JP3738768B2

JP3738768B2 - Light source device and projection display device using the same

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Publication number: JP3738768B2
Application number: JP2003128122A
Authority: JP
Inventors: 光夫永田
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2003-05-06
Filing date: 2003-05-06
Publication date: 2006-01-25
Anticipated expiration: 2023-05-06
Also published as: JP2004333757A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光源装置に関し、特に、小型の投射型表示装置に適する、小型で高輝度な光源装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
投射型表示装置は、光源と、光源から射出された光を画像信号に基づき変調する液晶パネルやデジタルマイクロミラーデバイス（DMD）のような光変調素子と、変調された光を投射する投射レンズとを有する。
【０００３】
投射型表示装置は、近年小型化、高輝度化、長寿命化、廉価化等が図られてきている。例えば、小型化に対しては液晶パネル（光変調素子）サイズは対角１．３ｉｎが０．５ｉｎになり面積比で１/６強の小型化がされてきている。
【０００４】
一方、光源については、例えばメタルハライドランプ、超高圧水銀ランプ、ハロゲンランプなどの放電型ランプが一般に用いられており、これらについても小型化、高輝度化が図られてきている。本来、これら光源は発光に際し発熱を伴うことから、光源自体の特性が変化してしまうことや、液晶パネルや光学部品に熱が伝播して高温になり劣化するという課題があるため、さまざまな冷却手段、放熱手段が講じられている。しかし、光源ランプの小型化、高輝度化が進むにつれて益々光源からの発熱は増大してきており、一般的に採用されているファンによる強制空冷方式では発熱対策が困難になってきている。そのため、液体を用いて光源ランプを強制冷却する方法（例えば、特許文献１参照）が提案されている。液体冷却方法によれば、強制空冷方式の騒音の解消にも効果が期待されるものである。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００２−１０７８２５号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記特許文献１においては、光源である高圧水銀ランプに集熱部材を設けて、集熱部材を介して光源の熱を液体に吸収し冷却する構成となっている。つまり、光源の熱を間接冷却していることになり冷却効率面において充分なものではない。一方、放電型ランプには熱以外にも共通した他の改善すべき問題点がある。例えば、ランプおよび電源のサイズが大きくて重い、瞬時点灯/消灯が不可等についても、投射型表示装置の小型化、性能向上面から改善が必要とされていた。
【０００７】
以上のような放電型光源ランプの問題点を解決する手段として、ＬＥＤ光源が提案されている。ＬＥＤ光源は、電源を含めて小型であり、瞬時点灯/消灯が可能であること、色再現性が広く長寿命であることなど、投射型表示装置用光源としてメリットを有している。また、水銀などの有害物質を含まないため、環境保全上からみても好ましいものである。
【０００８】
しかしながら、ＬＥＤ光源を投射型表示装置用光源に用いるためには、光源としての明るさが不足しており、少なくとも放電型光源ランプレベルの明るさを確保する必要があった。そのためには以下の課題を解決する必要がある。
（１）高出力化
（２）低エテンデュ化
【０００９】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、小型の投射型表示装置に適する、小型で高輝度な光源装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明の光源装置は、実装基板と、該実装基板に配置されたLEDチップと、液体が充填された密封容器とを備え、前記LEDチップが前記液体によって直接冷却され、前記密封容器の少なくとも一部が前記LEDチップからの光を透過する構成となっていることを特徴とする。
【００１１】
現状のLEDにおいては、外部量子効率は低く、注入された電気エネルギーの大部分は熱として変換されている。このため、通常はLEDチップに流す電流を投入すればするほど発光量も増大するが、その一方、発熱量も大幅に上昇するためLEDチップ温度が上昇して発光効率が低下するとともに、LEDチップ自体が熱破壊されてしまうことから、あまり多くの電流を流すことが出来なかった。結果として、投射型表示装置用光源として、現状のLEDでは射出光量が不充分なものであった。
【００１２】
本発明によれば、LEDチップを直接液体で冷却することから、非常に効率的にLEDチップで発生した熱が熱交換され、その結果LEDへの投入電力を大幅に上げることが可能となるため、LEDからの射出光量を画期的に増大させることが出来る。
【００１３】
本発明の光源装置においては、前記LEDチップからの光の非射出光面側が直接冷却されていることが好ましい。これによれば、LEDチップの液体による冷却がLEDチップの非射出光面側のみで行われ、射出光面側では冷却用液体は射出される光を妨げないため、直接冷却の効果を余り損なわずに、液体の揺らぎによる画質低下を防ぐことができる。
【００１４】
本発明の光源装置においては、前記密封容器には、充填された前記液体を冷却するための冷却手段が備えられていることが好ましい。これによれば、LEDチップからの吸熱によって上昇する液体の温度が、冷却手段を用いることで常に適正な液温に保持でき、液体のLEDチップに対する冷却能力を長時間にわたり維持することが出来る。
【００１５】
本発明の光源装置においては、前記密封容器には、充填された前記液体を循環するための循環手段が備えられていることが好ましい。これによれば、循環手段によって冷却用の液体がLEDチップの発熱部に常に流れ、連続的に熱が液体に伝達されることになる。このことで液体のLEDチップに対する冷却能力を更に安定して維持することが出来る。
【００１６】
本発明の光源装置においては、前記LEDチップは、光の射出方向に複数個積層されていることが好ましい。投射型表示装置において、光源の光を最大限に有効活用するためには、光源のエテンデュは光変調素子のエテンデュに比べ、同等好ましくは以下でなければならない。ここで、エテンデュとは、有効に活用できる光束が存在する空間的な広がりを面積と立体角の積で表される数値であって、光学的に保存されるものである。先に述べたように、液晶パネル（光変調素子）は小型化が図られてきていることから、液晶パネルのエテンデュは小さくなってきている。従って、光源のエテンデュも同様に小さくすることで、投射型表示装置が小型化でき、明るい表示を得ることが可能となる。
【００１７】
本発明によれば、LEDチップを積層することで光源の低エテンデュ化が可能となる。例えば、LEDチップを４分割して1枚当りの面積（射出光面積＝光源エテンデュ面積）を４分の１にして、積層個数を４個用いる場合と、LEDチップを分割せずに１個用いる場合とを比べれば、どちらも射出光量はほぼ同じであるが、前者の方法では、ＬＥＤチップサイズ、厚みおよびチップ間の間隔等にその値は依存するが、光源のエテンデュをかなり減少させることができ、後者の方法と比べてＬＥＤチップからの光をより有効に活用することが可能となる。一方、同一面積のＬＥＤチップを複数個積層すれば、見かけ上のＬＥＤ表面積が１個の場合よりそれ程大きくならずに（光源エテンデュがそれ程大きくならずに）、射出光量をほぼ積層個数倍に増加させることが可能となる。
【００１８】
本発明の他の光源装置は、実装基板と、該実装基板に配置されたLEDチップと、液体が充填された密封容器とを備え、前記LEDチップが前記液体によって直接冷却され、前記密封容器の少なくとも一部が前記LEDチップからの光を透過する構成となっており、前記LEDチップは、光の射出方向に複数個積層され、複数個積層された前記LEDチップは互いに離間して積層配置され、離間部には前記液体が充填されて前記LEDチップの其々が直接冷却される構成とされたことを特徴とする。これによれば、積層された其々のLEDチップが冷却用の液体と直接接触されることになり、冷却効率が向上する。その結果、其々のLEDチップへの投入電力が増大でき、更に射出光量を増加させることが可能となる。
【００１９】
本発明の投射型表示装置においては、本発明の光源装置と、該光源装置からの光を変調する光変調素子と、該光変調素子からの変調光を投射する投射レンズとを有することを特徴とする。これによれば、本発明の光源装置は、実装基板と、該実装基板に配置されたLEDチップと、液体が充填された密封容器とを備え、前記LEDチップが前記液体によって直接冷却され、前記密封容器の少なくとも一部が前記LEDチップからの光を透過する構成となっている。これによって、小型の光源から極めて高輝度の光が射出される。射出された光は光源エテンデュが適正であることから光変調素子に有効に取り込まれ、変調された光が投射レンズでスクリーン上に明るい像として投射される。これによって、小型で高輝度な投射型表示装置を得ることが出来る。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下に、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
〔第１の実施形態〕
第１の実施形態は光源装置に関し、図１〜図３に基づき説明する。
図１は、本実施形態の光源装置１１０の概略斜視図である。図２は、図１の光源装置１１０の断面図である。図３は、図１の光源装置１１０を構成するLEDチップ１０、実装基板２０の平面図(a)および断面図(b)である。
【００２１】
図１に示すように、本実施形態の光源装置１１０は、LEDチップ１０、実装基板２０、密封容器３０、透明窓４０、冷却フィン５０とを備えている。図２に示すように、密封容器３０内には液体９０が充填されていて、LEDチップ１０および実装基板２０は液体９０に全体が浸されている。また、図３に示すように、LEDチップ１０はLED発光領域１１とLED基板１２とで構成されている。本実施例ではLED基板として透明なサファイア基板を用いている。そして、LEDチップ１０は導電性パッド７０を介して実装基板２０に接続、固定されている。なお、図１〜図３には説明を簡単にするため、密封容器３０と実装基板２０との固定部や、LEDチップ１０を点灯させるための電極配線や電源回路、液体９０を密封容器３０内に封入するための封入口は図示していない。
【００２２】
密封容器３０に用いられる材料は、金属、ガラス、プラスチックなどの中から選定される。少なくとも封入される液体９０に対して化学的に安定材料であることが望まれる。ガラスや透明プラスチック（例えばアクリル樹脂やポリカーボネート等）を用いた場合は、用途によっては透明窓４０を廃止することもできる。
【００２３】
透明窓４０は、材料として透明で液体９０に対して化学的に安定材料であって、LEDチップ１０からの射出光が、無駄なく密封容器３０外に取り出しが可能な光学機能を有している。例えば、ガラスや透明プラスチック（例えばアクリル樹脂やポリカーボネート等）を用いて、LEDチップ１０からの射出光を遮らない形状に成形加工される。また、透明窓４０の密封容器３０への取り付けは、通常の接着剤固定や螺子止め等の適宜の手段を用いて液体漏れが生じないように固定される。
【００２４】
冷却フィン５０は、例えば、Fe、Cu、Al、Mg等の金属や、それらを含む熱伝導性に優れた材料により形成されている。図１に示すように、冷却フィン５０には、多数のフィン（ひれ）を付けて表面積を大きくして、外部への放熱能力を高めている。本実施形態では、冷却フィン５０は、密封容器３０の外表面の一面に、密封容器３０からの熱伝導を損なわないように、適宜の手段を用いて固定されているが、他の複数の外表面に備えられていても良い。また、密封容器３０の一部に、密封容器と一体に形成されていても良い。また、フィンの間を流れる空気の自然対流だけでは放熱が不充分であれば、外部に電動空冷ファンを備えることにより強制的に空気対流させて、より放熱能力を高めることが出来る。
【００２５】
液体９０は、透光性液体である。好ましくは電気絶縁性であって、光源装置１１０に備えられた部材に対して非腐食性である液体から選定される。更に好ましくは蒸気圧が小さく、凝固点が低く、熱安定性に優れていて、熱伝導率が大きい液体が望まれる。本発明に適用可能な液体を例示すれば、ビフェニルジフェニルエーテル系、アルキルベンゼン系、アルキルビフェニル系、トリアリールジメタン系、アルキルナフタレン系、水素化テルフェニル系、ジアリールアルカン系などの有機熱媒体として一般的に使用されているものをあげることが出来る。また、シリコーン系、フッ素系の各液体も適用可能である。それらの中から、光源装置の用途、要求性能、環境保全性などを加味して選定される。
【００２６】
以上の本実施形態の構成において、LEDチップ１０が点灯される事によって発生する熱は、熱の発生源であるLEDチップ１０の表面に液体９０を直接接触させることで、極めて効率的に冷却される。熱せられた液体９０は密封容器３０の上方に自然対流する。上方に移動した液体９０の熱は、密封容器３０の容器壁を通って、冷却フィン５０に伝達される。冷却フィン５０に伝えられた熱は、外部の例えば空気と熱交換される。これらの熱伝達経路によって、液体９０が効率よく冷却される。冷却された液体９０は下降してLEDチップ１０の冷却に繰り返し使用される。なお、本実施形態では、冷却を促進するために冷却フィン５０を設けているが、光源装置１１０の用途、使用環境等によっては、冷却フィン５０を無くすることも可能である。
【００２７】
以上のように、本実施形態によれば、LEDチップ１０が液体９０で直接冷却されるため、LEDチップ１０の温度上昇を抑えることが出来る。その結果LEDチップ１０への投入電力を大幅に上げることが可能となるため、射出光量を画期的に増大させることが出来る。
【００２８】
〔第２の実施形態〕
本発明の第２の実施形態は第１の実施形態で説明した光源装置１１０の変形例に関し、図４に基づいて説明する。図４は、本実施形態における光源装置１１０の断面図である。第１の実施形態と異なるところは、第１の実施形態では、LEDチップ１０は液体９０に全体を浸されて直接冷却されていたが、第２の実施形態では、LEDチップ１０はLEDチップ１０からの光の射出光面側が液体９０に浸されないように配置されている。第１の実施形態と同一部分については、同一の符号を付し、その構成の説明を省略する。
【００２９】
図４において、実装基板２０に接続、固定されているLEDチップ１０は、射出光面側を透明窓４０に対向するように配置され、弾性部材８０を介して密封容器３０の内面側に固定されている。弾性部材８０は、弾性シール材、ゴムパッキンなど、液体９０がLEDチップ１０の射出光面側に浸入しないように機能するものから選定される。
【００３０】
以上の本実施形態の構成において、LEDチップ１０が点灯される事によって発生する熱は、熱の発生源であるLEDチップ１０の非射出光面側に液体９０を直接接触させることで、効率的に冷却される。実施形態１と比べると、冷却効率は低下するが、従来技術の強制空冷方式に比べ圧倒的な冷却手段であることは実施形態１と同様である。熱せられた液体９０は密封容器３０の上方に自然対流する。上方に移動した液体９０の熱は、密封容器３０の容器壁を通って、冷却フィン５０に伝達される。冷却フィン５０に伝えられた熱は、外部の例えば空気と熱交換される。これらの熱伝達経路によって、液体９０が効率よく冷却される。冷却された液体９０は下降してLEDチップ１０の冷却に繰り返し使用される。なお、本実施形態では、冷却を促進するために冷却フィン５０を設けているが、光源装置１１０の用途、使用環境等によっては、冷却フィン５０を無くすることも可能である。
【００３１】
更に、本実施形態の実施形態1と異なる効果は、LEDチップ１０の射出光面が液体９０に浸されていないため、液体９０による揺らぎ現象が皆無に出来るところである。実施形態１を実施した際に、使用環境によっては液体９０による揺らぎ現象が生じて光源品質に問題が生じる場合は、本実施形態によってその問題は完全に解消できるものである。
【００３２】
〔第３の実施形態〕
本発明の第３の実施形態は光源装置１２０に関し、図５、６に基づいて説明する。実施形態１、２と異なるところは、実施形態３では液体９０を強制循環するところが異なる。図５は、本実施形態の光源装置１２０の概略平面図である。図６は、図５の断面図である。実施形態１、２と同一部分については、同一の符号を付し、その構成の説明を省略する。
【００３３】
図５に示すように、本実施形態の光源装置１２０では、LEDチップ１０、実装基板２０、透明窓４０、冷却フィン５１、循環ポンプ６０とが環状の密封容器３１の所定位置に配置されている。密封容器３１の内部には、液体９０が充填されている。液体９０は、密封容器３１に備えられた循環ポンプ６０により、液体循環路３１aと液体循環路３１bとを経由して強制的に容器内を循環している。冷却フィン５１は、環状の密封容器３１の液体循環路３１aと液体循環路３１bとの間に配置されている。基本的な構成、機能は実施形態１の冷却フィン５０と同様である。図６に示すように、密封容器３１内に配置されたLEDチップ１０と実装基板２０は、液体９０に全体が浸されている。他の構成は実施形態１と同様であるので説明を省略する。なお、図５、６には説明を簡単にするため、密封容器３１と実装基板２０との固定部や、LEDチップ１０を点灯させるための電極配線や電源回路、循環ポンプ６０用電源、液体９０を密封容器３１内に封入するための封入口は図示していない。
【００３４】
以上の本実施形態の構成において、LEDチップ１０が点灯される事によって発生する熱は、熱の発生源であるLEDチップ１０の表面に液体９０を直接接触させることで、極めて効率的に冷却される。熱せられた液体９０は循環ポンプ６０によって、液体循環路３１aを経由して冷却フィン部５２に送られる。冷却フィン部５２では、液体９０からの熱が密封容器３１の容器壁を通って、冷却フィン５１に伝達される。冷却フィン５１に伝えられた熱は、外部の例えば空気と熱交換される。これらの熱伝達経路によって、液体９０が効率よく冷却される。冷却された液体９０は液体循環路３１bを経由してLEDチップ１０の冷却に繰り返し使用される。なお、本実施形態では、冷却を促進するために冷却フィン５１を設けているが、光源装置１２０の用途、使用環境等によっては、冷却フィン５１を無くすることも可能である。
【００３５】
以上のように、本実施形態によれば、LEDチップ１０は、循環ポンプ６０で循環され冷却フィン５１によって冷やされた液体９０で連続的に直接冷却されるため、LEDチップ１０の温度上昇をより効果的に抑えることが出来る。その結果、LEDチップ１０への投入電力を大幅に上げることが可能となるため、更に射出光量を増大させることが出来る。
【００３６】
〔第４の実施形態〕
本発明の第４の実施形態は第３の実施形態で説明した光源装置１２０の変形例に関し、図７に基づいて説明する。
図７は、本実施形態における、図５の断面図である。第３の実施形態と異なるところは、第３の実施形態では、LEDチップ１０は液体９０に全体を浸されて直接冷却されていたが、第４の実施形態では、LEDチップ１０はLEDチップ１０からの光の射出光面側が液体９０に浸されないように配置されている。第３の実施形態と同一部分については、同一の符号を付し、その構成の説明を省略する。
【００３７】
図７の本実施形態において、実装基板２０に接続、固定されているLEDチップ１０は、射出光面側を透明窓４０に対向するように配置され、弾性部材８０を介して密封容器３１の内面側に固定されている。弾性部材８０は、弾性シール材、ゴムパッキンなど、液体９０がLEDチップ１０の射出光面側に浸入しないように機能するものから選定される。
【００３８】
以上の本実施形態の構成において、LEDチップ１０が点灯される事によって発生する熱は、熱の発生源であるLEDチップ１０の非射出光面側に液体９０を直接接触させることで、効率的に冷却される。実施形態３と比べると、冷却効率は低下するが、従来技術の強制空冷方式に比べ圧倒的な冷却手段であることは実施形態３と同様である。熱せられた液体９０は循環ポンプ６０によって、液体循環路３１aを経由して冷却フィン部５２に送られる。冷却フィン部５２では、液体９０からの熱が密封容器３１の容器壁を通って、冷却フィン５１に伝達される。冷却フィン５１に伝えられた熱は、外部の例えば空気と熱交換される。これらの熱伝達経路によって、液体９０が効率よく冷却される。冷却された液体９０は液体循環路３１bを経由してLEDチップ１０の冷却に繰り返し使用される。なお、本実施形態では、冷却を促進するために冷却フィン５１を設けているが、光源装置１２０の用途、使用環境等によっては、冷却フィン５１を無くすることも可能である。
【００３９】
以上のように、本実施形態によれば、LEDチップ１０は、循環ポンプ６０で循環され冷却フィン５１によって冷やされた液体９０で連続的に直接冷却されるため、LEDチップ１０の温度上昇をより効果的に抑えることが出来る。その結果LEDチップ１０への投入電力を大幅に上げることが可能となるため、更に出射光量を画期的に増大させることが出来る。
【００４０】
更に、本実施形態の実施形態３と異なる効果は、LEDチップ１０の射出光面が液体９０に浸されていないため、液体９０による揺らぎ現象が皆無に出来るところである。実施形態３を実施した際に、使用環境によっては液体９０による揺らぎ現象が生じて光源品質に問題が生じる場合は、本実施形態によってその問題は完全に解消できるものである。
【００４１】
〔第５の実施形態〕
本発明の第５の実施形態は光源装置に関し、図８〜１０に基づいて説明する。実施形態１乃至４と異なるところは、実施形態５ではLEDチップを複数個積層されているところが異なる。図８は、本実施形態の光源装置１２０の概略平面図である。図９は、図８の光源装置１２０を構成する、複数個積層されたLEDチップ１５、および実装基板２０の平面図(a)および断面図(b)である。図１０は、図８の断面図である。実施形態１乃至４と同一部分については、同一の符号を付し、その構成の説明を省略する。
【００４２】
図８に示すように、本実施形態の光源装置１２０は、複数個積層されたLEDチップ１５を備えている。他の構成は実施形態３と同様であるので説明を省略する。
【００４３】
図９に示すように、LEDチップ１５は、LED発光領域１１とLED基板１２とで構成されている。本実施形態ではLED基板として透明なサファイア基板を用いている。そして、LEDチップ１５は導電性パッド７０を介して実装基板２０の両面に接続、固定されている。図９(b)では、一例として、LEDチップ１５が、其々対向するように、４枚積層されている。積層された４枚のLEDチップ１５は、液体９０が其々のLEDチップ表面に直接接触し、しかも液体９０が其々のLEDチップ間を移動可能な間隔で、互いに離間して積層配置されている。LED発光領域１１からの射出光は主に面方向に射出される。本実施形態ではLED基板１２が透明なサファイア基板であることから、LED発光領域１１の両面から光は射出される。そのため、一方向（実施形態では、透明窓４０側）にのみ射出させたい場合は、射出光面から最も離れたLEDチップ１５の表面に反射膜を形成するのが望ましい（図９には図示せず）。そうすることで、積層された各LEDチップからの発光は、所定の射出面から積層個数分の射出光量を持つ光として外部に射出される。
【００４４】
図１０に示すように、複数個積層したLEDチップ１５と実装基板２０は液体９０に全体が浸されている。なお、図８乃至１０には説明を簡単にするため、密閉容器３１と実装基板２０との固定部や、複数個積層した実装基板２０の其々を結合した結合部、LEDチップ１５を点灯させるための電極配線や電源回路、循環ポンプ６０用電源あるいは液体９０を密封容器３０内に封入するための封入口は図示していない。
【００４５】
以上の本実施形態の構成において、同一面積のLEDチップ１５を４枚積層することで、射出光面積が１個の場合とほぼ同一でありながら、射出光量をほぼ４倍に増加させることが可能となる。また、積層されたLEDチップ１５が点灯される事によって発生する熱は、熱の発生源である其々のLEDチップ１５の表面に液体９０を直接接触させることで、極めて効率的に冷却される。積層された其々のLEDチップ１５は、互いに適切な間隔で離間して積層配置されているため、LEDチップ１５の表面に液体９０が常に直接接触していることになり、確実な冷却手段となる。熱せられた液体９０は循環ポンプ６０によって、液体循環路３１aを経由して冷却フィン部５２に送られる。冷却フィン部５２では、液体９０からの熱が密封容器３１の容器壁を通って、冷却フィン５１に伝達される。冷却フィン５１に伝えられた熱は、外部の例えば空気と熱交換される。これらの熱伝達経路によって、液体９０が効率よく冷却される。冷却された液体９０は液体循環路３１bを経由してLEDチップ１５の冷却に繰り返し使用される。なお、本実施形態では、冷却を促進するために冷却フィン５１を設けているが、光源装置１２０の用途、使用環境等によっては、冷却フィン５１を無くすることも可能である。
【００４６】
以上のように、本実施形態によれば、LEDチップ１５を複数個積層することによって、射出光面積が１個の場合とほぼ同一でありながら、射出光量をほぼ複数個倍に増加させることが可能となる。また、積層された其々のLEDチップ１５は、循環ポンプ６０で循環され冷却フィン５１によって冷やされた液体９０で、連続的に直接冷却されるため、積層された其々のLEDチップ１５の温度上昇を効率的に抑えることが出来る。更に、本実施形態では、積層された其々のLEDチップ１５が、互いに適切な間隔で離間して積層配置されているため、LEDチップ１５の表面に液体９０が常に直接接触していることになるため、確実に、かつ効率よくLEDチップ１５が冷却される。その結果、其々のLEDチップ１５への投入電力を大幅に上げることが可能となるため、更に射出光量を増大させることが出来る。なお、本実施形態では光源装置１２０により説明したが、光源装置１１０においても同様の効果が得られるものである。
【００４７】
〔第６の実施形態〕
本発明の第６の実施形態は投射型表示装置に関し、実施形態１乃至５で説明した光源装置を使用するのに適する小型の投射型表示装置に関する。図１１に、本実施形態における投射型表示装置１の光学系の概略構成図を示す。
【００４８】
本実施形態の投射型表示装置１は、図１１に示すように、光源装置１００、液晶パネル（光変調素子）２００、投射レンズ３００および筐体５００とを備えて構成されている。液晶パネルが１個の、所謂単板式の投射型表示装置である。光源装置１００は、実施形態１と同様の光源装置を使用している。光源装置１００の発光色は白色である。液晶パネル２００は、図示しない駆動回路に供給される制御信号の電圧の変化に応じて、画素単位で光を透過させたり透過させなかったりする光変調が可能に構成されている。また、液晶パネル２００はカラーフィルタを備え、RGBに対応する複数の画素でカラー画素が構成されている。そして、RGB各色光の透過の有無を制御することでカラー表示が可能になっている。これらの構成は公知のカラーフィルタを備えた液晶パネルと同様のものである。投射レンズ３００は、液晶パネル２００から射出された像をスクリーン６００上に結像させるように構成されている。同図では投射レンズが１枚図示されているのみだが、複数のレンズで構成されても良いことはもちろんである。筐体５００は、投射型表示装置全体の収納容器として構成されており、各光学要素を適当に配置できるように構成されている。
【００４９】
以上の本実施形態の構成において、光源装置１００からは高輝度の白色光が射出され、液晶パネル２００でRGBごとに光変調される。光変調された各色光は投射レンズ３００により、スクリーン６００上に明るいカラー画像として合成される。
【００５０】
〔第７の実施形態〕
本発明の第７の実施形態は投射型表示装置に関し、実施形態１乃至５で説明した光源装置を使用するのに適する小型の投射型表示装置に関する。実施形態６と異なるところは、実施形態７では光源装置と液晶パネルを其々３個備えているところが異なる。図１２に、本実施形態における投射型表示装置２の光学系の概略構成図を示す。実施形態６と同一部分については、同一の符号を付し、その構成の説明を省略する。
【００５１】
本実施形態の投射型表示装置２は、図１２に示すように、光源装置１００R、１００G、１００Bと、３個の液晶パネル（光変調素子）２００、ダイクロイックプリズム４００、投射レンズ３００および筐体５００とを備えて構成されている。液晶パネルが３個の、所謂３板式の投射型表示装置である。光源装置１００R、１００G、１００BのそれぞれのＬＥＤチップが、赤の色光、緑の色光、および青の色光をそれぞれ射出する点を除いて、これらの光源装置１００R、１００G、１００Bの構造は、実施形態５の光源装置の構造と基本的に同じである。光源装置１００Rからは赤色（R）、光源装置１００Gからは緑色（G）、光源装置１００Bからは青色（B）の各色光が射出される。なお、光源装置の発光色が実施形態６と同じ白色光を発光するLEDで構成するならば、白色光をRGBの各色光に変換するためのカラーフィルタを、光源装置１００と液晶パネル２００との間もしくは液晶パネル２００とダイクロイックプリズム４００との間に其々配列しても良い。ダイクロイックプリズム４００は、Rのみを反射可能な多層膜４００Rと、Bのみを反射可能な多層膜４００Bとを備え、RGBごとに光変調された画像を合成して、投射レンズ３００に向けて射出可能に構成されている。
【００５２】
以上の本実施形態の構成において、光源装置１００R、１００G、１００Bからは其々高輝度の各色光が射出され、各光源装置に対応する液晶パネル２００で其々光変調される。光変調された各色光は投射レンズ３００により、スクリーン６００上に明るいカラー画像として合成される。この構成によれば、実施形態６の単板式投射型表示装置に比べ、更に明るいカラー画像が得られる。
【００５３】
以上、本発明の実施形態による光源装置およびこれを用いた投射型表示装置について説明したが、本発明の趣旨の範囲内であれば実施形態は自由に変更が可能なものである。例えば、実施形態３〜５では、密封容器に環状の容器を用いて説明したが、実施形態１、２と同様の箱型の容器を用いても本発明の効果を得ることができる。また、実施形態で、光源装置としてLEDチップを用いて説明したが、半導体レーザなどの固体発光素子についても本発明は適用可能なものである。更に、例えば、実施形態では光変調素子として透過型液晶パネルを用いて説明したが、反射型液晶パネル（LCOS）や、デジタルマイクロミラーデバイス（DMD）などについても本発明の光源装置を用いることで同様の効果が得られるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態における光源装置１１０の概略斜視図。
【図２】図１の光源装置１１０の断面図。
【図３】図１のLEDチップ１０、実装基板２０の平面図(a)および断面図(b)。
【図４】第２の実施形態における図１の光源装置１１０の断面図。
【図５】第３の実施形態における光源装置１２０の概略平面図。
【図６】図５の断面図。
【図７】第４の実施形態における図５の断面図。
【図８】第５の実施形態における光源装置１２０の概略平面図。
【図９】図８のLEDチップ１５、実装基板２０の平面図(a)および断面図(b)。
【図１０】図８の断面図。
【図１１】第６の実施形態における投射型表示装置１の光学系の概略構成図。
【図１２】第７の実施形態における投射型表示装置２の光学系の概略構成図。
【符号の説明】
１，２…投射型表示装置、１０，１５…LEDチップ、２０…実装基板、３０…密封容器、４０…透明窓、５０，５１…冷却フィン、６０…循環ポンプ、９０…液体、１００，１１０，１２０…光源装置、２００…液晶パネル、３００…投射レンズ、４００…ダイクロイックプリズム[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a light source device, and more particularly, to a small and high-luminance light source device suitable for a small projection display device.
[0002]
[Prior art]
The projection display device includes a light source, a light modulation element such as a liquid crystal panel or a digital micromirror device (DMD) that modulates light emitted from the light source based on an image signal, and a projection lens that projects the modulated light. Have
[0003]
In recent years, projection display devices have been reduced in size, increased in brightness, extended in life, reduced in price, and the like. For example, with respect to miniaturization, the size of the liquid crystal panel (light modulation element) has been reduced to a size of just over 1/6 in terms of area ratio with the diagonal of 1.3 in being 0.5 in.
[0004]
On the other hand, discharge lamps such as metal halide lamps, ultra-high pressure mercury lamps, and halogen lamps are generally used as light sources, and these have also been reduced in size and brightness. Originally, these light sources generate heat when they emit light, so the characteristics of the light sources themselves change, and the problem is that heat propagates to liquid crystal panels and optical components, resulting in high temperatures and deterioration. Means, heat dissipation means are taken. However, as the size of the light source lamp is reduced and the brightness is increased, heat generation from the light source is increasing, and it is difficult to take measures against heat generation by a forced air cooling method using a generally adopted fan. Therefore, a method of forcibly cooling the light source lamp using a liquid (for example, see Patent Document 1) has been proposed. According to the liquid cooling method, an effect is also expected to eliminate the noise of the forced air cooling method.
[0005]
[Patent Document 1]
JP 2002-107825 A
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the said patent document 1, it has the structure which provides a heat collecting member in the high pressure mercury lamp which is a light source, absorbs the heat | fever of a light source in a liquid via a heat collecting member, and cools. That is, the heat of the light source is indirectly cooled, which is not sufficient in terms of cooling efficiency. On the other hand, discharge lamps have other common problems to be improved besides heat. For example, regarding the large and heavy size of the lamp and the power source and the impossibility of instantaneous lighting / extinguishing, there has been a need for improvement in terms of downsizing and improving the performance of the projection display device.
[0007]
An LED light source has been proposed as a means for solving the problems of the discharge type light source lamp as described above. The LED light source has a merit as a light source for a projection display device such as being small in size including a power source, capable of instantaneous lighting / extinguishing, wide color reproducibility and long life. Further, since it does not contain harmful substances such as mercury, it is preferable from the viewpoint of environmental protection.
[0008]
However, in order to use the LED light source as the light source for the projection display device, the brightness as the light source is insufficient, and it is necessary to secure at least the brightness of the discharge type light source lamp level. For that purpose, it is necessary to solve the following problems.
(1) High output
(2) Low etendue
[0009]
The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a compact and high-luminance light source device suitable for a small projection display device.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a light source device of the present invention includes a mounting board, an LED chip disposed on the mounting board, and a sealed container filled with a liquid, and the LED chip is directly filled with the liquid. It is cooled and at least a part of the sealed container is configured to transmit light from the LED chip.
[0011]
In current LEDs, the external quantum efficiency is low, and most of the injected electric energy is converted as heat. For this reason, the amount of light emission usually increases as the current passed through the LED chip is increased, but on the other hand, the heat generation amount also greatly increases, so the LED chip temperature rises and the light emission efficiency decreases. Since it itself was thermally destroyed, it was not possible to pass too much current. As a result, the amount of light emitted from the current LED as a light source for a projection display device was insufficient.
[0012]
According to the present invention, since the LED chip is directly cooled with liquid, the heat generated in the LED chip is heat-exchanged very efficiently, and as a result, the input power to the LED can be significantly increased. The amount of light emitted from the LED can be dramatically increased.
[0013]
In the light source device of the present invention, it is preferable that the non-emission light surface side of the light from the LED chip is directly cooled. According to this, the cooling of the LED chip with the liquid is performed only on the non-emission light surface side of the LED chip, and the cooling liquid does not interfere with the emitted light on the emission light surface side, so the direct cooling effect is greatly impaired. In addition, it is possible to prevent deterioration in image quality due to liquid fluctuation.
[0014]
In the light source device of the present invention, it is preferable that the sealed container is provided with a cooling means for cooling the filled liquid. According to this, the temperature of the liquid rising due to heat absorption from the LED chip can always be maintained at an appropriate liquid temperature by using the cooling means, and the cooling ability of the liquid LED chip can be maintained for a long time.
[0015]
In the light source device of the present invention, it is preferable that the sealed container is provided with a circulating means for circulating the filled liquid. According to this, the cooling liquid always flows to the heat generating part of the LED chip by the circulation means, and heat is continuously transmitted to the liquid. As a result, the cooling capacity for the liquid LED chip can be maintained more stably.
[0016]
In the light source device of the present invention, it is preferable that a plurality of the LED chips are stacked in the light emission direction. In a projection display device, in order to make the most effective use of light from a light source, the etendue of the light source should be equal to or less than that of the light modulation element. Here, etendue is a numerical value represented by the product of the area and the solid angle, which is a spatial extent in which a luminous flux that can be effectively utilized exists, and is optically stored. As described above, since liquid crystal panels (light modulation elements) have been reduced in size, the etendue of liquid crystal panels has been reduced. Accordingly, by reducing the etendue of the light source in the same manner, the projection display device can be miniaturized and a bright display can be obtained.
[0017]
According to the present invention, it is possible to reduce the etendue of a light source by stacking LED chips. For example, the LED chip is divided into four, the area per one (emitted light area = light source etendue area) is reduced to a quarter, and the number of stacked layers is four, or one LED chip is not divided. In both cases, the amount of emitted light is almost the same, but the former method significantly reduces the etendue of the light source, although the value depends on the LED chip size, thickness, spacing between chips, etc. This makes it possible to more effectively use the light from the LED chip than the latter method. On the other hand, if a plurality of LED chips of the same area are stacked, the apparent LED surface area is not so large (the light source etendue is not so large), and the amount of emitted light is increased approximately by the number of stacked layers. It becomes possible to make it.
[0018]
Another light source device of the present invention includes a mounting substrate, an LED chip disposed on the mounting substrate, and a sealed container filled with a liquid, and the LED chip is directly cooled by the liquid, At least part of the LED chip is configured to transmit light from the LED chip. A plurality of the LED chips are stacked in the light emission direction, and the plurality of stacked LED chips are stacked apart from each other. The spacing portion is filled with the liquid, and each of the LED chips is directly cooled. According to this, the stacked LED chips are directly brought into contact with the cooling liquid, and the cooling efficiency is improved. As a result, the input power to each LED chip can be increased, and the amount of emitted light can be further increased.
[0019]
The projection display device of the present invention includes the light source device of the present invention, a light modulation element that modulates light from the light source device, and a projection lens that projects the modulated light from the light modulation element. And According to this, the light source device of the present invention includes a mounting substrate, an LED chip disposed on the mounting substrate, and a sealed container filled with a liquid, and the LED chip is directly cooled by the liquid, At least a part of the sealed container is configured to transmit light from the LED chip. Thereby, extremely high-luminance light is emitted from a small light source. The emitted light is effectively taken into the light modulation element because the light source etendue is appropriate, and the modulated light is projected as a bright image on the screen by the projection lens. As a result, a small and high-brightness projection display device can be obtained.
[0020]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[First Embodiment]
1st Embodiment is related with a light source device and is demonstrated based on FIGS. 1-3.
FIG. 1 is a schematic perspective view of the light source device 110 of the present embodiment. FIG. 2 is a cross-sectional view of the light source device 110 of FIG. FIG. 3 is a plan view (a) and a cross-sectional view (b) of the LED chip 10 and the mounting substrate 20 constituting the light source device 110 of FIG.
[0021]
As shown in FIG. 1, the light source device 110 of this embodiment includes an LED chip 10, a mounting substrate 20, a sealed container 30, a transparent window 40, and cooling fins 50. As shown in FIG. 2, the sealed container 30 is filled with a liquid 90, and the LED chip 10 and the mounting substrate 20 are entirely immersed in the liquid 90. As shown in FIG. 3, the LED chip 10 includes an LED light emitting region 11 and an LED substrate 12. In this embodiment, a transparent sapphire substrate is used as the LED substrate. The LED chip 10 is connected and fixed to the mounting substrate 20 via the conductive pad 70. 1 to 3, in order to simplify the description, the fixing portion between the sealed container 30 and the mounting substrate 20, the electrode wiring for turning on the LED chip 10, the power supply circuit, and the liquid 90 are contained in the sealed container 30. The sealing port for sealing in is not shown.
[0022]
The material used for the sealed container 30 is selected from metal, glass, plastic and the like. It is desirable to be a chemically stable material at least against the liquid 90 to be encapsulated. When glass or transparent plastic (for example, acrylic resin or polycarbonate) is used, the transparent window 40 can be eliminated depending on the application.
[0023]
The transparent window 40 is transparent as a material and chemically stable with respect to the liquid 90, and has an optical function that allows light emitted from the LED chip 10 to be taken out of the sealed container 30 without waste. . For example, glass or transparent plastic (for example, acrylic resin or polycarbonate) is used for molding into a shape that does not block the light emitted from the LED chip 10. Further, the transparent window 40 is fixed to the sealed container 30 by using an appropriate means such as normal adhesive fixing or screwing so that liquid leakage does not occur.
[0024]
The cooling fin 50 is made of, for example, a metal such as Fe, Cu, Al, or Mg, or a material that includes them and has excellent thermal conductivity. As shown in FIG. 1, the cooling fin 50 is provided with a large number of fins (fins) to increase the surface area, thereby increasing the heat dissipation capability to the outside. In the present embodiment, the cooling fin 50 is fixed to one surface of the outer surface of the sealed container 30 by using an appropriate means so as not to impair the heat conduction from the sealed container 30. It may be provided on the surface. In addition, a part of the sealed container 30 may be formed integrally with the sealed container. In addition, if the natural convection of the air flowing between the fins is not enough to radiate heat, the air convection can be forcibly provided by providing an external air-cooling fan to enhance the heat radiation capability.
[0025]
The liquid 90 is a translucent liquid. The liquid is preferably selected from liquids that are electrically insulating and are non-corrosive to the members provided in the light source device 110. More preferably, a liquid having a low vapor pressure, a low freezing point, excellent thermal stability, and high thermal conductivity is desired. Examples of liquids applicable to the present invention include organic heat transfer media such as biphenyl diphenyl ether, alkyl benzene, alkyl biphenyl, triaryl dimethane, alkyl naphthalene, hydrogenated terphenyl, and diaryl alkane. You can mention what is used in Silicone and fluorine liquids are also applicable. Among these, the light source device is selected in consideration of the application, required performance, environmental conservation and the like.
[0026]
In the configuration of the present embodiment described above, the heat generated when the LED chip 10 is lit is cooled very efficiently by bringing the liquid 90 into direct contact with the surface of the LED chip 10 that is the heat generation source. The The heated liquid 90 naturally convects above the sealed container 30. The heat of the liquid 90 moved upward is transmitted to the cooling fins 50 through the container wall of the sealed container 30. The heat transferred to the cooling fins 50 is exchanged with outside air, for example. The liquid 90 is efficiently cooled by these heat transfer paths. The cooled liquid 90 descends and is repeatedly used for cooling the LED chip 10. In the present embodiment, the cooling fins 50 are provided in order to promote the cooling. However, the cooling fins 50 can be eliminated depending on the application, use environment, and the like of the light source device 110.
[0027]
As described above, according to this embodiment, since the LED chip 10 is directly cooled by the liquid 90, the temperature rise of the LED chip 10 can be suppressed. As a result, the input power to the LED chip 10 can be significantly increased, and the amount of emitted light can be dramatically increased.
[0028]
[Second Embodiment]
The second embodiment of the present invention relates to a modification of the light source device 110 described in the first embodiment and will be described with reference to FIG. FIG. 4 is a cross-sectional view of the light source device 110 in the present embodiment. The difference from the first embodiment is that in the first embodiment, the LED chip 10 is immersed in the liquid 90 and directly cooled, but in the second embodiment, the LED chip 10 is the LED chip 10. It is arranged so that the light exit surface side of the light from is not immersed in the liquid 90. The same parts as those of the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and the description of the configuration is omitted.
[0029]
In FIG. 4, the LED chip 10 connected and fixed to the mounting substrate 20 is disposed so that the light emission surface side faces the transparent window 40, and is fixed to the inner surface side of the sealed container 30 via the elastic member 80. ing. The elastic member 80 is selected from materials that function so that the liquid 90 does not enter the emission light surface side of the LED chip 10, such as an elastic sealing material and rubber packing.
[0030]
In the configuration of the present embodiment described above, the heat generated when the LED chip 10 is turned on can be efficiently achieved by bringing the liquid 90 into direct contact with the non-emission light surface side of the LED chip 10 that is the heat generation source. To be cooled. Although the cooling efficiency is reduced as compared with the first embodiment, the cooling means is overwhelming as compared with the forced air cooling method of the prior art as in the first embodiment. The heated liquid 90 naturally convects above the sealed container 30. The heat of the liquid 90 moved upward is transmitted to the cooling fins 50 through the container wall of the sealed container 30. The heat transferred to the cooling fins 50 is exchanged with outside air, for example. The liquid 90 is efficiently cooled by these heat transfer paths. The cooled liquid 90 descends and is repeatedly used for cooling the LED chip 10. In the present embodiment, the cooling fins 50 are provided in order to promote the cooling. However, the cooling fins 50 can be eliminated depending on the application, use environment, and the like of the light source device 110.
[0031]
Furthermore, an effect different from that of the first embodiment of the present embodiment is that there is no fluctuation phenomenon due to the liquid 90 because the light emission surface of the LED chip 10 is not immersed in the liquid 90. When the first embodiment is implemented, if a fluctuation phenomenon due to the liquid 90 occurs depending on the use environment and a problem occurs in the light source quality, the present embodiment can completely solve the problem.
[0032]
[Third Embodiment]
The third embodiment of the present invention relates to the light source device 120 and will be described with reference to FIGS. The difference from the first and second embodiments is that the liquid 90 is forcibly circulated in the third embodiment. FIG. 5 is a schematic plan view of the light source device 120 of the present embodiment. 6 is a cross-sectional view of FIG. The same parts as those in the first and second embodiments are denoted by the same reference numerals, and the description of the configuration is omitted.
[0033]
As shown in FIG. 5, in the light source device 120 of this embodiment, the LED chip 10, the mounting substrate 20, the transparent window 40, the cooling fins 51, and the circulation pump 60 are arranged at predetermined positions of the annular sealed container 31. . The sealed container 31 is filled with a liquid 90. The liquid 90 is forcibly circulated in the container via the liquid circulation path 31a and the liquid circulation path 31b by the circulation pump 60 provided in the sealed container 31. The cooling fin 51 is disposed between the liquid circulation path 31 a and the liquid circulation path 31 b of the annular sealed container 31. The basic configuration and function are the same as those of the cooling fin 50 of the first embodiment. As shown in FIG. 6, the LED chip 10 and the mounting substrate 20 disposed in the sealed container 31 are entirely immersed in the liquid 90. Since other configurations are the same as those of the first embodiment, the description thereof is omitted. 5 and 6, in order to simplify the description, the fixing part between the sealed container 31 and the mounting substrate 20, the electrode wiring and power circuit for lighting the LED chip 10, the power supply for the circulation pump 60, the liquid 90 A sealing port for sealing the inside of the sealed container 31 is not shown.
[0034]
In the configuration of the present embodiment described above, the heat generated when the LED chip 10 is lit is cooled very efficiently by bringing the liquid 90 into direct contact with the surface of the LED chip 10 that is the heat generation source. The The heated liquid 90 is sent by the circulation pump 60 to the cooling fin portion 52 via the liquid circulation path 31a. In the cooling fin portion 52, the heat from the liquid 90 is transmitted to the cooling fin 51 through the container wall of the sealed container 31. The heat transmitted to the cooling fins 51 is exchanged with outside air, for example. The liquid 90 is efficiently cooled by these heat transfer paths. The cooled liquid 90 is repeatedly used for cooling the LED chip 10 via the liquid circulation path 31b. In the present embodiment, the cooling fins 51 are provided in order to promote the cooling. However, the cooling fins 51 can be eliminated depending on the application, use environment, and the like of the light source device 120.
[0035]
As described above, according to the present embodiment, the LED chip 10 is continuously and directly cooled by the liquid 90 circulated by the circulation pump 60 and cooled by the cooling fins 51, thereby further increasing the temperature rise of the LED chip 10. It can be effectively suppressed. As a result, the input power to the LED chip 10 can be significantly increased, and the amount of emitted light can be further increased.
[0036]
[Fourth Embodiment]
The fourth embodiment of the present invention relates to a modification of the light source device 120 described in the third embodiment and will be described with reference to FIG.
FIG. 7 is a cross-sectional view of FIG. 5 in the present embodiment. The difference from the third embodiment is that in the third embodiment, the LED chip 10 is immersed in the liquid 90 and directly cooled, but in the fourth embodiment, the LED chip 10 is the LED chip 10. It is arranged so that the light exit surface side of the light from is not immersed in the liquid 90. The same parts as those of the third embodiment are denoted by the same reference numerals, and the description of the configuration is omitted.
[0037]
In the present embodiment of FIG. 7, the LED chip 10 connected and fixed to the mounting substrate 20 is arranged so that the emission light surface side faces the transparent window 40, and the inner surface of the sealed container 31 via the elastic member 80. It is fixed on the side. The elastic member 80 is selected from materials that function so that the liquid 90 does not enter the emission light surface side of the LED chip 10, such as an elastic sealing material and rubber packing.
[0038]
In the configuration of the present embodiment described above, the heat generated when the LED chip 10 is turned on can be efficiently achieved by bringing the liquid 90 into direct contact with the non-emission light surface side of the LED chip 10 that is the heat generation source. To be cooled. Although the cooling efficiency is reduced as compared with the third embodiment, the cooling means is overwhelming as compared with the forced air cooling method of the prior art as in the third embodiment. The heated liquid 90 is sent by the circulation pump 60 to the cooling fin portion 52 via the liquid circulation path 31a. In the cooling fin portion 52, the heat from the liquid 90 is transmitted to the cooling fin 51 through the container wall of the sealed container 31. The heat transmitted to the cooling fins 51 is exchanged with outside air, for example. The liquid 90 is efficiently cooled by these heat transfer paths. The cooled liquid 90 is repeatedly used for cooling the LED chip 10 via the liquid circulation path 31b. In the present embodiment, the cooling fins 51 are provided in order to promote the cooling. However, the cooling fins 51 can be eliminated depending on the application, use environment, and the like of the light source device 120.
[0039]
As described above, according to the present embodiment, the LED chip 10 is continuously and directly cooled by the liquid 90 circulated by the circulation pump 60 and cooled by the cooling fins 51, thereby further increasing the temperature rise of the LED chip 10. It can be effectively suppressed. As a result, the power input to the LED chip 10 can be significantly increased, and the amount of emitted light can be further increased dramatically.
[0040]
Furthermore, an effect different from that of the third embodiment of the present embodiment is that the light emitting surface of the LED chip 10 is not immersed in the liquid 90, so that the fluctuation phenomenon caused by the liquid 90 can be eliminated. When the third embodiment is performed, if a fluctuation phenomenon due to the liquid 90 occurs depending on the use environment and a problem occurs in the light source quality, the present embodiment can completely solve the problem.
[0041]
[Fifth Embodiment]
The fifth embodiment of the present invention relates to a light source device and will be described with reference to FIGS. A difference from the first to fourth embodiments is that a plurality of LED chips are stacked in the fifth embodiment. FIG. 8 is a schematic plan view of the light source device 120 of the present embodiment. FIG. 9 is a plan view (a) and a cross-sectional view (b) of a plurality of stacked LED chips 15 and a mounting substrate 20 that constitute the light source device 120 of FIG. 10 is a cross-sectional view of FIG. The same parts as those in the first to fourth embodiments are denoted by the same reference numerals, and description of the configuration is omitted.
[0042]
As shown in FIG. 8, the light source device 120 of this embodiment includes a plurality of LED chips 15 stacked. Since other configurations are the same as those of the third embodiment, the description thereof is omitted.
[0043]
As shown in FIG. 9, the LED chip 15 includes an LED light emitting region 11 and an LED substrate 12. In this embodiment, a transparent sapphire substrate is used as the LED substrate. The LED chip 15 is connected and fixed to both surfaces of the mounting substrate 20 via the conductive pads 70. In FIG. 9B, as an example, four LED chips 15 are stacked so as to face each other. The four LED chips 15 that are stacked are stacked so that the liquid 90 is in direct contact with the surface of each LED chip, and the liquid 90 is spaced from each other at an interval that allows the liquid 90 to move between the LED chips. Yes. Light emitted from the LED light emitting region 11 is emitted mainly in the surface direction. In the present embodiment, since the LED substrate 12 is a transparent sapphire substrate, light is emitted from both sides of the LED light emitting region 11. Therefore, when it is desired to emit light only in one direction (in the embodiment, the transparent window 40 side), it is desirable to form a reflective film on the surface of the LED chip 15 farthest from the light emitting surface (not shown in FIG. 9). ) By doing so, light emitted from each of the stacked LED chips is emitted to the outside as light having an emission light quantity corresponding to the number of stacked layers from a predetermined emission surface.
[0044]
As shown in FIG. 10, the plurality of stacked LED chips 15 and mounting substrate 20 are immersed in a liquid 90 as a whole. 8 to 10, for the sake of simplicity, the fixing portion between the hermetic container 31 and the mounting substrate 20, the connecting portion in which a plurality of stacked mounting substrates 20 are combined, and the LED chip 15 are turned on. The electrode wiring and power supply circuit, the power supply for the circulation pump 60 or the sealing port for sealing the liquid 90 in the sealed container 30 are not shown.
[0045]
In the configuration of the present embodiment described above, by stacking four LED chips 15 having the same area, it is possible to increase the amount of emitted light almost four times while the area of the emitted light is almost the same as that of one. It becomes. Further, the heat generated when the stacked LED chips 15 are turned on is cooled very efficiently by bringing the liquid 90 into direct contact with the surface of each LED chip 15 which is a heat generation source. . Since each of the stacked LED chips 15 is stacked and spaced apart from each other at an appropriate interval, the liquid 90 is always in direct contact with the surface of the LED chip 15, so that reliable cooling means and Become. The heated liquid 90 is sent by the circulation pump 60 to the cooling fin portion 52 via the liquid circulation path 31a. In the cooling fin portion 52, the heat from the liquid 90 is transmitted to the cooling fin 51 through the container wall of the sealed container 31. The heat transmitted to the cooling fins 51 is exchanged with outside air, for example. The liquid 90 is efficiently cooled by these heat transfer paths. The cooled liquid 90 is repeatedly used for cooling the LED chip 15 via the liquid circulation path 31b. In the present embodiment, the cooling fins 51 are provided in order to promote the cooling. However, the cooling fins 51 can be eliminated depending on the application, use environment, and the like of the light source device 120.
[0046]
As described above, according to the present embodiment, by stacking a plurality of LED chips 15, it is possible to increase the amount of emitted light almost several times while the area of the emitted light is almost the same as that of one. It becomes possible. In addition, each of the stacked LED chips 15 is continuously directly cooled by the liquid 90 circulated by the circulation pump 60 and cooled by the cooling fins 51, so that the temperature of each of the stacked LED chips 15 is increased. The rise can be efficiently suppressed. Furthermore, in the present embodiment, the stacked LED chips 15 are stacked and spaced apart from each other at appropriate intervals, so that the liquid 90 is always in direct contact with the surface of the LED chip 15. Therefore, the LED chip 15 is reliably and efficiently cooled. As a result, the input power to each LED chip 15 can be greatly increased, and the amount of emitted light can be further increased. Although the light source device 120 has been described in the present embodiment, the light source device 110 can obtain the same effect.
[0047]
[Sixth Embodiment]
The sixth embodiment of the present invention relates to a projection display device, and relates to a small projection display device suitable for using the light source device described in the first to fifth embodiments. In FIG. 11, the schematic block diagram of the optical system of the projection type display apparatus 1 in this embodiment is shown.
[0048]
As shown in FIG. 11, the projection display device 1 of the present embodiment includes a light source device 100, a liquid crystal panel (light modulation element) 200, a projection lens 300, and a housing 500. This is a so-called single-plate projection display device having one liquid crystal panel. The light source device 100 uses the same light source device as that of the first embodiment. The light emission color of the light source device 100 is white. The liquid crystal panel 200 is configured to be capable of light modulation in which light is transmitted or not transmitted in units of pixels in accordance with a change in voltage of a control signal supplied to a drive circuit (not shown). Further, the liquid crystal panel 200 includes a color filter, and a color pixel is composed of a plurality of pixels corresponding to RGB. Color display is possible by controlling whether or not RGB light is transmitted. These structures are the same as those of a liquid crystal panel provided with a known color filter. The projection lens 300 is configured to form an image emitted from the liquid crystal panel 200 on the screen 600. Although only one projection lens is shown in the figure, it is needless to say that it may be composed of a plurality of lenses. The housing 500 is configured as a storage container for the entire projection display device, and is configured so that each optical element can be appropriately arranged.
[0049]
In the configuration of the present embodiment described above, high-intensity white light is emitted from the light source device 100 and light-modulated for each RGB by the liquid crystal panel 200. The light-modulated color lights are synthesized as a bright color image on the screen 600 by the projection lens 300.
[0050]
[Seventh Embodiment]
The seventh embodiment of the present invention relates to a projection display device, and relates to a small projection display device suitable for using the light source device described in the first to fifth embodiments. The difference from Embodiment 6 is that Embodiment 7 includes three light source devices and three liquid crystal panels. In FIG. 12, the schematic block diagram of the optical system of the projection type display apparatus 2 in this embodiment is shown. The same parts as those of the sixth embodiment are denoted by the same reference numerals, and the description of the configuration is omitted.
[0051]
As shown in FIG. 12, the projection display device 2 of the present embodiment includes a light source device 100R, 100G, 100B, three liquid crystal panels (light modulation elements) 200, a dichroic prism 400, a projection lens 300, and a housing 500. And is configured. This is a so-called three-plate projection display device having three liquid crystal panels. The structure of these light source devices 100R, 100G, and 100B is the same as that of the embodiment except that each LED chip of the light source devices 100R, 100G, and 100B emits red color light, green color light, and blue color light, respectively. 5 is basically the same as the structure of the light source device 5. The light source device 100R emits red (R), the light source device 100G emits green (G), and the light source device 100B emits blue (B) light. If the light emission color of the light source device is configured by an LED that emits the same white light as in the sixth embodiment, a color filter for converting the white light into each color light of RGB is provided between the light source device 100 and the liquid crystal panel 200. Or between the liquid crystal panel 200 and the dichroic prism 400. The dichroic prism 400 includes a multilayer film 400R capable of reflecting only R and a multilayer film 400B capable of reflecting only B, and can synthesize an image light-modulated for each RGB and emit it toward the projection lens 300. It is configured.
[0052]
In the configuration of the present embodiment described above, each color light with high luminance is emitted from the light source devices 100R, 100G, and 100B, and is light-modulated by the liquid crystal panel 200 corresponding to each light source device. The light-modulated color lights are synthesized as a bright color image on the screen 600 by the projection lens 300. According to this configuration, a brighter color image can be obtained as compared with the single-plate projection display device of the sixth embodiment.
[0053]
The light source device according to the embodiment of the present invention and the projection display device using the light source device have been described above. However, the embodiment can be freely changed within the scope of the gist of the present invention. For example, although Embodiments 3 to 5 have been described using an annular container as a sealed container, the effects of the present invention can be obtained even when a box-like container similar to Embodiments 1 and 2 is used. In the embodiments, the LED chip is used as the light source device. However, the present invention can also be applied to a solid-state light emitting element such as a semiconductor laser. Further, for example, in the embodiment, the description has been made using the transmission type liquid crystal panel as the light modulation element, but the light source device of the present invention is also used for the reflection type liquid crystal panel (LCOS), the digital micromirror device (DMD), and the like. Similar effects can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic perspective view of a light source device 110 according to a first embodiment.
2 is a cross-sectional view of the light source device 110 of FIG.
3 is a plan view (a) and a cross-sectional view (b) of the LED chip 10 and the mounting substrate 20 of FIG.
4 is a cross-sectional view of the light source device 110 of FIG. 1 according to a second embodiment.
FIG. 5 is a schematic plan view of a light source device 120 according to a third embodiment.
6 is a cross-sectional view of FIG.
FIG. 7 is a cross-sectional view of FIG. 5 in the fourth embodiment.
FIG. 8 is a schematic plan view of a light source device 120 according to a fifth embodiment.
9 is a plan view (a) and a cross-sectional view (b) of the LED chip 15 and the mounting substrate 20 of FIG.
10 is a cross-sectional view of FIG.
FIG. 11 is a schematic configuration diagram of an optical system of a projection display device 1 according to a sixth embodiment.
FIG. 12 is a schematic configuration diagram of an optical system of a projection display device 2 according to a seventh embodiment.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1,2 ... Projection type display apparatus 10,15 ... LED chip, 20 ... Mounting board, 30 ... Sealed container, 40 ... Transparent window, 50,51 ... Cooling fin, 60 ... Circulating pump, 90 ... Liquid, 100,110 120 ... light source device, 200 ... liquid crystal panel, 300 ... projection lens, 400 ... dichroic prism

Claims

A mounting substrate; an LED chip disposed on the mounting substrate; and a sealed container filled with a liquid, wherein the LED chip is directly cooled by the liquid, and at least a part of the sealed container is separated from the LED chip. It is configured to transmit light,
The LED chip is cooled directly by the liquid coming into direct contact with the non-emission light surface side of the LED chip, and the LED chip is arranged such that the emission light surface side faces the light transmission part of the sealed container. A light source device, wherein the light source device is arranged and fixed to the inner surface side of the sealed container via an elastic member so that the emission light surface side is not immersed in the liquid.

The light source device according to claim 1, wherein a plurality of the LED chips are stacked in a light emitting direction.

A mounting substrate; an LED chip disposed on the mounting substrate; and a sealed container filled with a liquid, wherein the LED chip is directly cooled by the liquid, and at least a part of the sealed container is separated from the LED chip. It is configured to transmit light,
A plurality of the LED chips are stacked in the light emitting direction, the plurality of stacked LED chips are stacked apart from each other, and the space is filled with the liquid so that each of the LED chips is directly cooled. A light source device characterized by being configured as described above.

4. The light source device according to claim 2, wherein a reflective film is provided on a surface of the LED chip farthest from a light emission surface among the plurality of LED chips. 5.

The light source device according to claim 1, wherein the sealed container is provided with a cooling unit for cooling the filled liquid.

The light source device according to claim 1, wherein the sealed container is provided with a circulation means for circulating the filled liquid.

The light source device according to claim 1, a light modulation element that modulates light from the light source device, and a projection lens that projects modulated light from the light modulation element. Projection type display device.