KR20100087233A - 광 부품 및 조명 장치 - Google Patents

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KR20100087233A
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피터 브릭
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시몬 슈와렌베르그
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오스람 옵토 세미컨덕터스 게엠베하
오스람 게젤샤프트 미트 베쉬랭크터 하프퉁
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Abstract

광 부품은, 특히, 제1주표면(2), 상기 제1주표면(2)과 반대 방향인 제2주표면(3)을 가진 캐리어판(1) 및 상기 제1주표면(2)상의 제1렌즈 구조(4)를 포함하고, 상기 제1렌즈 구조(4)는 적어도 제1다각형 형상을 가진 제1렌즈 소자(41) 및 제2다각형 형상을 가진 제2렌즈 소자(42)를 포함하고, 상기 제1렌즈 구조(4)는 제1주표면(2)을 완전히 덮고, 제1렌즈 소자(41) 및 제2렌즈 소자(42)는 서로 합동이 아니거나/아니고 캐리어판(1)의 제1주표면(2)상에서 상기 렌즈 소자들의 배향은 서로 상이하다.

Description

광 부품 및 조명 장치{OPTICAL COMPONENT AND LIGHTING APPARATUS}
본 특허 출원은 독일 특허 출원 10 2007 056402.5의 우선권을 청구하며, 그 공개 내용은 참조로 포함된다.
독립 청구항의 전제부에 따른 광 부품 및 광 부품을 포함한 조명 장치가 기술된다. 종종, 조명 목적으로서, 관찰자에게 비균일한 휘도 분포 또는 비균일한 색 분포의 형태로 비균일한 광 인상을 야기시키는 광원이 사용된다. 비균일한 휘도 분포 또는 색 분포를 균일하게 하기 위한 것으로 광원보다 뒤에 배치되는 부재는 광원의 광을 표면 산란 또는 부피 산란을 이용하여 완전히 또는 부분적으로 확산 산란시킨다. 그러나, 확산 산란 시 방출된 광속의 손실, 그리고 방출면 및 광이 방출되는 입체각으로부터 발생하는 에텐듀(etendue)의 불량화 문제가 있다.
특정한 실시예의 적어도 하나의 과제는, 상기에 명시한 단점을 줄이거나 방지할 수 있는 광 부품 및 광 부품을 포함한 조명 장치를 제공하는 것이다.
상기 과제는 독립 청구항의 특징을 포함한 대상물에 의해 해결된다. 상기 대상물의 유리한 실시예 및 발전예는 종속 청구항에 특징지워지며, 또한 이하의 설명 및 도면으로부터도 도출된다.
일 실시예에 따른 광 부품은, 특히,
제1주표면 및 상기 제1주표면과 반대 방향인 제2주표면을 가진 캐리어판; 및
상기 제1주표면상의 제1렌즈 구조를 포함하고,
상기 제1렌즈 구조는 제1다각형 형상의 적어도 하나의 제1렌즈 소자 및 제2다각형 형상의 제2렌즈 소자를 포함하고,
상기 제1렌즈 구조는 제1주표면을 완전히 덮으며, 그리고
상기 제1렌즈 소자 및 상기 제2렌즈 소자는 서로 합동이 아니거나/아니며 상기 캐리어판의 제1주표면상에서의 배향이 서로 상이하다.
여기서, 그리고 이하에서 제1 및 제2렌즈 소자가 다각형 형상이라는 것은, 제1렌즈 소자 및 제2렌즈 소자가 각각 곡면을 가질 수 있으며, 상기 곡면은 제1 및 제2다각형 형상을 포함한 경계선에 의해 한정됨을 의미할 수 있다.
특히, 여기서 그리고 이하에서 "다각형"이란 제1다각형 형상 및 제2다각형 형상과 관련하여, 제1형상 및/또는 제2형상은 예를 들면 규칙적 또는 불규칙적 n-각이며, 이 때 n은 3이상임을 의미할 수 있다. n각들 사이의 연결선은 직선이거나 곡선일 수 있다. n각은 평면일 수 있어, 일 평면에 위치할 수 있다. 또는, 다각형 형상이 곡면 표면상에 배치될 수 있다. 이는, 다각형 형상이 적어도 부분적으로 곡선인 경계선으로 형성되며, 상기 경계선은 일 평면에 위치하지 않음을 의미할 수 있다.
본 명세서에 설명되는 광 부품은, 특히, 가령 스크린과 같은 조사될 면상에 광원을 결상하고, 이 때 광원의 비균일한 발광 인상을 균일하게 하며, 조사될 면상에 원형의 광 분포가 생성되도록 하기에 적합할 수 있다. 조사되는 원형면을 생성하기 위해, 이제까지는 원형 마이크로 렌즈가 사용되었으나, 상기 렌즈는 광범위하게 배치될 수 없다. 따라서, 이 경우 마이크로 렌즈에 의해 덮이지 않는 영역들이 발생하고, 상기 영역들에 의해 소위 부 영상(sub images) 또는 고스트 영상(ghost images)이 발생한다. 이러한 고스트 영상을 방지하기 위해, 원형 마이크로 렌즈에 의해 덮이지 않은 영역들은 광 흡수성이어야 하며, 즉 검은 색으로 처리되어야 하는데, 이는 다시 방출된 광속의 감소를 야기한다. 이러한 단점은 본 명세서에 설명된 광 부품에 의해 방지될 수 있는데, 특히 렌즈 소자의 다각형 형상에 의해 예를 들면 원형 마이크로 렌즈에 비해 캐리어판의 제1주표면이 제1렌즈 구조에 의해 완전히 덮일 수 있고, 이 때 인접한 2개의 렌즈 소자들, 예를 들면 제1 및 제2렌즈 소자는 항상 부분적으로 공통의 경계선을 가지기 때문이다. 예를 들면, 제1다각형 형상 및 제2다각형 형상은 각각 불규칙적인 육각형일 수 있으며, 부분적으로 공통의 경계선을 가질 수 있다.
여기서, 그리고 이하에서 제1렌즈 소자 및 제2렌즈 소자에 대해 "합동이 아님"은, 제1다각형 형상 및 제2다각형 형상이, 예를 들면 상기 제1렌즈 소자가 어떠한 회전 및 평행 이동(translation)에 의해서도 상기 제1 및 제2다각형 형상이 합동을 이룰 수 있도록 정렬될 수 없도록 형성됨을 의미할 수 있다. 상기 회전은 특히 제1주표면의 주 연장면에 대해 상대적인 회전축에 의해 정의될 수 있다. 따라서, 회전축은 제1주표면의 주 연장면의 면 법선일 수 있다. 평행 이동은 제1주표면의 주 연장면에 대해 평행하게 정의될 수 있다. 제1다각형 형상 및 제2다각형 형상은 예를 들면 그 각이 서로 다르고, 각 사이의 연결선이 서로 다르며, 크기가 서로 다르거나, 그 조합을 포함할 수 있다. 또한, 제1다각형 형상은 제2다각형 형상에 대해 축대칭 또는 점대칭일 수 있고, 이 때 제1 및 제2다각형 형상은 그 자체로 각각 축대칭 또는 점대칭을 가지지는 않는다.
부가적 또는 대안적으로, 제1렌즈 소자 및 제2렌즈 소자에 대해 "합동이 아님"은, 제1 및 제2 렌즈 소자가 각각 곡면을 가지며, 상기 두 소자가 상기에 기술된 의미에서 합동이 아님을 의미할 수 있다. 제1렌즈 소자의 곡면은 어떠한 회전 및 평행 이동에 의해서도 제2렌즈 소자의 곡면과 합동을 이룰 수 없다.
캐리어판상의 제1주표면에서 제1렌즈 소자 및 제2렌즈 소자의 배향이 서로 상이하다는 것은, 특히, 제1렌즈 소자가 제2렌즈 소자에 대해 상대적으로 일 회전축을 중심으로 회전되고, 평행 이동되어 제1주표면상에 배치됨을 의미할 수 있다. 예를 들면 제1렌즈 소자 및 제2렌즈 소자는 합동일 수 있다. 이 때 회전축은, 특히, 제1주표면의 주 연장면에 대한 면 법선일 수 있다.
광원의 광이 광 부품을 투과하면, 제1 및 제2렌즈 소자는 예를 들면 스크린상에 광원의 상을 각각 영사할 수 있다. 제1렌즈 소자 및 제2렌즈 소자가 합동이 아니거나/아니고 캐리어판의 제1주표면상의 배향이 같지 않음으로써, 제1 및 제2렌즈 소자로부터의 결상은 서로 상이할 수 있다. 이를 통해, 직접적으로, 비균일하게 방출되는 광원으로부터 생성된 상이 광 부품을 이용하면 상기 광 부품을 이용하지 않은 광원으로부터 생성되는 경우에 비해 더 균일한 광 인상을 야기할 수 있다.
광 부품은, 특히, 예를 들면 단색 또는 다색의 광을 방출하는 광원의 광학 경로에 배치되기에 적합할 수 있다. 그러나, 광원의 선택은 광 부품용으로 한정되지 않는다. 여기서, 그리고 이하에서 "광"은 특히 자외 스펙트럼 영역으로부터 적외 스펙트럼 영역으로, 특히 가시 스펙트럼 영역으로부터 적외 스펙트럼 영역에 이르는 하나 이상의 파장을 가지는 전자기 복사를 가리킬 수 있다.
또한, 제1주표면 또는 제2주표면이 광원을 향해 있고, 그에 상응하여 제1 또는 제2렌즈 구조가 광 부품의 복사 입사면일 수 있다. 제1주표면 및 제2주표면과는 다른 주표면은 광원으로부터 반대 방향에 있을 수 있어서, 제1 및 제2렌즈 구조와는 다른 렌즈 구조는 광 부품의 복사 출사면일 수 있다.
광원은 예를 들면 복수 개의 발광 부재들로 구성된 조립체를 포함할 수 있고, 상기 조립체는 예를 들면 관찰자에게 서로 다른 광 인상을 야기할 수 있어서, 광원이 그 자체로 광 부품 없이 비균일한 휘도 분포 및/또는 비균일한 색 분포를 가진다. 광 부품은, 복수 개의 발광 부재의 서로 다른 광 인상을 중첩시키되, 관찰자에게 균일한 광 인상이 야기될 수 있도록 중첩시키기에 적합할 수 있다. 이는, 광원으로부터 방출되는 광, 즉 특히 복수 개의 발광 부재들 각각으로부터 방출되는 광이 제1렌즈 구조를 이용하여 결상됨으로써 가능할 수 있다. 특히, 광원의 광은 제1렌즈 소자 및 제2렌즈 소자를 이용하여 제1렌즈 구조의 뒤에 결상될 수 있고, 이 때 제1렌즈 소자에 의한 광원의 광의 상 및 제2렌즈 소자에 의한 광원의 광의 상은 제1렌즈 구조의 뒤에서 중첩되어 결상될 수 있다. 제1형상 및 제2형상이 합동이 아니거나/아니고 캐리어판의 제1주표면상의 배향이 서로 상이함으로써, 상기에 기술된 바와 같이, 제1 및 제2렌즈 소자의 각 상은 동일하지 않고, 상들의 중첩에 의해 상기 상들이 혼합될 수 있다. 상들이 혼합됨으로써 광원의 비균일한 광 인상이 감소하거나 방지될 수 있다. 따라서, 예를 들면, 개별 렌즈 소자가 각각 다각형 형상을 가짐에도 불구하고, 광 부품의 뒤에서 스크린상에 원형의 광 분포가 얻어질 수 있다. 이제까지 공지된 원형 렌즈를 포함하는 렌즈 어레이의 경우, 원형 휘도 분포가 달성될 수 있긴 하나, 상기에 기술한 바와 같이 이러한 휘도 분포가 부 영상 또는 고스트 영상을 포함하고, 이는 원형 렌즈에 의해 덮이지 않은 영역들이 검게 처리됨으로써 방지될 필요가 있었다. 이와 달리, 이제까지 공지된, 동일한 방식이고 동일한 배향을 가지며 각진 렌즈들로 이루어진 렌즈 어레이는 원형 휘도 분포 대신, 렌즈의 형상을 가지는 형태로 뚜렷하게 경계지어진 휘도 분포만이 가능할 수 있었다.
특히, 제1렌즈 구조의 혼합 효과는, 제1렌즈 구조가 다수의 렌즈 소자를 포함하고, 다수의 렌즈 소자 각각이 다각형 형상을 가짐으로써 향상될 수 있다. 제1렌즈 구조의 다수의 렌즈 소자에 속하는 렌즈 소자가 적어도 부분적으로 각각 쌍의 형태로 합동이 아니거나/아니고 캐리어판의 제1주표면상의 배향이 서로 다를 수 있다. 특히, 제1렌즈 구조는 제1렌즈 구조의 다수의 렌즈 소자에 속하는 모든 렌즈 소자가 쌍의 형태로 합동이 아니거나/아니고 캐리어판의 제1주표면상의 배향이 서로 상이하도록 형성될 수 있다.
각각 인접하는 렌즈 소자는 각 다각형 형상에 있어 부분적으로 공통의 경계선을 가질 수 있어서, 제1렌즈 구조의 다수의 렌즈 소자 및 그로 인해 제1렌즈 구조 자체도 제1주표면을 완전히 덮을 수 있다. 상기에 기술한 바와 같이, 다수의 렌즈 소자 각각은 예를 들면 스크린상에 광원의 상을 생성할 수 있다. 다수의 렌즈 소자가 서로 상이하고, 제1주표면상에서 규칙적이고 동일한 방식으로는 결코 배치되지 않음으로써, 서로 겹치는 다양한 광원의 상이 다수로 모여 스크린상에 생성될 수 있고, 그 결과 스크린상에 원형의 균일한 휘도 분포가 발생할 수 있다.
또한, 광 부품은 제2주표면상에서 제2렌즈 구조를 포함할 수 있다. 이상 및 이하에 기술되는 제1렌즈 구조와 관련된 특징은 개별적으로 또는 전체적으로 제2렌즈 구조에도 적용될 수 있다.
특히, 제2렌즈 구조는 제1주표면상의 제1렌즈 구조에 대해 거울 반전될 수 있다. 이는, 제2렌즈 구조가 제1렌즈 구조의 거울상과 합동임을 의미할 수 있다. 바꾸어 말하면, 제1렌즈 구조 및 제2렌즈 구조가 제1 및/또는 제2주표면의 주 연장면에 대해 평행한 대칭면에서 서로 대칭임을 의미한다. 그 결과, 제2렌즈 구조는 적어도 하나의 제1 및 제2렌즈 소자를 포함할 수 있고, 상기 렌즈 소자들은 적어도 제1주표면상의 제1 및 제2렌즈 소자에 비해 제2주표면상에서 서로 거울 반전되게 배치된다.
특히, 캐리어판은 제1렌즈 구조와 일체형으로 형성될 수 있다. 이는, 제1주표면이 제1렌즈 구조의 표면 및 제1렌즈 구조의 렌즈 소자의 전체 표면으로 형성됨을 의미할 수 있다. 렌즈 소자는 특히 구면이거나 비구면인 볼록 렌즈의 일부로 형성될 수 있다. 바꾸어 말하면, 제1주표면상의 제1렌즈 구조를 포함한 캐리어판이 다수의 볼록 렌즈로 형성되며, 상기 렌즈는 서로 마주하여 관통됨을 의미할 수 있다.
구면 렌즈의 일부로 형성된 렌즈 소자에 의해 제조가 간단해질 수 있다. 비구면 렌즈의 일부로 형성된 렌즈 소자에 의해, 높은 개구수에서 발생하는 구면 수차를 보정할 수 있다.
제1 및 제2렌즈 소자는 각각 초점 거리를 가질 수 있다. 특히, 제1 및 제2렌즈 소자가 동일한 초점 거리를 가지는 경우가 유리할 수 있다. 제1렌즈 구조가 다수의 렌즈 소자를 포함하는 경우, 모든 렌즈 소자가 동일한 초점 거리를 가지는 것이 유리할 수 있다.
또한, 제1렌즈 구조를 포함한 캐리어판의 두께 또는 제1 및 제2렌즈 구조를 포함한 캐리어판의 두께는 렌즈 소자의 초점 거리, 특히 제1 및 제2렌즈 소자의 초점 거리의 이하일 수 있다. 캐리어판의 두께가 렌즈 소자의 초점 거리보다 작을 경우, 예를 들면 스크린상에서 렌즈 소자의 각 상의 초점이 이탈(defocusing)될 수 있다. 이러한 초점 이탈에 의해 스크린상에서 휘도 분포의 균일도가 향상될 수 있다.
캐리어판 및/또는 제1렌즈 구조 및/또는 제2렌즈 구조는 광 플라스틱, 또는 예를 들면 폴리카보네이트(PC), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA)와 같은 폴리머, 실리콘 또는 에폭시, 유리, 또는 가령 GaP 또는 SiC와 같은 반도체 물질 또는 이들의 혼합물 또는 조성물을 포함할 수 있다. 캐리어판 및/또는 제1렌즈 구조 및/또는 제2렌즈 구조의 제조는 가령 상기 명시한 플라스틱의 사출 성형, 이송 성형 또는 압축 성형과 같은 성형 공정에 의해 이루어질 수 있다. 이를 위해, 예를 들면 적합한 성형 도구가 제공될 수 있으며, 상기 도구는 제1 및/또는 제2렌즈 구조를 가진 캐리어판의 음각 틀(negative mold)을 포함한다. 이 때, 가령 렌즈 소자의 음각 틀은 예를 들면 밀링(milling)에 의해 성형 도구의 표면에 삽입 가공될 수 있다. 또한, 캐리어판 및/또는 제1렌즈 구조 및/또는 제2렌즈 구조는 밀링, 그라인딩, 식각 또는 상기에 기술된 제공 물질들 중 하나의 조합에 의해 형성될 수 있다. 상기 식각은 가령 소위 리플로우(reflow) 식각이 있다.
적어도 일 실시예에 따르면, 조명 장치는
동작 시 한정된 입체각 영역으로 광을 방출하는 광원; 및
상기에 명시한 실시예들 중 하나에 따른 광 부품을 포함한다.
특히, 광원은 발광 다이오드(LED)로 구성된 조립체를 포함할 수 있고, 상기 발광 다이오드는 예를 들면 각각 적색, 녹색 또는 청색광을 방출할 수 있다. LED로부터 각각 방출된 광이 중첩되어 백색의 광 인상이 생성될 수 있다. 예를 들면, 광원은 방출 방향에서 나란히 배치되는 4개의 LED를 포함하고, 각각, 하나의 LED는 적색 스펙트럼 영역에서 복사를 방출하고, 2개의 LED는 녹색 스펙트럼 영역에서 복사를 방출하며, 하나의 LED가 청색 스펙트럼 영역에서 복사를 방출한다("RGGB-LED"). 또는, 유색 LED의 다른 조합도 사용될 수 있는데, 가령 하나의 적색, 청색 및 녹색 방출 LED 또는 가령 하나의 청색 및 황색 방출 LED의 경우가 그러하다. 또한, 광원은 가령 백색과 같은 혼합색의 광을 방출할 수 있는 LED를 포함할 수 있다. LED는 예를 들면 하나의 광원에서 나란히 배치될 수 있으므로, 이러한 광원에 의해서만 비균일한 휘도 분포 및/또는 비균일한 색 분포의 형태로 비균일한 광 인상이 관찰자에게 야기되고, 이러한 비균일한 광 인상은 조명 목적으로 반드시 필요하지 않을 수 있다.
광원의 LED는 예를 들면 에피택시얼 성장되는 반도체 층 시퀀스를 포함할 수 있다. 이 때, 반도체 층 시퀀스는 예를 들면 가령 InGaAlN과 같은 무기 물질계일 수 있고, 가령 GaN-박막 반도체칩일 수 있다. InGaAlN계 반도체칩이란 특히, 에피택시얼 제조된 반도체 층 시퀀스가 일반적으로 서로 다른 개별층들로 구성된 층 시퀀스를 포함하고, 상기 반도체 층 시퀀스가 포함하는 적어도 하나의 개별층이 III-V-화합물 반도체 물질계 InxAlyGa1 -x- yN의 물질을 포함하는 경우를 가리키며, 이 때 0≤x≤1, 0≤y≤1, x+y≤1이다. 대안적 또는 부가적으로, 반도체 층 시퀀스는 InGaAlP계일 수 있는데, 즉 반도체 층 시퀀스가 서로 다른 개별층들을 포함하고, 그 중 적어도 하나의 개별층은 III-V 화합물 반도체 물질계 InxAlyGa1 -x- yP의 물질을 포함하며, 이 때 0≤x≤1, 0≤y≤1, x+y≤1이다. 대안적 또는 부가적으로, 반도체 층 시퀀스는 예를 들면 AlGaAs계 물질과 같은 다른 III-V 화합물 반도체 물질계를 포함하거나, II-VI 화합물 반도체 물질계를 포함할 수 있다.
반도체 층 시퀀스는 광 생성을 위해 예를 들면 종래의 pn접합, 이중 이종 구조, 단일 양자 우물 구조(SQW-구조) 또는 다중 양자 우물 구조(MQW-구조)를 포함할 수 있다. 반도체 층 시퀀스는 활성 영역외에 다른 기능층들 및 기능 영역들을 포함할 수 있고, 가령 p형 또는 n형 도핑된 전하 캐리어 수송층, 즉 전자- 또는 정공 수송층, p형 또는 n형 도핑된 속박층 또는 클래딩층, 장벽층, 평탄화층, 버퍼층, 보호층 및/또는 전극 및 이들의 조합을 포함할 수 있다. 활성 영역 또는 다른 기능층들 및 영역과 관련하는 그러한 구조는 당업자에게 특히 그 구성, 기능 및 구조와 관련하여 공지되어 있으므로, 이 부분에서 상세히 설명하지 않는다.
광원은 LED로 구성된 조립체보다 뒤에 배치될 수 있는 시준기를 더 포함할 수 있다. 시준기는, LED로부터 방출된 광이 한정된 입체각 영역으로 안내되고, 예를 들면 렌즈 및/또는 오목 거울, 가령 포물면 거울이거나 그것을 포함하기에 적합할 수 있다.
이하, 본 발명의 다른 이점, 유리한 실시예 및 발전예는 도 1A 내지 6E와 관련하여 설명된 실시예로부터 도출된다.
도 1A 내지 1C는 일 실시예에 따른 광 부품의 개략도이다.
도 2A 및 2B는 다른 실시예에 따른 광 부품의 개략도이다.
도 3은 다른 실시예에 따른 조명 장치의 개략도이다.
실시예 및 도면에서 동일하거나 동일한 기능의 요소는 각각 동일한 참조 번호를 가질 수 있다. 도시된 요소 및 그 크기비는 기본적으로 축척에 맞는 것으로 볼 수 없으며, 오히려 가령 층, 부품, 소자 및 영역과 같은 개별 요소는 더 나은 표현 및/또는 더 나은 이해를 위해 과장되어 두껍거나 큰 치수로 도시되어 있을 수 있다.
도 1A 내지 1C에는 광 부품(100)의 일 실시예가 도시되어 있다. 이 때, 도 1C의 도면은 도 1A에 표시된 절단선 CC를 따르는 광 부품(100)의 단면도를 도시한다. 도 1A는 도 1C에 표시된 AA 방향으로부터 본 광 부품의 전면도를 도시하는 반면, 도 1B는 도 1C에 표시된 BB 방향으로부터 본 후면도를 도시한다. 이하의 설명은 도 1A 내지 1C에 동일하게 관련된다.
광 부품(100)은, 광 플라스틱으로 구성되며 동심원형 형태를 가지는 캐리어판(1)을 포함한다. 이에 대해 대안적으로, 캐리어판(1)은 다각형 형상 또는 타원형 형상을 가지거나, 이들의 조합을 가질 수 있다. 캐리어판(1)은 이하에 기술된 제1 및 제2렌즈 구조(4, 5)와 함께 일체형으로, 성형 공정을 이용하여 제조된다.
캐리어판(1)은 제1렌즈 구조(4)를 가진 제1주표면(2) 및 상기 제1주표면(2)과 반대 방향에 위치하며 제2렌즈 구조(5)를 가진 제2주표면(3)을 포함한다. 제1주표면(2)은 제1주표면(2)을 완전히 덮는 제1렌즈 구조(4)로 형성된다. 반면, 제2주표면은 제2렌즈 구조(5)로 형성되어, 상기 제2렌즈 구조(5)가 제2주표면(3)을 완전히 덮는다. 제1주표면(2)은 주 연장 방향(20)을 더 포함하는 반면, 제2주표면(3)은 그에 대해 평행한 주 연장 방향(30)을 포함한다. 주 연장 방향(20, 30)에 의해 도 1C에 도시된 바와 같은 면 법선(21)이 정의된다.
제1렌즈 구조(4)는 다수의 렌즈 소자를 포함하며, 그 중 예를 들면 제1렌즈 소자(41), 제2렌즈 소자(42) 및 다른 렌즈 소자(43)가 표시되어 있다. 도시된 렌즈 소자의 수는 순수하게 예시적인 것이며 한정적이지 않다. 도시된 실시예에 대해 대안적으로, 캐리어판은 예를 들면 렌즈 구조(4)로서의 제1 및 제2 렌즈 소자(41, 42)만을 포함할 수 있다.
제1 및 제2렌즈 소자(41, 42)는 제1렌즈 구조(4)의 모든 다른 렌즈 소자와 마찬가지로 다각형 형상을 가진다. 특히, 제1렌즈 소자(41)는 제1다각형 형상을 가지는 반면, 제2렌즈 소자(42)는 제2다각형 형상을 가진다. 제1 및 제2다각형 형상은 합동이 아닌데, 예를 들면 제1렌즈 소자(41)의 제1다각형 형상은 면 법선(21)에 대해 평행한 회전축을 중심으로 회전에 의해, 그리고 평행 이동에 의해서도 제2다각형 형상으로 바뀌지 않기 때문이다. 제1주표면(2)의 테두리 영역에 간접적으로 한정되는 모든 렌즈 소자의 다각형 형상은 육각형이다. 이를 통해, 제1주표면(2)이 제1렌즈 구조(4)에 의해 완전하고 틈 없이 덮일 수 있다.
이와 달리, 예를 들면 제1렌즈 소자(41) 및 다른 렌즈 소자(43)는 캐리어판(1)의 제1주표면(2)상의 배향과 관련하여 상이하다. 제1렌즈 소자(41) 및 다른 렌즈 소자(43)는 합동이긴 하나, 면 법선(21)에 대해 평행한 회전축을 중심으로 서로 마주하여 회전되고, 평행 이동되어 캐리어판(1)상에 배치된다.
또한, 제1렌즈 구조(4)의 렌즈 소자는 소용돌이 구조를 포함한다. 즉, 렌즈 소자는 제1주표면의 중심점(70)과의 간격이 점점 증가하면서 점점 더 많이, 면 법선(21)에 대해 평행한 회전축을 중심으로 회전된다. 이 때, 렌즈 구조(4)의 각 렌즈 소자는 방사 방향에서 그와 직접 인접한 렌즈 소자에 대하여 회전된다. 렌즈 소자들이 비합동으로 형성되는 것 외에, 이러한 회전은 렌즈 소자의 가능한 대칭을 더 파괴하는데 기여한다.
또한, 각 렌즈 소자는, 주표면(2)상에 위치하며 중심점(70)과의 간격이 증가하면서 작아지는 면을 포함한다. 이를 통해, 광 부품의 방출 특성에 영향을 미칠 수 있으며, 이는 도 3과 관련하여 상세히 설명된다.
또한, 광 부품(100)은 제2주표면(3)상의 제2렌즈 구조(5)를 포함하고, 상기 제2렌즈 구조는 제1렌즈 구조(4)에 거울 반전된다. 즉, 제2렌즈 구조는 제1렌즈 구조에 비해 각각 거울 반전되어 형성되고 거울 반전되어 배치된 렌즈 소자를 포함하고, 이는 순수히 예시적 목적으로 제2렌즈 구조(5)의 제1렌즈 소자(51) 및 제2렌즈 소자(52)에 의거하여 도시되며, 상기 렌즈 소자는 제1렌즈 구조(4)의 제1 또는 제2렌즈 소자(41, 42)에 대응된다.
광 부품(100)은 광원과 관련하여 원거리장에서 동심원형 형태를 보이는 균일한 휘도 분포를 생성하기에 적합하다. 예를 들면 도시된 실시예에 대해 대안적으로 렌즈 소자가 모두 서로 평행하게 정렬되는 길고 다각형이면서 서로 합동이 아닌 형상을 가지는 경우, 원거리장에서 타원형 형상으로 균일한 휘도 분포가 생성될 수 있다.
도 1A 내지 1C에 도시된 렌즈 소자 배치에 대해 대안적으로, 렌즈 소자는 쌍에 따라 모두 서로 다를 수 있으며, 즉 합동이 아닐 수 있다.
도 1C에서 확인할 수 있는 바와 같이, 각 렌즈 소자는 캐리어 몸체(1)의 2개의 주 표면들(2, 3) 중 각 하나에서 곡면 표면을 포함한다. 또한, 도시된 실시예에서, 모든 렌즈 소자는 곡면이 동일한 표면들 및 그로 인해 동일한 초점 거리를 가진다. 도시된 실시예에서, 렌즈 소자는 양면 볼록 렌즈의 부분들에 상응하며, 이 때 도 1C에서 기초적인 가상의 양면 볼록 렌즈(11, 12 13)는 예를 들면 캐리어 몸체(1)에서 점선으로 표시되어 있다. 캐리어 몸체(1), 그리고 제1 및 제2렌즈 구조(4, 5)는 서로 중첩되는 렌즈로 이해될 수 있다.
광 부품의 기초가 되는 가상 렌즈의 각 실시예에 따라, 특히 렌즈 소자들의 중심점은 제1 또는 제2주표면(2, 3)상의 규칙적 배열과 다를 수 있다. 특히, 렌즈 소자에 있어 임의적으로 분포하는 통계적 중심점 분포는 상기에 기술한 균일한 방출 특성 및 광 부품(100)의 원거리장에서의 휘도 분포에 기여할 수 있다.
도시된 실시예에 대해 대안적으로, 캐리어판(1)은 서로 중첩되는 평면 볼록 렌즈(11, 12, 13)로 형성될 수 있다. 즉, 이 경우, 캐리어판(1)은 평면으로 형성된 제2주표면(3)을 포함함으로써, 상기 제2주표면(3)상에서 어떠한 제2렌즈 구조(5)도 직접적으로 인지될 수 없다. 이에 대해 대안적으로, 제1 및/또는 제2렌즈 구조(4, 5)의 렌즈 소자는 구면 또는 비구면으로 오목 형성될 수 있다.
도 2A 및 2B에는 광 부품(200)을 위한 다른 실시예가 도시되어 있다. 도 2A 및 2B는 각각 광 부품(200)의 일부를 도시하며, 이 때 도 2A는 캐리어 몸체(1)의 일부에 대한 3차원도를, 도 2B는 제1렌즈 구조(4)를 포함한 제1주표면(2)의 일부에 대한 평면도를 도시한다.
선행한 실시예의 경우와 같이, 광 부품(200)은 제1주표면(2)상의 제1렌즈 구조(4) 및 그에 대해 거울 반전으로 형성되는 제2주표면(3)상의 제2렌즈 구조(5)를 가진 캐리어 몸체(1)를 포함한다. 제1 및 제2렌즈 구조(4, 5)는 각각 다수의 렌즈 소자를 포함하며, 그 중 예를 들면 제1렌즈 구조의 렌즈 소자(41, 42, 43)가 도시되어 있다. 렌즈 소자는 모두 다각형 형상을 가지며, 합동이 아닌 육각형 형상이고, 상기 렌즈 소자는 직접 상호 간에 인접하며 연결된다. 따라서, 광 부품(200)에 있어 전체의 제1 및 제2주표면(2, 3)은 렌즈 소자에 의해 덮일 수 있고, 상기 렌즈 소자는 모두 광학적 결상을 위해 기여한다.
선행한 실시예의 경우와 같이, 렌즈 소자는 상기 렌즈 소자의 상호간 상대적 배치에서 소용돌이 구조를 가질 뿐만 아니라, 상기 렌즈 소자의 각 면은 캐리어판(1)의 제1주표면(2)의 (미도시된) 중심점과의 간격에 대해 비례적으로 작아진다.
광 부품(200)은 예를 들면 1 cm이상이며 수 10 cm이하의 직경을 가진 동심원형 형태를 가질 수 있다. 캐리어판(1)의 두께(10)는 원하는 집속 특성 또는 초점 이탈 특성에 따라 100 ㎛이상 및 수 mm이하일 수 있다. 조명 장치의 경우 유리하게는, 예를 들면 캐리어 몸체는 약 10 cm의 직경 및 약 2 mm의 두께를 가진다. 렌즈 소자의 초점 거리가 약 2 mm일 때 상기 렌즈 소자의 평균 직경은 약 1 mm이어서, 제1 또는 제2렌즈 구조(4, 5)는 각각 약 10000개의 렌즈 소자를 포함한다.
이에 대해 대안적으로, 캐리어판(1)의 두께(10)는 예를 들면 약 500 ㎛일 수 있고, 렌즈 소자의 초점 거리는 약 500 ㎛일 수 있다.
도 3에는 조명 장치(300)의 일 실시예가 도시되어 있다. 조명 장치(300)는 광원(6)을 포함하고, 도시된 실시예에서 상기 광원은 캐리어(60)상에서 4개의 LED(61, 62, 63, 64)를 포함한다. LED(61)는 동작 시 적색광을 방출하고, LED(62, 63)는 녹색광을, LED(64)는 청색광을 방출한다. 캐리어(60)상의 LED(61 내지 64)는 방출 방향에서 나란히 배치되므로, LED(61 내지 64)를 포함한 캐리어(6)로부터 방출된 광은 비균일한 휘도 분포 및 색 분포를 가진다.
광원(6)은 시준기(7)를 더 포함하고, 상기 시준기는 방출 방향에서 LED(61 내지 64)의 뒤에 배치되며 상기 LED(61 내지 64)로부터 방출된 광을 한정된 입체각 영역에서 시준한다. 선행한 실시예의 경우와 같은 광 부품(200)은 상기 시준기(7)보다 뒤에 배치되며, 이는 도 3에서 일부만 도시되어 있다. 특히, LED(61 내지 64) 및 시준기(7)를 포함한 광원(6), 그리고 광 부품(200)은 공통의 광학 축(미도시)을 따라 배치된다.
도시된 실시예에서, 시준기(7)는 렌즈로 형성된다. 이러한 렌즈는 예를 들면 프레넬 렌즈일 수 있다. 그러나, 시준기(7)에 의해 방출된 광은 LED(61 내지 64)를 포함한 캐리어(60)로부터 직접 방출되는 광의 경우와 같이 비균일한 휘도 분포 및 색 분포를 가진다.
캐리어(60) 및 시준기(7) 사이에 점선으로 표시된 바와 같이, 시준기(7)의 측으로부터 볼 때 LED(61 내지 64)는 시준기의 중심에서 최대각(83)아래 있는 것으로 보이는 반면, 시준기(7)의 테두리에서 볼 때 최소각(82) 아래 있는 것으로 보인다. 종래의 결상계에서 얻어진 에텐듀에 의해, LED(61 내지 64)의 광은 시준기(7)의 중심에서보다 상기 시준기(7)의 테두리에서 더 강하게 집속된다. 시준기의 테두리에서, 광은 최소 개구각(84)으로 방출되는 반면, 시준기(7)의 중심에서 광은 최대각(83)으로 방출된다. 반드시 조명 목적을 위해서는, 한정된 입체각 영역으로 이와 같이 지향된 방출이 필요할 수 있다.
광원(6)의 방출 특성은, 예를 들면, 광학축을 따라 방출되는 광 세기가 절반으로 감소할 때의 개구각에 상응하는 개구각을 가진 복사 원뿔에 의해 설명될 수 있다. 광원이 시준된 광을 방출하는 한정된 입체각 영역을 정의하는 개구각은 예를 들면 시준기(7) 및 LED(61 내지 64) 사이의 간격에 의해 조절될 수 있다.
시준기(7)로부터 방출된 광의 개구각이 외부쪽으로 가면서 작아지는 경우의 시준기(7)에 대해 앞서 설명된 방출 특성에 의해, 선행한 실시예와 관련하여 설명된 바와 같은 광 부품(200)의 제1 및 제2렌즈 구조(4, 5)의 렌즈 소자의 경우, 캐리어판(1)의 중심점으로부터 더 멀리 이격 배치된 렌즈 소자의 면은 캐리어판(1)의 중심점에 더 근접하여 배치된 렌즈 소자의 면보다 작게 형성된다.
제1렌즈 구조(4)를 가진 제1주표면(2)은 광원(6)으로부터 방출된 광을 위한 광 부품(200)의 복사 입사면을 형성하는 반면, 제2렌즈 구조(5)를 가진 제2주표면(3)은 복사 출사면을 형성한다. 도 3에서 확인할 수 있는 바와 같이, 캐리어판(1)의 두께(10) 및 제1렌즈 구조(4)의 렌즈 소자의 초점 거리는, 광원(6)으로부터 광 부품(200)에 입사되는 광빔이 제1렌즈 구조(4)의 각 렌즈 소자에 의해 그 뒤에 위치한 제2렌즈 구조(5)의 렌즈 소자상에, 즉 복사 출사면상에 결상되도록 선택될 수 있다.
복사 출사면, 즉 제2렌즈 구조(5)의 렌즈 소자로부터 광이 방출될 때의 방출각은 예시적으로 각(91, 92)으로 표시된 바와 같이 시준기(7)의 방출각의 경우와 유사하게 거동한다. 광원(6)의 방출 특성, 그리고 제1 및 제2렌즈 구조(4, 5)의 렌즈 소자의 배치에 의해, 캐리어판(1)의 중심점에 근접하여 배치된 렌즈 소자의 경우에 비해, 캐리어판(1)의 중심점으로부터 멀리 이격된 렌즈 소자로부터의 광이 전면 방향으로 더 강하게 방출되며, 즉 더 작은 개구각으로 방출된다.
또한, 상기 도면에 도시된 광 부품(300)은 광원(6)으로부터 방출된 광의 매우 양호한 혼합을 특징으로 한다. 여기에 도시된 제1 및 제2렌즈 구조(4, 5)는 렌즈 소자의 높은 공간적 해상도를 구현하며, 이는 다시, 복사 입사면을 형성하는 제1렌즈 구조(4)상에서의 비균일한 밝기 분포 및/또는 색 분포가 다수의 렌즈 소자에 의해 복사 출사면 또는 제2렌즈 구조(5)상에 결상되고, 제2렌즈 구조(5)에 의해 원거리장에서 중첩되도록 한다. 이러한 중첩은 광원(6)의 모든 상으로 구성되며, 상기 상은 각 개별 렌즈 소자에 의해 복사 출사면을 형성하는 제2렌즈 구조(5)상에 또는 그 뒤에 생성된다.
본 발명은 실시예에 의거한 설명에 의하여 상기 설명에 한정되지 않는다. 오히려 본 발명은 각 새로운 특징 및 특징들의 각 조합을 포함하고, 이는 특히 특허 청구 범위에서의 특징들의 각 조합을 포함하며, 비록 이러한 특징 또는 조합이 그 자체로 명백하게 특허 청구 범위 또는 실시예에 기술되지 않더라도 그러하다.

Claims (15)

  1. 제1주표면(2) 및 상기 제1주표면(2)과 반대 방향인 제2주표면(3)을 가진 캐리어판(1); 그리고 상기 제1주표면(2)상의 제1렌즈 구조(4)를 포함하는 광 부품에 있어서,
    상기 제1렌즈 구조(4)는 제1다각형 형상을 가진 제1렌즈 소자(41) 및 제2다각형 형상을 가진 제2렌즈 소자(42)를 적어도 포함하고;
    상기 제1렌즈 구조(4)는 상기 제1주표면(2)을 완전히 덮으며; 그리고
    상기 제1렌즈 소자(41) 및 상기 제2렌즈 소자(42)는 서로 합동이 아니거나/아니고 상기 캐리어판(1)의 제1주표면(2)상에서 배향이 서로 다른 것을 특징으로 하는 광 부품.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2주표면(3)상에서 제2렌즈 구조(5)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광 부품.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 제2주표면(3)상의 제2렌즈 구조(5)는 상기 제1주표면(2)상의 제1렌즈 구조(4)에 대해 거울 반전되는 것을 특징으로 하는 광 부품.
  4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1렌즈 소자(41) 및 상기 제2렌즈 소자(42)는 상기 캐리어판(1)상에서 서로 마주하여 회전되어 배치되는 것을 특징으로 하는 광 부품.
  5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1다각형 형상 및 상기 제2다각형 형상은 서로 다르게 형성되는 것을 특징으로 하는 광 부품.
  6. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 캐리어판(1)은 상기 제1렌즈 구조(4)와 일체형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 광 부품.
  7. 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1렌즈 소자(41)는 상기 제1다각형 형상을 가진 경계선에 의해 한정되는 곡면을 포함하고; 그리고
    상기 제2렌즈 소자(42)는 상기 제2다각형 형상을 가진 경계선에 의해 한정되는 곡면을 포함하는 것을 특징으로 하는 광 부품.
  8. 청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1렌즈 소자(41) 및 상기 제2렌즈 소자(42)는 동일한 초점 거리를 가지는 것을 특징으로 하는 광 부품.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 캐리어판(1)의 두께(10)는 상기 제1렌즈 소자 및 상기 제2렌즈 소자(41, 42)의 초점 거리보다 작은 것을 특징으로 하는 광 부품.
  10. 청구항 1 내지 청구항 9 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 캐리어판(1)은 플라스틱, 반도체 물질 및 유리로 구성된 군으로부터의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 광 부품.
  11. 청구항 1 내지 청구항 10 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1다각형 형상 및 상기 제2다각형 형상은 각각 육각형인 것을 특징으로 하는 광 부품.
  12. 청구항 1 내지 청구항 11 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1렌즈 구조(4)는 각각 다각형 형상을 가진 다수의 렌즈 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 부품.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 제1주표면(2)은 중심점(70)을 포함하고, 그리고
    상기 다수의 렌즈 소자 각각은 상기 제1주표면(2)상에서 상기 중심점(70)과의 간격이 증가하면서 작아지는 면을 포함하는 것을 특징으로 하는 광 부품.
  14. 청구항 12 또는 청구항 13에 있어서,
    상기 다수의 렌즈 소자 및 그에 인접한 렌즈 소자는 서로 마주하여 회전되는 것을 특징으로 하는 광 부품.
  15. 동작 시 한정된 입체각 영역으로 광을 방출하는 광원(6); 및
    상기 광원(6)의 광학 경로에 위치하며 청구항 1 내지 청구항 14 중 어느 한 항에 따른 광 부품
    을 포함하고,
    상기 광원(6)은 발광 다이오드(61, 62, 63, 64)로 구성된 조립체 및 상기 조립체보다 뒤에 배치된 시준기(7)를 포함하는 것을 특징으로 하는 조명 장치.
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