KR20160124124A - 원격 다운 컨버터를 포함하는 광학 장치 - Google Patents

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KR20160124124A
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light
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KR1020167023376A
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존 에이 휘틀리
질 장-바티스트 브누아
Original Assignee
쓰리엠 이노베이티브 프로퍼티즈 컴파니
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Abstract

조명 기구(100, 200, 300, 400, 500)가 개시된다. 더 자세하게는, 사실상 제1 파장의 빛을 생성하도록 구성된 하나 이상의 광원(110, 210, 310, 410, 510)을 포함하는 조명 기구가 개시된다. 조명 기구는 트랜스플렉터(130, 230, 330, 430, 530) 및 분포 영역 다운 컨버터 층을 포함할 수 있다. 개시된 조명 기구는 주변광 속에서 관측될 때 사실상 중간색으로 보일 수 있다.

Description

원격 다운 컨버터를 포함하는 광학 장치 {OPTICAL DEVICE INCLUDING REMOTE DOWNCONVERTER}
광학 장치가 디스플레이(display) 및 조명 기구를 포함한다. 어떤 광학 장치들은 제1 펌프 파장(pump wavelength)을 생성하는 광원으로부터의 빛을 제2의 더 긴 파장으로 적어도 부분적으로 변환하기 위해 다운 컨버팅 소자(downconverting element)를 활용한다. 광학 장치가 끈 상태에 있을 때, 이러한 다운 컨버팅 소자들은 주변광 속에서 황색 외관을 가질 수 있다. 또한, 이러한 다운 컨버팅 소자들은 펌프 광원(pump light source)에 의해 생성된 열에 노출될 때 유용한 수명이 열악해질 수도 있다.
한 양태에서, 이 발명은 조명 기구에 관한 것이다. 특히, 조명 기구는 사실상 제1 파장의 빛을 생성하도록 구성된 하나 이상의 광원, 확산 반사율 구성요소를 갖는 트랜스플렉터(transflector), 및 분포 영역 다운 컨버터 층(distributed area downconverter layer)을 포함한다. 분포 영역 다운 컨버터 층은 트랜스플렉터에 인접하게 배치되지만, 하나 이상의 광원으로부터는 이격되며, 다운 컨버터 층은 제1 파장으로부터 제2 파장까지의 빛의 적어도 일부를 다운 컨버팅하도록 구성되며, 제2 파장은 제1 파장보다 더 길다.
다른 한 양태에서, 이 발명은 조명 기구에 관한 것이다. 조명 기구는 사실상 제1 파장의 빛을 생성하도록 구성된 하나 이상의 광원, 트랜스플렉터, 및 트랜스플렉터에 인접하게 배치되지만, 하나 이상의 광원으로부터는 이격된 분포 영역 다운 컨버터 층을 포함하고, 다운 컨버터 층은 제1 파장으로부터 제2 파장까지의 빛의 적어도 일부를 다운 컨버팅하도록 구성되며, 제2 파장은 제1 파장보다 더 길다. 트랜스플렉터 및 다운 컨버터 층은 각각 하나 이상의 만곡부를 포함한다. 어떤 실시 양태에서, 트랜스플렉터 및 다운 컨버터 층은 각각 완전히 곡면이다. 어떤 실시 양태에서, 트랜스플렉터 및 다운 컨버터 층은 함께 사실상 환형을 이룬다. 어떤 실시 양태에서, 조명 기구는 원통의 측면 또는 원통 단면의 윤곽을 이룬다.
어떤 실시 양태에서, 조명 기구는 배면 반사기를 포함할 수 있고, 배면 반사기는 다운 컨버터 층이 트랜스플렉터와 배면 반사기 사이에 배치되도록 배치된다. 어떤 실시 양태에서, 조명 기구는 도광로(lightguide)를 포함할 수 있고, 도광로는 다운 컨버터 층과 배면 반사기 사이에 배치된다. 어떤 실시 양태에서, 조명 기구는 도광로를 포함할 수 있고, 도광로는 다운 컨버터 층에 인접하다. 배면 반사기는 정반사 반사기(specular reflector)일 수 있거나 또는 그것은 반반사 반사기(semispecular reflector)일 수 있다. 배면 반사기는 적어도 98%의 가시 스펙트럼에 걸쳐 반구형 반사율(hemispheric reflectivity)을 가질 수 있다.
어떤 실시 양태에서, 트랜스플렉터는 구조화 표면 필름(structured surface film)이다. 어떤 실시 양태에서, 트랜스플렉터는 부분적 미러 필름(partial mirror film)이다. 어떤 실시 양태에서, 다운 컨버터 층은 형광체 재료를 포함한다. 어떤 실시 양태에서, 다운 컨버터 층은 양자점(quantum dot)을 포함한다.
어떤 실시 양태에서, 트랜스플렉터는 적어도 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80%, 또는 90%의 가시 스펙트럼에 걸쳐 반구형 반사율을 갖는다. 어떤 실시 양태에서, 조명 기구가 끈 상태에 있고 D65 주변광으로 조명될 때, 조명 기구로부터 반사된 빛은 10 JND, 8 JND, 5 JND, 3 JND, 2 JND, 또는 1 JND 이하인 주변광으로부터의 색차를 갖는다. 어떤 실시 양태에서, 조명 기구가 끈 상태에 있고 D65 주변광으로 조명될 때, 조명 기구로부터 반사된 빛은 1,000K, 800K, 400K, 300K, 200K, 또는 100K 이하인 주변광으로부터의 색온도차를 갖는다. 어떤 실시 양태에서, 제1 파장은 사실상 청색 또는 자외선이다. 어떤 실시 양태에서, 제2 파장은 사실상 황색이다.
도 1은 원격 다운 컨버터를 포함하는 예시적 광학 장치의 측면 단면도이다.
도 2는 켠 상태에 있는 도 1의 광학 장치의 광학을 예시하는 측면 단면도이다.
도 3은 끈 상태에 있는 도 1의 광학 장치의 광학을 예시하는 측면 단면도이다.
도 4는 원격 다운 컨버터를 포함하는 조명 기구의 상면도이다.
도 5는 다른 한 예시적 광학 장치의 측면 단면도이다.
어떤 광학 장치는 원하는 색상 출력을 조정하고 제공하기 위해 다운 컨버팅 소자를 활용한다. 예를 들어, 적색, 청색, 및 녹색 발광 다이오드(light emitting diode)(LED)의 조합에 의해 백색으로 보이는 빛이 생성될 수 있지만, 청색 또는 자외선 빛을 방출하는 LED를 황색 형광체와 같은 다운 컨버팅 소자와의 조합으로 활용하는 것이 더 비용절감적일 수 있다. 청색광은 적어도 부분적으로 더 긴 파장 광으로 변환된다. 더 정확하게는, 청색광은 흡수되고, 전체적으로 황색광 또는 오랜지색광으로 보일 수 있는 더 긴 파장 광으로서 재방출된다. 보색(청색과 황색과 같은)은 함께 백색 외관을 갖는 빛을 생성한다.
분포 영역 다운 컨버터는, 그것이 형광체 또는 다운 컨버팅 소자와, 빛의 생성 및 더 일반적으로는 구동 전자 장치를 비롯한, 광원으로부터의 열 사이의 물리적 분리를 가능하게 하기 때문에, 조명 기구에서 인기 있는 디자인 선택이다. 이런 의미에서, 이러한 분포 영역 다운 컨버터는 원격 다운 컨버터(remote downconverter)라고 기술될 수도 있다. 또한, 광원으로부터 형광체 또는 다운 컨버팅 소자의 물리적 분리는 입사 광속을 저감시킬 수 있고, 그럼으로써 형광체 또는 다운 컨버팅 소자의 광퇴화를 저감시키기에 유리하다. 그래서, 극한 온도에 대한 노출로부터 결함을 발생시키거나 또는 품질이 퇴화할 수 있는 다운 컨버팅 소자들은 원격 다운 컨버팅 소자로서 구성될 때 유용한 수명을 증대시킬 수 있다.
그러나, 형광체 및 다른 다운 컨버팅 소자는 켠 상태, 즉, 특정한 파장의 펌프 광이 제공될 때에는 백색광을 생성할 수 있을 것이지만, 끈 상태에서는 변색된 것으로 보이거나 또는 아름답지 않은 색조를 갖는다. 예를 들어, 세륨(III)-도핑 이트륨 알루미늄 가넷(Cerium(III)-doped yttrium aluminum garnet)(Ce:YAG) 형광체를 활용하는 밝은 전구 또는 조명 기구는, 예를 들어, 형광체가 조명 기구 또는 밝은 전구의 전체 조명 표면에 걸쳐 분포된다면, 주변광 아래에서 누르스름하거나 또는 오랜지색으로 보일 것이다. 끈 상태에서의 황색 외관은 소비자들이 심미적으로 불쾌감을 느낄 수 있기 때문에, 이것은 제조자들에게 문제가 있는 것일 수 있고, 소비자들은 조명 제품이 꺼져 있을 때(예를 들어, 그것이 포장 상태로 선반에 있을 때) 황색으로 보인다면, 그것이 켜 있을 때 황색광을 생성할 것이라고 추정할 수 있기 때문에, 그것은 소비자들을 혼란스럽게 할 수도 있다.
빛을 반사하고 투과시키는 외부적으로 가시적인 트랜스플렉터를 포함하는 것은, 많은 경우에 조명 기구, 밝은 전구, 또는 다른 광학 장치 또는 물품의 외부의 주변 외관을 향상시킬 수 있다. 이 응용 목적상, 트랜스플렉터는 빛을 부분적으로 반사하고 부분적으로 투과시키는 광학 구성요소라고 정의될 수 있다. 트랜스플렉터의 투과율은 전체 트랜스플렉터를 통한 빛의 효율적 추출을 지원하기에 충분하게 높아야 하지만, 트랜스플렉터의 반사율은 쓰리엠 컴퍼니(3M Company)로부터 구입 가능한 강화 정반사 반사기(Enhanced Specular Reflector)(ESR)와 같은 고반사성 배면 반사기와 조합될 때 광 재생을 지원하기에 충분하게 높아야 한다. 이러한 정의 아래, 광학상 투명 필름(optically clear film)은, 고반사성 배면 반사기와 조합될 때 광 재생을 지원하기에는 반사율이 충분히 높지 않을 것이기 때문에, 트랜스플렉터라고 간주되지 않을 것이다. 마찬가지로, ESR과 같은 고반사성 다층 광학 필름은, 필름을 통한 빛의 총 투과율이 반사성 필름을 통한 빛의 효율적 추출을 지원하기에 충분하게 높지 않기 때문에, 역시 트랜스플렉터라고 간주되지 않을 것이다. 부분적 미러 필름, 휘도 강화 필름(Brightness Enhancing Film)(BEF)과 같은 미세 복제 및 프리즘 필름, 눈부심 제어 필름, 또는 이중 휘도 강화 필름(Dual Brightness Enhancing Film)(DBEF)과 같은 반사성 편광기는 이 응용 목적상 적합한 트랜스플렉터라고 간주될 수 있다.
도 1은 원격 다운 컨버터를 포함하는 예시적 광학 장치의 측면 단면도이다. 광학 장치(100)는 광원(110), 다운 컨버터(120), 트랜스플렉터(130), 및 반사기(140)를 포함한다. 광학 장치가, 광원(110)이 광학 장치(100)의 필름 스택(film stack)의 면적 범위 내에 배치되는, 직접 조명 구성으로 예시된다. 광원(110)은 어떤 적합한 발광 다이오드 또는 발광 다이오드들의 조합이 될 수 있다. 어떤 경우에, 광원(110)은 하나 이상의 냉음극 형광등(cold cathode fluorescent lamp)(CCFL) 또는 심지어 백열 전구도 포함할 수 있다. 광원(110)은 어떤 적합한 또는 바람직한 파장 또는 파장 범위에서든 발광하도록 선택될 수 있다. 어떤 실시 양태에서, 광원(110)은 상이한 파장으로 방출할 수 있지만, 다른 실시 양태에서, 광원(110)의 어레이는 사실상 동일한 파장 또는 파장 범위의 빛을 방출할 수 있다. 광원(110)은 어떤 광 분포든 제공할 수 있고, 원하는 광 분포를 제공하기 위해 어떤 적합한 봉합제 또는 다른 광학 구성요소와든 조합될 수 있다. 어떤 실시 양태에서, 광원(110)은, 특히 발광 다이오드는, 사실상 램버티안 분포(Lambertian distribution)로 방출할 수 있다. 방출광을 위한 유용한 파장 범위는 청색, 청자색(violet), 또는 근자외선(UV-A) 스펙트럼의 파장을 포함할 수 있다. 다운 컨버터는 빛의 더 긴 파장만 재방출할 것이기 때문에, 더 파란(즉, 더 짧은) 펌프 파장이 원하는 출력 파장 또는 파장들을 달성함에 있어서 더 많은 유연성을 제공할 수 있다. 적합한 구동 전자 장치 및 회로는 상세하게 도시되지 않는다. 광원(110)은 광원(110)의 일부 또는 전부를 동시에 켜도록 구성할 수 있다. 어떤 실시 양태에서, 광원(110)은 어둑하게(dim) 할 수 있거나, 또는 상이한 파장들을 방출하는 광원들을 선택적으로 활성시킴으로써 광학 장치(100)로부터의 전체 출력광의 색온도(color temperature)가 조정될 수 있다.
다운 컨버터(120)는 어떤 적합한 다운 컨버팅 소자든 될 수 있다. 다운 컨버팅 소자는 빛의 특정한 파장의 특정한 흡수를 가능하게 하는 특정한 물리적 또는 결정질 특성을 갖는다. 일반적으로, 제1 파장(펌프 파장이라고 지칭되는)을 갖는 광자 또는 광자들은 다운 컨버팅 재료에 의해 흡수되고, 다운 컨버터(120)의 부분들을 여기 상태(excited state)로 한다. 다운 컨버터(120)의 이러한 부분들은 그 후, 일반적으로 더 긴 제2 파장 또는 파장 범위를 갖는, 더 낮은 에너지의 광자를 자발적으로 재방출할 것이다. 재방출 시간은 다운 컨버팅 재료에 따를 수 있다. 많은 경우에, 모든 펌프 광이 다운 컨버터(120)에 의해 흡수되지는 않으며, 어떤 빛은, 다운 컨버팅 재료에 의해 우선적으로 흡수되는 파장을 갖는 빛마저도, 흡수되고 재방출됨이 없이 통과할 것이다. 그래서, 흔히, 다운 컨버팅 광과 펌프 광 둘 다의 블렌딩이 존재한다. 이러한 파장들이 서로의 보색관계(즉, 청색과 황색)이면, 생성되는 빛은 백색 외관을 가질 수 있다. 다른 색상 조합들이 가능하고, 당업자의 설계 능력 범위에 있다.
어떤 실시 양태에서, 다운 컨버터(120)는 중합체 매트릭스, 흔히 광학상 투명 중합체에 배치된 인광 또는 형광 재료와 같은 다운 컨버팅 재료를 포함한다. 다운 컨버터는 시트 또는 필름처럼 보일 수 있고, 광학 장치(100)의 용이한 제조 및 간편한 조립 등을 위해 그렇게 처리될 수 있다. 활성 다운 컨버팅 재료의 농도 또는 로딩(loading)은 펌프 광과 다운 컨버팅 광 사이의 색상 혼합으로부터 생성되는 원하는 스펙트럼에 따라 조절될 수 있다. 어떤 실시 양태에서, 다운 컨버터(120)는 양자점(quantum dot), 예를 들어 사실상 3차원 전위 우물(three-dimensional potential well)로서 작용하는 나노급 반도체 재료를 포함할 수 있다. 이러한 양자점은 펌프 광을 흡수하고, 좁은 파장 범위 내의 광자를 재방출한다. 3M 양자점 향상 필름(Quantum Dot Enhancement Film), 또는 QDEF는, 특정한 실시 양태에서 다운 컨버터(120)로서 적합할 수 있는 양자점을 포함하는 필름의 한 예이다. 어떤 실시 양태에서, 다운 컨버터는 형광체 소자와 양자점 둘 다를 포함할 수 있다.
다운 컨버터(120)는 어떤 실시 양태에서 추가적 광학 기능을 제공할 수 있다. 예를 들어, 어떤 실시 양태에서, 다운 컨버터(120)는, 광 혼합, 균일성을 향상시키고, 결함 은폐를 제공할 수 있는, 벌크 또는 표면 확산기로서 작용할 수도 있다. 어떤 실시 양태에서, 다운 컨버터(120)는 색조 또는 안료를 포함할 수 있다.
어떤 실시 양태에서, 다운 컨버터(120)는 별개의 층이 아닐 수 있고; 대신에, 다운 컨버팅 재료가, 배면 반사기(140) 또는 트랜스플렉터(130)와 같은, 광학 장치(100)의 다른 광학 소자들 중 하나에 직접 인쇄, 코팅, 또는 달리 도포될 수 있다.
트랜스플렉터(130)는 광학 장치(100) 내애 배치되어 다운 컨버터(120)가 광원(110)과 트랜스플렉터의 사이에 배치되게 한다. 트랜스플렉터(130)는 어떤 적합한 두께든 될 수 있으며, 반사성과 투과성 사이의 적합한 균형을 이루게 조정되거나 또는 선택될 수 있다. 트랜스플렉터(130)는 확산 반사율 구성요소를 가질 수 있다. 어떤 실시 양태에서, 트랜스플렉터(130)는 빛의 특정한 파장 또는 파장들을 우선적으로 반사하거나 또는 투과시키게 조정될 수 있다.
많은 응용에서, 필름의 반사성은 빛(관심 있는 특정한 파장 또는 파장 범위의)이 모든 가능한 방향으로부터 거기에 입사할 때의 구성요소(표면, 필름, 또는 필름 집합의 어느 것이든)의 전반사율을 의미하는 "반구형 반사율(hemispheric reflectivity)" Rhemi(λ)이라는 면에서 특징을 가질 수 있다. 그래서, 구성요소는 법선 방향에 중심을 둔 반구체 내의 모든 방향(그리고 달리 지정되지 않는 한, 모든 편광 상태)으로부터 입사하는 빛으로 조명되고, 그 동일한 반구체 속으로 반사된 모든 빛이 수집된다. 관심 있는 파장 범위에 관한 입사광의 총 광속에 대한 반사광의 총 광속의 비율은 반구형 반사율, Rhemi(λ)을 산출한다. 자체의 Rhemi(λ)라는 면으로 반사기를 특징짓는 것은, 빛이 흔히 모든 각도에서 - 전면 반사기, 배면 반사기, 또는 측면 반사기의 어느 것이든 - 공동의 내면에 입사하기 때문에, 배면광 재생 공동을 위해 특히 편리할 수 있다. 또한, 정상 입사광을 위한 반사율과 달리, Rhemi(λ)는, 재생 배면광 내의 어떤 구성요소(예를 들어, 프리즘 필름)에서는 매우 중요할 수 있는, 입사각에 따른 반사율의 가변성에 대해 민감하지 않고 이미 고려하고 있다.
Rhemi(λ)는 측정 또는 계산될 수 있다. Rhemi(λ)는 미국 특허출원 공보 2013/0215512호(코지오(Coggio) 등)에 기술되고 이 명세서에 참고로 포함되는 장치를 이용하여 측정될 수 있다. 다층 광학 필름인 경우, Rhemi (λ)는 광학 필름의 미세층 및 다른 층 요소들의 층 두께 프로파일에 대한 정보로부터 및 필름 내의 미세층 및 층의 각각과 연관된 굴절률 값으로부터 계산될 수도 있다. 다층 필름의 광학 응답에 관한 4x4 행렬 풀이 소프트웨어 애플리케이션을 이용하여, x-축 입사면에 관한, y-축 입사면에 관한, 그리고 p-편광 및 s-편광 입사광의 각각에 관한 알려진 층 두께 프로파일(들) 및 굴절률 특성으로부터, 반사 및 투과 둘 다의 스펙트럼이 계산될 수 있다. 이로부터, Rhemi (λ)가 아래에 나열된 수학식을 이용하여 계산될 수 있다:
Figure pct00001
여기서
Figure pct00002
및
Figure pct00003
여기서 E(θ)는 강도 분포이다.
트랜스플렉터(130)는 어떤 적합한 Rhemi(λ) 값이든 가질 수 있다. 어떤 실시 양태에서, 트랜스플렉터(130)는 관심 있는 파장 범위, 예를 들어, 가시 범위(응용에 따라, 380nm 내지 800nm, 390nm 내지 700nm, 400nm 내지 800nm, 또는 440nm 내지 800nm)에 걸쳐 30% 이상, 40% 이상, 50% 이상, 60% 이상, 70% 이상, 80% 이상, 또는 심지어 90% 이상의 Rhemi(λ) 값을 가질 수 있다. 트랜스플렉터(130)는 미세 복제 공정을 통해 얻을 수 있는 것과 같은 구조화 표면 필름일 수 있거나, 또는 그것은 부분적 미러 또는 반사성 편광기일 수 있다. 구조화 표면은 프리즘, 렌즈, 피라미드 등을 포함할 수 있다. 어떤 실시 양태에서, 트랜스플렉터(130)는 절반 은도금 또는 부분 은도금 미러일 수 있다. 트랜스플렉터(130)는 원하는 반사율 및 투과율을 제공하는 필름 또는 구성요소의 어떤 조합이든 될 수 있다.
반사기(140)는 광원(110) 뒤에 배치되어 반사기(140) 및 트랜스플렉터(130)가 재생 공동을 형성하게 한다. 이 구성에서, 반사기(140)는 가시 범위와 같은 관심 있는 확장된 파장 대역에 걸쳐 Rhemi(λ)의 98% 또는 99% 이상에 달할 수 있는 매우 고반사율을 가질 수 있다. 반사기(140)는 확산 구성요소를 가질 수 있거나 또는 그것이 정반사 반사기일 수 있다. 어떤 실시 양태에서 반사기(140)는 상당한 확산 및 정반사 반사율 구성요소 둘 다를 가지며, 반반사 반사기라고 지칭될 수 있다. 적합한 반사기는 ESR, EDR(쓰리엠 컴퍼니로부터 구입 가능한 강화 확산 반사기(Enhanced Diffuse Reflector)) 및 다른 고반사성 미러 필름을 포함한다. 재생 공동 내에서의 잠재적으로 큰 수의 광 바운스(bounces of light)로 인해, 반사기(및 트랜스플렉터)를 위한 미러 필름은 바람직하게는 아주 적은 빛을 흡수할 수 있는데, 이는 그러한 흡수된 빛이 기능적으로 낭비이기 때문이다. 어떤 실시 양태에서, 광 재생 효율 및 평균적으로 많은 빛의 다운 컨버터 통과로 인해, 방출광에 대해 원하는 색상을 여전히 제공하면서도, 다운 컨버터(120)에서 더 적은 인광 또는 형광 재료가 이용될 수 있다.
광학 장치(100)는 어떤 적합한 전체 크기 및 형상이든 가질 수 있고, 평면일 필요가 없다. 광학 장치(100)는 곡면 또는 부분적으로 곡면일 수 있다(즉, 만곡부를 포함할 수 있다). 광학 장치(100)의 구성요소들은 광학상 투명 또는 광학상 기능을 가진(예를 들어, 확산) 접착제에 의해 서로에게 접착될 수 있거나 또는 그것들이 하나 이상의 공극에 의해 이격될 수 있다. 발광 다이오드 및 다운 컨버팅 소자의 디자인 선택에 더하여, 어떤 다른 적합한 광학 소자 또는 소자들에든 봉입하는 것은, 예를 들어, 멜라토닌(melatonin)을 억제하고 수면을 곤란하게 할 수 있는 약 460nm와 480nm 사이의 청색 파장이 없는 가시 스펙트럼을 제공하는 것과 같은, 원하는 모든 방출 스펙트럼을 제공할 수 있다. 어떤 적합한 광학 소자 또는 비광학 소자(안정성 또는 구조물을 위한 경성 투명 중합체와 같은)든 광학 장치 내에 포함될 수 있다.
도 2는 켠 상태에 있는 도 1의 광학 장치의 광학을 예시하는 측면 단면도이다. 광학 장치(200)는 광원(210), 다운 컨버터(220), 트랜스플렉터(230), 및 반사기(240)를 포함한다. 도 2는 도 1의 일반적인 작동상 광학 원리를 예시하며, 그러므로 도 2에서 인용부호가 붙은 구성요소들은 도 1에서의 대응하는 것에 대응한다. 도 2는 광원(210)으로부터 방출된 빛에 의한 광학 장치(200)의 다른 구성요소들과의 상호작용을 묘사하며, 일반적으로 좌에서 우로 진행한다. 다시 말해서, 도 2는 광원(210)이 발광하고 있는 켠 상태에 있는 도 1의 광학 장치를 묘사한다.
방출선(212)이 광원(210)으로부터 방출되며 다운 컨버터(220)를 위해 사실상 적합한 펌프 파장을 갖는 빛을 포함한다. 방출선(212)은 원격 다운 컨버터(220)에 입사하고 흡수되며, 그 후에 다운 컨버팅 광(214)으로서 재방출된다. 곡선 및 직선의 선들은 광학 장치(200) 내의 특정한 점에서의 빛의 파장 성분들을 대략 표현한다. 이 경우에, 예를 들어, 다운 컨버팅 광(214)은 다운 컨버터(220)로부터 방출된 더 긴 다운 컨버팅된 파장 및 변환되지 않은 일부의 잔존 펌프 광 둘 다를 포함하다. 다운 컨버팅 광(214)은 트랜스플렉터(230)에 입사하고, 방출광(216)으로서 부분적으로 투과되며, 반사광(218)으로서 부분적으로 반사된다. 어떤 실시 양태에서, 트랜스플렉터(230)는 무채색일 수 있으며, 즉, 반사율 및 투과율이 입사광의 파장에 의존하지 않는다. 다른 실시 양태에서, 트랜스플렉터(230)는 특정한 파장 또는 파장 범위의 빛을 선택적으로 투과시키거나 또는 반사하는 파장-의존성 반사율 및 투과율을 가질 수 있다. 반사율 및 투과율은 트랜스플렉터(230) 상에 다운 컨버팅 광(214)이 입사하는 각도에 매우 심하게 의존할 수도 있다. 반사광(218)은 다운 컨버터(220) 상에 다시 입사하고, 펌프 광의 적어도 일부는 흡수되고 재방출될 수 있다. 재생광(219)은 반사기(240)에 입사하고 반사되며, 프로세스를 반복한다. 굴절률 경계면으로부터의 프레넬 반사(fresnel reflection)는 예시의 편의상 도시되지 않았다.
도 3은 끈 상태의 도 1의 광학 장치의 광학을 예시하는 측면 단면도이다. 광학 장치(300)는 광원(310), 다운 컨버터(320), 트랜스플렉터(330), 및 반사기(340)를 포함한다. 주변광(352)은 광학 장치(300)에 입사하고, 반사광(354)은 관측자(360)에게 관측된다. 도 3에서 인용부호가 붙여진 구성요소들은 도 1 및 도 2에서의 대응하는 것들과 대응한다. 켠 상태에서, 도 1 내지 도 3의 광학 장치의 외관은 일반적으로 그것의 방출광에 의해 큰 영향을 받는다. 그러나, 끈 상태에서, 광학 장치(300)를 바라보는 관측자는 광학 장치의 구성요소들의 주변광(352)의 반사를 본다. 주변광(352)은, 광학 장치(300)의 구성요소들로부터의 모든 반사는 물론이고, 다운 컨버터와의 상호작용(반사, 흡수, 및 재방출을 포함할 수 있는)까지 전체를 표현하기 위하여, 조명 기구에 비춰지는 파선으로 표시되어 있다. 마찬가지로, 반사광(354)은, 광학 장치(300) 내의 상이한 위치로부터의 반사광을 표현하기 위한 파선처럼, 조명 기구 내로부터 비춰진다. 예를 들어, 관측자(360)가 관측하는 반사광(354)은 트랜스플렉터(330), 다운 컨버터(320)(흡수 및 재방출의 효과도 포함하는), 반사기(340), 또는 심지어 광원(310) 중 하나 이상으로부터 반사되는 성분들을 포함할 수 있다. 이러한 성분들의 각각은 주변광의 외관을 변경시켜 광학 장치(300)가 변색된 것처럼 또는 생소하게 보이게 할 수 있다. 그러나, 외부 트랜스플렉터가 주변광(352)에 관한 지배적인 반사원(dominant source of reflection)을 제공하면, 반사광(354)은 주변광에 매우 유사해서, 관측자(360)의 관점에서 광학 장치(300)에 대해 더 중간색의 외관을 제공할 수 있다.
도 4는 원격 다운 컨버터를 포함하는 조명 기구의 상면도이다. 조명 기구(400)는 광원(410), 도광로(415), 다운 컨버터(420), 트랜스플렉터(430), 및 반사기(440)를 포함한다. 광원(410)은 조명 기구(400)의 기단에서든 또는 말단에서든 제공되며, 도광로(415) 속에 빛을 주입하도록 구성된다. 도광로(415)는 아크릴과 같은 재료로 형성된 종래의 고체 도광로일 수 있거나, 또는 그것은 가요성 도광로일 수 있다. 어떤 경우에, 도광로(415)가 생략되고, 다른 광학 구성요소들의 정반사성(또는 반반사성)이 광원(410)으로부터 조명 기구의 도처에 빛을 이송하는 역할을 할 수 있다.
광원(410)으로부터 방출된 빛은 도광로를 따라 전파되고, 다운 컨버터(420)에든 또는 반사기(440)에든 입사할 수 있다. 어떤 실시 양태에서, 조명 기구(400)는 어떤 반사기(440)도 갖지 않고, 빛이 도광로와 공기의 경계면에서의 내부 전반사에 의해 도광로(415) 내에 유지된다. 또한, 반사기(440) 없는 실시 양태에서, 임계각(스넬(Snell)의 법칙에 의해 주어지는)보다 작은 각도로 입사하는 빛은, 조명 기구(400)의 중심에서 공기를 통과하고, 도광로의 둘레를 따라 다른 한 점에서 도광로(415)에 재진입할 수 있다. 트랜스플렉터(430)는, 도 1 내지 도 3에서처럼, 적합한 프리즘 필름 또는 부분적 미러일 수 있다.
조명 기구(400)의 전체 형상은 다양할 수 있고, 일반적으로 도 4에 도시된 원통형은 단지 예시적이다. 원하는 빛 분포 프로파일 및 조명 기구 자체의 심미적 고려 둘 다에 따라 코너, 질감, 패턴, 다양한 정도의 곡률, 및 다른 관심 있는 디자인 특징이 가능하다.
도 5는 다른 한 예시적 광학 장치의 측면 단면도이다. 광학 장치(500)는 광원(510), 도광로(515), 다운 컨버터(520), 트랜스플렉터(530), 및 반사기(540)를 포함한다. 도 5는, 도 5가 에지 조명(edge-lit) 실시 양태인 것을 제외하고는, 일반적으로 도 1에 대응한다. 광학 장치(500)는 도광로(515) 및 도광로의 에지를 따라 배치된 광원(510)을 포함한다. 광원(510)은 도광로(515) 속에 빛을 주입하고, 그것은 도광로(515)의 평면내 방향 아래로 이송된다. 추출 특징요소들이 도광로(515) 위 또는 안에 포함되어 빛의 균일하거나 또는 패턴을 가진 추출을 돕게 할 수 있다.
이 명세서에 기술된 광학 장치 및 조명 기구들은 광범위한 작업 및 일반 조명 응용 둘 다에 유용할 수 있다. 머리 위 및 책상 조명 외에, 이 명세서에 기술된 실시 양태들은 심미적으로 흥미로운 조명 요소들을 제공하기 위한 자동차 콘솔 또는 건축물 셋팅과 같은 액센트 조명(accent lighting)을 쉽게 제공하도록 구성될 수 있다. 장치는 밝은 전구, 조명 기구, 간판, 및 작업 조명의 형태를 가질 수 있다. 식물에 제공되는 조명을 전반적으로 제어하는 것이 중요한 원예 응용에서, 이 명세서에 기술된 광학 장치가 이용될 수 있다. 기술된 광학 장치는 조명된 간판 및 그래픽에 이용될 수도 있다.
이 출원에 인용된 모든 미국 특허 및 미국 특허출원은 완전히 기술된 것처럼 이 명세서에 참고로 포함된다. 도면의 요소들에 대한 기술은, 달리 나타내지 않는 한, 다른 도면의 대응하는 요소들에 동일하게 적용하는 것을 알아야 한다. 이 발명은 전술된 특정 실시예 및 실시 양태에 제한되는 것으로 간주되어서는 안 되며, 그러한 실시 양태는 이 발명의 다양한 양태들의 설명을 용이하게 하기 위하여 상세히 기술된 것이다. 오히려, 이 발명은, 첨부된 특허청구범위에 의해 정해지는 이 발명의 범위 및 그 동등물 내에 있는 다양한 수정예, 동등한 프로세스, 및 대안적 장치를 비롯한, 이 발명의 모든 양태들을 망라하는 것으로 이해하여야 한다.
실시예
실시예 1:
MATLAB 소프트웨어(미국, 매사추세츠, 나틱 소재의 매쓰웍스(MathWorks)로부터 구입 가능한)를 이용하여 도 1에 기술된 조명 시스템의 계산 모델을 준비하였다. 배면 반사기(도 1의 배면 반사기(140)에 대응하는) 및 트랜스플렉터(도 1의 트랜스플렉터(130)에 대응하는) 구성요소들은 반구형 반사율, Rhemi(λ)을 특징으로 한다. 관심 있는 파장 범위에 걸쳐 계산하였고, 그 파장 범위에 대한 Rhemi(λ)은 단순하게 Rhemi이라고 지칭될 수 있다. 배면 반사기에 대한 Rhemi 값은 98%이었다(ESR로부터 얻을 수 있는 것과 비교할 수 있는). 트랜스플렉터의 Rhemi 값은, 기존의 필름에 의해 달성할 수 있는 재생 범위를 포함하기 위해, 0%(재생 없음)로부터 90%(고재생)까지 다양했다. 트랜스플렉터는 무채색인 것으로 가정하였고, 그래서 평탄한 스펙트럼을 가졌다.
광원은 대략 445nm의 파장으로 방출하는 청색 LED(110)로 이루어졌고, 다운 컨버팅 재료(120)는 대략 550nm에 중심을 둔 광범위한 방출 스펙트럼을 나타내는 원격 YAG 형광체 시트로 이루어졌다. 시스템에 의해 방출된 빛은 물론이고, 시스템에 의해 반사된 빛에 대해서도, 트랜스플렉터의 반구형 반사율의 함수로서 스펙트럼을 계산하였다.
방출된 스펙트럼은 청색 LED 및 YAG 형광체 시트의 알려진 스펙트럼으로부터 계산되었다. 이 스펙트럼 모델은, 다운 컨버팅 재료에 의한 흡수 후에 황색으로 부분적으로 변환되고 다운 컨버팅 시트를 부분적으로 투과한, 청색 LED로부터의 빛을 포함하였다. 청색 투과광은 트랜스플렉터를 부분적으로 투과하고 부분적으로 재생되어 추가적 황색 변환을 유발했다.
다운 컨버팅 시트의 농도 및 그에 따라 흡수를 조절함으로써 누적되는 방출된 스펙트럼을 조정하였다. 이 실시예에서, 농도는 관련 색온도를 가능한 한 6,500K에 가깝게 하도록 조절되었다. 반사된 스펙트럼의 계산은 주변 D65 표준 광원을 가정하였다. 모델은, 아무런 재생 없이 주변광이 다운 컨버팅 시트로부터 반사되고 황색으로 부분적으로 변환되어, 진하게 누르스름한 외관을 유발하는 것을 나타냈다. 재생이 있는 경우, 반사된 스펙트럼은 트랜스플렉터로부터의 주변 반사 및 공동 속에서의 주변광 커플링에 기인하는 방출된 스펙트럼의 조합이었다. 전면 반사가 증대되면, 주변과 반사광 사이의 색차가 감소되고, 끈 상태에서의 시스템의 외관은 더 백색이었다. DE 2.3이 인간의 육안으로 '단지 눈에 띄는 차이(just noticeable difference)'(1 JND)에 대응하는 것으로 하는 CIE L*a*b* 좌표계를 기초로 하여 색차를 델타 E(DE)로 수량화하였다. 아래의 표 1은 결과를 요약하고, 약 65%를 초과하는 Rhemi 값을 갖는 트랜스플렉터를 이용할 때 2.3보다 훨씬 아래의 DE 값을 갖는 백색(즉, 중간색) 외관이 달성될 수 있음을 나타낸다. 이 표에서, CCT [K]는 화씨 온도로 나타낸 색온도이고, xr 및 yr은 반사색을 위한 색좌표이며, xt 및 yt는 투과색을 위한 색좌표이고, DE는 색차이며, JND는 단지 눈에 띄는 차이 값이다.
[표 1]
Figure pct00004
실시예 2:
트랜스플렉터가 가시 스펙트럼의 나머지 부분에서보다 청색에서 더 고반사율을 갖게 착색된 것임을 제외하고는, 실시예 1에서처럼 조명 시스템의 계산 모델을 준비하였다.
30%의 평균 가시 반사율을 갖는 무채색 트랜스플렉터가 주변 스펙트럼으로부터 21 JND의 '끈' 상태 색차를 산출한다는 것을 나타내게 한 계산 모델을 이용하였다. 380nm 내지 490nm의 범위에서 70% 및 490nm 내지 800nm의 범위에서 12%의 반구형 반사율 Rhemi을 갖는 유사한 착색 트랜스플렉터가 단지 6 JND의 색차를 달성하였고, D65에 가까운 '켠' 상태 백색 점을 유지하였다.
예시적 실시 양태들은 다음을 포함한다:
항목 1. 조명 기구로서:
사실상 제1 파장의 빛을 생성하도록 구성된 하나 이상의 광원;
확산 반사율 구성요소를 갖는 트랜스플렉터; 및
트랜스플렉터에 인접하게 배치되지만, 하나 이상의 광원으로부터는 이격된 분포 영역 다운 컨버터 층을 포함하고, 다운 컨버터 층은 제1 파장으로부터 제2 파장까지의 빛의 적어도 일부를 다운 컨버팅하도록 구성되며, 제2 파장은 제1 파장보다 더 긴, 조명 기구.
항목 2. 조명 기구로서:
사실상 제1 파장의 빛을 생성하도록 구성된 하나 이상의 광원;
트랜스플렉터; 및
트랜스플렉터에 인접하게 배치되지만, 하나 이상의 광원으로부터는 이격된 분포 영역 다운 컨버터 층을 포함하고, 다운 컨버터 층은 제1 파장으로부터 제2 파장까지의 빛의 적어도 일부를 다운 컨버팅하도록 구성되며, 제2 파장은 제1 파장보다 더 길고,
트랜스플렉터 및 다운 컨버터 층은 각각 하나 이상의 만곡부를 포함하는, 조명 기구.
항목 3. 항목 2에 있어서, 트랜스플렉터 및 다운 컨버터 층은 각각 완전히 곡면인, 조명 기구.
항목 4. 항목 2에 있어서, 트랜스플렉터 및 다운 컨버터 층은 함께 사실상 환형을 이루는, 조명 기구.
항목 5. 항목 2에 있어서, 조명 기구는 원통의 측면 또는 원통 단면의 윤곽을 이루는, 조명 기구.
항목 6. 항목 1 또는 항목 2에 있어서, 배면 반사기를 더 포함하고, 배면 반사기는 다운 컨버터 층이 트랜스플렉터와 배면 반사기 사이에 배치되도록 배치된, 조명 기구.
항목 7. 항목 6에 있어서, 도광로를 더 포함하고, 도광로는 도광로가 다운 컨버터 층과 배면 반사기 사이에 배치되도록 배치된, 조명 기구.
항목 8. 항목 1 또는 항목 2에 있어서, 도광로를 더 포함하고, 도광로는 도광로가 다운 컨버터 층에 인접하게 배치된, 조명 기구.
항목 9. 항목 6에 있어서, 배면 반사기는 정반사 반사기인, 조명 기구.
항목 10. 항목 6에 있어서, 배면 반사기는 반반사 반사기인, 조명 기구.
항목 11. 항목 6에 있어서, 배면 반사기는 적어도 98%의 가시 스펙트럼에 걸쳐 반구형 반사율을 갖는, 조명 기구.
항목 12. 항목 1 또는 항목 2에 있어서, 트랜스플렉터는 구조화 표면 필름인, 조명 기구.
항목 13. 항목 1 또는 항목 2에 있어서, 트랜스플렉터는 부분적 미러 필름인, 조명 기구.
항목 14. 항목 1 또는 항목 2에 있어서, 다운 컨버터 층은 형광체 재료를 포함하는, 조명 기구.
항목 15. 항목 1 또는 항목 2에 있어서, 다운 컨버터 층은 양자점을 포함하는, 조명 기구.
항목 16. 항목 1 또는 항목 2에 있어서, 트랜스플렉터는 적어도 30%의 가시 스펙트럼에 걸쳐 반구형 반사율을 갖는, 조명 기구.
항목 17. 항목 1 또는 항목 2에 있어서, 트랜스플렉터는 적어도 40%의 가시 스펙트럼에 걸쳐 반구형 반사율을 갖는, 조명 기구.
항목 18. 항목 1 또는 항목 2에 있어서, 트랜스플렉터는 적어도 50%의 가시 스펙트럼에 걸쳐 반구형 반사율을 갖는, 조명 기구.
항목 19. 항목 1 또는 항목 2에 있어서, 트랜스플렉터는 적어도 60%의 가시 스펙트럼에 걸쳐 반구형 반사율을 갖는, 조명 기구.
항목 20. 항목 1 또는 항목 2에 있어서, 트랜스플렉터는 적어도 70%의 가시 스펙트럼에 걸쳐 반구형 반사율을 갖는, 조명 기구.
항목 21. 항목 1 또는 항목 2에 있어서, 트랜스플렉터는 적어도 80%의 가시 스펙트럼에 걸쳐 반구형 반사율을 갖는, 조명 기구.
항목 22. 항목 1 또는 항목 2에 있어서, 트랜스플렉터는 적어도 90%의 가시 스펙트럼에 걸쳐 반구형 반사율을 갖는, 조명 기구.
항목 23. 항목 1 또는 항목 2에 있어서, 끈 상태에서 D65 주변광으로 조명되면, 조명 기구로부터 반사하는 빛은 10 JND 이하인 주변광으로부터의 색차를 갖는, 조명 기구.
항목 24. 항목 1 또는 항목 2에 있어서, 끈 상태에서 D65 주변광으로 조명되면, 조명 기구로부터 반사하는 빛은 8 JND 이하인 주변광으로부터의 색차를 갖는, 조명 기구.
항목 25. 항목 1 또는 항목 2에 있어서, 끈 상태에서 D65 주변광으로 조명되면, 조명 기구로부터 반사하는 빛은 5 JND 이하인 주변광으로부터의 색차를 갖는, 조명 기구.
항목 26. 항목 1 또는 항목 2에 있어서, 끈 상태에서 D65 주변광으로 조명되면, 조명 기구로부터 반사하는 빛은 3 JND 이하인 주변광으로부터의 색차를 갖는, 조명 기구.
항목 27. 항목 1 또는 항목 2에 있어서, 끈 상태에서 D65 주변광으로 조명되면, 조명 기구로부터 반사하는 빛은 2 JND 이하인 주변광으로부터의 색차를 갖는, 조명 기구.
항목 28. 항목 1 또는 항목 2에 있어서, 끈 상태에서 D65 주변광으로 조명되면, 조명 기구로부터 반사하는 빛은 1 JND 이하인 주변광으로부터의 색차를 갖는, 조명 기구.
항목 29. 항목 1 또는 항목 2에 있어서, 끈 상태에서 D65 주변광으로 조명되면, 조명 기구로부터 반사하는 빛은 1,000K 이하인 주변광으로부터의 색온도차를 갖는, 조명 기구.
항목 30. 항목 1 또는 항목 2에 있어서, 끈 상태에서 D65 주변광으로 조명되면, 조명 기구로부터 반사하는 빛은 800K 이하인 주변광으로부터의 색온도차를 갖는, 조명 기구.
항목 31. 항목 1 또는 항목 2에 있어서, 끈 상태에서 D65 주변광으로 조명되면, 조명 기구로부터 반사하는 빛은 400K 이하인 주변광으로부터의 색온도차를 갖는, 조명 기구.
항목 32. 항목 1 또는 항목 2에 있어서, 끈 상태에서 D65 주변광으로 조명되면, 조명 기구로부터 반사하는 빛은 300K 이하인 주변광으로부터의 색온도차를 갖는, 조명 기구.
항목 33. 항목 1 또는 항목 2에 있어서, 끈 상태에서 D65 주변광으로 조명되면, 조명 기구로부터 반사하는 빛은 200K 이하인 주변광으로부터의 색온도차를 갖는, 조명 기구.
항목 34. 항목 1 또는 항목 2에 있어서, 끈 상태에서 D65 주변광으로 조명되면, 조명 기구로부터 반사하는 빛은 100K 이하인 주변광으로부터의 색온도차를 갖는, 조명 기구.
항목 35. 항목 1 또는 항목 2에 있어서, 제1 파장은 사실상 청색인, 조명 기구.
항목 36. 항목 1 또는 항목 2에 있어서, 제1 파장은 사실상 자외선인, 조명 기구.
항목 37. 항목 1 또는 항목 2에 있어서, 제2 파장은 사실상 황색인, 조명 기구.

Claims (15)

  1. 조명 기구로서:
    사실상 제1 파장의 빛을 생성하게 구성된 하나 이상의 광원;
    확산 반사율 구성요소를 갖는 트랜스플렉터; 및
    트랜스플렉터에 인접하게 배치되지만, 하나 이상의 광원으로부터는 이격된 분포 영역 다운 컨버터 층을 포함하고, 다운 컨버터 층은 제1 파장으로부터 제2 파장까지의 빛의 적어도 일부를 다운 컨버팅하도록 구성되며, 제2 파장은 제1 파장보다 더 긴, 조명 기구.
  2. 조명 기구로서:
    사실상 제1 파장의 빛을 생성하게 구성된 하나 이상의 광원;
    트랜스플렉터; 및
    트랜스플렉터에 인접하게 배치되지만, 하나 이상의 광원으로부터는 이격된 분포 영역 다운 컨버터 층을 포함하고, 다운 컨버터 층은 제1 파장으로부터 제2 파장까지의 빛의 적어도 일부를 다운 컨버팅하도록 구성되며, 제2 파장은 제1 파장보다 더 길고,
    트랜스플렉터 및 다운 컨버터 층은 각각 하나 이상의 만곡부를 포함하는, 조명 기구.
  3. 제2항에 있어서, 트랜스플렉터 및 다운 컨버터 층은 각각 완전히 곡면인, 조명 기구.
  4. 제2항에 있어서, 트랜스플렉터 및 다운 컨버터 층은 함께 사실상 환형을 이루는, 조명 기구.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 배면 반사기를 더 포함하고, 배면 반사기는 다운 컨버터 층이 트랜스플렉터와 배면 반사기 사이에 배치되도록 배치된, 조명 기구.
  6. 제5항에 있어서, 도광로를 더 포함하고, 도광로는 다운 컨버터 층과 배면 반사기 사이에 배치되도록 배치된, 조명 기구.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 도광로를 더 포함하고, 도광로는 다운 컨버터 층에 인접하게 배치된, 조명 기구.
  8. 제5항에 있어서, 배면 반사기는 적어도 98%의 가시 스펙트럼에 걸쳐 반구형 반사율을 갖는, 조명 기구.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서, 트랜스플렉터는 구조화 표면 필름인, 조명 기구.
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서, 트랜스플렉터는 부분적 미러 필름인, 조명 기구.
  11. 제1항 또는 제2항에 있어서, 다운 컨버터 층은 형광체 재료를 포함하는, 조명 기구.
  12. 제1항 또는 제2항에 있어서, 다운 컨버터 층은 양자점을 포함하는, 조명 기구.
  13. 제1항 또는 제2항에 있어서, 트랜스플렉터는 적어도 30%의 가시 스펙트럼에 걸쳐 반구형 반사율을 갖는, 조명 기구.
  14. 제1항 또는 제2항에 있어서, 끈 상태에서 D65 주변광으로 조명되면, 조명 기구로부터 반사하는 빛은 10 JND 이하인 주변광으로부터의 색차를 갖는, 조명 기구.
  15. 제1항 또는 제2항에 있어서, 끈 상태에서 D65 주변광으로 조명되면, 조명 기구로부터 반사하는 빛은 1,000K 이하인 주변광으로부터의 색온도차를 갖는, 조명 기구.
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