JP7212699B2 - レーザ励起による高効率及び均一な白色光生成装置 - Google Patents

Description

以下は、照明技術、蛍光体ホイール技術、光干渉フィルター製造技術、及び、関連技術に関する。

青色ＬＥＤ又はレーザダイオードによって励起される異なる色の蛍光体を用いた白色光の生成が知られている。

ほとんどのデジタルライトプロジェクション（Digital Light Projection：DLP）プロジェクタでは、蛍光体ホイールは、第２光源として動作し、青色レーザダイオードによって励起され、蛍光体ホイールが回転すると、緑色、黄色、及び、赤色の光を迅速な時系列で生成する。これらの様々な色の照明は、青色光と組み合わさり、ＤＬＰプロジェクションシステムのために白色光を生成する。ほとんどの蛍光体ホイールは、反射型であり、いくつかの色セグメントを有する。これらの異なる色の光を組み合わせるために、対応する光路及び色混合ハードウェアが提供される。

いくつかの改良が本明細書に開示される。

開示された一面では、蛍光体ホイールは、円板状基板と、円板状基板に配置された環状発光層を備える蛍光体リングと、を備える。環状発光層は、バインダーに配置された光散乱材料及び蛍光体を備える。いくつかの実施形態では、光散乱材料は、バインダーに配置された光散乱粒子を備える。いくつかの実施形態では、光散乱粒子は、０．１～５０ミクロンの範囲のサイズを有する。いくつかの実施形態では、光散乱粒子は、９２％以上の反射率を有する。いくつかの実施形態では、光散乱粒子は、酸化アルミニウム粒子、チタニア粒子、酸化マグネシウム粒子、ボラゾン粒子、窒化アルミニウム粒子、又は、アルミン酸塩粒子のうちの１つ以上を備える。いくつかの実施形態では、環状発光層は、環状発光層の環状体の周りに組成が均一である、バインダーに配置された光散乱材料及び蛍光体を備える。いくつかの実施形態では、蛍光体ホイールは、円板状基板を回転させるように動作可能に接続されたモータを更に有する。これらの様々な実施形態は、様々に組み合わせることができる。

開示された別の面では、白色光源は、直前の段落に記載された蛍光体ホイールと、青色光で蛍光体リングを照明するように配置された青色光源と、を備える。白色光源は、青色光によって照明された蛍光体からの変換蛍光体発光と光散乱材料によって散乱された未変換散乱青色光とを備える白色光を出力する。いくつかの実施形態では、未変換散乱青色光は、変換蛍光体発光の空間分布に一致する空間分布を有する。いくつかの実施形態では、未変換散乱青色光は、拡散反射面空間分布を有し、変換蛍光体発光は、拡散反射面空間分布を有する。いくつかの実施形態では、青色光は、４００ｎｍ～５００ｎｍの波長範囲を有する。いくつかの実施形態では、変換蛍光体発光は黄色光を備える。いくつかの実施形態では、蛍光体は、６００～６５０ｎｍの赤色スペクトル範囲の変換蛍光体発光を生成する赤色蛍光体と４９０～５６０ｎｍの緑色スペクトル範囲の変換蛍光体発光を生成する緑色蛍光体との混合物を備える。いくつかの実施形態では、蛍光体ホイールは反射蛍光体ホイールである。いくつかの実施形態では、蛍光体ホイールは透過蛍光体ホイールである。これらの様々な実施形態は、様々に組み合わせることができる。

開示された別の面では、白色光源は、バインダーに配置された光散乱材料及び蛍光体を有する発光層と、青色光で発光層を照明するように配置された光源と、を備える。白色光源は、青色光によって照明された蛍光体からの変換蛍光体発光と光散乱材料によって散乱された未変換散乱青色光とを備える白色光を出力する。いくつかの実施形態では、光散乱材料は、バインダーに配置された光散乱粒子を備える。いくつかの実施形態では、光散乱粒子は、０．１～５０ミクロンの範囲のサイズを有する。いくつかの実施形態では、光散乱粒子は、青色光に対して９２％以上の反射率を有する。いくつかの実施形態では、光散乱粒子は、酸化アルミニウム粒子、チタニア粒子、酸化マグネシウム粒子、ボラゾン粒子、窒化アルミニウム粒子、又は、アルミン酸粒子のうちの１つ以上を備える。いくつかの実施形態では、未変換散乱青色光は、変換蛍光体発光の空間分布に一致する空間分布を有する。いくつかの実施形態では、未変換散乱青色光は、拡散反射面空間分布を有し、変換蛍光体発光は、拡散反射面空間分布を有する。いくつかの実施形態では、青色光は、４００ｎｍ～５００ｎｍの波長範囲を有する。いくつかの実施形態では、変換蛍光体発光は黄色光を備える。いくつかの実施形態では、蛍光体は、６００～６５０ｎｍの赤色スペクトル範囲の変換蛍光体発光を生成する赤色蛍光体と４９０～５６０ｎｍの緑色スペクトル範囲の変換蛍光体発光を生成する緑色蛍光体との混合物を備える。これらの様々な実施形態は、様々に組み合わせることができる。

開示された別の面では、白色光生成方法が開示される。青色光の一部は、発光層に配置された蛍光体によって蛍光体光に変換される。蛍光体光に変換されない青色光の一部は、発光層に配置された散乱粒子によって散乱され、散乱青色光を生成する。蛍光体光と散乱青色光との組み合わせを備える白色光が出力される。いくつかの実施形態では、蛍光体光は拡散反射面空間分布を有し、散乱青色光は拡散反射面空間分布を有する。いくつかの実施形態では、蛍光体ホイールは、変換、散乱、及び、出力と同時に回転される。蛍光体ホイールは、蛍光体リングとして発光層が配置された円板状基板を備える。いくつかの実施形態では、蛍光体ホイールは反射蛍光体ホイールであり、白色光は、青色光が当たる蛍光体ホイールの側面と同じ蛍光体ホイールの側面に出力される。いくつかの実施形態では、蛍光体ホイールは透過蛍光体ホイールであり、白色光は、青色光が当たる蛍光体ホイールの側面と反対側の蛍光体ホイールの側面に出力される。これらの様々な実施形態は、様々に組み合わせることができる。

図１は、反射モードで動作する例示的な白色光源を概略的に示す。 図１Ａは、本明細書に記載されるように、表面から放射される光の様々な空間分布をプロットする。 図２は、透過モードで動作する例示的な白色光源を概略的に示す。 図３は、図１の白色光源を組み込んだ反射蛍光体ホイールを概略的に示す。 図４は、図２の白色光源を組み込んだ透過蛍光体ホイールを概略的に示す。 図５は、図１の白色光源を組み込んだ反射静止白色光源を概略的に示す。 図６は、図２の白色光源を組み込んだ透過静止白色光源を概略的に示す。

蛍光体ホイールから白色光を直接得るのは、簡単には、プロジェクションシステムである。原則として、所望の特性を有する白色光を生成するために、異なる蛍光体を一緒に混合することができ、ＤＬＰ又はＬＣＤプロジェクタの顧客のために多くの解決策を提供することができる。

しかしながら、このようなアプローチによる白色光の効果的な生成は、ほぼランベルトである蛍光体発光の非常に異なる空間分布及び狭角ビームである直接青色レーザ光によって妨げられるのであろう。

青色レーザダイオードによって励起される蛍光体ホイールを用いて白色光が直接得られる実施形態を本明細書に開示する。大きな空間分布不整合に対処するために、蛍光体（典型的には黄色蛍光体が挙げられ、緑色蛍光体と赤色蛍光体との混合物などの他の蛍光体組成物も挙げられる）は、青色光に対して高反射率を有する光散乱材料と混合される。１つの適切な物理的構造において、蛍光体と光散乱材料との混合物は、バインダーに分散され、蛍光体／散乱材料／バインダー組成物は、分配又はシルク印刷又は別の適切なコーティング方法によって、反射基板又は光透過基板に堆積される。

開示されたアプローチは多くの利点を提供する。多くの利点は、（限定されるものではないが）例えば、調整可能な色温度（例えば、蛍光体発光及び青色レーザ光のスペクトル特性に応じて４０００～８０００Ｋの範囲）、蛍光体によって放射される黄色光の空間分布に近い未励起青色光の空間分布の提供、白色光源を透過光源又は反射光源として設計することができること、製造が簡単であること、高白色光出力効率を達成することができること、及び、白色光出力の良好な空間均一性を達成することができること、である。

開示された白色光源は、ＬＥＤ又はレーザによって放射される直接青色光と変換蛍光体発光（例えば、黄色光）との組み合わせを備え、白色光を生成し、高屈折率を有する光散乱材料を更に備える。光散乱材料は、直接青色光の均一性を向上させるために、すなわち、直接青色光の空間分布を調整し、（ほぼランベルト）蛍光体発光と一致させるために、加えられる。青色光の空間分布は、典型的には、反射材料の散乱後の形状においてランベルトに近い。したがって、散乱直接青色光の空間分布は、蛍光体によって放射される変換黄色光のほぼランベルト空間分布と一致する。蛍光体及び光散乱材料と混合されるバインダーは、有機バインダー又は無機バインダーであってもよい。

開示された光源は、反射蛍光体ホイール又は透過蛍光体ホイールと併せて使用することができる。また、回転ホイールに装着されていない静止蛍光体層を使用するものなど、開示された光源を他の種類の発光体と併せて使用することも考えられる。開示された光源は、簡単であり、反射又は透過設計に対しても低コストで準備することができる。開示されたアプローチは、高出力レーザダイオード又は他の高出力青色光源を使用する方法によって、高輝度の白色光を提供することにも適している。この文脈では、開示された蛍光体／散乱粒子分散と共に回転蛍光体ホイールと併せて高出力青色レーザを使用することは、レーザによって生成された熱を回転ホイールへのレーザの衝突の経路によって示される環状体に分配することにおいて、実質的な利点を有する。

白色光は、直接青色光と黄色蛍光体変換光との組み合わせによって生成される。青色光は、レーザダイオード又はＬＥＤによって提供されたる未励起（すなわち、直接）青色光であり、黄色光は、青色光（すなわち、励起青色光）の一部を発光黄色光に変換する蛍光体からの変換光であり。いくつかの実施形態では、青色光の波長範囲は、４００ｎｍ～５００ｎｍの範囲であり、より好ましくは４００～４８０ｎｍの範囲である。４００ｎｍの下限値は、典型的な人によって可視青色光として知覚される最短波長である（より短い波長は典型的な人によって知覚されない紫外線である）。４８０ｎｍの上限値は、典型的には、典型的な人によって青色光として知覚されるほぼ最長波長であり、５００ｎｍの上限値は、典型的には、典型的な人によって緑がかった青色光として知覚される。しかしながら、前述の４００～５００ｎｍの範囲、又は、より好ましくは４００～４８０ｎｍの範囲の直接光を放射するレーザ又はＬＥＤを使用することが考えられ、これはまた、いくつかのより長い波長内容（例えば、緑色光及び／又は黄色光部品）及び／又はいくつかのより短い波長内容（例えば、いくつかの紫外線部品）を有する。

いくつかの非限定的な例示的な実施形態では、黄色蛍光体は、青色レーザによって励起され、蛍光体の粒子サイズは、１～５０ミクロンである（より大きい又はより小さい蛍光体の粒子サイズも考えられるが、更に、本明細書で特定されるすべての粒子、グレーン、又は、同様のサイズは、平均又は平均サイズとして理解されるべきである）、例示的な黄色蛍光体は、セリウム置換イットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ：Ｃｅ）、セリウム置換テルビウムアルミニウムガーネット（ＴＡＧ：Ｃｅ）、ユーロピウム置換バリウムオルトシリケート（ＢＯＳ）、又は、青色光をより長い波長の可視光、例えば黄色光に変換するように動作する別の適切な蛍光体を有する。本明細書に開示されるように、青色光の均一性を改善するために、高反射率を有する高散乱材料は、蛍光体及びバインダーの混合物に添加され、青色光を散乱させ、黄色発光のほぼランベルト形状に近い分布を形成する。

散乱材料は、好ましくは比較的高い熱伝導率、例えば、いくつかの実施形態では、２０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を有する。光散乱材料は、バインダーの光散乱材料と蛍光体との均一な混合を促進するために、蛍光体の熱膨張係数（ＣＴＥ）及び密度と同様の適切なＣＴＥ及び密度を有することが好ましい。光散乱粒子の形状は、顆粒状、球状、薄片状、繊維状などであってもよく、いくつかの例示的な実施形態では、光散乱粒子は、０．１～５０ミクロンの範囲のサイズを有するが、より大きい又はより小さい粒子も考えられる。光散乱粒子は、好ましくは、青色光に対して高反射性を有し（例えば、４００～４８０ｎｍ又は４００～５００ｎｍの適切な範囲）、例えば、いくつかの実施形態では、４００～４８０ｎｍ（又は５００ｎｍ）の範囲で９２％以上の反射率を有する。光散乱粒子は、典型的な動作温度範囲、例えば、いくつかの実施形態では、－２０～５００℃の範囲で安定していることが好ましい。動作温度の上限は、レーザによって誘起される蛍光体／散乱粒子／バインダー層の加熱量によって部分的に規定され、有益には、この加熱は、回転ホイールを横切るレーザビームの環状経路に熱を分配する回転蛍光体ホイールの動作によって低減される。非限定的な例として、光散乱材料は、例えば、酸化アルミニウム粒子、チタニア粒子、酸化マグネシウム粒子、ボラゾン粒子、窒化アルミニウム粒子、アルミン酸塩粒子、又は、これらの２つ以上の何らかの組み合わせを備えることもできる。

変形例では、接着剤を使用して本明細書に記載の光散乱材料と混合された蛍光体粉末を基板に接合させる。接着剤は、例えば、有機又は無機接着剤であってもよい。いくつかの適切な無機接着剤として、ケイ酸塩、リン酸塩、ホウ酸塩などが挙げられる。いくつかの適切な有機接着剤として、シリコーン、エポキシ樹脂、ポリウレタンなどが挙げられる。

蛍光体ホイール又は他の白色光源の基板は、例えば、金属、金属合金、又は、金属と無機材料との混合物、ミラー、セラミック、ガラス、サファイア板、クオーツ板などを備えることもできる。反射基板（例えば、金属）は、反射設計に有利であり、その反射率は、好ましくは少なくとも８５％、より好ましくは少なくとも９０％以上であり、例えば、反射基板は、金属、ガラス、セラミック、又は、他の適切な基板の表面に設計されてもよいが、蛍光体及び光散乱粒子の密度が十分高い場合、実質的にすべての青色光は、蛍光体によって黄色光に変換されるか、又は、光散乱粒子によって散乱されてもよい。この場合、基板は、反射設計の場合であっても光透過性であることが考えられる。一方、ガラス又はクオーツのような光透過基板は、光透過蛍光体ホイール又は他の光透過白色光源に適している。（本明細書で使用されるように、用語「光透過性」及び同様の用語は、生成された白色光について、すなわち、設計された白色光の長波長範囲に応じて、少なくとも４００～６５０ｎｍ又は４００～７００ｎｍのスペクトル範囲に亘り、高透過率、例えば、８０％以上、好ましくは９０％以上を示すことが意図される。）いくつかの例示的な実施形態では、蛍光体ホイールの場合、基板は、円板形状であり、静止蛍光体モジュールの場合、基板の形状は、円板形又は矩形などであってもよい。いくつかの例示的な実施形態では、蛍光体／散乱材料／バインダー組成物の重量組成比は、２０％～７０％のバインダー、３０％～８０％の蛍光体、及び、５％～１５％の散乱材料である。より高い又はより低い比の成分も考えられ、例えば、より厚い層は、より高いバインダー対蛍光体及びバインダー対散乱材料比を可能にし得る。

図１を参照すると、反射モードで動作する例示的な白色光源（１００）が示されている。白色光源（１００）は、基板（１０１）を備え、基板（１０１）には、バインダー（１０２）、黄色蛍光体（１０３）、及び、光散乱粒子（１０４）を備える光散乱材料を有する発光層（１０２、１０３、１０４）が配置されている。基板（１０１）の反射率は、好ましくは９０％以上であり、いくつかの例示的な実施形態では、０．３ｍｍ～３ｍｍの厚さを有するが、より厚い又はより薄い基板も考えられる。最適な基板の厚さは、多数の要素に依存することが理解され、例えば、蛍光体ホイールの場合、基板（１０１）は、回転ホイールであり、回転中の剛性のために十分な厚さを有する必要があり、これは、回転速度、基板（１０１）を構成する材料の剛性、及び、他の要素に依存する。

動作中、１つ又は複数のレーザダイオード（ＬＤ）は、発光層（１０２、１０３、１０４）に当たる励起青色光（１０５ａ）を放射する。代わりに、青色ＬＥＤを使用して青色光（１０５ａ）を放射することができる。適切な青色光を放射する他の光源も考えられる。黄色光（１０６）は、励起青色レーザ光（１０５ａ）による光シミュレーションに応答して黄色蛍光体（１０３）によって放射される。入射青色光（１０５ａ）の一部のみがこの蛍光体変換プロセスによって黄色光（１０６）に変換され、残りの青色光は、散乱粒子（１０４）によって散乱され、散乱青色光（１０５ｂ）は、黄色蛍光体発光（１０６）と結合して反射白色光（１０５ｂ、１０６）を形成する。

図１Ａを簡単に参照すると、黄色蛍光体発光の典型的な空間分布は、拡散反射面空間分布である。理想的な拡散反射面空間分布は、図表表面（１２０）について、図１Ａに示されるようなランベルト分布である。ランベルト空間分布は、表面（１２０）に隣接する半空間（１２２）に横たわるすべての方向から見たとき、等しい輝度を有する。物理的に実現可能な拡散反射面空間分布は、通常、ほぼランベルトにすぎない。図１Ａは、また、ほぼランベルトにすぎない、黄色蛍光体について典型的な拡散反射面空間分布を示す。蛍光体発光の場合、物理的機構は、反射ではなく、むしろ黄色蛍光体（１０３）による青色光（１０５ａ）の吸収、及び、その結果としての黄色変換蛍光体光（１０６）の放射であることに留意されたい。しかしながら、異なる機構によって生成されるが、蛍光体発光（１０６）は、拡散反射面空間分布を有し、これは、図１Ａに示されるようにほぼランベルトである。同様に、散乱青色光（１０５ｂ）は、光散乱粒子（１０４）が発光層の厚さ方向に深く分布することから、拡散面からの反射とはいくぶん異なる機構によって生成される。それにもかかわらず、結果として生じる空間分布は、図１Ａに示されるように、ほぼランベルトである拡散反射面空間分布である。

黄色光（１０６）のほぼランベルト光分布と同様の散乱青色光の所望の光分布を得るために、光散乱粒子の密度は、蛍光体（１０３）によって黄色光に変換されない直接青色光の大部分又は全てが少なくとも１つの光散乱粒子（１０４）に遭い、そこから散乱するような密度であることが好ましい。しかしながら、未変換直接青色光の一部は、蛍光体（１０３）又は散乱粒子（１０４）と相互作用することなく、基板（１０１）から反射されることが考えられる。

レーザプロジェクタで使用される典型的な従来の蛍光体ホイールでは、目標は、すべての入射青色光を黄色光に変換することである。変換されない入射青色光の任意の残留部分は、プロジェクタシステムの光路に沿って下流のダイクロイックフィルタによって適切に除去され、その結果、黄色光のみが発光層から発生する。対照的に、図１の白色光源（１００）では、白色光（１０５ｂ、１０６）を得るために、蛍光体（１０３）を励起せずに黄色光（１０６）を生成する未励起青色光（１０５ｂ）を構成する直接青色光の一部は、意図的に保持される。光散乱粒子（１０４）は、この直接青色光（１０５ｂ）が変換黄色光（１０６）のほぼランベルト空間分布に一致する空間分布を有することを保証し、その結果、示された方法で生成された白色光（１０５ｂ、１０６）は、ほぼランベルト分布に亘りスペクトル的に均一である。

白色光（１０５ｂ、１０６）は、直接青色光（１０５ｂ）と黄色光（１０６）との設計比を有する。この比は、蛍光体（１０３）、散乱材料（１０４）、バインダー（１０２）の相対比と、発光層（１０２、１０３、１０４）の厚さと、蛍光体（１０３）及び散乱粒子（１０４）の粒子サイズと、を調節することによって、未励起青色光及び黄色光の比を調節することによって設計される。これらのうち、発光層（１０２、１０３、１０４）の厚さ及び蛍光体（１０３）の濃度は、典型的には、組み合わされた白色光（１０５ｂ、１０６）における青色光（１０５ｂ）対黄色光（１０６）の比に最も強い影響を与える。この比に対する光散乱粒子（１０４）の主な影響は、散乱粒子（１０４）による吸収によるものであり、好ましくは、散乱粒子（１０４）の好ましい高反射率（例えば、９０％以上）により低くなる。それにもかかわらず、光線が典型的に光散乱粒子（１０４）から複数回反射する場合、この吸収は、考慮されるべき十分高いものになり得る。しかし、この場合であっても、青色光及び黄色光に対する反射損失が同様の場合（青色及び黄色スペクトル領域における反射の同様の平均数及び同様の反射率）、青色／黄色比に対する光散乱粒子（１０４）の影響は無視できることがある。

非限定的な例として、いくつかの実施形態では、発光層（１０２、１０３、１０４）は、０．０５ｍｍ～０．３ｍｍの厚さを有するが、より厚い又はより薄い発光層も、蛍光体（１０３）、散乱粒子（１０４）、及び、バインダー（１０２）の相対比、並びに、粒子サイズなどの要因に依存する、上記したものなどの光学設計原理に基づいて考えられる。

例示的な実施形態では、蛍光体発光（１０６）は黄色光として記載される。しかしながら、蛍光体発光（１０６）は、より複雑なスペクトルを有することができる。例えば、蛍光体（１０３）は、赤色スペクトル範囲（６００～６５０ｎｍ）及び緑色スペクトル範囲（４９０～５６０ｎｍ）のそれぞれのピークを有する変換光をそれぞれ生成する赤色蛍光体と緑色蛍光体との混合物を備えることができ、直接（未変換）青色光（１０５ｂ）と組み合わされたこの「二重ローブ」スペクトルを有する変換光（１０６）は、白色光として視覚的に知覚されることが理解されるであろう。直接青色光（１０５ｂ）及び蛍光体発光（１０６）の詳細なスペクトルは、所望の演色性（ＣＲＩ）、所望の色温度（例えば、約４０００Ｋ以上の色温度を有する「冷たい」白色光）などの所望の白色特性を有する白色光を提供するように調整することができる。

ここで図２を参照すると、透過モードで動作する例示的な白色光源（２００）が示されている。白色光源（２００）は光透過基板（２０１）を有する。光透過基板（２０１）には、バインダー（２０２）、黄色蛍光体（２０３）、及び、光散乱粒子（２０４）を備える光散乱材料を有する発光層（２０２、２０３、２０４）が配置されている。いくつかの例示的な実施形態では、光透過基板（２）は、０．１ｍｍ～３ｍｍの厚さを有するが、より厚い又はより薄い基板も考えられる。発光層（２０２、２０３、２０４）の厚さは、いくつかの実施形態では、０．０１ｍｍ～０．２ｍｍであるが、より厚い又はより薄い基板も考えられる。１つ以上のレーザダイオード（ＬＤ）（又は、代替的に、１つ以上の青色ＬＥＤ）は、基板側から装置を照明し、すなわち、レーザ光（２０５ａ）は、発光層（２０２、２０３、２０４）が配置される基板の側面とは反対側の基板（２０１）の側面に当たる。図１の装置のように、直接レーザ光（２０５ａ）の一部は、蛍光体（２０３）によって変換黄色光（２０６）に変換され、青色光の別の部分は、黄色光（２０６）と結合して白色光（２０５ｂ、２０６）を形成する未変換青色光（２０５ｂ）として透過する。いくつかの実施形態では、光学効率を改善するために、基板（２０１）は、青色光（２０５ａ）を通過させるが、黄色光（２０６）を反射する二色性フィルムでコーティングされる。

図１の実施形態のように、未変換青色光（２０５ｂ）は、散乱粒子（２０４）によって散乱され、散乱青色光（２０５ｂ）は、黄色蛍光体発光（２０６）と結合し、反射白色光（２０５ｂ、２０６）を形成する。黄色光（２０６）についてほぼランベルト光分布と同様の散乱青色光（２０５ｂ）について所望の拡散反射面光分布を得るために、光散乱粒子（２０４）の密度は、蛍光体（２０３）によって黄色光に変換されない直接青色光の大部分又は全てが少なくとも１つの光散乱粒子（２０４）に遭い、散乱するような密度であることが好ましい。しかしながら、未変換直接青色光の比較的少ない一部は、蛍光体（２０３）又は光散乱粒子（２０４）と相互作用することなく、発光層（２０２、２０３、２０４）を通過することが考えられる。また、散乱青色光（２０５）の拡散反射面空間分布は、本来の拡散反射面からの拡散反射に類似しているが、散乱粒子（２０４）は発光層の厚さ方向に分布しており、更に、散乱光は、反射プロセスではなく、透過によって生成されることから、いくぶん異なる機構によって生成されることに再度留意されたい。

図３は、図１の反射白色光源（１００）を用いて、反射モードで動作するように構成された蛍光体ホイール（３００）を示す。ＹＡＧ：Ｃｅ蛍光体粉末（１０３）及び散乱材料（１０４）は、バインダー（１０２）と混合され、次いで、金属基板（３０２）（図１の基板（１０１）に対応する）に分散され、分配又はシルク印刷又は他のコーティング方法によって蛍光体リング（３０１）を準備する。言い換えれば、蛍光体リング（３０１）は、環状又はリングとして成形された図１の発光層（１０２、１０３、１０４）として適切に形成される。いくつかの実施形態では、バインダー（１０２）の種類に応じて、リング（３０１）は、バインダーを硬化させるために加熱することによって適切に硬化されてもよい。蛍光体ホイール（３００）は、図３の湾曲した矢印（３０５）によって示される時計回り方向に回転するために（反時計回りの回転が代替的に考えられる）、モータ（３０３）及び連結駆動軸（３０４）によって駆動され、高速で回転する。駆動軸（３０４）に加えて又は代わり、モータ（３０３）と円板状基板（３０２）との間の他の作動結合は、ギアリング、直角機械連結などを含む、円板状基板（３０２）の回転をモータ化することが考えられる。励起光（１０５ａ）は入射光源である。励起レーザビーム、例えば、青色光（１０５ａ）が蛍光体リング（３０１）に集光され、光スポットを形成すると、変換黄色光ビーム（１０６）は、放射され、図１を参照して前述したように、散乱青色光（１０５ｂ）と結合し、その後、レンズシステム（図示せず）によって集められる。

図４は、図２の光透過白色光源（２００）を使用して、透過モードで動作するように構成された蛍光体ホイール（４００）を示す。ＹＡＧ：Ｃｅ蛍光体粉末（２０３）及び散乱材料（２０４）は、バインダー（２０２）と混合され、次いで、光透過基板（４０２）（図２の基板（２０１）に対応する）に分散され、分配又はシルク印刷又は他のコーティング方法によって蛍光体リング（４０１）を準備する。言い換えれば、蛍光体リング（４０１）は、環状又はリングとして成形された図２の発光層（２０２、２０３、２０４）として適切に形成される。基板（４０２）は、ガラス、結晶セラミック、サファイア板など透明である。いくつかの実施形態では、バインダー（２０２）の種類に応じて、リング（４０１）は、バインダーを硬化させるために加熱することによって適切に硬化されてもよい。蛍光体ホイール（４００）は、図４の湾曲した矢印（４０５）によって示される時計回り方向に回転するために（反時計回りの回転が代替的に考えられる）、モータ（４０３）及び連結駆動軸（４０４）によって駆動され、高速で回転する。駆動軸（４０４）に加えて又はこれに代わるものとして、モータ（４０３）と円板状基板（４０２）との間の他の作動結合は、ギアリング、直角機械的連結などを含む、円板状基板（４０２）の回転をモータ化することが考えられる。励起光（２０５ａ）は入射光源である。励起レーザビーム、例えば、青色光（２０５ａ）が蛍光体リング（４０１）に集光され、光スポットを形成すると、変換黄色光ビーム（２０６）は、放射され、図２を参照して前述したように、散乱青色光（２０５ｂ）と結合し、その後、レンズシステム（図示せず）によって集められる。

図３及び図４の実施形態では、それぞれの基板（３０２、４０２）は、好ましくは円板状であり、任意選択で、モータ軸と結合するための中央開口部を有する。円板状基板は、公知の技術を用いて、機械的にバランスを取って、高速回転中に最小の摩擦、揺動、又は、他の望ましくない移動若しくは力を保証することができる。蛍光体リング（３０１、４０１）は、円板状基板（３０２、４０２）の中心に置かれ、すなわち、蛍光体リング（３０１、４０１）は、円板状基板（３０２、４０２）と同心円状に配置され、典型的には、比較的大きな半径で配置され、すなわち、蛍光体リング（３０１、４０１）の外縁は、典型的には、円板状基板（３０２、４０２）の外縁に近接している。前述のように、回転のために、それぞれの蛍光体リング（３０１、４０１）との光相互作用は、環状経路を示し、したがって、環状経路に熱を分配する。これは、より高い出力のレーザビームの使用、及び／又は、より狭いビームスポットへのそのビームのより強い集光を可能にし、したがって、生成され得る光パワーを増加させる。

図３及び図４の例示的な蛍光体ホイールでは、環状発光層（３０１、４０１）は、環状発光層（３０１、４０１）の環状体の周りに組成が均一である、バインダー（１０２、２０２）に配置された光散乱材料（１０４、２０３）及び蛍光体（１０３、２０３）を備える。これにより、反射白色光（１０５ｂ、１０６）又は透過白色光（２０５ｂ、２０６）が円板状基板（３０２、４０２）の全３６０°回転に亘り均一なスペクトル組成及び均一な白色特性を有することが保証される。これは、反射白色光（１０５ｂ、１０６）又は透過白色光（２０５ｂ、２０６）が時間的に変化するのではなく一定であるということを意図する。モータ（３０３、４０３）によって駆動される蛍光体ホイールの回転は、したがって、いくつかの従来の蛍光体ホイールのように異なる色の時系列を提供することを意図しておらず、むしろ、環状体の周りの光源（ＬＤ）によって導入される熱エネルギーの熱分布を提供することを意図している。

図１及び図２の開示された反射白色光源（１００）又は透過白色光源（２００）は、それぞれ、図５及び図６に示されるように、代替的に静止白色光源として実装され得る。静止白色光源は、白色光源であり、白色光源の動作中、発光層が青色光を放射する光源に対して静止している、すなわち、発光層は、白色光源の動作中、回転しないか、さもなければ、光源に対して移動しない。

図５は、反射形状を有する静止白色光源（５００）を示す。静止白色光源（５００）は、図１の基板（１０１）に対応する基板（５０１）と、基板（５０１）に配置された蛍光体層（５０２）と、を備える。蛍光体層（５０２）は、バインダー（１０２）、黄色蛍光体（１０３）、及び、光散乱粒子（１０４）を有する図１の発光層（１０２、１０３、１０４）に対応する。図１を参照して説明したように、励起青色光（１０５ａ）は、光スポットを形成するために蛍光体領域（５０１）に集光され、変換黄色光ビーム（１０６）は、図１を参照して前述したように、放射され、散乱青色光（１０５ｂ）と結合し、次いで、レンズシステム（図示せず）によって集められる。

図６は、光透過形状を有する静止白色光源（６００）を示す。静止白色光源（６００）は、図２の基板（２０１）に対応する基板（６０１）と、基板（６０１）に配置された蛍光体層（６０２）と、を備える。蛍光体層（６０２）は、バインダー（２０２）、黄色蛍光体（２０３）、及び、光散乱粒子（２０４）を有する図２の発光層（２０２、２０３、２０４）に対応する。図２を参照して説明したように、励起青色光（２０５ａ）は、光スポットを形成するために蛍光体領域（６０１）に集光され、変換黄色光ビーム（２０６）は、図２を参照して前述したように、放射され、散乱青色光（２０５ｂ）と結合し、次いで、レンズシステム（図示せず）によって集められる。

本発明は、好ましい実施形態を参照して説明されている。前述の詳細な説明を読み、理解すると、他物にとって修正及び変更が可能になることもある。これら例示的な実施形態は、そのような修正及び変更が請求の範囲及びその均等物の範囲に含まれる限りにおいて、それら全てを含むと解釈されることを意図している。

Claims (32)

1. 円板状基板と、
   前記円板状基板に配置された環状発光層を備える蛍光体リングと、を備え、前記環状発光層は、バインダーに配置された光散乱材料及び蛍光体の混合物を備え、
   前記混合物は、生成された白色光が４０００Ｋ～８０００Ｋの色温度範囲でほぼランベルト分布に亘りスペクトル的に均一であるように、２０％～７０％のバインダー、３０％～８０％の蛍光体、及び、５％～１５％の光散乱材料である、
   蛍光体ホイール。
2. 前記光散乱材料は、前記バインダーに配置された光散乱粒子を備える、請求項１に記載の蛍光体ホイール。
3. 前記光散乱粒子は、０．１～５０ミクロンの範囲のサイズ又は９２％以上の反射率の少なくとも１つを有する、請求項２に記載の蛍光体ホイール。
4. 前記光散乱材料は、２０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率又は前記蛍光体の熱膨張係数（ＣＴＥ）及び密度とほぼ同様のＣＴＥ及び密度の少なくとも１つを有する、請求項１又は２に記載の蛍光体ホイール。
5. 前記光散乱粒子は、酸化アルミニウム粒子、チタニア粒子、酸化マグネシウム粒子、ボラゾン粒子、窒化アルミニウム粒子、又は、アルミン酸塩粒子のうちの１つ以上を備える、請求項２又は３に記載の蛍光体ホイール。
6. 前記環状発光層は、前記環状発光層の環状体の周りに組成が均一である、前記バインダーに配置された光散乱材料及び蛍光体を備える、請求項１～５のいずれか１項に記載の蛍光体ホイール。
7. 前記円板状基板を回転させるために操作可能に接続されたモータを更に備える、請求項１～６のいずれか１項に記載の蛍光体ホイール。
8. 請求項１～７のいずれか１項に記載の蛍光体ホイールと、
   青色光で前記蛍光体リングを照明するように配置された青色光源と、を備え、
   ４０００Ｋ～８０００Ｋの前記色温度範囲で前記ほぼランベルト分布に亘りスペクトル的に均一である前記白色光であって、前記青色光によって照明された前記蛍光体からの変換蛍光体発光と前記光散乱材料によって散乱された未変換散乱青色光とを備える前記白色光を出力する、白色光源。
9. 前記未変換散乱青色光は、前記変換蛍光体発光の空間分布に一致する空間分布を有する、請求項８に記載の白色光源。
10. 前記未変換散乱青色光は、拡散反射面空間分布を有し、前記変換蛍光体発光は、拡散反射面空間分布を有する、請求項８～９のいずれか１項に記載の白色光源。
11. 前記青色光は、４００ｎｍ～５００ｎｍの波長範囲を有する、請求項８～１０のいずれか１項に記載の白色光源。
12. 前記変換蛍光体発光は黄色光を備える、請求項８～１１のいずれか１項に記載の白色光源。
13. 前記蛍光体は、６００～６５０ｎｍの赤色スペクトル範囲の変換蛍光体発光を生成する赤色蛍光体と、４９０～５６０ｎｍの緑色スペクトル範囲の変換蛍光体発光を生成する緑色蛍光体との混合物を備える、請求項８～１１のいずれか１項に記載の白色光源。
14. 前記蛍光体ホイールは反射蛍光体ホイール又は透過蛍光体ホイールである、請求項８～１３のいずれか１項に記載の白色光源。
15. 前記環状発光層は、前記白色光源が前記混合物及び前記環状発光層の厚さに少なくとも基づいて前記ほぼランベルト分布に亘ってスペクトル的に均一である前記白色光を出力するように、０．０１ｍｍ～０．３ｍｍの間の厚さを有する、請求項８～１４のいずれか１項に記載の白色光源。
16. バインダーに配置された光散乱材料及び蛍光体の混合物を備え、前記混合物が２０％～７０％のバインダー、３０％～８０％の蛍光体、及び、５％～１５％の光散乱材料である発光層と、
    ４００ｎｍ～５００ｎｍの波長範囲を有する青色光で前記発光層を照明するように配置された光源と、を備え、
    ４０００Ｋ～８０００Ｋの色温度範囲でほぼランベルト分布に亘りスペクトル的に均一である白色光であって、前記青色光によって照明された前記蛍光体からの変換蛍光体発光と前記光散乱材料によって散乱された未変換散乱青色光とを備える前記白色光を出力する、白色光源。
17. 前記白色光源は、前記白色光源の動作中、前記発光層が前記光源に対して静止している静止白色光源である、請求項１６に記載の白色光源。
18. 前記光散乱材料は、前記バインダーに配置された光散乱粒子を備える、請求項１６～１７のいずれか１項に記載の白色光源。
19. 前記光散乱粒子は、０．１～５０ミクロンの範囲のサイズ又は青色光に対して９２％以上の反射率の少なくとも１つを有する、請求項１８に記載の白色光源。
20. 前記光散乱材料は、２０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率又は前記蛍光体の熱膨張係数（ＣＴＥ）及び密度とほぼ同様のＣＴＥ及び密度の少なくとも１つを有する、請求項１６～１８のいずれか１項に記載の白色光源。
21. 前記光散乱粒子は、酸化アルミニウム粒子、チタニア粒子、酸化マグネシウム粒子、ボラゾン粒子、窒化アルミニウム粒子、又は、アルミン酸塩粒子のうちの１つ以上を備える、請求項１８又は１９に記載の白色光源。
22. 前記未変換散乱青色光は、前記変換蛍光体発光の空間分布に一致する空間分布を有する、請求項１６～２１のいずれか１項に記載の白色光源。
23. 前記未変換散乱青色光は、拡散反射面空間分布を有し、前記変換蛍光体発光は、拡散反射面空間分布を有する、請求項１６～２２のいずれか１項に記載の白色光源。
24. 前記発光層は、０．０１ｍｍ～０．３ｍｍの間の厚さを有し、前記混合物及び前記発光層の厚さは、ほぼランベルト空間分布である光の空間分布を得るように構成されている、請求項１６～２３のいずれか１項に記載の白色光源。
25. 前記変換蛍光体発光は黄色光を備える、請求項１６～２４のいずれか１項に記載の白色光源。
26. 前記蛍光体は、６００～６５０ｎｍの赤色スペクトル範囲の変換蛍光体発光を生成する赤色蛍光体と、４９０～５６０ｎｍの緑色スペクトル範囲の変換蛍光体発光を生成する緑色蛍光体との混合物を備える、請求項１６～２４のいずれか１項に記載の白色光源。
27. 発光層に配置された混合物における蛍光体によって、青色光の一部を蛍光体光に変換し、前記混合物は、２０％～７０％のバインダー、３０％～８０％の蛍光体、及び、５％～１５％の光散乱材料であり、
    前記発光層に配置された粒子を散乱させることによって、蛍光体光に変換されない前記光の一部を散乱させ、散乱青色光を生成し、
    ４０００Ｋ～８０００Ｋの色温度範囲でほぼランベルト分布に亘ってスペクトル的に均一である白色光であって、前記蛍光体光と前記散乱青色光との組み合わせを備える前記白色光を出力する、白色光生成方法。
28. 前記蛍光体光は拡散反射面空間分布を有し、前記散乱青色光は拡散反射面空間分布を有する、請求項２７に記載の白色光生成方法。
29. 前記変換、散乱、及び、出力と同時に、蛍光体リングとして前記発光層が配置された円板状基板を備える蛍光体ホイールを回転させる、請求項２７～２８のいずれか１項に記載の白色光生成方法。
30. 前記蛍光体ホイールは反射蛍光体ホイールであり、前記白色光は、前記青色光が当たる前記蛍光体ホイールの側面と前記蛍光体ホイールの同じ側面に出力される、請求項２９に記載の白色光生成方法。
31. 前記蛍光体ホイールは透過蛍光体ホイールであり、前記白色光は、前記青色光が当る前記蛍光体ホイールの側面と反対側の前記蛍光体ホイールの側面に出力される、請求項２９に記載の白色光生成方法。
32. 前記発光層は、前記変換、散乱、及び、出力中、前記青色光を生成する光源に対して静止している、請求項２７～２８のいずれか１項に記載の白色光生成方法。

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