CN102741742B - 照明光学***和使用该照明光学***的投影仪 - Google Patents

照明光学***和使用该照明光学***的投影仪 Download PDF

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Abstract

公开了一种具有小光学扩展量、长寿命和高亮度的照明光学***。该照明光学***包括：激光光源，其用于产生具有第一波长的激发光；荧光轮，其包括用于通过激发光产生具有第二波长的荧光的蓝色荧光产生区域和用于通过激发光产生具有第三波长的荧光的绿色荧光产生区域；LED光源，其用于产生具有第四波长的光；和二向色镜，其反射具有第二波长的荧光和具有第三波长的荧光并且经由其透射具有第四波长的光由此在相同方向上发射该三种光。

Description

照明光学***和使用该照明光学***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***，和一种投射由该照明光学***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***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***。
解决问题的方案
本发明的一种照明光学***包括：
激光光源，该激光光源产生具有第一波长的激发光；
荧光体轮，该荧光体轮包括借助激发光产生具有第二波长的荧光的蓝色荧光产生区域，和借助激发光产生具有第三波长的荧光的绿色荧光产生区域；
LED光源，该LED光源产生具有第四波长的光；和
二向色镜，该二向色镜反射具有第二波长的荧光和具有第三波长的荧光，并且允许具有第四波长的光从其中通过以由此在相同方向上发射该光中的每一种。
此外，根据本发明的投影仪包括上述照明光学***。
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***。
附图简要说明
[图1]图1是示意根据本发明的照明光学***的示例性实施例的配置的框图。
[图2]图2是当从激光光源101侧（在图1中从左侧朝向右侧）观察时的荧光体轮105的平面视图。
[图3]图3是示意在图2中的蓝色荧光体区域1051的结构的截面视图。
[图4]图4是示意在图2中的绿色荧光体区域1052和1054的结构的截面视图。
[图5]图5是示意使用根据本发明的照明光学***的投影仪的电路配置的框图。
[图6]图6（a）到（c）是示意根据本发明的照明光学***的第二示例性实施例的主要部件的结构的平面视图，并且图6（d）到（f）是示意根据本发明的照明光学***的第三示例性实施例的主要部件的结构的平面视图。
[图7]图7是示意第二示例性实施例的发光时间的时序图表。
[图8]图8是示意第三示例性实施例的发光时间的时序图表。
[图9]图9是示意根据本发明的照明光学***的第四示例性实施例的主要部件的结构的框图。
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***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、LED光源102、二向色镜103和104、荧光体轮105、光隧道（light tunnel）106、透镜组107到109，和反射镜1101和1102。
图2是当从图1的左侧朝向右侧观察时的荧光体轮105的平面视图。
激光光源101产生具有波长λ1的激发激光。荧光体轮105包括蓝色荧光体区域1051和绿色荧光体区域1052和1054，当激发激光在其上入射时，蓝色荧光体区域1051和绿色荧光体区域1052和1054分别地产生具有波长λ2和λ3（λ2<λ3）的蓝色荧光和绿色荧光，波长λ2和λ3比波长λ1更长。荧光体轮105还包括允许光通过的透明区域1053。
首先，描述了本示例性实施例的每一个光学元件的性质。
LED光源102产生具有波长λ4的红色光，波长λ4比波长λ3更长。因此，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。将二向色镜103和104的反射表面平行地布置。二向色镜103仅仅反射具有λ3的光，并且允许具有λ1、λ2和λ4的光通过。二向色镜104仅仅反射具有λ2的光，并且允许具有λ1、λ3和λ4的光通过。在这方面，二向色镜104还可以被设置为反射具有λ1和λ2的光，并且允许具有λ3和λ4的光通过。
图3和图4是示意蓝色荧光体区域1051和绿色荧光体区域1052和1054的结构的截面视图。
如在图3中所示，在蓝色荧光体区域1051中，反射性层304和蓝色荧光体层305形成在相对于波长λ1到λ4透明的基板303上。当具有波长λ1的激发激光入射在蓝色荧光体层305上时，蓝色荧光体层305产生具有波长λ2的蓝色荧光。反射性层304允许具有波长λ1的激发激光从其中通过，并且反射在蓝色荧光体层305处产生的、具有波长λ2的蓝色荧光。因此，如在图3中所示，当具有波长λ1的激发激光301从基板303侧入射时，从蓝色荧光体层305侧发射具有波长λ2的蓝色荧光302。
如在图4中所示，在绿色荧光体区域1052和1054中，反射性层402和绿色荧光体层403形成在相对于波长λ1到λ4透明的基板303上。当具有波长λ1的激发激光301入射在绿色荧光体层403上时，绿色荧光体层403产生具有波长λ3的绿色荧光。反射性层402反射在绿色荧光体层403处产生的、具有波长λ3的绿色荧光。因此，如在图4中所示，当具有波长λ1的激发激光301从绿色荧光体层403侧入射时，在绿色荧光体层305处产生具有波长λ3的绿色荧光403，并且因此所产生的光被反射性层402反射并且从绿色荧光体层305侧发射。
下面，描述了根据本示例性实施例的光学***的布置。
当假设不存在任何荧光体轮105的情形时，每一个部件均被布置为，使得激光光源1的出射光通过二向色镜103和透镜组109、被反射镜1101和1102返回并且通过透镜组108入射在二向色镜103上。透镜组107和透镜组108的光轴与荧光体轮105的旋转轴是平行的，并且荧光体轮105的旋转中心在透镜组107和透镜组108的光轴之间的中途处。
激光光源101的光轴垂直于LED光源102的光轴。激光光源101的出射光经由二向色镜103和透镜组109入射在荧光体轮105上。如上所述，荧光体轮105包括三种区域，并且取决于光在其上入射的区域，在光入射在荧光体轮105上之后的行为不同。
如在图2中所示，圆形荧光体轮105被划分成四个区域，其中的蓝色荧光体区域1051和透明区域1053以及绿色荧光体区域1052和绿色荧光体区域1054被布置成是点对称的。
激光光源101的出射光经由二向色镜103和透镜组107入射在荧光体轮105上。其入射点（以下称作“主焦点（primary focal point）”）在上述三种区域中的任何一个之中。当主焦点在透明区域1053中时，入射光通过透明区域1053、被反射镜1101和1102返回，并且在蓝色荧光体区域1051中的、在与荧光体轮105的主焦点点对称的位置处的副焦点（secondary focal point）处入射。
以下，分别地关于主焦点是绿色荧光体区域1052和绿色荧光体区域1054、透明区域1053，和蓝色荧光体区域1051的情形描述了在光入射之后的行为。
当主焦点在绿色荧光体区域1052和绿色荧光体区域1054中时，配置如在图4中所示。在绿色荧光体层403处产生的、具有波长λ3的绿色荧光是漫射光，并且被透镜组107准直。此后，绿色荧光被二向色镜103朝向光隧道106反射。随后，绿色荧光通过二向色镜104、被透镜组109会聚并且入射在光隧道106上。
当主焦点是透明区域1053时，激光光源101的出射光从荧光体轮105的后表面（在图1中从图的左侧朝向右侧）在蓝色荧光体区域1051中的副焦点处入射，并且进入如在图3中所示的配置。在蓝色荧光体层305处产生的、具有波长λ2的蓝色荧光是漫射光，并且被透镜组108准直。此后，蓝色荧光被二向色镜104朝向光隧道106反射、被透镜组109会聚，并且入射在光隧道106上。
当主焦点是蓝色荧光体区域1051时，在蓝色荧光体层305处产生的、具有波长λ2的蓝色荧光被透镜组107准直、通过二向色镜103并且返回激光光源101。因此，当主焦点在蓝色荧光体区域1051中时产生的蓝色荧光不被利用作为照明光。根据本示例性实施例，当主焦点在蓝色荧光体区域1051中时，激光光源101熄灭，LED光源102点亮，并且LED光源102的、具有波长λ4的红色出射光通过二向色镜103和104和透镜组109入射在光隧道106上。
如上所述，根据本示例性实施例的照明光学***，当主焦点在绿色荧光体区域1052和绿色荧光体区域1054中时，绿色荧光入射在光隧道106上。当主焦点在透明区域1053中时，蓝色荧光入射在光隧道106上。当主焦点在蓝色荧光体区域1051中时，LED光源102的红色光入射在光隧道106上。这些入射光中的每一种在光隧道106内部的照明分布均被均匀化，从而均匀化的红色光、绿色光、蓝色光和绿色光按照这个次序出现在光隧道106的出射光侧上从而被用作照明光。在这方面，通过使用黄色荧光体或者品红色(magenta)荧光体来替代绿色荧光体之一，黄色或者品红色可以被用作照明光。
图5是示意使用本示例性实施例的照明光学***的投影仪的电路配置的框图。
在图5中示意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、LED驱动器507、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、LED光源102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每一个组件。
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***顺序地输出的、具有分别的颜色的照明光形成，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。LED驱动器507根据从同步信号处理器505输出的同步信号控制LED光源102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***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，其中使用多个微镜被布置成矩阵并且根据每一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。
根据如上所述配置的投影仪，借助从照明光学***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***（未示出）而被顺序地投射。
下面，描述了另一个示例性实施例。
图6（a）到（c）是示意根据本发明的照明光学***的第二示例性实施例的主要部件的结构的平面视图。图6（d）到（f）是示意根据本发明的照明光学***的第三示例性实施例的主要部件的结构的平面视图。
图2所示的荧光体轮105同样地被划分成四个区域，其中蓝色荧光体区域1051和透明区域1053与绿色荧光体区域1052和绿色荧光体区域1054被布置成是点对称的。相反，在图5（a）到（c）所示的荧光体轮105'中，蓝色荧光体区域1051'和透明区域1053'的面积与绿色荧光体区域1052'和绿色荧光体区域1054'的面积不同。因为其余配置与在图1中示意的示例性实施例中的相同，所以这里省略了其说明。
使绿色荧光体区域1052'和绿色荧光体区域1054'的面积为蓝色荧光体区域1051'和透明区域1053'的面积的两倍。因为在图2中示意的荧光体轮105被划分成相等的区域，所以当荧光体轮105旋转一次时，红色光、绿色光、蓝色光和绿色光以相同的周期出现。相反，根据本示例性实施例，其中绿色光出现的每个时间段均是其中红色光和蓝色光出现的时间段的两倍。
图7是示出第二示例性实施例的发光时间的时序图表。
如在图6（a）中所示，当主焦点601在蓝色荧光体区域1051'上时，激光光源101被置于熄灭状态中，并且LED光源102被点亮从而红色LED光出现（点亮时间被取作周期T）。
如在图6（b）中所示，当主焦点601在绿色荧光体区域1054'上时，绿色荧光出现（周期2T）。
如在图6（c）中所示，当主焦点601在透明区域1053'上时，在副焦点602处产生的蓝色荧光出现（周期T）。
此后，当主焦点601在绿色荧光体区域1052'上时，绿色荧光出现（周期2T）。
虽然在图6（d）到（f）所示的示例性实施例中，当荧光体轮旋转一次时每一种颜色的光的产生比例与在图6（a）到（c）所示的示例性实施例中相同，但是在图6（d）到（f）所示的示例性实施例中的荧光体轮被布置为，使得绿色荧光连续地出现。
根据本示例性实施例，荧光体轮603的旋转轴被置于与图1所示的荧光体轮105和图6（a）到（c）所示的荧光体轮105'不同的位置中，并且其尺寸也被改变。因为其余配置与在图1中示意的示例性实施例中的相同，所以这里省略了其说明。
在荧光体轮603中，具有相等面积的蓝色荧光体区域6041和透明区域6043、以及具有四倍于蓝色荧光体区域6041和透明区域6043的面积大小的面积绿色荧光区域6042以弧形形成。如上所述，因为荧光体轮603的旋转中心轴在透镜组107和透镜组108的光轴之间的中途处，根据本示例性实施例，在主焦点605和副焦点606之间的关系不是主焦点605和副焦点606关于荧光体轮603点对称的关系。在本示例性实施例中，如在图6（d）到（f）中所示，主焦点605和副焦点606具有维持与蓝色荧光体区域6041或者透明区域6043的间隔匹配的预定间隔的位置关系。
图8是示出第二示例性实施例的发光时间的时序图表。
如在图6（f）中所示，当主焦点605在蓝色荧光体区域6041'上时，激光光源101被置于熄灭状态中并且LED光源102被点亮从而红色LED光出现（点亮时间被取作周期T）。
如在图6（d）中所示，当主焦点605在绿色荧光体区域6042'上时，绿色荧光出现（周期4T）。
如在图6（e）中所示，当主焦点605在透明区域1053'上时，在副焦点606处产生的蓝色荧光出现（周期T）。
图9是示意根据本发明的照明光学***的第四示例性实施例的主要部件的结构的框图。
本示例性实施例包括激光光源901、LED光源902、二向色镜903、透镜组904和906和荧光体轮905。
激光光源901产生具有波长λ1的激发激光。
LED光源902产生具有波长λ4的红色光，波长λ4比波长λ3更长。
二向色镜903允许具有波长λ4的光从其中通过，并且反射具有波长λ1到λ3的光。
类似于图1所示的荧光体轮105，荧光体轮905包括蓝色荧光体区域和绿色荧光体区域，当激发激光在其上入射时，蓝色荧光体区域和绿色荧光体区域分别地产生具有波长λ2和λ3（λ2<λ3）的蓝色的荧光和绿色荧光，波长λ2和λ3比的波长λ1更长。荧光体轮905还包括透明区域。
当激光从激光光源901朝向荧光体轮905发射时，当激光的入射位置在蓝色荧光体区域中时产生蓝色荧光。蓝色荧光被透镜组906准直、被二向色镜903反射并且通过透镜组904作为照明光发射。
当激光的入射位置在绿色荧光体区域中时，产生绿色荧光。绿色荧光被透镜组906准直、被二向色镜903反射并且通过透镜组904作为照明光发射。
当激光的入射位置是透明区域中时，激光通过荧光体轮905而不产生荧光，并且被二向色镜903反射并且被发射。因此，当激光的入射位置在透明区域中时不产生照明光。根据本示例性实施例，当主焦点在透明区域中时，激光光源901熄灭，LED光源902点亮，并且LED光源902的、具有波长λ4的红色出射光通过二向色镜903和透镜组904作为照明光发射。
如上所述，在第二和第三示例性实施例两者中，被用作照明光的红色光、绿色光、蓝色光和绿色光顺序地出现，并且通过借助在图5中示意的布置驱动显示元件511，能够实现具有高亮度水平和长寿命的投影仪。
附图标记列表
101  激光光源
102  LED光源
103、104  二向色镜
105  荧光体轮
106  光隧道
107到109  透镜组
1101、1102  反射镜

Claims (8)

1.一种照明光学***，包括：
激光光源，所述激光光源产生具有第一波长的激发光；
荧光体轮，所述荧光体轮包括借助所述激发光产生具有第二波长的荧光的蓝色荧光产生区域，和借助所述激发光产生具有第三波长的荧光的绿色荧光产生区域；
LED光源，所述LED光源产生具有第四波长的光；和
二向色镜，所述二向色镜反射具有所述第二波长的荧光和具有所述第三波长的荧光，并且允许具有所述第四波长的光从其中通过，以由此在相同方向上出射具有所述第二波长的荧光、具有所述第三波长的荧光、和具有所述第四波长的光中的每一种，而在与所述相同方向不同的方向上出射所述激发光，
其中，所述照明光学***输出的照明光包括具有所述第二波长的荧光、具有所述第三波长的荧光、和具有所述第四波长的光，而不包括所述激发光。
2.根据权利要求1所述的照明光学***，其中：
在所述荧光体轮中形成反射性层，所述反射性层允许所述激发光从其中通过并且反射具有所述第二波长的荧光和具有所述第三波长的荧光；
在所述蓝色荧光产生区域中，在所述反射性层上形成蓝色荧光体，所述蓝色荧光体借助所述激发光产生具有所述第二波长的荧光；并且
在所述绿色荧光产生区域中，在所述反射性层上形成绿色荧光体，所述绿色荧光体借助所述激发光产生具有所述第三波长的荧光。
3.根据权利要求2所述的照明光学***，其中：
在所述荧光体轮的一个旋转周期内，所述激光光源朝向所述荧光体轮将所述激发光从所述反射性层侧发射到所述蓝色荧光产生区域和所述绿色荧光产生区域；并且
在所述荧光体轮的一个旋转周期内，当由所述激光光源相对于所述荧光体轮的激发光的照射未被执行时，所述LED光源产生具有所述第四波长的光。
4.根据权利要求2所述的照明光学***，其中：
所述荧光体轮包括透明区域，所述透明区域允许所有波长的光从其中通过；
所述照明光学***包括回归机构，所述回归机构使已经通过所述透明区域的光再次入射在所述荧光体轮上；并且
所述二向色镜包括：
第一二向色镜，所述第一二向色镜反射当来自所述绿色荧光体侧的所述激发光入射在所述绿色荧光产生区域上时产生的、具有所述第三波长的荧光；和
第二二向色镜，所述第二二向色镜反射当通过所述透明区域的所述激发光借助所述回归机构从所述反射性层侧入射在所述蓝色荧光产生区域上时产生的、具有所述第二波长的荧光。
5.一种投影仪，包括根据权利要求1所述的照明光学***。
6.一种投影仪，包括根据权利要求2所述的照明光学***。
7.一种投影仪，包括根据权利要求3所述的照明光学***。
8.一种投影仪，包括根据权利要求4所述的照明光学***。
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