JP2020516958A - 光変換のための組み合わせホイール - Google Patents

Abstract

本開示は、カラーホイールおよび蛍光体ホイールを統合する、光学光変換デバイスに関する。光学光変換デバイスは、例えば、投影ディスプレイシステムにおいて、波長変換によってカラーシーケンシャル照明を生成するために使用されることができる。カラーフィルタと、カラーフィルタと同軸方向に整合され、その表面上にある、反射性基板と、反射性基板上の異なる色の発光蛍光体区画と、拡散板区画とを備える、組み合わせホイールが、開示される。青色レーザ発生器および一連のダイクロイックフィルタおよびミラーと併用されると、組み合わせホイールは、後続光学システムによって集光されることになる光を調整および変換する。

Description

本開示は、カラーホイールおよび蛍光体ホイールを統合する、光学光変換デバイスに関する。光学光変換デバイスは、例えば、投影ディスプレイシステムにおいて、波長変換によってカラーシーケンシャル照明を生成するために使用されることができる。

蛍光体ホイールは、デジタル光処理（ＤＬＰ）技術を使用して、投影ベースまたは他の写真生成システム等の種々の光学デバイスにおいて使用される。蛍光体ホイールは、ハブ部分を備え、これは、モータに結合されると、回転子として作用する、円筒体である。光学活性半径方向部分は、ハブ部分に取り付けられる、またはそれと統合される。光学活性半径方向部分上の波長変換材料（蛍光体）は、異なる波長の放出光を入射励起光から生成する。

現在のソリッドステートレーザ光源（ソリッドステート照明またはＳＳＩ）は、青色レーザを使用して、蛍光体ホイールを刺激し、放出光を生成し、これは、蛍光体粉末に応じて、緑色、黄色、または赤色であり得る。モノクロ光波が、次いで、ともに混合され、白色光を生産する。

モノクロ光は、蛍光体ホイールによって生産されるが、蛍光体は、通常、標準的プロジェクタの色域、すなわち、プロジェクタ上で利用可能な色の全範囲を達成することができない。その結果、色は、カラーフィルタによって調整されなければならない。概して、カラーフィルタはまた、蛍光体ホイールと同期速度で回転する、ホイールの形態である。カラーホイールでは、光学活性部分は、典型的には、入射光をフィルタリングするための１つ以上のカラーフィルタを含む。これらは、典型的には、波長依存様式において光を反射または透過させるために、薄膜でコーティングされた平面ガラス区画である。複数のカラーフィルタは、カラーホイールの回転が入射光をこれらの異なる部分によって異なるように影響させるように、半径方向光学活性部分の異なるセクションに提供されてもよい。

典型的には、蛍光体ホイールは、カラーホイールとともに使用されなければならない。別個の蛍光体ホイールおよびカラーホイールの欠点を克服する、高出力源、例えば、レーザプロジェクタと動作可能な光学光変換デバイスを作成することが望ましいであろう。特に、蛍光体ホイールおよびカラーホイールの機能を単一構造の中に統合し、現在のモータ荷重以上を要求せず、フレキシブルな色調節を達成し、より少ない構成要素を用いて作製されることができ、低コスト構成要素を使用する、光学光変換デバイスを作成することが望ましいであろう。

本開示は、したがって、蛍光体ホイールおよびカラーホイールの両方の機能を実施し得る、組み合わせホイールに関する。また、本明細書に開示されるのは、組み合わせホイールと、励起青色光を生産する、青色レーザ発生器と、後続光学システムによって集光されることになる光を調整および変換するために使用される、一連のダイクロイックフィルタおよびミラーとを備える、装置である。

本明細書の種々の実施形態に開示されるのは、カラーフィルタと、少なくとも２つの蛍光体区画を伴う反射性基板と、拡散板区画とを備える、組み合わせホイールである。カラーフィルタは、少なくとも３つの異なる色に区画化される。反射性基板は、カラーフィルタの第１の表面上でカラーフィルタと同軸方向に整合される。反射性基板は、楔状部または扇状部が除去されている、円形／円筒形の形態である。反射性基板は、３６０°未満の中心角度を有するように説明されることができる。第１の発光蛍光体区画が、反射性基板の第１の扇状部上に堆積される。第２の発光蛍光体区画が、反射性基板の第２の扇状部上に堆積される。拡散板区画が、カラーフィルタの第１の表面上で反射性基板に隣接して位置し、楔状部または扇状部が反射性基板から除去された場所を充填するように説明されることができる。

特定の実施形態では、第１の発光蛍光体区画は、緑色発光蛍光体を含み、第２の発光蛍光体区画は、赤色または黄色発光蛍光体を含む。続けると、第１の発光蛍光体区画は、カラーフィルタの緑色区画と半径方向に整合され、第２の発光蛍光体区画は、カラーフィルタの赤色または黄色区画と半径方向に整合され、拡散板区画は、カラーフィルタの青色区画と半径方向に整合される。

いくつかの実施形態では、反射性基板は、カラーフィルタの表面上の高反射率コーティングである。これらの実施形態は、「単一基板」ホイールと見なされ得る。他の実施形態では、反射性基板は、アルミニウムまたはアルミニウム合金等の反射金属である。そのような実施形態は、「二重基板」ホイールと見なされ得る。カラーフィルタは、適切なコーティングをその上に伴う、ガラス基板を備えてもよい。

組み合わせホイールはさらに、モータに結合されるハブを備えてもよく、カラーフィルタは、ハブに結合される。

また、開示されるのは、本明細書に説明されるような組み合わせホイールと、（Ａ）励起青色光を生産し、（Ｂ）反射性基板および拡散板区画と整合される、青色レーザ発生器と、青色レーザ発生器と組み合わせホイールとの間に位置する、第１のダイクロイックフィルタであって、青色光は、第１のダイクロイックフィルタを通して通過し、他の色の光は、第１のダイクロイックフィルタによって反射される、第１のダイクロイックフィルタと、他の色の光が、組み合わせホイールのカラーフィルタを通して通過し、調整された他の色の光を生産するように調整されるように、第１のダイクロイックフィルタからの他の色の光を組み合わせホイールのカラーフィルタに向かって再指向するように位置する、第１のミラーと、調整された他の色の光を受光するように整合される、光学システムとを備える、装置である。

本装置はさらに、組み合わせホイールと光学システムとの間に位置する、第２のダイクロイックフィルタと、第２のミラーとを備えてもよく、第２のダイクロイックフィルタおよび第２のミラーは、調整された他の色の光および調整された青色光が光学システムに向かって指向されるように構成される。

いくつかの実施形態では、第２のダイクロイックフィルタは、組み合わせホイールと光学システムとの間に位置し、調整された他の色の光は、第２のダイクロイックフィルタを通して通過し、青色光は、第２のダイクロイックフィルタによって反射され、第２のミラーは、青色光が、再び、第２のダイクロイックフィルタによって光学システムに向かって反射されるように、組み合わせホイールの拡散板区画を通して通過する青色光を第２のダイクロイックフィルタに向かって再指向するように位置する。

他の実施形態では、第２のダイクロイックフィルタは、組み合わせホイールと光学システムとの間に位置し、青色光は、第２のダイクロイックフィルタを通して通過し、他の色の光は、第２のダイクロイックフィルタによって反射され、第２のミラーは、調整された他の色の光が、再び、第２のダイクロイックフィルタによって光学システムに向かって反射されるように、調整された他の色の光を第２のダイクロイックフィルタに向かって再指向するように位置する。

また、開示されるのは、少なくとも２つの異なる色に区画化され、３６０°未満の中心角度を有する、カラーフィルタと、カラーフィルタの第１の表面上でカラーフィルタと同軸方向に整合される、反射性基板と、反射性基板の第１の扇状部上に堆積される、第１の発光蛍光体区画と、反射性基板の第２の扇状部上に堆積される、第２の発光蛍光体区画と、カラーフィルタに隣接して位置し、カラーフィルタの半径と等しい半径を有する、拡散板区画とを備える、組み合わせホイールである。これらの実施形態では、カラーフィルタは、楔状部または扇状部が除去されている、円形／円筒形の形態である。拡散板区画は、楔状部または扇状部がカラーフィルタから除去された場所を充填するように説明されることができる。

第１の発光蛍光体区画は、緑色発光蛍光体を含むことができ、第２の発光蛍光体区画は、赤色または黄色発光蛍光体を含むことができる。第１の発光蛍光体区画は、カラーフィルタの緑色区画と半径方向に整合されてもよく、第２の発光蛍光体区画は、カラーフィルタの赤色または黄色区画と半径方向に整合されてもよい。

反射性基板は、高反射率コーティングであってもよい。カラーフィルタは、緑色区画および赤色または黄色区画に区画化されることができる。カラーフィルタは、適切なコーティングをその上に伴う、ガラス基板を備えてもよい。

本組み合わせホイールを使用する装置はまた、（Ａ）励起青色光を生産し、（Ｂ）反射性基板および拡散板区画と整合される、青色レーザ発生器と、青色レーザ発生器と組み合わせホイールとの間に位置する、第１のダイクロイックフィルタであって、青色光は、第１のダイクロイックフィルタを通して通過し、他の色の光は、第１のダイクロイックフィルタによって反射される、第１のダイクロイックフィルタと、他の色の光が、組み合わせホイールのカラーフィルタを通して通過し、調整された他の色の光を生産するように調整されるように、第１のダイクロイックフィルタからの他の色の光を組み合わせホイールのカラーフィルタに向かって再指向するように位置する、第１のミラーと、調整された他の色の光を受光するように整合される、光学システムとを含む。本装置はさらに、励起青色光を調整し、調整された青色光を生産するための青色カラーフィルタを備えてもよい。本装置はまた、組み合わせホイールと光学システムとの間に位置する、第２のダイクロイックフィルタと、第２のミラーとをさらに備えることができ、第２のダイクロイックフィルタおよび第２のミラーは、調整された他の色の光および調整された青色光が光学システムに向かって指向されるように構成される。そのような装置もまた、上記にさらに説明される。

本開示のこれらおよび他の非限定的特性が、下記により具体的に開示される。

以下は、本明細書に開示される例示的実施形態を図示する目的のために提示され、それを限定する目的のためではない、図面の簡単な説明である。

図１Ａは、従来のＲＧＢカラーホイールの平面図である。図１Ｂは、それを通した光学経路を示す、側面図である。

図２は、図１ＡのカラーホイールのＲＧＢカラーフィルタスペクトルを示す。

図３Ａは、従来の反射性蛍光体ホイールの平面図である。図３Ｂは、それを通した光学経路を示す、側面図である。

図４は、Ｒ／Ｇ／Ｙ蛍光体および青色レーザ色スペクトルを示す。ｙ−軸は、透過率であって、ｘ−軸は、ナノメートル単位の波長である。

図５Ａは、従来の透過性蛍光体ホイールの平面図である。図５Ｂは、それを通した光学経路を示す、側面図である。

図６は、青色ダイクロイックフィルタの色スペクトルを示す。ｙ−軸は、透過率であって、ｘ−軸は、ナノメートル単位の波長である。

図７は、反射性蛍光体ホイールおよび別個のカラーホイールを含む、適用される光学システムを通した光学経路を示す。

図８は、透過性蛍光体ホイールおよび別個のカラーホイールを含む、適用される光学システムを通した光学経路を示す。

図９Ａは、透過性蛍光体ホイールとカラーホイールを組み合わせる、従来のサンドイッチ構造の平面図である。図９Ｂは、それを通した光学経路を示す、側面図である。

図１０は、図９のサンドイッチ構造の組み合わせホイールを含む、適用される光学システムを通した光学経路を示す。

図１１Ａは、本開示の組み合わせホイールの第１の例示的実施形態の平面図である。本実施形態は、二重基板構造である。図１１Ｂは、組み合わせホイールの側面断面図であって、また、それを通した光学経路を図示する。

図１２Ａは、本開示の組み合わせホイールの第２の例示的実施形態の平面図である。本実施形態は、単一基板構造である。図１２Ｂは、組み合わせホイールの側面断面図であって、また、それを通した光学経路を図示する。

図１３Ａは、本開示の組み合わせホイールの第３の例示的実施形態の平面図である。本実施形態は、より薄い構造を有する。図１３Ｂは、組み合わせホイールの側面断面図であって、また、それを通した光学経路を図示する。

図１４は、図１１Ａの二重基板構造を含む、適用される光学システムを通した光学経路を示す。

図１５は、図１３Ａの構造を含む、適用される光学システムを通した光学経路を示す。

本明細書に開示される構成要素、プロセス、および装置のより完全な理解が、付随の図面を参照することによって得られることができる。これらの図は、単に、便宜および本開示の容易な実証に基づく概略表現であり、したがって、デバイスまたはその構成要素の相対的サイズおよび寸法を示すこと、および／または例示的実施形態の範囲を定義または限定することは意図されない。

具体的用語が明確にするために以下の説明において使用されるが、これらの用語は、図面における図示のために選択された実施形態の特定の構造のみを指すことが意図され、本開示の範囲を定義または限定することは意図されない。図面および以下に続く説明では、同様の数字指定は、同様の機能の構成要素を指すことを理解されたい。

単数形「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」は、文脈が別様に明確に示さない限り、複数指示物を含む。

本明細書および請求項において使用されるように、本明細書で使用されるような用語「〜を備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」、「〜を含む（ｉｎｃｌｕｄｅ）」、「〜を有する（ｈａｖｉｎｇ）」、「〜を有する（ｈａｓ）」、「〜できる（ｃａｎ）」、「〜を含有する（ｃｏｎｔａｉｎ）」、およびそれらの変形は、挙げられた原料／ステップの存在を要求し、他の原料／ステップの存在を可能にする、非限定的移行語句、用語、または単語であることが意図される。しかしながら、そのような説明は、それからもたらされ得る任意の不可避の不純物とともに、挙げられた原料／ステップのみの存在を可能にし、他の原料／ステップを排除する、列挙された原料／ステップ「から成る」および「本質的にそれから成る」ような組成物またはプロセスも同様に説明するように解釈されるべきである。

本明細書および本願の請求項における数値は、同数の有効数字まで丸められたときに同一である数値と、値を決定するために本願に説明されるタイプの従来の測定技法の実験誤差未満だけ記載される値と異なる数値とを含むように理解されるべきである。

本明細書に開示される全ての範囲は、列挙される端点を包括し、独立して組み合わせ可能である（例えば、「２グラム〜１０グラム」の範囲は、端点２グラムおよび１０グラムおよび全ての中間値を包括する）。

用語「約」および「およそ」は、その値の基本的機能を変化させることなく変動し得る任意の数値を含むために使用されることができる。ある範囲と併用されるとき、「約」および「およそ」はまた、２つの端点の絶対値によって定義される範囲を開示し、例えば、「約２〜約４」はまた、範囲「２〜４」を開示する。概して、用語「約」および「およそ」は、示される数の±１０％を指し得る。

本明細書で使用されるように、用語「励起光」および「光を励起させる」は、例えば、レーザベースの照明源または他の光源からの入力光を指すために使用され、用語「放出光」および「光を放出する」は、本明細書では、カラーホイールから変換され反射された光を指すために使用される。

参照のために、赤色は、通常、約７８０ナノメートル〜約６２２ナノメートルの波長を有する光を指す。緑色は、通常、約５７７ナノメートル〜約４９２ナノメートルの波長を有する光を指す。青色は、通常、約４９２ナノメートル〜約４５５ナノメートルの波長を有する光を指す。黄色は、通常、約５９７ナノメートル〜約５７７ナノメートルの波長を有する光を指す。しかしながら、これは、状況に依存し得る。例えば、これらの色は、時として、種々の部分を標識化し、それらの部分を相互から区別するために使用される。

ダイクロイックフィルタは、本明細書で使用されるように、ある波長範囲の光を選択的に通過させながら、他の光を反射させる、フィルタを指す。

本開示は、蛍光体ホイールおよびカラーホイールの両方の機能を果たすが、それらの機能を単一構造の中に統合し、したがって、１つのモータのみを要求する、組み合わせホイールに関する。これは、全体的装置がより小さいサイズとなることを可能にし得る。組み合わせホイールが機能する方法を説明するために、最初に、従来の蛍光体ホイールおよびカラーホイールが動作する方法を精査することが有用であり得る。

従来のカラーホイール設計は、図１Ａおよび図１Ｂに示される。既知のそのようなカラーホイール設計の実施例は、図１に示される。区画構造モジュール１１１は、ダイシングまたはスクライブプロセスによって、３つの（または所望に応じて、それを上回る）区画に分離される。ここでは、区画構造モジュール１１１は、３つの区画、すなわち、緑色区画１１１ａと、赤色区画１１１ｂと、青色区画１１１ｃとを有する。これは、カラーホイールが３つの原色（ＲＧＢ）を達成することを可能にする。より豊かな色を得るために、シアン色、マゼンタ色、および黄色の区画が、追加され、かつ白色区画も追加され、デジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）と協調されるとき、さらなる明度を達成することができる。区画構造モジュール１１１は、図１Ｂに示されるように、モータ１１２に接合され、カラーホイール１１０を生産する。図１Ｂに見られるように、入射光１１３ａが、区画構造モジュール１１１を通して通過し、調整された光１１３ｂを生産する。

ＲＧＢカラーホイールのための典型的カラーフィルタスペクトルは、図２に示される。ここに見られるように、スペクトル全体にわたる透過率は、３つの色区画の組み合わせに起因して、非常に高い（１．０に近い）。

蛍光体ホイールは、異なる色の光を順次生成するために使用される。蛍光体等の光変換（または波長変換）材料が、蛍光体ホイール上で使用される。蛍光体ホイールは、通常、いくつかの扇形区画を有し、これは、異なるタイプの蛍光体を含有し、励起光を緑色、黄色、または赤色に変換する。典型的には、青色光レーザ（約４４０ｎｍ〜約４６０ｎｍの波長を有する）が、蛍光体ホイール上の蛍光体区画を励起させるために使用される。蛍光体ホイールはまた、１つ以上の間隙を有し、青色源光を未変換のまま通過させることができる。蛍光体ホイールは、２つの基本構造、すなわち、反射性および透過性を有する。

反射性蛍光体ホイールでは、青色光レーザの励起光は、蛍光体を刺激する前に、基板を通して通過しない。図３Ａおよび図３Ｂは、反射性蛍光体ホイールの典型的構造を示す。蛍光体粉末は、結合剤と混合され、概して、高度に反射性のフィルムによってコーティングされた金属基板（例えば、アルミニウム）である、基板３１２上に堆積される、蛍光体混合物を作製する。規定または所望の温度で硬化後、蛍光体層３１１は、基板に緊密に接合される。図３Ａに図示されるように、蛍光体層は、３つの区画、すなわち、緑色区画３１１ａと、赤色区画３１１ｂと、青色区画３１１ｃとを有し、ＲＧＢ光を達成する。これらの３つの区画は、円形（平面図から）基板３１２の周上に位置する。青色区画は、蛍光体粉末を含有せず（励起光は、典型的には、青色光であるため）、むしろ、代わりに、拡散板を含有することに留意されたい。これは、スペックルを低減させる。その上に赤色区画および緑色区画が位置する、基板３１２の部分は、高度に反射性である。その上に青色区画が位置する、基板の部分は、基板の残りと異なる材料から作製されるか、または基板を通してスロットを含むかのいずれかであって、異なる材料／スロットは、青色光が、反射される代わりに、ホイールを通して通過することを可能にする。図３Ｂに図示されるように、基板３１２は、次いで、モータ３１３に搭載され、蛍光体ホイール３１０を取得する。

図３Ｂに図示されるように、励起青色光３１４ａは、赤色および緑色の蛍光体３１１を刺激し、放出光３１４ｂは、基板３１２によって反射され、次いで、後続光学システムによって集光される。このように、励起光は、基板３１２を通して通過せず、蛍光体を刺激して、放出される光を取得する。赤色および緑色の放出される光は、基板３１２を通して通過しない。しかしながら、青色光は、基板（異なる非反射材料から作製される、またはスロットを含有する）を通して通過する。

赤色蛍光体は、比較的に低変換効率を有するため、時として、黄色蛍光体が、赤色蛍光体の代わりに使用され、赤色は、黄色スペクトルから抽出される。図４は、Ｒ／Ｇ／Ｙ蛍光体および青色レーザのための典型的色スペクトルを示す。ここに見られるように、青色レーザは、４４０ｎｍと４６０ｎｍとの間で急激に透過する。緑色（Ｇ）蛍光体は、左にあって、次いで、黄色（Ｙ）蛍光体は、中心にあって、赤色（Ｒ）蛍光体は、右にある。ＹおよびＲ蛍光体は、約６２２ｎｍから開始する有意な重複を有する。

第２のタイプの蛍光体ホイールは、透過性蛍光体ホイールである。透過性蛍光体ホイールでは、励起光は、蛍光体を刺激する前に、基板を通して通過する。図５Ａおよび図５Ｂは、典型的透過性蛍光体ホイール構造を示す。再び、蛍光体粉末が、結合剤と混合され、基板５１２上に堆積される蛍光体混合物を作製する。ここに図示されるように、蛍光体層５１１は、３つの区画、すなわち、緑色区画５１１ａと、赤色区画５１１ｂと、青色区画５１１ｃとを有する。但し、反射性基板の代わりに、透過性蛍光体ホイールでは、基板５１２全体が、青色ダイクロイックフィルムでコーティングされた透明基板である。概して、ガラスまたはサファイアが、基板材料として使用される。青色光は、基板を通して通過することができる一方、蛍光体によって放出される赤色、緑色、および黄色（ＲＧＹ）の光は、反射される。

図５Ｂに図示されるように、励起青色光５１４ａが、最初に、基板を通して通過し（すなわち、蛍光体ホイールの背面から透過され）、次いで、蛍光体５１１を刺激する。放出光５１４ｂは、後続光学システムによって集光される。

図６は、透過性蛍光体ホイールにおいて使用される基板の典型的スペクトルを示す。基板は、青色ダイクロイックフィルタとして作用し、青色光のみが透過される（すなわち、通過する）ことを可能にする。

図７は、反射性蛍光体ホイール（図５Ａ参照）および別個のカラーホイールの両方を使用するときに必要とされる、典型的光学経路を示す。青色レーザ発生器７３０が、青色ダイクロイックフィルタ７４０を通して通過する、青色レーザ光を生産する。励起青色光７９０ａは、反射性蛍光体ホイール７２０上の蛍光体を刺激する。赤色／緑色／黄色（ＲＧＹ）光７９０ｂが、反射性蛍光体ホイール７２０の基板の反射部分によって、青色ダイクロイックフィルタ７４０に向かって反射され、そこで、ミラー７５０に向かって反射される。ミラー７５０は、ＲＧＹ光を第２のダイクロイックフィルタ７６０に向かって再指向する。ダイクロイックフィルタ７６０は、ダイクロイックフィルタ７４０と比較して、逆スペクトルを有する。換言すると、青色光が、反射され、他の色が、透過される（すなわち、フィルタを通して通過する）。ＲＧＹ光は、参照番号７９０ｄによって示されるように、第２のダイクロイックフィルタ７６０を通して、かつ着色光を調整する、カラーホイール７１０を通して通過する。調整された色の光７９０ｅは、次いで、後続光学システム７８０によって集光される。青色放出光は、参照番号７９０ｃによって示されるように、蛍光体ホイールを通して通過する（基板の本部分のために使用される異なる材料またはスロットまたは基板内のスロットが、青色光が通過することを可能にするため）。青色光は、ミラー７７０によって、第２のダイクロイックフィルタ７６０に向かって再指向され、これは、次いで、青色光を光学システム７８０に向かって反射させる。

図８は、透過性蛍光体ホイールおよび別個のカラーホイールを使用する、典型的光学経路を示す。青色レーザ発生器８２０は、青色レーザ光８５０ａを生産し、これは、透過性蛍光体ホイール８３０の基板を通して通過し、それによって、蛍光体粉末を刺激し、ＲＧＹ放出光８５０ｂを生産する。ＲＧＹ放出光８５０ｂは、次いで、カラーホイール８１０を通して通過し、これは、光を調整する。調整された色の光８５０ｃは、次いで、後続光学システム８４０によって集光される。本システムは、図７のものよりはるかに単純であって、付加的ダイクロイックフィルタまたはミラーの必要がない。

サンドイッチ構造が、透過性蛍光体ホイールおよびカラーホイールを単一ホイールの中に統合するように作成されている。図９Ａおよび図９Ｂは、サンドイッチ構造を有する、組み合わせホイールを示す。本サンドイッチ構造では、図９Ｂに見られるように、蛍光体層９１１は、基板９１２とカラーフィルタ９１５との間に挟み込まれる。図９Ａに見られるように、蛍光体層は、３つの異なる色区画（Ｒ、Ｇ、Ｂ）を基板９１２の周上に伴って図示される。カラーフィルタは、蛍光体色に対応するカラーフィルタと同様に、３つの異なる区画９１５ａ、９１５ｂ、９１５ｃから成る。ここでは、例えば、赤色フィルタは、赤色蛍光体区画の上部にある。カラーフィルタは、次いで、モータ９１３に取り付けられる。

図９Ｂに戻って参照すると、励起青色光９１４ａが、基板９１２を通して通過し、蛍光体層９１１を刺激する。蛍光体からの放出光は、次いで、カラーフィルタ９１５を通して通過し、直ちに調整される。調整された色の光９１４ｂは、次いで、集光されることができる。

サンドイッチ構造のカラーフィルタおよび別個のカラーホイールは、概して、同一スペクトル需要を有する。そのわずかな差異は、入射角である。独立カラーホイールに関して、ＡＯＩは、小さく、概して、３０°未満であることができる。しかしながら、サンドイッチ構造では、ＡＯＩは、４５°を上回り、概して、６０°のＡＯＩを有するように設計される。これは、蛍光体の放出光がＬａｍｂｅｒｔｉａｎ分布（すなわち、Ｌａｍｂｅｒｔの余弦定理によって定義される）を有し、光エネルギーの８０％が＋／−６０°範囲内に集中することを意味するためである。可能な限り多くの放出光を集光するために、サンドイッチ構造のカラーフィルタの入射光のＡＯＩは、可能な限り大きくある必要がある（蛍光体とカラーフィルタとの間のより小さい距離に起因して）。

図１０は、サンドイッチ構造の組み合わせホイールを使用する、典型的光学経路を示す。本光学経路は、図８のものに非常に類似するが、別個のカラーホイールは、存在しない。ここでは、青色レーザ発生器１０２０が、サンドイッチ構造の組み合わせホイール１０１０を通して通過し、蛍光体粉末を刺激し、カラーフィルタを通して通過し、放出される光を調整する、４４０〜４６０ｎｍ青色レーザ光１０４０ａを生産する。調整された色の光１０４０ｂは、次いで、後続光学システム１０３０によって集光される。

透過性蛍光体ホイールは、より単純な光学経路を有し、より少量の光学部分を要求し、典型的には、より小さく、より軽量であって、かつより安価なパッケージにおいて生産可能である。しかしながら、透過性蛍光体ホイールは、より低い熱消散効率およびより低い明度（概して、プロジェクタ用途では、２０００ＡＮＳＩを上回らない）等の明確に異なる不利点を有する。したがって、透過性蛍光体ホイールのみとしては、反射性蛍光体ホイールの変換効率の約７０〜８０％を有し、それらを低性能ＳＳＩプロジェクタにおいてのみ有用にする。

反射性蛍光体ホイールは、概して、アルミニウムを基板材料として採用し、これは、高反射フィルムでコーティングされる。９５％を上回る放出光が、反射されている。アルミニウム基板は、高熱伝導性（２２０Ｗ／ｍ・ｋを上回る）を有するため、反射性蛍光体ホイールは、より良好な熱消散効率を有する。それらは、したがって、１０，０００ＡＮＳＩを達成することが可能な高性能ＳＳＩプロジェクタのために好適である。しかしながら、反射性蛍光体ホイールは、より多くの光学部分を要求し、典型的には、より大きいおよびより重いパッケージ内にのみフィットする、複雑な光学経路構造等の他の固有の欠陥を呈する。別個のカラーホイールもまた、プロジェクタ用途のために、必要な色調整を達成するために必要とされる。

本開示は、反射性蛍光体ホイールおよびカラーホイールを統合する、組み合わせホイールに関する。少なくとも３つの異なる実施形態が、図１１Ａ−１３Ｂに図示されるように、検討される。

図１１Ａおよび図１１Ｂは、二重基板構造を図示する。図１１Ａは、平面図であって、図１１Ｂは、側面断面図である。カラーフィルタ１１１５は、少なくとも３つの異なる色（ここでは、ＲＧＢ）に区画化される。図１１Ａに見られるように、３つの区画１１１５ａ、１１１５ｂ、１１１５ｃは、任意の中心角度を有することができる。ここでは、Ｇ区画１１１５ａは、１８０°の中心角度を有する一方、Ｒ区画１１１５ｂおよびＢ区画１１１５ｃはそれぞれ、９０°の中心角度を有する。Ｒ区画は、赤色光を通過させる、赤色ダイクロイックフィルタとして作用し、Ｇ区画は、緑色光を通過させる、緑色ダイクロイックフィルタとして作用し、Ｂ区画は、青色光を通過させる、青色ダイクロイックフィルタとして作用する（他の色は反射される）。

反射性基板１１１２は、カラーフィルタ１１１５と同軸方向に整合され、カラーフィルタの第１の表面１１１６上に位置する。反射性基板は、楔状部が除去されている、換言すると、３６０°未満の中心角度を有する、円筒形の形状である。図１１Ａに見られるように、反射性基板１１１２は、２７０°の中心角度を有する。２つの発光蛍光体区画１１１１ａ、１１１１ｂが、反射性基板の周（カラーフィルタの周と異なる）上に存在する。Ｇ蛍光体区画１１１１ａは、Ｇカラーフィルタ区画１１１５ａと半径方向に整合され、Ｒ蛍光体区画１１１１ｂは、Ｒカラーフィルタ区画１１１５ｂと半径方向に整合される。ここでは、反射性基板１１１２は、高度に反射性の金属（例えば、アルミニウム）または高反射フィルムがその上に形成される金属から形成される。反射性基板は、例えば、スタンピングまたはパンチングによって作製されることができる。カラーフィルタ１１１５の半径は、反射性基板１１１２の半径を上回ることに留意されたい。例えば、カラーフィルタの半径は、約２５ミリメートル（ｍｍ）であることができる一方、反射性基板の半径は、約１５ｍｍである。

拡散板区画１１１８は、カラーフィルタの第１の表面１１１６上で反射性基板１１１２に隣接して位置する。拡散板区画は、反射性基板から除去された楔状部を充填するように説明され得る。図１１Ａに見られるように、拡散板区画１１１８は、Ｂカラーフィルタ区画１１１５ｃと半径方向に整合される。拡散板１１１８は、例えば、ガラスまたはサファイアから作製されることができ、拡散板パターンは、エッチングおよび圧縮成型によって達成される。拡散板区画および反射性基板は、同一厚さであってもよい。カラーフィルタ１１１５、反射性基板１１１２、および拡散板区画１１１８は、次いで、モータ１１１３上に搭載される。

図１１Ｂに図示されるように、励起青色光１１１４ａが、蛍光体区画１１１１を刺激する。蛍光体からの放出光１１１４ｂは、反射性基板によって反射され、次いで、他の光学素子（図示せず）によって反射され、カラーフィルタ１１１５を通して通過する。調整された色の光１１１４ｃは、次いで、後続光学システムによって集光される。青色光が、拡散板区画１１１８を通して、次いで、他の光学素子によって反射されずに、直接、青色カラーフィルタ区画１１１５ｃを通して通過する。ここでは、青色光は、図７におけるように、蛍光体ホイールの周ではなく、組み合わせホイールの中心部分における反射性基板に照準されることに留意されたい。

図１１の実施形態は、二重基板構造を使用する。２つの基板は、カラーフィルタおよび反射性基板であって、反射性基板は、蛍光体粉末を搬送するために使用される。本構造は、より高いモータ荷重およびより複雑な配設につながる。概して、反射性基板は、カラーフィルタおよび拡散板区画と異なる材料から作製される。反射性基板は、金属／金属合金から作製されることができるが、また、セラミック、サファイア、または類似材料でもあり得る。拡散板およびカラーフィルタは、概して、ガラス材料であるが、また、セラミック、サファイア、または類似材料からも作製され得る。

図１２Ａおよび図１２Ｂは、単一基板構造を図示し、これは、二重基板構造に比較的に類似する。カラーフィルタ１２１５は、少なくとも３つの異なる色（ここでは、ＲＧＢ）に区画化される。図１２Ａに見られるように、３つの区画１２１５ａ、１２１５ｂ、１２１５ｃは、任意の中心角度を有することができる。ここでは、Ｇ区画１２１５ａは、１８０°の中心角度を有する一方、Ｒ区画１２１５ｂおよびＢ区画１２１５ｃはそれぞれ、９０°の中心角度を有する。

本単一基板構造では、付加的反射性基板が存在しない。代わりに、カラーフィルタの中心部分１２１７が、青色光のための色調整器として作用する。２つの発光蛍光体区画１２１１ａ、１２１１ｂが、次いで、中心部分１２１７上に存在する。高度に反射性の材料が、蛍光体区画の真下の中心部分上にコーティングされる。Ｇ蛍光体区画１２１１ａは、Ｇカラーフィルタ区画１２１５ａと半径方向に整合され、Ｒ蛍光体区画１２１１ｂは、Ｒカラーフィルタ区画１２１５ｂと半径方向に整合される。

拡散板区画１２１８は、カラーフィルタの第１の表面１２１６上に位置する。拡散板区画１２１８は、Ｂカラーフィルタ区画１２１５ｃと半径方向に整合される。

図１２Ｂに図示されるように、励起青色光１２１４ａが、蛍光体区画１２１１を刺激する。蛍光体からの放出光１２１４ｂは、高度に反射性の材料によって反射され、次いで、反射性の他の光学素子（図示せず）によって反射され、カラーフィルタ１２１５を通して通過する。調整された色の光１２１４ｃは、次いで、後続光学システムによって集光される。青色光が、拡散板区画１２１８を通して、次いで、他の光学素子によって反射されずに、直接、青色カラーフィルタ区画１２１５ｃを通して通過する。

厚さをさらに低減させるために、図１２Ａ−１２Ｂの単一基板実施形態は、図１３Ａおよび図１３Ｂに示されるように、修正されることができる。ここでは、拡散板区画１３１８は、全体的に、青色カラーフィルタ区画に取って代わり、これは、厚さを低減させる。図１３Ａ−１３Ｂのより薄い単一基板実施形態は、そうでなければ、図１２の単一基板実施形態と同じである。

カラーフィルタ１３１５は、少なくとも２つの異なる色（ここでは、ＲＧ）に区画化される。全体的カラーフィルタ１３１５は、３６０°未満の中心角度を有する（残りは、拡散板区画１３１８によって充填される）。図１３Ａに見られるように、Ｇ区画１３１５ａは、１８０°の中心角度を有する一方、Ｒ区画１３１５ｂは、９０°の中心角度を有する。

カラーフィルタの中心部分１３１７は、反射体として作用する。２つの発光蛍光体区画１３１１ａ、１３１１ｂが、次いで、中心部分１３１７上に存在する。高度に反射性の材料が、蛍光体区画の真下の中心部分上にコーティングされる。Ｇ蛍光体区画１３１１ａは、Ｇカラーフィルタ区画１３１５ａと半径方向に整合され、Ｒ蛍光体区画１３１１ｂは、Ｒカラーフィルタ区画１３１５ｂと半径方向に整合される。

拡散板区画１３１８は、カラーフィルタ１３１５に隣接して位置する。拡散板区画の半径は、カラーフィルタ１３１５の半径と等しい。青色光は、後続光学部分によって調整されるであろう。

図１３Ｂに図示されるように、励起青色光１３１４ａが、蛍光体区画１３１１を刺激する。蛍光体からの放出光１３１４ｂは、蛍光体区画とカラーフィルタとの間に位置する、高度に反射性の材料によって反射され、次いで、他の光学素子（図示せず）によって反射され、カラーフィルタ１３１５を通して通過する。調整された色の光１３１４ｃは、次いで、後続光学システムによって集光される。青色光は、拡散板区画１３１８を通して、次いで、他の光学素子によって反射されずに、直接、青色カラーフィルタ区画１３１５ｃを通して通過する。

図１４は、図１１Ａ−１１Ｂの二重基板構造を含む、適用される光学システムを通した光学経路を図示する。青色レーザ発生器１４２０が、第１の青色ダイクロイックフィルタ１４３０を通して通過する、４４０〜４６０ｎｍ青色レーザ光を生産する。青色ダイクロイックフィルタ１４３０は、青色光を通過させ、他の色を反射させる。第１の青色ダイクロイックフィルタ１４３０を通して通過後、青色光１４８０ａは、組み合わせホイール１４１０上の蛍光体を刺激する。ＲＧＹ放出光１４８０ｂが、組み合わせ蛍光体／カラーホイール１４１０の反射性基板によって第１の青色ダイクロイックフィルタに向かって反射される。ＲＧＹ光１４８０ｂ（すなわち、青色以外の色）は、ダイクロイックフィルタ１４３０によって反射され、再び、ミラー１４４０によって、組み合わせホイール１４１０のカラーフィルタに向かって再指向される。ＲＧＹ光は、組み合わせホイール１４１０によって調整される。調整された色の光は、次いで、第２のダイクロイックフィルタ１４５０を通して通過する。ダイクロイックフィルタ１４５０は、ダイクロイックフィルタ１４４０と比較して、逆スペクトルを有する、言い換えると、他の色（例えば、ＲＧＹ）の光を通過させ、青色光を反射させる。ＲＧＹ光は、第２のダイクロイックフィルタ１４５０を通して通過する。調整されたＲＧＹ光１４８０ｄは、次いで、後続光学システム１４７０によって集光される。組み合わせホイール１４１０の拡散板および青色ダイクロイックカラーフィルタ区画を通して通過した青色光１４８０ｃは、第２のミラー１４６０によって、第２のダイクロイックフィルタ１４５０に向かって再指向され、これは、青色光を光学システム１４７０に反射させる。

図１２Ａ−１２Ｂおよび図１３Ａ−１３Ｂの組み合わせホイールを使用する、適用される光学システムを通した光学経路は、図１４に描写されるものに実質的に類似するであろう。しかしながら、図１３Ａ−１３Ｂの組み合わせホイールに関して、青色光は、後続光学部分によって、調整され、例えば、ダイクロイックフィルムコーティングによって、調整された青色光を取得し得る。

図１４では、光学システム１４７０は、ＲＧＹ光１４８０ｂと整合される。光学システム１４７０は、代わりに、図１５に図示されるように、青色光１４８０ａと整合され得る。また、図１５では、図１３Ａの組み合わせホイール１４１３が、代わりに使用される。組み合わせホイール１４１３を用いることで、青色光１４８０ａは、拡散板区画を通して通過し、調整されないままである。調整されない青色光１４８０ｃは、青色カラーフィルタ１４９０を通して通過し、調整された青色光１４８０ｅは、次いで、第２の青色ダイクロイックフィルタ１４６０を通して通過し、これは、調整された青色光を光学システム１４７０に通過させる。蛍光体によって放出されるＲＧＹ光１４８０ｂは、第１の青色ダイクロイックフィルタ１４３０によって反射され、次いで、第１のミラー１４４０によって再指向され、カラーフィルタを通して通過し、調整された他の色（例えば、ＲＧＹ）の光１４８０ｄになる。調整された他の色の光は、次いで、第２のミラー１４５０によって、第２の青色ダイクロイックフィルタ１４６０に再指向され、これは、調整された他の色の光１４８０ｄを光学システム１４７０に向かって反射させる。

これらの組み合わせ蛍光体／カラーホイールは、励起光を青色光から別の色に変換するために使用される。例えば、組み合わせ蛍光体／カラーホイールは、特に、レーザ投影ディスプレイシステムにおいて、青色光を黄色光または緑色光に変換してもよい。

本開示は、好ましい実施形態を参照して説明された。修正および改変が、前述の詳細な説明の熟読および理解に応じて他者に想起されるであろう。本開示は、それらが添付される請求項またはその均等物の範囲内に該当する限りにおいて、全てのそのような修正および改変を含むものとして解釈されることが意図される。

Claims (20)

1. 組み合わせホイールであって、
   少なくとも３つの異なる色に区画化されたカラーフィルタと、
   反射性基板であって、前記反射性基板は、前記カラーフィルタの第１の表面上で前記カラーフィルタと同軸方向に整合され、３６０°未満の中心角度を有する、反射性基板と、
   前記反射性基板の第１の扇状部上に堆積される第１の発光蛍光体区画と、
   前記反射性基板の第２の扇状部上に堆積される第２の発光蛍光体区画と、
   前記カラーフィルタの第１の表面上で前記反射性基板に隣接して位置する拡散板区画と
   を備える、組み合わせホイール。
2. 前記第１の発光蛍光体区画は、緑色発光蛍光体を含み、前記第２の発光蛍光体区画は、赤色または黄色発光蛍光体を含む、請求項１に記載の組み合わせホイール。
3. 前記第１の発光蛍光体区画は、前記カラーフィルタの緑色区画と半径方向に整合され、前記第２の発光蛍光体区画は、前記カラーフィルタの赤色または黄色区画と半径方向に整合され、前記拡散板区画は、前記カラーフィルタの青色区画と半径方向に整合される、請求項２に記載の組み合わせホイール。
4. 前記反射性基板は、高反射率コーティングである、請求項１に記載の組み合わせホイール。
5. 前記反射性基板は、反射金属である、請求項１に記載の組み合わせホイール。
6. 前記反射性基板は、アルミニウムまたはアルミニウム合金から成る、請求項５に記載の組み合わせホイール。
7. 前記カラーフィルタは、ガラス基板を備える、請求項１に記載の組み合わせホイール。
8. モータに結合されるハブをさらに備え、前記カラーフィルタは、前記ハブに結合される、請求項１に記載の組み合わせホイール。
9. 装置であって、
   請求項１に記載の組み合わせホイールと、
   青色レーザ発生器であって、前記青色レーザ発生器は、（Ａ）励起青色光を生産し、（Ｂ）前記反射性基板および前記拡散板区画と整合される、青色レーザ発生器と、
   前記青色レーザ発生器と前記組み合わせホイールとの間に位置する第１のダイクロイックフィルタであって、青色光は、前記第１のダイクロイックフィルタを通して通過し、他の色の光は、前記第１のダイクロイックフィルタによって反射される、第１のダイクロイックフィルタと、
   第１のミラーであって、前記第１のミラーは、前記他の色の光が、前記組み合わせホイールのカラーフィルタを通して通過し、調整された他の色の光を生産するように調整されるように、前記第１のダイクロイックフィルタからの前記他の色の光を前記組み合わせホイールのカラーフィルタに向かって再指向するように位置する、第１のミラーと、
   前記調整された他の色の光を受光するように整合される光学システムと
   を備える、装置。
10. 前記組み合わせホイールと前記光学システムとの間に位置する第２のダイクロイックフィルタであって、前記調整された他の色の光は、前記第２のダイクロイックフィルタを通して通過し、青色光は、前記第２のダイクロイックフィルタによって反射される、第２のダイクロイックフィルタと、
    第２のミラーであって、前記第２のミラーは、前記青色光が、再び、前記第２のダイクロイックフィルタによって前記光学システムに向かって反射されるように、前記組み合わせホイールの拡散板区画を通して通過する青色光を前記第２のダイクロイックフィルタに向かって再指向するように位置する、第２のミラーと
    をさらに備える、請求項９に記載の装置。
11. 前記組み合わせホイールと前記光学システムとの間に位置する第２のダイクロイックフィルタであって、青色光は、前記第２のダイクロイックフィルタを通して通過し、他の色の光は、前記第２のダイクロイックフィルタによって反射される、第２のダイクロイックフィルタと、
    第２のミラーであって、前記第２のミラーは、前記調整された他の色の光が、再び、前記第２のダイクロイックフィルタによって前記光学システムに向かって反射されるように、前記調整された他の色の光を前記第２のダイクロイックフィルタに向かって再指向するように位置する、第２のミラーと
    をさらに備える、請求項９に記載の装置。
12. 組み合わせホイールであって、
    カラーフィルタであって、前記カラーフィルタは、少なくとも２つの異なる色に区画化され、３６０°未満の中心角度を有する、カラーフィルタと、
    前記カラーフィルタの第１の表面上で前記カラーフィルタと同軸方向に整合される反射性基板と、
    前記反射性基板の第１の扇状部上に堆積される第１の発光蛍光体区画と、
    前記反射性基板の第２の扇状部上に堆積される第２の発光蛍光体区画と、
    拡散板区画であって、前記拡散板区画は、前記カラーフィルタに隣接して位置し、前記カラーフィルタの半径と等しい半径を有する、拡散板区画と
    を備える、組み合わせホイール。
13. 前記第１の発光蛍光体区画は、緑色発光蛍光体を含み、前記第２の発光蛍光体区画は、赤色または黄色発光蛍光体を含む、請求項１２に記載の組み合わせホイール。
14. 前記第１の発光蛍光体区画は、前記カラーフィルタの緑色区画と半径方向に整合され、前記第２の発光蛍光体区画は、前記カラーフィルタの赤色または黄色区画と半径方向に整合される、請求項１３に記載の組み合わせホイール。
15. 前記反射性基板は、高反射率コーティングである、請求項１２に記載の組み合わせホイール。
16. 前記カラーフィルタは、緑色区画および赤色または黄色区画に区画化される、請求項１２に記載の組み合わせホイール。
17. 前記カラーフィルタは、ガラス基板を備える、請求項１２に記載の組み合わせホイール。
18. 装置であって、
    請求項１２に記載の組み合わせホイールと、
    青色レーザ発生器であって、前記青色レーザ発生器は、（Ａ）励起青色光を生産し、（Ｂ）前記反射性基板および前記拡散板区画と整合される、青色レーザ発生器と、
    前記青色レーザ発生器と前記組み合わせホイールとの間に位置する第１のダイクロイックフィルタであって、青色光は、前記第１のダイクロイックフィルタを通して通過し、他の色の光は、前記第１のダイクロイックフィルタによって反射される、第１のダイクロイックフィルタと、
    第１のミラーであって、前記第１のミラーは、前記他の色の光が、前記組み合わせホイールのカラーフィルタを通して通過し、調整された他の色の光を生産するように調整されるように、前記第１のダイクロイックフィルタからの前記他の色の光を前記組み合わせホイールのカラーフィルタに向かって再指向するように位置する、第１のミラーと、
    前記調整された他の色の光を受光するように整合される光学システムと
    を備える、装置。
19. 前記励起青色光を調整し、調整された青色光を生産するための青色カラーフィルタをさらに備える、請求項１８に記載の装置。
20. 前記組み合わせホイールと前記光学システムとの間に位置する第２のダイクロイックフィルタと、
    第２のミラーと
    をさらに備え、
    前記第２のダイクロイックフィルタおよび前記第２のミラーは、前記調整された他の色の光および前記調整された青色光が前記光学システムに向かって指向されるように構成される、請求項１９に記載の装置。