JP4657242B2 - 投写型映像表示装置 - Google Patents

Description

この発明は、光源を冷却する手段を備えた投写型映像表示装置に関する。

投写型映像表示装置は、ハロゲンランプを光源として用い、この光源から出射された光を液晶パネル等のライトバルブにより変調して投写する構成であるため、高輝度の光源を備える必要がある。この高輝度の光源から発生する熱によって、光源の発光特性の低下や寿命が短くなるなどの不都合があった。

このため従来は、ファンによって生成された冷却風を光源に送風することによって光源を冷却し、装置の筐体内で温度上昇した空気をこの筐体外に排気することとしていた（特許文献１参照）。
特開２００１−２２２０６５号公報

これに対し、光源として従来のハロゲンランプに代えて、ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ−Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）光源やＬＤ（Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ）光源のような固体光源を用いた投写型映像表示装置の開発が近年進められている。このような投写型映像表示装置において、固体光源を効率的に発光させるための温度範囲が低く、具体的には、約１００℃以下で発光動作をさせる必要があるので、上述のような熱対策が、従来のランプのような光源に比べ、より厳しく求められている。

そこで、本願発明は上記の事情に鑑み、冷媒により固体光源をより効率的に冷却することができる投写型映像表示装置を実現することを目的とする。

本発明は上記課題を解決するものであって、出射光の色が互いに異なる３つの光源と、前記各出射光を合成する光合成手段と、前記光合成手段によって合成された合成光を投写する投写手段と、を備える投写型映像表示装置において、前記３つの光源のうち第１の光源を冷却する第１の冷却手段と、前記３つの光源のうち前記第１の光源を除く第２の光源および第３の光源を冷却する第２の冷却手段と、を備えることを特徴とするものである。

本発明によれば、ＬＥＤやレーザーのような各色の光源を十分に冷却することができる。

上記の投写型映像表示装置において、前記第３の光源は、発熱量が前記３つの光源のうち最も小さいことを特徴とする。このような投写型映像表示装置によれば、少なくとも３つの光源の中で最も発熱量が小さい第３の光源と、第２の光源とを同じ第２の冷却手段で冷却するので、光源をより効率的に冷却することができる。

上記の投写型映像表示装置において、前記第１の光源から出射される第１の出射光を前記光合成手段へ導く第１の導光路と、前記第２の光源から出射される第２の出射光を前記光合成手段へ導く第２の導光路と、前記第３の光源から出射される第３の出射光を前記光合成手段へ導く第３の導光路と、を備え、前記第２の導光路は、前記第２の出射光を曲折させる曲折部を有することを特徴とする。第２の導光路に曲折部を設けることにより、第２の光源と第３の光源とを近接配置することが可能となり、第２の光源と第３の光源とを冷却する第２の冷却手段の小型化を図ることが可能となる。したがって、このような投写型映像表示装置によれば、投写型映像表示装置の小型化、軽量化あるいはコストダウンが可能となる。

上記の投写型映像表示装置において、前記各導光路は、前記各光源から出射される出射光の照度分布を均一化するインテグレート手段を備えることを特徴とする。導光路にロッドインテグレータのようなインテグレート手段を備えることにより、輝度のムラあるいは色のムラの少ない美しい映像を表示できる投写型映像表示装置を提供することができるほか、曲折部に三角プリズムのような反射手段を用いることにより、容易な構成で曲折部を有する導光路を実現することができる。

上記の投写型映像表示装置において、前記各冷却手段は、液体の冷媒が循環する液冷手段であってもよく、前記各冷却手段は、ペルチェ素子を備えてもよい。冷却手段を、光源からの熱を吸熱して冷媒に伝導させる熱伝導部と、冷媒を冷却して投写型映像表示装置の外部へ放熱する放熱部と、この熱伝導部と放熱部とを冷却水や油のような液体の冷媒が循環するように接続する冷媒配管とを有する液冷手段とすることにより、冷却手段の冷却能力を向上させることができる。特に、光源の近傍にペルチェ素子のような熱移動部材を配置することにより、光源から強制的に熱を奪うことができ、短時間で冷却することが可能となる。

上記の投写型映像表示装置において、前記各光源は、レーザーを含むことを特徴とする。投写型映像表示装置の光源としてレーザーを用いることは、レーザーの特性（コヒーレンスの高さや発光効率）から鑑みて、有用である。一方で、ロールオーバーと呼ばれる環境温度による発光特性の変化、具体的には、環境温度が上昇することによって発光特性が低下してしまう問題があるため、本発明のような冷却手段を備えることにより、投写型映像表示装置を効率的に動作させることが可能となる。

なお、前記第２の光源は緑色光源である。また、映像信号に基づいて光を変調して映像光を生成するライトバブル、たとえば透過型液晶パネルは、インテグレート手段と光合成手段の間、若しくは光合成手段と投写手段の間に配置されるものであってもよい。

本願発明によれば、ＬＥＤ光源を冷却する冷却手段を備えた投写型映像表示装置において、冷却手段を、３つの光源のうち第１の光源を冷却する第１冷却手段と、第１光源以外の第２の光源および第３の光源を冷却する第２冷却手段と、に分けて設けたことにより、各色ＬＥＤ光源を効率よく冷却することができる。

また、第２の光源からの出射光を光合成手段に導くためのインテグレート手段を曲折させることにより、第２冷却手段が冷却する対象の第２の光源と（前記３つの光源のうち最も発熱量が小さい）第３の光源を近接配置することができるので、各色ＬＥＤ光源を接続する配管の長さを短くすることができる。これにより、投写型映像表示装置の小型化、軽量化、コストダウンが可能となる。

以下、本願発明の投写型映像表示装置の実施形態を説明する。

図１、図２は、投写型映像表示装置１０の構成を示した図である。図１は平面図であり、図２は斜視図である。投写型映像表示装置１０は、筐体の中に複数の光源部１１（１１Ｒ、１１Ｇ、１１Ｂ）と、複数の第１ロッドインテグレータ４１（４１Ｒ、４１Ｇ、４１Ｂ）と、複数の第２ロッドインテグレータ４２（４２Ｒ、４２Ｇ、４２Ｂ）と、三角プリズム４３と、複数の液晶パネル５（５Ｒ、５Ｇ、５Ｂ）と、ダイクロイックプリズム２と、投写レンズ６と、配管１２と、複数のラジエータ１４（１４ａ、１４ｂ）と、複数の送風ファン１５（１５ａ、１５ｂ）を備える。また、同図において２０は電気回路を示すものである。

（投写型映像表示装置１０の光学系の説明）
まず、投写型映像表示装置１０の光学系について説明する。光源部１１は、光源部１１Ｒ、１１Ｇ、１１Ｂからなり、それぞれ赤色光を出射する赤色ＬＥＤ素子６１Ｒ、緑色光を出射する緑色ＬＥＤ素子６１Ｇ、青色光を出射する青色のＬＥＤ光源６１Ｂを有する。光源部１１の構成については、図３を参照して後で詳しく説明する。

第１ロッドインテグレータ４１は、ガラス、或いはアクリル等の樹脂でできており、出射面が入射面よりも大きいテーパ形状である。この第１ロッドインテグレータ４１に入射した光束は、側面で反射を繰り返しながらその分散角が低減される。第２ロッドインテグレータ４２は、ガラス、或いはアクリル等の樹脂でできており、出射面の大きさと入射面とが等しい（或いはほぼ等しい）角柱状の形状である。この第２ロッドインテグレータ４２に入射した光束は、側面で反射を繰り返しながら均一な面光源となって、液晶パネル５へ出射される。なお、光源部１１Ｇからの光路中には、第１ロッドインテグレータ４１Ｇからの出射光の進行方向を９０°変えて第２ロッドインテグレータ４２へ入射させる三角プリズム４３がある。

液晶パネル５は、図示しない映像信号生成回路からの駆動信号に基づいて入射光に対する変調を行い、映像光を出射する。液晶パネル５（５Ｒ、５Ｇ、５Ｂ）からの出射光はクロスダイクロイックプリズム２により合成され、投写レンズ６へ出射される。投写レンズ６は、入射した光を図示しないスクリーンへ拡大投写する。なお、クロスダイクロイックプリズム２は、入射面から入射した赤色光、青色光を反射し、入射面から入射した緑色光は透過するという性質を有している。したがって、緑色光は、出射面（投写レンズ６側）と対向する入射面からクロスダイクロイックプリズム２に入射される。また、投写レンズ６に入射する光の分散角は十分に小さくする必要がある（例えば１５度以下）。したがって、十分な低分散角化を行うためには、テーパ形状の第１ロッドインテグレータ４１は十分に長いものを用いる必要がある。

（投写型映像表示装置１０の冷却系の説明）
次に、投写型映像表示装置１０の光源部１１の冷却系について説明する。図１（及び図２）を参照して、冷却系は、光源部１１Ｂを冷却する第１の冷却系と、光源部１１Ｇ、１１Ｒを冷却する第２の冷却系とに分かれている。

まず、図３を参照して光源部１１の構造を説明する。光源部１１は、ＬＥＤ素子６１と、熱伝導部６３、配管接続部６４、及び冷媒流路６５を有している。図３（ａ）は、光源部１１（図１の光源部１１Ｇ）を正面（図１のマイナスｚ方向）から見た図であり、図３（ｂ）は、光源部１１（１１Ｇ）を側方（図１のマイナスｘ方向）から見た図である。なお、同図のｘ、ｙ、ｚ方向を示す矢印は、図１、２の矢印で示した方向と対応したものである。

熱伝導部６３は、銅など、熱伝導率の高い金属でできている。また、図３（ｂ）に示すように、熱伝導部６３の中には冷媒流路６５が形成されている。ＬＥＤが発生した熱は、熱伝導部６３を介して冷媒流路６５を流れる冷媒（本実施形態の場合は水）に熱伝導される。そして、冷媒は配管接続部６４の出口側を通って配管１２へ流れる。このように光源部１１は冷媒により冷却される。

再び図１（及び図２）を参照し、光源部１１を冷却する冷却系の他の構成要素について説明する。

まず、上記第１の冷却系について説明する。光源部１１Ｂからの冷媒は、配管１２を通って放熱フィン（ラジエータ）１４ａへ向かう。配管１２は、樹脂製（例えばゴムホース）若しくは金属製の配管である。放熱フィン１４ａは光源部１１Ｂで温度上昇した冷媒を冷却する。冷却された冷媒はポンプ１３ａへ向かう。ポンプ１３ａは、第１冷却系の冷媒を循環させる機能を有する。冷媒は、ポンプ１３ａを介して光源部１１Ｂへ向かう。放熱フィン１４ａの背面（冷媒流入／流出口が設けられた面とは異なる面）には、送風ファン１５ａが設けられている。この送風ファン１５ａは、筐体内の空気を吸気して前記外部側の領域に向けて排気を行う。この排気された空気によって放熱フィン１４ａ内の冷却用液体から熱が効率的に奪われ、この熱は筐体外へと排出される。

次に、第２の冷却系について説明する。光源部１１Ｒからの冷媒は、配管１２を通って光源部１１Ｇへ向かう。配管１２は、第１の冷却系と同様に、樹脂製（例えばゴムホース）若しくは金属製の配管である。光源部１１Ｇからの冷媒は、配管１２を通って放熱フィン（ラジエータ）１４ｂへ向かう。放熱フィン１４ｂは光源部１１Ｒ、及び１１Ｇで温度上昇した冷媒を冷却する。冷却された冷媒はポンプ１３ｂへ向かう。ポンプ１３ｂは、第２冷却系の冷媒を循環させる機能を有する。冷媒は、ポンプ１３ｂを介して光源部１１Ｒへ向かう。放熱フィン１４ｂの背面（冷媒流入／流出口が設けられた面とは異なる面）には、送風ファン１５ｂが設けられている。この送風ファン１５ｂは、筐体内の空気を吸気して前記外部側の領域に向けて排気を行う。この排気された空気によって放熱フィン１４ｂ内の冷却用液体から熱が効率的に奪われ、この熱は筐体外へと排出される。

なお、ポンプ１３の配置位置は上記の構成に限らず、例えば光源部１１Ｒと光源部１１Ｇの間であっても良い。或いは冷媒を、上記実施形態と逆回りで循環しても良い。例えば、光源部１１Ｂからの冷媒が、ポンプ１３ａから配管１２を通って放熱フィン１４ａへ向かうようにしても良い。但し、光源部１１からの冷媒が放熱フィン１４を介してポンプ１３へ向かうような構成とした方が、ポンプ１３の温度が上昇しない点では好ましい。

また、緑色光の光路中では、三角プリズム４３と液晶パネル５の間に第２ロッドインテグレータ４２Ｇを設けているが、この第２ロッドインテグレータ４２Ｇを省略した構成であっても良い。或いは、三角プリズム４３と第２ロッドインテグレータ４２Ｇを一体化した光学部材を採用しても良い。

（作用）
この実施形態では、光源部１１Ｒの発熱量は最も少なく、光源部１１Ｂの発熱量が最も多く、光源部１１Ｇはこれらの中間である。そこで、光源部１１Ｂの冷却系を光源部１１Ｇ、１１Ｒの冷却系と分離することにより、光源部１１Ｇ、１１Ｒの冷却も十分に行うことができる。これに対し、冷却系を分離させない場合、冷媒は専ら光源部１１Ｂでの熱により昇温してしまい、他の光源部（１１Ｇ、１１Ｒ）の冷却が十分に行えない。

また、光源部１１Ｇからの光路中には光路を９０度折り曲げる三角プリズム４３が設けられている。この三角プリズム４３を設け、光路を折り曲げることで、上記のような第１ロッドインテグレータ４１を用いた投写型映像表示装置１０のスペースを小さくすることができる。また、この三角プリズム４３は、光入射面が（光源１１Ｂ側ではなく）光源１１Ｒ側となるように配置される。これは、光源部１１Ｇと１１Ｒとを近接して設けるようにするためである。光源部１１Ｇと１１Ｒとを近接して設けるようにすれば、上記第２の冷却系の配管の長さを短くすることができ、また、大きな出力のポンプを用いる必要も無くなる。

逆にこのような折り曲げを行わない場合、各光源間の距離は長くなる為、１つの冷却系により複数の光源を冷却しようとすると、配管が長くなってしまうため装置が重くなる。また、大きな出力のポンプを用いる必要が生じる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

上記実施形態では、青色光源を冷却する第１の冷却系と、その他の色の光源を冷却する第２の冷却系とに分離している。しかし、単に本発明は、青を緑及び赤と分離することが特徴ではなく、２つの冷却手段により分担して３つの光源を冷却することにある。採用する光源の特性によっては、青色以外の光源の冷却系を他色光源の冷却系と分離しても良い。例えば、2番目に最も発熱量の大きな光源を冷却する第１冷却系と、１番目及び３番目に発熱量が多いその他の色の光源を冷却する第２の冷却系とに分離しても良い。

なお、上記で言うところの光源の発熱量とは、所定の映像光の表示のために必要な光源からの出力に伴う発熱量のことである。発熱量の測定は、例えば光源周辺部の温度を測定することにより行われる。

上記実施形態の光源冷却系は、冷媒を用いて冷却するものであるが、冷媒を用いないものでも良い。例えば、赤色光源と緑色光源とを近接して設け、これらを熱伝導率の高い共通の冷却部材（例えば金属板状の放熱部材）により冷却するものでも良い。また、上記実施形態は、液晶パネルを３つ備えた３板式の投写型映像表示装置に関するであるが、本発明は単板式の投写型映像表示装置に適用しても良い。この場合、液晶パネルは、クロスダイクロイックプリズム２での色合成を経た位置に配置される。

上記実施形態では、最も発熱量の大きな光源からの光を、クロスダイクロイックプリズム２の出射面と対向しない入射面から入射させているが、これに代えて、最も発熱量の大きな光源からの光を、クロスダイクロイックプリズム２の出射面と対向する入射面から入射させても良い。このとき、クロスダイクロイックプリズム２の入射面へ光を導くインテグレート手段は、最も発熱量が小さい光源の側に曲折される。例えば、図１のような構成の投写型映像表示装置１０において、緑色ＬＥＤ光源が最も発熱量が大きく、赤色ＬＥＤ光源が２番目に大きく、青色ＬＥＤ光源が最も発熱量が小さいような場合は、緑色ＬＥＤ光源用のインテグレータを青色ＬＥＤ光源側に曲折させるようにすれば良い。

上記の実施の形態では、光源としてＬＥＤ光源を用いて説明したが、従来のランプ光源よりも厳しい熱対策が求められる光源は、ＬＥＤ光源に限定されるものではない。ＬＥＤ光源以外に本発明を利用可能な光源としては、環境温度によって、所謂ロールオーバーと呼ばれる現象が生じ、発光効率が低下してしまうＬＤ光源や、環境温度によって樹脂が黄変してしまう虞があるため、樹脂によってモールドされている光源が挙げられる。また、光源は１つの発光素子からなるとは限らず、複数個の発光素子をアレイ化して構成される光源もあり、この場合には、複数個の発光素子からの総発熱量を考慮すべきである。

熱伝導部は熱伝導率の高い銅板を用いて説明したが、冷却系の応答性を向上（冷却能の向上）させるためには、熱伝導部にペルチェ素子のような熱移動可能な部材を設けることにより、光源から発生した熱をより短時間で光源から吸熱することが可能となる。

投写型映像表示装置１０の平面図である。 投写型映像表示装置１０の斜視図である。 光源部１１の構造を示す図であり、(ａ)は図１のｚ方向に向かって見たときの正面図、(ｂ)は同図のｘ方向に向かって見たときの正面図である。

符号の説明

２ ダイクロイックプリズム
５ 液晶パネル
６ 投写レンズ
１０ 投写型映像表示装置
１１ 光源部
１２ 配管
１３ ポンプ
１４ 放熱フィン（ラジエータ）
１５ 送風ファン
２０ 電気回路
４１ 第１ロッドインテグレータ
４２ 第２ロッドインテグレータ
４３ 三角プリズム
６１ ＬＥＤ素子
６３ 熱伝導部
６４ 配管接続部
６５ 冷媒流路

Claims (5)

1. 出射光の色が互いに異なる３つの光源と、前記各出射光を合成する光合成手段と、前記光合成手段によって合成された合成光を投写する投写手段と、前記３つの光源のうち第１の光源を冷却する第１の冷却手段と、前記３つの光源のうち前記第１の光源を除く第２の光源および第３の光源を冷却する第２の冷却手段とを備える投写型映像表示装置において、
   前記第２の光源および第３の光源は近接して設けられ、
   前記第２の冷却手段は、前記第２の光源と第３の光源とを熱伝導率の高い共通の冷却部材により冷却することを特徴とする投写型映像表示装置。
2. 請求項１記載の投写型映像表示装置において、
   前記第３の光源は、発熱量が前記３つの光源のうち最も小さいことを特徴とする投写型映像表示装置。
3. 請求項１または２記載の投写型映像表示装置において、
   前記第１の光源から出射される第１の出射光を前記光合成手段へ導く第１の導光路と、
   前記第２の光源から出射される第２の出射光を前記光合成手段へ導く第２の導光路と、
   前記第３の光源から出射される第３の出射光を前記光合成手段へ導く第３の導光路と、を備え、
   前記第２の導光路は、前記第２の出射光を曲折させる曲折部を有することを特徴とする投写型映像表示装置。
4. 請求項３記載の投写型映像表示装置において、
   前記各導光路は、前記各光源から出射される出射光の照度分布を均一化するインテグレート手段を備えることを特徴とする投写型映像表示装置。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載の投写型映像表示装置において、
   前記各光源は、レーザーを含むことを特徴とする投写型映像表示装置。

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