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JP6818149B2 - Fluorescent wheels, light source devices, and projection devices - Google Patents

Fluorescent wheels, light source devices, and projection devices Download PDF

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JP6818149B2 JP2019532661A JP2019532661A JP6818149B2 JP 6818149 B2 JP6818149 B2 JP 6818149B2 JP 2019532661 A JP2019532661 A JP 2019532661A JP 2019532661 A JP2019532661 A JP 2019532661A JP 6818149 B2 JP6818149 B2 JP 6818149B2
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Description

本発明は、発光効率の低下を抑制することができる蛍光ホイール、光源装置、および投影装置に関する。 The present invention relates to a fluorescence wheel, a light source device, and a projection device capable of suppressing a decrease in luminous efficiency.

プロジェクタなどの投影装置で表示させた像は外光の影響を受けやすく、良質な表示を得る為には高照度が必要となる。高照度で投影するために、光源の光量を大きくする必要があり、レーザー光などの高エネルギー密度励起光と蛍光体とを組み合わせた光源が使用され始めている。 The image displayed by a projection device such as a projector is easily affected by external light, and high illuminance is required to obtain a high-quality display. In order to project with high illuminance, it is necessary to increase the amount of light from the light source, and a light source that combines high energy density excitation light such as laser light and a phosphor is beginning to be used.

特許文献1では、円周方向に配置された複数のセグメント領域を有し、複数のセグメント領域の少なくとも一つは反射部とされ、反射部に励起光を受けて所定の波長帯域光を発する蛍光体層が形成され、複数のセグメント領域の少なくとも一つは光を透過させる透過部とされた円板形状の発光板の技術が開示されている。 In Patent Document 1, it has a plurality of segment regions arranged in the circumferential direction, at least one of the plurality of segment regions is a reflection portion, and fluorescence that receives excitation light in the reflection portion and emits light in a predetermined wavelength band. A disk-shaped light emitting plate technique is disclosed in which a body layer is formed and at least one of a plurality of segment regions is a transmitting portion through which light is transmitted.

特許第5655211号明細書Japanese Patent No. 5655211

しかしながら、光学装置や投影装置でレーザー光などの高エネルギー密度励起光を用いて蛍光体を発光させるだけでは、所望の蛍光発光強度(明るさ)を得ることができないことがある。これは、蛍光体の励起エネルギー密度依存性により、低エネルギー密度励起光で発光した場合に比べ発光効率が低下するためである。特許文献1記載の技術では、蛍光体のエネルギー励起密度は考慮されていない。 However, it may not be possible to obtain the desired fluorescence emission intensity (brightness) simply by causing the phosphor to emit light using high energy density excitation light such as laser light in an optical device or a projection device. This is because the emission efficiency is lower than that in the case of emitting light with low energy density excitation light due to the excitation energy density dependence of the phosphor. In the technique described in Patent Document 1, the energy excitation density of the phosphor is not taken into consideration.

本発明の一実施形態は、このような事情に鑑みてなされたものであり、励起光のエネルギー密度が高い部分と低い部分で蛍光体の発光中心元素濃度を変えることで、発光効率の低下を抑制することができる蛍光ホイールを提供することを目的とする。 One embodiment of the present invention has been made in view of such circumstances, and reduces the luminous efficiency by changing the concentration of the emission center element of the phosphor in the portion where the energy density of the excitation light is high and the portion where the energy density is low. It is an object of the present invention to provide a fluorescent wheel that can be suppressed.

上記の目的を達成するために、本発明の一実施形態は、以下のような手段を講じた。即ち、本発明の一実施形態の蛍光ホイールは、励起光を受けて蛍光する領域を有する円板状の蛍光ホイールであって、ホイール基板と、前記ホイール基板上に配置され、所定の発光中心元素濃度を有する蛍光体を含む第1の蛍光体層と、前記ホイール基板上に配置され、前記第1の蛍光体層に含まれる蛍光体とは異なる発光中心元素濃度を有する蛍光体を含む第2の蛍光体層と、を備え、前記第1の蛍光体層および前記第2の蛍光体層は隣接または一部重複して配置され、前記第1の蛍光体層および前記第2の蛍光体層の蛍光体層表面の境界は少なくとも円周の一部である。 In order to achieve the above object, one embodiment of the present invention has taken the following measures. That is, the fluorescent wheel of the embodiment of the present invention is a disk-shaped fluorescent wheel having a region that receives excitation light and fluoresces, and is arranged on the wheel substrate and the wheel substrate and has a predetermined emission center element. A first phosphor layer containing a fluorescent substance having a concentration and a second phosphor layer arranged on the wheel substrate and containing a phosphor having a concentration of a luminescent center element different from that of the phosphor contained in the first phosphor layer. The first fluorescent layer and the second fluorescent layer are arranged adjacent to each other or partially overlapped with each other, and the first fluorescent layer and the second fluorescent layer are arranged. The boundary of the surface of the phosphor layer is at least a part of the circumference.

本発明の一実施形態によれば、蛍光ホイールの蛍光体層において、励起光のエネルギー密度が高い部分と低い部分で蛍光体の発光中心元素濃度を変えることで、発光効率の低下を抑制することができる。 According to one embodiment of the present invention, in the phosphor layer of the fluorescent wheel, the decrease in luminous efficiency is suppressed by changing the emission center element concentration of the phosphor in the portion where the energy density of the excitation light is high and the portion where the energy density of the excitation light is low. Can be done.

第1の実施形態に係る蛍光ホイールの模式図である。It is a schematic diagram of the fluorescent wheel which concerns on 1st Embodiment. 第1の実施形態に係る蛍光ホイールの蛍光体層部分の断面を拡大した模式図である。It is a schematic diagram which enlarged the cross section of the phosphor layer part of the fluorescent wheel which concerns on 1st Embodiment. 第1の実施形態に係る蛍光ホイールをホイールモータの回転シャフトに固定した状態の断面を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the cross section in the state which the fluorescent wheel which concerns on 1st Embodiment is fixed to the rotating shaft of a wheel motor. YAG(YAl12)の結晶構造を示す図である。It is a figure which shows the crystal structure of YAG (Y 3 Al 5 O 12 ). 第1の実施形態に係る蛍光ホイールの一例を表す模式図である。It is a schematic diagram which shows an example of the fluorescent wheel which concerns on 1st Embodiment. 第1の実施形態に係る蛍光ホイールをホイールモータの回転シャフトに固定した状態の断面を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the cross section in the state which the fluorescent wheel which concerns on 1st Embodiment is fixed to the rotating shaft of a wheel motor. 蛍光体の外部発光効率の温度依存性の例を示すグラフである。It is a graph which shows the example of the temperature dependence of the external luminous efficiency of a phosphor. ガウシアンビームの強度分布の例を示すグラフである。It is a graph which shows the example of the intensity distribution of a Gaussian beam. 第2の実施形態に係る蛍光ホイールの一例を表す模式図である。It is a schematic diagram which shows an example of the fluorescent wheel which concerns on 2nd Embodiment. 第2の実施形態に係る蛍光ホイールをホイールモータの回転シャフトに固定した状態の断面を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the cross section in the state which the fluorescent wheel which concerns on 2nd Embodiment is fixed to the rotating shaft of a wheel motor. 第2の実施形態に係る蛍光ホイールの変形例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the modification of the fluorescent wheel which concerns on 2nd Embodiment. 第2の実施形態に係る蛍光ホイールの変形例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the modification of the fluorescent wheel which concerns on 2nd Embodiment. 第3の実施形態に係る蛍光ホイールの一例を表す蛍光体層を備えた部分の断面を拡大して表した模式図である。It is a schematic diagram which enlarged and represented the cross section of the part provided with the fluorescent substance layer which represents an example of the fluorescent wheel which concerns on 3rd Embodiment. 図12の模式図と、発光中心元素濃度が異なる各蛍光体の断面方向の量を表すグラフとの関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the schematic diagram of FIG. 12 and the graph which shows the amount in the cross-sectional direction of each phosphor having a different concentration of a central element of light emission. 第3の実施形態に係る蛍光ホイールの変形例の蛍光体層を備えた部分の断面を拡大して表した模式図である。It is a schematic diagram which enlarged the cross section of the part provided with the phosphor layer of the modification of the fluorescent wheel which concerns on 3rd Embodiment. 第4の実施形態に係る光源装置を表す模式図である。It is a schematic diagram which shows the light source apparatus which concerns on 4th Embodiment. 第4の実施形態に係る投影装置を表す概念図である。It is a conceptual diagram which shows the projection apparatus which concerns on 4th Embodiment. 第5の実施形態に係る投影装置を表す概念図である。It is a conceptual diagram which shows the projection apparatus which concerns on 5th Embodiment.

本発明者らは、励起光のエネルギー密度が高い部分と低い部分で蛍光体の発光中心元素濃度を変えることで、発光効率の低下を抑制することができることを見出し、本発明に至った。 The present inventors have found that a decrease in luminous efficiency can be suppressed by changing the concentration of the luminous center element of the phosphor in a portion where the energy density of the excitation light is high and a portion where the energy density is low, and have reached the present invention.

これにより、本発明者らは、レーザー光などの高エネルギー密度励起光を用いて蛍光体を発光させたときに、所望の蛍光発光強度(明るさ)を得ることを可能とした。以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら具体的に説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。 As a result, the present inventors have made it possible to obtain a desired fluorescence emission intensity (brightness) when the phosphor is emitted by using high energy density excitation light such as laser light. Hereinafter, embodiments of the present invention will be specifically described with reference to the drawings. In order to facilitate understanding of the description, the same reference number is assigned to the same component in each drawing, and duplicate description is omitted.

[第1の実施形態]
[蛍光ホイールの構成]
図1は、本実施形態に係る蛍光ホイール100の模式図である。図1に示すように、本実施形態に係る蛍光ホイール100は、ホイール基板110、および蛍光体層130を備える。
[First Embodiment]
[Fluorescent wheel configuration]
FIG. 1 is a schematic view of a fluorescent wheel 100 according to this embodiment. As shown in FIG. 1, the fluorescent wheel 100 according to the present embodiment includes a wheel substrate 110 and a phosphor layer 130.

ホイール基板110は、円板状に形成され、表面に蛍光体層130を有する。ホイール基板110は、これを用いる光源装置200の設計に応じて、反射型とするときは、アルミニウム、銅、鉄などの金属により形成することができる。また、このときは、ホイール基板110の表面に銀などの高反射膜がコーティングされていることが好ましい。また、ホイール基板110を励起光および蛍光の反射を考慮しない材料により形成し、励起光が照射される表面のみを反射材料で形成してもよい。 The wheel substrate 110 is formed in a disk shape and has a phosphor layer 130 on its surface. The wheel substrate 110 can be made of a metal such as aluminum, copper, or iron when it is of the reflective type, depending on the design of the light source device 200 using the wheel substrate 110. At this time, it is preferable that the surface of the wheel substrate 110 is coated with a highly reflective film such as silver. Further, the wheel substrate 110 may be formed of a material that does not consider the reflection of excitation light and fluorescence, and only the surface irradiated with the excitation light may be formed of a reflective material.

ホイール基板110は、透過型とするときは、励起光を透過するサファイア、ガラスなどの無機材料により形成することができる。また、蛍光体が発する蛍光はあらゆる方向に放射されるため、透過型とするときは、励起光を透過しつつ蛍光を反射することが好ましい。また、ホイール基板110は、反射型であっても透過型であっても、蛍光体の温度消光を抑制するため、熱伝導率が高いことが好ましい。そのため、ホイール基板110は、アルミニウム、サファイアで形成することが好ましい。また、ホイール基板110は、反射型と透過型を組み合わせたものとしてもよい。 When the wheel substrate 110 is of the transmission type, it can be formed of an inorganic material such as sapphire or glass that transmits excitation light. Further, since the fluorescence emitted by the phosphor is radiated in all directions, it is preferable to reflect the fluorescence while transmitting the excitation light when the transmission type is used. Further, regardless of whether the wheel substrate 110 is a reflective type or a transmissive type, it is preferable that the wheel substrate 110 has a high thermal conductivity in order to suppress temperature quenching of the phosphor. Therefore, the wheel substrate 110 is preferably made of aluminum or sapphire. Further, the wheel substrate 110 may be a combination of a reflective type and a transmissive type.

図2は、本実施形態に係る蛍光ホイールの蛍光体層部分の断面を拡大した模式図である。蛍光体層130は、蛍光体粒子120とバインダ125とを備えており、蛍光体粒子120は、バインダ125に分散されている。蛍光体粒子120は、所定の励起光を吸収し、所定の波長帯域光を発光する。また、蛍光体粒子120は、同じ励起光に対して同じ波長帯域光を発光する蛍光体であって、発光中心元素濃度(後述)が異なる複数の蛍光体が用いられる。この発光中心元素濃度が異なる蛍光体が含まれる複数の蛍光体層が、励起光が照射される部分(励起光スポット)内の照射部分ごとの照度に応じて、ホイール基板110の表面上に設けられる。 FIG. 2 is a schematic view of an enlarged cross section of the phosphor layer portion of the fluorescent wheel according to the present embodiment. The phosphor layer 130 includes phosphor particles 120 and a binder 125, and the phosphor particles 120 are dispersed in the binder 125. The phosphor particles 120 absorb a predetermined excitation light and emit light in a predetermined wavelength band. Further, the phosphor particles 120 are phosphors that emit light in the same wavelength band with respect to the same excitation light, and a plurality of phosphors having different emission center element concentrations (described later) are used. A plurality of phosphor layers containing phosphors having different luminescence center element concentrations are provided on the surface of the wheel substrate 110 according to the illuminance of each irradiated portion in the portion irradiated with the excitation light (excitation light spot). Be done.

このとき、発光中心元素濃度が異なる蛍光体が含まれ、隣接する蛍光体層は、一部重複していてもよい。また、隣接または一部重複する発光中心元素濃度が異なる蛍光体層どうしの境界は面をなしているが、蛍光体層表面に表れる境界(境界線)は少なくとも円周の一部である。ここでいう円周とは、ホイール基板110の回転の中心を中心とする円周である。このようにすることで、励起光の照射部分ごとの照度に応じて、ホイール基板110の表面上に、隣接または一部重複するように設けられた発光中心元素濃度が異なる蛍光体層の表面の境界は、蛍光ホイール100を回転させても、励起光の照射部分に対して同一の境界とすることができる。 At this time, phosphors having different luminescence center element concentrations may be included, and adjacent phosphor layers may be partially overlapped. Further, the boundary between the fluorescent layer layers having different concentrations of the emission center elements that are adjacent to each other or partially overlap each other forms a surface, but the boundary (boundary line) appearing on the surface of the phosphor layer is at least a part of the circumference. The circumference referred to here is a circumference centered on the center of rotation of the wheel substrate 110. By doing so, depending on the illuminance of each irradiated portion of the excitation light, the surface of the phosphor layer having different emission center element concentrations provided on the surface of the wheel substrate 110 so as to be adjacent or partially overlapped. The boundary can be the same boundary with respect to the portion irradiated with the excitation light even if the fluorescence wheel 100 is rotated.

例えば、発光中心元素濃度が異なる2種類の蛍光体を用いた場合を説明する。図2に示すように、発光中心元素濃度が異なる第1の蛍光体121および第2の蛍光体122をそれぞれ含む第1の蛍光体層131および第2の蛍光体層132がホイール基板110の表面上に設けられる。図3は、本実施形態に係る蛍光ホイール100を駆動装置(ホイールモータ)220の回転シャフト225にホイール固定具230を用いて固定した状態の断面を示す模式図である。図1および図3に示すように、隣接または一部重複するように設けられた第1の蛍光体層131および第2の蛍光体層132の表面の境界は少なくとも円周の一部となっている。そのため、回転の中心から境界までの距離が一定となり、蛍光ホイール100を回転させても、励起光の照射部分に対して同一の境界となる。 For example, a case where two types of phosphors having different luminescence center element concentrations are used will be described. As shown in FIG. 2, the first phosphor layer 131 and the second phosphor layer 132 containing the first phosphor 121 and the second phosphor 122 having different emission center element concentrations are the surfaces of the wheel substrate 110. Provided on top. FIG. 3 is a schematic view showing a cross section of the fluorescent wheel 100 according to the present embodiment in a state of being fixed to the rotating shaft 225 of the drive device (wheel motor) 220 by using the wheel fixture 230. As shown in FIGS. 1 and 3, the boundary between the surfaces of the first phosphor layer 131 and the second phosphor layer 132 provided so as to be adjacent to each other or partially overlap is at least a part of the circumference. There is. Therefore, the distance from the center of rotation to the boundary is constant, and even if the fluorescent wheel 100 is rotated, the boundary is the same with respect to the portion irradiated with the excitation light.

蛍光体は、アルミナを母材とするガーネット系材料で構成されている。ガーネット系材料としては、YAG:Ce(黄色発光蛍光体)、LuAG:Ce(緑色発光蛍光体)等を用いることができる。蛍光体は、一般式(RE1−xCeAl12で示される物質で構成され、REは希土類元素群より選ばれる少なくとも一つの元素を含んでいることが好ましい。発光中心元素Ceの希土類REに対する濃度xを、発光中心濃度という。蛍光体は、その他に、SiAlON、ZnSiO:Mn、(Y,Gd)BO:Tb、(Y,Gd)BO:Eu、YPVO:Eu等を用いることができる。なお、上記は一例であり、本発明の蛍光ホイール100に用いられる蛍光体は、上記の例に限られない。The phosphor is composed of a garnet-based material using alumina as a base material. As the garnet-based material, YAG: Ce (yellow luminescent phosphor), LuAG: Ce (green luminescent phosphor) and the like can be used. Phosphor is composed of the general formula (RE 1-x Ce x) substance represented by 3 Al 5 O 12, RE preferably contains at least one element selected from rare earth element group. The concentration x of the luminescence center element Ce with respect to the rare earth RE is called the luminescence center concentration. As the phosphor, SiAlON, Zn 2 SiO 4 : Mn, (Y, Gd) BO 3 : Tb, (Y, Gd) BO 3 : Eu, YPVO 4 : Eu and the like can be used. The above is an example, and the phosphor used in the fluorescent wheel 100 of the present invention is not limited to the above example.

(発光中心元素濃度の表記)
本発明では、一般にYAGやLuAGと簡略表記される蛍光体を例示しているが、それらの材料に含有される発光中心元素の濃度の表記を、以下のように定義する。
(Notation of luminescence center element concentration)
In the present invention, phosphors generally abbreviated as YAG and LuAG are exemplified, but the notation of the concentration of the luminescent center element contained in those materials is defined as follows.

黄色発光蛍光体YAG:Ceにおいて、基本的な構成元素は、イットリウム(Y)、アルミニウム(Al)、酸素(O)、およびセリウム(Ce)の4つである。黄緑色発光蛍光体LuAG:Ceは、YAG:CeのYをすべてルテチウム(Lu)に代えたものである。発光色を意図的に変えること等を目的として、Yの一部を他の希土類元素等で、またAlの一部をGa等の同族元素で置換することが行なわれている。さらには、発光中心元素であるCe以外に、例えば発光効率の改善を目的として、共付活剤として適量を結晶中に導入することも多い。 In the yellow luminescent phosphor YAG: Ce, the four basic constituent elements are yttrium (Y), aluminum (Al), oxygen (O), and cerium (Ce). The yellow-green luminescent phosphor LuAG: Ce is obtained by replacing all Y of YAG: Ce with lutetium (Lu). For the purpose of intentionally changing the emission color, a part of Y is replaced with another rare earth element or the like, and a part of Al is replaced with a similar element such as Ga. Furthermore, in addition to Ce, which is the central element of light emission, an appropriate amount is often introduced into the crystal as a co-activator, for example, for the purpose of improving luminous efficiency.

図4は、YAG(YAl12)の結晶構造を示す図である。YAGは図4に示すようなガーネット構造を有する結晶であり、化学式としてはYAl12で表される。Yは8配位の位置を、Alは4配位および6配位の両位置に在る状態が最も安定であるとされている。発光中心元素のCeは、サイズが最も近いYの一部を置換している。FIG. 4 is a diagram showing a crystal structure of YAG (Y 3 Al 5 O 12 ). YAG is a crystal having a garnet structure as shown in FIG. 4, and is represented by a chemical formula of Y 3 Al 5 O 12 . It is said that Y is most stable when it is in the 8-coordinated position and Al is in both the 4-coordinated and 6-coordinated positions. The luminescence center element Ce replaces a part of Y having the closest size.

発光中心元素Ceの濃度xはYとの置換量と考えた場合、Ceで付活されたYAG蛍光体は一般式(Y1−xCeAl12で表される。本発明において、例えばx=0.030であるとしたとき、YとCeの占有するサイトに対するCeの比率として、「3.0mol%」と定義する。When the concentration x of the luminescence center element Ce is considered as the amount of substitution with Y, the YAG phosphor activated by Ce is represented by the general formula (Y 1-x Ce x ) 3 Al 5 O 12 . In the present invention, for example, when x = 0.030, the ratio of Ce to the site occupied by Y and Ce is defined as "3.0 mol%".

またLuAGの場合もYAGと同様に、一般式(Lu1−yCeAl12で表すとき、LuとCeの占有するサイトに対するCeの比率として、「・・・mol%」と定義することになる。Also as with YAG case of LuAG, when represented by the general formula (Lu 1-y Ce y) 3 Al 5 O 12, as the ratio of Ce to the site occupied by the Lu and Ce, and "· · · mol%" It will be defined.

図5は、本実施形態に係る蛍光ホイール100の一例を表す模式図である。また、図6は、蛍光ホイール100をホイールモータ220の回転シャフト225に固定した状態の断面を示す模式図である。以下の記載では、発光中心元素濃度が低い蛍光体を用いた蛍光体層133と、発光中心元素濃度が高い蛍光体を用いた蛍光体層134の2種類の蛍光体層を備える蛍光ホイール100の説明をするが、発光中心元素濃度の異なる蛍光体を用いた蛍光体層は、3種類以上あってもよい。なお、発光中心元素濃度が低い蛍光体を用いた蛍光体層133を発光中心元素濃度が低い蛍光体層133と、発光中心元素濃度が高い蛍光体を用いた蛍光体層134を発光中心元素濃度が高い蛍光体層134と表す。 FIG. 5 is a schematic view showing an example of the fluorescent wheel 100 according to the present embodiment. Further, FIG. 6 is a schematic view showing a cross section of the fluorescent wheel 100 fixed to the rotating shaft 225 of the wheel motor 220. In the following description, the fluorescence wheel 100 including two types of phosphor layers, a phosphor layer 133 using a phosphor having a low emission center element concentration and a phosphor layer 134 using a phosphor having a high emission center element concentration. As will be described, there may be three or more types of phosphor layers using phosphors having different luminescence center element concentrations. The phosphor layer 133 using a phosphor having a low emission center element concentration is the emission center element concentration of the phosphor layer 133 having a low emission center element concentration, and the phosphor layer 134 using a phosphor having a high emission center element concentration. Is represented as a high phosphor layer 134.

蛍光体の温度特性は発光中心元素の濃度により変わることが知られている。図7は、YAG:Ceの外部発光効率の温度依存性の例を示すグラフである。一般的に、低温時は、発光中心元素濃度が高い蛍光体は、発光効率が高く、発光中心元素濃度が低い蛍光体は、それと比べて発光効率が低い。しかし、発光中心元素濃度が低い蛍光体は、高温になっても発光効率の低下が緩やかなので、高温時は、発光中心元素濃度が低い蛍光体の方が、発光効率が高くなる場合がある。 It is known that the temperature characteristics of a phosphor change depending on the concentration of the luminescent center element. FIG. 7 is a graph showing an example of the temperature dependence of the external luminous efficiency of YAG: Ce. In general, at low temperatures, a phosphor having a high concentration of a central element of light emission has a high luminous efficiency, and a fluorescent substance having a low concentration of a central element of light emission has a lower luminous efficiency. However, since the luminous efficiency of a fluorescent substance having a low concentration of a central element of light emission is gradually reduced even at a high temperature, the luminous efficiency of a fluorescent substance having a low concentration of a central element of light emission may be higher at a high temperature.

蛍光体に励起光を照射すると、蛍光発光と共に一部は熱エネルギーに変換されるため、励起光の照度が高い照射部分ほど高温になる。したがって、励起光の照度が高い照射部分には、発光中心元素濃度が低い蛍光体層133を設け、励起光の照度が低い照射部分には、発光中心元素濃度が高い蛍光体層134を設ける。このように配置することで、励起光の照射で高温になりやすい部分は、高温時の発光効率の低下を抑制しつつ発光し、励起光の照射でそれほど高温にならない部分は、低温時の高い発光効率で発光する。その結果、全体の発光効率の低下を抑制することができる。 When the phosphor is irradiated with excitation light, a part of it is converted into heat energy together with fluorescence emission, so that the higher the illuminance of the excitation light, the higher the temperature. Therefore, the phosphor layer 133 having a low emission center element concentration is provided in the irradiated portion where the illuminance of the excitation light is high, and the phosphor layer 134 having a high emission center element concentration is provided in the irradiation portion where the illuminance of the excitation light is low. By arranging in this way, the part that tends to become hot due to the irradiation of excitation light emits light while suppressing the decrease in luminous efficiency at high temperature, and the part that does not become so high due to irradiation with excitation light is high at low temperature. It emits light with luminous efficiency. As a result, it is possible to suppress a decrease in the overall luminous efficiency.

図8は、ガウシアンビームの強度分布の例を示すグラフである。レーザー光は、ガウシアンビームに代表されるように、ビームの伝搬方向に対して直交する面における強度分布は一様ではなく、ビーム中心が強く、ビーム縁部では弱くなる。したがって、ビーム中心部が通過する部分には、発光中心元素濃度が低い蛍光体層133を設け、ビーム縁部が通過する部分には、発光中心元素濃度が高い蛍光体層134を設けることが好ましい。 FIG. 8 is a graph showing an example of the intensity distribution of the Gaussian beam. As represented by the Gaussian beam, the intensity distribution of the laser beam on the plane orthogonal to the propagation direction of the beam is not uniform, the beam center is strong, and the beam edge is weak. Therefore, it is preferable to provide a phosphor layer 133 having a low emission center element concentration in a portion through which the beam center portion passes, and to provide a phosphor layer 134 having a high emission center element concentration in a portion through which the beam edge portion passes. ..

そのため、図5および図6に示すように、発光中心元素濃度が低い蛍光体層133に対して、ホイール基板110の中心(回転の中心)に近い側および遠い側のそれぞれに、発光中心元素濃度が高い蛍光体層134を設けることが好ましい。このように配置することで、蛍光ホイールを回転させた際に、ビーム中心部が通過する部分には、発光中心元素濃度が低い蛍光体層133が配置され、ビーム縁部が通過する部分には、発光中心元素濃度が高い蛍光体層134が配置されることとなる。 Therefore, as shown in FIGS. 5 and 6, the emission center element concentration is located on the side near the center (rotation center) and the side far from the center of the wheel substrate 110 with respect to the phosphor layer 133 having a low emission center element concentration. It is preferable to provide the phosphor layer 134 having a high concentration. By arranging in this way, when the fluorescent wheel is rotated, the phosphor layer 133 having a low emission center element concentration is arranged in the portion through which the beam center portion passes, and in the portion through which the beam edge portion passes. , The phosphor layer 134 having a high concentration of the luminescent center element will be arranged.

本実施形態に係る蛍光ホイールは、励起光の照射部分ごとの照度に応じて蛍光体の温度特性を変化させることができ、発光効率の低下を抑制できる。また、励起光の中心付近の照度が高く高温になりやすい照射部分において、高温でも温度特性が低下しにくい蛍光体を配置することができ、発光効率の低下を抑制できる。 The fluorescent wheel according to the present embodiment can change the temperature characteristics of the phosphor according to the illuminance of each irradiated portion of the excitation light, and can suppress a decrease in luminous efficiency. Further, in the irradiated portion where the illuminance is high and the temperature tends to be high near the center of the excitation light, a phosphor whose temperature characteristics are unlikely to deteriorate even at a high temperature can be arranged, and a decrease in luminous efficiency can be suppressed.

[第2の実施形態]
[蛍光ホイールの構成]
第1の実施形態は、ホイール基板110の円周方向全体に蛍光体層130を備えた構成であるが、本実施形態は、ホイール基板110が複数のセグメント領域を有し、そのうちの少なくとも1つのセグメント領域には、発光中心元素濃度が異なる蛍光体層を備え、セグメント領域のそれぞれからは、同一の励起光を受けたとき波長の異なる光を取り出せる構成である。
[Second Embodiment]
[Fluorescent wheel configuration]
In the first embodiment, the phosphor layer 130 is provided in the entire circumferential direction of the wheel substrate 110, but in the present embodiment, the wheel substrate 110 has a plurality of segment regions, and at least one of them is provided. The segment region is provided with phosphor layers having different concentrations of emission center elements, and each of the segment regions can extract light having a different wavelength when the same excitation light is received.

また、複数のセグメント領域のうちの1つ以上を、蛍光体層130が設けられておらず、励起光を透過または反射する領域としてもよい。これにより、励起光をそのまま使用することができ、例えば、青色の励起光をそのまま青色の光として取り出すことができる。 Further, one or more of the plurality of segment regions may be a region in which the phosphor layer 130 is not provided and the excitation light is transmitted or reflected. As a result, the excitation light can be used as it is, and for example, the blue excitation light can be extracted as it is as blue light.

また、ホイール基板110の少なくとも2つのセグメント領域は、同一の励起光を受けたとき異なる波長帯域光を発光する蛍光体をそれぞれ含む蛍光体層130を備える。これにより、同一の励起光を用いて波長の異なる光を取り出せる。これらの蛍光体層130のうち、発光中心元素濃度の異なる蛍光体層を備えるセグメント領域は、1つだけでもよい。少なくともその領域については、発光効率の低下を抑制することができるからである。 Further, at least two segment regions of the wheel substrate 110 include a phosphor layer 130 each containing a phosphor that emits light in different wavelength bands when receiving the same excitation light. As a result, light having a different wavelength can be extracted using the same excitation light. Of these phosphor layers 130, only one segment region may be provided with phosphor layers having different emission center element concentrations. This is because it is possible to suppress a decrease in luminous efficiency at least in that region.

図9は、本実施形態に係る蛍光ホイール100の一例の模式図である。また、図10は、蛍光ホイール100をホイールモータ220の回転シャフト225に固定した状態の断面を示す模式図である。図9に示すように、本実施形態に係る蛍光ホイール100は、ホイール基板110および蛍光体層130、140を備え、ホイール基板110が扇形状の複数のセグメント領域を有し、1つのセグメント領域は励起光を透過する透過部160とした。 FIG. 9 is a schematic view of an example of the fluorescent wheel 100 according to the present embodiment. Further, FIG. 10 is a schematic view showing a cross section of the fluorescent wheel 100 fixed to the rotating shaft 225 of the wheel motor 220. As shown in FIG. 9, the fluorescent wheel 100 according to the present embodiment includes a wheel substrate 110 and phosphor layers 130 and 140, and the wheel substrate 110 has a plurality of fan-shaped segment regions, and one segment region is The transmission portion 160 that transmits the excitation light is used.

図9に示す蛍光体層130と蛍光体層140は同一の励起光を受けたときに異なる波長帯域光を発光する蛍光体をそれぞれ含む。これにより、同一の励起光を用いて波長の異なる光を取り出せる。また、図9に示す例では、蛍光体層130のみ発光中心元素濃度の異なる蛍光体層(発光中心元素濃度が低い蛍光体層133と発光中心元素濃度が高い蛍光体層134)を備えるセグメント領域としたが、2以上のセグメント領域の蛍光体層について発光中心元素濃度の異なる蛍光体層を設ける構成としてもよい。透過部160は、励起光を透過するため、励起光をそのまま使用することができる。 The phosphor layer 130 and the phosphor layer 140 shown in FIG. 9 include phosphors that emit light in different wavelength bands when they receive the same excitation light. As a result, light having a different wavelength can be extracted using the same excitation light. Further, in the example shown in FIG. 9, only the phosphor layer 130 includes a phosphor layer having a different emission center element concentration (a phosphor layer 133 having a low emission center element concentration and a phosphor layer 134 having a high emission center element concentration). However, it is also possible to provide phosphor layers having different emission center element concentrations for the phosphor layers in two or more segment regions. Since the transmitting portion 160 transmits the excitation light, the excitation light can be used as it is.

図11Aおよび図11Bは、本実施形態の変形例の蛍光ホイール100を示す模式図である。図11Aに示すように、円周方向に分割された領域を異なる2つの波長帯域光を発光する蛍光体をそれぞれ含む蛍光体層130、140を備えるセグメントと透過部160とし、蛍光体層130、140の両方をそれぞれ発光中心元素濃度の異なる蛍光体層を備える構成としてもよい。図11Aは、蛍光体層133と蛍光体層143は発光中心元素濃度が低く、蛍光体層134と蛍光体層144は発光中心元素濃度が高い。また、図11Bに示すように、セグメントを異なる3つの波長帯域光を発光する蛍光体をそれぞれ含む蛍光体層130、140、150を備えるセグメントと透過部160とし、すべての蛍光体層をそれぞれ発光中心元素濃度の異なる蛍光体層を備える構成としてもよい。図11Bは、蛍光体層133、蛍光体層143および蛍光体層153は発光中心元素濃度が低く、蛍光体層134、蛍光体層144および蛍光体層154は発光中心元素濃度が高い。また、蛍光ホイール100を用いる光源装置200や投影装置300の設計に応じて、透過部160は反射部としてもよいし、透過部160はなくてもよい。 11A and 11B are schematic views showing a fluorescent wheel 100 of a modified example of this embodiment. As shown in FIG. 11A, the regions divided in the circumferential direction are defined as a segment having phosphor layers 130 and 140 including phosphors emitting two different wavelength band lights and a transmission portion 160, respectively, and the phosphor layer 130. Both of the 140 may be configured to include phosphor layers having different emission center element concentrations. In FIG. 11A, the phosphor layer 133 and the phosphor layer 143 have a low emission center element concentration, and the phosphor layer 134 and the phosphor layer 144 have a high emission center element concentration. Further, as shown in FIG. 11B, the segments are a segment including phosphor layers 130, 140, and 150 containing phosphors that emit light in three different wavelength bands and a transmission unit 160, and all the phosphor layers emit light. It may be configured to include phosphor layers having different central element concentrations. In FIG. 11B, the phosphor layer 133, the phosphor layer 143, and the phosphor layer 153 have a low emission center element concentration, and the phosphor layer 134, the phosphor layer 144, and the phosphor layer 154 have a high emission center element concentration. Further, depending on the design of the light source device 200 and the projection device 300 using the fluorescent wheel 100, the transmission unit 160 may be a reflection unit or may not be a transmission unit 160.

本実施形態に係る蛍光ホイールは、1つのホイールで波長の異なる複数の発光を得られ、また、第1の蛍光体層と第2の蛍光体層とを備えるセグメントにおいて、励起光の照射部分ごとの照度に応じて蛍光体の温度特性を変化させることができ、発光効率の低下を抑制できる。 In the fluorescent wheel according to the present embodiment, a plurality of light emission having different wavelengths can be obtained with one wheel, and in a segment including a first phosphor layer and a second phosphor layer, each portion irradiated with excitation light The temperature characteristics of the phosphor can be changed according to the illuminance of the above, and the decrease in luminous efficiency can be suppressed.

[第3の実施形態]
[蛍光ホイールの構成]
本実施形態では、第1の実施形態または第2の実施形態において、発光中心元素濃度が異なる蛍光体層を備える部分について、隣接する発光中心元素濃度が異なる蛍光体層に一部重複する部分を設けている。そして、重複する部分の少なくとも一部は、少なくとも一方の蛍光体層の積層方向の厚みに傾斜が付くように積層され形成されている。
[Third Embodiment]
[Fluorescent wheel configuration]
In the present embodiment, in the first embodiment or the second embodiment, the portion including the phosphor layers having different emission center element concentrations is partially overlapped with the adjacent phosphor layers having different emission center element concentrations. It is provided. Then, at least a part of the overlapping portion is formed by being laminated so that the thickness of at least one of the phosphor layers in the stacking direction is inclined.

図12は、本実施形態に係る蛍光ホイール100の一例の蛍光体層130を備えた部分の断面を拡大して表した模式図である。図12に示すように、本実施例に係る蛍光ホイール100は、ホイール基板110および蛍光体層130を備え、さらに、隣接する発光中心元素濃度が異なる蛍光体層に一部重複する部分を有し、重複する部分の両方の蛍光体層の積層方向の厚みに傾斜が付くように積層され形成されている。図12は、蛍光体層133は発光中心元素濃度が低く、蛍光体層134は発光中心元素濃度が高い。 FIG. 12 is a schematic view showing an enlarged cross section of a portion of the fluorescent wheel 100 according to the present embodiment provided with the phosphor layer 130. As shown in FIG. 12, the fluorescent wheel 100 according to the present embodiment includes a wheel substrate 110 and a phosphor layer 130, and further has a portion that partially overlaps the adjacent phosphor layers having different emission center element concentrations. , The thickness of both phosphor layers in the overlapping portion in the stacking direction is laminated so as to be inclined. In FIG. 12, the phosphor layer 133 has a low emission center element concentration, and the phosphor layer 134 has a high emission center element concentration.

図13は、図12の模式図と、発光中心元素濃度が異なる各蛍光体の断面方向の量を表すグラフとの関係を示す図である。発光中心元素濃度が異なる蛍光体層133、134の重複する部分において、少なくとも一方の積層方向の厚みに傾斜が付くように積層することで、図13のグラフからわかるように、発光中心元素濃度の異なる蛍光体の断面方向の存在量に傾斜が付き、発光に寄与する主な蛍光体の種類が面内の傾斜方向にそって徐々に切り替わる。その結果、励起光のエネルギー密度に依存する温度変化に対する外部量子収率の変化がより緩やかとなり、励起光スポット内における明るさの変化を小さくすることができる。 FIG. 13 is a diagram showing the relationship between the schematic view of FIG. 12 and the graph showing the amount in the cross-sectional direction of each phosphor having a different concentration of the luminescent center element. As can be seen from the graph of FIG. 13, by laminating the phosphor layers 133 and 134 having different emission center element concentrations so that the thickness in at least one stacking direction is inclined, the emission center element concentration can be increased. The abundance of different phosphors in the cross-sectional direction is inclined, and the main types of phosphors that contribute to light emission are gradually switched along the in-plane inclination direction. As a result, the change in the external quantum yield with respect to the temperature change depending on the energy density of the excitation light becomes more gradual, and the change in brightness in the excitation light spot can be reduced.

図14は、本実施形態の変形例の蛍光ホイール100の蛍光体層130を備えた部分の断面を拡大して表した模式図である。図14に示すように、本実施形態に係る蛍光ホイール100は、積層の形状は様々考えられ、発光中心元素濃度が異なる蛍光体層の重複する部分において、少なくとも一方の積層方向の厚みに傾斜が付くように積層させればよい。また、発光中心元素濃度が異なる蛍光体層は、3種類以上であってもよい。 FIG. 14 is a schematic view showing an enlarged cross section of a portion of the fluorescent wheel 100 of the modified example of the present embodiment provided with the phosphor layer 130. As shown in FIG. 14, in the fluorescent wheel 100 according to the present embodiment, various laminated shapes can be considered, and at least one of the overlapping portions of the phosphor layers having different emission center element concentrations has an inclination in the thickness in the laminated direction. It may be laminated so as to be attached. Further, the number of phosphor layers having different luminescence center element concentrations may be three or more.

本実施形態に係る蛍光ホイールは、発光中心元素濃度の異なる蛍光体の断面方向の存在量に傾斜が付き、発光に寄与する主な蛍光体の種類が面内の傾斜方向にそって徐々に切り替わる。その結果、励起光のエネルギー密度に依存する温度変化に対する外部量子収率の変化がより緩やかとなり、励起光スポット内における明るさの変化を小さくすることができる。 In the fluorescent wheel according to the present embodiment, the abundance of phosphors having different emission center element concentrations in the cross-sectional direction is inclined, and the types of the main phosphors contributing to light emission are gradually switched along the in-plane inclination direction. .. As a result, the change in the external quantum yield with respect to the temperature change depending on the energy density of the excitation light becomes more gradual, and the change in brightness in the excitation light spot can be reduced.

[第4の実施形態]
[光源装置の構成]
本実施形態は、第1から第3の実施形態に係る蛍光ホイールを用いた光源装置、および、その光源装置を用いた投影装置の実施形態である。図15は、本実施形態に係る光源装置200を表す模式図である。本実施形態に係る光源装置200は、励起光源210、蛍光ホイール100、および駆動装置220を備える。図15には、上記以外にレンズおよびミラーを備えているが、これは光源装置200の設計に応じて備えなくてもよい。また、レンズおよびミラーは、投影装置300の導光光学系310(後述)と一体となっていてもよい。
[Fourth Embodiment]
[Configuration of light source device]
This embodiment is an embodiment of a light source device using a fluorescent wheel according to the first to third embodiments, and a projection device using the light source device. FIG. 15 is a schematic view showing the light source device 200 according to the present embodiment. The light source device 200 according to the present embodiment includes an excitation light source 210, a fluorescence wheel 100, and a drive device 220. In addition to the above, FIG. 15 includes a lens and a mirror, which may not be provided depending on the design of the light source device 200. Further, the lens and the mirror may be integrated with the light guide optical system 310 (described later) of the projection device 300.

励起光源210は、所定の波長帯域光(励起光)を蛍光ホイール100に照射する。励起光源210が照射する励起光の波長帯域は、光源装置200の設計に応じて様々な範囲を用いることができる。例えば、YAG、LuAG等の蛍光体粒子を励起する励起光源としては、青色光源を用いることができ、青色レーザダイオード(LD)であることが好ましい。 The excitation light source 210 irradiates the fluorescence wheel 100 with a predetermined wavelength band light (excitation light). The wavelength band of the excitation light emitted by the excitation light source 210 can use various ranges depending on the design of the light source device 200. For example, a blue light source can be used as the excitation light source for exciting phosphor particles such as YAG and LuAG, and a blue laser diode (LD) is preferable.

蛍光ホイール100は、励起光源210から照射された励起光を吸収して、所定の波長帯域光を放射し、または励起光をそのまま射出する。蛍光ホイール100は、上記第1から第3の実施形態に係る蛍光ホイール100である。 The fluorescence wheel 100 absorbs the excitation light emitted from the excitation light source 210, emits light in a predetermined wavelength band, or emits the excitation light as it is. The fluorescent wheel 100 is the fluorescent wheel 100 according to the first to third embodiments.

駆動装置(ホイールモータ)220は、電気信号により制御され、駆動装置220の回転シャフト225を通じて蛍光ホイール100を回転移動(回転および停止)させる。これにより、蛍光ホイール100の蛍光体層130の励起光に照射される位置が変化し、蛍光体層130が過度に加熱されることを防ぎ、蛍光体の温度消光を抑制できる。また、同じ励起光を受けたとき異なる光を放射する蛍光体層130や透過部160または反射部を備える蛍光ホイール100の場合は、異なる色を取り出すことができる。 The drive device (wheel motor) 220 is controlled by an electric signal to rotate (rotate and stop) the fluorescent wheel 100 through the rotation shaft 225 of the drive device 220. As a result, the position of the phosphor layer 130 of the fluorescent wheel 100 irradiated with the excitation light changes, the phosphor layer 130 is prevented from being excessively heated, and the temperature quenching of the phosphor can be suppressed. Further, in the case of the phosphor layer 130, the transmitting portion 160, or the fluorescent wheel 100 including the reflecting portion, which emits different light when the same excitation light is received, different colors can be extracted.

ホイール固定具230は、蛍光ホイール100を駆動装置220の回転シャフト225に固定する。ホイール固定具230は、蛍光ホイール100の孔側周縁を厚み方向に挟んで固定している。回転シャフト225は、駆動装置220の駆動力により中心軸回りに回転し蛍光ホイール100を回転させる。ホイール固定具230は、金属製であることが好ましい。蛍光ホイール100を回転シャフト225に固定する方法は、どのようなものであってもよい。また、上記実施形態では、図3、図6、および図10に示すように、ホイール固定具230を用いて蛍光ホイール100を回転シャフト225に固定しているが、蛍光ホイール100を接着剤等により回転シャフト225に固定して、ホイール固定具230を用いない構成としてもよい。 The wheel fixture 230 fixes the fluorescent wheel 100 to the rotating shaft 225 of the drive device 220. The wheel fixture 230 is fixed by sandwiching the hole-side peripheral edge of the fluorescent wheel 100 in the thickness direction. The rotating shaft 225 is rotated around the central axis by the driving force of the driving device 220 to rotate the fluorescent wheel 100. The wheel fixture 230 is preferably made of metal. Any method may be used to fix the fluorescent wheel 100 to the rotating shaft 225. Further, in the above embodiment, as shown in FIGS. 3, 6 and 10, the fluorescent wheel 100 is fixed to the rotating shaft 225 by using the wheel fixture 230, but the fluorescent wheel 100 is fixed to the rotating shaft 225 by an adhesive or the like. It may be fixed to the rotating shaft 225 so that the wheel fixture 230 is not used.

[投影装置の構成]
図16は、本実施形態に係る投影装置300を表す概念図である。本実施形態に係る投影装置300は、光源装置200、導光光学系310、表示素子320、投影光学系330、入力部340、および制御部350を備える。光源装置200は、上記の本実施形態に係る光源装置200である。
[Projection device configuration]
FIG. 16 is a conceptual diagram showing the projection device 300 according to the present embodiment. The projection device 300 according to the present embodiment includes a light source device 200, a light guide optical system 310, a display element 320, a projection optical system 330, an input unit 340, and a control unit 350. The light source device 200 is the light source device 200 according to the above embodiment.

導光光学系310は、光源装置200から放出された光を表示素子320に導光する。導光光学系310は、複数のミラー311またはダイクロイックミラー312、および図16に記載しない複数のレンズにより構成される。なお、図16では、ダイクロイックミラー312は光源装置200を構成する要素にもなっている。 The light guide optical system 310 guides the light emitted from the light source device 200 to the display element 320. The light guide optical system 310 includes a plurality of mirrors 311 or a dichroic mirror 312, and a plurality of lenses (not shown in FIG. 16). In FIG. 16, the dichroic mirror 312 is also an element constituting the light source device 200.

表示素子320は、導光光学系310により導かれた光を用いて表示を行なう。表示素子320は、制御部350により制御され、入力部340が受け付けたデータに基づいた像の表示を行なう。表示素子320は、例えば、DMD(Digital Micromirror Device)、液晶ライトバルブなどを用いることができる。 The display element 320 displays using the light guided by the light guide optical system 310. The display element 320 is controlled by the control unit 350 and displays an image based on the data received by the input unit 340. As the display element 320, for example, a DMD (Digital Micromirror Device), a liquid crystal light valve, or the like can be used.

投影光学系330は、表示素子320の表示を投影装置300の外部へ投射する。投影光学系330は、複数のレンズ(記載せず)により構成される。投影光学系330は、レンズの一部がモータ等により可動であり、制御部350により制御されることで、ズームやフォーカス等の調整が行なわれる。なお、図16の投影装置300を表す概念図は一例であり、導光光学系310も投影光学系330も、蛍光ホイール100、光源装置200、投影装置300の設計に応じて様々な形態に変更される。 The projection optical system 330 projects the display of the display element 320 to the outside of the projection device 300. The projection optical system 330 is composed of a plurality of lenses (not described). In the projection optical system 330, a part of the lens is movable by a motor or the like, and the control unit 350 controls the lens to adjust the zoom, focus, and the like. The conceptual diagram showing the projection device 300 in FIG. 16 is an example, and the light guide optical system 310 and the projection optical system 330 are changed to various forms according to the design of the fluorescence wheel 100, the light source device 200, and the projection device 300. Will be done.

入力部340は、投影する像のデータの入力を受け付け、入力されたデータを制御部350に引き渡す。入力部340は、投影装置300とは別の機器からのデータを受け付けてもよい。また、入力部340は、インターネット等に接続し、通信によってデータを受け付けてもよい。また、入力部340は、ユーザによる操作を受け付け、入力された操作データを制御部350に引き渡す。 The input unit 340 receives the input of the data of the image to be projected, and delivers the input data to the control unit 350. The input unit 340 may receive data from a device other than the projection device 300. Further, the input unit 340 may be connected to the Internet or the like and receive data by communication. Further, the input unit 340 accepts an operation by the user and delivers the input operation data to the control unit 350.

制御部350は、入力部340が受け付けたデータに基づいて像を投影するために、光源装置200、表示素子320、および投影光学系330を制御する。導光光学系310は、固定されていてもよいが、制御部350に制御される構成としてもよい。 The control unit 350 controls the light source device 200, the display element 320, and the projection optical system 330 in order to project an image based on the data received by the input unit 340. The light guide optical system 310 may be fixed, but may be configured to be controlled by the control unit 350.

本実施形態に係る光源装置は、励起光の照射部分ごとの照度に応じて蛍光体の温度特性を変化させ、発光効率の低下を抑制できるため、高効率の光源装置とすることができる。また、本実施形態に係る投影装置は、高効率の光源装置を用いて投影照度を高く維持することが可能となり、外光のある環境においても良好な投影像を得ることができる。 The light source device according to the present embodiment can be a highly efficient light source device because the temperature characteristics of the phosphor can be changed according to the illuminance of each irradiated portion of the excitation light and the decrease in luminous efficiency can be suppressed. Further, the projection device according to the present embodiment can maintain a high projection illuminance by using a high-efficiency light source device, and can obtain a good projection image even in an environment with external light.

[第5の実施形態]
[投影装置の構成]
図17は、本実施形態に係る投影装置300を表す概念図である。本実施形態に係る投影装置300は、光源装置200、導光光学系310、表示素子320、投影光学系330、センサ360、入力部340、および制御部350を備える。
[Fifth Embodiment]
[Projection device configuration]
FIG. 17 is a conceptual diagram showing the projection device 300 according to the present embodiment. The projection device 300 according to the present embodiment includes a light source device 200, a light guide optical system 310, a display element 320, a projection optical system 330, a sensor 360, an input unit 340, and a control unit 350.

光源装置200は、励起光源210、第2の実施形態に係る蛍光ホイール100、および駆動装置220を備える。これらの構成は、第2および第4の実施形態と同様である。 The light source device 200 includes an excitation light source 210, a fluorescence wheel 100 according to a second embodiment, and a drive device 220. These configurations are similar to the second and fourth embodiments.

導光光学系310、表示素子320、投影光学系330、および入力部340の構成は、第4の実施形態と同様である。 The configuration of the light guide optical system 310, the display element 320, the projection optical system 330, and the input unit 340 is the same as that of the fourth embodiment.

センサ360は、光源装置200の蛍光ホイール100の回転位置の情報を取得する。センサ360は、取得した位置情報を、制御部350に通知する。 The sensor 360 acquires information on the rotational position of the fluorescent wheel 100 of the light source device 200. The sensor 360 notifies the control unit 350 of the acquired position information.

制御部350は、入力部340が受け付けたデータに基づいて像を投影するために、光源装置200、表示素子320、導光光学系310および投影光学系330を制御する。また、制御部350は、出力する投影像の色や明るさの階調と、センサ360により取得した蛍光ホイール100の位置情報に従い、励起光源210の出力を制御する。 The control unit 350 controls the light source device 200, the display element 320, the light guide optical system 310, and the projection optical system 330 in order to project an image based on the data received by the input unit 340. Further, the control unit 350 controls the output of the excitation light source 210 according to the gradation of the color and brightness of the projected image to be output and the position information of the fluorescence wheel 100 acquired by the sensor 360.

本実施形態に係る投影装置は、色や明るさの階調に合わせて励起光の出力を制御することで、励起光源や蛍光ホイールの劣化を抑制することができる。また、不要な光を減衰させる必要が無いため、投影装置内部の発熱を抑制することができる。 The projection device according to the present embodiment can suppress deterioration of the excitation light source and the fluorescence wheel by controlling the output of the excitation light according to the gradation of color and brightness. Further, since it is not necessary to attenuate unnecessary light, heat generation inside the projection device can be suppressed.

[蛍光ホイールの製造方法]
次に、蛍光ホイールの製造方法について説明する。まず、円板状に形成されたホイール基板を準備する。ホイール基板は、一つの材料で一体として形成されたものでもよいし、複数の材料を組み合わせて形成されたものでもよい。次に、有機バインダまたは無機バインダに発光中心元素濃度が異なる蛍光体をそれぞれ分散させた複数の蛍光体ペーストを準備する。
[Manufacturing method of fluorescent wheel]
Next, a method of manufacturing the fluorescent wheel will be described. First, a disc-shaped wheel substrate is prepared. The wheel substrate may be integrally formed of one material, or may be formed by combining a plurality of materials. Next, a plurality of phosphor pastes in which phosphors having different luminescence center element concentrations are dispersed in an organic binder or an inorganic binder are prepared.

そして、ホイール基板の励起光が照射される部分に、異なる発光中心元素濃度を有する蛍光体ペーストを、隣接または重複するペーストの少なくとも表面の境界が円周の一部となるように塗布する。蛍光体ペーストの塗布は、どのような方法を用いてもよいが、例えば、液体定量吐出装置による描画法、スクリーン印刷法、スプレー法、インクジェット法等を用いることができる。第3の実施形態に係る蛍光ホイールを製造するときは、液体定量吐出装置による描画法を用いると、簡便に、発光中心元素濃度が異なる蛍光体層の重複する部分の積層方向の厚みに傾斜が付くように積層することができるため、好ましい。 Then, a phosphor paste having different emission center element concentrations is applied to the portion of the wheel substrate that is irradiated with the excitation light so that at least the surface boundary of the adjacent or overlapping paste is a part of the circumference. Any method may be used for applying the phosphor paste, and for example, a drawing method using a liquid quantitative discharge device, a screen printing method, a spray method, an inkjet method, or the like can be used. When manufacturing the fluorescent wheel according to the third embodiment, if a drawing method using a liquid quantitative discharge device is used, the thickness of the overlapping portion of the fluorescent substance layers having different emission center element concentrations can be easily inclined in the stacking direction. It is preferable because it can be laminated so as to be attached.

そして、ペーストを塗布したホイール基板を焼成または乾燥し、蛍光体層を作製する。このようにして、励起光の照射部分ごとの輝度に応じて蛍光体の温度特性を変化させた蛍光体ホイールを製造することができる。 Then, the wheel substrate coated with the paste is fired or dried to prepare a phosphor layer. In this way, it is possible to manufacture a phosphor wheel in which the temperature characteristics of the phosphor are changed according to the brightness of each irradiated portion of the excitation light.

なお、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。 The technical scope of the present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.

本発明の一実施形態は、以下のような構成を採ることができる。即ち(1)本発明の一実施形態の蛍光ホイールは、励起光を受けて蛍光する領域を有する円板状の蛍光ホイールであって、ホイール基板と、前記ホイール基板上に配置され、所定の発光中心元素濃度を有する蛍光体を含む第1の蛍光体層と、前記ホイール基板上に配置され、前記第1の蛍光体層に含まれる蛍光体とは異なる発光中心元素濃度を有する蛍光体を含む第2の蛍光体層と、を備え、前記第1の蛍光体層および前記第2の蛍光体層は隣接または一部重複して配置され、前記第1の蛍光体層および前記第2の蛍光体層の蛍光体層表面の境界は少なくとも円周の一部である。 One embodiment of the present invention can adopt the following configuration. That is, (1) the fluorescent wheel of the embodiment of the present invention is a disk-shaped fluorescent wheel having a region that receives excitation light and fluoresces, and is arranged on a wheel substrate and the wheel substrate to emit a predetermined light. It contains a first phosphor layer containing a phosphor having a central element concentration, and a phosphor arranged on the wheel substrate and having a different emission central element concentration from the phosphor contained in the first phosphor layer. A second fluorescent layer is provided, and the first fluorescent layer and the second fluorescent layer are arranged adjacent to each other or partially overlapped, and the first fluorescent layer and the second fluorescence are arranged adjacent to each other or partially overlapped. The boundary of the surface of the phosphor layer of the body layer is at least a part of the circumference.

これにより、励起光の照射部分ごとの照度に応じて蛍光体の温度特性を変化させることができ、発光効率の低下を抑制できる。 As a result, the temperature characteristics of the phosphor can be changed according to the illuminance of each irradiated portion of the excitation light, and the decrease in luminous efficiency can be suppressed.

(2)また、本発明の一実施形態の蛍光ホイールにおいて、前記第2の蛍光体層は、前記第1の蛍光体層に対して、前記ホイール基板の中心に近い側および遠い側のそれぞれに形成され、前記第1の蛍光体層に含まれる蛍光体の発光中心元素濃度は、前記第2の蛍光体層に含まれる蛍光体の発光中心元素濃度より低い。 (2) Further, in the fluorescent wheel according to the embodiment of the present invention, the second phosphor layer is located on the side near the center and the side far from the center of the wheel substrate with respect to the first phosphor layer, respectively. The emission center element concentration of the phosphor formed and contained in the first phosphor layer is lower than the emission center element concentration of the phosphor contained in the second phosphor layer.

これにより、励起光の中心付近の照度が高く高温になりやすい照射部分において、高温でも温度特性が低下しにくい蛍光体を配置することができ、発光効率の低下を抑制できる。 As a result, a phosphor whose temperature characteristics are unlikely to deteriorate even at a high temperature can be arranged in the irradiated portion where the illuminance is high and the temperature tends to be high near the center of the excitation light, and the decrease in luminous efficiency can be suppressed.

(3)また、本発明の一実施形態の蛍光ホイールにおいて、前記ホイール基板は円周方向に配置された複数のセグメント領域を有し、少なくとも1つのセグメント領域には、前記第1の蛍光体層および前記第2の蛍光体層を備え、前記セグメント領域のそれぞれからは、同一の励起光を受けたとき波長の異なる光を取り出せる。 (3) Further, in the fluorescent wheel according to the embodiment of the present invention, the wheel substrate has a plurality of segment regions arranged in the circumferential direction, and the first phosphor layer is provided in at least one segment region. And the second phosphor layer is provided, and light having a different wavelength can be extracted from each of the segment regions when the same excitation light is received.

これにより、1つのホイールで波長の異なる発光が得られ、また、第1の蛍光体層と第2の蛍光体層とを備えるセグメントにおいて、励起光の照射部分ごとの照度に応じて蛍光体の温度特性を変化させることができ、発光効率の低下を抑制できる。 As a result, light emission having different wavelengths can be obtained with one wheel, and in the segment provided with the first phosphor layer and the second phosphor layer, the phosphor is charged according to the illuminance of each irradiated portion of the excitation light. The temperature characteristics can be changed, and the decrease in luminous efficiency can be suppressed.

(4)また、本発明の一実施形態の蛍光ホイールにおいて、前記第1の蛍光体層および前記第2の蛍光体層が重複する部分の少なくとも一部は、前記第1の蛍光体層および前記第2の蛍光体層の少なくとも一方の蛍光体層の積層方向の厚みに傾斜が付くように積層され形成されている。 (4) Further, in the fluorescence wheel according to the embodiment of the present invention, at least a part of the portion where the first phosphor layer and the second phosphor layer overlap is the first phosphor layer and the said. At least one of the second phosphor layers is laminated so that the thickness in the stacking direction is inclined.

これにより、発光中心元素濃度の異なる蛍光体の断面方向の存在量に傾斜が付き、発光に寄与する主な蛍光体の種類が面内の傾斜方向にそって徐々に切り替わる。その結果、励起光のエネルギー密度に依存する温度変化に対する外部量子収率の変化がより緩やかとなり、励起光スポット内における明るさの変化を小さくすることができる。 As a result, the abundance of phosphors having different luminescence center element concentrations in the cross-sectional direction is inclined, and the types of main phosphors contributing to light emission are gradually switched along the in-plane inclination direction. As a result, the change in the external quantum yield with respect to the temperature change depending on the energy density of the excitation light becomes more gradual, and the change in brightness in the excitation light spot can be reduced.

(5)また、本発明の一実施形態の光源装置は、励起光を照射する励起光源と、前記照射された励起光を受ける上記(1)から(4)のいずれかに記載の蛍光ホイールと、前記蛍光ホイールを回転させる駆動装置と、を備える。 (5) Further, the light source device according to the embodiment of the present invention includes an excitation light source that irradiates excitation light and a fluorescent wheel according to any one of (1) to (4) above that receives the irradiated excitation light. , A drive device for rotating the fluorescent wheel.

これにより、励起光の照射部分ごとの照度に応じて蛍光体の温度特性を変化させることができ、発光効率の低下を抑制できる。その結果、高効率の光源装置を構成できる。 As a result, the temperature characteristics of the phosphor can be changed according to the illuminance of each irradiated portion of the excitation light, and the decrease in luminous efficiency can be suppressed. As a result, a highly efficient light source device can be configured.

(6)また、本発明の一実施形態の投影装置は、上記(5)記載の光源装置と、前記光源装置から放出された光を導光する導光光学系と、前記導光光学系により導かれた光を用いて表示を行なう表示素子と、前記表示を外部へ投射する投影光学系と、投影する像のデータの入力を受け付ける入力部と、前記光源装置、前記表示素子および前記各光学系を制御する制御部と、を備える。 (6) Further, the projection device according to the embodiment of the present invention is based on the light source device according to (5) above, a light guide optical system that guides light emitted from the light source device, and the light guide optical system. A display element that displays using the guided light, a projection optical system that projects the display to the outside, an input unit that receives input of data of the projected image, the light source device, the display element, and each of the optics. It includes a control unit that controls the system.

これにより、高効率の光源装置を用いて投影照度を高く維持することが可能となり、外光のある環境においても良好な投影像を得ることができる。 As a result, it is possible to maintain a high projected illuminance by using a highly efficient light source device, and it is possible to obtain a good projected image even in an environment with external light.

(7)また、本発明の一実施形態の投影装置は、励起光を照射する励起光源と、前記照射された励起光を受ける上記(3)記載の蛍光ホイールと、前記蛍光ホイールを回転させる駆動装置と、を備える光源装置と、前記光源装置から放出された光を導光する導光光学系と、前記導光光学系により導かれた光を用いて表示を行なう表示素子と、前記表示を外部へ投射する投影光学系と、投影する像のデータの入力を受け付ける入力部と、前記光源装置、前記表示素子および前記各光学系を制御する制御部と、前記蛍光ホイールの回転位置を取得するセンサと、を備え、前記制御部は、出力する投影像の色や明るさの階調と、前記センサにより取得した前記蛍光ホイールの位置情報に従い、前記励起光源の出力を制御する。 (7) Further, the projection device according to the embodiment of the present invention includes an excitation light source that irradiates excitation light, the fluorescent wheel according to (3) above that receives the irradiated excitation light, and a drive that rotates the fluorescent wheel. A light source device including a device, a light guide optical system that guides light emitted from the light source device, a display element that displays using the light guided by the light guide optical system, and the display. Acquires a projection optical system for projecting to the outside, an input unit for receiving input of image data to be projected, a control unit for controlling the light source device, the display element, and each optical system, and a rotational position of the fluorescent wheel. The control unit includes a sensor, and the control unit controls the output of the excitation light source according to the gradation of the color and brightness of the projected image to be output and the position information of the fluorescent wheel acquired by the sensor.

これにより、色や明るさの階調に合わせて励起光の出力を制御することで、励起光源や蛍光ホイールの劣化を抑制することができる。また、不要な光を減衰させる必要が無いため、投影装置内部の発熱を抑制することができる。 As a result, deterioration of the excitation light source and the fluorescence wheel can be suppressed by controlling the output of the excitation light according to the gradation of color and brightness. Further, since it is not necessary to attenuate unnecessary light, heat generation inside the projection device can be suppressed.

なお、本国際出願は、2017年7月26日に出願した日本国特許出願第2017−144649号に基づく優先権を主張するものであり、日本国特許出願第2017−144649号の全内容を本国際出願に援用する。 This international application claims priority based on Japanese Patent Application No. 2017-144649 filed on July 26, 2017, and includes the entire contents of Japanese Patent Application No. 2017-144649. Incorporate for international applications.

100 蛍光ホイール
110 ホイール基板
120 蛍光体粒子
121 第1の蛍光体
122 第2の蛍光体
125 バインダ
130、140、150 蛍光体層
131 第1の蛍光体層
132 第2の蛍光体層
133、143、153 発光中心元素濃度が低い蛍光体層
134、144、154 発光中心元素濃度が高い蛍光体層
160 透過部
200 光源装置
210 励起光源
220 駆動装置
225 回転シャフト
230 ホイール固定具
300 投影装置
310 導光光学系
311 ミラー
312 ダイクロイックミラー
320 表示素子
330 投影光学系
340 入力部
350 制御部
360 センサ
100 Fluorescent wheel 110 Wheel substrate 120 Fluorescent particle 121 First phosphor 122 Second phosphor 125 Binder 130, 140, 150 Fluorescent layer 131 First fluorescent layer 132 Second fluorescent layer 133, 143, 153 Fluorescent layer with low concentration of luminescent center element 134, 144, 154 Fluorescent layer with high concentration of luminescent center element 160 Transmitter 200 Light source device 210 Excitation light source 220 Drive device 225 Rotating shaft 230 Wheel fixture 300 Projection device 310 Guide optics System 311 Mirror 312 Dycroic Mirror 320 Display element 330 Projection optical system 340 Input unit 350 Control unit 360 Sensor

Claims (7)

励起光を受けて蛍光する領域を有する円板状の蛍光ホイールであって、
ホイール基板と、
前記ホイール基板上に配置され、第1の発光中心元素濃度を有する蛍光体を含む第1の蛍光体層と、
前記ホイール基板上に配置され、第2の発光中心元素濃度を有する蛍光体を含む第2の蛍光体層と、を備え、
前記第1の蛍光体層および前記第2の蛍光体層は隣接または一部重複して配置され、
前記第1の蛍光体層および前記第2の蛍光体層の蛍光体層表面の境界は少なくとも円周の一部であり、
前記第1の発光中心元素濃度と前記第2の発光中心元素濃度とは、異なる濃度とされている蛍光ホイール。
A disk-shaped fluorescent wheel having a region that fluoresces in response to excitation light.
With the wheel board
A first phosphor layer, which is arranged on the wheel substrate and contains a phosphor having a first emission center element concentration,
A second phosphor layer, which is arranged on the wheel substrate and contains a phosphor having a second emission center element concentration, is provided.
The first phosphor layer and the second phosphor layer are arranged adjacent to each other or partially overlapped with each other.
The boundary between the surface of the first phosphor layer and the surface of the phosphor layer of the second phosphor layer is at least a part of the circumference.
A fluorescent wheel in which the concentration of the first emission center element and the concentration of the second emission center element are different .
励起光を受けて蛍光する領域を有する円板状の蛍光ホイールであって、
ホイール基板と、
前記ホイール基板上に配置され、所定の発光中心元素濃度を有する蛍光体を含む第1の蛍光体層と、
前記ホイール基板上に配置され、前記第1の蛍光体層に含まれる蛍光体とは異なる発光中心元素濃度を有する蛍光体を含む第2の蛍光体層と、を備え、
前記第1の蛍光体層および前記第2の蛍光体層は隣接または一部重複して配置され、
前記第1の蛍光体層および前記第2の蛍光体層の蛍光体層表面の境界は少なくとも円周の一部であり、
前記第2の蛍光体層は、前記第1の蛍光体層に対して、前記ホイール基板の中心に近い側および遠い側のそれぞれに形成され、
前記第1の蛍光体層に含まれる蛍光体の発光中心元素濃度は、前記第2の蛍光体層に含まれる蛍光体発光中心元素濃度より低い蛍光ホイール。
A disk-shaped fluorescent wheel having a region that fluoresces in response to excitation light.
With the wheel board
A first phosphor layer arranged on the wheel substrate and containing a phosphor having a predetermined emission center element concentration,
A second phosphor layer, which is arranged on the wheel substrate and contains a phosphor having a concentration of a emission center element different from that of the phosphor contained in the first phosphor layer, is provided.
The first phosphor layer and the second phosphor layer are arranged adjacent to each other or partially overlapped with each other.
The boundary between the surface of the first phosphor layer and the surface of the phosphor layer of the second phosphor layer is at least a part of the circumference.
The second phosphor layer is formed on the side near the center and the side far from the center of the wheel substrate with respect to the first phosphor layer, respectively.
A fluorescent wheel in which the concentration of the emission center element of the phosphor contained in the first phosphor layer is lower than the concentration of the emission center element of the phosphor contained in the second phosphor layer.
励起光を受けて蛍光する領域を有する円板状の蛍光ホイールであって、
ホイール基板と、
前記ホイール基板上に配置され、所定の発光中心元素濃度を有する蛍光体を含む第1の蛍光体層と、
前記ホイール基板上に配置され、前記第1の蛍光体層に含まれる蛍光体とは異なる発光中心元素濃度を有する蛍光体を含む第2の蛍光体層と、を備え、
前記第1の蛍光体層および前記第2の蛍光体層は隣接または一部重複して配置され、
前記第1の蛍光体層および前記第2の蛍光体層の蛍光体層表面の境界は少なくとも円周の一部であり、
前記第1の蛍光体層および前記第2の蛍光体層が重複する部分の少なくとも一部は、前記第1の蛍光体層および前記第2の蛍光体層の少なくとも一方の蛍光体層の積層方向の厚みに傾斜が付くように積層され形成されている蛍光ホイール。
A disk-shaped fluorescent wheel having a region that fluoresces in response to excitation light.
With the wheel board
A first phosphor layer arranged on the wheel substrate and containing a phosphor having a predetermined emission center element concentration,
A second phosphor layer, which is arranged on the wheel substrate and contains a phosphor having a concentration of a emission center element different from that of the phosphor contained in the first phosphor layer, is provided.
The first phosphor layer and the second phosphor layer are arranged adjacent to each other or partially overlapped with each other.
The boundary between the surface of the first phosphor layer and the surface of the phosphor layer of the second phosphor layer is at least a part of the circumference.
At least a part of the portion where the first fluorescent layer and the second fluorescent layer overlap is the stacking direction of at least one of the first fluorescent layer and the second fluorescent layer. Fluorescent wheel that is laminated and formed so that the thickness of the wheel is inclined.
前記ホイール基板は円周方向に配置された複数のセグメント領域を有し、
少なくとも1つのセグメント領域には、前記第1の蛍光体層および前記第2の蛍光体層を備え、
前記セグメント領域のそれぞれからは、同一の励起光を受けたとき異なる光を取り出せる請求項1から請求項3のいずれかに記載の蛍光ホイール。
The wheel substrate has a plurality of segment regions arranged in the circumferential direction.
The first fluorescent layer and the second fluorescent layer are provided in at least one segment region.
The fluorescent wheel according to any one of claims 1 to 3, wherein different lights can be extracted from each of the segment regions when the same excitation light is received.
励起光を照射する励起光源と、
前記照射された励起光を受ける請求項1から請求項4のいずれかに記載の蛍光ホイールと、
前記蛍光ホイールを回転させる駆動装置と、を備える光源装置。
An excitation light source that irradiates excitation light,
The fluorescent wheel according to any one of claims 1 to 4, which receives the irradiated excitation light.
A light source device including a drive device for rotating the fluorescent wheel.
請求項5記載の光源装置と、
前記光源装置から放出された光を導光する導光光学系と、
投影する像のデータの入力を受け付ける入力部と、
前記導光光学系により導かれた光を用いて前記入力部に入力されたデータの像の表示を行なう表示素子と、
前記表示を外部へ投射する投影光学系と、
前記光源装置、前記表示素子および前記各光学系を制御する制御部と、を備える投影装置。
The light source device according to claim 5 and
A light guide optical system that guides the light emitted from the light source device, and
An input section that accepts input of projected image data,
A display element that displays an image of data input to the input unit using light guided by the light guide optical system, and a display element.
A projection optical system that projects the display to the outside,
A projection device including the light source device, the display element, and a control unit that controls each of the optical systems.
励起光を照射する励起光源と、前記照射された励起光を受ける請求項4記載の蛍光ホイールと、前記蛍光ホイールを回転させる駆動装置と、を備える光源装置と、
前記光源装置から放出された光を導光する導光光学系と、
投影する像のデータの入力を受け付ける入力部と、
前記導光光学系により導かれた光を用いて前記入力部に入力されたデータの像の表示を行なう表示素子と、
前記表示を外部へ投射する投影光学系と、
前記光源装置、前記表示素子および前記各光学系を制御する制御部と、
前記蛍光ホイールの回転位置を取得するセンサと、を備え、
前記制御部は、出力する投影像の色や明るさの階調と、前記センサにより取得した前記蛍光ホイールの位置情報に従い、前記励起光源の出力を制御する投影装置。
A light source device including an excitation light source that irradiates excitation light, a fluorescence wheel according to claim 4 that receives the irradiated excitation light, and a drive device that rotates the fluorescence wheel.
A light guide optical system that guides the light emitted from the light source device, and
An input section that accepts input of projected image data,
A display element that displays an image of data input to the input unit using light guided by the light guide optical system, and a display element.
A projection optical system that projects the display to the outside,
A control unit that controls the light source device, the display element, and each optical system,
A sensor for acquiring the rotational position of the fluorescent wheel is provided.
The control unit is a projection device that controls the output of the excitation light source according to the gradation of the color and brightness of the projected image to be output and the position information of the fluorescent wheel acquired by the sensor.
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