JP4200064B2 - 光源装置 - Google Patents

Description

本発明は、光源と、光源から放射される光束を所望の方向へ反射させる反射手段（リフレクタ）と、光束を拡散整形する光拡散整形手段（ディフューザー）と、を含む光源装置に関する。

従来、輝度の高い光源を必要とする投射型表示装置用の光源としては、図１１に示すように、メタルハライドランプ、高圧水銀ランプ等の光源１１−１と、光源１１−１から放射される光を所望の方向へ反射させる凹面鏡（リフレクタ）１１−１０と、を備えた光源装置が用いられている。さらに、ロッドレンズ１１−１１と、カラーホイール１１−１２と、カラーホイールモータ１１−１３とを有しているものがある。

ここで、メタルハライドランプや高圧水銀ランプ等の光源１１−１は、発熱量が大きくランプ自体が高温になるため、光源装置にファンモータのような強制冷却手段に設けて反射鏡の反射背面側を冷却している。冷却により、発光管本体及び発光管からの光を所望の方向へ反射させる凹面鏡の温度を過度に上昇させることを防止し、発光管自体の寿命を長くし、凹面鏡の反射層の劣化等、様々な問題を防止することができる。

例えば、図１２に示すように、発光管１２−１ａ側から冷却風Ｗ１を吹き込み、発光管１２−１ａや封止管部１２−１ｂを冷却し、発光管挿入筒部１２−１ｃを抜けて一方の封止管部１２−１ｄから抜ける。このように、光源装置の周辺に冷却ファン（図示せず）を配置して、光源装置を強制冷却する冷却機構が必要となっていた（例えば、特許文献１、非特許文献１参照）。

図１３は、上記のような光源装置を用いたカラーシーケンシャル方式の投射型表示装置の構成例を示す図である。尚、カラーシーケンシャル方式は、赤緑青の異なる３色で構成された画像を時分割で表示し、この時分割の画像の情報を視聴者が脳内で合成することにより、フルカラー画像として認識されることを利用した表示方式である。

図１３に示す投射型表示装置は、光源装置１３−１０と、ロッドレンズ１３−１１と、カラーホイール１３−１２と、カラーホイールモータ１３−１３と、コンデンサーレンズ１３−１４と、ＴＩＲプリズム１３−１５と、反射ミラー１３−１６と、光変調手段１３−１７（ＤＭＤ，ＬＣＤ等）と、拡大投影用光学系１３−１８と、冷却用ファン１３−１９と、を備えている。画像はスクリーン（図示せず）に投射される。光源装置１３−１０から出力された光は、回転するカラーホイール１３−１２により、時分割で赤緑青（以下、「Ｒ、Ｇ、Ｂ」と称する。）の光を順次透過させる。カラーホイール１３−１２を透過した光は、コンデンサーレンズ１３−１４、ＴＩＲプリズム１３−１５、反射ミラー１３−１６を経て、光変調手段１３−１７に投射される。

光変調手段１３−１７は、投射された光の色と画像情報に応じて光変調を行う。そして、光変調された光を、拡大投影用光学系１３−１８を経てスクリーンに投射することにより、フルカラー画像の表示を行うことができる。

ここでは、高出力型の投射型表示装置を例として説明したが、発光管側より冷却風を吹き込むための吹き付け冷却ファン１３−１９と、吹込んだ冷却風が発光管や封止管部を冷却し、発光管挿入筒部を抜けて一方の封止管部を冷却し、さらに投射型表示装置外部に排気させるための排気冷却ファン１３−２０とのそれぞれの専用ファンを使用する場合もある。
特開平１１−３９９３４号 「月刊ディスプレイ」２００２年７月号、Ｐ．８８

従来、高輝度の光源装置を使用する投射型表示装置は、据え置き型の比較的大きな装置が主流であったが、最近は、持ち運びが容易な小型軽量の装置が求められている。そのため、小型の投射型表示装置に適した小型高輝度光源装置が求められている。光源装置の小型化のためには、発光管自体の小型化のみではなく、リフレクタである凹面鏡を小さくすることも必要となるが、凹面鏡を小さくした場合には、凹面鏡（リフレクタ）は、光源の放熱器としての役割も持っているため光源自体の放熱能力が低下する、凹面鏡の口径が小さくなるため、凹面鏡だけでは光束の整形が不充分となり、均一な光束を得られない、などの問題が生じる。放熱の問題は、冷却ファンを多くするなど強制冷却機構を強化することにより対応可能であり、光束の整形に関する問題は、光を拡散整形する光拡散整形手段（ディフューザー）を用いることにより対応が可能である。

しかしながら、強制冷却機構を強化しようとすると強制冷却機構自体を大きくする必要があり、光拡散整形手段（ディフューザー）を使用すると、光学系を大きくする必要がある。結果として投射型表示装置を大きくする必要が生じ、システムの小型化という本来の目的との間に矛盾が生じていた。

本発明は、上記光源のリフレクタの小型化に伴う、光源装置自体の放熱能力の低下と、光束の整形が不充分という問題点を鑑みて考案されたものであり、放熱器としての機能を付加した光拡散整形手段を、光源、リフレクタと組み合わせたものである。リフレクタと、放熱器としての機能を備えた前記光拡散整形手段と、を一体化することにより、光源装置としての放熱能力の向上と、光学系の小型化を図ることができる。放熱能力の向上と光学系の小型化のために、光拡散整形手段に放熱器としての機能を兼ねさせている。光拡散整形手段が、入射光を内側に反射させる第１の反射手段であって赤外線を透過し可視光を反射する可視光反射層と、赤外線を熱に変換する赤外線熱変換層と、の２層を含んで構成された第１の反射手段を有しているのが好ましい。

本発明によれば、放熱特性に優れ、輝度ムラが少なく、比較的容易に発光条件を最適化可能で、かつシンプルでコンパクトな光源装置の実現が可能となる。

以下、本発明の実施の形態による光源装置について説明する。まず、本発明の第１の実施の形態による光源装置について図面を参照しつつ説明を行う。図１は、本発明の第１の実施の形態による光源装置の概略構成を示す図である。図１に示すように、本実施の形態による光源装置は、光源Ａ（例えば高圧水銀ランプ）と、リフレクタ部Ｂと、光拡散部Ｃと、の３つの部分に大別されて構成され、光拡散整形部Ｃに放熱器の機能を備えていることを特徴とする。

光拡散整形部Ｃの内面に、入射光を内側に反射する反射層１−０が設けられている。反射層１−０は、可視光を反射する可視光反射層１−１と、その上の赤外線熱変換層１−２とを有している。図２は、赤外線熱変換層１−２の光反射率の光波長依存性を示す図である。可視光反射層１−１（アルミニウム）の反射率も併せて表示した。図２に示すように、赤外線熱変換層１−２の光反射率は、波長領域３００ｎｍから２４００ｎｍ以上までの広い領域にかけてほぼ一定であり、かつ、１０％以下の低い反射率を示す。赤外線熱変換層１−２は、赤外線を吸収して熱に変換する特性を有し、例えば、Ｎｉ−Ｆｅスピネル系黒顔料などを添加した黒色セラミック、又は耐熱アルマイトとＳｉベースの耐熱光沢コートとを含んで構成されている。

光拡散整形部Ｃに入射した光のうち、可視光は反射層１−０のうちの可視光反射層１−１により、光拡散整形部Ｃの内で反射と拡散とを繰り返し、出力光の拡散整形が行われる。これに対して、赤外線は反射層１−０のうちの赤外線熱変換層１−２により吸収され、熱に変換された後、光拡散整形部Ｃの表面から外部に放熱される。上記のように、図１に示す光源装置では、光拡散整形部Ｃに放熱器としての機能を付加することにより光源装置としての冷却能力を向上させることができる。

尚、以下の実施の形態では、光源Ａ（高圧水銀ランプ）及びリフレクタ部Ｂと光拡散整形部Ｃとが一体化又は端面同士が当接している形態を示しているが、もちろん図１のように光源Ａ（高圧水銀ランプ）及びリフレクタ部Ｂと光拡散整形部Ｃとが離れた構成も本発明の範疇に入るものとする。

次に、本発明の第２の実施の形態による光源装置について説明する。図３は、本実施の形態による光源装置の構成例を示す図である。図３に示すように、本実施の形態による光源装置は、光源（高圧水銀ランプ）Ａと、リフレクタ部Ｂと、光拡散整形部Ｃとを含んで構成され、リフレクタ部Ｂと光拡散整形部Ｃとが結合している構成を有している。

光拡散整形部Ｃは、その内面に入射光を内側に反射する反射層３−０を備えている。反射層３−０は、アルミニウムのように可視光を反射する可視光反射層３−１と、赤外領域で図２に示すような反射特性を有し赤外線を吸収して熱に変換する赤外線熱変換層３−２とを有している。光拡散整形部Ｃに入射した光のうち、可視光は反射層３−０の可視光反射層３−１により光拡散整形部Ｃの内で反射と拡散とを繰り返し、出力光の拡散整形が行われる。これに対して、赤外線は反射層３−０のうち可視光反射層３−１よりも外側（光の通路に対して遠い位置）に形成されている赤外線熱変換層３−２によって吸収されて熱に変換された後、光拡散整形部Ｃの表面から外部に放熱される。

本実施の形態による光源装置では、リフレクタ部Ｂと光拡散整形部Ｃとを結合することにより、光源装置全体の形状（寸法）を小さくすることができると共に、光拡散整形部Ｃに放熱器としての機能を付加しリフレクタと結合することにより、冷却能力を向上させることができる。

次に、本発明の第３の実施の形態による光源装置について図面を参照しつつ説明を行う。図４は、本発明の第３の実施の形態による光源装置の構成例を示す図である。図４に示す光源装置は、図３に示す構成に加えて、光拡散整形部Ｃの出力部分（光束が出射する出口の開口部）に、赤外線を反射し可視光を透過させるコールドミラー４−３を設けたことを特徴としている。出射口に設けられたコールドミラー４−３により、光拡散整形部Ｃからの出力光として可視光のみが出力される。すなわち、コールドミラー４−３は、赤外線を光拡散整形部Ｃ側へ反射する（戻す）、いわゆる赤外線フィルターとして機能する。コールドミラー４−３により反射された赤外線は、光拡散整形部Ｃにおいて吸収され放熱される。
光拡散整形部Ｃの出力部分（出射口）近傍にコールドミラー４−３を設けることにより、光源装置から可視光と共に出力される赤外線成分を少なくすることができる。

次に、本発明の第４の実施の形態による光源装置について図面を参照しつつ説明を行う。図５は、本発明の第４の実施の形態による光源装置の構成例を示す図である。図５に示すように、本実施の形態による光源装置は、図２に示す光源装置に加えて、光拡散整形部Ｃの外側に熱を赤外線に変換し放射する熱赤外変換層５−４がさらに設けられている点を特徴とする。光拡散整形部Ｃの内面に設けられた赤外線熱変換層５−２によって熱に変換された赤外線は、光拡散整形部Ｃの外側に設けられた熱赤外変換層５−４により、熱から赤外線に再変換され光拡散整形部Ｃからその外側に放射される。本実施の形態による光源装置では、光拡散整形部Ｃの外側に設けられ、熱を赤外線に変換して放射する熱赤外変換層５−４により放熱効果が向上するという利点がある。

次に、本発明の第５の実施の形態による光源装置について図面を参照しつつ説明を行う。図６は、本実施の形態による光源装置の構成例を示す図である。図６に示すように、本実施の形態による光源装置は、図１又は図２に示す光源装置に加えて、光拡散整形部Ｃの外側に放熱フィン６−５を備えている。光拡散整形部Ｃの外側に設けられた放熱フィン６−５により、光拡散整形部Ｃの外側の放熱に寄与する部分である光拡散整形部Ｃの外側の表面積を大きくすることができ、光拡散整形部Ｃの放熱能力が向上する。

次に、本発明の第６の実施の形態による光源装置について図面を参照しつつ説明を行う。図７は、本実施の形態による光源装置の構成例を示す図である。図７に示すように、本実施の形態による光源装置は、図２に示す光源装置に加えて、光拡散整形部Ｃに屈曲部が形成されている点を特徴とする。図６に示すように、光拡散整形部Ｃに屈曲部７ａを設けたことにより、光源装置を大きくすることなく、実質的な光拡散整形部Ｃを長くすることができ、光拡散整形能力と放熱機能とを向上させることができる。また、光路が屈曲しているため、赤外線熱変換層７−２に入射せずに光拡散整形部Ｃを透過する赤外線を減らすことができ、光拡散整形部Ｃの赤外線熱変換効率を向上させることができる。

尚、図７に示す光拡散整形部の屈曲部７ａは屈曲箇所が１箇所であるが、複数の屈曲箇所を備えていても良い。また、光拡散整形部の屈曲部の形状は、図８に示すように曲線状に形成されていても良い。さらに、光拡散整形部の屈曲は、同一平面上で光拡散整形部を２次元的に屈曲させるだけでなく、３次元的に捻るように屈曲させても良い。

次に、本発明の第７の実施の形態による光源装置について図面を参照しつつ説明を行う。図９は、本実施の形態による光源装置の構成例を示す図である。図９に示すように、本実施の形態による光源装置では、リフレクタ部Ｂの基材（以後、「リフレクタ基材」と称する。）が、熱伝導率μがμ＞１０Ｗ／ｍ・Ｋ（一般的なガラスの１０倍の値）を有する材料により構成されている。

さらに、リフレクタ部Ｂの光源側の面に、光拡散整形部Ｃと同様に、可視光を反射する可視光反射層９−１と、赤外領域で図２に示すような反射特性を有する赤外線を吸収し熱に変換する赤外線熱変換層９−２（Ｎｉ‐Ｆｅスピネル系黒顔料などを添加した黒色セラミックもしくは耐熱アルマイトとＳｉベースの耐熱光沢コート）とで構成された反射層９−０が設けられ、リフレクタ基材の外側に熱を赤外線に変換し放射する熱赤外線変換層９−４を備えている点が、図２の実施例の光源装置と異なっている。

熱伝導率μがμ＞１０Ｗ／ｍ・Ｋのリフレクタ基材と、赤外線熱変換層９−２と、熱赤外線変換層９−４とにより、図９に示す光源装置では、リフレクタの放熱能力をより一層向上させることができるため、さらに光源装置としての放熱能力を改善できる。

次に、本発明の第８の実施の形態による光源装置について図面を参照しつつ説明を行う。図１０に、本発明の第１から第７までの各実施の形態による光源装置を光源としたカラーシーケンシャル方式の投射型表示装置の構成例を示す。尚、図１０における投射型表示装置の各部の名称は、従来と同じ名称を用いる。図１０に示すように、光源装置１０−１から出力した光は、回転するカラーホイール１０−１２により、時分割でＲ、Ｇ、Ｂの光を順次透過させる。カラーホイール１０−１２を透過した光は、コンデンサ−レンズ１０−１４、ＴＩＲプリズム１０−１５、反射ミラー１０−１６を経て、光変調手段１０−１７に投射される。光変調手段１０−１７は、投射された光の色と画像情報とに応じて、光変調を行う。そして光変調された光を、拡大投影用光学系１０−１８を経てスクリーン（図示せず）に投射することにより、フルカラー画像の表示を行うことができる。図１０に示すカラーシーケンシャル方式の投射型表示装置は、光源装置１０の形状寸法が小さい点、光源装置の放熱能力が大きいため強制冷却機構を簡素化できる点、光源装置から可視光と共に出力される赤外線が少ないため光源装置と他の構成要素との間隔を小さくすることできる点、光源装置自身で光路を切換えることが可能である点、などの特徴を有しており、図１３に示した従来の光源装置を用いた投射型表示装置に比べて、システム全体としての形状寸法を小さくすることができ、レイアウトの自由度が増すという利点がある。

本発明の光源装置は、カラーシーケンシャル方式の投射型表示装置以外にも、液晶パネルを用いた透過型表示装置やＤＭＤ、ＬＣＯＳなどの反射型ライトバルブをＲＧＢ夫々１枚ずつ使用した３板方式の投射型表示装置にも適用可能である。

本発明の第１の実施の形態による光源装置の構成例を示す図である。 熱変換膜の分光反射率の波長依存性を示す図である。 本発明の第２の実施の形態による光源装置の構成例を示す図である。 本発明の第３の実施の形態による光源装置の構成例を示す図である。 本発明の第４の実施の形態による光源装置の構成例を示す図である。 本発明の第５の実施の形態による光源装置の構成例を示す図である。 本発明の第６の実施の形態による光源装置の構成例を示す図である。 本発明の第６の実施の形態の変形例（曲面型屈曲部）による光源装置の構成例を示す図である。 本発明の第７の実施の形態による光源装置の構成例を示す図である。 本発明の各実施の形態による光源装置を用いた投射型表示装置の構成例を示す図である。 従来例による光源装置の構成例を示す図である。 従来例による光源装置の冷却システムを示す図である。 従来例による光源装置を含む投影表示装置の構成例を示す図である。

符号の説明

１．可視光反射膜
２．熱変換膜（反射面側）
３．コールドミラー
４．熱変換膜（基材外面側）
５．放熱フィン
１０．光源装置
１１．ロッドレンズ
１２．カラーホイール
１３．カラーホイールモータ
１４．コンデンサーレンズ
１５．ＴＩＲプリズム
１６．反射ミラー
１７．光変調手段
１８．拡大投影用光学系
１９．吹き付け冷却用ファン
２０、排気冷却用ファン

Claims (10)

1. 光源と、該光源からの光を反射させるリフレクタと、該リフレクタから出射された光を内面で受けて拡散整形する位置に設けられ、放熱器としての機能を兼ねた光拡散整形手段と、を備えた光源装置において、
   前記光拡散整形手段の前記内面側から、入射光を内側に反射させる第１の反射手段であって赤外線を透過し可視光を反射する可視光反射層と、赤外線を熱に変換する赤外線熱変換層と、の２層を含んで構成された第１の反射手段を有しており、
   前記赤外線熱変換層の光反射率は、波長領域３００ｎｍから２４００ｎｍ以上までの広い領域にかけてほぼ一定であり、かつ、１０％以下の低い反射率を示す材料により構成されていることを特徴とする光源装置。
2. 前記赤外線熱変換層は、赤外線を吸収して熱に変換する特性を有する材料である、Ｎｉ−Ｆｅスピネル系黒顔料を添加した黒色セラミック、又は、耐熱アルマイトとＳｉベースの耐熱光沢コートとを含んで構成されていることを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
3. さらに、光の出射側に可視光を透過し赤外線を反射する第２の反射手段を備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載の光源装置。
4. さらに、前記光拡散整形手段の外側に熱を赤外線に変換し放射する熱赤外線変換層を設けたことを特徴する請求項１から３までのいずれか１項に記載の光源装置。
5. 前記光拡散整形手段の外側に、前記光拡散整形部の外側の表面積を大きくする放熱器を設けたことを特徴とする請求項１から３までのいずれか１項に記載の光源装置。
6. 前記光拡散整形手段に光の進行方向に対して屈曲した屈曲部を備えたことを特徴する請求項１から５までのいずれか１項に記載の光源装置。
7. 前記リフレクタが、熱伝導率１０Ｗ／ｍＫ以上のリフレクタ基材（以後、「高熱伝導率リフレクタ基材」と称する。）を含んで構成されていることを特徴とする請求項１から６までのいずれか１項に記載の光源装置。
8. 前記高熱伝導率リフレクタ基材の光源側に設けられ、
   光源から放射された赤外線を吸収し、これを熱に変換する赤外線熱変換層と、
   該赤外線熱変換層の光源側に設けられ赤外放射を透過し可視光を反射する可視光反射層と、を含んで構成されたリフレクタを備えた請求項７に記載の光源装置。
9. 前記高熱伝導率リフレクタ基材の外側に、熱を赤外線に変換して放射する熱赤外線変換層を備えたことを特徴とする請求項７又は８に記載の光源装置。
10. 請求項１から９までのいずれか１項に記載の光源装置を備えたことを特徴とする投射型表示装置。

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