JP5860961B2 - 光学ホイール - Google Patents

Description

発明の技術分野
本発明は、蛍光体のような波長変換要素を有する蛍光体ホイールに関する。本発明は、このようなタイプの蛍光体ホイールの製造方法にも関する。

発明の背景
投射システムは、異なる色の光を光源から生成するようカラーホイールを用い得る。光源は典型的には白色光を提供する。カラーホイールは、異なる色の表面セグメントを有する円形基板を含み得る。カラーホイールは光が入射した状態で回転されると、その出力は変動する色の光を提供する。

蛍光体ホイールは、円形基板の表面のいくつかまたはすべてのセグメントが蛍光体のような波長変換材料でコーティングされた同様の装置である。蛍光体はしばしば、基板表面への塗布のために接着剤または他の透明材料と混合される。１つより多い放射色出力を提供するよう、異なる蛍光体が異なるセグメントにおいて用いられ得る。

蛍光体のような波長変換材料は、第１の波長の励起光を受け取って吸収し、第２の異なる波長の光を放射する。これらは、特定の波長を直接的に提供する光源のための光学パワー出力が限られる場合、当該波長の光を生成するよう用いられ得る。

蛍光体ホイールの効率を向上することは、特に投射システムにおける使用の場合、困難である。投射システムは、しばしばコンパクトであるのが望ましく、さらに熱要件を有し得る。

ＵＳ７，５４７，１１４は、励起光と波長変換材料との間に二色要素が配置される蛍光体ホイールを記載している。この二色要素は、励起光を透過し、波長変換材料が放射した光を反射する。これにより、受け取った光の変換される割合が向上する。これにより、効率が向上する。

ＵＳ７，６５１，２４３も蛍光体ホイールに関しており、蛍光体が放射したある範囲の角度内の光を透過するが、当該角度範囲外の放射された光を反射する再利用要素を示している。これも放射光を集光しており、効率を増加させる。

これらの効率向上は漸進的である。波変換材料における他の問題に対応してそれらの効率をさらに向上するのが望ましい。

発明の概要
この背景に対して、本発明は波長変換部分を含む蛍光体ホイールを提供する。波長変換部分は少なくとも１つの凸状表面と光学的に一体化された波長変換材料を含む。

波長変換材料は、光が入り、波長変換材料から少なくとも１つの凸状表面を通って出るように、少なくとも１つの凸状表面と光学的に一体化される。換言すると、波長変換材料と凸状表面との間に、ほんの小さな割合の光が界面で屈折または反射される直接的な光学通路が存在すると考えられ得る。１つ以上の凸状表面は、波長変換材料と同じ層中に形成され得るか、または２つの層同士の間の実質的に直接的な光学的伝播を有する隣接層中に形成され得る。

光が入り材料から出ていく凸状表面を有する波長変換材料を形成することにより、多くの利点が得られる。まず、励起光が波長変換材料に集束され、これによりこの光において結合する。凸状表面は、部分的または完全に光学的に透明であり、このことが結合を補助し得る。このような光結合は、短焦点距離のような高い要件を有する付加的な集光レンズまたはコリメート集束レンズの必要性を除去し得る。このような構成要素は高価であり得る。さらに、この改善により、カラーホイールまたは蛍光体ホイールとそれに先行する光学部品との間の距離があまり重大でなくなる。既存の初期のアプローチでは、集束距離は、短い必要があり適切な光集束を確実にするよう非常に慎重な扱いを要する。

さらに、凸状表面の二次的な利益は、全内部反射（ＴＩＲ）の低減である。驚くべきことに、たとえば蛍光体コーティングのような波長変換材料が平面を有する場合、有意な割合の放射光が材料と空気（または他の環境）との間の界面によってＴＩＲにより反射されるということが観察された。これは、光の損失および効率の低減につながる。波長変換材料を空気（または他の環境）につなげる表面の形状を変更することにより、ＴＩＲの影響は緩和される。したがって、少なくとも１つの凸状表面は、凸状表面に入射した光、特に波長変換材料から放射された光の全内部反射を緩和または回避するよう有利に形状決めされる。

いくつかの実施例では、凸状表面は、波長変換材料の領域のうち少なくとも２５％、５０％、７５％、８５％、９０％、９５％、または実質的に１００％に沿った、表面が本質的に凸状であるような曲率を有する表面を意味し得る。付加的または代替的には、任意のポイントでの凸状表面の勾配は、１５、１０、９、８、７、６または５以下であってもよい。勾配によりこれは、波長変換部分の面に垂直な表面の断面における表面高さに対する連続的な表面範囲の比として理解され得る。

好ましくは、波長変換部分は、波長変換材料を有する第１の部分と、少なくとも１つの凸状表面が形成される第２の部分とを含む。随意では、第２の部分は波長変換材料を含まない。好ましい実施例では、第１の部分はある材料の第１の層であり、第２の部分は第１の層に付着するある材料の第２の層を含む。これは典型的に、ある材料の第２の層が、他の光学的に有意な材料を間に挟まずに第１の層に直接的に隣接して配置されるということを暗示する。代替的には、第１の部分および第２の部分は一体的に形成されてもよい。したがって、少なくとも１つの凸状表面と波長変換材料とは１つの層を用いて形成されてもよい。しかしながら、この層は１つより多い材料から形成されてもよい。

有益なことに、第２の部分は、第１の部分と実質的に同じ屈折率か、または第１の部分の屈折率の少なくとも８０％を有する。この点において同じ屈折率とは、凸状表面の形状と組み合せた、２つの層の間の屈折率の差が、第１の層の平面から放射された光について、実質的に凸状表面の全幅（または少なくとも幅の８０％、８５％、９０％、９５％または９９％）に亘ってＴＩＲを引き起こすのに十分ではないということを意味する。随意では、ある材料の第２の層はより高い屈折率を有し得る。スネルの法則およびフレネル式から、波長変換材料およびある材料の第２の層の屈折率は、発生するＴＩＲの範囲に関連し得るということが理解されるであろう。波長変換材料と実質的に同じまたはそれよりも高い屈折率を有する材料の第２の層を用いることにより、第１および第２の層同士の間の界面にてＴＩＲが回避され得る。それよりも好ましくない実施例では、ある材料の第２の層の一部またはすべてが波長変換材料の屈折率よりも小さい屈折率を有してもよい。これらの場合のいずれにおいても、材料の第２の層の屈折率と波長変換材料の屈折率との間の比（またはその比の逆数）は少なくとも７０％、７５％、８０％、８５％、９０％、９５％または９９％であってもよい。

随意では、第１の層はコーティングとして形成され得る。付加的または代替的には、第２の層はコーティングとして形成され得る。

好ましい実施例では、第２の部分は光学的に透明である。これにより、光学部品で受け取られたすべての光が波長変換材料に到達するのが可能となるとともに、波長変換材料が放射したすべての光がある材料の第２の層を通って透過することを可能になる。代替的には、ある材料の第２の層は、波長フィルタとして作用するよう、波長の限定された１つ以上の範囲に対してのみ光学的に透明であり得る。

好ましくは、波長変換材料は、担持材料内に複数の波長変換要素を含む。より好ましくは、少なくとも１つの凸状表面は、担持材料と同じ材料から形成される。有益なことに、波長変換材料の屈折率は、担持材料の屈折率によって支配される。さらにより好ましくは、担持材料は接着剤である。波長変換要素は随意では、蛍光体粉粒子であってもよい。換言すると、少なくとも１つの凸状表面は、波長変換材料の主部分を形成するのと同じ材料を用いて形成される。これにより、少なくとも１つの凸状表面を形成する材料が、波長変換材料と実質的に同じ屈折率を有することをさらに可能にし得る。

多くの実施例では、蛍光体ホイールは基板をさらに含む。次いで、少なくとも１つの凸状表面は、コーティングを用いて基板上に形成されてもよい。このコーティングはドーム形状を有するよう構成されてもよい。上記ドーム形状は球状キャップ（特定の面の上または下に存在する球体の一部）であり得る。コーティングが基板上に存在する場合、コーティングは、基板に直接的に隣接する必要はなく、波長変換材料は基板と、少なくとも１つの凸状表面を形成するコーティングとの間に付加的な層を形成してもよい。

基板は円形または円筒形であることが有利である。このような実施例では、波長変換部分は基板の外面の少なくとも一部を覆ってもよい。たとえば、波長変換材料は、円形基板の外面の一部を覆うリングとして形成されてもよい。随意では、基板は透明または反射性のいずれかであってもよい。基板が反射性の場合、励起光は有益なことに、変換光が放射されるのと同じ凸状表面を通って波長変換部分にて受け取られてもよい。これは、付加的な集光構成要素の必要性を緩和し得るとともに、堅固なホイール軸位置の整列に対する要件を緩和する。基板が透明である場合、励起光は、第１の表面を通って波長変換部分にて受け取られてもよく、変換光は、第２の表面を通って波長変換材料から放射されてもよい。いくつかの場合では、第１の表面は凸状であってもよい。別の場合では、第２の表面は凸状であってもよい。随意では、第１および第２の表面の両方が凸状であってもよい。

いくつかの実施例では、波長変換材料は複数の凸状表面と光学的に一体化されている。複数の凸状表面は複数の凸状ドーム形状のリングとして形成されてもよい。これは、フライアイリング構造に類似しているように思われる。

波長変換材料は蛍光体のような蛍光材料であるのが有利である。代替的には、他のタイプの波長変換材料が用いられてもよい。

第２の局面では、波長変換材料を含む波長変換部分を設けるステップと、波長変換材料と光学的に一体化される少なくとも１つの凸状表面を形成するステップとを含む、蛍光体ホイールの製造方法が提供される。本願明細書において記載される光学部品に関する機構のいずれかを形成する処理ステップは随意に、この方法に関連して行われてもよい。ここで、これらの光学的な処理ステップのいくつかの詳細を記載する。

好ましくは、波長変換部分は波長変換材料を有する第１の部分を含んでおり、少なくとも１つの凸状表面を形成するステップは、少なくとも１つの凸状表面が形成される波長変換部分の第２の部分を形成するステップを含む。

好ましい実施例では、第１の部分はある材料の第１の層であり、少なくとも１つの凸状表面を形成するステップは、ある材料の第２の層を含む第２の部分を第１の層に付着するステップを含んでもよい。代替的には、第１の部分および第２の部分は一体的に形成される。

好ましくは、第２の部分は第１の部分と実質的に同じ屈折率を有する。第２の部分が光学的に透明であるのが有利である。

好ましい実施例では、波長変換材料は担持材料内に複数の波長変換要素を含む。随意では、少なくとも１つの凸状表面を形成するステップは、担持材料と同じ材料から少なくとも１つの凸状表面を形成するステップを含んでもよい。いくつかの実施例では、担持材料は接着剤である。

いくつかの実施例では、波長変換部分を設けるステップは、波長変換材料を基板上に形成するステップを含んでもよい。少なくとも１つの凸状表面を形成するステップは随意では、ドーム形状を有するよう構成されるコーティングを基板上に形成するステップを含む。

有利なことに、基板は円形または円筒形であってもよく、波長変換部分は基板の外面の少なくとも一部を覆うよう設けられる。基板は透明または反射性のいずれかであってもよい。基板が反射性の場合、波長変換材料によって変換された光が放射される凸状表面と同じ凸状表面を通って波長変換材料にて励起光が受け取られてもよい。

いくつかの実施例では、少なくとも１つの凸状表面を形成するステップは、波長変換部分と光学的に一体化される複数の凸状表面を形成するステップを含み、複数の凸状表面は複数の凸状ドーム形状のリングとして形成される。

有益なことに、波長変換材料は蛍光材料である。
さらに別の局面では、本発明は着色部分を含むカラーホイールを包含してもよい。着色部分は、少なくとも１つの凸状表面と光学的に一体化された着色材料を含む。換言すると、本発明を蛍光体ホイールとして実現するのではなく、その代わりにカラーホイールが用いられてもよい。付加的または代替的には、このようなカラーホイールとともに、蛍光体に関連して上で記載した他の特徴および本願明細書における他の特徴が用いられてもよい。

本発明は、明瞭に開示される特徴の特定の組合せに限定されないだけでなく、独立して記載されるとともに当業者が一緒に実現し得る特徴の任意の組合せにも限定されないということも理解されるであろう。

本発明はさまざまな態様で実施され得る。その多くをここで例示目的でのみ添付の図面を参照して説明する。

動作モードを示す、既存の蛍光体ホイールを示す図である。 図１に示される実施例において用いられる公知の蛍光体コーティングを例示する図である。 波長変換材料からの光の放射を例示する、本発明に従った第１の実施例を示す図である。 波長変換材料にてどのように光が受け取られるかを示す、図３の実施例を示す図である。 蛍光体ホイール全体のプロファイルを示す、本発明の第２の実施例を例示する図である。

好ましい実施例の詳細な説明
図１では、たとえば光学プロジェクタにおいて用いられ得る既存の蛍光体ホイールが示される。蛍光体ホイール１０は、プレート１５と、波長変換材料２０とを含む。

プレート１５は円形であり、透明または反射性のいずれかであってもよい。プレート１５は「基板」と称され得る。プレート１５はモータ（図示せず）に取り付けられ、矢印１６に示されるように回転する。

波長変換材料２０はプレート１５上に配置される。波長変換材料２０は、典型的であるリング形状を有する。波長変換材料２０は、蛍光体および接着剤の混合物から形成されてもよく、蛍光体セラミックであってもよい。青色光を緑色光に変換するための蛍光体が一般的に用いられている。受け取った光の波長を蛍光体と同様の態様で変換することができる任意の構造または材料が、その代わりに用いられることが可能である。

励起光３０は伝搬するとともに波長変換材料（蛍光体）２０を照らし、これにより励起光の波長と異なる波長の放射光が生成される。蛍光体ホイールはこの変換光を反射し得る（当該ホイールがミラーである場合）か、または変換光を透過し得る（当該ホイールが透明な場合）。前者の場合、変換光４０は、プレート１５において励起光３０が受け取られたのと同じ側にて放射される。後者の場合、変換光４５は、プレート１５において励起光３０が受け取られた側に対して反対側上に放射される。

次に図２を参照して、図１に示される実施例に用いられる公知の蛍光体コーティングが示される。蛍光体コーティング２０は、蛍光体粉２２と混合された接着剤２１を用いて形成される。接着剤２１は透明であり、しばしば平面２３を有する層として形成される。このような蛍光体コーティング２０は、浸漬光源（immersed light source）と称され得る。

この構造により、蛍光体粒子２２が放射した光のいくつかは、平面２３を通って透過される。これは、例示的な光線５０で示される。蛍光体粒子２２が放射した光の他の部分は、全内部反射（Total Internal Reflection（ＴＩＲ））により接着剤空気間表面２３にて反射され、（上述したように混合物である）波長変換材料２０において再散乱される。いくつかの場合では、ＴＩＲによって反射された光は、蛍光体粉２２が放射した全体の光の有意な部分であり得、効率の劣化につながる。

次に図３を参照して、本発明に従った第１の実施例が示される。図２に示されるのと同じ機構が示される場合、同一の参照番号が用いられる。凸状表面を有する第２の層１００が、波長変換材料２０の平面２３上に形成される。第２の層１００は、図２に示される波長変換材料２０を形成するのに用いられるのと同じタイプの透明な接着剤２１を用いて形成される。

図３はさらに、波長変換材料からの光の放射を示す。波長変換材料２０が放射する光は、第２の層１００を通るよう結合されており、これは例示的な第１の光線１１０および第２の光線１１５によって示される。ＴＩＲの影響は緩和される。

第２の層１００の屈折率が波長変換材料２０の屈折率とほぼ同じであるので、波長変換材料２０と第２の層１００との間の界面での屈折（およびＴＩＲ）は緩和される。これは、これらが本質的に同じ主成分を用いて形成されるからである。波長変換材料２０が、（上記の図２を参照して論じたように）接着剤と混合された蛍光体要素を含む場合、波長変換材料２０についての実効屈折率は本質的に接着剤の屈折率である。

接触界面での２つの媒体間の屈折はフレネル式に従うので、ｎ₁×ｓｉｎＡ₁＝ｎ₂×ｓｉｎＡ₂となる。式中、ｎ₁は光が界面上に入射する材料の屈折率であり、Ａ₁は（法線に対する）入射角であり、ｎ₂は他の材料の屈折率であり、Ａ₂は（法線に対する）屈折光の角度である。２つの材料の屈折率が異なる場合、臨界角は、それ以上でＴＩＲのみが発生することになる入射角である。

第２の層１００の凸状表面は、凸状表面が第２の層１００と環境（空気）との間の界面での入射角を低減するので、ＴＩＲの影響を低減する。入射角は、ほとんどの部分で０に近づき得る。しかしながら、これは第２の層が適用される全領域に亘っては該当しない場合がある。たとえば、第２の層１００の縁部に向かって、入射角は高くなり得るとともにＴＩＲがそれでもまだ発生し得る。これは例示的な光線１２０によって示される。

ここで図４を参照して、光が波長変換材料にてどのように受け取られるかを示す図３の実施例が示される。この図は、励起光１３０がどのように蛍光体ホイールの中に結合されるかを示す。平行な励起光１３０が、波長変換材料２０において蛍光体粉２１上に集光１４０へと屈折されるということが分かり得る。これにより、励起光１３０を集束する必要性が回避され、集束光学レンズまたは同様の構成要素が、第２の層１００の使用を通じて省略され得る。したがって、当該部分およびコーティングについての入射角の要件もあまり負担にならなくなる。

この凸状表面は、プレート基板の半径方向において凸状形状を有する単一の凸状表面リングであり得る。代替的には、フライアイリング構造（fly eyes ring structure）が用いられてもよい。図５は、このような構造を有する本発明の第２の実施例を示す。フライアイリング構造は、図１および図２に示される波長変換材料２０のリングに対して整列された複数のドーム（または球状キャップ）形状の第２の層を用いる。

上で本発明の実施例を説明したが、当業者であればさまざまな修正例または置換例を考慮し得る。

たとえば、第２の層１００は、接着剤またはガラスを用いるとともに吐出（dispensing）または成形を含むプロセスによって形成され得る。他の好適な方法は、上記の機能性を提供する凸状表面形状を作り出すよう用いられ得る。

１つ以上の凸状表面を提供する層の屈折率は通常、波長変換材料層の屈折率とほぼ同じかまたはそれよりも高い。しかしながら、当業者であれば、１つ以上の凸状表面を提供する層の屈折率は、波長変換材料層の屈折率よりも小さくてもよいということを理解するであろう。いずれの場合でも、２つの層同士の間の屈折率比は少なくとも０．８であってもよいが、この比はこの凸状層の形状に依存してこれよりも低くてもよい。

上記の実施例は、凸状表面が第２の層によって形成された二層構造を説明した。代替的には、第１および第２の層は、凸状表面を有する単一の材料から形成される１つの層へと組み合されてもよい。さらに、上記のプレート１５に対する代替的な基板が用いられ得るということが理解されるであろう。他の実施例では、たとえば蛍光体ホイールがセラミック蛍光体から形成される場合、基板は用いられなくてもよい。このような場合、本発明に従って蛍光体は凸状表面を有するように形成される。

図１および図２は円形基板を有する蛍光体ホイールの例を示しているが、円筒（ドラム）形状を有する基板が代替的に用いられ得る。たとえば、ＵＳ７６５１２４３の図３Ａに示される構造が用いられてもよい。接着剤と混合された蛍光体を説明したが、波長変換材料について、たとえば純粋な蛍光体または蛍光体セラミックのような異なる材料が用いられ得る。セラミックの場合、当該セラミック材料の屈折率は結晶指数であってもよい。セラミック材料を用いて本発明を実施するために、それと一致した屈折率を有する材料を有する透明リングが形成され得、これがセラミック表面に結合されてもよい。代替的には、凸状表面を形成するよう、接着剤または他の透明層もしくはコーティングがセラミック表面に直接的に適用されてもよい。

Claims (28)

1. 波長変換部分を含む蛍光体ホイールであって、前記波長変換部分は少なくとも１つの凸状表面と光学的に一体化された波長変換材料を含み、前記蛍光体ホイールは、励起光が前記少なくとも１つの凸状表面を通って入るように構成される、蛍光体ホイール。
2. 前記波長変換部分は、前記波長変換材料を有する第１の部分と、前記少なくとも１つの凸状表面が形成される第２の部分とを含む、請求項１に記載の蛍光体ホイール。
3. 前記第１の部分はある材料の第１の層であり、前記第２の部分は第１の層に付着するある材料の第２の層を含む、請求項２に記載の蛍光体ホイール。
4. 前記第１の部分および前記第２の部分は一体的に形成される、請求項２に記載の蛍光体ホイール。
5. 前記第２の部分は、前記第１の部分の屈折率の少なくとも８０％である屈折率を有する、請求項２〜４のいずれか１項に記載の蛍光体ホイール。
6. 前記第２の部分は光学的に透明である、請求項２〜５のいずれか１項に記載の蛍光体ホイール。
7. 前記波長変換材料は、担持材料内に複数の波長変換要素を含む、請求項１〜６のいずれか１項に記載の蛍光体ホイール。
8. 前記少なくとも１つの凸状表面は、前記担持材料と同じ材料から形成される、請求項７に記載の蛍光体ホイール。
9. 基板をさらに含み、前記少なくとも１つの凸状表面は、ドーム形状を有するよう構成されるコーティングを用いて前記基板上に形成される、請求項１〜８のいずれか１項に記載の蛍光体ホイール。
10. 前記基板は円形または円筒形であり、前記波長変換部分は前記基板の外面の少なくとも一部を覆う、請求項９に記載の蛍光体ホイール。
11. 前記基板は透明または反射性のいずれかである、請求項１０に記載の蛍光体ホイール。
12. 前記基板は反射性であり、変換光が放射される凸状表面と同じ凸状表面を通って前記波長変換部分にて励起光が受け取られる、請求項１０に記載の蛍光体ホイール。
13. 前記波長変換材料は複数の凸状表面と光学的に一体化されており、前記複数の凸状表面は複数の凸状ドーム形状のリングとして形成される、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の蛍光体ホイール。
14. 前記波長変換材料は蛍光材料である、請求項１〜１３のいずれか１項に記載の蛍光体ホイール。
15. 蛍光体ホイールの製造方法であって、
    波長変換材料を含む波長変換部分を設けるステップと、
    前記波長変換材料と光学的に一体化される少なくとも１つの凸状表面を形成するステップとを含み、前記蛍光体ホイールは、励起光が前記少なくとも１つの凸状表面を通って入るように構成される、蛍光体ホイールの製造方法。
16. 前記波長変換部分は前記波長変換材料を有する第１の部分を含んでおり、少なくとも１つの凸状表面を形成するステップは、前記少なくとも１つの凸状表面が形成される前記波長変換部分の第２の部分を形成するステップを含む、請求項１５に記載の方法。
17. 前記第１の部分はある材料の第１の層であり、少なくとも１つの凸状表面を形成するステップは、ある材料の第２の層を含む前記第２の部分を前記第１の層に付着するステップを含む、請求項１６に記載の方法。
18. 前記第１の部分および前記第２の部分は一体的に形成される、請求項１６に記載の方法。
19. 前記第２の部分は前記第１の部分と実質的に同じ屈折率を有する、請求項１６〜１８のいずれか１項に記載の方法。
20. 前記第２の部分は光学的に透明である、請求項１６〜１９のいずれか１項に記載の方法。
21. 前記波長変換材料は担持材料内に複数の波長変換要素を含む、請求項１５〜２０のいずれか１項に記載の方法。
22. 前記少なくとも１つの凸状表面を形成するステップは、前記担持材料と同じ材料から前記少なくとも１つの凸状表面を形成するステップを含む、請求項２１に記載の方法。
23. 波長変換部分を設けるステップは、前記波長変換材料を基板上に形成するステップを含み、前記少なくとも１つの凸状表面を形成するステップは、ドーム形状を有するよう構成されるコーティングを前記基板上に形成するステップを含む、請求項１５〜２２のいずれか１項に記載の方法。
24. 前記基板は円形または円筒形であり、前記波長変換部分は前記基板の外面の少なくとも一部を覆うよう設けられる、請求項１９に記載の方法。
25. 前記基板は透明または反射性のいずれかである、請求項２４に記載の方法。
26. 前記基板は反射性であり、前記波長変換材料によって変換された光が放射される凸状表面と同じ凸状表面を通って前記波長変換部分にて励起光が受け取られる、請求項２４に記載の方法。
27. 少なくとも１つの凸状表面を形成するステップは、前記波長変換部分と光学的に一体化される複数の凸状表面を形成するステップを含み、前記複数の凸状表面は複数の凸状ドーム形状のリングとして形成される、請求項１５〜２６のいずれか１項に記載の方法。
28. 前記波長変換材料は蛍光材料である、請求項１５〜２７のいずれか１項に記載の方法。

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