CN107533279A - 光源装置、照明设备和投影仪 - Google Patents

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Abstract

提供了一种由此能有效地获得照明光的照明设备。该照明设备包括：光源装置，包括发射激发光的光源部分以及具有要用激发光照射的表面的发光元件，并且该发光元件通过用激发光照射表面而被激发，并且从而从表面发射荧光；以及照明光学系统，其调制从光源装置发射的荧光。表面上的激发光的密度分布具有遵循照明光学系统的光引入效率的分布形状的形状。

Description

光源装置、照明设备和投影仪
技术领域
本发明涉及一种具有发射荧光的发光元件的光源装置、以及一种设置有光源装置的照明设备和投影仪。
背景技术
迄今为止已经使用投影型图像显示装置，即投影仪，其将个人计算机的图像屏幕、视频图像等投影到屏幕上。尽管高亮度放电灯在作为投影仪中的光源装置之前已经成为主流，但是最近已经提出了使用诸如发光二极管(LED)、激光二极管(LD)和有机EL的半导体发光元件。
作为此类光源装置，已经提出了通过用源自发光二极管或激光的光照射荧光体来提取白光作为荧光的光源装置(参见例如专利文献1)。专利文献1中的光源装置设置有用于激发光并输出激发荧光体的激发光(蓝光)的光源以及接收激发光并发射与激发光的波长不同的波长的光的荧光体。引用列表
专利文献
专利文献1：日本未审查专利申请公开No.2013-92752说明书
发明内容
然而，荧光体的照射表面上的激发光的密度分布具有指示中心处的最大强度的高斯形状或具有所谓的礼帽形状。因此，已经不可能有效地获得照明光。
因此，期望提供一种由此有效地获得照明光的照明设备、以及一种设置有照明设备的投影仪以及在这些照明设备和投影仪中有利地使用的光源装置。
根据本公开的一个实施例的光源装置包括：光源部分，其发射激发光；发光元件，其具有要被激发光照射的表面，其中通过用激发光照射表面来激发发光元件，并且从而从表面发射荧光；以及光线控制元件，其控制要照射发光元件的表面的激发光的光密度分布，以使光密度分布具有包括中心区域和外围区域的大致截头棱锥形状，其中中心区域具有平坦的(flat，固定的)光密度，并且外围区域包围中心区域并具有随着远离中心区域单调减小的光密度。
在根据本公开的一个实施例的光源装置中，要照射发光元件的表面的激发光的光密度分布被光线控制元件控制成变为梯形形状。因此，在光源装置与例如照明光学系统组合的情况下，更有效地获得照明光。
根据本公开的一个实施例的照明设备包括：光源装置，包括发射激发光的光源部分以及具有要用激发光照射的表面的发光元件，其中通过用激发光照射表面来激发发光元件，并且从而从表面发射荧光；以及照明光学系统，其调制源自光源装置的荧光。这里，表面上的激发光的密度分布具有遵循照明光学系统的光引入效率的分布形状的形状。此外，根据本公开的一个实施例的投影仪包括根据本公开的一个实施例的照明设备。
在根据本公开的一个实施例的照明设备和投影仪中，表面上的激发光的密度分布具有遵循照明光学系统的光引入效率的分布形状的形状。因此，更有效地获得照明光。
根据本公开的一个实施例中的光源装置、照明设备和投影仪，可获得在抑制激发光的光强度的同时亮度较高的照明光。
顺便提及，本公开的效果不限于此，并且可以是将在下文中描述的任何效果。
附图说明
[图1]图1是示出根据本公开的一个实施例的光源装置的示意图。
[图2]图2是示出图1所示的发光元件的平面图。
[图3A]图3A是示出图1所示的光源装置的发光元件的表面上的光密度分布的特性图。
[图3B]图3B是示出图1所示的光源装置的发光元件的表面上的光密度分布的另一特性图。
[图4]图4是示出根据本公开的一个实施例的投影仪的示意图。
[图5]图5是示出根据实例的光使用效率的特性图。
具体实施方式
在下文中，将参照附图详细地描述本公开的实施例。顺便提及，描述将按以下顺序进行。
1.实施例(光源装置)
2.应用实例(照明设备和投影仪)
3.实例
<1.实施例>
[光源装置10的构造]
图1示出了根据本公开的一个实施例的光源装置10的轮廓构造。光源装置10具有包括多个光源的光源部分11、聚光部分12、光线控制元件13、发光元件14以及透镜15。
光源部分11朝向聚光部分12发射激发光EL，并且是其中排列有多个光源11A的光源。多个光源11A是例如将蓝色激光作为激发光EL振荡的半导体激光元件。
聚光部分12将从光源部分11发射的激发光EL会聚在发光元件14的荧光体的表面14S(稍后描述)上。
光线控制元件13控制要照射发光元件14的表面14S的激发光EL的光密度分布，并且由例如微透镜阵列配置。
发光元件14也称为荧光轮，并且是其中在由具有圆形平面形状的薄板配置的基底构件141的前表面14S1上形成荧光体层142，例如，如图2所示。顺便提及，开口141K设置在基底构件141的中心。马达14M的旋转轴(未示出)插入到开口141K中并固定在其中(图1)。发光元件14是所谓的透射型发光元件。
基底构件141用作支撑荧光体层142的基板，并且还用作散热构件。基底构件141由透明材料配置，并且具有透射要照射前表面14S1的相对侧上的后表面14S2的激发光EL的性质。基底构件141的组成材料的具体实例包括石英、玻璃、蓝宝石、晶体和YAG。此外，可在前表面14S1上设置透射激发光EL并反射荧光FL的分色镜，以便提高发光元件14的发光效率。
荧光体层142包含通过例如粘合剂(未示出)相互耦合的多个荧光体颗粒(未示出)。荧光体颗粒是吸收从外部施加的激发光EL(例如激光)并从而发射荧光FL的粒状荧光体。由具有在蓝色波长区域(例如400nm至470nm)中的波长的蓝色激光激发并发射黄色荧光(红色波长区域和绿色波长区域之间的波长区域的光)的荧光物质包含在例如荧光体颗粒中。例如，使用YAG(钇-铝-石榴石)基材料作为此类荧光物质。
在发光元件14中，当来自光源部分11的激发光EL透射通过基底构件141并且荧光体层142被激发光EL照射时，荧光体层142中包含的荧光体颗粒被激发，并且从荧光体颗粒发射与激发光EL的波长不同的波长的荧光FL。
透镜15是从发光元件14引入荧光FL并将引入的荧光FL朝向外部照射的光学系统(例如，稍后将描述的照明光学系统20)。
[光源装置10的工作和效果]
在光源装置10中，首先，激发光EL(例如，蓝色激光)从光源部分11的光源11A中的每一个振荡，并且朝向发光元件14行进。来自光源部分11的激发光EL由聚光部分12会聚，并且之后进入光线控制元件13。
在光线控制元件13中，进行控制，使得照射发光元件14的前表面14S1的激发光EL的光密度分布变成期望的形状。这里，光线控制元件13控制前表面14S1上的激发光EL的光密度分布，以便成为包括中心区域R1和外围区域R2的大致截头棱锥形状，例如，如图3A和图3B所示。中心区域R1具有固定的光密度。外围区域R2包围中心区域R1，并且具有随着远离中心区域R1单调减小的光密度。顺便提及，图3B示出了前表面14S1上的激发光EL的光密度分布，并且每条线是指示相互相等的光密度的等值线。图3A示出了沿着图3B中的IIIA-IIIA线截取的截面中的激发光EL的光密度分布。在图3A中，横轴指示表面14S上的位置(其中中心位置为0)，并且纵轴指示光密度(其中中心位置处的光密度为1)。期望当激发光EL的总体光密度分布的半值宽度为1时，外围区域R2中的激发光EL的光密度的变化斜率大于0且小于0.4。
发光元件14涉及通过用源自光源部分11的激发光EL照射荧光体层142来激发包含在荧光体层142中的荧光体颗粒，并且从而发射与激发光EL的波长不同的波长的荧光FL，例如，发射到与光源部分11的相反侧。从发光元件14发射的荧光FL被引入到透镜15中以被照射到外部。
在根据本实施例的光源装置10中，从而由光线控制元件13进行控制，使得照射发光元件14的前表面14S1的激发光EL的光密度分布变成大致截头棱锥形状。因此，在光源装置中，更有效地获得照明光。这归因于透镜15的外围边缘部发生渐晕，因为引入从发光元件14发射的荧光FL的透镜15的孔径尺寸是有限的。因此，透镜15上的光引入效率的分布形状也变成大致截头棱锥形状。通过使激发光EL的光密度分布接近透镜15的光引入效率的分布形状，可减少被挡在透镜15的外围边缘部上的光量并且因此有效地通过透镜15引入荧光FL。
<2.应用实例(照明设备和投影仪)>
[照明设备和投影仪的配置]
接下来，将参照图4描述设置有光源装置10的照明设备和投影仪100。图4是示出设置有光源装置10的投影仪100的整体配置的示意图。顺便提及，在下文中，将通过举例说明对通过反射型液晶面板(LCD)执行光调制的反射型3LCD系统投影仪进行描述。然而，发光元件1或发光元件1A也可应用于其中使用透射型液晶面板、数字微镜器件(DMD)等代替反射型液晶面板的投影仪。
参考图4，投影仪100依次设置有光源装置10、照明光学系统20、图像形成部分30以及投影光学系统40。这里，光源装置10和照明光学系统20对应于本公开的照明设备。
从靠近光源装置的位置起，照明光学系统20具有例如复眼透镜21(21A、21B)、偏光转换元件22、透镜23、分色镜24A和分色镜24B、反射镜25A和反射镜25B、透镜26A和透镜26B、分色镜27以及偏光板28A至偏光板28C。
复眼透镜21(21A和21B)允许来自光源装置10的透镜15的白光的照度分布的均匀性。偏光转换元件22用作将入射光的偏振轴线布置在预定方向上，并且将例如除P偏光以外的光转换为P偏光。透镜23将来自偏光转换元件22的光朝向分色镜24A和分色镜24B会聚。分色镜24A和分色镜24B选择性地反射预定波长区域的光，并且使其他波长区域的光选择性地透射通过。例如，分色镜24A主要在反射镜25A的方向上反射红光。此外，分色镜24B主要在反射镜25B的方向上反射蓝光。因此，主要是绿光透射通过分色镜24A和分色镜24B两者，并且朝向图像形成部分30的反射型偏光板31C(稍后描述)行进。反射镜25A将源自分色镜24A的光(主要是红光)朝向透镜26A反射，并且反射镜25B将源自分色镜24B的光(主要是蓝光)朝向透镜26B反射。透镜26B使得源自反射镜25B的光(主要是蓝光)透射通过，并且将光会聚到分色镜27。分色镜27选择性地反射绿光并使其他波长区域的光选择性地透射通过。这里，分色镜27使源自透镜26A的光中的红光分量透射通过。在其中源自透镜26A的光中包含绿光分量的情况下，分色镜27将绿光分量朝向偏光板28C反射。偏光板28A至偏光板28C包括各自具有在预定方向上的偏振轴线的偏光器。例如，在其中通过偏光转换元件22将光转换为P偏光的情况下，偏光板28A至偏光板28C使P偏光透射通过并反射S偏光。
图像形成部分30具有反射型偏光板31A至反射型偏光板31C、反射型液晶面板32A至反射型液晶面板32C以及分色棱镜33。
反射型偏光板31A至反射型偏光板31C各自使得与源自偏光板28A至偏光板28C中的每一个的偏光的偏振轴线相同的偏振轴线的光(例如P偏光)透射通过，并且反射另一偏光轴线的光(S偏光)。具体地，反射型偏光板31A使得源自偏光板28A的P偏红光在反射型液晶面板32A的方向上透射。反射型偏光板31B使得源自偏光板28B的P偏蓝光在反射型液晶面板32B的方向上透射。反射型偏光板31C使得源自偏光板28C的P偏绿光在反射型液晶面板32C的方向上透射。此外，已经透射通过分色镜24A和分色镜24B两者并进入反射型偏光板31C的P偏绿光透射通过反射型偏光板31C，并且实际上进入分色棱镜33。进一步地，反射型偏光板31A反射源自反射型液晶面板32A的S偏红光，并且使光进入分色棱镜33。反射型偏光板31B反射源自反射型液晶面板32B的S偏蓝光，并且使光进入分色棱镜33。反射型偏光板31C反射源自反射型液晶面板32C的S偏绿光，并且使光进入分色棱镜33。
反射型液晶面板32A至反射型液晶面板32C分别进行红光、蓝光和绿光的空间调制。
分色棱镜33将进入的红光、蓝光和绿光合成在一起，并且将合成光朝向投影光学系统40输出。
投影光学系统40具有透镜L41至透镜L45和镜子M40。投影光学系统40放大源自图像形成部分30的出射光，并且将光投射到例如屏幕(未示出)上。
[光源装置和投影仪的操作]
接下来，将参照图3和图4描述包括光源装置10的投影仪100的操作。
首先，在光源装置10中，驱动马达14M使发光元件14旋转。此后，作为蓝光的激发光EL从光源部分11的光源11A振荡。
激发光EL从光源11A振荡，随后激发光EL透射通过聚光部分12和光线控制元件13，以便随后照射发光元件14的荧光体层142。发光元件14的荧光体层142吸收激发光EL的一部分，从而将该部分转换为作为黄光的荧光FL，并且将荧光FL朝向透镜15发射。荧光FL透射通过透镜15并朝向照明光学系统20行进。在这种情况下，发光元件14使得未被荧光体层142吸收的剩余激发光EL朝向透镜15透射。已经透射通过发光元件14的激发光EL也透射通过透镜15并朝向照明光学系统20行进。
光源装置10使其中作为黄光的荧光FL和作为蓝光的激发光EL合成在一起的白光进入照明光学系统20。
来自光源装置10的白光依次透射通过复眼透镜21(21A和21B)、偏光转换元件22和透镜23，并且然后到达分色镜24A和分色镜24B。
主要是红光被分色镜24A反射，并且红光依次透射通过反射镜25A、透镜26A、分色镜27、偏光板28A和反射型偏光板31A，并且到达反射型液晶面板32A。进一步地，红光被反射型液晶面板32A空间调制，随后空间调制红光被反射型偏光板31A反射并进入分色棱镜33。顺便提及，在其中已经由分色镜24A反射到反射镜25A的光中包含绿光分量的情况下，绿光分量被分色镜27反射以依次透射通过偏光板28C和反射型偏光板31C并且到达反射型液晶面板32C。主要是蓝光被分色镜24B反射，并且通过类似的过程进入分色棱镜33。已经透射通过分色镜24A和分色镜24B的绿光也进入分色棱镜33。
已经进入分色棱镜33的红光、蓝光和绿光合成在一起，并且然后作为图像光朝向投影光学系统40输出。投影光学系统40放大源自图像形成部分30的图像光，并且将光投射到例如屏幕(未示出)上。
根据本公开的照明设备具有如上所述的光源装置10。因此，前表面14S1上的激发光EL的密度分布具有遵循照明光学系统20的光引入效率的分布形状的形状，即具有大致截头棱锥形状。因此，当源自光源装置10的荧光FL被引入照明光学系统20时的能量损失很小。因此，更有效地获得照明光。因此，本公开的投影仪可在抑制激发光EL的光强度的同时表现出优异的显示性能。顺便提及，这就是说，具有大致截头棱锥形状的照明光学系统20的光引入效率的分布归因于类似于在光源装置10的透镜15的外围边缘部上发生的渐晕的照明光学系统20的复眼透镜21的开口中的渐晕。进一步地，由于复眼透镜21的像差而发生的偏光转换元件22的开口中的渐晕、反射型液晶面板32A至反射型液晶面板32C等的有效开口中的渐晕也影响照明光学系统20的光引入效率的形状。
<实例>
(实例1-1至实例1-5)
制造在上述实施例中描述的光源装置10的样品。当外围区域R2中的激发光EL的光密度的变化斜率在0.1至0.4的范围内(其中，激发光的总体光密度分布的半值宽度为1)变化时，对于样品中的每一个，测量光使用效率。其结果如图5所示。这里，光使用效率是指从发光元件14输出的荧光FL的能量与照射发光元件14的激发光EL的能量的比率。在实例1-1中将斜率设定为0.1，在实例1-2中将斜率设定为0.2，在实例1-3中将斜率设定为0.3，在实例1-4中将斜率设定为0.4，并且在实例1-5中将斜率设定为0.45。顺便提及，在图5中，横轴指示激发光EL的总体光强度分布的半值宽度，并且纵轴指示光使用效率。
(比较实例1-1)
除了在不行进通过光线控制元件13的情况下将具有高斯分布形状的光密度分布的激发光施加到发光元件之外，与上述实例1-1至实例1-5类似地制作样品。获得了此类样品的光使用效率。其结果也在图5中一并示出。
(比较实例1-2)
除了将外围区域R2中的激发光EL的光密度的变化斜率设定为0以外，与上述实例1-1至实例1-5类似地制作样品。获得了此类样品的光使用效率。其结果也在图5中一并示出。
如图5所示，已发现实例1-1至实例1-5能够获得比比较实例1-1和比较实例1-2的光使用效率更高的光使用效率。
在前文中，虽然已经通过参考实施例描述了本公开，但是本公开不限于上述实施例，并且其各种修改是可能的。例如，上述实施例中描述的每个组成元件的材料、布置等仅仅是实例，而不限于此。也可采用其他材料和布置。
此外，在上述实施例中，通过举例说明所谓的透射型发光元件进行描述。然而，本公开不限于此。例如也可使用反射型发光元件。在这种情况下，基底构件141由诸如金属材料和陶瓷材料的无机材料制成。具体地，作为配置基底构件141的金属材料，例如，可提供诸如Mo(钼)、W(钨)、Co(钴)、Cr(铬)、Pt(铂)、Ta(钽)、Li(锂)、Zr(锆)、Ru(钌)、Rh(铑)和Pd(钯)的单质金属、以及包含其中一种或多种的合金。另选地，作为配置基底构件141的金属材料，也可使用诸如其中W(钨)的含量为80原子％或更高的CuW以及其中Mo(钼)的含量为40原子％或更高的CuMo的合金。此外，作为陶瓷材料，可提供包含例如SiC(碳化硅)、AlN(氮化铝)、BeO(氧化铍)、Si和SiC的复合材料或SiC和Al的复合材料(其中SiC的含量为50％或更高的复合材料)的材料。进一步地，除了诸如单质Si、SiC、金刚石和蓝宝石的晶体材料之外，还可使用石英。另外，也可在基底构件141和荧光体层142之间设置反射层。除了例如电介质多层膜之外，此类反射层例如由含有诸如Al(铝)、Ag(银)和Ti(钛)的金属元素的金属膜形成。通过设置反射层，可使从外部施加的激发光EL(例如激光)和源自荧光体层142的荧光FL被反射，并且从而提高发光元件14的发光效率。
此外，在上述实施例中，作为激发光EL的蓝色激光被施加在光源装置10中以从发光元件14提取黄色荧光，并且将提取的黄色荧光与蓝光合成以获得白光。然而，该技术不限于此。
进一步地，尽管在上述实施例中已经通过具体参考光源装置10和投影仪100的配置进行了描述，但是可不需要提供所有构成元件，并且可设置其他构成元件。
另外，尽管在上述实施例中，已经通过将微透镜阵列作为光线控制元件实例进行了描述，但是本公开不限于此。例如，光积分棒(rod integrator)、其中形成具有透镜作用的精细周期性图案的衍射元件或漫射板(其中在玻璃板或透明树脂板的表面上形成不规则结构以便适当地漫射入射光的漫射板)可用作光线控制元件。此外，虽然在照明光学系统中使用了复眼透镜，但是在本公开中也可通过在照明光学系统中使用光积分棒来实现照明光的均匀性。
顺便提及，说明书中描述的效果仅仅是说明性的，而不限于其描述，并且可能还有其他效果。此外，该技术也可具有以下此类配置。
(1)
一种光源装置，包括：
光源部分，其发射激发光；
发光元件，其具有要被激发光照射的表面，发光元件通过用激发光照射表面而被激发，从而从表面发射荧光；以及
光线控制元件，其控制要照射发光元件的表面的激发光的光密度分布，以使光密度分布具有包括中心区域和外围区域的大致截头棱锥形状，中心区域具有固定的光密度，外围区域包围中心区域并具有随着远离中心区域单调减小的光密度。
(2)
根据(1)的光源装置，其中当半值宽度为1时，外围区域中的激发光的光密度的变化斜率大于0且小于0.45。
(3)
根据(1)或(2)的光源装置，其中光线控制元件包括微透镜阵列、光积分棒、衍射元件和漫射板中的一个。
(4)
一种照明设备，包括：
光源装置，包括发射激发光的光源部分以及具有要用激发光照射的表面的发光元件，发光元件通过用激发光照射表面而被激发，并且从而从表面发射荧光；以及
照明光学系统，其调制源自光源装置的荧光，
表面上的激发光的密度分布具有遵循照明光学系统的光引入效率的分布形状的形状。
(5)
一种投影仪，包括：
照明设备；
光调制元件，其调制从照明设备输出的光；以及
投影光学系统，其投射源自光调制元件的光，
该照明设备包括：
光源装置，其包括发射激发光的光源部分以及具有要用激发光照射的表面的发光元件，发光元件通过用激发光照射表面而被激发，从而从表面发射荧光；以及
照明光学系统，其调制源自光源装置的荧光，
表面上的激发光的密度分布具有遵循照明光学系统的光引入效率的分布形状的形状。
本申请基于并要求于2015年5月15日向日本专利局提交的日本专利申请No.2005-100390的优先权，将其全部内容通过引用结合到本文中。
本领域技术人员应当理解，根据设计要求和其他因素，可发生各种修改、组合、子组合和更改，只要它们落在所附权利要求或其等同物的范围内。

Claims (5)

1.一种光源装置，包括：
光源部分，所述光源部分发射激发光；
发光元件，所述发光元件具有要用所述激发光照射的表面，所述发光元件通过用所述激发光照射所述表面而被激发，从而从所述表面发射荧光；以及
光线控制元件，所述光线控制元件控制要照射所述发光元件的所述表面的所述激发光的光密度分布，以使所述光密度分布具有包括中心区域和外围区域的大致截头棱锥形状，所述中心区域具有平坦的光密度，所述外围区域包围所述中心区域并具有随着远离所述中心区域单调减小的光密度。
2.根据权利要求1所述的光源装置，其中当将半值宽度设为1时，所述外围区域中的所述激发光的所述光密度的变化斜率大于0且小于0.45。
3.根据权利要求1所述的光源装置，其中所述光线控制元件包括微透镜阵列、光积分棒、衍射元件和漫射板中的一个。
4.一种照明设备，包括：
光源装置，包括发射激发光的光源部分以及具有要用所述激发光照射的表面的发光元件，所述发光元件通过用所述激发光照射所述表面而被激发，从而从所述表面发射荧光；以及
照明光学系统，所述照明光学系统调制源自所述光源装置的所述荧光，
所述表面上的所述激发光的密度分布具有遵循所述照明光学系统的光引入效率的分布形状的形状。
5.一种投影仪，包括：
照明设备；
光调制元件，所述光调制元件调制从所述照明设备射出的光；
以及
投影光学系统，所述投影光学系统投射源自所述光调制元件的所述光，
所述照明设备包括
光源装置，包括发射激发光的光源部分以及具有要用所述激发光照射的表面的发光元件，所述发光元件通过用所述激发光照射所述表面而被激发，从而从所述表面发射荧光；以及
照明光学系统，所述照明光学系统调制源自所述光源装置的所述荧光，
所述表面上的所述激发光的密度分布具有遵循所述照明光学系统的光引入效率的分布形状的形状。
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