KR20100047875A - 색상 변환 디바이스 및 색상 제어가능 광-출력 디바이스 - Google Patents

색상 변환 디바이스 및 색상 제어가능 광-출력 디바이스 Download PDF

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KR20100047875A
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타이즈 밴 보멜
리파트 에이. 엠. 히크메트
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코닌클리즈케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이.
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Abstract

광원에 의해 방출된 광의 색상을 조정하기 위한 색상 변환 디바이스(10; 20; 30; 40; 51; 60)로서, 상기 색상 변환 디바이스는 빔-성형 부재와 상호작용하는 광의 빔의 형상을 변경하도록 구성되는 상기 빔-성형 부재(11; 54; 61; 70; 80; 90; 100); 및 제1 파장 분포를 갖는 광을 흡수하고, 그에 응답하여, 상기 제1 파장 분포와는 다른, 제2 파장 분포를 갖는 광을 방출하도록 구성된 적어도 제1 파장 변환 부재(12; 22a-b; 31; 41a-b; 56; 62a-g)를 포함한다. 상기 빔-성형 부재(11; 54; 61; 70; 80; 90; 100)는 상기 광의 빔의 제1 부분을, 상기 제1 부분의 파장 분포가 변환되는, 상기 제1 파장 변환 부재(12; 22a-b; 31; 41a-b; 56; 62a-g)를 향해 인도하도록 제어가능하여, 이에 따라 상기 광의 빔의 색상 조정을 가능하게 한다.

Description

색상 변환 디바이스 및 색상 제어가능 광-출력 디바이스{COLOR CONVERSION DEVICE AND COLOR CONTROLLABLE LIGHT-OUTPUT DEVICE}
본 발명은 광원에 의해 방출된 광의 색상을 조정하기 위한 색상 변환 디바이스에 관한 것이다.
본 발명은 또한 그러한 색상 변환 디바이스 및 광원을 포함하는 색상 제어가능 광-출력 디바이스에 관한 것이다.
많은 새로운 유형의 광원들이 개발되었지만, 전통적인 전구는 그것의 낮은 가격 및 쾌적한 방출 스펙트럼에 때문에 아직도 많이 쓰이고 있다.
그러나, 더 에너지 효율적인 광 해결책들에 대한 끝없이 증가하는 필요로 인하여, 대부분의 전구들이 종국에는 더 에너지 효율적인 광원들에 의해 교체될 것으로 기대된다.
에너지 효율적인 조명을 달성하기 위한 가장 유력한 후보들 중 하나는 LED(light-emitting diode) 기반 광원이다. 개별 LED들이 본질적으로 단색 광원들이기 때문에, 상이한 색상의 광을 방출하는 몇몇의 LED들이 일반적으로 백색 광을 방출하는 LED-배열을 형성하기 위해 그룹화된다.
그러나, 그러한 LED-배열은 고정된 방출 스펙트럼을 가지며, 이것은 일반적으로 생각할 수 있는 모든 응용 또는 상황마다 다 적절하지는 않다.
증가된 다용성(versatility)을 위해서는, 색상 제어가능 LED-기반 광 출력 디바이스가 바람직할 것이다.
US 6,357,889는 상이한 방출 스펙트럼들을 갖는 다수의 발광 다이오드들, 및 인광체 코팅으로 코팅된 투과 플레이트(transmissive plate)를 갖는 그러한 색상 제어가능 광-출력 디바이스를 개시한다. 인광체 코팅은 다이오드들의 색상을 변환하며, 광-출력 디바이스의 방출 스펙트럼은 상이한 색상의 발광 다이오드들의 각각의 강도들을 개별적으로 제어함으로써 제어될 수 있다.
이 접근 방법의 단점은, US 6,357,889에 따른 광-출력 디바이스에 의한 광 출력의 색상의 조정은 일반적으로 몇몇의 상이한 색상의 발광 다이오드들의 강도의 동시 조정을 수반할 것이고, 이것을 위해 비교적 복잡한 제어 시스템이 요구되고, 그것은 광-출력 디바이스에 대하여 고비용으로 이끈다는 것이다.
또한, US 6,357,889에 따른 광-출력 디바이스 내에 포함된 상이한 색상의 발광 디바이스들은 시간이 지남에 따라 다르게 열화할 것이고, 이에 따라 주어진 색상 세팅을 달성하기 위한 발광 다이오드들에 대한 구동 파라미터들의 시간 종속적인 변화를 초래한다. 이것을 보정하기 위해, 피드백 시스템이 일반적으로 요구될 것이고, 이것은 또한 광-출력 디바이스의 비용에 기여할 것이다.
[발명의 개요]
종래 기술의 전술한 단점 및 다른 단점들을 고려하여, 본 발명의 일반적인 목적은 개선된 및/또는 더 비용-효율적인 색상 제어가능 광-출력 디바이스를 제공하는 것이다.
본 발명의 제1 양태에 따르면, 이들 및 다른 목적들은 광원에 의해 방출된 광의 색상을 조정하기 위한 색상 변환 디바이스를 통해 달성되는데, 상기 색상 변환 디바이스는 빔-성형 부재(beam-shaping member)와 상호작용하는 광의 빔의 형상을 변경하도록 구성된 상기 빔-성형 부재; 및 제1 파장 분포를 갖는 광을 흡수하고, 그에 응답하여, 상기 제1 파장 분포와는 다른, 제2 파장 분포를 갖는 광을 방출하도록 구성된 적어도 제1 파장 변환 부재를 포함하며, 여기에서 상기 빔-성형 부재는 광의 빔의 제1 부분을, 상기 제1 부분의 파장 분포가 변환되는, 제1 파장 변환 부재를 향하여 인도하도록 제어가능하고, 이에 따라 광의 빔의 색상 조정을 가능하게 한다.
본 발명은, 광의 빔의 부분을, 방향 변경된(redirected) 광의 색상이 변환되는, 파장 변환 부재를 향하여 방향 변경하고, 상기 광의 빔의 변환된 부분을 상기 광의 빔의 남아있는, 변환되지 않은 부분과 혼합함으로써, 광원, 예를 들면, 단색-LED에 의해 방출된 광의 빔의 색상이 제어가능 될 수 있다는 깨달음에 기초한다. 상기 파장 변환 부재를 향해 인도된 상기 광의 부분을 변경함으로써, 변환된 광과 변환되지 않은 광 사이의 혼합 비율, 및 이에 따라 상기 광의 전체 빔의 색상이, 색상 공간(color space)의 선을 따라, 상기 변환되지 않은 광의 색상 포인트로부터 상기 변환된 광의 색상 포인트로, 조절될 수 있다.
따라서, 본 발명을 통해, 상기 광의 색상은, 몇몇의 상이한 색상의 광원들의 상대 강도들을 동시에 조절하는 것에 의한 것보다는, 단일 광원에 의해 방출된 광의 방향을 바꾸는 것에 의해 변경될 수 있다.
그 결과, 종래 기술에 비해, 제어가 덜 복잡하고, 더 비용-효율적인, 색상 제어가능 광-출력 디바이스가 달성될 수 있다.
본 발명에 따른 색상 변환 디바이스는, 예를 들면, 적당한 센서로부터의 입력 신호에 응답하여, 자동적으로 제어되거나 또는 수동으로 제어될 수 있다.
본 발명에 따른 색상 변환 디바이스는 제1 파장 분포를 서로 다른 각각의 파장 분포들로 변환하도록 구성되는 단일 파장 변환 부재, 또는 몇몇의 파장 변환 부재들을 포함할 수 있다.
몇몇의 그러한 파장 변환 부재들을 제공함으로써, 색상 변환 디바이스에 대하여 액세스가능한 색역(color gamut)이 확장될 수 있다.
파장 변환 부재(들)는, 유리하게는 형광성의 인광성 염료들(fluorescent of phosphorescent dyes)과 같은 축광성 물질(photoluminescent substance)에 기초하는, 활성 파장 변환 물질을 포함할 수 있다. 파장 변환 물질은 폴리머들, 크리스털들, 클러스터들, 분자들, 원자들 등과 같은 입자들에 의해 형성될 수 있고 액체 또는 고체일 수 있다.
또한, 파장 변환 부재(들)는 응용에 따라, 반사할 수 있거나 또는 광학적으로 투명, 즉, 광에 적어도 부분적으로 투명할 수 있다.
또한, 빔-성형 부재는 유리하게는 그에 대한 전압의 인가를 통해 빔-성형 상태들 사이에서 제어가능한 전자-광학 엘리먼트를 포함할 수 있다.
"전자-광학 엘리먼트"는, 본 출원의 문맥에서, 광학 엘리먼트로서 이해되어야 하고, 그것의 적어도 하나의 광학 특성은 광학 엘리먼트에 대한 전압의 인가를 통해 제어가능하다. 전자-광학 엘리먼트는 비-기계적이며 어떠한 움직이는 구조적 부품들(moving structural parts)도 갖지 않는다.
전자-광학 엘리먼트들은, 종래의 줌 렌즈들 등과 같은, 기계적 광학 엘리먼트들에 비해, 일반적으로 콤팩트하고, 에너지-효율적이며 매우 빠르게 스위칭될 수 있다.
여러 가지 전자-광학 엘리먼트들이 본 발명에 따른 색상 변환 디바이스에서 이용될 수 있다. 그러한 전자-광학 엘리먼트들은, 예를 들면, 광의 제어된 산란, 굴절, 회절 또는 반사를 통해, 또는 이들 메커니즘들의 조합을 통해 빔-성형을 달성하도록 구성될 수 있다.
또한, 빔-성형 부재는, 유리하게는 그것을 통과하는 광의 서브-빔(sub-beam)의 형상을 제어가능하게 변경하도록 각각 구성된, 복수의 개별적으로 제어가능한 픽셀들을 가질 수 있다. 예를 들면, 특정한 픽셀 상에 입사한 광은, 그 특정한 빔-성형 부재에서 이용되는 빔-성형 메커니즘에 따라, 제어가능하게 반사되거나, 산란되거나, 굴절되거나 또는 회절될 수 있다.
그러한 픽셀화된(pixelated) 빔-성형 부재를 이용하여, 특정한 빔-성형 픽셀에 인가된, 전압과 같은, 제어 신호에 의하는 것뿐만 아니라 활성화된 빔-성형 픽셀들의 수 및 위치들을 선택하는 것에 의해 광 방향 변경(light redirection)의 양을 변경할 수 있다.
그 결과, 상이한 파장 변환 특성들을 갖는 특정한 파장 변환 부재들에 선택적으로 광을 인도할 수 있다.
본 발명의 하나의 실시예에 따르면, 빔-성형 부재는 그 안에 포함된 액정 분자들의 방위(들)를 제어함으로써 그것을 통과하는 광의 빔의 형상을 변경하도록 구성되는 전자-광학 엘리먼트를 포함할 수 있다.
액정 분자들의 방위를 제어함으로써, 광의 방향이 산란, 굴절, 회절 또는 반사를 통해 제어될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 빔-성형 부재는 상이한 굴절률을 갖는 두 개의 혼합할 수 없는 유체(fluid)들을 포함할 수 있다. 유체들 사이에 형성된 메니스커스(meniscus)의 형상을 제어함으로써, 그것을 통과하는 광의 빔의 형상이 굴절을 통해 제어될 수 있다.
메니스커스의 형상은, 예를 들면, 본 기술 분야에 공지된 바와 같이, 전자-습윤(electro-wetting)을 통해 제어될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 색상 변환 디바이스는, 유리하게는 색상 변환 디바이스에 포함된 적어도 제1 색상 변환 부재에 의해 변환가능한, 제1 파장 분포를 갖는 광의 빔을 방출하도록 구성되는 광원을 더 포함하는, 색상 제어가능 광-출력 디바이스에 포함될 수 있다.
광-출력 디바이스는, 응용에 따라, 조명을 위해, 또는 분위기를 생성하기 위해 구성될 수 있다.
광원은, 유리하게는 단색 LED 또는 반도체 레이저와 같은, 반도체-기반 광원을 포함할 수 있다.
색상 제어가능 광-출력 디바이스는, 광원과 색상 변환 디바이스 사이에 배열되고, 색상 변환 디바이스와의 상호작용을 개선하기 위해 광원에 의한 광 출력의 빔을 사전 성형(pre-shape)하도록 구성되는 추가적인 광학 엘리먼트를 더 포함할 수 있다.
이 추가적인 광학 엘리먼트는, 예를 들면, 시준기(collimator)일 수 있다.
본 발명의 이들 및 다른 양태들은 이제, 일반적으로 바람직한 본 발명의 실시예들을 나타내는 첨부된 도면들을 참고로 하여, 더욱 상세히 설명될 것이다.
도 1a-b는 본 발명의 제1 실시예에 따른 색상 변환 디바이스를 간략히 나타내는 도면.
도 2a-b는 본 발명의 제2 실시예에 따른 색상 변환 디바이스를 간략히 나타내는 도면.
도 3a-b는 본 발명의 제3 실시예에 따른 색상 변환 디바이스를 간략히 나타내는 도면.
도 4a-b는 본 발명의 제4 실시예에 따른 색상 변환 디바이스를 간략히 나타내는 도면.
도 5a-b는 본 발명의 제5 실시예에 따른 색상 변환 디바이스를 간략히 나타내는 도면.
도 6a-b는 본 발명의 제6 실시예에 따른 색상 변환 디바이스를 간략히 나타내는 도면.
도 7a-b는 산란을 이용하는 제1 예시적인 빔-성형 부재를 간략히 나타내는 도면.
도 8a-b는 산란을 이용하는 제2 예시적인 빔-성형 부재를 간략히 나타내는 도면.
도 9a-b는 굴절을 이용하는 제3 예시적인 빔-성형 부재를 간략히 나타내는 도면.
도 10a-c는 굴절을 이용하는 제4 예시적인 빔-성형 부재를 간략히 나타내는 도면.
이하의 설명에서, 본 발명은 상이한 전자-광학 효과들을 이용하는 예시적인 빔-성형 디바이스들의 선택을 참고로 하여 설명된다. 이것은 결코 본 발명의 범위를 제한하려는 것이 아니라는 것에 유의해야 하며, 본 발명은 액정 겔 산란(liquid crystal gel scattering), 전기영동(electrophoresis), 유체 내의 부유 입자들의 제어(소위 부유 입자 디바이스) 등과 같은, 다른 전자-광학 효과들을 이용하는, 많은 다른 빔-성형 디바이스들에 동등하게 적용가능하다.
또한, 다양한 실시예들에 포함된 파장 변환 부재들이 전체에 걸쳐 "인광체-층들(phosphor-layers)"로서 칭해지지만, "인광체"가 여기에서 대표적인 색상 변환 물질로서 이용될 뿐이라는 것이 이해되어야 한다.
먼저, 본 발명에 따른 색상 변환 디바이스의 실시예들에 대한 다양한 기초 구성들이 도 1 내지 5를 참고로 하여 설명될 것이다. 이들 도면들 모두는 각 단면도를 통해 중앙 수직선에 관해 일반적으로 대칭인 디바이스들의 단면도들이다. 디바이스들은, 예를 들면, 원형 대칭일 수 있다.
처음부터 끝까지, 색상 변환된 광은 색상 변환 디바이스와 상호작용하는 광의 빔에 포함된 광선들을 나타내는 점선 화살표에 의해 표시된다.
도 1a-b에서 본 발명의 제1 실시예에 따른 색상 변환 디바이스(10)가 제1 및 제2 상태들에서, 각각, 도시된다.
색상 변환 디바이스(10)는 빔-성형 부재(11), 및 시준 반사기(13) 상에 배열된 인광체 층의 형태인 파장 변환 부재(12)를 포함한다.
도 1a-b에 도시된 바와 같이, 제1 파장 분포를 갖는 광의 빔은 시준 변환 디바이스(10)를 통과하는 네 개의 광선들(14a-d)에 의해 여기에 표현된다.
도 1a에 간략히 도시된 바와 같이, 빔-성형 부재(11)가 제1 빔-성형 상태에 있을 때, 각각의 광선들(14a-d)은 파장 변환 부재(12)를 향해 인도되지 않고 색상 변환 디바이스(10)를 통과한다. 그 결과, 광의 빔은 색 변환 디바이스를 통과한 후에도 아직 제1 파장 분포를 가질 것이며, 어떠한 색상 변환도 일어나지 않는다.
도 1b에 간략히 도시된 바와 같이, 빔-성형 부재(11)가 제2 빔-성형 상태에 있을 때, 광의 빔의 부분, 즉 광선들(14a 및 14d)은 빔-성형 부재(11)에 의해 인광체 층(12)을 향해 인도된다. 이들 광선들(14a 및 14d)은 인광체 층(12)에 의해 흡수되고 반사되고 상이한 파장 분포로 재방출된다. 광 빔의 색-변환된 부분(광선(14a 및 14d))은 그 후 변환되지 않은 광 빔의 부분(광선(14b 및 14c))과 혼합되어, 중간 색상(intermediate color)이 된다.
도 2a-b에서 본 발명의 제2 실시예에 따른 색상 변환 디바이스(20)가 간략히 도시된다.
이 색상 변환 디바이스(20)는 반사기(13)의 내면에 제공되는 인광체 층(도 1a-b에서 12)이 제거되었다는 점, 및 각각이 인광체 층(22a-b)으로 코팅된 수직으로 연장하는 반사기들(21a-b)이 색상 변환 디바이스(20)에 추가되었다는 점에서 도 1a-b에 도시된 색상 변환 디바이스(10)와 다르다. 도 2a-b에서 수직으로 연장하는 반사기들(21a-b)은 동심 반사 구조들(concentric reflecting structures)의 형태로 제공되지만, 이는 물론 다른 구성들로 제공될 수 있다.
도 1a-b에 관해 전술한 바와 같이, 도 2a-b는 상이한 양의 광이 인광체 층들(22a-b)과 상호작용하는 색상 변환 디바이스(20)의 두 가지 상태들을 나타낸다.
관련 기술 분야에 숙련된 자는 도 1 및 2의 실시예들이 시준 반사기(13) 상에 그리고 수직으로 연장하는 반사기들(21a-b) 상에 제공되는 상이한 인광체 층들을 갖는 색상 변환 디바이스로 용이하게 조합될 수 있다는 것을 이해한다. 또한, 각각의 반사기들(13, 21a-b)은 인광체 층들에 의해 부분적으로 덮이고 및/또는 상이한 위치들에서 상이한 인광체 층들로 덮일 수 있다.
도 3a-b에서 본 발명의 제3 실시예에 따른 색상 변환 디바이스(30)가 간략히 도시된다.
이 색상 변환 디바이스(30)는 도 3a-b에서 색상 변환 디바이스(30)와 상호작용하는 광-빔의 색상이, 여기에서 투명 인광체-코팅된 플레이트(31)의 형태로 제공되는, 투명 파장 변환 부재를 통과하는 광-빔의 부분을 제어함으로써 제어된다는 점에서 전술한 색상 변환 디바이스들(10, 20)과 다르다.
도 3a에 간략히 도시된 바와 같이, 빔-성형 부재(11)가 제1 빔-성형 상태에 있을 때, 광선(32c)에 의해 예시된, 제1 부분이 투명 인광체-코팅된 플레이트(31)를 향해 인도되고 색 변환을 겪으면서 그것을 통과한다. 남아 있는 광선들(32a, 32b, 32d, 32e)에 의해 도시된 바와 같이, 광-빔의 나머지는 색 변환을 겪지 않고 색 변환 디바이스를 통과한다.
도 3b에 간략히 도시된 바와 같이, 빔-성형 부재(11)가 제2 빔-성형 상태에 있을 때, 도 3b의 모든 광선들(32a-e)에 의해 표현되는, 광 빔의 제2 부분은 빔-성형 부재(11)에 의해 인광체 층(31)을 통과하도록 인도된다. 이들 광선들(32a-e)은 인광체 층(31)에 의해 흡수되고 상이한 파장 분포로 재방출되어, 변환된 색상의 광이 된다.
도 4a-b에서 본 발명의 제4 실시예에 따른 색상 변환 디바이스(40)가 간략히 도시된다.
이 색상 변환 디바이스(40)는 투명 파장 변환 부재들(41a-b)이 빔-성형 부재(11) 상의 패터닝된 인광체 층으로서 제공된다는 점에서 도 3을 참고로 하여 설명된 색상 변환 디바이스(30)와는 다르다. 현재 예시된 예에서, 인광체 층은 두 개의 동심 링들(concentric rings)(41a-b)로 패터닝된다. 그러나, 인광체 층이 특정 응용에 따라, 점들 또는 선들 등의 형태와 같은, 임의의 적합한 형태로 패터닝될 수 있다는 것에 유의해야 한다. 색상 변환 디바이스(40)와 상호작용하는 광 빔을 성형함으로써, 패터닝된 인광체 층(41a-b)에 부딪히는 빔의 부분이, 광선들(42a-d) 중 어느 것도 인광체 층(41a-b)을 향해 인도되지 않는, 도 4a에 간략히 예시된 바와 같은 매우 작은 부분으로부터, 광선들(42a-d) 모두가 인광체 층(41a-b)을 향해 인도되는, 도 4b에 간략히 예시된 바와 같은 큰 부분으로 제어될 수 있다.
도 5a-b에서 본 발명의 제5 실시예에 따른 색상 변환 디바이스(51)를 포함하는 광-출력 디바이스(50)가 간략히 도시된다.
도 5a-b의 광-출력 디바이스(50)는, 여기에서 단일 단색 LED의 형태로 제공되는, 광원(52) 및 도 5a-b에 간략히 도시된 바와 같이 LED(52)에 의해 방출되는 광을 시준하도록 배열된 제1 시준기(53)를 더 포함한다.
도 5a-b의 색상 변환 디바이스(51)는 빔-성형 부재(54)가 LED(52)에 의해 방출된, 광선들(55a-d)에 의해 표현되는, 광-빔의 부분을 제어된 반사에 의하여 제2 시준기(57) 상에 제공되는 인광체 층(56)을 향해 인도하도록 구성된다는 점에서 전술한 실시예들과 다르다. 그러한 빔-성형 부재(54)는, 예를 들면, WO2007/008235에서 설명되는 바와 같은 소위 콜레스테릭 액정 미러(cholesteric liquid crystal mirror)를 이용하여 구현될 수 있다.
도 5a를 먼저 참조하면, 빔-성형 부재(54)는 비-반사 상태에 있고, 그 결과 LED(52)에 의해 방출된 전체 광-빔(광선(55a-d))이 그것을 통과하게 한다. 이 상태에서, 광-출력 디바이스(50)에 의해 출력된 광은 이에 따라 LED(52)에 의해 방출된 본래의 색상을 가질 것이다.
이제 도 5b를 참조하면, 빔-성형 부재는 전반사 상태(completely reflecting state)로 스위칭되어 있고, 이에 따라 전체 광-빔(광선(55a-d))이 제2 시준기(57) 상에 제공되는 인광체 층(56)을 향해 반사된다. 따라서, 이 상태에서, 광-출력 디바이스(50)에 의해 출력된 광은 LED(52)에 의해 방출된 본래의 광이 인광체 층(56)에 의해 변환되는 색상을 가질 것이다.
도 6a-b에서 본 발명의 제6 실시예에 따른 색상 변환 디바이스(60)가 간략히 도시된다.
도 6a-b에 도시된 바와 같이, 색상 변환 디바이스(60)는 픽셀화된 빔-성형 부재(61), 예를 들면, 광학적으로 투명한 플레이트 상의 상이한 인광체 층들의 형태로 제공될 수 있는, 복수의 파장 변환 부재들(62a-g), 및 시준 반사기(63)를 포함한다.
빔-성형 부재(61)는 복수의 개별적으로 제어가능한 빔-성형 픽셀들(64a-g)을 갖는다. 각각의 이들 픽셀들(64a-g)은 빔-성형 상태들 사이에서 스위칭될 수 있다.
제1 색상 변환 상태의 색상 변환 디바이스(60)를 도시하는, 도 6a에서, 빔-성형 디바이스(61)의 모든 빔-성형 픽셀(64a-g)이 빔-성형 부재(61)를 통한, 광선들(65a-g)에 의해 표현되는, 입사 광의 빔의 통과를 허용하도록 제어된다. 빔-성형 디바이스(61)를 통한 그것의 각각의 통과 후에, 각 광선(65a-g)은 상이한 각각의 색상 변환 부재(62a-g)에 부딪히고, 대응하는 색상으로 변환된다. 색 변환 부재들(62a-g)에 의한 재방출 후에, 광의 색상 변환된 빔이, 각각의 광선(65a-g)에 의해 각각 표현되는, 색상 변환된 서브-빔들(color converted sub-beams)의 혼합을 통해 달성된다.
이제 도 6b를 다시 참조하면, 제2 색상 변환 상태에 있는 색상 변환 디바이스(60)가 도시되는데, 여기에서, 광선들(65a-c)에 의해 표현되는, 광의 빔의 제1 부분은 도 6a에서와 같은 동일한 각각의 색상 변환 부재들(62a-c)에 부딪히도록 빔-성형 디바이스(61)에 의해 인도되고, 광선들(65d-g)에 의해 표현되는, 광의 빔의 제2 부분은 이들 광선들(65d-g)이 색상 변환 부재들(62a-g)을 벗어나서 통과하여 색상 변환되지 않는 방식으로 빔-성형 부재(61)에 의해 인도된다. 대신에 광의 빔의 제2 부분(광선들(65d-g))은 변환된, 광의 빔의 제1 부분(광선들(65a-c))과 혼합하도록 시준 반사기(63)에 의해 반사되며, 이에 따라 상이한 색상이 달성된다.
본 발명에 따른 색상 변환 디바이스들의 각각의 전술한 실시예들에서, 빔-성형 부재는 빔-성형 없음(no beam-shaping)과 최대 빔-성형 사이의 중간 상태들로 제어될 수 있다. 현재의 제5 실시예의 경우에는, 그러한 중간 상태에서, LED(52)에 의해 방출된 광-빔의 제1 부분은 실질적으로 변경되지 않은 방출 스펙트럼을 가지고 빔-성형 부재(54)를 통과할 것이며, 제2 부분은 빔-성형 부재(54)에 의해, 활성 색상 변환이 발생하는, 인광체 층(56)을 향해 반사될 것이고, 제1 부분과 혼합하도록 제2 시준기(57)에 의해 반사되어, 색상 공간에서, 제1 부분의 색상과 제2 부분의 색상 사이의 색상을 갖는 광의 광-출력 디바이스(50)에 의한 출력이 된다.
상기에서는, 본 발명에 따른 색상 변환 디바이스의 여섯 개의 예시적인 실시예들이 설명되었다. 본 기술 분야에 숙련된 자에 의해 용이하게 이해되는 바와 같이, 이들 실시예들은 예들만을 나타내며, 실시예들 및 그의 조합들에 대한 많은 변화들이 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 가능하다.
이하에서는, 도 7 내지 10의 예시적인 도면들을 참고로 하여, 본 발명에 따른 색상 변환 디바이스에 포함되는 빔-성형 부재에 이용될 수 있는 상이한 빔-성형 메커니즘들의 대표적인 예들이 제공된다. 이하의 설명은 빔-성형 부재 실시예들의 총망라한 소개가 아니라, 단순히 유리하게 이용될 수 있는 다양한 메커니즘들의 예시라는 것에 유의해야 한다.
첫 번째로, 도 7a-b 및 도 8a-b를 참고로 하여, 요망되는 빔-성형을 달성하기 위해 전기적으로 제어가능한 산란을 이용하는, 두 개의 예시적인 빔-성형 부재들이 설명될 것이다.
도 7a-b에 소위 PDLC들(Polymer Dispersed Liquid Crystals)을 이용하는 빔-성형 부재(70)가 간략히 예시된다.
PDLC들(Polymer Dispersed Liquid Crystals)은 등방성 폴리머(isotropic polymer)에 액정 분자들을 분산시키는 것에 의해 생성된다. 액정 물질(등방성 폴리머 매트릭스 내에 분산된 액정의 마이크론 크기의 네마틱 액적(nematic droplet)들)은, (도시되지 않은) 투명 전극들을 각각 구비하는, 유리 플레이트들과 같은, 제1 기판(72)과 제2 기판(73) 사이의 셀(71)에 배열된다. 전극들 사이에 어떠한 전기장도 인가되지 않을 때, 액정들은 랜덤하게 배향되고, 이것은 도 7a에 도시된 바와 같은 산란 모드를 생성한다. 액정 분자들의 랜덤한 방위에 기인하여, 광의 양쪽 모두의 편광들이 영향받는다.
전기장을 인가함으로써, 산란은 점진적으로 감소하고, 액정 분자들이 전기장에 평행하게 배향할 때, 액정 분자들의 굴절률은 폴리머 굴절률과 일치하고, 이에 따라, 투명 모드가 달성되고 광은 도 7b에 예시된 바와 같이 방향 변경되지 않고 셀을 통과한다.
도 7a-b에 간략히 예시되는 빔-성형 메커니즘에 대한 대안으로서, 전술한 PDLC 대신에 액정 겔(liquid crystal gel)을 이용하여 광의 제어된 산란이 달성될 수 있다. 액정 겔들은 3차원 폴리머 망(three dimensional polymer network)에 있는 액정 분자들이다. 거시적으로 배향된 액정 겔들은 겔 내에서 굴절률 불일치(refractive index mismatch)를 갖지 않으며, 이에 따라 투명하고 광 산란을 야기하지 않는다. 전기장의 인가에 의해, 폴리머 망 내의 액정 분자들은 재배향되어, 겔들 내에서 대규모의 굴절률 변동을 야기하고 이에 따라 광 산란을 발생시킨다.
도 8a-b에서는 전기영동을 이용하는 빔-성형 부재(80)가 간략히 예시된다.
도 8a-b의 빔-성형 부재(80)는 유체(82) 내에서 부유하는 복수의 하전 입자들(81)(여기에서는 단일 입자로 표현됨)을 포함한다. 입자-유체 부유물(particle-fluid suspension)은 측벽들(83a-b) 및 상부 및 하부 벽들(84a-b)에 의해 경계가 정해진 셀에 밀봉된다. 하전 입자들(81)의 제어를 가능하게 하기 위해, 전극들(85a-b)이 셀 내의 적절한 위치들에 제공된다. 이들 전극들(85a-b) 사이에 전압을 인가함으로써, 빔-성형 부재(80)를 통과하는 광의 빔의 형상이 제어될 수 있다.
도 8a에서, 어떠한 전압도 전극들(85a-b) 사이에 인가되지 않는 제1 상태가 예시된다. 이 상태에서, 하전 입자들(81)은 유체(82) 내에서 본질적으로 균일하게 분산되고, 도 8a에 예시된 바와 같이, 입자-유체 부유물을 통과하는 광을 산란시킨다.
도 8b에서, 전극들(85a-b) 사이에 전압이 인가된 제2 상태가 예시된다. 전압(V)의 인가로 인해 발생한 전기장에 기인하여, 입자들(81)은, 셀의 큰 부분이 입자들이 없도록, 변위된다(displaced). 그 결과, 셀을 통과하는 광은, 도 8b에 간략히 예시된 바와 같이, 어떠한 입자들(81)과도 직면하지 않고 산란되지 않는다. 그것의 제1 빔-성형 기능성 외에도, 빔-성형 부재(80)의 본 실시예는 산란된 광의 색 변환을 달성하는 데에 이용될 수 있다는 것에 유의해야 한다. 이것은 활성 파장 변환이 가능한 입자들(81)을 제공함으로써 달성될 수 있다. 예를 들면, 입자들(81)은 적절한 형광 물질을 포함할 수 있다.
유체 내에 부유하는 입자들에 의한 광의 제어된 산란에 의한 빔-성형은 또한, 전자습윤, 유체 내의 부유하는 비등방성 입자들의 재배향 등과 같은, 다른 공지된 기법들을 통해 달성될 수 있다.
두 번째로, 도 9a-b 및 도 10a-c를 참고로 하여, 요망되는 빔-성형을 달성하기 위해 전기적으로 제어가능한 굴절을 이용하는, 두 개의 빔-성형 부재가 설명될 것이다.
도 9a-b에서는 액정 층의 제어된 굴절률 경사도(controlled refractive index gradient)에 의해 광 방향 변경이 달성되는 빔-성형 부재(90)가 간략히 예시된다.
도 9a-b의 빔-성형 부재(90)는 제1 기판(92)과 제2 기판(93) 사이에 샌드위치된 액정 층(91)을 갖는 소위 경사 굴절률 마이크로 렌즈 어레이(gradient index micro-lens array)이다. 제1 기판(92)은 액정 층(91)에 면한 그의 면 상에 제공되는 제1 전극(94a) 및 제2 전극(94b)을 갖는다.
어떠한 전압도 전극들(94a-b) 사이에 인가되지 않을 때, LC-층(91)에 포함된 LC 분자들에 작용하는 전기장은 존재하지 않는다. 이 상태에서, LC 분자들의 방위는 제1 기판(92) 및 제2 기판(93) 상에 제공되는 (도시되지 않은) 배향 층들(alignment layers)에 의해 결정된다. 도 9a에 예시된 예시적인 실시예에서, LC 분자들은 기판들(92, 93)에 직교하게, 수직 배향되고(homeotropically aligned), 빔-성형 부재(90)를 통과하는 광의 빔의 형상은, 도 9a에 간략히 예시된 바와 같이, 그에 의해 영향받지 않는다.
도 9b에서, 빔-성형 부재(90)는, 전압이 전극들(94a-b) 사이에 인가되어, LC-층(91)에 전기장을 발생시키는, 제2 상태에 있다. LC-층(91)에 포함된 LC 분자들은 LC-층(91)에서 굴절률 경사도의 형성을 초래하는 전기장 선들(electric field lines)에 따라 그들 스스로 배향하려는 경향이 있다.
그 결과 빔-성형 부재(90)를 통과하는 광은 도 9b에 도시된 바와 같이 초점이 맞춰질 수 있다. 도 9a-b에 도시된 빔-성형 부재(90)는 입사하는 비편광된 광(incident unpolarized light)의 하나의 편광 성분에만 영향을 준다.
적층 구조(stacked structure)로 두 개의 액정 셀들을 배열함으로써 양쪽 모두의 편광 성분들이 제어될 수 있다.
도 10a-c에서는 두 개의 혼합할 수 없는 유체들 사이의 메니스커스에 의해 형성된 렌즈의 형상을 제어함으로써 광 방향 변경이 달성되는 빔-성형 부재(100)가 간략히 예시된다.
도 10a-c의 빔-성형 부재(100)는, 극성 액체와 같은, 제1 유체(101), 및 비극성 액체와 같은, 제2 유체(102)가 포함되는, 소위 유체 초점 셀(fluid focus cell)이다. 측벽(103)의 내면에, 친수성 층(105)에 의해 덮인 제1 전극(104)이 제공된다. 측벽(103)에 제공된 제1 전극(104)과 제1 유체(101)와 접촉하고 있는 제2 전극(106) 사이에 전압을 인가함으로써, 벽을 따른 메니스커스(107)의 위치가, 도 10a-c의 세 개의 상이한 상태들에 대해 도시된 바와 같이, 제어될 수 있다.
본 기술 분야에 숙련된 자는 본 발명이 결코 바람직한 실시예들에 제한되지 않는다는 것을 이해한다. 예를 들면, 광을 상이한 파장 스펙트럼들로 변환하도록 구성된 몇몇의 형광성 구조들이 색상 변환 디바이스에 포함될 수 있다. 또한, 필터들, 렌즈들, 반사기들, 편광기들 등과 같은 다양한 다른 광학 엘리먼트들이 특정한 응용을 위해 요구될 때 색상 변환 디바이스에 포함될 수 있다. 예를 들면, 렌즈 또는 다른 정적인 광학 엘리먼트는 빔-성형 부재와 그것의 상호작용 후에 광 빔의 적어도 하나의 특성, 예를 들면 형상을 변경하도록 배열될 수 있다.

Claims (15)

  1. 광원에 의해 방출된 광의 색상을 조정하기 위한 색상 변환 디바이스(10; 20; 30; 40; 51; 60)로서,
    빔-성형 부재(beam-shaping member)와 상호작용하는 광의 빔의 형상을 변경하도록 구성되는 상기 빔-성형 부재(11; 54; 61; 70; 80; 90; 100); 및
    제1 파장 분포를 갖는 광을 흡수하고, 그에 응답하여, 상기 제1 파장 분포와는 다른, 제2 파장 분포를 갖는 광을 방출하도록 구성된 적어도 제1 파장 변환 부재(12; 22a-b; 31; 41a-b; 56; 62a-g)
    를 포함하고, 상기 빔-성형 부재(11; 54; 61; 70; 80; 90; 100)는 상기 광의 빔의 제1 부분(first fraction)을, 상기 제1 부분의 파장 분포가 변환되는, 상기 제1 파장 변환 부재(12; 22a-b; 31; 41a-b; 56; 62a-g)를 향해 인도하도록 제어가능하여, 이에 따라 상기 광의 빔의 색상 조정을 가능하게 하는 색상 변환 디바이스(10; 20; 30; 40; 51; 60).
  2. 제1항에 있어서, 상기 빔-성형 부재(11; 54; 61; 70; 80; 90; 100)는, 상기 적어도 제1 파장 변환 부재(12; 22a-b; 31; 41a-b; 56; 62a-g)를 향한 상기 광의 빔의 제1 및 제2 부분들의 인도를 각각 가능하게 하는, 제1 및 제2 빔-성형 상태들 사이에서 제어가능하고, 상기 제1 부분은 상기 제2 부분과는 다른 색상 변환 디바이스(10; 20; 30; 40; 51; 60).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 적어도 제1 파장 변환 부재(12; 22a-b; 31; 41a-b; 56; 62a-g)는 형광체 물질을 포함하는 색상 변환 디바이스(10; 20; 30; 40; 51; 60).
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 파장 분포를 갖는 광을 흡수하고, 그에 응답하여, 상기 제1 파장 분포와 다른, 제3 파장 분포를 갖는 광을 방출하도록 구성된 제2 파장 변환 부재(22b; 41b; 62b-g)를 더 포함하고, 상기 빔-성형 부재(11; 54; 61; 70; 80; 90; 100)는 상기 광의 빔의 제2 부분을, 상기 제2 부분의 파장 분포가 변환되는, 상기 제2 파장 변환 부재를 향해 인도하도록 더 제어가능한 색상 변환 디바이스(20; 40; 60).
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 빔-성형 부재(11; 54; 61; 70; 80; 90; 100)는 전자-광학(electro-optical) 엘리먼트에 대한 전압(V)의 인가를 통해 빔-성형 상태들 사이에서 제어가능한 상기 전자-광학 엘리먼트를 포함하는 색상 변환 디바이스(10; 20; 30; 40; 51; 60).
  6. 제5항에 있어서, 상기 빔-성형 부재(11; 61; 70; 80)는 광의 산란 제어를 통해 상기 광의 빔의 상기 형상을 변경하도록 구성되는 색상 변환 디바이스(10; 20; 30; 40; 60).
  7. 제5항에 있어서, 상기 빔-성형 부재(11; 61; 90; 100)는 광의 회절 및/또는 굴절 제어를 통해 상기 광의 빔의 상기 형상을 변경하도록 구성되는 색상 변환 디바이스(10; 20; 30; 40; 60).
  8. 제5항에 있어서, 상기 빔-성형 부재(54)는 광의 반사 제어를 통해 상기 광의 빔의 상기 형상을 변경하도록 구성되는 색상 변환 디바이스(51).
  9. 제5항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 빔-성형 부재(11; 54; 61; 70; 90)는 복수의 액정 분자들(71; 91)을 포함하는 색상 변환 디바이스(10; 20; 30; 40; 51; 60).
  10. 제7항 또는 제8항에 있어서, 상기 빔-성형 부재(11; 61; 100)는 두 개의 혼합할 수 없는 유체들(immiscible fluids)(101, 102)을 포함하고, 상기 빔-성형은 상기 혼합할 수 없는 유체들 사이의 메니스커스(meniscus)(107)에서 일어나는 색상 변환 디바이스(10; 20; 30; 40; 51; 60).
  11. 제6항에 있어서, 상기 빔 성형 부재(11; 61; 80)는 유체(82) 내에서 부유하는 복수의 전기적으로 제어가능한 입자들(81)을 포함하는 색상 변환 디바이스(10; 20; 30; 40; 51; 60).
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 빔-성형 부재(61)는 복수의 개별적으로 제어가능한 빔-성형 픽셀들(64a-g)을 포함하는 색상 변환 디바이스(60).
  13. 색상 제어가능 광-출력 디바이스(50)로서,
    제1 파장 분포를 갖는 광의 빔을 출력하도록 구성된 광원(52); 및
    상기 광원(52)에 의해 출력된 상기 광의 빔과 상호작용하도록 배열된 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 색상 변환 디바이스(10; 20; 30; 40; 51; 60)
    를 포함하는 색상 제어가능 광-출력 디바이스(50).
  14. 제13항에 있어서, 상기 광원(52)과 상기 색상 변환 디바이스(10; 20; 30; 40; 50; 60) 사이에 배열되고 상기 색상 변환 디바이스와의 개선된 상호작용을 위해 상기 광원에 의해 출력된 상기 광의 빔을 사전-성형하도록(pre-shape) 구성되는 추가 광학 엘리먼트(53)를 더 포함하는 색상 제어가능 광-출력 디바이스(50).
  15. 제13항 또는 제14항에 있어서, 상기 광원은, 단색 발광 다이오드와 같은, 본질적으로 단색 광원인 색상 제어가능 광-출력 디바이스.
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