CN102741743A - 照明光学系统和使用该照明光学系统的投影仪 - Google Patents

Abstract

公开了一种具有小的光学扩展量、更长的使用寿命和更高的亮度的照明光学系统。该系统设置有：激光光源，其产生激发光；荧光体，当应用激发光时其产生荧光；光隧道，从一端输入的激发光通过其朝向荧光体从另一端输出，并且借助荧光体产生的荧光从所述一端输出；和二向色镜，其设置在激光光源和光隧道之间并且通过荧光或者通过激发光并且反射另一种光。

Description

照明光学系统和使用该照明光学系统的投影仪

技术领域

本发明涉及一种产生多种颜色的照明光以形成多种颜色的图像光的照明光学系统，和一种投射由该照明光学系统产生的图像光的投影仪。

背景技术

使用LED（发光二极管）作为将图像投射到屏幕上的、诸如液晶投影仪或者DMD（数字微镜器件）投影仪的投影仪的光源的技术已经受到关注（见专利文献1）。

因为LED具有长寿命并且提供高可靠性，所以采用LED作为光源的投影仪具有长寿命和高可靠性的优点。

然而，因为对于用作投影仪而言，LED的光的亮度是低的，所以利用采用LED作为光源的投影仪，不易于获得具有足够亮度的投射图像。显示面板能够利用来自光源的光作为投射光的程度受到光学扩展量（etendue）的限制。更加具体地，除非使得光源的发光面积与辐射角度的乘积的值小于或者等于显示面板的入射面的面积与由照明光学系统的f数确定的捕捉角度的乘积的值，否则来自光源的光不能被有效地利用作为投射光。

虽然能够通过增加发光面积而增加采用LED的光源的光量，但是如果发光面积增加，则光源的光学扩展量也将增加。作为用于投影仪的光源，鉴于由光学扩展量产生的限制，理想的是增加光量而不增加发光面积。然而，采用LED的光源难以在不增加发光面积的情况下增加光量。

引用列表

专利文献

专利文献1：JP2003-186110A

发明内容

技术问题

仅使用LED的光源的光学扩展量增加。本发明实现一种具有小的光学扩展量、更长的寿命和高亮度水平的照明光学系统。

解决问题的方案

本发明的一种照明光学系统包括：

激光光源，该激光光源产生激发光；

荧光体，该荧光体借助激发光产生荧光；

光隧道，该光隧道将在一端处入射的激发光从另一端朝向荧光体投射，并且从该一端投射在荧光体处产生的荧光；

二向色镜，该二向色镜设置在激光光源和光隧道之间，并且允许荧光或者激发光通过，并且反射其余的激发光或者荧光。此外，根据本发明的投影仪包括上述照明光学系统。

本发明的有利效果

根据本发明，因为具有高能量密度的激光作为激发光会聚在荧光体上，并且因为使用了从激光会聚的位置发射的荧光，所以能够实现一种具有小的光学扩展量、更长的寿命和更高的亮度水平的照明光学系统

附图简要说明

[图1]图1是示意根据本发明的照明光学系统的第一实施例的配置的框图。

[图2]图2（a）是当从由激光光源101产生的激光的入射面（在图1中从左侧朝向右侧）观察时的荧光体轮104的平面视图，并且图2（b）、（c）和（d）是示意蓝色荧光区域401、绿色荧光区域402和红色荧光区域403的结构的截面视图。

[图3]图3是示意根据本发明的照明光学系统的另一示例性实施例的配置的框图。

[图4（a）]图4（a）是示意根据本发明的照明光学系统的另一示例性实施例的配置的框图，并且图4（b）是示意荧光体303的结构的截面视图。

[图5]图5是示意使用图1所示的示例性实施例的照明光学系统的投影仪的电路配置的框图。

[图6]图6是示意使用图3所示的示例性实施例的照明光学系统的投影仪的电路配置的框图。

具体实施方式

下面，参考附图描述了示例性实施例。

图1是示意根据本发明的照明光学系统的一个示例性实施例的配置的框图。

本示例性实施例包括激光光源101、二向色镜102、光隧道（lighttunnel）103、荧光体轮104，和反射棱镜105。

激光光源101产生激光，该激光提供具有波长λ1的激发光。由激光光源101产生的激光通过二向色镜102和光隧道103入射在荧光体轮104上。荧光体轮104包括多个荧光产生区域，该多个荧光产生区域借助由激光光源101产生的激光而产生具有分别地不同的波长的光。

图2（a）是当从由激光光源101产生的激光的入射面（在图1中从左侧朝向右侧）观察时的荧光体轮104的平面视图。

圆形荧光体轮104包括蓝色荧光区域401、绿色荧光区域402，和红色荧光区域403。各个区域由从中心的角度限定。当由激光光源101产生的激光入射在蓝色荧光区域401、绿色荧光区域402或者红色荧光区域403上时，分别地产生具有波长λ2、λ3、λ4（λ2<λ3<λ4）的蓝色荧光、绿色荧光或者红色荧光，波长λ2、λ3、λ4比波长λ1更长。

图2（b）、（c）和（d）是示意蓝色荧光区域401、绿色荧光区域402，和红色荧光区域403的结构的截面视图。

在图2（b）所示的蓝色荧光区域401中，反射具有波长λ2到λ4的光的反射性层405和蓝色荧光体层406以层叠的方式形成在基板404上。当具有波长λ1的激发激光入射在蓝色荧光体层406上时，蓝色荧光体层406产生具有波长λ2的蓝色荧光。

在图2（c）所示的绿色荧光区域402中，绿色荧光体层407形成在反射性层405上。当具有波长λ1的激发激光入射在绿色荧光体层407上时，绿色荧光体层407产生具有波长λ3的绿色荧光。

在图2（d）所示的绿色荧光区域403中，红色荧光体层408形成在反射性层405上。当具有波长λ1的激发激光入射在红色荧光体层408上时，红色荧光体层408产生具有波长λ4的红色荧光。

具有上述结构的荧光体轮围绕其中心旋转，并且由激光光源101产生的激光的入射位置在其外圆周部分的附近。因此，在由激光光源101产生的激光在其上入射的状态中，蓝色荧光、绿色荧光和红色荧光顺序地产生，并且所产生的光被反射性层405反射并且再次入射在光隧道103上。

根据本示例性实施例，使用具有四个波长λ1到λ4的光，并且在波长之间的关系是λ1<λ2<λ3<λ4。二向色镜102反射具有λ2、λ3和λ4的光，并且允许具有λ1的光从其中通过。光隧道103以渐缩形状形成，其中用作光入射/投射面的两个端面的尺寸是不同的。因为光隧道103具有渐缩形状，所以在各个荧光体处产生的并且被漫射的荧光的角度分布能够被改变和均匀化。在此情形中，术语“光隧道”包括其中中空内表面形成有反射镜的光隧道，和包括实心透明多角柱并且利用全反射的光隧道。后者还被称作“棒透镜”。

根据本示例性实施例，由激光光源101产生的激光通过二向色镜102并且通过光隧道103入射在荧光体轮104上。在荧光体轮104处顺序地产生的蓝色荧光、绿色荧光和红色荧光再次入射在光隧道103上。光在二向色镜102和反射棱镜105处反射并且作为照明光发射。

如上所述，根据本示例性实施例的照明光学系统，均匀化的红色荧光、绿色荧光和蓝色荧光顺序地出现并且被用作照明光。

图3是示意根据本发明的照明光学系统的另一示例性实施例的配置的框图。

根据在图1中示意的示例性实施例，通过使用包括三个荧光区域的荧光体轮，由单一激发光源产生了具有三种颜色的荧光。相反，本示例性实施例设置有用于具有每一种颜色的分别的荧光体的单独激发光源。

本示例性实施例包括激光光源201、205、209、二向色镜202、206、210、光隧道203、207、211、蓝色荧光体204、绿色荧光体208、红色荧光体212，和交叉二向色棱镜(cross dichroic prism)212。

激光光源201、205和209产生用作具有波长λ1的激发光的激光。当由激光光源201产生的激光在其上入射时，蓝色荧光体204、绿色荧光体208和红色荧光体212分别地产生具有波长λ2、λ3和λ4（λ2<λ3<λ4）的蓝色荧光、绿色荧光和红色荧光，波长λ2、λ3和λ4比波长λ1更长。

蓝色荧光体204、绿色荧光体208和红色荧光体212的结构分别与图2（b）、（c）和（d）所示的蓝色荧光区域401、绿色荧光区域402和红色荧光区域403的结构相同，其中蓝色荧光体、绿色荧光体和红色荧光体形成在于基板上形成的反射性层上。

二向色镜202允许具有波长λ1的光从其中通过并且反射具有λ2的光。二向色镜206反射具有波长λ1的光，并且允许具有λ3的光从其中通过。二向色镜210反射具有波长λ1的光，并且允许具有λ4的光从其中通过。

类似于图1所示的光隧道103，光隧道203、207和211以渐缩形状形成，其中两个端部的尺寸是不同的，并且因此在各个荧光体处产生的并且被漫射的荧光的角度分布能够被改变和均匀化。术语“光隧道”包括其中中空内表面形成有反射镜的光隧道，和包括实心透明多角柱并且利用全内反射的光隧道。

由激光光源201产生的激光通过二向色镜202和光隧道203入射在蓝色荧光体204上。在蓝色荧光体204处产生的蓝色荧光通过光隧道203、被二向色镜202反射，并且入射在交叉二向色棱镜213上。

由激光光源205产生的激光被二向色镜206反射并且通过光隧道207入射在绿色荧光体208上。在绿色荧光体208处产生的绿色荧光通过光隧道207和二向色镜202并且入射在交叉二向色棱镜213上。

由激光光源209产生的激光被二向色镜210反射并且通过光隧道211入射在红色荧光体221上。在红色荧光体212处产生的红色荧光通过光隧道211和二向色镜210入射在交叉二向色棱镜213上。

交叉二向色棱镜213允许具有波长λ2的光通过并且反射具有波长λ3和λ4的光。因此，在相同方向上投射在各个荧光体处产生的各荧光。

根据如上所述地布置的本示例性实施例，因为为每一种颜色设置了产生荧光的单元，所以能够同时地产生多种荧光。此外，类似于在图1中示意的照明光学系统，通过顺序地驱动激光光源201、205和209，还能够顺序地输出每一种荧光。

本示例性实施例提供了关于每一种颜色产生荧光的单元。提供了两种单元：用于蓝色光的单元，其中激光光源201的激光通过二向色镜202并且入射在光隧道203上；和用于绿色光和红色光的单元，其中激光光源205和209的激光被二向色镜206和210反射并且入射在光隧道207和211上。这些单元可以混合，或者当然可以仅使用这些单元之一。因为能够利用不同的光学系统获得相同的荧光，所以能够提高设计自由度。

图4（a）是示意根据本发明的照明光学系统的另一示例性实施例的布置的框图。

相对于图3所示的示例性实施例，本示例性实施例是单元的修改实例，其中，在为每一种颜色设置的单元中，由激光光源产生的激发光被二向色镜反射并且入射在光隧道上，并且增加了光输出。

本示例性实施例包括激光光源301和302、荧光体303、光隧道304和二向色镜305。激光光源301和302产生具有相同波长的激光作为激发光。

图4（b）是示意荧光体303的结构的截面视图。如在图中所示，反射性层307和荧光体层308以层叠方式形成在基板306上。借助激光光源301和302的激光，荧光体层308产生具有比所讨论的激光的波长更长的波长的荧光。反射性层307允许由激光光源301和302产生的激光从其中通过，并且反射由荧光体层308产生的荧光。

二向色镜305反射由激光光源301和302产生的激光，并且允许由荧光体层308产生的荧光从其中通过。

由激光光源301产生的激光通过反射性层307并且入射在荧光体层308上。由激光光源302产生的激光被二向色镜305反射并且入射在荧光体层308上。在荧光体层308处，借助在其上入射的、来自激光光源301和302的激光产生荧光。在荧光体层308处产生的荧光通过光隧道304和二向色镜305而被输出到外部，并且被利用作为照明光。虽然在激光光源301和302的激光中还存在对于荧光的产生没有贡献的激光，但是因为所讨论的激光被二向色镜305反射，所以激光不被投射到外部。

本示例性实施例的荧光体303还可以包括如在图1中示意的荧光体轮而顺序地输出每一种颜色的照明光学系统。此外，本示例性实施例的单元还可以包括在图3中示意的照明光学系统作为产生分别地不同的荧光的三个单元。

图5是示意使用图1所示的示例性实施例的照明光学系统的投影仪的电路配置的框图。

图5所示的投影仪包括用户界面501、控制器502、存储部分503、视频信号处理器504、同步信号处理器505、LD驱动器506、荧光体轮驱动器508、显示元件驱动器509、旋转状态检测器510，和显示元件511，以及图1所示的激光光源101和荧光体轮105。

用户界面501接受从用户输入的指令，并且向控制器502输出该指令。用户界面501还在诸如指示器或者显示面板的显示设备（未示出）上显示投影仪的当前操作状态。

控制器502根据存储在存储部分503中的程序控制组成投影仪的各个组件。

存储部分503存储控制器503的控制程序，或者暂时地存储视频数据。

视频信号处理器504将从外部输入的视频信号转换成将在投影仪内部使用的视频信号。因为本示例性实施例的视频信号由如上所述被照明光学系统顺序地输出的、具有各颜色的照明光形成，所以顺序地产生根据每一种颜色的视频信号。

同步信号处理器505将与从外部输入的视频信号同步化的同步信号转换成将在投影仪内部使用的视频信号。更加具体地，同步信号处理器505产生并且输出示出每一种颜色的视频信号的输出时序的同步信号。

LD驱动器506根据从同步信号处理器505输出的同步信号控制激光光源101的点亮状态。

旋转状态检测器510检测荧光体轮105的旋转状态，并且向荧光体轮驱动器508输出检测结果。

荧光体轮驱动器508控制荧光体轮105的旋转状态从而由被同步信号处理器505输出的同步信号指示的视频信号的颜色与指示由旋转状态检测器510检测的荧光体轮105的旋转状态的、由照明光学系统输出的颜色相匹配。

显示元件驱动器509根据由视频信号处理器输出的视频信号驱动显示元件511。在此情形中，使用顺序地显示每一种颜色的图像的显示元件，诸如其中多个微镜被布置成矩阵并且根据各个微镜的反射状态形成图像的反射性成像元件、或者透射型液晶显示器元件或者反射性液晶显示器元件作为显示元件511。

根据如上所述配置的投影仪，借助从照明光学系统顺序地输出的每一种颜色的照明光显示与每一种颜色对应的图像的显示元件511被照亮，并且显示元件511的反射图像或者透射图像通过投射光学系统（未示出）而被顺序地投射。

图6是示意使用图3所示的示例性实施例的照明光学系统的投影仪的电路配置的框图。

图6所示的投影仪包括用户界面501、控制器502、存储部分503、视频信号处理器504、同步信号处理器505、LD驱动器506'、显示元件驱动器509'，和显示元件511，以及图1所示的激光光源201、205和209。

因为用户界面501、控制器502、存储部分503、视频信号处理器504和同步信号处理器505的配置和操作与在于图5中示意的示例性实施例中的相同，所以这些组件被指定了与在图5中相同的附图标记，并且在下面省略了其说明。

LD驱动器506'根据由被同步信号处理器505输出的同步信号控制激光光源201、205和209的点亮状态。

显示元件驱动器509'根据由视频信号处理器输出的视频信号驱动显示元件511'。在此情形中，类似于图5所示的显示元件511，使用顺序地显示每一种颜色的图像的显示元件，诸如其中多个微镜被布置成矩阵并且根据各个微镜的反射状态形成图像的反射性成像元件、或者透射型液晶显示器元件或者反射性液晶显示器元件作为显示元件。因此，LD驱动器506'根据由显示元件511'显示的图像颜色打开激光光源201、205和209。

在这方面，某些投射型液晶显示器元件和反射性液晶显示器元件显示彩色图像。当使用执行彩色显示的显示元件作为显示元件511'时，LD驱动器506'同时地打开激光光源201、205和209。

根据如上所述配置的投影仪，借助从照明光学系统顺序地输出的每一种颜色的照明光显示与每一种颜色对应的图像的显示元件511'被照亮，并且显示元件511'的反射图像或者透射图像通过投射光学系统（未示出）而被顺序地投射。

附图标记说明

101 激光光源

102 二向色镜

103 光隧道

104 荧光体轮

105 反射棱镜

Claims (5)

1.一种照明光学系统，包括：

激光光源，所述激光光源产生激发光；

荧光体，所述荧光体借助所述激发光产生荧光；

光隧道，所述光隧道将在一端处入射的所述激发光从另一端朝向所述荧光体投射，并且从所述一端投射利用所述荧光体产生的荧光；

二向色镜，所述二向色镜设置在所述激光光源和所述光隧道之间，并且允许所述荧光或者所述激发光通过，并且反射其余的激发光或者荧光。

2.根据权利要求1所述的照明光学系统，

其中所述荧光体是包括多个荧光区域的荧光体轮，所述多个荧光区域产生具有分别地不同的波长的荧光，并且在所述荧光体轮上被所述光隧道照射的位置通过所述荧光体轮的旋转而在各个荧光区域之上移动。

3.一种照明光学系统，包括：

多个根据权利要求1所述的照明光学系统的单元；

其中各个单元的荧光体产生具有分别地不同的波长的荧光；并且

所述照明光学系统包括交叉二向色棱镜，各个单元的出射光入射到所述交叉二向色棱镜上并且在相同方向上投射。

4.根据权利要求1到权利要求3中任何一项所述的照明光学系统，

其中所述二向色镜反射所述激发光；

所述照明光学系统包括第二激光光源，所述第二激光光源将激发光从与所述荧光体的与所述光隧道相反的一侧朝向所述荧光体照射；并且

所述荧光体包括设置在所述第二激光光源侧上并且允许所述激发光从其中通过并且反射所述荧光的反射性层，和设置在所述光隧道侧上的荧光体层。

5.一种投影仪，包括根据权利要求1到权利要求4中任何一项所述的照明光学系统。

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