JP2022138778A - Light source device and image projection device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、画像投射装置(プロジェクタ)に好適な光源装置に関する。 The present invention relates to a light source device suitable for an image projection device (projector).
プロジェクタに用いられる光源装置には、レーザ光源から発せられた青色光等の励起光を蛍光体等の波長変換素子に照射し、黄色光等に波長変換された光を用いて白色の照明光を生成するものがある。波長変換素子は励起光を波長変換する際に励起光の一部を吸収して発熱するが、波長変換素子の温度が上昇することで波長変換効率が低下する。このため、波長変換素子を冷却する必要がある。 In a light source device used in a projector, excitation light such as blue light emitted from a laser light source is irradiated to a wavelength conversion element such as a phosphor, and the wavelength-converted light such as yellow light is used to generate white illumination light. There is something to generate When the wavelength conversion element converts the wavelength of the excitation light, it absorbs part of the excitation light and generates heat. However, the wavelength conversion efficiency decreases due to the temperature rise of the wavelength conversion element. Therefore, it is necessary to cool the wavelength conversion element.
波長変換素子の冷却方法には、波長変換素子にヒートシンク等の放熱部材を取り付ける方法がある。特許文献1には、波長変換素子を放熱性を有する基材上に設け、さらに励起光を波長変換素子の複数個所に照射して発熱部を分散させることで波長変換素子の温度上昇を抑えるようにした光源装置が開示されている。 As a method of cooling the wavelength conversion element, there is a method of attaching a heat radiation member such as a heat sink to the wavelength conversion element. In Patent Document 1, a wavelength conversion element is provided on a heat-dissipating base material, and excitation light is applied to a plurality of locations of the wavelength conversion element to disperse the heat-generating portions, thereby suppressing the temperature rise of the wavelength conversion element. is disclosed.
しかしながら、特許文献1の光源装置において、励起光の複数の照射箇所(発熱部)の間隔を十分に確保しないと、発熱部間での熱干渉が生じて温度上昇の抑制効果が小さくなる。一方、照射箇所の間隔を広げると、光源装置が大型化する。 However, in the light source device of Patent Literature 1, if sufficient intervals are not secured between a plurality of irradiation points (heat generating portions) of excitation light, heat interference occurs between the heat generating portions and the effect of suppressing temperature rise is reduced. On the other hand, if the distance between the irradiation points is widened, the size of the light source device increases.
本発明は、小型化でありながらも波長変換素子の温度上昇を効果的に抑制することができるようにした光源装置およびこれを備えた画像投射装置を提供する。 SUMMARY OF THE INVENTION The present invention provides a light source device capable of effectively suppressing a temperature rise of a wavelength conversion element while being miniaturized, and an image projection device having the same.
本発明の一側面としての光源装置は、光源と、該光源から発せられた励起光を波長変換する波長変換素子と、該波長変換素子に対して励起光の照射側とは反対側に配置された放熱部材とを有する。励起光は、波長変換素子における互いに離間した複数の被照射部に照射される。波長変換素子は複数の被照射部の間に第1の開口を有し、放熱部材は第1の開口に繋がる第2の開口を有することを特徴とする。なお、上記光源装置を備えた画像投射装置も、本発明の他の一側面を構成する。 A light source device as one aspect of the present invention includes a light source, a wavelength conversion element that converts the wavelength of excitation light emitted from the light source, and a wavelength conversion element arranged on the opposite side of the wavelength conversion element from the irradiation side of the excitation light. and a heat dissipating member. The excitation light is applied to a plurality of irradiated portions of the wavelength conversion element that are spaced apart from each other. The wavelength conversion element has a first opening between the plurality of irradiated portions, and the heat dissipation member has a second opening connected to the first opening. An image projection device including the light source device also constitutes another aspect of the present invention.
本発明によれば、光源装置を小型化しつつ波長変換素子の温度上昇を効果的に抑制することができる。 According to the present invention, it is possible to effectively suppress the temperature rise of the wavelength conversion element while downsizing the light source device.
以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。 BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、本発明の実施例1である画像投射装置としてのプロジェクタ10の光学構成を示している。プロジェクタ10は、第1の光源光学系20、第2の光源光学系30、照明光学系40、色分離合成光学系50および投射レンズ(投射光学系)60を有する。第1および第2の光源光学系20、30により光源装置が構成される。
Embodiment 1 FIG. 1 shows the optical configuration of a
第1の光源光学系20は、光源としての第1のレーザダイオード(LD)21、第1のコリメータ光学系22、ダイクロイックミラー23、コンデンサレンズアレイ24、蛍光体ユニット25およびアフォーカルレンズ26を有する。
The first light source
第1のLD21は、青色帯域の波長のレーザ光(以下、青光という)を発する。第1のLD21から発散光として発せられた青光は、第1のコリメータ光学系22を構成するコリメータレンズ22a、22bに入射して平行光化されてダイクロイックミラー23に入射する。ダイクロイックミラー23は、青色帯域の光を反射してそれ以外の帯域の光を透過する特性を有し、第1のコリメータ光学系22からの青光を反射する。反射された青光は、コンデンサレンズアレイ24に入射する。コンデンサレンズアレイ24は、格子状に配列された複数のレンズを有し、入射した青光を複数の光路を進む複数の光に分割する。複数の光路を進む青光は、励起光として蛍光体ユニット25に照射される。
1st LD21 emits the laser beam (henceforth blue light) of the wavelength of a blue band. The blue light emitted from the
図3は、蛍光体ユニット25の構成を示している。蛍光体ユニット25は、波長変換素子としての蛍光体2510を有する。蛍光体2510は、青色帯域の励起光を黄色帯域の蛍光光(波長変換光)に波長変換する蛍光材料と、励起光を拡散反射させるための拡散材とをバインダを用いて混合した材料により形成されている。蛍光体2510による励起光からの波長変換により発生した蛍光光は、蛍光体2510を保持する基板2520に設けられた反射層2522で反射されて蛍光体ユニット25から放出される。本実施例では、前述したように励起光が複数の光路を介して蛍光体ユニット25に入射することで、蛍光体ユニット25からも蛍光光が複数の光路を進むように放出される。蛍光体ユニット25の詳細な構成については後述する。また、本実施例では、反射型の蛍光体ユニットを用いるが、透過型の蛍光体ユニットを用いてもよい。
FIG. 3 shows the configuration of the
図1において、蛍光体ユニット25から複数の光路を進むように拡散放出された蛍光光は、コンデンサレンズアレイ24を透過して再び1つの光路を進むように合成される。コンデンサレンズアレイ24から出射した蛍光光は、ダイクロイックミラー23を透過してアフォーカルレンズ26に入射する。
In FIG. 1, the fluorescent light diffusely emitted from the
一方、第2の光源光学系30は、レーザ光としての青光を発する第2のLD31、コンデンサレンズ32a、32b、拡散板33および第2のコリメータ光学系34を有する。
On the other hand, the second light source
第2のLD31から放射状に発せられた青光は、コンデンサレンズ32a、32bにより集光されて拡散板33に入射する。青光は、拡散板33により拡散されつつこれを透過して、第2のコリメータ光学系34を構成するコリメータレンズ34a、34bにより平行光化されて第2の光源光学系30から出射する。第2の光源光学系30から出射した青光は、ダイクロイックミラー23で反射されてアフォーカルレンズ26に入射し、アフォーカルレンズ26に第1の光源光学系20から入射した蛍光光と合成される。これにより、白色の照明光が生成される。
The blue light emitted radially from the
アフォーカルレンズ26は、平行光束が入射すると、平行光束のままその光束径を拡大または圧縮する。照明光は、アフォーカルレンズ26を透過して、後段の照明光学系40に適切な光束径を有する光束となって照明光学系40に入射する。
The
照明光学系40は、フライアイレンズ41、42、偏光変換素子43およびコンデンサレンズ44、45、46を有する。アフォーカルレンズ26から出射した照明光は、フライアイレンズ41、42により複数の光束に分割されて偏光変換素子43に入射する。偏光変換素子43は、入射した無偏光光を所定の偏光方向を有する直線偏光に変換する。偏光変換素子43により直線偏光に変換された複数の光束としての照明光は、コンデンサレンズ44、45、46により集光されて色分離合成光学系50へと向かう。なお、コンデンサレンズ44、45、46は、複数の光束としての照明光を後述する液晶パネル上にて重ね合わせるように集光する。これにより、液晶パネルを均一に照明することが可能となる。
The illumination
図2は、色分解合成光学系50の光学構成を示している。色分解合成光学系50は、クロスダイクロイックミラー51、2つの反射ミラー52、ダイクロイックミラー53、コンンデンサレンズ54R、54G、54B、λ/2板55R、55G、55Bおよび反射型偏光板56R、56G、56Bを有する。また、色分解合成光学系50は、ワイヤーグリッド(WG)偏光子57R、57G、57B、位相差補償板58R、58G、58B、光変調素子としての反射型液晶パネル59R、59G、59Bおよび色合成プリズムCPを有する。
FIG. 2 shows the optical configuration of the color separation/synthesis
クロスダイクロイックミラー51は、白色の照明光を赤(R)光、緑(G)光および青(B)光に分離する。クロスダイクロイックミラー51からのR光は、一方の反射ミラー52で反射されてコンンデンサレンズ54R、λ/2板55R、反射型偏光板56R、WG偏光子57Rおよび位相差補償板58Rを透過して反射型液晶パネル59Rに入射する。
The cross
また、クロスダイクロイックミラー51からのBG光は、他方の反射ミラー52で反射されてダイクロイックミラー53に入射する。ダイクロイックミラー53は、B光を透過してG光を反射する特性を有する。ダイクロイックミラー53で反射されたG光は、コンンデンサレンズ54G、λ/2板55G、反射型偏光板56G、WG偏光子57Gおよび位相差補償板58Gを透過して反射型液晶パネル59Gに入射する。ダイクロイックミラー53を透過したB光は、コンンデンサレンズ54B、λ/2板55B、反射型偏光板56B、WG偏光子57Bおよび位相差補償板58Bを透過して反射型液晶パネル59Bに入射する。
Also, the BG light from the cross
各反射型液晶パネルは、入射した光をプロジェクタに入力された映像信号に応じて変調するとともに反射する機能を有する。反射型液晶パネル59R、59G、59Bで変調および反射されたR光、G光およびB光はそれぞれ、WG偏光子57R、57G、57Bで反射されて色合成プリズムCPに導かれ、色合成プリズムCPで合成されて投射光として投射レンズ60に入射する。
Each reflective liquid crystal panel has a function of modulating and reflecting incident light according to a video signal input to the projector. The R light, G light and B light modulated and reflected by the reflective
投射光は、投射レンズ60によって不図示のスクリーン等の被投射面に投射される。これにより、投射画像としてのカラー画像が被投射面上に表示される。なお、本実施例では、光変調素子として反射型液晶パネルを用いるが、透過型液晶パネルを用いてもよいし、デジタルマイクロミラーデバイスを用いてもよい。
Projection light is projected onto a projection surface such as a screen (not shown) by a
次に、図3および図4を用いて、蛍光体ユニット25の詳細な構成について説明する。図3は蛍光体ユニット25を分解して示し、図4は励起光および蛍光光が入出射する方向(光照射方向:以下、光入出射方向という)から見た蛍光体ユニット25を示している。
Next, a detailed configuration of the
蛍光体ユニット25は、前述した蛍光体2510および蛍光体2510が塗布される基板2520と、基板2520に取り付けられる放熱部材としての放熱器(ヒートシンク)2530とを有する。放熱器2530は、蛍光体2510に対して励起光の照射側とは反対側に配置されており、基板2520を介して蛍光体2510と熱的に接続されている。
The
放熱器2530は、基板2520に取り付けられる基盤部2530aと、基盤部2530aから延びる複数の板状のフィン部2530bとを有し、後述する冷却ファンからの冷却空気によって冷却される。蛍光体ユニット25には黒矢印で示す方向から複数の光路を進んできた青光としての励起光BLが入射し、蛍光体ユニット25からは白抜き矢印で示す方向に蛍光光YLが出射する。本実施例において、基板2520の材料には、透光性を有して熱伝導性に優れたサファイア材が用いられている。また、放熱器2530の材料には、アルミや銅等の熱伝導性に優れた材料が用いられている。
The
蛍光体2510は、励起光が照射される複数(本実施例では2×2の4つ)の被照射部としてのスポット部2512を有する。また、蛍光体2510、基板2520および放熱器2530はそれぞれ、光入出射方向から見て十字溝形状を有し、同方向に貫通する蛍光体開口(第1の開口)2511、基板開口(第3の開口)2521および放熱器開口(第2の開口)2531を有する。蛍光体開口2511、基板開口2521および放熱器開口2531は厚み方向において互いに繋がって(連通して)いる。以下の説明では、蛍光体開口2511、基板開口2521および放熱器開口2531をまとめて開口2550という。
The
本実施例では、図4に示すように、4つのスポット部2512において互いに隣り合うスポット部2512間に開口2550が形成されている。図4中のLは、互いに隣り合うスポット部2512同士を結ぶ直線を表しており、開口2550は直線Lに交差する線状に延びる形状に形成されている。
In this embodiment, as shown in FIG. 4,
なお、本実施例では、単一の蛍光体ユニット25上に4つのスポット部2512を設け、互いに隣り合うスポット部2512間に開口2550を設けている。これは、それぞれ別体の4つの蛍光体ユニットを開口2550に相当する隙間を設けて配置すると、各蛍光体ユニットの光入出射方向での位置精度を管理する必要が生じて製造が複雑化するため、これを回避することが可能になるからである。
In this embodiment, four
ただし、単一の基板2520上にそれぞれスポット部を有する複数の蛍光体を互いに離間させて配置してもよい。この場合は、各蛍光体の光入出射方向での位置精度を管理は不要だからである。そして、複数の蛍光体を互いに離間させることで生じる蛍光体(スポット部)間の隙間が蛍光体開口となる。すなわち、蛍光体開口は、図3および図4に示すように単一の蛍光体の一部に形成されたものでもよいし、互いに離間した複数の蛍光体の間に隙間として形成されたものでもよい。
However, a plurality of phosphors each having a spot portion may be spaced apart from each other on a
次に、図5を用いて、本実施例における蛍光体ユニット25の冷却のための構成について説明する。図5は、蛍光体ユニット25を図4に示したA-A′線で切断したときの断面(A-A’断面)を示しており、矢印は蛍光体ユニット25内の冷却空気の流れを示している。
Next, a configuration for cooling the
蛍光体2510は、第1のLD21から発せられた青光としての励起光がスポット部2512に照射される際に、励起光の一部を吸収することでスポット部2512から熱を発生する。スポット部2512から発生した熱は、基板2520を介して放熱器2530の基盤部2530aに伝わる。放熱器2530は、基盤部2530aに伝わった熱を表面積が大きいフィン部2530bで拡散させる。フィン部2530bに対して冷媒流発生手段としての冷却ファン2540からの冷却空気を吹き付ける。冷却ファン2540は、シロッコファンや軸流ファン等を使用することができる。
When the
基盤部2530aに沿った方向おいてフィン部2530bに流入した冷却空気は、フィン部2530bの反対側から流出する第1の冷却空気と、開口2550を通過して蛍光体2510の表面側に流れる第2の冷却空気に分かれる。第1の冷却空気は、フィン部2530bの熱を蛍光体ユニット25の外部に放出させる。一方、第2の冷却空気は、後述するように蛍光体2510の表面(スポット部2512)を冷却するために用いられる。
The cooling air flowing into the
ここで、図6(a)は蛍光体ユニット25に開口2550を設けない場合の熱の拡がりを示し、図6(b)は蛍光体ユニット25に開口2550を設けた場合の熱の拡がりを模式的に示している。図6(a)では、隣り合うスポット部2512間が全く断熱されていないため、それらのスポット部2512間で熱干渉が発生する。これに対して、図6(b)では、隣り合うスポット部2512の間に設けられた開口2550がそれらスポット部2512間を断熱する効果を有し、これにより熱干渉を低減することができる。
Here, FIG. 6A shows the spread of heat when the
このことを示すのが図6(c)である。図6(c)は、上記2つの場合におけるスポット部2512を通る上記A-A′断面での蛍光体2510の温度分布を示している。縦軸は温度を、横軸は蛍光体2510上での位置を示している。実線は図6(b)に示した開口2550が設けられている場合の温度分布を、点線は図6(a)に示した開口2550が設けられていない場合の温度分布をそれぞれ示している。
FIG. 6(c) shows this. FIG. 6(c) shows the temperature distribution of the
図6(c)から分かるように、開口2550を設けた場合は、開口2550を設けない場合と異なり、隣り合うスポット部2512の間に低温の断熱領域(温度分布の谷の部分)が形成される。この結果、開口2550を設けた場合は、開口2550を設けない場合に比べて、最も高いスポット部2512(温度分布の山の部分)の温度を低下させるとともに、蛍光体2510全体の温度を低下させることができる。
As can be seen from FIG. 6(c), when the
また、上述したように開口2550を通過して蛍光体2510の表面側(励起光の照射側)に流れた第2の冷却空気は、図7に示すように蛍光体2510に対向して配置されたコンデンサレンズアレイ(光学素子)24に当たって蛍光体2510の表面に沿って流れる。これにより、スポット部2512を含む蛍光体2510の表面の熱を蛍光体ユニット25の外部に効率良く放出させることができる。
In addition, the second cooling air that has passed through the
このように本実施例では、蛍光体ユニット25に開口2550を設けることで、隣り合うスポット部2512間を断熱する効果と、冷却ファン2540から放熱器2530に流入した冷却空気の一部を蛍光体2510の表面に導く効果とを得ることができる。このため、蛍光体2510を放熱器2530に取り付けられた基板2520に接する裏面側とスポット部2512が設けられた表面側の双方から効率良く冷却することができる。
Thus, in this embodiment, by providing the
図8は、本発明の実施例2である蛍光体ユニット25の冷却のための構成について説明する。図8は、本実施例の蛍光体ユニット25における図5に対応する断面を示している。
FIG. 8 illustrates a configuration for cooling the
実施例1では、冷却ファン2540からの冷却空気(冷媒)を、放熱器2530に対してその基盤部2530aに沿う方向、つまりは開口2550の貫通方向に対して直交する方向から流入させる場合について説明した。これに対して、本実施例では、冷却ファン2540からの冷却空気を、放熱器2530に対して基盤部2530aに対向する方向(基盤部2530aからフィン部2530bが延びる方向)から、つまりは開口2550の貫通方向から流入させる。
In the first embodiment, the cooling air (refrigerant) from the cooling
これにより、本実施例では、実施例1に比べて、冷却ファン2540からの冷却空気のうち多くの部分を開口2550を通過させて蛍光体2510の表面側に導くことができ、蛍光体2510の表面側に流れる冷却空気の速度と量を増加させることができる。この結果、開口2550による隣り合うスポット部2512間の断熱効果は実施例1と同等であるが、冷却空気による蛍光体2510の冷却効果は実施例1よりも大きくなり、蛍光体2510を実施例1よりも効率良く冷却することができる。蛍光体ユニット25およびプロジェクタの他の構成は、実施例1と同じである。
As a result, in this embodiment, more of the cooling air from the cooling
以上説明した各実施例によれば、光源装置を小型化しつつ蛍光体の温度上昇を効果的に抑制することができる。 According to the embodiments described above, it is possible to effectively suppress the temperature rise of the phosphor while downsizing the light source device.
なお、上記各実施例では、冷却ファン2540が放熱器2530に対して冷却空気を吹き付ける場合について説明したが、冷却ファン2540が放熱器2530から熱せられた空気を吸い込むように構成してもよい。
In each of the above-described embodiments, the cooling
また、上記各実施例では冷媒として空気を用いたが、空気以外の流体、例えば、水や冷媒液を用いてもよい。 Also, although air is used as the refrigerant in each of the above embodiments, fluids other than air, such as water and refrigerant liquid, may be used.
さらに、上記各実施例では、蛍光体開口、基板開口および放熱器開口が互いに同一形状(十字溝形状)を有する場合について説明した。しかし、これらの形状は互いに異なっていてもよい。例えば、上述した熱干渉を低減するために蛍光体開口と基板開口は互いに同一の十字溝形状を有するが、放熱器開口は基板開口と蛍光体開口に繋がる1つ又は複数の丸穴形状や角穴形状を有してもよい。すなわち、放熱器開口は、基板開口を通じて蛍光体開口に繋がっていれば形状に限定はない。また、基板開口は、蛍光体開口と同一形状を有することが好ましいが、蛍光体開口と異なる形状を有していてもよい。 Furthermore, in each of the above embodiments, the phosphor aperture, the substrate aperture, and the radiator aperture have the same shape (cross groove shape). However, these shapes may differ from each other. For example, to reduce the thermal interference described above, the phosphor aperture and the substrate aperture may have the same cross groove shape, but the radiator aperture may have one or more circular holes or corners connecting the substrate aperture and the phosphor aperture. It may have a hole shape. That is, the shape of the radiator opening is not limited as long as it is connected to the phosphor opening through the substrate opening. Further, the substrate aperture preferably has the same shape as the phosphor aperture, but may have a different shape from the phosphor aperture.
以上説明した各実施例は代表的な例にすぎず、本発明の実施に際しては、各実施例に対して種々の変形や変更が可能である。 Each embodiment described above is merely a representative example, and various modifications and changes can be made to each embodiment in carrying out the present invention.
10 プロジェクタ
20 第1の光源光学系
25 蛍光体ユニット
2510 蛍光体
2512 スポット部
2520 基板
2530 放熱器
2550 開口
10
Claims (9)
前記光源から発せられた励起光を波長変換する波長変換素子と、
前記波長変換素子に対して前記励起光の照射側とは反対側に配置された放熱部材とを有し、
前記励起光は、前記波長変換素子における互いに離間した複数の被照射部に照射され、
前記波長変換素子は、前記複数の被照射部の間に第1の開口を有し、
前記放熱部材は、前記第1の開口に繋がる第2の開口を有することを特徴とする光源装置。 a light source;
a wavelength conversion element that converts the wavelength of excitation light emitted from the light source;
a heat dissipation member disposed on the side opposite to the irradiation side of the excitation light with respect to the wavelength conversion element,
The excitation light is applied to a plurality of irradiated portions separated from each other in the wavelength conversion element,
The wavelength conversion element has a first opening between the plurality of irradiated parts,
The light source device, wherein the heat dissipation member has a second opening connected to the first opening.
前記第1の開口は、前記波長変換素子の一部に形成されていることを特徴とする請求項1または2に記載の光源装置。 The wavelength conversion element is a single element,
3. The light source device according to claim 1, wherein said first opening is formed in a part of said wavelength conversion element.
前記第1の開口は、前記複数の素子が互いに離間して配置されることで形成されることを特徴とする請求項1または2に記載の光源装置。 The wavelength conversion element is composed of a plurality of elements each including the irradiated portion,
3. The light source device according to claim 1, wherein the first opening is formed by arranging the plurality of elements apart from each other.
前記基板は、前記第1および第2の開口に繋がる第3の開口を有することを特徴とする請求項1から4のいずれか一項に記載の光源装置。 a substrate holding the wavelength conversion element is arranged between the wavelength conversion element and the heat radiation member;
5. The light source device according to any one of claims 1 to 4, wherein the substrate has a third opening communicating with the first and second openings.
前記冷媒が前記第2の開口および前記第1の開口を通って前記照射側に流れることを特徴とする請求項1から5のいずれか一項に記載の光源装置。 Having a coolant flow generating means for generating a flow of a coolant for cooling the heat radiating member,
The light source device according to any one of claims 1 to 5, wherein the coolant flows through the second opening and the first opening to the irradiation side.
前記冷媒は、前記基盤部から前記フィン部が延びる方向から前記放熱部材に向かって流れることを特徴とする請求項6に記載の光源装置。 The heat dissipation member has a base portion having the second opening and a plurality of fin portions extending from the base portion,
7. The light source device according to claim 6, wherein the coolant flows from the base portion toward the heat radiating member in a direction in which the fin portion extends.
前記波長変換素子からの波長変換光を用いて生成された照明光を変調する光変調素子とを有し、
前記光変調素子により変調された光を投射して画像を表示することを特徴とする画像投射装置。 a light source device according to any one of claims 1 to 8;
a light modulation element that modulates illumination light generated using the wavelength-converted light from the wavelength conversion element;
An image projection apparatus for displaying an image by projecting light modulated by the light modulation element.
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