CN113687568B - 光源光学系统、光源装置、图像投影装置 - Google Patents

Abstract

本发明旨在提供具有优异光利用效率的光源光学系统、光源装置以及图像投影装置。光源光学系统是被用来作为射出第一色光的多个励起光源(21)，其特征在于，具有波长转换单元(27)，其中入射从所述多个励起光源(21)射出的所述第一色光，射出具有与所述第一色光不同波长的第二色光；以及第一光学系统(23)和第二光学系统(26)，所述第一光学系统(23)和所述第二光学系统(26)被依次设置在所述多个励起光源(21)和所述波长转换单元(27)之间的光路上，所述第二光学系统(26)具有正光焦度，从所述多个励起光源(21)射出的各光束的聚光点形成在所述第一光学系统(23)和所述第二光学系统(26)之间。

Description

光源光学系统、光源装置、图像投影装置

技术领域

本发明涉及光源光学系统、光源装置以及图像投影装置。

背景技术

当今，放大投影各种影像的投影仪(图像投影装置)广泛普及。投影仪是将从光源射出的光会聚到数字微镜器件(DMD)或液晶显示元件之类的空间光调制元件上，把经过影像信号调制、来自空间光调制元件的射出光作为彩色影像显示在屏幕上。

以往，投影仪主要使用高亮度的超高压水银灯等，但超高压水银灯由于寿命短，需要频繁维护。为此，近年来，使用以激光或LED等代替超高压水银灯的投影仪正在增加。这是因为激光和LED与超高压水银灯相比，不仅寿命长，而且由于其单色性，其色再现性也良好。

在投影仪中，通过向DMD等图像显示元件照射例如作为颜色三原色的红色、绿色、蓝色三种颜色来形成影像。虽然可以利用激光光源生成所有这三种颜色，但由于绿色激光器和红色激光器的发光效率低于蓝色激光器，因此激光光源并不理想。对此，采用了以蓝色激光作为励起光照射荧光体，用从荧光体经过波长转换的荧光生成红色光和绿色光的方法。专利文献1、2公开了使用这样的激光光源和荧光体的(组合)光源光学系统。

专利文献1(JP专利第6090875号公报)公开了具有励起光源、荧光体单元、以及位于励起光源和荧光体单元之间的光路上的用于使励起光强度分布基本均匀的扩散板的照明光学系统。专利文献2(JP特开2017-194523号公报)公开了具有多个光源、波长转换元件、位于多个光源与波长转换元件之间的光路上的多个镜阵列和透镜阵列的光源装置。

为了获得更明亮的投影仪，提高光利用效率的要求越来越强烈。荧光体的光转换效率随着入射荧光体的励起光能量密度而变动，如果入射的励起光的能量密度高，则由于温度上升以及荧光体内的可励起电子变少，效率下降。为此，可以考虑通过均化能量密度、增大光点大小来提高光利用效率。

另一方面，如果为了抑制荧光体的励起光的能量密度而增大了荧光体上的励起光光点大小，则由于后段的(后续的)光学系统中的光线晕影变大，因此投影仪整体的光利用效率会降低。也就是说，为了提高投影仪的光利用效率，获得能量密度均化和最佳光点大小十分重要。

上述专利文献1由于在励起光源和荧光体单元之间设置扩散板而使入射到荧光体单元的励起光的强度降低，因此投影仪整体上的光利用效率下降。上述专利文献2由于反射镜阵列和透镜阵列，不仅导致装置的大型化、复杂化和高成本化，而且由于反射镜阵列和透镜阵列的吸收等，入射荧光体单元的励起光效率下降。

发明内容

本发明是鉴于以上的问题意识而提出的技术方案，其目的在于提供光利用效率优异的光源光学系统、光源装置以及图像投影装置。

本实施方式的光源光学系统是被用来作为射出第一色光的多个励起光源，其特征在于，具有波长转换单元，其中入射从所述多个励起光源射出的所述第一色光，射出具有与所述第一色光不同波长的第二色光；以及第一光学系统和第二光学系统，所述第一光学系统和所述第二光学系统被依次设置在所述多个励起光源和所述波长转换单元之间的光路上，所述第二光学系统具有正光焦度，从所述多个励起光源射出的各光束的聚光点形成在所述第一光学系统和所述第二光学系统之间。

本发明的效果在于，提供光利用效率优异的光源光学系统、光源装置以及图像投影装置。

附图说明

图1是第一实施方式的投影仪构成的示意图。

图2是第一实施方式的光源装置构成的示意图。

图3是第一实施方式的荧光体轮构成的示意图。

图4是色轮构成示意图。

图5是一例通过第一光学系统和第二光学系统的光线的示意图。

图6是从多个激光光源射出的各光束的聚光点的形成位置和全光束的聚光点的形成位置的示意图。

图7是采用本实施方式的光源光学系统时的一例荧光体轮上光点的示意图。

图8是用于说明关于多个激光光源和多个准直透镜的规定条件式(1)的示意图。

图9是与图2所示的第二实施方式的光源装置相应的构成的示意图。

图10是与第二实施方式的光源装置的图6相应的示意图。

图11是图9、图10所示的光学元件构成的放大图。

图12是与图2所示的第三实施方式的光源装置相应的构成的示意图。

图13是与图2所示的第四实施方式的光源装置相应的构成的示意图。

图14是第四实施方式的荧光体轮结构的示意图。

图15是与图2所示的第五实施方式的光源装置相应的构成的示意图。

图16是第五实施方式的荧光体轮的具体结构示意图。

图17是一例通过第六实施方式的光源装置的第一光学系统和第二光学系统的光线的示意图。

图18是与图2所示的第六实施方式的光源装置相应的构成的示意图。

图19是与图2所示的第七实施方式的光源装置相应的构成的示意图。

具体实施方式

《第一实施方式》

图1是第一实施方式的投影仪(图像投影装置)1的构成示意图。

投影仪1具有壳体10、光源装置20、光均化元件30、照明光学系统40、图像形成元件(图像显示元件)50、投影光学系统60。

壳体10中容纳光源装置20、光均化元件30、照明光学系统40、图像形成元件50以及投影光学系统60。

光源装置20射出包含与例如RGB各色对应的波长的光。关于光源装置20的内部构成，将在后面详细说明。

光均化元件30通过混合光源装置20射出的光来进行均化。光均化元件30使用组合了例如4片反射镜的光隧道、棒积分器、蝇眼透镜等。

照明光学系统40利用经过光均化元件30均匀化后的光，均匀照射图像形成元件50。照明光学系统40具有例如一片以上的透镜和一个以上的反射面等。

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、反射型液晶面板等光阀。图像形成元件50通过调制由照明光学系统40照射的光(来自光源装置20的光源光学系统的光)来形成图像。

投影光学系统60将图像形成元件50形成的图像放大投影到屏幕(被投影面)70上。投影光学系统60具有例如一片以上的透镜。

图2是第一实施方式的光源装置20的构成示意图。

光源装置20具有按照光传播方向的顺序配置的激光光源(励起光源)21、准直透镜22、第一光学系统23、偏振光分束器(偏振光光学元件)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、色轮29。例如，光源装置20中除了激光光源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)。图2描绘了纵向排列的六个光源，而实际上，六个光源各自在与纸面垂直的方向(纵深方向)上排列成四列，6×4＝24个光源排列成二维阵列状。以下，将二维阵列状排列的多个光源称为"多个激光光源(励起光源)21"。多个激光光源21射出发光强度的中心波长例如为455nm的蓝色频带的光(蓝色激光)，作为用于励起设于荧光体轮27的荧光区域(波长转换区域)27D中的荧光体的励起光B(第一色光)。从多个激光光源21射出的蓝色激光是偏振状态为一定的线偏振光，是相对于偏振光分束器24的入射面的S偏振光。从多个激光光源21射出的蓝色激光是相干光。从多个激光光源21射出的励起光B不限于蓝色频带的光，只要是能够激发荧光体轮27的荧光区域27D中的荧光体的波长的光即可。多个激光光源21的数量不限于24个，可以是2-23个，也可以是25个以上。多个激光光源21可以构成为例如在基板上将多个光源配置成阵列形状的光源单元，其具体形态是任意的。

准直透镜22与多个激光光源21对应，排列为二维阵列形状，设有与激光光源21的24个光源对应的24个准直透镜22。多个准直透镜22将从多个激光光源21各自射出的光束(励起光B)调整为平行光或收敛光。准直透镜22的数量随着激光光源21的光源数量的增减来增减，只要与激光光源21的光源数量相对应即可。

另外，可以如后述的第二实施方式(图9、图10)那样，在多个激光光源21(多个准直透镜22)和第一光学系统23之间设置光学元件200，该光学元件200使得从多个激光光源21射出的各束光束作为平行光或收敛光入射第一光学系统23。而在第一实施方式中则是构成为让多个准直透镜22兼具光学元件200的功能。

第一光学系统23整体具有正屈光度，从激光光源21一方向荧光体轮27一方，依次具有正透镜23A和负透镜23B。第一光学系统23一边使经过准直透镜22成为平行光或收敛光入射的励起光B收敛，一边将其导入偏振光分束器24。第一光学系统23也可以不是正屈光度，而具有负屈光度。

偏振光分束器24位于第一光学系统23和第二光学系统26之间的光路上。偏振光分束器24被施有涂层，该涂层一方面反射被从第一光学系统23导出的励起光B的波长带域的S偏振光(第一偏振光成分)，另一方面让被从第一光学系统23导出的励起光B的波长带域的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)透过。在第一实施方式中，虽然使用了平板形的偏振光分束器24，但是也可以使用棱镜类型的偏振光分束器24。另外，在第一实施方式中虽然偏振光分束器24反射励起光B的波长频带的S偏振光而让P偏振光透过，但相反，也可以反射励起光B的波长频带的P偏振光而让S偏振光透过。

位于第一光学系统23和第二光学系统26之间的光路上的偏振光分束器24可以具有让励起光B(第一色光)透过而反射荧光光(第二色光)、或者反射励起光B(第一色光)而让荧光光(第二色光)透过的特性。

1/4波长板25被设置为，相对于受到偏光分束器24反射的励起光B的线偏振光，光学轴倾斜45度的状态。1/4波长板25将受到偏振光分束器24反射的励起光B从线偏振光转换为椭圆偏振光。

第二光学系统26整体上具有正光焦度，从激光光源21一方向荧光体轮27一方，依次具有正透镜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转换为椭圆偏振光入射的励起光B收敛，一边把励起光B引导到荧光体轮27。第二光学系统26中入射一方的透镜(正透镜26A)可以具有非球面或自由曲面。通过在激光光源21的各光源发出的光束的聚光点附近配置非球面或自由曲面，便于单独补偿激光光源21的各光源的光束，使得对荧光体上的光点形状进行整形成为可能。

被从第二光学系统26导出的励起光B入射荧光体轮27。图3是荧光体轮27具体构成的示意图，其中，(A)是荧光体轮27的俯视图，(B)是荧光体轮27的正视图。荧光体轮27具有圆盘部件(底板)27A和驱动电机(驱动部件)27C，驱动电机(驱动部件)27C驱动圆盘部件27A以转轴27B为中心旋转。圆盘部件27A可以使用例如透明基板或金属基板(铝基板等)，但并不限于此。

荧光体轮27(圆盘部件27A)的周向大部分(在第一实施方式中为大于270°的角度范围)被划分为荧光区域27D，周向小部分(在第一实施方式中小于90°的角度范围)被划分为励起光反射区域27E。

荧光区域27D从下向上依次层叠反射涂层27D1、荧光体层27D2和防反射涂层(AR涂层)27D3而构成的。

反射涂层27D1具有反射荧光体层27D2发出的荧光(发光光)的波长区域的光的特性。在圆盘部件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(也可以让圆盘部件27A具有反射涂层27D1的功能)。

关于荧光体层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结晶的材料、Ce:YAG类等稀土类荧光体。荧光体层27D2发出的荧光光(发光光)的波长频带可以使用例如黄色、蓝色、绿色、红色的波长频带，第一实施方式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表面光反射的特性。

励起光反射区域27E中层叠了反射涂层(反射面)27E1，反射涂层(反射面)27E1具有反射由第二光学系统26导出的励起光B的波长区域的光的特性。在圆盘部件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(也可以使圆盘部件27A具有反射涂层27E1的功能)。

通过驱动电机27C驱动圆盘部件27A旋转，荧光体轮27上励起光B的照射位置随时间移动。其结果是，入射荧光体轮27的一部分励起光B(第一色光)在荧光区域(波长转换区域)27D中被转换为波长与励起光B(第一色光)不同的荧光光Y(第二色光)后射出，入射荧光体轮27的另一部分励起光B在励起光反射区域27E中保持励起光B的状态，受到反射后射出。

荧光区域27D和励起光反射区域27E的数量和范围等是任意的，可以进行各种设计更改。例如，可以在周向上以90°间隔交替设置荧光区域和励起光反射区域。

返回图2说明。在荧光体轮27的励起光反射区域27E受到反射的励起光B成为反向的椭圆偏振光，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偏振光的励起光B透过偏振光分束器24，通过聚光透镜28入射到色轮29。

另一方面，入射荧光体轮27的荧光区域27D的励起光B被转换为荧光光Y后射出。该荧光光Y通过第二光学系统26大致成为平行光，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是色轮29的结构示意图。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的励起光反射区域27E，黄色区域Y、红色区域R、绿色区域G与荧光体轮27的荧光区域27D同步，用以分别互相对应。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的干涉性，减少屏幕70上的斑点。黄色区域Y让荧光体轮27发出的黄色波长区域直接透过。红色区域R、绿色区域G分别通过使用分色镜，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。通过色轮29分时制作的各色光从光均化元件30出发，由照明光学系统40引导到图像形成元件50，形成与各色对应的图像，通过投影光学系统60放大投影到屏幕70上，从而获得彩色图像。也就是说，图像形成元件(图像显示元件)50对来自光源光学系统的光进行调制形成图像，投影光学系统60将图像形成元件50形成的图像放大投影到屏幕(被投影面)70上。

在第一实施方式中，具有被依次设置在多个激光光源(励起光源)21和荧光体轮(波长转换单元)27之间的光路上，作为光源光学系统的构成要素的正光焦度的第一光学系统23和正光焦度的第二光学系统26。

S偏振光的励起光B通过第一光学系统23，但荧光光Y不通过第一光学系统23。S偏振光的励起光B、P偏振光的励起光B以及荧光光Y通过第二光学系统26。这样，荧光光Y通过第一光学系统23但不通过第二光学系统26，可以用这一点来区分第一光学系统23和第二光学系统26。此外，第一光学系统23和第二光学系统26以最大空气间隔的部位分开。

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如下表1、表2所示。

表1.透镜数据

*表示非球面

**镜面编号1为如图6所示的光源22等，其他编号参见图5。

表2.非球面数据

如上表的透镜数据和非球面数据所示，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具有向物方凸出的平凸形状。正透镜26A的两侧表面形成为非球面。不过，第二光学系统26的构成不限于此，例如还可以只把正透镜26A的一侧表面形成为非球面，也可以把正透镜26B的两侧表面或一侧表面形成为非球面。另外，在第一光学系统23中也可以在正透镜23A和负透镜23B中设置追加的透镜，在第二光学系统26中也可以在正透镜26A和正透镜26B中设置追加的透镜。进而，虽然省略了图示，但还可以在光源光学系统的光路上的任意位置(例如第一光学系统23的正透镜23A之前)，设置开口光圈，用来调整励起光B的光量。

图5是一例通过第一光学系统23和第二光学系统26的光线的示意图。如图5所示，第一光学系统23具有如下光学特性，即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射出的光线一边以规定的角度接近光轴A(一边聚光)入射第二光学系统26。

在本实施方式中，为了通过获得能量密度均化和最佳光点大小来提高投影仪1的光利用效率，着眼于"多个激光光源(励起光源)21的每个(每个位置)聚光点F"，来确定把蓝色激光(第一色光)导向荧光体轮27的光学系统的特征。各聚光点F相当于多个激光光源21各自形成的中间像。而一般(以往)的光源光学系统只在荧光体附近聚光，并不形成多个激光光源各自的中间像(不具有聚光点)。另外，在本实施方式中，通过适当设定入射第一光学系统23的入射光束，保持荧光体轮27上光点的均一性和防止荧光体层(波长转换层)的损伤。

图6是多个激光光源21射出的各束光束的聚光点F的形成位置和全光束的聚光点Fall的形成位置的示意图。

从多个激光光源21射出的各束光束的聚光点F形成在第一光学系统23和第二光学系统26之间。由此，无需使用扩散板或微透镜阵列等均化元件，就能够使荧光体轮27上的荧光点大小合适，并且均化能量密度，以简易的构成提高荧光体的转换效率，进而提高投影仪1整体的光利用效率。进而，通过把聚光点F形成在没有光学部件的部分，可以防止由于光能量的集中导致光学部件的破坏以及折射率分布的变化的发生。

多个准直透镜22具有使从多个激光光源21入射的各束光束作为平行光或收敛光入射到第一光学系统23的"光学元件"的功能。由此，能够均化荧光体轮27上的光点，提高波长转换效率。"光学元件"可以使用例如透镜阵列、衍射光元件、霍罗格柱等，在图6中，作为多个准直透镜22的构成例，例举具备与多个激光光源21对应地向第一光系统23一方突出的多个正透镜(正透镜组)22X的透镜阵列22Y。由此，能够高效且以低成本构成"光学元件"。

在图6中，从多个激光光源21射出的光线分别形成光束，通过入射与多个激光光源21对应的多个正透镜(正透镜组)22X，各光束成为平行光或收敛光从多个正透镜22X出射。多个正透镜22X是使光源的光束变为平行光束的多个准直透镜22，也可以通过多个准直透镜22在光轴方向移动，使从多个正透镜22X射出的光束成为平行光或收敛光。

如果入射第一光学系统23的各光束为发散光，那么，荧光体轮27上的光点无法均化，而为了形成与多个激光光源21对应的像，光点直径变得非常小，荧光体轮27上的聚光密度变高，这样会引起波长转换效率下降，或烧坏波长转换层。

对此，在本实施方式中，从多个正透镜(正透镜组)22X射出的平行光或收敛光在第一光学系统23进一步收敛，在第一光学系统23和第二光学系统26之间，特别是在偏振光分束器24的透射面、反射面的附近，形成聚光点F。由此，可以通过获得能量密度均化和最佳光点大小，来提高投影仪1的光利用效率，而且还可以防止荧光体层(波长转换层)的热破坏。

优选至少一半(50％以上)从多个激光光源21射出的各束光束的聚光点F位于比第二光学系统26更靠近第一光学系统23一方。这样能够进一步提高荧光体轮27上光点的均一性。另外，也可以是从多个激光光源21射出的70％以上、80％以上、90％以上或100％(全部)的各光束的聚光点F位于比第二光学系统26更靠近第一光学系统23一方。

优选至少一半(50％以上)从多个激光光源21射出的各束光束的聚光点F位于第一光学系统23和偏振光分束器(偏振光光学元件)24(的透射面、反射面)之间。由此，可以进一步提高荧光体轮27的光点的均一性，还可以避免光能量集中在偏振光分束器24的透射面、反射面，防止偏振光分束器24的反射涂层等发生损伤。也可以是从多个激光光源21射出的70％以上、80％以上、90％以上或100％(全部)各光束的聚光点F位于第一光学系统23和偏振光分束器(偏振光光学元件)24(的透射面、反射面)之间。

优选至少一半(50％以上)从多个激光光源21射出的各束光束的聚光点F位于以偏振光分束器(偏振光学元件)24(的透射面、反射面)为基准，比第二光学系统26更靠近第一光学系统23一方。由此，能够进一步提高荧光体轮27的光点的均一性，还可以避免光能量集中在偏振光分束器24的透射面、反射面上，防止偏振光分束器24的反射涂层等发生损伤。也可以是从多个激光光源21射出的70％以上、80％以上、90％以上或100％(全部)各光束的聚光点F位于以偏光分光镜(偏光光学元件)24(的透射面、反射面)为基准，比第二光学系统26更靠近第一光学系统23一方。

如图6所示，从多个激光光源21射出的全光束的聚光点Fall在光路中位于比偏振光分束器(偏振光学元件)24(的透射面、反射面)更靠近荧光体轮27一方。在此，"从多个激光光源21射出的全光束"意味着包含从多个激光光源21(所有光源)射出的所有光线的光束。从多个激光光源21射出的全光束的聚光点Fall在光路中在与第二光学系统26的至少一部分重叠的位置上。在图6的例子中，从多个激光光源21射出的全光束的聚光点Fall在与第二光学系统26的正透镜26B重叠的位置上。由此，能够使荧光体轮27上的光点变得模糊而均化，而且还能够实现高效率、小型、低成本的光源光学系统。

图7是采用本实施方式的光源光学系统时一例荧光体轮27上的光点的示意图。由图7可知，实现了荧光体轮27的光点均化，提高了投影仪1的光利用效率。

如上所述，多个激光光源21和多个准直透镜22相互对应地排列成二维阵列状。在此，如图8所示，在把多个激光光源21的发散角为最大的方向定义为X方向的情况下，设θx为X方向的发散角，Px为X方向的多个激光光源21的间距，L为多个激光光源21与多个准直透镜22之间的距离时，优选满足以下的条件式(1)。

通过满足条件式(1)，能够以抑制多个激光光源21的各发光点轮廓之间距离的方式来进行最佳设定，因此整体的轮廓成为紧密状态，而当缩小到荧光体轮27时能够得到均匀的轮廓，就能够提高荧光体转换效率。

如果超过条件式(1)的上限，则多个激光光源21的各发光点的距离、进而各发光点的轮廓间的距离变大。因此，在荧光体轮27中上形成所希望的光点尺寸时，缩小率变得过大，各发光点的像变小，荧光体轮27上的聚光密度变大，波长转换效率下降。

如果低于条件式(1)的下限，虽然容易在荧光体轮27上得到均匀的轮廓，但是来自各发光点的光入射邻接的准直透镜22，一部分光线射往不希望的方向，成为散漫光，或光学系统的效率下降。

《第二实施方式》

参见图9～图11详述第二实施方式的投影仪1。对与第一实施方式相同的构成，标注相同的符号，省略重复的说明。

在上述第一实施方式中，让多个准直透镜22兼具使得从多个激光光源21射出的各光束作为平行光或收敛光入射第一光学系统23的"光学元件"的功能。对此，在第二实施方式中，将多个准直透镜22和其他部件的光学元件200设置在多个准直透镜22和第一光学系统23之间。

从多个激光光源21射出的光线分别形成光束，入射与多个激光光源21对应的多个准直透镜22，各光束成为平行光或发散光从多个准直透镜22射出，入射到光学元件200。光学元件200由透镜阵列220构成，该透镜阵列220具备与多个激光光源21对应地向第一光学系统23一方突出的多个正透镜(正透镜组)(参见图11)。

这里，光学元件200的多个正透镜(正透镜组)210的光焦度小于多个准直透镜22的正透镜(正透镜组)的光焦度。因此，通过光学元件200的各光束成为平行光或收敛光后从光学元件200射出，入射第一光学系统23。从光学元件200射出的各束光束经过第一光学系统23收敛，在第一光学系统23和第二光学系统26之间比偏振光分束器24的透射面、反射面更靠近跟前，形成聚光点F。从光学元件200出射的全光束的聚光点Fall在光路中位于比偏振光分束器24的透射面、反射面更靠近荧光体轮27一方。从光学元件200射出的全光束的聚光点Fall在光路中位于与第二光学系统26的至少一部分(这里为正透镜26B)重叠的位置上。

《第三实施方式》

参见图12详述第三实施方式的投影仪1。对于与第一实施方式相同的构成，标注相同的符号，省略重复的说明。

第三实施方式在以下方面与第一实施方式不同，即从激光光源21射出的励起光B为P偏振光，偏振光分束器24具有让从第一光学系统23导出的P偏振光的励起光B透过，同时反射来自1/4波长板25和第二光学系统26和荧光体轮27被转换为S偏振光的励起光B和荧光光Y的特性。

《第四实施方式》

参见图13、图14，详述第四实施方式的投影仪1。对于与第一实施方式相同的构成，标注相同的符号，省略重复的说明。

在第四实施方式中，省略第一实施方式中的聚光透镜28和色轮29，并且荧光体轮27具有不同构成。

图14是第四实施方式的荧光体轮27的具体构成示意图。第四实施方式的荧光体轮27与第一实施方式不同，没有把周向分割为荧光区域27D和励起光反射区域27E，而是在整个周向设有荧光区域(波长转换区域)27G。

荧光区域27G构成为从下向上依次层叠第一反射涂层27G1、荧光体层27G2以及第二反射涂层27G3。

第一反射涂层27G1的特性是，反射从第二光学系统26导出的励起光B的波长区域的光和荧光体层27G2的荧光光(发光光)的波长区域的光。

荧光体层27G2可以使用例如将荧光体材料分散在有机/无机粘结剂内的材料、直接形成荧光体材料结晶的材料、Ce:YAG类等稀土类荧光体。通过荧光体层27G2发出的荧光光(发光光)的波长带域如设为黄色，与励起光的蓝色结合而得到白色光。

第二反射涂层27G3具有的特性是，一方面反射从第二光学系统26导出的一部分励起光B，另一方面让从第二光学系统26导出的另一部分励起光B和荧光体层27G2发出的荧光(发光)透过。

受到荧光体轮27的第二反射涂层27G3反射的励起光B成为逆向的椭圆偏振光，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偏振光的励起光B透过偏振光分束器24，入射光均化元件30。另一方面，透过荧光体轮27的第二反射涂层27G3的励起光B在荧光体层27G2中转换为荧光光Y，受到第一反射涂层27G1反射。该荧光光Y通过第二光学系统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，入射光均化元件30。

《第五实施方式》

参见图15、图16，详述第五实施方式的投影仪1。对于与第一实施方式相同的构成，标注相同的符号，省略重复的说明。

第五实施方式省略了第一实施方式中的偏振光分束器24、1/4波长板25、聚光透镜28以及色轮29。偏光分光镜24所在的位置上设置分色镜90。而且，分色镜90两侧之中与第一光学系统23相反一方设有蓝色光源91、准直透镜92以及第三光学系统93。

蓝色光源91具有多个光源(固体光源)。蓝色光源91的各光源射出与励起光B不同的蓝色波长区域的光(蓝色激光)。与蓝色光源91的多个光源对应地设有多个准直透镜92。虽然图15中描绘了纵向排列的各3个蓝色光源91和准直透镜92，蓝色光源91和准直透镜92的组合也可以在垂直于纸面的方向(纵深方向)上多列配置(也可以是二维排列)。准直透镜92被调整为使得蓝色光源91的各光源射出的蓝色激光成为平行光。蓝色光源91和准直透镜92的数量可以适当增减。第三光学系统93具有双凸形状的正透镜93A和双凹形状的负透镜93B，从蓝色光源91和准直透镜92射出的蓝色激光通过后被导向分色镜90。蓝色光源91除了激光光源以外，也可以使用例如发光二极管。

分色镜90将从第一光学系统23导出的励起光B向第二光学系统26反射。分色镜90还将从第三光学系统93导出的蓝色激光向光均化元件30反射。另外，分色镜90让来自荧光体轮27的荧光光透过，射往均匀化元件30。受到分色镜90反射的励起光B通过第二光学系统26入射荧光体轮27。

图16是第五实施方式的荧光体轮27的具体构成示意图，其中(A)是俯视图，(B)是正视图。第五实施方式的荧光体轮27不像第一实施方式那样在周向上被分割为荧光区域27D和励起光反射区域27E，而是把整个周向设为荧光区域(波长转换区域)27H。

荧光区域27H由从下层向上层依次层叠反射涂层27H1、荧光体层27H2以及反射防止涂层(AR涂层)27H3构成。

反射涂层27H1具有反射由荧光体层27H2产生的荧光光(发光光)的波长区域的光的特性。在圆盘部件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27H1(可以使圆盘部件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结晶的材料、Ce:YAG系等稀土类荧光体。荧光体层27H2发出的荧光光(发光光)的波长区域可以例如通过与蓝色光源91的各光源发出的蓝色激光结合得到白色光。

防反射涂层27H3具有防止荧光体层27H2的光反射的特性。

入射荧光体轮27的荧光区域27H的励起光B被转换为荧光光Y后射出。该荧光光Y通过第二光学系统26成为大致平行光，透过分色镜90，入射光均化元件30。另一方面，色光源91的各光源射出的蓝色激光通过准直透镜92成为平行光，通过第三光学系统93，受到分色镜90反射，入射光均化元件30。

《第六实施方式》

参见图17、图18详述第六实施方式的投影仪1。对于与第一实施方式相同的构成，标注相同的符号，省略重复的说明。

在第六实施方式中，省略了第一实施方式中偏振光分束器24和第二光学系统26之间的1/4波长板25，同时在偏振光分束器24所在的位置上设置分色镜(色分离光学元件)100。位于第一光学系统23和第二光学系统26之间的光路上的分色镜100可以具有让励起光B(第一色光)透过并反射荧光光(第二色光)、或反射励起光B(第一色光)并让荧光光(第二色光)透过的特性。

优选至少一半(50％以上)从多个激光光源21射出的各光束的聚光点F位于第一光学系统23和分色镜(色分离光学元件)100之间。

优选至少一半(50％以上)从多个激光光源21射出的各束光束的聚光点F位于以分色镜(色分离光学元件)100为基准，比第二光学系统26更靠近第一光学系统23一方。

优选从多个激光光源21射出的全光束的聚光点Fall在光路中位于比分色镜(色分离光学元件)100更靠近荧光体轮27的一方。

进而，让第一光学系统23的光轴X和第二光学系统26的光轴Y向与光轴垂直的方向偏心。由此，从第一光学系统23射出的励起光B从第二光学系统26的单侧(图17中光轴Y的下侧)入射。在此，第六实施方式中当使得第一光学系统23的光轴X与第二光学系统26的光轴Y一致时光的行为与第一实施方式相同。

第一实施方式中规定了偏光方向(S偏光、P偏光)，但在第六实施方式中可以配置在任何方向。从激光光源21射出的光通过准直透镜22分别成为平行光束后，通过第一光学系统23，受到反射励起光B并让荧光光Y透过的分色镜100反射，而被导入第二光学系统26。通过将第一光学系统23配置成相对于第二光学系统26偏心，励起光B从第二光学系统26的单侧入射，相对于荧光体轮27倾斜入射。入射荧光轮27的荧光区域27D的励起光B被转换为荧光光Y，通过与第一实施方式相同的光路，而被导入光均化元件30。

另一方面，入射荧光体轮27的励起光反射区域27E的励起光B受到正反射，因此如图18所示，通过与第二光学系统26入射一方(图18中的左侧)相反的一方(图18中的右侧)，从第二光学系统26射出。从第二光学系统26射出的励起光B不通过分色镜100，而是入射聚光透镜28，被导向色轮29以及光均化元件30。

在第六实施方式中，虽然显示了在荧光体轮27的励起光反射区域27E中受到反射的励起光B不通过分色镜100的构成，但也可以利用如下的分色镜100，即加大分色镜100，让分色镜100的一半表面的涂层具有反射励起光B并让荧光光Y透过的特性，剩余的一半具有让励起光B、荧光光Y透过的特性。

《第七实施方式》

参见图19，详述第七实施方式的投影仪1。对于与第一实施方式相同的构成，标注相同的符号，省略重复的说明。

在第七实施方式中，除了第六实施方式中的激光光源21和准直透镜22的组合之外，还具有位于其下方的激光光源21X和准直透镜22X的组合。激光光源21和准直透镜22的组合、以及激光光源21X和准直透镜22X的组均射出P偏振光的励起光B。

光源装置20具有合成光学系统110，把激光光源21和准直透镜22的组合、以及合成激光光源21X和准直透镜22X的组合射出的励起光B合成，射往第一光学系统23。

合成光学系统110具有1/2波长板112、反射镜114以及偏振光分束器116。

1/2波长板112将激光光源21X和准直透镜22X的组合射出的励起光B从P偏振光转换为S偏振光。

反射镜114将用1/2波长板112转换为S偏振光的励起光B反射到偏振光分束器116。

偏振光分束器116具有一方面反射为S偏振光的励起光B，另一方面让P偏振光的励起光B透过的特性。偏振光分束器116还让由激光光源21和准直透镜22的组合射出的P偏振光的励起光B透过，引导至第一光学系统23。偏振光分束器116反射由反射镜114反射的为S偏振光的励起光B，并将其引导至第一光学系统23。这样，为P偏振光的励起光B和为S偏振光的励起光B合成起来，入射第一光学系统23。

激光光源21和激光光源21X各自形成在独立的底板上，当设定激光光源21的发光点中任意两个发光点之间最大距离为Smax1，激光光源21X的发光点中任意两个发光点之间最大距离为Smax2时，可以将Smax1和Smax2中较大的一方设为Smax。例如，在用同一光源阵列作为激光光源21和激光光源21X时，Smax1＝Smax2＝Smax成立。

在此，举例说明了激光光源21和准直透镜22的组合、以及激光光源21X和准直透镜22X的组合均射出P偏振光的励起光B的场合，但也可以射出S偏振光的励起光B。另外，虽然举例说明了使用偏光光束分离器116合成励起光B，但是也可以使用梳齿镜等合成励起光B。

如上所述，在本实施方式的光源光学系统、光源装置及投影仪(图像投影装置)中，从多个激光光源(励起光源)21射出的各束光束的聚光点形成在第一光学系统23和第二光学系统26之间。由此，通过获得能量密度均化和最佳光点大小，能够提高光利用效率。另外，由于不需要使用扩散板和微透镜阵列等均匀化元件，因此有望实现小型化、简化和低成本化。

上述各实施方式展示了本发明的优选实施例，但本发明并不受到这些内容的限制。特别是，在各实施方式中例示的各部分的具体形状以及数值，只不过是实施本发明时的一个具体例子，不应该据此来局限本发明的技术范围的解释。为此，本发明不受制于本实施方式中描述的内容，可以在不脱离其宗旨的范围内进行合理的更改。

符号说明

1投影仪(图像投影装置)，10壳体，20光源装置，21、21X激光光源(励起光源)，22、22X准直透镜(光源光学系统)，22X多个正透镜(正透镜组)，22Y透镜阵列，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，偏振光光学元件)，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圆盘部件(底板)，27B转轴，27C驱动电机(驱动部件)，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励起光反射区域，27E1反射涂层(反射面)，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反射防止涂层(AR涂层)，28聚光透镜(光源光学系统)，29色轮(光源光学系统)，30光均化元件，40照明光学系统，50图像形成原件(图像显示元件)，60投影光学系统，70屏幕(被投影面)，90分光镜(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分光镜(色分离光学元件)，110合成光学系统，112 1/2波长板，114反射镜，116偏振光分束器，200光学元件，210多个正透镜(正透镜组)，220透镜阵列。

Claims (17)

1.一种光源光学系统，被用来作为射出第一色光的多个励起光源，其特征在于，具有

波长转换单元，其中入射从所述多个励起光源射出的所述第一色光，射出具有与所述第一色光不同波长的第二色光；以及

第一光学系统和第二光学系统，所述第一光学系统和所述第二光学系统被依次设置在所述多个励起光源和所述波长转换单元之间的光路上，所述第二光学系统具有正光焦度，

在所述第一光学系统和所述第二光学系统之间形成从所述多个励起光源射出的各光束的聚光点，其中所述各光束的聚光点为所述多个励起光源各自形成的中间像。

2.根据权利要求1所述的光源光学系统，其特征在于，具有光学元件，该光学元件用来将从所述多个励起光源射出的各束光束作为平行光或收敛光，入射所述第一光学系统。

3.根据权利要求2所述的光源光学系统，其特征在于，所述光学元件具有与所述多个励起光源相对应的多个正透镜。

4.根据权利要求3所述的光源光学系统，其特征在于，具有多个准直透镜，该多个准直透镜使得从所述多个励起光源射出的各束光束作为平行光或者发散光入射所述多个正透镜。

5.根据权利要求1至4中任意一项所述的光源光学系统，其特征在于，至少一半从所述多个励起光源射出的各束光束的聚光点位于比所述第二光学系统更靠近所述第一光学系统一方。

6.根据权利要求1所述的光源光学系统，其特征在于，

具有位于所述第一光学系统和所述第二光学系统之间的光路上的偏振光光学元件，该偏振光光学元件对于所述第一色光的第一偏振光成分和第二偏振光成分，反射其中一方，而让另一方透过，同时让所述第二色光透过或反射第二色光，

至少一半从所述多个励起光源射出的各束光束的聚光点位于所述第一光学系统和所述偏振光光学元件之间。

7.根据权利要求1所述的光源光学系统，其特征在于，

具有位于所述第一光学系统和所述第二光学系统之间的光路上的偏振光光学元件，该偏振光光学元件对于所述第一色光的第一偏振光成分和第二偏振光成分，反射其中一方，而让另一方透过，同时让所述第二色光透过或反射第二色光，

至少一半从所述多个励起光源射出的光束各自的聚光点位于以所述偏振光光学元件为基准，比所述第二光学系统更靠近所述第一光学系统一方。

8.根据权利要求1所述的光源光学系统，其特征在于，

具有位于所述第一光学系统和所述第二光学系统之间的光路上的偏振光光学元件，该偏振光光学元件对于所述第一色光的第一偏振光成分和第二偏振光成分，反射其中一方，而让另一方透过，同时让所述第二色光透过或反射第二色光，

从所述多个励起光源射出的全光束的聚光点在光路中位于比所述偏振光光学元件更靠近所述波长转换单元一方。

9.根据权利要求8所述的光源光学系统，其特征在于，从所述多个励起光源射出的全光束的聚光点在光路中位于与所述第二光学系统的至少一部分重叠。

10.根据权利要求1所述的光源光学系统，其特征在于，

所述多个励起光源以二维阵列形状排列，

具有与所述多个励起光源对应的以二维阵列形状排列的多个准直透镜，

在把所述多个励起光源的发光角度最大的方向定义为X方向的情况下，当设定所述X方向的发散角为θx，所述X方向上所述多个励起光源之间的间隔为Px，所述多个励起光源和所述多个准直透镜之间的距离为L时，满足以下条件，

11.根据权利要求1所述的光源光学系统，其特征在于，所述第二光学系统入射一方的透镜具有非球面或自由曲面。

12.根据权利要求1所述的光源光学系统，其特征在于，

具有位于所述第一光学系统和所述第二光学系统之间的光路上的色分离光学元件，该色分离光学元件反射所述第二色光，同时让所述第一色光透过，或者，反射所述第一色光，同时让所述第二色光透过，

至少一半从多个激光励起光源射出的各束光束的聚光点位于所述第一光学系统和所述色分离光学元件之间。

13.根据权利要求1所述的光源光学系统，其特征在于，

具有位于所述第一光学系统和所述第二光学系统之间的光路上的色分离光学元件，该色分离光学元件反射所述第二色光，同时让所述第一色光透过，或者，反射所述第一色光，同时让所述第二色光透过，

至少一半从多个激光励起光源射出的各束光束的聚光点位于以所述色分离光学元件为基准，比所述第二光学系统更靠近所述第一光学系统一方。

14.根据权利要求1所述的光源光学系统，其特征在于，

具有位于所述第一光学系统和所述第二光学系统之间的光路上的色分离光学元件，该色分离光学元件反射所述第二色光，同时让所述第一色光透过，或者，反射所述第一色光，同时让所述第二色光透过，

从多个激光励起光源射出的全光束的聚光点在光路中位于比所述色分离光学元件更靠近所述波长转换单元一方。

15.一种光源装置，其中，具有权利要求1至14中任意一项所述的光源光学系统。

16.根据权利要求15所述的光源装置，其中，所述多个励起光源射出作为第一色光的相干光。

17.一种图像投影装置，其特征在于，具有

多个励起光源；

权利要求1至14中任意一项所述的光源光学系统；

图像显示元件，用于调制所述光源光学系统射出的光，形成图像；以及

投射光学系统，用于把所述图像放大投射到投射面上。

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