KR20060129449A

KR20060129449A - 집광 조명 시스템

Info

Publication number: KR20060129449A
Application number: KR1020067018309A
Authority: KR
Inventors: 알리 알. 코너
Original assignee: 쓰리엠 이노베이티브 프로퍼티즈 컴파니
Priority date: 2004-02-11
Filing date: 2004-12-13
Publication date: 2006-12-15
Also published as: US7427146B2; WO2005083472A1; JP2007524975A; CN1914520A; US20050174775A1; EP1733255A1; TW200536147A

Abstract

광원 모듈(72)과, 볼록면(74b) 및 오목면(74a)을 갖는 제1 메니스커스 렌즈(74)와, 볼록면(76b) 및 오목면(76a)을 갖는 제2 메니스커스 렌즈를 포함하는 집광 조명 시스템이 개시된다. 제2 메니스커스 렌즈(76)의 오목면(76a)은 제1 메니스커스 렌즈(74)의 볼록면(74b)에 인접하고, 제1 메니스커스 렌즈(74)의 오목면(74a)은 광원 모듈(72)과 대면하여 그로부터 수광한다. 또한, 복수의 광원 모듈과, 광원 모듈과 각각 관련된 복수 쌍의 메니스커스 렌즈를 포함하는 광학 소자들의 시스템을 포함하는 집광 조명 시스템이 개시된다.

집광기, 광원 모듈, 메니스커스 렌즈, 렌즐릿, 영상 형성 장치, 조명 시스템

Description

집광 조명 시스템 {Light-Collecting Illumination System}

본 발명은 예를 들어 프로젝션 및 백라이팅 시스템 내에서 사용될 수 있는 집광 조명 시스템에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 하나 이상의 광원으로부터 광을 수집하여 그러한 광을 조명 목표물을 향해 유도하는 조명 시스템에 관한 것이다.

조명 시스템은 프로젝션 디스플레이, 액정 디스플레이(LCD)용 백라이트 등을 포함한 다양한 용도를 갖는다. 프로젝션 시스템은 보통 광원, 조명 광학 장치, 영상 형성 장치, 프로젝션 광학 장치, 및 프로젝션 스크린을 포함한다. 조명 광학 장치는 광원으로부터 광을 수집하여, 이를 소정의 방식으로 하나 이상의 영상 형성 장치로 유도한다. 전자식으로 조절되며 처리되는 디지털 시각 신호에 의해 제어되는 영상 형성 장치(들)는 시각 신호에 대응하는 영상을 생성한다. 프로젝션 광학 장치는 그 다음 영상을 확대하여, 이를 프로젝션 스크린 상으로 투사한다. 아크 램프와 같은 백색 광원은 컬러 휠과 함께, 프로젝션 디스플레이 시스템용 광원으로서 널리 사용되었고 여전히 사용되고 있다. 그러나, 최근에, 발광 다이오드(LED)가 대안으로 도입되었다. LED 광원의 몇몇 장점은 더 긴 사용 시간, 더 높은 효율, 및 우수한 열적 특징을 포함한다.

디지털 광 처리 시스템 내에서 자주 사용되는 영상 형성 장치의 일례는 디지털 미세 거울 장치(DMD)이다. DMD의 주요 특징은 회전 가능한 미세 거울의 어레이이다. 각각의 거울의 기울기는 반사된 광을 조향하고 시각 데이터의 화소를 프로젝션 스크린 상의 화소에 공간적으로 매핑하도록, 각각의 거울과 관련된 메모리 셀 내로 로딩된 데이터에 의해 독립적으로 제어된다. ON 상태에서 거울에 의해 반사된 광은 프로젝션 광학 장치를 통과하고 스크린 상으로 투사되어, 밝은 구역을 생성한다. 다른 한편으로, OFF 상태에서 거울에 의해 반사된 광은 프로젝션 광학 장치를 피해서, 어두운 구역을 생성한다. 컬러 영상 또한 예를 들어 컬러 시퀀싱을 이용하는 하나의 DMD를 사용하여, 또는 각각의 원색에 대해 하나씩 3개의 DMD를 사용하여 생성될 수 있다.

영상 형성 장치의 다른 예는 실리콘 상층 액정(LCOS) 장치와 같은 액정 패널을 포함한다. 액정 패널에서, 액정 재료의 정렬은 시각 신호에 대응하는 데이터에 따라 증분식으로 (화소 대 화소로) 제어된다. 액정 재료의 정렬에 따라, 입사광의 편광이 액정 구조에 의해 변경될 수 있다. 따라서, 편광기 또는 편광 광선 분할기의 적절한 사용에 의해, 입력 시각 데이터에 대응하는 어둡고 밝은 영역이 생성될 수 있다. 컬러 영상은 DMD와 유사한 방식으로 액정 패널을 사용하여 형성되었다.

LCD 백라이트는 전통적으로 냉음극 형광 램프(CCFL)와 같은 하나 이상의 광원을 포함했다. 전형적인 직접 조명 백라이트는 보통 LCD 후방에 위치된 광원들의 어레이 또는 단일 연장 광원을 포함한다. 백라이트에 의해 발생된 광은 보통 증가된 균일성을 위해 확산되고, 컬러 영상이 필요하면, LCD의 적색, 녹색, 및 청색 화 소에 대응하는 적색, 녹색, 및 청색 필터의 어레이로 유도된다. 적색, 녹색, 및 청색 화소는 전달된 적색, 녹색, 및 청색 성분을 입력 영상 데이터에 따라 변조한다.

프로젝션 및 백라이팅 시스템과 같은 광학 시스템의 성능은 복수의 파라미터에 의해 특징지어질 수 있고, 그 중 하나는 투과량(etendue)이다. 투과량(ε)은 다음의 공식을 사용하여 계산될 수 있다.

여기서, Ω는 (스테라디안 단위의) 방출 또는 수용의 입체각이고, A는 수신기 또는 방출기의 면적이고, θ는 방출 또는 수용각이고, NA는 개구수이다.

광학 시스템의 특정 소자의 투과량이 상류 광학 소자의 투과량보다 작으면, 오정합은 광 손실을 일으킬 수 있고, 이는 광학 시스템의 효율을 감소시킨다. 따라서, 광학 시스템의 성능은 보통 최소의 투과량을 갖는 소자에 의해 제한된다. 광학 시스템 내의 투과량 하락을 감소시키기 위해 전형적으로 채용되는 기술은 시스템의 효율(lm/w)을 증가시키고, 광원 크기를 감소시키고, 광선 입체각을 감소시키고, 추가의 구경 조리개의 도입을 회피하는 것을 포함한다.

조명 시스템 내에서 사용되는 전통적인 광학 장치는 다양한 구성을 포함했지만, 그의 축이탈(off-axis) 성능은 좁게 맞춰진 범위 내에서만 만족스러웠다. 이러한 그리고 다른 단점은 예를 들어 복잡한 비구면 표면 및 많은 소자들의 복잡한 조합의 이용을 포함한, 광학 소자 및 시스템의 복잡한 설계를 유발했다. 또한, 전통적인 조명 시스템 내의 광학 장치는 불충분한 집광 특징을 나타냈다. 특히, 광 원의 출력의 상당 부분이 대부분의 LED에 대한 경우인, 광학 축으로부터 먼 각도로 방출되면, 종래의 조명 시스템은 그러한 광의 대부분을 포착하는데 실패한다.

더욱이, 전통적인 조명 시스템은 보통 예를 들어 수차로 인해 비교적 부족한 촬상 특징을 갖는다. 특히, 이는 상이한 파장의 여러 광원들을 조합하기 위한 프로젝션 및 백라이팅 용도로 사용되는 대부분의 전통적인 반사기 및/또는 집광기에 대한 경우이다. 또한, 몇몇의 전통적인 반사식 시준기, 예를 들어 타원 및 포물선 반사기가 허용 가능한 집광 특징을 갖지만, 그러한 반사기는 보통 회전 대칭 바이어스에 의해 특징지어진다. 그러한 바이어스는 대체로 광원 상의 지점과 목표물 평면 상의 지점 사이의 전체적인 대응의 부족은 물론 결과적인 영상의 라운딩을 생성하여, 차수의 상실 및 투과량의 하락을 일으킨다.

본 발명은 광원 모듈, 제1 메니스커스 렌즈, 및 제2 메니스커스 렌즈를 포함하는 조명 시스템에 관한 것이다. 제2 메니스커스 렌즈의 오목면은 제1 메니스커스 렌즈의 볼록면에 인접하고, 제1 메니스커스 렌즈의 오목면은 광원 모듈과 대면하여 그로부터 수광한다. 제1 메니스커스 렌즈는 제2 메니스커스 렌즈와 접촉할 수 있고, 제1 및 제2 메니스커스 렌즈들은 광학적으로 투명한 재료에 의해 서로 유지될 수 있다.

본 발명의 몇몇 예시적인 실시예에서 사용하기에 적합한 광원 모듈은 방출 표면과, 방출 표면 위에 배치된 대체로 광학적으로 투명한 돔(dome)을 포함한다. 본 발명의 다른 예시적인 실시예에서 사용하기에 적합한 광원 모듈은 방출 표면과, 방출 표면 위에 배치된 피라미드형 집광기를 포함한다. 피라미드형 집광기는 대체로 정사각형인 근위 단부와 대체로 사각형인 말단부를 가질 수 있지만, 피라미드형 집광기의 다른 구성이 본 발명의 범주 내에 있다.

또는, 본 발명의 몇몇 예시적인 실시예에서 사용하기에 적합한 광원 모듈은 서로 나란하게 배치된 복수의 방출 표면을 포함하고, 제1 메니스커스 렌즈의 오목면이 광원 모듈의 방출 표면과 대면한다. 방출 표면들 중 적어도 2개는 상이한 컬러를 가질 수 있다. 예를 들어, 예시적인 광원 모듈은 원색일 수 있는 제1, 제2, 및 제3 컬러의 방출 표면을 가질 수 있다.

본 발명은 또한 복수의 광원 모듈과, 광원 모듈과 각각 관련된 복수 쌍의 메니스커스 렌즈와 같은 광학 소자들의 시스템을 포함하는 조명 시스템에 관한 것이다. 각각의 제2 메니스커스 렌즈의 오목면은 각각의 제1 메니스커스 렌즈의 볼록 표면에 인접하고, 각각의 제1 메니스커스 렌즈의 오목 표면은 관련된 광원 모듈과 대면한다. 복수 쌍의 메니스커스 렌즈는 대체로 이중층 육각형 또는 사각형 조밀 어레이로서 구성될 수 있고, 복수의 광원 모듈은 렌즈의 구성을 대체로 따르도록 배치된다.

복수의 광원 모듈은 비방사상 대칭 개구 내에 배치될 수 있다. 예를 들어, 각도를 이루어 조명되도록 배치되고 피벗 축에 대해 회전 가능한 복수의 거울을 갖는 영상 형성 장치를 포함하는 조명 시스템은 긴 치수 및 짧은 치수를 갖고 긴 치수가 영상 형성 장치의 거울의 피벗 축과 정렬되도록 배향된 비방사상 대칭 개구를 가질 수 있다. 그러한 실시예의 각각의 광원 모듈은 방출 표면과, 방출 표면 위에 배치된 대체로 광학적으로 투명한 돔 또는 피라미드형 집광기를 포함할 수 있다.

피라미드형 집광기를 포함하는 본 발명에 따라 구성된 예시적인 조명 시스템에서, 각각의 피라미드형 집광기는 대체로 정사각형 근위 단부 및 대체로 사각형 말단부를 가질 수 있다. 그러나, 피라미드형 집광기의 다른 구성 또한 본 발명 내에 있다. 본 발명에 따라 구성된 조명 시스템은 조명 목표물을 추가로 포함할 수 있고, 광학 소자들의 시스템은 각각의 피라미드형 집광기의 말단부를 조명 목표물 상으로 촬상하도록 구성될 수 있다.

본 발명의 몇몇 예시적인 실시예에서, 광원 모듈은 서로 나란하게 배치된 복수의 방출 표면을 각각 갖고, 각각의 제1 메니커스 렌즈의 오목면은 관련된 광원 모듈의 방출 표면과 대면한다. 방출 표면들 중 적어도 2개는 상이한 컬러를 가질 수 있다. 예를 들어, 예시적인 광원 모듈은 원색일 수 있는 제1, 제2, 및 제3 컬러의 방출 표면을 가질 수 있다. 그러한 광원 모듈을 이용하는 예시적인 조명 시스템은 제1, 제2, 및 제3 컬러 구역을 갖는 조명 목표물을 추가적으로 포함할 수 있고, 광학 소자들의 시스템은 제1, 제2, 및 제3 컬러의 방출 표면을 조명 목표물의 각각의 컬러 구역 상으로 촬상할 수 있다. 광학 소자들의 시스템은 조명 목표물와 복수 쌍의 메니스커스 렌즈 사이에 배치된 렌즈형 어레이를 또한 포함할 수 있다.

본 발명의 조명 시스템의 이러한 그리고 다른 태양은 도면과 함께 다음의 상세한 설명으로부터 당업자에게 쉽게 명백해질 것이다.

당업자가 본 발명을 어떻게 이루고 사용할 지를 더욱 쉽게 이해하도록, 본 발명의 예시적인 실시예가 도면을 참조하여 아래에서 상세하게 설명될 것이다.

도1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따라 구성된 조명 시스템의 개략적인 단면도이다.

도2a는 비대칭 콘트라스트 향상 개구의 형상에 대체로 근사화되록 배열된, 관련 광학 소자들을 갖는 광원 모듈의 어레이의 개략적인 정면도이다.

도2b는 본 발명의 적절한 예시적인 실시예 내에 포함될 수 있는, 렌즈들의 육각형으로 조밀하게 충진된 어레이의 확대된 정면도이다.

도3은 광원 모듈 및 관련 렌즐릿(lenslet)을 도시하는, 본 발명의 예시적인 실시예에 따라 구성된 조명 시스템의 일부의 확대된 단면도이다.

도4a는 피라미드형 집광기 및 관련 렌즐릿을 도시하는, 본 발명의 다른 예시적인 실시예에 따라 구성된 조명 시스템의 일부의 확대된 단면도이다.

도4b는 예시적인 피라미드형 집광기의 전방을 통한 예시적인 광원 모듈의 방출 표면의 개략적인 정면도이다.

도5는 백라이팅 용도에 대해 특히 유용한, 본 발명의 다른 예시적인 실시예에 따라 구성된 조명 시스템의 개략적인 단면도이다.

도6은 프로젝션 용도에 대해 특히 유용한, 본 발명의 다른 예시적인 실시예에 따라 구성된 조명 장치의 개략적인 단면도이다.

도7은 상이한 컬러의 방출 표면들을 갖는 광원 모듈의 사용을 도시하는, 본 발명의 예시적인 실시예의 일부의 개략도이다.

도8은 상이한 컬러의 방출 표면들을 갖는 광원 모듈을 이용하는 본 발명의 예시적인 실시예에 따라 구성된 조명 시스템의 개략적인 단면도이다.

도9는 상이한 컬러의 방출 표면들을 갖는 광원 모듈을 이용하는 본 발명의 다른 예시적인 실시예에 따라 구성된 조명 시스템의 개략적인 단면도이다.

이제 유사한 도면 부호가 유사한 요소를 표시하는 도면을 참조하면, 도1은 프로젝션 용도에 대해 사용될 수 있는, 본 발명의 조명 시스템의 예시적인 실시예를 개략적으로 도시한다. 도1에 도시된 조명 시스템(10)은 광원 모듈(72, 72', 72")에 의해 도시된 광원 모듈의 세트(12)와, 광학 소자들의 시스템(15)을 포함한다. 하나 이상의 광원 모듈이 현재 상업적으로 구입 가능한 LED 광원과 같은 LED 광원을 포함할 수 있다. 당업자는 증가된 효율 및 출력을 갖는 LED가 개발되어 완성되면, 높은 최대 출력을 갖는 LED가 보통 양호하므로, 그러한 LED가 본 발명의 예시적인 실시예에서 유리하게 사용될 것이라고 이해할 것이다. 또는, 유기 발광 다이오드(OLED), 수직 공동 표면 발광 레이저(VCSEL), 또는 다른 적합한 발광 장치가 사용될 수 있다.

광원 모듈 세트(12)는 어레이로서 구성될 수 있고, 72, 72', 72"와 같은 광원 모듈들은 함께 또는 개별적으로 하나 이상의 기판 상에 장착될 수 있어서, 광원 모듈에 의해 발생된 열은 기판(들)의 재료에 의해 쉽게 발산될 수 있다. 광원 모듈을 장착하기에 적합한 기판의 예는 금속 코어 인쇄 회로 보드와 같은 인쇄 회로 보드, 구리 트레이스를 갖는 폴리이미드 필름과 같은 가요성 회로, 세라믹 기판 등 을 포함한다. 당업자는 광원 모듈 세트(12) 및 72, 72', 72"과 같은 개별 광원 모듈의 많은 구성이 본 발명의 범주 내에 있다는 것을 이해할 것이다. 또한, 광원 모듈의 개수 및 유형은 용도, 원하는 시스템 구성, 시스템의 치수, 및 시스템의 출력 휘도에 따라 변할 수 있다.

도1에 도시된 예시적인 실시예에서, 광학 소자들의 시스템(15)은 렌즐릿(74, 74', 74")을 포함하는 제1 렌즈 세트(14), 렌즐릿(76, 76', 76")을 포함하는 제2 렌즈 세트(16), 및 콘덴서(18)를 포함한다. 광원 모듈의 개수와 유사하게, 세트(14, 16) 내의 렌즐릿의 개수는 용도, 원하는 시스템 구성, 및 원하는 시스템 치수에 따라 변할 수 있다. 콘덴서(18)는 평볼록 렌즈이거나 그를 포함할 수 있다. 또는, 콘덴서는 수차를 감소시키기 위한 메니스커스 렌즈, 또는 출력 광의 원하는 특징에 따른 임의의 다른 유형의 렌즈 또는 렌즈들일 수 있거나 그를 포함할 수 있다. 광학 소자들의 시스템(15)은 특정 용도에 대해 유용할 수 있는 바와 같이, 콘덴서(18)에 추가하여 또는 그 대신에 다른 구성요소를 포함할 수 있고, 예를 들어 상이한 컬러의 광선들을 분리하거나 조합하기 위한 색선별 거울을 포함할 수 있다.

본 발명의 적절한 실시예에서, 각각의 광원 모듈은 집광을 용이하게 하고 원하는 촬상 특징을 달성하기 위해 그와 관련된 광학 소자 또는 소자들을 갖는다. 예를 들어, 도1에 도시된 예시적인 실시예에서, [하나는 세트(14)로부터 다른 하나는 세트(16)로부터인] 한 쌍의 렌즐릿이 세트(12)로부터의 각각의 광원 모듈과 관련된다. 특히, 도1은 광원 모듈(72)과 관련된 렌즐릿(74, 76), 광원 모듈(72')과 관련된 렌즐릿(74', 76'), 및 광원 모듈(72")과 관련된 렌즐릿(74", 76")을 도시한 다. 렌즈 세트(14, 16)는 광원 모듈 세트(12)의 구성을 대체로 따르는 구성을 갖는 이중층 조밀 어레이로서 구성될 수 있다.

광원 모듈 세트의 예시적인 구성은 또한 조명 시스템의 이론적인 원형 진입 동공(2) 및 광원 모듈 세트(12')를 적절하게 위치시킴으로써 형성된 진입 동공을 나타내는 방사상 대칭 개구(4)를 도시하는 도2a에 도시되어 있다. 이러한 그리고 유사한 구성은 각도를 이루어 조명을 받는 하나 이상의 DMD를 이용하며 광원과 영상 형성 장치 사이에 개재된 (아래에서 설명되는) 광 터널이 없는 프로젝션 시스템에서 특히 유리하다. 대체로, 그러한 시스템에서, 조명 각도와 거울 프레임으로부터, OFF 상태의 거울 아래로부터, 그리고 편평 또는 전이 상태의 거울로부터의 반사에 의한 투사 동공 내로 산란되는 광량 사이에 강한 의존성이 있다. 조명 각도를 증가시키는 것을 콘트라스트를 증가시키지만, 아울러 투사 동공에 대한 조명 동공의 오프셋을 야기하여, 프로젝션 광학 장치의 개구수가 그에 따라 증가되지 않으면, 구경식을 도입한다. 그러나, 프로젝션 광학 장치의 개구가 구경식을 회피하기 위해 증가되면, 이는 (ON도 아니고 OFF도 아닌) 더욱 편평한 상태 또는 전이 반사 및 DMD 둘레로부터의 미광을 집광하여 이를 스크린으로 통과시킬 수 있고, 따라서 콘트라스트를 개선하는 초기 의도를 잠재적으로 훼손한다.

아크 램프를 이용하는 전통적인 조명 시스템에서, 이러한 문제점은 ON 상태 반사와 중첩되는 편평 상태 반사의 적어도 일부를 차단하기 위해 조명 동공 내에 단절 구경 조리개를 위치시킴으로써 처리되었다. 그러나, 최근에, DMD 프로젝션 시스템의 콘트라스트는 비대칭 구경 조리개에 의해 향상될 수 있다는 것이 입증되 었다. 그의 내용이 본 발명과 모순되지 않을 정도로 본원에서 전체적으로 참조된 미국 특허 제5,442,414호는 긴 치수 및 짧은 치수를 갖는 콘트라스트 향상 비대칭 개구를 설명하고, 긴 치수는 거울의 피벗 축과 정렬된다.

따라서, 본 발명의 적절한 예시적인 실시예에서, 광원 모듈 세트(12')의 구성은 개별 광원 모듈이 비방사상 대칭 개구(4)로서 도시된 최고의 콘트라스트를 갖는 동공의 영역 내에 대체로 배치되도록 선택될 수 있고, 이에 의해 조명 에너지를 절약하고 사용되는 광원 모듈의 개수를 감소시킨다. 광원 모듈과 관련된 광학 소자 세트(13)의 구성은 이에 따라 선택될 수 있으며, 양호하게는 광원 모듈 세트(12')의 구성을 따르고, 따라서 후자는 또한 도2a에 도시된 바와 같이, 비방사상 대칭 개구에 대체로 근사화된 전체적인 형상을 가질 것이다. 특정 용도와, 비용은 물론 조명 목표물의 형상 및 크기와 같은 다른 고려에 따라, 대체로 사각형 또는 정사각형 형상을 갖는 어레이와 같은 광원 모듈 세트 및 광학 소자 세트의 다른 구성, 예를 들어 도1에 도시된 렌즈(14, 16) 세트 또한 본 발명의 범주 내에 있다.

도2b는 렌즈 세트(14, 16)의 예시적인 구성(58)의 정면도를 도시한다. 구성(58)에서, 74, 74', 74"와 같은 렌즈 세트(14)의 렌즐릿들은 예를 들어 약 18 mm의 대체로 둥근 외경을 갖는 대체로 동일한 형상 및 크기일 수 있다. 렌즐릿(76, 76', 76")과 같은 렌즈 세트(16)의 렌즐릿들 또한 예를 들어 약 20 mm의 짧은 대각선 및 약 23 mm의 긴 대각선을 갖는 대체로 육각형 형상인, 대체로 동일한 형상 및 크기를 가질 수 있다. 세트(14)로부터의 렌즐릿의 외측 치수는 광원 모듈 세트(12)로부터의 광의 원하는 양을 집광하기에 충분히 커야 하고, 세트(16)로부터의 렌즐릿의 외측 치수는 세트(14)를 빠져나온 광의 원하는 양을 포착하기에 충분히 커야 한다. 몇몇 예시적인 실시예에서, 세트(14, 16) 내의 개별 렌즐릿은 제2 어레이가 양호하게는 간극 영역을 최소화하도록 맞춰져야 하므로, 모서리 세부를 제외하고는 동일한 일반적 형상 및 구성을 가질 수 있다.

렌즐릿(74, 74', 74"; 76, 76', 76")과 같은 세트(14, 16)의 렌즐릿은 양호하게는 대체로 도3에 도시된 렌즐릿(74, 76)으로서 구성된 메니스커스 렌즈이다. 도3은 또한 이러한 예시적인 실시예에서, 기부(722), 방출 표면(724), 및 대체로 광학적으로 투명한 돔(726)을 포함하는 광원 모듈(72)을 도시한다. 상업적으로 구입 가능한 LED 광원 모듈은 본 발명의 적절한 실시예에서 사용될 수 있고, 그러한 조명 시스템을 비교적 저렴하고, 콤팩트하며, 사용하기 편리하게 만든다. 방출 표면(724)은 LED의 방출 표면 또는 표면들, 인 층, 또는 임의의 다른 방출 재료이거나 그를 포함할 수 있다. 당업자는 "방출 표면"이라는 용어가 대체로 광학적으로 투명한 재료 내로 캡슐화된 발광 반도체 층 또는 칩의 임의의 표면 부분과 같은, 광원 모듈의 임의의 방출 표면을 지칭하도록 사용될 수 있다.

일례로, 렌즐릿(74, 76)의 치수는 약 8.8 mm의 중심 두께, 오목 표면의 약 -55 mm 반경, 및 약 -10 mm의 반경 및 약 -0.55의 원추 상수를 갖는 (일반적인 비구면 방정식에 의해 설명되는) 비구면 볼록 표면을 포함한다. 볼록 표면은 수차를 감소시키고 결과적인 광 손실을 회피하기 위해 비구면으로 만들어진다. 선택적으로, 오목 표면도 비구면으로 만들어질 수 있다. 그러나, 그러한 렌즈의 성능은 볼록 표면의 형상에 의해 더 크게 영향을 받는다. 그럼에도 불구하고, 당업자는 렌 즐릿의 전체적인 형상 및 크기가 특정 용도, 시스템의 구성, 및 시스템의 크기에 따라 변할 수 있다는 것을 쉽게 이해할 것이다. 렌즈의 재료는 양호하게는 아크릴이지만, 폴리카보네이트, 폴리스티렌, 유리 또는 임의의 다른 적합한 재료도 사용될 수 있다. 통상, 더 높은 굴절 지수를 갖는 재료가 양호하지만, 궁극적으로 선택은 비용, 성형성, 광학 접착제 또는 에폭시와의 굴절 지수 정합의 용이성 등과 같은 특정 용도에 대해 중요한 인자에 따라 이루어질 것이다.

본 발명의 적절한 실시예에서, 오목면(74a) 및 볼록면(74b)을 갖는 렌즐릿(74)은 오목면(74a)이 대체로 방출 표면(724)과 대면하도록, 광원 모듈(72) 이전에 배치된다. 오목면(76a) 및 볼록면(76b)을 갖는 렌즐릿(76)은 오목면(76a)이 볼록면(74b)에 인접하도록 배치된다. 양호하게는, 렌즐릿(76)의 오목면(76a)은 집광 효율을 최대화하기 위해 렌즐릿(74)의 볼록면(74b)과 직접 접촉하지만, 몇몇 실시예에서, 렌즐릿들은 약 4 mm까지의 거리로 분리될 수 있으며 여전히 허용 가능한 집광 특징을 가질 수 있다. 더 큰 간격도 본 발명 내에 있지만, 그러한 구성은 간격이 렌즐릿(76)의 다른 치수를 증가시키지 않고서 증가되면, 감소된 집광 효율을 갖기 쉽다. 렌즐릿(74, 76)들을 서로 더 가까이 위치시키고 렌즐릿(76)의 직경을 증가시키는 것은 보통 더 넓은 범위의 각도 내에서의 집광을 허용하고 그 반대도 가능하다는 것이 당업자에 의해 이해될 것이다. 렌즐릿들은 렌즐릿의 재료에 대해 대체로 지수 정합되는 적합한 광학 접착제 또는 에폭시에 의해 서로 유지된다.

또한, 도1 및 도3을 참조하면, 본 발명의 몇몇 예시적인 실시예에서, 광학 소자들의 시스템(15)은 광원 모듈의 방출 표면들 중 하나 이상, 예를 들어 광원 모 듈(72)의 방출 표면(724)을 조명 목표물(17) 상으로 촬상한다. 조명 목표물(17)의 특성은 특정 용도에 따라 변할 것이다. 예를 들어, 도1에서, 조명 목표물(17)는 단지 예시적인 목적으로, 광 터널(19)의 진입부인 것으로 도시되어 있다.

본 발명의 적절한 예시적인 실시예에서 사용하기에 적합한 광 터널은 예를 들어 미국 특허 제5,625,738호 및 제6,332,688호에 설명되어 있고, 이들의 개시 내용은 본 발명과 모순되지 않을 정도로 본원에서 전체적으로 참조되었다. 광 터널은 72, 72', 72"와 같은 발광 모듈의 출력을 균질화하도록 사용되고, 따라서 방출 표면의 정밀한 촬상이 광 터널을 이용하는 예시적인 실시예에서 필요하지 않다. 광 터널(19)은 그를 통해 광을 전달하기 위한 총 내부 반사에 의존하는 입체 유리 막대로 구성된 거울 터널, 예를 들어 사각형 터널, 중실 또는 중공, 또는 신장된 터널일 수 있다. 당업자는 광 터널의 입력 및 출력 단부에 대한 많은 형상 조합이 가능하다는 것을 이해할 것이다.

다른 예시적인 실시예에서, 조명 목표물(17)는 영상 형성 장치, 예를 들어 DMD, 액정 패널, 또는 액정 디스플레이의 하나 이상의 화소 또는 컬러 구역일 수 있다. 그러한 실시예에서, 더욱 정밀한 촬상이 필요할 수 있다. 또한, 그러한 실시예는 하나 이상의 DMD를 이용하는 프로젝션 시스템 내에서 사용될 때, 도2a에 도시된, 콘트라스트 향상 비대칭 개구의 형상에 대체로 근사화되도록 광원 모듈을 배열하는 것으로부터 이점을 얻을 것이다.

광원 모듈(72, 72', 72")의 방출 표면과 같은, 광원 모듈의 방출 표면은 조명 시스템(10)의 성능을 개선하기 위해 특정 형상이 주어질 수 있다. 예를 들어, 방출 표면들 중 하나 이상은 목표물(17)의 형상과 대체로 정합되도록 형성될 수 있다. 특히, 목표물(17)가 광 터널(19)의 정사각형 진입부이면, 광원 모듈의 방출 표면들 중 하나 이상 또한 통상 정사각형으로 형성될 수 있다. 다른 한편으로, 목표물(17)가 (보통 고해상도 텔레비전에서의 경우인) 약 16:9의 종횡비를 갖는 사각형 영상 형성 장치이면, 광원 모듈의 방출 표면들 중 하나 이상 또한 통상 양호하게는 대략 동일한 종횡비를 갖는 사각형으로서 형성될 수 있다. 또는, 대체로 정사각형 방출 표면의 영상들은 사각형 조명 목표물을 대체로 충전하도록 조밀하게 충진될 수 있다. 방출 표면 및 조명 목표물의 다른 일반적인 형상이 본 발명의 범주 내에 있다는 것이 당업자에 의해 쉽게 이해될 것이다.

또한, 도1을 참조하면, 광학 소자들의 시스템(15)은 방출 표면의 영상을 적절하게 확대하도록 설계되고 구성될 수 있다. 전형적인 프로젝션 디스플레이의 성능은 보통 이러한 예시적인 실시예에서, 발광 모듈의 하나 이상의 방출 표면들의 중첩된 영상들에 의해 형성되는 조명 패치에 의한 조명 목표물의 일정량의 과충전으로부터 이점을 얻거나, 몇몇 경우에는 그를 요구한다. 예를 들어, 약 20.0 x 12.0 mm의 촬상 장치에 대해, 조명 패치는 각각의 축 내에서 약 10% 더 크거나, 약 22.0 x 13.2 mm일 수 있다. 몇몇 예시적인 실시예에서, 예를 들어 기계적 오정렬을 수용하도록, 과충전의 양을 모든 측면 상에서 대체로 동일하게 만드는 것이 바람직하다. 그러한 경우에, 광원 모듈의 방출 표면들 중 하나 이상은 원하는 형상의 영상을 생성하기 위해, 조명 목표물와 종횡비가 약간 다르게 만들어질 수 있다. 또는, 광학 소자들의 시스템은 원통형 렌즈 또는 방출 표면(들)의 영상(들)을 원하 는 일반적인 형상 또는 종횡비로 변환할 수 있는 다른 비원형 대칭 광학 장치를 포함할 수 있다. 또한, 원한다면, 적색, 녹색, 및 청색, 또는 다른 원색과 같은 상이한 컬러의 방출 표면들의 영상들은 아래에서 도시되고 설명되는 바와 같은 색선별 조합 거울들에 의해 조합되거나 중첩될 수 있다.

도4a는 본 발명의 적절한 실시예에서 사용하기에 적합한 광원 모듈의 다른 예시적인 구성을 도시한다. 도4a에 도시된 광원 모듈(82)은 기부(822)와, 하나 이상의 방출 표면, 예를 들어 방출 표면(824)과, 방출 표면(824) 위에 장착된 짧은 피라미드형 집광기(827)를 포함한다. 짧은 피라미드형 집광기(827)는 양호하게는 예를 들어 아크릴, 폴리카보네이트, 유리 또는 다른 적합한 재료로 만들어진 대체로 광학적으로 투명한 물품이고, 그의 측면들은 피라미드형 집광기 내에서의 광의 총 내부 반사를 생성하기에 충분히 큰 각도로 하나 이상의 방출 표면으로부터 방출되는 광에 대한 단순한 반사기로서 작동한다.

방출 표면(824)이 (여러 방출 표면, 즉 여러 LED 다이를 가질 수 있는) LED의 방출 표면이면, 피라미드형 집광기(827)는 양호하게는 방출 표면 또는 표면들 위에 위치되어, 적합한 대체로 광학적으로 투명한 결합 재료에 의해 기부(822)에 부착되거나 그 위에 직접 성형되어, 광원 모듈(82)의 전체 방출 표면(824) 또는 복수의 방출 표면과 접촉하여 그를 덮는다. 결합 재료는 피라미드형 집광기의 재료의 굴절 지수에 따라 선택되어야 한다. 결합 재료의 굴절 지수가 피라미드형 집광기 재료의 굴절 지수보다 높으면, 방출되는 광의 상당 부분이 그들의 접합부에서의 반사로 인해 손실될 수 있다. 따라서, 양호하게는, 결합 재료의 굴절 지수는 더욱 효율적인 집광을 용이하게 하기 위해, 피라미드형 집광기의 굴절 지수와 대체로 정합되거나 그보다 약간 더 높다. LED의 방출 표면과 피라미드형 집광기 사이의 에어 갭의 최소화 또는 제거 또한 집광 효율을 향상시킨다.

도4b는 이러한 예시적인 실시예에서, 방출 표면(824)과 대면하는 대체로 정사각형인 근위 단부(825) 및 방출 표면(824)으로부터 멀리 대면하는 대체로 사각형인 말단부(829)를 갖는 피라미드형 집광기(827)의 전방을 통해 본, 방출 표면(824)에 의해 예시된, 광원 모듈의 방출 표면을 도시한다. InGaN의 활성 표면과 같은, 약 1 mm의 측면을 갖는 대체로 정사각형인 외측 형상을 갖는 방출기에 대해, 피라미드형 집광기(827)의 예시적인 적합한 치수는 약 1 mm의 측면을 갖는 대체로 정사각형인 근위 단부(825)와, 약 4.3 mm x 2.4 mm의 대체로 사각형인 말단부(829)와, 약 4 내지 5 mm의 피라미드형 집광기의 높이(근위 단부와 말단부 사이의 거리)를 포함한다.

본 발명의 몇몇 실시예에서, 근위 단부(825)의 외측 치수 및 형상은 방출기의 치수 및 형상에 정합되며 방출 표면 및 표면들 둘레에 맞춰지고, 말단부(829)는 예를 들어 (HDTV 용도에 대해 특히 유용한) 약 16:9의 종횡비를 갖는 더 큰 사각형이어야 한다. 또는, 말단부(829)는 대체로 정사각형인 형상을 가질 수 있고, 적절한 예시적인 실시예에서, 그러한 광원 모듈은 대체로 사각형 형상의 조명기를 형성하도록 적층될 수 있고, 관련 광학 장치는 그러한 구성을 대체로 따른다. 당업자는 피라미드형 집광기의 다른 적합한 치수 및 구성이 방출 표면의 치수 및 형상, 렌즐릿(84, 86)과 같은 집광 광학 장치의 치수 및 형상, 그리고 다른 관련 시스템 파라미터에 따라, 본 발명의 범주 내에 있다는 것을 쉽게 이해할 것이다.

피라미드형 집광기(827)와 같은 피라미드형 집광기의 사용은 방출 표면(824)이 충분히 균일하게 나타나지 않는 LED의 방출 표면인 경우에 또는 정사각형 방출 표면이 예를 들어 사각형 조명 목표물 또는 사각형 컬러 구역 또는 화소와 정합되도록 형성될 필요가 있는 경우에 특히 유리하다. 또한, 피라미드형 집광기(827)는 방출 표면(824)으로부터 방출된 광의 적어도 일부를 광학 축에 대한 작은 각도로 피라미드형 집광기(827)를 빠져나가도록 재유도할 수 있고, 따라서 렌즈(84, 86)와 같은 하류 광학 소자들에 의해 집광하는 것이 더 쉬울 것이다. 본 발명의 몇몇 예시적인 실시예에서, LED 방출 표면 상에 위치된 피라미드형 집광기는 LED에 의해 방출되는 광의 총량의 약 70%를 투과량 값의 약 88%로 집광하는 것을 허용한다. 그러나, 본 발명의 다양한 예시적인 실시예에서, 집광 효율과 투과량의 다른 관계가 비용 고려는 물론 개별 구성요소의 크기 및 유형, 시스템의 전체적인 구성에 따라, 바람직하게 생각될 수 있다. 또한, 피라미드형 집광기(827)의 원거리장 출력은 조합된 조명장을 형성하기 위해 서로 (필요하다면 약간 중첩되어) 조밀하게 충진될 수 있는 패턴을 형성하고, 이는 프로젝션 및 백라이팅 용도에서 특히 유용하다.

또한, 도1 및 도4a를 참조하면, 본 발명의 몇몇 예시적인 실시예에서, 광학 소자들의 시스템(15)은 광원 모듈의 방출 표면, 예를 들어 광원 모듈(82)의 방출 표면(824)들 중 하나 이상을 조명 목표물(17) 상으로 촬상한다. 이러한 경우는 피라미드형 집광기(827)를 통해 투사되는 광선(1)에 의해 도4a에 도시되어 있다. 도 4b에 도시된 바와 같이, 방출 표면(824)으로부터 방출된 광의 적어도 일부는 피라미드형 집광기(827)의 측면에 의해 반사된다. 그러한 반사된 광은 방출 표면(824)의 영상을 증폭되게 하여, 도4b에 개략적으로 도시된 영상(824a, 824b, 824c, 824d)과 갗는 LED 영상의 어레이를 생성한다. 피라미드형 집광기(827)의 근위 단부(825)가 방출 표면(824) 둘레에 대체로 맞춰지면, 영상의 어레이는 방출 표면(824) 둘레에 대체로 맞춰지고, 그 다음 영상의 어레이는 말단부(829)를 통해 보았을 때 조밀하게 충진된다.

따라서, 몇몇 예시적인 실시예에서, 피라미드형 집광기(827)의 말단부(829)를 조명 목표물(17) 상으로 촬상하는 것이 유리하다. 이러한 경우는 피라미의 측면으로부터 반사되는 방식으로, 피라미드형 집광기(827)를 통해 투사되는 광선(2)에 의해 도4a에 도시되어 있다. 방출 표면 자체 대신에 말단부(829)를 촬상하는 것은 방출 표면이 전형적인 상업적으로 구입 가능한 LED에 대한 정사각형 또는 선들의 집합과 같은, 그의 원래의 형상을 보유하도록 허용하고, 피라미드형 집광기는 추가의 광학 장치에 의한 균질화 및 재성형에 대한 필요가 없이 사각형 조명 목표물 상으로 촬상될 수 있는 사각형 패턴의 광을 효과적으로 생성할 것이다. 또한, 이러한 구성은 조명 각도가 피라미드형 집광기의 근위 단부로부터 말단부로의 영역의 증가에 비례하여 감소되기 때문에, 투과량을 보존하는 것을 돕는다.

본 발명의 조명 시스템의 다른 예시적인 실시예가 도5에 도시되어 있다. 그러한 예시적인 실시예는 LCD의 직접 백라이팅용으로 사용될 수 있다. 특히, 도5에 도시된 조명 시스템(30)은 LCD(75)를 조명하도록 사용될 수 있다. 조명 시스 템(30)은 LED 광원 모듈일 수 있는 광원 모듈(72, 72', 72")과 같은 광원 모듈의 세트(32)와, 광학 소자들의 시스템(35)을 포함한다. 그러한 예시적인 실시예에서, 72, 72', 72"와 같은 충분한 양의 광원 모듈이 원하는 크기, 휘도, 및 품질의 결과적인 영상을 얻기 위해, LCD(85)의 표면의 충분한 부분을 덮는 조명 패치를 생성하도록 사용되어야 한다. 그러한 예시적인 실시예에서, 광학 소자들의 시스템(35)은 렌즐릿(74, 74', 74")을 포함하는 제1 렌즈 세트(34)와, 렌즐릿(76, 76, 76)을 포함하는 제2 렌즈 세트(36)를 포함하고, 프레넬 렌즈, 구배 인덱스 렌즈 등과 같은 시준 광학 장치를 더 포함할 수 있다. 광학 소자들의 시스템(35)은 특정 용도에 대해 바람직할 수 있는 다른 추가의 구성요소를 포함할 수 있다는 것이 당업자에 의해 이해될 것이다.

또한, 도5를 참조하면, 적절한 실시예에서, 세트(34)로부터의 하나와 세트(36)로부터의 하나인, 예를 들어 렌즐릿(74, 76)의 한 쌍의 렌즐릿이 예를 들어 각각의 광원 모듈(72)과 관련될 수 있다. 렌즈 세트(34, 36)는 구성(58)의 개수 및 전체적인 구조가 원하는 개수의 광원 모듈(72, 72', 72")과 보통 대체로 사각형 또는 정사각형인 LCD 디스플레이(85)와 같은, 조명을 받는 표면의 형상을 수용하도록 변경되는, 도2b에 도시된 어레이와 유사한 이중층 조밀 어레이로서 구성될 수 있다. 광원 모듈의 일반적인 형상 및 위치는 물론, 세트(34, 36) 내의 렌즐릿의 일반적인 형상 및 각각의 위치는 도1 내지 도4b에 도시된 실시예를 참조하여 설명된 것과 대체로 동일할 수 있거나, 다른 적합한 구성을 가질 수 있다.

광학 소자들의 시스템(35)은 그가 세트(32)의 광원 모듈의 방출 표면들 중 하나 이상을 이러한 예시적인 실시예에서 조명 목표물 또는 목표물들[도1의 요소(17) 참조]을 구성하는 LCD(85)의 850, 850', 850"과 같은 하나 이상의 화소 상으로 촬상하도록 구성될 수 있다. 몇몇 예시적인 실시예에서, 대체로 연속적인 조명 패치를 생성하기 위해 인접한 영상들의 적어도 일정량의 중첩을 가지고 방출 표면을 LCD(85) 상으로 촬상하는 것이 양호하다. 따라서, 그러한 실시예에서, 방출 표면들의 영상들은 많은 방출기로부터의 대체로 균일한 패턴을 구성하기 위해 중첩되거나 적어도 부분적으로 중첩되고, 여기서 개별 소자들은 불균일한 형상을 가질 수 있다. 더욱이, 직시형 백라이팅에 대해 적합한 예시적인 실시예에서, 영상들은 조명을 받는 영역을 대체로 충전하도록 단지 소량의 중첩을 가질 수 있다. 여기서, 영상들의 실질적인 중첩은 많은 프로젝션 용도에 대한 경우에서와 같이, 필요하지 않다. 또는, 개별 방출 표면은 분리된 화소 또는 특정 개수의 화소들 상으로 촬상될 수 있다.

또는, 광학 소자들의 시스템(35)은 광이 대체로 시준된 상태로 LCD(85)로 진입하도록, 광원 모듈 세트(32)로부터의 광을 시준하고 처리할 수 있다. 본 발명의 그러한 실시예에서, LCD(85)를 축에서 이탈하여 보았을 때, 확산기, 산란 매체, 또는 다른 향상 구성요소(87)가 LCD(85) 아래 또는 위에, 축이탈 가시성을 향상시키기 위해 추가될 수 있다. 당업자는 다른 표시 구성요소들도 특정 용도에 대해 필요하면 추가될 수 있다는 것을 쉽게 이해할 것이다. 더욱이, 조명 시스템(30)에서, 광원의 휘도, 그의 크기, 및 채널의 개수(여기서, 관련 광학 장치를 갖는 개별적으로 제어되는 광원의 개수) 사이에 타협이 이루어질 수 있다.

본 발명의 조명 시스템의 다른 예시적인 실시예가 도6에 개략적으로 도시되어 있다. 그러한 조명 시스템(40)은 프로젝션 시스템(150) 내에서 사용될 수 있다. 프로젝션 스크린(154)을 조명하도록 사용되는 조명 시스템(40)은 (도1 내지 도5에서와 같은) 광원 모듈(72, 72', 72")과 같은 광원 모듈의 세트(42)와, 광학 소자들의 세트(45)를 포함한다. 도6에 도시된 예시적인 실시예에서, 광학 소자들의 시스템(45)은 도1 내지 도5를 참조하여 도시되고 설명된 것과 유사한 렌즐릿을 갖는 제1 렌즈 세트(44)와, 도1 내지 도5를 참조하여 도시되고 설명된 것과 유사한 렌즐릿을 갖는 제2 렌즈 세트(46)를 포함한다. 조명 시스템(40)은 LCD 투과식 장치와 같은 촬상 장치(141)와, 프레넬 렌즈와 같은 시야 렌즈(143)가 이어질 수 있다. 보통의 전면 거울일 수 있는 굽힘 거울(145, 149, 152)이 프로젝션 시스템(150)의 광학 경로를 굽혀서 그의 소형화를 증가시키기 위해 사용될 수 있다. 프로젝션 시스템은 촬상 장치(141)에 의해 생성된 영상을 스크린(154) 상으로 투사하기 위한 투사 광학 장치(147)를 더 포함할 수 있다.

또한, 도6을 참조하면, 세트(44)로부터의 하나와 세트(46)로부터의 하나인, 예를 들어 도3에 도시된 렌즐릿(74, 76)의 한 쌍의 렌즐릿이 예를 들어 도3에도 도시된 각각의 광원 모듈(72)과 관련될 수 있다. 렌즈 세트(44, 46)는 구성(58)의 개수 및 전체적인 구조가 스크린(154) 상에 형성되는 결과적인 영상의 원하는 휘도, 해상도, 및 크기를 달성하도록 변경될 수 있는, 도2b에 도시된 어레이와 유사한 이중층 조밀 어레이로서 구성될 수 있다. 양호하게는, 세트(42)의 광원 모듈의 일반적인 형상 및 크기는 물론, 세트(44, 46)의 렌즐릿의 일반적인 형상 및 크기는 도1 내지 도5에 도시된 실시예를 참조하여 설명된 것과 대체로 동일하다. 도6에 도시된 예시적인 실시예는 대형 LCD 패널 프로젝션 장치에 대해 특히 유용하고, 이는 캐비닛의 크기를 감소시키고 더 적은 구성요소를 사용하는 것을 허용하기 때문이다.

본 발명의 다른 태양에 따르면, 도7은 복수의 컬러의 방출 표면을 갖는 광원 모듈을 도시한다. 예를 들어, 도7에서, 광원 모듈(172)은 서로 나란하게 위치된 3개의 방출 표면(194R, 194G, 194B; 각각 적색, 녹색 및 청색, 또는 다른 적합한 원색)을 포함한다. 그러한 발광 모듈은 3-칩 LED 모듈일 수 있고, 방출 표면들 중 임의의 하나 이상이 LED 방출 표면, 인 층, 또는 임의의 다른 방출 재료이거나 그를 포함할 수 있다. 시준기 광학 장치(174, 176)가 도1 내지 도6에 도시된 실시예를 참조하여 도시되고 설명된 것과 유사한 렌즐릿 또는 임의의 다른 적합한 광학 소자를 포함할 수 있다. 양호하게는, 각각의 렌즐릿은 모든 3개의 방출 표면(194R, 194G, 194B)으로부터 수광한다. 따라서, 조명 시스템의 비용 및 크기는 감소될 수 있고, 이는 복수의 광원이 동일한 광학 장치를 공유하기 때문이다. 이를 달성하기 위해, 방출 표면(194R, 194G, 194B)들은 서로 충분히 가깝게 배치되어야 한다. 또한, 방출 표면은 효율적인 집광을 보장하기에 충분히 렌즐릿에 가까이 배치되어야 한다.

광원 모듈(172) 및 시준 광학 장치(174, 176)는 조명이 특정 컬러에 대해 "인덱싱"되는 방식으로 시준이 방출 표면(194R, 194G, 194B)에 대해 달성되도록 구성된다. 이는 상이한 컬러의 방출기들의 공간적인 분리가 상이한 컬러를 갖는 광 선의 각도 분리로 변환되도록, 방출 표면(194R, 194G, 194B)을 시준 광학 장치의 초점 평면 근방에 위치시킴으로써 달성될 수 있다. 예를 들어, 도7에 도시된 배열에 대해, 녹색 광은 광학 축에 대해 약 0°로 시준 광학 장치를 빠져나갈 수 있고, 적색 광은 광학 축에 대해 약 +2°로 시준 광학 장치를 빠져나갈 수 있고, 청색 광은 약 -2°로 빠져나갈 수 있다.

도8은 본 발명의 조명 시스템의 다른 예시적인 실시예를 개략적으로 도시한다. 도8에 도시된 조명 시스템(100)은 복수의 방출 표면(194R, 194G, 194B, 194R', 194G', 194B', 194R", 194G", 194B")을 각각 갖는 광원 모듈(172, 172', 172")과 같은 광원 모듈의 세트(112)와, 광학 소자들의 시스템(115)을 포함한다. 도8에 도시된 예시적인 실시예에서, 광학 소자들의 시스템(115)은 렌즐릿(174, 174', 174")을 포함하는 제1 렌즈 세트(114)와, 렌즐릿(176, 176', 176")을 포함하는 제2 렌즈 세트(116)와, 색선별 거울(120R, 120B, 120G)과, 콘덴서(118)를 포함한다. 콘덴서(118)는 양호하게는 구면 볼록 표면을 갖는 평볼록 렌즈, 메니스커스 렌즈, 또는 구배-인덱스 렌즈이거나 그를 포함할 수 있다. 광학 소자들의 시스템(115)은 특정 용도에 대해 바람직할 수 있는 바와 같이, 도시된 소자에 추가하여 또는 그 대신에 다른 구성요소를 포함할 수 있다.

본 발명의 적절한 실시예에서, 렌즐릿(174, 174', 174")을 포함하는 렌즈 세트(114)와 렌즐릿(176, 176', 176")을 포함하는 렌즈 세트(116)는 본 발명의 다른 예시적인 실시예를 참조하여 설명된 렌즈 세트와 유사한 구성을 가질 수 있거나, 특정 용도에 대해 적절한 다른 적합한 구성을 가질 수 있다. 예를 들어, 세 트(114)로부터의 하나와 세트(116)로부터 하나인, 한 쌍의 렌즐릿이 각각의 광원 모듈과 관련될 수 있다. 예를 들어, 도8에서, 렌즐릿(174, 176)은 광원 모듈(172)과 관련되고, 렌즐릿(174', 176')은 광원 모듈(172')과 관련되고, 렌즐릿(174", 176")은 광원 모듈(172")과 관련된다. 도7과 관련하여 설명된 바와 같이, 방출 표면(194R, 194G, 194B, 194R', 194G', 194B', 194R", 194G", 194B")들 중 일부 또는 전부는 적색, 녹색, 및 청색(RGB) LED 모듈의 방출 표면, 인 층, 임의의 다른 방출 재료, 또는 임의의 개수의 이들의 조합일 수 있다.

또한, 도8을 참조하면, 광학 소자들의 시스템(115)은 예를 들어 광원 모듈(172, 172', 172")의 방출 표면들 중 하나 이상을 조명 목표물(117) 상으로 촬상하도록 구성될 수 있다. 다른 예시적인 실시예를 참조하여 설명된 바와 같이, 조명 목표물(117)의 특성은 특정 용도에 따라 변할 것이다. 예를 들어, 조명 목표물(117)는 광 터널, 촬상 장치, LCD, 또는 LCD의 특정 컬러 구역 또는 화소의 진입부일 수 있다. 중첩되거나 적어도 부분적으로 중첩된 조명 패치들이 필요한 경우에, 색선별 거울(120R, 120B, 120G)이 조명 목표물(117) 상에서 상이한 컬러의 방출 표면들의 영상들을 조합하도록 사용될 수 있다.

본원에서 설명되는 다른 예시적인 실시예와 유사하게, 광원 모듈(172, 172', 172") 등의 방출 표면(194R, 194G, 194B; 194R', 194G', 194B'; 194R", 194G", 194B") 등의 하나 이상은 조명 시스템(100)의 성능을 개선하기 위해 특정 형상이 주어질 수 있다. 예를 들어, 방출 표면들 중 하나 이상은 대체로 조명 목표물(117)의 일반적인 형상과 정합되도록 형성될 수 있다. 특히, 목표물(117)가 광 터널의 정사각형 진입부이면, 172, 172', 172"와 같은 광원 모듈의 방출 표면들 중 하나 이상 또한 통상 정사각형으로 형성될 수 있다. 다른 한편으로, 목표물(117)가 사각형 영상 형성 장치 또는 LCD의 사각형 컬러 구역 또는 화소이면, 광원 모듈의 방출 표면들 중 하나 이상 또한 통상 사각형으로 형성될 수 있다. 방출 표면 및 조명 목표물의 다른 형상이 본 발명의 범주 내에 있다는 것이 당업자에 의해 쉽게 이해될 것이다.

본 발명의 조명 시스템의 다른 예시적인 실시예가 도9에 도시되어 있다. 그러한 예시적인 실시예는 LCD를 백라이팅하기 위해 사용될 수 있다. 조명 시스템(200)은 3-칩 LED 모듈일 수 있는 광원 모듈(272, 272')에 의해 예시된 하나 이상의 광원 모듈과, 211 및 211'에 의해 예시된 시준 렌즈의 세트와 같은 광학 소자들의 시스템을 포함하고, 각각의 시준 렌즈는 광원 모듈들 중 적어도 하나와 관련된다. 조명 시스템(200)은 촬상 장치(185)를 조명하도록 사용될 수 있다. 그러한 예시적인 실시예에서, 294R, 294G, 294B 및 294'R, 294'G, 294'B에 의해 예시된 상이한 컬러의 방출 표면들을 갖는, 272 및 272'에 의해 예시된 충분한 양의 광원 모듈은 원하는 크기 및 품질의 결과적인 영상을 얻기 위해, LCD 디스플레이일 수 있는 촬상 장치(185)의 표면의 충분한 부분을 덮도록 사용되어야 한다. 촬상 장치는 385R, 385G, 385B, 385'R, 385'G, 385'B, 385"R, 385"G, 385"B에 의해 예시된 컬러 구역 또는 화소의 어레이를 가질 수 있다.

촬상 장치(185)에 근접하게 배치될 수 있는, 365, 365', 365"와 같은 개별 미소 볼록 렌즈를 포함하는 렌즈형 어레이(165)가 294R, 294G, 294B, 294'R, 294'G, 294'B와 같은 방출 표면들 중 하나 이상을 385R, 385G, 385B, 385'R, 385'G, 385'B, 385"R, 385"G, 385"B와 같은 대응하는 컬러 구역 또는 화소 상으로 촬상하도록 사용될 수 있다. 미소 볼록 렌즈는 양면 볼록 또는 평볼록 렌즈일 수 있다. 몇몇 예시적인 실시예에서, 방출 표면들 중 하나 이상은 필터 열 상으로 촬상될 수 있다. 그러한 경우에, 각각의 개별 미소 볼록 렌즈는 상이한 방출기로부터 촬상 장치(185) 상의 상이한 위치로 발생되는 상이한 컬러에 대응하는 광선을 예를 들어 상이한 컬러 구역 또는 화소 상으로 포커싱한다. 특히, 미소 볼록 렌즈(365")는 방출 표면(294R, 294G, 294B)으로부터 발생되는 적색, 녹색, 및 청색 광에 대응하는 광선을 촬상 장치(185)의 컬러 구역 또는 화소(385R", 385G", 385B") 상으로 포커싱할 수 있다. 더욱이, 다른 예시적인 실시예와 관련하여 설명된 바와 같이, 방출 표면의 형상은 컬러 구역 또는 화소의 형상에 정합될 수 있다. 따라서, 각각의 광원 모듈은 많은 컬러 구역 또는 화소를 포함하는 촬상 장치의 소정의 영역을 조명할 수 있어서, 그의 유효 표면이 대체로 조명을 받는다. 균일성은 모든 발광 모듈 및 그의 구성요소인 다색 방출기를 적절한 출력 수준으로 보정함으로써 달성된다.

또한, 도9를 참조하면, 몇몇 예시적인 실시예에서, 385R, 385G, 385B, 385'R, 385'G, 385'B, 385"R, 385"G, 385"B와 같은 화소 또는 컬러 구역은 물론 렌즈형 어레이(165)는 약 0.2 mm의 피치를 갖는다. 294B, 294G, 294R과 같은 발광 표면은 약 0.4 mm의 중심간 간격을 갖는 방출 열, 예를 들어 LED 열일 수 있다. 211 및 211'과 같은 시준 렌즈들은 촬상 장치(185)가 대체로 중단되지 않고서 조명 을 받도록, 균일한 조명 광선을 생성하기 위해 조심스럽게 서로 접합될 수 있다. 또는, 발광 표면들 사이의 간격은 촬상 장치(185)의 컬러 구역 또는 화소들 사이의 약 0.3 mm 및 약 0.1 mm의 미소 볼록 렌즈들 사이의 피치에서, 약 0.6 mm일 수 있다. 211, 211'과 같은 시준 렌즈와 272 및 272'와 같은 관련 광원 모듈은 특정 용도에 대해 필요한 바와 같이, 육각형으로 충진되거나 직교 격자로 충진될 수 있다.

또한, 도9를 참조하면, 조명 시스템(200)은 컬러에 따라 각도 분리된 광선을 산출한다. 결과적으로, 적색 광은 촬상 장치의 적색 컬러 구역 또는 구역들을 통해 채널링될 수 있고, 유사하게 청색 및 녹색 광은 각각 청색 및 녹색 컬러 구역을 통해 채널링될 수 있다. 필터가 채널링의 순도에 따라, 본 발명의 그러한 실시예에서 사용될 수 있거나 그렇지 않을 수 있다. 순수 채널링, 또는 대체로 혼선이 없는 채널링은 본 발명의 몇몇 실시예서 달성될 수 있고, 이는 특정 컬러, 예를 들어 적색 컬러 구역을 통과한 적색 광만이 특정 화소로 송출되기 때문이다. 더욱이, 본 발명은 조명의 가장 양호한 원거리장 분배를 위해, LED 모듈과 같은 광원 모듈의 이용을 가능케 한다.

본 발명의 접근은 다양한 특정 용도에 대해 조명 시스템을 설계하는 것을 단순화하고, 광원 모듈, 광학 장치, 및 촬상 장치의 많은 상이한 구성을 허용한다. 본 발명의 예시적인 실시예는 전통적인 시스템보다 더 효과적으로, LED와 같은 완전 확산형(Lambertian-type) 방출기로부터 광을 집광할 수 있다. 따라서, 더 많은 광이 조명 목표물로 전달되어 더 양호한 전체적인 효율을 생성할 수 있다. 또한, 본 발명의 예시적인 실시예는 더 양호한 촬상 특징을 가질 수 있다. 또한, 본 발 명은 더 적은 구성요소를 사용하고, 콤팩트하고, 다기능이며, 제조하기가 더 용이하고 더 저렴한 조명 시스템의 생성을 가능케 한다.

본 발명의 조명 시스템이 특정한 예시적인 실시예를 참조하여 설명되었지만, 당업자는 변경 및 변형이 본 발명의 취지 및 범주로부터 벗어나지 않고서 이루어질 수 있다는 것을 쉽게 이해할 것이다. 예를 들어, 본 발명의 다양한 실시예에서 사용되는 광학 소자들의 시스템의 치수 및 구성은 특정 용도와 조명 목표물의 특성 및 치수에 따라 변할 수 있다. 또한, 본 발명의 예시적인 실시예는 본원과 동시에 출원된, 정리 번호가 59373US002이며 발명의 명칭이 "조명 시스템"인 미국 특허 출원 및 정리 번호가 59526US002이며 발명의 명칭이 "재형성 광원 모듈"인 미국 특허 출원에 설명된 광학 소자, 구성요소, 및 시스템을 포함할 수 있고, 이들의 개시 내용은 본 발명과 모순되지 않을 정도로 본원에서 전체적으로 참조되었다. 더욱이, 본 발명은 당업자에게 공지된 바와 같이, 본 발명에 따라 구성된 조명 시스템의 예시적인 실시예 내로의 추가의 광학 소자의 포함을 고려한다.

더욱이, 당업자는 본 발명의 실시예가 백색 LED, 컬러 LED(예를 들어, 적색, 청색, 녹색, 또는 다른 컬러), 및 다중-칩 LED 모듈, 예를 들어 RGB LED 모듈을 포함하는 다양한 광원과 함께 사용될 수 있다는 것을 쉽게 이해할 것이다. RGB LED는 전형적으로 가장 양호한 컬러 성능을 달성하는 것을 가능케 하지만, 백색 LED가 많은 용도에 대해 허용 가능하다.

Claims

광원 모듈과, 볼록면 및 오목면을 갖는 제1 메니스커스 렌즈와, 볼록면 및 오목면을 갖는 제2 메니스커스 렌즈를 포함하고,

제2 메니스커스 렌즈의 오목면은 제1 메니스커스 렌즈의 볼록면에 인접하고, 제1 메니스커스 렌즈의 오목면은 광원 모듈과 대면하여 그로부터 수광하는 조명 시스템.
제1항에 있어서, 제1 메니스커스 렌즈는 제2 메니스커스 렌즈와 접촉하는 조명 시스템.
제1항에 있어서, 제1 및 제2 메니스커스 렌즈는 광학적으로 투명한 재료에 의해 서로 유지되는 조명 시스템.
제1항에 있어서, 광원 모듈은 방출 표면과, 방출 표면 위에 배치된 대체로 광학적으로 투명한 돔을 포함하는 조명 시스템.
제1항에 있어서, 광원 모듈은 방출 표면과, 방출 표면 위에 배치된 피라미드형 집광기를 포함하는 조명 시스템.
제5항에 있어서, 피라미드형 집광기는 대체로 정사각형인 근위 단부 및 대체로 사각형인 말단부를 갖는 조명 시스템.
제1항에 있어서, 광원 모듈은 서로 나란하게 배치된 복수의 방출 표면을 포함하고, 제1 메니스커스 렌즈의 오목면은 광원 모듈의 방출 표면과 대면하여 그로부터 수광하는 조명 시스템.
제7항에 있어서, 방출 표면들 중 적어도 2개는 상이한 컬러를 갖는 조명 시스템.
제6항에 있어서, 광원 모듈은 제1, 제2, 및 제3 컬러의 방출 표면을 갖는 조명 시스템.
제9항에 있어서, 제1, 제2, 및 제3 컬러는 원색인 조명 시스템.
복수의 광원 모듈과,

복수 쌍의 메니스커스 렌즈를 포함하는 광학 소자들의 시스템을 포함하고,

각각의 쌍은 광원 모듈과 관련되고, 볼록면 및 오목면을 갖는 제1 메니스커스 렌즈와, 볼록면 및 오목면을 갖는 제2 메니스커스 렌즈를 포함하고,

각각의 제2 메니스커스 렌즈의 오목면은 각각의 제1 메니스커스 렌즈의 볼록 면에 인접하고, 각각의 제1 메니스커스 렌즈의 오목면은 관련 광원 모듈과 대면하여 그로부터 수광하는 조명 시스템.
제11항에 있어서, 각각의 제1 메니스커스 렌즈는 각각의 제2 메니스커스 렌즈와 접촉하는 조명 시스템.
제11항에 있어서, 복수 쌍의 메니스커스 렌즈는 대체로 이중층 육각형 조밀 어레이로서 구성되고, 복수의 광원 모듈은 그러한 구성을 대체로 따르도록 배치되는 조명 시스템.
제11항에 있어서, 복수 쌍의 메니스커스 렌즈는 이중층 사각형 조밀 어레이로서 구성되고, 복수의 광원 모듈은 그러한 구성을 대체로 따르도록 배치되는 조명 시스템.
제11항에 있어서, 복수의 광원 모듈은 비방사상 대칭 개구 내에 배치되는 조명 시스템.
제15항에 있어서, 각도를 이루어 조명을 받도록 배치되고 피벗 축에 대해 회전 가능한 복수의 거울을 갖는 영상 형성 장치를 더 포함하고,

비방사상 대칭 개구는 긴 치수 및 짧은 치수를 갖고, 긴 치수가 영상 형성 장치의 거울의 피벗 축과 정렬되도록 배향되는 조명 시스템.
제11항에 있어서, 각각의 광원 모듈은 방출 표면과, 방출 표면 위에 배치된 대체로 광학적으로 투명한 돔을 포함하는 조명 시스템.
제11항에 있어서, 각각의 광원 모듈은 방출 표면과, 방출 표면 위에 배치된 피라미드형 집광기를 포함하는 조명 시스템.
제18항에 있어서, 각각의 피라미드형 집광기는 대체로 정사각형인 근위 단부 및 대체로 사각형인 말단부를 갖는 조명 시스템.
제19항에 있어서, 각도를 이루어 조명을 받도록 배치되고 피벗 축에 대해 회전 가능한 복수의 거울을 갖는 영상 형성 장치를 더 포함하고,

복수의 광원 모듈은 긴 치수 및 짧은 치수를 갖는 비방사상 대칭 개구에 대체로 근사화된 형상을 갖는 어레이로 배치되고, 상기 비방사상 대칭 개구는 긴 치수가 영상 형성 장치의 거울의 피벗 축과 정렬되도록 배향되는 조명 시스템.
제19항에 있어서, 조명 목표물을 더 포함하고,

광학 소자들의 시스템은 각각의 피라미드형 집광기의 말단부를 조명 목표물 상으로 촬상하도록 구성되는 조명 시스템.
제11항에 있어서, 광원 모듈은 서로 나란하게 배치된 복수의 방출 표면을 각각 갖고, 각각의 제1 메니스커스 렌즈의 오목면은 관련 광원 모듈의 방출 표면과 대면하여 그로부터 수광하는 조명 시스템.
제22항에 있어서, 적어도 하나의 광원 모듈의 적어도 2개의 방출 표면은 상이한 컬러를 갖는 조명 시스템.
제22항에 있어서, 각각의 광원 모듈은 제1, 제2, 및 제3 컬러의 방출 표면을 갖는 조명 시스템.
제24항에 있어서, 제1, 제2, 및 제3 컬러는 원색인 조명 시스템.
제22항에 있어서, 제1, 제2, 및 제3 컬러 구역을 포함하는 조명 목표물을 더 포함하고,

광학 소자들의 시스템은 제1, 제2, 및 제3 컬러의 방출 표면을 조명 목표물의 각각의 컬러 구역 상으로 촬상하는 조명 시스템.
제26항에 있어서, 광학 소자들의 시스템은 조명 목표물과 복수 쌍의 메니스커스 렌즈 사이에 배치된 렌즈형 어레이를 더 포함하는 조명 시스템.