KR20120107071A - 발광 다이오드（ｌｅｄ）기반 램프 - Google Patents

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게리 알. 앨런
데이빗 씨. 두딕
보리스 콜로딘
조슈아 아이. 린테마키
브루스 알. 로버츠
마이클 제이. 맥도날드
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지이 라이팅 솔루션스, 엘엘씨
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Abstract

발광 장치는 LED기반 광원과; 확산기 내부의 조명에 응답하여 확산기 표면상의 어떤 지점에라도 램버트 광 세기 분포 출력을 발생시키는 구형, 타원형, 계란형, 또는 도넛형 확산기와; 베이스 커넥터를 포함하는 베이스를 포함한다. LED기반 광원과 확산기 및 베이스는 베이스 커넥터를 조명 소켓에 연결함으로써 조명 소켓내에 설치할 수 있는 일체형 LED 램프로서 함께 고정된다. 베이스는 베이스 커넥터에 수용된 전력을 사용하여 LED기반 광원을 전기적으로 작동시키기 위해 일체형 LED 램프의 LED기반 광원과 작동가능하게 연결된다.

Description

발광 다이오드（ＬＥＤ）기반 램프{LIGHT EMITTING DIODE (LED) BASED LAMP}
다음은 조명기술, 광 기술, 고체 상태의 광 기술 및 이와 관련된 기술과 연관된다.
본 출원은 2009년 10월2일에 출원된 출원번호 12/572,339의 연속출원이다. 본출원은 2009년 10월2일에 출원된 12/572,480의 연속 출원이다. 본 출원은 2010년 4월 7일 출원된 디자인 출원 29/359,239의 연속 출원이다. 본 출원은 2010년 4월 28일 미국 임시 출원 61/328,974를 기초로 한다.
2009년 10월 2일 출원된 출원 12/572,339는 불가분적으로 참조문헌으로 결합된다. 2009년 10월2일 출원된 출원 12/572,480은 불가분적으로 참조문헌으로 결합된다. 2010년 4월 7일에 출원된 디자인 출원 29/359,239는 불가분적으로 참조문헌으로 결합된다. 본 출원은 2010년 4월 28일 미국 임시 출원 61/328,974는 불가분적으로 참조문헌으로 결합된다.
다음은 조명기술, 광 기술, 고체 상태의 광 기술 및 이와 관련된 기술과 연관된다.
일체형 백열등과 할로겐 램프가 나사산 에디슨 베이스 커넥터 (종종 백열등 전구 맥락에서 "에디슨 베이스"라 언급되는), 베이어넷(bayonet) 형식 베이스 커넥터(즉, 백열등의 경우에 베이어넷 베이스) 혹은 표준 전기 파워를 수용하는 다른 표준 베이스 커넥터(즉, 미국에서 110볼트 교류, 60 헤르쯔, 유럽에서 220볼드 교류 50헤르쯔, 12 또는 24 또는 그 밖의 직류 전압). 일체형 백열 및 할로겐 램프의 경우에, 백열 필라멘트가 전형적으로 표준 110볼트 또는 220볼트 교류 또는 12 볼트 직류 파워를 사용하여 작동하고 백열 필라멘트가 고온에서 작동하며 효율적으로 과열을 주위로 발열할 때 이러한 구성은 최소이다. 그러한 램프에서, 램프의 베이스는 단순히 베이스 커넥터, 즉, A 형식 백열등의 경우 에디슨 베이스이다.
일부 일체형 백열등 또는 할로겐 램프는 광원의 5 또는 10배가 큰 길이 또는 전형적으로 광원으로부터 1미터 보다 더 큰 광원 파 필드에서 각도에 대하여 실질적으로 일정한 세기 분포를 제공하도록 의도된 전방향성(omnidirectional) 광원으로 제조되거나, 모든 방향에서 빛이 일정하게 분배되는 것이 바람직한 책상 램프, 테이블 램프, 장식 램프, 샹드리에, 천장 고정물 및 다른 응용물과 같은 다양한 응용물을 추구한다.
도1을 참조하면, 본 문서에서 사용되는 좌표계는 전방향성 조명을 생성하기 위한 램프에 의해 생성되는 조명의 공간 분포를 기술하기 위해 사용된다. 상기 좌표 시스템은 구형(spherical) 좌표계 형식이고, 도1에서 설명되는 구성은 에디슨 베이스 EB를 구비하는 A 형식 백열전구인 램프 L에 대하여 기술되고, EB는 예를 들어 밀리미터 단위에서 상기 베이스 EB의 나사 회전의 바깥 지름을 나타내 숫자인 E25, E26 또는 E27 램프 베이스일 수 있다. 파 필드(far field) 조명 분포를 기술하려는 목적으로, 램프(L)는 예를 들어 백열 필라멘트의 위치와 일치할 수 있는 점(LO)에 위치하는 것으로 고려될 수 있다. 지정학적 기술분야에서 편의적으로 채택하는 구좌표계를 사용하는 것면, 조명의 방향은 고도(elevation), 또는 위도(latitude) 좌표(θ) 및 방위각 또는 경도 좌표(φ)에 의해 기술될 수 있다. 그러나, 지정학적 기술 분야로부터 벗어나, 본 문서에서 사용되는 고도 또는 위도 좌표 θ 는 [0°, 180°]의 범위를 채택하고, θ = 0°는 지정학적 북쪽 또는 "N"에 대응된다. 이것은 θ = 0°방향을 따르는 조명이 앞으로 진행하는 빛에 대응되는 것이기 때문에 편리하다. 상기 북쪽 방향, 즉 지정학적 북쪽θ = 0°을 통과하는 L0 으로부터의 방향은 또한 광학축으로서 언급된다. 이러한 표기법을 사용하여 θ = 180°는 지정학적 남쪽 또는 "S"에 대응되고, 조명 분야에서, 뒤로 향하는 방향 빛에 대응된다. 고도 또는 위도 θ = 90°은 지정학적 수평, 조명 분야에서 측방향 빛에 대응된다.
계속하여 도1 관련하여, 주어진 고도 또는 위도 θ에 대하여, 방위각 또는 경도 좌표(φ)는 모든 곳에서 고도 또는 위도 θ에 수직인 것으로 정의될 수 있다. 상기 방위각 또는 경도 좌표(φ)는 지정학적 표시법에서처럼 [0°, 360°]의 범위를 구비한다. 정확하게 북쪽 또는 남쪽 즉, θ = 0°또는 θ = 180°에서 (다른 용어로 광축을 따라), 방위각 또는 경도 좌표는 어떠한 의미를 가지지 않고, 보다 정확하게는 퇴하하는 것으로 간주될 수 있다. 또 다른 특별한 좌표는 광원을 포함하는 (더욱 정확하게는, 예를 들어 도1에서의 설명적인 예시에서 보여지는 L0 점, 파 필드 계산을 위한 광원의 공칭 위치를 포함하는) 광축을 관통되는 평면을 포함하는 θ = 90°이다. 광축 (즉, 축 θ = 0°)에 대하여 회전 대칭을 구비하는 광원을 구성하는 것은 수월하기 때문에 전체 경도 범위 φ = [0°, 360°]를 가로질러 일정한 광원 강도를 구비하는 것은 전형적으로 어렵지 않다. 예를 들어, 백열광(L)은 실질적으로 전방향성 광원을 방출하도록 디자인될 수 있는 좌표 중심(L0)에 위치하는 백열 필라멘트를 적절하게 선택하여, 어떠한 고도에 대한 방위각(φ)에 대하여도 균일한 조명 분포를 제공한다. 어떠한 고도에 대한 방위각(φ)에 대하여도 균일한 조명 분포를 제공하는 램프는 때때로 축방향으로 대칭인 광 분포를 제공하는 것으로 언급된다.
그러나, 고도 또는 위도 좌표(θ)에 대한 이상적인 전방향성 조명을 얻는 것은 일반적으로 실용적이지 않다. 예를 들어, "A" 형식 백열광(L)은 광원 위치 (L0)의 뒤의 광축에 놓여지며 후방향 조명을 막는 에디슨 베이스 EB를 포함하여, 백열 램프(L)은 위도 좌표(θ), 정확하게 θ= 180°까지 이상적인 전방향성 빛을 제공하지 못한다. 그럼에도 불구하고 상업용 백열 램프는 미국 에너지 부에 의해 공표된 일체형 LED 램프에 대해 제안된 에너지 스타 기준(2009. 5월 9일 2번째 제안; 이후 "제안된 에너지 스타 기준") 에서 특정된 것과 같이 위도 범위 θ = [0°, 135°]를 가로질러 약 20%안에서 일정한 조명을 제공할 수 있다. 위도 범위 θ = [0°, 150°]과 같이 보다 넓은 범위에서 가능하면 더 좋은 ± 10%의 균일성을 구비하는데 관심이 있음에도 불구하고, 이는 일반적으로 백열 램프에 대한 수용가능한 조명 분포 균일성으로 고려된다. 균일성의 범위가 [0°, 180°] 보다 적음에도 불구하고 큰 위도 범위 (예를 들어 약 θ = [0°, 120°] 또는 바람직하게는 약 θ = [0°, 135°], 보다 더 바람직하게는 약 θ = [0°, 150°]에 대한 실질적인 균일성을 구비하는 그러한 램프는 본 분야에서 일반적으로 전방향성 램프로 간주된다.
일체형 백열 또는 할로겐 램프에 대한 직접적인 "플러그 인" 대체용으로서 작동하는 전방향성 LED 대체 램프를 개발하는데 관심이 있다. 그러나, 실질적인 어려움이 지금까지 바람직한 전방향성 강도 특성을 구비하는 LED 교체용 램프의 개발을 방해하여 왔다. 하나의 이슈는 백열 및 할로겐 램프와 비교하여, 광 고체 상태의 발광 다이오드(LED) 장치는 본질적으로 높은 방향성이다. 예를 들어, 캡슐을 구비하거나 또는 구비하지 않거나 LED 장치는 전형적으로 직선형 램버트(Lambertian)에서 θ = [0°, 90°]의 범위에서 코사인(θ )과 함께 변하며 θ>90°보다 큰 경우에 제로 강도를 갖는 공간적인 세기 분포를 방출한다. 반도체 레이저는 본질적으로 보다 더 방향성이며, 실제로, θ = 0°주위에서 좁은 콘(cone)으로 한정되는 앞으로 나아가는 방향의 빛의 빔(beam)으로서 본질적으로 묘사되는 분포를 방출한다.
또 다른 논쟁은 백열 필라멘트와 달리, LED 칩 또는 고체 상태의 발광 장치는 전형적으로 표준 110V 또는 220 V 교류 전력을 사용하여 효율적으로 작동될 수 없다. 반대로, 탑재된 전자부품은 전형적으로 교류 입력 전력을 LED 칩을 구동하기 위해 수정한 낮은 전압으로 전환하기 위해 제공된다. 선택적으로, 실질적으로 감소된 전력 효율일지라도, 충분한 수의 LED 칩의 일련의 시리즈는 직접적으로 110 V 또는 220V에서 작동할 수 있고 적절한 극성 제어 (예를 들어 제너 다이오드)를 구비하는 상기 시리즈와 병행하는 장치는 110 V 또는 220 V 교류에서 작동할 수 있다. 다른 경우에, 전자부품은 일체형 백열 또는 할로겐 램프에서 사용되는 단순한 에디슨 베이스와 비교되는 램프 베이스의 추가적 구성을 구비한다.
또한, 히트 싱크는 전방향성 대체 LED 램프에 대한 추가적인 논쟁이다. 히트 싱크는 LED 장치가 백열 또는 할로겐 필라멘트와 비교하여 상당히 열에 민감하기 때문에 채택되어야 한다. 상기 LED 장치는 백열 필라멘트의 온도에서 작동할 수 없다 (작동 온도는 100℃ 주위 또는 바람직하게는 더 낮아야 한다). 또한, 더 낮은 작동 온도는 방사성 냉각의 요율을 감소시킨다. 일반적인 접근에서, LED 대체용 램프의 베이스는 추가적으로 (에디슨 베이스 커넥터 및 전자부품에 추가하여) LED 장치와 접촉하거나 또는 양호한 열 접촉을 하는 상당한 큰 양의 히트 싱크 재질을 포함한다.
전자부품과 히트 싱크의 조합은 후방향성 조명을 막는 큰 베이스를 초래하고 지금까지 LED 대체 램프를 사용하여 전방향성 조명을 생성하는 능력을 실질적으로 제한하였다. 특히, 상기 히트 싱크는 대류(convection) 및 복사(radiation)의 조합에 의하여 열을 램프로부터 발산하기 위해 바람직하게는 큰 체적 및 큰 표면적을 구비한다.
조명의 예시로서 본 문서에 제시된 일부 구성에서, 발광 장치는 LED 베이스 광원; 확산기 안쪽의 조명에 응답하여 광 세기 분포 출력을 생성하는 구형, 회전 타원체형, 타원형, 달걀 형태의 혹은 도넛형 확산기; 및 베이스 커넥터를 포함하는 베이스를 포함한다. 상기 LED 베이스 광원, 상기 확산기 및 베이스는 상기 베이스 커넥터를 조명 소켓과 연결함으로써 조명 소켓에 설치할 수 있는 일체형 LED 램프로서 함께 고정된다. 상기 LED기반 광원에 상기 베이스 커넥터에 수용되는 전기 전력을 사용하여 전기적으로 전력을 제공하게 위해 상기 베이스는 일체형 LED 램프안에 LED기반 광원과 작동적으로 연결된다.
설명적인 예시로서 본 문서에 제시된 일부 구성에서, 발광 장치는 구형, 회전타원체형, 타원형, 달걀 형태의 혹은 도넛형 확산기와 광학적으로 결합되며 접하여 배열되는 LED기반 광원을 포함하는 광 조립체, 베이스 커넥터를 포함하는 베이스를 포함하며, 상기 베이스는 베이스 커넥터에서 수용되는 전기 전력을 사용하여 LED기반 광원에 전기적인 전력을 제공하는 것으로 구성된다. 상기 광 조립체와 베이스는 상기 베이스 커넥터와 조명 소켓을 연결하여 조명 소켓 안에 설치하는 일체형 LED 램프로서 함께 고정된다.
설명적인 예시로서 본 문서에 제시된 일부 구성에서, 발광 장치는 도넛형 확산기와 광학적으로 결합된 링 형태의 LED기반 광원과 베이스 커넥터를 포함하는 베이스를 포함하고 베이스 커넥터에 수용된 전기 전력을 사용하여 상기 링 형태의 LED기반 광원에 전기적으로 전력을 공급하도록 구성되어 있다. 상기 광 조립체와 베이스는 조명 소켓과 베이스 커넥터를 연결하여 조명 소켓에 설치되는 일체형의 LED 램프로서 함께 결합한다.
본 발명은 다양한 구성 요소 및 구성요소 배열, 다양한 작동 과정 및 작동 과정 배열에서 형태를 가질 수 있다. 도면은 단지 바람직한 실시예를 설명하려는 목적이며 발명을 제한하려는 의도로 사용되지 않았다.
도1은 종래의 백열광에 관하여 조명 분포를 기술하기 위해 본 문서에서 사용되는 좌표를 도시적으로 보여준다.
도2는 평면 LED기반 램버트 광원과 구형 확산기를 채택하는 전방향성 LED기반 램프의 측면도를 도식적으로 보여준다.
도3은 평면 LED기반 램버트 광원을 보이기 위한 구형 확산기가 올려진 도2의 전방향성 LED기반 램프를 도식적으로 보여준다.
도4는 도2 및 도3의 전방향성 LED기반 램프가 실질적으로 전방향성 조명 분포를 생성하는 방법을 광선 추적 다이어그램을 사용하여 설명한다.
도5와 6은 도2 내지 4의 램프의 원리를 채택하며 각각은 추가적으로 종래의 백열 램프 소켓에서의 설치를 가능하게 하는 에디슨 베이스를 포함하는 2개의 설명적인 LED기반 램프의 측면도를 보여준다.
도7은 광원이 편장형의(prolate) 왜곡된 램버트 세기 분포를 방출하고 확산기가 광원 세기 분포와 결합하는 형태를 구비하는 편장형의 회전타원체형 확산기인 도2 내지 4의 구성에서의 변형에 대한 측면도를 보여준다.
도8은 광원이 편구형의(oblate) 왜곡된 램버트 세기 분포를 방출하고 확산기가 광원 세기 분포와 결합하는 형태를 구비하는 편구형의 회전타원체형 확산기인 도2 내지 4의 구성에서의 변형에 대한 측면도를 보여준다.
도9은 차단각에서 구형 확산기에 상대적인 LED기반 광원의 위치의 충격을 설명한다.
도10은 LED기반 광원 사이즈에 대한 구형 확산기 직경 비율의 광 비균일성의 위도 범위에서의 충격을 구성한다.
도11은 도5의 램프에 실질적으로 유사하나 추가적으로 핀(fin)을 포함하는 재조절된(retrofit) LED기반 광 전구의 측면 투시도를 보여준다.
도12는 도11의 재조절된 LED기반 광 전구의 2개의 실제 구성의 위도에 대한 강도를 도시한다.
도13 및 14는 도넛형 확산기를 구비한 본 문서에서 기술된 원칙을 채택하는 광원의 측면 및 투영 측면 각각을 도식적으로 도시한다. 도14a는 변형된 구성을 도시한다.
도15, 16, 17, 18 및 19는 LED기반 광 전구의 투영, 선택적인 음영 투시, 측면, 평면, 저면도 각각을 보여준다.
도20 및 21은 상기 확산기 내부를 보여주는 측면, 음영 측면 단면도 각각을포함하는 도15 내지 19의 램프의 확산기를 보여준다.
도22 내지 23은 핀를 구비한 확산기의 측면도 및 이의 분해도 각각을 보여준다.
도24, 25 및 26은 도15-23의 구성의 타원형 디뷰저와 구형 확산기를 비교하고, 도25는 구형 확산기에 대한 타원형 확산기의 입사광선 길이에서의 차이를 보여주고, 도26은 타원형 확산기를 나오는 광에 대한 흩어지는 분포를 보여준다.
도27 내지 30은 추가적으로 서술하는 타원형 확산기 구성을 보여준다.
도31 내지 32는 추가적으로 선택된 부수적인 광학 구성을 포함하는 도15 내지 23의 램프 구성을 보여준다.
도2 내지 3과 관련하여, LED기반 램프는 평면형 LED기반 램버트 광원(8)과 광 투과 구형 확산기(10)를 포함한다. 상기 평면 LED기반 램버트 광원(8)은 확산기(10)를 떼어 놓고 평면 LED기반 램버트 광원(8)을 기울어 보이고 있는 도3의 부분적인 분해도에서 가장 잘 보인다. 상기 평면 LED기반 램버트 광원 8은 복수의 발광 다이오드 (LED) 장치(12, 14)를 포함하며, 상기 도시된 구성에서, 복수의 발광 다이오드 장치는 바람직한 칼러 온도의 백색광과 연색평가지수(CRI)의 백색 광을 만들기 위해 혼합된 각각의 스펙트럼과 강도를 구비함 제1 LED 장치(12)와 제2 LED 장치(14)를 구비한다. 예를 들어, 일부 구성에서 제1 LED 장치는 초록색 명도 (예를 들어, 적절한 하얀색 인광체로 코팅된 파란색 또는 보라색 방출 LED 칩을 사용하여 획득되는)를 구비한 백색광을 출력하고 제2 LED 장치 (12)는 적생 광 [예를 들어, 자연적으로 적색광을 방출하는 갈륨 아세나이드 필스퍼러스 (GaAsP) 또는 인디움 포스포(ALGaInP) 또는 다른 에피택시 LED 칩을 사용하여 획득되는]을 출력하고 상기 제1 및 제2 LED 장치(12, 14)의 빛은 개선된 백색 명도를 생성하기 위해 함께 혼합된다. 한편, 상기 폄면 LED기반 램버트 광원은 백색 LED 장치 또는 순수한 컬러 LED장치 등이 되는 하나의 LED장치플 포함하는 것으로 고려될 수 있다. 상기 LED 장치(12, 14)는 회로기판(16)에 장착되고, 상기 회로기판은 선택적으로 금속 코어 인쇄 회로 기판(MCPCB)일 수도 있다. 선택적으로, 베이스 요소(18)는 지지대를 제공하고 또한 열적으로 도전체이어서, 상기 베이스 요소(18) LED 장치(12, 14)의 열을 흡수하기 위한 실질적인 열 전도성을 구비하는 히트 싱크(14)를 정의한다.
상기 서술된 광 투과 구형 확산기(10)는 실질적으로 중공이고 빛을 방산하는 구형 표면을 구비한다. 일부 구성에서, 플라스틱 또는 다른 재료와 같은 광 투과성 재질의 확산기를 고려할수 있음에도 불구하고 구형 확산기(10)는 유리 부재이다. 상기 확산기(10)의 표면은 본질적으로 광분사형 일수 있고, 광 분사를 촉진하기 위한 프로스팅(frosting) 또는 다른 텍스쳐링(texturing); 일부 백열 또는 형광 전구의 유리 전구의 광분사형 코팅으로 사용되는 형식의 소프트 화이트 또는 스타 코팅TM (미국 뉴욕 제너럴 일렉트릭 컴퍼니로부터 구할수 있는) 분산 코팅 또는 에나멜 페인트와 같은 광 분사 코팅을 구비하는 코팅; 구형 확산기의 유리, 플라스틱 또는 다른 재질에 광 분사 입자를 새겨두는 것; 이들의 다양한 결합과 같은 다양한 방식으로 광분사를 만들 수 있다.
상기 확산기(10)는 또한 선택적으로, 예를 들어 LED로 부터 파란 또는 적외선 광선을 백생광으로 전환하는, LED로부터의 광을 또 다른 색으로 변경하는, 예를 들어 상기 구형 표면에 코팅된 인광체를 포함할 수 있다. 일부 그러한 구성에서 인광체는 상기 확산기(10)의 하나의 요소인 것으로 고려될 수 있다. 그러한 구성에서, 상기 인광체는 분산형 인광체이어야 한다. 달리 고려되는 구성에서, 상기 확산기는 인광체를 포함하여 프로스팅, 에나멜 페인트, 코팅 등과 같은 추가적인 분산형 부재를 포함한다.
투광형 구형 확산기(10)는 평면 LED기반 램버트 광원(8)을 수용하거나 결합되도록 사이즈된 구멍 또는 개구(20)를 포함하여, 평면 LED기반 램버트 광원(8)의 광 방출 주요 표면은 구형 확산기(10)의 내부로 향하고 빛을 구형 확산기(10)의 내부로 방출한다. 상기 구형 확산기는 평면 LED기반 램버트 광원(8)과 비교하여 크기 때문에 상기 광원(8)은 실질적으로 더 큰 구형 확산기(10)의 주위에 배열된다. 상기 서술된 예시에서, 상기 구형 확산기(10)은 직경 dD를 구비하고 반면에 평면 LED기반 램버트 광원(8)은 [또는, 결합되는 구멍 또는 개구(20)와 균등한] dD>dL인 직경 dL의 원형 영역을 구비한다. 상기 평면 LED기반 램버트 광원(8)은 구형 확산기(10)의 굴곡된 표면에 접하게 배열되는 평면 광 방출 표면을 구비한 구멍 또는 개구(20)안에 또는 위에 장착된다. 정확한 접촉상태는 dL/dD가 제로에 접근하는 이상적인 경우에만 이루어지는것이나, 상기 접촉상태는 dD/dL의 비율이 증가함에 따라, 즉, 평면 LED기반 램버트 광원(8)이 구형 확산기(10)의 사이즈에 대해 감소하면서 점점 더 딱 맞아질것이다.
계속하여 도2 및 3을 참조하고 추가로 도4를 참조하면, 또한 LED 베이스 램프는 평면 LED기반 램버트 광원(8)이 상기 좌표 시스템을 정의하는 도1의 구형 좌표 시스템을 사용하여 기술할 수 있다. 이와 같이, 광축을 따르는 평면 LED기반 램버트 광원(8)의 앞으로 향하는 빔은 강도가 최고가 되는 (여기서 IO을 표기되는) 북쪽 방향(θ = 0°)이다. 램버트 분포에 따라, 강도는 광축으로 부터 고도 또는 위도가 증가하면서 (도1의 구형 좌표를 사용하여) 감소하여 위도 θ에서의 강도는 I = I0 ㆍCOS(θ)이다. 도2 내지 4의 LED기반 램프는 광축에 대하여 순환적으로 대칭이고, 방위각 또는 경도 좌표(φ)에 각각 세기 변화는 없어야 하는 점을 주목해야한다.
특히 도4를 참조하면, 도2 내지 4의 LED기반 램프는 경도 또는 위도의 범위가 θ = [0°, 90°]보다 실질적으로 큰 영역에서 전방향성 조명을 생성한다. 여기서 두가지 점이 인식된다. 첫번째, 상기 구형 확산기(10)에 접선으로 놓여지는 평면형 LED기반 램버트 광원(8)을 구비하여, 평면 LED기초 팸버트 광원(8)에 의한 램버트 조명 출력은 상기 구형 확산기(10)의 전체(안쪽) 표면에서 일정하다. 반면에 전형적으로 룩스(루멘/m2)의 단위로 측정되는 상기 구형 확산기(10)의 표면에 비치는 광의 유동율(루멘/면적)은 구형 확산기(10)의 어느점에서나 동일한 값이다. 이와 같이, 상기 확산기의 내부 표면은 상기 LED 광원의 등조도 표면(isolux surface)과 일치한다. 질적으로 이것은 다음과 같이 보여질수 있다. 램버트 광원의 전방으로 향하는 빔은 θ = 0°에서 최고값 I0 를 구비한다; 그러나, 또한 상도 I0 을 구비하는 상기 빔의 이러한 전방으로 향하는 부분은 상기 구형 확산기(10)의 (내부)표면에 부딪히기 전에 가장 멀리 여행한다. 강도는 거리의 제곱으로 감소하고 그래서 강도는 I0/dD 2 에 비례한다 (광원 8과 확산기 10의 곡면의 정확한 접촉은 여기에서는 단순화로서 추정된다). 임의의 위도 θ에서, 상기 광원으로부터의 강도는 낮아진다. 즉 I0·cos(θ)이다. 그러나, 상기 구형의 확산기(10)에 충격되기 전에 여행한 거리 d=dD·cos(θ) 는 cos(θ) 양만큼 작아지고 상기 강도가 상기 구형 확산기에 수용되는 투영되는 표면 면적은 계수 cos(θ)만큼 감소된다. 이와 같이, 임의의 위도 θ에서의 표면에서의 유동율 밀도는 θ= 0에서와 동일한 상수 (I0·cos(θ)·cos(θ)/(dD·cos(θ))2 에 비례한다. 이와 같이, LED 광원에 의해 방출되는 램버트 강도의 분포의 경우에서, 구형 확산기의 표면에 접선방향으로 놓여지는 LED룰 구비하는 구형 확산기의 내부 표면은 상기 LED의 세기 분포의 등조도 곡선 표면과 일치한다.
본 문서에서 인식되는 두번째 사항은 상기 확산기(10) (이상적인 광 발산으로 추정하는)는 상기 LED기반 광원(8)에 의해 확산기(10)의 내부에서의 조명에 응답하는 표면에서의 임의의 점에서 램버트 광 세기 분포 출력을 방출한다. 환언하면, 상기 구형 또는 회전타원체형 확산기의 내부의 조명에 응답하는 확산기 (10)의 표면위의 임의의 점에서의 광 강도 출력은 Φ가 상기 지점에 수직인 확산기 표면에 대한 각각의 시야각(viewing angle)인 곳에서 cos(Φ)의 비율로 증감한다. 이것은 상기 평면의 LED기반 램버트 광원(8)에 의해 배출되는 7개의 직선광에 대한 광선 추적 다이어그램을 보여줌으로서 도4에 도식적으로 설명된다. 각각의 직선광이 광 투과 구형 확산기(10)에 부딪히는 점에서, 그것은 상기 구형의 확산기(10)의 (외부) 표면으로 부터 방출되는 램버트 출력으로 분산된다. 광학 분야에서 알려진 것처럼, 램버트 분포에서 광을 방출하는 표면은 시야각에 관계없이 동일한 강도 (또는 밝기)를 구비하는 것으로 보인다. 이는 수직인 표면 대한 각각의 더 큰 시야각에서, 출력 강도에서 램버트 감소는 경사진 시야각에 의한 좀 더 인식된 시야각에 의해 정확하게 상쇄된다. 구형 확산기(10)의 전체 표면은 (바로 선행하는 단락에서 진술한 첫번째 사항) 동일한 강도로 조명되므로, 그 결과는 외부 관찰자가 모든 시야각에서 균일한 강도와 확산하는 구형의 표면에서 공간적으로 균일한 광원 밝기로 구형 확산기(10)가 광을 방출하는 것을 관찰한다.
상기 확산기(10)가 파장 변환용 인광체를 포함하는 구성에서, 상기 인광체는 확산하는 인광체, 즉 도4에서 설명하는 것처럼 직접적인 (여진) 조명의 입사각에 독립적인 램버트(혹은 거의 램버트) 패턴에서 파장 전환 광을 방출하는 인광체이여야 한다.
상기 인광체의 발산하는 성질은 인광체 층 두께, 인광체 입자 크기, (광 분산기로서 인광체의 성능에 영향을 주는) 반사력 등과 같은 매개변수에 의하여 제어된다. 인광층이 불충분하게 분산한다면, 인광체는 에나멜 페인트 층 등을 포함하는 유리 또는 다른 기츠의 프로스팅과 같은 추가적인 분산 성분과 결합될 수 있다.
동시에 구형 확산기(10)은 광의 손실 또는 흡수를 초래하는 광학 성분의 사용 또는 추가적인 광학 요소를 통한 다수의 바운스에 대한 필요 없이 광 분산 과정을 통하여 우수한 컬러 혼합 특성을 제공한다. 추가적으로, 평면 LED기반 램버트 광원(8)은 구형 확산기(10)에 비하여 작기 때문에 (즉, dD/dL 의 비율은 커야 한다), 후방 및 그림자는 평면 LED기반 램버트 광원이 수평면 θ=90°이고 반구 확산기와 동일한 직경을 구비하는 (dD/dL=1의 범위에 해당되는) 반구 형태의 확산기를 선택하는 현재의 디자인과 비교하여 상당히 감소한다.
상기 베이스(18)의 구성은 또한 전방향성 조명을 제공하는데 기여한다. 도2에서 도시되는 것처럼, LED기반 램버트 기초 광원(8)에 의해 조명되는 구형 확산기(10)은 파 필드 관점에서 점 P0으로부터 발산하는 광을 생성하는 것으로 생각될 수 있다. 환언하면, 파 필드 점 광원 위치(Po)는 광원(8)과 확산기(10)을 포함하는 전방향성 광 조립체에 의하여 정의된다. 상기 베이스(18)은 후방향 광의 일부를 차단하여 위도 차단각(αB)이 점 Po으로 직선 시야를 갖는 가장 큰 위도 θ에 의하여 정의될 수 있다. 도2는 이러한 점을 도시한다. 차단각(αB)안에서는 시야각에 대하여, 상기 베이스(18)는 실질적으로 음영과 조명 강도에서 결과적인 큰 감소를 제공한다. 위도 차단각αB의 개념은 파 필드 추정에서 유용하나 정확한 계산은 아니다. 이러한 점은 예를 들어 광선(Rs)이 차단각(αB)의 영역에서 조명한다는 점에서 도2에서 보여진다. 단지 파 필드 접근에서 점 광원(Po)으로서 접근되는 구형 확산기(10)의 한정된 크기때문에 광선(Rs)이 존재한다. 상기 베이스는 또한 광선을 차단하거나 흡수하지 않고 후방향 광의 일부를 반사하고 상기 차단각 바로 위의 각도 영역에서 광 분포를 추가하며 상기 반사된 광을 램프의 광 분배 패턴으로 다시 향하게 한다. 상기 히트 싱크 및 베이스 표면으로 부터의 광 반사에 의한 광 분포 패턴에 대한 효과를 조정하기 위해 상기 구형 확산기의 형태는 구형 확산기와 상기 LED 광원의 교차점 근처에서 조금 변형 되어 상기 각의 영역에서의 광 패턴의 균일성을 향상시킬 수 있다.
선행하는 관점에서, 큰 위도 각에서 조명의 전방향성은 추가적으로 차단각αB의 크기를 조정하는 상기 베이스(18)의 크기와 기하학적 배열에 의존하는 것으로 보인다. 차단각(αB)안에서 일부 조명이 상기 구형 확산기(10) (예를 들어, 광선 Rs로 언급되며 설명되는)의 직경(dD)을 확대하여 회득할 수 있음에도 불구하고, 이러한 직경은 전형적으로 실용적인 고려에 의해 제한딘다. 예를 들어, 재조절된 백열광이 디자인 된다면, 상구 구형 확산기(10)의 직경(dD)은 교체되는 백열광과 동일한 크기 E 는 이보다 적은 것으로 제한된다. 도2에서 보이는 것처럼, 적절한 베이스 디자인은 실질적으로 차단각(αB)과 일치하도록 각진 측면을 구비한다. 약 차단각(αB)으로 각진 측면을 구비하는 베이스 디자인은 차례로 전자부품 및 히트 싱킹 질량에 대한 가장 큰 체적을 제공하는 상기 차단각(αB)에 대하여 가장 큰 체적을 제공한다.
재검토와 확대에 의하여 LED기반 전방향성 램프를 디자인하는 연구가 본 문서에서 제시된다. 이러한 제시된 연구의 구성에서, 광원(8)위의 2π 스테디안인 절반의 공간에서 실질적으로 램버트 분포의 빛을 방출하는 것으로 배열된다. 상기 구형(또는 보다 일반적으로 타원회전체형)의 분산형 전구(10)는 작은 광원이 장착되는 작은 광학 입력 구멍(20)을 구비한다. 상기 확산기 벌브(bulb)(10)의 표면의 각각의 점에서, 일직선의 조명은 분산형 전구(10)의 외부에서 실질적인 램버트 출력 광 세기 분포를 생성하도록 분산된다. 이러한 점은 전구(10)의 표면에 빛을 발하는 외형을 제공하고 상기 조명이 히트 싱크 및 전기 장치의 체적에 의해 광원(8)에 의하여 음영되는 광축 (θ ~ 180°)를 따르는 후방향을 제외하고, 모든 방향에서 전구를 둘러싸는 4π 스테디안으로 방출되는 거의 일정한 강도의 광 분포를 제공한다.
그러한 디자인의 다양한 사항이 차례로 고려된다. 첫번째 사항은 예를 들어 광원(8)과 같은 전형적인 LED 장치 또는 LED 패키지로 부터의 광 강도의 일반적인 램버트 분포이어서, 광 강도는 상기 구형 표면 위의 어느 한점 또는 근처에 놓여지는 광원(8)을 구비하는 상기 구형 확산기(10)의 궤적을 따라 거의 일정하게 된다. 상기 디자인의 두번째 사항은 광 확산기(10)로 램버트 광 분포 패턴을 차단하는 것이고, 상기 광 확산기의 분산은 LED 광원(8)에 인접하여 구형 또는 거의 구형 광 확산기를 배치하여, 거의 일정한 광 유동의 궤적을 따라 발생시키므로, LED광원은 광 입력 구멍(20)으로부터 가장 먼 구형 확산기(10)의 대향점으로의 광축(θ =0)을 따라 전방의 조명을 안내하며 LED광원(8)은 상기 구형확산기(10)의 표면 위에 또는 근처에 있다. 이러한 배열은 구형 광 확산기(10) 위로 비추는 광의 조도(표면적에 대한 루멘스)는 상기 구형 확산기(10)의 전체(내부)표면에 걸쳐 거의 상수이다. 세번째 사항은 상기 광 확산기(10)의 실질적인 램버트 분산 분포 함수이어서, 각도에 대한 거의 램버트 분포 강도가 광원(10)위의 각각의 (외부) 점으로 부터 방출된다. 이것은 광 강도 (스테디안당 루멘스)가 모든 방향에서 거의 상수이다. 첫번째, 두번째, 세번쌔 사항을 거의 이상적으로 유지하기 위해 네번째 사항은 상기 LED 광원(8)의 최고 측면 치수 dL은 상기 구형 광 확산기(10)의 직경dD 보다 적다. 추가적으로 LED광원(8)이 상기 구형 확산기(10)에 비하여 상대적으로 매우 크면, 세번째 사항은 손상되어, 그렇지 않은 경우 이상적인 구형 확산기가 광을 방출하는 잠정적인 4π 스타디엔의 중요한 부분을 상기 LED 광원이 막을 것이다(또는, 환언하면, LED 광원에 너무 크면, 이는 바람직하지 않게 후방 광의 상당한 부분을 차단할 것이다). 다섯번째 사항은 상기 베이스(18)는 차단각 (αB)을 최소화고 전기 장치에 대한 적절한 히트 싱크와 공간을 제공하기에 충분히 큰 베이스 체적을 제공하도록 디자인 되어야 한다.
도5 및 6을 참조하면, 이러한 디자인 구성은 종래의 백열 또는 할로겐 전구을 교체하기에 적절한 일체형 LED램프로 구성되는것으로 제시된다. 도5 및 6의 LED기반 램브 각각은 종래의 백열 램브의 에디슨 베이스의 직접적인 교체가 되도록 형성된 에디슨 형식의 나사산 베이스 커넥터(30)를 포함한다(보다 일반적으로 상기 베이스 커넥터는 교체되는 백열 또는 할로겐 램프의 베이스와 동일한 형식이어야 한다. - 예를 들어, 백열 또는 할로겐 램브가 베이어넷 베이스를 채택한다면, 상기 에디슨 베이스 커넥터(30)는 적절하게 필수불가결의 베이어넷 베이스 커넷터에 의하여 교체된다). 도5(또는 도6)의 단일의 LED 램프는 소킷 또는 이와 관련된 하드웨어를 열적으로 과부하하는 우려와 상기 소킷의 전기적인 구성을 수정하지 않고 종래의 일체형 백열 또는 할로겐 램프를 대체할 수 있다. 도5 및 6의 LED램프는 각각의 구형 또는 회전타원체형 확산기(32, 34)와 상기 각각의 구형 확산기(32, 34)의 바닥 부분에 접하여 배열되는 각각의 평면 LED기반 광원 (36, 38)을 포함한다. 상기 LED 광원(36, 38)은 상기 구형 또는 회전타원체형 확산기(32, 34)에 각각 접하게 구성되고 LED 장치(40)를 포함한다. 도5에서, LED기초 광원(36)은 적은 수의 LED 장치(40) (2개가 도시)를 포함하고, 상기 구형 확산기(32)와 결합된 실질적인 램버트 세기 분포를 제공한다. 도6에서, LED기반 광원(38)은 상대적으로 더 큰 수의 LED장치(40) (5개가 도시)를 포함한다. 광원(38)은 정확한 램버트 분포와 비교하여 LED기반 광원(38)의 평면에서 상대적으로 더 많이 퍼져 있다는 점에서 변형된 램버트 분포가 되는 광 출력 분포를 생성한다. 정확한 램버트 분포에서부터의 이러한 변형을 조정하기 위하여, 도6의 확산기(34)는 회전타원체형, 즉 완전한 구형으로부터 벗어나 있다. 도6의 설명적인 예시에서, 상기 LED기반 광원(38)에 의해 출력되는 왜곡된 램버트 분포는 편구형 왜곡을 구비한 램버트 분포로 묘사될 수 있고 편구형의 회전타원체 형상을 구비하는 확산기(34)에 의해 적절하게 획득된다. 부적확한 램버트 광 분포의 그러한 조정은 도 7 및 8을 참조하여 더 검토된다.
계속해서 도5 및 6을 참조하면, 전자 드라이버(44)는 도5에서처럼 평면 LED 광원 (36)과 에디슨 베이스 커넥터(30) 사이에 놓인다. 유사하게, 도6에서 처럼, 전기 드라이버(46)은 평면 LED 광원(38)과 에디슨 베이스 커넥터(30)사이에 놓인다. 전기 드라이버(44, 46)는 각각의 램프 베이스(50, 52)에 포함되고, 각각의 베이스(50, 52)의 평형추[즉, 각각의 전기 장치(44,46)에 의하여 점유되지 않는 각각의 베이스(50,52)의 부분]는 히트 싱크를 한정하도록 바람직하게는 히트 싱킹 재질로 만들어진다. 상기 전기 드라이버(44, 46)는 LED기반 광원(36, 38)을 구동하기에 적절한 형태로 에디슨 베이스 전기 커넥터(30)에 수용되는 교류 전력(예를 들어, 미국의 거주 및 사무소 지역에서 에디슨 형식 램브 소켓에서 전형적으로 이용 가능한 형식의 110 볼트 교류 또는 유럽의 거주 및 사무소 지역에서 에디슨 형식 램브 소켓에서 전형적으로 이용 가능한 형식의 220 볼트 교류 또는 다른 직류 전압)을 전환하기에 그 자체로 충분하다. LED 광원이 110 볼트 또는 220볼트 교류에서 직접적으로 작동되도록 구성된 예시에서 (예를 들어, LED기반 광원은 교류로 부터 직접적으로 작동하도록 제한된 일련의 LED 장치를 포함한다면), 전기 드라이버 (44, 46)는 적절하게 생략된다.
상기 베이스(50, 52)는 큰 전기 장치 체적을 제공하고 적절한 히트 싱크를 제공하도록 크게 만드는 것이 바람직하나, 바람직하게는 차단각(αB)을 최소화하도록 구성하는 것이 바람직하다. 게다가, 히트 싱크는 에디슨 베이스(30)를 경유하여 우수하게 전도성이 있는 것이 아니라 주위 공기로의 대류 및 복사 열 분산의 조합에 주로 의존한다. 따라서, 상기 베이스(50, 52)에 의해 정의되는 히트 싱크는 전도성 및 복사열 분산을 촉진하기 위해 충분한 표면적을 구비해야 한다. 반면에, LED 기반 광원(36, 38)은 확산기(32, 34)에 대한 그 접선 배치로 인해 소직경인 것이 바람직함을 인식해야 한다. 다양한 이런 고려사항은 LED기반 광원(36, 38)과 대략 동일한 크기를 가지며 차단각(αB)과 대략 동일한 각도로 각진 측부(54, 56)를 갖는 LED기반 광원(36, 38)과의 연결을 위한 작은 수용 영역 또는 계합 영역을 사용함으로써 각각의 베이스(50, 52)에 수용된다. 각진 베이스 측부(54, 56)는 LED기반 광원(36, 38)으로부터 각진 측부(54, 56)가 전자부품(44, 46)을 수용하기에 충분히 넓은 직경(dbase)의 원통형 베이스 부분과 충분히 만날 수 있게 하는 거리로 신장된다.
따라서, 베이스 형상 디자인은 실질적으로 전방향성인 조명의 원하는 위도 범위에 의해 제어되는 차단각(αB)에 의해 제어된다. 예를 들어, 만일 범위 θ=[0°, 150°]에 대해 실질적으로 전방향성 조명을 갖는 것이 바람직하다면, 차단각(αB)은 대략 30°보다 크지 않아야 하며, 이런 일부 디자인에서 차단각(αB)은 히트 싱킹 및 전자부품을 수용하기 위한 베이스 크기를 최대로 하기 위해 약 30°가 된다. 상기 다른 방법에서, 광조립체는 적어도 위도 범위 θ=[0°, X]에 대해(여기서, X는 위도이며 X≥120°)±30% 이하(예를 들어, 바람직하기로는 ±20% 이상, 더욱 바람직하기로는 ±10% 이상)의 균일성 변화를 갖는 조명을 발생한다. 베이스(50, 52)는 위도 범위 θ=[0°, X]내로 신장되지 않지만, 실질적인 표면적을 갖는 넓은 것이 바람직하다. 이것은 위도(X)를 따라 놓이는 측부(54, 56)를 갖는 베이스(50, 52)를 제조함으로써 달성될 수 있다.
상기 다른 방법에서, 차단각(αB)은 확산기 및 LED기반 광원을 포함하는 광 조립체와의 그 연결부에서 베이스가 가장 작고 대류 및 복사 히트 싱킹을 위한 또한 선택적으로 전자부품의 수용을 위한 충분한 체적 및 표면적을 제공하기 위해 광 조립체로부터 멀리 신장될 때 단면적이 갑자기 커지거나 증가되는 것을 보장함으로써 작게 유지된다. 도5 및 도6과 같은 일부 실시예에서, 광 조립체와의 연결부에서의 베이스(50, 52)의 LED기반 광원(36, 38)의 영역과 대략 동일한 영역을 갖는 크기로 형성되며, 측부(54, 56)는 차단각 디자인 제한을 준수하면서 히트 싱킹 재료의 최대 체적을 LED기반 광원(36, 38)에 인접하여 배치하기 위해 최대한 허용가능한 각도로[즉, 차단각(αB)과 대략 동일한 각도로] 각지게 형성된다.
도5 및 도6에 도시된 바와 같이, 램프 베이스(50, 52)는 LED기반 광원(36, 38)과 그 구동 전자부품(44, 46) 사이에서 LED기반 광원(36, 38)에 바로 인접한 히트 싱킹 부분을 포함한다. 따라서, 전자부품(44, 46)과 광원(36, 38)을 전기적으로 연결하기 위해 베이스의 히트 싱킹 부분을 통해 전기 경로(58)가 제공된다. 반면에, 전자부품(44, 46)은 에디슨 베이스 커넥터(30)에 바로 인접하고 있다(또는 선택적으로 이를 포함하도록 신장된다).
도7에 있어서, 일부 실시예에서 광원은 램버트 세기 분포 이외의 다른 어떤 것을 발생한다. 도7의 예시적인 실시예에서, 광원(100)은 실질적으로 왜곡된 램버트 세기 분포(102)를 발생한다. 세기 분포(102)는 전향 방향으로(즉, 광학축을 따라 또는 θ=0°을 따라) 가장 강하고 θ≥90°에 대해 제로의 세기를 갖는 위도(θ)의 증가에 따라 감소한다는 점에서 램버트 세기 분포와 유사성을 갖는다. 그러나, 세기 분포(102)는 전체 세기의 실질적으로 큰 부분(fraction) 이 도7에 광선 추적(ray trace)으로 개략적으로 도시된 바와 같이 내향하는 방향이라는 점에서 진정한 램버트 분포에 대해서는 실질적으로 왜곡되어 있다. 도7에 도시된 램버트 세기 분포(102)에 의해 나타난 왜곡의 형식은 때로는 편장형 왜곡으로 지칭된다. 이런 실시예에서, 구형 확산기 실시예(예를 들어, 도2 내지 도4)를 참조하여 논의된 비율(dD/dL)은 비율(dPMA/dL)로 적절히 대체되며, 상기 dPMA 는 도7에 도시된 바와 같이 편장형 왜곡된 회전타원체형 확산기의 단축(minor axis)이다.
도8의 다른 실시예에서, 광원(110)은 실질적인 편구형 왜곡을 갖는 왜곡된 램버트 세기 분포(112)를 발생한다. 실질적으로 편구형의 왜곡된 램버트 세기 분포(112)는 도8에 광선 추적으로 개략적으로 도시된 바와 같이 전체 세기의 실질적으로 적은 부분(fraction)이 전향 방향이라는 점에서 진정한 램버트 분포에 대해 왜곡되어 있다. 편구형의 회전타원체형 확산기(114)는 편구형으로 왜곡된 램버트 세기 분포(112)를 확산시키도록 배치된다. 이런 실시예에서, 구형 확산기 실시예(예를 들어, 도2 내지 도4)를 참조하여 논의된 비율(dD/dL)은 비율(dOMA/dL)로 적절히 대체되며, 상기 dOMA 는 도8에 도시된 바와 같이 편구형으로 왜곡된 회전타원체형 확산기의 장축(major axis)이다.
일반적으로, 이상적으로 구형인(램버트) 분포로부터의 왜곡은 가늘고 긴 편구형의 회전타원체형 분포(102)(도7)와 같은 타원체 형상으로 서술되거나 또는 편평한 편구형의 회전타원체형 분포(도8)로서 서술된다. 여기에 서술된 디자인 원리는 이런 상황에 용이하게 적용된다. 도2 내지 도4의 실시예에 대한 예시적인 기준으로서, 램버트 광원(8)이 그 전체(내부) 면을 가로질러 구형 확산기(10)를 균일하게 조명하기 때문에 구형 확산기(10)가 선택된다. 달리 말하면, 구형 확산기(10)는 램버트 광원(8)의 등조도 곡선과 일치한다. 이 관찰을 일반화하면, 광원에 대해 등조도 표면과 일치하기 위해 투광 확산기가 선택되는 한, 확산기의 전체 표면은 광원에 의해 균일한 세기로 조명될 것으로 확신한다. 또한, 확산기가 도4의 예로서 도시된 바와 같이 램버트 분산을 제공하기 때문에, 확산기 표면의 (외부의) 각각의 지점으로부터 방출되는 광은 램버트 분포를 갖는다. 따라서, 최종적인 램프 출력 세기는 실질적으로 전방향이 될 것이다. 편장형 또는 편구형 회전타원체형 확산기(104, 114)의 경우 이상적인 구형으로부터 이탈되는 이들 형상으로 인해 이상적인 전방향성으로부터의 일부 이탈이 관찰되었으나, 이 이탈은 램버트 분포로부터 너무 멀리 이탈되지 않는 광원 세기 분포에 대해 상대적으로 작다.
이들 일반화된 디자인 원리를 도7의 실시예에 적용하면, 도2 내지 도4의 실시예의 구형 확산기(10)는 도7의 실시예에서는 광원(100)에 의해 발생된 편구형으로 왜곡된 램버트 세기(102)의 등조도 표면과 매칭되는 편구형 회전타원체형 확산기(104)로 대체된다. 질적으로, 이 편구형 회전타원체형 확산기(104)는 확산기 표면을 광원(100)으로부터 더욱 멀리 전향(θ=0) 방향을 따라 이동시킴으로써 출력 세기(102)의 전향(θ=0) 방향으로 큰 세기 부분(fraction)을 보상하는 것으로 보여질 수 있다.
도8의 실시예의 경우, 도2 내지 도4의 실시예의 구형 확산기(10)는 도10의 실시예에서는 광원(110)에 의해 발생된 편구형으로 왜곡된 램버트 세기(112)의 등조도 표면과 매칭되는 편구형의 회전타원체형 확산기(114)로 대체된다. 질적으로, 이 편구형의 회전타원체형 확산기(114)는 확산기 표면을 광원(110)에 가깝게 전향(θ=0) 방향을 따라 이동시킴으로써 출력 세기(112)의 전향(θ=0) 방향으로 낮은 세기 부분(fraction)을 보상하는 것으로 보여질 수 있다.
일반적으로, 실질적으로 표면이 광원의 등조도 표면과 대응하는 확산기를 선택함으로써 그 어떤 광원 조명 분포라도 유사하게 수용될 수 있음을 인식할 수 있을 것이다. 실제로, 방위각 또는 경도 방향의 변화 Φ 는 등조도 표면의 한정시 방위각 또는 경도 방향의 변화 Φ 를 설명함으로써 이 동일한 방식으로 수용딜 수 있다. 상술한 바와 같이, 광 분포는 베이스로부터의 반사와 같은 2차적인 요소들에 의해서도 영향을 받는다. 이런 2차적인 왜곡은 확산기 형상의 미세한 조정에 의해 수용될 수 있다. 일부 실시예에서, 예를 들어 광원에 의해 발생된 광 분포 패턴은 매우 미세한 편구형 왜곡을 갖는 램버트이지만, 베이스 반사의 2차적인 영향을 감안하여 미세한 편구형 왜곡을 갖는 구형 확산기가 최적의 램프 세기 분포를 제공하도록 선택된다.
도2 내지 도8을 참조한 일부 예시적인 실시예에 서술한 바와 같이, 그 실행 및 특징화에 대한 실제 감소(reduction)의 서술을 따른 일부 다른 설명이 서술될 것이다.
하기에 전방향성 LED 램프 디자인 특징이 서술된다. 제1디자인특징은 LED 광원에 의해 방출된 빛의 세기의 분포에 관한 것이다. 가장 전형적인 LED 광원을 위한 분포는 램버트이지만, 왜곡된 램버트(예를 들어, 도7 및 8)와 같은 LED 광원을 위한 다른 분포도 존재한다. LED 광원으로부터의 세기 분포는 방위각의 방향 또는 길이(Φ) 방향으로 전형적으로 균일하거나 거의 균일하다(즉, 세기 분포는 축방향으로 거의 대칭인 것으로 기대된다). 제1디자인특징은 LED 광원의 세기 분포를 식별하는 단계를 수반하므로, LED 광원의 등조도(isolux) 표면과 일치하도록 투명한 확산기가 구성될 수 있다. 램버트 세기 분포를 위하여, 세기 대 위도 각도(θ)는 cos(θ)에 비례하며, 상기 θ 는 도1에 도시된 바와 같이 광축으로부터 측정한 각도이다. 이상적인 램버트 분포는 Φ 방향으로 균일하며, Φ 방향의 분포는 실제로 전형적인 LED 광원에 대해 항상 거의 균일하다. 최종적인 등조도 표면은 구형이다. 이상적인 램버트 분포로부터의 일부 전형적인 왜곡은 전향 방향으로 상대적으로 큰 세기를 갖는 편장형 왜곡을 포함하거나(도7에 도시된 바와 같이), 또는 전향 방향으로 상대적으로 작은 세기를 갖는 편구형 왜곡을 포함한다(도8에 도시된 바와 같이). 상기 편장형 왜곡은 편장형의 회전타원체형 등조도 표면으로 나타나며, 편구형 왜곡은 편구형의 회전타원체형 등조도 표면으로 나타난다. 전향 방향으로 상대적으로 큰 세기를 갖는 경우(도7에 도시된 바와 같이, 편장형 왜곡), 회전타원체(spheroid)의 장축이 광축과 정렬한다. 전향 방향으로 상대적으로 작은 세기를 갖는 경우(도8에 도시된 바와 같이, 편구형 왜곡), 회전타원체의 단축은 광축이 광축과 정렬한다.
제2디자인특징은 등조도 표면과 일치하는 투광성 확산기를 구성하는 것이다. 만일 LED 광원의 세기 분포가 정확히 램버트라면, 등조도 표면(및 그에 따른 확산기)는 구형이고, LED 광원의 발광 표면의 이상적인 위치는 구형 확산기의 표면과 접하는 위치이다. 물리적인 LED 광원에서, 특히 다수의 LED 칩 또는 다수의 LED 패키지를 사용하는 광원에서, 각각의 LED 장치는 일반적으로 평탄한 회로기판상에 장착되며, LED 반도체 재료로부터의 광 추출의 효율을 강화하기 위해 LED는 굴절률-정합 기질(index-matching substance)로 개별적으로 또는 어레이(array)로 포위된다. 또한, LED 광원은 광속(light flux)의 균일성이나 광엔진(light engine)으로부터의 그 컬러를 강화하기 위해 반사성, 굴절성, 분산성, 또는 전달성의 광학 요소에 의해 둘러싸인다. 이런 공간적으로 신장된 LED 광원을 수용하기 위해, LED 광원의 출구 구멍(즉, 광 출력면)은 광 확산기가 균일한 조도를 수용하도록 확산기의 표면과 접하여 적절히 배치된다.
만일 LED 광원의 세기 분포가 순수한 램버트 분포로부터 실질적으로 벗어난다면, 광 확산기는 조도(루멘스/면적)가 확산기의 표면상의 모든 위치에서 일정하도록 또한 LED 광원의 발광 표면은 확산기의 표면과 접하는 위치에 있도록 정확한 구형이 아니라 오히려 광 세기 분포의 형상과 매칭되는 형상이다. 예를 들어, 만일 LED 광원(100)의 세기 분포(102)가 전향 로브(lobe)에 집중된다면(도7에 도시된 바와 같이 광축을 따라 펼쳐진), 확산기(104)는 세기 분포의 형상과 매칭되도록 광축을 따라 가늘고 길어야 한다.
여기에 표면 확산기가 도시되었지만, 체적 확산기도 사용될 수 있다. 체적 확산기에서, 광 확산은 표면에 집중되기 보다는 확산기의 체적을 통해 발생된다. 이 경우, 확산기의 형상은 확산기의 체적내에서 발생하는 분산으로 인한 세기 분포의 변화를 고려해야만 한다.
제3디자인특징은 광 확산기에 의한 램버트 분산 또는 거의 램버트 분산을 제공하는 것이다. 이상적인 램버트 분산기(scatter)는 입력부로서 광의 시준된(collimated) 빔의 극단적인 경우라도 가능한 입력 분포를 위한 출력부에서 램버트 세기 분포로 나타난다. 확산기에 대한 광의 입력 세기 분포가 LED 광원의 광축에 대해 램버트이거나 또는 거의 램버트 분포인 경우, 확산기의 기능은 그 세기 분포를 확산기의 표면의 직교(즉, 수직한 유니트 벡터)에 대해 램버트 분포로 재지향시키는 것이다. 램버트 분산기 또는 매우 강한 거의 램버트 분산기는 일반적으로 이를 달성하기에 충분하다. 투명하거나 반투명인 유리, 석영, 세라믹, 플라스틱, 종이, 복합물과 같은 현존의 전방향성 램프에 전형적으로 사용되는 다양한 재료 또는 광흡수가 낮은 광학적으로 전달성인 다른 재료가 램버트 분산 또는 충분히 강한 분산을 제공할 수 있다. 분산은 분산 매질의 표면의 거칠게하기(roughening) 또는 프로스팅에 의해(예를 들어 화학적 엣칭이나 기계적 마찰 또는 기계적 공구나 레이저에 의한 절단 등에 의해) 생산될 수 있다. 또한 선택적으로, 표면에 적용된 분산 코팅이나 페인트 또는 라미네이트의 분산에 의해, 또는 매질내의 분산 입자의 현탁(suspension)에 의해, 또는 매질내의 경계나 도펀트(dopant)에 의해, 또는 다른 분산 메카니즘이나 그 조합에 의해 분산이 생산될 수도 있다.
제4디자인특징은 3개의 제1특징의 이상적으로 적용에 기인한 이상적이고 균일한 등방성 분포의 이탈로부터 실제 세기 분포의 이탈을 최소화하는 것이다. 이상적인 램프 형상의 원리 소스(principle source)는 투명한 확산기의 소스에 각각의 표면에 정확히 접하는 것 외에 광원의 배치에 있다. 이 비이상성(nonideality)은 예를 들어 도2 내지 도4의 실시예에서 비율(dD/dL)로 서술되는 바와 같이 LED 광원의 크기에 대한 확산기의 크기의 비율을 고려함으로써 제한될 수 있다. 광선 투사(tracing) 모델의 결과로부터, 및 약 2-3/8" 또는 약 60mm의 램프 직경을 갖는 백열등 벌브를 교체하려는 프로토형식(prototype) 램프상의 측정에 의한 확인으로부터, 모델 및 대응하는 프로토형식을 위한 원하는 범위가 수량화되며, 상기 모델 및 대응하는 프로토형식에서 LED 광원은 10 내지 20mm 범위의 직경(dL)을 가지며 직경(dD)를 갖는 구형 유리 벌브의 남극(south pole)(즉, θ=180°인)에 배치되고 램버트 분사기로 그 내면상에 코팅된 상대적으로 작은 원형 회로기판상에 다수의 밀접한 공간 LED의 대칭적 어레이를 포함한다.
도9 및 도10에 있어서, 비율(dD/dL)은 세기 분포가 일정하게 유지되는 위도 각의 범위를 주로 결정한다[도9에서, 부호(D)는 평면 LED기반 램버트 광원(8)의 칫수(dD)를 나타내고, 부호(S)는 확산기(10)의 칫수(dD)를 나타내는 것을 나타내며 도10에서 비율(dD/dD)는 DD/DL 로서 나타남을 인식해야 한다]. dL 이 증가하여 dD 와 비교할 수 있게 됨에 따라(그에 따라, 정확한 접촉(tangency)으로부터 더욱 강하에 이탈되는), LED 광원의 위치는 구형 확산기의 남극으로부터 수평(즉, θ=90°에 의해 한정되는 평면)를 향해 멀어지도록 이동하고, 세기 분포가 균일한 범위는 0°내지 180°으로부터 0°내지 90°로 감소된다. 이를 관찰하는 다른 방법은 완벽한 접촉을 위하여 광원이 구형 또는 회전타원체형 확산기와 단일 지점에서 만나는 것이다. 그러나, 미세한 칫수(dL)의 광원(8)을 위해, 만나는 "지점" 은 구형 또는 회전타원체형 확산기(10)에 대해 길이(dL)의 코드(chord)가 된다. 따라서, 확산기(10)의 직경(dD)에 대한 코드(dL)의 길이(또는 그 반대의 비율)는 이상적인 접촉에 대한 근사측정값(measure of closeness)이다. 예를 들어, 만일 dD/dL < 1.15 이라면, 균일한 세기 분포의 가능한 최대 범위가 약 θ=[0°, 120°] 이고 또는 만일 dD/dL < 1.15 이라면, 균일한 세기 분포의 가능한 최대 범위가 약 θ=[0°, 138°] 이다. θ=[0°, 150°] 의 범위에 대해 균일한 세기를 제공하기 위해, 비율이 dD/dL > 2.0 으로 증가되어야 한다. dD/dL =2.0 이라도, 세기 분포는 150°에 접근하는 각도에서 균일하지 않은데, 그 이유는 상기 분포가 구(sphere)의 표면으로부터 150°내지 180°의 범위로 위도상에 방출되는 광의 기여를 누락시키기 때문이다. 0°내지 150° 범위에 대해 거의 균일한 세기 분포를 제공하기 위해, dD/dL 는 구형 확산기의 분산 분포 기능에 의존하며 또한 히트 스프레더(heat spreader), 히트 핀(fin), 전자부품과 같은 LED 광엔진 아래에 배치되는 램프 부품들의 반사 특성에 의존하는 양으로 2.0 을 초과해야 한다. 백열등 적용에 대한 LED 교체 램프를 위해 실제로 실험된 실험에서, 0°내지 150°의 범위에 대해 세기 분포를 평균 세기의 +/- 10% 내로 제공하기 위해서는 일반적으로 dD/dL > 2.5 가 적합한 것으로 밝혀졌다. 만일 0°내지 135°의 범위에 대해서만 균일한 분포가 요구되고, 및/또는 +/- 20% 의 큰 공차가 허용가능한 것으로 생각된다면(에너지 스타 사양에 의해 제안된 미국 에너지부에 순응하는), 도10으로부터는 dD/dL > 1.41 이 요구되며, 실제 램프 실시예에서는 dD/dL > 1.6 이 바람직하다.
제5디자인특징은 베이스의 영향을 최소화하는 것이다. 처음에, 사람들은 이것은 작은 베이스를 사용하면 달성할 수 있으리라고 기대했지만, 이것은 광출력 세기를 제한하는 히트 싱킹에 악영향을 끼쳤으며, 또한 램프 전자부품에 유용한 공간에 악영향을 끼쳤다. 여기에 서술되는 바와 같이, 개선사항은 LED 광원과 구형 또는 회전타원체형 확산기(상기 접합부에서의 베이스는 일반적으로 평면 LED기반 광원과 대략 동일한 단면적을 갖는)를 포함하며 그 각도가 전방향성 조명의 원하는 최도 범위에 기초하여 선택된 차단각(αB) 보다 작거나 대략 동일한 각진 측부를 갖는 조명 조립체와의 접합부에 협소한 베이스를 갖는 것이다. 예를 들어, 만일 원하는 위도 범위가 θ=[0°, 150°] 이라면, 차단각(αB)은 약 30°보다 작지 않아야 하며, 이런 일부 디자인에 있어서 차단각은 베이스 크기를 최대화하여 히트 싱킹 및 전자부품들을 수용하기 위해 약 25°이다. 베이스의 각진 측부는 LED기반 광원에 근접한 히트 싱킹을 위한 최대 베이스 제적을 제공하기 위해 30°보다 크지 않은 각도, 바람직하기로는 약 25°의 각도를 가져야 한다.
도5 및 도6에 있어서, 도시된 히트 싱킹은 LED기반 광원(36, 38)으로부터 인접한 베이스(50, 52)로의 열전달에 의존하고 공기 또는 다른 주변 대기를 베이스(50, 52)에 의해 한정된 히트 싱크의 표면을 통해 방출 및 대류시키므로 수동적이다. 대류 및 복사에 의한 열손실은 히트 펌프 또는 열전기 쿨러(cooler)와 같은 추가적인 열관리 장치를 제공함으로써 또는 예를 들어 팬, 합성 제트, 또는 냉각 공기의 흐름을 강화시키는 다른 수단의 사용과 같은 능동적인 냉각을 추가함으로써 강화될 수 있다. 또한, 대류 및 복사에 의한 열손실은 히트싱크의 표면적을 증가시킴으로써 강화될 수 있다. 이를 위한 하나의 방법은 베이스 히트싱크 요소[도5 및 도6의 실시예에서 베이스(50, 52)]의 표면을 주름잡거나 변경하는 것이다. 핀 또는 다른 열손실 요소가 베이스에 추가될 수 있지만, 이들은 차단각(αB)을 초과하여 외향하여 신장된다면 광출력과 간섭한다.
도11에는 베이스(50)로부터 공기 또는 다른 주위 대기로의 복사 및 대류 열전달을 강화시키는 열손실 핀(fin)(120)이 추가된 도5의 실시예를 포함하는 변형예가 도시되어 있다. 상기 다른 방법에서, 베이스(50)의 히트 싱크는 위도 차단각(αB) 내에[도5의 예시적인 실시예에서 베이스(50)내에 또는 베이스(50)의 동일공간내에] 배치된 히트 싱크 요소와, 베이스 히트 싱크 요소와의 열통신(heat communication)되고 대류 및 복사에 의해 대기로의 열손실을 추가로 강화시키기 위해 회전타원체형 확산기(32) 위로 신장되는 도시된 핀(fin)(120)을 포함하는 열손실 요소를 포함한다. 즉, 열은 도11에 도시된 위치(36')에 배치된 LED기반 광유니트(36)의 LED 칩으로부터 베이스 히트 싱크 요소로 전달되며, 대류 및/또는 복사에 의해 대기로 열이 전달되는 열손실 핀(120)으로 전도가능하게 전개된다. 도11의 램프의 핀(120)은 위도방향으로 거의 θ=0°로 신장되고, 그에 따라 핀(120)이 차단각(αB) 의 크기를 지나 양호하게 신장된다. 그러나, 핀(120)은 길이(θ) 방향으로 실질적으로 제한된 크기를 가지며, 그에 따라 핀(120)은 도11의 램프에 의해 발생된 전방향성 조명 분포에 심각하게 영향을 끼치지 않는다. 달리 말하면, 각각의 핀은 일정한 경도(Φ)의 평면에 놓이며, 그에 따라 조명 분포의 전방향성 특성에 실질적으로 악영향을 끼치지 않는다. 일반적으로, 열손실 요소가 외향하여 신장되고 구형 또는 회전타원체형 확산기의 표면을 횡단하여 지향되는 한, 이들은 조명 분포의 전방향성 특성에 실질적으로 악영향을 끼치지 않는다. 또한, 핀(120)은 "A" 형식 백열등 벌브의 원하는 형태(즉, 외향하는 형상)에 안락한 형상을 취한다. 이런 외향의 형상은 선택적이지만, 소비자가 종래의 "A" 형식 백열등 벌브에 친숙하기 때문에 바람직할 수 있다. 핀(120)에 의해 제공된 개선된 히트 싱킹은 평면 LED기반 광원의 크기를 더욱 감소시킬 수 있게 하며, 이것은 출력된 광 세기 분포의 전방향성을 더욱 강화시키는 디자인을 가능하게 한다.
도12를 참조하여, 6개의 핀(120)을 포함하며 도11에 도시된 재조절된 LED기반 램프의 실시예가 제조되었으며, 그 경도방향 세기 분포가 측정되었다. 실제로 제조된 재조절된 LED기반 램프는 A19 램프 표준에 따라 제조되었다. 차단각(αB)은 23°이었다. 핀(fin)(120)은 1.5mm 두께를 가지며, 도11에 도시된 바와 같이 일정한 경도(일정한 Φ)내에 놓이도록 정렬되었다. 1 실시예(램프 A)는 확산기로서 G12 에나멜 램프 글로브(globe)(미국 뉴욕 소재의 제너럴 일렉트릭 컴파니에 의해 상용화된)를 사용하였으며, 제2실시예(램프 B)는 확산기로서 샌드블래스팅된(sandblasted) 40mm 플라스틱 구(sphere)를 사용하였다. 두 램프는 도11에 도시된 바와 같이 에디슨 베이스 커넥터(30)를 갖는다. 전방향성 광조립체(32, 36)에 의해 한정된 원거리 지점 광원 위치(Po)에 대한 위도의 함수로서 측정된 원거리 출력 세기는 램프(A)에 대해 실선을, 램프(B)에 대해 점선을 사용하여 도12에 도시되었다. 확산기로서 에나멜 램프 글로브를 사용한 램프(A)에 대해, 위도 스팬 θ=[0, 150°]에서의 세기는 ±20% 변화내의 균일성에 대응하는 35±7 cd 로 측정되었으며, 위도 스팬 θ=[0, 135°]에 대해 더욱 양호한 균일성을 갖는다. 방위각(Φ)은 약 ±15% 세기 변화로 좋았으며, 따라서 위도 스팬 θ=[0, 150°]에 대한 전방향성 조명이 달성되었다.
한편, 램프(B)는 위도 스팬 θ=[0, 150°]에 대해 실질적으로 열악한 균일성을 나타낸다. 이것은 부적절한 광확산을 제공하는 샌드블래스팅된 플라스틱에 기여할 수 있다. 달리 말하면, 도4를 참조하여, 각각의 입사광선으로부터 방출되는 광은 램프(B)의 경우 도4에 도시된 바와 같이 램버트 분포 자체는 아니며, 오히려 계속 입사광선의 방향을 향하는 강한 바이어스(bias)를 갖는다. 이것은 램프(B)에 대해 도12에 도시된 바와 같이 전향(θ=0°) 방향으로 상대적으로 광의 높은 부분(fraction)을 생산한다. 상기 다른 방법, 램프(B)의 샌드블래스팅된 플라스틱에 의해 제공된 부적절한 확산은 램프(B)의 경우 소스광(36)의 강한 전향 조명 바이어스를 제거할 수 없다.
도시된 핀(120) 또는 다른 열손실 요소는 도6의 LED 교체 램프와 같은 다른 일체형 LED 램프내로 쉽게 연합될 수 있다. 이런 핀의 사용은 베이스와 조명 조립체(LED기반 광원 및 구형 또는 회전타원체형 확산기)의 연결을 작게 하는 것을 촉진시키며, 이것은 dD/dL 의 비율을 크게 하는 것을 촉진시켜 위도 스팬 θ=[0, 150°]과 같은 위도 각도의 큰 스팬에 대해 전방향성을 더욱 촉진시킨다. 또한, 핀을 평탄하게 하고 일정한 경도(일정한 Φ) 평면에 놓이게 함으로써, 경도방향 세기 분포상의 핀(fin)의 영향이 작다. 일반적으로, 열손실 요소는 확산기의 표면으로부터 멀리 외향하여 신장되어야 하며, 확산기 표면을 횡단하여 지향되어야 한다.
높은 광출력 세기를 얻기 위해서는 실질적인 갯수의 고출력(highter power) LED 장치가 바람직하다. 그러나, 더 많은 LED 장치가 LED기반 광원 단면 칫수(dL)를 증가시키려는 경향을 갖기 때문에 이것은 세기 불포가 일정하게 유지되는 더 넓은 범위의 위도 각을 제공하기 위해 dD/dL 의 비율을 높게 하려는 희망과 충돌한다. 또한, 고출력 LED 장치와 더 많은 갯수의 이런 장치에 의해 발생된 추가적인 열은 일부 특정한 실시예에서는 너무 많아서 능동적인 히트 싱킹의 사용을 수용할 수 없다.
도2 내지 도4의 구형 실시예를 참조하여 선형(linear) 램프 실시예가 서술된다. 이 구형 실시예는 북쪽 축(north axis)(θ=0°)에 대해 회전대칭부(symmetry)를 제거함으로써 직선형의 선형 램프로 수정될 수 있다. 이 선형 실시예에서, 도4는 선형 램프의 선형축을 따라 취한 단면으로 관찰될 수 있으며, 확산기(10)는 이 변형예에서 그 실린더 축이 도면을 횡단하는 실린더이며, 광원(8)은 (원통형)확산기(10)의 실린더축과 평행으로 연장되고 (원통형)확산기(10)의 표면과 접하여 배치되는 가늘고 긴 LED기반 광원이다. 이 선형 램프 변형예에서, 도4에 도시된 램버트 광 세기 분포는 오직 하나의 칫수의 램버트, 즉 만일 LED가 서로 적절히 밀착되어 이격되었다면 도면의 평면의 램버트이다. 따라서, (가늘고 긴)LED기반 광원(8)에 의해 발생된 램버트 세기는 (가늘고 긴)LED기반 광원에 의해 출력된 램버트 세기의 원통형 등조도 표면을 따르는 (원통형)확산기(10)에 의해 적절히 포착된다. 이 실시예를 사용하여 불균일하게 조명되는 등방성의 원통형 광원을 제공하기 위해, LED 장치(40)는 예를 들어 확산기 실린더의 직경에 필적할 수 있는 양으로 도면에 수직한 방향으로 상대적으로 밀착되어 이격되어야 한다.
도13 및 도14에는 다른 실시예가 도시되어 있다. 이 실시예는 선형 램프가 아니며, 백열광 벌브를 대체하기에 적합하고 재조절된 백열 벌브로서 램프의 사용을 촉진시키는 에디슨 베이스 커넥터(30)를 포함하는 LED 램프이다. 링형 LED기반 광원(150)은 원통형 포머(former) 또는 침니(chimney)로부터 외향하여 광을 방출하기 위해 원통형 포머 또는 침니(152)상에 배치된다. 이것은 여기에 서술된 선형 램프를 취하고 링을 형성하기 위해 침니(152)의 실린더 주위에 이를 둘러싸는 것에 해당한다. 링형 광원(150)에 의해 발생된 조명 세기(154)는 링의 환형 경로와 직교하는 평면에 램버트 분포를 가지며(도13에 도시된 바와 같이), 따라서 LED가 서로 적절히 밀착되어 이격되었다면 원형 단면을 갖는 도넛형 등조도 표면을 생산한다. 원형 단면(도13에 상세히 도시된 바와 같이)을 갖는 도넛형 확산기(156)는 조명 세기(154)의 도넛형 등조도 표면과 일치하도록 배치된다[도14에서 도넛형 확산기(156)는 LED기반 광원(150)을 나타내기 위해 가상선으로 개략적으로 도시되었음을 인식해야 한다].
링형 LED기반 광원(150)은 도넛형 확산기(156)의 내면과 접하여 배치되며, 도넛형 확산기(156)내에 그 램버트 조명 세기를 방출한다. 도넛형 확산기(156)는 도13에 개략적으로 도시된 바와 같이 램버트-확산 표면을 갖는 것이 바람직하므로, 표면상의 각각의 지점에서 입사 조명(154)은 도넛형 확산기(156)의 표면상의 지점으로부터 외부로 발산하는 램버트 세기 출력 패턴을 생산하도록 확산된다. 그 결과, 링형 LED기반 광원(150) 및 원형 경로 단면의 도넛형 확산기(156)를 포함하는 조명 조립체는 위도방향으로 및 경도방향으로 전방향성인 광을 발생한다.
도13 및 도14에서, 도넛형 확산기(156)는 그 환형 경로를 따른 어떤 지점에서도 원형 단면을 가지므로, 도넛형 확산기(156)는 진정한 토러스(torus)이다. 도7 및 도8과 유사하게, 만일 링형 LED기반 광원(150)이 편장형 또는 편구형 형상으로 왜곡된 그 램퍼트 세기 패턴을 갖는다면, 도넛형 확산기(156)의 원형 단면은 등조도 표면과 일치하기 위하여 그에 대응하여 편장형으로 또는 편구형으로 적절히 제조된다.
도13 및 도14의 도시된 침니(152)는 원형 단면을 가지며, 링형 광원(150)은 그에 따라 원형 경로를 따른다. 도14a에 있어서, 다른 실시예에서 침니(152)는 3각형, 정사각형, 6각형, 또는 8각형 단면(도시않음)과 같은 다각형 단면을 가지며, 이 경우 링형 광원은 3개의 인접한 평탄한 회로기판(3각형인 경우), 4개의 인접한 평탄한 회로기판(정사각형인 경우), 6개의 인접한 평탄한 회로기판(6각형인 경우), 8개의 인접한 평탄한 회로기판(8각형인 경우), 또는 일반적으로 N개의 인접한 평탄한 회로기판[N면의 다각형 침니 단면인 경우)로 적절히 제조되는 대응하는 다각형(예를 들어, 3각형, 정사각형, 6각형, 또는 8각형) 경로를 따른다. 예를 들어, 도14a는 정사각형 단면을 갖는 침니(152')와, 침니(152')의 직사각형 단면과 일치하는 정사각형 링을 형성하기 위해 90°로 인접한 4개의 회로기판으로 제조된 정사각형 경로를 따르는 링형 광원(150')을 도시하고 있다. 또한, 대응하는 도넛형 확산기(156')[광원(150')을 나타내기 위해 가상선으로 개략적으로 다시 도시된]는 대략 4개의 면을 갖지만, 제조와 부드러운 광 출력을 촉진시키기 위하여 4곳의(four-cited) 도넛의 인접한 면들 사이에 둥근 전이부를 포함한다.
도13 및 도14에 있어서, 램프는 한쪽 단부에 침니(152)를, 다른쪽 단부에 에디슨 베이스 커넥터(30)를 포함하거나 지지하는 베이스(160)를 포함한다. 도13의 단면도에 도시된 바와 같이, 베이스(160)는 조명(154)을 방출하기 위해 링형 LED기반 광원(150)을 작동시키는 전자부품을 포함하는 전자부품(162)을 보유한다. 도13의 단면도에 도시된 바와 같이, 침니(152)는 중공이며, 침니(152)의 내부에 배치된 냉각제 순환팬(166)으로서 사용되는 히트 싱크를 보유하고 있다. 전자부품(162)은 냉각제 순환팬(166)을 구동시킨다. 팬(166)은 링형 광원(150)을 냉각하기 위해 링형 LED기반 광원(150)에 근접하여 침니(152)를 통해 순환 공기(168)를 구동시킨다. 선택적으로, 핀(fin), 핀(pin) 등과 같은 열손실 요소들(170)은 광원의 능동적인 냉각을 추가로 촉진시키기 위해 링형 LED기반 광원(150)으로부터 중공 침니(152)의 내부로 신장될 수도 있다. 선택적으로, 침니는 순환 공기(168)의 흐름을 촉진시키기 위하여 입구(172)(도14 참조)를 포함할 수도 있다.
냉각제 팬(166)에 의해 제공된 능동적인 히트 싱킹은 예를 들어 침니를 금속 또는 다른 도전성 재료로 제조함으로써, 선택적으로 핀(fin), 핀(pin), 또는 그 표면적을 증가시키는 다른 특징부를 추가함으로써 수동적 냉각으로 대체될 수도 있다. 다른 실시예에서, 침니는 베이스(160)에 보유된 금속 슬러그(slug)에 배치되는 "냉각" 단부를 갖는 유사한 크기의 히트 파이프로 대체될 수 있다. 정반대로, 도5와 도6의 실시예에서, 도시된 수동적 히트 싱킹은 팬 등을 사용하여 능동적 히트 싱킹으로 선택적으로 대체될 수도 있다. 또한, 이들 실시예에서 베이스 히트 싱크 요소는 냉각팬과 같은 히트 싱크 요소 또는 히트 파이프와 같은 다른 형식의 히트 싱크 요소인 것으로 생각된다.
도13 및 도14에 도시된 램프는 베이스 커넥터(30)를 조명 소켓(도시않음)과 연결함으로써 조명 소켓에 설치할 수 있는 일체형 LED 교체 램프이다. 도13 및 도14의 일체형 LED 교체 램프는 히트 싱킹을 위한 소켓에 의존하지 않은 자체보유된 전방향성 LED 교체 램프이며, 110V 또는 220V 교류, 또는 에디슨 베이스 커넥터(30)를 통해 램프 소켓으로부터 공급된 12V 또는 24V 또는 다른 전압의 직류에 의해 구동될 수 있다.
위도 스팬 θ=[0, 150°]과 같은 넓은 위도 스팬에 대한 전방향성 조명을 달성하기 위하여, 베이스(160)는 도13 및 도14에 도시된 원통형 베이스(160)의 경우처럼 상당히 협소한 것이 바람직하다. 팬(166) 및 중공 침니(152)를 통한 능동적 히트 싱킹은 적절한 열손실을 제공하면서 베이스(160)를 상당히 협소하게 하는 것을 촉진시킨다. 또한, 도13은 도넛형 확산기(156)가 원통형 침니(152)의 축을 횡단하는 평면으로 외향하여 신장되고 이것은 넓은 각도, 예를 들어 θ=180°에 접근하는 각도로 조명을 더욱 촉진시키는 것을 도시하고 있다.
도13 및 도14(도14a에 도시된 바와 같은 선택적 변형과 함께)의 LED 교체 램프는 60W 내지 100W 또는 더 높은 범위의 백열 벌브와 같은 높은 와트의 백열 벌브를 재조절하는데 특히 적합하다. 능동적 냉각팬(166)의 작동은 능동적 히트 싱킹이 여러개의 암페어 범위의 암페어의 구동전류로 작동하는 고출력 LED 장치의 사용을 가능하게 하기 위해 수십 와트의 레벨로 열전달 및 열손실을 가능하게 할 동안, 약 1 내지 수 와트 이하(이것은 이들 높은 와트수의 램프에 대해서는 무시할 수 있다)를 사용할 것으로 예측된다. 도13 및 도14의 램프의 냉각은 에디슨 베이스 커넥터(30)를 통해 램프 소켓내로의 열전도에만 전적으로 의존하지 않으며, 따라서 도13 및 도14의 LED 교체 램프는 소켓 또는 인접한 하드웨어의 열 부하(loading)에 관한 관심없이 그 어떤 표준형의 나사형 조명 소켓에도 사용될 수 있다. 또한, 광조립체의 도넛형 배치는 LED를 링형 광원(150)의 링형 경로를 따라 전개함으로써 더 많은 갯수의 LED의 사용을 촉진시킨다.
도15 내지 도30에는 LED기반 광원으로부터 균일한 전방향성 조명을 제공하기 위해 일체형 LED 램프의 LED기반 광원에 대해 확산기를 형성 및 배치하기 위한 일부 다른 실시예가 도시되어 있다. 이들 실시예는 히트 싱킹 팬의 선택적 효과를 고려하고 있다.
도15, 16, 17, 18, 및 19에는 LED기반 광 벌브로서 사용하기에 적합한 하나의 램프 실시예의 예시적인 실시예가 도시되어 있다. 램프는 확산기(200), 핀형 히트 싱크(202), 및 베이스(204)(도시된 실시예에서는 에디슨 베이스이지만 GU, 베이어넷 형식 또는 다른 형식의 베이스도 고려된다)를 포함한다. 도15, 16, 17, 18, 및 19는 사시도, 다른 사시도, 측면도, 평면도, 저면도를 각각 도시하고 있다. 도20, 21, 및 22는 확산기(200)의 측면도와, 그 내부(206)가 나타난 확산기(200)의 측단면도와, 핀(202)을 갖는 확산기(200)의 측면도를 각각 도시하고 있다. 핀은 히트 싱크의 부품이며, 타원형 확산기(200)의 일부 위로 신장된다. 또한, 히트 싱크는 교류 110V 입력 전력(또는 220V AC, 또는 달리 선택된 입력 전력)을 광을 확산기(200)의 구멍(210)내로 입력하는 LED를 구동하기에 적합한 전력으로 전환하는 전력조절 전자부품(도시않음)을 수용하는 본체부(208)를 포함한다.
도20에 명명된 바와 같이, 확산기(200)는 단일의 대칭축(212)을 갖는 타원 형상을 가지며, 이것은 "지리학적 북쪽" 또는 "N" 에 대응하는 고도 또는 위도 좌표(θ=0)를 따라 놓인다[도1과, 고도 또는 위도 좌표(θ)를 사용하는 예시적인 좌표 시스템의 다른 설명에 대한 관련 텍스트 참조]. 타원형 확산기(200)는 대칭축(212) 주위에 회전대칭부를 갖는다. 일부 실시예에서, 회전대칭부는 연속적이며, 즉 대칭축을 횡단하는 확산기 단면이 원형이다(도시된 바와 같이). 다른 실시예에서, 타원형 확산기의 회전대칭부는 N-폴드(fold)이며, 즉 대칭축을 횡단하는 타원형 확산기 단면은 (일부 예시적인 실시예에 의해)6각형(N=6) 또는 8각형(N=8) 등이며, 선택적으로 N개의 꼭짓점에서 둥글게 형성될 수도 있다. 낮은 N 값을 갖는 N-폴드 대칭부는 방위각 또는 경도[즉, 도1을 참조하여 여기에 한정된 바와 같은 좌표(Φ)]에 대해 N-폴드 변형을 잠재적으로 도입하는 단점을 갖는다. 그러나, N-폴드 대칭부를 사용하는 것은 제조의 관점에서 여러가지 이점과, LED 광 벌브의 취급 및 설치의 용이성을 갖는다. 확산기(200)는 여기에서는 n-폴드 회전 대칭부를 갖는 경우에도 타원형 확산기로서 지칭된다. 또한, 일부 N-폴드 회전대칭형 확산기 실시예에서, 대응하는 히트 싱크는 확산기의 N-폴드 대칭부와 정렬되는 N개의 핀(fin)을 갖는다.
구멍(210)은 타원형 확산기(200)의 한쪽 단부에서 대칭축(212)의 중심에 배치된다[구멍(210)은 일부 실시예에서는 대칭축(212)을 따라 구멍(210)을 보여주는 도20의 삽화에 도시된 바와 같이 다수의 서브(sub) 구멍(210SUB)을 포함한다. 예를 들어, 각각의 LED 장치에는 하나의 서브 구멍(210SUB)이 있다. 이런 경우, 삽화에 도시된 바와같이 구멍(210)은 이들 서브 구멍(210SUB)에 의해 걸쳐진 누적된 또는 전체 면적을 나타내거나 이와 비슷하다는 것을 인식해야 한다]. "구멍" 이라는 용어는 광이 LED기반 광원(예를 들어, 일부 실시예에서 램버트 또는 거의 램버트인 광원)으로부터 타원형 확산기(200)내로 입력되는 영역을 나타낸다. 구멍(210)은 LED기반 광원을 수용하거나 이와 정렬되는 물리적 개구이며, 또는 투명한 윈도우(window), 광 확산판 등일 수도 있다.
도21에 도시된 바와 같이, 예시적인 타원형 확산기(200)는 중공 내부(206)를 갖거나 이를 한정하는 타원형 쉘(shell)(220)을 포함한다. 중공의 타원형 확산기(200)는 유리, 투명한 플라스틱 등으로 적절히 제조된다. 선택적으로, 타원형 확산기는 유리, 투명한 플라스틱 등과 같은 투광성 재료를 포함하는 고체 부품일 수도 있다. 타원형 확산기(200)는 확산기(200)에 배치되거나 확산기 내부에 배치되는 또는 확산기(200)의 내부(206)에 배치되는 파장변환형 인광체(phosphor)를 선택적으로 포함할 수도 있다. 타원형 쉘(220)은 표면 텍스쳐링, 및/또는 타원형 쉘(220)의 재료에 흩어져 잇는 광 분산 입자, 및/또는 타원형 쉘(220)의 표면상에 배치된 광-분산 입자 등과 같은 적절한 방법에 의해 광이 잘 퍼지게 제조된다.
도20 내지 도22에 있어서, 타원 확산기(200)는 확산기(200)를 램프 본체[예를 들어, 도22에 상세히 도시된 바와 같이 예시적인 실시예에서는 히트 싱크(202, 208)]에 장착하기 위한 목부(neck) 영역(222)을 선택적으로 포함할 수도 있다. 목부 영역(222)에서, 타원형 확산기(200)는 그 타원형으로부터 이탈된다. 일부 실시예의 목부 영역(222)은 램프 본체(208)의 공동(224)내로 오목하게 형성되며(도22 및 도23 참조), 그에 따라 광을 방출하지 않는다[또는 히트 싱크 램프 본체(208)에 의해 흡수됨으로써 전방향성 조명에 기여하지 않는 광을 방출한다]. 선택적으로, 목부 영역은 전방향성 조명에 기여하기 위해 부분적으로 또는 전체적으로 방사형이 되도록 램프 본체의 외부로 부분적으로 또는 전체적으로 신장될 수도 있다.
도20에 있어서, 타원형 확산기(200)는 대칭축(212)을 따라 길이(X)의 상대적으로 협소한 기단부(proximate section)와, 대칭축(212)을 따라 길이(Y)의 상대적으로 넓은 말단부를 포함하는 계란 형상을 갖는다. "기단" 및 "말단" 에 의해, 길이(X)의 기단부는 구멍(210)에 상대적으로 더욱 근접하고, 길이(Y)의 말단부는 구멍(210)으로부터 상대적으로 멀리 있다는 것을 의미한다. 예시적인 타원형 확산기(200)는 기단부 및 말단부 또는 각각의 길이(X 및 Y)의 부분의 접합부 또는 연결부에서 대칭축(212)을 횡단하는 최대 직경(Dmax)을 갖는다. 최대 직경(Dmax)을 횡단하는 평면[여기에서는 수평면(230)으로도 지칭되는]이 기단부 및 말단부 또는 부분들의 접합부나 연결부의 위아래에 배치되는 것도 예상된다. 최대 직경(Dmax)의 수평면(230)과 대칭축(212)의 교차점은 여기에서는 원점(origin)으로 지칭된다. 상기 다른 방법에서 타원형 확산기(200)는 원점(232)을 보유한 횡단하는 수평면(230)에 대해 대칭축(212)을 횡단하는 그 최대 직경(Dmax)을 갖는다.
대칭축(212)의 방향으로(즉, 대칭축의 방향을 따라) 타원형 확산기(200)의 전체 길이는 X+Y 이다. 일부 실시예에서, 하기의 조건은 X>Y 및 X+Y>Dmax 를 지지한다. 예시적인 타원형 확산기(200)에 있어서, 길이(X)의 기단부는 절두원추형의(truncated) 편장형의 반타원형을 갖지만, 길이(Y)의 말단부는 편구형의 회전타원형 형상을 갖는다. 일반적으로 X>Y 가 바람직하다. 일부 실시예에서는 X≥1.5ㆍY 이고, 일부 실시예에서는 X≥2ㆍY 이며, 일부 실시예에서는 X≥3ㆍY 이다.
도22 및 도23에 상세히 도시된 바와 같이, 히트 싱크(202, 208)의 핀(fin)(202)은 다시 들어가지 않으며, 이것은 핀(fin)의 팁이 대칭축(212)을 향해 내향하여 구부러지지 않는 것을 의미한다. 다시 들어가지 않는 핀을 사용함으로써, 타원형 확산기(200) 및 히트 싱크(202, 208)는 별도로 제조되어 조립될 수 있다. 히트 싱크(202, 208)의 다시 들어가지 않는 핀(fin)은 목부(222)가 히트 싱크(202, 208)의 오목한 공동(224)과 계합될 때까지 타원형 확산기(200)가 핀(fin)(202)의 내부로 삽입되게 한다. 이것은 확산기(200) 및 히트 싱크(202, 208)가 별도로 제조될 수 있고 그 투광 및 광분산 또는 분산 특성을 위해 타원형 확산기(200)를 최적이 되게 하고 그 열(및 선택적으로 광반사)특성을 위해 히트 싱크(202, 208)를 최적이 되게 하기 위해 상이한 재료로 제조될 수도 있게 한다는 점에서 제조상 이점을 갖는다.
핀(fin)(202)은 기단부에 비해 말단부가에 상대적으로 적은 광학 손실을 생산한다. 히트 싱크(202, 208)의 핀(fin)이 경도(Φ)방향으로 실질적으로 제한된 크기를 갖기 때문에, 핀(fin)은 경도 방향으로 전방향성 주명 분포에 강하게 영향을 끼치지 않을 것으로 예상된다. 그러나, 본 발명자들에 의해 실행된 측정은 핀(fin)(202)이 특히 수평면(230) 아래의 각도에서 광출력의 일부 감소를 생산하는 것을 나타내고 있다. 어떤 특정한 작동원리에 제한받지 않는다면, 이들 광학 손실은 광흡수, 광분산, 또는 핀에 의해 유발된 그 조합으로 인한 것으로 여겨진다. 또한, 히트 싱크(202, 208)의 본체 부분(208)(또는 더욱 일반적으로는 램프의 본체 부분)은 수평면(230) 아래로의 전방향성 조명의 양을 더욱 제한한다.
도24, 25, 및 26에 있어서, 핀(fin)에 의해 유발된 광학 손실은 타원형 확산기(200)의 편장형/편구형 디자인에 의해 완화되거나 제거된다. 도24는 타원형 확산기(200)의 윤곽과 이상적인 구형 확산기의 윤곽(240)의 비교를 도시하고 있다. 타원형 확산기(200)는 수평면(230) 아래로는 절두원추형의 편장형의 반타원형이며, 수평면(230) 위로는 편구형의 반타원형이다. 도25는 LED 어레이로부터 이상적인 구형 확산기(240)의 표면으로의 광선 길이와 타원형 확산기(200)의 광선 길이의 비교를 도시하고 있다. 도26은 타원형 확산기(200)의 표면에 대한 표준 각도(normal angle)의 식별을 도시하고 있다. 표면상의 한 지점으로부터 분산된 광은 만일 분산기가 각도 분포상 이상적인 램버트라면 표면에 직교하는 각도에서 최대가 된다. 도26에서 수평면(230) 아래의 전방향성 조명은 대부분 길이(X)를 갖는 기단부로부터인 반면에, 길이(Y)를 갖는 말단부는 수평면(230) 위에서는 대부분 전방향성 조명에 기여한다. 따라서, 편장형의 기단부의 길이(X)를 상대적으로 증가시키는 효과는 히트 싱크의 핀(fin)(202) 및/또는 본체 부분(208)으로 인한 수평면(230) 아래의 광학 손실을 보상하기 위해 수평면(230) 아래로 방출된 광의 부분(fraction)을 증가시킨다. (절두원추형)편장형의 반타원형 기단부 및 회전타원형의 반타원형 말단부를 위해, 타원형 확산기(200)의 전체 발광 표면적의 50% 이상이 수평면(230) 아래에 배치된다.
길이(Y)의 말단부는 수평면(230) 아래의 각도에서 광 분포에 비교적 영향을 끼치지 않는다. 오히려, 회전타원형 말단부의 편구도(oblateness)는 수평면(230) 위의 각도로 광 분포를 제어하도록 조정될 수 있다. 예를 들어, 확산기(200)의 편평한 편구형 말단부는 지리학적으로 북쪽(N)(즉, θ=0)에 가까운 각도에서 광 세기를 강화시킬 수 있다. 편구도는 광 벌브의 전체 길이가 적용가능한 표준(예를 들어, A19 광 벌브 표준)에 의해 특정화된 최대 길이내에 속하는 것의 보장 등과 같은 다른 이유로 조정될 수 있다. LED 광 벌브의 전체 길이는 (1)타원형 확산기(200)의 더한 길이(X+Y)와, (2)대칭축(212) 방향을 따른 히트 싱크의 본체 부분(208)의 길이와, (3)대칭축(212) 방향을 따른 에디슨 베이스(204)의 길이를 포함한다. 물론, 에디슨 베이스(204)의 길이는 적용가능한 전기 커넥터 표준에 의해 고정되며, 히트 싱크의 본체 부분(208)의 길이는 적어도 부분적으로는 전력조절 전자부품을 수용하기 위한 최소한의 크기로 결정된다. 따라서, 타원형 확산기(200)의 더한 길이(X+Y)는 LED 광 벌브의 전체 길이를 튜닝(tuning)하기 위한 조정가능한 주 매개변수이다.
일부 실시예에서, 타원형 확산기의 기하학적 형태는 X+Y >Dmax 및 X>Y 이다. 일부 실시예에서는 X≥1.5ㆍY 이고, 일부 실시예에서는 X≥2ㆍY 이며, 일부 실시예에서는 X≥3ㆍY 이다. 이것은 표면적 비율의 관점으로도 표현될 수 있다. 길이(X)의 기단부의 표면적을 Aprox 로 표시하고, 길이(Y)의 말단부의 표면적을 Adist 로 표시하고, 전체 표면적을 Atotal 로 표시하면, Aprox >Atotal >0.5 이고, 일부 실시예에서는 Aprox >Atotal >0.65 이며, 일부 실시예에서는 Aprox >Atotal >0.75 이다. 일반적으로, 타원형 확산기(200)는 구멍(210)으로부터 구멍(210)에 가까운 협소한 단부로 경사지는 넓은 말단부를 갖는 계란 형상이 바람직하다. 기단부는 도시된 바와 같이 구멍(210)에 의해 절두원추형으로 형성되지만, 상기 구멍은 이런 절두원추를 위해 무시할 수 있거나 없을 정도로 충분히 작은 것도 예상된다.
확산기(200)에 있어서, 히트 핀(fin)(202) 및/또는 히트 싱크의 본체 부분(208)으로 인한 광학 손실을 보상하기 위해, 확산기(200)의 편장형의 기단부는 타원형 확산기(200)로부터 수평면(230)의 아래로 향하는 광속을 증가시킨다. 편구형 말단부는 수평면(230) 위의 각도의 광 분포에 맞추거나 및/또는 일부 적용에서는 A-19 형식 광 벌브에 대한 ANSI 규정과 같은 적용가능한 표준에 의해 강요되는 확산기(200)(또는 전체적으로 LED 광 벌브)의 원하는 전체 높이를 보존하거나 세팅하도록 선택된다. 타원형 확산기(200)는 수평면(230) 위의 그 지점에서 표면과 직교하는 각도를 갖는 표면적에 대해 수평면(230) 아래의 그 지점에서 표면과 직교하는 각도를 갖는 넓은 표면적을 제공한다. 이것은 수평면(230) 위로 방출된 광 보다 수평면(230) 아래로 방출된 광에 더욱 실질적인 히트 핀(fin)(202)에 의한 광의 흡수 및 분산을 보상한다.
타원형 확산기(200)는 길이(Y)의 말단부가 회전타원형의 반타원형을 갖는 반면에 길이(X)의 기단부가 절두원추형의 편장형의 반타원형을 갖는 기하학적 형상을 갖는다. 이 형상에 대해 수많은 변형예를 갖는 타원형 확산기가 예상된다. 확산기 부분의 형상이 도24, 25, 및 26에 타원형이 되는 편장형 및 편구형 타원체의 부분으로서 도시되었지만, 일반적으로 확산기의 기단부는 대칭축(212)을 따라 수평면(230)에서 최대 직경(Dmax)에 도달하는 LED 광원으로부터의 거리의 함수로서 점진적으로 증가하는 직경 또는 횡방향 칫수를 갖는 것을 특징으로 하며, 확산기는 대칭축(212)을 따라 수평면(230) 위의 LED 광원으로부터 확산기의 상부의 가장 먼 위치까지의 거리의 함수로서 점진적으로 증가하는 직경 또는 횡방향 칫수를 갖는 것을 특징으로 한다. 확산기의 기단부 및 말단부의 표면의 실제 형상은 편장형이나 회전타원형, 또는 반구형, 또는 구형인 타원의 형상과 매칭될 필요는 없다.
도27, 28, 29, 및 30은 이런 일부 변형예의 일부 예시적인 실시예를 도시하고 있다. 도27은 확산기(200)로서 동일한 편장형의 반타원형의 기단부를 갖는 타원형 확산기(200a)를 도시하고 있지만, 여기에서 편구형의 반타원형 말단부가 반구형 말단부에 의해 교체되어 있다. 도28은 확산기(200)로서 동일한 편구형의 반타원형의 말단부를 갖는 타원형 확산기(200b)를 도시하고 있지만, 기단부의 형상이 상이하다. 타원형 확산기(200b)의 기단부는 2개의 부분, 즉 대칭축(212)을 따라 길이(X1)의 절두원추형의 원추 형상을 갖는 더욱 가까운 부분과, 대칭축(212)을 따라 길이(X2)의 편장형 형상을 갖는 가깝지 않은 부분으로 분할된다. 도29는 확산기(200)로서 동일한 (절두원추형)편장형의 반타원형 기단부 및 동일한 편구형의 반타원형 말단부를 갖지만 기단부와 말단부 사이에 배치되는 원통 형상 및 높이(또는 두께)(dtransition)를 갖는 전이부를 부가로 포함하는 타원형 확산기(200c)를 도시하고 있다. 이 실시예에서, 수평면(230)은 두께(dtransition)를 갖는 얇은 수평 "슬래브(slab)"에 의해 적절히 교체된다. 도30은 확산기(200)로서 동일한 (절두원추형)편장형의 반타원형 기단부를 갖지만 완전히 편구형의 반타원형이지 않은 길이(Y)의 편구형 말단부를 갖는 타원형 확산기(200d)를 도시하고 있다. 그 결과, 타원형 확산기(200d)는 수평면(230)에서 각각의 길이(X 및 Y)의 기단부 및 말단부 또는 부분의 접합부나 연결부에서 급작스런 불연속부를 갖는다.
관심을 갖는 넓은 위도 범위 θ=[0°, θmax](θmax 는 120°, 또는 135°등등)(관심을 갖는 가장 큰 위도 각도 θmax 는 예를 들어 램프가 순응할 것으로 예상되는 조명 표준에 의해 결정된다)에 대한 실질적으로 전방향인 조명은, 예를 들어 적절히 선택된 칫수(X, Y, dmax)[또한, 템플레이트(template) 기하학적 형상에 따라, 확산기(200c)를 위한 dtransition 과 같은 하나이상의 추가적인 칫수와 확산기(200b)를 위한 서브 길이(X1 및 X2)] 및 상대적으로 더욱 가늘고 긴 기단부 및 상대적으로 더욱 편평한 말단부 또는 부분들을 위한 특정 곡률을 갖는 확산기(200, 200a, 200b, 200c, 200d)중 하나를 사용함으로써, 타원형 확산기의 기하학적 형상의 적절한 조정에 의해 주어진 LED기반 광원을 위해 얻을 수 있다. 이 방식으로, 높은 전방향성 광출력을 가지며 상대적으로 적은 부품수로 제조되는 램프가 달성된다. 예를 들어, 램프 부품은 4개의 주요한 부품, 즉 (1)확산기(200), (2)히트 싱크(202, 208)[히트 싱크 본체(208) 및 핀(fin)(202)은 단일 유니트로 적절히 형성된다], (3)전자부품 모듈, 및 (4)회로기판 또는 다른 지지체상에 장착되는 하나이상의 LED 장치를 포함하는 광엔진을 포함한다.
그러나, 특정한 광엔진 및 램프가 순응하는 조명 표준에 특정한 공차 뿐만 아니라 제조과정의 공차에 따라, 전방향성 조명 분포를 달성하기 위해 오직 확산기(200)만을 사용하여 생산성이 높은 표준-순응성 램프를 얻는 것이 어렵다. 이런 경우, 타원형 확산기(200, 200a, 200b, 200c, 200d)는 생산성이 높고 대량생산 세팅으로 원하는 전방향성 조명 분포를 달성하기 위하여 하나이상의 보조 광학 부품들과 조합된다.
도31에 있어서, 한가지 접근방법으로 보조 광학 요소가 제공된다. 예시적인 접근방법은 도15 내지 도23의 램프에 기조하며, 타원형 확산기(200) 및 핀형(finned) 히트 싱크(202, 208)를 포함한다. 도31은 하나이상의 LED 장치(도시않음)가 그 내부에 배치된 회로기판을 포함하는 적절한 광엔진(250)을 개략적으로 도시하고 있다. 보조 광학 요소는 대칭축(212)을 따라 광엔진(250)으로부터 상향하여 신장되는 반사성 또는 굴절성 또는 전달성의 광분산 포스트(post)(252)를 포하하며, 선택적으로 광엔진(250)으로부터 멀리 있는 포스트(252)의 단부에 반사성 또는 굴절성 또는 전달성의 광분산 캡(cap)(254)을 포함할 수도 있다. 일부 실시예에서, 광엔진(250)은 광엔진(250)을 램프에 고정하기 위한 중심의 장착 구멍을 포함하며, 이 경우 광엔진(250)을 램프에 고정하기 위해(또는 고정을 돕기 위해) 작용하는 나사형 축으로서 포스트(252)가 사용될 수 있다. 광분산 포스트(252)는 넓은 위도 각도내에서 "북쪽" 위도(즉, θ~0°)로 또는 이에 가깝게 지향시키는 광의 일부 부분을 반사하거나 굴절시키는 또는 전달가능하게 분산시키는 효과를 갖는다. 선택적인 반사 또는 굴절 또는 전달가능한 광분산 캡(254)은 추가적으로 이런 광을 넓은 각도로, 특히 90°보다 큰 각도로 분산시킨다. 조립체(252, 254)가 광엔진(250)을 고정하기 위한(또는 고정을 도와주는) 조임(fastening) 요소인 실시예에서, 캡(254)은 볼트 헤드, 스크류헤드 또는 다른 유용한 파스너의 부품으로서 작용한다. 포스트(252) 및/또는 캡(254)의 측부는 각도를 이루거나 또는 광 분포를 조정하는 형상을 취한다.
도32에는 보조 광학 요소가 광엔진과 통합되는 다른 접근방법이 도시되어 있다. 예시적인 접근방법은 다시 도15 내지 도23의 램프에 기조하며, 타원형 확산기(200) 및 핀형(finned) 히트 싱크(202, 208)를 포함하며, 그 내부에 하나이상의 LED 장치(도시않음)를 갖는 회로기판이 구비된 광엔진(250)도 포함한다. 또한, 도32의 실시예에서 광엔진(250)은 광엔진의 LED 장치 위에 배치된 광분산 원격 돔(dome)(260)을 포함하며(또는 선택적으로 램프를 포함할 수도 있다), 선택적으로 광엔진(250)의 회로기판에 고정된 개방된 둘레를 가질 수도 있다. 돔(260)은 공기로 충진되거나, 실리콘 또는 다른 봉합재(encapsulant)로 부분적으로 또는 전체적으로 충진될 수 있다. 돔(260)은 선택적으로 거칠게 형성될 수 있으며 또는 광학적 확산을 제공하도록 형성될 수 있으며, 및/또는 선택적으로 돔의 내면이나 외면상에 배치되거나 또는 돔의 재료에 매립되는 원격 인광체를 포함할 수도 있다. 회로기판상에 장착된 돔에 의해 덮인 하나이상의 LED 장치를 포함하는 일부 적절한 광엔진은 그 전체가 여기에 참조인용된 아네골라 등에 허여된 미국특허 제7,224,000호와, 그 전체가 여기에 참조인용된 아네골라 등에 허여된 미국특허 제7,800,121호와, 그 전체가 여기에 참조인용된 소울레스 등에 허여된 미국특허 제7,479,662호와, 그 전체가 여기에 참조인용된 레지넬리 등에 허여된 미국 공개 제2008/0054280A1호에 게재되어 있다. 회로기판상에 장착된 돔에 의해 덮인 하나이상의 LED 장치를 포함하는 일부 적절한 광엔진은 제너럴 일렉트릭 컴파니로부터 상용화된 Vio® 고휘도 LED 광엔진도 포함한다. 돔(260)은 타원형 확산기(200)에 의해 제공된 것에 추가적인 광 분포의 성형(shaping)을 제공한다. 예를 들어, 평탄한 회로기판상에 배치된 하나이상의 램버트-방출 LED 칩을 포함하는 광엔진은 θ=90°에서 실질적으로 광 세기를 갖지 않은 반면에, 이와는 달리 Vio® 고휘도 LED 광엔진은 θ=90°에서 실질적인 광 세기 분포를 가지며, 이것은 타원형 확산기(200)와 협력하여 이상적인 전방향성 분포에 가까운 전방향성 조명 분포를 제공한다.
도31 및 도32에 도시된 보조 광학 부품들(252, 254, 260)은 예시적인 실시예이다. 예시적인 보조 광학 부품들(252, 254, 260) 또는 다른 보조 광학 부품들중 하나이상은 이상적인 전방향성 분포에 가까운 전방향성 조명 분포를 제공하기 위해 예시적인 타원형 확산기(200, 200a, 200b, 200c, 200d)중 하나와 통합되거나 또는 구형이나 회전타원체형 확산기(예를 들어, 도5-8 또는 11에 도시된 바와 같이)와 통합된다. 다른 예시적인 실시예에서, 광 분포의 추가적인 성형을 제공하기 위해 캡 또는 다른 추가적인 코팅 또는 확산기가 포함될 수 있다.
양호한 실시예가 도시 및 서술되었다. 명백하게도, 상술한 상세한 설명의 판독 및 이해에 따라 수정 및 변형이 발생될 것이다. 본 발명은 첨부된 청구범위 또는 그 등가물의 범위내에 속하는 한 이런 모든 수정 및 변형을 포함하는 것으로 해석되어야만 한다.
8: 광원 10: 확산기
12: LED 장치 16: 회로기판
18: 베이스

Claims (77)

  1. 발광 장치에 있어서,
    LED기반 광원과,
    확산기내의 조명에 응답하는 광 세기 분포 출력을 발생시키는 타원형 확산기와,
    베이스 커넥터를 포함하는 베이스를 포함하며,
    상기 LED기반 광원과 타원형 확산기 및 베이스는 베이스 커넥터를 조명 소켓에 연결함으로써 조명 소켓내에 설치가능한 일체형 LED 램프로서 함께 고정되며,
    상기 베이스는 베이스 커넥터에 수용된 전력을 사용하여 LED기반 광원을 전기적으로 작동시키기 위해 일체형 LED 램프의 LED기반 광원과 작동가능하게 연결되는 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 타원형 확산기는 회전대칭부의 단일축을 갖는 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 타원형 확산기는 회전대칭부의 단일축에 대해 연속적인 또는 N-폴드 회전대칭부를 갖는 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 타원형 확산기는 중공이며, 회전대칭부의 축과 상기 회전대칭부의 축의 중심에 배치되는 구멍을 가지며, 상기 LED기반 광원은 구멍을 통해 타원형 확산기의 내부를 조명하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 타원형 확산기는 구멍에 가깝고 회전대칭부의 축을 따라 길이(X)를 갖는 기단부와, 구멍으로부터 멀리 있고 회전대칭부의 축을 따라 길이(Y)를 갖는 말단부를 포함하며; X≥Y 인 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  6. 제5항에 있어서, X≥1.5Y 인 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  7. 제5항에 있어서, X≥2Y 인 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  8. 제5항에 있어서, X≥3Y 인 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  9. 제4항에 있어서, 상기 타원형 확산기는 구멍에 가까운 제1형상을 갖는 기단부와, 구멍으로부터 멀리 있는 제2형상을 갖는 말단부를 포함하며; 상기 제1형상과 제2형상은 상이한 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  10. 제9항에 있어서, 상기 기단부는 말단부 보다 넓은 표면적을 갖는 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  11. 제9항에 있어서, 상기 확산기의 전체 표면적에 대한 기단부의 표면적의 비율이 적어도 0.65인 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  12. 제9항에 있어서, 상기 확산기의 전체 표면적에 대한 기단부의 표면적의 비율이 적어도 0.75인 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  13. 제1항에 있어서, 상기 타원형 확산기는 계란 형상의 협소한 단부와 상기 구멍으로부터 멀리 있는 계란 형상의 넓은 단부에 배치되는 LED기반 광원과 광학적으로 연결되는 구멍을 갖는 계란 형상을 취하는 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  14. 제1항에 있어서, 상기 타원형 확산기는 LED기반 광원과 광학적으로 연결되는 구멍과, 상기 구멍에 가깝게 배치되는 기단부와, 상기 구멍으로부터 멀리 배치되는 말단부를 가지며; 상기 기단부와 말단부는 상이한 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  15. 제14항에 있어서, 상기 기단부는 편장형 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  16. 제15항에 있어서, 상기 기단부는 절두원추형의 편장형의 반타원형의 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  17. 제14항에 있어서, 상기 말단부는 편구형 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  18. 제17항에 있어서, 상기 말단부는 편구형의 반타원형의 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  19. 제14항에 있어서, 상기 말단부는 구형 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  20. 제19항에 있어서, 상기 말단부는 반구형 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  21. 제14항에 있어서, 상기 타원형 확산기는 기단부 및 말단부가 회전대칭부를 갖는 대칭축을 갖는 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  22. 제21항에 있어서, 상기 타원형 확산기는 수평면 또는 기단부와 말단부의 연결부나 기단부와 말단부 사이에 배치되는 슬래브에서 대칭축을 횡단하여 가장 큰 칫수를 갖는 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  23. 제22항에 있어서, 상기 타원형 확산기는 기단부와 말단부의 연결부에서 수평면을 가로질러 완만하게 연속적인 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  24. 제22항에 있어서, 상기 타원형 확산기는 기단부와 말단부의 연결부에서 수평면을 가로질러 불연속적인 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  25. 제22항에 있어서, 상기 타원형 확산기는 기단부와 말단부 사이에 배치되는 수평 슬래브에 전이 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  26. 제25항에 있어서, 상기 수평 슬래브의 전이 영역은 원통 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  27. 제14항에 있어서, 상기 구멍에 가깝게 배치되는 기단부 위로 신장되는 히트 싱크 요소를 부가로 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  28. 제27항에 있어서, 상기 히트 싱크 요소는 핀인 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  29. 제27항에 있어서, 상기 히트 싱크 요소는 말단부 위로 신장되지 않는 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  30. 제27항에 있어서, 상기 히트 싱크 요소는 타원형 확산기로부터 분리된 일체형 히트 싱크의 부품이며, 타원형 확산기가 히트 싱크 핀내에 놓일 동안 일체형 히트 싱크에 고정될 수 있도록 상기 타원형 확산기가 크기를 가지며, 상기 히트 싱크 요소가 형성되는 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  31. 발광 장치에 있어서,
    LED기반 광원과,
    베이스 커넥터를 포함하는 베이스와,
    구멍을 갖는 확산기를 포함하며,
    상기 베이스는 베이스 커넥터에 수용된 전력을 사용하여 LED기반 광원을 전기적으로 작동시키도록 형성되며, 상기 LED기반 광원은 광을 광 입력구멍내로 입력하도록 배치되며,
    상기 확산기는 (ⅰ)구멍에 가깝게 배치되고 외면 영역을 가지며 상기 입력구멍으로부터 멀어지는 증가하는 최대 횡방향 칫수를 갖는 제1부분과, (ⅱ)구멍으로부터 멀리 배치되고 외면 영역을 가지며 상기 입력구멍으로부터 멀어지는 감소하는 최대 횡방향 칫수를 갖는 제2부분과, (ⅲ)최대 횡방향 칫수가 제1 및 제2부분의 칫수를 초과하는 중간면 위치를 포함하며,
    상기 제1부분의 외면 영역은 제2부분의 외면 영역을 초과하며, 상기 LED기반 광원과 베이스 및 확산기 쉘은 베이스 커넥터를 조명 소켓에 연결함으로써 조명 소켓에 설치가능한 일체형 LED 램프로서 함께 고정되는 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  32. 계란형 확산기의 협소한 단부에 광 입력구멍을 포함하는 계란형 확산기를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  33. 제32항에 있어서, 상기 계란형 확산기의 협소한 단부의 광 입력구멍에 광학적으로 연결되는 LED기반 광원을 부가로 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  34. 제33항에 있어서, 상기 LED기반 광원의 광축을 따라 이로부터 멀리 신장되는 계란형 확산기에 배치되는 포스트를 부가로 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  35. 제33항에 있어서, 상기 계란형 확산기의 내부에서 LED기반 광원 위에 배치되는 돔형 투광 확산기 또는 원격 인광체를 부가로 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  36. 발광 장치에 있어서,
    LED기반 광원과,
    확산기내의 조명에 응답하여 광 세기 분포 출력을 발생시키는 구형, 회전타원체형, 또는 도넛형 확산기와,
    베이스 커넥터를 포함하는 베이스를 포함하며,
    상기 LED기반 광원과 확산기 및 베이스는 베이스 커넥터를 조명 소켓에 연결함으로써 조명 소켓내에 설치가능한 일체형 LED 램프로서 함께 고정되며,
    상기 확산기는 LED기반 광원의 등조도 표면과 일치하도록 일체형 LED 램프의 LED기반 광원에 대해 형성되고 배치되며,
    상기 베이스는 베이스 커넥터에 수용된 전력을 사용하여 LED기반 광원을 전기적으로 작동시키기 위해 일체형 LED 램프의 LED기반 광원과 작동가능하게 연결되는 것을 특징으로 하는 장치.
  37. 제36항에 있어서, 상기 구형, 회전타원체형, 또는 도넛형 확산기는 확산기내의 조명에 응답하여 확산기 표면의 어떤 지점에라도 램버트 광 세기 분포 출력을 발생시키는 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  38. 제36항에 있어서, 상기 확산기는 구형 또는 회전타원체형 확산기인 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  39. 제38항에 있어서, 상기 구형 또는 회전타원체형 확산기와 LED기반 광원의 등조도 표면과의 일치는 구형 또는 타원형 확산기가 LED기반 광원에 의해 구형 또는 회전타원체형 확산기 내부의 조명에 응답하여 적어도 θ=[0°, 120°]에 걸친 전방향성 조명 위도 범위에 대해 ±30% 이하의 균일성 변화를 갖는 조명을 발생시키는데 효과적인 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  40. 제39항에 있어서, 상기 베이스는 일체형 LED 램프의 전방향 조명 위도 범위의 외부에 배치되는 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  41. 제39항에 있어서, 상기 베이스는 확산기에 가깝게는 상대적으로 작은 크기를, 확산기로부터 멀리는 상대적으로 큰 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  42. 제36항에 있어서, 상기 LED기반 광원은 링형이고, 확산기는 도넛형 확산기인 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  43. 제42항에 있어서, 상기 베이스는 링형 LED기반 광원이 배치되는 베이스 부분을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  44. 제43항에 있어서, 상기 베이스 부분은 히트 싱크를 보유한 중공 침니인 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  45. 제44항에 있어서, 상기 히트 싱크는 냉각팬 합성 제트 또는 다른 능동적 냉각 요소를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  46. 제43항에 있어서, 상기 베이스 부분은 N 면을 갖는 다각형 단면을 가지며, 상기 N 은 3 이상의 상수이며, 링형 LED기반 광원은 링 형상을 형성하는 N개의 인접한 평탄한 회로기판을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  47. 제36항에 있어서, 상기 베이스에 배치된 베이스 히트 싱크를 포함하는 히트 싱크를 부가로 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  48. 제47항에 있어서, 상기 히트 싱크는 구형 또는 회전타원체형 확산기상에 배치되고 이로부터 멀리 신장되는 평탄하거나 굴곡된 또는 선형 열 분산 요소를 부가로 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  49. 발광 장치에 있어서,
    구형이나 회전타원체형 확산기에 광학적으로 연결되어 이에 접하는 LED기반 광원을 포함하는 광조립체와,
    베이스 커넥터를 포함하는 베이스를 포함하며,
    상기 베이스는 베이스 커넥터에 수용된 전력을 사용하여 LED기반 광원을 전기적으로 작동시키도록 형성되며, 상기 광조립체 및 베이스는 베이스 커넥터를 조명 소켓에 연결함으로써 조명 소켓내에 설치가능한 일체형 LED 램프로서 함께 고정되는 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  50. 제49항에 있어서, 상기 베이스 커넥터는 적어도 교류 100 볼트의 전력을 수용하며, 상기 베이스는 LED기반 광원을 전기적으로 구동시키기 위해 베이스 커넥터에 수용된 적어도 교류 100 볼트의 전력을 직류의 낮은 전압으로 변환하도록 형성된 전자 드라이버를 부가로 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  51. 제49항에 있어서, 상기 광 조립체는 위도 범위 θ=[0°, X]에 대해(X≥120°) ±30% 이하의 균일성 변화를 갖는 조명을 발생시키며, 베이스는 위도 범위 θ=[0°, X]내로 신장되지 않는 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  52. 제51항에 있어서, 상기 베이스는 위도(X)를 따라 놓인 면을 갖는 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  53. 제51항에 있어서, 상기 광 조립체는 위도 범위 θ=[0°, X]에 대해 ±20% 이하의 균일성 변화를 갖는 조명을 발생시키는 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  54. 제51항에 있어서, 상기 광 조립체는 위도 범위 θ=[0°, X]에 대해 ±10% 이하의 균일성 변화를 갖는 조명을 발생시키는 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  55. 제49항에 있어서, 상기 광 조립체는 적어도 위도 범위 θ=[0°, 135°]에 대해 ±30% 이하의 균일성 변화를 갖는 조명을 발생시키며, 베이스는 위도 범위 θ=[0°, 135°]내로 신장되지 않는 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  56. 제49항에 있어서, 상기 광 조립체는 적어도 위도 범위 θ=[0°, 150°]에 대해 ±30% 이하의 균일성 변화를 갖는 조명을 발생시키며, 베이스는 위도 범위 θ=[0°, 150°]내로 신장되지 않는 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  57. 제49항에 있어서, 상기 LED기반 광원은 구형 또는 회전타원체형 확산기에 접하여 배치되는 평탄한 광원을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  58. 제49항에 있어서, 상기 LED기반 광원은 칫수(dL)을 가지며 구형 또는 회전타원체형 확산기에 접하여 배치되며, 상기 칫수(dL)에 대한 구형 또는 회전타원체형 확산기의 직경 또는 장축 또는 단축의 비율은 1.4 보다 큰 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  59. 제58항에 있어서, 상기 칫수(dL)에 대한 구형 또는 회전타원체형 확산기의 직경 또는 장축 또는 단축의 비율은 2.0 보다 큰 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  60. 제58항에 있어서, 상기 칫수(dL)에 대한 구형 또는 회전타원체형 확산기의 직경 또는 장축 또는 단축의 비율은 2.5 보다 큰 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  61. 제49항에 있어서, 상기 베이스에 배치된 베이스 히트 싱크 요소를 포함하는 히트 싱크를 부가로 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  62. 제61항에 있어서, 상기 히트 싱크는 베이스 히트 싱크 요소와 열통신되며 구형 또는 회전타원체형 확산기의 표면으로부터 외향하여 신장되고 이를 횡단하여 배치되는 열분산 요소를 부가로 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  63. 제62항에 있어서, 상기 열분산 요소는 일정한 위도의 평면에 배치되는 핀을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  64. 제49항에 있어서, 상기 베이스 커넥터는 나사형 에디슨 베이스 커넥터를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  65. 제49항에 있어서, 상기 베이스는 60°이하의 파 필드 위도 차단각내에 놓이고, 상기 차단각과 동일한 각도로 각진 면을 갖는 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  66. 제49항에 있어서, 상기 베이스는 45°이하의 파 필드 위도 차단각내에 놓이고, 상기 차단각과 동일한 각도로 각진 면을 갖는 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  67. 제49항에 있어서, 상기 구형 또는 회전타원체형 확산기는 LED기반 광원에 의한 조명에 응답하여 확산기 표면의 어떤 지점에라도 램버트 광 세기 분포 출력을 발생시키는 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  68. 제67항에 있어서, 상기 구형 또는 타원형 확산기는 광조립체가 적어도 θ=[0°, 120°]의 위도 범위에 대해 ±30% 이하의 균일성 변화를 갖는 조명을 발생시키는데 효과적으로 일치하도록 LED기반 광원의 등조도 표면과 일치하는 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  69. 제68항에 있어서, 상기 구형 또는 회전타원체형 확산기는 광조립체가 적어도 θ=[0°, 150°]의 위도 범위에 대해 ±20% 이하의 균일성 변화를 갖는 조명을 발생시키는데 효과적으로 일치하도록 LED기반 광원의 구형 또는 회전타원체형 등조도 표면과 일치하는 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  70. 제67항에 있어서, 상기 LED기반 광원은 (ⅰ)램버트 분포, (ⅱ)편장형 왜곡된 램버트 분포, (ⅲ)편구형으로 왜곡된 램버트 분포로 구성된 그룹으로부터 선택되는 세기 분포를 방출하며; 구형 또는 회전타원체형 확산기는 LED기반 광원에 의해 방출된 세기 분포와 매칭되는 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  71. 제70항에 있어서, 상기 구형 또는 회전타원체형 확산기의 형상은 베이스의 표면에 의한 반사의 세기 분포상의 영향을 부가로 수용하는 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  72. 발광 장치에 있어서,
    도넛형 확산기에 광학적으로 연결되는 링형 LED기반 광원을 포함하는 광조립체와,
    베이스 커넥터를 포함하며 베이스 커넥터에 수용된 전력을 사용하여 링형 LED기반 광원을 전기적으로 작동시키도록 형성된 베이스를 포함하며,
    상기 광조립체 및 베이스는 베이스 커넥터를 조명 소켓에 연결함으로써 조명 소켓내에 설치가능한 일체형 LED 램프로서 함께 고정되는 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  73. 제72항에 있어서, 상기 베이스 커넥터는 나사형 에디슨 베이스 커넥터를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  74. 제72항에 있어서, 상기 링형 LED기반 광원은 도넛형 확산기에 접하여 배치되는 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  75. 제72항에 있어서, 상기 링형 광조립체를 지지하고 상기 광조립체를 일체형 LED 램프로서 베이스로 고정하는 원통형 포머 또는 침니를 부가로 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  76. 제72항에 있어서, (ⅰ)상기 원통형 포머 또는 침니상에 배치되는 히트 싱크, (ⅱ)원통형 포머 또는 침니내에 배치되는 히트 싱크, (ⅲ)원통형 포머 또는 침니를 형성하는 히트 싱크중 적어도 하나의 히트 싱크를 부가로 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  77. 제76항에 있어서, 상기 히트 싱크는 원통형 포머 또는 침니내에 배치되는 능동적 냉각 요소를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 장치.
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