KR20110004887A - 광원 모듈 - Google Patents

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KR20110004887A
KR20110004887A KR1020107026675A KR20107026675A KR20110004887A KR 20110004887 A KR20110004887 A KR 20110004887A KR 1020107026675 A KR1020107026675 A KR 1020107026675A KR 20107026675 A KR20107026675 A KR 20107026675A KR 20110004887 A KR20110004887 A KR 20110004887A
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light source
light
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KR1020107026675A
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윌리암 이 필립스
제이콥 모스코비치
지쉥 윤
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쓰리엠 이노베이티브 프로퍼티즈 컴파니
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Abstract

광원 모듈이 개시된다. 광원 모듈은 발광 표면을 갖는 발광기, 발광기로부터 방출된 광을 입사면에서 수용하고 광을 출사면으로 전달하도록 정렬된 중실 통합 광학계, 및 출사면으로부터의 광을 수용하도록 정렬된 렌즈를 포함한다. 렌즈는 곡률 반경을 갖는 실질적으로 반구형인 부분을 가지며, 중실 통합 광학계의 출사면은 출사면 대각선을 갖는다. 출사면 대각선에 대한 곡률 반경의 비는 0.7 초과이다. 중실 통합 광학계와 렌즈 각각은 굴절률을 가지며, 중실 통합 광학계 굴절률에 대한 렌즈 굴절률의 비는 1 초과이다.

Description

광원 모듈{LIGHT SOURCE MODULE}
일 태양에서, 본 발명은 광원 모듈(light source module)을 제공한다. 광원 모듈은 발광 표면을 갖는 발광기(emitter), 발광기로부터 방출된 광을 입사면에서 수용하고 광을 출사면으로 전달하도록 정렬된 중실 통합 광학계(solid integrating optic), 및 출사면으로부터의 광을 수용하도록 정렬된 렌즈를 포함한다. 렌즈는 곡률 반경을 갖는 실질적으로 반구형인 부분을 가지며, 중실 통합 광학계의 출사면은 출사면 대각선을 갖는다. 출사면 대각선에 대한 곡률 반경의 비는 0.7 초과이다. 중실 통합 광학계와 렌즈 각각은 굴절률을 가지며, 중실 통합 광학계 굴절률에 대한 렌즈 굴절률의 비는 1 초과이다.
다른 태양에서, 본 발명은 조사(illumination) 시스템을 제공한다. 조사 시스템은 적어도 하나의 광원 모듈을 포함한다. 광원 모듈은 발광 표면을 갖는 발광기, 발광기로부터 방출된 광을 입사면에서 수용하고 광을 출사면으로 전달하도록 정렬된 중실 통합 광학계, 및 출사면으로부터의 광을 수용하도록 정렬된 렌즈를 포함한다. 렌즈는 곡률 반경을 갖는 실질적으로 반구형인 부분을 가지며, 중실 통합 광학계의 출사면은 출사면 대각선을 갖는다. 출사면 대각선에 대한 곡률 반경의 비는 0.7 초과이다. 중실 통합 광학계와 렌즈 각각은 굴절률을 가지며, 중실 통합 광학계 굴절률에 대한 렌즈 굴절률의 비는 1 초과이다. 조사 시스템은 또한 적어도 하나의 광원 모듈로부터의 광을 조사 표적(illumination target)으로 전달하도록 배열된 광학 요소들을 포함한다.
또 다른 태양에서, 본 발명은 투사 시스템을 제공한다. 투사 시스템은 적어도 하나의 광원 모듈 및 이미저(imager)를 포함한다. 광원 모듈은 발광 표면을 갖는 발광기, 발광기로부터 방출된 광을 입사면에서 수용하고 광을 출사면으로 전달하도록 정렬된 중실 통합 광학계, 및 출사면으로부터의 광을 수용하도록 정렬된 렌즈를 포함한다. 렌즈는 곡률 반경을 갖는 실질적으로 반구형인 부분을 가지며, 중실 통합 광학계의 출사면은 출사면 대각선을 갖는다. 출사면 대각선에 대한 곡률 반경의 비는 0.7 초과이다. 중실 통합 광학계와 렌즈 각각은 굴절률을 가지며, 중실 통합 광학계 굴절률에 대한 렌즈 굴절률의 비는 1 초과이다. 투사 시스템은 또한 적어도 하나의 광원 모듈로부터의 조사 광을 이미저에 전달하도록 배열된 광학 요소들, 및 이미저로부터의 이미지 광을 수용하여 이미지 광을 투사하도록 배열된 투사 렌즈 요소들을 포함한다.
본 발명의 이들 및 기타 태양은 하기의 상세한 설명으로부터 자명해질 것이다. 그러나, 어떠한 경우에도 상기한 요약이 청구한 요지를 한정하는 것으로 이해되어서는 안된다.
본 발명은 첨부된 도면과 관련하여 기술된다.
도 1은 투사 시스템의 개략 단면도.
도 2는 발광기의 개략 정면도.
도 3은 광원 모듈의 개략 단면도.
도 4a는 중실 통합 광학계의 개략 등각도.
도 4b는 중실 통합 광학계의 개략 정면도.
도 5는 다른 광원 모듈의 개략 단면도.
도 6a는 중실 통합 광학계로부터 동일한 굴절률을 갖는 렌즈로 통과하는 광의 개략도.
도 6b는 중실 통합 광학계로부터 보다 높은 굴절률의 렌즈로 통과하는 광의 개략도.
도 7은 효율 대 R/d의 플롯(plot).
광원 모듈은 투사 디스플레이, 액정 디스플레이용 백라이트 등을 포함한 다양한 응용을 갖는 조사 시스템에 널리 사용된다. 투사 시스템은 광원, 조사 광학계, 이미저, 투사 광학계 및 투사 스크린을 포함할 수 있다. 조사 광학계는 광원으로부터 광을 집광하고, 이를 소정 방식으로 하나 이상의 이미저로 지향시킨다. 이미저, 또는 이미지 형성 장치는 전기적으로 조절 및 처리된 디지털 신호에 의해 제어되며 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 통상적으로 사용된다. 최근에는, 발광 다이오드(LED)가 그들의 보다 긴 수명, 더 높은 효율 및 우수한 열 특성으로 인해 대안으로서 도입되었다.
고상(solid state) 조명, 광학계 및 디스플레이 요소에서의 최근의 발전은 매우 작은 풀-컬러(full-color) 프로젝터의 생성을 가능하게 하고 있다. 이들 컬러 프로젝터를 예를 들어 휴대폰과 같은 휴대용 장치 내로 포함되게 하기에 충분히 작도록 만들기 위해서, 색상들을 조합하는 매우 효율적이고 소형인 수단을 강구하는 것이 필요하다. 단일 이미저로 색상 투사를 생성하는 두 가지 주요 방법이 있다. "색상 순차(Color-Sequential)"로 알려진 첫번째 방법은 예를 들어 개별적인 적색, 녹색 및 청색 광원들로부터의 광을 중첩시키고 이들 색상의 광을 특정 시간-순차 방식으로 단색 이미저 상으로 전달하는 것을 포함한다. "색상 필터링(Color-Filtering)"으로 알려진 두번째 방법은 백색 광원의 광을 적색/녹색/청색 필터를 사용하여 이미저 상으로 전달하는 것을 수반한다. 본 발명의 광원 모듈은 색상 순차 유형 또는 색상 필터 유형 중 어느 유형의 투사 시스템에서도 사용하기에 적합할 수 있다.
도 1은 투사 시스템(100)의 일 실시예의 개략 단면도이다. 투사 시스템(100)은 투사 스크린과 같은 표면 상으로 정지된 또는 움직이는 이미지를 투사하는 데 사용될 수 있다. 투사 시스템(100)은 적어도 하나의 광원 모듈(110) 및 조사 표적(130)을 포함한다. 조사 표적(130)은 LCOS(liquid crystal on silicon) 또는 디지털 마이크로-미러 소자(digital micro-mirror device, DMD)와 같은 이미저일 수 있다. 조사 표적(130)은 예를 들어 도 1에 도시된 실시예에 나타낸 바와 같은 반사 모드로 사용될 수 있거나, 또는 예를 들어 시스템(100)의 배열이 도 1에 도시된 것과 다를 수 있는 투과성 액정 디스플레이 이미저의 경우에 투과 모드로 사용될 수 있다. 조사 표적(130)의 작동 모드와 무관하게, 투사 시스템(100)은 일반적으로 본 명세서에 기술된 바와 같이 광원 모듈(110)과 조사 표적 사이에 배치되는 광학 요소들의 서브시스템(subsystem)을 포함할 수 있다. 광학 요소들의 서브시스템은 광원 모듈(110)로부터의 조사 광을 조사 표적(130)으로 부분적으로 전달할 수 있다. 더욱이, 요소들은 달리 광에 영향을 주거나 광을 조사 표적과 함께 사용하기에 적합하게 만들 수 있다. 더불어, 광원 모듈(110) 또는 모듈들, 및 조사 광을 조사 표적(130)으로 전달하는 임의의 광학 요소들은 조사 시스템에 포함되는 것으로 간주될 수 있다. 광학 요소들의 서브시스템의 일부 또는 전부는 또한 조사 표적(130)에 입사된 후뿐만 아니라 그러한 입사 전에도 광을 투과, 반사, 이송 또는 달리 취급할 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 광원 모듈(110)과 조사 표적(130) 사이에 배치되는 광학 요소들의 서브시스템은 하나 이상의 렌즈(140), 예를 들어 자외선(UV) 필터 또는 반사 편광기일 수 있는 하나 이상의 필터(150), 광 지향 요소(light directing element, 160) 및 임의의 다른 적합한 광학 요소들을 포함할 수 있다. 존재하는 경우 광학 요소의 유형은 일반적으로 조사 표적의 특성 및 그 요소들이 그 일부를 이루는 투사 시스템(100)의 유형에 좌우될 수 있다. 예를 들어, 시스템(100)이 조사 표적(130)이 LCOS 이미저인 투사 시스템의 일부인 경우, 광 지향 요소(160)는 예를 들어 다층 편광 간섭 스택(stack)을 포함한 편광 빔스플리터(beamsplitter)일 수 있다. 일반적으로, 도 1의 광 지향 요소(160)의 표현은 개략적이며, 투사 시스템(100) 내에 사용되는 실제 광 지향 요소는 도 1에 도시된 것과는 상당히 다를 수 있다. 예를 들어, 빔스플리팅 빗변을 갖는 입방체의 형태를 취하기 보다는, 빔스플리터는 플레이트의 표면 상에 또는 박막 멤브레인(pellicle membrane) 상에 형성되거나, 또는 일반적으로 임의의 다른 적합한 물리적인 형태를 취할 수 있다. 다른 예에서 투사 시스템(100) 내의 조사 표적(130)이 DMD 이미저라면, 광 지향 요소(160)는 예를 들어 미국 특허 제5,552,922호(마가릴(Magarill)), 제6,461,000호(마가릴), 및 제6,726,332호 (캐논(Cannon) 및 욀러(Oehler)), 및 미국 특허 출원 제61/017,987호(마가릴)에 기술된 바와 같은, 공기 간극을 포함하는 내부 전반사 프리즘일 수 있다. 추가의 예에서 투사 시스템(100) 내의 조사 표적(130)이 투과성 LCD 이미저라면, 광 지향 요소(160)는 존재하지 않을 수 있다.
투사 시스템(100)은 또한 이미지가 예를 들어 이미저에 의해 광에 부과된 후에 이미지 광을 수용하고 이 광을 예를 들어 투사 스크린(도시되지 않음) 상에 투사할 수 있는 투사 렌즈(170)를 포함할 수 있다. 투사 렌즈(170)는 임의의 적합한 성분들을 포함할 수 있다. 광원 모듈(110)과 조사 표적(130) 사이에 배치된 조사 시스템의 광학 요소들의 일부는 또한 조사 표적과 투사 렌즈(170) 사이에 배치될 수 있으며, 또한 그러한 광학 요소들은 투사 시스템(100)의 설계에 따라 투사 렌즈(170)와 함께 투사 렌즈 시스템의 일부로 간주될 수 있다.
광학 요소들이 조사 시스템 및 투사 렌즈 시스템과 같은 다수의 시스템들에서 역할할 뿐만 아니라, 광학 요소들이 다수의 광학적 기능들을 수행할 수 있다. 예를 들어, 광 지향 요소(160)는 광 지향 요소가 굴절 기능뿐만 아니라 광 지향 기능을 제공하도록 광학 굴절력(optical power)을 갖는 평탄하지 않은 면을 포함할 수 있다.
도 1의 투사 시스템(100)의 광 발생측으로 돌아가면, 광원 모듈(110)은 발광기(111), 중실 통합 광학계(112), 및 렌즈(113)를 포함할 수 있다. 도 2는 발광 표면(214)을 도시하는, 도 1의 투사 시스템(100)의 광원 모듈(110) 또는 임의의 다른 유사한 광원 모듈에 사용될 수 있는 발광기(211)의 개략 정면도이다. 발광 표면(214)은 단일 발광 영역을 포함하거나, 복수의 발광 영역(215)을 갖는 어레이를 포함할 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 발광 표면(214)의 일 실시예는 4개의 발광 영역(215)을 갖는 어레이를 포함한다. 응용에 따라, 어레이의 발광 영역들은 유사하거나 유사하지 않을 수 있다. 일부 실시예들에서, 모든 영역들은 본질적으로 동일한 색상의 광, 예를 들어 백색광을 방출한다. 다른 실시예들에서, 발광 영역들은 3가지 이상의 색상, 예를 들어 도 2에서 그물코 모양의 음영으로 제시된 바와 같이 적색, 녹색 및 청색을 방출한다. 임의의 적합한 기술이 본 발명의 광 발광기에 사용될 수 있다. 발광 다이오드 및 다른 고상 소자들이 특히 적합할 수 있다.
도 3은 도 1의 투사 시스템(100) 또는 임의의 다른 호환가능한 투사 또는 조사 시스템에 사용될 수 있는 광원 모듈(310)의 개략 단면도이다. 광원 모듈(310)은 입사면(316)과 출사면(317)을 갖는 중실 통합 광학계(312)를 포함한다. 입사면(316)과 출사면(317)은 전형적으로 직사각형이지만, 일반적으로 이들은 임의의 적합한 형태를 취할 수 있다. 입사면(316)은 발광기(311)의 발광 표면(314)에 의해 방출된 광을 수용하도록 정렬될 수 있다. 입사면(316)의 치수 및 형상은 발광 표면(314)의 치수 및 형상과 실질적으로 일치하도록 선택될 수 있다. 예를 들어, 발광 표면(314)이 평탄하지 않다면, 치수 및 형상에 있어서의 이러한 일치는 3차원이거나, 또는 입사면(316) 및 발광 표면은 3차원보다 더 적은 차원으로 일치할 수 있다. 일부 실시예들에서, 입사면(316)은 평탄하다. 입사면(316)과 발광 표면(314)은 적합한 접착제 또는 다른 재료에 의해 접합 또는 결합될 수 있다. 본 명세서에 기술된 바와 같은 반사 편광기와 같은 필터가 발광 표면(314)과 입사면(316) 사이에 위치될 수 있으며, 발광기, 필터 및 중실 통합 광학계의 조합이 접합될 수 있다. 발광 표면(314)과 입사면(316)을 광학적으로 결합시키는 데 사용될 수 있는 일 유형의 재료는 봉지재(encapsulant)로 불리는데, 이는 발광기, 특히 LED와 함께 사용될 때 광학적, 열적, 기계적 또는 다른 이점들을 제공할 수 있다. 봉지재는 예를 들어 미국 특허 제7,192,795호(보드만(Boardman) 등)에 기술되어 있다.
평탄할 수 있거나 평탄하지 않을 수 있는 출사면(317)은 도 1의 표적(130)과 같은 조사 표적의 형상에 대응하는 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 조사 표적이 비디오 프로젝터를 위한 이미저인 경우, 이미저 및 출사면(317) 둘 모두는 4:3, 16:9의 종횡비(aspect ratio)를 갖는 직사각형 또는 임의의 다른 적합한 형상일 수 있다. 이미저의 형상과의 출사면(317)의 형상의 일치는 투사 시스템에 달리 사용될 수도 있는 왜상(anamorphic) 광학계에 대한 필요성을 제거할 수 있다. 도 4a는 광원 모듈(310, 110) 및 다른 광원 모듈 내의 중실 통합 광학계(312, 112)처럼 사용될 수 있는 중실 통합 광학계(412)의 개략 등각도이다. 도 4b는 도 4a에서 벡터(V)에 의해 표시된 방향을 따른 중실 통합 광학계(412)의 개략 정면도이다. 중실 통합 광학계(412)는 입사면(416)과 출사면(417)을 갖는다. 도시된 바와 같이, 입사면(416)은 출사면(417)의 출사면 표면적보다 작은 입사면 표면적을 갖는다. 다른 실시예들에서, 면(416, 417)의 형상은 동일하고/하거나 입사면 표면적과 출사면 표면적이 동일할 수 있다. 또 다른 실시예들에서, 입사면 표면적은 출사면 표면적보다 클 수 있다. 도시된 실시예들에서, 출사면(417)은 16:9 포맷 비디오 이미저와 같은 조사 표적 형상과 일치하기에 적당한 형상을 갖는다. 면(416, 417)들이 동일하지 않은 표면적을 가지는 경우, 중실 통합 광학계(412)는 입사면과 출사면 사이에서 테이퍼 형성될 수 있다.
도 3의 중실 통합 광학계(312)는 입사면(316)과 출사면(317)을 연결하는 하나 이상의 측부 표면(318)들을 갖는다. 전형적으로, 중실 통합 광학계는 도 4a 및 도 4b의 중실 통합 광학계(412)의 측부 표면(418)과 같은 4개의 측부 표면을 갖는다. 도 4a에 도시된 바와 같이, 각각의 측부 표면(418)은 평탄하지만, 다른 실시예들에서는 측부 표면들이 평탄하지 않은 형상을 취할 수 있다. 본 발명에서 중실 통합 광학계의 하나 이상의 측부 표면은 예를 들어 알루미늄, 은, 다른 금속, 반사 유전체, 유전체 스택, 이들의 조합 또는 임의의 다른 적합한 반사체의 반사 코팅 또는 층들을 가질 수 있다. 측부 표면은 그의 전체 면적에 걸쳐서 코팅되거나, 또는 코팅되지 않은 상태로 남겨지거나, 또는 부분적으로 코팅될 수 있다. 광이 측부 표면의 코팅되지 않은 부분에 입사할 때, 내부 전반사와 같은 프레넬(Fresnel) 반사가 중실 통합 광학계의 기능에 기여할 수 있다. 중실 통합 광학계는 임의의 적합한 투명 재료로 제조될 수 있는데, 이는 일반적으로 굴절률에 의해 특징지어질 것이다. 적합할 수 있는 재료는 유리, 아크릴, 다른 광학 플라스틱, 고체 봉지재 및 봉지재 겔을 포함한다.
중실 통합 광학계는 그 입사면으로부터 출사면으로 광을 운반 또는 전달할 수 있으며, 이렇게 함에 있어서, 입사면에 입사하는 광의 초기 공간적 균일성에 대한 출사면으로부터 나오는 광의 공간적 균일성을 향상시킨다. 입사면에 입사하는 광은 많은 이유로 불균일할 수 있다. 도 2의 발광기(211)의 발광 표면(214)으로부터 방출되는 광은 예를 들어 상이한 발광 영역(215)들로부터 방출되는 광의 상이한 색상들에 의해 변할 수 있다. 발광 영역(215)들은 상이한 색상들을 동시에 방출할 수 있거나, 또는 이들은 예를 들어 색상-순차 광원을 제공하도록 시간에 걸쳐 그들의 광 방출을 변경할 수 있다. 일 실시예에서, 발광 영역(215)은 적색, 녹색 및 청색광의 혼합을 방출하는데, 이는 중실 통합 광학계에 의해 균질화될 때 백색광이 될 수 있다. 다른 실시예들에서, 하나 이상의 단색광 발광 영역(215)들은 동시에 조사하여 중실 통합 광학계의 입사면에서 고도로 공간적으로 불균일한 광을 제공하는데, 이는 광학계를 통한 전파 후에, 출사면에서는 실질적으로 균일한 광이 될 수 있다. 다른 실시예에서, 도 1의 발광기(111)와 같은 발광기는 발광기의 물리적 특성으로 인해 공간적으로 불균일한 단일 발광 영역을 갖는다. 예를 들어, LED 발광기는 공간적 불균일성을 초래하는 다이 라인(die line), 전도성 트레이스(trace) 또는 도선(lead), 및/또는 다른 구조 변화를 가질 수 있다. 중실 통합 광학계는 이를 통과하는 광을 균질화할 수 있어, 광이 조사 표적의 조사를 위해 적당히 균일하게 된다.
통합 광학계의 기하학적 형상 및 치수는 관통 통과하는 광이 균질화되는 정도에 영향을 미칠 수 있다. 광학 설계자는 예를 들어 도 3에 도시된 바와 같이 중실 통합 광학계의 길이(l)를 선택하여 전달된 광의 원하는 균일성이 얻어지게 할 수 있다. 본 발명자들은 예를 들어 대략 5 ㎜ 길이의 중실 통합 광학계가 도 2에 도시된 것과 유사한 바이엘(Bayer) 패턴으로 배열된 4개의 적색-녹색-청색-녹색 방출 영역들을 갖는 (1.4 ㎜)2으로 측정되는 발광 표면으로 시작할 때 충분한 균일성을 제공할 수 있다는 것을 밝혀냈다. 동일한 크기의 단색 발광기와 같은 보다 균일한 발광기는 시험에서 대략 2 ㎜ 길이의 통합 광학계만을 필요로 하였다. 통합 광학계는 예를 들어 미국 특허 제5,625,738호(마가릴)에 더 상세히 기술되어 있다.
본 명세서에 개시된 바와 같은 통합 광학계의 출사면에서의 광의 공간적 균일성은, 통합 광학계의 출사면이 시스템에 의해 조사 표적 상으로 이미지화되면서 조사의 적합한 공간적 균일성을 유지하도록, 조사 시스템을 설계할 가능성을 허용한다. 대조적으로, 통합 광학계가 없는 조사 시스템은 조사 표적 상으로 공간적 불균일성을 이미지화하는 것을 방지하기 위해 조사 광의 초점을 흐리게 하는 것을 채용할 수 있는데, 이는 더 낮은 효율으로 이어진다. 통합 광학계를 갖춘 시스템은 갖추지 않은 것에 비해 더 높은 효율을 제공할 수 있다.
도 1의 렌즈(113) 또는 도 3의 렌즈(313)는 특정 결과를 달성하기 위해 선택되는 임의의 적당한 렌즈 또는 렌즈들의 시스템일 수 있다. 예를 들어, 렌즈(113, 313)는 광원 모듈(110 또는 310)로부터의 시준된 또는 덜 발산적인 광의 생성을 돕는 수렴 렌즈를 포함할 수 있다. 광원 모듈(110)과 같은 임의의 유사한 광원 모듈의 모델로서 역할하는 광원 모듈(310)에서, 렌즈(313)는 중실 통합 광학계(312)에 부착, 접합, 접착 또는 달리 근접하게 위치되어 통합 광학계의 출사면(317)으로부터의 광을 수용하도록 정렬될 수 있다. 중실 통합 광학계의 출사면(317)에 근접한 렌즈(313)의 표면은 평탄하거나 평탄하지 않을 수 있는 출사면의 전체 면적에 걸쳐 출사면의 형상에 대체로 정합할 수 있다. 렌즈(313)는 대칭축을 가질 수 있으며, 렌즈의 대칭축은 중실 통합 광학계(312)의 대칭축과 정렬될 수 있다. 반사 편광기와 같은 필터가 중실 통합 광학계(312)와 렌즈(313) 사이에 배치될 수 있으며, 통합 광학계, 필터 및 렌즈의 조합은 접착제와 같은 임의의 적합한 재료로 접합될 수 있다. 임의의 적합한 유형의 반사 편광기, 예를 들어 다층 광학 필름 반사 편광기; 확산 반사 편광 필름, 예를 들어 연속/분산 상 편광기; 와이어 그리드 반사 편광기; 또는 콜레스테릭 반사 편광기가 사용될 수 있다. 렌즈(313)는 임의의 적합한 투명 재료로 제조될 수 있는데, 이는 일반적으로 굴절률에 의해 특징지어질 것이다. 적합할 수 있는 재료는 오하라 글래스(Ohara Glass)(일본 사가미하라 소재)로부터의 S-LAH-79 또는 쇼트 글래스(Schott Glass)(독일 마인쯔 소재)로부터의 LASF-35와 같은 고굴절률 유리를 포함한다.
렌즈(313)는 실질적으로 반구형일 수 있다. 일 실시예에서, 렌즈(313)는 실제로 제조할 수 있는 정도로 정밀하게 반구형이다. 다른 실시예들에서, 렌즈(313)는 정밀한 반구형 형태로부터 변할 수 있지만 여전히 실질적으로 반구형인 것으로 간주될 수 있다. 렌즈(313)의 만곡 표면은 당업자에 의해 이해되는 바와 같이, 예를 들어 구면 수차 또는 다른 수차를 위한 굴절 수정을 포함하기 위해 정밀한 구형 형상으로부터 그 형태가 벗어나도록 비구면일 수 있다. 형상이 정밀하게 반구형이든지 또는 실질적으로 반구형이든지간에, 렌즈(313)는 반경(R)을 갖는다. 정밀하지 않은 반구형인 렌즈(313)의 경우, R은 정밀하게 구형인 표면으로의 렌즈의 외부 표면의 최적 맞춤(best fit)을 수행할 때 얻어지는 맞춤 파라미터들에 의해 정의될 수 있다. 렌즈의 외부 표면은 중실 통합 광학계(312)로부터 가장 먼 만곡 표면이다.
도 5는 투사 시스템(100) 또는 임의의 다른 호환가능한 조사 시스템에 사용되기에 적합할 수 있는 다른 광원 모듈(510)의 개략 단면도이다. 도 5의 광원 모듈(510)은 예를 들어 도 3의 광원 모듈(310)과 비교해서 광원 모듈 설계에서의 일부 변동을 예시한다. 중실 통합 광학계(512)의 치수 및 비율은 예를 들어 일반적으로 중실 통합 광학계(312)의 것들과는 상이하다. 도 5에 도시된 렌즈(513)는 2개의 기하학적 형태, 즉 실질적으로 반구형인 부분(520)과 원통형인 부분(519)을 포함한다. 렌즈(513)의 이들 2개의 하위 형상(sub-shape)들은 하나의 재료로 연속적으로 형성될 수 있다. 개략적으로 도시된 바와 같이, 실질적으로 반구형인 부분(520)은 반구보다는 다소 작지만, 여전히 실질적으로 반구형이다. 다른 실시예들에서, 렌즈의 실질적으로 반구형인 부분은 반구보다는 다소 클 수 있다. 도 5의 중실 통합 광학계(512)는 렌즈(513)의 근위 표면이 정합할 수 있는 평탄하지 않은 출사면(517)을 갖는 것으로 도시되어 있다.
도 5는 광원 모듈을 위한 추가적인 설계 변동을 추가로 도시한다. 광원 모듈(510)은 측부 표면(518)의 부분(521)들 위에서 반사 코팅 또는 층들을 포함하지만, 다른 부분(522)들은 코팅되지 않는다. 도 5에 도시된 바와 같이, 입사면에 인접한 측부 표면의 부분(521)들은 반사 코팅 또는 층을 갖는 반면에, 출사면에 인접한 부분(522)들은 코팅되지 않는다. 그러한 설계 선택은 예를 들어 내부 전반사(TIR)가 부분(522)들에서 더 유효하지만 부분(521)들에서는 덜 유효할 수 있다고 알려지거나 여겨지는 경우에 이루어질 수 있다. 도 5는 TIR의 유효성에서의 그러한 차이에 대한 하나의 잠재적인 원인을 개략적으로 도시한다. 광원 모듈(510)은 발광기(511)를 중실 통합 광학계(512)에 광학적으로 결합시키는 봉지재(523)를 포함한다. 도시된 바와 같이, 봉지재(523)는 발광 표면(514)과 입사면(516) 사이의 공간으로 한정되지 않을 수 있으며, 봉지재는 중실 통합 광학계(512)의 하나 이상의 측부 표면(518)과 접촉할 수 있는데, 이때 봉지재는 측부 표면(518)이 코팅되지 않고 광을 수용하기 위해 TIR에만 의존한다면 광학계 외부로의 광을 광학적으로 결합시킬 수 있을 것이다. 측부 표면(518)의 부분(521)에서의 반사 코팅 또는 층의 존재는 중실 통합 광학계(512)로부터의 그러한 원치않는 광 손실을 방지할 수 있다. 본 명세서에 기술된 바와 같이, 다른 광원 모듈들은 실질적으로 그들의 전체 면적에 걸쳐서 반사 층 또는 코팅을 갖는 측부 표면을 구비하는 중실 통합 광학계를 포함할 수 있다.
광원 모듈(110, 310, 510)들 각각은 중실 통합 광학계(112, 312, 512) 및 렌즈(113, 313, 513)를 포함한다. 이들 중실 통합 광학계 및 렌즈 각각은 이를 형성하는 재료의 굴절률에 의해 특징지어질 수 있다. 매체들 사이의 굴절률의 차이는 일반적으로 매체들 사이를 통과하는 광의 굴절을 초래한다. 도 6a 및 도 6b는 광원 모듈(610, 680)의 광선 추적 시뮬레이션에 기초한, 중실 통합 광학계(612, 682)로부터 렌즈(613, 683)로 각각 통과하는 광의 이러한 효과의 개략적인 도시이다. 도 6a 및 도 6b에 도시된 효과는 광원 모듈(110, 310, 510)에 그리고 또한 다른 유사한 광원 모듈에도 적용된다. 음영 영역(625, 685)은 광이 중실 통합 광학계(612, 682) 및 렌즈(613, 683)를 통해 광원 모듈 외부로 평면(627, 687) 상으로 전파될 때 발광기(611, 681)로부터 전파되는 광에 의해 점유되는 공간의 체적을 나타낸다. 도 6a에서, 중실 통합 광학계(612)와 렌즈(613)는 동일한 굴절률을 갖는다. 도 6b에서, 렌즈(683)는 중실 통합 광학계(682)에 비해 더 높은 굴절률을 갖는다. 적어도 부분적으로는 광학계(682)와 렌즈(683) 사이의 계면에서의 굴절로 인해, 광원 모듈(610)을 빠져 나오는 광과 비교해서 더 좁거나 더 작은 원추 형태로 광이 광원 모듈(680)을 빠져 나온다. 모듈(610, 680)로부터 등거리에 위치한 평면(627, 687) 상에 투사될 때, 광원 모듈(680)을 빠져 나오는 광은 광원 모듈(610)을 빠져 나오는 광보다 더 작은 영역을 조사한다. 광원 모듈(680)의 더 좁은 조사 원추 및 더 작은 영역 크기 특성은 보다 소형인 조사 시스템을 가능하게 할 수 있다.
일부 실시예들에서, 광원 모듈은 적어도 1.8 또는 적어도 2.0의 굴절률을 갖는 렌즈를 포함한다. 추가의 실시예들에서, 광원 모듈은 2.6 이하의 굴절률을 갖는 렌즈를 포함한다. 더욱이, 광원 모듈은 전술된 종점(endpoint)들 중 임의의 것을 조합한 범위 내의 굴절률을 갖는 렌즈를 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 광원 모듈은 1.7 이하 또는 1.5 이하의 굴절률을 갖는 중실 통합 광학계를 포함한다. 추가의 실시예들에서, 광원 모듈은 적어도 1.3의 굴절률을 갖는 중실 통합 광학계를 포함한다. 더욱이, 광원 모듈은 전술된 종점들 중 임의의 것을 조합한 범위 내의 굴절률을 갖는 중실 통합 광학계를 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 중실 통합 광학계 굴절률에 대한 렌즈 굴절률의 비는 적어도 1.05 또는 적어도 1.3일 수 있다. 추가의 실시예들에서, 중실 통합 광학계 굴절률에 대한 렌즈 굴절률의 비는 1.5일 수 있다. 일부 실시예들에서, 중실 통합 광학계 굴절률에 대한 렌즈 굴절률의 비는 2.0 이하일 수 있다. 더욱이, 중실 통합 광학계 굴절률에 대한 렌즈 굴절률의 비는 전술된 종점들 중 임의의 것을 조합한 범위 내에 있을 수 있다.
굴절률의 고려는 발광 표면과 중실 통합 광학계의 입사면 사이에 배치될 수 있는 봉지재와 같은 광원 모듈의 다른 구성요소들로 확장될 수 있다. 봉지재는 광원 모듈의 요소들을 광학적으로 결합 또는 접합하도록 작용할 수 있다. 중실 통합 광학계 및 렌즈의 굴절률에 관해 본 명세서에서 논의된 굴절 효과는 낮은 굴절률로부터 높은 굴절률로의 계면을 가로지를 때 광 전파의 각도 범위 또는 원추가 좁아진다고 언급함으로써 대략적으로 요약될 수 있다. 따라서, 본 발명의 광원 모듈에서, 렌즈의 굴절률보다 작은 굴절률을 갖는 봉지재가 사용될 수 있다. 더욱이, 봉지재 굴절률은 중실 통합 광학계의 굴절률과 동일하거나 그보다 작을 수 있다.
도 6a 및 도 6b는 또한 광원 모듈에 유용한 렌즈의 다른 태양을 설명하는 데 유용하다. 음영 영역(625, 685)은 조사 광이 존재할 수 있는 중실 통합 광학계(612, 682) 및 렌즈(613, 683)의 체적의 일부분을 나타낸다. 음영으로 표시되지 않고 조사 광이 일반적으로 존재하지 않을 렌즈(613, 683)의 내부 체적의 일부분은 렌즈의 광학적 기능에 실질적으로 영향을 미치지 않으면서 렌즈로부터 제거될 수 있는 재료를 나타낸다. 이 점에 있어서, 그러한 제거되거나 결손된 재료를 갖는 렌즈 및 관계없는 재료가 제거된 렌즈인 두 가지 유형의 렌즈가 동일한 광학 기능을 수행하고 따라서 본 발명의 범주 내에 충분히 있는 한, 그러한 제거되거나 결손된 재료를 갖는 렌즈는 관계없는 재료가 제거된 렌즈와 기능적으로 동일하다. 예를 들어, 렌즈(683)는 광이 통과하지 않는 재료 부분이 제거되거나 달리 결손될지라도 실질적으로 반구형으로서 기술될 수 있을 것이다.
소형화 및 다른 특성들과 함께, 효율은 조사 시스템을 위한 중요한 설계 고려사항일 수 있다. 효율은 중실 통합 광학계 내에 결합되는 발광기로부터의 광의 초기 광속(luminous flux)과 비교할 때 조사 표적 상에 부과되게 되는 광속에 의하여 정량화될 수 있다. 본 발명의 광원 모듈에서, 중실 통합 광학계의 출사면 대각선(도 4a의 d)에 대한 렌즈의 반경(R)의 비가 광원 모듈의 효율에 영향을 미칠 수 있음이 밝혀졌다. d에 대한 R의 비가 변경될 때 광원 모듈의 효율을 연구하기 위해 컴퓨터 시뮬레이션이 수행되었다. 계산은 렌즈 상의 적당한 반사 방지 코팅, 매체들 사이의 계면에서의 프레넬 손실, 및 중실 통합 광학계의 모든 측부 표면 상의 향상된 은 반사 코팅을 취하였다. 이러한 시뮬레이션으로부터의 데이터는 효율 대 R/d의 플롯인 도 7에 나타나 있다. R/d가 1에 접근함에 따라 효율의 상당한 이득이 관찰되었는데, 1 이후에는 효율 이득은 안정된다. 이론에 의해 구애되고자 함이 없이 그리고 단지 설명을 위해, 본 발명자들은 통합 광학계 출사면에 대해 렌즈의 반경이 커짐에 따라 효율에서의 이러한 이득에 대한 하나의 이유는 비가 증가함에 따라 조사 광선이 렌즈의 외부 표면 상에 법선에 보다 가까운 각도로 입사되어, 더 큰 경사 각도 또는 비스듬한 각도로 입사되는 광선과 비교해서 보다 낮은 프레넬 손실을 초래하는 것이라고 믿는다. 0.7, 0.8, 0.9, 1, 1.1 또는 1.2 초과의 R/d 비는 광원 모듈의 효율에 기여할 수 있다. 일부 실시예들에서, R/d 비는 1.2를 초과하지 않는다.
효율을 향상시키기 위한 다른 방법은 반사 방지 코팅을 반사 방지 코팅이 적당할 수 있는 임의의 표면 상에 채용하는 것이다. 임의의 적합한 반사 방지 코팅 또는 층이 본 명세서에 개시된 바와 같이 조사 시스템 내에 사용될 수 있다. 일반적으로, 반사 방지 코팅은 상이한 굴절률을 갖는 매체들 사이에서 광이 전파되는 임의의 계면에 채용될 수 있다. 매체/공기 계면에 더하여, 반사 방지 코팅은 예를 들어 중실 통합 광학계의 출사면과 렌즈 사이 또는 발광기의 발광 표면과 중실 통합 광학계의 입사면 사이의 계면에 사용될 수 있다.

Claims (29)

  1. 발광 표면을 포함하는 발광기(emitter);
    발광기로부터 방출된 광을 입사면에서 수용하여 광을 출사면 - 출사면은 출사면 표면적 및 출사면 대각선을 가짐 - 으로 전달하도록 정렬된 중실 통합 광학계(solid integrating optic); 및
    중실 통합 광학계의 출사면으로부터 광을 수용하도록 정렬되고, 곡률 반경을 갖는 실질적으로 반구형인 부분을 포함하는 렌즈를 포함하며,
    출사면 대각선에 대한 곡률 반경의 비는 0.7 초과이고,
    중실 통합 광학계는 중실 통합 광학계 굴절률을 가지고, 렌즈는 렌즈 굴절률을 가지며, 중실 통합 광학계 굴절률에 대한 렌즈 굴절률의 비는 1 초과인 광원 모듈.
  2. 제1항에 있어서, 중실 통합 광학계 굴절률에 대한 렌즈 굴절률의 비는 적어도 1.3인 광원 모듈.
  3. 제1항에 있어서, 중실 통합 광학계 굴절률은 1.7 이하인 광원 모듈.
  4. 제1항에 있어서, 렌즈 굴절률은 적어도 1.8인 광원 모듈.
  5. 제1항에 있어서, 출사면 대각선에 대한 곡률 반경의 비는 0.8 초과인 광원 모듈.
  6. 제1항에 있어서, 렌즈는 원통형 부분을 추가로 포함하는 광원 모듈.
  7. 제1항에 있어서, 렌즈의 실질적으로 반구형인 부분은 비구면인 광원 모듈.
  8. 제1항에 있어서, 렌즈는 실질적으로 전체 출사면 표면적에 걸쳐 출사면과 정합하는 광원 모듈.
  9. 제1항에 있어서, 발광 표면은 복수의 발광 영역을 포함하는 어레이를 포함하는 광원 모듈.
  10. 제1항에 있어서, 입사면은 발광 표면의 치수 및 형상과 실질적으로 일치하는 치수 및 형상을 갖는 광원 모듈.
  11. 제1항에 있어서, 입사면은 평탄한 광원 모듈.
  12. 제1항에 있어서, 출사면은 평탄한 광원 모듈.
  13. 제1항에 있어서, 출사면은 평탄하지 않은 광원 모듈.
  14. 제1항에 있어서, 출사면은 이미저(imager) 형상과 대략 동일한 형상을 갖는 광원 모듈.
  15. 제1항에 있어서, 입사면은 출사면 표면적보다 더 작은 입사면 표면적을 갖는 광원 모듈.
  16. 제1항에 있어서, 중실 통합 광학계는 출사면과 입사면 사이에서 테이퍼 형성되는 광원 모듈.
  17. 제1항에 있어서, 발광 표면과 중실 통합 광학계 사이에 배치되는 봉지재(encapsulant)를 추가로 포함하는 광원 모듈.
  18. 제17항에 있어서, 봉지재는 렌즈 굴절률보다 작은 봉지재 굴절률을 갖는 광원 모듈.
  19. 제18항에 있어서, 봉지재 굴절률은 중실 통합 광학계 굴절률 이하인 광원 모듈.
  20. 제1항에 있어서, 발광 표면과 입사면 사이에 배치되는 반사 편광기를 추가로 포함하는 광원 모듈.
  21. 제20항에 있어서, 발광 표면, 반사 편광기 및 입사면은 접합되는 광원 모듈.
  22. 제1항에 있어서, 발광 표면과 입사면은 접합되는 광원 모듈.
  23. 제1항에 있어서, 출사면과 렌즈 사이에 배치되는 반사 편광기를 추가로 포함하는 광원 모듈.
  24. 제23항에 있어서, 출사면, 반사 편광기 및 렌즈는 접합되는 광원 모듈.
  25. 제1항에 있어서, 출사면과 렌즈는 접합되는 광원 모듈.
  26. 제1항에 있어서, 중실 통합 광학계는 적어도 하나의 측부 표면을 가지며, 상기 적어도 하나의 측부 표면은 측부 표면의 적어도 일부 상에서 반사 코팅을 갖는 광원 모듈.
  27. 제1항에 있어서, 출사면과 렌즈 사이에 배치되는 반사 방지 코팅을 추가로 포함하는 광원 모듈.
  28. 적어도 하나의 광원 모듈; 및
    상기 적어도 하나의 광원 모듈로부터의 광을 조사 표적(illumination target)으로 전달하도록 배열된 광학 요소들을 포함하며,
    상기 적어도 하나의 광원 모듈은,
    발광 표면을 포함하는 발광기,
    발광기로부터 방출된 광을 입사면에서 수용하여 광을 출사면 - 출사면은 출사면 대각선을 가짐 - 으로 전달하도록 정렬된 중실 통합 광학계, 및
    중실 통합 광학계의 출사면으로부터 광을 수용하도록 정렬되고, 곡률 반경을 갖는 실질적으로 반구형인 부분을 포함하는 렌즈를 포함하며,
    출사면 대각선에 대한 곡률 반경의 비는 0.7 초과이고,
    중실 통합 광학계는 중실 통합 광학계 굴절률을 가지고, 렌즈는 렌즈 굴절률을 가지며, 중실 통합 광학계 굴절률에 대한 렌즈 굴절률의 비는 1 초과인 조사 시스템.
  29. 적어도 하나의 광원 모듈;
    이미저;
    상기 적어도 하나의 광원 모듈로부터의 조사 광(illumination light)을 이미저로 전달하도록 배열된 광학 요소들; 및
    이미저로부터의 이미지 광을 수용하여 이미지 광을 투사하도록 배열된 투사 렌즈를 포함하며,
    상기 적어도 하나의 광원 모듈은,
    발광 표면을 포함하는 발광기,
    발광기로부터 방출된 조사 광을 입사면에서 수용하여 조사 광을 출사면 - 출사면은 출사면 대각선을 가짐 - 으로 전달하도록 정렬된 중실 통합 광학계, 및
    중실 통합 광학계의 출사면으로부터의 조사 광을 수용하도록 정렬되고, 곡률 반경을 갖는 실질적으로 반구형인 부분을 포함하며, 실질적으로 전체 출사면 표면적에 걸쳐 출사면과 정합하는 렌즈를 포함하며,
    출사면 대각선에 대한 곡률 반경의 비는 0.7 초과이고,
    중실 통합 광학계는 중실 통합 광학계 굴절률을 가지고, 렌즈는 렌즈 굴절률을 가지며, 중실 통합 광학계 굴절률에 대한 렌즈 굴절률의 비는 1 초과인 투사 시스템.
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