KR20110135875A - Ｌｅｄ 시준 광학 모듈 및 이를 이용한 조명 기구 - Google Patents
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Abstract
LED 시준 광학 모듈(16)과 이를 이용한 조명 기구(10), 및 무대 조명을 위한 광학 디바이스가 개시된다. LED 시준 광학 모듈(16)의 일 실시예에서, LED 칩(30)은 복수의 광원들(G, R, B, W)을 제공한다. 광 도전체(32)는 복수의 광원들(G, R, B, W)로부터 수취된 광을 혼합하기 위해 LED 칩(30) 위에 놓인다. 광 도전체(32)를 통과한 후, 혼합된 광은 광 도전체(32)에 연결된 복합 파라볼라형 집광기(34)에 들어간다. 복합 파라볼라형 집광기(34)는 균일한 동공(90)이 방출되도록 광 도전체(32)로부터 수취된 광을 시준한다.
Description
본 발명은, 일반적으로 인공 광 또는 조명의 생성과 관련되며, 특히 공통 베이스(common base) 상의 어레이에서 개별적으로 이용되거나 배열될 수 있는 발광 다이오드(LED) 시준 광학 모듈들 및 이들을 이용한 조명 기구에 관한 것이다.
현재 LED 칩 패키지들은 패키지당 복수의 LED 칩들을 포함할 수 있으며, 임의의 필요한 색 혼합(color mixing), 시준(collimation), 또는 다른 빔 쉐이핑(shaping)을 제공하기 위해 2차 광학계를 필요로 하는 패키지 그 자체에서 상대적으로 간단한 광학계를 갖는다. 이들 기존의 LED 칩 패키지들은 시준 및 색 혼합을 포함하는 전력 및 빔 쉐이핑 요건 간의 균형을 맞추어야 한다. 예를 들어, 연극, 춤, 오페라 및 다른 행위 예술들의 제작에 관련된 애플리케이션 등의 무대 조명 애플리케이션들에서, 조명 기구의 빔 또는 필드 앵글(field angle) 외에 요구되는 세기 및 조명될 영역으로부터의 거리는 LED 칩 패키지들이 엄청난 전력을 갖게 한다. 또한, 애플리케이션의 속성으로 인해, 쉐이핑이 잘 된 빔이 또한 요구된다. 휘도 요건들은 다수의 LED들을 사용하여 만족될 수 있는데, 이는 결국, 하나의 균일(uniform) 및 균질(homogeneous)의 동공(pupil)으로 집광하는 것을 보다 어렵게 한다. 종종 전력은 균일성을 위해 희생되어야 하고, 그 역도 마찬가지이다. 해법들은, 한편으로 전력과 다른 한편으로 시준 및 색 혼합 사이에서 교환들을 고심하도록 지속적으로 요구된다.
LED 시준 광학 모듈, 이를 이용한 조명 기구, 및 광학 디바이스가 개시된다. 본 명세서에 제시된 해법들은 한편으로는 전력과 다른 한편으로는 시준 및 색 혼합 사이의 전통적인 트레이오프(tradeoff)들을 완화시킨다. LED 시준 광학 모듈의 일 실시예에서, LED 칩은 복수의 광원들을 제공한다. 광 파이프형, 튜브형 또는 막대형일 수 있는 광 도전체는, 예컨대 광원들로부터 수취한 광을 혼합하도록 LED 칩 상에 놓인다. 광 도전체를 통과한 후, 혼합된 광은 광 도전체에 연결된 복합 파라볼라형 집광기(compound parabolic concentrator; CPC)에 들어간다. CPC는 실질적으로 균일한 동공이 방출되도록 광 도전체로부터 수취된 광을 시준한다. 조명 기구의 일 실시예에서, 복수의 LED 시준 광학 모듈들은 각각 베이스 상에 배치된다. 하우징은 베이스와 LED 광학 모듈들을 수용하도록 조정된다. 조명 기구는 다양한 애플리케이션들에 완전한 조명 기구(lighting fixture)를 제공할 수 있다.
무대 조명 분야에서의 광학 디바이스의 일 실시예는, 입력 개구(aperture)에서 광을 수광하고, 입력 개구의 단면적과 실질적으로 동일한 단면적을 갖는 출력 개구를 통해 광을 전파하는, 예컨대 튜브형, 광 파이프형 또는 막대형일 수 있는 광 도전체를 포함한다. 제1 벽부(wall portion)는 광 도전체의 입력 개구로부터 출력 개구까지 광의 혼합을 가능하게 하는 복수의 전송 경로들을 규정하기 위해 반사재를 이용하여 입력 개구를 출력 개구와 연결한다. 원뿔체일 수 있는 본체는, 광 도전체의 출력 개구와 교차하는 입구(entrance) 개구로부터 출구(exit) 개구까지 단면적이 증가된다. 파라볼라형 벽부일 수 있는 제2 벽부는, 입구 개구를 출구 개구와 연결하고, 입구 개구의 단면적으로부터 출구 개구에 속하는 보다 넓은 단면적으로 확장(diverge)된다. 제2 벽부는 입구 개구로부터 출구 개구까지 시준된 광 전송을 가능하게 한다.
본 발명의 특징들 및 장점들의 보다 완전한 이해를 위해, 이제 첨부한 도면들과 함께 본 발명의 상세한 설명에 대한 참조가 이루어지며, 여기서 다른 도면들 내의 대응하는 번호들은 대응하는 부분들을 나타낸다.
도 1a는 본 발명의 교시에 따라 LED 시준 광학 모듈을 포함하는 조명 기구의 일 실시예의 투시도.
도 1b는 내부 컴포넌트들을 더 노출시키기 위해 부분 절단한, 도 1a에 도시된 조명 기구의 투시도.
도 1c는 도 1a 및 1b의 LED 시준 광학 모듈 어레이를 더욱 상세하게 도시한 투시도.
도 1d는 도 1c에 도시된 LED 시준 광학 모듈 어레이의 상면도.
도 2는 LED 시준 광학 모듈 어레이의 다른 실시예의 상면도.
도 3은 LED 시준 광학 모듈 어레이의 또 다른 실시예의 상면도.
도 4a는 LED 시준 광학 모듈의 일 실시예의 정면도.
도 4b는 도 4a에 예시된 LED 시준 광학 모듈의 횡단면도.
도 4c는 도 4a에 예시된 LED 시준 광학 모듈의 상면도.
도 4d는 도 4a의 선 4D-4D를 따라 본 LED 칩 패키지의 상면도.
도 5a는 도 4a에 예시된 LED 시준 광학 모듈을 가로지르는 단일 광 빔(light beam)의 횡단면도.
도 5b는 도 4a에 예시된 LED 시준 광학 모듈을 가로지르는 복수의 광 빔들의 횡단면도.
도 6은 다른 실시예에 따른 LED 시준 광학 모듈을 가로지르는 복수의 광 빔들의 횡단면도.
도 7은 또 다른 실시예에 따른 LED 시준 광학 모듈을 가로지르는 복수의 광 빔들의 횡단면도.
도 8-10은 본 명세서에 제시된 LED 시준 광학 모듈들에서 사용되는 광 도전체들의 여러 실시예들의 상부 단면도.
도 11-13은 본 명세서에 제시된 LED 시준 광학 모듈들에서 사용되는 본체(body)들의 여러 실시예들의 상부 단면도.
도 14-15는 본 명세서에 제시된 LED 시준 광학 모듈들에서 사용되는 광 도전체들의 여러 실시예들의 상부 단면도.
도 16-17은 본 명세서에 제시된 LED 시준 광학 모듈들에서 사용되는 CPC들의 여러 실시예들의 상부 단면도.
도 18은 도 5a-5b의 LED 시준 광학 모듈에 대한 베이스라인 세기(baseline intensity)를 나타내는 세기 대 연직각(vertical angle)의 그래프.
도 19는 LED 시준 광학 모듈들에 대한 최적화된 베이스라인 세기를 나타내는 세기 대 연직각의 그래프.
도 20은 LED 시준 광학 모듈들의 원형 간격-패킹(circular spaced-packing) 어레이에 대한 베이스라인 세기를 나타내는 세기 대 연직각의 그래프.
도 21은 LED 시준 광학 모듈들의 원형 간격-패킹 어레이에 대한 발광 효율 및 피크 광속(luminous flux) 대 전류 밀도의 그래프.
도 22는 LED 시준 광학 모듈들의 원형 간격-패킹 어레이에 대한 u', v' 색 v중심면(color plane)에 대한 황색 다이 색도도(chromaticity diagram).
도 23은 LED 시준 광학 모듈들의 원형 간격-패킹 어레이에 대한 u', v' 색 중심면에 대한 백색 다이 색도도.
도 1a는 본 발명의 교시에 따라 LED 시준 광학 모듈을 포함하는 조명 기구의 일 실시예의 투시도.
도 1b는 내부 컴포넌트들을 더 노출시키기 위해 부분 절단한, 도 1a에 도시된 조명 기구의 투시도.
도 1c는 도 1a 및 1b의 LED 시준 광학 모듈 어레이를 더욱 상세하게 도시한 투시도.
도 1d는 도 1c에 도시된 LED 시준 광학 모듈 어레이의 상면도.
도 2는 LED 시준 광학 모듈 어레이의 다른 실시예의 상면도.
도 3은 LED 시준 광학 모듈 어레이의 또 다른 실시예의 상면도.
도 4a는 LED 시준 광학 모듈의 일 실시예의 정면도.
도 4b는 도 4a에 예시된 LED 시준 광학 모듈의 횡단면도.
도 4c는 도 4a에 예시된 LED 시준 광학 모듈의 상면도.
도 4d는 도 4a의 선 4D-4D를 따라 본 LED 칩 패키지의 상면도.
도 5a는 도 4a에 예시된 LED 시준 광학 모듈을 가로지르는 단일 광 빔(light beam)의 횡단면도.
도 5b는 도 4a에 예시된 LED 시준 광학 모듈을 가로지르는 복수의 광 빔들의 횡단면도.
도 6은 다른 실시예에 따른 LED 시준 광학 모듈을 가로지르는 복수의 광 빔들의 횡단면도.
도 7은 또 다른 실시예에 따른 LED 시준 광학 모듈을 가로지르는 복수의 광 빔들의 횡단면도.
도 8-10은 본 명세서에 제시된 LED 시준 광학 모듈들에서 사용되는 광 도전체들의 여러 실시예들의 상부 단면도.
도 11-13은 본 명세서에 제시된 LED 시준 광학 모듈들에서 사용되는 본체(body)들의 여러 실시예들의 상부 단면도.
도 14-15는 본 명세서에 제시된 LED 시준 광학 모듈들에서 사용되는 광 도전체들의 여러 실시예들의 상부 단면도.
도 16-17은 본 명세서에 제시된 LED 시준 광학 모듈들에서 사용되는 CPC들의 여러 실시예들의 상부 단면도.
도 18은 도 5a-5b의 LED 시준 광학 모듈에 대한 베이스라인 세기(baseline intensity)를 나타내는 세기 대 연직각(vertical angle)의 그래프.
도 19는 LED 시준 광학 모듈들에 대한 최적화된 베이스라인 세기를 나타내는 세기 대 연직각의 그래프.
도 20은 LED 시준 광학 모듈들의 원형 간격-패킹(circular spaced-packing) 어레이에 대한 베이스라인 세기를 나타내는 세기 대 연직각의 그래프.
도 21은 LED 시준 광학 모듈들의 원형 간격-패킹 어레이에 대한 발광 효율 및 피크 광속(luminous flux) 대 전류 밀도의 그래프.
도 22는 LED 시준 광학 모듈들의 원형 간격-패킹 어레이에 대한 u', v' 색 v중심면(color plane)에 대한 황색 다이 색도도(chromaticity diagram).
도 23은 LED 시준 광학 모듈들의 원형 간격-패킹 어레이에 대한 u', v' 색 중심면에 대한 백색 다이 색도도.
본 발명의 여러 실시예들의 제작 및 이용이 이하 상세히 논의되지만, 본 발명이 폭 넓은 특정한 내용들에 포함될 수 있는 많은 응용가능한 독창적인 개념들을 제공한다는 점을 인식해야만 한다. 본 명세서에서 논의된 구체적인 실시예들은 본 발명을 만들고 이용하기 위한 구체적인 방법들의 단지 예시이며, 본 발명의 범주를 제한하지 않는다.
우선, 도 1a 내지 1d를 참조하면, 개략적으로 예시되고 일반적으로 표시된, 본 명세서에 제안된 교시에 따른 조명 기구(10)의 일 실시예가 도시되어 있다. 하우징(12)은 베이스(14)와, 전체로서 참조번호 16이 부여되고 하우징(12) 내에 보호되는 LED 시준 광학 모듈들을 수용하도록 구성된다. LED 시준 광학 모듈들은 개별 LED 시준 광학 모듈들(16-1, 16-2, 16-3, 16-4, 16-5, 16-6 및 16-7)을 포함한다. 베이스(14)에 또한 탑재되고 하우징(12) 내에 포함된 열싱크 서브어셈블리(heatsink subassembly)(18)는 발광 다이오드 시준 광학 모듈들(16)에 의해 생성된 열을 흡수하여 소멸시킨다. 일 실시예에서, 열싱크들의 수와 발광 다이오드 시준 광학 모듈들(16)의 수 사이에는 일대일 대응이 존재한다. 또한, 일 실시예에서, 열싱크 서브어셈블리(18)는 발광 다이오드 시준 광학 모듈들(16)을 포함하는 내부 컴포넌트들을 위한 강제 공기 냉각(forced-air cooling)을 제공하는 사실상 조용한 팬(silent fan)을 포함한다.
하우징(12)은 지지 구조물(22)에 회전식으로(swivelly) 연결된 요크(yoke)(20)에 의해 제자리에 맞춰진다. 하우징(12), 요크(20) 및 지지 구조물(22)에 걸쳐 위치하는 전자 장치 서브어셈블리(24)는 조명 기구(10)에 전동식(motorized) 이동 및 전자 장치를 제공한다. 전자 장치 서브어셈블리(24)는 내부 테스트 루틴들 및 소프트웨어 업데이트 성능들 외에 진단 및 자체 교정 기능들을 제공하는 복수의 온-보드(on-board) 프로세서들을 포함할 수 있다. 조명 기구(10)는 전원 연결 등의 임의의 다른 필요한 전자 장치들을 포함할 수도 있다. 예시된 바와 같이, 단부 효과(end effect)를 추가하기 위해 피니쉬 렌즈(finishing lens)(26)가 포함된다.
LED 시준 광학 모듈들(16)은 중심에 위치된 광학 모듈(16-7)과 접촉하는 6각형의 포지션에 위치하고 있는 LED 시준 광학 모듈들(16-1 내지 16-6)에 의해 단층(single layer)의 클로즈-패킹(close-packing)된 어레이(28)로 배치되어 있다. 주변 LED 시준 광학 모듈들(16-1 내지 16-6) 각각은 2개의 인접한 주변 LED 시준 광학 모듈들과 내부에 배치된 LED 시준 광학 모듈(16-7)과 접촉한다. 예를 들어, LED 시준 광학 모듈(16-1)은 인접한 LED 시준 광학 모듈들(16-2 및 16-6)과 접촉하고 내부에 위치된 시준 광학 모듈(16-7)과도 접촉한다. LED 시준 광학 모듈들(16-1 내지 16-7)의 어레이는 일 실시예에서 8 인치(8.32cm)의 지름을 가질 수 있다. LED 시준 광학 모듈(16-4)에 대하여, LED 칩 패키지(30)는 광을 혼합하는 광 도전체(32)에 광을 제공한다. CPC(34)는 광 도전체(32)에 연결되어 광 도전체(32)로부터 수취된 광을 시준한다. 시준 후에, 광은 실질적으로 균일한 동공(pupil)으로서 조명 기구(10)를 나간다. 조명 기구(10)의 전체 컴포넌트들은 무대 조명 및 관련 애플리케이션들을 위한 하나의 광학 모듈로 고려될 수 있다.
도 2 및 도 3은 LED 시준 광학 모듈들(16)의 다른 실시예들을 도시한다. 도 2에 대하여, LED 시준 광학 모듈들(16)은 단층의 원형 간격-패킹의 어레이(36)로 위치하고 있다. 이러한 어레이에서, LED 시준 광학 모듈들(16-1 내지 16-6)은 중심에 위치된 모듈인 LED 시준 광학 모듈(16-7) 부근의 주변 지점들에 각각 중심을 둔다. 일 구현에서, LED 시준 광학 모듈들(16) 사이의 간격은 대략 0.19 인치(3mm)이다.
도 3에 대하여, LED 시준 광학 모듈들(16-1 내지 16-3)은 선형의 단층 어레이(38)로 위치하며, 여기서 내부 LED 시준 광학 모듈(16-2)은 각각의 외부 LED 시준 광학 모듈들(16-1, 16-3)과 접촉하여 배치된다. LED 시준 광학 모듈들이 도 1a 내지 도 1d, 도 2, 및 도 3에 도시된 것들과 다른 어레이들로 구성될 수 있다는 점을 인식하여야 한다. 임의의 수의 LED 시준 광학 모듈들은 어레이로 이용될 수 있으며, 이 어레이는 LED 시준 광학 모듈들 사이에서 가까운 접촉을 제공하는 것 및 LED 시준 광학 모듈들 사이에서 간격을 제공하는 것 및 심지어 이들의 조합을 제공하는 것을 포함하는 다른 형태들을 취할 수 있다. 또한, LED 시준 광학 모듈들(16)은 각을 이루는 방식(angular manner), 선형, 또는 이들의 조합들로 구성될 수 있다.
도 4a 내지 4d는 LED 시준 광학 모듈(16-4)을 도시한다. LED 칩 패키지(30)는 광원을 제공하고, (도시되지 않은) 본딩 리드(bonding lead) 배선들을 위한 준비를 포함할 수 있는 단일의 연신된 베이스 부재(44) 상의 어레이(42)로 배열된 복수의 색을 갖는 LED 칩들(G, R, B, W)을 포함한다. 도시된 바와 같이, LED 칩들(G, R, B, W)은 색의 혼합을 증가시키기 위해 광 도전체(32) 및 CPC(34)에 대하여 원하는 각도의 발광 패턴을 제공하도록 위치되었다. 그러나, 애플리케이션에 따라서, LED 칩들(G, R, B, W)은 다른 타입들의 어레이들로 배열될 수 있다는 점을 인식하여야 한다
어레이(42)의 LED 칩들(G, R, B, W)은 각각 녹색, 적색, 청색, 및 백색광을 발산하는 종래의 녹색, 적색, 청색, 및 백색 LED 칩들을 포함한다. 이러한 LED 칩들은 광 도전체(32)로의 효율적인 주입을 용이하게 하고, 색의 혼합을 강하게 향상시킨다. 도시한 바와 같이, LED 칩 패키지에 의해 생성된 백색광의 품질을 더욱 향상시키기 위해, 하나의 적색 LED 칩(R), 하나의 녹색 LED 칩(G), 하나의 청색 LED 칩(B) 및 하나의 백색 LED 칩(W)을 포함하는 4개의 LED 칩들이 사용된다. 그러나, LED 칩 설계가 진전됨에 따라, LED 칩 패키지(30)에 의해 생성된 광의 품질을 최적화하기 위해 다른 수의 LED 칩들 및/또는 다른 색의 LED 칩들이 어레이에 사용될 수 있다는 점이 예상된다. 예를 들어, 일 실시예에서, 하나의 적색 LED 칩(R), 하나의 녹색 LED 칩(G), 하나의 청색 LED 칩(B) 및 하나의 황색(amber) LED 칩(A)을 포함하는 4개의 LED 칩들이 사용된다. 다른 예로서, 또 다른 실시예에서, 하나의 적색 LED 칩(R), 2개 녹색 LED 칩들(G1, G2), 및 하나의 청색 LED 칩(B)을 포함하는 4개의 LED 칩들이 사용된다. 저전력 및 고전력 LED 칩들 모두가 LED 칩 패키지(30)에 사용될 수 있다는 점이 더욱 예상된다.
본 명세서에 제시된 교시에 따른 일 실시예에서, 연신된 베이스 부재(44)는 금속 열싱크를 그 위에 배치된 실리콘 서브마운트로 둘러싼 플라스틱 또는 세라믹으로 이루어진, 전기적으로 절연된 하우징(46)을 포함할 수 있다. 금속 열싱크는 그 위에 배치된 LED 칩 패키지(30)에 열 흡수(heat sinking)를 제공한다. 또한 열 소산(dissipation)은 언급한 바와 같이, 금속 열싱크에 인접한 강제 공기 냉각을 공급하는 사실상 조용한 팬을 포함하는 열싱크 서브어셈블리(18)에 의해 제공된다. 연신된 베이스 부재(44)는 하우징에 의해 금속 열싱크와 LED 칩들(G, R, B, W)로부터 전기적으로 분리된 리드 배선들을 더 포함할 수 있다. 본드 배선들은 전기적으로 LED 칩들(G, R, B, W)을 리드 배선들에 연결한다.
광 도전체(32)는 단면적 πr 1 2(여기서, 반경은 r 1)의 입력 개구(aperture)(48)를 제1 단부에 가지며, 제2 단면적 πr 2 2(여기서, 반경은 r 2)의 출력 개구(50)를 제2 단부에 갖는다. 광 도전체(32)는 LED 칩 패키지(30) 및 LED 칩들(G, R, B, W) 위에 겹쳐져 입력 개구(48)에서 소스들로부터 광을 수광하고 출력 개구(50)에 광을 전달한다. 제1 단면적 πr 1 2은 실질적으로 제2 단면적 πr 2 2과 동일할 수 있기 때문에, 입력 개구(48) 및 출력 개구(50)는 실질적으로 동일한 지름들을 가지며, r 1과 r 2가 동일할 수 있다. 원통형 벽부일 수 있는 벽부(52)는 입력 개구(48)를 출력 개구(50)와 연결하고, 일반적으로 원통을 형성하는 회전(revolution)면을 포함할 수 있다. 벽부(52)는 입력 개구(48)로부터 출력 개구(50)까지 내부 공간(56) 내에서 광의 혼합을 가능하게 하는 복수의 전송 경로들을 정의하는 반사재(54)를 포함한다. 일 구현에서, 벽부(52)는 입력 개구(48)를 출력 개구(50)와 연결하는, 광을 혼합하기 위한 벽 수단일 수 있다. 광 도전체(32)의 길이(l 1)는 광원들에 의해 방출된 광의 혼합과 관련된 설계 파라미터들에 의해 결정된다. 추가적으로, 광 도전체(32)의 길이(l 1)는 LED 칩 패키지(30)의 횡축에 실질적으로 수직인 광 도전체(32)의 종축을 따라 측정된다.
CPC(34)는 광 도전체(32)에 연결된다. CPC(34)와 관련하여, 일 실시예에서 원뿔체(conical body)인 본체(60)는 제1 단부에 단면적 πr 3 2(여기서, 반경은 r 3)의 입구 개구(62)가 형성되고, 제2 단부에 단면적 πr 4 2(여기서, 반경은 r 4)의 출구 개구(64)가 형성된다. 입구 개구(62)는 출력 개구(50)와 교차하고, 원뿔체(60)는 광을 출구 개구(64)에 전달하도록 배치된다. 입구 개구(62)의 단면적 πr 3 2은 출력 개구(50)의 단면적 πr 2 2과 실질적으로 동일하며 출구 개구(64)의 단면적 πr 4 2은 입구 개구(62)의 단면적 πr 3 2보다 크다. 따라서, 이 구현에서, r 4 > r 3 = r 2 = r 1이다. 제2 단부의 테두리(lip)(72)는 일련의 인접한(abutting) 아치들을 포함하는 도시된 아치형 에지를 포함하여 여러 형태를 가질 수 있다. 이러한 테두리 타입의 실시예는 LED 시준 광학 모듈들이 상호 간에 클로즈 패킹된 배열로 플러쉬 컨택(fluch contact)으로 배치되게 한다.
만곡된(curved) 벽부일 수 있는 벽부(66)는, 입구 개구(62)를 출구 개구(64)와 연결하고, 단면적 πr 3 2으로부터 단면적 πr 4 2으로 확장(diverge)된다. 벽부(66)는 입구 개구(62)로부터 출구 개구(64)까지 광의 시준된 전송을 가능하게 하는 반사재(68)를 포함한다. 벽부(66)는 입구 개구(62)를 출구 개구(64)와 연결하는 벽 수단일 수 있으며, 단면적 πr 3 2으로부터 단면적 πr 4 2으로 확장된다. 벽부(66)는 일반적으로 원뿔 형상을 형성하는 회전면을 포함하는 파라볼라형(parabolic) 벽부를 포함할 수 있다. CPC(34)의 길이(l 2)는, 예를 들어 광 혼합의 정도와 원하는 시준과 관련된 설계 파라미터들에 의해 결정된다. 추가적으로, CPC(34)의 길이(l 2)는 광 도전체(32)의 종축과 실질적으로 나란하고, LED 칩 패키지(30)의 횡축과 실질적으로 수직인 CPC(34)의 종축을 따라 측정된다. 애플리케이션에 따라, 길이들(l 1 및 l 2) 사이의 관계는 도시된 것과 상이할 수 있다.
일 실시예에서, CPC(34)는 보다 작은 개구인 입구 개구(62)에서 디바이스로 들어온 광선들이 보다 큰 개구인 출구 개구(64)에서 CPC(34)를 나가기 전에 내부 공간에서부터 곡선 벽부(66)까지 단 한번만 반사된다는 사실을 특징으로 한다. 본 구현에서, CPC(34)는 입구 개구(62)에서 수광된 소정의 광 에너지 플럭스를 시준하도록 설계된다.
본 실시예에서, 파라볼라형 또는 다른 기하학적 구조를 갖는지 상관없이 CPC라 불리는, 본 명세서에 개시된 집광기는 프리즘 형태의(prismatic), 투명한, 낮은 전송 손실의 유전체 재료로 이루어진 반사재(68)를 갖는다. 도 11 내지 도 13에서 논의되는 바와 같이, 다른 기하학적 구조들은 본 명세서에 제시된 실시예들 내에 있다. CPC(34)의 내부 공간(70)의 반사재(68)를 형성할 수 있는 유전체 재료는 고 반사율을 갖는 투명 폴리머들, 예컨대 아크릴 폴리머 또는 폴리카보네이트 기반 폴리머들을 포함하지만 이에 한정되지 않는다.
도 5a는 LED 시준 광학 모듈(16-4)을 가로지르는 단일 광 빔(light beam)을 도시한다. 광-혼합 막대 또는 광파이프일 수 있는 광 도전체(32)는 광원들에 의해 그 내부에 전달된 광 다발(bundle)을 균일화한다. 광 다발의 세기 중심은 입력 개구(48)로부터 출력 개구(50)까지 종축 방향으로 이동한다. 광-혼합 막대를 따라 배치된 반사재(54)의 반사 표면들은 통과하는 광의 움직임의 세로 또는 축 방향에 대하여 수직이거나 기울어진 표면 법선(surface normals)을 포함한다. 반사재는, 이동하는 광 빔들에게 경로(80, 82) 등의 경로를 제공함으로써 서로 혼합한다. LED 칩들(G, R, B, W)은 광 도전체(32)의 내부 공간(56)을 향해 적어도 부분적인 배향성을 갖는다.
CPC(34)는 θi/θo 로 설명되는데, 여기서 θi는 입사각을 나타내고, θo는 출사각을 나타낸다. 일 실시예의 기하학적 구조는 초점(Q)을 갖는 파라볼라(PR)의 세그먼트를 취하여, 이 세그먼트를 회전 축 주변으로 회전시킴으로써 보다 더 이해될 수 있는데, 여기서 각도 θi는 LED 칩 패키지(30)를 통하는 횡축 x와 수직인 파라볼라의 축 z에 대한 각도이다. 축 z에 대한 회전축은 입구 개구 및 출구 개구의 중심을 정의한다. 이러한 CPC 구조는 축 z에 대하여 +/-θi보다 작은 각도로 입력 개구에 들어오는 광의 모든 광선들이 축 z에 대하여 +/-θo의 각도 내에서 단지 단일 반사 후에 CPC를 나갈 것이라는 사실을 특징으로 한다.
도시한 바와 같이, 광 빔들(84, 86)은 LED 칩 패키지(40)의 LED 칩(R)으로부터 전송된다. 광 빔(84)으로부터의 입사각은 광 빔(84)이 광 도전체(32)의 내부 공간(56)을 접촉하지 않는 것이다. 다른 실시예들에서는, 광 도전체(32)의 위치 때문에, 모든 또는 거의 모든 광 빔들은 내부 공간(56)과 접촉한다. 그러나, 광 빔(86)은 내부 공간(56)과 접촉하고, 이어서 CPC(34)에 들어가지 전까지 광 도전체(32)의 반사재(54)로부터 6번 반사되고, 여기서 광 빔(86)은 CPC(34)의 내부 공간(70)으로부터 단일 반사로 시준된다. 도시한 바와 같이, 광 도전체(32)에서의 다중 반사들은 광 빔(86)이 광 도전체(32)의 종축 z를 가로지르게 함으로서 광 혼합에 기여한다.
도 5b는 LED 시준 광학 모듈을 가로지르는 복수의 빔들을 도시한다. 광 도전체(32)는 입력 개구(48)에서 LED들(G, R, B, W)의 소스들로부터 광을 수광하기 위해 LED 칩(30) 위에 겹쳐진다. LED들(G-1, R, B, W)은 광 도전체(32)의 내부 공간(56)을 향해 적어도 부분적으로 배향된다. 도시한 바와 같이, LED들과 그들로부터 반사를 제공하는 반사재 사이에서 입사각을 제공하도록 LED들(G, R, B, W) 사이에는 측면 오프셋(lateral offset)이 존재한다. 광 도전체(32)는 다중 광 빔들, 집합적 광 다발(88)에 의해 가로지르는 복수의 경로들(89)을 제공한다. 복수의 경로들(89)은 수취된 광 빔들을 혼합하고 광 다발(88)의 세기 중심이 입력 개구(48)로부터 출력 개구(50)로 종방향으로 이동하게 한다. 광 도전체의 반사재는 입력 개구(48)로부터 출력 개구(50)까지 광을 전파하도록 배향되고, 여기서 혼합된 광은 입구 개구(62)에서 CPC(34)에 의해 수광된다. 입구 개구(62)로부터 출구 개구(64)까지 광의 시준된 전송은, CPC(34) 내의 단일 반사, 시준된 전송으로부터 실질적으로 균일한 동공을 생성하도록 발생한다. 광 다발은 실질적으로 균일한 동공(90)으로서 출구 개구(64)를 빠져 나온다.
도 6 및 도 7은 LED 시준 광학 모듈들의 다른 실시예들을 예시한다. 도 6을 참조하면, LED 시준 광학 모듈(16-8)은 도 5에서 생성된 광과 다른 프로파일을 갖는 광(92)의 실질적으로 균일한 동공을 생성한다. 도 7에서, CPC(96)로서 식별된 속이 빈 금속 반사 장치(hollow metalized reflector) 내의 대략 80% 반사율과 원형 폴리카보네이트 광 파이프(94)의 조합을 갖는 LED 시준 광학 모듈(16-9)은 광(98)의 실질적으로 균일한 또 다른 동공을 생성한다. 도 5a 내지 도 7에 예시된 LED 시준 광학 모듈들의 구조가 변할 수 있다는 점을 인식하여야 한다. 예를 들어, 광 도전체들 및 CPC들은 통합적으로 형성될 수 있거나 통합 유닛들을 형성하기 위해 함께 결합될 수 있다. 애플리케이션 고유의 특성 및 비용과 같은 요인들이 바람직한 구조 기술을 결정할 수 있다.
도 8 내지 도 10은 LED 시준 광학 모듈들(16)에서 사용하는 광 도전체들(32)의 다양한 실시예들을 도시한다. 도 8에서, 광 도전체(32)는 벽부(52)를 포함한다. 그러나, 광 도전체들(32)이 원통형 벽부들에 한정되지 않는다는 점을 인식하여야 한다. 광 도전체들(32)은 다른 벽부들 및 개별 내부 공간들(56)을 생성하는 원통형이 아닌 형태들도 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 9를 참조하면, 광 도전체(32)는 6개 변들을 갖는 면이 있는(faceted) 벽부를 포함하고, 이것은 6각형 벽부(100)로 표시된다. 다른 예를 들어, 도 10에서, 광 도전체(32)는 8개 변들을 갖는 벽부를 포함하고, 8각형 벽부(102)로 표시된다. 광 도전체(32)는 임의의 수의 변들 또는 면들을 포함할 수 있으며, 원형 또는 원통형 벽부들을 더 포함할 수 있다.
도 11 내지 도 13은 CPC들(34)의 본체들(60)의 여러 실시예들을 도시한다. 일 구현에서, 발광 다이오드 시준 광학 모듈(16)은 도 11에 도시된 바와 같은 곡선 벽부(66)를 갖는 원뿔체(60)에 한정되지 않는다. 오히려, 도 12 및 13에 도시된 바와 같이, 발광 다이오드 시준 광학 모듈(16)은 도 12의 본체(60) 및 도 13의 본체(60)와 같이, 임의의 수의 변들 또는 면들을 갖는 본체를 포함할 수 있다. 이들 실시예들에서는, 곡선 벽부보다는 변들 또는 면들을 갖는 벽부, 이를테면, 도 12 및 도 13에 각각 제시된 벽부들(104, 106)이 사용된다. 본체(60)는 임의의 수의 변들 또는 면들을 포함할 수 있고, 전술한 곡선 벽부를 더 포함할 수도 있다.
도 14 및 도 15는 본 명세서에 제시된 LED 시준 광학 모듈(16)에서 사용하는 광 도전체(32)의 실시예들을 도시한다. 앞서 논의한 바와 같이, 광 도전체(32)는 여러 형태들을 취할 수 있다. 여러 형태들을 갖는 것 외에, 광 도전체(32)는 예를 들어, 튜브형(tubular) 또는 측벽(예를 들어, 도 8)을 갖는 혼합 튜브형, 막대(예를 들어, 도 14)형, 내부에 본체를 갖는 튜브형(예를 들어, 도 15), 또는 그들의 조합일 수 있다. 특히, 도 14를 참조하면, 광 도전체(32)는 반사재(54)를 포함하는 벽부(52)를 갖는 막대이다. 도 15를 참조하면, 광 도전체(32)는 그 내부에 본체(32b)를 갖고, 벽부들(52a, 54b) 및 반사재들(54a, 54b)과 관련된 튜브형 부재(tubular member)(32a)를 포함한다.
도 16 및 도 17은 본 명세서에 제시된 LED 시준 광학 모듈들(16)에서 사용하는 CPC들(34)의 본체들(60)의 실시예들을 도시한다. 광 도전체(32)와 유사하게, CPC들(34)의 본체들(60)은, 예를 들어 측벽을 갖는 본체(60)(예를 들어, 도 11), 벽부(66) 및 반사재(68)를 갖는 고체 부재인 본체(60)(예를 들어, 도 16), 벽부들(66a, 66b) 및 반사재들(68a, 68b)을 가지고 그 내부에 배치된 측벽 부재(60a) 및 고체 부재(60b)를 갖는 본체(60)(예를 들어, 도 17), 또는 그들의 조합의 다양한 형태들을 가질 수 있다.
도 18은 6각형 포지션을 갖는 단층의 클로즈 패킹 배열에 대해 베이스라인 세기를 나타내는 세기 대 연직각(vertical angle)의 그래프를 도시한다. 여기서 입사광의 연직각은 선(110)으로 도시된 바와 같이 각도와 세기로 표현된다. 도 19는 발광 다이오드 시준 광학 모듈들의 6각형 배열에 대한 베이스라인 세기를 나타내는 세기 대 연직각의 그래프를 도시한다. 선(120)은 세기와 연직각 사이의 관계를 표현한다. 본 실시예에서, 최적화된 베이스라인 세기 모델은 색 균일도(color uniformity)를 훼손하지 않으면서 가능한 가장 좁은 각 분포(angular distribution)를 생성한다. 본 모델의 각 분포는 광 파이프의 입력 평면의 크기를 줄이거나 또는 광 파이프의 출력 평면을 증가시킴으로써 더욱 감소될 수 있다. 마지막으로, 도 20은 발광 다이오드 시준 광학 모듈들의 단층 원형 간격-패킹 배열에 대한 베이스라인 세기를 나타내는 세기 대 연직각의 그래프를 도시한다. 본 도면에서, 선(130)은 세기 대 연직각의 관계를 나타낸다. 그래프들에서 표현된 설계들은 광속(luminous flux)의 필요 요건인 10,000 루멘을 초과한다. 6각형 + CPC 실시예(도 18)는 보다 나은 색 균일도와 함께 69%의 효율을 갖고, 원형 + 속이 빈 CPC(도 20) 반사 장치의 실시예는 속이 빈 금속 CPC 반사 장치를 갖는 원형 폴리카보네이트 광 파이프를 포함하는 투 피스 접근법(two piece approach)으로 49%의 효율을 갖는다.
도 21은 전류 밀도의 함수로서 피크 광속은 물론 상대적인 발광 효율을 나타내는 그래프이다. 발광 효율의 선(140)은 전류 밀도(A/mm2)의 함수로서 와트당 루멘(lm/W) 복사속(radiant flux)에 대한 광속의 비율을 나타낸다. 추가적으로, 피크 광속의 선(150)은 전류 밀도(A/mm2)의 함수로서 루멘 단위(lm) 광속을 나타낸다.
도 22는 앞서 논의된 단층 원형 간격-패킹 배열을 갖는 발광 다이오드 시준 광학 모듈들의 원형 배열에 대한 u', v' 비색법(colorimetry) 색 공간 좌표들에 대한 황색 다이 색도도(chromaticity diagram)를 도시한다. 도시된 CIELUV 색 공간, CIE 1976(L*, u*, V*)는 Adams 색채 균형(chromatic valence) 색 공간이고, CIE 1964 색 공간(CIEUVW)의 업데이트이다. 이들 차이들은 다소 변형된 휘도 스케일과, 변형된 균일한 색도 스케일(예를 들어, 좌표들 중 하나인 v'는 그의 1960 이전 모델(predecessor) v보다 1.5배 큼)을 포함한다. 표시된 파장들은 나노미터(nm)들로 표현된다.
다음의 전환(conversion) 및 변환들은 응용가능하다:
(u', v')로부터 (x, y)로의 변환에 대해서:
터닝된 U 형상의 로커스 경계(locus boundary)(160)는 단색광(monochromatic light) 또는 분광적 색(spectral color)들, 또는 대략적인 무지개 색들을 나타낸다. 로커스의 낮은 경계는 자주색 선을 나타내고, 적색 및 청색 파장들의 광을 혼합함으로써 얻어진 비분광적 색들을 나타낸다. 실제로 이러한 경계는 명백하지 않고, 가시 스펙트럼의 양극단(extreme ends)에서 눈의 수용기(receptor)의 민감도가 떨어지기 때문에 단지 색들이 점점 더 흐릿해진다는 점을 이해하여야 한다. 장소의 주변부 색들은 포화되고(saturated), 색들은 계속해서 포화가 감소(desaturated)되기 시작하고 플롯의 중심 어딘가에서 백색을 향하는 경향이 있다. 플롯 밖의 색들은 영역 밖에(out-of-gamut) 있지만, 색도도는 지각적으로(perceptually) 일정하지 않다. 다시 말해서, 플롯의 임의의 영역의 면적은 그 영역 내에서 지각적으로 구별할 수 있는 색들의 수와 상관 관계가 전혀 없을 수도 있다. 또한, 다른 광 LED 소스들은 내재적으로(inherently) 다른 색 영역(color gamut)들을 가질 수 있다.
도 23은 단층 원형 간격-패킹 배열을 갖는 LED 시준 광학 모듈들의 원형 배열에 대한 u', v' 비색법 색 공간 좌표들에 대한 백색 다이 색도도를 도시한다. 도 22와 유사하게, 표시된 파장들은 나노미터(nm)로 표현되고, 터닝된 된 U 형태의 로커스 경계(170)는 단색광을 나타낸다. 예시된 바와 같이, 터닝된 U 형태의 로커스 경계(160)는 사람 눈으로 구별할 수 없는 u', v'에서의 편차(deviation)들을 나타내고, 평균 색도 값들은 대략 0.06이다.
본 발명이 예시적 실시예들을 참조하여 설명되었지만, 본 설명은 제한적 의미로 해석되도록 의도되지 않는다. 다양한 변형들 및 본 발명의 다른 실시예들은 물론 예시적 실시예들의 조합들은 설명을 참조하여 당업자들에게 자명할 것이다. 그러므로, 첨부한 특허청구범위는 임의의 이러한 변형들 또는 실시예들을 포함한다고 의도된다.
Claims (15)
- 발광 다이오드 시준 광학 모듈(16)로서,
복수의 광원들(G, R, B, W)을 제공하는 발광 다이오드 칩(30);
제1 단면적(πr1 2)의 입력 개구(48), 및 제2 단면적(πr2 2)의 출력 개구(50)를 갖는 광 도전체(32) - 상기 광 도전체(32)는 상기 입력 개구(48)에서 상기 복수의 광원들(G, R, B, W)로부터 광을 수광하고, 상기 광을 상기 출력 개구(50)에 전달하도록 상기 발광 다이오드 칩(30) 위에 놓이고, 상기 제1 단면적(πr1 2)은 상기 제2 단면적(πr2 2)과 실질적으로 동일함 - ;
상기 입력 개구(48)를 상기 출력 개구(50)에 연결하는 제1 벽부(52) - 상기 제1 벽부(52)는 상기 입력 개구(48)로부터 상기 출력 개구(50)까지 상기 광의 혼합을 가능하게 하는 복수의 전송 경로들을 정의하는 제1 반사재(54)임 - ;
제1 단부에는 제3 단면적(πr3 2)의 입구 개구(62)가 형성되고, 제2 단부에는 제4 단면적(πr4 2)의 출구 개구(64)가 형성되는 본체(60) - 상기 입구 개구(62)는 상기 출력 개구(50)와 교차하고, 상기 본체(60)는 상기 광을 상기 출구 개구(64)에 전달하도록 배치되고, 상기 제3 단면적(πr3 2)은 상기 제2 단면적(πr2 2)과 실질적으로 동일하며, 상기 제4 단면적(πr4 2)은 상기 제3 단면적(πr3 2)보다 큼 - ; 및
상기 입구 개구(62)를 상기 출구 개구(64)와 연결하고, 상기 제3 단면적(πr3 2)으로부터 상기 제4 단면적(πr4 2)까지 확장되는 제2 벽부(66) - 상기 제2 벽부(66)는 상기 입구 개구(62)로부터 상기 출구 개구(64)까지 상기 광의 시준 전송을 가능하게 하는 제2 반사재(68)임 -
를 포함하는 발광 다이오드 시준 광학 모듈(16). - 제1항에 있어서,
상기 발광 다이오드 칩(30)은 복수의 발광 다이오드들(G, R, B, W)을 더 포함하는 발광 다이오드 시준 광학 모듈(16). - 제1항에 있어서,
상기 발광 다이오드 칩(30)은 녹색, 적색, 청색 및 백색 발광 다이오드들(G, R, B, W)을 더 포함하는 발광 다이오드 시준 광학 모듈(16). - 제1항에 있어서,
상기 발광 다이오드 칩(30)은 녹색, 적색, 청색 및 황색(amber) 발광 다이오드들(G, R, B, A)을 더 포함하는 발광 다이오드 시준 광학 모듈(16). - 제1항에 있어서,
상기 발광 다이오드 칩(30) 및 상기 광 도전체(32)가 탑재된 베이스(14)를 더 포함하는 발광 다이오드 시준 광학 모듈(16). - 제1항에 있어서,
상기 광 도전체(32)의 종축(Z)은 상기 발광 다이오드 칩(30)의 횡축(X)에 실질적으로 수직인 발광 다이오드 시준 광학 모듈(16). - 제1항에 있어서,
상기 본체(60)의 상기 출구 개구(64)에 탑재된 피니쉬(finishing) 렌즈(26)를 더 포함하며, 상기 피니쉬 렌즈(26)는 상기 광을 조정(conditioning)하기 위한 것인 발광 다이오드 시준 광학 모듈(16). - 발광 다이오드 시준 광학 모듈(16)로서,
복수의 광원들(G, R, B, W)을 제공하는 발광 다이오드 칩(30);
상기 발광 다이오드 칩 위에 놓인 광 도전체(32) - 상기 광 도전체(32)는 상기 복수의 광원들(G, R, B, W)로부터 수광된 광을 혼합함 - ; 및
상기 광 도전체(32)에 연결된 복합 파라볼라형 집광기(compound parabolic concentrator)(34)- 상기 복합 파라볼라형 집광기(34)는 상기 광 도전체(32)로부터 수광된 광을 시준함 -
를 포함하는 발광 다이오드 시준 광학 모듈(16). - 제13항에 있어서,
상기 복수의 광원들(G, R, B, W)은 상기 광 도전체(32)의 내부 공간(56)을 향해 적어도 부분적으로 배향된 광을 방출하는 발광 다이오드 시준 광학 모듈(16). - 제8항에 있어서,
상기 광 도전체(32)는 상기 발광 다이오드 칩(30)으로부터 상기 복합 파라볼라형 집광기(34)로 광을 전파하는 반사재(54)를 더 포함하는 발광 다이오드 시준 광학 모듈(16). - 제8항에 있어서,
상기 광은 입구 개구(62)에서 상기 복합 파라볼라형 집광기(34)로 들어가고, 출구 개구(64)에서 상기 복합 파라볼라형 집광기를 빠져나오기 전에 상기 복합 파라볼라형 집광기의 내부 표면으로부터 한 번 반사되는 발광 다이오드 시준 광학 모듈(16). - 조명 기구(luminaire)(10)로서,
베이스(14);
상기 베이스(14) 상에 각각 배치된 복수의 발광 다이오드 시준 광학 모듈들(16-1 내지 16-7) - 상기 복수의 발광 다이오드 시준 광학 모듈들(16-1 내지 16-7)의 각각은,
복수의 광원들(G, R, B, W)을 제공하는 발광 다이오드 칩(30);
상기 발광 다이오드 칩(30) 위에 놓인 광 도전체(32) - 상기 광 도전체(32)는 상기 복수의 광원들(G, R, B, W)로부터 수광된 광을 혼합함 - ; 및
상기 광 도전체(32)에 연결된 복합 파라볼라형 집광기(34)- 상기 복합 파라볼라형 집광기(34)는 상기 광 도전체(32)로부터 수광된 광을 시준함 -
를 포함함 - ; 및
상기 베이스(14) 및 상기 복수의 발광 다이오드 광학 모듈들(16-1 내지 16-7)을 수용하도록 구성된 하우징(12)
을 포함하는 조명 기구. - 제12항에 있어서,
상기 복수의 발광 다이오드 시준 광학 모듈들(16-1 내지 16-7)은 상기 개별 복합 파라볼라형 집광기(34)에 의해 방출된 광이 단일의 균일한 동공(pupil)(90)을 형성하도록 배열되는 조명 기구. - 제12항에 있어서,
상기 복수의 발광 다이오드 시준 광학 모듈들(16-1 내지 16-7)은 상기 베이스(14) 상에 선형적으로 배열되는 조명 기구(10). - 제12항에 있어서,
상기 복수의 발광 다이오드 시준 광학 모듈들(16-1 내지 16-7) 중 일부는 상기 베이스(14) 상에 각이 진 방식(angular manner)으로 배열되는 조명 기구(10).
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