JP2008192579A - 光源装置、照明装置及びプロジェクタ - Google Patents

Abstract

【課題】発光部の温度差を低減させることで波長差を低減可能とし、かつ効率的な冷却によって高い効率で光を出射させることが可能な光源装置、その光源装置を用いる照明装置及びプロジェクタを提供すること。
【解決手段】特定方向に並列された複数の発光部を備える光源部である半導体レーザ１１と、光源部を冷却する冷却部である冷却プレート１４と、を有し、冷却部は、流体が流動する流体流動部１５を備え、流体流動部１５において、流体は、特定方向について、発光部を並列させた領域より小さい領域を流動する。
【選択図】図２

Description

本発明は、光源装置、照明装置及びプロジェクタ、特に、レーザ光を供給する光源装置の技術に関する。

近年、プロジェクタの光源装置として、レーザ光を供給するレーザ光源を用いる技術が提案されている。プロジェクタの光源装置として従来用いられているＵＨＰランプと比較すると、レーザ光源を用いる光源装置は、高い色再現性、瞬時点灯が可能、長寿命である等の利点がある。近年において、プロジェクタは高輝度化が求められており、供給可能な光量の増加に伴って発熱量も増大する傾向にある。光源の放熱効率を高めるには、従来の空冷方式に代えて、冷媒を流動させる液冷方式を採用することが望ましい。また、レーザ光源を高出力化させるためには、レーザ光を出射させる複数の発光部を配置する構成とすることができる。各発光部からのレーザ光の波長の変動を低減させるためには、各発光部間の温度差をできるだけ少なくできることが望まれる。液冷方式によって光源を放熱するための技術は、例えば特許文献１に提案されている。特許文献１にて提案される技術では、並設された流路において互いに相違する向きで冷媒を流動させることで、放熱体の温度分布のばらつきを低減させる。

特開平８−１３９４７８号公報

上述のように並設された流路において互いに相違する向きで冷媒を流動させるには、二種類の流路が必須となる上、効率的な熱交換を行うためのマイクロチャネル等を適用することも困難である。さらに、互いに異なる温度の冷媒を隣接させて流動させると、高温の冷媒から低温の冷媒への熱の伝播が生じることとなる。このような冷媒間での熱交換が生じることで、冷却効率が低下してしまうことになる。このように、従来の技術によると、各発光部間における温度差を低減可能とし、かつ効率的な冷却を行うことが困難であるという問題を生じる。本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、発光部の温度差を低減させることで波長差を低減可能とし、かつ効率的な冷却によって高い効率で光を出射させることが可能な光源装置、その光源装置を用いる照明装置及びプロジェクタを提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明によれば、特定方向に並列された複数の発光部を備える光源部と、光源部を冷却する冷却部と、を有し、冷却部は、流体が流動する流体流動部を備え、流体流動部において、流体は、特定方向について、発光部を並列させた領域より小さい領域を流動することを特徴とする光源装置を提供することができる。

特定方向に長い熱源については、中心部から両端に行くに従って放熱が容易になる。発光部を並列させる領域と同等、又はそれ以上の領域に対して冷媒を流動させると、中心部をピークとして両端に行くに従って温度低下が著しくなる。発光部を並列させた領域より狭い幅の領域を流体が流動するため、中心部と両端との温度差を低減させることが可能となる。流体流動部には、従来用いられるマイクロチャネル等を適用することで、効率的な熱交換を行うことが可能となる。また、流体流動部において一方向へ流体が流動するため、流体流動部内での流体間における熱交換を低減させることもできる。これにより、発光部の温度差を低減させることで波長差を低減可能とし、かつ効率的な冷却によって高い効率で光を出射させることが可能な光源装置を得られる。また、周期構造を持つマイクロチャネル等を適用可能とすることで、簡易かつ容易に製造可能な構成とすることもできる。

また、本発明の好ましい態様としては、複数の発光部は、特定方向である第１の方向に並列され、流体流動部において、流体は、第１の方向に略直交する第２の方向へ流動することが望ましい。第２の方向へ流体が流動するため、発光部を並列させた領域を通過する間における流体の温度上昇をできるだけ少なくすることができる。これにより、さらに効率的な冷却を行うことができる。

また、本発明の好ましい態様としては、光源部は、サブマウント上に実装され、サブマウントは、冷却部上に実装されることが望ましい。サブマウントの直下に冷却部を設けることで、効率的な冷却を行うことができる。

また、本発明の好ましい態様としては、流体流動部は、流体が流動する複数の流路を備え、流路は、いずれも略同じ幅で形成されることが望ましい。略同じ幅の流路を形成することで、流体は、流体流動部において均等に流動する。これにより、さらに発光部の温度差を低減させることができる。

また、本発明の好ましい態様としては、光源部は、半導体レーザを備えることが望ましい。これにより、複数の発光部によりレーザ光を供給可能な構成にできる。高出力かつ大きな発熱量の半導体レーザに対しても、効率的な冷却により、高い効率で光を出射させることが可能となる。

さらに、本発明によれば、上記の光源装置を有し、光源装置からの光を用いて被照射物を照明することを特徴とする照明装置を提供することができる。上記の光源装置を用いることで、波長差を低減可能とし、かつ高い効率で光を出射させることが可能となる。これにより、少ない波長差で、かつ高い効率で光を供給可能な照明装置を得られる。

さらに、本発明によれば、上記の照明装置と、照明装置からの光を画像信号に応じて変調する空間光変調装置と、を有することを特徴とするプロジェクタを提供することができる。上記の照明装置を用いることで、少ない波長差で、かつ高い効率で光を供給することが可能となる。これにより、高い色再現性で、かつ高効率で明るい画像を表示することが可能なプロジェクタを得られる。

以下に図面を参照して、本発明の実施例を詳細に説明する。

図１は、本発明の実施例１に係る光源装置１０の概略構成を示す。光源装置１０は、半導体レーザ１１を有する。半導体レーザ１１は、レーザ光を供給する光源部であって、端面発光型の半導体レーザである。半導体レーザ１１は、第１の方向であるＸ方向に並列された複数の発光部１２を備える。半導体レーザ１１は、サブマウント１３上に実装されている。サブマウント１３は、冷却プレート１４上に実装されている。冷却プレート１４は、半導体レーザ１１を冷却する冷却部である。Ｚ方向は、第１の方向であるＸ方向に略直交する第２の方向である。Ｙ方向は、第１の方向であるＸ方向、及び第２の方向であるＺ方向に略直交する第３の方向である。

図２は、図１に示す光源装置１０のＸＹ断面構成を示す。流体流動部１５は、冷却プレート１４の内部に設けられている。流体である冷媒、例えば水は、流体流動部１５を流動する。流体流動部１５は、不図示の循環部に接続されている。循環部は、冷媒が流動する流路を形成する。冷媒の流動には、不図示の循環ポンプが用いられる。半導体レーザ１１からの熱は、サブマウント１３を経て、流体流動部１５内を流動する冷媒へ伝達される。サブマウント１３の直下に冷却プレート１４を配置することで、効率的な冷却を行うことができる。冷媒へ伝達された熱は、循環部にて冷媒を循環させる過程において周辺空気へ放出される。冷媒から周辺空気への放熱には、例えば熱交換器を用いることができる。

図３は、半導体レーザ１１及び流体流動部１５の配置について説明するものである。図４は、半導体レーザ１１の正面構成を示す。図５は、流体流動部１５のＸＹ断面構成を示す。図４に示すように、半導体レーザ１１は、ＸＹ面内の幅Ｌ１の領域において、略等間隔で発光部１２を並列させる。図５に示すように、流体流動部１５は、第１の方向であるＸ方向について並列された複数のマイクロチャネル１６を有する。マイクロチャネル１６は、冷媒が流動する流路である。流体流動部１５は、ＸＹ面内の幅Ｌ２の領域において、略等間隔でマイクロチャネル１６を並列させる。

マイクロチャネル１６を並列させる構成とすることで、流体流動部１５及び冷媒間における効率的な熱交換を行うことが可能となる。マイクロチャネル１６は、いずれも略同じ幅ｄ１で形成されている。略同じ幅ｄ１のマイクロチャネル１６を形成することで、冷媒は、流体流動部において均等に流動する。これにより、発光部１２の温度差を低減させることができる。幅ｄ１は、数μｍ〜数百μｍとすることができ、例えば１００μｍである。

図３に示すように、半導体レーザ１１及び流体流動部１５は、ＸＺ面内において、中心位置を略一致させて配置されている。また、上述の幅Ｌ１、Ｌ２については、Ｌ１＞Ｌ２の関係が成り立つ。流体流動部１５において、冷媒は、第１の方向であるＸ方向について、発光部１２（図４参照）を並列させた領域より小さい領域を流動する。また、流体流動部１５において、冷媒は、第２の方向であるＺ方向へ流動する。Ｚ方向についての半導体レーザ１１の長さＬ３、及び流体流動部１５の長さＬ４については、Ｌ３＜Ｌ４の関係が成り立つ。流体流動部１５にてＺ方向へ冷媒が流動することで、発光部１２を並列させた領域を通過する間における冷媒の温度上昇をできるだけ少なくすることができる。これにより、半導体レーザ１１の効率的な冷却を行うことができる。

特定方向に長い熱源については、中心部から両端に行くに従って放熱が容易になる。仮に、発光部１２を並列させる領域と同等、又はそれ以上の領域に対して冷媒が流動すると、半導体レーザ１１を効果的に冷却可能である一方、中心部をピークとして両端へ行くに従って温度低下が著しくなる。各発光部１２からのレーザ光の波長の変動を低減させるためには、各発光部１２間の温度差をできるだけ少なくできることが望まれる。

発光部１２を並列させた領域より狭い幅の領域において冷媒が流動するため、中心部と両端との温度差を低減させることが可能となる。また、流体流動部１５において一方向へ冷媒が流動するため、流体流動部１５内での冷媒間における熱交換を低減させることもできる。これにより、発光部１２の温度差を低減させることで波長差を低減可能とし、かつ効率的な冷却によって高い効率で光を出射できるという効果を奏する。また、周期構造を持つマイクロチャネル１６を適用可能とすることで、簡易かつ容易に製造可能な構成とすることもできる。

半導体レーザ１１は、例えば、１つの発光部１２当たり数百ｍＷのレーザ光を出射させる。複数の発光部１２を並列させることで、半導体レーザ１１は、数Ｗ〜数十Ｗのレーザ光を出射させる。高出力かつ大きな発熱量の半導体レーザ１１に対しても、効率的な冷却により、高い効率で光を出射させることが可能となる。半導体レーザ１１は、特定方向に複数の発光部１２を並列させる構成であれば良く、発光部１２の数が図１及び図４に示す通りである場合に限られない。流体流動部１５は、特定方向に複数のマイクロチャネル１６を並列させる構成であれば良く、マイクロチャネル１６の数が図５に示す通りである場合に限られない。

図６は、半導体レーザ１１のうち発光部１２を並列させる領域の温度分布について説明するものである。ここでは、発光部１２を並列させる領域に代えて、特定方向に長い形状の熱源を冷却する場合の温度分布の例を示している。グラフ中縦軸は、流体流動部１５へ流入する冷媒と熱源との温度差、横軸は、特定方向についての熱源の中心部からの距離をそれぞれ表す。マイクロチャネル１６は、幅ｄ１（図５参照）が０．１ｍｍ、高さｈが２ｍｍであるとする。流体流動部１５は、マイクロチャネル１６間の部分の幅ｄ２が０．１ｍｍ、冷媒を流動させるＺ方向の長さＬ４（図３参照）が４ｍｍであるとする。熱源は、１ｍｍ×１０ｍｍ（Ｌ１＝１０ｍｍ）の平面であるとし、２４Ｗの熱量を放出するものとする。流体流動部１５には、５ｃｃ／ｓで冷媒を流動させるものとする。

図３においてＬ１＝１０ｍｍに対してマイクロチャネル１６が形成された部分の幅Ｌ２が例えば１１．１ｍｍ（Ｌ１＜Ｌ２）の場合、熱源の中心部及び両端の温度差は、およそ３．８度となる。これに対して、幅Ｌ２が例えば８．５ｍｍ（Ｌ１＞Ｌ２）の場合、熱源の中心部及び両端の温度差は、およそ２．２度となる。Ｌ２＝８．５ｍｍの場合において、熱源の中心部の温度は、Ｌ２＝１１．１ｍｍの場合と同等とすることが可能である。このことは、発光部１２を並列させた領域に対して小さい領域において冷媒が流動することで、各発光部１２間の温度差を低減可能であることを示す。

光源装置１０は、端面発光型の半導体レーザ１１を用いるものに限られない。端面発光型の半導体レーザ１１に代えて、面発光型の半導体レーザを用いても良い。光源装置１０は、光源部として半導体レーザ１１を用いる他、半導体レーザ励起固体（Diode Pumped Solid State；ＤＰＳＳ）レーザや、固体レーザ、液体レーザ、ガスレーザ等を用いる構成としても良い。また、光源装置１０は、光源部からのレーザ光の波長を変換させる波長変換素子、例えば第二高調波発生（Second−Harmonic Generation；ＳＨＧ）素子を用いる構成としても良い。

図７は、本発明の実施例２に係るプロジェクタ７０の概略構成を示す。プロジェクタ７０は、スクリーン８８に光を供給し、スクリーン８８で反射する光を観察することで画像を鑑賞するフロント投写型のプロジェクタである。上記実施例１と重複する説明は省略する。プロジェクタ７０は、赤色（Ｒ）光用光源装置８０Ｒ、緑色（Ｇ）光用光源装置８０Ｇ、青色（Ｂ）光用光源装置８０Ｂを有する。各色光用光源装置８０Ｒ、８０Ｇ、８０Ｂは、いずれも上記実施例１の光源装置１０（図１参照）と同様の構成を有する。プロジェクタ７０は、各色光用光源装置８０Ｒ、８０Ｇ、８０Ｂからの光を用いて画像を表示する。

Ｒ光用光源装置８０Ｒは、Ｒ光を供給する光源装置である。拡散素子８１は、照明領域の整形、拡大、照明領域におけるレーザ光の光量分布の均一化を行う。拡散素子８１としては、例えば、回折光学素子である計算機合成ホログラム（Computer Generated Hologram；ＣＧＨ）を用いることができる。フィールドレンズ８２は、拡散素子８１からのレーザ光を平行化させ、Ｒ光用空間光変調装置８３Ｒへ入射させる。Ｒ光用光源装置８０Ｒ、拡散素子８１及びフィールドレンズ８２は、Ｒ光用空間光変調装置８３Ｒを照明する照明装置を構成する。Ｒ光用空間光変調装置８３Ｒは、照明装置からのＲ光を画像信号に応じて変調する空間光変調装置であって、透過型液晶表示装置である。Ｒ光用空間光変調装置８３Ｒで変調されたＲ光は、色合成光学系であるクロスダイクロイックプリズム８４へ入射する。

Ｇ光用光源装置８０Ｇは、Ｇ光を供給する光源装置である。拡散素子８１及びフィールドレンズ８２を経たレーザ光は、Ｇ光用空間光変調装置８３Ｇへ入射する。Ｇ光用光源装置８０Ｇ、拡散素子８１及びフィールドレンズ８２は、Ｇ光用空間光変調装置８３Ｇを照明する照明装置を構成する。Ｇ光用空間光変調装置８３Ｇは、照明装置からのＧ光を画像信号に応じて変調する空間光変調装置であって、透過型液晶表示装置である。Ｇ光用空間光変調装置８３Ｇで変調されたＧ光は、Ｒ光とは異なる側からクロスダイクロイックプリズム８４へ入射する。

Ｂ光用光源装置８０Ｂは、Ｂ光を供給する光源装置である。拡散素子８１及びフィールドレンズ８２を経たレーザ光は、Ｂ光用空間光変調装置８３Ｂへ入射する。Ｂ光用光源装置８０Ｂ、拡散素子８１及びフィールドレンズ８２は、Ｂ光用空間光変調装置８３Ｂを照明する照明装置を構成する。Ｂ光用空間光変調装置８３Ｂは、照明装置からのＢ光を画像信号に応じて変調する空間光変調装置であって、透過型液晶表示装置である。Ｂ光用空間光変調装置８３Ｂで変調されたＢ光は、Ｒ光、Ｇ光とは異なる側からクロスダイクロイックプリズム８４へ入射する。透過型液晶表示装置としては、例えば高温ポリシリコンＴＦＴ液晶パネル（High Temperature Polysilicon；ＨＴＰＳ）を用いることができる。

クロスダイクロイックプリズム８４は、互いに略直交させて配置された２つのダイクロイック膜８５、８６を有する。第１ダイクロイック膜８５は、Ｒ光を反射し、Ｇ光及びＢ光を透過させる。第２ダイクロイック膜８６は、Ｂ光を反射し、Ｒ光及びＧ光を透過させる。クロスダイクロイックプリズム８４は、それぞれ異なる方向から入射したＲ光、Ｇ光及びＢ光を合成し、投写レンズ８７の方向へ出射させる。投写レンズ８７は、クロスダイクロイックプリズム８４で合成された光をスクリーン８８の方向へ投写する。

上記の光源装置１０と同様の構成を有する各色光用光源装置８０Ｒ、８０Ｇ、８０Ｂを用いることにより、波長差を低減可能とし、かつ高い効率で光を出射させることが可能となる。これにより、高い色再現性で、かつ高効率で明るい画像を表示することができるという効果を奏する。プロジェクタ７０は、空間光変調装置として透過型液晶表示装置を用いる場合に限られない。空間光変調装置としては、反射型液晶表示装置（Liquid Crystal On Silicon；ＬＣＯＳ）、ＤＭＤ（Digital Micromirror Device）、ＧＬＶ（Grating Light Valve）等を用いても良い。

プロジェクタ７０は、色光ごとに空間光変調装置を備える構成に限られない。プロジェクタ７０は、一の空間光変調装置により２つ又は３つ以上の色光を変調する構成としても良い。プロジェクタ７０は、空間光変調装置を用いる場合に限られない。プロジェクタ７０は、ガルバノミラー等の走査手段により光源部からのレーザ光を走査することで被投写面へ画像を投写する、レーザースキャン型のプロジェクタとしても良い。プロジェクタは、スクリーンの一方の面に光を供給し、スクリーンの他方の面から出射される光を観察することで画像を鑑賞する、いわゆるリアプロジェクタであっても良い。さらに、本発明の光源装置は、プロジェクタに適用する場合に限られない。例えば、レーザ光を用いて露光を行う露光装置や、レーザ光により照明された像をモニタするモニタ装置等に適用することとしても良い。

以上のように、本発明に係る光源装置は、プロジェクタに用いる場合に適している。

本発明の実施例１に係る光源装置の概略構成を示す図。 図１に示す光源装置のＸＹ断面構成を示す図。 半導体レーザ及び流体流動部の配置について説明する図。 半導体レーザの正面構成を示す図。 流体流動部のＸＹ断面構成を示す図。 発光部を並列させる領域の温度分布について説明する図。 本発明の実施例２に係るプロジェクタの概略構成を示す図。

符号の説明

１０ 光源装置、１１ 半導体レーザ、１２ 発光部、１３ サブマウント、１４ 冷却プレート、１５ 流体流動部、１６ マイクロチャネル、７０ プロジェクタ、８０Ｒ Ｒ光用光源装置、８０Ｇ Ｇ光用光源装置、８０Ｂ Ｂ光用光源装置、８１ 拡散素子、８２ フィールドレンズ、８３Ｒ Ｒ光用空間光変調装置、８３Ｇ Ｇ光用空間光変調装置、８３Ｂ Ｂ光用空間光変調装置、８４ クロスダイクロイックプリズム、８５ 第１ダイクロイック膜、８６ 第２ダイクロイック膜、８７ 投写レンズ、８８ スクリーン

Claims (7)

1. 特定方向に並列された複数の発光部を備える光源部と、
   前記光源部を冷却する冷却部と、を有し、
   前記冷却部は、流体が流動する流体流動部を備え、
   前記流体流動部において、前記流体は、前記特定方向について、前記発光部を並列させた領域より小さい領域を流動することを特徴とする光源装置。
2. 複数の前記発光部は、前記特定方向である第１の方向に並列され、
   前記流体流動部において、前記流体は、前記第１の方向に略直交する第２の方向へ流動することを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
3. 前記光源部は、サブマウント上に実装され、
   前記サブマウントは、前記冷却部上に実装されることを特徴とする請求項１又は２に記載の光源装置。
4. 前記流体流動部は、前記流体が流動する複数の流路を備え、
   前記流路は、いずれも略同じ幅で形成されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の光源装置。
5. 前記光源部は、半導体レーザを備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の光源装置。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の光源装置を有し、前記光源装置からの光を用いて被照射物を照明することを特徴とする照明装置。
7. 請求項６に記載の照明装置と、
   前記照明装置からの光を画像信号に応じて変調する空間光変調装置と、を有することを特徴とするプロジェクタ。

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