KR101209696B1 - Ｌｅｄ 광 시스템 - Google Patents

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요젭 루도비쿠스 안토니우스 마리아 조르마니
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코닌클리즈케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이.
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Abstract

본 발명은 지향된 휘도 방사를 생성하기 위한 LED 광 시스템에 관한 것이다. 시스템은 복수의 LED 램프 소자(2)를 포함하고, LED 소자(9)를 갖는 시준기(10)을 각각 포함한다. LED 램프 소자(2)는 구체적인 휘도 패턴을 생성하기 위해 형성된 배열로 정렬된다. 제2 광학 장치(11)는 비춰지는 공간에 휘도 패턴을 형성한다.
LED 광 시스템, LED 램프 소자, 시준기, 휘도 패턴, 제2 광학 장치.

Description

ＬＥＤ 광 시스템 {LED LIGHT SYSTEM}
본 발명은 LED 램프 유닛뿐 아니라 지향된, 바람직하게는 다양성 조명 방사를 생성하기 위해 시준 구조물을 구비한 LED 광 시스템에 관한 것이다.
최근에, 무기질 고체 LED의 제작 및 설계에 관한 기술은 40 lm/Watt 보다 높은 효율의 무기질 화이트 라이트-에미팅 LED(inorganic white light-emitting LED)를 제작할 수 있는 개발 단계까지 급속하게 발전해왔다. 이것은 전형적인 화이트 백열등(16 lm/Watt) 및 대부분의 할로겐 램프(30-35 lm/Watt) 효율을 현저하게 초과하는 것이다. 단일 LED 소자의 효율은 그동안 실질적으로 100 lm/Watt 이상의 레벨까지 증가해왔다.
LED 기술의 단점은 비교적 높은 가격 및 작동 상태에서 LED 발열로 인한 온도 관리에 대한 요구로 계속되어 왔다. LED의 넓은 유용성에 현재와 미래에도 영향을 미치는 다른 주요 문제점은 LED 소자에 대해 비교적 제한된 광량이다. 예를 들어, 매우 밝은 광원이 필요할 경우 방사된 빛은 적은 치수의 반사경에 집중되어야하기 때문에 문제가 발생한다. 본 명세서의 널리 공지된 실시예는 차량 헤드라이트이다. 본 명세서에서 H7 할로겐 램프(55W)가 사용되며, 약 1500 루멘을 방사한다. 이 광량은 30 Mcd/m2 이상의 휘도로 방사된다. 제논-HID 램프의 경우, 휘도는 약 80 Mcd/m2 의 값에 도달한다. 이에 비해, 1 mm2 의 방사 표면과 화이트 라이트의 50 루멘 방사를 갖는 LED 소자는 단지 8 Mcd/m2 의 휘도를 달성하고, 이는 할로겐 램프의 휘도보다는 몇 배 낮고 종래의 HID 램프보다 훨씬 더 낮다.
미국 특허 제6,402,347호는 개별적인 LED 소자들이 통상의 플레이트 상에 정렬되고 각 소자는 시준되는 상위 부품을 제공하는 장치를 개시한다. 각각의 LED에 연결된 프레넬 렌즈(Fresnel lens)는 유도되는 각각의 개별적인 LED로부터 통상의 제2 광학 시스템으로 빔을 허용한다. 상기 장치는 프로젝터에 사용된다. 상기 시스템의 단점은 변화하는 광학 경계부로부터 편향에 의해 발생되는 약 60 %에 달하는 높은 손실을 나타나는 점에서 특히 존재한다.
게다가 LED 소자와 같이 점 광원의 매트릭스 배열 및 반사 내벽을 갖는 중공 바디의 형태로 광-컨덕팅 블록을 포함하는 광 장치는 미국 특허 제6,547,400 B1에 공지된다. 점 광원에 의해 방사되는 광 빔의 대부분은 가이드 블럭으로 유도되고 집중된다. 하지만, 점 광원에 의해 방사된 빔의 상당한 부분은 광-컨덕팅 블록으로 수집되지 않는다. 이것은 장치의 휘도 효율을 상당히 감소시킨다. 게다가, 본 관점에서, 이 장치는 예를 들어 차량 헤드라이트에 대해 요구되는 것과 같이, 특정 휘도 패턴을 생성시킬 수 없다.
이와 비교해 볼 때, 본 발명의 목적은 소정의 휘도 패턴이 생성될 수 있고 필요하다면 변화시키는 방법으로 특히 차량에 적용되는 LED 광 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 LED 소자가 할당되고 각각 단일 시준기를 갖는 복수의 LED 램프 소자를 갖는, 지향된 휘도 방사를 생성하기 위한 LED 광 시스템에 의해 달성된다. 상기 LED 램프 소자는 예를 들어 차등 휘도 영역에 소정의 휘도 패턴을 생성하도록 형성된 패턴 내에 정렬된다. 제2 광학 장치는 조사되는 공간에 휘도 패턴을 형성한다. 따라서, 각각의 단일 시준기는 그러한 광 방사 장치 내에 각각의 LED 소자에 할당된다. 복수의 LED 램프 소자는 예를 들어 매트릭스 또는 벌집 패턴의 2차원으로 함께 정렬되어, 오직 하나의 통상적인 제2 광학 장치를 밝히는 것이 바람직하다.
LED 소자들은 충분한 세기로 이용 가능하기 때문에, 무기질 고체 바디인 것으로 가정한다. 그럼에도 성능이 만족하는 한, 레이져 다이오드와 같은 다른 전자식 발광 소자, 다른 광-방사 반도체 소자 또는 유기 LED를 대안으로 사용할 수 있다. 따라서, LED 또는 LED 소자라는 용어는 본 명세서에서 모든 종류의 대응하는 전자식 발광 소자에 대한 동의어로써 이해된다.
할당된 시준기를 갖는 단일 LED 소자 대신에, 다른 LED 램프 소자는 시준기가 챔버 내에 방사 개구에서 정렬되고 예를 들어 챔버로 방사되는 LED 소자를 갖도록 사용될 수 있다. 하지만, 본 발명의 중요한 점은 각각의 LED 램프 소자가 전체적인 휘도 패턴에 조명으로 정확히 형성된 기여를 제공하는 채로, 복수의 LED 램프 소자가 휘도 패턴을 형성하는 것이다.
따라서, 본 발명은 복수의 LED 소자가 산광(diffuse radiation)을 함께 생성하는 것에 따라 차례로 제2 광학계에 의해 부분적으로 수집되고 집중되는 통상적인 설계로부터 멀리 전환하고, 휘도 패턴이 광 번들(light bundle)을 겹치는 것에 의해 형성되는 현상의 과거 경향을 버리는 것이다. 본 발명은 오히려 휘도 패턴이 개별적인 발광 표면으로부터 각각의 LED 램프 소자에 할당되도록 구성하는 원리를 따른다. 그것은 개별적인 시준기의 도움으로 각각의 개별적인 LED 램프 소자의 방사를 시준함으로써 달성된다. 따라서, 방사 손실은 공급부에서 이미 회피된다. 결국, 시준된 방사는 매우 높이 항복된 채 제2 광학계 내로 유도된다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따라, LED 램프 소자는 LED 램프 소자로부터 방사된 빛이 간결하게 제2 광학계로 결합될 수 있는 방식으로 구성 및/또는 할당된다. 정렬은 시준기의 모든 외부 커플링 개구 즉, 광 방사 개구가 통상의 지점 예를 들어 제2 광학계의 렌즈의 커플링 개구 상에 집중되는 상기 목적에 대해 선택될 수 있다. 이런 목적에 대해 시준기의 길이방향 축은 LED 램프 표면의 기저면에 수직으로 경사지도록 설계될 수 있거나 또는 복수의 LED 램프 소자는 기저면이 만곡 면을 형성하는 방식으로 서로에 대해 인접하여 정렬될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 정렬은 다른 설계 옵션을 제공한다. 본 발명의 바람직한 실시예는 개별적인 LED 램프 소자 및/또는 LED 램프 소자의 그룹이 휘도 패턴을 배치하는 목적으로 정렬 내에 개별적으로 조절되는 수단으로 조절 장치를 제안한다. 따라서, 상기 LED 램프 소자 또는 그룹의 차등 연결에 의해, 변화하는 휘도 패턴이 예를 들어 LED 램프 소자를 온 오프 시킴으로써 또는 밝기를 변화시킴으로써 생성될 수 있다. LED 광 시스템에서 관련된 LED 램프 소자에 의해 방사된 빛의 차등 방사 특성을 갖는 LED 램프 소자를 정렬하는 다른 설계 가능성이 있다. 상기 방사 특성은 방사된 파장 범위에 대해 다를 수 있다. 예를 들어, 색은 자외선부터 적외선까지 사람 눈에 의해 인지되는 색을 통해 변화할 수 있다. 차등 방사 특성에 대한 다른 가능성은 LED 소자에 인가되는 전압에 광도의 의존도이다. 이와 유사하게, 상기 방사 특성은 LED 소자 상에 형광 레이어의 두께를 선택하는 것에 의해 배치될 수 있다. 동일한 방사 특성을 갖는 장치는 범위에 의해 또는 그룹(들)으로써 바람직하게 정렬될 수 있다. 상기 LED 램프 소자가 정렬되는 그리드의 요구되는 순도에 의존하여, LED 램프 소자내에 복수의 LED 소자를 갖는 것은 바람직하다. 따라서, 시준기에 대한 구조상 소비의 감소는 달성될 수 있다. 게다가, 차등 방사 특성뿐 아니라 동일한 것을 갖는 LED 소자들은 단일 LED 램프 소자에서 결합될 수 있다.
또한, LED 램프 소자의 범위에 기반된 정렬은 설계 및 유지에 장점을 제공한다. 이것은 본 발명의 다른 바람직한 실시예에 따르기 때문에, 복수의 LED 램프 소자는 단일 조립체 유닛으로 결합될 수 있다. 이것은 상기 LED 램프 소자를 접촉 및 제어하는데 필요한 노력을 간단히 하고 적어도 부분적으로 손상된 조립체 유닛의 교체를 용이하게 한다.
본 발명에 따르는 LED 광 시스템과 같은 적용의 범위는 다양하다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따라, 상기 LED 광 시스템은 차량용 광 시스템이다. 따라서, 전술한 장점은 차량 분야에 있어 바람직하게 사용될 수 있다.
예를 들어, 휘도 패턴을 사용하여 발명된 LED 광 시스템에 의해, 형성된 명암 경계("컷-오프")를 갖는 저농도 빔을 생성시키는 것은 가능하다. 그런 이유로 고가의 섬광 방지 렌즈 또는 반사경 시스템은 부적절하게 된다. 구체적이고 범위에 의존적인 방식으로 LED 광 시스템을 조절함으로써 저농도의 힘 또는 필요하다면, 고농도 또는 안개등이 생성될 수 있다. 본 시스템의 부가적인 장점은 구체적인 제2 광학계가 시스템을 구성하는데 반드시 필요하고, 통상적인 램프를 구비한 프로젝터 시스템 또는 통상적인 반사경 시스템에 사용되는 비구면 렌즈와 같은 제2 광학계 소자들이 사용된다.
본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따라, 상기 LED 램프 소자들은 휘도 패턴의 임의의 영역에 IR 방사가 방사되는 방식으로 정렬 및 구성된다. 상기 IR 방사는 명암 경계 위로 어두운 부분에 양호하게 실행되고 IR 야간 촬상 장치를 지탱하도록 사용될 수 있다. 이와 다르게 또는 추가하여 안개 및/또는 하이 빔 용 LED 램프 소자가 정렬될 수도 있다.
본 발명의 바람직한 다른 실시예는 광 방사 장치 또는 조립체 유닛의 시준기가 투명 재료로 적어도 부분적으로 채워지는 것을 제안한다. 상기 투명 재료는 여기에서 LED 소자 용 광학 시멘트로써 작용할 수 있다. 임의의 경우에, 투명 재료는 시준기에 안정성을 제공하고, 따라서 범위 기반식 교체를 용이하게 한다. 추가로, LED 램프 소자에 의해 방사되는 광 방사에 의해 자극된 형광 물질은 투명 재료 상에 또는 내에 인가될 수 있다.
본 발명의 바람직한 다른 실시예는 복수의 LED 램프 소자를 포함하는 LED 광 시스템 용 LED 램프에 존재하고, 상기 LED 램프 소자는 단일 LED 소자를 갖는 단일 시준기를 각각 포함하여 단일 시준기는 각각의 LED 램프 소자에 할당되고, 상기 LED 램프 소자는 소정의 휘도 패턴을 생성하기 위해 형성된 정렬에 확고하게 상호 결합된다. 이러한 LED 램프 유닛은 LED 광 시스템으로 조립에 대해 제2 광학계 시스템과 함께 단일 접촉 경계부 및 단일 경계면에 의해 요구되기 때문에, LED 광 시스템의 조립 및 설계를 용이하게 한다. 또한, 복수의 LED 소자는 단일 LED 램프 소자에서 정렬될 수 있다.
게다가, 상기 램프 유닛은 복수의 서브 유닛으로부터 바람직하게 차례로 구성될 수 있다. 이것은 복수의 LED 램프 소자를 서브 유닛 내에 동일한 기능으로 결합함으로써 달성될 수 있다. 기능적인 분류의 장점은 명백하게 기능적으로 등가의 다수 LED 램프 소자에 대해 유일한 기계적 및/또는 전기적 경계면을 갖는 것이다. 이것은 예를 들어, 특히 스트레스 상태에 있게 되어, 개별적인 섹션의 교체를 용이하게 하고, LED 램프 유닛에 수리에 대한 가격을 감소시킬 수 있다.
본 발명의 실시예 및 다른 실시예는 한정적이지 않은 실시예로써 참조는 이후에 기술되는 실시예로 명백하고, 설명될 수 있다.
도1은 본 발명에 따른 램프를 도시한다.
도2는 램프 유닛의 구성 소자로써 LED 램프 소자의 정렬을 도시한다.
도3은 램프 및 제2 광학 시스템의 상호 작용을 도시한다.
도1은 43개의 개별적인 LED 램프 소자(2)를 구비한 램프 유닛(1)을 도시한다. 램프 소자들은 작동할 때 형성된 명암 영역을 생성하는 방식으로 구체적인 휘도 패턴을 따라 2차원 배열식으로 대조된다. 이런 목적으로 3개의 LED 램프 소자(3)는 중앙에 정렬되고, 황색을 띄는 광 스펙트럼을 방사한다. 도1에서, 램프 소자는 대략 크로스 해치 패턴 수단으로써 나타내어진다. 이와 반대로, 매우 푸른색 함량을 갖는 LED 램프 소자(4)는 에지 구역에서 정렬되고 긴밀한 해칭으로 나타낸다. 상기 LED 램프 소자들 사이 및 아래에서, LED 램프 소자(5)는 황색과 푸른색 모두의 중간 방사 특성으로 배치된다. 황색 LED 램프 소자(3) 및 푸른색 램프 소자(4)의 열 위에서, 예를 들어 라인(6) 위로, 램프 유닛(1)은 라인(6) 위에 정렬된 LED 램프 유닛(7)이 임의의 가시 광을 방사시키지않는 곳에서 명암 경계를 형성한다. 램프 소자들은 적외선 광을 방사시킬 수 있고 야간 촬상 장치를 지탱하도록 사용될 수 있다.
본 발명에 의해 제공되는 설계 가능성을 설명하기 위해, 램프 소자(2)의 기저면은 예증이 되는 램프 유닛(1)의 중심 축을 형성하는 수직열(8)에 다이아몬드 형상이 되도록 형성된다. 따라서, 라인(6)의 편향 패스가 달성될 수 있다.
LED 램프 소자(3,4 및 5)는 명암 경계상에 일직선으로 매우 밝은 중앙 부분을 갖고서 차량 헤드 라이트에 필요한 휘도 패턴을 함께 생성한다. 각각의 LED 램프 소자(3,4 및 5)는 전체 패턴에서 각자의 섹션을 형성함으로써 그 일부분을 기여한다. 따라서, 차량 헤드 라이트에 대해 형성되는 상기 휘도 패턴은 복수의 광 시스템으로부터 원추형 광을 포개는 것에 의해 형성되지 않고, 개별적인 공간 영역을 비추도록 정확하게 형성된 원추형 광은 서로에 대해 휘도 패턴을 형성할 수 있도록 필수적으로 추가된다.
도2는 8개의 LED 램프 소자(2)로 구성되는 램프 유닛(1)의 섹션을 도시한다. 각각의 LED 램프 소자(2)는 시준기(10)가 할당된 LED 소자(9)를 포함한다. 대체로, 상기 시준기(10)는 임의의 형상을 가질 수 있다. 특히, 상기 시준기는 LED 램프 소자가 서로에 대해 양호하게는 각 측면 상에 일직선으로 인접할 수 있는 기저면 또는 크로스 섹션을 갖는 절단형 피라미드 형상을 구비하는 것이 바람직하다. 도2에 도시된 바와 같이, 상기 시준기는 공간을 절약하기 위해 서로에 대해 일직선으로 LED 램프 소자(2)를 정렬할 수 있는 사각형 또는 평행 사변형 형상의 크로스 섹션을 갖는 절단형 피라미드 형상을 구비하는 것이 더 바람직하다. 추가로, 인접한 LED 램프 소자(2)의 복수의 시준기(10)는 그리드를 형성하도록 쉽게 결합될 수 있다.
본 발명에 따른 정렬에 있어서, 개별적인 방사 특성을 각각의 램프 소자(2)로 대여할 수 있고, 각각의 LED 램프 소자(2)를 분리식으로 제거하고 작동중 일 때에도 개별적으로 밝기를 조절할 수 있다. 이것은 가변식 휘도 패턴의 생성을 허용한다. 게다가, 각각의 LED 램프 소자(2)는 분리식으로 또는 작은 서브 유닛을 함께 형성하는 램프 소자 그룹의 부품으로서 대체될 수 있다. 이것은 예를 들어, 단일 IR 서브 유닛을 형성하는 복수의 LED 램프 소자(2)의 기능적 분류의 경우에 현저히 실행된다.
또한, 본 명세서에 도시된 LED 램프 소자(2) 대신에 다른 설계의 LED 램프 소자가 정렬될 수 있다. 예를 들어 하나 이상의 LED 소자가 정렬되고, 시준기 및 챔버를 갖는 LED 램프 소자의 챔버의 출구 표면은 LED 소자(9) 대신에 사용할 수 있다.
도3은 제2 광학계로써 렌즈(11) 및 램프 유닛(1)의 상호작용을 도시한다. 램프 유닛(1.)에 의해 생성된 이미지는 수평 축 주위에 반사되는 방식으로 비춰지는 공간에서 렌즈에 의해 투영된다. 따라서, 상기 램프 유닛(1)은 도1에 대해 수평축 주위에 180° 회전된 위치로 정렬된다.
요약해서, 본 명세서 및 도면에 설명된 시스템 및 방법은 실시예의 예시들이고 본 발명의 구조 내에서 기술 분야의 숙련자에 의해 큰 범위 내에서 수정될 수 있다.
게다가, 완전함을 위해 단수 표현의 사용은 복수의 관련 아이템의 실재를 제외하지 않는다.
삭제

Claims (12)

  1. 유도된 조명 방사 생성용 LED 광 시스템이며,
    각각 LED 소자(9)를 갖는 시준기를 포함하고, 특정 휘도 패턴을 생성하기 위해 발광면에서 제한된 방식으로 정렬되는 복수의 LED 램프 소자(2)와,
    조명되는 공간에 상기 휘도 패턴을 비추는 제2 광학 장치(11)를 포함하는 LED 광 시스템.
  2. 제1항에 있어서, LED 램프 소자(2)는 LED 램프 소자(2)에 의해 방사된 빛이 제2 광원 장치(11)로 특정하게 유도되어 결합되는 방식으로 정렬되거나 설계되는 것을 특징으로 하는 LED 광 시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 정렬 내의 개별적인 LED 램프 소자(2) 또는 LED 램프 소자(2) 그룹은 휘도 패턴을 설정하기 위해 제어 장치에 의해 개별적으로 제어될 수 있는 것를 특징으로 하는 LED 광 시스템.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 관련된 LED 램프 소자(2)에 의해 방사된 빛의 차등 방사 특성을 갖는 LED 램프 소자(2)를 특징으로 하는 LED 광 시스템.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 복수의 LED 소자는 LED 램프 소자(2)에서 정렬되는 것을 특징으로 하는 LED 광 시스템.
  6. 제5항에 있어서, 복수의 LED 램프 소자(2)는 단일 조립체 유닛으로 결합되는 것을 특징으로 하는 LED 광 시스템.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 LED 광 시스템은 차량 조명 시스템인 것을 특징으로 하는 LED 광 시스템.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서, 제한식 브라이트-다크(bright-dark) 컷-오프(cut-off)의 낮은 빔은 휘도 패턴의 수단으로 생성되는 것을 특징으로 하는 LED 광 시스템.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서, IR 방사는 휘도 패턴의 소정 영역에서 방사되는 것을 특징으로 하는 LED 광 시스템.
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서, LED 램프 소자(2)의 시준기(10)는 투명 재료에 의해 적어도 부분적으로 충전되는 것을 특징으로 하는 LED 광 시스템.
  11. LED 램프 유닛(1)이며,
    각각 LED 소자(9)를 갖는 시준기(10)를 포함하는 복수의 LED 램프 소자(2)를 포함하며, LED 램프 소자(2)는 특정한 휘도 패턴을 생성하기 위해 발광면에서 제한된 방식으로 정렬되어서,
    제2 광학 장치(11)가 조명되는 공간에 상기 휘도 패턴을 비출 수 있고,
    이에 따라, LED 램프 유닛(1) 및 제2 광학 장치(11)는 제1항 또는 제2항에 따른 유도된 조명 방사 생성용 LED 광 시스템을 형성할 수 있는, LED 램프 유닛.
  12. 제11항에 있어서, 각각이 별도의 기계 인터페이스와 전기 인터페이스 중 어느 하나 또는 둘 다를 갖는 복수의 서브-유닛으로 분할되는 것을 특징으로 하는 LED 광 시스템용 LED 램프 유닛.
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