專利名稱：照明光學系統(tǒng)以及使用其的投影儀的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于產(chǎn)生多種顏色的照明光以形成多種顏色的圖像光的照明光學系統(tǒng)以及一種用于投影由照明光學系統(tǒng)提供的圖像光的投影儀。
背景技術：
注意力已經(jīng)集中在利用LED (Light Emitting Diodes:發(fā)光二極管)作為投影儀的光源的技術，該投影儀用于將圖像投影到屏幕上，諸如液晶投影儀和DMD (DigitalMicromirror Device:數(shù)字微鏡設備)投影儀(參見專利文獻I)。由于LED更長的操作壽命以及更高的可靠性，具有LED作為光源的投影儀提供了更長的操作壽命和更高的可靠性的優(yōu)點。 然而，因為來自LED的光作為投影儀的光具有低亮度，因此在具有LED作為光源的投影儀中不容易獲得具有足夠亮度的圖像。來自光源的可以被顯示面板用作投影光的光量受到光學擴展量(etendue)的限制。具體地，如果光源的發(fā)光面積與輻射角的乘積不等于或者小于顯示面板的入射面的面積與由照明光學系統(tǒng)的F數(shù)確定的入射角的乘積，那么來自光源的光無法有效地用作投影光。對于使用LED的光源而言，如果發(fā)光面積增大，那么可以增大光量，但是光源的光學擴展量變大。由于光學擴展量的限制，對于投影儀的光源而言，希望增大光量而不增大發(fā)光面積。然而，對于使用LED的光源而言，很難增大光量而不增大發(fā)光面積?，F(xiàn)有技術文獻專利文獻專利文獻I JP2OO3-I86IlOA

發(fā)明內容
本發(fā)明要解決的技術問題只使用LED的光源具有大光學擴展量的缺點。本發(fā)明設法實現(xiàn)一種具有小光學擴展量、較長工作壽命、以及較高亮度的照明光學系統(tǒng)。解決該問題的手段根據(jù)本發(fā)明的照明光學系統(tǒng)包括激光光源，該激光光源產(chǎn)生激發(fā)光；熒光體，該熒光體響應于激發(fā)光而產(chǎn)生熒光；光隧道，該光隧道將在其一端處輸入的激發(fā)光從其另一端輸出到熒光體，并且從其該一端輸出由熒光體產(chǎn)生的熒光；以及反射鏡，所述反射鏡放置在激光光源與光隧道之間的光路內并且反射熒光，該反射鏡具有形成于其上的允許激發(fā)光通過的開口。另外，根據(jù)本發(fā)明的投影儀包括上述照明光學系統(tǒng)。本發(fā)明的效果因為使具有高能量密度的激光作為激發(fā)光集中在熒光體上，并且使用從激光集中的位置發(fā)射的熒光，本發(fā)明能夠實現(xiàn)小的光學擴展量照明光學系統(tǒng)、較長的工作壽命、以及較高的亮度。


圖I是說明根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的照明光學系統(tǒng)的配置的方框圖。圖2A是具有開口的反射鏡102的橫截面視圖。圖2B是具有開口的反射鏡102的正視圖。圖2C是說明具有開口的反射鏡102的放置的示例的視圖。圖3A是當從由激光光源101產(chǎn)生的激光的入射面?zhèn)瓤磿r的熒光輪104的平面圖。 圖3B是說明藍色熒光區(qū)域201、綠色熒光區(qū)域202、以及紅色熒光區(qū)域203的配置的橫截面視圖。圖4是說明根據(jù)本發(fā)明的另一示例性實施例的照明光學系統(tǒng)的配置的方框圖。圖5A是說明根據(jù)本發(fā)明的又一示例性實施例的照明光學系統(tǒng)的配置的方框圖。圖5B是熒光體403的說明其配置的橫截面視圖。圖6是說明使用圖I所示的示例性實施例的照明光學系統(tǒng)的投影儀的電路配置的方框圖。圖7是說明使用圖4所示的示例性實施例的照明光學系統(tǒng)的投影儀的電路配置的方框圖。
具體實施例方式將在下文中參考附圖描述本發(fā)明的示例性實施例。圖I是說明根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的照明光學系統(tǒng)的配置的方框圖。如圖I所示，示例性實施例的照明光學系統(tǒng)包括激光光源101、具有開口的反射鏡102、光隧道103、熒光輪104、以及反射棱鏡105。具有開口的反射鏡102具有開口 106，在該開口 106上未形成反射區(qū)域。激光光源101產(chǎn)生用作波長為λ I的激發(fā)光的激光。由激光光源101產(chǎn)生的激光通過具有開口的反射鏡102的開口 106以及光隧道103，并且進入熒光輪104。具有開口的反射鏡102位于激光光源101與光隧道103之間的光路內。圖2Α是具有開口的反射鏡102的橫截面視圖，并且圖2Β是具有開口的反射鏡102的正視圖。如圖2Α和2Β所示，具有開口的反射鏡102包括反射鏡701和開口 106，該反射鏡701反射由熒光輪104產(chǎn)生的并且通過光隧道103輸出的熒光，該開口 106允許激光通過并且使激光通過光隧道103而朝向熒光輪104輸出。反射鏡701例如通過在諸如平板玻璃的透明襯底702上蒸發(fā)鋁、鉻等而形成。開口 106例如是通過在襯底702上設置非蒸發(fā)部分或者在透明襯底702上設置貫通孔而形成的。簡而言之，僅需使開口 106形成為使得其使激光(激發(fā)光)通過。襯底702的形狀并不局限于圖2Α和2Β所示的圓形，而可以是矩形以及任何其他形狀。開口 106的形狀也不局限于圓形。另外，如圖2C所不,優(yōu)選地可以將具有開口的反射鏡102布置成相對于激光傳播的方向成一定角度。
通常，在很多情況下，從半導體激光器發(fā)射的光的橫截面形狀不是圓形的，而是橢圓形的。因此，當開口 106的形狀例如是圓形時，當從圖2C中的z方向來看時開口 106的形狀是橢圓形的。因此，如果激光的橫截面的長軸的取向與開口 106的長軸的取向匹配，那么激光可以有效地通過開口 106。熒光輪104具有用于響應于由激光光源101產(chǎn)生的激光而產(chǎn)生具有不同波長的光的多個熒光產(chǎn)生區(qū)域。圖3A是當從由激光光源101產(chǎn)生的激光的入射面?zhèn)瓤磿r，即當從圖I中的左手側看熒光輪104時熒光輪104的平面圖。熒光輪104的形狀是圓形的，并且具有由它們的中心角定義的三個區(qū)域藍色熒光區(qū)域201、綠色熒光區(qū)域202、以及紅色熒光區(qū)域203。當由激光光源101產(chǎn)生的激光進入相應區(qū)域時，藍色熒光區(qū)域201、綠色熒光區(qū)域202、以及紅色熒光區(qū)域203分別產(chǎn)生藍色熒光、綠色熒光、以及紅色熒光。藍色熒光、綠色熒光、以及紅色熒光具有相應波長λ 2、λ 3、以及λ 4，其中λ2〈λ3〈λ4并且λ I是激光的波長。 圖3Β是說明藍色熒光區(qū)域201、綠色熒光區(qū)域202、以及紅色熒光區(qū)域203的配置的橫截面視圖。在圖3Β所示的藍色熒光區(qū)域201中，反射層205和藍色熒光體層206層疊在襯底204上。反射層205反射波長為λ2至λ 4的光。藍色突光體層206在波長為λ I的用于激發(fā)的激光進入該層時產(chǎn)生波長為λ2的藍色熒光。在圖3Β所示的綠色熒光區(qū)域202中，綠色熒光體層207層疊在反射層205上。綠色熒光體層207在波長為λ I的用于激發(fā)的激光進入該層時產(chǎn)生波長為λ 3的綠色熒光。在圖3Β所示的紅色熒光區(qū)域203中，紅色熒光體層207層疊在反射層205上。紅色熒光體層207在波長為λ I的用于激發(fā)的激光進入該層時產(chǎn)生波長為λ 4的紅色熒光。如上配置的熒光輪104繞其中心軸旋轉，由此從光隧道103照射的激光在各個熒光區(qū)域上移動。由激光光源101產(chǎn)生的激光進入熒光輪104的周邊附近。因此在由激光光源101產(chǎn)生的激光進入熒光輪104的狀態(tài)下，藍色熒光、綠色熒光、以及紅色熒光順序地產(chǎn)生，并且被反射層205反射以重新進入光隧道103。在本示例性實施例中，使用具有關系λ 1〈λ2〈λ3〈λ4的四個波長(λ I λ 4)的光。具有開口的反射鏡102反射波長為λ 2、λ 3、λ 4的光的大部分,并且波長為λ I的光通過開口 106。使光隧道103成錐形以便其分別用作進入面和離開面的端面具有不同大小。這改變了由每個熒光體產(chǎn)生并散射的熒光的角分布，以使熒光的分布均勻。這里描述的光隧道包括中空的且具有由反射鏡構成的內壁的光隧道；以及實心的且由透明多角柱形成以利用全反射的光隧道。后者還被稱為棒形透鏡。在本示例性實施例中，由激光光源101產(chǎn)生的激光通過具有開口的反射鏡102的開口 106，在光隧道103的一端處進入光隧道103，通過光隧道103，并且在光隧道103的另一端處朝向熒光輪104離開光隧道103。由熒光輪104順序產(chǎn)生的藍色熒光、綠色熒光、以及紅色熒光重新進入光隧道103并且在光隧道103的一端處離開光隧道103，上述藍色熒光、綠色熒光、以及紅色熒光的大部分被具有開口的反射鏡102的反射鏡701反射。此后，由反射鏡701反射的熒光被反射棱鏡105反射并且作為照明光輻射。在這里，每種熒光的大部分被反射鏡701反射的原因在于因為激光是具有非常小散布的束狀光，并且因為反射鏡102的開口 106還具有取決于光束的橫截面面積的小面積，因此波長為λ2、λ3、λ 4的光的大部分不能進入開口 106。如在上文中討論地，在根據(jù)本示例性實施例的照明光學系統(tǒng)中，均勻的紅色熒光、綠色熒光、以及藍色熒光依次出現(xiàn)，并且被用作照明光。圖4是說明根據(jù) 本發(fā)明的另一示例性實施例的照明光學系統(tǒng)的配置的方框圖。在圖I所示的示例性實施例中，使用具有三個熒光區(qū)域以從一個激發(fā)光源產(chǎn)生三種顏色熒光的熒光輪。相反地，在本示例性實施例中，設置了每一個均與每種顏色的熒光體相關的激發(fā)光源。如圖4Α所不,根據(jù)本不例性實施例的照明光學系統(tǒng)包括激光光源301、305、309 ；具有開口的反射鏡302、306、310 ;光隧道303、307、311 ;藍色熒光體304 ;綠色熒光體308 ；紅色突光體312 ;以及正交二向色棱鏡(cross dichroic prism) 3130激光光源301、305和309產(chǎn)生用作波長為λ I的激發(fā)光的激光。當由激光光源301產(chǎn)生的激光進入相應區(qū)域時，藍色熒光體304、綠色熒光體308、以及紅色熒光體312分別產(chǎn)生藍色熒光、綠色熒光、以及紅色熒光。藍色熒光、綠色熒光、以及紅色熒光具有相應波長λ 2、λ 3、λ 4，其中λ 1〈入2〈入3〈入4。藍色熒光體304、綠色熒光體308、以及紅色熒光體312具有與圖3Β所示的藍色熒光區(qū)域201、綠色熒光區(qū)域202、以及紅色熒光區(qū)域203相似的配置，其中藍色熒光體、綠色熒光體、以及紅色熒光體形成在于襯底上形成的反射層上。具有開口的反射鏡302允許波長為λ I的光通過，但是反射波長為λ 2的光的大部分。具有開口的反射鏡306允許波長為λ I的光通過，但是反射波長為λ 3的光的大部分。具有開口的反射鏡310允許波長為λ I的光通過，但是反射波長為λ 4的光的大部分。與圖I所示的光隧道103相似，使光隧道303、307、311成錐形以便其分別用作進入面和離開面的兩個端面具有不同大小。這改變了由每個熒光體產(chǎn)生并散射的熒光的角分布以使熒光的分布均勻。這里描述的光隧道包括中空的且具有由反射鏡構成的內壁的光隧道；以及實心的且由透明多角柱形成的以利用全反射的光隧道。由激光光源301產(chǎn)生的激光通過具有開口的反射鏡302以及光隧道303，并且進入藍色熒光體304。由藍色熒光體304產(chǎn)生的藍色熒光通過光隧道303，并且藍色熒光的大部分被具有開口的反射鏡302反射并且進入正交二向色棱鏡313。由激光光源305產(chǎn)生的激光通過具有開口的反射鏡306以及光隧道307，并且進入綠色熒光體308。由綠色熒光體308產(chǎn)生的綠色熒光通過光隧道307，并且綠色熒光的大部分被具有開口的反射鏡306反射并且進入正交二向色棱鏡313。由激光光源309產(chǎn)生的激光通過具有開口的反射鏡310以及光隧道311，并且進入紅色熒光體312。由紅色熒光體312產(chǎn)生的紅色熒光通過光隧道311，并且紅色熒光的大部分被具有開口的反射鏡310反射并且進入正交二向色棱鏡313。正交二向色棱鏡313允許波長為λ 3的光通過，但是反射波長為λ 2和λ 4的光。這允許由各個熒光體產(chǎn)生的熒光在相同方向上發(fā)射。在如上配置的本示例性實施例中，因為為每種顏色提供了用于產(chǎn)生熒光的單元，能夠同時產(chǎn)生多種熒光。此外，通過依次驅動激光光源301、305和309，與圖I所示的照明光學系統(tǒng)相似，可以順序輸出突光。
圖5A是說明根據(jù)本發(fā)明的又一示例性實施例的照明光學系統(tǒng)的配置的方框圖。本示例性實施例是對在圖3所示的實施例中的每個均與每種顏色相關的單元中的、由激光光源產(chǎn)生的激發(fā)光通過具有孔徑的鏡子并且進入光隧道的單元的修改。該修改旨在增大光輸出。如圖5A所示，本示例性實施例的照明光學系統(tǒng)包括激光光源401、402 ;熒光體403 ;光隧道404 ;以及具有開口的反射鏡405。激光光源401和402產(chǎn)生具有相同波長的激光以作為激發(fā)光。激光光源401是從熒光體403的與光隧道404相反的側朝向熒光體403照射的第二激光光源。圖5B是突光體403的說明其配置的橫截面視圖。如所不的,突光體403具有反射層407和熒光體層408層疊在襯底409上的配置。熒光體層408響應于由激光光源401和402產(chǎn)生的激光而產(chǎn)生具有比該激光的波長更長的波長的熒光。反射層407允許由激光光源401和402產(chǎn)生的激光通過，但是反射由熒光體層408產(chǎn)生的熒光。 具有開口的反射鏡405允許由激光光源401產(chǎn)生的激光通過，但是反射由熒光體層408產(chǎn)生的熒光。由激光光源401產(chǎn)生的激光通過反射層407，并且進入熒光體層408。由激光光源402產(chǎn)生的激光通過具有開口的反射鏡405，并且進入熒光體層408。由于來自激光光源401和402的進入的激光，熒光體層408產(chǎn)生熒光。由熒光體層408產(chǎn)生的熒光通過光隧道404,被具有開口的反射鏡405反射,并且向外輸出以用作照明光?？梢允褂脠DI所示的熒光輪以代替本示例性實施例中的熒光體403以形成用于順序輸出各個顏色的熒光的照明光學系統(tǒng)?？梢詫⒈臼纠詫嵤├械膯卧D換成產(chǎn)生不同熒光的三個單獨的單元以形成圖3所示的照明光學系統(tǒng)。圖6是說明使用圖I所示的示例性實施例的照明光學系統(tǒng)的投影儀的電路配置的方框圖。圖6所示的投影儀包括用戶界面模塊501、控制模塊502、存儲單元503、視頻信號處理模塊504、同步信號處理模塊505、LD驅動模塊506、熒光輪驅動模塊508、顯示元件驅動模塊509、旋轉狀態(tài)檢測模塊510、顯示元件511、圖I所示的激光光源101、以及圖I所示的熒光輪104。用戶界面模塊501接收從用戶輸入的指令并且將其輸出到控制模塊502。用戶界面模塊501還將投影儀的當前操作狀態(tài)顯示在諸如指示器、顯示面板等的顯示單元(未示出)上?？刂颇K502根據(jù)存儲在存儲單元503中的程序控制構成投影儀的每個模塊。存儲單元503存儲控制模塊502的控制程序，并且還臨時存儲視頻數(shù)據(jù)。視頻信號處理模塊504將從外部輸入的視頻信號轉換成在投影儀中使用的視頻信號。如上所述，因為將本示例性實施例配置成使得各個顏色的照明光從照明光學系統(tǒng)順序輸出，因此順序產(chǎn)生取決于各個顏色的視頻信號。同步信號處理模塊505將與從外部輸入的視頻信號相同步的同步信號轉換成在投影儀中使用的視頻信號。具體地，同步信號處理模塊505產(chǎn)生并輸出下述同步信號，該同步信號指示用于輸出各個顏色的視頻信號的時間。LD驅動模塊506取決于由同步信號處理模塊505輸出的同步信號來控制激光光源101的發(fā)光狀態(tài)。旋轉狀態(tài)檢測模塊510檢測熒光輪104的旋轉狀態(tài)，并且將結果輸出到熒光輪驅動模塊508。熒光輪驅動模塊508控制熒光輪104的旋轉狀態(tài)以便在由同步信號處理模塊505輸出的同步信號中指示的視頻信號的顏色與由照明光學系統(tǒng)輸出的顏色相匹配，并且由通過旋轉狀態(tài)檢測模塊510檢測到的熒光輪104的旋轉狀態(tài)來指示。顯示元件驅動模塊509取決于由視頻信號處理模塊輸出的視頻信號來驅動顯示 元件511。在這里，使用下述反射型成像元件和諸如透射式液晶顯示元件、反射式液晶顯示元件等的、用于順序顯示各個顏色的圖像的顯示元件，作為顯示元件511，在該反射型成像元件中將多個微鏡布置成矩陣形式并且由于每個微鏡的反射狀態(tài)而形成圖像。在如上配置的投影儀中，將基于從照明光學系統(tǒng)順序輸出的各個顏色的照明光來顯示與各個顏色相對應的圖像的顯示元件511照亮，并且通過照明光學系統(tǒng)(未示出)順序地投影顯示元件511的反射圖像或透射圖像。圖7是說明使用圖4所示的示例性實施例的照明光學系統(tǒng)的投影儀的電路配置的方框圖。圖7所示的投影儀包括用戶界面模塊501、控制模塊502、存儲單元503、視頻信號處理模塊504、同步信號處理模塊505、LD驅動模塊506'、顯示元件驅動模塊509'、顯示元件511、以及圖4所示的激光光源301、305和309。用戶界面模塊501、控制模塊502、存儲單元503、視頻信號處理模塊504、同步信號處理模塊505的配置和操作與圖6中所示的相似，并且通過由圖6中的相同附圖標記來表示它們而省略其說明。LD驅動模塊506'取決于由同步信號處理模塊505輸出的同步信號控制激光光源301、305和309的發(fā)光狀態(tài)。顯示元件驅動模塊509'取決于由視頻信號處理模塊輸出的視頻信號來驅動顯示元件511'。在這里,與圖6所示的顯示元件511相似,使用下述反射型成像元件和諸如透射式液晶顯示元件、反射式液晶顯示元件等的、用于順序顯示各個顏色的圖像的顯示元件，作為顯示元件511'，在該反射型成像元件中將多個微鏡布置成矩陣形式并且由于每個微鏡的反射狀態(tài)而形成圖像。因而LD驅動模塊506'根據(jù)由顯示元件511'顯示的圖像的顏色來向激光光源301、305和203供電。透射式液晶顯示元件和反射式液晶顯示元件可以包括用于顯示彩色圖像的顯示元件。當執(zhí)行彩色顯示的顯示元件用作顯示元件511'時，LD驅動模塊506'同時向激光光源301,305和309供電。在如上配置的投影儀中，將基于從照明光學系統(tǒng)順序輸出的各個顏色的照明光來顯示與各個顏色相對應的圖像的顯示元件511'照亮，并且通過照明光學系統(tǒng)(未示出)順序地投影顯示元件511'的反射圖像或透射圖像。僅通過示例給出了在上述實施例中的、在附圖中說明的配置，并且本發(fā)明不局限于此。附圖標記說明101激光光源
102具有開口的反 射鏡103光隧道104熒光輪105反射棱鏡
權利要求
1.一種照明光學系統(tǒng)，包括 激光光源，所述激光光源產(chǎn)生激發(fā)光； 熒光體，所述熒光體響應于所述激發(fā)光而產(chǎn)生熒光； 光隧道，所述光隧道將在所述光隧道的一端處輸入的所述激發(fā)光從所述光隧道的另一端輸出到所述熒光體，并且從所述光隧道的所述一端輸出由所述熒光體產(chǎn)生的所述熒光；以及 反射鏡，所述反射鏡放置在所述激光光源與所述光隧道之間的光路內并且反射所述熒光，所述反射鏡具有形成于所述反射鏡上的、允許所述激發(fā)光通過的開口。
2.根據(jù)權利要求I所述的照明光學系統(tǒng)，其中所述熒光體是具有多個熒光區(qū)域的熒光輪，所述多個熒光區(qū)域產(chǎn)生具有不同波長的熒光，使所述熒光輪旋轉，由此在所述熒光輪上的被所述光隧道照射的位置在各個熒光區(qū)域上移動。
3.一種照明光學系統(tǒng)，包括多個單元，每個單元由根據(jù)權利要求I所述的照明光學系統(tǒng)構成，其中每個單元中的所述熒光體產(chǎn)生具有不同波長的熒光，并且其中每個單元進一步包括正交二向色棱鏡，所述正交二向色棱鏡輸入來自所述單元的輸出光并且將所述輸出光在相同方向上輸出。
4.根據(jù)權利要求I至3中任何一項所述的照明光學系統(tǒng)，其中所述照明光學系統(tǒng)進一步包括第二光源，所述第二光源從熒光體的與所述光隧道相反的側朝向所述熒光體發(fā)射激發(fā)光，并且其中所述熒光體包括反射層，所述反射層位于所述第二光源側，允許所述激發(fā)光通過，但是反射所述熒光；以及熒光體層，所述熒光體層位于所述光隧道側。
5.一種具有根據(jù)權利要求I至4中的任何一項所述的照明光學系統(tǒng)的投影儀。
全文摘要
公開的照明光學系統(tǒng)本具有小光學擴展量、長工作壽命、以及高亮度。該照明光學系統(tǒng)設置有激光光源，其產(chǎn)生激發(fā)光；熒光體，其由于該激發(fā)光而產(chǎn)生熒光；光隧道，其將在一端入射的激發(fā)光從另一端朝向熒光體出射，并且將由熒光體產(chǎn)生的熒光從該一端出射；以及反射鏡，其放置在激光光源與光隧道之間的光路內，反射熒光，并且具有允許激發(fā)光通過的開口。
文檔編號G03B21/00GK102884478SQ20108006666
公開日2013年1月16日 申請日期2010年5月21日 優(yōu)先權日2010年5月21日
發(fā)明者加藤厚志 申請人:Nec顯示器解決方案株式會社