KR101661263B1 - 멀티 광원 시준기를 갖는 조명 시스템 및 이를 동작시키는 방법 - Google Patents

멀티 광원 시준기를 갖는 조명 시스템 및 이를 동작시키는 방법 Download PDF

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무스코 코포레이션
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Abstract

LED들의 선형 어레이를 수용하도록 축을 따라 신장되는 렌즈가 제공되고, 렌즈의 신장은 빔 출력 패턴의 대응하는 신장을 발생시키고, 실제로, 신장의 축은 타겟 영역 또는 그것의 일부에 적합하도록 배향될 수도 있다. 광원들 및 조명기구 설계의 제시된 조합에 대한 처짐, 열 관리, 및 광 출력과 같은 다양한 팩터들을 평가하기 위해 상기 렌즈와 사용하기 위한 방법이 제공된다. 렌즈의 대안의 설계들 뿐만 아니라 대안의 광학 디바이스들이 상기 방법과 사용하기 위해 또한 제공된다.

Description

멀티 광원 시준기를 갖는 조명 시스템 및 이를 동작시키는 방법{LIGHTING SYSTEM HAVING A MULTI-LIGHT SOURCE COLLIMATOR AND METHOD OF OPERATING SUCH}
관련 출원들에 대한 상호 참조
본 출원은 그 전체가 참조로 여기에 통합되는 2011년 9월 26일 출원된 미국 가출원 제61/539,166호에 대해 35 U.S.C § 119하에서 우선권을 주장한다.
현재의 최신 기술에서, 스포츠 및 광역 조명 애플리케이션들은 고휘도 방전(HID) 램프들을 통상적으로 활용하는데, 이 HID 램프들은 대부분 높은 전력량(예를 들어, 1000와트 이상)이고, 타겟 영역 위에 높이 올려진 조명기구에 설치되며, 그로부터 투사되는 광의 정형을 돕는 다양한 광학 디바이스들에 의해 수반된다. HID 조명기구에서 사용되는 일부 통상의 광학 디바이스들은 반사기들, 렌즈들, 바이저들(visors) 등을 포함하고, 타겟 영역에서 또는 그 근처에서 원하는 빔 패턴을 생성하도록 광을 반사하고, 시준하고, 차단하거나, 그렇지 않으면 안내하도록 설계된다. 다수의 애플리케이션들에서, 용어 "타겟 영역"은 작업이 수행되는 표면 뿐만 아니라 그 표면 위 그리고/또는 주위의 규정된 공간을 지칭한다. 일례로서, 야구장상의 공간은 플라이트 중(in flight)인 공이 그 궤적 전반적으로 적절하게 조명되는 것이 바람직하기 때문에 타겟 영역의 일부로 고려될 수 있다.
HID 램프들, 및 특히, 금속 할라이드 HID 램프들은 종종 긴 동작 수명(예를 들어, 수천 시간), 높은 발광 출력(예를 들어, 100k lm 이상), 높은 발광 효율(예를 들어, 대략 100 lm/W), 뛰어난 컬러 렌더링(예를 들어, 65 이상의 CRI), 및 자연광을 미믹(mimic)하는 능력(예를 들어, 대략 4200K CCT)의 조합으로 인해 선택되는 광원이고; 후자의 2개의 특징들은 텔레비전 방송된 이벤트들에 대해 특히 중요하다. 수년간, 광역 HID 조명 시스템들을 설계하는 기술은 예를 들어, 다양한 안전성, 재생성(playability), 또는 광 오염 문제들을 충족시키기 위해 최소의 광 레벨들을 유지하고, 지정 조명 균일성들을 보장하며, 글레어(glare)를 완화시키는 것과 같은 이슈들을 다루도록 발전하였다.
그러나, 이 기술에 있어서 개선의 여지가 존재한다. 예를 들어, 높은 전력량(wattage)의 HID 램프들이 상당한 양의 광을 발생시키지만, 램프들 자체가 대형이고(예를 들어, 300mm 길이 이상 그리고 200mm 직경 이상), 광을 이용(harness)하여 타겟 영역으로 향하게 하기 위해 대형이고 복잡한 광학 디바이스들을 종종 요구하고; 이는 조명기구에 대한 비용 및 사이즈를 추가한다. 조명기구의 사이즈에 대한 추가는 종종 풍하중(wind loading)(즉, 드래그(drag)) 및 중량을 증가시켜서, 승강 구조(예를 들어, 폴(pole))가 더욱 견고해야 하고, 이는 비용을 또한 추가시킨다. 그렇다고 하더라도, 단일 소스로부터 방출된 광이 타겟 영역에 맞도록 얼마나 많이 정형될 수 있는지에 대한 한계들이 존재한다. 예를 들어, 다수의(a host of) 광학 디바이스들을 갖더라도, 단일 금속 할라이드 HID 조명기구가 유출(spill)(즉, 타겟 영역의 조명에 기여하지 않아서 낭비되는 광)없이 (예를 들어, 클로버형 인터체인지(cloverleaf interchange)에서와 같은) 도로의 굽은 곳을 적절하게 조명하는 것은 어렵다.
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하나의 솔루션은, 단일의 높은 전력량의 HID 램프 대신에 여러 개의 작은(예를 들어, 약 150mm 길이 및 75mm 직경) 낮은 전력량(예를 들어, 400watt)의 HID 램프들을 사용하는 것이고; 이는 아마도 HID 램프들의 이점들을 산출하면서, 독립적으로 제어될 수 있는 다중의 광원들을 갖는 소형의 더욱 컴팩트한 조명기구를 잠재적으로 허용한다. 공교롭게도, 현재의 기술에서는, 낮은 전력량의 HID 램프들은 감소된 효율(예를 들어, 약 80 lw/W)을 갖는다. 다수의 스포츠 및 다른 광역 조명 시스템들이 램프 교체 이전에 20년 이상 동안 동작되는 것을 고려하면, 증가된 컨트롤은 시간에 걸쳐 낮은 전력량의 HID 램프들을 동작시키는 증가된 비용을 정당화시키지 못한다.
발광 다이오드들(LEDs)이 매력적인 대안의 광원이고, 그 이유는, 적절한 동작 조건을 가정하면, 발광 다이오드들은 HID들 보다 훨씬 긴 동작 수명(예를 들어, 수만 시간) 및 HID들에 필적하거나 그를 초과하는 효율을 갖기 때문이고, 또한, 발광 다이오드들은 다양한 컬러 특성들을 갖도록 설계될 수 있기 때문이다. 복수의 LED들을 이용하는 광역 조명 시스템은 최신의 HID 램프들을 사용하여 쉽게 달성되지 않는 방식으로 복잡한 타겟 영역들을 조명하는 잠재성을 갖는다. 그러나, LED들의 사용은 스포츠 및 다른 광역 조명 애플리케이션들에 적어도 부분적으로 아직 확장되지 못하였고, 그 이유는 광원의 일 타입을 다른 타입으로 단순히 교체하는 것(swapping out)이 열 관리의 이슈를 다루지 못하기 때문이고, 이 열 관리는 LED들의 동작 수명 및 효율에 크게 영향을 미치는 것으로 알려진 팩터이고, 적절하게 다루어지지 않으면, LED들을 사용하는 이익들을 감소시킨다.
큰 문제인 다른 이슈는 "처짐(droop)"이고, 이는 LED들이 경험하는 현상이고, 여기서, 전류가 증가할 때 효율이 급격히 감소한다. 처짐은 광역 조명 애플리케이션들- 또는 임의의 일반 조명 애플리케이션 - 에 대해 특히 문제이고, 그 이유는 LED들을 더욱 적절하게 사용하기 위해서는 높은 동작 전류가 필수적이기 때문이다. 공교롭게는, 트레이드오프는 효율의 현저한 감소이고; 일부 경우들에서, 수 밀리암페어(mA)를 넘어 증가하는 전류는 다른 상용 광원들(예를 들어, 형광등들) 보다 전기를 광으로 변환하는데 있어서 LED들을 덜 효율적으로 만드는 심각한 강하를 발생시킨다. 처짐에 관한 다른 배경은 그 개시물이 본원에 참조로 통합되는 아래의 공개물을 포함하는 다양한 소스들에 의해 제공될 수 있다: "The LED's Dark Secret" [online], [retrieved 2011-07-13]/ Retrieved from the Internet: <URL:http://spectrum.ieee.org/semiconductors/optoelectronics/the-leds-dark-secret/0>, published in IEEE Spectrum, vol. 46, issue 8, pp. 26-31 (2009).
따라서, 열 관리 및 처짐을 다루면서 LED들의 이익들을 이용하고 종래의 HID 시스템들에 비교할 때 여전히 비용 효율성을 나타내는 스포츠 및 다른 광역 조명 시스템들에 필요성이 당업계에 존재한다. 이것은 LED 기반 스포츠 조명 시스템이 초기에 표준 HID 기반 스포츠 조명 시스템의 수배의 비용이 들 수 있다는 것이 추정되기 때문에 쉬운 작업이 아니고; 이는 적어도 부분적으로는, 단일의 높은 전력량의 HID 램프의 광 출력에 근사시키기 위해 필요한 다수의 LED들로 인한 것이다.
하나의 솔루션이, 상당한 광 출력이 가능한 LED들을 사용하는 것이고, 이는 종래의 HID 램프의 광 출력에 근사시키기 위해 더 적은 LED들을 필요로 하고; 아마도, 이는 조명기구의 비용을 다소 증가시키지만, 투사되는 광의 매우 증가된 제어를 허용한다. 여기서, LED들이 여전히 떠오르는 기술이기 때문에, 수용가능한 효율을 유지하면서 생성될 수 있는 광 출력에 대한 제한이 있다는 것이 결점이다. 또한, LED들을 피팅(fit)하도록 이루어질 수 있고 비용 효율적인 몰딩 기법들에 의해 여전히 형성될 수 있는 옵틱(optic)의 사이즈에 대한 제한이 있다.
다른 솔루션은 정격 전류보다 높은 전류에서 구동되는 상용 LED들을 사용하는 것이고; 아마도, 이는 LED 당 더 많은 광을 발생시켜서, 종래의 HID 램프의 광 출력에 근사시키기 위해 더 적은 LED들이 필요하다. 여기서, 증가하는 전류가 감소하는 리턴들(returns)을 발생시키는 시점이 오고; 처짐 및 온도가 증가하여, 동작 수명 및 효율을 감소시킨다는 것이 결점이다. 따라서, 이 기술에 있어서 개선의 여지가 존재한다.
스포츠 또는 다른 광역 조명 애플리케이션에서 LED들을 사용하는 증가된 비용을 밸런싱(balance)하기 위해, LED들이 현재 사용되는 HID 램프들에서 확인되는 것과 적어도 유사한 효율을 나타내고, 또한, LED 기반 조명기구가 (현재 사용되는 HID 조명기구에 비교하여) 그로부터 투사된 광의 더 큰 제어를 갖는 것이 바람직하다. 이상적으로는, LED 기반 조명기구들은 일부 애플리케이션들에 대해서는 필수가 아닐 수도 있지만, 종래의 광역 HID 조명기구들 보다 긴 동작 수명을 또한 나타낸다.
따라서, 본 발명의 원칙적 목적, 특징, 이점, 또는 양태는 최신 기술 이상으로 향상시키고 그리고/또는 당업계에서의 문제점들, 이슈들 또는 결함들을 다루는 것이다.
또한, 본 발명에 따른 목적들, 특징들, 이점들, 또는 양태들은 하기 중 하나 또는 그 초과의 것을 포함할 수도 있다:
a. 스포츠 및/또는 다른 광역 조명 애플리케이션들에 대한 LED 기반 조명기구를 맞춤제작(tailoring)하기 위한 수단;
b. LED 기반 조명기구를 더욱 비용 효율적으로 만들기 위한 수단; 및
c. 제시된 LED 기반 조명기구에 대한 광 출력에 대해 열 관리, 처짐, 및/또는 다른 팩터들을 밸런싱하는 방법.
본 발명의 일 양태에 따르면, 복수의 LED 모듈들을 수용하도록 조명 기구가 설계되고, 각 모듈은 인비전드(envisioned) 렌즈와 결합한 하나 또는 그 초과의 광학 디바이스를 갖고, 렌즈는 선형 어레이에서 하나 또는 그 초과의 LED들을 수용하도록 설계된다. 이러한 방식으로, 조명기구내의 LED 모듈들 뿐만 아니라 조명기구 자체의 목표가 원하는 복합빔 출력 패턴을 생성하도록 조정될 수도 있다. 또한, 각 모듈내의 LED들의 수 및 타입 뿐만 아니라 입력 전력이 원하는 광출력 레벨, 효율, 효율에 대한 비용의 비율 등을 생성하도록 조정될 수도 있다. 본질적으로, 본 발명의 양태들에 따르면, 특정한 조명 애플리케이션에 적합한 LED 조명기구의 특정한 설계에 대한 광 출력, 효율, 또는 다른 팩터들을 맞춤제작할 수도 있다.
본 발명의 이들 및 다른 목적들, 특징들, 이점들, 또는 양태들은 첨부한 명세서 및 청구항들을 참조하여 더욱 명백해질 것이다.
때때로, 본 설명에서, 도면 부호에 의해 식별되고 아래에 요약되는 도면들을 참조한다.
도 1a 내지 도 1c는 렌즈들 및 LED들의 상이한 조합에 대한 이격 요건들을 예시한다. 도 1a는 종래의 렌즈 및 대응하는 LED의 분해도를 예시한다. 도 1b는 나란히 놓인 2개의 종래의 렌즈들 및 대응하는 LED들의 분해도를 예시한다. 도 1c는 나란히 놓인 2개의 LED들을 갖는 본 발명의 양태에 따른 렌즈의 분해도를 예시한다.
도 2a 내지 도 2e는 도 1c의 인비전드 렌즈의 다양한 상세도들을 예시한다.
도 3a 및 도 3b는 (도 1a 및 도 1b에서와 같은) 종래의 LED/렌즈 배열 및 (도 1c에서와 같은) 인비전드 LED/렌즈 배열 각각으로부터의 빔 출력 패턴들의 비교를 예시한다.
도 4는 본 발명의 양태에 따른 실제 광 출력 및/또는 발광 효율을 결정하는 하나의 가능한 방법을 플로우 차트 형태로 예시한다.
도 5는 본 발명의 양태에 따른 처짐 팩터를 결정하는 하나의 가능한 방법을 도식적으로 예시한다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 양태에 따른 대안의 LED/렌즈 배열 ― 본원에서 쿼드(quad) 배열로 칭함 ― 을 예시한다.
도 7은 도 6a 및 도 6b의 쿼드 배열로부터의 빔 출력 패턴을 예시한다.
도 8a 내지 도 8f는 도 7의 빔 출력 패턴을 생성하기 위해 도 6a 및 도 6b의 쿼드 배열의 렌즈 대신에 사용될 수도 있는 본 발명의 양태에 따른 반사기의 다양한 상세도들을 예시한다.
A. 개요
본 발명의 추가의 이해를 위해, 본 발명에 따른 특정한 예시적인 실시예들이 상세히 설명된다. 빈번한 언급이 도면들에 대해 본 설명에서 이루어진다. 참조 부호들은 도면들에서 특정한 부분들을 나타내기 위해 사용된다. 다르게 나타내지 않으면, 동일한 참조 부호들이 도면들 전반적으로 동일한 부분들을 나타내기 위해 사용된다.
본 발명의 양태들이 제한하지 않는 예로서 다양한 애플리케이션들, 조명기구 설계들, LED들의 모델들에 적용될 수도 있지만, 하기의 예시적인 실시예들은 참조로 본원에 통합되는 미국 특허공개 제2012/0217879호에 기재된 조명기구, 및 Cree, Inc., Durham, NC, USA로부터 입수가능한 모델 XM-L LED들을 이용한다.
또한, 용어 "LED" ― 본원에서 사용됨 ― 는 전체 LED 패키지(즉, 프라이머리 렌즈, 패키지 바디, 및 다이오드(칩 또는 다이로 또한 칭함))를 지칭한다.
B. 예시적인 방법 및 장치 실시예 1
광역 조명 애플리케이션들에서 사용된 종래의 HID 램프의 광 출력에 근사시키기 위해 충분한 타입 및 충분한 수의 복수의 LED들을 이용하는 조명기구가 인비전(envision)되고; 후자의 예가 GE Lighting Headquarters, Cleveland, OH, USA로부터 입수가능한 모델 37405 석영 금속 할라이드 램프이다. 본 발명의 양태들에 따르면, 2개 또는 그 초과의 LED들이 선형 어레이를 형성하기 위해 나란히(side-by-side) 배치되고, 각 선형 어레이에 대해 사용된 광학 디바이스들의 단일 세트는 조명기구의 비용을 감소시키거나 조명기구의 비용 증가를 적어도 감소시킨다. 따라서, 예를 들어, 단일 렌즈, 바이저, 및/또는 반사기를 공유하는 2개의 LED들의 선형 어레이는 광학 디바이스들의 수를 2배로 하지 않고 LED들의 수를 본질적으로 2배로 하고; 본질적으로는, 비용을 2배로 하지 않으면서 광 출력 용량을 2배로 한다. 이것은 멀티-칩 LED들이 상업적으로 이용가능하다는 것이 알려져 있기 때문에 일반적인 통념과 반대이고; Cree, Inc., Durham, NC, USA로부터 입수가능한 모델 MC-E XLAMP®이 일례이다.
더 큰 풋프린트(footprint)(즉, 더 많은 물리적 공간을 요구함)에도 불구하고, 단일 칩 LED들의 선형 어레이는 동일한 수의 다이오드들을 갖는 상용 멀티-칩 LED들 보다 크지는 않지만 필적하는 효율을 나타낸다는 것이 발견되었다. 예를 들어, Cree에 의해 보고된 바와 같은, 9.5와트에서 751루멘(79 lm/W)의 최대 광 출력을 갖는 상기 언급한 모델 MC-E LED와 Cree에 의해 보고된 바와 같은, 4.9와트에서 493루멘(100 lm/W)의 최대 광 출력을 갖는 모델 XP-G를 비교한다. 모델 MC-E LED가 4개의 칩들을 포함하고, 모델 XP-G가 단지 하나의 칩을 포함한다고 가정하면, 4.9와트에서 동작하는 하나의 추가의 XP-G(총 2개의 단일-칩 LED들)가 필적하는 전력에서 4-칩 MC-E LED 보다 많은 광을 생성한다는 것을 알 수 있다.
또한, 선형 어레이에 단일-칩 LED들을 배열하는 것이 일 평면에서 다소 확산되는 빔을 생성한다는 것이 발견되었고, 이는 개별 컷오프(cutoff)가 바람직한 광역 조명 애플리케이션들에 대해 유익할 수 있다. 상용 멀티-칩 LED들은 그리드(예를 들어, 2×2, 4×4)로 통상적으로 배열되어서, 빔을 평면에서 우선적으로 확산시킬 수 없다. 물론, 타원형 렌즈가 일 평면에서의 빔 확산을 근사시키기 위해 멀티-칩 LED와 사용될 수 있지만, 이러한 접근방식은 멀티-칩 LED들의 낮은 효율을 다루지 못한다.
1. 멀티-광원 시준기
본 발명의 일 양태에 따르면, LED들의 상기 언급한 선형 어레이를 수용하기 위해 신장(elongated) 렌즈가 형성되고; 종래의 렌즈들에 대한 비교가 도 1a 내지 도 1c에 예시되어 있다. 도 1a에서 알 수 있는 바와 같이, 통상의 단일-다이 LED는 길이(X1), 폭(Y1), 및 높이(Z1)를 갖고; 모델 XM-L LED는 5mm, 5mm, 및 3mm로 각각 측정된다. 대응하는 렌즈는 길이(X2), 폭(Y2), 및 높이(Z2)를 갖고; 모델 XM-L LED를 수용하기 위해, 통상의 좁은 빔 렌즈가 대략 21mm, 21mm, 및 11mm로 각각 측정된다. 종래의 방식에서 LED들의 수를 2배로 하는 것은 제 2 렌즈를 수용하기 위해 2X2의 길이를 요구하고(도 1b 참조); 2개의 XM-L LED들에 대해서는 42mm의 길이를 요구한다. 본 발명에 따르면, 신장된 렌즈는 2개의 XM-L LED들에 대해 1.2X2(25.2mm)의 길이를 단지 요구한다. 실제로, 신장된 렌즈의 정확한 길이(도 1c 참조)는 어레이에서의 LED들의 수 및 사이즈에 의존하지만, 항상 (ⅰ) 어레이에서 LED들을 완전하게 캡슐화(encapsulate)하고 (ⅱ) 도 1b에 예시한 종래의 방법을 사용하는 경우 보다 짧다. 이해할 수 있는 바와 같이, 도 1c에 예시한 접근방식은 도 1b에 예시한 접근방식 보다 LED들의 더욱 효율적인 패키징을 허용하고; 아마, 원하는 경우에, 공통 보드에 선형 어레이에서의 모든LED들을 탑재하게 한다.
도 2a 내지 도 2e는 도 1c의 인비전드 렌즈를 매우 상세히 예시한다. 도 2e로부터 알 수 있는 바와 같이, 렌즈(100)는 발광면(101)(도 2b 참조)과 교차하는 일반적인 포물선 프로파일을 갖고, 이는 LED 렌즈들에 통상적이다. 조명 애플리케이션의 요건들에 의존하여, 발광면(101)은 이랑형(ribbed)일 수 있고, 비교적 평활할 수 있고(즉, 연마됨), 각기둥형(prismatic)일 수 있거나, 마이크로렌즈의 일부 다른 특징 또는 설계를 포함할 수 있다. 또한, 발광면(101)은 편평할 수 있고, 굴곡질 수 있거나(볼록 또는 오목), (일부 LED 렌즈들에서는 공통인 바와 같이) 조리개를 포함할 수 있다. 일반적인 것처럼, 렌즈(100)의 LED 인접면(102)은 프라이머리 렌즈를 적절히 캡슐화하고 어레이에서 각 LED의 패키지 바디에 대해 동일 평면에 놓이도록 형성되고; 다시, 대응하는 프라이머리 렌즈들을 갖는 하나 또는 그 초과의 다이오드들이 원하는 경우에 패키지 바디를 공유할 수 있다. 렌즈(100)가 특정한 길이를 초과하는 경우에 다른 형성 기법들(예를 들어, 머시닝) 또는 추가의 프로세싱 단계들(예를 들어, 압축)이 요구될 수도 있지만, 렌즈(100)는 종래의 몰딩 기법들을 사용하여 광투과(예를 들어, 투명 또는 반투명) 재료로 형성될 수도 있고; 대안은 추후 논의된다. 렌즈(100)의 정밀한 형상 및 광학 특징들은 필요 또는 소망에 따라 변할 수 있다.
실제로, 타겟 영역에 대한 평면, 축, 또는 특징에 따라 렌즈(100)의 길이를 정렬하는 것이 유익할 수도 있다. 예를 들어, 지면 근처에 탑재되어 있고 타겟 영역을 향해 위로 조준되어 있는 조명기구 ― 때때로 월 워시(wall wash) 조명 애플리케이션으로 칭함 ― 에 대해, 타겟 영역의 높이에 따라 연장시키기 위해 수직 평면에서 렌즈(100)의 길이를 다소 정렬하는 것이 우선적일 수도 있다. 대안으로는, 조명기구가 (예를 들어, 상기 언급한 미국 특허 공개 제2012/0217897호의 도 15a에서와 같이) 타겟 영역 위에 탑재되어 있고 일반적으로 하향으로 조준되어 있는 경우에, (조명기구가 바이저를 포함하는 경우에) 바이저에 의해 제공된 빔 컷오프에 악영향을 미치지 않고 타겟 영역의 길이에 따라 연장시키도록 수평 평면에서 렌즈(100)의 길이를 다소 정렬하는 것이 우선적일 수도 있다.
도 3a 및 도 3b는 종래의 LED/렌즈 배열 및 렌즈(100)를 사용하는 LED/렌즈 배열 각각으로부터의 등광도(isocandela) 곡선들의 비교를 예시한다. 도 3a로부터 알 수 있는 바와 같이, 도 1b의 배열에 대응하는 좁은 빔 TIR 세컨더리 렌즈들을 각각 갖는 2개의 XM-L LED들은 모든 방향들로 일반적으로 동일하게 연장하는 빔 출력 패턴을 생성한다. 대안으로는, 도 3b로부터 알 수 있는 바와 같이, 도 1c의 배열에 대응하는 도 2a 내지 도 2e에 예시된 설계의 TIR 세컨더리 렌즈를 갖는 2개의 XM-L LED들은 도 3a의 패턴과 유사하지만 일 방향으로 신장된 빔 출력 패턴을 생성하고; 도 3a와 도 3b 사이의 스케일의 변화에 유의한다. 양자의 경우들에서, 필드 각은 최외각 파선 곡선으로 표기되고 빔 각은 최내각 파선 곡선으로 표기된다. 인비전드 렌즈의 사용이 종래의 렌즈들에 비하여 투과 효율에서 매우 작은 손실 내지 무손실을 발생시킨다는 것을 예비 테스팅이 발견하였고; 일 테스트에 따르면, 인비전드 렌즈(100)가 도 1a 및 도 1b에 예시된 바와 같은 종래의 좁은 빔 렌즈(예를 들어, Fraen Corporation, Reading, MA, USA로부터 입수가능한 Cree에 대한 FCP 시리즈에서의 좁은 빔 렌즈들의 임의의 모델 XLAMP®)를 사용하는 투과 효율에서의 10% 손실에 비하여 투과 효율에서의 9% 손실을 발생시켰다.
2. 열 관리 대 광 출력을 밸런싱하는 방법
인비전드 렌즈(100)는 다수의 이점들을 산출하고; 발생된 빔은 바람직한 방향으로 다소 신장되고, 렌즈(100)는 동일한 수의 LED들이 렌즈를 각각 이용한 것 보다 제시된 수의 LED들에 대해 작은 공간을 요구하고, 개별 렌즈들을 갖는 것 보다 렌즈(100)를 갖는 제시된 수의 LED들을 수용하는 것이 비용이 덜 든다. 예를 들어, 상기 언급한 미국 특허 공개 제2012/0217897호의 도 1a 내지 도 1c에 예시되어 있는 조명 모듈을 인용한다. 오직 하나 대신에 보드(200)상에 2개 또는 3개의 LED들의 선형 어레이 및 렌즈(400)(상기 언급한 특허 출원의 도 1b 참조) 대신에 인비전드 렌즈(100)를 사용함으로써, 모듈(10)의 매우 적은 변형이 요구된다. 대안이 더 많은 모듈들(10)(단일 LED를 각각 가짐)을 단순히 추가하는 것일 때, 본 예시적인 실시예의 인비전드 렌즈(100)는 광역 조명 애플리케이션들에 대한 제시된 LED 기반 조명기구를 맞춤제작하는 것을 돕고 비용 효율적인 방식으로 그렇게 수행한다는 것이 인식될 수 있다.
물론, 세컨더리 렌즈(즉, 렌즈(100))를 공유하는 LED들의 수를 증가시키는 것과 조명기구에서 전체 LED들의 수를 증가시키는 것은 열 관리 문제들을 증가시키고, 이 문제들은 LED들의 상기 언급한 이점들을 실현하는 경우에, 특히, 종래의 HID 램프들과 비교하는 경우에 다루어져야 한다. 따라서, 열/처짐과 광 출력 사이의 수용가능한 밸런스를 식별하게 하고, 선형 어레이에서 사용된 LED의 수 및 타입, 조명기구의 설계 등에 관계없이 적용될 수도 있는 방법에 대한 필요성이 존재하고; 이러한 방법이 도 4에 예시되어 있으며 이제 논의된다.
방법(300)의 제 1 단계(301)로서, 선택된 조명기구는 본질적으로, 조명기구가 히트 싱크(heat sink)로서 얼마나 효과적인지 결정하도록 특징화된다. 일례로서 상기 언급한 미국 특허 공개 제2012/0217897호에 기재된 조명기구를 사용하여, 조명기구 하우징(상기 언급한 특허 출원의 도 10a 내지 도 10d 참조)의 물리적 치수 뿐만 아니라 그 하우징을 형성하는 재료(예를 들어, 캐스트 알루미늄 합금)를 쉽게 결정할 수 있다. 이에 따라, 조명기구 하우징에 의해 통상적으로 수용되는 LED들의 수와 타입을 쉽게 결정할 수 있고, 예로서, 조명기구 하우징이 78개의 LED 모듈들(상기 언급한 특허 출원의 도 1a 참조)을 통상적으로 포함한다는 것을 가정하고, 이 LED 모듈은 단일 XM-L LED를 각각 이용하고 LED들 사이의 50mm 간격을 갖는다. LED의 타입을 알게 되면, LED의 열 저항을 쉽게 결정할 수 있다(이러한 정보는 LED 제조사로부터 입수가능하기 때문이다). 이러한 모든 것을 알게 되면, 제시된 순방향 전류에 대한 조명기구 하우징 온도를 결정하기 위해 (Qfinsoft Technology, Inc., Rossland, British Columbia, Canada로부터 입수가능한) Qfin 4.0과 같은 상용 시뮬레이션 프로그램을 사용할 수도 있다. 더욱 장황한(그리고 잠재적으로 비용이 많이 드는) 분석에 비하여 매우 단순화되었지만, 본 발명의 목적을 위해, 조명기구 하우징 온도는 LED 어레이의 솔더 포인트(solder point) 온도(케이스 온도로 또한 칭함)에 필적하는 것으로 가정된다.
방법(300)의 제 2 단계(302)로서, 처짐 팩터가 제시된 순방향 전류에 대한 특정한 타입의 LED에 대해 결정된다. 언급한 바와 같이, 이러한 예에서, 조명기구는 78개의 XM-L LED들을 이용하고; 광역 조명 애플리케이션에 대해, 각 LED는 2450mA에서 동작된다는 것을 가정한다. LED 제조사는 상대적 플럭스 대 순방향 전류의 차트를 통상적으로 제공하고; 광 손실이 없는 완벽한 선형 트렌드와 보고된 데이터 사이의 차이가 처짐 팩터를 결정하기 위해 사용된다. 도 5의 가설 예에서 보면, 800mA에서, (포인트(a1)에서의) 보고된 상대적 광속은 (포인트(a2)에서의) 이상적 경우에의 광속의 절반이어서; 처짐 팩터는 0.50이다. 제조사로부터의 모델-특정 정보를 각각 사용하고 도 5에 예시된 바와 동일한 방법을 적용하면, 2450mA에서 동작하는 78개의 XM-L LED들을 포함하는 미국 특허 공개 제2012/0217897호로부터의 조명기구의 상기 언급한 예에 있어서, 0.66의 처짐 팩터가 결정된다.
방법(300)의 제 3 단계(303)에서, 25℃에서의 데이터와 실제 접합(junction) 온도 사이의 차이를 설명할 뿐만 아니라 ― 25℃에서 실제 광역 조명 시스템을 동작시키는 것은 실현불가능하기 때문임 ― 증가된 온도와 연관된 다른 손실들을 설명하기 위해 온도 팩터가 결정된다. 이전에 언급한 바와 같이, 방법(300)의 단계(301)에 따른 조명기구 하우징의 특징화는 제시된 순방향 전류에 대한 조명기구 하우징 온도를 결정할 수 있게 하고, 하우징 온도는 LED 어레이의 솔더 포인트 온도에 필적하는 것으로 가정된다. 예로서, 상기 특징화가 LED들이 2450mA에서 동작할 때 90℃의 하우징 온도를 산출한다는 것을 가정한다. XM-L LED들의 접합과 케이스 사이의 열 저항이 2.5℃/W이라는 것을 알고(이것은 제조사에 의해 제공되기 때문임) XM-L LED들에 대해 2450mA에서 전력이 8W이라는 것을 알면(이것은 제조사에 의해 제공되거나 제조사에 의해 제공된 다른 정보에 기초하여 쉽게 유도됨), 실제 접합 온도는 아래의 수학식에 따라 결정될 수도 있다:
TjLED = Tspa + (Rjc * PLED) (1)
여기서, TjLED는 어레이에서 각 LED의 실제 접합 온도이고, Tspa는 LED 어레이의 솔더 포인트 온도이고, Rjc는 LED들의 열 저항이며, PLED는 어레이에서 각 LED의 전력량이다. 상기 약술한 특정한 예에 있어서, TjLED = 90℃ + (2.5 ℃/W * 8 W) = 110℃이다.
LED 제조사들은 특정한 순방향 전류에 대한 상대적 플럭스 대 접합 온도의 차트를 통상적으로 제공하고; 이러한 차트를 사용하여, TjLED에 기초하여 온도 팩터를 결정할 수도 있다. 물론, 보고된 데이터의 순방향 전류가 실제 동작 조건과 유사하지 않으면(예를 들어, 제조사가 750mA에서 상대적 플럭스 대 접합 온도를 보고하는 반면에 이러한 예에서, 순방향 전류가 2450mA이면), 보고된 데이터를 여전히 사용할 수 있지만, 독립적 테스팅을 수행하거나 더욱 대표적인 데이터를 획득하는 것이 바람직할 수도 있다. 보고된 데이터를 적절한 것으로 가정하고 2450mA에서 동작하는 하나의 XM-L LED에 대해 110℃의 접합 온도를 계산하면, 상대적 플럭스 대 접합 온도 곡선을 볼 수도 있고 82%인 대응하는 상대적 광속을 찾을 수도 있어서; 온도 팩터는 0.82이다.
방법(300)의 최종 단계(304)는 조명기구 설계, LED 타입, 및 동작 조건들을 고려하여 LED 어레이의 실제 광 출력 및/또는 효율을 결정하기 위한 것이다. 처짐 및 온도 팩터들을 얻고, 정격 효율을 알게 되면(이것은 제조사에 의해 제공되기 때문임), 실제 광 출력 및/또는 효율을 계산할 수도 있다. XM-L LED들에 대해 161 lm/W의 정격 효율을 가정하면, 실제 광 출력 및 효율이 하기의 수학식들에 따라 결정될 수도 있다.
Φa = LEr * PLED * DF * TF * n (2)
LEa = Φa / (PLED * n) (3)
여기서, Φa는 어레이의 실제 광 출력이고, LEr은 정격 발광 효율이고, PLED는 어레이에서 각 LED의 전력량이고, DF는 처짐 팩터이고, TF는 온도 팩터이고, n은 어레이에서 LED들의 수이며, LEa는 실제 발광 효율이다. 따라서, 본 실시예에 따라 개요된 예에 대해, Φa = 161 lm/W * 8 W * 0.66 * 0.82 * 1 = 697 lm 및 LEa = 697 lm / (8 W * 1) = 87lm/W이다.
이제, 8W에서 구동되는 종래의 렌즈를 갖는 LED 모듈에서 단일 XM-L LED(상기 언급한 미국 특허 공개 제2012/0217897의 도 1b 참조)를 사용하는 대신에, 2개의 XM-L LED들이 인비전드 렌즈(100)를 갖는 LED 모듈에서 사용되고 4W에서 각각 구동된다는 것을 가정하면, 방법(300)의 적용은 효율의 바람직한 변화를 나타낸다.
단계(301)에 따르면, 조명기구 하우징이 특징화된다. (예를 들어, Qfin 또는 다른 프로그램을 통해) 분석을 재실행하지만, LED의 타입이 변경되지 않고 LED 어레이의 풋프린트가 단지 수 밀리미터 만큼 증가한다면 ― 이것은 더 많은 열을 조명기구 하우징으로 전달하여 열이 LED로부터 벗어나기 때문에 실제로 바람직함 ― 하우징 온도는 소량만큼만 변할 가능성이 있다. 이와 같이, 초기 하우징 특징화로부터의 결과들은 이러한 대안의 시나리오에서 사용될 것이다.
단계(302)에 따르면, 처짐 팩터는 제시된 순방향 전류에 대해 특정한 타입의 LED에 대해 결정되고; XM-L LED에 대해, 4W에서 동작하는 것은 1300mA에 상관된다는 것을 가정한다(다시, 이러한 데이터는 LED 제조사에 의해 통상적으로 공급되거나 LED 제조사에 의해 공급된 데이터로부터 유도될 수 있다). 제조사로부터의 모델 특정 정보를 사용하고 도 5에 예시된 바와 동일한 방법을 적용하면, 0.80의 처짐 팩터가 결정된다.
단계(303)에 따르면, 온도 팩터가 결정된다. 제 1 예에서의 솔더 포인트 온도에 근사시키기 위해 사용된 하우징 온도는, 총 전력이 8W에서 동작되는 하나의 XM-L LED에 대한 것처럼 직렬로 접속되고 4W에서 동작되는 2개의 XM-L LED들에 대해 동일하기 때문에 이러한 대안의 시나리오에서의 솔더 포인트에 대해 사용된다. 따라서, (LED의 타입이 변경되지 않기 때문에) 동일한 솔더 포인트 온도 및 열 저항을 사용하면, 수학식 (1)을 사용하여 TjLED를 계산할 수도 있고; 이러한 예에서, TjLED = 90℃ + (2.5℃/W * 4 W) = 100℃이다. 어레이에서 각LED의 실제 접합 온도로서 100℃를 사용하여, 적절한 제조사 공급된 (또는 독립적으로 개발된) 상대적 플럭스 당 대응하는 상대적 광속 대 접합 온도 곡선을 찾을 수도 있고; 대응하는 상대적 플럭스가 84%이라는 것을 가정하면, 온도 팩터는 0.84이다.
단계(304)에 따르면, 실제 광 출력 및/또는 효율이 수학식들 (2) 및 (3) 각각에 따라 결정된다. 이러한 대안의 시나리오에 대해 단계들(301 내지 303)로부터의 결과들을 사용하면, Φa = 161 lm/W * 4 W * 0.80 * 0.84 * 2 = 866 lm 및 LEa = 866 lm / (4 W * 2) = 108 lm/W이다. 따라서, 이러한 특정한 예에 대해, 모듈 당 하나의 LED의 추가 비용 ― 전력이 증가되지 않기 때문에 추가 전력 비용 없음 ― 은 종래의 LED/렌즈 배열에 비해 24%의 효율 증가를 발생시킨다 것을 볼 수 있다. 이러한 방식으로, LED들과 조명기구의 조합에 대해 무엇이 적합한지를 결정하기 위해 비용 대 효율, 순방향 전류 대 광 손실, 또는 팩터들의 일부 다른 조합들을 밸런싱할 수도 있다.
C. 예시적인 방법 및 장치 실시예 2
일부 상황들에서, 팩터들의 조합은 대응하는 빔 출력 패턴이 바람직하더라도 LED들의 선형 어레이를 벗어나게 조정될 수 있다. 예를 들어, 조명기구의 제시된 사이즈에 대한 타겟 효율을 달성하기 위해, LED들의 선형 어레이가 가용 공간에 광원들의 적절한 팩킹(packing)을 허용하지 않는다는 것이 발견될 수도 있다. 일부 상황들에서, 모든 축들에 관하여 대칭인 빔 출력 패턴을 생성하는 것이 바람직할 수도 있다. 일부 상황들에서, LED의 제시된 모델에 대해, 광 손실들이 증가된 온도 보다 처짐에 더욱 쉽게 기인한다는 것이 발견될 수도 있다. 이러한 상황에서, 원하는 효율을 달성하기 위해, 전체 온도의 증가를 수용하면서 처짐의 영향을 감소시키도록 렌즈 당 더 많은 LED들을 포함하는 것을 고려할 필요가 있을 수도 있다. 어떤 이유로든, 인비전드 렌즈(100)와의 사용을 위해 비선형 어레이를 설계하는 것은 본 발명의 양태들을 벗어나지 않고; 이러한 대안의 실시예가 도 6a, 도 6b, 및 도 7에 예시되어 있다.
도 6a로부터 알 수 있는 바와 같이, (이하, 쿼드 어레이라 칭하는) LED들의 비선형 어레이는 이전의 실시예에서와 동일한 길이(2X1) 및 높이(Z1)를 갖지만 폭은 2배이다(2Y1)(도 1c를 또한 참조). 대응하는 렌즈의 하나의 가능한 설계가 도 6a 및 도 6b에 예시되어 있고; 알 수 있는 바와 같이, 쿼드 어레이 렌즈(100)는 이전의 실시예에서와 동일한 길이(1.2X2) 및 높이(Z2), 및 1.2Y2의 폭을 갖는다. 다시, 5mm × 5 mm × 3mm로 측정되는 XM-L LED들을 참조하면, (도 1b에서와 같은) 종래의 접근방식은 대략 42mm × 42mm × 11mm로 측정되는 공간을 요구한다. 대안으로, 본 실시예에 따른 렌즈는 단지 25.2mm × 25.2mm × 11mm로 측정되는 공간을 요구한다. 다시, 인비전드 렌즈의 정확한 치수들은 어레이에서의 LED들의 수 및 사이즈 뿐만 아니라 어레이내의 상기 LED들의 레이아웃에 의존하지만, 항상 (ⅰ) 어레이에서 LED들을 완전하게 캡슐화하고 (ⅱ) 도 1b에 예시한 종래의 방법을 사용하는 경우 보다 더욱 컴팩트하다.
도 7은 도 6a 및 도 6b의 LED/렌즈 배열로부터 등광도 곡선들을 예시하고; 알 수 있는 바와 같이, 빔 출력 패턴은 모든 방향들로 일반적으로 동일하게 연장한다. 다시, 예비 테스팅은 인비전드 렌즈의 사용이 종래의 렌즈들에 비하여 매우 적은 송신 효율 손실 내지 송신 효율 무손실을 발생시킨다는 것을 발견하였다.
방법(300)은 실시예 1에서와 유사한 방식으로 적용된다. 이러한 시나리오에서, 8W에서 구동되는 종래의 렌즈를 갖는 LED 모듈에서 단일 XM-L LED를 사용하는 대신에, 4개의 XM-L LED들이 쿼드 어레이 렌즈에서 사용되고(도 6a 및 도 6b 참조) 각각 2W에서 구동된다. 방법(300)의 적용은 효율에서의 바람직한 변화를 설명한다.
실시예 1에서의 선형 어레이에 관하여, 초기 하우징 특징화로부터의 결과들은 단계(301)를 충족시키기 위해 사용된다. 단계(302)에 따르면, 처짐 팩터는 제시된 순방향 전류에 대해 특정한 타입의 LED에 대해 결정되고; XM-L LED에 대해, 2W에서 동작하는 것은 690mA에 상관된다는 것을 가정한다(다시, 이러한 데이터는 LED 제조사에 의해 통상적으로 공급되거나 LED 제조사에 의해 공급된 데이터로부터 유도될 수 있다). 제조사로부터의 모델 특정 정보를 사용하고 도 5에 예시된 바와 동일한 방법을 적용하면, 0.89의 처짐 팩터가 결정된다.
단계(303)에 따르면, 온도 팩터가 결정된다. 실시예 1에서 솔더 포인트 온도에 근사시키기 위해 사용된 하우징 온도는, 총 전력이 8W에서 동작되는 하나의 XM-L LED에 대해 직렬로 접속되고 각각 2W에서 동작되는 4개의 XM-L LED들에 대해 동일하기 때문에 이러한 대안의 시나리오에서의 솔더 포인트에 대해 사용된다. 따라서, (LED의 타입이 변경되지 않기 때문에) 동일한 솔더 포인트 온도 및 열 저항을 사용하면, 수학식 (1)을 사용하여 TjLED를 계산할 수도 있고; 이러한 예에서, TjLED = 90℃ + (2.5℃/W * 2 W) = 95℃이다. 어레이에서 각 LED의 실제 접합 온도로서 95℃를 사용하여, 적절한 제조사 공급된 (또는 독립적으로 개발된) 상대적 플럭스 당 대응하는 상대적 광속 대 접합 온도 곡선을 찾을 수도 있고; 대응하는 상대적 플럭스가 87%이라는 것을 가정하면, 온도 팩터는 0.87이다.
단계(304)에 따르면, 실제 광 출력 및/또는 효율이 수학식들 (2) 및 (3) 각각에 따라 결정된다. 이러한 대안의 실시예에 대해 단계들(301 내지 303)로부터의 결과들을 사용하면, Φa = 161 lm/W * 2 W * 0.89 * 0.87 * 4 = 997 lm 및 LEa = 997 lm / (2 W * 4) = 125 lm/W이다. 따라서, 이러한 특정한 예에 대해, 모듈 당 3개의 LED의 추가 비용 ― 전력이 증가되지 않기 때문에 추가 전력 비용 없음 ― 은 종래의 LED/렌즈 배열에 비해 44%의 효율 증가를 발생시킨다는 것을 볼 수 있다.
이러한 대안의 실시예에서 유의할 것들이 있다. 먼저, 선형 어레이에 비하여 본 실시예에서는, 온도 팩터 (0.87 대 0.84) 보다 처짐 팩터(0.89 대 0.80)에서 더 큰 변화가 있다. 이것은 LED들에서 광 손실의 본질을 나타내고 효율을 결정할 때 처짐을 고려하는 중요성을 강조한다(현재의 최신 기술에서는 루틴하게 행해지지 않는 것임). 둘째로, 이것은 방법(300)의 사용에서 너무 많은 추정을 하는 위험성을 경고하는 기회를 제공한다. 이러한 대안의 실시예에서, 모듈 당 4개의 LED들은, Qfin(또는 유사한 프로그램)에 의해 결정된 바와 같은 조명기구 하우징 온도가 양자의 경우들에 대해 동일한 것으로 가정되고, LED 어레이의 솔더 포인트 온도를 나타내는 것으로 더 가정되더라도, 모듈 당 하나의 LED 대신에 사용되었다. 수학식 (1)의 적용은, 본 실시예에서 어레이에서의 각 LED의 접합 온도가 종래의 단일-다이 LED/렌즈 조합에 비하여 감소되지만, 실제로는 234개의 여분의 LED들이 조명기구에 추가되었다는 것을 나타낸다. 모든 조명기구들이 그들이 더 이상 유효한 히트 싱크들이 아닌 한계를 갖고, 그에 따라 방법(300)에 대한 임의의 가정들이 이루어져야 한다는 것을 주의해야 한다.
D. 옵션들 및 대안들
본 발명은 다수의 형태들 및 실시예들을 취할 수도 있다. 상술한 예들은 이들 중 단지 몇몇이다. 일부 옵션들 및 대안들의 일부 개념을 제공하기 위해, 몇몇 예들이 아래에 제공된다.
예시적인 실시예들이 LED의 특정한 모델, 조명기구의 설계, 및 상기 조명기구내의 LED들의 레이아웃에 관하여 취해지지만, 본 발명에 따른 양태들은 LED의 다른 모델들 및 조명기구의 설계들 뿐만 아니라 LED의 다양한 레이아웃들 또는 어레이들에 적용될 수 있다는 것이 이해될 수 있다. 일례로서, 조명기구는 플렉시블 관형 조명 디바이스(로프 라이트(rope light)로 또한 칭함)를 포함할 수 있고; 조명기구의 이러한 특정한 설계는 단일 렌즈를 공유하는 LED들의 선형 어레이에 매우 적합할 수도 있다.
또한, 본 발명에 따른 양태들은 다른 타입의 광원들, 아마 처짐을 경험하지 않은 광원들에도 적용될 수 있고; 그러한 경우에, 단계(302)가 방법(300)으로부터 생략될 수 있고 본 발명에 따른 양태들을 벗어나지 않는다. 대안으로는, LED들의 기술적 진보가 처짐의 제거를 발생시킬 수 있고 ― 이는 방법(300)으로부터 단계(302)의 제거를 유사하게 허용한다.
또한, 예시적인 실시예들이 광역 조명에 관하여 취해지지만, 본 발명에 따른 양태들이 다른 타입의 조명 애플리케이션들에 적용될 수 있다는 것이 이해될 수 있다. 예를 들어, 본 발명에 따른 양태들은 통상적으로 소형 스케일이고 사실상 구조적인 실내 트랙 또는 펜던트 조명 애플리케이션들에 적용될 수 있다. 대안으로는, 본 발명에 따른 양태들은 스케일 및 실용성 양자를 레인징(range)할 수 있는 실외 플러드라이트(floodlight) 애플리케이션들에 적용될 수 있다.
인비전되는 바와 같이, 렌즈(100)는 어레이에서 하나 또는 그 초과의 LED들에 대한 세컨더리 렌즈로서 동작하도록 설계된다. 프라이머리 렌즈로서(즉, 베어 칩(bare chip)을 가짐) 렌즈(100)를 사용하는 것이 가능하지만, 투과 효율의 손실이 임의의 이점을 감소시킬 가능성이 있다. 그러나, 효율 손실은 칩과 렌즈(100) 사이의 갭을 브리징하기 위해 인덱스 매칭 유체를 포함함으로써 완화될 수 있고; 참조로 본원에 통합된 미국 특허 출원 제13/030,932호가 이러한 접근방식을 논의한다.
추가로 인비전되는 바와 같이, 도 2a 내지 도 2e의 렌즈(100)는 렌즈(100)의 길이를 따라 신장될지라도, 좁은 빔 출력 패턴을 생성하도록 설계되고; 이것은 단지 예이다. 렌즈(100)의 프로파일(도 2c 및 도 2e를 참조), 면(101)의 형상 및/또는 구조(도 2b 참조), 렌즈(100)를 구성하는 재료를 변경함으로써, 또는 임의의 다른 수단에 의해, 렌즈(100)의 빔 출력 패턴은 애플리케이션에 적합하고, (예를 들어, NEMA에 의해 정의된 바와 같은) 알려진 빔 타입에 근사시키는 식으로, 예를 들어, 선형 어레이 렌즈(100)의 빔 출력 패턴(도 3b)과 쿼드 어레이 렌즈(100)의 빔 출력 패턴(도 7)을 비교하도록 변경될 수도 있다.
또한, 렌즈(100)에 관하여, LED들을 피팅하도록 이루어질 수 있고 비용 효율적인 몰딩 기법들에 의해 여전히 형성될 수 있는 옵틱의 사이즈에 대한 제한이 있다는 것을 언급하였고; 렌즈(100)는 이러한 제한에 영향을 받는다. 이와 같이, 어레이에서 다수의 LED들을 이용하는 애플리케이션은 상이한 종류의 옵틱으로부터 이익을 얻을 수도 있고; 하나의 가능한 예가 도 8a 내지 도 8f에 예시된 반사기이다. 인비전되는 바와 같이, 반사기(200)는 쿼드 어레이 렌즈(도 6a 및 6b 참조)에 대한 직접적인 대체물(direct replacement)이고 LED 인접면(202), 발광면(203), 및 반사 내부(201)를 일반적으로 포함한다. 렌즈(100)의 LED 인접면(102)과 유사하게, 반사기(200)의 LED 인접면(202)은 프라이머리 렌즈를 대략 캡슐화하고 어레이에서 각 LED의 패키지 바디에 대해 동일 평면에 놓이도록 형성되고; 다시, 대응하는 프라이머리 렌즈들을 갖는 하나 또는 그 초과의 다이오드들이 원하는 경우에 패키지 바디를 공유할 수 있다. 그러나, 렌즈(100)의 발광면(101)과는 다르게, 반사기(200)의 발광면(203)은 LED들로부터 발광된 광의 직접적인 경로내에 있지 않다. 오히려, 발광면(203)은 상기 언급한 LED 모듈내에 반사기(200)를 위치적으로 부착하는 것을 돕도록 플랜지로서 더욱 작용한다. 실제로, 반사기(200)는 다양한 재료들 및 원하는 마감(finish), 반사성(specularity), 반사율(reflectivity) 등을 생성하도록 프로세싱된 내부(201)로부터 형성될 수 있고; 일례로서, 반사기(200)는 저가의 플라스틱 및 최신의 프랙티스들에 따라 금속화된 내부(201)로부터 형성될 수 있다.
방법(300)에 관하여, 예시적인 실시예들에서 보고되고 그리고/또는 계산된 값들이 단지 예들이라는 것이 이해될 수 있고; 제조사로부터 입수가능한 데이터의 정확한 타입들 뿐만 아니라 이들 데이터의 값이 변할 수도 있다.
또한, 방법(300)에 관하여, 조명기구 효율의 분석이 고려되지 않았다는 것에 유의해야 한다. 그러나, 활용 계수 등이 밸런싱하기 위해 다른 팩터를 제공하도록 방법(300)에 포함될 수 있다.
또한, 예시적인 실시예들에서 레이 아웃된 바와 같이, 방법(300)은 모든 LED들이 조명기구의 모듈들 사이에서 동일한 타입 및 수량이라는 것을 가정하고; 이것은 단지 예이다. 수학식들 (1) 내지 (3)의 복잡성이 증가할 수도 있지만, 조명기구내의 광원들의 타입들 및 수량들을 혼합하는 것은 본 발명에 따른 양태들을 벗어나지 않는다.

Claims (30)

  1. 직접적인 광 출력 측정 없이, 제시된 세트의 동작 조건들에 대해 조명기구 하우징(luminaire housing)에서 하나 또는 그 초과의 광원들의 효율(efficacy)을 결정하는 방법으로서,
    a. 상기 조명기구 하우징을 히트 싱크(heat sink)로서의 효율성(effectiveness)에 대해 특징화하는 단계 ― 상기 특징화하는 단계는 상기 제시된 세트의 동작 조건들에 대한 하우징 온도를 결정하는 단계를 포함함 ―;
    b. 적어도 부분적으로, 상기 조명기구 하우징의 특징에 기초하여, 상기 제시된 세트의 동작 조건들에서 상기 하나 또는 그 초과의 광원들에 대한 하나 또는 그 초과의 광원 출력 열화 팩터(light source output degradation factor)들을 결정하는 단계; 및
    c. 상기 조명기구 하우징의 특징 및 상기 하나 또는 그 초과의 열화 팩터들에 기초하여 상기 하나 또는 그 초과의 광원들의 실제 광 출력 및/또는 효율을 예측하는 단계
    를 포함하는, 광원들의 효율을 결정하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 하우징 온도를 결정하는 단계는,
    a. 상기 조명기구 하우징의 적어도 일부의 물리적 치수(dimension);
    b. 상기 조명기구 하우징을 형성하는(comprise) 하나 또는 그 초과의 재료들의 특성;
    c. 상기 조명기구 하우징에서 광원들의 수;
    d. 상기 조명기구 하우징에서 광원의 특성; 및
    e. 상기 조명기구 하우징에서 광원들 사이의 간격(spacing)
    중 하나 또는 그 초과의 것에 기초하는, 광원들의 효율을 결정하는 방법.
  3. 삭제
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 제시된 세트의 동작 조건들은 상기 광원들에 대한 가정된 순방향 동작 전류를 포함하는, 광원들의 효율을 결정하는 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 하나 또는 그 초과의 열화 팩터들은,
    a. 상기 제시된 세트의 동작 조건들에 관한 루멘 저하(lumen depreciation)를 포함하는, 광원들의 효율을 결정하는 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 광원들은 고체 상태 광원들이고, 그리고
    상기 하나 또는 그 초과의 열화 팩터들은,
    a. 상기 고체 상태 광원들의 접합(junction) 온도에 관한 온도 팩터; 및
    b. 상기 고체 상태 광원들의 처짐(droop)에 관한 처짐 팩터
    중 하나 또는 그 초과의 것을 포함하는, 광원들의 효율을 결정하는 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 온도 팩터는,
    a. 상기 고체 상태 광원들 중 적어도 하나의 접합 온도와 상대 광속(luminous flux) 사이의 비율을 유도하는 것을 포함하는, 광원들의 효율을 결정하는 방법.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 처짐 팩터는,
    a. 상기 고체 상태 광원들 중 하나에 대한 정격(rated) 광속과 이상적인 상대 광속 사이의 비율을 유도하는 것을 포함하는, 광원들의 효율을 결정하는 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 정격 광속은 광원 제조사로부터 유도되고 그리고 상기 이상적인 광속은 광 무손실(no light loss)을 가정하는, 광원들의 효율을 결정하는 방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 광원들의 실제 광 출력 및/또는 효율을 예측하는 단계는,
    a. 상기 광원들에 대한 정격 발광 효율을 유도하는 단계;
    b. 상기 정격 발광 효율을 상기 조명기구 하우징에서의 상기 광원들 모두의 누적 개수 및 전력으로 곱하는 단계; 및
    c. 상기 곱(product), 처짐 팩터 및 온도 팩터에 기초하여 상기 실제 광 출력 및/또는 효율을 예측하는 단계
    를 포함하는, 광원들의 효율을 결정하는 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 예측되는 실제 광 출력 및/또는 효율은,
    a. 조명기구 및 그 빔 출력 패턴을 설계하거나;
    b. 상기 조명기구 하우징에서의 공간 또는 면적 당 광원들의 수에 관한 광원 어레이들의 구성을 선택하거나;
    c. 상이한 광원들, 조명기구 하우징, 또는 가정된 동작 조건들의 2개의 조명기구들을 비교하거나;
    d. 조명기구의 설계를 변경하거나;
    e. 조명기구를 동작시키거나; 또는
    f. 조명기구의 동작을 조정하기 위해
    사용되는, 광원들의 효율을 결정하는 방법.
  12. 제 1 항에 있어서,
    제시된 조명기구 하우징에 대한 타겟 효율을 달성하기 위해 예측된 실제 광 출력 및/또는 효율을 사용하는 단계를 더 포함하는, 광원들의 효율을 결정하는 방법.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 광원들 중 적어도 일부에 대해 적어도 광원 어레이를 결정하기 위해 상기 예측되는 실제 광 출력 및/또는 효율을 사용하는 단계를 더 포함하는, 광원들의 효율을 결정하는 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 광원 어레이는 선형 어레이를 포함하고, 상기 광원 어레이는 광학 컴포넌트를 공유하는, 광원들의 효율을 결정하는 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 광학 컴포넌트는 렌즈, 반사기, 및/또는 바이저(visor)를 포함하는, 광원들의 효율을 결정하는 방법.
  16. 제 13 항에 있어서,
    상기 광원 어레이는 비선형 어레이를 포함하는, 광원들의 효율을 결정하는 방법.
  17. 제 1 항에 있어서,
    상기 하나 또는 그 초과의 광원들에 사용하기 위한 렌즈가 상기 조명기구 하우징에 추가로 탑재되고 ― 상기 하나 또는 그 초과의 광원들은 상기 렌즈를 공유함 ―, 상기 렌즈는,
    a. 렌즈 바디
    를 포함하며, 상기 렌즈 바디는,
    ⅰ. 하나 또는 그 초과의 광원들의 발광부들을 실질적으로 캡슐화하도록 형성되는 제 1 표면과;
    ⅱ. 상기 하나 또는 그 초과의 광원들로부터의 광이 발생하는 제 2 표면
    사이에서 연장하는, 광원들의 효율을 결정하는 방법.
  18. 제 1 항에 있어서,
    하나 또는 그 초과의 광원들에 사용하기 위한 반사기가 상기 조명기구 하우징에 추가로 탑재되고 ― 상기 하나 또는 그 초과의 광원들은 상기 반사기를 공유함 ―, 상기 반사기는,
    a. 반사기 바디를 포함하며,
    상기 반사기 바디는,
    ⅰ. 인접부(proximal portion) － 상기 인접부를 거쳐, 상기 하나 또는 그 초과의 광원들의 발광부가 적어도 부분적으로 연장함 －;
    ⅱ. 상기 광원들로부터 방출되는 광의 적어도 일부를 캡처(capture)하고 그리고 리다이렉트(redirect)하는 반사면; 및
    ⅲ. 상기 광원들로부터의 방출되고 그리고 상기 반사면에 의해 캡처되고 그리고 리다이렉트되는 광이 발생되는 말단부(distal portion)
    를 갖는, 광원들의 효율을 결정하는 방법.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 하나 또는 그 초과의 광원들은 선형 어레이에 배치되는, 광원들의 효율을 결정하는 방법.
  20. 제 17 항에 있어서,
    제 2 표면은:
    a. 평면형;
    b. 곡면형;
    c. 오목면형(dimpled);
    d. 각기둥형(prismatic);
    e. 이랑형(ribbed);
    f. 마이크로렌즈의 설계를 갖는 형; 또는
    g. 보이드(void)를 갖는 형
    중 하나인, 광원들의 효율을 결정하는 방법.
  21. 제 17 항에 있어서,
    상기 바디는 일반적으로 포물선(parabolic) 프로파일을 갖는, 광원들의 효율을 결정하는 방법.
  22. 삭제
  23. 삭제
  24. 삭제
  25. 삭제
  26. 삭제
  27. 조명기구로서,
    a. 하우징;
    b. 상기 하우징에 탑재된 복수의 광원 모듈들;
    c. ― 각각의 광원 모듈은,
    ⅰ. 단일-칩 LED 광원들의 어레이; 및
    ⅱ. 상기 어레이에 대한 단일 광학 컴포넌트를 포함함 ―; 및
    d. 각 LED 광원에 접속된 전력 회로
    를 포함하며, 상기 전력 회로는 원하는 광 출력과, 상기 전력 회로에 의해 각각의 LED 광원에 대해 계산되는 광 출력의 비교에 기초하여 상기 각각의 LED 광원에 전력을 전달하도록 적응되는, 조명기구.
  28. 제 27 항에 있어서,
    상기 전력 회로는 열화 팩터에 기초하여 상기 각각의 LED 광원에 전력을 전달하도록 구성되는, 조명기구.
  29. 제 27 항에 있어서,
    상기 광 출력의 계산은 열화 팩터를 포함하고, 상기 열화 팩터는,
    a. 온도 팩터; 및
    b. 처짐 팩터
    중 하나 또는 그 초과의 것인, 조명기구.
  30. 제 27 항에 있어서,
    상기 어레이는 2×2 구성의 4개의 LED들을 포함하는, 조명기구.
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