JP6836132B2 - 光学装置、光源装置、およびプロジェクター - Google Patents
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Description
特許文献2には、半導体レーザー、ダイクロイックミラー、反射型カラーホイール、回転機構、および反射型カラーホイールの放熱部として機能するフィンを備えた光源装置が記載されている。フィンは、回転機構により回転して遠心力により空気を拡散するように形成されている。
また、特許文献2に記載のフィンでは、回転によって発生する空気の流れを充分に利用することが難しく、フィンの回転数が高くなることやフィンが大型化することが考えられる。フィンの回転数が高くなると風切り音によって騒音が増し、フィンが大型化すると光源装置が大型化することや重量が重くなるという課題がある。
また、回転部材が板金で一体に形成された場合には、回転部材のより軽量化が可能なので、低パワーの回転装置の採用、すなわち小型や低消費電力の回転装置の採用が可能となる。
[プロジェクターの概略構成]
図1は、本実施形態に係るプロジェクター1の構成を示す模式図である。
本実施形態に係るプロジェクター1は、内部に設けられた照明装置31から出射された光を変調して画像情報に応じた画像を形成し、当該画像を投写面であるスクリーンSC上に拡大投写する表示装置である。
プロジェクター1は、図1に示すように、外装筐体2と、外装筐体2内に収納される光学ユニット3と、を備える。この他、図示を省略するが、プロジェクター1は、当該プロジェクター1を制御する制御装置、光学部品等の冷却対象を冷却する冷却装置、および、電子部品に電力を供給する電源装置を備える。
光学ユニット3は、照明装置31、色分離装置32、平行化レンズ33、光変調装置34、色合成装置35、および投写光学装置36を備える。
照明装置31は、照明光WLを出射する。なお、照明装置31の構成については、後に詳述する。
ダイクロイックミラー321は、照明光WLを赤色光LRと他の色光(緑色光LGおよび青色光LB)とに分離する。分離された赤色光LRは、反射ミラー323によって反射されて、平行化レンズ33(33R)に導かれる。また、分離された当該他の色光は、ダイクロイックミラー322に入射する。
ダイクロイックミラー322は、上記他の色光を緑色光LGと青色光LBとに分離する。分離された緑色光LGは、平行化レンズ33(33G)に導かれる。また、分離された青色光LBは、リレーレンズ326、反射ミラー324、リレーレンズ327および反射ミラー325を介して、平行化レンズ33(33B)に導かれる。
平行化レンズ33(赤、緑および青の各色光LR,LG,LB用の平行化レンズを、それぞれ33R,33G,33Bとする)は、入射する光を平行化する。
投写光学装置36は、色合成装置35にて合成された画像光をスクリーンSCに投写する。投写光学装置36としては、図示を省略するが、鏡筒内に複数のレンズが配置された組レンズを採用できる。
このような光学ユニット3により、スクリーンSCに拡大された画像が投写される。
図2は、照明装置31の構成を示す模式図である。
照明装置31は、上記のように、照明光WLを色分離装置32に向けて出射する。この照明装置31は、図2に示すように、光源装置4および均一化装置5を有する。
光源装置4は、均一化装置5に光束を出射する。この光源装置4は、光源部41、アフォーカル光学系42、第1位相差素子43、ホモジナイザー光学系44、光分離素子45、第1集光系46、波長変換装置47、第2位相差素子48、第2集光系49および拡散装置4Aを備える。
これらのうち、光源部41、アフォーカル光学系42、第1位相差素子43、ホモジナイザー光学系44、光分離素子45、第2位相差素子48、第2集光系49および拡散装置4Aは、光源装置4に設定された第1照明光軸Ax1上に配置されている。なお、光分離素子45は、第1照明光軸Ax1と、当該第1照明光軸Ax1に直交する第2照明光軸Ax2との交差部分に配置される。
一方、第1集光系46および波長変換装置47は、第2照明光軸Ax2上に配置される。
光源部41は、アフォーカル光学系42に向けて青色光である励起光を出射する。この光源部41は、第1光源部411および第2光源部412と、光合成部材413と、を有する。
第1光源部411は、LD(Laser Diode)である固体光源SS(光源)がマトリクス状に複数配列された固体光源アレイ4111と、各固体光源SSに応じた複数の平行化レンズ(図示省略)と、を有する。また、第2光源部412も同様に、固体光源SSがマトリクス状に複数配列された固体光源アレイ4121と、各固体光源SSに応じた複数の平行化レンズ(図示省略)と、を有する。これら固体光源SSは、例えば、440nm〜460nmの波長域にピーク波長を有する光を出射する。これら固体光源SSから出射された励起光は、平行化レンズにより平行化されて光合成部材413に出射される。なお、本実施形態では、各固体光源SSから出射される励起光は、S偏光光である。
アフォーカル光学系42は、光源部41から出射された励起光の光束径を調整する。具体的に、アフォーカル光学系42は、光源部41から平行光として出射された励起光を集光して光束径を縮小させ、更に平行化して出射する光学系である。このアフォーカル光学系42は、それぞれ凸レンズおよび凹レンズであるレンズ421,422を備えて構成されている。光源部41から出射された励起光は、アフォーカル光学系42により集光されて、第1位相差素子43に出射される。
第1位相差素子43は、1/2波長板である。この第1位相差素子43を透過することにより、アフォーカル光学系42から出射されたS偏光光である励起光は、当該S偏光光の一部がP偏光光に変換され、S偏光光とP偏光光とが混在した光となる。このような第1位相差素子43を透過した励起光は、ホモジナイザー光学系44に入射する。
なお、本実施形態では、第1位相差素子43は、当該第1位相差素子43の光軸(第1照明光軸Ax1と一致)を中心として回動可能に構成されている。この第1位相差素子43が回転されることにより、第1位相差素子43を透過する励起光のうちS偏光光とP偏光光との割合を、当該第1位相差素子43の回動量(回動角)に応じて調整できる。
ホモジナイザー光学系44は、後述する波長変換装置47における被照明領域である蛍光体層473に入射する励起光の照度分布を均一化する。このホモジナイザー光学系44は、第1マルチレンズ441および第2マルチレンズ442を備える。
第1マルチレンズ441は、第1照明光軸Ax1に対する直交面内に、複数の第1レンズ4411がマトリクス状に配列された構成を有し、当該複数の第1レンズ4411によって入射される励起光を複数の部分光束(励起部分光束)に分割する。
第2マルチレンズ442は、第1照明光軸Ax1に対する直交面内に、上記複数の第1レンズ4411に応じた複数の第2レンズ4421がマトリクス状に配列された構成を有する。そして、第2マルチレンズ442は、各第1レンズ4411により分割された複数の励起部分光束を、各第2レンズ4421および第1集光系46と協同して、上記被照明領域である蛍光体層473に重畳させる。これにより、当該蛍光体層473に入射する励起光の中心軸に直交する面内(第2照明光軸Ax2に対する直交面内)の照度が均一化される。
このホモジナイザー光学系44を介した励起光は、光分離素子45に入射する。
光分離素子45は、プリズム型のPBS(Polarizing Beam Splitter)であり、それぞれ略三角柱状に形成されたプリズム451,452が界面にて貼り合わされ、これにより全体が略直方体形状に形成されている。これらプリズム451,452の界面は、第1照明光軸Ax1および第2照明光軸Ax2のそれぞれに対して略45°傾斜している。そして、光分離素子45においてホモジナイザー光学系44側(すなわち光源部41側)に位置するプリズム451の界面には、波長選択性を有する偏光分離層453が形成されている。
このような光分離素子45により、ホモジナイザー光学系44から出射された励起光のうち、P偏光光は、第1照明光軸Ax1に沿って第2位相差素子48側に透過され、S偏光光は、第2照明光軸Ax2に沿って第1集光系46側に反射される。すなわち、光分離素子45は、当該励起光のうち、P偏光光を第2位相差素子48(ひいては拡散装置4A)に向けて出射させ、S偏光光を第1集光系46に向けて出射させる。
第1集光系46には、ホモジナイザー光学系44を通過して偏光分離層453にて反射されたS偏光光の励起光が入射する。この第1集光系46は、当該励起光を波長変換素子471に集光(集束)させる他、当該波長変換素子471から出射された蛍光光を集光して平行化し、当該蛍光光を偏光分離層453に向けて出射する。この第1集光系46は、3つのピックアップレンズ461〜463により構成されている。なお、第1集光系46を構成するレンズの数は、3に限らない。
波長変換装置47は、入射する励起光を蛍光光に変換する。この波長変換装置47は、波長変換素子471および回転装置475を備える。
回転装置475は、平板状に形成された波長変換素子471を回転させるモーター等により構成されている。
基板472は、励起光の入射側から見て略円形状に形成されている。この基板472は、金属やセラミックス等により構成できる。
蛍光体層473は、入射する励起光により励起されて非偏光光である蛍光光(緑色光および赤色光を含む黄色光、例えば500〜700nmの波長域にピーク波長を有する蛍光光)を出射する蛍光体を含む。この蛍光体層473にて生じる蛍光光の一部は、第1集光系46側に出射され、他の一部は、反射層474に出射される。
反射層474は、蛍光体層473と基板472との間に配置され、当該蛍光体層473から出射された蛍光光を第1集光系46側に反射させる。
このような波長変換素子471に励起光が照射されると、蛍光体層473および反射層474によって、上記蛍光光が第1集光系46側に拡散出射される。そして、当該蛍光光は、第1集光系46を介して光分離素子45の偏光分離層453に入射し、第2照明光軸Ax2に沿って偏光分離層453を透過して、均一化装置5に出射される。すなわち、波長変換素子471にて生じた蛍光光は、光分離素子45により、第2照明光軸Ax2方向に出射される。
第2位相差素子48は、1/4波長板であり、光分離素子45から出射される励起光(直線偏光)の偏光状態を円偏光にする。
第2集光系49は、第2位相差素子48を透過した励起光を拡散装置4Aに集光(集束)させる光学系であり、本実施形態では、3つのピックアップレンズ491〜493により構成されている。なお、第2集光系49を構成するレンズの数は、上記第1集光系46と同様に、3に限らない。
均一化装置5は、光源装置4から出射された照明光WLの中心軸(第2照明光軸Ax2)に対する直交面(光軸直交面)の照度を均一化するものであり、具体的には、各光変調装置34(34R,34G,34B)における被照明領域である画像形成領域(変調領域)における光束の照度分布を均一化する。この均一化装置5は、第1レンズアレイ51、第2レンズアレイ52、偏光変換素子53および重畳レンズ54を備える。
第2レンズアレイ52は、第1レンズアレイ51と同様に、複数の小レンズ521が光軸直交面にてマトリクス状に配列された構成を有し、各小レンズ521は、対応する小レンズ511と1対1の関係にある。すなわち、或る小レンズ521には、対応する小レンズ511から出射された部分光束が入射される。これら小レンズ521は、各小レンズ511により分割された複数の部分光束を、重畳レンズ54とともに各光変調装置34の上記画像形成領域に重畳させる。
偏光変換素子53は、第2レンズアレイ52と重畳レンズ54との間に配置され、入射する複数の部分光束の偏光方向を揃える機能を有する。
ここで、拡散装置4Aについて詳細に説明する。
図3は、拡散装置4Aの斜視図である。図4は、拡散装置4Aの分解斜視図である。
図3、図4に示すように、拡散装置4Aは、光学素子としての反射板4A1、回転装置としてのモーター4A2、および放熱部としての回転部材6に加え、スペーサー4A3を有している。反射板4A1および回転部材6は、光学装置に相当する。
反射板4A1は、熱伝導率が高い金属材料(例えば、アルミニウム、銅、銀、あるいはこれらの材料を含む合金)で板状に形成されている。反射板4A1は、図4に示すように、平面視円形に形成され、中央には丸孔4A11が形成されている。
図5は、回転部材6の平面図であり、モーター4A2側から見た図である。
回転部材6は、図4、図5に示すように、平坦に形成された基部61、および基部61から屈曲された複数の羽根部62を有している。なお、複数の羽根部62を示す図においては、複数の羽根部62のうち、1つの羽根部に注目して符号を付している。
また、基部61は、外周の縁部に、羽根部62の枚数に応じて放射状に突出する複数の突起部612を有している。
複数の羽根部62は、図4に示すように、複数の突起部612の各端部612eから屈曲されている。端部612eは、図5に示すように、回転方向6Rに対して傾斜している。具体的に、端部612eは、回転部材6の回転方向6Rにおける前側が後側より回転中心軸4Acに近くなるように傾斜している。回転部材6は、母材となる一枚の板金から形成されているが、端部612eが傾斜して形成されていることによって、羽根部62が充分な表面積を有して形成されている。
回転部材6は、基部61が接着剤を介して反射板4A1に固定され、反射板4A1とスペーサー4A3とに挟持され、反射板4A1と共に回転する。
図6は、拡散装置4Aの平面図であり、モーター4A2側から見た図である。
回転部材6は、図6に示すように、外形が反射板4A1の外形より小さく形成されている。複数の羽根部62は、図5に示すように、複数の突起部612それぞれの端部612eから延出し、回転中心軸4Acを中心とする回転方向6Rに等間隔で配設されている。
複数の羽根部62は、複数の突起部612が上述したように形成されているので、回転中心軸4Acを中心に半径方向外側に突出していることになる。換言すると、複数の羽根部62は、回転中心軸4Ac側から回転中心軸4Acに対して遠ざかる方向に突出している。本実施形態の回転部材6は、8つの羽根部62を有している。なお、羽根部62の数は、8つに限らない。回転部材6は、図6に示すように(モーター4A2側から見て)、モーター4A2の駆動により、反射板4A1と共に反時計回りに回転する。
羽根部62は、図4に示すように、反射板4A1に対して傾斜する傾斜部62a、および傾斜部62aの端部から屈曲する屈曲部62bを有している。
図7は、拡散装置4Aの断面図である。
傾斜部62aは、図7に示すように、回転中心軸4Acを中心とする半径方向外側から内側に向かうに従って反射板4A1に近づくように傾斜している。具体的に、傾斜部62aの裏面4A1b(回転中心軸4Acに直交する平面)に対する傾斜角θ(図7参照)は、例えば、20°〜70°の範囲を例示することができる。
また、傾斜部62aは、図5に示すように、回転方向6Rの後側に傾斜突起部621を有し、外周の端部が平面視円弧状に形成されている。傾斜突起部621は、回転方向6Rとは反対方向に突出している。
拡散装置4Aは、モーター4A2の駆動により回転部材6が回転すると、羽根部62によって空気の流れが生じ、図8に示すように、傾斜部62aと反射板4A1との間に空気が流れる。この空気は、傾斜部62aが前述したように傾斜しているので、反射板4A1に向かって流れる。そして、入射する光によって発熱する反射板4A1は、この空気の流れによって冷却される。また、反射板4A1の熱は、基部61を介して複数の羽根部62に伝わるので、回転部材6による放熱によっても冷却される。すなわち、回転部材6は、反射板4A1に空気を導く導風機能、および反射板4A1の熱を放熱する放熱機能を有している。
図9は、拡散装置4Aにおける傾斜部62aの傾斜角θと、熱抵抗および騒音との関係のシミュレーション結果を示すグラフである。熱抵抗は、反射板4A1の冷却性に対応しており、値が小さな程、より冷却されることを意味している。熱抵抗は、傾斜角θが変わることに伴う羽根部62から空気に伝わる熱伝達係数に基づいて算出されている。
一方、熱抵抗は、図9に示すように、傾斜角θが75°程度以下の範囲においては、傾斜角θが大きくなる程、次第に小さくなるが、75°程度を超えると大きくなる。これは以下の理由が考えられる。すなわち、回転に伴って傾斜部62aに衝突した空気は、傾斜角θが75°程度以下においては、多くが反射板4A1に向かうが、傾斜角θが75°程度を超えると、反射板4A1側とは異なる側に向かう空気が増して、有効に反射板4A1に空気が導かれないためと考えられる。
(1)回転部材6(放熱部)は、光が入射することにより発熱する反射板4A1の熱を、基部61を介して複数の羽根部62から放熱させる。また、羽根部62は、基部61に対して傾斜する傾斜部62aを有している。これによって、基部61に対して垂直に立設する立設部を有する構成に比べ、基部61に対する垂直方向の大きさを抑えて、大きな表面積を有する回転部材6が可能となる。よって、大型化を抑制しつつ反射板4A1の熱が効率よく放熱される拡散装置4Aの提供が可能となる
また、他の製法に比べ、板厚を薄く形成できるので、回転部材6の軽量化が可能となる。さらには、回転部材6の軽量化が可能なので、低パワーのモーター4A2の採用、すなわち小型や低消費電力のモーター4A2の採用が可能となる。
なお、前記実施形態は、以下のように変更してもよい。
図10は、変形例の回転部材7(放熱部)の部分斜視図であり、基部71の一部および1つの羽根部72を示す図である。
図10に示すように、羽根部72における傾斜部72aには、複数の凸部721、および複数の凸部721にそれぞれ対応して設けられた複数の開口部722が形成されている。凸部721および開口部722は、プレス加工によって、傾斜部72aの一部が切り起こされて形成されている。このように、羽根部72に凸部721および開口部722が設けられることにより、表面積が大きくなるので、回転部材7の放熱機能を高めることが可能となる。なお、凸部721を有さず開口部722を有する形状であってもよい。
また、図示は省略するが、図10に示す傾斜部72aの外周端部72aeに凹凸形状を設けてもよい。これによって、回転部材7の表面積を大きく形成できるので、回転部材7の放熱機能を高めることが可能となる。
拡散装置8Aは、図11に示すように、回転部材8に加え、前記実施形態の拡散装置4Aと同様に、反射板4A1、モーター4A2、およびスペーサー4A3を備えている。反射板4A1および回転部材8は、光学装置に相当する。
回転部材8は、図12に示すように、基部81、および基部81から突出する複数の羽根部82を有し、図11に示すように、基部81が反射板4A1に積層されている。羽根部82は、反射板4A1に対して傾斜する傾斜部82a、および傾斜部82aの端部から屈曲する屈曲部82bを有している。
屈曲部82bは、反射板4A1(裏面4A1b)に対向するように、また、反射板4A1と略平行となるように屈曲されている。また、屈曲部82bは、回転方向8Rにおける後側が傾斜部82aから突出している。
この構成によれば、前記実施形態の回転部材6に比べ、反射板4A1に導く空気の量が減るが、傾斜部82aの傾斜角を大きくしても、反射板4A1とは反対側に向かう空気を屈曲部82bによって遮り、反射板4A1に向かわせることが可能となる。よって、低騒音化を図りつつ、反射板4A1を効率よく冷却可能な拡散装置8Aの提供が可能となる。
また、屈曲部82bが裏面4A1bに略平行に配置されていることで、空気との接触抵抗も減り、回転するモーター4A2の負荷も減らせるため、耐久性向上にも繋がる。
また、この光学装置を備えたプロジェクターは、この光学装置に空気を送風する冷却装置を備えることが好ましい。
Claims (6)
- 光学素子と、
前記光学素子の熱を放熱する放熱部と、
を備え、
前記放熱部は、
前記光学素子に重ねられた基部と、
前記基部から前記光学素子とは反対側に突出する複数の羽根部と、
を有し、
前記複数の羽根部は、前記基部に対して傾斜する傾斜部と、前記傾斜部に設けられた凸
部を有していることを特徴とする光学装置。 - 請求項1に記載の光学装置であって、
前記放熱部は、板金で一体に形成されていることを特徴とする光学装置。 - 請求項1または請求項2に記載の光学装置であって、
前記羽根部には、開口部が形成されていることを特徴とする光学装置。 - 光源と、
前記光源から出射された光が入射する光学素子と、
前記光学素子に重ねられた基部と、前記基部から前記光学素子とは反対側に突出する複
数の羽根部とを有し、前記光学素子の熱を放熱する放熱部と、
前記光学素子と共に前記放熱部を回転させる回転装置と、を備え、
前記基部は、前記放熱部の回転中心軸を囲み、
前記複数の羽根部は、前記基部から前記回転中心軸を中心に半径方向外側に突出し、前
記基部に対して傾斜する傾斜部を有し、
前記傾斜部は、前記光学素子に対し、前記回転中心軸を中心とする半径方向外側から内
側に向かうに従って前記光学素子側に近づくように傾斜し、
前記傾斜部は、前記放熱部の回転方向における後側が当該回転方向とは反対方向に突出
する傾斜突起部を有していることを特徴とする光源装置。 - 請求項4に記載の光源装置であって、
前記羽根部は、前記光学素子に対向するように、前記傾斜突起部の端部から屈曲された
屈曲部を有していることを特徴とする光源装置。 - 請求項4または請求項5に記載の光源装置と、
前記光源装置から出射された光を変調する光変調装置と、
前記光変調装置で変調された光を投写する投写光学装置と、
を備えることを特徴とするプロジェクター。
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