KR20090094718A - 비대칭형 간접 조명장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 엘이디를 이용한 조명등에 관한 것으로 특히 반사갓의 기능을 한 반사경이 비대칭 형태로 구성되어 엘이디 광원이 장치의 시야각 내부로 노출되지 않도록 하여 눈부심 현상을 제거한 비대칭형 간접 조명장치에 관한 것으로, 본 발명에 따른 비대칭형 간접조명장치는 엘이디 광원(110)과 오목거울의 포물곡면인 한쌍의 반사곡면으로 이루어진 기본 CPR(Compound Parabolic Reflector, 복합포물형 반사경), MCPR(Modified Compound Parabolic Reflector, 개량된 복합포물형 반사경) 또는 CCPR(Confocal Parabolic Reflector, 공유초점 복합포물형 반사경) 구조의 주반사면(100) 사이에 한쪽 단면이 반원형 구조의 보조 반사면(120)이 형성된 비대칭 구조의 반사경 단면 구조의 콜리메이터가 구비되어 광원에서 방사된 빛의 행로를 변경시켜 광원이 외부로 노출되지 않도록 구성한 것이다.

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Description

비대칭형 간접 조명장치{Asymmetric indirect lighting collimator}

본 발명은 엘이디를 이용한 조명등에 관한 것으로 특히 반사갓의 기능을 한 반사경이 비대칭 형태로 구성되어 엘이디 광원이 장치의 시야각 내부로(삭제:외부로) 노출되지 않도록 하여 눈부심 현상을 제거한 비대칭형 간접 조명장치에 관한 것이다.

LED장치를 더욱 효율적으로 응용하기 위하여 렌즈 또는 반사경과 같은 광학장치(Collimator, 2차 렌즈)와 결합하여 LED 본체에서 넓게 퍼지는 방사밀도를 빔(Beam)으로 형성되는 좁은 각도로 집속하여 빛의 강도를 높이고 퍼짐각도(시야각)도 조절하여 조사면의 조도를 효율적으로 높이며 설계된 시야각을 용도별로 유용하게 조절하여 제품화되고 있다.

LED 장치의 기본구성은 발광체인 반도체(예: Si, InGaN)와 반도체를 환경조건(예: 습도)으로부터 보호하며 동시에 발광의 초기 퍼짐각도를 조절하여 주는 돔(Dome) 렌즈(1차 렌즈)와 반도체에 생성되는 열을 식혀주는 방열판과 이들을 지지하여주는 외곽 틀인 몸체(Body)와 전원(직류)을 연결하는 전극선(Lead) 등으로 형성되어 있다. 외형구조는 종류마다 다르나 Luxeon K2 LED의 경우 렌즈의 직경은 약 5.7mm, 몸체(Body)의 크기는 약 7.5mm x 7.5mm 이다 (도 1(a)및 도 1(b)] 참조). 이 외에 Cree LED, 서울반도체 LED 등이 있으며 각 각의 외형적 광학적 및 전기적 특성이 다르다.

이와 같은 구조의 LED는 일종의 유한 크기의 광원(Lambertian분포)으로서 발광되는 빛의 정의된 퍼짐각도(90％의 방사밀도)는 약 160°(±80°)의 시야각으로 퍼진다. 이와 같이 넓은 각도로 퍼져 나아가는 빛은 일부 손실이 될 수 있으므로 2차 광학렌즈(Collimator, 도 2(a))를 사용하여 좁은 폭의 각도로 퍼지게 하는 빔(Beam)을 형성하여 광의 강도를 높여서 선정된 일정 조사면의 조도를 높여준다. 일반 전구는 반사 갓을 이용하여 조도면의 크기와 조도를 조절하고 있다(도 2(b),(c)]).

LED 광원은 일반적으로 단색광(적색, 청색, 녹색 등)을 발광하는 소형 발광체로서 표시등, 경관조명등, 전광판, 교통신호등, 공원등 경고등 등 산업용품 광원으로 다양하게 이용되고 있다.

최근 고출력(1∼5W, 10∼20W 등) 백색 LED가 개발되면서 LED의 이용은 더욱 다양화되고 있다.

그러나 현존하는 조명등 구조는 광원의 강한 광선이 노출되어 있어 광원을 육안으로 직접 쳐다볼 경우 눈부심 현상이 있어 불편하고 궁극적으로 시력손상과 같은 눈에 위해를 가할 수가 있다.

본 발명은 고출력의 엘이디를 이용한 조명등에 있어서 광원이 외부에 직접 노출됨으로 인한 눈부심 형상을 제거하기 위해 광원을 숨길 수 있도록 비대칭 구조의 콜리메이터가 구비된 간접 조명장치를 제공하고자 하는데 있다.

본 발명에 따른 비대칭형 간접조명장치는 엘이디 광원과 오목거울의 포물 곡면인 한 쌍의 반사곡면으로 이루어진 기본 CPR(Compound Parabolic Reflector, 복합포물형 반사경), MCPR(Modified Compound Parabolic Reflector, 개량된 복합포물형 반사경) 또는 CCPR(Confocal Parabolic Reflector, 공유초점 복합포물형 반사경) 구조의 주반사면 사이에 한쪽 단면이 반원형 구조의 보조 반사면이 형성된 비대칭 구조의 반사경 단면 구조의 콜리메이터가 구비되어 광원에서 방사된 빛의 행로를 변경시켜 광원이 외부로 노출되지 않도록 구성한 것이다.

본 발명에 따른 비대칭형 콜리메이터를 구비한 조명장치는 비대칭형 콜리메이터의 고용으로 지정된 조도면의 외부로 퍼져 나아가는 광이 없으며 또한 비교적 균일하게 조도가 분포되어 효율적인 조도효과를 구할 수 있으며, 소요되는 광원(LED)의 개수를 효율적으로 조절할 수 있어 소비전력의 감소와 더불어 경제적이다. 특히 고광도의 광원을 시야각 외부로 숨겨 직접 보이지 않아 눈을 보호할 수 있으며 피로한 느낌을 피할 수 있다.

본 발명에 따른 비대칭형 간접조명장치는 LED 광원을 숨겨서 공간에 빛을 비 춰줄 수 있는 방안으로 도 3(a) 내지 도 3(c)와 같은 비대칭 구조의 오목거울로 된 반사경들이 결합되어 형성된 비대칭 콜리메이터(Collimator)를 구비한 것인데, 기본 CPR, MCPR 또는 CCPR 구조의 주 반사면(100)과 엘이디 광원(110)에서 발광하는 빛의 행로를 반사하여 일정 방향으로 향하여 진행하도록 고안된 단면이 일종의 반원 구조의 보조 반사면(120)과 엘이디 광원(110)로 구성된다. 본 발명에 따른 비대칭 콜리메이터가 부가된 간접조명등 구조는 광원이 장치의 시야각 2θc의 외부에 위치하여 있어 광원이 외부로 노출되지 않도록 된 구조이다.

또 다른 실시예로 본 발명에 따른 비대칭 콜리메이터가 부가된 간접조명등은 보조 반사면(120)과 엘이디 광원(110) 사이에 주반사면(100)과 원리적으로 동일한 구조의 기본 CPR, MCPR 또는 CCPR 구조의 제2주반사면(130)을 부가 할 수 있다.

상기 기본 CPR(Compound Parabolic Reflector, 복합포물면 반사경)의 구조는 오목거울의 반사경 단면이 기하학적으로 정의되는 포물선의 우측 반쪽과 좌측 반쪽 곡면(도 4(a))으로 나누어 일정 거리(FF') 이격시키고 각 각의 초점(F, F')을 지나는 축을 서로 대향하여 각 초점을 회전점으로 하여 일정각도 θc만큼 기울여 2 개의 기울어 진 포물면으로 형성되는 반사경 구조로서, 본 구조의 하단인 각 초점간의 거리는 광원의 폭과 동일하게 선정된 광의 입사면 폭으로 정의되고, 본 구조의 상단 출구면은 각 포물면의 일 점(P, P')에서의 접선이 장치(Collimator)의 축(z)과 평행하게 형성되는 점에서 절단하여 초점과 상단점 사이의 곡면 선분(F'P, FP')을 반사면으로 단면이 형성된 복합포물면 반사경 콜리메이터 구조이다.(도 4(b))

이 같은 기본 CPR 구조의 광학적 특성은 입구면 FF'에 존재하는 광원의 모든 빛은 반사경에서 반사되거나 또는 직행하여 모두 한계각 ±θc이내에 분포된다.

CCPR(Confocal CPR, 공유초점 복합포물면 반사경)은 상기 기본 CPR 구조에서 일 개의 초점(F 또는 F')을 서로 공유하는 오목거울 반사경 구조이다. 반사경의 구조(AP, A'P')는 입사면(AA')은 공유하는 초점 F를 지나는 장치의 x-축과 만나는 점(A, A')으로 선정하여 형성된다.([도 4(d)]). 여기에 AA'의 크기는 광원의 폭으로 선정할 수 있다. 본 구조의 광학적 특성은 공유초점 F 에서 발광하는 모든 빛(점광원)은 반사경에서 반사되거나 또는 직행하여 모두 한계각 ±θc이내에 분포된다.

MCPR(Modified CPR, 개량된 복합포물면 반사경)은 CPR 구조에서 입사면의 폭 FF'과 동일한 크기의 선분을 상위로 이동하여 선분 FP와 우측 포물면경과 만나는 점(J', J)을 선정하고 좌측 포물면경을 점 J'로 x-축에 평행하게 이동하여 형성되는 구조에서 점 J와 J'의 하단부위를 절단하여 구성되는 Collimator 구조이다.(도 4(d)). 출구면 폭 JJ'은 광원의 폭으로 선정할 수 있다. 본 구조의 광학적 특성은 면광원이 입사면 JJ'에 위치하여 있을 경우 발광하는 모든 빛은 반사경에서 반사되거나 또는 직행하여 모두 한계각 ±θc이내에 분포되며 조도면의 조도가 실질적으로 균일하게 분포된다.

도 3(a)과 같은 단면구조를 갖는 비대칭 콜리메이터 간접조명등은 용도에 따라 도 3(b) 및 도 3(c)에 도시된 바와 같이 3차원 또는 2차원으로 구성할 수 있다.

본 발명에 따른 3차원으로 구성된 비대칭형 간접조명등은 절곡된 원통(圓筒)형 구조를 하고(도 3(b)), 2차원으로 구성된 비대칭 콜리메이터 간접조명등은 여물통 형태로 절곡된 긴 여물통형 구조(도 3(c))를 하고 있다.

본 발명에 따른 간접 조명의 설계는 광원에서 방출되는 광은 반사경들에 의하여 1 번 이상의 반사되어 외부로 방출되는데, 이때 주 반사경의 시야각 2θc 밖으로 진행되는 광은 없으므로 조도면에 최대의 조도를 제공한다.

또한 MCPR인 주반사면(100) 반사경을 고용하면 구조의 광학적 특성에 따라 조도면의 밝기가 비교적 고르게 분포된다.

제2주반사면(130)은 일종의 CPR, CCPR 또는 MCPR의 오목거울 외에 렌즈로도 구성할 수 있다.

이상과 같은 구조로 된 본 발명에 따른 비대칭형 간접조명등은 다양한 형태로 변형이 가능하다.

변형된 제1 실시예로써, 상기 여물통(축사용 먹이통) 구조의 2차원 비대칭 콜리메이터 간접조명장치는 길이로 둥글게 구부려 링(Ring)형 2차원 비대칭형 콜리메이터 간접조명장치를 구성할 수 있다.

상기 링형 2차원 비대칭 콜리메이터 간접조명장치는 2차원 비대칭 콜리메이터에 비하여 조도면에 조도를 높이며 균일하게 분포할 수 있으며 비교적 경제적인 제품으로 구현할 수 있는 장점이 있다.

변형된 제2실시예는, 상기 3차원 비대칭 콜리메이터 간접조명장치 다수개를 1세트(set)로 구성하되, 다수개의 3차원 비대칭 콜리메이터를 원주를 따라 소정의 간격을 갖게 하여 배치하거나(도 5참조) 또는 연접(連接)하여 배치하여(도 6참조) 링형 3차원 비대칭 콜리메이터로써 조도를 높이도록 한 것이다. (또한 원주의 크기와 Collimator 간의 간격을 조절하여 조도면의 균일화를 구현할 수 있다.)

변형된 제3실시예는, 상기 3차원 비대칭 콜리메이터 간접조명장치 다수개를 묶음으로 묶어 구성한 다발형 3차원 비대칭 콜리메이터 간접조명장치를 구성할 수 있다. 상기 다발형 3차원 비대칭 콜리메이터 간접조명장치는 묶는 형태에 따라 사각형, 3각형, 원형 등으로 묶은 다발형을 구성할 수 있다.

상기 다발형을 구성함에 있어서 3차원 비대칭 콜리메이터 간접조명장치는 내측(조도면의 중앙) 쪽으로 콜리메이터가 향하도록 배치한다.

상술한 다발형 3차원 비대칭 콜리메이터 간접조명장치는 각 비대칭 콜리메이터 간접조명장치가 다발을 구성함에 있어 외부 반사경의 축이 시스템 축(z)과 광의 출구면의 중심축이 조도면의 중앙점을 향하도록 각 β 만큼 기울인 CPR, CCPR 또는 MCPR의 궤적으로 형성된 일정 선분을 폭으로 하여 시스템 축(z)을 회전하여 형성되며, 내부 반사면은 동일한 CPR 또는 MCPR의 반대쪽 곡면을 시스템 축(z)을 회전하여 형성되는 원추(Cone)의 형태로 형성된다.

즉 상기 다발형 3차원 비대칭 콜리메이터는 다수개가 다발로 구성하되 주반사경들은 가장자리 외측으로 맞닿는 구조이고 보조반사경들 끼리는 이격된 구조로 다발을 형성한 것을 특징으로 한 것이다.

본 콜리메이터 원리의 조도분포 균일성과 광원 숨기기 효과는 특수 장식용 광원(예: 진열장 조명등), 실내등, 작업용 집중광원(Spot light) 등의 산업용 광원장치의 유용하게 응용될 수 있다.

도 1의 (a)는 엘이디 광원의 기본구조도

도 1의 (b)는 특정 엘이디 본체의 구조도

도 2의 (a)는 특정 렌즈형 콜리메이터

도 2의 (b)는 백열등 반사갓(3차원)

도 2의 (c)는 백열등 반사갓(2차원)

도 3의 (a)는 비대칭형 간접조명장치의 단면

도 3의 (b)는 비대칭형 간접조명장치의 3차원 구조

도 3의 (c)는 비대칭형 간접조명장치의 2차원 구조

도 4의 (a)는 분리된 포물선

도 4의 (b)는 복합포물면반사경(CPR) 형성단면

도 4의 (c)는 공유초점 복합포물면반사경(CCPR) 형성단면

도 4의 (d)는 개량된 복합포물면반사경(CPR) 형성단면

도 5는 LED 다발을 이용한 3차원 비대칭형 간접조명장치

도 6은 LED 다발을 이용한 3차원 비대칭형 간접조명장치

***도면의 주요부분에 대한 간단한 설명***

100 : 주반사면

110 : 광원

120 : 보조반사면

130 : 제2주반사면

Claims (4)

1. 엘이디 광원(110)과 포물 곡면인 한 쌍의 반사곡면으로 이루어진 기본 CPR, CCPR 또는 MCPR구조의 주반사면(100) 사이에 한쪽 단면이 반원형 구조의 보조 반사면(120)이 형성된 비대칭 구조의 반사경 단면 구조의 콜리메이터가 구비되어 엘이디 광원(110)에서 방사된 빛의 행로를 변경시켜 엘이디 광원이 외부로 직접 노출되지 않도록 구성한 것으로, 절곡된 원통구조의 3차원 비대칭형 콜리메이터를 형성하거나 긴 여물통형 비대칭 콜리메이터를 형성할 수 있는 것을 특징으로 한 비대칭형 콜리메이터가 구비된 간접조명장치.
2. 제1항에 있어서, 보조 반사면(120)과 엘이디 광원(110) 사이에 주반사면(100)과 원리적으로 동일한 기본 CPR, CCPR 또는 MCPR 구조의 제2주반사면(130)을 부가되어, 절곡된 원통구조의 3차원 비대칭형 콜리메이터를 형성하거나 긴 여물통형 비대칭 콜리메이터를 형성할 수 있는 것을 특징으로 한 비대칭형 콜리메이터가 구비된 간접조명장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 2차원 비대칭 콜리메이터는 길이 방향으로 둥글게 구부려 링(Ring)형태를 형성한 것을 특징으로 한 비대칭형 콜리메이터가 구비된 간접조명장치.
4. 제1항 또는 제2항의 3차원 비대칭 콜리메이터는 다수개가 다발로 구성하되 주반사경들은 가장자리 외측으로 맞닿는 구조이고 보조반사경들 끼리는 이격된 구조로 다발을 형성한 것을 특징으로 한 비대칭형 콜리메이터가 구비된 간접조명장치.

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