KR101868417B1 - 청색 레이저다이오드와 형광체를 이용한 고휘도 써치라이트 - Google Patents

청색 레이저다이오드와 형광체를 이용한 고휘도 써치라이트 Download PDF

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Abstract

본 발명은 청색 레이저다이오드와 결정형 형광체를 이용하여 백색광을 구현하고 이 백색광을 적절한 광학적 장치를 통하여 평행광 또는 확산각도 조정이 가능한 청색 레이저다이오드와 형광체를 이용한 고휘도 써치라이트에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 청색 레이저다이오드와 형광체를 이용한 고휘도 서치라이트는 청색 레이저 빔을 발산하는 하나 또는 다수개의 레이저다이오드; 상기 레이저다이오드 전방에 설치되며, 상기 레이저다이오드에서 발산하는 청색 레이저 빔을 평행광으로 집속하는 광 집속부; 상기 광 집속부의 전방에 설치되며, 상기 광 집속부에 의하여 집속된 청색 레이저 빔을 조사받아서 백색광으로 변환하는 형광체부; 상기 광 집속부와 상기 형광체부 사이에 설치되며, 상기 광 집속부에 의하여 집속된 하나 또는 다수개의 청색 레이저 빔을 하나의 빔으로 모아서 상기 형광체부로 조사시키는 집광 광학계; 상기 집광 광학계와 상기 형광체부 사이에 중앙에 광 통과공이 형성되는 포물경 형상으로 설치되며, 상기 형광체에서 변환된 백색광을 상기 형광체부 후방 방향으로 조사되는 평행광으로 변환시키는 평행광 변환부;를 포함한다.

Description

청색 레이저다이오드와 형광체를 이용한 고휘도 써치라이트{A SEARCHLIGHT USING BLUE LASERDIODE}
본 발명은 고휘도 써치라이트에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 청색 레이저다이오드와 결정형 형광체를 이용하여 백색광을 구현하고 이 백색광을 적절한 광학적 장치를 통하여 평행광 또는 확산각도 조정이 가능한 청색 레이저다이오드와 형광체를 이용한 고휘도 써치라이트에 관한 것이다.
조명에 관한 모든 적용분야를 막론하고 기존의 분야별 조명장치가 아직 해결하지 못하고 있는 문제들은, 첫째 소비전력의 최소화, 둘째 발산광량 대비 낮은 조사효율, 셋째는 고휘도 조명장치의 휴대 가능한 전원 공급체계 미비 등이다.
원거리 조명장치는 일반적으로 제논램프를 사용하는 바, 전력 소모가 커서 휴대형으로 제작하려면 배터리 중량을 해결하거나 저전력소비고효율 램프가 선결되어야 한다.
빔을 원거리로 조사하기 위해서는 우선 평행광으로 변환해야 하는데, 제논램프 등 유사한 광원들이 크기를 무시할 수 있는 점광원이 아니므로 이를 이용한 원거리조사장치를 제작하더라도 빔 도달능력은 매우 낮고 막대한 광량 손실은 불가피하다.
원거리 조사를 위해서는 고출력 고소비전력램프를 사용하여 제작된 장치를 현재 군기관, 선박, 함정이동형인 경우 디젤 발전기를 이용해야만 한다. 국경에서 육상전력을 사용하는 고정형인 경우에는 송전에 필요한 전신주의 노출이 불가피하여 아군의 위치를 파악되는 은밀성 문제가 발생하고, 발전기를 사용하는 이동형인 경우에는 운전소음으로 인한 아군 위치가 파악되는 정숙성 문제와 장비의 중량으로 차량이동이 불가피하므로 도로 주변에서 운전해야 하는 문제가 더 있게 되어 효율성은 매우 떨어진다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 청색 레이저다이오드와 결정형 형광체를 이용하여 백색광을 구현하고 이 백색광을 적절한 광학적 장치를 통하여 평행광 또는 확산각도 조정이 가능한 청색 레이저다이오드와 형광체를 이용한 고휘도 써치라이트를 제공하는 것이다.
전술한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 청색 레이저다이오드와 형광체를 이용한 고휘도 서치라이트는 청색 레이저 빔을 발산하는 하나 또는 다수개의 레이저다이오드; 상기 레이저다이오드 전방에 설치되며, 상기 레이저다이오드에서 발산하는 청색 레이저 빔을 평행광으로 집속하는 광 집속부; 상기 광 집속부의 전방에 설치되며, 상기 광 집속부에 의하여 집속된 청색 레이저 빔을 조사받아서 백색광으로 변환하는 형광체부; 상기 광 집속부와 상기 형광체부 사이에 설치되며, 상기 광 집속부에 의하여 집속된 하나 또는 다수개의 청색 레이저 빔을 하나의 빔으로 모아서 상기 형광체부로 조사시키는 집광 광학계; 상기 집광 광학계와 상기 형광체부 사이에 중앙에 광 통과공이 형성되는 포물경 형상으로 설치되며, 상기 형광체에서 변환된 백색광을 상기 형광체부 후방 방향으로 조사되는 평행광으로 변환시키는 평행광 변환부;를 포함한다.
그리고 본 발명에서 상기 광 집속부는 비구면 렌즈로 이루어지는 것이 바람직하다.
또한 본 발명에서 상기 형광체부는 결정형 형광체인 것이 바람직하다.
또한 본 발명에서 상기 평행광 변환부는, 포물경의 깊이가 포물경 초점 거리보다 깊게 형성되는 것이 바람직하다.
또한 본 발명에서 상기 평행광 변환부 후면에는, 상기 광 통과공을 통과하는 집속된 레이저빔의 초점 거리를 조정하는 초점 렌즈가 더 구비되는 것이 바람직하다.
또한 본 발명에 따른 청색 레이저다이오드와 형광체를 이용한 고휘도 서치라이트에는, 상기 형광체부에 의하여 변환된 백색광의 광 경로 중에 설치되며, 백색광의 조사여부를 센싱하는 광센서부;가 더 구비되고, 상기 광센서부에서 청색광이 감지되는 경우에는 상기 레이저다이오드에 공급되는 전원을 차단하는 제어부가 더 구비되는 것이 바람직하다.
본 발명은 기존 HID, LED, Xenon 및 Metal Halide 램프 등 고 소비 전력 제품을 대체하고, 대규모 대공용, 해상 감시용, 대규모 사업장 조명, 등대, 스포츠 시설 및 가로등의 성능을 크게 향상시킬 수 있다. 또한 휴대형으로 제작이 가능하므로 대규모 조사장치보다 밝고 운용상 편의성을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고휘도 써치라이트의 구성을 도시하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 고휘도 써치라이트의 광경로를 도시하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 보호유리의 구조를 도시하는 도면이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예를 상세하게 설명한다.
본 실시예에 따른 청색 레이저다이오드와 형광체를 이용한 고휘도 서치라이트(100)는, 도 1, 2에 도시된 바와 같이, 레이저다이오드(110), 광 집속부(120), 집광 광학계(130), 형광체부(140) 및 평행광 변환부(150)를 포함하여 구성될 수 있다.
먼저 상기 청색 레이저다이오드(110)는 도 1, 2에 도시된 바와 같이, 청색 레이저빔을 전방으로 조사하는 다수개의 청색 레이저다이오드가 방사형으로 배치되는 구성요소이다. 즉, 상기 다수개의 청색 레이저다이오드들(110)은 도 2에 도시된 바와 같이, 각각 레이저빔을 조사하되 각 레이저빔들이 평행하게 조사되도록 설치되며, 각 레이저다이오드는 일반적으로 알려진 레이저다이오드를 그대로 사용할 수 있다.
다음으로 상기 광 집속부(120)는 도 1, 2에 도시된 바와 같이, 상기 청색 레이저다이오드(110)의 전방에 설치되며, 상기 레이저다이오드(110)에서 조사되는 레이저빔을 평행광으로 집속하는 구성요소이다.
상기 레이저다이오드(110)의 출력 빔은 일정각도로 확산되어 출력된다. 이를 그대로 사용하는 것은 직진성이 강한 면광원 조사에 불리하므로 광 집속부(120)를 이용하여 레이저빔이 평행광이 되도록 할 필요가 있다. 따라서 상기 광 집속부(120)는 비구면렌즈로 구성될 수 있다.
한편 본 실시예에 따른 백색광 조사장치(100)에는 다수개의 청색 레이저다이오드들(110)이 각각 청색 레이저빔을 나란하게 조사하도록 설치되며, 도 2, 3에 도시된 바와 같이, 광 경로 변환부(130)가 더 구비된다. 이 광 경로 변환부(130)는 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 비구면 렌즈(120)와 형광체부(140) 사이에 설치되며, 다수개의 청색 레이저빔을 상기 형광체부(140) 방향으로 집광하는 구성요소이다.
다음으로 상기 집광 광학계(130)는 상기 광 집속부(120)에 의하여 집속된 다수개의 청색 레이저빔을 혼합하여 백색광으로 만드는 구성요소이다. 구체적으로 상기 광 경로 변환부(130)는 도 1, 2에 도시된 바와 같이, 제1 전면 반사경(131), 제2 전면 반사경(132), 제1 혼합 반사경(133) 및 제2 혼합 반사경(134)을 포함하여 구성될 수 있다. 먼저 상기 제1 전면 반사경(131)은 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 제1 레이저다이오드(111) 전방에 설치되며, 상기 레이저다이오드(111)에서 조사되는 제1 레이저빔을 제2 레이저다이오드(132)에서 조사되는 제2 레이저빔 광 경로로 반사하는 구성요소이다. 그러면 이 제1 전면 반사경(131)에 의하여 제1, 2 레이저빔이 만난다.
다음으로 상기 제2 전면 반사경(132)은 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 제3 레이저다이오드(113) 전방에 설치되며, 상기 레이저다이오드(113)에서 조사되는 제3 레이저빔을 제2 레이저다이오드(112)에서 조사되는 제2 레이저빔 광 경로로 반사하는 구성요소이다. 그러면 이 제2 전면 반사경(132)에 의하여 이미 혼합된 1, 2 레이저빔과 제3 레이저빔이 만난다.
그리고 상기 제1 혼합 반사경(133)은, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 제1 전면 반사경(131)에 의하여 반사된 제1 레이저빔과 상기 제2 레이저다이오드(112)에서 조사되는 제2 레이저빔이 만나는 지점에 설치되며, 상기 제2 레이저다이오드(112)에서 조사되는 제2 레이저빔은 그대로 통과시키고 상기 제1 전면 반사경(131)에 의하여 반사된 제1 레이저빔은 상기 제2 레이저 빔 진행방향으로 반사시켜 제1, 2 레이저빔을 혼합하는 구성요소이다.
또한 상기 제2 혼합 반사경(134)은 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 제2 전면 반사경(132)에 의하여 반사된 제3 레이저빔과 상기 제1 혼합 반사경(133)을 통과한 혼합빔이 만나는 지점에 설치되며, 상기 혼합빔은 그대로 통과시키고 상기 제2 전면 반사경(132)에 의하여 반사된 제3 레이저빔은 상기 혼합빔 진행방향으로 반사시켜 단일 레이저빔을 만드는 구성요소이다.
다음으로 상기 형광체부(140)는 도 1, 2에 도시된 바와 같이, 상기 광 집속부(120)의 전방 특정 지점에 설치되며, 상기 청색 레이저빔을 백색광으로 변환하는 구성요소이다. 본 실시예에서 사용하는 레이저 빔은 초점이 형성되어 형광체(140)에 조사되므로 형광체의 내열성능이 보증되지 않는 유기성 형광체는 수 초 이내에 타버린다. 따라서 본 실시예에서는 내열성이 우수한 결정형 형광체로 구성하는 것이 바람직하다.
삭제
다음으로 상기 평행광 변환부(150)는 도 1, 2에 도시된 바와 같이, 상기 형광체부(140)의 후방에 포물경으로 설치되며, 상기 형광체부(140)에서 변환된 백색광을 상기 형광체부(140) 전방 방향으로 조사시키는 구성요소이다. 이때 상기 평행광 변환부(150)의 포물경과 경광체부 사이의 거리를 조정하여 조사 범위를 조정할 수 있다.
따라서 본 실시예에 따른 서치라이트 장치(100)에는 도 2에 도시된 바와 같이, 형광체 구동부(170)와 형광체 설치부(180)가 더 구비되는 것이 바람직하다. 상기 평행광 변환부(150) 초점과 형광체가 동일 위치에 있으면 형광체에서 백색광은 평행광으로 발산되어 그 조사 범위가 좁을 수 있다. 따라서 초점 길이를 변경할 수 있거나 형광체 위치를 가변할 수 있는 기계구조가 구비되어야 하는 것이다.
이를 위해 상기 형광체 구동부(170)는 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 형광체부(140)의 후단에 결합되어 설치되며, 상기 형광체부(140)를 전후진 구동하는 구조를 가진다. 예를 들어 상기 형광체 구동부(170)는 상기 형광체(140) 후단에 결합되어 설치되며, 상기 형광체 설치부(180)에 대하여 나사 구조를 따라서 회전하면서 상기 형광체부(140)를 전후 구동시키는 구조를 가질 수 있다.
다음으로 상기 형광체 설치부(180)는 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 형광체 구동부9170)가 결합되어 설치되며, 상기 형광체부(140)와 형광체 구동부(170)를 상기 백색광 변환부(150)에 체결하는 구성요소이다. 따라서 상기 형광체 설치부(180)는 상기 평행광 변환부(150)의 전단과 체결될 수 있는 나선 구조 등을 가지며, 백색광이 투과할 수 있는 재질로 이루어지는 것이 바람직하다.
본 실시예에서 상기 형광체 설치부(180)는 구체적으로 도 3에 도시된 바와 같이, 보호 유리(181), 금속띠(182), 양극 단자(183) 및 음극단자(184)를 포함하여 구성될 수 있다.
먼저 상기 보호 유리(181)는 평행광 변환부(150)의 개구부를 차단하는 구성요소이며, 다양한 형상을 가질 수 있고 예를 들어 원형의 보호 유리로 구성될 수 있다. 그리고 상기 금속띠(182)는 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 보호 유리(181)의 내면 외주면을 따라 형성되되, 양 말단은 서로 이격된 상태로 설치된다.
다음으로 상기 양극 단자(183)는 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 금속띠(182)의 일단에 결합되어 설치되며, 상기 레이저다이오드(110)에 공급되는 전원선의 양극과 연결된다. 그리고 상기 음극단자(184)는 상기 금속띠(182)의 타단에 결합되어 설치되며, 상기 레이저다이오드(110)에 공급되는 전원선의 음극과 연결된다.
본 실시예에 따른 서치라이트 장치(100) 내부는 고도의 정밀 광학계가 장착되어 있게 되므로 외부에서 오염원이 침습하여 성능을 잃게 하는 사고를 방지하기 위해 보호 유리(181)를 설치하여 두는 것이다. 아울러 이 보호유리 파손 여부를 감지할 수 있도록 보호유리 표면에 회로를 구성하고 이 회로를 경유하여 레이저 다이오드에 전원이 흐르도록 하여 밀폐성이 저하되거나 유리 파손 시, 제어부를 통하여 즉시 레이저 전원이 자동 차단되도록 구비한다.
한편 본 실시예에 따른 써치라이트(100)에는,도 2에 도시된 바와 같이, 필요에 따른 외부를 감싸는 하우징(190)이 구비될 수 있다. 즉, 전술한 구성요소 전체를 외부에서 감싸도록 설치되며, 상기 조사영역 조정렌즈를 통과한 백색 면광원의 조사를 위한 개구부를 가지는 하우징(190)이 더 구비되는 것이다.
100 : 본 발명의 일 실시예에 따른 청색 레이저다이오드와 형광체를 이용한 고휘도 서치라이트
110 : 레이저다이오드 120 : 광 집속부
130 : 집광 광학계 140 : 형광체부
150 : 평행광 변환부

Claims (6)

  1. 청색 레이저 빔을 발산하는 제1, 2, 3 레이저다이오드;
    상기 레이저다이오드 전방에 설치되며, 상기 레이저다이오드에서 발산하는 청색 레이저 빔을 평행광으로 집속하는 광 집속부;
    상기 광 집속부의 전방에 설치되며, 상기 광 집속부에 의하여 집속된 청색 레이저 빔을 조사받아서 백색광으로 변환하는 형광체부;
    상기 광 집속부와 상기 형광체부 사이에 설치되며, 상기 광 집속부에 의하여 집속된 하나 또는 다수개의 청색 레이저 빔을 하나의 빔으로 모아서 상기 형광체부로 조사시키는 집광 광학계;
    상기 집광 광학계와 상기 형광체부 사이에 중앙에 광 통과공이 형성되는 포물경 형상으로 설치되며, 상기 형광체에서 변환된 백색광을 상기 형광체부 후방 방향으로 조사되는 평행광으로 변환시키는 평행광 변환부;
    상기 형광체부의 후단에 결합되어 설치되며, 상기 형광체부를 전후진 구동하는 형광체 구동부;
    상기 형광체 구동부가 결합되어 설치되며, 상기 형광체부와 형광체 구동부를 상기 평행광 변환부에 체결하는 형광체 설치부;를 포함하며,
    상기 집광 광학계는,
    상기 제1 레이저다이오드 전방에 설치되며, 상기 레이저다이오드에서 조사되는 제1 레이저빔을 제2 레이저다이오드에서 조사되는 제2 레이저빔 광 경로로 반사하는 제1 전면 반사경;
    상기 제3 레이저다이오드 전방에 설치되며, 상기 레이저다이오드에서 조사되는 제3 레이저빔을 제2 레이저다이오드에서 조사되는 제2 레이저빔 광 경로로 반사하는 제2 전면 반사경;
    상기 제1 전면 반사경에 의하여 반사된 제1 레이저빔과 상기 제2 레이저다이오드에서 조사되는 제2 레이저빔이 만나는 지점에 설치되며, 상기 제2 레이저다이오드에서 조사되는 제2 레이저빔은 그대로 통과시키고 상기 제1 전면 반사경에 의하여 반사된 제1 레이저빔은 상기 제2 레이저 빔 진행방향으로 반사시켜 제1, 2 레이저빔을 혼합하는 제1 혼합 반사경;
    상기 제2 전면 반사경에 의하여 반사된 제3 레이저빔과 상기 제1 혼합 반사경을 통과한 혼합빔이 만나는 지점에 설치되며, 상기 혼합빔은 그대로 통과시키고 상기 제2 전면 반사경에 의하여 반사된 제3 레이저빔은 상기 혼합빔 진행방향으로 반사시켜 단일 레이저빔을 만드는 제2 혼합 반사경을 포함하며,
    상기 형광체 설치부는,
    상기 평행광 변환부의 개구부를 차단하는 원형의 보호 유리;
    상기 보호 유리의 내면 외주면을 따라 형성되는 금속띠;
    상기 금속띠의 일단에 결합되어 설치되며, 상기 레이저다이오드에 공급되는 전원선의 양극과 연결되는 양극단자;
    상기 금속띠의 타단에 결합되어 설치되며, 상기 레이저다이오드에 공급되는 전원선의 음극과 연결되는 음극단자;를 포함하는 것을 특징으로 하는 청색 레이저다이오드와 형광체를 이용한 고휘도 서치라이트.
  2. 제1항에 있어서, 상기 광 집속부는,
    비구면 렌즈로 이루어지는 것을 특징으로 하는 청색 레이저다이오드와 형광체를 이용한 고휘도 서치라이트.
  3. 제1항에 있어서, 상기 형광체부는,
    결정형 형광체인 것을 특징으로 하는 청색 레이저다이오드와 형광체를 이용한 고휘도 서치라이트.
  4. 제1항에 있어서, 상기 평행광 변환부는,
    포물경의 깊이가 포물경 초점 거리보다 깊게 형성되는 것을 특징으로 하는 청색 레이저다이오드와 형광체를 이용한 고휘도 서치라이트.
  5. 제1항에 있어서, 상기 평행광 변환부 후면에는,
    상기 광 통과공을 통과하는 집속된 레이저빔의 초점 거리를 조정하는 초점 렌즈가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 청색 레이저다이오드와 형광체를 이용한 고휘도 서치라이트.
  6. 삭제
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