CN113168082A - 光源光学系统，光源装置和图像投影装置 - Google Patents

光源光学系统，光源装置和图像投影装置 Download PDF

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Abstract

一种与配置为发射第一色光的激励光源一起使用的光源光学系统包括：波长转换单元，配置为接收由所述激励光源发射的所述第一色光，并且射出具有与所述第一色光的波长不同的波长的第二色光；以及具有正光焦度的第一光学系统和具有正光焦度的第二光学系统，顺序设置在所述激励光源和所述波长转换单元之间的光路上。所述第一光学系统具有当平行于所述第一光学系统的光轴的光线入射时从所述第一光学系统射出的光线一边靠近所述光轴一边入射到第二光学系统那样的光学特性。所述第二光学系统相对所述第二光学系统的近轴焦点位置具有校正不足的球面像差。

Description

光源光学系统，光源装置和图像投影装置
技术领域
本公开涉及一种光源光学系统，光源装置和图像投影装置。
背景技术
放大并投影各种图像的投影仪(图像投影装置)得到广泛使用。投影仪将光源发出的光聚光到诸如数字微镜器件(DMD)或液晶显示元件之类的空间光调制元件，将根据图像信号调制的来自空间光调制元件的射出光作为彩色图像显示在屏幕上。
投影仪在许多情况下使用例如高亮度的超高压汞灯。但是，这种灯的寿命短，经常需要维护。因此，使用例如激光或发光二极管(LED)代替超高压汞灯的投影仪的数量正在增加。这是因为与超高压水银灯相比，激光或LED具有更长的寿命，且由于其单色性，色彩再现性也良好。
投影仪用诸如红、绿、蓝这三种原色的三种颜色的光照射诸如DMD的图像显示元件以形成图像。三种颜色都可以由激光源产生。然而，这是不希望的，因为绿色激光器和红色激光器具有比蓝色激光器低的发光效率。因此，使用将蓝色激光作为激励光照射荧光体、从在荧光体经波长转换的荧光光生成红光和绿光的方法。专利文献1和2公开了使用(作为组合)这样的激光源和荧光体的光源光学系统。
专利文献1公开了一种照明光学系统，该照明光学系统包括激励光源，荧光体单元，以及位于激励光源与荧光体单元之间的光路上、用于使激励光的强度分布接近均一状态的扩散板。专利文献2公开了一种光源装置，该光源装置包括：多个光源；波长转换元件；以及位于多个光源与波长转换元件之间的光路上的多个反射镜阵列和透镜阵列。
引文列表
专利文献
【专利文献1】JP-6090875-B
【专利文献2】JP-2017-194523-A
发明内容
技术问题
为了提供更明亮的投影仪，对投影仪的用于提高光利用效率的需求增加。荧光体的光利用效率根据入射在荧光体上的激励光的能量密度而变化。当入射的激励光具有高能量密度时，温度升高并且存在于荧光体中可以激励的电子减少，因此，效率降低。为了解决这个问题，可以使能量密度均匀，可以增大光斑尺寸，从而提高光利用效率。
当增加荧光体上的激励光的光斑尺寸以抑制荧光体中的激励光的能量密度时，在下游(后续)的光学系统中光线的渐晕量增加。渐晕量增加会降低整个投影仪的光利用效率。为了提高投影仪的光利用效率，重要的是使能量密度均匀并获得最佳光斑尺寸。
在上述专利文献1中，由于在激励光源与荧光体单元之间设置有扩散板，因此，入射在荧光体单元的激励光的强度降低，投影仪整体的光利用效率降低。在上述专利文献2中，反射镜阵列和透镜阵列会导致装置尺寸大型化、复杂化、和高成本化。另外，反射镜阵列和透镜阵列的吸收会降低入射在荧光体单元的激励光的效率。
基于对上述缺点的认识而完成了本公开的实施例，本发明的目的是提供一种具有高的光利用效率且能减小尺寸的光源光学系统，光源装置，和图像投影装置。
解决问题的方案
根据本实施例的光源光学系统是与配置为发射第一色光的激励光源一起使用的光源光学系统。光源光学系统包括：波长转换单元，配置为接收由所述激励光源发射的所述第一色光，并且射出具有与所述第一色光的波长不同的波长的第二色光；以及具有正光焦度的第一光学系统和具有正光焦度的第二光学系统，顺序设置在所述激励光源和所述波长转换单元之间的光路上。所述第一光学系统具有当平行于所述第一光学系统的光轴的光线入射时从所述第一光学系统射出的光线一边靠近所述光轴一边入射到第二光学系统那样的光学特性。所述第二光学系统相对所述第二光学系统的近轴焦点位置具有校正不足的球面像差。
本发明的效果
利用本发明，可以提供具有高的光利用效率并且可以减小尺寸的光源光学系统，光源装置和图像投影装置。
附图说明
附图旨在描述本发明的示例实施例，而不应被解释为限制其范围。除非明确说明，否则附图不应视为按比例绘制。而且，相同或相似的附图标记在若干视图中表示相同或相似的组件。
图1示意性地表示根据第一实施例的投影仪。
图2示意性地表示根据第一实施例的光源装置。
图3A表示根据第一实施例的荧光体轮的具体结构。
图3B表示根据第一实施例的荧光体轮的具体结构。
图4示意性地表示色轮。
图5表示通过第一光学系统和第二光学系统的光线的示例。
图6A表示第二光学系统校正不足的球面像差的示例。
图6B表示第二光学系统校正不足的球面像差的示例。
图7表示相对于荧光体轮的入射面的正侧和负侧。
图8表示在校正不足侧和校正过度侧的荧光体上的激励光的斑点的示例。
图9表示从第一光学系统到荧光体轮的入射面的光线轨迹。
图10表示当球面像差校正不足时的光线的概况。
图11是表示包括第一光学系统和第二光学系统的合成光学系统的像面弯曲的像差图。
图12表示来自各光源和各准直透镜的光束的焦点之间的位置关系。
图13表示来自各光源和各准直透镜的光束的边缘光线。
图14A表示在荧光体轮的入射面上的光束的轮廓。
图14B表示在荧光体轮的入射面上的光束的轮廓。
图15表示荧光体轮上的实际斑点形状的示例。
图16表示在光轴方向的正侧和负侧的荧光体上的激励光的斑点的示例。
图17示意性地表示根据第二实施例的光源装置。
图18A表示根据第二实施例的荧光体轮的具体结构。
图18B表示根据第二实施例的荧光体轮的具体结构。
图19示意性地表示根据第三实施例的光源装置。
图20示意性地表示根据第四实施例的光源装置。
图21A表示根据第四实施例的荧光体轮的具体结构。
图21B表示根据第四实施例的荧光体轮的具体结构。
图22示意性地表示根据第五实施例的光源装置。
图23A表示根据第五实施例的荧光体轮的具体结构。
图23B表示根据第五实施例的荧光体轮的具体结构。
图24表示通过根据第六实施例的光源装置的第一光学系统和第二光学系统的光线的示例。
图25示意性地表示根据第六实施例的光源装置。
具体实施方式
本文所使用的术语仅出于描述特定实施例的目的，并不旨在限制本发明。如本文所用，单数形式“一”、“一个”、和“该”也旨在包括复数形式，除非上下文另外明确指出。
在描述附图中示出的实施例时，为了清楚起见采用特定术语。然而，本说明书的公开内容并不旨在限于如此选择的特定术语，并且应当理解，每个特定元件包括具有相似功能、以相似方式操作并且获得相似结果的所有技术等同物。
第一实施例
图1示意性地表示根据第一实施例的投影仪(图像投影装置)1。
投影仪1包括壳体10，光源装置20，光均匀化元件30，照明光学系统40，图像形成元件(图像显示元件)50，和投影光学系统60。
壳体10收纳光源装置20，光均匀化元件30，照明光学系统40，图像形成元件50，和投影光学系统60。
光源装置20射出例如包括与RGB的各色对应的波长的光。下文将详细描述光源装置20的内部构造。
光均匀化元件30通过混合光源装置20射出的光使其均化。光均匀化元件30的示例包括组合四片反射镜的光隧道、棒状积分器、蝇眼透镜。
照明光学系统40利用由光均匀化元件30均匀化的光大致均匀地照明图像形成元件50。照明光学系统40包括例如至少一个透镜和至少一个反射面。
图像形成元件50具有诸如数字微镜器件(DMD)、透射型液晶面板、反射型液晶面板的光阀。图像形成元件50通过调制由照明光学系统40照明的光(来自光源装置20的光源光学系统的光)形成图像。
投影光学系统60将由图像形成元件50形成的图像放大投影到屏幕(投影面)70。投影光学系统60例如包括至少一个透镜。
图2示意性地表示根据第一实施例的光源装置20。
光源装置20具有按照光传播方向顺序配置的激光光源(激励光源)21、准直透镜22、第一光学系统23、偏振光分束器24、1/4波长板25、第二光学系统26、荧光体轮(波长转换单元、荧光体单元)27、聚光透镜28、以及色轮29。例如，光源装置20之中，由除激光光源21以外的构成要素构成“光源光学系统”。
激光光源21具有多个光源(固体光源)。在图2中，描绘了沿上下方向排列的六个光源，而实际上，六个光源在与纸面垂直的方向(纵深方向)上排列成四列，6×4＝24个光源排列成二维状。激光光源21的各光源作为使得设在荧光体轮27的荧光区域(波长转换区域)27D(稍后描述)的荧光体激励的激励光B(第一色光)，例如，射出发光强度的中心波长为455nm的蓝色频带的光(蓝色激光)。从激光光源21的各光源射出的蓝色激光是偏振状态为一定的线偏振光，配置为相对于偏振光分束器24的入射面成为S偏振光。从激光光源21的各光源射出的蓝色激光是相干光。从激光光源21的各光源射出的激励光B只要是能使得荧光体轮27的荧光区域27D的荧光体激励的波长的光即可，并不限定为蓝色频带的光。激光光源21的光源的个数不限于24个，可以是1～23个，也可以是25个以上。激光光源21可以构成为作为将多个光源阵列状配置在基板上的光源单元。但是，在确定激光光源21的具体实施形态上有一定的自由度。
准直透镜22包括24个准直透镜，对应于激光光源21的24个光源。每个准直透镜22将由激光光源21的各光源射出的激励光B调节为大致平行的光。准直透镜22的数量可以根据激光光源21的光源数量的增加或减少而增加或减少，以对应于激光光源21的光源数量。
第一光学系统23整体具有正光焦度(positive power)，从激光光源21侧向荧光体轮27侧依次包括正透镜23A和负透镜23B。第一光学系统23一边使经过准直透镜22成为大致平行光而入射的激励光B收敛，一边将其导入偏振光分束器24。对第一光学系统23的具体结构和效果将在下文进行详细说明。
偏振光分束器24具有涂层，该涂层反射从第一光学系统23导出的激励光B的波长频带的S偏振光(第一偏振光成分)，而透射从第一光学系统23导出的激励光B的波长频域的P偏振光(第二偏振光成分)以及来自荧光体轮27的荧光光(第二色光)。在第一实施例中，使用平板状的偏振光分束器24，但是也可以使用棱镜型的偏振光分束器24。在第一实施例中，偏振光分束器24反射激励光B的波长频域的S偏振光，透射P偏振光，但是，偏振光分束器24也可以反射激励光B的波长频域的P偏振光，透射S偏振光。
1/4波长板25以其光轴相对于在偏振光分束器24反射的激励光B的线偏振光倾斜45°的状态配置。1/4波长板25将在偏振光分束器24反射的激励光B从线偏振光转换为圆偏振光。
第二光学系统26整体上具有正光焦度，从激光光源21侧向荧光体轮27侧依次包括正透镜26A和正透镜26B。第二光学系统26一边使得通过1/4波长板25转换为圆偏振光入射的激励光B收敛，一边将激励光B导向荧光体轮27。将在后文详细说明第二光学系统26的具体构造和有益效果。
从第二光学系统26导出的激励光B入射到荧光体轮27。图3A和图3B表示荧光体轮27的具体结构。荧光体轮27包括圆盘构件(基板)27A和驱动电机(驱动构件)27C，驱动电机(驱动构件)27C绕旋转轴27B旋转，驱动圆盘构件27A。圆盘构件27A可以使用但不限于例如透明基板或金属基板(铝基板等)。
荧光体轮27(圆盘构件27A)的周向的大部分(在第一实施例中，大于270°的角度范围)划分为荧光区域27D，周向的小部分(在第一实施例中，小于90°的角度范围)划分为激励光反射区域27E。
荧光区域27D从下层侧向上层侧依次层叠反射涂层27D1，荧光体层27D2，和防反射涂层(AR涂层)27D3而构成。
反射涂层27D1具有反射荧光体层27D2发出的荧光光(发光光)的波长区域的光的特性。在圆盘构件27A由反射率高的金属基板构成的情况下，也可以省略反射涂层27D1(也可以使得圆盘构件27A具有反射涂层27D1的功能)。
作为荧光体层27D2，可以使用例如将荧光体材料分散在有机/无机粘合剂内的材料、直接形成荧光体材料晶体的材料、Ce:YAG类等稀土类荧光体。荧光体层27D2发出的荧光光(发光光)的波长频域可以使用例如黄色、蓝色、绿色、红色的波长频域，在第一实施例中，以使用具有黄色波长频带的荧光光(发光光)为例进行说明。在本实施例中用荧光体作为波长转换元件，但也可以使用磷光体、非线性光学晶体等。
防反射涂层27D3具有防止荧光体层27D2的表面的光的反射的特性。
在激励光反射区域27E上层叠反射涂层(反射面)27E1，反射涂层(反射面)27E1具有反射由第二光学系统26导出的激励光B的波长区域的光的特性。在圆盘构件27A由反射率高的金属基板构成的情况下，也可以省略反射涂层27E1(也可以使圆盘构件27A具有反射涂层27E1的功能)。
圆盘构件27A由驱动电机27C驱动旋转，因此，荧光体轮27上的激励光B的照射位置随着时间而移动。其结果，入射到荧光体轮27上的激励光B(第一色光)的一部分在荧光区域(波长转换区域)27D转换成波长与激励光B(第一色光)的波长不同的荧光光Y(第二色光)射出。入射到荧光体轮27上的激励光B的另一部分在激励光反射区域27E保持激励光B状态反射而射出。
可以自由地确定荧光区域27D和激励光反射区域27E的数量和范围，并且可以在设计上进行各种改变。例如，两个荧光区域和两个激励光反射区域可以在圆周方向上以90°的间隔交替配置。
再参照图2进行说明。在荧光体轮27的激励光反射区域27E反射的激励光B成为逆向的圆偏振光，再次通过第二光学系统26和1/4波长板25，转换为P偏振光。转换为P偏振光的激励光B透过偏振光分束器24，通过聚光透镜28入射到色轮29。
入射到荧光体轮27的荧光区域27D的激励光B转换为荧光光Y射出。该荧光光Y因第二光学系统26成为大致平行光，通过1/4波长板25，透过偏振光分束器24，通过聚光透镜28入射到色轮29。
图4示意性地表示色轮29。色轮29具有沿周向划分的蓝色区域B、黄色区域Y、红色区域R、绿色区域G。蓝色区域B与荧光体轮27的激励光反射区域27E对应，黄色区域Y、红色区域R、绿色区域G分别与荧光体轮27的荧光区域27D对应地同步。通过在蓝色区域B配置透射扩散板(省略图示)，能够降低激光光源21的相干性，能够降低屏幕70上的斑点。黄色区域Y使得从荧光体轮27发出的黄色波长区域的光直接透过。红色区域R、绿色区域G分别通过使用二向色镜，反射黄色波长中不需要的波长区域的光，得到高纯度颜色的光。由色轮29分时制作的各色光从光均匀化元件30通过照明光学系统40导向图像形成元件50，形成与各色对应的图像，由投影光学系统60放大投影到屏幕70，从而获得彩色图像。
在第一实施例中，作为光源光学系统，包括激光光源21，荧光体轮27，以及顺序设在激光光源21和荧光体轮27之间的光路上的具有正光焦度的第一光学系统23和具有正光焦度的第二光学系统26。
S偏振光的激励光B通过第一光学系统23，而荧光光Y不通过第一光学系统23。S偏振光的激励光B，P偏振光的激励光B，以及荧光光Y通过第二光学系统26。这样，第一光学系统23和第二光学系统26的区别在于，荧光光Y不通过第一光学系统23，荧光光Y通过第二光学系统26。此外，第一光学系统23和第二光学系统26在最大空气间隔的部位分开。
下面描述第一光学系统23和第二光学系统26的透镜数据和非球面数据。
[表1]
[透镜数据]
Figure BDA0003086743720000081
[表2]
[非球面数据]
K A4 A6 A8
第6面 -0.5587 3.4062E-05 -2.4706E-07 -2.1131E-09
第7面 -10.8169 4.8564E-05 -6.3144E-07 2.2753E-09
如透镜数据和非球面数据中所示，在第一光学系统23中，正透镜23A具有双凸形状，负透镜23B具有双凹形状。在第二光学系统26中，正透镜26A具有双凸形状，正透镜26B具有向物体侧凸出的平凸形状。正透镜26A的两面形成非球面。第二光学系统26的构成不限于此。例如，既可以正透镜26A仅一面形成非球面，也可以正透镜26B的两面或一面形成非球面。除了正透镜23A和负透镜23B之外，第一光学系统23还可以包括另一透镜。除了正透镜26A和正透镜26B之外，第二光学系统26还可以包括另一透镜。尽管未图示，但是可以在光源光学系统的光路中的任何位置(例如，紧接在第一光学系统23的正透镜23A之前的位置)设置用于调节激励光B的光量的孔径光阑。
图5表示通过第一光学系统23和第二光学系统26的光线的示例。如图5所示，第一光学系统23具有如下光学特性：当平行于第一光学系统23的光轴A的光线入射到第一光学系统23时，从第一光学系统23射出的光线相对于光轴A成角度θ一边接近(一边聚光)一边入射到第二光学系统26。由此，以荧光体轮27的入射面为基准，入射到第二光学系统26的光的聚光点F0形成在第二光学系统26侧(近侧)。因此，获得了更大的均匀的图像，能提高荧光体轮27的光转换效率。
如图6A和图6B所示，第二光学系统26在第二光学系统26的近轴焦点位置处具有校正不足(under-corrected)的球面像差。图6A和图6B表示平行光入射到第二光学系统26的情况，实际上，第一光学系统23的会聚光入射到第二光学系统26。不管入射到第二光学系统26的是平行光或会聚光，第二光学系统26都具有校正不足的球面像差。
在图7中，以荧光体轮27的入射面作为基准，将第二光学系统26侧定义为“负侧(近侧)”，将与第二光学系统26相反侧定义为“正侧(里侧)”。第二光学系统26的近轴焦点位置设置在“正侧(里侧)”。
如图6和图7所示，第一光学系统23和第二光学系统26的焦点(焦点位置)F0相对于荧光体轮27的入射面位于“负侧(近侧)”，第二光学系统26的近轴焦点位置相对于荧光体轮27的入射面位于“正侧(里侧)”。通过如上所述设定第一光学系统23和第二光学系统26的位置及光学特性，可以将荧光体上的激励光B的光点设为具有适当的大小、均匀的形状、和均匀的强度，从而提高荧光体轮27的光转换效率。
与第二光学系统26一样，第一光学系统23也在第一光学系统23的近轴焦点位置处具有校正不足的球面像差。由于第一光学系统23具有校正不足的球面像差，因此，能使得处于离开光轴A的位置的光源光束易聚光在第一光学系统23侧。
图8表示在校正不足侧和校正过度侧的荧光体上的激励光的光点的示例。由于第二光学系统26在近轴焦点位置处具有校正不足的球面像差，如图8所示，在校正不足侧，表示入射的均匀光在中心部和周边部成为高强度那样的分布，在校正过度侧，表示与入射的均匀光对应的均匀的分布。
如上所述，第一光学系统23和第二光学系统26的焦点(焦点位置)F0形成在负侧。因此，荧光体光点的分布接近图8中的过度校正侧的分布，更容易成为均匀光点。
相反，当构成第一光学系统23，使得从第一光学系统23发射的光发散(离开光轴A)时，焦点F0成为正侧，成为图8的校正不足侧那样的、具有多个极值那样的斑点，从而降低了荧光体的转换效率。当第二光学系统26的近轴焦点位置配置在负侧时，也能得到图8的过度校正侧所示那样的均匀的模糊斑点。然而，第二光学系统26与荧光体轮27之间的距离变远，从荧光体射出的荧光的捕获效率降低。
在第一实施例中，第二光学系统26的近轴焦点位置配置在正侧，配置第一光学系统23，使得射出聚焦光，通过将焦点F0形成在负侧，从而获得均匀的图像，提高荧光体的转换效率和捕获从荧光体射出的荧光的效率。
如图9所示，在第一光学系统23的最靠近激光光源21侧的外径范围内，在与光轴A正交、且离开光轴A的方向以相等的间距配置四个点O1，O2，O3和O4。当从四个点O1，O2，O3和O4发射与光轴A平行的光线时，规定从第二光学系统26射出的光线与荧光体轮27的入射面的n个交点P1，P2，P3和P4。在此，满足L1＜L2＜L3＜L4，其中，L1是光轴A与对应于点O1的交点P1之间的距离，L2是对应于点O1的交点P1与对应于点O2的交点P2之间的距离，L3是对应于点O2的交点P2与对应于点O3的交点P3之间的距离，L4是对应于点O3的交点P3与对应于点O4的交点P4之间的距离。
将上述一般化，在第一光学系统23的最靠近激光光源21侧的外径范围内，在与光轴A正交、且离开光轴A的方向以相等的间距配置n个点O1、O2、……和On，当从n个点O1、O2、……和On发射与光轴A平行的光线时，规定从第二光学系统26射出的光线与荧光体轮27的入射面的n个交点P1、P2、……和Pn时，满足以下条件式(1)和(2)。注意的是，并不需要同时满足条件式(1)和(2)。如果满足条件式(2)，则满足条件式(1)，但是，也可以仅满足条件式(1)，而不满足条件式(2)。例如，局部可以有满足Ln≤Ln-1处。
(1)Ln＞L1(n是等于或大于2的整数)
(2)Ln＞Ln-1(n是等于或大于2的整数)
其中,L1是光轴和与点O1对应的交点P1之间的距离，Ln是与点On对应的交点Pn和与点On-1对应的交点Pn-1之间的距离，Ln-1是与点On-1对应的交点Pn-1和与点On-2对应的交点Pn-2之间的距离。
当第二光学系统26在第二光学系统26的近轴焦点位置处具有校正不足的球面像差时以及当第一光学系统23和第二光学系统26形成的焦点F0位于负侧时，满足条件式(1)和(2)。
图10表示当球面像差校正不足时的光线的概况。相对于焦点F0在校正不足侧的光线具有均匀的间距，而相对于焦点F0在校正过度侧的光线具有不均匀的间距。因此，当使用多个光源时，来自各光源的光不均匀地着落(到达)荧光体轮27的入射面。难以产生极大部，可以形成均匀的斑点。另外，可以增加斑点尺寸。由于光轴A附近间距密集，因此，进一步希望不在光轴A上形成光源。
在图9和图10中，n个点O1、O2、……和On以及与其对应的n个交点P1、P2、……和Pn位于夹着光轴A的相反侧。更具体地说，n个点O1、O2、……和On位于以光轴A为边界的上侧区域，n个交点P1、P2、……和Pn位于以光轴A为边界的下侧区域。因此，可以获得均匀的斑点形状，从而提高了荧光体轮27的光转换效率。
图11是表示包括第一光学系统23和第二光学系统26的合成光学系统的像面弯曲的像差图。如图11所示，包括第一光学系统23和第二光学系统26的合成光学系统具有校正不足的像面弯曲(curvature of field)，从而获得进一步均匀的光斑形状。
图12表示来自各光源和各准直透镜的光束的焦点之间的位置关系。在图12中，当F1表示最靠近光轴A的光源C1(21)发射的光束的焦点，Fn表示最远离光轴A的光源Cn(21)发射的光束的焦点时，焦点F1和Fn位于第一光学系统23和第二光学系统26之间，并且，焦点Fn相对于焦点F1位于第一光学系统23侧(近侧)。如上所述，当从所有光源C1至Cn(21)射出的光束的焦点设为F0时，焦点F0相对于荧光体轮27的入射面形成在负侧(近侧)。因此，荧光体轮27的光斑尺寸增大，能实现光斑均匀化。
图13表示来自各光源和各准直透镜的光束的边缘光线。在图13中，G1表示从最靠近光轴A的光源C1(21)射出的光束的边缘光中最靠近光轴A的边缘光，Gn表示从离光轴A最远的光源Cn(21)射出的光束的边缘光中最靠近光轴A的边缘光(用实线绘制G1和Gn)。此外，G1'表示从最靠近光轴A的光源C1(21)射出的光束的边缘光中离光轴A最远的边缘光，Gn'表示从离光轴A最远的光源Cn(21)射出的光束的边缘光中离光轴A最远的边缘光(用虚线绘制G1′和Gn′)。此外，Q1表示边缘光线G1与荧光体轮27的入射面相交的交点，Q1'表示边缘光线G1'与荧光体轮27的入射面相交的交点，Qn表示边缘光线Gn与荧光体轮27的入射面相交的交点，Qn'表示边缘光线Gn'与荧光体轮27的入射面相交的交点。
在此，距光轴A最远的光源Cn(21)和交点Qn位于夹着光轴A的相反侧。更具体地说，距光轴A最远的光源Cn(21)位于以光轴A为边界的上侧区域，交点Qn位于以光轴A为边界的下侧区域。在光束的轮廓中，交点Qn设定为最大强度的1/e2。
图14A和图14B表示在荧光体轮27的入射面上的光束的轮廓。图14A和图14B表示从最靠近光轴A的光源C1(21)发射的光束的轮廓(实线)，从离光轴A最远的光源Cn(21)发射的光束的轮廓(实线)，以及由两个光束重叠获得的光束的轮廓(虚线)。
如图14A所示，由于距光轴A最远的光源Cn(21)和交点Qn位于夹着光轴A的相反侧，因此，由最靠近光轴A的光源C1(21)和离光轴A最远的光源Cn(21)射出的光束在荧光体轮27的重叠变少，因此，可以成为能量密度低且均匀的轮廓。
相比之下，图14B表示距光轴A最远的光源Cn(21)和交点Qn相对于光轴A位于同一侧的情况。在这种情况下，由最靠近光轴A的光源C1(21)和离光轴A最远的光源Cn(21)射出的光束在荧光体轮27的重叠变多，因此，成为能量密度非常高的轮廓，从而降低荧光体轮27的转换效率。
接下来，说明荧光体轮27的实际斑点形状。图15表示当使用多个光源时在荧光体轮27的光斑形状的计算(模拟)的示例。这些示例包括第一示例(对应于第一实施例)，在该第一示例中，从第一光学系统23射出的光聚光接近光轴A；第二示例(对应于比较例)，在该第二示例中，从第一光学系统23射出的光成为与光轴A大致平行；第三示例(对应于比较例)，在该第三示例中，从第一光学系统23射出的光离开光轴A地发散。
如图15所示，在第二示例中，在荧光体上的激励光的斑点具有均匀的分布，然而，光斑直径非常小，从而降低了荧光体轮27的光转换效率。在第三示例中，在荧光体上的激励光的斑点尺寸变大，然而，产生多个极值，从而降低了荧光体轮27的光转换效率。相反，在第一示例中，保持在荧光体上的激励光的光斑的均匀性的状态，能使得在荧光体上的激励光的斑点尺寸变大。
图16表示在光轴方向的正侧和负侧的荧光体上的激励光的斑点的示例。如图16所示，在荧光体轮27的入射面，成为均匀且尺寸大的荧光体斑点。在荧光体轮27的入射面的正侧(里侧)，与多个光源对应，分为强度高的部分和强度低的部分，但分别形成大的斑点，各自内部成为均匀，因此，入射到荧光体轮27的内部的激励光的能量密度不太会增加，可以防止荧光体轮27的光转换效率降低。在荧光体轮27的入射面的负侧(近侧)，激励光的聚焦光斑直径减小，从而降低了荧光体轮27的光转换效率。
如上所述，如第一实施例那样，第二光学系统26具有校正不足的球面像差，第一光学系统23射出平行光作为聚焦光。因此，由各光源射出的光束具有均匀的轮廓，各轮廓可以合适地重叠。可以使荧光体上的激励光的斑点的轮廓均匀化，可以使荧光体轮27的光转换效率最大化。
第二实施例
下面参照图17和图18详细描述根据第二实施例的投影仪1。相同的附图标记应用于与第一实施例相同的配置，省略重复的描述。
在第二实施例中，省略了配置在第一实施例的偏振光分束器24与第二光学系统26之间的1/4波长板25，在夹着荧光体轮27的第二光学系统26的相反侧，设有准直透镜80、1/4波长板81、以及反射面82。此外，荧光体轮27具有与第一实施例不同的结构。
图18A和图18B表示根据第二实施例的荧光体轮27的具体结构。第二实施例的荧光体轮27包括激励光透射区域27F，代替第一实施例的激励光反射区域27E。激励光透射区域27F具有使从第二光学系统26导出的激励光B的波长区域的光透射的特性。对激励光透射区域27F施以防反射涂层(AR涂层，透射面)27F1，防止从第二光学系统26导出的激励光B的反射。
透过荧光体轮27的激励光透射区域27F的激励光B在准直透镜80转换为平行光，由1/4波长板81转换为圆偏振光，在反射面82反射，成为逆向的圆偏振光。然后，激励光B由1/4波长板81转换成P偏振光，透过准直透镜80、第二光学系统26、和偏振光分束器24，通过聚光透镜28入射到色轮29。
在第二实施例中说明使用准直透镜80将激励光B转换为平行光，但是也可以使用不具有角度依赖性的1/4波长板，省略准直透镜。此外，例示说明准直透镜80、1/4波长板81、和反射面82互相光学接触构成，但准直透镜80、1/4波长板81、和反射面82可以在光学上互相分离。
第三实施例
下面参照图19详细描述根据第三实施例的投影仪1。相同的附图标记应用于与第一实施例相同的配置，并且省略重复的描述。
第三实施例在以下方面与第一实施例不同。即，由激光光源21射出的激励光B是P偏振光，偏振光分束器24具有透射从第一光学系统23导出的P偏振光的激励光B、反射来自1/4波长板25、第二光学系统26、和荧光体轮27的转换为S偏振光的激励光B和荧光光Y的特性。
第四实施例
以下，参照图20和图21，对第四实施例的投影仪1进行详细说明。相同的附图标记应用于与第一实施例相同的配置，省略重复的描述。
第四实施例与第一实施例的不同之处在于，省略了聚光透镜28和色轮29，且荧光体轮27具有不同的构造。
图21A和图21B表示根据第四实施例的荧光体轮27的具体结构。第四实施例的荧光体轮27与第一实施例不同，在周向上未划分为荧光区域27D和激励光反射区域27E，而在整个圆周方向上设置有荧光区域(波长转换区域)27G。
荧光区域27G通过从下层侧朝向上层侧依次层叠第一反射涂层27G1，荧光体层27G2，和第二反射涂层27G3而构成。
第一反射涂层27G1具有反射从第二光学系统26导出的激励光B的波长区域的光和由荧光体层27G2发出的荧光光(发光光)的波长区域的光的特性。
荧光体层27G2可以使用例如将荧光体材料分散在有机/无机粘合剂内的材料、直接形成荧光体材料晶体的材料、Ce:YAG类等稀土类荧光体。荧光体层27G2发出的荧光光(发光光)的波长频域例如可以设为黄色的波长频域。因此，通过与激励光的蓝色组合，获得白色光。
第二反射涂层27G3具有反射从第二光学系统26导出的激励光B的一部分、并且透射从第二光学系统26导出的激励光B的其他部分和由荧光体层27G2发出的荧光光(发光光)。
由荧光体轮27的第二反射涂层27G3反射的激励光B成为逆向的圆偏振光，再次通过第二光学系统26和1/4波长板25而转换为P偏振光。转换为P偏振光的激励光B透射通过偏振光分束器24，入射到光均匀化元件30。另一方面，透射通过荧光体轮27的第二反射涂层27G3的激励光B由荧光体层27G2转换成荧光光Y，由第一反射涂层27G1反射。该荧光光Y由第二光学系统26转换成大致平行光，通过1/4波长板25，透过偏振光分束器24，入射到光均匀化元件30。
第五实施例
下面参照图22和图23详细描述根据第五实施例的投影仪1。相同的附图标记应用于与第一实施例相同的配置，并且省略重复的描述。
第五实施例与第一实施例的不同之处在于省略了偏振光分束器24、1/4波长板25、聚光镜28和色轮29。此外，在第一实施例中设置偏振光分束器24的位置处设有二向色镜90。此外，夹着二向色镜90，在与第一光学系统23相反侧，设置有蓝色光源91，准直透镜92和第三光学系统93。
蓝色光源91包括多个光源(固态光源)。蓝色光源91的各光源发出与激励光B的波长范围不同的蓝色波长范围的光(蓝色激光)。准直透镜92具有与蓝色光源91的多个光源对应的多个准直透镜。图22表示在上下方向排列的三个蓝色光源91和三个准直透镜92，然而，蓝色光源91和准直透镜92的组也可以多列配置在与纸面正交方向(纵深方向)(或者可以二维配置)。每个准直透镜92将由蓝色光源91的相应光源射出的蓝色激光调节为平行光。可以适当地增加或减少蓝色光源91的数量和准直透镜92的数量。第三光学系统93包括双凸正透镜93A和双凹负透镜93B。第三光学系统93透射由蓝色光源91和准直透镜92发出的蓝色激光束，并将该蓝色激光束导向二向色镜90。蓝色光源91可以包括例如发光二极管代替激光光源。
二向色镜90将从第一光学系统23导出的激励光B反射至第二光学系统26，将从第三光学系统93导出的蓝色激光反射至光均匀化元件30。二向色镜90使得来自荧光体轮27荧光光向着光均匀化元件30透射。在二向色镜90反射的激励光B通过第二光学系统26入射在荧光体轮27。
图23A和图23B表示根据第五实施例的荧光体轮27的具体结构。第五实施例的荧光体轮27与第一实施例不同，在周向上未划分为荧光区域27D和激励光反射区域27E，而在整个圆周方向上设置有荧光区域(波长转换区域)27H。
荧光区域27H从下层侧朝向上层侧依次层叠反射涂层27H1，荧光体层27H2和防反射涂层(AR涂层)27H3而构成。
反射涂层27H1具有反射荧光体层27H2的荧光光(发光光)的波长区域的光的特性。当圆盘构件27A由具有高反射率的金属基板制成时，也可以省略反射涂层27H1(也可以使得圆盘构件27A具有反射涂层27H1的功能)。
荧光体层27H2可以使用例如将荧光体材料分散在有机/无机粘合剂内的材料、直接形成荧光体材料晶体的材料、Ce:YAG类等稀土类荧光体。荧光体层27H2发出的荧光光(发光光)的波长频域通过例如与蓝色光源91的各光源射出的蓝色激光组合，获得白色光。
防反射涂层27H3具有防止荧光体层27H2的光的反射的特性。
入射到荧光体轮27的荧光区域27H的激励光B转换为荧光光Y射出。该荧光光Y由第二光学系统26转换成大致平行光，透过二向色镜90，入射到光均匀化元件30。另一方面，蓝色光源91的各光源射出的蓝色激光在准直透镜92转换为平行光，通过第三光学系统93，由二向色镜90反射，入射到光均匀化元件30。
第六实施例
下面参照图24和图25详细描述根据第六实施例的投影仪1。相同的附图标记应用于与第一实施例相同的配置，并且省略重复的描述。
在第六实施例中，省略了第一实施例中配置在偏振光分束器24与第二光学系统26之间的1/4波长板25，在设置偏振光分束器24的位置处设有二向色镜100。此外，使得第一光学系统23的光轴X和第二光学系统26的光轴Y朝垂直于光轴方向互相偏心。因此，从第一光学系统23射出的激励光B入射到第二光学系统26的单侧(夹着图24中的光轴Y的下侧)。在第六实施例中，当第一光学系统23的光轴X与第二光学系统26的光轴Y一致时，光的形态类似于第一实施例。
尽管在第一实施例中规定了偏振光方向(S偏振光，P偏振光)，但是在第六实施例中，偏振光方向可以是任何方向。从激光光源21发出的光由准直透镜22转换成平行光束。然后，平行光束通过第一光学系统23，由反射激励光B、使得荧光光Y透过的二向色镜100反射，导向第二光学系统26。由于配置为第一光学系统23相对第二光学系统26偏心，因此，激励光B入射到第二光学系统26的单侧，相对荧光体轮27倾斜地入射。入射到荧光体轮27的荧光区域27D的激励光B转换为荧光光Y，通过与第一实施例相同的光路，导向光均匀化元件30。
相反，入射到荧光体轮27的激励光反射区域27E的激励光B受到正反射。如图25所示，激励光B通过与入射到第二光学系统26侧(图25的左侧)相反侧(图25的右侧)，从第二光学系统26射出。第二光学系统26发出的激励光B不通过二向色镜100，而入射到聚光透镜28，导向到色轮29和光均匀化元件30。
在第六实施例中，在荧光体轮27的激励光反射区域27E反射的激励光B不通过二向色镜100，但是，也可以增大二向色镜100，半表面的涂层设为反射激励光B并透射荧光光Y的特性，使得另一半表面的涂层具有透射激励光B和荧光光Y的特性，利用上述那样的二向色镜100。
如上所述，在本实施例的光源光学系统，光源装置，和投影仪(图像投影装置)中，第一光学系统23具有当平行于第一光学系统23的光轴A的光线入射时从第一光学系统23射出的光线一边接近光轴A一边入射到第二光学系统26那样的光学特性，第二光学系统26在第二光学系统26的近轴焦点位置处具有校正不足的球面像差。因此，由各光源射出的光束在荧光体上的轮廓均匀，并且使光束的着落位置(到达位置)不均匀，从而提高了光利用效率。而且，不必使用诸如扩散板或微透镜阵列之类的均匀化元件，从而实现了小型化、简单化、和低成本化。
在上述实施方式中，说明了本发明所希望的具体例。然而，本发明不限于其内容。特别地，在实施例中例示的具体形状和数值仅是用于实施本发明的示例性实施例。因此，不应限制地解释本发明的技术范围。本发明不限于实施例中描述的内容，可以在本发明的主旨内适当地修改。
上述实施例是说明性的，不限制本发明。因此，根据以上教导，许多附加的修改和变化是可能的。例如，在本发明的范围内，不同说明性实施例的元件和/或特征可以互相组合和/或互相替代。
本专利申请基于并根据35U.S.C.§119(a)要求于2018年11月29日向日本专利局提交的日本专利申请第2018-223215的优先权，在此其全部公开内容通过引用并入。
附图标记列表
1 投影仪(图像投影装置)
10 壳体
20 光源装置
21 激光光源(激励光源)
22 准直透镜(光源光学系统)
23 第一光学系统(光源光学系统)
23A 正透镜
23B 负透镜
24 偏振光分束器(光源光学系统)
25 1/4波长板(光源光学系统)
26 第二光学系统(光源光学系统)
26A 正透镜
26B 正透镜
27 荧光体轮(光源光学系统，波长转换单元，荧光体单元)
27A 圆盘构件(基板)
27B 旋转轴
27C 驱动电机(驱动构件)
27D 荧光区域(波长转换区域)
27D1 反射涂层
27D2 荧光体层
27D3 防反射涂层(AR涂层)
27E 激励光反射区域
27E1 反射涂层(反射面)
27F 激励光透射区域
27F1 防反射涂层(AR涂层，透射面)
27G 荧光区域(波长转换区域)
27G1 第一反射涂层
27G2 荧光体层
27G3 第二反射涂层
27H 荧光区域(波长转换区域)
27H1 反射涂层
27H2 荧光体层
27H3 防反射涂层(AR涂层)
28 聚光透镜(光源光学系统)
29 色轮(光源光学系统)
30 光均匀化元件
40 照明光学系统
50 图像形成元件(图像显示元件)
60 投影光学系统
70 屏幕
80 准直透镜
81 1/4波长板
82 反射面
90 二向色镜(光源光学系统)
91 蓝色光源(光源光学系统)
92 准直透镜(光源光学系统)
93 第三光学系统(光源光学系统)
100 二向色镜

Claims (22)

1.一种与配置为发射第一色光的激励光源一起使用的光源光学系统，包括：
波长转换单元，配置为接收由所述激励光源发射的所述第一色光，并且射出具有与所述第一色光的波长不同的波长的第二色光；以及
具有正光焦度的第一光学系统和具有正光焦度的第二光学系统，依次设置在所述激励光源和所述波长转换单元之间的光路上，
其中，所述第一光学系统具有当平行于所述第一光学系统的光轴的光线入射时从所述第一光学系统射出的光线一边靠近所述光轴一边入射到第二光学系统的光学特性，以及
其中，所述第二光学系统相对所述第二光学系统的近轴焦点位置具有校正不足的球面像差。
2.根据权利要求1所述的光源光学系统，其中，所述第二色光不通过所述第一光学系统，所述第二色光通过所述第二光学系统。
3.根据权利要求1或2所述的光源光学系统，其中，所述第一光学系统和所述第二光学系统在最大空气间隔的部位分开。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的光源光学系统，其中，所述第二光学系统的近轴焦点位置相对于所述波长转换单元的入射面，设置在与所述第二光学系统相反侧。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的光源光学系统，其中，所述第一光学系统和所述第二光学系统的焦点位置相对于所述波长转换单元的入射面，设置在所述第二光学系统侧。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的光源光学系统，其中，
在所述第一光学系统的最靠近所述激励光源侧的外径范围内，在与所述光轴正交、且离开所述光源的方向以相等间距配置n个点O1、O2、……和On，从所述n个点O1、O2、……和On射出与所述光轴平行的光线时，以及
规定从所述第二光学系统射出的光线与所述波长转换单元的入射面的n个交点P1、P2、……和Pn时，满足以下条件式(1):
(1)Ln＞L1(n是等于或大于2的整数)
其中，L1是光轴与对应于点O1的交点P1之间的距离，Ln是对应于点On的交点Pn与对应于On-1的交点Pn-1之间的距离。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的光源光学系统，其中，
在所述第一光学系统的最靠近所述激励光源侧的外径范围内，在与所述光轴正交、且离开所述光源的方向以相等间距配置n个点O1、O2、……和On，从所述n个点O1、O2、……和On射出与所述光轴平行的光线时，以及
规定从所述第二光学系统射出的光线与所述波长转换单元的入射面的n个交点P1、P2、……和Pn时，
所述点O1、O2、……和On以及与所述点O1、O2、……和On对应的交点P1、P2、……和Pn相对于所述光轴位于相反侧。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的光源光学系统，其中，所述第一光学系统和所述第二光学系统的合成光学系统具有校正不足的像面弯曲。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的光源光学系统，
其中，所述激励光源包括多个光源，并且进一步包括与所述多个光源对应的多个准直透镜，以及
其中，当F1为最接近所述光轴的光源C1发出的光束的焦点，Fn为最远离光轴的光源Cn发出的光束的焦点时，相对于焦点F1，焦点Fn位于第一光学系统侧。
10.根据权利要求9所述的光源光学系统，其中，当Fn为最远离光轴的光源Cn发出的光束的焦点时，所述焦点Fn位于所述第一光学系统和所述第二光学系统之间。
11.根据权利要求9所述的光源光学系统，其中，当Gn表示由最远离光轴的光源Cn发出的光束的边缘光线之中最接近所述光轴的边缘光线、Qn表示所述边缘光线Gn与所述波长转换单元的入射面的交点时，所述光源Cn和所述交点Qn相对于所述光轴位于相反侧。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的光源光学系统，其中，所述第一光学系统从所述激励光源侧朝向所述波长转换单元侧依次设有正透镜和负透镜，并且具有校正不足的球面像差。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的光源光学系统，其中，所述第二光学系统包括至少两个正透镜，并且所述正透镜中的至少一个具有非球面。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的光源光学系统，进一步包括：
偏振光分束器，位于所述激励光源和所述第二光学系统之间的光路上，
其中，所述偏振光分束器透射所述第一色光的第一偏振光成分和第二偏振光成分中的一方，反射另一方，并且透射或反射所述第二色光。
15.根据权利要求14所述的光源光学系统，进一步包括反射面，所述反射面在所述第一色光的光路上，位于所述第二光学系统的射出侧，配置为反射所述第一色光。
16.根据权利要求15所述的光源光学系统，进一步包括：1/4波长板，其位于所述偏振光分束器与所述反射面之间的光路上，提供用于所述第一色光。
17.根据权利要求1至16中任一项所述的光源光学系统，进一步包括：驱动构件，其与所述波长转换单元连接，配置为驱动使得所述波长转换单元上的所述第一色光的照射位置随时间移动。
18.根据权利要求1至17中任一项所述的光源光学系统，其中，所述波长转换单元包括圆盘构件，所述圆盘构件包括将所述第一色光转换为所述第二色光的波长转换区域，以及透射或反射所述第一色光的透射/反射区域。
19.根据权利要求1至18中任一项所述的光源光学系统，其中，所述第一光学系统和所述第二光学系统配置为使得所述第一光学系统的光轴和所述第二光学系统的光轴互相偏心。
20.一种光源装置，包括：
激励光源；以及
根据权利要求1至19中任一项所述的光源光学系统。
21.根据权利要求20所述的光源装置，其中，所述激励光源射出相干光，作为所述第一色光。
22.一种图像投影装置，包括：
激励光源；
根据权利要求1至19中任一项所述的光源光学系统；
图像显示元件，配置为调制来自所述光源光学系统的光并形成图像；以及
投影光学系统，配置为将所述图像放大投影到投影面上。
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