JP2023072374A - 光源装置および投射型表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、筐体に収容された波長変換部材の温度上昇を抑えることができる光源装置を提供することを目的とする。【解決手段】 本発明の光源装置は、励起光の波長を変換する波長変換部材と、前記波長変換部材を保持する基板と、前記励起光または前記波長変換部材からの光が透過する光学部材と、前記波長変換部材を収容する筐体と、前記光学部材を保持する光学保持部材と、前記波長変換部材からの熱を伝達する熱伝導部材を有し、前記熱伝導部材は前記波長変換部材または前記基板と前記光学保持部材の間に配置されていることを特徴とする。【選択図】 図３

Description

本発明は、光源装置および投射型表示装置に関する。

従来、投射型表示装置で用いられる光源装置として、レーザ光源（以下、ＬＤ光源）から照射された励起光を波長変換部材としての蛍光体に照射することにより、白色光を生成するものが知られている。このような光源装置は、防塵のために励起光が透過する光学部材（ガラス部材）、蛍光体を保持する基板、筐体などの部材によって、密閉した空間が形成される。

その一方で、励起光が照射されることで蛍光体は発熱するが、蛍光体による励起光の変換効率を上げるためには蛍光体の温度上昇を抑える必要がある。温度上昇を抑えるため、蛍光体に放熱部材を設けて冷却風によって冷却するものや、蛍光体を回転させることで、温度上昇を抑えるものがある。

例えば、特許文献１は、防塵のために密閉空間に配置された蛍光体の温度上昇を抑制するために、密閉空間を形成しているケーシングの熱を放熱させる光源装置が開示されている。

特開２０１４－１４６０５６号公報

しかしながら、特許文献１は、密閉空間を形成しているケーシングの熱を放熱させようとするが、発熱している蛍光体からケーシングまでは距離が離れているため、十分に蛍光体で発生する熱を放熱させることが困難であった。

そこで、本発明の目的は、筐体に収容された波長変換部材の温度上昇を抑えることができる光源装置を提供することである。

本発明の光源装置は、励起光の波長を変換する波長変換部材と、前記波長変換部材を保持する基板と、前記励起光または前記波長変換部材からの光が透過する光学部材と、前記波長変換部材を収容する筐体と、前記光学部材を保持する光学保持部材と、前記波長変換部材からの熱を伝達する熱伝導部材を有し、前記熱伝導部材は前記波長変換部材または前記基板と前記光学保持部材の間に配置されていることを特徴とする。

本発明によれば、筐体に収容された波長変換部材の温度上昇を抑えることができる光源装置を提供することができる。

光源装置の全体構成図 光源装置の蛍光体ユニット部の構成図 光源装置の蛍光体ユニット部の分解図 光源装置の光学系の構成図 光源装置の蛍光体ユニット部の断面図 熱伝導部材を示す図 吸熱部が形成された熱伝導部材の断面図 放熱部材が形成された熱伝導部材の断面図 投射型表示装置の構成図

以下、本発明の好ましい実施形態を添付の図面に基づいて詳細に説明する。なお、各図において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。図１から図５を用いて本発明の実施形態にかかわる光源装置１００の構成について説明する。

図１は光源装置１００の全体の構成を示した全体構成図である。図２は光源装置１００の波長変換部材としての蛍光体２１周辺の蛍光体ユニット部の構成を示した構成図である。図３は光源装置１００の波長変換部材としての蛍光体２１周辺の蛍光体ユニット部の分解図である。図４は光源装置１００の光学系の構成図である。図５は光源装置１００の蛍光体ユニット部の断面図である。図１に示すように、光源装置１００は光源ユニット部１と蛍光体ユニット部２と出力導光部３に分けられる。

光源ユニット部１の構成について説明する。励起光としてのＬＤ光源１１の熱を放熱する放熱手段としてのＬＤヒートシンク１２とＬＤ光源１１から蛍光体ユニット部２への導光部材を保持する光源筐体部とによってＬＤ光源１１を内包した密閉空間を有している。

蛍光体ユニット部２の構成について説明する。図３に示すように蛍光体ユニット部２は、ＬＤ光源１１からの光を励起光として蛍光変換する蛍光体２１（波長変換部材）、蛍光体２１を不図示の接着によって保持する銅合金プレート２２（基板）、放熱部材として蛍光体ヒートシンク２３を有する。蛍光体ヒートシンク２３は、蛍光体２１で発生した熱を放熱する放熱部材として不図示の熱伝導グリスを狭持してねじによって銅合金プレート２２に締結保持される。

さらに蛍光体ユニット部２は、蛍光体２１へ励起光を入射および蛍光体２１で蛍光変換した蛍光光を集光する光学部材としての集光レンズ２４と集光レンズ２４を保持する光学保持部材２５を有する。蛍光体ユニット部２は、蛍光体ヒートシンク２３と集光レンズ２４、光学保持部材２５、２つの筐体２７と筐体２８によって防塵のために密閉空間を形成する。また、蛍光体ユニット部２は熱伝導部材としての熱伝導プレート２６が配置されている。熱伝導プレート２６は、金属であって、特に銅材のプレートであり、銅合金プレート２２と集光レンズ２４の間に配置されている。また、熱伝導プレート２６は集光レンズ２４を透過した励起光や蛍光体２１からの蛍光光が通過する開口２６１が形成されていてもよい。１枚であってもよいし、複数に分割されていてもよく、筐体２７と筐体２８の間に狭持されることで保持されている。

本実施形態において熱伝導プレート２６は、筐体２７と筐体２８の間に狭持されることで保持されている。また、熱伝導プレート２６は、複数に分割されていてもよく、筐体２７もしくは筐体２８の一部として熱伝導プレート２６が形成されてもよい。また、熱伝導プレート２６は銅合金プレート２２と集光レンズ２４の間に配置されたが、蛍光体２１と集光レンズ２４の間に配置されてもよい。

出力導光部３の構成について説明する。図１に示すように、出力導光部３は蛍光体ユニット部２からの光を平行化する光学部材３１と、光学部材３１を保持する出力筐体部３２を有し、蛍光体ユニット部２と共に密閉空間を形成している。

図４は本実施形態における光源装置１００の光学系の構成を説明する構成図である。光源装置１００の光学系は、蛍光体２１、ＬＤ光源１１、角度分離素子１３、反射ミラー部２４１、光学部材３１および集光用レンズ部２４２から構成される。

ＬＤ光源１１は複数配置されていてもよく、ＬＤ光源１１から出射された励起光Ｂ１（図４に実線で示した矢印）はそれぞれ平行光束として角度分離素子１３に入射する。角度分離素子１３は特定波長（ここでは青色域光）の光束に対して、所定角度以上の角度で入射する光束を反射し、それ所定角度以下の角度で入射する光束を透過する角度特性を有する光学素子である。角度分離素子１３で反射された励起光Ｂ１は反射ミラー部２４１の凹面で反射し光束を絞られて再度、角度分離素子１３に向かって入射する。角度分離素子１３は前述の角度特性に従って反射ミラー部２４１から入射した励起光Ｂ１を透過し、光学部材３１へと導く。

ここで光学部材３１の蛍光体２１側のレンズ面３１１の一部には４７０ｎｍ以下の波長帯域の光は反射し、４７０ｎｍ以上の波長帯域の光は透過する分光特性をもつダイクロイック膜が施されている。このダイクロイック膜は、レンズ面３１１の一部に形成されており、レンズ面３１１の全面に形成されていない。励起光Ｂ１は光学部材３１２と蛍光体２１の間に配置されたダイクロイック膜を反射し、集光用レンズ部２４２でさらに集光されて蛍光体２１に入射する。蛍光体２１に入射した励起光Ｂ１の一部は蛍光体２１に吸収され、蛍光体２１を励起する。そして、４８０ｎｍ～７００ｎｍまでの幅広い波長成分を含む蛍光光Ｙ（図４に白抜きで示した矢印）に変換されて集光用レンズ部２４２に向けて出射する。また、励起光Ｂ１の一部は蛍光体２１によって波長変換されずに、蛍光体２１に所定の比率で配合された拡散材に拡散される。そのため、励起光Ｂ１の一部が蛍光体２１で拡散され、拡散光Ｂ２（図４に点線で示した矢印）として集光用レンズ部２４２に向けて出射する。

拡散光Ｂ２はレンズ面３１１のうちダイクロイック膜が形成されていない領域を通過する。また、蛍光光Ｙは集光用レンズ部２４２を通過し、レンズ面３１１のうちダイクロイック膜が形成されている領域も含めてレンズ面３１１を通過する。そして、蛍光光Ｙおよび拡散光Ｂ２は平行光として光源装置１００から出射される。本実施形態の光源装置１００として、ＬＤ光源１１、蛍光体２１、集光レンズ２４の集光用レンズ部２４２を有していればよく、上述した光学系に限られない。

（熱伝導部材の構成）
ＬＤ光源１１の光を励起した蛍光体２１は蛍光変換の際に発熱する。蛍光体２１の発熱は励起光の蛍光体２１への入射形状より、１ｍｍ角程度の極小領域で発熱し、蛍光体２１の熱伝導率は０．１から２０Ｗ／ｍ・Ｋ程度なので、局所的な昇温が支配的となる。また、蛍光体２１での蛍光変換による発熱だけでなく、集光レンズ２４を透過する励起光や蛍光光の吸収により、集光レンズ２４が発熱する。また、図５に示すように蛍光体ユニット部２に配置された蛍光体２１の発熱の影響は周辺に配置された部品にも影響を及ぼす。そのため、有効光路でない部分の光により、集光レンズ２４を保持する光学保持部材２５などの周辺部品も発熱する。加えて、蛍光体２１と熱的に接続された銅合金プレート２２も蛍光体２１の熱を熱伝導するために昇温する。

このように蛍光体ユニット部２の内部で生じる発熱や昇温は、防塵のための筐体２７と筐体２８によって密閉されているため、密閉された空間の内部に熱がこもる。内部にこもった熱により、蛍光体２１の温度上昇を助長すると同時に放熱性も阻害する。筐体２７と筐体２８は金属で製作されているため密閉外部との熱交換によって内部にこもった熱を放熱する。

しかし、蛍光体２１の昇温は局所的なため、蛍光体２１近傍の空気も局所的に温度上昇している。そこで本実施形態の光源装置（蛍光体ユニット部２）は、局所的な発熱源である蛍光体２１の近傍に熱伝導プレート２６が配置される。具体的には、蛍光体２１と集光レンズ２４の間や、銅合金プレート２２（基板）と集光レンズ２４の間に熱伝導プレート２６（熱伝導部材）が配置される。熱伝導プレート２６（熱伝導部材）は、アルミまたは銅を含む金属材料で形成されている。

熱伝導プレート２６は、蛍光体２１への励起光および励起光によって蛍光変換した蛍光光Ｙが通過する矩形状の開口２６１を有する。例えば、開口２６１は蛍光変換後の蛍光光Ｙの９７％以上通過する開口の大きさであり、集光レンズ２４による蛍光光Ｙの取り込み量を減少させず、蛍光光Ｙおよび拡散光Ｂ２の吸収による温度上昇も抑制する効果を有する。このように、蛍光体２１と集光レンズ２４の間に熱伝導プレート２６を配置する場合、励起光が蛍光体２１に入射する方向に沿って見たとき、励起光が照射される蛍光体２１の領域を囲むように熱伝導プレート２６を配置するのが望ましい。ここでは、開口２６１の形状を矩形状としたが、開口の形状は矩形に限らず、円形や多角形でもよい。

熱伝導プレート２６と集光レンズ２４の距離は、熱伝導プレート２６と銅合金プレート２２（蛍光体２１）の距離以上であることが望ましい。熱伝導プレート２６は、集光レンズ２４と銅合金プレート２２の間に配置されるが、集光レンズ２４より蛍光体２１に近い位置に配置されることで、蛍光体２１により近づき局所的に昇温した空気を効率的に吸熱できる。

また、本実施形態の蛍光体ユニット部２は、図２および図５に示すように、筐体２７と筐体２８に挟持された熱伝導プレート２６は密閉空間の外部に一部が突出するように配置されている。筐体の内部と外部は、熱伝導プレート２６でつながっており、密閉空間の外部の空気と熱交換することができるため冷却効率が向上する。このように熱伝導プレート２６は、蛍光体２１で発生した熱を筐体の外部に伝達する。

図６は熱伝導プレート２６（熱伝導部材）を示す図である。図６に示すように、熱伝導プレート２６の一部に断熱部材２６２として断熱材を塗布した領域を設けてもよい。熱伝導プレート２６に設けられた断熱部材２６２は、開口２６１の周囲に配置され、少なくとも銅合金プレート２２と集光レンズ２４の間の領域以外に配置される。このように筐体の内部の熱伝導プレート２６に断熱部材２６２を配置することで、密閉した空間の内部の熱の影響を受けにくく、密閉した空間の外部との温度差が熱伝導プレート２６内に生じにくくすることができる。そのため、蛍光体２１の近傍の空気を効果的に吸熱することができる。

次に、図７と図８を用いて更に吸熱効果および放熱効果を有する蛍光体ユニット部２について説明する。図７および図８は蛍光体ユニット部２の断面図である。

図７に示すように、熱伝導プレート２６は密閉した空間の内部、特に蛍光体２１の近傍に、金属板を重畳した吸熱部２６３が形成されている。熱伝導プレート２６に形成された吸熱部２６３により、蛍光体２１の周辺の空気を効率よく吸熱する。吸熱部２６３は熱伝導プレート２６の開口２６１と断熱部材２６２の間に配置される。

図８に示すように、熱伝導プレート２６は筐体の外部（密閉した空間の外部）に、金属板を重畳した放熱部材２６４が形成されている。熱伝導プレート２６に放熱部材２６４が接続することで、蛍光体２１の近傍で発生した熱を密閉した空間の外部へ効率よく放熱することができる。放熱部材２６４は熱伝導プレート２６の断熱部材２６２より外側であって、密閉した空間の外部に配置される。放熱部材２６４は金属板を重畳する代わりにペルチェ素子を用いてもよい。

これにより、熱伝導プレート２６は、励起光が照射された蛍光体２１の近傍で局所的に昇温した空気の熱を吸熱することで、蛍光体２１の近傍の温度上昇を抑制することができる。熱伝導プレート２６は、蛍光体２１の近傍で局所的に昇温した空気を吸熱することで、蛍光体２１と周辺空気との温度差が大きくなり蛍光体２１の温度上昇を効率的に抑制することができる。また、熱伝導プレート２６は、集光レンズ２４や光学保持部材２５、銅合金プレート２２（基板）と間隔を空けて配置されることで他の部品からの熱を吸熱することなく蛍光体２１の発熱している領域の周辺の空気を効率的に吸熱することができる。

このように、光源装置の筐体に収容された蛍光体２１（波長変換部材）の温度上昇を抑えることで、波長変換部材の光変換効率を向上することができる。

本実施形態において、熱伝導プレート２６は筐体２７と筐体２８に狭持されている構成について説明したが、熱伝導プレート２６は筐体２７もしくは筐体２８と一体で形成されていてもよい。

（投射型表示装置の構成）
図９に上述した光源装置１００（蛍光体ユニット部２）を用いた投射型表示装置１０００（プロジェクタ）の構成を示す。図９は投射型表示装置１０００の全体構成図である。投射型表示装置１０００は、外装筐体６００の内部に光源装置１００、照明光学系２００、画像生成部３００、投射光学系４００、制御基板５００を備える。

投射型表示装置１０００において光源装置１００からの光は、照明光学系２００を介して画像生成部３００に照射される。光源装置１００は、上述した蛍光体ユニット部２を備えており、蛍光体ユニット部２からの蛍光光を含む光が照射される。照明光学系２００はシリンダアレイ等のガラス部材を有し、複数の矩形形状の像が重なった形で矩形の均一な照明エリアが形成される。照明光学系２００は、光センサが配置されており、照明光学系２００内の微小な漏れ光、または透過光を検出することで、赤色（Ｒ）光量、緑色（Ｇ）光量、青色（Ｂ）光量を検出することができる。

画像生成部３００は照明光学系２００でＰ偏光Ｓ偏光に分けられた光をＲ、Ｇ、Ｂ各色に分解し、Ｒ、Ｇ、Ｂ各色に対応して設けられた画像生成素子によって、光を反射するとともに画像変調することで画像生成を行う。画像生成素子は、投射型表示装置１０００の外部からの画像信号（入力データ）に応じて駆動することで画像を生成する。また、画像生成素子は、反射型に限らず透過型の画像生成素子であってもよい。色毎に生成された画像は、再度Ｒ、Ｇ、Ｂ光を合成する光学部品によって合成されたのち、投射光学系４００に導かれる。投射光学系４００によって画像の拡大、焦点変動が行われ、投射型表示装置１０００は、被照射面であるスクリーンに画像を投影する。なお、投射光学系４００は投射レンズを含んでおり、投射型表示装置１０００に対して着脱可能であってもよい。

また、投射型表示装置１０００には光源装置１００の電力供給や画像生成素子への信号を処理するなど、投射型表示装置１０００を駆動するための制御基板５００（制御部）を備える。

本実施形態の投射型表示装置１０００の光源装置１００は、上述した蛍光体ユニット部２を備えており、これより蛍光体２１の周辺空気の熱を吸熱することで、蛍光体２１の温度上昇を抑え、蛍光体２１の光変換効率を向上することができる。よって、光源装置１００からの光出力を上げることができ、より明るい光源装置１００を提供することができる。

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 光源ユニット部
２ 蛍光体ユニット部（光源装置）
２１ 蛍光体（波長変換部材）
２２ 銅合金プレート（基板）
２３ 蛍光体ヒートシンク
２４ 集光レンズ（光学部材）
２５ 光学保持部材
２６ 熱伝導プレート
２７ 筐体
２８ 筐体
１００ 光源装置
１０００ 投射型表示装置

Claims (15)

1. 励起光の波長を変換する波長変換部材と、
   前記波長変換部材を保持する基板と、
   前記励起光または前記波長変換部材からの光が透過する光学部材と、
   前記波長変換部材を収容する筐体と、
   前記光学部材を保持する光学保持部材と、
   前記波長変換部材からの熱を伝達する熱伝導部材を有し、
   前記熱伝導部材は前記波長変換部材または前記基板と前記光学保持部材の間に配置されていることを特徴とする光源装置。
2. 前記熱伝導部材は前記波長変換部材または前記基板と前記光学部材の間に配置されることを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
3. 前記熱伝導部材は、前記筐体の外部にまでつながっ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。
4. 前記熱伝導部材は、前記筐体の外部に放熱部材が形成されていることを特徴とする請求項３に記載の光源装置。
5. 前記熱伝導部材は開口が形成されており、前記波長変換部材からの光が前記開口を通過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。
6. 前記熱伝導部材に形成された前記開口は、前記光学部材を透過した前記励起光を通過させることを特徴とする請求項５に記載の光源装置。
7. 前記熱伝導部材は、前記開口の周囲に吸熱部が形成されることを特徴とする請求項５または６に記載の光源装置。
8. 前記熱伝導部材は、前記吸熱部と前記筐体の間に断熱部材が配置されていることを特徴とする請求項７に記載の光源装置。
9. 前記基板、前記光学部材および前記光学保持部材の少なくとも１つと前記筐体を用いて前記波長変換部材が密閉されることを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の光源装置。
10. 前記熱伝導部材と前記光学部材の距離は、前記熱伝導部材と前記基板の距離よりも長いことを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の光源装置。
11. 前記熱伝導部材と前記光学部材の距離は、前記熱伝導部材と前記波長変換部材の距離よりも長いことを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の光源装置。
12. 前記熱伝導部材は、前記波長変換部材、前記基板、前記光学部材、前記光学部材を保持する光学保持部材と間隔を空けて配置されていることを特徴とする請求項１から１１のいずれか一項に記載の光源装置。
13. 前記筐体の外部に、前記波長変換部材の熱を放熱する放熱部材が設けられていることを特徴とする請求項１から１２のいずれか一項に記載の光源装置。
14. 前記熱伝導部材は、アルミまたは銅を含む金属材料であることを特徴とする請求項１から１３のいずれか一項に記載の光源装置。
15. 請求項１から１４のいずれか一項に記載の光源装置と、
    前記光源装置からの光を入力データに応じて画像を生成する画像生成素子を備えることを特徴とする投射型表示装置。

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