JP2023078900A - 光源装置および投射型表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、複数の光源を含む光源装置の熱を大型化することなく放熱す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、第１発光素子と、前記第１発光素子から出射する光の波長とは異なる波長の光を出射する第２発光素子と、前記第１発光素子と接触する第１基板と、前記第２発光素子と接触する第２基板と、前記第１基板に接続され、前記第１発光素子からの熱を放熱する第１放熱部と、前記第２基板に接続され、前記第２発光素子からの熱を放熱する第２放熱部を有し、前記第１基板と前記第２放熱部が接続され、前記第１基板は、ヒートパイプまたはベイパーチャンバーを含むことを特徴とする。【選択図】 図２

Description

本発明は、光源装置および投射型表示装置に関する。

プロジェクタなどの投射型表示装置において、光源のメンテンナンス頻度を低減するために長寿命であるレーザーダイオード（ＬＤ）等の固体光源を採用する装置が知られている。特に色域を重視する投射型表示装置においては、ＲＧＢの３色光源や白色光源に赤色光源を追加した光源装置が用いられている。このような光源装置を備える投射型表示装置は、複数の画像表示モードを有し、画像表示モードに応じて光源装置の出力モードが切り替わる。

その一方で、光源装置の出力の上限を制約する要件の一つとして光源装置の冷却能力があげられる。固体光源は、光の出射時に多くの熱が発生する。また、固体光源は温度によって光源の寿命及び光の出力効率に影響を受ける。このため、光源装置の出力を大きくするために光源装置の冷却能力を向上する必要があり、光源装置が大型化する恐れがある。特許文献１には、光源装置の大型化を抑制するために、複数の光源を一つの放熱器で冷却する照明装置が開示されている。

特開２００６－１７８３５０号公報

しかしながら、一つの放熱器に複数の光源を接続した場合、相互に発熱の影響があるため、光源装置の出力モードに応じて光源ごとに冷却を最適化する方法は従来知られていなかった。そのため、光源装置の各出力モードに応じて光源を冷却することが困難であった。

そこで、本発明の目的は、複数の光源を含む光源装置の熱を大型化することなく放熱する光源装置を提供することである。

本発明の光源装置は、第１発光素子と、前記第１発光素子から出射する光の波長とは異なる波長の光を出射する第２発光素子と、前記第１発光素子と接触する第１基板と、前記第２発光素子と接触する第２基板と、前記第１基板に接続され、前記第１発光素子からの熱を放熱する第１放熱部と、前記第２基板に接続され、前記第２発光素子からの熱を放熱する第２放熱部を有し、前記第１基板と前記第２放熱部が接続され、前記第１基板は、ヒートパイプまたはベイパーチャンバーを含むことを特徴とする。

本発明によれば、複数の光源を含む光源装置の熱を大型化することなく放熱する光源装置を提供することができる。

第一実施形態の光源装置の光学構成を示す図 第一実施形態の光源放熱器の構成を示す図 第一実施形態のベイパーチャンバーの発熱量と熱伝導率の関係を説明する図 第一実施形態のベイパーチャンバーの発熱量と熱伝導率の測定結果を示す図 第一実施形態の投射型表示装置の光学構成を示す図 第二実施形態の光源装置の光学構成を示す図 第二実施形態の光源放熱器の構成を示す図

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。本発明は、光源装置および投射型表示装置に関するものである。特に固体光源を用いた光源装置の冷却に関するものである。

（第一実施形態）
図１は、第一実施形態の光源装置１８０の光学構成を示す図である。光源装置１８０は、複数の発光素子（光源）として第１発光素子３１、第２発光素子３２、第３発光素子３３を備える。第１発光素子３１、第２発光素子３２、第３発光素子３３は互いに波長の異なる光を出射する。第１発光素子３１は、例えば緑色レーザーダイオードのように最も明るさに寄与する色光を出射する。第２発光素子３２は、例えば赤色レーザーダイオードの様なホワイトバランスを重視する際により出力を高めたくなる色光を出射する。第３発光素子３３は、例えば青色レーザーダイオード等である。光源装置１８０は、第１発光素子３１、第２発光素子３２、第３発光素子３３からの三色の色光を同時または時分割で出射することで白色を作り出すことができる。

各発光素子から出射した光は、発光素子の直後に配置されたコンデンサレンズによって平行光となる。第１発光素子３１からの第１の光１０１は、コンデンサレンズ４１、４２を透過し、第１ダイクロミラー５１及び第２ダイクロミラー５２を透過し、光源装置１８０から出射される。第２発光素子３２からの第２の光１０２は、コンデンサレンズ４３、４４を透過し、第２ダイクロミラー５２で反射して、光源装置１８０から出射される。第３発光素子からの第３の光１０３は、コンデンサレンズ４５、４６を透過し、第１ダイクロミラー５１で反射して、第２ダイクロミラー５２を透過し、光源装置１８０から出射される。

図２は、第一実施形態の光源放熱器の構成を示す図である。図２に示すように光源装置１８０は、第１発光素子３１で発生する熱を放熱する第１光源放熱器６１と第２発光素子３２で発生する熱を放熱する第２光源放熱器６２が設けられている。第１発光素子３１は、第１基板６１１と接触しており、第２発光素子３２は、第２基板６２１と接触している。

第１光源放熱器６１は、第１基板６１１及び第１放熱部６１２（フィン部）から構成されている。第１基板６１１は、板状の形状をしており、ヒートパイプやベイパーチャンバー等の部材内部に設けられた空洞内の液体の蒸発や凝縮の作用によって熱を伝導する部材で構成されている。第１基板６１１は、熱伝導性を有する基板であり、液体の蒸発及び凝縮の作用によって熱伝導率が変化する。第１放熱部６１２は、アルミや銅等の熱伝導性を有する複数の金属板を積層することによって構成されている。例えば、第１放熱部６１２の熱伝導率は、１００～５００Ｗ／ｍ・Ｋ程度である。なお、第１放熱部６１２は、金属板ではなく押し出し成型等で形成される複数の棒状のピン形状であってもよい。第１基板６１１と第１放熱部６１２は、カシメ加工、ハンダ付け、接着等手段で接続されている。なお、第１放熱部６１２に複数の金属板やピン形状の集合体を接続するベース部を形成し、ネジ等で第１基板６１１に固定してもよい。第１発光素子３１は、不図示のケースや基板に配置された状態で、熱伝導グリスや熱伝導接着剤やハンダ等の不図示の熱伝導部材を介して第１基板６１１に接続される。

第２光源放熱器６２は、第２基板６２１及び第２放熱部６２２（フィン部）から構成されている。第２基板６２１は、熱伝導性を有する基板であり、板状の熱伝導率の高い部材で構成されている。例えば、第２基板６２１は、アルミや銅などの金属板、ベイパーチャンバーを適用することができる。第２放熱部６２２は、第１放熱部６１２と同様の構成となる。第２基板６２１と第２放熱部６２２の接続方法も、第１光源放熱器６１と同様の構成となる。なお、第２基板６２１と第２放熱部６２２は金属部材で一体に形成されていてもよい。第２発光素子３２は、不図示のケースや基板に配置された状態で、熱伝導グリスや熱伝導接着剤やハンダ等の不図示の熱伝導部材を介して第２基板６２１に接続される。第２基板６２１及び第２放熱部６２２の熱伝導率は、金属板を用いた場合、１００～５００Ｗ／ｍ・Ｋ程度である。

これら第１光源放熱器６１及び第２光源放熱器６２は不図示のファンによる強制対流の効果によって冷却される。なお、発熱量が小さい条件においてはファンがない状態で自然対流の効果で冷却してもよい。なお、光源装置は、第１発光素子３１と第２発光素子３２の出力モードを制御する不図示の制御基板（電気基板）を有する。

図３は、第一実施形態のベイパーチャンバーの発熱量と熱伝導率の関係を測定した実験の概略を示す図である。ベイパーチャンバー８０に発熱体８１を配置し、面内の任意の２点を第１の測定点８２と第２の測定点８３として設定する。設定された任意の２点の温度差及び距離と発熱量からベイパーチャンバー８０の熱伝導率を算出することができる。

図４は、図３のベイパーチャンバー８０の発熱量と熱伝導率の測定結果を示す図である。図４に示すように、ベイパーチャンバー８０は、発熱体８１からの発熱量（入熱）を大きくすることで熱伝導率が高くなる。これは、ベイパーチャンバー内部の液体が蒸発するには一定以上の発熱量が必要であり、その条件を満した時に熱伝導率が高くなることを示している。熱伝導率は、図３の点線が示すように発熱体８１を中心に放射状に広がっていく。よって、発熱体８１からの距離が遠くなるにしたがって断面積が増加し熱流束が小さくなっていく。つまり、発熱体８１から遠い点ほど、熱伝導率の変化が起こりやすくなることを示している。図３に示す第２の測定点８３は、第１の測定点８２よりも熱伝導率の変化が起こりやすい。このように、第１基板６１１の熱伝導率は、発熱体の入熱量に応じて１００～３０００Ｗ／ｍ・Ｋの範囲で大きく変化する。

また、このときベイパーチャンバーやヒートパイプを含む第１基板６１１に接続されている第１放熱部６１２の熱伝導率はほとんど変化しない。そのため発熱体８１として第１発光素子３１の発熱量が大きいほど、第１基板６１１の熱伝導率と第１放熱部６１２の熱伝導率の差が大きくなる。

図２に示すように第１光源放熱器６１と第２光源放熱器６２は、接続部７０を介して接続されている。接続部７０は、第１基板６１１と第２放熱部６２２に不図示の熱伝導グリスや熱伝導接着剤やハンダ等の熱伝導部材によって接続されている。第１基板６１１の材質であるベイパーチャンバーには、上述の通り発熱体（図２では第１発光素子３１）の発熱量と発熱体からの距離に応じて熱伝導率が変化する特徴がある。一方で、第１基板６１１は第２基板６２１と離間している。

したがって、第１発光素子３１の発熱量が大きい時には接続部７０まで熱伝導率が高い状態となり、第２放熱部６２２まで熱伝導することができる。一方で、第１発光素子３１の発熱量が小さい時には接続部７０は熱伝導率が低い状態となり、第２放熱部６２２に伝わる熱が減少する。

（投射型表示装置の構成）
図５は、第一実施形態の光源装置１８０を用いた投射型表示装置２００（プロジェクタ）の構成を示す図である。投射型表示装置２００は、外装筐体の内部に光源装置１８０、照明光学系１５０、画像形成部１６０、投射光学系１７０を備える。投射型表示装置２００は、光源装置１８０から出射された光が照明光学系１５０を介して画像形成部１６０を照射し、入力信号に応じて形成された画像を投射光学系１７０によって投射する。

照明光学系１５０は、光センサが配置されていてもよく、照明光学系１５０内で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。

画像形成部１６０には、デジタルミラーデバイス（ＤＭＤ）等の微小ミラーの反射方向を調整することで画像を形成する手段や、透過型液晶素子や反射型液晶素子の電圧により液晶の配向を調整することで画像を形成する手段がある。画像形成部１６０は、画像生成素子によって、光を透過または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２００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、これらの画像生成素子の素子ごとの明るさを調整することで画像形成部１６０は画像を形成する。また、多くの投射型表示装置は、投射光の明るさを重要な性能となっているため、各色光源の出力比率は被視感度が高い緑色光が最も高いことが知られている。

色毎に生成された画像は、投射光学系１７０に導かれる。投射光学系１７０によって画像の拡大、焦点変動が行われ、投射型表示装置２００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１７０は投射レンズを含んでおり、投射型表示装置２００に対して着脱可能であってもよい。

投射型表示装置２００は、用途に合わせて画像表示モードを選択できる技術が知られている。また、画像表示モードごとにホワイトバランスを最適化することが望ましい。例えば、明るさ優先のモードのホワイトバランスは、緑色光の割合を他の色光に対して増やす。そして、色再現性を優先するモードのホワイトバランスは、通常の出力比率で不足しがちな赤色光の割合を増やすことが望ましい。つまり、画像表示モードに応じて、光源装置の出力モードを最適化できることが求められている。

一方で光源装置の出力上限を制約する要件の一つとして光源装置の冷却能力があげられる。光源装置に含まれる固体光源は、光の出射時に大きな発熱量を発生することが知られている。さらに、固体光源は温度によって寿命及び出力効率に影響する。このため、従来の光源装置は光量の出力を大きくするために光源装置の冷却能力を向上する必要があり、光源装置の大型化に繋がる可能性があった。したがって、投射型表示装置の画像表示モードに応じたホワイトバランスの最適化と小型化を両立できる光源装置が求められている。

本実施形態の光源装置１８０では、第１基板６１１をベイパーチャンバーで構成し、第１基板６１１と第２放熱部６２２を接続部７０で接続する構成となっている。そして、最も出力比率が大きく発熱量も大きい緑色光の波長帯域の光を出射する発光素子を第１発光素子３１として第１基板６１１に配置する。また、第２発光素子３２として赤色光（または青色光）の波長帯域の光を出射する発光素子を第２基板６２１に配置する。

これにより、明るさを優先するモードでは緑色光の第１発光素子３１の発熱量が高くなり、第１発光素子３１で発生した熱は第１基板６１１を介して接続部７０に伝わる。このため、第１発光素子３１の放熱に第１放熱部６１２に加えて第２放熱部６２２の接続部７０周辺の領域も使用することができる。また、色再現性を優先するモードでは、緑色光の発光素子の発熱量が低くなり、接続部７０への熱伝導が低減されるため、第２放熱部６２２全体を第２発光素子３２の放熱に使用することができる。したがって、それぞれの発光素子に対して個別に放熱器を設ける場合に比べて光源装置を小型化することができる。

なお、第２発光素子３２は青色光の発光素子であってもよく、明るさを優先するモードから色再現性を優先するモードに切り替えた際に発熱量が増加する発光素子であればよい。

接続部７０は、第１基板６１１の第１放熱部６１２が設けられた第１面９１とは異なる面に設けられることが望ましい。第１基板６１１の第１面９１に接続部７０を設けてしまうと、第１放熱部６１２の表面積が減少するため、第１発光素子３１の冷却効率が低下する恐れがある。

さらに、投射型表示装置の小型化について重要な要素として、光源装置の高さに影響を受ける。投射型表示装置は略直方体の形状のため、光源装置の高さが高くなった場合には投射型表示装置の筐体全体の高さ（サイズ）に影響を受けてしまう。つまり、体積が同等の光源装置であれば、高さが低い光源装置の方が投射型表示装置の小型化の観点で望ましい。図２に示した光源装置１８０の構成では、接続部７０が設けられる面は、第１基板６１１における第１発光素子３１及び第２発光素子３２の形成する面に略垂直な面となっている。これにより、接続部７０を設けるために光源装置１８０の高さを高くする必要がないため、小型化に有利である。

また、本実施形態のように第１発光素子３１と第２発光素子３２が異なる方向に光を出射する（角度を有する）光学系の場合、第１面９１の反対側の面に接続部７０を設けると第１基板６１１の厚みを薄くすることができるため、小型化に有利である。第１基板６１１はベイパーチャンバーを使用しているため、発熱体（第１発光素子３１）からの放射方向の熱伝導率は第１基板６１１の厚みにほとんど影響されない。つまり、第１基板６１１の厚みを薄くすることができるため、光源装置１８０を小型化することができる。

なお、図２に示した本実施形態の光源装置１８０には、第３発光素子３３に接続された光源放熱器（第３光源放熱器）に関する記載を省略している。本実施形態の光源装置１８０に設けられた第３発光素子３３（第３光源放熱器）は、第２光源放熱器６２と同様に第１光源放熱器６１に対して接続部を設けることができる。これにより、第１発光素子３１の放熱に第２光源放熱器６２と第３光源放熱器を使用することができ、同様の効果を得ることができる。

このように、本実施形態の光源装置は、投射型表示装置の画像表示モードに応じた光源の出力モードに設定することができ、ホワイトバランスを最適化しつつ光源装置を小型化することができる。本実施形態の光源装置は、第１発光素子３１の発熱量が互いに異なる複数の出力モードを有しており、出力モードに応じて第１基板６１１の熱伝導率が変化する。

（第二実施形態）
図６は、第二実施形態の光源装置１８０の光学構成を示す図である。光源装置１８０は、複数の発光素子（光源）として第１発光素子３１、第２発光素子３２、第３発光素子３３を備える。第１発光素子３１、第２発光素子３２、第３発光素子３３は互いに波長の異なる光を出射する。本実施形態の光源装置１８０は、第１発光素子３１から出射した光（励起光）が波長変換部材３５（蛍光体）に入射することによって、第１発光素子３１からの光の波長とは異なる波長に変換された光が出射する。例えば、波長変換部材３５は、光源装置１８０の最も明るさに寄与する緑色光または黄色光を出射する。第２発光素子３２は、例えば赤色レーザーダイオードのようなホワイトバランスを重視する際により出力を高めたくなる色光を出射する。第３発光素子３３は、例えば青色レーザーダイオード等である。光源装置１８０は、波長変換部材３５、第２発光素子３２、第３発光素子３３からの三色の色光を同時にまたは時分割で出射することで白色を作り出すことができる。

各発光素子および波長変換部材から出射された光は、第一実施形態の光源装置と同様の経路を通り、光源装置１８０から白色光として出射される。

図７は、第二実施形態の光源放熱器の構成を示す図である。図７に示すように光源装置１８０は、第１発光素子３１で発生する熱を放熱する第１光源放熱器６１と第２発光素子３２で発生する熱を放熱する第２光源放熱器６２が設けられている。第１光源放熱器６１と第２光源放熱器６２の構成は第一実施形態で説明したものと同様である。

第一実施形態と異なる点は、第１光源放熱器６１と第２光源放熱器６２の配置である。図６で説明した第二実施形態の光源装置の光学構成により、第１光源放熱器６１と第２光源放熱器６２は並列に配置されている。この場合であっても、第１基板６１１と第２放熱部６２２に設けられる接続部７０の面は、第１発光素子３１と第２発光素子３２が形成する面に略垂直な面となる。

図６に示した第二実施形態の光源装置のように、第１発光素子３１の出射方向と第２発光素子３２の出射方向が略平行となる光学構成の場合、接続部７０は第１基板６１１の厚み方向の面とするほうが望ましい。図７に示すように第１基板６１１と第２放熱部６２２に接続部７０を設けることにより、不要な突起部を形成する必要がない。そのため、光源装置１８０の小型化の観点で有利となる。

第二実施形態の光源装置１８０もまた、第１基板６１１をベイパーチャンバーで構成し、第１基板６１１と第２放熱部６２２を接続部７０で接続する構成となっている。そして、最も出力比率が大きく発熱量も大きい緑色光の発光素子を第１発光素子３１として第１基板６１１に配置し、第２発光素子３２として赤色光の発光素子を第２基板６２１に配置する。

これにより、光源装置１８０の出力モードとして、緑色光の第１発光素子３１の発熱量が高くなる場合、第１発光素子３１で発生した熱は第１基板６１１を介して接続部７０に伝わる。このため、第１発光素子３１の放熱に第１放熱部６１２に加えて第２放熱部６２２の接続部７０周辺の領域も使用することができる。また、光源装置１８０の出力モードとして、緑色光の第１発光素子３１の発熱量が低くなる場合、接続部７０に伝わる第１発光素子３１で発生した熱が低減される。そのため、第２放熱部６２２の全体を第２発光素子３２の放熱に使用することができる。第一実施形態の光源装置と同様に、それぞれの発光素子に対して個別に放熱器を設ける場合に比べて光源装置を小型化することができる。

本実施形態の波長変換部材を用いた光源装置であっても、光源装置の出力モードに応じて複数の発光素子の出力を調整しつつ、光源装置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。

３１ 第１発光素子
３２ 第２発光素子
３３ 第３発光素子
６１ 第１光源放熱器
６２ 第２光源放熱器
７０ 接続部
１５０ 照明光学系
１６０ 画像形成部
１７０ 投射光学系
１８０ 光源装置
２００ 投射型表示装置
６１１ 第１基板
６１２ 第１放熱部
６２１ 第２基板
６２２ 第２放熱部

Claims (12)

1. 第１発光素子と、
   前記第１発光素子から出射する光の波長とは異なる波長の光を出射する第２発光素子と、
   前記第１発光素子と接触する第１基板と、
   前記第２発光素子と接触する第２基板と、
   前記第１基板に接続され、前記第１発光素子からの熱を放熱する第１放熱部と、
   前記第２基板に接続され、前記第２発光素子からの熱を放熱する第２放熱部を有し、
   前記第１基板と前記第２放熱部が接続され、
   前記第１基板は、ヒートパイプまたはベイパーチャンバーを含むことを特徴とする光源装置。
2. 前記光源装置は、前記第１発光素子の発熱量が互いに異なる複数の出力モードを有し、
   前記出力モードに応じて前記第１基板の熱伝導率が変化することを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
3. 前記第１発光素子の発熱量が前記第２発光素子の発熱量より大きい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. 前記第１基板は、前記第１発光素子の発熱量が大きいほど熱伝導率が高くなることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の光源装置。
5. 前記第１発光素子の発熱量が大きいほど、前記第１基板の熱伝導率と前記第１放熱部の熱伝導率の差が大きくな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. 前記第１基板は、前記第１放熱部が接続された面とは異なる面で前記第２放熱部と接続されてい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。
7. 前記第１発光素子と前記第２発光素子が互いに異なる方向に光を出射し、前記第２放熱部は、前記第１基板において前記第１放熱部が接続された面と反対側の面に接続されていることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の光源装置。
8. 前記第１基板と前記第２基板が離間して配置されていることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の光源装置。
9. 前記第１発光素子は緑色の波長帯域の光を出射し、
   前記第２発光素子は赤色または青色の波長帯域の光を出射す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. 前記第１発光素子から出射される光の波長を変換する波長変換部材を有し、
    前記第１発光素子は青色光の波長帯域の光を出射し、
    前記第１発光素子から出射した光は、前記波長変換部材によって黄色光または緑色光に変換され、
    前記第２発光素子は赤色光または青色光の波長帯域の光を出射す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。
11. 第１発光素子と、
    前記第１発光素子から出射する光の波長とは異なる波長の光を出射する第２発光素子と、
    前記第１発光素子と接触する第１基板と、
    前記第２発光素子と接触する第２基板と、
    前記第１基板に接続され、前記第１発光素子からの熱を放熱する第１放熱部と、
    前記第２基板に接続され、前記第２発光素子からの熱を放熱する第２放熱部を有し、
    前記第１基板と前記第２放熱部が接続され、
    前記第１基板の熱伝導率が前記第１発光素子の発熱量に応じて変化することを特徴とする光源装置。
12. 請求項１から１１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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