JP2017142882A - Light source device and image display device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光源装置および当該光源装置を用いた画像表示装置に関し、たとえばレーザ光源を用いた光源装置、およびこれを用いて画像形成部で形成した画像を表示させる画像表示装置に好適なものである。 The present invention relates to a light source device and an image display device using the light source device, and is suitable for, for example, a light source device using a laser light source and an image display device for displaying an image formed by an image forming unit using the light source device. is there.
赤色、青色および緑色などのレ−ザ光を用いてスクリ−ンに画像を投射するレ−ザディスプレイ装置や、また、近年では、ガラス表面での表面反射(或いはハーフミラー)と自由曲面ミラーなどとを組み合わせた虚像光学系により、空間上に映像を表示させる画像表示装置の開発が進んできている。 Laser display devices that project images onto the screen using laser light such as red, blue, and green, and recently, surface reflection (or half mirror) on glass surfaces and free-form surface mirrors Development of an image display device that displays an image in a space by using a virtual image optical system in combination with the above has progressed.
特に、乗用車等の移動体に搭載されているヘッドアップディスプレイと称される画像表示装置への応用が期待されている。たとえば、乗用車に搭載されるヘッドアップディスプレイでは、画像情報により変調された光がウインドシールド(フロントガラス)に向けて投射され、その反射光が運転者の目に照射される。 In particular, application to an image display device called a head-up display mounted on a moving body such as a passenger car is expected. For example, in a head-up display mounted on a passenger car, light modulated by image information is projected toward a windshield (front glass), and the reflected light is irradiated to the eyes of the driver.
これにより、運転者は、ウインドシールドの前方に、画像の虚像を見ることができる。たとえば、車速や気温等が、虚像として表示される。最近では、ナビゲーション画像や、実在する通行人を運転者に対して注意喚起する画像を虚像として表示することも検討されている。 As a result, the driver can see a virtual image of the image in front of the windshield. For example, the vehicle speed, temperature, etc. are displayed as a virtual image. Recently, it has been considered to display a navigation image or an image that alerts a driver of a real passerby as a virtual image.
上記ヘッドアップディスプレイでは、光源として、半導体レーザ等のレーザ光源が用いられ得る。この構成では、映像信号に応じてレーザ光が変調されつつ、レーザ光がスクリーンを走査する。スクリーンでは、レーザ光が拡散され、運転者の目に照射される光の領域が広げられる。これにより、運転者が多少頭を動かしても、目が照射領域から外れなくなり、運転者は、良好かつ安定的に画像(虚像)を見ることができる。 In the head-up display, a laser light source such as a semiconductor laser can be used as a light source. In this configuration, the laser beam scans the screen while the laser beam is modulated in accordance with the video signal. On the screen, the laser light is diffused and the area of the light irradiated to the driver's eyes is expanded. As a result, even if the driver moves his head to some extent, the eyes do not come out of the irradiation area, and the driver can see the image (virtual image) well and stably.
レーザ光源を用いることで、レーザビームをスクリーン上に走査させる光学系を小型化できる上、大きな光学倍率を有する虚像光学系と組み合わせることで、より小さな本体寸法であるにもかかわらず大きな虚像を表示することができるため、ヘッドアップディスプレイの搭載車種を増やす効果が期待されている。 By using a laser light source, the optical system that scans the laser beam on the screen can be miniaturized, and in combination with a virtual image optical system having a large optical magnification, a large virtual image can be displayed despite the smaller body size. Therefore, the effect of increasing the number of models equipped with a head-up display is expected.
下記特許文献1には、ヘッドアップディスプレイ装置100(プロジェクタ)において、レーザダイオード11a〜11cと、ハウジング部7(基台部7)と、ヒートシンク5aおよび5bとを備え、レーザダイオード11a(11bまたは11c)からハウジング部7までの第1の伝熱経路の熱抵抗は、レーザダイオード11a(11bまたは11c)からヒートシンク5aまたは5bまでの第2の伝熱経路の熱抵抗よりも大きい構成が開示されている。
The following Patent Document 1 includes a
上記特許文献1においては、図13に示すように、取付ベース部71aは、熱伝導性の低い樹脂等で形成されている。また、アルミ等の金属(または一般的な樹脂よりも熱伝導性の高い樹脂)から成るLDプレート8aが、レーザダイオード11aの背面側に配置され、レーザダイオード11aの背面から熱をヒートシンク5a側に伝熱可能に設けられている。このため、上記したように、レーザダイオード11aからハウジング部7までの熱抵抗は、レーザダイオード11aからヒートシンク5aまたは5bまでの熱抵抗よりも大きい。
In Patent Document 1, as shown in FIG. 13, the
然し乍ら、乗用車等に搭載されるヘッドアップディスプレイでは、例えば80度もの高温環境下での動作試験もパスしなければならないが、樹脂製の取付ベース部とアルミ等の金属から成るLDプレートの組み合わせの場合、それぞれの材質の熱膨張率が異なり、ゆがみや変形を生じ、光学調整がずれてしまうという問題があった。 However, a head-up display mounted on a passenger car or the like must pass an operation test under a high-temperature environment of, for example, 80 degrees, but it is a combination of a resin mounting base and an LD plate made of metal such as aluminum. In this case, the thermal expansion coefficients of the respective materials are different, which causes distortion and deformation, resulting in a problem that the optical adjustment is shifted.
また、熱伝導性の低い樹脂から成る取付ベース部と、一般的な樹脂よりも熱伝導性の高い樹脂から成るLDプレートで構成した場合、上記のような高温環境下では、変形するなどして、製造段階で調整されていた光学調整がずれてしまったり、取付ベース部やLDプレート自体が破損する恐れがあった。 Also, if it is composed of a mounting base made of a resin having low thermal conductivity and an LD plate made of a resin having higher thermal conductivity than a general resin, it will be deformed in a high temperature environment as described above. There is a risk that the optical adjustment that has been adjusted in the manufacturing stage may be shifted, or that the mounting base and the LD plate itself may be damaged.
また、レーザーダイオードからヒートシンクまでの伝熱経路に筐体など他の構造体が付いていたり、他の構造体またはその一部を伝熱経路として使用している場合、外気からレーザーダイオードまでの熱抵抗が小さくなり、外気から伝熱経路が加熱されるため、より大きな冷却能力が必要になっていた。 If the heat transfer path from the laser diode to the heat sink has another structure such as a housing, or if another structure or part of it is used as the heat transfer path, the heat from the outside air to the laser diode Since the resistance is reduced and the heat transfer path is heated from the outside air, a larger cooling capacity is required.
上記の課題を解決するため、本発明の光源装置は、レーザ光を出射する光源と、前記光源が取り付けられる光源保持部と、前記光源保持部と連結される基台部とを備え、前記光源保持部と基台部との間において、少なくとも前記光源保持部または基台部のいずれか一方に凸状部を形成し、当該凸状部によって光源保持部と基台部とが接触していることを特徴とする。 In order to solve the above-described problems, a light source device of the present invention includes a light source that emits laser light, a light source holding unit to which the light source is attached, and a base unit that is connected to the light source holding unit. A convex portion is formed on at least one of the light source holding portion and the base portion between the holding portion and the base portion, and the light source holding portion and the base portion are in contact with each other by the convex portion. It is characterized by that.
また、本発明の画像表示装置は、上記光源装置を備えたことを特徴とする。 An image display device according to the present invention includes the light source device.
本発明の画像表示装置によれば、光源保持部または基台部のいずれか一方に凸状部を形成し、当該凸状部によって光源保持部と基台部とが接触しているので、基台部からの熱が光源保持部に伝達されて、光源の温度が上昇するのを抑制することが出来る。 According to the image display device of the present invention, the convex portion is formed on either the light source holding portion or the base portion, and the light source holding portion and the base portion are in contact with each other by the convex portion. It is possible to suppress the heat from the pedestal from being transmitted to the light source holding unit and the temperature of the light source from rising.
以下、本発明の実施の形態にかかる光源装置および画像表示装置について、図面を参照しながら説明する。 Hereinafter, a light source device and an image display device according to embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
先ず、図1は、本発明の実施の形態における光源装置およびこれを搭載した画像表示装置120の使用形態を示す図である。
First, FIG. 1 is a diagram showing a usage pattern of a light source device and an
図1(a)は、車両101の側方から車両101の内部を透視した図、図1(b)は、車両101の内部から走行方向前方を見た図である。なお、本実施の形態においては、一例として、光源装置を車載用のヘッドアップディスプレイ装置を適用したものである。
FIG. 1A is a perspective view of the inside of the
図1(a)に示すように、画像表示装置120は、車両101のダッシュボード111の内部に設置される。図1(a)、図1(b)に示すように、画像表示装置120は、映像信号により変調されたレーザ光を、ウインドシールド112の下側の運転席寄りに配置された投射領域113に投射する。
As shown in FIG. 1A, the
レーザ光は、投射領域113で反射され、運転者102の目の位置周辺の横長の領域(アイボックス領域)に照射される。これにより、運転者102の前方の視界に、虚像として所定の画像130が表示される。
The laser light is reflected by the
運転者102は、ウインドシールド112の前方の景色上に、虚像である画像130を重ね合わせて見ることができる。すなわち、画像表示装置120は、虚像である画像130をウインドシールド112の投射領域113の前方の空間に結像させる。
The
次に、図2は、前記画像表示装置120の内部構成を示す模式図である。図2に示すように、画像表示装置120は、光学モジュール121(光源装置)と、虚像光学系122を備える。
Next, FIG. 2 is a schematic diagram showing an internal configuration of the
さらに、図3は、前記光学モジュール121の内部構成を示した模式図である。光学モジュール121は、光源としてのレーザダイオード(以下、LD)であるLD201、LD202、LD203を有し、映像信号(図示せず)により変調されたレーザ光が出射される。本発明では、LD201が青色の半導体レーザ光源、LD202が緑色の半導体レーザ光源、LD203が赤色の半導体レーザ光源となっている。
Further, FIG. 3 is a schematic diagram showing an internal configuration of the
各LDから発せられたレーザ光は、第1ダイクロイックミラー210、第2ダイクロイックミラー211、第3ダイクロイックミラー212を介して、略同軸なレーザビームとして成形され、走査部213へ入射される。その後、レーザビームは、走査部213内にある走査ミラー213aおよび三次元表示用のスクリーン駆動部213bを経て、図2に示した虚像光学系122へと導かれる。
Laser light emitted from each LD is shaped as a substantially coaxial laser beam via the first
また、図3において、204は第1コリメータモジュール、205は第2コリメータモジュール、206は第3コリメータモジュールであり、207は第1シフトモジュール、208は第2シフトモジュール、209は第3シフトモジュールである。 In FIG. 3, 204 is a first collimator module, 205 is a second collimator module, 206 is a third collimator module, 207 is a first shift module, 208 is a second shift module, and 209 is a third shift module. is there.
次に、214は分光ミラーであり、各LDからのレーザ光の95%程度を通過させると共に、5%程度を反射する。反射された5%程度のレーザ光は、その先にある輝度モニタ215へ導かれ、画像表示装置における輝度調整等に利用される。
Next,
前記走査ミラー213aは、20kHz程度の共振周波数で往復運動する軸(便宜的に高速軸と呼ぶ)と、画像のフレームレート(実施例の場合60Hz)で往復運動する軸(便宜的に低速軸と呼ぶ)の二つの回動軸を有している。
The
図2に戻り、虚像光学系122は、曲面状の反射面122aと、平面状の反射面122bとを有する。光学モジュール121から出射されたレーザ光は、虚像光学系122でウインドシールド112に向けて反射される。ウインドシールド112で反射されたレーザ光は、運転者102の目102aに照射される。光学モジュール121の光学系と虚像光学系122は、ウインドシールド112の前方に虚像による画像130が所定の大きさで表示されるように設定されている。
Returning to FIG. 2, the virtual image
なお、本実施の形態では、ウインドシールドを通して虚像を観察するウインドシールド型のヘッドアップディスプレイへ展開した場合における実施例で説明したが、コンバイナと呼ばれる光学部品を通して虚像を観察するコンバイナ型と呼ばれるヘッドアップディスプレイへ展開も可能である。 In this embodiment, the example in the case of developing to a windshield type head-up display that observes a virtual image through a windshield has been described, but a head-up type called a combiner type that observes a virtual image through an optical component called a combiner. It can also be expanded to a display.
また、本実施の形態では、前記走査ミラー213aは、圧電材料による歪みを与える効果や、電磁的な力、静電気を用いた所謂MEMS構造を用いた往復ミラーを用いた光学構成になっているが、レーザ光を走査する形態であれば、ポリゴンミラーやガルバノミラーを用いることも可能である。
In this embodiment, the
次に、図4および図5は光学モジュール121の外観を示している。図4は光学モジュールを正面から見た斜視図であり、図5は光学モジュールを背面から見た斜視図である。
Next, FIGS. 4 and 5 show the appearance of the
各図において、300はシールドカバーであり、その一部にレーザ光を投射するための投射窓300aが形成されている。そして、400は光学モジュール121で発生した熱を放熱するための冷却ユニット(冷却部)である。冷却ユニット400は、ヒートシンク401、ペルチェ素子402、放熱フィン403を備えている。さらに404は外気からの熱吸収を防ぐことを目的とした断熱材としてのインシュレータであり、ヒートシンク401の表面に接着されている。
In each figure, 300 is a shield cover, and a
また、図6は、光学モジュール121の内部を示す斜視図であり、前記図4からシールドカバー300を削除した状態を示している。同図において500は、前記図3において破線の長方形で囲った部分が搭載された光学ベース部(基台部)、501は走査部213が搭載された走査ベース部、502は、前記光学ベース部500および走査ベース部501が載置される結合ベース部である。
FIG. 6 is a perspective view showing the inside of the
図7は、前記図6に示した光学モジュール121を背面から見た図であり、且つ冷却ユニット400を削除した状態を示す。同図において、600はLDホルダ(光源保持部)であり、光学ベース部500の背面側に取り付けられている。そして、LDホルダ500には、図示した如く、光源としてのレーザダイオードであるLD201、LD202、LD203が取り付けられている。なお、同図においては、LD201、LD202、LD203の各端子が電気的に接続されるフレキシブル基板は割愛した。
FIG. 7 is a view of the
また、同図において、LDホルダ600の側面(走査部213に近い方)と光学ベース部500との間(図中P)は、わずかな隙間があり、さらに、LDホルダ600の底面と光学ベース部500の上面との間(図中Q)にも、わずかな隙間があり、接触しないように構成されている。よって、光学ベース部500の熱が、LDホルダ600の側面やLDホルダ600の底面から伝達されにくいように配慮されている。
Also, in the same figure, there is a slight gap between the side surface of the LD holder 600 (closer to the scanning unit 213) and the optical base unit 500 (P in the figure), and further, the bottom surface of the
図8および図9は、前記光学ベース部500の外観を示す斜視図であって、図8は光学ベース部500を背面から見た図であり、図9は光学ベース部500を正面から見た図である。
8 and 9 are perspective views showing the appearance of the
光学ベース部500はアルミダイカスト製である。各図において、500aは光学ベース部500に一体に形成された柱状部であり、当該柱状部500aには、前記LDホルダ600を取り付けるための螺子孔500bが形成されている。また、光学ベース部500の背面および柱状部500aには、断面が台形状の円錐形である凸状部500cが形成され、LDホルダ600はこれらの凸状部500cの先端で光学ベース部500に接触するように取り付けられる。また、500dは、LDホルダ600を位置決めするための位置決めピンである。
The
このように、本実施の形態では、光源保持部であるLDホルダ600と基台部である光学ベース500の間において、凸状部500cを設けることにより、間に空気などの熱抵抗が大きい物質が存在する領域を設けている。
Thus, in the present embodiment, a material having a large thermal resistance such as air is provided between the
なお、上記の説明では、前記凸状部500cは断面が台形状の円錐形としたが、これ限らず、断面が台形状の角錐、円錐、半球形など、種々の形態が考えられ、また、その数も適宜変更可能である。
In the above description, the
続いて、図10(a)および図10(b)は前記LDホルダ600の外観を示す斜視図であって、図10(a)はLDホルダ600を正面から見た図であり、図10(b)はLDホルダ600を背面から見た図である。
10 (a) and 10 (b) are perspective views showing the appearance of the
LDホルダ600は熱伝導率が高い材料でできている。これらは、例えば銅や銅合金等が好適である。各図において、600aは前記3つのLDを取り付けるために形成されたLD取付孔、600bは前記ヒートシンク400を取り付けるためのヒートシンク取付孔である。600cおよび600dはLDホルダ600を前記光学ベース部500へ取り付ける螺子のための取付孔であり、光学ベース部500の前記各螺子孔500bと一致する位置に形成されている。
The
また、600eおよび600fは、光学ベース部500の前記位置決めピン500dが挿入される位置決め孔である。なお、位置決め孔600eは円孔であるが、位置決め孔600fは長孔として形成されている。
そして、600gは、前記図6に示した第1コリメータユニット204、第2コリメータユニット205、第3コリメータユニット206のフォーカス調整を行うための調整螺子(図示せず)を取り付けるための調整螺子孔である。
なお、各LDとLD取付孔600aの内面とのわずかな隙間を埋めるために半田付けされており、各LDで発生した熱がLDホルダ600に確実に伝達されるように配慮されている。
It should be noted that soldering is performed to fill a slight gap between each LD and the inner surface of the
図11(a)および図11(b)は、前記ヒートシンク401の外観を示す斜視図であって、図11(a)はヒートシンク401がLDホルダ600の背面に接触する面側から見た図であり、図11(b)はヒートシンク401を前記図11(a)とは逆の面から見た図である。
FIG. 11A and FIG. 11B are perspective views showing the appearance of the
ヒートシンク401は銅製である(銅合金でもよい)。各図に示すように、ヒートシンク401には、ヒートシンク401を前記LDホルダ600へ取り付けるための螺子孔401aと、ヒートシンク401と放熱フィン403とを結合するための螺子孔401bが複数形成されている。
The
次に、図12は前記放熱フィン403の外観を示す斜視図である。放熱フィン403はアルミダイカスト製である。同図に示すように、放熱フィン403には、螺子孔403aが形成されている。
Next, FIG. 12 is a perspective view showing an appearance of the
前記ヒートシンク401と放熱フィン403の間にペルチェ素子402を配備し、ヒートシンク401と放熱フィン403とを螺子で結合する。これにより、ヒートシンク401と放熱フィン403との間に、ペルチェ素子402が挟まれて固定される(図4〜図6を参照)。
A
本実施の形態で使用したLD201(青色用のレーザダイオード)、LD202(緑色用のレーザダイオード)、LD204(赤色用のレーザダイオード)の動作保証温度は約65℃であるが、メーカによっては動作保証温度が85℃のものも存在する(いずれのレーザダイオードにおいても、動作保証温度以内なら破損はしないものの、温度が高くなるとその輝度は低くなるという問題がある)。 The guaranteed operating temperature of the LD 201 (blue laser diode), LD 202 (green laser diode), and LD 204 (red laser diode) used in this embodiment is about 65 ° C., but depending on the manufacturer, the operation guaranteed Some laser diodes have a temperature of 85 ° C. (Each laser diode has a problem that its brightness decreases as the temperature increases, although it does not break if it is within the guaranteed operating temperature).
本実施の形態では、LDホルダ600と光学ベース部500とは螺子によって結合されているが、光学ベース部500の裏面とLDホルダ600の前面とは、光学ベース部500の背面に形成された凸状部500cで接触する。すなわち、複数の凸状部500cの先端の微小面積で接触するように構成されているため、光学ベース部500の熱がLDホルダに伝達され、各LDの温度が上昇して輝度が低下したり、破壊されたりするのを防止することが出来る。
In the present embodiment, the
続いて、光学ベース部500の背面に凸状部500cを無くし、光学ベース部500の裏面とLDホルダ600の前面とが広い面積で接触するようにした場合と、本実施の形態のように、光学ベース部500の裏面とLDホルダ600の前面とを、複数の凸状部500cの先端の微小面積で接触するように構成したものとで比較した結果を説明する。
Subsequently, when the
光学モジュール121を85℃の高温環境下で動作させた場合、前記凸状部500cが無い場合は、光学ベースの温度は外気温から約11℃低下し、LDホルダ600の温度は外気温から約12℃低下した。外気温に対するLDの温度低下は約11℃に止まった。これに対して、前記凸状部500cを設けた場合は、外気温に対する温度低下は光学ベースで約5℃に止まることで、LDホルダ600の温度低下は26℃、LDの温度低下は約23℃となり、冷却効率が向上した。
When the
上記のように、凸状部500cが無い場合は、光学ベース部500から多くの熱がLDホルダ600に伝達されてしまい、冷却ユニット400で放熱していても、LDホルダ600およびLDの温度が環境温度近くまで上昇してしまった。一方、凸状部500cを設けた場合は、光学ベース部500からLDホルダ600へ熱が伝わるのが抑制され、LDホルダ600およびLDの温度が環境温度よりもずっと低い温度に保たれることがわかった。
As described above, when there is no
さらに、上記の説明では、光学ベース部500の裏面とLDホルダ600の前面とを、複数の凸状部500cの先端の微小面積で接触するように構成したが、光学ベース部500の裏面とLDホルダ600の前面との間に、断熱材を挟むようにしてもよい。ただし、LDの発光点位置とLDの光軸の傾きに精度制度が要求されるため、凸状部500cの位置する部分に孔部を有する断熱部材など、凸状部500cとLDホルダ600間に他の部材が挟まれないようにするほうが望ましい。
Further, in the above description, the back surface of the
上記の実施の形態に述べた構成はあくまでも一例であり、説明および図面に例示した態様以外の構成においても適宜摘要が可能であることは言うまでもない。 The configuration described in the above embodiment is merely an example, and it is needless to say that the configuration other than the modes illustrated in the description and the drawings can be appropriately described.
本発明は、レーザ光源を用いた光源装置およびこれを用いた画像表示装置等に適応可能である。 The present invention can be applied to a light source device using a laser light source and an image display device using the same.
120 … 画像表示装置
121 … 光学モジュール(光源装置)
201 … LD(青色用のレーザダイオード)
202 … LD(緑色用のレーザダイオード)
203 … LD(赤色用のレーザダイオード)
204 … 第1コリメータモジュール
205 … 第2コリメータモジュール
206 … 第3コリメータモジュール
207 … 第1シフトモジュール
208 … 第2シフトモジュール
209 … 第3シフトモジュール
210 … 第1ダイクロイックミラー
211 … 第2ダイクロイックミラー
212 … 第3ダイクロイックミラー
400 … 冷却ユニット(冷却部)
401 … ヒートシンク
402 … ペルチェ素子
403 … 放熱フィン
500 … 光学ベース部(基台部)
500c … 凸状部
600 … LDホルダ(光源保持部)
DESCRIPTION OF
201 ... LD (laser diode for blue)
202 ... LD (green laser diode)
203 ... LD (red laser diode)
204 ...
401 ...
500c ...
Claims (6)
前記光源が取り付けられる光源保持部と、
前記光源保持部と連結される基台部とを備え、
前記光源保持部と基台部との間において、少なくとも前記光源保持部または基台部のいずれか一方に凸状部を形成し、当該凸状部によって光源保持部と基台部とが接触していることを特徴とする光源装置。 A light source that emits laser light;
A light source holder to which the light source is attached;
A base part connected to the light source holding part,
A convex portion is formed on at least one of the light source holding portion and the base portion between the light source holding portion and the base portion, and the light source holding portion and the base portion are in contact with each other by the convex portion. A light source device.
前記光源保持部に、さらに冷却部が取り付けられていることを特徴とする光源装置。 The light source device according to claim 1,
A light source device, further comprising a cooling unit attached to the light source holding unit.
前記光源保持部および基台部が、金属で構成されていることを特徴とする光源装置。 In the light source device according to claim 1 and claim 2,
The light source holding section and the base section are made of metal.
前記光源が、レーザダイオードで構成されていることを特徴とする光源装置。 In the light source device according to claim 1 to claim 3,
A light source device, wherein the light source comprises a laser diode.
前記基台部に、前記光源からのレーザ光の光学調整を行う機構が搭載されていることを特徴とする光源装置。 In the light source device according to claim 1 to claim 4,
A light source device, wherein a mechanism for optically adjusting laser light from the light source is mounted on the base portion.
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JP2015138114A (en) * | 2014-01-22 | 2015-07-30 | 日本精機株式会社 | Scanning display device, and projection device |
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