KR20150138412A - 풀 스펙트럼 led 조명기 - Google Patents

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KR20150138412A
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Abstract

피사체의 조명을 위해 광 가이드에 광 출력을 제공하는 장치는 복수의 고체 상태의 발광원들을 포함하고, 상기 복수의 고체 상태의 발광원들 각각은 독립적으로 가동되고, 독립적으로 제어되고, 그리고 다른 발광원들에 의해 발광된 파장과는 다른 파장으로 발광된다. 상기 장치는 또한, 상기 복수의 고체 상태의 발광원들을 열적으로 연결시키고, 상기 복수의 고체 상태의 발광원들에 의해 발생된 열의 전도를 제공하도록 구성된 히트 싱크를 포함한다. 상기 장치는 상기 복수의 고체 상태의 발광원들으로부터의 발광을, 상기 광 가이드에 광학적으로 연결되는 결합 광 빔에 집광, 시준, 및 결합시키는 광학 소자들을 더 포함한다.

Description

풀 스펙트럼 LED 조명기{FULL SPECTRUM LED ILLUMINATOR}
본 발명은 조명 시스템, 특히 내시경용 조명 시스템에 관한 것으로, 특히, 발광 다이오드(LED) 및/또는 반도체 레이저들을 사용하여 풀 스펙트럼 조명 시스템에 관한 것이다.
내시경, 현미경 및 이와 유사한 광학 이미징 적용(optical imaging applications)을 위한 조명 시스템들은 광원의 선택으로서, 다년간 아크 램프 또는 할로겐 기술을 이용해 왔다. 최근에 들어, 다양한 형태를 한 고체 상태의 광원들, 예를 들면, 발광 다이오드들 또는 다이오드 레이저들은 이러한 이미징 적용 일부에 사용되기 위해 도입되어 왔다. 이러한 고체 상태의 광원들의 출력 밝기 또는 출력 스펙트럼의 제한으로 인해, LED들 및/또는 레이저 다이오드들의 사용은 광 레벨이 현저하게 낮거나 좁은 스펙트럼 조명이 필요/원해진다는 점에서, 최근까지도 광학 이미징 적용에 제한되어 왔다.
고체 상태의 광원들을 이용하여, 밝기를 충분히 하고, 풀(full) 가시 스펙트럼 조명을 달성하는 것은 다수의 이유로 해서 도전 과제로 남아 있다.
a) 우선, LED 기술은 개선되었지만, 그러나 총 광 출력 면에서 램프 기술 보다 더 뒤에서 시작하였다. 광 출력이 이제 높아졌긴 하였지만, 단일 형광체 코팅 ("백색") LED로부터 나온 광의 출력은 예를 들면, 아크 램프보다 여전히 엄청나게(orders of magnitude) 작다.
b) 대안적으로, 다수의 서로 다른 색상을 가진 (예를 들면 적색, 녹색 및 청색) LED들로부터 나온 광은 색선별 미러들을 사용하여 폭 넓은 스펙트럼 범위에 걸쳐 방출하는 "소스(source)"에 결합될 수 있다. 그러나, 상술된 이미징 적용은 일반적으로, 액체, 광 섬유, 또는 로드 렌즈 광 가이드(rod lens light guides)에 광을 연결시키는 것을 필요로 한다. 상기와 같은 광학 광 가이드들은 통상적으로, 몇 mm의 단면 치수를 가진 물리적인 소형 조리개 및 한정/제한 개구수(numerical aperture)(NA) 둘 다를 가진다. 게다가, 에텐듀 고려 사항(etendue considerations)은 상기와 같은 조합된 조명원 시스템의 실질적인 실행을 신속하게 제한시킨다.
c) 다수의 서로 다른 색상을 가진 LED가 배치될 시의 에텐듀 고려 사항은 주의 깊이 동등하게 이루어진 광 경로 길이로 소스 및 색선별의 적합한 배치로 극복해야 하며, 그 후에 다른 실행 사항들도 냉각 및 비용을 효과적으로 하기 위해서 발생된다.
마지막으로, 적색 및 청색 LED들의 출력 밝기가 아크 램프 또는 할로겐 램프 스펙트럼의 적색 및 청색 부분의 밝기와 실질적으로 동등한 밝기를 가진 광을 생성하는 레벨에 이를 수 있지만, 녹색 LED들의 출력은 램프들에서 생성된 녹색 광보다 실질적으로 낮은 경향이 있다.
그러므로, 광학 광 가이드에 효과적으로 연결될 수 있는, 밝기, 균형이 잡힌 색상, 폭 넓은 스펙트럼의 가시적인 광 출력을 만들기 위해, 고체 상태의 광원들을 이용하는, 비용 효율적이고 신뢰성이 높은 조명기를 제공함으로써, 이러한 문제점을 해결하고, 다른 종래 기술의 결점을 제거하는 것이 필요하고 바람직하다. 또한 상기와 같은 조명기 및 최종 발광부에 UV 또는 NIR 조명을 위한 다른 광원들(예를 들면, 조직의 형광 여기를 위함)을 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 양태에 따라서, 밝기, 균형 잡힌 색상, 넓은 스펙트럼, 가시 광 출력을 만들어 내기 위해 고체 상태의 광원들을 사용하는 조명기를 개시한다.
본 발명의 하나의 이점을 가진 특징에 따라서, 조명기는 가시 스펙트럼(예를 들면, 400 - 700 nm)에 걸쳐진 다수의 고전력 LED 광원들을 포함할 수 있다. 이러한 LED 광원들은 개별적으로 가동되고 제어된다. 이러한 LED들에 의해 만들어진 광은 LED 광 출력에 매칭되는 적합한 파장으로 단일 빔으로 결합되되, 미러들 또는 색선별 필터들을 사용하여 결합된다. 그 후, 결합된 광은 높은 (예를 들면 > 0.5) NA 렌즈 등의 적합한 광학 소자를 사용하여 광학 광 가이드에 연결될 수 있다.
본 발명의 하나의 이점을 가진 특징에 따라서, 조명기는 별개의 고열 전도율 팩키지들(thermal conductivity packages)에 덮인 LED 광원들을 포함할 수 있다. LED 다이들은 에지 방출(edge-emitting) 또는 표면 방출(surface emitting)일 수 있고, 단일 또는 다수-다이 구성들(die configurations)에 패키징될 수 있다.
본 발명의 하나의 이점을 가진 특징에 따라서, 조명기는, 적색, 녹색 및 청색 LED 광원들의 조합물을 포함할 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 이러한 LED 광원들 중 하나 이상은 적용에 필요에 따라 또는 원하는 바에 따라(예를 들면, 내시경에서), 보라색, 노란색, 황색/오랜지 색 LED들을 포함하여, 가시 스펙트럼(visible spectrum)의 다른 색조를 가질 수 있다. 대안적으로, 또는 추가적으로, 단일 LED 패키지는 이들의 색상 다이들(color dies)의 조합물을 포함할 수 있다.
본 발명의 하나의 이점을 가진 특징에 따라서, 발광의 녹색 성분을 증가시키고, 보다 균형이 잡힌 색상 출력을 제공하기 위해, 조명기는 적색 및 청색 LED 광원들과 더불어, 적어도 2 개의 녹색 LED 광원들, 예를 들면, 장파장 녹색 및 단파장 녹색의 광원들을 포함할 수 있다. 2 개의 녹색 LED들의 피크 파장 및 대역폭은, 조합되는 광학기들이 최대 순(net) 녹색 광 출력을 만들어 내는 것을 확보하기 위해 주의 깊게 선택된다. 일 실시예에서, 장파장 녹색은 ~ 530 nm에서의 피크 파장(peak wavelength)을 가지고, 약 +/- 40 nm의 FWHM 대역폭을 가질 수 있고, 그리고 단파장 녹색은 ~ 515 nm에서의 피크 파장을 가지고, 약 +/- 37 nm의 FWHM 대역폭을 가질 수 있다.
본 발명의 하나의 이점을 가진 특징에 따라서, LED 광원들은 단일 열 분산기 판과 우수하게 열 접촉을 하는 히트 싱크 상에 장착될 수 있다. 상기 분산기 판은 고열 전도율을 가진 금속, 예를 들면, 구리, 알루미늄, 철, 다이아몬드, 금 또는 은 등의 금속일 수 있다. 분산기 판은, 핀형(finned) 히트 싱크 또는 열 파이프 등의 수동 냉각 시스템 또는 TEC(thermoelectric cooler) 또는 액체 냉각기 등의 능동 냉각 시스템 상에 장착될 수 있거나 일체화될 수 있다. LED들과 판 간의 열 접촉은 예를 들면, 120 Silicon Thermal Joint Compound(Wakefield Thermal Solutions, New Hampshire) 등의 열 전도성 컴파운드(thermally conductive compound)를 납땜함으로써, 또는 적용함으로써 제공될 수 있다. 이러한 장착 배치 및 냉각 구조물은 조립체의 비용/복잡성 및 냉각 효율 모두를 최적화시키고, 그러므로, 고체 상태의 소스의 수명/신뢰성도 최적화시킨다.
본 발명의 하나의 이점을 가진 특징에 따라서, LED 광원들은 단일 열 분산기 판 상의 히트 싱크의 평면과 공통으로 있는 평면 상에 장착될 수 있고, 이때 광학 경로 길이는 파장과 함께 증가되는, 예를 들면, 적색 LED는 최장 광학 경로를 가지고, 청색 LED는 최단 광학 경로를 가진다. LED 광원은, 각 LED 광원으로부터 나온 광을 집광시키는 비구면 렌즈(예를 들면, Newport KPA040-C, Irvine, California)로 구성된 컴파운드 집광기 군(compound collector group)의 초점에서 또는 그 초점 근방에 위치한다. 비구면 렌즈의 집광 효율은 LED와 비구면 렌즈 간에 장착된 시야 렌즈에 의해 증가될 수 있다. 비구면 렌즈는 LED로부터 나온 거의 시준된 광 빔을, 위치한 미러 또는 색선별 필터(예를 들면, Semrock FF670-SDi01 -25x36, Rochester, NY) 상으로 투영하고, 이로 인해, 비구면 렌즈에 의해 투영된 광에 대해 직각을 이룬 광은 결합 광 빔 경로로 반사된다. 색선별 필터는 LED 방출의 파장에서의 또는 그 파장에 걸친 모든 광을 실질적으로 반사시키도록 구성되고, 모든 단 파장의 광을 전송시킨다. 각 비구면 렌즈의 파워 및 위치, 그리고 시야 렌즈의 파워 및 위치는 각 LED가 광 경로 길이의 차를 수용하는데 필요한 대로 조정된다. 이러한 방식으로, 광원들의 선형 배치를 이용하여 에텐듀 제약이 관리될 수 있고, 결합 광 빔을 광학 광 가이드에 연결시키는 고성능 NA 렌즈는 최대화될 수 있다.
본 발명의 하나의 이점을 가진 특징에 따라서, LED 광원들에 직접 부착되지 않은 모든 광학 소자들(남아 있는 모든 집광체 렌즈, 반사 및 색선별(dichroic) 미러들, 및 시준/집결 렌즈들을 포함)은 매칭되는 기계적인 밀봉체에 장착될 수 있다. 밀봉체는, 알루미늄 또는 이와 유사한 물질 등의 단일 블럭(block)의 물질로 제조될 수 있고, 가공될 수 있거나, 또는 단일 소자로 주형되어 가공될 수 있다. 기계적인 밀봉체는 개별적으로 제조(예를 들면, 가공) 및 조립된 다수의 소자들로 구성될 수도 있다. 밀봉체는 LED원들의 선형 패턴을 열 분산기 판 상에 매칭시키는 입력 포트들(예를 들면, LED 광원마다 하나의 입력 포트)의 선형 어레이 및 단일 출력 포트를 가진다. 모든 광학 구성요소들이 밀봉체에 장착될 시에, LED 광원들이 구비된 판은 밀봉체 입력 포트들에 조립되고, 광 가이드가 없는 출구 조리개(exit aperture)를 밀봉하는 셔터는 출력 포트 상에 장착되어 위치한다. 최종적으로, 밀봉체는 완전하게 밀봉되고, 광학 소자들은 먼지 및 다른 오염물이 들어오는 것에 대해 보호된다.
본 발명의 하나의 이점을 가진 특징에 따라서, 조명기는 렌즈들이 없는 설계들을 이용할 수 있고, 대신에, LED들에 의해 방출된 광을 전파시키는 반사 표면들이 윤이 나도록 닦아 지게 된다(polished). 그 후, 광은 상기와 같이, 색선별 필터들을 사용하여 결합될 수 있고, 이때 결합된 광은 반사 표면들에 의해 광학 광 가이드에 연결된다.
본 발명의 하나의 이점을 가진 특징에 따라서, 조명기는 결합된 광학 경로에 연결되는 다른 광원들, 예를 들면, 하나 이상의 다이오드 레이저들도 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 다이오드 레이저들은 예를 들면, ICG(indocyanine green), 또는 다른 NIR 여기 형광제(excited fluorescence agent)의 형광 여기에 적합한 800 - 820 nm 파장 범위로 방출하는 섬유 연결형 NIR 레이저들일 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 섬유 연결형 다이오드 레이저들 중 하나 이상은 ICG의 형광처럼 보이는 목적을 위하여 830 nm NIR 광을 만들어 낼 수 있다. 레이저들에 의해 발광된 NIR 광은, NIR를 반사하지만, 단파장을 LED 광학 경로에 전송하는 추가 색선별 미러를 도입함으로써, 광학 경로에 연결될 수 있다. 대안적으로, 또는 추가적으로, 상기 조명기는 조직 자발형광 여기(tissue autofluorescence excitation)를 위한 하나 이상의 UV 다이오드 레이저들을 포함할 수 있다. 이러한 레이저들은, 청색 LED 색선별 필터 앞에서, 청색 LED 채널에 연결될 수 있거나, 또는 결합된 빔 채널에 직접 연결될 수 있다. 조명기는 또한 다이오드 레이저들 대신에, 높게 가동되는 NIR 또는 UV LED들을 포함할 수 있다.
시스템은 또한 집광체 군으로부터 광 가이드로의 켤레면(conjugate plane)의 이미지를 제공할 수 있다(즉, 광 가이드에 원형 뿔(round cone)을 맞춤).
본 발명의 다른 특징 및 이점은 첨부된 도면과 함께, 본 발명의 바람직한 예시적인 실시예들을 현재 기술한 것을 이해할 시에 보다 용이하게 명확해질 수 있을 것이고, 도면에서:
도 1은 고열 전도성 기판(highly thermally conductive substrate)을 가진 LED 패키지를 도시하고;
도 2는, 집광, 결합 및 집결(condensing) 광학기들을 구비한 열 분산기(heat spreader) 상에 배열된 LED들의 선형 어레이를 가진 조명기의 절개된 것을 도시하고;
도 3은 열 교환기 및 팬들을 구비한 열 교환기 상에 배열된 LED들의 선형 어레이를 가진 조명기의 절개된 것을 도시하며; 그리고
도 4는 밀봉체에서의 조명기의 대표적인 기류 패턴을 도시한다.
모든 도면을 통하여, 동일하거나 대응하는 소자들은 동일 참조 번호로 일반적으로 나타날 수 있다. 이러한 제시된 실시예들은 본 발명을 나타내는 것으로 한정되지 않음을 이해하여야 한다. 이해할 수 있는 바와 같이, 도면은 반드시 축척될 필요는 없고, 실시예들은 그래픽 심볼, 팬텀 선, 도시 표시 및 부분적인 도면에 의해 때때로 제시된다. 특정 예들에서, 본 발명을 반드시 이해할 필요가 없거나 이해하기에 난해한 다른 설명은 생략될 수 있다.
이제, 도면을 참조하면, 특히 도 1을 참조하면, 도 2에 도시된 열 분산기(220)에 부착된 장착 홀들(104)을 가진 고열 전도율을 가진 기판(102)을 포함한 LED 패키지(100)를 도시한다. LED 패키지는 LED들에 전력을 공급하는 전기 단자들(106)도 포함한다.
도 2는 집광 광학기들(222), 결합 광학기들(224) 및 집결 광학기들(condensing optics)(226)을 구비한 열 분산기(220) 상에 배열된 LED들(212)의 선형 어레이를 가진 조명기(210)를 절개된 것을 도시한다. LED들(212)은 "White Light" 출력 포트(230)로부터 배열되되, 광학 경로 길이가 증가되도록 배열된다. 집광 광학기들(222), 예를 들면, 비구면 렌즈(aspheric lens) 그리고 선택적으로, 시야 렌즈(field lens)는 각 LED에 앞에 위치할 수 있다. 적색 LED(232)로부터 나온 광은 미러(242)에 의해 90°각도로 반사된다. 추가적인 색선별 미러들(244, 246, 248)은 상기 미러(242)와 "White Light" 출력 포트(230) 간의 결합된 빔 경로에 위치한다. 이러한 색선별 미러들(244, 246, 248)은, 예시적인 장파장 녹색 LED(234)(~ 530 nm에서의 피크 파장, 및 약 +/- 40 nm의 FWHM 대역폭), 예시적인 단파장 녹색 LED(236)(~ 515 nm에서의 피크 파장, 및 약 +/- 37 nm의 FWHM 대역폭), 및 예시적인 청색 LED(238)(~ 460 nm에서의 피크 파장, 및 약 +/- 25 nm의 FWHM 대역폭)로 나열된 순서로 발광된 광이 90°각도로 반사되도록 하는 반면, 전파되어 결합된 빔, 즉, 적색, 적색 + 장(long) 녹색, 적색 + 장 녹색 + 단 녹색에 이미 존재하는 파장이 전송되도록 설계된다. 레이저(250)에 의해 발광된 광은 결합된 빔에 적합하게 추가될 수 있다.
도 3은 열 분산기(220) 상에 LED들의 선형 어레이(212), LED-레이저 열 교환기(352) 및 LED-레이저 열 교환기 팬들(354)을 구비한, 절단된 조명기를 개략적으로 도시한다.
도 4는 밀봉기(460)에서의 조명기(210) 주위의 예시적인 기류 패턴을 개략적으로 도시한다.
본 발명이 상세하게 도시되고 기술된 현재 바람직한 실시예들과 관련하여 기술되고 제시되었지만, 다양한 변경 및 구조적인 변화가 본 발명의 기술 사상 및 권리 범위로부터 벗어남 없이 이루어질 수 있는바, 제시된 설명으로 한정되지는 않는다. 실시예들이 본 발명의 원리 및 실현 가능한 적용을 설명하기 위해 선택 및 기술됨으로써, 기술 분야의 통상의 기술자는 본 발명을 최적으로 이용할 수 있고, 나아가 특정 사용의 고려 사항에 적합하게 다양한 변형을 가진 다양한 실시예들을 최적으로 이용할 수 있다.

Claims (9)

  1. 피사체(imaged object)의 조명을 위해 광 가이드에 광 출력을 제공하는 장치에 있어서,
    복수의 고체 상태의 발광원들 - 상기 복수의 고체 상태의 발광원들 각각은 독립적으로 가동되고, 독립적으로 제어되고, 그리고 다른 발광원들에 의해 발광된 파장과는 다른 파장으로 발광됨 -;
    상기 복수의 고체 상태의 발광원들을 열적으로 연결시키고, 상기 복수의 고체 상태의 발광원들에 의해 발생된 열의 전도를 제공하도록 구성된 히트 싱크(heat sink)
    - 상기 히트 싱크는, 고열 전도율을 가진 금속으로 형성되고 평면 표면을 가진 열 분산기 판(heat spreader plate)을 더 포함하며; 그리고
    상기 고체 상태의 발광원들 각각은 상기 고체 상태의 발광원들을 공통 광학 평면을 따라 배향시키기 위해 상기 평면 표면에 직접 장착됨 -; 및
    상기 복수의 고체 상태의 발광원들으로부터의 발광이 동시에 가동되는 동안, 상기 발광을, 상기 광 가이드에 광학적으로 연결되고 상기 공통 광학 평면을 따라 형성된 결합 광 빔에 집광, 시준, 및 결합시키는 광학 소자들;을 포함하며,
    상기 발광원들 각각으로부터 방출된 광은 각각의 발광원으로부터 출력부까지 광학 경로 길이를 따라 이동되고, 상기 발광원들로부터 상기 출력부까지의 광학 경로 길이는, 상기 출력부에 대해 상기 발광원들 중 가장 가까운 발광원으로부터 상기 출력부에 대해 상기 발광원들 중 가장 먼 발광원까지, 각각의 발광원으로부터 방출된 광의 파장과 함께 증가되는 광 출력 제공 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 히트 싱크는 수동 냉각 시스템을 포함하는 광 출력 제공 장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 수동 냉각 시스템은 핀형(finned) 히트 싱크 또는 열 파이프 중 하나인 광 출력 제공 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 히트 싱크는 능동 냉각 시스템을 포함하는 광 출력 제공 장치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 능동 냉각 시스템은 TEC(thermoelectric cooler) 또는 액체 냉각기 중 하나인 광 출력 제공 장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 고체 상태의 광원들은 발광 다이오드들 및 다이오드 레이저들을 포함한 군으로부터 선택되는 광 출력 제공 장치.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 광학 소자들은 상기 복수의 고체 상태의 발광원들 각각으로부터의 발광을 집광 및 시준하도록 구성된 시야 렌즈 및 비구면 렌즈를 포함하는 광 출력 제공 장치.
  8. 청구항 1에 있어서,
    색선별 필터는, 상기 복수의 고체 상태의 발광원들 각각으로부터 나온 시준된 발광을, 출력 포트와 공통된 경로를 따라 지향되는 결합 광 빔에 연결시키도록 구성되는 광 출력 제공 장치.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 복수의 고체 상태의 발광원들 각각과 연관된 상대적인 광학 경로 길이는 상대적인 파장 차이에 기반으로 하는 광 출력 제공 장치.
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