JP2018084752A - 照明装置及びそれを用いた画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 小型化と、固体光源の適正な冷却との両立が可能な照明装置を提供すること。
【解決手段】 本発明の照明装置は、被照明面を照明する照明装置であって、発光面上に光を発する発光点を複数含む固体光源ユニットと、前記複数の発光点からの光を前記被照明面に導く複数の光学素子と、前記固体光源ユニットの前記発光面と前記複数の光学素子の間とは異なる位置に設けられ、前記固体光源ユニットからの熱を伝導する熱伝導部材と、第１の流路に沿って前記熱伝導部材に向かって第１の流体を流すとともに、第２の流路に沿って前記発光面と前記光学素子との間に向かって第２の流体を流す冷却ユニットと、を備える。
【選択図】 図５

Description

本発明は、複数の固体光源を用いた照明装置や、この照明装置を有する画像表示装置に関するものである。

近年、投射型画像表示装置の投射画像の輝度を向上させるために、使用する固体光源の数を増加させる必要がある。固体光源を用いる数を増やすと投射画像の輝度は向上するが、その一方で、固体光源からの発熱量が大きくなるため、固体光源の冷却が困難になってきている。

例えば、特許文献１では、固体光源の冷却効果を高めるため、固体光源の出射方向とは反対側にヒートシンクを配置し、前記ヒートシンクとその他複数のヒートシンクを伝熱部材でつなぐ技術が開示されている。

特開２０１１−１３３７８９

しかしながら、上述の特許文献１では、固体光源の個数が増えるほど、固体光源の出射方向とは反対側に配置した冷却器としてのヒートシンクが大型化してしまう。また、固体光源の周辺の塵埃が光源近辺の光学部品に付着し光量が落ちるのを防ぐために、固体光源の出射側は密閉空間とされている。このため、更に冷却能力を向上させるために冷却器としてのヒートシンクが大型化してしまう。

そこで、本発明の目的は、固体光源を持つ照明装置において、大型化を防ぎつつ固体光源を適切に冷却することが可能な照明装置を提供することである。

上記目的を達成するために、本発明の照明装置は、被照明面を照明する照明装置であって、発光面上に光を発する発光点を複数含む固体光源ユニットと、前記複数の発光点からの光を前記被照明面に導く複数の光学素子と、前記固体光源ユニットの前記発光面と前記複数の光学素子の間とは異なる位置に設けられ、前記固体光源ユニットからの熱を伝導する熱伝導部材と、第１の流路に沿って前記熱伝導部材に向かって第１の流体を流すとともに、第２の流路に沿って前記発光面と前記光学素子との間に向かって第２の流体を流す冷却ユニットと、を備えることを特徴としている。

本発明によれば、固体光源の適正な冷却と、装置の小型化の両立が可能な照明装置を提供することが可能となる。

実施例１の固体光源ユニット１００の断面図 実施例１の固体光源ユニット１００の概略斜視図 実施例１の光源ユニット１００の組立構成概略図 実施例１の光源ユニット１００の光線図 実施例１の光学ユニット１００の冷却流の流れ図示図 実施例１、２、３の画像表示装置（画像投射装置）の概略図 実施例２の光学ユニット２００の断面図 実施例２の光源ユニット２００の概略斜視図 実施例３の光学ユニット３００の断面図 実施例３の光源ユニット３００の概略斜視図

以下に、本発明の好ましい実施の形態を、添付の図面に基づいて詳細に説明する。図１は、本発明の実施形態にかかわる投射型画像表示装置としてのプロジェクタの光源ユニット構成図の断面図である。

以下、図１、図２を参照して、本発明の第１の実施例による、概略構成について説明する。図１は固体光源ユニット１００の断面図であり、図２は固体光源ユニット１００の概略斜視図である。

固体光源ユニット１００について説明する。符号１は固体光源であり、複数の固体光源を含む固体光源ユニットとなっている。この固体光源ユニットは、略同一面上に配置された（発光面上に配置された）複数の発光点（固体光源ユニットに複数含まれる固体光源の発光面側にある複数の発光点）から、後段の光学系に向かって光を射出している。

符号２は固体光源１を保持する固体光源ベース部材、符号３は固体光源ベース部材２に取り付けられる冷却器である。固体光源ベース部材２と冷却器３との間は熱伝導を行う不図示の熱伝導部材が挟持されている。冷却器３には冷却器３に流体としての空気を流す流路となるダクト４が保持され、ダクト４に空気を送るファン５が構成される。固体光源１としてはレーザーダイオードを使用し、冷却器３としては熱伝導率の良い銅のヒートシンクを用いる。符号６は、固体光源１の出射面と対向する面（位置）に設けられ、レーザーダイオード１から出射する光を透過する光学部品である。この符号６は、より効率良く冷却したい発光面側の空間と、後述する反射ミラー側の空間とを区切ることを目的とした光学部品であり、平行平板であることが望ましいが、楔形状の光学部品としても良い。符号７は、小型のミラーを複数備える反射ミラー（反射ミラーアレイ）であって、透過ガラス６を透過した光を反射し、光束のアスペクト比を小さくする光学部品として機能している。

符号９は、反射ミラー７で反射した光を集光して光源ユニット外へ出射する集光レンズである。また、符号８は、上記の透過ガラス６、反射ミラー７、集光レンズ９を保持する光学部品保持部（保持部材）である。この光学部品保持部８には、固体光源１の出射方向（図１の右側、光源からの光が集光レンズ９を介して光が射出される方向、或いは蛍光体を介した光が集光レンズ９を介して出射する方向）に向かって冷却風を流すための導風口８１を有している。また、この導風口８１へ空気（フィルタを介したクリーンエア）を送るファン１０も備えている。尚、上述のファン５とファン１０を含めた冷却用の流体を流すためのユニットを冷却ユニットと称する。

次に、図１、図３、図４、図５を参照して、詳細な組立構成と効果について説明する。

図３は光源ユニット１００の組立構成概略図である。図４は光源ユニット１００の光線図、図５は光学ユニット１００の冷却流の流れ図示図である。

固体光源１は、光の出射側とは反対側に固体光源ベース部材２に不図示のばね部材によって熱伝導部材を介して保持されている。固体光源ベース部材２は、固体光源１の保持を行うとともに、固体光源１を冷却するために、固体光源１の熱を熱伝導部材を介して吸収する機能を有する。

固体光源ベース部材２と冷却器３は、不図示の熱伝導部材を介して（挟んで）ネジ等の固定部材を使って固定されている。冷却器３はヒートシンクであり、ファン５からの冷却流（冷却風）によって冷却される構成を採っている。固体光源１の熱は、不図示の熱伝達部材と固体光源ベース部材２を介してこの冷却器３に伝導される構成を採っている。また、ファン５からの冷却流は、固体光源ベース部２もしくは冷却器３に取り付けられた第１の流路を形成するダクト４に導かれ、冷却器３に当てられるような構成を採っている。この結果、ファン５からの冷却流（風）によって、固体光源１を冷却することが可能となる。

本実施例において、冷却器３はヒートシンクを用いたが、ヒートパイプとの連結部や液冷システムの熱源から熱を奪うジャケット部、高熱伝導部材との接触部などその要旨の範囲内である。同様に、冷却流発生機としてファン５を用いたが、液冷システムのポンプ部などその要旨の範囲内である。

固体光源１は出射方向とは反対側に電極を有し、不図示筺体内の電源ユニットより、固体光源１の電極に取り付けられた基板１１へ電流を与えることによって光を出射する。固体光源１の出射面と対向する位置でかつ固体光源１の近傍に透過ガラス６を不図示のばね部材によって光学保持部８に密着固定する。このことで、固体光源１、固体光源ベース部材２、透過ガラス６、光学部品保持部８とでファン１０からの空気を導く第二の流路を形成する。実施例において、透過ガラス６は平板を用いたが、固体光源１からの光線を平行偏芯させる光学的にパワーを持った曲率面を有するなど、その要旨の範囲内である。

反射ミラー７は短冊状の固体光源１の配列に対応して配置され、光学部品保持部８に接着固定される。光学部品保持部８には集光レンズ９も押さえ部材１２によって保持される。固体光源１から出射した光は透過ガラス６を透過し、反射ミラー７によって反射され、反射光は集光レンズ９を透過して出射することで光源ユニットから出射する。透過ガラス６、集光レンズ９、光学部品保持部８とで形成される空間は密閉空間となり、空間内の塵埃量は一定濃度もしくは一定の大きさ以上の塵埃を除去した状態にすることで、固体光源の集塵特性による光学部品の劣化を抑制する。反射ミラー７は固体光源１の光線の反射角度を列ごと変更し、複数の固体光源１の配置に伴う光源のアスペクト比を小さくする。このことで次段階である集光レンズ９の大きさを小さくすることができ、光源ユニットの小型化の効果を得る。本実施例では短冊形の反射ミラー７を用いたが、多角に角度調整を行える形状や反射プリズム等を用いてもその要旨の範囲内である。

図３、図５に示す通り、固体光源１、固体光源ベース部材２、透過ガラス６、光学部品保持部８とで形成される第２の流路はファン１０から光学部品保持部材８に設けられた導風口８１を通って流出口８２から流出する。その際に固体光源１の出射側を通過することからの固体光源１の冷却を行う。透過ガラス６は固体光源１の近傍に配置されることで、第二の流路内断面積を減らし冷却風速を上げる効果を有し冷却能力を向上させることができる。また、ファン１０からの冷却風は一定濃度もしくは一定の大きさ以上の塵埃を除去するフィルタ等を通った空気（塵埃の濃度が一定値未満で、且つ塵埃の大きさが一定以上のものは除去した空気）、つまりクリーンエア（クリーンドライエア）を使用する。このことで、固体光源１の表面や透過ガラス６の固体光源１側の塵埃付着を抑制しつつ、固体光源１の冷却能力を高くすることができる。よって、第２の流路を有することにより冷却器３の冷却能力を助長し、冷却器３を小型軽量化することができる。

光学部品かつ密閉部材としての透過ガラス６と集光レンズ９は固体光源１と固体光源１からの出射光を励起光として照射され、所定の波長帯域光を発する蛍光体ユニット１４との間に配置される。このことで、光源ユニットとして部品点数を極力抑え、光学部品への塵埃の付着を抑制する構成となる。また、蛍光体ユニット１４はクリーンエアの冷却風によって冷却される。もしくは、密閉部材による密閉空間の中に存在し、密閉部材を冷却することで蛍光体ユニット１４を冷却する構成となる。

本実施例において、第１の流路へ流体を流入する冷却流発生機としてのファン５と第２の流路へ流体を流入する冷却流発生機としてのファン１０を別々に配置したが、ファン５だけを配置しても良い。その場合、クリーンエアを用いることで、第１の流路と第２の流路を１つのファンで冷却でき、光学ユニットを更に小型化することができる。また、冷却ファンをファン５、ファン１０のように分けて使用する場合、第２の流路へ導風するファン１０はファン５より静圧の強いファンを用いることも冷却能力を向上させるために有用である。

次に、図６の光学構成概略図を用いて、本実施例の画像表示装置（画像投射装置）の構成について説明する。

光源ユニット１００は、今まで説明した構成である。すなわち、この光源ユニット１００は、光源からの青色光（励起光）と、その青色光の一部を黄色光に変換する蛍光体ユニット（蛍光体が設けられたホイール）とによって生じた黄色光とを射出している。ここでは、光源からの青色光と、蛍光体からの黄色光とによって、白色光を構成しているがその限りではなく、各色光の量のバランスが悪い場合は、青色光用の光源や赤色光用の光源を別途用意して追加しても構わない。

照明光学系（照明装置）１５は、この光源ユニット１００から出射した３つの色光（白色光）で３つの画像表示素子（赤緑青用）を照明する。尚、この照明光学系（照明装置）１５は、光源ユニット１００から出射する光を用いて画像表示素子を照明する光学系（装置）、すなわち個体光源１から画像表示素子に至るまでの光路上に配置された全ての光学素子を含んでいる。この照明光学系（照明装置）から出射した光束は、色分解合成系１６によって各色光に分解されつつ各色光用の画像形成素子に入射し、この各色光用の画像形成素子から出射した各色の画像光を合成する。この各色の画像光が合成された合成画像光が投射レンズ１７によって、被投射面（スクリーン等）に投射される。ここで、照明光学系（照明装置）１５は、画像表示素子を照明するための系（装置）であり、画像表示素子を被照明面としている。そこで、この照明光学系（照明装置）１５は、色分解合成系１６の一部（画像表示素子よりも光源側）や、光源ユニット１００の少なくとも一部（或いは全部）を含んでいると考えても構わない。

以下、図６、図７、８を参照して、本発明の第２の実施例による、光源ユニットの構成と効果について説明する。実施例１との主な違いは、固体光源１の発光面を含む空間を密閉するための光源部密閉部材１８を設けた点である。この光源部密閉部材１８は、固体光源１の発光面（光を射出する側の面）側を密閉する機能を有していれば良い。ここでは、固体光源１の発光面と、反射ミラー（反射ミラーアレイ）７と、集光レンズ９（さらには集光レンズ１３）を外部空間に対して密閉する構成を採っている。具体的には、固体光源１及びこの固体光源１を冷却するために流す冷却風（冷却流）の流路を、外部空間に対して密閉している。特にこの実施例２では、固体光源１及びこの固体光源１を冷却するために流す冷却風（冷却流）の流路を、蛍光体ユニット１４（蛍光体そのものと、蛍光体を回転させるための駆動軸やモータを含む）に対して密閉している点も特徴である。

図７は光学ユニット（固体光源ユニット）２００の断面図及び冷却風の流れを示す図であり、図８は光源ユニット２００の概略斜視図である。この光源ユニット（固体光源ユニット）２００の構成について、特に記載しない点については概ね実施例１と同じ構成を採っており、実施例１と共通の部分については同じ符号を用いている。

この図７において、光学部品保持部８には固体光源１の出射方向（集光レンズ１３の方向、或いは蛍光体が配置された方向、或いは液晶パネルやＤＭＤなどの画像表示素子が配置された方向）へ空気を導く導風口８１を有する。ファン１０は、この導風口８１を介して、固体光源１の発光面側の空間へ、つまり固体光源１の発光面と、この発光面と対向する位置に配置された透過ガラス６と、その両者の側面を覆う部材とで覆われた空間へ気体を送る。

ここで、ファン１０が固体光源の発光面側の空間に送りこむ気体は、一定濃度もしくは一定の大きさ以上の塵埃を除去した窒素（或いは不活性ガス）であることが望ましい。つまり、クリーン且つドライな窒素（塵埃を含まず、水蒸気やその他のガスも少ない窒素）をファン１０で固体光源の発光面側に吹き付ける（発光面と透過ガラス面との間に空間に送りこむ）ことが望ましい。

光源部密閉部材１８は固体光源ベース部材２に取り付き、集光レンズ９を含む集光レンズ群の一部である集光レンズ１３によって密閉空間を有する。光源部密閉部材１８による密閉空間には、固体光源１、光学部品保持部８、透過ガラス６、反射ミラー７、集光レンズ９を包括している。逆に言えば、この密閉空間には、蛍光体ユニット、つまり波長変換を行う蛍光体や、その蛍光体が設けられた円盤状（ホイール状）の部材や、この円盤状の部材を回転させる機構（軸受やモータ）は含まれていない。円盤状の部材を回転させる機構の軸受やモータを密閉空間内に配置しない（蛍光体ユニットを密閉空間の外側に配置する）ことによって、密閉空間内の流体をクリーンな状態（塵埃や水分が少ない状態）に保つことができる。

また、光源部密閉部材１８による密閉空間は、一定濃度もしくは一定の大きさ以上の塵埃を除去した窒素で充満されている。実施例では窒素を用いたが、空気や気圧の低い空間を用いてもその要旨の範囲内である。

実施例２の構成を用いることで、密閉空間内での塵埃付着を抑制でき、密閉空間内の第二の流路に流動があるため固体光源１の出射側を冷却することができる。また、光源部密閉部材１９は熱伝導率の高い金属部材であり、窒素や気圧の低い状態を用いることにより、密閉空間内の温度を更に下げることができ、冷却能力を向上することができる。よって冷却器３の冷却能力を助長し、冷却器３の小型化、軽量化を図ることができる。

本実施例では、この光源部密閉部材１８によって形成される空間（密閉空間）を外部空間に対してほぼ隔離しており（密閉空間にしており）、その空間内を窒素（或いは不活性ガス）で満たしている。更に、この密閉空間内を流れる窒素（或いは不活性ガス）から、塵埃や水分を取り除くために、流体を流すファンにフィルタを設けても良い（好ましくはファンの下流側）し、導風口８１の位置（ファンと発光面との間）にフィルタを配置しても良い。このフィルタによって、前述のように塵埃や水分を低減した窒素（或いは不活性ガス）を密閉空間内で循環させることができるため、発光面を汚さずに冷却することが可能となる。

尚、窒素や不活性ガスに限らず、光源部密閉部材１８によって形成される空間（密閉空間）に、冷却風流入口、及び排気口を設け、それらを介して（フィルタ等を介した）クリーンドライエアを供給、排出するようにしても構わない。つまり、密閉空間の内側にも外側（冷却器３等）にも、同じ流体（クリーンドライエア）を流すようにしても構わない。勿論、密閉空間の内側にも外側にも窒素を流しても構わない。

以下、図６、図９、１０を参照して、本発明の第３の実施例による、光源ユニットの構成と効果について説明する。実施例２との主な違いは、固体光源１の発光面を含む空間を密閉するための光源部密閉部材１９を設けた点である。ここでは、固体光源１の発光面、反射ミラー（反射ミラーアレイ）７、集光レンズ９、集光レンズ１３、更には蛍光体ユニット１４を外部空間に対して密閉する構成を採っている。具体的には、固体光源１及びこの固体光源１を冷却するために流す冷却風（冷却流）の流路を、外部空間に対して密閉している。特にこの実施例３では、固体光源１、この固体光源１を冷却するために流す冷却風（冷却流）の流路、及び蛍光体ユニット１４（蛍光体そのものと、蛍光体を回転させるための駆動軸やモータを含む）を、外部空間に対して密閉している点も特徴である。

図９は光学ユニット（固体光源ユニット）３００の断面図及び冷却風の流れを示す図であり、図１０は光源ユニット３００の概略斜視図である。この光源ユニット（固体光源ユニット）３００の構成について、特に記載しない点については概ね実施例２（或いは実施例１）と同じ構成を採っており、実施例２（或いは実施例１）と共通の部分については同じ符号を用いている。

光源部密閉部材１９は固体光源ベース部材２に取り付き、照明系光学系１５の一部である光学部品２０によって密閉空間を有する。光源部密閉部材１９による密閉空間には、固体光源１、光学部品保持部８、透過ガラス６、反射ミラー７、集光レンズ９、蛍光体ユニット１４を包括している。

また、光源部密閉部材１９による密閉空間は、一定濃度もしくは一定の大きさ以上の塵埃を除去した窒素で充満されている。実施例では窒素を用いたが、空気や気圧の低い空間を用いてもその要旨の範囲内である。

実施例３の構成を用いることで、密閉空間内での塵埃付着を抑制でき、密閉空間内の第二の流路に流動があるため固体光源１の出射側を冷却することができる。また、光源部密閉部材１９は熱伝導率の高い金属部材であり、窒素や気圧の低い状態を用いることにより、密閉空間内の温度を更に下げることができ、冷却能力を向上することができる。加えて、蛍光体ユニット１４も密閉空間内に配置されることにより、ファン１０の冷却風を利用して冷却することができる。よって冷却器３の冷却能力を助長し、冷却器３の小型化、軽量化、及び固体光源ユニット３００の小型化を図ることができる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。

１ 固体光源
２ 固体光源ベース部材
３ 冷却器
４ ダクト
５ ファン
６ 透過ガラス
７ 反射ミラー
８１ 導風口
８２ 流出口
９ 集光レンズ
１０ ファン
１４ 蛍光体ユニット

Claims (16)

1. 被照明面を照明する照明装置であって、
   発光面上に光を発する発光点を複数含む固体光源ユニットと、
   前記複数の発光点からの光を前記被照明面に導く複数の光学素子と、
   前記固体光源ユニットの前記発光面と前記複数の光学素子の間とは異なる位置に設けられ、前記固体光源ユニットからの熱を伝導する熱伝導部材と、
   第１の流路に沿って前記熱伝導部材に向かって第１の流体を流すとともに、第２の流路に沿って前記発光面と前記光学素子との間に向かって第２の流体を流す冷却ユニットと、
   を備えることを特徴とする照明装置。
2. 前記複数の光学素子のうち、前記複数の発光点から発した光の光路上において最も前記発光面に近い光学素子を第１光学素子とするとき、
   前記冷却ユニットは、前記発光面と前記第１光学素子との間に前記流体を流すように構成されている、ことを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
3. 前記第１光学素子は平行平板である、ことを特徴とする請求項２に記載の照明装置。
4. 前記複数の光学素子は、前記第１光学素子の後に、前記複数の発光点からの複数の光束の各々を反射するミラーを複数備えるミラーアレイを含んでいる、ことを特徴とする請求項２又は３に記載の照明装置。
5. 前記冷却ユニットは、前記第１の流路に沿って前記第１の流体を流す第１のファンと、前記第２の流路に沿って前記第２の流体を流す第２のファンと、を有することを特徴とする請求項１乃至４いずれか１項に記載の照明装置。
6. 前記第１のファンの方が、前記第２のファンよりも、パワーが大きいことを特徴とする請求項５に記載の照明装置。
7. 前記第２の流路が外部空間に対して密閉されている、ことを特徴とする請求項５又は６に記載の照明装置。
8. 前記複数の光学素子は、前記発光面側から、第１の光学素子、ミラーアレイ、集光レンズを含んでおり、
   前記第２の流路を含む密閉空間は、前記の光学素子、ミラーアレイ、集光レンズを含む空間である、ことを特徴とする請求項７に記載の照明装置。
9. 前記被照明面には前記固体光源ユニットから発せられた光を、別の波長の光に変換する蛍光体が配置されており、
   前記第２の流路を含む密閉空間は、前記蛍光体を含む空間である、ことを特徴とする請求項８に記載の照明装置。
10. 前記被照明面には前記固体光源ユニットから発せられた光を、別の波長の光に変換する蛍光体が配置されており、
    前記蛍光体は、前記第２の流路を含む密閉空間の外側に配置されている、ことを特徴とする請求項８に記載の照明装置。
11. 前記第２のファンは、第２の流路に沿って流れる前記第２の流体に含まれる塵埃や水分を低減するフィルタを有している、ことを特徴とする請求項５乃至１０いずれか１項に記載の照明装置。
12. 前記第２のファンと前記発光面との間に、前記第２の流体に含まれる塵埃や水分を低減するフィルタを有している、ことを特徴とする請求項５乃至１０いずれか１項に記載の照明装置。
13. 前記第２の流体が窒素又は不活性ガスである、ことを特徴とする請求項５乃至１２いずれか１項に記載の照明装置。
14. 前記第１の流体がクリーンドライエア、窒素のいずれか一方である、ことを特徴とする請求項５乃至１３いずれか１項に記載の照明装置。
15. 前記第１の流体と、前記第２の流体は、同じである、ことを特徴とする請求項５乃至１４いずれか１項に記載の照明装置。
16. 画像表示素子と、
    前記画像表示素子を照明する、請求項１乃至１５いずれか１項に記載の照明装置と、
    を備えることを特徴とする画像表示装置。

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