照明光学系统和投影显示装置

暂无

照明光学系统和投影显示装置\n技术领域\n[0001] 本发明涉及一种照明光学系统以及一种投影显示装置，该照明光学系统包括：相干光源和非相干光源，该影显示装置包括照明光学系统。\n背景技术\n[0002] 目前，汞灯主要用作用于投影显示装置(诸如，投影仪)的光源。但是，为了防止环境污染，需要开发无汞产品。为了解决这种情况，现在注意力集中在使用不包括任何汞的发光二极管(LED)或激光二极管(LD)(如JP2012-8549A讨论的)的投影仪上。LED或LD被认为是配置成发射单色光的光源。特别是，激光束具有高指向性、单色性和相干性，并且从而可以实现具有高光亮度和高色彩再现性的投影仪。\n[0003] “单色”并不限于仅具有单一波长的光，而是包括具有使得个人能够识别单一颜色的水平的波长分布的光。换句话说，在说明书中，“单色”包括具有在峰值波长附近的一定水平的波长分布的光。\n[0004] 激光束是相干光，并因此即使激光输出较低直接观看激光束可能会损害人体。这需要考虑到人体的安全性。然而，安全性和亮度之间存在折衷关系。换言之，当基于安全考虑减少激光光源输出时，亮度减少。相反地，当亮度增加时，激光光源的输出增加，并且这导致安全性降低。\n[0005] 因此，希望提供一种在考虑安全性的同时能够发射具有高光亮度的单色光的照明光学系统。\n[0006] 引文列表\n[0007] 专利文献1：JP2012-8549A\n发明内容\n[0008] 问题的解决方案\n[0009] 根据示例性实施例的照明光学系统包括：配置成发射具有属于可见光的波长区域的第一峰值波长的单色相干光的第一光源，配置成发射具有属于呈现出与该相干光相同颜色的波长区域的第二峰值波长的单色非相干光的第二光源，和配置成主要反射相干光或非相干光并主要透射另一种、并合成相干光和非相干光的光路的二向色镜(dichroic \nmirror)。\n[0010] 根据本发明的投影显示装置包括上述的照明光学系统。\n[0011] 在具有上述配置的照明光学系统中，即使阻止所述相干光的输出，合成相干光与非相干光使得具有光光亮度的单色光能够被实现。其结果是，能够提供一种在考虑安全性的同时能够发射具有高光亮度的单色光的照明光学系统。\n[0012] 根据结合附图阅读的下面的描述，本发明的上述和其它目的、特征和优点将变得显而易见。\n附图说明\n[0013] 图1是示出根据本发明示例性实施例的照明光学系统的示意配置的图。\n[0014] 图2是示出图1所示的二向色镜的特性的示例的曲线图。\n[0015] 图3是示出二向色镜的特性和从每个光源发射的光的强度之间的关系的示例的曲线图。\n[0016] 图是4示出二向色镜的特性和从每个光源发射的光的强度之间的关系的另一示例的曲线图。\n[0017] 图5是示出包括图1所示的照明光学系统的投影显示装置的配置的示意图。\n[0018] 图6是示出光瞳直径和投影透镜的视角之间的关系的示意图。\n具体实施方式\n[0019] 以下，将参照附图对本发明的示例性实施例进行说明。\n[0020] 图1示出了根据本发明示例性实施例的照明光学系统的示意配置。照明光学系统\n10包括第一光源11、第二光源12以及二向色镜13。第一光源11是偏振相干光源。第二光源12是非偏振非相干光源。第一光源11可以是例如激光光源，诸如激光二极管。第二光源12可以是例如发光二极管(LED)。\n[0021] 第一光源11发射具有属于可见光波长区域的第一峰值波长λ1的单色相干光。这种相干光是偏振光。第二光源12发射具有属于呈现出与上述相干光相同的颜色的波长区域的第二峰值波长λ2的单色非相干光。该非相干光尚未偏振化，换言之，是非偏振光。第一光源\n11和第二光源12发射属于相同颜色的波长区域的光。\n[0022] 第一光源11和第二光源12发射以下任意一种光，例如，红色波长区域的光、蓝色波长区域的光以及绿色波长区域的光。蓝色波长区域的范围为440nm至500nm，绿色波长区域的范围为500nm至580nm，并且红色波长区域的范围为580nm至750nm。\n[0023] 第一光源11和第二光源12发射例如单色光，诸如红色光、蓝色光或绿色光。“单色”并不限于仅具有单一波长的光，而是包括具有使得个人能够识别单一颜色的水平的波长分布的光。换句话说，在说明书中，“单色”包括具有在峰值波长附近的波长分布的光。\n[0024] 二向色镜13合成从第一光源11发射的相干光与从第二光源12发射的非相干光。在图1所示的示例中，从第一光源11发射的相干光被二向色镜13反射。从第二光源12发射的非相干光透射通过二向色镜13。由二向色镜13反射的相干光和透射通过二向色镜13的非相干光被合成在同一方向前进。\n[0025] 在图1所示的示例中，二向色镜13主要反射从第一光源11发射的相干光，同时主要透射从第二光源12发射的非相干光。相干光和非相干光在二向色镜13上的入射角都是45度。\n[0026] 诸如激光束相干光即使激光输出较低也可能会损害人体。即使相干光的光源11的输出较小，但照明光学系统10可通过合成相干光与非相干光以发射具有高光亮度的单色光。因此，基于人体安全性考虑，可减少光源11的输出，同时保持高光亮度的单色光。\n[0027] 图2示出了二向色镜13的反射/透射特性。具有图2中所示特性的二向色镜主要反射具有长于波长λ3的波长的S偏振光，同时主要透射具有短于波长λ3的波长的S偏振光。所述二向色镜主要反射具有长于波长λ4的波长的非偏振光，同时主要透射具有短于波长λ4的波长的非偏振光。所述二向色镜主要反射具有长于波长λ5的波长的P偏振光，同时主要透射具有短于波长λ5的波长的P偏振光。波长λ3至λ5是具有50％透射率的分离波长，并且设定λ3＜λ4＜λ5的关系。换句话说，波长λ3是最短波长，而波长λ5是最长波长。在该示例性实施例中，S偏振光或P偏振光对应于相干光，而非偏振光对应于非相干光。\n[0028] 图3是示出二向色镜的特性和从每个光源发射的光的强度之间的关系的示例的曲线图。从第一光源(LD)11发射的相干光的波长λ1长于从第二光源(LED)12发射的非相干光的波长λ2。从第一光源(LD)11发射的相干光的偏振方向相对于二向色镜13的反射表面是S偏振光。二向色镜13的具有以下特性，其中，相对于S偏振光(相干光)的分离波长λ3短于相对于非偏振光(非相干光)的分离波长的λ4。在这种情况下，如图3所示，优选满足“λ1＞λ3并且λ2＜λ4”的关系。由于关系“λ3＜λ4”，λ1和λ2之间的差比满足关系“λ3＝λ4”时减小得更多。换句话说，从第二光源(LED)12发射的非相干光的峰值波长λ2，近似为从第一光源(LD)\n11发射的相干光的峰值波长λ1。\n[0029] 图4是示出二向色镜的特性和从每个光源发射的光的强度之间的关系的另一示例的曲线图。从第一光源(LD)11发射的相干光的波长λ1比从第二光源(LED)12发射的非相干光的波长λ2短。具有图4所示特性的二向色镜主要透射具有长于波长λ6的波长的S偏振光，同时主要反射具有短于波长λ6的波长的S偏振光。所述二向色镜主要透射具有长于波长λ7的波长的非偏振光，同时主要反射具有短于波长λ7的波长的非偏振光。所述二向色镜主要透射具有长于波长λ8的波长的P偏振光，同时主要反射具有短于波长λ8的波长的P偏振光。\n波长λ6至λ8是具有50％透光率的分离波长，并且设定λ6＞λ7＞λ8的关系。换句话说，波长λ6是最长波长，而波长λ8是最短波长。\n[0030] 从第一光源(LD)11发射的相干光即是S偏振光。二向色镜13具有以下特性，其中，相对于S偏振光(相干光)的分离波长λ6长于相对于非偏振光(非相干光)的分离波长λ7。在这种情况下，如图4所示，优选满足“λ1＜λ6并且λ2＞λ7”的关系。由于关系“λ6＞λ7”，λ1和λ2之间的差比满足关系“λ6＝λ7”时减小得更多。\n[0031] 已经描述了其中S偏振相干光由二向色镜13反射，非偏振非相干光透射通过二向色镜13，并且两个光合成的情况。在这种情况下，由于相干光与非相干光的峰值波长可彼此相近，可防止色纯度的退化。\n[0032] 当第一光源(LD)11被旋转90度时，可以获得P偏振相干光。此P偏振相干光(波长λ\n1P)可以与非偏振非相干光(波长λ2)合成。在这种情况下，优选地，非偏振非相干光由二向色镜反射，而P偏振相干光透射通过二向色镜。具体地，通过使用具有图2和图3中所示特性的二向色镜，只需要满足“λ1P＜λ5，λ2＞λ4并且λ1P＞λ2”的关系。因此，相干光与非相干光的峰值波长可彼此相近。\n[0033] 接着，将描述包括上述照明光学系统的投影显示装置。图5示出了根据示例性实施例的投影显示装置的配置。\n[0034] 该投影显示装置包括：第一照明光学系统10a、第二照明光学系统10b和第三照明光学系统21和23。第一照明光学系统10a和第二照明光学系统10b配置上类似于图1所示的照明光学系统。\n[0035] 第一照明光学系统10a包括第一光源11a、第二光源12a以及第一二向色镜13a。第一光源11a是配置成发射具有红色区域波长的单色相干光的激光光源。第二光源12a发射具有红色区域波长的单色非相干光。\n[0036] 第一二向色镜13a合成从第一光源11a发射的相干光与从第二光源12a发射的非相干光。具体而言，第一二向色镜13a可以具有图3所示的特性。在这种情况下，从第一光源11a发射的相干光为S偏振光。\n[0037] 第二照明光学系统10b包括第三光源11b、第四光源12b和第二二向色镜13b。第三光源的11b是配置成发射具有蓝色区域波长的相干光的激光光源。第二光源12b发射具有蓝色区域波长的非相干光。第二二向色镜13b合成从第三光源11b发射的相干光和从第四光源\n12b发射的非相干光。在这种情况下，从第二光源11b发射的相干光是S偏振光。\n[0038] 第三照明光学系统10c发射绿色光。第三照明光学系统10c包括配置成发射蓝色激光束的激光二极管21，以及配置成当被光照射时发出绿色荧光的绿色荧光体23。激光二极管21只需要发射具有能激发绿色荧光体23的波长的光，并且因此所述光可以是具有短于绿色光的波长的波长的光(例如，蓝光或紫外光)。\n[0039] 从激光二极管21发出的蓝色激光束透射通过二向色镜22以被施加到绿色荧光体\n23。绿色荧光体23相应地被激发放出具有对应于绿色颜色的波长的绿色光。\n[0040] 该投影显示装置包括配置成合成所述红色光、蓝色光以及绿色光的光路的合成光学系统22和24。合成光学系统包括二向色镜22和24。二向色镜22具有透射红色和蓝色波长区域的光、同时反射绿色波长区域的光的特性。二向色镜24具有透射红色和绿色波长区域的光、同时反射蓝色波长区域的光的特性。合成光学系统不限于图5所示的特定配置，只需要配置成合成三种颜色的光。\n[0041] 从第一照明光学系统10a发射的红色合成光透射通过二向色镜22和24。\n[0042] 从第三照明光学系统的荧光体23放出的绿色光通过二向色镜22反射。因此，所述绿色光与从第一照明光学系统10a发射的红色光合成。\n[0043] 绿色光和红色光的合成光透射通过二向色镜24。从第二照明光学系统10b发射的蓝色合成光被二向色镜24反射。因此，红色光、绿色光和蓝色光被合成。\n[0044] 三种颜色光的合成光透射通过透镜组31进入TIR棱镜32。入射TIR棱镜32的合成光在TIR棱镜32的全反射表面上反射进入反射式图象元件33。数字镜器件(DMD)可用作反射式图象元件33。\n[0045] DMD是一种半导体投影装置，其包括许多排列成矩阵的微镜。每个微镜对应于投影图像的像素。每个微镜被配置成使得其镜面可以围绕扭转轴线以预定角倾斜，例如±12度或±10度。\n[0046] 通过驱动位于每个微镜下面的电极，每一个微镜可以在ON状态(+12度倾斜)和OFF状态(-12度的倾斜)之间切换。入射在ON状态微镜的光朝向投影透镜34被反射以被放大并投影到屏幕上。入射在OFF状态微镜的光在与投影透镜34不同的方向被反射，并且不会被反射到屏幕上。通过在ON和OFF状态之间高速切换各微镜，ON和OFF状态的时间比被改变。因此，可以表示每个像素的等级。\n[0047] 为了投影彩色图像到屏幕上，相应的颜色的光在时间上分离进入DMD。换句话说，为了防止相应的颜色的脉冲的时间重叠，从第一到第三照明光学系统发射的光的脉冲被控制。作为示例，当红色光被投影时，微镜仅在红色光开始与屏幕相接触的瞬间被转至ON。\n[0048] 在ON状态微镜上反射的光透射通过TIR棱镜32，并穿过投影透镜34以形成图像。因此，该彩色图像被显示在屏幕上。\n[0049] 第一照明光学系统10a、第二照明光学系统10b和第三照明光学系统21和23发射相应的颜色的光脉冲，例如，以240Hz的频率。不同颜色的光脉冲不同时发射。换句话说，红色脉冲、绿色脉冲和蓝色脉冲在时间上分离以按顺序发光。作为示例，蓝色光的发光顺序可以是15％，而红色光的发光顺序可以是25％。\n[0050] 下面，将说明上述投影显示装置的激光安全性。激光安全性在由国际电工委员会制定的国际标准IEC 60825-1中定义。根据这一标准，基于波长或强度对激光进行分类。对于每个类别，限定了指示允许的最大发射水平的“可达发射极限”。用于计算可达发射极限的计算公式根据激光束的波长或曝光时间被详细定义。该分类是基于以下三个要求进行的。使用三个要求中的最高限制的可达发射极限的值。\n[0051] ·要求1\n[0052] 从脉冲串中的任何单脉冲中曝光不应超过相对于单脉冲的可达发射极限；\n[0053] ·要求2\n[0054] 发射持续时间T内脉冲串的平均功率的可达发射极限不应超过对应于具有发射持续时间T的时间宽度的单脉冲的可达发射极限的功率\n[0055] ·要求3\n[0056] 每脉冲的能量不应超过相对于单脉冲乘以校正系数C5的可达发射极限。然而，仅当脉冲持续时间小于0.25秒时，该单脉冲乘以校正系数C 5。\n[0057] 现在，将讨论能够确保在人眼睛眨眼时，换句话说，从观看激光束至采取避让行动(约0.25秒)的时间的安全性，具体地讲，能防止视网膜损坏的那一类。用于计算在上述要求中的可达发射极限的公式是基于光线波长或可达发射时间来精细分类的。当激光束的波长为400至700nm时，所述要求的可达发射极限A1至A3分别表示如下：\n[0058] ·要求1：A1＝7×10-4×t0.75×C6[J]\n[0059] (波长λ＝400～700nm，t＜0.25[秒])\n[0060] ·条件2：A2＝C6×10-3[W]\n[0061] (波长λ＝400～700nm，t≥0.25[秒])\n[0062] ·要求3：A3＝(要求1的计算结果)×C5\n[0063] C5和C6是校正系数，并且t表示发射持续时间(曝光时间)。\n[0064] 根据本示例性实施例，为了计算可达发射极限，首先，计算从蓝色激光光源或红色激光光源发射的蓝色光或红色光的每个脉冲的脉冲宽度(时间宽度)tpblue或tpred。通常，来自每个光源的单脉冲的脉冲宽度tp被表示为“tp＝(1/频率)×发光顺序”。\n[0065] 在示例性实施例中，假设该光源以频率＝240[Hz]按顺序点亮，蓝色光的发光顺序是15％，而红色光的发光顺序为25％。因此，蓝色光和红色光的脉冲的脉冲宽度tpblue和tpred计算如下。\n[0066] tpblue＝(1/240[Hz])×0.15＝0.625×10-3[秒]  (1)\n[0067] tpred＝(1/240[Hz])×0.25＝1.04×10-3[秒]  (2)\n[0068] tpblue和tpred值对应于要求1中的发射持续时间。\n[0069] 然后，计算校正系数C6。校正系数C6由以下公式计算：\n[0070] C6＝α/αmin  (3)\n[0071] “α”是视角，换句话说，是从待被投影至眼睛的物体两端的两条直线之间形成的角，而αmin通常可能是最小视角。在最小光圈(diaphragmmed)状态，眼球视网膜上的图像尺寸为25～30[μm]，并且眼球的焦距为17[mm]。当通过使用这些数值计算时，最小视角为[0072] 如图7所示，在远离光瞳L＝100[mm]位置的视角α被计算出来。从图7，推导出下面的关系式：\n[0073] cos(α/2)＝L/b  (4)\n[0074] “b”使用附图中的长度“a”通过如下公式表示：\n[0075] b＝((a/2)2+L2)1/2  (5)\n[0076] 长度“a”使用投影透镜的光瞳直径“d”通过如下公式表示：\n[0077] a＝d/21/2  (6)\n[0078] 相应地，视觉角度使用来自上述公式(4)至(6)的光瞳直径d和L通过如下公式计算：\n[0079] α＝2×cos-1(L/d2/8+L2)1/2)  (7)\n[0080] 根据本示例性实施例中的投影透镜相对于蓝色光的光瞳直径d为2.3[mm](即dblue＝2.3[mm])，并且相对于红色光是2.2[mm](即dred＝2.2[mm])。透镜的光瞳直径是实际测量值，并因此从激光束的一种颜色(波长)到另一种颜色略有不同。当上述公式中代入透镜相对于每种光的光瞳直径和长度L(＝100[mm])时，相对于相应的光的视角αblue和αred，计算如下：\n[0081]\n[0082]\n[0083] 通过在上述公式代入这些视角值和值αmin＝1.5，相对于相应的颜色的激光束的校正系数C6blue和C6red计算如下：\n[0084] C6blue＝15.9  (10)\n[0085] C6red＝14.7  (11)\n[0086] 然后，计算校正系数C5。校正系数C5由如下公式计算。\n[0087] C5＝N-0.25\n[0088] N是在发射持续时间内发射的脉冲数目。在该示例性实施例中，考虑到确保安全性的范围，特别是防止在人眼眨眼(0.25[秒])时损害视网膜的范围，所有可能的发射持续时间为0.25[秒]。因此，发射持续时间内的每种颜色的激光束的脉冲数量N被表示如下：\n[0089] N＝0.25[秒]×240[Hz]＝60  (12)\n[0090] 因此，校正系数C5被表示如下：\n[0091] C5＝60-0.25  (13)\n[0092] 当使用校正系数C6的值和公式(1)的tpblue的值时，则要求1相对于蓝色激光束的可达发射极限Alblue被表示如下：\n[0093] Alblue＝7×10-4×tpblue0.75×C6blue[J]＝43.90×10-6[J]\n[0094] 当可达发射极限Alblue除以曝光时间tpblue＝0.625×10-3[秒]以被单位变换时，其结果是70.23[mW]。\n[0095] 当校正系数C6的值被使用时，则要求2相对于蓝色激光束的可达发射极限A2blue被表示如下：\n[0096] A2＝C6×10-3×[W]＝15.9×10-3[W]\n[0097] A2的值指示基于时间标准(T＝0.25[秒])的发射功率。当可达发射极限Alblue乘以T＝0.25[秒]以单位变换时，其结果是3.975[J]。此值除以脉冲数N，以获得每脉冲能量，并且除以一个脉冲的曝光时间tp以被单位变换，其结果是105.23[mW]。\n[0098] 当要求3的可达发射极限A3blue与Alblue的情况一样被单位转换时，其结果是25.23[mW]。因此，这三个要求中，最严格的要求是第三个。\n[0099] 关于红色激光束，当以与如上所述相同的方式对相应的要求1至3进行单位转换时，对于要求1至3分别计算的值为57.22[mW]，58.9[mW]和20.6[mW]。因此，对于红色激光束，最严格限制的要求类似要求3。\n[0100] 根据上述计算，每种颜色激光束的可达发射极限是25.23[mW]，并且红色激光束的可达发射极限是25.23[mW]。此值是一个范围内的发射极限值，在该范围内在激光束离开投影透镜34后，在0.25[秒]的人眨眼时间期间将不会发生对于人的视网膜的损害。获取的可达发射极限是使得能够进入人的瞳孔直径 的开口的值。该值在区域被转换成可达\n发射极限值，在光离开投影透镜34后所述光可通过该区域立即被透射。在示例性实施例中，投影透镜34的光透射区域是274.3[mm2]。因此，光从投影透镜离开后可立即获取可达发射极限，作为通过上述值乘以“投影透镜透射面积/ 开口面积”而获得的值。换言之，对于蓝色激光束，光从投影透镜离开后的立即可达发射极限是179.75[mW]，并且对于红色激光束，光从投影透镜离开后的立即可达发射极限是144.63[mW]。\n[0101] 在上述投影显示装置中，即使当白色显示在屏幕上，第一至第三照明光学系统也不同时点亮。其结果是，投影显示装置的可达发射极限与对应于每种颜色的照明光学系统的可达发射极限类似。\n[0102] 从实际使用的第一光源(LD)11a发射的红色激光束的峰值波长的可见度是109.2[lm/W]。从第三光源(LD)11b发射的蓝色激光束的峰值波长的可见度是32.8[lm/W]。当使用这些值时，蓝色光从投影透镜34离开后蓝色光的亮度极限为5.90[lm]，并且红色光从投影透镜34离开后红色光的亮度极限为15.8[lm]。\n[0103] 上述可达发射极限的计算是在只存在相干光源而不考虑任何固有光源的情况下执行的。可达发射极限的亮度是在所述照明光学系统计算激光光源和LED光源的情况下被计算的。作为蓝色LED(第四光源12b)，使用在15％发光时间的驱动下发射20[lm]光的光源。\n由于该投影显示装置的光使用效率为30％，当蓝色光从投影透镜34离开时，来自蓝色LED的光为6[lm]。当来自激光光源(第三光源)11b的光，即，5.90[lm]的光，与来自蓝色LED的光合成，其结果是合成的11.9[lm]的光。因此，在发射极限处的亮度为大约两倍。在只从激光光源11b发射11.9[lm]的光的情况下，当考虑激光光源11b的可见度32.8[lm/W]时，激光光源\n11b的功率为362[mW]。这个功率大大超过了确保安全性的范围，特别是防止在0.25[秒]的眨眼时间损坏视网膜的范围，并且直接观看光束隐含潜在的危险。\n[0104] 红色光的计算在类似的条件下执行。作为红色LED(第二光源12a)，使用在25％发光时间的驱动下发射20[lm]光的光源。由于光使用效率为25％，当红色光从投影透镜34离开时，来自红色LED的光为5[lm]。当来自激光光源(第一光源)11a的光，即，15.8[lm]的光，与来自红色LED的光合成，其结果是合成的20.8[lm]的光。因此，在发射极限处的亮度约增大1.3倍。在只从激光光源11a发射20.8[lm]的光的情况下，当使用红色激光光源(LD)11a的可见度109.2[lm/W]执行计算时，红色激光光源11a的功率为190[mW]。这个功率大大超过了确保安全性范围，特别是防止在0.25[秒]的眨眼时间损坏视网膜的范围，并且直接观看光束隐含潜在的危险。\n[0105] 因此，通过结合相干光源(激光光源)和非相干光源，在确保安全性的同时可以提高亮度。\n[0106] 在图5所示的示例中，发射红色波长区域的红色光的第一照明光学系统10a，和发射蓝色波长区域的蓝色光的第二照明光学系统10b的每一个具有图1所示的配置。然而，根据本发明，发射红色波长区域的红色光的第一照明光学系统、发射蓝色波长区域的蓝色光的第二照明光学系统以及发射绿色波长区域的绿色光的第三照明光学系统中的至少一个需要具有图1所示的配置。\n[0107] 已经详细描述了本发明的优选示例性实施例。然而，本发明并不限定于所述示例性实施例。可以作出不脱离本发明主旨的各种改变和修改。\n[0108] 附图标记\n[0109] 10，10a，10 照明光学系统\n[0110] 11，11a 第一光源\n[0111] 12，12a 第二光源\n[0112] 11b 第三光源\n[0113] 12b 第四光源\n[0114] 13，13a，13b 二向色镜\n[0115] 21 激光二极管\n[0116] 22，24 二向色镜\n[0117] 23 荧光体\n[0118] 31 透镜组\n[0119] 32 TIR棱镜\n[0120] 33 反射图像元件\n[0121] 34 投影透镜