KR20080010131A - 조명 장치 - Google Patents

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KR20080010131A
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Abstract

본 발명은 조명 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 소형화, 고효율의 프로젝션 시스템을 구현할 수 있는 조명 장치에 관한 것이다. 이를 구현하기 위해 본 발명에 따른 조명 장치는 광을 발생하는 광원부와, 상기 광원부에서 출사된 광의 각도를 재구성하는 스위치부, 상기 스위치부에서 재구성된 광을 집광하는 조명 렌즈부를 포함하여 구성되고, 상기 스위치부에서는 광속이 최대로 분포되어 있는 광의 출사각을 사용하게 하고, 상기 조명 렌즈부가 이 출사각을 갖는 광을 입력받아 사용함으로써, 소형화, 고효율의 프로젝션 시스템을 구현할 수 있다.
에텐듀, 조명, 프로젝터, 광원, 출사각

Description

조명 장치{ILLUMINATION DEVICE}
도 1은 일반적인 조명 장치의 구성을 나타낸 개략 구성도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 조명 장치의 구성을 나타낸 개략 구성도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 퓨필 맵(pupil map)과 광속의 분포를 나타낸 도면이다.
도 4는 일반적인 조명 장치에서 사용하는 광의 출사각을 나타낸 도면이다.
도 5는 램버시안 광원(Lambertian source)의 광도 분포를 나타낸 도면이다.
도 6은 램버시안 광원(Lambertian source)의 solid angle dθcell의 정의와 solid angle dθcell에 입사되는 광속의 분포를 나타낸 도면이다.
도 7은 일반적인 조명 장치의 퓨필 맵(pupil map)이다.
도 8은 도 7의 pupil map에서 임의로 선택된 출사각 θ에 따라 분포된 광속을 나타낸 도면이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
2, 11, 15, 20, 30 : 광원부(광원)
3 : 인테그레이터
14, 17, 22, 32 : 조명 렌즈부(조명 렌즈)
16 : 글로우브 캡
21, 31 : 스위치부
본 발명은 조명 장치에 관한 것으로, 소형화, 고효율의 프로젝션 시스템을 구현할 수 있는 조명 장치에 관한 것이다.
도 1은 종래의 조명 장치를 나타낸 구성도이다..
도 1a는 하나의 램프(2)에 타원경(1)을 이용하여 램프(2)의 빛을 집광하고 집광된 빛은 인테그레이터(Integrator)(3)를 거쳐 조명 렌즈(4)에 입사된다.
도 1b는 LED(11)와, 인테그레이터(13)와, 조명 렌즈(14)로 구성되어 있다. LED(10)에서 방출된 광을 인테그레이터(13)를 거쳐 조명 렌즈(14)에 입사된다.
도 1c는 정 중앙에 위치하는 LED(15)와, 상기 LED(15)에서 방사된 광을 전방으로 모아서 반사시키는 글로우브 캡(16)과, 상기 글로우브 캡(16)에서 반사되는 광을 받아들이는 조명 렌즈(17)로 구성되어 있다.
한편, 전술한 조명 장치에서 광원들은 그 특성상 조명하는 출사각이 커서 광학 시스템(Projection System)에서 사용할 경우 에텐듀(Etendue) 문제가 발생하여 효율적으로 광을 사용하지 못하는 결과를 초래하였다.
에텐듀 정의식은 하기 수학식 1과 같다.
Figure 112006053690812-PAT00001
단, dA는 광원의 단위 면적이고, d OMEGA 는 광원의 단위 Solid Angle이며, theta는 광원의 법선 방향과 Solid Angle 중심과 이루는 각이다.
상기한 정의식에 따른 평면에서의 에텐듀는 하기 수학식 2와 같이 정의된다.
Figure 112006053690812-PAT00002
예를 들어, LED를 이용한 광학 시스템의 경우에서 광원의 면적이 넓고 출사하는 광이 큰 각을 이루고 방사한다면 어떠한 광학계를 사용하더라도 이를 극복할 수 없는 물리적인 양이 된다.
전술한 조명 장치에서 광효율을 높이기 위해서는 광원에서 출사되는 출사각 중 광속이 최대로 분포되어 있는 출사각을 기준으로 사용하여 상기 조명 렌즈들에 잘 전달할 수 있도록 설계를 해야 한다.
하지만, 상기 조명 렌즈들은 회전 대칭(rotational symmetry) 구조와 조명 장치 설계시 정해진 에텐듀(etendue)를 가지기 때문에 광원에서 광속이 최대로 분포되어 있는 광속을 사용하지 못한다는 문제점이 있었다.
또한, 광속이 최대로 분포된 광을 사용하기 위해서는 구경이 큰 다수개의 조명 렌즈를 필요로 하게 되어 조명 장치의 사이즈를 소형화하기 어려울 뿐만 아니라 광 효율도 떨어진다는 문제점이 있었다.
따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 본 발명의 목적은 etendue를 증가시키지 않고, 광속이 최대로 분포된 광속을 사용하는 조명 장치를 제공하는 데 있다.
또한, 본 발명의 목적은 조명 장치로서, 특히 소형화, 고효율의 프로젝션 시스템을 구현할 수 있는 조명 장치를 제공하는 데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명의 조명 장치는 광을 발생하는 광원부,
광원부에서 출사된 광의 각도를 재구성하는 스위치부, 스위치부에서 재구성된 광을 집광하는 조명 렌즈부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 광원부는 램프 또는 LED인 것이 바람직하다.
그리고, 스위치부는 광원부와 조명 렌즈부 사이에 위치하고, 조명 렌즈부에 출사되는 광의 출사각을 ±45°로 재구성하는 다각형 구조이다.
스위치부는 광원부에서 출사된 광이 일직선으로 입사되는 면에 배치된 제 1 투사경과, 제 1 투사경에 대향한 일면에 배치되고, 제 1 투사경에서 투과된 광을 반사하는 제 1 반사경과 제 1 반사경에 대향한 일면에 배치되고, 제 1 반사경에서 반사된 광을 반사하는 제 2 반사경과, 제 2 반사경에 대향한 일면에 배치되고, 제 2 반사경에서 반사된 광을 투과하여 조명 렌즈부로 출사하는 제 2 투사경으로 구성되거나
또는, 광원부에서 출사된 광이 일직선으로 입사되는 면에 배치된 제 1 투사 경과, 제 1 투사경에 대향한 일면에 배치되고, 제 1 투사경에서 투과된 광을 반사하는 제 1 반사경과, 제 1 반사경에 대향한 일면에 배치되고, 제 1 반사경에서 반사된 광을 반사하는 제 2 반사경과, 제 2 반사경에 대향한 일면에 배치되고, 제 2 반사경에서 반사된 광을 반사하는 제 3 반사경과, 제 3 반사경에 대향한 일면에 배치되고, 제 3 반사경에서 반사된 광을 투과하여 상기 조명 렌즈부로 출사하는 제 2 투사경으로 구성된다.
여기서, 제 1 투사경으로 광원부로부터 출사되는 광의 출사각은 0°에서 90° 이내이고, 조명 렌즈부로 제 2 투사경으로부터 출사되는 광의 출사각은 ±45°이다.
또한, 스위치부는 광 파이버를 더 포함하고, 이 광 파이버를 투과하여 상기 조명 렌즈부에 출사되는 광의 각도를 ±45°로 재구성할 수 있다.
본 발명의 다른 목적, 특성 및 이점들은 첨부한 도면을 참조한 실시예들의 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 조명 장치를 나타낸 개략 구성도이다.
도 2a는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 조명 장치를 나타낸 개략 구성도로서, 도시된 바와 같이, 광을 발생시키는 광원부(20), 상기 광원부(20)에서 출사된 광의 각도를 재구성하는 스위치부(21), 상기 스위치부(21) 재구성된 광을 집광하는 조명 렌즈부(22)를 포함하여 구성된다.
상기 광원부(20)는 램프 또는 LED 등 적절한 광원을 사용해도 된다.
상기 스위치부(21)는 도시된 바와 같이, 상기 광원부(20)와 상기 조명 렌즈부(22) 사이에 위치하고, 상기 조명 렌즈부(22)에 출사되는 광의 출사각을 ±45°로 재구성하여 상기 조명 렌즈부(22)에 입사된다.
상기 스위치부(21)는 타원을 포함하는 다각형 구조이고, 더 상세히 설명하자면, 상기 광원부(20)에서 출사된 광이 일직선으로 입사되는 면에 배치된 제 1 투사경(21a)과 상기 제 1 투사경(21a)에 대향한 일면에 배치되고, 상기 제 1 투사경(21a)에서 투과된 광을 반사하는 제 1 반사경(21b)과 상기 제 1 반사경(21a)에 대향한 일면에 배치되고, 상기 제 1 반사경(21b)에서 반사된 광을 반사하는 제 2 반사경(21c)과 상기 제 2 반사경(21c)에 대향한 일면에 배치되고, 상기 제 1 반사경(21a)에서 반사된 광을 투과하여 상기 조명 렌즈부(22)로 출사하는 제 2 투사경(21d)을 포함하여 구성된다.
동작을 간단히 살펴보면, 여기서 중심 각도 α=±45°로 하고, 사용 각도 β=±15°로 정의한다. 광원부(20)에서 출사되어 스위치부(21)부에 입사되는 광의 출사각은 광축을 기준으로 0°에서 90° 이내이고, 제 1 투사경(21a)에 입사되는 광의 출사각은 광축을 기준으로 0°에서 45° 이내이다. 도시된 바와 같이 구성된 스위치부(21)에서 2번의 반사를 거치면서 사용자가 원하는 출사각의 광이 조명 렌즈부(22)의 광축을 중심으로 집광되게 된다. 이렇게 사용자가 원하는 출사각인 즉, 광속이 최대로 분포되어 있는 광만 선택 사용하여 조명 렌즈부(22)를 거쳐 투사 장치로 조사되어 영상을 투사하게 되는 것이다.
도 2b는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 조명 장치를 나타낸 개략 구성도로 서, 도시된 바와 같이, 광을 발생시키는 광원부(30), 상기 광원부(30)에서 출사된 광의 각도를 재구성하는 스위치부(31), 상기 스위치부(31)에서 재구성된 광을 집광하는 조명 렌즈부(32)를 포함하여 구성된다.
상기 광원부(30)는 전술한 바와 같이 램프 또는 LED 등 적절한 광원을 사용해도 된다.
상기 스위치부(31)는 도시된 바와 같이, 상기 광원부(30)와 상기 조명 렌즈부(32) 사이에 위치하고, 상기 조명 렌즈부(32)에 출사되는 광의 출사각을 ±45°로 재구성하여 상기 조명 렌즈부(32)에 입사된다.
상기 스위치부(31)는 마름모를 포함하는 다각형 구조이고 더 상세히 설명하자면, 상기 광원부(30)에서 출사된 광이 일직선으로 입사되는 면에 배치된 제 1 투사경(31a)과 상기 제 1 투사경(31a)에 대향한 일면에 배치되고, 상기 제 1 투사경(31a)에서 투과된 광을 반사하는 제 1 반사경(31b)과 상기 제 1 반사경(21a)에 대향한 일면에 배치되고, 상기 제 1 반사경(21b)에서 반사된 광을 반사하는 제 2 반사경(31c)과 상기 제 2 반사경(31c)에 대향한 일면에 배치되고, 상기 제 1 반사경(21a)에서 반사된 광을 반사하는 제 3 반사경(31d)과 상기 제 3 반사경(31d)에서 반사된 광을 투과하여 상기 조명 렌즈부(32)로 출사하는 제 2 투사경(31e)을 포함하여 구성된다.
동작을 간단히 살펴보면, 여기서 중심 각도 α=±45°로 하고, 사용 각도 β=±15°로 정의한다. 광원부(30)에서 출사되어 스위치부(31)부에 입사되는 광의 출사각은 광축을 기준으로 0°에서 90° 이내이고, 제 1 투사경(21a)에 입사되는 광 의 출사각은 광축을 기준으로 0°에서 45° 이내이다. 도시된 바와 같이 구성된 스위치부(31)에서 3번의 반사를 거치면서 사용자가 원하는 출사각의 광이 조명 렌즈부(32)의 광축을 중심으로 집광되게 된다. 이렇게 사용자가 원하는 출사각인 즉, 광속이 최대로 분포되어 있는 광만 선택 사용하여 조명 렌즈부(32)를 거쳐 투사 장치로 조사되어 영상을 투사하게 되는 것이다.
또한, 상기 스위치부(21, 22)에 광 파이버(미도시)를 더 포함하여 구성할 수도 있다. 상기 광원부(20, 30)에서 출사되는 출사각은 0°에서 90° 이내이고, 입사되는 광의 출사각은 광축을 기준으로 0°에서 45° 이내인 범위로 광 파이버를 투과하게 함으로써, 상기 광 파이버를 투과하여 상기 조명 렌즈에 출사하는 광의 출사각을 ±45°로 재구성할 수 있다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 퓨필 맵(pupil map)과 광속의 분포를 나타낸 도면으로서, 도 3a는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 pupil map이고, 도 3b는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 pupil map이며, 도 3c는 본 발명의 제 1, 제 2 실시예에 따른 광속을 나타낸 그래프이다.
먼저, 프로젝션 시스템의 Etendue 양이 정해지면 그 Etendue 범위 내의 중심에 사용자가 원하는 각도가 중심 각도가 되어야 한다. 중심 각도를 예를 들어 α°라 하고, Etendue가 허용하는 임의의 각도를 β°라 할 때 전술한 제1, 제2 실시예로 pupil map을 적용하면 광속이 최대로 분포되어 있는 광속을 조명 렌즈부에서 받아들이게 되므로, 이 조명 렌즈부를 포함하는 프로젝션 시스템에 있어서, 최대의 효율을 가지게 된다.
도 3a는 pupil map의 중심에 α°-β° 그리고 Etendue가 허용하는 최대의 각도에 α°+β°를 놓을 수 있고, 도 3b는 pupil map의 중심에 α°+β° 그리고 Etendue가 허용하는 최대의 각도에 α°-β°를 놓을 수 있다. 사용하지 않는 다른 각도는 Etendue가 허용하는 면적 밖에 위치하게 된다. 이와 같은 방법으로 광을 사용할 경우 광속이 분포된 그래프는 도 3c와 같이 되어 본 발명에 따른 조명 장치는 최대의 광 효율을 낼 수 있으므로, 본 발명의 조명 장치를 포함하는 프로젝션 시스템도 마찬가지로 최대의 광 효율을 낼 수 있다.
다음, 도 4 내지 도 8을 참조하여, 본 발명의 이해를 돕기 위한 배경 기술에 대해 간략히 설명하고자 한다.
도 4는 일반적인 조명 장치에서 사용하는 광의 출사각을 나타낸 도면으로서, 일반적으로 조명 렌즈의 광축을 기준으로 0°로부터 임의의 각도만을 선택하여 사용한다. 이때, 조명 장치의 광량 분포가 0°에 있다면 기존의 조명 장치는 최대의 효율을 낼 수 있다. 그러나 보통의 광원의 광량은 즉, 광속의 최대 분포는 0°가 아닌 임의의 각도(±45°)에서 광량 최대값을 갖는다. 예를 들면, 도 1a의 램프(2)는 반사경의 형상에 따라 광량의 최대값이 정해지지만 대략 광축을 기준으로 30°에 광량 최대값이 분포한다. 또한, 도 1b의 LED 어레이(17)인 경우는 LED에 따라 다르겠지만 보통은 램버시안(Lambertian)의 발산 형식을 많이 따르고 이렇게 Lambertian의 발산 형식을 따를 때는 광축을 기준으로 45 °에 광량 최대값이 분포한다.
램버시안 광원(Lambertian source)의 광도 분포는 다음 수학식 3과 같고, 그 래프로 표시하면 도 5와 같다.
Figure 112006053690812-PAT00003
도 5에 도시된 Lambertian source의 solid angle dθcell에 입사되는 광을 구해보면 다음 수학식 4와 같다.
Figure 112006053690812-PAT00004
이 값을 그래프로 표시하면 도 6a와 같다.
도 6b는 solid angle dθcell에 입사되는 광속을 나타낸 그래프로서, 도시된 바와 같이, 45° 부근에 광속이 제일 많이 분포되어 있는 것을 알 수 있다. 따라서 전술한 조명 장치가 광축에서 0°를 기준으로 하여 임의의 각도인 θ'을 사용하는 조명 장치보다 45°를 기준으로 하여 임의의 각도인 θ'을 사용하는 조명 장치가 최대의 광속이 분포된 광을 사용할 수 있다.
도 7a는 일반적인 조명 장치의 pupil map으로서, 광원에서 출사되는 광의 각도를 위치로 정열하여 나타낸 부분의 pupil map이다. 조명 장치에서 stop(조리개)이 이 위치에 해당된다. 도시된 바와 같이, 중앙(center)에는 0°가 위치하고 최외각 부분에는 90°가 위치하게 된다. 이렇게 각각의 각도에 따라 여러 동심원이 그려질 수 있고, 여기서, 조명 장치의 에텐듀(Etendue)에 따라 소정 면적만큼 잘라서 사용하게 된다. 조명 장치에서 사용되는 Etendue는 정해져 있기 때문에 광원에서 나오는 광의 0°에서 Etendue에 따라 정해지는 임의의 각도까지 사용하게 되는 것이다.
도 7b는 도 1c에 도시된 조명 장치의 pupil map으로서, 도 1c의 조명 장치는 도 1a, 1b와는 다른 출사각의 광을 사용하고 있다. 보다 상세히 살펴보면 0°부터 임의의 각도까지는 cap(20)의 중심에 위치한 조명 렌즈(24)가 모아 주고 있고, 그 외의 각도는 cap(20) 밖의 면에서 반사하여 나가게 된다.
도 7b를 살펴보면 도 1c의 조명 장치에서 광원(23)으로부터 출사각 θ°로 입사되는 광 바로 옆에 출사각 90°로 입사되는 광이 pupil map에서 위치를 점하게 된다. 그리고 θ °보다 약간 큰 각으로 입사된 광이 마지막 위치를 점하게 된다.따라서, 도 8b와 같은 각도의 광이 사용되게 된다. 이는 최대의 각을 뺀 그 외의 각을 사용한 방법이 된다.
만일, Lambertian source라 한다면 도 6b에 도시된 바와 같이, 광속의 최대 분포 그래프가 45°를 기준으로 대칭하기 때문에 광축을 기준으로 ±45°로 분포된 광속을 사용하면 최대의 광 효율을 낼 수 있다.
도 8a는 도 7a의 pupil map에서 임의로 선택된 출사각 θ에 따라 분포된 광속을 나타낸 그래프로서, 도면에서 해칭된 면적이 광속량이 된다. 예를 들자면 도 1a, 1b에 도시된 조명 장치가 도 8a와 같이 분포된 광속을 사용하게 되고, 도 1c에 도시된 조명 장치는 도 8b와 같이 분포된 광속을 사용하게 된다. 도면에서 알 수 있는 바와 같이, 광속이 최대로 분포되어 있는 광을 사용하지 못하고 있다.
따라서, 본 발명이 제안하는 바와 같이, 조명 장치에서 최대의 광량을 얻기 위해서는 조명 렌즈에 입사되는 광속이 최대로 분포되어 있는 pupil map과 그래프가 도 3과 같이 되어야 한다.
한편, 본 발명에서 사용되는 용어(terminology)들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의 내려진 용어들로써 이는 당분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있으므로 그 정의는 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
본 발명을 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 첨부된 청구범위에서 알 수 있는 바와 같이 본 발명이 속한 분야의 통상의 지식을 가지 자에 의해 변형이 가능하고 이러한 변형은 본 발명의 범위에 속한다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 조명 장치 정해진 에텐듀(etendue) 내에서 충분한 광량의 조명 장치를 형성할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 조명 장치는 프로젝션 시스템의 소형화 및 고화질화에 기여할 수 있다는 효과가 있다.

Claims (10)

  1. 광을 발생하는 광원부;
    상기 광원부에서 출사된 광의 각도를 재구성하는 스위치부;
    상기 스위치부에서 재구성된 광을 집광하는 조명 렌즈부;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 조명 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 광원부는,
    램프 또는 LED인 것을 특징으로 하는 조명 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 스위치부는,
    상기 광원부와 상기 조명 렌즈부 사이에 위치하고, 상기 조명 렌즈부에 출사되는 광의 출사각을 ±45°로 재구성하는 것을 특징으로 하는 조명 장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 스위치부는,
    타원이나 마름모를 포함하는 다각형 구조인 것을 특징으로 하는 조명 장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 스위치부는,
    상기 광원부에서 출사된 광이 일직선으로 입사되는 면에 배치된 제 1 투사경과,
    상기 제 1 투사경에 대향한 일면에 배치되고, 상기 제 1 투사경에서 투과된 광을 반사하는 제 1 반사경과,
    상기 제 1 반사경에 대향한 일면에 배치되고, 상기 제 1 반사경에서 반사된 광을 반사하는 제 2 반사경과,
    상기 제 2 반사경에 대향한 일면에 배치되고, 상기 제 1 반사경에서 반사된 광을 투과하여 상기 조명 렌즈로 출사하는 제 2 투사경으로 구성되는 것을 특징으로 하는 조명 장치.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 스위치부는,
    상기 광원부에서 출사된 광이 일직선으로 입사되는 면에 배치된 제 1 투사경과,
    상기 제 1 투사경에 대향한 일면에 배치되고, 상기 제 1 투사경에서 투과된 광을 반사하는 제 1 반사경과,
    상기 제 1 반사경에 대향한 일면에 배치되고, 상기 제 1 반사경에서 반사된 광을 반사하는 제 2 반사경과,
    상기 제 2 반사경에 대향한 일면에 배치되고, 상기 제 2 반사경에서 반사된 광을 반사하는 제 3 반사경과,
    상기 제 3 반사경에 대향한 일면에 배치되고, 상기 제 3 반사경에서 반사된 광을 투과하여 상기 조명 렌즈로 출사하는 제 2 투사경으로 구성되는 것을 특징으로 하는 조명 장치.
  7. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,
    상기 제 1 투사경으로 상기 광원부로부터 출사되는 광의 출사각은 0°에서 90° 이내인 것을 특징으로 하는 조명 장치.
  8. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,
    상기 조명 렌즈로 상기 제 2 투사경으로부터 출사되는 광의 출사각은 ±45°인 것을 특징으로 하는 조명 장치.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 스위치부는,
    광 파이버를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 조명 장치.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 광 파이버를 투과하여 상기 조명 렌즈부로 출사되는 광의 출사각을 ±45°로 재구성하는 것을 특징으로 하는 조명 장치.
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