光源组件和照明装置以及图像投影装置制造方法
【专利摘要】本发明涉及具备多个光源的光源组件、用该光源组件发光照明的照明装置以及具备该照明装置的图像投影装置。其目的在于，在不用增加光学系统大小的情况下，有效地利用多个光源发射的光。本发明的光源组件(1)具备各自具有反射面(10a、9a)的第一反射部(10)和第二反射部(9)、多个光源(11-1～11-10)、以及聚光光学系统(L1)，多个光源发射的光线在第一反射部(10)的反射面上受到反射后入射第二反射部(9)，在第二反射部(9)的反射面上受到反射反射，其中，该光线在第二反射部(9)的反射面上受到反射的反射位置比在第一反射部(10)的反射面上受到反射的反射位置更加靠近聚光光学系统(L1)的光轴。
【专利说明】光源组件和照明装置以及图像投影装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及具备多个光源的光源组件、用该光源组件发光照明的照明装置以及具备该照明装置的图像投影装置。
【背景技术】
[0002]图像投影装置(投影机)用于将电脑等中的图像信息投影到投影面上。以往，该图像投影装置主要采用高亮度的放电灯(如超高压水银灯)作为照明装置。放电灯虽然具有亮度大成本低的优点，但同时也存在点灯后需要经过一定时间才能稳定发光的缺点。对此，现有技术提出一种取代放电灯的方案，用红色(R)、绿色(G)、蓝色(B)的发光二极管或有机电致元件等固体发光元件来代替上述放电灯。
[0003]用固体发光元件作为投影机的光源，不但能够使得投影机快速启动，而且还能改善环境影响。关于用固体发光元件作为光源组件的技术方案，如有用蓝色激光二极管作为第一光源(励起光源)，用该蓝色激光二极管发射的激光作为励起光，照射荧光体，使荧光体励起，生成R、G、B各色光,而后用数字微镜元件(Micro-mirror Device,简称DMD)等光调制元件对每个像素进行色调控制，获得投影图像。
[0004]对于用激光二极管作为光源的图像投影装置来说，如何确保光量是一项重要的课题，作为该课题的解决方法，目前提出在平面上将多个激光二极管以高密度排列成阵列形的平面布置方案，或者在平面上以高密度排列多个激光二极管的平面布置方案。例如，专利文献I (JP特许第4711155号公报)公开的一种以阶梯形设置多组短栅形状的反射镜的方案，用以减小按照行列平面排列的多个光源中各行光源发射的光线之间的间距以及各列光源发射的光线之间的间距，达到合成从各光源射出的光线的目的。
[0005]在现有技术中，将多个光源(激光二极管)作为激光光源组设置时，鉴于照明光学系统的小型化、高效化需求，需要将激光光源组(光源)的各个光源(激光二极管)发射的照射光大致会聚成一点。在减小激光光源组与会聚点之间距离时，会聚点的光入射角度增大，造成后部光学系统中的光利用效率下降以及需要使用比较大的光学元件等问题。相反，在加大激光光源组到汇聚点之间距离时，激光、发光点、光学系统的公差引起的会聚点误差增大，光源发射的光难以以良好的效率入射后部光学系统，从而需要加大透镜直径，因而存在光学系统大型化问题。
[0006]专利文献I用反射镜合成光线，缩小光束截面积。但是用多片反射镜合成光线不仅难以设置并调整各反射镜，而且阶梯形设置多片反射镜需要设置空间，因而，依然存在装置小型化的课题。
【发明内容】
[0007]鉴于上述现有技术中存在的问题，本发明提出一种具备多个光源的小型光源组件和具备该光源组件的小型照明装置以及图像投影装置，其目的在于，在不用增加光学系统大小的情况下，有效地利用多个光源发射的光。
[0008]为了达到上述目的，本发明提供一种光源组件，其特征在于，具备各自具有反射面的第一反射部和第二反射部、多个光源、以及聚光光学系统，所述多个光源发射的光线在所述第一反射部的反射面上受到反射后入射所述第二反射部，在该第二反射部的反射面受到反射，其中，该光线在所述第二反射部的反射面上受到反射的反射位置比在所述第一反射部的反射面上受到反射的反射位置更加靠近所述聚光光学系统的光轴。
[0009]本发明效果如下。
[0010]本发明多个光源发射的光线在所述第一反射部的反射面上受到反射后入射所述第二反射部，在该第二反射部的反射面上受到反射，该光线在所述第二反射部的反射面上受到反射的反射位置比在所述第一反射部的反射面上受到反射的反射位置更加靠近所述聚光光学系统的光轴，这样，多个光源发射的光线经过多个反射部的反射面之间的反射，缩短了到光束合成为止的距离，有利于光源组件的小型化。
[0011]进而，图采用具有上述高效且小型光源组件作为照明装置，有助于提供小型图像投影装置。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1是本发明第一实施方式涉及的光源组件的侧视图。
[0013]图2是图1所示光源组件中的光源布置的正视图。
[0014]图3A和图3B是显示第一实施方式的光源组件保持状态的侧视图和正视图。
[0015]图4是本发明第二实施方式涉及的光源组件的侧视图。
[0016]图5是本发明第三实施方式涉及的光源组件的侧视图。
[0017]图6是第一实施方式涉及的光源组件中偶合镜发生移动时光路的示意图。
[0018]图7是第二实施方式涉及的光源组件中偶合镜发生移动时光路的示意图。
[0019]图8是第三实施方式涉及的光源组件中的偶合镜像发生移动时光路的示意图。
[0020]图9A是图1所示光源组件的聚光点上的照度分布，图9B是图6所示光源组件的聚光点上的照度分布。
[0021]图1OA是图4所示光源组件的聚光点上的照度分布，图1OB是图7所示光源组件的聚光点上的照度分布。
[0022]图1lA是图5所示光源组件的聚光点上的照度分布，图1lB是图8所示光源组件的聚光点上的照度分布。
[0023]图12是显示第一实施方式中各光学元件参数标记的图。
[0024]图13是显示第二实施方式中各光学元件参数标记的图。
[0025]图14是显示第三实施方式中各光学元件参数标记的图。
[0026]图15是具备光源单元的照明装置和图像投影装置的实施形态示意图。
【具体实施方式】
[0027]本发明的光源组件在利用多个平面布置光源的光线合成方法时，构成为具有如下特征，即具备各自具有反射面的第一反射部和第二反射部、多个光源、以及聚光光学系统，所述多个光源发射的光线在所述第一反射部的反射面上受到反射后入射所述第二反射部，在该第二反射部的反射面上受到反射，其中，该光线在所述第二反射部的反射面上受到反射的反射位置比在所述第一反射部的反射面上受到反射的反射位置更加靠近所述聚光光学系统的光轴。
[0028]以下利用附图描述多个实施本发明的形态。在各附图以及各形态中相同的标记表示同样的结构部分。说明中避免重复描述。
[0029]第一实施方式
[0030]图1是本发明第一实施方式的光源组件I的侧视图。图2是光源组件I的光源布置的正视图。为了便于说明，图1仅显示两个光源，实际上光源组件I如图2所示具有多个光源(在此为10个)。另外，图2仅显示光源和偶合透镜。
[0031]光源组件I包括以下部件:光源组2，多个光源11-1?11-10和偶合镜12_1?12-10在平面上排列成圆环形；聚光镜LI，用于会聚光源组2的各个光源发射的光线，形成圆环中心方向上截面积缩小了的收束光；以及，作为第一反射部的第一反射镜10和作为第二反射部的第二反射镜9。多个光源11-1?11-10和多个偶合镜12-1?12-10位于以图中一点锁线表示的聚光镜LI光轴为中心的同心圆上。聚光镜LI比第二反射镜9更加靠近光源 11-1 ?11-10。
[0032]光源组件I中从图1所示的左侧、作为发射光开始依次设置多个光源11-1?11-10、多个偶合镜12-1?12-10、聚光镜L1、第二反射镜9、第一反射镜10。
[0033]多个光源11-1?11-10例如均以半导体激光光源等激光二极管构成，光源组2的各光源发射的光既可以是同一种颜色，也可以是不同颜色。多个偶合镜12-1?12-10均为玻璃或塑料形成的凸镜。光源11-1?11-10和偶合镜12-1?12-10相对设置，各光源11-1?11-10的光轴和对应的偶合镜12-1?12-10的曲率中心一致。偶合镜12_1?12-10中包含准直镜，用于将各光源发射的光转换为平行光或收束光。
[0034]上述光源11-1?11-10和偶合镜12-1?12-10的设置，使得光源11-1?11-10各自发射的光分别通过与个光源11-1?11-10相对设置的对应的偶合镜12-1?12-10，入射聚光镜LI。这样，通过多个偶合镜12-1?12-10和一个相对设置的聚光镜LI，便获得呈圆锥形地向圆环中心方向会聚并射往向第一反射镜10的射出光。
[0035]本实施方式将光源11-1?11-10与各光源11-1?11-10发射的光转换成平行光或收束光的偶合镜12-1?12-10组合构成光源组，因而即使光源11-1?11-10发射的光线为发散光，也能够入射聚光镜LI，有效利用光源射出的光。
[0036]第一反射镜10和第二反射镜9的反射面1a和9a相对设置。在本实施方式中第一反射镜10和第二反射镜9均为单一反射镜。
[0037]如图3A所示，光源11-1?11-10、偶合透镜12_1?12_10、聚光镜L1、以及第二反射镜10和第一反射镜9受到保持体30中形成的保持部31?35保持于保持体30中。图3B是图3A的正视图。为了便于显示，图3B中省略了第一反射镜10。
[0038]保持体30例如以铝等金属或成型树脂等形成，各保持部31?35既可一体地形成，也可单独形成之后结合为一体。
[0039]第一反射镜10借助于保持部35被保持在保持体30中，在平板形玻璃板一侧表面上用蒸镀形成银薄膜或电介质多层膜(金属铝膜)，构成反射镜部的反射镜面10a。第一反射镜10的中心部分设有玻璃板厚度方向的开口，形成开放部10b，用以作为透射部，允许光线透过。透射部并不一定要形成为开放部10b，也可以在对玻璃板表面施加蒸镀形成金属铝薄膜时，保留一未施加蒸镀的部分，该部分位于相当于开放部的部位。换言之，可以实施环形的金属铝蒸镀，保留透明部分。此时可节省将玻璃板加工成空洞形状的加工费用。进而该处还可以在不设透射平板，而构成为可以单纯通过。
[0040]第二反射镜9借助于其非反射面一侧的表面受到保持部34支撑而被保持在保持体30中，保持部34不遮挡光线通过。第二反射镜9的玻璃板一侧表面上用蒸镀形成银薄膜或电介质多层膜(金属铝膜)，构成反射镜部的反射镜面10a。这样，用单一反射镜作为第一反射镜10和第二反射镜9，与对每个光源设置反射镜相比，前者更加有利于调整聚光点位置。
[0041]光源组2的光源11-1?11-10发射的光以良好的效率入射偶合镜12_1?12_10，并转换成基本平行的平行光或收束光后通过聚光镜LI。通过聚光镜LI后，光线入射第一反射镜10，受到反射面1a反射后，射往设置偶合镜12-1?12-10 —方，入射位于光源组一侧的第二反射镜9，受到反射面9a反射后，再次入射第一反射镜10。在此，如果设定第一反射镜10和第二反射镜9之间的反射次数为一次，则此时的光线借助于第一反射镜10的反射面1a的引导，从第一反射镜10的可透射区域即开放部1b射出。而如果设定反射次数为多次，则光线在第一反射镜10和第二反射镜9之间多次来回反射，最终从第一反射镜10的开放部1b射出。
[0042]也就是说，光源11-1?11-10发射的光入射聚光镜LI，受到折射后入射第一反射镜10。而后,该入射光受到反射面1a反射，入射第二反射面9a，受到反射面9a反射，再次射往第一反射镜10方向。从第二反射镜9的反射面9a射往第一反射镜10方向的光线从第一反射镜10的开放部1b射出。换言之,光源ll-ι?11-10发射的光线在第二反射镜9的反射面9a上受到反射的反射位置比在第一反射镜1a的反射面1a上受到反射的反射位置更加靠近聚光镜LI的光轴。本实施方式中第一反射镜10和第二反射镜9上的光线反射次数各为一次。
[0043]如上所述，光源11-1?11-10发射的光线通过在第一反射镜10和第二反射镜9之间受到反射，缩短了各个光源发射的光线到达合成的距离，有利于光源组件I的小型化。合成后的光线成为光线束K，该光线束K截面积缩小而密度增大，因而射出的光线束具有高亮度。
[0044]本实施方式中从光源11-1?11-10发射的各条光线一起入射聚光镜LI，在这种情况下，即使光源11-1?11-10的安装位置或偶合镜12-1?12-10的安装位置之间存在公差等误差，聚光点位置误差也能够被抑制到较小程度。为此，不需要设置单独调整每个光源或每个偶合镜的调整机构等，有利于简化调整作业，降低制造成本。
[0045]光源11-1?11-10发射的各条光线以一定角度斜入射第一反射镜10时受到折射作用，向第一反射镜10的中心部靠近，因而，便于以较短距离合成光束。
[0046]在图3所示的实施形态中，第一反射镜10和第二反射镜9之间的光线反射次数分别为一次，对此，还可以通过调节聚光镜LI的焦点距离，使得光线在第一反射镜10和第二反射镜9之间受到多次反射。在这种情况下，光源11-1?11-10发射的光线经过聚光镜LI会聚和折射后，在第一反射镜10的反射面1a和第二反射镜9的反射面9a之间反复受到反射之后，从位于第一反射镜10的中心部的可透射区域(开放部1b)射出。
[0047]如上所述，经过第一反射镜10和第二反射镜9之间反复进行的多次反射，不仅能够进一步缩短光源11-1?11-10发射的各条光线到达合成的距离，而且合成后的光线束K所具有的截面积小于仅受到一次反射时的截面积，提高了光线束K的密度，使得光源组件I能够发射更加高亮度的光线束，有利于装置小型化。
[0048]第二实施方式
[0049]图4是本发明第二实施方式涉及的光源组件IA的侧视图。第二实施方式与第一实施方式的不同之处在于，聚光光学系统具备多片镜片，除了聚光镜LI之外，还有与该聚光镜LI相对设置的聚光镜L2。在本实施方式中,在第一反射镜10和第二反射镜9之间光线的反射次数各为一次。
[0050]如上所述，光源组件IA通过设置两片聚光镜LI和L2，相比于第一实施方式，可缩小各片透镜的曲率半径。其结果可抑制球面像差，减小公差引起的光源11-1?11-10各发光点偏差、或者偶合镜12-1?12-10位置偏差造成的聚光点偏离。
[0051]另外，本实施方式设置两片聚光镜LI和L2，但是也可以设置更多聚光镜。这样可以进一步抑制球面像差，进一步减小公差引起的光源11_1?Il-1O各发光点的偏差、或者偶合镜12-1?12-10位置偏差造成的聚光点偏离。
[0052]第三实施方式
[0053]图5是本发明第三实施方式涉及的光源组件IB的侧视图。本实施方式的聚光光学系统采用多片聚光镜，即聚光镜LI以及与该聚光镜I相对设置的聚光镜L2，并且，光源发射的光线在第一反射镜10和第二反射镜9之间受到的反射次数各为两次。这样，光源组件IA具有两片聚光镜LI和L2，并受到多次来回反射，在这种情况下，与仅受到一次来回反射相比，聚光镜LI和L2将光源组发射的光线收束为以点各自需要的能量较小。
[0054]为此，能够减小球面像差，进一步减小公差引起的光源11-1?11-10各发光点偏差、或者偶合镜12-1?12-10位置偏差造成的聚光点偏离。以下说明如何抑制第一实施方式至第三实施方式中的聚光点的误差。
[0055]图6是将第一实施方式涉及的图1所示的光源组件I中的偶合镜向内侧(多数束光束的合成方向)移动0.5mm时光路的不意图。图7是将第二实施方式涉及的图4所不的光源组件IA中的偶合镜向内侧(多束光束的合成方向)移动0.5mm时光路的示意图。图8是将第三实施方式涉及的图5所示的光源组件IB中的偶合镜像内侧(多束光束的合成方向)移动0.5mm时光路的示意图。这些偶合镜的移动相当于偶合镜的设置误差。
[0056]图9至图11是第一实施方式至第三实施方式的光源组件1、1A、1B中有无偶合镜时聚光点上的照度分布图。其中，图9A、图10A、图1lA分别为在不考虑光源组件公差的情况下，位于图3、图4、图5所示的设计中心的聚光点上的照度分布。图9B、图10B、图1lB分别为在不考虑光源组件中发生0.5mm移动时聚光点上的照度分布即公差的情况下，位于图
6、图7、图8所示的设计中心的聚光点上的照度分布。
[0057]图9至图11所示的照度分布是基于计算机程序上制作的各光源组件模式模拟聚光面4上的照度得到的照度分布图。为了便于理解，图中仅显示相对X轴对称的光源11-1和11-6以及偶合镜12-1和12-6。此外，图9至图11中光源聚光点之间的距离保持相同。
[0058]如图9A所示，在第一实施方式中不发生移动(即没有发生偏离)的情况下，多个光源发射的光会聚到一点，光束直径约为2mm，但是在发生偏离的情况下，如图9B所示，多个光源发射的光无法会聚到一点，各聚光点位置发生偏离，其结果，整个聚光宽度约为16mm。
[0059]如图1OA所示，在第二实施方式中不发生移动(即没有发生偏离)的情况下，多个光源发射的光会聚到一点，光束直径约为1mm，但是在发生偏离的情况下，如图1OB所示，多个光源发射的光无法会聚到一点，各聚光点位置发生偏离，其结果，整个聚光宽度约为14mm。
[0060]如图1lA所示，在第三实施方式中不发生移动(即没有发生偏离)的情况下，多个光源发射的光会聚到一点，光束直径约为1mm，但是在发生偏离的情况下，如图1lB所示，多个光源发射的光无法会聚到一点，各聚光点位置发生偏离，其结果，整个聚光宽度约为
2.6mm。
[0061]以下考察上述聚光点的照度分布。相比于设置一片聚光镜的第一实施方式，设置多片聚光镜的第二实施方式以及第三实施方式更加有利于抑制聚光点偏差。其理由在于，与使用一片聚光镜相比，使用多片聚光镜(在此为两片聚光镜)能够减小每片聚光镜的曲率半径，从而抑制球面像差。因而，即便存在公差引起光源11-1和11-6发光点位置偏差以及偶合镜12-1和12-6位置偏差，多片聚光镜能够抑制聚光点上的偏差。这样，有利于光线有效地入射位于聚光点之后的光学系统，提供高效率照明光学系统。
[0062]第二实施方式和第三实施方式均使用了两片聚光镜LI和L2，此时还可以使用更多片聚光镜。这样，能够进一步减小球面像差，抑制公差引起的光源11-1?11-10各发光点偏差、或者偶合镜12-1?12-10位置偏差造成的聚光点偏离。
[0063]通过对比图10所示的第二实施方式的聚光点照度分布和图11所示的第三实施方式的聚光点照度分布可知，即便在发生偏离的情况下，第三实施方式的聚光点偏离明显减小。其原因在于，在图5所不的第三实施方式中，光源发射的光在第一反射部10和第二反射部9之间受到多次来回反射，因而相比于同样是以多片透镜构成聚光光学系统但仅受到一次来回反射的第二实施方式，第三实施方式的聚光效果有了进一步的提高。为此，在光源11-1?11-10到聚光面4之间的距离相等的情况下，优选采用可使得光源发射的光线在第一反射部10和第二反射部9之间受到多次来回反射的结构。
[0064]在上述各光源组件中，经过第一反射镜10和第二反射镜9反射的光线作为聚光束K从第一反射镜10的中心部射出，但是射出位置，即成为透过部的开放部1b并不限于在第一反射镜10的中心部，而且第二反射镜9的位置也不限于位于保持体30的中心部，可以根据射出方向或角度适当地改变位置。
[0065]上述各实施方式中偶合镜12-1和12-6被设为与光源11_1和11_6共轴,对此,还可以将偶合镜12-1和12-6设为相对于各光源光轴偏心。在这种情况下，光源发射的光线在经过偶合镜12-1和12-6后，光线截面积减小，成为聚光束K。由于此时与共轴相比，能够减小聚光镜LI的能量,因此优选偶合镜12-1和12-6相对于各光源光轴偏心设置。
[0066]上述各实施方式中光源群2被设置为呈环形布置，该环形为以聚光镜L1、L2、L3的光轴为中心的同心圆，但是光源群的布置形态并不受此限制。例如还可以是同心圆上的弧形布置，或者矩形布置。另外，光源群2的圆形排列直径也不限于图示。例如可以减小圆形排列直径，这样可以减小光源组件I在垂直于光轴方向Z的径向上的大小，有助于光源组件I以及下述照明装置或图像投影装置的小型化。
[0067]以下显示第一至第三实施方式中光学系统中各元件的参数。
[0068]第一至第三实施方式中各光学元件表面之间的面间距的标记分别如图12、图13、以及图14中的定义。关于曲率半径，设定向-Z方向凸出为+，并设各透镜的-Z —侧镜面的曲率半径为R1，与之相反一侧镜面的曲率半径为R2。透镜之间的面间距为各透镜曲率中心轴上的距离。第一实施方式中仅具有一片聚光镜，因而仅有LI栏的参数。al表不聚光点与光源发光点之间的y方向高度(垂直距离)。
[0069]表1至表6分别显示第一至第三实施方式的面间距、曲率半径、厚度、折射率、以及阿贝值。
[0070]表1
【权利要求】
1.一种光源组件，其特征在于， 具备各自具有反射面的第一反射部和第二反射部、多个光源、以及聚光光学系统，所述多个光源发射的光线在所述第一反射部的反射面上受到反射后入射所述第二反射部，在该第二反射部的反射面上受到反射， 其中，该光线在所述第二反射部的反射面上受到反射的反射位置比在所述第一反射部的反射面上受到反射的反射位置更加靠近所述聚光光学系统的光轴。
2.根据权利要求1所述的光源组件，其特征在于， 从所述多个光源的射出面一侧观察时，该多个光源被布置在所述第一反射部的周围， 所述第一反射部的反射面与所述第二反射部的反射面相对设置， 所述多个光源发射的光线入射所述聚光光学系统，经过该聚光光学系统，入射所述第一反射部，受到第一反射部的反射面反射后，入射所述第二反射部，受到该第二反射部的反射面反射后，再次射往所述第一反射部。
3.根据权利要求1或2所述的光源组件，其特征在于，所述聚光光学系统包括多个聚光镜。
4.根据权利要求1至3中任意一项所述的光源组件，其特征在于，所述多个光源发射的光线在所述第一反射部的反射面和所述第二反射部的反射面之间在各反射面上受到的反射次数各为一次。
5.根据权利要求1至3中任意一项所述的光源组件，其特征在于，所述多个光源发射的光线在所述第一反射部的反射面和所述第二反射部的反射面之间在各反射面上受到的反射次数各为多次。
6.根据权利要求1至5中任意一项所述的光源组件，其特征在于，所述第一反射部的中心部以允许光透过的平板构成。
7.根据权利要求1至6中任意一项所述的光源组件，其特征在于，所述多个光源是以激光发光元件和耦合镜组成的光源群，该耦合镜用于将所述激光发光元件发射的光转变成平行光或收束光。
8.一种照明装置，该照明装置用多个光源组件发射多种颜色的光，其特征在于，所述多种颜色的光中至少一种颜色的光用权利要求1至7中任意一项所述的光源组件生成并发射。
9.一种图像投影装置，其特征在于，具有权利要求8所述的照明装置。
【文档编号】G03B21/20GK104048214SQ201410089965
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2014年3月12日 优先权日:2013年3月14日
【发明者】高桥达也, 逢坂敬信, 中村直树, 藤田和弘, 西森丈裕 申请人:株式会社理光