JP2009042703A - 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ける光源ユニットに採用する半導体レーザ素子アレイを環境温度の変化に拘わらず一定のレーザ動作設定温度に保つための冷却手段を設ける。
【解決手段】３原色のレーザ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半導体レーザ素子を配列した半導体レーザ素子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して光源ユニットを構成し、少なくとも、冷媒圧縮機、凝縮器、減圧器、および蒸発器を構成する冷媒配管を環状に接続した冷媒回路を備え、前記光源エレメントの受熱板にヒートパイプの一端を固定する一方、該ヒートパイプの他端に放熱板を固定し、前記放熱板と前記蒸発器を構成する冷媒配管とを直接または間接に接続する。
【選択図】図１

Description

本発明は、３原色のレーザ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、半導体レーザ素子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原色を液晶パネルにより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。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。また、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課題となっている。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半導体レーザ素子アレイを採用する試みがなされている（特許文献１参照）。

この半導体レーザ素子アレイは、例えば、半導体の同一基板上にモノシリックで数１０個以上の半導体レーザ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。このような半導体レーザ素子アレイを採用する場合において、この半導体レーザ素子アレイの各半導体レーザ素子を安定にレーザ発振させるため、レーザ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。

レーザ動作設定温度が変動すると、半導体レーザ素子アレイ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、半導体レーザ素子アレイを冷却している。

この他、半導体レーザ素子を強制的に冷却する他の手段として、冷却装置からの冷却媒体流路を各半導体レーザ素子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）。さらに、光源として３原色に対応する３つの有機電界発光素子をダイクロイックプリズムの３つの側面に配置して投写光を得るようにした方式（特許文献３参照）では、有機電界発光素子で発生した熱をヒートパイプで放熱板に輸送し、この放熱板をファンで空冷するようにしている。
特開２００７−２０１２８５号公報 特開２００５−０２６５７５号公報 特開平１０−３３３１２９号公報

半導体レーザ素子を光源とした場合、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、半導体レーザ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半導体レーザ素子を配列した半導体レーザ素子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、前述したように半導体レーザ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、発光スポット径が変化する。このような状態に至るとホワイトバランスが崩れる状態となり、この結果、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、半導体レーザ素子アレイは、安定した動作が維持される一定のレーザ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、半導体レーザ素子は室温より比較的低い温度（２０℃程度）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レーザ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、例えば、±１℃の範囲に収めることが理想となる。

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であり、複数の半導体レーザ素子アレイで構成される光源エレメントに適用した場合、光源エレメント周辺部が複雑かつ大型化する課題がある。

また、上記特許文献２に開示された冷却手段による場合は、冷却媒体の漏洩が常に懸念される。さらに、上記特許文献３に開示された冷却手段による場合は、ファンによる空気冷却によるものであることから、室温以下のレーザ動作設定温度に保つことができない。

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、３原色のレーザ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半導体レーザ素子を配列した半導体レーザ素子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して光源ユニットを構成し、少なくとも、冷媒圧縮機、凝縮器、減圧器、および蒸発器を構成する冷媒配管を環状に接続した冷媒回路を備え、前記光源エレメントの受熱板にヒートパイプの一端を固定する一方、該ヒートパイプの他端に放熱板を固定し、前記放熱板と前記蒸発器を構成する冷媒配管とを直接または間接に接続する。

請求項２記載の発明では、上記請求項１記載の投写型映像表示装置において、各原色単位で配設され、各冷媒配管に流される冷媒の流量が調整可能となるようにする。

請求項３記載の発明では、上記請求項１記載の投写型映像表示装置において、前記放熱板が光源エレメントの受熱板の上方に位置するようにヒートパイプが曲成されているようにする。

請求項４記載の発明では、上記請求項１記載の投写型映像表示装置において、前記ヒートパイプの長さ寸法、形状などが略同一であるようにする。

本発明の請求項１記載の発明によれば、複数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を配設した受熱板と冷媒配管に固定された放熱板とがヒートパイプで接続され、受熱板の熱をヒートパイプで効率よく輸送するようにしたので、半導体レーザ素子アレイを効果的に冷却することができ、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。

請求項２記載の発明によれば、上記請求項１記載の発明の効果に加え、冷媒配管に流す冷媒の流量を各原色毎に異なる設定が可能となるので、より精度の高い温度制御が可能となる。

請求項３記載の発明によれば、上記請求項１記載の発明の効果に加え、ヒートパイプを曲成して放熱板が光源エレメントの受熱板の上方に位置するようにしたので、ヒートパイプ内の作動流体の還流が重力の影響を受け易くなり、熱輸送能力を向上することができる。

請求項４記載の発明によれば、上記請求項１記載の発明の効果に加え、ヒートパイプの長さ寸法、形状などを略同一のものであるようにしたので、各光源エレメントを同一条件で冷却することができ、光源エレメントからの出射光が均一なものとなる。

本発明は、投写性能を向上しつつ不具合の発生を未然に防止できる光源ユニットを備えた投写型映像表示装置を提供するもので、かかる目的を達成するための実施の形態を図にもとづいて以下に説明する。本発明の実施の形態における光源ユニットの全体の構成を図１に、その要部の構成を図２に、組立状態を図３に示す。そして、光源ユニットの要部の組立状態を図４に、要部の構成の他の例を図５に、冷媒回路の例を図６に示す。また、光源ユニットにおける冷媒配管の構成を図７に、本発明の投写型映像表示装置の構成の概要を図８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）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、図２に示すような構成、即ち、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、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から出射される各原色のレーザ光は、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、各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ていることから、各半導体レーザ素子アレイ８ｂ、９ｂ、１０ｂの発熱は受熱板８ａ、９ａ、１０ａに吸収される。前記受熱板８ａ、９ａ、１０ａにはＬ字状に曲成されたヒートパイプ１１、１２、１３の一端が固定され、該ヒートパイプ１１、１２、１３の他端に熱伝導性に優れた金属により形成された放熱板１４、１５、１６を固定する。

前記ヒートパイプ１１、１２、１３は、放熱板１４、１５、１６が受熱板８ａ、９ａ、１０ａの上方に位置するように曲成されており、これにより、ヒートパイプ１１、１２、１３内の作動流体の還流が重力の影響を受け易くなり、熱輸送能力を向上することができる。また、長さ寸法、形状などが略同一のものを採用することにより、各光源エレメントを同一条件で冷却することができ、光源エレメントからの出射光の均一化が可能となる。

光源エレメント８、９、１０は以上のように構成され、図３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、この出射光は出射面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。

このように機能する光源ユニット１において、各光源エレメント８、９、１０のヒートパイプ１１、１２、１３を介して放熱板１４、１５、１６に輸送された熱は、図４に示すようにロウ付けなどの手段により接続された蒸発器を構成する冷媒配管１７Ｒ、１７Ｇ、１７Ｂの熱交換部１７Ｒ−１、１７Ｇ−１、１７Ｂ−１により吸収される。この場合、放熱板１４、１５、１６は熱交換部１７Ｒ−１、１７Ｇ−１、１７Ｂ−１に直接接続されているが、高い熱交換効率および組立作業性を向上するため、図５に示すように吸熱器１８、１９、２０に冷媒が流通するように冷媒回路の蒸発器を構成する冷媒配管１７Ｒ、１７Ｇ、１７Ｂを接続し、この吸熱器１８、１９、２０と放熱板１４、１５、１６を、例えば、熱伝導性接着剤で接続するようにしてもよい。

図６は、上記のように構成された光源ユニット１に冷媒を供給する冷凍機Ｃの冷媒回路の例を示す図であり、冷媒圧縮機３０、凝縮器３１、減圧器３２、蒸発器を構成する冷媒配管１７Ｒ、１７Ｇ、１７Ｂ、アキュームレータ３３の順に環状に接続している。この冷媒回路の冷媒圧縮機３０で圧縮された高温高圧の冷媒は、凝縮器３１の送風ファン３４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３２にて流量が絞られた後、蒸発器を構成する冷媒配管１７Ｒ、１７Ｇ、１７Ｂにて蒸発する。この際の吸熱作用により放熱板１４、１５、１６の冷却が行われる。なお、減圧器３２において蒸発器を構成する冷媒配管１７Ｒ、１７Ｇ、１７Ｂの蒸発温度が一定になるようにその絞り量が調整される。

図７は、蒸発器を構成する冷媒配管１７Ｒ、１７Ｇ、１７Ｂの熱交換部１７Ｒ−１、１７Ｇ−１、１７Ｂ−１に接続される放熱板１４、１５、１６などを省略して示したもので、各冷媒配管１７Ｒ、１７Ｇ、１７Ｂは光源エレメント８、９、１０を個別に冷却できるように独立に形成されている。したがって、各蒸発器（冷媒配管１７Ｒ、１７Ｇ、１７Ｂ）に個別に流量調整弁を設け、冷媒の流量を個々に調整可能となるようにすれば、光源エレメント８、９、１０の各々の発熱状態が相違する場合においても適正に冷却することができ、精度の高い温度制御が可能となる。

図８は、光源ユニット１を組み込んだ投射型映像表示装置Ｐの構成の概略および冷凍機Ｃとの関連の概要を示す図であり、冷凍機Ｃは投写型映像表示装置Ｐと一体的に構成することもでき、あるいは冷凍機Ｃを室外に設置し、投射型映像表示装置Ｐと冷凍機Ｃを配管接続するようにしてもよい。

このように本発明によれば、光源ユニット１に冷媒回路を配設するようにしたので、光源エレメント８、９、１０の発熱状態に応じて高い精度で温度制御が可能となり、半導体レーザ素子アレイ８ｂ、９ｂ、１０ｂから常に適正な光量を得ることができる。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。

本発明の光源ユニットの構成を示す平面図である。 本発明の光源ユニットの要部の構成を示す斜視図である。 本発明の光源ユニットの組立状態を示す斜視図である。 本発明の光源ユニットの要部の組立状態を示す斜視図である。 本発明の光源ユニットの要部の構成の他の例を示す斜視図である。 冷媒回路の例を示す図である。 本発明の光源ユニットの冷媒配管の構成を示す斜視図である。 本発明による投射型映像表示装置の構成の概要を示す図である。

符号の説明

Ｐ・・・・・投射型映像表示装置
Ｃ・・・・・冷凍機
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・・・・・半導体レーザ素子アレイ
１１、１２、１３・・・・・ヒートパイプ
１７Ｒ、１７Ｇ、１７Ｂ・・・・・冷媒配管
１８、１９、２０・・・・・吸熱器

Claims (4)

1. ３原色のレーザ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半導体レーザ素子を配列した半導体レーザ素子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して光源ユニットを構成し、
   少なくとも、冷媒圧縮機、凝縮器、減圧器、および蒸発器を構成する冷媒配管を環状に接続した冷媒回路を備え、
   前記光源エレメントの受熱板にヒートパイプの一端を固定する一方、該ヒートパイプの他端に放熱板を固定し、
   前記放熱板と前記蒸発器を構成する冷媒配管とを直接または間接に接続したことを特徴とする投写型映像表示装置。
2. 前記蒸発器を構成する冷媒配管が各原色単位で配設され、各冷媒配管に流される冷媒の流量が調整可能となるようにした請求項１記載の投写型映像表示装置。
3. 前記放熱板が光源エレメントの受熱板の上方に位置するようにヒートパイプが曲成されていることを特徴とする請求項１記載の投写型映像表示装置。
4. 前記ヒートパイプの長さ寸法、形状などが略同一であることを特徴とする請求項１記載の投写型映像表示装置。

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