(57)【要約】      （修正有）【課題】蛍光体回転ホイールの蛍光体粉末の変換効率を向上し、剛性を改善する、【解決手段】光路Ｐに配置された波長変換デバイス３２において、蛍光板３２１は、蛍光剤と結合剤を有する固体混合物であり、蛍光剤の重量％は、10から70であり、第一波長帯の光Ｌ１を第二波長帯の光Ｌ２に変換する。【選択図】図３Ｂ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体発光素子と、波長変換デバイスとを備える照明システムであって、
第一波長帯の光は、前記固体発光素子により、光路に放射され、
前記波長変換デバイスは、前記光路上に配置され、且つ、蛍光板を備え、
前記蛍光板は、蛍光剤と結合剤を有する固体の混合物であり、前記蛍光剤の重量パーセントは、10から70であり、それにより、前記第一波長帯の光は第二波長帯の光に変換される、ことを特徴とする照明システム。
【請求項２】
前記結合剤は、ガラスまたはAl2O3であり、前記ガラスの式は、SiOx, o<x≦2であり、前記ガラスの屈折率nは1.5と同等かまたはそれより小さいことを特徴とする、
請求項１に記載の照明システム。
【請求項３】
前記結合剤は、セラミック添加剤をさらに備えることを特徴とする、請求項２に記載の照明システム。
【請求項４】
前記蛍光板は、リング状蛍光板またはシート状蛍光板であることを特徴とする、請求項１に記載の照明システム。
【請求項５】
前記波長変換デバイスは、前記蛍光板の表面に形成される光学層をさらに備えることを特徴とする、請求項１に記載の照明システム。
【請求項６】
前記光学層は、前記蛍光板の表面に重ねられ、または塗布され、前記光学層は前記蛍光板の光出力面とは反対側に配置されることを特徴とする、請求項５に記載の照明システム。
【請求項７】
前記波長変換デバイスは、基板と光学層をさらに備え、前記光学層は前記基板上に形成されることを特徴とする、請求項１に記載の照明システム。
【請求項８】
前記光学層は、前記蛍光板の光出力面とは反対側に配置されることを特徴とする、請求項７に記載の照明システム。
【請求項９】
前記光出力面は、研磨面であることを特徴とする、請求項８に記載の照明システム。
【請求項１０】
空隙が、前記蛍光板と前記基板上に形成された前記光学層との間に形成され、
前記空隙は、接着またはクリップにより形成されることを特徴とする、請求項７に記載の照明システム。
【請求項１１】
前記波長変換デバイスは、前記光学層と前記基板との間に配置される接着層をさらに備えることを特徴とする、請求項７に記載の照明システム。
【請求項１２】
前記接着層は、SiO2 または TiO2から生成されることを特徴とする、請求項１１に記載の照明システム。
【請求項１３】
前記蛍光板の厚さは、50マイクロメートルと同等かそれより大きく、1000マイクロメートルと同等かそれより小さいことを特徴とする、請求項１に記載の照明システム。
【請求項１４】
第一波長帯の光を光路へ放射する照明システムの波長変換デバイスであって、
前記第一波長帯の光を受光するために、前記光路上に配置される蛍光板を備え、
前記蛍光板は、蛍光剤と結合剤を有する固体の混合物であり、
前記蛍光剤の重量パーセントは、10から70であり、それにより、前記第一波長帯の光は第二波長帯の光に変換される、ことを特徴とする、波長変換デバイス。
【請求項１５】
前記蛍光板の表面に形成される光学層をさらに備えることを特徴とする、請求項１４に記載の波長変換デバイス。
【請求項１６】
前記光学層は、前記蛍光板の表面に重ねられ、または塗布され、
前記光学層は、前記蛍光板の光出力面とは反対側に配置されることを特徴とする、
請求項１５に記載の波長変換デバイス。
【請求項１７】
前記光出力面は、研磨面であることを特徴とする、請求項１６に記載の波長変換デバイス。
【請求項１８】
基板と光学層をさらに備え、前記光学層は、前記基板上に形成されることを特徴とする、請求項１４に記載の波長変換デバイス。
【請求項１９】
前記光学層は、前記蛍光板の光出力面とは反対側に配置され、前記光出力面は研磨面であることを特徴とする、請求項１８に記載の波長変換デバイス。
【請求項２０】
接着層をさらに備え、前記接着層は、前記光学層と前記基板の間に配置され、前記接着層は、SiO2 または TiO2から生成されることを特徴とする、請求項１８に記載の波長変換デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、照明システムに関するものであり、特に照明システムとその波長変換デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ハイエンドプロジェクターは、照明システムとして、レーザ素子及び波長変換デバイスを利用している。従来の波長変換デバイスは、二つの種類の波長変換デバイスに分類され、そのうちの一つは、蛍光体回転ホイールであり、もう一方は、固定蛍光板モジュールである。
【０００３】
図1および図2を参照のこと。図1は、従来技術の蛍光体回転ホイールの構成を示す。図2は、従来技術の固定蛍光板モジュールの構成を示す。蛍光体回転ホイール1では、蛍光体粉末（または蛍光剤）11が、粘着性接着剤と混ぜられ、円形の高反射基板10の特定位置上に塗布される。高反射基板10は、モータ12に設置され、それにより、波長変換を行う際に、回転蛍光ホイール1の回転により、放熱が成される。一方、固定蛍光板モジュール2による回転では、放熱が成されないので、蛍光板21は、一般的に、高反射基板20のある一面に取り付けられ、ヒートシンク22が、高反射基板20のもう一方の面に取り付けられている。この状況で、レーザ光源で発生した熱が放散される。
【０００４】
しかしながら、蛍光体回転ホイール1での蛍光体粉末11の変換効率は低い。なぜなら、粘着性接着剤は信頼性が低く、熱伝導率が低いためである。一方、高反射基板10の剛性は、回転および振動を適用するには十分ではないかもしれない。また、固定蛍光板モジュール2では、ヒートシンク22の放熱が、主に伝導及び対流により成されているので、高反射基板20とヒートシンク22は、比較的大きな表面領域を有する部品から選ばれなければならない。つまり、スペースの必要性が、多くの場合、見込みを上回ってしまう。また、ホットスポットと熱拡散の現象により、固定蛍光板モジュール2の製造コストが高くなり、製造における困難さが生じる。
【発明の概要】
【０００５】
先行技術が直面する欠点を解消するために、照明システムとその波長変換デバイスを提供する必要がある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の目的は、これらの従来技術が直面する上記の欠点を克服するために、照明システムとその波長変換デバイスを提供することである。
【０００７】
本発明は、照明システムおよびその波長変換デバイスを提供する。蛍光板は、第一波長帯の光を第二波長帯の光に変換するため、10から70重量％の蛍光剤および結合剤を有する固体の混合物であるので、蛍光板の熱伝導の効率は、効果的に向上し、波長変換デバイスの変換効率が高められ、剛性が高いため回転に用いられるには十分強いものとなる。
【０００８】
本発明は、照明システムとその波長変換デバイスを提供する。波長変換デバイスは、任意のヒートシンクを利用することなく、回転型波長変換デバイスとして適用され、スペースの必要性が低減されるだけでなく、ホットスポットと熱拡散の現象が回避される。それにより、波長変換デバイスの製造コストおよび製造の困難さは大幅に低減される。
【０００９】
本発明は、さらに、照明システムとその波長変換デバイスを提供する。蛍光板の光出力面を研磨し、研磨面を形成することにより、蛍光板の受光効率が向上し、さらに波長変換デバイスの変換効率も高められる。
【００１０】
本発明の一態様によれば、照明システムが提供される。照明システムは、固体発光素子と波長変換デバイスを含む。第一波長帯の光は、固体発光素子により光路に放射される。波長変換デバイスは、光路上に配置され、蛍光板を備えている。蛍光板は、蛍光剤と結合剤を有する固体の混合物である。蛍光剤の重量％は10から70であり、それにより、第一波長帯の光は第二波長帯の光に変換される。
【００１１】
本発明の他の態様によれば、光路に第一波長帯の光を放射する照明システムにおいて波長変換デバイスが提供される。波長変換デバイスは、光路上に配置され、第一波長帯の光を受光するための蛍光板を含み、ここで、蛍光板は、蛍光剤と結合剤を有する固形の混合物であり、蛍光剤の重量％は、10から70である。それにより、第一波長帯の光は、第二波長帯の光に変換される。
【００１２】
本発明の上記の内容は、以下の詳細な説明と、添付の図面を検討した後に、当業者にとってより容易に明らかなる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図1は、従来技術の蛍光体回転ホイールの構造を示す。
【００１４】
【図２】図2は、従来技術の固定蛍光板モジュールの構造を示す。
【００１５】
【図３Ａ】図3Aは、本発明の実施形態に係る照明システムの構成を示す。
【００１６】
【図３Ｂ】図3Bは、本発明の他の実施形態に係る照明システムの構成を示す。
【００１７】
【図４】図4は、本発明の実施形態に係る波長変換デバイスの断面図である。
【００１８】
【図５】図5は、本発明の他の実施形態に係る波長変換デバイスの断面図である。
【００１９】
【図６】図6は、本発明のさらに他の実施形態に係る波長変換デバイスの断面図である。
【００２０】
【図７】図7は、本発明のさらに他の実施形態に係る波長変換デバイスの断面図である。
【００２１】
【図８】図8は、接着により形成された空隙を示す。
【００２２】
【図９】図9は、クリップにより形成された空隙を示す。
【００２３】
【図１０】図10は、透過型波長変換デバイスの光学層によって反射された散乱光を示す。
【００２４】
【図１１】図11は、反射型波長変換デバイスの光学層によって反射された散乱光を示す。
【００２５】
【図１２】図12は、基板を有する透過型波長変換デバイスの光学層によって反射された散乱光を示す。
【００２６】
【図１３】図13は、基板を有する反射型波長変換デバイスの光学層によって反射された散乱光を示す。
【００２７】
【図１４】図14は、本発明の波長変換デバイスと従来技術における従来の波長変換デバイスとの電圧-パルス幅の性能を示す図である。
【００２８】
【図１５】図15は、本発明の波長変換デバイスのピーク面積-電力を示す図である。
【好ましい実施形態の詳細な説明】
【００２９】
本発明は、以下の実施形態を参照して具体的に説明される。本発明の好ましい実施形態の以下の説明は、例示および説明のみを目的として本明細書に提示されていることに留意すべきである。それは、開示された正確な形態に網羅的であること、または限定されるものではない。
【００３０】
図3Aおよび図3Bを参照のこと。図3Aは、本発明の実施形態に係る照明システムの構成を示す。図3Bは、本発明の他の実施形態に係る照明システムの構成を示す。図3Aおよび図3Bに示すように、本発明の照明システム3は、固体発光素子31と波長変換デバイス32を含む。第一波長帯の光L1は、固体発光素子31から光路Pに放射される。波長変換デバイス32は、光路P上に配置され、蛍光板321を含んでいる。蛍光板321は、蛍光剤と結合剤を有する固体の混合物であり、蛍光剤の重量％は、10から70（蛍光板321の総重量と比較して）であり、結合剤の重量％は、例えば、30から90（蛍光板321の総重量と比較して）であり、結合剤は、例としてガラス又はAl2O3であるが、これに限らない。第一波長帯の光L1は、第二波長帯の光L2に変換される。ある実施形態では、波長変換デバイス32は、透過型波長変換デバイス（図3Aに示すように）に限定されない、あるいは反射型波長変換デバイス（図3Bに示すように）に限定されない。つまり、図3Aに示す実施形態では、第一波長帯の光L1の入射方向は、第二波長帯の光L2の出力方向と同一である。図3Bに示す実施形態では、第一波長帯の光L1の入射方向は、第二波長帯の光L2の出力方向とは反対である。以上により、蛍光板321の熱伝導の効率が効果的に向上し、これにより波長変換デバイスの変換効率を高め、大きな剛性での回転に用いられるのに十分に強いものとなる。
【００３１】
ある実施形態では、結合剤は、上述した実施形態のように、ガラスまたはAl2O3である。または結合剤は、放熱効率を高めるために、BaSO4、AlN、およびBNのようなセラミック添加剤をさらに含んでもよい。ガラスの化学式は、SiOx、o<x≦2であり、ガラスの屈折率nは、1.5と同等かそれより小さい。LED分野でのガラスと蛍光体粉末の組合せの用途と比べると、LED分野で必要とされるガラスの屈折率nは2以上であるので、LED分野での用途と本発明の違いは、自明であり、本発明の概念は、LED分野における用途とは異なる。つまり、本発明の波長変換デバイス32の発展方向は、LED分野の発展方向とは逆であり、解決すべき問題も異なる。
【００３２】
図4および図5を参照のこと。図4は、本発明の実施形態に係る波長変換デバイスの断面図である。図5は、本発明の他の実施形態に係る波長変換デバイスの断面図である。ある実施形態では、波長変換デバイス32は、基板なしで設計することができ、波長変換デバイス32は、さらに、光学層322を含むことができる。光学層322は、蛍光板321の表面に形成され、蛍光板321はシート状蛍光板（図4に示すように）に限定されない、又はリング状蛍光板（図5に示すように）に限定されない。具体的には、光学層322は蛍光板321の表面に重ねられるか、また塗布され、光学層322は、蛍光板321の光出力面とは反対側に配置される。つまり、その表面は光出力面とは反対に配置される。
【００３３】
図6および図7を参照のこと。図6は、本発明のさらに他の実施形態に係る波長変換デバイスの断面図である。図7は、本発明のさらに他の実施形態に係る波長変換デバイスの断面図である。ある実施形態では、本発明の波長変換デバイス32の蛍光板321は、シート状蛍光板（図6に示すように）であるか、またはリング状蛍光板（図7に示すように）である。波長変換デバイス32は、さらに、光学層322と基板323を含み、光学層322は、基板323上に形成されている。特に、光学層322は、蛍光板321の光出力面と反対側に配置されている。一方、波長変換デバイスは、さらに接着層325を含み、それは、光学層322と基板323との間に配置され、接着層は、SiO2またはTiO2からできている。
【００３４】
図4から図7に示す上記実施形態では、透過型波長変換デバイスに適用される場合、光学層322は、好ましくは、ダイクロイック層であり、第一波長帯の光L1を透過させ、第二波長帯の光L2を反射する。逆に、反射型波長変換デバイスに適用される場合、光学層322は、好ましくは全反射層またはダイクロイック層であり、第一波長帯の光L1と第二波長帯の光L2を包括的に全て反射する、あるいは、第二波長帯の光のみを反射する。
【００３５】
図8および図9を参照のこと。図8は、接着により形成された空隙を示す。図9は、クリップにより形成された空隙を示す。図8および図9に示すように、空隙Aは、蛍光板321と光学層322との間に形成され、光学特性を向上させ、屈折率nを変化させるが、これに限定されない。空隙Aは、例えば、接着またはクリップにより形成されている。図8に示すように、蛍光板321と光学層322は、部分的に粘着性接着剤Gにより互いに接着され、空隙は、接着によって形成される。図9に示すように、蛍光板321と光学層322は、クリッパCによって互いに留められ、空隙Aは、蛍光体板321と光学層322の間に自然に形成される。とは言っても、空隙Aを形成する方法は、本明細書で制限されない。
【００３６】
図３Aから図９を参照のこと。本発明の波長変換デバイス32は、回転に用いるために、モータ324の軸上に設置される。その結果、波長変換デバイス32は、任意のヒートシンクを利用せずに回転型の波長変換デバイスとして適用され、スペースの必要性が低減されるだけでなく、ホットスポットと熱拡散の現象が回避される。それにより、波長変換デバイス32の製造コストと困難さが大幅に低減される。
【００３７】
図10および図11を参照のこと。図10は、透過型波長変換デバイスの光学層による反射された散乱光を示す。図11は、反射型波長変換デバイスの光学層による反射された散乱光を示す。図10および図11に示すように、第一波長帯の光L1は、波長変換デバイス32の蛍光板321によって受光された後、第一波長帯の光L1は、第二波長帯の光L2に励起される。第二波長帯の光L2は、全角度散乱として構成されている。散乱光L20が、光学層322へ後方散乱されると、散乱光L20は、光学層322によって反射され、蛍光板321の光出力面を通って出力される。光学層322のより高い反射効率により、波長変換デバイス32の波長変換効率がより良くなる。
【００３８】
図12および図13を参照のこと。図12は、基板を有する透過型波長変換デバイスの光学層によって反射された散乱光を示す。図13は、基板を有する反射型波長変換デバイスの光学層によって反射された散乱光を示す。図12および図13に示すように、第一波長帯の光L1は、波長変換デバイス32の蛍光板321によって受光された後、第一波長帯の光L1は、蛍光板321によって第二波長帯の光L2に励起される。第二波長帯の光L2は全角度散乱として構成される。大角度散乱光L21は、空隙Aへ後方散乱されると、大角度散乱光L21は、空隙Aによって全反射され、光出力面から出力される。さらに、小角度散乱光L22が、光学層322へ後方散乱された場合、小角度散乱光L22は、光学層322によって反射され、光出力面を通って出力される。すなわち、蛍光板321と光学層322との間の空隙Aを形成することにより、全反射の原理を適用することができ、大角度散乱光L21を出力することができ、本発明の波長変換デバイス32の波長変換効率を高めるために用いられる。
【００３９】
ある実施形態において、蛍光剤は、単結晶蛍光体粉末又は多結晶蛍光体粉末に限定されない。また、BN、AlN又はBaSO4のような機能性添加剤は、蛍光板321の製造工程で加えてもよいが、これに限定されない。光反射の高い性能を提供するために、光学層322は、好ましくは、金、銀、アルミニウム、又は金、銀およびアルミニウムからなるグループの少なくとも1つから選択される。必ず、光学層322が誘電体材料から選択されてもよい。ある実施形態において、基板323は、金属基板、セラミック基板、ウエハ基板又は合成基板である。金属基板の材料は、金、銀、アルミニウム、またはそれらの合金から選択される。セラミック基板の材料はAlN、BN、Al2O3、ガラスおよびCaF2から選択される。ウエハ基板は、シリコンウエハ、炭化ケイ素ウエハ、炭化ケイ素、サファイアおよびグラフェンウエハまたは任意の他の化合物半導体ウエハ群である。合成基板は、グラファイト基板、グラファイト及びアルミニウム基板やグラファイトおよび炭化ケイ素基板であるが、これに限定されない。
【００４０】
ある実施形態では、本発明の波長変換デバイス32の蛍光板321の厚さは、好ましくは50マイクロメートル（μm）に等しく又はそれ以上、および1000マイクロメートル（μm）に等しく又はそれ未満である。ある実施形態では、蛍光板321は、20重量％の蛍光剤と80重量％のガラスで焼結される。蛍光板321の厚さと直径は、それぞれ、540ミリメートル、10センチメートルであるが、それに限定されない。本実施形態の実験結果によると、蛍光剤の重量％はわずか20であるが、約70重量％の蛍光体粉末を有する従来技術と比較して、少なくとも15％のゲインが、本発明により得られている。本発明の蛍光体物質の割合が10から70重量％であり、蛍光板321の厚さは50から1000ミリメートルであるため、ゲインの最大値は、本明細書に限定されない。
【００４１】
一方、蛍光板321の光出力面は、研磨面として研磨され、波長変換デバイス32の光学特性を向上させる。結果として、蛍光板321の受信光の効率は高められ、波長変換デバイス32の波長変換の効率も向上する。
【００４２】
図14を参照のこと。図14は、本発明の波長変換デバイスと従来技術における従来の波長変換デバイスとの電圧-パルス幅の性能を示す図である。図14に示すように固体発光素子31がレーザ光源であり、レーザ光源の駆動電流が2.3Aであり、出力電力が3.5Wである場合、従来の接着蛍光体ホイールは、放熱効率が最も劣るので、性能は最も早く減衰する。従来の接着蛍光体ホイールの全ての性能についてもまた最悪である。さらに、蛍光体ホイールがYAG蛍光体粉末を利用して製造される場合、蛍光体ホイールの性能は通常である。しかしながら、性能の減衰は、従来の接着蛍光体ホイールと比較して低下しており、そのため蛍光体ホイールの性能は、従来の接着剤蛍光体ホイールの性能よりも明らかに優れている。一方、本発明の波長変換デバイス32の性能は、蛍光体ホイールよりも明らかに優れ、減衰率と減衰の程度は、これら３つの例で最小となる。要するに、従来の接着剤の蛍光体ホイールおよび（純粋な）蛍光ホイールと比較して、本発明の波長変換デバイス32は、最良の性能を有している。
【００４３】
図15を参照のこと。図15は、本発明の波長変換デバイスのピーク面積-電力を示す図である。高エネルギー照明システムに適用した、本発明の波長変換デバイス32のピーク面積-電力の図を、図15に示す。固体発光素子31の出力が連続的に増加すると、全ピーク値の性能は、実質的に線形成長する。実験結果によると、本発明の波長変換デバイス32は、60ワットよりも高出力の環境に適用することができる。
【００４４】
以上の説明から、本発明は、照明システムとその波長変換デバイスを提供する。蛍光板は、第一波長帯の光を第二波長帯の光に変換するため、10から70重量％の蛍光剤および結合剤を有する固体の混合物であるので、蛍光板の熱伝導の効率は、効果的に向上し、これにより波長変換デバイスの変換効率が高められ、大きな剛性での回転に用いられるには十分強いものとなる。一方、波長変換デバイスは、任意のヒートシンクを利用することなく、回転型波長変換デバイスとして適用され、スペースの必要性が低減されるだけでなく、ホットスポットと熱拡散の現象が回避され、波長変換デバイスの製造のコストおよび製造の困難さは大幅に低減される。また、蛍光板の光出力面を研磨し、研磨面を形成することにより、蛍光板の受光効率が向上し、波長変換デバイスの変換効率も高められる。
【００４５】
本発明は、現在もっとも実用的で好ましい実施形態であると考えられるものに関して説明してきたが、本発明は、開示された実施形態に限定される必要はないことを理解すべきである。それどころか、添付の特許請求の範囲の精神と範囲内に含まれる様々な変更形態及び類似構成をカバーすることを意図するものであり、特許請求の範囲は、かかる変更形態及び類似構造の全てを包含する最も広い解釈に一致するものである。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【外国語明細書】
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