JP7369724B2 - 蛍光体照明システムのための反射色補正 - Google Patents

Description

（関連出願の相互参照）
本出願は、２０１８年７月２７日に出願された米国仮特許出願第６２／７０３，９７１号に対する優先権を主張するものであり、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。

本開示は、蛍光体技術、波長変換技術、及び関連技術、並びに投影型ディスプレイ（例えば、デジタルライトプロセッシング：ＤＬＰ）、自動車照明など（ただし、これらに限定されない）のような、光電子、フォトニクス、及びそれらを使用する用途に関する。特に、本開示は、蛍光体及び誘電干渉粒子（dielectric interference particles）を含む波長変換素子に関する。蛍光体及び誘電干渉粒子は、ホスト材料中に一緒に分散させて、単一層を形成するか、又は波長変換素子の別個の隣接層に配置することができる。また、そのような波長変換素子を有する光学的光変換デバイス、そのような波長変換素子の製造方法、及びそのような波長変換素子の使用方法を開示する。

波長変換素子は、光波長を変換することで知られており、通常、蛍光体の使用によって、より短い波長から、１つ以上のより長い波長にダウンコンバートする。波長変換素子は、レーザダイオード、発光ダイオード（ＬＥＤ）、又は他の光源によって励起又は「ポンプ」され、異なる波長の光を放射するリン光又は蛍光を発する。波長変換素子は、静的（すなわち、動作中に移動しない）であってもよく、又は例えば、ポンプビームからの加熱をより大きな領域にわたって分配する回転ホイール（すなわち、蛍光体ホイール装置）上に取り付けられてもよい。また、蛍光体ホイール装置は、蛍光体ホイールの縁に沿って配置された異なる波長変換素子（すなわち、異なるアークセグメント）において、異なる蛍光体を使用することによって、異なる色（又は、より一般的には、異なるリン光スペクトル）の時間シーケンスを有することが有利である。ゼロ放射（zero emission）の周期は、（所望により、ポンプ光（pumped light）が反射されて）隣接する蛍光体アークセグメント間に、ギャップを残すことによっても、提供することができる。このような蛍光体ホイールは、例えば、デジタルライトプロセッシング（ＤＬＰ）プロジェクタ又は他のＤＬＰ表示装置に、連続した赤色光、緑色光、及び青色光を提供するために使用することができる。

従来のポンプ式照明装置（pumped illuminator）は、赤色光及び黄色光を生成するのに効率的であるが、青色ポンプ光は、蛍光体によって吸収される。その結果、白色光を得るためには、青色光を加えることによって発光を色補正しなければならない。

本開示は、蛍光体及び誘電干渉粒子を含む波長変換素子、並びに、そのような波長変換素子を有する光学的光変換デバイス、そのような波長変換素子の製造方法、及びそのような波長変換素子の使用方法に関する。蛍光体及び誘電干渉粒子は、同じ層に、又は別個の層に配置することができる。誘電干渉粒子は、励起光として使用される青色光の少なくとも一部を選択的に反射する。誘電干渉粒子は、吸収損失と加熱なしに、所望の性能を得るために高度に調整可能である。この色補正の方法は、特に高出力レベルと高発光に適している。

本明細書の例示的な実施形態では、少なくとも１つのホスト材料と、１つ以上の蛍光体と、１つ以上の誘電干渉粒子とを含む波長変換素子が開示される。

いくつかの実施形態では、１つ以上の蛍光体及び１つ以上の誘電干渉粒子が共通のホスト材料全体に分散され、単一層を形成する。

他の実施形態では、波長変換素子は、（Ａ）１つ以上の蛍光体及びホスト材料（誘電干渉粒子ではない）から形成された蛍光体層と、（Ｂ）１つ以上の誘電干渉粒子及びホスト材料（蛍光体ではない）から形成された粒子層とを含む。換言すれば、蛍光体は、ホスト材料の一部において選択的に富化され、誘電干渉粒子は、ホスト材料の異なる部分において選択的に富化される。

さらに他の実施形態では、波長変換素子は、（Ａ）１つ以上の蛍光体及び第１ホスト材料（誘電干渉粒子ではない）から形成された蛍光体層と、（Ｂ）１つ以上の誘電干渉粒子及び第２のホスト材料（蛍光体ではない）から形成された粒子層とを含む。２つの層は、互いに接合されて波長変換素子を形成する。例えば、蛍光体は、セラミックホスト材料中にあってもよく、１つ以上の誘電干渉粒子は、無機ホスト材料中にあってもよい。

特定の実施形態では、１つ以上の誘電干渉粒子は、複数の薄膜層を含む薄片又は粒の形態とすることができる。各粒子薄片又は粒は、反射光のほぼ連続的な分布が得られるように、十分に小さい横寸法（すなわち、幅又は長さ）を有する。一般的には、横寸法は、１００マイクロメートル（μｍ）未満である。薄片／粒は、反射光のほぼ連続的な分布を得るのに十分な濃度で存在する。

白色光を得ることが望ましい状況では、１つ以上の蛍光体が緑色発光蛍光体、赤色発光蛍光体、及び／又は黄色発光蛍光体を含むことができる。１つ以上の誘電干渉粒子は、他の波長の光を透過しながら、青色光を少なくとも部分的に反射する。ホスト材料は、特定の実施形態では、ガラスホスト材料、セラミックホスト材料、シリコーンホスト材料、光学接着剤又は接着剤、或いは一般に、適切な熱的、光学的及びトライボロジー特性を有する任意の材料とすることができる。２つの異なる色を放射する２つの異なる蛍光体、特に赤色発光蛍光体及び黄色発光蛍光体を有する特定の実施形態が意図される。

さらに、本明細書の例示的な実施形態では、基板と、基板の前面に固定された第１波長変換素子と、を備える光学的光変換デバイスであって、波長変換素子は、１つ以上の蛍光体及び１つ以上の誘電干渉粒子を含み、蛍光体及び粒子は、ホスト材料内に配置される、光学的光変換デバイスが開示される。

基板は、矩形形状又はディスク形状、或いは放物線形状又は双曲線形状であってもよく、一般に任意の形状とすることができる。ディスク形状は、光変換デバイスを蛍光体ホイールとして使用することを可能にし、基板は、基板を周囲に回転させることができる中心軸を有する。第１波長変換素子は、基板の外周部上に配置されてもよい。また、第２波長変換素子は、第１波長変換素子の蛍光体とは異なる色を放射する蛍光体を使用する第２波長変換素子を有して、基板上に存在してもよい。

また、本明細書の例示的な実施形態では、少なくとも１つの蛍光体及び１つ以上の誘電干渉粒子をホスト材料に分散させることを含む、波長変換素子の製造方法が開示される。この分散物は、金型に注入するか、プレスして焼結するか、又はその他の方法で形成して、波長変換素子の形状を画定することができる。次いで、波長変換素子を基板の前面に固定することができる。このような方法では、波長変換素子は単層である。

他の実施形態では、波長変換素子は、蛍光体層を形成するために蛍光体及び第１ホスト材料を含む混合物を適用することと、蛍光体層上に粒子層を形成するために１つ以上の誘電干渉粒子及び第２ホスト材料を含む混合物を適用することと、によって製造される。第１ホスト材料及び第２ホスト材料は、同じであっても異なっていてもよい。粒子層を蛍光体層上に形成することも、蛍光体層を粒子層上に形成することもできる。基板に貼り付けた場合、蛍光体層は、基板と粒子層との間にあり、換言すれば、粒子層は、蛍光体層と励起光源との間にあり、青色光を反射できるようになる。

本明細書の例示的な実施形態では、ホスト材料と、ホスト材料内の１つ以上の蛍光体と、ホスト材料内の１つ以上の誘電干渉粒子と、を含む波長変換素子に青色光を適用することを含む、光放射方法がさらに開示される。

本開示のこれら及び他の非限定的な特徴は、より詳細に以下に開示される。

以下は、図面の簡単な説明であり、図面は、本明細書に開示される例示的な実施形態を説明する目的で提示され、図面を限定する目的で提示されるものではない。これらの図では、光を集めるために使用される光学システムが単一の反射面で示されている。しかし、実際には、反射光学システムと透過光学システムの両方を使用することができる。

図１Ａは、本開示の例示的な実施形態の光変換デバイスを示す図である。ここで、光源は、ポンプ光が波長変換素子の表面に垂直になるように配向される。 図１Ｂは、本開示の光変換デバイスの第２の例示的な実施形態を示す図である。ここで、光源は、ポンプ光が波長変換素子の表面に４５°の角度で入射するように配向される。 図２Ａは、２つのセグメントを有する蛍光体ホイールの形態における、本開示の光変換デバイスの例示的な実施形成を示す側断面図である。 図２Ｂは、２つのセグメントを有する蛍光体ホイールの形態における、本開示の光変換デバイスの例示的な実施形成を示す正面図である。 図３Ａは、蛍光体ホイールの形態における、本開示の光変換デバイスの例示的な実施形態を示す側断面図である。 図３Ｂは、蛍光体ホイールの形態における、本開示の光変換デバイスの例示的な実施形態を示す正面図である。 誘電干渉粒子の断面図である。この実施形態は、２つの材料の間で交互になっている６つの層を有するものとして描かれている。

本明細書で開示される構成要素、プロセス、及び装置は、添付の図面を参照することによって、より完全に理解することができる。これらの図は、本開示の便宜及び説明の容易さに基づく単なる概略図であり、したがって、デバイス又はその構成要素の相対的なサイズ及び寸法を示すこと、及び／又は例示的な実施形態の範囲を定義又は制限することを意図するものではない。

以下の説明では、明確にするために特定の用語を使用しているが、これらの用語は、図面での例示のために選択された実施形態の特定の構造のみを指すことを意図しており、開示の範囲を定義又は制限することを意図していない。図面及び以下の説明では、同様の符号は、同様の機能の構成要素を指すことを理解されたい。

単数形「ａ」、「ａｎ」、及び「ｔｈｅ」は、文脈が明らかに別のことを指示しない限り、複数の指示対象を含む。

本明細書及び特許請求の範囲で使用されるように、用語「comprise(s)（備える）」、「include(s)（含む）」、「having（有する）」、「has（有する）」、「can（できる）」、「contain(s)（含有する）」、及びそれらの変形は、本明細書で使用されるように、名前を挙げられた成分／ステップの存在を必要とし、他の成分／ステップの存在を可能にする、オープンエンドな移行部、用語、又は単語であることが意図されている。しかし、そのような記載は、組成物又はプロセスを、列挙された成分／ステップ「からなる（consisting of）」及び「実質的になる（consisting essentially of）」としても説明するものとして解釈されるべきであり、これにより、名前を挙げられた成分／ステップと、その結果として生じ得る不可避の不純物の存在のみを可能にし、他の成分／ステップを排除する。

本願の明細書及び請求の範囲の数値は、同数の有効数字に削減（四捨五入）させたときに同じ数値と、本願に記載されたタイプの従来の測定技術の実験誤差よりも小さく記載された値とは異なる数値とを含み、その値を決定するものと理解されるべきである。

本明細書に開示される全ての範囲は、示された端点を含むものであり、独立して組み合わせ可能である（例えば、「２グラム～１０グラム」の範囲は、端点２グラム及び１０グラムと、さらに全ての中間値とを含む）。

「約」や「実質的に」といった用語によって修飾された値は、指定された正確な値に限定されるものではない。近似用語は、値を測定する機器の精度に対応する場合もある。修飾語の「約」は、２つの端点の絶対値によって定義される範囲を開示するものと見なす必要もある。例えば、「約２～約４」の表現は、「２～４」の範囲も開示する。一般的に、用語「約」及び「およそ」は、示される数の±１０％を指してもよい。

本明細書で使用されるように、用語「励起光」及び「励起波長」は、後に変換される入力光、例えば、レーザベースの照明源又はポンプとも呼ばれる他の光源によって生成される光を指す。用語「放射光」及び「放射波長」は、変換された光、例えば、励起光に露光された蛍光体によって生成される、結果として生じる光を指す。

参考までに、赤色は、通常、約７８０ナノメートル～約６２２ナノメートルの波長を有する光を指す。緑色は、通常、約５７７ナノメートル～約４９２ナノメートルの波長を有する光を指す。青色は、通常、約４９２ナノメートル～約４３０ナノメートルの波長を有する光を指す。黄色は、通常、約５９７ナノメートル～約５７７ナノメートルの波長を有する光を指す。しかしながら、これは、文脈に依る場合がある。例えば、これらの色は、様々な部分をラベル付けし、それらの部分を互いに区別するために使用されることがある。

蛍光体ホイールのような光変換デバイスは、単一の励起光源から異なる色（波長）の光を生成するために使用される。蛍光体等の光変換（又は波長変換）材料は、蛍光体ホイール上で使用される。蛍光体ホイールは、通常、ホイールの外周部に沿って、半円環状の波長変換素子を備えており、ホイールが回転すると、励起光を緑色、黄色、又は赤色に順次変換する異なるタイプの蛍光体（蛍光体セグメントとも呼ばれる）を含む。通常、青色光レーザ（約４４０ｎｍ～約４６０ｎｍの波長を有する）は、蛍光体ホイール上の蛍光体セグメントを励起するために使用される。蛍光体ホイールは、青色光源光自体を通過又は反射するための１つ以上のギャップを有することもできる。静的（すなわち動かない）光変換デバイスも知られている。

従来のダイオードポンプ式照明装置は、（レーザダイオードであろうと発光ダイオードであろうと）赤色光及び黄色光を生成するのに効率的であるが、ポンプされた青色光（励起光として使用される）は、通常吸収される。その結果、白色光を生成するためには、青色光を加えることによって出力を色補正する必要がある。本明細書に開示される光変換デバイス・システムでは、青色光は、波長変換素子内の１つ以上の蛍光体と共に、１つ以上の誘電干渉粒子を組み込むことによって、方向を変える。蛍光体及び誘電干渉粒子は、同じ層に存在してもよいし、別個の層に分離されていてもよい。

本開示の光変換デバイスは、基板と、その前面に固定された少なくとも１つの波長変換素子と、を含む。基板は、通常、高い熱伝導率を有する金属、例えば、アルミニウム又はアルミニウム合金、銅又は銅合金、銀又は銀合金、或いは高い熱伝導率を有する別の金属である。また、基板は、例えば、ガラス、サファイヤ、酸窒化アルミニウム（ＡｌＯＮ）、スピネル（ＭｇＡｌ_２Ｏ_４）、又はダイヤモンドから形成することもできる。基板は、必要に応じて、鏡面コーティング又は反射コーティングを含むことができ、或いは反射材料から形成することができる。例えば、反射材料／反射コーティングは、金属材料、誘電材料、又はそれらの組み合わせから形成することができる。

金属材料の例としては、先に特定された金属及び金属合金が含まれる。誘電材料の例としては、フッ化マグネシウム、二酸化ケイ素、五酸化タンタル、硫化亜鉛、窒化ケイ素、酸化ニオブ、二酸化チタンが含まれる。反射コーティングが、多層誘電コーティング又は多層金属コーティングである場合、材料は、通常、一連の層に適用され、所望のスペクトル帯域にわたって反射を増加させる干渉効果を生む。

波長変換素子は、少なくとも１つのホスト材料と、少なくとも１つの蛍光体と、１つ以上の誘電干渉粒子から構成されている。いくつかの実施形態では、蛍光体及び誘電干渉粒子は、共通のホスト材料内に配置される。蛍光体及び誘電干渉粒子は、共通のホスト材料全体に均一に分散して、単一層を形成することができる。他の実施形態では、蛍光体及び誘電干渉粒子は、共通のホスト材料内の異なる高さに分布し、その結果、（Ａ）蛍光体及びホスト材料を含有する蛍光体層、並びに（Ｂ）誘電干渉粒子及びホスト材料を含有する粒子層が得られる。蛍光体層は、誘電干渉粒子を含有せず、粒子層は、蛍光体を含有しない。さらに、他の実施形態では、蛍光体層及び粒子層は、異なるホスト材料を有する２つの別個の層である。本実施形態は、（Ａ）蛍光体と第１ホスト材料とを含む蛍光体層と、（Ｂ）誘電干渉粒子と第２ホスト材料とを含む粒子層と、として説明することができる。第１ホスト材料及び第２ホスト材料は、同じであってもよいし、異なる材料であってもよい。ホスト材料は、均一であってもよいし、均一でなくてもよい。

波長変換素子を形成するために使用されるホスト材料は、理想的にはいくつかの特性の組み合わせを有するべきである。ホスト材料は、ポンプ波長及び放射波長において高い透明性、高い結合強度、高い熱安定性（すなわち、高いＴｇ又は最大動作温度）、比較的低い硬化／焼結温度、蛍光体との良好な適合性／混和性、及び／又は、望ましい粘性を有している必要がある。これにより、波長変換素子の熱耐久性が向上する。

ホスト材料は、光学接着剤又は接着剤、ガラス、セラミック、シリコーン、エポキシ、プラスチック（例えば、スチレン、ＮＡＳ（登録商標）等のスチレン－アクリル共重合体、ポリカーボネート、ポリオレフィン、ポリメタクリル酸メチル）等であってもよい。いくつかの特定の実施形態では、ホスト材料は、無機バインダーである。「無機」という用語は、ホスト材料が炭化水素を含まないことを意味する。

望ましくは、無機バインダーは、約０．５～約２５ｐｐｍ／℃の熱膨張係数（ＣＴＥ）を有する。特定の実施形態では、無機バインダーは、ケイ酸ナトリウムである。ケイ酸ナトリウムは、化学式（Ｎａ_２ＳｉＯ_３）_ｎの化合物の一般名であり、また、以下の化学式（Ｉ）に見られるように、ポリマーと考えることができる。

ケイ酸ナトリウムには、無水型と水和型の両方のＮａ_２ＳｉＯ_３・ｎＨ_２Ｏがある。ここで、ｎ＝５、６、８、又は９である。ケイ酸ナトリウムは、酸化ナトリウム（Ｎａ_２Ｏ）に対する二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）の重量比によって、特徴付けることができる。ＳｉＯ_２：Ｎａ_２Ｏの重量比は、２：１から３．７５：１まで変化する可能性がある。特定の実施形態では、ＳｉＯ_２：Ｎａ_２Ｏの重量比は、約２．５：１から約３．７５：１であり、又は約２：１から約３：１である。ケイ酸ナトリウムは、通常は、水溶液として提供される。

他の実施形態では、無機バインダーは、ケイ酸ナトリウム以外の他の無機材料から形成することができる。これらの無機材料は、ケイ酸塩、アルミン酸塩、リン酸塩、ホウ酸塩、又は無機ゾルゲルとすることができる。無機ゾルゲルの例には、二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）又は酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）から作られたゾルゲルが含まれる。

無機バインダー、特にケイ酸ナトリウムは、従来のシリコーン接着剤よりも高い結合強度を示すことができる。特定の実施形態において、本開示の無機バインダーは、少なくとも１００ｐｓｉ、又は少なくとも２００ｐｓｉ、又は約１００ｐｓｉ～約６００ｐｓｉの初期結合強度を有することができる。この特性は、接着剤が塗布される最高温度、例えば３００℃で、厚さ０．１ｍｍ、接着面積１６９ｍｍ^２の２枚のプレートの間に無機バインダーを配置した２枚のアルミニウム試験プレートを用いて測定される。

望ましくは、ホスト材料が実質的に光学的に透明である（例えば、ホスト材料は、少なくとも８０％、９０％を含み、９８％まで、又は１００％までの光透過率を有する）。これは、例えば、パーキンエルマー社から入手可能なラムダ９５０分光光度計を使用して、約０．１から約０．２ミリメートルの厚さで測定される。

この点に関して、無機材料は、通常、長期間安定であり、したがって、これらのデバイスの性能は、必ずしも時間の経過とともに著しく低下するわけではないことが見出されている。さらに、有機材料は、高い使用温度で、いくらかのガス放出を示す可能性がある。これにより、光学デバイスの近くの構成要素が汚染される可能性がある。さらに、無機バインダーは、高出力状態において、従来の有機接着剤（シリコーン材料など）よりも耐久性がある可能性がある。また、それらは、様々なサイズ、形状、及び厚さに柔軟に形成することができる。それらは、高いレーザの放射照度及び温度、すなわち２００℃を超える高い使用温度の下で、信頼性の高い動作を示す。ある実施例では、それらは、固体レーザプロジェクタが１００ワットを超えるものを含む、約６０ワットから約３００ワットまでのレーザ出力を備えることができる高出力レーザ投影表示システムに使用することができる。このようなデバイスの使用温度は、２００℃以上に達し、高い発光輝度を可能にする。

次に、波長変換素子は、励起光を他の波長に変換するための蛍光体粒子（例えば、１つ以上の蛍光体粉末；本明細書では「蛍光体」とも呼ばれる）を含む。具体的には、波長変換素子は、少なくとも１つの緑色発光蛍光体、赤色発光蛍光体、又は黄色発光蛍光体を含むことが意図される。波長変換素子は、必要に応じて、１つの蛍光体のみを含んでもよく、又は２つの蛍光体を含んでもよく、又は３つ以上の蛍光体を含んでもよい。光変換デバイス／波長変換素子が静的である特定の実施形態では、波長変換素子は、異なる波長の光を放射する２つ以上の蛍光体を有することが意図される。例えば、波長変換素子は、赤色発光蛍光体及び黄色発光蛍光体を含むことができる。（非限定的な例として）使用できる蛍光体の例は、イットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ）、セリウムドープＹＡＧ（ＹＡＧ：Ｃｅ）、ルテチウムＹＡＧ（ＬｕＹＡＧ）、ケイ酸塩ベースの蛍光体、及びシリコンアルミニウム酸窒化物（ＳｉＡＩＯＮ）蛍光体を含む。蛍光体は、約５ミクロン～約１００ミクロンの粒子サイズを有することができる。

また、波長変換素子は、１つ以上の誘電干渉粒子を含む。誘電干渉粒子は、通常、青色光を（全体又は部分的に）反射する小さな薄片又は多層誘電材料の粒から構成される。これにより、波長変換素子に大量の損失（loss）や加熱をすることなく、所望の性能／反射量に対する高度な調整が可能になる。使用できる誘電干渉粒子の例には、平面波照明（plane wave illumination）において垂直入射で測定されるとき、放射波長で低反射率（通常、１０％未満、理想的には０％）、及びポンプ波長で５％～８０％の反射率、を有する単純なロングパスフィルタ（long pass filter）を含む。反射される青色光の量は、誘電干渉粒子の反射率を調整することによって、また、波長変換素子内の粒子の量を変更することによって、変更することができる。誘電干渉粒子を介した青色光（例えば、約２０％～約９５％）のある程度の透過も望ましい。重要な側面は、誘電干渉粒子がどんなに多く見積もっても光を最小限にしか吸収せず、光は、反射又は透過する。

各誘電干渉粒子を構成する多層誘電構造は、一連の薄膜層で構成される。これらの層は、必要な性能を生み出すために適切な光学特性を備えた２つ以上の材料で構成される。所与の粒子の層の数は、一般に、１（１）つの層から数千の層まで様々とすることができる。しかしながら、特定の実施形態において、誘電干渉粒子は、５（５）～１１（１１）の個別の層（discrete layers）を有する。

通常の誘電干渉粒子は、高屈折率材料と低屈折率材料の２つの異なる材料のタイプの個別の層から構成される。（材料を通過するときの）光の速度が遅い材料は、高屈折率材料であり、光の速度が速い材料は、低屈折率材料である。通常、所与の誘電干渉粒子について、高屈折率材料と低屈折率材料との間にカットオフ値又は閾値がある。材料には、例えば、チタニア（ＴｉＯ_２）、ニオビア（Ｎｂ_２Ｏ_５）、ハフニア（ＨｆＯ_２）、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、及びシリカ（ＳｉＯ_２）等の酸化物と、硫化亜鉛（ＺｎＳ）等の硫化物と、セレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）等のセレン化物と、ゲルマニウム（Ｇｅ）やシリコン（Ｓｉ）等の半導体と、光学干渉コーティングの分野で一般的な他の多くの材料と、が含まれる。これらの材料をブレンド又は合金化して、中間の特性を持つ層を生成することもできる。誘電干渉粒子の材料の選択は、各材料の幅広い物理的属性によって決まり、用途によって異なる。

誘電干渉粒子の製造において、選択された材料は、励起波長及び蛍光体の放射波長にわたって吸収が低い必要がある。また、誘電干渉粒子中の材料は、ホスト材料に対して不活性であり、製造環境及び適用環境（application environments）の両方においてさらされる温度範囲にわたって安定している必要がある。好ましい実施形態では、青色ポンプを有する誘電干渉粒子に使用するために選択される材料は、酸化物である。

図４は、誘電干渉粒子４００の断面図である。ここで、粒子４００は、６つの層４０２，４０４，４０６，４０８，４１０，４１２から構成されるものとして示されている。層は、高屈折率材料（４０２，４０６，４１０）と低屈折率材料（４０４，４０８，４１２）との間で交互になっている。高屈折率材料／低屈折率材料は、各層において異なる材料であってもよいし、同じ材料であってもよい。

誘電干渉粒子は、種々の方法により調製することができる。１つの方法では、氷晶石（Ｎａ_３ＡＩＦ_６）のフィルムが適切な基板上の剥離層として使用される。高屈折率材料と低屈折率材料の交互コーティングを適用して、層を形成し、誘電干渉粒子を構築する。次に、氷晶石フィルムを水に溶解し、誘電干渉粒子を薄片又は粒に分解することができる。別の方法では、フィルムを形成するために、高屈折率材料及び低屈折率材料のコーティングが適用される基板として可撓性材料のロールを用いて、連続堆積システム（continuous deposition system）を使用することができる。ベルトが十分に小さい曲率半径のローラによって曲げられると、フィルムは、基板から剥離して薄片又は粒になる。

蛍光体とホスト材料との重量比は、約１：１～約５：１である。すなわち、ホスト材料よりも多くの蛍光体が存在することができ、約１：１～約３：１と約１：１～約２：１を含む。誘電干渉粒子は、蛍光体の出力と一致するのに十分な量でホスト材料中に存在して、白色光出力を含む所望の色及び／又は色温度の光を生成することができる。誘電干渉粒子は、ホスト材料内でランダムに配向／分布してもよいことに留意されたい。

具体的には、３つの異なる実施形態が意図される。第１の実施形態では、蛍光体及び１つ以上の誘電干渉粒子は、波長変換素子が単一の層でできているように、ホスト材料の厚さ全体に分散されている。層は、粒子及び蛍光体の均一な分布を有してもよく、または構成成分の相対的分布は、層の厚さ全体にわたって変化してもよい。

第２の実施形態では、蛍光体及び誘電干渉粒子は、ホスト材料の厚さを通して異なる高さに配置されている。言い換えれば、波長変換素子は、少なくとも１つの蛍光体層と少なくとも１つの粒子層とから形成されていると見なすことができる。蛍光体層は、蛍光体とホスト材料を含み、誘電干渉粒子を含まない。粒子層は、１つ以上の誘電干渉粒子を含み、蛍光体を含まない。この第２の実施形態では、同じホスト材料が概して２つの異なる層に使用される。層は、順次適用される別個の分散物／混合物を使用して形成される。

第３の実施形態は、異なるホスト材料が蛍光体層及び粒子層に使用されることを除いて、第２の実施形態と同様である。蛍光体層は、蛍光体と第１ホスト材料を含み、誘電干渉粒子を含まない。粒子層は、１つ以上の誘電干渉粒子と第２ホスト材料を含み、蛍光体を含まない。層は、順次適用される別個の分散物／混合物を使用して形成される。

波長変換素子は、例えば、分散物（ホスト材料、蛍光体、及び誘電干渉粒子を含む）を金型内で射出成形することによって、又は機械加工若しくは研磨、若しくはホットプレス及び焼結によって所望の形状に製造された基板の表面に適用することによって、任意の所望の形状に形成することができる。一般に、波長変換素子は、矩形形状又は円環形状又は半円環形状等の任意の形状を有することができる。これらは、それぞれ、静的な適用及び蛍光体ホイールの適用において有用となる場合がある。放物線や双曲線などの他の形状は、特殊な照明用途に使用されてもよい。得られる波長変換素子は、通常、約０．０５ｍｍ～約０．３ｍｍの厚さを有することができる。

波長変換素子は、適切な接着材料によって基板の前面に固定することができる。いくつかの考えられる結合材料には、エポキシ、接着剤、はんだ、接着性シリコーン（任意で、分散したアルミナ粒子などの分散した光反射粒子を含む反射シリコーン材料）などが含まれる。結合材料が蛍光体発光（例えば、反射性シリコーン）に対して十分に反射性がある場合、基板と波長変換素子との間に別個の反射コーティング（上記のように）が必要でなくてもよい。あるいは、機械的固定具を使用して、波長変換素子を基板に固定することができる。別の代替として、ホスト材料自体を使用して、波長変換素子を基板に結合することができる。

あるいは、ホスト材料、１つ以上の蛍光体、及び１つ以上の誘電干渉粒子を一緒に混合して、次に所望の領域で基板に適用するペーストを形成する。ペーストは、例えば、ペーストのディスペンシング（分配）、噴霧、ブラッシング、又はシルク印刷によって適用することができる。ペーストがディスペンシング又はシルク印刷によって適用される用途では、ペーストは、約０～約２，０００ｃＰ、又は約１００ｃＰ～約２，０００ｃＰを含む、約０～約５，０００センチポアズ（ｃＰ）、又は約０～約２，５００ｃＰ、或いは約１００ｃＰ～約２，５００ｃＰの適切な粘度を有するべきである。粘性は、Ｂｒｏｏｋｆｉｅｌｄ ＤＶＥ ＳＬＶＴＪ０粘度計を使用して、又はＡＳＴＭ Ｄ１０８４に従って測定される。また、ホスト材料自体（すなわち、蛍光体なし）は、約０～約２，０００ｃＰ、又は約１００ｃＰ～約８００ｃＰを含む、約０～約５，０００センチポアズ（ｃＰ）の適切な粘度を有することができる。

次に、ペーストを硬化させて、波長変換素子を波長変換デバイスの基板上に得る。硬化は、約１００℃～約５００℃の温度での熱硬化によって実施することができる。

また、波長変換素子は、１つ以上の充填剤、１つ以上の無機材料、及び１つ以上の分散剤を含むことができる。

充填剤の添加は、ホスト材料の結合強度を高めることができる。特に、充填剤の添加は、波長変換素子を形成するために使用される組成物の収縮率を低下させ、凝固中の気泡又は亀裂の形成を低減又は防止し、それによって、使用中の応力の量及び／又は影響を低下させ、組成物の結合強度を改善することができる。充填剤は、波長変換素子内の他の材料の熱膨張係数に可能な限り近い（例えば、実質的に同等の）熱膨張係数を有するように選択することができる。同様に、層化を回避するために、充填剤は、波長変換素子内の他の材料の密度にできるだけ近い（例えば、実質的に同等の）密度を有するように選択することができる。充填剤は、粒状、薄片状、又は繊維状の形状など、任意の所望の形状を有してもよい。任意の適切な充填剤を使用することができる。例えば、具体的には、充填剤は、シリカ、ケイ酸塩、アルミン酸塩、又はリン酸塩、又はダイヤモンド粉末であり得ることが想定される。充填剤は、アルミニウム、銅、銀、又は金粉末などの金属粉末とすることができる。充填剤は、窒化アルミニウム又はボラゾンなどの窒化物であってもよい。充填剤は、酸化アルミニウム又は酸化ホウ素などの酸化物であってもよい。充填剤は、金属酸化物、金属窒化物、又は金属硫化物であってもよい。

分散剤の添加は、充填剤をホスト材料全体に分散させるのに有益であり、それにより、望ましくない凝集又は沈降を回避する。任意の適切な分散剤を使用することができる。例えば、具体的には、分散剤は、ポリビニルピロリドン、ポリアクリル酸、ゼラチン、ポリビニルアルコール、セルロース、スチレン－ｃｏ－無水マレイン酸、又はリグニンスルホン酸塩などの有機分散剤であり得ることが意図される。あるいは、具体的には、分散剤は、ヘキサメタホスフェート、シリケート、ポリホスフェート、又はヒュームドシリカなどの無機分散剤であり得ることが意図されている。他の変形に関する追加情報は、国際出願番号ＰＣＴ／ＣＮ２０１７／１０２４６８号に提供され、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。

図１Ａは、光変換デバイス・システム１００の一例の断面図である。励起光源１０２は、左側に配置され、青色光を供給する。光変換デバイス１１０は、基板１１２と波長変換素子１１４とを備える。ここで、波長変換素子は、赤色発光蛍光体、黄色発光蛍光体、及びホスト材料中に分散された誘電干渉粒子を含む。光変換デバイスは、リフレクタ１２０の焦点に配置され、励起光源は、リフレクタの外側に配置されている。言い換えると、リフレクタは、励起光源と光変換デバイスとの間に配置される。なお、３次元では、リフレクタは半球状であり、励起光が通過するための孔を有している。

動作中、光源１０２は、励起光１０５を光変換デバイス１１０に向ける。続いて、３つの異なる色（青、赤、及び黄色）が、光変換デバイスによって光源に向かって戻って放射又は反射される（参照符号１２２）。続いて、光は、リフレクタ１２０によって集められ、光変換デバイス１１０を越えて外側に向けられる。

蛍光体応答（phosphor response）及び誘電干渉粒子応答（dielectric interference particle response）は、両方とも概してランバートであるので、光変換デバイス１１０は、任意の角度で光源１０２によって照射することができることに留意されたい。これは、図１Ｂに示されている。ここで、光源１０２は、図１Ａのように０°ではなく、光変換デバイス１１０に対して４５°の角度にある。光は、軸外放物線を使用して鏡面反射の周囲の半球内に集められ、均一な出力ビームを供給する。

図２Ａ及び図２Ｂは、蛍光体ホイールの形態の、本開示の回転可能な光変換デバイスの例を示している。図２Ａは、側断面図であり、図２Ｂは、正面図である。

まず、図２Ａを参照すると、蛍光体ホイール２００は、前面２１２及び後面２１４を有する基板２１０を含む。反射層２２０は、前面２１２上に適用される。波長変換素子２３０は、基板２１０上の反射層２２０上に適用される。基板２１０は、モータ２４０上に取り付けられて、高速で回転する。蛍光体ホイールは、基板２１０の平面表面に垂直である軸Ａ－Ａの周りを回転する。

図２Ｂに示すように、１つ以上の波長変換素子２３０は、基板の前面２１２に固定又は取り付けられる。具体的には、基板は、円形／円板状であり、波長変換素子は、基板の外周部２１６に取り付けられている。基板の中心は、参照符号２１５で示されている。波長変換素子は、半円環形状を有する。図示の実施形態では、２つの波長変換素子２３０Ａ，２３０Ｂが図示されており、それぞれが約１８０度の弧を有し、その結果、全周が２つの素子によって占められている。素子２３０Ａ，２３０Ｂは、異なる色を放射する蛍光体を含むが、両方とも、青色光を反射する誘電干渉粒子を含む。例えば、素子２３０Ａは、赤色光を放射し、青色光を反射する。素子２３０Ｂは、黄色光を放射し、青色光を反射する。必要に応じて多くの変換素子を使用することができ、各素子は、必要に応じて弧の多くを占めることができることを理解されたい。

図２Ａに戻って参照すると、動作中、光源（図示せず）からの励起光（実線、参照符号２５２）は、外周部上の波長変換素子２３０に向けられる。蛍光体によって放射された光（点線、参照符号２５４）は、反射層２２０で反射し、その後、収集することができる。蛍光体ホイールが回転すると、異なる色の光を得ることができる。

図３Ａ及び図３Ｂは、本開示の回転可能な光変換デバイスの別の例を蛍光体ホイールの形態で示す図である。図３Ａは、側断面図であり、図３Ｂは、正面図である。

まず図３Ａを参照すると、蛍光体ホイール２００は、図２Ａのものと非常に類似しており、同じ参照符号が使用されている。ここでの大きな違いは、波長変換素子が蛍光体層２３２と粒子層２３４の２つの層からなることである。ここに見られるように、蛍光体層２３２は、基板２１０に隣接し、粒子層２３４は、蛍光体層２３２に隣接する。言い換えれば、蛍光体層２３２は、粒子層２３４と基板２１０との間にある。ポンプされた励起光は、蛍光体層２３２に入る前に粒子層２３４を通過する。

図３Ｂでは、２つの波長変換素子２３０Ａ，２３０Ｂの粒子層２３４Ａ，２３４Ｂが見られる。蛍光体層は、各波長変換素子における粒子層の下方に配置される。

本明細書に記載される波長変換素子は、白色光を生成するように色補正された光を生成し、高出力レベル及び放射輝度で使用することができる。

光変換デバイスは、追加の層を含むことができる。例えば、波長変換素子は、基板に適用された反射層又はコーティング上に配置することができる。反射層は、金属材料、誘電材料、又はそれらの組み合わせから形成することができる。誘電体ミラーは、当技術分野で知られている。反射層が金属材料である場合、反射層は、通常、基板を形成するために使用される金属とは異なる金属から形成される。

さらなる実施形態では、波長変換素子上に平滑化層を適用することができる。平滑化層は、最終デバイスを損傷する可能性のある研磨などの機械的プロセスを使用せずに、最終デバイスの表面粗さを減少させる機能を果たす。これにより、散乱が減少し、波長変換の効率が向上し、結果として生じる光を所望の方向に向ける能力が向上する。

追加のトップコーティングをデバイスにも適用することもできる。そのようなコーティングは、様々な用途に望まれるように、透明、反射防止、又はスペクトル選択性のコーティングとすることができる。反射防止コーティングは、表面でのリン光反射損失を低減し、従って、外部リン光出力を内部リン光レベルにより近いレベルまで引き上げる。

いくつかの実施形態では、波長変換素子の表面が表面ナノ構造を有するように設計することができる。例示的な実施形態では、これらの表面ナノ構造は、一般に、形状が円錐形であり、リン光の波長よりも小さい横寸法を有する。このような表面ナノ構造の存在下では、リン光がホスト材料の屈折率から空気のｎ_０＝１．００への急激な屈折率変化としてではなく、むしろ、ホスト材料の屈折率から表面ナノ構造の高さにわたって１．００に徐々に変化する実効屈折率の段階的な変化として、界面と相互作用する。一般に、より高い表面ナノ構造は、より緩やかな効果的な遷移を提供し、より広い帯域幅にわたって強化されたリン光透過を提供する。そのようなナノ構造は、米国特許出願第１５／４２９，６００号に記載されており、その全体は、参照により本明細書に組み込まれる。

本明細書に記載される波長変換素子は、蛍光体ホイール及びレーザ投影表示システムにおいて使用可能であると考えられる。それらは、例えば自動車のヘッドライトにおいて固体照明源（solid-state illumination source）と共に使用することもできる。

本開示は、例示的な実施形態を参照して説明されてきた。修正及び改変が、前述の詳細な説明を熟読及び理解することに応じて、当業者に想起されるであろう。本開示は、添付の請求項又はそれらの均等物の範囲内に該当する限りにおいて、そのような修正及び改変全てを含むものとして解釈されることが意図される。

Claims (23)

1. 少なくとも１つのホスト材料と、
   前記ホスト材料内の１つ以上の蛍光体と、
   前記ホスト材料内の１つ以上の誘電干渉粒子と、を含み、
   前記１つ以上の誘電干渉粒子は、少なくとも１つの高屈折率材料及び少なくとも１つの低屈折率材料の交互の薄膜層から形成され、
   前記高屈折率材料は、光が材料を通過するときの光の速度が遅い材料であり、前記低屈折率材料は、光が材料を通過するときの光の速度が速い材料である
   ことを特徴とする、波長変換素子。
2. 前記１つ以上の誘電干渉粒子は、５～１１の層を有する
   ことを特徴とする、請求項１に記載の波長変換素子。
3. 前記少なくとも１つの高屈折率材料及び前記少なくとも１つの低屈折率材料は、チタニア（ＴｉＯ_２）、ニオビア（Ｎｂ_２Ｏ_５）、ハフニア（ＨｆＯ_２）、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、シリカ（ＳｉＯ_２）、硫化亜鉛（ＺｎＳ）、セレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、及びシリコン（Ｓｉ）からなる群から独立して選択される
   ことを特徴とする、請求項１に記載の波長変換素子。
4. 前記１つ以上の誘電干渉粒子は、複数の薄膜層を含む薄片又は粒の形態である
   ことを特徴とする、請求項１に記載の波長変換素子。
5. 前記１つ以上の誘電干渉粒子は、青色光を少なくとも部分的に反射する
   ことを特徴とする、請求項１に記載の波長変換素子。
6. 前記ホスト材料は、単一のホスト材料であり、
   前記１つ以上の蛍光体及び前記１つ以上の誘電干渉粒子は、前記単一のホスト材料全体に分散されて単一層を形成する
   ことを特徴とする、請求項１に記載の波長変換素子。
7. 前記ホスト材料は、単一のホスト材料であり、
   前記波長変換素子は、
   （Ａ）前記１つ以上の蛍光体及び前記ホスト材料から形成された少なくとも１つの蛍光体層と、
   （Ｂ）前記１つ以上の誘電干渉粒子及び前記ホスト材料から形成された少なくとも１つの粒子層と、を含む
   ことを特徴とする、請求項１に記載の波長変換素子。
8. 前記ホスト材料は、第１ホスト材料及び第２ホスト材料を含み、
   前記波長変換素子は、
   （Ａ）前記１つ以上の蛍光体及び前記第１ホスト材料から形成された少なくとも１つの蛍光体層と、
   （Ｂ）前記１つ以上の誘電干渉粒子及び前記第２ホスト材料から形成された少なくとも１つの粒子層と、を含む
   ことを特徴とする、請求項１に記載の波長変換素子。
9. 前記１つ以上の蛍光体は、緑色発光蛍光体、赤色発光蛍光体、及び黄色発光蛍光体からなる群から選択される少なくとも１つの蛍光体を含み、また、
   前記ホスト材料は、ガラス、セラミック、シリコーン、エポキシ、プラスチック、光学接着剤、接着剤、又は無機バインダーである
   ことを特徴とする、請求項１に記載の波長変換素子。
10. 基板と、
    前記基板の前面に固定された第１波長変換素子と、を備え、
    前記第１波長変換素子は、少なくとも１つのホスト材料内に、蛍光体及び１つ以上の誘電干渉粒子を含み、
    前記１つ以上の誘電干渉粒子は、少なくとも１つの高屈折率材料及び少なくとも１つの低屈折率材料の交互の薄膜層から形成され、
    前記高屈折率材料は、光が材料を通過するときの光の速度が遅い材料であり、前記低屈折率材料は、光が材料を通過するときの光の速度が速い材料である
    ことを特徴とする、光変換デバイス。
11. 前記基板は、円板状であり、
    前記第１波長変換素子は、前記基板の外周部に配置されている
    ことを特徴とする、請求項１０に記載の光変換デバイス。
12. 前記第１波長変換素子の前記蛍光体とは異なる色を放射する蛍光体を有する第２波長変換素子をさらに備える
    ことを特徴とする、請求項１１に記載の光変換デバイス。
13. 分散物を形成するために、蛍光体及び１つ以上の誘電干渉粒子を単一のホスト材料に分散させ、
    前記分散物を波長変換素子に形成し、前記１つ以上の誘電干渉粒子は、少なくとも１つの高屈折率材料及び少なくとも１つの低屈折率材料の交互の薄膜層から形成され、
    前記高屈折率材料は、光が材料を通過するときの光の速度が遅い材料であり、前記低屈折率材料は、光が材料を通過するときの光の速度が速い材料である
    ことを特徴とする、波長変換素子の製造方法。
14. 前記分散物を、前記波長変換素子の形状を規定する金型に注入することをさらに含む
    ことを特徴とする、請求項１３に記載の方法。
15. 前記波長変換素子は、半円環形状又は矩形形状、或いは放物線形状又は双曲線形状を有する
    ことを特徴とする、請求項１４に記載の方法。
16. 蛍光体層を形成するために、蛍光体及び第１ホスト材料を含む混合物を適用し、
    前記蛍光体層上に粒子層を形成するために、１つ以上の誘電干渉粒子及び第２ホスト材料を含む混合物を適用することを含み、
    前記１つ以上の誘電干渉粒子は、少なくとも１つの高屈折率材料及び少なくとも１つの低屈折率材料の交互の薄膜層から形成され、
    前記高屈折率材料は、光が材料を通過するときの光の速度が遅い材料であり、前記低屈折率材料は、光が材料を通過するときの光の速度が速い材料である
    ことを特徴とする、波長変換素子の製造方法。
17. 前記蛍光体層及び前記粒子層を硬化させることをさらに含む
    ことを特徴とする、請求項１６に記載の方法。
18. 前記第１ホスト材料と前記第２ホスト材料は、互いに異なる
    ことを特徴とする、請求項１６に記載の方法。
19. 蛍光体層と粒子層とを含む波長変換素子に青色光を適用する白色光を生成する方法であって、
    前記蛍光体層は、前記粒子層と基板との間に配置され、前記蛍光体層は、１つ以上の蛍光体と第１ホスト材料とを含み、前記粒子層は、１つ以上の誘電干渉粒子と第２ホスト材料とを含み、
    前記１つ以上の誘電干渉粒子は、少なくとも１つの高屈折率材料及び少なくとも１つの低屈折率材料の交互の薄膜層から形成され、
    前記高屈折率材料は、光が材料を通過するときの光の速度が遅い材料であり、前記低屈折率材料は、光が材料を通過するときの光の速度が速い材料である
    ことを特徴とする、白色光を生成する方法。
20. 薄片又は粒状の前記１つ以上の誘電干渉粒子は、１００マイクロメートル未満の横寸法を有する
    ことを特徴とする、請求項５に記載の波長変換素子。
21. １つ以上の蛍光体と第１ホスト材料とを含む蛍光体層と、
    １つ以上の誘電干渉粒子と第２ホスト材料とを含む粒子層と、含み、
    前記１つ以上の誘電干渉粒子は、少なくとも１つの高屈折率材料及び少なくとも１つの低屈折率材料の交互の薄膜層から形成され、
    前記高屈折率材料は、光が材料を通過するときの光の速度が遅い材料であり、前記低屈折率材料は、光が材料を通過するときの光の速度が速い材料であり、
    前記蛍光体層は、実質的に誘電干渉粒子がなく、前記粒子層は、実質的に蛍光体がない
    ことを特徴とする波長変換素子。
22. 前記第１および第２ホスト材料は、異なる材料である
    ことを特徴とする請求項２１に記載の波長変換素子。
23. 前記少なくとも１つの高屈折率材料の各薄膜層は、異なる高屈折率材料を含み、前記少なくとも１つの低屈折率材料の各薄膜層は、異なる低屈折率材料を含む
    ことを特徴とする、請求項２１に記載の波長変換素子。