CN103261964B - 照明光学系统以及包括其的投影显示设备 - Google Patents

Abstract

提供一种能在不增加光学扩展量或设备大小的情况下提高亮度的照明光学系统。该照明光学系统包括：第一光源（10），其发射第一和第二色光（R、G）；以及第二光源（20），其发射第三色光（B）。第一光源（10）具有：半导体激光器元件（11a），其发射线性偏振激光束；激发光产生装置（18），其空间和时间地分离由半导体激光器元件（11a）发射的激光束，以产生第一和第二激发光（E1、E2）；第一荧光体（12），其使用第一激发光（E1）发射第一色光（R）；以及第二荧光体（13），其使用第二激发光（E2）发射第二色光（G）。激发光产生装置（18）具有：液晶元件（14），其将入射激光束转换成偏振方向彼此正交的两种光；以及光空间分离装置（15），其用于根据在偏振方向上的差异将这两种光空间地分离成第一和第二激发光（E1、E2）。

Description

照明光学系统以及包括其的投影显示设备

技术领域

本发明涉及一种照明光学系统以及包括其的投影显示设备。

背景技术

近来，在使用液晶面板或数字微镜器件（DMD）作为显示元件的投影显示设备（即投影仪）中，使用发光二极管（LED）作为光源的技术已经成为关注的焦点（例如参见专利文献1）。

使用LED作为光源的投影仪（即，LED投影仪）具有长寿命和高可靠性的优点，这是因为LED具有长寿命/高可靠性。

引证文献列表

专利文献

专利文献1：JP2003-186110A

发明内容

技术问题

但是，如下所述，LED投影仪具有其因为光学扩展量（etendue）的限制而难以实现高亮度图像显示的问题。

在将光投影到显示元件的照明光学系统中，必需考虑到由光源的发光面积和照射角确定的光学扩展量的限制。换言之，为了有效利用来自光源的光作为投影光，必须将光源的发光面积和照射角的乘积值设定为等于或低于由照明光学系统的F数确定的显示元件的面积和捕获角的乘积值。但是，在LED中，光量小于其他光源的光量。因此，即使通过增大发光面积的大小来增大光量，这也会导致光学扩展量的提高。因此，因为光使用效率降低，所以变得不能实现高亮度图像显示。

因此，需要在不增大投影仪的光源中的发光面积的大小的情况下增大光量。但是，难以仅通过使用LED实现这一点。

从增大光量的观点来讲，除LED之外的光源可以被用作各个色光。但这并不是期望的，因为这会增加部件数量，因此增大整个投影仪的大小。

因此本发明的目的是提供一种能在不增加光学扩展量或设备大小的情况下提高亮度的照明光学系统。本发明的另一目的是提供一种包括照明光学系统的投影显示设备。

解决问题的方法

为了实现上述目的，根据本发明的照明光学系统包括：第一光源，用于发射第一色光和第二色光；以及第二光源，用于发射第三色光。第一光源包括：半导体激光器元件，其发射线性偏振激光束；激发光产生装置，用于空间和时间地分离从半导体激光器元件发射的激光束，以产生第一激发光和第二激发光；第一荧光体，其由第一激发光激发以发射第一色光；以及第二荧光体，其由第二激发光激发以发射第二色光。激发光产生装置包括：液晶元件，其将入射激光束转换成在偏振方向上彼此正交的两种光中的一种；以及光空间分离装置，用于根据两种光之间在偏振方向上的差异将由液晶元件转换的两种光分成第一激发光和第二激发光。

根据本发明的投影显示设备包括：上述照明光学系统；光学调制设备，其根据图像信号调制从照明光学系统输出的光；以及投影光学系统，其投影由光学调制设备调制的光。

本发明的有益效果

因此，本发明可以提供一种能在不增加光学扩展量或设备大小的情况下提高亮度的照明光学系统，以及包括其的投影显示设备。

附图说明

图1示出显示根据本发明第一实施例的包括照明光学系统的液晶投影仪的构造的示意图；

图2示出图1中所示的液晶投影仪的二向色棱镜的波长-透射率特性；

图3示出显示根据本发明第二实施例的包括照明光学系统的DMD投影仪的构造的示意图。

图4示出显示图3中所示的DMD投影仪中的DMD的构造的示意正视图；以及

图5示出显示图4中所示的DMD中的微镜的倾斜状态的示意截面图。

具体实施方式

以下将参考附图说明本发明的实施例。

（第一实施例）

首先将说明根据本发明第一实施例的使用液晶面板作为显示元件的投影显示设备（即液晶投影仪）的照明光学系统。

图1示出显示根据本实施例的液晶投影仪的光学系统的构造的示意图。

液晶投影仪1包括照明光学系统2，照明光学系统2包括用于发射第一色光和第二色光的第一光源，以及用于发射第三色光的第二光源。以下将说明第一色光和第二色光分别是红色光和绿色光，且第三色光是蓝色光的实例。但是，本发明不限于本实例。例如，第一色光可以是绿色光，且第二色光可以是红色光，或第三色光可以是红色或绿色光。如上所述，虽然本发明的主要特征是用于发射两种色光的第一光源的构造，但是任意光源都可以被用作第二光源。因此，可以通过考虑第二光源的构造来选择第一光源中的两种色光的组合。

第一光源10包括发射线性偏振激光束的激光光源单元（激光光源部）11，发射红色光（第一色光）R的红色荧光体（第一荧光体）12，以及发射绿色光（第二色光）G的绿色荧光体（第二荧光体）13。具体而言，在本实施例中，红色荧光体12和绿色荧光体13通过由激光束激发而发射红色光R和绿色光G。此外，第一光源10包括激发光产生装置18，其用于空间和时间地分离从激光光源单元11发射的激光束以产生第一激发光E1和第二激发光E2。第一激发光E1用于激发红色荧光体，且第二激发光E2用于激发绿色荧光体。在本实施例中，激发光产生装置18使得能够使用公共激光光源（激光光源单元11），而不使用分别用于两个独立布置的荧光体12和13的任何不同的激光光源。因此，可以避免部件数量的增加以及设备大小的随之增大。

激光光源单元11包括多个蓝色激光二极管11a作为用于发射激光束的半导体激光器元件。换言之，在本实施例中，蓝色激光束用作用于激发红色荧光体12和绿色荧光体13的激发光。激光光源单元11还包括：用于将从蓝色激光二极管11a发射的激光束转换为准直光束的准直透镜11b；用于保持蓝色激光二极管11a和准直透镜11b的机械部件11c；以及用于冷却蓝色激光二极管11a的冷却单元（未示出）。在本实施例中，各个蓝色激光二极管11a都被设置在激光光源单元11中，以便激光束的偏振方向可以平行于图1中所示的纸面。

激发光产生装置18包括时间地分离来自激光光源单元11的激光的液晶元件14，以及用于空间地分离由液晶元件14而时间地分离的两种光的二向色棱镜15。

液晶元件14用于根据施加电压改变入射激光束的偏振方向。换言之，液晶元件14可以通过在未施加电压的状态（即关闭状态）和施加电压的状态（即启动状态）之间切换而改变透射穿过液晶元件14的激光束的偏振方向。具体而言，液晶元件14可以在关闭状态下直接透射激光束，同时液晶元件14可以在启动状态下将激光束的偏振方向旋转90°以将将其透射。关闭状态和启动状态可以以时分方式切换。因此，液晶元件14可以时分地输出在偏振方向上彼此正交的两种光。

二向色棱镜15被设置在液晶元件14的出射侧上。二向色棱镜15被构造为：根据偏振方向上的两种光之间的差异，将从液晶元件14输出并在偏振方向上彼此正交的两种光（线性偏振光）空间地分离成第一激发光E1和第二激发光E2。具体而言，二向色棱镜15具有透射作为P偏振光进入二向色棱镜15的线性偏振光并反射作为S偏振光进入二向色棱镜15的线性偏振光的偏振光分离机构。因此，当液晶元件14处于关闭状态时，二向色棱镜15可以将透射穿过液晶元件14的激光束直接透射以将其输出为第一激发光E1。另一方面，当液晶元件14处于启动状态时，二向色棱镜15可以将已经由液晶元件14改变其偏振方向的激光束反射以将其输出为第二激发光E2。

而且，二向色棱镜15被构造为反射从红色荧光体12发射的红色光R并透射从绿色荧光体13发射的绿色光G。因此本实施例的二向色棱镜15除具有偏振光分离功能外还具有组合红色光R和绿色光G的功能。因此，可以进一步使设备小型化。

希望将液晶元件14构造为改变每单位时间的启动状态与关闭状态的时间比。因此，通过改变来自二向色棱镜15的第一激发光E1与第二激发光E2的产生比，可以调整每单位时间的红色光R的量与绿色光G的量的比。此外，还希望将激光光源单元的激光输出调整为与时间比同步。借助这种构造，可以根据要被显示的图像信号调整液晶元件14的开启状态与关闭状态的时间比，并且可以将激光输出调整为与时间比同步。因此，可以提升对比度并且可以降低功耗。

在本说明书中，透射穿过二向色棱镜15的P偏振光被定义为第一激发光E1，并且通过二向色棱镜15反射的S偏振光被定义为第二激发光E2。但是，毋容质疑，也可以相反的定义。

参考图2，将说明通过二向色棱镜15透射P偏振光并反射S偏振光的原理。

图2示出二向色棱镜15的波长-透射率的特性。图2示出二向色棱镜15对于P偏振光和S偏振光的透射特性曲线。

如从图2中可以理解，二向色棱镜15对于P偏振光的透射特性曲线具有相对于S偏振光向较短波长侧和较长波长侧扩展的趋势。这使得即使在相等波长的P偏振光和S偏振光进入二向色棱镜15时，也能够在透射一种偏振光的同时反射另一种偏振光。因此，通过将从激光光源11发射的激光束的波长选择为例如λ_EX，则二向色棱镜15可以透射P偏振光并反射S偏振光。

如图1中所示，聚光透镜组16和17分别被布置在红色荧光体12和绿色荧光体13的前侧。

在本实施例中，红色光R和绿色光G在相同光路上从光源10发射。但是光必须通过不同的光路进入下述液晶单元40r、40g和40b。因此，照明光学系统2在从第一光源10发射的色光RG的光路上包括第一二向色镜37，第一二向色镜37被设置为反射红色光R并透射绿色光G。在第一二向色镜37和第一光源单元10之间，经由反射镜15和聚光透镜36布置使入射光的照度分布均匀的透镜阵列33和34，以及将光的偏振方向与预定方向对准的PS转换器（偏振转换元件）35。在本实施例中，PS转换器35被设计为使从PS转换器35输出的光可以被转换成用于第一二向色镜37的S偏振光。

如上所述，激光束和荧光体用于产生红色光R和绿色光G。另一方面，作为半导体发光元件的LED用于产生蓝色光B。换言之，液晶投影仪1包括作为第二光源的蓝色LED20。

如在第一光源10的情况下，若干光学元件被布置在从蓝色LED20发射的蓝色光B的光路上。在蓝色LED20的发光侧上，经由反射镜22布置两个聚光透镜21和23以会聚从蓝色LED20发射的蓝色光B。透镜阵列24和25、PS转换器（偏振转换元件）26以及聚光透镜27被类似地布置。

根据本实施例的液晶投影仪1包括根据图像信号调制从照明光学系统2输出的色光R、G和B的液晶单元（光学调制设备）40r、40g和40b。液晶单元40r、40g和40b分别包括：用于调制色光R、G和B的液晶面板41r、41g和41b；布置在液晶面板41r、41g和41b的入射侧上的入射侧偏振板42r、42g和42b；以及布置在液晶面板41r、41g和41b的出射侧上的出射侧偏振板43r、43g和43b。

在照明光学系统10和液晶单元40r、40g和40b之间，布置用于改变色光R、G和B的光路的反射镜44r、44g和44b以及用于调整对液晶单元40r、40g和40b的入射角的聚光透镜45r、45g和45b。PS转换器26被设计为使得S偏振光可以进入反射镜44r、44g和44b。

此外，液晶投影仪1包括用于组合由液晶单元40r、40g和40b调制的色光R、G和B以输出组合光的十字二向色棱镜（cross dichroicprism）（光组合光学系统）51，以及用于在屏幕等上投影并显示组合光的投影透镜（投影光学系统）52。

以下，再次参考图1，将说明本实施例的液晶投影仪1中的投影图像的操作。

从激光光源11发射的激光束进入液晶元件14。线性偏振激光束被时间地分成直接透射穿过液晶元件14的光以及透射穿过液晶元件14且其偏振方向已经改变的光。透射穿过液晶元件14的两个线性偏振光进入二向色棱镜15。

作为P偏振光进入二向色棱镜15的线性偏振光透射穿过二向色棱镜15并被输出为第一激发光E1。随后，第一激发光E1由聚光透镜组16会聚而进入被设置在激光光源单元11的光轴上的红色荧光体12。红色荧光体12由第一激发光E1激发而发射随机偏振的红色光R。聚光透镜组16聚集从红色荧光体12发射的红色光R，以便其将进入二向色棱镜15。

另一方面，作为S偏振光进入二向色棱镜15的线性偏振光由二向色棱镜15反射并被输出为第二激发光E2。随后，第二激发光E2由聚光透镜组17会聚而进入绿色荧光体13。绿色荧光体13由第二激发光E2激发而发射随机偏振的绿色光G。聚光透镜组17聚集从绿色荧光体13发射的绿色光G，以便其进入二向色棱镜15。

红色光R由二向色棱镜15反射，同时绿色光G透射穿过二向色棱镜15。因此，红色光R和绿色光G由二向色棱镜15组合。组合的色光RG由反射镜31反射。随后，透镜阵列33和34使得组合色光RG的照射分布均匀，并且PS转换器将色光RG转换成用于第一二向色镜37的S偏振光。因此，照度分布已经均匀且偏振方向已经对准的色光RG由聚光透镜36会聚以进入第一二向色镜37。

已经进入第一二向色镜37的色光RG被分成红色光R和绿色光G。这些光分别经由反射镜44r和44g以及聚光透镜45r和45g而透射至液晶单元40r和40g。

从蓝色LED20发射的蓝色光B经由聚光透镜21和23以及反射镜22而进入透镜阵列24和25。透镜阵列24和25使蓝色光B的照度分布均匀，并且PS转换器26将蓝色光B转换成用于反射镜44b的S偏振光。随后，蓝色光B进入聚光透镜27。由聚光透镜27会聚的蓝色光B经由反射镜44b和聚光透镜45b而透射至液晶单元40b。

根据图像信号，通过液晶单元40r、40g和40b调制色光R、G和B。调制的色光R、G和B被输出至十字二向色棱镜51且由十字二向色棱镜51组合。组合光进入投影透镜52，并且通过投影透镜52被投影至屏幕等，从而被显示为图像。

如上所述，根据本实施例的照明光学系统使用半导体激光器元件和荧光体的组合作为红色光和绿色光的光源。相对于将LED用作光源的情况，这使得能够在不使发光面积的大小增大情况下增加光量。因此，通过避免增大光学扩展量，可以提高光使用效率，并且可以提升照明光学系统的亮度。因此，根据本实施例，通过使用包括液晶元件和二向色棱镜，并且能空间且时间地分离激光束的激发光产生装置，可以使用公共激光光源用于两个独立布置的荧光体。因此，也可以在不使部件的数量增加以及设备的大小随之增大的情况下实现亮度的上述提升。

在本实施例中，LED被用作用于发射第三色光的第二光源。但是，如上所述，光源不限于LED，因此可以使用除LED之外的光源。例如，第二光源可以被构造为如第一光源的情况，通过利用激光束激发荧光体而发射蓝色光。

（第二实施例）

以下将说明根据本发明第二实施例的使用数字微镜器件（DMD）作为显示元件的投影显示设备（即DMD投影仪）的照明光学系统。

图4示出显示根据本实施例的DMD投影仪的光学系统的构造的示意图。

本实施例是第一实施例的变型例，其中改变了显示元件（光学调制设备）的构造。在该实施例中，使用DMD代替第一实施例的液晶单元。因此本实施例的光学系统的布置构造相对于第一实施例被改变。但是，各个光源10和20的构造类似于第一实施例的构造。以下，以所示的类似的附图标记表示与第一实施例的构件类似的构件，并省略其说明。

在根据本实施例的照明光学系统4中，相对于第一实施例，加入用于透射红色光R和绿色光G并反射蓝色光B的第二二向色镜38。第二二向色镜38被设置在第一光源10和反射镜31之间。蓝色LED20被布置为使蓝色光B经由聚光透镜组29进入第二二向色镜38。这使得第二二向色镜38能够输出包括了三色光R、G和B的组合光RGB。在本实施例中，没有提供第一实施例中的第一二向色镜37，并且没有提供与第一实施例中的除了与第二光源（蓝色LED）20关联的聚光透镜之外的光学元件。因为输出光不必被转换成特定偏振分量的光，因此也没有提供第一实施例的偏振转换元件（PS转换器35）。

在根据本实施例的DMD投影仪3中，如下所述，通过使用单板方法投影彩色图像。因此，照明光学系统4必须不仅要在同一光路上而且还要以时分方式将红色光R、绿色光G以及蓝色光B输出为组合光RGB。因此，在本实施例中，激光光源单元11和蓝色LED20被构造为根据液晶元件14的关闭状态与开启状态的时间比而被时分地切换为开启和关闭。表1示出用于彩色图像的各个颜色分量的时分操作模式的实例。

【表1】

而且，根据本实施例的DMD投影仪3包括作为显示元件的DMD61，以及被设置在DMD61的前侧上、即DMD61和投影透镜52之间的全反射（TIR）棱镜62。在照明光学系统4和全内反射（TIR）棱镜62之间布置用于改变组合光RGB的光路的反射镜63以及聚光透镜64。

现在将说明根据本实施例的DMD投影仪3中使用的DMD61的构造。

图4（a）示出显示DMD61的构造的示意正视图，并且图4（b）是显示由图4（a）中的虚线围绕的区域附近的放大示意正视图。

DMD61包括许多以矩阵排列的微镜（像素）61a，并且被设置在DMD投影仪3中，以便光能够从图4（a）中所示的箭头方向进入。各个微镜61a都被构造为相对于与入射光正交的、被设定为旋转轴的轴61a倾斜±12°。微镜61a的旋转轴61a是形状为正方形的各个微镜61的对角线方向，并且相对于微镜61a的排列方向倾斜45°。

图5示出沿图4（b）中所示的线A-A'截取的示意截面图。图5（a）和5（b）示出分别倾斜+12°和-12°的微镜61a。在图5（a）和5（b）中，还示意性示出投影透镜52相对于微镜61a的布置。

当倾斜+12°时，微镜61a被设定为开启状态。具体而言，如图5（a）中所示，在开启状态下，进入微镜61的光（参见箭头L1）在允许其进入投影透镜52的方向（参考箭头L2）上被反射。另一方面，在倾斜-12°时，微镜61a被设定为关闭状态。具体而言，如图5（b）中所示，进入微镜61a的光（参见箭头L1）在防止其进入投影透镜52的方向（参见箭头L3）上被反射。

因此，DMD61可以通过与以时分方式进入的色光R、G和B同步地在各个微镜61a的开启状态和关闭状态之间切换而通过投影透镜52投影彩色图像。

最后，再次参考图3，将说明本实施例的通过DMD投影仪3投影图像的操作。

如在第一实施例的情况下，红色光R和绿色光G在相同的光路上从第一光源10发射出，以进入第二二向色镜38。从蓝色LED20发射的蓝色光B也经由聚光透镜组29进入第二二向色镜38。

红色光R和绿色光G透射穿过第二二向色镜38，同时蓝色光B由第二二向色镜38反射。因此，由第二二向色镜38组合了三色光。组合色光RGB由反射镜31反射。透镜阵列33和34使组合色光RGB的照度分布均匀。随后，组合光RGB由聚光透镜36会聚，以便其从照明光学系统4中射出。

从照明光学系统4输出的色光RGB经由反射镜63和聚光透镜64进入TIR棱镜62。进入TIR棱镜62的色光RGB在TIR棱镜62中的气隙表面上反射，以便其进入DMD61，并且根据图像信号由DMD61调制。调制光透射穿过TIR棱镜62，以便其进入投影透镜52，并且通过投影透镜52被投影至屏幕等，从而被显示为图像。

附图标记列表

1：液晶投影仪

2，4：照明光学系统

3：DMD投影仪

10：第一光源

11：激光光源单元

11a：蓝色激光二极管

11b：准直透镜

11c：机械部件

12：红色荧光体

13：绿色荧光体

14：液晶元件

15：二向色棱镜

16，17，29：聚光透镜组

18：激发光产生装置

20：蓝色LED

21、23、27、36、45r、45g、45b、64：聚光透镜

22、31、44r、44g、44b、63：反射镜

24、25、33、34：透镜阵列

26、35：PS转换器

37：第一二向色镜

38：第二二向色镜

40r、40g、40b：液晶单元

41r、41g、41b：液晶面板

42r、42g、42b：入射侧偏振板

40r、40g、40b：出射侧偏振板

51：十字二向色棱镜

52：投影透镜

61：DMD

62：TIR棱镜

Claims (9)

1.一种照明光学系统，包括：

第一光源，所述第一光源用于发射第一色光和第二色光；以及

第二光源，所述第二光源用于发射第三色光，

其中所述第一光源包括：

激光器元件，所述激光器元件发射线性偏振的激光束；

激发光产生单元，所述激发光产生单元用于空间和时间地分离从所述激光器元件发射的所述激光束，以产生第一激发光和第二激发光；以及

第一荧光体，所述第一荧光体由所述第一激发光激发以发射第一色光；以及

第二荧光体，所述第二荧光体由所述第二激发光激发以发射第二色光，

其中所述激发光产生单元包括：

液晶元件，所述液晶元件将所入射的激光束转换成在偏振方向上彼此正交的两种光；以及

光空间分离单元，所述光空间分离单元用于根据所述两种光之间在偏振方向上的差异，将由所述液晶元件转换的所述两种光空间地分成所述第一激发光和所述第二激发光。

2.根据权利要求1所述的照明光学系统，其中所述液晶元件根据施加电压改变所述激光束的偏振方向。

3.根据权利要求2所述的照明光学系统，其中所述液晶元件在没有被施加电压的状态下直接透射所述激光束，并且在被施加电压的状态下将所述激光束的偏振方向旋转90°来透射所述激光束。

4.根据权利要求1所述的照明光学系统，其中所述光空间分离单元具有组合从所述第一荧光体发射的所述第一色光以及从所述第二荧光体发射的所述第二色光的功能。

5.根据权利要求4所述的照明光学系统，其中光空间分离单元包括二向色棱镜，所述二向色棱镜具有从偏振方向上彼此正交的两种光中透射一种光并反射另一种光的偏振光分离机构，并且所述二向色棱镜透射所述第一或第二色光并反射剩下的第一或第二色光。

6.根据权利要求1所述的照明光学系统，其中所述第二光源包括半导体发光元件。

7.根据权利要求1所述的照明光学系统，其中所述第一色光是红色光或绿色光，所述第二色光是剩下的红色光或绿色光，并且所述第三色光是蓝色光。

8.一种投影显示设备，包括：

根据权利要求1所述的照明光学系统；

光学调制设备，所述光学调制设备根据图像信号调制从所述照明光学系统输出的光；以及

投影光学系统，所述投影光学系统投影由所述光学调制设备调制的光。

9.一种照明光学方法，包括：

第一发光过程，发射第一色光和第二色光；以及

第二发光过程，发射第三色光，

其中所述第一发光过程包括：

激光发射过程，发射线性偏振的激光束；

激发光产生过程，空间和时间地分离在所述激光发射过程中发射的所述激光束，以产生第一激发光和第二激发光；以及

第一色光发射过程，使用由所述第一激发光激发的第一荧光体来发射第一色光；以及

第二色光发射过程，使用由所述第二激发光激发的第二荧光体来发射第二色光，

其中所述激发光产生过程包括：

使用液晶元件以将所入射的激光束转换成在偏振方向上彼此正交的两种光；以及

使用光空间分离单元来根据所述两种光之间在偏振方向上的差异，将由所述液晶元件转换的所述两种光空间地分成所述第一激发光和所述第二激发光。