JP2017142882A - 光源装置および画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザ光源を用いた光源装置およびこれを用いた画像表示装置において、レーザダイオードの温度上昇を抑制する。【解決手段】 レーザ光を出射するレーザダイオードと、レーザダイオードが取り付けられるＬＤホルダ６００と、ＬＤホルダ６００と螺子で連結される光学ベース部５００とを備え、ＬＤホルダ６００と光学ベース部５００との間において、光学ベース部５００の背面に複数の凸状部を形成し、この凸状部によってＬＤホルダ６００と光学ベース部５００とが接触しており、さらにＬＤホルダ６００には冷却ユニット４００（ヒートシンク４０１、ペルチェ素子４０２、放熱フィン４０３で構成される）が取り付けられている。【選択図】図６

Description

本発明は、光源装置および当該光源装置を用いた画像表示装置に関し、たとえばレーザ光源を用いた光源装置、およびこれを用いて画像形成部で形成した画像を表示させる画像表示装置に好適なものである。

赤色、青色および緑色などのレ−ザ光を用いてスクリ−ンに画像を投射するレ−ザディスプレイ装置や、また、近年では、ガラス表面での表面反射（或いはハーフミラー）と自由曲面ミラーなどとを組み合わせた虚像光学系により、空間上に映像を表示させる画像表示装置の開発が進んできている。

特に、乗用車等の移動体に搭載されているヘッドアップディスプレイと称される画像表示装置への応用が期待されている。たとえば、乗用車に搭載されるヘッドアップディスプレイでは、画像情報により変調された光がウインドシールド（フロントガラス）に向けて投射され、その反射光が運転者の目に照射される。

これにより、運転者は、ウインドシールドの前方に、画像の虚像を見ることができる。たとえば、車速や気温等が、虚像として表示される。最近では、ナビゲーション画像や、実在する通行人を運転者に対して注意喚起する画像を虚像として表示することも検討されている。

上記ヘッドアップディスプレイでは、光源として、半導体レーザ等のレーザ光源が用いられ得る。この構成では、映像信号に応じてレーザ光が変調されつつ、レーザ光がスクリーンを走査する。スクリーンでは、レーザ光が拡散され、運転者の目に照射される光の領域が広げられる。これにより、運転者が多少頭を動かしても、目が照射領域から外れなくなり、運転者は、良好かつ安定的に画像（虚像）を見ることができる。

レーザ光源を用いることで、レーザビームをスクリーン上に走査させる光学系を小型化できる上、大きな光学倍率を有する虚像光学系と組み合わせることで、より小さな本体寸法であるにもかかわらず大きな虚像を表示することができるため、ヘッドアップディスプレイの搭載車種を増やす効果が期待されている。

下記特許文献１には、ヘッドアップディスプレイ装置１００（プロジェクタ）において、レーザダイオード１１ａ〜１１ｃと、ハウジング部７（基台部７）と、ヒートシンク５ａおよび５ｂとを備え、レーザダイオード１１ａ（１１ｂまたは１１ｃ）からハウジング部７までの第１の伝熱経路の熱抵抗は、レーザダイオード１１ａ（１１ｂまたは１１ｃ）からヒートシンク５ａまたは５ｂまでの第２の伝熱経路の熱抵抗よりも大きい構成が開示されている。

特開２０１５−１９４７０５号公報

上記特許文献１においては、図１３に示すように、取付ベース部７１ａは、熱伝導性の低い樹脂等で形成されている。また、アルミ等の金属（または一般的な樹脂よりも熱伝導性の高い樹脂）から成るＬＤプレート８ａが、レーザダイオード１１ａの背面側に配置され、レーザダイオード１１ａの背面から熱をヒートシンク５ａ側に伝熱可能に設けられている。このため、上記したように、レーザダイオード１１ａからハウジング部７までの熱抵抗は、レーザダイオード１１ａからヒートシンク５ａまたは５ｂまでの熱抵抗よりも大きい。

然し乍ら、乗用車等に搭載されるヘッドアップディスプレイでは、例えば８０度もの高温環境下での動作試験もパスしなければならないが、樹脂製の取付ベース部とアルミ等の金属から成るＬＤプレートの組み合わせの場合、それぞれの材質の熱膨張率が異なり、ゆがみや変形を生じ、光学調整がずれてしまうという問題があった。

また、熱伝導性の低い樹脂から成る取付ベース部と、一般的な樹脂よりも熱伝導性の高い樹脂から成るＬＤプレートで構成した場合、上記のような高温環境下では、変形するなどして、製造段階で調整されていた光学調整がずれてしまったり、取付ベース部やＬＤプレート自体が破損する恐れがあった。

また、レーザーダイオードからヒートシンクまでの伝熱経路に筐体など他の構造体が付いていたり、他の構造体またはその一部を伝熱経路として使用している場合、外気からレーザーダイオードまでの熱抵抗が小さくなり、外気から伝熱経路が加熱されるため、より大きな冷却能力が必要になっていた。

上記の課題を解決するため、本発明の光源装置は、レーザ光を出射する光源と、前記光源が取り付けられる光源保持部と、前記光源保持部と連結される基台部とを備え、前記光源保持部と基台部との間において、少なくとも前記光源保持部または基台部のいずれか一方に凸状部を形成し、当該凸状部によって光源保持部と基台部とが接触していることを特徴とする。

また、本発明の画像表示装置は、上記光源装置を備えたことを特徴とする。

本発明の画像表示装置によれば、光源保持部または基台部のいずれか一方に凸状部を形成し、当該凸状部によって光源保持部と基台部とが接触しているので、基台部からの熱が光源保持部に伝達されて、光源の温度が上昇するのを抑制することが出来る。

図１（ａ）、図１（ｂ）は、実施の形態に係る画像表示装置の使用形態を示す図である。 図２は、実施の形態に係る画像表示装置の概略構成を示す図である。 図３は、実施の形態に係る光学モジュール（光源装置）の概略構成を示す模式図である。 図４は、実施の形態に係る光学モジュール（光源装置）の外観を示す斜視図である。 図５は、実施の形態に係る光学モジュール（光源装置）の外観を示す斜視図である。 図６は、実施の形態に係る光学モジュール（光源装置）のシールドカバーを削除した状態を示す斜視図である。 図７は、実施の形態に係る光学モジュール（光源装置）のシールドカバーを削除した状態を示す斜視図である。 図８は、実施の形態に係る光学モジュール（光源装置）における光学ベース部の外観を示す斜視図である。 図９は、実施の形態に係る光学モジュール（光源装置）における光学ベース部の外観を示す斜視図である。 図１０（ａ）および図１０（ｂ）は、実施の形態に係る光学モジュール（光源装置）におけるＬＤホルダの外観を示す斜視図である。 図１１（ａ）および図１１（ｂ）は、実施の形態に係る光学モジュール（光源装置）におけるヒートシンクの外観を示す斜視図である。 図１２は、実施の形態に係る光学モジュール（光源装置）における放熱フィンの外観を示す斜視図である。 図１３は、従来のヘッドアップディスプレイ装置の構成を示す要部断面図である。

以下、本発明の実施の形態にかかる光源装置および画像表示装置について、図面を参照しながら説明する。

先ず、図１は、本発明の実施の形態における光源装置およびこれを搭載した画像表示装置１２０の使用形態を示す図である。

図１（ａ）は、車両１０１の側方から車両１０１の内部を透視した図、図１（ｂ）は、車両１０１の内部から走行方向前方を見た図である。なお、本実施の形態においては、一例として、光源装置を車載用のヘッドアップディスプレイ装置を適用したものである。

図１（ａ）に示すように、画像表示装置１２０は、車両１０１のダッシュボード１１１の内部に設置される。図１（ａ）、図１（ｂ）に示すように、画像表示装置１２０は、映像信号により変調されたレーザ光を、ウインドシールド１１２の下側の運転席寄りに配置された投射領域１１３に投射する。

レーザ光は、投射領域１１３で反射され、運転者１０２の目の位置周辺の横長の領域（アイボックス領域）に照射される。これにより、運転者１０２の前方の視界に、虚像として所定の画像１３０が表示される。

運転者１０２は、ウインドシールド１１２の前方の景色上に、虚像である画像１３０を重ね合わせて見ることができる。すなわち、画像表示装置１２０は、虚像である画像１３０をウインドシールド１１２の投射領域１１３の前方の空間に結像させる。

次に、図２は、前記画像表示装置１２０の内部構成を示す模式図である。図２に示すように、画像表示装置１２０は、光学モジュール１２１（光源装置）と、虚像光学系１２２を備える。

さらに、図３は、前記光学モジュール１２１の内部構成を示した模式図である。光学モジュール１２１は、光源としてのレーザダイオード（以下、ＬＤ）であるＬＤ２０１、ＬＤ２０２、ＬＤ２０３を有し、映像信号（図示せず）により変調されたレーザ光が出射される。本発明では、ＬＤ２０１が青色の半導体レーザ光源、ＬＤ２０２が緑色の半導体レーザ光源、ＬＤ２０３が赤色の半導体レーザ光源となっている。

各ＬＤから発せられたレーザ光は、第１ダイクロイックミラー２１０、第２ダイクロイックミラー２１１、第３ダイクロイックミラー２１２を介して、略同軸なレーザビームとして成形され、走査部２１３へ入射される。その後、レーザビームは、走査部２１３内にある走査ミラー２１３ａおよび三次元表示用のスクリーン駆動部２１３ｂを経て、図２に示した虚像光学系１２２へと導かれる。

また、図３において、２０４は第１コリメータモジュール、２０５は第２コリメータモジュール、２０６は第３コリメータモジュールであり、２０７は第１シフトモジュール、２０８は第２シフトモジュール、２０９は第３シフトモジュールである。

次に、２１４は分光ミラーであり、各ＬＤからのレーザ光の９５％程度を通過させると共に、５％程度を反射する。反射された５％程度のレーザ光は、その先にある輝度モニタ２１５へ導かれ、画像表示装置における輝度調整等に利用される。

前記走査ミラー２１３ａは、２０ｋＨｚ程度の共振周波数で往復運動する軸（便宜的に高速軸と呼ぶ）と、画像のフレームレート（実施例の場合６０Ｈｚ）で往復運動する軸（便宜的に低速軸と呼ぶ）の二つの回動軸を有している。

図２に戻り、虚像光学系１２２は、曲面状の反射面１２２ａと、平面状の反射面１２２ｂとを有する。光学モジュール１２１から出射されたレーザ光は、虚像光学系１２２でウインドシールド１１２に向けて反射される。ウインドシールド１１２で反射されたレーザ光は、運転者１０２の目１０２ａに照射される。光学モジュール１２１の光学系と虚像光学系１２２は、ウインドシールド１１２の前方に虚像による画像１３０が所定の大きさで表示されるように設定されている。

なお、本実施の形態では、ウインドシールドを通して虚像を観察するウインドシールド型のヘッドアップディスプレイへ展開した場合における実施例で説明したが、コンバイナと呼ばれる光学部品を通して虚像を観察するコンバイナ型と呼ばれるヘッドアップディスプレイへ展開も可能である。

また、本実施の形態では、前記走査ミラー２１３ａは、圧電材料による歪みを与える効果や、電磁的な力、静電気を用いた所謂ＭＥＭＳ構造を用いた往復ミラーを用いた光学構成になっているが、レーザ光を走査する形態であれば、ポリゴンミラーやガルバノミラーを用いることも可能である。

次に、図４および図５は光学モジュール１２１の外観を示している。図４は光学モジュールを正面から見た斜視図であり、図５は光学モジュールを背面から見た斜視図である。

各図において、３００はシールドカバーであり、その一部にレーザ光を投射するための投射窓３００ａが形成されている。そして、４００は光学モジュール１２１で発生した熱を放熱するための冷却ユニット（冷却部）である。冷却ユニット４００は、ヒートシンク４０１、ペルチェ素子４０２、放熱フィン４０３を備えている。さらに４０４は外気からの熱吸収を防ぐことを目的とした断熱材としてのインシュレータであり、ヒートシンク４０１の表面に接着されている。

また、図６は、光学モジュール１２１の内部を示す斜視図であり、前記図４からシールドカバー３００を削除した状態を示している。同図において５００は、前記図３において破線の長方形で囲った部分が搭載された光学ベース部（基台部）、５０１は走査部２１３が搭載された走査ベース部、５０２は、前記光学ベース部５００および走査ベース部５０１が載置される結合ベース部である。

図７は、前記図６に示した光学モジュール１２１を背面から見た図であり、且つ冷却ユニット４００を削除した状態を示す。同図において、６００はＬＤホルダ（光源保持部）であり、光学ベース部５００の背面側に取り付けられている。そして、ＬＤホルダ５００には、図示した如く、光源としてのレーザダイオードであるＬＤ２０１、ＬＤ２０２、ＬＤ２０３が取り付けられている。なお、同図においては、ＬＤ２０１、ＬＤ２０２、ＬＤ２０３の各端子が電気的に接続されるフレキシブル基板は割愛した。

また、同図において、ＬＤホルダ６００の側面（走査部２１３に近い方）と光学ベース部５００との間（図中Ｐ）は、わずかな隙間があり、さらに、ＬＤホルダ６００の底面と光学ベース部５００の上面との間（図中Ｑ）にも、わずかな隙間があり、接触しないように構成されている。よって、光学ベース部５００の熱が、ＬＤホルダ６００の側面やＬＤホルダ６００の底面から伝達されにくいように配慮されている。

図８および図９は、前記光学ベース部５００の外観を示す斜視図であって、図８は光学ベース部５００を背面から見た図であり、図９は光学ベース部５００を正面から見た図である。

光学ベース部５００はアルミダイカスト製である。各図において、５００ａは光学ベース部５００に一体に形成された柱状部であり、当該柱状部５００ａには、前記ＬＤホルダ６００を取り付けるための螺子孔５００ｂが形成されている。また、光学ベース部５００の背面および柱状部５００ａには、断面が台形状の円錐形である凸状部５００ｃが形成され、ＬＤホルダ６００はこれらの凸状部５００ｃの先端で光学ベース部５００に接触するように取り付けられる。また、５００ｄは、ＬＤホルダ６００を位置決めするための位置決めピンである。

このように、本実施の形態では、光源保持部であるＬＤホルダ６００と基台部である光学ベース５００の間において、凸状部５００ｃを設けることにより、間に空気などの熱抵抗が大きい物質が存在する領域を設けている。

なお、上記の説明では、前記凸状部５００ｃは断面が台形状の円錐形としたが、これ限らず、断面が台形状の角錐、円錐、半球形など、種々の形態が考えられ、また、その数も適宜変更可能である。

続いて、図１０（ａ）および図１０（ｂ）は前記ＬＤホルダ６００の外観を示す斜視図であって、図１０（ａ）はＬＤホルダ６００を正面から見た図であり、図１０（ｂ）はＬＤホルダ６００を背面から見た図である。

ＬＤホルダ６００は熱伝導率が高い材料でできている。これらは、例えば銅や銅合金等が好適である。各図において、６００ａは前記３つのＬＤを取り付けるために形成されたＬＤ取付孔、６００ｂは前記ヒートシンク４００を取り付けるためのヒートシンク取付孔である。６００ｃおよび６００ｄはＬＤホルダ６００を前記光学ベース部５００へ取り付ける螺子のための取付孔であり、光学ベース部５００の前記各螺子孔５００ｂと一致する位置に形成されている。

また、６００ｅおよび６００ｆは、光学ベース部５００の前記位置決めピン５００ｄが挿入される位置決め孔である。なお、位置決め孔６００ｅは円孔であるが、位置決め孔６００ｆは長孔として形成されている。

そして、６００ｇは、前記図６に示した第１コリメータユニット２０４、第２コリメータユニット２０５、第３コリメータユニット２０６のフォーカス調整を行うための調整螺子（図示せず）を取り付けるための調整螺子孔である。

なお、各ＬＤとＬＤ取付孔６００ａの内面とのわずかな隙間を埋めるために半田付けされており、各ＬＤで発生した熱がＬＤホルダ６００に確実に伝達されるように配慮されている。

図１１（ａ）および図１１（ｂ）は、前記ヒートシンク４０１の外観を示す斜視図であって、図１１（ａ）はヒートシンク４０１がＬＤホルダ６００の背面に接触する面側から見た図であり、図１１（ｂ）はヒートシンク４０１を前記図１１（ａ）とは逆の面から見た図である。

ヒートシンク４０１は銅製である（銅合金でもよい）。各図に示すように、ヒートシンク４０１には、ヒートシンク４０１を前記ＬＤホルダ６００へ取り付けるための螺子孔４０１ａと、ヒートシンク４０１と放熱フィン４０３とを結合するための螺子孔４０１ｂが複数形成されている。

次に、図１２は前記放熱フィン４０３の外観を示す斜視図である。放熱フィン４０３はアルミダイカスト製である。同図に示すように、放熱フィン４０３には、螺子孔４０３ａが形成されている。

前記ヒートシンク４０１と放熱フィン４０３の間にペルチェ素子４０２を配備し、ヒートシンク４０１と放熱フィン４０３とを螺子で結合する。これにより、ヒートシンク４０１と放熱フィン４０３との間に、ペルチェ素子４０２が挟まれて固定される（図４〜図６を参照）。

本実施の形態で使用したＬＤ２０１（青色用のレーザダイオード）、ＬＤ２０２（緑色用のレーザダイオード）、ＬＤ２０４（赤色用のレーザダイオード）の動作保証温度は約６５℃であるが、メーカによっては動作保証温度が８５℃のものも存在する（いずれのレーザダイオードにおいても、動作保証温度以内なら破損はしないものの、温度が高くなるとその輝度は低くなるという問題がある）。

本実施の形態では、ＬＤホルダ６００と光学ベース部５００とは螺子によって結合されているが、光学ベース部５００の裏面とＬＤホルダ６００の前面とは、光学ベース部５００の背面に形成された凸状部５００ｃで接触する。すなわち、複数の凸状部５００ｃの先端の微小面積で接触するように構成されているため、光学ベース部５００の熱がＬＤホルダに伝達され、各ＬＤの温度が上昇して輝度が低下したり、破壊されたりするのを防止することが出来る。

続いて、光学ベース部５００の背面に凸状部５００ｃを無くし、光学ベース部５００の裏面とＬＤホルダ６００の前面とが広い面積で接触するようにした場合と、本実施の形態のように、光学ベース部５００の裏面とＬＤホルダ６００の前面とを、複数の凸状部５００ｃの先端の微小面積で接触するように構成したものとで比較した結果を説明する。

光学モジュール１２１を８５℃の高温環境下で動作させた場合、前記凸状部５００ｃが無い場合は、光学ベースの温度は外気温から約11℃低下し、ＬＤホルダ６００の温度は外気温から約１２℃低下した。外気温に対するＬＤの温度低下は約１１℃に止まった。これに対して、前記凸状部５００ｃを設けた場合は、外気温に対する温度低下は光学ベースで約５℃に止まることで、ＬＤホルダ６００の温度低下は２６℃、ＬＤの温度低下は約２３℃となり、冷却効率が向上した。

上記のように、凸状部５００ｃが無い場合は、光学ベース部５００から多くの熱がＬＤホルダ６００に伝達されてしまい、冷却ユニット４００で放熱していても、ＬＤホルダ６００およびＬＤの温度が環境温度近くまで上昇してしまった。一方、凸状部５００ｃを設けた場合は、光学ベース部５００からＬＤホルダ６００へ熱が伝わるのが抑制され、ＬＤホルダ６００およびＬＤの温度が環境温度よりもずっと低い温度に保たれることがわかった。

さらに、上記の説明では、光学ベース部５００の裏面とＬＤホルダ６００の前面とを、複数の凸状部５００ｃの先端の微小面積で接触するように構成したが、光学ベース部５００の裏面とＬＤホルダ６００の前面との間に、断熱材を挟むようにしてもよい。ただし、ＬＤの発光点位置とＬＤの光軸の傾きに精度制度が要求されるため、凸状部５００ｃの位置する部分に孔部を有する断熱部材など、凸状部５００ｃとＬＤホルダ６００間に他の部材が挟まれないようにするほうが望ましい。

上記の実施の形態に述べた構成はあくまでも一例であり、説明および図面に例示した態様以外の構成においても適宜摘要が可能であることは言うまでもない。

本発明は、レーザ光源を用いた光源装置およびこれを用いた画像表示装置等に適応可能である。

１２０ … 画像表示装置
１２１ … 光学モジュール（光源装置）
２０１ … ＬＤ（青色用のレーザダイオード）
２０２ … ＬＤ（緑色用のレーザダイオード）
２０３ … ＬＤ（赤色用のレーザダイオード）
２０４ … 第１コリメータモジュール
２０５ … 第２コリメータモジュール
２０６ … 第３コリメータモジュール
２０７ … 第１シフトモジュール
２０８ … 第２シフトモジュール
２０９ … 第３シフトモジュール
２１０ … 第１ダイクロイックミラー
２１１ … 第２ダイクロイックミラー
２１２ … 第３ダイクロイックミラー
４００ … 冷却ユニット（冷却部）
４０１ … ヒートシンク
４０２ … ペルチェ素子
４０３ … 放熱フィン
５００ … 光学ベース部（基台部）
５００ｃ … 凸状部
６００ … ＬＤホルダ（光源保持部）

Claims (6)

1. レーザ光を出射する光源と、
   前記光源が取り付けられる光源保持部と、
   前記光源保持部と連結される基台部とを備え、
   前記光源保持部と基台部との間において、少なくとも前記光源保持部または基台部のいずれか一方に凸状部を形成し、当該凸状部によって光源保持部と基台部とが接触していることを特徴とする光源装置。
2. 請求項１に記載の光源装置において、
   前記光源保持部に、さらに冷却部が取り付けられていることを特徴とする光源装置。
3. 請求項１及至請求項２に記載の光源装置において、
   前記光源保持部および基台部が、金属で構成されていることを特徴とする光源装置。
4. 請求項１及至請求項３に記載の光源装置において、
   前記光源が、レーザダイオードで構成されていることを特徴とする光源装置。
5. 請求項１及至請求項４に記載の光源装置において、
   前記基台部に、前記光源からのレーザ光の光学調整を行う機構が搭載されていることを特徴とする光源装置。
6. 請求項１及至請求項５に記載の光源装置を備えたことを特徴とする画像表示装置。

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