KR101173319B1 - 발광 다이오드를 사용하는 조명을 위한 측면 리플렉터 - Google Patents

발광 다이오드를 사용하는 조명을 위한 측면 리플렉터 Download PDF

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Abstract

LED 조명 유닛은 제1 선회축(212) 주위에 선회면으로서 형성된 반사면(210)을 포함한다. LED(202)는 제1 LED 축(208) 주위에서 광을 제1 리플렉터(204)의 반사면(210)을 향해 발산한다. 제1 LED 축(208)은 제1 선회축(212)에 평행하지 않으며, 제1 LED 유닛(202)의 발광 영역은 사실상 반사면(210)의 초점에 위치된다. 리플렉터(204)는 두 개 이상의 LED로부터 광을 수집하여 배향시키는 두 개 이상의 반사면을 가질 수도 있다.
리플렉터, 반사면, 발광 다이오드, LED, 조명 유닛, 선회면, 출구 개구, 수렴광, 투과 매체

Description

발광 다이오드를 사용하는 조명을 위한 측면 리플렉터{SIDE REFLECTOR FOR ILLUMINATION USING LIGHT EMITTING DIODE}
본 발명은 광학 시스템에 관한 것으로, 특히 하나 이상의 발광 다이오드로부터의 집광하기 위한 리플렉터 시스템에 관한 것이다.
발광 다이오드(LED)는 반도체 접합부로부터 광을 발산시키는 장치이다. 상기 광은 접합부에서 캐리어의 조합을 통해 넓은 범위의 각도 이상으로 LED로부터 발산되며, LED 광에 대한 큰 발산 각도는 광학 장치를 조명하기 위하여 집광하여 배향시키는 것을 더욱 어렵게 한다. 한편, 광학 에너지로 전환된 전기 에너지의 50%를 전형적으로 초과하는 높은 광학 효율, 작은 크기 및 긴 수명은 디스플레이, 프로젝션 시스템 등과 같은 광학 장치를 조명하기 위한 광원으로서 LED를 매력적이게 한다. 따라서, 작은 크기와 적은 비용을 유지하면서 고효율로 LED 집광하여 배향시키기 위한 접근법에 대한 필요성이 존재한다.
본 발명의 특정한 일 실시예는 제1 선회축에 대한 선회면으로서 형성된 반사면을 구비한 제1 리플렉터를 갖는 조명 유닛에 관한 것이다. 제1 발광 다이오드(LED) 유닛은 제1 LED 축 주위의 광을 반사면으로 발산시키는 발광 영역을 갖는다. 제1 LED 축은 제1 선회축에 대해 평행하지 않고, 제1 LED 유닛의 발광 영역은 사실상 반사면의 초점에 위치된다.
본 발명의 다른 실시예는 조명광을 반사하기 위한 리플렉터 유닛에 관한 것이다. 리플렉터 유닛은 본체 축을 구비한 리플렉터 본체를 갖는다. 리플렉터 본체는 제1 선회축 주위에서 제1 선회면에 부합하는(conform) 제1 반사면과, 제1 반사면과 일체식으로 형성된 제2 반사면을 포함한다. 제2 반사면은 제2 선회축 주위에서 제2 선회면에 부합한다. 제1 및 제2 반사면은 본체 축 주위에서 가로질러 위치된다.
본 발명의 상기 요약은 본 발명의 모든 구현 또는 각각의 도시한 실시예를 설명하려는 것은 아니다. 후속하는 도면과 보다 상세한 설명은 이러한 실시예를 보다 잘 예시할 수 있다.
본 발명은 하기의 첨부 도면과 관련지어 이루어진 본 발명의 다양한 실시예에 대한 상세한 설명을 고려할 때 보다 완전하게 이해될 수 있다.
도1a는 LED 유닛 발광을 개략적으로 도시한 도면이다.
도1b 및 도1c는 도1a에 도시한 LED 유닛에 대한 방사 패턴을 각각 보여주는 데카르트 좌표 및 극좌표 그래프이다.
도2a 내지 도2c는 본 발명의 원리에 따른 측면 리플렉터를 포함한 조명 유닛의 실시예의 개략 단면 및 사시도이다.
도3a 내지 도3c는 본 발명의 원리에 따른 중실 측면 리플렉터를 포함하는 조명 유닛의 실시예의 개략 단면도이다.
도4a 및 도4b는 본 발명의 원리에 따른 측면 리플렉터를 포함하는 조명 유닛의 실시예의 개략도이다.
도4c는 본 발명의 원리에 따른 다중 측면 리플렉터를 포함하는 조명 유닛의 실시예의 개략도이다.
도5는 본 발명의 원리에 따른 다중 측면 리플렉터를 포함하는 조명 유닛의 단면도이다.
도6a 내지 도6c는 본 발명의 원리에 따른 상이한 개수의 측면 리플렉터를 포함하는 조명 유닛을 개략적으로 도시한 도면이다.
도7a 및 도7b는 본 발명의 원리에 따른 조명 유닛의 다른 실시예를 개략적으로 도시한 도면이다.
도8a 내지 도8c는 본 발명의 원리에 따른 중실 측면 리플렉터를 포함하는 조명 유닛의 실시예의 개략 단면도이다.
도9는 본 발명의 원리에 따른 다중 측면 리플렉터를 포함하는 조명 유닛을 개략적으로 도시한 단면도이다.
도10a는 본 발명의 원리에 따른 다중 포물체 측면 리플렉터를 포함하는 조명 유닛을 개략적으로 도시한 사시도이다.
도10b 및 도10c는 도10a의 조명 유닛의 다른 실시예로부터 발산된 계산된 방사 패턴을 나타낸다.
도11a 및 도11b는 본 발명의 원리에 따른 실험용 측면 리플렉터 조명 유닛의 개략 사시도이다.
도12a는 모델링 콜렉터(collector) 효율에 사용된 반사식 축상(on-axis) 콜렉터를 통해 개략적으로 도시한 단면도이다.
도12b는 모델링 콜렉터 효율에 사용된 4개의 리플렉터를 갖는 반사식 축상 광 콜렉터를 갖는 광 조명 유닛을 개략적으로 도시한 도면이다.
본 발명은 다양한 변형예 및 다른 형태로 변경가능하지만, 도면에서는 특정한 예가 도시되어 있으며 상세히 설명될 것이다. 그러나, 설명하는 특정 실시예로 본 발명을 제한하는 것은 아니라는 점을 알아야 한다. 반대로, 첨부한 청구 범위에 의해 한정되는 바와 같이 본 발명의 기술 사상 및 범위 내에서 모든 변형예, 균등물 및 대안을 포함할 수 있다.
본 발명은 광시스템에 적용 가능한 것으로, 특히 하나 이상의 발광 다이오드(LED)로부터의 광으로 대상을 조명하기 위해 사용가능한 광 수집 및 처리 시스템에 적용 가능한 것이다.
LED 조명에 대해 신규한 적용예를 시작할 수 있는 고출력 파워를 갖는 LED가 보다 유용하다. 높은 파워 LED로 처리될 수 있는 몇몇 적용예에는 투사 및 디스플레이 시스템에서의 광원으로서, 기계식 시각 시스템 및 카메라/비디오 적용예에서의 조명원으로서, 및 자동차 헤드라이트와 같은 원거리 조명 시스템에서도 광원으로서 사용되는 것을 포함한다.
LED는 전형적으로 광각 이상 빛을 발산하고, 광학 디자이너에 대한 도전 중 하나는 LED에 의해 생성된 빛을 효과적으로 수집하여 그 빛을 선택된 대상 영역으로 배향시키는 데 있다. 다른 도전은 LED를 효과적으로 패키지화하는 데 있다. 이러한 것은 다중 LED를 갖는 조립체로부터의 광을 수집하는 단계와, 상기 수집된 광을 주어진 수광 콘(cone) 내에서 주어진 대상 영역으로 배향시키는 단계를 포함하는 것이 요구된다. 또한, 상기 광 수집 및 배향 시스템은 소형 패키지로 생성될 수 있는 점이 중요하다.
이제, LED 유닛(100)의 일 예를 도1a 내지 도1c를 참조하여 설명한다. LED 유닛(100)은 기판 상에 반도체 다이오드 장치로부터 전형적으로 형성된 LED 이미터(emitter) 영역(102)을 포함한다. LED는 일반적으로 렌즈(104)로서 작동하는 광투과성 본체 내에 캡슐로 싸여진다. 고파워 LED용의 통상의 렌즈 형상 중 하나는 도시된 바와 같이 볼 렌즈의 중심에 이미터가 위치된 반구 렌즈(half-ball lens)이다. 빛(106)은 광각 이상으로 발산된다. 전형적으로 LED 유닛으로부터의 방사 패턴은 도1b에서 데카르트 좌표로 그리고 도1c에서는 극좌표로 도시한다. 방사 패턴은 램버시안에 근접하다. LED 이미터(102)로부터의 방사는 전형적으로 0°의 방사에 상응하는 LED 축(108)을 중심으로 대칭이다. 많은 LED에서, 이미터 영역(102)은 편평하여 LED 축은 편평 이미터 영역(102)에 수직이다. 방사 패턴이 대칭되지 않은 곳에서, LED 축(108)은 이미터 영역(102)으로부터 빛이 이를 따라 방사되는 평균 방향에 상응한다. 도1b 및 도1c에 도시된 일 예에서, 최대값의 절반으로 강도가 하강되는 각도인, LED에 의해 방사된 빛의 강도의 절반 각도는 약 65°이다.
LED에 의해 발산된 광을 수집 및 배향시키기 위한 하나의 접근법인 도2a 내 지 도2c에 개략적으로 도시된 조명 유닛(200)에 대해 지금 설명한다. 광(206)은 LED 이미터 영역(203)을 갖는 LED 유닛(202)에 의해 발산되고, 리플렉터(204)에 의해 반사된다. LED 유닛(202)은 LED 축(208)을 갖는다. 리플렉터(204)는 리플렉터 선회축(212) 주위에서 선회면의 적어도 일부에 부합하는 형상의 반사면(210)을 갖는다. 예로서, 반사면(210)은 타원체 또는 포물체 또는 몇몇 다른 형태의 선회면에 부합할 수 있다. 광 이미터 영역(203)은 선회축(212) 상에서 선회면의 초점에 위치되거나 또는 초점에 근접하게 위치된다. 본 설명에서, 반사면이 선회면에 부합하는 것으로 설명되는 것은, 반사면이 완전한 선회를 포함해야 한다는 것을 내포하는 것은 아니라는 점을 이해해야 한다. 반사면이 선회면에 부합하는 것으로 설명될 때, 반사면은 선회면의 적어도 일부에 부합하는 것을 의미이며, 완전한 선회를 요구하지 않는다.
LED 축(208)은 선회축(212)과 평행하지 않다. 예로서, 도2c에 개략적으로 도시된 조명 유닛(250)은 LED 축(208)과 선회축(212) 사이에서 각도(θ)를 갖는다. 각도(θ)는 LED 축(208)과 선회축(212) 사이에서의 최소각이다. 전형적으로, θ의 값은 45°≤θ≤ 90°의 범위이며, 60°≤θ≤ 90°의 범위일 수 있다. LED 축(208)과 선회축(212)은 대체로 수직일 수도 있고, 이때 각도(θ)는 도2a에 도시된 바와 같이 약 90°의 값을 갖는다. 반사광(214)은 일반적으로 축(212)을 향해 수렴할 수 있고, 축(212)에 평행할 수 있거나 또는 축(212)으로부터 멀리 발산할 수 있다.
리플렉터 표면(210)은 LED 유닛(202)에 의해 발산된 광의 파장으로 광을 반 사하기 위한 임의의 적절한 반사성 재료로 형성될 수 있다. 예로서, 리플렉터 표면은 두께가 리플렉터 표면(210)의 반사성을 증가시키도록 선택된 다중 중합체 층으로 형성될 수 있다. 다른 예에서, 리플렉터 표면은 금속화될 수 있거나 또는 무기 유전체 코팅으로 코팅될 수 있다.
조명 유닛(200)의 사시도는 도2b에서 개략적으로 도시된다. 도시된 실시예에서, 반사면(210)은 타원체 면에 부합한다. 광(214)은 반사면에 의해 대상 영역(216)으로 배향된다. LED 유닛(202)은 타원체 면의 하나의 초점에서 이미터(203)와 함께 위치될 수 있다. 따라서, 반사광(214)은 일반적으로 타원체의 제2 초점으로 배향된다. 대상 영역(216)은 타원체의 제2 초점에 위치될 수 있다. 대상 영역(216)은 LED 유닛(202)으로부터의 광에 의해 조명되는 임의의 영역이다. 예로서, 조명 유닛은 투영 시스템을 조명하는 데 사용되며, 대상 영역은 광을 균질화하기 위한 터널 인티그레이터(tunnel integrator) 또는 몇몇의 다른 장치로의 입력 구멍일 수 있다. 광학 수차가 존재할 수 있어, 반사광은 발산 영역이 제1 초점에 정확하게 위치되더라도 타원체의 제2 초점에 정확하게 초점을 맞출 수 없다는 점을 알 것이다.
도2a 내지 도2c에 도시된 바와 같이, 리플렉터는 중공일 수 있거나, 또는 예컨대 도3a 내지 도3c를 참조하여 설명하는 바와 같이 중실일 수 있다. 조명 유닛(300)은 리플렉터(304)의 초점에서 사실상 이미터(303a)를 갖는 LED 유닛(302)을 포함한다. LED 축(308)은 리플렉터 선회축(312)에 수직이거나 수직에 근접한다.
리플렉터(304)는 중실의 투명 본체(309)와 반사면(310)을 포함한다. 중실 체(solid body, 309)는 임의의 적절한 투명성 재료, 예컨대 폴리카보네이트와 같은 성형된 중합체, 에틸렌 및 노보넨(norbornene)의 공중합체와 같은 사이클릭 올레핀 공중합체(COC), 폴리메틸 메타아크릴레이트(PMMA) 등으로부터 제조될 수 있다. LED 유닛(302)으로부터의 광(306)은 반사면(310)에서 반사되고, 반사광(314)은 본체(309)의 출구면(316)을 통과한다. 반사면(310)은 광을 반사하기 위한 임의의 적절한 형태의 반사성 재료를 사용할 수 있다. 예로서, 반사면(310)은 금속화될 수 있거나 또는 다중층 유전체 리플렉터를 사용할 수 있다. 다중층 유전체 리플렉터는 무기층의 다중층을 사용하여 형성될 수 있거나 또는 다른 굴절율을 갖는 중합체층의 스택으로부터 형성될 수 있다.
투명 본체(309)는 LED 발산 영역(303)의 위치에 동심인 오목면(311)을 구비할 수 있고, LED 유닛(302)은 예컨대 광학 시멘트(cement)를 사용하여 이러한 오목면에 고정될 수 있다. LED 유닛(302)의 반구 렌즈와 투명 본체(309) 사이의 인터페이스는 적어도 부분적으로 정합된 굴절률이기 때문에, 굴절 효과를 감소시키고 굴절 손실을 감소시키기에 편리하다.
중실체 리플렉터(304)는 중공 리플렉터와는 상이하게 실행된다. 차이 중 하나는 선회축(312)과 평행한 것에 근접한 방향으로 LED 유닛(302)으로부터 발산된 광선(306a)에 관련지어 설명한다. 광선(306a)은 광선(314a)으로서 반사된다. 렌즈(303b)가 투명 본체(309)의 재료에 의해 둘러싸이기 때문에, 렌즈(303b)의 굴절력은 렌즈가 공기 중에 있을 경우보다 낮게 된다. 따라서, 광선(314a)은 본체(309)의 출구면(316)까지 렌즈(303b)를 통과할 수 있다. 중공 리플렉터의 경우, 렌즈는 전형적으로 공기 중에 놓여지기 때문에 렌즈에서 부합하는 굴절률은 없게 되어 렌즈는 대상 영역으로부터 멀어지는 방향으로 반사된 광선(314a)을 굴절시킨다. 따라서, 중실체 리플렉터(304)가 사용될 때 대상 영역에 도달하는 광량은 증가될 수 있다.
중실체 리플렉터와 중공 리플렉터 사이의 다른 차이점은 중실체(309)의 출구면(316)은 반사 광선(314)의 방향을 제어하는 데 사용될 수 있는 굴절면을 제공한다는 것이다. 이러한 점은 조명 유닛(300)으로부터 배출된 광의 방향을 제어하기 위한 다른 자유도를 디자이너에게 부여한다. 도3a에 도시된 실시예에서, 출구면(316)은 편평하고 선회축(312)에 사실상 수직하다. 편평 출구면(316)은 선회축(312)에 수직일 필요가 없고 출구면(316)과 선회축(312) 사이의 각도는 90°와 다른 각도를 가질 수 있다는 점을 알 수 있다.
출구면(316)은 편평할 필요가 없다. 출구면은 예컨대 도3b에 도시된 바와 같이 각면으로(faceted) 형성될 수 있다. 각면인 출구면(316a)은 상이한 방향으로 상이한 반사광(314)을 굴절시키도록 두 개의 이상의 각면을 포함할 수 있다. 또한, 출구면은 예컨대, 도3c에 도시된 바와 같이 만곡부를 형성할 수 있다. 만곡식 출구면(316b)은 렌즈로서 작용하고, 반사면(310)의 초점력에 초점력을 부가하도록 정렌즈(positive lens)로서 작용할 수 있거나 또는 반사면의 초점력으로부터 초점력을 삭감하도록 부렌즈(negative lens)로서 작용할 수 있다. 출구면은 전체 영역에 걸쳐 만곡될 필요는 없고 출구면은 편평한 일부를 가질 수 있고 일부는 만곡될 수 있다는 점을 알 수 있다. 또한, 출구면의 상이한 부분은 출구면의 상이한 부분들이 상이한 초점력을 갖도록 상이한 만곡부를 구비할 수 있다.
복수의 리플렉터 및 각각의 LED 유닛들은 조명 유닛으로부터 발산된 광량을 증가시키도록 함께 패키징될 수 있다. 하나의 디자인의 기준으로 복수의 광원을 함께 패지징한 것이 특정 콘 각도로 조명의 고효율을 유지하면서 여러 공급원 패키지의 전체 크기를 감소시키기 위한 것일 때 종종 중요하다. 본 발명의 측면 조명식 리플렉터는 도4a 내지 도4c를 참조하여 이제 설명하는 바와 같이 소정의 콘 각도로 높은 광의 수집을 유지하면서 패키지의 크기를 감소시키는 소정의 유연성을 제공한다. 도4a는 LED 유닛으로부터 대상 영역(410)으로의 자취를 갖는 광선이 도시된 단일 리플렉터(404)를 갖는 조명 유닛(400)을 개략적으로 도시한다. 리플렉터(404)는 트레이스 광선(traced ray; 406)을 관찰자가 볼 수 있게 하도록 반투명으로 도시된다. 리플렉터(404)는 1/4 타원체로 도시된다. LED 유닛은 대략적으로 LED 축 상의 방향으로 광선을 최대로 발산하기 때문에, 리플렉터의 이러한 부분들(404a)은 LED 축 및 리플렉터 축에 의해 형성된 평면으로부터 가장 멀고 리플렉터(404)의 바닥 에지(408)에 근접하고, LED 축에 근접한 부분들(404c)보다 적은 광을 반사한다. 또한, LED 축 및 리플렉터 축에 의해 형성된 평면에 근접하지만 LED 축으로부터는 먼 리플렉터의 부분(404b)은 LED 축에 근접한 부분(404c)보다 적은 광을 반사한다.
도4b는 부분(404a, 404b)이 제거된, 리플렉터(404)와 유사하게 형성된 리플렉터(424)의 조명 유닛(420)을 개략적으로 도시한다. 이것은 도4a에 도시된 형태보다 적은 광(426)으로 대상 영역(10)을 조명하여 리플렉터(424)의 전체 반사 효율 은 적어진다. 그러나, 부분(404a, 404b)이 제거되기 때문에, 다중 리플렉터는 대상으로 전달되는 광량을 증가시키는 양호한 콘 각도 내에서 광으로 대상을 조명하도록 함께 조립될 수 있다. 도4c는 리플렉터(424)와 유사한 6개의 리플렉터로부터 형성된 리플렉터 본체(444)를 갖는 다중 리플렉터 조명 유닛(440)의 일 예를 개략적으로 도시한다. 리플렉터 본체(444)는 예로서 리플렉터(424)와 유사한 별도의 리플렉터를 조립함으로써 상이한 방식으로 형성될 수 있거나 또는 통합 유닛으로서 형성될 수 있다. 대상 영역(450) 상에 입사하는 광량이 대상 영역(410) 상에 입사하는 것보다 6배만큼 많지는 않더라도, 대상 영역(410 또는 10)에 입사되는 것보다 현저하게 많은 광(446)이 대상 영역(450) 상에 입사된다. 몇몇 계산된 조명 효율은 몇 가지 특정 예에 대해 이하 설명한다.
다중-리플렉터 조명 유닛(500)의 단면은 도5에 개략적으로 도시한다. 조명 유닛(500)은 각각의 조명 LED 유닛(502a, 502b)을 갖는 두 개의 리플렉터(504a, 504b)로부터 형성된 리플렉터 본체(504)를 갖는다. 각각의 리플렉터(504a, 504b)는 각각의 선회축(512a, 512b) 주위에서의 선회면에 부합하는 반사면(510a, 510b)으로 형성된다. 예를 들면, 리플렉터(504a, 504b)는 타원체, 포물체 또는 다른 형상일 수 있다. 각각의 LED 유닛(502a, 502b)은 광(514a, 514b)을 반사하는 리플렉터(504a, 504b)에 광(506a, 506b)을 전달한다. LED 유닛(502a, 502b)은 각각의 선회축(512a, 512b)에 평행하지 않은 각각의 LED 축(508a, 508b)을 갖는다. 도시된 실시예에서, LED 축(508a, 508b)은 각각의 선회축(512a, 512b)에 사실상 수직하다.
도시된 실시예에서, 반사면(510a, 510b)는 타원체이어서, 반사광(514a, 514b)은 대부분 수렴된다. 또한, 축(512a, 512b)은 서로 평행하지 않아 각각의 리플렉터(504a, 504b)로부터의 반사광(514a, 514b)은 중첩되도록 상기 방향으로 전파된다. 도시된 실시예에서, 대상 영역(516)에 근접한 위치에서 축(512a, 512b)이 교차하므로, 각각의 리플렉터(504a, 504b)로부터의 광(514a, 514b)은 대상 영역(516)을 조명한다. 리플렉터 본체(504)는 리플렉터(504a, 504b)가 이 주위에 대칭으로 위치되는 축(518)을 형성한다. 도시된 실시예에서, 축(512a, 512b)은 동일한 교차점에서 본체축(518)과 교차하고, 필요하지 않는 경우에도 본체축(518)과 동일한 각도를 형성한다.
리플렉터 본체는 상이한 개수의 리플렉터를 포함할 수 있음을 알 수 있다. 몇몇의 예가 도6a 내지 도6c에 개략적으로 도시된다. 도6a에서, 조명 유닛(600)은 4개의 리플렉터(604a)로부터 형성된 리플렉터 본체(604)를 갖는다. 각각의 LED 유닛(602)은 대상 영역(606)에 초점을 맞추기 위한 리플렉터(604a)로 광을 전달한다. 도6b에서, 조명 유닛(620)은 8개의 리플렉터(624a)로부터 형성된 리플렉터 본체(624)를 갖는다. 각각의 LED 유닛(622)은 대상 영역(626)에 초점을 맞추기 위해 리플렉터(624a)로 광을 전달한다.
조명 유닛(640)은 도6c에 개략적으로 도시되고, 여기에는 리플렉터(644a)의 2개의 티어(tier; 648a, 648b)가 있다. 제1 티어(648a)는 개구(650) 주위에 배치된 10개의 리플렉터(644a)를 갖는 리플렉터 본체(644)로 형성된다. 각각의 LED 유닛(642a)은 대상 영역(646)을 향해 제1 티어(648)의 리플렉터(644a)에 의해 반사된 광을 생성한다. 제2 티어(648b)는 각각의 LED 유닛(642a)으로부터의 광을 개구(648)를 통해 대상 영역(646)으로 배향시키도록 함께 위치된 6개의 리플렉터(654a)를 갖는 리플렉터 본체(654)로 형성된다. 제1 티어(648)의 리플렉터(644a)는 제2 티어의 리플렉터(654a)와 동일한 형상일 수 있거나 또는 동일한 형상이 아닐 수 있음을 알 수 있다.
리플렉터는 대상 영역을 향해 수렴 광을 배향시킬 필요는 없지만, 대상 영역을 향해 시준된 광을 일반적으로 배향시키거나 또는 대상 영역을 향해 발산광을 배향시키는 데 사용될 수 있다. 이것은 일 예로 타원체의 초점과 다른 위치에 배치된 LED 유닛을 갖는 타원체 리플렉터를 사용하여 달성될 수 있다. 또한, 이것은 타원체와 다른 형상을 갖는 반사면을 사용하여 달성될 수도 있다. 이러한 형상의 일 예는 포물체이다. 이는 개략적으로 도7a 및 도7b에 도시되었고, 여기서 조명 유닛(700)은 광을 포물체 리플렉터(704)에 배향시키는 LED 유닛(702)를 포함하며, 반사광(714)은 대상 영역(716)을 향해 다소 발산된다. 특정 예에서, LED 유닛(702)은 0.5 mm×0.5 mm의 발산 영역을 갖고, 도1b 및 도1c에 도시된 것과 유사한 방사 패턴으로 광을 발산한다. 반사광(714)의 약 73%는 5°의 절반 각도로 콘 내에 수용된다. 조명 유닛(700)은 예로서 24 mm×12 mm×12 mm의 작은 풋프린트(footprint)를 갖도록 구성될 수 있다.
포물체 리플렉터(804)를 갖는 조명 유닛(800)의 단면은 도8a에 개략적으로 도시한다. LED 유닛(802)은 광(806)을 반사면(810)으로 배향한다. LED 유닛(802)은 LED 축(808)을 갖는다. 반사면(810)은 선회축(812) 주위에서 회전함으로써 형성된 포물체에 부합하는 형상을 갖는다. 광 이미터 영역(803)은 축(812) 상에서 포물체의 초점에 근접하거나 또는 초점에 위치된다. 도시된 실시예에서, LED 축(808)은 필요조건은 아니더라도 선회축(812)에 수직이다. 반사광(814)은 일반적으로 축(812)에 다소 평행하게 시준되고 전달된다.
포물체 리플렉터는 중공 리플렉터일 수 있거나 또는 중실체 리플렉터일 수 있다. 중실체 리플렉터의 두 개의 예가 도8b 및 도8c에 개략적으로 도시되어 있다. 도8b에서, 조명 유닛(820)은 LED 유닛(822)으로부터의 광(826)에 의해 조명되는 중실체 리플렉터(824)를 포함한다. LED 유닛(822)은 선회축(832)에 사실상 수직한 LED 축(828)을 갖는다. 반사면(830)에 의해 반사된 광(834)은 선회축에 대략적으로 평행하게 전달된다. 중실체 리플렉터(804)는 상이한 표면 외형이 구비될 수 있는 출구면(836)을 갖는다. 일 실시예에서, 출구면(836)은 편평하고 선회축에 수직할 수 있다. 도8b에 도시된 실시예에서, 출구면(836)은 리플렉터(824)를 빠져나갈 때 광(838)을 굴절시키는 복수의 상이한 각면(836a, 836b)을 갖는다. 각면(836a, 836b)은 출구면(836)의 상이한 부분으로부터의 광을 상이한 방향으로 배향시킨다. 예로서, 각면(836a)은 광(838)을 각면(836b)으로부터의 광에 중첩하도록 배향시킬 수 있다.
출구면은 도8c에 도시된 바와 같이 예컨대 만곡될 수 있다. 반사면(830)이 포물체일 때, 광(834)은 축(832)에 다소 시준되고 이에 평행한 출구면(846) 상에 입사된다. 만곡 출구면(846)은 도시된 바와 같이 굴절광(848)을 수렴시키거나 또는 굴절광(848)을 발산시키는 데 사용될 수 있다. 출구면(846)은 전체 영역에 걸쳐 만곡될 필요는 없고, 출구면(846)은 편평한 부분과 만곡된 부분을 가질 수 있다 는 점을 알 수 있다. 또한, 출구면의 상이한 부분은 출구면의 상이한 부분이 상이한 초점력을 가질 수 있도록 상이한 만곡부를 구비할 수 있다.
다중 리플렉터 조명 유닛(900)의 일 예는 도9에서 단면도로 개략적으로 도시되어 있다. 조명 유닛(900)은 각각의 조명 LED 유닛(902a, 902b)을 갖는 두 개의 리플렉터(904a, 904b)로 형성된 리플렉터 본체(904)를 갖는다. 각각의 리플렉터(904a, 904b)는 각각의 리플렉터 선회축(912a, 912b) 주위의 선회면에 부합하는 반사면(910a, 910b)이 형성된다. 각각의 LED 유닛(902a, 902b)은 광(914a, 914b)을 반사하는 리플렉터(904a, 904b)로 광(906a, 906b)을 전달한다. LED 유닛(902a, 902b)은 각각의 선회축(912a, 912b)에 사실상 수직한 각각의 LED 축(908a, 908b)을 갖는다.
도시된 실시예에서, 반사면(910a, 910b)은 포물체이므로, 반사광(914a, 914b)은 사실상 각각의 축(912a, 912b)에 시준되고 평행하다. 특정 실시예에서, 축(912a, 912b)은 서로 평행하여, 반사광(914a)은 반사광(914b)에 평행하다. 선회축(912a, 912b)은 서로 평행할 필요는 없지만, 예컨대 각각의 리플렉터(904a, 904b)로부터의 광이 중첩되도록 배향될 수 있다.
다중 리플렉터 조명 유닛(1000)의 다른 예는 도10a를 참조하여 설명한다. 유닛(1000)은 각각의 LED 유닛(1002)으로부터 광을 사실상 시준하는 10개의 포물체 리플렉터(1004a)를 포함하는 리플렉터(1004)를 갖는다. 리플렉터(1004a)는 5×2 등축 어레이로 배치된다. 하나의 특정 실시예에서, 리플렉터 축은 평행하여 각각의 리플렉터(1004a)로부터의 광은 다소 시준된다. 원장(far field)에서 조명 유닛(1000)으로부터 계산된 조명 패턴은 도10b에 도시한다. 이러한 계산을 위해, 인접 LED 유닛(1002)들 사이의 간격은 10 mm이고, 원장 패턴은 1 m에서 계산된다. 각각의 LED 유닛(1002)으로부터의 방사는 사실상 10°전체 콘 각(전체각, 절반 최대치)을 갖는 스폿(spot)을 생성하도록 원장에서 사실상 중첩된다.
도10c를 참조하여 설명한 다른 특정 실시예에서, 리플렉터 축들은 평행하지 않고, 인접 이미터로부터 발산된 광으로부터 멀리 각각의 LED 유닛으로부터의 광을 퍼지게하도록 배치된다. 계산된 방사 패턴은 일반적으로 장방형 영역(1010)이 조명되는 것을 보여준다. 상대적으로 높은 강도의 스폿(1012)은 각각의 리플렉터(1004a)로부터의 광에 해당한다. 도10c에 도시된 방사 패턴을 계산하기 위해, 각각의 리플렉터의 선회축은 인접 리플렉터의 선회축으로부터 10°각도로 배치되는 것으로 가정하였다.
6개의 리플렉터 조명 유닛(1100)의 하나의 특정한 실험적으로 실현된 실시예의 개략도가 도11a 및 도11b에 도시되어 있다. 리플렉터 본체(1104)는 6개의 리플렉터(1104a)를 포함한다. 리플렉터 본체(1104)는 리플렉터 기부(1106) 상에 형성되며, 금속, 예컨대 알루미늄으로 형성될 수 있거나 또는 아크릴과 같은 중합체로 형성될 수 있다. 상기 본체는 다이아몬드 세공을 사용하여 정확한 형상으로 형성될 수 있거나 또는 본체 재료가 성형가능하다면 성형될 수 있다. 리플렉터 본체(1104)는 반사성 코팅으로 코팅될 수 있다. 예로서, 리플렉터 본체(1104)는 알루미늄 또는 은 반사성 코팅으로 코팅될 수 있다. 반사성 코팅은 소정의 파장 대역에서 우선적으로 광을 반사하도록 선택될 수 있다.
LED 유닛(1102)은 각각의 리플렉터(1104a) 다음에 위치된다. 리플렉터 본체(1104)를 관찰자가 볼 수 있도록 하기 위하여 하나의 LED 유닛(1102)만이 도11a에 도시되어 있다. 도11b에서, 도시된 모든 6개의 LED 유닛(1102)은 LED 장착 브라켓(1108)을 통해 리플렉터 기부(1106)에 장착된다.
예
조명 효율은 종래의 조명 유닛에 비해 본 발명의 조명 유닛의 효과를 비교하기 위해 상이한 형태의 조명 유닛에 대해 계산된다. 모든 경우, 장점 기준은 ± 21°의 허용 콘 내에서 6.4 mm×6.4 mm의 개구를 통해 최대 광량의 수집을 포함한다. 장점 기준의 수치적 평가는 LED로부터 발산된 전체 광세기에 비해 특정 허용 콘 내에 그리고 특정 개구를 통한 광세기의 비인 기하학적 수집 효율(GCE)이다. 상기 GCE는 다중 LED 조명 유닛을 분석할 때에도 LED로부터 발산된 전체 광세기에 대해 표준화된 것이다. 따라서, GCE가 300%의 값을 가질 때, GCE는 수집 광효율이 하나의 LED에 의해 발산된 전체 광에 3배와 동일하다는 것을 나타낸다. 이러한 장점의 특징은 사용된 LED의 개수와는 독립적으로 조명 유닛의 상이한 형태의 일정한 평가를 허용한다. 각각의 경우, LED는 도1b 및 도1c에 도시된 것과 유사한 방사 패턴과 0.5 mm×0.5 mm의 발산 영역을 갖는 것으로 추정된다.
두가지 형태의 광 콜렉터는 이하 제공된 예에서 분석된다. 첫번째는 LED 축이 선회축과 평행한 반사 콜렉터이며, 두 번째는 LED 축이 리플렉터 축과 평행하지 않은 본 발명에 따른 반사 콜렉터이다.
예1 - 반사식 축 상 콜렉터
LED로부터의 광을 수집하기 위한 공지된 접근법은 선회축이 LED 축과 평행한, 예컨대 도12a에 개략적으로 도시된 조명 유닛(1200)인 LED 주위에 타원형 리플렉터를 배치하는 것이다. LED 유닛(1202)은 리플렉터 축(1212) 상에 LED 이미터(1203)와 함께 위치된다. LED 유닛(1202)은 선회축(1212)에 평행하고 부합하는 축에 정렬된다. LED 유닛(1206)은 반사광(1214)과 같이 대상 영역에 반사된 광(1206)을 발산하고, 대상 영역 상에 직접적으로 입사하는 광(1216)을 발산한다. 리플렉터(1204)는 축(1212) 주위에 타원체로서 형성된 반사면(1210)을 갖는다. 이미터(1203)는 타원체의 제1 초점에 위치되어, 반사광(1214) 및 직접적인 입사광(1216)은 타원체의 제2 초점에 근접한 지점에 수집된다.
이러한 시스템의 수집 효율은 타원체의 기하학적 파라미터에 따라 달라지며, 비교적 높을 수 있다. 예로서, 단일 타원체는 81%의 수집 효율을 가질 수 있다. 도12a에 도시된 것과 유사한 4개의 타원체 리플렉터 유닛은 도12b에 개략적으로 도시된 바와 같이 서로 조립될 수 있다. 그러나, 리플렉터(1204)는 선회축을 따라 치수적으로 비교적 짧으므로, 인접 리플렉터(1204)는 서로 접촉하게 배치될 수 있으며, 대상 영역(1216)에 입사하는 ±21°콘의 요구사항을 만족시킨다. 이러한 장치의 GCE는 130%이다. 만일 리플렉터(1204)가 인접 리플렉터(1204)와 간접하지 않으면서 선회축을 따라 장형일 경우, 이러한 조명 유닛의 GCE는 약 160%까지 상승한다.
예2 - 측면 리플렉터
측면 리플렉터는 선회축이 LED 축과 평행하지 않은, 도2 내지 도11에서의 본 발명에 대해 설명되었던 예들 중 하나이다. 리플렉터는 타원체 형상을 갖고, 설명한 다양한 실시예의 측면 리플렉터는 반사식 축상 리플렉터에서 보다 높은 GCE를 갖는다. 측면 콜렉터에 대한 GCE는 상이한 개수의 LED 유닛을 갖는 콜렉터에 대해 계산되었고, 모든 경우에 LED 축은 합체된 리플렉터의 선회축과 수직하다고 가정되었다. 그 결과는 비교를 위해 반사식 축상 콜렉터에 대한 GCE 값을 리스트 작성한 표1에 리스트 작성되었다. 상기 표는 특정 실시예를 도시한 도면의 번호도 리스트 작성하였다. 모든 경우, LED 유닛 각각은 500 ㎛×500 ㎛의 발산 영역을 갖고, PMMA로부터 형성된 반경 2.8 mm의 반구 렌즈를 갖는다고 가정된다.
표1 : 다양한 수집 기하학적 형상에 대한 기하학적 수집 효율의 비교
콜렉터 형태 도시된 도면 LED의 개수 LED 당 GCE 전체 GCE
반사식 축상 도12a 1 81% 81%
반사식 축상 도12b 4 40% 160%
측면 리플렉터 도2b 1 80% 80%
측면 리플렉터 도6a 4 64% 256%
측면 리플렉터 도4c 6 52.7% 316%
측면 리플렉터 도6b 8 49.3% 394%
측면 리플렉터 도6c 16 35.8%(외부)
26.7%(내부)		 518%
상기 표로부터, 단지 하나의 LED가 사용되었을 때 반사식 축상 콜렉터가 측면 리플렉터와 유사한 효율일 경우에도, 측면 리플렉터는 LED 개수가 증가할 때 이점을 신속하게 얻을 수 있다는 점을 알 수 있다. 예로서, 4개의 LED가 사용될 때, 축상 콜렉터는 약 160%의 전체 GCE 또는 LED 당 약 40%를 갖는다. 비교에서, 4개의 LED를 갖는 측면 리플렉터는 LED 당 약 64%에 해당하는 약 256%의 전체 GCE를 갖는다.
측면 리플렉터는 조명 유닛 패키지가 축상 반사식 접근법보다 작아지는 것을 허용한다. 예로서, 단일 LED 유닛에서, 축상 리플렉터는 측면 리플렉터에서의 20 mm×11 mm×22 mm에 비해 35 mm×28 mm×28 mm의 패키지에 끼워진다.
본 설명은 대부분 타원체 및 포물체로 구체화하였지만, 이러한 선회면만을 사용하는 것으로 제한되는 것은 아니며, 다른 형태의 선회면도 사용될 수 있다. 또한, 이러한 상이한 선회면으로 형성된 리플렉터는 중공 리플렉터일 수 있거나 또는 중실 리플렉터일 수 있다.
따라서, 본 발명은 상기 설명한 특정예로 제한되어 고려되어서는 안 되며, 첨부한 청구범위에서 제시한 바와 같은 본 발명의 모든 실시예를 포함하는 것으로 이해하여야 한다. 본 발명에 적용될 수 있는 다양한 수정, 균등한 프로세스 및 많은 본 발명이 대상으로 하는 본 기술 분야의 숙련자들이 본 명세서를 검토함으로써 용이하게 이해할 수 있을 것이다. 청구의 범위는 이러한 수정 및 장치들을 포함하고자 한다.

Claims (55)

  1. 제1 리플렉터 축을 한정하는 제1 반사면을 포함한 제1 만곡식 리플렉터와,
    대체로 제1 리플렉터 축에 평행하지 않은 LED축을 따라 광을 발산하도록 위치된 제1 발광 다이오드(LED)를 포함하며,
    제1 LED로부터의 광은 제1 대상 초점을 향해 제1 반사면에 의해 반사식으로 수렴되며,
    제1 리플렉터 축과 LED 축에 의해 형성된 제1 평면이 교차 영역에서 반사면과 교차하고, 제1 반사면의 교차 영역은 교차 영역 외부의 제1 반사면의 영역보다 제1 초점을 향해 더욱 근접하게 연장되는 조명 유닛.
  2. 제1항에 있어서, 제1 LED 축은 제1 리플렉터 축과 각도(θ)를 형성하며, 여기서 45°≤θ≤ 90°이고 θ는 LED 축과 제1 리플렉터 축 사이의 최소각인 조명 유닛.
  3. 제1항에 있어서, 제1 반사면은 제1 리플렉터 축에 대한 제1 선회면에 부합(conform)하는 조명 유닛.
  4. 제1항에 있어서, 제1 리플렉터는 외면 상에 반사면이 형성된 투과 재료로 형성되고, 투과 재료는 제1 리플렉터의 반사면과 제1 LED 사이에 위치되는 조명 유닛.
  5. 제1항에 있어서, 적어도 제1 리플렉터 축에 평행하지 않은 제2 리플렉터 축을 한정하는 제2 반사면을 포함한 제2 리플렉터 및 제2 리플렉터 축에 대체로 평행하지 않은 광을 발산하도록 위치된 제2 LED를 더 포함하며, 제2 LED로부터의 광은 제2 반사면에 의해 반사식으로 수렴되는 조명 유닛.
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