JP6510106B2 - 投影システムおよびその発光デバイス - Google Patents

Description

本発明は、光技術に関し、特に、投影システムおよびその発光デバイスに関するものである。

現在のところ、プロジェクタにおいては、超高圧水銀蒸気（１Ｍｐａより高い）放電を利用することにより可視光を得る超高圧灯（ＵＨＰ灯）が光源として広く使用されている。しかしながら、水銀は環境汚染に繋がるため、産業界では、ＵＨＰ灯に代わる環境に優しい光源が求められている。

図１を参照すると、図１は、現在のプロジェクタの光源システムの概略図を示している。図１に示すように、光源システムは、固体光源１１、集束システム１２、蛍光デバイス１３および駆動デバイス１４を含む。固体光源１１は、励起光を生じ、この光は、集束システム１２により集束された後、蛍光デバイス１３上に入射する。蛍光デバイス１３は、複数色のセグメント（図１には現れない）を含み、それらセグメントのうちの少なくとも幾つかが蛍光材料によって被覆されている。蛍光デバイス１３は、駆動デバイス１４により駆動されて軸１５を中心に回転し、その結果、励起光が異なるセグメントを順に励起して、赤色光パルス、緑色光パルス、青色光パルス、赤色光パルス・・・のように、何度も繰り返して、様々な色の単色光パルスにより形成されるカラー光シーケンス（color light sequence）を生成する。

図２を参照すると、図２は、図１の光源システムを使用する単一チップの投影システムの概略図を示している。図２に示すように、投影システムは、光源システム２１、光変調デバイス２２および投影デバイス２３を含む。光源システム２１は、図１に記載の方法によって、多色光シーケンスを生成する。多色光シーケンスは、光変調デバイス２２上に入射して、当該デバイスによりイメージ変調される。その後、変調された多色光シーケンスは、投影デバイス２３に入射して、当該デバイスにより投影される。この投影システムにおいては、光変調デバイス２２は、あるときに、多色光シーケンスの特定の単色光パルスしか変調することができず、すなわち、異なる色彩の単色光が、時間分割多重化により光変調デバイス２２を共有し、その結果、ディスプレイの輝度が相対的に低くなる。それと同時に、異なる色彩を有する単色像の急激な変化は、色割れ作用をもたらす。

図３を参照すると、図３は、従来の３チップの投影システムの概略図を示している。図３に示すように、図２の単一チップの投影システムの技術的問題を解決するために、図３に示す３チップの投影システムでは、光源３１，３２，３３がそれぞれ赤色光、緑色光および青色光をそれぞれ生成し、３つの光変調ユニット３５，３６，３７が対応色の原色光をそれぞれ変調する。光変調ユニット３５，３６，３７によりそれぞれ変調された赤色光、緑色光および青色光は、光結合デバイス３８によって結合され、さらに、投影デバイス３９によって投影される。しかしながら、３チップの投影システムにおいては、３つの光源３１，３２，３３が、三原色光を与えるためにそれぞれ使用されており、その結果、単一チップの投影システムよりも明らかにコストがかかる。

また、ディスプレイ産業において、彩度は、ディスプレイの性能を評価する重要なパラメータである。しかしながら、高い彩度を得るには、原色光の比較的狭いスペクトル領域が必要とされる。例えば、色座標（０．３３，０．６３）および（０．６５，０．３４）は、通常は、緑色光および赤色光の色度標準としてそれぞれ使用され、一般的なディスプレイにおいて、緑色光のＸ座標値は０．３３より大きくなく、Ｙ座標値が０．６３より小さくないことが必要とされ、赤色光のＸ座標値は０．６５より小さくなく、Ｙ座標値が０．３４より大きくないことが必要とされる。上述した３チップの投影システムにおいては、原色光の一部が蛍光励起によって得られる。蛍光励起から生成される原色光のスペクトル領域は、相対的に広く、相対的に狭いスペクトル領域で良好な色座標を得るには、色フィルタによりフィルタリングすることが必要とされる。

図４を参照すると、図４は、図３に示す投影システムに使用される緑色蛍光のスペクトラムを示している。曲線４００は、色座標が（０．３８４，０．５７７）である緑色蛍光の元のスペクトル曲線を示しており、Ｘ座標値およびＹ座標値がともに緑色光の色標準からかなり離れている。曲線４０２は、色座標が（０．３２３，０．６３）である緑色蛍光のフィルタリング補正されたスペクトル曲線を示しており、Ｘ座標値およびＹ座標値がともに緑色光の色標準に合致している。

図５に示すように、図５は、図３の投影システムで使用される赤色蛍光のスペクトラムを示している。曲線５００は、色座標が（０．６０８，０．３９１）である赤色蛍光の元のスペクトル曲線を示しており、Ｘ座標値およびＹ座標値がともに赤色光の色標準からかなり離れている。曲線５０２は、色座標が（０．６６，０．３４）である赤色蛍光のフィルタリング補正されたスペクトル曲線を示しており、Ｘ座標値およびＹ座標値がともに赤色光の色標準に合致している。

しかしながら、上述したフィルタリング補正の後、緑色光の輝度が１２％失われ、赤色光の輝度が４５％失われる。したがって、現在の３チップの投影システムは、高コストで低効率という技術的問題に非常に悩まされている。

要するに、投影システムにおいては、従来の３チップの投影システムにおける高コストおよび低効率の技術的問題を解決することが求められている。

本発明により解決される技術的課題は、コストを低減して効率を向上させる投影システムおよび発光デバイスを提供することである。

上述した課題を解決するために、本発明は、発光デバイスであって、励起光を生成する励起光源と、前記励起光の少なくとも一部を変換光に変換する波長変換層を有する波長変換デバイスであって、前記変換光が広帯域光であるか、または前記変換光が、前記波長変換層により変換されなかった励起光の一部と混合されて、広帯域光を形成するものである、波長変換デバイスと、前記波長変換層に対して前記励起光を相対的に移動させることを可能にする駆動デバイスと、前記広帯域光を、異なる経路を伝播する少なくとも２の単色光に分割する光分割デバイスとを備える発光デバイスである。

ここで、前記広帯域光は、白色光または黄色光である。

前記励起光は、紫外線または近紫外線励起光であり、前記波長変換層が、赤色蛍光材料、緑色蛍光材料、黄色蛍光材料および青色蛍光材料からなる群から選択される少なくとも２の材料を含む。

前記励起光は、紫外線または近紫外線励起光であり、前記波長変換層が、黄色蛍光材料または緑色蛍光材料を含む。

前記励起光は、青色励起光であり、前記波長変換層が、赤色蛍光材料および緑色蛍光材料を含む。

前記変換光は、赤色変換光および緑色変換光を含み、前記赤色変換光および緑色変換光が、前記波長変換層により吸収されなかった前記青色励起光の一部と混合されて、前記広帯域光が形成される。

前記変換光は、赤色変換光および緑色変換光を含み、それらが混合されて、前記広帯域光が形成される。

前記励起光は、青色励起光であり、前記波長変換層が、黄色蛍光材料を含む。

前記変換光は、前記広帯域光である黄色変換光を含む。

前記変換光は、黄色変換光を含み、前記黄色変換光が、前記波長変換層により吸収されなかった前記青色励起光の一部と混合されて、前記広帯域光が形成される。

前記波長変換デバイスは、ベースボードも含み、前記波長変換層が、少なくとも２の波長変換材料を含み、それら波長変換材料が、それぞれの層として形成されて、前記ベースボード上に積層状態で配置される。

前記波長変換層は、第１変換光を発する第１波長変換材料と、第２変換光を発する第２波長変換材料とを含み、前記第１変換光のピーク波長が前記第２変換光のピーク波長よりも長く、前記第１波長変換材料と前記第２波長変換材料が、前記ベースボード上に積層状態で配置される。

少なくとも２の単色光は、赤色光、緑色光および青色光からなる群から選択される少なくとも２の光を含む。

前記少なくとも２の単色光のうちの１つは、前記波長変換層により吸収されなかった励起光の一部である。

前記波長変換層は、予め設定された経路に沿って前記励起光が前記波長変換層を励起することを可能にするものであり、前記波長変換層の波長変換材料が、前記予め設定された経路に沿って均質である。

前記波長変換層から生成された変換光の強度およびスペクトルは、前記予め設定された経路に沿って均質である。

前記励起光源から発せられる励起光は、時間において安定している。

前記駆動デバイスは、前記波長変換デバイスを駆動して回転軸の周りを周期的に回転させ、それにより、前記励起光が、前記回転軸と同心の円形経路に沿って、前記波長変換層を周期的に励起させる。

前記駆動デバイスは、前記波長変換デバイスを駆動して直線的に振動させ、それにより、前記励起光が、直線経路に沿って、前記波長変換層を繰り返し励起させる。

前記波長変換デバイスは、ベースボードをさらに含み、前記波長変換層が、前記ベースボードとの間に空隙を設けた状態で、前記ベースボードの上に配置されている。

前記波長変換デバイスは、干渉フィルタ層をさらに含み、前記干渉フィルタ層が、前記励起光が入射する前記波長変換層の面上に配置され、前記干渉フィルタ層が、前記励起光を透過して前記変換光を反射する。

前記波長変換デバイスは、反射層をさらに含み、前記反射層が、前記励起光と反対側の前記波長変換層の面上に配置され、前記発光デバイスが、反射カップおよび集光デバイスをさらに含み、前記反射カップの反射面が前記反射層を向き、前記反射層が、前記広帯域光を前記反射カップに反射した後、前記反射カップが、前記広帯域光を前記集光デバイスの入口に収束させ、前記集光デバイスが、前記広帯域光を前記光分割デバイスに導く。

前記反射カップは、開口部を含み、この開口部を通って、前記励起光が前記波長変換層上に入射する。

前記反射カップは、半球状に形成され、前記励起光が入射する前記波長変換層の位置と、前記集光デバイスの入口位置とが、前記半球の中心に対して、対称である。

前記反射カップは、半楕円体状に形成され、前記励起光が入射する前記波長変換層の位置と、前記集光デバイスの入口位置とがそれぞれ、前記半楕円体の２つの焦点である。

前記光分割デバイスは、少なくとも１の干渉フィルタを含み、この干渉フィルタが、前記広帯域光のスペクトル範囲のある部分を透過して、前記広帯域光のスペクトル範囲の別の部分を反射する。

前記発光デバイスは、単色光を生成する補助的光源をさらに備える。

前記発光デバイスは、ダイクロイックミラーをさらに備え、このダイクロイックミラーが、前記広帯域光と、前記補助的光源により生成される単色光のうちの一方を透過して、他方を反射し、それら透過光および反射光を前記光分割デバイスに導く。

前記補助的光源により生成される単色光は、赤色光または青色光である。

上述した課題を解決するために、本発明の別の技術的スキームは、上述した発光デバイスの何れか一つを含む投影システムであって、前記単色光が原色光であり、当該投影システムがさらに、前記光分割デバイスから発せられた対応する原色光をそれぞれ変調する少なくとも２の光変調デバイスと、前記光変調デバイスにより変調された少なくとも２の原色光を結合させる光結合デバイスとを備えることを特徴とするものである。

本発明の利点には、本発明の投影システムおよび発光デバイスは、従来技術とは異なり、たった一つの光源を使用して、異なる色彩の少なくとも２の原色光を生成することができ、その結果、光源の数とコストがともに低減されることが含まれる。また、広帯域光が、波長分割により分割されて異なる色彩の少なくとも２の原色光を生成することから、不要な光であるとしてあるスペクトル範囲の蛍光を廃棄することにより生じる従来のパワー損失を防止して、効率を向上させることができる。

図１は、従来のプロジェクタの光源系の概略図である。 図２は、図１の光源系を使用する単一チップの投影システムの概略図である。 図３は、従来の３チップの投影システムの概略図である。 図４は、図３の投影システムで使用される緑色蛍光のスペクトラムを示している。 図５は、図３の投影システムで使用される赤色蛍光のスペクトラムを示している。 図６は、本発明の投影システムの一実施形態の概略図である。 図７は、本発明の投影システムの広帯域光源の一実施形態の概略図である。 図８は、図７に示す広帯域光源の蛍光デバイスの正面図である。 図９は、図７に示す広帯域光源によって生成される広帯域光のスペクトラムを示している。 図１０Ａは、本発明の投影システムの光分割デバイスの一実施形態の概略図である。図１０Ｂは、本発明の投影システムの光分割デバイスの別の実施形態の概略図である。 図１１は、図１０Ａまたは１０Ｂに示す光分割デバイスの干渉フィルタの透過曲線を示している。 図１２は、図１０に示す光分割デバイスの後の、図９に示す広帯域光のスペクトラムを示している。 図１３は、本発明の投影システムの広帯域光源の別の実施形態の概略図である。 図１４は、図１３に示す広帯域光源の蛍光デバイスの正面図である。 図１５Ａおよび１５Ｂは、本発明の投影システムの広帯域光源の代替的な実施形態の概略図である。 図１６は、本発明の投影システムの広帯域光源の代替的な実施形態の概略図である。 図１７は、本発明の投影システムの広帯域光源の代替的な実施形態の概略図である。 図１８は、本発明の投影システムの広帯域光源の代替的な実施形態の概略図である。 図１９は、本発明の投影システムの広帯域光源の代替的な実施形態の概略図である。 図２０は、本発明の投影システムの広帯域光源の代替的な実施形態の概略図である。

図６を参照すると、図６は、本発明の投影システムの一実施形態の概略図である。図６に示すように、本実施形態の投影システムは、主に、広帯域光源６１、光分割デバイス６２、光変調デバイス６３，６４，６５、光結合デバイス６６および投影デバイス６７を含む。

広帯域光源６１は、広帯域光を生成し、この広帯域光は、異なる経路に沿って異なる色彩の少なくとも２の単色光を出力するために、光分割デバイス６２により分割される。本実施形態において、単色光を原色光とすることができるが、当然のことながら、その他の実施形態では、光が特定のスペクトル幅を有していても、その他の波長の単色光とすることもできる。

本実施形態では、広帯域光は白色光であり、光分割デバイス６２は、白色光を、異なる色彩の三原色である、赤色光、緑色光および青色光に分割する。当然のことながら、関連分野の当業者であれば分かるように、光分割デバイス６２を利用することにより、広域光源６１により生成される広帯域光は、その他の異なる色彩の少なくとも２の原色光に分割することができ、本発明は特定の色彩に限定されるものではない。

赤色光は、さらに光変調デバイス６３に入射し、それによりイメージ変調され、緑色光は、光変調デバイス６４に入射し、それによりイメージ変調され、青色光は、光変調デバイス６５に入射し、それによりイメージ変調される。光変調デバイス６３，６４，６５により変調された、赤色光、緑色光および青色光は、さらに光結合デバイス６６に入射して当該デバイスにより結合され、その後、投影デバイス６７により投影される。

本発明では、異なる色彩の少なくとも２の原色光を生成するために、一つの光源のみが使用され、その結果、光源数およびコストがともに低減される。さらに、光分割により広帯域光を分割して異なる色彩の少なくとも２の原色光を生成することにより、無駄な光として蛍光の幾つかの帯域幅をフィルタリングすることにより生じる従来技術の出力損失を防止することができ、効率を改善することができる。

本発明の投影システムにおけるデバイスの実施形態については、図面を参照しながら以下に詳述する。

図７−８を参照すると、図７は、本発明の投影システムの広帯域光源の一実施形態の概略図であり、図８は、図７に示す広帯域光源の蛍光デバイスの正面図である。図７に示すように、広帯域光源は、励起光源７１、波長変換デバイス７２および駆動デバイス７３を含む。励起光源７１は、励起光を生成する。波長変換デバイス７２は、ベースボード７２１と、このベースボード７２１上に配置された波長変換層７２２とを含む。駆動デバイス７３は、蛍光デバイス７２を駆動するとともに、予め設定された経路に沿って波長変換層７２２を励起光が励起することを可能にする。本実施形態では、駆動デバイス７３が、回転軸７３１を有する回転モータであり、このモータが、波長変換デバイス７２を駆動して、回転軸７３１周りに周期的に回転させ、その結果、励起光が、回転軸７３１と同心の円形の経路に沿って、周期的に波長変換層７２２を励起させる。また、波長変換デバイス７２は、励起光が入射する波長変換層７２２の面上に配置された干渉フィルタ層７２４も含み、この干渉フィルタ層は、励起光源７１により生成された励起光を伝達して、波長変換層７２２から生成された変換光を反射するために使用され、それにより、波長変換デバイス７２の変換光の出力効率が高められる。好ましくは、干渉フィルタ層７２４は、波長変換層７２２と接触している。さらに、波長変換層７２２の変換効率を改善するために、好ましくはベースボード７２１と波長変換層７２２の間に空隙７２３が設けられる。図８に示すように、本実施形態では、波長変換層７２２の大きさを低減するために、波長変換層が、回転軸７３１に対して回転対称であるリング形状となっている。好ましい実施形態では、波長変換層７２２における波長変換材料が、リング形構造全体に亘って均一に分布している。

波長変換材料は、特定の波長の入射光を吸収するとともに、励起されて入射光とは異なる波長を有する出力光を発するために使用される。波長変換材料は、蛍光体粉末、蛍光染料、量子ドット等を含む数多くのカテゴリを含むが、蛍光体粉末が最も一般的に使用される。蛍光体粉末を例にとると、この場合、波長変換層７２２が蛍光層７２２と呼ばれる。蛍光層７２２を形成する方法は数多く存在するが、その一つは、蛍光体粉末と接着材料とを混合して、印刷または押出形成により層状構造を形成するというものである。接着材料は、シリコーンまたはエポキシ樹脂のような有機接着材料とすることができ、また、ナノ構造アルミナ粒子のような無機接着材料とすることもできる。

本実施形態では、蛍光層７２２が少なくとも１種類の蛍光材料を含み、蛍光層の蛍光材料が、励起光の励起経路（予め設定された経路）に沿って均一なものとなっている。ここで、均一とは、薬剤、成分量および厚さ等のようなパラメータが均一であることを意味しており、その結果、蛍光層７２２は、励起光下で，同じ蛍光を連続的に生成することができる。例えば、励起光が青色の励起光であるときは、蛍光層７２２を、赤色蛍光材料と緑色蛍光材料または黄色蛍光材料との混合物とすることができる。この場合、赤色蛍光材料が、青色励起光を赤色蛍光に変換し、緑色蛍光材料が、青色励起光を緑色蛍光に変換する。蛍光層７２２により変換されなかった残りの青色励起光と、赤色蛍光および緑色蛍光は、白色光領域である色座標（０．３１１，０．３２８）を有する図９に示すような広帯域光を一緒に形成する。

また、励起光が青色の励起光であるときは、蛍光層７２２を、青色励起光を黄色蛍光に変換する黄色蛍光材料とすることができ、蛍光層７２２により変換されなかった残りの青色の励起光と、黄色蛍光が、図９に示すように、広帯域光を形成する。さらに、励起光は、紫外線または近紫外線励起光とすることもできる。この場合、蛍光層７２２は、赤色蛍光材料、緑色蛍光材料および青色蛍光材料を含むことができる。

本実施形態では、赤色蛍光材料が紫外線または近紫外線励起光を赤色蛍光に変換し、緑色蛍光材料が紫外線または近紫外線励起光を緑色蛍光に変換し、青色蛍光材料が紫外線または近紫外線励起光を青色蛍光に変換する。赤色蛍光、緑色蛍光および青色蛍光の混合光は、広帯域光を形成することもできる。

図８に示す波長変換層７２２が少なくとも２の波長変換材料を含む場合には、波長変換材料のすべてが、均一に混合されて、波長変換デバイスのベースボード７２１上に設けられる。波長変換層の複数の波長変換材料は、それぞれの層として形成して、ベースボード７２１上に積み重ねて配置することもできる。波長変換材料は、変換される光のピーク波長よりも短い波長の光を吸収する傾向があることから、その他の波長変換材料の吸収により生じる変換光損失を低減するために、より長いピーク変換波長の波長変換材料が、より短いピーク変換波長の波長変換材料よりもベースボードに接近して配置されることが好ましい。より具体的には、波長変換層は、第１変換光と第２変換光をそれぞれ発する第１波長変換材料と第２波長変換材料をそれぞれ含むことができ、第１変換光のピーク波長が、第２変換光のそれよりも長くなっている。第１波長変換材料は、ベースボード７２１上に設けられ、第２波長変換材料は、第１波長変換材料上に設けられている。例えば、波長変換層は、赤色蛍光材料と緑色蛍光材料とを含む。赤色蛍光材料のピーク波長は、緑色蛍光材料のそれよりも長いため、緑色蛍光材料は、赤色光を吸収する傾向はなく、赤色蛍光材料は、緑色光を吸収する傾向がある。このため、赤色蛍光材料がベースボード７２１上に設けられ、緑色蛍光材料が赤色蛍光材料上に設けられ、その結果、赤色光の殆どは緑色蛍光材料によって吸収されることはなく、光損失が低減される。

当然のことながら、蛍光層７２２により生成される蛍光によって、あるいは蛍光と蛍光層７２２により変換されない残りの励起光との混合によって、必要な広帯域光が形成される限りにおいては、本実施形態の励起光としてその他の色彩の励起光を使用し得ることが、関連技術の当業者には分かるであろう。また、数多くの蛍光材料は、２種類のみを含むこともできる。本発明では、広帯域光とは、赤色、青色、緑色のうちの少なくとも二つのように、三原色のうちの少なくとも二つに及ぶスペクトラムの光、すなわち、波長分割により赤色、青色、緑色のうちの少なくとも二つの色彩に波長を分割することによって分割可能な光を指している。図１０−１１を参照すると、図１０Ａおよび１０Ｂは、本発明の投影システムの光分割デバイスの好ましい二つの実施形態の概略図であり、図１１は、図１０Ａまたは１０Ｂに示す光分割デバイスの干渉フィルタの透過曲線を示している。図１０Ａに示すように、本発明の投影システムの光分割デバイスの好ましい実施形態は、第１干渉フィルタ８１および第２干渉フィルタ８２を含む。第１干渉フィルタ８１および第２干渉フィルタ８２は、互いに垂直となるように設定され、広帯域光が第１干渉フィルタ８１および第２干渉フィルタ８２上に４５度の入射角度で入射する。図１１に示すように、第１干渉フィルタ８１は、曲線９００として示される透過曲線を有する低域通過フィルタであり、赤色光を反射して、緑色光および青色光を透過する。第２干渉フィルタ８２は、曲線９０２として示される透過曲線を有する高域通過フィルタであり、青色光を反射して、赤色光および緑色光を透過する。このため、第１干渉フィルタ８１および第２干渉フィルタ８２の後は、広帯域光が、図１２に示すようなスペクトラムを有する赤色光、緑色光および青色光に分割される。図９と図１２との比較によって分かるように、光分割デバイスの全出力光パワーの損失は、広帯域光のパワーに対して小さく、約４％に過ぎない。多くの種類の光分割デバイスが従来より良く知られているが、本発明は、特定の種類に限定されるものではない。

図１０Ｂは、本発明の投影システムの光分割デバイスの別の実施形態の概略図であり、第２干渉フィルタ８４の透過曲線が曲線９０２として示されるとともに、第１干渉フィルタ８３の透過曲線が曲線９００として示されている。図１０Ａと同じ原理により、この構造においても、広帯域光を赤色光、緑色光および青色光に分けることができる。実際に、図１１に透過曲線が示される二つの干渉フィルタは、それら干渉フィルタの波長依存透過曲線を使用して透過または反射により異なる波長の光を異なる光路に分割するために、数多くの方法で空間的に配置させることができる。広帯域光を異なる色の２つの光ビームに分けることのみが必要とされる場合には、干渉フィルタが一つのみ必要とされる。

図１３−１４を参照すると、図１３は、本発明の投影システムの広帯域光源の別の実施形態の概略図であり、図１４は、図１３に示す広帯域光源の蛍光デバイスの正面図である。広帯域光源は、励起光源９１、蛍光デバイス９２および駆動デバイス９３を含む。励起光源９１は、励起光を生成する。蛍光デバイス９２は、ベースボード９２１と、このベースボード９２１上に配置される蛍光層９２２とを含む。本実施形態において、駆動デバイス９３は、直線移動デバイスであり、このデバイスは、蛍光デバイス９２を駆動して、方向Ｄ１に沿って直線的に振動させ、それにより、励起光が直線経路に沿って蛍光層９２２を繰り返し励起させることを可能にする。図１４に示すように、本実施形態では、蛍光層９２２が、蛍光デバイス９２の運動方向Ｄ１と平行な長手方向を有する帯状とされている。好ましくは、蛍光層９２２の変換効率を改善するために、ベースボード９２１と蛍光層９２２との間に空隙が存在する。

実際に、本発明は、励起光が波長変換層に対して相対的に動く限りは、予め設定された経路に沿って励起光が波長変換層を励起させることを可能にするために、駆動デバイスを必要とはしない。また、波長変換デバイスを駆動する他に、駆動デバイスは、予め設定された経路に沿って励起光源が波長変換層を励起させることを可能にするために、励起光源、または励起光源と波長変換デバイスとの間の光学部品を駆動することもできる。図１５Ａおよび１５Ｂは、二つの例示的な配列を示している。図１５Ａおよび１５Ｂを参照すると、図１５Ａは、本発明の投影システムの広帯域光源の代替的な実施形態の概略図であり、図１５Ｂは、本発明の投影システムの広帯域光源の別の代替的な実施形態の概略図である。

図１５Ａにおいて、励起光源３０１は、励起光３０３を放射し、この励起光は、凸面レンズ３０２を通って、蛍光デバイス３００に入射する。凸面レンズ３０２は、駆動デバイス（この図には現れない）に連結され、駆動デバイスは、凸面レンズ３０２を駆動して方向Ｄ２に沿って直線的に振動させる。凸面レンズが３つの位置３０２Ａ，３０２Ｂ，３０２Ｃに移動すると、励起光３０３は、異なる出力経路を有する３つの光線３０４Ａ，３０４Ｂ，３０４Ｃとしてそれぞれ屈折した後、蛍光デバイス上の３つの位置３０５Ａ，３０５Ｂ，３０５Ｃに入射する。凸面レンズが３０２Ｂと３０２Ｃの間で連続的に振動する場合、蛍光デバイスの励起経路は３０５Ｂおよび３０５Ｃを接続する線分である。

図１５Ｂにおいて、励起光源３１１は、励起光３１３を放射し、この励起光は、反射ミラー３１２により反射された後に、蛍光デバイス３１０に入射する。反射ミラー３１２は、駆動デバイス（この図には現れない）に接続され、この駆動デバイスは、反射ミラー３１２を駆動して方向Ｄ３に沿って直線的に振動させる。反射ミラーが３つの角度３１２Ａ，３１２Ｂ，３１２Ｃに回転すると、励起光３１３は、異なる出力経路を有する３つの光線３１４Ａ，３１４Ｂ，３１４Ｃとしてそれぞれ屈折する。

同様に、図１５Ａおよび１５Ｂに記載の方法は、図７に示す本発明の広帯域光源の好ましい実施形態に使用することができ、すなわち、図７の波長変換デバイス７２を静止状態に保ち、図１５Ａまたは１５Ｂにおける励起光の入射角度を変化させる原理に基づいて、傾斜した中心軸周りに凸面レンズ３０２または反射ミラー３１２を回転させ、そにより、励起光が、回転軸７３１と同心の円形経路に沿って波長変換層７２を周期的に励起する。

また、予め設定された経路に沿って励起光が蛍光層を励起させるという目的を達成するために、波長変換デバイスのような光学部品を静止状態に保ち、励起光源のみを所定の角度範囲内で回転または振動させるように形成することができる。あるいは、励起光、波長変換デバイス、およびそれらの間の光学部品の中で、何れか２またはそれ以上の構成要素を協働的な方法で一緒に動かすことにより、同じ目的を達成することができる。ここでは更に詳細な説明を省略する。

図１６を参照すると、図１６は、本発明の投影システムの広帯域光源の代替的な実施形態の概略図である。本実施形態の広帯域光源は、励起光源１０１、蛍光デバイス１０２および駆動デバイス１０３を含む。励起光源１０１は、励起光を生成する。蛍光デバイス１０２は、ベースボード１０２１と、このベースボード１０２１上に配置された蛍光層１０２２とを含む。本実施形態の広帯域光源はさらに、集光デバイス１０４を含み、この集光デバイスは、蛍光デバイス１０２の蛍光層１０２２から放射された蛍光、または蛍光と未変換励起光を収集して、それら光を光分割デバイス（図１６には現れない）に導く。

図１７を参照すると、図１７は、本発明の投影システムの広帯域光源の代替的な実施形態の概略図である。本実施形態の広帯域光源は、励起光源１１１、蛍光デバイス１１２、駆動デバイス１１３、集光デバイス１１４および反射カップ１１５を含む。

励起光源１１１は、励起光を生成し、この励起光は、反射カップ１１５の頂部に配置される開口部１１５１を通って蛍光デバイス１１２の蛍光層１１２２上に入射する。蛍光デバイス１１２は、ベースボード１１２１と、このベースボード１１２１上に配置された蛍光層１１２２とを含み、また、反射層１１２３も含む。反射層１１２３は、励起光と反対側の蛍光層１１２２の面に配置され、本実施形態では、蛍光層１１２２とベースボード１１２１の間に配置されている。関連分野における当業者であれば分かるように、励起光路における蛍光層１１２２の後段のその他の位置に反射層１１２３を配置させることもできる。反射層１１２３は、蛍光層１１２２から放たれた蛍光を反射するか、あるいは蛍光層１１２２によって変換されなかった励起光および蛍光を反射する。反射カップ１１５は、半楕円体または半球状に形成されて、反射面が内側を向く。反射カップ１１５は、蛍光、または蛍光層１１２２によって変換されなかった励起光および蛍光を、集光デバイス１１４の入口に集束させ、集光デバイスは、その光を光分割デバイス（図には現れない）に導く。

反射カップ１１５が半球状である場合、励起光が入射する蛍光デバイス１１２の位置と、集光デバイス１１４の入口位置とは、半球の中心に対して対称となる。反射カップが半楕円体形状である場合には、励起光が入射する蛍光デバイス１１２の位置と、集光デバイス１１４の入口位置とが、それぞれ半楕円体の２つの焦点となる。

本実施形態では、反射層１１２３がベースボード１１２１の表面上に付着または電界析出されるとともに、波長変換材料が、接着材料と混合されて混合物を形成し、その混合物が、反射層の表面に直接コートされて蛍光層を形成する。

図１８を参照すると、図１８は、本発明の投影システムの広帯域光源の代替的な実施形態の概略図である。図１８に示すように、本実施形態の広帯域光源は、励起光源９０１、蛍光デバイス９０３、収集レンズ９０４、ダイクロイックミラー９０５、第１光源９０６、集束レンズ９０７および光均一化デバイス９０８を含む。励起光源９０１は、紫外線または近紫外線励起光を生成し、蛍光デバイス９０３の蛍光層は、赤色蛍光材料および緑色蛍光材料を含み、第１光源が青色光を放射する。赤色蛍光材料は、紫外線または近紫外線励起光を赤色蛍光に変換し、緑色蛍光材料は、紫外線または近紫外線励起光を緑色蛍光に変換する。赤色蛍光は緑色蛍光と合わされて広帯域光を生成し、それは、収集レンズ９０４により集められて、ダイクロイックミラー９０５の第１面からダイクロイックミラー上に導かれる。第１光源から放射された青色光は、ダイクロイックミラー９０５の第２面からダイクロイックミラー９０５上に導かれる。ダイクロイックミラー９０５は、広帯域光と青色光を結合させて光ビームにするために、広帯域光を透過して、第１光源９０６から放射された青色光を反射する。結合された広帯域光および青色光は、集束レンズ９０７により光均一化デバイス９０８に集束されて、均一化され、その後、均一化された光は、光分割デバイス（図には現れない）上に導かれ、光分割デバイスが、均一化された光を、異なる伝播経路を有する少なくとも２の原色光に分割する。

本実施形態では、第１光源は、青色光を与えるために直接的に使用される。本実施形態の蛍光層は青色蛍光材料も含むことができ、紫外線または近紫外線励起光により励起される青色蛍光材料から生成される青色光が十分ではない場合には、第１光源９０６は、追加の青色光を放射するために使用され得ることが分かる。また、本実施形態における励起光源９０１は、青色励起光を放射することもでき、赤色蛍光材料は、青色励起光を赤色蛍光に変換し、緑色蛍光材料は、青色励起光を緑色蛍光に変換し、赤色蛍光、緑色蛍光、および波長変換層により変換されなかった青色励起光は、混合されて広帯域光を生じる。広帯域光における青色励起光が十分ではない場合には、追加の青色光を放射するために第１光源９０６を使用することができる。

本実施形態では、第１光源９０６が、広帯域光の青色要素を直接提供または補足するために使用される。また、その他の原色光も、光源により直接的または補助的な方法で提供され得ることが分かる。例えば、本実施形態における蛍光層が、緑色蛍光材料および青色蛍光材料を含むことができ、それら緑色蛍光材料および青色蛍光材料が紫外線または近紫外線励起光を緑色蛍光および青色蛍光にそれぞれ変換し、その場合に、赤色光を発する第２光源を使用して赤色光を提供することができ、その赤色光が、緑色蛍光および青色蛍光と結合されて、ダイクロイックミラーを通る１のビームを形成することができる。

本実施形態では、補助的な光源（第１光源９０６のような）により発せられた光が、ダイクロイックミラー９０５を通る波長変換層からの広帯域光と結合されて、その結合された光が、光分割デバイスによって少なくとも２の原色に分割される。ダイクロイックミラー９０５は省略することが可能であり、その場合、波長変換層から発せられる広帯域光が光分割デバイスによって少なくとも２の原色に直接分割されて、その少なくとも２の原色と、補助的な光源から発せられた光とが、３つの光変調ユニット内にそれぞれ直接導かれることが分かる。

図１９を参照すると、図１９は、本発明の投影システムの広帯域光源の代替的な実施形態の概略図である。図１９に示すように、本実施形態の広帯域光源は、励起光源１００１、蛍光デバイス１００３、集光デバイス１００４、反射カップ１００２、収集レンズ１００５、ダイクロイックミラー１００７、第１光源１００６、集束レンズ１００９および光均一化デバイス１００８を含む。

励起光源１００１は、紫外線または近紫外線励起光を生じ、この励起光は、反射カップ１００２の頂部に配置された開口部１１５１を通って、蛍光デバイス１００３の蛍光層１１２２上に入射する。蛍光デバイス１００３は、図１７に示す実施形態の波長変換デバイスと同じ構造を有し、ベースボード（図には現れない）およびその上に配置される蛍光層に加えて、反射層（図には現れない）も含む。蛍光デバイス１００３の蛍光層は、赤色蛍光材料および緑色蛍光材料を含む。赤色蛍光材料は、紫外線または近紫外線励起光を赤色蛍光に変換し、緑色蛍光材料は、紫外線または近紫外線励起光を緑色蛍光に変換する。赤色蛍光は緑色蛍光と合わされて広帯域光を形成する。反射層は、励起光と反対側の蛍光層の面上に配置され、広帯域光を反射する。反射カップ１００２は、半楕円体または半球状に形成されて、反射面が内側を向く。反射カップ１００２は、反射層によって反射された広帯域光を集光デバイス１００４の入口に集束させ、集光デバイスは、その光を収集レンズ１００５に導く。

広帯域光は、収集レンズ１００５により収集されて、ダイクロイックミラー１００７の第１面からダイクロイックミラー上に導かれ、第１光源１００６から放射された青色光は、ダイクロイックミラー１００７の第２面からダイクロイックミラー１００７上に導かれる。ダイクロイックミラー１００７は、広帯域光を透過して、第１光源１００６から放射された青色光を反射し、それにより、広帯域光と青色光を結合させて一つのビームを形成する。結合された広帯域光および青色光は、集束レンズ１００９により光均一化デバイス１００８に集束されて、均一化される。

本実施形態では、第１光源１００６は、青色光を与えるために直接的に使用される。本実施形態の蛍光層は青色蛍光材料も含むことができ、紫外線または近紫外線励起光により励起される青色蛍光材料から生成される青色光が十分ではない場合には、第１光源１００６は、追加の青色光を放射するために使用され得ることが分かる。また、本実施形態における励起光源１００１は、青色励起光を放射することもでき、赤色蛍光材料は、青色励起光を赤色蛍光に変換し、緑色蛍光材料は、青色励起光を緑色蛍光に変換し、赤色蛍光、緑色蛍光、および波長変換層により変換されなかった青色励起光は、混合されて広帯域光を生じる。広帯域光における青色励起光が十分ではない場合には、追加の青色光を放射するために第１光源１００６を使用することができる。

本実施形態では、第１光源１００６が、広帯域光の青色要素を直接提供または補足するために使用される。また、その他の原色光も、光源により直接的または補助的な方法で提供され得ることが分かる。例えば、本実施形態における蛍光層が、緑色蛍光材料および青色蛍光材料を含むことができ、それら緑色蛍光材料および青色蛍光材料が紫外線または近紫外線励起光を緑色蛍光および青色蛍光にそれぞれ変換し、その場合に、赤色光を発する第２光源を使用して赤色光を提供することができ、その赤色光が、緑色蛍光および青色蛍光と結合されて、ダイクロイックミラーを通る１のビームを形成することができる。

図２０を参照すると、図２０は、本発明の投影システムの広帯域光源の代替的な実施形態の概略図である。図２０に示すように、本実施形態の広帯域光源は、励起光源１１０１、蛍光デバイス１１０２、収集レンズ１１０６、ダイクロイックミラー１１０４、第１光源１１０９、集束レンズ１１０７および光均一化デバイス１１０８を含む。励起光源１１０１は、紫外線または近紫外線励起光を生じ、蛍光デバイス１１０２の蛍光層は、赤色蛍光材料および緑色蛍光材料を含み、また、反射層（図には現れない）も含み、この反射層は、紫外線または近紫外線励起光と反対側の蛍光層の面上に配置される。第１光源１１０９は青色光を発する。

励起光源１１０１から発せられた紫外線または近紫外線励起光は、ダイクロイックミラー１１０４の第１面からダイクロイックミラー上に導かれた後、それに反射されて、収集レンズ１１０６により収集されて蛍光層上に入射する。蛍光層の赤色蛍光材料は、紫外線または近紫外線励起光を赤色蛍光に変換し、緑色蛍光材料は、紫外線または近紫外線励起光を緑色蛍光に変換する。赤色蛍光は緑色蛍光と混合されて、広帯域光を生じ、この広帯域光は、反射層によりダイクロイックミラー１１０４の第１面に戻るように反射される。第１光源１１０９から放射された青色光は、ダイクロイックミラー１００４の第２面からダイクロイックミラー１１０４上に導かれ、ダイクロイックミラー１１０４は、広帯域光を透過して、第１光源１１０９から放射された青色光を反射し、それにより、広帯域光と青色光を結合させて一つのビームを形成する。結合された広帯域光および青色光は、集束レンズ１１０７により光均一化デバイス１１０８に集束されて、均一化される。

本実施形態では、第１光源１１０９は、青色光を与えるために直接的に使用される。本実施形態の蛍光層は青色蛍光材料も含むことができ、紫外線または近紫外線励起光により励起される青色蛍光材料から生成される青色光が十分ではない場合には、第１光源１１０９は、追加の青色光を放射するために使用され得ることが分かる。また、本実施形態における励起光源１１０１は、青色励起光を放射することもでき、赤色蛍光材料は、青色励起光を赤色蛍光に変換し、緑色蛍光材料は、青色励起光を緑色蛍光に変換し、赤色蛍光、緑色蛍光、および波長変換層により変換されなかった青色励起光は、混合されて広帯域光を生じる。広帯域光における青色励起光が十分ではない場合には、追加の青色光を放射するために第１光源１１０９を使用することができる。

本実施形態では、第１光源１１０９が、広帯域光の青色要素を直接提供または補足するために使用される。また、その他の原色光も、光源により直接的または補助的な方法で提供され得ることが分かる。例えば、本実施形態における蛍光層が、緑色蛍光材料および青色蛍光材料を含むことができ、それら緑色蛍光材料および青色蛍光材料が紫外線または近紫外線励起光を緑色蛍光および青色蛍光にそれぞれ変換し、その場合に、赤色光を発する第２光源を使用して赤色光を提供することができ、その赤色光が、緑色蛍光および青色蛍光と結合されて、ダイクロイックミラーを通る１のビームを形成することができる。

本実施形態では、第１光源１１０９は、補助的な光源として使用されている。その他の実施形態では、補助的な光源から発せられた光も、光分割デバイスからの原色光とともに、光変調ユニットに導くことができる。当然のことながら、その他の実施形態において、ダイクロイックミラーおよびその他のレンズを省略することもでき、その場合、補助的光源が、光分割デバイスから到来する原色光の一つを直接的に提供する。

上記説明から、従来技術においては、複数のカラー蛍光体が回転ベースボード上に被覆されて、複数の単色光のカラー光シーケンスを生成することが分かるが、これは、複数のカラー光が時間領域において分割されることを意味している。この場合、良好な単色を得るためには、ある程度の光パワーが失われてしまいそれを使用することができなかった。本発明の実施形態では、単色光が時間領域では分割されず、すなわち、それらは、少なくとも１の時間間隔において同時に放射されるものであり、よって、各単色光に対して、良好な色純度を達成するために使用されることのない光パワーは、別の同時に放射されるカラー光の一部として使用することができる。その結果、光効率は、単色光シーケンスにより得られるそれと比べて高くなる。

本発明では、単色光の相対的な輝度が広帯域光のスペクトルにより決定される。このため、一定のカラー出力を確保するためには、広帯域光のスペクトル形状および強度を時間において安定させるべきである。したがって、本発明の好ましい実施形態では、広帯域光を生成するために使用される波長変換デバイスの波長変換層は、材料特性および物理的特性が励起経路に沿って均一である。また、励起光源により生成される励起光も、時間において一定である。例えば、波長変換層から生成された変換光の強度およびスペクトルは、予め設定された経路に沿って均質とすべきである。当然のことながら、その他の実施形態では、厳しい要求が必要とされないこともある。

本発明の投影システムは、異なる色彩の少なくとも２の原色を生成するために１の光源しか用いていないため、光源の数およびコストの両方が低減される。さらに、異なる色彩の少なくとも２の原色を生成するために広帯域光が波長分割により分割されるため、不要な光であるとしてあるスペクトル範囲の蛍光を廃棄することにより生じる従来のパワー損失を防止して、効率を向上させることができる。

上記説明は、本発明の単なる実施形態であって、本発明の保護範囲を限定するものではない。本発明の説明および図面に基づく、あるいはその他の関連する技術分野で直接的または間接的に使用される、すべての均等な構造またはプロセスは、同様に、本発明によって保護されるものである。

Claims (14)

1. 発光デバイスであって、
   励起光を生成する励起光源と、
   前記励起光の少なくとも一部を変換光に変換する波長変換層を有する波長変換デバイスであって、前記変換光が広帯域光であるか、または前記変換光が、前記波長変換層により変換されなかった励起光の一部と混合されて、広帯域光を形成するものである、波長変換デバイスと、
   前記波長変換層に対して前記励起光を相対的に移動させることを可能にする駆動デバイスと、
   前記広帯域光を、異なる経路を伝播する少なくとも２の単色光に分割する光分割デバイスとを備え、
   前記波長変換デバイスが反射層をさらに含み、前記反射層が、前記励起光と反対側の前記波長変換層の面上に配置され、前記発光デバイスが、反射カップおよび集光デバイスをさらに含み、前記反射カップの反射面が前記反射層を向き、前記反射層が、前記広帯域光を前記反射カップに反射した後、前記反射カップが、前記広帯域光を前記集光デバイスの入口に収束させ、前記集光デバイスが、前記広帯域光を前記光分割デバイスに導くことを特徴とする発光デバイス。
2. 請求項１に記載の発光デバイスにおいて、
   前記励起光が青色励起光であり、前記波長変換層が、黄色蛍光材料を含むことを特徴とする発光デバイス。
3. 請求項２に記載の発光デバイスにおいて、
   前記変換光が、前記広帯域光である黄色変換光を含むことを特徴とする発光デバイス。
4. 請求項２に記載の発光デバイスにおいて、
   前記変換光が、黄色変換光を含み、前記黄色変換光が、前記波長変換層により吸収されなかった前記青色励起光の一部と混合されて、前記広帯域光が形成されることを特徴とする発光デバイス。
5. 請求項１に記載の発光デバイスにおいて、
   前記波長変換デバイスがベースボードも含み、前記波長変換層が、少なくとも２の波長変換材料を含み、それら波長変換材料が、それぞれの層として形成されて、前記ベースボード上に積層状態で配置されることを特徴とする発光デバイス。
6. 請求項５に記載の発光デバイスにおいて、
   前記波長変換層が、第１変換光を発する第１波長変換材料と、第２変換光を発する第２波長変換材料とを含み、前記第１変換光のピーク波長が前記第２変換光のピーク波長よりも長く、前記第１波長変換材料と前記第２波長変換材料が、前記ベースボード上に積層状態で配置されることを特徴とする発光デバイス。
7. 請求項１に記載の発光デバイスにおいて、
   前記波長変換デバイスがベースボードをさらに含み、前記波長変換層が、前記ベースボードとの間に空隙を設けた状態で、前記ベースボードの上に配置されていることを特徴とする発光デバイス。
8. 請求項１に記載の発光デバイスにおいて、
   前記反射カップが、開口部を含み、この開口部を通って、前記励起光が前記波長変換層上に入射することを特徴とする発光デバイス。
9. 請求項１に記載の発光デバイスにおいて、
   前記反射カップが半球状に形成され、前記励起光が入射する前記波長変換層の位置と、前記集光デバイスの入口位置とが、前記半球の中心に対して、対称であることを特徴とする発光デバイス。
10. 請求項１に記載の発光デバイスにおいて、
    前記反射カップが半楕円体状に形成され、前記励起光が入射する前記波長変換層の位置と、前記集光デバイスの入口位置とがそれぞれ、前記半楕円体の２つの焦点であることを特徴とする発光デバイス。
11. 請求項１に記載の発光デバイスにおいて、
    単色光を生成する補助的光源をさらに備えることを特徴とする発光デバイス。
12. 請求項１１に記載の発光デバイスにおいて、
    ダイクロイックミラーをさらに備え、このダイクロイックミラーが、前記広帯域光と、前記補助的光源により生成される単色光のうちの一方を透過して、他方を反射し、それら透過光および反射光を前記光分割デバイスに導くことを特徴とする発光デバイス。
13. 請求項１１に記載の発光デバイスにおいて、
    前記補助的光源により生成される単色光が、赤色光または青色光であることを特徴とする発光デバイス。
14. 請求項１乃至１３の何れか一項に記載の発光デバイスを含む投影システムであって、
    前記単色光が原色光であり、当該投影システムがさらに、
    前記光分割デバイスから発せられた対応する原色光をそれぞれ変調する少なくとも２の光変調デバイスと、
    前記光変調デバイスにより変調された少なくとも２の原色光を結合させる光結合デバイスとを備えることを特徴とする投影システム。
    

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