KR20090034363A - 편광 재순환을 이용한 ｌｅｄ 조명 시스템 - Google Patents

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KR20090034363A
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패트릭 알. 데스테인
윌리엄 이. 3세 필립스
알. 에드워드 주니어 잉글리쉬
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쓰리엠 이노베이티브 프로퍼티즈 컴파니
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Abstract

광 엔진은 비-시준 광을 방출하는 광원 정면을 갖는다. 집광 렌즈는 비-시준 광을 집광시키고 불완전하게 시준된 광을 제공한다. 시준 렌즈는 불완전하게 시준된 광을 수광하여 시준된 이미지를 제공한다. 비-직교 편광 필터는 시준된 이미지를 받고, 시준된 이미지의 편광된 부분을 편광 광 엔진 이미지의 직접적인 성분으로서 통과시킨다. 비-직교 편광 필터는 재순환 이미지를 정면으로 다시 반사시킨다. 편광 필터의 비-직교 형상은 광원 정면 상에서의 광의 패턴에 따라 선택된다.
Figure 112009005859730-PCT00001
편광, 재순환, LED, 조명, 광 엔진, 이미지, 필터

Description

편광 재순환을 이용한 ＬＥＤ 조명 시스템{LED ILLUMINATION SYSTEM WITH POLARIZATION RECYCLING}
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 그 내용이 전체적으로 본 명세서에 참고로 포함된 2006년 7월 31일자로 출원된 미국 가특허출원 제60/820,894호 및 그 내용이 전체적으로 본 명세서에 참고로 포함된 2006년 7월 31일자로 출원된 미국 가특허출원 제60/820,887호에 기초하며, 그 이익을 청구한다.
광학 프로젝터(optical projector)는 일단의 사람들이 볼 수 있도록 표면 상에 이미지(image)를 투사하는 데 사용된다. 광학 프로젝터는 렌즈, 필터, 편광기, 광원, 이미지 형성 장치 등을 포함하는 광학 프로젝터 서브시스템(subsystem)을 포함한다. 광 효율을 향상시키려는 요구가 있지만, 기존의 광 엔진(light engine)은 광 효율을 향샹시키려는 노력을 제한한다. 개선된 효율을 제공하는 방법 및 광학 투사 서브시스템(subsystem)이 필요하다.
광 엔진이 개시된다. 광 엔진은 편광 광 엔진 이미지(polarized light engine image)를 제공한다.
광 엔진은 정면을 갖는 광원을 포함한다. 정면은 비-시준 광(non-collimated light)을 방출하는 제1 영역 및 광을 재순환시키는 제2 영역을 포함한다. 광 엔진은 집광 렌즈를 포함한다. 집광 렌즈는 비-시준 광을 집광하고, 정면으로부터의 불완전하게 시준된 광을 제공한다. 광 엔진은 시준 렌즈를 포함한다. 시준 렌즈는 불완전하게 시준된 광을 수광하고, 정면의 시준된 이미지를 제공한다.
광 엔진은 편광 필터를 포함한다. 편광 필터는 정면의 시준된 이미지를 받는다. 편광 필터는 광 엔진의 광축에 대해 비-직교로 정렬된다. 편광 필터는 시준된 이미지의 편광된 부분을 편광 광 엔진 이미지의 직접적인 성분으로서 통과시킨다. 편광 필터는 재순환 이미지를 정면으로 다시 반사시킨다. 정면은 재순환 이미지를 편광 광 엔진 출력의 재순환 성분으로서 제공한다.
일 태양에 따르면, 비-직교 편광 필터는 편광 광 엔진 이미지의 휘도 균일도를 증가시키기 위해 직접적인 성분에 대해 재순환 성분의 일부분을 이동시키는 곡률을 가진 만곡된 필터 형상을 포함한다. 다른 태양에 따르면, 제1 영역은 발광 다이오드 중심에 대해 중심을 벗어난 광 휘도의 패턴을 방출하는 발광 다이오드를 포함하고, 비-직교 편광 필터는 재순환 이미지의 정면 상으로의 지향을 향상시키기 위해 기울어진다.
도 1A는 만곡형 편광 필터를 포함하는 광 엔진을 도시한 도면.
도 1B는 기울어진 편광 필터를 포함하는 광 엔진을 도시한 도면.
도 1C는 광 엔진에 사용되는 발광 다이오드(LED)를 도시한 도면.
도 1D는 광 재순환을 포함하는 도 1C로부터의 발광 패턴을 도시한 도면.
도 2A는 만곡형 편광 필터를 가진 광 엔진을 포함하는 프로젝터를 도시한 도면.
도 2B는 기울어진 만곡형 편광 필터를 포함하는 광 엔진의 일부를 도시한 도면.
도 2C는 기울어진 편광 필터를 포함하는 광 엔진의 일부를 도시한 도면.
도 4는 재순환에 의해 얻어진 광을 측정하는 시스템을 도시한 도면.
도 5는 도 4의 시스템을 사용한 결과의 표를 도시한 도면.
도 6A 및 도 6B는 프로젝터 응용에서의 광 엔진을 도시한 도면.
도 8은 광 엔진을 도시한 도면.
도 9는 편광 상태의 표를 도시한 도면.
도 10은 재순환에 의해 얻어진 광을 측정하는 시스템을 도시한 도면.
도 11은 도 10의 시스템을 사용한 결과의 표를 도시한 도면.
도 12는 재순환에 의해 얻어진 광을 측정하는 데 사용되는 프로젝터를 도시한 도면.
도 13은 도 12의 시스템을 사용한 결과의 표를 도시한 도면.
도 14는 광 엔진에 사용되는 발광 다이오드(LED)를 도시한 도면.
후술되는 실시예에서, 광 엔진은 비-시준 광을 방출하는 광원 정면을 갖는다. 집광 렌즈는 비-시준 광을 집광시키고 불완전하게 시준된 광을 제공한다. 시준 렌즈는 불완전하게 시준된 광을 수광하여 실질적으로 시준된 빔을 제공한다. 비-직교 편광 필터는 시준된 이미지를 받고, 시준된 이미지의 편광된 부분을 편광 광 엔진 이미지의 직접적인 성분으로서 통과시킨다. 편광 필터는 재순환 이미지를 정면으로 다시 반사시킨다. 정면은 광 엔진 이미지의 재순환 광 성분을 제공한다. 정면은 반사에 의해, 인광(phosphorescence)에 의해, 또는 이들 둘에 의해 재순환 광을 제공할 수 있다. 광 엔진의 효율은 광 재순환에 의해 증가된다. 비-직교 편광 필터는 광 엔진 이미지의 균일도를 증가시키기 위해 직접적인 성분에 대해 재순환 성분의 위치를 이동시키는 비-직교 반사면을 갖는다. 위치의 이동은 광원의 정면으로부터의 방출의 비균일성을 보상하거나 또는 광 시준의 불완전성을 보상한다.
편광 재순환은 발광 다이오드(LED)와 같은 비-편광 광원으로부터의 편광된 광을 필요로 하는 응용에 매우 유용하다. 이들 응용은 투과형 액정 디스플레이(LCD) 또는 반사형 LCOS(liquid crystal on silicon) 마이크로디스플레이 또는 기타 유형의 디지털 이미징 장치(digital imaging device)를 사용하는 투사 시스템을 포함한다.
LED 광원에 통합된 반사 편광기의 사용이 국제특허공개 WO 2004/068602호(오우더커크(Ouderkirk) 등)에 이전에 설명되었다. 이 출원에는, 편광 재순환을 유도하기 위해 시준된 광을 이용하는 비-직교 반사 편광기의 사용이 개시되어 있다. 본 발명에서, LED로부터의 광은 편광 필름의 보다 넓은 면적을 통과하여 그 면적에 걸쳐 분포되며, 이에 따라 편광 필름 상에서의 강도가 감소되고 스펙트럼의 청색 부분 내의 LED 광과 연관된 필름 수명 효과가 감소되는데, 이는 이전의 시스템에 비해 이점이다. 또한, 광의 대부분 또는 전부가 수직 입사 또는 거의 수직 입사로 편광기와 충돌하여, 재순환에서의 집광 효율이 보다 높아진다.
재순환 반사 편광기는 도 1A 및 도 1B에 도시된 바와 같이 시준 요소 뒤에 광축을 따라 비-직교로 배치된다. 이 위치에서, 거절 또는 "차단"된 편광 상태는 방출 경로를 따라, 형광체(phosphor)로 코팅되거나 코팅되지 않을 수 있는 LED 다이로 다시 반사된다. 그리고 나서, 이 광은 반사되거나 재흡수된다. 흡수된 광의 일부는 형광체를 자극하여 재방출하도록 한다.
형광체로 코팅된 LED 다이는 PLED로서 표기된다. PLED의 예로는 청색을 적색 및 녹색 파장 둘 모두로 변환하는 형광체를 조명하는 청색 LED가 있다. 청색 여기 광의 일부분은 형광체에 의해 흡수되지 않고, 잔류 청색 여기 광은 형광체에 의해 방출된 적색 및 녹색 광과 조합된다. PLED의 다른 예로는 자외 광을 흡수하여 적색, 녹색, 및 청색 광으로 변환하는 형광체를 조명하는 자외광 LED가 있다. 전형적으로 조성이 무기물이며 300-450 나노미터 범위의 여기 파장 및 가시선 파장 범위 내의 방출 파장을 가진 형광체 물질이 당업계에 잘 알려져 있다. 예를 들어, 영국 에섹스 소재의 포스퍼 테크놀로지 리미티드(Phosphor Technology Ltd.)에 의해 공급되는 형광체류를 참조하라. 형광체는 세륨-도핑된 이트륨 알루미늄 가닛(garnet)(Ce:YAG), 희토류 도핑된 실리케이트, 티오갈레이트, 및 기타 세라믹과 같은 희토류 도핑된 가닛을 포함한다. 본 명세서에 사용되는 바와 같은 용어 "형광체"는 형광 염료 및 안료를 포함한 유기 형광 물질 및 양자 도트를 또한 포함할 수 있다. 본 명세서에 사용되는 바와 같은 용어 "형광체"는 국제특허공개 WO 02/0297902호 및 미국 특허 공개 제2002/0139984호에 기재된 것과 같은 III-V족 재 방출 반도체 구성 또는 미국 특허 공개 제2006/0124918호에 기재된 것과 같은 II-VI족 재방출 반도체 구성을 또한 포함할 수 있다. 본 명세서에 사용되는 바와 같은 용어 "형광체"는 미국 특허 제6,337,536호 및 유럽 특허 공개 제1363335 A2호에 기재된 것과 같은 도핑된 반도체 층을 또한 포함할 수 있다.
재순환 반사 편광기의 예로는 미국 특허 제5,882,774호(존자(Jonza) 등)에 기재된 다층 광학 편광 필름이 있는데, 여기서 필름을 구성하는 교번하는 층들은 실질적으로 정합되는, 필름에 수직인 방향을 따른 굴절률들을 가져 - 즉, 층들 사이의 Δnz는 대략 0임 - , p-편광된 광에 대한 필름 내의 임의의 주어진 계면의 반사율이 입사각의 함수로서 실질적으로 일정하도록 한다. 그러한 반사형 편광 필름은 본 명세서에서 "APF" 필름이라 칭해진다.
측정은 도 4에 도시된 바와 같이 배열된 광학 시스템을 가지고 행해졌다. 도 4는 광 엔진(400), 및 편광 광 엔진 이미지(404)를 받는 검출 시스템(402)을 포함한다. 검출 시스템(402)은 미국 캘리포니아주 어빈 소재의 뉴포트 코포레이션(Newport Corporation)으로부터 입수 가능한 것과 같은 광학 검출기(408) 및 편광기(406)를 구비한다. 광 엔진(400)에서, 반사형 편광 필름(410)은 평탄 반사면을 보장하기 위해 팽팽하게 당겨졌다. LED 다이의 방출면 상에 형광체 코팅을 가진 백색 1와트 LED(412)(미국 95131 캘리포니아주 새너제이 웨스트 트림블 로드 370 소재의 필립스 루밀레즈 라이팅 컴퍼니(Philips Lumileds Lighting Company)로부터 입수 가능)가 0.2A의 구동 전류에서 사용되었다. 광 출력은 반사형 편광 필 름(410)을 사용하여 그리고 반사형 편광 필름(410)을 사용하지 않고 측정되었다. 반사형 편광 필름(410)은 출력을 최대화하기 위해 편광기(406)와 정렬되었다. 코팅되지 않은 APF 필름에 대한 그리고 양 표면 상에서 반사 방지층(anti-reflection layer)으로 코팅된 APF 필름(표준 불화마그네슘 반사 방지층이 당업자에 알려진 방식으로 APF 필름 상에 진공 증착되었음)에 대한 결과가 도 5에 도시되어 있다. 재순환용 APF 필름을 사용하여, 7.8% 내지 15%의 범위 내의 광 출력 증가가 측정되었다.
도 6A 및 도 6B는 프로젝터 응용에서 사용될 수 있는 광 엔진을 도시하는데, 상기 시스템 둘 다는 본 명세서에서 논의된 편광 재순환과 상용가능(compatible)하다. 각각의 경우에, 반사형 편광 필름(602, 604)은 바람직하게는 광 엔진의 동공 평면(pupil plane; 614, 616)(여기에서 광이 시준됨)에 또는 그 부근에 위치된다. 각각의 광 엔진은 LED 발광기(606, 608)를 이용하며, 그 발광기로부터의 광을 고굴절률 볼(ball) 집광 렌즈(610, 612)로 집광하고, 그 광을 LCOS 장치와 같은 디지털 이미징 장치가 위치되는 타겟 영역(618, 620)을 채우는 비교적 균일한 스폿(spot)으로 형상화한다. 일 태양에 따르면, 2005년 12월 30일자로 출원되고 발명의 명칭이 "복합 봉지재 렌즈를 갖는 LED(LED With Compound Encapsulant Lens)"인 미국 특허 출원 제11/322,801호에 개시된 것과 같은 집광 렌즈(610, 612)가 사용될 수 있다. 이들 렌즈는 짧은 초점 거리, 작은 f-수(광각) 집광 능력을 제공한다. 도 6 및 도 7의 투사 시스템은 편광 빔 스플리터(polarizing beam splitter, PBS)(622, 624)를 또한 포함하는데, 빔 스플리터의 광 경로가 간결성을 위해 도 6 및 도 7에 "언폴디드(unfolded)" 상태로 도시되어 있다. PBS(622, 624)의 입사면(626, 628) 및 출사면(630, 632)은 조명 시스템을 위한 광 출력을 제공하기 위해 도시된 바와 같이 만곡될 수 있다. 도 6의 시스템은 볼 렌즈(610)와 PBS(622) 사이에 프레넬 렌즈(Fresnel lens, 634) 및 평철 렌즈(plano-convex lens, L2)를 사용한다. 프레넬 렌즈(634)는 시준된 이미지를 제공하기 위해 시준 렌즈로서 기능한다. 도 7의 시스템은, 비구면일 수 있고 2개의 성형된 절반부(636A, 636B)로 이루어질 수 있는 이중-볼록 렌즈를 사용한다. 렌즈 절반부(636A)는 시준된 이미지를 제공하기 위해 시준 렌즈로서 기능한다.
도 6B에서 이중-볼록 렌즈(636A, 636B)의 만곡된 표면들 사이의 광선은 실질적으로 시준된다. 그러한 시준 상태는 636A, 636B 및 604를 포함하는 하나의 요소 내에 광학 포커싱(optical focusing) 및 편광 재순환 특징부를 포함시키기 위해 반사형 편광 필름(604)(APF 등)을 이중-볼록 렌즈(636A, 636B)의 중간에 "개재(sandwich)"시키는 데 유리하게 사용된다. 반사형 편광 필름(604)은 기울어지거나 만곡될 수 있다.
도 6A 및 도 6B에 도시된 편광 재순환 시스템은 또한 미국 가특허출원 제60/820,887호에 개시된 중공 집광 렌즈를 포함할 수 있다. 중공 집광 렌즈에서, LED 발광기(예컨대, LED 발광기(606))는, 반구형 또는 하이퍼반구형(hyperhemispheric)이고 정-메니스커스(positive meniscus)이며 LED 발광기에 의해 방출되는 광의 실질적으로 완전한 반구를 포집하는 렌즈(예컨대, 렌즈(610))에서 중공 공동(hollow cavity)(예컨대, 중공 공동(638)) 내의 공기 중에 있다.
LED 다이의 상부 상에서의 볼 렌즈(610)(또는 다른 집광 렌즈)의 사용은 다이에서 반사된 큰 각도의 광선의 많은 비율이 재순환될 수 있도록 한다. LED 다이에 결합된 테이퍼형 터널 또는 복합 포물선형 집광기(compound parabolic concentrator; CPC)와 같은 고굴절률 볼 렌즈를 사용하지 않는 다른 재순환 메커니즘은 전형적으로 큰 각도의 이들 광선을 놓치고 만다. 테이퍼형 터널에서, 내부 전반사(total internal reflection, TIR) 요건을 충족하지 않는 그러한 광선은 터널의 측면으로 나와 손실될 수 있다.
개시된 광 엔진은 또한 광 순차 프로젝터에서 사용될 수 있는데, 여기서 조명은 개별 주요 색상들의 시간 시퀀스의 형태이며, 그의 시간 평균은 일반 관찰자에게 백색으로 나타난다. 이러한 순차 구성에서, 역반사된(retro-reflected) p-상태를 회전시키기 위해 사분파장판(quarter-wave plate; QWP)을 사용하는 것이 바람직하다. 도 8에 800으로 도시된 바와 같이, LED 발광기(802)는 광을 집광 렌즈(804)에 제공한다. 집광 렌즈(804)는 비-시준 광을 시준 렌즈(806)에 제공한다. 사분파장판(808)이 집광 렌즈(806)와 편광 필터(810) 사이에 배치된다. 편광 재순환은 도 9에 설명된 바와 같이 4 단계로 수행된다. 도 9에는 존스 행렬 형식(Jones Matrix formalism)을 이용하는 편광 상태 변환이 요약되어 있다. 메커니즘은 편광 필름(810)에 의해 반사된 p-상태가 QWP(808)의 통과, LED 발광기 다이(802)로부터의 반사, 및 QWP(808)의 또 한번의 통과 이후에 회전되는 것이다. LED 발광기 다이 계면에서의 큰 입사각에 대한 강한 프레넬 반사는 재순환 효율에 유리하다. 입사각이 큰 이들 광선은 종종 TIR 테이퍼형 터널과 같은 표준 비-이미 징 집광기(collector) 디자인에서 버려진다.
고굴절률을 갖는 볼 렌즈와 같은 집광 렌즈를 사용하는 LED 조명 시스템의 재순환 효율은 도 10에 1000으로 도시된 바와 같이 측정된다. 도 10에서, 광원(1002)은 광을 집광 렌즈(1004)에 결합시킨다. 집광 렌즈(1004)는 광을 시준 렌즈(1006)에 결합시킨다. 시준 렌즈(1006)는 사분파장판(1008)을 통과한 광을 재순환 편광 필터(1010)에 결합시킨다. 도 10의 배열은 편광 재순환을 시험한다(도 4와 유사). 편광 필름은 바람직하게는 양 표면 상에서 반사 방지 코팅층을 가진 APF 필름을 포함한다. 시험은 LED 다이의 방출면 상에 형광체 코팅을 가진 백색 LED(미국 95131 캘리포니아주 새너제이 웨스트 트림블 로드 370 소재의 필립스 루밀레즈 라이팅 컴퍼니로부터 입수가능함)를 사용하여 수행되었고, 시험은 LED 다이(1002)의 방출면 상에 어떠한 형광체 코팅도 갖고 있지 않은 녹색 LED(또한 미국 95131 캘리포니아주 새너제이 웨스트 트림블 로드 370 소재의 필립스 루밀레즈 라이팅 컴퍼니로부터 입수가능한 유형 "룩세온(Luxeon) III")를 사용하여 행해졌다. 편광된 광은 편광기(분석기)(1012) 및 표준 광학 검출기(1014)를 통해 지향되었다. 결과들이 도 11의 표에 제공되어 있다. 광 출력은 제위치에 있는 편광 필름(1010) 및 사분파장판(1008)을 사용하여 측정되었고, 그리고 나서 사분파장판(1008) 및 편광 필름(1010)을 제거하고 반복되었다.
재순환을 이용하거나 이용하지 않는 프로젝터를 사용하여 추가 시험이 수행되었다. 도 12에 1200으로 도시된 프로젝터 디자인이 사용되었는데, 여기서 조명 서브시스템(1202)은 실선 내에 도시되어 있고, 투사 서브시스템(1204)은 (부분적으 로 중첩된) 파선으로 도시되어 있다. 광 엔진(1206)은 광원(1208), 집광 렌즈(1210), 시준 렌즈(1212), 편광 필터(1214), 및 사분파장판(1215)을 구비한다. 투사 서브시스템(1204)은 편광 빔 스플리터(1216), 및 투사 렌즈 조립체(1218)를 구비한다. 편광 필터(1214)(현재의 시험 설비에서는, 기울거나 만곡되지 않음) 및 사분파장 필름(1215)은 원통형 렌즈(1220)에 고정되었다. LCOS 이미지 형성 장치(1222)는 프로젝터(1200)에 포함되었다. 룩세온 III 녹색 LED를 가진 이러한 프로젝터 시스템에서의 재순환 효율은 도 13의 표에 나타낸 바와 같다.
일부 경우에, 광원 정면 상의 광의 패턴에 따라, 만곡된 또는 기울어진 편광 필터와 같은 비-직교 편광 필터가 바람직할 수 있다. LED 발광기는 도 1C 또는 도 14에 도시된 바와 같이 기판 상에 서로 옆에 배치된 복수의 LED 다이를 포함할 수 있다. 다이는 직사각형 형상일 수 있으며, 예를 들어, LED 발광기의 전체 방출면을 형성하도록 배열된 3개, 4개, 또는 그 이상의 그러한 다이가 존재할 수 있다. 재순환 기술을 위해, LED 다이 직사각형(예컨대, 도 1C의 직사각형(158, 160, 162, 164))들 중 하나 이상이 고반사 금속 또는 다른 적합한 미러(mirror)와 같은 미러 표면으로 대체될 수 있다. 예를 들어, 158, 160, 164의 3개의 LED 다이 직사각형(도 1C)은 발광기를 구성하는 경우에, 중앙 직사각형(162)(도 1C)은 그러한 반사 미러로 대체될 수 있다. 그리고 나서, 반사형 편광 필름(예컨대, 도 1A의 필름(130) 또는 도 1B의 필름(131))이 직교가 안되도록 반사형 필름을 약간 기울이거나 오정렬시킴으로써, 반사된 편광 상태는 중앙 직사각형의 미러 표면과 부딪치도록 후방으로 지향될 수 있다. 이 광은 결국 반사 편광기에 의해 투과될 수 있도록 반대 편광 상태로 변할 수 있다. 편광 변환은 반사형 편광 필름에 부착된 사분파장판을 포함하는 다양한 방법에 의해 또는 반사 미러 표면으로서 반파장 미러를 배치함으로써 행해질 수 있다.
도 1A는 광 엔진(100)을 도시한다. 광 엔진(100)은 편광 광 엔진 이미지(102)를 제공한다. 이미지(102)는 바람직하게는 시준된다. 편광 광 이미지(102)는, 예를 들어, 편광된 광을 선택적으로 반사시키는 픽셀을 가진 LCOS 이미지 장치를 이용하는 프로젝터에서 편광된 조명을 제공하는 데 사용될 수 있다.
광 엔진(100)은 광원(104)을 포함한다. 광원(104)은 비-시준 광(108, 110)을 방출하는 제1 영역 및 광을 재순환시키는 제2 영역을 포함하는 정면(106)을 갖는다. 정면(106)은 도 1C에 도시된 예에 의해 이하에서 보다 상세히 설명된다. 일 태양에 따르면, 제1 영역은 발광 다이오드 어레이(array)를 구비한다. 다른 태양에 따르면, 발광 다이오드 어레이는 백색 광을 방출한다. 다른 태양에 따르면, 발광 다이오드 어레이는 순차적으로 또는 동시에 적색, 녹색 및 청색 광을 방출한다.
일 태양에 따르면, 제1 영역, 제2 영역 또는 둘 모두의 영역은 광 재순환을 위해 형광체를 포함할 수 있다. 다른 태양에 따르면, 제1 영역, 제2 영역 또는 둘 모두의 영역은 광 재순환을 위해 반사면을 포함할 수 있다.
광 엔진(100)은 집광 렌즈(116)를 포함한다. 집광 렌즈(116)는 비-시준 광(108, 110)을 집광하고, 정면(106)의 불완전하게 시준된 광(118, 120)을 제공한다. 일 태양에 따르면, 집광 렌즈(116)는 메니스커스 렌즈를 포함한다. 다른 태 양에 따르면, 집광 렌즈(116)는 고굴절률 하이퍼반구형 볼 렌즈를 포함한다.
광 엔진(100)은 시준 렌즈(122)를 포함한다. 시준 렌즈(122)는 불완전하게 시준된 광(118, 120)을 수광하여, 정면(106)의 시준된 이미지(124, 126)를 제공한다. 일 태양에 따르면, 시준 렌즈(122)는 적어도 하나의 프레넬 렌즈를 포함한다. 다른 태양에 따르면, 시준 렌즈(122)는 적어도 하나의 평철 또는 이중 볼록 또는 메니스커스 렌즈를 포함한다. 일 태양에 따르면, 광 엔진 이미지(102)는 시준된 이미지(124, 126)와 실질적으로 동일한 크기를 갖는다. 다른 태양에 따르면, 광 엔진 이미지(102)는 시준된 이미지를 포함한다.
광 엔진(100)은 편광 필터(130)를 포함한다. 편광 필터(130)는 정면(106)의 시준된 이미지(124, 126)를 받는다. 편광 필터(130)는 시준된 이미지(124, 126)의 편광된 부분(132, 134)을 편광 광 엔진 이미지(102)의 직접적인 성분으로서 통과시킨다. 편광 필터(130)는 편광된 재순환 이미지(140, 142)를 정면(106)으로 다시 반사시킨다. 정면(106)은 재순환 이미지(140, 142)를 편광 광 엔진 출력(102)의 재순환 성분으로서 귀환시킨다. 정면(106)은 재순환 이미지(140, 142)를 정면(106) 상의 형광체의 여기, 반사, 또는 이들 둘 모두에 의해 귀환시킬 수 있다. 일 태양에 따르면, 편광 필터(130)는 다층 광학 편광 필름을 포함한다. 편광된 재순환 이미지(140, 142)는 정면(106)을 자동-시준된 이미지로서 조명한다. 정면(106)에서, 정면(106)의 방출된 이미지는 재순환 이미지(140, 142)와 자동-시준(정렬)된다. 재순환 이미지(140, 142)는 정면(106)의 방출된 이미지의 미러 이미지이다.
편광 필터(130)는 편광 광 엔진 이미지(102)의 휘도 균일도를 증가시키기 위해, 직접적인 성분에 대해 재순환 성분의 일부분을 횡방향으로 이동시키는 곡률을 가진 만곡된 필터 형상을 포함한다. 편광 필터(130)는 광 엔진(100)에서 광 전파 방향에 직교하지 않는다. 일 태양에 따르면, 곡률은 집광 렌즈 및 시준 렌즈에서의 수차(aberration)를 교정하도록 조절된다. 다른 태양에 따르면, 만곡된 필터 형상은 시준 렌즈(122)와 대면하는 볼록 면(136)을 구비한다. 다른 태양에 따르면, 제1 영역은 광축(144)에 대해 중심을 벗어난 광 휘도의 패턴을 방출하는 발광 다이오드를 포함하고, 편광 필터(130)는 재순환 이미지(140, 142)가 정면(106) 상의 중심에 위치하는 것을 향상시키도록 기울어진다. 다른 태양에 따르면, 집광 렌즈(116), 시준 렌즈(122), 편광 필터(130) 및 편광 광 엔진 이미지(102)는 공통 광축(144)을 따라 정렬된다. 다른 태양에 따르면, 사분파장판(도 1A에는 도시되지 않음)은 광원(104)과 편광 필터(130) 사이에 광축(144)을 따라 배치된다. 사분파장판은 재순환 광이 재순환 후에 편광 필터(130)를 보다 쉽게 통과하도록 재순환 광의 편광을 회전시킨다. 편광 필터의 곡률은 발광 다이오드의 휘도의 패턴에 따라 축상(on axis) 또는 축외(off axis)에 있을 수 있다.
일 태양에 따르면, 편광 광 엔진 이미지(102)는 이미지(102)의 제2 영역이 재순환 광에 의해 채워지는 정면(106)의 이미지를 포함한다. 다른 태양에 따르면, 광 엔진(100)은 광 터널을 포함하지 않는다. 재순환용 광 터널들은 이들의 출력에서 소스 이미지(source image)를 제공하지 않으며, 개시된 이미징 재순환 시스템보다 덜 효율적이다. 광 터널의 예가 미국 특허 공개 제2006/0262514호에 기재되어 있다. 다른 태양에 따르면, 재순환 이미지(140, 142)는 정면(106)에 대해 자동-시준된 이미지를 포함한다. 다른 태양에 따르면, 광원(104) 및 집광 렌즈(116)는 발광 다이오드 복합 봉지재 렌즈의 부분들이다.
도 1B는 광 엔진(103)을 도시한다. 광 엔진(103)은 광 엔진(100)(도 1A)과 유사하다. 도 1A에 사용된 도면 부호와 동일한 도 1B에 사용된 도면 부호는 동일 또는 유사한 특징부를 나타낸다. 광 엔진(100)은 볼록 렌즈를 포함하는 시준 렌즈(122)를 포함하지만, 광 엔진(103)은 하나 이상의 프레넬 렌즈를 (시준 렌즈(123)의 구성요소로서) 포함하는 시준 렌즈(123)를 포함한다. 광 엔진(103)은 중앙 광축(144)에 대해 평탄하고 기울어진 편광 필터(131)를 포함한다. 편광 필터(131)는 중앙 광축에 직교하지 않는다. 광 엔진(103)은 사분파장판(151)을 포함한다. 다른 태양에서, 광 엔진(100, 103)은 유사하다. 도 1A에 도시된 특징부는 도 1B에 사용하도록 될 수 있고, 그 반대도 성립한다.
도 1C는 도 1A 및 도 1B에서의 광원(104)과 같은 예시적인 광원으로서 역할하는 발광 다이오드(150)를 도시한다. 발광 다이오드(150)는 본드 와이어(bond wire; 152, 154)를 통해 전력에 연결된다. 발광 다이오드(150)는 광 방출 영역(158, 160, 162, 164, 166)을 포함한다. 영역(168, 170, 172, 174, 176, 178)과 같은 발광 다이오드(150)의 영역은 비-방출 영역을 포함하며, 비-방출 영역은 전도체를 포함하고 전력의 결과로서 광을 발생하지는 않는다. 그러나, 비-방출 영역은 형광체의 여기, 반사, 또는 이들 둘 모두에 의해 광을 제공할 수 있다. 따라서, 발광 다이오드(150)의 이미지는 광을 방출하는 영역 및 광을 방출하지 않는 영역의 패턴이다. 투사에 사용하기 위해, 도 1D에 도시된 바와 같은, 휘도가 비교적 균일한 이미지가 요구된다. 도 1A 및 도 1B와 관련하여 전술된 바와 같이, 만곡형 편광 필터(130) 또는 기울어진 편광 필터(131)가 광 엔진에 포함된다. 만곡형의 비-직교 편광 필터(130)는, 재순환을 위해, 반사된 광을 LED 영역에 가장 효율적으로 다시 이미지 형성하는 광을 제공한다. 비-직교 편광 필터(130 또는 131)는 재순환 광을, 광이 발생된 광원 정면의 부분과는 상이한 광원 정면(106)의 부분으로 다시 반사시킨다. 비-직교 편광 필터는 광원 정면(106)의 보다 어두운 영역을 채우기 위해 재순환 이미지를 약간 이동시킨다. 생성된 편광 광 엔진 이미지는 비-직교 재순환 편광 필터(130 또는 131) 때문에 보다 균일하다. 기울어진 편광 필터(131)는 재순환 이미지(140, 142)가 발광 다이오드(150) 상의 중심에 위치하는 것을 향상시킨다. 만곡형 편광 필터(130)는 또한 기울어질 수 있다. 기울어지고 만곡된 광 재순환 편광 필터로부터 나오는 이미지는 도 1D에 180으로 도시된 바와 같이 균일하고 중심에 위치된 이미지이다.
도 14는 광원으로서 역할하는 대안적인 실시예로서의 발광 다이오드(1400)를 도시한다. 발광 다이오드(1400)는 영역(1402, 1404, 1406)에서 상이한 파장의 광을 방출하는 영역을 포함하는데, 여기서 이들 영역은 예를 들어 적색, 녹색, 및 청색 광을 각각 방출할 수 있다. 영역(1408)이 추가적인 녹색 광, 또는 제4 색상의 광을 방출할 수 있다. 영역(1408)은 대안적으로 미러를 포함할 수 있다. 이들은 별개의 영역에서 상이한 파장을 방출하는 소스의 많은 가능한 구성들의 예이다. 발광 다이오드(1400)는, 예를 들어, 상이한 영역에서 청색 및 황색 광을 발생할 수 있고, 적색 영역, 황색 영역, 녹색 영역, 청록색(cyan) 영역, 청색 영역, 자홍색(magenta) 영역, 및 백색 영역의 조합을 포함할 수 있는데, 이때 각각의 색상 방출 영역들의 개수는 동일하거나 동일하지 않을 수 있다. 각각의 영역의 면적은 인접 영역과 동일하거나 상이할 수 있거나, 또는 상이한 크기의 영역들의 조합일 수 있다.
상이한 색상 방출 영역들은 이산된 발광 다이오드들로 구성될 수 있거나, 또는 적어도 하나의 방출면이 투명 영역들 및 파장 변환 영역들의 패턴으로 덮인 단일 발광 다이오드로 구성될 수 있다. 예를 들어, 청색 광을 방출하는 단일 발광 다이오드의 방출면의 부분들은 청색 광을 적색 또는 녹색 광, 또는 그 조합으로 변환하는 파장 변환 층으로 덮일 수 있다. 발광 다이오드(1400)는 이산된 다파장의 단일 발광 다이오드들의 조합으로 또한 구성될 수 있다. 발광 다이오드(1400)는 적어도 2개의 방출 영역, 바람직하게는 적어도 3개의 방출 영역을 가질 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에서, 발광 다이오드(1400)는 수십, 수백, 또는 수천개의 광 방출 영역을 가질 수 있다.
파장 변환에 적합한 물질은, 예를 들어, Ce:YAG, 황화물, 티오갈레이트(thiogallate), 실리케이트, 양자 도트, 형광 염료 및 안료와 같은 유기 형광 물질, 및 III-V족 및 II-VI족 물질과 같은 반도체, 및 도핑된 반도체, 및 그 조합을 비롯한 형광체를 포함한다.
발광 다이오드(1400)로부터의 광을 집광하는 데 사용되는 조명 광학계와 반사 편광기의 조합에 의해 재순환되는 광은 우선적으로 발생 영역으로 다시 재순환 될 수 있거나, 또는 다른 영역으로 재순환될 수 있다. 상기 다른 영역은 재순환 광으로부터 동일한 색상의 광을 방출하거나 방출하지 않을 수 있다. 바람직하게는, 발광 다이오드는 재순환 광에 대해 낮은 흡수율을 가질 것이다.
도 2A는 프로젝터(203)의 일부인 광 엔진(200)을 도시한다. 광 엔진(200)은 편광 광 엔진 이미지(202)를 제공한다. 이미지(202)는 시준된다. 편광 광 이미지(202)는, 편광된 광을 선택적으로 반사시키는 픽셀을 가진 LCOS 이미지 장치(201)를 이용하는 프로젝터(203)에서 편광된 조명을 제공한다.
광 엔진(200)은 광원(204)을 포함한다. 예를 들어 도 1C에 도시된 바와 같이, 광원(150)은 비-시준 광(예컨대, 광(208))을 방출하는 영역(158, 160, 162, 164, 166), 및 광을 재순환시키는 비-발광영역(168, 170, 176, 178)을 포함하는 정면(도 2A의 광 엔진(200)의 정면(206)과 비교가능함)을 갖는다. 방출 영역(158, 160, 162, 164, 166)은 또한 광을 재순환시킬 수 있다. 일 태양에 따르면, 영역(158, 160, 162, 164, 166)은 발광 다이오드 어레이를 포함한다. 일 태양에 따르면, 영역(158, 160, 162, 164, 166)은 발광 다이오드 어레이를 포함한다. 다른 태양에 따르면, 발광 다이오드 어레이는 백색 광을 방출한다. 다른 태양에 따르면, 발광 다이오드 어레이는 적색, 녹색 및 청색 광을 순차적으로 방출한다.
일 태양에 따르면, 방출 영역, 비-방출 영역 또는 둘 모두의 영역은 광 재순환을 위해 형광체를 포함할 수 있다. 다른 태양에 따르면, 방출 영역, 비-방출 영역 또는 둘 모두의 영역은 반사면을 포함할 수 있다.
광 엔진(200)은 집광 렌즈(216)를 포함한다. 집광 렌즈(216)는 비-시준 광(208)을 집광하고, 정면(206)의 불완전하게 시준된 광(218)을 제공한다. 일 태양에 따르면, 집광 렌즈(216)는 볼 렌즈를 포함한다. 다른 태양에 따르면, 집광 렌즈(216)는 고굴절률 하이퍼반구형 볼 렌즈를 포함한다.
광 엔진(200)은 시준 렌즈(222)를 포함한다. 시준 렌즈(222)는 불완전하게 시준된 광(218)을 수광하여, 정면(206)의 시준된 이미지(224)를 제공한다. 일 태양에 따르면, 시준 렌즈(222)는 적어도 하나의 프레넬 렌즈를 포함한다. 다른 태양에 따르면, 시준 렌즈(222)는 적어도 하나의 볼록 렌즈를 포함한다. 일 태양에 따르면, 광 엔진 이미지(202)는 시준된 이미지(224)와 실질적으로 동일한 크기를 갖는다. 다른 태양에 따르면, 광 엔진 이미지(202)는 시준된 이미지를 포함한다.
광 엔진(200)은 편광 필터(230)를 포함한다. 편광 필터는 정면(206)의 시준된 이미지(224)를 받는다. 편광 필터(230)는 시준된 이미지(224)의 편광된 부분(232)을 편광 광 엔진 이미지(202)의 직접적인 성분으로서 통과시킨다. 편광 필터(230)는 재순환 이미지(240)를 정면(206)으로 다시 반사시킨다. 정면(206)은 재순환 이미지(240)를 편광 광 엔진 출력(202)의 재순환 성분으로서 제공한다. 정면(206)은 반사, 형광체 여기, 또는 이들 둘 모두에 의해 재순환 이미지를 제공할 수 있다. 일 태양에 따르면, 편광 필터(230)는 다층 광학 편광 필름을 포함한다.
편광 필터(230)는 편광 광 엔진 이미지(202)의 휘도 균일도를 증가시키기 위해, 직접적인 성분에 대해 재순환 성분의 일부분을 횡방향으로 이동시키는 곡률을 가진 만곡된 필터 형상을 포함한다. 일 태양에 따르면, 곡률은 집광 렌즈 및 시준 렌즈에서의 수차를 교정하도록 조절된다. 다른 태양에 따르면, 만곡된 필터 형상 은 시준 렌즈(222)와 대면하는 볼록 면(236)을 구비한다. 편광 필터의 곡률은 발광 다이오드의 휘도의 패턴에 따라 축상 또는 축외에 있을 수 있다. 도 2B에 도시된 다른 태양에 따르면, 편광 필터(252)는 만곡되고 기울어질 수 있다. 다른 태양에 따르면, 제1 영역은 발광 다이오드 중심에 대해 중심이 벗어난 광 휘도 패턴을 방출하는 발광 다이오드를 포함하고(도 1C 참조), 편광 필터(256)는 재순환 이미지(240)가 정면(206) 상의 중심에 위치하는 것을 향상시키도록 도 2C에 도시된 바와 같이 기울어진다.
일 태양에 따르면, 편광 광 엔진 이미지(200)는 이미지의 제2 영역(202)이 재순환 광에 의해 채워지는 정면의 이미지(206)를 포함한다. 다른 태양에 따르면, 광 엔진(200)은 광 터널을 포함하지 않는다. 다른 태양에 따르면, 재순환 이미지(240)는 정면에 대해 자동-시준된 이미지(206)를 포함한다. 다른 태양에 따르면, 광원(204) 및 집광 렌즈(216)는 발광 다이오드 복합 봉지재 렌즈의 부분들이다.
본 발명은 바람직한 실시예들을 참조하여 설명되었지만, 당업자는 본 발명의 사상 및 범주로부터 벗어남이 없이 형태 및 상세 사항에 있어서 변경이 이루어질 수 있음을 인식할 것이다.

Claims (22)

  1. 편광 광 엔진 이미지를 제공하는 광 엔진이며,
    정면을 갖는 광원;
    정면으로부터의 비-시준 광을 집광하고, 정면으로부터의 불완전하게 시준된 광을 제공하는 집광 렌즈;
    불완전하게 시준된 광을 수광하고, 정면의 실질적으로 시준된 이미지를 제공하는 시준 렌즈;
    정면의 시준된 이미지를 받는 편광 필터를 포함하며,
    편광 필터는 시준된 이미지의 편광된 부분을 편광 광 엔진 이미지(polarized light engine image)의 직접적인 성분으로서 통과시키고,
    편광 필터는 재순환 이미지를 정면으로 다시 반사시키며,
    정면은 재순환 이미지를 편광 광 엔진 이미지의 재순환 성분으로서 제공하고,
    편광 필터는 편광 광 엔진 이미지의 휘도 균일도를 증가시키기 위해 직접적인 성분에 대해 재순환 성분의 부분들을 이동시키는 비-직교 형상을 포함하는 광 엔진.
  2. 제1항에 있어서, 편광 필터의 비-직교 형상은 기울어진 편광 필터 형상과 만곡된 편광 필터 형상으로 된 군으로부터 선택되는 광 엔진.
  3. 제1항에 있어서, 필터 형상은 시준 렌즈와 대면하는 만곡된 볼록 면을 포함하는 광 엔진.
  4. 제1항에 있어서, 제1 영역은 발광 다이오드 어레이를 포함하는 광 엔진.
  5. 제4항에 있어서, 발광 다이오드 어레이는 백색 광을 방출하는 광 엔진.
  6. 제4항에 있어서, 발광 다이오드 어레이는 적색, 녹색 및 청색 광을 순차적으로 방출하는 광 엔진.
  7. 제1항에 있어서, 집광 렌즈와 광원은 봉지된 발광 다이오드 볼 렌즈에 조합되는 광 엔진.
  8. 제1항에 있어서, 시준 렌즈는 적어도 하나의 프레넬 렌즈를 포함하는 광 엔진.
  9. 제1항에 있어서, 시준 렌즈는 적어도 하나의 볼록 렌즈를 포함하는 광 엔진.
  10. 제1항에 있어서, 제1 영역은 발광 다이오드 중심에 대해 중심을 벗어난 광 휘도의 패턴을 방출하는 발광 다이오드를 포함하고, 비-직교 편광 필터는 편광 광 엔진 이미지가 중심에 위치하는 것을 향상시키는 광 엔진.
  11. 제1항에 있어서, 제1 영역과 제2 영역 중 적어도 하나는 형광체를 포함하는 광 엔진.
  12. 제1항에 있어서, 제2 영역은 반사면을 포함하는 광 엔진.
  13. 제1항에 있어서, 광 엔진 이미지는 시준된 이미지와 실질적으로 동일한 크기를 갖는 광 엔진.
  14. 제1항에 있어서, 광 엔진 이미지는 시준된 이미지를 포함하는 광 엔진.
  15. 제1항에 있어서, 광원과 편광 필터 사이에 배치된 사분파장판(quarter wave plate)을 추가로 포함하는 광 엔진.
  16. 제1항에 있어서, 편광 광 엔진 이미지는 이미지의 제2 영역이 재순환 광으로 채워지는 정면의 이미지를 포함하는 광 엔진.
  17. 제1항에 있어서, 광 터널을 포함하지 않는 광 엔진.
  18. 제1항에 있어서, 재순환 이미지는 정면에 대해 자동-시준된 이미지를 포함하는 광 엔진.
  19. 제1항에 있어서, 집광 렌즈, 시준 렌즈, 편광 필터, 및 편광 광 엔진 이미지는 공통 광축을 따라 정렬되는 광 엔진.
  20. 제1항에 있어서, 편광 필터는 다층 광학 편광 필름을 포함하는 광 엔진.
  21. 제1항에 있어서, 광원과 집광 렌즈는 발광 다이오드 복합 봉지재 렌즈의 부분들인 광 엔진.
  22. 편광 광 엔진 이미지를 제공하는 광 엔진이며,
    비-시준 광을 방출하는 광원;
    비-시준 광을 집광하고, 정면의 불완전하게 시준된 광을 제공하는 집광 렌즈;
    불완전하게 시준된 광을 수광하고, 정면의 시준된 이미지를 제공하는 시준 렌즈;
    정면의 시준된 이미지를 받는 비-직교 편광 필터; 및
    편광 필터와 광원 사이의 사분파장판을 포함하며,
    편광 필터는 시준된 이미지의 편광된 부분을 편광 광 엔진 이미지의 직접적인 성분으로서 통과시키고,
    편광 필터는 재순환 이미지를 정면으로 다시 반사시키며,
    정면은 재순환 이미지를 편광 광 엔진 출력의 재순환 성분으로서 제공하는 광 엔진.
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