(57)【要約】【課題】投写型映像表示装置において半導体レーザ素子アレイを光源とする光源エレメントの前記半導体レーザ素子アレイを結露による影響から保護し、どのような環境においても安定に作動し、信頼性を向上する。【解決手段】同一基板上に複数の半導体レーザ素子を配列した半導体レーザ素子アレイを受熱板に配設してなり、該半導体レーザ素子アレイが配設された部位に合成樹脂層を形成して投写型映像表示装置の光源エレメントとなるようにする。【選択図】図８
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
同一基板上に複数の半導体レーザ素子を配列した半導体レーザ素子アレイを受熱板に配設してなり、該半導体レーザ素子アレイが配設された部位に合成樹脂層を形成したことを特徴とする投写型映像表示装置の光源エレメント。
【請求項２】
同一基板上に複数の半導体レーザ素子を配列した半導体レーザ素子アレイを受熱板に配設してなる複数の光源エレメントを階層状に配置し、さらに前記受熱板を冷却手段に接続して光源ユニットを構成し、
しかる後、前記半導体レーザ素子アレイが配設された部位および受熱板の外気に露出する部位に合成樹脂層を形成したことを特徴とする投写型映像表示装置の光源エレメント。
【請求項３】
前記半導体レーザ素子アレイの発光面以外に合成樹脂層が形成されたことを特徴とする請求項１または請求項２記載の投写型映像表示装置の光源エレメント。
【請求項４】
前記半導体レーザ素子アレイと受熱板との接触面以外に合成樹脂が形成されたことを特徴とする請求項１または請求項２記載の投写型映像表示装置の光源エレメント。
【請求項５】
複数のレーザ光を画像情報により変調して合成することにより投写光が得られるようにした投写型映像表示装置において
上記請求項１乃至請求項４のいずれかに記載された光源エレメントにより構成された光源ユニットを備えたことを特徴とする投写型映像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、３原色のレーザ光を画像情報により変調して合成することにより投写光を生成し、投写レンズを介してスクリーンに映像を投影する投写型映像表示装置（プロジェクタ）において、半導体レーザ素子アレイを採用した光源エレメントの改良に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の多くの投写型映像表示装置においては、３原色の光を生成するための光源にメタルハライドランプや超高圧水銀ランプなどの放電型ランプが採用され、いわゆる３板式による場合は、放電型ランプが発する白色光をダイクロイックミラーにより赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）の３原色に分離し、この３原色を画像情報により変調して合成プリズム（ダイクロイックプリズム）で合成した後、投写レンズを介して映像をスクリーンに表示するようにしている。
【０００３】
このような放電型ランプを採用する投写型映像表示装置において高輝度化（高出力化）の要求に対応するためには、高出力の放電型ランプを採用したり、多灯化が試みられている。ところが、このような対応は放電型ランプからの発熱が多くなることから冷却構造が大型化し、騒音や電源の大型化などの対策も不可欠なものとなる。また、放電型ランプの発光スペクトルは、黄色にピークを持つため、その出射光を有効に利用するためには、赤色もしくは緑色に黄色を混ぜて使用する必要がある。したがって、生成される単色の色純度が悪く、高い色再現性を実現できないという課題があった。また、放電型ランプは、発光スペクトルにおける緑色、青色の波長帯域の光量に比べ、赤色の波長帯域の光量が十分でないため、この赤色の波長帯域の光量を補う対策が必要であるという課題があった。
【０００４】
放電型ランプを採用した投写型映像表示装置にはこのような課題があるにも拘わらず、近年、業務市場などにおいてはスクリーンに投影する映像の大型化の要求が高まり、これに伴って光源の発光量の増大が課題となっている。しかしながら、光源の高出力化にも限界があると同時に、複数個の光源を用いた場合の効率低下により、有効に使用できる光量の増加が実現できないという課題がある。そこで、上記のような放電型ランプを採用した場合の課題を解決するため、特に高出力化を目的とする光源の要素に半導体レーザ素子アレイを採用する試みがなされている（特許文献１参照）。
【０００５】
この半導体レーザ素子アレイは、例えば、半導体の同一基板上にモノシリックで数１０個以上の半導体レーザ素子が高密度に配列されてアレイ化されたものであり、配列数に相当する発光スポットが形成されるようにしている。このような半導体レーザ素子アレイを採用する場合において、この半導体レーザ素子アレイの各半導体レーザ素子を安定にレーザ発振させるため、レーザ動作設定温度を一定に保つことが重要な課題となっている。
【０００６】
なお、レーザ動作設定温度が変動すると、半導体レーザ素子アレイからの発光出力が変動し、色合成の結果に影響が生じるとともに、寿命を短くすることにもなる。そこで、特許文献１に開示された技術では、ペルチェ素子とヒートシンクを組み合わせ、半導体レーザ素子アレイを冷却している。また、半導体レーザ素子を強制的に冷却する他の手段として、冷却装置から冷却媒体通路を各半導体レーザ素子に対して並列的に配置することにより所定の温度に冷却するようにしたものがある（特許文献２参照）。
【特許文献１】特開２００７−２０１２８５号公報
【特許文献２】特開２００５−０２６５７５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
半導体レーザ素子を光源とした場合、放電型ランプを採用した場合に比べて瞬時点灯および消灯が可能であり、色再現性が広く長寿命であるという特長がある。しかしながら、半導体レーザ素子は温度が上昇すると発光効率が低下し、結晶欠陥の増加が進行する。これに伴って非発光遷移の割合が増加することから、本来の発光原理として動作する遷移機構においても発熱し、素子の温度が上昇して発光能力が加速度的に低下することになり、動作温度を管理しないと寿命の短期化にもつながることになる。
【０００８】
本発明は、このような光学的物性のある複数の半導体レーザ素子を配列した半導体レーザ素子アレイから出射される３原色を合成する構成を前提とするものであるが、前述したように半導体レーザ素子においては温度による影響を大きく受ける特質を備えるもので、素子の温度が変化すると、出射光の波長、輝度、発光スポット径が変化する。このような状態に至ると、各色の光量が個別に変化しホワイトバランスが崩れる状態となり、この結果、正確な色階調表現ができなくなり、コントラストなどに影響が生ずることになる。
【０００９】
したがって、半導体レーザ素子アレイは、安定した動作が維持される一定のレーザ動作設定温度に常時保たれるようにしなければならない。例えば、半導体レーザ素子は室温より比較的低い温度（２０℃程度）において高い出力が得られ、長い寿命を保つことができるので、環境温度がどのように変化してもレーザ動作設定温度を一定に保つ冷却手段が必要となり、その温度を、例えば、±１℃の範囲に収めることが理想となる。
【００１０】
ところが、上記特許文献１に開示された冷却手段においては、ペルチェ素子とヒートシンクの複合構造によるもので、光源エレメントの周辺部が複雑かつ大型化することから、３原色毎に複数の半導体レーザ素子アレイを配置する構成の光源エレメントには採用することはできず、個々の半導体レーザ素子アレイを正確に温度制御することはできない。また、上記特許文献２に開示された冷却手段においては、個々の半導体レーザ素子の温度状態を把握することが困難であるとともに、冷却冷媒の流量の調整手段を個々に備えるというきわめて大掛かりな装置となり、冷却媒体の漏洩が常に懸念されるものとなる。
【００１１】
さらに、半導体レーザ素子アレイを強制的に冷却してレーザ動作設定温度となるようにすると、室内などの環境温度より低くなるため必然的に結露が発生することになる。このように発生した結露の水滴が半導体レーザ素子アレイに滲入すると、電極配線がショートしたり発光出力の低下を招くなどの不具合が発生する。このような結露は環境温度および湿度の状態で発生の程度は異なるが、一旦結露が発生してその水滴が半導体レーザ素子アレイに付着してしまうと、自然蒸発よる以外に除去の方策がない。しかしながら、装置を稼働して半導体レーザ素子アレイを冷却している期間においてはこれを期待することは困難であり、したがって、結露が発生した場合においてもその影響から半導体レーザ素子アレイを確実に保護できるようにしなければならない。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
そこで本発明は、以下に述べる各手段により上記課題を解決するようにした。即ち、請求項１記載の発明では、同一基板上に複数の半導体レーザ素子を配列した半導体レーザ素子アレイを受熱板に配設してなり、該半導体レーザ素子アレイが配設された部位に合成樹脂層を形成して投写型映像表示装置の光源エレメントとなるようにする。
【００１３】
請求項２記載の発明では、同一基板上に複数の半導体レーザ素子を配列した半導体レーザ素子アレイを受熱板に配設してなる複数の光源エレメントを階層状に配置し、さらに前記受熱板を冷却手段に接続して光源ユニットを構成し、しかる後、前記半導体レーザ素子アレイが配設された部位および受熱板の外気に露出する部位に合成樹脂層を形成して投写型映像表示装置の光源エレメントとなるようにする。
【００１４】
請求項３記載の発明では、上記請求項１または請求項２記載の投写型映像表示装置の光源エレメントであり、半導体レーザ素子アレイの発光面以外に合成樹脂層が形成されているようにする。
【００１５】
請求項４記載の発明では、上記請求項１または請求項２記載の投写型映像表示装置の光源であり、半導体レーザ素子アレイと受熱板との接触面以外に合成樹脂が形成されているようにする。
【００１６】
複数のレーザ光を画像情報により変調して合成することにより投写光が得られるようにした投写型映像表示装置において、上記請求項１乃至請求項４のいずれかに記載された光源エレメントにより構成された光源ユニットを備えた投写型映像表示装置となるようにする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の請求項１記載の発明によれば、半導体レーザ素子アレイの外気に露出する外表面に合成樹脂層を形成したので、この合成樹脂層により外気が遮断されるので、半導体レーザ素子アレイの外表面に結露が発生するのを防止することができる。
【００１８】
本発明の請求項２記載の発明によれば、光源ユニットを構成した後、光源エレメントに合成樹脂層を形成するようにしたので、組立作業性を向上することができる。
【００１９】
本発明の請求項３記載の発明によれば、請求項１または請求項２記載の発明の効果に加え、半導体レーザ素子アレイの発光光が合成樹脂層に遮られることなく有効に出射される。
【００２０】
本発明の請求項４記載の発明によれば、請求項１または請求項２記載の発明の効果に加え、半導体レーザ素子アレイの発熱が受熱板へ効率良く伝達され、半導体レーザ素子アレイの効果的な冷却が可能となる。
【００２１】
本発明の請求項５記載の発明によれば、結露の影響を受けない光源エレメントにより光源ユニットを構成することが可能となり、信頼性の高い投写型映像表示装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明の実施の形態を図にもとづいて詳細に説明する。図１は、本発明の光源ユニットの基本的構成を示す平面図であり、同光源ユニットの組立状態の斜視図を図２に示す。図３は、光源ユニットの構成要素を示し、この光源ユニットの冷却構造を図４に、冷却手段の例を図５に、冷媒配管の例を図６に示す。図７は、本発明の光源エレメントの具体的構成を示す斜視図であり、その断面図を図８に示す。図９は、本発明の光源エレメントの加工工程を説明する図であり、この加工行程の他の例を図１０に示す。
【００２３】
図１は、本発明の投写型映像表示装置Ｐの要部となる光源ユニット１の基本的構成を示す平面図であり、中央に配置された合成プリズム２の３側面に３原色のレーザ光の照射面２Ｒ、２Ｇ、２Ｂが形成されている。前記照射面２Ｒには赤色レーザ光が照射され、照射面２Ｇには緑色レーザ光が照射され、照射面２Ｂには青色レーザ光が照射される。
【００２４】
各照射面２Ｒ、２Ｇ、２Ｂには液晶パネル３Ｒ、３Ｇ、３Ｂとともに入射側偏光板４Ｒ、４Ｇ、４Ｂおよび出射側偏光板５Ｒ、５Ｇ、５Ｂが対面して平行に配設されている。前記液晶パネル３Ｒ、３Ｇ、３Ｂに特定の直線偏光成分を入射させるため、入射側偏光板４Ｒ、４Ｇ、４Ｂにおいて各原色の光束を所定の偏光方向（Ｐ偏光）に揃え、そのＰ偏光が液晶パネル３Ｒ、３Ｇ、３Ｂで変調された後、変調光のＳ偏光成分のみが出射側偏光板５Ｒ、５Ｇ、５Ｂから透過される。
【００２５】
そして、均一な照度分布が得られるようにするコンデンサレンズ６Ｒ、６Ｇ、６Ｂが入射側偏光板４Ｒ、４Ｇ、４Ｂに対面して平行に配設され、さらに、各レーザ光の輝度を均一化するためのインテグレータ（フライアイレンズ）７Ｒ、７Ｇ、７Ｂがコンデンサレンズ６Ｒ、６Ｇ、６Ｂに対面して平行に配設されている。前記インテグレータ７Ｒは光源エレメント８から赤色レーザ光を入射し、インテグレータ７Ｇは光源エレメント９から緑色レーザ光を入射し、インテグレータ７Ｂは光源エレメント１０から青色レーザ光を入射する。
【００２６】
前記各光源エレメント８、９、１０は全て同一に構成されるもので、熱伝導性に優れた金属により形成された受熱板８ａ、９ａ、１０ａの先端に、数１０個以上の半導体レーザ素子を配列した半導体レーザ素子アレイ８ｂ、９ｂ、１０ｂを、例えば、熱伝導性接着剤により固定する。なお、例えば、半導体レーザ素子アレイ８ｂからは赤色の波長帯域である６５０ｎｍ近辺、半導体レーザ素子アレイ９ｂからは緑色の波長帯域である５５０ｎｍ近辺、半導体レーザ素子アレイ１０ｂからは青色の波長帯域である４４０ｎｍ近辺のレーザ光が出射される。
【００２７】
このように構成された半導体レーザ素子アレイ８ｂ、９ｂ、１０ｂから出射される各原色のレーザ光は、合成プリズム２へ所定の光量で入射するようにしなければならない。したがって、各原色毎の個々の半導体レーザ素子の発光量を配慮し、配列する素子数を定めたり、あるいは駆動電流を３原色毎に設定して供給することは設計上の課題として重要となる。
【００２８】
光源エレメント８、９、１０は以上のように構成され、図２に示すように同一原色の照射範囲内に同一原色を発光する複数の光源エレメント８、９、１０が合成プリズム２の照射面２Ｒ、２Ｇ、２Ｂに向けて階層状に配置される。同図では、合成プリズム２の照射面２Ｂに向けて青色を発光する光源エレメント１０の配置状態を例示しているが、赤色を発光する光源エレメント８および緑色を発光する光源エレメント９も各々照射面２Ｒ、２Ｇに向けて同様に配置される。なお、階層間の光源エレメント８、９、１０は、照射光が分散されるように千鳥状などの配置状態とすることを要する。
【００２９】
このように構成された光源ユニット１を駆動すると、光源エレメント８、９、１０から３原色のレーザ光が合成プリズム２の照射面２Ｒ、２Ｇ、２Ｂに向けて出射される。そして、各色レーザ光の輝度はインテグレータ７Ｒ、７Ｇ、７Ｂにおいて均一化され、さらに、コンデンサレンズ６Ｒ、６Ｇ、６Ｂにおいて照度分布が均一となり、入射側偏光板４Ｒ、４Ｇ、４Ｂへ入射する。
【００３０】
このようにして均一化された３原色の各レーザ光は、液晶パネル３Ｒ、３Ｇ、３Ｂへ入射し、画像を形成するため階調（強度）変調され、出射側偏光板５Ｒ、５Ｇ、５Ｂを介して合成プリズム２へ入射する。階調変調された３原色のレーザ光は、この合成プリズム２において合成される。そして、この投写光は出射面２Ｓから出射し、投写レンズＬを介してスクリーンに投影される。
【００３１】
光源エレメント８、９、１０は以上のように構成されていることから各半導体レーザ素子アレイ８ｂ、９ｂ、１０ｂの発熱は受熱板８ａ、９ａ、１０ａに吸収される。前記受熱板８ａ、９ａ、１０ａには図３に示すようにＬ字状に曲成されたヒートパイプ１１、１２、１３の一端が固定され、該ヒートパイプ１１、１２、１３の他端に熱伝導性に優れた金属により形成された放熱板１４、１５、１６を固定する。各光源エレメント８、９、１０のヒートパイプ１１、１２、１３を介して放熱板１４、１５、１６に輸送された熱は、図４に示すようにロウ付けなどの手段により接続された蒸発器を構成する冷媒配管１７Ｒ、１７Ｇ、１７Ｂの熱交換部１７Ｒ−１、１７Ｇ−１、１７Ｂ−１により吸収される。
【００３２】
図５は、上記のように構成された光源ユニット１に冷媒を供給する冷凍機の冷媒回路の例を示す図であり、冷媒圧縮機３０、凝縮器３１、減圧器３２、蒸発器を構成する冷媒配管１７Ｒ、１７Ｇ、１７Ｂ、アキュームレータ３３の順に環状に接続している。この冷媒回路の冷媒圧縮機３０で圧縮された高温高圧の冷媒は、凝縮器３１の送風ファン３４にて外気（空冷の場合）と熱交換して温度が下がり低温高圧の冷媒となる。次いで、減圧器３２にて流量が絞られた後、蒸発器を構成する冷媒配管１７Ｒ、１７Ｇ、１７Ｂにて蒸発する。この際の吸熱作用により放熱板１４、１５、１６の冷却が行われる。なお、減圧器３２において蒸発器を構成する冷媒配管１７Ｒ、１７Ｇ、１７Ｂの蒸発温度が一定になるようにその絞り料が調整される。
【００３３】
図６は、蒸発器を構成する冷媒配管１７Ｒ、１７Ｇ、１７Ｂの熱交換部１７Ｒ−１、１７Ｇ−１、１７Ｂ−１に接続される放熱板１４、１５、１６などを省略して示したもので、各冷媒配管１７Ｒ、１７Ｇ、１７Ｂは光源エレメント８、９、１０を個別に冷却できるように独立して構成されている。したがって、各蒸発器（冷媒配管１７Ｒ、１７Ｇ、１７Ｂ）に個別に流量調整弁を設け、冷媒の流量を個々に調整可能となるようにすれば、光源エレメント８、９、１０の各々の発熱状態が相違する場合においても適正に冷却することができ、精度の高い温度制御が可能となる。
【００３４】
このように、光源エレメント８、９、１０を上記に示した例のような冷却手段によりレーザ動作設定温度まで冷却することができるが、さらに本発明では、冷却された光源エレメント８、９、１０に結露が発生した場合の対策を施すようにした。光源エレメント８、９、１０は図７に示すように、半導体レーザ素子アレイ８ｂ、９ｂ、１０ｂは、熱伝導性接着剤などで受熱板８ａ、９ａ、１０ａに固定された下部電極８ｂ−１、９ｂ−１、１０ｂ−１と上部電極８ｂ−２、９ｂ−２、１０ｂ−２に支持されて発光面が先端に臨む状態でモジュール化されている。
【００３５】
このように構成されていることから、半導体レーザ素子アレイ８ｂ、９ｂ、１０ｂが作動されて発熱すると、この発熱は冷却されている受熱板８ａ、９ａ、１０ａに吸収され、これにより下部電極８ｂ−１、９ｂ−１、１０ｂ−１および上部電極８ｂ−２、９ｂ−２、１０ｂ−２も冷却される。このような状態に至ると、環境温度より低くなった前記各上下電極の外表面に結露が発生する可能性が生じる。
【００３６】
仮に結露が発生し、その水滴が各上下電極間あるいは半導体レーザ素子アレイ８ｂ、９ｂ、１０ｂの発光面の隙間などから内部に滲入すると、電極配線がショートしたり発光出力の低下を招く。そこで本発明では、半導体レーザ素子アレイ８ｂ、９ｂ、１０ｂを結露から保護するため、図８に示すように半導体レーザ素子アレイ８ｂ、９ｂ、１０ｂが配設された部位、実際には下部電極８ｂ−１、９ｂ−１、１０ｂ−１および上部電極８ｂ−２、９ｂ−２、１０ｂ−２の外表面に低熱伝導率の合成樹脂層Ｒを形成する。この合成樹脂層の素材は、エポキシ樹脂、シリコン樹脂などを用いた場合は封止性が高くなり、また、発泡樹脂を採用した場合は高い断熱性が得られる。
【００３７】
このようにして、半導体レーザ素子アレイ８ｂ、９ｂ、１０ｂが配設された部位に合成樹脂層を形成したことにより、半導体レーザ素子アレイ８ｂ、９ｂ、１０ｂは封止および断熱され結露による影響を回避することができる。この場合、図８に示すように半導体レーザ素子アレイ８ｂ、９ｂ、１０ｂの発光面には合成樹脂層Ｒが形成されないようにし、発光光が遮られることなく有効に出射されるようにする。
【００３８】
なお、図４に示すように光源ユニットが組み立てられた後に合成樹脂層Ｒを施す場合は、図９に示すように個々の光源エレメント８、９、１０に治具Ｊを装着し、内部に形成された空間に溶融した合成樹脂を流し込むようにすればよい、この場合においても半導体レーザ素子アレイ８ｂ、９ｂ、１０ｂの発光面に合成樹脂層Ｒが形成されないようにする。
【００３９】
このように本発明によれば、受熱板の半導体レーザ素子アレイが配設された部位に合成樹脂層を形成したので、半導体レーザ素子アレイの封止および断熱が可能となり、結露が発生するような状況においても半導体レーザ素子アレイを安定に作動することが可能となる。
【００４０】
なお、上述した実施例では、透過型液晶パネルを採用した例について説明したが、これに代わる表示素子として、例えば、反射型液晶パネルを用いて３板式あるいは単板式で光源ユニットを構成した場合においても、同等の効果を奏することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の光源ユニットの基本的構成を示す平面図である。
【図２】図１の光源ユニットの組立状態を示す斜視図である。
【図３】図１の光源ユニットの構成要素を示す斜視図である。
【図４】図１の光源ユニットの冷却構造を示す斜視図である。
【図５】本発明に採用する冷却手段の例を示す図である。
【図６】図１の光源ユニット冷媒配管の例を示す斜視図である。
【図７】本発明の光源エレメントの具体的構成を示す斜視図である。
【図８】本発明により完成した光源エレメントの断面図である。
【図９】本発明の光源エレメントの加工工程を説明する図である。
【図１０】本発明の光源エレメントの加工工程の他の例を説明する図である。
【符号の説明】
【００４２】
Ｐ・・・・・投写型映像表示装置
Ｌ・・・・・投写レンズ
Ｊ・・・・・治具
Ｒ・・・・・合成樹脂層
１・・・・・光源ユニット
２・・・・・合成プリズム
３Ｒ、３Ｇ、３Ｂ・・・・・液晶パネル
４Ｒ、４Ｇ、４Ｂ・・・・・入射側偏光板
５Ｒ、５Ｇ、５Ｂ・・・・・出射側偏光板
６Ｒ、６Ｇ、６Ｂ・・・・・コンデンサレンズ
７Ｒ、７Ｇ、７Ｂ・・・・・インテグレータ
８、９、１０・・・・・光源エレメント
８ａ、９ａ、１０ａ・・・・・受熱板
８ｂ、９ｂ、１０ｂ・・・・・半導体レーザ素子アレイ
【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】
2009086273.tif 000008
【図７】
2009086273.tif 000009
【図８】
2009086273.tif 000010
【図９】
2009086273.tif 000011
【図１０】
2009086273.tif 000012