示す斜視図である。

以下に、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
本発明の実施の形態１における投写型画像表示装置（以下、本装置と略記する）は、光学装置１を備え、光学装置１は、照明装置１０と、照明装置１０から発する光の光学経路を定める光学経路構成手段としての光伝送部２０、光伝送部２０の光学経路上に配置された投写レンズ２６を備えている。２６本装置は、この投写レンズ２６を介してカラー画像をスクリーン（図示せず）上に投写することができる。

以下、光学装置１の主要な構成について、図１を用いて説明する。図１は、光学装置１の主要構成図である。図１に示すように、光学装置１は照明装置１０、光伝送部２０および投写レンズ２６を備えており、照明装置１０は、２個の青色レーザー１１および１２、放熱ユニット１３、水冷式冷却装置１４、集光レンズ１５および送風ファン１６を備えている。また、光伝送部２０は、ロッドインテグレータ２１、リレーレンズ２２、折り返しミラー２４、曲面ミラー２５、画像表示素子であるＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ）２３を備える。

本装置は、光源として赤色発光ダイオード（ＬＥＤ）、青色レーザー（固体発光素子）を使用し、緑色には励起型の発光素子である蛍光体（以下、緑蛍光体と略記する）を使用する。赤色のＬＥＤは１〜４個程度使用することにより必要な輝度を確保し、緑蛍光体は青色光源（レーザー）を使用して励起を行う。緑蛍光体の光出力を高め緑色の輝度を確保するために、励起用の青色レーザーを２個使用している。放熱ユニット１３により保持される熱伝導性の基材上に形成された緑蛍光体は青色レーザー１１、１２により励起されて緑色の可視光を発光し、放熱ユニット１３から集光レンズ１５を経由してロッドインテグレータ２１に入射される。照明装置１０における放熱ユニット１３の詳細な構成については、後述する。

なお、本装置は、赤色および青色の発光に関し、赤色光源（ＬＥＤ）、青色光源（レーザー）およびそれぞれの光学経路が、図１に示す緑蛍光体の励起用の光源である青色レーザー１１、１２とは別に配設されており、それぞれの光学経路を経由してロッドインテグレータ２１の入射面２１ａに入射する構成を備えるが、本発明の説明には必要としないため、蛍光体と係わりのない光源については、詳細な説明および図示を省略する。

光伝送部２０では、ロッドインテグレータ２１の出射面２１ｂからの赤、緑、青の３色の出射光はリレーレンズ２２、折り返しミラー２４、曲面ミラー２５を経由して照明装置１０から発した光を受けてＤＭＤ２３に伝送する。

ＤＭＤ２３は、微小ミラーが２次元的に配置され、各ミラーは入力信号に応じて傾きを変化させることができる。白表示する画素に配置されたミラーは入射角が小さくなる方向に傾斜し、ミラーに入射した光は投写レンズ２６を経由してスクリーン（図示せず）に至る。一方、ＤＭＤ２３の黒表示する画素に配置されたミラーは入射角が大きくなる方向に傾斜し、ミラーに入射した光は投写レンズ２６の外部に導かれてスクリーン上で黒表示となる。このとき、ロッドインテグレータ２１の出射面２１ｂの形状がＤＭＤ２３上に転写され、効率よく均一に集光することができる。また、ＤＭＤ２３を駆動回路（図示せず）により、例えば、赤、緑、青の映像信号にあわせてミラーを高速駆動し、光源および蛍光体層から３色の発光を行うことにより、投写レンズ２６からスクリーン上にカラー画像を表示することができる。

次に、本装置の特徴である照明装置１０における放熱ユニットに係わる二つの構成例について、図２および図３を用いて詳細に説明する。

第１の構成例を図２に示す。図２ は、放熱ユニットの構成を示す斜視図である。図２（ａ）および図２（ｂ）は、放熱ユニット１００の俯瞰斜視図および仰視斜視図をそれぞれ示し、図２（ｃ）は、放熱ユニット１３の内部構造を示す要部断面図である。

図２（ｃ）に示すように、放熱ユニット１００は、蛍光体層を形成する基材としての基板ガラス１１０、基板ガラス１１０を保持する第１の部材である押さえブロック１２０および第２の部材である放熱板１３０、並びに弾性部材としてのコイルバネ１４０等を備え、本装置の筺体内に固定して配設（図示せず）されている。

放熱ユニット１００は、基板ガラス１１０が押さえブロック１２０およびフィン構造１３１を備えた放熱板１３０に間挿して保持され、押さえブロック１２０および放熱板１３０はコイルバネ１４０により互いに付勢されている。したがって、基板ガラス１１０は、コイルバネ１４０により押さえブロック１２０および放熱板１３０と所定の圧力で互いに密着した状態になっている。また、押さえブロック１２０は、基板ガラス１１０と密接する部分の背面位置にヒートシンク１２３を有するほか、天板１２１によりヒートシンク１２３を覆うドーム状のチャンバー（冷却室）１２２を備えており、給水口１２４から給水し、チャンバー１２２でヒートシンク１２３を冷却した水を排水口１２５から排出する構造になっている。また、給水口１２４および排水口１２５は水冷式の水冷式冷却装置１４（図１）と接続されており、水冷式冷却装置１４の放熱器１４ｂの近傍には送風ファン１６が配設されている。なお、水冷式冷却装置１４は、循環ポンプ１４ａおよび配管１４ｃを備え、放熱ユニット１３を経由して冷却水を配管１４ｃ内で循環させることができる。

さらに、押さえブロック１２０の天板１２１および放熱板１３０の中央部にはそれぞれ開口部１２６および１３２が設けられ、押さえブロック１２０の開口部１２６から青色レーザーＬ１を入射し、基板ガラス上に形成された蛍光体層１１１を励起することにより緑の可視光Ｌ２を発光させて放熱板１３０の開口部１３２から出射することができる。

この構成例では、基板ガラス１１０が保持部材である押さえブロック１２０および放熱板１３０を介して放熱手段である水冷式冷却装置１４と一体化されており、基板ガラス１１０上に形成された蛍光体層１１１の発熱に対して、極めて効果的に放熱することができる。

第１の構成例に対して、第２の構成例は、空冷式放熱構造を使用する。

図３ は、放熱ユニット２００の構成を示す斜視図である。図３（ａ）および図３（ｂ）は、放熱ユニットの俯瞰斜視図および仰視斜視図をそれぞれ示し、図２（ｃ）は、放熱ユニットの内部構造を示す要部断面図であり、図３（ｄ）は、図３（ａ）のＡ矢視図である。

図３（ｃ）に示すように、放熱ユニット２００は、基板ガラス２１０、支持金具２２０、放熱板２３０、ヒートシンク２４０および付勢バネ２５０等を備えている。基板ガラス２１０は、フィン構造２３１を備える放熱板２３０と接する面の側の表面に蛍光体層２１１を有し、蛍光体層２１１を有する面に放熱板２３０が接し、他方の面には支持金具２２０を介してヒートシンク２４０が接し、コイルバネ２５０により放熱板２３０およびヒートシンク２４０が基板ガラス２１０に付勢され、サンドイッチ状に固定されている。また、放熱ユニット２００の近傍には冷却ファンが配設されており（図示せず）、ヒートシンク２４０および放熱板２３０を空冷することができる。さらに、ヒートシンク２４０および放熱板２３０の中心部には開口部２４１および２３２がそれぞれ設けられており、基板ガラス２１０に対して光源からの青色レーザー光Ｌ１を開口部２４１から入射し、開口部２３２から蛍光体層２１１が励起されて発光する緑の可視光Ｌ２を出射することができる。

この構成例では、ヒートシンク２４０および放熱板２３０を介し、基板ガラス２１０が放熱手段であるヒートシンク２４０および放熱板２３０と一体化されており、基板ガラス２１０上に形成された蛍光体層２１１の発熱に対して、極めて効果的に放熱することができる。放熱ユニット２００は、第１の構成例と同様に、筺体内に固定して配設される（図示せず）。

次に、基板ガラスの詳細な構成および放熱ユニットを配設する理由について説明する。

放熱ユニットにおいて、基板ガラスには熱伝導ガラス（サファイアなど）が使用され、光源からの入射光に対して基板ガラスの裏面側には蛍光体層が形成されている。蛍光体層の形成方法としては、塗布、スクリーン印刷などを使用することができる。

この基板ガラスに対し、例えば、図２において、押さえブロック１２０および放熱板１３０には、それぞれ開口部１２６および１３２が設けられており、青色レーザーが放熱ユニットの開口部から基板ガラス上の蛍光体層１１１に照射され、蛍光体層１１１が励起されて緑色の可視光を発光し、開口部から出射することができる。これにより、放熱ユニットの放熱板１３０の開口部１３２から緑色の可視光を発光させることができる。図３に示す事例についても同様の構成を備え、同様の効果を発揮することができる。

なお、基板ガラスと放熱材の間の熱抵抗を最小限に抑えるために、熱伝性の接着材で接着する、熱伝導性に優れたシートを介するなどの改善が行われていることが望ましいことは言うまでもない。

また、放熱ユニットにおける放熱の対象は、基板ガラスの表面上に塗布されている蛍光体である。蛍光体層が形成された基板ガラスにおいて、蛍光体層およびガラス材料が光源から発生られた励起光を吸収すると熱エネルギーを発生する。蛍光体およびガラス基板が励起光を吸収し、励起光のうち蛍光を発しない非放射のエネルギー、および蛍光が発生する場合の励起光と蛍光の波長の違いに相当するエネルギーが熱として発生し、基板ガラスの温度上昇の要因となる。これに対し、本装置の内部の許容温度は６０℃程度とするが、基板ガラスの温度が部分的に高温になると、蛍光体の使用温度範囲を超える可能性が発生するほか、蛍光体の波長変換効率が温度依存性を有しているため、温度が上昇すると発光量が低下し、画面が暗くなる要因となる。

蛍光体層を備える基板ガラスは、本装置の光学装置１における第１の発熱部材であり、基板ガラスを集中して放熱することにより、光学装置１の温度上昇を抑制する上で、最も効果を発揮することができる。

以上の通り、本装置によれば、赤、青、緑の３色の発光に対して、発熱が最も大きい緑蛍光体およびこれを保持する基板ガラスの放熱を重点的に行い、蛍光体の温度上昇による発光効率の低下を抑制し、投写表示画面が暗くなることを効果的に防止することができる。

なお、本装置では光源として、赤色に発光ダイオード、青色にレーザーをそれぞれ使用し、緑色には青色レーザーにより励起され発光する緑蛍光体を使用しているが、発光ダイオードや有機ＥＬ，半導体レーザーなどを使用することにより、各種の組み合わせにより３色の光源を構成することができることは言うまでもない。

ちなみに上記実施の形態では光源は青色レーザーであり、蛍光体層は緑光を発するものとしたが、赤色発色蛍光体層を別の光学経路上に配置、合成し、白色を得る構造も考えられ、ここにも本発明の冷却構造は応用可能である。

一方で実施の形態を含めた上述の構成では青色を青レーザーの色光を用いていたが、レーザー光はスペックルが発生する、安全規格上の課題があるなど懸念材料がある。

これらに対しての改善策として光源を近紫外レーザーとし、蛍光体層は前記近紫外レーザーを励起源として青、緑、赤色の可視光を発光する各蛍光体層として構成することで類似の構成を取ることが出来る。このときの光はすべて蛍光体で得るのでスペックルの影響を除去することが出来る。この際には３色の蛍光体層とも冷却の必要性から本発明が有効であることは明白である。

また、本装置では画像表示素子としてＤＭＤを使用しているが、ＤＭＤに代えて液晶表示素子等を使用することができる。

また、本装置では放熱手段として水冷式冷却装置およびヒートシンクを使用した事例を示したが、これに代えてヒートパイプを使用することができる。

また、本装置では、放熱ユニットにおいて、二つの基板ガラス保持部材の一方と放熱手段である冷却装置とを一体化しているが、二つの保持部材の両方を使用して冷却装置と一体化する方法であっても同様の効果を発揮することは言うまでもない。

本発明の照明装置および投写型画像表示装置は、発光素子を使用したプロジェクタにおいて、高温に発熱する箇所を効果的に放熱することが可能であり、消費電力が小さく、小型のプロジェクタを実現することができる。したがって、低消費電力および小型軽量が求められる照明装置および投写型画像表示装置として適用可能である。

１ 光学装置
１０ 照明装置
１１，１２ 光源（青色レーザー）
１３，１００，２００ 放熱ユニット
１４ 冷却装置
１４ａ 循環ポンプ
１４ｂ 放熱器
１４ｃ 配管
１５ 集光レンズ
１６ 送風ファン
２０ 光伝送部
２１ａ 入射面
２１ｂ 出射面
２１ ロッドインテグレータ
２２ リレーレンズ
２３ ＤＭＤ
２４ 折り返しミラー
２５ 曲面ミラー
２６ 投写レンズ
１１０，２１０ 基板ガラス
１２０ 押さえブロック
１２１ 天板
１２２ チャンバー
１２３，２４０ ヒートシンク
１２４ 給水口
１２５ 排水口
１２６，１３２，２３２，２４１ 開口部
１３０，２３０ 放熱板
１３１ フィン構造
１４０，２５０ コイルバネ
２２０ 支持金具

Claims (9)

1. 光源と、
   熱伝導性の基材と、
   前記基材上に形成され、前記光源により励起されて発光する蛍光体層と、
   前記基材を保持し、前記基材と接する部分の背面位置に放熱部を有する熱伝導性の保持部材と、
   前記光源および前記蛍光体層から発する光の光学経路を定める光学手段と、
   前記放熱部を冷却する冷却手段と、
   を備え、
   前記保持部材は第１および第２の保持部材を備え、
   前記第１および第２の保持部材の少なくともいずれか一方が前記放熱部を有し、
   前記基材を前記第１および第２の保持部材により間挿して保持する照明装置。
2. 前記第１および第２の保持部材を弾性部材により互いに圧接する請求項１記載の照明装置。
3. 前記放熱部は、放熱フィンおよびヒートシンクの少なくともいずれかである請求項１記載の照明装置。
4. 前記冷却手段は、冷却ファンおよび水冷式冷却装置の少なくともいずれかである請求項１記載の照明装置。
5. 前記光源はレーザーであり、前記蛍光体層はレーザーを励起源とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の照明装置。
6. 前記光源は青色レーザーであり、前記蛍光体層は前記青色レーザーを励起源として緑色の可視光を発光する蛍光体層である請求項５記載の照明装置。
7. 前記光源は青色レーザーであり、前記蛍光体層は前記青色レーザーを励起源として赤色の可視光を発光する蛍光体層である請求項５記載の照明装置。
8. 前記光源は近紫外レーザーであり、前記蛍光体層は前記近紫外レーザーを励起源として青、緑、赤色のうちいずれかの可視光を発光する蛍光体層である請求項５記載の照明装置。
9. 少なくとも請求項１〜請求項８のいずれか１項に記載の照明装置と、
   前記照明装置から発する光の光学経路を定める光学経路構成手段と、
   前記光学経路上に配置された光変調手段と、
   前記光変調手段によって変調された画像を拡大投写する投写手段と、
   を備える投写型画像表示装置。

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