KR102125450B1 - 광변환부재 및 이를 포함하는 조명장치 - Google Patents

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Abstract

광변환부재 및 이를 포함하는 조명장치에 관한 것이다.
광변환부재는, 함몰부를 포함하며 레이저광이 입사하는 입사면, 그리고 상기 레이저광을 파장 변환하여 출사하는 출사면을 포함하며, 상기 함몰부의 형상은 상기 레이저광의 파면(wave front) 형상에 대응하여 형성된다.

Description

광변환부재 및 이를 포함하는 조명장치{Light conversion member and lighting device including the same}
본 발명은 광변환부재 및 이를 포함하는 조명장치에 관한 것이다.
발광 소자(luminous element)는 전기를 빛으로 변환하는 소자이다. 대표적인 발광 소자로는 발광 다이오드(Light Emitting Diode, LED), 레이저 다이오드(Laser Diode, LD), 레이저 등이 있다.
최근 고효율/저전력 광원에 대한 수요가 증가하면서, 레이저, 레이저 다이오드, 고전력 발광 다이오드 등에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다.
고효율/저전력의 광원은 일반적으로 파장이 500nm이하의 여기(excitation)광을 발광하며, 이는 형광체(Phosphor), 양자점(Quantum Dot) 등의 광변환부재에 의해 가시광선으로 변환되어 조명장치에 사용될 수 있다.
한편, 여기광은 광변환부재로 입사하면서 입사면에서의 프레넬(Fresnel) 반사에 의해 일부가 손실된다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 광변환부재로 입사되는 여기광의 입사효율을 향상시켜 여기광의 변환 효율을 향상시키는 광변환부재 및 이를 포함하는 조명장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면 광변환부재는, 함몰부를 포함하며 레이저광이 입사하는 입사면, 그리고 상기 레이저광을 파장 변환하여 출사하는 출사면을 포함하며, 상기 함몰부의 형상은 상기 레이저광의 파면(wave front) 형상에 대응하여 형성된다.
본 발명의 다른 실시 예에 따르면 광변환부재는, 복수의 회절 격자를 포함하며 레이저광이 입사하는 입사면, 그리고 상기 레이저광을 파장 변환하여 출사하는 출사면을 포함하며, 상기 회절 격자 간의 간격은 상기 레이저광의 지름에 대응하여 형성된다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 광변환부재의 입사면에 회절격자 또는 여기광의 파면 형상에 대응하는 함몰부를 형성함으로써, 입사면에서의 입광효율을 향상시키고 광 손실을 최소화함으로써 광변환부재의 변환 효율을 향상시키는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 조명장치의 일 예를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 조명장치의 다른 예를 도시한 것이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 광변환부재를 설명하기 위한 도면들이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 광변환부재의 효과를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 광변환부재를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 거리에 따른 레이저광의 파면 변화를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 레이저광의 가로 모드에 따른 빔 분포를 예로 들어 도시한 것이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 광변환부재의 입사면에 형성되는 곡면의 예들을 도시한 것이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제2, 제1 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제2 구성요소는 제1 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제1 구성요소도 제2 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
또한, 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 조명장치의 일 예를 도시한 것이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 조명장치는 광원(10), 광원(10)로부터 입사하는 광을 파장 변환하여 출사하는 광변환부재(20), 광변환부재(20)에서 출사되는 광을 반사하는 반사부재(30) 등을 포함할 수 있다.
광원(10)은 레이저 매질을 여기(광펌핑)하기 위한 발광 소자로서, 레이저광을 출사한다. 광원(10)으로부터 출사되는 레이저광은 여기광으로서, 이로 한정되는 것은 아니지만 500nm이하의 파장을 가질 수 있다.
광원(10)은 레이저(laser), 레이저 다이오드(Laser Diode, LD) 등을 포함할 수 있다.
광변환부재(20)는 광원(10)으로부터 출사되는 광의 진행경로(아래에서는 '광 경로'라 명명하여 사용함) 상에 배치되며, 광원(10)으로부터 출사되는 여기광을 파장 변환하는 기능을 수행한다. 이를 위해, 광변환부재(20)는 형광체(phosphor), 원격 형광체(remote phosphor) 양자점(Quantum Dot) 등을 포함할 수 있다.
광원(10)으로부터 출사된 여기광이 입사하는 광학변환부재(20)의 입사면에는 입광효율을 향상시키기 위한 반사방지(Anti-Reflection, AR)층이 형성될 수 있다.
반사부재(30)는 광변환부재(20)를 통과한 광을 반사하여 조명장치의 출력으로 내보내는 기능을 수행한다.
반사부재(30)는 내부면이 포물선(Parabolic) 형상인 곡면으로 마련되며, 내부면에 형성된 반사면을 통해 광을 반사하는 다초점 반사부재로 동작할 수 있다.
한편, 도 1의 구조를 가지는 조명장치에서, 광변환부재(20)는 원통 형상으로 마련되며, 파장이 변환된 광이 입사면을 제외한 나머지 면을 통해 전방위로 출사될 수 있다. 따라서, 전방위로 출사되는 광을 조명장치의 출력방향으로 모아주기 위해 반사부재(30)는 반사면이 광변환부재(20)의 외주면을 감싸도록 광축(Optic Axis, OA)을 중심으로 회전 대칭인 형상으로 마련될 수 있다. 여기서, 광축(OA)은 점광원으로부터 입체적인 출사 광속(luminous flux)의 중심에서의 광의 진행 방향을 나타내는 가상의 직선이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 조명장치의 다른 예를 도시한 것이다.
도 2를 참조하면, 조명장치는 도 1에 도시된 조명장치와는 달리 광원(10) 상에 광변환부재(20)가 배치되며, 광변환부재(20)는 고정부재(40)를 관통하도록 배치될 수 있다.
반사부재(30')는 고정부재(40) 상에 배치되며, 내부면이 포물선 형상 또는 타원형(Elliptical)인 곡면으로 이루어진다. 또한, 내부면에 광변환부재(20)에서 출사되는 광을 반사하는 반사면을 포함한다.
한편, 도 2의 구조를 가지는 조명장치에서, 광변환부재(20)는 직사각형 형상으로 마련되며, 하부면이 광원(10)으로부터 여기광이 입사하는 입사면으로 동작하고, 상부면이 파장 변환된 광이 출사되는 출사면으로 동작할 수 있다.
이에 따라, 반사부재(30')는 반사면이 광변환부재(20)의 출사면인 상부면만을 덮도록 광변환부재(20) 상에 마련되며 이에 따라 도 1에 도시된 반사부재(30)에 비해 광 방출 면적이 줄어드는 단점이 있다.
한편, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 광원(10)으로부터 여기된 광을 광변환부재(20)를 이용하여 파장 변환하여 사용하는 조명장치에서, 광원(10)으로부터 여기된 광은 광변환부재(20)로 입사하면서 입사면에서의 프레넬(Fresnel) 반사에 의해 일부가 손실되는 문제가 발생할 수 있다.
굴절률이 다른 매질의 계면에서의 반사계수와 투과계수 간의 관계를 정의한 프레넬 방정식에 따르면, 계면에서의 광의 입사각에 따라 투과율이 달라질 수 있다. 프레넬 방정식에 따르면, 계면에 대해 수직으로 입사하는 입사광의 경우 투과율이 100%이지만, 계면에 대해 수직을 벗어나 입사하는 입사광의 경우 입사각에 따라 투과율이 감소되어 광 손실이 발생하게 된다.
레이저광의 경우, 광원(10)으로부터 조사되면 직선으로 진행하지 않고 소정의 발산각을 가지고 진행한다. 이에 따라, 광원(10)으로부터 조사된 광 중 일부는 광변환부재(20)의 입사면에 수직이 아닌 입사각을 가지고 입사하게 된다. 프레넬 방정식에서 정의하는 바와 같이, 수직이 아닌 각도로 입사한 일부 광은 광변환부재(20)의 입사면에 의해 반사되어 광변환부재(20)의 변환 효율을 감소시키는 원인으로 작용할 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시 예들에서는 광변환부재의 입사면에 회절격자, 비구면의 함몰부 등을 형성하여 광변환부재의 입사면에 수직으로 입사하는 광을 증가시킴으로써, 반사광에 의한 광 손실을 최소화하고 광변환부재의 변환효율을 높인 조명장치를 제공한다.
아래에서는 필요한 도면들을 참조하여 본 발명의 실시 예들에 따른 광변환부재에 대하에 상세하게 설명하기로 한다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 광변환부재를 설명하기 위한 도면들이다. 또한, 도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 광변환부재의 효과를 설명하기 위한 도면이다.
도 3을 참조하면, 광변환부재(20)는 광원(10)으로부터 여기광이 입사하는 입사면에 적어도 하나의 회절격자(21)를 포함할 수 있다.
각 회절격자(21)는 광축(OA)에 수직인 단면상이 삼각형, 사각형, 원형, 타원형 등의 다양한 형상을 가질 수 있다.
또한, 각 회절격자(21)는 광축(OA)에 수평인 단면상이 삼각형, 반원형, 타원형 등의 다양한 형상을 가질 수 있다.
회절격자(21)는 광변환부재(20)의 입사면에 주기적으로 형성되어 주기적인 회절격자 패턴을 이루거나, 비주기적으로 형성되어 비주기적인 회절격자 패턴을 이룰 수도 있다.
회절격자(21)가 주기적인 패턴을 이루는 경우, 회절격자(21) 간 간격 즉, 회절격자(21)의 주기는 광원(10)에서 출사되는 펌프광의 지름에 따라서 다르게 설계될 수 있다.
광원(10)에서 출사되는 펌프광의 지름을 A라고 할 때, 회절격자(21) 간의 간격(B)은 아래의 수학식 1로 나타낼 수 있다.
Figure 112013111405808-pat00001
위 수학식 1을 참조하면, 광변환부재(20)의 광 입사효율을 향상시키기 위해서는, 펌프광의 입사영역에 최소한 두 개 이상의 회절격자가 포함될 필요가 있다.
한편, 도 4에 도시된 바와 같이, 광축(OA)에 수평인 회절격자(21)의 단면상이 삼각형이고, 회절격자(21)가 주기적으로 배치되어 주기적인 회절격자 패턴을 이루는 경우, 회절격자(21)의 높이(H)는 아래의 수학식 2에 의해 정의될 수 있다.
Figure 112013111405808-pat00002
위 수학식 2에 따르면, 회절격자(21)의 높이(H)는 회절격자(21)의 주기(B)와 회절격자(21)의 각도(θ_B)에 따라서 결정된다. 여기서, 회절격자(21)의 각도(θ_B)는 도 4에 도시된 바와 같이, 광축(OA)에 수직인 직선을 기준으로 회절격자(21)의 특정 선분이 이루는 기울기로 정의될 수 있다.
광축(OA)에 수평인 회절격자(21)의 단면상이 원형이고, 회절격자(21)가 주기적으로 배치되어 주기적인 회절격자 패턴을 이루는 경우, 회절격자(21)의 반지름(R)은 다음의 수학식 3으로 정의될 수 있다.
Figure 112013111405808-pat00003
또한, 광축(OA)에 수평인 회절격자(21)의 단면상이 타원형이고, 회절격자(21)가 주기적으로 배치되어 회절격자 패턴을 이루는 경우, 회절격자(21)의 장축(R_L)과 단축(R_S)은 다음의 수학식 4에 의해 정의될 수 있다.
Figure 112013111405808-pat00004
다시, 도 3을 보면, 복수의 회절격자(21)는 다양한 방식에 의해 형성될 수 있다.
예를 들어, 회절격자(21)는 홀로그램 방식 등의 형상 제어 방식으로 광변환부재(20)의 입사면에 형성될 수 있다. 또한, 예를 들어, 회절격자(21)는 굴절률 변조 방식에 의해 광변환부재(20)의 입사면에 형성될 수도 있다.
도 5는 도 3의 광변환부재의 효과를 설명하기 위한 도면으로서, (a)는 회절격자를 적용하기 전의 광변환부재의 평균 입광효율을 도시한 그래프이고, (b), (c) 및 (d)는 각각 회절격자의 기울기에 따른 광변환부재의 평균 입광효율을 도시한 그래프이다.
도 5의 (a)를 참조하면, 회절격자 패턴을 포함하지 않는 광변환부재의 경우, 입광효율이 급격히 감소하는 구간을 포함하고 있어 평균 입광효율의 대략 77%로 나타난다.
반면에, 회절격자가 적용된 광변환부재의 경우, 도 5의 (b), (c) 및 (d)에 도시된 바와 같이 입광효율의 편차가 크지 않고 전체적으로 입광효율이 향상됨을 알 수 있다. 특히, 회절격자의 기울기가 45도인 경우, 광변환부재의 평균 입광효율은 대략 92%로 회절격자를 적용하지 않은 경우에 비해 15% 가량 입광효율이 상승함을 알 수 있다.
한편, 광변환부재의 입사면에 회절격자와 반사 방지층을 모두 적용하는 경우, 광변환부재의 평균 입광효율은 98%까지 증가될 수 있다.
도 6은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 광변환부재를 설명하기 위한 도면이다. 또한, 도 7은 거리에 따른 레이저광의 파면 변화를 설명하기 위한 도면이다. 또한, 도 8은 레이저광의 가로 모드에 따른 빔 분포를 예로 들어 도시한 것이고, 도 9는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 광변환부재의 입사면에 형성되는 곡면의 예들을 도시한 것이다.
도 6을 참조하면, 광변환부재(20)는 광원(10)으로부터 여기광이 입사하는 입사면에 함몰부(23)를 포함할 수 있다. 함몰부(23)는 광변환부재(20)의 내부를 향해 함몰되어 형성된다.
함몰부(23)는 비구면을 포함하며, 비구면의 형상은 광원(10)으로부터 조사되는 레이저광의 파면(wave front) 형상에 대응하여 형성될 수 있다.
함몰부(23)는 레이저광의 파면 형상에 대응하여 적어도 하나의 요(凹)부를 포함할 수 있다. 또한, 함몰부(23)는 레이저광의 파면 형상에 대응하여 적어도 하나의 철(凸)부를 더 포함할 수도 있다.
레이저광은 도 7에 도시된 바와 같이, 광원(10)과 광변환부재(20) 간의 거리에 따라서 파면의 곡률 반경(Radius of curvature)이 변화한다. 따라서, 함몰부(23)를 형성하는 비구면의 형상은 곡률 반경은 광원(10)과 광변환부재(20) 간의 거리에 따라서 달라질 수 있다.
레이저광은 도 8에 도시된 바와 같이 대응하는 가우시안 모드에 따라서 서로 다른 강도(intensity) 분포를 가질 수 있다. 도 8의 (a)는 라게르(Laguerre) 가우시안 모드로서 원형편광을 포함하는 레이저광을 도시한 것이고, 도 8의 (b)는 허미트(hermite) 가우시안 모드로서 선형편광을 포함하는 레이저광을 도시한 것이다. 도 8을 참조하면, 각 가우시안 모드에서도 레이저광은 가로 모드(Transverse mode, TEMxy)에 따라서 서로 다른 강도 분포를 가질 수 있다.
레이저광의 강도 분포는 광변환부재(20)로 입사하는 레이저광의 파면 형상을 결정하는 요소로 작용한다. 따라서, 함몰부(23)를 형성하는 비구면의 형상은 광원(10)으로부터 조사되는 레이저광의 가우시안 모드와 가로 모드에 따라서 다르게 형성될 수 있다.
함몰부(23)를 형성하는 비구면의 형상은 아래의 수학식 5에 의해 정의될 수 있다.
Figure 112013111405808-pat00005
위 수학식 5는 비구면의 형상을 결정하는 곡률 반경 함수로서, R(z)는 가우시안 빔(Gaussian beam)의 거리에 따른 곡률 반경을 산출하는 곡률 반경 함수이다. 또한,
Figure 112013111405808-pat00006
은 함몰부(23)의 곡률 반경을 결정하는 상수로서,
Figure 112013111405808-pat00007
에 따라서 함몰부(23)에 포함되는 요(凹)부 또는 철(凸)부의 개수 및 크기가 달라질 수 있다.
Figure 112013111405808-pat00008
은 가우시안 모드와 가로 모드에 따라서 서로 다른 값을 가질 수 있다. 예를 들어,
Figure 112013111405808-pat00009
은 0.1 내지 10의 값을 가질 수 있다.
레이저 공진기의 최소차수 가로모드인 TEM00로 발생하는 레이저광은 광축(OA)에 수직인 단면상의 파동의 진폭 분포가 종 모양의 가우스 함수로 표시되는 가우시안 빔이다. 따라서, R(z)는 TEM00로 발생하는 레이저광의 거리에 따른 곡률 반경에 대응하며, 아래의 수학식 6으로 정의될 수 있다.
Figure 112013111405808-pat00010
여기서, z는 광원(10)과 광변환부재(20) 간의 거리이고, λ는 광원(10)으로부터 조사되는 레이저광의 파장이며, ω0는 레이저광의 빔 웨스트(waist)에 있어서의 스폿 사이즈(spot size)로 빔 반지름에 대응된다. 입광 효율이 최대가 되기 위해서는 ω 0는 아래의 수학식 7과 같이 정의될 수 있다.
Figure 112013111405808-pat00011
한편, 도 8의 (a)에 도시된 라게르 가우시안 모드에서의 TEM01*와 같이 강도 분포가 광축(OA)을 기준으로 회전 대칭인 경우, 레이저광의 파면 또한 광축(OA)을 기준으로 회전 대칭일 수 있다. 또한, 이에 대응하는 함몰부(23)의 비구면 또한 광축(OA)을 기준으로 회전 대칭일 수 있다.
이와 같이, 함몰부(23)의 비구면이 광축(OA)을 기준으로 회전대칭으로 마련되는 경우, 비구면의 X축과 Y축의 곡률 반경 모두 위 수학식 5를 적용하여 산출할 수 있다.
반면에, 도 8의 (a)에 도시된 라게르 가우시안 모드에서의 TEM00와 같이 강도 분포가 광축(OA)을 기준으로 회전 비대칭인 경우, 레이저광의 파면은 광축(OA)을 기준으로 회전 비대칭인 자유형태(Freeform)의 형상을 가질 수 있다. 또한, 이에 대응하는 함몰부(23)의 비구면 또한 광축(OA)을 기준으로 회전 비대칭인 자유형태(Freeform)의 형상을 가질 수 있다.
이와 같이, 함몰부(23)의 비구면이 광축(OA)을 기준으로 회전 비대칭으로 마련되는 경우, 비구면의 X축과 Y축은 서로 다른 곡률 반경이 적용되며, 비구면의 X축에서의 곡률 반경과 Y축에서의 곡률반경은 아래의 수학식 8을 이용하여 산출할 수 있다.
Figure 112013111405808-pat00012
여기서, R(z)는 가우시안 빔(Gaussian beam)의 거리에 따른 곡률 반경을 산출하는 함수이고,
Figure 112013111405808-pat00013
와
Figure 112013111405808-pat00014
는 각각 X축과 Y축에서의 곡률 반경을 결정하는 상수로서,
Figure 112013111405808-pat00015
와
Figure 112013111405808-pat00016
에 따라서 함몰부(23)에 포함되는 요(凹)부 또는 철(凸)부의 개수 및 크기가 달라질 수 있다.
Figure 112013111405808-pat00017
와
Figure 112013111405808-pat00018
는 레이저광의 가우시안 모드와 가로 모드에 따라서 서로 다른 값을 가질 수 있다. 예를 들어,
Figure 112013111405808-pat00019
와
Figure 112013111405808-pat00020
는 각각 0.1 내지 10의 값을 가질 수 있다.
한편, 함몰부(23)의 비구면이 광축(OA)을 기준으로 회전 대칭이거나 회전 비대칭인 것에 상관 없이, 함몰부(23)의 비구면은 X축 상이 단면상 또는 Y축 상의 단면상이 광축(OA)을 기준으로 대칭일 수 있다.
도 9는 전술한 수학식 5 내지 7을 적용하여 설계된 함몰부(23)의 단면 형상을 도시한 것으로서, 라게르 가우시안 모드의 레이저광이 입사하는 경우를 예로 들어 도시한 것이다. 또한, (a), (b) 및 (c)는 가로 모드가 TEM00, TEM01* 및 TEM10인 레이저광이 입사하는 경우를 도시한 것이다.
도 9를 참조하면, 함몰부(23)는 단면상이 광축(OA)을 기준으로 대칭인 비구면으로 마련되며, 레이저광의 가로 모드에 따라서 서로 다른 형상의 비구면을 포함할 수 있다.
또한, 함몰부(23)는 적어도 하나의 요(凹)부 또는 철(凸)부를 포함하며, 요(凹)부 및 철(凸)부의 개수 및 크기(폭)는 레이저광의 가로 모드에 따라서 달라질 수 있다. 또한, 함몰부(23)에 형성되는 요(凹)부 및 철(凸)부의 위치는 레이저광의 가로 모드에 따라서 달라진다.
예를 들어, 함몰부(23)는 도 9의 (a)에 도시된 바와 같이 TEM00에서는 종 모양의 가우시안 형상을 형성하여 중심부에 형성된 하나의 요(凹)부만을 포함하나, 도 9의 (b)에 도시된 바와 같이 TEM01*에서는 도넛(donut) 형상을 형성하여 요(凹)부외에 하나의 철(凸)부를 더 포함할 수 있다. 또한, 함몰부(23)는 도 9의 (c)에 도시된 바와 같이 다횡(multitransverse) 모드인 TEM10에서는 요(凹)부 및 철(凸)부의 개수가 증가하여 복수의 요(凹)부 및 복수의 철(凸)부를 포함할 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 다른 실시 예에서는 광변환부재(20)의 입사면에 레이저광의 파면 형상에 대응하는 함몰부를 형성함으로써, 광변환부재(20)의 입사면에 수직으로 입사하는 입사광의 비율을 증가시켜 입광효율을 증가시킬 수 있다. 광변환부재(20)의 입사면에 레이저광의 파면 형상에 대응하는 함몰부를 형성하는 경우, 광변환부재의 입광효율은 대략 95% 이상으로 증가하게 된다. 그리고, 함몰부를 포함하는 광변환부재(20)의 입사면에 반사 방지층을 코팅하는 경우, 입광 효율은 대략 99% 이상으로 증가하게 된다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (15)

  1. 레이저광을 조사하는 광원; 및
    상기 광원으로부터 입사되는 상기 레이저광을 파장 변환하여 출사하는 광변환부재를 포함하고,
    상기 광변환부재는 상기 레이저광이 입사되는 입사면 및 상기 레이저광을 파장 변환하여 출사하는 출사면을 포함하고,
    상기 입사면은 함몰부를 포함하고,
    상기 함몰부의 형상은 상기 광원과 상기 광변환부재 간의 거리에 따라서 다르게 형성되고,
    상기 함몰부의 형상은 상기 레이저광의 가우시안 모드에서의 파면(wave front) 형상과 같은 가우시안 형상인 조명장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 광변환부재를 통과한 광을 반사하는 반사부재를 포함하는 조명장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 반사부재는 내부면이 포물선 형상인 곡면인 조명장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 함몰부의 형상은 하기 수식 1의 곡률 반경 함수(R(
    Figure 112019119238884-pat00036
    ))를 만족하는 조명장치.
    [수식 1]
    Figure 112019119238884-pat00021

    여기서,
    Figure 112019119238884-pat00022
    상기 은 상기 함몰부의 곡률 반경을 결정하는 상수이고, 상기 R(z)는 하기 수식 2의 가우시안 빔의 곡률 반경 함수이며,
    [수식 2]
    Figure 112019119238884-pat00023

    여기서, 상기 z는 상기 광원과 상기 광변환부재 간의 거리이고, 상기 λ는 상기 레이저광의 파장이며, 상기 ω0는 상기 레이저광의 빔 웨스트(waist)에 있어서의 스폿 사이즈(spot size)를 나타낸다.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 함몰부는 적어도 하나의 요(凹)부 또는 철(凸)부를 포함하는 조명장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 함몰부에는 서로 다른 개수의 상기 요부 또는 상기 철부가 형성되는 조명장치.
  7. 삭제
  8. 삭제
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Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102294317B1 (ko) * 2015-01-30 2021-08-26 엘지이노텍 주식회사 발광 장치
US10047929B2 (en) * 2015-09-16 2018-08-14 James Redpath System and method of generating perceived white light
DE102015220948A1 (de) * 2015-10-27 2017-04-27 Osram Gmbh Beleuchtungsvorrichtung mit Pumpstrahlungsquelle
EP3425268B1 (en) * 2016-03-04 2020-01-01 Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. Wavelength conversion device and illuminating device
JP6776765B2 (ja) * 2016-09-26 2020-10-28 日亜化学工業株式会社 発光装置
US20240003513A1 (en) * 2020-11-16 2024-01-04 Ichikoh Industries, Ltd. Vehicle lamp

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102012112994A1 (de) 2012-12-21 2014-06-26 Osram Opto Semiconductors Gmbh Scheinwerfervorrichtung

Family Cites Families (27)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4200395A (en) * 1977-05-03 1980-04-29 Massachusetts Institute Of Technology Alignment of diffraction gratings
US7768023B2 (en) * 2005-10-14 2010-08-03 The Regents Of The University Of California Photonic structures for efficient light extraction and conversion in multi-color light emitting devices
US20060092644A1 (en) * 2004-10-28 2006-05-04 Mok Thye L Small package high efficiency illuminator design
US7310359B2 (en) * 2004-12-01 2007-12-18 Textron Systems Corporation Thermally self-correcting gain modules and associated systems and methods
US7889421B2 (en) * 2006-11-17 2011-02-15 Rensselaer Polytechnic Institute High-power white LEDs and manufacturing method thereof
DE102007025092A1 (de) * 2007-05-30 2008-12-04 Osram Opto Semiconductors Gmbh Lumineszenzdiodenchip
US7942556B2 (en) * 2007-06-18 2011-05-17 Xicato, Inc. Solid state illumination device
DE102008012316B4 (de) 2007-09-28 2023-02-02 OSRAM Opto Semiconductors Gesellschaft mit beschränkter Haftung Halbleiterlichtquelle mit einer Primärstrahlungsquelle und einem Lumineszenzkonversionselement
JP2009206228A (ja) * 2008-02-27 2009-09-10 Toshiba Corp 側面型発光装置及びその製造方法、照明装置
JP5216384B2 (ja) 2008-03-19 2013-06-19 株式会社東芝 発光装置
US8506103B2 (en) * 2008-11-26 2013-08-13 Keiji Iimura Semiconductor lamp and light bulb type LED lamp
US20100181582A1 (en) * 2009-01-22 2010-07-22 Intematix Corporation Light emitting devices with phosphor wavelength conversion and methods of manufacture thereof
JP5238618B2 (ja) * 2009-06-12 2013-07-17 スタンレー電気株式会社 半導体発光装置
KR20110103685A (ko) * 2010-03-15 2011-09-21 삼성엘이디 주식회사 광원 모듈 및 이를 구비하는 조명 장치
JP5666865B2 (ja) 2010-09-24 2015-02-12 カシオ計算機株式会社 光源ユニット及びプロジェクタ
US8610341B2 (en) * 2010-10-05 2013-12-17 Intematix Corporation Wavelength conversion component
CN102095099B (zh) * 2010-12-17 2013-01-23 北京控制工程研究所 一种交会对接远场标志灯
JP5848877B2 (ja) * 2011-02-14 2016-01-27 浜松ホトニクス株式会社 レーザ光整形及び波面制御用光学系
EP3544067B1 (en) 2011-05-16 2020-09-09 Nichia Corporation Light diode emitting device and method for manufacturing the same
JP5552573B2 (ja) * 2011-07-12 2014-07-16 パナソニック株式会社 光学素子及びそれを用いた半導体発光装置
CN102361057B (zh) * 2011-09-05 2014-06-25 上海交通大学 具有光栅的光学膜
US20130083541A1 (en) * 2011-10-03 2013-04-04 Yu-Bin Fang Optical lens, light-emitting diode optical component and light-emitting diode illumination lamp
KR101969334B1 (ko) 2011-11-16 2019-04-17 엘지이노텍 주식회사 발광 소자 및 이를 구비한 발광 장치
US8957580B2 (en) * 2012-02-13 2015-02-17 Cree, Inc. Lighting device including multiple wavelength conversion material layers
JP6164802B2 (ja) * 2012-05-28 2017-07-19 オリンパス株式会社 光源装置
CN103792766B (zh) * 2012-10-31 2016-06-01 深圳市绎立锐光科技开发有限公司 发光装置及相关投影系统
CN203273541U (zh) * 2013-05-10 2013-11-06 晶科电子（广州）有限公司 一种无透镜的超薄直下式背光模组

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102012112994A1 (de) 2012-12-21 2014-06-26 Osram Opto Semiconductors Gmbh Scheinwerfervorrichtung
US20150338044A1 (en) 2012-12-21 2015-11-26 Osram Gmbh Headlight Device

Also Published As

Publication number Publication date
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CN104696744A (zh) 2015-06-10
KR20150065317A (ko) 2015-06-15
EP2881658A3 (en) 2015-08-12
CN104696744B (zh) 2018-05-11

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