JP2009086271A - 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アレイを配設した光源エレメントの冷却を簡素化し、冷凍手段の小型化が可能となるようにするとともに、複雑な温度調整を不要とし、製造コストならびに電力コストを低減できる投写型映像表示装置を提供する。
【解決手段】少なくとも３原色の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光源素子を配列した光源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、各色を合成プリズムの照射面に導光するように、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備える冷凍手段と、該冷凍手段より冷却能力の低い補助冷却手段とを設け、前記複数の光源アレイにおいて、相対的に発熱量の大きい光源レイを前記冷凍手段に接続する一方、その他の光源アレイを補助冷却手段に接続する。
【選択図】図１

Description

本発明は、３原色の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、光源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。また、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、高い色再現性を実現できないという課題があった。さらに、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、これに伴って光量の増大が市場の要求となっている。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。また、半導体レーザ素子アレイを強制的に冷却する他の手段として、冷却装置から冷却媒体通路を半導体レーザ素子アレイ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）。
特開２００７−２０１２８５号公報 特開２００５−０２６５７５号公報

半導体レーザ素子アレイを光源とした場合、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長がある。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、正確な色階調表現ができなくなる。

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半導体レーザ素子アレイ動作設定温度を一定に保つ冷却手段が必要となり、その温度を指定範囲内で厳密に制御する必要がある。

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によるもので、光源エレメントの周辺部が複雑かつ大型化することから、３原色毎に複数の半導体レーザ素子アレイを配置する構成の光源エレメントに採用することはできず、個々の半導体レーザ素子アレイを正確に温度制御することはできない。また、上記特許文献２に開示された冷却手段においては、個々の半導体レーザ素子アレイの温度状態を把握することが困難であるとともに、冷却冷媒の流量の調整手段を個々に備えるというきわめて大掛かりな装置となる。

ところで、３原色の光を得るための光源アレイに半導体レーザ素子を採用した場合において、所定の光量で各原色が得られるように各原色の半導体レーザ素子を発光させると、各原色の半導体レーザ素子は異なる発熱をする。例えば、赤色の半導体レーザ素子を緑色、青色の半導体レーザ素子と同程度に発光させる場合は、相対的に大きな動作電流を必要とするため、これに伴って発熱量も増加することになる。

したがって、各原色の光源エレメントの冷却あたり、安定した発光および素子の劣化を配慮する場合は、最も温度制御条件の厳しい赤色の半導体レーザ素子が配設された光源アレイが安定に作動するように冷却しなければならない。ところが、赤色の半導体レーザ素子が安定に作動する温度を基準として他の緑色、青色の半導体レーザ素子を配設した光源エレメントも同時に冷却すると、赤色の半導体レーザ素子ほどの発熱がないことから、これらは過冷却となり、発光量などに変動を生じてしまうことになり、全てを一律に冷却することができない。

したがって、赤色、緑色、青色の半導体レーザ素子を配設した光源エレメントの全て同一の冷却手段で冷却する場合は、各原色の光源エレメントが所定の温度となるように冷却手段において温度制御が必要となることから、個々に温度調整が可能となる機能を設けなければならないことになり装置が複雑化する。また、各原色の光源エレメントを冷却する場合、全てを冷凍機で冷却する構成であると、装置が大型化し、製造コストおよび電力コストを上昇する要因となる。

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、少なくとも３原色の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光源素子を配列した光源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、各色を合成プリズムの照射面に導光するように、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備える冷凍手段と、該冷凍手段より冷却能力の低い補助冷却手段とを設け、前記複数の光源アレイにおいて、相対的に発熱量の大きい光源アレイを前記冷凍手段に接続する一方、その他の光源アレイを補助冷却手段に接続する。

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、冷凍手段に赤色を発光する光源アレイを配設した光源エレメントを接続する。

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、補助冷却手段が空冷装置であるようにする。

本発明の発明によれば、冷凍手段により相対的に発熱量の大きい光源エレメントを冷凍手段に接続し、その他の光源アレイを補助冷却手段に接続するようにしたので、冷凍手段の小型化が可能となり、複雑な温度調整が不要となる。これにより、製造コストおよび電力コストを低減することができ、光源エレメントを安定に発光させることのできる投写型映像表示装置を提供することが可能となる。

以下、本発明の実施の形態を図にもとづいて詳細に説明する。図１は、本発明の光源ユニットの構成を示す平面図であり、その組立状態を図２に示す。図３および図４は、本発明の光源ユニットの要部の構成を示す斜視図であり、図５に本発明の冷凍手段および補助冷却手段の例を示す。

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（フライアイレンズ対）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、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、光電素子となる数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。

光源エレメント８、９、１０は以上のように構成され、図２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。

以上のように構成された光源ユニット１において、本発明により光源エレメント８、９、１０を冷却する場合は、赤色を出射する光源エレメント８が最も温度制御に関して厳しいことから、図１に示すように冷凍機２０から延設された蒸発器を構成する冷媒配管２１に光源エレメント８の受熱板８ａがロウ付けなどの適宜手段により図３に示すように固定される。

図５は、上記のように構成された光源エレメント８に冷媒を供給する冷凍機２０の例を示す図であり、冷媒圧縮機２０ａ、凝縮器２０ｂ、減圧器２０ｃ、蒸発器を構成する冷媒配管２１、アキュームレータ２０ｄの順で環状に接続されている。この冷媒回路の冷媒圧縮機２０ａで圧縮された高温高圧の気体冷媒は、凝縮器２０ｂの送風ファン２０ｅにて外気（空冷の場合）と熱交換して高温高圧の液冷媒となる。

次いで、減圧器２０ｃにて絞り膨張されて低温低圧の気液２相冷媒となった後、蒸発器を構成する冷媒配管２１にて低温低圧のまま蒸発して、気体冷媒となる。この際の蒸発潜熱により受熱板８ａの冷却が行われる。なお、冷媒圧縮機２０ａの回転数、減圧器２０ｃの絞り量、送風ファン２０ｅの風量を調整することにより受熱板８ａの冷却能力を調整することができ、所望の温度に冷却することができる。

図４は、光源エレメント９、１０を冷却する構成の例を示すもので、受熱板９ａ、１０ａは各受熱板９ａ、１０ａの温度を均一化するための熱平衡ヒートパイプＨＰ１にロウ付けなどの適宜手段により固定されている。さらに受熱板９ａ、１０ａには放熱ヒートパイプＨＰ２の一端が固定され、他端が補助冷却手段となる空冷装置３０に延設されている。この空冷装置３０に延設された放熱ヒートパイプＨＰ２は、図５に示すように送風ファン３０ｂにより冷却される放熱器３０ａに接続され、輸送された受熱板９ａ、１０ａの熱はここで放散されることにより受熱板９ａ、１０ａの冷却が可能となる。

このように本発明によれば、相対的に発熱量の大きくなる光源エレメントを冷凍手段により冷却し、他の光源エレメントを大掛かりな装置とならない補助冷却手段により冷却するようにしたので、無駄のない合理的な冷却システムとすることができ、製造コストおよび電力コストの低減が可能となるなど本発明特有の効果を奏する。

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。また、上述した実施の形態においては、光源素子として半導体レーザ素子を用いた投写型映像表示装置を例として説明したが、本発明は光源素子の種類に限定されることなく実施することが可能である。

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を示す斜視図である。 本発明の冷凍手段および補助冷却手段の例を示す図である。

符号の説明

Ｐ・・・・・投写型映像表示装置
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
２０・・・・・冷凍手段（冷凍機）
２１・・・・・冷媒配管
３０・・・・・補助冷却手段（空冷装置）
ＨＰ１・・・・・熱平衡ヒートパイプ
ＨＰ２・・・・・放熱ヒートパイプ

Claims (3)

1. 少なくとも３原色の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光源素子を配列した光源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、各色を合成プリズムの照射面に導光するように、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備える冷凍手段と、該冷凍手段より冷却能力の低い補助冷却手段とを設け、
   前記複数の光源アレイにおいて、相対的に発熱量の大きい光源アレイを前記冷凍手段に接続する一方、その他の光源アレイを補助冷却手段に接続したことを特徴とする投写型映像表示装置。
2. 前記冷凍手段に赤色を発光する光源アレイを配設した光源エレメントを接続するようにしたことを特徴とする請求項１記載の投写型映像表示装置。
3. 前記補助冷却手段が空冷装置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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