DE102021004216A1

DE102021004216A1 - Wellenlängenumwandlungselement, Lichtquellenvorrichtung und Bildprojektionsvorrichtung

Info

Publication number: DE102021004216A1
Application number: DE102021004216.6A
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Yamamoto; Yuya Kurata; Shigefumi Watanabe
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2020-09-01
Filing date: 2021-08-18
Publication date: 2022-03-03
Also published as: JP2022041435A; US20220066301A1

Abstract

Ein Wellenlängenumwandlungselement (1), das aus einem gesinterten Körper hergestellt ist, beinhaltet eine fluoreszierende Komponente (101), eine lichtdurchlässige Komponente (102), die eine thermische Leitfähigkeit aufweist, die höher ist als diejenige der fluoreszierenden Komponente, und eine lichtstreuende Komponente (103), die einen Brechungsindex, der höher ist als derjenige der lichtdurchlässigen Komponente, und einen durchschnittlichen Partikelradius von 75 nm oder mehr und 200 nm oder weniger aufweist.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Wellenlängenumwandlungselement, eine Lichtquellenvorrichtung und eine Bildprojektionsvorrichtung.
Beschreibung des Standes der Technik
Eine herkömmliche Bildprojektionsvorrichtung (Projektor) strahlt Anregungslicht von einer Lichtquelle auf ein Wellenlängenumwandlungselement, wie z. B. einen Leuchtstoff, und leitet Beleuchtungslicht, das unter Verwendung von vom Wellenlängenumwandlungselement emittiertem umgewandeltem Licht erzeugt wird, zu einem Lichtmodulationselement, wie z. B. einem Flüssigkristallelement und einer digitalen Mikrospiegeleinrichtung, und projiziert ein Bild.
Die japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. („JP“) 2018-53227 offenbart einen Projektor unter Verwendung eines gesinterten Leuchtstoffs (Fluoreszenzmaterial oder -körper), der Y₃Al₅O₁₂: Ce (YAG: Ce) und ein Keramikmaterial mit einem Brechungsindex beinhaltet, der sich von demjenigen von YAG: Ce unterscheidet. Der gesinterte Leuchtstoff weist eine gute Lichtstreucharakteristik auf, da die Innenkristallkorngrenze Hohlräume (oder Poren) aufweist, und kann die Lichtnutzungseffizienz des Projektors verbessern. Die JP 2019-28306 offenbart einen gesinterten Leuchtstoff, der aus einer Mischung aus Al₂O₃ und YAG: Ce hergestellt ist, die eine ausgezeichnet Wärmeleitung aufweisen, um die Wärmeabstrahlung des Leuchtstoffs zu verbessern.
Es ist jedoch für die in JP 2018-53227 und JP 2019-28306 offenbarten Konfigurationen schwierig, die Wärmeabstrahlungscharakteristik und die Lichtnutzungseffizienz des gesinterten Leuchtstoffs stabil zu verbessern. Da das Form- und Volumenverhältnis der Hohlräume der Kristallkorngrenze innerhalb des gesinterten Leuchtstoffs stark vom Sinterprozess und der Temperaturverteilung im Sinterofen abhängt, ist es schwierig, das Form- und das Volumenverhältnis der Hohlräume zu stabilisieren. Wenn das Form- und das Volumenverhältnis der Hohlräume nicht stabil sind, werden die Wärmeabstrahlung und Lichtnutzungseffizienz des gesinterten Leuchtstoffs nicht stabil.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung stellt ein Wellenlängenumwandlungselement, eine Lichtquellenvorrichtung und eine Bildprojektionsvorrichtung bereit, die jeweils die Wärmeabstrahlung und Lichtnutzungseffizienz stabil verbessern können.
Die vorliegende Erfindung in ihrem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung stellt ein Wellenlängenumwandlungselement bereit, wie es in den Ansprüchen 1 bis 7 spezifiziert ist.
Die vorliegende Erfindung in ihrem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung stellt eine Lichtquellenvorrichtung bereit, wie sie in den Ansprüchen 8 und 9 spezifiziert ist.
Die vorliegende Erfindung in ihrem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung stellt eine Bildprojektionsvorrichtung bereit, wie sie in Anspruch 10 spezifiziert ist.
Weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen.
Figurenliste

1 ist eine Schnittansicht eines Leuchtstoffs (Fluoreszenzmaterial oder -körper) gemäß einer ersten Ausführungsform.
2 ist ein erläuterndes Diagramm einer Unschärfemenge von Fluoreszenzlicht gemäß der ersten Ausführungsform.
3 ist ein Konfigurationsdiagramm einer Bildprojektionsvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform.
4 ist ein erläuterndes Diagramm eines Spektrums von Licht, das von einer Lichtquellenvorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform emittiert wird.
5 veranschaulicht eine Beziehung zwischen B/Y und der Unschärfemenge in der zweiten Ausführungsform.
6 veranschaulicht eine Beziehung zwischen einem Brechungsindex lichtstreuender Partikel und B/Y in der zweiten Ausführungsform.
7 veranschaulicht eine Beziehung zwischen einem durchschnittlichen Partikelradius der lichtstreuenden Partikel und B/Y in der zweiten Ausführungsform.
8 veranschaulicht eine Beziehung zwischen einem Volumenverhältnis der lichtstreuenden Partikel und B/Y in der zweiten Ausführungsform.
9 veranschaulicht eine Beziehung zwischen einem Brechungsindex und einer Unschärfemenge der lichtstreuenden Partikel in der zweiten Ausführungsform.
10 veranschaulicht eine Beziehung zwischen einem durchschnittlichen Partikelradius der lichtstreuenden Partikel und einer Unschärfemenge in der zweiten Ausführungsform.
11 veranschaulicht eine Beziehung zwischen einem Volumenverhältnis der lichtstreuenden Partikel und der Unschärfemenge in der zweiten Ausführungsform.
12 ist ein Konfigurationsdiagramm einer Bildprojektionsvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform.

BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen wird nun eine detaillierte Beschreibung von Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Erfindung dargelegt.
ERSTE AUSFÜHRUNGSFORM
Mit Bezug auf 1 wird nun eine Beschreibung einer Konfiguration eines Leuchtstoffs (Wellenlängenumwandlungselement) 1 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargelegt. 1 ist eine Schnittansicht des Leuchtstoffs 1 gemäß dieser Ausführungsform. Der Leuchtstoff 1 ist aus einem gesinterten Keramikmaterial hergestellt. Das Bezugszeichen 101 bezeichnet eine fluoreszierende Komponente (Fluoreszenzphase), das Bezugszeichen 102 bezeichnet eine lichtdurchlässige Komponente (Lichtdurchlässigkeitsphase) und das Bezugszeichen 103 bezeichnet eine lichtstreuende Komponente (lichtstreuende Partikel).
Bei dieser Ausführungsform ist die fluoreszierende Komponente 101 aus YAG: Ce (Y₃Al₅O₁₂: Ce) hergestellt, die lichtdurchlässige Komponente 102 ist aus Al₂O₃ hergestellt, und die lichtstreuende Komponente 103 ist aus TiO₂ hergestellt. YAG: Ce ist ein gelber Leuchtstoff, der gelbes Fluoreszenzlicht emittiert, wenn er Anregungslicht empfängt. Der Leuchtstoff 1 kann eine Dicke von 50 µm oder mehr und 400 µm oder weniger haben und der Leuchtstoff 1 gemäß dieser Ausführungsform hat eine Dicke von 200 µm. Die fluoreszierende Komponente 101 und die lichtstreuende Komponente 103 können jeweils eine Granulatform haben. Diese Struktur erleichtert das Herstellen des Leuchtstoffs 1. In dieser Ausführungsform hat YAG:Ce einen durchschnittlichen Kristallpartikelradius von 0,5 µm und TiO₂ hat einen durchschnittlichen Kristallpartikelradius von 0,4 µm. Der durchschnittliche Partikelradius von TiO₂ kann jedoch 75 nm oder mehr und 200 nm oder weniger sein.
Im sichtbaren Wellenlängenbereich hat YAG:Ce einen Brechungsindex von 1,83, Al₂O₃ hat einen Brechungsindex von 1,768 und TiO₂ hat einen Brechungsindex von 2,72. Die Kristallstruktur von TiO₂ weist einen Anatastyp und einen Rutiltyp auf, aber der Rutiltyp hat einen höheren Brechungsindex und hat daher eine höhere Streufunktion. TiO₂ in dieser Ausführungsform weist eine Kristallstruktur vom Rutiltyp auf. Aufgrund eines großen Unterschieds zwischen dem Brechungsindex der lichtstreuenden Komponente 103, die aus TiO₂ hergestellt ist, und dem der lichtdurchlässigen Komponente 102, die aus Al₂O₃ hergestellt ist, kann die lichtstreuende Komponente 103 als lichtstreuende Quelle dienen. Daher kann eine Unschärfemenge von Fluoreszenzlicht, die später beschrieben wird, reduziert werden.
Mit Bezug auf 2 wird nun eine Beschreibung der Unschärfemenge des Fluoreszenzlichts, das vom Leuchtstoff 1 emittiert wird, dargelegt. 2 ist ein erläuterndes Diagramm (Emissionsprofil des Fluoreszenzlichts) der Unschärfemenge des Fluoreszenzlichts, das vom Leuchtstoff 1 emittiert wird. Das Emissionsprofil in 2 ist eines im Zentrum der lichtemittierenden Oberfläche des Leuchtstoffs 1. In 2 repräsentiert die Ordinatenachse eine Lichtintensität, und die Abszissenachse repräsentiert einen Abstand von einem Lichtemissionszentrum. Im Emissionsprofil ist die Unschärfemenge definiert als ein Abstand vom Anregungslichtbestrahlungsbereich (dem Ende der Anregungslichtbestrahlungsgröße) zu einer Position, an der die Lichtintensität 5% des Maximalwerts annimmt. Wenn die Unschärfemenge groß wird, wird die Etendue des Fluoreszenzlichts, das vom Leuchtstoff 1 emittiert wird, groß und reduziert die Lichtnutzungseffizienz, wenn das Fluoreszenzlicht durch ein optisches System, wie etwa eine Linse, aufgenommen wird. Daher kann das Fluoreszenzlicht eine kleine Unschärfemenge aufweisen.
Als Nächstes folgt eine Beschreibung eines Verfahrens zum Herstellen des Leuchtstoffs 1 gemäß dieser Ausführungsform. Ein jeweiliges Pulver von YAG: Ce, das die fluoreszierende Komponente 101 bildet, Al₂O₃, das die lichtdurchlässige Komponente 102 bildet, und TiO₂, das die lichtstreuende Komponente 103 bildet, wird gewogen, zusammen mit Ethanol in eine Kugelmühle gegeben, pulverisiert und gemischt. Die erhaltene Aufschlämmung wird getrocknet und granuliert, und das erhaltene granulierte Pulver wird pressgeformt. Dann wird das erhaltene Formprodukt in einer Luftatmosphäre bei einer Temperatur von etwa 1500°C oder höher und 1800°C oder niedriger gebrannt. Da TiO₂ einen Schmelzpunkt von 1850°C aufweist, der höher ist als die Brenntemperatur, können das Form- und das Volumenverhältnis (Verhältnis des Volumens der lichtstreuenden Komponente 103 zu dem des Leuchtstoffs 1), die im gesinterten Körper enthalten sind, im Wesentlichen diejenigen im Vorbrennzustand erhalten.
Somit können das Form- und das Volumenverhältnis von TiO₂, das die lichtstreuende Komponente 103 bildet, die im Leuchtstoff 1 beinhaltet ist, der das Wellenlängenumwandlungselement gemäß dieser Ausführungsform darstellt, stabiler sein als diejenigen im Stand der Technik, der Hohlräume für lichtstreuende Partikel verwendet. Zusätzlich kann, da TiO₂ eine thermische Leitfähigkeit von 10,7 W/m-K aufweist, die höher ist als eine thermische Leitfähigkeit von 0,024 W/m·K der Hohlräume, die thermische Leitfähigkeit des Leuchtstoffs 1 verbessert werden.
ZWEITE AUSFÜHRUNGSFORM
Mit Bezug auf 3 wird nun eine Beschreibung einer Bildprojektionsvorrichtung (Projektor) 200 gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargelegt. 3 ist ein Konfigurationsdiagramm der Bildprojektionsvorrichtung 200. Die Bildprojektionsvorrichtung 200 beinhaltet eine Lichtquellenvorrichtung 2.
Das Bezugszeichen 201 bezeichnet jede von mehreren ersten blauen Lichtquellen, das Bezugszeichen 202 bezeichnet erstes blaues Licht, das Bezugszeichen 203 bezeichnet jede von mehreren ersten Kollimatorlinsen, das Bezugszeichen 204 bezeichnet eine erste Linse und das Bezugszeichen 205 bezeichnet eine zweite Linse. Das Bezugszeichen 206 bezeichnet einen ersten dichroitischen Film, das Bezugszeichen 207 bezeichnet eine erste flache Platte, das Bezugszeichen 208 bezeichnet eine dritte Linse, das Bezugszeichen 209 bezeichnet einen ersten Leuchtstoff (Fluoreszenzmaterial oder -körper, Wellenlängenumwandlungselement), das Bezugszeichen 210 bezeichnet eine erste Leuchtstoffträgerkomponente und das Bezugszeichen 211W bezeichnet Beleuchtungslicht. Das Bezugszeichen 212 bezeichnet einen ersten Spiegel, das Bezugszeichen 213 bezeichnet ein erstes Lichtmodulationselement, das Bezugszeichen 214 bezeichnet eine vierte Linse, das Bezugszeichen 215 ist eine fünfte Linse und das Bezugszeichen 216 bezeichnet Projektionslicht.
Die erste blaue Lichtquelle 201 beinhaltet einen Halbleiterlaser, der das erste blaue Licht (das nachstehend einfach als blaues Licht bezeichnet werden kann) 202 emittiert, und dient als Anregungslichtquelle, die den ersten Leuchtstoff 209 als Wellenlängenumwandlungselement anregt. Der erste Leuchtstoff 209 weist die gleiche Struktur wie die des Leuchtstoffs 1 auf, der in 1 veranschaulicht ist. Die Bildprojektionsvorrichtung 200 gemäß dieser Ausführungsform weist vier erste blaue Lichtquellen 201 auf, aber die Anzahl der ersten blauen Lichtquellen 201 ist nicht auf vier beschränkt. Das blaue Licht, das von der ersten blauen Lichtquelle 201 emittiert wird, weist eine Peak-Wellenlänge von 455 nm auf.
Das erste blaue Licht 202 als divergentes Licht, das von der ersten blauen Lichtquelle 201 emittiert wird, wird durch die erste Kollimatorlinse 203 in im Wesentlichen paralleles Licht umgewandelt und tritt in die erste Linse 204 als Strahlformungslinse ein. Die zweite Linse 205 passt die Schnittform des ersten blauen Lichts 202 von der ersten Kollimatorlinse 203 an. Das erste blaue Licht 202 als das Anregungslicht, das von der ersten Linse 204 emittiert wird, wird auf dem ersten dichroitischen Film 206 reflektiert, der auf einem Teil der ersten flachen Platte 207 bereitgestellt ist, und wird über die dritte Linse 208 auf den ersten Leuchtstoff 209 eingestrahlt. Die erste flache Platte 207 ist aus einem Glasmaterial hergestellt. Der erste dichroitische Film 206 weist eine Charakteristik auf, das blaue Licht zu transmittieren und das gelbe Licht zu reflektieren.
Der erste Leuchtstoff 209 ist ein gesintertes Material oder ein gesinterter Körper, der aus YAG:Ce, Al₂O₃ und TiO₂ hergestellt ist, ähnlich wie der Leuchtstoff 1 in der ersten Ausführungsform. Der erste Leuchtstoff 209 hat eine Größe von 5 mm in einer Länge × 5 mm in einer Breite × 0,2 mm in einer Dicke. Das erste blaue Licht 202 wird auf den ersten Leuchtstoff 209 im Wesentlichen gleichmäßig mit einer Länge von 1 mm und einer Breite von 1 mm eingestrahlt. Der erste Leuchtstoff 209 wird durch die erste Leuchtstoffträgerkomponente 210 getragen. Die erste Leuchtstoffträgerkomponente 210 ist typischerweise aus einer Metallplatte, wie etwa Kupfer, hergestellt. Jedoch ist sie nicht auf die Metallplatte beschränkt, solange sie die gleiche Funktion wie die Metallplatte hat. Um Wärme effizient vom ersten Leuchtstoff 209 abzustrahlen, können der erste Leuchtstoff 209 und die erste Leuchtstoffträgerkomponente 210 durch einen Motor oder dergleichen gedreht werden. Der erste Leuchtstoff 209 wandelt die Wellenlänge eines Teils des ersten blauen Lichts 202 in gelb fluoreszierendes Licht um, das mit dem nicht umgewandelten blauen Anregungslicht kombiniert wird, um weißes Beleuchtungslicht (Beleuchtungslicht 211W) zu erzeugen.
Das Beleuchtungslicht 211W wird auf dem ersten Spiegel 212 reflektiert und tritt in das erste Lichtmodulationselement 213 ein. Das erste Lichtmodulationselement 213 beinhaltet eine digitale Mikrospiegeleinrichtung, moduliert das einfallende weiße Beleuchtungslicht (Beleuchtungslicht 211W) basierend auf einem Videosignal (Bildinformation), das in die Bildprojektionsvorrichtung 200 eingegeben wird, und erzeugt das Bildlicht. Weißes Projektionslicht 216, das durch das Lichtmodulationselement 213 moduliert wird und das Bildlicht wird, wird vergrößert und über die vierte Linse 214 und die fünfte Linse 215 auf eine Projektionsoberfläche wie einen nicht dargestellten Bildschirm projiziert. Dadurch wird ein Weißprojektionsbild angezeigt.
Mit Bezug auf 4 wird nun eine Beschreibung des Spektrums des Lichts, das von der Lichtquellenvorrichtung 2 emittiert wird, dargelegt. 4 ist ein erläuterndes Diagramm des Spektrums von Licht, das von der Lichtquellenvorrichtung 2 emittiert wird. In 4 repräsentiert die Ordinatenachse eine Lichtmenge (au), und die Abszissenachse repräsentiert eine Wellenlänge (nm). Wie in 4 veranschaulicht, ist das Licht, das von der Lichtquellenvorrichtung 2 emittiert wird, eine Mischung aus dem Fluoreszenzlicht, das durch den ersten Leuchtstoff 209 emittiert wird, und dem nicht umgewandelten Anregungslicht. Daher kann, um angemessenes weißes Licht zu erhalten, von dem Licht, das von der Lichtquellenvorrichtung 2 emittiert wird, ein Verhältnis (nachstehend B/Y) einer Lichtmenge B des Anregungslichts (Lichtmenge im Wellenlängenbereich der ersten blauen Lichtquelle 201) zu einer Lichtmenge Y des Fluoreszenzlichts (Lichtmenge im Wellenlängenbereich des Wellenlängenumwandlungselements) auf einen vorbestimmten Bereich eingestellt werden. In dieser Ausführungsform beträgt der vorbestimmte Bereich von B/Y 0,28 oder mehr und 0,56 oder weniger, um das angemessene weiße Licht zu erhalten.
5 veranschaulicht eine Beziehung zwischen B/Y und der Unschärfemenge gegenüber dem Brechungsindex, dem durchschnittlichen Partikelradius und dem Volumenverhältnis der lichtstreuenden Partikel, die im ersten Leuchtstoff 209 enthalten sind. In 5 repräsentiert die Ordinatenachse die Unschärfemenge (mm), und die Abszissenachse repräsentiert B/Y.
Gepunktete Linien in 5 geben einen unteren Grenzwert (= 0,28) und einen oberen Grenzwert (= 0,56) des geeigneten B/Y an, um die obige weiße Farbe zu erhalten. Dies wird in ähnlicher Weise auf 6 bis 8 angewendet. Der Brechungsindex der lichtstreuenden Partikel wird im Bereich von 1 bis 2,72 berechnet, der durchschnittliche Partikelradius der lichtstreuenden Partikel wird im Bereich von 50 bis 500 nm berechnet, und das Volumenverhältnis der lichtstreuenden Partikel wird im Bereich von 0,1 bis 10% berechnet. Die Bedingung des Brechungsindex von 1 wird für einen Vergleich mit dem Stand der Technik berechnet, der Hohlräume für die lichtstreuenden Partikel verwendet. Wie aus 5 ersichtlich, ist es notwendig, Parameter geeignet zu kombinieren, um ein geeignetes B/Y zu erhalten, und selbst wenn B/Y gleich ist, kann die Unschärfemenge durch geeigneteres Kombinieren der Parameter reduziert werden.
6 veranschaulicht eine Beziehung zwischen dem Brechungsindex lichtstreuender Partikel und B/Y. In 6 repräsentiert die Ordinatenachse B/Y, und die Abszissenachse repräsentiert den Brechungsindex der lichtstreuenden Partikel. 7 veranschaulicht eine Beziehung zwischen dem durchschnittlichen Partikelradius der lichtstreuenden Partikel und B/Y. In 7 repräsentiert die Ordinatenachse B/Y, und die Abszissenachse repräsentiert den durchschnittlichen Partikelradius (nm) der lichtstreuenden Partikel. 8 veranschaulicht eine Beziehung zwischen dem Volumenverhältnis lichtstreuender Partikel (Verhältnis des Volumens lichtstreuender Partikel zum Volumen des Wellenlängenumwandlungselements) und B/Y. In 8 repräsentiert die Ordinatenachse B/Y, und die Abszissenachse repräsentiert das Volumenverhältnis (%) lichtstreuender Partikel. Um ein geeignetes B/Y zu erhalten, kann der Brechungsindex der lichtstreuenden Partikel 2,2 oder mehr betragen, wie in 6 veranschaulicht. Aus 7 kann der durchschnittliche Partikelradius der lichtstreuenden Komponente 75 nm oder mehr und 200 nm oder weniger betragen. Aus 8 kann das Volumenverhältnis der lichtstreuenden Partikel 2% oder höher sein.
9 veranschaulicht eine Beziehung zwischen dem Brechungsindex lichtstreuender Partikel und der Unschärfemenge. In 9 repräsentiert die Ordinatenachse die Unschärfemenge (mm), und die Abszissenachse repräsentiert den Brechungsindex der lichtstreuenden Partikel. 10 veranschaulicht eine Beziehung zwischen dem durchschnittlichen Partikelradius der lichtstreuenden Partikel und der Unschärfemenge. In 10 repräsentiert die Ordinatenachse die Unschärfemenge (mm), und die Abszissenachse repräsentiert den durchschnittlichen Partikelradius (nm) der lichtstreuenden Partikel. 11 veranschaulicht eine Beziehung zwischen dem Volumenverhältnis der lichtstreuenden Partikel und der Unschärfemenge. In 11 repräsentiert die Ordinatenachse die Unschärfemenge (mm), und die Abszissenachse repräsentiert das Volumenverhältnis (%) der lichtstreuenden Partikel. 9 bis 11 veranschaulichen nur Bedingungen innerhalb eines geeigneten Bereichs von B/Y zum Erhalten des weißen Lichts, das in 5 veranschaulicht ist. Um die Unschärfemenge innerhalb eines geeigneten B/Y-Bereichs zum Erhalten des weißen Lichts zu reduzieren, kann der durchschnittliche Partikelradius der lichtstreuenden Partikel 75 nm oder mehr und 200 nm oder weniger betragen, wie in 10 veranschaulicht ist. Aus 11 kann das Volumenverhältnis der lichtstreuenden Partikel 5% oder höher sein.
Somit kann durch geeignete Auswahl des Brechungsindex, durchschnittlichen Partikelradius und Volumenverhältnis der lichtstreuenden Partikel im Leuchtstoff die Lichtnutzungseffizienz des Fluoreszenzlichts, das vom Leuchtstoff emittiert wird, und die thermische Leitfähigkeit des Leuchtstoffs stabiler verbessert werden als im Stand der Technik, der Hohlräume für die lichtstreuenden Partikel verwendet. Als Ergebnis kann die Lichtquellenvorrichtung stabil hocheffizient gemacht und verkleinert werden. Diese Ausführungsform verwendet TiO₂ für die lichtstreuenden Partikel, aber die vorliegende Erfindung ist nicht auf diese Ausführungsform beschränkt. Die lichtstreuenden Partikel können einen Brechungsindex, der höher ist als derjenige der lichtdurchlässigen Komponente, und einen großen Unterschied im Brechungsindex von der lichtdurchlässigen Komponente aufweisen.
DRITTE AUSFÜHRUNGSFORM
Mit Bezug auf 12 wird nun eine Beschreibung einer Bildprojektionsvorrichtung (Projektor) 300 gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargelegt. 12 ist ein Konfigurationsdiagramm der Bildprojektionsvorrichtung 300. Die Bildprojektionsvorrichtung 300 beinhaltet eine Lichtquellenvorrichtung 3. In der folgenden Beschreibung bezeichnen W, R, G und B jeweils weiß, rot, grün bzw. blau.
Das Bezugszeichen 301 bezeichnet jede von mehreren zweiten blauen Lichtquellen, das Bezugszeichen 302 bezeichnet zweites blaues Licht, das Bezugszeichen 303 bezeichnet jede von mehreren zweiten Kollimatorlinsen, das Bezugszeichen 304 bezeichnet eine sechste Linse und das Bezugszeichen 305 bezeichnet eine siebte Linse. Das Bezugszeichen 306 bezeichnet einen zweiten Lichtreflektor, das Bezugszeichen 307 bezeichnet eine flache Platte, das Bezugszeichen 308 bezeichnet eine achte Linse, das Bezugszeichen 309 bezeichnet einen zweiten Leuchtstoff (Wellenlängenumwandlungselement), das Bezugszeichen 310 bezeichnet eine zweite Leuchtstoffträgerkomponente und das Bezugszeichen 311W bezeichnet Beleuchtungslicht. Das Bezugszeichen 312 bezeichnet eine neunte Linse, das Bezugszeichen 313 bezeichnet eine zehnte Linse, das Bezugszeichen 314 bezeichnet eine erste Fliegenaugenlinse, das Bezugszeichen 315 bezeichnet eine zweite Fliegenaugenlinse, das Bezugszeichen 316 bezeichnet ein Polarisationsumwandlungselement und das Bezugszeichen 317 bezeichnet eine Überlagerungslinse. Das Bezugszeichen 318 bezeichnet einen ersten dichroitischen Spiegel, das Bezugszeichen 319 bezeichnet einen zweiten Spiegel, das Bezugszeichen 320 bezeichnet einen zweiten dichroitischen Spiegel, das Bezugszeichen 321 bezeichnet eine erste Relaislinse, das Bezugszeichen 322 bezeichnet einen dritten Spiegel, das Bezugszeichen 323 bezeichnet eine zweite Relaislinse und das Bezugszeichen 324 bezeichnet einen vierten Spiegel. Die Bezugszeichen 325R, 325B und 325G bezeichnen Feldlinsen, die Bezugszeichen 326R, 326B und 326G sind Lichtmodulationselemente (LCDs), das Bezugszeichen 327 bezeichnet ein kreuzdichroitisches Prisma, das Bezugszeichen 328 bezeichnet eine Projektionslinse (Projektionsoptik) und das Bezugszeichen 329 bezeichnet zweites Projektionslicht.
Die zweite blaue Lichtquelle 301 ist ein Halbleiterlaser, der das zweite blaue Licht 302 emittiert, und dient als Anregungslichtquelle, die den zweiten Leuchtstoff 309 als Wellenlängenumwandlungselement anregt. Der zweite Leuchtstoff 309 weist die gleiche Struktur wie die des Leuchtstoffs 1 auf, der in 1 veranschaulicht ist. Die Bildprojektionsvorrichtung 300 gemäß dieser Ausführungsform beinhaltet vier zweite blaue Lichtquellen 301, aber die Anzahl der zweiten blauen Lichtquellen 301 ist nicht auf vier beschränkt. Das von der zweiten blauen Lichtquelle 301 emittierte blaue Licht weist eine Peak-Wellenlänge von 455 nm auf.
Das blaue Licht 302 als das divergente Licht, das von der zweiten blauen Lichtquelle 301 emittiert wird, wird durch die zweite Kollimatorlinse 303 in paralleles Licht umgewandelt und tritt in die sechste Linse 304 als die Strahlformungslinse ein. Die sechste Linse 304 passt die Schnittform des zweiten blauen Lichts 302 von der zweiten Kollimatorlinse 303 an. Das zweite blaue Licht 302 als das Anregungslicht, das von der sechsten Linse 304 emittiert wird, wird durch den zweiten dichroitischen Film 306 reflektiert, der auf einem Teil der zweiten flachen Platte 307 bereitgestellt ist, und wird über die achte Linse 308 auf den zweiten Leuchtstoff 309 eingestrahlt. Die zweite flache Platte 307 ist aus einem Glasmaterial hergestellt. Der zweite dichroitische Film 306 weist eine Charakteristik auf, das blaue Licht zu transmittieren und das gelbe Licht zu reflektieren.
Der zweite Leuchtstoff 309 ist ein gesintertes Material oder ein gesinterter Körper, der aus YAG:Ce, Al₂O₃ und TiO₂ hergestellt ist, ähnlich wie der erste Leuchtstoff 209 in der zweiten Ausführungsform. Der zweite Leuchtstoff 309 wird durch die zweite Leuchtstoffträgerkomponente 310 getragen. Die zweite Leuchtstoffträgerkomponente 310 ist typischerweise aus einer Metallplatte, wie etwa Kupfer, hergestellt. Sie ist jedoch nicht auf die Metallplatte beschränkt, solange sie die gleiche Funktion wie die Metallplatte hat. Um Wärme effizient vom zweiten Leuchtstoff 309 abzustrahlen, können der zweite Leuchtstoff 309 und die zweite Leuchtstoffträgerkomponente 310 durch Verwendung eines Motors oder dergleichen gedreht werden. Der zweite Leuchtstoff 309 wandelt die Wellenlänge eines Teils des zweiten blauen Lichts 302 in das gelb fluoreszierende Licht um, das mit dem blauen Anregungslicht kombiniert wird, dessen Wellenlänge nicht umgewandelt wurde, um das Beleuchtungslicht 311 zu erzeugen.
Die neunte Linse 312 und die zehnte Linse 313 wandeln das weiße Beleuchtungslicht (Beleuchtungslicht 311) als das vom zweiten Leuchtstoff 309 emittierte divergente Licht in im Wesentlichen paralleles Licht um. Das Beleuchtungslicht 311 tritt in die erste Fliegenaugenlinse 314 ein. Die erste Fliegenaugenlinse 314 weist mehrere kleine Linsen zum Teilen des Beleuchtungslichts 311 in mehrere Lichtstrahlen auf. Die mehreren kleinen Linsen sind in einer Matrixform in einer Ebene orthogonal zur optischen Achse angeordnet. Die zweite Fliegenaugenlinse 315 weist mehrere kleine Linsen auf, die in einer Matrixform in einer Ebene orthogonal zur optischen Achse angeordnet sind und den mehreren kleinen Linsen der ersten Fliegenaugenlinse 314 entsprechen. Die zweite Fliegenaugenlinse 315 erzeugt zusammen mit der Überlagerungslinse 317 ein Bild einer jeweiligen kleinen Linse der ersten Fliegenaugenlinse 314 in der Nähe der Lichtmodulationselemente 326R, 326G und 326B. Das Beleuchtungslicht 311 als die mehreren Lichtstrahlen, die von der zweiten Fliegenaugenlinse 315 emittiert werden, tritt in das Polarisationsumwandlungselement 316 ein.
Das Polarisationsumwandlungselement 316 wandelt das Beleuchtungslicht 311 als nicht polarisiertes Licht von der zweiten Fliegenaugenlinse 315 in linear polarisiertes Licht um. Genauer gesagt, transmittiert das Polarisationsumwandlungselement 316 die linear polarisierte Lichtkomponente des Beleuchtungslichts 311 in einer Richtung (x-Richtung) orthogonal zur optischen Achse und parallel zur Papierebene, und wandelt eine linear polarisierte Lichtkomponente in einer Richtung (y-Richtung) orthogonal zur optischen Achse und orthogonal zur Papierebene unter Verwendung einer Verzögerungsplatte in die linear polarisierte Lichtkomponente in der x-Richtung um. Das Beleuchtungslicht 311 als das linear polarisierte Licht, das vom Polarisationsumwandlungselement 316 emittiert wird, tritt in die Überlagerungslinse 317 ein.
Die Überlagerungslinse 317 bündelt mehrere Lichtstrahlen vom Polarisationsumwandlungselement 316 und überlagert sie auf den Lichtmodulationselementen 326R, 326G und 326B. Die erste Fliegenaugenlinse 314, die zweite Fliegenaugenlinse 315 und die Überlagerungslinse 317 haben eine Funktion, die Lichtintensitätsverteilung des Beleuchtungslichts 311W auf einem jeweiligen Lichtmodulationselement gleichmäßig zu machen. Das Beleuchtungslicht 31 1W, das von der Überlagerungslinse 317 emittiert wird, tritt in den ersten dichroitischen Spiegel 318 ein. Der erste dichroitische Spiegel 318 weist eine Charakteristik auf, rotes Licht zu transmittieren und grünes und blaues Licht zu reflektieren. Das rote Licht 311 R, das durch den ersten dichroitischen Spiegel 318 im Beleuchtungslicht 311W transmittiert worden ist, wird vom zweiten Spiegel 319 reflektiert, durchläuft die Feldlinse 325R und tritt in das Lichtmodulationselement 326R ein.
Das grüne und blaue Licht, das vom ersten dichroitischen Spiegel 318 reflektiert wird, wird zum zweiten dichroitischen Spiegel 320 geleitet. Der zweite dichroitische Spiegel 320 weist eine Charakteristik auf, das grüne Licht zu reflektieren und das blaue Licht zu transmittieren. Das grüne Licht 311G, das vom zweiten dichroitischen Spiegel 320 reflektiert wird, durchläuft die Feldlinse 325G und tritt in das Lichtmodulationselement 326G ein.
Das blaue Licht 311B, das durch den zweiten dichroitischen Spiegel 320 transmittiert worden ist, tritt über die erste Relaislinse 321, den zweiten Spiegel 322, die zweite Relaislinse 323 und den dritten Spiegel 324 in die Feldlinse 325B ein. Dann durchläuft das blaue Licht 311B die Feldlinse 325B und tritt in das Lichtmodulationselement 326B ein.
Ein jeweiliges der Lichtmodulationselemente 326R, 326G und 326B beinhaltet ein Flüssigkristallelement, eine digitale Mikrospiegeleinrichtung und dergleichen. Die Lichtmodulationselemente 326R, 326G und 326B modulieren das einfallende rote Licht 311R, grüne Licht 311G und blaue Licht 311B basierend auf dem Videosignal (Bildinformation), das in die Bildprojektionsvorrichtung 300 eingegeben wird, um jeweils Bildlicht zu erzeugen. Das rote Licht 311R, grüne Licht 311G und blaue Licht 311B, das durch die Lichtmodulationselemente 326R, 326G und 326B moduliert wird, werden durch das kreuzdichroitische Prisma 327 kombiniert und treten in die Projektionslinse 328 ein. Das kreuzdichroitische Prisma 327 weist eine Charakteristik auf, das grüne Licht zu transmittieren und das rote Licht und blaue Licht zu reflektieren. Die Projektionslinse 328 vergrößert das kombinierte Bildlicht (Projektionslicht) 329 und projiziert es auf eine Projektionsoberfläche, wie beispielsweise einen Bildschirm (nicht gezeigt). Dadurch wird ein Vollfarbprojektionsbild angezeigt.
Somit kann eine geeignete Auswahl des Brechungsindex, Volumenverhältnis und durchschnittlichen Partikelradius der lichtstreuenden Partikel, die im Leuchtstoff enthalten sind, die Lichtnutzungseffizienz des Fluoreszenzlichts, das vom Leuchtstoff emittiert wird, und die thermische Leitfähigkeit des Leuchtstoffs stabiler verbessern als der Stand der Technik, der Hohlräume für die lichtstreuenden Partikel verwendet. Als Ergebnis kann die Ausbeute der Bildprojektionsvorrichtung verbessert werden.
Jede Ausführungsform kann ein Wellenlängenumwandlungselement, eine Lichtquellenvorrichtung und eine Bildprojektionsvorrichtung bereitstellen, die jeweils die Wärmeabstrahlung und Lichtnutzungseffizienz stabil verbessern können.
Während die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, versteht es sich, dass die Erfindung nicht auf die offenbarten Ausführungsbeispiele beschränkt ist. Dem Umfang der folgenden Ansprüche ist die breiteste Interpretation zuzuerkennen, um alle derartigen Modifikationen und äquivalenten Strukturen und Funktionen zu umfassen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2019028306 [0003, 0004]
JP 2018053227 [0004]

Claims

Wellenlängenumwandlungselement (1), hergestellt aus einem gesinterten Körper, dadurch gekennzeichnet, dass das Wellenlängenumwandlungselement umfasst: eine fluoreszierende Komponente (101); eine lichtdurchlässige Komponente (102) mit einer thermischen Leitfähigkeit, die höher ist als diejenige der fluoreszierenden Komponente; und eine lichtstreuende Komponente (103) mit einem Brechungsindex, der höher ist als derjenige der lichtdurchlässigen Komponente, und einem durchschnittlichen Partikelradius von 75 nm oder mehr und 200 nm oder weniger.
Wellenlängenumwandlungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die fluoreszierende Komponente aus Y₃Al₅O₁₂:Ce hergestellt ist.
Wellenlängenumwandlungselement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die lichtdurchlässige Komponente aus Al₂O₃ hergestellt ist.
Wellenlängenumwandlungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Brechungsindex der lichtstreuenden Komponente 2,2 oder höher ist.
Wellenlängenumwandlungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verhältnis eines Volumens der lichtstreuenden Komponente zu einem Volumen des Wellenlängenumwandlungselements 2% oder höher ist.
Wellenlängenumwandlungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die lichtstreuende Komponente aus TiO₂ hergestellt ist.
Wellenlängenumwandlungselement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die lichtstreuende Komponente eine Kristallstruktur vom Rutiltyp aufweist.
Lichtquellenvorrichtung (2, 3), umfassend: das Wellenlängenumwandlungselement (209, 309) nach einem der Ansprüche 1 bis 7; und eine Lichtquelle (201, 301), die so konfiguriert ist, dass sie das Wellenlängenumwandlungselement anregt.
Lichtquellenvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass von Licht, das von der Lichtquellenvorrichtung emittiert wird, ein Verhältnis einer Lichtmenge in einem Wellenlängenbereich der Lichtquelle zu einer Lichtmenge in einem Wellenlängenbereich des Wellenlängenumwandlungselements 0,28 oder höher und 0,56 oder niedriger ist.
Bildprojektionsvorrichtung (200, 300), umfassend: die Lichtquellenvorrichtung (2, 3) nach Anspruch 8 oder 9; und ein Lichtmodulationselement (213, 326R, 326G, 326B), das konfiguriert ist, Licht von der Lichtquellenvorrichtung zu modulieren, um Bildlicht basierend auf Bildinformation zu erzeugen.