JP6392590B2

JP6392590B2 - 蛍光体ホイールおよび照明光学系

Info

Publication number: JP6392590B2
Application number: JP2014178674A
Authority: JP
Inventors: 古賀　律生; 律生古賀
Original assignee: Zero Lab Co Ltd
Current assignee: Zero Lab Co Ltd
Priority date: 2014-09-03
Filing date: 2014-09-03
Publication date: 2018-09-19
Anticipated expiration: 2034-09-03
Also published as: JP2016053608A

Description

本発明は、青色帯域のレーザ光を他の帯域のレーザ光に変換する蛍光体層を有する蛍光体ホイールに関し、特に蛍光体ホイールの冷却構造に関する。

プロジェクタ等の光源ユニットに、青色レーザ発光器を利用したのが知られている（特許文献１）。この光源ユニットは、青色レーザ発光器と、蛍光体ホイールと、複数の反射ミラーやダイクロイックミラーとを備えて構成される。蛍光体ホイールは、モータによって回転される円板形状を有し、蛍光体ホイールには、青色帯域の光を透過する透過部、および青色帯域の光を赤色帯域および緑色帯域の光を発する蛍光体層がそれぞれ形成されている。

特許第４７１１１５４号公報

青色帯域のレーザ光がレンズによって非常に小さなスポット径に集光され、これが蛍光体層に照射されると、レーザ光が照射される面は約１００℃以上の熱を帯びる。このような高温環境では、蛍光体層の熱損傷または熱劣化が促進され、寿命が短くなってしまう。それ故、蛍光体ホイールの効率的な冷却方法が望まれる。

本発明は、このような従来の課題を解決するものであり、効率のよい冷却構造を備えた蛍光体ホイールを提供することを目的とする。

本発明に係る回転体は、円周方向に少なくとも第１の波長の光を第２の波長の光に変換する蛍光体領域形成された第１の面と、当該第１の面に対向する第２の面とを有し、前記蛍光体領域よりも内側の前記第１の面上に、回転中心から外縁方向に向けて風を生じさせるような複数の第１の突起物が形成される回転体。

好ましくは前記第１の突起物は、前記回転体の中心に同心円上に形成される。好ましくは前記第２の面に、回転中心から外縁方向に向けて風を生じさせるような複数の第２の突起物が形成される。好ましくは前記第２の突起物は、前記蛍光体領域と対向する位置に形成される。好ましくは前記第２の突起物は、前記回転体の外縁を越えて形成される。好ましくは前記回転体は、薄板状の環状の第１のカバーを有し、第１のカバーと第１の面との間に第１の突起物が介在される。好ましくは前記回転体は、薄板状の環状の第２のカバーを有し、第２のカバーと第２の面との間に第２の突起物が介在される。好ましくは前記第１および第２の突起物は、前記回転体と一体に形成される。好ましくは前記第１および第２の突起物は、熱伝導性の高い金属から構成される。

さらに本発明に係る照明光学系は、上記構成の回転体と、前記回転体を回転させる駆動手段と、第１の波長の光を発する光源と、前記光源から発せられた第１の波長の光を、前記回転体の第１の面上に集光させる第１の光学系と、前記回転体の第１の面上から反射された第１の波長の光および第２の波長の光を集光する第２の光学系とを有する。

本発明によれば、蛍光体領域が形成された面と同一の面上に複数の翼状の第１の突起物を形成することで、第１の面上の表面積を大きくし、第１の突起物を介しての放熱特性を向上させることができる。さらに回転体が回転したとき、第１の突起物による送風効果により、第１の突起物がない場合と比較して、第１の面上の蛍光体領域を効果的に冷却することができる。さらに、第２の面上であって、蛍光体領域と対向する位置に第２の突起物を形成することで、第２の面上の表面積を大きくし、第２の突起物を介しての放熱特性を向上させることができる。さらに回転体が回転したとき、第２の突起物による送風効果により、第２の突起物がない場合と比較して、第２の面上の蛍光体領域を効果的に冷却することができる。これにより、蛍光体領域の寿命を長くすることができる。

本発明の実施例に係る光学照明系を例示する図である。本発明の実施例に係るアレイ光源の一構成例を示す概略断面図である。図３（Ａ）は、本発明の第１の実施例に係る蛍光体ホイールの平面図であり、図３（Ｂ）は、本発明の第１の実施例に係る蛍光体ホイールの側面図である。本発明の実施例に係る蛍光体ホイールのレーザ光の照射領域を示す図である。本発明の第１の実施例に係る蛍光体ホイールの回転運動に伴う空気の対流を示す図である。本発明の第２の実施例に係る蛍光体ホイールの裏面を示す図である。本発明の第３の実施例に係る蛍光体ホイールの裏面を示す図である。図８（Ａ）は、本発明の第４の実施例に係る蛍光体ホイールの側面図であり、図８（Ｂ）は、本発明の第４の実施例に係る蛍光体ホイールのへ平面図である。蛍光体ホイールに裏面に突起物およびカバーが取付けられた例を示す概略側面図である。本発明の第５の実施例に係る蛍光体ホイールの側面図である。本発明の第５の実施例に係る蛍光体ホイールに被せるカバーを示す上面図である。

次に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。本発明の好ましい態様では、照明光学系には、波長が短い青色光を発する半導体発光素子として、青色レーザ素子または青色発光ダイオードをアレイ化したアレイ光源が利用される。照明光学系は、青色帯域の光を利用し、それよりも波長の長い赤色帯域、緑色帯域、あるいは黄色帯域等の光を発生させるために、光軸がシフトされたシフト光学系、および波長変換のための蛍光体領域が形成された回転体を用いる。なお、図面のスケールは、発明の特徴を分かり易くするために強調しており、必ずしも実際のデバイスとスケールと同一ではないことに留意すべきである。

本実施例の照明光学系１０は、図１に示すように、励起光としての青色帯域のレーザ光Ｌｂ１、Ｌｂ２を出射する２つのアレイ光源２０Ａ、２０Ｂ（総称してアレイ光源２０と言うことがある）と、アレイ光源２０からの出射光を略直角に反射させるミラーＭ１およびＭ２と、アレイ光源２０からのレーザ光Ｌｂ１、Ｌｂ２をそれぞれ集光するレンズＬ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４と、円板状の蛍光体ホイール３０と、蛍光体ホイール３０を回転させるモータＭＴ１と、蛍光体ホイール３０からの反射光を集光するレンズＬ５と、特定の波長の光を透過させるカラーホイール４０と、カラーホイール４０を回転させるモータＭＴ２と、レンズＬ５によって集光された光を透過するライトトンネルＬＴと、ライトトンネルＬＴからの光を空間変調デバイス、例えば、デジタルミラーデバイスに投射する投射レンズ５０を含んで構成される。

アレイ光源２０は、青色帯域のレーザ光を出射する半導体レーザ素子（または青色発光ダイオード）をアレイ状に複数含んで構成される。複数の半導体レーザ素子は、一次元または二次元に配列され、複数の半導体レーザ素子を同時に駆動することで、各半導体レーザ素子から一斉にレーザ光が出射される。なお、本実施例では、２つのアレイ光源２０Ａ、２０Ｂを備える照明光学系１０を例示するが、これは一例であり、単一のアレイ光源であってもよい。

図２は、アレイ光源２０Ａの一構成例を示す概略断面図である。同図に示すように、複数の半導体レーザ素子を搭載する基板は、熱伝導性の高い金属材料、例えばアルミニウムのような材料によって構成された支持部材２２によって支持される。また、支持部材２２の表面には、各半導体レーザ素子から出射されたレーザ光をそれぞれコリメートするレンズ２４が取り付けられる。さらに、支持部材２２と対向する側には、反射ミラー２６が配置され、反射ミラー２６は、各半導体レーザ素子から出射された青色帯域の光を一定方向に反射し、レーザ光線束Ｌｂ１を生成する。アレイ光源２０Ｂは、アレイ光源２０Ａと同様に構成され、アレイ光源２０Ｂからはレーザ光線束Ｌｂ２が出射される。

ミラーＭ１およびＭ２は、Ｌｂ１およびＬｂ２のレーザ光に対してほぼ４５度の角度になるように設置される。ミラーＭ１およびＭ２は全ての波長を反射する全反射ミラーや、少なくとも青色のレーザ光を反射するダイクロイックミラーであってもよい。好ましくは、ミラーＭ１およびＭ２は、蛍光体ホイール３０から反射される光を遮らない位置に配置される。

レンズＬ１〜Ｌ４は、例えば平凸レンズから構成され、アレイ光源２０から出射されたレーザ光線束Ｌｂ１およびＬｂ２を蛍光体ホイール３０に集光する。蛍光体ホイール３０は、後述するが、蛍光体ホイール３０の表面上（集光側）には、青色のレーザ光を照射すると特定の光を発光する蛍光体層が形成されており、蛍光体層は、レーザ光によって励起され、波長の異なる光を発生させる。

レンズＬ５は、例えば平凸レンズから構成され、蛍光体ホイール３０から反射されたレーザ光を、カラーホイール４０上に集光する。カラーホイール４０は、特定の波長の光を透過させるカラーフィルターを有し、蛍光体ホイール３０によって順次生成される波長の光を透過する。より具体的には、蛍光体ホイール３０が、赤、緑、青の波長の光を発する場合、カラーホイール４０は、赤、緑、青の波長の光を透過し、あるいは、蛍光体ホイール３０が、黄色、青色の光を発する場合、カラーホイールは、赤、緑、青の波長の光を透過する。それ故、カラーホイール４０の回転は、蛍光体ホイール３０と同期するように制御される。こうして、ライトトンネルＬＴには、順次、赤、緑、青の波長の光が入射され、ライトトンネルＬＴからは光強度が均一化された波長の光が出射され、これが投影レンズ５０に入射される。投影レンズ５０は、レーザ光をＤＭＤ上に投影する。

次に、第１の実施例の蛍光体ホイールの詳細について説明する。図３（Ａ）は、第１の実施例の蛍光体ホイールの概略平面図、図３（Ｂ）は、蛍光体ホイールの概略側面図である。第１の実施例に係る蛍光体ホイール１００は、青色帯域のレーザ光を黄色帯域のレーザ光に変換し反射させる蛍光体領域１１０、青色帯域のレーザ光をそのまま反射する反射領域１２０、蛍光体ホイール１００の回転運動によって空気の送風を発生させる突起物１３０、円板状の基板１４０を含んで構成される。

基板１４０は、例えば、導電性の良い金属材料、例えば、アルミニウムや銅から構成されるが、それ以外の金属であってもよい。あるいは、基板１４０は、ガラス等の材料から構成され、その表面に金属層が形成されるような構成であってもよい。基板１４０は、青色帯域のレーザ光線束Ｌｂ１、Ｌｂ２を反射し、かつ蛍光体領域１１０で発生された蛍光色を反射する。

基板１４０の外周には、蛍光体領域１１０と反射領域１２０とが、一定の半径方向の幅で形成される。蛍光体領域１１０は、レーザ光によって励起され、青色の光を、他の波長の光に変換する。図３に示す例では、蛍光体領域１１０は、青色帯域の光を、黄色帯域の光に変換するが、これに限らず、蛍光体領域１１０は、赤色を発する蛍光体領域、緑色帯域の光を発する蛍光体領域を含むものであってもよい。反射領域１２０は、青色帯域の光をそのまま反射する。こうして、青色帯域のレーザ光を、回転する蛍光体ホイール上を光学的に走査させることで、蛍光体ホイール１００から青色帯域のレーザ光と、黄色帯域のレーザ光とを取り出すことができる。

突起物１３０は、回転中心から外縁に向かう風を発生させることができるような角度および形状を有していれば、どのような形態であってもよい。例えば、突起物１３０は、半径方向に延びる細長い直線状の突起、あるいは半径方向に延在する面が湾曲した曲面を有する突起、細長い三日月状、円弧状、あるいは羽根状などの立体形状であることができる。このような突起物１３０は、蛍光体領域１１０および反射領域１２０と同一面上に、かつそれらの領域よりも半径方向に内側の位置に複数形成される。なお便宜上、図３（Ｂ）の側面図には、蛍光体領域１１０および突起物１３０を誇張するため斜線で表している。突起物１３０は、基板表面の表面積を増加させることで、基板表面からの放熱特性を向上させる。さらに、突起物１３０は、蛍光体ホイール１００の回転中心と同心円状に、かつ中心から半径方向に配列されることで、蛍光体ホイール１００が回転するとき、回転中心から外縁に向かう空気の流れを発生させ、この送風効果により蛍光体領域１００が冷却される。突起物１３０の数、高さ、間隔等は、蛍光体ホイールの仕様等に応じて最適化される。突起物１３０は、それ自身の放熱特性を良好にするため、熱伝導性の高い金属材料、例えば、アルミニウムや銅などから構成されるが、さらに好ましくは、突起物１３０は、基板１４０と一体形成されることで、基板１４０からの熱伝導性を高め、冷却効率をさらに改善させることができる。

次に、青色帯域のレーザ光が蛍光体ホイール１００を照射したときの熱損傷について、図４を用いて説明する。点Ｐは、青色帯域レーザ光が集光されるスポットを示している。スポット径は、光学系の効率を考慮すると、通常は２ｍｍφ以下に調整され、この大きさは、蛍光体領域１１０の半径方向の幅よりも幾分だけ小さくなる。蛍光体ホイール１００がモータＭＴによって回転されている間、蛍光体領域１１０の領域１１２が照射される。例えば、アレイ光源２０Ａおよび２０Ｂが、それぞれ６０Ｗ程度のレーザ光Ｌｂ１、Ｌｂ２を出力するとき、照射領域１１２の温度は、おおよそ１００℃以上にまで上昇する。

図５に示すように、蛍光体ホイール１００が左回転されるとき、蛍光体ホイール１００の表面に形成された円弧状の突起物１３０によって、空気が中心部分から外縁方向に、Ｗ１〜Ｗ５のように流れ出す。回転によって強制的に対流された空気が照射領域１１２を通過し、蛍光体領域１１０を冷却する。同時に、蛍光体領域１１０で発生された熱が、基板１４０を介して突起物１３０に熱伝導し、これが突起物１３０から放熱される。こうして、蛍光体領域１１０が冷却される。

次に、本発明の第２の実施例について図６を用いて説明する。第２の実施例に係る蛍光体ホイール１００Ａは、第１の実施例と同様の構成を有し、加えて蛍光体ホイール１００の裏面に第２の突起物１３２を有している。図６は、第２の実施例に係る蛍光体ホイール１００の裏面を示している。なお、以下の説明において、第１の実施例と同様の構成については説明を割愛する。

蛍光体ホイール１００Ａの裏面には、同心円状にかつ円周方向に複数の円弧状の突起物１３２が形成される。円弧状の突起物１３２は、突起物１３０と同一または類似した形状で形成される。蛍光体ホイール１００の裏面には、蛍光体領域等が存在しないため、蛍光体領域１００にとって最も冷却効率が優れた位置に突起物１３２を形成することが可能である。好ましくは、突起物１３２は、蛍光体領域１００と対向する位置に形成され、これにより、蛍光体領域１００で発生した熱が、基板１４０を介して突起物１３２に熱伝導される。熱伝導される距離が短いので、より効率良く、蛍光体領域１００の熱が突起物１３２を介して放熱される。突起物１３２は、突起物１３０と同様に熱伝導性の高い材料から構成され、より好ましくは、基板と一体に形成される。また、第１の実施例のときと同様に、回転によって基板の裏面に空気の送風効果Ｗ１ないしＷ５が発生し、これにより、蛍光体領域１１０が裏面側から冷却される。さらに好ましくは、突起物１３２は、突起物１３０（表面に形成されているため点線で記載）が形成される位置と交互になるような位置に形成される。このような構成とすることにより、ムラなく、円周の蛍光体領域１１０を冷却することができる。

次に、本発明の第３の実施例について図７を用いて説明する。図７は、第３の実施例に係る蛍光体ホイール１００Ｂを示す。第３の実施例に係る蛍光体ホイール１００Ｂは、第２の実施例に係る蛍光体ホイール１００Ａの変形例であり、突起物１３２が、蛍光体ホイール１００の基板１４０の外縁を超えるようにその一部が突出している。突起物１３２の一部を基板から突出させることで、突出した部分の冷却効率が大きくなり、突起物１３２の放熱効果がさらに上昇し、第２の実施例と比べて、蛍光体領域１００のより効率的な冷却が可能となる。

次に、本発明の第４の実施例について図８を用いて説明する。図８（Ａ）は、第４の実施例に係る蛍光体ホイール１００Ｃの側面図であり、図８（Ｂ）は、第４の実施例に係る蛍光体ホイール１００Ｃの平面図である。第４の実施例に係る蛍光体ホイール１００は、第１の実施例の蛍光体ホイール１００の突起物１３０を覆う薄板状のカバー１５０を備えたものである。カバー１５０は、中心部に円形状の貫通孔が形成された環状の部材であり、カバー１５０の半径方向の長さは、突起物１３０の半径方向の長さに実質的に等しい。つまり、突起物１３０の全体がカバー１５０によって覆われている。カバー１５０を備えることにより、突起物１３０による風切り音を低減することができる。さらにカバー１５０の中心部に貫通孔が形成されているため、突起物１３０により空気が外周に排気されることに応じて、空気が貫通孔から内部に取り込み易くなり、さらに突起物１３０に沿って発生する風が乱流を生じさせなくなり、効率的な冷却が可能となる。

また、第２の実施例および第３の実施例で示す裏面の突起物１３２を同様のカバーで覆った蛍光体ホイールを図８Ａに示す。

次に、本発明に係る第５の実施例について図９を用いて説明する。第５の実施例は、第４の実施例の変形例であり、薄板状のカバー１５０Ａを円形の基板１４０の直径Ｌとほぼ同程度の直径で形成し、カバー１５０Ａが蛍光体領域１１０を覆う構造を特徴としている。このカバー１５０Ａは、特定の波長の光を透過ないし反射するようにカラーフィルターが円周方向に形成され、図１に示すカラーホイール４０の役割を兼ねている。図１０は、カバー１５０Ａの上面図である。同図に示すように、カバー１５０Ａは、赤色帯域の光を透過するフィルター領域１５４Ｒと、緑色帯域の光を透過するフィルター領域１５４Ｇと、青色帯域の光を透過するフィルター領域１５０Ｂとを有する。フィルター領域１５４Ｒ、１５４Ｇは、蛍光体領域１１０に対応し、フィルター領域１５４Ｂは、反射領域１２０に対応する。このような構成により、反射領域１２０で反射された青色帯域の光がフィルター領域１５４Ｂを透過し、蛍光体領域１１０で発光された黄色帯域の光がフィルター領域１５４Ｒ、１５４Ｇによって赤色および緑色の光が透過される。本例の場合、図１に示すカラーホイール４０およびモータＭＴ２は不要である。これにより、照明光学系をより小型化、軽量化することができる。なお、青色帯域のレーザ光は、シフト光学系によりカラーフィルタの障害とならないように斜め方向から蛍光体領域に入射されてもよいし、カラーフィルターを青色帯域が入射可能なダイクロイック機能を持たせるようにしてもよい。

以上、本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は、特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。なお、上記第１ないし第５の実施例に個別の蛍光体ホイールを例示したが、本発明は、第１ないし第５の実施例を適宜組み合わせた蛍光体ホイールから構成され得ることは勿論である。

１０：照明光学系２０：アレイ光源
２２：支持部材２４：レンズ
２６：反射ミラー３０：蛍光体ホイール
４０：カラーホイール５０：映写レンズ
１００：蛍光体ホイール１１０：蛍光体領域
１１２：照射領域１２０：反射領域
１３０：突起物１３２：突起物
１４０：基板１５０：カバー
１５２、１５４、１５６：領域

Claims

円周方向に少なくとも第１の波長の光を第２の波長の光に変換する蛍光体領域形成された第１の面と、当該第１の面に対向する第２の面とを有する基板と、
前記蛍光体領域よりも内側の前記第１の面上に形成され、回転中心から外縁方向に向けて風を生じさせるような複数の第１の突起物と、
第１の突起物を覆う薄板状の環状の第１のカバーと、
前記第１のカバーと第１の面との間に第１の突起物が介在され、かつ第１のカバーの外縁と前記第１の面との間に第１の突起物が露出され、
第１のカバーの中心部の貫通孔から内部に取り込まれた空気が第１の突起物に沿って第１のカバーの外縁と前記第１の面との間から排気され、かつ前記蛍光体領域を通過して前記基板の外周に排気される、回転体。
回転体はさらに、
前記第２の面上に形成され、回転中心から外縁方向に向けて風を生じさせるような複数の第２の突起物と、
前記第２の突起物を覆う薄板状の環状の第２のカバーとを有し、
前記第２のカバーと第２の面との間に第２の突起物が介在される、請求項１に記載の回転体。
前記第２の突起物は、前記蛍光体領域と対向する位置に形成される、請求項２に記載の回転体。
円周方向に少なくとも第１の波長の光を第２の波長の光に変換する蛍光体領域形成された第１の面と、当該第１の面に対向する第２の面とを有する基板と、
前記第２の面上に形成され、回転中心から外縁方向に向けて風を生じさせるような複数の第２の突起物と、
前記第２の突起物を覆う薄板状の環状の第２のカバーとを有し、
前記第２のカバーと第２の面との間に第２の突起物が介在され、
前記第２の突起物は、前記回転体の外縁を越えて形成される、回転体。
前記第１の突起物または前記第２の突起物は、前記基板と一体形成される、請求項１ないし４いずれか１つに記載の回転体。
請求項１ないし５いずれか１つに記載の回転体と、
前記回転体を回転させる駆動手段と、
第１の波長の光を発する光源と、
前記光源から発せられた第１の波長の光を、前記回転体の第１の面上に集光させる第１の光学系と、
前記回転体の第１の面上から反射された第１の波長の光および第２の波長の光を集光する第２の光学系と、
を有する照明光学系。