KR20080089045A - Ｌｅｄ 프로젝터 - Google Patents

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KR20080089045A KR1020070032011A KR20070032011A KR20080089045A KR 20080089045 A KR20080089045 A KR 20080089045A KR 1020070032011 A KR1020070032011 A KR 1020070032011A KR 20070032011 A KR20070032011 A KR 20070032011A KR 20080089045 A KR20080089045 A KR 20080089045A
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Abstract

본 발명은, LED 프로젝터에 관한 것으로서, 간단한 구조를 가지며, 간단한 제어에 의해 기호 이미지를 외부에 있는 임의의 투영면에 제공할 수 있는 휴대가 간편하고, 수명이 긴 LED 프로젝터를 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.
본 발명에 따른 LED 프로젝터는, 외부에 있는 임의의 투영면에 기호 이미지를 투영하기 위한 것으로, 복수의 LED 광원들과, 상기 복수의 LED 광원들을 전체적으로 봉지하며, 각 LED 광원들로부터 나온 광들을 전방의 렌즈면을 통해 상기 투영면에 점의 형태로 모으도록 구성된 렌즈부재를 포함한다.
LED, 프로젝터, 투영면, 광원, 기호, 이미지, 렌즈부재, 렌즈면

Description

ＬＥＤ 프로젝터{LED PROJECTOR}
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 프로젝터를 설명하기 위한 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 프로젝터의 정면도.
도 3은 본 발명에 따라 타원형 렌즈부재를 이용하는 LED 프로젝터의 원리를 설명하는 도면.
도 4는 본 발명에 따른 LED 프로젝터를 이용하여 얻을 수 있는 기호 이미지를 보여주는 도면.
도 5 내지 도 7은 본 발명의 다른 실시예들에 따른 LED 프로젝터를 설명하기 위한 도면들.
<도면의 주요부분에 대한 부호설명>
12, 32: 렌즈부재 14, 24, 34: LED칩
242: 발광셀 2: 투영면
2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2f: 기호 이미지
본 발명은, 프로젝터에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 복수의 LED 광원을 이용하여, 스크린, 벽, 도어 또는 플로어와 같은 임의의 투영면에 입사광을 제공하여, 그 투영면에 기호 이미지를 형성하는 LED 프로젝터에 관한 것이다.
일반적으로, 프로젝터는, 판매를 위한 전시, 비니지스 회의, 알람 정보의 제공과 같은 용도에 이용되는 것으로, 스크린, 벽, 도어 또는 플로어와 같은 외부의 투영면에 임의의 정보를 나타내는 기호 이미지를 투영하는 장치이다. 이러한 프로젝터에 있어서, 휴대성과 수명은 품질을 좌우하는 중요한 요소들이다.
통상적인 프로젝터는, 램프, 특히, 메탈 핼라이드 램프(metal halide lamp)를 이용하여, 먼 거리에 있는 투영 스크린 상에 기호 이미지를 만드는 광을 발생시킨다. 이러한 램프형 프로젝터는, 램프의 수명이 대략 2000시간 정도로 매우 짧으며, 시간이 지남에 따라 휘도가 크게 떨어지는 등의 문제점이 있다. 또한, 현재 이용되고 있는 램프형 프로젝터는 그 구조가 복잡함은 물론이고, 고가이며 또한 주요 부품인 램프 교체를 위해 많은 비용이 드는 문제점이 있다.
그러므로, 기존 프로젝터의 광원인 램프를 대체할 만한 광원을 찾고자 하는 노력이 당해 기술분야에 존재한다. 이에 따라 개발된 것이 LEDs를 광원으로 이용한 프로젝터이며, 일 예로, 이러한 종래의 프로젝터는 미국특허 제 7,159,987호에 개시된 바 있다. 개시된 종래의 프로젝터는, 서로 다른 위치에 장착되어 제 1 내지 제 4 조명광을 방출하는 복수의 LED들과, 공간 광 조절기와, 컨트롤러 등을 포함한다. 종래기술에 있어서, 컨트롤러의 제어에 의해 제 1 및 제 2 조명광이 시계열적으로 공간 광 조절기의 동일 조명 영역에 들어가도록 하며, 제 3 및 제 4 조명광이 제 1 및 제 2 조명광에 중첩되지 않게 공간 광 조절기에 들어가도록 한 후, 그 공 간 광 조절기에 조절된 광들이 전방의 렌즈로 향하도록 하는 방식으로 투영된 이미지 기호를 얻는다.
위와 같은 종래의 프로젝터는, 기존의 광원인 램프를 수명이 길고 경제적인 LED로 대체하는 이점을 갖지만, 다수의 장착 LED와, 공간 광 조절기, 렌즈, 리플렉터 등을 포함하는 복잡한 구조를 갖는 문제점이 있다. 특히, 종래기술에서는, 공간 광 조절기가 액정 광 밸브, 이색성 프리즘, 소자 구동 유닛과 같은 복잡하고 않은 요소들을 포함하여 비경제적이다. 또한, 종래의 프로젝터는, 각 LED로부터 나온 광이 기호 이미지로 투영될 때까지 복잡한 경로를 거쳐야 하므로, 광의 손실이 많은 문제점이 있다. 특히, 종래의 프로젝터는, 무겁고 복잡한 구조에 의해, 휴대성이 크게 떨어지는 문제점이 있다.
본 발명은, 종래기술을 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 간단한 구조를 가지며, 간단한 제어에 의해 기호 이미지를 외부에 있는 임의의 투영면에 제공할 수 있는 휴대가 간편하고, 수명이 긴 LED 프로젝터를 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.
본 발명의 일 측면에 따라, 외부에 있는 임의의 투영면에 기호 이미지를 투영하기 위한 LED 프로젝터가 제공되며, 상기 LED 프로젝터는, 복수의 LED 광원들과, 상기 복수의 LED 광원들을 전체적으로 봉지하며, 각 LED 광원들로부터 나온 광들을 전방의 렌즈면을 통해 상기 투영면에 점의 형태로 모으도록 구성된 렌즈부재 를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 복수의 LED 광원들은, 행열로 배열된 채, 각각 개별적으로 점등 제어되는 복수의 LED칩들일 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따라, 상기 복수의 LED 광원들은, 하나의 단일 칩에 행열로 배열된 채, 각각 개별적으로 점등 제어되는 복수의 발광셀들일 수 있다.
바람직하게는, 상기 렌즈부재의 상기 렌즈면은 타원형이며, 상기 복수의 광원들은 광축 방향으로 상기 렌즈면으로부터 일정 간격 이격된 하나의 초점면(focal plane) 상에 배열된 것이다. 더욱 바람직하게는, 상기 렌즈부재는 상기 복수의 광원들에 대하여 아래의 [수학식]에 정해지는 렌즈면을 포함한다.
[수학식]
Figure 112007025244536-PAT00001
(여기에서, Z는 광축 좌표, R은 초점 좌표, a는 타원의 장축, b는 타원의 단축, L은 광축 상에서의 광원으로부터 타원극까지의 거리, n은 렌즈부재의 굴절율)
본 발명의 바람직한 실시예에 따라, 상기 복수의 광원들을 봉지하는 렌즈부재는 다른 복수의 광원들을 봉지하는 렌즈부재들과 함께 하나의 어레이를 이루어, 복수의 기호 이미지를 상기 투영면에 동시에 투영한다. 상기 기호 이미지는 숫자, 글자, 그림을 포함하는 것이 바람직하다.
이하 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 프로젝터를 설명하기 위한 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 프로젝터의 정면도이다.
도 1 및 도 2에는 벽, 도어, 스크린, 플로어 등의 임의의 투영면(2) 상에 이미지 기호(2a)를 투영하는 LED 프로젝터(10)가 도시되어 있다. 상기 LED 프로젝터(10)는 가볍고 간단한 구조에 의해 휴대성이 좋으며 또한 스트립 또는 패널 형상과 같은 다양한 구조물에 장착될 수 있어 호환성이 좋다.
상기 LED 프로젝터(10)는, 투명 수지, 가장 바람직하게는, 투명의 에폭시 수지로 이루어진 하나의 렌즈부재(12)와, 그 렌즈부재(12) 내에 전체적으로 봉지되어 있는, 복수의 LED 광원, 즉, 복수의 LED칩(14)들을 포함한다. 상기 렌즈부재(12)는 상기 LED칩(14)들을 보호하는 역할과 각 LED칩들(14)에서 나온 광들을 변환하는 광학 시스템으로서의 역할을 동시에 한다. 또한, 상기 렌즈부재(12) 내에 있는 복수의 LED칩(14)들은 행렬(matrix)의 형태로 배열되는데, 도 2에는 LED칩(14)들이 3행 5열로 배열된 구조가 잘 도시되어 있다.
도 2를 참조하면, 상기 복수의 LED칩(14)들은, 하나의 공통전극(15a)과, 복수의 개별전극(15b)에 의해 전류를 인가받도록 구성되어 있다. 본 실시예에서는, 15개의 LED칩(14)들 중 하나의 LED칩이 상기 공통전극(15a) 상에 실장되며, 상기 15개의 LED칩(14) 모두는, 도 2의 확대도에 도시한 것처럼, 도전성 와이어(W)에 의해 15개의 개별전극(15b)에 연결된다. 따라서, 상기 LED칩(14)들 각각은 선택적인 전류 인가에 의해 개별적으로 점등 제어될 수 있으며, 그 전류의 세기 조절을 통해 광 세기가 조절될 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 실시예의 LED 프로젝터(10) 하나의 렌즈부재(12) 내에 복수의 LED칩(14)들이 행렬을 이루면서 배열된 단일 렌즈 시스템을 기반으로 하는데, 이러한 구조는, 광원들, 즉, LED칩(14)들 사이의 거리가 매우 짧아 컴팩트한 LED 프로젝터(10)의 구현을 가능하게 한다.
본 발명에 있어서, 상기 렌즈부재(12)는 광축 방향으로 타원극(ellipe pole)을 갖는 타원형의 렌즈면(121)을 포함한다. 표준의 구형 렌즈부재가 본 실시예의 LED 프로젝터(10)에 이용될 경우, 큰 수차를 야기할 수 있으므로, 타원형의 렌즈부재(12)에 비해 부적합하다.
이하에서는, 전술한 것과 같은 타원형 렌즈부재(12)에 의한 이미지의 투영 작용 대해 도 3을 참조로 하여 간단한 설명이 이루어질 것이다. 광원(즉, LED칩(14)가 렌즈부재(12)를 대표하는 고체 타원의 한 초점 내에 있을 때, 타원형의 렌즈면을 거치면서 광은 평행한 방향으로 보내진다(도 3의 A). 이때, 광축 상의 좌표(이하, '광축 좌표'라 함)가 Z이고, 초점면 좌표가 R이라 하면, 고체 타원 표면(즉, 렌즈면)은 아래의 [수학식 1]과 같이 정해진다.
Figure 112007025244536-PAT00002
(여기에서, a는 타원의 장축, b는 타원의 단축)
한편, 렌즈부재(12)의 크기를 나타내는 광원으로부터 타원극까지의 거리는 L 이며, 그 L은 변할 수 있는 것이다. 하지만, 타원의 장축(a)과 단축(b)은 고체 타원의 굴절율(n)에 의존하며, 아래의 [수학식 2]와 같이 정해진다.
Figure 112007025244536-PAT00003
이때, 광원(즉, LED칩(14))의 위치는 광의 초점 거리와 광선 방향에 영향을 미친다. 도 3의 B와 같이, 광원이 Z축을 따라 작은 거리(l) 이동되는 것을 가정하면, 광은 유한 거리(D)에 초점이 맞추어진다. 이때의 유한거리(D)는 아래의 [수학식 3]에 의해 결정된다. 그리고, 단축(b)는 [수학식 4]에 나타낸 것과 같이 더욱 짧아진다.
Figure 112007025244536-PAT00004
Figure 112007025244536-PAT00005
또한, 광원이 초점면 내에서 초점 밖으로 거리 r만큼 광축 Z를 따라 이동하면, 렌즈부재를 통한 광 방출 방향은 각도
Figure 112007025244536-PAT00006
만큼 변화한다.(도 3의 C 참조). 또한, 도 3의 C의 광이 평행광이고 투영면 상에 투영되는 이미지가 도 3의 A 와 같은 점의 형태임일 알 수 있는데, 이는 광원이 도 3의 A의 광원과 마찬가지로 광의 초점면 상에 위치하기 때문이다.
위의 [수학식 1]에 의해 결정되는 타원형의 렌즈부재(12)는 하나의 광원, 즉, 하나의 LED칩(14)로부터 나온 광을 그것과 멀리 위치한 투영면에 점의 형태로 투영할 수 있다. 광원이 유한 크기 d이면, 투영면 상의 이미지 크기는 이론적으로는
Figure 112007025244536-PAT00007
이지만, 실제로는 그것보다 클 수 있다. 예컨대, LED칩(14)의 크기, d=0.25mm이고, 렌즈부재(12)의 타원 크기, 즉, 광원으로부터 타원극까지의 거리, L=10mm인 경우, 투영 거리, D=0.5m이고 이미지는 대략 19mm임을 실제로 확인할 수 있었다.
초점면 상의 광축 부근에서 방출된 광선은 효과적으로 외부 스크린(또는, 투영면)에 모인다. 하지만, θcr이 렌즈부재 재료의 임계각인 경우, 광선의 방출 각도가
Figure 112007025244536-PAT00008
이면, 광은 렌즈부재 내에서 반사되거나 흡수될 것이다. 칩에 대해, 타원 프로젝터의 램버시안 패턴 에피커시(또는, 시감도), E는 아래의 [수학식 5]에 의해 결정된다.
Figure 112007025244536-PAT00009
(여기에서, 투과율(T)는
Figure 112007025244536-PAT00010
이고, 임계각(θcr)은
Figure 112007025244536-PAT00011
이다.)
위 [수학식 5]에서, n=1.5이면, 에피커시(시감도)는 대략 53%이고, 47%는 백그라운드 인텐서티(background intensity)로 남는다. 각 LED칩에 대해 작은 리플렉터를 사용하면, 상기 에피커시를 향상시킬 수 있을 것이다. 또한, 리플렉터를 이용하여 유효 칩 크기 "deff"를 확장시키면, 그와 동시에 투영면 상의 점을 확장시킬 수 있을 것이다.
도 1 내지 도 3에서 설명한 것과 같이 렌즈부재(12) 내의 초점면 상에 LED칩을 행렬로 배열하면 LED 프로젝터(10)과 멀리 떨어진 스크린 등의 투영면에 원하는 기호 이미지를 바람직하게 형성할 수 있는데, 이는 광선 추적 프로그램에서의 많은 실험을 통해 확인된 것이다. 또한, 드라이버(driver)를 이용하여 각 LED칩(14)에 대한 전류 제어를 하면 외부 투영면 상에, 도 4에 도시된 것과 같은, 향상된 휘도의 원하는 기호 이미지를 투영하는 것이 가능해진다.
도 5 및 도 6은, 본 발명의 다른 실시예에 따른 LED 프로젝터의 구조를 설명하기 위한 도면으로, 하나의 큰 LED칩(24)에 p-n 접합에 의해 광을 발생시키는 다수의 발광셀들을 행과 열로 마련한 구조를 보여준다.
도 5를 참조하면, 공통전극(25a) 상에 하나의 LED칩(24)이 실장되고, 상기 LED칩(24)에는 복수의 발광셀들(242)이 형성된다. 그리고, 상기 복수의 발광셀 들(242)의 개수와 동일한 개수로 개별전극들(25b)가 마련되며, 상기 복수의 발광셀들(242)은 동일 개수의 전극패드(242a)들을 구비한 채, 각 전극패드들(242a)이 동일 개수의 도전성 와이어(W)에 의해 상기 개별전극들(25b)과 연결된다.
도 6은 도 5와 나머지 구성은 같지만, 와이어(W)가 광을 간섭하는 것을 막기 위한 목적으로, 발광셀(242)의 전극패드(242a)와 연결된 채 발광셀(242) 외측에서 도전성 와이어(W)와 연결되는 전극패턴(242b)들을 추가로 구비한 구조를 보여준다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 LED 프로젝터(30)을 도시한 도면으로서, 도 7을 참조하면, 본 실시예의 LED 프로젝터(30)는, 행렬로 배열된 LED칩(34)들을 봉지하는 렌즈부재(32)가 복수개로 이루어진 채, 하나의 어레이(array)를 이루어서, 그와 먼거리에 있는 투영면(2) 상에 숫자, 문자, 또는 그림으로 이루어진 복수의 이미지 기호(2a, 2b, 2c, 2c, 2d, 2e, 2f)들을 투영한다.
이상에서는 본 발명이 특정 실시예를 중심으로 하여 설명되었지만, 본 발명의 취지 및 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 변형, 변경 또는 수정이 당해 기술분야에서 있을 수 있으며, 따라서, 전술한 설명 및 도면은 본 발명의 기술사상을 한정하는 것이 아닌 본 발명을 예시하는 것으로 해석되어져야 한다.
본 발명에 의하면, 간단한 구조를 가지며, 간단한 제어에 의해 기호 이미지를 외부에 있는 임의의 투영면에 제공할 수 있는, 휴대가 간편하고, 수명이 긴 LED 프로젝터를 구현할 수 있다.

Claims (8)

  1. 외부에 있는 임의의 투영면에 기호 이미지를 투영하기 위한 프로젝터에 있어서,
    복수의 LED 광원들과;
    상기 복수의 LED 광원들을 전체적으로 봉지하며, 각 LED 광원들로부터 나온 광들을 전방의 렌즈면을 통해 상기 투영면에 점의 형태로 모으도록 구성된 렌즈부재를;
    포함하는 것을 특징으로 하는 LED 프로젝터.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 복수의 LED 광원들은, 행열로 배열된 채, 각각 개별적으로 점등 제어되는 복수의 LED칩들인 것을 특징으로 하는 LED 프로젝터.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 복수의 LED 광원들은, 하나의 단일 칩에 행열로 배열된 채, 각각 개별적으로 점등 제어되는 복수의 발광셀들인 것을 특징으로 하는 LED 프로젝터.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 렌즈부재의 상기 렌즈면은 타원형이며, 상기 복수의 광원들은 광축 방향으로 상기 렌즈면으로부터 일정 간격 이격된 하나의 초점면(focal plane) 상에 배열된 것임을 특징으로 하는 LED 프로젝터.
  5. 청구항 4에 있어서, 상기 렌즈부재는 상기 복수의 광원들에 대하여 아래의 [수학식]에 정해지는 렌즈면을 포함하는 것을 특징으로 하는 LED 프로젝터.
    [수학식]
    Figure 112007025244536-PAT00012
    (여기에서, Z는 광축 좌표, R은 초점 좌표, a는 타원의 장축, b는 타원의 단축, L은 광축 상에서의 광원으로부터 타원극까지의 거리, n은 렌즈부재의 굴절율)
  6. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서, 상기 복수의 광원들을 봉지하는 렌즈부재는 다른 복수의 광원들을 봉지하는 렌즈부재들과 함께 하나의 어레이를 이루어, 복수의 기호 이미지를 상기 투영면에 동시에 투영하는 것을 특징으로 하는 LED 프로젝터.
  7. 청구항 6에 있어서, 상기 기호 이미지는 숫자, 글자, 그림을 포함하는 것을 특징으로 하는 LED 프로젝터.
  8. 청구항 2에 있어서, 상기 복수의 LED칩 각각의 유효 칩 크기를 확장시키는 리플렉터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 LED 프로젝터.
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