(57)【要約】【課題】投写型映像表示装置の光源ユニットを構成する複数の半導体レーザ素子アレイの受熱板の温度を均一化することにより、複数の半導体レーザ素子アレイの温度を均一化し、前記受熱板の温度制御の一元化が可能となるようにする。【解決手段】少なくとも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が得られるように投写型映像表示装置であり、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、各原色毎に合成プリズムの照射面に導光するように、階層状に配置するにあたり、前記光源エレメントの受熱板同士を熱平衡ヒートパイプで接続してなる光源ユニットを備えるようにする。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも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が得られるようにした投写型映像表示装置であり、
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、各原色毎に合成プリズムの照射面に導光するように、階層状に配置するにあたり、前記光源エレメントの受熱板同士を熱平衡ヒートパイプで接続してなる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。
【請求項２】
前記光源エレメントの受熱板を冷却手段に接続したことを特徴とする請求項１記載の投写型映像表示装置。
【請求項３】
少なくとも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が得られるようにした投写型映像表示装置であり、
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、各原色毎に合成プリズムの照射面に導光するように、階層状に配設するにあたり、前記光源エレメントの受熱板同士を熱平衡ヒートパイプで接続してなる光源ユニットを備え、
前記光源エレメントの受熱板を冷却手段に接続するとともに、任意に定めた前記光源エレメントに温度センサを設け、該温度センサの検知信号にもとづいて前記冷却手段を制御するようにし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、少なくとも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ユニッ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。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。従って、生成される単色の色純度が悪く、高い色再現性を期待することが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問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３原色の発光量の増大が課題となっている。そこで、上記のような放電型ランプを採用した場合の問題を解決するため、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複数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】
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同時に、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するようにしている。
【０００７】
この他、半導体レーザ素子を強制的に冷却する他の手段として、冷却装置からの冷却媒体流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）。また、アレイ化した複数の半導体レーザ素子を冷却する手段として、個々の半導体レーザ素子の放熱板に温度センサおよび加熱手段を設け、温度センサにより検出された温度が閾値未満であるとき、加熱手段により半導体レーザ素子を加熱し、閾値以上であるとき、加熱手段による加熱を停止するようにした制御手段がある（特許文献４参照）。
【特許文献１】特開２００７−２０１２８５号公報
【特許文献２】特開２００５−０２６５７５号公報
【特許文献３】特開２００６−２０２８４６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
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質がある。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、寿命の短期化にもつながることになる。
【０００９】
ところで、本発明は、複数の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、輝度が変化する。このような状態に至ると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る。
【００１０】
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（例えば、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ため、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℃の範囲に治めることが理想となる。
【００１１】
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であり、複数の半導体レーザ素子アレイで構成される光源エレメントに適用し、その温度を、例えば±１℃の範囲に収めようとした場合、光源エレメント周辺部が複雑かつ大型化する課題がある。
【００１２】
また、上記特許文献２に開示された冷却手段による場合は、冷却媒体の漏洩が常に懸念される。上記特許文献３に開示された手段による場合は、個々の放熱板に温度センサおよび温度微調整用の加熱手段を備える必要があり、大掛かりな制御装置が必要となるものである。
【００１３】
本発明は、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、３原色毎に合成プリズムの照射面に導光するように、階層状に配置するようにした光源ユニットを備える投写型映像表示装置において、前記受熱板の温度を簡易な構成により均一化することで各半導体レーザ素子アレイ温度を均一化し、また、温度制御の一元化が可能となるようにすることを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
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、少なくとも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が得られるようにした投写型映像表示装置であり、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、各原色毎に合成プリズムの照射面に導光するように、階層状に配置するにあたり、前記光源エレメントの受熱板同士を熱平衡ヒートパイプで接続してなる光源ユニットを備えるようにする。
【００１５】
請求項２記載の発明では、上記請求項１記載の投写型映像表示装置において、前記光源エレメントの受熱板を冷却手段に接続する。
【００１６】
請求項３記載の発明では、少なくとも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が得られるようにした投写型映像表示装置であり、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、各原色毎に合成プリズムの照射面に導光するように、階層状に配設するにあたり、前記光源エレメントの受熱板同士を熱平衡ヒートパイプで接続してなる光源ユニットを備え、前記光源エレメントの受熱板を冷却手段に接続するとともに、任意に定めた前記光源エレメントに温度センサを設け、該温度センサの検知信号にもとづいて前記冷却手段を制御する。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、合成プリズムの照射面に導光するように、階層状に配置した光源エレメントの受熱板同士を熱平衡ヒートパイプで接続するようにしたもので、各光源エレメントの受熱板の温度を均一化することができ、これにより、各半導体レーザ素子アレイのレーザ動作設定温度が一定となるので、半導体レーザ素子アレイからの出射光が均一化され、高い精度の色再現が可能となる。また、簡易な構成により受熱板の温度を均一化できることから温度制御の一元化が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明は、投写性能を向上しつつ不具合の発生を未然に防止できる光源ユニットを備えた投写型映像表示装置を提供するもので、かかる目的を達成するための実施の形態を図にもとづいて以下に説明する。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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、図２に示すような構成、即ち、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、複数個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。
【００２３】
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。
【００２４】
複数の光源エレメント８、９、１０は、図３に示すように同一原色の照射範囲内に同一原色を発光し、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。
【００２５】
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。
【００２６】
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、この出射光は出射面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。
【００２７】
図４は、上述した光源ユニット１の基本的構成に本発明を実施した状態を示すもので、合成プリズム２の照射面２Ｒ、２Ｇ、２Ｂに向けて配置される光源エレメント８、９、１０の受熱板８ａ、９ａ、１０ａが熱平衡ヒートパイプＨＰ１に半田やロウ付けなどの適宜手段により固定されている。この熱平衡ヒートパイプＨＰ１は、本実施例においては閉ループとしているが、開ループでもよく、あるいは、各原色毎のグループで閉ループ、または開ループを構成するようにしてもよい。要するに３原色全ての、または各原色毎の複数の光源エレメント８、９、１０が同一の熱平衡ヒートパイプＨＰ１に接続されてクラスター化されることにより、相互に熱結合された状態となり、各光源エレメント８、９、１０は熱的平衡が保たれることになる。
【００２８】
このように構成したことにより、光源エレメント８、９、１０が、受熱板８ａ、９ａ、１０ａに半導体レーザ素子アレイ８ｂ、９ｂ、１０ｂを熱伝導性接着剤により接着、あるいはネジ止めされる場合の組立誤差により生じる温度差が生じる。また、後述する放熱器２０Ｒ、２０Ｇ、２０Ｂの内部における吸熱作用の不均一、前記受熱板８ａ、９ａ、１０ａと放熱器２０Ｒ、２０Ｇ、２０Ｂ間に接続される放熱ヒートパイプＨＰ２の長さの不均一や接合性、接触面積の不均一により受熱板８ａ、９ａ、１０ａに対する吸熱作用が不均一となる。このような状態で半導体レーザ素子アレイ８ｂ、９ｂ、１０ｂを個々に発光させると、その発光状態が区々となり、発光量などを均一化することができなくなる。
【００２９】
本発明では、上記のような吸熱作用が不均一となるような要因がある場合においても、熱平衡ヒートパイプＨＰ１により受熱板８ａ、９ａ、１０ａの温度を均一化することが可能となり、半導体レーザ素子アレイ８ｂ、９ｂ、１０ｂの温度を均一化できるようにした。このように温度の均一化が可能となるようにした本発明の構成において、半導体レーザ素子アレイ８ｂ、９ｂ、１０ｂを所望の温度に冷却する場合の一例を図５に示す。
【００３０】
図５に示す構成においては、合成プリズム２の照射面２Ｒ、２Ｇ、２Ｂに向けて光源エレメント８、９、１０の配置状態を例示しており、熱平衡ヒートパイプＨＰ１に固定された光源エレメント８，９、１０の受熱板８ａ、９ａ、１０ａに放熱ヒートパイプＨＰ２の一端を固定し、該放熱ヒートパイプＨＰ２の他端を放熱器２０Ｒ、２０Ｇ、２０Ｂに接続してある。なお、同図では、受熱板８ａ、９ａ、１０ａを３原色毎に接続できるように放熱器２０Ｒ、２０Ｇ、２０Ｂが設けられており、各原色毎に温度制御が可能となるようにしている。
【００３１】
そして、前記放熱器２０Ｒ、２０Ｇ、２０Ｂは、冷却手段となる冷凍機Ｃに接続される。図６は、冷凍機Ｃ内の冷媒回路の例を示すもので、冷媒圧縮機２１、凝縮器２２、減圧器２３Ｒ、２３Ｇ、２３Ｂ、蒸発器２４Ｒ、２４Ｇ、２４Ｂ、アキュームレータ２５の順の環状に接続されている。この冷媒回路の冷媒圧縮機２１で圧縮された高温高圧の気体冷媒は、凝縮器２２の送風ファン２６にて外気（空冷の場合）と熱交換して高温高圧の液冷媒となる。
【００３２】
次いで、減圧器２３Ｒ、２３Ｇ、２３Ｂにて絞り膨張されて低温低圧の気液２相冷媒となった後、蒸発器２４Ｒ、２４Ｇ、２４Ｂにて低温低圧のまま蒸発して、気体冷媒となる。この際の冷媒の蒸発潜熱により放熱器２０Ｒ、２０Ｇ、２０Ｂの冷却が行われる。なお、冷媒圧縮機２１の回転数、減圧器２３Ｒ、２３Ｇ、２３Ｂの絞り量、送風ファン２６の風量を調整することにより放熱器２０Ｒ、２０Ｇ、２０Ｂの冷却能力を調整することができる。
【００３３】
さらに、本発明では、光源エレメント８、９、１０の受熱板８ａ、９ａ、１０ａの温度が均一化されるため、任意に定めた光源エレメントの何れかに温度センサＴＭを配設するようにしている。この温度センサＴＭによる検知信号にもとづく前記冷媒回路の制御部３０から出力される制御信号により、冷媒圧縮機２１の回転数、減圧器２３Ｒ、２３Ｇ、２３Ｂの開弁の程度、送風ファン２６の回転数を調整し、冷媒の流量を調整することにより放熱器２０Ｒ、２０Ｇ、２０Ｂを所望の温度にすることができる。なお、各原色毎に温度調整が必要である場合は、各原色毎に、任意に定めた光源エレメントの何れかに温度センサＴＭを配設し、各原色毎の制御信号が得られるようにする。
【００３４】
このように本発明によれば、熱平衡ヒートパイプにより光源エレメントの各受熱板の温度が均一化されることから、光源エレメントの受熱板と放熱器の間の熱伝導性に固体差がある場合においても温度制御の一元化が可能となり、これにより、冷却装置が大掛かりな構成とならず、高い精度の温度制御が可能となるなど本発明特有の効果を奏する。なお、冷却手段について冷凍回路を実施例として説明したが、放熱ヒートパイプの端部にヒートシンクを接続し、このヒートシンクに冷気を流して放熱するような方式も可能であり、冷却手段の態様は上述の例に限定されるものではない。
【００３５】
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、これら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。また、上述した実施の形態においては、光源素子として半導体レーザ素子を用いた投写型映像表示装置を例として説明したが、本発明は光源素子の種類に限定されることなく実施することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の光源ユニットの基本構成を示す平面図である。
【図２】本発明の光源エレメントの構成を示す斜視図である。
【図３】本発明の光源ユニットの組立状態を示す斜視図である。
【図４】本発明の光源ユニットの完成状態を示す平面図である。
【図５】本発明の光源ユニットの冷却手段の構成を示す斜視図である。
【図６】図４の冷却手段の冷媒回路の例を示す図である。
【符号の説明】
【００３７】
Ｐ・・・・・投写型映像表示装置
Ｃ・・・・・冷凍機
Ｌ・・・・・投写レンズ
ＨＰ１・・・・・熱平衡ヒートパイプ
ＨＰ２・・・・・放熱ヒートパイプ
ＴＭ・・・・・温度センサ
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】
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