(57)【要約】【課題】  放熱性及び光の取り出し効率を共に高めることのできる光源装置と、この光源装置を備えた投射型表示装置を提供することを目的とする。【解決手段】  固体光源１３に無機材料からなる導光体１４を直結する。これにより、固体光源１３を樹脂によってモールドしたものに比べて、高い放熱効果が得られる。また、無機材料は通常、樹脂よりも屈折率が高い（即ち、屈折率がより固体光源に近い）ため、固体光源１３との界面で全反射される光の割合が少なくなり、光源装置１の高輝度化が可能となる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体光源と、この固体光源に直結した無機材料からなる導光体とを備えたことを特徴とする、光源装置。
【請求項２】
上記導光体が、サファイアからなることを特徴とする、請求項１記載の光源装置。
【請求項３】
上記導光体が、水晶からなることを特徴とする、請求項１記載の光源装置。
【請求項４】
上記導光体が、ダイヤモンドからなることを特徴とする、請求項１記載の光源装置。
【請求項５】
固体光源及び、固体光源と導光体との接合部の周囲が樹脂又はジェル状の物質からなる保護部材によって保護されたことを特徴とする、請求項１〜４のいずれかの項に記載の光源装置。
【請求項６】
上記保護部材が固体光源及び導光体よりも屈折率の低い材料からなることを特徴とする、請求項５記載の光源装置。
【請求項７】
上記導光体は、光出射面の方が光入射面よりも広いテーパ状の形状を有することを特徴とする、請求項１〜６のいずれかの項に記載の光源装置。
【請求項８】
上記導光体は、光出射面がプリズムアレイ状とされ、この光出射面にＰＢＳ膜が設けられたことを特徴とする、請求項１〜７のいずれかの項に記載の光源装置。
【請求項９】
上記導光体の光出射面に反射偏光膜が設けられたことを特徴とする、請求項１〜７のいずれかの項に記載の光源装置。
【請求項１０】
上記固体光源の一方の電極が透明電極からなり、固体光源はこの透明電極を上にしてフェースアップ実装され、上記導光体はこの透明電極の上に配置されたことを特徴とする、請求項１〜９のいずれかの項に記載の光源装置。
【請求項１１】
上記透明電極の一部にボンディングパッドが設けられ、このパッドの形成領域において固体光源の発光層と上記透明電極との間に絶縁層が設けられたことを特徴とする、請求項１０記載の光源装置。
【請求項１２】
上記導光体を流体によって直接冷却する冷却機構を備えたことを特徴とする、請求項１〜１１のいずれかの項に記載の光源装置。
【請求項１３】
上記流体が上記導光体よりも屈折率の小さい材料からなることを特徴とする、請求項５記載の光源装置。
【請求項１４】
請求項１〜１３のいずれかの項に記載の光源装置と、上記光源装置から出射された光を変調する光変調装置と、変調された光を投射する投射レンズとを備えたことを特徴とする、投射型表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光源装置と、この光源装置を備えた投射型表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のプロジェクタ（投射型表示装置）では、その光源として、古くはハロゲンランプ、近年は高輝度高効率である高圧水銀ランプ（ＵＨＰ）が多く用いられてきた。放電型のランプであるＵＨＰを用いた光源は高圧の電源回路を要し、大型で重く、プロジェクタの小型軽量化の妨げになっていた。また、ハロゲンランプよりは寿命が長いものの依然短寿命である他、光源の制御（高速の点灯、消灯、変調）が略不可能で、また立ち上げに数分という長い時間を要していた。
そこで、近年、新しい光源としてＬＥＤが注目されている。ＬＥＤは超小型・超軽量、長寿命である。また、駆動電流の制御によって、点灯・消灯、出射光量の調整が自由にできる。この点でプロジェクタの光源としても有望であり、既に小型・携帯用の小画面プロジェクタへの応用開発が始まっている（例えば特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００１−３６１４８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、ＬＥＤをプロジェクタ等の光源装置として用いる場合には、チップ（固体光源）の発熱によって十分な輝度が得られないという課題があった。つまり、通常のＬＥＤでは、チップはモールド樹脂によって覆われているが、このような樹脂は一般に熱伝導率が低く、チップの発光面側からの放熱は期待できない。このため、駆動電流を低く抑えざるを得なかった。また、通常、チップは高屈折率材料（屈折率は３程度）からなるため、これを樹脂のように屈折率の小さな材料（屈折率は１．５程度）によって覆うと、界面での全反射により、発光光を十分に取り出すことができなかった。
【０００４】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、放熱性及び光の取り出し効率を共に高めることのできる光源装置と、この光源装置を備えた投射型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】
【０００５】
上記の目的を達成するために、本発明の光源装置は、固体光源と、この固体光源に直結した無機材料からなる導光体とを備えたことを特徴とする。
本構成では、樹脂よりも熱伝導率の高い無機材料からなる導光体を固体光源に直結させたため、固体光源を樹脂によってモールドしたものに比べて、高い放熱効果が得られる。また、無機材料は通常、樹脂よりも屈折率が高い（即ち、屈折率がより固体光源に近い）ため、固体光源との界面で全反射される光の割合が少なくなる。このため、本構成によれば、光源装置の高輝度化が可能となる。
上述の導光体としては、サファイアや水晶、ダイヤモンド等を好適に用いることができる。これらの材料は、通常、モールド樹脂として用いられているアクリルやポリカーボネートよりも１桁〜３桁程度も熱伝導率が高いため、効率的な放熱が可能となる。
【０００６】
固体光源及び、固体光源と導光体との接合部の周囲は樹脂又はジェル状の物質からなる保護部材によって保護されることが好ましい。この場合、保護部材は固体光源及び導光体よりも屈折率の低い材料からなることが好ましい。
この構成によれば、固体光源と保護部材、或いは、導光体と保護部材との界面での全反射により、固体光源の発光光を導光体の光出射面側に確実に導光することができる。
【０００７】
導光体は、光出射面の方が光入射面よりも広いテーパ状の形状を有することが好ましい。
この構成によれば、固体光源から発した光が導光体内部で反射される際に、光を光軸に対して平行に近い角度に曲げることができる。このため、放射角度分布の小さい光源装置を構成することができる。なお、「光軸」とは光源装置全体としての出射光軸のことであり、例えば固体光源の光出射面に垂直な方向が光軸方向とされる。
【０００８】
導光体は、光出射面がプリズムアレイ状とされ、この光出射面にＰＢＳ膜が設けられることが好ましい。或いは、導光体の光出射面に反射偏光膜が設けられることが好ましい。
この構成によれば、固体光源から発した無秩序光を１偏光に変換して出射することができる。このため、この光源装置を、例えば液晶プロジェクタ等のように１偏光のみ使用するデバイスに適用した場合には照明光率が高まり、明るい表示が可能となる。また、導光体の光出射面をプリズム状とした場合には、導光体の表面積が大きくなり、冷却効率が高まる。
【０００９】
また、光の取り出し効率を高めるために、上記固体光源としては、その一方の電極がＩＴＯ等の透明電極からなり、この透明電極を上にしてフェースアップ実装されたものを用いることができる。この場合、導光体は透明電極の上に配置される。
この構造では、透明電極の一部にボンディングパッドが設けられ、このパッドの形成領域において固体光源の発光層と上記透明電極との間に絶縁層が設けられることが好ましい。このように発光に寄与しないパッド下の発光層に電流を流さないようにすることで、発光に寄与する部分の発光層にのみ効率的に電流を注入することができる。
【００１０】
また、上述の光源装置には、導光体を流体によって直接冷却する冷却機構を設けることが好ましい。
これにより、冷却効率を一層高めることが可能となる。この場合、光取り出し効率を高めるために、流体は導光体よりも屈折率の小さい材料からなることが好ましい。
【００１１】
また、本発明の投射型表示装置は、上述の光源装置と、上記光源装置から出射された光を変調する光変調装置と、変調された光を投射する投射レンズとを備えたことを特徴とする。
この構成によれば、上述の光源装置を備えたことで、明るい表示が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
［第１実施形態］
まず、図１を参照しながら、本発明の第１実施形態に係る光源装置の一例である半導体発光素子（ＬＥＤ）１について説明する。なお、以下の全ての図面においては、図面を見やすくするため、各構成要素の膜厚や寸法の比率などは適宜異ならせてある。
【００１３】
本実施形態の光源装置１は、ヒートシンクとしての基台１０と、この上にフェースダウン実装されたＬＥＤチップ（固体光源）１３と、このチップ１３の発光面（基台１０と反対側の主面）に直結された導光体１４とを備えている。
基台１０には、チップ側の主面にリード配線１１ａ，１１ｂが設けられており、チップ１３のアノード及びカソードの両電極１３ａ，１３ｂはハンダバンプ等によりそれぞれリード電極１１ａ，１１ｂに接続されている。基台１０には、これを厚み方向に貫通する貫通孔１０ａ，１０ｂが設けられており、リード電極１１ａ，１１ｂは、それぞれこの貫通孔１０ａ，１０ｂを介して、チップと反対側の主面に設けられたＬＥＤ端子１５ａ，１５ｂに接続されている。
【００１４】
チップ１３の発光面には、透明な接着剤（図示略）を介して、透光性部材からなる導光体１４が直結されており、このチップ１３及び、チップ１３と導光体１４との接合部の周囲が封止部１２によって封止されている。
この導光体１４は、導光機能とともにヒートシンクとしての機能も有するものであり、この導光体１４には、サファイアや水晶、ダイヤモンド等の無機材料が用いられている。これらの無機材料の熱伝導率及び屈折率を表１に示す。
【００１５】
【表１】
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【００１６】
これらの材料は、通常、ＬＥＤのモールド樹脂として用いられるアクリルやポリカーボネート等の樹脂に比べて屈折率が高く、チップとの屈折率差の小さい材料となっている。このため、上述のアクリルやポリカーボネートをチップに直接接触させた場合に比べて、界面で全反射される光の割合が少なくなり、明るい照明が可能となる。また、これらの無機材料は、上述の樹脂に比べて熱伝導率が１桁〜３桁程度も高いため、チップをモールド樹脂で覆ったものに比べて、格段に高い放熱効果が期待できる。
【００１７】
なお、チップ１３と導光体１４とを接着する接着剤には、反射による光のロスを防止するために、チップ１３と同程度の高屈折率の材料が用いられている。
また、この光源装置１には冷却機構（図示略）が設けられており、冷却風（冷却用流体）Ｆによって導光体１４を空冷することで、これと直結されたチップ１３を間接的に冷却できるようになっている。
【００１８】
このように本実施形態では、チップ１３に無機材料からなる導光体１４を直結したため、チップの放熱性及び光の取り出し効率を共に高めることができる。このため、本実施形態によれば、高輝度・高出力な光源装置を実現することができる。
【００１９】
［第２実施形態］
次に、図２を参照しながら、本発明の第２実施形態に係る光源装置２について説明する。なお、本実施形態では、上記第１実施形態と同様の部材又は部位については同じ符号を付し、その説明を省略する。
【００２０】
本実施形態は、上記第１実施形態の構成において導光体の冷却機構を変形したものである。すなわち、本実施形態では、封止部１２の上に、冷媒封入部２１を設け、この中に導光体冷却用の冷媒（流体）Ｆを封入している。この冷媒封入部２１には、冷媒Ｆを流通させるための流路パイプ２１ａ，２１ｂが挿入・固定されている。これらのパイプ２１ａ，２１ｂは放熱部２２を介してつながっており、冷媒Ｆはこの環状の流路内を循環されるようになっている。なお、冷媒Ｆには、チップ１３及び導光体１４よりも屈折率の低い材料が用いられており、チップ１３の発光光を、チップ１３と冷媒Ｆ、或いは、導光体１４と冷媒Ｆとの界面での全反射により、導光体１４の光出射面１４Ｅ側に確実に導光できるようになっている。
これ以外は上記第１実施形態のものと同様である。
【００２１】
したがって、本実施形態でもチップの放熱性及び光の取り出し効率を共に高めることができる。特に本実施形態では導光体１４を冷媒によって液冷しているため、空冷する上記第１実施形態のものに比べて冷却効率を高めることができる。
【００２２】
［第３実施形態］
次に、図３を参照しながら、本発明の第３実施形態に係る光源装置３について説明する。なお、本実施形態では、上記第１実施形態と同様の部材又は部位については同じ符号を付し、その説明を省略する。
【００２３】
本実施形態は、上記第１実施形態の構成において導光体の形状を変形したものである。すなわち、本実施形態では、導光体３１として、光出射面３１Ｅが光入射面３１Ａよりも広いテーパ形状のものを用いている。なお、導光体の材質は上記第１実施形態のものと同様の無機材料が用いられている。
これ以外は上記第１実施形態のものと同様である。
【００２４】
したがって、本実施形態でもチップの放熱性及び光の取り出し効率を共に高めることができる。また、本実施形態では、導光体３１をテーパ形状としたため、放射角度分布の小さい照明光を得ることができる。つまり、チップ１３から発した光Ｌ１は、導光体３１内で反射される際に、光軸に対して平行に近い角度に曲げられる。このため、このような全反射を１回又は複数回繰り返すことで、出射光Ｌ２の出射角度を略光軸方向（例えばチップ１３の発光面に垂直な方向）に揃えることができる。
【００２５】
［第４実施形態］
次に、図４を参照しながら、本発明の第４実施形態に係る光源装置４について説明する。なお、本実施形態では、上記第１実施形態と同様の部材又は部位については同じ符号を付し、その説明を省略する。
【００２６】
本実施形態は、上記第１実施形態の構成において封止部を変形したものである。すなわち、本実施形態では、チップ１３及び、チップ１３と導光体１４とが接合されている素子の周囲をモールド樹脂又はジェル状の物質（保護部材）４１によって充填し、チップ１３の保護を行なうようにしている。この保護部材４１には、チップ１３及び導光体１４よりも屈折率の低い材料が用いられており、これにより、チップ１３の発光光を、チップ１３と保護部材４１、或いは、導光体１４と保護部材４１との界面での全反射により、導光体１４の光出射面１４Ｅ側に確実に導光できるようになっている。
これ以外は上記第１実施形態のものと同様である。
【００２７】
したがって、本実施形態でもチップの放熱性及び光の取り出し効率を共に高めることができる。また、本実施形態では、チップと保護部材、或いは、導光体と保護部材との界面での全反射により、発光光を導光体１４の光出射面１４Ｅ側に確実に導光できるため、明るい照明が可能となる。
【００２８】
［第５実施形態］
次に、図５を参照しながら、本発明の第５実施形態に係る光源装置５について説明する。なお、本実施形態では、上記第４実施形態と同様の部材又は部位については同じ符号を付し、その説明を省略する。
【００２９】
本実施形態は、上記第４実施形態の構成において導光体の光出射面の形状を変形したものである。すなわち、本実施形態では、無機材料からなる導光体５１の光出射面５１Ｅに三角プリズムアレイを設け、このプリズム面に偏光ビームスプリッタ膜（ＰＢＳ膜）５１ａを設けている。
このＰＢＳ膜５１ａは、入射光の内、一方の偏光のみを透過し、それ以外の偏光を反射するものである。しがたって、本実施形態では、チップ１３から発した無秩序光は導光体５１中を伝播された後、ＰＢＳ膜５１ａによって例えばｐ偏光のみ透過され、ｓ偏光を反射される。そして、反射されたｓ偏光は、基台１０等の反射部材で反射される際に、偏光解消或いは位相を回転されてｐ偏光に変換され、ＰＢＳ膜５１ａを透過する。
これ以外は上記第４実施形態と同様である。
【００３０】
したがって、本実施形態でもチップの放熱性及び光の取り出し効率を共に高めることができる。また、本実施形態では、ＰＢＳ膜５１ａによってチップ１３から発した光を１偏光に変換できるため、例えばこのＬＥＤ５を液晶プロジェクタ等のように１偏光の光のみを使用するデバイスに適用した場合には、照明光率が高く明るい表示が可能となる。また、本実施形態では、導光体５１の光出射面５１Ｅをプリズム状としたため、導光体の表面積が大きくなり、冷却効率が高まる利点もある。
なお、本実施形態では、偏光を分離する手段としてＰＢＳ膜を用いたが、この代わりに、ワイヤグリッドアレイのような構造物を導光体５１の光出射面５１Ｅに設けても、同様の効果が得られる。
【００３１】
［第６実施形態］
次に、図６を参照しながら、本発明の第６実施形態に係る光源装置６について説明する。なお、本実施形態では、上記第１実施形態と同様の部材又は部位については同じ符号を付し、その説明を省略する。
【００３２】
本実施形態は、固体光源としてのＬＥＤチップ６１を基台１０の上にフェースアップ実装したものである。このチップ６１は、例えばＡｌＧａＩｎＰからなる発光層をｎ型クラッド層及びｐ型クラッド層によって挟んだ構造の半導体チップであり、ｎ型クラッド層上に設けられたｎ側電極を下にして、基台１０のリード電極１１ｂの上にマウントされている。また、光取り出し効率を高めるために、チップ６１のｐ側電極はＩＴＯ等からなる透明電極６１ａとなっており、この電極６１ａはボンディングワイヤ６３によって基台１０のリード電極１１ａに接続されている。なお、透明電極６１ａは発光層の形成領域全面に設けられており、ワイヤ６３は、チップ側面の透明電極６１ａが露出した部分に接続されている。そして、この透明電極６１ａの上に無機材料からなる導光体６２が配置されている。
これ以外は上記第１実施形態と同様である。
したがって、本実施形態でもチップの放熱性及び光の取り出し効率を共に高めることができる。
【００３３】
［第７実施形態］
次に、図７を参照しながら、本発明の第７実施形態に係る光源装置７について説明する。なお、本実施形態では、上記第６実施形態と同様の部材又は部位については同じ符号を付し、その説明を省略する。
【００３４】
本実施形態は、上記第６実施形態の構成において透明電極の一部にＡｌ等からなるボンディングパッド７１を設け、このパッド７１にワイヤ６３を接続するようにしたものである。本実施形態では、このパッド７１の形成領域において、チップ６１の発光層と透明電極６１ａとの間にＳｉＯ２等からなる絶縁層７２が設けられており、パッド下の発光層に対して電流が注入されないようになっている。
これ以外は上記第６実施形態と同様である。
したがって、本実施形態でもチップの放熱性及び光の取り出し効率を共に高めることができる。また、本実施形態では、パッド７１の形成領域以外の領域の発光層にのみ電流が注入できるため、効率的な照明が可能となる。つまり、絶縁膜７２が設けられない場合には、パッド下にも電流が注入され、この領域の発光層からも光が出射される。しかし、この部分の光はパッド７１によって遮蔽されるため、ここに注入された電流は実質的に損失となる。これに対して、本実施形態では、電流は照明に寄与する部分の発光層にのみ注入されるため、発光効率を実質的に高めることができる。
【００３５】
［投射型表示装置］
次に、図８を参照しながら、本発明の投射型表示装置について説明する。
本実施の形態の投射型表示装置は、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の異なる色毎に透過型液晶ライトバルブを備えた３板式の投射型カラー液晶表示装置である。図８はこの投射型液晶表示装置を示す概略構成図であって、図中、符号１００Ｒ，１００Ｇ，１００Ｂは照明装置、１１１，１１２はフライアイレンズ、２００Ｒ，２００Ｇ，２００Ｂは液晶ライトバルブ（光変調装置）、３００はクロスダイクロイックプリズム（色合成手段）、４００は投射レンズを示している。
【００３６】
色合成手段としてのダイクロイッククロスプリズム３００の３つの光入射面には、それぞれ光変調装置としてのライトバルブ２００Ｒ，２００Ｇ，２００Ｂが対向して配置され、各ライトバルブの背面側（クロスダイクロイックプリズム３００と反対側）にはそれぞれＲ（赤），Ｇ（緑），Ｂ（青）の色光を出射可能な照明装置１００Ｒ，１００Ｇ，１００Ｂが配置されている。これらの照明装置は、上述の光源装置が基板上に複数並置されてなるものである。
【００３７】
照明装置１００Ｒ，１００Ｇ，１００Ｂとこれに対応するライトバルブ２００Ｒ，２００Ｇ，２００Ｂとの間には、照明光の照度分布をライトバルブ上で均一化させるための照度均一化手段１１０として、照明装置側から第１のフライアイレンズ１１１、第２のフライアイレンズ１１２が順次設置されている。第１のフライアイレンズ１１１は複数の２次光源像を形成し、第２のフライアイレンズ１１２は被照明領域であるライトバルブの設置位置においてそれらを重畳する重畳レンズとしての機能を有する。これにより、照明装置から出射された光を、その光の密度分布に関係なくライトバルブ全面に均一な密度で照射することができる。
【００３８】
ダイクロイッククロスプリズム３００は、４つの直角プリズムが貼り合わされた構造を有し、その貼り合わせ面３００ａ，３００ｂには誘電体多層膜からなる光反射膜（図示略）が十字状に形成されている。具体的には、貼り合わせ面３００ａには、光変調装置２００Ｒで形成された赤色の画像光を反射し、それぞれ光変調装置２００Ｇ，２００Ｂで形成された緑色及び青色の画像光を透過する光反射膜が設けられ、貼り合わせ面３００ｂには、光変調装置２００Ｂで形成された青色の画像光を反射し、それぞれ光変調装置２００Ｒ，２００Ｇで形成された赤色及び緑色の画像光を透過する光反射膜が設けられている。そして、これらの光反射膜によって導光された各色の画像光は投射レンズ４００によってスクリーン５００に投射される。
このように、本実施形態の投射型表示装置は上述の光源装置を照明装置として備えているため、明るく且つ信頼性の高い投射型表示装置を実現することができる。
【００３９】
なお、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
例えば、上記実施形態では光源装置を半導体発光素子とした例について説明したが、この光源装置は有機ＥＬ素子であってもよい。
また、上記実施形態で示した光源装置の構成はほんの一例に過ぎず、これ以外の構成を採用することも可能である。いずれにしても、光源装置が、固体光源と、この固体光源に直結した無機材料からなる導光体を備えていればよい。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の第１実施形態に係る光源装置の概略構成を示す断面図。
【図２】本発明の第２実施形態に係る光源装置の概略構成を示す断面図。
【図３】本発明の第３実施形態に係る光源装置の概略構成を示す断面図。
【図４】本発明の第４実施形態に係る光源装置の概略構成を示す断面図。
【図５】本発明の第５実施形態に係る光源装置の概略構成を示す断面図。
【図６】本発明の第６実施形態に係る光源装置の概略構成を示す断面図。
【図７】本発明の第７実施形態に係る光源装置の概略構成を示す断面図。
【図８】本発明の投射型表示装置の概略構成を示す図。
【符号の説明】
【００４１】
１，２，３，４，５，６，７…ＬＥＤ（光源装置）、１３，６１…ＬＥＤチップ（固体光源）、１４，３１，５１，６２・・・導光体、３１Ａ・・・光入射面、３１Ｅ・・・光出射面、４１・・・保護部材、５１ａ・・・ＰＢＳ膜、６１ａ・・・透明電極、７１・・・ボンディングパッド、７２・・・絶縁層、１００Ｒ，１００Ｇ，１００Ｂ…照明装置、２００Ｒ，２００Ｇ，２００Ｂ…液晶ライトバルブ（光変調装置）、４００…投射レンズ、Ｆ…冷却用流体
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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