KR20100037646A - 파장 변환 물질을 갖는 이동 평판을 이용한 다색 조명 장치 - Google Patents

파장 변환 물질을 갖는 이동 평판을 이용한 다색 조명 장치 Download PDF

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Abstract

여기 광원과 파장 변환 물질(예를 들어 인광물질)을 갖는 다 분할 이동 평판을 이용한 다색 조명 장치. 여기 광원은 UV 및/또는 청색 영역에서 방사되는 레이저 다이오드 또는 발광 다이오드이다. 파장 변환 물질은 여기광을 흡수하고 더 긴 파장의 빛을 방사한다. 이동 평판의 각 부분은 서로 다른 파장 변환 물질을 갖거나 파장 변환 물질을 갖지 않기도 한다. 이 평판은 각 다른 부분이 서로 다른 시간에 여기광에 노출되도록 움직인다. 이 평판은 그 모양이 휠 이거나 직사각형일 수 있고 선형으로 회전하거나 진동할 수 있다. 평판이 움직일 때, 서로 다른 색의 광이 평판의 서로 다른 부분에서 서로 다른 파장 변환 물질에 의해 순차적으로 생성된다. 본 다색 조명 장치는 이미지 디스플레이를 위해 마이크로디스플레이 이미저(microdisplay imager)를 갖는 프로젝터 시스템에 이용될 수 있다.

Description

파장 변환 물질을 갖는 이동 평판을 이용한 다색 조명 장치{Multicololr illumination device using moving plate with wavelength conversion materials}
본 발명은 광원 장치 및 시스템에 관한 것이며, 구체적으로는 파장 변환을 이용하여 고휘도 다색광을 생성하기 위한 장치에 관한 것이다.
레이저 다이오드(LD) 또는 발광 다이오드(LEDs) 등의 반도체 광원 그리고 인광물질 또는 양자점(quantum dots) 등의 파장 변환 물질에 의해 생성된 여기광(excitation light)을 이용하는 파장 변환 방법은 여기광의 파장과는 다른 파장을 갖는 고휘도의 빛을 생성할 수 있다. 종래의 장치에서는, 여기광이 여기광을 흡수하고 여기광의 파장보다 높은 파장에서 빛을 방사하는 파장 변환 물질에 나쁜 영향을 준다. 다른 색상의 빛을 생성하기 위해서는 일반적으로 다른 파장 변환 물질들이 이용된다. 2006년 10월 5일자로 공개된 공동 소유의 국제 특허출원공개 No. WO2006/102846에 설명된 프로젝션 시스템에서는, 3 개의 LED 광원이 적, 녹 및 청색 빛을 만들기 위해 각각 사용된다(도 15참조). 다른 색상의 빛은, 빛줄기를 결합하여 이들을 광 변조기(light modulator)-MEMS(moicro electronic mechanical system) 장치 또는 액정 크리스탈 장치(LCD or LCoS) 일 수 있다-로 진행하게 하는 이색성의(다이크로익) 크로스-프리즘 (dichroic cross-prism)으로 향해 있다. LED 광원 및 광 변조기는 이미지를 생성하기 위한 신호 처리기(signal processor)를 통해 동기화된 방법으로 제어된다.
몇몇의 종래의 다색 조명 장치에서는, 백색광(고압의 수은 램프 등)은 제어되는 타임 시퀀스로 칼라 색상의 빛을 생성하기 위해 칼라 휠(wheel)로 결합되어 이용된다. 백색광원 앞에 배치되는, 칼라 휠은 특정 칼라의 빛을 각각 투과하는 복수개의 칼라 필터로 구성된다.
본 발명은, 여기광원 및 이동 평판 위에 복수개의 파장 변환 물질을 포함하여, 파장 변환을 이용하여 다색광을 생성하기 위한 조명 장치에 관한 것이다. 에텐듀 보존 결상 광학계(Etendue conserved focusing optics)를 이용하여, 고출력 및 고 휘도를 갖는 다색광이 얻어진다. 본 조명 장치는 이미지 프로젝션 시스템에 이용될 수 있다.
본 발명의 목적은 고 출력, 고 휘도의 다색 조명 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 부가적인 특징인 효과는 다음에 설명될 상세한 설명에 기술되며, 부분적으로는 상기 상세한 설명에서 명백히 드러나며, 또는 본 발명의 실시예로부터 습득될 수 있을 것이다. 본 발명의 목적 및 다른 효과들은 첨부된 도면뿐만 아니라 기술된 상세한 설명 및 청구범위에서 특별히 지적된 구성에 의해 실현되고 달성될 수 있을 것이다.
본 발명의 목적에 따른 이러한 효과 및 다른 효과를 달성하기 위해, 실시예로 넓게 설명된 바와 같이, 본 발명은 다색광을 제공하기 위한 조명 장치를 제공하며, 이 장치는, 여기광을 생성하기 위한 광원; 및 하나 이상의 부분(segment)을 포함하는 이동 평판을 포함하며, 이 때 이동 평판의 하나 이상의 부분들은 각각 여기광을 흡수하고 여기광과는 다른 파장을 갖는 빛을 방사할 수 있는 파장 변환 물질을 포함하며, 여기서 제1 부분(first segment)은 제1 파장 변환 물질을 포함하며, 제2 부분(second segment)은 다른 파장 물질을 포함하거나 파장 변환 물질을 포함하지 않으며, 이동 평판의 일부는 여기광의 광 경로상에 위치하고, 이 이동 평판은 다른 부분들이 다른 타이밍에 여기광에 노출되게 움직이도록 지지된다. 본 조명 장치는, 광원과 이동 평판 사이에 설치된 결상 광학계(focusing optics)와 커플링 광학계(coupling optics), 파장 변환 물질과 광원 사이에 설치된 다이크로익 필터(dichroic filter), 광원의 반대측 면의 파장 변환 물질에 인접하여 위치한 각-선택적 반사층(angle-selective refelecting layer), 파장 변환 물질에 인접하여 배치된 출구 조리개(이하 '출구';exit aperture)를 구비한 반사 컵, 및/또는 파장 변환 물질이 인접하여 배치된 파장판(waveplate)과 반사 폴라라이저(편광 프리즘)(reflective polarizer)를 선택적으로 포함한다.
또 다른 측면에서, 본 발명은 다색광을 생성하기 위한 방법을 제공하며, 이 방법은, 광원을 이용하여 여기광을 생성하는 단계; 상기 여기광을 이동 평판의 일 부분 위로 향하게 하는 단계; 이동 평판을 움직여 다른 타이밍에 이동 평판의 다른 부분들이 여기광에 노출되게 하여 다른 색상을 갖는 방사된 빛을 생성하도록 하는 단계를 포함하며, 이때 상기 이동 평판은 하나 이상의 부분들을 포함하고, 상기 하나 이상의 부분들은 여기광을 흡수하고 여기광과는 다른 파장을 갖는 빛을 방사할 수 있는 파장 변환 물질을 각각 포함하며, 여기서 제1 부분(first segment)은 제1 파장 변환 물질을 포함하며, 제2 부분(second segment)은 다른 파장 물질을 포함하거나 파장 변환 물질을 포함하지 않는다.
이전의 일반적인 상세한 설명 및 다음의 구체적인 상세한 설명 모두 예시적인 것이거나 설명적인 것이며, 본 발명의 청구범위를 좀 더 설명하기 위한 것이다.
본 발명의 실시예들에 따른 다색 조명 장치들은 많은 효과를 갖고 있다. 예를 들어, 다양한 피크 파장을 갖는 빛을 쉽게 얻을 수 있다. 유사한 파장을 갖는 한 세트의 LD 또는 LED 여기 광원들이 이용될 수 있다. 가시 영역에서 어떠한 색 파장 분할 다중화기(color wavelength division multiplexer)가 요구되지 않는다. 출력되는 색상들은 LD 또는 LED칩들에 의해 제한되지 않는다. 또한 이미지 프로젝션 설계를 단순화할 수 있다. 방출된 빛의 피크 파장들은 빠르게 변경시킬 수 있고, 그 세기(강도)도 쉽게 변조시킬 수 있다. 또한, 적절한 결상 광학계와 콜렉팅 광학계가 사용되면, 방출되는 빛은 작은 에덴듀(Etendue)를 갖는다. 이러한 다색 조명장치는 미니 프로젝터에서 유용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 조명 장치의 개략도이다.
도 2는 파장 변환 물질의 예시적인 여기 및 방사 스펙트럼들을 보여주는 도이다.
도 3a 및 3b는 도 1의 일 실시예에서 사용되는 파장 변환 물질을 갖는 회전 휠의 개략도이다.
도 4는 도 1의 조명 장치를 이용하는 프로젝션 시스템의 개략도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 회전 휠의 개략도이다.
도 6a는 밴드패스 코팅의 스펙트럼 특성 예시도이다.
도 6b는 각-선택적 반사 코팅의 각 특성 예시도이다.
도 7은 도 5에 도시된 실시예에서의 빛이 회전 휠의 단면 안에서 어떻게 진행하는 지를 나타낸 도이다.
도 8a 및 8b는 본 발명의 또 다른 실시예의 개략도이다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예의 개략도이다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예의 개략도이다.
도 11a 및 11b는 파장 변환 물질을 갖는 이동 평판을 이용한 본 발명의 또 다른 실시예의 개략도이다.
도 12는 도 11b에 도시된 이동 평판의 변형예를 나타낸 개략도이다.
도 13a 및 13b는 본 발명의 또 다른 실시예의 개략도이다.
도 14a 및 14b는 복수개의 광원을 이용한 본 발명의 또 다른 실시예의 개략도이다.
도 15는 복수개의 파장을 갖는 광원들을 이용한 본 발명의 또 다른 실시예의 개략도이다.
도 16은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광도(light intensity) 변조를 나타내는 타이밍 차트를 나타낸 도이다.
본 발명에 따른 실시예들은 여기광원과 파장 변환 물질을 갖고 복수개의 부분들로 나눠진 이동 평판 - 예를 들어 평판은 서로 다른 파장 변환 물질(또는 파장 변환 물질이 없는)을 가지며, 여기서 평판은 서로 다른 타이밍에 다른 부분들이 여기광에 노출되도록 움직이게 지지된다 - 을 이용한 다색 조명 장치를 제공한다. 이 이동은 회전 또는 선형 진동일 수 있다. 이동 평판이 움직일 때, 이동 평판의 다른 부분들에서 다른 파장 변환 물질에 의해 다른 색상의 빛이 시간에 따라 순차적으로 생성된다. 또한 이 조명 장치는 짧은 파장의 빛을 투과시키고 긴 파장의 빛을 반사시키는 다이크로익 필터(dichroic filter)와 결상 광학계(focusing optics)를 포함한다. 또한 각-선택적 반사 층(angle-selective refelecting layer), 반사 폴라라이저(feflective polarizer), 파장판(waveplate) 등의 다른 구성요도들이 포함될 수 있다. 여기 광원(exciting light source)는 UV 및/또는 파란색 영역(예를 들어, 360nm, 405nm, 420nm 또는 이들의 결합 영역)을 방사하는 발광 다이오드(LED) 또는 레이저 다이오드(LD) 일 수 있다. 파장 변환 물질은 바람직하게는, 양자점(quantum dots) 등의 나노 물질 과 인광물질(phosphors)를 포함하는 인광성물질이다. 또한 파장 변환 물질로 형광 물질이 사용될 수도 있지만, 상대적으로 빠른 방출 응답(emission response)를 요구하는 프로젝터 등의 특정한 어플리케이션에서는 적당하지 않을 수도 있다. 바람직하게는 변환 물질의 흡수 스펙트럼은 여기광의 파장들을 커버한다. 변환 물질의 방출 파장은 폭넓거나(예를 들어 어떤 넓은 영역 또는 전체 가시 영역) 또는 좁을(예를 들어 빨강, 청, 녹 등의 단일 색상) 수도 있다. 다른 방출 스펙트럼을 갖는 다른 인광물질들이 상기 평판에 제공될 수 있다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 조명 장치는 광원(100), 결상 광학계(focus optics; 102), 파장 변환 물질을 갖는 회전 휠(104)를 포함한다. 상기 휠(104)는 유리, PMMA 등의 플라스틱 등의 광 투과 물질로 형성된다. 파장 변환 물질은 상기 휠의 표면에 증착되거나 상기 휠을 형상하는 물질 안에 도핑될 수 있다. 회전 휠(104)는 휠의 축(A)를 기준으로 회전하도록 지지된다. 광원(100)으로부터 나온 여기광은 결상 광학계(102)에 의해 회전 휠(104)의 작은 영역으로 집광된다. 도 2는 회전 휠(104)에 제공될 수 있는 예시적인 파장 변환 물질의 여기 스펙트럼 및 방출 스펙트럼을 나타낸다. 파장 변환 물질은 하나의 파장 범위에서 여기광을 흡수하며 다른 파장 범위에서 빛을 방출한다. 일반적으로, 방출된 빛의 파장 범위는 여기광의 파장 범위보다 더 길다. 광원(100)에서 나오는 여기광은 회전 휠(104) 위의 파장 변환 물질을 여기시키고, 파장 변환 물질은 광원(100)로부터 방출되는 빛과는 다른 파장 범위를 갖는 빛을 방출한다.
광원(100)은 일반적인 램프(등), 또는 레이저 다이오드와 발광 다이오드(LED)를 포함하는 반도체 광원(solid-state light source)일 수 있다. 반도체 광원에서는, 빛의 파장은 일반적으로 300nm 에서 500nm의 범위를 갖는다. 예를 들어 많은 LED 제조사들은 460nm 에서 발광하는 발광 다이오드(소위 Blue LED)를 생산한다. Cree 사는 400nm 에 가까운 딥블루(deep blue) LED를 생산한다. Nichia 사는 365nm 근처의 UV LED를 생산한다. Sharp 나 Nichia 등의 레이저 제조사들은 405nm 근처를 방출하는 레이저를 생산한다. 수은 램프를 포함하는 종래의 램프에 비해 반도체 광원의 한 가지 주요한 이점은 변조 능력에 있다. 레이저나 LED 모두 1M 헤르쯔 보다 높은 주파수에서 변조될 수 있다.
도 3a 및 3b(각각 측면도 및 평면도)는 회전 휠(104)의 예시적인 구성을 나타낸다. 회전 휠(104)는 각각 파장 변환 물질을 포함하는 2개 이상의 부분으로 나눠진 원형이다. 도시된 예에서는, 적(Red), 녹(Green), 청(Blue) 및 백색(White)의 4 부분을 갖는다. 적, 녹 및 청 부분은 파장 변환 물질 110R, 110G 및 110B 를 각각 갖는다.
바람직하게는, 파장 변환 물질 110R, 110G, 및 110B 는 각각 580nm 에서 700nm, 500nm 에서 580nm, 그리고 400nm에서 500nm 의 파장에서 빛을 방출한다. 백색 부분은 480nm 에서 700nm 의 빛을 방출하는 파장 변환 물질 110W를 포함하며, 400nm 에서 500nm 범위의 더 짧은 파장의 청색 빛을 부분적으로 통과시켜, 결과적으로 결합된 백색 광이 나오게 한다. 회전 휠(104)가 회전축을 기준으로 회전하면, 여기광을 받는 휠의 영역이 변하게 된다. 예를 들어 적에서 녹, 백 그리고 청색 부분으로 변하고, 이에 따라 결과적으로 다른 색상의 빛이 방출된다. 방출된 빛의 색상 변화 비율은 휠의 회전 속도에 직접적으로 연관된다.
도 3의 회전 휠의 구성은 대체되는 다른 구성요소들을 가질 수 있다. 예를 들어, 광원(100)은 파란 빛을 방출하고, 청색 부분(Blue segment)은 청색 파장 변환 물질 없이 단순히 투명한 물질일 수 있을 것이다. 이 평판은 2개의 다른 파장 변환 물질을 포함하는 2개 이상의 부분으로 나뉠 수 있거나, 하나는 파장 변환 물질을 포함하고 하나는 포함하지 않는 2개의 부분으로 나뉘어, 2 색상의 조명원을 형성할 수 있다. 이 평판은 그 이상의 부분들, 예를 들어 적(Red), 녹(Green), 백(White), 청(Blue), 적(Red), 녹(Green), 백(White) 및 청(Blue) 파장 변환 물질을 각각 포함하는 8 개의 부분들로 나뉠 수도 있다. 이 부분들의 각 크기(angular size)는 동일할 수도 또는 다를 수도 있다. 각 크기들이 동일하지 않는 경우에는, 각 색상이 방출되는 상대적인 지속 기간은 균일한 회전을 가정하면 이 부분들의 각의 크기에 의해 결정된다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 광원의 적용예(어플리케이션)을 나타낸다. 프로젝션 시스템은 광원(100), 결상 광학계(102), 파장 변환 물질을 갖는 회전 휠(104), 광 집속기(light integrator; 202), 지연 광학계(delay optics) 또는 콜렉팅 광학계(collecting optics)(204), 프리즘(206), 마이크로디스플레이 이미져(208) 및 프로젝션 렌즈(210)를 포함한다. 광원(100)으로부터 나온 빛은 회전 휠(104)을 통해 통과한 후 다색광이 되고, 고강도 균질성(intensity homogenization (스크램블링;scrambling)) 을 위해 광 집속기(202)를 통과한다. 지연 광학계(204)는 프리즘(206)를 통해 스크램블링된 빛을 마이크로디스플레이 이미져(208)로 결상(집광)시킨다. 마이크로디스플레이 이미져(208)에 의해 변조된 빛은 프로젝션 렌즈(210)를 통해 디스플레이 스크린에 뿌려(투영)진다. 마이크로디스플레이 이미져(208)과 회전 휠(104) 사이의 동기화(회전 휠(104)과 마이크로디스플레이 이미져를 제어하는 신호 처리기는 도시되지 않는다)를 통해 다색 이미지가 얻어진다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 회전 휠(104)을 나타낸다. 회전 휠(104)은 파장 변환 물질(110), 휠에서 광원쪽을 향하는 면에 있는 밴드-패스 코팅(120), 휠의 다른 면에 있는 각-선택적 반사 코팅(angle-selective reflective coating; 122)을 포함한다. 도 6a는 예시적인 밴드-패스 코팅(120)의 광학적 특성을 나타낸다. 밴드-패스 코팅(120)(또는 다이크로익 필터(dichroic filter)라고도 불린다)은 특정 파장의 빛이 투과되도록 하고 다른 모든 파장의 빛은 반사시킨다. 도 6a에서 460nm 에서 480nm 사이의 청색 빛은 코팅을 투과할 수 있고 500nm 에서 680nm 사이의 파장을 갖는 빛은 반사된다. 또한 다이크로익 필터(120)는 예를 들어 결상 광학계(102) 이전의, 광 경로 상의 다른 위치에 위치할 수도 있다. 도 6b는 예시적인 각-선택적 반사 코팅(122)의 광학적 특성을 나타낸다. 각-선택적 반사 코팅(122)는 기본적으로 특정한 각보다 큰 입사각(Incident angle)에서는 빛을 반사하고 그보다 작은 입사각에서는 빛은 기본적으로 투과시킨다. 도 6b에서, 입사각이 15도보다 작은 빛은 코팅(122)을 투과하며, 25도보다 더 큰 입사각에서는 빛이 반사된다.
도 7은 파장 변한 물질(110)로부터 방출된 빛이 회전 휠(104) 밖으로 어떻게 전파되는 지를 나타낸다. 여기광 - 예를 들어 460nm 을 갖는 청색 빛은 밴드-패스 코팅(120)을 투과하고, 파장 변환 물질(110)을 자극(여기)시킨다. 파장 변환 물질(110)은 더 긴 파장 - 예를 들어 550 nm - 의 빛을 방출한다. 각-선택적 반사 코팅(122)에 대해 더 작은 입사 각으로 방출된 빛은 코팅(122)를 투과하게 된다. 더 큰 입사각으로 방출된 빛은 코팅(122)에서 반사되어 다시 파장 변환 물질(110)로 돌아오고 여기에서 산란된다. 산란된 빛 중에서 일부는 더 작은 입사각 상태가 되고 이 빛은 각-선택적 반사 코팅(122)를 투과하게 된다. 다른 더 큰 각을 갖는 빛은 코팅(122)에 의해 반사되고 다시 파장 변환 물질(110)에서 산란된다. 밴드-패스 코팅(120)은 여기 광원(100) 쪽으로 되돌아오는 방출 광들을 차단한다. 밴드-패스 코팅(120)과 각-선택적 반사 코팅(122)의 결합은 방출 광이 작은 입사각에서 한 방향으로 전달될 수 있도록 만들어 준다. 그 결과, 고 휘도의 방출 광이 얻어지게 된다.
도 8a(평면도) 및 도 8b(도 8a의 A-A 라인에 따른 부분적 단면도)는 본 발명의 또 다른 실시예를 나타낸다. 출구(exit aperture)를 구비한 링 모양의 반사 컵(reflector cup; 124)은 파장 변환 물질(110)을 커버한다. 출구는 파장 변환 물질의 광 방출 영역보다 작기 때문에, 파장 변환 물질에 의해 더 큰 입사각으로 방출된 빛은 반사 컵(124)의 측면에서 반사되어 파장 변환 물질(110)쪽으로 되돌아 가고, 거기에서 산란된다. 더 작은 입사각으로 전파되는, 파장 변환 물질(110)에 의해 방출된 빛은, 출구(126) 밖으로 빠져나갈 수 있다. 그 결과 고 휘도의 발광을 얻어진다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예를 나타낸다. 회전 휠(104)의 한 측면은 밴드-패스 코팅(120)으로 커버된다. 파장 변환 물질(110)과 각-선택적 반사 코팅(122)가 회전 휠(104)에 부착된다. 파장 변환 물질(110) 및 각-선택적 반사 코팅(122)는 상기 휠의 면적보다 더 작은 면적을 갖는다. 그 결과, 도 9에 도시된 장치의 가격은 도 5에 도시된 가격보다 더 저렴해질 수 있다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예를 나타낸다. 그루브(grove)가 회전 휠(104) 내부에 제공되어 (휠(104)의 단면도 또는 일부가 여기에 도시된다), 파장 변환 물질(110)이 그루브 안에 위치한다. 각-선택적 반사 코팅(122)과 밴드-패스 코팅(120)이 파장 변환 물질(110)의 양 측면에 제공된다.
도 11a 및 11b는 본 발명의 또 다른 실시예를 나타낸다. 직사각형의 이동 평판(130)은 도 1에 도시된 실시예에서의 회전 휠(104)를 대체한다. 적색 파장 변환 물질(110R), 녹색 파장 변환 물질(110G), 청색 파장 변환 물질(110B) 등의 다색 파장 변환 물질들이 이동 평판(130) 위에 선형적(직선형태)으로 배치된다. 광원에서 나온 여기광이 결상 광학계(102)에 의해 이동 평판(130)의 파장 변환 물질 위로 집광된다. (도 11a의 화살표에 의해 나타낸 바와 같이) 이동 평판(130)이 선형적으로 진동하면, 파장 변환 물질들(110R, 110G, 110B)이 순차적으로 자극(여기)되어 순차적인 색상의 발출 광이 생성된다.
도 12는 도 11b에 도시된 이동 평판(130)의 변형예를 나타낸다. 빛 방출의 색상 교체 빈도를 증가시키기 위해, 파장 변환 물질들(110R, 110G, 110B)의 복수 개의 세트들이(도면에서는 2개의 세트가 도시된다) 이동 평판(130) 위에 제공된다.
광 교체 빈도는 이동 평판의 진동 주기(빈도)와 파장 변환 물질 세트의 개수에 의해 정해질 것이다. 그 결과 더 큰 색상 교체 빈도가 얻어질 수도 있고, 혹은 이동 평판(130)의 진동 빈도의 필요성을 줄일 수 있다.
도 13a 및 13b는 도 11a 및 11b 에 도시된 장치의 2개의 다른 실시예를 나타낸다. 도 13a에서, 광원(100)에서 나오는 여기광만을 투과시키는 밴드-패스 코팅(120)이 이동 평판(130)의 광원을 향하는 쪽에 위치한다. 각-선택적 반사 코팅(122)은 파장 변환 층(레이어)(110R, 110G, 110B)에 인접하여 위치한다. 그 결과, 파장 변환 물질로부터의 나오는 방출 광 중 이동 평판(130)에 대한 입사각이 더 작은 것만을 가진 방출 광만이 각-선택적 반사 코팅(122)를 투과할 수 있고 방출된 광의 휘도가 증가한다. 도 13b에서, 반사 폴라라이저(반사 편광프리즘)(reflective polarizerl 128)는 파장 변환 층(110R, 110G, 110B)에 인접하여 위치한다. 반사 폴라라이저(128)는 파장 변환 물질에서 나오는 방출 광 중 하나의 편광 상태인 방출 광만을 투과시키고, 직각 편광 상태의 빛은 반사시켜 파장 변환 층(110R, 110G, 110B) 쪽으로 다시 되돌아 가게 한다. 반사된 빛은 파장 변환 물질에 의해 산란되고 일반적으로 그 편광 상태가 변하게 된다. 이 빛 중 일부는 반사 폴라라이저(128) 방향으로 산란되고 그 편광 상태가 변했기 때문에 반사 폴라라이저를 투과할 수 있게 된다. 그 결과, 반사 폴라라이저(128)에 의해 결정된 그 편광 상태의 휘도는 증가한다. 편광 변경의 효율을 증가시키기 위해, 위상차 평판(phase retardation plate; 132)가 반사 폴라라이저(128)와 파장 변환 층들(110R, 110G, 110B) 사이에 삽입될 수 있다. 위상차 평판은 λ/4 변환기(a quarter-wave) 파장판일 수 있다.
도 14a 및 14b는 본 발명의 또 다른 실시예를 나타낸다. 광원(100)로부터의 여기 에너지를 증가시키기 위해, 복수개의 반도체 광원이 이용된다. 예를 들어, 도 14a에 도시된 바와 같이, 빽빽하게 들어찬 레이저 어레이 또는 LED 어레이가 광원(100)으로 이용되도록 구성될 수 있다. 어레이 형태 이외에도, 도 14b에 개략적으로 도시된 바와 같이 복수개의 레이저들 또는 LED들로부터의 광들이 광섬유 다발 또는 광섬유 결합기를 통해 결합될 수 있다.
도 15a는 본 발명의 또 다른 실시예를 나타낸다. 광원으로부터의 여기 에너지를 증가시키기 위해, 다른 파장을 방출하는 복수개의 광원들이 이용될 수 있다. 도시된 실시예에서는, 제1 파장 및 제2 파장을 방출하는 2개의 광원(100a, 100b)이 회전 휠(104) 상의 파장 변환 물질(110)을 여기(자극)시키기 위해 이용된다. 제1 광원(100a)으로부터의 여기광은 회전 휠(104)의 후방으로부터 파장 변환 물질(110)을 여기시킨다. 제2 광원(100b)으로부터의 여기광은 다이크로익 평판(140)을 통해 투과된다. 다이크로익 평판(140)은 제2 파장의 빛을 투과시키고, 다른 파장의 빛들은 반사시킨다. 그 결과, 파장 변환 물질(110)로부터 방출되는 빛은 다이크로익 평판(140)에 의해 반사된다. 이 실시예를 좀 더 설명하기 위해 구체적인 예가 제시된다. 이 예에서, 제1 광원(110a)은 460nm 의 빛을 방출하는 청색 LED이다. 제2 광원(110b)은 405nm 의 빛을 방출하는 UV 레이저이다. 제1 광원(110a)으로부터의 여기광은 파장 변환 물질(110)을 여기시켜 적, 녹, 청 및 백색을 생성한다. 다이크로익 평판(140)은 425nm 이하의 빛만을 투과시키고 425nm 에서 700nm 사이의 빛은 반사시키는 유전체 층(dielectirc layer)으로 배치된다. 제2 광원(110b)으로부터의 UV 광은 다이크로익 평판(140)을 투과하여 파장 변환 물질(110)을 여기시킨다. 파장 변환 물질과 제1 광원(110a)으로부터의 빛은 다이크로익 평판(140)에 의해 반사될 것이다.
도 15b는 도 15a의 실시예와 유사하지만 회전 휠(104)의 한 측에만 위치하는 광원들(100a, 100b 등) 등에서 차이가 있는 또 다른 실시예이다. 다이크로익 평판(이색성 평판)은 광원(100a, 100b 등)들과 광원(100a, 100b)으로부터의 여기광을 결합하기 위한 파장 변환 물질(104)를 구비한 회전 휠 사이에 위치한다. 다이크로익 평판(140)은 제1 광원(100a)으로부터의 여기광을 투과시키고, 제1 광원(100a)과 다른 파장을 갖는 제2 광원(100b)으로부터의 여기광은 반사시킨다. 두 광원(100a, 100b)으로부터 결합된 광은 회전 휠(104) 상의 파장 변환 물질로 향하게 된다.
도 16은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광도(광 세기; light intensity) 변조 원리를 나타내는 타이밍 차트이다. 파장 변환 물질(110)로부터의 발광 세기를 변조하기 위해, 변조 기법이 여기 광원(100)에 적용된다. 파장 변조 물질이 여기광에 빠르게 반응하기 때문에, 변조된 여기광은 방출 광의 강도 변조(intensity modulation)를 야기시킬 수 있다. 다양한 변조 방법이 사용될 수 있다. 도 16에 도시된 예에서는, 여기광의 파형은 직사각형 파이며, 변조는 펄스 폭 변조를 통해 이루어질 수 있다. 한편으론, 삼각파, 사인파 또는 다른 파형들이 이용될 수도 있다. 또한, 다른 여기광들에 대해 또는 다른 파장 변환 물질을 자극(여기)하기 위해 다른 변조 기법들이 이용될 수도 있다. 예를 들어, 파장 변환 물질들의 일부는 다른 것들보다 더 강한 여기광을 요구할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 다색 조명 장치들은 많은 효과를 갖고 있다. 예를 들어, 다양한 피크 파장을 갖는 빛을 쉽게 얻을 수 있다. 유사한 파장을 갖는 한 세트의 LD 또는 LED 여기 광원들이 이용될 수 있다. 가시 영역에서 어떠한 색 파장 분할 다중화기(color wavelength division multiplexer)가 요구되지 않는다. 출력되는 색상들은 LD 또는 LED칩들에 의해 제한되지 않는다. 또한 이미지 프로젝션 설계를 단순화할 수 있다. 방출된 빛의 피크 파장들은 빠르게 변경시킬 수 있고, 그 세기(강도)도 쉽게 변조시킬 수 있다. 또한, 적절한 결상 광학계와 콜렉팅 광학계가 사용되면, 방출되는 빛은 작은 에텐듀(Etendue)를 갖는다. 이러한 다색 조명장치는 미니 프로젝터에서 유용할 수 있다.
본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 범위에서 본 발명의 방법 및 장치의 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명은 첨부된 청구범위의 범위 및 그 균등범위 내의 변형 및 변조 범위를 포함한다.

Claims (33)

  1. 다색광을 제공하기 위한 조명 장치에 있어서,
    여기광(excitation light)을 생성하는 광원;
    2 이상의 부분들을 포함하는 평판;
    여기서, 상기 부분들 중 하나 이상은 각각 여기광을 흡수할 수 있고 상기 여기광의 파장과는 다른 파장의 빛을 방출할 수 있는 파장 변환 물질을 포함하며,
    여기서 제1 부분은 제1 파장 변환 물질을 포함하고, 제2 부분은 제1 파장 변환 물질과는 다른 제2 파장 변환 물질을 포함하거나 또는 파장 변환 물질을 포함하지 아니하며,
    상기 평판의 일부는 상기 여기광의 광경로 상에 배치되고, 상기 평판 및 상기 여기광은 상기 평판의 다른 부분들이 다른 타이밍에 상기 여기광에 노출될 수 있도록 서로 상대적으로 이동 가능하며, 그리고
    상기 파장 변환 물질 및 상기 광원 사이에 배치된 다이크로익 요소(dichroic); 를 포함하고
    상기 다이크로익 요소는 상기 여기광을 투과시키고 상기 파장 변환 물질에 의해 방출된 빛은 반사시키는 것을 특징으로 하는 조명 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 광원은 반도체 광원인 것을 특징으로 하는 조명 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 광원은 레이저 다이오드(LD) 또는 발광 다이오드(LED) 인 것을 특징으로 하는 조명 장치.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 광원은 복수개의 레이저 다이오드 또는 복수개의 발광 다이오드, 또는 레이저 다이오드들과 발광 다이오드들을 모두 포함하는 것을 특징으로 하는 조명 장치.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 조명 장치는,
    상기 레이저 다이오드들 또는 발광 다이오드들 또는 양쪽 모두에 의해 생성되는 광들을 결합하기 위한 광 섬유 결합기(coupler) 또는 광섬유 다발(boundle)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 조명 장치.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 조명 장치는,
    상기 광원과 상기 평판 사이에 배치된 결상 광학계(focusing optics)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 조명 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 평판은 광 투과 물질로 만들어진 것을 특징으로 하는 조명 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 평판은 원형이며, 방사상 선(radial line)에 의해 2개 이상의 부분들로 나눠지고, 상기 평판은 한 축을 중심으로 회전하도록 지지되는 것을 특징으로 하는 조명 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 평판은 2 개 이상의 파장 변환 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 조명 장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 파장 변환 물질은 인광물질(phosphors) 또는 양자 점(quantum dot)인 것을 특징으로 하는 조명 장치.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 파장 변환 물질은 상기 평판을 형성하는 물질 속으로 도핑(doped) 되는 것을 특징으로 하는 조명 장치.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 파장 변환 물질은 상기 평판의 표면 위에 형성되는 것을 특징으로 하는 조명 장치.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 파장 변환 물질은 상기 평판의 표면 위에 부착되는 것을 특징으로 하는 조명 장치.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 평판은 그루브(groove)를 형성하고, 상기 파장 변환 물질은 상기 그루브 안에 위치하는 것을 특징으로 하는 조명 장치.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 다이크로익 필터는 상기 광원을 향해 상기 평판 위에 존재하는 밴드-패스 필터인 것을 특징으로 하는 조명 장치.
  16. 제 1 항에 있어서, 상기 조명 장치는,
    상기 광원의 반대편 측에서 상기 파장 변환 물질에 인접하여 위치하는 각-선택적 반사층을 더 포함하고,
    상기 각-선택적 반사층은 소정의 각보다 작은 입사각을 갖는 빛은 일반적으로 투과시키고, 상기 소정의 각보다 큰 입사각을 갖는 빛은 일반적으로 반사시키는 것을 특징으로 하는 조명 장치.
  17. 제 1 항에 있어서, 상기 조명 장치는,
    파장 변환 물질에 인접하여 배치된 출구(exit aperture)를 갖는 반사 컵을 더 포함하고, 상기 출구는 상기 파장 변환 물질의 방출 영역보다 더 작은 영역을 갖는 것을 특징으로 하는 조명 장치.
  18. 제 1 항에 있어서,
    상기 평판의 상기 부분들은 선형적으로 배치되고 상기 평판은 선형적으로 진동하는 것을 특징으로 하는 조명 장치.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 평판은 복수개의 파장 변환 물질들의 반복되는 세트들을 포함하는 것을 특징으로 하는 조명 장치.
  20. 제 1 항에 있어서, 상기 조명 장치는,
    상기 파장 변환 물질에 인접하여 배치된 반사 폴라라이저(반사 편광프리즘)를 더 포함하고, 상기 반사 폴라라이저는 하나의 편광 상태의 광은 투과시키고 다른 편광 상태의 빛은 반사시키는 것을 특징으로 하는 조명 장치.
  21. 제 20 항에 있어서, 상기 조명 장치는,
    상기 반사 폴라라이저와 상기 파장 변환 물질 사이에 위치한 파장판(waveplate)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 조명 장치.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 파장판은 λ/4 변환기(a quarter-wave) 파장판인 것을 특징으로 하는 조명 장치.
  23. 제 1 항에 있어서,
    상기 광원은 다른 파장들을 방출하는 복수개의 광원들을 포함하는 것을 특징으로 하는 조명 장치.
  24. 제 23 항에 있어서,
    제1 및 제2 광원은 상기 평판의 어느 한 쪽에 위치하고,
    상기 조명 장치는,
    상기 제1 및 제2 광원으로부터의 여기광을 결합하기 위해 상기 광원들과 상기 파장 변환 물질 사이에 다이크로익 평판을 더 포함하며, 상기 다이크로익 평판은 한 파장 범위를 갖는 상기 제1 광원으로부터의 여기 광을 투과시키고, 다른 파장 범위를 갖는 상기 제2 광원으로부터의 여기광을 반사시키는 것을 특징으로 하는 조명 장치.
  25. 제 23 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 광원은 각각 상기 평판의 양쪽에 위치하고,
    상기 조명 장치는,
    상기 제2 광원과 상기 파장 변환 물질 사이에 위치한 다이크로익 평판을 더 포함하고, 상기 다이크로익 평판은 한 파장 범위를 갖는 상기 제2 광원으로부터의 여기 광을 투과시키고, 상기 파장 변환 물질로부터 방출되는 광을 반사시키는 것을 특징으로 하는 조명 장치.
  26. 제 1 항에 있어서,
    상기 광원은 펄스폭 변조 신호에 의해 구동되는 것을 특징으로 하는 조명 장치.
  27. 다색광을 생성하는 방법에 있어서,
    광원을 이용하여 여기광을 생성하는 단계;
    평판의 일 부분 위로 여기광을 향하게 하는 단계; 이 때 상기 평판은 2 이상의 부분들을 포함하며, 상기 부분들 중 하나 이상은 각각 상기 여기광을 흡수할 수 있고 상기 여기광의 파장과는 다른 파장을 갖는 광을 방출할 수 있는 파장 변환 물질을 포함하며, 제1 부분은 제1 파장 변환 물질을 포함하고, 제2 부분은 다른 파장 변환 물질을 포함하거나 또는 파장 변환 물질을 포함하지 아니하며, 상기 평판은 상기 파장 변환 물질과 상기 광원 사이에 위치한 다이크로익 필터를 더 포함하고, 상기 다이크로익 필터는 상기 여기광을 투과시키고 상기 파장 변환 물질로부터 방출되는 광은 반사시키며, 그리고
    다른 색상의 방출 광을 생성하기 위해 상기 평판의 다른 부분들이 다른 타이밍에 상기 여기광에 노출될 수 있도록 상기 평판과 상기 여기광을 서로 상대적으로 움직이게 하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 다색광 생성 방법.
  28. 제 27 항에 있어서,
    상기 광원은 레이저 다이오드 또는 발광 다이오드 인 것을 특징으로 하는 다색광 생성 방법.
  29. 제 27 항에 있어서,
    상기 파장 변환 물질은 인광물질(phosphors) 또는 양자점(quantum dots)을 포함하는 것을 특징으로 하는 다색광 생성 방법.
  30. 제 27 항에 있어서,
    상기 평판은, 상기 광원의 반대편 측에서 상기 파장 변환 물질에 인접하여 위치한 각-선택적 반사층을 더 포함하고, 상기 각-선택적 반사층은 소정의 각보다 더 작은 입사각을 갖는 빛은 일반적으로 투과시키고, 상기 소정의 각보다 큰 입사각을 갖는 빛은 일반적으로 반사시키는 것을 특징으로 하는 다색광 생성 방법.
  31. 다색광을 생성하는 방법에 있어서,
    광원을 이용하여 여기광을 생성하는 단계;
    상기 여기광을 평판의 일 부분 위로 향하게 하는 단계; 이때 상기 평판은 2개 이상의 부분들을 포함하고, 상기 부분들 중 하나 이상은 각각 상기 여기광을 흡수할 수 있고 상기 여기광의 파장과는 다른 파장을 갖는 광을 방출할 수 있는 파장 변환 물질을 포함하며, 제 1 부분은 제1 파장 변환 물질을 포함하고, 제2 부분은 다른 파장 변환 물질을 포함하거나 또는 파장 변환 물질을 포함하지 아니하며,
    다른 색상의 방출 광을 생성하기 위해 상기 평판의 다른 부분들이 다른 타이밍에 상기 여기광에 노출될 수 있도록 상기 평판과 상기 여기광을 서로 상대적으로 움직이게 하는 단계;
    상기 파장 변환 물질에서 방출되는 다른 색상의 광들을 마이크로디스플레이 이미져를 이용하여 디스플레이 스크린 쪽으로 투영하는 단계;
    상기 광원을 조절(변조)하는 단계;
    상기 디스플레이 스크린 상에 이미지를 생성하기 위해 동기화된 방법으로, 상기 평판 및 상기 광원의 이동, 상기 디스플레이 이미져, 그리고 상기 광원의 조절(변조)을 제어하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 다색광 생성 방법.
  32. 색상이 있는 광을 생성하는 방법에 있어서,
    광원을 이용하여 여기광을 생성하는 단계;
    평판의 일 부분 위로 상기 여기광을 향하게 하는 단계; 이때 상기 평판은 2개 이상의 부분들을 포함하고, 상기 부분들 중 하나 이상은 각각 상기 여기광을 흡수할 수 있고 상기 여기광의 파장과는 다른 파장을 갖는 광을 방출할 수 있는 파장 변환 물질을 각각 포함하며, 제1 부분은 제1 파장 변환 물질을 포함하고, 제2 부분은 다른 파장 변환 물질을 포함하거나 또는 파장 변환 물질을 포함하지 아니하며,
    다른 색상의 방출 광을 생성하기 위해 상기 평판의 다른 부분들이 다른 타이밍에 상기 여기광에 노출될 수 있도록 상기 평판과 상기 여기광을 서로 상대적으로 움직이게 하는 단계;
    상기 광원을 조절(변조)하는 단계; 및
    색상이 있는 광을 생성하기 위해 동기화된 방법으로 상기 평판과 상기 여기광의 상대적인 움직임 그리고 상대 광원의 조절(변조)을 제어하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 색상이 있는 색광 생성 방법.
  33. 다색광을 제공하기 위한 조명 장치에 있어서,
    각각 여기광을 생성하기 위한 하나 이상의 광원;
    상기 하나 이상의 광원들에 의해 생성된 상기 여기광을 전송하기 위한 하나 이상의 광 섬유;
    2 이상의 부분들을 포함하는 평판; 을 포함하고,
    이때 상기 부분들 중 하나 이상은 각각 여기광을 흡수할 수 있고 상기 여기광의 파장과는 다른 파장을 갖는 광을 방출할 수 있는 파장 변환 물질을 포함하며,
    제 1 부분은 제1 파장 변환 물질을 포함하고, 제2 부분은 다른 파장 변환 물질을 포함하거나 또는 파장 변환 물질을 포함하지 아니하며,
    상기 평판의 일부는 상기 광 섬유에 의해 출력되는 상기 여기광의 광 경로 상에 배치되고, 이때 상기 평판과 상기 광섬유들은 상기 평판의 다른 부분들이 다른 타이밍에 상기 여기광에 노출될 수 있도록 서로 상대적으로 이동 가능한 것을 특징으로 하는 조명 장치.
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