KR20110106437A - Ｌｅｄ, 광 가이드 및 반사기를 구비하는 광원 - Google Patents

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KR20110106437A
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토마스 두에스터
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코닌클리즈케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이.
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Abstract

본 발명은 백열 광원을 이용하는 조명기구 내에 리트로피팅하도록 구성될 수 있는 발광 다이오드(LED) 광원에 관한 것이다. 광원은 광 가이드의 일단에 배치된 조명 유닛 내의 하나 이상의 LED로부터의 광이 주입되는 광 가이드, 및 광 가이드의 다른 단에 배치되고 광 가이드를 향하며, 거기에 입사하는 광을 반사시킬 수 있는 반사 표면을 갖는 반사기를 포함한다. 본 발명에 따르면, 반사 표면은 광원으로부터 방출된 광이 백열 광원의 광 강도 분포와 유사한 공간 강도 분포를 갖는 것을 가능하게 하는 것과 같은 다수의 예시적인 방식으로 구성될 수 있다.

Description

ＬＥＤ, 광 가이드 및 반사기를 구비하는 광원{LIGHT SOURCE WITH LEDS, LIGHT GUIDE AND REFLECTOR}
본 발명은 일반적으로 조명 설계의 분야에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 전구와 같은 백열 광원들을 이용하는 조명기구 내에 리트로피팅(retrofitting)하도록 구성될 수 있는 발광 다이오드(LED) 광원에 관한 것이다.
일반적으로, 종래의 백열 광원들은 전형적으로 텅스텐으로 이루어진 필라멘트에 전류를 인가하여 필라멘트를 글로우(glow)시킴으로써, 전기 전류를 광으로 변환한다. 필라멘트는 일반적으로 유리 전구의 중심 부근에 현수되고, 그에 의해 예를 들어 방(room)을 조명하는 데에 이용될 수 있는 방사상의 광 분포(radial distribution of light)를 제공한다. 그러한 종래의 백열 광원은 전형적으로 샹들리에에서 이용된다. 글로우 필라멘트의 고휘도(~1Mcd/㎡)로 인해, 샹들리에 내의 크리스털들은 장식용의 반짝거리는 조명 효과를 나타낸다. 그러나, 백열 광원의 수명은 전형적으로 비교적 짧아서, 통상적으로 필라멘트의 수명으로 제한된다. 또한, 유리 전구는 일반적으로 필라멘트의 높은 온도로 인해 매우 뜨거워져서, 유리 전구에 접촉하는 물체들을 태울 잠재적인 위험성을 제공한다.
일반적으로, 백열 광원을 LED 광원으로 교체하면 상기의 문제점들이 경감되거나 제거된다. 또한, 그러한 교체는 능률(efficacy)에서의 상당한 증가를 제공하는데, 이 능률은 광원에 의해 생성되는 광속(luminous flux)을 생성하는 데에 요구되는 에너지(또는 전력)의 양에 대한 비율로서의 광속이다. 그러나, 대부분의 LED는 반구(입체각 2πsr) 내로만 광을 방출할 수 있는 반면, 글로우 필라멘트를 이용하는 백열 광원들은 일반적으로 완전한 구체(입체각 4πsr) 내로 균일하게 광을 방출한다.
EP1610054A2는 자동차와 함께 이용하기 위한 LED 램프 어셈블리를 기술하고 있는데, 그 LED 램프 어셈블리는 복수의 LED 광원에 의해 방출된 광을, 광 가이드의 축에 비스듬하게 측면으로 투영하기 위해 디플렉터로 안내하기 위한 중앙의 광학적 광 가이드를 갖는다.
<발명의 개요>
상기를 고려하여, 본 발명의 목적은 위에서 설명된 것과 같은 문제점들을 경감시키거나 제거하는 광원을 제공하는 것이다.
이러한 것과 그 외의 목적들은 독립 청구항에 따른 광원에 의해 완벽하게 또는 부분적으로 달성된다.
본 발명에 따르면, 적어도 하나의 LED를 포함하는 조명 유닛; 그에 입사하는 광의 적어도 일부가 반사되도록 구성된 반사기; 및 입력단, 출력단, 및 그 사이의 중앙 영역을 가지며, 축 방향을 따라 연장되는 광 투과성 광 가이드를 포함하는 광원이 제공된다. 조명 유닛은 광 가이드의 중앙 영역으로 광을 주입하기 위해 입력단에 인접하여 배치된다. 광 가이드는 그것의 굴절률이 광 가이드 외부의 매질의 굴절률보다 높도록 구성된다. 또한, 반사기는 출력단에 인접하여 배치되고, 출력단을 향하며 출력단의 적어도 일부를 덮는 반사 표면을 포함한다. 반사 표면은 반사 표면의 적어도 일부가 오목형 및 볼록형 중 하나이도록 구성된다.
본 발명의 맥락에서, "오목형(concave)" 및 "볼록형(convex)"이라는 용어는 각각 안으로 만곡된 것 또는 안쪽으로 우묵한 것, 및 바깥으로 만곡된 것 또는 바깥쪽으로 불룩한 것을 의미한다.
본 발명에 따른 그러한 광원의 반사 표면의 구성에 의해, 광원으로부터 방출된 광은 백열 광원의 광 강도 분포와 실질적으로 유사한 공간 강도 분포를 가질 수 있다. 또한, 반사 표면의 상기 적어도 일부의 오목 또는 볼록 형상의 구체적인 선택에 의해, 광원으로부터의 광속은 예를 들어 축 방향에 수직한 평면에 대해 실질적으로 대칭으로 되거나, 또는 요구되는 조명 응용의 조건에 따라 비대칭으로 될 수 있다. 따라서, 본 발명을 이용하면, LED들을 이용하는 매우 다양한 광원들이 제조될 수 있고, 거기에서 각 광원은 특정한 사용자 요구 및/또는 조명 환경 요구조건에 맞게 적응된 광 강도 특성들을 갖는다.
본 발명의 실시예에 따르면, 광원은 통상적으로 백열 광원을 이용하는 조명기구 내에 리트로피팅하도록 구성된다. 그러한 구성에 의해, 위에서 설명된 것과 같은 종래의 백열 광원의 단점들을 극복 또는 경감하고, 능률에서의 상당한 증가를 제공하는 광원이 제공된다. 따라서, 본 발명은 종래의 광원들의 광학적 효율을 개선한다.
본 발명의 맥락에서, "리트로피팅"이라는 용어는 통상적으로 필라멘트 전구, 할로겐 램프 등과 같은 백열 광원을 위해 이용되는 조명 설비(light fixture) 내에 들어맞음을 의미한다. 즉, 본 발명에 따른 광원을 통상적으로 백열 광원을 이용하는 조명기구 내에 리트로피팅한다는 것은, 조명기구 내의 백열 광원을 본 발명에 따른 광원으로 교체한다는 것을 의미한다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 반사기는 적어도 하나의 투과 부분을 포함하며, 그 적어도 하나의 투과 부분은 그 적어도 하나의 투과 부분에 입사하는 광의 적어도 일부가 반사기를 통해 투과되도록 구성된다. 다른 실시예에 따르면, 투과 부분은 축을 따라 연장하는 관통홀을 포함한다. 예를 들어, 축은 광 가이드의 축 방향과 일치하거나 그에 평행한 직선 축일 수 있다. 이러한 구성들에 의해, 광 가이드 내의 광은 그에 따라 투과 부분(또는 관통홀)을 통과하거나 반사 표면에서 반사된 후에 광 가이드로부터 커플링아웃되는 것에 의해 광원을 떠나도록 허용된다. 이러한 구성들에 의해, 거의 시야각 독립적인(viewing-angle independent) 광 강도(즉, 사용자의 시야각에 실질적으로 독립적인 광 강도)가 달성될 수 있다. 결과적인 광 강도 분포는 백열 광원의 광 강도 분포와 실질적으로 유사하다. 즉, 광원은 완전한 구체(입체각 4πsr) 내로 실질적으로 균일하게 광을 방출할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 광 가이드는 축 방향을 따라 연장되는 컬러 믹싱 로드를 포함하고, 컬러 믹싱 로드는 광 가이드의 중앙 영역의 적어도 일부를 포함한다. 컬러 믹싱 로드는 조명 유닛 내의 복수의 LED로부터의 광을 혼합하도록 구성되며, 6각형의 단면을 가질 수 있다. 이러한 방식으로, 다수의 멀티컬러 LED로부터의 광이 컬러 믹싱 로드의 출력단에 도달할 때 잘 혼합되고, 따라서 광 가이드로부터 백열 광원과 유사한 강도 분포를 갖는 잘 혼합된 광이 커플링아웃될 수 있도록 구성된 LED 광원이 제공된다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 적어도 하나의 반사 패싯은 패싯에 입사하는 광의 적어도 일부가 반사되도록 반사 표면 상에 배치된다. 그러한 반사 패싯은 사용자의 시야각의 함수로서 상당한 광 강도 변화를 생성하기 위해 이용될 수 있다. 따라서, 그러한 구성에 의해, 강하게 시야각 의존적인 반짝거리는 조명 효과를 나타내는(즉, 시야각에 따라 상당히 변하는 광 강도를 갖는) 광원이 제공될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 반사 표면은 알루미늄 코팅과 같은 금속 코팅, 얇은 SiO2 및 ZrO2 층의 다층과 같은 간섭 필터, 확산 코팅, 및 인광체 코팅 중 하나 이상을 포함한다. 간섭 필터는 거기에 입사하는 광의 적은 부분을 의도적으로(deliberately) 투과시키도록 구성될 수 있다. 확산 코팅에 의해, 광원의 휘도는 상당히 감소될 수 있고, 이것은 일부 응용들에서 시각적인 편안함을 개선하기 위해 바람직할 수 있다. 알루미늄과 같은 금속 코팅을 적용함으로써, 비교적 저렴하면서도 고반사성인 표면이 달성된다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 광원은 반사기를 적어도 부분적으로 둘러싸는 적어도 하나의 반투명 엔벨로프를 더 포함한다. 그러한 구성에 의해, 광학적 성능(즉, 광 강도 분포) 또는 시각적 편안함(예를 들어, 휘도의 감소)이 개선될 수 있다. 적어도 하나의 반투명한 엔벨로프는 광 산란 소자들을 포함할 수 있다. 이러한 방식으로, 광원의 휘도가 감소될 수 있고/거나 광원의 광 강도 분포가 평활해질 수 있다.
반투명한 엔벨로프는 사용자의 시야로부터 광원의 다른 광학 요소들을 숨기도록 배치될 수 있다는 점에서, 장식 상의 향상을 제공하기 위해 이용될 수 있음을 이해할 것이다. 예를 들어, 적합한 표면 처리에 의해, 반투명한 엔벨로프는 서리로 덮인(frosted) 외양을 보이도록 구성될 수 있거나, 선택적으로 또는 대안적으로, 반투명한 엔벨로프는 반투명한 엔벨로프를 구성하는 재료 내에 분산된 색소에 의해 약간 착색되도록 구성될 수 있다.
본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 광원은 조명 유닛이 그 위에 배치되는 베이스를 더 포함하고, 그 베이스는 조명기구 또는 조명 설비의 소켓 커넥터와 짝을 이루도록 구성된 전기 커넥터를 포함한다. 베이스는 전기 커넥터에 접속되는 전기 회로를 더 포함하고, 전기 회로는 전기 커넥터로부터 전기 전력을 수신하고, 그 전기 전력을 이용하여 조명 유닛을 동작시키도록 구성된다. 이러한 방식으로, 통상적으로 백열 광원을 이용하는 조명 설비 또는 조명기구 내에 광원을 쉽게 맞추어 넣는 것이 달성된다. 광원은 조명 유닛에 의해 발생되는 열을 소산시키도록 적응되어 베이스 내에 배치된 히트싱크 장치를 더 포함할 수 있다. 따라서, 광원의 표면들은 광원과의 접촉에 의해 유발되는 사용자에의 화상을 방지하기 위해 비교적 차갑게 유지될 수 있다. 또한, 광원 컴포넌트들 내의 열적 스트레스 및/또는 스트레인이 더 적은 것으로 인해, 광원의 수명이 증가될 수 있다.
본 발명의 다른 목적, 특징 및 이점들은 이하의 상세한 설명, 첨부 청구항들 및 도면들로부터 분명해질 것이다.
일반적으로, 청구항들에서 이용되는 모든 용어들은 여기에 다르게 명시적으로 정의되지 않는 한, 본 기술분야에서의 그들의 통상적인 의미에 따라 해석되어야 한다. "(수식어없음)/그/상기(a/an/the) [요소, 장치, 컴포넌트, 유닛, 수단, 단계 등]에 대한 모든 참조는, 명시적으로 다르게 언급되지 않는 한, 상기 요소, 장치, 컴포넌트, 유닛, 수단, 단계 등의 적어도 하나의 사례를 참조하는 것으로서 개방적으로 해석되어야 한다.
본 발명은 청구항들에 인용된 모든 가능한 특징들의 조합에 관한 것임에 유의해야 한다.
상기의 것과 추가의 본 발명의 목적, 특징 및 이점은, 동일 또는 유사한 구성요소들에 대하여 동일한 참조 번호들이 이용되는 첨부 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예들에 대한 이하의 예시적이고 비제한적인 상세한 설명을 보면 더 잘 이해될 것이다.
도 1의 (a)는 본 발명의 예시적인 실시예의 개략도이다.
도 1의 (b)는 도 1의 (a)에 도시된 본 발명의 예시적인 실시예의 일부분의 개략도이다.
도 2의 (a)는 도 1의 (b)에 도시된 도면의 일부분이다.
도 2의 (b)는 예시적인 실시예에 따른 광원으로부터 방출된 광의 원거리장 각도 광 강도 분포의 예시적인 광 강도 프로파일이다.
도 3의 (a) 및 도 3의 (b)는 본 발명의 또 다른 실시예들의 개략도 및 그들의 관련 광 강도 프로파일들이다.
도 4의 (a)는 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 반사 표면의 형상을 나타낸 그래프이다.
도 4의 (b)는 예시적인 실시예에 따른 광원으로부터 방출되는 광의 원거리장 각도 광 강도 분포의 예시적인 광 강도 프로파일이다.
도 5의 (a)는 본 발명의 또 다른 예시적인 실시예의 개략도이다.
도 5의 (b)는 예시적인 실시예에 따른 광원으로부터 방출되는 광의 원거리장 각도 광 강도 분포의 예시적인 광 강도 프로파일이다.
도 6의 (a)는 본 발명의 또 다른 예시적인 실시예의 개략도들이다.
도 6의 (b)는 예시적인 실시예에 따른 광원으로부터 방출되는 광의 원거리장 각도 광 강도 분포의 예시적인 광 강도 프로파일이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 예시적인 실시예의 개략도들이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 예시적인 실시예의 개략도이다.
이하에서는, 본 발명의 상이한 예시적인 실시예들이, 통상적으로 백열 광원을 이용하는 조명기구 내에 리트로피팅하도록 구성된 광원에 관련하여 주로 설명될 것이다. 그러나, 광원은 리트로피팅하는 응용들의 예시적인 사례로 제한되지 않고, 오히려 다양한 응용들에서 이용되는 광원일 수 있음을 이해해야 한다.
도 1의 (a)는 본 발명의 예시적인 실시예를 도시한 광원(1)의 개략 단면도로서, 광원(1)은 필라멘트 전구와 같이 통상적으로 백열 광원을 이용하는 조명기구(도시되지 않음)에 리트로피팅되도록 구성된다. 그러한 조명기구는 할로겐 조명기구 또는 그와 유사한 것도 포함할 수 있다. 본 발명의 맥락에서, "리트로피팅한다"라는 용어는, 통상적으로 백열 광원들을 위해 이용되는 조명기구 내에 맞춰짐을 의미한다 (즉, 조명기구 내에서 통상적으로 이용되던 백열 광원을 본 발명에 따른 광원으로 교체한다).
도 1의 (a)에 도시된 바와 같이, 광원(1)은 투명한 유리 엔벨로프(2)를 포함할 수 있으며, 그 내부에는 이하의 설명에서 상세하게 기술되는 바와 같이, 글로우 필라멘트와 같은 백열 광원과 유사한 공간 강도 분포를 갖는 광을 방출할 수 있는 소위 원격 방출기(remote emitter)(3)가 위치된다. 또한, "원격 방출기"라는 용어는 하나 이상의 LED, 광 가이드 및 반사기를 포함하는 발광 장치를 의미하며, 하나 이상의 LED의 발광 영역은 반사기가 배치된 광 가이드의 단부로 실질적으로 시프트 또는 대체된다. 광원(1)은 원격 방출기(3)가 그 위에 배치되거나 원격 방출기(3)가 거기에 연결되는 베이스(4)를 더 포함할 수 있다. 베이스(4)는 필라멘트 전구와 같은 백열 광원을 이용하는 조명기구(도시되지 않음)의 소켓 커넥터(도시되지 않음)(바람직하게는 나사산을 가짐)와 짝을 이룰 수 있도록 구성된 전기 커넥터(5)(바람직하게는 나사산을 가짐)를 포함할 수 있다.
도 1의 (b)는 도 1의 (a)를 참조하여 설명된 원격 방출기(3)의 개략적인 측단면도로서, 비제한적인 예시적인 실시예를 이용하여 본 발명의 개념을 설명하고 있다. 도 1의 (b)에 도시된 바와 같이, 원격 방출기(3)는 바람직하게는 정반사성(specularly reflecting) 벽들을 갖는 공동(7) 내에 배치된 적어도 하나의 LED(본 예시적인 사례에서는 2개의 LED)를 포함하는 조명 유닛(6)을 포함한다. 공동의 형상은 이러한 선택안으로 제한되지 않는 것으로 이해되어야 하지만, 일례에 따르면, 공동은 원통형 형상을 갖는다. 본 발명은 임의의 개수의 LED를 포함하는 조명 유닛들(6)을 갖는 실시예들을 포괄하는 것으로 이해되어야 한다. 예를 들어, 조명 유닛(6)은 서울 반도체의 Acriche LED와 같은 단일의 대형 LED, 또는 Philips Lumileds로부터의 LUXEON Rebel과 같은 LED 어레이를 포함할 수 있다.
원격 방출기(3)는 입력단(8a), 출력단(8b), 및 그 사이의 중앙 영역(8c)을 갖는 광 투과성 광 가이드(8)를 더 포함한다. 도 1의 (b)에 도시된 바와 같이, 조명 유닛(6)은 중앙 영역(8c)에 광을 주입하기 위해 입력단(8a)에 인접하게 배치된다. 도 1의 (b)에 더 도시된 바와 같이, 광 가이드(8)는 대체적으로 축 방향을 따라 연장되도록 구성될 수 있다.
또한, 광 가이드(8)는 입력단(8a)을 향해 약간 테이퍼될 수 있을 것으로 예상되는데, 즉 축 방향 및 그 축 방향에 수직한 횡방향에 의해 정의되는 평면 내에서의 광 가이드(8)의 치수들이 축 방향을 따라 출력단(8b)을 향해 가면서 점점 더 커질 수 있다. 원통 형상을 갖는 광 가이드(8)의 예시적인 사례에서, 이는 광 가이드(8)의 직경이 축 방향을 따라 출력단(8b)으로 가면서 거리에 따라 점점 더 커진다는 것을 의미할 것이다.
원격 방출기(3)는 출력단(8b)에 인접하여 배치된 반사기(9)를 더 포함하며, 이 반사기(9)는 반사기(9)에 입사하는 광의 적어도 일부가 반사되도록 구성된다. 반사기(9)로부터 반사되는 광의 부분(fraction)은 반사기(9)의 반사율에 의존한다. 반사기(9)는 출력단(8b)을 향하며 출력단(8b)의 적어도 일부분을 덮는 반사 표면(10)을 갖도록 더 구성된다. 예를 들어, 출력단(8b)의 표면의 80％ 내지 90％가 반사 표면(10)에 의해 덮일 수 있다. 대안적으로, 반사 표면(10)은 출력단(8b)의 표면을 완전하게 덮을 수 있다. 반사 표면(10)은 예를 들어, 고반사성 알루미늄과 같은 금속 코팅, 얇은 SiO2 및 ZrO2 층의 다층과 같은 고반사성 간섭 필터, 백색 확산 코팅 및 인광체 코팅 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 간섭 필터 또는 코팅은 거기에 입사하는 광의 적은 부분을 의도적으로 투과시키도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 간섭 코팅은 거기에 입사하는 광의 약 4％를 투과시키고 거기에 입사하는 광의 나머지를 (정)반사시키도록 설계될 수 있다. 확산 코팅에 의해, 광원(1)의 휘도가 상당히 감소될 수 있으며, 이는 일부 응용들에서 시각적 편안함을 개선하기 위해 바람직할 수 있다. 그러한 확산 코팅들은 반투과성(transflective)으로도 만들어질 수 있다.
본 발명이 이러한 특정한 사례로 제한되는 것은 아니지만, 광 가이드(8)는 원통 형상을 가질 수 있다. 반대로, 광원(1)의 기능 및 능력들을 달성하는 데에 적합한 광 가이드(8)의 어떠한 기하학적 형상도 본 발명의 범위 내에 드는 것으로 예상된다. 광 가이드(8)는 투명 폴리머, 폴리머 화합물(polymer compounds), 유리, 폴리카보네이트(polycarbonate), 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate), 아크릴릭(acrylic), 다른 유형의 플라스틱 및 이들의 조합의 그룹으로부터 선택된 물질로 만들어질 수 있다.
원격 방출기(3)의 동작은 다음과 같다.
조명 유닛(6) 내의 LED들로부터 방출된 광은 광 가이드(8)의 중앙 영역(8c) 내로 주입(투과)된다. 일반적으로, 광 가이드(8)에 입사하기 전에 광을 시준할 필요는 없다. LED로부터의 광의 적은 부분(전형적으로 약 4％)이 입력단(8a)에서의 광 가이드 경계에서 반사되고, 광의 나머지가 광 가이드(8)의 중앙 영역(8c) 내로 주입되는 것으로 이해된다. 그러면, 광 가이드(8) 내의 광은 일반적으로 출력단(8b)을 향하는 광 가이드(8)의 연장부를 따라 전달된다.
광 가이드(8)는 바람직하게는, 광 가이드(8)의 굴절률이 광 가이드(8) 외부의 매질의 굴절률보다 높도록 구성되는데, 이 외부 매질은 전형적으로 약 1의 굴절률을 갖는 공기이다. 즉, 광 가이드(8)는 광 가이드(8) 외부의 매질보다 더 높은 광학적 밀도(굴절률)를 갖도록 구성되는 것이 바람직하다. 전형적으로, 광 가이드(8)는 약 1.5 이상의 굴절률을 갖도록 구성되지만, 이러한 구체적인 사례로 한정되는 것은 아니다. 광 가이드(8) 내에서의 광의 전달은 전반사에 기초한다. 일반적으로, 광 가이드(8) 내에서 이동하는 광은 광 가이드(8)와 광 가이드(8) 외부의 매질(광 가이드(8)보다 광학적으로 덜 밀함) 사이의 경계에 도달할 때 광 가이드(8)를 빠져나가지 않고, 광 가이드(8) 내로 다시 반사된다. 한편, 상기 경계(8d)에 입사하는 광의 입사각이 임계각(즉, 광이 경계 표면(8d)을 따라 이동하게 되도록 굴절되는 입사각)보다 클 때, 광은 손실없이 다시 반사된다. 다른 한편, 점점 더 낮아지는 입사각들에 대해서는, 입사광의 점점 더 많은 부분이 경계 표면(8d)을 통해 광 가이드(8) 밖으로 투과될 것이다.
본 발명의 맥락에서, "내부 경계 표면(interior boundary surface)"이라는 용어는 광 가이드(8)와 원격 방출기(3)의 아주 가까운 주변 간의 계면의 표면을 의미하며, 이 표면은 광 가이드(8) 내에서 내부를 향하는 법선을 갖는다.
본 발명의 맥락에서, "입사각"이라는 용어는 다르게 언급되지 않는 한, 표면 상에 입사하는 광선과 입사 지점에서의 표면의 법선 간의 각도를 의미한다.
그와 같이 광 가이드(8) 내로 전달된 조명 유닛(6)으로부터의 광이 반사기(9)의 반사 표면(10)에 부딪칠 때, 반사 표면(10)의 반사율에 따라 광의 일부분이 반사된다. 예를 들어, 반사 표면(10)은 1에 가까운, 또는 실질적으로 1인 반사 계수를 갖도록 구성될 수 있다. 반사 표면(10)의 형상에 의해, 반사 표면(10)으로부터 반사된 광의 대부분이 광 가이드(8)와 광 가이드(8) 외부의 매질 간의 계면, 즉 내부 경계 표면(8d)에서 굴절되고, 후속하여 광 가이드(8)를 떠난다. 반사 표면(10)의 특정한 형상에 의해, 이하에 더 상세하게 설명되는 바와 같이, 반사 표면(10)에서 반사된 후에 광 가이드(8)를 떠나는 광의 강도는 백열 광원의 광 강도와 실질적으로 유사하다.
도 2의 (a)는 본 발명에 따른 예시적인 실시예의 개략적인 측단면도로서, 광 가이드(8)의 일부분과 반사기(9)를 보여주고 있는데, 반사 표면(10)의 예시적인 형상이 나타나 있다. 원통형 막대 형태의 광 가이드(8)를 포함하는 도 2의 (a)에 도시된 본 발명의 실시예는 도 2의 (a)에 나타낸 좌표들(x, z)을 이용하여 편리하게 기술되는데, 여기에서 r0는 x축을 따른 원통형 막대의 베이스의 반경이고, L은 z축을 따른 반사기의 연장부의 길이이다. 본 예시적인 사례에서, z축은 광 가이드(8)가 그를 따라 연장하고 있는 축 방향과 일치한다.
도 2의 (b)는 광 가이드(8)를 떠나는 광의 원거리장 각도 광 강도 분포(far-field angular light intensity distribution) I(θ, φ)의 예시적인 광 강도 프로파일로서, 여기에서 θ는 z축으로부터의 편각이고, φ는 xy 평면 내에서의 x축으로부터의 방위 좌표이다. 완전한 3차원 강도(full three-dimensional intensity)는 z축에 대한 회전면이다 (본 예시적인 사례에서는 z축을 따른 원환체(torus)를 만든다).
도 2의 (b)에 도시된 광 강도 프로파일은 도 2의 (a)를 참조하여 설명되는 본 발명의 실시예를 조명 애플리케이션 소프트웨어 제품인 LightTools® 버전 6.1.0을 이용하여 모델링하여 만들어진 것이다. 첨부 도면 내에 표시된 임의의 다른 광 강도 프로파일(그러한 광 강도 프로파일은 본 발명의 특정 실시예에 관련됨)은 다르게 명시되지 않는 한 유사한 방법으로 만들어졌음을 이해해야 한다.
도 3의 (a) 및 도 3의 (b)는 본 발명의 2개의 예시적인 실시예를 도시한 것이다.
도 3의 (a)에 도시된 실시예에 따르면, 반사기(9)는 광 가이드(8)의 출력단을 향하는 반사 표면(10)을 갖는다. 반사 표면(10)은 그에 의해 도 3의 (a) 및 도 3의 (b)에 도시된 것과 같은 광 가이드(8)의 출력단을 향해 지향되는 법선 n을 갖는다. 도 3의 (a)에 도시된 실시예에 따르면, 반사 표면(10)은 반사 표면(10)의 적어도 일부분이 볼록하도록, 즉 바깥쪽으로(광 가이드(8)의 내부 경계 표면(8d)을 향해) 튀어나오도록 구성된다.
도 3의 (b)에 도시된 실시예에 따르면, 반사 표면(10)은 반사 표면(10)의 적어도 일부가 오목하도록, 즉 안쪽으로(광 가이드(8)의 내부 경계 표면(8d)으로부터 멀어지도록) 튀어나오도록 구성된다.
또한, 도 3의 (a) 및 도 3의 (b)는 각각 도 3의 (a) 및 도 3의 (b)를 참조하여 설명된 실시예들에 관련된 광 강도 프로파일들을 도시하고 있는데, 이들은 수평(x)축에 대해 실질적으로 대칭이며, (z축을 따르는) 축 방향에 대해 회전 대칭이다. 이것은 도 2의 (b)에 도시된 광 강도 프로파일과 유사하다.
도 4의 (a)는 xz 평면에 투영된 도 3의 (a)(곡선(11)), 도 3의 (b)(곡선(12)) 및 도 4의 (b)(곡선(13))의 강도 프로파일들에 각각 연관된 반사 표면들(10)의 형상들을 도시한 그래프이다 (도 2의 (a)와 비교). 도 4의 (b)로부터 볼 수 있는 바와 같이, 참조 번호(13)에 의해 표시된 곡선에 의해 기술될 수 있는 형상을 갖는 반사 표면(10)은 수평(x) 축에 관하여 비대칭 광 강도 분포를 만들어낸다. L1, L2 및 L3 각각은 도 3의 (a), 도 3의 (b) 및 도 4의 (b)에 도시된 실시예들에 대한 도 2의 (a)에 표시된 길이 L에 각각 대응한다.
본 발명의 다른 예시적인 실시예들에 의해, 광 강도 분포는 도 2의 (b), 도 3의 (a), 도 3의 (b) 및 도 4의 (b)에 도시된 것과 같은 광 강도 분포로 한정되지 않는다. 이와 관련하여, 도 5의 (a)는 본 발명의 다른 예시적인 실시예를 도시하고, 여기에서 반사기(9)는 반사 표면(10)을 갖는데, 이 반사 표면은 (반사 표면(10)이 축 방향 및 그 축 방향에 수직한 횡방향에 의해 정의되는 평면(이 경우에서는 xz 평면) 상에 투영될 때) 반사 표면(10)의 일부분이 오목하도록 구성된다. 또한, (반사 표면(10)이 축 방향 및 그 축 방향에 수직한 횡방향에 의해 정의되는 평면에 투영될 때) 반사 표면(10)의 일부분이 볼록하도록 반사 표면(10)이 구성될 수 있는 것도 예상된다. 도 5의 (a)에 더 도시된 바와 같이, 반사기(9)는 투과 부분(14)을 포함하는데, 그 투과 부분은 투과 부분(14)에 입사하는 광의 적어도 일부분이 반사기(9)를 통해 투과되도록 구성된다. 반사 표면(10)에서 반사되고 후속하여 광 가이드(8)로부터 커플링아웃되는 광에 더하여, 광 가이드(8)로부터의 광의 일부는 투과 부분(14)을 통과함으로써 광원을 떠날 수 있다. 이러한 구성에 의해, 도 5의 (a)에 도시된 실시예에 연관된 광 가이드(8)를 떠나는 광의 원거리장 각도 광 강도 분포의 광 강도 프로파일을 도시하는 도 5의 (b)에 나타나 있는 것과 같이, 거의 시야각 독립적인(viewing-angle independent) 광 강도가 달성될 수 있다. 예를 들어, 투과 부분(14)은 반사 재료로 덮이지 않은 반사기(9)의 부분일 수 있다. 투과 부분(14)은 축 방향(z축)을 따라 연장되는 관통 홀(14)을 더 포함할 수 있다. 관통홀(14)은 축 방향에 대해 비스듬한 축을 따라 연장될 수도 있음을 이해해야 한다. 어느 정도 만곡된 관통홀들도 예상될 수 있긴 하지만, 그를 따라 관통홀(14)이 연장되는 축은 바람직하게는 직선이다. 앞에서 설명된 실시예들과 아래에 설명되는 실시예들 중 임의의 것은 그러한 투과 부분(14) 또는 관통홀(14)과 결합될 수 있다.
도 6의 (a)는 본 발명의 또 다른 실시예를 도시하고 있으며, 여기에서 반사 표면(10)은 반사 패싯(15)을 구비하고, 그 반사 패싯은 패싯(15)에 입사하는 광의 적어도 일부분이 반사되도록 구성된다. 앞에서의 실시예들과 아래의 실시예들에 설명되는 광원들 중 어떠한 것이라도 그러한 반사 패싯(15)을 포함할 수 있다. 또한, 임의의 적합한 개수의 패싯을 포함하는 광원들을 기술하는 다른 실시예들도 본 발명의 범위 내에 포함됨을 이해해야 한다. 그러한 패싯(15)은 도 6의 (b)에 도시된 바와 같이 사용자의 시야각의 함수로서 상당한 광 강도 변화를 만들어내기 위해 이용될 수 있는데, 이것은 도 6의 (a)에 도시된 실시예에 연관된 광 가이드(8)를 떠나는 광의 원거리장 각도 광 강도 분포의 광 강도 프로파일을 도시하고 있다. 이와 같이 상당한 공간 광 강도 변화를 만들어낼 수 있는 그러한 구성에 의해, LED 광원은 조명기구(예를 들어, 샹들리에) 내에서 개선된 시야각 독립적인 반짝거림 효과들을 갖고서 설계될 수 있다.
도 7은 본 발명의 또 다른 예시적인 실시예를 도시한 것으로, 광 가이드는 일반적으로 서로 다른 컬러들을 갖는 광을 방출하는 공동(7) 내에 포함된 조명 유닛 내의 복수의 광원(예를 들어, 차가운 백색 LED 및 황색 LED)으로부터의 광을 혼합하기 위해, 축 방향을 따라(도시된 실시예에서는 z축을 따라) 연장되는 컬러 믹싱 로드(16)를 포함한다. 도 7에 도시된 예시적인 실시예에 따르면, 컬러 믹싱 로드(16)는 xy 평면에서 볼 때 육각형의 단면을 갖는다. 컬러 믹싱 로드(16)는 축 방향에 수직한 평면(예를 들어, xz 평면)에서 볼 때 사각형 단면을 가질 수 있다. 이러한 소위 육각형 및 사각형 컬러 믹싱 로드 둘 다는 다양한 컬러들의 광을 혼합하는 데에 매우 효과적이다. 바람직하게는, 축 방향을 따르는 컬러 믹싱 로드(16)의 연장부의 크기는 멀티컬러 광원들로부터의 광이 컬러 믹싱 로드(16)의 출력단에 도달할 때 잘 혼합되어, 그 잘 혼합된 광이 반사기(9)로부터 반사된 후에 광 가이드로부터 커플링아웃될 수 있게 하는 것이다. 앞에서 설명된 실시예들 및 아래에 설명되는 실시예들 중 어떠한 것이라도 육각형 컬러 믹싱 로드(16)와 결합될 수 있음을 이해해야 한다.
도 8은 본 발명의 또 다른 예시적인 실시예를 도시한 것으로, 앞의 실시예들에 설명된 광원들 중 임의의 것이 반사기(9)를 적어도 부분적으로 둘러싸는 하나 이상의 반투명한 엔벨로프(17)와 결합될 수 있다. 예를 들어, 반투명한 엔벨로프(17)는 도 8에 도시된 바와 같이, 텅 빈 구체(hollow sphere)를 포함할 수 있다. 대안적으로 또는 선택적으로, 광원(1)은 투명한 유리 엔벨로프 또는 전구를 포함할 수 있으며, 그 안에는 도 1의 (a)에 도시된 것과 같은 원격 방출기가 배치된다. 도 8에 도시된 것과 같은 텅 빈 구체와, 임의의 다른 반투명한 엔벨로프(17)는 광학적 성능(즉, 광 강도 분포) 또는 시각적인 편안함(예를 들어 휘도 감소)을 개선하기 위해 편리하게 이용될 수 있다. 선택적으로, 반투명한 엔벨로프(17)는 예를 들어 휘도를 감소시키고 광 강도 분포를 평활화하기 위해, 광 산란 소자들을 구비할 수 있다. 물론, 반투명한 엔벨로프(17)는 다른 광학적 요소들을 사용자가 보지 못하게 가리도록 구성될 수 있다는 점에서, 장식 상의 개선을 제공하기 위해서도 이용될 수 있다. 예를 들어, 적합한 표면 처리에 의해, 반투명한 엔벨로프(17)는 서리가 낀 외양을 나타내도록 구성될 수 있거나, 선택적으로 또는 대안적으로, 반투명한 엔벨로프(17)는 그 반투명한 엔벨로프(17)를 이루는 재료(예를 들어, 투명 폴리머) 내에 분산된 색소들에 의해 약간 착색되도록 구성될 수 있다.
위에 설명된 실시예들은, 그에 관련된 각각의 이점들 외에도, 각각의 실시예가 큰 광학적 효율(즉, 광원으로부터 출력된 광속(luminous flux)과 설치된 광속의 초기량의 비율)을 가능하게 하도록 할 수 있다. 각각의 반사 표면(10)이 반사 계수 1을 가지며, 각각의 조명 유닛이 배치되는 표면이 반사 계수 0을 갖는다는 가정 하에서, 도 3의 (a), 도 3의 (b), 4의 (b), 5의 (b) 및 6의 (b)에 도시된 실시예들 각각에 대한 결과적인 광학적 효율 η은 각각의 도면들에 나타난 것과 같이 된다. 이러한 가정들 하에서, 실질적으로 모든 광학적 손실은 광 가이드(8)의 입력단(8a)에서의 광학적 손실에 관련된다.
결론적으로, 본 발명은 백열 광원을 이용하는 조명기구 내에 리트로피팅하기 위해 구성될 수 있는 LED 광원에 관한 것이다. 광원은 그 일단에 배치된 조명 유닛 내의 하나 이상의 LED로부터의 광이 주입되는 광 가이드, 및 그에 입사하는 광을 반사시킬 수 있는 반사 표면을 갖는 반사기를 포함하는데, 반사 표면은 광 가이드의 출력단에 배치되고 광 가이드를 향한다. 본 발명에 따르면, 반사 표면은 광원으로부터 방출된 광이 백열 광원의 광 강도 분포와 유사한 공간 강도 분포를 갖는 것을 가능하게 하는 것과 같은 다수의 예시적인 방식으로 구성될 수 있다.
본 발명은 위에서 주로 몇몇 실시예들을 참조하여 설명되었다. 그러나, 본 기술분야의 숙련된 자가 쉽게 알 수 있는 바와 같이, 위에 개시된 것들 이외의 다른 실시예들도 첨부된 청구항들에 의해 정의된 본 발명의 범위 내에서 동등하게 가능하다.

Claims (13)

  1. 적어도 하나의 발광 다이오드(LED)를 포함하는 조명 유닛(light unit)(6);
    입사하는 광의 적어도 일부가 반사되도록 구성된 반사기(9); 및
    입력단(8a), 출력단(8b), 및 그 사이의 중앙 영역(8c)을 갖는 광 투과성 광 가이드(8) - 상기 광 가이드는 축 방향을 따라 연장됨 -
    를 포함하고,
    상기 조명 유닛은 상기 중앙 영역으로 광을 주입(injecting)하기 위해 상기 입력단에 인접하여 배치되고;
    상기 광 가이드는 굴절률이 상기 광 가이드 외부의 매질의 굴절률보다 높도록 구성되고;
    상기 반사기는 상기 출력단에 인접하여 배치되고, 상기 출력단을 향하며 상기 출력단의 적어도 일부를 덮는 반사 표면(10)을 포함하고;
    상기 반사 표면은 상기 반사 표면의 적어도 일부가 오목형 및 볼록형 중 하나이도록 구성되는 광원.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 광원은 백열 광원을 이용하는 조명기구 내에 리트로피팅(retrofitting)하도록 구성되는 광원.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 반사기는 적어도 하나의 투과 부분(14)을 포함하며, 상기 적어도 하나의 투과 부분은 상기 적어도 하나의 투과 부분에 입사하는 광의 적어도 일부가 상기 반사기를 통해 투과되도록 구성되는 광원.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 투과 부분은 축을 따라 연장하는 관통홀(14)을 포함하는 광원.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 축은 상기 축 방향에 평행한 직선 축인 광원.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 광 가이드는 상기 축 방향을 따라 연장되는 컬러 믹싱 로드(color mixing rod)(16)를 포함하고, 상기 컬러 믹싱 로드는 상기 중앙 영역의 적어도 일부를 포함하며, 상기 컬러 믹싱 로드는 6각형의 단면을 갖고, 상기 조명 유닛 내의 복수의 LED로부터의 광을 혼합하도록 구성되는 광원.
  7. 제1항에 있어서,
    적어도 하나의 반사 패싯(facet)(15)은 상기 패싯에 입사하는 광의 적어도 일부가 반사되도록 상기 반사 표면 상에 구성되는 광원.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 반사 표면은
    금속 코팅;
    간섭 필터;
    확산 코팅; 및
    인광체 코팅
    중 하나 이상을 포함하는 광원.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 반사기를 적어도 부분적으로 둘러싸는 적어도 하나의 반투명 엔벨로프(translucent envelope)(17)를 더 포함하는 광원.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 반투명 엔벨로프는 광 산란 소자들을 포함하는 광원.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 광 가이드는 투명 폴리머, 폴리머 화합물(polymer compounds), 유리, 폴리카보네이트, 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate), 아크릴릭, 플라스틱, 및 이들의 조합의 그룹으로부터 선택되는 물질을 포함하는 광원.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 조명 유닛이 그 위에 배치되는 베이스(4)를 더 포함하고,
    상기 베이스(4)는 상기 조명기구의 소켓 커넥터와 짝을 이루도록 구성된 전기 커넥터(5)를 포함하고, 상기 베이스는 상기 전기 커넥터에 접속되는 전기 회로를 더 포함하고, 상기 전기 회로는 상기 전기 커넥터로부터 전기 전력을 수신하고, 상기 전기 전력을 이용하여 상기 조명 유닛을 동작시키도록 구성되는 광원.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 베이스는 상기 조명 유닛에 의해 발생되는 열을 소산시키도록 구성된 히트싱크 장치를 더 포함하는 광원.
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