KR20090035562A - 통합형 광원 모듈 - Google Patents

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KR20090035562A
KR20090035562A KR1020097001989A KR20097001989A KR20090035562A KR 20090035562 A KR20090035562 A KR 20090035562A KR 1020097001989 A KR1020097001989 A KR 1020097001989A KR 20097001989 A KR20097001989 A KR 20097001989A KR 20090035562 A KR20090035562 A KR 20090035562A
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source module
integrator
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distal end
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KR1020097001989A
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제니퍼 엘. 그레이스
패트릭 알. 데스테인
윌리엄 이. 3세 필립스
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쓰리엠 이노베이티브 프로퍼티즈 컴파니
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Abstract

적어도 하나의 광 방출 표면을 갖는 발광기와, 방출 표면 상에 장착된 적어도 부분적으로 중공인 통합형 광학계를 포함하며, 중공 영역 내의 굴절률이 광학 경로를 따른 후속 매체의 굴절률보다 작은 광원 모듈이 제공된다. 통합형 광학계는 방출 표면과 대면하는 근접 단부 및 방출 표면으로부터 멀리 대면하는 말단부를 갖는다. 통합형 광학계의 말단부는 평평하고, 발광기의 종횡비와 상이할 수 있는 직사각형 종횡비를 갖는다. 하나 이상의 광학 필름 및/또는 집광 렌즈와 같은 광학 구성요소가 통합형 광학계의 말단부에 부착될 수 있다.
광원, 모듈, 발광기, 인티그레이터, 종횡비, 굴절률

Description

통합형 광원 모듈{INTEGRATING LIGHT SOURCE MODULE}
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 그 내용이 전체적으로 본 명세서에 참고로 포함된, 2006년 8월 1일자로 출원된 미국 가특허출원 제60/838988호, 2006년 8월 1일자로 출원된 미국 가특허출원 제60/821032호, 및 2006년 7월 31일자로 출원된 미국 가특허출원 제60/820888호에 기초하며, 그 이익을 청구한다.
본 출원과 동일자로 출원된 발명의 명칭이 "LED 모자이크(LED Mosaic)"(대리인 관리 번호 62370US006)인 공동으로 양도된 미국 특허 출원; 본 출원과 동일자로 출원된 발명의 명칭이 "조합형 카메라/프로젝터 시스템(Combination Camera/Projector System)"(대리인 관리 번호 62369US006)인 미국 특허 출원; 본 출원과 동일자로 출원된 발명의 명칭이 "중공 집광 렌즈를 갖는 LED 광원(LED Source With Hollow Collection Lens)"(대리인 관리 번호 62371US006)인 미국 특허 출원; 2005년 12월 30일자로 출원되고 발명의 명칭이 "복합 봉지재 렌즈를 갖는 LED(LED With Compound Encapsulant Lens)"인 미국 특허 출원 제11/322,801호; 본 출원과 동일자로 출원된 발명의 명칭이 "광학 투사 서브시스템(Optical Projection Subsystem)"(대리인 관리 번호 63281US002)인 미국 특허 출원; 2007년 7월 2일자로 출원된 발명의 명칭이 "편광 재순환을 이용한 LED 조명 시스템(LED Illumination System With Polarization Recycling)"인 미국 특허 출원 제11/772,609호; 그리고 미국 특허 공개 제2006/0091411호(오우더커크(Ouderkirk) 등)의 "고휘도 LED 패키지(High Brightness LED Package)", 미국 특허 공개 제2006/0091798호(오우더커크 등)의 "복합 광학 요소(들)를 갖는 고휘도 LED 패키지(High Brightness LED Package With Compound Optical Element(s))", 및 미국 특허 공개 제2006/0092532호(오우더커크 등)의 "다수의 광학 요소를 갖는 고휘도 LED 패키지(High Brightness LED Package With Multiple Optical Elements)"를 참조한다.
광원 모듈은 투사 디스플레이, 액정 디스플레이(LCD)용 백라이트 등을 포함한 다양한 응용을 갖는 조명 시스템에 가장 널리 사용되고 있다. 투사 시스템은 일반적으로, 광원, 조명 광학계, 이미지 형성 장치, 투사 광학계 및 투사 스크린을 포함한다. 조명 광학계는 광원으로부터 광을 집광하고, 이를 소정의 방식으로 하나 이상의 이미지 형성 장치로 지향시킨다. 전자적으로 조절되고 처리된 디지털 비디오 신호에 의해 제어되는 이미지 형성 장치는 비디오 신호에 대응하는 이미지를 생성한다. 이어서, 투사 광학계는 이미지를 확대하고 이를 투사 스크린 상으로 투사한다. 컬러 휠(color wheel)과 함께 아크 램프와 같은 백색 광원이 투사 디스플레이 시스템용 광원으로서 사용되어 왔으며 여전히 우세하게 사용되고 있다. 그러나, 최근에는, 발광 다이오드(LED)가 그들의 보다 긴 수명, 더 높은 효율 및 우수한 열 특성으로 인해 대안으로서 도입되었다.
LED는 전형적으로 금속 헤더 상에 장착된 LED 다이 또는 칩을 포함한다. 헤더는 LED 다이가 장착된 반사 컵과, LED 다이에 연결된 전기 리드(lead)를 가질 수 있다. 일부 패키지는 또한 LED 다이를 봉지하는 성형된 투명 수지를 포함할 수 있다. 봉지 수지는 다이로부터 방출되는 광을 부분적으로 시준하기 위한 명목상 반구형인 전방 표면 또는 명목상 평평한 표면을 가질 수 있다. 또한, 다이 내에 갇히는 광의 양을 감소시키기 위하여 LED 다이로부터의 광과 결합하거나 이로부터 광을 "추출"하도록 광학 요소가 LED 다이의 표면과 접촉되거나 매우 근접하게 될 수 있다.
또한, LED 다이로부터의 광과 결합하는 것을 도움으로써 광이 그 내부에 갇혀 소모되는 것을 방지하기 위하여 추출 구조물이 LED 발광기(emitter) 상에 형성되거나 위치될 수 있다. 예를 들어, LED 다이의 방출 표면을 거칠게 하는 것 또는 그러한 표면 상에 파장 미만 구조물(sub-wavelength structure)과 같은 다수의 패싯(facet) 또는 기타 구조물을 제공하는 것이, LED 다이로부터의 광 추출을 향상시키는 데 사용될 수 있다. 다른 추출 구조물로는 고 추출 광결정(photonic crystal) 구조물 및 와이어 그리드(wire grid) 추출 구성요소를 들 수 있다. 또 다른 추출 구조물로는, 미국 특허 공개 제2006/0091411호(오우더커크 등)의 "고휘도 LED 패키지", 미국 특허 공개 제2006/0091798호(오우더커크 등)의 "복합 광학 요소(들)를 갖는 고휘도 LED 패키지", 및 미국 특허 공개 제2006/0092532호(오우더커크 등)의 "다수의 광학 요소를 갖는 고휘도 LED 패키지"에 개시된 바와 같은 유리 또는 세라믹 추출기 또는 추출기 어레이를 들 수 있다.
고상(solid state) 조명, 광학계 및 디스플레이 요소에서의 최근의 발전은 매우 작은 풀-컬러(full-color) 프로젝터의 생성을 가능하게 하고 있다. 이들 컬 러 프로젝터를 휴대폰에 통합될 만큼 충분히 작게 만들기 위해서는, 색상들을 조합하는 매우 효율적이고 집약적인 수단을 조사하는 것이 필요하다. 색상 투사를 생성하는 2가지 주된 방법이 있다. "색상 순차식(Color-Sequential)"으로 알려진 첫 번째 방법은 이색성 X-큐브(dichroic X-cube)를 사용하여 개별적인 적색, 녹색 및 청색 광원들로부터의 광을 오버레이(overlay)시키고, 이들 색상들을 특정 시간-순차적 방식으로 단색 마이크로디스플레이 상으로 이미지화한다. "색상 필터링(Color-Filtering)"으로 알려진 두 번째 방법은 적색/녹색/청색 컬러 필터를 이용하여 백색 광원을 마이크로디스플레이 상으로 이미지화하는 것을 초래한다.
상기 설명은 단지 일반적인 배경 정보를 위해 제공되는 것이며, 청구된 주제의 범주를 판단하는 것을 돕는 것으로 사용되고자 하는 것이 아니다.
발명의 개요
적어도 하나의 광 방출 표면을 갖는 발광기와, 방출 표면 상에 장착된 적어도 부분적으로 중공인 통합형 광학계(integrating optic)를 포함하며, 중공 영역 내의 굴절률이 광학 경로를 따른 후속 매체의 굴절률보다 작은 광원 모듈이 제공된다. 통합형 광학계는 방출 표면과 대면하는 근접 단부 및 방출 표면으로부터 멀리 대면하는 말단부를 갖는다. 통합형 광학계의 말단부는 평평하고, 발광기의 종횡비와 상이할 수 있는 직사각형 종횡비를 갖는다. 광학 필름 및/또는 집광 렌즈와 같은 광학 구성요소가 통합형 광학계의 말단부에 부착될 수 있다.
이러한 개요는 발명의 상세한 설명에서 추가로 후술되는 개념들의 선택을 단순한 형태로 소개하기 위해 제공되었다. 이러한 개요는 청구된 주제의 주요 특징 부 또는 필수 특징부를 확인하고자 하는 것이 아니며, 청구된 주제의 범주를 판단하는 것을 돕는 것으로 사용되고자 하는 것도 아니다.
도 1은 일부 개시된 실시예에 따른, 테이퍼형 로드 인티그레이터(tapered rod integrator) 유형의 적어도 부분적으로 중공인 통합형 광학계를 포함하는 광원 모듈의 개략 측면도.
도 2A는 종횡비를 예시하는, 도 1에 도시된 발광기의 개략 평면도.
도 2B 및 도 2C는 각각 종횡비를 예시하는, 테이퍼형 로드 인티그레이터의 저면도 및 평면도.
도 3 내지 도 6은 추가의 특징부 및/또는 구성요소를 예시하는, 도 1에 도시된 광원 모듈의 개략 측면도.
도 7은 다른 개시된 실시예에 따른, 테이퍼형 로드 인티그레이터를 포함하는 광원 모듈의 개략 측면도.
도 8 내지 도 11은 추가의 특징부 및/또는 구성요소를 예시하는, 도 7에 도시된 광원 모듈의 개략 측면도.
도 12는 다른 개시된 실시예에 따른, 중공 통합형 터널 유형의 통합형 광학계를 포함하는 광원 모듈의 개략 측면도.
도 13은 통합형 터널 유형의 광학계를 포함하는 다른 광원 모듈 실시예의 개략 측면도.
개시된 실시예는 무엇보다도 LED 광원으로부터 광을 추출하기 위한 효율적인 메커니즘을 제공한다. 필요하다면, 개시된 실시예는 또한 LED 발광기들로부터의 색상들을 조합하는 데 사용될 수 있다. 이들 개시된 실시예는, 색상 순차식 방법에서의 X-큐브의 필요성을 제거함으로써, 그리고 종래에는 색상 순차식 및 색상 필터링 색상 투사 방법 둘 모두에 사용되었던 비균등(anamorphic) 렌즈 및 프레넬(Fresnel) 렌즈의 필요성을 제거함으로써, 색상 순차식 기술과 색상 필터링 기술의 보다 집약적인 버전을 가능하게 한다.
또한, 본 명세서에 개시된 인티그레이터 로드/터널 기술의 일부를 사용하여, 추출 구조물의 의도된 광 추출 기능을 방해함이 없이 다이의 표면 상에서 추출 구조물을 갖는 LED를 사용할 수 있다. 추출 특징부가 본 발명의 도면들에서는 상세하게 도시되지 않았지만, 본 명세서에 개시된 각각의 실시예는 그 특징부가 필요하지 않을지라도 이들 특징부를 선택적으로 포함하는 것으로서 해석되어야 한다.
개시된 디자인은 어떤 점에서는 고굴절률 LED 다이 또는 칩의 추출 효율을 증가시키는 유일한 방식이 이용가능한 최고 굴절률, 즉 LED 다이의 굴절률에 가능한 근접한 굴절률을 갖는 매체로 다이 또는 칩을 봉지하는 것이라는 현대의 교시에 반하는 것이다. 이러한 현대의 교시를 채용한 LED 광원의 기본적인 예는 발명의 명칭이 "개선된 광 추출 효율을 갖는 발광 다이오드(Light Emitting Diodes with Improved Light Extraction Efficiency)"(미국 특허 공개 제2002/0030194 A1호)인 미국 특허 출원의 종래 기술인 도 1A에 도시되어 있다. 이러한 조명원은 금속 헤더 상에 위치된 다이 또는 칩의 형태인 LED 발광기를 포함한다. 와이어 본드가 LED 발광기에 대한 전기 접속을 제공한다. 발광기는 활성 영역에 의해 방출된 광에 대한 굴절률이 바람직하게는 약 1.5 초과, 보다 바람직하게는 약 1.8 초과인 투명 광학 요소에 접합된다.
논의된 바와 같이, 개시된 실시예는 종래의 봉지 기술에서 벗어나 있으며, 대신에 LED 발광기와 후속 광학계 사이에 상대적으로 낮은 굴절률의 매체 또는 광학계를 이용한다. 그 이점은, 본 발명에서 통합형 광학계의 추가적인 이점이 또한 이용된다는 점을 제외하고는, 상기 참고 문헌인 발명의 명칭이 "중공 집광 렌즈를 갖는 LED 광원"인 미국 특허 출원 및 발명의 명칭이 "복합 봉지재 렌즈를 갖는 LED"인 미국 특허 출원 제11/322,801호에 기재된 것들과 유사하다.
도 1에 도시된 하나의 실시예에서, 통합형 광학계는 구형 공동(spherical cavity)을 가지며, 구형 공동은 LED의 표면 상의 와이어 본드 또는 기타 융기된 특징부를 위한 공간을 허용하는 이점을 제공하고, 또한 공기 계면과 가장 잘 작용하는 추출 특징부를 갖는 LED로부터의 광을 효율적으로 집광한다. 특히 매우 큰 각도로 LED를 빠져나가는 광선에 대해 프레넬 손실을 최소화하도록 그러한 공기 간극에 뒤이어 평평한 표면이 아닌 구형 표면이 있는 것이 종종 바람직하다. 이러한 경우에, 수직 각도로 입사하는 광선에 대해 최소 프레넬 손실이 발생한다. LED가 램버시안(Lambertian) 발광기인 것으로 가정하면, 다이로부터 공기로 빠져나가는 광선 중 더 많은 광선이 구형 표면에 의해 포획될 것인데, 그 이유는 그들 중 더 많은 것들이 수직에 가까운 각도로 부딪힐 것이기 때문이다.
이제, 동일한 도면 부호가 유사한 요소를 나타내는 본 발명의 도면들을 참조하면, 도 1은 투사 응용에 사용될 수 있는 본 발명의 조명 시스템의 예시적인 실시예를 개략적으로 도시한다. 도 1에 도시된 광원 모듈(10)은 방출 표면(17)을 갖는 발광기(15)를 포함한다. 방출 표면(17)은 LED의 방출 표면 또는 표면들, 형광체 층, 또는 임의의 기타 방출 재료이거나 이를 포함할 수 있다. 발광기(15)는 실장 표면 또는 기판(25) 상에 위치되고, 선택적으로 발광기(15)와 표면(25) 사이에 또는 다른 곳에 위치된 히트 싱크(20)를 가질 수 있다. 발광기(15)와 표면(25) 사이에 위치된 것으로 도시되어 있지만, 히트 싱크(20)가 모든 실시예에서 필요한 것은 아니고, 히트 싱크가 이러한 특정 위치에 위치되는 것이 필요한 것도 아니다.
광원 모듈(10)은 또한 발광기(15)의 방출 표면(17) 상에 장착된 적어도 부분적으로 중공인 통합형 광학계(30)를 포함한다. 이러한 특정 실시예에서, 통합형 광학계는 테이퍼형 로드 인티그레이터이다. 본 명세서에 개시된 대부분의 예는 테이퍼형 로드 인티그레이터(30, 130)(먼저 도 7과 관련하여 설명됨)와 관련된다. 그러나, 이들은 적어도 부분적으로 중공인 통합형 광학계의 예일 뿐이고, 그러한 광학계의 다른 예가 또한 개시된다. 예를 들어, 도 12에 도입된 터널 인티그레이터(tunnel integrator, 230)가 또 다른 그러한 통합형 광학계이다. 다양한 특징부가 하나의 유형의 통합형 광학계 또는 다른 것과 관련하여 설명되지만, 이들 특징부는 개시된 유형의 적어도 부분적으로 중공인 통합형 광학계들 중 임의의 것과 함께 존재할 수 있다는 것을 이해하여야 한다.
다시 도 1을 참조하면, 방출 표면(17) 상에의 인티그레이터(30)의 장착은 다른 표면(예를 들어, 표면(25) 또는 히트 싱크(20)의 표면)에의 인티그레이터(30)의 장착에 의한 것을 포함한 임의의 요구되는 기술 또는 구성을 통한 것일 수 있다. 테이퍼형 로드 인티그레이터(30)는 근접 단부(35) 및 말단부(45)를 갖는다. 근접 단부(35)는 방출 표면(17)과 대면하는 반면에, 말단부(45)는 방출 표면으로부터 멀리 대면한다. 인티그레이터(30)의 근접 단부(35)는 발광기(15) 상에 구형 공동(40)을 형성하는 표면(31)을 제공한다. 인티그레이터(30)의 근접 단부(45)는 광학 구성요소 및/또는 필름이 상부에 위치될 수 있는 표면(46)을 제공한다. 상부 표면(46)과 하부 표면(31) 사이에서, 인티그레이터(30)는 테이퍼형 측벽(32, 33)을 갖는다.
예시적인 실시예에서, 테이퍼형 로드 인티그레이터에 의해 제공된 공동(40)은 굴절률 n1을 갖는 재료로 채워지는데, n1은 테이퍼형 로드 인티그레이터의 굴절률 n2보다 작다. 공동(40) 내의 재료는 다양한 실시예에서 공기(다양한 기체 또는 기체 혼합물 중 임의의 것을 포함함) 또는 액체일 수 있다. 액체는 봉지재 겔일 수 있다. 일부 실시예에서, 굴절률 n1은 1.0에 가까울 것이지만, 또 다른 예시적인 실시예에서 1.5만큼 높을 수 있다. n1의 다른 값이 또한 가능하다. n1의 값에 관계없이, 일반적으로 n1은 n2보다 작을 것이다. 예시적인 실시예에서, 테이퍼형 로드 인티그레이터의 굴절률 n2는 적어도 2.0일 것이고, 일반적으로 대략 2.4 이상일 것이다.
이제 도 2A를 참조하면, 하나의 예시적인 실시예에 따른 발광기(15)의 방출 표면(17)의 개략 평면도가 도시되어 있다. 이 예시적인 실시예에서, 방출 표면(17)은 발광기(18)의 어레이, 예를 들어 상이한 색상의 발광기들을 갖는다. 예를 들어, 도 2A에서, 발광기(18) 어레이는 각각이 상이한 음영으로 표시된 3개의 상이한 색상(예를 들어, 적색, 녹색 및 청색)을 포함한다. 이러한 유형의 다색 발광기 어레이는 테이퍼형 로드 인티그레이터(30)에 의해 제공된 색상 블렌딩(blending)을 이용할 수 있다. 그러나, 인티그레이터(30)가 단일 발광기와도 사용될 수 있으므로, 테이퍼형 로드 인티그레이터(30)의 사용이 발광기 어레이에 한정되는 것은 아니다.
발광기(15)는 발광기의 폭(WE)을 발광기의 높이(HE)로 나눈 종횡비를 갖는다. 구형 형상의 공동(40)을 제공하는 테이퍼형 로드 인티그레이터(30)의 단부(35)는 또한 종횡비를 갖는다. 도 2B는 공동(40)이 보이도록 인티그레이터(30)의 저면도를 도시한다. 하단부(35)에서의 인티그레이터(30)의 종횡비는 인티그레이터의 그 단부의 폭(WI-B)을 인티그레이터의 그 단부의 높이(HI-B)로 나눈 것이다. 일부 예시적인 실시예에서, 하단부(35)에서의 인티그레이터(30)의 종횡비는 발광기의 치수 종횡비와 밀접하게 정합한다. 밀접하게 정합함으로써, 이들 종횡비는 예시적인 실시예에서 실질적으로 동일할 수 있다.
도 2C는 공동 상단부(45)가 보이도록 인티그레이터(30)의 평면도를 도시한다. 상단부(45)에서의 인티그레이터(30)의 종횡비는 인티그레이터의 그 단부의 폭(WI-T)을 인티그레이터의 그 단부의 높이(HI-T)로 나눈 것이다. 일부 예시적인 실시예에서, 상단부(45)에서의 인티그레이터(30)의 종횡비는 (인티그레이터(30)의 하단부가 직사각형이 아닐지라도) 직사각형 종횡비이다. 인티그레이터(30)의 상단부(45)의 직사각형 종횡비는 발광기의 종횡비 및 인티그레이터의 하단부의 종횡비와 밀접하게 정합할 필요는 없다. 이는 원하는 종횡비로의 변환이 달성될 수 있게 한다.
이제 도 3을 참조하면, 집광 렌즈 형태의 광학계(50)가 테이퍼형 로드 인티그레이터에 부착된 광원 모듈(10)의 다른 실시예가 도시되어 있다. 광학계(50)는 특정 결과를 달성하도록 선택된 임의의 유형의 광학 렌즈 구성요소일 수 있다. 예를 들어, 광학계(50)는 광원(10)으로부터의 시준된 광의 생성을 돕기 위한 시준 렌즈를 포함할 수 있다. 또한, 광학 렌즈 대신에, 원하는 광학 결과를 얻기 위해, 테이퍼형 로드 인티그레이터(30)의 표면(46) 상에 하나 또는 수 개의 단층 또는 다층 광학 필름(55)이 위치될 수 있다. 이는 예를 들어 도 4에 도시되어 있다. 표면(46) 상에 배치될 수 있는 광학 필름의 예로는, 균일하게 편광된 광을 생성하고 광 재순환을 용이하게 하는 데 사용될 수 있는 반사 편광 필름(reflective polarizing film, RPF)을 들 수 있다. 반사 편광 필름의 예로는 미국 미네소타주 세인트폴 소재의 쓰리엠 컴퍼니(3M Company)에 의해 제조된 비퀴티(Vikuiti) 브랜드의 다층 광학 필름(multi-layer optical film, MOF) DBEF가 있다. 표면(46) 상에 배치될 수 있는 광학 필름의 다른 예로는 광의 편광을 변환(예를 들어, 원형 편광에서 선형 편광으로, 또는 그 반대로)하는 데 사용될 수 있는 사분파장판(quarter wave plate, QWP)이 있다. 하나의 실시예에서, 보다 높은 정도의 편광 광 재순환을 생성하기 위하여, RPF와 QWP 둘 모두가 광학 필름 요소(55)에 포함되는데, 이때 QWP는 표면(46)에 인접한다. 도 5에 도시된 바와 같은 광원 모듈(10)의 또 다른 실시예에서, 광원 모듈은 광학 필름(55) 상에 위치되는 것을 통하여 테이퍼형 로드 인티그레이터(30)에 부착된 집광 렌즈 또는 기타 광학계(50)를 포함한다. 도 6에 도시된 또 다른 실시예에서, 인티그레이터(30) 및 광원 모듈(10)에 의해 제공되는 내부 전반사(total internal reflection, TIR)를 개선하기 위하여, 인티그레이터(30)의 측벽 상의 반사성 재료로부터 미러 측면(60)이 형성된다.
이제 도 7 내지 도 11을 참조하면, 테이퍼형 로드 인티그레이터의 소정 태양을 제외하고는, 광원 모듈(10)과 실질적으로 동일한 다른 광원 모듈(100)이 도시되어 있다. 도 7에 도시된 바와 같이, 광원 모듈(100)은 전술된 테이퍼형 로드 인티그레이터(30)와 많은 특징부를 공유하는 테이퍼형 로드 인티그레이터(130)를 포함한다. 이와 같이, 테이퍼형 로드 인티그레이터(130)는 근접 단부(135) 및 말단부(145)를 갖는다. 근접 단부(135)는 방출 표면(17)과 대면하는 반면에, 말단부(145)는 방출 표면으로부터 멀리 대면한다. 인티그레이터(130)의 말단부(145)는 광학계 및/또는 광학 필름이 상부에 위치될 수 있는 표면(146)을 제공한다. 인티그레이터(130)의 상부 표면(146)과 하부 사이에서, 인티그레이터(130)는 테이퍼형 측벽(132, 133)을 갖는다. 인티그레이터(30, 130)들 사이의 주요 차이는, 인티그레이터(130)에 의해 제공되며 방출 표면 상에 위치된 공동(140)이 구형 형상의 공동 대신에 절두 피라미드형 공동이라는 것이다. 절두 피라미드형 공동(140)을 채우는 데 사용되는 재료는 전술 바와 동일할 수 있다. 마찬가지로, 도 8 내지 도 11에 도시된 바와 같이, 집광 렌즈(50), 광학 필름(55), 미러 측면(60), 또는 이들 유형의 특징부들의 다양한 조합과 같은 광학계가 모두 인티그레이터(130)와 함께 사용될 수 있다.
이들 다양한 특징부와 함께 사용될 수 있는 또 다른 실시예는 도 12에 도시되어 있다. 도 12에는, 터널 인티그레이터(230) 형태의 통합형 광학계를 갖는 광원 모듈(200)이 도시되어 있다. 터널 인티그레이터(230)에서, 공동(240)은 테이퍼형 또는 비테이퍼형(non-tapered) 측벽(232, 233)을 통해 터널을 형성하도록 상부를 향하여 연장된다. 도 12에는 도시되지 않았지만, 테이퍼형 로드 인티그레이터(30, 130)와 관련하여 전술된 다양한 특징부들 모두가 동일한 방식으로 터널 인티그레이터(230)에 사용될 수 있다. 따라서, 터널 인티그레이터(230)의 측벽은 예를 들어 미러처럼 될 수 있다. 추가의 예로서, 터널 인티그레이터와 집광 렌즈(50) 사이에 하나 이상의 광학 필름이 터널 인티그레이터(230)와 함께 포함될 수 있다. 공동(예를 들어, 터널(240))의 내용물과, 발광기에 가장 가까운 굴절률이 후속 광학계의 굴절률보다 낮다고 규정한 굴절률 관계도 또한 터널 인티그레이터(230) 실시예에 적용된다. 또한, 특정 집광 렌즈 크기가 터널 인티그레이터(230)의 폭과 정합하는 것으로 도시되어 있지만, 다른 집광 렌즈 크기가 또한 사용될 수 있다. 예를 들어, 도 13에 도시된 광원 모듈(300)에서 터널 인티그레이터(230)와 함께 사용된 더 넓은 집광 렌즈(350)를 참조한다. 도 13은 또한 미러 측벽(360)을 도시하는데, 미러 측벽은 테이퍼형 로드 인티그레이터와 관련하여 전술된 바와 같이 다양한 실시예에서 내부 또는 외부 측벽 중 어느 것일 수 있다.
요약하면, 예시적인 실시예에서, 광원 모듈은 적어도 하나의 광 방출 표면을 갖는 발광기와, 상기 방출 표면 상에 장착된 적어도 부분적으로 중공인 통합형 광학계를 포함한다. 다양한 실시예에서, 중공 영역 내의 굴절률은 광학 경로를 따른 후속 매체의 굴절률보다 작다.
적어도 부분적으로 중공인 통합형 광학계는 방출 표면과 대면하는 근접 단부 및 방출 표면으로부터 멀리 대면하는 말단부를 갖는다. 일부 실시예에서, 통합형 광학계의 근접 단부는 발광기의 치수 종횡비와 밀접하게 정합하는 치수 종횡비를 가지는 반면에, 통합형 광학계의 말단부는 직사각형 종횡비를 가지며 평평하다. 통합형 광학계의 말단부의 직사각형 종횡비는 통합형 광학계의 근접 단부의 치수 종횡비와 상이할 수 있다.
다양한 실시예에서, 적어도 부분적으로 중공인 통합형 광학계는 방출 표면 상에 공동을 형성하는 테이퍼형 로드 인티그레이터를 포함하는데, 여기서 공동은 테이퍼형 로드 인티그레이터의 굴절률 n2보다 작은 굴절률 n1을 갖는다. 공동은, 예를 들어 구형 또는 절두 피라미드형 공동일 수 있다. 공동은 공기, 봉지재 겔과 같은 유체 등으로 채워짐으로써 굴절률 n1을 제공할 수 있다. 테이퍼형 로드 인티그레이터에 집광 렌즈가 부착될 수 있고, 집광 렌즈는 테이퍼형 로드 인티그레이터의 굴절률 n2보다 높은 굴절률을 가질 것이다. 또한, 하나 이상의 광학 필름이 집광 렌즈와 테이퍼형 로드 인티그레이터의 말단부 사이에 위치될 수 있다.
또 다른 실시예에서, 적어도 부분적으로 중공인 통합형 광학계는 방출 표면 상에 장착된 터널 인티그레이터를 포함한다. 이들 실시예에서, 광원 모듈은 전형적으로 터널에서의 굴절률 n1보다 큰 굴절률 n2를 갖는, 터널 인티그레이터에 부착된 집광 렌즈를 포함할 것이다. 도시된 예시적인 실시예에서, 터널 인티그레이터는 방출 표면과 대면하는 근접 단부 및 방출 표면으로부터 멀리 대면하는 말단부를 갖고, 터널 인티그레이터의 근접 단부는 방출 표면 상에 인클로저(enclosure)를 형성하는 반면에, 터널 인티그레이터의 말단부는 직사각형 종횡비를 가지며 평평하다. 집광 렌즈는 전형적으로 터널 인티그레이터의 말단부에 부착된다.
개시된 광원 모듈은 다양한 장치에 사용될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 이들 광원 모듈을 이용하는 색상 순차식 소형 프로젝터는 광원 모듈, 편광 빔 스플리터(PBS), 단색 LCOS(liquid crystal on silicon) 패널, 및 투사 렌즈를 포함할 수 있다. 테이퍼형 터널 추출기에서 색상들이 조합되고 균질화될 것이므로, 색상 조합 X-큐브에 대한 필요성이 없을 것이다. 또한, LED 어레이 및 테이퍼형 터널 종횡비가 원하는 이미저 패널의 종횡비와 정합된다면, 종횡비를 조절하기 위한 비균등 렌즈에 대한 필요성이 없을 것이다. 개시된 광원 모듈을 채용한 색상 필터 소형 프로젝터는 PBS, 컬러 필터 LCOS 패널, 및 투사 렌즈를 포함할 수 있다. 대안적으로, 이들 광원 모듈을 이용한 색상 순차식 소형 프로젝터 시스템은 광원 모듈, 시준 광학계, DLP(digital light processing) 패널, 및 투사 렌즈를 포함할 수 있다.
달리 지시되지 않는 한, 본 명세서 및 청구의 범위에 사용된 특징부 크기, 양 및 물리적 특성을 표현하는 모든 숫자는 용어 "약"에 의해 수식되는 것으로 이해되어야 한다. 따라서, 반대로 지시되지 않는 한, 이어지는 명세서 및 첨부된 청구의 범위에 기술된 수치적 파라미터는 본 명세서에 개시된 교시를 이용하는 당업자가 얻고자 하는 원하는 특성에 따라 변할 수 있는 근사치이다.
본 발명의 다양한 변형 및 변경은 본 발명의 범주 및 사상으로부터 벗어남이 없이 당업자에게 자명하게 될 것이며, 본 발명이 본 명세서에 나타낸 예시적인 실시예들로 제한되지 않음을 이해하여야 한다.

Claims (21)

  1. 적어도 하나의 광 방출 표면을 갖는 발광기(emitter); 및
    방출 표면 상에 장착된 적어도 부분적으로 중공인 통합형 광학계(integrating optic)를 포함하고,
    중공 영역 내의 굴절률은 광학 경로를 따른 후속 매체의 굴절률보다 작은 광원 모듈.
  2. 제1항에 있어서, 적어도 부분적으로 중공인 통합형 광학계는 방출 표면과 대면하는 근접 단부 및 방출 표면으로부터 멀리 대면하는 말단부를 갖고, 적어도 부분적으로 중공인 통합형 광학계의 근접 단부는 발광기의 치수 종횡비와 밀접하게 정합하는 치수 종횡비를 가지며, 적어도 부분적으로 중공인 통합형 광학계의 말단부는 직사각형 종횡비를 가지며 평평한 광원 모듈.
  3. 제2항에 있어서, 적어도 부분적으로 중공인 통합형 광학계의 말단부의 직사각형 종횡비는 적어도 부분적으로 중공인 통합형 광학계의 근접 단부의 치수 종횡비와 상이한 광원 모듈.
  4. 제1항에 있어서, 적어도 부분적으로 중공인 통합형 광학계는 방출 표면 상에 공동을 형성하는 테이퍼형 로드 인티그레이터(tapered rod integrator)를 포함하 고, 공동은 테이퍼형 로드 인티그레이터의 굴절률 n2보다 작은 굴절률 n1을 갖는 광원 모듈.
  5. 제4항에 있어서, 테이퍼형 로드 인티그레이터의 공동은 구형 공동인 광원 모듈.
  6. 제4항에 있어서, 테이퍼형 로드 인티그레이터의 공동은 절두 피라미드형 공동인 광원 모듈.
  7. 제4항에 있어서, 테이퍼형 로드 인티그레이터의 공동은 굴절률 n1을 갖는 공기로 채워지는 광원 모듈.
  8. 제4항에 있어서, 테이퍼형 로드 인티그레이터의 공동은 굴절률 n1을 갖는 액체로 채워지는 광원 모듈.
  9. 제8항에 있어서, 액체는 봉지재 겔인 광원 모듈.
  10. 제4항에 있어서, 테이퍼형 로드 인티그레이터에 부착된 집광 렌즈를 추가로 포함하고, 집광 렌즈는 테이퍼형 로드 인티그레이터의 굴절률 n2보다 높은 굴절률을 갖는 광원 모듈.
  11. 제10항에 있어서, 집광 렌즈와 테이퍼형 로드 인티그레이터의 말단부 사이에 위치된 적어도 하나의 광학 필름을 추가로 포함하는 광원 모듈.
  12. 제4항에 있어서, 테이퍼형 로드 인티그레이터는 방출 표면과 대면하는 근접 단부 및 방출 표면으로부터 멀리 대면하는 말단부를 갖고, 광원 모듈은 테이퍼형 로드 인티그레이터의 말단부에 부착된 적어도 하나의 광학 필름을 추가로 포함하는 광원 모듈.
  13. 제1항에 있어서, 적어도 부분적으로 중공인 통합형 광학계는 방출 표면 상에 장착된 터널 인티그레이터(tunnel integrator)를 포함하고,
    광원 모듈은, 터널에서의 굴절률 n1보다 큰 굴절률 n2를 갖는, 터널 인티그레이터에 부착된 집광 렌즈를 추가로 포함하고,
    상기 터널 인티그레이터는 방출 표면과 대면하는 근접 단부 및 방출 표면으로부터 멀리 대면하는 말단부를 갖고, 터널 인티그레이터의 근접 단부는 방출 표면 상에 인클로저(enclosure)를 형성하며, 터널 인티그레이터의 말단부는 직사각형 종횡비를 가지며 평평하고, 집광 렌즈는 터널 인티그레이터의 말단부에 부착되는 광원 모듈.
  14. 제13항에 있어서, 터널 인티그레이터는 테이퍼형 측벽을 갖는 광원 모듈.
  15. 제13항에 있어서, 터널 인티그레이터의 근접 단부는 방출 표면의 치수 종횡비와 밀접하게 정합하는 치수 종횡비를 갖는 광원 모듈.
  16. 제15항에 있어서, 터널 인티그레이터의 말단부의 직사각형 종횡비는 터널 인티그레이터의 근접 단부의 치수 종횡비와 상이한 광원 모듈.
  17. 제13항에 있어서, 터널 인티그레이터는 굴절률 n1을 갖는 공기로 채워지는 광원 모듈.
  18. 제13항에 있어서, 터널 인티그레이터는 굴절률 n1을 갖는 액체로 채워지는 광원 모듈.
  19. 제18항에 있어서, 액체는 봉지재 겔인 광원 모듈.
  20. 제13항에 있어서, 집광 렌즈와 터널 인티그레이터의 말단부 사이에 위치된 적어도 하나의 광학 필름을 추가로 포함하는 광원 모듈.
  21. 제1항에 있어서, 적어도 부분적으로 중공인 통합형 광학계는 방출 표면과 대면하는 근접 단부와 방출 표면으로부터 멀리 대면하는 말단부 사이에 미러 측 벽(mirrored side wall)을 갖는 광원 모듈.
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