CN115704986A - 波长转换板、光源装置和图像投影设备 - Google Patents

Abstract

一种波长转换板包括基底表面上的转换区域和反射区域。转换区域包括波长转换构件，该波长转换构件被配置成接收激发光并产生与激发光的颜色不同的颜色。反射区域被配置成反射激发光。反射区域包括透射漫射表面、透射层和反射表面。透射漫射表面被配置成漫射激发光。透射层被配置成透射激发光。反射表面被配置成反射激发光。透射漫射表面朝向激发光入射的方向位于与波长转换构件的更靠近基底表面的表面分离的位置。

Description

波长转换板、光源装置和图像投影设备

技术领域

本发明涉及波长转换板、光源装置和图像投影设备。

背景技术

近年来，以放大方式投影各种视频的投影仪(图像投影设备)被广泛使用。投影仪是使从光源发射的光聚集到空间光学调制元件(图像显示元件)中的设备，所述空间光学调制元件例如是数字反射镜装置(DMD)或液晶显示元件，并且投影仪将基于视频信号调制的并且从空间光学调制元件发射的发射光(反射光)显示在屏幕上作为彩色视频。

同时，为了投影彩色视频，需要用于至少三原色的照明光源，并且有可能产生所有光源作为激光光源；然而，这种配置不是优选的，因为绿色激光和红色激光的发光效率低于蓝色激光。因此，主要使用将蓝色激光作为激发光施加到荧光物质并从荧光物质转换了波长的荧光产生红光和绿光的方法。相比之下，可以使用激发光照原样作为蓝光，因此，存在与照明设备相关的已知技术，该照明设备通过采用将荧光物质施加到的荧光物质基底(base)的一部分作为反射区域的一部分，并且顺序地互换反射区域和布置荧光物质的区域，以时序方式产生蓝光和荧光。

日本专利号6305009公开了一种技术，该技术用于在金属基材的表面上布置漫射(diffuse)和反射光的漫反射表面，在荧光轮中荧光物质布置在该金属基材的表面上，并且与荧光物质的漫反射表面相对于激发光的照射位置的位置同步地控制光源和激发光源的发光。日本未审查专利申请公开号2017-181602公开了一种用于在基底上布置光散射层的技术，在该光散射层中，微散射物质分散在材料中。

然而，根据设置在波长转换板上的反射表面的传统扩散结构，荧光物质的发光位置(当从激发光入射的方向观察时，激发光施加到的荧光物质的表面)和漫射位置(当从激发光入射的一侧观察时，激发光首先穿过的透射漫射表面的位置)不同，从而难以优化作为激发光源的荧光和蓝光中的每一个的光利用效率，并且难以提高利用效率。

此外，根据传统技术，荧光从荧光物质的表面行进到荧光物质内部，相对于施加到荧光物质表面的激发光的照射尺寸而言稍微模糊，并且具有比激发光的照射尺寸更大的荧发光尺寸。在激发光的透射漫射表面上，荧发光尺寸和激发光的发光尺寸之间存在差异。换句话说，根据传统技术，存在的问题在于，在捕获来自荧光和作为激发光源的蓝光的光的光学系统中，难以以同时的方式执行优化，并且难以提高使用效率。

本发明是鉴于上述情况而构思的，并且本发明的目的是提供一种能够提高光利用效率的波长转换板、光源装置和图像投影设备。

发明内容

根据本发明的一方面，波长转换板包括基底表面上的转换区域和反射区域。转换区域包括波长转换构件，该波长转换构件被配置成接收激发光并产生与激发光的颜色不同的颜色。反射区域被配置成反射激发光。反射区域包括透射漫射表面、透射层和反射表面。透射漫射表面被配置成漫射激发光。透射层被配置成透射激发光。反射表面被配置成反射激发光。透射漫射表面朝向激发光入射的方向位于与波长转换构件的更靠近基底表面的表面分离的位置。

根据本发明的一方面，可以将激发光的光源尺寸设置为接近在转换区域中扩散(spread)的发光尺寸的特定尺寸，该激发光在将激发光施加到透射漫射表面时用作透射漫射表面上的二次光源。因此，可以提高在转换区域中经历波长转换的光和从激发光捕获的光的使用效率。

附图说明

图1是示出根据第一实施例的投影仪的示意性配置图；

图2A和2B是示出光源单元的配置的示意图；

图3A至3C是示出波长转换元件的配置示例的图；

图4A至4C是示出波长转换元件中的反射示例的图；

图5是示出光在传统波长转换元件中扩散的状态的示意图；

图6是示出光在本实施例的波长转换元件中扩散的状态的示意图；

图7A和7B是示出根据修改的波长转换元件的横截面的图；

图8是根据第二实施例的波长转换元件的横截面的展开图；

图9是示出根据第三实施例的激发光的入射方向的范围的图；和

图10是激发光的照射位置的放大图。

附图旨在描述本发明的示例性实施例，并且不应被解释为限制其范围。在各个附图中，相同或相似的附图标记表示相同或相似的组件。

具体实施方式

这里使用的术语仅仅是为了描述特定的实施例，而不旨在限制本发明。

如这里所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”旨在也包括复数形式，除非上下文清楚地另外指出。

在描述附图所示的优选实施例时，为了清楚起见，可以使用特定的术语。然而，本专利说明书的公开内容不旨在限于如此选择的特定术语，并且应当理解，每个特定元素包括具有相同功能、以相似方式操作并实现相似结果的所有技术等同物。

下面将参照附图详细描述本发明的实施例。下面将参照附图详细描述波长转换板、光源装置和图像投影设备的实施例。

第一实施例

图1是示出根据第一实施例的投影仪1的示意性配置图。

投影仪(图像投影设备)1包括壳体10、光源装置20、光均匀化(homogenizing)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、控制装置80和色轮90。

壳体10容纳光源装置20、光均匀化元件30、照明光学系统40、图像形成元件50、投影光学系统60、控制装置80和色轮90。

例如，光源装置20发射具有对应于每种RGB颜色的波长的光。光源装置20包括光源单元20A、光源单元20B和作为合成单元的光路合成元件20C。光源单元20A和光源单元20B具有相同的配置，并且发射具有预定形状的光通量。稍后将详细描述光源单元20A和光源单元20B的内部配置。从光源单元20A和光源单元20B发射的光通量被光路合成元件20C偏转，并且进入光均匀化元件30的入射侧表面。在本实施例中，棱镜被图示为光路合成元件20C的示例，但是实施例不限于该示例。

如图1所示，投影仪1使得从光源单元20A和光源单元20B沿相反方向发射并被聚光的光通量被两个反射部分(图1中的光路合成元件20C)反射和偏转，这两个反射部分形成大约90度的角度，使得光通量沿相同方向被反射，并且聚光的光通量以相邻方式或部分重叠方式被合成并同时输入到光均匀化元件30。

同时，在本实施例中，示出了光源装置20包括两个光源单元20A和20B的示例，但是实施例不限于该示例，并且可以使用多于两个光源，例如四个光源来合成光。

光均匀化元件30通过混合光来均匀化从光源装置20发射的光。更具体地，光均匀化元件30使从入射侧表面输入的光通量在光均匀化元件30内部扩散，同时重复反射光通量，并从发射表面输出光通量。光均匀化元件30多次内部反射从入射侧表面输入的光通量，并在输出表面上形成均匀的表面光源。作为光均匀化元件30，例如，可以使用其中四个反射镜组合在内表面上的中空光隧道、由诸如玻璃、复眼透镜等透明材料制成的棱镜形棒状积分器。例如，如果采用光隧道作为光均匀化元件30，通过采用与图像形成元件50的纵横比近似相同的纵横比，光隧道的出口具有与投影在图像形成元件50的表面上的形状相同的形状，从而可以有效地照亮图像形成元件50的表面而没有任何浪费。

照明光学系统40用被光均匀化元件30均匀化的光近似均匀地照明图像形成元件50。照明光学系统40包括例如一个或多个透镜、一个或多个反射表面等。

图像形成元件50包括灯泡，例如数字微镜器件(DMD)、透射型液晶面板或反射型液晶面板。图像形成元件50调制由照明光学系统40发射的光(来自光源装置20的光源光学系统的光)并形成图像。

控制装置80通过例如根据输入图像反射或透射施加到图像形成元件50的照明光，在图像形成元件50的表面上以像素为单位执行切换，并将照明光引导到投影光学系统60。

投影光学系统60以放大的方式将由图像形成元件50形成的图像投影在屏幕(投影目标屏幕)70上。投影光学系统60包括例如一个或多个透镜。投影光学系统60具有共轭关系，使得图像形成元件50的表面上的图像作为放大图像形成在期望屏幕(投影目标屏幕)70上的特定位置处，并且因此以放大的方式将空间调制的图像投影在图像形成元件50的表面上。

此外，在光均匀化元件30的光出口处，布置色轮90，色轮90具有在滤色器之间切换的功能，以便提取至少蓝光分量、绿光分量和红光分量。色轮90使光源单元20A和光源单元20B中使用的波长转换元件26(见图2A和2B)的旋转与色轮90的旋转同步，以同步方式驱动滤色器之间的切换，并根据切换定时在图像形成元件50的表面上显示图像，从而顺序显示单色图像。如上所述的切换所花费的时间快于眼睛的响应速度，从而图像被识别为彩色图像。

图2A和2B是示出光源单元20A的配置的示意图。同时，光源单元20B具有相同的配置。图2A示出了产生蓝色激光(第一颜色光)时的状态，图2B示出了产生荧光(第二颜色光)时的状态。

光源单元20A(20B)包括激光光源(激发光源)21、根据每个光源布置的准直透镜22、第一透镜组23、分色镜24、第二透镜组25、作为波长转换板的波长转换元件26以及第三透镜组27，所有这些在光扩散方向上依次布置。例如，光源装置20中除激光光源21之外的组件构成“光源光学系统”。在光源单元20A(20B)中，上述所有单元按照从激光光源21发射的激发光的扩散顺序排列。

激光光源21包括多个光源(发光点)。作为激光光源21，使用所谓的激光二极管。在图2A和2B中，示出了布置在垂直方向上的六个光源，但是实际上，其中每一行布置有六个光源的四行排列在图纸的正交方向(深度方向)上，从而6×4＝24个光源以二维方式布置。激光光源21的每个光源发射例如发射强度的中心波长为440纳米(nm)至465nm的蓝色波段的光(蓝色激光)作为激发波长转换元件26中包括的荧光物质的激发光。

从激光光源21的每个光源发射的蓝色激光(第一颜色光)是具有恒定偏振状态的线性偏振光，并且被布置为相对于分色镜24变成S偏振光。从激光光源21的每个光源发射的蓝色激光是相干光。此外，从激光光源21的每个光源发射的激发光不限于蓝色波段中的光，并且可以激发波长转换元件26中包括的荧光物质的具有特定波长的光是令人满意的。

尽管示出了激光光源21包括多个光源的示例，但是也可以采用单个激光光源。此外，可以使用以阵列方式布置在基板上的光源单元作为激光光源21，但是实施例不限于该示例。

24个准直透镜22根据激光光源21的24个光源布置。每个准直透镜22调整从激光光源21的每个光源发射的激发光，以便获得平行光。准直透镜22的数量对应于激光光源21的光源数量就足够了，并且可以根据激光光源21的光源数量的增加或减少而增加或减少。

从激光光源21发射的激发光被对应于激光光源21的各个光源的准直透镜22调整为近似平行光。被调整为近似平行光的激发光被第一透镜组23减少并转换成细光通量，然后被引导至分色镜24。

分色镜24是具有平行平板形状的玻璃板。分色镜24的入射表面被涂覆，以反射从第一透镜组23引导的激发光的波长带中的S偏振光(第一偏振分量)，并透射从第一透镜组23引导的激发光的波长带中的P偏振光(第二偏振分量)和来自波长转换元件26的荧光(第二颜色光)。

分色镜24的中心相对于第二透镜组25的光轴偏移(shift)，使得激发光以相对于波长转换元件26的法线倾斜的方式输入。

尽管在本实施例中使用了具有平板形状的分色镜24，但是也可以使用棱镜类型。此外，在本实施例中，分色镜24反射S偏振光并透射激发光的波长带中的P偏振光，但是相反，也可以反射P偏振光并透射激发光的波长带中的S偏振光。

如图2A所示，被分色镜24反射的激发光被作为聚光光学系统的第二透镜组25引导至波长转换元件26，并且期望的聚光点形成在波长转换元件26上。在波长转换元件26的蓝色反射区域A3(参见图3A至3C)中反射的激发光再次透射穿过第二透镜组25，穿过第二透镜组25的光轴的与分色镜24相对的一侧，穿过第三透镜组27，被光路合成元件20C偏振，并进入光均匀化元件30。光均匀化元件30使入射光均匀化。

此外，如图2B所示，如果激发光入射到波长转换元件26的荧光物质区域(黄色荧光物质区域A1和绿色荧光物质区域A2：参见图3A至图3C),则在荧光分子周围360度发射在接收激发光时波长被转换的荧光。在波长转换元件26的荧光物质区域中发射的荧光包括黄色分量(component)或绿色分量。此外，被波长转换元件26的基底26a的表面(基底表面)反射的激发光(参见图3A至3C)再次穿过荧光物质区域(黄色荧光物质区域A1和绿色荧光物质区域A2)，并且在荧光物质区域(黄色荧光物质区域A1和绿色荧光物质区域A2)的表面发射具有朗伯(Lambertian)分布的荧光。在波长转换元件26的荧光物质区域(黄色荧光物质区域A1和绿色荧光物质区域A2)中发射的荧光经由光路合成元件20C(在图2A和2B中省略)被引导至光均匀化元件30。更具体地，荧光被第二透镜组25调整为近似平行光，被第三透镜组27折射以聚集到光均匀化元件30附近，被光路合成元件20C偏转，并进入光均匀化元件30。

图3A至3C是示出波长转换元件26的配置示例的图。

图3A是波长转换元件26的平面图。如图3A所示，根据本实施例的波长转换元件26具有盘形状。波长转换元件26是波长转换板，在该波长转换板中，三个区段，诸如作为包括波长转换构件(黄色荧光物质)26f的转换区域的黄色荧光物质区域(第一波长转换区域)A1、作为包括波长转换构件(绿色荧光物质)26g的转换区域的绿色荧光物质区域(第二波长转换区域)A2，以及其中从激光光源(激发光源)21发射的光被反射的蓝色反射区域A3(换句话说，非转换区域，其中从激光光源(激发光源)21接收的光被发射而没有波长转换)，以带状方式围绕盘形板的外围以期望的角度形成。

黄色荧光物质区域A1由例如黄色荧光物质26f形成，黄色荧光物质26f接收蓝色激光作为激发光并发射黄色波长范围内的荧光。绿色荧光物质区域A2由例如绿色荧光物质26g形成，该绿色荧光物质26g接收蓝色激光作为激发光并发射绿色波长范围内的荧光。

同时，在本实施例中，使用两种荧光物质，即黄色荧光物质区域A1和绿色荧光物质区域A2，但是实施例不限于该示例。例如，可以仅使用黄色荧光物质区域A1，或者可以添加红色荧光物质区域。

同时，色轮90包括用于从荧光物质中提取期望颜色分量的滤色器。色轮90通过在滤色器之间顺序切换，以时分方式从荧光中提取必要的分量，例如绿色分量或红色分量。为了如上所述在滤色器之间顺序切换，为每个滤色器设置一个区段并通过旋转马达执行旋转，使得期望的滤色器从一个顺序切换到另一个就足够了。

此外，盘状波长转换元件26通过由控制装置80控制的驱动单元旋转，使得可以以周期性的方式顺序地移动黄色荧光物质区域A1、绿色荧光物质区域A2和蓝色反射区域A3。同时，通常优选使用旋转马达M作为作为移动机构的驱动单元。此外，随着驱动单元的旋转驱动，波长转换元件26在聚光点中的黄色荧光物质区域A1、绿色荧光物质区域A2和蓝色反射区域A3之间切换，该聚光点是从激光光源(激发光源)21施加光的位置，使得以时分方式发射具有不同波长的光。

同时，在光源单元20A(20B)中，光吸收或反射构件布置在波长转换元件26的轮或支撑并旋转该轮的构件上，并且基于使用光电耦合器的检测，两个波长转换元件26的旋转速度相等。

图3B是沿着图3B中的A-A’截取的截面图。如图3B所示，波长转换元件26在蓝色反射区域A3中包括透明平板26c，该透明平板26c是经由结合(bonding)层26b在盘形基底26a上的透明平板构件。同时，如上所述，激光光源21发射例如发射强度的中心波长为440nm至465nm的蓝色波段的光(蓝色激光)作为激发光。

如图3B所示，形成蓝色反射区域A3的平板26c包括漫射激发光的透射漫射表面261、透射激发光的透射层262和反射激发光的反射表面263。在平板26c中，一个侧表面用作透射漫射表面261，并且面对透射漫射表面261的另一个侧表面用作反射表面263。平板26c由BK7玻璃板、具有高导热性的石英玻璃、蓝宝石、人造合成玻璃等制成。

平板26c的透射漫射表面261是通过在玻璃表面上执行粗加工而形成的。例如，作为粗加工，可以使用用于获得毛玻璃的加工技术，例如使用喷砂或溶剂的蚀刻。此外，平板26c的透射漫射表面261可以通过使用微型棱镜或微透镜来形成。同时，该示例中的透射漫射表面表示这样的表面，在该表面中，光在界面处不沿特定方向偏转，但是光被透射，使得光通量在扩散到一定程度的同时行进。

通过用于形成普通反射镜的传统方法形成平板26c的反射表面263就足够了。例如，可以通过气相沉积或溅射使用诸如铝的金属形成薄膜，然后形成平板26c。此外，可以在平板26c上形成反射膜，使得激发光的波长区域中的反射率增加。同时，反射膜是薄膜，因此，反射膜的厚度几乎可以忽略。具体而言，可以由电介质多层膜形成平板26c，为此建立了批量生产方法。

如图3B所示，当蓝色激光透射穿过平板26c的透射漫射表面261时，光通量相对于主光束以一定角度扩散。如图3B所示，扩散的光通量透射穿过平板26c，并到达面对透射漫射表面261的反射表面263。已经透射穿过平板26c的光通量被反射表面263镜面反射，再次到达入射表面(透射漫射表面261)，并且从平板26c输出，同时以特定角度进一步扩散。平板26c被设置成使得当光通量被输出时，光通量从透射漫射表面261以微小的角度扩散。优选的是，扩散角是几度，可以在大约几度到10度的范围内，并且最多可以是大约20度。蓝色激光基本上穿过平板26c的透射漫射表面261两次。因此，被平板26c的反射表面263反射的光通量通过以透射漫射表面261的大约两倍的漫射角被漫射而输出。因此，将平板26c的透射漫射表面261的漫射角设置成使得漫射角大约是反射光的期望漫射角的一半就足够了。因此，当要以期望的角度漫射光时，设置大约为期望漫射角的一半的漫射角就足够了，从而可以容易地形成透射漫射表面261。

因此，以特定角度进入平板26c的反射表面263的蓝色激光以微小的扩散角两次穿过透射漫射表面261，因此被优化使得光通量以期望的方式扩散。

这里，将描述作为蓝色激光的激发光的漫射的需要。为了实现具有实用亮度的投影仪1，需要几千流明的亮度。为此，激发光至少需要几十瓦(W)的功率。作为具有几十W功率的光源，具有蓝色波长范围的激光光源21是有利的。作为激光光源21，使用所谓的激光二极管。然而，虽然激光二极管是可以实现高输出功率的有效光源，但是光的方向性高并且相干性(coherency)高，从而在投影图像中可能出现闪光，这是一种称为散斑(speckle)的情况。为了消除如上所述的情况，通过使激光穿过漫射构件，可以降低方向性并降低相干性。为了减少如上所述的散斑，通常在激光的光路中布置漫射板；然而，在本实施例中，透射漫射表面261被布置在朝向荧光物质的聚光光路中(在聚光点附近)以减少散斑。

此外，如图3B所示，当沿蓝色激光的入射方向观察时，平板26c的透射漫射表面261的最靠近的位置用作被平板26c的反射表面263反射的蓝色光源的发光位置，用于由后续阶段中的光学系统捕获和使用。

图4A至4C是示出波长转换元件26中的反射示例的图。图4A示出了蓝色激光进入蓝色反射区域A3的状态，图4B示出了蓝色激光被蓝色反射区域A3漫射和反射的状态，以及图4C示出了蓝色激光进入荧光物质区域(黄色荧光物质区域A1和绿色荧光物质区域A2)并发射荧光的状态。

如图4A和图4B所示，如果蓝色激光以倾斜方向进入波长转换元件26的蓝色反射区域A3，则在透射漫射表面261(激发光照射区域)上形成的蓝色激光的光斑尺寸被平板26c的透射漫射表面261漫射，并被平板26c的反射表面263反射。因此，漫射光被扩散，已经被平板26c的反射表面263反射的光通量从后侧再次进入透射漫射表面261，第二次穿过透射漫射表面261，并且在透射漫射表面261上以比第一次入射时的聚光点更大的聚光点输出。

相比之下，如图4C所示，如果波长转换元件26旋转，并且蓝色激光以倾斜方向输入到波长转换元件26的荧光物质区域(黄色荧光物质区域A1和绿色荧光物质区域A2)，该区域由沿图3A中的C-C’截取的截面表示，则蓝色激光用作激发光。同时，荧光物质区域(黄色荧光物质区域A1和绿色荧光物质区域A2)形成在波长转换元件26中的基底26a上的反射表面26d上。在这种情况下，荧光物质区域(黄色荧光物质区域A1和绿色荧光物质区域A2)中的荧光物质26f和26g的表面发射稍微扩散的荧光。以这种方式，从透射漫射表面261上的蓝色反射区域A3发射的激发光的发光尺寸接近或变得与在荧光物质区域(黄色荧光物质区域A1和绿色荧光物质区域A2)中扩散的荧光的光源尺寸相同。

如果不采用如上所述的配置，则获得聚光点的点尺寸减小的漫射光，使得光被发射，就好像蓝色光被发射在透射漫射表面261上一样，并且光均匀化元件30以小的发光尺寸捕获光并将其施加到面板。在这种情况下，在优先考虑荧光的发光尺寸的同时设计的照明光学系统中，存在的问题是难以用蓝色的小发光尺寸来均衡光。

回到图3A至3C，图3C是沿图3A中B-B’截取的横截面的展开(developed)图。如图3C所示，蓝色反射区域A3包括用于漫射激发光的透射漫射表面261、透射层262和反射表面263。

波长转换元件26通过以环形连续连接黄色荧光物质区域A1、绿色荧光物质区域A2和蓝色反射区域A3而形成。黄色荧光物质区域A1、绿色荧光物质区域A2和蓝色反射区域A3彼此相邻，因为它们以环形连续形成。具体地，如图3C所示，当沿着圆弧的截面B-B’展开时，蓝色反射区域A3和黄色荧光物质区域A1连续地跟随绿色荧光物质区域A2。通过如上所述连续布置黄色荧光物质区域A1、绿色荧光物质区域A2和蓝色反射区域A3，当聚光点穿过这些区域之间的边界部分时，可以最小化穿过这两个区域所花费的时间。利用这种配置，可以减少由所谓的轮辐时间(spoke time)引起的光学损耗。

此外，如图3C所示，蓝色反射区域A3的透射漫射表面261处于朝向激发光入射的方向与构成用作波长转换构件的荧光物质区域(黄色荧光物质区域A1和绿色荧光物质区域A2)的荧光物质26f和26g在基底26a侧的表面分离的位置。更具体地，在图3C所示的例子中，蓝色反射区域A3的高度高于黄色荧光物质区域A1和绿色荧光物质区域A2的高度。即，如在入射方向上看到的，形成在蓝色反射区域A3中的透射漫射表面261比黄色荧光物质区域A1和绿色荧光物质区域A2的表面更靠近激发光源定位。换句话说，基底26a和平板26c的透射漫射表面261之间的距离具有有限的值。同时，在该示例中，“高”表示相对位置关系。

通常，波长转换元件26的黄色荧光物质区域A1和绿色荧光物质区域A2以有限的厚度涂覆在基底26a的表面上。形成在基底26a上的黄色荧光物质区域A1和绿色荧光物质区域A2具有有限的厚度，因此不可避免地与基底26a的表面分离。

此外，这意味着当蓝色反射区域A3的表面和基底26a之间的位置关系被确定时，平板26c的透射漫射表面261的位置处于朝向波长转换元件26的表面的有限距离处。

如图3C所示，在本实施例中，确定在蓝色反射区域A3中平板26c的透射漫射表面261的高度，使得建立以下关系，其中黄色荧光物质区域A1和绿色荧光物质区域A2中的每一个的厚度由k表示，并且在蓝色反射区域A3中平板26c的透射漫射表面261距基底26a的表面的高度由h表示。

k<h<2k

同时，2k的h表示高度对应于黄色荧光物质区域A1和绿色荧光物质区域A2中的每一个的厚度的两倍。

同时，如果蓝色反射区域A3中的平板26c的透射漫射表面261距基底26a的表面的高度h等于或大于黄色荧光物质区域A1和绿色荧光物质区域A2中的每一个的厚度的两倍，则获得与h为零的情况下获得的效率大致相同的效率，并且效果降低。换句话说，与传统技术相比，为了提高效率，如果将蓝色反射区域A3中的平板26c的透射漫射表面261距基底26a的表面的高度h设定在特定范围内，使得k<h<2k，则可以显著提高光利用效率。

同时，理想的是，黄色荧光物质区域A1和绿色荧光物质区域A2的表面具有与蓝色反射区域A3中的平板26c的透射漫射表面261相同的高度(相对于第二透镜组25相同的距离)，即h＝k。然而，黄色荧光物质区域A1和绿色荧光物质区域A2由与蓝色反射区域A3的材料不同的材料制成，因此，在严格意义上，在制造波长转换元件26的过程中会产生特定的台阶(step)。在本实施例中，定义了该台阶的可接受范围。

由于作为激发光的蓝色激光的漫射，蓝色反射区域A3中的平板26c的透射漫射表面261用作作为二次光源的发光源。相比之下，黄色荧光物质区域A1和绿色荧光物质区域A2执行波长转换，以获得比蓝色激发光更长的波长。换句话说，对于在蓝色反射区域A3中的平板26c的透射漫射表面261中起作用的波长以及作为荧光从黄色荧光物质区域A1和绿色荧光物质区域A2发射的波长，在平板26c的透射漫射表面261中起作用的波长较短，并且出现某种程度的色差。可以通过使用更短的波长来减少后聚焦，因此，可以提高聚光效率。

例如，蓝色反射区域A3中的平板26c的透射漫射表面261位于距基底26a的表面约0.3毫米(mm)(300微米(微米))的高度处，黄色荧光物质区域A1和绿色荧光物质区域A2中的每一个都具有约0.2mm(200微米)的厚度。

下面将描述本实施例的效果。

图5是示出光在传统波长转换元件中行进的状态的示意图，图6是示出光在本实施例的波长转换元件26中行进的状态的示意图。

最初希望荧光物质区域(黄色荧光物质区域A1和绿色荧光物质区域A2)的表面和光均匀化元件30的入口(例如光隧道)具有光学共轭关系。换句话说，确定并设定与包括第二透镜组25和第三透镜组27的聚光元件的间隔，使得位于荧光物质区域(黄色荧光物质区域A1和绿色荧光物质区域A2)的表面上的激发光的聚光点最小化。

产生具有对应于聚光点尺寸的特定尺寸的荧光，因此，荧光光源的尺寸取决于波长转换元件26的位置。换句话说，为了有效地利用荧光，希望减少聚光点。因此，波长转换元件26被布置成使得激发光经由光学系统形成尽可能小的聚光点。通常，激发光的聚光点的尺寸约为几毫米，在某些情况下，为1毫米或小于1毫米

如图5所示，在传统技术中，漫射表面与包括第二透镜组25和第三透镜组27的聚光元件隔开荧光物质区域(黄色荧光物质区域A1和绿色荧光物质区域A2)的荧光物质层的厚度。如图5所示，当激发光施加到荧光物质区域(黄色荧光物质区域A1和绿色荧光物质区域A2)并且发射荧光时，荧光的发光点用作物点(位置A)。从物点(位置A)发射的光被第二透镜组25聚光，然后被光均匀化元件30的入口附近的第三透镜组27聚光。换句话说，荧光物质区域(黄色荧光物质区域A1和绿色荧光物质区域A2)的表面和光均匀化元件30的入口被布置成具有光学共轭关系。

如图5所示，如果传统的波长转换元件旋转，并且激发光被漫射表面反射，则漫射表面具有特定的位置关系(位置B)，从而与包括第二透镜组25和第三透镜组27的聚光元件分离。如图5所示，在这种状态下，相对于位置B获得共轭关系的位置相对于光均匀化元件30的入口位于前方。在这种状态下，被漫射表面折弯和反射的蓝色激光作为扩散光通量到达光均匀化元件30的入口，使得未被光均匀化元件30捕获的光在某种程度上存在，这导致光使用效率的降低。

相比之下，如图6所示，如果采用本实施例的波长转换元件26，则荧光物质区域(黄色荧光物质区域A1和绿色荧光物质区域A2)的表面位置和蓝色反射区域A3中的平板26c的透射漫射表面261的位置大致对准，从而可以在光均匀化元件30的入口处对准光学共轭位置，可以保持荧光和蓝光的最佳位置关系，并且可以减少光学损失。

以这种方式，根据本实施例，蓝色反射区域A3的透射漫射表面261位于比包括用作波长转换构件的荧光物质区域(黄色荧光物质区域A1和绿色荧光物质区域A2)的后表面的表面更高的位置，使得可以将激发光的光源尺寸设置为接近在转换区域中扩散的发光尺寸的特定尺寸，该激发光在激发光施加到透射漫射表面261时用作透射漫射表面261上的二次光源。因此，可以在转换区域中经历波长转换的光和从激发光捕获的光之间实现相同的使用效率。

此外，蓝色反射区域A3的透射漫射表面261处于朝向激发光入射的方向与荧光物质区域(黄色荧光物质区域A1和绿色荧光物质区域A2)的表面分离的位置，使得可以将透射漫射表面261设置在更靠近荧光物质区域(黄色荧光物质区域A1和绿色荧光物质区域A2)的表面的位置。因此，可以有效地使用经过波长转换的光和激发光的反射光作为照明光。更具体地，作为激发光的蓝光被透射漫射表面261漫射，并且透射漫射表面261用作作为二次光源的发光源。相比之下，荧光的波长被转换成比蓝色激发光更长的波长。换句话说，对于在透射漫射表面261中起作用的波长和作为荧发光的波长，在透射漫射表面261中起作用的波长较短，并且出现色差。可以通过使用更短的波长来减少后聚焦，因此，可以提高聚光效率。

换句话说，根据本实施例的投影仪1，激光二极管光源的蓝色被输出并照原样用作蓝色光，但是蓝色光穿过蓝色反射区域A3的透射漫射表面261两次，使得可以确保均匀性并减轻激光的散斑的减少，并且可以获得高质量的投影图像。

同时，在本实施例中，假设黄色荧光物质区域A1和绿色荧光物质区域A2中的每一个的厚度由k表示，并且蓝色反射区域A3中的平板26c的透射漫射表面261距基底26a的表面的高度为h，则蓝色反射区域A3中的平板26c的透射漫射表面261的高度被确定为使得获得以下关系。

k<h<2k

然而，实施例不限于该示例，并且可以设置该高度使得0＜h＜2k。在传统技术中，透射漫射表面261与荧光物质层的表面隔开从聚光透镜观察时的荧光物质层的厚度。即采用h＝0的位置。与该状态相比，如果透射漫射表面261位于更靠近聚光透镜的位置，即，如果将该高度设置为使得h＞0，则可以在更靠近荧光表面的位置处调整焦点，并且可以提高将经过波长转换(荧光)的光和激发光用作蓝色光的照明装置的光利用效率。

另外，蓝色反射区域A3中的平板26c的透射漫射表面261也可以位于当从激发光入射的方向观察时与黄色荧光物质区域A1以及绿色荧光物质区域A2的表面相同的位置。换句话说，假设黄色荧光物质区域A1和绿色荧光物质区域A2中的每一个的厚度由k表示，并且蓝色反射区域A3中的平板26c的透射漫射表面261距基底26a的表面的高度由h表示，则可以确定蓝色反射区域A3中的平板26c的透射漫射表面261的高度，使得获得以下关系。

k＝h

到用于捕捉荧光和漫射光的第二透镜组25的距离(后焦距)非常小。相比之下，如果使波长转换元件26旋转，则第二透镜组25的表面在保持微小间隙的同时以高的速度移动到波长转换元件26上方。因此，通过消除波长转换元件26上的台阶，可以防止风噪声或物理障碍物。

同时，这并不意味着透射漫射表面261可以不受限制地与基底26a分离。如果有一个理想的焦点位置，通常，作为考虑到鲁棒性的通用光学设计，其设计成以在理想的焦点位置实现优化。例如，在传统技术中，如果在荧光表面上的位置处进行优化，则即使在从聚光透镜观看时后退+k(对应于黄色荧光物质区域A1和绿色荧光物质区域A2的厚度)的距离处，也确保了透射漫射表面261捕获反射光的一定效率。如果不进行特殊设计，即使焦点在相反方向上向前移动-k，通常也可能获得与位于+k距离处的原始位置处的性能大致相同的性能(特征是关于焦点偏离的目标是正常的)。利用本发明的技术思想，仅通过将透射漫射表面261设置为使透射漫射表面261位于距荧光表面的Δk(小于±k)内，至少与传统技术相比，可以进一步提高效率，而不需要设计中的特殊装置。因此，通过将透射漫射表面261的高度设定为使得0＜h＜2k，透射漫射表面261相对于距荧光表面的高度位于±k的偏差内，从而与h＝0的位置相比，可以提高效率。

修改

下面将描述一种修改。

图7A和7B是示出根据修改的波长转换元件26的横截面的图。图7A是蓝色反射区域A3的截面图，图7B是荧光物质区域(黄色荧光物质区域A1和绿色荧光物质区域A2)的截面图。

如图7A和7B所示，该修改的波长转换元件26包括沿着基底26a的外周的圆形或圆弧形式的凹槽26e。在波长转换元件26中，黄色荧光物质区域A1、绿色荧光物质区域A2和蓝色反射区域A3形成在形成于基底26a中的凹槽26e中。如图7A和7B所示，与黄色荧光物质区域A1、绿色荧光物质区域A2和蓝色反射区域A3接触的凹槽26e的底表面用作基底26a的表面，并且平板26c的透射漫射表面261定位成与凹槽26e的底表面保持有限的距离。

第二实施例

下面将描述第二实施例。

第二实施例与第一实施例的不同之处在于，透射过蓝色反射区域A3中的平板26c的光被波长转换元件26中的基底26a的表面反射。在第二实施例的以下描述中，省略了与第一实施例相同的组件的解释，并且将描述与第一实施例的不同之处。

图8是根据第二实施例的波长转换元件26的横截面的展开图。在图3B中，仅示出了最外表面的漫射状态；然而，如图8所示，作为光的实际行为，在蓝色反射区域A3中，光从平板26c的透射漫射表面261上的主光束以漫射角扩散，被平板26c的反射表面263反射，并且当在相反方向上穿过透射漫射表面261行进时被进一步漫射。

因此，如图8所示，在根据本实施例的波长转换元件26中，平板26c的表面用作透射漫射表面261，面对透射漫射表面261的另一表面形成为透明表面，并且光被基底26a的表面反射。平板26c经由具有与透射漫射表面261相对的透明表面的结合层26b附接到用作反射表面26d的基底26a的表面。

在波长转换元件26中，荧光物质区域(黄色荧光物质区域A1和绿色荧光物质区域A2)形成在基底26a的反射表面26d上，使得可以以连续的方式形成反射表面26d作为激发光(蓝光)的反射表面。换句话说，不需要在平板26c中布置反射层，从而可以以低成本构造波长转换元件26。

同时，为了实现实际的照明输出功率，通常，蓝色激光光源需要具有几十W的输出功率。几十W的点光以集中的方式穿过平板26c的透射漫射表面261，因此，平板26c需要具有一定程度的耐热性。因此，平板26c热连接到至少某个具有高导热性的构件(例如金属)就足够了。换句话说，通过经由结合层26b将平板26c连接到基底26a，可以耗散由辐射引起的热量，从而可以提供具有高可靠性的波长转换元件26。

同时，在每个实施例中，作为波长转换板的波长转换元件26被布置在投影仪(图像投影设备)1中，但是实施例不限于该示例，并且波长转换元件26可以广泛地适用于通过暂时地混合荧光和蓝色激发光源来获得白色外观的装置。例如，作为波长转换板的波长转换元件26可以应用于照明装置，例如探照灯或聚光灯。

第三实施例

下面将描述第三实施例。

第三实施例与第一实施例和第二实施例的不同之处在于定义了激发光的入射方向上的范围。在第三实施例的以下描述中，省略了与第一实施例和第二实施例相同的组件的解释，并且将描述与第一实施例和第二实施例的不同之处。

如果激发光沿着转换区域(黄色荧光物质区域(第一波长转换区域)A1、绿色荧光物质区域(第二波长转换区域)A2)和反射区域(蓝色反射区域A3)旋转的方向(移动方向)输入，则存在光束在移动方向上扩散的问题。为了应对这一点，在本实施例中，从激光光源21发射的激发光相对于波长转换元件26的移动方向(旋转方向)在45°至135°的范围内输入。

图9是示出根据第三实施例的激发光的入射方向范围的示意图。图9所示的虚线箭头P是用于驱动(旋转方向)的波长转换元件26的切线。从激光光源21发射的激发光的入射方向相对于沿着图9所示切线的方向落在45°到135°的范围内(可以从上方或下方)。

图10是激发光的照射位置的放大图。从激光光源21发射的激发光入射到由图10所示的两个箭头Q形成的范围(45°到135°)。图10所示的椭圆表示激发光的聚光点。如图10所示，点光在相对于转换区域(黄色荧光物质区域(第一波长转换区域)A1、绿色荧光物质区域(第二波长转换区域)A2)的移动方向垂直的方向上扩散。

下面将描述一种情况，其中如图10所示，从激光源21发射的激发光在0°到45°或135°到180°范围内的方向上输入。在这种情况下，激发光的聚光点是在入射方向上具有长轴的椭圆，并且在光束扩散的方向上，漫射增加并且颜色混合或光使用效率降低。光的扩散以与上面参照图3A至3C、图4A至4C等描述的方式相同的方式发生。

以这种方式，根据本实施例，光束在转换区域(黄色荧光物质区域(第一波长转换区域)A1、绿色荧光物质区域(第二波长转换区域)A2)中扩散；然而，因为反射区域中激发光的入射方向被定义为等于或大于45度且等于或小于135度的角度，所以可以最小化反射区域和转换区域之间的边界部分处的扩散。特别地，如果激发光相对于反射区域的入射方向被设置为大约90度，则移动方向上的扩散被最小化，从而可以减少轮辐部分(spokeportion)的扩散并获得高效的照明光学系统。

同时，在如上所述的每个实施例中，已经描述了本发明的优选实施例，但是本发明不限于实施例的细节。

特别地，在如上所述的每个实施例中示出的每个部分的具体形状和值仅仅是用于实施本发明的实施例的示例，并且本发明的技术范围不需要以限制的方式来解释。

如上所述，本发明不限于如上所述的每个实施例的细节，并且可以在不脱离本发明的主旨的范围内适当地修改。

上述实施例是说明性的并且不限制本发明。因此，根据以上教导，许多额外的修改和变化是可能的。例如，本文中不同说明性和示例性实施例的至少一个元件可以在本公开的范围内相互组合或相互替代。另外，实施例子的的组件的特征，例如数量、位置、形状并不限定于所述实施例，可以优选设定。因此应当理解，在本申请的范围内，本发明的公开可以以不同于本文具体描述的方式实施。

Claims (12)

1.一种波长转换板，包括：

基底表面上的转换区域，该转换区域包括波长转换构件，该波长转换构件被配置为接收激发光并产生与激发光的颜色不同的颜色；和

基底表面上的反射区域，该反射区域被配置为反射所述激发光，其中

反射区域包括：

透射漫射表面，该透射漫射表面被配置为漫射激发光；

透射层，该透射层被配置为透射激发光；和

反射表面，该反射表面被配置成反射激发光的，和

所述透射漫射表面朝向激发光入射的方向位于与波长转换构件的更靠近基底表面的表面分离的位置。

2.根据权利要求1所述的波长转换板，其中，所述透射漫射表面的位置被确定为使得满足以下条件：

k<h<2k

其中k表示波长转换构件的厚度，h表示基底表面和透射漫射表面之间的距离。

3.根据权利要求1所述的波长转换板，其中，所述透射漫射表面的位置被确定为使得满足以下关系：

0<h<2k

其中k表示波长转换构件的厚度，h表示基底表面和透射漫射表面之间的距离。

4.根据权利要求1所述的波长转换板，其中，所述透射漫射表面的位置被确定为使得满足以下关系：

k＝h

其中k表示波长转换构件的厚度，h表示基底表面和透射漫射表面之间的距离。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的波长转换板，其中

反射区域包括透明平板构件，

所述透射漫射表面在所述透明平板构件的第一表面上，和

所述透明平板构件的面向透射漫射表面的第二表面与基底表面接触，或者经由结合层热连接到基底表面。

6.根据权利要求5所述的波长转换板，其中，所述透明平板构件的面向所述透射漫射表面的第二表面被配置为反射所述激发光。

7.根据权利要求5所述的波长转换板，其中，所述透明平板构件的面向所述透射漫射表面的第二表面被配置为透射所述激发光。

8.一种光源装置，包括：

根据权利要求1至7中任一项所述的波长转换板；

光源，该光源被配置为发射激发光；和

聚光光学系统，该聚光光学系统被配置为将激发光聚光到波长转换板上。

9.根据权利要求8所述的光源装置，其中

由所述光源发射的激发光是蓝光，和

所述波长转换板被配置成接收蓝光并将蓝光的波长转换成至少包括绿光分量和红光分量的波长。

10.根据权利要求8或9所述的光源装置，其中

所述波长转换板被配置为由移动机构移动，和

激发光入射在转换区域和反射区域上的方向相对于波长转换板的移动方向成等于或大于45度且等于或小于135度的角度。

11.根据权利要求10所述的光源装置，其中，所述激发光入射在所述转换区域和所述反射区域上的方向相对于所述波长转换板的移动方向成大约90度的角度。

12.一种图像投影设备，包括：

根据权利要求8至11中任一项所述的光源装置；

光均匀化元件，该光均匀化元件被配置为使从光源装置发射的光均匀化并输出均匀化的光；

图像显示元件，该图像显示元件被配置为调制来自光均匀化元件的光，以形成图像；和

投影光学系统，该投影光学系统被配置为放大图像并将放大的图像投影在投影目标屏幕上。

Images