JP2017211543A - 光源装置およびプロジェクター - Google Patents

Abstract

【課題】固体光源から射出された光を少ない損失で外部に射出し有効利用することが可能な光源装置、およびプロジェクターを提供する。
【解決手段】第１面を有する基板１０１と、第１面に設けられた補助基板１０２と、補助基板の上面である第２面１０２ａに設けられ、第２面に対して略平行に光を射出する固体光源１０３と、固体光源から射出された光を第１面から遠ざける方向に偏向する光学素子１０４と、を有し、基板は、金属材料を形成材料とし、補助基板は、基板よりも線膨張係数が小さい材料を形成材料とし、固体光源は、第２面において光学素子の方に光射出面をむけて配置されており、第２面は、光学素子側の方が光学素子とは反対側よりも高い傾斜面となっている光源装置。
【選択図】図２

Description

本発明は、光源装置およびプロジェクターに関する。

プロジェクター用の光源装置として、レーザー光を射出する固体光源を用いたものが提案されている。端面発光型のレーザー素子を用いれば固体光源の高出力化が容易であると考えられる。

通常、レーザー素子等の固体光源は、ベース基板上に設けられたサブマウントに搭載されている。サブマウントは、例えば緩衝材としても用いられる。サブマウント上に設けられた固体光源から、サブマウントの一面と平行な方向にレーザー光が射出される。このような既存の構造を有する光源装置として、例えば、レーザー素子から基板の表面に対して平行に射出された光を９０度偏向させる反射ミラーを有しているものが知られている。このような光源装置では、レーザー素子から射出された光は、反射ミラーで反射され、基板の法線方向に反射される（例えば、特許文献１参照）。

米国特許出願公開第２００８／００８４９０５号明細書

しかし、レーザー素子等の固体光源は、放射角が大きいものが多い。上記既存の構造を有する光源装置においてレーザー素子から射出された光のうち、光線束の中心軸に対して下方に射出された光の一部は、反射ミラーに入射せず基板に達してしまう。そのため、光源装置においては、用いるレーザー素子の種類によって、射出された光を有効に利用できないことがあった。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、固体光源から射出された光を少ない損失で外部に射出し有効利用することが可能な光源装置を提供することを目的とする。また、このような光源装置を有するプロジェクターを提供することをあわせて目的とする。

上記の課題を解決するため、本発明の一態様は、第１面を有する基板と、前記第１面に設けられた補助基板と、前記補助基板の上面である第２面に設けられ、前記第２面に対して略平行に光を射出する固体光源と、前記固体光源から射出された光を前記第１面から遠ざける方向に偏向する光学素子と、を有し、前記基板は、金属材料を形成材料とし、前記補助基板は、前記基板よりも線膨張係数が小さい材料を形成材料とし、前記固体光源は、前記第２面において前記光学素子の方に光射出面をむけて配置されており、前記第２面は、前記光学素子側の方が前記光学素子とは反対側よりも高い傾斜面となっている光源装置を提供する。
この構成によれば、固体光源が発熱したとしても破損することなく良好に放熱することができる。また、固体光源は、第１面に対して斜め上方に光を射出することになる。そのため、固体光源の放射角が大きいとしても、固体光源から射出された光のうち、光線束の中心軸に対して下方に広がった光が、光学素子に入射しやすい。したがって、信頼性が高く、固体光源から射出された光を少ない損失で外部に射出し有効利用することができる光源装置となる。

本発明の一態様によれば、前記補助基板は、伝熱材料を介して前記基板と熱的に接触している構成としてもよい。
この構成によれば、固体光源が発熱したとしても良好に放熱することができる。

本発明の一態様によれば、前記固体光源は、伝熱材料を介して前記補助基板と熱的に接触している構成としてもよい。
この構成によれば、固体光源が発熱したとしても良好に放熱することができる。

また、本発明の一態様は、上記の光源装置と、前記光源装置から射出された光を変調する光変調装置と、前記光変調装置で変調された光を投写する投写光学系と、を備えるプロジェクター。
この構成によれば、光の利用効率が高い光源装置を備えているため、明るい画像を投写できるプロジェクターを提供することができる。

本発明の一態様によれば前記光源装置は、前記固体光源から射出された光を蛍光光に変換する波長変換素子をさらに備える構成としてもよい。
この構成によれば、プロジェクターが波長変換素子を備えているため、所望の明るさや色調を実現することができる。

本実施形態の光源装置を示す斜視図。 本実施形態の光源装置を示す矢視断面図。 本実施形態の光源装置を示す矢視断面図。 本実施形態に係るプロジェクターの光学系を示す図。 本実施形態における回転蛍光板を説明するために示す図。

［光源装置］
以下、図を参照しながら、本発明の実施形態に係る光源装置について説明する。なお、以下の全ての図面においては、図面を見やすくするため、各構成要素の寸法や比率などは適宜異ならせてある。

図１は、本実施形態の光源装置を示す斜視図である。図２は、図１の線分II−IIにおける矢視断面図である。図１，２に示すように、本実施形態の光源装置１は、基板１０１と、複数の補助基板１０２と、複数の固体光源１０３と、複数の反射ミラー（光学素子）１０４と、を有している。また、光源装置１は、枠材１０５、電極１０６、カバー材７０を有している。

（基板）
基板１０１は、金属材料を形成材料とする板材である。基板１０１が金属材料を形成材料とすることで、基板１０１を介して固体光源１０３の駆動発熱を効率的に排出することができる。金属材料としては熱伝導率が高いものが好ましく、例えば銅またはアルミニウムが好ましく、銅がより好ましい。

（補助基板）
複数の補助基板１０２は、基板１０１の表面（第１面）１０１ａにおいて所定の間隔を開けてマトリクス状に配置されている。基板１０１と補助基板１０２との間は、伝熱材料を介して熱的に接触している。基板１０１と補助基板１０２とを接続する伝熱材料としては、例えば金−スズ等のはんだ材料を挙げることができる。各補助基板１０２の離間距離は、例えば４〜５ｍｍである。

補助基板１０２は、基板１０１よりも線膨張係数が小さい材料を形成材料としている。このような形成材料としては、例えば窒化アルミやアルミナ等のセラミックスを挙げることができる。

また、図２に示すように、本実施形態の補助基板１０２の上面（第２面）１０２ａは、第１面１０１ａに対して傾斜している。すなわち、第２面１０２ａは、後述する反射ミラー１０４側の方が反射ミラー１０４とは反対側よりも高くなっている。

（固体光源）
固体光源１０３は、第２面１０２ａに配置されている。補助基板１０２と固体光源１０３との間は、伝熱材料を介して熱的に接触している。補助基板１０２と固体光源１０３とを接続する伝熱材料としては、例えば金−スズ等のはんだ材料を挙げることができる。

基板１０１、補助基板１０２、固体光源１０３の間がそれぞれ伝熱材料を介して熱的に接触していることで、固体光源１０３が発熱したとしても、発生した熱を良好に基板１０１に伝え、放熱することができる。

固体光源１０３は、第２面１０２ａに対して略平行に光を射出する。また、複数の固体光源１０３は、略同一方向に光を射出するように基板１０１上に設けられている。

図２においては、固体光源１０３から射出する光の光線束の中心軸を二点鎖線Ｌで示している。固体光源１０３をこのような姿勢で配置することで、固体光源１０３から第２面１０２ａの法線方向に光を射出する姿勢と比べ、固体光源１０３と補助基板１０２との接触面積を大きくすることができる。そのため、固体光源１０３で発生した熱を補助基板１０２へ効率的に伝え、固体光源１０３の劣化を抑制することができる。

固体光源１０３としては、例えば発光ダイオードまたは半導体レーザーなどが挙げられる。固体光源１０３は、用途に応じて任意の波長のものを選択することができる。例えば、波長４３０ｎｍ〜４９０ｎｍの青色光を射出する発光素子として、窒化物系半導体（Ｉｎ_ＸＡｌ_ＹＧａ_{１−Ｘ−Ｙ}Ｎ、０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１、Ｘ＋Ｙ≦１）を含む材料を用いることができる。さらに、この材料に加えてＩＩＩ族元素としてホウ素原子が一部に置換されたものや、Ｖ族元素として窒素原子の一部をリン原子、ヒ素原子で置換された材料を用いることもできる。

（反射ミラー）
反射ミラー１０４は、固体光源１０３から射出された光を第１面１０１ａから遠ざける方向に反射する。すなわち、固体光源１０３は、第２面１０２ａにおいて反射ミラー１０４の方に光射出面３０ａをむけて配置されており、固体光源１０３から射出された光は、反射ミラー１０４に入射して、反射ミラー１０４の反射面で第１面１０１ａから遠ざかる方向に偏向される。

本実施形態の反射ミラー１０４は、平面視において各列の４つの固体光源１０３の配列方向に沿って帯状に延びている。反射ミラー１０４は、各列の４つの固体光源１０３対して光射出側に共通した１つが設けられている。また、光源装置１においては、４つの固体光源１０３と１つの反射ミラー１０４とを１組とする構成が、５つ配列している。

一般に、固体光源１０３に対する反射ミラー１０４のアライメントは高い精度が要求される。４つの固体光源１０３に対して共通した１つの反射ミラー１０４を設けることで、１つの固体光源１０３に対して１つの反射ミラーを設ける場合と比べて、効率よくアライメントを行うことができる。

反射ミラー１０４としては、光を反射する反射面１０４ａを有するならば、通常知られた構成のものを用いることができる。

また、固体光源１０３から射出された光を偏向可能であれば、本発明における光学部材として反射ミラーの代わりにプリズムを用いることもできる。

（枠材、電極、カバー部材）
枠材１０５は、複数の補助基板１０２および固体光源１０３を囲むように第１面１０１ａに設けられている。基板１０１と枠材１０５とは、銀ろう等の金属ろうにより接合されている。

枠材１０５の形成材料の例としては、コバールが挙げられる。枠材１０５の表面にはめっき層が形成されており、例えばニッケル−金からなるめっき層が形成されている。

枠材１０５には、複数の貫通孔が設けられている。各貫通孔には、固体光源１０３に電力を供給するための電極１０６が設けられている。各電極１０６の一端には、固体光源１０３と電気的に接続するためのボンディングワイヤーが設けられている（図示略）。ボンディングワイヤーの形成材料としては、金が好ましい。各電極１０６の他端は、外部電気回路と接続されている。

各貫通孔と各電極１０６との間は、低融点ガラス等により封止されている。

電極１０６の形成材料としては、例えばコバールが用いられる。また、電極１０６の表面にはめっき層が形成されており、例えばニッケル−金からなるめっき層が形成されていることとしてもよい。

カバー部材１０７は、枠材１０５の上端に配置されている。カバー部材１０７は、枠材１０５に沿って矩形状をなし、枠材１０５の一方の開口側を閉塞する。カバー部材１０７は、光透過性を有する材料を形成材料とする板状部材であり、透光性を有する。このような形成材料としては、ガラス、石英、透明樹脂などを挙げることができる。

カバー部材１０７は、枠材１０５とともに複数の固体光源１０３の周囲を封止している。すなわち、複数の固体光源１０３が、基板１０１、枠材１０５、カバー部材１０７で囲まれた閉空間に配置されることで、大気中に含まれる水分や酸素による固体光源１０３の劣化を抑制することができる。

その他、基板１０１の第１面１０１ａとは反対の面に、ヒートシンク等の放熱の効率を高める構成が設けられていてもよい。

本実施形態の光源装置１は、上述のような構成となっている。

レーザー素子等の固体光源は、一定の放射角を有している。そのため、基板上に配置された固体光源から基板表面に略平行に光を射出すると、射出された光のうち半分は基板側に向けて射出されることになる。

基板に配置された反射ミラー等の光学素子により、固体光源から射出された光を偏向する場合、光学素子は一定の放射角で広がる光が効果的に入射する位置に配置される。すなわち、光学素子はできるだけ固体光源の光射出面に近い位置に配置されることが好ましい。

一方、固体光源が補助基板を介して基板に配置される際、補助基板は基板に対してはんだ等の材料を介して接合される。このとき、補助基板の周辺は、通常、接合に用いたはんだがはみ出て広がる領域が存在する。そのため、はみ出たはんだが干渉する位置には光学素子を配置することができず、若干離れた位置に光学素子を配置することになる。

このような構成において、固体光源の放射角が大きい場合、固体光源から射出された光のうち基板側に向けて射出される光の一部は、光学素子に入射せずに基板に達してしまう。すなわち、上述の構成を有する光源装置において固体光源から射出された光のうち、光線束の中心軸に対して下方に射出された光の一部は、光学素子に入射せず、固体光源の光射出面から光学素子までの間に露出する基板に達してしまう。そのため、光源装置においては、用いる固体光源の種類によって、射出された光を有効に利用できないことがあった。

この問題を解決する１つの方法として、下方に射出された光を光学素子に入射可能とすべく、基板を掘り下げ、掘り下げた位置に光学素子を配置することで、光学素子の下端の位置と光射出面の位置とのギャップを拡大する構成が考えられる。しかし、この場合には、高い加工精度を確保しながら基板を加工する必要があり、価格競争力の低下につながる。

そこで、本発明においては、補助基板１０２の上面（第２面）１０２ａを傾斜面とし、固体光源１０３から斜め上方に光を射出することとしている。これにより、固体光源１０３から光線束の中心軸Ｌに対して下方に射出された光を、効果的に反射ミラー（光学素子）１０４に導き、射出された光を有効に利用することができる。

以上のような構成の光源装置１によれば、固体光源１０３から射出された光を少ない損失で外部に射出し有効利用することが可能となる。

なお、本実施形態においては、板状のカバー部材１０７を用いることとしたが、図３に示す光源装置２のように、カバー部材１０７の代わりに屈折作用を持たせた偏角ガラスプリズム１０８を用いることとしてもよい。このような構成の光源装置２によれば、固体光源１０３から射出された光の射出方向を、反射ミラー１０４と偏角ガラスプリズム１０８とで調整することができるため、光の射出方向を容易に制御可能である。

［プロジェクター］
図４は、本実施形態に係るプロジェクターの光学系を示す図である。図５は、本実施形態における回転蛍光板を説明するために示す図である。図５（ａ）は回転蛍光板の正面図であり、図５（ｂ）は図５（ａ）のＶｂ−Ｖｂ断面図である。

まず、第１実施形態に係る光源システム５５０及びプロジェクター１０００の構成を説明する。

本実施形態に係るプロジェクター１０００は、図に示すように、照明装置１００、色分離導光光学系２００、液晶ライトバルブ（光変調装置）４００Ｒ，液晶ライトバルブ（光変調装置）４００Ｇ，液晶ライトバルブ（光変調装置）４００Ｂ、クロスダイクロイックプリズム５００及び投写光学系６００を備える。

照明装置１００は、光源システム５５０、第１レンズアレイ１２０、第２レンズアレイ１３０、偏光変換素子１４０及び重畳レンズ１５０を備える。光源システム５５０は、アレイ光源１０、集光光学系２０、回転蛍光板（波長変換素子）３０、モーター５０及びコリメート光学系６０を備えている。

アレイ光源１０は、励起光として青色光（発光強度のピーク：約４４５ｎｍ）を射出する一つ以上のレーザー光源からなる。４４５ｎｍ以外の波長（例えば、４６０ｎｍ）の青色光を射出するレーザー光源を用いることもできる。アレイ光源１０として、上述した本発明に係る光源装置１，２を用いることができる。

集光光学系２０は、第１レンズ２２を備える。集光光学系２０は、アレイ光源１０から回転蛍光板３０までの光路中に配置され、青色光を略集光した状態で蛍光体層４２に入射させる。第１レンズ２２は、凸レンズからなる。

回転蛍光板３０は図４及び図５に示すように、モーター５０により回転可能な円板４０上に、蛍光体層４２が円板４０の周方向に沿って設けられてなる。回転蛍光板３０は、青色光が入射する側とは反対の側に向けて赤色光及び緑色光からなる蛍光光を射出する。

円板４０は、青色光を透過する材料からなる。円板４０の材料としては、例えば、石英ガラス、水晶、サファイア、光学ガラス、透明樹脂等を用いることができる。

アレイ光源１０からの青色光は、円板４０側から蛍光体層４２に入射する。蛍光体層４２と円板４０との間には、青色光を透過し蛍光光を反射するダイクロイック膜４４が設けられている。

蛍光体層４２は、波長が約４４５ｎｍの青色光によって励起される。蛍光体層４２は、アレイ光源１０からの青色光の一部を蛍光光に変換し、かつ、青色光の残りの一部を変換せずに通過させる。蛍光体層４２は、例えば、ＹＡＧ系蛍光体である（Ｙ，Ｇｄ）_３（Ａｌ，Ｇａ）_５Ｏ_１２：Ｃｅを含有する層からなる。

コリメート光学系６０は、図４に示すように、第１レンズ６２と第２レンズ６４とを備え、回転蛍光板３０からの光を略平行化する。第１レンズ６２及び第２レンズ６４は、凸レンズからなる。

第１レンズアレイ１２０は、コリメート光学系６０からの光を複数の部分光束に分割するための複数の第１小レンズ１２２を有する。複数の第１小レンズ１２２は、照明光軸１００ａｘと直交する面内にマトリクス状に配列されている。

第２レンズアレイ１３０は、第１レンズアレイ１２０の複数の第１小レンズ１２２に対応する複数の第２小レンズ１３２を有する。第２レンズアレイ１３０は、重畳レンズ１５０とともに、第１レンズアレイ１２０の各第１小レンズ１２２の像を各液晶ライトバルブ４００Ｒ，液晶ライトバルブ４００Ｇ，液晶ライトバルブ４００Ｂの画像形成領域の近傍に結像させる。複数の第２小レンズ１３２は照明光軸１００ａｘに直交する面内にマトリクス状に配列されている。

偏光変換素子１４０は、第１レンズアレイ１２０により分割された各部分光束を、直線偏光に変換する。
偏光変換素子１４０は、回転蛍光板３０からの光に含まれる偏光成分のうち一方の直線偏光成分をそのまま透過させるとともに、他方の直線偏光成分を照明光軸１００ａｘに垂直な方向に反射する偏光分離層と、偏光分離層で反射された他方の直線偏光成分を照明光軸１００ａｘに平行な方向に反射する反射層と、反射層で反射された他方の直線偏光成分を一方の直線偏光成分に変換する位相差板とを有している。

重畳レンズ１５０は、偏光変換素子１４０からの各部分光束を集光して各液晶ライトバルブ４００Ｒ，液晶ライトバルブ４００Ｇ，液晶ライトバルブ４００Ｂの画像形成領域の近傍に重畳させる。第１レンズアレイ１２０、第２レンズアレイ１３０及び重畳レンズ１５０は、画像形成領域において、回転蛍光板３０からの光の面内光強度分布を均一にするインテグレーター光学系を構成する。

色分離導光光学系２００は、ダイクロイックミラー２１０，ダイクロイックミラー２２０、反射ミラー２３０，反射ミラー２４０，反射ミラー２５０及びリレーレンズ２６０，リレーレンズ２７０を備える。色分離導光光学系２００は、照明装置１００からの光を赤色光、緑色光及び青色光に分離し、赤色光、緑色光及び青色光をそれぞれが対応する液晶ライトバルブ４００Ｒ，液晶ライトバルブ４００Ｇ，液晶ライトバルブ４００Ｂに導光する。
色分離導光光学系２００と、液晶ライトバルブ４００Ｒ，液晶ライトバルブ４００Ｇ，液晶ライトバルブ４００Ｂとの間にはそれぞれ、集光レンズ３００Ｒ，集光レンズ３００Ｇ，集光レンズ３００Ｂが配置されている。

ダイクロイックミラー２１０は、赤色光成分を通過させ、緑色光成分及び青色光成分を反射するダイクロイックミラーである。
ダイクロイックミラー２２０は、緑色光成分を反射して、青色光成分を通過させるダイクロイックミラーである。

ダイクロイックミラー２１０を通過した赤色光は、反射ミラー２３０で反射され、集光レンズ３００Ｒを通過して赤色光用の液晶ライトバルブ４００Ｒの画像形成領域に入射する。
ダイクロイックミラー２１０で反射された緑色光は、ダイクロイックミラー２２０でさらに反射され、集光レンズ３００Ｇを通過して緑色光用の液晶ライトバルブ４００Ｇの画像形成領域に入射する。
ダイクロイックミラー２２０を通過した青色光は、リレーレンズ２６０、入射側の反射ミラー２４０、リレーレンズ２７０、射出側の反射ミラー２５０、集光レンズ３００Ｂを経て青色光用の液晶ライトバルブ４００Ｂの画像形成領域に入射する。

液晶ライトバルブ４００Ｒ，液晶ライトバルブ４００Ｇ，液晶ライトバルブ４００Ｂは、入射された色光を画像情報に応じて変調してカラー画像を形成する。なお、図示を省略したが、集光レンズ３００Ｒ，集光レンズ３００Ｇ，集光レンズ３００Ｂと、液晶ライトバルブ４００Ｒ，液晶ライトバルブ４００Ｇ，液晶ライトバルブ４００Ｂとの間には、それぞれ入射側偏光板が配置され、液晶ライトバルブ４００Ｒ，液晶ライトバルブ４００Ｇ，液晶ライトバルブ４００Ｂとクロスダイクロイックプリズム５００との間には、それぞれ射出側偏光板が配置されている。

クロスダイクロイックプリズム５００は、液晶ライトバルブ４００Ｒ，液晶ライトバルブ４００Ｇ，液晶ライトバルブ４００Ｂの各々から射出された画像光を合成してカラー画像を形成する。このクロスダイクロイックプリズム５００は、４つの直角プリズムを貼り合わせた平面視略正方形状をなし、直角プリズム同士を貼り合わせた略Ｘ字状の界面には、誘電体多層膜が形成されている。

クロスダイクロイックプリズム５００から射出されたカラー画像は、投写光学系６００によって拡大投写され、スクリーンＳＣＲ上で画像を形成する。

以上のような構成のプロジェクター１０００によれば、光の利用効率が高い光源装置を備えているため、明るい画像を投写できるプロジェクターを提供することができる。

以上、添付図面を参照しながら本発明に係る好適な実施の形態例について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。上述した例において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

例えば、本実施形態のプロジェクター１０００において、光変調装置として透過型の液晶ライトバルブを用いた例を示したが、これに限定されない。他の光変調装置として、例えば、反射型の液晶ライトバルブや、デジタルミラーデバイスを用いてもよい。ここで、「透過型」とは、液晶パネル等を含む液晶ライトバルブが光を透過するタイプであることを意味する。「反射型」とは、液晶ライトバルブが光を反射するタイプであることを意味する。

１，２…光源装置、３０…回転蛍光板（波長変換素子）、３０ａ…光射出面、１０１…基板、１０１ａ…第１面、１０２…補助基板、１０２ａ…第２面、１０３…固体光源、１０４…反射ミラー（光学素子）、４００Ｒ…液晶ライトバルブ（光変調装置）、６００…投写光学系、１０００…プロジェクター

Claims (5)

1. 第１面を有する基板と、
   前記第１面に設けられた補助基板と、
   前記補助基板の上面である第２面に設けられ、前記第２面に対して略平行に光を射出する固体光源と、
   前記固体光源から射出された光を前記第１面から遠ざける方向に偏向する光学素子と、を有し、
   前記基板は、金属材料を形成材料とし、
   前記補助基板は、前記基板よりも線膨張係数が小さい材料を形成材料とし、
   前記固体光源は、前記第２面において前記光学素子の方に光射出面をむけて配置されており、
   前記第２面は、前記光学素子側の方が前記光学素子とは反対側よりも高い傾斜面となっている光源装置。
2. 前記補助基板は、伝熱材料を介して前記基板と熱的に接触している請求項１に記載の光源装置。
3. 前記固体光源は、伝熱材料を介して前記補助基板と熱的に接触している請求項１または２に記載の光源装置。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の光源装置と、
   前記光源装置から射出された光を変調する光変調装置と、
   前記光変調装置で変調された光を投写する投写光学系と、を備えるプロジェクター。
5. 前記光源装置は、前記固体光源から射出された光を蛍光光に変換する波長変換素子をさらに備える請求項４に記載のプロジェクター。

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