JP7162756B2 - 非同軸投影光源システム - Google Patents

Description

本発明は、照明光源の技術分野に関し、特に非同軸投影光源システムに関する。

投影システムの光源は、主として、電球光源、ＬＥＤ光源及びレーザ光源の３種類に分けられる。レーザ光源は、近年最も注目されている投影光源であり、波長選択性が高く、スペクトル輝度が高いなどの特徴を有し、人の眼に見える自然界の色のうちの９０％以上の色域を有し、色再現を好ましく実現することができる。また、レーザ光源は、極めて高い輝度、及び長い使用寿命があり、そのため、後期のメンテナンスコストを大幅に削減させる。

現在使用されている投影光源システムでは、励起光を蛍光体ホイールに照射することで放射蛍光を発生させ、通常、放射蛍光と励起光との光路が重なるため、放射蛍光を出力して白色光を合成するには、ダイクロイックミラーなどの部材で放射蛍光と励起光との光路を分離する必要があり、その結果、投影光源システムでは、光路が複雑になり、部材が多くなり、占有体積が大きく、製造コストが高い。

本発明が解決しようとする技術的課題及び提案されている技術的目的は、従来技術を改良して、非同軸投影光源システムを提供することによって、ダイクロイックミラーなどの部材で放射蛍光と励起光との光路を分離することにより、光路が複雑になり、部材が大きくなり、システムの体積が大きく、コストが高いという現在の技術における投影光源システムの問題を解決することである。

以上の技術的課題を解決するために、本発明の技術案は以下のとおりである。
非同軸投影光源システムであって、光源、蛍光体ホイール、及び両方の間に位置する集光整形レンズ群を含み、前記光源から発光する励起光が集光整形レンズ群の光軸方向に傾斜して集光整形レンズ群に照射された後、蛍光体ホイールに照射され、蛍光体ホイールで励起して発生させた放射蛍光が集光整形レンズ群に照射された後、励起光の光路方向と異なる光路方向に集光、出力される。本発明の前記非同軸投影光源システムは、集光整形レンズ群を直接利用して励起光と放射蛍光との光路を分離し、ダイクロイックミラーの使用を不要とし、それにより、システムの構成部材を効果的に減少させ、システムの占有体積を減少させ、システムのコストを削減させる。蛍光体ホイールで励起して発生させた放射蛍光はランバート光源であり、１８０度の方向にわたり分布しており、入射された励起光が通過した集光整形レンズ群に照射され、集光整形レンズ群で集光された後に出射する方向が集光整形レンズ群の光軸に傾斜している励起光とは同一方向ではなく、このように、光路が分離され、光分用の部材を増設せずに集光整形レンズ群から出射された放射蛍光を直接光結合して出力することが可能になり、これによって、システムの構造をよりコンパクトにし、システム光路での部材を少なくし、光の輸送中の損耗を減少させ、光源の出力輝度を向上させる。

さらに、前記集光整形レンズ群には、励起光が直接通る貫通孔が開けられ、励起光は、方向性に優れたコリメート平行光であり、集光整形レンズ群を介して透過されることを回避し、励起光の損耗を減少させ、蛍光体ホイールに照射された励起光のパワーを向上させ、励起により発生させた放射蛍光のパワーを向上させる。

さらに、前記蛍光体ホイールで励起して発生させた放射蛍光は、集光整形レンズ群によって集光整形レンズ群の光軸方向に集光され、光軸方向に沿って出射される放射蛍光の集光整形効果が高く、出射された放射蛍光の方向性の制御がより容易になり、最終的な光源出力の品質が向上する。

さらに、前記光源から発光する励起光が、集光整形レンズ群を透過した後、蛍光体ホイールの回転軸方向に対して傾斜する方向をもって蛍光体ホイールに照射され、それにより、集光後の放射蛍光の光路が励起光の光路と十分に分離されることを確保する。

さらに、前記集光整形レンズ群中の少なくとも１つのレンズのアッベ数が３０以下であり、集光整形レンズ群はより良好な色分散効果を有し、異なる波長の光が集光整形レンズ群を透過したときに光路が分離する角度を大きくし、それにより、レーザと蛍光との光路をよく分離する。

さらに、前記蛍光体ホイールにおいて、異なる色の放射蛍光を励起発生させる蛍光体エリアが周方向に複数設けられるとともに、蛍光体エリアと同円周に分布している励起光透過エリア又は励起光反射エリアが設けられる。励起発生させた異なる放射蛍光が、励起光透過エリアを透過した励起光又は励起光反射エリアから放射された励起光と混光して出力され、それにより、出力光の光束が向上し、投影して表示される色がよりよくなり、色域が広がり、画像再現色が鮮やかである。

さらに、前記励起光透過エリアは、蛍光体ホイールに設けられた白いガラス又は拡散板であり、それによりスペックルを解消する。

さらに、前記励起光反射エリアは、励起光を拡散反射し、励起光は、反射されると放射蛍光と同様なランバート光源となり、このため、反射された励起光は集光整形レンズ群で集光された後に出力されると、スペックルを効果的に解消し、投影効果を向上させることができる。

さらに、前記励起光反射エリアは、蛍光体ホイールの裏側に設けられ蛍光体ホイールに平行する反射鏡である。

さらに、光結合ユニットをさらに含み、
前記光結合ユニットは、順次設けられた光結合反射鏡、ビーム整形モジュール、蛍光体ホイールと同期して回転するカラーフィルタリング用カラーホイール、及びライトパイプを含み、集光整形レンズ群から集光された放射蛍光が光結合反射鏡に照射された後、ビーム整形モジュール、カラーフィルタリング用カラーホイール及びライトパイプを順次通過して光結合、出力され、光結合ユニットは構造がコンパクトであり、占有体積が小さく、カラーフィルタリング用カラーホイールは光をフィルタリングして出力することで、色をより鮮やかにし、ライトパイプは出力ビームを均一化することで、出力光の均一性を高める。

従来技術に比べて、本発明の利点は以下のとおりである。
本発明の前記非同軸投影光源システムは、構造がシンプルでコンパクトであり、分光用のダイクロイックミラーを省略し、システムの構成部材を効果的に減少させ、システムのコストを削減させ、システムの占有体積を減少させ、システムの構造をよりコンパクトにし、光の輸送中の損耗を減少し、光源の出力輝度を向上させる。

非同軸投影光源システムの実施例１の構造模式図である。 非同軸投影光源システムの実施例１の蛍光体ホイールの構造模式図である。 非同軸投影光源システムの実施例２の構造模式図である。 非同軸投影光源システムの実施例２の蛍光体ホイールの構造模式図である。 非同軸投影光源システムの実施例２の第２の形態の構造模式図である。 非同軸投影光源システムの実施例３の集光整形レンズ群の構造模式図である。

以下、本発明の実施例の図面を参照しながら、本発明の実施例における技術案を明確かつ完全に説明するが、明らかなように、説明する実施例は本発明の実施例の一部に過ぎず、全ての実施例ではない。当業者が本発明の実施例に基づいて創造的な努力を必要とせずに得る他の実施例は、全て本発明の特許範囲に属する。

本発明の実施例で開示された非同軸投影光源システムは、ダイクロイックミラーを省略することで、光路の構造をより簡単でコンパクトにし、システムの体積を効果的に減少させ、製造コストを削減させる。

非同軸投影光源システムは、主として、光源１、蛍光体ホイール２、及び両方の間に位置する集光整形レンズ群３から構成され、前記光源１から発光する励起光は、集光整形レンズ群３の光軸方向に傾斜して集光整形レンズ群３に照射された後、蛍光体ホイール２に照射され、蛍光体ホイール２で励起して発生させた放射蛍光は集光整形レンズ群３に照射された後、励起光の光路方向と異なる光路方向に集光、出力される。蛍光体ホイールで励起して発生させた放射蛍光はランバート光源であり、１８０度の方向にわたり分布しており、広範囲で出射された放射蛍光は、集光整形レンズ群で集光された後、出射方向が大体集光整形レンズ群の光軸に沿うようになり、このように、集光整形レンズ群から出射された放射蛍光の光路と励起光との光路を分離し、それにより、ダイクロイックミラーを使用せずに放射蛍光と励起光との光路の分離を実現し、システムの部材の数を減らし、体積を小さくする。

集光整形レンズ群３は、好ましくはアッベ数Ｖｄが小さなレンズであり、それにより、集光整形レンズ群３はより良好な色分散効果を実現することができ、光の色が異なると、透過するときに偏向する角度が異なり、これにより、放射蛍光の出射光路が励起光の光路からより効果的に分離することができ、放射蛍光の出射光路と励起光の光路との両方の分離角度を増大し、後部では拡散板やライトパイプなどで各色の光を均一化して、次に結合して同一の同軸光路とすることができる。

実施例１
図１及び図２に示すように、非同軸投影光源システムは、主として、光源１、蛍光体ホイール２、集光整形レンズ群３、及び光結合ユニットを含む。

光源１は、コリメート平行光であって、方向性に優れ、光路にて集光整形を容易に実施でき、より容易に制御できる青色レーザ源を用い、集光整形レンズ群３は、放射蛍光と励起光との光路をより効果的に分離することから、好ましくは非球面レンズとする。

光源１は青色レーザである励起光を発光し、励起光は集光整形レンズ群３による集光整形作用を受けた後、蛍光体ホイール２まで透過され、蛍光体ホイール２において、異なる色の放射蛍光を励起発生させる複数の蛍光体エリア２１が周方向に複数設けられるとともに、蛍光体エリア２１と同円周に分布している励起光透過エリア２２が設けられ、蛍光体エリア２１で発生させた放射蛍光には、赤色、緑色、さらに黄色のものが含まれており、このため、輝度を向上させることができ、励起光透過エリア２２は蛍光体ホイール２に設けられた白いガラス又は拡散板であってもよく、それにより、スペックルを解消する。

蛍光体ホイール２が持続的に回転しており、蛍光体ホイール２に照射された励起光は色の異なる放射蛍光を発生させる蛍光体エリア２１と励起光透過エリア２２に順次且つ循環的に照射され、励起光が蛍光体エリア２１に照射されると、放射蛍光が励起発生し、放射蛍光は各方向へ放散し、放射蛍光のうち集光整形レンズ群３に照射された一部は集光整形レンズ群３で集光整形された後、１つの方向に沿って出射され、光源から出射された励起光が集光整形レンズ群３の光軸方向に傾斜して集光整形レンズ群３に照射された後蛍光体ホイール２に照射されるため、放射蛍光の集光整形における出射光路方向と入射された励起光の光路方向が同一方向ではなく、光路がずれており、このため、ダイクロイックミラーを配置しなくてもよく、システムの構造をよりコンパクトにし、好ましくは、前記蛍光体ホイール２で励起して発生させた放射蛍光は、集光整形レンズ群３で集光整形レンズ群３の光軸方向に集光され、励起光は励起光透過エリア２２に照射されると、励起光透過エリア２２を介して蛍光体ホイール２を通過して蛍光体ホイール２の後側へ出射され、蛍光体ホイール２の後側に光路方向変更ユニットが設けられ、光路方向変更ユニットは、反射鏡、フォーカスレンズなどの部材を含み、蛍光体ホイール２を通過した励起光の光路の方向を変更し、この部分の励起光と放射蛍光とを光結合ユニットに送って光結合して出力する。

本実施例では、光結合ユニットは、順次設けられた光結合反射鏡４１、ビーム整形モジュール４２、蛍光体ホイールと同期して回転するカラーフィルタリング用カラーホイール４３、及びライトパイプ４４を含み、集光整形レンズ群３から集光された放射蛍光は、光結合反射鏡４１に照射され、励起光透過エリア２２を介して蛍光体ホイール２を通過した励起光も、光路方向変更ユニットの作用により光結合反射鏡４１に照射され、次に、放射蛍光及び励起光は、ビーム整形モジュール４２、カラーフィルタリング用カラーホイール４３及びライトパイプ４４を順次通過して光結合、出力され、ビーム整形モジュール４２は放射蛍光及び励起光について集光整形を行い、次にカラーフィルタリング用カラーホイール４３は、各色の放射蛍光及び励起光をフィルタリングし、最後に、ライトパイプは出力ビームを均一化させる。

本実施例では、前記集光整形レンズ群において、レーザと蛍光の光路をより効果的に分離するために、少なくとも１つのレンズのアッベ数は３０以下である。現在、システムの三原色の主波長が分散しているので、３種類の色の波長の範囲の間隔が約５０ｎｍであり、例えば青色光主波長が４５０～４６０ｎｍ、緑色光主波長が５１０～５７０ｎｍ、赤色光主波長が６２０～６８０ｎｍに集中しており、このため、色分散効果に優れた集光整形レンズ群を用いると、３種類の色の光をより効果的に分離し、つまり、レーザと蛍光の光路を効果的に分離することができる。

実施例２
図３及び図４に示すように、蛍光体ホイール２において、蛍光体エリア２１と同円周に分布している励起光反射エリア２３が設けられる点は実施例１と異なり、励起光反射エリア２３は、励起光透過エリア２２の代わりとして機能し、励起光反射エリア２３は励起光を拡散反射し、図４に示すように、励起光反射エリア２３は、蛍光体エリア２１とは蛍光体ホイール基体の同一側に位置してもよく、コーティングなどの手段により形成することができる。図５に示すように、励起光反射エリア２３は、蛍光体ホイールの裏側に設けられ蛍光体ホイールに平行する反射鏡であってもよく、蛍光体ホイールの裏側とは、蛍光体エリアのない蛍光体ホイールの一方の側であり、励起光も反射されるとランバート光源となり、反射された励起光は集光整形レンズ群３に照射されて集光整形された後出力され、光源から出射された励起光が集光整形レンズ群３の光軸方向に傾斜して集光整形レンズ群３に照射されるため、反射された励起光は集光整形レンズ群３を経た後別の方向に集光され、放射蛍光の集光出射方向と同じであり、そして、反射された励起光の集光出射の光路方向と入射された励起光の光路方向とが同一方向ではないため、ダイクロイックミラーを設けることなく光路の分離が実現され、反射された励起光及び放射蛍光はいずれも、集光整形レンズ群３を経た後、光結合ユニットの光結合反射鏡４１に照射され、次に、ビーム整形モジュール４２、カラーフィルタリング用カラーホイール４３、及びライトパイプ４４を順次通過して光結合、出力される。

実施例３
図６に示すように、実施例１及び実施例２に基づいて、集光整形レンズ群３において、蛍光体ホイールに照射された励起光が直接通る貫通孔３１がさらに開けられてもよく、すなわち、射蛍光体ホイール２に入照された励起光は、集光整形レンズ群３による集光整形作用を受けずに蛍光体ホイール２に照射され、光源１として使用される青色レーザ源が方向性に優れたコリメート平行光であることから、蛍光体エリアに照射されるときに放射蛍光を発生させる励起効率が確保され、蛍光体ホイール２に入射された励起光の光路と集光整形レンズ群３で集光された放射蛍光の光路とがより効果的に分離し、このような形態では、集光整形レンズ群３のレンズとしては、非球面レンズや球面レンズが利用可能である。

実施例４
実施例１及び実施例２に基づいて、光源１から発光する励起光は、集光整形レンズ群３を透過した後、蛍光体ホイール２の回転軸方向に対して傾斜する方向をもって蛍光体ホイール２に照射され、このようにして、集光整形レンズ群３を経た放射蛍光の集光出射の光路方向が入射された励起光の光路方向とよりよく分離することができる。集光整形レンズ群３の光軸は、蛍光体ホイール２の回転軸方向に沿うか、又は集光整形レンズ群３の光軸は蛍光体ホイール２の回転軸方向に傾斜してもよく、それにより、放射蛍光の集光出射光路方向と入射された励起光の光路方向とをより効果的に分離することができる。

なお、以上は、本発明の好適な実施形態に過ぎず、上述の好適な実施形態は本発明を制限するものとして理解できず、本発明の特許範囲は特許請求の範囲により定められた範囲に準じるべきである。当業者であれば、本発明の精神及び範囲を逸脱することなく、いくつかの改良や修飾を行うことができ、これらの改良や修飾も本発明の特許範囲とみなされるべきである。

Claims (9)

1. 非同軸投影光源システムであって、
   光源、蛍光体ホイール、及び両方の間に位置する集光整形レンズ群を含み、前記光源から発光する励起光が集光整形レンズ群の光軸方向に傾斜して集光整形レンズ群に照射された後、蛍光体ホイールに照射され、蛍光体ホイールで励起して発生させた放射蛍光が集光整形レンズ群に照射された後、励起光の光路方向と異なる光路方向に集光、出力され、前記集光整形レンズ群には、励起光が直接通る貫通孔が開けられる、ことを特徴とする非同軸投影光源システム。
2. 前記蛍光体ホイールで励起して発生させた放射蛍光は、集光整形レンズ群によって集光整形レンズ群の光軸方向に集光される、ことを特徴とする請求項１に記載の非同軸投影光源システム。
3. 前記光源から発光する励起光が、集光整形レンズ群を透過した後、蛍光体ホイールの回転軸方向に対して傾斜する方向をもって蛍光体ホイールに照射される、ことを特徴とする請求項１に記載の非同軸投影光源システム。
4. 前記集光整形レンズ群中の少なくとも１つのレンズのアッベ数が３０以下である、ことを特徴とする請求項１に記載の非同軸投影光源システム。
5. 前記蛍光体ホイールにおいて、異なる色の放射蛍光を励起発生させる蛍光体エリアが周方向に複数設けられるとともに、蛍光体エリアと同円周に分布している励起光透過エリア又は励起光反射エリアが設けられる、ことを特徴とする請求項１～４のいずれか１項に記載の非同軸投影光源システム。
6. 前記励起光透過エリアは、蛍光体ホイールに設けられた白いガラス又は拡散板である、ことを特徴とする請求項５に記載の非同軸投影光源システム。
7. 前記励起光反射エリアは、励起光を拡散反射する、ことを特徴とする請求項５に記載の非同軸投影光源システム。
8. 前記励起光反射エリアは、蛍光体ホイールの裏側に設けられ蛍光体ホイールに平行する反射鏡である、ことを特徴とする請求項５に記載の非同軸投影光源システム。
9. 光結合ユニットをさらに含み、
   前記光結合ユニットは、順次設けられた光結合反射鏡、ビーム整形モジュール、蛍光体ホイールと同期して回転するカラーフィルタリング用カラーホイール、及びライトパイプを含み、集光整形レンズ群から集光された放射蛍光が光結合反射鏡に照射された後、ビーム整形モジュール、カラーフィルタリング用カラーホイール及びライトパイプを順次通過して光結合、出力される、ことを特徴とする請求項１～４のいずれか１項に記載の非同軸投影光源システム。

Images