KR20100099183A - 시준 발광 장치 및 방법 - Google Patents

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라몬 피. 반 고르콤
미첼 씨. 제이. 엠. 비센베르그
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코닌클리즈케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이.
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Abstract

광을 방출하는 광원(5) 및 방출된 광을 특수 용도의 분포로 배열하는 시준기(40)를 포함하는 발광 장치(1)가 제안된다. 광원은 (ⅰ) 광을 방출할 수 있는 반도체 디바이스(10), (ⅱ) 상기 반도체 디바이스(10)에 인접한 하부 표면(21) 및 대향하는 상부 표면(22)을 갖는 바디(20), 및 (ⅲ) 상기 상부 표면(22)에 인접하여 배치된 반사기(30)를 포함한다. 이 발광 장치(1)는 상기 반사기(30)가 상기 바디(20)의 상기 하부 표면(21)보다 더 큰 표면을 갖는 것을 특징으로 한다. 이것은 보다 작은 시준기로 주어진 광 빔 시준을 생성하거나 또는 다르게는 상당히 폭이 좁은 광 빔을 생성하는 시준기를 생성하기 위해 특히 유리하다.

Description

시준 발광 장치 및 방법{COLLIMATING LIGHT EMITTING APPARATUS AND METHOD}
본 발명은 광원 및 방출된 광을 특수 용도의 분포(application specific distribution)로 배열하기 위한 시준기를 포함하는 발광 장치에 관한 것으로, 상기 광원은 광을 방출할 수 있는 반도체 디바이스, 상기 광원에 인접한 하부 표면 및 대향하는 상부 표면을 갖는 바디(body), 및 상기 상부 표면에 인접하여 배치된 반사기를 포함한다. 본 발명은 또한 광을 시준하는 방법에 관한 것이다. 그러한 발광 장치 및 방법은 특히 일반적인 조명 시스템들에서 이용된다.
설명된 종류의 발광 장치들은 잘 알려져 있고 예를 들면 스포트 라이트를 생성하기 위해 이용된다. 시준기와 광원의 발광 특성 사이의 협력은 본질적으로 특수 용도의 광 분포를 결정한다. 포커싱된 스포트 라이트들에 대한 시장 요구는 일반적으로 그것들을 매우 작은 빔을 갖고, 작은 볼륨(volume)을 갖고, 시준기의 작은 출구 직경(exit diameter)을 갖는 것으로 규정한다.
공지된 발광 장치의 결점은 광원에 의해 방출된 일부 광선들이 시준기와 상호 작용하지 않고(예를 들면, 시준기로부터 반사하지 않고) 장치에서 나간다. 이것은 상당히 큰 빔 발산으로 귀착하고 따라서 낮은 포커싱 효율로 귀착한다. 시준기(의 길이)를 확대하는 것은 이 문제를 해결하는 전통적인 접근 방법을 형성한다. 그러나, 이것은 작은 볼륨 및 출구 직경의 시장 요구와 명백히 모순된다.
그러므로, 높은 효율로 시준된 광 빔을 생성하면서 작은 볼륨 및 출구 직경을 갖는 발광 장치의 입수 가능성에 대한 명백한 요구가 존재한다.
[발명의 개요]
본 발명의 목적은 볼륨 및 출구 직경 특성 대 시준된 광 빔 특성의 향상된 비율을 갖는 설명된 종류의 발광 장치를 제공하는 것이다. 본 발명은 청구항 1에서 정의된 발광 장치를 갖는 제1 양태에 따라 이 목적을 달성한다. 이 장치는 반사기가 바디의 하부 표면보다 더 큰 표면을 갖는 것을 특징으로 한다. 유리하게는, 이것은 보다 작은 시준기로 주어진 광 빔 시준을 생성하는 것을 허용하고, 또는 다르게는 상당히 폭이 좁은 광 빔을 생성하는 시준기를 생성하는 것을 허용한다.
본 발명은 동일한 양의 시준을 위해 훨씬 더 짧은 시준기를 만드는 것을 허용하는 이점을 갖는 발광 장치를 제공한다. 다르게는, 동일한 시준기 사이즈는 더 나은 시준을 실현한다. 본질적으로, 시준기와 여전히 간신히 상호 작용하는 경계 광선은 요구되는 시준기 길이를 결정한다. 바디의 하부 표면보다 더 큰 표면을 갖는 반사기를 제공하는 것은 광원이 광을 방출하는 입체각을 감소시킨다. 유리하게는, 반사기는 본질적으로 입체각을 정의한다. 시준기를 감소된 입체각에 매칭시키는 것은 보다 작은 시준기 볼륨 및 출구 직경으로 귀착한다. 따라서, 특히 고도로 시준된 빔을 요구하는 응용들은 본 발명으로부터 이익을 얻는데, 그 이유는 이러한 응용들은 다른 점에서 매우 긴 시준기, 즉, CPC(compound parabolic concentrator)의 길이와 같은 크기 정도의 시준기를 반드시 필요로 하기 때문이다.
본 발명의 실시예에서 바디는 그의 적어도 일부가 하부 표면에 관하여 비스듬한 각도에 있는 측면 표면을 갖는다. 발광 장치의 실시예에서 상기 비스듬한 각도는 90°보다 작다. 유리하게는, 상기 비스듬한 각도는 상기 바디의 더 큰 상부 표면을 생성한다. 이 상부 표면은 반사기에 대한 지지를 제공할 수 있다.
발광 장치의 실시예에서 바디는 파장 변환 재료를 포함한다. 유리하게는, 이것은 반도체 디바이스에 의해 방출된 제1 광의 적어도 일부를 상이한 파장을 갖는 제2 광으로 변환하는 것을 허용한다. 실시예에서 상기 파장 변환 재료는 세라믹 바디로서 제공된다. 유리하게는, 발광성 세라믹 바디들은 강건하고 온도 변화에 대해 낮은 민감도를 나타낸다.
실시예에서 발광 장치는 적어도 제2 광원을 포함한다. 유리하게는, 이것은 미리 결정된 광원 광속(light source flux)이 주어지면 장치에 의해 생성 가능한 루멘 광속(lumen flux)을 제어하는 것을 허용한다. 또한, 그것은 상기 제2 광원이 제1 광원과 상이한 스펙트럼을 방출하는 경우에 장치에 의해 방출되는 광의 컬러 제어를 허용한다.
실시예에서, 상기 반사기 표면은 시준기에 관한 광원 위치에 의존하여 배열된다. 유리하게는, 이것은 개별 광원들의 입체각들을 시준기에 매칭시키는 것을 허용한다. 따라서, 미리 정의된 시준기 길이 및 출구 직경이 주어지면, 개별 광원들의 반사기 표면을 그들의 위치에 의존하여 배열하는 것은 광원들의 결합된 입체각과 시준기의 입체각의 최적의 오버랩을 보장한다.
제2 양태에 따르면, 본 발명은 광을 시준하는 방법을 제공하고, 그 방법은 광을 방출하고 반도체 디바이스, 바디 및 상기 바디의 상부 표면에 인접한 반사기를 포함하는 광원을 제공하는 단계, 및 방출된 광을 특수 용도의 분포로 배열하기 위한 시준기를 제공하는 단계를 포함하고, 그 방법은 상기 반사기를 상기 바디의 하부 표면보다 더 큰 표면을 갖도록 배열하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 이러한 양태들 및 다른 양태들은 이하에 기술된 실시예들로부터 명백할 것이고 그 실시예들에 관련하여 설명될 것이다.
본 발명의 추가적인 상세들, 특징들 및 이점들은 도면들과 관련하여 예시적인 및 바람직한 실시예들에 대한 다음의 설명에서 개시된다.
도 1은 종래 기술에 따른 발광 장치를 나타낸다.
도 2는 본 발명에 따른 실시예를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 실시예를 통한 개략(부분) 단면을 나타낸다.
도 4는 본 발명에 따른 다른 실시예를 나타낸다.
도 5는 본 발명에 따른 또 다른 실시예를 나타낸다.
도 1은 종래 기술에 따른 발광 장치(1)를 나타낸다. 그것은 광원(5), 그 광원이 연결되어 있는 베이스(90), 방출된 광을 특수 용도의 분포로 배열하기 위한 시준기(40)를 포함한다. 베이스(90)는 장치(1)를 구조물로 만들기 위한 기계적 인터페이스, 광원(5)에 의해 생성된 열을 주위로 방산하기 위한 열적 인터페이스, 및 광원(5)에 전력 및 제어 신호들을 제공하기 위한 전기적 인터페이스를 제공하는 것과 같은 추가적인 기능들을 가질 수 있다. 시준기(40)는 일반적으로 소망의 특수 용도의 광 분포를 실현하기 위해 적절한 형상을 갖는 지지 구조물 상에 고급 반사 표면, 종종 알루미늄 도금된 막을 포함한다.
광원(5)은 반도체 디바이스(10), 바디(20), 및 반사기(30)를 포함한다. 반도체 디바이스(10)는 일반적으로 광을 생성할 수 있는 LED를 포함한다. 바디(20)는 반도체 디바이스에 인접한 하부 표면(21) 및 대향하는 상부 표면(22)을 갖는다. 바람직하게는 그것은 방출된 광의 파장을 (부분적으로) 변환하는 것에 의해 미리 정의된 스펙트럼 출력을 제공한다. 종종 그것은 인광체와 같은 파장 변환 재료를 포함한다. 일반적으로 이러한 재료들은 YAG(Yttrium Aluminium Garnet), YSN(Yttrium Aluminium Silicon Oxo-Nitrides), SiAlON(Silicon Aluminium Oxo-Nitrides) 또는 LuAG(Lutetium Aluminium Garnet)에 기초한다. Ⅲ-질화물 LED들에 의해 방출된 '제1' 광을 전술한 재료들을 이용하여 '제1' 광보다 더 긴 피크 파장을 갖는 '제2' 광으로 변환하는 것은 잘 알려진 기술을 형성한다. 파장 변환 재료는 '제2' 광의 특정한 피크 파장을 획득하기 위해 선택될 수 있다. 또한, 바디의 사이즈 및 두께 및/또는 파장 변환 재료의 농도는 장치(1)에 의해 방출된 광이 '제1' 및 '제2' 광의 혼합이거나 또는 실질적으로 '제2' 광만으로 이루어지도록 선택될 수 있다. 바람직하게는 파장 변환 바디는 발광성 세라믹 바디로서 제공된다.
마지막으로, 반사기(30)는 바디(20)의 상부 표면(22)에 인접하여 배치된다. 일반적으로 바디(20)는 하부(21) 및 상부(22) 표면들과 직각으로 측면 표면들(23, 24)을 갖는 입방체 또는 작은 판의 형태의 볼륨 광 방출기(volume light emitter)를 구성한다. 바디(20)에서 생성된(및 그를 통하여 투과된) 광을 반사하여, 반사기(30)는 그것이 측면들(23, 24)을 통하여 방출되게 한다. 유익하게는, 이것은 광선(51)의 대부분이 시준기(40)에 의해 특수 용도의 분포로 배열되게 한다. 반사기(30)의 부재는 광의 대부분이 상부 표면(22)을 통하여 방출되게 하고 상호 작용 없이 시준기(40)에서 나가게 할 것이다. 그러나, 반사기(30)가 제자리에 있을 경우, 여전히 광선(52)과 같은 상당한 부분이 상호 작용 없이 시준기(40)에서 나갈 것이다. 이러한 광선들(52)은 소망의 광 분포를 손상시킬 것이다. 이러한 문제를 최소화하는 전통적인 해결책은 시준기(40)를 사이즈에서 연장하는 것이다. 그러나 이것은 시준기(40)의 볼륨 및 출구 직경이 상당히 증가하게 하고 종종 시장 요구를 넘어서는 지점까지 증가하게 한다.
본 발명은 반사기(30)가 바디(20)의 하부 표면(21)보다 더 큰 표면을 갖는 것을 특징으로 하는 설명된 종류의 발광 장치(1)를 제공하는 것에 의해 해결책을 제공한다. 이런 식으로 반사기(30)는 바디(20)를 넘어서 연장한다(도 2 참조). 이것은 (도 1에서 나타내어진 것과 같은) 광선들(52)을 차단하는 것을 가능하게 하고 도 2의 광선들(51 및 53)에 의해 나타내어진 바와 같이 광원(5)에 의해 방출된 광이 시준기(40)와 상호 작용하게 한다. 여기서 광선(53)은 시준기와 여전히 간신히 상호 작용하는 경계 광선을 구성한다. 유리하게는, 본 발명은 동일한 양의 시준을 위하여 훨씬 더 짧은 시준기(40)(더 낮은 볼륨, 더 작은 출구 직경)를 만드는 것을 허용한다. 다르게는, 동일한 시준기(40) 사이즈는 더 나은 시준을 실현한다. 따라서, 바디(20)의 하부 표면(21)보다 더 큰 표면을 갖는 반사기(30)를 제공하는 것은 광원(5)이 광을 방출하는 입체각을 감소시킨다. 유리하게는, 반사기(30)는 본질적으로 입체각을 정의한다. 시준기(40)를 이 (감소된) 입체각에 매칭시키는 것은 보다 작은 시준기 볼륨 및 출구 직경으로 귀착한다. 따라서, 특히 고도로 시준된 빔을 요구하는 응용들은 본 발명으로부터 이익을 얻는데, 그 이유는 이러한 응용들은 다른 점에서 매우 긴 시준기, 즉, CPC(compound parabolic concentrator)의 길이와 같은 크기 정도의 시준기를 반드시 필요로 하기 때문이다.
도 3은 본 발명의 실시예를 통한 개략(부분) 단면을 나타낸다. 도면으로부터 인식될 수 있는 바와 같이, 시준기(40)는 높이 H 및 폭 WC를 갖는다. 또한 X는 바디(20)의 하부와 시준기의 상부 사이의 시준기(40)의 광학 축(41)에 수직인 거리를 정의한다. 따라서, wb가 바디의 폭이고 바디가 광학 축(41) 상에 대칭적으로 배치될 때 2X = 2WC - wb이다. 또한, 반사기(30)는 바디(20)의 하부 표면(21)을 넘어서 거리 p만큼 연장한다. 마지막으로, 바디는 바디의 하부(21) 및 상부(22) 표면들 사이의 거리를 정의하는 두께 t를 갖는다. 본 발명의 실시예에서, 시준기(40)는 바디(20)에 의해 방출된 광선들이 시준기와 상호 작용하도록 폭 X에 의존하는 높이 H를 갖는다. 이것은 H≥Xt/p인 경우일 것이다.
실시예에서 시준기(40)는 포물면 모양의 반사기(parabolic shaped reflector)이다. 그것은 또한 원뿔 또는 피라미드 모양(또는 이 기술에 알려진 임의의 다른 모양)일 수 있다. 비록 위에서는 시준기(40)가 생성된 광이 발광 장치(1)에서 나가게 하는 ― 시준기(40)의 광학 축(41)에 수직인 원형 단면을 나타내는 ― 출구 직경을 갖는 것이 나타내어졌지만, 시준기는 사실상 다각형 또는 타원과 같은 원형이 아닌 단면을 가질 수 있다. 반사기(30)는 바람직하게는 광원(5)에 의해 방출된 광이 시준기(40)와 상호 작용하는 입체각을 최적으로 매칭시키기 위하여 시준기(40)의 단면과 합동하는 단면을 갖는다는 것에 주의한다. 이것은 효율적인 광학 디자인을 생성한다. 시준기(40)는 부드럽게 굽을 수 있다. 다르게는, 그것은 깎은 면이 있을 수 있다(facetted).
도 4는 본 발명에 따른 실시예를 나타낸다. 이 실시예에서 바디(20)는 그의 적어도 일부가 하부 표면(21)에 관하여 비스듬한 각도(25)에 있는 측면 표면(23, 24)을 갖는다. 발광 장치의 실시예에서 상기 비스듬한 각도(25)는 90°보다 작다. 유리하게는, 상기 비스듬한 각도는 바디(20)의 더 큰 상부 표면(22)을 생성한다. 이 상부 표면은 유익하게는 반사기(30)에 대한 지지를 제공한다. 실시예에서 상기 비스듬한 각도(25)는 시준기와 매칭하는 입체각을 정의하도록 배열된다. 측면 표면들(23, 24)로부터 방출된 광이 전체 반구(2π 라디안)에 걸쳐서 방출될 때 ― 바디(20)는 통상적으로 1보다 훨씬 높은 굴절률을 가짐 ― 바디로부터 그의 표면에 평행하여 나오는 광선은 바람직하게는 여전히 시준기(40)와 상호 작용하는 경계 광선(53)에 대응한다. 그러한 실시예에서 비스듬한 측면 표면(23)은 하부(21) 및 상부(22) 표면들을 일직선으로 연결한다. 다르게는, 바디(20)가 측면 표면(24)의 일부만을 비스듬한 각도로 갖는 경우에, 경계 광선(53)은 하부 표면(21)에서 바디의 측면으로부터 나와서 반사기(30)를 간신히 통과하는 광선에 대응한다. 다르게는, 측면 표면은 오목하게 굽어(도시되지 않음), 반사기(30)의 지지를 허용하면서 동시에 경계 광선(53)을 정의할 수 있다.
도 5에 도시된 발명의 실시예에서 발광 장치(1)는 적어도 제2 광원(5)을 포함한다. 적절한 수의 광원들(5)을 포함하는 것은 미리 결정된 광속을 방출하도록 발광 장치(1)를 설계하는 것을 허용한다. 유리하게는, 이것은 고정된(최대의) 광원 광속이 주어지면 장치에 의해 생성 가능한 루멘 광속을 제어하는 것을 허용한다.
실시예에서 광원(5)의 반사기(30) 표면은 시준기(40)에 관한 광원 위치에 의존하여 배열된다. 하나의 광원(5)만을 포함하는 발광 장치(1)에서 광원은 바람직하게는 시준기(40)의 광학 축(41) 상에 배치될 것이지만, 다중 광원 실시예에서 그것들은 축을 벗어나(off-axis) 배치될 것이다. 본 발명은 시준기 치수들(높이 및 출구 직경)이 주어지면, 개별 광원들(5)에 의해 방출되는 광의 입체각을 시준기(40)와 매칭시키는 것이 효율적인 광학 디자인을 생성한다는 통찰에 기초한다. 따라서 본질적으로, 실시예에서 반사기(30)는 광원들(5)의 입체각을 시준기(40)의 광학 축(41)에 관한 그들의 위치에 의존하여 정의한다. 따라서, 각 광원에 대하여 관계 H≥Xt/p가 구체적으로 최적화된다. 실시예에서 측면 표면들(23, 24)의 비스듬한 각도들(25)은 시준기(40)에 관한 광원(5) 위치들에 의존하여 배열된다. 이것은 유리하게는, 도 5에서 광선들(53)에 의해 증명되는 바와 같이, 방출된 광의 입체각들이 시준기와 매칭하는 것으로 귀착한다.
비록 본 발명은 위에 기술된 실시예들에 관련하여 설명되었지만, 동일한 목적을 달성하기 위해 대안적인 실시예들이 이용될 수 있다는 것은 명백할 것이다. 따라서 본 발명의 범위는 위에 기술된 실시예들에 제한되지 않고, 시준기 치수들을 최소화하면서 특수 용도의 광 분포가 소망되는 임의의 다른 발광체에 또한 적용될 수 있다.

Claims (8)

  1. 발광 장치(1)로서,
    광을 방출할 수 있는 반도체 디바이스(10),
    상기 반도체 디바이스(10)에 인접한 하부 표면(21) 및 대향하는 상부 표면(22)을 갖는 바디(body)(20), 및
    상기 상부 표면(22)에 인접하여 배치된 반사기(30)
    를 포함하는 광원(5); 및
    방출된 광을 특수 용도의 분포(application specific distribution)로 배열하기 위한 시준기(40)
    를 포함하고,
    상기 반사기(30)가 상기 바디(20)의 상기 하부 표면(21)보다 더 큰 표면을 갖는 것을 특징으로 하는 발광 장치(1).
  2. 제1항에 있어서, 상기 바디는 적어도 일부가 상기 하부 표면에 관하여 비스듬한 각도(25)에 있는 측면 표면(23, 24)을 갖는 발광 장치(1).
  3. 제2항에 있어서, 상기 비스듬한 각도(25)는 90°보다 작은 발광 장치(1).
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 바디(20)는 파장 변환 재료를 포함하는 발광 장치(1).
  5. 제4항에 있어서, 상기 바디(20)는 세라믹 바디인 발광 장치(1).
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 디바이스는 적어도 제2 광원(5)을 포함하는 발광 장치(1).
  7. 제4항에 있어서, 상기 반사기 표면(30)은 상기 시준기(40)에 대한 광원 위치에 의존하여 배열되는 발광 장치.
  8. 광을 시준하는 방법으로서,
    광을 방출하고 반도체 디바이스(10), 바디(20) 및 상기 바디(20)의 상부 표면(22)에 인접한 반사기(30)를 포함하는 광원(5)을 제공하는 단계, 및
    방출된 광을 특수 용도의 분포로 배열하기 위한 시준기(40)를 제공하는 단계
    를 포함하고,
    상기 반사기(30)를 상기 바디(20)의 하부 표면(21)보다 더 큰 표면을 갖도록 배열하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
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