JP6741380B2

JP6741380B2 - 光源及び投影システム

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Publication number: JP6741380B2
Application number: JP2018568700A
Authority: JP
Inventors: 飛胡; 海雄侯; 屹李
Original assignee: Appotronics Corp Ltd
Current assignee: Shenzhen Appotronics Corp Ltd
Priority date: 2016-07-01
Filing date: 2017-04-21
Publication date: 2020-08-19
Anticipated expiration: 2037-04-21
Also published as: WO2018000920A1; US10824066B2; JP2019521392A; CN107561836B; EP3480655A1; EP3480655B1; CN107561836A; US20200201152A1; EP3480655A4

Description

本発明は、投影表示分野に関し、具体的に、光源及び投影システムに関する。

従来の投影や照明用の光源の構成は、図１に示される。レーザ光発生器１と蛍光ホイール２との間には、透過領域と反射領域との２つの領域を含む領域膜シート４が設けられている。レーザ光が左から右へ向かって領域膜シート４によって透過された後で蛍光ホイール２に入射して、発生した蛍光がレンズ群３によって収集されて、領域膜シート４の反射及び集光レンズ５の集光を経た後で光変調器（図示せず）に与えられることにより、表示データに応じて光信号を変調する。効率を最大化するために、領域膜シート４におけるレーザ光を透過する領域の大きさは、入射スポットの大きさにほぼ一致する。

しかしながら、蛍光ホイール２が励起による蛍光を発生した後に、蛍光のうち入射光のスペクトルと同じな光が領域を透過して入射光の元光路に沿って戻るので、蛍光が集光レンズ５によって集光された後に、その光分布の中心にこれらの蛍光を抜けて、図２に示すように、中心に光抜け領域６が発生して、光源出力の光均一性が低下してしまう。

本願は、光抜けの領域に対して光補償を行うことにより、光源の出力光の均一性を高める光源を提供する。

第１局面によれば、一実施例において、光源は、提供され、励起光源と、被励起光供給装置と、領域膜シートと、光補償装置とを備え、
前記励起光源は、励起光を発光し、
前記被励起光供給装置は、励起光によって照射されて被励起光を発生し、
前記領域膜シートは、励起光と被励起光との光路に設けられ、第１領域と第２領域とを含み、前記第１領域は、一部の励起光を透過／反射してメインパス光を形成するとともに、他の一部の励起光を反射／透過してバイパス光を形成するために用いられ、前記第２領域は、入射光を全部反射／透過するために用いられ、前記被励起光供給装置は、メインパス光の光路に設けられてバイパス光の光路からずれ、メインパス光によって励起された後で、領域膜シートへ伝送する被励起光を発生し、
前記光補償装置は、バイパス光の光路に設けられ、バイパス光に対して光均一化処理を行った後で、領域膜シートへ伝送する補償光を発生し、前記補償光は、領域膜シートの第１領域を通過した後で被励起光と合流する。

第２局面によれば、一実施例において、上記光源を含む投影システムは、さらに提供される。

本発明の解決手段によれば、バイパス光を使用して均一的な光束を形成し、この光束を領域膜シートに戻らせて、領域膜シートの第１領域を通らせた後で被励起光と合流させることにより、被励起光において抜けた励起光のスペクトルと同じ光の分を補償して、光源の出力光の均一性を向上させる。

従来技術の光反射構造の模式図である。従来技術の光分布図である。反射型散乱光シートを用いる光反射構造の模式図である。領域膜シートの模式図である。本発明の光分布図である。ランベルト散乱板を用いる光反射構造の模式図である。異なる領域膜シートを用いる光反射構造の模式図である。

本発明の実施例では、励起光が領域膜シートを通過した後で被励起光供給装置に伝送され、領域膜シートが通常第１領域と第２領域との２つの領域を含み、一実施例において、励起光が領域膜シートの第１領域を透過した後で被励起光供給装置に伝送される一方、他の実施例において、励起光が領域膜シートの第１領域によって反射された後で被励起光供給装置に伝送される。実用的には、励起光が透過または反射のいずれかにより被励起光供給装置に伝送されても、領域膜シートによる励起光の透過／反射が１００％になることは困難であり、大半の励起光が領域膜シートによって透過／反射されて被励起光供給装置に照射されるが、他の一部の励起光が領域膜シートによって透過／反射されず損失してしまう。本発明者らは、この点に気付いて、励起光が領域膜シートを通過した後で２経路の光に分けることを見出した。この２経路の光は、それぞれメインパス光及びバイパス光として定義される。メインパス光とは、領域膜シートを通過した後で被励起光供給装置に到達する大半の励起光である。バイパス光とは、領域膜シートを通過した後で被励起光供給装置に到達していない他の一部の励起光でり、この他の一部の光が領域膜シートの反射／透過によりメインパス光とは異なる方向へ向かう。本発明者らは、バイパス光を巧みに利用して１つの均一的な光束を形成し、この光束を領域膜シートに戻らせて、領域膜シートの透過／反射を経た後に被励起光と合流させることにより、被励起光において抜けた励起光スペクトルと同じ光の分を補償して、光源の出力光の均一性を高める。

以下、具体的な実施態様により、図面を参照しながら本発明をさらに詳細に説明する。

図３を参照すると、光源は、励起光源１０と、領域膜シート２０と、被励起光供給装置３０と、集光ユニット４０と、光補償装置５０とを備える。

励起光源１０は、励起光１１を発光し、本実施例では、励起光源１０は、レーザ光源又はレーザダイオード光源であり、特定の波長のレーザ光、例えば青色光や青色光及び赤色光を発光して、このレーザ光が励起光として使用される。他の実施例では、励起光源は、他のタイプの発光デバイス、例えばＬＥＤデバイスを使用してもよく、ここで特に制限されない。

被励起光供給装置３０は、被励起光を供給し、本実施例では、被励起光供給装置３０は、波長変換装置（例えば、図３の蛍光ホイール３１）と、光収集システム３２とを含み、蛍光ホイール３１は、励起光によって照射されて被励起光３３を発生し、蛍光ホイール３１に塗布された材料によっては、励起された後に発生する蛍光の波長帯域が異なり、通常に、白色光や１種類又は複数種類の原色光を発生する。本実施例では、レーザ光１１は、青色光であり、蛍光ホイール３１には、黄色蛍光粉が設けられている。他の実施例では、他の波長範囲の励起光を使用して、蛍光ホイールに他の発光特性の蛍光材料を塗布してもよく、上記具体的な実施態様の解決手段に限定されない、と理解すべきである。

被励起光は、励起光の入射方向に一致する方向に沿って伝送されてもよく、励起光の入射方向に対して反対方向に伝送してもよく、本実施例にかかる反射型蛍光ホイール３１が発生する被励起光は、励起光の入射方向に対して反対方向に伝送され、即ち、励起光の入射経路と反対の方向に伝送される。光収集システム３２は、１つのレンズ群であることが可能であり、被励起光の反対方向への伝送の光路に位置して、拡散した蛍光を収集してコリメートする。被励起光が光収集システム３２によりコリメートされた後に領域膜シート２０の一方側に入射する。他の実施例では、波長変換装置は、他の態様で、例えば非蛍光態様や非回転ホイール態様で実現してもよい。被励起光供給装置３０には、光収集システムが含まれなくてもよく、即ち、波長変換装置が発生した励起光は、光収集システムにより処理されない。このような技術は、本発明の検討範囲内に属しないが、本発明の思想内に含まれる。

領域膜シート２０は、励起光の光路に設けられるとともに、被励起光の光路に位置する。本実施例では、領域膜シート２０は、励起光源１０と被励起光供給装置３０との間に斜めに設けられて、第１領域２１と第２領域２２とを含み、図４に示すように、通常、第１領域２１が領域膜シート２０の中央に位置し、第２領域２２が第１領域２１を囲むように第１領域２１の周辺に位置する。他の実施例では、第１領域２１及び第２領域２２は、具体的な設計に応じて、他の位置関係をなすことが可能である。第１領域２１は、励起光源１０が発出した励起光１１の伝送の光路に位置し、効率を最大化するために、第１領域２１の領域の大きさ及び形状は、領域膜シートに入射された励起光１１のスポットの大きさ及び形状にほぼ一致する。第１領域２１と第２領域２２は、いずれも被励起光３３の伝送の光路に位置する。本実施例では、第１領域２１は、励起光を透過してメインパス光を形成し、励起光を反射してバイパス光を形成するために用いられる。実用的には、第１領域２１は、所定の波長を有するフィルタに相当するが、このフィルタが１００％の透過率を有せず、即ち、光束が第１領域２１に照射されたとき、第１領域２１に合わせる波長を有する光線の大半を透過させ、他の一部の光が反射される。本実施例では、第１領域２１は、主として励起光を透過する作用を発揮するので、励起光が青色光である場合、第１領域２１は、青色光を透過して黄色光を反射するものであり、励起光が青色光及び赤色光である場合、第１領域２１は、青色光及び赤色光を透過して緑色光を反射するものである。第１領域２１は、主に励起光を透過する作用を発揮する場合に、第２領域２２は、全部反射領域であり、入射光を全部反射する。全部反射とは、如何なる波長の入射光も反射することである。本実施例では、第２領域２２は、励起光、被励起光及び光補償装置５０による補償光を反射する。

本実施例では、第１領域２１は、励起光１１の伝送の光路に位置し、且つその領域の大きさが入射した励起光１１のスポットの大きさにほぼ一致するので、理論的には、励起光１１のすべてが第１領域２１を透過した後に蛍光ホイール３１に到達する。ただし、実用的には、製造プロセスの制限で、第１領域２１の透過率が１００％になることができないので、一部の励起光１１が第１領域２１を透過して蛍光ホイール３１に到達せず、第１領域２１により反射及び／又は吸收される。このような場合に、励起光１１が第１領域２１を通過した後に、図３に示すメインパス光１１ａとバイパス光１１ｂという２経路の光に分ける。メインパス光１１ａは、励起光１１が第１領域２１を透過した後の大半の光であり、第１方向（本実施例では、励起光１１の元伝送方向）に沿って伝送されて蛍光ホイール３１に入射される。バイパス光１１ｂは、励起光１１が第１領域２１により反射された後の他の一部の光であり、第２方向に沿って伝送し、第２方向が第１方向と異なる方向であり、本実施例では、第２方向が第１方向に垂直する方向であるので、バイパス光１１ｂは蛍光ホイール３１に到達できず、蛍光ホイール３１に対して、バイパス光１１ｂは損失した光である。

第１領域２１と第２領域２２は、いずれも被励起光３３の伝送の光路に位置するので、被励起光３３が第１領域２１及び第２領域２２に入射された際に、第１領域２１は、被励起光３３のうち励起光と同じスペクトルを有する光を透過して、被励起光３３のうち他のスペクトルの光を反射し、第２領域２２は、すべてのスペクトルの光（被励起光３３を含む）を反射し、被励起光３３が反射された後に第３方向に伝送し、第３方向が第１方向と異なる方向であり、本実施例では、第３方向が第１方向に垂直し且つ第２方向に反対する。反射された後に、被励起光３３がその伝送の光路に位置する集光ユニット４０により集光された後に光源の出射光を形成するが、被励起光のうちスペクトルが励起光と同じ光が第１領域２１を透過するので、被励起光のみからなる出射光においてスペクトルが励起光と同じ光の分を抜けて、出射光の均一性が低下してしまう。

光補償装置５０は、バイパス光１１ｂの光路に設けられ、バイパス光１１ｂ（図において鉛直線で示す）が照射された後で均一化処理された補償光５１（図において斜線で示す）を発生し、補償光５１がバイパス光１１ｂの入射方向と反対の方向に沿って伝送され、領域膜シートの第１領域２１を通過した後で第３方向に沿って伝送されて反射後の被励起光３３と合流し、この合流光が光源の出射光になり、被励起光３３において抜けた部分の光を補償して、光源の出力光の均一性を高める。本実施例では、光補償装置５０は、反射型光拡散板５０ａであり、反射型光拡散板５０ａは、バイパス光の光路に位置し、バイパス光が照射された後に光散乱を生じさせることにより、バイパス光を１つの均一的なスポットまたは光グループに変換して、光均一化の目的を果たす。そして、反射型光拡散板５０ａは、反射機能をさらに有するので、散乱光を領域膜シートの第１領域に反射することにより、コヒーレントを消去された補償光を形成する。補償光の領域膜シートを通過した後の拡散角度が被励起光の領域膜シートを通過した後の拡散角度に一致するように、反射型光拡散板の散乱角度及び反射型光拡散板と領域膜シートとの間隔を調整することにより、全体としての効率を最大化することができる。

励起光が青色光である場合、第１領域２１のメッキ膜は、青色光を透過して黄色光を反射するものであり、補償光は青色光となる。励起光が青色光及び赤色光である場合、第１領域２１のメッキ膜は、青色光及び赤色光を透過して緑色光を反射するものであり、励起光を透過して他の波長帯域の光をフィルタリングし、補償光は青色光及び赤色光となる。その中、赤色光は、２つの部分に分けて、１つの部分は、青色光が蛍光を励起して発生した赤色光であり、もう１つの部分は、直接に散乱して収集した赤色光である。領域膜シートの第１領域の透過率や大きさを選択することにより、光補償装置に反射された光の量を制御することが可能であり、補償光量を制御することができる。

以下、図３を参照しながら本実施例の光路処理過程を説明する。

励起光源１０が発出した励起光は、領域膜シートを通過した後で２経路の光に分けて、メインパス光１１ａが蛍光ホイール３１に入射し、バイパス光１１ｂが反射型光拡散板５０ａに入射する。蛍光ホイール３１は、メインパス光１１ａの照射で被励起光を発生し、被励起光が光収集システム３２により収集してコリメートされた後で領域膜シート２０の被励起光供給装置３０に向かう側に入射する。第１領域２１に照射された被励起光ついて、波長帯域が励起光と同じ光は、第１領域２１の膜シートを透過して励起光の元伝送経路に伝送され、波長帯域が励起光と異なる光は、第１領域２１の膜シートで反射され第３方向に沿って伝送する。第２領域２２に照射された被励起光は、第２領域２２の膜シートで反射されて第３方向に沿って伝送され、このとき出射した光の中心部分には波長帯域が励起光と同じ光を抜けて、中心部分の光の均一性が低下してしまう。同時に、バイパス光１１ｂが反射型光拡散板５０ａに入射し、反射型光拡散板５０ａにより散乱して反射された後に領域膜シート２０に戻す経路の光を形成して、ここでその経路の光を補償光と称する。第１領域２１に照射された補償光について、波長帯域が励起光と同じ光は、第１領域２１の膜シートを透過して第３方向に沿って伝送され、領域膜シート２０により反射された被励起光の中心部位に加入されることにより、被励起光の中心部位の波長帯域が励起光と同じ光を補償して、被励起光の中心部分の光の均一性を高める。図５に示すように、図２と図５を比較してわかるように、出力光の中心部分の均一性が向上する。第２領域２２に照射された補償光は、第２領域２２で反射されて損失する。

本実施例は、実施例１との区別が、光補償装置が異なることにある。図６を参照すると、光補償装置５０は、ランベルト散乱板５０ｂと光収集システム５０ｃとを含み、ランベルト散乱板５０ｂがバイパス光の光路に位置して、バイパス光１１ｂが照射された後で光散乱を生じさせ、光収集システム５０ｃが散乱光を集光した後で領域膜シート２０の第１領域２１に入射させて補償光５１を形成する。

本実施例では、ランベルト散乱板を白色蛍光板に置き換えることが可能であり、白色蛍光板とは、励起光を吸収して白色光を発生可能な蛍光板を指す。白色蛍光板は、バイパス光が照射された後で白色光を発生し、光収集システムは白色光を集光した後で領域膜シートの第１領域に入射させ補償光を形成する。

本実施例では、第１領域のサイズに一致するように光収集システムの開口径を制御することにより、光源全体の効率を最大化することができる。

本実施例は、実施例１、実施例２との区別が、領域膜シートが異なることにある。図４に示す第１領域２１は、主に励起光を反射する機能を発揮するが、その反射率が１００％ではなく、即ち、第１領域２１は、励起光を反射してメインパス光を形成し、励起光を透過してバイパス光を形成する一方、第２領域２２は、入射光を全部透過し、全部透過とは、すべての波長の光を透過することである。このような領域膜シートを使用する場合、第１領域２１の反射率は１００％に達さないので、大半の励起光１１ａが反射され、ほんの一部の励起光１１ａが透過される。図７を参照すると、励起光１１は第１領域２１で反射された後でメインパス光１１ａを形成して、第１領域２１を透過した後にバイパス光１１ｂを形成する。バイパス光１１ｂの伝送方向がメインパス光１１ａの伝送方向に垂直する。蛍光ホイール３１は、メインパス光１１ａにより励起されて被励起光３３を発生し、被励起光３３が領域膜シート２０に入射される際、領域膜シート２０を透過した後で第３方向に伝送され、第３方向が第１方向に反対して且つ第２方向に垂直する。

上記実施例では、被励起光は、白色光や、励起光と同じ波長帯域の単色光又は複合光であり、光補償して集光された被励起光は空間光変調器へ照射され、空間光変調器は、枚葉式であってもよく、複数枚式であってもよい。他の実施例では、光源の出力光は、複数原色の時系列光であってもよく、空間光変調器は複数枚（例えば３枚）式であってもよい。出力光は複数原色の時系列光である場合、蛍光ホイールを多段式構造とすることが可能であり、例えば蛍光ホイールを３段式構造として、それぞれ励起されることにより赤色光、緑色光、青色光を発生する。入射した励起光は青色光であれば、補償するための青色光が常時に発生するが、青色光セグメントのみで機能する。例えば、領域膜シートと光補償装置との間に蛍光ホイールと同期するライトバルブを配置することが可能であり、蛍光ホイールが青色光を発生する際に、そのライトバルブが開弁することにより、青色光を補償し、蛍光ホイールが赤色光及び緑色光を発生する際に、そのライトバルブが閉弁することにより、補償するための青色光が領域膜シートを介して被励起光に干渉することを阻止する。入射した励起光は青色光及び赤色光である場合、補償するための青色光が常時に発生するが、青色光セグメントのみで機能する一方、補償するための赤色光が常時に発生してもよく、赤色光セグメントのみでオンしてもよく、赤色光セグメントのみでオンすれば、赤色光の寿命の向上に寄与する。

以上、具体例を使用して本発明を説明したが、本発明を理解するためのものに過ぎず、本発明を制限するものではない。当業者であれば、本発明の思想に基づいて、若干の簡単な演繹や変更、置換をすることが可能である。

Claims

励起光源と、被励起光供給装置と、領域膜シートと、光補償装置とを備え、
前記励起光源は、励起光を発光し、
前記被励起光供給装置は、励起光によって照射されて被励起光を発生し、
前記領域膜シートは、励起光と被励起光との光路に設けられ、第１領域と第２領域とを含み、前記第１領域は、一部の励起光を透過してメインパス光を形成するとともに、他の一部の励起光を反射してバイパス光を形成するために用いられ、前記第２領域は、入射光を全部反射するために用いられ、前記被励起光供給装置は、メインパス光の光路に設けられてバイパス光の光路からずれ、メインパス光によって励起された後で、領域膜シートへ伝送する被励起光を発生し、
前記光補償装置は、バイパス光の光路に設けられ、バイパス光に対して光均一化処理を行った後で、領域膜シートの第１領域へ伝送する補償光を発生し、前記補償光は、領域膜シートの第１領域を通過した後で被励起光と合流することを特徴とする光源。
励起光源と、被励起光供給装置と、領域膜シートと、光補償装置とを備え、
前記励起光源は、励起光を発光し、
前記被励起光供給装置は、励起光によって照射されて被励起光を発生し、
前記領域膜シートは、励起光と被励起光との光路に設けられ、第１領域と第２領域とを含み、前記第１領域は、一部の励起光を反射してメインパス光を形成するとともに、他の一部の励起光を透過してバイパス光を形成するために用いられ、前記第２領域は、入射光を全部透過するために用いられ、前記被励起光供給装置は、メインパス光の光路に設けられてバイパス光の光路からずれ、メインパス光によって励起された後で、領域膜シートへ伝送する被励起光を発生し、
前記光補償装置は、バイパス光の光路に設けられ、バイパス光に対して光均一化処理を行った後で、領域膜シートの第１領域へ伝送する補償光を発生し、前記補償光は、領域膜シートの第１領域を通過した後で被励起光と合流することを特徴とする光源。
前記光補償装置は、反射型光拡散板であり、前記反射型光拡散板は、バイパス光の光路に位置し、バイパス光によって照射された後で光散乱を生じさせ、散乱光を領域膜シートの第１領域へ反射して補償光を形成することを特徴とする請求項１または２に記載の光源。
前記反射型光拡散板の散乱角度、及び、反射型光拡散板と領域膜シートとの間隔は、補償光の領域膜シートを通過した後の拡散角度が被励起光の領域膜シートを通過した後の拡散角度に一致するように調整されることを特徴とする請求項３に記載の光源。
前記反射型光拡散板で発生される補償光は、コヒーレントを消去された光であることを特徴とする請求項３に記載の光源。
前記光補償装置は、ランベルト散乱板と光収集システムとを備え、前記ランベルト散乱板は、バイパス光の光路に位置し、バイパス光によって照射された後で光散乱を生じさせ、前記光収集システムは、散乱光を集光した後で領域膜シートの第１領域に入射させて補償光を形成することを特徴とする請求項１または２に記載の光源。
前記光補償装置は、白色光蛍光板と光収集システムとを備え、白色光蛍光板は、バイパス光の光路に位置し、バイパス光によって照射された後で白色光を発生し、光収集システムは、白色光を集光した後で領域膜シートの第１領域に入射させて補償光を形成することを特徴とする請求項１または２に記載の光源。
光収集システムの開口径は、第１領域のサイズに一致することを特徴とする請求項６または７に記載の光源。
前記第１領域の形状及びサイズは、領域膜シートに入射した励起光スポットの形状及びサイズに一致することを特徴とする請求項１または２に記載の光源。
前記第２領域は、前記第１領域を囲むように第１領域の周辺に位置し、前記メインパス光は、第１方向に沿って伝送され、前記バイパス光は、第２方向に沿って伝送され、前記被励起光は、第１領域及び第２領域を通過した後で、第３方向に沿って伝送する被励起光を形成し、前記第１方向と第２方向と第３方向とは、互いに異なることを特徴とする請求項１または２に記載の光源。
請求項１〜１０のいずれか１項に記載の光源を含むことを特徴とする投影システム。