KR20110118815A - 발광 다이오드 조명 장치 - Google Patents

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KR20110118815A
KR20110118815A KR1020117021261A KR20117021261A KR20110118815A KR 20110118815 A KR20110118815 A KR 20110118815A KR 1020117021261 A KR1020117021261 A KR 1020117021261A KR 20117021261 A KR20117021261 A KR 20117021261A KR 20110118815 A KR20110118815 A KR 20110118815A
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KR1020117021261A
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웨이 리
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엑셀리타스 테크놀로지스 엘이디 솔루션스, 인크.
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    • F21Y2115/10—Light-emitting diodes [LED]

Abstract

동일 평면 어레이로 배열되는 다수의 LED로서, 동일 평면 어레이는 중심 LED와 중심 LED 주위에 반경방향으로 대칭적으로 배치되는 LED를 포함하고, 다수의 LED의 중심축은 상호 평행하게 배열되는 다수의 LED; 상기 다수의 LED로부터의 광을 시준하는 원피스 렌즈 어레이로서, 다수의 동일 평면 렌즈 타일을 포함하고, 상기 동일 평면 렌즈 타일은 중심 렌즈 타일과 중심 렌즈 타일 주위에 반경방향으로 대칭적으로 배치되는 렌즈 타일을 포함하며, 상기 렌즈 타일 각각의 중심축은 대응하는 LED의 중심축과 정렬되는 원피스 렌즈 어레이; 및 상기 렌즈 어레이로부터의 시준된 광을 초점 평면에 있는 단일 화상에 집중시키는 포커싱 렌즈로서, 그 중심축이 상기 렌즈 어레이의 중심축과 정렬되는 포커싱 렌즈를 포함하는 조명 장치에 관한 것이다.

Description

발광 다이오드 조명 장치{LED ILLUMINATION DEVICE}
본 발명은 일반적으로 발광 다이오드(LED) 기반 광원에 관한 것이며, 보다 구체적으로는 광섬유 용도의 LED 기반 광원에 관한 것이다.
광섬유 광원은 일반적으로 주지되어 있으며 광범위한 용도에 사용된다. 의료 분야에서, 광섬유 조명기는 내시경 검사에 널리 사용되며, 다양한 광원, 광섬유, 및 내시경을 포함한다. 전구-기반 의료용 섬유 소스가 현재 널리 이용 가능하다.
광원 및 광섬유는 통상 현미경 조명을 위해 사용되며, 램프-기반 제품이 일반적으로 이용될 수 있다. 광섬유 조명 시스템은 산업용 기압계 및 기계 시각(machine vision) 시스템에도 사용된다. 이전 장치는 주로 조명을 위해 "백색"광을 제공하지만, 소아 고빌리루빈혈증의 광역학 치료에는 420 내지 490nm 파장 범위의 "청색"광을 제공하는 다른 광섬유 광원이 사용된다.
광원 및 광투과용 광섬유를 갖는 시스템은 또한, 생물학 및 기타 연구 분야에서 형광 여기를 위해 하나 이상의 정해진 광파장을 제공할 수 있다.
많은 광섬유 광원은 여러가지 공통적인 기술적 한계를 공유한다. 예를 들어, 광섬유는 광섬유 재료에 의해 결정되는 각도 안에 놓이는 진입 광선만을 수용할 수 있다. 클래드(clad) 유리 섬유로 구성된 대부분의 광섬유 다발에 있어서, 그 수용 절반-각도는 대략 33°이며, 이는 대략 0.55의 개구수(NA)에 대응한다. 따라서, 최적의 효율을 위해서, 광섬유 광원은 대개 특정 형태의 포커싱 광학소자를 가질 것이다.
클래드 유리 섬유로 구성된 보통 사용되는 광섬유 다발은 50% 내지 70% 정도의 투과율을 갖는다. 즉, 섬유 다발의 입력면에 부딪히는 광의 50% 내지 70%만 이용 가능한 광으로서 광섬유를 빠져나갈 것이다. 이 손실은 입력 및 출력면에서의 프레넬 손실, 개구수 제한, 섬유 다발이 통상적으로 그 사이에 갭을 갖는 수백 개의 작은 섬유로 구성되는 사실, 및 섬유 길이를 따르는 감쇠 손실로 인한 것이다. 따라서, 광섬유 광원은 섬유 출력 시에 요구되는 광의 거의 두 배를 제공해야 한다.
많은 용도에서, 조명을 위해 섬유 다발을 빠져나가는 광은 색상 및 강도가 균일한 것이 바람직하지만, 전구 또는 다수의 LED로 구성되는 광원은 특히 원시야(far-field)에서 균일한 광을 제공하지 못할 수 있다. 섬유 다발이 다발 내의 섬유의 랜덤화로 인해 어느 정도의 공간적 광혼합을 제공할 수 있지만, 이는 때로 불충분하며, 섬유 광원은 불균일한 광원으로부터 균일한 광을 얻기 위해 광학소자를 사용해야 한다.
현재 시판되고 있는 많은 광섬유 광원은 할로겐, 할로겐화 금속 또는 제논 전구를 사용한다. 이들 전구-기반 시스템은 충분한 광도의 백색광을 생성하기 위한 비용-효과적인 수단일 수 있지만, 대부분 수명이 짧고(예를 들면, 천시간 미만), 제조 및 폐기를 위해 특수 취급을 요하는 독성 물질을 포함할 수 있고; 높은 작동 전압을 요구할 수 있으며; 따라서 전원의 가격, 크기 및 안전성 위험이 증대될 수 있고; 작동 전압을 변화시켜 광도를 변경함으로써 색온도를 좁은 범위 내에서만 변경할 수 있으며; 상이한 색온도를 제공하기 위한 선택적 필터를 가질 수 있지만 출력 감소가 희생되고; 넓은 스펙트럼에 걸쳐서 광을 발생시키므로 파장을 좁히기 위한 선택적 필터를 필요로 할 수 있으며, 이는 광출력을 감소시키고 비용을 추가시키며; 및/또는 적외선(IR) 파장과 자외선(UV) 파장에서 방사선을 방출할 수 있는 바, 이는 필터 등의 수단에 의해 차단될 수 있어서 추가 광학 요소를 필요로 한다.
상기 문제에 대하여, 광섬유 조명용 광원으로서 발광 다이오드(LED)를 사용하는 여러가지 장치가 제작되거나 제안되었다. 일반적으로, LED-기반의 광섬유 시스템의 이점에는 긴(예를 들면, 수만 시간) 수명; 독성이 덜하거나 및/또는 전혀 없는 물질; 낮은(예를 들면, LED당 4볼트 미만) 전압; 가변적인 색온도; 특정 파장 사양; 및 매우 낮은 UV 또는 IR 방출이 포함된다. 불행히도, LED 시스템은 그 자체의 고유한 기술적 과제를 갖고 있는 바, 특히 제한된 광출력의 과제를 갖고 있다. 대부분의 개별 LED는 여전히 대부분의 백열등보다 현저히 적은 광을 발생한다. 예를 들어, 단일의 1mm 백색 LED로부터 합리적으로 달성할 수 있는 현존 최대 광출력은 대략 200 루멘인 반면, 300와트 제논 램프는 2,000 루멘 이상을 발생할 수 있다. 따라서, LED 광원은 소망 출력 광도를 발생하기 위해 복수의 LED를 사용해야 한다.
또한, 렌즈를 구비하는 광학 시스템에는, 화상 크기와 광선 각도를 지배하는 기본 광학 법칙[에텐듀(Etendue)]이 존재한다. 완벽한 렌즈에 있어서, 화상 크기와 광선 각도의 곱은 상수이다[라그랑지 불변량(Lagrangian invariant) 또는 광학계 불변량으로 지칭되기도 한다]. 실제로, 모든 렌즈는 이 상수의 값을 증가시키는 수차를 갖는다. LED 광을 섬유에 결합하는 경우에, 에텐듀 원칙은 섬유 전면(face)에서의 각도와 화상 크기의 곱이 LED 소스 크기와 방출 각도의 곱보다 커야함을 지시하고 있다.
에텐듀 원칙과 관련하여, 광학 설계에는 추가적인 제약이 존재한다. 먼저, LED는 기본적으로 빛을 반구형 패턴으로 방출하는 람베르시안(Lambertian) 소스로서 그 광도는 방출 각도의 코사인으로 변화한다. 일부 LED 패키지는 이 패턴을 수정해주는 렌즈를 구비한다. 따라서, 소스 각도는 LED의 선택에 의해 설정된다. 두 번째로, LED 소스의 크기와 형상은 LED 제작자에 의해 설정된다. 현존하는 고휘도 LED의 경우에, 통상적인 크기와 형상은 1mm 정방형이다. 따라서, 소스 크기는 LED의 선택에 의해 설정된다. 세 번째로, 광섬유의 수용 각도 또는 개구수(NA)는 섬유 코어 및 클래딩 재료의 함수이다. 가장 보편적으로 사용되는 유리 섬유는 0.5 정도의 NA를 가지며, 섬유 재료는 최종-사용 용도에 의해 결정된다. 따라서, 조명기 설계는 화상 각도에 의해 제약된다. 네 번째로, 광섬유의 형상은 거의 보편적으로 원형이다. (유리 섬유를 융합시킴으로서 정방형과 같은 다른 형상이 달성될 수 있지만, 이는 실제로 보편적이지 않다.) 광섬유의 크기 또는 직경은 최종-사용 용도에 의해 결정된다. 따라서, 조명기 설계는 화상 형상 및 크기에 의해서도 제약된다.
추가로, LED가 소비하는 전기 에너지의 일부는 빛보다 열을 발생한다. 백열 전구에 비해서, LED는 훨씬 낮은 온도에서, 통상 120℃ 내지 180℃에서 작동해야 한다. 전구가 적외선 방출에 의해 열을 소실시키지만, 열은 LED로부터 그 비방출면으로부터의 전도에 의해 제거되어야 한다. 이들 열 인자는 통상 조명 기기 내에 밀착 배치될 수 있는 LED의 개수에 제약을 부과한다.
또한, LED 조명기에서는 소정의 전체 광도를 달성하기 위해서 종래의 조명기에서의 단일 전구에 비해 다수의 LED로부터의 광이 필요한 것으로 알려져 있다. 복수의 개별 LED는 동일 제조 로트(lot)에서 나온 것이라도 동일한 스펙트럼 또는 공간적 강도를 갖지 못할 것이며, LED 특징은 통상 광학적 설계자의 통제 하에 있지 않다. LED 섬유 조명기의 과제는, 다수의 동일하지 않은 소스로부터의 빛을 조합하고 색상, 공간적 분포, 및 각도 분포에 있어서 균일한 광을 생성하는 것이다.
실시예에서, 본 발명의 방법 및 시스템은 광섬유 용도의 LED-기반 광원에 관한 것이다. 일부 실시예에 제시된 것은 에텐듀 원칙의 제약 내에서 광출력을 증가시키기 위한 설계이다.
본 발명의 시스템, 방법 및 설계는 적절한 기판 상에 장착되는 다수의 발광 다이오드(LED), LED로부터 광을 수집하여 시준(collimate)하기 위한 렌즈 어레이, 광섬유 다발의 입력단에 광을 포커싱시키기 위한 렌즈, 선택적 광 확산 요소, LED와 광학 요소를 지지 및 정렬하기 위한 장치, 및 LED로부터 열을 제거하기 위한 장치를 구비한다.
일부 실시예에서, 광학소자는 다른 용도가 자명할 것이지만 일반적으로 다수의 LED 소스로부터 섬유 다발의 입력부로의 광에너지 전달을 증가시키도록 설계된다. 도시하듯이, 광학소자는 다중 LED로부터의 화상을 광섬유 다발 입력면의 영역에 정렬하고 추가로 오버레이(overlay)시키도록 설계될 수 있다. 일부 실시예에서, 광학소자는 LED 다이의 대체로 정방형 형상 및 광섬유의 대체로 원형 형상과 매치되고 및/또는 상당하도록 설계된다. 렌즈 어레이 내에서의 LED 및 대응 렌즈 타일의 개수는 광 수집 효율과 발열 사이에 유리한 균형을 제공하도록 선택될 수 있다. LED와 렌즈 타일의 기하학적 배열은 필요한 공간을 감소시키도록 선택될 수 있다. 렌즈 어레이는 광학적 광 캡처 영역을 증가시키고 렌즈 타일 사이의 광학적으로 비효율적인 영역을 감소시키도록 설계될 수 있다. 본 발명의 방법, 시스템 및 설계는, 일부 실시예에서 LED 또는 렌즈가 중심축으로부터 경사져 배치될 것을 요구하지 않고 따라서 제작을 간단하게 하는 설계를 포함한다. 일부 실시예에서, 선택적 확산 요소는 광의 색상 및 광도 균일성을 더 향상시키기 위해 광로의 최적 위치에 배치될 수 있다.
일부 실시예는, 평행한 방출 방향을 갖도록 동일 평면에 장착되는 복수의 LED, 및 평행한 광축을 갖고 동일 평면에 있는 복수의 렌즈 타일을 개시하며, LED의 개수는 대략 5개 내지 대략 25개의 범위에 있다. 렌즈 타일은 복수의 LED로부터 동일한 거리에 있을 수 있다. 각 렌즈의 중심축은 대응 LED의 중심축과 정렬될 수 있다. 렌즈 타일의 개수는 대략 5개 내지 대략 25개의 범위에 있을 수 있다. 일부 실시예에서, 각각의 렌즈 타일은 비구면 평볼록(planar-convex) 설계이거나 및/또는 비구면 평볼록 설계를 가질 수 있으며, 각각의 렌즈는 거의 동일한 렌즈 파라미터를 갖는다.
렌즈 타일은, 인접한 렌즈 타일 사이에 내부 갭이 거의 없으며 렌즈 타일의 최외측 둘레가 원형으로 남아있고 절두되지 않는 "플라워-타일링(flower-tiling)" 어레이로 배열될 수 있다. LED 및 렌즈 타일의 타일링 배치는 포커싱 렌즈의 중심 광축과 일치하는 기하학적 중심축을 구비할 수 있다. LED 및 렌즈 타일의 배열은 렌즈 어레이를 빠져나가는 광을 시준시킬 수 있다.
또한, 렌즈 어레이 근처에 제공되고 시준 광을 수집하여 포커싱시키는 포커싱 렌즈가 개시된다. 포커싱 렌즈는 비구면 평볼록 설계일 수 있다. 포커싱 렌즈 외경은 렌즈 어레이의 유효 외경에 매치될 수 있다.
일부 실시예에서, 본 발명의 광학 설계는 LED 소스를 단일 화상에 오버레이시키는 투사 화상을 초래한다. 단일 화상에서의 광의 강도는 임의의 단일 LED로부터 투사되는 광의 강도보다 클 수 있다.
기타 목적 및 장점은 명세서 및 도면을 참조하여 이하에서 자명해질 것이다.
본 출원은 첨부 도면과 관련하여 이루어지는 하기 설명을 참조하여 가장 잘 이해될 수 있으며, 도면에서 유사한 부분은 유사한 도면 부호로 지칭될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 예시적인 광학 시스템의 단면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 예시적인 광학 시스템의 일부 요소의 사시도이다.
도 3a 및 도 3b는 모든 LED로부터의 광을 최종 화상에 집중시키는 대형 포커싱 렌즈의 도면이다.
도 4는 섬유 입력면에서의 정방형 조도(illuminance) 분포를 도시하는 도면이다.
도 5는 다수의 LED로부터의 광이 하나의 중첩된 화상으로 합병되는 것을 도시하는 예시적인 실시예의 2차원 광선-추적의 도면이다.
도 6은 도 5의 확대도이다.
도 7은 LED로부터의 광을 시준시키기 위해 TIR(전체 내부 반사: total internal reflection) 렌즈가 사용되는 종래 시스템의 2차원 광선-추적의 도시도로서, 광원이 축상(on-axis) 지점인 도면이다.
도 8은 LED로부터의 광을 시준시키기 위해 TIR(전체 내부 반사) 렌즈가 사용되는 종래 시스템의 2차원 광선-추적의 도시도로서, 광원이 축외 지점에 있는 도면이다.
도 9는 예시적인 플라워-타일링 구조에 있는 복수의 렌즈 타일을 포함하는 원피스 시준 렌즈 어레이(one-piece collimating lens array)의 도면이다.
도 10은 육각형 타일링의 도면이다.
도 11은 도 9의 예시적인 플라워-타일링 구조가 어레이 주위에서 육각형 타일링 구조보다 큰 영역을 갖는 것을 도시한다.
도 12는 원형 타일링의 도면이다.
도 13은 13개의 LED를 갖는 플라워-타일링 렌즈 어레이의 도면이다.
도 14는 대략 섬유 입력의 초점 평면에서 확산 필름 상에 결상되는 복수의 LED의 도면이다.
전체적인 이해를 제공하기 위해, 이제 특정한 예시적인 실시예를 설명할 것이지만, 당업자라면 본 명세서에 기재된 시스템 및 방법이 다른 적합한 용도를 위한 시스템 및 방법을 제공하도록 개조 및 수정될 수 있으며 본 명세서에 기재된 시스템 및 방법의 범위 내에서 다른 추가 및 수정이 이루어질 수 있음을 알 것이다.
달리 명시되지 않는 한, 도시된 실시예는 특정 실시예의 다양한 상세의 예시적인 특징을 제공하는 것으로 이해될 수 있으며, 따라서 달리 명시되지 않는 한 도시된 실시예의 특징, 부품, 모듈 및/또는 태양은 개시된 시스템 또는 방법을 벗어나지 않는 범위에서 달리 조합, 분리, 교환 및/또는 재구성될 수 있다. 또한, 부품의 형상과 크기도 예시적이며, 달리 명시되지 않는 한, 본 발명의 개시된 범위와 예시적인 시스템 또는 방법에 영향을 미치지 않고 변경될 수 있다.
도 1 및 도 2는 각각, 본 발명에 따른 예시적인 광학 시스템의 단면도 및 사시도이다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 하나 이상의 발광 다이오드(LED)(1)가 종래의 회로판(2)에 장착되며, 회로판은 LED(1)에 전력을 제공하고 LED(1)로부터의 열 제거를 보조한다. 개시된 렌즈 어레이(3)는 LED(1)로부터의 광을 수집하여 시준시킨다. 충분한 크기의/대형 렌즈(4)는 광을 수집하여 광섬유 다발(5)의 입력부(6)에 포커싱시킨다.
광학 지지 하우징(9)은 LED(1), 렌즈 어레이(3), 대형 렌즈(4), 및 광섬유 홀더(7)를 비교적 정밀한 정렬로 유지하도록 작용한다. 렌즈 클램프(8)는 대형 렌즈(4)를 광학 지지 하우징(9)에 유지한다. 광섬유 홀더(7)는 광섬유 다발(5)을 광학 시스템과 비교적 정밀한 정렬로 유지한다.
LED 회로판(2)은 LED 장착 및 열 제거를 위해 알루미늄 기판과 얇은 유전체 층을 갖는 금속-코어 회로판일 수 있다. LED(1)로부터의 열은 회로판(2)을 통한 전도에 의해 히트 싱크(10)로 전달된다. 히트 싱크(10)는, 경우에 따라 팬(도시되지 않음)과 함께, LED(1)로부터의 열을 대류에 의해 대기로 제거하는 작용을 한다.
LED(1)는, 각 LED(1)의 중심이 렌즈 어레이(3) 내의 각 대응 렌즈 타일의 중심축과 정렬된 상태로, 반경방향으로 대칭적인 어레이로 배열된다. 따라서, LED(1)와 렌즈 타일 사이에는 일대일 대응이 존재한다. LED(1)는 동일 평면적으로 장착되며, 각 LED(1)의 중심축은 대략 평행하다. 각각의 LED(1)에서 각각의 렌즈 타일까지의 거리는 거의 동일하도록 설계된다. 각각의 LED(1)는 동일 제작자에 의한 동일한 형태 및 구조의 것이므로, 각각의 LED(1)는 제작 공차 내에서 거의 유사한 방출 빔 패턴(소스 형상)을 가질 것이다. 렌즈 어레이(3) 내의 각 렌즈 타일은 제작 공차 내에서 동일한 광학적 프로파일을 갖도록 설계된다. 이하에서 보다 자세히 설명하듯이, 렌즈 타일은 렌즈 어레이(3)를 형성하도록 "플라워-타일링" 기하구조로 조각맞춤세공된다. 도 3a 및 도 3b에 도시하듯이, 대형 포커싱 렌즈(4)는 모든 LED(1)로부터의 광을 최종 화상에 집중시키며, 이 최종 화상은 모든 LED 화상의 오버레이이다. 초점에서, LED 화상은 동일한 크기를 가지며 공통 광축 상에 정렬된다.
시스템의 배율은 LED 방출면 크기에 대한 화상 크기의 비율로서 정의된다. 시스템 배율은 렌즈 타일의 초점 길이 및 대형 포커싱 렌즈의 초점 길이에 의해 결정된다. 이들 두 개의 파라미터를 변경함으로써, 배율은 결과적인 화상 크기가 광섬유의 입사 개구와 매치되도록 조절될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 배율은 3.3이도록 계산되며, 실제 실현된 배율은 약간 더 크다.
LED의 소스 화상은 대체로 정방형인 LED 다이에 대응할 것이다. 일부 예시적인 실시예에서, 결과적인 조도 화상 형상은 정방형이다. 광학 시뮬레이션에 의해 발생된 이 정방형 조도 화상의 계산된 조도 플롯이 도 4에 도시되어 있다. 일부 예시적인 실시예에서, 배율은 조도 화상(11)이 광섬유 다발의 원형 수용 영역(12)과 실질적으로 매치되도록 설정될 수 있다.
렌즈 수차는 광학 시스템의 라그랑지 불변량을 증가시키고 따라서 시스템 효율을 감소시킨다. 일부 예시적인 실시예에서, 렌즈 파라미터는 수차를 감소시키고 시스템 효율을 증가시키도록 조절된다. 구체적으로, 비구면 평볼록 렌즈 타일은 시준 렌즈 어레이 용으로 사용될 수 있다. 조합된 두 개의 구면 렌즈는 구면 수차를 감소시키기 위해 사용되기도 하지만, 이 접근법은 시스템 복잡성 및 비용을 추가시킨다. 개시된 단일 비구면 렌즈 타일은 구면 수차를 감소시킬 수 있고, 프레넬 표면 손실로부터의 광 손실을 감소시킬 수 있으며, 부품 개수, 중량 및 비용을 감소시킬 수 있다.
일반적으로, 비구면 렌즈는 평오목, 평볼록, 양면볼록(bi-convex) 또는 양면오목(bi-concave)할 수 있다. 소스가 렌즈 초점에 위치하고 화상이 무한대에 있을 때(즉, 시준된 광), 거의-편평한 앞면을 갖는 볼록 또는 오목 렌즈는 최소 구면 수차를 초래할 것이다. 일부 예시적인 실시예에서, LED 소스는 초점에 위치되며, 평볼록 비구면 렌즈가 시준 렌즈 타일을 위해 사용될 수 있다.
예시적인 일 실시예에서는, 렌즈 어레이의 경제적 몰딩을 위해 유리 대신에 플라스틱이 사용될 수 있다. 단일 비구면 유리 렌즈의 정밀 성형이 수년간 존재했지만, 비구면 유리 렌즈 어레이의 정밀 성형은 보편적이지 않고 비싸다. 플라스틱 사출 성형은 비교적 저렴한 비용으로 유리 연삭 및 연마 기술에 비견되는 정확성을 제공한다. 일부 예시적인 실시예에서, 각각의 LED의 광축은 각각의 대응하는 렌즈 타일의 광축과 정렬된다. 렌즈 어레이의 비교적 정밀한 위치설정은 렌즈 어레이에 몰딩되는 장착 및 정렬 특징부에 의해 달성될 수 있다.
일 실시예의 2차원 광선-추적이 도 5에 도시되어 있으며, 이는 다수의 LED(1)로부터의 광이 하나의 중첩된 화상으로 합병되고 따라서 증가된 광출력을 제공함을 나타내고 있다. 이 중첩 화상은 또한, 백색광을 달성하기 위해 적-녹-청-황(RGBA) 조합과 같은 상이한 LED 색상이 사용될 경우 색 분리를 감소시킨다. 광학 설계가 반경방향으로 대칭적이기 때문에, 2차원 플롯은 충분히 설명적이다. 축상 광선(13)(실선으로 도시됨)은 각 LED(1)의 중심에서 시작하여 광섬유(5)의 중심축 또는 그 근처에서 종료된다. 축외 광선(14)(비실선으로 도시됨)은 각 LED(1)의 에지에서 시작하여 섬유 둘레 또는 그 근처에서 종료된다. 모든 광선이 도시되지는 않았으며; 섬유 수용 각도(15) 내에 포함되지 않는 소위 탈선 광선은 도시되지 않았다. 대형 렌즈(4)의 포커싱 각도는 광섬유(5)의 수용 각도(15)와 대략 동일하도록 선택될 수 있다. 도 6은 도 5의 확대도이며, LED(1)로부터 방출되는 축상 광선(13) 및 축외 광선(14)을 도시한다.
일부 광학 시스템은 LED로부터의 광을 시준하기 위해 TIR(전체 내부 반사) 렌즈를 사용한다. 이러한 TIR 렌즈(17)는 렌즈 초점에 광원(16)을 갖는 대체로 포물면이다. 광원이 축상 지점에 있을 때, TIR 렌즈로부터의 광은 양호하게 시준될 것이며, 도 7에 도시하듯이 비구면 포커싱 렌즈(19)에 의해 지점(18)에 포커싱될 수 있다. 그러나, 광원이 축외 지점에 있을 때는, 도 8에 도시하듯이, TIR 렌즈로부터의 광은 시준되지 않으며, 지점에 포커싱될 수 없다. LED가 확장 소스이므로, 대부분의 광은 축외 방출될 것이며, TIR 렌즈 시스템은 큰 수차 없이 LED 소스를 촬영할 수 없다. 본 발명에 따른 광학 시스템은 감소된 수차로 LED 소스를 촬영하기 위해 굴절 렌즈를 사용하며, 따라서 시스템 성능을 향상시킨다.
일부 예시적인 실시예에서는, 복수의 렌즈 타일을 포함하는 원피스 시준 렌즈 어레이가 사용된다. 도 9에 도시하듯이, 이 구조는 육각형 또는 원형 타일링과 구별하기 위해 "플라워-타일링"로 지칭된다. 도 10에 도시된 렌즈의 육각형 타일링과 비교하여, 도 11에 도시된 예시적인 플라워-타일링 구조는 어레이 주위에 광을 캡처하기 위한 더 큰 영역을 갖는다. 또한, 플라워-타일링 구조는 어레이의 내부에서 동일한 크기의 도 12에 도시된 원형 어레이보다 큰 광학 영역을 갖는다. 최대 강도를 위해서는 수정된 육각형 플라워 타일링 배치가 바람직하지만, 본 발명은 도 12의 보다 통상적인 원형 렌즈 또는 도 10의 육각형 렌즈를 구비하는 시스템을 커버하도록 의도된 것임을 알아야 한다.
하나의 예시적인 플라워-타일링 구조가 도 9에 도시되어 있다. 플라워-타일링 구조는 중심에 육각형 타일을 갖는다. 중심에 있는 육각형 타일에 바로 인접하여 이 육각형 타일을 둘러싸는 여섯 개의 동일한 비중첩 타일이 존재한다. 여섯 개의 동일한 타일의 각각은 중심에 있는 육각형 타일의 대응 에지와 직접 접촉하는 제1 에지(20)를 갖는다. 제1 에지(20)는 중심에 있는 육각형 타일의 대응 에지와 평행하다. 제1 에지(20)는 대응 에지로서 정확한 길이를 갖는다. 여섯 개의 동일한 타일의 각각은 제1 에지(20)의 제1 단부로부터 연장되는 제2 에지(21)를 가지며, 제1 에지(20)와 제2 에지(21) 사이에는 120°의 각도가 형성된다. 마찬가지로, 여섯 개의 동일한 타일의 각각은 제1 에지(20)의 제2 단부로부터 연장되는 제3 에지(22)를 가지며, 제1 에지(20)와 제3 에지(22) 사이에는 120°의 각도가 형성된다. 또한, 여섯 개의 동일한 타일의 각각은 제2 에지(21) 및 제3 에지(22)의 단부를 연결하는 원호(23)를 갖는다.
도 11을 참조하면, 예시적인 플라워-타일링 구조는 수정된 육각형 타일링이다. 육각형 타일링의 수정은 육각형 타일링 상의 외부 육각형(25)의 외부 에지(24)를 외부 육각형(25)의 외부 에지(24)의 두 꼭지점(27)을 연결하는 원호(26)에 의해 교체하는 것을 포함한다. 육각형(25)은 육각형 타일링 상의 외부 육각형인데, 이는 육각형(25)이 육각형 타일링 상의 다른 육각형의 에지에 평행하게 인접하여 배치되지 않는 적어도 하나의 외부 에지(24)를 갖기 때문이다. 도 11에 도시된 플라워-타일링 구조에서는 육각형 타일링 상의 각각의 외부 육각형의 세 개의 외부 에지가 세 개의 대응 원호에 의해 교체됨을 알아야 한다.
도시된 실시예에서 사용되는 일곱 개보다 많은 LED를 추가함으로써 더 높은 출력이 달성될 수 있다. 예를 들어, 도 13은 13개의 LED를 갖는 플라워-타일링 렌즈 어레이를 도시한다. 플라워-타일링 구조는 수정된 육각형 타일링이다. 육각형 타일링의 수정은 육각형 타일링 상의 외부 육각형(29)의 외부 에지(28)를 외부 육각형(29)의 외부 에지(28)의 두 꼭지점(31)을 연결하는 원호(30)에 의해 교체하는 것을 포함한다. 육각형(29)은 육각형 타일링 상의 외부 육각형인데, 이는 육각형(29)은 육각형 타일링 상의 다른 육각형의 에지에 평행하게 인접하여 배치되지 않는 적어도 하나의 외부 에지(28)를 갖기 때문이다.
도 13에 도시하듯이, 원형 라인(32)은 섬유 NA와 포커싱 렌즈의 초점 길이에 의해 설정되는 광 캡처에 적절한 외경을 도시한다. 따라서, 추가적인 외부의 여섯 개의 LED로부터 방출되는 광은 그 대부분이 섬유 수용 각도의 외부에 떨어질 것이므로 대형 렌즈의 직경이 증가해도 방출 광의 일부만 섬유에 진입할 것이다. 이 예에서, 17%의 계산된 플럭스 게인의 달성은 LED 개수의 46% 증가, 열적 부하, 비용, 크기 및 전력 요건의 비슷한 비율의 증가를 필요로 한다. 예시적인 실시예에서는, 광출력과 열 사이의 타협(tradeoff), 전력, 크기 및 비용 간의 밸런스를 맞추기 위해 일곱 개의 LED가 사용되었다. 당업자라면 다른 개수의 LED가 가능함을 알 것이다.
일부 용도에서는, 균일한 조명이 바람직하다. LED 출력의 변경, LED 다이의 촬영, 광학소자의 사소한 변경 등으로 인해, 결과적인 화상이 소망의 균일성을 갖지 못할 수 있다. 예시적인 일 실시예에서는, 광 분포를 균질화하기 위해 화상 평면에 홀로그래픽 확산 필름과 같은 광확산 요소가 배치될 수 있다. 예를 들어, 도 14에 도시하듯이, LED는 대략 섬유 입력부에서 확산 필름 상에 결상된다. LED 화상은 하나의 거의 연속적인 화상(33)에 중첩됨을 알아야 한다. 대안적으로, 공간이 허용하면, 화상 평면에 배치되는 일 단부와 광섬유 입사 개구에 인접한 타 단부를 갖는 광전달 재질의 혼합 중실 막대가 광 분포를 균질화하기 위해 사용될 수 있다.
일부 예시적인 실시예는 NA=0.5와 2m 길이를 갖는 종래의 유리 5mm 광섬유 다발의 출사 개구로부터 대략 415 lm(루멘) 출력을 달성하였다. 이 출력은 동일한 조건 하에서 457 lm의 계산된 출력에 매우 필적한다. 계산된 출력과 측정된 출력은 또한 에텐듀 한계에 의해 예상되는 결과에 필적한다.
예상했듯이, 광출력은 동일한 NA를 갖지만 직경이 상이한 섬유에 있어서 다음과 같이 달라진다: 3.2mm 섬유로부터 180 lm; 5mm 섬유로부터 415 lm; 및 8mm 섬유로부터 644 lm.
본 발명의 다양한 실시예에 대해 다른 변형이 이루어질 수 있음을 알아야 한다. 예를 들어, 시준 렌즈 어레이는 본 발명의 "플라워-타일링" 패턴으로 배열되는 프레넬 렌즈를 포함할 수 있다. 시준 렌즈는 도시하듯이 평볼록 렌즈일 수 있으며, 또한 평오목, 메니스커스 볼록, 메니스커스 오목, 양면볼록 또는 양면오목할 수도 있다. 대형 포커싱 렌즈는 구면 렌즈, 비구면 렌즈 또는 프레넬 렌즈일 수 있다. LED 및 타일링된 렌즈의 개수는 일곱 개에 한정되지 않으며, 한 개에서부터 임의 개수까지의 범위에 있을 수 있지만, 실제 실시예는 일반적으로 대략 5개 내지 대략 25개의 LED 및 렌즈 개수를 가질 것이다.
본 발명의 실시예는 단일 색상의 LED에 한정되지 않음을 알아야 한다. 그 방출면이 대략 동일한 크기라면 상이한 색상의 LED의 어레이가 사용될 수 있다. 최종 화상은 상이한 색상의 오버레이 화상이 될 것이다. 예를 들어, 적, 녹, 청의 오버레이가 백색광을 생성하기 위해 사용될 수 있다.
본 발명의 실시예는 광을 섬유에 결합시키는 것에 한정되지 않음을 알아야 한다. 결과적인 화상은 포커싱된 고강도 스포트 라이트, 작업 조명 또는 검사 조명으로 사용될 수 있다.
광원은 발광 다이오드(LED)에 한정되지 않는다. 대안적으로, 유기 발광 다이오드(OLED) 또는 기타 적합한 광원이 사용될 수 있다.
달리 명시되지 않는 한, "실질적으로"라는 단어의 사용은, 당업자에 의해 이해되는 정확한 관계, 조건, 배열, 배향 및/또는 기타 특징과 그 편차를 이러한 편차가 본 명세서에 개시된 방법 및 시스템에 구체적으로 영향을 미치지 않는 정도까지 포함하는 것으로 해석될 수 있다.
본 명세서의 전체에 걸쳐서, 명사를 수식하기 위한 관사의 사용은 편의상 사용되는 것이며 달리 명시되지 않는 한 수식되는 명사를 하나 이상 포함하는 것으로 이해될 수 있다.
다른 것과 연통, 연관되거나 및/또는 그것에 기초하도록 도면을 통해서 기술되거나 및/또는 도시되는 요소, 부품, 모듈 및/또는 그 부분은 달리 명시되지 않는 한 직접 및/또는 간접적으로 그렇게 연통, 연관되거나 및/또는 기초하는 것으로 이해될 수 있다.
방법 및 시스템을 그 특정 실시예에 대해 기술했지만, 그렇게 한정되는 것은 아니다. 상기 교시 내용을 감안하면 명백히 많은 수정 및 변형이 자명해질 수 있다. 본 명세서에 기술되고 도시된 부분의 상세, 재료 및 배치에 있어서의 많은 추가 변경이 당업자에 의해 이루어질 수 있다. 따라서, 본 발명이 명세서에 개시된 실시예에 한정되지 않고, 특정하게 기술된 것과 다른 실시예를 포함할 수 있으며, 법이 허용하는 최대한 넓게 해석되어야 함을 알 것이다.

Claims (29)

  1. 조명 장치이며,
    동일 평면 어레이로 배열되는 복수의 발광 다이오드로서, 동일 평면 어레이는 중심 발광 다이오드와 중심 발광 다이오드 주위에 반경방향으로 대칭적으로 배치되는 발광 다이오드를 포함하고, 상기 복수의 발광 다이오드의 중심축은 상호 평행하게 배열되는 복수의 발광 다이오드;
    상기 복수의 발광 다이오드로부터의 광을 시준하는 원피스 렌즈 어레이로서, 복수의 동일 평면 렌즈 타일을 포함하고, 상기 동일 평면 렌즈 타일은 중심 렌즈 타일과 중심 렌즈 타일 주위에 반경방향으로 대칭적으로 배치되는 렌즈 타일을 포함하며, 상기 렌즈 타일 각각의 중심축은 대응하는 발광 다이오드의 중심축과 정렬되는 원피스 렌즈 어레이; 및
    상기 렌즈 어레이로부터의 시준된 광을 초점 평면에 있는 단일 화상에 집중시키는 포커싱 렌즈로서, 포커싱 렌즈의 중심축은 상기 렌즈 어레이의 중심축과 정렬되는 포커싱 렌즈를 포함하는 조명 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 렌즈 타일은 육각형 형상인 조명 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 렌즈 타일은 원형 형상인 조명 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 동일 평면 렌즈 타일은 수정된 육각형 타일링으로 배열되며, 육각형 타일링의 수정은 육각형 타일링 상의 외부 육각형의 외부 에지를 외부 육각형의 외부 에지의 두 꼭지점을 연결하는 원호로 교체하는 것을 포함하는 조명 장치.
  5. 조명 장치이며,
    동일 평면 어레이로 배열되는 복수의 발광 다이오드로서, 동일 평면 어레이는 중심 발광 다이오드와 중심 발광 다이오드 주위에 반경방향으로 대칭적으로 배치되는 발광 다이오드를 포함하고, 상기 복수의 발광 다이오드의 중심축은 상호 평행하게 배열되는 복수의 발광 다이오드;
    상기 복수의 발광 다이오드로부터의 광을 시준하는 원피스 렌즈 어레이로서, 복수의 동일 평면 렌즈 타일을 포함하고, 상기 동일 평면 렌즈 타일은 중심 렌즈 타일과 중심 렌즈 타일 주위에 반경방향으로 대칭적으로 배치되는 렌즈 타일을 포함하며, 상기 렌즈 타일 각각의 중심축은 대응하는 발광 다이오드의 중심축과 정렬되는 원피스 렌즈 어레이;
    상기 렌즈 어레이로부터의 시준된 광을 초점 평면에 있는 단일 화상에 집중시키는 포커싱 렌즈로서, 포커싱 렌즈의 중심축은 상기 렌즈 어레이의 중심축과 정렬되는 포커싱 렌즈; 및
    입력면을 갖는 광섬유로서, 상기 입력면은 다이오드로부터 포커싱된 광을 수용하기 위해 초점 평면에 배치되는 광섬유를 포함하는 조명 장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 렌즈 타일은 육각형 형상인 조명 장치.
  7. 제5항에 있어서, 상기 렌즈 타일은 원형 형상인 조명 장치.
  8. 제5항에 있어서, 상기 동일 평면 렌즈 타일은 수정된 육각형 타일링으로 배열되며, 육각형 타일링의 수정은 육각형 타일링 상의 외부 육각형의 외부 에지를 외부 육각형의 외부 에지의 두 꼭지점을 연결하는 원호로 교체하는 것을 포함하는 조명 장치.
  9. 조명 장치이며,
    복수의 발광 다이오드;
    상기 복수의 발광 다이오드로부터의 광을 시준하는 렌즈 어레이로서, 수정된 육각형 타일링으로 배열되는 복수의 동일 평면 렌즈 타일을 포함하고, 육각형 타일링의 수정은 육각형 타일링 상의 외부 육각형의 외부 에지를 외부 육각형의 외부 에지의 두 꼭지점을 연결하는 원호로 교체하는 것을 포함하는 렌즈 어레이; 및
    상기 렌즈 어레이로부터의 시준된 광을 단일 화상에 집중시키는 포커싱 렌즈를 포함하는 조명 장치.
  10. 제9항에 있어서, 상기 외부 육각형은 적어도 하나의 외부 에지를 갖는 육각형 타일링 상의 육각형이며, 상기 적어도 하나의 외부 에지는 육각형 타일링 상의 다른 육각형의 에지에 평행하게 인접하여 배치되지 않는 조명 장치.
  11. 제9항에 있어서, 상기 육각형 타일링은,
    중심 육각형; 및
    상기 중심 육각형를 둘러싸고 이에 인접하는 여섯 개의 외부 육각형을 포함하는 조명 장치.
  12. 제11항에 있어서, 상기 여섯 개의 외부 육각형 각각의 세 개의 외부 에지는 대응 원호에 의해 교체되는 조명 장치.
  13. 제9항에 있어서, 상기 렌즈 어레이는 원피스 렌즈 어레이인 조명 장치.
  14. 제13항에 있어서, 상기 원피스 렌즈 어레이는 플라스틱 사출 성형에 의해 형성되는 조명 장치.
  15. 제9항에 있어서, 상기 렌즈 타일은 비구면인 조명 장치.
  16. 제9항에 있어서, 상기 렌즈 타일은 프레넬 렌즈, 평볼록 렌즈, 평오목 렌즈, 메니스커스 볼록 렌즈, 메니스커스 오목 렌즈, 양면볼록 렌즈, 및 양면오목 렌즈로 구성되는 그룹에서 선택되는 조명 장치.
  17. 제9항에 있어서, 상기 복수의 발광 다이오드는 동일 평면 어레이로 배열되는 조명 장치.
  18. 제9항에 있어서, 상기 복수의 발광 다이오드는 반경방향 대칭 어레이로 배열되는 조명 장치.
  19. 제9항에 있어서, 상기 복수의 발광 다이오드의 중심축은 상호 평행하도록 배열되는 조명 장치.
  20. 제9항에 있어서, 상기 발광 다이오드의 각각은 하나의 대응하는 렌즈 타일을 가지며, 상기 발광 다이오드 각각의 중심축은 대응 렌즈 타일의 중심축과 정렬되는 조명 장치.
  21. 제9항에 있어서, 상기 렌즈 어레이의 중심축은 상기 포커싱 렌즈의 중심 광축과 정렬되는 조명 장치.
  22. 제9항에 있어서, 상기 포커싱 렌즈는 비구면 평볼록 렌즈인 조명 장치.
  23. 제9항에 있어서, 상기 단일 화상은 포커싱 렌즈의 초점에 위치하는 조명 장치.
  24. 제9항에 있어서, 상기 단일 화상은 상기 복수의 발광 다이오드에 대응하는 화상의 오버레이인 조명 장치.
  25. 제24항에 있어서, 상기 복수의 발광 다이오드에 대응하는 화상은 각각 동일한 크기를 가지며, 각각 공통 광축 상에 정렬되는 조명 장치.
  26. 제9항에 있어서, 상기 단일 화상은 광섬유 다발의 입력부에 투사되는 조명 장치.
  27. 제26항에 있어서, 상기 단일 화상의 크기는 광섬유 다발의 입사 개구와 매치되는 조명 장치.
  28. 조명 장치이며,
    복수의 발광 다이오드;
    상기 복수의 발광 다이오드로부터의 광을 시준하는 렌즈 어레이로서, 복수의 동일 평면 렌즈 타일을 포함하고, 상기 복수의 동일 평면 렌즈 타일은,
    중심 육각형 타일; 및
    상기 중심 육각형 타일을 둘러싸고 상기 중심 육각형 타일에 바로 인접하는 여섯 개의 동일한 비중첩 타일을 포함하며, 상기 여섯 개의 동일한 타일의 각각은 중심 육각형 타일의 대응 에지와 직접 접촉하는 제1 에지를 갖고, 상기 제1 에지는 대응 에지와 평행하고 대응 에지와 완전히 동일한 길이를 가지며, 상기 여섯 개의 동일한 타일의 각각은 상기 제1 에지의 제1 단부로부터 연장되는 제2 에지를 갖고, 상기 제1 에지와 제2 에지는 그 사이에 120도의 각도를 가지며, 상기 여섯 개의 동일한 타일의 각각은 상기 제1 에지의 제2 단부로부터 연장되는 제3 에지를 갖고, 상기 제1 에지와 제3 에지는 그 사이에 120도의 각도를 가지며, 상기 여섯 개의 동일한 타일의 각각은 제2 에지 및 제3 에지의 단부를 연결하는 원호를 갖는 렌즈 어레이; 및
    상기 렌즈 어레이로부터의 시준된 광을 단일 화상에 집중시키는 포커싱 렌즈를 포함하는 조명 장치.
  29. 조명 장치이며,
    동일 평면 어레이로 배열되는 일곱 개의 발광 다이오드;
    상기 복수의 발광 다이오드로부터의 광을 시준하는 렌즈 어레이로서, 복수의 동일 평면 렌즈 타일을 포함하고, 상기 복수의 동일 평면 렌즈 타일은,
    중심 육각형 타일; 및
    상기 중심 육각형 타일을 둘러싸고 상기 중심 육각형 타일에 바로 인접하는 여섯 개의 동일한 비중첩 타일을 포함하며, 상기 여섯 개의 동일한 타일의 각각은 중심 육각형 타일의 대응 에지와 직접 접촉하는 제1 에지를 갖고, 상기 제1 에지는 대응 에지와 평행하고 대응 에지와 완전히 동일한 길이를 가지며, 상기 여섯 개의 동일한 타일의 각각은 상기 제1 에지의 제1 단부로부터 외측으로 연장되는 제2 에지를 갖고, 상기 제1 에지와 제2 에지는 그 사이에 120도의 각도를 가지며, 상기 여섯 개의 동일한 타일의 각각은 상기 제1 에지의 제2 단부로부터 연장되는 제3 에지를 갖고, 상기 제1 에지와 제3 에지는 그 사이에 120도의 각도를 가지며, 상기 여섯 개의 동일한 타일의 각각은 제2 에지 및 제3 에지의 단부를 연결하는 원호를 갖는 렌즈 어레이; 및
    상기 렌즈 어레이로부터의 시준된 광을 단일 화상에 집중시키는 포커싱 렌즈를 포함하는 조명 장치.
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