WO2019022107A1 - 蛍光ホイール、光源装置、および投影装置 - Google Patents

蛍光ホイール、光源装置、および投影装置 Download PDF

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WO2019022107A1
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phosphor layer
phosphor
wheel
light
excitation light
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PCT/JP2018/027806
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英臣 由井
松清　秀次
青森　繁
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シャープ株式会社
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    • F21S—NON-PORTABLE LIGHTING DEVICES; SYSTEMS THEREOF; VEHICLE LIGHTING DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR VEHICLE EXTERIORS
    • F21S2/00—Systems of lighting devices, not provided for in main groups F21S4/00 - F21S10/00 or F21S19/00, e.g. of modular construction
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21V—FUNCTIONAL FEATURES OR DETAILS OF LIGHTING DEVICES OR SYSTEMS THEREOF; STRUCTURAL COMBINATIONS OF LIGHTING DEVICES WITH OTHER ARTICLES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F21V9/00—Elements for modifying spectral properties, polarisation or intensity of the light emitted, e.g. filters
    • F21V9/30—Elements containing photoluminescent material distinct from or spaced from the light source
    • F21V9/32—Elements containing photoluminescent material distinct from or spaced from the light source characterised by the arrangement of the photoluminescent material
    • F21V9/35—Elements containing photoluminescent material distinct from or spaced from the light source characterised by the arrangement of the photoluminescent material at focal points, e.g. of refractors, lenses, reflectors or arrays of light sources
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21V—FUNCTIONAL FEATURES OR DETAILS OF LIGHTING DEVICES OR SYSTEMS THEREOF; STRUCTURAL COMBINATIONS OF LIGHTING DEVICES WITH OTHER ARTICLES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F21V9/00—Elements for modifying spectral properties, polarisation or intensity of the light emitted, e.g. filters
    • F21V9/40—Elements for modifying spectral properties, polarisation or intensity of the light emitted, e.g. filters with provision for controlling spectral properties, e.g. colour, or intensity
    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03B—APPARATUS OR ARRANGEMENTS FOR TAKING PHOTOGRAPHS OR FOR PROJECTING OR VIEWING THEM; APPARATUS OR ARRANGEMENTS EMPLOYING ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ACCESSORIES THEREFOR
    • G03B21/00—Projectors or projection-type viewers; Accessories therefor
    • G03B21/14—Details

Definitions

  • the present invention relates to a fluorescent wheel, a light source device, and a projection device capable of suppressing a decrease in luminous efficiency.
  • An image displayed by a projection device such as a projector is easily affected by external light, and high illuminance is required to obtain a good display.
  • a light source combining high energy density excitation light such as laser light and a phosphor has been used.
  • Patent Document 1 has a plurality of segment regions arranged in the circumferential direction, at least one of the plurality of segment regions is a reflection part, and fluorescence that emits excitation light in a predetermined wavelength band upon receiving the excitation light in the reflection part
  • a technique is disclosed for a disc-shaped light-emitting plate in which a body layer is formed, and at least one of the plurality of segment regions is a transmitting portion that transmits light.
  • One embodiment of the present invention has been made in view of the above circumstances, and the luminous efficiency is lowered by changing the concentration of the luminescent center element of the phosphor in the portion where the energy density of the excitation light is high It aims at providing a fluorescent wheel which can be controlled.
  • the fluorescent wheel according to one embodiment of the present invention is a disk-like fluorescent wheel having a region that receives excitation light to fluoresce, and is disposed on the wheel substrate and the wheel substrate, and a predetermined emission center element is provided.
  • a first phosphor layer including a phosphor having a concentration, and a phosphor including an emission center element concentration which is disposed on the wheel substrate and is different from the phosphor contained in the first phosphor layer
  • the first phosphor layer and the second phosphor layer are disposed adjacent to or partially overlapping each other, and the first phosphor layer and the second phosphor layer are provided.
  • the boundary of the surface of the phosphor layer is at least part of the circumference.
  • the decrease in luminous efficiency is suppressed by changing the concentration of the emission center element of the phosphor in portions where energy density of excitation light is high and low.
  • the inventors of the present invention have found that it is possible to suppress the decrease in light emission efficiency by changing the concentration of the light emission center element of the phosphor at portions where the energy density of the excitation light is high and low, and reached the present invention.
  • FIG. 1 is a schematic view of a fluorescent wheel 100 according to the present embodiment.
  • the fluorescent wheel 100 according to the present embodiment includes a wheel substrate 110 and a phosphor layer 130.
  • the wheel substrate 110 is formed in a disk shape, and has a phosphor layer 130 on the surface.
  • the wheel substrate 110 can be formed of a metal such as aluminum, copper or iron when it is of a reflective type according to the design of the light source device 200 using it. At this time, it is preferable that the surface of the wheel substrate 110 be coated with a high reflection film such as silver.
  • the wheel substrate 110 may be formed of a material that does not consider reflection of excitation light and fluorescence, and only the surface to which the excitation light is irradiated may be formed of a reflective material.
  • the wheel substrate 110 When the wheel substrate 110 is of a transmission type, it can be formed of an inorganic material such as sapphire or glass which transmits excitation light. In addition, since the fluorescence emitted from the fluorescent substance is emitted in all directions, it is preferable to transmit the excitation light and reflect the fluorescence when making it of the transmission type. In addition, it is preferable that the wheel substrate 110 be high in thermal conductivity to suppress temperature quenching of the phosphor, regardless of whether it is reflective or transmissive. Therefore, the wheel substrate 110 is preferably formed of aluminum or sapphire. In addition, the wheel substrate 110 may be a combination of a reflection type and a transmission type.
  • FIG. 2 is a schematic view in which a cross section of a phosphor layer portion of the fluorescent wheel according to the present embodiment is enlarged.
  • the phosphor layer 130 includes phosphor particles 120 and a binder 125, and the phosphor particles 120 are dispersed in the binder 125.
  • the phosphor particles 120 absorb predetermined excitation light and emit light of a predetermined wavelength band.
  • the phosphor particles 120 are phosphors that emit the same wavelength band light with respect to the same excitation light, and a plurality of phosphors having different emission center element concentrations (described later) are used.
  • a plurality of phosphor layers containing phosphors different in concentration of the luminescent center element are provided on the surface of the wheel substrate 110 according to the illuminance for each irradiated portion in the portion irradiated with the excitation light (excitation light spot) Be
  • phosphors having different concentrations of luminescent center elements may be included, and adjacent phosphor layers may partially overlap.
  • the boundaries between phosphor layers having different concentrations of adjacent or partially overlapping emission center elements are planes, but the boundaries (boundary lines) appearing on the surface of the phosphor layers are at least part of the circumference.
  • the circumference referred to here is a circumference centered on the center of rotation of the wheel substrate 110.
  • FIG. 3 is a schematic view showing a cross section of a state in which the fluorescent wheel 100 according to the present embodiment is fixed to the rotating shaft 225 of the drive device (wheel motor) 220 using the wheel fixing device 230. As shown in FIGS.
  • the boundary between the surfaces of the first phosphor layer 131 and the second phosphor layer 132 provided adjacent to or partially overlapping is at least a part of a circumference. There is. Therefore, the distance from the center of rotation to the boundary is constant, and even when the fluorescent wheel 100 is rotated, the boundary is the same for the portion irradiated with the excitation light.
  • the phosphor is composed of a garnet-based material having alumina as a base material.
  • YAG Ce (yellow light emitting phosphor)
  • the phosphor is preferably composed of a substance represented by the general formula (RE 1-x Ce x ) 3 Al 5 O 12 and RE preferably contains at least one element selected from the rare earth element group.
  • the concentration x of the luminescent center element Ce with respect to the rare earth RE is called the luminescent center concentration.
  • SiAlON, Zn 2 SiO 4 : Mn, (Y, Gd) BO 3 : Tb, (Y, Gd) BO 3 : Eu, YPVO 4 : Eu, etc. can be used.
  • the above is an example, and the phosphor used for the fluorescent wheel 100 of the present invention is not limited to the above example.
  • phosphors generally denoted as YAG or LuAG are exemplified, but the concentration of the luminescent center element contained in those materials is defined as follows.
  • the yellow light emitting phosphor YAG Ce
  • four basic constituent elements are yttrium (Y), aluminum (Al), oxygen (O) and cerium (Ce).
  • the yellow-green light emitting phosphor LuAG: Ce is obtained by replacing all Y in YAG: Ce with lutetium (Lu).
  • a part of Y is replaced with another rare earth element or the like, and a part of Al is replaced with a homologous element such as Ga.
  • Ce which is a luminescence center element
  • an appropriate amount is often introduced into the crystal as a coactivator for the purpose of improving the luminous efficiency, for example.
  • FIG. 4 is a view showing a crystal structure of YAG (Y 3 Al 5 O 12 ).
  • YAG is a crystal having a garnet structure as shown in FIG. 4 and is expressed as Y 3 Al 5 O 12 as a chemical formula.
  • Y is considered to be the most stable in the state of being in eight-coordination position and Al in both the four-or six-coordination positions.
  • the luminescent center element Ce substitutes a part of Y closest in size.
  • the Ce-activated YAG phosphor is represented by the general formula (Y 1 -x Ce x ) 3 Al 5 O 12 .
  • the ratio of Ce to the site occupied by Y and Ce is defined as “3.0 mol%”.
  • LuAG as well as YAG, when it is represented by the general formula (Lu 1-y Ce y ) 3 Al 5 O 12 , the ratio of Ce to the site occupied by Lu and Ce is "... mol%" It will be defined.
  • FIG. 5 is a schematic view showing an example of the fluorescent wheel 100 according to the present embodiment.
  • 6 is a schematic view showing a cross section in a state where the fluorescent wheel 100 is fixed to the rotating shaft 225 of the wheel motor 220.
  • the fluorescent wheel 100 is provided with two types of phosphor layers: a phosphor layer 133 using a phosphor having a low concentration of the emission center element and a phosphor layer 134 using a phosphor having a high concentration of the emission center element
  • the phosphor layer 133 using a phosphor having a low concentration of luminescence center element, the phosphor layer 133 having a low concentration of luminescence center element, and the phosphor layer 134 using a phosphor having a high concentration of luminescence center element Represents a high phosphor layer 134.
  • FIG. 7 is a graph showing an example of the temperature dependence of the external luminous efficiency of YAG: Ce.
  • a phosphor having a high concentration of the emission center element has high luminous efficiency
  • a phosphor having a low concentration of the emission center element has a lower emission efficiency than that.
  • the decrease in luminous efficiency is gradual even at high temperature
  • the phosphor having a low concentration of the luminescent center element may have a higher luminous efficiency at high temperatures if the concentration of the luminescent center element is lower.
  • the fluorescent substance When the fluorescent substance is irradiated with excitation light, part of it is converted into heat energy together with the fluorescence emission, so that the higher the illuminance of the excitation light is, the higher the temperature is. Therefore, the phosphor layer 133 having a low emission center element concentration is provided in the irradiation portion where the illuminance of the excitation light is high, and the phosphor layer 134 having a high emission center element concentration is provided in the irradiation portion where the illuminance of the excitation light is low.
  • the part that is likely to be high temperature by the irradiation of excitation light emits light while suppressing the decrease of luminous efficiency at high temperature, and the part that does not become so high by irradiation of excitation light is high at low temperature It emits light with luminous efficiency. As a result, it is possible to suppress the decrease in the overall light emission efficiency.
  • FIG. 8 is a graph showing an example of the intensity distribution of the Gaussian beam.
  • laser light has an uneven intensity distribution in a plane orthogonal to the beam propagation direction, a strong beam center, and a weak beam edge. Therefore, it is preferable to provide the phosphor layer 133 having a low concentration of the emission center element in the portion through which the beam center passes, and to provide the phosphor layer 134 having a high concentration of the emission center element in the portion through which the beam edge passes. .
  • the concentration of the emission center element is on the side closer to the center of the wheel substrate 110 (the center of rotation) Is preferably provided.
  • the fluorescent wheel according to the present embodiment can change the temperature characteristics of the phosphor in accordance with the illuminance for each irradiation portion of the excitation light, and can suppress the decrease in the light emission efficiency.
  • a phosphor whose temperature characteristic does not easily deteriorate even at high temperatures can be disposed, and a decrease in light emission efficiency can be suppressed.
  • the first embodiment is configured to include the phosphor layer 130 in the entire circumferential direction of the wheel substrate 110, but in the present embodiment, the wheel substrate 110 has a plurality of segment regions, and at least one of them is The segment regions are provided with phosphor layers having different concentrations of luminescent center elements, and from each of the segment regions, light having different wavelengths can be extracted when receiving the same excitation light.
  • one or more of the plurality of segment regions may be a region that is not provided with the phosphor layer 130 and transmits or reflects excitation light.
  • excitation light can be used as it is, for example, blue excitation light can be taken out as blue light as it is.
  • At least two segment areas of the wheel substrate 110 each include a phosphor layer 130 including phosphors that emit light of different wavelength bands when receiving the same excitation light.
  • a phosphor layer 130 including phosphors that emit light of different wavelength bands when receiving the same excitation light.
  • light of different wavelengths can be extracted using the same excitation light.
  • these phosphor layers 130 only one segment region may be provided with phosphor layers having different concentrations of the emission center element. It is because the fall of luminous efficiency can be suppressed about the field at least.
  • FIG. 9 is a schematic view of an example of a fluorescent wheel 100 according to the present embodiment.
  • FIG. 10 is a schematic view showing a cross section in a state where the fluorescent wheel 100 is fixed to the rotating shaft 225 of the wheel motor 220.
  • a fluorescent wheel 100 according to the present embodiment includes a wheel substrate 110 and phosphor layers 130 and 140.
  • the wheel substrate 110 has a plurality of fan-shaped segment areas, and one segment area is The transmitting portion 160 transmits the excitation light.
  • the phosphor layer 130 and the phosphor layer 140 shown in FIG. 9 respectively include phosphors that emit light of different wavelength bands when receiving the same excitation light. Thus, light of different wavelengths can be extracted using the same excitation light. Further, in the example shown in FIG. 9, a segment region including only phosphor layers 130 (phosphor layers 133 having a low concentration of emission center elements and phosphor layers 134 having a high concentration of emission center elements) having different concentrations of emission center elements However, the phosphor layers having different emission center element concentrations may be provided for the phosphor layers of two or more segment regions.
  • the transmitting unit 160 transmits the excitation light, so that the excitation light can be used as it is.
  • FIG. 11A and 11B are schematic views showing a fluorescent wheel 100 according to a modification of the present embodiment.
  • the region divided in the circumferential direction is a segment provided with phosphor layers 130 and 140 respectively containing phosphors emitting light of two different wavelength bands, and a transmitting portion 160, the phosphor layer 130, Both of the layers 140 may be configured to include phosphor layers having different concentrations of the emission center element.
  • the phosphor layer 133 and the phosphor layer 143 have a low concentration of the emission center element
  • the phosphor layer 134 and the phosphor layer 144 have a high concentration of the emission center element.
  • FIG. 11A the region divided in the circumferential direction is a segment provided with phosphor layers 130 and 140 respectively containing phosphors emitting light of two different wavelength bands, and a transmitting portion 160, the phosphor layer 130, Both of the layers 140 may be configured to include phosphor layers having different concentrations of the emission center element.
  • the segments are made up of segments including the phosphor layers 130, 140, and 150 each containing phosphors emitting light of three different wavelength bands, and the transmitting portion 160, and all phosphor layers emit light. It is good also as composition provided with a fluorescent substance layer from which central element concentration differs.
  • the phosphor layer 133, the phosphor layer 143 and the phosphor layer 153 have a low emission center element concentration
  • the phosphor layer 134, the phosphor layer 144 and the phosphor layer 154 have a high emission center element concentration.
  • the transmitting unit 160 may be a reflecting unit, or the transmitting unit 160 may not be provided.
  • the fluorescent wheel according to the present embodiment can obtain a plurality of light emissions of different wavelengths by one wheel, and in the segment including the first phosphor layer and the second phosphor layer, each portion irradiated with the excitation light
  • the temperature characteristics of the phosphor can be changed in accordance with the illuminance of the light source, and the decrease in the light emission efficiency can be suppressed.
  • a portion partially overlapping the phosphor layer having different light emission center element concentrations is It is provided. And, at least a part of the overlapping part is laminated and formed so that the thickness in the laminating direction of at least one phosphor layer is inclined.
  • FIG. 12 is a schematic view showing an enlarged cross section of a portion provided with the phosphor layer 130 of an example of the fluorescent wheel 100 according to the present embodiment.
  • the fluorescent wheel 100 according to the present embodiment includes a wheel substrate 110 and a phosphor layer 130, and further has a portion partially overlapping adjacent phosphor layers having different concentrations of luminescent center elements. The layers are stacked and formed so that the thickness in the stacking direction of both phosphor layers in the overlapping portion is inclined.
  • the phosphor layer 133 has a low emission center element concentration
  • the phosphor layer 134 has a high emission center element concentration.
  • FIG. 13 is a view showing the relationship between the schematic view of FIG. 12 and a graph showing the amounts in the cross-sectional direction of the phosphors having different concentrations of luminescent center elements.
  • FIG. 14 is a schematic view showing an enlarged cross section of a portion provided with a phosphor layer 130 of a fluorescent wheel 100 according to a modification of the present embodiment.
  • various shapes of lamination are considered, and in the overlapping portion of the phosphor layers having different light emission center element concentrations, the thickness is inclined in at least one lamination direction It may be stacked to stick.
  • three or more types of phosphor layers having different concentrations of luminescent center elements may be used.
  • the abundance in the cross-sectional direction of phosphors having different concentrations of luminescent center elements is inclined, and the types of main phosphors contributing to light emission are gradually switched along the in-plane inclination direction .
  • the change of the external quantum yield to the temperature change depending on the energy density of the excitation light becomes more gradual, and the change of the brightness in the excitation light spot can be reduced.
  • the present embodiment is an embodiment of a light source device using the fluorescent wheel according to the first to third embodiments, and a projection device using the light source device.
  • FIG. 15 is a schematic view showing a light source device 200 according to the present embodiment.
  • a light source device 200 according to the present embodiment includes an excitation light source 210, a fluorescent wheel 100, and a drive device 220.
  • a lens and a mirror other than the above are provided in FIG. 15, this may not be provided depending on the design of the light source device 200.
  • the lens and the mirror may be integrated with the light guide optical system 310 (described later) of the projection apparatus 300.
  • the excitation light source 210 irradiates the fluorescent wheel 100 with light of a predetermined wavelength band (excitation light).
  • the wavelength band of the excitation light irradiated by the excitation light source 210 can use various ranges depending on the design of the light source device 200.
  • an excitation light source for exciting phosphor particles such as YAG and LuAG
  • a blue light source can be used, and a blue laser diode (LD) is preferable.
  • the fluorescent wheel 100 absorbs the excitation light emitted from the excitation light source 210, emits light in a predetermined wavelength band, or emits the excitation light as it is.
  • the fluorescent wheel 100 is the fluorescent wheel 100 according to the first to third embodiments.
  • the driving device (wheel motor) 220 is controlled by an electrical signal to rotationally move (rotate and stop) the fluorescent wheel 100 through the rotation shaft 225 of the driving device 220.
  • the driving device 220 is controlled by an electrical signal to rotationally move (rotate and stop) the fluorescent wheel 100 through the rotation shaft 225 of the driving device 220.
  • the wheel fixture 230 secures the fluorescent wheel 100 to the rotating shaft 225 of the drive 220.
  • the wheel fixture 230 clamps and fixes the hole side peripheral edge of the fluorescent wheel 100 in the thickness direction.
  • the rotating shaft 225 is rotated about the central axis by the driving force of the drive device 220 to rotate the fluorescent wheel 100.
  • the wheel fixture 230 is preferably made of metal.
  • the method of fixing the fluorescent wheel 100 to the rotating shaft 225 may be any method. In the above embodiment, as shown in FIG. 3, FIG. 6, and FIG. 10, the fluorescent wheel 100 is fixed to the rotating shaft 225 using the wheel fixture 230, but the fluorescent wheel 100 is fixed by an adhesive or the like. It may be fixed to the rotating shaft 225 so that the wheel fixture 230 is not used.
  • FIG. 16 is a conceptual diagram showing a projection device 300 according to the present embodiment.
  • the projection device 300 according to the present embodiment includes a light source device 200, a light guide optical system 310, a display element 320, a projection optical system 330, an input unit 340, and a control unit 350.
  • the light source device 200 is the light source device 200 according to the present embodiment.
  • the light guide optical system 310 guides the light emitted from the light source device 200 to the display element 320.
  • the light guiding optical system 310 is configured by a plurality of mirrors 311 or dichroic mirrors 312 and a plurality of lenses not described in FIG. In FIG. 16, the dichroic mirror 312 also serves as an element of the light source device 200.
  • the display element 320 performs display using the light guided by the light guide optical system 310.
  • the display element 320 is controlled by the control unit 350, and displays an image based on the data received by the input unit 340.
  • a DMD Digital Micromirror Device
  • a liquid crystal light valve or the like can be used as the display element 320.
  • the projection optical system 330 projects the display of the display element 320 to the outside of the projection apparatus 300.
  • the projection optical system 330 is composed of a plurality of lenses (not shown). In the projection optical system 330, a part of the lens is movable by a motor or the like, and is controlled by the control unit 350 to perform adjustment of zoom, focus, and the like.
  • the conceptual diagram showing the projection device 300 of FIG. 16 is an example, and the light guide optical system 310 and the projection optical system 330 are changed to various forms according to the design of the fluorescent wheel 100, the light source device 200 and the projection device 300. Be done.
  • the input unit 340 receives an input of data of an image to be projected, and delivers the input data to the control unit 350.
  • the input unit 340 may receive data from an apparatus other than the projection apparatus 300. Further, the input unit 340 may be connected to the Internet or the like to receive data by communication. Further, the input unit 340 receives an operation by the user, and delivers the input operation data to the control unit 350.
  • the control unit 350 controls the light source device 200, the display element 320, and the projection optical system 330 in order to project an image based on the data received by the input unit 340.
  • the light guiding optical system 310 may be fixed, or may be controlled by the control unit 350.
  • the light source device can change the temperature characteristic of the phosphor in accordance with the illuminance of each irradiation portion of the excitation light, and can suppress the decrease in the light emission efficiency. Therefore, the light source device can have high efficiency.
  • the projection apparatus can maintain a high projection illuminance by using a light source device with high efficiency, and can obtain a good projection image even in an environment with external light.
  • FIG. 17 is a conceptual diagram showing a projection device 300 according to the present embodiment.
  • the projection apparatus 300 according to the present embodiment includes a light source device 200, a light guide optical system 310, a display element 320, a projection optical system 330, a sensor 360, an input unit 340, and a control unit 350.
  • the light source device 200 includes an excitation light source 210, a fluorescent wheel 100 according to the second embodiment, and a drive device 220. These configurations are similar to those of the second and fourth embodiments.
  • the configurations of the light guide optical system 310, the display element 320, the projection optical system 330, and the input unit 340 are the same as in the fourth embodiment.
  • the sensor 360 acquires information on the rotational position of the fluorescent wheel 100 of the light source device 200.
  • the sensor 360 notifies the control unit 350 of the acquired position information.
  • the control unit 350 controls the light source device 200, the display element 320, the light guide optical system 310, and the projection optical system 330 to project an image based on the data received by the input unit 340. Further, the control unit 350 controls the output of the excitation light source 210 according to the gradation of the color and brightness of the projected image to be output and the positional information of the fluorescent wheel 100 acquired by the sensor 360.
  • the projector according to the present embodiment can suppress the deterioration of the excitation light source and the fluorescent wheel by controlling the output of the excitation light in accordance with the gradation of color and brightness. Further, since it is not necessary to attenuate unnecessary light, heat generation inside the projection device can be suppressed.
  • a method of manufacturing a fluorescent wheel Next, a method of manufacturing a fluorescent wheel will be described. First, a wheel substrate formed in a disk shape is prepared. The wheel substrate may be integrally formed of one material, or may be formed by combining a plurality of materials. Next, a plurality of phosphor pastes in which phosphors having different emission center element concentrations are dispersed in an organic binder or an inorganic binder are prepared.
  • a phosphor paste having different light emission center element concentrations is applied to the portion of the wheel substrate to be irradiated with the excitation light so that at least the surface boundary of adjacent or overlapping pastes becomes a part of the circumference.
  • any method may be used for application
  • the drawing method using a liquid quantitative discharge device when the drawing method using a liquid quantitative discharge device is used, the thickness in the stacking direction of the overlapping portion of the phosphor layers having different luminescent center element concentrations is easily inclined. It is preferable because it can be laminated to stick.
  • the wheel substrate coated with the paste is fired or dried to produce a phosphor layer.
  • the wheel substrate coated with the paste is fired or dried to produce a phosphor layer.
  • the fluorescent wheel according to one embodiment of the present invention is a disc-shaped fluorescent wheel having a region that receives excitation light to fluoresce, and is disposed on the wheel substrate and the wheel substrate, and emits predetermined light.
  • a second phosphor layer wherein the first phosphor layer and the second phosphor layer are disposed adjacent to or partially overlapping each other, and the first phosphor layer and the second phosphor layer are disposed.
  • the boundary of the surface of the phosphor layer of the body layer is at least a part of the circumference.
  • the temperature characteristics of the phosphor can be changed according to the illuminance for each irradiation portion of the excitation light, and a decrease in light emission efficiency can be suppressed.
  • the second phosphor layer is on the side closer to the center of the wheel substrate and the side farther from the first phosphor layer.
  • the emission center element concentration of the phosphor formed and included in the first phosphor layer is lower than the emission center element concentration of the phosphor included in the second phosphor layer.
  • the wheel substrate has a plurality of circumferentially arranged segment areas, and at least one segment area includes the first phosphor layer. And the second phosphor layer, and light of different wavelengths can be extracted from each of the segment regions when receiving the same excitation light.
  • At least a part of the overlapping portion of the first phosphor layer and the second phosphor layer is the first phosphor layer and the portion It is laminated and formed so that the thickness in the lamination direction of at least one of the second phosphor layers may be inclined.
  • the abundances in the cross-sectional direction of the phosphors having different concentrations of luminescent center elements are inclined, and the types of main phosphors contributing to light emission are gradually switched along the in-plane inclination direction.
  • the change of the external quantum yield to the temperature change depending on the energy density of the excitation light becomes more gradual, and the change of the brightness in the excitation light spot can be reduced.
  • a light source device includes: an excitation light source for emitting excitation light; and the fluorescent wheel according to any one of (1) to (4) above, which receives the emitted excitation light. And a driving device for rotating the fluorescent wheel.
  • the temperature characteristics of the phosphor can be changed according to the illuminance for each irradiation portion of the excitation light, and a decrease in light emission efficiency can be suppressed.
  • a highly efficient light source device can be configured.
  • a projection device includes the light source device according to (5), a light guiding optical system for guiding light emitted from the light source device, and the light guiding optical system.
  • a display element for performing display using the guided light a projection optical system for projecting the display to the outside, an input unit for receiving input of data of an image to be projected, the light source device, the display element and the respective optical elements
  • a control unit that controls the system.
  • the projection apparatus includes: an excitation light source for irradiating excitation light; a fluorescent wheel described in the above (3) for receiving the irradiated excitation light; and a drive for rotating the fluorescent wheel
  • a light source device comprising: a light source device; a light guiding optical system for guiding light emitted from the light source device; a display element for performing display using the light guided by the light guiding optical system;
  • a projection optical system for projecting to the outside, an input unit for receiving input of data of an image to be projected, a control unit for controlling the light source device, the display element and the respective optical systems, and a rotational position of the fluorescent wheel A sensor, and the control unit controls the output of the excitation light source according to the gradation of the color and brightness of the projected image to be output and the positional information of the fluorescent wheel acquired by the sensor.
  • the deterioration of the excitation light source and the fluorescent wheel can be suppressed by controlling the output of the excitation light in accordance with the gradation of color and brightness. Further, since it is not necessary to attenuate unnecessary light, heat generation inside the projection device can be suppressed.

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Abstract

励起光のエネルギー密度が高い部分と低い部分で蛍光体の発光中心元素濃度を変えることで、発光効率の低下を抑制することができる蛍光ホイールを提供する。励起光を受けて蛍光する領域を有する円板状の蛍光ホイール１００であって、ホイール基板１１０と、ホイール基板１１０上に配置され、所定の発光中心元素濃度を有する蛍光体１２１を含む第１の蛍光体層１３１と、前記蛍光ホイール本体１１０上に配置され、前記第１の蛍光体層１３１に含まれる蛍光体１２１とは異なる発光中心元素濃度を有する蛍光体１２２を含む第２の蛍光体層１３２と、を備え、前記第１の蛍光体層１３１および前記第２の蛍光体層１３２は隣接または一部重複して配置され、前記第１の蛍光体層１３１および前記第２の蛍光体層１３２の蛍光体層表面の境界は少なくとも円周の一部である。

Description

蛍光ホイール、光源装置、および投影装置
　本発明は、発光効率の低下を抑制することができる蛍光ホイール、光源装置、および投影装置に関する。
　プロジェクタなどの投影装置で表示させた像は外光の影響を受けやすく、良質な表示を得る為には高照度が必要となる。高照度で投影するために、光源の光量を大きくする必要があり、レーザー光などの高エネルギー密度励起光と蛍光体とを組み合わせた光源が使用され始めている。
　特許文献１では、円周方向に配置された複数のセグメント領域を有し、複数のセグメント領域の少なくとも一つは反射部とされ、反射部に励起光を受けて所定の波長帯域光を発する蛍光体層が形成され、複数のセグメント領域の少なくとも一つは光を透過させる透過部とされた円板形状の発光板の技術が開示されている。
特許第５６５５２１１号明細書
　しかしながら、光学装置や投影装置でレーザー光などの高エネルギー密度励起光を用いて蛍光体を発光させるだけでは、所望の蛍光発光強度（明るさ）を得ることができないことがある。これは、蛍光体の励起エネルギー密度依存性により、低エネルギー密度励起光で発光した場合に比べ発光効率が低下するためである。特許文献１記載の技術では、蛍光体のエネルギー励起密度は考慮されていない。
　本発明の一実施形態は、このような事情に鑑みてなされたものであり、励起光のエネルギー密度が高い部分と低い部分で蛍光体の発光中心元素濃度を変えることで、発光効率の低下を抑制することができる蛍光ホイールを提供することを目的とする。
　上記の目的を達成するために、本発明の一実施形態は、以下のような手段を講じた。即ち、本発明の一実施形態の蛍光ホイールは、励起光を受けて蛍光する領域を有する円板状の蛍光ホイールであって、ホイール基板と、前記ホイール基板上に配置され、所定の発光中心元素濃度を有する蛍光体を含む第１の蛍光体層と、前記ホイール基板上に配置され、前記第１の蛍光体層に含まれる蛍光体とは異なる発光中心元素濃度を有する蛍光体を含む第２の蛍光体層と、を備え、前記第１の蛍光体層および前記第２の蛍光体層は隣接または一部重複して配置され、前記第１の蛍光体層および前記第２の蛍光体層の蛍光体層表面の境界は少なくとも円周の一部である。
　本発明の一実施形態によれば、蛍光ホイールの蛍光体層において、励起光のエネルギー密度が高い部分と低い部分で蛍光体の発光中心元素濃度を変えることで、発光効率の低下を抑制することができる。
第１の実施形態に係る蛍光ホイールの模式図である。 第１の実施形態に係る蛍光ホイールの蛍光体層部分の断面を拡大した模式図である。 第１の実施形態に係る蛍光ホイールをホイールモータの回転シャフトに固定した状態の断面を示す模式図である。 ＹＡＧ（Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２）の結晶構造を示す図である。 第１の実施形態に係る蛍光ホイールの一例を表す模式図である。 第１の実施形態に係る蛍光ホイールをホイールモータの回転シャフトに固定した状態の断面を示す模式図である。 蛍光体の外部発光効率の温度依存性の例を示すグラフである。 ガウシアンビームの強度分布の例を示すグラフである。 第２の実施形態に係る蛍光ホイールの一例を表す模式図である。 第２の実施形態に係る蛍光ホイールをホイールモータの回転シャフトに固定した状態の断面を示す模式図である。 第２の実施形態に係る蛍光ホイールの変形例を示す模式図である。 第２の実施形態に係る蛍光ホイールの変形例を示す模式図である。 第３の実施形態に係る蛍光ホイールの一例を表す蛍光体層を備えた部分の断面を拡大して表した模式図である。 図１２の模式図と、発光中心元素濃度が異なる各蛍光体の断面方向の量を表すグラフとの関係を示す図である。 第３の実施形態に係る蛍光ホイールの変形例の蛍光体層を備えた部分の断面を拡大して表した模式図である。 第４の実施形態に係る光源装置を表す模式図である。 第４の実施形態に係る投影装置を表す概念図である。 第５の実施形態に係る投影装置を表す概念図である。
　本発明者らは、励起光のエネルギー密度が高い部分と低い部分で蛍光体の発光中心元素濃度を変えることで、発光効率の低下を抑制することができることを見出し、本発明に至った。
　これにより、本発明者らは、レーザー光などの高エネルギー密度励起光を用いて蛍光体を発光させたときに、所望の蛍光発光強度（明るさ）を得ることを可能とした。以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら具体的に説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。
　［第１の実施形態］
　［蛍光ホイールの構成］
　図１は、本実施形態に係る蛍光ホイール１００の模式図である。図１に示すように、本実施形態に係る蛍光ホイール１００は、ホイール基板１１０、および蛍光体層１３０を備える。
　ホイール基板１１０は、円板状に形成され、表面に蛍光体層１３０を有する。ホイール基板１１０は、これを用いる光源装置２００の設計に応じて、反射型とするときは、アルミニウム、銅、鉄などの金属により形成することができる。また、このときは、ホイール基板１１０の表面に銀などの高反射膜がコーティングされていることが好ましい。また、ホイール基板１１０を励起光および蛍光の反射を考慮しない材料により形成し、励起光が照射される表面のみを反射材料で形成してもよい。
　ホイール基板１１０は、透過型とするときは、励起光を透過するサファイア、ガラスなどの無機材料により形成することができる。また、蛍光体が発する蛍光はあらゆる方向に放射されるため、透過型とするときは、励起光を透過しつつ蛍光を反射することが好ましい。また、ホイール基板１１０は、反射型であっても透過型であっても、蛍光体の温度消光を抑制するため、熱伝導率が高いことが好ましい。そのため、ホイール基板１１０は、アルミニウム、サファイアで形成することが好ましい。また、ホイール基板１１０は、反射型と透過型を組み合わせたものとしてもよい。
　図２は、本実施形態に係る蛍光ホイールの蛍光体層部分の断面を拡大した模式図である。蛍光体層１３０は、蛍光体粒子１２０とバインダ１２５とを備えており、蛍光体粒子１２０は、バインダ１２５に分散されている。蛍光体粒子１２０は、所定の励起光を吸収し、所定の波長帯域光を発光する。また、蛍光体粒子１２０は、同じ励起光に対して同じ波長帯域光を発光する蛍光体であって、発光中心元素濃度（後述）が異なる複数の蛍光体が用いられる。この発光中心元素濃度が異なる蛍光体が含まれる複数の蛍光体層が、励起光が照射される部分（励起光スポット）内の照射部分ごとの照度に応じて、ホイール基板１１０の表面上に設けられる。
　このとき、発光中心元素濃度が異なる蛍光体が含まれ、隣接する蛍光体層は、一部重複していてもよい。また、隣接または一部重複する発光中心元素濃度が異なる蛍光体層どうしの境界は面をなしているが、蛍光体層表面に表れる境界（境界線）は少なくとも円周の一部である。ここでいう円周とは、ホイール基板１１０の回転の中心を中心とする円周である。このようにすることで、励起光の照射部分ごとの照度に応じて、ホイール基板１１０の表面上に、隣接または一部重複するように設けられた発光中心元素濃度が異なる蛍光体層の表面の境界は、蛍光ホイール１００を回転させても、励起光の照射部分に対して同一の境界とすることができる。
　例えば、発光中心元素濃度が異なる２種類の蛍光体を用いた場合を説明する。図２に示すように、発光中心元素濃度が異なる第１の蛍光体１２１および第２の蛍光体１２２をそれぞれ含む第１の蛍光体層１３１および第２の蛍光体層１３２がホイール基板１１０の表面上に設けられる。図３は、本実施形態に係る蛍光ホイール１００を駆動装置（ホイールモータ）２２０の回転シャフト２２５にホイール固定具２３０を用いて固定した状態の断面を示す模式図である。図１および図３に示すように、隣接または一部重複するように設けられた第１の蛍光体層１３１および第２の蛍光体層１３２の表面の境界は少なくとも円周の一部となっている。そのため、回転の中心から境界までの距離が一定となり、蛍光ホイール１００を回転させても、励起光の照射部分に対して同一の境界となる。
　蛍光体は、アルミナを母材とするガーネット系材料で構成されている。ガーネット系材料としては、ＹＡＧ：Ｃｅ（黄色発光蛍光体）、ＬｕＡＧ：Ｃｅ（緑色発光蛍光体）等を用いることができる。蛍光体は、一般式（ＲＥ１－ｘＣｅｘ）３Ａｌ５Ｏ１２で示される物質で構成され、ＲＥは希土類元素群より選ばれる少なくとも一つの元素を含んでいることが好ましい。発光中心元素Ｃｅの希土類ＲＥに対する濃度ｘを、発光中心濃度という。蛍光体は、その他に、ＳｉＡｌＯＮ、Ｚｎ２ＳｉＯ４：Ｍｎ、（Ｙ，Ｇｄ）ＢＯ３：Ｔｂ、（Ｙ，Ｇｄ）ＢＯ３：Ｅｕ、ＹＰＶＯ４：Ｅｕ等を用いることができる。なお、上記は一例であり、本発明の蛍光ホイール１００に用いられる蛍光体は、上記の例に限られない。
　（発光中心元素濃度の表記）
　本発明では、一般にＹＡＧやＬｕＡＧと簡略表記される蛍光体を例示しているが、それらの材料に含有される発光中心元素の濃度の表記を、以下のように定義する。
　黄色発光蛍光体ＹＡＧ：Ｃｅにおいて、基本的な構成元素は、イットリウム（Ｙ）、アルミニウム（Ａｌ）、酸素（Ｏ）、およびセリウム（Ｃｅ）の４つである。黄緑色発光蛍光体ＬｕＡＧ：Ｃｅは、ＹＡＧ：ＣｅのＹをすべてルテチウム（Ｌｕ）に代えたものである。発光色を意図的に変えること等を目的として、Ｙの一部を他の希土類元素等で、またＡｌの一部をＧａ等の同族元素で置換することが行なわれている。さらには、発光中心元素であるＣｅ以外に、例えば発光効率の改善を目的として、共付活剤として適量を結晶中に導入することも多い。
　図４は、ＹＡＧ（Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２）の結晶構造を示す図である。ＹＡＧは図４に示すようなガーネット構造を有する結晶であり、化学式としてはＹ３Ａｌ５Ｏ１２で表される。Ｙは８配位の位置を、Ａｌは４配位および６配位の両位置に在る状態が最も安定であるとされている。発光中心元素のＣｅは、サイズが最も近いＹの一部を置換している。
　発光中心元素Ｃｅの濃度ｘはＹとの置換量と考えた場合、Ｃｅで付活されたＹＡＧ蛍光体は一般式（Ｙ１－ｘＣｅｘ）３Ａｌ５Ｏ１２で表される。本発明において、例えばｘ＝０．０３０であるとしたとき、ＹとＣｅの占有するサイトに対するＣｅの比率として、「３．０ｍｏｌ％」と定義する。
　またＬｕＡＧの場合もＹＡＧと同様に、一般式（Ｌｕ１－ｙＣｅｙ）３Ａｌ５Ｏ１２で表すとき、ＬｕとＣｅの占有するサイトに対するＣｅの比率として、「・・・ｍｏｌ％」と定義することになる。
　図５は、本実施形態に係る蛍光ホイール１００の一例を表す模式図である。また、図６は、蛍光ホイール１００をホイールモータ２２０の回転シャフト２２５に固定した状態の断面を示す模式図である。以下の記載では、発光中心元素濃度が低い蛍光体を用いた蛍光体層１３３と、発光中心元素濃度が高い蛍光体を用いた蛍光体層１３４の２種類の蛍光体層を備える蛍光ホイール１００の説明をするが、発光中心元素濃度の異なる蛍光体を用いた蛍光体層は、３種類以上あってもよい。なお、発光中心元素濃度が低い蛍光体を用いた蛍光体層１３３を発光中心元素濃度が低い蛍光体層１３３と、発光中心元素濃度が高い蛍光体を用いた蛍光体層１３４を発光中心元素濃度が高い蛍光体層１３４と表す。
　蛍光体の温度特性は発光中心元素の濃度により変わることが知られている。図７は、ＹＡＧ：Ｃｅの外部発光効率の温度依存性の例を示すグラフである。一般的に、低温時は、発光中心元素濃度が高い蛍光体は、発光効率が高く、発光中心元素濃度が低い蛍光体は、それと比べて発光効率が低い。しかし、発光中心元素濃度が低い蛍光体は、高温になっても発光効率の低下が緩やかなので、高温時は、発光中心元素濃度が低い蛍光体の方が、発光効率が高くなる場合がある。
　蛍光体に励起光を照射すると、蛍光発光と共に一部は熱エネルギーに変換されるため、励起光の照度が高い照射部分ほど高温になる。したがって、励起光の照度が高い照射部分には、発光中心元素濃度が低い蛍光体層１３３を設け、励起光の照度が低い照射部分には、発光中心元素濃度が高い蛍光体層１３４を設ける。このように配置することで、励起光の照射で高温になりやすい部分は、高温時の発光効率の低下を抑制しつつ発光し、励起光の照射でそれほど高温にならない部分は、低温時の高い発光効率で発光する。その結果、全体の発光効率の低下を抑制することができる。
　図８は、ガウシアンビームの強度分布の例を示すグラフである。レーザー光は、ガウシアンビームに代表されるように、ビームの伝搬方向に対して直交する面における強度分布は一様ではなく、ビーム中心が強く、ビーム縁部では弱くなる。したがって、ビーム中心部が通過する部分には、発光中心元素濃度が低い蛍光体層１３３を設け、ビーム縁部が通過する部分には、発光中心元素濃度が高い蛍光体層１３４を設けることが好ましい。
　そのため、図５および図６に示すように、発光中心元素濃度が低い蛍光体層１３３に対して、ホイール基板１１０の中心（回転の中心）に近い側および遠い側のそれぞれに、発光中心元素濃度が高い蛍光体層１３４を設けることが好ましい。このように配置することで、蛍光ホイールを回転させた際に、ビーム中心部が通過する部分には、発光中心元素濃度が低い蛍光体層１３３が配置され、ビーム縁部が通過する部分には、発光中心元素濃度が高い蛍光体層１３４が配置されることとなる。
　本実施形態に係る蛍光ホイールは、励起光の照射部分ごとの照度に応じて蛍光体の温度特性を変化させることができ、発光効率の低下を抑制できる。また、励起光の中心付近の照度が高く高温になりやすい照射部分において、高温でも温度特性が低下しにくい蛍光体を配置することができ、発光効率の低下を抑制できる。
　［第２の実施形態］
　［蛍光ホイールの構成］
　第１の実施形態は、ホイール基板１１０の円周方向全体に蛍光体層１３０を備えた構成であるが、本実施形態は、ホイール基板１１０が複数のセグメント領域を有し、そのうちの少なくとも１つのセグメント領域には、発光中心元素濃度が異なる蛍光体層を備え、セグメント領域のそれぞれからは、同一の励起光を受けたとき波長の異なる光を取り出せる構成である。
　また、複数のセグメント領域のうちの１つ以上を、蛍光体層１３０が設けられておらず、励起光を透過または反射する領域としてもよい。これにより、励起光をそのまま使用することができ、例えば、青色の励起光をそのまま青色の光として取り出すことができる。
　また、ホイール基板１１０の少なくとも２つのセグメント領域は、同一の励起光を受けたとき異なる波長帯域光を発光する蛍光体をそれぞれ含む蛍光体層１３０を備える。これにより、同一の励起光を用いて波長の異なる光を取り出せる。これらの蛍光体層１３０のうち、発光中心元素濃度の異なる蛍光体層を備えるセグメント領域は、１つだけでもよい。少なくともその領域については、発光効率の低下を抑制することができるからである。
　図９は、本実施形態に係る蛍光ホイール１００の一例の模式図である。また、図１０は、蛍光ホイール１００をホイールモータ２２０の回転シャフト２２５に固定した状態の断面を示す模式図である。図９に示すように、本実施形態に係る蛍光ホイール１００は、ホイール基板１１０および蛍光体層１３０、１４０を備え、ホイール基板１１０が扇形状の複数のセグメント領域を有し、１つのセグメント領域は励起光を透過する透過部１６０とした。
　図９に示す蛍光体層１３０と蛍光体層１４０は同一の励起光を受けたときに異なる波長帯域光を発光する蛍光体をそれぞれ含む。これにより、同一の励起光を用いて波長の異なる光を取り出せる。また、図９に示す例では、蛍光体層１３０のみ発光中心元素濃度の異なる蛍光体層（発光中心元素濃度が低い蛍光体層１３３と発光中心元素濃度が高い蛍光体層１３４）を備えるセグメント領域としたが、２以上のセグメント領域の蛍光体層について発光中心元素濃度の異なる蛍光体層を設ける構成としてもよい。透過部１６０は、励起光を透過するため、励起光をそのまま使用することができる。
　図１１Ａおよび図１１Ｂは、本実施形態の変形例の蛍光ホイール１００を示す模式図である。図１１Ａに示すように、円周方向に分割された領域を異なる２つの波長帯域光を発光する蛍光体をそれぞれ含む蛍光体層１３０、１４０を備えるセグメントと透過部１６０とし、蛍光体層１３０、１４０の両方をそれぞれ発光中心元素濃度の異なる蛍光体層を備える構成としてもよい。図１１Ａは、蛍光体層１３３と蛍光体層１４３は発光中心元素濃度が低く、蛍光体層１３４と蛍光体層１４４は発光中心元素濃度が高い。また、図１１Ｂに示すように、セグメントを異なる３つの波長帯域光を発光する蛍光体をそれぞれ含む蛍光体層１３０、１４０、１５０を備えるセグメントと透過部１６０とし、すべての蛍光体層をそれぞれ発光中心元素濃度の異なる蛍光体層を備える構成としてもよい。図１１Ｂは、蛍光体層１３３、蛍光体層１４３および蛍光体層１５３は発光中心元素濃度が低く、蛍光体層１３４、蛍光体層１４４および蛍光体層１５４は発光中心元素濃度が高い。また、蛍光ホイール１００を用いる光源装置２００や投影装置３００の設計に応じて、透過部１６０は反射部としてもよいし、透過部１６０はなくてもよい。
　本実施形態に係る蛍光ホイールは、１つのホイールで波長の異なる複数の発光を得られ、また、第１の蛍光体層と第２の蛍光体層とを備えるセグメントにおいて、励起光の照射部分ごとの照度に応じて蛍光体の温度特性を変化させることができ、発光効率の低下を抑制できる。
　［第３の実施形態］
　［蛍光ホイールの構成］
　本実施形態では、第１の実施形態または第２の実施形態において、発光中心元素濃度が異なる蛍光体層を備える部分について、隣接する発光中心元素濃度が異なる蛍光体層に一部重複する部分を設けている。そして、重複する部分の少なくとも一部は、少なくとも一方の蛍光体層の積層方向の厚みに傾斜が付くように積層され形成されている。
　図１２は、本実施形態に係る蛍光ホイール１００の一例の蛍光体層１３０を備えた部分の断面を拡大して表した模式図である。図１２に示すように、本実施例に係る蛍光ホイール１００は、ホイール基板１１０および蛍光体層１３０を備え、さらに、隣接する発光中心元素濃度が異なる蛍光体層に一部重複する部分を有し、重複する部分の両方の蛍光体層の積層方向の厚みに傾斜が付くように積層され形成されている。図１２は、蛍光体層１３３は発光中心元素濃度が低く、蛍光体層１３４は発光中心元素濃度が高い。
　図１３は、図１２の模式図と、発光中心元素濃度が異なる各蛍光体の断面方向の量を表すグラフとの関係を示す図である。発光中心元素濃度が異なる蛍光体層１３３、１３４の重複する部分において、少なくとも一方の積層方向の厚みに傾斜が付くように積層することで、図１３のグラフからわかるように、発光中心元素濃度の異なる蛍光体の断面方向の存在量に傾斜が付き、発光に寄与する主な蛍光体の種類が面内の傾斜方向にそって徐々に切り替わる。その結果、励起光のエネルギー密度に依存する温度変化に対する外部量子収率の変化がより緩やかとなり、励起光スポット内における明るさの変化を小さくすることができる。
　図１４は、本実施形態の変形例の蛍光ホイール１００の蛍光体層１３０を備えた部分の断面を拡大して表した模式図である。図１４に示すように、本実施形態に係る蛍光ホイール１００は、積層の形状は様々考えられ、発光中心元素濃度が異なる蛍光体層の重複する部分において、少なくとも一方の積層方向の厚みに傾斜が付くように積層させればよい。また、発光中心元素濃度が異なる蛍光体層は、３種類以上であってもよい。
　本実施形態に係る蛍光ホイールは、発光中心元素濃度の異なる蛍光体の断面方向の存在量に傾斜が付き、発光に寄与する主な蛍光体の種類が面内の傾斜方向にそって徐々に切り替わる。その結果、励起光のエネルギー密度に依存する温度変化に対する外部量子収率の変化がより緩やかとなり、励起光スポット内における明るさの変化を小さくすることができる。　
　［第４の実施形態］
　［光源装置の構成］
　本実施形態は、第１から第３の実施形態に係る蛍光ホイールを用いた光源装置、および、その光源装置を用いた投影装置の実施形態である。図１５は、本実施形態に係る光源装置２００を表す模式図である。本実施形態に係る光源装置２００は、励起光源２１０、蛍光ホイール１００、および駆動装置２２０を備える。図１５には、上記以外にレンズおよびミラーを備えているが、これは光源装置２００の設計に応じて備えなくてもよい。また、レンズおよびミラーは、投影装置３００の導光光学系３１０（後述）と一体となっていてもよい。
　励起光源２１０は、所定の波長帯域光（励起光）を蛍光ホイール１００に照射する。励起光源２１０が照射する励起光の波長帯域は、光源装置２００の設計に応じて様々な範囲を用いることができる。例えば、ＹＡＧ、ＬｕＡＧ等の蛍光体粒子を励起する励起光源としては、青色光源を用いることができ、青色レーザダイオード（ＬＤ）であることが好ましい。
　蛍光ホイール１００は、励起光源２１０から照射された励起光を吸収して、所定の波長帯域光を放射し、または励起光をそのまま射出する。蛍光ホイール１００は、上記第１から第３の実施形態に係る蛍光ホイール１００である。
　駆動装置（ホイールモータ）２２０は、電気信号により制御され、駆動装置２２０の回転シャフト２２５を通じて蛍光ホイール１００を回転移動（回転および停止）させる。これにより、蛍光ホイール１００の蛍光体層１３０の励起光に照射される位置が変化し、蛍光体層１３０が過度に加熱されることを防ぎ、蛍光体の温度消光を抑制できる。また、同じ励起光を受けたとき異なる光を放射する蛍光体層１３０や透過部１６０または反射部を備える蛍光ホイール１００の場合は、異なる色を取り出すことができる。
　ホイール固定具２３０は、蛍光ホイール１００を駆動装置２２０の回転シャフト２２５に固定する。ホイール固定具２３０は、蛍光ホイール１００の孔側周縁を厚み方向に挟んで固定している。回転シャフト２２５は、駆動装置２２０の駆動力により中心軸回りに回転し蛍光ホイール１００を回転させる。ホイール固定具２３０は、金属製であることが好ましい。蛍光ホイール１００を回転シャフト２２５に固定する方法は、どのようなものであってもよい。また、上記実施形態では、図３、図６、および図１０に示すように、ホイール固定具２３０を用いて蛍光ホイール１００を回転シャフト２２５に固定しているが、蛍光ホイール１００を接着剤等により回転シャフト２２５に固定して、ホイール固定具２３０を用いない構成としてもよい。
　［投影装置の構成］
　図１６は、本実施形態に係る投影装置３００を表す概念図である。本実施形態に係る投影装置３００は、光源装置２００、導光光学系３１０、表示素子３２０、投影光学系３３０、入力部３４０、および制御部３５０を備える。光源装置２００は、上記の本実施形態に係る光源装置２００である。
　導光光学系３１０は、光源装置２００から放出された光を表示素子３２０に導光する。導光光学系３１０は、複数のミラー３１１またはダイクロイックミラー３１２、および図１６に記載しない複数のレンズにより構成される。なお、図１６では、ダイクロイックミラー３１２は光源装置２００を構成する要素にもなっている。
　表示素子３２０は、導光光学系３１０により導かれた光を用いて表示を行なう。表示素子３２０は、制御部３５０により制御され、入力部３４０が受け付けたデータに基づいた像の表示を行なう。表示素子３２０は、例えば、ＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ）、液晶ライトバルブなどを用いることができる。
　投影光学系３３０は、表示素子３２０の表示を投影装置３００の外部へ投射する。投影光学系３３０は、複数のレンズ（記載せず）により構成される。投影光学系３３０は、レンズの一部がモータ等により可動であり、制御部３５０により制御されることで、ズームやフォーカス等の調整が行なわれる。なお、図１６の投影装置３００を表す概念図は一例であり、導光光学系３１０も投影光学系３３０も、蛍光ホイール１００、光源装置２００、投影装置３００の設計に応じて様々な形態に変更される。
　入力部３４０は、投影する像のデータの入力を受け付け、入力されたデータを制御部３５０に引き渡す。入力部３４０は、投影装置３００とは別の機器からのデータを受け付けてもよい。また、入力部３４０は、インターネット等に接続し、通信によってデータを受け付けてもよい。また、入力部３４０は、ユーザによる操作を受け付け、入力された操作データを制御部３５０に引き渡す。
　制御部３５０は、入力部３４０が受け付けたデータに基づいて像を投影するために、光源装置２００、表示素子３２０、および投影光学系３３０を制御する。導光光学系３１０は、固定されていてもよいが、制御部３５０に制御される構成としてもよい。
　本実施形態に係る光源装置は、励起光の照射部分ごとの照度に応じて蛍光体の温度特性を変化させ、発光効率の低下を抑制できるため、高効率の光源装置とすることができる。また、本実施形態に係る投影装置は、高効率の光源装置を用いて投影照度を高く維持することが可能となり、外光のある環境においても良好な投影像を得ることができる。
　［第５の実施形態］
　［投影装置の構成］
　図１７は、本実施形態に係る投影装置３００を表す概念図である。本実施形態に係る投影装置３００は、光源装置２００、導光光学系３１０、表示素子３２０、投影光学系３３０、センサ３６０、入力部３４０、および制御部３５０を備える。
　光源装置２００は、励起光源２１０、第２の実施形態に係る蛍光ホイール１００、および駆動装置２２０を備える。これらの構成は、第２および第４の実施形態と同様である。
　導光光学系３１０、表示素子３２０、投影光学系３３０、および入力部３４０の構成は、第４の実施形態と同様である。
　センサ３６０は、光源装置２００の蛍光ホイール１００の回転位置の情報を取得する。センサ３６０は、取得した位置情報を、制御部３５０に通知する。
　制御部３５０は、入力部３４０が受け付けたデータに基づいて像を投影するために、光源装置２００、表示素子３２０、導光光学系３１０および投影光学系３３０を制御する。また、制御部３５０は、出力する投影像の色や明るさの階調と、センサ３６０により取得した蛍光ホイール１００の位置情報に従い、励起光源２１０の出力を制御する。
　本実施形態に係る投影装置は、色や明るさの階調に合わせて励起光の出力を制御することで、励起光源や蛍光ホイールの劣化を抑制することができる。また、不要な光を減衰させる必要が無いため、投影装置内部の発熱を抑制することができる。
［蛍光ホイールの製造方法］
　次に、蛍光ホイールの製造方法について説明する。まず、円板状に形成されたホイール基板を準備する。ホイール基板は、一つの材料で一体として形成されたものでもよいし、複数の材料を組み合わせて形成されたものでもよい。次に、有機バインダまたは無機バインダに発光中心元素濃度が異なる蛍光体をそれぞれ分散させた複数の蛍光体ペーストを準備する。
　そして、ホイール基板の励起光が照射される部分に、異なる発光中心元素濃度を有する蛍光体ペーストを、隣接または重複するペーストの少なくとも表面の境界が円周の一部となるように塗布する。蛍光体ペーストの塗布は、どのような方法を用いてもよいが、例えば、液体定量吐出装置による描画法、スクリーン印刷法、スプレー法、インクジェット法等を用いることができる。第３の実施形態に係る蛍光ホイールを製造するときは、液体定量吐出装置による描画法を用いると、簡便に、発光中心元素濃度が異なる蛍光体層の重複する部分の積層方向の厚みに傾斜が付くように積層することができるため、好ましい。
　そして、ペーストを塗布したホイール基板を焼成または乾燥し、蛍光体層を作製する。このようにして、励起光の照射部分ごとの輝度に応じて蛍光体の温度特性を変化させた蛍光体ホイールを製造することができる。
　なお、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
　本発明の一実施形態は、以下のような構成を採ることができる。即ち（１）本発明の一実施形態の蛍光ホイールは、励起光を受けて蛍光する領域を有する円板状の蛍光ホイールであって、ホイール基板と、前記ホイール基板上に配置され、所定の発光中心元素濃度を有する蛍光体を含む第１の蛍光体層と、前記ホイール基板上に配置され、前記第１の蛍光体層に含まれる蛍光体とは異なる発光中心元素濃度を有する蛍光体を含む第２の蛍光体層と、を備え、前記第１の蛍光体層および前記第２の蛍光体層は隣接または一部重複して配置され、前記第１の蛍光体層および前記第２の蛍光体層の蛍光体層表面の境界は少なくとも円周の一部である。
　これにより、励起光の照射部分ごとの照度に応じて蛍光体の温度特性を変化させることができ、発光効率の低下を抑制できる。
　（２）また、本発明の一実施形態の蛍光ホイールにおいて、前記第２の蛍光体層は、前記第１の蛍光体層に対して、前記ホイール基板の中心に近い側および遠い側のそれぞれに形成され、前記第１の蛍光体層に含まれる蛍光体の発光中心元素濃度は、前記第２の蛍光体層に含まれる蛍光体の発光中心元素濃度より低い。
　これにより、励起光の中心付近の照度が高く高温になりやすい照射部分において、高温でも温度特性が低下しにくい蛍光体を配置することができ、発光効率の低下を抑制できる。
　（３）また、本発明の一実施形態の蛍光ホイールにおいて、前記ホイール基板は円周方向に配置された複数のセグメント領域を有し、少なくとも１つのセグメント領域には、前記第１の蛍光体層および前記第２の蛍光体層を備え、前記セグメント領域のそれぞれからは、同一の励起光を受けたとき波長の異なる光を取り出せる。
　これにより、１つのホイールで波長の異なる発光が得られ、また、第１の蛍光体層と第２の蛍光体層とを備えるセグメントにおいて、励起光の照射部分ごとの照度に応じて蛍光体の温度特性を変化させることができ、発光効率の低下を抑制できる。
　（４）また、本発明の一実施形態の蛍光ホイールにおいて、前記第１の蛍光体層および前記第２の蛍光体層が重複する部分の少なくとも一部は、前記第１の蛍光体層および前記第２の蛍光体層の少なくとも一方の蛍光体層の積層方向の厚みに傾斜が付くように積層され形成されている。
　これにより、発光中心元素濃度の異なる蛍光体の断面方向の存在量に傾斜が付き、発光に寄与する主な蛍光体の種類が面内の傾斜方向にそって徐々に切り替わる。その結果、励起光のエネルギー密度に依存する温度変化に対する外部量子収率の変化がより緩やかとなり、励起光スポット内における明るさの変化を小さくすることができる。
　（５）また、本発明の一実施形態の光源装置は、励起光を照射する励起光源と、前記照射された励起光を受ける上記（１）から（４）のいずれかに記載の蛍光ホイールと、前記蛍光ホイールを回転させる駆動装置と、を備える。
　これにより、励起光の照射部分ごとの照度に応じて蛍光体の温度特性を変化させることができ、発光効率の低下を抑制できる。その結果、高効率の光源装置を構成できる。
　（６）また、本発明の一実施形態の投影装置は、上記（５）記載の光源装置と、前記光源装置から放出された光を導光する導光光学系と、前記導光光学系により導かれた光を用いて表示を行なう表示素子と、前記表示を外部へ投射する投影光学系と、投影する像のデータの入力を受け付ける入力部と、前記光源装置、前記表示素子および前記各光学系を制御する制御部と、を備える。
　これにより、高効率の光源装置を用いて投影照度を高く維持することが可能となり、外光のある環境においても良好な投影像を得ることができる。
　（７）また、本発明の一実施形態の投影装置は、励起光を照射する励起光源と、前記照射された励起光を受ける上記（３）記載の蛍光ホイールと、前記蛍光ホイールを回転させる駆動装置と、を備える光源装置と、前記光源装置から放出された光を導光する導光光学系と、前記導光光学系により導かれた光を用いて表示を行なう表示素子と、前記表示を外部へ投射する投影光学系と、投影する像のデータの入力を受け付ける入力部と、前記光源装置、前記表示素子および前記各光学系を制御する制御部と、前記蛍光ホイールの回転位置を取得するセンサと、を備え、前記制御部は、出力する投影像の色や明るさの階調と、前記センサにより取得した前記蛍光ホイールの位置情報に従い、前記励起光源の出力を制御する。
　これにより、色や明るさの階調に合わせて励起光の出力を制御することで、励起光源や蛍光ホイールの劣化を抑制することができる。また、不要な光を減衰させる必要が無いため、投影装置内部の発熱を抑制することができる。
　なお、本国際出願は、２０１７年７月２６日に出願した日本国特許出願第２０１７－１４４６４９号に基づく優先権を主張するものであり、日本国特許出願第２０１７－１４４６４９号の全内容を本国際出願に援用する。
１００　蛍光ホイール
１１０　ホイール基板
１２０　蛍光体粒子
１２１　第１の蛍光体
１２２　第２の蛍光体
１２５　バインダ
１３０、１４０、１５０　蛍光体層
１３１　第１の蛍光体層
１３２　第２の蛍光体層
１３３、１４３、１５３　発光中心元素濃度が低い蛍光体層
１３４、１４４、１５４　発光中心元素濃度が高い蛍光体層
１６０　透過部
２００　光源装置
２１０　励起光源
２２０　駆動装置
２２５　回転シャフト
２３０　ホイール固定具
３００　投影装置
３１０　導光光学系
３１１　ミラー
３１２　ダイクロイックミラー
３２０　表示素子
３３０　投影光学系
３４０　入力部
３５０　制御部
３６０　センサ

Claims (7)

  1. 　励起光を受けて蛍光する領域を有する円板状の蛍光ホイールであって、
    　ホイール基板と、
    　前記ホイール基板上に配置され、所定の発光中心元素濃度を有する蛍光体を含む第１の蛍光体層と、
    　前記ホイール基板上に配置され、前記第１の蛍光体層に含まれる蛍光体とは異なる発光中心元素濃度を有する蛍光体を含む第２の蛍光体層と、を備え、
    　前記第１の蛍光体層および前記第２の蛍光体層は隣接または一部重複して配置され、
    　前記第１の蛍光体層および前記第２の蛍光体層の蛍光体層表面の境界は少なくとも円周の一部である蛍光ホイール。
  2. 　前記第２の蛍光体層は、前記第１の蛍光体層に対して、前記ホイール基板の中心に近い側および遠い側のそれぞれに形成され、
    　前記第１の蛍光体層に含まれる蛍光体の発光中心元素濃度は、前記第２の蛍光体層に含まれる蛍光体の発光中心元素濃度より低い請求項１記載の蛍光ホイール。
  3. 　前記ホイール基板は円周方向に配置された複数のセグメント領域を有し、
    　少なくとも１つのセグメント領域には、前記第１の蛍光体層および前記第２の蛍光体層を備え、
    　前記セグメント領域のそれぞれからは、同一の励起光を受けたとき異なる光を取り出せる請求項１または請求項２記載の蛍光ホイール。
  4. 　前記第１の蛍光体層および前記第２の蛍光体層が重複する部分の少なくとも一部は、前記第１の蛍光体層および前記第２の蛍光体層の少なくとも一方の蛍光体層の積層方向の厚みに傾斜が付くように積層され形成されている請求項１から請求項３のいずれかに記載の蛍光ホイール。
  5. 　励起光を照射する励起光源と、
    　前記照射された励起光を受ける請求項１から請求項４のいずれかに記載の蛍光ホイールと、
    　前記蛍光ホイールを回転させる駆動装置と、を備える光源装置。
  6. 　請求項５記載の光源装置と、
    　前記光源装置から放出された光を導光する導光光学系と、
    　投影する像のデータの入力を受け付ける入力部と、
    　前記導光光学系により導かれた光を用いて前記入力部に入力されたデータの像の表示を行なう表示素子と、
    　前記表示を外部へ投射する投影光学系と、
    　前記光源装置、前記表示素子および前記各光学系を制御する制御部と、を備える投影装置。
  7. 　励起光を照射する励起光源と、前記照射された励起光を受ける請求項３記載の蛍光ホイールと、前記蛍光ホイールを回転させる駆動装置と、を備える光源装置と、
    　前記光源装置から放出された光を導光する導光光学系と、
    　投影する像のデータの入力を受け付ける入力部と、
    　前記導光光学系により導かれた光を用いて前記入力部に入力されたデータの像の表示を行なう表示素子と、
    　前記表示を外部へ投射する投影光学系と、
    　前記光源装置、前記表示素子および前記各光学系を制御する制御部と、
    　前記蛍光ホイールの回転位置を取得するセンサと、を備え、
    　前記制御部は、出力する投影像の色や明るさの階調と、前記センサにより取得した前記蛍光ホイールの位置情報に従い、前記励起光源の出力を制御する投影装置。
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