KR20170127508A - 색점 가변 발광 장치 - Google Patents

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올렉산드르 발렌티노비치 브도빈
리팟 아타 무스타파 히크멧
페트루스 테오도루스 유테
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코닌클리케 필립스 엔.브이.
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Abstract

색점 가변 발광 장치가 제공된다. 색점 가변 장치는 파장 변환 요소(108) 및 비파장 변환 요소(110)를 포함하는 부재(104) - 파장 변환 요소(108)는 제1 파장(112)의 광을 제2 파장(114)의 광으로 변환하고 제2 파장(114)의 광을 방출(116)하도록 배열되고, 비파장 변환 요소(110)는 제1 파장(112)의 광을 재지향(118)하도록 배열됨 -, 제어가능한 광학 요소(120)를 갖고, 제1 파장(112)의 광으로, 파장 변환 요소(108)의 부분(122)과 비파장 변환 요소(110)의 부분(124, 125) 둘 다를 조명하도록 배열되는 광원(102), 및 광원(102)에 의해 조명되는 파장 변환 요소(108, 208)의 부분(122)과 비파장 변환 요소(110)의 부분(124, 125)의 비율이 변화되도록 제어가능한 광학 요소(120)를 제어하도록 배열되는 제어기(106)를 포함한다. 광의 색점을 변화시키는 방법이 더 제공된다.

Description

색점 가변 발광 장치
본 발명은 색점 가변 발광 장치 및 광의 색점을 변화시키는 방법에 관한 것이다.
백색 광을 방출하는 최신의 에너지-효율 광원 모듈은 보통 청색 스펙트럼 범위에서 광을 제공하는, 발광 다이오드, LED 및 청색 광의 적어도 일부를 녹색-황색 스펙트럼 범위로 변환하도록 배열되는 파장 변환 요소에 기초한다. 이러한 광원 모듈에 의해 제공된 백색 광의 색점(color point)은 2개의 스펙트럼 기여들(two spectral contributions), 즉, 청색 및 황색-녹색 광의 비율에 의해 결정된다. 광원 모듈의 색점은 예를 들어, 청색 광의 전력, 파장 변환 요소의 두께, 재료 및/또는 구조에 의해 주어진 값으로 설정될 수 있다. 따라서, 파장 변환 요소와의 상호작용에 의해 변환된 광의 양을 조정하는 것이 가능하다. 대안적으로, 후방-반사 미러들과 같은 추가의 광학 소자들이 2개의 스펙트럼 기여들, 즉, 청색 및 황색-녹색 광의 비율을 변화시키기 위해 사용될 수 있다. 그러나, 광원 모듈로부터 방출된 광의 색점을 제어하기 위해, 파장 변환 요소의 파장 변환 효율로서 도전하는 것은 보통 동작 조건들에 의해 영향받는데, 주로 중요한 것은 구동 전류 및 주위 온도이다.
광원 모듈은 파장 변환 재료로부터 방출된 황색-녹색 광의 빔에 부가되는 청색 광의 분리 빔을 가질 수 있다. 2개의 빔으로부터의 광의 조합은 광원 모듈로부터 방출된 백색 광의 색점의 조정을 가능하게 한다. 이 방식이 보편적이지만, 그것은 광원 모듈의 아키텍처의 추가의 복잡성을 초래하고 광학 설계를 더 복잡하게 한다.
본 발명의 목적은 상기 문제들의 적어도 일부를 극복하고, 방출된 광의 색점의 개선된 제어를 제공하는 것이다.
본 발명의 한 양태에 따르면, 이 양태 및 다른 양태들은 색점 가변 발광 장치를 제공함으로써 달성된다. 색점 가변 발광 장치는 파장 변환 요소 및 비파장 변환 요소를 포함하는 부재 - 파장 변환 요소는 제1 파장의 광을 제2 파장의 광으로 변환하고 제2 파장의 광을 방출하도록 배열되고, 비파장 변환 요소는 제1 파장의 광을 재지향하도록 배열됨 -, 제어가능한 광학 요소를 갖고, 제1 파장의 광으로, 파장 변환 요소의 부분 및 비파장 변환 요소의 부분 둘 다를 조명(illuminate)하도록 배열되는 광원, 및 제어가능한 광학 요소를 제어하도록 배열되는 제어기를 포함한다. 제어가능한 광학 요소는 광원에 의해 조명되는 파장 변환 요소의 부분 및 비파장 변환 요소의 부분의 공간적 연장을 변화시키도록 배열된다.
장점은 색점 가변 발광 장치로부터 방출된 광의 색점, 즉 스펙트럼 구성이 효율적으로 조정될 수 있다는 것이다. 바꾸어 말하면, 방출된 광의 색점이 파장 변환 요소 및 비파장 변환 요소의 각각의 부분들을 조명하는 광의 양이 변경, 또는 변화되도록 제어가능한 광학 요소를 조정함으로써 원하는 값으로 설정될 수 있다. 방출된 광의 색점을 조정하기 위한 간단하고, 소형이고 비용 효과적인 배열이 그럼으로써 달성된다.
광을 변환하는 파장 변환 요소의 효율은 예를 들어 파장 변환 부재로부터 방출된 광의 전력이 온도 변화의 결과에 따라 변화할 수 있도록 그것의 온도에 의존할 수 있다. 이것은 색점 가변 발광 장치의 색점에 영향을 줄 수 있다. 그러나, 조명되는 파장 변환 요소의 부분과 비파장 변환 요소의 부분의 비율의 변화는 방출된 광의 원하는 색점이 유지될 수 있도록 색점 가변 발광 장치로부터 방출된 광의 스펙트럼 구성을 복원시킬 수 있다.
광학 요소라는 용어는 광의 특성이 변화되도록 광에 작용하는 요소라고 이해되어야 한다. 광학 요소는 예를 들어 광의 방향 및/또는 광의 전파 경로를 변화시킬 수 있다. 광학 요소는 광의 공간적 연장에 더 영향을 줄 수 있다. 광학 요소는 예를 들어 렌즈, 프리즘, 격자, 미러, 다이어프램(diaphragm), 환상(annular) 및/또는 슬릿을 포함할 수 있다.
파장 변환 요소라는 용어는 제1 파장, 또는 제1 파장 범위의 광을 제2 파장, 또는 제2 파장 범위의 광으로 변환하는 임의의 요소라고 이해되어야 한다. 파장 변환은 조명 광의 파장에 대한 변환된 방출 광의 파장의 스토크스 시프트(Stokes shift)의 발생을 제공하는 발광, 형광, 및/또는 인광에 기인할 수 있다.
비파장 변환 요소라는 용어는 제1 파장의 광이 파장 또는 파장 범위의 시프트, 또는 변화없이 재지향되도록 제1 파장의 광을 산란, 굴절, 회절 및/또는 반사시키는 임의의 요소라고 이해되어야 한다.
제어가능한 광학 요소는 파장 변환 요소의 부분 및 비파장 변환 요소의 부분 둘 다를 조명하는 제1 파장의 광의 각도 분포를 변화시키도록 배열될 수 있다. 제1 파장과 제2 파장의 광의 상대적 기여를 변화시키는 간편한 해결책이 그럼으로써 추가의 광학 요소들을 필요로 하지 않고 획득된다. 색점 가변 발광 장치에 의해 방출된 광의 색점의 효율적인 조정이 더 획득된다.
부재는 파장 변환 요소 및 비파장 변환 요소에 의해 구축된 단일 유닛일 수 있다. 색점 가변 발광 장치의 간소화된 어셈블리 및 정렬이 그럼으로써 제공된다.
비파장 변환 요소는 제1 파장의 광에 의해 조명될 때, 제1 파장의 광을 산란시키도록 배열되는 산란 요소를 포함할 수 있다. 제1 파장의 광의 산란은 색점 가변 발광 장치로부터 방출된 광의 각도에 따른 색의 변화들(color-over-angle variations)이 감소될 수 있도록 광의 효율적인 재분배를 가능하게 한다. 따라서, 색점 가변 발광 장치로부터 방출된 광의 공간적으로 보다 균일한 색점이 달성된다.
산란 요소는 램버트 광 분포(Lambertian light distribution)로 제1 파장의 광을 산란시키도록 배열될 수 있다. 산란 요소는 그럼으로써 각도 분포가 파장 변환 요소로부터 방출된 제2 파장의 광의 각도 분포와 유사한 비파장 변환 재료에서 나가는 제1 파장의 광을 제공할 수 있다. 색점 가변 발광 장치로부터 방출된 광의 각도에 따른 색의 변화들이 그럼으로써 감소될 수 있다. 따라서, 공간적으로 더욱 균일한 스펙트럼 분포를 갖는 광의 방출이 획득될 수 있다.
비파장 변환 요소는 제1 파장의 광에 의해 조명될 때, 제1 파장의 광을 굴절 및/또는 회절시키도록 배열되는 굴절 및/또는 회절 요소를 포함할 수 있다. 제1 파장의 광은 그럼으로써 공간에 효율적으로 재지향될 수 있다.
비파장 변환 요소는 제1 파장의 광에 의해 조명될 때, 제1 파장의 광을 반사시키도록 배열되는 반사 요소를 포함할 수 있다. 제1 파장의 광은 그럼으로써 공간에 효율적으로 재지향될 수 있다.
비파장 변환 요소에서 나가는 제1 파장의 광의 각도 방향 및 분포는 그럼으로써 굴절, 회절 및/또는 반사에 의해, 파장 변환 요소로부터 방출된 제2 파장의 광과 일치하도록 설정될 수 있다. 색점 가변 발광 장치로부터 방출된 광의 개선된 균일성이 그럼으로써 획득될 수 있다.
파장 변환 요소는 재료의 도핑된 부분을 포함할 수 있고 비파장 변환 요소는 재료의 비도핑된 부분을 포함한다. 색점 가변 발광 장치의 간소화된 제조가 비파장 변환 요소 및 파장 변환 요소를 제공할 때 동일한 재료를 사용함으로써 획득될 수 있다. 재료의 도핑은 제1 파장의 광이 제2 파장의 광으로 변환되도록 파장 변환 요소에서의 광 변환을 용이하게 하는 것으로 이해되어야 한다. 재료의 원하는 부분을 도핑함으로써 광의 파장 변환을 제공된다.
파장 변환 요소 및/또는 비파장 변환 요소는 이트륨 알루미늄 가넷, YAG를 포함할 수 있다.
파장 변환 요소는 Ce로 도핑된 이트륨 알루미늄 가넷(yttrium aluminum garnet), YAG, 또는 루테늄 알루미늄 가넷(lutetium aluminum garnet), LuAG를 포함한다.
산란 요소는 반투명 다결정 알루미나 세라믹들, PCA, 티타늄 산화물, TiO2, 지르코늄 산화물, ZrO2, 하프늄 산화물, HfO2, 아연 산화물, ZnO, 알루마늄 산화물, Al2O3, 탄탈룸 산화물, Ta2O5, 니오븀 산화물, Nb2O5, 이트륨 산화물, Y2O3, 이트륨 알루미늄 가넷, YAG Y3Al5O12, 바륨 황산염, BaSO4을 포함하는 재료들의 그룹으로부터 선택된 재료를 포함할 수 있거나, 또는 공기가 포함된 것들(air inclusions) 또는 표면 구조, 또는 이들의 조합들을 포함한다.
반사 요소는 은, 알루미늄, 붕소 질화물, 마이크로셀룰러 형성된 폴리에틸렌 테레프탈레이트, MCPET, 반투명 다결정 알루미나 세라믹들, PCA, 티타늄 산화물, TiO2, 또는 이들의 조합들을 포함하는 재료들의 그룹으로부터 선택된 재료를 포함할 수 있다.
반사 요소는 세라믹들, YAG, 사파이어, 유리, 또는 산란 요소를 포함하는 실리콘 수지와 같은 바인더 재료를 더 포함할 수 있다.
반사 요소는 산란 요소를 포함하는 바인더 재료를 포함할 수 있다.
광원은 레이저 다이오드 및/또는 발광 다이오드(LED)를 포함할 수 있다.
본 발명의 제2 양태에 따르면, 광의 색점을 변화시키는 방법이 제공된다. 방법은 파장 변환 요소 및 비파장 변환 요소를 포함하는 부재를 제공하는 단계 - 파장 변환 요소는 제1 파장의 광을 제2 파장의 광으로 변환하고 제2 파장의 광을 방출하도록 배열되고, 비파장 변환 요소는 제1 파장의 광을 재지향하도록 배열됨 -, 제어가능한 광학 요소를 갖는 광원으로부터의 제1 파장의 광으로 부재의 파장 변환 요소의 부분 및 비파장 변환 요소의 부분 둘 다를 조명하는 단계, 및 제어가능한 광학 요소를 제어기로 제어하는 단계를 포함한다. 제어가능한 광학 요소는 부재에 의해 방출 및/또는 재지향된 광의 색점이 변화되도록 광원에 의해 조명되는 파장 변환 요소의 부분 및 비파장 변환 요소의 부분의 공간적 연장을 변화시키도록 제어된다.
이러한 방법의 기능 및 이점들이 색점 가변 발광 장치와 관련하여 위에 설명되었다. 위에 언급된 특징들은 적용가능할 때, 역시 이 제2 양태에 적용한다. 지나친 반복을 피하기 위해서, 상기가 참조된다.
본 발명은 청구범위에서 나열된 특징들의 모든 가능한 조합들에 관한 것이라는 점에 주목한다.
본 발명의 이 양태 및 다른 양태들이 본 발명의 실시예들을 도시한 첨부된 도면을 참조하여, 이제 보다 상세히 설명될 것이다.
도 1은 투과 모드에서 광을 방출하는 색점 가변 발광 장치의 측단면도를 도시한다.
도 2는 반사 모드에서 광을 방출하는 또 하나의 색점 가변 발광 장치의 측단면도를 도시한다.
도 3은 광의 색점을 변화시키는 방법을 도시한다.
도면에 도시된 바와 같이, 층들 및 영역들의 크기들이 예시 목적들을 위해 과장되어 있으므로, 본 발명의 실시예들의 일반적인 구조들을 예시하기 위해 제공된다. 유사한 참조 번호들은 전체에 걸쳐 유사한 요소들을 참조한다.
본 발명이 이제 본 발명의 현재 양호한 실시예들이 도시된 첨부 도면을 참조하여 이후 더욱 완전히 설명될 것이다. 그러나, 본 발명은 많은 상이한 형태들로 실시될 수 있고 여기에 기술된 실시예들로 제한되는 것으로 해석되지 않아야 하고; 오히려, 이들 실시예는 철저함과 완전성을 위해 제공되고, 본 발명의 범위를 통상의 기술자에게 완전히 전달한다.
도 1은 투과 모드에서 광을 방출하는 색점 가변 발광 장치(100)의 측단면도를 도시한다. 여기서부터 계속 발광 장치(100)라고 하는 색점 가변 발광 장치(100)는 광원(102), 부재(104), 및 제어기(106)를 포함한다.
광원(102)은 효율적인 조명을 제공하는, 레이저 다이오드 및/또는 발광 다이오드, LED를 포함할 수 있다. 광원(102)으로부터 방출된 광은 단색 및/또는 시준될 수 있다.
부재(104)는 이 경우에 파장 변환 요소(108) 및 비파장 변환 요소(110)에 의해 구축된 단일 유닛이다.
파장 변환 요소(108)는 제1 파장(112)(또는 제1 파장 범위)의 광을 제2 파장(114)(또는 제2 파장 범위)의 광으로 변환하고 제2 파장(114)의 광을 방출(116)하도록 배열된다. 비파장 변환 요소(110)는 제1 파장(112)의 광을 재지향(118)하도록 배열된다. 따라서, 제1 파장(112) 및 제2 파장(114)의 광이 발광 장치(100)로부터 방출된다.
광원(102)은 제어가능한 광학 요소(120)를 갖는다. 광원(102)은 제1 파장(112)의 광으로 파장 변환 요소(108)의 부분(122)과 비파장 변환 요소(110)의 부분(124) 둘 다를 조명하는 것으로 도시되어 있는데, 도 1에서 점-쇄선 조명 콘(126)으로 표시된 각도 분포를 볼 수 있다. 제1 파장(112)과 제2 파장(114)의 광의 비율은 발광 장치(100)로부터 방출된 광의 색점을 결정한다. 바꾸어 말하면, 발광 장치(100)로부터 방출된 광의 스펙트럼 분포는 조명되는 각각의 부분들(122 및 124)의 크기를 조정함으로써 원하는 값으로 설정될 수 있다. 부분(122, 124)이 클수록 대응하는 파장의 더 많은 광이 발광 장치(100)에 의해 방출된다.
제어기(106)는 광원(102)에 의해 조명되는 파장 변환 요소(108)의 부분(122)과 비파장 변환 요소(110)의 부분(124)의 비율이 변화되도록 제어가능한 광학 요소(120)를 제어하도록 배열된다. 제어가능한 광학 요소(120)는 파장 변환 요소(108)의 부분(122)과 비파장 변환 요소(110)의 부분(124) 둘 다를 조명하는 제1 파장(112)의 광의 각도 분포를 변화(121)시키도록 더 배열된다.
이 목적을 위해, 도 1 내의 (점선) 조명 콘(128)은 부분(124)이 점-쇄선 조명 콘(126)에 의해 조명될 때의 상황에 비해 비파장 변환 요소(110)의 부분(125)이 크기가 감소되는 상황을 예시한다. 제2 파장(114)의 광은 조명 각도가 조명 콘(126)으로부터 (더 작은) 조명 콘(128)으로 변화됨에 따라 발광 장치(100)에 의해 방출된 전체 광의 보다 큰 부분이다. 바꾸어 말하면, 조명 콘(128)은 비파장 변환 요소(110)에 의해 재지향될 수 있는 제1 파장(112)의 광의 양을 감소시킨다.
발광 장치(100)는 그럼으로써 조명 콘을 변화시킴으로써 색점이 변화될 수 있는 광의 방출을 가능하게 한다. 예를 들어, 사용 중에 가열로 인한 주위 온도의 변화 또는 부재(104)의 온도의 변화로부터 야기되는 색점의 변화는 그럼으로써 조명되는 파장 변환 요소(108)의 부분(122)과 비파장 변환 요소들의 부분(124, 125)의 비율을 변화시킴으로써 효율적으로 대응될 수 있다. 온도는 예를 들어, 온도 센서에 의해 측정될 수 있고 제어기(106)의 입력 신호일 수 있다.
제1 파장(112)의 광은 청색 광을 제공하는 광학 스펙트럼의 청색 범위의 파장을 가질 수 있고 제2 파장(114)의 광은 황색-녹색 광을 제공하는 광학 스펙트럼의 황색-녹색 범위의 파장을 가질 수 있다. 발광 장치(100)로부터의 청색 및 황색-녹색 광은 조합될 때 백색 광을 더 발생할 수 있다. 따라서, 발광 장치(100)는 청색 및 황색-녹색 광의 양을 조정함으로써 원하는 스펙트럼 분포로 백색 광을 제공할 수 있다. 발광 장치(100)에 의해 방출된 백색 광은 예를 들어 조명되는 부분(124)의 면적을 증가시킴으로써, 더 백색으로 나타나게 될 수 있는데, 즉 광은 비파장 변환 요소(110)에 의해 재지향되는 제1 파장(112)의 청색 광의 양을 증가시킴으로써 황색의 색이 더 옅어지게 된다.
보다 일반적으로, 백색 광의 색점은 제1(112)과 제2(114) 파장의 광의 비율을 조정함으로써 미리 결정된 값으로 설정될 수 있다. 예를 들어, 약 3:1의 황색-녹색 대 청색 스펙트럼 기여는 약 3000K의 색점을 갖는 백색 광을 제공할 수 있다. 따라서, 이러한 색점을 제공하기 위해 파장 변환 요소(108)의 부분(122)에 비해 비파장 변환 요소(110)의 비교적 작은 부분(124)만이 조명될 필요가 있다. 원하는 색점을 갖는 광을 방출하는 소형의 조정가능한 발광 장치(100)가 그럼으로써 제공될 수 있다.
제2 파장(114)의 광의 양은 파장 변환 요소(108)의 두께를 증가시킴으로써 증가될 수 있는데, 즉 두께가 클수록 파장 변환 요소(108)의 파장 변환 효율이 증가될 수 있다.
제어가능한 광학 요소(120)는 광원(102) 내로 통합되거나 광원(102) 외부에 있을 수 있다는 점에 주목하여야 한다.
본 기술 분야의 통상의 기술자는 제어가능한 광학 요소(120)가 광의 각도 분포를 변화(121)시키는 것뿐만 아니라 파장 변환 요소(108)의 부분(122)과 비파장 변환 요소(110)의 부분(124) 둘 다를 조명하는 제1 파장(112)의 광의 분포를 변화시키도록(121) 배열될 수 있다는 것을 인식한다. 각각의 부분들(122 및 124)을 조명하는 광의 분포는 예를 들어 아이리스 다이어프램이라고도 하는 다이어프램을 이용함으로써 부분들(122, 224) 상의 광의 공간적 연장을 변화시킴으로써 변화될 수 있다. 바꾸어 말하면, 부재를 조명하는 광의 빔의 빔 직경은 다이어프램의 개구의 크기를 변경함으로써 변화될 수 있다. 대안적으로, 제1 파장의 광이 부재에 도달할 때 획득되는 조명 스폿(illumination spot)은 제어가능한 광학 요소를 변화시킴으로써 부재 상의 그것의 위치를 변화시키도록 될 수 있다. 각각의 부분들(122 및 124) 상에 조명하는 광의 분포가 그럼으로써 부재에 대한 광원의 이동에 의해 변화될 수 있는데, 즉, 조명 스폿이 부재를 가로질러 스위프될 수 있다.
조명 스폿의 크기는 광의 초점을 변화시킴으로써 또는 제어가능한 광학 요소의 개구수를 변화시킴으로서 더 변화될 수 있다.
초점을 변화시키고 부재 상의 조명 스폿의 위치를 시프트하는 것의 조합은 파장 변환 요소 및 비파장 변환 요소의 각각의 부분들을 노출하는 광의 균형을 맞추기 위해 더 사용될 수 있다.
광의 분포의 변화의 결과로서 파장 변환 요소의 부분 및 비파장 변환 요소의 부분을 조명하는 제1 파장의 광의 비율이 조정될 수 있다.
제어기(106)는 광원(102)과 단일 유닛을 형성할 수 있다.
파장 변환 요소(108)는 Ce 또는 Lu로 도핑된 이트륨 알루미늄 가넷, YAG를 포함할 수 있다. Ce로 도핑된 YAG는 가시 광 스펙트럼의 황색-녹색 부분에서 광 방출을 제공하고 청색 광으로 조명될 때 비교적 높은 변환 효율을 갖는다. 본 기술 분야의 통상의 기술자는 다른 재료들 및/또는 도펀트들이 제1 파장으로부터 제2 파장으로의 파장 변환을 위해 사용될 수 있다는 것을 인식한다.
비파장 변환 요소(110)는 비파장 변환 요소(110)의 부분(124, 125)을 조명하는 제1 파장(112)의 광이 굴절되도록 굴절 요소를 포함할 수 있다. 도 1에서, 비파장 변환 재료는 굴절 요소(111)이다. 비파장 변환 요소(110)는 그럼으로써 제1 파장(112)의 광이 재지향되도록(118) 광을 굴절시킨다.
비파장 변환 요소(110)의 치수들, 기하구조 및/또는 굴절률은 제1 파장(112)의 광이 발광 장치(100)로부터 방출되는 각도 방향들 및/또는 공간 위치들을 결정할 수 있다. 따라서, 그것의 두께 및 기하구조와 같은 치수들뿐만 아니라 비파장 변환 요소(110)의 재료의 선택은 면 경사들이 발광 장치(100)로부터 방출되는 제1 파장(112)의 광의 공간적 분포를 설정할 수 있도록 이루어진다.
비파장 변환 요소(110)는 제1 파장(112)의 광이 YAG 재료를 통해 투과될 때 효율적으로 굴절될 수 있도록, 공기보다 큰 굴절률, 예를 들어, 가시 스펙트럼에서 적어도 1.8인 이트륨 알루미늄 가넷, YAG를 포함할 수 있다.
비파장 변환 요소(110)는 산란 요소(130)를 포함할 수 있다. 도 1에, 복수의 산란 요소(130)가 도시된다. 산란 요소(130)는 제1 파장(112)의 광이 산란 요소들(130)에 입사할 때 제1 파장(112)의 광을 산란시키도록 배열된다.
산란 요소들(130)은 산란 요소들(130)을 둘러싸는 비파장 변환 재료(110)의 것과 상이한 굴절률을 가질 수 있다. 굴절률의 차이는 광의 효율적인 산란을 가능하게 하므로 제1 파장(110)의 광이 산란 요소들(130)에 의해 효율적으로 재분배될 수 있다. 도 1 내의 산란 요소들(130)은 비파장 변환 요소(110) 내에 무작위로 분포된다. 본 기술 분야의 통상의 기술자는 비파장 변환 요소(110) 내의 산란 요소들(130)의 다른 분포들이 가능하고 산란 요소들(130)의 위치들이 산란되는 광의 양 및 광이 산란되는 각도들에 영향을 줄 수 있다는 것을 인식한다.
일반적으로, 산란 요소들의 분포는 파장 변환 요소로부터 방출된 광의 각도 방출 분포에 순응 및/또는 부합하기 위해 변화될 수 있다.
산란 요소들(130)의 크기 및 형상은 광의 산란에 더 영향을 줄 수 있다. 구형의 산란은 예를 들어 Mie-이론에 의해 설명될 수 있고 본 기술 분야의 통상의 기술자는 주어진 파장에 대해 산란 요소의 크기뿐만 아니라, 산란 요소(130) 및 그것의 주변의 굴절률과 같은 광 파라미터들이 산란 요소(130)의 산란 효율에 영향을 줄 수 있다는 것을 이해한다. 이들 파라미터의 적절한 선택에 의해 주어진 파장의 산란이 개선될 수 있다.
산란 요소(130)는 예를 들어, 반투명 다결정 알루미나 세라믹들, PCA, 티타늄 산화물, TiO2, 지르코늄 산화물, ZrO2, 하프늄 산화물, HfO2, 아연 산화물, ZnO, 알루마늄 산화물, Al2O3, 탄탈룸 산화물, Ta2O5, 니오븀 산화물, Nb2O5, 이트륨 산화물, Y2O3, 이트륨 알루미늄 가넷, YAG Y3Al5O12, 바륨 황산염, BaSO4을 포함하는 재료들의 그룹으로부터 선택된 재료를 포함하고, 또는 공기가 포함된 것들 또는 표면 구조, 또는 이들의 조합들을 포함할 수 있다.
본 기술 분야의 통상의 기술자는 예를 들어 PCA의 경우에 산란이 세라믹들의 벌크에서, 즉 다결정 입자 경계들 사이의 굴절률 변화들 상에 발생한다는 것을 인식한다. 그러한 점에서 산란 요소(130)와 비파장 변환 부재(110)는 일체로 구성된다.
산란 요소는 공기를 포함하는 것들을 포함할 수 있다.
산란 요소는 표면 구조를 포함할 수 있다. 표면 구조는 광이 비파장 변환 재료의 표면에서 산란 및/또는 굴절되도록 비파장 변환 요소의 거칠어진 표면일 수 있다. 산란 요소는 산란에 의해 광의 효율적인 재분배를 제공하는 예를 들어 반구형 구조들 또는 다른 미세구조들의 표면 패턴들을 더 포함할 수 있다.
파장 변환 요소(108)는 루미라믹 TM, 즉, 광의 효율적인 파장 변환을 제공하는 Ce(Ⅲ) 도핑된 이트륨 가돌리늄 알루미늄 가넷(Ce (III) doped yttrium gadolinium aluminum garnet)(Y,GdAG:Ce)의 다결정 세라믹 플레이트를 포함할 수 있다.
파장 변환 요소(108)는 Ce로 도핑된 이트륨 알루미늄 가넷, YAG, 또는 루테늄 알루미늄 가넷, LuAG를 포함할 수 있다.
도 2는 반사 모드에서 광을 방출하는 색점 가변 발광 장치(200)의 측단면도를 도시한다. 여기서부터 계속 발광 장치(200)라고 하는 색점 가변 발광 장치(200)는 도 1과 관련하여 또한 설명된 것과 같은, 광원(102), 부재(204), 및 제어기(106)를 포함한다.
부재(204)는 이 경우에 파장 변환 요소(208) 및 비파장 변환 요소(210)에 의해 구축된 단일 유닛이다. 파장 변환 요소(208)는 제1 파장(112)의 광을 제2 파장(114)의 광으로 변환하고 제2 파장(114)의 광을 방출(216)하도록 배열된다. 비파장 변환 요소(210)는 제1 파장(112)의 광을 재지향(218)하도록 배열된다. 따라서, 제1 파장(112) 및 제2 파장(114)의 광이 발광 장치(200)로부터 방출된다.
위에 논의된 바와 같이, 광원(102)은 제1 파장(112)의 광으로 파장 변환 요소(208)의 부분(122)과 비파장 변환 요소(210)의 부분(124) 둘 다를 조명하는 것으로 도시되어 있는데, 도 2에서 조명 콘들(126 및 128)로 표시된 각도 분포를 볼 수 있다. 광원(102)의 다른 특징들 및 이점들은 간결성을 위해 다시 개시되지 않을 것이고 도 1이 참조된다.
제1 파장(112)과 제2 파장(114)의 광의 비율은 발광 장치(200)로부터 방출된 광의 색점을 결정한다. 바꾸어 말하면, 발광 장치(200)로부터 방출된 광의 스펙트럼 분포는 조명되는 각각의 부분들(122 및 124)의 크기를 조정함으로써 원하는 값으로 설정될 수 있다. 이것은 파장 변환 요소(108)의 부분(122)과 비파장 변환 요소(110)의 부분(124) 둘 다를 조명하는 제1 파장(112)의 광의 각도 분포를 변화(121)시킴으로써 달성될 수 있다.
제1 파장(112)의 광의 효율적인 분포를 제공하기 위해 비파장 변환 요소(210)는 반사 요소(211)를 포함한다. 반사 요소(211)는 제1 파장(112)의 광에 의해 조명될 때, 그것이 재지향(218)되도록 제1 파장(112)의 광을 반사시키도록 배열된다. 발광 장치(200)는 그럼으로써 제1(112) 및 제2(114) 파장의 광을 방출할 수 있다.
도 2에 요소(211)는 표면 요소로 도시되었지만, 본 기술 분야의 통상의 기술자는 반사는 또한 비파장 변환 재료의 벌크에서 발생할 수 있다는 것을 인식한다는 점에 주목하여야 한다.
제어기(106)는 발광 장치(200)의 색점의 조정을 달성하도록 배열된다. 이것은 광원(102)에 의해 조명되는 파장 변환 요소의 부분(122)과 비파장 변환 요소의 부분(124)의 비율이 변화되도록 제어가능한 광학 요소(120)를 제어함으로써 달성된다. 도 2 내의 쇄선 조명 콘(128)은 또한 점-쇄선 조명 콘(126)에 의해 조명된 부분(124)에 비해 비파장 변환 요소(210)의 부분(125)이 크기가 감소되는 상황을 예시한다.
제1 파장(112)의 광은 그럼으로써 발광 장치(200)의 반사 요소(211)에 의해 더 작은 정도로 반사된다. 발광 장치(200)는 그럼으로써 색점이 변화될 수 있는 광의 방출을 가능하게 한다. 예를 들어, 사용 중에 가열로 인한 주위 온도의 변화 또는 부재의 온도의 변화로부터 야기되는 색점의 변화는 그럼으로써 조명되는 파장 변환 요소(208)와 비파장 변환 요소(210)의 부분들의 비율을 변화시킴으로써 효율적으로 대응될 수 있다. 예를 들어 온도 센서는 제어기(106)에 입력 신호를 보낼 수 있다.
반사 요소(211)는 광의 거울 반사를 제공하는 실질적으로 매끈한 반사 표면을 포함할 수 있다. 반사 요소(211)에 입사된 것과 동일한 입사 각도를 갖는 제1 파장(112)의 광은 그럼으로써 반사 법칙에 의해 설명될 수 있는 단일의 출사 방향으로 재지향될 수 있다. 반사 표면은 예를 들어 알루미늄 또는 은과 같은 금속을 포함할 수 있다.
반사 요소(211)는 광의 확산 반사를 제공하는 거칠어지나 패터닝된 반사 표면을 포함할 수 있다. 반사 요소(211)에 입사된 것과 동일한 입사 각도를 갖는 제1 파장(112)의 광은 그럼으로써 거칠어지거나 패터닝된 반사 표면에 입사한 제1 파장(112)의 광의 개별 광선들이 상이한 배향들, 즉 상이한 표면 법선들을 갖는 표면의 부분들에서 반사될 수 있으므로 상이한 방향들로 재지향될 수 있다. 개별 광선들은 그럼으로써 반사 법칙에 따라 반사 표면에서 반사될 수 있지만 상이한 방향들에서는 산란한다. 따라서, 제1 파장(112)의 광은 반사 요소(211)에 의해 확산 산란 및/또는 재지향될 수 있다.
또한, 광은 적절한 표면 패터닝 또는 조직 처리를 가함으로써 재지향될 수 있다.
반사 요소(211)는 광의 효율적인 반사를 제공하는 알루미늄 또는 은과 같은 금속을 포함할 수 있다. 은 또는 알루미늄은 거울 반사를 제공할 수 있다.
비파장 변환 재료(210)는 반사 요소(211)를 형성할 수 있다.
반사 요소(211)는 마이크로셀룰러 형성된 폴리에틸렌 테레프탈레이트, MCPET, 반투명 다결정 알루미나 세라믹들, PCA, 티타늄 산화물, TiO2, 또는 이들의 조합들을 포함할 수 있다. 이러한 반사 요소(211)는 예를 들어 YAG, 사파이어, 실리콘 또는 유리를 포함하는, 비파장 변환 요소(210)의 표면에 또는 그 내부에 배열될 수 있다. 제1 파장(112)의 광의 반사는 그럼으로써 제1 파장(112)의 광이 이러한 반사 요소(211)에 입사할 때 달성될 수 있다.
반사 요소(211)는 제1 파장(112)의 광의 반사 및 개선된 열 관리를 제공하는 붕소 질화물을 포함할 수 있다.
반사 요소(211) 및/또는 산란 요소(130)는 제1 파장(110)의 광을 램버트 광 분포로 산란시키도록 배열될 수 있다. 이것은 발광 장치(100 또는 200)에 의해 방출된 광의 색점에서의 각도에 따른 색의 변화들을 완화시키므로 유리할 수 있다. 바꾸어 말하면, 원거리에서 증가된 공간 균일성으로 변환하는 증가된 각도 균일성을 갖는 분포가 발광 장치(100 및 200)에 의해 달성될 수 있다.
파장 변환 부재는 산란 요소를 포함할 수 있고, 산란 요소의 특징들 및 이점들이 위에 설명되었다. 요소에 의해 반사 및/또는 방출된 광의 효율적인 재지향이 그럼으로써 획득될 수 있다.
추가의 반사 요소가 배면, 즉 광원으로부터 멀리 향하는 파장 변환 요소(208)의 면에 더 배열될 수 있다. 제1 파장의 재지향된 광의 방향에 대향하는 방향으로 파장 변환 요소에 의해 방출된 광이 반사 및 재지향될 수 있다. 주어진 각도 분포 내의 증가된 광 출력이 그럼으로써 획득될 수 있다. 이러한 배열은 그럼으로써 색점 가변 발광 장치에 의해 방출된 광의 양을 증가시킨다.
위의 논의에서 부재는 제1 파장의 광을 제2 파장으로 변환하는 하나의 파장 변환 요소를 포함하는 것으로 설명되었다. 본 기술 분야의 통상의 기술자는 파장 변환 요소는 제1 파장으로부터 복수의 파장, 예를 들어, 제2 파장 및 제3 파장으로 광을 변환할 수 있다는 것을 인식한다.
부재는 복수의 파장 변환 요소를 더 포함할 수 있고, 파장 변환 부재들은 제1 파장의 광을 상이한 파장들의 광으로 변환할 수 있고, 예를 들어, 2개의 파장 변환 요소는 광을 각각 제2 및 제3 파장으로 변환한다. 색점 가변 발광 장치에 의해 방출된 광의 색점은 그럼으로써 광원에 의해 조명되는, 각각의 2개의 파장 변환 요소의 부분들과, 비파장 변환 요소의 부분의 비율들을 변화시킴으로써 변화될 수 있다.
도 3은 광의 색점을 변화시키는 방법을 도시한다. 방법(300)은 파장 변환 요소 및 비파장 변환 요소를 포함하는 부재를 제공하는 단계(302) - 파장 변환 요소는 제1 파장의 광을 제2 파장의 광으로 변환하고 제2 파장의 광을 방출하도록 배열되고, 비파장 변환 요소는 제1 파장의 광을 재지향하도록 배열됨 -, 제어가능한 광학 요소를 갖는 광원으로부터의 제1 파장의 광으로 부재의 파장 변환 요소의 부분 및 비파장 변환 요소의 부분 둘 다를 조명하는 단계(304), 및 부재에 의해 방출 및/또는 재지향된 광의 색점이 변화되도록 광원에 의해 조명되는 파장 변환 요소의 부분과 비파장 변환 요소의 부분의 비율이 변화되도록 제어가능한 광학 요소를 제어기로 제어하는 단계(306)를 포함한다.
광의 색점을 변화시키는 방법(300)을 사용하는 기능 및 이점들이 발광 장치(100 또는 200)와 관련하여 위에 설명되었다. 위에 언급된 특징들은 적용가능할 때, 역시 방법(300)에 적용한다. 지나친 반복을 피하기 위해서, 상기가 참조된다.
본 기술 분야의 통상의 기술자는 본 발명은 위에 설명된 양호한 실시예들로 결코 제한되지 않는다는 것을 인식한다. 오히려, 많은 수정들 및 변화들이 첨부된 청구범위의 범위 내에서 가능하다.
예를 들어, 파장 변환 요소와 비파장 변환 요소는 부재의 분리된 부분들을 구성할 수 있다.
비파장 변환 요소는 광학 구조들, 예를 들어 광을 굴절하여 광의 원하는 분포를 달성하도록 배열되는 미세-규모 구조들을 포함할 수 있다.
비파장 변환 요소는 또한 광을 회절하여 광의 원하는 분포를 달성하도록 배열되는 회절 구조들을 포함할 수 있다.
파장 변환 요소는 제1 파장의 광을 투과하고 제2 파장의 광을 반사하도록 배열되는 이색 미러를 포함할 수 있다. 이색 미러는 간섭 필터를 형성하기 위해 상이한 굴절률들을 갖는 광학 코팅들의 교대하는 층들을 포함할 수 있다. 이색 미러는 또한 이색 필터, 박막 필터, 또는 간섭 필터라고도 할 수 있다. 따라서, 이색 반사기는 다른 색들을 반사시키면서 작은 범위의 색들의 광을 선택적으로 통과시키도록 배열되는 색 필터인 것으로 이해될 수 있다.
이색 미러는 투과 모드에서, 광원에 향하는 파장 변환 요소의 측 표면 상에 배열될 수 있다. 광원에 의해 방출된 제1 파장의 광은 그럼으로써 이색 미러를 통과할 수 있고 파장 변환 요소로 들어갈 수 있다. 이색 미러를 향하는 방향으로 방출된 제2 파장의 변환된 광은 그럼으로써 이색 미러에 의해 반사될 수 있다. 전방향으로, 즉 광원으로부터 보여지는 방향으로 방출된 제2 파장의 광의 양은 그럼으로써 증가된다. 발광 장치로부터의 광 출력은 그럼으로써 증가될 수 있다.
파장 변환 요소는 반투명 재료를 포함할 수 있다. 반투명이라는 용어는 광의 통과를 허용하는 것으로 이해된다. 따라서, 반투명은 "광의 통과를 허용하는 것으로" 이해되어야 하고 반투명 재료는 투시가능한, 즉 투명하거나, 또는 지나는 물체들이 분명히 보여질 수 없게 광을 투과 및 확산할 수 있다. 투명은 "통해 볼 수 있다"라고 이해된다.
제어기 또는 제어 기능은 미리 설정된 또는 미리 프로그램된 제어 설정들을 가질 수 있고/있거나 예를 들어 광 센서, 온도 센서 등을 통해 측정된 것과 같은, 입력 신호들에 기초할 수 있다.
부가적으로, 도면, 개시내용, 및 첨부된 청구범위를 연구한다면, 청구된 발명을 실시하는 데 있어서의 통상의 기술자에 의해 개시된 실시예들에 대한 변화들이 이해되고 이루어질 수 있다. 청구범위에서, 단어 "포함하는"은 다른 요소들 또는 단계들을 배제하지 않고, 단수 표현은 복수를 배제하지 않는다. 소정의 수단들(measures)이 상호 상이한 종속 청구항들에 나열된다는 사실만으로 이들 수단의 조합이 유리하게 사용될 수 없다는 것을 나타내지 않는다.

Claims (15)

  1. 색점 가변 발광 장치(color point variable light emitting apparatus)로서,
    파장 변환 요소(108, 208) 및 비파장 변환 요소(110, 210)를 포함하는 부재(member)(104, 204) - 상기 파장 변환 요소(108, 208)는 제1 파장(112)의 광을 제2 파장(114)의 광으로 변환하고 상기 제2 파장(114)의 광을 방출(116)하도록 배열되고, 상기 비파장 변환 요소(110)는 상기 제1 파장(110)의 광을 재지향(redirect)(118)하도록 배열됨 -,
    제어가능한 광학 요소(120)를 갖고, 상기 제1 파장(112)의 광으로, 상기 파장 변환 요소(108)의 부분(122)과 상기 비파장 변환 요소(110)의 부분(124, 125) 둘 다를 조명(illuminate)하도록 배열되는 광원(102), 및
    상기 제어가능한 광학 요소(120)를 제어하도록 배열되는 제어기(106)
    를 포함하고,
    상기 제어가능한 광학 요소(120)는 상기 광원(102)에 의해 조명되는 상기 파장 변환 요소(108, 208)의 상기 부분(122) 및 상기 비파장 변환 요소(110)의 상기 부분(124, 125)의 공간적 연장(spatial extension)을 변화시키도록 배열되는 발광 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제어가능한 광학 요소(120)는 상기 파장 변환 요소(108, 208)의 부분(122)과 상기 비파장 변환 요소(110, 210)의 부분(124, 125) 둘 다를 조명하는 상기 제1 파장(112)의 광의 각도 분포(angular distribution)를 변화(121)시키도록 배열되는 발광 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제어가능한 광학 요소(120)는 다이어프램(diaphragm)을 포함하는 발광 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제어가능한 광학 요소(120)는 상기 파장 변환 요소에서 및 상기 비파장 변환 요소에서 조명 스폿(illumination spot)을 변화시키도록 배열되는 발광 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제어가능한 광학 요소(120)는 상기 광원의 초점을 변화시키도록 배열되는 발광 장치.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 부재(104, 204)는 상기 파장 변환 요소(108, 208) 및 상기 비파장 변환 요소(110, 210)에 의해 구축된 단일 유닛인 발광 장치.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 비파장 변환 요소(110)는 상기 제1 파장(112)의 광에 의해 조명될 때, 상기 제1 파장(112)의 광을 산란시키도록 배열되는 산란 요소(130)를 포함하는 발광 장치.
  8. 제7항에 있어서, 상기 산란 요소(130)는 램버트 광 분포(Lambertian light distribution)로 상기 제1 파장(112)의 광을 산란시키도록 배열되는 발광 장치.
  9. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 비파장 변환 요소(110)는 상기 제1 파장(112)의 광에 의해 조명될 때, 상기 제1 파장(110)의 광을 굴절시키도록 배열되는 굴절 및/또는 회절 요소(111)를 포함하는 발광 장치.
  10. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 비파장 변환 요소(110)는 상기 제1 파장(112)의 광에 의해 조명될 때, 상기 제1 파장(112)의 광을 반사시키도록 배열되는 반사 요소(211)를 포함하는 발광 장치.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 파장 변환 요소(108)는 재료의 도핑된 부분을 포함하고 상기 비파장 변환 요소(110)는 상기 재료의 비도핑된 부분을 포함하는 발광 장치.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 파장 변환 요소(108) 및/또는 비파장 변환 요소는 Ce로 도핑된 이트륨 알루미늄 가넷(yttrium aluminum garnet), YAG, 또는 루테늄 알루미늄 가넷(lutetium aluminum garnet), LuAG를 포함하는 발광 장치.
  13. 제7항 또는 제8항에 있어서, 상기 산란 요소는 반투명 다결정 알루미나 세라믹들, PCA, 티타늄 산화물, TiO2, 지르코늄 산화물, ZrO2, 하프늄 산화물, HfO2, 아연 산화물, ZnO, 알루마늄 산화물, Al2O3, 탄탈룸 산화물, Ta2O5, 니오븀 산화물, Nb2O5, 이트륨 산화물, Y2O3, 이트륨 알루미늄 가넷, YAG Y3Al5O12, 바륨 황산염, BaSO4을 포함하는 재료들의 그룹으로부터 선택된 재료를 포함하거나, 또는 공기가 포함된 것들(air inclusions) 또는 표면 구조, 또는 이들의 조합들을 포함하는 발광 장치.
  14. 제10항에 있어서, 상기 반사 요소는 은, 알루미늄, 붕소 질화물, 마이크로셀룰러 형성된 폴리에틸렌 테레프탈레이트(microcellular formed polyethylene terephthalate), MCPET, 반투명 다결정 알루미나 세라믹들, PCA, 티타늄 산화물, TiO2, 또는 이들의 조합들을 포함하는 재료들의 그룹으로부터 선택된 재료를 포함하는 발광 장치.
  15. 광의 색점을 변화시키는 방법으로서, 상기 방법(300)은
    파장 변환 요소 및 비파장 변환 요소를 포함하는 부재를 제공하는 단계(302) - 상기 파장 변환 요소는 제1 파장의 광을 제2 파장의 광으로 변환하고 상기 제2 파장의 광을 방출하도록 배열되고, 상기 비파장 변환 요소는 상기 제1 파장의 광을 재지향하도록 배열됨 -,
    제어가능한 광학 요소를 갖는 광원으로부터의 제1 파장의 광으로 상기 부재의 상기 파장 변환 요소의 부분과 상기 비파장 변환 요소의 부분 둘 다를 조명하는 단계(304), 및
    상기 제어가능한 광학 요소를 제어기로 제어하는 단계(306)
    를 포함하고,
    상기 제어가능한 광학 요소(120)는 상기 부재에 의해 방출 및/또는 재지향된 광의 색점이 변화되도록 상기 광원에 의해 조명되는 상기 파장 변환 요소의 상기 부분 및 상기 비파장 변환 요소의 상기 부분의 공간적 연장을 변화시키도록 제어되는 방법.
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