KR20050100495A - Ｌｅｄ 조명장치 및 이를 이용한 광학계 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 LED의 빛을 합성하여 광효율을 향상시킨 LED 조명장치 및 이를 이용한 광학계에 관한 것으로, 영상을 표시하는데 필요한 주광원을 발생하는 영상기기의 조명장치에 있어서, 발생하고자 하는 주광원에 인접한 서로 다른 파장의 서브 광원을 발생하는 적어도 두 개 이상의 LED(Light Emitting Diode)로 이루어진 광 발생부, 상기 광 발생부에서 발생된 서로 다른 파장의 서브 광원을 합성하여 이를 주광원으로 출사하는 광 합성장치를 포함하여 구성되는데 특징이 있다. 따라서, 본 발명은 광 합성수단을 통해 LED의 에턴듀(Etendue) 문제를 극복함으로써 LED를 이용한 조명장치 뿐 아니라 이를 적용한 광학계의 광 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

ＬＥＤ 조명장치 및 이를 이용한 광학계{Illumination Device Using Light-Emitting Diode and Optical Device Using The Same}
본 발명은 조명 광학계에 관한 것으로, 특히 LED를 이용한 조명 광학계에 관한 것이다.
최근 위성 및 디지털 방송이 본격적으로 추진되면서 고해상도를 갖는 대형화면 디스플레이에 대한 수요와 관심이 증가함으로서 프로젝션 및 프로젝터에 대한 기대와 역할이 매우 중요시되고 있다.
이와 아울러 고해상도를 가지면서 고휘도, 고선명 화상정보에 대한 요구가 더욱 강해지고 있으며, 높은 광 이용 효율을 가지는 새로운 광학 시스템에 대한 연구도 다양하게 진행되고 있다.
일반적으로, 투사형 영상표시기기는 투사광학계를 이용하여 화상을 확대 투사하는 기기로서, 그 예로서는 LCD 프로젝터(Liquid Crystal Display Projector)와 CRT 프로젝터(Cathode Ray Tube Projector), DLP 프로젝터(Digital Light Processing Projector) 등이 있다.
상기한 프로젝터에 이용되는 광원은 대표적으로 램프가 사용되고 있으며, 패널의 종류에 따라 반사형과 투과형으로 구분할 수 있다. 이때, 램프는 화이트 광원이기 때문에 색을 분리/합성하기 위한 장치를 필요로 하게 된다.
또한, LCD 프로젝터의 경우 R/G/B 3 색의 컬러 필터를 장착한 LCD 1장으로 이루어진 단판식과, 광원인 램프에서 발광된 백색광을 다이크로익 미러(Dichroic Mirror)를 통해 R/G/B로 분리한 다음 각 광로에 배치된 모노 LCD를 거쳐 색선별 프리즘에 의해 재합성되어 투사렌즈를 통해 스크린에 투사하는 방식인 3판식으로 나뉜다.
일반적인 반사형 광학장치와 투과형 광학장치를 설명하면 다음과 같다.
도 1a는 일반적인 단판식 반사형 광학장치를 도시한 것으로, 이를 참조하여 반사형 광학장치를 설명한다.
먼저, 광원인 램프(11)에서 나오는 백색광은 칼라 스위치(Color Switch) 또는 칼라 휠(Color Wheel)(12)을 통해 적색(R), 녹색(G) 및 청색(B)의 광을 순차적으로 투과하게 된다.
이때, 상기 칼라 스위치 또는 칼라 휠(12)에 의해 색 분리된 광은 인터그레이터(Integrator)(13)로 입사되어 내부에서 여러 번 전반사 시킴으로써 출사광의 균일(Uniformity) 및 성형(Shaping)을 한다.
그리고, 상기 인터그레이터(13)를 거쳐 출사된 광은 균일하게 조명계 렌즈(14)로 진행되어 광을 집속시키게 된다.
상기 조명계 렌즈(14)를 거쳐 집속된 광은 LCD 패널(15) 이전에 PBS(16)에서 편광 분리되어, S 편광상태의 빛은 LCD 패널(15)로 향하게 되지만, P 편광 상태의 빛은 버려지게 된다.
이어서, 상기 LCD 패널(15)의 인가전압에 따라 변조된 광들은 PBS(16)를 통과하게 되고 프로젝션 렌즈(17)를 통해서 스크린 상에 투사하게 된다.
도 1b는 일반적인 투과형 광학장치로, 이를 참조하여 투과형 광학장치를 설명한다.
먼저, 조명계인 램프(21)에서 나오는 광은 FEL(Fly Eye Lens)(22)로 투과되어 광의 균일(Uniformity)을 높여주고, 상기 FEL(22)를 거쳐 투사된 광은 조명계 렌즈(23)를 통해 집속되게 된다.
상기한 조명영역(21, 22, 23)을 통해 출사되는 광은 먼저, 색광 분리수단인 적색광 반사미러(24)에서 청색과 녹색광은 투과하고 적색광은 반사한다. 이어 반사된 적색광은 다음 단에 있는 반사미러(27)에서 반사되어 적색광용 액정부(30)에 도달한다.
한편, 상기 적색광 반사미러(24)에서 투사된 청색광 및 녹색광은 다시 색광 분리수단인 녹색광 반사미러(25)에 의해 녹색광은 반사되고 청색광은 투과한다.
이어 반사된 녹색광은 녹색광용 액정부(31)에 도달하고, 상기 녹색광 반사미러(25)에 의해 투과된 청색광은 다음 단에 위치하는 반사미러(26)에서 반사되어 청색광용 액정부(32)에 도달한다.
그리고, 상기 적색/녹색/청색광용 액정부(30, 31, 32)는 각각의 색광을 변조하여 각 색광에 대응한 화상 정보를 포함한 후에, 변조한 색광을 색광 합성 수단인 크로스 다이크로익 프리즘(33)에 입사된다.
상기 크로스 다이크로익 프리즘(33)은 각각의 변조 색광을 합성하여 칼라 화상을 형성한 후 프로젝션 렌즈(34)에 의해 스크린 상에 투영되어 투사화상을 형성한다.
앞서 기술한 반사형 또는 투과형 광학장치는 화이트 광원을 사용하기 때문에 색을 분리한 후 영상을 처리하고 이를 투사렌즈를 통해 투사시켜 영상을 보여주는 방식을 적용하므로 복잡한 광학 부품의 구성을 갖게 된다.
또한, 램프의 분광 특성으로 인하여 빛을 효율적으로 사용하지 못하기 때문에 최적의 화이트 색 좌표를 얻을 수 없는 문제가 있었다.
그리고, 단판식 패널의 경우 색과 영상신호와의 일치를 위해 동기를 맞추어 주어야 하기 때문에 시스템 제어가 복잡하였다.
한편, LED(Light-Emitting Diode)는 현재까지 그 특성상 조명하는 출사각이 커서 광학 시스템(Projection System)에서 사용할 경우 에텐듀(Etendue) 문제가 발생하여 효율적으로 광을 사용하지 못하는 결과를 초래하였다.
에텐듀 정의식은 하기 수학식 1과 같다.
단, dA는 광원의 단위면적이고, d OMEGA 는 광원의 단위 Solid Angle이며, theta 는 광원의 법선 방향과 Solid Angle 중심과 이루는 각이다.
상기한 정의식에 따른 평면에서의 에턴듀는 하기 수학식 2와 같이 정의된다.
즉, LED를 이용한 광학 시스템의 경우에서 광원의 면적이 넓고 출사하는 광이 큰 각을 이루고 방사한다면 어떠한 광학계를 사용하더라도 이를 극복할 수 없는 물리적인 양이 된다.
따라서, 단위 면적당 LED에서 출사하는 광량이 많던가 아니면 출사하는 광의 각도 분포가 작아야만 효율적인 광학계를 구성할 수 있다는 의미가 된다.
현재 제작되고 있는 LED는 광량을 올리기 위해서는 단위 면적당 효율을 높이거나 발광면적을 높이고 출사하는 광의 각도 분포를 줄여 총체적인 광효율을 높이는 작업을 진행하고 있으나 기존의 램프를 사용하는 시스템에 비해서 상당히 비효율적인 편이다.
결과적으로, 필요한 광량을 얻기 위해서 다수 개의 LED를 사용할 수 있으나, 에텐듀 영향으로 선형적으로 광량이 증가하지 못하는 문제를 안고 있다.
따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, LED의 빛을 합성하여 광효율을 향상시킨 LED 조명장치 및 이를 이용한 광학계를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 LED 조명장치는 영상을 표시하는데 필요한 주광원을 발생하는 영상기기의 조명장치에 있어서, 발생하고자 하는 주광원에 인접한 서로 다른 파장의 서브 광원을 발생하는 적어도 두 개 이상의 LED(Light Emitting Diode)로 이루어진 광 발생부, 상기 광 발생부에서 발생된 서로 다른 파장의 서브 광원을 합성하여 이를 주광원으로 출사하는 광 합성장치를 포함하여 구성되는데 그 특징이 있다.
여기서, 상기 주광원은 적색(RED), 녹색(GREEN), 청색(BLUE) 중 어느 하나에 해당하는 파장을 가지는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 광 발생부는 상기 주광원의 파장에 인접한 제 1 파장을 갖는 서브 광원을 발생하는 제 1 LED와, 상기 주광원의 파장에 인접하고 상기 제 1 파장과 상이한 제 2 파장을 갖는 서브 광원을 발생하는 제 2 LED로 구성되는데 특징이 있다.
그리고, 상기 광 합성장치는 상기 광 발생부로부터 입사되는 서브 광원의 파장에 따라 입사광을 반사 또는 투과하는 다이크로익 미러(Dichroic Mirror)임을 특징으로 한다.
그리고, 상기 광 합성장치는 상기 제 1 LED에서 발생되는 제 1 파장의 서브광원을 제 1 방향으로 투과시키고 상기 제 2 LED에서 발생되는 제 2 파장의 서브광원을 상기 제 1 방향과 동일한 방향으로 반사시켜 상기 제 1 및 제 2 LED에서 발생되는 서브광원을 합성하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 LED 조명장치를 이용한 광학계는 적색 파장에 인접한 서로 다른 파장의 광원을 발생하는 두 개 이상의 LED를 구비하고 상기 두 개 이상의 LED에서 발생되는 광원을 합성하여 적색 광원을 발생하는 적색 조명장치, 녹색 파장에 인접한 서로 다른 파장의 광원을 발생하는 두 개 이상의 LED를 구비하고 상기 두 개 이상의 LED에서 발생되는 광원을 합성하여 녹색 광원을 발생하는 녹색 조명장치, 청색 파장에 인접한 서로 다른 파장의 광원을 발생하는 두 개 이상의 LED를 구비하고 상기 두 개 이상의 LED에서 발생되는 광원을 합성하여 청색 광원을 발생하는 청색 조명장치, 상기 적색, 녹색 및 청색 조명장치로부터 발생되는 적색, 녹색, 청색 광원을 이용하여 영상을 표시하기 위한 표시 패널, 상기 표시 패널에 표시된 영상을 스크린에 확대 투사하기 위한 투사렌즈로 구성되는데 그 특징이 있다.
본 발명의 다른 목적, 특성 및 잇점들은 첨부한 도면을 참조한 실시예들의 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.
본 발명에 따른 LED 조명장치 및 이를 이용한 광학계의 바람직한 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명에 따른 LED를 이용한 조명장치 구성을 나타낸 도면이다.
도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 LED 조명장치는 영상을 표시하는데 필요한 주광원을 발생하는 영상기기의 조명장치에 있어서, 발생하고자 하는 주광원에 인접한 서로 다른 파장의 서브 광원을 발생하는 적어도 두 개 이상의 LED(Light Emitting Diode)로 이루어진 광 발생부(110, 120), 상기 광 발생부(110, 120)에서 발생된 서로 다른 파장의 서브 광원을 합성하여 이를 주광원으로 출사하는 광 합성장치(400)로 구성된다.
LED를 같은 공간 혹은 평면상에 배치할 경우 에텐듀(Etendue) 증가에 따라 빛을 효율적으로 사용할 수 없게 되나, 본 발명은 광 합성장치(400)를 통해 동일한 에텐듀의 광을 증폭하는데 특징이 있다.
최근, LED는 여러 파장의 종류가 소개되고 있으며 각종 LED에 대해 도 3에 도시한 바와 같은 파장 분포를 갖고 있다.
도 3에 도시한 LED 파장 분포에서도 알 수 있듯이 적/녹/청색 각각의 색에 대해 다른 중심파장을 갖는 LED를 쉽게 얻을 수 있다.
그리고, 적색(RED), 녹색(GREEN), 청색(BLUE)에 해당하는 광원을 발생하기 위해 적/녹/청색에 대해 인접한 서로 다른 파장을 갖는 LED를 만들 수 있다.
본 발명은 필요한 광원(적색/녹색/청색)에 대해 인접한 파장의 서로 다른 LED 광을 합성하여 같은 에텐듀에서 광을 증폭할 수 있도록 한 것이다.
먼저, 적색 광원을 만들기 위한 LED 조명장치의 실시예를 도 2와 도 3을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
적색 광원으로 이용되는 적황색(RED ORANGE)을 만들기 위한 조명장치의 경우, 627㎚의 중심파장을 갖는 RED LED(110)와 590㎚의 중심파장을 갖는 AMBER LED(120)을 사용한다.
그리고, 상기 RED LED(110)와 AMBER LED(120)에서 발생되는 광을 해당 인터그레이터(210, 220)를 이용하여 빛의 균질도(Uniformity)를 높이고 이를 조명 렌즈(310, 320)를 거쳐 광을 확대시킨 후 광 합성장치(400)를 통해 빛을 합성시키게 된다.
이때, 상기 광 합성장치(Beam Combiner)(400)는 RED LED(110)에서 발생되는 광을 제 1 방향으로 투과시키고 AMBER LED(120)에서 발생되는 광을 제 1 방향과 동일한 방향으로 반사시킬 수 있도록 만들어진 다이크로익 미러(Dichroic Mirror) 등을 이용한다. 즉, LED 광의 파장에 따른 투과 및 반사 특성을 가지는 수단이면 가능하다.
도 2의 실시예에서는, RED LED(110)을 입사면 쪽에 위치시켜 RED 광을 특정 방향으로 투과시키고 AMBER LED(120)을 출사면 쪽에 위치시켜 AMBER 광을 상기 RED 광의 투과방향과 동일한 방향으로 반사시켜 이를 합성하게 되므로 하나의 광으로 출사되게 된다.
상기 광 합성장치(400)를 통해 합성된 빛은 RED 광과 AMBER 광이 합성되어 RED ORANGE에 해당하는 파장을 갖게 되며, RED ORANGE 광은 반사형 패널 또는 투과형 패널 등에 조명되어 영상을 구현하게 된다.
즉, 영상을 표시하기 위한 패널(도시 생략) 측에서는 RED LED 광과 AMBER LED 광이 합성되어 하나의 광으로 들어오기 때문에 동일한 에텐듀를 가지며 광량은 약 2배정도 증가하는 효과를 가져오게 된다.
그리고, 색에 대해서는 627㎚와 590㎚를 합성한 것으로 이들 중간의 파장 값을 사용하게 된다.
RED LED 광과 AMBER LED 광이 중심파장만 다를 뿐 광 분포가 동일하다면 그 합성 파장이 608.5㎚(=(627+590)/2)의 값을 갖게 되는데 종래의 램프에 의한 RED광에 비해 일반적으로 색 순도가 좋게 된다.
녹색이나 청색 광원에 대해서도, 상기와 동일한 방법으로 빛을 합성할 수가 있으며 RED ORANGE와 유사한 결과를 얻을 수 있어 이를 이용하여 광학 시스템 구현을 가능케 할 수 있다.
예를 들어, 도 3의 파장 분포를 갖는 LED가 존재할 경우, 녹색 광원을 만들기 위해서는 녹색(Green)에 인접한 청록색(Cyan) LED와 황색(Amber) LED를 이용하고, 청색 광원을 만들기 위해서는 청색(Blue)에 인접한 감청색(Royal Blue) LED와 청록색(Cyan) LED를 이용할 수 있다.
즉, 적색광원을 만드는 적색 조명장치와, 녹색광원을 만드는 녹색 조명장치와, 청색광원을 만드는 청색 조명장치를 동시에 이용하면, R/G/B 주광원을 영상을 표시하기 위한 패널에 조명하여 영상을 만든 후 프로젝션 렌즈에 의해 스크린 상에 확대 투사하게 된다.
따라서, 본 발명은 LED의 에텐듀 문제를 해결하기 위해 주광원(R/G/B)의 파장에 인접한 두 개 이상의 LED 광을 합성하여 동일한 에텐듀에서 광량을 증폭시켜 광 효율을 증가시킨다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 LED 조명장치와 이를 이용한 광학계는 다음과 같은 효과 있다.
본 발명은 광 합성수단을 통해 LED의 에턴듀(Etendue) 문제를 극복함으로써 LED를 이용한 조명장치 뿐 아니라 이를 적용한 광학계의 광 효율을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.
이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술 사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다.
따라서, 본 발명의 기술적 범위는 실시예에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의하여 정해져야 한다.
도 1a 및 도 1b는 일반적인 반사형 광학장치와 투과형 광학장치의 구성도를 나타낸 도면
도 2는 본 발명에 따른 LED를 이용한 조명장치의 구성을 나타낸 도면
도 3은 LED 색상별 파장 분포를 나타낸 도면
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
110, 120: LED 210, 220: 인터그레이터
310, 320: 조명 렌즈 400: 광 합성장치

Claims (6)

  1. 영상을 표시하는데 필요한 주광원을 발생하는 영상기기의 조명장치에 있어서,
    발생하고자 하는 주광원에 인접한 서로 다른 파장의 서브 광원을 발생하는 적어도 두 개 이상의 LED(Light Emitting Diode)로 이루어진 광 발생부,
    상기 광 발생부에서 발생된 서로 다른 파장의 서브 광원을 합성하여 이를 주광원으로 출사하는 광 합성장치를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 LED 조명장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 주광원은
    적색(RED), 녹색(GREEN), 청색(BLUE) 중 어느 하나에 해당하는 파장을 갖는 것을 특징으로 하는 LED 조명장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 광 발생부는
    상기 주광원의 파장에 인접한 제 1 파장을 갖는 서브 광원을 발생하는 제 1 LED와,
    상기 주광원의 파장에 인접하고 상기 제 1 파장과 상이한 제 2 파장을 갖는 서브 광원을 발생하는 제 2 LED로 구성됨을 특징으로 하는 LED 조명장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 광 합성장치는
    상기 광 발생부로부터 입사되는 서브 광원의 파장에 따라 입사광을 반사 또는 투과하는 다이크로익 미러(Dichroic Mirror)임을 특징으로 하는 LED 조명장치.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 광 합성장치는
    상기 제 1 LED에서 발생되는 제 1 파장의 서브광원을 제 1 방향으로 투과시키고 상기 제 2 LED에서 발생되는 제 2 파장의 서브광원을 상기 제 1 방향과 동일한 방향으로 반사시켜 상기 제 1 및 제 2 LED에서 발생되는 서브광원을 합성하는 것을 특징으로 하는 LED 조명장치.
  6. 적색 파장에 인접한 서로 다른 파장의 광원을 발생하는 두 개 이상의 LED를 구비하고 상기 두 개 이상의 LED에서 발생되는 광원을 합성하여 적색 광원을 발생하는 적색 조명장치,
    녹색 파장에 인접한 서로 다른 파장의 광원을 발생하는 두 개 이상의 LED를 구비하고 상기 두 개 이상의 LED에서 발생되는 광원을 합성하여 녹색 광원을 발생하는 녹색 조명장치,
    청색 파장에 인접한 서로 다른 파장의 광원을 발생하는 두 개 이상의 LED를 구비하고 상기 두 개 이상의 LED에서 발생되는 광원을 합성하여 청색 광원을 발생하는 청색 조명장치,
    상기 적색, 녹색 및 청색 조명장치로부터 발생되는 적색, 녹색, 청색 광원을 이용하여 영상을 표시하기 위한 표시 패널,
    상기 표시 패널에 표시된 영상을 스크린에 확대 투사하기 위한 투사렌즈로 구성됨을 특징으로 하는 LED 조명장치를 이용한 광학계.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20110032339A (ko) * 2009-09-22 2011-03-30 엘지전자 주식회사 영상투사장치

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