JP6934094B2 - 光学変換器カラーホイール - Google Patents

Description

（関連出願の相互参照）
本願は、２０１５年６月１２日に出願された米国特許出願第１４／７３７，８１６号の優先権を主張するものであり、該米国特許出願の全体は、参照により本明細書中に援用される。

以下は、波長変換によってカラー順次照明を発生させるための固体レーザプロジェクタのために使用される、蛍光体セラミックカラーホイール等の光変換器に関する。以下は、同様に、そのような蛍光体セラミック材料を使用するレーザベースの照明源にも関する。

蛍光体等の光変換（または波長変換）材料は、種々の用途、特に、光学デバイスにおいて使用される。１つのそのような用途は、蛍光体含有シリコーンカラーホイールであって、これは、単一波長の励起光から１つまたは典型的には複数の異なる波長の放出光を発生させるための光学デバイスである。例示的蛍光体含有シリコーンカラーホイールは、共通の発明の所有権を有する、第ＷＯ２０１４／０１６５７４号に説明されている。そのような蛍光体含有シリコーンカラーホイールでは、蛍光体粉末が、液体透明シリコーンの材料中に分散され、次いで、熱的に硬化および固化される。

本タイプの例示的公知の蛍光体ホイール構造は、図１に示される。本構造は、蛍光体含有シリコーン糊反射カラーホイールである。光変換器（本場合では、単一カラー蛍光体シリコーンリング）１０１が、鏡面１０２とともに金属ディスク構造上に提供される。例えば、レーザベースの照明源または他の光源（図示せず）からの励起光１０３ａ（光源、入力光、または励起する光とも呼ばれ得る）が、光変換器１０１に入射すると、放出光１０３ｂ（放出／変換反射光とも呼ばれる）の発生を生じさせる。光変換器１０１は、光スペクトルをスペクトル波長の第１の範囲の励起光からスペクトル波長の第２の異なる範囲の放出（または再放出）光に変換する。励起レーザビーム１０３ａ（例えば、青色光）が、蛍光体リング１０１上に集束すると、変換光ビーム１０３ｂ（例えば、黄色光）が、放出し、鏡コーティング金属ディスク１０２によって反射され、次いで、レンズシステムによって収集されるであろう。ホイールは、単一カラー蛍光体リング１０１または複数のカラー区画（ここでは図示せず）から成り、そのそれぞれは、特定の色を伴う光を発生させるために使用される。蛍光体粉末は、分注またはスクリーン印刷によって液体透明シリコーン中に分散され、次いで、同心性パターンにおいて鏡コーティング金属ディスク１０２上のカラー区画に熱的に硬化および固化される。次いで、カラーホイールは、モータ上に搭載され、高速で回転する。典型的には、ディスク基板１０２は、使用の間、回転されるが、本デバイスは、静的（非回転）構成において使用されることができ、その場合、蛍光体ホイールとして公知ではない場合がある。光変換器１０１は、従来、蛍光体粒子をポリマー結合体中に備える、コーティングとして形成される。

しかしながら、より高出力用途に関して、望ましくない温度影響が、変換材料中で観察されている。蛍光体含有シリコーン糊カラーホイール上に集束される励起レーザを伴う、約１００Ｗレーザプロジェクタでは、レーザ変換面積の温度は、摂氏２００度を上回るであろう。高温では、光変換効率は、熱消光に起因して、著しく降下するであろう（摂氏２００度において＞１０％）。加えて、シリコーン糊は、強力なレーザ照射に伴って著しく劣化し、徐々に、糊は、燃焼されるであろう。したがって、蛍光体含有シリコーン糊カラーホイールは、高出力レーザプロジェクタにおいて長い動作寿命を達成することができない。そのような製品のための寿命時間試験では、安全作業温度は、摂氏１５０度下に制御されるべきであることが立証された。

したがって、効率または作業寿命時間における有意な低減を伴わずに、高出力源、例えば、レーザプロジェクタと共に動作可能である、光学光変換デバイスを生成することが望ましい。

国際公開第第２０１４／０１６５７４号

本背景に照らして、励起波長の光を吸収し、放出波長の光を発生させるように構成される、固体光学部材と、基部と、固体光学部材を基部に取り付ける、機械的締結具とを備える、光変換器が、提供される。また、固体光学部材と、基部と、固体光学部材を基部に取り付ける、機械的締結具とを備える、光変換器も、提供される。

光学部材は、励起波長の光を吸収し、放出波長の光を発生させるように構成される。締結具は、機械的締結具であって、したがって、典型的には、力を各構成要素の１つまたはそれを上回る表面に印加することによって、基部および光学部材をともに保持する。締結具の部品は、したがって、通常動作にあるとき、張力または圧縮力下にあり得る。これは、接着剤を使用して構成要素をともに固着する、アセンブリとは対照的である。

有利には、光学部材（セラミック変換器等）と基部または反射金属ディスクを継合するために、接着剤（シリコーン糊等）が、要求されない。公知のデバイスにおける本糊の使用は、高温において性能を妨害し得る。試験結果は、シリコーン糊を備えるデバイスの適切な作業温度が、摂氏２００度（２００℃）より高くないものであり得ることを示す。対照的に、シリコーン糊接着剤を使用しない、本明細書に開示されるデバイスは、１００ワットを上回って動作するレーザを装備する、レーザプロジェクタにおいて使用されてもよい。さらに、これらのデバイスの作業温度は、高発光輝度を維持しながら、摂氏２００度（２００℃）超に到達し得る。

加えて、光変換器のアセンブリは、そのような機械的締結具によって容易に作製される。公知のデバイスと異なり、糊の計量、混合、分注、および硬化ステップは、要求されない。機械的固着は、容易かつ時間効率的である。組立のためのツールは、殆ど要求されない。加えて、低コストが、機械的締結によって達成可能である。

機械的締結具は、光学部材を基部に堅く取り付け得る。言い換えると、締結具は、通常動作において相互に対して移動しないように、光学部材および基部を接触させ得る。

機械的締結具のさらなる利点は、可撤性であり得ることである。これは、製造の際に誤差が生じる場合、高価な光学材料が回収されることを可能にする。糊ベースの先行技術アセンブリを用いると、構成要素は、恒久的に接合される。そのような先行技術デバイスの製造の際に誤差が生じる場合、全体的アセンブリは、高価な光学変換器材料を光学部材から回収するために破壊されなければならない。

機械的締結具は、対応する係合点と係合し、機械的締結具と基部の結合を可能にする、縦方向部品を有してもよい。言い換えると、締結は、ねじ、ボルト、釘、またはリベットを含んでもよい。通常、本縦方向部品は、アセンブリの別の部品に対して締めるために使用される、頭部を有する。縦方向部品は、典型的には、使用時、引張力下にあって、したがって、アセンブリの他の要素をともに圧着させるであろう。縦方向部品は、したがって、光学部材の部品を基部の部品に対して締め得る。

正面プレートが、縦方向部品と併用されてもよく、光学部材は、正面プレートと基部との間にあって、縦方向部品は、正面プレートを係合点に固定する。これは、光学部材にかかる力が、縦方向部品の頭部が直接光学部材に対して締められる場合に達成されるであろうものより大きい面積にわたって拡散されることを可能にする。力をより大きい面積にわたって拡散させることによって、光学部材への損傷の可能性が、低減される。

カバーハブは、２つの部品、すなわち、ハブおよび圧着リングによって形成されてもよい。有利には、２つの部品は、スタンピング／パンチングによって別個に製造されることができる。低コスト代替アセンブリが、したがって、生産される。

縦方向部品は、直接、基部と係合してもよい。言い換えると、基部は、縦方向部品を受け入れる、係合点を有してもよい。代替として、縦方向部品は、基部と明確に異なる締め具構成要素と係合してもよい。例えば、締め具構成要素は、ナットであってもよい。締め具構成要素はまた、カラーホイールとモータを継合する、ねじ山付きアダプタであってもよい。

基部および／または機械的締結具は、複数の変形可能クリップを備えてもよい。各クリップは、対向要素上の相補的アンカ点と係合する。変形可能クリップは、ばね付き部材であってもよく、それぞれ、力をその個別のアンカ点に付与する。それらは、それによって、機械的締結具を定位置に保持し得る。例えば、クリップは、Ｓ形ばねであってもよい。アンカ点は、隆起、溝、または辺縁であってもよい。代替として、クリップはそれぞれ、突出プラグであってもよく、アンカ点はそれぞれ、個別の切り欠きまたは孔であってもよい。

機械的締結具は、基部に取り付けられるカバープレートを備えてもよい。この場合、光学部材は、カバープレートと基部との間に圧着されてもよい。例えば、カバープレートは、溶接（例えば、レーザスポット溶接）またははんだによって基部に取り付けられてもよい。

機械的締結具は、弾性材料を備えてもよい。例えば、締結具は、アルミニウムまたはアルミニウム合金であってもよい。これは、組立の間、締結具がそれを定位置に置くために変形されることを可能にする。さらに、弾性締結具は、使用時、力を保ち得る。

光学部材は、丸形光学部材であってもよく、平面正面を有してもよい。光学部材は、光学部材の丸みを帯びた外側表面の少なくとも一部上に機械的締結具および／または基部によって支持されてもよい。光学部材は、環状光学部材であってもよい。本部材は、環状体の丸みを帯びた内側表面の少なくとも一部に沿って機械的締結具および／または基部によって支持されてもよい。加えて、または代替として、光学部材は、光学部材の平面正面の少なくとも一部に沿って機械的締結具および／または基部によって支持されてもよい。

光学部材は、セラミック、ガラス、またはプラスチック材料から作製されることができ、通常、蛍光体を含有する。これらの材料は、従来の蛍光体含有シリコーン光変換器に優る多くの利点を提供する。例えば、セラミック蛍光体は、最大少なくとも摂氏３００度（３００℃）の温度において光変換効率を維持することができる。さらに、無機材料は、通常、長期安定性であって、したがって、これらのデバイスの性能は、必ずしも、経時的に有意に劣化しない。

さらに、公知のデバイスの光学部材内で採用されるもの等の有機材料は、高動作温度においてある程度のガス放出を呈する。これは、光学デバイス内の近傍構成要素の汚染をもたらし得る。対照的に、無機光学部材を含有するデバイスは、有利には、低ガス放出を呈する。

加えて、これらの無機材料は、高出力条件において、従来のシリコーン材料より耐久性があり得る。それらは、高レーザ照射および温度下で信頼性のある動作を呈する。さらに、セラミック蛍光体（例えば）は、種々のサイズ、形状、および厚さに柔軟に機械加工されることができる。セラミックの研磨を介した精密な厚さ制御は、性能のために重要であり得る。

固体光学部材を使用するさらなる利点は、材料の熱伝導性および熱消散がより高くなり得ることである。これは、シリコーン光学変換器を備える等電力の公知のデバイスのものと比較して、蛍光体の比較的により低い温度をもたらす。例えば、蛍光体セラミックの典型的熱伝導性は、約４〜１０Ｗ／ｍＫ（温度範囲３００Ｋ〜５００Ｋを伴う）である一方、シリコーン糊のものは、約０．１〜０．４Ｗ／ｍＫである。これらの光学部材は、したがって、低熱消光に起因して、より高い変換効率を有し得る。さらに、セラミック蛍光体は、より高い発光出力をもたらしながら、より高いレーザ電力密度下にも耐え得る。

光学部材は、青色光を吸収し、かつ／または黄色光および／または緑色光を発生させるように構成されてもよい。例えば、セラミック変換器の化学組成物は、純ＣｅドープＲＥガーネット（Ｙ、Ｌｕ等を含む）であることができ、ＬＤからの青色範囲の約４４０〜４７０ｎｍの吸収率を有し、黄色および緑色の放出帯の可用性を有する。

光学部材は、その表面のうちの１つまたはそれを上回るもの上に反射防止コーティングおよび／または高反射コーティングを有してもよい。これらのコーティングは、薄膜コーティングであってもよい。試験結果は、反射防止／高反射コーティングを用いて、光変換出力が約１０％改良されるであろうことを示す。さらに、そのようなコーティングは、高温で確実に機能することができる。有利には、先行技術デバイスと異なり、光学部材上の高反射コーティングは、反射金属ディスクが要求されないことを意味する。先行技術デバイスでは、高反射金属ディスクは、アルミニウム基板上のコーティングされた銀／硫黄層から成る。そのような反射金属ディスクベースの蛍光体ホイールを用いると、光変換器は、銀酸化および薄膜層間の硫黄移動に起因して、ディスク腐食の結果、やがて破損し得る。

光変換器は、空隙を基部と光学部材との間に画定してもよい。これは、空隙に隣接する表面上に入射する、光の全内部反射（ＴＩＲ）を生じさせ得る。その結果、光学変換器による変換光のより高い反射率が、得られることができる。

光変換器は、蛍光体ホイール内で使用されてもよい。蛍光体ホイールは、光学部材の平面表面に対して法線方向にある軸の周囲で回転可能であってもよい。この場合、アセンブリはさらに、本軸の周囲で基部を回転させる、モータを含んでもよい。

前述のような光変換器または蛍光体ホイールを備える、ライトエンジンもまた、提供される。ライトエンジンはまた、レーザベースの照明源を含んでもよい。

前述のようなライトエンジンを備える、プロジェクタまたは自動車用ヘッドライトもまた、提供される。

また、機械的締結具を使用して、固体光学部材を基部に取り付けるステップを含む、光変換器を製造する方法も、提供される。固体光学部材は、励起波長の光を吸収し、放出波長の光を発生させるように構成される。

機械的締結具は、カバープレートを備えてもよい。固体光学部材を基部に取り付けるステップは、カバープレートを基部にスポット溶接するステップを含んでもよい。

質量が、光変換器を平衡化するために、複数の点（言い換えると、機械的締結具を構成する）において、機械的締結具に追加および／またはそこから除去されてもよい。
例えば、本願は以下の項目を提供する。
（項目１）
光変換器であって、
励起波長の光を吸収し、放出波長の光を発生させるように構成される固体光学部材と、
基部と、
前記固体光学部材を前記基部に取り付ける機械的締結具と
を備える、光変換器。
（項目２）
前記機械的締結具は、前記固体光学部材を前記基部に堅く取り付ける、項目１に記載の光変換器。
（項目３）
前記機械的締結具は、前記固体光学部材を前記基部に除去可能に取り付ける、項目１に記載の光変換器。
（項目４）
前記機械的締結具は、対応する係合点と係合し、前記基部に対する前記機械的締結具の結合を可能にする縦方向部品を備える、項目１に記載の光変換器。
（項目５）
前記機械的締結具はさらに、正面プレートを備え、前記光学部材は、前記正面プレートと前記基部との間にあり、前記縦方向部品は、前記正面プレートを前記係合点に固定し、それによって、前記光学部材を前記基部に取り付ける、項目４に記載の光変換器。
（項目６）
前記係合点は、前記基部内または前記基部と明確に異なる締め具構成要素内にある、項目４に記載の光変換器。
（項目７）
前記基部および／または機械的締結具はさらに、複数の突起を備え、各突起が、それぞれ、前記締結具および／または基部上の相補的アンカ点と係合する、項目１に記載の光変換器。
（項目８）
前記突起の各々は、変形可能クリップを備える、項目７に記載の光変換器。
（項目９）
前記相補的アンカ点の各々は、隆起、溝、または辺縁のうちの１つを備える、項目７に記載の光変換器。
（項目１０）
前記変形可能クリップは、ばね付き部材であり、各ばね付き部材は、力をその個別のアンカ点に付与し、それによって、前記機械的締結具を定位置に保持する、項目８に記載の光変換器。
（項目１１）
前記突起の各々は、突出プラグを備え、前記アンカ点の各々は、個別の切り欠きである、項目７に記載の光変換器。
（項目１２）
前記機械的締結具は、前記基部に取り付けられるカバープレートを備え、前記光学部材は、前記カバープレートと前記基部との間にある、項目１に記載の光変換器。
（項目１３）
前記カバープレートは、スポット溶接によって前記基部に取り付けられる、項目１２に記載の光変換器。
（項目１４）
前記機械的締結具は、弾性材料を含み、項目１に記載の光変換器。
（項目１５）
前記光学部材は、平面正面を伴う丸形光学部材であり、前記光学部材の丸みを帯びた外側表面の少なくとも一部および／または平面正面の少なくとも一部上に前記機械的締結具および／または基部によって支持される、項目１に記載の光変換器。
（項目１６）
前記光学部材は、平面正面を伴う環状光学部材であり、前記光学部材の丸みを帯びた内側表面の少なくとも一部および／または平面正面の少なくとも一部に沿って前記機械的締結具および／または基部によって支持される、項目１に記載の光変換器。
（項目１７）
前記固体光学部材は、セラミックおよびガラスのうちの１つまたはそれを上回るものを含む、項目１に記載の光変換器。
（項目１８）
前記光学部材は、青色光を吸収するように構成される、項目１に記載の光変換器。
（項目１９）
前記光学部材は、黄色光または緑色光を発生させるように構成される、項目１に記載の光変換器。
（項目２０）
反射防止コーティング、および／または
高反射コーティング
をさらに備える、項目１に記載の光変換器。
（項目２１）
前記反射防止コーティングおよび／または前記高反射コーティングは、薄膜コーティングである、項目２０に記載の光変換器。
（項目２２）
前記光変換器はさらに、空隙を前記基部と前記光学部材との間に画定するように構成される、項目１に記載の光変換器。
（項目２３）
蛍光体ホイールであって、
項目１に記載の光変換器と、
前記基部を通して通過し、前記固体光学部材の平面表面に対して法線方向にある軸の周囲で前記基部を回転させるように配列される、モータと
を備える、蛍光体ホイール。
（項目２４）
ライトエンジンであって、
光源と、
項目１に記載の光変換器であって、前記光源は、励起する光を前記光変換器に印加するように配列される、光変換器と
を備える、ライトエンジン。
（項目２５）
前記光源は、レーザベースの照明源である、項目２４に記載のライトエンジン。
（項目２６）
前記基部を通して通過し、前記固体光学部材の平面表面に対して法線方向にある軸の周囲で前記基部を回転させるように配列されるモータをさらに備える、項目２４に記載のライトエンジン。
（項目２７）
項目２６に記載のライトエンジンを備える、プロジェクタ。
（項目２８）
項目２４に記載のライトエンジンを備える、自動車用ヘッドライト。
（項目２９）
光変換器を製造する方法であって、
機械的締結具を使用して、固体光学部材を基部に取り付けるステップを含み、
前記固体光学部材は、励起波長の光を吸収し、放出波長の光を発生させるように構成される、方法。
（項目３０）
前記機械的締結具は、カバープレートを備え、前記固体光学部材を前記基部に取り付けるステップは、前記カバープレートを前記基部にスポット溶接するステップを含む、項目２９に記載の方法。
（項目３１）
前記光変換器を平衡化するために、複数の点において、質量を前記機械的締結具および／または基部に追加する、および／またはそこから除去するステップをさらに含む、項目２９に記載の方法。

本発明は、いくつかの方法で実践されてもよく、好ましい実施形態が、ここで、一例としてのみ、付随の図面を参照して、説明されるであろう。

図１は、公知の反射蛍光体含有シリコーン糊カラーホイールの実施例を示す。 図２は、反射蛍光体セラミック糊カラーホイールの実施例を示す。 図３は、本開示による、第１の実施形態の分解斜視図を示す。 図４は、本開示による、第１の実施形態の断面図を図式的に図示する。 図５は、本開示による、代替の第１の実施形態の組立図を示す。 図６は、本開示による、代替の第１の実施形態の断面図を図式的に図示する。 図７は、本開示による、第２の実施形態の組立図を示す。 図８は、本開示による、第２の実施形態の斜視図を示す。 図９は、本開示による、第２の実施形態の断面図を図式的に図示する。 図１０は、本開示による、第３の実施形態の断面図を図式的に図示する。 図１１Ａは、本開示による、第３の実施形態の第１の組立図を示す。 図１１Ｂは、本開示による、第３の実施形態の第２の組立図を示す。 図１２は、本開示による、第４の実施形態の断面図を図式的に図示する。 図１３Ａは、本開示による、第４の実施形態の第１の組立図を示す。 図１３Ｂは、本開示による、第４の実施形態の第２の組立図を示す。

光変換器は、ある波長範囲内の励起する光を別の波長範囲内の別の放出光に変換する。例えば、光変換器（蛍光体ホイールを備えてもよい）は、青色光を緑色／黄色光に変換してもよい。所望のカラーシーケンスを発生させるために、蛍光体ホイールは、異なる変換特性を伴うカラー区画を備えてもよい。所望の光出力を達成し、レーザスポット面積内の変換材料の局所加熱を緩和するために、蛍光体ホイールの高速回転が、推奨される。

変換光出力を増加させるために、多くの場合、蛍光体ホイールは、変換される光を反射させるように設計される。反射防止／高反射（ＡＲ／ＨＲ）コーティングを備える光学変換器を用いると、鏡コーティングを伴う金属ディスクは、もはや要求されない。

変換光出力、色、および寿命時間等のいくつかの性能特性は、作業温度の一次関数である。より高い動作温度では、変換光出力は、低下し得、色は、偏移し得、蛍光体ホイールの寿命時間は、短縮され得る。通常動作条件下、入力電力の約５０％〜６０％は、熱として出力される一方、入力電力の残りは、光に変換される。特に、入力レーザ電力が数百ワットの高さに到達すると、変換の間の熱発生は、摂氏２００度（２００℃）を上回る高温を生じさせるであろう。熱の影響が、したがって、製品構造設計に考慮されなければならない。これは、少なくとも、固体光学変換器が効果的熱伝導によって熱を消散し得るようなものである。また、モータの装荷加重を低減させ、コストを削減しながら、作業光学変換器からの熱消散を増加させるために、光学変換器を支持または圧着するための基板は、高熱伝導性を伴う金属を使用してもよい。アルミニウム／アルミニウム合金が、基板として使用され、スタンピングまたはパンチングのコスト効率的方法において製造されてもよい。

蛍光体カラーホイールを含む、改良された解決策は、セラミック蛍光体を変換器として使用することができる。いくつかのそのようなデバイスでは、透明シリコーン糊が、セラミック変換器と反射金属ディスクを継合するために塗布される。図２は、そのようなデバイスのセラミック蛍光体カラーホイール２００の概略図である。カラー区画は、蛍光体含有シリコーン糊の組成物からセラミック蛍光体の組成物に変化される。蛍光体セラミックカラーリング２０１またはカラー区画は、光学的に透明なシリコーン糊２０３によって、鏡面２０２を伴う金属ディスクに取り付けられる。図は、例えば、レーザベースの照明源または他の光源（図示せず）からの「励起する光」（入力光）２０４ａと、放出／変換反射光２０４ｂとを示す。しかしながら、糊の前述の特性のため、製品は、高温下では機能することができない。試験結果は、適切な作業温度が摂氏２００度（２００℃）より高くなることができないことを示す。

本明細書に開示されるいくつかのデバイスは、総合的固体製品の解決策を提供し、任意の糊、接着剤、またはペーストを回避する。その結果、製品は、したがって、高出力レーザ投影ディスプレイシステムにおいても、改良された性能および改良された耐久性を達成する。本明細書に開示されるデバイスは、固体レーザプロジェクタが１００ワットを超えるレーザ電力を装備し得る、用途において使用されてもよい。そのようなデバイスの作業温度は、摂氏２００度（２００℃）超に到達し、高発光輝度を可能にすることができる。

図３を参照すると、第１の実施形態による、そのような光学変換器カラーホイールの分解斜視（アセンブリ）図が、示される。縦方向部材を含む、構造が、反射セラミック蛍光体カラーホイールを基部に機械的に締結するために提供される。固体光学変換器（例えば、蛍光体セラミックベースの光学変換器リング）３０３が、中心縦方向部材（例えば、ねじ）３０１によって、基部（または支持基板）３０４と正面プレート（またはカバーハブ）３０２との間に固着される。ねじ山付きアダプタ３０５が、次いで、カラーホイールとモータを継合してもよい。光学変換器を精密に固定するために、段または溝が、支持基板上に形成される。カバーハブは、光学変換器のみを内側リムに沿って押圧する。そのような構成によって、非常に優れた同心構造が、得られる。いかなる不平衡も、後続の動的平衡プロセスにおいて、カバーハブの中心部分（カバーハブの帽体）内のより厚い円形柱から質量を除去することによって、容易に補正されることができる。このように、材料除去平衡プロセスは、容易に動作されることができる。本実施例では、基部および正面プレート３０２および３０４は、６０６１アルミニウム合金の材料から形成されてもよい。カラーホイールは、５０ｍｍの外径を有する。他のサイズも、可能性として考えられ、使用されてもよい。

図４は、図３の第１の実施形態による、光学変換器カラーホイールの断面図を示す。本配列では、カバーハブ３０２の外側リムリング面積４０１は、０．２ｍｍの薄さであってもよい。これは、有利には、デバイスが、集光レンズシステムが蛍光体発光リングの上部表面に近接するライトエンジンシステム内で使用されることを可能にする。加えて、回転カラーホイールのジッタは、動的平衡プロセスにおいて低減されることができる。これは、ジッタの結果としてのカラーホイールとレンズシステムの接触を回避するために行われる。

図５は、代替の第１の実施形態による、光学変換器カラーホイールの組立図を示す。図６は、同一構造の断面図を示す。本実施例におけるカバーハブは、図５および図６に示されるように、２つの部品、すなわち、ハブ５０２ならびに圧着リング５０３によって形成される。固体光学変換器５０４が、中心縦方向部材５０１によって、ねじ山付き基部基板５０５と圧着プレート５０３との間に固着される。このように、カバーハブの２つの部品（ハブおよび圧着リング）は、スタンピング／パンチングによって別個に製造されることができる。その結果、低コスト代替アセンブリが、生産される。

図７は、第２の実施形態による、光学変換器カラーの組立図を示す。図８は、同一構造の斜視図を示し、図９は、断面図を示す。本タイプ構造では、蛍光体セラミックベースの光学変換器リング７０２が、基部（または支持基板）７０３の外側リング形状面積上に着座される。光学部材は、Ｓ形ばね７０１によって基部７０３に対して圧着される。ばねは、基部７０３のスロット内に搭載され、その一方の円形端部７０１ａは、光学変換器７０２の内側リムを押圧し、その他方の鉤爪形状端部７０１ｂは、支持基板７０３の中心シャフト７０３ａの溝に対してとどまる。スロットの深度および幅は、光学変換器ホルダ基板７０３内の中心シャフトの溝高さと同様に、好ましくは、圧着力が適切であるように設計および最適化され得る。

Ｓ形ばねが示されるが、他のばね構成も、可能性として考えられる。図５に示される例示的実施形態では、５つのばね鉤爪が存在する。代替として、鉤爪の数は、異なってもよい。鉤爪の数は、例えば、６または８つであってもよい。本ばねのための材料は、ステンレス鋼、ばね鋼鉄、真鍮、または銅であってもよい。他の代替もまた、可能性として考えられる。

ばねは、スタンピングのコスト効果的方法では、０．１５ｍｍの薄さに製造されることができる。そのような構成によって、高度に同心の構造が、提供される。そのような構造では、有利には、いくつかの点において質量をばねに追加することによって、不平衡化を補正することが比較的に容易である。安価、単純、かつ構成可能なアセンブリが、したがって、提供される。

図１１Ａは、第３の実施形態による、光学変換器カラーホイールの組立図を示す。図１０は、同一構造の断面図を示す。本実施形態では、基部（支持基板）９０４は、外側側面に沿って分散される、突出プラグ９０４ａを有する。嵌合カバーリング９０１が、ばね材料から作製され、突出プラグに対応する個別の切り欠き９０１ａを定位置に有する。光学変換器が、プラグおよび切り欠きのスナップオンによりカバーリングを基部に継合することによって、基部とカバーリングとの間の定位置に保持される。光学変換器９０２は、カバーリング９０１の陥凹リング面積内に着座されてもよい。

本構成における１つの差異は、力が光学変換器の外側リムに印加されることである。対照的に、他の構成（前述のもの等）では、圧着力が、光学変換器の内側リムに印加される。本第３の実施形態による構成によって、図１１Ｂに図示されるように、個々のカラー区画９０２ａが、所望の放出スペクトルを発生させるために、要求に応じて組み合わせられることができる。それらは、次いで、糊を必要とせずに、区画の外側縁と係合するカバーリングを使用して締結されてもよい。カバーリングおよび基部の部品は、スタンピングによって加工されてもよい。有利には、本方法は、非常にコスト効果的である。

図１０および１１Ａ−Ｂは、基部上の突出プラグならびにカバーリング上の個別の切り欠きを示すが、しかしながら、代替も可能性として考えられることが、当業者に明白となるであろう。例えば、プラグの一部または全部は、対応する切り欠きを基部内に伴って、カバーリング上にあってもよい。

図１２は、第４の実施形態による、光学変換器カラーホイールの断面図を示し、図１３Ａおよび１３Ｂは、２つの異なる斜視図を示す。本実施形態では、カバープレートが、糊／接着剤の代替として、光学変換器カラーホイールを基部に取り付けるために使用される。光学変換器は、基部基板とカバープレートとの間に狭入される。基部基板およびカバープレートは、アルミニウム合金、ステンレス鋼等の金属から作製されることができる。基部基板およびカバープレートは、金属を直接ともに取り付けることによって機械的に取り付けられる。例えば、基部基板およびカバープレートは、溶接（例えば、レーザスポット溶接）またははんだによって取り付けられてもよい。レーザスポット溶接に関して、レーザスポット面積のみが、熱によって影響される。高価な光学変換器は、したがって、本締結方法によって損傷され得ない。

具体的実施形態が説明されたが、当業者は、変形例および修正も可能性として考えられることを理解するであろう。例えば、設計は、必ずしも、セラミック材料を使用するもののみではなく、あらゆる固体光変換器に適用可能であり得、例えば、ガラスベースまたはプラスチックベースの材料が、使用されてもよい。ガラスベースまたはプラスチックベースの材料は、蛍光体でコーティングされた基板として作用してもよい。

反射蛍光体ホイールに関して、放出光の波長帯内の反射防止（ＡＲ）の薄膜コーティングの層、および／または変換後の放出光の波長帯内の高反射（ＨＲ）の薄膜コーティングの別の層が、薄いセラミック変換器の片側または両側に適用されてもよい。これは、セラミック変換器の光変換効率をさらに改良するために行われてもよい。試験結果は、ＡＲ／ＨＲコーティング向上を用いると、光変換出力が約１０％改良されるであろうことを示す。さらに、ＡＲ／ＨＲコーティングは、高温下でも確実に機能することができる。

特に、ＨＲコーティングをセラミック変換器上で用いると、高反射金属ディスクは、要求されなくてもよい。公知の反射蛍光体ホイールシステムでは、高反射金属ディスクが、提供される。そのようなディスクは、典型的には、アルミニウム基板上のコーティングされた銀／硫黄層から成る。そのような金属ディスクベースの蛍光体ホイールを用いると、いくつかの動作期間後、銀酸化および薄膜層間の硫黄移動に起因して、ディスク腐食の破損モードが、観察され得る。

固体光学変換器カラーホイールは、カラーホイールモータと、光学変換器と、変換器支持基板と、変換器圧着構成要素とを含んでもよい。光学変換器は、直接、支持基板および圧着構成要素によって固着される。そのような構成が糊／接着剤／ペーストを排除または省略することによって、光変換器は、高温下で適切に機能することができる。例えば、本明細書に開示される光変換器は、高出力レーザプロジェクタ内で使用されることができる。

これらの反射蛍光体ホイールは、ある波長範囲内の励起する光を他の波長範囲内の別の放出に変換するために使用される。例えば、カラーホイールは、特に、レーザ投影ディスプレイシステムにおいて、青色光を黄色または緑色光に変換してもよい。これらの光学変換器はまた、自動車用ヘッドライトにおいて使用されてもよい。

種々の前述の開示ならびに他の特徴および機能またはその代替は、望ましくは、多くの他の異なるシステムまたは用途に組み合わせられてもよいことを理解されたい。さらに、本明細書における種々の現在予見または予測されていない代替、修正、変形例、または改良も、その後、当業者によって行われ得、これらもまた、以下の請求項によって包含されることが意図されることを理解されたい。

Claims (29)

1. 光変換器であって、前記光変換器は、
   励起波長の光を吸収し、放出波長の光を生成するように構成されている固体光学部材であって、前記固体光学部材は、平面正面と平面背面と内側表面と外側表面とを有する環状体である、固体光学部材と、
   前記固体光学部材の前記平面背面を受け入れるための台座表面を有する基部であって、前記台座表面は、前記固体光学部材の前記平面背面の全体を前記環状体の前記内側表面と前記外側表面との間に支持し、前記基部は、前記基部に対して前記固体光学部材を固定するために前記基部の上に形成されている段を有する、基部と、
   前記固体光学部材を前記基部に取り付けるための機械的締結具であって、前記機械的締結具は、前記固体光学部材の内側リムに力を印加する、機械的締結具と
   を備え、
   前記固体光学部材を前記基部に取り付けるために接着剤は使用されていない、光変換器。
2. 前記機械的締結具は、前記固体光学部材を前記基部に堅く取り付ける、請求項１に記載の光変換器。
3. 前記機械的締結具は、前記固体光学部材を前記基部に取り外し可能に取り付ける、請求項１に記載の光変換器。
4. 前記機械的締結具は、縦方向部品を含み、前記縦方向部品は、対応する係合点と係合することにより、前記機械的締結具を前記基部に結合することを可能にする、請求項１に記載の光変換器。
5. 前記機械的締結具は、正面プレートをさらに含み、前記固体光学部材は、前記正面プレートと前記基部との間にあり、前記縦方向部品は、前記正面プレートを前記係合点に固定し、これにより、前記固体光学部材を前記基部に取り付ける、請求項４に記載の光変換器。
6. 前記係合点は、前記基部内にある、または、前記基部とは異なる締め具構成要素内にある、請求項４に記載の光変換器。
7. 前記基部または前記機械的締結具は、複数の突起をさらに含み、前記複数の突起のそれぞれは、前記締結具または前記基部上の相補的アンカ点にそれぞれ係合する、請求項１に記載の光変換器。
8. 前記複数の突起のそれぞれは、変形可能なクリップを含む、請求項７に記載の光変換器。
9. 前記相補的アンカ点のそれぞれは、隆起または溝または辺縁のうちの１つを含む、請求項７に記載の光変換器。
10. 前記変形可能なクリップは、ばね付き部材であり、各ばね付き部材は、力をそれぞれのアンカ点に付与し、これにより、前記機械的締結具を定位置に保持する、請求項８に記載の光変換器。
11. 前記複数の突起のそれぞれは、突出しているプラグを含み、前記アンカ点のそれぞれは、それぞれの切り欠きである、請求項７に記載の光変換器。
12. 前記機械的締結具は、前記基部に取り付けられているカバープレートを含み、前記固体光学部材は、前記カバープレートと前記基部との間にある、請求項１に記載の光変換器。
13. 前記カバープレートは、スポット溶接によって前記基部に取り付けられている、請求項１２に記載の光変換器。
14. 前記機械的締結具は、弾性材料を含む、請求項１に記載の光変換器。
15. 前記固体光学部材は、青色光を吸収するように構成されている、請求項１に記載の光変換器。
16. 前記固体光学部材は、黄色光または緑色光を生成するように構成されている、請求項１に記載の光変換器。
17. 前記固体光学部材は、反射防止コーティングまたは高反射コーティングをさらに含み、
    前記反射防止コーティングまたは前記高反射コーティングは、前記固体光学部材の片側または両側に配置されている、請求項１に記載の光変換器。
18. 前記反射防止コーティングまたは前記高反射コーティングは、薄膜コーティングである、請求項１７に記載の光変換器。
19. 前記固体光学部材は、セラミック蛍光体を含む、請求項１に記載の光変換器。
20. 蛍光体ホイールであって、
    請求項１に記載の光変換器と、
    前記基部を軸の周りに回転させるように構成されているモータであって、前記軸は、前記基部を通過し、かつ、前記固体光学部材の平面表面に対して法線方向にある、モータと
    を備える、蛍光体ホイール。
21. ライトエンジンであって、
    前記ライトエンジンは、光源と光変換器とを備え、
    前記光変換器は、
    励起波長の光を吸収し、放出波長の光を生成するように構成されている固体光学部材であって、前記固体光学部材は、平面正面と平面背面と内側表面と外側表面とを有する環状体である、固体光学部材と、
    前記固体光学部材の前記平面背面を受け入れるための台座表面を有する基部であって、前記台座表面は、前記固体光学部材の前記平面背面の全体を前記環状体の前記内側表面と前記外側表面との間に支持し、前記基部は、前記基部に対して前記固体光学部材を固定するために前記基部の上に形成されている段を有する、基部と、
    前記固体光学部材を前記基部に取り付けるための機械的締結具であって、前記機械的締結具は、前記固体光学部材の内側リムに力を印加する、機械的締結具と
    を備え、
    前記固体光学部材を前記基部に接合するために接着剤は使用されておらず、
    前記光源は、励起光を前記光変換器に印加するように構成されている、ライトエンジン。
22. 前記光源は、レーザベースの照明源である、請求項２１に記載のライトエンジン。
23. 前記ライトエンジンは、前記基部を軸の周りに回転させるように構成されているモータをさらに備え、前記軸は、前記基部を通過し、かつ、前記固体光学部材の平面表面に対して法線方向にある、請求項２１に記載のライトエンジン。
24. 請求項２３に記載のライトエンジンを備えるプロジェクタ。
25. 請求項２１に記載のライトエンジンを備える自動車用ヘッドライト。
26. 前記固体光学部材は、セラミック蛍光体を含む、請求項２１に記載のライトエンジン。
27. 光変換器であって、前記光変換器は、
    励起波長の光を吸収し、放出波長の光を生成するように構成されている固体光学部材であって、前記固体光学部材は、環状体であり、かつ、平面正面と平面背面とを有する、固体光学部材と、
    前記固体光学部材の前記平面背面を前記環状体の内側表面と外側表面との間に支持するための基部であって、前記基部は、前記基部に対して前記固体光学部材を固定するために前記基部の上に形成されている段を有する、基部と、
    前記固体光学部材を前記基部に取り付けるための機械的締結具と
    を備え、
    前記基部または前記機械的締結具は、複数の突起をさらに含み、前記複数の突起のそれぞれは、前記機械的締結具または前記基部上の相補的アンカ点にそれぞれ係合し、前記複数の突起のそれぞれは、変形可能なクリップを含む、光変換器。
28. 前記変形可能なクリップは、ばね付き部材であり、各ばね付き部材は、力をそれぞれのアンカ点に付与し、これにより、前記機械的締結具を定位置に保持する、請求項２７に記載の光変換器。
29. 前記固体光学部材は、セラミック蛍光体を含む、請求項２７に記載の光変換器。

Images