(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ソリッドステート光源であって、
第一の波長を備えたレーザービームを放出する一個の又は複数のレーザーダイオード、
レーザービームのビーム経路に配置された回転可能な支持体であって、
前記レーザービームが前記回転可能な支持体のリング状のエリアに回転中に入射するように、回転軸のまわりに回転可能であるように備え付けられたリングで又は光学的に透明なディスクで形成され、
前記リング状のエリアの一個の又は複数のセグメントが、前記レーザービームの入射の際に前記第一の波長とは異なる第二の波長又は波長領域の放射を放出する少なくとも一個の波長変換材料を有する、回転可能な支持体、並びに、
前記レーザーダイオードと前記回転可能な支持体との間に配置された反射器であって、
当該反射器の一部分を通じた前記レーザービームの通過を許容するように、
前記リング状のエリアにおける前記レーザービームの入射の場所から放出された放射を収集するように、
前記収集された放射を前記光源の放出の方向へ向けるように、設計された反射器
を有し、
前記支持体は、前記放出の方向へ前記反射器によって向けられた前記放射の妨害されない通過を許容するように前記回転軸から離れたベアリングに備え付けられる、
光源。
【請求項２】
請求項１に記載の光源において、
前記回転可能な支持体は、前記ベアリングを通じて移動するリングで形成される、光源。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の光源において、
前記回転可能な支持体を回転させるためのアクチュエーターは、前記放出の方向へ前記反射器によって向けられた前記放射の光路の外側に配置される、光源。
【請求項４】
請求項１又は２に記載の光源において、
前記波長変換材料は、ルミネッセンス性の材料である、光源。
【請求項５】
請求項１又は２に記載の光源において、
前記反射器は、前記収集された放射をコリメートするように設計される、光源。
【請求項６】
請求項１又は２に記載の光源において、
前記反射器は、前記レーザービームの通過を許容するアパーチャを有する、光源。
【請求項７】
請求項１又は２に記載の光源において、
前記反射器は、前記回転可能な支持体における前記リング状のエリアの半径より大きく前記リング状のエリアの直径より小さい反射器半径を有する、光源。
【請求項８】
請求項１又は２に記載の光源において、
前記リング状のエリアの少なくとも二個の異なるセグメントは、異なる波長又は波長領域の放射を放出する異なる波長変換材料を有する、光源。
【請求項９】
請求項１又は２に記載の光源において、
前記回転可能な支持体は、前記ベアリングを通じて移動するとき熱を散逸させる部材と接触する冷却構造を有する、光源。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
発明の分野
本発明は、第一の波長を備えたレーザービームを放出する一個の又は数個のレーザーダイオード及びレーザービームのビーム経路に配置された回転可能な支持体を具備するソリッドステート光源に関係すると共に、回転可能な支持体のリング状のエリアの一個の又は数個のセクションは、レーザービームの入射の際に第一の波長とは異なる第二の波長又は波長領域の放射を放出する少なくとも一個の波長変換材料を具備する。インコヒーレントの高い輝度の光を放出するそのようなソリッドステート光源は、複数の用途に、例えば、ライトバルブに基づいた投射と同様の低いエタンデュの光学的なシステムに、スポット照明に、ファイバー照明に、又は、建築の照明の用途に、使用されることができる。
【背景技術】
【０００２】
発明の背景
ソリッドステート光源は、現行では、多数の異なる照明の用途に入りつつあると共に白熱の及びガス放電ランプに取って代わる。数個の用途、例として、ディジタル保護、光ファイバー、建築の、娯楽の、又はステージの照明は、光学的なシステムの小さいエタンデュによって特徴付けられる。例えばＵＨＰ又はキセノンランプのような、高い強度のガス放電ランプが、現行では、これらの要求の厳しい用途において使用される。にもかかわらず、ソリッドステート光源も、このタイプの用途における光源として高度に望まれる。ＬＥＤは、まだ、それらの明るさにおいて制限されたものであり、従って、低いエタンデュの用途に適合させられることができない。レーザーは、低いエタンデュを備えた光学的な用途の典型的な要件よりも数桁高い明るさを提供する。これは、基本的には期待される収集の損失が無いことを意味するが、そのことは、レーザーをそのような用途のための非常に魅力的な光源にする。しかしながら、適切なレーザーは、必ずしも全ての要求された発光波長で利用可能なものではない。特に、緑色の波長の範囲においては、適当な性能及びコストを備えた直接的なレーザーダイオードの欠如がある。さらにはレーザー投射は、まだスペックル及び他の干渉の効果によって妨げられ、それらは、許容可能なピクチャの品質を保証するための追加的な措置を要求する。これらの効果は、レーザーの小さい帯域幅（又は高いコヒーレンス）に関係付けられる。
【０００３】
投射のための新しいタイプの光源が最近、提案されたが、その光源においては、レーザーは、回転するディスクに置かれる蛍燐光体の層を励起する。これは、ハイブリッドのＲＧＢ光源の設計を許容するが、この設計では、青色の光は、レーザーダイオードのアレイによって発生させられ、緑色の光は、時間系列の様式で、蛍燐光体を励起すると共に青色から緑色へ変換するために青色の光の一部分を使用することによって発生させられ、赤色の光は、赤色発光するＬＥＤで発生させられる。変換の効率がまだ良好なものである適当な範囲に蛍燐光体の温度を保つために、蛍燐光体は、回転するホイールに置かれる。この方式では、蛍燐光体をヒットする平均のレーザーパワーは、広げられると共に、蛍燐光体の温度が非臨界的な範囲内にあるままであるように十分に低く保たれる。このタイプの光源は、非常に小さなスポットサイズまでレーザービームをフォーカシングすると共に蛍燐光体における小さいエリアのみを励起することが可能であるので、レーザーの性質を有効に活用する。スポットサイズがより小さいものであるほど、光が放出される光学的なエタンデュは小さく、このようにして、低いエタンデュの光源が実現される。蛍燐光体のタイプに依存して、この光源は、相対的に広いスペクトルを放出すると共に、いずれの乱すスペックルの効果をも引き起こすものではない。
【０００４】
米国特許出願公開第２０１１／０１１６２５３Ａ１号は、そのようなソリッドステート光源を開示するが、それは、蛍燐光体でカバーされたディスク及び半導体レーザーダイオードのビーム経路においてそのディスクを回転させるモーターを含む。ディスクは、石英ガラスのような光学的に透明な材料から作られると共に、中央の回転軸のまわりで回転する。光学的なレンズシステムは、蛍燐光体の層によって放出された変換された放射を収集するために回転するディスクの後ろに配置される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１１／０１１６２５３Ａ１号
【発明の概要】
【０００６】
発明の概要
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、より小型の設計を備えた高い輝度の高度に効率的なインコヒーレント光源を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
その目的は、請求項１に従ったソリッドステート光源で達成される。この光源の好都合な実施形態は、従属請求項の主たる事項であるか、又は、明細書及び好適な実施形態の以後の部分に記載される。
【０００９】
提案されるソリッドステート光源は、第一の波長を備えたレーザービームを放出する一個の又は数個のレーザーダイオード、レーザービームのビーム経路に配置された回転可能な支持体、並びに、レーザーダイオードと回転可能な支持体との間に配置された反射器を具備する。回転可能な支持体は、レーザービームが、回転の間に回転可能な支持体のリング状のエリアに入射するように、回転軸のまわりに回転可能であるように備え付けられたリングで又は光学的に透明なディスクで形成される。回転可能な支持体の回転軸は、入射するレーザービームの光軸に対して好ましくは実質的に平行に配置される。リング状のエリアの一個の又は数個のセグメントは、レーザービームの入射の際に第一の波長とは異なる第二の波長又は波長領域の放射を放出する少なくとも一個の波長変換材料を具備する。このリング状のエリアは、二個のセグメント又はセクションのみを具備することがあるが、それらの一方は、波長変換材料を具備する。他方は、入射するレーザー放射について反射性のものに設計されることがあるか、又は、異なる波長変換材料を具備することがある。リング状のエリアは、また、入射するレーザー放射を異なる波長又は波長の範囲に変換する、異なる波長変換材料を具備する二個よりも多いセグメントを有することがある。波長の範囲は、また、部分的に重なり合うことがある。二個よりも多いセグメントに細分されるとき、波長変換材料のセグメント又は反射性のセクションは、また、繰り返すことがある。例えば石英ガラスのディスクのような、光学的に透明なディスクで作られる回転可能な支持体の場合には、小さいリング状のエリアのみが、そのリング状のエリアによって囲まれたエリアが光学的に透明なままであるように、波長変換材料又は反射性を具備する。リングの又はリング状のエリアの幅は、具体的な用途のエタンデュに適合させられるべきである。１０００ｌｍぐらいの光出力を備えた、例としての典型的なビジネスプロジェクターについては、リングの又はリング状のエリアの幅は、好ましくは、≦５ｍｍである。数１００００ｌｍの光の出力を備えたシネマプロジェクターは、好ましくは≦１００ｍｍの幅を備えたリング又はリング状のエリアを使用することになる。波長変換材料は、回転可能な支持体に埋め込まれるか、又は、この支持体の表面に材料の層として適用されることがある。同じことは、反射性のセグメントに当てはまる。
【００１０】
レーザーダイオードと回転可能な支持体との間に配置された反射器は、リング状のエリアにおけるレーザービームの入射の場所から放出された放射を収集するように、且つ、収集された放射を光源の放出の方向へ向けるように、反射器の一部分を通じた、例として、中央の部分を通じた、レーザービームの通過を許容するように設計される。反射器の対応する部分は、レーザービームの通過を許容するためのアパーチャを有することがあるか、又は、レーザービームの通過のための窓を形成するために、この部分において、反射性の層によってカバーされない光学的に透明な材料で作られることもある。反射器は、リング状のエリアにおけるレーザービームの入射の場所から放出された放射を収集する。この収集された放射は、回転可能な支持体の瞬間的な回転の位置に依存してレーザービームの変換された放射及び／又は反射させられた放射であることがある。レーザービームは、好ましくは、レーザーダイオードと回転可能な支持体との間に配置された適当な光学部品によって、リング状のエリアにフォーカシングされる。
【００１１】
提案されるソリッドステート光源において、回転可能な支持体は、ベアリングに備え付けられるが、そのベアリングは、放出の方向への反射器によって収集され且つ向けられた放射の妨害されない通過を許容するように回転軸から遠方に配置される。ベアリングは、回転の間に回転可能な支持体をガイドする。また、回転可能な支持体を駆動するか又はそれを回転させるためのアクチュエーターが、光が、アクチュエーター、特にモーター駆動装置によって遮断されることがないように、放出の方向へ反射器によって向けられた放射の光路の外側に配置される。
【００１２】
レーザーダイオードと回転可能な支持体との間における反射器の使用のおかげで、提案されるインコヒーレント輝度光源の非常に小型の設計が、達成される。回転軸から遠方の回転可能な支持体のためのベアリングの配置との組み合わせにおいて、リングで又は光学的に透明なディスクで作られた回転可能な支持体は、ベアリング及びアクチュエーターによる収集された光の遮ることの問題無しに（回転軸にベアリングを備えた構築物と比較して）より大きい直径を備えた反射器の設計を許容する。より大きい反射器は、改善された収集の効率に、よって、高度に効率的な光源に、帰着する。（リング状のエリアでの反射の後の）レーザー光も、反射器によって収集されると共に同じ方向へ向けられるので、変換された及び変換されていない光は、同じビーム経路をたどり、それは、単純化された光源のアーキテクチャにつながる。
【００１３】
反射器は、好ましくは、収集された放射をコリメートするように設計される。そのような反射器は、例えば、放物面の形状を具備することがある。反射器の半径は、好ましくは、回転可能な支持体においてリング状のエリアの半径と比べてより大きく且つその直径と比べてより小さい。これらの寸法で、ベアリングによる収集された放射の光の一部分の遮断が、回避されると共に、反射器の寸法は、同時に、改善された収集の効率を達成するために十分に高いものである。
【００１４】
好都合な実施形態において、回転可能な支持体は、ベアリングを通じて移動するリングで形成される。この実施形態は、放出の方向における収集された放射の透過が、光学的に透明なディスクの場合のような、光学的に透明な材料の反射の損失によって、低下させられないという利点を有する。
【００１５】
光学的に透明なディスク又はリングは、例えば、放出の方向において見られたときリング状のエリアの後ろに配置された冷却フィンのような冷却する構造を具備することがある。熱の散逸のためのベアリングにおける高度に熱伝導性の部材又はヒートシンクと接触することがある、そのような冷却する構造で、波長変換材料のさらに改善された冷却をすることを許容する。
【００１６】
発明のこれらの及び他の態様は、以後に記載される実施形態から明白になると共にそれら実施形態を参照して解明されることになる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は、提案されるソリッドステート光源の例の概略的な側面図を示す。
【図２】図２は、図１の例の概略的な上面図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
【００１９】
図１は、回転するリング６が回転可能な支持体を形成する、提案されるソリッドステート光源の例の概略的な側面図を示す。反射器４は、回転するリング６の側面に置かれるルミネッセンス性の変換材料８との組み合わせで使用される。レーザーダイオード１のアレイは、第一の波長のレーザービームを放出するが、そのレーザービームは、ルミネッセンス性の変換材料８によって少なくとも部分的にカバーされた回転するリング６のリング状の側面へとフォーカシング光学系２によってフォーカシングさせられる。反射器４は、フォーカシングされたレーザービーム３の通過を許容する小さいアパーチャ５を具備する。
【００２０】
一般に、レーザービームは、単一のレーザーダイオードから又はレーザーダイオードのアレイから放出されることができる。典型的なパワーレベルは、用途に依存するが、数１０Ｗの程度である。レーザーダイオードの波長は、例えば、３６０ｎｍと４９０ｎｍとの間の範囲であることができるが、最も一般的な波長は、（ブルーレイの光学的な記憶に使用される）４０５ｎｍ、及び、およそ４５０ｎｍであるが、その波長は、主としてディスプレイの用途に使用される。あるいは、上記の変換するルミネッセンス性の材料としてのアップコンバージョンのための適切なルミネッセンスの材料との組み合わせでは、レーザーの波長は、赤外におけるもの、例として、およそ９８０ｎｍ、であることができる。フォーカシング光学系２で、レーザービーム３は、約１ｍｍの程度の典型的な直径を備えた小さいサイズのスポットへフォーカシングされる。用途のエタンデュに依存するが、この直径は、変動することができる。
【００２１】
ルミネッセンス性の変換材料８におけるフォーカシングされたレーザービーム３の入射のおかげで、第二の波長を備えた又は第二の波長領域における放射は、反射器４に向かって放出される。この放射１１は、反射器４によって収集されると共に図１に示されたように放出の方向へ向けられる。ルミネッセンス性の変換材料８に又はフォーカシングされたレーザービーム３が入射する回転するリング６におけるリング状のエリアのセグメントに依存して、レーザービームの放射、即ち、第一の波長の放射も反射器４に向かって反射させられ、それにより、放出の方向へ反射器４によって収集され且つ向けられる。このようにして、変換された及び変換されていない光は、同じビーム経路をたどる。
【００２２】
回転するリング６は、臨界温度より上のレーザービームの入射によるルミネッセンス性の材料の加熱を回避するために回転軸９のまわりで回転するように（図に示されたものではない）モーターによって駆動される。図１から理解されることができるように、回転軸９のまわりで回転するリング６をガイドすると共に駆動するためのベアリング１０は、反射器４によって収集される放射のビーム経路の外側に回転軸から遠方に配置される。従って、収集された放射は、ベアリング及びリングを駆動するためのモーターによって遮られない。これは、相対的に大きい反射器の使用を可能にするが、それは、回転可能な支持体が回転軸９にベアリング及びモーターを具備するとした場合には可能ではないことであろう。より大きい反射器は、より良好な光の収集を許容すると共に反射させられたビームについてのより少ない収差に帰着する。回転するリング６の駆動は、例えば、リングの周における適当な構造とかみ合う、適当なモーターで駆動されたギアの助けによって達成されることができる。
【００２３】
回転するリング６は、また、高度に熱伝導性の材料の冷却する構造１５を具備することがある。この例においては、この冷却する構造１５は、数個の冷却フィンで形成されると共にルミネッセンス性の変換材料８によってカバーされたリング状のエリアの後ろに配置される。この冷却構造をベアリング１０における他の高度に熱伝導性の材料と接触させることによって、リングの改善された冷却が達成されることができる。
【００２４】
図２は、図１のソリッドステート光源への放出の方向からの上面図を示す。この上面図において、回転するリング６のリング状のエリア７の直径と比べて実質的により大きい反射器４の外側の直径が、認識されることができる。この例における回転するリング６のリング状のエリア７は、異なるルミネッセンス性の変換材料８、１３、及び１４を備えた三個の異なるセグメントを具備する。図は、また、リング状のエリア７におけるレーザーフォーカス１２を示す。回転するリング６の回転の間に、このレーザーフォーカス１２は、異なるセグメントに順次に入射し、このように、変換された放射の異なる波長を生じさせる。三個のセグメントの一個は、反射性の層を具備するのみであることもあるが、その層は、次に、入射するレーザー放射を反射器４へ反射させる。
【００２５】
選ばれたレーザー波長及び望まれた発光スペクトルに依存して、異なる変換材料が使用されることができる。例示的な材料は、例えば、懸濁物における蛍燐光体の粉末、蛍燐光体の層、又はセラミックのプレート若しくはガラスでさえもあり得る。他の材料及び波長の組み合わせを排除することなく、いくつかの例が、以下の表に与えられる。
【００２６】
【表１】
0005802354.tif 000002
リング状のエリア７における異なるセクション又はセグメントは、例として、青色のポンプ放射を反射させるための散乱性のセグメント、緑色へ変換するセグメント、及び、赤色へ変換する別のセグメントのように、異なる変換材料でカバーされることができる。このようにして、白色光源が、実現されることができるが、色点は、セグメントの相対的なサイズによって、及び、リングにおける異なるセグメントに同期されたレーザーを駆動することによって、調節されることができる。
【００２７】
本発明が、図面及び前述の記載に詳細に図示されてきた及び記載されてきたものである一方で、そのような図示及び記載は、例証のものと又は例示的なものであって制限的なものではないと考えられるべきであると共に、本発明は、開示された実施形態に限定されるものではない。開示された実施形態に対する他のバリエーションは、図面、開示、及び添付された請求項の研究から、請求項に記載された発明を実施する際に当業者によって理解されると共に果たされることができる。請求項において、単語“を具備する”は、他の要素又はステップを排除するものではなく、不定冠詞“ある”又は“ある一つの”は、複数を排除するものではない。ある一定の措置が相互に異なる従属請求項に陳述されるという単なる事実は、これらの措置の組み合わせが、有利に使用されることができないことを示すものではない。特に、光源の全ての請求項は、自由に組み合わせられることができる。請求項におけるいずれの参照符号も、その範囲を限定するものとして解されるべきものではない。
【００２８】
【符号の説明】
【００２９】
参照符号のリスト
１  レーザーダイオード
２  フォーカシング光学系
３  フォーカシングされたレーザービーム
４  反射器
５  小さいアパーチャ
６  回転するリング
７  リング状のエリア
８  ルミネッセンスの変換材料
９  回転軸
１０  ベアリング／駆動装置
１１  変換された／反射させられた放射
１２  レーザーフォーカス
１３  ルミネッセンス性の変換材料
１４  ルミネッセンス性の変換材料
１５  冷却する構造
【図１】
0005802354.tif 000003
【図２】
0005802354.tif 000004