JP2016058378A - 波長変換機器およびそれを用いた照明システム - Google Patents

Abstract

【解決手段】第一波長帯の光を変換するための波長変換機器は、透光性基板、蛍光体層、および光学層を含む。蛍光体層は、周辺媒体の屈折率nambよりも大きい屈折率nsを有している。蛍光体層は、第一波長帯の光を第二波長帯の光へ変換するため、透光性基板の一方の面に配置される。光学層は、第二波長帯の光を反射するため、蛍光体層とは反対側であって、透光性基板のもう一方の面に配置される。光学層は有効屈折率nrを有している。ns、nambおよびnrの関係は、nr>2(namb2)/nsによって与えられる。【効果】光漏れは回避され、製造が簡素化され、材料の選択の困難性は低減される。【選択図】なし

Description

本出願は、「高反射率基板構造と蛍光体ホイール上でのその使用」として、2014年9月5日に出願された米国仮出願号62/046505の利益を主張し、参照により、その全体が本明細書に組み込まれる。

本発明は、波長変換機器に関するものであり、より詳細には、波長変換機器とそれを用いた照明システムに関するものである。

波長変換機器は、光変換機器であり、主に、光源として、光の波長を可視光の波長に変換するために利用されている。通常、スポットライト、ヘッドライト、モニタライト、またはプロジェクターライトなどのように、特別な照明に適用されている。

一般的に、従来の波長変換機器のほとんどは、蛍光体ホイールである。ある種類の蛍光体ホイールは、レーザ光を異なる波長の色光に変換するために使用される。高出力稼働において、蛍光体ホイールが高い光変換効率を有している場合、光電変換はプロジェクタの輝度出力を著しく高めることができる。従って、蛍光体ホイールは、近年の新しい世代の投影技術における重要な光源となっている。

図1を参照のこと。図1は、先行技術の従来の蛍光体ホイールの断面図を示す。従来の蛍光体ホイール1は、三層構造である。従来の蛍光体ホイール1は、基板10、反射層11、および蛍光体層12を備えている。反射層11は、基板10の上に形成され、蛍光体層12は、反射層11の上に形成されている。つまり、反射層11は、基板10と蛍光体層12の間に形成されている。第一波長帯の光L1が、蛍光体層12中の蛍光体粉末121を励起し、第二波長帯の光L2に変換された後、第二波長帯の光は、全方位に放射および散乱される。蛍光体層12で、反射層11から離れる方向の放射または散乱方向は、逆方向として定義され、蛍光体層12で、反射層11に向かう方向の放射または散乱方向は、順方向と呼ばれる。順方向に放射または散乱する光は、反射層11によって反射され、逆方向に出力されるだろう。なぜなら、蛍光体粉末によって変換された第二波長帯の光L2は、ランハート（Lambertian）反射モデルに属しており、反射層11は、400から700ナノメートルの間の波長である可視光を反射し、さらに、70度以上の入射角を有する入射光を反射する機能を備えていなければならない。多層反射鏡技術に対する、幅広い反射帯域と大きな入射角に対応することは、厳しい仕事であり困難な作業である。

また、入射側の屈折率n₁と透過側の屈折率n₂におけるブリュースター角 (θ_B=tan^-1(n₂/n₁))の効果を考慮し、入射光の入射角がブリュースター角よりも大きい、または同等である場合、入射光のP偏光が、反射層11を完全に透過し、それによって、反射層11の反射率が大幅に低下し、それは、光漏れ現象を引き起こす。例えば、入射光が、有効屈折率n=1.4から1.5を有する物質から屈折率n=1の空気中に伝送される場合、ブリュースター角は35.5度であり、臨界角 (θ_C =sin^-1(n₂/n₁))は、45.6度である。つまり、入射光の入射角が、35.5度よりも大きい、または等しく、45.6度未満の場合、入射光のP偏光は、反射層11を完全に透過し、光漏れ現象が生じる。入射光の入射角が、45.6度よりも大きい、または等しい場合、入射光は臨界角で完全に反射される。
従来の蛍光体ホイール1の構造において、推定されることであるが、反射層11は蛍光体層12（屈折率n₁が1.4から1.5）と、基板10（屈折率n_s）の間に形成され、ブリュースター角は、臨界角未満であり、入射光の入射角がブリュースター角よりも大きいまたは等しく、臨界角未満の場合、多くの入射光は反射されず、光路に向けられず、損失が生じるだろう。多くのエネルギーが浪費され、波長変換機器および照明システムを製造する困難さが大幅に増大する。

従来技術が直面している欠点を解消するために、波長変換機器およびそれを用いた照明システムを提供する必要がある。

従来技術が直面する上記の欠点の少なくとも一つを克服するために、本発明のある実施形態は、波長変換機器およびそれを用いた照明システムを提供することである。

本発明は、波長変換機器およびそれを用いた照明システムを提供する。θ_C=sin^-1(n_amb/n_s) および n_r>2(n_amb ²)/n_sの式を満たすために材料および構造を選択することにより、ブリュースター角θ_Bは、臨界角θ_Cよりも大きくでき、幅広い範囲の入射角を反射することが可能な多層反射鏡を設計する難しさを解消するために、全反射も用いられる。光漏れは回避され、波長変換機器および照明システムの製造が簡素化され、材料の選択の困難性が低減される。

本発明の一態様によれば、波長変換機器は、透光性基板、蛍光体層、および光学層を含み、第一波長帯の光を変換するために用いられる。透光性基板は、周辺媒体の屈折率n_ambよりも大きい屈折率n_sを有している。蛍光体層は、第一波長帯の光を、第二波長帯の光に変換するため、透光性基板の一方の面上に配置される。光学層は、第二波長帯の光を反射するため、蛍光体層とは反対側であって、透光性基板のもう一方の面上に配置される。光学層は、有効屈折率n_rを有している。 n_s、n_ambとn_rとの関係は、n_r>2(n_amb ²)/n_sで与えられる。

本発明の別の態様によれば、照明システムは、固体発光素子と波長変換機器を含む。固体発光素子は、光路に第一波長帯の光を放射するように構成されている。波長変換機器は、光路に配置されている。波長変換機器は、透光性基板、蛍光体層および光学層を含む。透光性基板は、周辺媒体の屈折率n_ambよりも大きい屈折率n_sを有する。蛍光体層は、第一波長帯の光を、第二波長帯の光に変換し、第二波長帯の光を出力するため、透光性基板の一方の面上に配置される。光学層は、第二波長帯の光を反射するために、蛍光体層とは反対側であって、透光性基板のもう一方の面上に配置される。光学層は、有効屈折率n_rを有している。 n_s、n_amb、およびn_rとの関係は、n_r>2(n_amb ²)/nで与えられる。

本発明の上記の内容は、以下の詳細な説明と添付の図面を検討した後に、当業者にとって、より容易に明らかとなるだろう。

図1は、従来技術における従来の蛍光ホイールの断面図である。

図2は、本発明の実施形態に係る、波長変換機器の基板から光学層へ伝送され、光学層と周辺媒体のインターフェースによって反射された、入射光を示す図である。

図3は、本発明の実施形態に係る、波長変換機器から空気中へ伝送された入射光の反射率と入射角度の図を示す。

図4Aは、本発明の実施形態に係る照明システムの構成を示す図である。

図4Bは、本発明の別の実施形態に係る照明システムの構成を示す図である。

図5は、本発明の実施形態に係る反射型波長変換機器を示す断面図である。

図6は、図5に示した反射型波長変換機器の反射スペクトルを示す図である。

図7は、本発明の実施形態に係る透過型波長変換機器を示す断面図である。

図8は、図7に示した透過型波長変換機器の透過スペクトルを示す図である。

好ましい実施形態の詳細な説明

本発明を以下の実施形態を参照してより具体的に説明する。本発明の好ましい実施形態の以下の説明は、例示および説明のみを目的として本明細書に提示されていることに留意すべきである。開示された正確な形態が網羅的であることまたはその形態に限定されることを意図するものではない。

図2を参照のこと。図2は、本発明の実施形態に係る、波長変換機器の基板を介して光学層へ伝送され、光学層と周辺媒体のインターフェースによって反射された入射光を示す図である。図2に示すように、本発明の波長変換機器2は、基板20の下にめっきで固定された光学層21を提供し、基板20は、蛍光体層22と光学層21との間に配置される。この光学的構成により、入射光Iは、基板20から光学層21へ透過される。特に、入射光Iは、透光性基板20から光学層21へ透過され、その後、光学層21および周辺媒体Aのインターフェースによって反射される。臨界角θ_Cは、θ_C=sin^-1(n_amb/n_s)によって与えられ、n_ambは、周辺媒体の屈折率であり、n_sは、透光性基板20の屈折率である。
ブリュースター角θ_Bは、θ_B=tan^-1(n_r/n_s) によって与えられ、n_rは_、光学層21の有効屈折率である。透光性基板20と周辺媒体Aによって生成される臨界角によって、臨界角未満の入射角で、400から700ナノメートルの波長に広がる入射光のみが、考慮されるべきであり、それゆえ、臨界角θ_Cより大きいブリュースター角θ_Bは容易に得られる。
計算後、n_s, n_amb および n_rとの間の関係は、n_r>2(n_amb ²)/n_s により与えられる。換言すれば、θ_C=sin^-1(n_amb/n_s) およびn_r>2(n_amb ²)/n_s の式が、本発明の波長変換機器によって利用される材料および構造によって満たされる場合、ブリュースター角θ_Bは、臨界角θ_Cより大きくなり、それによって、入射光の損失が低減される。

図3を参照のこと。図3は、本発明の実施形態に係る、サファイア基板から空気中へ伝送された入射光の反射率と入射角度の図を示す。従来技術の波長変換機器における入射光の損失の問題を解決するために、本発明は、波長変換機器および空気中の屈折率と、臨界角θ_Cより大きいブリュースター角θ_Bを考慮している。波長変換機器において、ブリュースター角の度合いは、全波長変換機器の光学層の有効屈折率n_rによって決定される。臨界角の度合いは、基板の屈折率n_sおよび周辺媒体の屈折率n_ambによって決定される。基板が、サファイア基板（屈折率n_sが1.77程度）のような大きな屈折率n_s を有する場合には、臨界角の度合いは34.4度まで下げられる（図3に示すように）。逆算した後、全波長変換機器の光学層の有効屈折率n_rの最大値が得られる。

例えばブリュースター角を35度より大きく取るとする。逆算すると、全波長変換機器の光学層の有効屈折率n_rが1.45未満であるが、これに限定されない。θ_B=tan^-1(n₂/n₁)の定義から、より大きいブリュースター角θ_B角度を得るために、屈折率n₁は小さくすべきである、ということが分かる。このような理由によって、本発明は、図2のように波長変換機器2の構成を提供し、臨界角θ_Cより大きいブリュースター角θ_Bが得られる。
対照的に、従来の波長変換機器では、屈折率n₁は、蛍光体層のコロイド特性によって制限され、それは、一般的に、屈折率n=1.4-1.5を有するシリコン材料である。蛍光体層の材料は、期待される結果に達するように調整することが通常困難である。

図2、図4Aおよび図4Bを参照のこと。図4Aは、本発明の実施形態に係る照明システムの構成を示す図である。図4Bは、本発明の別の実施形態に係る照明システムの構成を示す図であり。図2、図4Aおよび図4Bに示すように、本発明の波長変換機器2は、照明システム3の固体発光素子31によって放射される第一波長帯の光L1に対して用いられる。波長変換機器2は、透光性基板20、光学層21および蛍光体層22を含む。透光性基板20は、サファイア基板、ガラス基板、ホウ珪酸ガラス基板、ボロフロートガラス基板、石英ガラス基板、フッ化カルシウム基板であってもよいが、それに限定されるものではない。基板は、屈折率n_sを有し、その中には、屈折率n_sは、周辺媒体の屈折率n_ambよりも大きいものもある。蛍光体層22は、第一波長帯の光L1を、第二波長帯の光L2に変換するため、透光性基板20の一方の面上に配置される。光学層21は、少なくとも金属材料を含み、金属材料は、銀、アルミニウム、銀またはアルミニウムの少なくともどちらか一方を備える合金（例としては、銀合金、アルミニウム合金、または、銀アルミニウム合金）である。さらに、光学層21は、分布ブラッグ反射器（DBR）または全方向性反射器（ODR）を備える多層コーティングであってもよく、そこで、分布ブラッグ反射器と全方向性反射器の層の数は、実用的な要求を満たすために、選択され、調整される。それによって、反射型波長変換機器または透過型波長変換機器は、調整される。分布ブラッグ反射器および全方向性反射器の層の数は、好ましくは複数であるが、ここで限定はされない。光学層21は、第二波長帯の光L2を反射するために、蛍光体層22とは反対側であって、透光性基板20のもう一方の面上に配置される。光学層21は有効屈折率n_rを有している。エネルギーの損失を低減し、ブリュースター角θ_Bが、臨界角θ_Cよりも大きくできるように、n_s、n_amb および n_rの関係は、n_r>2(n_amb ²)/n_sを満たされる。結果として、光漏れは回避され、製造が簡易化され、材料の選択の困難性が低減される。

図2、図4Aおよび図5を参照のこと。図5は、本発明の実施形態に係る反射型波長変換機器の断面図である。図2、図4Aおよび図5に示すように、本発明の照明システム3の波長変換機器2は、反射型波長変換機器であってもよく、固体発光素子31が、光学層21より蛍光体層22により隣接して配置され、第一波長帯の光L1の入射方向は、第二波長帯の光L2の最終出力方向に対して実質的に反対になる。ある実施形態では、透光性基板20は、第一波長帯の光L1と第二波長帯の光L2を透過するように構成されており、光学層21は、第一波長帯の光L1と第二波長帯の光L2を反射するように構成されている。すなわち、400から700ナノメートルの波長を有する可視光が光学層21によって反射される。

図5と図6を参照のこと。図6は、図5に示した反射型波長変換素子の反射スペクトルを示す図である。サファイア基板が、本発明の反射型波長変換機器の透過性基板20として選択される場合、臨界角θ_Cは、わずか34.4度である。光学層21は、臨界角θ_Cより大きいブリュースター角θ_Bを取得するように設計することは簡単である。反射型波長変換機器2の反射スペクトルは、400から700ナノメートルの波長を有する可視光の反射率がすべて約100％であることを示している。また、臨界角の全反射によって、34.4度より大きい入射角を有する入射光は、全スペクトルおよび全角度反射に及んでいる。簡略図のように、400から700ナノメートルの波長の可視光で、入射角度が30度より大きい場合は図6に示されていない。

図2、図4Bおよび図7を参照のこと。図7は、本発明の実施形態に係る透過型波長変換機器の断面図である。本発明の照明システム3の波長変換機器2は、透過型波長変換機器であってもよく、固体発光素子31は、蛍光体層22より光学層21により隣接して配置され、それによって、第一波長帯の光L1の入射方向は、第二波長帯の光L2の最終出力方向と実質的に同様である。ある実施形態では、透光性基板20は、第一波長帯の光L1と第二波長帯の光L2を透過するように構成され、光学層21は第一波長帯の光L1を透過し、第二波長帯の光L2を反射するように構成され、第一波長帯の光L1は、青色光または紫外線の光であり、第二波長帯の光L2は、460ナノメートルより長い波長である可視光であってもよいが、ここでは限定しない。

図7と図8を参照のこと。図8は、図7に示した透過型波長変換機器の透過スペクトルを示す図である。臨界角θ_Cより大きいブリュースター角θ_Bを得るために、サファイア基板が本発明の反射型波長変換機器の透過性基板20として選択される場合、透過型波長変換機器2の透過スペクトルは、460ナノメートルより長い波長を有する可視光の透過率が、実質的に0％であることを示し、全反射に達していることを意味している。また、本実施形態では、図8はまた、第一波長帯の光L1（460ナノメートル未満、または等しい波長を有する）の透過率は、入射角が0度の場合、実質的に100%であることを示し、全反射に達していることを意味している。なお、光学層21は、第一波長帯の光L1を透過し、第二波長帯の光L2を反射するように構成されていることが確認できる。

以上の説明から、本発明は、波長変換機器およびそれを用いた照明システムを提供する。θ_C=sin^-1(n_amb/n_s) およびn_r>2(n_amb ²)/n_s の式を満たすため、材料および構造を選択することにより、ブリュースター角θ_Bは、臨界角θ_Cよりも大きくできる。この状況で、大きな入射角を伴う設計は、臨界角の全反射を利用することによって減らすことができる。光漏れは回避され、波長変換機器および照明システムの製造が簡素化され、材料の選択の困難性が低減される。

本発明は、現在、最も実用的で好ましい実施形態であると考えられるものに関して説明してきたが、本発明は、開示された実施形態に限定される必要はないことが理解されるべきである。それどころか、添付の特許請求の範囲の精神および範囲内に含まれる、様々な修正および類似の構成を包含することが意図される。すべてのそのような修正および類似の構造を包含するように最も広い解釈を与えられるべきである。

Claims (11)

1. 周辺媒体の屈折率n_ambよりも大きい屈折率n_sを有する透光性基板と、
   第一波長帯の光を第二波長帯の光に変換するため、前記透光性基板の一方の面上に配置される蛍光体層と、
   前記第二波長帯の光を反射するため、前記蛍光体層とは反対側であって、前記透光性基板のもう一方の面に配置される光学層と、を備え、
   ここで、前記光学層は、有効屈折率n_rを有し、n_s、n_amb およびn_rとの関係は、n_r>2(n_amb ²)/n_sによって与えられることを特徴とする、
   前記第一波長帯の光を変換するための波長変換機器。
2. 前記光学層は、前記第一波長帯の光を透過し、前記第二波長帯の光を反射するために構成されている、ことを特徴とする、請求項1に記載の波長変換機器。
3. 前記第一波長帯の光は青色光または紫外線の光であり、第二波長帯の光は、460ナノメートルより長い波長を有する可視光を備えることを特徴とする、
   請求項2に記載の波長変換機器。
4. 前記光学層は、前記第一波長帯の光および前記第二波長帯の光を反射するように構成されていることを特徴とする、請求項1に記載の波長変換機器。
5. 前記透光性基板は、サファイア基板、ガラス基板、ホウ珪酸ガラス基板、ボロフロートガラス基板、石英ガラス基板、フッ化カルシウムの基板であることを特徴とする、
   請求項1に記載の波長変換機器。
6. 前記光学層は、少なくとも金属材料を備え、前記金属材料は、銀またはアルミニウムからなることを特徴とする、請求項1に記載の波長変換機器。
7. 前記光学層は、銀合金またはアルミニウム合金を備えることを特徴とする、
   請求項1に記載の波長変換機器。
8. 前記光学層は、分布ブラッグ反射器または全方位反射器を備えることを特徴とする、
   請求項1に記載の波長変換機器。
9. 光路に第一波長帯の光を放射するために構成されている固体発光素子と、
   前記光路に配置される波長変換機器と、を備える、照明システムであって、
   前記波長変換機器は、周辺媒体の屈折率n_ambよりも大きい屈折率n_sを有する透光性基板と、
   前記第一波長帯の光を第二波長帯の光に変換するため、前記透光性基板の一方の面上に配置される蛍光体層と、
   前記第二波長帯の光を反射するために、前記蛍光体層とは反対側であって、前記透光性基板のもう一方の面上に配置される光学層と、を備え、
   ここで、前記光学層は有効屈折率n_rを有し、n_s、n_amb および n_rとの関係は、n_r>2(n_amb ²)/n_sによって与えられることを特徴とする、照明システム。
10. 前記波長変換機器は、反射型波長変換機器であり、前記固体発光素子は、前記光学層よりも前記蛍光体層により隣接して配置されていることを特徴とする、
    請求項9に記載の照明システム。
11. 前記波長変換機器は、透過型波長変換機器であり、前記固体発光素子は、前記蛍光体層よりも前記光学層により隣接して配置されていることを特徴とする、
    請求項9に記載の照明システム。