KR100813959B1 - 조명장치 - Google Patents

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Abstract

출사된 광의 에텐듀를 줄임과 동시에 광속 밀도를 높일 수 있도록 된 구조의 조명장치가 개시되어 있다.
이 개시된 조명장치는 입사광을 반사시켜 일 방향으로 향하도록 하는 오목경과; 이 오목경 내부의 광축 상에 마련되는 것으로, 적어도 일면에 반사면이 형성된 내부 반사경과; 이 내부 반사경의 적어도 일면에 설치되는 것으로, 광을 생성 조명하는 광원과; 이 오목경에서 반사된 광의 초점 또는 그 초점 주변에 마련된 것으로, 광원에서 조명되고 오목경에서 반사된 일부 광을 투과시키는 어퍼쳐와, 입사된 광 중 나머지 광을 오목경 방향으로 되반사시키는 되반사면을 가지는 역반사경;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

조명장치{Illuminator}
도 1은 종래의 반사경을 이용한 LED 조명 엔진을 보인 개략적인 도면.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 조명장치를 보인 개략적인 사시도.
도 3은 도 2의 단면도.
도 4 내지 도 7 각각은 도 2의 역반사경의 어퍼쳐 구조의 실시예들을 나타낸 개략적인 정면도.
도 8은 본 발명의 제2실시예에 따른 조명장치를 보인 개략적인 단면도.
도 9는 본 발명의 제3실시예에 따른 조명장치를 보인 개략적인 단면도.
도 10은 본 발명의 제4실시예에 따른 조명장치를 보인 개략적인 단면도.
도 11은 본 발명의 제5실시예에 따른 조명장치를 보인 개략적인 단면도.
도 12는 본 발명의 제6실시예에 따른 조명장치를 보인 개략적인 단면도.
도 13은 도 12의 광 인테그레이터의 일 예를 보인 개략적인 사시도.
도 14는 도 12의 광 인테그레이터의 다른 예를 보인 개략적인 단면도.
도 15는 본 발명의 제7실시예에 따른 조명장치를 보인 개략적인 단면도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10, 110, 210, 310, 410...광원
111, 211, 311, 411...제1광원
115, 215, 315, 415...제2광원
20, 120, 220, 320, 320...오목경
30, 130, 230, 330, 430...내부 반사경
131, 231, 331, 431...제1내부 반사경
135, 235, 335, 435...제2내부 반사경
40, 140, 240, 340, 440...역반사경
41, 141, 241, 341, 441...어퍼쳐
45, 145, 245, 345, 445...되반사면
260, 360, 460...공간 270, 370, 470...히트싱크
380...광인테그레이터 490...광파이버
본 발명은 광원에서 조사된 광을 한 쪽 방향으로 조명하는 조명장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 발광 다이오드에서 출사된 광의 에텐듀를 줄임과 동시에 광속 밀도를 높일 수 있도록 된 구조의 조명장치에 관한 것이다.
일반적으로, 조명장치는 자체적으로 발광 능력이 없는 액정표시소자 또는 디지털 마이크로미러 소자 등의 화상형성소자를 이용하여 화상을 구현하는 화상투사장치 등에 채용되는 것으로, 광을 생성하고 이 생성된 광을 집속시켜 일 방향으로 향하도록 한다. 이와 같은 화상투사장치에 채용되기 위해서는 조명장치는 콜리메이 팅 광을 조명할 것이 요구된다.
이들 중 발광다이오드(Light Emitting Diode: 이하, LED 라 한다)를 광원으로 이용한 조명장치는 방전램프형 조명장치에 비하여 많은 이점을 가지고 있다. 즉, 이 LED를 채용한 조명장치는 상대적으로 긴 수명을 가지고, 소형화가 가능하며, 낮은 전압에서 구동 가능하고, 광원의 스위칭 속도가 빠르다는 이점을 가진다. 하지만, 이를 채용한 조명장치는 상대적으로 에텐듀(Etendue)가 크고, 광속밀도(flux density of light)가 낮다는 단점이 있다.
이 LED 조명장치를 채용한 화상투사장치의 성능은 광원의 에텐듀(Etendue) 및 휘도와, 화상형성소자의 광 범위(optical extent)에 의해 결정된다.
화상투사장치에서 최대 광효율을 달성하기 위하여 광원의 에텐듀는 화상형성소자의 한계 에텐듀와 같거나 작을 것이 요구된다. 그렇지 않으면 광원과 화상형성소자의 에텐듀는 상호 일치하지 않게 되고, 이에 따라 광 손실이 발생된다. 여기서, 에텐듀는 빔의 발산 및 단면 크기와 관련된 광학소자의 기하학적 성질을 나타내는 것으로, 그 값이 작을수록 광속 밀도가 증가되고 밝기가 향상된다.
실질상 광원의 에텐듀는 빔의 집속되는 지점인 타켓에서의 빔 단면 크기와 빔의 입체각에 의해 결정되는 바, 광원으로 LED를 채용한 경우 LED의 칩 크기와 광학계의 구성이 에텐듀 결정에 중요한 변수가 된다.
상기한 에텐듀 값을 줄이기 위한 방편으로, 종래에는 도 1에 도시된 바와 같은 구조의 LED 조명장치가 미국특허 공개 번호 US2003/0128341A1(공개일: 2003년 7월 10일, 발명의 명칭: LED illumination engine using a reflector, 발명자:Li, Kenneth K.) 가 개시된 바 있다.
도 1을 참조하면서 종래의 LED 조명장치를 살펴보면, LED(1)는 대략적으로 제1반사경(3)의 초점에 배치되어, 제1파장 범위의 광을 조사한다. 이 LED(1)에서 조사된 광은 상기 제1반사경(3)에서 반사되어 평행광이 되고, 제2반사경(5) 쪽으로 진행한다. 이 광은 제2반사경(5)의 초점에 실질상 집속된다.
이때, 제2반사경(5)의 초점에는 타켓(7)이 위치된다. 상기 타켓(7)은 테이퍼(taper) 형상의 광파이프이다. 이 광파이프는 모든 입사광을 수속하는 입사단(7a)과, 입사된 광이 출사되는 출사단(7b)을 가진다. 즉, 상기 광파이프는 입사단(7a)에서 출사단(7b) 쪽으로 단면의 크기가 점점 커지는 구조를 가진다. 따라서, 이 광파이프의 입사단(7a)에 소정 집속각으로 입사된 광은 출사단(7b)에서 그 집속각이 작아진 상태로 출사되므로, 에텐듀를 결정하는 입체각을 보다 작게 하여 에텐듀를 줄일 수 있다.
하지만, 이와 같이 LED 조명장치를 구성하는 경우 LED는 면광원으로서, 발광부분 모두가 제1반사경의 위치에 놓일 수 없다. 따라서, LED에서 조명되고 반사경에서 반사된 광 중 일부는 상기 광파이프에 입사되지 못하여 광효율이 저하되는 문제점이 있다. 또한, 테이퍼진 형상의 광파이프를 구비하여야 하므로 제조원가가 상승되고, 이 광파이프의 정확한 배치를 위해 조립공수가 많이 든다는 단점이 있다.
따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점들을 감안하여 안출된 것으로서, 제조원가를 낮추고, 조립 공수를 단순화하면서도 발광다이오드에서 출사된 광의 에 텐듀를 줄임과 동시에 광 손실을 줄여 광속 밀도를 높일 수 있도록 된 구조의 조명장치를 제공하는데 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 조명장치는, 입사광을 반사시켜 일방향으로 향하도록 하는 오목경과; 상기 오목경 내부의 광축 상에 마련되는 것으로, 적어도 일면에 반사면이 형성된 내부 반사경과; 상기 내부 반사경의 적어도 일면에 설치되는 것으로, 광을 생성 조명하는 광원과; 상기 오목경에서 반사된 광의 초점 또는 그 초점 주변에 마련되는 것으로, 상기 광원에서 조명되고 상기 오목경에서 반사된 일부 광을 투과시키는 어퍼쳐와, 입사된 광 중 나머지 광을 상기 오목경 방향으로 되반사시키는 되반사면을 가지는 역반사경;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 조명장치는, 제1초점 및 제2초점을 가지는 것으로, 제1초점 및 그 주변에서 입사된 광이 상기 제2초점 및 그 주변으로 향하도록 반사시키는 부분 타원 형상의 제1오목경과; 상기 제1오목경의 광축 상에 위치되는 것으로, 입사광을 반사시키는 제1내부 반사경과; 상기 제1내부 반사경 상의 실질상 상기 제1초점 위치에 설치되는 것으로, 광을 생성 조명하는 제1광원과; 상기 제2초점 주변에 마련되는 것으로, 상기 제1광원에서 조명되고 상기 제1오목경에서 반사된 광 중 일부를 투과시키는 어퍼쳐와, 입사된 광중 나머지 광을 반사시키는 되반사면을 가지는 역반사경과; 상기 제1오목경에 대향 배치되며, 제3초점과 실질상 상기 제2초점과 동일 위치에 놓인 제4초점을 가지는 것으로, 상기 되반사면에서 반사된 광을 상기 제3초점 또는 그 주변으로 집속시키는 부분 타원 형상의 제2오목경과; 상기 제2오목경의 광축 상에 위치되어, 입사광을 상기 제2오목경 방향으로 반사시키는 제2내부 반사경;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 조명장치를 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 조명장치를 나타낸 개략적인 사시도이고, 도 3은 도 2의 단면도이다.
도면들을 참조하면, 본 발명의 제1실시예에 따른 조명장치는 광을 생성 조사하는 광원(10)과, 이 광원(10)에서 출사된 광이 일 방향으로 향하도록 하는 오목경(20)과, 상기 오목경(20)의 내부의 광축 상에 마련된 내부 반사경(30)과, 상기 오목경(20)과 마주하게 배치되는 역반사경(40)을 포함한다. 상기 역반사경(40)은 상기 오목경(20)에서 반사된 광의 진행경로 상에 마련되는 것으로, 상기 오목경(20)에서 반사된 일부 광을 투과시키는 어퍼쳐(41)와, 상기 오목경(20)에서 반사된 나머지 광을 상기 오목경(20) 방향으로 되반사시키는 되반사면(45)을 구비한다. 상기 되반사면(45)은 그 면이 입사광축에 수직을 이루도록 배치된 평면으로 된 것이 바람직하다. 상기 어퍼쳐(41)는 상기 되반사면(45)의 중앙부에 마련되는 것으로, 제공하고자 하는 광이 형상에 따라서 다양한 형상을 가질 수 있다. 즉, 상기 어퍼쳐(41)는 도 4 내지 도 7 각각에 도시된 바와 같이, 슬릿(slit) 형상, 8각형상 등의 다각형상, 타원을 포함한 원형상, 사각형상 등으로 구성될 수 있다.
상기 오목경(20)은 제1초점(f1)과 제2초점(f2)을 가지는 타원경인 것이 바람직하다. 이때, 상기 역반사경(40)은 상기 제2초점(f2) 주변에 배치된다.
상기 내부 반사경(30)은 상기 오목경(20) 내부의 광축 즉, 제1초점(f1)과 제2초점(f2)을 이은 선분에 마련되는 것으로, 상기 오목경(20)의 내부를 제1 및 제2공간(20a)(20b)으로 양분한다. 이 내부 반사경(30)은 상기 오목경(20)의 광축과 평행을 이루도록 배치된 평면경인 것이 바람직하며, 적어도 일면에는 반사면(31)이 형성되어 있다.
상기 광원(10)은 대략 상기 제1초점(f1)에 위치되도록 상기 내부 반사경(30)에 설치된다. 따라서, 상기 광원(10)에서 조명되고 상기 오목경(20)에서 반사된 광은 상기 제2초점(f2) 주변에 집속된다.
상기 광원(10)은 상기 내부 반사경(30)의 적어도 일면에 설치된다. 예컨대, 도시된 바와 같이 상기 내부 반사경(30)의 일 반사면(31)의 이면(33)에 설치될 수 있다. 또한, 상기 반사면(31)이 설치된 면에 설치되는 것도 가능하며, 양면 모두에 설치되는 것도 가능하다.
또한, 상기 광원(10)은 적어도 하나의 발광 다이오드(LED)인 것이 바람직하다. 여기서, 상기 LED는 면광원으로서 소정 광량의 광을 제공함과 아울러 어텐듀 특성을 고려하여, 0.5 × 0.5[mm2] 이상의 발광면을 가지는 것이 바람직하다. 여기서, 상기 LED는 소정 파장의 광을 조명할 수 있도록 된 것으로, 조명 파장의 예로는 백, 적, 오렌지, 노란, 녹, 시안, 청, 보라, 적외선 또는 자외선 파장의 광을 들 수 있다. 여기서, 상기 광원(10)은 상기 내부 반사경(30)의 양면에 각각 구비되는 것도 가능하다. 즉, 상기 광원(10)은 내부 반사경(30)의 반사면(31) 및 그 이면(33)의 서로 대응되는 위치에 마련될 수 있다. 이와 같이 광원을 구비한 경우, 조명된 광의 전체 밝기를 증가시킬 수 있다는 이점이 있다.
상기한 바와 같이 구성된 본 발명의 제1실시예에 따른 조명장치의 동작을 살펴보면 다음과 같다.
대략 제1초점(f1)에 위치된 광원(10)에서 출사된 광의 대부분은 상기 오목경(20)의 제1공간(20a)에 직접 입사되고, 그 내부 반사면(21)에서 제2초점(f2) 쪽으로 반사된다. 여기서, 광원(10)인 LED은 면광원이므로, 상기 오목경(20)을 타원경으로 형성한 경우에 있어서도, 반사된 빔이 전부 제2초점(f2)으로 향하는 것이 아니라 도시된 바와 같이 제2초점(f2) 주변에 널리 분포됨을 알 수 있다.
즉, 오목경(20)에서 반사된 광 중 일부 광(51; 실선으로 나타냄)은 상기 어퍼쳐(41)로 직접 입사된다. 한편, 나머지 광(55; 점선으로 나타냄)은 상기 되반사면(45)에 입사되고, 그 되반사면(45)에서 상기 오목경(20)의 제2공간(20b) 쪽으로 반사된다. 이 반사된 빔은 상기 제2공간(20b) 내의 내부에서 다시 반사되어, 상기 내부 반사경(30)의 반사면(31)에 입사된다. 이때, 상기 반사면(31) 즉, 상기 광원(10)이 설치되지 않는 면은 입사광을 반사시킬 수 있는 면으로 입사광을 상기 제2광간(20b) 쪽으로 반사시킨다. 이 반사된 광은 다른 경로로 상기 역반사경(40) 쪽으로 향한다. 이 광 중 일부는 상기 어퍼쳐(41)를 투과하게 되고, 나머지는 되반사면(45)에서 제1공간(20a) 쪽으로 되반사된다. 이와 같은 반사 과정을 반복하면서, 상기 광원(10)에서 조명되고 상기 오목경(20) 및 내부 반사경(30)에서 반사된 거의 모든 광이 상기 어퍼쳐(41)를 투과하게 된다. 이 어퍼쳐(41)를 투과하는 광의 최대 집속각인 입체각 σ를 상기한 역반사경(40) 구성이 없는 경우에 비하여 작게 할 수 있고, 입사광의 조명 단면적을 줄일 수 있다. 이에 따라 에텐듀를 줄일 수 있으므로, 보다 작은 에텐듀를 요구하는 프로젝션 광학계 예컨대 칼라 휠을 이용하여 칼라 화상을 구현하는 화상투사장치의 조명장치로 이용될 수 있다.
도 8은 본 발명의 제2실시예에 따른 조명장치를 나타낸 개략적인 단면도이다.
도면을 참조하면, 본 발명의 제2실시예에 따른 조명장치는 광을 생성 조사하는 광원(110)과, 이 광원(110)에서 출사된 빔이 일 방향으로 향하도록 하는 오목경(120)과, 상기 오목경(120)의 내부의 광축 상에 마련되어 상기 오목경(120)의 내부 공간을 양분하는 내부 반사경(130)과, 상기 오목경(120)과 마주하게 배치되는 역반사경(140)을 포함한다. 본 실시예에 따른 조명장치는 상기 오목경(120)과 상기 내부 반사경(130)의 구조를 변경한 것에 특징이 있는 것으로, 다른 구성요소의 구조 및 작용은 제1실시예에 따른 조명장치와 실질상 동일하다.
상기 오목경(120)은 제1초점(f21) 및 제2초점(f22)을 가지는 부분 타원 형상의 제1오목경(121)과, 이 제1오목경(121)에 대향 배치되는 것으로 제3초점(f23) 및 제4초점(f24)을 가지는 부분 타원 형상의 제2오목경(125)을 포함한다. 이때 상기 제3초점(f23)은 상기 제1초점(f21)에 대향 배치되고, 상기 제4초점(f24)은 상기 제2초점 (f22)과 실질상 동일 위치에 배치된다.
이와 같이 구성함으로써, 상기 제1오목경(121)은 상기 제1초점(f21) 및 그 주변에서 입사된 광을 상기 제2초점(f22) 및 그 주변으로 향하도록 반사시킨다. 그리고, 상기 제2오목경(125)은 상기 역반사경(140)에서 반사된 광 즉, 상기 제2초점(f22) 주변에서 반사된 광을 상기 제3초점(f23) 또는 그 주변으로 집속시킨다.
상기 내부 반사경(130)은 상기 제1오목경(121)의 광축 상에 위치되는 제1내부 반사경(131)과, 상기 제2오목경(125)의 광축 상에 위치되는 제2내부 반사경(135)을 포함한다. 상기 제1오목경(121)의 광축은 상기 제1초점(f21)과 제2초점(f22 )을 이은 선분과 일치하고, 상기 제2오목경(125)의 광축은 상기 제3초점(f23)과 상기 제4초점(f24)을 이은 선분과 일치한다. 이 제1 및 제2내부 반사경(131)(135)은 상기 제1 및 제2오목경(121)(125) 각각의 광축과 평행을 이루도록 배치된 평면경인 것이 바람직하며, 상기 제1 및 제2오목경(121)(125) 각각과 마주하는 면에는 반사면이 형성되어 있다.
여기서, 상기 광원(110)은 상기 제1내부 반사경(131) 상의 상기 제1초점(f21) 및 그 주변 위치에 위치되는 것으로, 상기 제1오목경(121) 방향으로 광을 생성 조명한다. 이 광원(110)은 제1실시예에 따른 광원(도 2의 10)과 실질상 동일한 구성 및 기능을 가지므로 그 자세한 설명은 생략하기로 한다.
상기 역반사경(140)은 상기 오목경(120)에서 반사된 일부 광을 투과시키는 어퍼쳐(141)와, 상기 오목경(120)에서 반사된 나머지 광을 상기 오목경(120) 방향으로 되반사시키는 되반사면(145)을 구비한다. 이 역반사경(140)은 제1실시예에 따른 역반사경(도 2의 40)과 실질상 동일한 구성 및 기능을 가지므로 그 자세한 설명은 생략하기로 한다.
따라서, 상기 대략 제1초점(f21)에 위치된 광원(110)에서 출사된 광의 대부분은 상기 제1오목경(121)에 직접 입사되고, 그 내부 반사면에서 제2초점(f22) 및 그 주변으로 반사된다. 반사된 광 중 일부(151; 실선으로 나타냄)는 상기 어퍼쳐(141)로 직접 입사된다. 한편, 나머지 광(155; 점선으로 나타냄)은 상기 되반사면(145)에 입사되고, 그 되반사면(145)에서 상기 제2오목경(125) 쪽으로 반사된다. 이 반사된 광은 상기 제2오목경(125)에서 재반사되어 상기 제2내부 반사경(135)으로 입사된다. 이때 제2내부 반사경(135)은 입사광을 상기 제2오목경(125)의 다른 위치로 입사광을 반사시킨다. 이 반사된 광은 다른 경로로 상기 역반사경(140) 쪽으로 향한다. 이 광 중 일부는 상기 어퍼쳐(141)를 투과하게 되고, 나머지는 되반사면(145)에서 되반사된다. 이와 같은 반사 과정을 반복하면서, 상기 광원(110)에서 조명되고 상기 제1 및 제2오목경(121)(125) 및 제1 및 제2내부 반사경(131)(135)에서 반사된 거의 모든 광이 상기 어퍼쳐(141)를 투과하여 조명에 기여하게 된다.
도 9는 본 발명의 제3실시예에 따른 조명장치를 나타낸 개략적인 단면도이다. 본 실시예에 따른 조명장치는 제2실시예에 따른 조명장치와 비교하여 볼 때, 광원(110)으로서 제1 및 제2내부 반사경(131)(135) 각각에 제1 및 제2광원(111)(115)을 구비한 점에 특징이 있다. 이 광원(110)을 제외한 구성요소의 구조 및 작용은 제2실시예에 따른 조명장치와 실질상 동일하므로, 제1 및 제2광원(111)(115)을 중심으로 설명하기로 한다.
도면을 참조하면, 상기 제1광원(111)은 상기 제1내부 반사경(131) 상의 상기 제1초점(f21) 및 그 주변에 위치되는 것으로, 상기 제1오목경(121) 방향으로 광을 생성 조명한다. 상기 제2광원(115)은 상기 제2내부 반사경(135) 상의 상기 제3초점(f23) 및 그 주변에 위치되는 것으로, 상기 제2오목경(125) 방향으로 광을 생성 조사한다. 이 제1 및 제2광원(111)(115)은 제1실시예에 따른 광원(도 2의 10)과 실질상 동일한 구성 및 기능을 가지므로 그 자세한 설명은 생략하기로 한다.
이와 같이, 두 광원 즉, 제1 및 제2광원(111)(115)을 이용하여 광을 조명하는 경우는 전체 밝기를 증대시킬 수 있다.
도 10은 본 발명의 제4실시예에 따른 조명장치를 보인 개략적인 단면도이다.
도면을 참조하면, 제4실시예에 따른 조명장치는 광을 생성 조사하는 광원(210)과, 이 광원(210)에서 출사된 빔이 일 방향으로 향하도록 하는 오목경(220)과, 상기 오목경(220)의 내부의 광축 상에 마련되어 상기 오목경(220)의 내부 공간을 양분하는 내부 반사경(230)과, 상기 오목경(220)과 마주하게 배치되는 역반사경(240)을 포함한다. 본 실시예에 따른 조명장치는 제2실시예에 따른 조명장치와 비교하여 볼 때, 오목경(220)과 내부 반사경(230)의 광학적 배치를 변경한 것에 특징 이 있는 것으로, 구성요소의 구조는 실질상 동일하다.
상기 오목경(220)은 제1초점(f31) 및 제2초점(f32)을 가지는 부분 타원 형상의 제1오목경(221)과, 이 제1오목경(221)에 대향 배치되는 것으로 제3초점(f33) 및 제4초점(f34)을 가지는 부분 타원 형상의 제2오목경(225)을 포함한다. 이때 상기 제3초점(f33)은 상기 제1초점(f31)에 대향 배치되고, 상기 제4초점(f34)은 상기 제2초점(f32)과 실질상 동일 위치에 배치된다. 이와 같이 구성함으로써, 상기 제1오목경(221)은 상기 제1초점(f31) 및 그 주변에서 입사된 광을 상기 제2초점(f32) 및 그 주변으로 향하도록 반사시킨다. 그리고, 상기 제2오목경(225)은 상기 역반사경(240)에서 반사된 광 즉, 상기 제2초점(f32) 주변에서 반사된 광을 상기 제3초점(f33) 또는 그 주변으로 집속시킨다.
상기 내부 반사경(230)은 상기 제1오목경(221)의 광축(I) 상에 위치되는 제1내부 반사경(231)과, 상기 제2오목경(225)의 광축(Ⅱ) 상에 위치되는 제2내부 반사경(235)을 포함한다. 상기 제1오목경(221)의 광축(I)은 상기 제1초점(f31)과 제2초점(f32)을 이은 선분과 일치하고, 상기 제2오목경(225)의 광축(Ⅱ)은 상기 제3초점(f33)과 상기 제4초점(f34)을 이은 선분과 일치한다. 이 제1 및 제2내부 반사경(231)(235)은 상기 제1 및 제2오목경(121)(125) 각각의 광축(I)(Ⅱ)과 평행을 이루도록 배치된 평면경인 것이 바람직하며, 상기 제1 및 제2오목경(221)(225) 각각과 마주하는 면에는 반사면이 형성되어 있다. 여기서, 상기 광원(210)은 상기 제1내부 반사경(231) 상의 상기 제1초점(f31) 및 그 주변 위치에 위치되는 것으로, 상기 제1오목경(221) 방향으로 광을 생성 조명한다
여기서, 상기 광축 I과 Ⅱ이 제2초점(f32)을 중심으로 소정 각도 α를 이루도록, 상기 제1오목경(221)에 대하여 상기 제2오목경(225)이 경사 이동 배치되어 있다. 따라서, 상기 제1내부 반사경(231)과 상기 제2내부 반사경(235) 사이에는 공간(260)이 형성된다. 따라서, 상기 제1내부 반사경(231) 상에 설치된 광원(210)에서 발생된 열을 상기 공간(260)을 통하여 방열시킬 수 있어서, 냉각 효율을 높일 수 있다. 또한, 방열 효율을 더욱 높이기 위하여, 상기 공간(260) 내에는 히트싱크(270)가 더 구비된 것이 바람직하다.
상기 역반사경(240)은 상기 오목경(220)에서 반사된 일부 광을 투과시키는 어퍼쳐(241)와, 상기 오목경(220)에서 반사된 나머지 광을 상기 오목경(220) 방향으로 되반사시키는 되반사면(245)을 구비한다. 이 역반사경(240)은 제1실시예에 따른 역반사경(도 2의 40)과 실질상 동일한 구성 및 기능을 가지므로 그 자세한 설명은 생략하기로 한다.
따라서, 상기 대략 제1초점(f31)에 위치된 광원(210)에서 출사된 광의 대부분은 상기 제1오목경(221)에 직접 입사되고, 그 내부 반사면에서 제2초점(f32) 및 그 주변으로 반사된다. 반사된 광 중 일부(251; 실선으로 나타냄)는 상기 어퍼쳐(241)로 직접 입사된다. 한편, 나머지 광(255; 점선으로 나타냄)은 상기 되반사면 (245)에 입사되고, 그 되반사면(245)에서 상기 제2오목경(225) 쪽으로 반사된다. 이 반사된 광은 상기 제2오목경(225)에서 재반사되어 상기 제2내부 반사경(235)으로 입사된다. 이때 제2내부 반사경(235)은 입사광을 상기 제2오목경(225)의 다른 위치로 입사광을 반사시킨다. 이 반사된 광은 다른 경로로 상기 역반사경(240) 쪽으로 향한다. 이 광 중 일부는 상기 어퍼쳐(241)를 투과하게 되고, 나머지는 되반사면(245)에서 되반사된다. 이와 같은 반사 과정을 반복하면서, 상기 광원(210)에서 조명되고 상기 제1 및 제2오목경(221)(225) 및 제1 및 제2내부 반사경(231)(235)에서 반사된 거의 모든 광이 상기 어퍼쳐(241)를 투과하여 조명에 기여하게 된다. 이때, 상기 제1내부 반사경(231)과 제2내부 반사경(235) 사이에 공간(260)을 마련함으로써, 광원(210)에서 발생된 열을 방열시키는 히트싱크(270)를 용이하게 설치할 수 있다는 이점이 있다.
도 11은 본 발명의 제5실시예에 따른 조명장치를 나타낸 개략적인 단면도이다. 본 실시예에 따른 조명장치는 제4실시예에 따른 조명장치와 비교하여 볼 때, 광원(210)으로서 제1 및 제2내부 반사경(231)(235) 각각에 제1 및 제2광원(211)(215)을 구비한 점에 특징이 있다. 이 광원(210)을 제외한 구성요소의 구조 및 작용은 제4실시예에 따른 조명장치와 실질상 동일하므로, 제1 및 제2광원(211)(215)을 중심으로 설명하기로 한다.
도면을 참조하면, 상기 제1광원(211)은 상기 제1내부 반사경(231) 상의 상기 제1초점(f31) 및 그 주변에 위치되는 것으로, 상기 제1오목경(221) 방향으로 광을 생성 조명한다. 상기 제2광원(215)은 상기 제2내부 반사경(235) 상의 상기 제3초점(f33) 및 그 주변에 위치되는 것으로, 상기 제2오목경(225) 방향으로 광을 생성 조사한다. 이 제1 및 제2광원(211)(215)은 제1실시예에 따른 광원(도 2의 10)과 실질상 동일한 구성 및 기능을 가지므로 그 자세한 설명은 생략하기로 한다. 이와 같이, 제1 및 제2광원(111)(115)을 이용하여 광을 조명하는 경우는 제4실시예에 따른 조명장치에 비하여 전체 밝기를 증대시킬 수 있다.
도 12는 본 발명의 제6실시예에 따른 조명장치를 보인 개략적인 단면도이다.
도면을 참조하면, 본 실시예에 따른 조명장치는 광을 생성 조사하는 광원(310)과, 이 광원(310)에서 출사된 빔이 일 방향으로 향하도록 하는 오목경(320)과, 상기 오목경(320)의 내부의 광축 상에 마련되어 상기 오목경(320)의 내부 공간을 양분하는 내부 반사경(330)과, 상기 오목경(320)과 마주하게 배치되는 역반사경(340) 및, 광 인테그레이터(integrator)(380)를 포함한다.
본 실시예에 따른 조명장치는 앞서 설명된 제1 내지 제5실시예에 따른 조명장치와 비교하여 볼 때, 광 인테그레이터(380)를 더 구비한 것에 특징이 있다. 한편, 본 실시예에 있어서 나머지 구성요소 즉, 광원(310), 오목경(320), 내부 반사경(330), 역반사경(340), 공간(360) 및 히트싱크(370)는 도 2 내지 도 11을 참조하여 설명된 바와 같으므로 그 자세한 설명은 생략한다.
상기 광 인테그레이터(380)는 상기 역반사경(340)을 투과한 광의 진행 경로 상에 마련되는 것으로, 입사된 빔을 혼합하여 균일한 빔이 되도록 한다. 이 광 인 테그레이터(70)는 상기 어퍼쳐(341)를 투과한 광이 입사되는 것으로 역반사경(340) 위치에 마련되는 입사단부(380a)와, 이 입사단부(380a)를 통하여 입사된 광을 진행을 반사를 통하여 가이드하는 반사부(380b) 및, 상기 반사부(380b)에서 반사되면서 혼합된 광이 출사되는 출사단부(380c)를 가진다.
일 실시예에 따른 광 인테그레이터(380)는 도 13에 도시된 바와 같이, 직육면체 형상의 로드(rod)(381)로 구성될 수 있다. 이 로드(381)는 유리 또는 플라스틱 재질로 구성되는 것으로, 주변 보다 높은 굴절률을 가진다. 따라서, 입사빔의 입사 각도와 굴절률 차이에 의하여 상기 반사부(381b)에서 전반사 되면서, 상기 입사단부(381a)를 통하여 입사된 빔이 상기 출사단부(381c) 쪽으로 진행된다. 이에 따라, 상기 어퍼쳐(345)를 투과한 불균일 광이 전반사 되어 고루 섞이게 되면서 균일한 광이 된다.
다른 실시예에 따른 광 인테그레이터(380)는 도 14에 도시된 바와 같이, 입사된 광이 진행되는 내부 공간을 감싸는 경통(385)과, 상기 경통(385)의 내측벽에 형성된 반사면(385b)을 포함한다. 따라서, 입사단부(385a)를 통하여 입사된 광이 상기 반사면(385b) 내에서 반사되면서 진행되어 균일광이 되고, 이 균일광은 출사단부(385c)를 통하여 출사된다.
도 15는 본 발명의 제7실시예에 따른 조명장치를 보인 개략적인 단면도이다.
도면을 참조하면, 본 실시예에 따른 조명장치는 광을 생성 조사하는 광원(410)과, 이 광원(410)에서 출사된 빔이 일 방향으로 향하도록 하는 오목경(420)과, 상기 오목경(420)의 내부의 광축 상에 마련되어 상기 오목경(420)의 내부 공간 을 양분하는 내부 반사경(430)과, 상기 오목경(420)과 마주하게 배치되는 역반사경(440) 및, 광 파이버(fiber)(490)를 포함한다.
본 실시예에 따른 조명장치는 앞서 설명된 제1 내지 제5실시예에 따른 조명장치와 비교하여 볼 때, 광 파이버(490)를 더 구비한 것에 특징이 있다. 한편, 본 실시예에 있어서 나머지 구성요소 즉, 광원(410), 오목경(420), 내부 반사경(430) , 역반사경(440), 공간(460) 및 히트싱크(470)는 도 2 내지 도 11을 참조하여 설명된 바와 같으므로 그 자세한 설명은 생략한다.
상기 광 파이버(490)는 어퍼쳐(441)를 투과한 광을 전송하는 것으로, 그 입사단부(490a)가 상기 역반사경(440)의 위치에 마련되어 있다. 이 광 파이버(490)는 유리 또는 플라스틱 재질로 이루어진 것으로, 상기 어퍼쳐(441)를 통하여 입사된 광을 내부 전반사시킴에 의하여 균일한 조명광이 상기 광 파이버(490) 내부를 통하여 전달되도록 한다.
상기한 바와 같이, 구성된 본 발명에 따른 조명장치는 광원으로서 면광을 조명하는 LED 이용하면서도 소정 형상 및 크기의 어퍼쳐를 가지는 역반사경을 이용함으로써, 입체각 σ을 작게 할 수 있고, 집속광의 광속 밀도를 증대시킬 수 있다. 따라서, 에텐듀를 줄일 수 있어서 보다 작은 에텐듀를 요구하는 프로젝션 광학계의 조명장치로 이용할 수 있다. 또한, 복수의 광원을 채용함으로써, 밝기를 향상시킬 수 있고, 복수 광원이 각각 설치되는 내부 반사경 사이에 공간을 형성함으로써, 히트싱크를 장착할 수 있는 공간을 확보할 수 있어서, 광원의 방열 효율을 높일 수 있다.
또한, 광 인테그레이터 또는 광 파이버를 조명장치와 함께 구성함으로써 에텐듀가 줄어든 균일한 광을 조명할 수 있다. 또한, 구성이 콤팩트화되므로, 제조원가를 낮출 수 있고 조립 공수를 단순화할 수 있다.
상기한 실시예들은 예시적인 것에 불과한 것으로, 당해 기술분야의 통상을 지식을 가진자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 하기의 특허청구범위에 기재된 발명의 기술적 사상에 의해 정해져야만 할 것이다.

Claims (29)

  1. 입사광을 반사시켜 일방향으로 향하도록 하는 것으로, 제1초점과 제2초점을 가지는 타원경과;
    상기 타원경 내부의 광축 상에 마련되는 것으로, 적어도 일면에 반사면이 형성된 내부 반사경과;
    상기 내부 반사경의 적어도 일면에 설치되어 광을 생성 조명하는 것으로, 대략 상기 제1초점에 위치되는 광원과;
    상기 제2초점 또는 그 주변 위치에 마련된 것으로, 상기 광원에서 조명되고 상기 타원경에서 반사된 일부 광을 투과시키는 어퍼쳐와, 입사된 광 중 나머지 광을 상기 타원경 방향으로 되반사시키는 되반사면을 가지는 역반사경;을 포함하는 것을 특징으로 하는 조명장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 내부 반사경은 적어도 일면이 상기 타원경의 광축과 평행을 이루도록 배치된 평면경인 것을 특징으로 하는 조명장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 되반사면은 입사광축에 수직을 이루도록 배치된 평면이고,
    상기 어퍼쳐는 상기 되반사면의 중앙부에 마련되는 것으로, 슬릿 형상, 다각형상, 사각형상 또는 원형상으로 형성된 것을 특징으로 하는 조명장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 광원은,
    상기 내부 반사경의 일면 또는 양면 각각에 설치된 적어도 하나의 발광 다이오드로 이루어진 것을 특징으로 하는 조명장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 발광 다이오드 각각은,
    0.5 × 0.5 [mm2] 이상의 발광면을 가지는 것을 특징으로 하는 조명장치.
  7. 제5항에 있어서, 상기 발광 다이오드 각각은,
    백, 적, 오렌지, 노란, 녹, 시안, 청, 보라, 적외선 또는 자외선 파장의 광을 조명하는 것을 특징으로 하는 조명장치.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 역반사경을 투과한 광의 진행 경로 상에 마련되는 것으로, 입사된 광을 혼합하여 출사시키는 광 인테그레이터(integrator)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 조명장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 어퍼쳐를 투과한 광이 상기 광 인테그레이터에 입사될 수 있도록, 상기 광 인테그레이터는 그 입사단부가 상기 역반사경 위치에 마련된 것을 특징으로 하는 조명장치.
  10. 제8항에 있어서, 상기 광 인테그레이터는,
    유리 또는 플라스틱 재질로 된 직육면체 형상의 로드(rod)를 포함하여,
    입사광을 상기 로드 주변과의 굴절률 차이에 의하여 내부 전반사시킬 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 조명장치.
  11. 제8항에 있어서, 상기 광 인테그레이터는,
    입사된 광이 진행되는 내부 공간을 감싸는 경통과;
    상기 경통의 내측벽에 형성된 반사부;를 포함하여,
    입사된 광이 상기 반사부에서 반사되면서 내부에서 진행되며 균일한 광이 되도록 하는 것을 특징으로 하는 조명장치.
  12. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 어퍼쳐를 투과한 광을 전송하는 것으로, 그 입사단부가 상기 역반사경 위치에 마련된 광 파이버를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 조명장치.
  13. 제12항에 있어서, 상기 광 파이버는,
    유리 또는 플라스틱 재질로 된 것으로,
    상기 입사단부를 통하여 입사된 광을 내부 전반사시킬 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 조명장치.
  14. 제1 및 제2초점을 가지는 것으로, 제1초점 및 그 주변에서 입사된 광이 상기 제2초점 및 그 주변으로 향하도록 반사시키는 부분 타원 형상의 제1오목경과;
    상기 제1오목경의 광축 상에 위치되는 것으로, 입사광을 반사시키는 제1내부 반사경과;
    상기 제1내부 반사경 상의 실질상 상기 제1초점 위치에 설치되는 것으로, 광을 생성 조명하는 제1광원과;
    상기 제2초점 주변에 마련되는 것으로, 상기 제1광원에서 조명되고 상기 제1오목경에서 반사된 광 중 일부를 투과시키는 어퍼쳐와, 입사된 광중 나머지 광을 반사시키는 되반사면을 가지는 역반사경과;
    상기 제1오목경에 대향 배치되며, 제3초점과 실질상 상기 제2초점과 동일 위치에 놓인 제4초점을 가지는 것으로, 상기 되반사면에서 반사된 광을 상기 제3초점 또는 그 주변으로 집속시키는 부분 타원 형상의 제2오목경과;
    상기 제2오목경의 광축 상에 위치되어, 입사광을 상기 제2오목경 방향으로 반사시키는 제2내부 반사경;을 포함하는 것을 특징으로 하는 조명장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 제2내부 반사경 상의 실질상 상기 제3초점 위치에 설치되는 것으로, 광을 생성 조명하는 제2광원을 더 구비한 것을 특징으로 하는 조명장치.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 제1초점과 제2초점을 이은 선분과, 상기 제3초점과 상기 제4초점을 이은 선분이 소정 각도를 이루도록 상기 제1오목경에 대하여 상기 제2오목경이 경사 이동 배치되어,
    상기 제1내부 반사경과 상기 제2내부 반사경 사이에 공간이 형성된 것을 특징으로 조명장치.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 제2내부 반사경 상의 실질상 상기 제3초점 위치에 설치되는 것으로, 광을 생성 조명하는 제2광원을 더 구비한 것을 특징으로 하는 조명장치.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 제1내부 반사경과 상기 제2내부 반사경 사이에 마련되어, 상기 제1 및 제2광원에서 발생된 열을 방열시키는 히트싱크를 더 구비한 것을 특징으로 하는 조명장치.
  19. 제14항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1반사경은 적어도 일면이 상기 제1오목경의 광축과 평행을 이루도록 배치된 평면경이고,
    상기 제2반사경은 적어도 일면이 상기 제2오목경의 광축과 평행을 이루도록 배치된 평면경인 것을 특징으로 하는 조명장치.
  20. 제14항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 되반사면은 입사광축에 수직을 이루도록 배치된 평면이고,
    상기 어퍼쳐는 상기 되반사면의 중앙부에 마련되는 것으로, 슬릿 형상, 다각형상, 사각형상 또는 원형상으로 형성된 것을 특징으로 하는 조명장치.
  21. 제14항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1광원은 발광 다이오드로 이루어진 것을 특징으로 하는 조명장치.
  22. 제21항에 있어서, 상기 발광 다이오드는,
    0.5 × 0.5 [mm2] 이상의 발광면을 가지는 것을 특징으로 하는 조명장치.
  23. 제21항에 있어서, 상기 발광 다이오드는,
    백, 적, 오렌지, 노란, 녹, 시안, 청, 보라, 적외선 또는 자외선 파장의 광을 조명하는 것을 특징으로 하는 조명장치.
  24. 제14항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 역반사경을 투과한 광의 진행 경로 상에 마련되는 것으로, 입사된 광을 혼합하여 출사시키는 광 인테그레이터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 조명장치.
  25. 제24항에 있어서,
    상기 어퍼쳐를 투과한 광이 상기 광 인테그레이터에 입사될 수 있도록, 상기 광 인테그레이터는 그 입사단부가 상기 역반사경 위치에 마련된 것을 특징으로 하는 조명장치.
  26. 제24항에 있어서, 상기 광 인테그레이터는,
    유리 또는 플라스틱 재질로 된 직육면체 형상의 로드(rod)를 포함하여,
    입사광을 상기 로드 주변과의 굴절률 차이에 의하여 내부 전반사시킬 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 조명장치.
  27. 제24항에 있어서, 상기 광 인테그레이터는,
    입사된 광이 진행되는 내부 공간을 감싸는 경통과;
    상기 경통의 내측벽에 형성된 반사부;를 포함하여,
    입사된 광이 상기 반사부에서 반사되면서 내부에서 진행되며 균일한 광이 되도록 하는 것을 특징으로 하는 조명장치.
  28. 제14항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 어퍼쳐를 투과한 광을 전송하는 것으로, 그 입사단부가 상기 역반사경 위치에 마련된 광 파이버를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 조명장치.
  29. 제28항에 있어서, 상기 광 파이버는,
    유리 또는 플라스틱 재질로 된 것으로,
    상기 입사단부를 통하여 입사된 광을 내부 전반사시킬 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 조명장치.
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