(57)【要約】  赤、緑、青色光をそれぞれ放射するＬＥＤモジュール１Ｒ、１Ｇ、１Ｂと、ＬＥＤモジュールからの光を導く照明光学系２Ｒ、２Ｇ、２Ｂと、照明光学系により導かれたＬＥＤモジュールからの光を映像信号に基づき変調する液晶パネル７とが配置される。ＬＥＤモジュールの各々に対して、それらの背面にそれぞれ熱伝導部材であるスプレッダー１１Ｒ、１１Ｇ、１１Ｂを介して接続された複数の冷却装置を備える。赤色光ＬＥＤモジュール１Ｒの冷却装置のみが、加熱及び吸熱制御が可能な電熱素子である赤用ペルチェモジュール１２を用いて構成されている。異なる色光を発する複数の固体光源の冷却のために、ペルチェ素子を適切に使用した効率の良い温度制御を可能とし、冷却システムの大型化や電力ロスを抑制することができる。
2009008166.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも赤、緑、青色光をそれぞれ放射する複数の固体光源と、
前記複数の固体光源からの光を導く照明光学系と、
前記照明光学系により導かれた前記複数の固体光源からの光を映像信号に基づき変調する画像表示素子とを備えた画像表示装置において、
前記複数の固体光源の各々に対して、それらの背面にそれぞれ熱伝導部材を介して接続された複数の冷却装置を備え、
前記複数の冷却装置のうち、赤色光の前記固体光源に接続された前記冷却装置のみが、加熱及び吸熱制御が可能な電熱素子を用いて構成されていることを特徴とする画像表示装置。
【請求項２】
前記固体光源の近傍に配置された温度センサーを備え、
前記温度センサーにより検出された温度に応じて、前記赤色光の固体光源のジャンクション温度を一定の温度に維持するように制御を行う請求項１記載の画像表示装置。
【請求項３】
前記熱伝導部材に接続されたヒートシンクを備えた前記冷却装置と、
前記熱伝導部材に前記電熱素子を介して接続されたヒートシンクを備えた前記冷却装置とが混在する請求項１記載の画像表示装置。
【請求項４】
少なくとも１つの前記冷却装置は、前記熱伝導部材に接続された受熱部と、前記受熱部に接続された配管と、前記配管に接続されたポンプと、前記配管内を前記ポンプにより駆動され循環する冷媒と、前記配管の路上に設けられたラジエターとを備え、
前記冷媒は、前記ラジエターにより冷却された後、前記受熱部の熱を奪うように循環する請求項１記載の画像表示装置。
【請求項５】
前記熱伝導部材と前記受熱部の間に介在するように前記電熱素子が配置された請求項４記載の画像表示装置。
【請求項６】
青色光の前記固体光源の前記冷却装置は、前記熱伝導部材に接続されたヒートシンクを備え、
赤色光の前記固体光源の前記冷却装置は、前記熱伝導部材に前記電熱素子を介して接続されたヒートシンクを備え、
緑色光の前記固体光源の前記冷却装置は、前記熱伝導部材に接続された受熱部と、前記受熱部に接続された配管と、前記配管に接続されたポンプと、前記配管内を前記ポンプにより駆動され循環する冷媒と、前記配管の路上に設けられたラジエターとを備え、前記冷媒は、前記ラジエターにより冷却された後、前記受熱部の熱を奪うように循環する請求項１記載の画像表示装置。
【請求項７】
前記電熱素子はペルチェ素子である請求項１に記載の画像表示装置。
【請求項８】
前記画像表示素子上の画像を、前方に配置されたスクリーン上に投写可能なように設けられた投写光学系を備えた請求項１に記載の画像表示装置。
【請求項９】
少なくとも赤、緑、青色光をそれぞれ放射する複数の固体光源と、
前記複数の固体光源からの光を導く照明光学系と、
前記照明光学系により導かれた前記複数の固体光源からの光を映像信号に基づき変調する画像表示素子とを備えた画像表示装置において、
前記複数の固体光源の各々に対して、それらの背面にそれぞれ熱伝導部材を介して接続された複数の冷却装置を備え、
少なくとも赤色光の前記固体光源に接続された前記冷却装置は、加熱及び吸熱制御が可能な第１電熱素子を用いて構成され、
緑色光の前記固体光源に接続された冷却装置は、前記第１電熱素子よりも大容量の吸熱制御が可能な第２電熱素子を用いて構成されていることを特徴とする画像表示装置。
【請求項１０】
前記固体光源の近傍に配置された温度センサーを備え、
前記温度センサーにより検出された温度に応じて、前記赤色光の固体光源のジャンクション温度を一定の温度に維持するように制御を行う請求項９記載の画像表示装置。
【請求項１１】
前記熱伝導部材に接続されたヒートシンクを備えた前記冷却装置と、
前記熱伝導部材に前記電熱素子を介して接続されたヒートシンクを備えた前記冷却装置とが混在する請求項９記載の画像表示装置。
【請求項１２】
少なくとも１つの前記冷却装置は、前記熱伝導部材に接続された受熱部と、前記受熱部に接続された配管と、前記配管に接続されたポンプと、前記配管内を前記ポンプにより駆動され循環する冷媒と、前記配管の路上に設けられたラジエターとを備え、
前記冷媒は、前記ラジエターにより冷却された後、前記受熱部の熱を奪うように循環する請求項９記載の画像表示装置。
【請求項１３】
前記熱伝導部材と前記受熱部の間に介在するように前記電熱素子が配置された請求項１２記載の画像表示装置。
【請求項１４】
青色光の前記固体光源の前記冷却装置は、前記熱伝導部材に接続されたヒートシンクを備え、
赤色光の前記固体光源の前記冷却装置は、前記熱伝導部材に前記第１電熱素子を介して接続されたヒートシンクを備え、
緑色光の前記固体光源の前記冷却装置は、前記熱伝導部材に前記第２電熱素子を介して接続された受熱部と、前記受熱部に接続された配管と、前記配管に接続されたポンプと、前記配管内を前記ポンプにより駆動され循環する冷媒と、前記配管の路上に設けられたラジエターとを備え、前記冷媒は、前記ラジエターにより冷却された後、前記受熱部の熱を奪うように循環する請求項９記載の画像表示装置。
【請求項１５】
前記電熱素子はペルチェ素子である請求項９記載の画像表示装置。
【請求項１６】
前記画像表示素子上の画像を、前方に配置されたスクリーン上に投写可能なように設けられた投写光学系を備えた請求項９記載の画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の固体光源により画像表示素子に光を照射して画像表示を行う画像表示装置、特に、複数の固体光源の冷却のために電熱素子を用いた冷却装置を備えた画像表示装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、画像表示装置の光源として、冷陰極管、高圧水銀灯などの白色光源が用いられている。液晶モニターなどの直視方式では、赤、緑、青色信号用の液晶素子に、光源の白色光から、不要な波長の光を吸収する材料を用いたカラーフィルターにより波長選択した各色光が導かれる。【０００３】
また、プロジェクタなどの投写型画像表示装置では、薄膜技術を用いた波長選択機能を有するダイクロイックミラーやダイクロイックフィルターにより、白色光を赤、緑、青の各色光に分離し、液晶パネルやミラーデバイスで変調を行い、画像表示を行う。【０００４】
上述のような光源では、各色光での色再現性を向上させようとすると、各色光について使える波長帯が狭くなり、結果として光利用率が大きく低下する。また、特に高圧水銀灯の場合、寿命が数千時間と短く、また、破裂の可能性があるなど、維持管理上の問題もある。【０００５】
そこで近年では、固体光源である発光ダイオード（以下ＬＥＤ）を赤、緑、青の単色光源として用いた液晶テレビやプロジェクタ等が実用化されつつある。ＬＥＤの光出力は十分とは言えないが、各色光の色度は従来製品を寄せ付けないレベルが実現されている。【０００６】
一方、ＬＥＤを用いる際には次のような問題がある。高輝度のＬＥＤは発熱量が大きく、長寿命を実現するためには、高性能の冷却装置が必須であることである。また、赤、緑、青色光のＬＥＤの内、赤色光ＬＥＤは、緑、青色光のＬＥＤに比べて、ジャンクションの温度変化に対する光変換効率、発光スペクトルの変化の程度が異なることである。【０００７】
図６は、ルミレッズ社が開示している、赤、緑、青色光のＬＥＤの特性を示す。この特性は、各ＬＥＤがいずれも、ジャンクション温度の変化に対して光変換効率が変化することを示している。また、この特性によれば、緑、青の場合の変化に比べて、赤の変化量が大きいことが分かる。これは、例えば一旦ホワイトバランス調整を行っても、環境温度の変化等、何らかの要因で発熱量が変われば、色光毎の出力が大きく変化して色変化が発生し、狙った色を再現できないことを意味する。【０００８】
このために、特許文献１には図７に示すように、ＬＥＤ６０の冷却手段として、電熱素子であるペルチェ素子を用いることが開示されている。ペルチェ素子は、２つの熱電子材料（ビスマス、テルル）の接合部に電流を流すことにより、発熱、吸熱を行うものである。図７のペルチェ素子は、Ｎ型とＰ型の熱電半導体６１、６２を銅電極６３、６４で接合し、その外側に熱伝導性の比較的良好な電気絶縁体であるセラミック６５、６６が配された構成を有する。セラミック６５側に、被冷却物であるＬＥＤ６０が接合され、セラミック６６側に、放熱のためのヒートシンク６７が接合される。【０００９】
このペルチェ素子を用いて適切に電流制御すれば、ペルチェ素子に接続されたＬＥＤを冷却したり、一定の温度に保つことが可能である。ペルチェ素子の扱える電力は、上述の電熱半導体の対の数を多くしたり、素子そのものを大きくすることで増大することが可能である。
【特許文献１】特開２００５−１２１８９０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、赤、緑、青色光のＬＥＤのすべてにペルチェ素子を配し、共通の制御を行ったのでは、最適な温度制御を行うことはできない。すなわち、その場合、図６の特性からも分るように、色変化量の大きい赤色光ＬＥＤに合わせて制御することになるので、発熱量の大きな緑色光ＬＥＤに対しては冷却が不十分となってしまう。また、青色光ＬＥＤは温度の影響が少なく、かつ、発熱量も緑色光ＬＥＤのように大きくないので、青色光ＬＥＤの無用な冷却のために装置が大型化され、電力ロスを生じることになる。【００１１】
以上のことを考慮して、本発明は、異なる色光を発する複数の固体光源の大型化や電力ロスを抑え、ペルチェ素子を用いた効率の良い温度制御を可能とする、固体光源の冷却装置を備えた画像表示装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の画像表示装置は、基本構成として、少なくとも赤、緑、青色光をそれぞれ放射する複数の固体光源と、前記複数の固体光源からの光を導く照明光学系と、前記照明光学系により導かれた前記複数の固体光源からの光を映像信号に基づき変調する画像表示素子とを備える。【００１３】
上記課題を解決するために本発明の第１構成の画像表示装置は、上記基本構成に加えて、前記複数の固体光源の各々に対して、それらの背面にそれぞれ熱伝導部材を介して接続された複数の冷却装置を備え、前記複数の冷却装置のうち、赤色光の前記固体光源に接続された前記冷却装置のみが、加熱及び吸熱制御が可能な電熱素子を用いて構成される。【００１４】
本発明の第２構成の画像表示装置は、上記基本構成に加えて、前記複数の固体光源の各々に対して、それらの背面にそれぞれ熱伝導部材を介して接続された複数の冷却装置を備え、少なくとも赤色光の前記固体光源に接続された前記冷却装置は、加熱及び吸熱制御が可能な第１電熱素子を用いて構成され、緑色光の前記固体光源に接続された冷却装置は、前記第１電熱素子よりも大容量の吸熱制御が可能な第２電熱素子を用いて構成される。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、異なる色光を発する複数の固体光源に対して、電熱素子を適切に使用した効率の良い温度制御が可能な冷却システムが設けられ、大型化や電力ロスを抑えた画像表示装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は、本発明の実施の形態１における画像表示装置の構成を示す平面図
【図２】図２は、同画像表示装置におけるＬＥＤジャンクションの温度制御の状態を示す図
【図３】図３は、本発明の実施の形態１における画像表示装置の他の構成を示す平面図
【図４】図４は、本発明の実施の形態２における画像表示装置の構成を示す平面図
【図５】図５は、同画像表示装置におけるＬＥＤジャンクションの温度制御の状態を示す図
【図６】図６は、ＬＥＤのジャンクション温度と発光効率の関係を示す図
【図７】図７は、従来例のペルチェ素子を用いたＬＥＤ冷却の構成を示す図
【符号の説明】
【００１７】
１Ｒ、３１Ｒ  赤色光ＬＥＤモジュール
１Ｇ、３１Ｇ  緑色光ＬＥＤモジュール
１Ｂ、３１Ｂ  青色光ＬＥＤモジュール
２Ｒ  赤用照明光学系
２Ｇ  緑用照明光学系
２Ｂ  青用照明光学系
３  光変調器
４  フレネルレンズ
５  カラーフィルター
６  入射側偏光板
７  液晶パネル
８  出射側偏光板
９  拡散層
１０  前面パネル
１１Ｒ、４１Ｒ  赤用スプレッダー
１１Ｇ、４１Ｇ  緑用スプレッダー
１１Ｂ、４１Ｂ  青用スプレッダー
１２、４２  赤用ペルチェモジュール
１３、１９、２１、４４、５３、６７  ヒートシンク
１４、１８、２０、４５、５２、５４  放熱ファン
１５、４７  受熱部
１６、４８  ポンプ
１７、４９  ラジエター
３２  赤反射ダイクロイックミラー
３３  集光光学系
３４  青反射ダイクロイックミラー
３５  ロッドインテグレータ
３６  照明光学系
３７  平面鏡
３８  凹面鏡
３９  ＤＭＤ
４０  投写レンズ
４３  温度センサー
４６  緑用ペルチェモジュール
５０  配管
５１  冷媒
６０  ＬＥＤ
６１  Ｎ型熱電半導体
６２  Ｐ型熱電半導体
６３、６４  銅電極
６５、６６  セラミック
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明の画像表示装置は、上記構成を基本として、以下のような態様をとることができる。【００１９】
すなわち、上記第１または第２構成の画像表示装置に於いて、前記固体光源の近傍に配置された温度センサーを備え、前記温度センサーにより検出された温度に応じて、前記赤色光の固体光源のジャンクション温度を一定の温度に維持するように制御を行う構成とすることができる。【００２０】
また、前記熱伝導部材に接続されたヒートシンクを備えた前記冷却装置と、前記熱伝導部材に前記電熱素子を介して接続されたヒートシンクを備えた前記冷却装置とが混在する構成とすることができる。【００２１】
あるいは、少なくとも１つの前記冷却装置は、前記熱伝導部材に接続された受熱部と、前記受熱部に接続された配管と、前記配管に接続されたポンプと、前記配管内を前記ポンプにより駆動され循環する冷媒と、前記配管の路上に設けられたラジエターとを備え、前記冷媒は、前記ラジエターにより冷却された後、前記受熱部の熱を奪うように循環する構成とすることができる。【００２２】
また、この構成において、前記熱伝導部材と前記受熱部の間に介在するように前記電熱素子が配置された構成とすることができる。【００２３】
特に、複数の受熱部間を冷媒が直列に循環し、１カ所のラジエターで冷却される構成とすることも可能である。【００２４】
第１構成の画像表示装置において、青色光の前記固体光源の前記冷却装置は、前記熱伝導部材に接続されたヒートシンクを備え、赤色光の前記固体光源の前記冷却装置は、前記熱伝導部材に前記電熱素子を介して接続されたヒートシンクを備え、緑色光の前記固体光源の前記冷却装置は、前記熱伝導部材に接続された受熱部と、前記受熱部に接続された配管と、前記配管に接続されたポンプと、前記配管内を前記ポンプにより駆動され循環する冷媒と、前記配管の路上に設けられたラジエターとを備え、前記冷媒は、前記ラジエターにより冷却された後、前記受熱部の熱を奪うように循環する構成とすることができる。【００２５】
第２構成の画像表示装置において、青色光の前記固体光源の前記冷却装置は、前記熱伝導部材に接続されたヒートシンクを備え、赤色光の前記固体光源の前記冷却装置は、前記熱伝導部材に前記第１電熱素子を介して接続されたヒートシンクを備え、緑色光の前記固体光源の前記冷却装置は、前記熱伝導部材に前記第２電熱素子を介して接続された受熱部と、前記受熱部に接続された配管と、前記配管に接続されたポンプと、前記配管内を前記ポンプにより駆動され循環する冷媒と、前記配管の路上に設けられたラジエターとを備え、前記冷媒は、前記ラジエターにより冷却された後、前記受熱部の熱を奪うように循環する構成とすることができる。【００２６】
また、上記いずれかの構成の画像表示装置において、電熱素子をペルチェ素子とすることができる。【００２７】
また、上記いずれかの構成の画像表示装置において、前記画像表示素子上の画像を、前方に配置されたスクリーン上に投写可能なように設けられた投写光学系を備えた構成とすることができる。【００２８】
以下、本発明の実施の形態における画像表示装置について、図面を参照して説明する。【００２９】
（実施の形態１）
本発明の実施の形態１における画像表示装置の構成を、図１に示す。この装置には、各色光用のＬＥＤモジュール、すなわち、赤色光ＬＥＤモジュール１Ｒ、緑色光ＬＥＤモジュール１Ｇ、及び青色光ＬＥＤモジュール１Ｂが配置されている。【００３０】
固体光源である各色光のＬＥＤモジュール１Ｒ、１Ｇ、１Ｂは、図示しないが、ＬＥＤダイが放熱のための金属基板上に絶縁層を挟んで実装された構成を有する。また、ＬＥＤダイは、電極を介してＬＥＤ駆動電源と接続され、ＬＥＤダイの前面には集光レンズが実装されている。【００３１】
赤色光ＬＥＤモジュール１Ｒから出射した光は、照明光学系２Ｒを経て光変調器３に導かれる。緑色光ＬＥＤモジュール１Ｇから出射した光も赤色光と同様に、照明光学系２Ｇを経て光変調器３に導かれる。緑色光ＬＥＤモジュール１Ｇから出射した光も赤色光と同様に、照明光学系２Ｇを経て光変調器３に導かれる。【００３２】
光変調器３は、フレネルレンズ４、カラーフィルター５、入射側偏光板６、画像表示素子（空間光変調素子）である液晶パネル７、及び出射側偏光板８から構成されている。【００３３】
カラーフィルター５では、赤色光ＬＥＤモジュール１Ｒから出射した光は、赤透過フィルター域のみを透過し、青、緑透過フィルター域では赤色光は吸収され透過しない。同様に、緑色光ＬＥＤモジュール１Ｇから出射した光は緑透過フィルター域のみを透過し、青色光ＬＥＤモジュール１Ｂから出射した光は青透過フィルター域のみを透過する。【００３４】
入射側偏光板６は、入射光のうち、一方向の偏光方向の光のみ透過する。液晶パネル７は、外部信号により独立して液晶の状態を制御可能な画素が２次限的に配列されて構成されている。【００３５】
このうち、カラーフィルター５の赤透過フィルター域に対応する部分には、赤の色信号に応じて制御される画素が配置されている。同様に、カラーフィルター５の緑透過フィルター域、青透過フィルター域に対応する部分にはそれぞれ、緑、青の色信号に応じて制御される画素が配置されている。出射側偏光板８は、その透過軸方向の偏光は透過するが直交方向の偏光は吸収する。【００３６】
光変調器３の動作は、周知のとおりであり、本実施の形態の主旨に対する重要な関係はないので、詳細な説明は省略するが、液晶パネル７上に光学画像が形成される。この光変調器３を透過した光は、拡散層９を備えた前面パネル１０に入射し、観察者側に光を放射する。このようにしてカラー画像が表示される。【００３７】
赤色光ＬＥＤモジュール１Ｒの背面には、熱伝導部材である赤用スプレッダー１１Ｒを介して、電熱素子の赤用ペルチェモジュール１２が設けられている。スプレッダーは、熱を伝導すると同時に熱を拡散して、冷却効率を向上させる作用を与える。赤用ペルチェモジュール１２は、図示されていない回路により電流制御されることで、赤用スプレッダー１１Ｒの面を加熱し、または吸熱による冷却することが可能である。【００３８】
また、赤用ペルチェモジュール１２の赤用スプレッダー１１Ｒとは反対側の面には、ヒートシンク１３が設けられており、隣接した放熱ファン１４によって適切に放熱される。【００３９】
緑色光ＬＥＤモジュール１Ｇの背面には、熱伝導部材である緑用スプレッダー１１Ｇを介して、受熱部１５が連結されている。受熱部１５にはポンプ１６が内蔵されており、このユニットにはパイプを介してラジエター１７が接続されている。ラジエター１７に隣接して放熱ファン１８が配置され、ラジエター１７の熱を奪う液冷モジュールが構成されている。パイプ内には冷媒が流れており、受熱部１５を介して、緑色光ＬＥＤモジュール１Ｇから除熱する。この除熱作用は、ヒートシンク単体の場合と比較して、大きな熱量に対しても十分有効である。【００４０】
青色光ＬＥＤモジュール１Ｂの背面には、熱伝導部材である青用スプレッダー１１Ｂを介して、ヒートシンク１９が連結されている。このヒートシンク１９に隣接して放熱ファン２０が配置され、効率よく放熱する構成となっている。【００４１】
以上のような構成を取る背景について、以下に述べる。本実施の形態では、緑、青、赤の順に発熱の許容量が大きい構成が採られる。これは投射像の白バランスを考慮した際に、緑色光ＬＥＤモジュールの発熱が最も大きくなることから選択された構成である。【００４２】
一般に白バランスを得るための赤、緑、青の明るさ比率は、おおよそ３：６：１とされている。一方、高輝度ＬＥＤの代表的なメーカーであるルミレッズ社開示のデータ（ルクセオン３  技術データシート）によれば、ジャンクション温度２５℃にて算出すると、赤：３４（ｌｍ）／ｗ、緑：２０（ｌｍ）／ｗ、青：８（ｌｍ）／ｗとある。従って、上述の求められる明るさ比率を得るための各色の投入電力の比率は、１：３．４：１．４となる。【００４３】
ここで、例えばＬＥＤモジュールのジャンクションから冷却系への接続面までの熱抵抗を５℃／Ｗ、ヒートシンクの熱抵抗を２．５℃／Ｗ、液冷モジュールの熱抵抗をヒートシンクの半分とする。そして、液冷モジュールを、最も投入電力の大きい緑色光ＬＥＤモジュール１Ｇに対してのみ搭載し、赤色光ＬＥＤモジュール１Ｒ及び青色光ＬＥＤモジュール１Ｂに対してはヒートシンク冷却を行う。このときの、赤、青色光ＬＥＤモジュールのジャンクション温度Ｔｊｒｂ、及び緑色光ＬＥＤモジュールのジャンクション温度Ｔｊｇは、以下のようになる。【００４４】
ヒートシンク冷却（赤、青）の場合：
Ｔｊｒｂ＝（５＋２．５）×投入電力＋外気温度＋セット内温度上昇
液冷（緑）の場合：
Ｔｊｇ＝（５＋２．５／２）×投入電力＋外気温度
この構成によれば、ジャンクション温度はバランスが取れる。すなわち、各ＬＥＤのジャンクション温度の差を小さくし、それぞれの許容温度範囲内に調整できる。【００４５】
ジャンクション温度比は、赤：緑：青＝７３℃：８８℃：８９℃
但し各電力は、赤：３Ｗ、緑：１０．２Ｗ、青：４．３Ｗ、外気温度２５℃、セット内温度上昇１０℃とする。【００４６】
また、ＬＥＤのジャンクション温度を信頼性保証温度以下に抑えることは、その寿命を維持する上で必要である。一方、図６を用いて先に述べたように、温度によってその出力が変わることが知られている。特に赤色光ＬＥＤはその変化が大きいので、単にジャンクション温度を信頼性保証温度以下に抑えるだけでは、３原色から作られるホワイトバランスが変わってしまう。【００４７】
また、ここで詳細は触れないが、ジャンクションの温度変化によって出力光の波長シフトもあるので、忠実な色再現性を実現するには、最低限、赤色光ＬＥＤモジュールについては、ジャンクション温度を一定温度に維持することが求められる。そのために、上述の赤用ペルチェモジュール１２には、加熱および吸熱による冷却を高信頼を持って実現できるタイプのものを用いる。【００４８】
上述のように、このタイプのペルチェモジュールは内部熱抵抗が大きいこともあり、扱える熱量に制限がある。しかし、赤色光ＬＥＤモジュールは電力そのものは比較的高くないので、このペルチェモジュールを用いることの可能な電力範囲で、十分な明るさをもった映像を得ることが出来る。【００４９】
本実施の形態の画像表示装置における、ＬＥＤジャンクションの温度制御の状態について説明する。ＬＥＤジャンクションの時間の経過に伴う温度変化を、図２に示す。縦軸にジャンクション温度、横軸に点灯後の経過時間を示す。赤、緑、青の各色光ＬＥＤモジュールとも、信頼性保証温度を超えて駆動されると、輝度低下に起因して目標寿命を達成出来なくなる。従って、これ以下の温度に維持する必要がある。図２の場合の信頼性保証温度は１２０℃である。【００５０】
図から判るように、緑は、点灯後急速に温度が立ち上がり、信頼性保証温度近くになると放熱ファンの冷却作用により、信頼性保証温度以下が維持されている。青は、消費電力による発熱と、ヒートシンク及び放熱ファンによる冷却作用とが、ジャンクション温度を信頼性保証温度以下に維持するようにバランスが取れていることがわかる。赤については、信頼性保証温度までジャンクション温度が上がると発光効率が落ちるため、ペルチェモジュールによる加熱および吸熱冷却を行い、信頼性保証温度未満で、かつ、１００℃で一定になるように制御される。【００５１】
また、扱う熱量によっては、図３に示すような構成とすることも可能である。この構成では、緑色光ＬＥＤモジュール１Ｇについては、その背面に、熱伝導部材であるスプレッダー１１Ｇを介して、ヒートシンク２１が接続されている。【００５２】
緑色光ＬＥＤモジュール１Ｇは、信頼性保証温度以下に保つ必要があるが、赤色光ＬＥＤモジュール１Ｒのように、一定の温度範囲に保たなければならないということはない。この信頼性保証温度は寿命を左右するが、用途によって要求される寿命は変わってくる。この寿命について優先順位が低い場合は、このような簡単な構成を取ることも可能である。【００５３】
前述の通り、緑色光ＬＥＤモジュールについては投入電力が大きく、かつ信頼性保証温度以下に維持することのみを実現すればよい。これを考慮して、緑色光ＬＥＤモジュールには、熱抵抗が少なく、冷却能力の高い液冷システム、もしくはヒートシンクを用いればよい。【００５４】
本実施の形態の画像表示装置は、液晶モニターあるいは液晶テレビへの適用可能な構成となっているが、これに限られるものではない。液晶モジュールをプロジェクタ用の小型のものとし、投写光学系を設けることで、投写型への適用も可能である。【００５５】
投写型に適応する場合、画像表示素子は上述の例で用いた透過型液晶に限定されるものではなく、ＤＭＤ（デジタルマイクロミラーデバイス）や反射型液晶に対しても、本実施の形態の光源を適用可能である。【００５６】
（実施の形態２）
本発明の実施の形態２における画像表示装置の構成を、図４に示す。この画像表示装置は、投写光学系を備えた投写型である。この装置には、各色光用のＬＥＤモジュール、すなわち、赤色光ＬＥＤモジュール３１Ｒ、緑色光ＬＥＤモジュール３１Ｇ、青色光ＬＥＤモジュール３１Ｂが配置されている。【００５７】
固体光源である各色光のＬＥＤモジュール３１Ｒ、３１Ｇ、３１Ｂは、図示しないが、ＬＥＤダイが放熱のための金属基板上に絶縁層を挟んで実装された構成を有する。また、ＬＥＤダイは、電極を介してＬＥＤ駆動電源と接続され、ＬＥＤダイの前面には集光レンズが実装されている。【００５８】
赤色光ＬＥＤモジュール３１Ｒから出射した光は、赤反射ダイクロイックミラー３２に入射し、反射されて集光光学系３３に入射する。緑色光ＬＥＤモジュール３１Ｇから出射した光は、赤反射ダイクロイックミラー３２、青反射ダイクロイックミラー３４に入射し、両ミラーを透過して集光光学系３３に入射する。青色光ＬＥＤモジュール３１Ｂから出射した光は、青反射ダイクロイックミラー３４に入射し、反射されて集光光学系３３に入射する。【００５９】
集光光学系３３を経た光は、ロッドインテグレータ３５に入射し、全反射を繰り返した後に、照明光学系３６、平面鏡３７、凹面鏡３８を経て、画像表示素子であるＤＭＤ３９に至る。照明光学系３６、平面鏡３７、凹面鏡３８は、ロッドインテグレータ３５の出射面が、ＤＭＤ３９の有効面と共役の関係になる様に設計されている。ＤＭＤ３９の前方には投写レンズ４０が配置されており、ＤＭＤ３９上の画像を、図示しないスクリーン上に拡大投写する。【００６０】
ＤＭＤ３９は、微小ミラーを２次元的に配置したもので、各ミラーの傾きを高速でＯＮ／ＯＦＦする。ＯＦＦ状態のミラーによる反射光は、投写レンズ４０に向かう光路外に外れ、ＯＮ状態のミラーによる反射光は投写レンズ４０に入射する。【００６１】
また、カラー表示は、各色光のＬＥＤモジュール３１Ｒ、３１Ｇ、３１Ｂを高速に切替えて順次点灯し、これに同期してＤＭＤ３９を制御することで行う。【００６２】
赤色光ＬＥＤモジュール３１Ｒの背面には、熱伝導部材である赤用スプレッダー４１Ｒを介して、電熱素子の赤用ペルチェモジュール４２が設けられている。また、赤色光ＬＥＤモジュール３１Ｒの近傍には、温度センサー４３が設けられている。【００６３】
温度センサー４３からの出力に基づき、赤用ペルチェモジュール４２に対して、図示しない制御回路により、赤色光ＬＥＤモジュール３１Ｒのジャンクション温度を一定に保つためのフィードバック制御が行われる。但し、温度センサー４３からの出力に、温度センサー４３の位置からジャンクション位置までの熱抵抗を考慮して調整を加えた出力信号が、フィードバック制御に用いられる。赤用ペルチェモジュール４２により、フィードバック制御に基づき、スプレッダー４１Ｒが加熱され、または吸熱により冷却される。【００６４】
赤用ペルチェモジュール４２には、熱電子材料とその両端に備えられたセラミックとの間に歪みを緩和する歪み緩衝層が設けられた高信頼ペルチェ素子を用いることが望ましい。これにより、加熱および吸熱による冷却を行っても高信頼を確保できる。【００６５】
赤用ペルチェモジュール４２の、スプレッダー４１Ｒが取り付けられている面の反対側の面には、ヒートシンク４４が熱伝導性グリースなどの熱伝導材を介して密着させられており、その近傍には放熱ファン４５が備えられている。【００６６】
また、緑色光ＬＥＤモジュール３１Ｇの背面には、熱伝導部材であるスプレッダー４１Ｇを介して、電熱素子の緑用ペルチェモジュール４６が設けられている。緑色光ＬＥＤモジュール３１Ｇの近傍には、温度センサー４３が設けられている。温度センサー４３からの出力に基づき、緑用ペルチェモジュール４６に対して、図示しない制御回路により、緑色光ＬＥＤモジュール３１Ｇのジャンクション温度を一定に保つためのフィードバック制御が行われる。但し、温度センサー４３からの出力に、温度センサー４３の位置からジャンクション位置までの熱抵抗を考慮した調整を加えた出力信号が用いられる。フィードバック制御に基づき、スプレッダー４１Ｇが加熱または吸熱により冷却される。【００６７】
なお、緑用ペルチェモジュール４６については、赤用ペルチェモジュール４２とは異なり、熱電子材料とその両端に備えられたセラミックとの間に歪みを緩和する歪み緩衝層を設けた構造は採用しない。歪み緩衝層を設けるとペルチェ内の熱抵抗が大きくなり、温度調整能力が十分には得られないため、上述のように、赤用ペルチェモジュール４２に比べて大きな熱量を扱う緑用ペルチェモジュール４６には、不適当だからである。【００６８】
一方で、緑色光ＬＥＤはその発光効率や波長シフトは赤色光ＬＥＤよりも温度に敏感でないこと、また、信頼性を確保するには一定温度以下にジャンクション温度を保証すればよいことから、緑用ペルチェモジュール４６としては、吸熱による冷却専用の大容量ペルチェ素子を採用する。【００６９】
この緑用ペルチェモジュール４６の、スプレッダー４１Ｇが接している面の反対側の面には、冷却モジュールの受熱部４７が接している。冷却モジュールは更に、ポンプ４８、ラジエター４８、各ユニットを連結する配管５０、全体の熱移動を行うための冷媒５１を有する。ラジエター４９の近傍には、赤色光ＬＥＤモジュール３１Ｒと同様、放熱ファン５２が配置されている。【００７０】
この冷却モジュールは、緑色光ＬＥＤモジュール３１Ｇに投入する電力に加えて、緑用ペルチェモジュール４６の吸熱による冷却動作に必要な電力が発生する熱を十分に放熱する必要がある。そのため、本実施の形態のように、大型のヒートシンクが配置可能で、ヒートシンクをセット内の熱上昇に影響を受けにくい部分に配置可能な全体構成が採用される。【００７１】
青色光ＬＥＤモジュール３１Ｂの背面には、熱伝導部材であるスプレッダー４１Ｂを介して、ヒートシンク５３が熱伝導材を介して密着されており、その近傍には放熱ファン５４が配置されている。【００７２】
青色光ＬＥＤモジュール３１Ｂは、緑色光ＬＥＤモジュール３１Ｇのように発生熱量が大きくなく、温度による性能変化が小さいことからこの構成で十分である。【００７３】
以上の構成を有する画像表示装置におけるＬＥＤジャンクションの温度制御の状態を、図５に示す。縦軸はジャンクション温度、横軸は点灯後の経過時間を示す。【００７４】
赤、緑、青の各色光ＬＥＤモジュールとも、信頼性保証温度を超えて駆動されると、輝度低下に起因して目標寿命を達成出来なくなる。従って、これ以下の温度に維持する必要がある。図２の場合の信頼性保証温度は１２０℃である。【００７５】
図から判るように、緑色光ＬＥＤは、点灯後急速に温度が立ち上がり、信頼性保証温度近くになるとペルチェモジュールの吸熱による冷却作用により、信頼性保証温度以下が維持されている。青色光ＬＥＤは、消費電力による発熱と、ヒートシンク、放熱ファンによる冷却作用とが、ジャンクション温度を信頼性保証温度以下に維持するようにバランスが取れていることが判る。赤色光ＬＥＤについては、信頼性保証温度までジャンクション温度が上がると発光効率が落ちるため、ペルチェモジュールによる加熱および吸熱冷却を行い、信頼性保証温度未満で、かつ、１００℃で一定になるように制御される。【００７６】
本実施の形態でも実施の形態１と同様に、寿命についての優先順位が低い用途の場合は、緑色光ＬＥＤモジュールに液冷システムを用いない構成とすることも可能である。【００７７】
また、本実施の形態と同様の温度制御構成を、実施の形態１の様な透過型の画像表示装置にも適用可能である。
【産業上の利用可能性】
【００７８】
本発明の画像表示装置は、固体光源の冷却を効率よく行うことができ、異なる色光を発する複数の固体光源を用いたプロジェクタ等の画像表示装置に有用である。
【図１】
2009008166.tif 000003
【図２】
2009008166.tif 000004
【図３】
2009008166.tif 000005
【図４】
2009008166.tif 000006
【図５】
2009008166.tif 000007
【図６】
2009008166.tif 000008
【図７】
2009008166.tif 000009
【手続補正書】
【提出日】平成21年8月18日(2009.8.18)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【書類名】明細書
【発明の名称】画像表示装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の固体光源により画像表示素子に光を照射して画像表示を行う画像表示装置、特に、複数の固体光源の冷却のために電熱素子を用いた冷却装置を備えた画像表示装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、画像表示装置の光源として、冷陰極管、高圧水銀灯などの白色光源が用いられている。液晶モニターなどの直視方式では、赤、緑、青色信号用の液晶素子に、光源の白色光から、不要な波長の光を吸収する材料を用いたカラーフィルターにより波長選択した各色光が導かれる。
【０００３】
また、プロジェクタなどの投写型画像表示装置では、薄膜技術を用いた波長選択機能を有するダイクロイックミラーやダイクロイックフィルターにより、白色光を赤、緑、青の各色光に分離し、液晶パネルやミラーデバイスで変調を行い、画像表示を行う。
【０００４】
上述のような光源では、各色光での色再現性を向上させようとすると、各色光について使える波長帯が狭くなり、結果として光利用率が大きく低下する。また、特に高圧水銀灯の場合、寿命が数千時間と短く、また、破裂の可能性があるなど、維持管理上の問題もある。
【０００５】
そこで近年では、固体光源である発光ダイオード（以下ＬＥＤ）を赤、緑、青の単色光源として用いた液晶テレビやプロジェクタ等が実用化されつつある。ＬＥＤの光出力は十分とは言えないが、各色光の色度は従来製品を寄せ付けないレベルが実現されている。
【０００６】
一方、ＬＥＤを用いる際には次のような問題がある。高輝度のＬＥＤは発熱量が大きく、長寿命を実現するためには、高性能の冷却装置が必須であることである。また、赤、緑、青色光のＬＥＤの内、赤色光ＬＥＤは、緑、青色光のＬＥＤに比べて、ジャンクションの温度変化に対する光変換効率、発光スペクトルの変化の程度が異なることである。
【０００７】
図６は、ルミレッズ社が開示している、赤、緑、青色光のＬＥＤの特性を示す。この特性は、各ＬＥＤがいずれも、ジャンクション温度の変化に対して光変換効率が変化することを示している。また、この特性によれば、緑、青の場合の変化に比べて、赤の変化量が大きいことが分かる。これは、例えば一旦ホワイトバランス調整を行っても、環境温度の変化等、何らかの要因で発熱量が変われば、色光毎の出力が大きく変化して色変化が発生し、狙った色を再現できないことを意味する。
【０００８】
このために、特許文献１には図７に示すように、ＬＥＤ６０の冷却手段として、電熱素子であるペルチェ素子を用いることが開示されている。ペルチェ素子は、２つの熱電子材料（ビスマス、テルル）の接合部に電流を流すことにより、発熱、吸熱を行うものである。図７のペルチェ素子は、Ｎ型とＰ型の熱電半導体６１、６２を銅電極６３、６４で接合し、その外側に熱伝導性の比較的良好な電気絶縁体であるセラミック６５、６６が配された構成を有する。セラミック６５側に、被冷却物であるＬＥＤ６０が接合され、セラミック６６側に、放熱のためのヒートシンク６７が接合される。
【０００９】
このペルチェ素子を用いて適切に電流制御すれば、ペルチェ素子に接続されたＬＥＤを冷却したり、一定の温度に保つことが可能である。ペルチェ素子の扱える電力は、上述の電熱半導体の対の数を多くしたり、素子そのものを大きくすることで増大することが可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【特許文献１】特開２００５−１２１８９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、赤、緑、青色光のＬＥＤのすべてにペルチェ素子を配し、共通の制御を行ったのでは、最適な温度制御を行うことはできない。すなわち、その場合、図６の特性からも分るように、色変化量の大きい赤色光ＬＥＤに合わせて制御することになるので、発熱量の大きな緑色光ＬＥＤに対しては冷却が不十分となってしまう。また、青色光ＬＥＤは温度の影響が少なく、かつ、発熱量も緑色光ＬＥＤのように大きくないので、青色光ＬＥＤの無用な冷却のために装置が大型化され、電力ロスを生じることになる。
【００１１】
以上のことを考慮して、本発明は、異なる色光を発する複数の固体光源の大型化や電力ロスを抑え、ペルチェ素子を用いた効率の良い温度制御を可能とする、固体光源の冷却装置を備えた画像表示装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の画像表示装置は、基本構成として、少なくとも赤、緑、青色光をそれぞれ放射する複数の固体光源と、前記複数の固体光源からの光を導く照明光学系と、前記照明光学系により導かれた前記複数の固体光源からの光を映像信号に基づき変調する画像表示素子とを備える。
【００１３】
上記課題を解決するために本発明の第１構成の画像表示装置は、上記基本構成に加えて、前記複数の固体光源の各々に対して、それらの背面にそれぞれ熱伝導部材を介して接続された複数の冷却装置を備え、前記複数の冷却装置のうち、赤色光の前記固体光源に接続された前記冷却装置のみが、加熱及び吸熱制御が可能な電熱素子を用いて構成される。
【００１４】
本発明の第２構成の画像表示装置は、上記基本構成に加えて、前記複数の固体光源の各々に対して、それらの背面にそれぞれ熱伝導部材を介して接続された複数の冷却装置を備え、少なくとも赤色光の前記固体光源に接続された前記冷却装置は、加熱及び吸熱制御が可能な第１電熱素子を用いて構成され、緑色光の前記固体光源に接続された冷却装置は、前記第１電熱素子よりも大容量の吸熱制御が可能な第２電熱素子を用いて構成される。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、異なる色光を発する複数の固体光源に対して、電熱素子を適切に使用した効率の良い温度制御が可能な冷却システムが設けられ、大型化や電力ロスを抑えた画像表示装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は、本発明の実施の形態１における画像表示装置の構成を示す平面図
【図２】図２は、同画像表示装置におけるＬＥＤジャンクションの温度制御の状態を示す図
【図３】図３は、本発明の実施の形態１における画像表示装置の他の構成を示す平面図
【図４】図４は、本発明の実施の形態２における画像表示装置の構成を示す平面図
【図５】図５は、同画像表示装置におけるＬＥＤジャンクションの温度制御の状態を示す図
【図６】図６は、ＬＥＤのジャンクション温度と発光効率の関係を示す図
【図７】図７は、従来例のペルチェ素子を用いたＬＥＤ冷却の構成を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明の画像表示装置は、上記構成を基本として、以下のような態様をとることができる。
【００１８】
すなわち、上記第１または第２構成の画像表示装置に於いて、前記固体光源の近傍に配置された温度センサーを備え、前記温度センサーにより検出された温度に応じて、前記赤色光の固体光源のジャンクション温度を一定の温度に維持するように制御を行う構成とすることができる。
【００１９】
また、前記熱伝導部材に接続されたヒートシンクを備えた前記冷却装置と、前記熱伝導部材に前記電熱素子を介して接続されたヒートシンクを備えた前記冷却装置とが混在する構成とすることができる。
【００２０】
あるいは、少なくとも１つの前記冷却装置は、前記熱伝導部材に接続された受熱部と、前記受熱部に接続された配管と、前記配管に接続されたポンプと、前記配管内を前記ポンプにより駆動され循環する冷媒と、前記配管の路上に設けられたラジエターとを備え、前記冷媒は、前記ラジエターにより冷却された後、前記受熱部の熱を奪うように循環する構成とすることができる。
【００２１】
また、この構成において、前記熱伝導部材と前記受熱部の間に介在するように前記電熱素子が配置された構成とすることができる。
【００２２】
特に、複数の受熱部間を冷媒が直列に循環し、１カ所のラジエターで冷却される構成とすることも可能である。
【００２３】
第１構成の画像表示装置において、青色光の前記固体光源の前記冷却装置は、前記熱伝導部材に接続されたヒートシンクを備え、赤色光の前記固体光源の前記冷却装置は、前記熱伝導部材に前記電熱素子を介して接続されたヒートシンクを備え、緑色光の前記固体光源の前記冷却装置は、前記熱伝導部材に接続された受熱部と、前記受熱部に接続された配管と、前記配管に接続されたポンプと、前記配管内を前記ポンプにより駆動され循環する冷媒と、前記配管の路上に設けられたラジエターとを備え、前記冷媒は、前記ラジエターにより冷却された後、前記受熱部の熱を奪うように循環する構成とすることができる。
【００２４】
第２構成の画像表示装置において、青色光の前記固体光源の前記冷却装置は、前記熱伝導部材に接続されたヒートシンクを備え、赤色光の前記固体光源の前記冷却装置は、前記熱伝導部材に前記第１電熱素子を介して接続されたヒートシンクを備え、緑色光の前記固体光源の前記冷却装置は、前記熱伝導部材に前記第２電熱素子を介して接続された受熱部と、前記受熱部に接続された配管と、前記配管に接続されたポンプと、前記配管内を前記ポンプにより駆動され循環する冷媒と、前記配管の路上に設けられたラジエターとを備え、前記冷媒は、前記ラジエターにより冷却された後、前記受熱部の熱を奪うように循環する構成とすることができる。
【００２５】
また、上記いずれかの構成の画像表示装置において、電熱素子をペルチェ素子とすることができる。
【００２６】
また、上記いずれかの構成の画像表示装置において、前記画像表示素子上の画像を、前方に配置されたスクリーン上に投写可能なように設けられた投写光学系を備えた構成とすることができる。
【００２７】
以下、本発明の実施の形態における画像表示装置について、図面を参照して説明する。
【００２８】
（実施の形態１）
本発明の実施の形態１における画像表示装置の構成を、図１に示す。この装置には、各色光用のＬＥＤモジュール、すなわち、赤色光ＬＥＤモジュール１Ｒ、緑色光ＬＥＤモジュール１Ｇ、及び青色光ＬＥＤモジュール１Ｂが配置されている。
【００２９】
固体光源である各色光のＬＥＤモジュール１Ｒ、１Ｇ、１Ｂは、図示しないが、ＬＥＤダイが放熱のための金属基板上に絶縁層を挟んで実装された構成を有する。また、ＬＥＤダイは、電極を介してＬＥＤ駆動電源と接続され、ＬＥＤダイの前面には集光レンズが実装されている。
【００３０】
赤色光ＬＥＤモジュール１Ｒから出射した光は、照明光学系２Ｒを経て光変調器３に導かれる。緑色光ＬＥＤモジュール１Ｇから出射した光も赤色光と同様に、照明光学系２Ｇを経て光変調器３に導かれる。緑色光ＬＥＤモジュール１Ｇから出射した光も赤色光と同様に、照明光学系２Ｇを経て光変調器３に導かれる。
【００３１】
光変調器３は、フレネルレンズ４、カラーフィルター５、入射側偏光板６、画像表示素子（空間光変調素子）である液晶パネル７、及び出射側偏光板８から構成されている。
【００３２】
カラーフィルター５では、赤色光ＬＥＤモジュール１Ｒから出射した光は、赤透過フィルター域のみを透過し、青、緑透過フィルター域では赤色光は吸収され透過しない。同様に、緑色光ＬＥＤモジュール１Ｇから出射した光は緑透過フィルター域のみを透過し、青色光ＬＥＤモジュール１Ｂから出射した光は青透過フィルター域のみを透過する。
【００３３】
入射側偏光板６は、入射光のうち、一方向の偏光方向の光のみ透過する。液晶パネル７は、外部信号により独立して液晶の状態を制御可能な画素が２次限的に配列されて構成されている。
【００３４】
このうち、カラーフィルター５の赤透過フィルター域に対応する部分には、赤の色信号に応じて制御される画素が配置されている。同様に、カラーフィルター５の緑透過フィルター域、青透過フィルター域に対応する部分にはそれぞれ、緑、青の色信号に応じて制御される画素が配置されている。出射側偏光板８は、その透過軸方向の偏光は透過するが直交方向の偏光は吸収する。
【００３５】
光変調器３の動作は、周知のとおりであり、本実施の形態の主旨に対する重要な関係はないので、詳細な説明は省略するが、液晶パネル７上に光学画像が形成される。この光変調器３を透過した光は、拡散層９を備えた前面パネル１０に入射し、観察者側に光を放射する。このようにしてカラー画像が表示される。
【００３６】
赤色光ＬＥＤモジュール１Ｒの背面には、熱伝導部材である赤用スプレッダー１１Ｒを介して、電熱素子の赤用ペルチェモジュール１２が設けられている。スプレッダーは、熱を伝導すると同時に熱を拡散して、冷却効率を向上させる作用を与える。赤用ペルチェモジュール１２は、図示されていない回路により電流制御されることで、赤用スプレッダー１１Ｒの面を加熱し、または吸熱による冷却することが可能である。
【００３７】
また、赤用ペルチェモジュール１２の赤用スプレッダー１１Ｒとは反対側の面には、ヒートシンク１３が設けられており、隣接した放熱ファン１４によって適切に放熱される。
【００３８】
緑色光ＬＥＤモジュール１Ｇの背面には、熱伝導部材である緑用スプレッダー１１Ｇを介して、受熱部１５が連結されている。受熱部１５にはポンプ１６が内蔵されており、このユニットにはパイプを介してラジエター１７が接続されている。ラジエター１７に隣接して放熱ファン１８が配置され、ラジエター１７の熱を奪う液冷モジュールが構成されている。パイプ内には冷媒が流れており、受熱部１５を介して、緑色光ＬＥＤモジュール１Ｇから除熱する。この除熱作用は、ヒートシンク単体の場合と比較して、大きな熱量に対しても十分有効である。
【００３９】
青色光ＬＥＤモジュール１Ｂの背面には、熱伝導部材である青用スプレッダー１１Ｂを介して、ヒートシンク１９が連結されている。このヒートシンク１９に隣接して放熱ファン２０が配置され、効率よく放熱する構成となっている。
【００４０】
以上のような構成を取る背景について、以下に述べる。本実施の形態では、緑、青、赤の順に発熱の許容量が大きい構成が採られる。これは投射像の白バランスを考慮した際に、緑色光ＬＥＤモジュールの発熱が最も大きくなることから選択された構成である。
【００４１】
一般に白バランスを得るための赤、緑、青の明るさ比率は、おおよそ３：６：１とされている。一方、高輝度ＬＥＤの代表的なメーカーであるルミレッズ社開示のデータ（ルクセオン３  技術データシート）によれば、ジャンクション温度２５℃にて算出すると、赤：３４（ｌｍ）／ｗ、緑：２０（ｌｍ）／ｗ、青：８（ｌｍ）／ｗとある。従って、上述の求められる明るさ比率を得るための各色の投入電力の比率は、１：３．４：１．４となる。
【００４２】
ここで、例えばＬＥＤモジュールのジャンクションから冷却系への接続面までの熱抵抗を５℃／Ｗ、ヒートシンクの熱抵抗を２．５℃／Ｗ、液冷モジュールの熱抵抗をヒートシンクの半分とする。そして、液冷モジュールを、最も投入電力の大きい緑色光ＬＥＤモジュール１Ｇに対してのみ搭載し、赤色光ＬＥＤモジュール１Ｒ及び青色光ＬＥＤモジュール１Ｂに対してはヒートシンク冷却を行う。このときの、赤、青色光ＬＥＤモジュールのジャンクション温度Ｔｊｒｂ、及び緑色光ＬＥＤモジュールのジャンクション温度Ｔｊｇは、以下のようになる。
【００４３】
ヒートシンク冷却（赤、青）の場合：
Ｔｊｒｂ＝（５＋２．５）×投入電力＋外気温度＋セット内温度上昇
液冷（緑）の場合：
Ｔｊｇ＝（５＋２．５／２）×投入電力＋外気温度
この構成によれば、ジャンクション温度はバランスが取れる。すなわち、各ＬＥＤのジャンクション温度の差を小さくし、それぞれの許容温度範囲内に調整できる。
【００４４】
ジャンクション温度比は、赤：緑：青＝７３℃：８８℃：８９℃
但し各電力は、赤：３Ｗ、緑：１０．２Ｗ、青：４．３Ｗ、外気温度２５℃、セット内温度上昇１０℃とする。
【００４５】
また、ＬＥＤのジャンクション温度を信頼性保証温度以下に抑えることは、その寿命を維持する上で必要である。一方、図６を用いて先に述べたように、温度によってその出力が変わることが知られている。特に赤色光ＬＥＤはその変化が大きいので、単にジャンクション温度を信頼性保証温度以下に抑えるだけでは、３原色から作られるホワイトバランスが変わってしまう。
【００４６】
また、ここで詳細は触れないが、ジャンクションの温度変化によって出力光の波長シフトもあるので、忠実な色再現性を実現するには、最低限、赤色光ＬＥＤモジュールについては、ジャンクション温度を一定温度に維持することが求められる。そのために、上述の赤用ペルチェモジュール１２には、加熱および吸熱による冷却を高信頼を持って実現できるタイプのものを用いる。
【００４７】
上述のように、このタイプのペルチェモジュールは内部熱抵抗が大きいこともあり、扱える熱量に制限がある。しかし、赤色光ＬＥＤモジュールは電力そのものは比較的高くないので、このペルチェモジュールを用いることの可能な電力範囲で、十分な明るさをもった映像を得ることが出来る。
【００４８】
本実施の形態の画像表示装置における、ＬＥＤジャンクションの温度制御の状態について説明する。ＬＥＤジャンクションの時間の経過に伴う温度変化を、図２に示す。縦軸にジャンクション温度、横軸に点灯後の経過時間を示す。赤、緑、青の各色光ＬＥＤモジュールとも、信頼性保証温度を超えて駆動されると、輝度低下に起因して目標寿命を達成出来なくなる。従って、これ以下の温度に維持する必要がある。図２の場合の信頼性保証温度は１２０℃である。
【００４９】
図から判るように、緑は、点灯後急速に温度が立ち上がり、信頼性保証温度近くになると放熱ファンの冷却作用により、信頼性保証温度以下が維持されている。青は、消費電力による発熱と、ヒートシンク及び放熱ファンによる冷却作用とが、ジャンクション温度を信頼性保証温度以下に維持するようにバランスが取れていることがわかる。赤については、信頼性保証温度までジャンクション温度が上がると発光効率が落ちるため、ペルチェモジュールによる加熱および吸熱冷却を行い、信頼性保証温度未満で、かつ、１００℃で一定になるように制御される。
【００５０】
また、扱う熱量によっては、図３に示すような構成とすることも可能である。この構成では、緑色光ＬＥＤモジュール１Ｇについては、その背面に、熱伝導部材であるスプレッダー１１Ｇを介して、ヒートシンク２１が接続されている。
【００５１】
緑色光ＬＥＤモジュール１Ｇは、信頼性保証温度以下に保つ必要があるが、赤色光ＬＥＤモジュール１Ｒのように、一定の温度範囲に保たなければならないということはない。この信頼性保証温度は寿命を左右するが、用途によって要求される寿命は変わってくる。この寿命について優先順位が低い場合は、このような簡単な構成を取ることも可能である。
【００５２】
前述の通り、緑色光ＬＥＤモジュールについては投入電力が大きく、かつ信頼性保証温度以下に維持することのみを実現すればよい。これを考慮して、緑色光ＬＥＤモジュールには、熱抵抗が少なく、冷却能力の高い液冷システム、もしくはヒートシンクを用いればよい。
【００５３】
本実施の形態の画像表示装置は、液晶モニターあるいは液晶テレビへの適用可能な構成となっているが、これに限られるものではない。液晶モジュールをプロジェクタ用の小型のものとし、投写光学系を設けることで、投写型への適用も可能である。
【００５４】
投写型に適応する場合、画像表示素子は上述の例で用いた透過型液晶に限定されるものではなく、ＤＭＤ（デジタルマイクロミラーデバイス）や反射型液晶に対しても、本実施の形態の光源を適用可能である。
【００５５】
（実施の形態２）
本発明の実施の形態２における画像表示装置の構成を、図４に示す。この画像表示装置は、投写光学系を備えた投写型である。この装置には、各色光用のＬＥＤモジュール、すなわち、赤色光ＬＥＤモジュール３１Ｒ、緑色光ＬＥＤモジュール３１Ｇ、青色光ＬＥＤモジュール３１Ｂが配置されている。
【００５６】
固体光源である各色光のＬＥＤモジュール３１Ｒ、３１Ｇ、３１Ｂは、図示しないが、ＬＥＤダイが放熱のための金属基板上に絶縁層を挟んで実装された構成を有する。また、ＬＥＤダイは、電極を介してＬＥＤ駆動電源と接続され、ＬＥＤダイの前面には集光レンズが実装されている。
【００５７】
赤色光ＬＥＤモジュール３１Ｒから出射した光は、赤反射ダイクロイックミラー３２に入射し、反射されて集光光学系３３に入射する。緑色光ＬＥＤモジュール３１Ｇから出射した光は、赤反射ダイクロイックミラー３２、青反射ダイクロイックミラー３４に入射し、両ミラーを透過して集光光学系３３に入射する。青色光ＬＥＤモジュール３１Ｂから出射した光は、青反射ダイクロイックミラー３４に入射し、反射されて集光光学系３３に入射する。
【００５８】
集光光学系３３を経た光は、ロッドインテグレータ３５に入射し、全反射を繰り返した後に、照明光学系３６、平面鏡３７、凹面鏡３８を経て、画像表示素子であるＤＭＤ３９に至る。照明光学系３６、平面鏡３７、凹面鏡３８は、ロッドインテグレータ３５の出射面が、ＤＭＤ３９の有効面と共役の関係になる様に設計されている。ＤＭＤ３９の前方には投写レンズ４０が配置されており、ＤＭＤ３９上の画像を、図示しないスクリーン上に拡大投写する。
【００５９】
ＤＭＤ３９は、微小ミラーを２次元的に配置したもので、各ミラーの傾きを高速でＯＮ／ＯＦＦする。ＯＦＦ状態のミラーによる反射光は、投写レンズ４０に向かう光路外に外れ、ＯＮ状態のミラーによる反射光は投写レンズ４０に入射する。
【００６０】
また、カラー表示は、各色光のＬＥＤモジュール３１Ｒ、３１Ｇ、３１Ｂを高速に切替えて順次点灯し、これに同期してＤＭＤ３９を制御することで行う。
【００６１】
赤色光ＬＥＤモジュール３１Ｒの背面には、熱伝導部材である赤用スプレッダー４１Ｒを介して、電熱素子の赤用ペルチェモジュール４２が設けられている。また、赤色光ＬＥＤモジュール３１Ｒの近傍には、温度センサー４３が設けられている。
【００６２】
温度センサー４３からの出力に基づき、赤用ペルチェモジュール４２に対して、図示しない制御回路により、赤色光ＬＥＤモジュール３１Ｒのジャンクション温度を一定に保つためのフィードバック制御が行われる。但し、温度センサー４３からの出力に、温度センサー４３の位置からジャンクション位置までの熱抵抗を考慮して調整を加えた出力信号が、フィードバック制御に用いられる。赤用ペルチェモジュール４２により、フィードバック制御に基づき、スプレッダー４１Ｒが加熱され、または吸熱により冷却される。
【００６３】
赤用ペルチェモジュール４２には、熱電子材料とその両端に備えられたセラミックとの間に歪みを緩和する歪み緩衝層が設けられた高信頼ペルチェ素子を用いることが望ましい。これにより、加熱および吸熱による冷却を行っても高信頼を確保できる。
【００６４】
赤用ペルチェモジュール４２の、スプレッダー４１Ｒが取り付けられている面の反対側の面には、ヒートシンク４４が熱伝導性グリースなどの熱伝導材を介して密着させられており、その近傍には放熱ファン４５が備えられている。
【００６５】
また、緑色光ＬＥＤモジュール３１Ｇの背面には、熱伝導部材であるスプレッダー４１Ｇを介して、電熱素子の緑用ペルチェモジュール４６が設けられている。緑色光ＬＥＤモジュール３１Ｇの近傍には、温度センサー４３が設けられている。温度センサー４３からの出力に基づき、緑用ペルチェモジュール４６に対して、図示しない制御回路により、緑色光ＬＥＤモジュール３１Ｇのジャンクション温度を一定に保つためのフィードバック制御が行われる。但し、温度センサー４３からの出力に、温度センサー４３の位置からジャンクション位置までの熱抵抗を考慮した調整を加えた出力信号が用いられる。フィードバック制御に基づき、スプレッダー４１Ｇが加熱または吸熱により冷却される。
【００６６】
なお、緑用ペルチェモジュール４６については、赤用ペルチェモジュール４２とは異なり、熱電子材料とその両端に備えられたセラミックとの間に歪みを緩和する歪み緩衝層を設けた構造は採用しない。歪み緩衝層を設けるとペルチェ内の熱抵抗が大きくなり、温度調整能力が十分には得られないため、上述のように、赤用ペルチェモジュール４２に比べて大きな熱量を扱う緑用ペルチェモジュール４６には、不適当だからである。
【００６７】
一方で、緑色光ＬＥＤはその発光効率や波長シフトは赤色光ＬＥＤよりも温度に敏感でないこと、また、信頼性を確保するには一定温度以下にジャンクション温度を保証すればよいことから、緑用ペルチェモジュール４６としては、吸熱による冷却専用の大容量ペルチェ素子を採用する。
【００６８】
この緑用ペルチェモジュール４６の、スプレッダー４１Ｇが接している面の反対側の面には、冷却モジュールの受熱部４７が接している。冷却モジュールは更に、ポンプ４８、ラジエター４８、各ユニットを連結する配管５０、全体の熱移動を行うための冷媒５１を有する。ラジエター４９の近傍には、赤色光ＬＥＤモジュール３１Ｒと同様、放熱ファン５２が配置されている。
【００６９】
この冷却モジュールは、緑色光ＬＥＤモジュール３１Ｇに投入する電力に加えて、緑用ペルチェモジュール４６の吸熱による冷却動作に必要な電力が発生する熱を十分に放熱する必要がある。そのため、本実施の形態のように、大型のヒートシンクが配置可能で、ヒートシンクをセット内の熱上昇に影響を受けにくい部分に配置可能な全体構成が採用される。
【００７０】
青色光ＬＥＤモジュール３１Ｂの背面には、熱伝導部材であるスプレッダー４１Ｂを介して、ヒートシンク５３が熱伝導材を介して密着されており、その近傍には放熱ファン５４が配置されている。
【００７１】
青色光ＬＥＤモジュール３１Ｂは、緑色光ＬＥＤモジュール３１Ｇのように発生熱量が大きくなく、温度による性能変化が小さいことからこの構成で十分である。
【００７２】
以上の構成を有する画像表示装置におけるＬＥＤジャンクションの温度制御の状態を、図５に示す。縦軸はジャンクション温度、横軸は点灯後の経過時間を示す。
【００７３】
赤、緑、青の各色光ＬＥＤモジュールとも、信頼性保証温度を超えて駆動されると、輝度低下に起因して目標寿命を達成出来なくなる。従って、これ以下の温度に維持する必要がある。図２の場合の信頼性保証温度は１２０℃である。
【００７４】
図から判るように、緑色光ＬＥＤは、点灯後急速に温度が立ち上がり、信頼性保証温度近くになるとペルチェモジュールの吸熱による冷却作用により、信頼性保証温度以下が維持されている。青色光ＬＥＤは、消費電力による発熱と、ヒートシンク、放熱ファンによる冷却作用とが、ジャンクション温度を信頼性保証温度以下に維持するようにバランスが取れていることが判る。赤色光ＬＥＤについては、信頼性保証温度までジャンクション温度が上がると発光効率が落ちるため、ペルチェモジュールによる加熱および吸熱冷却を行い、信頼性保証温度未満で、かつ、１００℃で一定になるように制御される。
【００７５】
本実施の形態でも実施の形態１と同様に、寿命についての優先順位が低い用途の場合は、緑色光ＬＥＤモジュールに液冷システムを用いない構成とすることも可能である。
【００７６】
また、本実施の形態と同様の温度制御構成を、実施の形態１の様な透過型の画像表示装置にも適用可能である。
【産業上の利用可能性】
【００７７】
本発明の画像表示装置は、固体光源の冷却を効率よく行うことができ、異なる色光を発する複数の固体光源を用いたプロジェクタ等の画像表示装置に有用である。
【符号の説明】
【００７８】
１Ｒ、３１Ｒ  赤色光ＬＥＤモジュール
１Ｇ、３１Ｇ  緑色光ＬＥＤモジュール
１Ｂ、３１Ｂ  青色光ＬＥＤモジュール
２Ｒ  赤用照明光学系
２Ｇ  緑用照明光学系
２Ｂ  青用照明光学系
３  光変調器
４  フレネルレンズ
５  カラーフィルター
６  入射側偏光板
７  液晶パネル
８  出射側偏光板
９  拡散層
１０  前面パネル
１１Ｒ、４１Ｒ  赤用スプレッダー
１１Ｇ、４１Ｇ  緑用スプレッダー
１１Ｂ、４１Ｂ  青用スプレッダー
１２、４２  赤用ペルチェモジュール
１３、１９、２１、４４、５３、６７  ヒートシンク
１４、１８、２０、４５、５２、５４  放熱ファン
１５、４７  受熱部
１６、４８  ポンプ
１７、４９  ラジエター
３２  赤反射ダイクロイックミラー
３３  集光光学系
３４  青反射ダイクロイックミラー
３５  ロッドインテグレータ
３６  照明光学系
３７  平面鏡
３８  凹面鏡
３９  ＤＭＤ
４０  投写レンズ
４３  温度センサー
４６  緑用ペルチェモジュール
５０  配管
５１  冷媒
６０  ＬＥＤ
６１  Ｎ型熱電半導体
６２  Ｐ型熱電半導体
６３、６４  銅電極
６５、６６  セラミック
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも赤、緑、青色光をそれぞれ放射する複数の固体光源と、
前記複数の固体光源からの光を導く照明光学系と、
前記照明光学系により導かれた前記複数の固体光源からの光を映像信号に基づき変調する画像表示素子とを備えた画像表示装置において、
前記複数の固体光源の各々に対して、それらの背面にそれぞれ熱伝導部材を介して接続された複数の冷却装置を備え、
前記複数の冷却装置のうち、赤色光の前記固体光源に接続された前記冷却装置のみが、加熱及び吸熱制御が可能な電熱素子を用いて構成されていることを特徴とする画像表示装置。
【請求項２】
前記固体光源の近傍に配置された温度センサーを備え、
前記温度センサーにより検出された温度に応じて、前記赤色光の固体光源のジャンクション温度を一定の温度に維持するように制御を行う請求項１記載の画像表示装置。
【請求項３】
前記熱伝導部材に接続されたヒートシンクを備えた前記冷却装置と、
前記熱伝導部材に前記電熱素子を介して接続されたヒートシンクを備えた前記冷却装置とが混在する請求項１記載の画像表示装置。
【請求項４】
少なくとも１つの前記冷却装置は、前記熱伝導部材に接続された受熱部と、前記受熱部に接続された配管と、前記配管に接続されたポンプと、前記配管内を前記ポンプにより駆動され循環する冷媒と、前記配管の路上に設けられたラジエターとを備え、
前記冷媒は、前記ラジエターにより冷却された後、前記受熱部の熱を奪うように循環する請求項１記載の画像表示装置。
【請求項５】
前記熱伝導部材と前記受熱部の間に介在するように前記電熱素子が配置された請求項４記載の画像表示装置。
【請求項６】
青色光の前記固体光源の前記冷却装置は、前記熱伝導部材に接続されたヒートシンクを備え、
赤色光の前記固体光源の前記冷却装置は、前記熱伝導部材に前記電熱素子を介して接続されたヒートシンクを備え、
緑色光の前記固体光源の前記冷却装置は、前記熱伝導部材に接続された受熱部と、前記受熱部に接続された配管と、前記配管に接続されたポンプと、前記配管内を前記ポンプにより駆動され循環する冷媒と、前記配管の路上に設けられたラジエターとを備え、前記冷媒は、前記ラジエターにより冷却された後、前記受熱部の熱を奪うように循環する請求項１記載の画像表示装置。
【請求項７】
前記電熱素子はペルチェ素子である請求項１に記載の画像表示装置。
【請求項８】
前記画像表示素子上の画像を、前方に配置されたスクリーン上に投写可能なように設けられた投写光学系を備えた請求項１に記載の画像表示装置。
【請求項９】
少なくとも赤、緑、青色光をそれぞれ放射する複数の固体光源と、
前記複数の固体光源からの光を導く照明光学系と、
前記照明光学系により導かれた前記複数の固体光源からの光を映像信号に基づき変調する画像表示素子とを備えた画像表示装置において、
前記複数の固体光源の各々に対して、それらの背面にそれぞれ熱伝導部材を介して接続された複数の冷却装置を備え、
少なくとも赤色光の前記固体光源に接続された前記冷却装置は、加熱及び吸熱制御が可能な第１電熱素子を用いて構成され、
緑色光の前記固体光源に接続された冷却装置は、前記第１電熱素子よりも大容量の吸熱制御が可能な第２電熱素子を用いて構成されていることを特徴とする画像表示装置。
【請求項１０】
前記固体光源の近傍に配置された温度センサーを備え、
前記温度センサーにより検出された温度に応じて、前記赤色光の固体光源のジャンクション温度を一定の温度に維持するように制御を行う請求項９記載の画像表示装置。
【請求項１１】
前記熱伝導部材に接続されたヒートシンクを備えた前記冷却装置と、
前記熱伝導部材に前記電熱素子を介して接続されたヒートシンクを備えた前記冷却装置とが混在する請求項９記載の画像表示装置。
【請求項１２】
少なくとも１つの前記冷却装置は、前記熱伝導部材に接続された受熱部と、前記受熱部に接続された配管と、前記配管に接続されたポンプと、前記配管内を前記ポンプにより駆動され循環する冷媒と、前記配管の路上に設けられたラジエターとを備え、
前記冷媒は、前記ラジエターにより冷却された後、前記受熱部の熱を奪うように循環する請求項９記載の画像表示装置。
【請求項１３】
前記熱伝導部材と前記受熱部の間に介在するように前記電熱素子が配置された請求項１２記載の画像表示装置。
【請求項１４】
青色光の前記固体光源の前記冷却装置は、前記熱伝導部材に接続されたヒートシンクを備え、
赤色光の前記固体光源の前記冷却装置は、前記熱伝導部材に前記第１電熱素子を介して接続されたヒートシンクを備え、
緑色光の前記固体光源の前記冷却装置は、前記熱伝導部材に前記第２電熱素子を介して接続された受熱部と、前記受熱部に接続された配管と、前記配管に接続されたポンプと、前記配管内を前記ポンプにより駆動され循環する冷媒と、前記配管の路上に設けられたラジエターとを備え、前記冷媒は、前記ラジエターにより冷却された後、前記受熱部の熱を奪うように循環する請求項９記載の画像表示装置。
【請求項１５】
前記電熱素子はペルチェ素子である請求項９記載の画像表示装置。
【請求項１６】
前記画像表示素子上の画像を、前方に配置されたスクリーン上に投写可能なように設けられた投写光学系を備えた請求項９記載の画像表示装置。
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2009008166.tif 000010
【図２】
2009008166.tif 000011
【図３】
2009008166.tif 000012
【図４】
2009008166.tif 000013
【図５】
2009008166.tif 000014
【図６】
2009008166.tif 000015
【図７】
2009008166.tif 000016
【国際調査報告】
2009008166.tif 000017
2009008166.tif 000018
2009008166.tif 000019
2009008166.tif 000020
2009008166.tif 000021
2009008166.tif 000022
2009008166.tif 000023
2009008166.tif 000024