JP2017212385A - 光源装置及びプロジェクター - Google Patents

Abstract

【課題】手間やコストを低減でき、且つ信頼性が高い光源装置を提供する。【解決手段】金属材料を形成材料とし、第１の面を有する基板と、第１の面側に設けられた複数の発光素子と、複数の発光素子を覆って、第１の面側に接合された透光性部材と、を備え、透光性部材は、複数の発光素子を覆う凹部を有し、複数の発光素子は、基板と、凹部とによって囲まれた空間に収容される、光源装置。【選択図】図２

Description

本発明は、光源装置及びプロジェクターに関するものである。

発光ダイオードや半導体レーザーを発光素子として用いた光源装置が知られている。これらの発光素子は、有機物や水分が付着すると発光時に破損することから、これらの発光素子周辺を封止する封止構造を備えている。封止構造の例としては、発光素子が設けられた基材と蓋体とを接合した構造が挙げられる（例えば特許文献１）。

また、これらの発光素子は発光時に発熱するため、熱により発光素子が劣化したり、発光特性が低下したりすることがある。そのため、光源装置は、発光素子から発生する熱を外部へ放出することにより、発光素子が高温にならないように構成されている。

特許文献１に記載の光源装置は、基材と、透光性部材および枠状のキャップからなる蓋体とが接合されて構成されている。光源装置の放熱性を高める観点から、基材の形成材料として熱伝導率が高い金属材料が用いられている。一方、透光性部材の形成材料としてガラス等が用いられている。

特開２０１５−０４５８４３号公報

しかしながら、蓋体を複数の部材から構成すると、接合箇所が多くなり、手間やコストがかかることがあった。また、光源装置が高温に曝される場合、各部材の線膨張の差により、接合箇所が破損しやすく、光源装置の信頼性は必ずしも十分ではなかった。

本発明の一態様は、このような事情に鑑みてなされたものであって、手間やコストを低減でき、且つ、信頼性が高い光源装置を提供することを目的とする。また、本発明の一態様は、上記の光源装置を備えることによって、信頼性が高いプロジェクターを提供することを合わせて目的とする。

上記の課題を解決するため、本発明の一態様は、金属材料を形成材料とし、第１の面を有する基板と、第１の面側に設けられた複数の発光素子と、複数の発光素子を覆って、第１の面側に接合された透光性部材と、を備え、透光性部材は、複数の発光素子を覆う凹部を有し、複数の発光素子は、基板と、凹部とによって囲まれた空間に収容される、光源装置を提供する。

この構成によれば、光源装置を構成する部材の数が少なく、光源装置は簡素な構造であるので、手間やコストを低減することができる。また、接合箇所を十分に少なくすることができるので、接合箇所における光源装置の破損を低減することができる。

本発明の一態様においては、金属材料の線膨張係数と透光性部材の形成材料の線膨張係数との差の絶対値は、１．０×１０^−６／Ｋ以下である構成としてもよい。

この構成によれば、基板の形成材料である金属材料の線膨張係数と、透光性部材の形成材料の線膨張係数との差の絶対値が、１．０×１０^−６／Ｋ以下であるので、基板と透光性部材との線膨張の差を十分小さくすることができる。そのため、透光性部材の破損や脱落を低減することができる。よって、信頼性が高い光源装置が得られる。

本発明の一態様においては、透光性部材の形成材料は、ガラスであり、金属材料は、銅−モリブデンまたは銅−タングステンである構成としてもよい。

この構成によれば、基板の形成材料である金属材料の線膨張係数と、透光性部材の形成材料の線膨張係数との差の絶対値が、１．０×１０^−６／Ｋ以下であるので、基板と透光性部材との線膨張の差を十分小さくすることができる。よって、信頼性が高い光源装置が得られる。

本発明の一態様は、上記の光源装置と、光源装置から射出された光を変調する光変調装置と、光変調装置によって変調された光を投写する投写光学系と、を備えたプロジェクターを提供する。

この構成によれば、上記の光源装置を備えているので、信頼性が高いプロジェクターが得られる。

本実施形態の光源装置１を示す斜視図である。 図１のＡ−Ａ線に沿う断面図である。 本実施形態の光源装置１の製造方法の一部を示す工程図である。 本実施形態に係るプロジェクター１０００の光学系を示す概略図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率等が実際と同じであるとは限らない。また、同様の目的で、特徴とならない部分を省略して図示している場合がある。

［光源装置］
以下、本実施形態の光源装置について説明する。図１は、本実施形態の光源装置１を示す斜視図である。図２は、図１のＡ−Ａ線に沿う断面図である。

図１、図２に示すように、本実施形態の光源装置１は、基板１１と、複数の発光素子２１と、透光性部材３１と、を備える。

［基板］
基板１１は、第１の面１１ａと、その反対側に位置する第２の面１１ｂと、を有する。第１の面１１ａは、例えば平坦面であり、複数の発光素子２１が搭載されている。一方、第２の面１１ｂは、例えば放熱器が取り付けられていてもよい。
基板１１の平面形状は、例えば略正方形又は略長方形等の矩形状である。

基板１１の形成材料として、放熱性を高められる観点から、金属材料が用いられる。また、金属材料の線膨張係数と透光性部材３１の形成材料の線膨張係数との差の絶対値が、１．０×１０^−６／Ｋ以下である。

透光性部材３１の形成材料としてガラスが用いられる場合には、金属材料のなかでも、基板１１の形成材料として銅−モリブデンまたは銅−タングステン用いることが好ましい。銅とモリブデン、または、銅とタングステンの割合は、透光性部材３１の形成材料の線膨張係数に応じて、金属材料の線膨張係数と透光性部材３１の形成材料の線膨張係数との差が上記の範囲内に収まるように適宜変更することができる。

［発光素子］
複数の発光素子２１は、基板１１の第１の面１１ａ側に設けられている。基板１１と複数の発光素子２１とは、例えば金−スズ等のはんだ材料により接合されている。

発光素子２１の例としては、例えば発光ダイオード又は半導体レーザー等が挙げられる。発光素子２１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。

［透光性部材］
透光性部材３１は、第１の面１１ａと対向する上面部３１ａと、上面部３１ａと基板１１との間に挟持された側面部３１ｂと、複数の発光素子２１を覆う凹部３１ｃと、を有する。側面部３１ｂは、複数の発光素子２１を囲むように設けられている。上面部３１ａと側面部３１ｂとは一体成形されている。

透光性部材３１は、複数の発光素子２１を覆って、基板１１の第１の面１１ａ側に接合されている。このとき、基板１１と透光性部材３１とは、側面部３１ｂの第１の面１１ａと対向する面において接合されている。基板１１と透光性部材３１との接合には、例えば低融点ガラス等を用いることができる。

上述の複数の発光素子２１は、基板１１と、上面部３１ａと、側面部３１ｂとによって囲まれた空間Ｓに収容されている。換言すると、複数の発光素子２１は、基板１１と、凹部３１ｃとによって囲まれた空間Ｓに収容されている。

透光性部材３１の側面部３１ｂには、複数の貫通孔３５が設けられている。各貫通孔３５には、発光素子２１に電力を供給するための電極３３が設けられている。各電極３３の端部には、発光素子２１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）。

貫通孔３５は、封止材３７と溝３９（図３参照）とによって囲まれた領域を指す。封止材３７の例としては、低融点ガラス等が挙げられる。一方、複数の溝３９は、光源装置１の外側から空間Ｓに向かって側面部３１ｂを貫通している。また、複数の溝３９は、透光性部材３１の第１の面１１ａ側に向かって開口している。複数の溝３９が複数の電極３３をそれぞれまたぐようにして、透光性部材３１が配置されている。

電極３３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３３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。

ボンディングワイヤーの形成材料の例としては、金が好ましく用いられる。
各電極３３の他方の端部は、外部電気回路と接続されている（図示略）。

透光性部材３１の形成材料は、複数の発光素子２１から射出された光を透過することができる限り、特に限定されない。このような材料の例としては、ホウケイ酸ガラス、石英ガラス、合成石英ガラス等のガラス、水晶、又はサファイア等が挙げられる。

基板１１の形成材料として、銅−モリブデンまたは銅−タングステンが用いられる場合には、透光性部材３１の形成材料はホウケイ酸ガラス、石英ガラス、合成石英ガラス等のガラスであることが好ましい。

透光性部材３１の厚みは、一様であってもよく、部分的に異なっていてもよい。

透光性部材３１は基板１１とは反対側、すなわち光射出側に集光レンズが設けられていてもよい（図示略）。一般に、発光素子から射出される光は発散光である。透光性部材３１に集光レンズが設けられていることにより、複数の発光素子２１から射出された光を効率的に利用することができる。
集光レンズは、透光性部材３１と別体であってもよく、一体であってもよい。

以下、図３を参照しながら光源装置１の製造方法について説明する。図３は、本実施形態の光源装置１の製造方法の一部を示す工程図である。図３に示すように、まず、複数の電極３３と、基板１１上に接合された複数の発光素子２１とをそれぞれ接続しておく。一方、透光性部材３１の側面部３１ｂには複数の溝３９を形成しておく。

次に、複数の溝３９が複数の電極３３をそれぞれまたぐようにして基板１１上に透光性部材３１を配置し、基板１１と透光性部材３１とを接合する。

さらに、基板１１と複数の電極３３と複数の溝３９とによって囲まれた部分を、封止材３７を用いて封止する。これにより、複数の発光素子２１周辺の封止性を確保することができる。このようにして光源装置１が得られる。

以上の構成によれば、光源装置を構成する部材の数が少なく、光源装置は簡素な構造であるので、手間やコストを低減することができる。また、接合箇所を十分に少なくすることができるので、接合箇所における光源装置の破損を低減することができる。

さらに、基板１１の形成材料である金属材料の線膨張係数と透光性部材３１の形成材料の線膨張係数との差の絶対値が、１．０×１０^−６／Ｋ以下であるので、基板１１と透光性部材３１との線膨張の差を十分小さくすることができる。そのため、透光性部材３１の破損や脱落を低減することができる。よって、信頼性が高い光源装置が得られる。

［プロジェクター］
以下、本実施形態のプロジェクターについて説明する。図４は、本実施形態に係るプロジェクター１０００の光学系を示す概略図である。

図４に示すように、プロジェクター１０００は、照明装置１００、色分離導光光学系２００、光変調装置としての３つの液晶ライトバルブ４００Ｒ、液晶ライトバルブ４００Ｇ、液晶ライトバルブ４００Ｂ、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、光源装置１、集光光学系８０、波長変換素子９０、コリメート光学系１１０、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。

光源装置１は、上述の光源装置１を用いることができる。光源装置１は、例えば青色光Ｂを集光光学系８０に向けて射出する。

集光光学系８０は、第１レンズ８２及び第２レンズ８４を備える。集光光学系８０は、光源装置１から波長変換素子９０までの光路中に配置され、全体として青色光Ｂを略集光した状態で後述する波長変換層９２に入射させる。第１レンズ８２及び第２レンズ８４は、凸レンズからなる。

波長変換素子９０はいわゆる透過型の波長変換素子であり、モーター９８により回転可能な円板９６の一部に、単一の波長変換層９２が円板９６の周方向に沿って連続して形成されてなる。波長変換素子９０は、青色光Ｂを赤色光Ｒ及び緑色光Ｇを含む蛍光光に変換し、この光を青色光Ｂが入射する側とは反対の側に向けて射出するように構成されている。

円板９６は、青色光Ｂを透過する材料からなる。円板９６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。

光源装置１からの青色光Ｂは、円板９６側から波長変換素子９０に入射する。
波長変換層９２は、青色光Ｂを透過し赤色光Ｒ及び緑色光Ｇを反射するダイクロイック膜９４を介して円板９６上に形成されている。ダイクロイック膜９４は、例えば、誘電体多層膜からなる。

波長変換層９２は、光源装置１からの波長が約４４５ｎｍの青色光Ｂの一部を蛍光光に変換して射出し、かつ、青色光Ｂの残りの一部を変換せずに通過させる。このように、励起光を射出する光源装置１と波長変換層９２とを用いて所望の色光を得ることができる。
波長変換層９２は、例えばＹＡＧ系蛍光体である（Ｙ、Ｇｄ）_３（Ａｌ、Ｇａ）_５Ｏ_１２：Ｃｅと有機バインダーを含有する層からなる。

コリメート光学系１１０は、各々が凸レンズからなる第１レンズ１１２と第２レンズ１１４を備え、波長変換素子９０からの光を略平行化する。

第１レンズアレイ１２０は、コリメート光学系１１０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。第１レンズアレイ１２０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た複数の第１小レンズ１２２を有する。

第２レンズアレイ１３０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た複数の第２小レンズ１３２を有する。複数の第２小レンズ１３２は第１レンズアレイ１２０の複数の第１小レンズ１２２に対応して設けられている。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の画像形成領域近傍に結像させる機能を有する。

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の偏光方向を、偏光方向の揃った略１種類の直線偏光光として射出する偏光変換素子である。
偏光変換素子１４０は、波長変換素子９０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し、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、波長変換素子９０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Ｒ、緑色光Ｇ及び青色光Ｂに分離し、赤色光Ｒ、緑色光Ｇ及び青色光Ｂのそれぞれの色光を照明対象とな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に導光する機能を有する。

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、フィールドレンズ３００Ｒ、フィールドレンズ３００Ｇ、フィールドレンズ３００Ｂが配置されている。

ダイクロイックミラー２１０は、赤色光Ｒ成分を通過させ、ダイクロイックミラー２２０に向けて、緑色光Ｇ成分及び青色光Ｂ成分を反射する。
ダイクロイックミラー２２０は、フィールドレンズ３００Ｇに向けて緑色光Ｇ成分を反射して、青色光Ｂ成分を通過させる。

ダイクロイックミラー２１０を通過した赤色光Ｒは、反射ミラー２３０で反射され、フィールドレンズ３００Ｒを通過して赤色光Ｒ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Ｇは、ダイクロイックミラー２２０でさらに反射され、フィールドレンズ３００Ｇを通過して緑色光Ｇ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Ｂ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、出射側の反射ミラー２５０、フィールドレンズ３００Ｂを経て青色光Ｂ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、光源装置１から射出された光を変調する。これらは、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ものであり、照明装置１００の照明対象となる。

なお、図示は省略したが、液晶ライトバルブ４００Ｒの光入射側と光射出側にはそれぞれ、入射側偏光板と射出側偏光板が設けられている。液晶ライトバルブ４００Ｇ、液晶ライトバルブ４００Ｂに関しても同様である。

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直方体の形状をなし、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。

投写光学系６００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によって形成されたカラー画像をスクリーンＳＣＲ上に投写する。

なお、本実施形態の照明装置１００において、波長変換素子９０が設けられているが、波長変換素子９０は設けられていなくてもよい。このような場合には、プロジェクターの光源装置として、赤色光Ｒを射出する光源装置と、緑色光Ｇを射出する光源装置と、青色光Ｂを射出する光源装置とのうち少なくとも１つに、本実施形態の光源装置が用いられる。

また、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。

さらに、本実施形態において、光源装置をプロジェクターに搭載した例を示したが、これに限定されない。本実施形態の光源装置は、照明器具や自動車のヘッドライト等にも適用することができる。

以上の構成によれば、光源装置１を備えているため、信頼性が高いプロジェクターが得られる。

以上、本発明の実施形態を説明したが、本実施形態における各構成およびそれらの組み合わせ等は一例であり、本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換、およびその他の変更が可能である。また、本発明は実施形態によって限定されることはない。

本実施形態では、複数の発光素子２１として１種類のみを使用した例を示したが、異なる波長の光を射出する２種類以上の発光素子を併用してもよい。また、基板１１の第２の面１１ｂに放熱器が設けられている場合、基板１１の中心部に近いほど効率的に冷却することができる。よって、２種類以上の発光素子を配置する場合には、光源装置の放熱性を高める観点から、短波長の光を射出する発光素子ほど基板１１の中心部に設けられているとよい。

また、複数の電極３３は、透光性部材３１に形成された複数の貫通孔３５にそれぞれ設けられた例を示したが、基板１１の厚み方向に貫通する複数の貫通孔にそれぞれ設けられていてもよい。このような場合、基板１１と複数の電極３３との通電を防ぐため、少なくとも基板１１と複数の電極３３との接触面は絶縁体で覆われている。

１…光源装置、１１…基板、１１ａ…第１の面、２１…複数の発光素子、３１…透光性部材、３１ａ…上面部、３１ｂ…側面部、３１ｃ…凹部、４００Ｂ、４００Ｇ、４００Ｒ…液晶ライトバルブ、６００…投写光学系、１０００…プロジェクター、Ｓ…空間

Claims (4)

1. 金属材料を形成材料とし、第１の面を有する基板と、
   前記第１の面側に設けられた複数の発光素子と、
   前記複数の発光素子を覆って、前記第１の面側に接合された透光性部材と、を備え、
   前記透光性部材は、前記複数の発光素子を覆う凹部を有し、
   前記複数の発光素子は、前記基板と、前記凹部とによって囲まれた空間に収容される、光源装置。
2. 前記金属材料の線膨張係数と前記透光性部材の形成材料の線膨張係数との差の絶対値は、１．０×１０^−６／Ｋ以下である、請求項１に記載の光源装置。
3. 前記透光性部材の形成材料は、ガラスであり、
   前記金属材料は、銅−モリブデンまたは銅−タングステンである、請求項１または２に記載の光源装置。
4. 請求項１〜３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、
   前記光変調装置によって変調された光を投写する投写光学系と、を備えたプロジェクター。

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