JP2005149943A

JP2005149943A - 光源装置及びこれを用いたプロジェクタ

Info

Publication number: JP2005149943A
Application number: JP2003386782A
Authority: JP
Inventors: Norio Nakamura; 典生中村
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2003-11-17
Filing date: 2003-11-17
Publication date: 2005-06-09

Abstract

【課題】ＬＥＤ素子を用いて高輝度で均一な照明を安定して行うことができる光源装置等を提供すること。
【解決手段】この発光ユニット１１では、３つの同一色のＬＥＤ素子１２ａ，１２ｂ，１２ｃから射出される光源光の合成によって高い輝度の照明光をプラスチックモールド１５の前方に射出させることができる。この際、ヒート・スラグ１３の上面１３ａに３つのＬＥＤ素子１２ａ〜１２ｃを支持するので、これらＬＥＤ素子１２ａ〜１２ｃから発生した熱をヒート・スラグ１３側に迅速に移動させることができる。さらに、ヒート・スラグ１３の下面１３ｂにペルチエ素子１４を接続しているので、ヒート・スラグ１３に移動した熱をペルチエ素子１４で吸収して配線基板ＰＢ側に放出することができる。これにより、ヒート・スラグ１３の温度を例えば一定に保つことができ、各ＬＥＤ素子１２ａ，１２ｂ，１２ｃにおけるジャンクション温度を一定に保つことができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、光源装置、並びに、これら光源装置及び液晶表示パネル等の光変調装置を用いて画像を投射するプロジェクタに関する。

プロジェクタ中の液晶表示パネルの照明装置として、液晶表示パネルに対面させて面状発光型のＥＬ素子を配置し、このＥＬ素子を背面から冷却するものが存在する（特許文献１参照）。ここで、ＥＬ素子は、層状のヒートシンクを介して平板状の電子冷却素子に接続されており、発光中一定の温度に冷却される。
ＷＯ９８／１３７２５号公報

しかしながら、上記照明装置において、ＥＬ素子に代えて高輝度のチップ状のＬＥＤ素子を用いようとした場合、高輝度で均一な照明が必ずしも容易でない。また、ＥＬ素子から射出される照明光の光量を調節する際にはＥＬ素子への供給電流を調節することになるが、このような電流制御では非線形な光量変化が生じ制御が容易でない。

そこで、本発明は、ＬＥＤ素子を用いて高輝度で均一な照明を安定して行うことができる光源装置、さらには、これを用いたプロジェクタを提供することを目的とする。

また、本発明は、発光量を簡易かつ精密に制御することができる光源装置及びこれを用いたプロジェクタを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明に係る光源装置は、（ａ）複数のＬＥＤ素子と、（ｂ）複数のＬＥＤ素子を一方側で支持するとともに、複数のＬＥＤ素子からの熱を他方側に伝達する熱伝導部材と、（ｃ）熱伝導部材の他方側に接続されて当該熱伝導手段の他方側を冷却する単一のペルチエ素子とを備える。

上記光源装置によれば、複数のＬＥＤ素子を熱伝導部材の一方側で支持しこの熱伝導部材の他方側を単一のペルチエ素子で冷却するので、複数のＬＥＤ素子によって高輝度の照明光を得ることができ、さらに、これらＬＥＤ素子を単一のペルチエ素子によって温度管理しつつ安定して動作させることができる。この際、単一のペルチエ素子を用いるので、これらＬＥＤ素子間の温度差を熱伝導手段との協動によって低減することができる。

上記発明の具体的な態様では、上述の光源装置において、複数のＬＥＤ素子と、熱伝導部材と、ペルチエ素子とが、パッケージ中に埋め込まれている。この場合、ＬＥＤ素子等からなる発光部とペルチエ素子等の冷却部とを一体的なユニットとして扱うことができ、このようなユニットごと回路基板等に実装することができる。

また、上記発明の別の具体的な態様では、複数のＬＥＤ素子が、同一色の光源光を発生する。この場合、特定色の発光輝度を高めた光源装置を提供することができる。

また、上記発明のさらに別の具体的な態様では、複数のＬＥＤ素子が、異なる色の光源光を発生する。この場合、複数色の発光輝度を高めた光源装置（例えば白色光源装置）を提供することができる。

また、上記発明のさらに別の具体的な態様では、熱伝導部材が、ミラーを兼ねるヒートスラグである。この場合、複数のＬＥＤ素子からの発熱をヒートスラグに吸収させつつ後方への射出光をヒートスラグによって正面側に折り返すことができ、ＬＥＤ素子からの照明光の効率的利用とＬＥＤ素子の効率的冷却とを達成することができる。

また、上記発明のさらに別の具体的な態様では、ペルチエ素子による冷却動作を調整することによって複数のＬＥＤ素子の発光輝度を制御する補助駆動回路をさらに備える。この場合、補助駆動回路によってＬＥＤ素子のジャンクション温度が調節されるが、ＬＥＤ素子のジャンクション温度を介してのＬＥＤ素子の発光輝度の制御は比較的安定しており比較的線形であるので、複数のＬＥＤ素子の発光輝度の制御が精密なものとなる。

また、上記発明のさらに別の具体的な態様では、複数のＬＥＤ素子の発光輝度を監視するとともに、当該発光輝度を補助駆動回路にフィードバックする。この場合、フィードバック制御によってより精密な光量制御が可能になる。

また、本発明に係る第１のプロジェクタは、（ａ）照明光を射出する請求項１から請求項７のいずれか一項記載の光源装置と、（ｂ）光源装置からの照明光によって照明される光変調装置と、（ｃ）光変調装置からの像光を投射する投射光学系とを備える。

上記第１のプロジェクタでは、上述のような特徴を有する本発明の光源装置を用いているので、複数のＬＥＤ素子からの高輝度の照明光を効率的に利用して、光変調装置を明るく安定した照明光で照明することができ、高輝度で高画質の画像を投射することができる。

また、本発明に係る第２のプロジェクタは、（ａ）各色の照明光をそれぞれ射出する請求項１から請求項７のいずれか一項記載の各色ごとの光源装置と、（ｂ）各色の照明光によってそれぞれ照明される各色の光変調装置と、（ｃ）各色の光変調装置からの各色の像光を合成して射出させる光合成部材と、（ｄ）光合成部材を経た像光を投射する投射光学系とを備える。

上記第２のプロジェクタでも、上述のような特徴を有する本発明の光源装置を用いているので、複数のＬＥＤ素子からの高輝度の照明光を効率的に利用して、光変調装置を明るく安定した照明光で照明することができ、高輝度で高画質のカラー画像を投射することができる。

〔第１実施形態〕
図１（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第１実施形態に係る光源装置の主要部すなわち発光ユニットの構造を示す側方断面図及び平面図である。

図示の発光ユニット１１は、発光源である３つのＬＥＤ素子１２ａ，１２ｂ，１２ｃと、これら３つのＬＥＤ素子１２ａ，１２ｂ，１２ｃを上面１３ａで支持するヒート・スラグ１３と、このヒート・スラグ１３の下面１３ｂに接続される単一のペルチエ素子１４とを備える。このうち、ＬＥＤ素子１２ａ，１２ｂ，１２ｃとヒート・スラグ１３の上部とは、透明なプラスチックモールド１５によって全体が覆われてシールされており、ヒート・スラグ１３の下部とペルチエ素子１４の側部とは、不透明なプラスチックモールド１６に覆われている。

各ＬＥＤ素子１２ａ，１２ｂ，１２ｃは、ディスクリートな発光素子をそれぞれ単独で形成した同一構造を有する半導体チップであり、それぞれが同一の波長の光源光、例えば赤色光を発生する。このような光源光は、プラスチックモールド１５を経て正面方向に射出される。各ＬＥＤ素子１２ａ，１２ｂ，１２ｃのチップ上から引出された配線Ｌ１は、カソード配線Ｌ２やアノード配線Ｌ３に結線される。これらのカソード配線Ｌ２やアノード配線Ｌ３は、ヒート・スラグ１３の上面１３ａに適宜貼り付けられて、プラスチックモールド１５の下部側面から外部に引出される。

ヒート・スラグ１３は、円板状の外形を有するアルミ材等からなる熱伝導部材である。ヒート・スラグ１３は、エポキシ樹脂等からなる接着層ＡＤを利用して、その上面１３ａにＬＥＤ素子１２ａ，１２ｂ，１２ｃを固定することによって、これらＬＥＤ素子１２ａ，１２ｂ，１２ｃを適当な配置で支持する。ヒート・スラグ１３の上面１３ａは、凹面の反射面になっており、各ＬＥＤ素子１２ａ，１２ｂ，１２ｃから後方側に射出した光源光は、正面側に反射される。

ペルチエ素子１４は、パッケージに封入された単体の冷却ユニットであり、ペルチエ効果を利用した冷却モジュールを内蔵する。このペルチエ素子１４の上面１４ａは冷却面になっており、下面１４ｂは放熱面になる。ペルチエ素子１４の上面１４ａとヒート・スラグ１３との間には、銀ペーストやシリコーンからなる接合層１７が形成されており、ヒート・スラグ１３からの熱をペルチエ素子１４側に伝達させここで吸収できるようになっている。ペルチエ素子１４の平坦な下面１４ｂ側には、全面に亘って熱接合電極１４ｄが形成されている。この熱接合電極１４ｄは、適当な加熱によって、配線基板ＰＢ上に設けた熱接合電極１８ａに密着して接合される。これにより、ペルチエ素子１４の下面１４ｂ側に発生する熱を配線基板ＰＢに放出することができる。なお、この配線基板ＰＢ上には、配線パターン１８ｃ，１８ｄも形成されており、ペルチエ素子１４から引出された一対の配線Ｌ５，Ｌ６が接続される。

以上のような発光ユニット１１によれば、３つの同一色のＬＥＤ素子１２ａ，１２ｂ，１２ｃから射出される光源光の合成によって高い輝度の照明光をプラスチックモールド１５の前方に射出させることができる。この際、ヒート・スラグ１３の上面１３ａに３つのＬＥＤ素子１２ａ，１２ｂ，１２ｃを支持するので、これらＬＥＤ素子１２ａ，１２ｂ，１２ｃから発生した熱をヒート・スラグ１３側に迅速に移動させることができる。さらに、ヒート・スラグ１３の下面１３ｂにペルチエ素子１４を接着しているので、ヒート・スラグ１３に移動した熱をペルチエ素子１４で吸収して配線基板ＰＢ側に放出することができる。これにより、ヒート・スラグ１３の温度を例えば一定に保つことができ、さらに、各ＬＥＤ素子１２ａ，１２ｂ，１２ｃにおけるジャンクション温度を一定に保つことができるので、各ＬＥＤ素子１２ａ，１２ｂ，１２ｃを安定した状態で発光させることができる。なお、ヒート・スラグ１３に温度センサを埋め込むならば、温度センサの出力を利用したフィードバック制御によってヒート・スラグ１３延いては各ＬＥＤ素子１２ａ，１２ｂ，１２ｃの温度を一定に保つことができる。

図２は、図１に示す発光ユニット１１とこれを動作させるための回路とからなる光源装置を説明するブロック図である。まず、ＬＥＤ素子１２ａ，１２ｂ，１２ｃは、直列に接続されて定電流源６１からの電力の供給を受けており、各ＬＥＤ素子１２ａ，１２ｂ，１２ｃには一定の電流が流れる。つまり、各ＬＥＤ素子１２ａ，１２ｂ，１２ｃは、同一の電流で駆動されてほぼ等しく発光する。また、ペルチエ素子１４は、補助駆動回路として動作する可変電圧型のペルチエ素子用電源６２に接続されており、このペルチエ素子１４には目的とする冷却動作に必要な電圧が印加される。ペルチエ素子１４によって冷却されるＬＥＤ素子１２ａ，１２ｂ，１２ｃから射出した光源光ＳＬは、図１に示す発光ユニット１１の正面方向であって光路を遮らない脇位置に配置された輝度センサ６３で監視される。この輝度センサ６３は、フォトダイオード等からなり、ＬＥＤ素子１２ａ，１２ｂ，１２ｃから射出される光源光をその輝度に応じて電流信号を発生する。輝度センサ６３の出力は、アンプ６４で適度に増幅されて電圧信号に変換され、ペルチエ素子用電源６２のコントロール端子Ｔ１に入力される。ペルチエ素子用電源６２では、コントロール端子Ｔ１への入力信号を予め定めた所定値と比較して、入力信号が所定値よりも大きい場合は、輝度過剰としてペルチエ素子用電源６２への供給電圧を適宜低下させる。これにより、ペルチエ素子１４の冷却効率が下がり、各ＬＥＤ素子１２ａ，１２ｂ，１２ｃの温度が上昇するので、各ＬＥＤ素子１２ａ，１２ｂ，１２ｃの発光輝度が低下する。一方、入力信号が所定値よりも小さい場合は、輝度過小としてペルチエ素子用電源６２への供給電圧を適宜上昇させる。これにより、ペルチエ素子１４の冷却効率が上がり、各ＬＥＤ素子１２ａ，１２ｂ，１２ｃの温度が低下するので、各ＬＥＤ素子１２ａ，１２ｂ，１２ｃの発光輝度が増加する。以上の説明において、輝度センサ６３、アンプ６４、及びペルチエ素子用電源６２の一部は、各ＬＥＤ素子１２ａ，１２ｂ，１２ｃの発光輝度を制御するためのフィードバック手段を構成する。

具体的に説明すると、各ＬＥＤ素子１２ａ，１２ｂ，１２ｃが例えばＧ光の場合、そのジャンクション温度が２０℃変化すると、発光輝度が１０％程度変化する。また、各ＬＥＤ素子１２ａ，１２ｂ，１２ｃが例えばＲ光の場合、そのジャンクション温度が２０℃変化すると、発光輝度が１５％程度変化する。ただし、各ＬＥＤ素子１２ａ，１２ｂ，１２ｃが例えばＢ光の場合、そのジャンクション温度が２０℃変化しても、発光輝度はほとんど変化しない。つまり、ペルチエ素子用電源６２を用いた輝度制御は、Ｇ光やＲ光の輝度制御に適する。

なお、発光ユニット１１の発光輝度を強制的に変更したい場合、ペルチエ素子用電源６２にプログラムされる所定値、すなわちコントロール端子Ｔ１に入力される入力信号の基準値を変更すればよい。また、以上の説明では、各ＬＥＤ素子１２ａ，１２ｂ，１２ｃを定電流源６１に直列に接続しているが、これらを並列に定電流源６１に接続することもできる。

また以上の説明では、ペルチエ素子用電源６２に対して輝度センサ６３の出力をフィードバックしているが、定電流源６１に対して輝度センサ６３の出力をフィードバックすることもできる。例えば発光輝度の温度依存性が少ないＢ光の場合、輝度制御が比較的容易になる。

〔第２実施形態〕
図３は、第２実施形態のプロジェクタを説明するブロック図である。本実施形態のプロジェクタは、図１及び図２に示す光源装置を組み込んだ装置である。

このプロジェクタ１０は、照明装置２０と、光変調装置３０と、投射レンズ４０と、制御装置５０とを備える。ここで、照明装置２０は、各色の照明ユニットとして、Ｇ光照明装置２１と、Ｂ光照明装置２３と、Ｒ光照明装置２５とを有するとともに、これらを駆動するための光源駆動装置２７を備える。また、光変調装置３０は、空間光変調装置である３つの液晶ライトバルブ３１，３３，３５と、光合成部材であるクロスダイクロイックプリズム３７と、各液晶ライトバルブ３１，３３，３５に駆動信号を出力する素子駆動装置３８とを有する。

照明装置２０において、Ｇ光照明装置２１は、Ｇ光用光源ユニット２１ａと、ロッドインテグレータ２１ｂとを備える。このうち、Ｇ光用光源ユニット２１ａは、図１に示す発光ユニット１１と同様の構造を有する発光ユニット１１Ｇを配線基板２１ｇ上に取り付けたものからなり、ミラーやレンズエレメント等からなる集光用光学部材２１ｈを正面側に有している。この場合、発光ユニット１１Ｇは、３原色のうち緑（Ｇ）の範疇に含まれるＧ光を発生する。発光ユニット１１Ｇから取り出されたＧ光、つまり第１光源光ＬＧは、集光用光学部材２１ｈ及びロッドインテグレータ２１ｂを経た後、光変調装置３０のうちＧ光用の液晶ライトバルブ３１に入射する。これにより、液晶ライトバルブ３１上の被照射領域がＧ光によって均一に照明される。

Ｂ光照明装置２３は、Ｂ光用光源ユニット２３ａと、ロッドインテグレータ２３ｂとを備える。このうち、Ｂ光用光源ユニット２３ａは、図１に示す発光ユニット１１と同様の構造を有する発光ユニット１１Ｂを配線基板２３ｇ上に取り付けたものからなり、ミラーやレンズエレメント等からなる集光用光学部材２３ｈを正面側に有している。この場合、発光ユニット１１Ｂは、３原色のうち青（Ｂ）の範疇に含まれるＢ光を発生する。発光ユニット１１Ｂから取り出されたＢ光、つまり第２光源光ＬＢは、集光用光学部材２３ｈ及びロッドインテグレータ２３ｂを経た後、光変調装置３０のうちＢ光用の液晶ライトバルブ３３に入射する。これにより、液晶ライトバルブ３３上の被照射領域がＢ光によって均一に照明される。

Ｒ光照明装置２５は、Ｒ光用光源ユニット２５ａと、ロッドインテグレータ２５ｂとを備える。このうち、Ｒ光用光源ユニット２５ａは、図１に示す発光ユニット１１と同様の構造を有する発光ユニット１１Ｒを配線基板２５ｇ上に取り付けたものからなり、ミラーやレンズエレメント等からなる集光用光学部材２５ｈを正面側に有している。この場合、発光ユニット１１Ｒは、３原色のうち赤（Ｒ）の範疇に含まれるＲ光を発生する。発光ユニット１１Ｒから取り出されたＲ光、つまり第３光源光ＬＲは、集光用光学部材２５ｈ及びロッドインテグレータ２５ｂを経た後、光変調装置３０のうちＲ光用の液晶ライトバルブ３５に入射する。これにより、液晶ライトバルブ３５上の被照射領域がＲ光によって均一に照明される。

なお、以上では説明を省略したが、照明装置２０を構成する光源駆動装置２７中には、図２に示す定電流源６１、ペルチエ素子用電源６２、輝度センサ６３等と同様の回路或いはこれを変形した回路が各色ごとに組み込まれており、各色の光源光ＬＧ，ＬＢ，ＬＲが安定した所望の輝度となるように制御される。

光変調装置３０において、各液晶ライトバルブ３１，３３，３５は、それぞれに入射した各色光照明装置２１，２３，２５からの照明光を２次元空間的に変調して各色の像光を形成する。なお、各液晶ライトバルブ３１，３３，３５を通過した各色の像光は、クロスダイクロイックプリズム３７で合成されて、その一側面から射出される。クロスダイクロイックプリズム３７から射出された合成光の像は、投射光学系である投射レンズ４０に入射してスクリーン（不図示）に適当な拡大率で投影される。つまり、プロジェクタ１０によって、各液晶ライトバルブ３１，３３，３５に形成された各色Ｇ，Ｂ，Ｒの画像を合成したカラー画像が、動画又は静止画としてスクリーン上に投射される。なお、図示を省略しているが、各液晶ライトバルブ３１，３３，３５の周辺の適所には、これらの液晶ライトバルブ３１，３３，３５を偏光光で照明し読み出すため、偏光板が配置されている。

制御装置５０は、光源駆動装置２７に制御信号を出力して、各色光照明装置２１，２３，２５に設けた第１〜第３光源ユニット２１ａ，２３ａ，２５ａを構成する各発光ユニット１１Ｇ，１１Ｂ，１１Ｒをカラー画像の投射に対応する適当なタイミングで発光させる。また、制御装置５０は、素子駆動装置３８に制御信号を出力して、各液晶ライトバルブ３１，３３，３５に投射画像の輝度に対応する２次元的な偏光特性分布を形成する。

以下、図１に示すプロジェクタ１０の動作について説明する。照明装置２０に設けたＧＢＲ光照明装置２１，２３，２５からの各色の照明光は、対応する液晶ライトバルブ３１，３３，３５にそれぞれ入射する。各液晶ライトバルブ３１，３３，３５は、外部からの画像信号に応じて動作する素子駆動装置３８によって変調されて２次元的屈折率分布を有しており、各色の照明光を２次元空間的に画素単位で変調する。このように、各液晶ライトバルブ３１，３３，３５で変調された照明光すなわち像光は、クロスダイクロイックプリズム３７で合成された後に投射光学系である投射レンズ４０に入射してスクリーンに投影される。この場合、各色光照明装置２１，２３，２５において図１に示すような構造の発光ユニット１１Ｇ，１１Ｂ，１１Ｒを用いて図２示すような回路で制御を行なうので、安定した輝度で各色の照明光を発生させることができ、高輝度でありながら安定した良好なホワイトバランスのカラー画像をスクリーン上に形成することができる。

以上、実施形態に即して本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、発光ユニット１１，１１Ｇ，１１Ｂ，１１Ｒに組み込まれるＬＥＤ素子の個数は、２以上の任意の数とすることができる。この場合、ＬＥＤ素子の配列は光軸を中心として均等に配列することが望ましい。

また、上記実施形態では、３つの液晶ライトバルブ２５ａ〜２５ｃをＲＧＢの各色で照明しているが、単一の液晶ライトバルブ等であって各画素にＲＧＢのフィルタを配列したタイプのカラー表示パネルを白色光源で照明する場合にも、図１等に示す発光ユニット１１を用いることができる。この場合、各ＬＥＤ素子１２ａ，１２ｂ，１２ｃをＧＢＲの各色で発光させる。

（ａ），（ｂ）は第１実施形態に係る光源装置を説明する図である。図１の発光ユニットを動作させるための回路を説明するブロック図である。第２実施形態に係るプロジェクタのブロック図である。

符号の説明

１０…プロジェクタ、１１，１１Ｇ，１１Ｂ，１１Ｒ…発光ユニット、１２ａ，１２ｂ，１２ｃ…ＬＥＤ素子、１３…ヒート・スラグ、１４…ペルチエ素子、１５，１６…プラスチックモールド、２０…照明装置、２１，２３，２５…各色光照明装置、２１ａ，２３ａ，２５ａ…光源ユニット、２７…光源駆動装置、３０…光変調装置、３１，３３，３５…液晶ライトバルブ、３７…クロスダイクロイックプリズム、４０…投射レンズ、６１…定電流源、６２…ペルチエ素子用電源、６３…輝度センサ、６４…アンプ

Claims

複数のＬＥＤ素子と、
前記複数のＬＥＤ素子を一方側で支持するとともに、前記複数のＬＥＤ素子からの熱を他方側に伝達する熱伝導部材と、
前記熱伝導部材の他方側に接続されて当該熱伝導手段の他方側を冷却する単一のペルチエ素子と
を備える光源装置。
前記複数のＬＥＤ素子と、前記熱伝導部材と、前記ペルチエ素子とは、パッケージ中に埋め込まれていることを特徴とする請求項１記載の光源装置。
前記複数のＬＥＤ素子は、同一色の光源光を発生することを請求項１及び請求項２のいずれか一項記載の光源装置。
前記複数のＬＥＤ素子は、異なる色の光源光を発生することを請求項１及び請求項２のいずれか一項記載の光源装置。
前記熱伝導部材は、ミラーを兼ねるヒート・スラグであることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項記載の光源装置。
前記ペルチエ素子による冷却動作を調整することによって前記複数のＬＥＤ素子の発光輝度を制御する補助駆動回路をさらに備えることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項記載の光源装置。
前記複数のＬＥＤ素子の発光輝度を監視するとともに、当該発光輝度を前記補助駆動回路にフィードバックするフィードバック手段をさらに備える請求項６記載の光源装置。
照明光を射出する請求項１から請求項７のいずれか一項記載の光源装置と、
前記光源装置からの照明光によって照明される光変調装置と、
前記光変調装置からの像光を投射する投射光学系と
を備えるプロジェクタ。
各色の照明光をそれぞれ射出する請求項１から請求項７のいずれか一項記載の各色ごとの光源装置と、
各色の照明光によってそれぞれ照明される各色の光変調装置と、
前記各色の光変調装置からの各色の像光を合成して射出させる光合成部材と、
前記光合成部材を経た像光を投射する投射光学系と
を備えるプロジェクタ。