(57)【要約】カラーホイールは、光反射面と、その光反射面上に付着される光ルミネセンス材料の領域とを有する、回転式ディスクを含む。この光ルミネセンス材料の領域は、ディスクの光反射面上にスクリーン印刷によって付着される、光ルミネセンス材料の粒子の混合物の、実質的に均一な厚さの層を含む。この光ルミネセンス材料は、蛍光体材料又は量子ドットなどの、青色光励起性若しくはＵＶ励起性の光ルミネセンス材料を含み得る。色変調光源、及びカラーホイールの製造方法もまた、開示される。
2014507013.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光反射面を有する回転式ディスクと、
前記光反射面上に付着される光ルミネセンス材料の領域と、
を含む、カラーホイール。
【請求項２】
前記光ルミネセンス材料が、スクリーン印刷によって付着される、請求項１に記載のカラーホイール。
【請求項３】
前記光ルミネセンス材料の領域内で、単位面積当りの光ルミネセンス材料の量が、１０ｍｇ・ｃｍ−２〜５０ｍｇ・ｃｍ−２及び３０ｍｇ・ｃｍ−２〜３５ｍｇ・ｃｍ−２からなる群から選択される、請求項１に記載のカラーホイール。
【請求項４】
前記光ルミネセンス材料の領域が、４０μｍ〜１２０μｍ及び６０μｍ〜８０μｍからなる群から選択される厚さの、実質的に均一な厚さの層を含む、請求項１に記載のカラーホイール。
【請求項５】
前記光ルミネセンス材料の領域が、前記光ルミネセンス材料の粒子と光透過性の結合剤との混合物を含み、
前記光透過性の結合剤は、ポリマー樹脂、モノマー樹脂、アクリル、エポキシ、シリコーン、及びフッ素化ポリマーからなる群から選択される、硬化性液体ポリマーを含む、請求項１に記載のカラーホイール。
【請求項６】
前記光ルミネセンス材料が、量子ドット、蛍光体材料、ケイ酸塩系の蛍光体材料、窒化物系の蛍光体材料、硫酸塩系の蛍光体材料、オキシ窒化物系の蛍光体材料、オキシ硫酸塩系の蛍光体材料、ガーネット型構造を有する蛍光体材料、イットリウム・アルミニウム・ガーネット系ＹＡＧ系の蛍光体材料、及びこれらの組み合わせからなる群から選択される、請求項１に記載のカラーホイール。
【請求項７】
前記光ルミネセンス材料が、４５０ｎｍ〜４８０ｎｍの範囲の波長を有する青色光によって励起可能であり、前記光ルミネセンス材料が、赤色光、緑色光、黄色光、シアン光、及びマゼンタ光からなる群から選択される光を生成するように動作可能である、請求項１に記載のカラーホイール。
【請求項８】
前記ディスクが、青色光の周期的な通過を可能にするための、少なくとも１つの貫通孔を更に含む、請求項７に記載のカラーホイール。
【請求項９】
少なくとも１つの光散乱材料の領域を更に含む、請求項７に記載のカラーホイール。
【請求項１０】
前記光散乱材料が、二酸化チタン、硫酸バリウム、酸化マグネシウム、二酸化ケイ素、酸化アルミニウム、及びこれらの混合物からなる群から選択される、請求項９に記載のカラーホイール。
【請求項１１】
前記光ルミネセンス材料が、３００ｎｍ〜３５０ｎｍの波長範囲を有するＵＶ光によって励起可能であり、前記光ルミネセンス材料が、赤色光、緑色光、青色光、黄色光、シアン光、及びマゼンタ光からなる群から選択される光を生成するように動作可能である、請求項１に記載のカラーホイール。
【請求項１２】
前記ディスクの前記光反射面が、少なくとも０．９０、少なくとも０．９５、及び少なくとも０．９８からなる群から選択される反射率を有する、請求項１に記載のカラーホイール。
【請求項１３】
前記ディスクが、熱伝導性であり、少なくとも１５０Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１及び少なくとも２００Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１からなる群から選択される熱伝導率を有する、請求項１に記載のカラーホイール。
【請求項１４】
前記ディスクが、アルミニウム、アルミニウムの合金、マグネシウムの合金、銅、及び熱伝導性セラミックからなる群から選択される、請求項１３に記載のカラーホイール。
【請求項１５】
前記光ルミネセンス材料の領域に関連する、光反射性境界を更に含む、請求項１に記載のカラーホイール。
【請求項１６】
前記光反射性境界が、光反射性材料を含む、請求項１５に記載のカラーホイール。
【請求項１７】
前記反射性材料が、反射性インク材料を含む、請求項１６に記載のカラーホイール。
【請求項１８】
前記反射性境界が、トレンチの壁部を含み、前記光ルミネセンス材料が、前記トレンチ内部に付着される、請求項１５に記載のカラーホイール。
【請求項１９】
前記トレンチの壁部が、傾斜壁部、直線状の垂直壁部、湾曲状の凸面壁部、及び湾曲状の凹面壁部からなる群から選択される構成を有する、請求項１８に記載のカラーホイール。
【請求項２０】
前記反射性境界が、内側境界、外側境界、又は前記光ルミネセンス材料の異なる領域間の境界を形成する、請求項１５に記載のカラーホイール。
【請求項２１】
前記光ルミネセンス材料が、前記光ルミネセンス材料の表面から延出する、表面特徴部を含む、請求項１に記載のカラーホイール。
【請求項２２】
前記領域が、異なる光ルミネセンス材料の少なくとも２つの領域を含む、請求項１に記載のカラーホイール。
【請求項２３】
前記異なる光ルミネセンス材料の少なくとも２つの領域の構成が、前記カラーホイール全体の周囲に延在する、異なる光ルミネセンス材料の同心性のストリップ領域、交代で色配置された光ルミネセンス材料を有する、複数の円形領域、グループ化された色の光ルミネセンス材料を有する、複数の円形領域、交代で色配置された光ルミネセンス材料の環状領域、及びグループ化された色の光ルミネセンス材料の環状領域からなる群から選択される構成を含む、請求項２２に記載のカラーホイール。
【請求項２４】
前記光ルミネセンス材料の前記領域が、前記カラーホイール全体の周囲の単一色を含む、請求項１に記載のカラーホイール。
【請求項２５】
前記ホイールが、デジタル光投影システム、照明システム、及び娯楽照明のための光源からなる群から選択される光源内に組み込まれる、請求項１に記載のカラーホイール。
【請求項２６】
第１の波長の励起光を生成するように動作可能な、固体光源と、
前記励起光を、異なる波長の光に選択的に変換することによって、色変調光を生成するための、カラーホイールと、
を含み、
前記カラーホイールが、励起光によって励起可能な、異なる光ルミネセンス材料の少なくとも２つの領域を有する光反射面を有する、回転式ディスクを含む、デジタル投影システムのための光源。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、デジタル投影システム又は娯楽照明を実装するために使用されるカラーホイールなどの、光ルミネセンス材料を組み込むカラーホイールに関する。
【背景技術】
【０００２】
デジタル投影及び他の形態の娯楽照明製品を実装するために使用することができる、多くのタイプの光生成システムが存在する。例えば、ＤＬＰ（商標）（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｌｉｇｈｔ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ−ＤＬＰは、Ｔｅｘａｓ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓの商標である）デジタル投影システムでは、カラー画像は、デジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）として既知の、極微細な鏡の配列（各鏡は、画像の１つ以上の画素に対応する）を有する、半導体チップを使用して生成される。単一チップのＤＬＰ投影システムでは、個別の光源を使用して、原色（赤、緑、青）のそれぞれを逐次的に生成するか、又はＤＭＤチップと白色光源との間に配置される、カラーホイールを使用するかのいずれかによって、色が生成される。ＤＬＰ投影システムは、会合又は会議で提示内容を投影するため、映画館及びホームシネマでデジタル映画を投影するためのＤＬＰ前面プロジェクターで使用され、またＤＬＰ背面投影型テレビで使用される。
【０００３】
図１は、画像平面１４（典型的には、スクリーン）上にカラー画像１２を投影するための、単一チップのＤＬＰ投影システム１０の概略図である。この投影システムは、ＤＬＰ前面プロジェクターの一部、又はＤＬＰ背面投影型テレビの一部を含むことが可能であり、色変調光源１６、光学素子１８、ＤＭＤ  ２０、及び投影光学素子２２を含む。カラーホイールシステムでは、変調光源１６は、典型的には水銀蒸気ハロゲン化金属高輝度アークランプである、白色光源２４と、光学素子２６と、ランプ２４によって生成される光の色を変調するためのカラーホイール２８とを含む。周知のように、カラーホイール２８は、幾つかの異なる光透過性カラーフィルター要素３０（赤色）、３０（緑色）、３０（青色）へと分割される、回転式ディスクを含み、各扇形区分は、赤、緑、及び青の原色のうちの、それぞれの１つに対応する。動作中、カラーホイール２８は、一定の速度で回転し、ランプ２４によって生成される白色光３２は、光学素子２６によって、フィルター要素３０を含むディスクの一部分上へと方向付けられる。カラーホイールを通過する白色光３２は、フィルター要素によってフィルター処理されることにより、赤、緑、及び青の繰り返し配列を含む、色変調光３４が生成され、その繰返し速度は、カラーホイールの回転の速度に応じて決定される。変調光３４は、光学素子１８によってＤＭＤ  ２０上へと方向付けられ、このＤＭＤ  ２０の動作は、カラーホイールと同期して、選択された色の光を、投影光学素子２２に向けて選択的に方向付けることにより、画像平面１４上にカラー画像１２を投影する。
【０００４】
カラーホイールを使用するＤＬＰ投影システムに関する問題点は、振動によって容易に損傷する恐れがあり、冷却を必要とし、比較的短い動作光寿命（約４０００〜６０００時間）を有し、交換に費用がかかる（典型的には、２００米ドル以上）高輝度ランプ２４とすることができる。
【０００５】
米国特許第７，５４７，１１４号（Ｙｉ−Ｑｕｎ  ＬＩ等、特許文献１）は、ＵＶ領域若しくは青色領域内で励起光を生成するように動作可能な、ＬＥＤ（発光ダイオード）又はレーザーダイオードなどの励起光源と、種々の波長変換材料（蛍光体）の扇形区分を含む、透明なカラーホイールとを含む、多色照明デバイスを開示している。ホイール上にダイクロイックフィルターを提供することにより、励起光が光出力に寄与することを阻止することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第７，５４７，１１４号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、既知のデバイスの制限を、少なくとも部分的に克服するカラーホイールを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の実施形態は、レーザーダイオード又はＬＥＤなどの固体光源と共に使用され、例えば、デジタル投影システムのための変調色光源の一部として、又は娯楽照明での光源として使用することができる、光ルミネセンスカラーホイールに関連する。異なる光ルミネセンス蛍光体材料の、１つ以上の領域（例えば、環状扇形区分又は円形扇形区分）を含む、光反射性ホイールを使用して、固体光源によって生成される励起光（典型的には、青色励起光又は紫外（ＵＶ）励起光）の波長を、所望の色の光へと（光ルミネセンスのプロセスを通じて）変換する。デジタル投影システム内では、このカラーホイールは、典型的には赤、緑、及び青の原色の、時分割配列を生成するように構成することができる。
【０００９】
一部の実施形態では、固体光源は、青色励起光を生成するように動作可能であり、カラーホイールは、赤及び緑の、他の光の原色を生成するように動作可能な、青色光励起性の光ルミネセンス材料の扇形区分を含む。光ルミネセンス材料は、典型的には粉末形態であり、液体アクリル又はシリコーンなどの、光透過性の結合剤と混合することができ、そのスラリーは、好ましくは印刷プロセス、具体的にはスクリーン印刷によって、ディスクの光反射性表面上に付着させることができる。好ましくは、種々の光ルミネセンス材料の扇形区分は、均一な厚さの１つ以上の層として、ディスク上に付着される。色変調出力を生成することが意図され、かつ青色光生成固体光源に基づく光源に関しては、青色光を生成することが意図される、ホイールの部分は、光ルミネセンス材料を含まず、一配置構成では、そのような部分は、開口、すなわち貫通孔を含むことにより、光がホイールを周期的に通過することを可能にする。他の配置構成では、青色光を生成することが意図される、ホイールの部分は、ＴｉＯ２（二酸化チタン）、硫酸バリウム（ＢａＳＯ４）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）などの粉末状光散乱材料の層が、その表面上に付着される、光反射性部分を含み得る。好ましくは、この光反射性材料は、光ルミネセンス材料の光放出特性のものと同様の、光散乱／反射特性を有する。
【００１０】
励起光の一部分は、光ルミネセンス光へと変換されることなく、光ルミネセンス材料によって散乱する場合があるため、光源は、好ましくは、そのような励起光が光源の放出産物に到達することを防止するように構成される、波長選択光学素子、典型的にはダイクロイック要素を含む。
【００１１】
本発明の一部の実施形態によれば、カラーホイールは、光反射面と、その光反射面上に付着される光ルミネセンス材料の領域とを有する、回転式ディスクを含む。一部の実施形態では、光ルミネセンス材料の領域は、蛍光体材料の粒子と光透過性の結合剤との混合物をスクリーン印刷することによって、ディスクの光反射面上に付着される。光の生成を最適化するために、単位面積当りの光ルミネセンス材料の量は、１０ｍｇ・ｃｍ−２〜５０ｍｇ・ｃｍ−２の範囲とすることができ、典型的には、３０ｍｇ・ｃｍ−２〜３５ｍｇ・ｃｍ−２の範囲とすることができる。
【００１２】
典型的には、蛍光体材料の領域は、蛍光体／結合剤混合物の、均一な厚さの層を含む、非重複の環状扇形区分又は円形扇形区分を含む。光透過性の結合剤は、ポリマー樹脂、モノマー樹脂、アクリル、エポキシ、シリコーン、又はフッ素化ポリマーなどの、硬化性液体ポリマーを含み得る。蛍光体材料の領域の厚さは、好ましくは、４０μｍ〜１２０μｍの範囲であり、より好ましくは、６０μｍ〜８０μｍの範囲である。
【００１３】
光ルミネセンス材料は、量子ドット、蛍光体材料、ケイ酸塩系の蛍光体材料、窒化物系の蛍光体材料、硫酸塩系の蛍光体材料、オキシ窒化物系の蛍光体材料、オキシ硫酸塩系の蛍光体材料、ガーネット型構造の蛍光体材料、ＹＡＧ系（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）の蛍光体材料、若しくはこれらの組み合わせを含めた、無機材料又は有機材料を含み得る。あるいは、光ルミネセンス材料は、量子ドットを含み得る。光ルミネセンス材料は、約４５０ｎｍ〜４８０ｎｍの範囲の波長を有する青色光によって励起可能な材料、又は３００ｎｍ〜３５０ｎｍの波長範囲を有するＵＶ光によって励起可能な材料を含み得る。
【００１４】
蛍光体材料が、青色光励起性である場合には、カラーホイールは、有利には、赤色光（６２０ｎｍ〜７５０ｎｍ）及び緑色光（４９５ｎｍ〜５７０ｎｍ）をそれぞれ生成するように動作可能な、蛍光体材料の領域を含む。更には、カラーホイールは、黄色（５７０ｎｍ〜５９０ｎｍ）、シアン（青及び緑）、マゼンタ（青及び赤）などの、光の二次色を生成するように動作可能な、蛍光体材料の領域を更に含み得る。簡便には、黄色光は、黄色光を放出する光ルミネセンス材料を使用して、直接生成することができ、その一方で、シアン及びマゼンタは、それぞれ、緑色光を放出する光ルミネセンス材料、及び赤色光を放出する光ルミネセンス材料を、一定の比率の青色励起光と組み合わせて使用して、生成することができる。あるいは、シアン光及びマゼンタ光は、緑色光と青色光とを、また赤色光と青色光とを、逐次的に組み合わせることによって生成することができる。一配置構成では、このディスクは、青色光を生成するために使用されるホイールの領域に対応する、少なくとも１つの貫通孔を、更に含み得る。そのような貫通孔は、青色光がホイールを周期的に通過することを可能にして、青色光が、光ルミネセンス材料の領域によって生成される光の光路とは異なる光路に沿って移動することを、確実にする。他の配置構成では、青色光を生成することが意図される、カラーホイールの領域は、青色励起光を選択的に反射するための、１つ以上の光反射性領域を含み得る。好ましくは、そのような領域は、二酸化チタン、硫酸バリウム、酸化マグネシウム、二酸化ケイ素、酸化アルミニウム、又はこれらの混合物の粒子などの、光散乱材料を更に含む。そのような光散乱材料は、そのような領域からの青色励起光の放出パターンが、光ルミネセンス材料を含む領域からの光の放出パターンに、より密接に類似することを確実にすることによって、ホイールから放出される光の捕捉を単純化することができる。好ましくは、この光散乱材料の粒子は、光透過性の結合剤と組み合わされ、光ルミネセンス材料領域を付着させるために使用されるものと同じプロセス（好ましくは、スクリーン印刷）を使用して、ホイールの面上に、均一な厚さの層として付着される。
【００１５】
光ルミネセンス材料が、ＵＶ励起性である場合には、カラーホイールは、有利には、赤色光、緑色光、及び青色光をそれぞれ生成するように動作可能な、光ルミネセンス材料の領域を含む。このカラーホイールは、黄色光、シアン光、又はマゼンタ光を含めた、光の二次色をそれぞれ生成するように動作可能な、蛍光体材料の領域を更に含み得る。シアン光を生成するための、ホイールの領域は、緑色光を放出する光ルミネセンス材料と青色光を放出する光ルミネセンス材料との混合物を含み得る一方で、マゼンタ光を生成するための、ホイールの領域は、赤色光を放出する光ルミネセンス材料と青色光を放出する光ルミネセンス材料との混合物を含み得る。
【００１６】
カラーホイールの光放出を最大化するために、このディスクの光反射面は、可能な限り高い反射率を有し、好ましくは、少なくとも０．９０の、より好ましくは、少なくとも０．９５の、有利には、少なくとも０．９８の反射率を有する。このディスクは、本質的に光反射性である材料から製作することができるが、あるいは、このディスクは、表面を光反射性にするように、その表面が処理又はコーティングされる、ディスクを含み得る。熱の放散を補助し、光ルミネセンス材料の熱的劣化の可能性を低減するために、このディスクは、有利には、更に熱伝導性である。有利には、このディスクは、可能な限り高い熱伝導率κを有する材料から製作され、好ましくは、少なくとも１５０Ｗｍ−１Ｋ−１の、より好ましくは、少なくとも２００Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１の熱伝導率を有し得る。典型的には、このディスクは、アルミニウム（κ≒２５０Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１）、アルミニウムの合金、マグネシウムの合金、若しくは銅（κ≒４００Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１）などの、金属又は金属合金を含み得る。あるいは、このディスクは、例えばグラファイトなどの熱伝導性粒子で充填される、ポリマー材料、又は例えばアルミニウムケイ素炭化物（ＡｌＳｉＣ）などの、熱伝導性セラミック材料を含み得る。
【００１７】
一部の実施形態では、カラーホイールは、光ルミネセンス材料の領域に関連する、光反射性境界を更に含む。そのような光反射性境界は、ホイールからの光放出を、半径方向で制限することを補助し得る。一部の実施形態では、光反射性境界は、光反射性材料を含み得る。一実施形態では、光反射性材料は、ディスクの面上に印刷するか、又は他の方法で付着させることができる、反射性インク材料を含む。一部の配置構成では、反射性境界は、トレンチの壁部を含み、光ルミネセンス材料が、このトレンチ内部に付着される。このトレンチは、例えば、プレス加工、成形加工、又は機械加工によって、ディスクの表面内に形成することができる。トレンチの壁部は、傾斜壁部、直線状の実質的な垂直壁部、湾曲状の凸面壁部、又は湾曲状の凹面壁部を含み得る。
【００１８】
この反射性境界は、内側境界、外側境界、及び／又は光ルミネセンス材料の異なる領域間の境界を、形成することができる。
【００１９】
励起光に呈示される光ルミネセンス材料の面積を増大させると共に、光ルミネセンス材料の投影面積を最小化するために、光ルミネセンス材料は、その光ルミネセンス材料の表面から延出する、表面特徴部を含み得る。そのような表面特徴部は、光ルミネセンス領域の領域上に、光ルミネセンス材料の特徴部のパターンを上重ね印刷するか、又は他の方法で付着させることによって、提供することができる。
【００２０】
カラーホイールが種々の光の色を生成することが可能であることを必要とする用途では、その領域は、異なる光ルミネセンス材料の少なくとも２つの領域を含み得る。この異なる光ルミネセンス材料の少なくとも２つの領域は、カラーホイール全体の周囲に延在する、異なる光ルミネセンス材料の同心性のストリップ領域、交代で色配置された光ルミネセンス材料を有する、複数の円形領域、グループ化された色の光ルミネセンス材料を有する、複数の円形領域、交代で色配置された光ルミネセンス材料の環状領域、グループ化された色の光ルミネセンス材料の環状領域などの、様々な構成を含む。一部の実施形態では、光ルミネセンス材料は、カラーホイール全体の周囲の単一色を含む。
【００２１】
本発明の一部の実施形態は、デジタル投影システムのための光源に関連して生じたものであるが、本発明の他の実施形態は、例えば、高い彩度もまた有益であり得る娯楽照明などの、選択された色及び高い光束（２０００ルーメン以上）の光の発生を必要とする、他の照明用途に応用される。
【００２２】
本発明の一部の実施形態の別の態様によれば、デジタル投影システムのための光源は、第１の波長の励起光を生成するように動作可能な、固体光源と、その励起光を、異なる波長の光に選択的に変換することによって、色変調光を生成するための、本発明の一部の実施形態の様々な態様による、カラーホイールとを含む。典型的には、この固体光源は、１つ以上のレーザーダイオードを含むが、この固体光源は、１つ以上のＬＥＤなどの、他の個体光源を含み得る。固体光源は、光ルミネセンス材料の領域を含む、カラーホイールの一部分上に入射する、励起光を生成するように構成される。
【００２３】
固体光源は、励起光と、光ルミネセンス材料の領域によって生成される光とを、分離するために動作可能な、波長選択構成要素を更に含み得る。そのような構成要素は、励起光が光源の放出産物に寄与することを選択的に防ぐように、構成することができる。一配置構成では、波長選択構成要素は、励起光の波長に対応する波長の光を反射し、かつ他の波長の光を透過するように構成される、ダイクロイック反射板を含む。あるいは、波長選択構成要素は、励起光の波長に対応する波長の光を透過し、かつ他の波長の光を反射するように構成される、ダイクロイックフィルターを含み得る。
【００２４】
本発明の一部の実施形態の別の態様によれば、カラーホイールを製造する方法は、光反射面を有するディスクを提供する工程と、そのディスクの光反射面の第１領域の上に、第１の光ルミネセンス材料の混合物をスクリーン印刷する工程と、そのディスクの光反射面の第２領域の上に、第２の光ルミネセンス材料の混合物をスクリーン印刷する工程とを含む。一方法では、光ルミネセンス材料は、光透過性の硬化性結合剤材料と混合される。この結合剤は、ＵＶ硬化性とすることができ、この方法は、更なる領域をスクリーン印刷する前に、１つの領域の結合剤材料を、少なくとも部分的に硬化させる工程を更に含み得る。
【００２５】
この方法は、そのディスクの光反射面の、１つ以上の更なる領域上に、光散乱材料と光透過性結合剤材料との混合物を印刷する工程を更に含み得る。
【００２６】
本発明をより良好に理解するために、本発明の実施形態による、カラーホイール、及びカラーホイールを組み込む光源を、以下の添付図面を参照して、単なる例として説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】前述のような、既知の単一チップのＤＬＰ投影システムの概略図。
【図２】本発明の実施形態による、ＤＬＰ投影システムのための色変調光源の概略図。
【図３】図２の光源の放出産物の概略図。
【図４】図２の光源内で使用するための、本発明の実施形態による、４色カラーホイールの概略図。
【図５】図２の光源によって生成される光の色域を示す、ＣＩＥ  １９３１色度図。
【図６】本発明の別の実施形態による、ＤＬＰ投影システムに関する、色変調光源及び放出産物の概略図。
【図７】図６の光源内で使用するための、本発明の実施形態による、６色カラーホイールの概略図。
【図８】本発明の更なる実施形態による、６色カラーホイールの概略図。
【図９】カラーホイールによる光の生成の、等方性の性質を示す概略図。
【図１０】蛍光体材料に隣接する反射性境界を有するカラーホイールの概略図。
【図１１】放出光に対する光反射性境界の効果を示す概略図。
【図１２Ａ】カラーホイールからの放出光の、想定される損失を示す概略図。
【図１２Ｂ】カラーホイールからの放出光の損失を低減するための、光反射性境界の使用を示す概略図。
【図１３Ａ】トレンチを使用して、カラーホイールからの放出光の損失を低減する、種々の手法を示す概略図。
【図１３Ｂ】トレンチを使用して、カラーホイールからの放出光の損失を低減する、種々の手法を示す概略図。
【図１３Ｃ】トレンチを使用して、カラーホイールからの放出光の損失を低減する、種々の手法を示す概略図。
【図１３Ｄ】トレンチを使用して、カラーホイールからの放出光の損失を低減する、種々の手法を示す概略図。
【図１３Ｅ】トレンチを使用して、カラーホイールからの放出光の損失を低減する、種々の手法を示す概略図。
【図１４Ａ】蛍光体材料上に形成された表面特徴部を有する、カラーホイールの概略図。
【図１４Ｂ】カラーホイールからの放出光の損失を低減するための、反射性境界と共に、蛍光体材料上に形成された表面特徴部を有する、カラーホイールの概略図。
【図１４Ｃ】カラーホイールからの放出光の損失を低減するためのトレンチの使用と共に、蛍光体材料上に形成された表面特徴部を有する、カラーホイールの概略図。
【図１５】単一色カラーホイールの概略図。
【図１６】複数の蛍光体材料のストリップを有し、各ストリップが単一色に対応する、カラーホイールの概略図。
【図１７】円形の蛍光体材料の領域を有し、同じ色を有する異なる領域が一体にグループ化される、カラーホイールの概略図。
【図１８】円形の蛍光体材料の領域を有し、それらの領域に関する色が、カラーホイールの周囲に交代で配置される、カラーホイールの概略図。
【図１９】カラーホイール上の隣り合う蛍光体材料の間に、反射性境界を有する、カラーホイールの概略図。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
本特許明細書の全体を通して、同様の参照番号は、同様の構成部品を表示するために使用される。単なる例示の目的のために、以下の説明は、蛍光体材料として特定的に具体化される、光ルミネセンス材料を参照して行われる。しかしながら、本発明は、蛍光体材料及び量子ドットなどの、任意のタイプの光ルミネセンス材料に適用可能である。量子ドットは、その励起子が、３つの全ての空間的次元で制限されている、物質（例えば、半導体）の一部分であり、放射エネルギーによって励起されることにより、特定の波長又は特定の範囲の波長の光を放出することができる。それゆえ、本発明は、そのように特許請求されない限り、蛍光体ベースの波長変換構成要素に限定されるものではない。
【００２９】
本発明の実施形態による、デジタル投影システムに関する色変調光源１６を、ここで図２を参照して説明する。図３に示すように、光源１６は、青色光、緑色光、赤色光、及び黄色光の時分割配列を含む、色変調放出産物３４を生成するように動作可能である。典型的には、この光源は、２０００＋ルーメンの光束、及び１５，０００時間を超える動作寿命を有する、放出産物を生成するように構成される。光源１６は、ＤＬＰ前面プロジェクター又はＤＬＰ背面投影型テレビなどの、単一チップのＤＬＰ投影システム内での使用を意図するものである。
【００３０】
図２を参照すると、光源１６は、固体光源５０、ダイクロイック反射板５２、カラーホイール５４、集光光学素子５６、視準光学素子５８、及び平面反射板６０、６２、６４を含む。固体光源５０は、好ましくは、約４４５ｎｍのピーク波長を有する青色光６６を生成するように動作可能な、レーザーダイオードを含む。好適な光源５０の一実施例は、２０個の１．６ＷのＧａＮ系（窒化ガリウム）レーザーダイオード（日本の日亜化学工業製）の配列である。あるいは、光源５０は、１つ以上の高輝度ＬＥＤ（発光ダイオード）を含み得る。
【００３１】
以下で詳細に説明される、カラーホイール５４は、光反射性ディスクを含み、光源５０によって生成される青色励起光６６を、光ルミネセンスのプロセスによって、緑色光、赤色光、及び黄色光６８へと変換するように構成される、青色光励起性の蛍光体材料（図４の７６）の、幾つかの領域（環状扇形区分）を含む。青色光６６の生成に関連するホイールの領域は、ホイールの回転と共に、周期的に青色光がホイールを通過することを可能にする、開口（図４の貫通孔７４）を含む。
【００３２】
ダイクロイック反射板又は干渉反射板５２は、典型的には、その表面上に、異なる屈折率の材料の、複数の層からなる干渉フィルターを付着させた、光透過性の基材を含むダイクロイック反射板５２は、固体光源５０によって生成される波長（すなわち、この実施例では青色）に対応する波長の光を反射する一方で、他の色（波長）の光が、実質的に減衰することなく、その反射板を通過することを可能にする、反射波長帯を有するように構成される。
【００３３】
動作中、ダイクロイック反射板５２の第１面上に入射する、光源５０によって生成された青色励起光６６は、ダイクロイック反射板５２によって反射され、視準光学素子５８及び集光光学素子５６を通過して、蛍光体材料７６及び開口７４の領域を含む、カラーホイール５４の周辺部分上へと方向付けられる。開口７４が、青色励起光６６の経路（図４の７８）を通過する時間間隔中には、その青色光は、ホイール５４を通過し、反射板６０、６２、６４によって、ダイクロイックミラー５２の反対面上へと方向付けられ、この反対面が、その光を反射することにより、光源の放出産物３４に寄与する。図２では、放出産物３４に寄与する青色光６６の経路は、破線によって示される。蛍光体材料の扇形区分が、青色励起光６６の経路を通過する時間間隔中には、その励起光は、蛍光体材料によって吸収され、異なる色（波長）の光６８として再放出される。蛍光体生成光（蛍光体光）６８の経路は、図２の点線によって示される。光ルミネセンスのプロセスは、等方性であるため、光６８は、全ての方向に等しく放出される。カラーホイールに向かう方向で放出される、蛍光体生成光６８は、その反射性ディスクによって、ダイクロイックフィルターに向けて戻る方向に反射される。平均して、光子と蛍光体材料の粒子との１０００の相互作用のうちの、わずか１が、吸収及び光ルミネセンス光６８の生成を結果的にもたらすと考えられる。光子と蛍光体粒子との相互作用の大半の、約９９．９％は、光子の散乱を結果的にもたらす。結果として、一定の比率の青色光７０はまた、カラーホイールの蛍光体領域によって、ダイクロイック反射板に向けた方向にも散乱される。図２では、そのような光７０の経路が、一点鎖線によって示される。図示のように、集光光学素子５６は、カラーホイールから放出される光（蛍光体生成光６８と散乱／反射青色光７０との組み合わせ）を、可能な限り大きい立体角にわたって、典型的には、約πステラジアンの立体角Ω（すなわち、頂点θ≒６０°の円錐：図２の挿入図を参照）にわたって集めるように構成される、正メニスカスレンズを含み得る。平凸レンズを含み得る、視準光学素子５８は、光６８、７０を、ダイクロイック反射板５２の第１面上に入射する、実質的な平行ビームへと視準する。ダイクロイック反射板５２に打ち当たる、蛍光体光６８部分は、このダイクロイック反射板を通過して、光源の放出産物３４に寄与する。散乱青色光７０は、ダイクロイック反射板５２の反射波長帯に対応する波長のものであるため、ダイクロイック反射板は、光源５０に向けた方向に、その光を反射させることによって、そのような光が放出産物に寄与することを阻止する。
【００３４】
図４を参照すると、カラーホイール５４は、高い光反射性の面（すなわち、少なくとも０．９０の反射率）を有する、円形ディスク７２を含む。好適なディスク材料の一例は、高反射率（＞９８％）のシート状アルミニウムである、Ａｎｏｍｅｔ  Ｉｎｃ（Ｏｎｔａｒｉｏ，Ｃａｎａｄａ）製のＡｎｏｌｕｘ  Ｍｉｃｒｏ−ＳＩＬＶＥＲ（登録商標）である。このディスクは、本質的に光反射性である材料から製作することができるが、あるいは、このディスクは、表面を光反射性にするように、その表面が処理又は他の方法でコーティングされる、ディスクを含み得る。熱の放散を補助し、蛍光体材料の熱的劣化の可能性を低減するために、ディスク７２は、好ましくは、更に熱伝導性であり、光ルミネセンスのプロセス中に発生する熱の放散を援助するための、可能な限り高い熱伝導率を有する。好ましくは、このディスクは、少なくとも１５０Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１の、より好ましくは、少なくとも２００Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１の熱伝導率κを有する材料から製作される。典型的には、このディスクは、アルミニウム（κ≒２５０Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１）、アルミニウムの合金、マグネシウムの合金、若しくは銅（κ≒４００Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１）などの、金属又は金属合金を含み得る。あるいは、このディスクは、熱伝導性粒子で充填されるポリマー材料、又は例えばアルミニウムケイ素炭化物（ＡｌＳｉＣ）などの、熱伝導性セラミック材料を含み得る。
【００３５】
上述のように、カラーホイール５４は、１つ以上の扇形形状の開口（貫通孔）７４を含むことにより、青色光がホイールを周期的に通過することを可能にする。このカラーホイールは、緑色光、赤色光、及び黄色光をそれぞれ生成するように動作可能な、種々の青色光励起性の蛍光体材料７６（緑色）、７６（赤色）、７６（黄色）の領域、典型的には、環状扇形区分若しくは円形扇形区分を更に含む。一配置構成では、緑色蛍光体材料７６（緑色）の領域は、５２０ｎｍ〜５４８ｎｍの範囲のピーク波長λｐを有する緑色光を生成するように動作可能な、アルミン酸塩系の蛍光体材料を含む。赤色蛍光体材料７４（赤色）の領域は、６０８ｎｍ〜６３５ｎｍの範囲のピーク波長λｐを有する赤色光を生成するように動作可能な、窒化物の蛍光体を含み得る一方で、黄色蛍光体材料７４（黄色）の領域は、５６０ｎｍ〜５７３ｎｍの範囲のピーク波長λｐを有する光を生成するように動作可能な、ＹＡＧ系（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）の蛍光体材料を含み得る。Ｉｎｔｅｍａｔｉｘ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（Ｆｒｅｍｏｎｔ，Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ）製の、好適な蛍光体材料の例を、表１に示す。
【００３６】
【表１】
2014507013.tif 000003
【００３７】
蛍光体材料７６の領域は、２種以上の蛍光体材料の混合物を含み得ることが、理解されるであろう。好ましい実施形態では、蛍光体材料７６の領域は、粉末状蛍光体材料と光透過性の硬化性液体結合剤材料とのスラリーを含む、光ルミネセンス組成物を使用して、ディスク７２上にスクリーン印刷される。この光ルミネセンス組成物は、印刷可能であることから、簡潔性のために、「蛍光体インク」と称される。典型的には、蛍光体材料の領域は、隣接する領域の重複部分が存在しないように印刷され、それらの領域は、好ましくは、隣接する領域が互いに当接するように印刷される。
【００３８】
蛍光体インク結合剤は、ポリマー樹脂、モノマー樹脂、アクリル−ポリ（メチルメタクリレート）（ＰＭＭＡ）、エポキシ（ポリエポキシド）、シリコーン、又はフッ素化ポリマーなどの、硬化性液体ポリマーを含み得る。この結合剤材料は、その硬化状態では、蛍光体材料及び固体光源によって生成される光の、全ての波長に対して透過性であり、好ましくは、可視スペクトル（３８０ｎｍ〜８００ｎｍ）にわたって、少なくとも０．９の透過性を有することが重要である。この結合剤材料は、好ましくはＵ．Ｖ．硬化性であるが、この結合剤材料は、熱硬化性、溶媒系、又はそれらの組み合わせとすることもできる。Ｕ．Ｖ．硬化性又は熱硬化性の結合剤が好ましい場合があるが、これは、溶媒系の材料とは異なり、それらの結合剤は、重合の間に「気体放出」することがないためである。溶媒が蒸発すると、蛍光体インクの体積及び粘度が変化して、より高い蛍光体材料の濃度を結果的にもたらし、このことは、その領域によって生成される光の発光色に影響を及ぼす恐れがある。Ｕ．Ｖ．硬化性ポリマーの場合、粘度及び固体比率は、付着プロセスの間は、より安定しており、Ｕ．Ｖ．硬化は、付着が完了した後、その層を重合して凝固させるために使用される。更には、蛍光体インクのスクリーン印刷の場合には、必要とされる層の厚さを達成するために、マルチプルパス印刷が必要とされる場合があるため、Ｕ．Ｖ．硬化性の結合剤の使用が好ましいが、これは、次の層を印刷する前に、事実上、印刷の直後に各層を硬化させることができるためである。
【００３９】
各蛍光体材料の領域７６によって生成される光６８の色は、その蛍光体材料の組成物に応じて決定され、その一方で、光ルミネセンス光の量は、単位面積当りの蛍光体材料の量に応じて決定される。単位面積当りの蛍光体材料の量は、蛍光体インクの層の厚さ、及び結合剤に対する蛍光体材料の重量充填量の双方に応じて決定されることが、理解されるであろう。カラーホイールの光学性能及び熱的性能に影響を及ぼす主要パラメーターは、単位面積当りの蛍光体材料の量、及び蛍光体材料の領域の厚さであることが判明している。例えば、蛍光体材料の領域の厚さが、特定の厚さを超えて増大する場合には、その領域の光学効率は、蛍光体材料の層による光ルミネセンス光の吸収により、減少する。反対に、蛍光体インクの層の厚さが、過度に薄い場合には、僅かな比率の励起光のみが、光ルミネセンス光に変換されるため、その光学効率もまた減少する。光ルミネセンスのプロセスの、等方性の性質により、単位面積当りの蛍光体材料の厚さ及び量は、ディスクに向けた方向に生成される光ルミネセンス光が、蛍光体材料の層を通過して、そのディスクによって反射され、放出産物に寄与することが可能となるように選択される。熱的性能の観点では、ディスク７２は、良好な熱導体（κ≧１５０Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１）であり、その一方で、蛍光体インク結合剤は、不良な熱導体（例えば、アクリルに関しては、κ＜０．２Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１）である。結果として、層の表面上の蛍光体材料（すなわち、ディスクの面から最も遠い蛍光体材料）は、蛍光体インクの層が過度に厚い場合には、熱的に分離されることになり、蛍光体材料の熱的劣化が結果的にもたらされる恐れがある。最適性能に関しては、単位面積当りの蛍光体材料の量は、約１０ｍｇ・ｃｍ−２〜約５０ｍｇ・ｃｍ−２の範囲、より好ましくは、３０ｍｇ・ｃｍ−２〜３５ｍｇ・ｃｍ−２の範囲であり、その一方で、蛍光体材料の領域の厚さは、４０μｍ〜１２０μｍの範囲、より典型的には、６０μｍ〜８０μｍの範囲である。各領域に関する、単位面積当りの蛍光体材料の量は、その領域に付着させるために使用される、スクリーンのサイズ及び／又は印刷パスの数を変化させることによって、制御することができる。あるいは、単位面積当りの蛍光体材料の重量は、結合剤に対する蛍光体材料の重量充填量を変化させることによって、変更することができる。最小限の数の印刷パスでの、蛍光体材料の領域の印刷を可能にするために、蛍光体インクは、好ましくは、結合剤材料に対する蛍光体材料の、可能な限り高い固体充填量を有し、好ましくは、４０％〜７５％の範囲の重量充填量を有する。蛍光体材料の高い重量充填量は、上述のように典型的には不良な熱導体である結合剤の総量を、最小限に抑えることによって、蛍光体材料からディスクへの熱の伝導が最大化される点で、更に有利である。約７５％を超える重量充填量では、強固な凝集性、付着性を確保し、かつ蛍光体インクの印刷適性を維持することは、困難な場合があることが判明している。約４０％未満の重量充填量に関しては、必要とされる単位面積当りの蛍光体材料を達成するために、５回以上の印刷パスが必要となる場合があることが判明している。更には、約４０％未満の重量充填量に関しては、蛍光体材料の領域から熱伝導性ディスクへの、熱の移動不良が存在する場合があり、このことは、蛍光体材料の熱的劣化を結果的にもたらす恐れがある点が指摘されている。本発明の一部の実施形態の蛍光体インク内では、結合剤材料に対する蛍光体材料の重量充填量は、従来のスクリーン印刷インク内の顔料の重量充填量よりも、遙かに高いことに留意されたい。この蛍光体材料は、１０μｍ〜２０μｍの、典型的には約１５μｍの平均粒径を有する、粒子を含む。
【００４０】
蛍光体インクの粘度は、結合剤材料の粘度、及び蛍光体材料の重量充填量によって決定される。結合剤材料は、好ましくは、１Ｐａ・ｓ〜２．５Ｐａ・Ｓ（１０００〜２５００ｃｐｓ）の範囲の粘度を有する。スクリーン印刷に関しては、結合剤材料は、好ましくは、０．１〜５Ｐａ・ｓ（１００〜５０００ｃｐｓ）の、好ましくは、約１Ｐａ・ｓ〜２．５Ｐａ・ｓ（１０００〜２５００ｃｐｓ）の範囲の粘度を有する。低粘稠化添加剤を使用して、蛍光体インクの最初の製剤の間に、必要とされる粘度を達成することができ、また印刷の間に、蛍光体インクを「低粘稠化する」ことができる。しかしながら、蛍光体インクによって生成される光の色に影響を及ぼすのは、蛍光体材料の含有量（充填量）及び層の厚さであって、粘度ではないため、低粘調化する際には、固体充填量を維持するように注意を払わなければならない。
【００４１】
粘度ばかりではなく、結合剤材料の表面張力も、蛍光体インクの性能に影響を及ぼし得る。例えば、蛍光体インクの表面張力が過度に高い場合には、印刷中に気泡が形成され、層形成不良を結果的にもたらす恐れがある。気泡はまた、低表面張力の場合にも、蛍光体インク内に形成される恐れがあり、蛍光体インクに、消泡剤を更に添加することが好ましい。蛍光体インクをスクリーン印刷することが好ましいが、他の付着方法及び印刷技術を使用して、蛍光体材料の領域を付着させることができる。
【００４２】
蛍光体材料は、例えば、Ａ３Ｓｉ（Ｏ，Ｄ）５若しくはＡ２Ｓｉ（Ｏ，Ｄ）４の一般組成の、ケイ酸塩系の蛍光体などの、無機又は有機の蛍光体を含み得、式中、Ｓｉはケイ素であり、Ｏは酸素であり、Ａは、ストロンチウム（Ｓｒ）、バリウム（Ｂａ）、マグネシウム（Ｍｇ）、又はカルシウム（Ｃａ）を含み、Ｄは、クロリン（Ｃｌ）、フッ素（Ｆ）、窒素（Ｎ）、又はイオウ（Ｓ）を含む。ケイ酸塩系の蛍光体の例は、米国特許第７，５７５，６９７（Ｂ２）号、「Ｓｉｌｉｃａｔｅ−ｂａｓｅｄ  ｇｒｅｅｎ  ｐｈｏｓｐｈｏｒｓ」（Ｉｎｔｅｍａｔｉｘ  Ｃｏｒｐ．に譲渡）、同第７，６０１，２７６（Ｂ２）号、「Ｔｗｏ  ｐｈａｓｅ  ｓｉｌｉｃａｔｅ−ｂａｓｅｄ  ｙｅｌｌｏｗ  ｐｈｏｓｐｈｏｒｓ」（Ｉｎｔｅｍａｔｉｘ  Ｃｏｒｐ．に譲渡）、同第７，６５５，１５６（Ｂ２）号、「Ｓｉｌｉｃａｔｅ−ｂａｓｅｄ  ｏｒａｎｇｅ  ｐｈｏｓｐｈｏｒｓ」（Ｉｎｔｅｍａｔｉｘ  Ｃｏｒｐ．に譲渡）、及び同第７，３１１，８５８（Ｂ２）号、「Ｓｉｌｉｃａｔｅ−ｂａｓｅｄ  ｙｅｌｌｏｗ−ｇｒｅｅｎ  ｐｈｏｓｐｈｏｒｓ」（Ｉｎｔｅｍａｔｉｘ  Ｃｏｒｐ．に譲渡）で開示されている。この蛍光体はまた、同時係属の米国特許出願第２００６／０１５８０９０（Ａ１）号、「Ｎｏｖｅｌ  ａｌｕｍｉｎａｔｅ−ｂａｓｅｄ  ｇｒｅｅｎ  ｐｈｏｓｐｈｏｒｓ」、及び米国特許第７，３９０，４３７（Ｂ２）号、「Ａｌｕｍｉｎａｔｅ−ｂａｓｅｄ  ｂｌｕｅ  ｐｈｏｓｐｈｏｒｓ」（Ｉｎｔｅｍａｔｉｘ  Ｃｏｒｐ．に譲渡）で教示されるような、アルミン酸塩系の材料、同時係属の米国特許出願第２００８／０１１１４７２（Ａ１）号、「Ａｌｕｍｉｎｕｍ−ｓｉｌｉｃａｔｅ  ｏｒａｎｇｅ−ｒｅｄ  ｐｈｏｓｐｈｏｒ」で教示されるような、ケイ酸アルミニウム蛍光体、あるいは、同時係属の米国特許出願第２００９／０２８３７２１（Ａ１）号、「Ｎｉｔｒｉｄｅ−ｂａｓｅｄ  ｒｅｄ  ｐｈｏｓｐｈｏｒｓ」及び同第２０１０／０３０８７１２（Ａ１）号、「Ｎｉｔｒｉｄｅ−ｂａｓｅｄ  ｒｅｄ−ｅｍｉｔｔｉｎｇ  ｉｎ  ＲＧＢ  ｒｅｄ−ｇｒｅｅｎ−ｂｌｕｅ  ｌｉｇｈｔｉｎｇ  ｓｙｓｔｅｍｓ」で教示されるような、窒化物系の赤色蛍光体材料も含み得る。蛍光体材料は、説明された例に限定されるものではなく、窒化物及び／又は硫酸の蛍光体材料、オキシ窒化物及びオキシ硫酸塩の蛍光体、ガーネット型構造の蛍光体材料、あるいはＹＡＧ材料を含めた、任意の蛍光体材料を含み得ることが理解されるであろう。
【００４３】
図５は、光源が生成することができる光３４の色域を示す、ＣＩＥ（国際照明委員会）１９３１色度図である。図５では、内実のドットは、光源によって生成される、青色６６、緑色６８（緑色）、赤色６８（赤色）、及び黄色６８（黄色）の光を示し、ドットを結ぶ直線によって境界された、斜め平行線の区域は、光源に関する色域を示す。比較のために、１９５３  ＮＴＳＣ（Ｎａｔｉｏｎａｌ  Ｔｅｌｅｖｉｓｉｏｎ  Ｓｙｓｔｅｍ  Ｃｏｍｍｉｔｔｅｅ）色度標準を、図５に示す。
【００４４】
本発明の別の実施形態による、デジタル投影システムに関する、６色変調光源１６の実施例を、図６に示す。光源１６は、２０００＋ルーメンの光束、及び１５，０００時間を超える動作寿命を有する、黄色光、緑色光、シアン光、マゼンタ光、青色光、及び赤色光の時分割配列を含む、色変調光出力３４を生成するように動作可能である。この例示的実施形態では、固体光源５０は、３００ｎｍ〜３５０ｎｍの範囲のピーク波長を有する、ＵＶ（紫外）励起光６６を生成するように動作可能であり、蛍光体材料７６の領域は、ＵＶ励起性の蛍光体材料を含む。そのような光源内では、ダイクロイック反射板５２は、ＵＶの範囲の反射波長帯を有するように構成されることにより、散乱励起光７０が、放出産物３４に寄与することを阻止する。
【００４５】
図７は、図６の光源内で使用するための、本発明の実施形態による、６色カラーホイール５４の概略図である。カラーホイール５４は、光反射性の円形ディスク７２と、励起光６６を吸収して、黄色光、緑色光、シアン光、マゼンタ光、青色光、及び赤色光をそれぞれ生成するように動作可能な、種々のＵＶ励起性の蛍光体材料７６（黄色）、７６（緑色）、７６（シアン）、７６（マゼンタ）、７６（青色）、及び７６（赤色）の領域、典型的には、環状扇形区分若しくは円形扇形区分とを含む。励起光６６は、放出産物３４に寄与しないため、このカラーホイールは、４５０ｎｍ〜４８０ｎｍの範囲のピーク波長λｐを有する青色光を生成するように動作可能な、青色光を放出する蛍光体材料７６（青色）の領域を更に含む。シアン色の光を生成するための、蛍光体材料の領域７６（シアン）は、青色光を放出する蛍光体材料と緑色光を放出する蛍光体材料との混合物を含み得る一方で、マゼンタ色の光を生成するための、蛍光体材料の領域７６（マゼンタ）は、青色光を放出する蛍光体材料と赤色光を放出する蛍光体材料との混合物を含み得る。ＤＭＤ  ２０の動作を、カラーホイールと同期化させることを可能にするために、このカラーホイールは、１つ以上の位置決め孔８０を含み得る。
【００４６】
本発明は、説明される例示的実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で、変型形態を実施することができる点が理解されるであろう。例えば、更なる実施形態では、カラーホイールの青色光生成領域に関して、窓７４（図４）ではなく、光反射性の領域又は扇形区分８２（図８）を使用することが想定される。そのような配置構成では、青色以外のカラーホイールの扇形区分に対応するダイクロイックフィルターを含む、光透過性ホイールなどの、時間依存性の波長選択要素を使用して、青色光を選択的に遮断することができる。更には、ホイールの青色光生成扇形区分には、光散乱材料の粒子を提供することにより、そのような扇形区分からの光の放出が、蛍光体材料を含む扇形区分からの光の放出パターンに、より密接に類似することを確実にすることができる。一配置構成では、この光散乱材料は、二酸化チタン（ＴｉＯ２）の粒子を含むが、この光散乱材料は、硫酸バリウム（ＢａＳＯ４）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、又は酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）を含み得る。青色光の生成に対応する、ホイールの扇形区分が、蛍光体材料を含む扇形区分に酷似する方式で、光を散乱させるように、光散乱材料は、好ましくは、光透過性の結合剤と混合され、蛍光体材料を適用するための同じ方法、好ましくはスクリーン印刷を使用して、その扇形区分に適用される。
【００４７】
図８に示すように、青色光励起性の蛍光体材料に基づく、６色カラーホイール５４を提供することが更に想定され、シアン色の光及びマゼンタ色の光を生成するための、領域７６（シアン）、７６（マゼンタ）は、それぞれ、緑色光を放出する蛍光体材料、及び赤色光を放出する蛍光体材料を含む。そのような領域は、選択された光の色を生成するために、青色励起光の寄与が必要とされるため、そのような領域に関する単位面積当りの蛍光体材料の量は、それに応じて、より少ないものとなることにより、励起光の選択された部分のみが、蛍光体材料によって吸収され、その一方で、残部は散乱されて、光出力に寄与することが確実となる。青色光生成扇形区分と同様に、青色光が放出産物に寄与することを可能にするために、時間依存性のダイクロイックフィルター要素が必要とされる。
【００４８】
蛍光体材料から生成される光は、必ずしも、放出されるとは限らず、かつ／又は励起光源に直接戻るように反射されるとは限らない。むしろ、光ルミネセンスのプロセスは等方性であるため、蛍光体生成光は、全ての方向で等方的に放出される。説明のために、図９に示される図を考察するが、この図は、直径φ１を有する、励起光６６に関するレーザースポットを生じさせる、励起光源（固体レーザーなどの）を示す。このレーザースポットは、蛍光体材料７６から、蛍光体生成光６８を生じさせる。しかしながら、蛍光体生成光６８の一部分のみが、φ１によって画定される区域内の、励起光源の方向に戻るように放出される。励起光及び蛍光体生成光６８の双方の大半は、蛍光体材料の粒子によって、様々な方向に散乱され、φ２の直径を有する蛍光体スポットを形成する可能性が高いが、この蛍光体スポットの直径φ２は、レーザースポットの直径φ１よりも著しく大きい。例えば、約２．３ｍｍの直径φ１の、励起スポットに関して、蛍光体生成光のスポットは、約１２ｍｍの直径φ２を有する。
【００４９】
図１２Ａに示すように、問題となるのは、この等方性の特性が、蛍光体材料７６からの放出光６８の一部を、光学構成要素５６及び光学構成要素５８によって捕捉されない方向で放出させ、その結果、光源の出力に寄与させない場合があることである。結果として、この放出光６８の損失は、光源１６の効率を低減し、光源１６の所定の電力使用及び材料コストを前提として当然予期されるものよりも、少ない光束を有する放出産物を生じさせる。
【００５０】
この問題に対処するために、図１０は、カラーホイール５４上の蛍光体材料７６が、外側反射性材料９０ａ及び内側反射性材料９０ｂによって境界付けられる、本発明の実施形態を示す。外側反射性材料９０ａ及び内側反射性材料９０ｂのそれぞれは、蛍光体材料７６によって生成されるあらゆる光を、外側反射性材料９０ａ及び内側反射性材料９０ｂの方向から離れる向きに反射させるように機能する、光反射性材料のストリップを形成する。実際には、蛍光体スポットのサイズを、半径方向で物理的に制限する、「壁部」が構築される。図１１に示すように、この構成の効果は、放出光を、遙かに小さい放出直径φ３に制約することである。このことは、それゆえ、通常であれば無用な方向に放出される、蛍光体材料７６からの放出光６８を、外側反射性材料９０ａ及び内側反射性材料９０ｂの方向から離れて、光学構成要素５６及び光学構成要素５８によって捕捉することができる方向へと反射させる。
【００５１】
図１２Ｂに示すように、通常であれば無用な方向に放出される、蛍光体材料７６からの放出光６８は、外側反射性材料９０ａ及び内側反射性材料９０ｂの方向から離れる向きに反射して、光学構成要素５６及び光学構成要素５８を通じて再方向付けされることにより、光源の光出力に寄与する。結果として、光の漏洩が少なくなり、より大きい光束を有する放出産物が生じるため、光源１６の効率は、著しく改善される。このことは、蛍光体材料７６の境界に、外側反射性材料９０ａ及び内側反射性材料９０ｂを配置することによって、放出光の損失を、著しく低減及び／又は排除することができることを意味する。このことにより、光源１６は、より高い光束を有する放出産物を生じさせることが可能となり、光源１６に関する、より効率的な電力使用及び材料コストがもたらされる。
【００５２】
外側反射性材料９０ａ及び内側反射性材料９０ｂは、任意の好適な製造プロセスを使用して、カラーホイール上に形成することができる。一部の実施形態では、外側反射性材料９０ａ及び内側反射性材料９０ｂのそれぞれは、例えば、蛍光体材料７６を付着させるために使用するものと同様の印刷プロセスを使用して、反射性インク材料を付着させることによって、形成することができる。任意の反射性インク材料（例えば、白色インク）を採用することができる。一部の実施形態では、信越化学工業株式会社より入手可能な、シリコーン系ダム製品などの、光反射性シリコーン材料が、反射性材料として使用される。
【００５３】
チャネル又はトレンチ９２が、カラーホイール５４内に形成される、代替的手法を、図１３Ａに示す。図１３Ｂに示すように、蛍光体材料７６が、カラーホイール５４内のトレンチ９２内部に付着され、トレンチ９２の壁部が、蛍光体材料７６から放出される光６８の漏洩を防止するための、反射障壁を提供する。図１０の手法と同様に、図１３Ａ、Ｂの実施形態は、壁部９４及び壁部９６が、より望ましい方向に光を反射させるため、光損失を防止するか、又は少なくとも低減し、このことは、光源１６の総合的な光生産効率を増大させるために役立つ。それゆえ、図１３Ａ、Ｂの、チャネル９２の外側壁部９４及び内側壁部９６は、それぞれ、図１０の外側反射性材料９０ａ及び内側反射性材料９０ｂに対応する。
【００５４】
図１３Ａ、Ｂの壁部９４及び壁部９６は、傾斜構成で具体的に示されるが、本発明の実施形態では、任意数の壁部構成を採用することができる点に留意されたい。例えば、図１３Ｃは、壁部９４及び壁部９６が、湾曲状の凹面構成を有する、代替的実施形態を示す。図１３Ｄは、壁部９４及び壁部９６が、直線状の垂直構成を有する実施形態を示す。図１３Ｅは、壁部９４及び壁部９６が、湾曲状の凸面構成を有する、代替的実施形態を示す。
【００５５】
図１４Ａは、光ルミネセンスのプロセスを改善して、蛍光体材料７６から、より大量の放出光を生成するための手法を示す。蛍光体材料７６の外面は、光源５０によって生成される励起光６６（例えば、青色光又はＵＶ光）の方向に向けて、延出又は突出する、１つ以上の表面特徴部９８を含むように構成される。表面特徴部９８は、蛍光体材料７６が励起光６６と相互作用するための、より多大な表面積を提供する。光ルミネセンス光６８は、励起光６６からの光子と蛍光体材料７６内の蛍光体粒子との相互作用によって生成され、このことは、蛍光体材料７６の表面積の増大が、光放出相互作用事象の可能性を増大させることを意味する。結果として、生成される青色光７０の比率は、表面特徴部９８の存在と共に増大する。表面特徴部９８は、任意の好適な形状で形成することができる。例えば、表面特徴部９８は、ドーム形状で形成することができる。典型的には、これらの特徴部は、一定のパターンのドットで、蛍光体領域を上重ね印刷することによって、形成することができる。
【００５６】
この手法はまた、蛍光体スポットのサイズを制約するための、物理的障壁と共に使用することもできる。例えば、図１４Ｂは、１つ以上の表面特徴部９８を有する蛍光体材料７６が、外側反射性材料９０ａ及び内側反射性材料９０ｂによって境界付けられる実施形態を示し、これらの反射性材料９０ａ及び反射性材料９０ｂのそれぞれは、蛍光体材料７６によって生成されるあらゆる光を、外側反射性材料９０ａ及び内側反射性材料９０ｂの方向から離れる向きに反射させるように機能する、光反射性材料のストリップを形成する。図１４Ｃは、１つ以上の表面特徴部９８を有する蛍光体材料７６が、トレンチ９２内部に付着される、別の実施形態を示し、トレンチ９２の壁部９４及び壁部９６は、蛍光体材料７６から放出される光６８の漏洩を防止するための、反射障壁を提供する。
【００５７】
図１５は、カラーホイール５４全体の周囲に延在する、単一色の蛍光体材料７６を有する、別の実施形態を示す。前述のように、蛍光体材料７６は、光の漏洩を低減するか、若しくは排除する、外側反射性材料９０ａ及び内側反射性材料９０ｂによって境界付けられる。このタイプのカラーホイール５４の、複数のカラーホイールを、光源１６内で採用することが可能であり、複数個のカラーホイール５４のそれぞれは、異なる色を有する蛍光体材料に対応する。
【００５８】
図１６は、カラーホイール５４全体の周囲に延在する材料の、複数のストリップ７６ａ、７６ｂ、及びストリップ７６ｃを有する、実施形態を示し、各ストリップ７６ａ、７６ｂ、及びストリップ７６ｃは、異なる発光色に対応する。蛍光体材料のストリップ７６ａ、７６ｂ、及びストリップ７６ｃのそれぞれは、反射性材料９０によって境界付けられることにより、光の漏洩が低減されるか、又は排除される。動作中、このカラーホイールは、持続的に回転され、放出光の色は、レーザースポットを半径方向で平行移動させて、カラーホイールの対応するストリップ上に入射させることによって、選択される。この実施形態は、選択された色の高輝度の光を生成することが必要とされる、娯楽照明を実装するために、特に有用である。
【００５９】
図１７は、カラーホイール５４が、蛍光体材料の複数の円形領域を有する、更に別の実施形態を示し、それらの円形領域は、励起光に関するスポットのサイズに概して一致するように、サイズ決定される。１つ以上の扇形形状の開口（貫通孔）７４もまた、青色光がカラーホイールを通過することを可能にするために提供される。円形領域は、緑色光、赤色光、及び黄色光をそれぞれ生成するように動作可能な、緑色、赤色、及び黄色などの、種々の青色光励起性の蛍光体材料を含む。反射性材料９０を使用して、円形領域のそれぞれを境界付けることができる。カラーホイール上の蛍光体領域は、同じ色の複数の領域が、カラーホイール上で一体にグループ化されるように編成することができ、例えば、各グループは、同じ色の４つの蛍光体領域を含む。図１８に示す代替的実施形態では、カラーホイールは、蛍光体領域７６の色が、カラーホイールの周囲に、交代で色配置されるように編成され、同じサイズの円形開口７４が、青色光の通過を可能にするために提供される。この実施形態では、蛍光体材料は、壁部９４及び壁部９６を有する、トレンチ内部に提供される。反射性材料９０、又はトレンチ９２を有する配置構成のいずれかを採用して、図１７及び図１８の蛍光体領域を境界付けることができる。
【００６０】
図１９は、カラーホイール上の蛍光体材料のそれぞれを取り囲む、反射性境界を有する、カラーホイールの概略図である。この実施形態では、反射性境界９０ａ及び反射性境界９０ｂは、それぞれ、前述の実施形態と同様の蛍光体材料の、外側境界及び内側境界に提供される。更には、この実施形態はまた、カラーホイール上の隣り合う蛍光体材料の間に提供される、反射性境界９０ｃも含む。
【００６１】
カラーホイールの扇形区分の数、相対的サイズ、及び／又は色は、所定の用途に関して調整することができる点が、理解されるであろう。本発明のカラーホイールは、カラーホイールを含むことが好適な、任意のタイプの照明用途で使用することができる。それゆえ、カラーホイールの実施形態は、デジタル投影システム及び娯楽照明と共に上述されているが、本発明は、これらの用途のみに限定されるものではなく、他の照明用途でも同様に使用することができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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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１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１３Ｃ】
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【図１３Ｄ】
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【図１３Ｅ】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１４Ｃ】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【国際調査報告】
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