用于冷却照明光学系统的结构和投影显示设备的制作方法

本发明涉及使用荧光材料的照明光学系统的冷却结构，并且涉及投影显示设备。

背景技术：

近些年来，已经提出了如下照明光学系统，该照明光学系统配备有荧光材料，该荧光材料响应于激发光的照射而发射荧光。这种类型的照明光学系统用在例如投影显示设备中。图1示出设有与本发明相关的照明光学系统的投影显示设备的透视图。图2示出与本发明相关的照明光学系统的透视图，并且图3示出与本发明相关的照明光学系统的平面图。

如图1中所示，与本发明相关的投影显示设备101设有照明光学系统103和图像生成光学系统，来自照明光学系统103的光被照射到图像生成光学系统中。如图2和图3中所示，照明光学系统103设有激光光源107和荧光轮112，荧光轮112设有被从激光光源107发射的激光照射的荧光层。

在专利文件1中公开的系统是设有这种类型的荧光轮的照明光学系统的一个示例。在专利文件1中，公开了一种照明光学系统，其设有荧光单元，该荧光单元具有荧光轮和旋转该荧光轮的马达。

在专利文件1中公开的荧光轮具有基板，该基板被设置成围绕与一个表面垂直的旋转轴自由旋转。在该基板的一个表面上形成荧光区域和反射区域。该荧光区域具有荧光层，该荧光层响应于激光的照射而产生预定波长的荧光。该反射区域是反射激光的区域。照射在荧光轮上的激光重复地照射在旋转的荧光轮的荧光区域和反射区域上，由此，从荧光轮连续地发射从荧光材料发射的荧光和被反射区域反射的激光。

从照明光学系统发射的光的照度取决于从荧光材料生成的荧光的数量。该荧光材料当它经历激光照射时产生热量，并且具有下述属性，通过该属性，热量的产生降低了发光效率。因此，必须控制从荧光材料生成的热量以防止从照明光学系统产生的光的照度的任何降低。

在专利文件2中公开了一种构造，该构造具有荧光轮和风扇，在荧光轮上，在荧光层中形成凹处；风扇向荧光轮的凹处吹送冷却空气。在专利文件2中公开的构造中，通过在荧光轮的凹处上吹送冷却空气来产生湍流，并且由于热扩散的效应导致在荧光材料的冷却效率上的改善。

现有技术文献

专利文件

专利文件1：WO 2012/127554

专利文件2：日本未审查专利申请公布No.2012-078707

专利文件3：日本未审查专利申请公布No.2013-025249

技术实现要素：

本发明要解决的问题

在如上所述的专利文件1中描述的照明光学系统中，通过当荧光轮在旋转时荧光轮本身接收的围绕荧光轮的空气的流动来冷却荧光材料。结果，冷却荧光材料的冷却效果在专利文件1中描述的照明光学系统中相当差。

在专利文件2中公开的构造中，向荧光轮的荧光层的激光照射部分局部吹送冷却空气。在专利文件2中描述的该构造中，冷却荧光材料的效果仍然不足，并且期望冷却效率的进一步增大。

在专利文件3中，公开了一种构造，其中，在荧光轮的附近布置风扇，该风扇使得冷却空气流向在其上形成荧光层的一侧上的表面。然而，在使用荧光轮的照明光学系统中，与荧光层相邻地布置用于将从荧光层发射的荧光聚光的聚光透镜。结果，冷却空气对着透镜架吹，该透镜架支撑聚光透镜，并且因此阻碍冷却空气的流动，据此，在荧光轮的表面上的足够数量的冷却空气的流动变得有问题。该问题在专利文件2中描述的构造中产生，其中，冷却空气因此仅被引导到荧光轮的表面的一侧，并且冷却空气的流动被透镜架阻碍，并且因此，荧光材料的冷却效率低。

另外，如图2和3中所示，使用激光光源的照明光学系统通常被罩110覆盖，使得除了来自发射来自照明光学系统103的光的透镜111的光之外，激光不泄漏到照明光学系统103的外部。因此，照明光学系统103具有从外部封闭的构造。结果，在使用激光光源107的照明光学系统103中，罩110的内部容易在环境温度上增大，并且，罩110内的空气倾向于因为在激光光源107中产生的热量而变热。结果，被在罩110内布置的荧光轮112本身接收的周围空气也处于热状态中，并且因此产生荧光材料的冷却效率低的问题。

因此，在与本发明相关的如上所述的照明光学系统中的荧光材料的低冷却效率导致荧光材料的温度增大的趋势，结果是从照明光学系统发射的光的照度降低。因此产生下述问题，其中，随着照明光学系统的持续使用增大，照度的维持率降低。

因此，本发明的目的是提供一种用于冷却照明光学系统的结构和一种允许荧光材料的冷却效率增大并且因此防止从照明光学系统发射的光的照度的降低的投影显示设备。

解决问题的手段

为了实现上述目的，根据本发明的用于冷却照明光学系统的结构设有：荧光单元，所述荧光单元具有荧光层，所述荧光层响应于从光源照射的激发光而发射荧光；风扇，所述风扇向所述荧光单元供应冷却空气；以及管道，所述管道将内部空间与外部空间分隔，在所述内部空间中布置所述荧光单元，并且所述管道向所述荧光单元引导从所述风扇供应的冷却空气。

此外，根据本发明的投影显示设备设有：照明光学系统，所述照明光学系统包括上述用于照明光学系统的冷却结构；以及图像生成光学系统，所述图像生成光学系统包括图像元件，所述图像元件利用图像信号来调制从所述照明光学系统发射的光。

发明的效果

本发明使得冷却荧光材料的效率能够增大，并且因此能够防止从照明光学系统发射的光的照度降低。

附图说明

图1是示出配备有与本发明相关的照明光学系统的投影显示设备的透视图。

图2是示出与本发明相关的照明光学系统的透视图。

图3是示出与本发明相关的照明光学系统的平面图。

图4是示出第一示例性实施例的投影显示设备的透明图的透视图。

图5是示出在第一示例性实施例的投影显示设备中设置的照明光学系统的透视图。

图6是用于描述第一示例性实施例的照明光学系统的冷却结构的透视图。

图7是示出第一示例性实施例的照明光学系统的冷却结构的平面图。

图8是示出第一示例性实施例的照明光学系统的冷却结构的放大视图的平面图。

图9是示出属于第一示例性实施例的照明光学系统的冷却结构的管道和透镜架的放大视图的透视图。

图10是用于描述第二示例性实施例的照明光学系统的冷却结构的透视图。

图11是示出第二示例性实施例的照明光学系统的冷却结构的平面图。

图12是示出第二示例性实施例的照明光学系统的放大的平面图。

图13是示出属于第二示例性实施例的照明光学系统的冷却结构的管道和透镜架的透视图。

具体实施方式

接下来，参考附图来说明本发明的实际示例性实施例。

第一示例性实施例

图4示出第一示例性实施例的投影显示设备的透明透视图。图5示出在第一示例性实施例的投影显示设备中设置的照明光学系统的透视图。图6是用于描述第一示例性实施例的照明光学系统的冷却结构的透视图。图7是示出第一示例性实施例的照明光学系统的冷却结构的平面图。

如图4和5中所示，第一示例性实施例的投影显示设备1设有：使用荧光材料的照明光学系统3；以及，图像生成光学系统4，来自照明光学系统3的光被照射到图像生成光学系统4中，并且图像生成光学系统4生成被投影到投影表面上的图像。

如图6和7中所示，照明光学系统3设有：发射激光的第一激光光源6和第二激光光源7；第一光学构件组，第一光学构件组构成从第一激光光源6发射的激光的第一光路；以及，第二光学构件组，第二光学构件组构成从第二激光光源7发射的激光的第二光路。另外，照明光学系统3设有罩10，罩10同时覆盖第一光路的整体，并且覆盖第二光路的整体，第二光路包括从第二激光光源7到荧光轮12的光路。

如图6中所示，第一和第二激光光源6和7具有多个激光二极管8，该激光二极管8发射具有蓝色波长的蓝色激光，该多个激光二极管8在平面表面上以阵列布置。第一和第二激光光源6和7不限于发射蓝色激光的构件。发射诸如紫外光的其他波长的光的构件也可以被用作第一和第二激光光源6和7。下面将描述第一和第二光学构件组。通过组合一组上罩10a和下罩10b来实现罩10。

如图6中所示，第二光路包括：荧光轮12，荧光轮12响应于从第二激光光源7发射的激光的照射而发射荧光；以及，多个聚光透镜13a、13b和13c，用于将从荧光轮12发射的荧光聚光。照明光学系统3因此具有用于冷却荧光轮12的冷却结构11。

图8示出第一示例性实施例的照明光学系统的冷却结构11的放大平面图。图9示出属于第一示例性实施例的照明光学系统的冷却结构11的管道和透镜架的放大透视图。

如图7和8中所示，第一示例性实施例的照明光学系统的冷却结构11包括：荧光轮12，荧光轮12作为荧光单元具有荧光层12b，荧光层12b响应于作为从第二激光光源7照射的激发光的激光而发射荧光；风扇15，风扇15向荧光轮12供应冷却空气；以及，管道16，管道16分隔外部空间和其中布置荧光轮12的内部空间，并且管道16向荧光轮12引导从风扇15供应的冷却空气。

荧光轮12由其上形成荧光层12b的基板12a构成。基板12a被附接到轮马达17的旋转轴17a，并且使得能够允许围绕与正交于基板12a的主平面的方向平行的旋转轴17a的旋转。轮马达17被附接到下罩10b的底面板。通过向盘状基板12a涂覆荧光材料来形成荧光层12b。荧光材料发射黄色荧光，该黄色荧光具有从绿色波长扩展到红色波长的波长带。

本示例性实施例的荧光轮12被构造成仅发射黄色光，但是荧光轮12不限于这种形式。对于荧光轮12，可以分隔荧光层以根据在荧光层上的激光的照射位置来发射不同颜色的荧光。

通过荧光轮12的使用，激光的照射位置随着荧光轮12的旋转而改变，由此，可以控制在荧光层12b的每个部分中的荧光材料的温度上的任何不平衡。结果，可以防止在荧光层12b的一部分中的向荧光的转换的效率的降低，可以稳定和容易地获得荧光。

风扇15被布置在罩10内。散热风扇被用作风扇15，并且风扇15具有供应冷却空气的空气供应端口。

如图6和7中所示，管道16被布置在罩10内，并且进一步具有分隔壁19，分隔壁19延伸以便在与轮马达17的旋转轴17a正交的方向上供应从风扇15供应的冷却空气。在下罩10b的底面板上并且沿着下罩10b的侧面板形成分隔壁19。管道16被设置在罩10内，并且由分隔壁19、上罩10a的上面板以及下罩10b的底和侧面板形成。以这种方式，管道16具有由分隔壁19、由上罩10a的上面板以及由下罩10b的底和侧面板封闭的内部空间，该内部空间形成为用于从风扇15供应的冷却空气的通道。

如图9中所示，在管道16的一端处设置链接到风扇15的空气供应端口的端口16a。另外，如图7中所示，热交换器21被设置为冷却构件，用于在管道16的相对于荧光轮12的下游侧的另一端处冷却冷却空气。已经通过荧光轮12通过的冷却空气被热交换器21冷却。另外，如图7中所示，在管道16的另一端处放大该通道的横截面区域。通过放大在管道16的另一端处的通道的横截面区域，增大了对着热交换器21吹送的冷却空气的量。

如图6和7中所示，热交换器21包括：在管道16的另一端内布置的热接收部分21a；在管道16外部布置的冷却单元21b；以及，从热接收部分21a向冷却单元21b传送热量的热传送部分21c。热交换器21从被控制荧光轮12加热的空气带走热量，因此冷却该空气。以这种方式在管道16中布置热交换器21允许已经被热交换器21冷却的冷却空气向风扇15的循环，并且提高使用从风扇15供应的冷却空气的荧光材料的冷却效率。另外，循环用于冷却的液体的液体冷却的冷却机构也可以被用作热交换器。

如图8中所示，在管道16内布置荧光轮12和轮马达17。另外，在管道16内与其上形成荧光层12b的荧光轮12的表面相邻地设置多个聚光透镜13a、13b和13c以及支撑该多个聚光透镜13a、13b和13c的透镜架22。

如图8和9中所示，透镜架22具有：支撑单元22a，支撑单元22a支撑聚光透镜13a、13b和13c中的每一个的外周；以及，基座22a，基座22a支撑支撑单元22a。

透镜架22的基座22b以具有L状横截面的板形式形成，并且被固定到下罩10b的底面板。基座22b具有直立壁22c。支撑单元22a被设置在与直立壁22c的下罩10b的底面板分离的位置处。另外，直立壁22c与管道16的分隔壁19链接在一起，并且形成为分隔壁19的一部分。

如上所述形成透镜架22保证了第一空气通路23a，并且改善了冷却空气的通风特性，冷却空气在支撑单元22a和下罩10b的底面板之间流过第一空气通路23a。因此可以防止透镜架22对于从风扇15供应的冷却空气的阻碍，并且冷却空气能够沿着管道16的分隔壁19平滑地流动。

透镜架22的支撑单元22a支撑聚光透镜13a、13b和13c中的每一个的外周。支撑单元22a在多个聚光透镜13a、13b和13c中的每一个之间包括多个第二空气通路23b，从风扇15供应的冷却空气通过该通道。因为包括第二空气通路23b，所以支撑单元22a不阻碍从风扇15供应的冷却空气的流动，并且允许荧光层12b的有效冷却。

而且，如图7和8中所示，散热器24被设置在管道16外部，作为用于向管道16的外部排放从旋转轴17a传送的热量的热排放部分。

散热器24被链接到属于轮马达17的旋转轴17a的轴承17b。如图8中所示，在轴承17b和散热器24之间插入了热传送片25，并且，通过热传送片25从轴承17b向散热器24传输热量，并且从散热器24排放该热量。散热器24的使用因此提高了冷却荧光轮12的荧光材料的效果。作为一种变型，取代其中热传送片25接触轴承17b的构造，热传送片25也可以被构造成直接接触旋转轴17a。

如图6和7中所示，在罩10外部设置另一个风扇27，罩10在向散热器24和热交换器21的冷却单元21b供应冷却空气的管道16外部。散热器24和冷却单元21c被布置在管道16的外部的位置处，使得散热器24面向冷却单元21c。

螺旋桨风扇被用作风扇27。如图4中所示，本示例性实施例的投影显示设备1设有壳体9，在该壳体9内设置有照明光学系统3，并且在壳体9内的面向冷却单元21b的位置处布置风扇27。

从风扇27供应的冷却空气在已经冷却了冷却单元21b后经由冷却单元21b通过，并且对着散热器24吹送。以这种方式，可以通过使用从一个风扇27供应的冷却空气来有效地冷却冷却单元21b和散热器24，并且因此简化了冷却结构11。

虽然在本示例性实施例中采用了其中已经通过热交换器21的冷却单元21b的冷却空气对着散热器24吹送的构造，但是本示例性实施例不限于这种形式。作为一种变型，当然可以采用下述构造，其中，已经通过散热器24的冷却空气对着冷却单元21b吹送，或者其中，使得冷却空气在散热器24和冷却单元21b之间流动。

在照明光学系统3的第一光路中，从第一激光光源6的激光二极管8发射的激光被聚光透镜31聚光，如图6和7中所示。已经被聚光透镜31聚光的光被聚光透镜32向漫射器33聚光。照射在漫射器33上的激光被漫射，并且然后被照射到聚光透镜34中。被照射到聚光透镜34中的光被照射到分色镜35中。分色镜35透射具有蓝色波长的光，并且进一步反射比绿色波长更长的波长的光。因此，分色镜35透射从第一激光光源6发射的蓝色激光，并且反射从上述荧光轮12的荧光层12b发射的黄光。被分色镜35反射的黄光和透射穿过分色镜35的蓝色激光被照射到聚光透镜36中，并且从照明光学系统3发射。从照明光学系统3发射的光被照射到图像生成光学系统4中。

在照明光学系统3的第二光路上，从第二激光光源7的激光二极管8发射的激光被聚光透镜41聚光，如图6和7中所示。被聚光透镜41聚光的光被聚光透镜42向漫射器43聚光。照射在漫射器43上的光被漫射，并且然后被照射到光隧道44中。光隧道44是中空的光学元件，它的内部上和下表面以及右侧和左侧表面中的每一个形成为反射镜。照射到光隧道44中的光被光隧道44的内表面重复反射，据此，使得在光隧道44的发射部分处的光的照度分布均匀。作为一种变型，也可以使用杆透镜(匀光杆)来取代光隧道44。

从光隧道44发射的光被聚光透镜45聚光。已经被聚光透镜45聚光的光被照射到分色镜46中。分色镜46反射具有蓝色波长的光，并且透射比绿色波长更长的波长的光。被分色镜46反射的蓝色激光通过聚光透镜13a、13b和13c，并且被照射到荧光轮12的荧光层12b中。该荧光材料被蓝色激光激发，并且辐射黄色荧光。

从荧光材料辐射的黄光被聚光透镜13a、13b和13c聚光，并且被照射到分色镜46中。被照射到分色镜46中的黄光透射穿过分色镜46，并且被照射到聚光透镜47中。被照射到聚光透镜47中的黄光被照射到分色镜35中。被照射到分色镜35中的黄光被分色镜35反射，并且被照射到聚光透镜36中。

在投影显示设备1中设置的图像生成光学系统4中，已经从照明光学系统3的聚光透镜36发射的光被照射到光隧道51中，如图4中所示。被照射到光隧道51中的光在光隧道51内被重复地反射，据此，使得在光隧道51的发射部分处的光的照度分布均匀。从光隧道51发射的光变为作为黄光和蓝光的合成光的白光。该白光通过聚光透镜52和53，并且被镜54反射。被镜54反射的白光通过聚光透镜55，并且被照射到TIR(全内反射)棱镜56中。被照射到TIR棱镜56中的光在内部经历全反射，并且然后被照射到色棱镜57中。色棱镜57将该白光分离为绿光、红光和蓝光。

已经在色棱镜57中分离的光被照射到用作利用图像信号来调制该光的图像元件的DMD(数字镜器件)中。被色棱镜57分离的绿光被照射到绿光DMD 58中。类似地，被色棱镜57分离的红光被照射到红光DMD(未示出)中，并且，被色棱镜57分离的蓝光被照射到蓝光DMD(未示出)中。作为一种变型，液晶面板(LCD)可以取代DMD而被用作图像元件。

DMD 58具有以矩阵形式排列的多个微镜，每个微镜对应于要投影的图像的一个像素。微镜被构造成使得允许每个微镜的角度的调整。被照射到具有某一角度的微镜中的光被向投影透镜59反射。因此，在每个DMD处反射的绿光、红光和蓝光被照射到色棱镜57中，并且在色棱镜57中合成。在色棱镜57处合成的光通过TIR棱镜56和投影透镜59，并且然后被投影在诸如屏幕的投影表面上。

接下来相对于已经如上所述构造的照明光学系统的冷却结构11来描述如下操作，通过该操作来通过风扇15和管道16冷却荧光轮12。

从风扇15供应的冷却空气在管道16内沿着分隔壁19流动，并且对着荧光轮12的基板12a的两个表面吹送该冷却空气。对着在荧光轮12的荧光层12b的一侧上的表面吹送的冷却空气通过透镜架22的空气通路23和透镜架22的支撑单元22a的周缘侧上的空间，并且沿着在荧光层12b侧上的表面平滑地流动。以这种方式，从风扇15供应的冷却空气沿着管道16被引导，并且有效地冷却荧光轮12的整体。

已经冷却了荧光轮12的荧光层12b的冷却空气进一步沿着分隔壁19流动，并且被热交换器21冷却。已经被热交换器21冷却的空气被从管道16排放，通过照明光学系统3的内部，并且循环到风扇15，如在图7中的箭头所示。因此，风扇15能够向荧光轮12供应已经被热交换器21冷却的冷却空气，据此，增大了荧光材料的冷却效率。

通过从风扇27供应的冷却空气来进一步冷却热交换器21的控制单元21b。通过已经冷却了冷却单元21b的冷却空气来冷却散热器24。通过散热器24的冷却来冷却荧光轮12的荧光层12b。

与其中在投影显示设备的壳体内的荧光轮附近简单地布置风扇的构造相比较，本示例性实施例使得能够通过沿着管道16引导的冷却空气来冷却围绕荧光轮12的空气。以这种方式，可以有效地冷却荧光材料。

另外，因为在管道16内布置的透镜架22具有空气通路23，所以防止了从风扇15供应的冷却空气的流动的阻碍。通过用于增大冷却空气的通风特性的这些构造中的每一个的组合效应而增大了荧光材料的冷却效率。

如上所述，第一示例性实施例的照明光学系统的冷却结构11设有管道16，该管道16向荧光轮12引导从风扇15供应的冷却空气，据此，通过沿着管道16引导的冷却空气来降低围绕荧光轮12的空气的温度，使得能够有效冷却荧光材料。结果，冷却结构11能够改善荧光材料的冷却效率，并且防止从照明光学系统3发射的光的照度的降低。

另外，透镜架22通过在支撑单元22a和下罩10b的底面板之间包含空间而防止了从风扇15供应的冷却空气的流动的阻碍，并且使得冷却空气能够充分流向在荧光层12b的一侧上的荧光轮12的表面。透镜架22进一步通过包含空气通路23来防止从风扇15供应的冷却空气的流动的阻碍，并且使得冷却空气能够平滑流向在荧光层12b的一侧上的荧光轮12的表面。结果，可以增大冷却荧光材料的效果。

最后，因为热交换器21的包含，冷却结构11能够同时防止被风扇15供应的冷却空气的温度的增大，并且进一步有效地冷却荧光轮12。另外，冷却结构11通过包含能够散热的散热器24，能够向管道16的外部排放荧光轮12的热量。

第二示例性实施例

接下来描述第二照明光学系统冷却结构。为了方便，具有第二示例性实施例的冷却结构的照明光学系统中的与第一示例性实施例的照明光学系统的构成元件相同的构成元件赋予与在第一示例性实施例中相同的附图标记，并且省略重复的解释。

图10示出用于描述第二示例性实施例的照明光学系统的冷却结构的透视图。图11示出第二示例性实施例的照明光学系统的冷却结构的平面视图。图12示出第二示例性实施例的照明光学系统的冷却结构的放大平面图。图13示出属于第二示例性实施例的照明光学系统的冷却结构的管道和透镜架的透视图。

如图10和11中所示，第二示例性实施例的照明光学系统的冷却结构61设有：，管道66包括分割内部空间的分割壁69；以及，第一风扇67a和第二风扇67b，第一风扇67a和第二风扇67b向被分割壁69分割的管道66中的每个空间供应冷却空气。

如图12和13中所示，在管道66内的第一和第二风扇67a和67b与荧光轮12之间设置分割壁69，分割壁69将管道66的内部空间分割为第一空间和第二空间，第一空间包括基板12a的一个表面，第二空间包括基板12b的另一个表面。分割壁69被设置成沿着分隔壁19从管道66的一端向与荧光轮12相邻的位置延伸。如图13中所示，在管道66的一端处形成端口66a和端口66b，端口66a被链接到第一风扇67a的空气供应端口，端口66b被链接到第二风扇67b的空气供应端口。

在如上所述的第二示例性实施例的照明光学系统的冷却结构61中，从第一风扇67a供应的冷却空气流过被分割壁69分割的管道66的内部空间中的一个空间，并且被引导到荧光轮12的其上形成荧光层12b的一侧的表面。类似地，从第二风扇67b供应的冷却空气流过被分割壁69分隔的管道66的内部空间中的另一个空间，并且被引导到荧光轮12的另一个表面。以这种方式，在本示例性实施例中，每个冷却空气流都被平滑地引导到荧光轮12的两侧。

根据第二示例性实施例的照明光学系统的冷却结构61，分割壁69与第一和第二风扇67a和67b的设置使得冷却空气能够被平滑地被引导到荧光轮12的两侧，并且可以获得冷却材料的冷却效率的进一步增大。

而且，虽然根据本发明的照明光学系统的冷却结构用在具有荧光轮的照明光学系统中，但是该冷却结构在必要时也可以用在另一种照明光学系统中。本发明也可以用在使用色轮的照明光学系统中，该色轮具有滤色器，来自光源的光被照射到该滤色器中，或者，本发明也可以用在使用固定构造的荧光材料的另一种照明光学系统中。

虽然已经参考示例性实施例说明了本发明，但是本发明不限于上述示例性实施例。在对于本领域内的普通技术人员清楚的本发明的范围内，本发明的构造和细节对于各种变型是开放的。

附图标记的解释

1 投影显示设备

3 照明光学系统

7 第二激光光源

11 冷却结构

12 荧光轮

12a 基板

12b 荧光层

15 风扇

16 管道

17a 旋转轴