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KR20150111900A - 투사 디스플레이용 형광계 램프 - Google Patents

투사 디스플레이용 형광계 램프 Download PDF

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KR20150111900A
KR20150111900A KR1020157004180A KR20157004180A KR20150111900A KR 20150111900 A KR20150111900 A KR 20150111900A KR 1020157004180 A KR1020157004180 A KR 1020157004180A KR 20157004180 A KR20157004180 A KR 20157004180A KR 20150111900 A KR20150111900 A KR 20150111900A
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KR
South Korea
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light
fluorescent material
recycling
fluorescent
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Application number
KR1020157004180A
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English (en)
Inventor
케네쓰 리
세이지 이나츠구
Original Assignee
웨이비엔, 인코포레이티드
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Publication date
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Abstract

형광계 램프는 형광 물질 및 여기 소스를 포함하며, 레이저나 LED 또는 그 모두가 될 수 있다. 바람직하게, 그러한 형광계 램프는 밝기를 증가시키기 위해 높은 각도 광을 반사하여 리사이클링시키기 위한 리사이클링 칼라를 포함한다. 바람직하게, 여기 소스가 레이저일 때, 빔 스플리터는 그 레이저 빔을 형광 물질 상의 리사이클링 칼라 개구를 통해 지향시키기 위해 그 레이저 빔을 재지향시킨다. 개구를 빠져나가는 형광 물질에 의해 방출된 광은 램프의 출력으로서 빔 스플리터를 통과한다. 대안적으로, 렌즈는 형광 물질 쪽으로 리사이클링 칼라 주위의 레이저 빔을 재지향시키는데 이용된다. 바람직하게, 다수의 여기 레이저는 리사이클링 칼라 주위에 배치되고 그들 출력을 형광 물질 상으로 지향시키거나 대향의 벽 쪽으로 재지향시키기 위한 것이며, 상기 출력은 형광 물질 상에서 반사된다. 그와 같은 램프는 투사 시스템의 일부로서 이용된다. 일 실시예에 있어서, 형광 물질은 컬러 휠에 포함된다.

Description

투사 디스플레이용 형광계 램프{PHOSPHOR-BASED LAMPS FOR PROJECTION DISPLAY}
본 출원은 2012년 7월 19일 출원된 미국 가특허출원 제61/673,357호 및 2013년 6월 12일 출원된 미국 가특허출원 제61/834,119호의 우선권을 주장한다.
투사 디스플레이에 사용하기 위한 다양한 타입의 광원은 공지되어 있다. 그러한 공지된 광원은 광원으로서 아크 램프, LED, 및 형광체를 이용한다. LED 광원은 긴 수명 및 낮은 에너지 사용으로 인해 효과적이다. 특히 백색 LED는 적색, 녹색, 및 청색 LED를 함께 조합하는 것보다 더 간단하고 더 비용이 낮기 때문에 투사 디스플레이에 사용된다. 그러나, 그러한 프로젝터의 출력은 LED의 밝기로 제한된다. 밝기를 향상시키기 위해, LED 자체로 다시 되돌아 오는 사용되지 않는 부분을 리사이클함으로써, 그 프로젝터의 밝기를 증가시키는 것이 제안되고 있다.
레이저에 의해 여기될 수 있는 형광 물질은 보통 이들 분말 처리 성능에 따라 아래와 같은 3가지 종류로 분할될 수 있다:
- 기판, 예컨대 유리, 금속 등의 상부에 그러한 물질을 제공함으로써 박막층이 형성될 수 있도록 글루(glue), 에폭시(epoxy) 등과 같은 유기물에 의해 함께 결합된 형광 분말로 이루어진 형광 분말. 형광체를 고정시키고 레이저 빔이 글루를 연소시키는 것을 방지하기에 충분한 열을 제공하도록 주의해야 한다.
- 유리와 같은 무기물에 의해 함께 결합된 형광 분말로 이루어지고, 보통 고체 형태인 세라믹 형광체. 이러한 세라믹 형광체는 세라믹 형광체의 박막 시트로서 형성될 수 있으며, 글루가 사용되지 않기 때문에 보다 높은 레이저 파워에서 훨씬 높은 온도를 견딜 수 있다.
- 액체에 부유된 형광 분말의 셀로 이루어진 액체 형광체. 이러한 형광체가 유동되도록 만들어짐으로써 열이 빠르게 제거될 수 있어, 시스템의 파워-처리 용량을 증가시킨다.
도 1에 따르면, 투사 디스플레이에 사용하기 위한 다른 광원은 형광계 광원이다. 도 1은 히트 싱크(12) 상에 장착된 형광 물질(10; 또는 형광체)을 나타낸다. 레이저(14)의 출력은 그러한 형광 물질을 여기시켜 광 빔(16)을 방출하도록 그 형광체(10)의 표면 상으로 지향된다. 또한 리사이클링(Recycling)이 형광-유도 광원에 채용된다.
본 발명은 투사 디스플레이용 형광계 램프를 제공하기 위한 것이다.
형광계 램프는 형광 물질 및 여기 소스를 포함하며, 레이저나 LED 또는 그 모두가 될 수 있다. 바람직하게, 그러한 형광계 램프(이하 간단히 '램프"라고 칭함)는 밝기를 증가시키기 위해 높은 각도 광을 반사하여 리사이클링시키기 위한 리사이클링 칼라(recycling collar)를 포함한다.
바람직하게, 여기 소스가 레이저일 때, 레이저 출력 빔은 빔 스플리터 쪽으로 지향되고, 상기 빔 스플리터는 그 레이저 빔을 형광 물질 상의 리사이클링 칼라 개구(recycling collar aperture)를 통과하도록 재지향시킨다. 개구를 빠져나가는 형광 물질에 의해 방출된 광은 램프의 출력으로서 빔 스플리터를 통과한다. 대안적으로, 렌즈는 형광 물질 쪽으로 리사이클링 칼라 주위의 레이저 빔을 재지향시키는데 이용된다.
바람직하게, 다수의 여기 레이저는 리사이클링 칼라 주위에 배치되고 그들 출력을 형광 물질 상으로 지향시키거나 대향의 벽 쪽으로 재지향시키기 위한 것이며, 상기 출력은 형광 물질 상에서 반사된다.
그와 같은 램프는 투사 시스템의 일부로서 이용되며, 일 실시예에 있어서, 투사 시스템을 위한 광원으로 제공된다. 대안적으로, 상기 투사 시스템은 기존의 광원을 이용하며, 형광 물질은 컬러 휠 상에 코팅되고 광원에 의해 여기된다.
도 1은 종래 형광 광원의 측단면 개략도이고;
도 2는 형광체-코팅 LED를 채용하는 하이브리드(hybrid) 광원의 측단면 개략도이고;
도 3은 리사이클링을 채용하는 다른 하이브리드 광원의 측단면 개략도이고;
도 4는 리사이클링과 함께 형광체의 LED 및 레이저 유도 모두를 채용하는 다른 하이브리드 광원의 측단면 개략도이고;
도 5는 하이브리드 광원의 다른 실시예의 측단면 개략도이고;
도 6은 하이브리드 광원의 다른 실시예의 측단면 개략도이고;
도 7은 발명에 따른 광원을 이용하는 투사 시스템의 측단면 개략도이고;
도 8은 발명에 따른 광원을 이용하는 다른 투사 시스템의 측단면 개략도이고;
도 9는 발명에 따른 광원의 다른 실시예의 측단면 개략도이고;
도 10 및 11은 발명에 따른 광원의 2개의 추가 실시예의 측단면 개략도이고;
도 12는 광 파이프를 채용하는 발명에 따른 광원의 다른 실시예의 측단면 개략도이고;
도 13-16은 광 파이프를 채용하는 발명에 따른 광원의 추가 실시예의 측단면 개략도이고;
도 17은 발명에 따른 광원의 다른 실시예의 측단면 개략도이고;
도 18은 여기 레이저의 어레이를 나타내는 리사이클링 칼라의 방향에서 본 형광 소스로부터의 도면이고;
도 19는 발명에 따른 광원의 다른 실시예의 측단면 개략도이고;
도 20은 다른 여기 레이저의 어레이를 나타내는 리사이클링 칼라의 방향에서 본 형광 소스로부터의 도면이고;
도 21은 발명에 따른 광원의 다른 실시예의 측단면 개략도이고;
도 22는 다른 여기 레이저의 어레이를 나타내는 형광 광원 쪽의 방향에서 본 리사이클링 칼라의 도면이고;
도 23a - 23c는 발명에 따른 형광체 구성의 개략 측면도이고;
도 24는 발명에 따른 광원의 다른 실시예의 개략도이고;
도 25는 도 24의 광원의 다른 실시예의 개략도이고;
도 26 및 27은 광 파이프를 이용하는 도 24의 광원의 다른 실시예의 개략도이고;
도 28은 도 24의 광원의 다른 실시예의 개략도이고;
도 29 및 30은 광 파이프를 이용하는 도 24의 광원의 다른 실시예의 개략도이고;
도 31은 도 24의 광원을 이용하는 광 프로젝터의 개략도이며;
도 32는 광원의 또 다른 실시예의 개략도이다.
도 2는 백색 광을 방출하기 위한 광원의 구성을 나타낸다. 형광 물질(18; 이하 '형광층'이라고도 칭함)의 층은 순차로 히트 싱크(22) 상에 장착되는 청색 LED(20) 상에 제공된다. 그러한 형광층(18)은 LED(20)에 의해 생성된 청색 광에 의해 여기되고 적색 및 녹색 광을 생성한다. LED로부터의 청색광, 및 형광 물질(18)로부터의 적색 및 녹색 광의 총 출력이 백색 광이 되도록, 그러한 형광체는 보통 형광층의 두께 또는 형광체 적층물의 밀도를 변경함으로써 조절한다.
도 3은 도 2의 청색 LED(20) 및 형광 물질(18)을 채용하나, 리사이클링 칼라(24)를 더 포함하는 광원의 실시예를 나타낸다. 그러한 리사이클링 칼라(24)는 보통 안쪽으로 반사시키는 반구형 외면(26) 및 방출 축(30)에 중심이 맞추어진 개구(28)를 구비한다. 나타낸 그러한 방식에서, 그러한 방출 축(30)에 대해 낮은 방출각을 갖는 LED(20) 및 형광 물질(18)로부터 방출된 광은 광원의 출력으로서 개구를 통과한다. 미리 결정된 각도보다 큰 방출각을 갖는 방출 광(32)은 리사이클링 칼라(24)의 반사면(26)에 부딪쳐 형광 물질(18) 쪽으로 다시 반사된다. 나타내진 않았지만, 다른 실시예에서, 상기 리사이클링 칼라(24)는 이중 포물선 형태를 갖는다.
도 4에 있어서, 레이저(34), 예컨대 청색 레이저는 리사이클링 칼라(24a)에 장착된다. 상기 레이저(34)의 출력(36)은 형광층(18)을 더 여기시키도록 형광 물질(18) 쪽으로 지향된다. 그러한 레이저 여기는 광원의 광 출력을 증가시켜 시스템의 밝기를 증가시킨다. 요구된 출력, LED의 광-처리 용량, 및 시스템의 수명 요건에 따라 추가의 밝기를 위해 하나 이상의 레이저가 사용될 수 있다. 대안적으로, 상기 레이저(34)는 리사이클링 칼라(24a)의 외부에 장착될 수 있는데, 이러한 경우에는 출력(36)이 리사이클링 칼라(24a)의 구멍을 통해 형광 물질(18)로 지향된다.
LED 및 형광 물질(18)을 이용하는 것에 대한 대안으로서, 도 4의 실시예는 단지 히트 싱크 상에 코팅된 형광층만을 채용한다. 그와 같은 대안의 실시예에 있어서, 시스템은 순수하게 레이저-유도 시스템으로서 동작할 것이다.
도 4의 또 다른 실시예에 있어서, 시스템의 비용을 좀더 낮추기 위해 리사이클링 칼라(24a)가 사용되지 않는다.
또한 도 5는 백색 광원(40)으로서 형광 물질이 코팅된 청색 LED를 이용한다. 그러한 광원의 출력은 직선이거나 테이퍼(taper)지는(나타낸 바와 같은) 광 파이프(44)의 입력단(42)에 연결된다. 그러한 광 파이프(44)의 출력단(46)은 빔 스플리터(48)에 연결된다. 여기 레이저(14)는 그 출력(50)이 광 파이프(44)의 중심 축(52)에 대해 약 90°의 각도로 빔 스플리터(48) 상으로 지향됨으로써 그 출력이 광원(40) 쪽으로 반사되도록 위치된다. 상기 광원(40)에 의해 생성된 광(54)은 중심 축(52)의 통상의 방향으로 확장하여 출력 광을 방출시키는 빔 스플리터(48)를 통과한다. 선택적으로, 상기 빔 스플리터(48)의 출력단(56)의 일부는 그 출력의 밝기를 증가시키기 위해 출력 광의 일부를 다시 광원(40)으로 반사시켜 리사이클시키도록 반사층(58)으로 코팅될 수 있다.
형광체가 코팅된 LED를 이용하는 것에 대한 대안으로서, 상기 광원(40)은 히트 싱크 상에 코팅된 형광층으로 교체될 수 있다. 또한 컬러 광(colored light)을 생성하는 형광층이 사용될 수도 있다. 예컨대, 녹색 형광체는 녹색 광을 생성하는데 사용될 수 있다. 레이저 여기는 생성된 녹색 광의 밝기를 증가시킨다. 선택적으로, 적색 형광체가 사용될 수 있다.
도 6의 실시예에 있어서, 다른 파장의 형광체가 소정 컬러의 출력을 증가시키기 위해 사용된다. 예컨대, 540 nm의 파장을 갖는 녹색 LED(60)가 540 nm 광을 투과시키나 자외선 및/또는 청색 광을 흡수하는 녹색 형광층(62)에 사용됨으로써, 광원이 녹색 광을 더 많이 생성한다. 대안적으로, 적색 형광체는 적색 출력의 밝기를 증가시키기를 원할 경우 사용될 것이다.
일반적으로, 소정의 컬러 LED가 사용될 수 있으며, 그 밝기는 상술한 바와 같이 투명 형광체로 지향된 여기 레이저를 이용하여 증가시킬 수 있다. 그리고, 선택의 컬러 밝기가 도 5 및 도 6 실시예 모두에서 이용될 수 있다.
도 7은 도 2-6에서 기술한 소정의 실시예들에 제공될 수 있는 레이저/LED 광원(64)이 채용되는 통상의 DLP 프로젝터 시스템을 개략적으로 나타낸다. 그러한 광원(64)의 출력은 프로젝터(72)로 들어가기 전에 컬러 휠(66), 광 터널(68; light tunnel), 및 릴레이 렌즈(70; relay lense)를 통과한다. 상기 프로젝터는 기존의 투사 엔진(74), 디지털 광 프로세서 이미저(76; digital light processor imager), 및 스크린(도시하지 않음) 상에 이미지를 투사하기 위한 출력 투사 렌즈(78)를 구비한다. DLP 투사 시스템들은 잘 알려져 있기 때문에, 본원에서 이들에 대해 더 이상 기술하지 않는다. 3LCD 및 LCOS를 이용하는 다른 투사 시스템들이 사용될 수도 있다.
도 8은 DLP 투사 시스템의 다른 실시예를 나타낸다. 레이저(34)로부터의 광 출력은 도 5에서와 같이 빔 스플리터(48) 상으로 지향된다. 그 레이저 광은 형광 물질(18) 쪽으로 반사된다. LED(20) 및 형광 물질(18)에 의해 생성된 광은 렌즈(80)에 의해 시준(collimate)된다. 그러한 시준된 출력은 빔 스플리터(48)를 통과하여 광 파이프(82)로 들어가 컬러 휠(66)을 통과한다. 그 컬러 휠(66)을 통과한 후, 그 출력 광은 엔진(74), DLP 패널(76), 및 출력 렌즈(78)를 포함하는 프로젝터(72)로 렌즈 어레이(70)를 통해 통과한다.
도 9는 레이저 입력에 의해 구동된 광원의 실시예를 나타낸다. 레이저(14)는 반도체 물질, 고체 상태, 또는 가스 레이저를 포함하는 다른 레이저 물질로 이루어진 UV 또는 청색 레이저일 수 있다. 레이저(14)의 출력(82)은 이 출력(82)이 히트 싱크(12) 상에 코팅된 형광 물질(18) 쪽으로 반사되는 각도로 렌즈(84)를 통해 선택의 필터(86)로 통과한다. 상기 형광 물질(18)은 레이저 광선을 흡수하고 사용된 재료에 따라 다양한 컬러의 광을 방출한다. 예컨대, 백색, 적색, 녹색, 청색 또는 다른 컬러가 생성될 수 있다.
형광 물질(18)은 형광체의 온도를 낮게 유지하여 성능을 향상시키도록 히트 싱크(12)의 상부에 배치된다. 각기 다른 컬러를 갖는 다수 타입의 형광 물질들이 얻어질 수 있다. 상기 히트 싱크(12)는 리사이클링 컬러(24)에 면하는 반사면이 주어지며, 이에 따라 레이저 광 및 형광체로부터의 방출 광 모두가 출구 개구(28) 쪽으로 지향된다.
형광체로부터의 출력은 보통 램버시안(Lambertian)이며 많은 높은 각도 방출을 포함한다. 그러한 높은 각도 방출은 반사 칼라(24)에 의해 형광 물질(18)로 다시 반사된다. 상기 칼라는 이미징 장치를 형성함에 있어 구면 형태가 될 수 있으며, 이미징되는 그러한 높은 각도 형광 방출은 형광 물질(18)로 되돌아 간다. 낮은 각도 방출은 개구(28)를 통해 빠져나가 시준 렌즈(80)를 통과한다. 다음에, 그 출력은 형광체에 의해 방출된 광을 전달하고 레이저의 광을 반사시키는 선택의 필터(86)를 통과한다. 그 출력의 평행 빔(87)은 또한 광 포커싱 렌즈(88)를 이용하여 작은 스폿으로 포커싱될 수 있다.
도 10은 포물선 형태를 갖는 리사이클링 칼라(24b)의 다른 구성을 나타낸다. 축 방향(52)에 대해 미리 결정된 각도보다 큰 형광 물질(18)에 의해 방출된 광은 그 축 방향에 수직인 방향으로 칼라(24b)에 의해 반사되고, 재차 대향 표면에 의해 형광 물질(18)로 다시 반사된다.
도 11은 포물선 형태를 갖는 리사이클링 칼라(24c)의 또 다른 구성을 나타낸다. 이러한 경우, 형광 물질(18)은 광이 다시 히트 싱크(12) 쪽으로 그리고 히트 싱크(12)에 수직으로 반사되도록 포물선 반사기의 중심에 배치된다. 반사기(90)는 평행 빔이 리사이클링을 위해 포물선 반사기(24c) 쪽으로 반사되고 다시 형광 물질(18)로 포커스되도록 히트 싱크(12)에 평행하게 또는 히트 싱크(12)의 상부에 위치된다.
도 12는 테이퍼진 광 파이프 또는 복합 포물면 집속체(92; CPC(compound parabolic concentrator))를 이용하는 실시예를 나타낸다. 레이저 출력(82)은 레이저 빔이 형광 물질(18) 상에서 테이퍼진 광 파이프 또는 CPC(92) 쪽으로 반사되도록 선택의 빔 스플리터(48)로 지향한다. 형광체에 의해 방출된 광은 광 파이프(92)를 통해 선택의 빔 스플리터(48)를 통과하여, 그 빔 스플리터(48)의 출구 단부(94) 쪽으로 향한다. 상기 선택의 빔 스플리터(48)는 이 빔 스플리터를 형성하는 프리즘들의 삼각면에서 발생하는 전반사에 의해 도파로로 작용하도록 연마된 모두 6개의 측면을 갖춘다.
빔 스플리터(48)의 출구 단부(94)는, 보다 높은 각도 광을 반사하여 리사이클링시키는 한편, 낮은 각도 광이 빠져나가게 하기 위해 중심 개구(98)를 갖는 환형 광 반사기(96)에 의해 커버된다. 선택적으로, 나타내지 않은 반사 편광자는 사용되지 않은 편광된 광이 더 리사이클링될 수 있도록 출구 개구에 걸쳐 배치될 수 있다.
도 13은 발명의 다른 실시예를 나타내며, 여기서 상기 선택의 빔 스플리터(48)는 레이저(14)로부터의 출력 빔(82)이 테이퍼진 광 파이프 또는 CPC(92) 쪽으로 반사되어 형광 물질(18) 쪽으로 향하도록 선택의 필터 플레이트(100)로 교체된다. 형광 물질(18)로부터의 출력 광은 광 파이프(92)를 통해 선택의 필터 플레이트(100)를 통과한다. CPC 또는 테이퍼진 광 파이프의 출력단(101)은 축에 대해 미리 결정되 각도보다 작은 각도를 갖는 광만을 통과시키기 위한 중심 개구(104)를 갖춘 반사 코팅(102)에 의해 커버된다.
도 14는 다수의 형광 물질(18a, 18b)를 채용하는 다른 실시예를 나타낸다. 형광체가 없는 영역 M1은 리사이클된 광이 CPC 또는 테이퍼진 광 파이프(92)의 출력단 쪽으로 다시 반사되도록 반사면으로 코팅될 수 있다. 대안적으로, 광 파이프(92)의 입력단의 일부는 M2로 나타낸 바와 같은 반사면으로 코팅될 수 있다.
도 15는 형광 물질(18)로부터의 높은 각도 방출이 리사이클링을 위해 형광 물질(18)로 다시 반사되도록 광 파이프(104)가 역 테이퍼진 다른 실시예를 나타낸다. 그러한 역 테이퍼진 광 파이프(104)의 경우, 외측면은 전반사를 생성하도록 반사 코팅으로 코팅될 것이다.
도 16은 도 15의 변형예를 나타내며, 여기서 역 테이퍼진 광 파이프 또는 CPC(104)의 출력이 제2의 테이퍼진 광 파이프 또는 CPC(92)에 대한 입력이 된다. 그와 같은 시스템은 출력면 크기 및 광 출력의 각도를 조절할 수 있다.
도 15 및 16에 사용된 그러한 테이퍼진 광 파이프 또는 CPC들은 고체이거나 또는 속이 빈 것이 될 수 있다. 만약 고체의 CPC가 사용되면, 그 외측면은 반사 코팅으로 코팅될 필요가 있다.
도 17은 히트 싱크(12)의 상부에 형광 물질(18)의 층을 구비한 레이저 여기 형광 시스템을 나타낸다. 그러한 형광 물질(18)은 글루 또는 다른 바인더에 의해 결합된 형광 분말, 세라믹 형광체, 또는 액체 형광체가 될 수 있다.
개구(28)를 통과하지 못하는 형광체에 의해 방출된 광이 다시 자체 반사되도록 굴곡의 중심이 거의 그 형광 물질(18)의 위치가 되도록 구형의 리사이클링 칼라(24a)가 배치된다. 형광체에 의해 방출된 광의 일부는 시스템의 출력을 형성하는 리사이클링 칼라(24a)의 개구(28)를 빠져나간다. 상기 개구(28)를 빠져나가지 않는 광의 일부는 리사이클링을 위해 다시 형광 물질(18)로 반사될 것이다. 그 형광 물질에 부딪치는 광의 일부는 재방출되어 시스템 출력으로서 개구(28)를 통해 빠져나가며, 그와 같은 광의 일부는 리사이클링 칼라(24a)에 의해 재차 다시 형광 물질로 반사될 것이다.
도 17의 시스템은 레이저 빔이 손실 없이 들어갈 수 있도록 출력이 형광 물질(18) 쪽으로 리사이클링 칼라(24a)의 작은 개구(111)들을 통해 지향되는 다수의 여기 레이저(14)를 포함한다.
레이저 소스 구성의 일 예가 도 18에 나타나 있다. 그와 같은 예에 있어서, 6개의 개구(111)가 중심 축(C)으로부터 특정 반경(r)으로 리사이클링 칼라(24a) 둘레에 균일하게 제공된다. 필요한 전체 레이저 파워를 제공하도록 다수의 레이저가 조절될 수 있다. 고효율의 동작을 위해, 그러한 레이저 빔을 위한 개구들은 리사이클링을 위해 최소의 표면이 제거되도록 리사이클링 칼라의 크기에 대해 조금 만들어진다.
도 19는 다른 구성을 나타내며, 여기서 리사이클링 칼라(24c)는 형광 물질(18)로부터의 광의 높은 각도 빔이 리사이클링 칼라의 내면에 부딪칠 때 2개의 반사가 발생하도록 포물선 형태가 된다. 제1반사는 빔을 그 출력 축에 수직인 방향으로 시준하고, 제2반사는 빔을 형광 물질(18)로 다시 포커스한다. 이러한 경우, 출력이 개구(111)들을 통해 들어가는 여기 레이저(14)는 그 들어가는 레이저 빔(114)이 중심 축(52)에 수직인 방향으로 확장되도록 지향될 수 있다. 상기 레이저 빔(114)은 리사이클링 칼라(24c)의 대향된 내벽에 반사되어 형광 물질(18) 쪽으로 지향될 것이다. 도 20에 나타낸 바와 같이, 개구(111)들의 위치를 설계할 때, 개구들이 서로 반대로 형성되지 않는 것이 중요하다. 바람직하게, 반사 코팅(120)은 리사이클링을 향상시키도록 형광 물질(18)을 둘러싼다.
도 21은 형광 물질(18)을 여기시키기 위해 하나 또는 그 이상의 레이저 소스(14)를 이용하는 다른 구성을 나타낸다. 형광 물질(18)에 의해 방출된 광을 모아 시준하기 위해 다수의 렌즈(122, 124)가 사용된다. 레이저 출력(82)이 형광 물질(18) 쪽으로 거울(126)에 의해 반사되도록 형광 물질로부터 대부분의 시준된 광이 통과되는 영역 외측에 3개의 레이저 소스(14)가 배치된다. 상기 거울(126)은 레이저 빔(82)의 크기에 매칭되도록 작은 것이 바람직하다. 이에 따라, 방해물의 양이 최소가 된다.
도 22는 3개의 레이저 소스(14)를 갖는 구성의 예를 나타내며, 도 22에서 3개의 레이저(14) 및 3개의 작은 거울(126)이 출력 빔의 에지 주위에 배치된다. 고려 대상의 정확한 파장에 따라, 상기 거울들은 그 레이저 빔을 반사하여 형광 물질(18)에 의해 방출된 출력을 전송함으로써 시스템의 블록킹 손실을 감소시키도록 이색성 코팅(dichroic coating)으로 이루어질 수 있다.
도 23은 표면이 증가됨으로써 유효 영역이 감소되고 전체 파워 처리 용량이 증가되도록, (a) 히트 싱크(12)의 상부의 형광 분말/글루(18a) 또는 세라믹 형광체(18b); (b) 컨테이너(18c)의 액체에 부유된 형광체; 또는 (c) 모터(132)에 의해 회전된 휠(130) 상의 형광체(18d)를 갖는 형광 물질의 다양한 구성을 나타낸다.
도 24는 광원(142)에 의해 펌프된 액체 및 형광 물질을 포함하는 형광 셀(140)을 이용하는 램프 시스템의 실시예를 나타낸다. 바람직하게, 상기 광원(142)은 액체를 형광 물질에 의해 내측으로 흡수되도록 선택된 파장을 갖는 레이저이다. 상기 셀(140)은 유리 또는 일부 다른 타입의 투명 물질로 이루어진다. 상기 형광 물질은 다양한 컬러의 형광체, 다양한 컬러의 염료, 또는 다른 형광 물질, 예컨대 형광 분말이 될 수 있다. 상기 형광 물질은 액체로 용해되거나 부유되거나 또는 콜로이드 상태가 될 수 있다. 소정의 컬러 요건에 있어서, 몇가지 형광 물질의 혼합물이 사용될 수 있다. 필터(156)는 여기 레이저 광 파장을 전달하고 출력 방향으로 형광체에 의해 방출된 형광의 광을 반사하도록 디자인된다.
일 예에 있어서, 입력 광원(142)은 청색 레이저이다. 그 액체는 형광체의 현탄액을 갖는 글리콜(glycol) 또는 실리콘 오일이다. 형광 셀(140)은 투 피스(two piece)의 평탄 유리로 구성되며, 이 형광 셀(140)의 대향하는 단부들에 입구(144) 및 출구(146)를 갖도록 형성된다. 상기 형광 셀(140)의 두께는 레이저 광의 일부는 흡수되고 그 일부는 전달되도록 조절될 수 있으며, 이에 따라 특정 애플리케이션에 필요한 광 스펙트럼을 제공한다.
상기 형광 셀(140) 내측의 액체는 튜빙(148; tubing) 및 펌프(150)에 의해 연속으로 순환된다. 튜빙의 제1섹션(148a)은 저장소(152)를 펌프(150)와 연결한다. 튜빙의 제2섹션(148b)은 셀(140)의 입구(144)에 펌프를 연결한다. 튜빙의 제3섹션(148c)은 셀(140)의 출구(146)를 쿨러(154)와 연결한다. 마지막으로, 튜빙의 제4섹션(148d)은 액체를 냉각기(152)에서 저장소(150)로 다시 리턴시킨다. 상기 용어 "튜빙"은 압력 하에 액체를 순환시키기 위한 소정의 적절한 파이프 또는 도관을 광범위하게 나타내기 위한 것이다.
형광체는 사용에 따라 노후화되어, 시간에 따라 광 방출 효율이 감소할 것이다. 그와 같은 이유 때문에, 저장소(152)가 분리되어 교체될 수 있도록 튜빙의 제1섹션(148a) 및 제4섹션(184d)에 커플링 또는 커넥터(도시하지 않음)에 의해 저장소(152)가 연결되는 것이 바람직하다. 바람직하게 상기 저장소(152)는 출력을 원래 값으로 복원시키기 위해 필요할 경우 교체될 수 있는 액체 및 형광 현탄액을 함유하고 있는 카트리지이다. 튜빙 섹션(148a 및 148b)으로부터 분리할 때, 그러한 카트리지는 액체가 빠져나가는 것을 방지하기 위해 입력과 출력이 종료되어 자동으로 폐쇄되도록 구성되는 것이 바람직하다. 원할 경우, 냉각기(154)도 그 카트리지의 일부로 이루어질 수 있으며, 그 경우 커플링은 냉각기(154)의 입력 및 저장소(152)의 출구에 제공된다.
저장소(152)의 유체 용량 및 그 안에 함유된 형광체의 양은 원하는 유효 수명을 제공하도록 디자인될 수 있다. 다양한 크기의 교체가능한 카트리지는 유효 수명의 선택을 사용자가 제공할 수 있게 한다.
또한 도 24의 시스템은 미리 결정된 각보다 작은 중심 축에 대한 방출각을 갖는 광을 방출하고, 그와 같은 각보다 큰 방출각을 갖는 광을 반사시켜 리사이클링시키기 위한 중심 출구 개구(28)를 구비한 구형, 타원형, 또는 다른 굴곡진 리사이클링 칼라(24)를 채용한다.
그러한 리사이클링 칼라는 광의 출력 발산을 제한하며, 이에 따라 시스템의 크기를 감소시킨다. 그러한 리사이클된 광의 일부가 개구(28)를 통해 빠져나가므로, 그 출력 밝기는 증가한다. 사용된 액체 및 형광 물질의 타입에 따라, 리사이클된 광이 출력 쪽으로 일부 광을 재지향시키기 위해 충분히 산란될 수 있도록 형광 셀의 전방 및/또는 후방에 선택의 확산기들이 부가될 수 있다. 이들 선택의 확산기는 또한 본 발명의 또 다른 실시예에 사용될 수 있다.
또 다른 실시예에 있어서, 상기 형광 물질 외에, 수동식 산란 분말, 예컨대 유리 분말 또는 유리 비드(bead)의 현탄액이 일부의 흡수되지 않은 청색 레이저 광이 레이저 빔 정도가 아니라 청색 광 만큼 산란되는 것으로 출력되도록 청색 레이저 광을 산란시키는데 이용될 수 있다. 이러한 산란된 청색 레이저는 투사 엔진을 위한 형광체로부터 또 다른 컬러 광과 혼합될 것이다. 이는 콘트롤된 양의 청색 레이저 광이 투사 엔진을 위한 불균일 청색 광으로서 사용되게 한다.
도 25는 입구(144a) 및 출구(146a)를 갖춘 형광 셀(140)을 구비한 광원의 또 다른 실시예를 나타낸다. 도 25에 있어서, 상기 형광 셀(140)은 도 24의 냉각기(154)를 대신하거나 증가시키기 위해 사용되는 히트 싱크(12) 상에 또는 히트 싱크에 부착된다. 형광 출력이 리사이클링 칼라(24; 이용될 경우) 쪽으로 지향되도록 형광 셀(140)의 배면에 반사 코팅 또는 거울(156)이 배치된다. 도 25에 있어서, 광원(142)은 레이저 광을 형광 셀(140) 쪽으로 다시 반사하도록 각도진 선택 필터(158)로 광을 지향시킨다. 상기 선택 필터(150)는 형광 셀(140)에 의해 생성된 광(160)을 통과시킨다.
도 26은 출력이 직선 광 파이프(170)에 연결되는 형광 셀(140)을 이용하는 리사이클링 시스템을 나타낸다. 그러한 광 파이프의 출구 단부(172)는 낮은 각도의 광 빔(180)이 광 파이프(170)를 빠져나가게 하기 위해 중심 축에 중심이 맞추어진 개구(176)를 갖추면서, 동시에 리사이클링을 위해 나머지 광을 입구 단부(178) 쪽으로 다시 반사하는 반사면(174)을 포함한다. 그러한 반사된 광이 산란되어 재지향되기 때문에, 밝기가 증가한다.
도 27은 테이퍼진 광 파이프(170a; 즉, 그 출구(172a)에서 입구(178a) 쪽으로 테이퍼진 광 파이프)가 사용되는 것을 제외하고는 도 26과 유사하다.
도 28은 리사이클링 칼라(24) 및 도 25와 유사한 광원(142) 및 선택 필터(158)를 이용하는 리사이클링 시스템을 나타낸다. 셀(140)은 히트 싱크(12)에 장착된다. 반사기(182)는 상기 셀(140)과 히트 싱크(12) 사이에 위치된다. 확산기 대신, 반사기에는 리사이클링 메카니즘을 강화시키는 산란면이 제공될 수 있다. 입력 광원(142)은 선택 필터(158)에 의해 상기 셀(140) 쪽으로 반사된 광을 갖는 셀(140)의 출력측에 배치될 것이다. 개구(28)를 빠져나가는 셀(140)에 의해 생성된 출력 광(184)은 시스템의 출력으로서 선택 필터(150)를 통과한다.
도 29는 도 26 및 27과 유사한 리사이클링 구성을 나타내며, 전달형 형광 셀이 반사형 형광 셀(140)로 교체되었다.
도 30은 프리즘에 의해 형성된 빔 스플리터(190)가 선택 필터(158)를 대신하는 도 29의 변형예를 나타낸다. 이러한 경우, 선택의 빔 스플리터는 6-측면 바디(측면들이 다른 치수를 갖는 큐브 또는 직선 바디가 되는)이다. 그러한 바디의 모든 면은 그 큐브 내측의 광이 그 면들의 일부에서 전반사되도록 광학적으로 다듬어진다. 나타낸 바와 같이, 바람직하게는 직선이거나 테이퍼지는 광 파이프(170)의 단부와, 셀(140) 및 빔 스플리터(190)간 각각 갭이 존재한다.
도 31은 광원이 형광 셀(140)인 것 외에 도 7과 유사한 투사 시스템을 나타낸다. 형광 셀(140) 및 리사이클링 칼라(24)의 크기는 그 리사이클링 광원의 크기가 투사 엔진(72)의 크기와 매칭되도록 선택된다. 그러한 형광 셀(140)의 원래 크기와 투사 시스템의 크기의 비율은 리사이클링 시스템의 이득을 결정할 것이다. 바람직하게, 그 광원(셀 140)은 백색 광을 생성한다.
도 32는 X-큐브 프리즘(192)을 이용하는 단일 출력으로 조합된 3개의 다른 컬러, 즉 적색(R), 녹색(G), 및 청색(B)을 갖는 광원을 나타낸다. 그 출력(194)은 투사 엔진을 위한 광원으로서 또는 스폿 라이트(spot light) 애플리케이션에 사용될 수 있다.
상술한 설명은 본 발명의 바람직한 실시예들을 나타낸다. 통상의 기술자라면 다양한 변형이 이루어질 수 있다는 것을 명확히 알 수 있을 것이다. 그와 같은 모든 변형 및 변경은 이하의 청구항에 기술한 바와 같은 발명의 범주 내에 속할 것이다.

Claims (22)

  1. 형광 물질이 코팅된 LED를 포함하는, 형광계 램프.
  2. 청구항 1에 있어서,
    형광 물질 쪽으로 지향된 출력을 갖는 여기 레이저 소스를 더 포함하는, 형광계 램프.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 형광 물질은 중심 축에 중심이 맞추어진 광을 방출하고,
    상기 중심 축이 지나는 중심 개구를 갖춘 리사이클링 칼라를 더 포함하며,
    상기 중심 축에 대해 미리 결정된 각도보다 작은 각도를 갖는 방출 광은 상기 중심 개구를 통과하고,
    상기 미리 결정된 각도보다 큰 각도를 갖는 방출 광은 리사이클링을 위해 상기 리사이클링 칼라에 의해 상기 형광 물질로 다시 반사되고,
    상기 리사이클링 칼라는 상기 형광 물질에 상대적으로 위치되는, 형광계 램프.
  4. 형광 물질 및 이 형광 물질 쪽으로 지향된 출력을 갖는 여기 레이저를 갖춘, 형광계 램프.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 형광 물질은 중심 축에 중심이 맞추어진 광을 방출하고,
    상기 중심 축이 지나는 중심 개구를 갖춘 리사이클링 칼라를 더 포함하며,
    상기 중심 축에 대해 미리 결정된 각도보다 작은 각도를 갖는 방출 광은 상기 중심 개구를 통과하고,
    상기 미리 결정된 각도보다 큰 각도를 갖는 방출 광은 리사이클링을 위해 상기 리사이클링 칼라에 의해 상기 형광 물질로 다시 반사되고,
    상기 리사이클링 칼라는 상기 형광 물질에 상대적으로 위치되는, 형광계 램프.
  6. 청구항 5에 있어서,
    빔 스플리터를 더 포함하며,
    레이저 출력이 상기 빔 스플리터 쪽으로 지향되고,
    상기 빔 스플리터는 레이저 출력이 상기 중심 개구를 통해 상기 형광 물질 쪽으로 재지향되도록 위치되고 지향되며,
    상기 중심 개구를 통과하는 상기 형광 물질에 의해 방출된 광은 출력 광으로서 상기 빔 스플리터를 통과하는, 형광계 램프.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 리사이클링 칼라는 구형인, 형광계 램프.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 리사이클링 칼라는 포물선 형태를 갖는, 형광계 램프.
  9. 청구항 6에 있어서,
    상기 빔 스플리트와 상기 형광 물질 사이에 위치된 광 파이프를 더 포함하는, 형광계 램프.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 광 파이프는 상기 형광 물질에 의해 방출된 광을 수신하기 위한 입력단 및 말단의 출력단을 갖추고,
    상기 출력단의 일부는 광을 반사하여 리사이클링시키기 위한 반사 코팅을 갖춘, 형광계 램프.
  11. 청구항 5에 있어서,
    레이저 출력은 상기 리사이클링 칼라의 외측으로 통과하도록 조준되며,
    상기 형광 물질 쪽으로 상기 레이저 출력을 재지향시키기 위한 적어도 하나의 렌즈를 더 포함하는, 형광계 램프.
  12. 청구항 5에 있어서,
    상기 형광 물질 쪽으로 지향된 출력을 각각 갖는 상기 리사이클링 칼라 주위에 일정한 간격으로 이격된 다수의 여기 레이저를 포함하는, 형광계 램프.
  13. 청구항 12에 있어서,
    각각의 여기 레이저의 출력은 상기 형광 물질 쪽으로 상기 리사이클링 칼라의 개구를 통해 확장하는, 형광계 램프.
  14. 청구항 5에 있어서,
    상기 형광 물질 쪽으로 출력을 순차 재지향시키는 상기 리사이클링 칼라의 대향 표면 쪽으로 지향된 출력을 각각 갖는 상기 리사이클링 칼라 주위로 일정한 간격으로 이격된 다수의 여기 레이저를 포함하는, 형광계 램프.
  15. 청구항 14에 있어서,
    각각의 여기 레이저의 출력은 상기 형광 물질 쪽으로 출력이 반사되는 대향의 벽 쪽으로 상기 리사이클링 칼라의 개구를 통해 확장하는, 형광계 램프.
  16. 청구항 4에 있어서,
    형광체 쪽으로 출력을 재지향시키기 위해 레이저 출력의 경로에 적어도 하나의 렌즈를 포함하는, 형광계 램프.
  17. 액체 캐리어에 형광 물질을 함유하는 형광 셀, 상기 액체 캐리어를 순환시키기 위한 펌프, 상기 액체 캐리어를 냉각시키기 위한 히트 싱크, 및 상기 형광 물질이 광을 방출하게 하기 위한 상기 형광 셀로 지향된 출력을 갖는 여기 레이저를 포함하는, 형광계 램프.
  18. 청구항 17에 있어서,
    형광 셀로 여기 레이저 광 파장을 전달하고 형광체에 의해 방출된 형광 광을 출력 방향으로 반사하도록 디자인된 상기 여기 레이저와 상기 형광 셀 사이에 배치된 필터를 더 포함하는, 형광계 램프.
  19. 청구항 17에 있어서,
    상기 형광 물질은 중심 축에 중심이 맞추어진 광을 방출하고,
    상기 중심 축이 지나는 중심 개구를 갖춘 리사이클링 칼라를 더 포함하며,
    상기 중심 축에 대해 미리 결정된 각도보다 작은 각도를 갖는 방출 광은 상기 중심 개구를 통과하고,
    상기 미리 결정된 각도보다 큰 각도를 갖는 방출 광은 리사이클링을 위해 상기 리사이클링 칼라에 의해 상기 형광 물질로 다시 반사되고,
    상기 리사이클링 칼라는 상기 형광 물질에 상대적으로 위치되는, 형광계 램프.
  20. 청구항 17에 있어서,
    형광 물질에 의해 방출된 광을 수신하도록 배치된 입력단, 및 대향의 출력단을 갖춘 광 파이프를 더 포함하며,
    상기 출력단의 일부는 광을 반사하여 리사이클링시키기 위한 반사 코팅을 갖춘, 형광계 램프.
  21. 청구항 4에 따른 형광계 램프를 갖춘 프로젝터 시스템으로서,
    상기 형광계 램프로부터 광 출력을 수신하기 위한 컬러 휠, 상기 컬러 휠의 출력을 수신하기 위한 릴레이 렌즈, 상기 릴레이 렌즈의 출력을 수신하기 위한 투사 엔진, 및 출력 투사 렌즈를 포함하는, 프로젝터 시스템.
  22. 광원, 상기 광원으로부터 광 출력을 수신하기 위한 컬러 휠, 상기 컬러 휠의 출력을 수신하기 위한 릴레이 렌즈, 상기 릴레이 렌즈의 출력을 수신하기 위한 투사 엔진, 및 출력 투사 렌즈를 갖추며; 상기 컬러 휠에는 형광 물질이 코팅되는, 프로젝터 시스템.
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