特許 7471363 光学的に向上させられた光変換器

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-04-11

(45)【発行日】2024-04-19

(54)【発明の名称】光学的に向上させられた光変換器

(51)【国際特許分類】

   G02B 5/20 20060101AFI20240412BHJP

   G02B 1/11 20150101ALI20240412BHJP

   G02B 5/08 20060101ALI20240412BHJP

【ＦＩ】

G02B5/20

G02B1/11

G02B5/08 A

【請求項の数】 19

(21)【出願番号】P 2022146043

(22)【出願日】2022-09-14

(62)【分割の表示】P 2020200031の分割

【原出願日】2016-03-02

(65)【公開番号】P2022177149

(43)【公開日】2022-11-30

【審査請求日】2022-09-14

(73)【特許権者】

【識別番号】508348680

【氏名又は名称】マテリオン コーポレイション

(74)【代理人】

【識別番号】100078282

【弁理士】

【氏名又は名称】山本 秀策

(74)【代理人】

【識別番号】100113413

【弁理士】

【氏名又は名称】森下 夏樹

(72)【発明者】

【氏名】ジャン デイビッド

(72)【発明者】

【氏名】カオ イン

(72)【発明者】

【氏名】バイ シェンユアン

(72)【発明者】

【氏名】リ レノン

【審査官】藤岡 善行

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１５－００１７０９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－０３１４８８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－２１１０５８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０２Ｂ ５／２０

Ｇ０２Ｂ １／１１

Ｇ０２Ｂ ５／０８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

光変換器であって、前記光変換器は、
光変換粒子を結合材料中に備える光変換層であって、前記光変換層は、放出光を前記光変換層上に入射する励起光から発生させ、前記結合材料は、ポリマー材料を含む、光変換層と、
前記光変換層の表面上の平坦化層であって、前記平坦化層は、ポリマー材料、有機材料、または複合材材料を備え、かつ、４００ｎｍ～１０００ｎｍの厚さを有し、前記平坦化層は、前記光変換層の屈折率未満である屈折率を有し、前記平坦化層の屈折率と前記光変換層の屈折率との間の差異は、前記光変換層から前記平坦化層の中への任意の放出光出現の角度を、前記平坦化層の表面に対する法線方向に対して少なくとも３０度まで増加させる、平坦化層と、
前記平坦化層の表面の一部としての少なくとも１つの光学コーティング、または、前記平坦化層の前記表面上にある少なくとも１つの光学コーティングと
を備え、前記平坦化層の前記表面は、前記光変換層の前記表面と比較して平滑である、光変換器。

【請求項2】

前記平坦化層の前記表面は、０．０２μｍ以下である粗度平均Ｒａを有する光学的に平滑な表面である、請求項１に記載の光変換器。

【請求項3】

前記平坦化層の前記表面は、前記光変換層の前記表面の粗度平均Ｒａの０．２５倍以下であるＲａを有し、かつ／または、
前記平坦化層の前記表面は、前記励起光または放出光の波長の０．１倍以下の粗度平均Ｒａを有する、請求項１または請求項２に記載の光変換器。

【請求項4】

前記平坦化層の屈折率と前記光変換層の屈折率との間の前記差異は、前記光変換層の屈折率の３０％未満である、請求項１から３のいずれか一項に記載の光変換器。

【請求項5】

前記平坦化層の屈折率と前記光変換層の屈折率との間の前記差異は、前記光変換層の屈折率の２０％未満である、請求項１から４のいずれか一項に記載の光変換器。

【請求項6】

前記平坦化層は、１．７以下である低屈折率を有する、請求項１から５のいずれか一項に記載の光変換器。

【請求項7】

前記結合材料の前記ポリマー材料は、シリコーン材料を含み、かつ／または、
前記平坦化層の前記ポリマー材料は、シリコーン材料を含む、請求項１から６のいずれか１項に記載の光変換器。

【請求項8】

前記光変換粒子は、蛍光体粒子である、請求項１から７のいずれか１項に記載の光変換器。

【請求項9】

前記平坦化層の屈折率は、１．２を上回る、請求項１から８のいずれか１項に記載の光変換器。

【請求項10】

前記少なくとも１つの光学コーティングは、薄膜コーティングを備える、請求項１から９のいずれか１項に記載の光変換器。

【請求項11】

前記少なくとも１つの光学コーティングは、前記光変換層の前記表面と比較して平滑である前記平坦化層の前記表面上に提供され、前記少なくとも１つの光学コーティングは、反射防止（ＡＲ）コーティング、高反射（ＨＲ）コーティング、ダイクロイックフィルタ（ＤＦ）コーティング、および金属コーティングのうちの１つ以上を備える、請求項１から１０のいずれか１項に記載の光変換器。

【請求項12】

前記平坦化層は、前記光変換層の第１の表面上にあり、前記光変換器はさらに、前記光変換層の第２の表面上の光学機能層を備え、前記光変換層の前記第２の表面は、前記光変換層の前記第１の表面に対して前記光変換層の反対側にある、請求項１から１１のいずれか１項に記載の光変換器。

【請求項13】

前記光学機能層は、反射樹脂材料を備える、請求項１２に記載の光変換器。

【請求項14】

基板と、
請求項１から１３のいずれか１項に記載の光変換器であって、前記光変換器は、前記基板上に配置される、光変換器と
を備える、光学デバイス。

【請求項15】

光変換器を製造する方法であって、
平坦化層を光変換層の表面上に堆積させることであって、前記光変換層は、光変換粒子を結合材料中に備え、放出光を前記光変換層上に入射する励起光から発生させる、ことと、
少なくとも１つの光学コーティングを前記平坦化層の表面に塗布すること、または、少なくとも１つの光学コーティングを前記平坦化層の前記表面内に形成することと
を含み、
前記平坦化層は、ポリマー材料、有機材料、または複合材材料を備え、かつ、４００ｎｍ～１０００ｎｍの厚さを有し、前記平坦化層は、前記光変換層の屈折率未満である屈折率を有し、前記平坦化層の屈折率と前記光変換層の屈折率との間の差異は、前記光変換層から前記平坦化層の中への任意の放出光出現の角度を、前記平坦化層の前記表面に対する法線方向に対して少なくとも３０度まで増加させ、
前記結合材料は、ポリマー材料を含み、
前記光変換層は、粗表面を有し、前記平坦化層の前記表面は、前記光変換層の前記表面と比較して平滑である、方法。

【請求項16】

前記平坦化層を堆積させるステップはさらに、１５０℃以下の温度で前記平坦化層を熱硬化することを含む、請求項１５に記載の方法。

【請求項17】

前記硬化された平坦化層は、１．７以下である低屈折率を有する、請求項１６に記載の方法。

【請求項18】

前記平坦化層を堆積させるステップに先立って、
前記光変換層を基板上に提供すること、および、
前記基板を光学機能層でコーティングすること
をさらに含み、
前記光変換層を前記基板上に提供するステップは、前記光変換層を前記光学機能層上に提供することを含む、請求項１５から１７のいずれか１項に記載の方法。

【請求項19】

前記平坦化層を堆積させるステップは、分注、噴霧、ブラッシング、スパッタリング、スピンコーティング、またはシルクもしくはスクリーン印刷を含む、請求項１５または請求項１６に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、蛍光体ホイール等の光学デバイスの一部を形成し得る、固体光変換材料を備える、光変換器に関する。光変換器を製造する方法もまた、提供される。

【背景技術】

【0002】

蛍光体等の光変換（または波長変換）材料は、種々の用途において、特に、光学デバイスにおいて使用される。既存の例示的光変換器１００の断面の概略描写が、図１に示される。これは、光変換層１０１と、高反射コーティング１０２とを備える。光変換層１０１は、従来、硬化シリコーン糊１０１ｂ等のポリマー結合剤中に蛍光体粒子（粉末）１０１ａを備える。これは、蛍光体含有シリコーン（ＰＩＳ）タイプとして知られる。蛍光体粒子１０１ａは、分注、スクリーン印刷、または別のコーティング方法によって、液体透明シリコーン１０１ｂ中に分散され、次いで、熱的に硬化および固化される。光変換層１０１は、粗表面１０１ｃをその高反射コーティング１０２が提供されるものと反対の側に有する。

【0003】

励起光１０３ａが、光変換層１０１上に入射し、蛍光体粉末１０１ａは、これを放出光に変換する。高反射コーティング１０２は、本放出光をあらゆる可能性として考えられる方向から捕捉し、放出光１０３ｂが全て、励起光１０３ａと反対方向に進行するように、それを反射させる。したがって、光変換器１００は、反射タイプである。また、高反射コーティング１０２を伴わない光変換層１０１を提供することも公知であって、そのような光変換器は、透過性タイプである。

【0004】

そのような光変換器の１つの用途は、単一光源（典型的には、狭範囲の波長）の励起光と異なる１つまたは典型的には複数の波長の放出光を発生させるための光学デバイスである、蛍光体ホイールである。例示的蛍光体ホイールは、共通の発明者を有する、第ＷＯ２０１４／０１６５７４号に説明されている。

【0005】

次に、図２ａおよび２ｂを参照すると、それぞれ、公知の蛍光体ホイール構造の第１および第２の実施例が、概略形態において示される。２つの実施例は、類似特徴を有し、同一特徴が、示される場合、同じ参照番号が、使用されている。光変換器２０１が、ディスク基板２０２上に提供される。光変換器２０１は、図１によると、ＰＩＳタイプである。光変換器２０１は、単一カラー蛍光体リング（図２ａに示されるように、同心パターンにおいて）として、または、それぞれが具体的色を伴う光を発生させるために使用される（図２ｂに示される）、複数のカラー区画２０１（Ｒ）（赤色）、２０１（Ｙ）（黄色）、および２０１（Ｇ）（緑色）として形成される。光変換器２０１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。励起光２０３ａ（源光、例えば、青色光）は、光変換器２０１上に入射すると、放出光２０３ｂ（例えば、特に、２０１（Ｙ）の場合、黄色光）の発生を生じさせる。放出光２０３ｂは、ディスク基板２０２によって反射され、放出光２０３ｂはレンズシステム（図示せず）によって集光される。典型的には、ディスク基板２０２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もでき、その場合、蛍光体ホイールとして知られていない場合がある。

【0006】

特に、蛍光体ホイールにおいて使用するための光変換器の、特に、効率、出力電力、および温度管理の観点から性能を改良することは、有意な課題である。本課題が対処される１つの方法は、ＰＩＳタイプ光変換層をセラミック変換器または蛍光体ガラス等の固体光変換材料と置換することによるものである。しかしながら、ＰＩＳタイプ材料は、そのような固体光変換材料に優る利点を有する。例えば、それらは、より柔軟な色選択肢、より単純な構造、およびより安価なコストを可能にし得る。使用されている光変換層のタイプを変化させずに、性能改良を提供することが有利となるであろう。

【発明の概要】

【課題を解決するための手段】

【0007】

本背景に照らして、請求項１に記載の光変換器および請求項１２に準拠する光学デバイスが、提供される。また、請求項１４に準拠する光変換器を製造する方法も提供される。他の好ましい特徴は、請求項および以下の説明を参照して開示される。

【0008】

少なくとも１つの光学コーティングを光変換層上に備える光変換器であって、光変換粒子（例えば、蛍光体粉末）を結合材料（例えば、シリコーン等のポリマー）中に備える光変換層が、有利であり得ることを認識されたい。平坦化層が、有利には、光変換層の表面上に提供される。光学コーティングは、有益には、平坦化層の一部として、またはその表面上に提供される。平坦化層の表面（少なくとも１つの光学コーティングに隣接する）は、光学的に平滑および／または光変換層の表面（平坦化層に隣接する）と比較して比較的に平滑である。

【0009】

結合剤中の蛍光体粒子から形成される光変換層は、粗表面を有し得、本表面をそのような光学コーティングでコーティングすることが困難であり得る。平坦化層は、光学コーティング（または複数のコーティング）がより容易に塗布され得る、より平滑な表面、例えば、光学的に平滑な表面を有する。例えば、これは、０．０２μｍ以下の粗度平均（Ｒａ）を有してもよい。平坦化層は、シリコーン材料、有機材料、または複合材材料を備えてもよい。

【0010】

平坦化層は、分注、噴霧、ブラッシング、スパッタリング、スピンコーティング、またはシルクもしくはスクリーン印刷によって堆積されてもよい。好ましくは、平坦化層は、特に、熱硬化することによって硬化される。熱硬化は、低温で、例えば、１５０℃以下、および／または長時間、例えば、少なくとも１または２時間にわたって行われてもよい。これは、真下の光変換層に影響を及ぼさずに、平坦化層が平滑層として形成されることを可能にし得る。

【0011】

光学コーティングは、反射防止（ＡＲ）コーティング、高反射（ＨＲ）コーティング、ダイクロイックフィルタ（ＤＦ）コーティング、および／または金属コーティング等の薄膜コーティングであってもよい。光学コーティングは、動作温度を有意に、例えば、約９℃低減させながら、光変換器の性能（効率の観点から）を５％改良し得る。
本明細書は、例えば、以下の項目も提供する。
（項目１）
光変換器であって、
放出光を光変換層上に入射する励起光から発生させるための光変換粒子を結合材料中に備える光変換層と、
前記光変換層の表面上の平坦化層と、
前記光変換層の表面と比較して比較的に平滑である前記平坦化層の表面の一部であるかまたは前記平坦化層の表面上にある少なくとも１つの光学コーティングと、
を備える、光変換器。
（項目２）
前記平坦化層の表面は、光学的に平滑であるように構成される、項目１に記載の光変換器。
（項目３）
前記平坦化層の表面は、前記光変換層の表面のＲａの０．２５倍以下の粗度平均Ｒａを有する、項目１または項目２に記載の光変換器。
（項目４）
前記平坦化層の表面は、前記励起光または放出光の波長の０．１倍以下の粗度平均Ｒａを有する、前記項目のいずれかに記載の光変換器。
（項目５）
前記平坦化層は、シリコーン材料、有機材料、または複合材材料を備える、前記項目のいずれかに記載の光変換器。
（項目６）
前記少なくとも１つの光学コーティングは、薄膜コーティングを備える、前記項目のいずれかに記載の光変換器。
（項目７）
前記少なくとも１つの光学コーティングは、反射防止ＡＲコーティング、高反射ＨＲコーティング、ダイクロイックフィルタＤＦコーティング、および金属コーティングのうちの１つまたはそれを上回るものを備える、前記項目のいずれかに記載の光変換器。
（項目８）
前記光変換粒子は、蛍光体粒子であり、前記結合材料は、シリコーン材料である、前記項目のいずれかに記載の光変換器。
（項目９）
前記平坦化層は、前記光変換層の第１の表面上にあり、前記光変換器はさらに、
前記光変換層の第２の表面上の光学機能層を備える、
前記項目のいずれかに記載の光変換器。
（項目１０）
前記光変換層の第２の表面は、前記光変換層の第１の表面の反対である、項目９に記載の光変換器。
（項目１１）
前記光学機能層は、反射樹脂材料を備える、項目９または項目１０に記載の光変換器。
（項目１２）
基板と、
前記基板上の前記項目のいずれかに記載の光変換器と、
を備える、光学デバイス。
（項目１３）
前記光学デバイスは、カラーホイール、蛍光体ホイール、投影ディスプレイ、および自動車用ヘッドライトのうちの１つである、項目１２に記載の光学デバイス。
（項目１４）
光変換器を製造する方法であって、
平坦化層を光変換層の表面上に堆積させるステップであって、前記光変換層は、光変換粒子を結合材料中に備え、放出光を前記光変換層上に入射する励起光から発生させる、ステップと、
少なくとも１つの光学コーティングを前記平坦化層の表面に塗布するかまた少なくとも１つの光学コーティングを前記平坦化層の表面内に形成するステップであって、前記平坦化層の表面は、前記光変換層の表面と比較して比較的に平滑である、ステップと、
を含む、方法。
（項目１５）
前記平坦化層を堆積させるステップは、分注、噴霧、ブラッシング、スパッタリング、スピンコーティング、またはシルクもしくはスクリーン印刷を含む、項目１４に記載の方法。
（項目１６）
前記平坦化層を堆積させるステップはさらに、前記平坦化層を硬化するステップを含む、項目１４または項目１５に記載の方法。
（項目１７）
前記平坦化層を硬化するステップは、１５０℃以下の温度で熱硬化するステップを含む、項目１６に記載の方法。
（項目１８）
前記平坦化層を堆積させるステップに先立って、
前記光変換層を基板上に提供するステップをさらに含む、
項目１４から１７のいずれか１項に記載の方法。
（項目１９）
前記基板を光学機能層でコーティングするステップをさらに含み、
前記光変換層を前記基板上に提供するステップは、前記光変換層を前記光学機能層上に提供するステップを含む、項目１８に記載の方法。

【図面の簡単な説明】

【0012】

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】図１は、既存の例示的光変換器の断面図を図式的に描写する。

【図2a】図２ａは、図１による光変換器を備える、第１の例示的な公知の蛍光体ホイール構造を示す。

【図2b】図２ｂは、図１による光変換器を備える、第２の例示的な公知の蛍光体ホイール構造を示す。

【図3】図３は、本開示による、第１の光変換器実施形態の断面図を図式的に図示する。

【図4】図４は、第１の蛍光体ホイール実施形態の分解概略図を描写する。

【図5】図５は、第２の蛍光体ホイール実施形態の分解概略図を描写する。

【0013】

【図6】図６は、図４および５の蛍光体ホイール実施形態を試験するための構成の概略図を図示する。

【発明を実施するための形態】

【0014】

最初に、図３を参照すると、光変換器３００の実施形態の断面図が、図式的に図示される。光変換層３０１と、高反射コーティング層３０２と、平坦化層３０４と、光学コーティング３０５とが、示される。

【0015】

光変換層３０１が、高反射コーティング層３０２上に形成される。図１に示される公知の実施形態に準拠して、光変換層３０１は、蛍光体粒子（粉末）３０１ａを硬化シリコーン糊３０１ｂ等のポリマー結合剤中に備える。言い換えると、本光変換層３０１は、蛍光体含有シリコーン（ＰＩＳ）タイプである。光変換層３０１は、高反射コーティング３０２が提供されるものと反対側にざらざらした粗表面３０１ｃを有する。図３に示されるように、励起光３０３ａが、光変換層３０１上に入射し、該光変換層は、これを異なる波長の光に変換し、次いで、高反射層３０２によって反射され、放出光３０３ｂを提供する。

【0016】

平坦化層３０４が、光変換層３０１の粗表面３０１ｃ上に堆積される。平坦化層３０４は、シリコーン接着剤である。平坦化層３０４の適用および／または厚さは、光学表面（光学的に平滑）が顕微鏡寸法において達成されるように制御される。例えば、平坦化層３０４の粗度平均（Ｒａ）は、０．０２μｍ未満であってもよい。平坦化層３０４の厚さは、本層を光学的に平滑にするために十分であるように作製される、例えば、４００ｎｍ～１０００ｎｍまたは最大（随意に、それらの値を含む）１００μｍ、１５０μｍ、もしくは２００μｍの厚さであることができる（４００ｎｍ、１μｍ、１００μｍ、もしくは１５０μｍは、随意に、最小厚であってもよい）。これは、硬化され、より優れた取扱のための堅固な乾燥表面を提供する。１５０℃を下回る温度での１または２時間にわたる熱硬化が、使用される。本温度限界は、特に、真下の光変換層３０１に損傷を及ぼすことを回避するためのものである。

【0017】

光学コーティング３０５は、反射防止ＡＲコーティング等の薄膜コーティングである。これは、平坦化層３０４が硬化された後に適用される。ＰＶＤが、本コーティングを適用するために使用される。ＡＲコーティング３０５は、励起光３０３ａに暴露されるように光変換層３０１の側に塗布される。これは、光変換層３０１との界面における励起光３０３ａの反射損失を低減させるために意図される。本コーティングの厚さは、設計性能、使用される薄膜材料、および平坦化層３０４等の隣接する材料の特性に基づく。

【0018】

平坦化層３０４および光学コーティング３０５は、さらなる二次的利点を提供することができる。平坦化層３０４は、典型的には、光変換層３０１のものを下回る、低屈折率を有する。これは、光変換層３０１の中への放出光３０３ｂ集光および／またはそこからの光出現の角度を増加させる（表面に対する法線方向に対して少なくとも３０度まで）。したがって、変換される光の総抽出が、改良される。

【0019】

実際、前述の効果の組み合わせは、５％の性能改良を提供し、ＰＩＳ光変換層２０１の温度を９℃低減させることが実証された。これは、ＰＩＳタイプ光変換器が、より効果的に使用され、他のタイプの光変換器と関連付けられた問題を回避することを可能にすることができる。

【0020】

高反射コーティング層３０２は、随意であって、そのような層を伴わない実施形態は、以下に議論されることに留意されたい。また、光変換層３０１の構造は、任意のタイプの粒子含有結合剤構成に変動されてもよい。そのような構造は、光学コーティングが塗布される場合に問題を生じさせ得る、粗外側表面を伴って形成される傾向にある。

【0021】

平坦化層３０４は、シリコーンから形成される必要はない。本層のための望ましい特性として、低吸収率、広帯域（３８０ｎｍ～８００ｎｍ）内における高透過率（少なくとも５０％、６０％、７０％、７５％、８０％、８５％、９０％、または９５％）、光学的に平滑な表面を容易に形成することが可能であること、低コスト、製造が容易であることのうちの１つまたはそれを上回るものが挙げられ得る。特に、ＳｉＯ_２および／またはＡｌ_２Ｏ_３を備える、他の材料も、使用されてもよい。ある場合には、平坦化層３０４の屈折率は、光変換層２０１のもの未満であり得、随意に、依然として、信頼性のある光学膜がその上に形成されることを可能にしながら、可能な限り低いものである（１．３、１．２５、１．２、１．１、または１．０５未満）。屈折率は、使用されている光学コーティングに応じて設定されてもよく、高屈折率が、ＡＲコーティングが使用されるときには好ましくあり得る。

【0022】

有利には、平坦化層３０４の屈折率は、光変換層３０１のものに近いまたはそれに合致するように設定され得る。例えば、ＹＡＧ蛍光体は、１．７またはそれを上回る高屈折率を有する。シリコーン樹脂中に分散される蛍光体は、典型的には、約１．４～１．５の屈折率を有し、光変換層３０１を形成する。屈折率の差異に起因して、かなりの割合の光が、これらの層間の界面で散乱され得る。

【0023】

平坦化層３０４は、具体的屈折率を有するために好ましいが、光学コーティングが所望の屈折率を伴って平坦化層３０４上に形成されるための代替アプローチもある。ＴＩＲおよびコーティングの塗布のための好適性の両機能において統合される、低屈折率を伴う平坦化層３０４を有することは、有意な利点を提供する。平坦化層３０４は、任意のシリコーン接着剤プロセス（噴霧等）によって形成されてもよいが、代替として、分注、ブラッシング、スパッタリング、スピンコーティング、またはシルクもしくはスクリーン印刷が挙げられ得る。ゾルゲル／浸漬コーティング、ＣＶＤ、磁気スパッタリングＰＶＤ（良好な膜密度を提供し得る）、または他の技法が、代替として、平坦化層を堆積させるために使用されてもよい。熱硬化の代わりに、室温加硫（ＲＴＶ）が、使用されてもよい。

【0024】

高反射（ＨＲ）コーティング（典型的には、使用されない）、ダイクロイックフィルタ（ＤＦ）コーティング（励起および／または放出光をフィルタ処理するため）、および／または金属コーティング（ＡｌＦｌｅｘ（ＴＭ）またはＳｉｌＦｌｅｘ（ＴＭ）等であるが、再び、典型的には、使用されない）等の付加的または代替タイプの光学コーティングが、平坦化層３０４上に提供されてもよい。浸漬コーティングが、ＰＶＤに加えて、またはその代替として、光学コーティングを塗布するために使用されてもよい。他の公知の技法も、可能性として考えられ得る。

【0025】

概して、放出光を光変換層上に入射する励起光から発生させるための光変換粒子を結合材料中に備える光変換層と、光変換層の表面上の平坦化層とを備える、光変換器が、提供され得る。平坦化層の表面は、光学的に平滑および／または光変換層の表面より平滑である。少なくとも１つの光学コーティングは、有益には、平坦化層の平滑表面の一部である、またはその上にある。言い換えると、平坦化層の表面は、具体的値および／または光変換層の表面（平坦化層に隣接する）の粗度を下回る、粗度を有する。光学コーティングが、次いで、平坦化層に塗布される、または平坦化層とともに形成されることができる。

【0026】

加えて、または代替として、平坦化層を光変換層の表面上に堆積させるステップであって、光変換層は、光変換粒子を結合材料中に備え、放出光を光変換層上に入射する励起光から発生させる、ステップと、少なくとも１つの光学コーティングを平坦化層の表面に塗布するかまたは少なくとも１つの光学コーティングを該平坦化層の表面内に形成するステップとを含む、光変換器を製造する方法が、検討され得る。平坦化層の表面は、有益には、光変換層の表面と比較して比較的に平滑である。本方法は、光変換器に関して本明細書に説明される特徴のいずれかを提供するためのステップを有してもよい。

【0027】

異なるアプローチでは、光変換層の表面は、平坦化層を参照して本明細書に説明されるような粗度を有し得る。これは、（ＰＩＳ）光変換層表面を平滑化することによって、例えば、（シリコーン）材料を適切に分注および／または硬化し、その最終固化前に成形することによって達成され得る。そのようなアプローチでは、平坦化層は、必要ないであろう。光学コーティング、例えば、約１μｍ厚の二酸化ケイ素コーティングが、次いで、直接、光変換層表面上に堆積され得る。しかしながら、本アプローチは、製造において実装が困難であって、性能は、付加的平坦化層が提供されるときほど良好ではないことが見出されている。

【0028】

光変換粒子は、典型的には、蛍光体粒子である。結合材料は、好ましくは、ポリマーである。例えば、これは、シリコーン材料を備えてもよい。平坦化層は、結合材料と同一材料を備えてもよい（またはそれから形成されてもよい）。

【0029】

平坦化層の表面は、典型的には、光学的に平滑であるように構成される。これは、光の入射広角（表面から少なくとも５、１０、１５、２０、２５、３０、３５、４０、または４５度）および／または広波長範囲（３８０ｎｍ～８００ｎｍもしくは少なくとも励起光および／または放出光の波長）に及び得る。例えば、これは、０．０３μｍ、０．０２５μｍ、０．０２μｍ、０．０１５μｍ、０．０１μｍ、または０．００５μｍ以下の（またはそれ未満の）粗度平均（Ｒａ）を有してもよい。平坦化層の表面は、光変換層の表面のＲａの０．５、０．４、０．３、０．２５、０．２、０．１、または０．０５倍以下のＲａを有してもよい。加えて、または代替として、平坦化層の表面は、励起光または放出光の波長の０．３、０．２５、０．２、０．１、０．０５、または０．０１倍以下のＲａを有してもよい。

【0030】

平坦化層は、光変換層のものを下回る、それに類似する、またはそれを上回る、光学屈折率を有することができる。典型的には、平坦化層の屈折率と光変換層の屈折率との間の差異は、光変換層の屈折率の５０％、４０％、３０％、２５％、２０％、１５％、１０％、または５％未満である（またはそれ以下である）べきである。加えて、または代替として、平坦化層の光学屈折率は、いくつかの実施形態では、１．７、１．６、１．５、１．４、１．３、１．２５、１．２、１．１、または１．０５未満であって（またはそれ以下である）、他の実施形態では、それを上回ってもよい（または少なくともその値である）。平坦化層は、シリコーン材料、有機材料、または複合材材料を備えてもよい。これは、ＳｉＯ_２および／またはＡｌ_２Ｏ_３を備えてもよい。平坦化層は、分注、噴霧、ブラッシング、スパッタリング、シルク印刷、またはスクリーン印刷のうちの任意の１つまたはそれを上回るものによって堆積されてもよい。平坦化層はさらに、例えば、熱硬化または室温加硫（ＲＴＶ）によって硬化されてもよい。熱硬化は、１５０℃以下の（またはそれ未満の）温度で行われてもよい。熱硬化の持続時間は、約または少なくとも１もしくは２時間であってもよい。

【0031】

少なくとも１つの光学コーティングは、好ましくは、薄膜コーティングを備える。少なくとも１つの光学コーティングは、反射防止（ＡＲ）コーティング、高反射（ＨＲ）コーティング、ダイクロイックフィルタ（ＤＦ）コーティング、および金属コーティングのうちの１つまたはそれを上回るものを備えてもよい。

【0032】

平坦化層は、光変換層の第１の表面上にある。光変換器はさらに、光学機能層を光変換層の第２の表面（典型的には、光変換層の第１の表面の反対である）上に備えてもよい。例えば、光学機能層は、高反射材料または反射樹脂層を備えてもよい。

【0033】

光変換器は、好ましくは、光学デバイスの一部として実装される。特に、光学デバイスは、基板を備えてもよい。次いで、光変換器は、基板上に提供されてもよい（その上に搭載される、またはそこに取り付けられる）。基板は、金属材料、非金属材料、または複合材材料を備えてもよい（またはそれから形成される）。特に、光学デバイスは、カラーホイール、蛍光体ホイール、投影ディスプレイ、および自動車用ヘッドライトのうちの１つであってもよい。

【0034】

次に、図４を参照すると、第１の蛍光体ホイール４００実施形態の分解概略図が、描写される。これは、基板４０２と、光変換層４０１と、平坦化層４０４と、光学コーティング４０５とを備える。基板４０２は、高反射膜でコーティングされた金属ディスクである。光変換層４０１は、ＰＩＳタイプ（前述のように）であって、典型的には、分注、スクリーン印刷、または別のコーティング方法によって、基板４０２に適用される。層は、次いで、熱的に硬化および固化され、カラー区画またはカラーリングを形成する。平坦化層４０４が、シリコーンから形成され、ＡＲおよび／またはＤＦコーティングである、光学コーティングが塗布される、光学的に平滑な表面を提供する。構築されたカラー／蛍光体ホイールモジュールは、モータ上に搭載され、高速で回転する。光変換層４０１、平坦化層４０４、および光学コーティング４０５の形成は、図３に関して説明されたものに従う。

【0035】

具体的実施形態が説明されたが、当業者は、変形例および修正が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、図３の光変換器を参照して前述の代替のいずれも、図４の実施形態に等しく適用されてもよい。基板４０２のための他の形状および／または材料も、検討され得る。さらに、基板は、高反射膜を有する必要はない。これは、金属反射基板であってもよい。代替として、反射層は、平坦化層４０４のものと反対の光変換層４０１の側に提供されなくてもよい。基板は、（完全または部分的に）光学的に透明であってもよい。したがって、カラー／蛍光体ホイールは、透過性タイプであってもよい。基板４０２は、モータ上に搭載および／または回転される必要はない。代わりに、静的（非回転）構成において使用されてもよい。

【0036】

別の代替実装は、平坦化層および光学コーティングを１つの層として組み合わせてもよい。平坦化層が、本層のための厚さの賢明な選択肢を伴って、（それぞれ、下方の波長変換層、典型的には、シリコン中の蛍光体と、上方の空気とである）２つの囲繞媒体の略中間に屈折率を有するように選定される場合、層は、平滑かつ単一層のＡＲコーティングであるように形成され得る。加えて、または代替として、平坦化層が十分に薄く作製された場合、薄膜スタックの一部となり、例えば、それをＡＲコーティング設計の一部にし得る。その屈折率および厚さは、次いで、必要に応じて、ＡＲコーティング設計によって制御されてもよい。

【0037】

ここで図５を参照すると、第２の蛍光体ホイール実施形態の分解概略図が、描写される。蛍光体ホイール５００は、基板５０２と、光変換層５０１と、平坦化層５０４と、光学コーティング５０５と、高反射シリコーン層５０６とを備える。高反射シリコーン層５０６は、我々の同時係属中の国際（ＰＣＴ）特許出願第ＰＣＴ／ＣＮ２０１５／０９７３６６号（その内容は、参照することによって本明細書に組み込まれる）に説明されるような反射樹脂層と見なされ得る。図５の実施形態は、同時係属中の特許出願に説明されるような反射樹脂層と組み合わせた本開示の光変換器の実装と見なされ得る。

【0038】

高反射シリコーン層５０６は、Ｄｏｗ Ｃｏｒｎｉｎｇ ＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎによってＣｌ－２００１という名称下で販売されている、シリコーン材料である。本材料についてのさらなる情報は、その技術データシートおよび安全性データシート上に見出され得、その内容は、参照することによって組み込まれる。本材料の主成分は、オクタメチルトリシロキサン（反射樹脂である）であって、また、二酸化チタン（濃度約２０～３０％、屈折率２．１）と、二酸化ケイ素（約１～５％、ＲＩ１．４７）と、水酸化アルミニウム（約１～５％、ＲＩ１．８）とを備える。これらの付加的成分は、光拡散反射のためのさらなる活性成分であり得る。本材料は、室温において、丈夫で、弾力性があって、かつ非粘性の表面に硬化し、低燃焼性を有するが、弱熱加速（溶媒蒸発分離後）は、インライン処理を加速し得る。材料はまた、流動を向上させ、狭い間隙および空間を充填する、低粘度を有する。典型的には、好適な材料は、長時間周期（少なくとも１，５００時間）の間、－４５～２００℃（－４９～３９２°Ｆ）の温度範囲にわたって動作すべきである。しかしながら、スペクトルの低および高温端では、特定の用途における材料の挙動および性能は、より複雑となり、付加的考慮を要求し得る。性能に影響を及ぼし得る要因は、構成要素の構成および応力感度、冷却率および保持時間、ならびに以前の温度履歴である。高温端では、硬化されたシリコーンエラストマーの耐久性は、時間および温度依存である。

【0039】

シリコーン材料は、コーティング前に有機溶媒と混合され、この場合、メチルシロキサンを備え、ＯＳ－２０という名称下でＤｏｗ Ｃｏｒｎｉｎｇ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎによって販売されている。本材料についてのさらなる情報は、その技術データシートおよび安全性データシート上に見出され得、その内容は、参照することによって組み込まれる。これは、揮発性溶媒であって、溶液粘度を調節するための希釈剤として使用される。混合されたシリコーン材料は、プロセス要件に従って均質に調製され、シリコン油溶剤が、これを混合機械の中に入れ、混合を行う前に、粘度を調節するために添加される。６０秒にわたる６００ＲＰＭ低速、次いで、１２０秒にわたる１，２００ＲＰＭ高速の混合物機械のための２ステップ混合プログラムが、推奨される。

【0040】

シリコーン層は、分注、スプレーコーティング、またはスクリーン印刷によって、基板５０２上に形成される。室温硬化または室温加硫（ＲＴＶ）が、通常、使用されるが、硬化率は、弱熱によって加速されることができる（かつ不粘着状態に到達するために要求される時間は、短縮され得る）。熱硬化が、代替として、使用されることができる。大気水分が、硬化を補助し得る。空気循環炉内での高温への暴露に先立って溶媒が蒸発するための適正な時間が、与えられるべきである。３ミル（７５ミクロン）コーティングのための典型的硬化スケジュールは、室温で１０分、その後、６０℃で１０分が続く。コーティングが泡膨れする、または気泡を含有する場合、室温での付加的時間が、炉硬化に先立って、溶媒が蒸発分離するために与えられる。シリコーン材料の可使時間は、選定される適用方法に依存する。可使時間を延長するために、水分への暴露は、可能である場合は常に乾燥空気または乾燥窒素被覆を使用することによって最小限にされる。シリコーン材料の接着は、典型的には、硬化より遅れ、構築に最大４８時間かかり得る。硬化は、したがって、シリコーンコーティング層２０３を形成する。硬化後、溶媒（ＯＳ－２０等）は、層内に存在しない。本構造は、概して、３８０ｎｍ～８００ｎｍの波長間の高光反射率を有する。例えば、ディスク表面の反射率は、硬化後、９８％を達成することができる。９８％反射率を達成するためのシリコーン層の典型的厚さは、約０．０５ｍｍ～約０．１５ｍｍである。

【0041】

より一般的には、反射樹脂層は、混合された無機－有機ポリマーまたはエラストマーを備えてもよい（かつそのようなポリマーまたはエラストマーから成る層であってもよい）。好ましい実施形態では、反射樹脂層は、シリコーンを備え、より好ましくは、反射樹脂層は、シリコーン層である。反射樹脂層は、オクタメチルトリシロキサン等のシロキサンを備えてもよい。反射樹脂層は、少なくとも１つのさらなる光学反射材料等の他の成分物質を備えてもよいが、反射樹脂材料は、層の光学的に主要および／または大部分（例えば、濃度またはｗ／ｗ比）の成分であるべきである。反射樹脂は、反射樹脂層の少なくとも５０％（またはそれを上回る）（濃度またはｗ／ｗ比）を形成してもよい。存在し得る他の光学反射材料は、二酸化チタン、二酸化ケイ素、および水酸化アルミニウムのうちの１つまたはそれを上回るものを備える、または含むことができる。反射樹脂層の厚さは、概して、少なくとも約０．０５ｍｍ（またはそれを上回る）、典型的には、約０．１５ｍｍ以下（またはそれ未満）、より好ましくは、少なくとも約０．１ｍｍ、および／または約０．１ｍｍ（例えば、０．０８ｍｍまたは０．０９ｍｍ～０．１１ｍｍまたは０．１２ｍｍ）である。

【0042】

図５の実施形態に戻ると、光変換層５０１は、図３を参照して前述の様式において、ＰＩＳ層として形成される。固化されると、これは、シリコーン反射層５０２上の光変換層５０１としてカラー区画またはカラーリングを形成する。シリコーン平坦化層５０４は、再び図３を参照して詳述されたように、光変換層５０１上にコーティングおよび固化される。これは、典型的には、ＡＲおよび／またはＤＦコーティングを備える、薄膜光学コーティング５０５が塗布される、光学平滑表面を形成する。カラー／蛍光体ホイールモジュールは、モータ上に搭載され、高速で回転する。

【0043】

概して、基板は、光学機能層でコーティングされてもよい。次いで、光変換層は、光変換層を光学機能層上に提供することによって、基板上に提供されてもよい。光学機能層は、前述のように、反射樹脂層であってもよい。

【0044】

図５の実施形態の変形例または修正もまた、可能性として考えられる。例えば、図３の光変換器および／または図４のカラー／蛍光体ホイールを参照して前述の代替のいずれも、図５の実施形態に等しく適用されてもよい。高反射シリコーン層５０６は、代替光学機能層によって取って代わられてもよい。本層は、高反射性である、および／またはシリコーン以外の材料から作製されてもよい。光学機能層（シリコーン層またはその他であるかどうかにかかわらず）は、他のコーティング方法、例えば、光変換および／または平坦化層の適用を参照して前述のもののいずれかによって、基板５０２に適用されてもよい。

【0045】

ここで図６を参照すると、図４および５の蛍光体ホイール実施形態を試験するための構成の概略図が、図示される。本構成は、第１のレーザダイオード集合６０１ａと、第２のレーザダイオード集合６０１ｂと、フィルタ６１０と、レンズシステム６２０、６２１、６２２、６２３と、ダイクロイックミラー６３０と、モニタ電力メータ６４０と、出力電力メータ６５０と、蛍光体ホイール６６０とを備える。

【0046】

第１のレーザダイオード集合６０１ａおよび第２のレーザダイオード集合６０１ｂは、６０Ｗの総電力を伴う光を提供する。２つのレーザダイオード集合６０１ａおよび６０１ｂからの光は、フィルタ６１０を介して指向され、入力光６１５を第１のレンズシステム６２０に提供する。第１のレンズシステム６２０からの出力光６８１は、ダイクロイックミラー６３０上に入射される。出力光６８１は、第２のレンズシステム６２１を介してモニタ電力メータ６４０に提供される、測定光６８２と、第３のレンズシステム６２２を介して蛍光体ホイール６６０に励起光として提供される、試験光６８３とに分裂される。蛍光体ホイール６６０からの放出光６８４は、ダイクロイックミラー６３０に戻され、そこで、反射され、第４のレンズシステム６２３を介して、入力光６８５を出力電力メータ６５０に提供する。モニタ電力メータ６４０および出力電力メータ６５０からの測定を比較することによって、蛍光体ホイールのための効率性能が、識別されることができ、これは、例証目的のために、他の蛍光体ホイールと比較されることができる。そのような構成を使用して、図２ａによる実装と図４による実装との間の５％の性能改良が、観察された。

【図1】

【図2a】

【図2b】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】