KR20180028477A - 발광 장치 - Google Patents

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KR20180028477A
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light emitting
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페트루스 테오도루스 주테
리파트 아타 무스타파 히크메트
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루미리즈 홀딩 비.브이.
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Abstract

본 발명은 발광 장치에 관한 것이다. 장치는 제1 파장의 광(10)을 방출하도록 구성되는 고 세기 광원(102); 고 세기 광원에 의해 방출된 제1 파장의 광을 공간적으로 평탄한 광 분포를 갖는 원시야 빔 단면 프로파일을 갖는 출사 광 빔으로 재분배하도록 구성되는 빔 성형 광학 요소(104); 및 공간적으로 평탄한 광 분포를 갖는 출사 광 빔에 노출되고, 제1 파장의 광의 적어도 일부를 제2 파장의 광(20)으로 변환하고, 제2 파장의 광을 방출하도록 구성되는 광 변환 부재(206)를 포함한다.

Description

발광 장치
본 발명은 고 휘도 광을 발생하는 발광 장치에 관한 것이다.
고 휘도 조명(high brightness illumination)을 발생하는 조명 시스템들이 스폿들, 무대 조명, 헤드램프들 및 디지털 광 투사를 포함하는 다양한 응용에서 관심이 되고 있다.
바람직한 스펙트럼 분포를 갖는 고 휘도 광은 발광 다이오드, LED 또는 레이저와 같은 광원을 포함하는 발광 장치에 의해 획득될 수 있고 여기서 광원에 의해 방출된 제1 파장의 광(예를 들어, 청색 광)을 포함하는 광 빔이 광 변환 부재를 향해 보내진다. 그러므로, 광 변환 부재는 제1 파장을 포함하는 광 빔으로 조명된다. 제1 파장의 광은 광 변환 부재에 의해 제2 파장의 광(예를 들어, 황색 광)으로 적어도 부분적으로 변환된다. 다음에 백색 광이 제1 및 제2 파장들의 광이 혼합될 때 획득될 수 있다. 광원에 의해 방출된 제1 파장의 광(예를 들어, 청색 광)을 포함하는 광 빔은 수 와트의 전형적인 전력을 갖는다. 광 변환 부재에서의 광 변환의 효율을 증가시키기 위해 많은 노력이 이루어졌다. 예를 들어, 광 변환 부재는 광 변환의 효율을 증가시키기 위해 정적 히트 싱크 상에 배치될 수 있다. 그러나, 광 변환 부재에서의 광 변환의 효율의 더 많은 개선들이 필요하다.
본 발명의 목적은 상기 문제들 중 적어도 일부를 극복하고, 개선된 광 출력을 갖는 발광 장치를 제공하는 것이다.
한 양태에 따르면, 이 목적 및 다른 목적들이 발광 장치를 제공함으로써 달성된다. 발광 장치는 제1 파장의 광을 방출하도록 구성되는 고 세기 광원; 고 세기 광원에 의해 방출된 제1 파장의 광을 공간적으로 평탄한 광 분포를 갖는 원시야 빔 단면 프로파일(far field beam cross sectional profile)을 갖는 출사 광 빔으로 재분배하도록 구성되는 빔 성형 광학 요소; 및 공간적으로 평탄한 광 분포를 갖는 출사 광 빔에 노출되고, 제1 파장의 광의 적어도 일부를 제2 파장의 광으로 변환하고, 제2 파장의 광을 방출하도록 구성되는 광 변환 부재를 포함한다.
고 세기 광원(high intensity light source)이라고 하는 것은 바람직하게는 1·108W/㎡보다 크고 보다 바람직하게는 1·109W/㎡보다 크고 가장 바람직하게는 1·1011W/㎡보다 큰 높은 조도를 갖도록 배열된 광원이라고 이해되어야 한다. 고 세기 광원은 레이저 다이오드 및/또는 발광 다이오드, LED일 수 있다. 고 세기 광원은 단색광일 수 있다. 레이저의 형태로 고 세기 광원에 의해 방출된 광 빔은 출사 광 빔의 광학 축에 수직인 단면 프로파일을 따라 취해진 가우스 세기 분포를 전형적으로 갖는다. LED의 형태로 고 세기 광원에 의해 방출된 광 빔은 전형적으로 출사 광 빔의 광학 축에 수직인 단면 프로파일을 따라 취해진 람베르트 세기 분포를 갖는다. 그러므로, 고 세기 광원에 의해 방출된 광 빔의 단면 프로파일은 균일하지 않고 그것은 위치의 함수로서 큰 변화를 보인다.
빔 성형 광학 요소(beam shaping optical element)라고 하는 것은 입사 광 빔이 출사 오케이광 빔으로 재형상화되도록 광에 작용하는 요소라고 이해되어야 한다. 특히 빔 성형 광학 요소는 입사 광 빔을 공간적으로 평탄한 광 분포를 갖는 원시야 빔 단면 프로파일을 갖는 출사 광 빔으로 재분배하도록 구성된다. 평탄한 세기 분포는 전체 표면에 걸친 평균 세기에 대해 우선적으로 10% 이하 변화(variation) 그리고 보다 우선적으로 5% 이하 변화 그리고 보다 우선적으로 3% 이하 변화를 갖는다.
광 변환 부재(light converting member)라고 하는 것은 제1 파장의 광을 제2 파장의 광으로 변환하는 임의의 부재라고 이해되어야 한다. 파장 변환은 조명 광의 파장에 대해 변환되어 방출된 광의 파장의 스토크스 시프트(Stokes shift)의 발생을 제공하는 발광, 형상, 및/또는 인광에 기인할 수 있다. 광 변환 부재는 광 변환 요소를 포함한다. 그것은 광 변환을 실제로 수행하는 광 변환 요소이다. 광 변환 요소는 출사 광 빔에 의해 조사(irradiate)되도록 구성된다.
발광 장치는 광 변환 부재에서 증가된 효율의 광 변환을 제공한다. 이것은 광 변환 부재에 들어오는 광 빔이 평탄한 프로파일을 갖는 것에 기인한다. 이것은 광 변환 부재에서 균일한 단면 프로파일의 광 빔을 제공할 것이다. 그러므로 광 변환 부재의 불균일한 가열이 피해질 것이다. 이 방식으로 광 변환 부재는 균일하게 가열될 수 있고 열적 냉각에 이르게 할 수 있는 국소적 추가 가열이 피해질 수 있다. 이것은 광 변환 부재의 효율을 증가시킬 것이다.
빔 성형 광학 요소는 비-원형 단면을 갖는 웨이브가이드를 포함할 수 있다. 단면은 웨이브가이드의 광학 축에 수직으로 취해진다. 비-원형 웨이브가이드는 웨이브가이드의 아웃-커플링 단부(out-coupling end)에서 균일한 광 분포를 획득하기 위해 매우 양호한 공간적 광 혼합 특성들을 갖는다. 비-원형 웨이브가이드는 광 섬유일 수 있다. 웨이브가이드의 비-원형 단면은 삼각형, 사각형, 오각형, 육각형 및 팔각형으로 이루어진 그룹으로부터 선택될 수 있다. 에지들은 둥글거나 날카로울 수 있다. 그러므로, 웨이브가이드의 비-원형 아웃-커플링 단부는 광 변환 요소를 조명(illuminate)하도록 이미징될 수 있다.
빔 성형 광학 요소는 회절 광학 요소를 포함할 수 있다. 회절 광학 요소는 가우스 형상화된 입력 광 빔을 특정한 동작 거리에서 날카로운 에지들을 갖는 균일한 스폿을 갖는 광 빔으로 변환하도록 구성되는 위상 요소이다. 회절 광학 요소는 렌즈 및 회절 패턴을 포함한다.
빔 성형 광학 요소는 톱 해트 빔 성형기(top hat beam shaper)일 수 있다. 톱 해트 빔 성형기는 가우스 형상화된 입력 광 빔을 특정한 동작 거리에서 날카로운 에지들을 갖는 균일한 스폿을 갖는 광 빔으로 변환하도록 구성되는 광학 요소이다.
발광 장치는 고 세기 광원에 의해 방출된 광을 빔 성형 광학 요소로 안내하도록 더 구성된 광 섬유를 더 포함할 수 있다. 그러므로, 고 세기 광원에 의해 방출된 광의 실질적으로 모두가 빔 성형 광학 요소에 도달하는 것을 보장할 수 있어서 결과적으로 발광 장치의 휘도를 개선시킨다.
빔 성형 광학 요소는 광 변환 요소의 거의 동일한 형상을 갖는 빔 형상을 우선적으로 발생한다.
발광 장치는 복수의 고 세기 광원을 더 포함할 수 있다. 발광 장치의 개선된 휘도가 그러므로 달성될 수 있다.
복수의 고 세기 광원을 포함하면, 발광 장치는 대응하는 고 세기 광원에 의해 방출된 광을 빔 성형 광학 요소로 안내하도록 구성되는 복수의 광 섬유를 더 포함할 수 있다. 복수의 광원을 조합하는 것은 소위 릴레이 렌즈에 의해 이루어질 수 있다. 그러나, 이것은 광학 소자들에 대해 광원들의 임계의 허용도들 및 엄격한 허용도들을 야기할 것이다. 상기 발광 장치에 따른 복수의 광 섬유를 사용하는 것은 광원들의 임계의 허용도들 및 엄격한 허용도들의 필요 없이 복수의 광원을 포함할 수 있다.
빔 성형 광학 요소의 인-커플링 단부(in-coupling end)의 면적은 광 섬유들 각각의 아웃-커플링 단부의 면적보다 클 수 있다. 그러므로, 빔 성형 광학 요소의 광학 축에 수직으로 취해진 빔 성형 광학 요소의 단면적은 광 섬유의 광학 축에 수직으로 취해진 대응하는 광 섬유들 각각의 단면적보다 클 수 있다.
광 섬유들의 코어들의 아웃-커플링 단부들의 면적들의 합은 빔 성형 광학 요소의 인-커플링 단부의 면적 이하일 수 있다. 이것은 복수의 작은 직경 광 섬유를 하나의 비-원형 웨이브가이드 내로 조합하는 것을 가능하게 할 것이다.
빔 성형 광학 요소는 출사 광 빔이 광 변환 부재의 광 변환 요소의 윤곽에 대응하는 윤곽을 갖도록 고 세기 광원에 의해 방출된 제1 파장의 광을 출사 광 빔으로 재분배하도록 구성될 수 있다. 그러므로, 출사 광 빔의 형상은 광 변환 부재의 광 변환 요소의 형상과 일치할 것이다. 이것은 전체적인 광 변환 요소의 고른 광 분포를 보장할 것이고; 그러므로, 광 변환 부재에서의 개선된 효율의 광 변환을 제공한다.
광 변환 부재는 제1 파장의 광을 투과 및/또는 반사하도록 더 배열될 수 있다.
시스템은 광 변환 요소에 의해 방출된 광이 바람직하게는 0.5GCd/㎡보다 크고 보다 바람직하게는 1GCd/㎡보다 크고 가장 바람직하게는 3GCd/㎡보다 큰 휘도를 갖도록 구성된다.
본 발명의 이용가능성의 추가의 범위가 아래에 주어지는 상세한 설명으로부터 분명해질 것이다. 그러나, 본 발명의 범위 내에서의 다양한 변화들 및 수정들이 본 상세한 설명으로부터 본 기술 분야의 통상의 기술자들에게 분명해질 것이기 때문에, 상세한 설명 및 특정한 예들이 본 발명의 양호한 실시예들을 나타내지만, 단지 예로서만 주어진다는 것을 이해하여야 한다.
그러므로, 본 발명은 이러한 디바이스 및 방법이 변화할 수 있음에 따라 설명된 디바이스의 특정한 구성 부분들 또는 설명된 방법들의 단계들로 제한되지 않는다는 것을 이해하여야 한다. 또한 여기에 사용된 용어는 단지 특정한 실시예들을 설명하는 목적이지, 그것을 제한하려는 것이 아니라는 것을 이해하여야 한다. 명세서 및 첨부된 청구범위에서 사용된 바와 같이, 단수 표현은 문맥이 명시적으로 달리 지정하지 않는다면 요소들 중 하나 이상이 있다는 것을 의미하고자 한다는 것을 주목하여야 한다. 그러므로, 예를 들어, "유닛" 또는 "상기 유닛"이라고 하는 것은 여러 디바이스들 등을 포함할 수 있다. 또한, 단어들, "구성하는", "포함하는", "함유하는" 및 유사한 어구들은 다른 요소들 또는 단계들을 배제하지 않는다.
본 발명의 상기 및 다른 양태들이 본 발명의 실시예들을 도시한 첨부 도면을 참조하여, 이제 보다 상세히 설명될 것이다. 도면들은 본 발명을 특정한 실시예로 제한하는 것으로 고려되어서는 안되고; 대신에 그들은 본 발명을 설명하고 이해하기 위해 사용된다.
도 1 및 2는 각각의 발광 장치의 단면도들을 도시한다.
도 3은 도 1 및 2의 발광 장치 중 어느 하나의 빔 성형 광학 요소에 의해 방출된 광 빔의 단면 프로파일을 도시한다.
도 4는 광을 빔 성형 광학 요소 내로 안내하는 복수의 광 섬유에 접속된 빔 성형 광학 요소의 실시예의 사시도를 도시한다.
도면에 도시된 것과 같이, 층들 및 영역들의 크기들은 예시 목적들을 위해 과장되고, 그러므로 본 발명의 실시예들의 일반적 구조들을 도시하기 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 해석되어서는 안되고; 오히려, 이들 실시예는 철저함 및 완전성을 위해 제공되고, 본 발명의 범위를 통상의 기술자에게 완전히 전달한다.
도 1 및 2와 관련하여 발광 장치들(100, 200)의 2개의 대안적 실시예들이 개시된다. 도 1 및 2에 도시된 발광 장치들(100, 200)의 기능은 각각의 고 세기 광원(102)(또는 고 세기 광원들(102))으로부터 방출된 제1 파장의 광(110)이 광 변환 부재(106)를 향해 어떻게 지향되느냐를 제외하고 유사하다. 도 1에 발광 장치(100)의 반사 배열이 도시되고 도 2에 발광 장치(200)의 투과 배열이 도시된다. 발광 장치들(100과 200) 둘 다에 공통인 것은 고 휘도의 백색 광이 광 변환 부재(106)를 사용하여 제1 파장의 광(10)을 제2 파장의 광(20)으로 부분적으로 변환함으로써 획득된다는 것이다.
아래에, 도 1에 따른 발광 장치(100)의 반사 배열이 설명될 것이고 그 후에 도 2에 따른 발광 장치(200)의 투과 배열이 설명될 것이다. 그 후에, 발광 장치(100, 200)의 반사와 투과 실시예들 둘 다의 일부 더욱 공통적인 특징들이 총체적으로 설명될 것이다.
발광 장치(100)는 하나 이상의 고 세기 광원(102), 빔 성형 광학 요소(104) 및 광 변환 부재(106)를 포함한다.
하나 이상의 고 세기 광원(102)은 제1 파장의 광(10)을 방출하도록 배열된다. 하나 이상의 고 세기 광원은 레이저 다이오드 및/또는 발광 다이오드, LED일 수 있다. 하나 이상의 고 세기 광원(102)은 단색광, 예를 들어 청색 발광일 수 있다. 하나 이상의 광원(102)으로부터 방출된 제1 파장의 광(10)은 반사 모드에서 광 변환 부재(106)를 향해 지향된다. 고 세기 광원에 의해 방출된 광 빔은 출사 광 빔의 광학 축에 수직으로 취해진 가우스 단면 프로파일을 전형적으로 갖는다. 그러므로, 고 세기 광원에 의해 방출된 광 빔의 단면 프로파일은 균일하지 않다.
빔 성형 광학 요소(104)는 입사 광 빔을 출사 광 빔으로 재형상화하도록 구성된다. 입사 광 빔은 하나 이상의 고 세기 광원(102)으로부터 방출된 광을 포함한다. 출사 광 빔은 광 변환 부재(106)를 향해 지향되는 광을 포함한다. 특히 빔 성형 광학 요소(104)는 그것이 공간적으로 평탄한 광 분포를 갖는 원시야 빔 단면 프로파일을 나타내도록 입사 광 빔을 출사 광 빔으로 재분배하도록 구성된다. 그러므로, 출사 광 빔은 톱 해트 형상을 나타낼 것이다. 이것은 도 3에 도시된다. 그러므로, 빔 성형 광학 요소(104)는 출사 광 빔의 원시야 내의 출사 광 빔의 광학 축에 수직으로 취해진 단면 프로파일이 균일한 광 분포를 갖도록 입사 광 빔 내에 광을 재분배하도록 구성된다. 용어 균일한이란 본 문맥에서 평탄한 광 분포 내의 ±10%의 광 세기의 최대 변화로서 해석되어야 한다. 따라서, 빔 성형 광학 요소(104)는 가우스 또는 람베르트 단면 프로파일을 갖는 입사 광 빔을 비-가우스(non-Gaussian) 또는 비-람베르트(non-Lambertian) 원시야 빔 단면 프로파일을 갖는 출사 광 빔으로 재분배하도록 구성된다. 그러므로, 빔 성형 광학 요소(104)는 톱 해트 빔 성형기일 수 있다. 톱 해트 빔 성형기는 가우스 또는 람베르트 형상으로 된 입력 광 빔을 특정한 동작 거리에서 날카로운 에지들을 갖는 균일한 스폿을 갖는 광 빔으로 변화하도록 구성되는 광학 요소이다.
도 1 및 2의 실시예들에 따르면 빔 성형 광학 요소(104)는 웨이브가이드이다. 그러나, 다른 빔 성형 광학 요소(104)가 또한 아래에 더욱 상세히 논의되는 것과 같이 사용될 수 있다. 웨이브가이드는 웨이브가이드의 광학 축에 수직으로 취해진 비-원형 단면을 갖는다. 비-원형 웨이브가이드는 웨이브가이드의 아웃-커플링 단부에서 균일한 광 분포를 획득하기 위해 매우 양호한 광 혼합 특성들을 갖는다. 비-원형 웨이브가이드는 광 섬유일 수 있다. 웨이브가이드의 비-원형 단면은 삼각형, 사각형, 오각형, 육각형 및 팔각형으로 이루어진 그룹으로부터 선택될 수 있다. 에지들은 날카로울 수 있다. 에지들은 둥글 수 있다.
형태 또는 웨이브가이드에 있어서 빔 성형 광학 요소(104)의 비-원형 아웃-커플링 단부는 광 변환 요소(106)를 조명하도록 이미징될 수 있다. 그러므로, 빔 성형 광학 요소(104)는 출사 광 빔이 광 변환 부재(106)의 광 변환 요소(106a)의 윤곽에 대응하는 윤곽을 갖도록 하나 이상의 고 세기 광원(102)에 의해 방출된 제1 파장의 광을 출사 광 빔으로 재분배하도록 구성될 수 있다. 그러므로, 출사 광 빔의 형상은 광 변환 부재(106)의 광 변환 요소(106a)의 형상과 일치할 것이다. 이것은 전체적인 광 변환 요소(106a)의 고른 광 분포를 보장할 것이고; 그러므로, 광 변환 부재(106)에서의 개선된 효율의 광 변환을 제공한다. 예를 들어, 사각형 형상의 광 변환 요소(106a)를 사용하는 경우에 빔 성형 광학 요소(104)는 출사 광 빔이 사각형 윤곽을 갖도록 하나 이상의 고 세기 광원(102)에 의해 방출된 제1 파장의 광(10)을 출사 광 빔으로 재분배하도록 구성될 수 있다. 사각형 광 변환 요소 형상은 효율적인 절단 공정의 면에서 유리하다. 사각형 형상을 갖는 광 변환 요소(106a)를 제조하는 것이 용이하다.
빔 성형 광학 요소(104)의 비-원형 아웃-커플링 단부를 이미징하는 경우에, 광 변환 요소(106a)에서의 이미지 비-원형 아웃-커플링 단부의 형상은 광 변환 요소(106a)의 형상과 일치할 것이다.
발광 장치(100)는 하나 이상의 광 섬유(103)를 더 포함할 수 있다. 하나 이상의 광 섬유(103)는 하나 이상의 고 세기 광원(102)에 의해 방출된 광을 빔 성형 광학 요소(104)로 안내하도록 구성된다. 광 섬유들(103)의 수는 고 세기 광원들(102)의 수 이하일 수 있다. 도 1 및 2에 개시된 실시예들에서 하나 이상의 고 세기 광원(102)에 의해 방출된 광은 커플링 렌즈(coupling lens)(105)를 통해 대응하는 광 섬유(103) 내로 커플링된다. 그러나, 커플링 렌즈들(105)을 방출하고 하나 이상의 고 세기 광원(102)에 의해 방출된 광의 대응하는 광 섬유(103) 내로의 직접적인 소위 버트-커플링(butt-coupling)을 하게 하는 것이 또한 가능하다. 그러므로, 하나 이상의 고 세기 광원(102)에 의해 방출된 광의 실질적으로 모두가 빔 성형 광학 요소(104)에 도달하는 것을 보장할 수 있어서 결과적으로 발광 장치(100)의 휘도를 개선시킨다.
빔 성형 광학 요소(104)의 인-커플링 단부(104a)의 면적은 광 섬유들(103) 각각의 아웃-커플링 단부(103b)의 면적보다 클 수 있다. 비제한적인 예로서 하나 이상의 광 섬유(103)의 단면적은 0.01 내지 0.5㎟일 수 있다. 더욱이, 비제한적인 예로서 빔 성형 광학 요소(104)의 단면적은 0.04 내지 2.0㎟일 수 있다. 그러므로, 빔 성형 광학 요소(104)의 광학 축에 수직으로 취해진 빔 성형 광학 요소(104)의 단면적은 광 섬유(103)의 광학 축에 수직으로 취해진 대응하는 광 섬유들(103) 각각의 단면적보다 클 수 있다. 이것은 도 4에 도시된다. 또한, 광 섬유들(103)의 아웃-커플링 단부들(103b)의 면적들의 합은 빔 성형 광학 요소(104)의 인-커플링 단부(104a)의 면적 이하일 수 있다. 이것은 복수의 작은 직경 광 섬유(103)를 비-원형 웨이브가이드의 형태로 하나의 빔 성형 광학 요소(104) 내로 조합하는 것을 가능하게 할 수 있다.
광 변환 부재(106)는 광 변환 요소(106a)를 포함한다. 광 변환 요소(106a)는 제1 파장의 광(10)을 제2 파장의 광(20)으로 변환하도록 구성된다. 광 변환 요소(106a)는 제2 파장의 광(20)을 방출하도록 더 배열된다. 비제한적인 예로서, 광 변환 요소(106a)의 표면적은 0.3 내지 0.04㎟일 수 있다. 하나 이상의 고 세기 광원(102)은 수 와트의 전형적인 전력을 갖는다. 그러므로, 광 변환 요소(106a)에서의 조도는 100W/㎟ 정도일 수 있다.
광 변환 부재(106)는 제1 파장의 광(10)을 반사하도록 더 배열된다.
광 변환 부재(106)는 히트 싱크(106b)를 더 포함할 수 있다. 광 변환 요소(106a)와 마주하는 히트 싱크(106b)의 표면은 바람직하게는 반사성이다.
발광 장치(100)는 반사기(108)를 더 포함할 수 있다. 반사기는 이색 반사기일 수 있다. 그러나, 본 기술 분야의 통상의 기술자는 반사기가 다른 실시예들에서 회절 격자의 미러일 수 있다는 것을 안다. 반사기(108)는 제1 파장의 광(10)을 반사하도록 배열된다. 반사기(108)는 이색 반사기일 때 제2 파장의 광(20)을 투과하도록 배열된다.
발광 장치(100)는 광학 요소(110)를 더 포함할 수 있다. 광학 요소(110)는 제1 파장의 광(10)을 광 변환 부재(106) 상으로 이미징하도록 배열된다. 하나 이상의 광원(102)으로부터 방출된 제1 파장의 광(10)은 그러므로 광 변환 부재(106) 상으로 이미징되도록 배열된다.
광학 요소(110)에 의해 빔 성형 광학 요소(104)의 비-원형 아웃-커플링 단부를 이미징하는 경우에, 광 변환 요소(106a)에서의 이미지 비-원형 아웃-커플링 단부의 형상은 광 변환 요소(106a)의 형상과 일치할 것이다.
하기 설명은 도 2와 관련하여 개시된 것과 같은 발광 장치(200)의 투과 실시예에 관한 것이다. 도 2의 투과 발광 장치(200)의 실시예는 도 1의 반사 발광 장치(100)의 실시예와 매우 많이 비슷하다. 그러므로, 상기가 참조된다. 그러나, 투과 발광 장치(200)에서는 반사기(108)가 필요하지 않다. 또한, 광학 요소(110)가 생략될 수 있다.
또한, 투과 발광 장치(200)의 광 변환 부재(206)는 반사 발광 장치(100)의 광 변환 부재(106)와 상이하게 설계될 수 있다. 광 변환 부재(206)는 광 변환 요소(206a)를 포함한다. 광 변환 요소(206a)는 제1 파장의 광(10)을 제2 파장의 광(20)으로 변환하도록 구성된다. 광 변환 요소(206a)는 제2 파장의 광(20)을 방출하도록 더 배열된다. 비제한적인 예로서, 광 변환 요소(206a)의 표면적은 0.3 내지 0.04㎟일 수 있다. 하나 이상의 고 세기 광원(102)은 수 와트의 전형적인 전력을 갖는다. 그러므로, 광 변환 요소(206a)에서의 조도는 100W/㎟ 정도일 수 있다.
광 변환 부재(206)는 제1 파장의 광(10)을 투과하도록 더 배열된다.
광 변환 부재(206)는 히트 싱크(도시되지 않음)를 더 포함할 수 있다. 히트 싱크는 예를 들어 광 변환 요소(206a)가 조사되도록 빔 성형 광학 요소(104)로부터의 광이 들어갈 수 있는 관통 홀을 포함할 수 있다. 또한, 광 변환 요소(206a)와 마주하는 히트 싱크의 표면은 바람직하게는 반사성이다. 광 변환 부재(206)는 이색 반사기(206b)를 더 포함할 수 있다. 이색 반사기(206b)는 제1 파장의 광(10)을 투과하고 제2 파장(20)의 광을 반사하도록 배열된다.
하기 설명은 도 1과 관련하여 개시된 반사 발광 장치(100)의 실시예와 도 2와 관련하여 개시된 투과 발광 장치(200)의 실시예 둘 다에 관한 것이다.
발광 장치(100, 200)는 수집 광학 요소(112)를 포함할 수 있다. 수집 광학 요소(112)는 광 변환 부재(106)로부터 방출, 투과 및/또는 반사된 광(다양한 파장들, 특히 제1 및 제2 파장들의 광)을 수집하도록 배열된다. 수집 광학 요소(112)는 수집 광학 요소(112)의 초점 내에 광의 시준을 제공하는 시준 광학 요소로서 참고될 수 있고, 즉 실질적으로 평행한 광선들은 수집 광학 요소(112)에서 나갈 수 있다. 수집 광학 요소(112)는 여기서 평면-볼록 렌즈로서 예시된 렌즈일 수 있지만 본 기술 분야의 통상의 기술자는 다른 렌즈들 또는 미러들 및 렌즈 또는 미러 시스템들이 사용될 수 있다는 것을 안다.
발광 장치(100, 200)는 혼합 부재(116)를 포함할 수 있다. 혼합 부재(116)는 혼합 부재(126)에 들어오는 광을 혼합하도록 배열된다. 혼합 부재(126)에 들어오는 광은 광 변환 부재(106)로부터 나오고 공간적으로 변화하는 스펙트럼 구성을 포함할 수 있는데, 즉 제1 파장의 광(10)과 제2 파장의 광(20)은 공간적으로 분리될 수 있다. 혼합 부재(126)에 들어오는 광은 예를 들어 여러 번의 반사 및/또는 회절에 의해 공간적으로 혼합된다. 혼합 부재(126)에서 나가는 광은 그럼으로써 혼합 부재(126)에 들어온 광보다 더 균일한 스펙트럼 분포를 가질 수 있다. 광의 공간적으로 더 균일한 출력을 제공하는 발광 장치(100, 200)가 그럼으로써 획득될 수 있다. 위에 언급된 바와 같이, 하나 이상의 고 세기 광원(102)은 단색광, 예를 들어 청색 발광일 수 있다. 그러므로, 제1 파장의 광(10)은 청색 광일 수 있고 제2 파장의 광(20)은 황색 광과 같은, 제1 파장(10)보다 긴 파장을 가질 수 있다. 청색 광과 황색 광의 조합은 백색 광을 생성할 수 있다. 청색 광과 황색 광을 혼합 부재(126)로 혼합함으로써 발광 장치(100, 200)는 더욱 더 균일한 스펙트럼 분포를 갖는 백색 광을 제공할 수 있다. 혼합 부재(126)는 광 섬유일 수 있다. 간단하고, 비용 효과적이고 신축성 있는 혼합 부재(126)가 그럼으로써 달성될 수 있다. 혼합 부재(126)에 들어오는 광은 광 섬유의 코어 내에서 내부 전반사에 의해 효율적으로 더 전파할 수 있다. 혼합 부재(126)는 대안적으로 투명 봉일 수 있다. 혼합 부재(126)의 단면은 광 혼합을 개선시키기 위해 예를 들어 사각형, 육각형 또는 팔각형 단면을 갖는 비-원형일 수 있다.
발광 장치(100, 200)는 추가의 광학 요소(114)를 더 포함할 수 있다. 추가의 광학 요소(114)는 광을 혼합 부재(126) 내로 집속하도록 배열된다. 혼합 부재(126) 내로의 광의 더욱 효율적인 커플링이 그럼으로써 획득될 수 있고 발광 장치(100, 200)로부터 출력된 광의 증가가 달성될 수 있다.
위에 설명된 발광 장치는 디지털 투사, 가로 조명, 스폿들, 무대 조명, 자동차 헤드라이트들 등과 같은 응용에서 사용될 수 있다.
본 기술 분야의 통상의 기술자는 본 발명이 위에 설명된 양호한 실시예들로 결코 제한되지 않는다는 것을 안다. 오히려, 많은 수정들 및 변화들이 첨부된 청구범위의 범위 내에서 가능하다.
예를 들어, 빔 성형 광학 요소(104)는 회절 광학 요소를 포함할 수 있다. 회절 광학 요소는 가우스 형상화된 입력 광 빔을 특정한 동작 거리에서 날카로운 에지들을 갖는 균일한 스폿을 갖는 광 빔으로 변환하도록 구성되는 위상 요소이다. 회절 광학 요소는 집속 렌즈 및 회절 패턴을 포함할 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 수단들이 상호 상이한 종속 청구항들에 나열된다는 사실만으로 이들 수단이 유리하게 사용될 수 없다는 것을 나타내지 않는다.

Claims (15)

  1. 발광 장치로서,
    제1 파장의 광(10)을 방출하도록 구성되는 고 세기 광원(high intensity light source)(102);
    상기 고 세기 광원에 의해 방출된 상기 제1 파장의 광을 공간적으로 평탄한 광 세기 분포(spatially flat light intensity distribution)를 갖는 원시야 빔 단면 프로파일(far field beam cross sectional profile)을 갖는 출사 광 빔(outgoing light beam)으로 재분배(redistribute)하도록 구성되는 빔 성형 광학 요소(beam shaping optical element)(104); 및
    - 상기 공간적으로 평탄한 광 세기 분포를 갖는 상기 출사 광 빔에 노출되고,
    - 상기 제1 파장의 광의 일부를 투과 및/또는 반사하고,
    - 상기 제1 파장의 광의 다른 일부를 제2 파장의 광(20)으로 변환하고, 상기 제2 파장의 광을 방출
    하도록 구성되는 광 변환 부재(106; 206); 및
    상기 제1 파장의 광을 상기 제2 파장의 광과 혼합하는 혼합 부재(mixing member)
    를 포함하는 발광 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 광 변환 요소로부터 상기 제1 파장의 광 및 상기 제2 파장의 광을 수집하도록 구성되는 수집 광학 요소(collecting optical element)를 더 포함하는 발광 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1 파장의 광 및 상기 제2 파장의 광을 상기 혼합 부재 내로 집속(focus)하도록 구성되는 추가의 광학 요소를 더 포함하는 발광 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 빔 성형 광학 요소는 비-원형 단면을 갖는 웨이브가이드(waveguide)를 포함하는 발광 장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 웨이브가이드는 광 섬유인 발광 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 빔 성형 광학 요소는 회절 광학 요소를 포함하는 발광 장치.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 빔 성형 광학 요소는 톱 해트 빔 성형기(top hat beam shaper)인 발광 장치.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 고 세기 광원에 의해 방출된 광을 상기 빔 성형 광학 요소로 안내(guide)하도록 구성되는 광 섬유(103)를 더 포함하는 발광 장치.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 복수의 고 세기 광원을 더 포함하고, 대응하는 광 섬유가 대응하는 고 세기 광원에 의해 방출된 광을 상기 빔 성형 광학 요소로 안내하도록 구성되는 발광 장치.
  10. 제9항에 있어서, 상기 빔 성형 광학 요소의 인-커플링 단부(in-coupling end)(104a)의 면적(area)은 상기 광 섬유들 각각의 아웃-커플링 단부(out-coupling end)(103b)의 면적보다 큰 발광 장치.
  11. 제9항 또는 제10항에 있어서, 상기 광 섬유들의 상기 아웃-커플링 단부들의 면적들의 합은 상기 빔 성형 광학 요소의 상기 인-커플링 단부의 면적 이하인 발광 장치.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 빔 성형 광학 요소는 상기 출사 광 빔이 상기 광 변환 부재의 광 변환 요소의 윤곽(contour)에 대응하는 윤곽을 갖도록 상기 고 세기 광원에 의해 방출된 상기 제1 파장의 광을 상기 출사 광 빔으로 재분배하도록 구성되는 발광 장치.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 발광 장치는 상기 빔 성형 광학 요소(104)의 아웃-커플링 단부가 상기 광 변환 요소(106a) 상에 이미징(image)되도록 구성되는 발광 장치.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 혼합 부재는 광 섬유인 발광 장치.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 발광 장치는 디지털 투사(digital projection), 가로 조명(street lighting), 스폿들(spots), 무대 조명(stage lighting) 및 자동차 헤드라이트들(automotive head lights)로 이루어진 응용들의 그룹으로부터의 응용들 중 하나에서 사용되는 발광 장치.
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