JP5052039B2

JP5052039B2 - 光源装置

Info

Publication number: JP5052039B2
Application number: JP2006141616A
Authority: JP
Inventors: 吉典角田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2006-05-22
Filing date: 2006-05-22
Publication date: 2012-10-17
Anticipated expiration: 2026-05-22
Also published as: JP2007310294A; US7527390B2; CN100538509C; US20070268704A1; CN101078865A

Description

この発明は、特に投写型表示装置に使用される光源装置に関するものである。

従来の光源装置は、図９に示すように半導体発光素子８０、および半導体発光素子８１から照射される照射光は、夫々集光レンズ８２、８３で平行光に収束され、回転放物鏡８４で反射し、回転放物鏡８４の焦点８５に集光される。集光した照射光は、インテグレータ８６の内面で複数回反射してリレーレンズ８７、８８、８９を透過し、ライトバルブ６０に照射される。ライトバルブ６０は、半導体発光素子８０、８１の照射光の反射方向を映像信号処理回路（図示省略）の映像に応じて反射方向を制御して映像を生成し、投写レンズ６１で拡大されてスクリーン６２に投影される。
また、放熱フィン９０は半導体発光素子８０、８１が自身の発熱により輝度が低下するのを防止するために、冷却ファン（図示省略）で冷却するために基板９１に対して半導体発光素子８０、８１の反対側の面に設けられている。（例えば、特許文献１参照）

特開２００５−２９２６４２号公報

特許文献１記載の従来の光源装置では、半導体発光素子に寿命が来た場合、あるいは故障した場合、新しい半導体発光素子と交換するとき、インテグレータも同時に取り外さなければならず、光源装置の交換作業が面倒であった。

この発明に係わる光源装置は、第１焦点と第２焦点とを有する第１回転楕円鏡と、この第１回転楕円鏡の非反射部に設けた開口部に、支持体により第１回転楕円鏡の回転軸に対して放射状に配置された複数の半導体発光素子とを有し、
上記半導体発光素子の夫々の光束を、上記第２焦点を経て上記第１回転楕円鏡の内面で反射後上記第１焦点に集光させると共に上記半導体発光素子の発光中心と上記第２焦点とを結ぶ線と、上記第１焦点と上記第２焦点とを結ぶ線のなす角度θ _１（０°≦θ _１＜１８０°）を９０度以上に設定した照明ユニットを備えたものである。
また、第３焦点と第４焦点とを有する第２回転楕円鏡を備え、この第２回転楕円鏡の回転軸に対して上記照明ユニットを放射状に複数個配設し、上記第１回転楕円鏡の各第１焦点を、上記第４焦点と一致する位置に配置すると共に、
上記半導体発光素子の夫々の光束を上記第４焦点に集光し、且つ、上記第２焦点と上記第１焦点、上記第４焦点とを結ぶ線と、上記第１焦点、上記第４焦点と上記３焦点とを結ぶ線とのなす角度θ _２（０°≦θ _２＜１８０°）を９０度以上に設定したものである。

この発明の光源装置によれば、半導体発光素子の夫々の光束を、第２焦点を経て第１焦点に集光させると共に回転軸と半導体発光素子の各発光中心軸とのなす角度を９０度以上に設定した照明ユニットを備えたので、照明ユニットの交換作業が容易であり、また各々の照射光が略対抗する半導体発光素子に干渉しないので、半導体発光素子を配設する数を増やして光源装置の輝度を上げることができ、あるいは複数の半導体発光素子の内の一つが故障により発光しなくなった場合でも極端な輝度劣化を防止できる効果がある。さらに数多くの照明ユニットの照射光をインテグレータの入射開口に集光できるので輝度の高い光源装置を得られる付加的効果がある。

以下、図面に基づいて、この発明の各実施の形態を説明する。
なお、各図間において、同一符号は同一あるいは相当部分を示す。

実施の形態１．
図１〜図４は、この発明の実施の形態１における光源装置を投写型表示装置に使用した場合の図で、図１は、図２のＩ―Ｉ線を矢印方向に見た側断面図、図２は、図１の矢印Ａから見た正面図、図３は、図２を斜め方向から見た斜視図、図４は、図１の矢印Ｂから見た背面図である。
以下図１〜図４に基づき、光源ユニット７３と第１回転楕円鏡１０とによって構成された照明ユニット７８について説明する。
この光源ユニット７３は、後述するように、複数の半導体発光素子と、集光レンズと、支持体（ベース、ホルダ、基板など）などにより構成されている。
まず、光源ユニット７３のうち、半導体発光素子、集光レンズと第１回転楕円鏡について説明する。

図１〜図４において、赤色の波長を発光する半導体発光素子１、２および３は、その照射光４、５、および６の発光中心軸（１点鎖線）７、８、および９が第１回転楕円鏡（以下「第１楕円鏡」という）１０の回転軸１０１に対して放射状に略１２０度分割となるように配置されている。また、図１に示すように第１楕円鏡１０の鏡面は、その楕円曲率により第１焦点１１と第２焦点１２を有している。半導体発光素子１から照射される略６０度の角度で発散して照射される照射光４は、集光レンズ１３、１４を屈折して透過することにより第２焦点１２で集光した後に第１楕円鏡１０の内面で反射し、第１焦点１１で再び集光する。赤色の波長を発光する半導体発光素子２、および３も半導体発光素子１と同様に照射光５、６が夫々集光レンズ１５、１６、および１７、１８を屈折して透過することにより第２焦点１２で集光した後に第１楕円鏡１０の内面で反射し、第１焦点１１で再び集光する。

また、半導体発光素子１９、２０、２１は緑色の波長を発光し、その照射光２２、２３、および２４は半導体発光素子１、２、および３と同様に、夫々その発光中心軸２５、２６、および２７が第１楕円鏡１０の回転軸１０１に対して放射状に略１２０度分割となるように配置され、かつ夫々半導体発光素子１、２、３に対して回転軸１０１の回転方向に略４０度時計周りに回転した位置に配置され、夫々集光レンズ２８、２９、３０、３１、および３２、３３で集光する位置が第２焦点１２と合致している。したがって、半導体発光素子１、２、および３と同様に半導体発光素子１９、２０、および２１の照射光２２、２３、および２４も夫々第２焦点１２で集光した後に第１楕円鏡１０の内面で反射し、第１焦点１１で再び集光する。

さらに、半導体発光素子３４、３５、３６は、青色の波長を発光し、その照射光３７、３８、および３９は半導体発光素子１、２、３、１９、２０、および２１と同様に、夫々その発光中心軸４０、４１、および４２が第１楕円鏡１０の回転軸１０１に対して放射状に略１２０度分割となるように配置され、かつ夫々半導体発光素子１、２、３に対して回転軸１０１の回転方向に略４０度反時計周りに回転した位置に配置され、夫々集光レンズ４３、４４、４５、４６、および４７、４８で集光する位置が第２焦点１２と合致している。したがって、半導体発光素子１、２、３、１９、２０、および２１と同様に半導体発光素子３４、３５、および３６の照射光３７、３８、および３９も夫々第２焦点１２で集光した後に第１楕円鏡１０の内面で反射し、第１焦点１１で再び集光する。

したがって、半導体発光素子１、２、３、１９、２０、２１、３４、３５、および３６の照射光は、すべて第１焦点１１に集光することになる。また、図１に示すように焦点１２を通る回転軸１０１と発光中心軸７、８、９、２５、２６、２７、４０、４１、４２のなす角度、すなわち半導体発光素子の発光点と第２焦点１２と第１焦点１１を結ぶ角度Ｄは９０度以上開いているため、各々の半導体発光素子に略対抗する位置に配置された半導体発光素子に照射光が干渉しない。また、集光レンズ１４、１６、１８、２９、３１、３３、４４、４６、４８から第２焦点１２までの距離を長くすると、隣合う各半導体発光素子間の空隙も広くなり、さらに数多くの半導体発光素子を配置することも可能となる。

図５は、本光源装置を投写型表示装置に使用した場合の要部側断面図で、図において第１焦点１１には、インテグレータ（多数の２次光源を生成する柱状光学素子）４９の入射開口５０が配置されており、半導体発光素子１、２．３、１９、２０、２１、３４、３５、および３６の照射光４、５、６、２２、２３、２４、３７、３８、３９は、第１焦点１１を通過した後に再び拡散してインテグレータ４９の内面で数回反射してインテグレータ４９の出射開口面５１から拡散して出射し、リレーレンズ５２、５３、５４および５５を屈折して透過することにより略平行光束を形成し、さらに第１反射ミラー５６、第２反射ミラー５７で反射してプリズム５８に入射し、プリズム５８の反射面５９で反射した後にライトバルブ６０を照射する。ライトバルブ６０は、図示を省略した映像信号処理回路の映像信号に応じて照射光の反射方向を制御して映像を形成し、投射レンズ６１で映像を拡大してスクリーン６２に映像を投影する。

次に、照明ユニット７８において、次の支持体（ベース６３、基板６６、ホルダ７０など）により光源ユニット７３を第１楕円鏡１０の開口部１０ａへ装着する構成について説明する。
図１〜図５において、半導体発光素子１、２、３、１９、２０、２１、３４、３５、および３６は、夫々ベース６３に形成された溝６４に接着により位置決め固定され、同様に集光レンズ１３、１４、１５、１６、１７、１８、２８、２９、３０、３１、３２、３３、４３、４４、４５、４６、４７、４８も溝６４に接着により位置決め固定され、各々の照射光が第２焦点１２に集光するように姿勢を維持している。また、ベース６３は、アルミ等の熱伝導率の高い材料で形成され、その裏面の一部に放熱フィン６５が一体で形成されている。またベース６３の裏面には基板６６が接着固定されており、半導体発光素子１、２、３、１９、２０、２１、３４、３５、および３６の端子は、基板６６にはんだ付けされて基板６６から発光に必要な電流を供給する。また、基板６６は中央に形成された穴部６７から放熱フィン６５が挿通されている。したがって、ベース６３は、半導体発光素子の発光による発熱を放熱フィン６５に伝達し、図５に示すように冷却ファン６８の送風により放熱フィン６５を冷却することにより各々の半導体発光素子の発熱を抑制する。

また、図１に示すようにベース６３の外周には、位置決め部６９を形成したホルダ７０が設けられ、このホルダ７０は、第１楕円鏡後面すなわち非反射部に設けた光源ユニット交換兼支持用の開口部１０ａに形成された位置決め部７１と着脱可能に嵌合している。また、図５に示すように第１楕円鏡１０は、各光学部品を収納したケース７２に固着され、位置決め部６９と位置決め部７１が嵌合しているため、冷却ファン６８の送風により装置外部から吸引される塵埃は、照射光４、５、６、２２、２３、２４、３７、３８、３９が投射レンズ６１から出るまでの光路の途中で、各レンズやミラーの表面に付着することがなく、長時間光源装置を使用しても塵埃の付着によって明るさが劣化することがない。
さらに、半導体発光素子を直接接触させて位置決め固定したベース６３に一体で放熱フィン６５を形成し、半導体発光素子をはんだ付けした基板６６に形成した穴部６７から放熱フィン６５を挿通させたので、半導体発光素子を冷却する送風とともに装置外部から挿入する塵埃が半導体発光素子の照射光が透過する各光学部品に付着せず、塵埃の付着による輝度劣化を防止できる効果がある。

さらにまた、半導体発光素子１、２、３、１９、２０、２１、３４、３５、および３６のいずれか、またはすべてが、故障、あるいは寿命を迎え照射光が発光しなくなった場合、あるいは極端に輝度が低下した場合は、第１楕円鏡１０やインテグレータ４９を外さなくても新しい半導体発光素子（光源ユニット７３）と交換でき、交換時にインテグレータ４９や第１楕円鏡１０の反射面に塵埃や皮脂の付着が発生せず、光源装置の交換後に投影映像の性能劣化を防止でき、またインテグレータ４９、あるいは第１楕円鏡１０を交換せずに継続使用でき、交換部品費用を抑制できる効果がある。

なお、光源ユニット７３は、半導体発光素子１、２、３、１９、２０、２１、３４、３５、および３６と集光レンズ１３、１４、１５、１６、１７、１８、２８、２９、３０、３１、３２、３３、４３、４４、４５、４６、４７、４８とベース６３と基板６６とホルダ７０で構成されており、第１楕円鏡１０、およびインテグレータ４９は含まれない。
インテグレータ４９や第１楕円鏡１０は、反射面の反射率が高くなるように特殊なコーティングがされているため、比較的高価な光学部品であり、取り扱い時に反射面に塵埃が付着したり、皮脂が付着したまま装置を使用すると投影映像に付着した塵埃や皮脂の影が映ったり十分な輝度が得られない。したがって、光源ユニット７３を矢印Ｃの方向に抜き取り、新しい光源ユニット７３を第１楕円鏡１０の位置決め部７１に嵌合させて光源装置のメンテナンス作業を行う。この際メンテナンス作業者は、インテグレータ４９や第１楕円鏡１０をケース７２から外さずに、ホルダ７０、あるいは放熱フィン６５をつかんで光源ユニット７３を交換するので作業者の手はインテグレータ４９や第１楕円鏡１０の反射面に触れることがない。

実施の形態２．
図６〜図８は、この発明の実施の形態２を示す光源装置を示し、図６はその側面図、図７は正面図、図８は斜視図である。
図６〜図８において、第２回転楕円鏡７４（以下「第２楕円鏡」という）は、その回転軸７５の軸上に第３焦点７６と、第４焦点７７を有し、第３焦点７６の近傍にインテグレータ４９の入射開口５０を配置し、また、実施の形態１で用いた第１楕円鏡１０と光源ユニット７３の組み合わせによる照明ユニット７８を回転軸７５に対して複数個放射状に配設している。さらに、夫々の光源ユニット７３の第１焦点１１が第２楕円鏡７４の第４焦点７７と一致する位置に配設している。
さらに、第３焦点において、光源ユニット７３の第２焦点１２と第２楕円鏡７４の第４焦点７７と第２楕円鏡７４の第３焦点７６を通る２本の直線（光源ユニット７３の第２焦点１２と第１焦点１１とが通る直線と、第４焦点７７と第３焦点７６とが通る直線）のなす角度、すなわち第４焦点において、第２回転楕円鏡の回転軸７５と各第１回転楕円鏡の回転軸１０１とのなす角度を９０度以上開いて配設している。

したがって、回転軸７５に対して照明ユニット７８を複数個放射状に配設しても照明ユニット７８の照射光７９は、略対向する位置の第１楕円鏡１０に干渉しないので、光源ユニット７３を単体で使用する時よりも、高い輝度の照明光を得られる。
また、第２回転楕円鏡の回転軸７５と各第１回転楕円鏡の回転軸１０１とのなす角度を９０度以上に配置したので、数多くの照明ユニット７８の照射光をインテグレータ４９の入射開口に集光できる輝度の高い光源装置を得られる効果がある。
なおまた、この光源装置は、光源の故障発生、あるいは光源が寿命を迎えた場合には早急に交換により復旧させる必要の高い監視用投射型映像表示装置の光源装置に適応できる。

この発明の実施の形態１における光源装置の側断面図である。この発明の実施の形態１の光源装置の正面図である。この発明の実施の形態１の光源装置の斜視図である。この発明の実施の形態１の光源装置の背面図である。この発明の実施の形態１の光源装置を用いた映像表示装置を示す要部断面図である。この発明の実施の形態２の光源装置の正面図である。この発明の実施の形態２の光源装置の要部側断面図である。この発明の実施の形態２の光源装置の斜視図である。従来の光源装置を示す要部側断面図である。

符号の説明

１、３５半導体発光素子４照射光
１０第１回転楕円鏡１３、１４集光レンズ
１０ａ光源ユニット交換兼支持用開口部
１１第１焦点１２第２焦点
１０１第１回転楕円鏡の回転軸
６３支持体のベース６４溝
６５放熱フィン６７穴部
６６支持体の基板６９位置決め部
７０支持体のホルダ７１位置決め部
７３光源ユニット７８照明ユニット

Claims

第１焦点と第２焦点とを有する第１回転楕円鏡と、この第１回転楕円鏡の非反射部に設けた開口部に、支持体により第１回転楕円鏡の回転軸に対して放射状に配置された複数の半導体発光素子とを有し、
上記半導体発光素子の夫々の光束を、
上記第２焦点を経て上記第１回転楕円鏡の内面で反射後上記第１焦点に集光させると共に
上記半導体発光素子の発光中心と上記第２焦点とを結ぶ線と、上記第１焦点と上記第２焦点とを結ぶ線のなす角度θ _１（０°≦θ _１＜１８０°）を９０度以上に設定した照明ユニットを備えたことを特徴とする光源装置。
入射開口と出射開口とを有し２次光源を生成する柱状光学素子を備え、上記第１回転楕円鏡の第１焦点を、上記柱状光学素子の入射開口に配置したことを特徴とする請求項１記載の光源装置。
上記半導体発光素子の支持体は、上記第１回転楕円鏡の開口部に着脱自在に嵌合させたことを特徴とする請求項１記載の光源装置。
上記半導体発光素子の支持体において、
上記半導体発光素子に接する部分を高熱伝導材で構成すると共に、この部分に放熱フィンを形成したことを特徴とする請求項１記載の光源装置。
第３焦点と第４焦点とを有する第２回転楕円鏡を備え、
この第２回転楕円鏡の回転軸に対して上記照明ユニットを放射状に複数個配設し、上記第１回転楕円鏡の各第１焦点を、
上記第４焦点と一致する位置に配置すると共に、
上記半導体発光素子の夫々の光束を上記第４焦点に集光し、且つ、
上記第２焦点と上記第１焦点、上記第４焦点とを結ぶ線と、
上記第１焦点、上記第４焦点と上記３焦点とを結ぶ線と
のなす角度θ _２（０°≦θ _２＜１８０°）を９０度以上に設定したことを特徴とする請求項１記載の光源装置。
入射開口と出射開口とを有し２次光源を生成する柱状光学素子を備え、上記第２回転楕円鏡の第３焦点を、上記柱状光学素子の入射開口に配置したことを特徴とする請求項５記載の光源装置。