KR102098781B1 - 3차원 자유형상 광학계를 이용한 고출력 led 모듈 - Google Patents

3차원 자유형상 광학계를 이용한 고출력 led 모듈 Download PDF

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Abstract

3차원 자유형상 광학계를 이용한 고출력 LED 모듈이 제시된다. 일 실시예에 따른 3차원 자유형상 광학계의 구현 방법은, LED 단일 칩 또는 LED 어레이의 광 분포를 설정하고, 3차원 자유형상 광학계를 구성하는 하나 이상의 렌즈나 거울의 단면 또는 객체면(object plane)에 대한 조도 분포를 설정하는 단계; 상기 LED 단일 칩 또는 상기 LED 어레이에서 방출된 빛과 상기 객체면에 도달하는 빛 사이의 에너지 상관관계를 측정하는 단계; 및 상기 에너지 상관관계를 통해 상기 객체면에 초점을 맺게 하거나 평행광(collimated light)을 형성할 수 있도록 최적화된 상기 3차원 자유형상 광학계를 구성하는 하나 이상의 렌즈나 거울의 단면 형상을 설계하는 단계를 포함하여 이루어질 수 있다.

Description

3차원 자유형상 광학계를 이용한 고출력 LED 모듈{HIGH POWER LED MODULE WITH 3-DIMENSIONAL FREEFORM OPTICAL SYSTEM}
아래의 실시예들은 3차원 자유형상 광학계에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 하나 이상의 3차원 자유형상 렌즈 및 거울의 조합으로 이루어진 3차원 자유형상 광학계 및 이를 이용한 고출력 LED 모듈에 관한 것이다.
레이저는 광 공진기(optical cavity) 기반의 유도발광(stimulated emission)을 통해 단색성(monochromaticity), 지향성(directionality) 및 간섭성(coherency)의 3가지 특성을 구현하는 인공광원으로 레이저 가공, 광통신, 센서, 디스플레이 등 산업전반에 걸쳐 다양하게 사용된다.
광 공진기와 펌핑 장치가 필요한 레이저 광원은 고출력 집속광 에너지를 얻을 수 있으나, 고가이며 부피가 크고 유지비용이 높은 단점이 있다. 따라서 레이저 광원은 고출력 산업용으로는 적합하지만 소형 정밀기기를 필요로 하는 의료용 기기(내시경, 의료용 로봇, 소형 진단치료 기기) 등에 적용하기에는 제약이 있다.
이에 비해, 최근 조명에 많이 사용되는 발광다이오드(Light Emitting Diode, LED)는 레이저에 비해 저가이며 소형제작이 가능하고 교체비용이 저렴한 장점이 있으나, 공진기 없이 자발 발광(spontaneous emission)을 하는 LED 원리상 지향성 없이 발산(divergence)하는 특성을 갖기 때문에 고출력 집속 광원으로 이용할 수 없다.
따라서 고가의 광 공진기를 이용하지 않고, 레이저와 동일한 지향성 및 초점 응집성을 갖는 고출력 광원 모듈의 개발이 요구된다.
한국등록특허 10-1439746호는 이러한 직사각형 영역의 고효율 균일 조도 조명을 위한 3차원 자유형상 렌즈 구현 방법과 시스템에 관한 것으로, 조명 영역의 가로 및 세로 방향에 대하여 각각 최적화된 굴절면 및 전반사면이 복합된 2차원 단면 렌즈 형상을 구현하는 기술을 기재하고 있다.
그러나, 종래의 LED 기반 3차원 자유형상 렌즈의 경우 직사각형 영역에 균일한 조명을 전달하기 위하여 가로 x 세로 방향으로 최적화된 렌즈 단면 형상을 설계해야 하는 한계가 있다. 이는, 광원과 객체면(object plane) 사이의 거리에 따라 균일 조도를 얻기 위한 자유형상 렌즈의 설계가 각각 달라지며, LED 광원의 방출 특성이나 배치가 설계 조건으로부터 벗어나는 경우 균일 조도를 유지하는데 어려움이 있다.
한국등록특허 10-1439746호
실시예들은 하나 이상의 3차원 자유형상 렌즈 및 거울의 조합으로 이루어진 3차원 자유형상 광학계 및 이를 이용한 고출력 LED 모듈에 관하여 기술하며, 보다 구체적으로 기존의 레이저 광원의 일부 특징인 고출력 집속 광원을 대체할 수 있는 지향성 및 초점 응집성이 향상된 LED 기반의 고출력 광원 모듈에 관한 기술을 제공한다.
실시예들은 LED 광원 어레이에 최적화된 3차원 자유형상 광학계를 설계/제작/모듈화하여 수십
Figure 112019002759423-pat00001
이하의 초점지름과 수 MW/cm2 이상의 광 파워밀도를 제공함으로써, 지향성 및 초점 응집성이 향상된 고출력의 3차원 자유형상 광학계를 이용한 고출력 LED 모듈을 제공하는데 있다. 또한, LED 광원 어레이에 최적화된 3차원 자유형상 광학계를 설계/제작/모듈화하여 가우시안(Gaussian) 또는 베셀(Bessel) 분포를 가진 평행광(collimated light)을 형성할 수 있는 고출력 LED 모듈을 제공하는데 있다.
일 실시예에 따른 3차원 자유형상 광학계의 구현 방법은, LED 단일 칩 또는 LED 어레이의 광 분포를 설정하고, 3차원 자유형상 광학계를 구성하는 하나 이상의 렌즈나 거울의 단면 또는 객체면(object plane)에 대한 조도 분포를 설정하는 단계; 상기 LED 단일 칩 또는 상기 LED 어레이에서 방출된 빛과 상기 객체면에 도달하는 빛 사이의 에너지 상관관계를 측정하는 단계; 및 상기 에너지 상관관계를 통해 상기 객체면에 초점을 맺게 하거나 평행광(collimated light)을 형성할 수 있도록 최적화된 상기 3차원 자유형상 광학계를 구성하는 렌즈나 거울의 단면 형상을 설계하는 단계를 포함하여 이루어질 수 있다.
설계된 상기 3차원 자유형상 광학계의 단면 형상을 결합한 후, 광선 추적 전산모사를 통해 검증하는 단계; 상기 광선 추적 전산모사를 통한 검증 결과에 따라 기설정된 요구조건을 만족하는지 여부를 확인하는 단계; 및 상기 요구조건을 만족하지 않는 경우, 피드백 루프를 통해 상기 3차원 자유형상 광학계의 단면 형상을 보정하는 단계; 제작 공차를 개선하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 3차원 자유형상 광학계는, 하나의 자유형상 단면을 가진 자유형상 거울, 하나 이상의 자유형상 단면을 가진 자유형상 렌즈 및 상기 자유형상 거울과 상기 자유형상 렌즈의 조합 중 어느 하나를 포함하며, 상기 LED 단일 칩 또는 상기 LED 어레이에서 방출된 빛을 상기 자유형상 단면을 통과시키거나 반사시켜 상기 객체면에 초점을 맺게 하거나 가우시안(Gaussian) 분포, 베셀(Bessel) 분포 및 플랫탑(Flat-top) 분포 중 어느 하나의 분포를 갖는 평행광(collimated light)을 형성할 수 있다.
상기 LED 단일 칩 또는 상기 LED 어레이에서 방출된 빛과 상기 객체면에 도달하는 빛 사이의 에너지 상관관계를 측정하는 단계는, 상기 LED 단일 칩 또는 상기 LED 어레이에서 방출된 빛과 상기 3차원 자유형상 광학계의 상기 자유형상 단면 사이의 관계를 설정하는 단계; 및 상기 자유형상 단면과 상기 객체면 사이의 관계를 설정하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 최적화된 상기 3차원 자유형상 광학계를 구성하는 하나 이상의 렌즈나 거울의 단면 형상을 설계하는 단계는, 상기 LED 단일 칩 또는 상기 LED 어레이에서 방출된 빛에 대해 에너지 보존 법칙을 적용하고, 수치해석적으로 상기 3차원 자유형상 광학계를 구성하는 하나 이상의 렌즈나 거울의 단면의 표면 형상을 획득할 수 있다.
다른 실시예에 따른 3차원 자유형상 광학계의 구현 시스템은, LED 단일 칩 또는 LED 어레이의 광 분포를 설정하고, 3차원 자유형상 광학계를 구성하는 하나 이상의 렌즈나 거울의 단면 또는 객체면(object plane)에 대한 조도 분포를 설정하는 광 분포 및 조도 분포 설정부; 상기 LED 단일 칩 또는 상기 LED 어레이에서 방출된 빛과 상기 객체면에 도달하는 빛 사이의 에너지 상관관계를 측정하는 에너지 상관관계 측정부; 및 상기 에너지 상관관계를 통해 상기 객체면에 초점을 맺게 하거나 평행광(collimated light)을 형성할 수 있도록 최적화된 상기 3차원 자유형상 광학계를 구성하는 하나 이상의 렌즈나 거울의 단면 형상을 설계하는 광학계의 단면 형상 설계부를 포함하여 이루어질 수 있다.
설계된 상기 3차원 자유형상 광학계의 단면 형상을 결합한 후, 광선 추적 전산모사를 통해 검증하는 광학계 검증부; 상기 광선 추적 전산모사를 통한 검증 결과에 따라 기설정된 요구조건을 만족하는지 여부를 확인하는 요구조건 확인부; 상기 요구조건을 만족하지 않는 경우, 상기 3차원 자유형상 광학계의 단면 형상을 보정하는 피드백 루프부; 및 제작 공차를 개선하는 공차 개선부를 더 포함할 수 있다.
상기 3차원 자유형상 광학계는, 하나의 자유형상 단면을 가진 자유형상 거울, 하나 이상의 자유형상 단면을 가진 자유형상 렌즈 및 상기 자유형상 거울과 상기 자유형상 렌즈의 조합 중 어느 하나를 포함하며, 상기 LED 단일 칩 또는 상기 LED 어레이에서 방출된 빛을 상기 자유형상 단면을 통과시키거나 반사시켜 상기 객체면에 초점을 맺게 하거나 가우시안(Gaussian) 분포, 베셀(Bessel) 분포 및 플랫탑(Flat-top) 분포 중 어느 하나의 분포를 갖는 평행광(collimated light)을 형성할 수 있다.
상기 에너지 상관관계 측정부는, 상기 LED 단일 칩 또는 상기 LED 어레이에서 방출된 빛과 상기 3차원 자유형상 광학계의 상기 자유형상 단면 사이의 관계를 설정하고, 상기 자유형상 단면과 상기 객체면(object plane) 사이의 관계를 설정할 수 있다.
상기 광학계의 단면 형상 설계부는, 상기 LED 단일 칩 또는 상기 LED 어레이에서 방출된 빛에 대해 에너지 보존 법칙을 적용하고, 수치해석적으로 상기 3차원 자유형상 광학계를 구성하는 렌즈나 거울의 단면의 표면 형상을 획득할 수 있다.
또 다른 실시예에 따른 3차원 자유형상 광학계를 이용한 고출력 LED 모듈은, LED 단일 칩 또는 LED 어레이; 및 상기 LED 단일 칩 또는 상기 LED 어레이에서 방출된 빛을 통과시키거나 반사시키는 하나 이상의 자유형상 단면으로 구성된 3차원 자유형상 광학계를 포함하고, 상기 LED 단일 칩 또는 상기 LED 어레이에서 방출된 빛이 상기 하나 이상의 자유형상 단면을 통과하거나 반사하여 상기 객체면(object plane)에 도달할 수 있다.
상기 LED 단일 칩 또는 상기 LED 어레이가 소정의 펄스폭(pulse duration)과 펄스반복비(pulse repetition rate)의 펄스 동작이 가능하도록 고속 스위칭 펄스 전류를 출력하는 LED 드라이버를 더 포함하고, 상기 LED 드라이버에 의해 상기 LED 단일 칩 또는 상기 LED 어레이에서 방출된 빛이 상기 자유형상 단면을 통과하거나 반사하여 펄스 형태로 상기 객체면에 초점을 맺게 하거나 평행광(collimated light)을 형성할 수 있다.
상기 LED 드라이버와 연결되어 파장별 선택적으로 상기 펄스폭 및 상기 펄스반복비를 제어하는 LED 컨트롤러를 더 포함할 수 있다.
상기 3차원 자유형상 광학계는, 상기 LED 단일 칩 또는 상기 LED 어레이에서 방출된 빛과 3차원 자유형상 광학계를 구성하는 하나 이상의 렌즈나 거울의 자유형상 단면 또는 상기 객체면에 도달하는 빛 사이의 에너지 상관관계를 통해 최적화된 상기 3차원 자유형상 광학계를 구성하는 하나 이상의 렌즈나 거울의 단면 형상을 가질 수 있다.
상기 3차원 자유형상 광학계는, 하나의 자유형상 단면을 가진 자유형상 거울, 하나 이상의 자유형상 단면을 가진 자유형상 렌즈 및 상기 자유형상 거울과 상기 자유형상 렌즈의 조합 중 어느 하나를 포함하며, 상기 자유형상 단면을 통해 상기 LED 단일 칩 또는 상기 LED 어레이에서 방출된 빛을 상기 객체면에 초점을 맺게 하거나 가우시안(Gaussian) 분포, 베셀(Bessel) 분포 및 플랫탑(Flat-top) 분포 중 어느 하나를 갖는 평행광(collimated light)을 형성하게 할 수 있다.
실시예들에 따르면 LED 광원 어레이에 최적화된 3차원 자유형상 광학계를 설계/제작/모듈화하여 수십
Figure 112019002759423-pat00002
이하의 초점지름과 수 MW/cm2 이상의 광 파워밀도를 제공함으로써, 지향성 및 초점 응집성이 향상된 고출력의 3차원 자유형상 광학계를 이용한 고출력 LED 모듈을 제공할 수 있다.
또한, LED 광원 어레이에 최적화된 3차원 자유형상 광학계를 설계/제작/모듈화하여 가우시안(Gaussian) 또는 베셀(Bessel) 분포를 가진 평행광(collimated light)을 형성할 수 있는 고출력 LED 모듈을 제공할 수 있다.
도 1a는 일 실시예에 따른 LED 단일 칩에서 방출된 빛을 초점을 맺게 하는 자유형상 렌즈를 설명하기 위한 도면이다.
도 1b는 일 실시예에 따른 LED 단일 칩에서 방출된 빛으로 평행광을 형성하는 자유형상 렌즈를 설명하기 위한 도면이다.
도 1c는 일 실시예에 따른 가우시안 분포를 갖는 평행광을 설명하기 위한 도면이다.
도 1d는 일 실시예에 따른 베셀 분포를 갖는 평행광을 설명하기 위한 도면이다.
도 1e는 일 실시예에 따른 플랫탑 분포를 갖는 평행광을 설명하기 위한 도면이다.
도 2a는 일 실시예에 따른 LED 단일 칩에서 방출된 빛을 초점을 맺게 하는 자유형상 거울을 설명하기 위한 도면이다.
도 2b는 일 실시예에 따른 LED 단일 칩에서 방출된 빛으로 평행광을 형성하는 자유형상 거울을 설명하기 위한 도면이다.
도 3a는 일 실시예에 따른 LED 어레이에서 방출된 빛을 초점을 맺게 하는 하나 이상의 3차원 자유형상 렌즈 또는 거울의 조합으로 이루어진 자유형상 광학계를 설명하기 위한 도면이다.
도 3b는 일 실시예에 따른 LED 어레이에서 방출된 빛으로 평행광을 형성하는 하나 이상의 3차원 자유형상 렌즈 또는 거울의 조합으로 이루어진 자유형상 광학계를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 일 실시예에 따른 3차원 자유형상 광학계의 구현 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 5는 일 실시예에 따른 3차원 자유형상 광학계의 설계과정을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 6은 일 실시예에 따른 3차원 자유형상 광학계를 이용한 펄스동작 가능한 고출력 LED 모듈을 나타내는 도면이다.
도 7은 일 실시예에 따른 3차원 자유형상 광학계의 구현 방법을 나타내는 흐름도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 설명한다. 그러나, 기술되는 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명되는 실시예들에 의하여 한정되는 것은 아니다. 또한, 여러 실시예들은 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 도면에서 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
본 발명은 상기의 문제를 해결하기 위한 것으로, 기존 레이저 광원의 일부 특징인 고출력 집속 광원을 대체할 수 있는 지향성 및 초점 응집성이 향상된 LED 기반의 고출력 광원 모듈을 제공할 수 있다.
아래의 실시예들은 하나 이상의 자유형상(freeform) 렌즈 또는 자유형상 거울의 조합으로 이루어진 3차원 자유형상 광학계에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 LED 광원 어레이에 최적화된 3차원 자유형상 광학계를 설계/제작/모듈화하여 수십
Figure 112019002759423-pat00003
이하의 초점지름과 수 MW/cm2 이상의 광 파워밀도를 제공하는 지향성 및 초점 응집성이 향상된 고출력 LED 광원 모듈을 제공하는 것이다. 또한, LED 광원 어레이에 최적화된 3차원 자유형상 광학계를 설계/제작/모듈화하여 가우시안(Gaussian), 베셀(Bessel) 및 플랫탑(Flat-top) 등의 분포를 가진 평행광(collimated light)을 형성할 수 있는 고출력 LED 모듈을 제공하는데 있다.
도 1a는 일 실시예에 따른 LED 단일 칩에서 방출된 빛을 초점을 맺게 하는 자유형상 렌즈를 설명하기 위한 도면이고, 도 1b는 일 실시예에 따른 LED 단일 칩에서 방출된 빛으로 평행광을 형성하는 자유형상 렌즈를 설명하기 위한 도면이다. 그리고 도 1c는 일 실시예에 따른 가우시안 분포를 갖는 평행광을 설명하기 위한 도면이고, 도 1d는 일 실시예에 따른 베셀 분포를 갖는 평행광을 설명하기 위한 도면이며, 도 1e는 일 실시예에 따른 플랫탑 분포를 갖는 평행광을 설명하기 위한 도면이다.
도 1a 및 도 1b를 참조하면, LED 단일 칩(single chip, one-chip)(110)에서 방출된 빛(111)이 자유형상 렌즈(120)를 통과했을 때 빛(111)의 경로를 나타내며, 자유형상 렌즈(120)의 구현 형상에 따라 초점을 맺게 하거나 평행광(collimation)을 형성할 수 있다.
다시 말하면, 도 1a에 도시된 바와 같이 LED 단일 칩(110)에서 방출된 빛(111)이 자유형상 렌즈(120)의 제1 자유형상 렌즈의 단면(121) 및 제2 자유형상 렌즈의 단면(122)을 통과하며 한 지점으로 초점을 맺게 함으로써 집속(focusing)광을 형성할 수 있다. 또한, 도 1b에 도시된 바와 같이, LED 단일 칩(110)에서 방출된 빛(111)이 자유형상 렌즈(120)의 제1 자유형상 렌즈의 단면(121) 및 제2 자유형상 렌즈의 단면(122)을 통과하며 평행하게 진행되어 가우시안(Gaussian), 베셀(Bessel) 및 플랫탑(Flat-top) 등의 분포를 갖는 평행광을 형성할 수 있다.
도 1c에 도시된 바와 같이, LED 단일 칩(110)에서 방출된 빛(111)이 자유형상 렌즈(120)의 제1 자유형상 렌즈의 단면(121) 및 제2 자유형상 렌즈의 단면(122)을 통과하며 가우시안 분포를 갖는 평행광을 형성할 수 있다.
도 1d에 도시된 바와 같이 LED 단일 칩(110)에서 방출된 빛(111)이 자유형상 렌즈(120)의 제1 자유형상 렌즈의 단면(121) 및 제2 자유형상 렌즈의 단면(122)을 통과하며 베셀 분포를 갖는 평행광을 형성할 수 있다.
또한, 도 1e에 도시된 바와 같이 LED 단일 칩(110)에서 방출된 빛(111)이 자유형상 렌즈(120)의 제1 자유형상 렌즈의 단면(121) 및 제2 자유형상 렌즈의 단면(122)을 통과하며 플랫탑(Flat-top) 분포를 갖는 평행광을 형성할 수 있다.
도 2a는 일 실시예에 따른 LED 단일 칩에서 방출된 빛을 초점을 맺게 하는 자유형상 거울을 설명하기 위한 도면이다. 그리고 도 2b는 일 실시예에 따른 LED 단일 칩에서 방출된 빛으로 평행광을 형성하는 자유형상 거울을 설명하기 위한 도면이다.
도 2a 및 도 2b를 참조하면, LED 단일 칩(210)에서 방출된 빛(211)이 자유형상 거울(220)에 반사될 때의 빛(211)의 경로를 나타내며, 자유형상 거울(220)의 구현 형상에 따라 객체면(object plane, 230)에 초점을 맺게 하거나 평행광(collimation)을 형성할 수 있다.
다시 말하면, 도 2a에 도시된 바와 같이 LED 단일 칩(210)에서 방출된 빛(211)이 자유형상 거울(220)에 반사되어 객체면(230)의 한 지점으로 초점을 맺게 함으로써 집속(focusing)광을 형성할 수 있다. 또한, 도 2b에 도시된 바와 같이, LED 단일 칩(210)에서 방출된 빛(211)이 자유형상 거울(220)에 반사되어 객체면(230)으로 평행하게 진행되어 진행되어 가우시안(Gaussian), 베셀(Bessel) 및 플랫탑(Flat-top) 등의 분포를 갖는 평행광을 형성할 수 있다. 이 때, 진행되어 가우시안(Gaussian), 베셀(Bessel) 및 플랫탑(Flat-top) 등의 분포를 갖는 평행광은 각각 도 1c 내지 도 1e와 동일한 형태가 될 수 있다.
도 3a는 일 실시예에 따른 LED 어레이에서 방출된 빛을 초점을 맺게 하는 하나 이상의 3차원 자유형상 렌즈 또는 거울의 조합으로 이루어진 자유형상 광학 계를 설명하기 위한 도면이다. 그리고 도 3b는 일 실시예에 따른 LED 어레이에서 방출된 빛으로 평행광을 형성하는 하나 이상의 3차원 자유형상 렌즈 또는 거울의 조합으로 이루어진 자유형상 광학계를 설명하기 위한 도면이다.
도 3a 및 도 3b를 참조하면, LED 어레이(array, 310)에서 방출된 빛(311)이 하나 이상의 3차원 자유형상 렌즈 또는 거울의 조합으로 이루어진 자유형상 광학계(320)를 통과했을 때의 빛(311)의 경로를 나타내는 것으로, 자유형상 광학계(320)의 구현 형상에 따라 초점을 맺게 하거나 진행되어 가우시안(Gaussian), 베셀(Bessel) 및 플랫탑(Flat-top) 등의 분포를 갖는 평행광을 형성할 수 있다.
다시 말하면, 도 3a에 도시된 바와 같이, LED 어레이(310)에서 방출된 빛(311)이 자유형상 광학계(320)의 자유형상 단면을 통과하거나 반사하여, 객체면(330)의 한 지점으로 초점을 맺게 함으로써 집속광을 형성할 수 있다. 또한, 도 3b에 도시된 바와 같이, LED 어레이(310)에서 방출된 빛(311)이 자유형상 광학계(320)의 자유형상 단면을 통과하거나 반사하여, 객체면(330)을 향하여 평행하게 진행되는 진행되어 가우시안(Gaussian), 베셀(Bessel) 및 플랫탑(Flat-top) 등의 분포를 갖는 평행광을 형성할 수 있다.
이와 같이 LED 단일 칩 또는 LED 어레이에서 방출된 빛을 하나 이상의 3차원 자유형상 렌즈 및 거울의 조합으로 이루어진 자유형상 광학계를 이용하여 평행광 또는 집속광으로 만들 수 있으며, 이를 광학 응용에 사용할 수 있다.
한편, 하나의 사전실험으로써 저가의 소형 고출력 광원을 만들기 위하여 집광렌즈와 대물렌즈를 이용하여 9mm2 LED 광원(532nm, 40mW 출력)을 직경 약 1mm 크기와 20mW 출력 가우시안(Gaussian) 빔 집속광(약 50% 집속 효율)으로 변환하였다. 이를 기존에 사용하는 레이저와 비교하기 위하여 532nm CW 레이저(1Watt)와 동일한 광학 구성을 이용하여 LED와 유사한 가우시안 빔 광출력-전압 특성 결과를 획득할 수 있었다. 이와 같이 사전실험 결과는 LED 광원과 광학렌즈의 조합 모듈을 이용하면 기존 CW 레이저와 유사한 특성을 얻을 수 있음을 의미한다.
이 때, 상용 광학렌즈를 사용하는 경우 부피증가, 광효율 저하, 정렬문제 등이 발생하기 때문에 자유형상 렌즈를 구현하여 지향성과 초점 응집성이 향상된 LED 광원 모듈을 제공할 수 있다.
도 4는 일 실시예에 따른 3차원 자유형상 광학계의 구현 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 4를 참조하면, 일 실시예에 따른 3차원 자유형상 광학계의 구현 시스템(400)은 광 분포 및 조도 분포 설정부(410), 에너지 상관관계 측정부(420) 및 자유형상 단면 형상 설계부(430)를 포함하여 이루어질 수 있다. 실시예에 따라 3차원 자유형상 광학계의 구현 시스템(400)은 광학계 검증부(440), 요구조건 확인부(450), 피드백 루프부(460) 및 공차 개선부(470)를 더 포함할 수 있다.
광 분포 및 조도 분포 설정부(410)는 LED 단일 칩 또는 LED 어레이의 광 분포 및 객체면(object plane)의 조도 분포를 설정할 수 있다. 여기서, 3차원 자유형상 광학계는 굴절부 혹은 반사부를 가진 하나 이상의 자유형상 단면을 포함하며, LED 단일 칩 또는 LED 어레이에서 방출된 빛이 자유형상 단면을 통과하거나 반사하여 객체면에 도달할 수 있다.
에너지 상관관계 측정부(420)는 LED 단일 칩 또는 LED 어레이에서 방출된 빛과 객체면에 도달하는 빛 사이의 에너지 상관관계를 측정할 수 있다. 보다 구체적으로, 에너지 상관관계 측정부(420)는 LED 단일 칩 또는 LED 어레이에서 방출된 빛과 자유형상 단면 사이의 관계를 설정하고, 자유형상 단면과 객체면 사이의 관계를 설정할 수 있다.
광학계의 단면 형상 설계부(430)는 에너지 상관관계 측정부(420)의 결과인 에너지 상관관계를 통해 최적화된 3차원 자유형상 광학계를 구성하는 하나 이상의 렌즈나 거울의 단면 형상을 설계할 수 있다. 이 때, 광학계의 단면 형상 설계부(430)는 LED 단일 칩 또는 LED 어레이에서 방출된 빛에 대해 에너지 보존 법칙을 적용하고, 수치해석적으로 3차원 자유형상 광학계에 포함된 렌즈 혹은 거울의 단면의 표면 형상을 획득할 수 있다. 이에 따라 에너지 상관관계를 통해 최적화된 3차원 자유형상 광학계를 구성하는 하나 이상의 렌즈나 거울의 단면 형상을 설계함으로써, 객체면에 초점지름이 수십
Figure 112019002759423-pat00004
이하로 초점을 맺게 하거나 가우시안(Gaussian) 분포, 베셀(Bessel) 분포 및 플랫탑(Flat-top) 분포 중 어느 하나의 분포를 갖는 평행광(collimated light)을 형성할 수 있다.
그리고, 광학계 검증부(440)는 설계된 3차원 자유형상 광학계에 포함된 렌즈 혹은 거울의 단면 형상을 결합한 후, 광선 추적 전산모사를 통해 검증할 수 있으며, 요구조건 확인부(450)는 광선 추적 전산모사를 통한 검증 결과에 따라 기설정된 요구조건을 만족하는지 여부를 확인할 수 있다. 이 때, 요구조건을 만족하지 않는 경우, 피드백 루프부(460)는 피드백 루프를 통해 상기 자유형상 단면을 보정할 수 있다. 또한, 공차 개선부(470)는 제작 공차를 개선할 수 있다.
이러한 구현에 따라 형성되는 3차원 자유형상 광학계는 3차원 자유형상 광학계는 LED 단일 칩 또는 LED 어레이에서 방출된 빛이 자유형상 단면을 통과하거나 반사하여 객체면에 도달하도록 할 수 있다. 여기서, 3차원 자유형상 광학계는 하나의 자유형상 단면을 가진 자유형상 거울, 하나 이상의 자유형상 단면을 가진 자유형상 렌즈 및 자유형상 거울과 자유형상 렌즈의 조합 중 어느 하나를 포함하여 구성될 수 있다.
일례로, 3차원 자유형상 광학계는 하나의 자유형상 단면을 가진 자유형상 거울로 이루어져 LED 단일 칩 또는 LED 어레이에서 방출된 빛을 반사시켜, 객체면에 초점을 맺게 하거나 가우시안(Gaussian), 베셀(Bessel) 및 플랫탑(Flat-top) 등의 분포를 갖는 평행광(collimated light)을 형성할 수 있다. 다른 예로, 3차원 자유형상 광학계는 하나 이상의 자유형상 단면을 가진 자유형상 렌즈로 이루어져, LED 단일 칩 또는 LED 어레이에서 방출된 빛을 하나 또는 복수의 자유형상 단면을 통과시킴으로써, 객체면에 초점을 맺게 하거나 가우시안(Gaussian), 베셀(Bessel) 및 플랫탑(Flat-top) 등의 분포를 갖는 평행광(collimated light)을 형성할 수 있다. 또 다른 예로, 3차원 자유형상 광학계는 자유형상 거울과 자유형상 렌즈의 조합으로 이루어져, LED 단일 칩 또는 LED 어레이에서 방출된 빛을 통과하거나 반사시킴으로써, 객체면에 초점을 맺게 하거나 가우시안(Gaussian), 베셀(Bessel) 및 플랫탑(Flat-top) 등의 분포를 갖는 평행광(collimated light)을 형성할 수 있다.
아래에서 3차원 자유형상 광학계 구현 기술에 대해 보다 상세히 설명한다.
도 5는 일 실시예에 따른 3차원 자유형상 렌즈의 설계과정을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 5를 참조하면, 일 실시예에 따른 2 개의 자유형상 단면을 갖는 3차원 자유형상 렌즈의 기하학적 구조를 나타내는 것으로, 아래에서는 LED 단일 칩(510)에서 방출된 빛을 하나의 예로써 설명한다. 여기서 LED 단일 칩(510)뿐 아니라 LED 어레이 등의 LED가 사용될 수 있다. 한편, LED 어레이를 이용하는 경우 보다 고출력의 평행광 또는 집속광을 생성할 수 있다.
일 실시예에 따른 LED 단일 칩(510)에 대한 3차원 자유형상 렌즈의 단면 형상을 설계하는 과정은 다음과 같다. 여기에서는 LED 단일 칩(510)에서 방출되는 빛은 램버시안(Lambertian) 분포를 갖는 점 광원으로 가정하였으며, 3차원 자유형상 렌즈는 2 개의 자유형상 렌즈의 단면(521, 522)으로 구성될 수 있다. LED 단일 칩(510)에서 방출된 빛(O)은 제1 자유형상 렌즈의 단면(521) 상에 있는 점 P와 제2 자유형상 렌즈의 단면(522) 상에 있는 점 Q를 통과한 후, 객체면(530) 상에 있는 점 T에 도달할 수 있다.
광원 O와 제1 자유형상 렌즈의 단면(521) 상에 있는 점 P 사이의 거리를
Figure 112019002759423-pat00005
로 정의할 때, 제1 자유형상 렌즈의 단면(521) 상에 있는 점 P에서의 위치벡터(position vector)
Figure 112019002759423-pat00006
와 법선벡터(normal vector)
Figure 112019002759423-pat00007
는 각각 다음 식과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112019002759423-pat00008
[수학식 2]
Figure 112019002759423-pat00009
여기서,
Figure 112019002759423-pat00010
는 제1 자유형상 렌즈의 단면(521) 상에 있는 점 P로 입사되는 광선의 단위벡터이며,
Figure 112019002759423-pat00011
는 방위각(azimuthal angle)이고,
Figure 112019002759423-pat00012
는 극각(polar angle)을 나타낸다.
제1 자유형상 렌즈의 단면(521)과 제2 자유형상 렌즈의 단면(522)의 관계를 설정하기 위해, 제1 자유형상 렌즈의 단면(521) 상에 있는 점 P에서 제2 자유형상 렌즈의 단면(522) 상에 있는 점 Q로 입사되는 광선의 단위벡터를
Figure 112019002759423-pat00013
로 정의하고, P와 Q사이의 거리를 r로 정의하는 경우, 제2 자유형상 렌즈의 단면(522) 상에 있는 점 Q에서의 위치벡터
Figure 112019002759423-pat00014
와 법선벡터
Figure 112019002759423-pat00015
는 각각 다음 식과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 3]
Figure 112019002759423-pat00016
[수학식 4]
Figure 112019002759423-pat00017
여기서,
Figure 112019002759423-pat00018
는 각각
Figure 112019002759423-pat00019
의 극각
Figure 112019002759423-pat00020
와 방위각
Figure 112019002759423-pat00021
에 대한 1차 미분항을 나타낸다.
제2 자유형상 렌즈의 단면(522)과 객체면(530) 사이의 관계를 설정하기 위해, 제2 자유형상 렌즈의 단면(522) 상에 있는 점 Q에서 객체면(530) 상에 있는 점 T로 입사되는 광선의 단위벡터를
Figure 112019002759423-pat00022
로 정의하면,
Figure 112019002759423-pat00023
는 스넬의 법칙(Snell’s law)에 의해 다음 식과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 5]
Figure 112019002759423-pat00024
여기서, n은 자유형상 렌즈의 굴절률을 나타낸다.
Q에서 T로 입사되는 광선의 단위벡터
Figure 112019002759423-pat00025
의 값을 얻은 후에, 객체면(530) 상에 있는 점 T의 x, y 성분
Figure 112019002759423-pat00026
는 다음 식과 같이 표현될 수 있다.
[수학식 6]
Figure 112019002759423-pat00027
여기서, l은 광원과 객체면(530) 사이의 거리를 나타낸다.
자유형상 렌즈의 손실이 없다는 가정 하에 LED 단일 칩(510)에서 방출된 빛에 대해 에너지 보존 법칙을 적용하면, 다음 식과 같은 관계식을 도출할 수 있다.
[수학식 7]
Figure 112019002759423-pat00028
여기서,
Figure 112019002759423-pat00029
는 위치벡터
Figure 112019002759423-pat00030
에 대한 야코비안 행렬식(Jacobian determinant)을 나타내며, 다음 식과 같이 표현될 수 있다.
[수학식 8]
Figure 112019002759423-pat00031
[수학식 7]을 단순화하여 표기하면 아래의 방정식과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 9]
Figure 112019002759423-pat00032
[수학식 6]과 [수학식 9]를 이용하여 수치해석적으로 방정식의 해를 구하면 3차원 자유형상 렌즈의 단면의 표면 형상을 획득할 수 있다. 이러한 3차원 자유형상 렌즈의 단면의 표면 형상을 통해 3차원 자유형상 렌즈를 구현할 수 있으며, 나아가 3차원 자유형상 렌즈를 이용한 고출력 LED 모듈을 구성할 수 있다.
도 6은 일 실시예에 따른 3차원 자유형상 광학계를 이용한 펄스동작 가능한고출력 LED 모듈을 나타내는 도면이다.
도 6을 참조하면, 일 실시예에 따른 3차원 자유형상 광학계를 이용한 고출력 LED 모듈은 LED 단일 칩 또는 LED 어레이(610)과 3차원 자유형상 광학계를 포함하여 이루어질 수 있다.
3차원 자유형상 광학계는 LED 단일 칩 또는 LED 어레이(610)에서 방출된 빛을 통과시키거나 반사시키는 하나 이상의 자유형상 단면으로 구성되고, LED 단일 칩 또는 LED 어레이(610)에서 방출된 빛이 하나 이상의 자유형상 단면을 통과하거나 반사하여 객체면에 도달할 수 있다.
3차원 자유형상 광학계는 LED 단일 칩 또는 LED 어레이(610)에서 방출된 빛과 3차원 자유형상 광학계의 단면 또는 객체면에 도달하는 빛 사이의 에너지 상관관계를 통해 최적화된 3차원 자유형상 광학계의 단면 형상을 가질 수 있다.
또한, 3차원 자유형상 광학계는 하나의 자유형상 단면을 가진 자유형상 거울, 하나 이상의 자유형상 단면을 가진 자유형상 렌즈 및 자유형상 거울과 자유형상 렌즈의 조합 중 어느 하나를 포함하여 구성될 수 있다. 이러한 3차원 자유형상 광학계는 자유형상 단면을 통해 LED 단일 칩 또는 LED 어레이(610)에서 방출된 빛을 객체면에 초점을 맺게 하거나 가우시안(Gaussian), 베셀(Bessel) 및 플랫탑(Flat-top) 등의 분포를 갖는 평행광(collimated light)을 형성할 수 있다. 한편, LED 단일 칩 또는 LED 어레이(610) 및 3차원 자유형상 광학계에 대한 구성은 앞에서 설명하였으므로 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 여기서 3차원 자유형상 광학계는 LED 단일 칩 또는 LED 어레이(610)와 결합될 수 있다.
실시예에 따라 3차원 자유형상 광학계를 이용한 펄스 동작 가능한 고출력 LED 모듈은 LED 단일 칩 또는 LED 어레이(610)가 소정의 펄스폭(pulse duration)과 펄스반복비(pulse repetition rate)의 펄스 동작이 가능하도록 고속 스위칭 펄스 전류를 출력하는 LED 드라이버(630)를 더 포함할 수 있다. LED 드라이버에 의해 LED 단일 칩 또는 LED 어레이에서 방출된 빛이 자유형상 단면을 통과하거나 반사하여 펄스 형태로 객체면에 초점을 맺게 하거나 평행광(collimated light)을 형성할 수 있다.
또한, LED 드라이버(630)와 연결되어 파장별 선택적으로 펄스폭 및 펄스반복비를 제어하는 LED 컨트롤러(640)를 더 포함할 수 있다.
다시 말하면, LED 펄스 구동회로의 설계를 통해 펄스 동작이 가능한 고출력/고효율의 3차원 자유형상 광학계를 이용한 고출력 LED 모듈을 구현할 수 있다. 구현된 3차원 자유형상 광학계를 이용한 고출력 LED 모듈은 고속 스위칭 펄스 전류 LED 드라이버(630)를 이용하여 msec ~ fsec 범위의 펄스폭(pulse duration)과 KHz ~ GHz 레벨의 펄스반복비(pulse repetition rate)을 가질 수 있다.
또한, LED 컨트롤러(640)를 이용하여 파장별 선택적으로 펄스폭 및 펄스반복비 제어를 통해 LED 광원 모듈의 광 파워 제어 기술을 구현할 수 있다. 제안된 펄스 동작이 가능한 고출력 LED 광원 모듈은 기존의 레이저를 이용한 레이저 가공, 통신, 의료, 분석 기기 등 분야에 새로운 대체 광원으로 사용될 수 있다.
실시예들에 따르면 LED 광원에 최적화된 3차원 자유형상 광학계를 설계/제작/모듈화하여 수십
Figure 112019002759423-pat00033
이하의 초점지름과 수 MW/cm2 이상의 광 파워밀도를 제공하는 지향성 및 초점 응집성이 향상된 고출력 LED 광원 모듈을 제공할 수 있다. 특히, LED 광원 어레이에 최적화된 3차원 자유형상 광학계를 설계/제작/모듈화하여 가우시안(Gaussian), 베셀(Bessel) 및 플랫탑(Flat-top) 등의 분포를 가진 평행광(collimated light)을 형성할 수 있는 고출력 LED 모듈을 제공할 수 있다.
도 7은 일 실시예에 따른 3차원 자유형상 광학계의 구현 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 7을 참조하면, 일 실시예에 따른 3차원 자유형상 광학계의 구현 방법은, LED 단일 칩 또는 LED 어레이의 광 분포를 설정하고, 3차원 자유형상 광학계를 구성하는 하나 이상의 렌즈나 거울의 단면 또는 객체면에 대한 조도 분포를 설정하는 단계(S110), LED 단일 칩 또는 LED 어레이에서 방출된 빛과 객체면에 도달하는 빛 사이의 에너지 상관관계를 측정하는 단계(S120), 및 에너지 상관관계를 통해 객체면에 초점을 맺게 하거나 평행광(collimated light)을 형성할 수 있도록 최적화된 3차원 자유형상 광학계를 구성하는 하나 이상의 렌즈나 거울의 단면 형상을 설계하는 단계(S130)를 포함하여 이루어질 수 있다.
또한, 설계된 3차원 자유형상 광학계의 단면 형상을 결합한 후, 광선 추적 전산모사를 통해 검증하는 단계(S140), 광선 추적 전산모사를 통한 검증 결과에 따라 기설정된 요구조건을 만족하는지 여부를 확인하는 단계(S150), 및 요구조건을 만족하지 않는 경우, 요구조건을 만족하지 않는 경우, 피드백 루프를 통해 3차원 자유형상 광학계의 단면 형상을 보정하는 단계(S160), 제작 공차를 개선하는 단계(S170)를 더 포함할 수 있고, 제작 공차를 개선한 후 3차원 자유형상 광학계가 구현(S180)될 수 있다.
아래에서 일 실시예에 따른 3차원 자유형상 광학계의 구현 방법의 각 단계를 설명한다.
일 실시예에 따른 3차원 자유형상 광학계의 구현 방법은 도 4에서 설명한 일 실시예에 따른 3차원 자유형상 광학계의 구현 시스템을 예를 들어 보다 상세히 설명할 수 있다. 일 실시예에 따른 3차원 자유형상 광학계의 구현 시스템은 광 분포 및 조도 분포 설정부, 에너지 상관관계 측정부 및 광학계의 단면 형상 설계부를 포함하여 이루어질 수 있다. 실시예에 따라 3차원 자유형상 광학계의 구현 시스템은 광학계 검증부, 요구조건 확인부, 피브백 루프부 및 공차 개선부를 더 포함할 수 있다.
단계(S110)에서, 광 분포 및 조도 분포 설정부는 LED 단일 칩 또는 LED 어레이의 광 분포 및 객체면의 조도 분포를 설정할 수 있다. 즉, 광 분포 및 조도 분포 설정부는 LED 단일 칩 또는 LED 어레이의 광 분포를 설정하고, 3차원 자유형상 광학계를 구성하는 하나 이상의 렌즈나 거울의 단면 또는 객체면에 대한 조도 분포를 설정할 수 있다.
단계(S120)에서, 에너지 상관관계 측정부는 LED 단일 칩 또는 LED 어레이에서 방출된 빛과 객체면에 도달하는 빛 사이의 에너지 상관관계를 측정할 수 있다. 여기서, 3차원 자유형상 광학계는 하나 이상의 자유형상 단면을 포함하며, LED 단일 칩 또는 LED 어레이에서 방출된 빛이 하나 이상의 자유형상 단면을 차례로 통과 혹은 반사하여 객체면에 도달할 수 있다.
보다 구체적으로, 에너지 상관관계 측정부는 LED 단일 칩 또는 LED 어레이에서 방출된 빛과 자유형상 단면 사이의 관계를 설정할 수 있고, 자유형상 단면과 객체면 사이의 관계를 설정할 수 있다. 이는 도 5에서 상세히 설명하였다.
단계(S130)에서, 광학계의 단면 형상 설계부는 에너지 상관관계를 통해 최적화된 3차원 자유형상 광학계를 구성하는 하나 이상의 렌즈 혹은 거울의 단면 형상을 설계할 수 있다. 이에 따라 객체면에 초점지름이 수십
Figure 112019002759423-pat00034
이하로 초점을 맺게 하거나 가우시안(Gaussian) 분포, 베셀(Bessel) 분포 및 플랫탑(Flat-top) 분포 중 어느 하나의 분포를 갖는 평행광(collimated light)을 형성할 수 있다. 광학계의 단면 형상 설계부는 LED 단일 칩 또는 LED 어레이에서 방출된 빛에 대해 에너지 보존 법칙을 적용하고, 수치해석적으로 3차원 자유형상 광학계를 구성하는 하나 이상의 렌즈 혹은 거울의 자유형상 표면 형상을 획득할 수 있다. 여기서, 광학계의 단면 형상 설계부는 에너지 상관관계를 통해 복수의 3차원 자유형상 광학계를 구성하는 하나 이상의 렌즈 혹은 거울의 단면 형상을 설계할 수 있다. 즉, 광학계의 단면 형상 설계부는 하나 이상의 렌즈 혹은 거울로 구성된 자유형상 단면을 설계하여 이를 결합시킬 수 있다.
단계(S140)에서, 광학계 검증부는 설계된 3차원 자유형상 광학계의 단면 형상을 결합한 후, 광선 추적 전산모사를 통해 검증할 수 있다.
단계(S150)에서, 요구조건 확인부는 광선 추적 전산모사를 통한 검증 결과에 따라 기설정된 요구조건을 만족하는지 여부를 확인할 수 있다.
단계(S160)에서, 요구조건을 만족하지 않는 경우, 피드백 루프부는 피드백 루프를 통해 3차원 자유형상 광학계의 단면 형상을 보정할 수 있다. 피드백 루프 보정을 통해 LED 단일 칩 또는 LED 어레이에서 방출된 빛과 객체면에 도달하는 빛 사이의 에너지 상관관계 측정(S120)을 재수행함으로써 광학계를 구성하는 하나 이상의 렌즈 혹은 거울의 자유형상 단면을 보정할 수 있다.
단계(S170)에서, 요구조건을 만족하는 경우, 제작 공차를 개선할 수 있다.
이러한 방법에 따라 3차원 자유형상 광학계가 구현(S180)될 수 있다.
이상에서 설명된 장치는 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 컨트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPA(field programmable array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 상기 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 애플리케이션을 수행할 수 있다. 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다. 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 컨트롤러를 포함할 수 있다. 또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.
소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치에 구체화(embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.
실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (15)

  1. LED 단일 칩 또는 LED 어레이의 광 분포를 설정하고, 3차원 자유형상 광학계를 구성하는 하나 이상의 렌즈나 거울의 단면 또는 객체면(object plane)에 대한 조도 분포를 설정하는 단계;
    상기 LED 단일 칩 또는 상기 LED 어레이에서 방출된 빛과 상기 객체면에 도달하는 빛 사이의 에너지 상관관계를 측정하는 단계; 및
    상기 에너지 상관관계를 통해 상기 객체면에 초점을 맺게 하거나 평행광(collimated light)을 형성할 수 있도록 최적화된 상기 3차원 자유형상 광학계를 구성하는 하나 이상의 렌즈나 거울의 단면 형상을 설계하는 단계
    를 포함하고,
    상기 3차원 자유형상 광학계는,
    하나의 자유형상 단면을 가진 자유형상 거울, 하나 이상의 자유형상 단면을 가진 자유형상 렌즈 및 상기 자유형상 거울과 상기 자유형상 렌즈의 조합 중 어느 하나를 포함하며, 상기 LED 단일 칩 또는 상기 LED 어레이에서 방출된 빛을 상기 자유형상 단면을 통과시키거나 반사시켜 상기 객체면에 초점을 맺게 하거나 가우시안(Gaussian) 분포, 베셀(Bessel) 분포 및 플랫탑(Flat-top) 분포 중 어느 하나의 분포를 갖는 평행광(collimated light)을 형성하며,
    상기 최적화된 상기 3차원 자유형상 광학계를 구성하는 하나 이상의 렌즈나 거울의 단면 형상을 설계하는 단계는,
    상기 LED 단일 칩 또는 상기 LED 어레이에서 방출된 빛에 대해 에너지 보존 법칙을 적용하고, 수치해석적으로 상기 3차원 자유형상 광학계를 구성하는 하나 이상의 렌즈나 거울의 단면의 표면 형상을 획득하는 것
    을 특징으로 하는, 3차원 자유형상 광학계의 구현 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    설계된 상기 3차원 자유형상 광학계의 단면 형상을 결합한 후, 광선 추적 전산모사를 통해 검증하는 단계;
    상기 광선 추적 전산모사를 통한 검증 결과에 따라 기설정된 요구조건을 만족하는지 여부를 확인하는 단계;
    상기 요구조건을 만족하지 않는 경우, 피드백 루프를 통해 상기 3차원 자유형상 광학계의 단면 형상을 보정하는 단계; 및
    제작 공차를 개선하는 단계
    를 더 포함하는, 3차원 자유형상 광학계의 구현 방법.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 LED 단일 칩 또는 상기 LED 어레이에서 방출된 빛과 상기 객체면에 도달하는 빛 사이의 에너지 상관관계를 측정하는 단계는,
    상기 LED 단일 칩 또는 상기 LED 어레이에서 방출된 빛과 상기 3차원 자유형상 광학계의 상기 자유형상 단면 사이의 관계를 설정하는 단계; 및
    상기 자유형상 단면과 상기 객체면 사이의 관계를 설정하는 단계
    를 포함하는, 3차원 자유형상 광학계의 구현 방법.
  5. 삭제
  6. LED 단일 칩 또는 LED 어레이의 광 분포를 설정하고, 3차원 자유형상 광학계를 구성하는 하나 이상의 렌즈나 거울의 단면 또는 객체면(object plane)에 대한 조도 분포를 설정하는 광 분포 및 조도 분포 설정부;
    상기 LED 단일 칩 또는 상기 LED 어레이에서 방출된 빛과 상기 객체면에 도달하는 빛 사이의 에너지 상관관계를 측정하는 에너지 상관관계 측정부; 및
    상기 에너지 상관관계를 통해 상기 객체면에 초점을 맺게 하거나 평행광(collimated light)을 형성할 수 있도록 최적화된 상기 3차원 자유형상 광학계를 구성하는 하나 이상의 렌즈나 거울의 단면 형상을 설계하는 광학계의 단면 형상 설계부
    를 포함하고,
    상기 3차원 자유형상 광학계는,
    하나의 자유형상 단면을 가진 자유형상 거울, 하나 이상의 자유형상 단면을 가진 자유형상 렌즈 및 상기 자유형상 거울과 상기 자유형상 렌즈의 조합 중 어느 하나를 포함하며, 상기 LED 단일 칩 또는 상기 LED 어레이에서 방출된 빛을 상기 자유형상 단면을 통과시키거나 반사시켜 상기 객체면에 초점을 맺게 하거나 가우시안(Gaussian) 분포, 베셀(Bessel) 분포 및 플랫탑(Flat-top) 분포 중 어느 하나의 분포를 갖는 평행광(collimated light)을 형성하며,
    상기 광학계의 단면 형상 설계부는,
    상기 LED 단일 칩 또는 상기 LED 어레이에서 방출된 빛에 대해 에너지 보존 법칙을 적용하고, 수치해석적으로 상기 3차원 자유형상 광학계를 구성하는 하나 이상의 렌즈나 거울의 단면의 표면 형상을 획득하는 것
    을 특징으로 하는, 3차원 자유형상 광학계의 구현 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    설계된 상기 3차원 자유형상 광학계의 단면 형상을 결합한 후, 광선 추적 전산모사를 통해 검증하는 광학계 검증부;
    상기 광선 추적 전산모사를 통한 검증 결과에 따라 기설정된 요구조건을 만족하는지 여부를 확인하는 요구조건 확인부;
    상기 요구조건을 만족하지 않는 경우, 상기 3차원 자유형상 광학계의 단면 형상을 보정하는 피드백 루프부; 및
    제작 공차를 개선하는 공차 개선부
    를 더 포함하는, 3차원 자유형상 광학계의 구현 시스템.
  8. 삭제
  9. 제6항에 있어서,
    상기 에너지 상관관계 측정부는,
    상기 LED 단일 칩 또는 상기 LED 어레이에서 방출된 빛과 상기 3차원 자유형상 광학계의 상기 자유형상 단면 사이의 관계를 설정하고, 상기 자유형상 단면과 상기 객체면 사이의 관계를 설정하는 것
    을 특징으로 하는, 3차원 자유형상 광학계의 구현 시스템.
  10. 삭제
  11. LED 단일 칩 또는 LED 어레이; 및
    상기 LED 단일 칩 또는 상기 LED 어레이에서 방출된 빛을 통과시키거나 반사시키는 하나 이상의 자유형상 단면으로 구성된 3차원 자유형상 광학계
    를 포함하고,
    상기 LED 단일 칩 또는 상기 LED 어레이에서 방출된 빛이 상기 하나 이상의 자유형상 단면을 통과하거나 반사하여 객체면(object plane)에 도달하며,
    상기 3차원 자유형상 광학계는,
    상기 LED 단일 칩 또는 상기 LED 어레이에서 방출된 빛과 3차원 자유형상 광학계를 구성하는 하나 이상의 렌즈나 거울의 자유형상 단면 또는 상기 객체면에 도달하는 빛 사이의 에너지 상관관계를 통해 최적화된 상기 3차원 자유형상 광학계를 구성하는 하나 이상의 렌즈나 거울의 단면 형상을 가지며, 상기 에너지 상관관계를 통해 상기 객체면에 초점을 맺게 하거나 평행광(collimated light)을 형성할 수 있도록 최적화된 상기 3차원 자유형상 광학계를 구성하는 하나 이상의 렌즈나 거울의 단면 형상을 갖고,
    하나의 자유형상 단면을 가진 자유형상 거울, 하나 이상의 자유형상 단면을 가진 자유형상 렌즈 및 상기 자유형상 거울과 상기 자유형상 렌즈의 조합 중 어느 하나를 포함하며, 상기 자유형상 단면을 통해 상기 LED 단일 칩 또는 상기 LED 어레이에서 방출된 빛을 상기 객체면에 초점을 맺게 하거나 가우시안(Gaussian) 분포, 베셀(Bessel) 분포 및 플랫탑(Flat-top) 분포 중 어느 하나의 분포를 갖는 평행광(collimated light)을 형성하게 하며, 상기 LED 단일 칩 또는 상기 LED 어레이에서 방출된 빛에 대해 에너지 보존 법칙을 적용하고, 수치해석적으로 상기 3차원 자유형상 광학계를 구성하는 하나 이상의 렌즈나 거울의 단면의 표면 형상을 획득하는 것
    을 특징으로 하는, 3차원 자유형상 광학계를 이용한 고출력 LED 모듈.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 LED 단일 칩 또는 상기 LED 어레이가 소정의 펄스폭(pulse duration)과 펄스반복비(pulse repetition rate)의 펄스 동작이 가능하도록 고속 스위칭 펄스 전류를 출력하는 LED 드라이버
    를 더 포함하고,
    상기 LED 드라이버에 의해 상기 LED 단일 칩 또는 상기 LED 어레이에서 방출된 빛이 상기 자유형상 단면을 통과하거나 반사하여 펄스 형태로 상기 객체면에 초점을 맺게 하거나 평행광(collimated light)을 형성하는 것
    을 특징으로 하는, 3차원 자유형상 광학계를 이용한 고출력 LED 모듈.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 LED 드라이버와 연결되어 파장별 선택적으로 상기 펄스폭 및 상기 펄스반복비를 제어하는 LED 컨트롤러
    를 더 포함하는, 3차원 자유형상 광학계를 이용한 고출력 LED 모듈.
  14. 삭제
  15. 삭제
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2007142152A (ja) * 2005-11-18 2007-06-07 Sharp Corp 半導体発光装置
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