CN105264437A - 照明光学系统和投影仪 - Google Patents

Abstract

提供一种能够使被合成的荧光和激光的辐射角特性彼此近似的照明光学系统。该照明光学系统(1)包括激光光源(40)、荧光光源(8)、合成光学系统(50)、第一透镜(44)、第二透镜(48)和第三透镜(38)，该合成光学系统被配置为将从激光光源发射的激光和从荧光光源发射的荧光合成。第一透镜设置在激光光源和合成光学系统之间。第二透镜紧接地设置在穿过第一透镜的激光的光路上的合成光学系统的前面。第三透镜紧接地设置在从荧光光源发射的荧光的光路上的合成光学系统的前面。第一透镜的焦距和第二透镜的焦距的和被设定，使得形成在穿过第二透镜的激光和第二透镜的光轴之间的夹角的最大值基本上与形成在穿过第三透镜的荧光和第三透镜的光轴之间的夹角的最大值匹配。

Description

照明光学系统和投影仪

技术领域

本发明涉及一种照明光学系统，该照明光学系统包括：合成光学系统，该合成光学系统被配置为将从激光光源发射的激光与从荧光体发射的荧光合成；和投影仪，该投影仪包括照明光学系统。

背景技术

由于由用于液晶投影仪、DMD(数字微镜装置)投影仪等的照明光学系统中的光学扩展量(etendue)造成的限制，在不增加光源的发光面积的情况下增加光量是一个期望的目标。因此，如JP2012-141495A(下文中称之为专利文件1)和JP2011-013313A(下文中称之为专利文件2)所述，开发出了一种使用利用激发光照射来发射荧光的荧光体的照明光学系统。通过将诸如激光的激发光聚光在荧光体上的一块小面积上，能够在不增加发光面积的情况下增加光量。

在专利文件1中，描述了一种使用利用激发光照射来发射黄色荧光的荧光体的投影仪和一种发射蓝色激光的激光光源。从荧光体发射的黄色荧光包括红色光成分和绿色光成分。这样，这个投影仪能够在屏幕上投影全彩色图像。

在专利文件2中，描述了一种包括具有第一荧光体层、第二荧光体层和透射部分的轮部和用于发射蓝色激光的激光光源的照明光学系统。当第一荧光体利用来自激光光源的蓝色激光照射时，第一荧光体发射红色荧光。当第二荧光体利用蓝色激光照射时，第二荧光体发射绿色荧光。当透射部分利用蓝色激光照射时，蓝色激光透射穿过轮部。透射穿过透射部分的蓝色激光与从荧光体发射的红色荧光和绿色荧光由二向色镜进行合成。

引用列表

专利文件1：JP2012-141495A

专利文件2：JP2011-013313A

发明内容

本发明解决的问题

通常，从荧光体发射的荧光的辐射角特性不同于从激光光源发射的激光的辐射角特性。辐射角特性的差异导致在透射穿过投影仪的投影透镜的激光的分布与透射穿过投影透镜的荧光的分布之间的差异。结果，当利用通过将从荧光体发射的荧光和从激光光源发射的激光合成而获得的合成光时，颜色不均匀可能发生在被投影到屏幕上的图像中。

因此，期望提供一种能解决上述问题的照明光学系统。

解决问题的手段

根据本发明的示例性实施例的照明光学系统包括激光光源、荧光光源、合成光学系统、第一透镜、第二透镜和第三透镜，该合成光学系统被配置为将从激光光源发射的激光和从荧光光源发射的荧光合成。第一透镜设置在激光光源与合成光学系统之间。第二透镜紧接地设置在穿过第一透镜的激光的光路上的合成光学系统的前面。第三透镜紧接地设置在从荧光光源发射的荧光的光路上的合成光学系统的前面。第一透镜的焦距和第二透镜的焦距的和被设定，使得形成在穿过第二透镜的激光和第二透镜的光轴之间的夹角的最大值能够基本上与形成在穿过第三透镜的荧光和第三透镜的光轴之间的夹角的最大值匹配。

上述的配置使合成的激光和荧光的辐射角特性能够彼此近似。

附图说明

[图1]示出根据本发明的一个示例性实施例的照明光学系统的示意的配置的图。

[图2]示出在光隧道54的入射面上的黄色光的光强度的入射角依赖性(入射角-光强度分布)的曲线图。

[图3]示出在扩散板46的入射面上的蓝色激光的照度分布的图。

[图4]示出在扩散板46的入射面上的蓝色激光的光强度的入射角依赖性(入射角-光强度分布)的曲线图。

[图5]示出蓝色激光从扩散板46出射以后紧接的其光强度的出射角依赖性(出射角-光强度分布)的曲线图

[图6]示出在图1中示出的照明光学系统中的积分器上的激光和荧光的入射角的示意图。

[图7]示出在光隧道54的入射面上的黄色荧光和蓝色激光中的每个的光强度的入射角依赖性(入射角-光强度分布)的曲线图。

[图8]示出包括图1中示出的照明光学系统的投影仪的示意的配置的图。

具体实施方式

下文中，将会参考附图说明本发明的示例性实施例。图1示出根据本发明的一个示例性实施例的照明光学系统的配置。

照明光学系统1包括：荧光光源8；第一激光光源40，该第一激光光源40用于发射激光；和合成光学系统50，该合成光学系统50被配置为将从第一激光光源40发射的激光和从荧光光源8发射的荧光合成。荧光光源8包括：荧光体30，该荧光体30利用激发光照射来发射荧光；和第二激光光源10，该第二激光光源10用于发射应用于荧光体30的激发光。第一激光光源40可以是用于发射具有蓝色波长的蓝色激光的光源。荧光体30可以是用于发射具有从绿色波长到红色波长的波长范围的黄色荧光的荧光体。将这个黄色荧光和蓝色激光在合成光学系统50上合成使能够获得白光。

第二激光光源10可以是排列在平面上的多个激光二极管。每个激光二极管发射激发光以激发荧光体。激光二极管优选地是蓝色激光二极管。

从第二光源10发射的蓝色激光穿过透镜12被转换为平行光。穿过透镜12被转换为平行光(准直光)的光被聚光透镜14聚光在光隧道18的入射侧孔上。提供扩散板16用于使在透镜14和光隧道18之间的激光扩散。光隧道18是空心的光学元件，并且其左部、右部、顶部和底部的内表面是反射镜。使入射在光隧道18上的蓝色激光在光隧道的内表面上被反射多次。因此，使在光隧道18的出射部分上的光的照度分布处于均匀的状态。可使用玻璃棒(棒积分器)代替光隧道18。

从光隧道18输出的蓝色激光透射穿过透镜20以进入二向色镜22。二向色镜22在将具有长于绿色波长的波长的光透射的同时将具有蓝色波长的光反射。因此，蓝色激光在二向色镜22上被反射。在二向色镜22上被反射的蓝色激光透射穿过透镜36、34和32以照射荧光体30。荧光体30被蓝色激光激发以辐射黄色荧光。

从荧光体30辐射的黄色光依次透射穿过透镜32、34和36以及二向色镜22。透射穿过二向色镜22的黄色光透射穿过第三透镜38，其紧接地设置在从荧光体发射的荧光的光路上的合成光学系统50的前面。透射穿过第三透镜38的黄色光进入合成光学系统50。第三透镜38优选地将从荧光体30发射的荧光转换成平行光或聚光光。

合成光学系统50可以具有任何配置，只要其能将从第一激光光源10发射的激光和从荧光体30发射的荧光合成。根据示例性实施例，合成光学系统是二向色镜，该二向色镜在将未被反射的激光或荧光透射的同时将从激光光源40发射的激光或从荧光体发射的荧光反射。更准确地说，该二向色镜在将具有长于绿色波长的波长的光反射的同时将具有蓝色波长的光透射。因此，二向色镜50在将从第一激光光源10发射的蓝色激光透射的同时将从荧光体30发射的黄色光反射。

第一激光光源40可以包括排列在平面上的多个蓝色激光二极管。激光二极管从具有非常小面积的发光点辐射激光。从第一激光光源40辐射的蓝色激光穿过透镜42被转换为平行光(准直光)，然后被设置在第一激光光源40和合成光学系统50之间的第一透镜44聚光。

照明光学系统1优选地包括扩散板46，该扩散板46用于将从第一激光光源40发射的激光扩散。扩散版46设置在第一透镜44和第二透镜48之间。

第二透镜48和第一透镜44之间的距离优选地是长于第一透镜44的焦距的距离。在这种情况下，通过第一透镜44被聚光的激光的聚光部分被布置在第一透镜44和第二透镜48之间。扩散板46优选设置在穿过第一透镜44的激光的聚光部分的附近，换句话说，在第一透镜44的焦点附近。

由扩散板46扩散的蓝色激光透射穿过第二透镜48，其紧接地设置在透射穿过第一透镜44的激光的光路上的合成光学系统50的前面。透射穿过第二透镜48的蓝色激光进入二向色镜50，该二向色镜50是合成光学系统。蓝色激光透射穿过二向色镜50。透射穿过二向色镜50的蓝色激光与在二向色镜50上反射的黄色荧光进行合成。

当合成光学系统是二向色镜时，必须防止由二向色镜的入射角特性导致的反射比/透射比降低。通常，二向色镜上的入射光角度被从45度偏移，并且降低了其透射特性或反射特性。这样，根据示例性实施例，设计第二透镜48和第三透镜38，以使穿过第二透镜48和第三透镜38的光输出在二向色镜50上的入射角可以是45°±10°。

由二向色镜50合成的合成光，换句话说，蓝色激光和黄色荧光的合成光，透射穿过聚光透镜52，然后进入引起合成光的照度分布变得均匀的积分器54。聚光透镜52将合成光聚光在积分器54上。在示例性实施例中，光隧道54被用作积分器。

图2示出光隧道54的入射面上的黄色荧光的光强度的入射角依赖性(入射角-光强度分布)。在图2示出的曲线图中，为了光强度的峰值可以是“1”，光强度被归一化。如曲线图所示，被入射在光隧道54上的黄色光具有在-24°到+24°的范围内的入射角。换句话说，在光隧道54的入射面上，黄色光的入射角分布在约48°的角度范围内。

从第一激光光源40发射的激光通过准直透镜42被转换成平行光。这种平行光是具有非常小光发散和高线性度的射线。图3示出在扩散46的入射面上的蓝色激光的照度分布。在图3中，明亮的白色区域指示激光的照度是强的区域。图4示出在扩散板46的入射面上蓝色激光的光强度的入射角依赖性(入射角-光强度分布)。在图4中示出的曲线图中，为了光强度的峰值可以是“1”，光强度被归一化。在示例性实施例中，在扩散板46的入射面上的蓝色激光的尺寸(直径)是约8mm×8mm，并且蓝色激光的入射角分布在约-15°到+15°的角度范围内。

在图4示出的曲线图中，在三个位置存在光强度峰。这些峰依赖于第一激光光源40的位置，换句话说，自第一和第二透镜44和48的光轴49的距离。每个峰的底部跨距(footspread)具有约3°的非常小的角度。当图2和图4示出的曲线图互相比较时，可以理解，从第一激光光源40发射的激光的辐射角特性与黄色荧光的辐射角特性大大地不同。

图5示出从扩散板46出射以后紧接的蓝色激光的光强度的出射角依赖性(出射角-光强度分布)。在图5示出的曲线图中，光强度被归一化使得光强度的峰值可以是“1”。由扩散板46扩散的激光的出射角分布在约36°的范围内。由扩散板46扩散的激光的强度峰的位置与在扩散板46上入射之前的激光的强度峰的位置几乎相似。然而，通过扩散板46的扩散导致每个峰的跨距增加约6°。

优选地是满足条件“S>f12”，其中f12是第一透镜44的焦距，f13是第二透镜48的焦距，而S是第一透镜44和第二透镜48的之间的距离。这个条件使得蓝色激光的聚光点能够被设定在第一透镜44和第二透镜48之间。这个聚光点的图像通过第二透镜48和聚光透镜52形成在光隧道54的入射位置上。

更优选地是满足条件“f12+f13≦S”。当满足条件“f12+f13＝S”时，穿过第二透镜48的激光输出是大体上平行光。当满足条件“f12+f13﹤S”时，穿过第二透镜48的激光输出是聚光光。这样，根据第一透镜44的焦距f12和第二透镜48的焦距f13的和值，能够调整穿过第二透镜48的激光的出射角。将穿过第二透镜48的激光输出转换为平行光或聚光光使能够防止被布置于第二透镜后的透镜系统的尺寸的增大。

此处，根据本发明，第一透镜443的焦距和第二透镜48的焦距的和“f12+f13”被设定，使得穿过第二透镜48的激光72和第二透镜的光轴49之间的夹角的最大值a1能够基本上与穿过第三透镜38的荧光70和第三透镜的光轴39之间的夹角的最大值a2匹配(见图6)。透镜的光轴意指与穿过透镜的球面顶点的切平面正交的直线，穿过透镜的中心、换句话说透镜的球面顶点的直线。在图6中，为了示出穿过第二透镜48和第三透镜38的光的出射角a1和a2，当不存在二向色镜50或聚光透镜52时，该透镜的光通量用虚线表示。

如上所述地设定第一透镜44的焦距和第二透镜48的焦距的和使在合成光学系统50上被合成的蓝色激光和荧光的辐射角特性能够彼此近似。图7示出在光隧道54的入射位置上的光强度的入射角依赖性(入射角-强度分布)。在图7示出的曲线图中，用虚线表示从荧光体30发射的黄色光的光强度，而用实线表示从第一激光光源40发射的激光的光强度。来自荧光体30的荧光在峰值强度的10％的强度下具有约40°的角度范围。来自第一激光光源40的激光在峰值强度的10％的强度下具有约38°的角度范围。

如上所述合适地设定第一透镜44和第二透镜48的焦距使在光峰值强度的10％的强度下的角度范围能够近似地彼此匹配。结果，在合成光学系统50上被合成的荧光和激光的辐射角特性能够大体上彼此近似，并且能够防止合成光的颜色不均匀。从防止合成光中的颜色不均匀的任何发生的观点，期望的是在峰值强度的10％的强度下，激光的角度范围和荧光的角度范围之间的差在10％以内。在示例性实施例中，如图7所示，在峰值强度的10％的强度下，激光的角度范围和荧光的角度范围之间的差是约5％。

在示例性实施例中，布置了第一透镜44、第二透镜48和聚光透镜52，使得成像关系能够设置在扩散板46附近的聚光部分和光隧道54的入射位置之间，并且在光隧道54的入射位置，激光的入射角分布和荧光的入射角分布能近似地彼此匹配。对于在扩散板46附近的聚光部分和光隧道54的入射位置之间的成像关系，图3示出的照明尺寸优选被设定为小于在光隧道54的入射位置处的光隧道54的入射孔的尺寸。这里，因为聚光透镜52具有使来自荧光体30的荧光聚光的功能，聚光透镜52不是专门作用于来自第一激光光源40的激光的透镜。因此，聚光透镜52没有任何将荧光和激光的入射角分布平衡的功能。

这样，通过设定第一透镜44和第二透镜48的位置关系和焦距，激光至光隧道54的入射角分布被调整为近似地与荧光至光隧道54的入射角分布匹配。在这种情况下，通过利用设置在第一透镜44和第二透镜48之间的扩散板46的扩散特性，在两者透镜之间的入射角分布的匹配度能被进一步增加。

第一透镜44和第二透镜48中的至少一个透镜的位置优选地是可调整的。在示例性实施例中，支撑第一透镜44的透镜支架45是可移动的，以便改变第一透镜44的位置。因此，例如，即使当激光的聚光位置由于尺寸公差或照明光学系统1的光学部件的支撑结构而偏移时，聚光位置能被容易地微调。

如图1所示，穿过透镜42被转换为平行光(准直光)的激光被聚光于光隧道54入射侧孔上。然而，当聚光位置从光隧道54的入射侧孔偏移时，光利用率可能降低。为了防止这种降低，支撑第一透镜44的支撑单元45优选地具有移动机构。通过这种移动机构，通过调整第一透镜44的位置，能够调整激光的聚光位置。通过调整移动机构以使穿过光隧道54的光的亮度最大化，能够校正光的聚光位置的偏移。

接下来，将描述包括上述照明光学系统的投影仪。图8示出投影仪的配置的一个示例。投影仪包括示出在图1中的照明光学系统1。穿过照明光学系统1的光隧道54的光输出是合成的黄色光和蓝色光，换句话说，白光。这种白光透射穿过透镜80和82，在镜84上被反射，并进一步透射穿过透镜86。透射穿过透镜86的白光进入TIR棱镜90。已经进入TIR棱镜90的光在棱镜内被完全反射，然后进入色棱镜92。

色棱镜92将白光分成绿色光、红色光和蓝色光。在图8中，为了方便，仅示出被色棱镜92分出的绿色光的光路。被色棱镜92分出的绿色光进入绿色光数字微镜装置(DMD)96。相似地，红色光进入红色光DMD(未示出)，而蓝色光进入蓝色光DMD(未示出)。

DMD96是包括被排列在矩阵中的多个微镜的半导体投影装置。每个微镜对应于被投影图像的像素。每个微镜的角度是可调整的。进入具有某个角度(ON状态)的微镜的光朝向投影透镜98被反射，并且被放大以投影到屏幕上。

特别地，进入ON状态的微镜的绿色光、红色光和蓝色光进入色棱镜92，并且在色棱镜92上被合成。在色棱镜92上被合成的合成光穿过TIR棱镜90和投影透镜98，以被投影到屏幕上。

进入具有另一个角度(OFF状态)的微镜的光在不同于投影透镜98的方向被反射，并且不被投影到屏幕上。通过改变在每个微镜上的ON状态和OFF状态的时间比，能够调整被投影到屏幕上的图像的每个像素的灰度。

投影透镜98将由DMD形成的多种颜色的图像光投影到屏幕上。在上述的照明光学系统1中，在合成光学系统50上被合成的激光和荧光的角度-强度分布近似地彼此匹配。因此，即使在DMD96上反射之后，红色光、绿色光和蓝色光的角度分布大体上彼此匹配。

这里，考虑在ON状态的DMD的中心附近被反射的光，仅具有由投影透镜98的F-数确定的角度范围的光能够被透射穿过投影透镜98。另一方面，考虑在ON状态的DMD的周缘附近被反射的光，仅具有由投影透镜98的F-数和周缘上的光量确定的角度范围的光能够被透射穿过投影透镜98。因此，当在红色光、绿色光和蓝色光中的入射角分布方面存在差别时，颜色不均匀可能发生在被投影到屏幕上的图像或视频中。因为红色光、绿色光和蓝色光的入射角分布大体上彼此匹配，所以，通过使用根据本发明如上所述的照明光学系统1，能够防止如上面所指出的颜色不均匀。

本发明的优选的示例性实施例已经被详细地说明。然而，本发明不限于上述的示例性实施例。应当理解的是，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，能够做出各种改变和修改。

例如，上述的示例性实施例目的在于合成蓝色激光和黄色荧光的照明光学系统。然而，不限于此，照明光学系统可以是将具有任何波长的激光和具有任何波长的荧光合成的系统。另外，只要荧光光源8能发射荧光，其配置不限制于示出在图1中的配置。

附图标记

1照明光学系统

8荧光光源

10第二光源

22二向色镜

30荧光体

38第三透镜

40激光光源

42准直透镜

44第一透镜

46扩散板

48第二透镜

50合成光学系统(二向色镜)

52聚光透镜

54积分器(光隧道)

Claims (10)

1.一种照明光学系统，包括：

激光光源，所述激光光源用于发射激光；

荧光光源，所述荧光光源用于发射荧光；

合成光学系统，所述合成光学系统用于将从所述激光光源发射的所述激光和从所述荧光光源发射的所述荧光合成；

第一透镜，所述第一透镜设置在所述激光光源和所述合成光学系统之间；

第二透镜，所述第二透镜紧接地设置在穿过所述第一透镜的所述激光的光路上的所述合成光学系统前面；以及

第三透镜，所述第三透镜紧接地设置在从所述荧光光源发射的所述荧光的光路上的所述合成光学系统前面，

其中所述第一透镜的焦距和所述第二透镜的焦距的和被设定，使得在穿过所述第二透镜的所述激光和所述第二透镜的光轴之间的夹角的最大值能够基本上与在穿过所述第三透镜的所述荧光和所述第三透镜的光轴之间的夹角的最大值匹配。

2.根据权利要求1所述的照明光学系统，其中：

所述第一透镜将从所述第一激光光源发射的所述激光聚光；

在所述第二透镜和所述第一透镜之间的距离是长于所述第一透镜的焦距的距离；并且

将扩散板设置在所述第一透镜的焦点附近。

3.根据权利要求1或2所述的照明光学系统，其中：

所述第二透镜将所述激光转换为平行光或聚光光；并且

所述第三透镜将所述荧光转换为平行光或聚光光。

4.根据权利要求1到3中的任一项所述的照明光学系统，其中所述激光光源包括激光二极管阵列。

5.根据权利要求1到4中的任一项所述的照明光学系统，其中所述第一透镜和所述第二透镜中的至少一个的位置是可调整的。

6.根据权利要求1到5中的任一项所述的照明光学系统，进一步包括：

积分器，所述积分器被配置为使所述激光和所述荧光的合成光的照度分布均匀；和

聚光透镜，所述聚光透镜用于使所述合成光聚光在所述积分器的入射位置上。

7.根据权利要求1到6中的任一项所述的照明光学系统，其中：

所述荧光光源发射具有从绿色波长到红色波长的波长范围的黄色荧光；并且

所述激光光源发射具有蓝色波长的激光。

8.根据权利要求1到7中的任一项所述的照明光学系统，其中所述合成光学系统是二向色镜，所述二向色镜用于反射所述激光或所述荧光，同时透射未被反射的所述激光或所述荧光。

9.根据权利要求1到8中的任一项所述的照明光学系统，其中所述荧光光源包括荧光体和另一激光光源，所述荧光体被利用激发光照射以发射所述荧光，所述另一激光光源用于发射应用于所述荧光体的所述激发光。

10.一种投影仪，包括根据权利要求1到9中的任一项所述的照明光学系统。