KR101063269B1 - LED lighting system and optical system - Google Patents
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Abstract
본 발명은 LED 조명 장치에 관한 것으로, 특히 LCD, LCoS 또는 DLP과 같은 투사형 디스플레이 장치에서 사용될 수 있는 광 지향성을 향상시킨 LED 조명 장치와 관련된다. 본 발명에 따른 장치는 LED 기판 위에 설치된 LED 칩; 상기 LED 칩으로부터 방출 기준선에 대하여 큰 각으로 방출되는 광을 반사하여 준-평행 광으로 만드는 외부 포물경; 상기 LED 칩으로부터 방출 기준선에 대하여 작은 각으로 방출되는 광을 준-평행광으로 변형시키는 커플러 렌즈;및 상기 외부 포물경 및 커플러 렌즈로부터 입사된 빛을 외부로 방출하는 윈도우 면을 포함하고, 상기 커플러 렌즈는 방출기준선에 대하여 보다 큰 각으로 방출되는 광을 반사키는 포물면 및 방출기준선에 대하여 보다 작은 각으로 방출되는 광을 투과시키는 집속 렌즈면을 포함한다. FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to LED lighting devices, and more particularly to LED lighting devices that improve light directivity that can be used in projection display devices such as LCDs, LCoS or DLP. The device according to the invention comprises an LED chip installed on an LED substrate; An external parabolic mirror reflecting light emitted from the LED chip at a large angle with respect to an emission reference line to make quasi-parallel light; A coupler lens for converting light emitted at a small angle with respect to an emission reference line from the LED chip into quasi-parallel light; and a window surface for emitting light incident from the external parabolic and coupler lenses to the outside, the coupler The lens includes a parabolic surface that reflects light emitted at a greater angle with respect to the emission baseline and a focusing lens surface that transmits light emitted at a smaller angle with respect to the emission baseline.
외부 포물경, 집속 렌즈면, 커플러 렌즈, 프레넬 렌즈, 로드 렌즈External parabolic mirrors, focusing lens surface, coupler lens, Fresnel lens, rod lens
Description
도 1은 LED의 일반적인 광 방출 특성을 도시한 것으로, 도 1의 (가)는 발광 형태, (나)는 람베르티인 램버트(Lambertian) 방사 패턴 그리고 (다)는 배트윙(Batwing) 방사 패턴을 도시한 것이다. Figure 1 shows the general light emission characteristics of the LED, Figure 1 (a) is the light emission form, (b) Lambert (Lambertian) radiation pattern and (b) the Batwing radiation pattern It is shown.
도 2a 및 도 2b는 LED를 투사형 광학 시스템으로 사용한 공지 발명을 각각 도시한 것이다. 2A and 2B show known inventions each using LEDs as a projection optical system.
도 3a은 본 발명에 따른 LED 조명 장치에 대한 하나의 실시 예를 도시한 것이다.Figure 3a shows one embodiment of the LED lighting device according to the present invention.
도 3b는 본 발명에 따른 LED 조명 장치의 다른 실시 예를 도시한 것이다. Figure 3b shows another embodiment of the LED lighting apparatus according to the present invention.
도 4a 내지 4c는 본 발명에 따른 LED 조명 장치를 광학 시스템에 적용한 실시 예를 각각 도시한 것으로서, 도 4a의 우측에 도시된 것은 좌측의 실시 예에서 조명광의 각도 분포를 도시한 것이다.
4A to 4C show an embodiment in which the LED lighting apparatus according to the present invention is applied to the optical system, respectively, and the right side of FIG. 4A shows the angular distribution of the illumination light in the left embodiment.
본 발명은 LED(Light Emitting Diode) 조명 장치에 관한 것으로, 특히 LCD(Liquid Crystal Display), LCoS(Liquid Crystal on Silicon) 또는 DLP(Digital Light Processing)과 같은 투사형 디스플레이 장치에서 사용될 수 있도록 광 지향성을 향상시킨 LED 조명 장치에 관한 것이다. BACKGROUND OF THE
일반적으로 LED라 함은 반도체의 P-N 접합 구조를 이용하여 주입시킨 소수캐리어를 생성시킨 후, 다시 상기 소수 캐리어들의 재결합에 의하여 발광이 되도록 하는 장치를 말한다. 상기 LED의 발광 파장은 첨가되는 불순물의 종류에 따라 다르며, 아연 및 산소 원자가 관여하는 발광은 적색(파장 700 nm), 질소 원자가 관여하는 발광은 녹색(파장 550 nm)이 된다. 이와 같은 발광 다이오드는 기존의 광원에 비하여 소형이고, 수명이 길고, 효율이 좋으며 그리고 고속 응답이라는 이점을 가진다. 이와 같은 LED는 디스플레이 특히 평판 디스플레이로서 사용될 수 있다. 일반적으로 평판 디스플레이는 수광형에 속하는 LCD, 그리고 발광형에 속하는 PDP(Plasma Display Panel), FED(Field Emission Display), ELD(Electro Luminescence Display) 그리고 VFD(Vacuum Fluorescence Display)로 나눌 수 있고, LED는 이중 발광형에 속하는 디스플레이 장치로 응용될 수 있다. 평판 디스플레이에 사용되는 LED는 신뢰성이 높고, 소형의 고체 발광 소자, 낮은 구동 전압, 고속에서 변조가 가능하고, 반도체 구동회로와의 적합성이 우수할 뿐만 아니라 색재현성, 수명이나 효율 측면에서 다른 디스플레이 장치에 비하여 유리하다는 이점을 가진다. 그러나 소자 당 소비 전력이 크고 그리고 도 1에 도시된 바와 같이 발광 각도가 크다는 단점을 가진다. 그러므로 LED를 사용하는 경우 발광되는 빛이 지향성 을 가지도록 하는 특별한 조명 광학 장치가 요구되고, 평판 디스플레이로서 적용을 위한 LED의 효과적인 사용을 위하여 적절한 조명계에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. In general, an LED refers to a device that generates a minority carrier injected by using a P-N junction structure of a semiconductor and then emits light by recombination of the minority carriers. The emission wavelength of the LED depends on the type of impurities added, and the emission of zinc and oxygen atoms is red (wavelength 700 nm), and the emission of nitrogen atoms is green (wavelength 550 nm). Such light emitting diodes have the advantages of small size, long life, high efficiency and high speed response compared to conventional light sources. Such LEDs can be used as displays, in particular flat panel displays. Generally, flat panel displays are divided into LCDs, which are light-receiving, and plasma display panels (PDP), field emission display (FED), electro luminescence display (ELD), and vacuum fluorescence display (VFD). It can be applied as a display device belonging to the dual emission type. LEDs used in flat panel displays are highly reliable, compact solid-state light emitting devices, low driving voltage, high speed modulation, high compatibility with semiconductor driving circuits, and other display devices in terms of color reproducibility, lifetime or efficiency. It has the advantage of being advantageous compared to. However, there are disadvantages in that the power consumption per device is large and the light emission angle is large as shown in FIG. Therefore, when using an LED, a special illumination optical device for directing the emitted light is required, and research into an appropriate illumination system for the effective use of the LED for application as a flat panel display is being actively conducted.
이와 같은 LED 조명 장치에 대한 선행 발명으로서 미국 Lumileds 사에 의하여 개발된 도 2a와 같은 LED 조명 장치가 있다. 상기 발명에 따르면 LED(10)에서 방출된 빛이 방출되면 LED(10)의 중앙 부분에서 방출된 빛은 중앙 부분에 설치된 렌즈(11)에 의하여 준-평행 광선으로 각도가 변경되어 장치로부터 벗어나게 된다. 그리고 상기 중앙 부분 외에서 방출된 빛은 플라스틱 광학계의 내부를 통과한 후 외부의 포물 형상의 면(12)에서 전반사하여 마찬가지로 준-평행광으로 각도가 변경되어 조명 광학계를 벗어나게 된다. 위와 같은 방식으로 작동하는 상기 발명은 1개의 사출 광학 부품만으로 구현이 가능하므로 구성이 간단한 반면 중심에서 큰 각도로 방출되는 광에 대해서는 전환 효율의 감소가 심하다는 단점을 가진다. As a prior invention for such an LED lighting device, there is an LED lighting device such as FIG. 2A developed by Lumileds in the United States. According to the present invention, when the light emitted from the
빛의 지향성을 위한 다른 공지 발명으로는 일본 Cateye 사에 의하여 등록된 EP 공개 번호 1452797 "Illumination Apparatus"가 있다. 도 2b에 도시된 것처럼 상기 발명은 LED 장치(5), LED 칩(6), 제1 반사경(4) 및 제2 반사경(2)을 포함하고, LED 칩(6)으로부터 방출된 중앙 부분의 광은 내부에 위치하는 제2 반사경에 의하여 준-평행 광으로 각도가 변경된다. 그리고 제2 반사경(2)에 의하여 처리되지 못한 LED 칩(6)의 바깥 부분의 각도가 큰 방출광은 외부에 위치하는 제1 반사경(4)에 의하여 평행 광으로 각도가 변경됨으로서 LED 방출 광 전체를 준-평행 광으로 변경시키기 위한 장치이다. 위와 같은 방식으로 작동하는 상기 발명은 Lumileds 사 의 발명에 비하여 각도가 큰 광의 전달 효율을 높아지지만 제2 반사경(2)에 도달하지 못하고 방출되는 중심 부근의 광을 평행광으로 만들 수 없다는 단점을 가진다. 아울러 종래 기술에서는 평행 광으로 만들기 위하여 별도의 렌즈 계를 설치할 경우 전체 광학 시스템의 조립 및 조정이 용이하지 못하다는 문제점이 있다.
Another known invention for the directivity of light is EP Publication No. 1452797 "Illumination Apparatus" registered by Cateye, Japan. As shown in FIG. 2B, the invention comprises an
본 발명의 목적은 투사형 광학 시스템, 예를 들어 디스플레이로서 사용할 수 있는 광 지향성을 가진 LED 조명 장치를 제공하는 것이다.
It is an object of the present invention to provide an LED lighting device having a light directivity that can be used as a projection optical system, for example a display.
본 발명의 실시예에 따른 조명 장치는 LED 기판 위에 설치된 LED 칩; 상기 LED 칩으로부터 방출 기준선에 대하여 큰 각으로 방출되는 광을 반사하여 준-평행 광으로 만드는 외부 포물경; 상기 LED 칩으로부터 방출 기준선에 대하여 작은 각으로 방출되는 광을 준-평행광으로 변형시키는 커플러 렌즈;및 상기 외부 포물경 및 커플러 렌즈로부터 입사된 빛을 외부로 방출하는 윈도우 면을 포함하고, 상기 커플러 렌즈는 방출기준선에 대하여 보다 큰 각으로 방출되는 광을 반사키는 포물면 및 방출기준선에 대하여 보다 작은 각으로 방출되는 광을 투과시키는 집속 렌즈면을 포함할 수 있다. Illumination apparatus according to an embodiment of the present invention includes an LED chip installed on the LED substrate; An external parabolic mirror reflecting light emitted from the LED chip at a large angle with respect to an emission reference line to make quasi-parallel light; A coupler lens for converting light emitted at a small angle with respect to an emission reference line from the LED chip into quasi-parallel light; and a window surface for emitting light incident from the external parabolic and coupler lenses to the outside, the coupler The lens may include a parabolic surface that reflects light emitted at a greater angle with respect to the emission baseline and a focusing lens surface that transmits light emitted at a smaller angle with respect to the emission baseline.
상기 포물면은 집속 렌즈면보다 상기 LED 칩을 향하여 돌출되어 있거나, 또는 상기 LED 칩의 광이 반사되는 외부 포물경의 안쪽 면은 전반사 코팅이 될 수 있 다.The parabolic surface may protrude toward the LED chip rather than the focusing lens surface, or the inner surface of the outer parabolic mirror on which the light of the LED chip is reflected may be a total reflection coating.
상기 외부 포물경으로부터 광이 입사하는 윈도우 면은 무반사 코팅이 되거나, 또는 LED 칩으로부터 광이 입사하는 상기 포물면의 돌출된 안쪽 면은 무반사 코팅이 되고 그리고 상기 포물면은 입사된 광이 전반사가 되도록 코팅이 될 수 있다.The window surface on which light is incident from the outer parabolic mirror is an antireflective coating, or the protruding inner surface of the parabolic surface upon which light is incident from the LED chip is an antireflective coating, and the parabolic surface is coated so that the incident light is totally reflected. Can be.
상기 커플러 렌즈의 포물면에서는 전반사가 되도록 포물면이 형성되거나,또는 커플러 렌즈의 집속 렌즈면은 프레넬 렌즈가 될 수 있다. In the parabolic surface of the coupler lens, a parabolic surface may be formed for total reflection, or the focusing lens surface of the coupler lens may be a Fresnel lens.
본 발명의 다른 실시예에 따른 LED 조명 장치가 적용되는 시스템은 LED 기판 위에 설치된 LED 칩; 상기 LED 칩으로부터 방출 기준선에 대하여 큰 각으로 방출되는 광을 반사하여 준-평행 광으로 변형시키는 외부 포물경; 상기 LED 칩으로부터 방출 기준선에 대하여 작은 각으로 방출되는 광의 일부를 반사시켜 준-평행광으로 만들기 위한 포물면, 상기 집속 렌즈면보다 LED 칩의 방향으로 보다 돌출되어 상기 작은 각으로 방출되는 광의 남은 부분을 투과시키는 집속 렌즈면 및 상기 LED로부터 방출된 광을 상기 LED 조명 장치의 외부로 방출시키는 윈도우 면을 포함하는 커플러 렌즈; 상기 윈도우 면으로부터 방출된 빛을 유도하기 위한 광학 렌즈;및 상기 광학 렌즈로부터 유도된 빛을 이용하여 수신하는 패널을 포함할 수 있다. According to another embodiment of the present invention, a system to which an LED lighting device is applied includes: an LED chip installed on an LED substrate; An external parabolic mirror reflecting light emitted at a large angle with respect to an emission reference line from the LED chip to transform into quasi-parallel light; A parabolic surface for reflecting a portion of light emitted from the LED chip at a small angle with respect to an emission reference line to make quasi-parallel light, and protruding more in the direction of the LED chip than the focusing lens surface to transmit the remaining portion of light emitted at the small angle. A coupler lens including a focusing lens surface and a window surface emitting light emitted from the LED to the outside of the LED lighting device; An optical lens for guiding light emitted from the window surface; and a panel for receiving using the light derived from the optical lens.
상기 광학 렌즈는 로드 렌즈가 되거나,상기 패널은 LCD 패널 또는 LCoS 패널이 되거나, 또는 PBS를 추가로 포함할 수 있다. The optical lens may be a rod lens, the panel may be an LCD panel or an LCoS panel, or may further include a PBS.
커플러 렌즈와 광학 렌즈는 일체형으로 형성되거나, 또는 상기 집속 렌즈면은 프레넬 렌즈가 될 수 있다. The coupler lens and the optical lens may be integrally formed, or the focusing lens surface may be a Fresnel lens.
아래에서 본 발명은 실시 예로서 첨부된 도면을 이용하여 상세하게 설명하지만, 제시된 실시 예는 본 발명의 범위를 제한하기 위한 것은 아니다. Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings by way of example, but the presented embodiments are not intended to limit the scope of the present invention.
도 3a은 본 발명에 따른 LED 조명 장치에 대한 하나의 실시 예를 도시한 것이다. Figure 3a shows one embodiment of the LED lighting device according to the present invention.
도 3a에 도시된 것처럼, 본 발명에 따른 LED 조명 장치(3)는 LED 칩(31)을 고정시키기 위한 LED 기판(30), LED 칩(31)의 중앙 부분에서 방출되는 빛을 준-평행 광으로 만들기 위한 커플러 렌즈(coupler lens)(33) 및 LED 칩(31)의 중앙 부분에 대하여 큰 각을 형성하면서 방출되는 광을 준 평행 광으로 만들기 위한 외부 포물경(32)을 포함한다. LED 기판(30)은 LED 칩(31) 및 외부 포물경(32)을 설치할 수 있는 임의의 공지의 장치를 사용할 수 있다. 그리고 LED 칩(31)은 이미 개발되어 있고 그리고 차후에 개발될 임의의 LED 칩이 될 수 있다. 일반적으로 LED는 반도체 기술의 발달에 따라 빛의 삼원색인 적색, 녹색, 청색뿐만 아니라 가시광선, 적외선, 자외선 영역의 빛과 이들을 이용한 백색의 빛을 발광하는 것이 가능하며, 그리고 LED는 냉광(cold light)을 방출한다. 위와 같은 LED는 조명광치, 통신 장치 및 디스플레이 장치 등 다양한 분야에서 응용되고 있다. 예를 들어 디스플레이 장치에서 AlGaAs를 재료로 하여 660 nm의 적색 파장을 방출하는 LED, GaP를 소재로 한 570 nm 또는 555 nm의 녹색 파장을 방출하는 LED 및 InGaN을 소재로 한 450 nm의 청색 파장을 LED를 사용하여 평판 디스플레이 장치를 구현할 수 있다. 그러므로 도 3a에 도시된 LED 칩(31)은 위와 같은 분야에서 사용될 수 있는 임의의 LED 칩이 될 수 있다. LED 칩(31)에서 방출된 빛은 지향성을 가지지 못하고 전 방향으 로 방출된다. 본 발명에 따른 LED 조명 장치(3)에서 LED 칩(31)의 중앙 부분으로부터 일정한 각, 예를 들어 LED 칩(31)의 기준선(X)으로부터 30 내지 45도 각도로 방출되는 빛은 커플러 렌즈(33)에 도달하고, 상기 각보다 더 큰 각으로 방출되는 빛은 외부 포물경(32)에 도달하도록 할 수 있다. 상기 각도는 본 발명에 따른 LED 조명 장치(3)의 응용 분야, 상기 조명 장치(3)의 전체적인 크기 또는 광 효율 등을 고려하여 결정될 수 있다. 예를 들어 조명 장치로 사용되는 경우에는 상기 각은 보다 작을 수 있고 그리고 디스플레이 장치로 사용되는 경우에는 커져야 할 것이다. LED 칩(31)의 기준선(X)으로부터 일정한 각보다 더 큰 각으로 방출된 빛은 외부 포물경(32)에 도달된다. 외부 포물경(32)은 LED 기판(30)에 고정되고 바람직하게는 내부 면이 반사 코팅이 된다. 상기 반사 코팅은 반사 효율을 높이기 위한 것으로서 유리하게는 알루미늄, 은 등과 같은 금속 박막 코팅이 될 수 있다. 상기 반사 코팅은 고-반사 코팅이 되며 하나 또는 그 이상의 금속 물질이 혼합된 박막 코팅이 될 수 있으며 이 분야에서 공지된 방법에 따라 이루어질 수 있다. 외부 포물경(32)은 LED 칩(31)에 초점이 형성된 포물면경으로서 LED 칩(31)으로부터 방출된 빛은 기준선(X)에 대하여 준-평행 광을 형성하면서 장치 외부로 방출되고 도 3a에서 a1 및 a2로 도시되어 있다. As shown in Fig. 3a, the LED lighting device 3 according to the present invention is a semi-parallel light which is emitted from the central portion of the
커플러 렌즈(33)는 포물면(331), 집속 렌즈면(332) 및 윈도우면(333)을 포함한다. LED 칩(31)의 중앙 부분에서 방출되는 광은 포물면(331) 및 집속 렌즈면(332)을 투과하면서 준-평행 광으로 변형되어 조명 장치(3)의 외부로 방출된다. LED 칩(31)에서 방출되는 광의 일부, 예를 들어 기준선(X)으로부터 15도 내지 35도 를 형성하면서 방출되는 광은 커플러 렌즈(33)의 내부 면에서 굴절하여 투과된후 포물면(331)에서 반사되어 장치(3)의 외부로 방출된다. 커플러 렌즈(33)의 내부 면은 전-투과성을 나타내고 포물면경(331)은 전-반사가 되는 것이 본 발명의 조명 장치(3)에서 유리하다. 커플러 렌즈(33)는 전-투과성 또는 무-반사를 위하여 내부면은 유전물질 등을 이용하여 박막 코팅을 할 수 있다. 이와 같은 박막 코팅을 이용한 무-반사 렌즈는 이 분야에서 공지되어 있고, 그리고 본 발명에 따른 조명 장치(3)에서 사용될 수 있다. 커플러 렌즈(33)의 내부 면으로 입사된 빛은 포물면(33)에서 전반사가 이루어져야 한다. 상기 전반사가 되도록 하는 방법은 LED 칩(31)으로부터 방출되어 커플러 렌즈(33)의 내부 면에서 굴절되어 포물면(331)으로 입사하는 입사각이 전반사가 되도록 하는 방법이 있다. 또 다른 가능한 방법은 보다 굴절률이 큰 물질을 이용하여 포물면경을 코팅을 함으로서 전반사 발생하도록 할 수 있다. LED 칩(31)으로부터 방출된 광 가운데 전반사가 되도록 하는 임계각의 범위 내의 광만이 커플러 렌즈(33)의 내부 면으로 입사가 되도록 커플러 렌즈(33)의 형상이 조절될 필요가 있다. 상기 임계각은 굴절률에 따라 달라지므로 렌즈의 재질에 따라 달라 질 수 있다. 또한 포물면(331)의 코팅 여부에 따라 달라질 수 있다. 포물면(331)에 입사한 광은 준-평행 광으로 되어 조명 장치(3)의 외부로 방출된다. 포물면(331)은 굴절률을 고려하여 초점이 결정되어야 하고 이에 따라 포물면(331)의 형태가 형성되면 LED 칩(31)으로부터 방출된 광 가운데 일정한 각 범위에 있는 각은 전반사가 되면서 조명 장치(3)의 외부로 방출될 수 있다. 포물면(331)에서 전반사되어 조명 장치(3)의 외부로 방출되는 광은 b1 및 b2로 도시되 어 있다. The
도 3a에 도시된 것처럼, LED 칩(31)의 중앙 부분에서 방출된 빛은 집속 렌즈면(332)을 통하여 외부로 장치의 외부로 방출된다. 집속 렌즈면(332)은 포물면을 형성하고 그리고 렌즈 면이 무반사 코팅이 되는 것은 커플러 렌즈(33)의 내부 면과 관련하여 설명한 것과 유사하다. 집속 렌즈면(332)으로 입사하는 광은 기준선(X)으로 0 내지 15도의 범위로 방출되는 광이다. 집속 렌즈면(332)으로 입사하여 조명 장치(3)의 외부로 방출되는 빛은 도 3a에서 C로 도시되어 있다. As shown in FIG. 3A, light emitted from the central portion of the
위에서 설명한 것처럼 포물면(331), 커플러 렌즈(33)의 내부면 및 집속 렌즈면(332)으로 입사한 빛은 모두 윈도우 면(333)으로 수직으로 입사되어 조명 장치(3)의 외부로 방출된다. 윈도우 면(333)의 안쪽 면은 무-반사 코팅이 될 수 있으며 도 3a에 도시된 것처럼 윈도우 면(333)의 가장 자리는 외부 포물경(32)과 결합된다. 또한 윈도우 면(333)은 입사하는 광에 대하여 수직을 이루어야 하며 도 3a에 도시된 것처럼 윈도우 면(333)의 외부는 완전한 평면이 되고 그리고 커플러 렌즈(33)와 접하고 있는 부분을 제외한 윈도우 면(333)의 내부면도 완전한 평면이 되는 것이 유리하다. As described above, light incident on the
위에서 설명한 것처럼 LED 칩(31)으로 방출된 빛은 기준선(X)으로부터 방출되는 각에 따라 외부 포물경(32), 포물면(331) 및 집속 렌즈면(332)을 통하여 준 평행 광으로 변경되어 윈도우 면(333)을 투과하여 조명 장치(3)의 외부로 방출된다. 상기 방출되는 각은 커플러 렌즈(33)의 전반사각, 코팅 여부 및 조명 장치(3) 전체의 크기 등을 고려하여 결정될 수 있다. 본 발명의 특징은 이와 같이 외부 포물경(32), 포물면(331) 및 집속 렌즈면(332)을 이용함으로서 LED 칩(31)으로 방출된 빛이 직접적으로 윈도우 면(333)으로 입사하지 않도록 하는 것이다. 상기와 같은 구조로서 외부로 방출되는 광의 양이 최소가 되도록 함으로서 투사 광학계의 광효율을 높일 수 있다. 또한, 도 3a에 도시된 것처럼, 포물면(331) 집속 렌즈면(332)에 비하여 LED 칩(31)을 향하여 돌출되어 있다. 이와 같은 포물면(331)의 돌출은 LED 칩(31)으로부터 외부로 방출되는 광의 양의 감소시키는 기능을 한다. 뿐만 아니라 조명 장치(3) 전체의 길이를 축소시키는 기능을 한다. 포물면(331)에서 전반사가 발생할 수 있는 임계각 및 커플러 렌즈(33)의 형상을 고려하여 포물면(331)은 LED 칩(31) 방향으로 보다 많이 돌출이 될수록 유리하다. 그러나 돌출되는 정도는 광이 커플러 렌즈(33)를 투과하면서 발생하는 광 손실을 고려하여 결정되어야 한다. 일반적으로 조명 장치(3)의 박형화를 위해서는 돌출 정도가 높은 것이 유리하다. As described above, the light emitted by the
도 3b는 본 발명에 따른 조명 장치의 또 다른 실시 예를 도시한 것이다. Figure 3b shows another embodiment of the lighting device according to the present invention.
도 3b에 도시된 것처럼 도 3a에 도시된 실시 예와는 달리 집속 렌즈면(332)이 프레넬 렌즈(Presnel Lens)(332a)로 형성되어 있다. 프레넬 렌즈(332a)는 렌즈의 두께의 줄이기 위하여 렌즈의 굴절면을 몇 개의 띠 모양으로 나누어 각 띠에서 렌즈의 굴절 작용을 하도록 하여 일반 렌즈와 동일한 성능을 구현하도록 한 것으로서 이 분야에서 공지된 것을 사용할 수 있다.Unlike the embodiment illustrated in FIG. 3A, as shown in FIG. 3B, the focusing
이와 같이 프레넬 렌즈(332a)는 렌즈의 구성 요소가 되는 일련의 동심원들을 평면상에 적절하게 배치하여 짧은 초점 거리가 형성되도록 한 것이다. 본 발명에 따른 조명 장치에 프레넬 렌즈(332a)를 사용함으로서 광 손실을 감소시킬 수 있고 동시에 조명 장치 전체의 경량화 및 박형화가 가능해진다. 프레넬 렌즈(332a)를 사용하는 경우에도 무-반사를 하여 박막 코팅이 이루어질 수 있다. As described above, the
도 4a, 도 4b 및 도 4c는 본 발명에 따른 조명 장치가 적용된 광학 시스템에 대한 실시 예를 각각 도시한 것이다. 4A, 4B and 4C show an embodiment of the optical system to which the lighting apparatus according to the present invention is applied.
도 4a는 LCD 패널(41)에 본 발명에 따른 조명 장치를 적용된 실시 예를 도시한 것이다. 4A illustrates an embodiment in which the lighting device according to the present invention is applied to the
도 4a에 도시된 것처럼, LED 칩(31)으로부터 방출된 광은 방출 각에 따라 외부 포물경(31), 포물면(331) 및 집속 렌즈면(332)에 입사되어 준-평행 광으로 변경되어 윈도우 면(333)으로 방출된다. 각각의 면에서의 전반사 또는 무-반사 코팅이 가능한 것은 도 3a을 참조하여 설명한 실시 예에서와 동일하다. 그리고 집속 렌즈면(332)이 프레넬 렌즈로 형성될 수 있음은 도 3b에서 설명한 것과 동일하다. 윈도우 면(333)으로부터 방출된 빛은 로드 렌즈(Rod Lens)(40)로 입사된다. 본 로드 렌즈(40)는 입사된 빛이 그 내부를 통과할 때 로드 렌즈(40)의 외부 표면에서 전반사 되면서 진행하여 로드 렌즈(40)에서 나갈 때에는 각도별로 광 분포가 균질해지도록 하는 장치로서 윈도우 면(333)으로부터 방출된 광을 크기 변환 및 광의 균질도 향상을 위하여 사용된다. 로드 렌즈(40)에 의하여 유도된 광은 LCD 패널(41)에 입사하여 영상 정보 구현에 필요한 조명광이 된다. 로드 렌즈(40)에 의하여 LCD 패널(41)로 유도되는 조명광의 각도 분포가 도 4a의 우측에 도시되어 있다. 조명광은 중앙으로 집중되어 유도된다는 것을 보여준다. 이와 같이 본 발명에 따른 조 명 장치는 어느 정도의 균질도와 각도 분포가 보장되는 높은 효율의 투사 광학계를 형성하는 것이 가능하다는 이점을 제공한다. As shown in FIG. 4A, the light emitted from the
도 4b는 본 발명에 다른 조명 장치의 또 다른 실시 예를 도시한 것이다. Figure 4b shows another embodiment of a lighting device according to the present invention.
도 4b에 도시된 실시 예에서는 도 4a와 관련하여 설명한 실시 예와는 달리 윈도우면이 별도로 형성되지 않는다. 그러므로 커플러 렌즈(33b)와 로드 렌즈(40b)가 일체로 형성된다. 위와 같은 형태는 윈도우 면을 가지지 않는 커플러 렌즈(33b)를 제작하여 로드 렌즈(40b)와 결합할 수도 있고, 로드 렌즈(40b)를 제작한 후 필요한 형태로 커플러 형태를 렌즈 가공하여 형성할 수도 있다. 광 효율성의 관점 및 제작의 용이성을 고려할 때 렌즈 가공을 통하여 필요한 형태를 제작하는 것이 유리할 것이다. 도 4b에서 제시된 광학 시스템은 로드 렌즈(40b)가 직접 외부 포물경(32)에 결합된다는 점을 제외하면 도 4a와 관련하여 설명한 것과 동일하게 작동한다. In the embodiment illustrated in FIG. 4B, unlike the embodiment described with reference to FIG. 4A, the window surface is not formed separately. Therefore, the
위에서 이미 설명한 실시 예와 마찬가지로 도 4b에서 제시된 광학 시스템에서 커플러 렌즈와 로드 렌즈는 플라스틱 몰딩(Plastic Molding)으로 제작될 수 있다. 다만 도 4b에서 제시된 광학 시스템에서는 커플러 렌즈(33) 및 로드 렌즈(40b)를 일체로 플라스틱 몰딩으로 가공함으로서 경량화 및 박막화에 유리하고 또한 제조 비용 면에서도 이점을 제공할 수 있다. Similar to the embodiment described above, in the optical system shown in FIG. 4B, the coupler lens and the rod lens may be manufactured by plastic molding. However, in the optical system shown in FIG. 4B, the
도 4c는 본 발명에 따른 조명 장치를 적용한 또 다른 광학 시스템에 대한 실시 예를 도시한 것이다. Figure 4c shows an embodiment of another optical system to which the illumination device according to the present invention is applied.
도 4c에 도시된 광학 시스템에서는 LCoS(44) 패널이 디스플레이 장치로서 사 용된다. In the optical system shown in FIG. 4C, an
도 4a 및 도 4b에서 제시된 실시 예와 동일하게 LED 칩(31)에서 방출된 빛은 방출각에 따라 외부 포물경(32) 및 커플레 렌즈(33)를 통하여 평행광으로 변형되어 로드 렌즈(40c)로 입사한다. 도 4c에서 제시된 실시 예에서는 커플러 렌즈(33)와 로드 렌즈(40c)가 분리되어 도시되어 있지만 도 4b의 실시 예에서 제시된 것처럼 플라스틱 몰딩으로 일체형으로 제작되어 렌즈 가공으로 제작될 수도 있다. 로드 렌즈(40c)에 의하여 유도된 빛은 PBS(Polarization Beam Splitter)(43)으로 진행한다. PBS(43)에서는 일반적으로 입사된 광이 S파 성분 및 P파 성분으로 분리되어 P파 성분은 PBS(43)를 통과하고 S파 성분만 반사되어 LCoS(Liquid Crystal on Silicon) 패널(44)로 진행한다. LCoS 패널(44)은 마이크로 디스플레이로서 필요한 영상 정보를 입사된 광에 저장하여 스크린으로 유도한다. 또한 LCoS 패널(44)은 필요한 경우 S파를 P파로 변조시킨다. 도 4c에 도시된 것처럼 LCoS 패널(44)에서 반사된 광은 P파로 변조되어 다시 PBS(43)를 경유하여 스크린(도시되지 않음)에서 영상 정보를 표시하게 된다. 도 4c에 도시되지 않았지만 필요한 경우에는 X-프리즘 또는 칼라 큐브(Color Cube)와 같은 공지된 장치를 이용하여 레드/그린/블루(R/G/B)를 합성할 수도 있다. 또한 LCoS 패널(44)은 레드/그린/블루 각각에 대하여 설치될 수도 있다. 이 분야의 통상의 지식을 가진 자는 필요한 변형을 가하여 공지된 이와 같은 장치를 도 4c에서 제시된 실시 예에 추가할 수 있을 것이다. In the same manner as the embodiment shown in FIGS. 4A and 4B, the light emitted from the
위에서 본 발명에 다른 조명 장치의 예로서 LCD 패널과 LCoS 패널만을 제시하였지만 적절한 변형을 가하여 DLP(Digital Light Processing)에 적용 가능한 것 은 자명하다. 또한 자동차의 헤드라이트와 같은 조광 장치나 광통신 등에서도 본 발명에 따른 조명 장치를 적용할 수 있고, 이러한 장치들은 모두 본 발명의 범위에 포함된다.
Although only the LCD panel and the LCoS panel are presented as examples of other lighting devices in the present invention, it is obvious that the present invention can be applied to DLP (Digital Light Processing) by applying appropriate modifications. In addition, the lighting device according to the present invention can also be applied to a light control device such as a headlight of an automobile or an optical communication, and all such devices are included in the scope of the present invention.
본 발명에 따른 LED 조명 장치는 모든 방향에 대하여 광을 방출하는 LED 광에 대하여 적절한 지향성을 주어 광 효율을 향상시킬 수 있도록 한다. 위와 같은 이점으로 인하여 본 발명에 따른 조명 장치는 칼라 특성, 장-수명 특성, 빠른 시동 특성 및 반도체 장치와의 결합 용이성 특성을 이용할 수 있는 광학 투사 시스템의 구현이 용이하도록 한다. 아울러 본 발명의 외부 포물경 또는 커플러 렌즈에 적당한 변형을 가하여 자동차의 전조등, 가로등과 같은 각종 조명 장치에도 적용 가능하다. The LED lighting device according to the present invention is to give an appropriate directivity to the LED light emitting light in all directions to improve the light efficiency. Due to the above advantages, the lighting apparatus according to the present invention facilitates the implementation of an optical projection system that can take advantage of color characteristics, long-life characteristics, fast start-up characteristics and ease of coupling with semiconductor devices. In addition, by applying a suitable modification to the external parabolic mirror or coupler lens of the present invention can be applied to various lighting devices such as headlights, street lights of automobiles.
위에서 본 발명에 따른 조명 장치를 제시된 실시 예로서 상세하게 설명하였다. 제시된 실시 예는 예시적인 것이며 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 기술적 사상의 범위를 벗어나지 않고 제시된 실시 예에 대한 다양한 변형 및 수정 변형을 만드는 것은 자명할 것이다. 본 발명의 범위는 위와 같은 변형 및 수정 발명에 의하여 제한되지 않으며, 다만 아래의 특허청구범위에 의해서만 제한된다.
The lighting apparatus according to the present invention has been described above in detail by the presented embodiments. The presented embodiments are illustrative and it will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations may be made to the disclosed embodiments without departing from the scope of the inventive concept. The scope of the present invention is not limited by the above modified and modified inventions, but only by the following claims.
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