KR20090115973A - 고체 광원용 컬러 결합기 - Google Patents

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Abstract

조명장치는 공통 어퍼쳐를 공유하는 제 1 집광 시스템 및 제 2 집광 시스템을 구비한다. 상기 제 1 집광 시스템은 제 1 대역을 구비하는 제 1 고체 광원과 상기 제 1 고체 광원에서 떨어져 배치되고, 공통 어퍼쳐에서 나가 제 1 대역 외부로 광을 통과시키기 위해 제 1 광로를 따라 제 1 대역을 반사하는 제 1 곡면을 구비한다. 제 2 집광 시스템은 제 2 대역을 구비하는 제 2 고체 광원과 상기 제 1 고체 광원과 제 2 고체 광원에 대해 제 1 곡면의 뒤에 배치되고, 공통 어퍼쳐에서 나가기 위해 제 2 광로를 따라 제 2 대역을 반사하는 제 2 곡면을 구비한다.
조명장치, 집광 시스템, 고체 광원

Description

고체 광원용 컬러 결합기{Color Combiner for Solid-State Light Sources}
본 발명은 2007년 2월 28일에 제출된 미국 특허출원번호 제11/711,926호의 우선권을 청구한다.
본 발명은 일반적으로 조명장치에 관한 것으로, 특히 고체 광원을 이용한 디스플레이의 조명장치 및 방법에 관한 것이다.
디지털 이미지 기술에서의 연속적인 개선으로, 디지털 광 조절기는 후면 투사(rear projection) TV, 동영상(motion picture) 프로젝터, 엔터테인먼트 산업, 디지털 프린터, 및 다른 이미지 장치와 같은 디스플레이 장치에서 광범위하게 사용되었다. 이런 장치의 발달과 설계에서, 충분한 휘도를 가진 조명을 제공하기 위한 과제가 널리 알려져 있다. 특히, 디지털 프로젝션 장치와 같은 몇몇 디지털 이미지 장치에 있어서, 충분한 휘도를 제공할 수 없는 중요한 성능 제한이 있다. UHP(Ultra-High Performance) 램프 또는 고압 수은 아크 램프 또는 제논 아크 램프와 같은 종래의 디지털 프로젝터용 조명장치가 여러 디지털 프로젝션 시스템에 사용되었으나, 짧은 수명, 시간에 따른 품질 저하, 높은 열, 환경 유해 성분 물질, 및 부자연스러운 색역(color gamut)을 포함하는 여러 가지 이유로 인해 유익하지 않았다.
최근까지, 발광다이오드(LED)와 같은 고체 광원은 프로젝션에 대해 충분한 파워 레벨을 보여주지 않았다. 그러나, 고휘도 LED 광원은 현재 휴대용 프로젝터(pocket projector) 및 후면 투사 TV(RPTV) 장치와 같은 소형 장치의 조명 시스템에서 상업화되어지고 있고 만족할만하게 사용되고 있다. 종래의 램프 기반 조명장치와 비교했을 때, LED는 저전력 소모(lower power consumption), 긴 수명(longer component life), 및 예열 요구 배제(elimination of warm-up requirement)와 같은 몇 가지 고유 장점을 갖는다. 부가적으로, 이들 광원들의 상대적인 스펙트럼 색 순도는 종래의 고휘도들에 의해 제공된 것보다 넓은 색역을 제공한다. 또한, LED는 금속 할로겐 램프에 포함된 수은과 같은 환경 유해 물질을 가지지 않는다. 또한, LED 휘도는 스펙트럼 변화없이 그의 허용범위 이상으로 조절할 수 있다.
고휘도 LED의 발전에 따라, 고체 광원을 디지털 디스플레이와 프로젝션 장치에서 바로 사용하기 위해 고려해야할 유의사항이 있다. 많은 종류의 디스플레이와 프로젝션 디자인은 일반적으로 적색(R), 녹색(G) 및 청색(B) LED와 같은 단색 LED에서의 광을 단일 광로(light path)로 결합하여 텍사스 델라스에 있는 텍사스 인스투르먼트사의 DLP® 프로젝션 시스템에서 사용된 디지털 마이크로미러 장치(DMD)와 같은 공간 광변조기(spatial light modulator)에 광을 유도할 필요가 있다.
단색 LED를 이용할 때 제안된 컬러 결합법은 일반적으로 이색성 표 면(dichroic surface)과 광집속 배열을 이용한다. 도 1A의 투시도를 참조하면, 두 개의 녹색 LED(12g), 하나의 적색 LED(12r), 하나의 청색 LED(12b)를 구비하는 LED 어셈블리(32)에서의 광을 혼합하는 집속 봉(integrating rod)(34)을 사용하는 조명장치를 도시하고 있다. 전체 내부 반사(Total Internal Reflection; TIR)에 의한 광을 유도하는 광섬유(light guide)로 동작하는 집속 봉(34)은 그의 출력(36)에서 다색 광을 제공하기 위해 LED 어셈블리(32)의 다른 컬러 LED에서 광 입력을 균질 화한다.
도 1A에 도시된 해법은 저가의 디스플레이 장치에서 활용할 수는 있으나, 매우 비능률적이다. 당업자에게 알려진 바와 같이, 광학 시스템은 기하학적인 생각으로 강요되고, 팽창(etendue)되어 유사하게, 라그랑즈 불변식(Lagrange invariant), 제품의 수용 입체각, 및 광학 시스템에서 임의로 주어진 평면에서의 어퍼쳐(aperture) 크기로 표현된다. 광학 시스템이 정합 되고 대칭인 곳에서, 라그랑즈와 팽창 값은 시스템 전체에서 동일하다. 정합되지 않거나 대칭이 되지 않는 광학 시스템에서, 상기 팽창은 시스템 전체에 광을 허용하는 가장 작은 값이다. 도 1A의 상세한 예제에서, 팽창-정합은 광의 출력 빔이 두 배 이상 필요하므로 상대적으로 약하다. 이는 두 개의 녹색 LED(12g)의 크기 영역과 동일 통로로 각각의 세 가지 색의 광을 겹치는 게 유용할 것이다.
팽창과 결과로서 생기는 라그랑즈 불변식은 단지 너무 많은 광이 특정 크기의 영역에서 제공될 수 있는 직관적인 원리를 정량화하기 위한 방법을 제공한다. 더 작은 방사 영역(emissive area)이 얻어질 때, 방출된 광의 각도는 동일한 휘도 를 유지하기 위해 더 커진다.
추가된 복잡성 및 비용은 더 큰 각도에서 조도를 조절하기 위해 요구된다. 이러한 문제는 미국 특허등록번호 제6,758,565호, "텔레센트릭 광학계(telecentric optics)를 이용한 프로젝션 장치", 미국 특허등록번호 제6,808,269호, "공간 광변조기를 이용한 프로젝션 장치", 미국 특허등록번호 제6,676,260호, "릴레이 렌즈와 이색성 결합기(combiner)를 구비한 공간 광변조기를 이용한 프로젝션 장치"에 개시되 고집속 실리콘 상층 액정(Liquid Crystal on Silicon; LCOS) 장치에 대해 언급되고 검토되었다. 이러한 특허들은 다른 시스템에서 모난 요구들을 감소시키는 반면, 필요한 광을 얻기 위해 공간 광변조기에서 더 높은 수의 어퍼쳐를 이용한 전기 프로젝션 장치 디자인을 개시한다.
디스플레이와 프로젝션 장치에서, 공간 광변조기(SLM)의 팽창이 가능한 가깝게 정합되는 게 가장 요구된다. 일반적인 규칙에 따라, 증가된 팽창은 더 복잡해지고, 값비싼 광학 디자인이 된다. 도 1A의 구성요소 배열을 사용하는 프로젝터에 대해, 예를 들면, 광학시스템에서의 렌즈 요소들은 큰 팽창으로 설계되어야 한다.
팽창을 감소시키기 위해 LED 광원을 가진 집합 봉을 이용하기 위해 제안된 다수의 해법들이 있다. 예를 들면, 미국 등록특허번호 제6,956,701호, "공통 집속 터널을 통해 다중 색상 광원의 광로를 결합하기 위한 장치 및 방법"은 집속 터널을 통해 다중 LED에서 광을 유도하는 조명 배열을 도시하고 있다. 다양한 실시예들이 다중 광원에서 단일 결합기로 광을 유도하기 위한 미국 등록특허번호 제6,956,701호에 개시되어 있다. 그러나, 제안된 모든 해법들은 출력 광(exiting light)의 팽 창을 증가시키는 경향이 있어 다른 문제들을 가질 수 있다. 예를 들면, 미국 등록특허번호 제6,956,701호(미국 등록특허번호 제6,956,701호의 도 6)에 제안되었고, 캐나다 산타 로사에 위치한 북햄 디스플레이 제품(Bookham Display Product)의 조로 라이트TM LED 멀티플렉서와 같은 조명장치에서 이용된 하나의 해법은 비효율을 유발하고 팽창을 증가시키는 다양한 문제를 나타낼 수 있다. 도 1B 및 도 1C는 이러한 문제들이 어떻게 발생할 수 있는 지를 나타내는 도면이다. 도 1B에서, 집합 봉(34)은 고체 투명 물질로 형성된 광섬유이다. 녹색 LED(12g)는 집합 봉(34)의 일단(one end)으로 광을 유도한다. 청색 LED(12b)는 측면(side)에서 집합 봉(34)으로 광을 유도한다.
이러한, 청색 광은 LED(12g)로부터의 녹색 광은 전달하고 LED(12b)로부터의 청색 광은 반사하여 광 경로를 접는 집합 봉(34) 내부의 이색성 표면(18)에서 반사된다. 청색 LED 광의 바람직한 광 경로는 집합 봉(34)의 내면에서 반사하는 실선으로 나타내었고, 집합 봉(34)의 오른쪽으로 나간다. 광 손실은 집합 봉(34)에서 비스듬히 도시된 점선(38a)으로 나타내었다. 이러한 광 손실은 이색성 표면(18)에 완전히 도달하지 못하거나 특히 높은 입사각(incident angle)에서 적어도 일부 광 누설을 나타내는 이색성 표면(18)의 결함 성능으로 인한 광일 수 있다.
도 1C는 집속 봉(34)이 반사하는 내부 코팅을 가진 공동 광 터널(hollow light tunnel)과 관련된 설계에서의 고유 문제를 나타내는 도면이다. 이색성 표면(18)에서 반사된 광의 일부가 실선으로 나타낸 것처럼 집속 봉(34)의 오른쪽으로 나가는 동안, 이색성 표면(18)에서 적당하게 반사하지 않은 광은 고각으로 반사되어 점선(38b)으로 나타낸 것처럼 고각으로 집속 봉(34)을 나간다. 이러한 고각의 광은 조명 시스템의 팽창을 크게 증가시킨다.
전체 팽창을 감소시키기 위한 하나의 해법은 동일한 광로로 다른 색의 LED 광원을 결합시키는 것이다. 도 2A, 도 2B 및 도 2C는 컬러 경로를 결합 또는 다색 또는 LED 광원에서 "백색"광을 형성하기 위한 컬러를 결합하기 위한 이색성 표면의 다양한 배열을 사용하는 종래의 접근 방법을 나타내는 도면이다. 도 2A는 이색성 코팅을 가진 네개의 각진 프리즘으로 형성되고 예를 들면, 미국 특허등록번호 제5,098,183호, "프로젝션 타입 디스플레이 장치에서 사용하기 위한 이색성 광학 요소"에 도시된 것처럼 제조된 된 X-큐브 또는 X-프리즘(10)을 나타내는 도면이다. X-프리즘(10)은 적색 LED(12r), 녹색 LED(12g), 청색 LED(12b)에서 광축(O)으로 광을 유도하기 위해 사용된 교차하는 이색성 표면(14a, 14b)을 제공한다. 각각의 광원에 대한 근접 광경로는 도 2A, 도 2B 및 도 2C에서 점선으로 표시되었고, 실제 LED(12r, 12g, 12b)가 광선추(cone of light)를 발산하고, 광선추가 이런 장치들 각각에 의해 하나의 경로로 결합 된다. 예를 들면, 미국 특허등록번호 제6,019,474호, "개선된 색대비 프로젝션 디스플레이에 대해 수정된 X-큐브 배열" 및 미국 특허등록번호 제6,327,092호, "교차한 이색성 프리즘"을 포함하는 X-큐브 또는 X-프리즘을 이용한 색 결합 및 분리 요소들의 다양한 예시가 있다.
다른 종래의 색 결합기는 도 2B에 도시된 바와 같이 필립스 프리즘(20)이다. 상기 필립스 프리즘 어셈블리는 디지털 프로젝션 분야의 당업자에게 공지되었고, 그의 사용은 예를 들면, 미국 등록특허번호 제4,084,180호, "컬러 분열 프리즘 어셈블리"와 미국 등록특허번호 제6,144,498호, "컬러 분열 프리즘 어셈블리 및 그의 제조 방법"을 포함하는 다수의 특허에 기술되었다. 필립스 프리즘은 예를 들면, 미국 등록특허번호 제6,280,035호, 제6,172,813호, 제6,262,851호, 제5,621,486호에 개시된 바와 같이 프로젝터 디자인에서 색 분리기 또는 결합기 요소로 사용되어 왔다.
간단히 말해, 필립스 프리즘 어셈블리는 두 개의 삼각형 프리즘(22, 24)과 거의 직사각형인 하나의 프리즘(26)을 포함한다. 두 개의 삼각형 프리즘(22, 24) 사이에는 공극(air gap)(28)이 있다. 상기 사각형 프리즘 요소는 공극(28)이 있는 프리즘(24) 면의 반대 면인 삼각형 프리즘(24)의 일면에 광학적으로 결합된다. 이색성 표면(14a, 14b)은 두 개의 삼각형 프리즘(22, 24)들 각각의 일면으로 코팅된다. 이러한 배열로 인해, 적색 LED(12r)로부터의 광은 프리즘(24)의 첫 번째 면에 입사하여 전제 내부 반사(TIR)로 인해 두 번째 면에서 반사된다. 이는 적색 광을 광축(O)으로 반사하는 이색성 표면(18)에 광을 유도한다. 청색 LED(12b)로부터의 광은 유사하게 프리즘(22) 내부에서 반사된다. 녹색 LED(12g)로부터의 광은 이색성 표면(14a, 14b)을 모두 통과하여 지나간다.
도 2C에 도시된 세 번째 유형의 컬러 결합기는 광을 결합하기 위해 각진 이색성 표면(14a, 14b)을 이용하고, 공통 광축(O)의 방향을 따라 결합된 다색 광을 유도한다. 표면(14a, 14b)들은 프리즘 구조 내부 또는 대기 중(in air)에 넣어질 것이다. 이러한 배열을 이용한 일 실시예의 컬러 결합기는 각진 이색성 표면을 이 용한 V-프리즘 결합기를 기술하고 있는 미국 등록특허번호 제6,676,260호, "릴레이 렌즈와 이색성 결합기를 가진 공간 광변조기를 이용한 프로젝션 장치"에 기술되었다.
도 2A 내지 도 2C의 기본 배열로 만들어진 종래의 해법들은 몇몇 성공 가능성이 있는 측정기를 가진 다양한 디지털 디스플레이 및 프로젝션 장치들에서 사용되었다. 그러나, 거의 120° 정도의 상대적으로 큰 LED의 발산각(emission angle)과 이색성 표면의 고유 특성 때문에 각각의 해법은 컬러 광로를 결합하기 위해 사용될 때 성능을 제한하는 결점이 있다.
미국 특허등록번호 제6,676,260호의 명세서에서 상세히 기술된 바와 같이, 이색성 표면의 공간 성능은 입사광(incident light) 각도가 증가할 때 저하된다. 더 큰 입사 각도에서, 다른 편광의 광량이 같은 각도에서 동일하게 반사되지 않는 편광 효과가 발생한다. 이는 이색성 표면을 통해 반사 또는 전송된 광선에서 색변이(color shift)가 야기될 수 있어 광의 일부가 손실될 수 있다. X-프리즘(10) 설계는 편광에 매우 민감하고, 필립스 프리즘(20) 장치는 어느 정도 편광에 민감하지 않다. 도 2B의 필립스 프리즘 해법은 이색성 표면에서 광의 입사각을 감소시켜 이 각과 편광 민감을 줄이도록 배열된다. 그러나, 이러한 개선은 증가된 비용, 크기 및 복잡성을 희생하여 이루어진다.
도 2A의 X-큐브(10) 해법과 도 2B의 필립스 프리즘(20)의 해법은 모두 상대적으로 비싼 제조비용을 요구한다. 일반적으로, 프리즘 요소와 광학 코팅은 프리즘이 정확하게 형성되어 단일 어셈블리를 형성하기 위해 적당하게 결합된 이들 장치 들을 제조하기 위해서는 많은 비용이 든다. 개별 프리즘 요소들은 축에 각각의 컬러를 유도하기 위해 제한된 오차 범위 내에서 만들어져야 한다. 프리즘 어셈블리에서 만들어진 즉, 어셈블리 방법 또는 개별 프리즘 요소들의 오차 변화에서 생기는 임의의 에러는 결점의 일부가 되고 코팅과 요소들의 가치를 떨어뜨리게 된다. 상기 X-프리즘(10)은 적당한 각도에 배치된 적당한 이색성 코팅을 구비하는 네개의 프리즘들의 인접 표면 결합을 요구하기 때문에 특히 오차 문제에 취약하다.
도 2A 내지 도 2C에 도시된 각각의 컬러 결합기 배열에서, 광출력은 프로젝터 조명을 위한 광집속기(light integrator)에 의해 더 조절될 수 있다. 광원이 서로 다른 시간(separate time)에 동작되는 경우, 상기 광집속기는 "균일기(uniformizer)"로 동작 즉, 공간 균일(spatial uniformity)을 제공한다. 광원이 다색 또는 "백색" 광을 제공하기 위해 결하될 경우 상기 광집속기는 결합된 다색 광이 조명광을 교차하는 모든 지점의 광들 사이에 사실상 동일한 균일성을 가진 균일한 백색 광으로 이용될 수 있도록 일반적으로 균일성으로 명명된 그 이상의 광 혼합을 제공한다. 도 2A 내지 도 2C에 도시된 바와 같이, 이색성 표면을 이용한 컬러 선결합은 적어도 집속기 요소의 성능 요구, 비용, 및 크기를 최소화하는데 도움이 된다.
그러므로, LED와 관련 고체 광원들이 고휘도 프로젝터 조명장치에 대한 희망을 갖고 있는 동안에는 여전히 개선을 고려할 만한 여지가 있다는 것을 알 수 있다. 원치않는 색변이, 편광 제한, 감소된 효율 및 부족한 팽창 매칭(etendue)과 같은 종래의 조명 접근방법에서의 문제점은 고휘도 레벨이 필요한 곳에서 이들 고체 광원의 장점을 채택하기 위해 극복하여야 한다.
본 발명의 목적은 고체 광원을 이용하여 조명 기술을 개선하는 것이다. 이러한 목적을 고려하여, 본 발명은 공통 어퍼쳐를 공유하는 제 1 집광기(optical condenser)와 제 2 집광기를 포함하고, 상기 제 1 집광기는 제 1 대역(spectral band)을 구비하는 제 1 고체 광원; 상기 제 1 고체 광원에서 떨어져 배치되고, 공통 어퍼쳐에서 나가 제 1 대역 외부로 광을 통과시키기 위해 제 1 광로를 따라 제 1 대역을 반사하는 제 1 곡면을 포함하며, 제 2 집광기는 제 2 대역을 구비하는 제 2 고체 광원; 상기 제 1 고체 광원과 제 2 고체 광원에 대해 제 1 곡면의 뒤에 배치되고, 공통 어퍼쳐에서 나가기 위해 제 2 광로를 따라 제 2 대역을 반사하는 제 2 곡면을 포함한다.
본 발명의 특징은 낮은 입사각에서 LED 광원에서의 광을 수신하도록 적당하게 굴곡진 하나 또는 그 이상의 이색성 표면을 이용한 컬러 결합기를 제공하는 것이다.
본 발명의 장점은 어떤 평광 상태를 갖는 광이 동일한 효율로 조절되도록 편광 요구를 감소시키는 컬러 경로 결합 및 컬러 혼합에 대한 해법을 제공하는 것이다.
본 발명의 이들 및 다른 목적, 특징 및 장점은 도시되고 기술된 본 발명의 실시예가 도면과 함께 취해질 때 이후 상세한 설명을 판독하여 당업자에게 명백해질 것이다.
도 1A는 단일 집속 바를 이용한 컬러 혼합을 나타내는 투시도이다.
도 1B는 두 개의 고체 광원을 이용한 고체 집속 바의 측면도이다.
도 1C는 두 개의 고체 광원을 이용한 공동 집속 바의 측면도이다.
도 2A는 LED 광원으로 컬러를 혼합하기 위한 X-프리즘의 사용을 나타내는 개략적인 블록 다이어그램이다.
도 2B는 LED 광원으로 컬러를 혼합하기 위한 필립스-프리즘의 사용을 나타내는 개략적인 블록 다이어그램이다.
도 2C는 LED 광원으로 컬러를 혼합하기 위한 각진 이색성 표면의 사용을 나타내는 개략적인 블록 다이어그램이다.
도 3은 일 실시예에서의 LED 광원을 나타내는 투시도이다.
도 4는 타원형 미러의 초점 특성을 나타내는 다이어그램이다.
도 5A는 일 실시예에서의 조명 장치에 대한 광로를 나타내는 측단면도이다.
도 5B는 도 5A의 실시예에서 있는 하나의 광원으로부터의 광로를 나타내는 도면이다.
도 5C는 도 5A의 실시예에서 있는 다른 광원으로부터의 광로를 나타내는 도면이다.
도 6은 도 4의 조명장치를 나타내는 투시도이다.
도 7A는 마주보는 포물면 미러(paraboloid mirror)를 이용한 조명장치의 광로를 나타내는 측단면도이다.
도 7B는 도 7A의 실시예에서 하나의 광원으로부터의 광로를 나타내는 도면이다.
도 7C는 도 7A의 실시예에서 다른 광원으로부터의 광로를 나타내는 도면이다.
도 8은 반사율에 대한 특성 밴드패스 곡선을 나타내는 그래프이다.
도 9A 및 도 9B는 포물면 미러의 특성을 나타내는 단면도이다.
도 10은 본 발명에 따른 일 실시예의 조명장치를 이용한 디스플레이 장치의 개략적인 블록 다이어그램이다.
도 11은 본 발명에 따른 다른 실시예의 조명장치를 이용한 디스플레이 장치의 개략적인 블록 다이어그램이다.
이러한 설명에서 인용된 도면들은 본 발명의 일반적인 개념, 중요 구성, 및 장치의 요소들을 나타낸 것이다. 이들 도면들은 일정한 비율로 주의 깊게 묘사되지 않았고, 명확하게 하기 위해 구성요소들의 면적, 비율 및 상대적인 배치를 확장시킬 것이다. 이곳에 기술된 대역은 예시로 주어지나 한정되지는 않는다. 명확하게 도시 또는 기술되지 않은 요소들이 당업자에게 잘 알려진 다양한 형태로 취해질 것이라는 것을 알 수 있다.
공지된 바와 같이, 특정 광학 시스템에 의한 광 분배는 그의 전체 형상에 의존한다. 예를 들면, 순환적으로 완벽히 대칭적인 포물면 반사기는 이상적으로 "초점(focal point)"에 광을 유도할 것이다. 그러나, 광학 제조 분야의 당업자에게 알려진 바와 같이, 단지 이상적인 기하학적 형상과 근접한 적당한 형상이 실제 이루어질 수 있으나 완전한 초점은 성취될 수 없을 뿐만 아니라 효율적으로 요구된 광 농도가 아니다. 그러므로, 이상적인 "초점"이라는 용어를 사용하는 대신, 본 발명의 명세서와 청구항은 광을 집결시키는 광학 요소에 대해 가장 높은 광 농도를 갖는 공간 영역 또는 방출된 광의 초점을 조절 또는 평평하게 하는 광학 구성요소에 대해 광원이 바람직한 초점 변경 또는 평평하게 하기 위한 최적의 위치에 배열되는 공간 영역을 나타내기 위해 더 일반적인 용어인 "초점 영역(focal region)" 또는 단순히 "초점(focus)"을 사용한다.
본 발명의 장치 및 방법은 그들의 응답 광원에 대해 오목한 곡면을 사용한다. 이 명세서의 문장에서, "마주보는 만곡부(opposed curvature)"는 단순하게 서로 마주보는 두 개의 오목한 반사면을 나타낸다. 하나의 면은 양의 만곡부(일반적으로 곡면의 중심이 표면의 오른쪽에 있는)를 구비하고, 다른 면은 음의 만곡부(곡면의 중심이 표면의 왼쪽에 있는)를 구비한다고 말할 수 있다.
본 발명의 문장에서, "집광기(optical condenser)" 또는 "집광 시스템(optical condenser system)"이란 용어는 이미징 기술분야에서 일반적으로 사용된 용어이다. 즉, 집광기 또는 집광 시스템은 광원으로부터의 광을 모으고, 그것을 물체 또는 이미징 시스템 또는 프로젝션 렌즈로 유도하는 하나 또는 그 이상의 굴 절 또는 굴절 광학 요소를 포함하는 결합이다. 본 발명의 장치 및 방법은 서로 비대칭이고, 광로가 거의 중첩될 수 있으며, 개별 광원이 각각 제공되고, 출력 광이 유도되도록 공통 어퍼쳐를 공유하도록 배열된 한 쌍의 집광 시스템을 사용한다.
본 발명의 장치 및 방법은 이색성 표면을 이용할 때 유색 광(colored light) 결합을 위해 종래 해법을 사용할 때 발생하는 문제를 최소화한다. 더 높은 입사각에서 불충분한 이색성 응답을 초래하는 고유의 문제를 줄이기 위해, 본 발명은 이러한 표면 만곡부 때문에 광원 조사(source illumination)가 감속된 각도에서 입사되도록 주어진 대역 내에 광을 유도하기 위한 곡선 모양의 이색성 표면을 제공한다. 이와 동시에, 곡면 모양의 이색성 표면은 초점 영역 또는 초점을 향해 광을 집결시키고, 그것 때문에 조명장치의 팽창은 프로젝션 또는 디스플레이 장치에서 다른 구성요소들과 적당히 정합되는 게 가능해진다.
본 발명에서 사용된 것처럼, "고체 광원"이란 용어는 조명 기술분야에서 공지된 것을 의미하고, 발광 다이오드, 유기발광다이오드(Organic Light Emitting Diode; OLED), 폴리머 LED, 및 광을 생성하기 위해 무기 또는 유기 반도체 물질과 요소를 이용한 유사 광원과 같은 장치를 포함한다. 특히, 고휘도 응용의 관심은 메사추세츠, 덴버에 있는 OSRAM 실바니아 주식회사의 Ostar® LED 장치와 같은 고루멘 출력 LED이다. 도 3은 캘리포니아, 얼바인에 있는 삼성 전자 아메리카의 SP-P300ME와 같은 휴대용 또는 미니 프로젝터에서 일반적으로 사용된 디자인의 LED 모듈(50)이다. 인쇄회로기판(56) 위에 제공된 다양한 지원 전자기기와 설치 요소들 외에 LED 모듈(50)은 전기 커넥터(52)와 LED 패키지(54)를 구비한다. 일반적인 실 시예에서, LED 패키지(54)는 작은 치수 특성을 갖고, 예를 들면, 2개의 녹색 LED(12g), 하나의 적색 LED(12r), 및 하나의 청색 LED(12b)와 같은 4개의 단색 LED로 구성된다.
LED의 다른 배열은 이후 기술된 본 발명의 실시예에 어울릴 수 있을 때 4개의 동일 컬러의 사용을 포함하는 것이 가능하다. 일반적으로, LED 패키지(54)는 모듈에서 외부로 향하는 광을 유도하기 위한 지지 광학(supporting optics)을 구비한다.
본 발명의 실시예들은 기하학적인 광학의 간단한 특성들을 첫 번째로 재검토함으로써 가장 잘 알 수 있다. 도 4는 구형 반사면(42)의 특징을 나타내는 것이다. 만곡부(C) 중앙의 일면에서 떨어진 거리에 있는 Q지점은 C로부터의 동일 거리에 있는 Q'지점에 상을 형성한다. 타원형의 반사면에 대해, 이상적인 경우, 제 1 초점에 있는 지점은 이상 없이 제 2 초점에서 상을 형성한다.
도 4에 도시된 일반적인 특성을 이용하면, 구형, 타원형, 또는 포물면의 곡선 반사면은 제 1 위치에 배치된 물체의 이미지를 제 2 위치에서 이미지를 형성하도록 배치될 수 있다. 도 4에 도시된 구형 반사기에 의해, 본 발명은 Q지점에 LED 광원을 배치하고 Q'지점에 광원을 형상화하여 이런 광 특성을 실현한다. 제 2 곡선 반사면과 한 조를 이루는 제 1 곡선 모양의 이색성 표면의 선택적인 형상 및 취급으로, 본 발명은 다른 컬러 광원에서 단일 어퍼쳐로 광을 유도하는 특성을 적응시킨다.
도 5A는 본 발명의 일 실시예에 따른 조명장치(60)를 나타내는 도면이다. 조 명장치(60)는 두 개의 집광 시스템(44a, 44b)의 결합을 사용한다. 각각의 개별 집광 시스템(44a, 44b)에서, 광원은 각각 도 3에서 기술된 장치와 유사한 두 개의 LED 모듈(50a, 50b)의 하나에서 제공된다. 도 5B에 더 명확하게 도시된 광로를 가진 집광 시스템(44b)에서, LED 모듈(50b)은 제 1 곡선 반사면(62)의 만곡부(C62)의 중앙 일면에 배치된 LED 패키지(54b)를 구비한다. 만곡부(C62)의 중앙은 사실상 LED 패키지(54b)와 어퍼쳐(66) 사이의 중간지점에 있다 도 5C에서 더 명확하게 도시된 광로를 가진 집광 시스템(44a)에서, LED 모듈(50a)은 제 2 곡선 반사면(64)의 만곡부(C64)의 중앙 일면에 배치된 LED 패키지(54a)를 구비한다. 둘 중 어느 하나 또는 둘 모두의 광원에 대해, LED 패키지(54a, 54b)에서 제 2 곡선 반사면(64)은 제 1 곡선 반사면(62)의 뒤에 고려된다. 만곡부(C64)의 중앙은 사실상 LED 패키지(54a)와 어퍼쳐(66) 사이의 중간 지점에 있다. 곡면(62, 64)의 광축(O62, O64)은 동일선상에 있지 않는다.
그때, 이 배열이 주어지면, 도 5A 내지 도 5C의 조명장치(60)는 공동으로 어퍼쳐(66)를 공유하는 두 개의 집광 시스템을 결합시킨다. 도시된 실시예의 집광 시스템에서, LED 패키지(54a)는 도 5C에 도시된 광로를 따르는 녹색 광을 발산한다. 다른 집광 시스템(44b)에서, LED 모듈(50b) 위에 있는 LED 패키지(54b)는 도 5B에 도시된 광로를 따르는 녹색 광과 청색 광을 발산한다. 두 LED 패키지(54a, 54b)의 발산 광은 이색성 코팅 처리된 제 1 반사 곡면(62)으로 간다. 이러한 이색성 코팅 은 녹색 대역을 전달 또는 통과하고 이 밴드 외부로 광을 반사하는 밴드패스 필터의 유형으로 동작하기 위해 반사면(62)을 부분적으로 조절한다.
도 8의 그래프는 이러한 유형의 밴드패스 동작에 대한 반사 곡선을 나타내는 도면이다. 여기서, 이러한 광의 대부분이 이색성 표면을 통해 전달되도록 중앙의 녹색 파장 주위의 대역에 대해 매우 낮은 반사가 있다.
도 5B의 집광 시스템(44b)을 다시 참조하면, 적색(625㎚ 주위에 중심이 있는) 및 청색(464㎚ 주위에 중심이 있는)과 같은 녹색 밴드패스 영역 외부의 다른 파장의 광은 작은 투과율로 제 1 반사 곡면(62)에서 반사된다. 이러한 적색 및 청색 반사광은 LED 모듈(50a, 50b)들 사이에 있는 공유 어퍼쳐(66)에서 나가는 광로를 따라 집결되고 유도된다. 도 6의 투시도는 LED 모듈(50a, 50b)에 대한 공통 어퍼쳐(66)의 상대 위치를 더 명확하게 나타내는 도면이다. 조명장치(60)는 고체 즉, 결합된 광 파장에서 사실상 투명한 절연물질로 채워진 고체라는 것을 도 6을 통해 알 수 있다. 집속 소자(68) 또는 집속 바와 같은 임의의 광 균질장치(homogenizer)는 어퍼쳐(66)에서 발산된 광을 균질 또는 균일하게 하기 위해 제공된다. 본 발명의 문장에서, "균일장치(uniformizer)", "균질장치" 및 "집속 소자"란 용어는 서로 교환가능하게 사용된다.
도 5C에 도시된 바와 같이, 제 2 반사 곡면(64)은 제 1 곡면(62)을 통해 전달된 입사광, 본 발명의 바람직한 실시예에서는 녹색 대역에 대해 사실상 구형 미러로 동작한다. 제 2 곡선 반사면(64)은 이러한 녹색 광을 집결시키고, 유사하게 공통 어퍼쳐(66)에서 나가는 쪽으로 유도하는 광로를 따라 유도한다. 그 결과, LED 패키지(54a, 54b)에서 집결된 광은 광이 공통 어퍼쳐(66)에서 나갈 때 결합된다.
도 5A 내지 도 5C의 실시예에 대한 다수의 정보는 특히 유익하다.
(ⅰ) 각각의 집광 시스템(44a, 44b)에서, 각각의 반사 곡면(62, 64)에 대한 만곡부(C62, C64) 각각의 중심은 사실상 그의 응답 LED 패키지(54b, 54a, 각각) 사이의 중간에 있고, 이들 광원을 포함하는 평면에서 어퍼쳐(66)를 공유한다. 도 4를 참조하여 기술된 것처럼, 이러한 배열은 어퍼쳐에 광원을 형상화하기 위해 사용된다.
(ⅱ) 만곡부(C62, C64)와 광원의 중심, LED 패키지(54a, 54b)는 모두 사실상 동일한 평면에 있고, 공통 어퍼쳐(66)를 포함한다. 상기 만곡부(C62, C64)의 중심은 일치하지 않는다.
(ⅲ) 각각의 광로에서, 광원에서 반사 곡면(62, 64)으로의 입사광은 보통에 비해 상대적으로 낮은 각도에 있다. 주어진 배경 설명에서 강조된 바와 같이, 낮은 각도의 입사각은 좋은 이색성 수행에 유리하고, 개선된 스펙트럼 분배를 가져온다.
(ⅳ) 집속 소자(68) 도는 다른 유형의 광 균일장치 또는 균질장치에서의 광 출력은 균일하게 혼합될 수 있고, 단일 광원 즉, LED 패키지(54a, 54b)의 어느 한쪽의 팽창보다 단지 아주 약간 큰 팽창에 있게 된다. 결합된 출력의 팽창은 광원 이미지가 그들 사이의 약간의 각도로 균질장치 또는 집속 소자(68)로 들어가기 때문에 어느 정도 증가할 것이다. 이러한 각도는 더 큰 곡면(62, 64)의 반경을 만들기 위해 감소될 수 있으나, 두께와 직경이 증가하게 된다.
반사 이후, LED 패키지(54a, 54b)로부터의 광은 공통 어퍼쳐(66)에 도착하는 것을 집결시킨다. 집속 소자(68)는 좋은 컬러 혼합 및 균일성을 제공하기 위해 광 균질장치로 어퍼쳐에 또는 어퍼쳐 근처에 배치된다.
집속 소자(68)는 도 5A에 도시된 바와 같이 일직선 또는 끝이 가늘어질 것이다. 집속 바, 플라이 아이 소형렌즈(lenslet) 어레이, 또는 유사한 광학 소자, 공동 광 파이프, 또는 광 터널, 혼합 포물면 집광기, 하나 또는 그 이상의 렌즈, 미러, 또는 확산기 또는 다른 장치를 포함하는 다양한 유형의 집속 소자(68)가 사용될 수 있다.
끝이 가늘어지는 형태의 집속 소자(68)는 앞에 기술된 바와 같이 팽창의 분배를 변화시키기 위해 사용될 수 있다. 집속 소자(68)의 출사면(exit face)에서, 각각의 컬러에서의 광은 공간적으로 균일하다.
도 7A는 도 5A의 실시예와 유사한 특성을 이용하고, 동일한 어퍼쳐(66)를 공유하는 제 1 및 제 2 집광 시스템(44a, 44b)을 다시 구비하며, 각각의 광로에서 마주보는 포물면 반사기들의 배열을 이용하는 조명장치(60)의 다른 실시예를 나타내는 도면이다. 이런 배열을 다루는 것을 더 잘 이해하기 위해서는, 포물면 반사기의 몇몇 유용한 특성을 재검토하는 게 유용하다. 도 9A를 참조하면, 광원(82)은 축(A)을 구비하는 포물면 미러(80a)의 초점(F1)에 배치된다. 그러므로, 광원(82)에서 발산된 광은 축(A)과 평행한 방향에서 반사된다. 도 9B는 그의 축(A)과 평행한 입사광을 가진 포물면 미러(80b)를 나타내는 도면이다. 여기서, 축에 평행한 입사광은 그의 초점(F2)으로 유도된다.
"포물면 장치(parabolic work)"를 포함하는 다양한 이름으로 알려진 공지된 착시(optical illusion) 장치는 도 9A 및 도 9B를 참고하여 기술된 기본 특성들을 결합하여 동작한다. 그런 장치에서 두 개의 포물면 미러들은 동일한 축을 공유하지는 않고 그의 특정 작업 형태가 장치에 주어지지는 않으나 마주보는 만곡부와 더불어 커피잔 모양이다. 상부 미러는 그의 정점에 어퍼쳐를 구비한다. 하부 미러의 정점에 배치된 물체는 이러한 결합으로 형상화되어 마주보게 배치된 상부 미러의 어퍼쳐에 있는 공간에 부유하도록 나타난다. 물론, 이런 유형의 배열은 그것만으로, 조명장치에 대한 명백한 이로움을 제공하지는 않으나 도 7A의 실싱예에서 사용된 하나의 특징을 기술하고 있다.
도 7A의 조명장치(60)로 돌아가서, 마주보는 포물면 반사기들은 제 1 및 제 2 집광 시스템(44a, 44b)을 형성하도록 한 조를 이루고, 두 개 또는 그 이상의 고체 광원에서 광을 얻고 조명을 제공하기 위해 동일한 광로에서 이 광을 결합하기 위한 새로운 방법으로 이용된다. 여기서, 도 5A에 기술된 조명장치(60)의 실시예와 비교하면, 제 1 및 제 2 LED 패키지(54a, 54b)는 어퍼쳐(66)의 반대편에 배치되고, 후방 반사 곡면(72)의 정점에 가까이 배치된다. 반사 곡면(72)은 바람직하게 포물면이고, 각각 두 개의 다른 곡면과 한 조를 이루며, 각각 제 1 및 제 2 집광 시스템(44a, 44b)의 광로에 있다. 여기서, 이색성 곡면(74)은 LED 패키지(54b) 근처에 있는 초점(F74)을 갖는다. 반사 곡면(76)은 LED 패키지(54a) 근처에 있고 초점(F74)과 집결되지 않는 초점(F76)을 갖는다. 두 곡면(74, 76)은 모두 바람직하게 포물면 이다. 광원인 LED 패키지(54a, 54b) 중 어느 하나 또는 둘 모두에 대해, 반사 곡면(76)은 이색성 곡면(74)의 뒤로 고려된다. 이색성 곡면(74)은 LED 패키지(54b)에서 광의 대역을 반사하고, 이들 대역 외부에 있는 다른 광을 통과 또는 전달하기 위해 사용된다. 곡면(76)은 이런 반사 대역 외부의 광을 예를 들면, 이색성 곡면(74)을 통해 통과하는 광을 반사한다.
도 5A의 조명장치(60)의 전체 배열과 같이, 도 7A의 조명장치(60)는 공통 어퍼쳐(66)를 공유하는 두 개의 집광 시스템(44a, 44b)을 결합시킨다. 각 시스템의 동작은 도 7B 및 도 7C에 각각 기술되었다. 도 7B는 마주보는 만곡부와 함께 축(A72)을 구비한 오폭한 반사 곡면(72)과 축(A76)을 구비한 오폭한 이색성 곡면(76)의 결합을 이용하는 하나의 집광 시스템(44a)을 나타내는 도면이다. 축(A72, A76)은 동일선상에 있지 않고, 포물선 모양의 실시예에서 평행 또는 비평행 중 어느 하나일 것이다. LED 패키지(54a)는 축(A76)을 따라 배치되고, 오목한 반사 곡면(72)의 정점 근처에 배치된다. 오목한 곡면(74, 76)의 오목한 상태(concavity)는 오목한 반사 곡면(72)의 오목한 상태와 마주본다.
이러한 배열이 주어지면, LED 패키지(54a)에서의 광은 이색성 곡면(74)을 통해 통과하고, 곡면(76)에 의해 반사되어 평행하게 된다. 반사 곡면(72)의 축(A72)에 사실상 평행한 이러한 평행광은 단지 기술된 공지의 포물면 반사기 특성에 따라 어퍼쳐(66)에서 나가 초점(F72) 쪽으로 반사 곡면(72)에 의해 집광 시스템(44a)의 광 로를 따라 방향을 바꾼다.
도 7C는 LED 패키지(54b)에서 광을 검출하기 위한 다른 집광 시스템(44b)의 동작을 나타내는 도면이다. LED 패키지(54b)는 축(F74)을 따라 배치되고, 반사 곡면(72)의 정점에 접근한다. 이런 배열이 주어지면, LED 패키지(54b)에서의 광은 이색성 곡면(74)에 의해 반사되고 평행하게 된다. 반사 곡면(72)의 축(A74)에 사실상 평행한 이러한 평행광은 단지 기술된 동일한 포물면 반사기 특성에 따라 어퍼쳐(66)에서 초점(F72) 쪽으로 반사 곡면(72)에 의해 집광 시스템(44a)의 광로를 따라 방향을 바꾼다. 도 7A에서 결합된 집광 시스템에 대해 도시된 바와 같이, 이러한 방법에서, LED 패키지(54a, 54b)들에서의 광들이 결합된다. 즉, 그들의 광로들은 광 집속 소자(68)의 입력면과 사실상 일치하는 공통 어퍼쳐(66)에서 효과적으로 겹쳐진다.
도 7A의 실시예에 대한 다수의 정보는 특히 유익하다.
(ⅰ) 세 개의 곡면(72, 74, 76)은 그들이 이상적인 포물면에 가장 근접할 때 가장 잘 동작한다. 이들 표면의 형태가 이런 이상적인 형태에서 벗어날 때, 성능이 저하될 것이다.
(ⅱ) 집속 소자(68)를 나가는 광은 균일하고 혼합되고, 단일광원(54a, 54b)의 팽창보다 아주 조금 큰 팽창을 가질 수 있다.
(ⅲ) LED 패키지(54a, 54b)는 그의 대응 반사면에 대한 가장 근접한 초점이 제공된 이 실시예에서 근접하게 배치될 수 있다.
(ⅳ) 곡면(72)은 집광 시스템(44a, 44b)의 광로를 따라 놓인 집광 시스템 모두에게 공통된 광 변경기(re-director)로 동작하지 않는 스펙트럼 분배는 이루어지지 않는다.
강조된 것처럼, 최적의 결과는 본 실시예에서 각각의 곡선 반사면의 형태가 가능한 거의 대칭적으로 포물면일 때 얻어진다. 이들 곡선 반사면의 정확한 위치는 서로 관련되고, 다른 한편으로는 약간의 비대칭을 요구한다. 예를 들면, 이상적으로, 축(A72, A74, A76)은 적어도 평행에 근접하나, 일직선은 아니다. 이는 이색성 곡면(74)과 반사 곡면(76)이 부가적으로 서로에 대해 중심에서 벗어나고, 이 실시예에 대한 축(A72)과 평행한 축(A74 또는 A76) 중 어느 것도 아니다는 것을 의미한다. 각각의 축(A74 또는 A76)은 하나의 LED 패키지(54a 또는 54b)에 집중되므로, LED 패키지(54a, 54b)의 상대 크기는 간접적으로 동일 선상의 이들 축들이 근접할 수 있는 한계를 간접적으로 결정한다. 이들 LED 장치들은 반사 곡면(76)의 정점 가까이에 서로 인접할 수 있거나 또는 매우 작은 거리로 서로 떨어져 배치될 수 있다.
도 5A 및 도 7A 실시예에서, 광원과 곡선 반사면 사이의 공간은 가시광(visible light)을 통과시키는 절연물질로 채워진다. 상기 광원, LED 패키지(54a, 54b)은 바람직하게 예를 들면, 에폭시처럼 집중되거나 접착된 절연물질과 광접촉된다. 광접촉은 프레넬 반사를 줄이는데 도움을 주고, 광 발산각과 광의 결과 포획 이상 개선된 제어를 이끌어 낸다.
도 5A 및 도 7A 실시예예는 둘 또는 그 이상 광학적으로 중심에서 벗어난 오 목한 반사면을 이용하여 공통 어퍼쳐에서 나가기 위해 둘 또는 그 이상의 광원에서의 광을 유도한다. 상기 광원에 가장 근접한 오목면은 적어도 하나의 대역 이사의 광을 반사하고, 다른 광을 전달 또는 통과시키기 위해 사용된 이색성 면이다. 도 5A 실시예에서, 어퍼쳐(66)는 이들 오목 반사면의 정점들에 놓인다. 다른 구성에서, 이색성 면에서 반사되지 않은 광은 반대방향에서 이색성 면을 통해 두 번 전송한다.
중심선에서 벗어나고, 이색성으로 취급된 곡선 반사면을 이용한 일반적인 방법이 도시된 조명장치(60)의 실시예 이상으로 확장될 수 있다는 것을 알 수 있다. 예를 들면, 제 3 LED 패키지와 제 3 반사면은 도 5A 실시예 또는 도 7A 실시예 중 적어도 어느 하나에 부가될 수 있고, 그로 인해, 유사하게 제 1 및 제 2 집광 시스템(44a, 44b)의 공통 어퍼쳐를 공유하는 제 3 집광 시스템을 형성할 수 있다. 둘 또는 그 이상의 고선 반사면은 이색성 면일 수 있다. 도 6에 대해, 예를 들면, 제 3 LED 패키지는 어퍼쳐(66)의 측면의 어느 하나에 부가되거나, 제 3 LED 패키지는 예를 들면, 서로 120°떨어진 것처럼 조금 다른 방법으로 어퍼쳐(66) 주위의 동일면에 배치될 수 있다.
소정의 허용 범위는 "초점 영역 근처(near the focal region)", "초점에서(at the focus)", "초점 영역에서(at the focal region)", 또는 "정점 근처(near the vertex)" 같은 문구가 허용될 수 있다는 것을 광학 디자인 분야의 당업자가 알 수 있다. 실제 광학 기계의 오차는 이런 본 발명에서 사용된 원리에 따라 정확한 위치에서 약간의 가변성을 허용한다. 그들 장치들의 크기는 약간의 제한이 있다. 일찍이 알려진 것처럼, 정확한 구형 또는 포물면 형태의 표면은 다양한 실시예에서 초점을 평행하게 하기 위한 이상적인 반사면일 수 있다. 그러나, 실제, 구형 또는 포물면 표면과 비슷한 것은 이룰 수 있고, 본 발명의 기술을 적용하기에 충분할 수 있다.
고성능 이색성 면과 같은 곳에는 이색성 응답이 결함이 있으므로 필연적으로 약간의 스펙트럼 오염이 있다는 것을 알 수 있다. 위에 도시된 임의의 실시예에서, 대역은 응용의 요구에 가장 적합하게 될 때 설정되고 최적화될 수 있다. 부가적으로, 이곳에 기술된 실시예들이 하나의 이색성 면을 사용하는 동안 일반적으로 "반사에 의한(reflective)"으로 언급되는 다른 면들은 은도금된 반사기 또는 다른 유형의 종래 미러 코팅을 대체하기에 매우 충분히 제공할 수 있는 이색성 코팅으로 처리될 수 있다는 것을 알 수 있다.
또한, 약간의 코마(coma)가 도 5A와 도 7A 모두에서 나타나는 것을 알 수 있다. 이는 어퍼쳐(66)에서 빔 출력의 단면 외곽을 약간 비트는 효과를 갖는다. 그러나, 프로젝터 분야에서, SLM 그 자신은 일반적으로 직사각형 화상비의 광을 요구한다. 그러므로, 한 방향에서의 이러한 연장(elongation)은 광 변조기와 그 이후 프로젝션 광학계의 화상비와 매칭될 때 사용될 수 있다.
도 10 및 도 11은 본 발명의 조명장치(60)를 이용한 변조광을 제공하는 디스플레이 장치(120)를 형성하기 위한 교류 구성요소 배열을 나타내는 도면이다. 조명장치(60)에서의 광은 광 균일성을 개선하고, 필요에 따라 색 혼합을 개선하는 집속 바, 플라이 아이 렌즈 어레이, 또는 다른 구성요소와 같은 광 균질장치 또는 균일 장치에 유도된다. 대물렌즈(field lens)(124) 또는 다른 광학 어셈블리는 디지털 마이크로미러 장치, 액정 디스플레이 장치, 또는 다른 변조기인 공간 광변조기(SLM)(126)로 광을 유도한다. 변조된 광은 디스플레이 표면에 프로젝션용 프로젝션 렌즈(130)의 동공(pupil)에 제공된다.
도 11의 실시예에서, 임의의 콜리메이팅 렌즈(128)는 뉴욕, 로체스터, RPC Photonics Inc에서 제조된 Engineered DiffuserTM과 같은 확산기(132)로 광을 유도한다. 도 10 또는 도 11 실시예에서, 본 발명의 조명장치(60)는 SLM(126)이 전자 디스플레이(electronic display) 분야에서 당업자에게 공지된 색순차에서 동작하도록 동시에 단일 컬러를 제공하기 위해 사용될 수 있다. 더욱이, 다색 또는 백색광은 예를 들면, 액정 SLM과 함께 컬러 필터 어레이를 이용할 때와 같이 변조를 위해 제공된다.
배경기술에서 기술된 종래의 컬러 결합방법과 다른 본 발명의 조명장치는 상대적으로 편광에 반응하지 않는다. 그러므로, 발생된 광은 디지털 마이크로미러와 유사한 장치와 같이 광 변조기 유형과 함께 직접 사용될 수 있다. 편광 요소들은 액장 장치(LCD) 타입 SLM에 대한 광 편광을 조절하기 위해 요구될 수 있다.
LED 패키지(54a, 54b)에서의 광을 효과적으로 중첩시킴으로써, 본 발명의 조명장치는 컬러 조명 빔에 대한 작은 팽창을 유지하는 동안 분리된 광원에서 광로를 결합한다. 작은 팽창을 제공하는 것은 작은 크기의 SLM의 사용에 유용하고, 종래의 많은 광 혼합 장치 이상의 장점이 있다.
본 발명은 그의 특정 실시예를 참고하여 상세히 기술되었으나, 변경 및 수정은 상술되고 첨부된 청구항으로 알 수 있듯이 본 발명의 관점을 벗어나지 않는 범위 내에서 당업자에 의해 본 발명의 관점 내에서 이루어질 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다. 예를 들면, 본 발명의 방법이 고휘도 응용에 요구되는 동안, 다른 색 광의 충분한 혼합을 요구하는 다른 응용들은 또한 이러한 접근을 이용할 수 있다. R, G, B LED의 사용을 대체할 수 있는 다른 것은 단지 두 개의 색의 사용 또는 네 개 또는 그 이상의 LED 색의 사용이다. 이상적인 성능이 기술로 알 수 있듯이 구형, 타원형 및 포물면 형태를 이용하여 얻어지는 동안, 이들 곡면의 근사치는 충분한 레벨의 성능을 제공할 것이다.
그러므로, 본 발명은 고체 광원에서 광을 결합하기 위한 조명장치 및 방법을 기술한다.

Claims (21)

  1. 공통 어퍼쳐를 공유하는 제 1 집광 시스템 및 제 2 집광 시스템을 포함하고,
    상기 제 1 집광 시스템은,
    제 1 대역을 구비하는 제 1 고체 광원; 및
    상기 제 1 고체 광원에서 떨어져 배치되고, 공통 어퍼쳐에서 나가 제 1 대역 외부로 광을 통과시키기 위해 제 1 광로를 따라 제 1 대역을 반사하는 제 1 곡면을 포함하고,
    제 2 집광 시스템은,
    제 2 대역을 구비하는 제 2 고체 광원; 및
    상기 제 1 고체 광원과 제 2 고체 광원에 대해 제 1 곡면의 뒤에 배치되고, 공통 어퍼쳐에서 나가기 위해 제 2 광로를 따라 제 2 대역을 반사하는 제 2 곡면을 포함하는 것을 특징으로 하는 조명장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 어퍼쳐는 상기 제 1 고체 광원과 제 2 고체 광원을 포함하는 면에 위치하는 것을 특징으로 하는 조명장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제 1 광원 및 제 2 광원은 그의 초점에서 공통 어퍼쳐를 구비하는 제 3 곡면을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 조명장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 제 1 고체 광원 및 제 2 고체 광원은 발광 다이오드, 유기 발광 다이오드, 및 폴리머 발광 다이오드로 구성된 그룹에서 취해지는 것을 특징으로 하는 조명장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    적어도 하나의 제 1 곡면 및 제 2 곡면은 이색성 면인 것을 특징으로 하는 조명장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    공통 어퍼쳐를 나가는 광을 처리하기 위해 배치된 광 집속 소자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 조명장치.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 광 집속 소자는 소형렌즈 어레이, 플라이 아이 소형렌즈 어레이, 광 터널, 집속 바, 미러, 하나 또는 그 이상의 렌즈, 혼합 포물면 집광기 및 확산기로 구성된 그룹에서 취해지는 것을 특징으로 하는 조명장치.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 공통 어퍼쳐를 나가는 광을 변조하기 위한 광 변조기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 조명장치.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 제 1 곡면은 사실상 구형, 타원형 또는 포물면인 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 조명장치.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 제 1 고체 광원 및 제 2 고체 광원은 절연체에 광학적으로 집중되는 것을 특징으로 하는 조명장치.
  11. (a) 제 1 대역을 통과시키고, 어퍼쳐를 향해 제 1 대역 외부로 광을 반사하기 위해 처리된 제 1 곡면;
    (b) 제 1 대역을 구비하고 어퍼쳐의 한 면에 배치된 적어도 하나의 제 1 고체 광원;
    (c) 제 1 대역을 반사시키기 위해 처리되고, 상기 제 1 고체 광원에 대해 제 1 곡면의 뒷면에 배치된 제 2 곡면; 및
    (d) 제 2 대역을 구비하고, 상기 어퍼쳐의 다른 면에 배치된 적어도 하나의 제 2 고체 광원을 포함하는 것을 특징으로 하는 조명장치.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 어퍼쳐 근처에 배치된 입력부를 구비하는 집속 소자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 조명장치.
  13. 청구항 11에 있어서,
    상기 제 1 곡면은 사실상 구형, 타원형 또는 포물면인 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 조명장치.
  14. 청구항 11에 있어서,
    상기 제 1 곡면은 제 1 대역을 통과시키고, 제 1 대역 외부로 광을 반사시키는 이색성 코팅을 갖는 것을 특징으로 하는 조명장치.
  15. 청구항 11에 있어서,
    상기 제 2 곡면은 이색성 코팅인 것을 특징으로 하는 조명장치.
  16. (a) 제 1 축과 제 1 정점을 구비하는 제 1 오목 곡선 반사면;
    (b) 제 1 대역의 광을 반사하고, 다른 광을 전송하도록 처리되고, 제 2 축과 제 2 정점을 구비하는 제 2 오목 곡면;
    (c) 제 1 오목 곡선 반사면에 대해 제 2 오목 곡면의 뒤에 있고, 제 2 오목 곡면을 통해 전달된 광을 반사하도록 처리되며, 제 2 축과 동일선상이 아닌 제 3 축과 제 3 정점을 구비하는 제 3 오목 곡면;
    (d) 제 2 축을 따라 제 1 정점 근처에 배치된 제 1 고체 광원;
    (e) 제 3 축을 따라 제 1 정점 근처에 배치된 제 2 고체 광원; 및
    (f) 제 2 정점과 제 3 정점을 통해 확장하는 어퍼쳐를 포함하고,
    상기 제 2 오목 곡면의 오목한 상태는 제 1 오목한 곡선 반사면의 오목한 상태와 마주보고, 제 2 축은 제 1 축과 동일선상이 아닌 것을 특징으로 하는 조명장치.
  17. 청구항 16에 있어서,
    상기 어퍼쳐 근처에 배치된 입력부를 구비하는 광 집속 소자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 조명장치.
  18. 청구항 16에 있어서,
    상기 제 2 오목 곡면은 이색성 코팅을 갖는 것을 특징으로 하는 조명장치.
  19. 청구항 16에 있어서,
    상기 제 2 오목 곡면은 사실상 포물면인 것을 특징으로 하는 조명장치.
  20. 청구항 16에 있어서,
    상기 제 1 축, 제 2 축, 및 제 3 축 중 임의의 두 개는 평행한 것을 특징으로 하는 조명장치.
  21. (a) 제 1 대역을 구비하는 제 1 고체 광원에서 제 1 곡면 쪽으로 광을 유도하는 단계;
    (b) 제 2 대역을 구비하는 제 2 고체 광원에서 제 1 곡면 쪽으로 광을 유도하는 단계;
    (c) 공통 어퍼쳐에서 나가기 위해 제 1 광로를 따라 제 1 대역의 광을 반사하고, 제 1 곡면에서 제 2 대역의 광을 통과시키는 단계; 및
    (d) 제 1 곡면을 통해 제 2 곡면 뒤에서 상기 공통 어퍼쳐에서 나가기 위해 제 2 광로를 따라 제 2 대역의 광을 반사하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 조명 제공 방법.
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