专利名称：照明光学系统和使用照明光学系统的投影仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及照明光学系统和投影仪，所述照明光学系统产生具有多种颜色的照明光束，用于形成具有多种颜色的图像光束，所述投影仪投射从所述照明光学系统发射的图像光束。
背景技术：
使用LED (发光二极管)作为投影仪的光源的技术已经成为关注的焦点(参见专利文献I)，所述投影仪将图像投影到诸如液晶投影仪和DMD (数字微镜器件)投影仪之类的
屏幕上。
因为LED具有长使用寿命和高可靠性，使用LED作为光源的投影仪具有长使用寿命和高可靠性的优点。然而另一方面,LED光的亮度(luminance)对于投影仪来说较低，因此使用LED作为光源的投影仪不易于获得具有均匀亮度的图像。集光率限制了来自光源的可作为投影光而用于显示面板的光量。也就是说，不能够高效地使用来自光源的光作为投影光，除非将光源的发光区域和辐射角度乘积的值设置为等于或小于显示面板的入射平面的面积和由照明光学系统的F数确定的接受角度的乘积值。对于使用LED的光源，可以通过增加发光面积来增加光量，但是当发光面积增加时，光源的集光率也增加。由于集光率的限制，期待作为投影仪光源的LED在不增加发光面积的情况下增加光量，但是通过使用LED的光源难以实现在不增加光发射的情况下增加光量。在专利文献2 (日本专利No. 4054594)中描述了使用激光光源和荧光材料的光源设备，其认识到当将LED用作投影仪的光源时现有技术中的问题因为LED的光量较低，需要使用多个LED并且这些LED不适用于设备的微型化。图I是示出了在专利文献2中公开的光源设备的示意性结构的图。所述光源设备包括在凹面反射镜1300的焦点位置处设置的荧光材料1303，通过位于凹面反射镜1300的中心轴上的孔将由激光光源1302产生的激光辐射到荧光材料1303上，以及发射通过所述凹面反射镜1300产生为平行光通量的荧光。将反射镜1304设置在荧光材料1303的与激光光源1302相反一侧上，用于反射已经通过荧光材料1303的激光。引用列表专利文献专利文献I JP2003-186110A专利文献2 日本专利No. 405459
发明内容
技术问题
当光源只使用专利文献I中公开的LED时，集光率增加。在专利文献2中公开的光源设备的情况下，不能有效地产生平行荧光。当采用对高压汞灯和凹面反射镜进行组合的情况作为比较示例时，如图2所示，将在其两端形成电极1402的灯1401与凹面反射镜1400进行组合，使得灯的纵向方向与凹面反射镜的中心轴匹配。在灯1401中，在电极1402之间产生光，并且其强度分布由图中的箭头表示。每一个箭头的长度与光强成正比，表示箭头长度越大光越强。如图2所示，在汞灯的情况下，大多数强光是侧向产生的。因此，甚至当电极1402位于凹面反射镜1400底部时也没有什么特别的问题，并且可以有效地产生平行照明光。图3是示出了由专利文献I中公开的光源设备产生的荧光的强度分布。在图3中，图中的箭头长度也与光强成正比，表示箭头长度越大光越强。 在更靠近荧光材料1303表面的位置处，吸收了更多的激光，因此在激光光源1302一侧的入射平面一侧上的荧光比朝着光出射一侧(图中的右侧)发射的荧光更强。甚至当通过凹面反射镜反射时，朝着激光光源1302出去的荧光再次返回到荧光材料1303，在通过荧光材料1303时变弱，并且从而可以有效地产生照明光。本发明的目的是为了实现一种照明光学系统，具有小的集光率，并且能够有效地产生长寿命和高亮度的照明光。解决问题的方案根据本发明的照明光学系统包括凹面反射镜；荧光材料支撑体，所述荧光材料支撑体在实质上凹面反射镜的焦点位置处支撑荧光材料；多个激光光源，在与凹面反射镜的中心轴垂直的位置处设置在所述凹面反射镜上，所述激光光源朝着突光材料发射激励光；以及窗口，覆盖所述凹面反射镜的开口，所述凹面反射镜反射所述激励光，并且允许通过激励光的照射产生的荧光通过所述凹面反射镜的开口。另外，根据本发明的投影仪配置有上述照明光学系统。本发明的有益效果根据本发明，将具有高能量密度的激光作为激励光会聚到荧光材料上，并且使用从所述会聚位置发射的荧光。因为将朝着荧光材料发射激励光的多个激光光源在与凹面反射镜中心轴垂直的位置处设置在凹面反射镜上，产生朝着凹面反射镜一侧的强荧光。因此，可以实现具有小集光率、长寿命和高亮度的照明光学系统。
图I是示出了传统光源设备的示意结构的图。图2是示出了高压汞灯和凹面反射镜的组合示例的图。图3是示出了在传统光源设备中产生的荧光的强度分布的图。图4是示出了根据本发明的照明光学系统的示范性实施例的结构的方框图；(a)示出了后视图，(b)示出了侧视图，(C)和(d)示出了说明(a)中的部分A的示例的部分侧视图，而(e)示出了说明(b)中的部分B的结构细节的部分顶视图。图5是示出了根据使用图4所示的照明光学系统的投影仪的示范实施例的光学系统的结构的方框图。图6(a)和(b)是示出了根据使用图4所示的光学系统的投影仪的另一示范实施例的光学系统的结构的方框图。图7是示出了根据使用图4所示的照明光学系统的投影仪的另一示范实施例的光学系统的结构的方框图。图8是示出了根据本发明的照明光学系统的另一示范实施例的示意性结构的图；图8(a)示出了后视图，而图8(b)示出了侧视图。图9是示出了根据本发明的照明光学系统的另一示范实施例的示意性结构的图；(a)示出了侧视图，而(b)示出了后视图。 图10是示出了根据本发明的照明光学系统的另一示范实施例的示意性结构的图；(a)示出了侧视图，而(b)示出了(a)中的荧光条1110的结构细节。图11是示出了根据本发明的照明光学系统的另一示范实施例的示意性结构的侧视图。图12是示出了根据本发明的照明光学系统的另一示范实施例的示意性结构的侧视图。
具体实施例方式接下来将参考附图描述本发明的示范实施例。图4是示出了根据本发明的照明光学系统的示范性实施例的结构的方框图，图4(a)不出了后视图，图4(b)不出了侧视图，图4(c)和4(d)不出了说明图4(a)中的部分A的示例的部分侧视图，而图4(e)示出了说明图4(b)中的部分B的结构细节的部分顶视图。如图4(a)和(b)所示，本示范实施例配置有凹面反射镜100、激光光源200、马达300和荧光材料轮400。在凹面反射镜100中形成细长的开口 101。设置荧光材料轮400，使得所述荧光材料轮的一部分从开口 101进入凹面反射镜100。通过设置在凹面反射镜100外部的马达300来旋转荧光材料轮400，并且所述荧光材料轮设置为通过凹面反射镜100的实质上的焦点位置。用于支撑荧光材料的荧光材料支撑区域设置在与凹面反射镜100的实质上的焦点位置相对应的位置的外围附近。如图4(b)所示，将绿色荧光材料401、红色荧光材料402和蓝色荧光材料403设置在荧光材料支撑区域中。将朝着焦点位置发射激光的多个激光光源200设置在凹面反射镜100上。根据本示范实施例，将每一个激光光源200设置为与凹面反射镜100的中心轴垂直。另外，窗口102形成于荧光出射表面(图4(b)中的右侧)上，其反射来自每一个激光光源200的激光，并且允许当将激光辐射到荧光材料支撑区域上时产生的荧光通过所述窗口。通过从激光光源200辐射的激光激励蓝色荧光材料403、绿色荧光材料401和红色荧光材料402的每一个以分别产生蓝色荧光、绿色荧光和红色荧光。在本示范实施例中，当假设由激光光源200产生的激光的波长为λ I时，并且假设由蓝色荧光材料403、绿色荧光材料401和红色荧光材料402产生的荧光的中心波长为λ 2、λ 3、λ 4时，存在λ1<入2〈λ 3〈 λ 4的关系。将激光光源200附着到凹面反射镜100的方法示例包括图4(c)和图4(d)所示的方法。根据图4(c)所示的方法，附着激光光源200，使得由激光光源200产生的激励光201通过在凹面反射镜100中设置的孔103进入凹面反射镜100。根据图4(d)所示的示例，将荧光反射层104设置在凹面反射镜100中。在这种情况下，凹面反射镜100由对于激励光201透明的材料构成，并且荧光反射层104由允许激励光201通过并且反射由每一种荧光材料产生的荧光的材料构成。如4(e)是示出了在凹面反射镜100的焦点位置附近的结构的顶视图。
将覆盖荧光材料轮400的箱体405设置在凹面反射镜100中。如上所述，将绿色荧光材料401、红色荧光材料402和蓝色荧光材料403的任一种设置在荧光材料轮400的荧光材料支撑区域中，并且将这些材料如图所示形成在荧光材料轮400的两侧(在图4(e)中，绿色荧光材料401)，并且在箱体405中在凹面反射镜100的实质上焦点位置处形成两个窗口 406，以便允许将激励光201辐射到在荧光材料轮400的两侧上形成的荧光材料支撑区域上。根据如上所示配置的本示范实施例，用来自所述多个激光光源200的激励光201照射在荧光材料轮400的两侧上形成的荧光材料支撑区域，以产生荧光。因为将每一个激光光源200设置为与凹面反射镜100的中心轴垂直，沿与凹面反射镜100的中心轴垂直的方向导引所产生的荧光，从而可以有效地产生平行光。荧光材料轮400根据马达300的旋转而旋转，从窗口 102顺序地输出绿色荧光、红色荧光和蓝色荧光作为照明光。因为窗口 102由反射激励光201的材料制成，绝不会将作为激励光210的激光输出到外部。在图4(d)所示的情况下，其中将激励光201通过荧光反射层104辐射到荧光材料轮400上，通过窗口 102输出所产生的所有荧光，防止了荧光撞击激光光源200，并且防止了损耗的发生，从而可以改善效率。图4(e)中窗口 406的提供产生了这样的区域，在该区域中，将产生荧光限制到设置窗口 406的位置。将所产生的荧光反射到凹面反射镜100内部，但是因为将产生荧光的区域限制到设置窗口 406的位置，绝不会产生具有作为照明光输出的颜色之外的颜色的荧光，并且可以形成具有高颜色纯度的照明光。另外,通过窗口 406确定发光区域。为此原因,通过窗口 406的尺寸确定光源的外观尺寸，并且从而可以减小光源的外观尺寸并且减小集光率。因为荧光是由在荧光材料轮400两侧上设置的荧光材料产生的，存在产生荧光材料的两个位置。与具有产生荧光材料的一个位置的结构相比，如果假设其他条件相同，可以获得两倍的亮度。在专利文献2中公开的结构中，将激励光连续地辐射到荧光材料的相同位置上，而本示范实施例具有其中荧光材料移动的结构，因此绝不会将激励光连续地辐射到设置荧光材料的相同位置上。激励光的照射引起将荧光材料加热，但是在专利文献2中公开的连续执行辐射的结构不包括冷却时间段，其结果是荧光材料持续地处于高温。在本示范实施例的结构中，绝不会将激励光连续地辐射到荧光材料的相同区域上，提供了冷却时间段，因此保持荧光材料处于比连续执行辐射的情况下更低的温度，结果是荧光材料具有更长的寿命。图5是示出了根据使用图4所示的照明光学系统的投影仪的示范实施例的光学系统结构的方框图。从凹面反射镜100顺序输出的绿色荧光、红色荧光和蓝色荧光经由积分器500照射DMD 520。DMD 520将与照明光相对应的图像光朝着投影透镜540反射。作为其结果，从投影透镜540顺序地投影相应颜色的图像光束。 图6是示出了根据使用图4所示的照明光学系统的投影仪的另一个示范实施例的光学系统的结构的方框图。本示范实施例使用如图6 (a)所示的白色荧光材料轮600作为所述荧光材料轮，所述白色荧光材料轮产生白色荧光。因为本示范实施例使用白色荧光材料轮600，从凹面反射镜100输出白色照明光。通过颜色分离光学系统将照明光分离为红光、绿光和蓝光，以照射形成相应颜色图像的多个液晶光阀。通过合成棱镜合成已经通过相应液晶光阀的图像光束，并且经由投影透镜投影到屏幕上。下面将更加详细地描述本示范实施例的结构。从凹面反射镜100输出的白色照明光通过积分器610和偏振转换元件620，从而转换为均勻的线偏振光，并且撞击到分色镜630上。分色镜630意欲只允许红光通过其中，已经通过分色镜630的红光由镜子690进行反射，并且照射形成红光图像的液晶光阀670R。由分色镜630反射的光撞击到分色镜650上。分色镜650意欲只反射绿光，并且由分色镜650反射的绿光照射形成绿光图像的液晶光阀670G。已经通过分色镜650的蓝光由镜子640和660进行反射，并且照射形成蓝光图像的液晶光阀670B。通过合成棱镜680合成已经通过光阀670R、670G和670B的相应颜色的图像光束，
并且经由投影透镜投影到屏幕710上。图7是示出了根据使用图4所示的照明光学系统的投影仪的另一示范实施例的光学系统的结构的方框图。本示范实施例提供分别用于红色、绿色和蓝色的图4所示的照明光学系统。用于红色、绿色和蓝色的相应照明光学系统配置有红色荧光材料轮800R、绿色荧光材料轮800G和蓝色荧光材料轮800B作为荧光材料轮，其分别产生红色、绿色和蓝色。经由消光透镜组81 OR、81OG和81OB将在相应照明光学系统中产生的红色、绿色和蓝色的照明光束转换为均匀的线偏振光，并且分别照射液晶光阀830R、830G和830B。液晶光阀830R、830G和830B意欲分别形成红光、绿光和蓝光图像，并且通过分色棱镜820将已经通过液晶光阀830R、830G和830B的相应颜色的图像光束合成，并且经由投影透镜840进行投影。图8是示出了根据本发明的照明光学系统的另一示范实施例的示意性结构的图；图8(a)示出了后视图，而图8(b)示出了侧视图。
将本示范实施例应用于产生如图6和图7所示单色照明光的照明光学系统中。在使用图4和图5所示的顺序地输出不同颜色照明光束的照明光学系统来配置投影仪时，在诸如DMD或者液晶光阀之类的图像形成元件中形成的图像需要与输出光同步，并且因此需要控制荧光材料轮的旋转状态。在如图6和7所示的产生单色照明光的照明光学系统中，需要将图像形成元件和荧光材料轮的旋转状态彼此同步。本示范实施例提供了具有与突光材料轮600而不是图4所示的马达300相同旋转轴的风车轮900，使得通过来自风扇910的气流920来旋转风车轮900和荧光材料轮600。气流920也从开口 101进入箱体405 (参见图4 (e))，并且冷却荧光材料轮600。图9是示出了根据本发明的照明光学系统的另一示范实施例的示意性结构的图； 图9(a)示出了侧视图，而图9b (b)示出了后视图。在图8所示的示范实施例中，将风车轮900设置在凹面反射镜100的外部，而在本示范实施例中，将小尺寸荧光材料轮1050和风车轮1030设置在凹面反射镜1000内部。荧光材料轮1050和风车轮1030绕相同的旋转轴旋转，并且将两个风车轮1030设置在荧光材料轮1050的两侧上。将荧光材料轮1050容纳到在凹面反射镜1000内部设置的箱体1001中。将通过实质上凹面反射镜1000的焦点位置的荧光材料1051设置在荧光材料轮1050两侧上的外围附近，并且将来自设置在与凹面反射镜100中心轴垂直的位置处的多个激光光源的激励光经由在箱体1001中设置的窗口 1003辐射到荧光材料1051上。将风车轮1030设置在凹面反射镜1000内部。排出口 1010形成于凹面反射镜1000的出射表面的末端，并且由风扇910产生的气流1020从在凹面反射镜1000的背面处设置的通风口 1040进入凹面反射镜1000，旋转风车轮1030并从排出口 1010排出。图10是示出了根据本发明的照明光学系统的另一示范实施例的示意性结构的图；图10(a)示出了侧视图，而图10(b)示出了图10(a)中的荧光条1110的结构细节。本示范实施例使用荧光条1110，如图10(b)所示地向所述荧光条的两侧涂覆红色荧光材料1110R、绿色荧光材料1110G和蓝色荧光材料1110B，代替在图4所示的照明光学系统中使用的荧光材料轮400。按照以下方式将荧光条1110收纳在设置在凹面反射镜100中的箱体1120中，使得荧光条1110可移动地通过实质上凹面反射镜100的焦点位置。所述荧光条1110的末端从凹面反射镜100的背面突出，与往复驱动机制1100相连,并且通过往复驱动机制1100执行往复运动，所述往复运动通过实质上凹面反射镜100的焦点位置。狭缝1130形成于箱体1120的与凹面反射镜100的实质上焦点位置相对应的位置处，伴随着荧光条1110的往复运动，从所述狭缝中暴露出红色荧光材料1110R、绿色荧光材料1110G和蓝色荧光材料1110B的任一个。在本示范实施例中，如同在图4所示的示范实施例的情况那样，利用来自多个激光光源200的激励光201照射在荧光条1110的两侧上形成的荧光材料，以产生荧光。因为将激光光源200设置为与凹面反射镜100的中心轴垂直，沿与凹面反射镜100的中心轴垂直的方向导引所产生的荧光，并且从而能够有效地产生平行照明光。
往复驱动装置1100引起荧光条1110执行往复运动，并且将绿色荧光、红色荧光和蓝色荧光顺序地从窗口 102输出作为照明光。因为窗口 102由反射激励光201的材料制成，绝不会将作为激光的激励光201输出到外部。通过风扇1140在与往复驱动机制1100相连的荧光条1110上吹过气流1141，以便冷却荧光条1110。使用本示范实施例的投影仪的结构与图5所示的结构类似。另外，当荧光条1110使用产生如图6或图7所示的白色或单色照明光的荧光材料时，可以如图6和图7所示地配置所述投影仪。图11是示出了根据本发明的照明光学系统的另一示范实施例的示意性结构的侧视图。本示范实施例提供通过实质上凹面反射镜100的焦点位置的荧光条1200。红色荧光材料1200R、绿色荧光材料1200G和蓝色荧光材料1200B在与实质上凹面反射镜100的焦 点位置相对应的位置处形成于荧光条1200的两侧。与红色荧光材料1200R、绿色荧光材料1200G和蓝色荧光材料1200B相对应地将多个激光光源200设置成阵列形式，并且所述多个激光光源也配置为与凹面反射镜100的中
心轴垂直。在本示范实施例的情况下，可以通过选择将激励光辐射到荧光材料上的激光光源200来控制照明光。当需要红色照明光时，可以只操作将激励光辐射到红色荧光材料1200R上的激光光源200。因此，可以通过顺序地改变照明光来配置图5中所示的投影仪。另外，当需要白色光时，可以将激励光辐射到所有的红色荧光材料1200R、绿色荧光材料1200G和蓝色荧光材料1200B上。可以通过采用这种白色光源来配置图6所示的投影仪。另外，可以将红色荧光材料1200R、绿色荧光材料1200G和蓝色荧光材料1200B的任一种用作荧光材料，并且可以在这一情况下配置如图7所示的投影仪。在本示范实施例的情况下，因为要辐射到荧光材料上的区域不移动，提供了散热机制。将通风孔1220设置在凹面反射镜100的出射表面末端处，并且将排出孔1230设置在凹面反射镜100背面的中心处。另外，多个散热片1210形成在荧光条1200上，并且通过从通风孔1220引入并且从排出孔1230排出的气流冷却荧光条1200。图12是示出了根据本发明的照明光学系统的另一示范实施例的示意性结构的侧视图。本示范实施例将在图11所示的示范实施例中的分别针对红色突光材料1200R、绿色荧光材料1200G和蓝色荧光材料1200B而提供的激光光源200与一个激光光源1240相集成，并且本不范实施例提供扫描系统1250,所述扫描系统改变从激光光源1240输出的激励光的朝向。扫描系统1250的特定示例包括声光元件，当向所述声光元件施加电压时所述声光元件的折射率按照模拟方式进行调制，从而改变激光传播方向，或者包括与驱动机制等相组合的镜子。本示范实施例也可以根据与图11所示示范实施例相同的方式、按照荧光材料的结构来配置如图5至图7所示的投影仪。
本申请要求基于2010年3月26日递交的JP2010-072946A的优先权，将其公开全部结合在此作为参考。参考符号列表100凹面反射镜200激光光源
300 马达400荧光材料轮
权利要求
1.一种照明光学系统，包括 凹面反射镜； 荧光材料支撑体，所述荧光材料支撑体在实质上所述凹面反射镜的焦点位置处支撑荧光材料； 多个激光光源，在与所述凹面反射镜的中心轴垂直的位置处设置在所述凹面反射镜上，所述激光光源朝着突光材料发射激励光；以及 窗口，覆盖所述凹面反射镜的开口，所述凹面反射镜反射所述激励光，并且允许通过激励光的照射产生的荧光通过所述凹面反射镜的开口。
2.根据权利要求I所述的照明光学系统，其中所述荧光材料支撑体是在其两侧都包括所述荧光材料的旋转荧光材料轮。
3.根据权利要求2所述的照明光学系统，还包括马达，所述马达旋转所述荧光材料轮。
4.根据权利要求2所述的照明光学系统，还包括风车轮，当所述荧光材料轮旋转时，所述风车轮也旋转。
5.根据权利要求I所述的照明光学系统，其中所述荧光材料支撑体是在其两侧都包括所述荧光材料的荧光材料条；以及 所述照明光学系统包括往复运动机制，所述往复运动机制引起所述荧光条执行往复运动。
6.根据权利要求I所述的照明光学系统，其中所述荧光材料支撑体是在其两侧都包括所述荧光材料的荧光材料条；以及 与荧光材料的多个区域相对应地将所述激光光源按照阵列形式排列。
7.根据权利要求I所述的照明光学系统，其中所述荧光材料支撑体是在其两侧都包括所述荧光材料的荧光材料条， 所述照明光学系统包括扫描系统，所述扫描系统与所述激光光源相对应地设置，并且改变从相应的激光光源发射的激励光的朝向，将所述激励光辐射到所述荧光材料上。
8.根据权利要求I至7中任一项所述的照明光学系统，其中所述荧光材料包括产生红色荧光的红色荧光材料、产生绿色荧光的绿色荧光材料、和产生蓝色荧光的蓝色荧光材料。
9.根据权利要求I至7中任一项所述的照明光学系统，其中所述荧光材料是产生白色荧光的白色荧光材料。
10.根据权利要求I至7中任一项所述的照明光学系统，其中所述荧光材料是产生单色荧光的单色荧光材料。
11.一种投影仪，包括根据权利要求I至10中任一项所述的照明光学系统。
全文摘要
公开了一种照明光学系统，所述照明光学系统具有小集光率和长使用寿命，并且能有效地产生高亮度的照明光。所述照明光学系统包括凹面反射镜(100)；荧光材料支撑体(400)，所述荧光材料支撑体在实质上所述凹面反射镜的焦点位置处支撑荧光材料(401至403)；多个激光光源(200)，在与所述凹面反射镜的中心轴垂直的位置处设置在所述面反射镜上，所述激光光源朝着荧光材料发射激励光；以及窗口(102)，覆盖所述凹面反射镜的开口表面，所述凹面反射镜反射所述激励光，并且允许通过激励光的照射产生的荧光通过所述凹面反射镜的开口。
文档编号F21Y101/02GK102844706SQ20118001629
公开日2012年12月26日 申请日期2011年3月2日 优先权日2010年3月26日
发明者奥村藤男 申请人:日本电气株式会社