CN113272705B - 准直器透镜、光源装置和图像显示装置 - Google Patents

Abstract

本文提供一种准直器透镜，其能够高精度地调节荧光的反射角度并且能够高效地发出荧光。提供一种准直器透镜，包含：孔径单元、反射单元和聚光单元，其中形成在内周面上的所述反射单元将从所述聚光单元照射的光反射到所述聚光单元，并且在所述聚光单元处聚集的光朝向所述孔径单元或所述反射单元照射。此外，提供了一种光源装置，包含准直器透镜、激发光学系统和荧光体。

Description

准直器透镜、光源装置和图像显示装置

技术领域

本技术涉及准直器透镜、光源装置和图像显示装置。

背景技术

传统上，存在一种用激发光照射荧光体并利用荧光体发出的荧光的技术。但是，荧光以高角度扩散，因此随着荧光的传播而扩散。因此，如专利文献1那样，使用将荧光转换为基本上平行的光通量的准直器透镜。

专利文献1公开了一种光源装置，该光源装置包含：发光元件；入射从该发光元件发出的光的第一分量的聚光光学系统；入射透射通过该聚光光学系统透射的第一分量的光学元件；和入射已通过该光学元件的第一分量的拾取光学系统，其中聚光光学系统或拾取光学系统中的至少一个包含具有石英的第一透镜。在专利文献1中，说明了包含了第一透镜的聚光光学系统与其他部件配合以使光照度分布均匀。

然而，因为荧光以大角度扩散，所以存在准直器透镜的焦距短、光学扩展量(etendue)大的问题。因此，专利文献2公开了一种用于反射和再利用具有大角度的荧光的技术。

专利文献2公开了一种荧光灯，该荧光灯包含荧光体材料和具有朝向该荧光体材料的输出的激发激光源，其中该荧光体材料发出在中心轴上会聚的光，该灯进一步包含具有使中心轴通过的中心孔径的光再利用套环，相对于中心轴的小于预定角度的发光通过中心孔径，大于该预定角度的发光通过光再利用套环而朝向荧光体材料反射，以用于光的再利用，并且光再利用套环相对于荧光体材料定位。在专利文献2中，说明了从荧光体材料输出的光通过光再利用套环反射回荧光体材料的情况。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利申请特开第2016-170390号公报

专利文献2：日本专利申请特表第2015-528988号公报

发明内容

本发明要解决的问题

然而，由于专利文献2所公开的光再利用套环具有与透镜分离的构造，所以必须高精度地调整光反射的角度。此外，因为再利用套环的保持部分阻挡了光，所以光利用效率会降低。

因此，本技术的主要目的是提供一种准直器透镜，其能够高精度地调节荧光的反射角度并且能够高效地发出荧光。

解决问题的方案

本技术提供了一种准直器透镜，包含孔径单元、反射单元和聚光单元，其中形成在内周面上的所述反射单元将从所述聚光单元照射的光反射到所述聚光单元，并且在所述聚光单元处聚集的光朝向所述孔径单元或所述反射单元照射。

所述准直器透镜的数值孔径可为0.6以上且0.99以下。

所述反射单元的形状可为非球面或球面。

所述反射单元的材料可以是金属膜。

所述准直器透镜可包含多个透镜，并且至少一个透镜可包含所述反射单元。

所述反射单元可透射预定波长范围的光并反射预定波长范围的光。

所述反射单元可以是二向色镜。

此外，本技术还提供一种光源装置，包含上述的准直器透镜、激发光学系统和荧光体。

所述荧光体可旋转或不必旋转。

所述激发光学系统可布置在所述准直器透镜的所述孔径单元的一侧，并且所述荧光体可布置在所述准直器透镜的所述聚光单元的一侧。

所述激发光学系统和所述荧光体可布置在所述准直器透镜的所述聚光单元的一侧。

此外，本技术还提供一种图像显示装置，其包含上述的光源装置。

附图说明

图1是根据本技术的准直器透镜的侧视图。

图2是用于描述根据本技术的准直器透镜的特性的参考图。

图3是根据本技术的准直器透镜的侧视图。

图4是根据本技术的准直器透镜的侧视图。

图5是根据本技术的准直器透镜的侧视图。

图6是根据本技术的准直器透镜的侧视图。

图7是根据本技术的准直器透镜的侧视图。

图8是根据本技术的准直器透镜的侧视图。

图9是根据本技术的光源装置的构造图。

图10是根据本技术的准直器透镜的侧视图。

图11是根据本技术的图像显示装置的构造图。

具体实施方式

在下文中，将参考附图描述用于实施本技术的合适模式。注意，以下描述的实施方式示出了本技术的典型实施方式，并且本技术的范围不限于这些实施方式。注意，将按以下顺序描述本技术。

1.根据本技术的第一实施方式(准直器透镜)

2.根据本技术的第二实施方式(多个透镜)

3.根据本技术的第三实施方式(反射单元的波长选择性)

4.根据本技术的第四实施方式(光源装置)

5.根据本技术的第五实施方式(图像显示装置)

1.根据本技术的第一实施方式(准直器透镜)

图1表示根据本技术的准直器透镜10的侧视图。如图1所示，根据本技术的准直器透镜10包含孔径单元11、反射单元12和聚光单元13。

反射单元12形成在准直器透镜10的内周面上。此外，反射单元12形成在与入射到准直器透镜10上的光中的具有高角度分量的光发生碰撞的位置。

反射单元12将从聚光单元13照射的光朝向聚光单元13反射。在聚光单元13处聚集的光再次朝向孔径单元11或反射单元12照射。具有低角度分量的光朝向孔径单元照射，并且具有高角度分量的光朝向反射单元12照射。

注意，反射单元12可将从聚光单元13照射的光朝向另一表面上的反射单元12反射。例如，在将反射单元12形成在准直器透镜10的内周面的上表面和下表面处的情况下，上表面处的反射单元12可将光朝向下表面处的反射单元12反射。

重复地通过聚光单元13照射和通过反射单元12反射，从而将具有高角度分量的光逐渐转换为具有低角度分量的光。然后，基本上平行的光2从孔径单元11发射到准直器透镜10的外部。

在准直器透镜10捕获具有高角度分量的光的情况下，焦距短并且光学扩展量大。为了提高光利用效率，期望光学扩展量小。因此，根据本技术的准直器透镜10将具有高角度分量的光转换为具有低角度分量的光。

在本技术中，因为准直器透镜10的内周面和反射单元12结合，所以能够以高精度地调整反射单元12反射光的角度。

此外，因为没有用于保持反射单元12的部件，所以从聚光单元13照射的光不会被遮挡。因此，准直器透镜10可以高效地发光。

注意，在上述构造中，作为示例，用激发光1照射荧光体30，并且使用由荧光体30发出的荧光作为光源，但是光源不限于荧光体30。例如，可以使用发光二极管、水银灯等作为光源。

顺便提及，在准直器透镜10的设计中，必须主要考虑平行特性和反射特性。平行特性是孔径单元11将入射在准直器透镜10上的光转换成平行光并发出平行光的特性。反射特性是反射单元12将入射在准直器透镜10上的光反射到聚光单元13的特性。

首先，将描述平行特性。期望由孔径单元11发出的光2是平行的，但是光2可以是基本上平行的，只要光2可以被引导到光学系统即可。例如，光2可以包含相对于光轴成0至9度(160毫弧度)的角度的光束。

此外，准直器透镜10的数值孔径(数值孔径：NA)越大，由孔径单元11发出的光2越亮。假设聚光单元13的折射率为n并且荧光体30的照射角度为θ，则数值孔径NA可通过以下等式(1)获得。

NA＝n×sin θ…(1)

根据本技术的准直器透镜10的数值孔径优选为0.6以上且0.99以下。此外，期望准直器透镜10的数值孔径为0.95以上且0.99以下。

接下来，将描述反射特性。反射特性取决于反射单元12的形状、材料和面积。

将描述反射单元12的形状。具体地，反射特性取决于反射单元12的形状是球面还是非球面。

在图1所示的一个实施方式中，反射单元12具有球面。球面包括例如椭球面、圆环面等。

在荧光体30不旋转的情况下，反射单元12可具有球面。但是，在荧光体30旋转的情况下，如果反射单元12具有球面，则会产生问题。

图2表示用于描述根据本技术的准直器透镜10的特性的参考图。如图2所示，空气层14形成在旋转的荧光体30的表面31与准直器透镜10之间。形成空气层14的理由是，如果荧光体表面31与准直器透镜彼此紧密接触，则荧光体30由于荧光体表面31与准直器透镜10之间产生的摩擦力而不能旋转。

因为形成了空气层14，所以空气层14使由反射单元12反射的光折射。由于该折射，照射到反射单元12的光的光路和由反射单元12反射的光的光路是不同的。结果，反射光不在聚光单元13处聚光，并且光利用效率降低。

然后，图3表示根据本技术的准直器透镜10的侧视图。如图3所示，在空气层14形成在荧光体表面31与准直器透镜10之间的情况下，反射单元12优选为非球面。如果反射单元12是非球面，则由反射单元12反射的光可以适当地照射到聚光单元13。

接下来，将描述反射单元12的材料。金属膜可以用作反射单元12。此外，因为照射到反射单元12的光可以达到几百瓦，所以期望金属膜具有光反射率和高耐热性。例如，银、铝等可以用于该金属膜。

最后，将描述反射单元12的面积。反射单元12的面积越大，孔径单元11的面积越小。结果，光学扩展量更小。光学扩展量越小，光利用效率越高。

2.根据本技术的第二实施方式(多个透镜)

为了使单个准直器透镜捕获具有高角度分量的光，将光转换成基本上平行的光并发出基本上平行的光，需要对准直器透镜进行先进的设计。因此，准直器透镜可包含多个透镜。

图4表示根据本技术的准直器透镜的侧视图。准直器透镜包含多个透镜(10a、10b)，并且至少一个以上的透镜(10a、10b)包含反射单元12。在图4所示的一个实施方式中，第一透镜10a包含反射单元12。

由于第一透镜10a和荧光体表面31彼此紧密接触，并且不必考虑空气层对光的折射，所以反射单元12是球面。

因为如上所述准直器透镜包含多个透镜(10a、10b)，所以准直器透镜的设计容易。例如，第一透镜10a将具有高角度分量的光转换成具有稍微低角度分量的光。然后，第二透镜10b可将具有低角度分量的光转换成基本上平行的光。

此外，由于准直器透镜包含多个透镜(10a、10b)，所以可同时设计光的反射特性和平行特性。例如，可以在包含有反射单元12的第一透镜10a中设计反射特性，并且可以在发出基本上平行的光的第二透镜10b中设计平行特性。

图5表示根据本技术的准直器透镜的侧视图。如图5所示，空气层14形成在第一透镜10a与荧光体表面31之间。因为必须考虑空气层14对光的折射，所以第一透镜10a的反射单元12为非球面。

图6表示根据本技术的准直器透镜的侧视图。如图6所示，第二透镜10b可包含反射单元12。在这种情况下，空气层14形成在第二透镜10b与荧光体表面31之间。因为必须考虑空气层14对光的折射，所以第二透镜10b的反射单元12为非球面。

图7表示根据本技术的准直器透镜的侧视图。如图7所示，准直器透镜可包含三个透镜(10a、10b、10c)。如果进一步增加透镜的数量，则准直器透镜的设计会更容易。

在图7所示的一个实施方式中，例如，第一透镜10a将具有高角度分量的光转换为具有稍低角度分量的光。然后，第二透镜10b和第三透镜10c可将具有低角度分量的光转换成基本上平行的光。

在图7所示的实施方式中，第一透镜10a包含反射单元12，但是第二透镜10b或第三透镜10c也可包含反射单元12。此外，多个透镜可包含反射单元12。

注意，根据本技术的准直器透镜可包含四个或更多个透镜。

3.根据本技术的第三实施方式(反射单元的波长选择性)

反射单元12可透射一部分激发光1，而不反射这一部分激发光1。

图8表示根据本技术的准直器透镜的侧视图。如图8所示，例如，关于反射单元12，反射单元12可透射预定波长范围的光3并且反射预定波长范围的光3。

例如，在反射单元12透射蓝色激发光2且孔径单元11也透射蓝色激发光2的情况下，将来自激发光学系统的激发光2和透射通过反射单元12的激发光3加到一起，因此可以增加激发光2的光量。

此外，因为反射单元12透射激发光2，所以不必采用仅孔径单元11透射激发光2的设计。

对于反射单元12，例如，可以使用二向色镜。

注意，透射通过反射单元12或被反射单元12反射的光不限于蓝光，并且可以是例如红光或绿光。此外，光不限于可见光，并且可以是例如紫外线或红外线。

4.根据本技术的第四实施方式(光源装置)

图9表示根据本技术的光源装置的构造图。如图9所示，光源装置可包含：包含至少一个透镜的准直器透镜10、激发光学系统20和荧光体30。

注意，准直器透镜10可包含多个透镜。

激发光学系统20用激发光1照射荧光体30。荧光体30的荧光部分32被所照射的激发光1激发，并用荧光照射准直器透镜10。

反射单元12形成在准直器透镜10的内周表面上。此外，反射单元12形成在与入射到准直器透镜10上的光中具有高角度分量的光发生碰撞的位置处。

反射单元12将从聚光单元13照射的光朝向聚光单元13反射。在聚光单元13处聚集的光再次朝向孔径单元11或反射单元12照射。具有低角度分量的光朝向孔径单元11照射，并且具有高角度分量的光朝向反射单元12照射。

注意，反射单元12可将从聚光单元13照射的光向另一表面上的反射单元12反射。例如，在将反射单元12形成在准直器透镜10的内周面的上表面和下表面处的情况下，上表面处的反射单元12可将光朝向下表面处的反射单元12反射。

重复地通过聚光单元13照射和通过反射单元12反射，从而将具有高角度分量的光逐渐转换为具有低角度分量的光。然后，基本上平行的光2从孔径单元11发出到准直器透镜10的外部。

荧光体30可旋转或不必旋转。

在荧光体30不旋转的情况下，空气层14不必形成在准直器透镜10与荧光体表面31之间。在不形成空气层14的情况下，反射单元的形状可以是如图9所示的球面。

注意，在荧光体30旋转的情况下，空气层14可形成在准直器透镜10与荧光体表面31之间。在形成空气层14的情况下，期望反射单元12的形状是如上所述的非球面。

激发光学系统20布置在准直器透镜10的孔径单元11的一侧。荧光体30布置在准直器透镜10的聚光单元13的一侧。因此，从孔径单元11的一侧照射激发光1。

同时，如图10所示，可以从聚光单元13的一侧照射激发光1。在这种情况下，激发光学系统20和荧光体30可布置在准直器透镜10的聚光单元13的一侧。

顺便提及，光利用效率与光源装置的光再利用率相关。再利用率是荧光体30散射光而不吸收光的速率。再利用率越高，荧光体30吸收的光越少，因此光的利用效率越高。每当重复地通过反射单元12进行反射时，具有低再利用率的荧光体30吸收荧光。因此，最终荧光消失。

此外，孔径单元11与反射单元12之间的面积比与光再利用率和数值孔径相关。在再利用率高的情况下，必须增加反射单元12的面积比。在再利用率低的情况下，必须减小反射单元12的面积比。因此，必须考虑光的再利用率来设计孔径单元11与反射单元12之间的面积比。

注意，在准直器透镜10包含多个透镜的情况下，期望最接近光源的透镜包含反射单元12。这是因为减少在光源与反射单元12之间的空气层，从而增加光的重复利用率。

5.根据本技术的第五实施方式(图像显示装置)

图11表示根据本技术的光学图像显示装置100的构造图。如图11所示，图像显示装置100可至少包含光源装置110。作为光源装置110，可以使用上述第四实施方式的光源装置。

图像显示装置100可进一步包含照明光学系统120、空间光调制器130和投影透镜140。

光源装置110向照明光学系统120照射光。照明光学系统120调节光以获得均匀的亮度并且照射空间光调制器130。空间光调制器130响应于视频信号而透射光。投影透镜140将图像投影到屏幕200等上。

照明光学系统120可包含多个透镜(121、122、123、125)、偏振转换元件124等。

通常，照明光学系统120将光转换成平行光，但是在本技术中，光源装置110照射平行光。因此，可以减轻照明光学系统120的负担。这种构造扩大了技术的应用范围，并且还可以有助于图像显示装置100的小型化。

注意，例如，根据本技术的光源装置110不仅可以用于图像显示装置100，而且可以用于分析仪器。例如，本技术可以用于流式细胞仪、DNA芯片、蛋白质芯片等。本技术可以高效地使用荧光，因此具有增加分析仪器的灵敏度的效果。

注意，本说明书中描述的效果仅是示例，并且不受限制，并且可以获得其他效果。

注意，本技术可以具有以下构造。

[1]、一种准直器透镜，包含：

孔径单元；

反射单元；和

聚光单元，其中

形成在内周面上的所述反射单元将从所述聚光单元照射的光反射到所述聚光单元，并且

在所述聚光单元聚集的光向所述孔径单元或所述反射单元照射。

[2]、根据[1]所述的准直器透镜，其中数值孔径为0.6以上且0.99以下。

[3]、根据[1]或[2]所述的准直器透镜，其中所述反射单元的形状为非球面或球面。

[4]、根据[1]至[3]中的任一项所述的准直器透镜，其中所述反射单元的材料是金属膜。

[5]、根据[1]至[4]中的任一项所述的准直器透镜，进一步包含多个透镜，其中至少一个透镜包含所述反射单元。

[6]、根据[1]至[5]中的任一项所述的准直器透镜，其中所述反射单元透射预定波长范围内的光并反射预定波长范围内的光。

[7]、根据[1]至[6]中的任一项所述的准直器透镜，其中所述反射单元是二向色镜。

[8]、一种光源装置，包含：

根据[1]至[7]中的任一项所述的准直器透镜；

激发光学系统；和

荧光体。

[9]、根据[8]所述的光源装置，其中所述荧光体旋转或不旋转。

[10]、根据[8]或[9]所述的光源装置，其中所述激发光学系统布置在所述准直器透镜的所述孔径单元的一侧，并且所述荧光体布置在所述准直器透镜的所述聚光单元的一侧。

[11]、根据[8]至[10]中的任一项所述的光源装置，其中所述激发光学系统和所述荧光体布置在所述准直器透镜的所述聚光单元的一侧。

[12]、一种图像显示装置，包含根据[8]至[11]中的任一项所述的光源装置。

附图标记

1 激发光

2 从孔径单元发出的光

3 从反射单元发出的光

10 准直器透镜

11 孔径单元

12 反射单元

13 聚光单元

14 空气层

10a 第一透镜

10b 第二透镜

10c 第三透镜

20 激发光学系统

30 荧光体

100 图像显示装置

110 光源装置

120 照明光学系统

130 空间光调制器

140 投影透镜

200 屏幕

Claims (12)

1.一种准直器透镜，具有：

孔径单元；

反射单元；和

聚光单元，其中

所述反射单元形成在内周面上，

所述反射单元将从所述聚光单元照射的光反射到所述聚光单元，并且

从所述反射单元反射回所述聚光单元的光在所述聚光单元处聚集并再次朝向所述光朝向所述孔径单元或所述反射单元照射。

2.根据权利要求1所述的准直器透镜，其中

数值孔径为0.6以上且0.99以下。

3.根据权利要求1所述的准直器透镜，其中

所述反射单元的形状为非球面或球面。

4.根据权利要求1所述的准直器透镜，其中

所述反射单元的材料是金属膜。

5.根据权利要求1所述的准直器透镜，其中

所述准直器透镜由多个透镜构成，并且

至少一个透镜具有所述反射单元。

6.根据权利要求1所述的准直器透镜，其中

所述反射单元透射预定波长范围的光并反射预定波长范围的光。

7.根据权利要求1所述的准直器透镜，其中

所述反射单元是二向色镜。

8.一种光源装置，包含：

根据权利要求1所述的准直器透镜；

激发光学系统；和

荧光体。

9.根据权利要求8所述的光源装置，其中

所述荧光体旋转或不旋转。

10.根据权利要求8所述的光源装置，其中

所述激发光学系统布置在所述准直器透镜的所述孔径单元的一侧，并且

所述荧光体布置在所述准直器透镜的所述聚光单元的一侧。

11.根据权利要求8所述的光源装置，其中

所述激发光学系统和所述荧光体布置在所述准直器透镜的所述聚光单元的一侧。

12.一种图像显示装置，包含：

根据权利要求8所述的光源装置。