JP6584133B2 - 光源装置および画像投射装置 - Google Patents

Description

本発明は、画像投射装置に関し、特に固体光源を用いた画像投射装置に関する。

レーザーダイオードやＬＥＤ等の固体光源を用いた画像投射装置（プロジェクタ）においては、固体光源の冷却が必要である。ただし、レーザーダイオードのようにコヒーレント性の強い固体光源を用いる場合には、その光出射面に面した空間が遮光密閉される。このため、従来における固体光源の冷却は、特許文献１にて開示されているように、固体光源を保持する光源保持部材における該固体光源を保持する面とは反対側の面（裏面）にヒートシンク等の放熱部材その他の冷却部材を接触させることで行っている。特許文献１では、光源保持部材と冷却部材との間に伝熱部材を配置して、効率良く固体光源の熱を冷却部材に伝達するようにしている。

特開２０１１−１３３７８９号公報

しかしながら、特許文献１にて開示されているように単に光源保持部材の裏面に冷却部材を配置するだけでは、複数の固体光源を用いて発熱量が増加した場合にこれら固体光源を十分に冷却することが難しい。冷却効率を高めるために冷却部材を大型化すると、プロジェクタの大型化や重量増加につながるため、好ましくない。

本発明は、小型かつ軽量な構成でありながらも、固体光源の数にかかわらず、該固体光源を効率良く十分に冷却することができるようにした画像投射装置用の光源装置を提供する。

本発明の一側面としての光源装置は、固体光源からの光を光変調素子で変調して被投射面に投射することにより画像を表示する画像投射装置用の光源装置である。該光源装置は、固体光源を保持する光源保持部材と、光源保持部材とともに固体光源の光出射面に面する空間を囲むように配置され、光出射面から出射して光変調素子に向かう光が通過する光通過部を有する遮蔽部材と、光源保持部材における固体光源を保持する面とは反対側の面に設けられた冷却部材と、冷却部材に対して第１の冷却用流体を流す第１の流路とを有する。遮蔽部材および光源保持部材のうち少なくとも一方に、上記空間の内側に形成される第２の流路に第２の冷却用流体を流すための流入口および流出口と、流入口および流出口から空間の外側への光の漏出をそれぞれ防ぐ流入口遮光部および流出口遮光部とが設けられており、遮蔽部材は、空間に面して固体光源からの光を反射して光通過部に導く反射部材を保持しており、流入口に第２の冷却用流体を導く第３の流路が遮蔽部材における反射部材を保持する面とは反対側の面に沿って設けられていることを特徴とする。

なお、上記光源装置と、該光源装置の光通過部から出射した光を変調する光変調素子と、該光変調素子により変調された光を被投射面に投射する光学系とを有する画像投射装置も、本発明の他の一側面を構成する。

本発明によれば、固体光源の裏面側を冷却部材によって冷却するとともに、固体光源の光出射面側も冷却用流体により冷却することができるので、冷却部材を小型化しつつ固体光源を効率良く十分に冷却することができる。したがって、小型かつ軽量な構成でありながらも、固体光源の数にかかわらず、該固体光源を効率良く十分に冷却することが可能な光源装置を実現することができる。そして、このような光源装置を用いることで、固体光源を用いた明るい画像の投射が可能な小型かつ軽量な画像投射装置を実現することができる。

本発明の実施例１である固体光源ユニットの断面図。 実施例１の固体光源ユニットの外観斜視図。 実施例１の固体光源ユニットの分解斜視図。 実施例１の固体光源ユニットの光路を示す断面図。 実施例１の固体光学ユニットの冷却流路を示す断面図。 実施例１の固体光源ユニットを備えた画像投射装置の構成を示す図。 本発明の実施例２の固体光源ユニットの分解斜視図。 実施例２である固体光学ユニットの冷却流路を示す断面図。

以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。

図１、図２および図３には、本発明の実施例１である画像投射装置用光源装置としての固体光源ユニット１００の構成を示している。また、図４には固体光源ユニット１００における光路を示している。

固体光源ユニット１００は、複数の固体光源１と、これら固体光源１を保持する光源保持部材としての光源ベース板２とを有する。本実施例では、固体光源１としてレーザーダイオードを用いている。ただし、固体光源１として、ＬＥＤ等の他のものを用いてもよい。固体光源１は、光源ベース板２における光源保持面２ａに、不図示の熱伝導部材を介して保持されている。固体光源１は、その光出射面１ａとは反対側に電極を有し、該電極に取り付けられた基板１１に電流が与えられることによって発光し、光出射面１ａから光を出射させる。本実施例では、図３に示すように、複数の固体光源１を複数の列（光源列）をなすように二次元配列している。

また、光源ベース板２における光源保持面２ａとは反対側の面（以下、裏面という）２ｂには、冷却部材３がねじ止め等により取り付けられている。光源ベース板２は、固体光源１を保持するとともに、固体光源１で発生した熱を冷却部材３に伝達する機能を有する。本実施例では、冷却部材３として、放熱部材としてのヒートシンクを用いている。ただし、冷却部材３として、ヒートシンク以外の放熱部材（ヒートパイプ等）や、ペルチェ素子等の吸熱部材と放熱部材とを組み合わせたものを用いてもよい。光源ベース板２と冷却部材３との間に、熱伝導性が高い不図示の熱伝導部材を配置してもよい。

冷却部材３には、その周囲を囲むように、該冷却部材３の放熱部（フィン等）に対して第１の冷却用流体としての空気を流すための第１の流路を形成するダクト４が取り付けられている。ダクト４における上流側には、空気流を発生させるファン５が配置されている。

また、固体光源ユニット１００は、光源ベース板２に結合され、該光源ベース板（光源保持面）２とともに固体光源１の光出射面１ａに面する空間Ｓを囲む遮蔽部材としての遮蔽カバー８を有する。遮蔽カバー８は、固体光源１の光出射面１ａから出射して後述する光変調素子に向かう光が通過する光通過部８ａを有し、該光通過部８ａにて光学部材である集光レンズ７を保持している。集光レンズ７は、押さえリング１２によって光通過部８ａに固定されている。

また、遮蔽カバー８における固体光源１の光出射面１ａに対向する壁部（以下、ミラー保持壁部という）８ｂは、その内面にて複数の反射ミラー（反射部材）６を保持している。反射ミラー６は、ミラー保持壁部８ｂに接着等によって取り付けられている。なお、反射部材として、角度調整が可能な角度可変ミラーや反射プリズム等を用いてもよい。

図４に破線で示すように、複数の固体光源１のそれぞれの光出射面１ａから出射した光は、複数の光源列のそれぞれに対応するように設けられた複数の反射ミラー６によって反射されて光通過部８ａに保持された集光レンズ７に向かう。そして、これらの光は集光レンズ７を透過することで集光されながら遮蔽カバー８（空間Ｓ）外に出射して光変調素子に向かう。

さらに、遮蔽カバー８におけるミラー保持壁部８ｂの外面には、後述する第２の流路の流入口８ｃに第２の冷却用流体としての空気を導くためのダクト９が取り付けられている。このダクト９によって第３の流路が形成される。ダクト９における上流側には、空気流を発生させるファン１０が配置されている。

図５には、固体光源ユニット１００における冷却流路を示している。具体的には、上述した第１の流路Ｐ１、第２の流路Ｐ２および第３の流路Ｐ３を示している。

ダクト４により形成された第１の流路Ｐ１は、前述したファン５からの空気（第１の冷却用流体）９１を冷却部材３の放熱部に対して流す。空気９１は、固体光源１からの熱が伝達された冷却部材３から熱を奪うことで固体光源１を冷却する。

第２の流路Ｐ２は、遮蔽カバー８と光源ベース板２とにより囲まれた空間Ｓ内に形成される流路である。具体的には、第２の流路Ｐ２は、遮蔽カバー８に形成された流入口８ｃから空間Ｓ内に流入した空気９２を、複数の固体光源１の光射出面１ａや複数の反射ミラー６に沿って流して光源ベース板２に形成された流出口２ｃから流出させる流路である。流入口８ｃには、ダクト９により形成された第３の流路Ｐ３を介してファン１０からの空気９２が導かれる。

流入口８ｃから空間Ｓ内に流入した空気９２のうち一部の空気９２ａは、複数の固体光源１の光出射面１ａの周辺を流れて該固体光源１を直接冷却しつつ流出口２ｃに向かう。また、空気９２のうち他の一部の空気９２ｂは、複数の反射ミラー６のミラー面に沿って流れて該反射ミラー６を直接冷却しつつ流出口２ｃに向かう。これにより、それ自体が発熱する複数の固体光源１と、固体光源１からの光を受けることで発熱して変形等のおそれがある複数の反射ミラー６の双方を良好に冷却することが可能となる。

また、空間Ｓに対して空気９２が流入出することで、該空間Ｓ内に熱が留まることを回避できる。つまりは、空間Ｓからの排熱を行うことができる。空間Ｓからの排熱は、冷却部材３の冷却能力を高める作用があり、この結果、冷却部材３を小型化することができる。

さらに、本実施例では、流出口２ｃは、該流出口２ｃから流出した空気９２（９２ａ，９２ｂ）を第１の流路Ｐ１のうち冷却部材３よりも上流側に流すように形成されている。これにより、冷却部材３に対しては、ファン５からの空気９１に加えて空気９２も流れる。つまり、冷却部材３に対して流れる空気の流量が増加する。このため、冷却部材３による固体光源１の冷却効率を向上させることができるとともに、冷却部材３の小型化をも可能とすることができる。このような空気９２の流れを無理なく実現するために、本実施例では、第２の流路Ｐ２における空気９２の流れ方向を、第１の流路Ｐ１における空気９１の流れ方向に対して反対方向としている。

また、遮蔽カバー８における流入口８ｃの近傍には、該流入口８ｃから空間Ｓの外側への光の漏出を防ぐ（遮光する）流入口遮光部８ｄが設けられている。一方、光源ベース板２における流出口２ｃの近傍には、該流出口２ｃから空間Ｓの外側への光の漏出を防ぐ（遮光する）流出口遮光部２ｄが設けられている。言い換えれば、遮蔽カバー８は流入口遮光部８ｄを備えた流入口８ｃを有し、光源ベース板２は流出口遮光部２ｄを備えた流出口２ｃを有する。このように形成された光源ベース板２と遮蔽カバー８は、それらの内側の空間Ｓに対する空気９２の流入出を可能としつつ、それらの外部への光漏出が生じない遮光密閉構造を実現する。本実施例では、固体光源１としてコヒーレント性が高いレーザーダイオードを使用しているため、このような遮光密閉構造によって製品の安全性を向上させることができる。

なお、本実施例では、遮蔽カバー（遮蔽部材）８に流入口８ｃおよび流入口遮光部８ｄを設け、光源ベース板（光源保持部材）２に流出口２ｃおよび流出口遮光部２ｄを設けたが、これは例に過ぎない。流入口、流出口、流入口遮光部および流出口遮光部は、遮蔽部材および光源保持部材のいずれに設けてもよく、さらには遮蔽部材および光源保持部材のうち少なくとも一方に設ければよい。

第３の流路Ｐ３は、ファン１０からの空気９２を、遮蔽カバー８のミラー保持壁部８ｂの外面に沿って流しながら遮光カバー８の流入口８ｃに導く。空気９２がミラー保持壁部８ｂの外面に沿って流れることで、複数の反射ミラー６をその背面側から冷却することができる。

なお、本実施例では、第１の流路Ｐ１に空気を供給するためのファン５と、第３の流路Ｐ３を介して第２の流路Ｐ２に空気を供給するためのファン１０とを別々に設けた場合について説明した。しかし、いずれか一方のファン（例えば、ファン１０）のみを設け、このファンからの空気を第３および第２の流路Ｐ３，Ｐ２を経由して第１の流路Ｐ１に流すようにしてもよい。

以上のように構成された固体光源ユニット１００は、図６に示す画像投射装置の光源装置として用いられる。固体光源ユニット１００から出射した光は、蛍光体ユニット１４に励起光として照射される。蛍光体ユニット１４は、所定の波長帯域の拡散光（例えば、白色光）を発生させる。蛍光体ユニット１４からの光は、照明光学系１５および色分離合成光学系１６を介して複数の色光に分離された後に複数の光変調素子（液晶パネルまたはデジタルマイクロミラーデバイス等）２０に導かれ、該光変調素子２０により変調される。複数の光変調素子２０からの光は、色分離合成光学系１６で合成され、投射レンズ１７を介して不図示の被投射面に投射される。これにより、カラー画像が表示される。

図７には、本発明の実施例２である固体光源ユニット２００の構成を示している。図８には、固体光源ユニット２００における冷却流路および光路の一部を示している。

本実施例の固体光源ユニット２００の基本的な構成や第１〜第３の流路Ｐ１〜Ｐ３は、実施例１の固体光源ユニット１００と同じである。このため、実施例１の固体光源ユニット１００と同じ構成要素には実施例１と同符号を付して説明に代える。

本実施例では、第２の流路Ｐ２が形成される空間Ｓの内部にガイド部材１８を配置している点で実施例１と異なる。ガイド部材１８は、遮蔽カバー８における光源ベース板２との結合部付近にて保持され、複数の固体光源１の光出射面１ａから離間した位置に、これら光射出面１ａにほぼ平行となるように配置されている。

ガイド部材１８は、平板形状のベース部のうち複数の固体光源１の光出射面１ａに対向する部分に形成された開口部１８ａと、ベース部から固体光源１側に斜めに突出したガイド部１８ｂとを有する。開口部１８ａおよびベース部のうち開口部１８ａの縁を形成する部分は固体光源１の光出射面１ａとほぼ平行となるように配置されており、ガイド部１８ｂは後述するように光出射面１ａに対して傾くように配置されている。

図８に示すように、ガイド部１８ｂは、遮蔽カバー８の流入口８ｃから空間Ｓ内に流入した空気９２ａを固体光源１に向かって流れるようにガイドする。このため、実施例１では空気９２ａは主として固体光源１ａの光出射面１ａに沿った方向に流れるだけであるが、本実施例では、空気９２ａが強制的に固体光源１の光出射面１ａに対して角度をなして向かうように流れる。したがって、本実施例によれば、実施例１に比べて、空気９２ａによる固体光源１の冷却効率をより高めることができる。

また、ガイド部材１８に形成された開口部１８ａは、図８に破線で示したように、固体光源１の光出射面１ａから出射して反射ミラー６に向かう光を通過させる。このため、ガイド部材１８を設けたことで固体光源ユニット２００からの出射光量が低下することはない。

実施例１，２の固体光源ユニット１００，２００によれば、固体光源１は裏面側が冷却部材３によって冷却されるだけでなく、光出射面１ａ側も空気９２により直接冷却されるので、冷却部材３を小型化しつつ固体光源１を効率良く十分に冷却することができる。したがって、固体光源ユニット１００，２００は、小型かつ軽量な構成を有しつつも、固体光源１の数にかかわらず、該固体光源１を効率良く十分に冷却することができる。そして、これらの固体光源ユニット１００，２００を用いることで、固体光源１を用いた明るい画像の投射が可能な小型かつ軽量な画像投射装置を実現することができる。
上記各実施例において、空気９１，９２を共に水等の液体（冷却用流体）に置き換えてもよいし、空気９１のみを液体に置き換えてもよい。

以上説明した各実施例は代表的な例にすぎず、本発明の実施に際しては、各実施例に対して種々の変形や変更が可能である。

１ 固体光源
１ａ 光出射面
２ 光源ベース板
３ 冷却部材
４ ダクト
５ 遮蔽カバー
２０ 光変調素子
Ｐ１ 第１の流路
Ｐ２ 第２の流路
９１，９２ 空気

Claims (8)

1. 固体光源からの光を光変調素子で変調して被投射面に投射することにより画像を表示する画像投射装置用の光源装置であって、
   前記固体光源を保持する光源保持部材と、
   前記光源保持部材とともに前記固体光源の光出射面に面する空間を囲むように配置され、前記光出射面から出射して前記光変調素子に向かう前記光が通過する光通過部を有する遮蔽部材と、
   前記光源保持部材における前記固体光源を保持する面とは反対側の面に設けられた冷却部材と、
   前記冷却部材に対して第１の冷却用流体を流す第１の流路とを有し、
   前記遮蔽部材および前記光源保持部材のうち少なくとも一方に、前記空間の内側に形成される第２の流路に第２の冷却用流体を流すための流入口および流出口と、前記流入口および前記流出口から前記空間の外側への前記光の漏出をそれぞれ防ぐ流入口遮光部および流出口遮光部とが設けられており、
   前記遮蔽部材は、前記空間に面して前記固体光源からの前記光を反射して前記光通過部に導く反射部材を保持しており、
   前記流入口に前記第２の冷却用流体を導く第３の流路が前記遮蔽部材における前記反射部材を保持する面とは反対側の面に沿って設けられていることを特徴とする光源装置。
2. 前記遮蔽部材に、前記流入口および前記流入口遮光部が設けられ、
   前記光源保持部材に、前記流出口および前記流出口遮光部が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
3. 前記流出口は、該流出口から流出した前記第２の冷却用流体を前記第１の流路に流すように形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の光源装置。
4. 前記第２の流路における前記第２の冷却用流体の流れ方向が、前記第１の流路における前記第１の冷却用流体の流れ方向に対して反対方向であることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の光源装置。
5. 前記空間の内側に、前記固体光源からの前記光を遮ることなく、前記第２の流路を流れる前記第２の冷却用流体を前記固体光源に向かわせるガイド部材が設けられていることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の光源装置。
6. 前記遮蔽部材の前記光通過部に、前記光を透過させる光学部材が設けられていることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の光源装置。
7. 前記固体光源は、レーザーダイオードであることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の光源装置。
8. 請求項１から７のいずれか一項に記載の光源装置と、
   該光源装置の前記光通過部から出射した前記光を変調する光変調素子と、
   該光変調素子により変調された前記光を被投射面に投射する光学系とを有することを特徴とする画像投射装置。