KR20140040099A - Light-emitting diode lighting device and material for light-emitting diode lighting - Google Patents
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- F21Y2115/10—Light-emitting diodes [LED]
Abstract
복수의 LED(11)가 동일 방향으로 빛을 출사하도록 배치되어 있다. 복수의 광학계(12)가 각 LED(11)의 출사광의 개구수를 변환하도록, 각 LED(11)에 대응해 설치되어 있다. 각 LED(11)의 발광면의 대표적 치수를 L, 서로 이웃이 되는 LED(11) 간의 간격을 Iled, 각 광학계(12)의 대표적 치수를 Do, 서로 이웃이 되는 광학계(12) 간의 간격을 Io, 장치로부터 조사되는 빛의 개구수를 NAout로 했을 때, 0.8 L/NAout≤Do≤1.1L/NAout, Io≤Iled, Io≤Do이다.A plurality of LEDs 11 are arranged to emit light in the same direction. A plurality of optical systems 12 are provided corresponding to each LED 11 so as to convert the numerical aperture of the emitted light of each LED 11. Representative dimensions of the emitting surface of each LED 11 are L, intervals between the LEDs 11 adjacent to each other, and representative dimensions of each optical system 12 are Doled, intervals between the optical systems 12 adjacent to each other Io When the numerical aperture of light irradiated from the device is NAout, 0.8 L / NAout ≦ Do ≦ 1.1L / NAout, Io ≦ Iled, and Io ≦ Do.
Description
본 발명은, 광섬유 조명용 광원이나 영사기 등에 이용되는 발광 다이오드 조명 장치 및 발광 다이오드 조명용 부재에 관한 것이다.TECHNICAL FIELD The present invention relates to a light emitting diode illumination device and a light emitting diode illumination member used for a light source, a projector, or the like for an optical fiber illumination.
종래, 광섬유 조명용 광원이나 영사기 등에 이용되는 고휘도(高輝度) 조명 장치에는, HID 램프 및 회전 타원면 미러가 이용되어 왔다. 이러한 조명 장치의 조사면의 면적은 작아서, 광섬유 조명용 광원에서는 직경 10~20 mm정도, 35 mm 영화 필름 영사기에서는 24×18 mm이다. 조명 장치는, 이 작은 면적에 효율적으로 높은 휘도로 빛을 조사하는 것이 요구된다. 게다가 조사하는 빛의 개구(開口)수는, 광섬유 조명용 광원 장치에서는 광섬유의 개구수 이하, 투영기에서는 투영 렌즈의 개구수 이하일 필요가 있다.Background Art Conventionally, HID lamps and ellipsoidal mirrors have been used for high-brightness lighting devices used for light sources for optical fiber illumination, projectors, and the like. The area of the irradiated surface of such a lighting device is small, about 10-20 mm in diameter in a light source for optical fiber illumination, and 24 x 18 mm in a 35 mm movie film projector. The illuminating device is required to irradiate light to this small area with high luminance efficiently. In addition, the numerical aperture of the light to be irradiated needs to be equal to or smaller than the numerical aperture of the optical fiber in the light source device for optical fiber illumination and less than or equal to the numerical aperture of the projection lens in the projector.
이러한 조명 장치는, 종래, 발광 다이오드(LED)를 이용한 것이 제안되었다. 예를 들면, 발광 다이오드 1 칩의 출력은 HID 램프에 비해 작기 때문에, 복수의 발광 다이오드를 평면상에 배치하여, 각 발광 다이오드의 빛을 각각 동일 방향으로 입력 렌즈에서 평행하게 한 후, 한 개의 출력 렌즈로 집광하여, 광섬유를 조사하는 것(예를 들면, 특허 문헌 1 참조)이나, 같은 평면상에 배치한 복수의 발광 다이오드의 빛을, 테이퍼 로드(taper rod)로 개구수를 변환한 후, 광벨브를 조사하는 것(예를 들면, 특허 문헌 2 참조)이 제안되고 있다.Such a lighting apparatus has conventionally been proposed using a light emitting diode (LED). For example, since the output of the
특허 문헌 1에 기재된 조명 장치는, 복수의 발광 다이오드에 결상광학계(結像光學系)를 적용한 것이며, 발광 다이오드의 수가 증가하는 것에 따라 발광하는 전광속(全光束)은 증가한다. 그렇지만, 광학계가 복잡하여, 발광 다이오드의 발광면과 조사면과의 거리가 길기 때문에, 광학계의 수차(收差)에 의해 휘도의 감소가 크고, 효율도 낮은 문제가 있다. 또한, 특허 문헌 2에 기재된 조명 장치는, 렌즈를 사용하지 않는 새로운 광학계를 이용하고 있지만, 휘도의 감소를 줄여, 효율을 올리는 고려는 이뤄지고 있지 않은 문제가 있다.The illumination device described in
본 발명은, 이러한 문제에 주목해서 만들어진 것으로, 발광 다이오드의 발광면에 대한 조사면의 휘도의 감소를 억제할 수가 있어서, 발광 다이오드의 전광속에 대한 조사면을 조사하는 빛의 효율을 높일 수가 있는 발광 다이오드 조명 장치 및 발광 다이오드 조명용 부재를 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.The present invention has been made in view of such a problem, and it is possible to suppress a decrease in the luminance of the irradiation surface of the light emitting diode with respect to the light emitting surface of the light emitting diode, so that the efficiency of light for irradiating the irradiation surface with respect to the total luminous flux of the light emitting diode can be improved. An object of the present invention is to provide a diode lighting device and a light emitting diode lighting member.
상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명과 관련되는 발광 다이오드 조명 장치는, 발광 다이오드와 상기 발광 다이오드의 출사광(出射光)의 개구수를 변환하도록 설치된 광학계를 가진 발광 다이오드 조명 장치에 있어서, 상기 발광 다이오드의 발광면의 대표적 치수를 L, 상기 광학계의 대표적 치수를 Do, 장치로부터 조사되는 빛의 개구수를 NAout로 했을 때, In order to achieve the above object, a light emitting diode illumination device according to the present invention is a light emitting diode illumination device having an optical system provided so as to convert a numerical aperture of a light emitting diode and an outgoing light of the light emitting diode, wherein the light emission is When the representative dimension of the light emitting surface of the diode is L, the representative dimension of the optical system is Do, and the numerical aperture of the light irradiated from the device is NAout,
0.8L/NAout≤Do≤1.1L/NAout 0.8L / NAout≤Do≤1.1L / NAout
인 것을 특징으로 한다..
특히, 본 발명과 관련되는 발광 다이오드 조명 장치는, 상기 발광 다이오드는 복수로 이뤄지며, 각각 동일 방향으로 빛을 출사하도록 발광면이 동일 평면상에 배치되되, 상기 광학계는 복수로 이뤄지며, 각 발광 다이오드의 출사광의 개구수를 변환하도록 각 발광 다이오드에 대응해 설치되어 있으며, 각 발광 다이오드의 발광면의 대표적 치수를 L, 서로 이웃이 되는 발광 다이오드 간의 간격을 Iled, 각 광학계의 대표적 치수를 Do, 서로 이웃이 되는 광학계 간의 간격을 Io, 장치로부터 조사되는 빛의 개구수를 NAout로 했을 때, Particularly, in the LED lighting apparatus according to the present invention, the light emitting diode is formed of a plurality, and the light emitting surface is disposed on the same plane so as to emit light in the same direction, respectively, and the optical system is made of a plurality of, The representative dimension of the light emitting surface of each light emitting diode is denoted by L, the distance between adjacent light emitting diodes is denoted by Iled, the representative dimension of each optical system is denoted by Do, When the interval between the optical systems to be set is Io and the numerical aperture of the light irradiated from the device is NAout,
0.8L/NAout≤Do≤1.1L/NAout0.8L / NAout≤Do≤1.1L / NAout
Io≤IledIo≤Iled
Io≤DoIo≤Do
인 것이 바람직하다..
발광 다이오드 빛의 출사 패턴은 람베르트(Lambert) 분포를 하고 있다. 광학계의 입사(入射) 개구수를 NAin로 하면, 발광 다이오드의 출사광이 광학계에 입사하는 효율 ηin는 람베르트 분포를 입사 개구수에 대한 각도까지 적분 한 값이며,The emission pattern of light emitting diodes has a Lambert distribution. When the numerical aperture of the optical system is NAin, the efficiency ηin at which the light emitted from the light emitting diode is incident on the optical system is a value obtained by integrating the Lambert distribution up to an angle with respect to the incident numerical aperture.
ηin=Sin2θ=NAin2 ηin = Sin 2 θ = NAin 2
로 된다. 도 19에서, 발광 다이오드의 법선(法線)과 출사광이 이루는 각도θ에 대하여, 발광 다이오드 출력광의 광도 및 그 각도까지의 개구수를 가지는 광학계에 대한 입사 효율의 그래프를 나타낸다. NAin=1이면 입사 효율 ηin는 100%가 되며, 이것에 가까울수록 입사 효율 ηin이 높아진다.. In Fig. 19, there is shown a graph of incidence efficiency with respect to an optical system having a light intensity of the light emitting diode output light and a numerical aperture up to the angle with respect to the angle? Between the normal line of the light emitting diode and the emitted light. When NAin = 1, the incident efficiency ηin becomes 100%, and the closer to this value, the higher the incident efficiency ηin.
한편, 광학계의 출사 개구수는 장치의 조사 개구수 NAout에 맞출 필요가 있다. 이 조사 개구수 NAout는, 광섬유 광원에서는 접속되는 광섬유의 개구수(석영(石英) 섬유의 경우 0.2, 다성분 섬유의 경우 0.5가 많이 이용되고 있다) 이하가 되며, 영사기에서는 투영 렌즈의 개구수(F1.4의 투영 렌즈로 개구수는 0.34) 이하가 된다.On the other hand, the emission numerical aperture of the optical system needs to match the irradiation numerical aperture NAout of the apparatus. The irradiated numerical aperture NAout is equal to or smaller than the numerical aperture (0.2 is used for quartz fibers and 0.5 is used for multicomponent fibers) of the optical fiber connected by the optical fiber light source. The numerical aperture is 0.34) or less with the projection lens of F1.4.
본 발명과 관련되는 발광 다이오드 조명 장치는, 광학계의 출사 개구수를 억제하여 장치의 조사 개구수 NAout에 맞출 수가 있다. 이 때문에, 발광 다이오드의 발광면에 대한 조사면의 휘도의 감소를 억제할 수가 있으며, 발광 다이오드의 전광속에 대한 조사면을 조사하는 빛의 효율을 높일 수가 있다. 또한, 발광면이 동일 평면상에 배치되었다고 하는 것은, 각 발광 다이오드의 발광면이 있는 하나의 평면상에 배치되고 있는 경우 뿐만이 아니라, 그 평면으로부터 약간 어긋난 범위 내에 배치되고 있는 경우도 포함하고 있다. 또한, L/NAout≒Do인 것이 바람직하다.The light emitting diode illumination device according to the present invention can suppress the numerical aperture of the optical system and match the irradiation numerical aperture NAout of the apparatus. For this reason, the fall of the brightness | luminance of the irradiation surface with respect to the light emitting surface of a light emitting diode can be suppressed, and the efficiency of the light which irradiates the irradiation surface with respect to the total luminous flux of a light emitting diode can be improved. In addition, the light emitting surface arranged on the same plane includes not only the case where the light emitting surface is arrange | positioned on the one plane with the light emitting surface of each light emitting diode, but also the case where it is arrange | positioned in the range slightly deviated from the plane. Moreover, it is preferable that it is L / NAout * Do.
본 발명과 관련되는 발광 다이오드 조명 장치로, 상기 광학계는 양의 굴절력을 가지는 렌즈로 구성되고, 상기 발광 다이오드는 상기 광학계의 초점 또는 초점의 근방에 배치되고 있으며, 상기 광학계의 대표적 치수 Do를 상기 렌즈의 지름으로 하고, 상기 렌즈의 초점거리를 f로 했을 때, In the LED lighting apparatus according to the present invention, the optical system is composed of a lens having a positive refractive power, the light emitting diode is disposed in the focal point or near the focus of the optical system, the representative dimension of the optical system Do When the diameter of, the focal length of the lens is f,
Do≒2f≒L/NAoutDo ≒ 2f ≒ L / NAout
이어도 바람직하다.It is also preferable.
특히, 발광 다이오드 및 광학계가 복수로 이뤄진 경우, 본 발명과 관련되는 발광 다이오드 조명 장치에서, 각 광학계는 양의 굴절력을 가진 렌즈로 구성되고, 각 발광 다이오드는 각각 각 광학계의 초점 또는 초점의 근방에 배치되고 있으며, 각 광학계의 대표적 치수 Do를 상기 렌즈의 지름으로 하고, 상기 렌즈의 초점거리를 f로 했을 때, In particular, in the case where a plurality of light emitting diodes and optical systems are made, in the light emitting diode lighting apparatus according to the present invention, each optical system is composed of a lens having a positive refractive power, and each light emitting diode is respectively located at or near the focus of each optical system. When the representative dimension Do of each optical system is made into the diameter of the said lens, and the focal length of the said lens is f,
Do≒2f≒L/NAoutDo ≒ 2f ≒ L / NAout
Io=Iled≤DoIo = Iled≤Do
이어도 바람직하다.It is also preferable.
이러한 광학계가 렌즈로 구성되는 경우, 렌즈를 이용해서 발광 다이오드의 발광면에 대한 조사면의 휘도의 감소를 억제할 수가 있으며, 발광 다이오드의 전광속에 대한 조사면을 조사하는 빛의 효율을 높일 수가 있다. 또, 조사광의 효율을 보다 높이기 위해서, 발광 다이오드를 렌즈의 초점 위치에 배치하여, 렌즈의 출사 위치의 근방을 조사면으로 한 콜리메이트(collimate) 광학계로 구성되는 것이 바람직하다. 이 경우, 렌즈계가 정현(正弦) 조건을 만족하고, 입사 개구수가 1에 가깝게 되도록 간단한 구성으로 설계할 수가 있다. 각 발광 다이오드와 콜리메이트 광학계를 유닛(unit)으로 하여, 이 유닛을 평면상에 틈새 없게 배열함으로써, 보다 큰 면을 높은 조도로 조사할 수 있다. 또, 조사면의 조도를 균일하게 하기 위해서, 각 렌즈의 출사 측에 믹싱(mixing) 로드를 배치해도 좋다.When such an optical system is constituted by a lens, the reduction of the luminance of the irradiation surface of the light emitting diode to the light emitting surface of the light emitting diode can be suppressed by using the lens, and the efficiency of light for irradiating the irradiation surface to the total luminous flux of the light emitting diode can be improved. . Moreover, in order to raise the efficiency of irradiation light further, it is preferable that a light emitting diode is arrange | positioned in the focal position of a lens, and it is comprised by the collimate optical system which made the vicinity of the emission position of a lens into an irradiation surface. In this case, the lens system can be designed with a simple configuration such that the sine condition is satisfied and the incident numerical aperture is close to one. By using each light emitting diode and a collimating optical system as a unit and arranging this unit without gap on a plane, a larger surface can be irradiated with high illumination. Further, in order to make the illuminance of the irradiation surface uniform, a mixing rod may be disposed on the emission side of each lens.
또, 본 발명과 관련되는 발광 다이오드 조명 장치에서, 각 광학계는 테이퍼 로드로 이뤄지며, 각 광학계의 대표적 치수 Do를 상기 테이퍼 로드의 출구 치수로 하고, 서로 이웃이 되는 광학계 간의 간격 Io를 상기 테이퍼 로드 출구에서의 간격으로 하되, 상기 테이퍼 로드의 입구 치수를 Din, 상기 테이퍼 로드의 열림각을 φ, 각 발광 다이오드와 각 광학계와의 간격을 t로 했을 때, Further, in the LED lighting apparatus according to the present invention, each optical system consists of a tapered rod, the representative dimension Do of each optical system is taken as the exit dimension of the tapered rod, and the interval Io between the adjacent optical systems is the tapered rod exit. When the inlet dimension of the tapered rod is Din, the opening angle of the tapered rod is φ, and the distance between each light emitting diode and each optical system is t,
Do≒Din/NAout≒Io=IledDo ≒ Din / NAout ≒ Io = Iled
φ<NAout/10φ <NAout / 10
L≤Din≤1.1LL≤Din≤1.1L
0<t≤0.2L0 <t≤0.2L
이어도 바람직하다. It is also preferable.
또한, 본 발명과 관련되는 발광 다이오드 조명 장치에서, 각 광학계는 테이퍼 로드로 구성되며, 각 광학계의 대표적 치수 Do를 상기 테이퍼 로드의 출구 치수로 하고, 서로 이웃이 되는 광학계 간의 간격 Io를 상기 테이퍼 로드 출구에서의 간격으로 하되, 상기 테이퍼 로드의 입구 치수를 Din로 했을 때, In addition, in the LED lighting apparatus according to the present invention, each optical system is composed of a tapered rod, the representative dimension Do of each optical system is the exit dimension of the tapered rod, and the distance Io between the adjacent optical systems is the tapered rod. When the inlet dimension of the tapered rod is Din,
Do≒Din/NAout≒Io<IledDo ≒ Din / NAout ≒ Io <Iled
이어도 바람직하다.It is also preferable.
이러한 광학계가 테이퍼 로드로 구성되는 경우, 테이퍼 로드를 이용하여, 발광 다이오드의 발광면에 대한 조사면의 휘도의 감소를 억제할 수 있으며, 발광 다이오드의 전광속에 대한 조사면을 조사하는 빛의 효율을 높일 수가 있다. 또, 발광 다이오드의 발광면의 형상이 정방형인 경우, 테이퍼 로드도 정방형인 것이 바람직하다. 발광면에 평행한 면에 대하여, 발광 다이오드와 테이퍼 로드의 세트로 구성되는 유닛이, 정방 격자의 각 격자점에 배치되고 있는 것이 바람직하다.When such an optical system is composed of a tapered rod, the tapered rod can be used to suppress a decrease in the luminance of the irradiation surface of the light emitting diode with respect to the light emitting surface of the light emitting diode, thereby improving the efficiency of light irradiating the irradiation surface with respect to the total luminous flux of the light emitting diode. You can increase it. Moreover, when the shape of the light emitting surface of a light emitting diode is square, it is preferable that a taper rod is also square. It is preferable that the unit which consists of a set of a light emitting diode and a tapered rod is arrange | positioned in each lattice point of a square grating with respect to the surface parallel to a light emitting surface.
또, 본 발명과 관련되는 발광 다이오드 조명 장치에서, 각 광학계는 복합 포물면(放物面) 집광기(集光器)로 구성되며, 각 광학계의 대표적 치수 Do를 상기 복합 포물면 집광기의 출구 치수로 하고, 상기 복합 포물면 집광기의 입구 치수 Din, 각 발광 다이오드와 각 광학계와의 간격을 t로 했을 때, In the light emitting diode illumination device according to the present invention, each optical system is composed of a complex parabolic reflector (condenser), and a representative dimension Do of each optical system is an exit dimension of the complex parabolic reflector, When the inlet dimension Din of the compound parabolic condenser and the distance between each light emitting diode and each optical system are t,
Do≒Din/NAout≒Io=IledDo ≒ Din / NAout ≒ Io = Iled
L≤Din≤1.1LL≤Din≤1.1L
0<t≤0.2L0 <t≤0.2L
이어도 바람직하다.It is also preferable.
이 광학계가 복합 포물면 집광기로 구성되는 경우, 복합 포물면 집광기를 이용하여, 발광 다이오드의 발광면에 대한 조사면의 휘도의 감소를 억제할 수가 있으며, 발광 다이오드의 전광속에 대한 조사면을 조사하는 빛의 효율을 높일 수가 있다. 또, 발광 다이오드의 발광면의 형상이 정방형인 경우, 복합 포물면 집광기도 정방형인 것이 바람직하다. 발광면에 평행한 면에 대해서, 발광 다이오드와 복합 포물면 집광기의 세트로 구성되는 유닛이, 정방 격자의 각 격자점에 배치되고 있는 것이 바람직하다.When this optical system is constituted by a complex paraboloid concentrator, it is possible to suppress the decrease in luminance of the illuminated surface of the light emitting diode by using the complex paraboloid concentrator, and it is possible to reduce the luminance of the light irradiated to the illuminated surface of the light emitting diode The efficiency can be improved. Moreover, when the shape of the light emitting surface of a light emitting diode is square, it is preferable that a composite parabolic collector is also square. It is preferable that the unit which consists of a set of a light emitting diode and a composite parabolic light collector for the surface parallel to a light emitting surface is arrange | positioned at each lattice point of a square grating.
본 발명과 관련되는 발광 다이오드 조명용 부재는, 본 발명과 관련되는 발광 다이오드 조명 장치를 구성하는 발광 다이오드 조명용 부재이며, 각 발광 다이오드가 각각 동일 방향으로 빛을 출사 가능하게, 2L<Iled<10L를 만족하는 간격으로, 평면상에 동일한 간격으로 조밀 배열 또는 정방 배열되고 있으며, 각 발광 다이오드에 대해서, 각 발광 다이오드의 발광 방향으로 각 광학계를 0.4L까지 근접 가능하게 구성되어 있는 것을 특징으로 한다.The light emitting diode illumination member which concerns on this invention is a light emitting diode illumination member which comprises the light emitting diode illumination device which concerns on this invention, and satisfy | fills 2L <Iled <10L so that each light emitting diode can respectively emit light in the same direction. And each optical system is configured such that each optical system can be brought close to 0.4L in the light emitting direction of each light emitting diode with respect to each light emitting diode.
본 발명과 관련되는 발광 다이오드 조명용 부재에 의하면, 본 발명과 관련되는 발광 다이오드 조명 장치를 간단한 구성으로 용이하게 구성할 수가 있다. 본 발명과 관련되는 발광 다이오드 조명용 부재는, 발광 다이오드를 분산 배치함으로써, 방열성(放熱性)을 올려서, 개개의 발광 다이오드가 가지는 성능을 낼 수가 있다. 본 발명과 관련되는 발광 다이오드 조명용 부재는, 발광 다이오드가 굴절률이 큰 매질(媒質)에 의해 밀봉되지 않고, 기중(氣中)에 배치되어 있는 것이 바람직하다. 또, 발광 다이오드의 발광 방향으로 광학계를 배치할 수 있도록, 본딩 와이어(bonding wire) 등의 구조물을 가능한 한 발광 방향으로 배치하지 않는 것이 바람직하다. 발광 다이오드를 배열하는 기판은, 알루미늄이나 동 등, 방열성이 좋은 재질로 구성되는 것이 바람직하다. 발광 다이오드의 간격 Iled는, 조명계의 조사 개구수에 의해 정해지지만, 고휘도 조명 장치로서 사용하기 쉬운 조사 개구수가 0.1~0.5인 것으로부터, 2L<Iled<10L인 것이 바람직하다.According to the light emitting diode illumination member which concerns on this invention, the light emitting diode illumination device which concerns on this invention can be comprised easily with a simple structure. The light emitting diode illuminating member according to the present invention can improve the heat dissipation by distributing the light emitting diodes, thereby achieving the performance of each light emitting diode. In the light emitting diode illumination member according to the present invention, it is preferable that the light emitting diode is arranged in the air without being sealed by a medium having a large refractive index. In addition, it is preferable not to arrange a structure such as a bonding wire in the light emitting direction as much as possible so that the optical system can be arranged in the light emitting direction of the light emitting diode. It is preferable that the board | substrate which arranges a light emitting diode is comprised from materials with good heat dissipation, such as aluminum and copper. Although the interval Iled of a light emitting diode is determined by the irradiation numerical aperture of an illumination system, it is preferable that it is 2L <Iled <10L from the irradiation numerical aperture which is easy to use as a high brightness illuminating device from 0.1-0.5.
본 발명에 의하면, 발광 다이오드의 발광면에 대한 조사면의 휘도의 감소를 억제할 수가 있으며, 발광 다이오드의 전광속에 대한 조사면을 조사하는 빛의 효율을 높일 수가 있는 발광 다이오드 조명 장치 및 발광 다이오드 조명용 부재를 제공하는 것이 가능하다.According to the present invention, it is possible to suppress the reduction of the luminance of the irradiated surface to the light emitting surface of the light emitting diode and to increase the efficiency of light irradiating the irradiated surface to the total luminous flux of the light emitting diode, and for the LED lighting device It is possible to provide the member.
도 1은 본 발명의 제1의 실시의 형태의 발광 다이오드 조명 장치를 나타내는 (a) 발광 다이오드로부터의 방사광(放射光)의 기하 광학적 광선 추적 측면도, (b) 사시도이다.
도 2는 도 1에 나타내는 발광 다이오드 조명 장치의, 발광 다이오드 및 광학계로 구성되는 한 개의 유닛의 광선 추적 측면도이다.
도 3은 도 2에 나타내는 발광 다이오드 및 광학계의 개구수와 광선 높이와의 상관을 나타내는 그래프이다.
도 4는 도 2에 나타내는 발광 다이오드 및 광학계의 (a) 조사면의 조도(照度) 분포도, (b) 횡축 방향의 조도 분포를 나타내는 그래프이다.
도 5는 도 2에 나타내는 발광 다이오드 및 광학계의 조사면으로부터 1 m 떨어진 면의 조도 분포도이다.
도 6은 도 1에 나타내는 발광 다이오드 조명 장치의 (a) 조사면의 조도 분포도, (b) 조사면으로부터 1 m 떨어진 면의 조도 분포도이다.
도 7은 본 발명의 제1의 실시의 형태의 발광 다이오드 조명 장치의 변형예를 나타내는 사시도이다.
도 8은 도 7에 나타내는 발광 다이오드 조명 장치의 (a) 조사면의 조도 분포도, (b) 조사면으로부터 1 m 떨어진 면의 조도 분포도이다.
도 9는 본 발명의 제2의 실시의 형태의 발광 다이오드 조명 장치를 나타내는 사시도이다.
도 10은 도 9에 나타내는 발광 다이오드 조명 장치의, 발광 다이오드 및 테이퍼 로드로 구성되는 한 개의 유닛을 나타내는 사시도이다.
도 11은 도 10에 나타내는 발광 다이오드 및 테이퍼 로드의 (a) 조사면의 조도 분포도, (b) 테이퍼 로드로부터 1 m 떨어진 스크린상에서의 조도 분포도이다.
도 12는 도 9에 나타내는 발광 다이오드 조명 장치의 (a) 조사면의 조도 분포도, (b) 테이퍼 로드로부터 1 m 떨어진 스크린상에서의 조도 분포도이다.
도 13은 본 발명의 제2의 실시의 형태의 발광 다이오드 조명 장치의 변형예를 나타내는 사시도이다.
도 14는 본 발명의 제3의 실시의 형태의 발광 다이오드 조명 장치를 나타내는 사시도이다.
도 15는 도 14에 나타내는 발광 다이오드 조명 장치의, 발광 다이오드 및 복합 포물면경(放物面鏡)으로 구성되는 한 개의 유닛을 나타내는 사시도이다.
도 16은 도 14에 나타내는 발광 다이오드 조명 장치의, 복합 포물면경의 하나의 면을 나타내는 측면도이다.
도 17은 도 15에 나타내는 발광 다이오드 및 복합 포물면경의 (a) 조사면의 조도 분포도, (b) 조사면으로부터 1 m 떨어진 스크린상에서의 조도 분포도이다.
도 18은 본 발명의 실시의 형태의 발광 다이오드 조명용 부재를 나타내는 사시도이다.
도 19는 발광 다이오드의 법선과 출사광이 이루는 각도 θ에 대한, 발광 다이오드 출력광의 광도 및 입사 효율의 변화를 나타내는 그래프이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Fig. 1 is a side view of a geometrical optical ray tracing of (a) light emitted from a light emitting diode, showing a light emitting diode illumination device according to a first embodiment of the present invention, and (b) a perspective view.
FIG. 2 is a ray tracing side view of one unit composed of a light emitting diode and an optical system of the light emitting diode illuminating device shown in FIG. 1.
FIG. 3 is a graph showing the correlation between the numerical aperture and light beam height of the light emitting diode and optical system shown in FIG. 2.
4 is a graph showing the illuminance distribution diagram of the (a) irradiation surface of the light emitting diode and the optical system shown in FIG. 2 and (b) the illuminance distribution in the horizontal axis direction.
FIG. 5 is an illuminance distribution diagram of a surface 1 m away from the irradiation surface of the light emitting diode and optical system shown in FIG. 2.
6 is an illuminance distribution diagram of (a) the irradiated surface and (b) an illuminance distribution diagram of the surface 1 m away from the irradiated surface of the light emitting diode illuminating device shown in FIG. 1.
Fig. 7 is a perspective view showing a modification of the light emitting diode illuminating device of the first embodiment of the present invention.
FIG. 8 is an illuminance distribution diagram of (a) the irradiation surface of the light emitting diode illuminating device shown in FIG. 7 and (b) an illuminance distribution diagram of the surface 1 m away from the irradiation surface.
9 is a perspective view showing a light emitting diode illuminating device according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 10: is a perspective view which shows one unit which consists of a light emitting diode and a taper rod of the light emitting diode illuminating device shown in FIG.
FIG. 11 is an illuminance distribution diagram of (a) the irradiation surface of the light emitting diode and the tapered rod shown in FIG. 10, and (b) an illuminance distribution diagram on the screen 1 m away from the tapered rod.
FIG. 12 is an illuminance distribution diagram of (a) the irradiation surface of the light emitting diode illuminating device shown in FIG. 9, and (b) an illuminance distribution diagram on the screen 1 m away from the tapered rod.
It is a perspective view which shows the modification of the light emitting diode illuminating device of 2nd Embodiment of this invention.
It is a perspective view which shows the light emitting diode illuminating device of 3rd Embodiment of this invention.
FIG. 15 is a perspective view showing one unit composed of a light emitting diode and a compound parabolic mirror of the light emitting diode illuminating device shown in FIG. 14.
It is a side view which shows one surface of the compound parabolic mirror of the light emitting diode illuminating device shown in FIG.
FIG. 17 is an illuminance distribution diagram of (a) the irradiation surface and (b) an illuminance distribution diagram on the screen 1 m away from the irradiation surface of the light emitting diode and the composite parabolic mirror shown in FIG. 15.
It is a perspective view which shows the light emitting diode illumination member of embodiment of this invention.
19 is a graph showing changes in the luminous intensity and incident efficiency of light emitting diode output light with respect to an angle θ formed between the normal line of the light emitting diode and the emitted light.
이하, 도면에 근거해, 본 발명의 실시의 형태에 대해 설명한다.EMBODIMENT OF THE INVENTION Hereinafter, embodiment of this invention is described based on drawing.
도 1 내지 도 8에, 본 발명의 제1의 실시의 형태의 발광 다이오드 조명 장치를 나타낸다.1 to 8 show a light emitting diode illumination device according to a first embodiment of the present invention.
도 1에 나타낸 것처럼, 발광 다이오드 조명 장치(10)는 복수의 LED(발광 다이오드)(11)와 복수의 광학계(12)와 믹싱 로드(13)을 가지고 있다.As shown in FIG. 1, the
LED(11)는 7개로 구성되며, 발광면이 동일 평면상이 되도록 배치되고, 육각형의 정점 중심으로 지그재그 모양으로 배열되고 있다. 각 LED(11)는 동일 방향으로 빛을 출사하도록 되어 있다. 각 광학계(12)는 양의 굴절력을 가지는 두 개의 볼록 렌즈(21a, 21b)로 구성되며, 각 LED(11)의 출사광의 개구수를 변환하도록 각 LED(11)에 대응해 설치되어 있다. 각 광학계(12)는 각 LED(11)의 발광면에 근접하게 배치되어 있다. 믹싱 로드(13)는 육각 기둥 모양을 이루며, 각 광학계(12)의 출사 측에 배치되어 있다.The
구체적인 일례로는, 도 2에 나타낸 것처럼, 각 LED(11)는 발광면이 정방형이며, 발광면의 대표적 치수로서는 한 변의 치수 L=2 mm이다. 각 광학계(12)의 렌즈(21a, 21b)는 2군 2매 구성이며, 초점거리 f는 4 mm, 대표적 치수의 렌즈지름 Do(=Dlens, 렌즈 21b 출사면에서 광선이 통과하는 최대지름)는 8 mm이다. 광학계(12)의 출사 측의 조사면(14)은 지름 약 8 mm이다. 따라서,As a specific example, as shown in FIG. 2, each
Dlens=Do=2fDlens = Do = 2f
이다.to be.
또, 조사 개구수 NAout의 설계치는, 렌즈가 정현(正弦) 조건을 만족한다고 하면, In addition, assuming that the lens satisfies the sine condition,
NAout=L/2fNAout = L / 2f
이며, LED(11)의 대변 방향으로, NAout=2/(2×4)=0.25, LED(11)의 대각방향으로, NAout=2.8/(2×4)=0.35이다.NAout = 2 / (2x4) = 0.25 in the diagonal direction of the
광학계(12)의 각 렌즈(21a, 21b)는 볼록한 측면을 조사면(14)으로 향한 상태로 배치되어 있다. 각 렌즈(21a, 21b)의 곡률(曲率) 반경 r(mm), 중심 두께 및 간격 d(mm), 굴절률 n, 아베(Abbe)수 ν를 이하에 나타낸다. 여기서, r1 및 r2는 각각 렌즈(21a)의 LED(11) 측 및 조사면(14) 측의 곡률 반경, r3 및 r4는 각각 렌즈(21b)의 LED(11) 측 및 조사면(14) 측의 곡률 반경이다. d0는 렌즈(21a, 21b)의 광축에 있어서의 LED(11)와 렌즈(21a)의 간격, d1 및 d3는 각각 각 렌즈(21a, 21b)의 중심 두께, d2는 렌즈(21a)와 렌즈(21b)의 간격, d4는 렌즈(21b)와 조사면(14)의 간격이다. n1 및 n2는 각각 각 렌즈(21a, 21b)의 굴절률, ν1 및 ν2는 각각 각 렌즈(21a, 21b)의 아베수이다. k4는 렌즈(21b)의 원추(円錐)정수이다.Each
d0=0.5 d0 = 0.5
r1=∞ d1=2.0 n1=1.5168 ν1=64.17 r1 = ∞ d1 = 2.0 n1 = 1.5168 v1 = 64.17
r2=-2.5 d2=1 r2 = −2.5 d2 = 1
r3=∞ d3=4.8 n2=1.8467 ν2=23.78 r3 = ∞ d3 = 4.8 n2 = 1.8467 v2 = 23.78
r4=-5.42 d4=0.5 k4=-1.33 r4 = -5.42 d4 = 0.5 k4 = -1.33
도 3은 LED(11)의 중심에서 나온 광선의 sinθ와 조사면(14)에서의 광선의 광축으로부터의 거리를 나타낸다. 여기서, θ는 LED(11)의 발광면에서의 광선과 광축이 이루는 각도이다. 정현 조건에서는 광선의 높이(광축으로부터의 거리) h는, 3 shows the distance from the sin θ of the light beam emitted from the center of the
h=fsinθh = fsinθ
이 된다. 여기서, f는 광학계(12)의 초점거리(f=4 mm)이다. 도 3에서, 거의 정현 조건을 만족하고 있는 것을 알 수 있다.. Here, f is the focal length (f = 4 mm) of the
도 4 및 도 5에서는, 하기 조건에서의 몬테카를로·시뮬레이션(Monte Carlo simulation)의 결과를 나타낸다.4 and 5 show the results of a Monte Carlo simulation under the following conditions.
LED 치수 2 mm각 LED dimensions 2mm corner
LED전광속 314 lmLED luminous flux 314 lm
LED 휘도 25 cd/mm2 LED brightness 25 cd / mm 2
스크린 치수 10 mm각(도 4) Screen dimensions 10mm angle (Fig. 4)
1 m각(도 5) 1 m corner (Fig. 5)
광선 개수 100만 개 1 million rays
프레넬(Fresnel) 손실 무시Ignore Fresnel Loss
도 4는 조사면(14)의 조도 분포를 나타내며, 10% 조도 이상의 조사지름은 8.4 mm이다. 또, 도 5는 조사면(14)에서 1 m 떨어진 면의 조도 분포를 나타내며, 10% 조도 이상의 조사 치수는 520 mm각이다. 조사면(14)은 발광면으로 볼 수가 있고, 휘도(광축 방향 평균 휘도)는 1250/(4.2×4.2×3.14)=22.6 cd/mm2이고, 그리고 LED(11)의 발광면에 대해서 약 10%감소하고 있다. 조사 효율(=조사면(14)에 도달한 광속/LED(11)의 전광속)은 87%였다.4 shows the illuminance distribution of the
조사 개구수는, Irradiation numerical aperture,
sin(tan-1(260/1000)=0.252 (대변 방향) sin (tan -1 (260/1000) = 0.252 (stool direction)
sin(tan-1(380/1000)=0.355 (대각방향)sin (tan -1 (380/1000) = 0.355 (diagonal)
이며, 개구수의 증가는 2% 이하였다. 휘도의 감소는 조사 효율분이라고 할 수 있다.The increase in numerical aperture was less than 2%. The decrease in luminance can be said to be an irradiation efficiency component.
이와 같이, 도 2의 구성에서는 광학계(12)의 출사 개구수를 억제하여 조사 개구수 NAout에 맞출 수가 있다. 이 때문에, LED(11)의 발광면에 대한 조사면(14)의 휘도의 감소를 억제할 수가 있으며, LED(11)의 전광속에 대한 조사면(14)을 조사하는 빛의 효율을 높일 수가 있다. 또한, LED가 한 개인 경우에는, 도 2에 의해 발광 다이오드 조명 장치(10)를 구성할 수가 있다.Thus, in the structure of FIG. 2, the exit numerical aperture of the
도 1에 나타낸 것처럼, 발광 다이오드 조명 장치(10)는 도 2에 나타낸 LED(11), 광학계(12)의 군을 평면상에 7 유닛으로 조밀 배치하고 있다. 유닛의 간격, 즉 서로 이웃이 되는 LED(11) 간의 간격 Iled, 및 서로 이웃이 되는 광학계(12) 간의 간격 Io는, 렌즈지름 Do와 같은 8 mm이다(Io=Iled=Do=8 mm). 유닛의 조사면(14)에서 한 변이 12.6 mm인 정육각기둥의 믹싱 로드(13)를 조사하고, 믹싱 로드(13)의 출력면을 발광 다이오드 조명 장치(10)의 조사면(15)으로 하고 있다.As shown in FIG. 1, the light emitting
도 6은 하기 조건에서의 몬테카를로·시뮬레이션의 결과를 나타낸다.6 shows the results of Monte Carlo simulation under the following conditions.
LED 치수 2 mm각 LED dimensions 2mm corner
LED 전광속 314 lmLED Full Beam 314 lm
LED 휘도 25 cd/mm2 LED brightness 25 cd / mm 2
LED 수량 7개 7 LED quantity
스크린 치수 30 mm각(도 6(a)) Screen dimensions 30mm angle (Fig. 6 (a))
1 m각(도 6(b)) 1m corner (Fig. 6 (b))
광선 개수 100만 개 1 million rays
프레넬 손실 무시Ignore Fresnel Loss
도 6(a)는 조사면(15)의 조도 분포를 나타내며, 조사 형상은 한 변이 13.2 mm인 정육각형이다. 도 6(b)는 조사면(15)에서 1 m 떨어진 면의 조도 분포를 나타내며, 10% 조도 이상의 조사 치수는 대변 방향으로 620 mm이다. 조사면(15)의 휘도는, Fig. 6A shows the illuminance distribution of the
8500/(13.2×13.2×1.73/2/2×6)8500 / (13.2 × 13.2 × 1.73 / 2/2 × 6)
=18.81 cd/mm2 = 18.81 cd / mm 2
이며, 휘도의 감소는 25%였다. 조사 효율은 89%였다.The decrease in brightness was 25%. The irradiation efficiency was 89%.
조사 개구수는, Irradiation numerical aperture,
sin(tan-1(310/1000)=0.296 (대변 방향) sin (tan -1 (310/1000) = 0.296 (stool direction)
sin(tan-1(380/1000)=0.355 (대각방향)sin (tan -1 (380/1000) = 0.355 (diagonal)
이며, 개구수의 증가는 대변 방향 18%, 대각방향 1%였다. 믹싱 로드(13)에 의한 조사 면적 및 조사 개구수의 증가에 따라, 휘도가 감소하고 있다.The increase in the numerical aperture was 18% in the stool direction and 1% in the diagonal direction. As the irradiation area and irradiation numerical aperture by the mixing
또한, 도 7에 나타낸 것처럼, 발광 다이오드 조명 장치(10)는 LED(11)와 광학계(12)로 구성된 유닛의 간격, 즉 서로 이웃이 되는 LED(11) 간의 간격 Iled, 및 서로 이웃이 되는 광학계(12) 간의 간격 Io를, 렌즈지름 Do보다 작게 해도 좋다(Io=Iled<Do). 도 7의 경우, Io=Iled=6.92 mm=0.86 Do이다. 이 경우, 정육각기둥의 믹싱 로드(13)의 한 변은 11 mm이다.7, the light emitting
도 8에서, 도 6과 동일한 조건에서의 몬테카를로·시뮬레이션의 결과를 나타낸다. 도 8(a)는 조사면(15)의 조도 분포를 나타내며, 조사 형상은 한 변이 11.4 mm인 정육각형이다. 도 8(b)는 조사면(15)에서 1 m 떨어진 면의 조도 분포를 나타내며, 10% 조도 이하의 조사 치수는 대변 방향으로 560 mm이다. 조사면(15)의 휘도는, In FIG. 8, the result of Monte Carlo simulation in the conditions similar to FIG. 6 is shown. Fig. 8A shows the illuminance distribution of the
7800/(11.4×11.4×1.73/2/2×6)7800 / (11.4 × 11.4 × 1.73 / 2/2 × 6)
=23.1 cd/mm2 = 23.1 cd / mm 2
이며, 휘도의 감소는 7%로 적지만, 조사 효율은 80%로 낮은 값이었다.Although the decrease in luminance was small at 7%, the irradiation efficiency was low at 80%.
Io=0.8 Do에서는 휘도 감소 0%, 조사 효율 71%였다. 이 조건까지가 고휘도 조명 장치로서 사용 가능한 범위이다.At Io = 0.8 Do, the luminance decrease was 0% and the irradiation efficiency was 71%. Up to this condition is the range which can be used as a high brightness lighting apparatus.
조사 개구수는, Irradiation numerical aperture,
sin(tan-1(280/1000)=0.27 (대변 방향) sin (tan -1 (280/1000) = 0.27 (stool direction)
sin(tan-1(380/1000)=0.355 (대각방향)sin (tan -1 (380/1000) = 0.355 (diagonal)
이며, 조사 개구수의 증가는 대변 방향 8%, 대각방향 1%로, 도 6의 경우보다도 작아지고 있다. 효율보다 고휘도에 중점을 둔 설계라고 말할 수 있다. 또한, 믹싱 로드(13)의 입사부의 조도 분포가 비교적 균일하기 때문에, 믹싱 로드(13)를 단축할 수 있는 이점도 있다. The increase in the irradiation numerical aperture is 8% in the opposite direction and 1% in the diagonal direction, which is smaller than that in the case of FIG. 6. It's a design that focuses on high brightness rather than efficiency. Further, since the illuminance distribution of the incidence portion of the mixing
도 9 내지 도 13에서, 본 발명의 제2의 실시의 형태의 발광 다이오드 조명 장치를 나타낸다. 9 to 13 show a light emitting diode illumination device according to a second embodiment of the present invention.
도 9에 나타낸 것처럼, 발광 다이오드 조명 장치(30)는 복수의 LED(11)와 복수의 광학계(12)를 가지고 있다. 또한, 이하의 설명에서는, 본 발명의 제1의 실시의 형태의 발광 다이오드 조명 장치(10)과 동일한 구성에서는 동일한 부호를 붙여서, 중복하는 설명을 생략한다.As shown in FIG. 9, the
LED(11)는 6개로 구성되며, 발광면이 동일 평면 상이 되도록 배치되고, 상하에 3개씩 동일 간격으로 배열되고 있다. 각 LED(11)는 동일 방향으로 빛을 출사하도록 되어 있다. 각 광학계(12)는 테이퍼 로드(31)로 구성되며, 각 LED(11)의 출사광의 개구수를 변환하도록 각 LED(11)에 대응해서 설치되어 있다.The
구체적인 일례에서는, 도 10에 나타낸 것처럼, 각 LED(11)의 정방형의 발광면의 정면에 정방형 테이퍼 로드(31)의 입사면을 배치하고, 출사면의 정면에 조사면(14)을 배치한다.In a specific example, as shown in FIG. 10, the incident surface of the square tapered
도 11에서, 하기 조건에서의 몬테카를로·시뮬레이션의 결과를 나타낸다.In FIG. 11, the result of Monte Carlo simulation in the following conditions is shown.
LED 치수 2 mm각 LED dimensions 2mm corner
LED전광속 314 lmLED luminous flux 314 lm
LED 휘도 25 cd/mm2 LED brightness 25 cd / mm 2
LED-테이퍼 로드 간격 0.2 mmLED taper rod thickness 0.2 mm
테이퍼 로드-조사면 간격 0.5 mmTaper rod-surface clearance 0.5 mm
테이퍼 로드 입구 치수 Din 2 mmTaper Rod
테이퍼 로드 출구 치수 Dout 5 mm, 8 mmTaper rod
테이퍼 로드 열림각 Taper Rod Opening Angle
φ/(Din/Dout) 0.01, 0.1, 0.2 φ / (Din / Dout) 0.01, 0.1, 0.2
테이퍼 로드 재질 BK7 Taper Rod Material BK7
스크린 치수 10 mm각(도 11(a)) Screen dimensions 10mm angle (Fig. 11 (a))
1 m각(도 11(b)) 1m corner (Fig. 11 (b))
광선 개수 100만 개 1 million rays
프레넬 손실 무시 Ignore Fresnel Loss
도 11(a)에서는, Din/Dout=0.25,φ/(Din/Dout)=0.1의 경우의 조사면(14)의 조도 분포를 나타낸다. 조사 형상은 출구 치수와 동일한 정도의 치수의 정방형으로, 조도 분포는 거의 균일하다. 다른 조건에서도, 조도 형상은 출구 치수와 동일한 정도의 치수의 정방형으로, 조도 분포는 거의 균일하다. 도 11(b)에서는, 테이퍼 로드(31)에서 1 m 떨어진 스크린상에서의 조도 분포를 나타낸다.In FIG.11 (a), the roughness distribution of the
조사면(14)의 휘도는, The brightness of the
1600/(8.4×8.4)=22.8 cd/mm2 1600 / (8.4 × 8.4) = 22.8 cd / mm 2
(Din/Dout=0.25일 때) (When Din / Dout = 0.25)
600/(5.4×5.4)=20.6 cd/mm2 600 / (5.4 × 5.4) = 20.6 cd / mm 2
(Din/Dout=0.4일 때) (When Din / Dout = 0.4)
이다. 휘도의 감소는, 테이퍼 로드(31)과 조사면(14)의 간격 0.5 mm 사이의 빛의 확대에 의한 조사 면적의 확대에 의해 일어나고 있다.to be. The decrease in luminance is caused by the enlargement of the irradiation area due to the enlargement of light between the
10% 조도 이상의 조사 개구수를 표 1에 나타낸다.Table 1 shows the irradiation numerical aperture of 10% roughness or more.
표 1에 나타낸 것처럼, 조사 개구수는 열림각이 작으면 Din/Dout에 가까워 지며, 조사광의 각도 분포도 개구수 이상에서는 0, 개구수 부근에서는 날카롭게 일어서는 형상이 된다. 열림각이 커지면 분포가 무디어지며, 조사 개구수는 Din/Dout보다 커진다. 이와 같이, 조사 개구수는 φ/(Din/Dout)와 상관이 크며, φ/(Din/Dout)=0.1 이하이면, 분포가 예민하므로 고휘도 조명 장치로서 바람직한 것을 알 수 있다. As shown in Table 1, the irradiation numerical aperture becomes close to Din / Dout when the opening angle is small, and the angular distribution of the irradiation light has a shape that rises to zero above the numerical aperture and sharply stands near the numerical aperture. The larger the opening angle, the dull the distribution, and the larger the numerical aperture than Din / Dout. In this way, the irradiation numerical aperture has a large correlation with φ / (Din / Dout), and if φ / (Din / Dout) = 0.1 or less, the distribution is sensitive, and thus it is understood that the irradiation numerical aperture is preferable as a high-brightness lighting device.
LED(11)와 테이퍼 로드(31)의 간격에 의한 조사 효율의 변화를 표 2에 나타낸다.Table 2 shows the change in irradiation efficiency due to the gap between the
표 2에서는, LED-테이퍼 로드 간격, 테이퍼 로드 입구 치수와도, LED 치수를 1로 했을 때의 상대치를 나타내고 있다. 표 2에 나타낸 것처럼, LED(11)와 테이퍼 로드(31)의 간격 t가 0에 가까우면 조사 효율은 매우 높지만, 0에 접근하려면 한계가 있다. 테이퍼 로드(31)의 입구 치수를 크게 하면 조사 효율은 오르지만, 출구 치수도 커지기 때문에, 입구 치수의 제곱에 반비례하여 휘도는 작아진다. 고휘도 조명 장치에서는, 휘도 열화(劣化)가 30% 이하, 조사 효율 70% 이상이 요구되기 때문에, 표 2에서 테이퍼 로드(31)의 입구 치수는 LED 치수의 1.1배 이하(L≤Din≤1.1 L), LED-테이퍼 로드 간격은 LED 치수의 0.2배 이하(0<t≤0.2 L)가 바람직하다. 여기서, LED-테이퍼 로드 간격은 공기 중의 거리로 굴절률 n의 매질 중에서는 n 배가 된다.In Table 2, the relative value at the time of making
도 9에 나타낸 것처럼, 발광 다이오드 조명 장치(30)는 도 10에 나타낸 LED(11)와 테이퍼 로드(31)의 군을, 테이퍼 로드 출구 치수 Dout와 같은 간격으로(Io=Dout=Do) 6군 정방 배열한 것으로, 도 10의 6배의 면적을 조사할 수가 있다.As shown in FIG. 9, the
도 12에서, 하기 조건에서의 몬테카를로·시뮬레이션의 결과를 나타낸다.In FIG. 12, the result of Monte Carlo simulation in the following conditions is shown.
LED 치수 2 mm각 LED dimensions 2mm corner
LED 전광속 314 lmLED Full Beam 314 lm
LED 수량 6개 Quantity of 6 LEDs
LED 휘도 25 cd/mm2 LED brightness 25 cd / mm 2
LED-테이퍼 로드 간격 0.2 mmLED taper rod thickness 0.2 mm
테이퍼 로드-조사면 간격 0.5 mmTaper rod-surface clearance 0.5 mm
테이퍼 로드 입구 치수 Din 2 mmTaper Rod
테이퍼 로드 출구 치수 Dout 8 mmTaper Rod
테이퍼 로드 출구 간격 8 mmTaper
LED의 간격 8 mm8 mm thickness of LED
테이퍼 로드 열림각 Taper Rod Opening Angle
φ/(Din/Dout) 0.1 φ / (Din / Dout) 0.1
테이퍼 로드 재질 BK7 Taper Rod Material BK7
스크린 치수 30 mm각(도 12(a)) Screen dimensions 30mm angle (Fig. 12 (a))
1 m각(도 12(b)) 1 m corner (Fig. 12 (b))
광선 개수 100만 개 1 million rays
프레넬 손실 무시 Ignore Fresnel Loss
도 12(a)는 조사면(15)의 조도 분포를 나타낸다. 도 12(b)는 테이퍼 로드(31)에서 1 m 떨어진 스크린상에서의 조도 분포를 나타낸다. 조사면(15)의 휘도는 9600/(24.4×16.4)=24.0 cd/mm2이며, 테이퍼 로드(31)과 조사면(15)의 간격으로 생기는 조사 면적의 확대가 6개의 테이퍼 로드 주변에서 밖에 일어나지 않기 때문에, 휘도의 열화는 도 10의 경우보다 작아진다.12A shows the illuminance distribution of the
또한, 도 13에 나타낸 것처럼, 발광 다이오드 조명 장치(30)는 LED(11)의 간격 및 테이퍼 로드(31)의 입구의 간격을 테이퍼 로드(31)의 출구의 간격보다 넓혀도 괜찮다. 이 경우, LED(11)의 간격을 비움으로써, 방열 설계가 용이하게 된다.In addition, as shown in FIG. 13, the
도 14 내지 도 17에서, 본 발명의 제3의 실시의 형태의 발광 다이오드 조명 장치를 나타낸다. 14 to 17 show a light emitting diode illumination device according to a third embodiment of the present invention.
도 14에 나타낸 것처럼, 발광 다이오드 조명 장치(50)는 복수의 LED(11)와 복수의 광학계(12)를 가지고 있다. 또한, 이하의 설명에서는, 본 발명의 제1 및 제2의 실시의 형태의 발광 다이오드 조명 장치(10, 30)과 동일한 구성에는 동일한 부호를 붙여서, 중복하는 설명을 생략한다.As shown in FIG. 14, the
LED(11)는 6개로 구성되며, 발광면이 동일 평면 상이 되도록 배치되고, 상하에 3개씩 동일 간격으로 배열되어 있다. 각 LED(11)는 동일 방향으로 빛을 출사하도록 되어 있다. 각 광학계(12)는 복합 포물면경(복합 포물면 집광기)(51)로 구성되며, 각 LED(11)의 출사광의 개구수를 변환하도록, 각 LED(11)에 대응하여 설치되어 있다.The
구체적인 일례에서는, 도 15에 나타낸 것처럼, 각 LED(11)의 정방형의 발광면의 정면에는, 정방형 복합 포물면경(51)의 입사면을 배치하고, 출사면의 정면에는 조사면(14)을 배치한다. 도 16에는, 복합 포물면경(51)의 하나의 면의 형상을 나타낸다. 도 16에 나타낸 것처럼, 61은 포물면경, 62는 포물면경의 초점 위치, 63은 포물면경의 광축(光軸), 64는 복합 포물면경(51)의 광축, φcpc는 포물면경의 광축과 복합 포물면경(51)의 광축이 이루는 각, Din는 복합 포물면경(51)의 입구 치수, Dout는 복합 포물면경(51)의 출구 치수이다.In a specific example, as shown in FIG. 15, the entrance surface of the square compound
정방형 복합 포물면경(51)은 복합 포물면경(51)의 광축(64)을 중심으로 0번, 90번, 180번, 270번 회전한 4장의 포물면경(61)에 의해 구성된다. 정방형 복합 포물면경(51)의 조사 개구수 NAout는,The square compound
NAout=sin(φcpc)=Din/DoutNAout = sin (φcpc) = Din / Dout
이다.to be.
도 17에서는, 하기 조건에서의 몬테카를로·시뮬레이션의 결과를 나타낸다.In FIG. 17, the result of Monte Carlo simulation in the following conditions is shown.
LED 치수 2 mm각 LED dimensions 2mm corner
LED 전광속 314 lmLED Full Beam 314 lm
LED 휘도 25 cd/mm2 LED brightness 25 cd / mm 2
LED-복합 포물면경 간격 0.2 mmLED-composite parabolic diameter 0.2 mm
복합 포물면경-조사면 간격 0.5 mmCompound parabolic mirror-surface clearance 0.5 mm
복합 포물면경 입구 치수 Din 2 mmCompound Parabolic
복합 방물면경 출구 치수 Dout 8 mmComposite diameter mirror
스크린 치수 10 mm각(도 17(a)) Screen dimensions 10mm angle (Fig. 17 (a))
1 m각(도 17(b)) 1m corner (Fig. 17 (b))
광선 개수 100만 개 1 million rays
반사율 100% 100% reflectivity
도 17(a)은 조사면(14)의 조도 분포를 나타내며, 도 17(b)은 조사면(14)에서 1 m 떨어진 스크린의 조도 분포를 나타내고 있다. 조사면(14)의 휘도는, FIG. 17A shows the illuminance distribution of the
1530/(8.4×8.4)=21.7 cd/mm2 1530 / (8.4 × 8.4) = 21.7 cd / mm 2
이며, 휘도의 감소는 13%, 조사 효율은 83.5%이다.The decrease in luminance is 13% and the irradiation efficiency is 83.5%.
조사 개구수는, Irradiation numerical aperture,
sin(tan-1(260/1000)=0.252 (대변 방향) sin (tan -1 (260/1000) = 0.252 (stool direction)
sin(tan-1(350/1000)=0.33 (대각방향)sin (tan -1 (350/1000) = 0.33 (diagonal)
이다. 조사면(14)의 조도 분포는 중심이 주변의 약 절반이지만, 테이퍼 로드(31)과 같은 개구수의 열화가 없다는 특징이 있다. to be. The illuminance distribution of the
조사 효율은 테이퍼 로드(31)과 같이 표 2가 된다. 따라서, 복합 포물면경(51)의 입구 치수는 LED(11) 치수의 1.1배 이하(L≤Din≤1.1 L), LED-복합 포물면경 간격은 LED(11) 치수의 0.2배 이하(0<t≤0.2 L)가 바람직하다. 또한, 여기에서는 중공(中空)의 복합 포물면경(51)을 나타냈지만, 유리의 내면 전반사(內面全反射)를 이용한 복합 포물면경이어도 괜찮다.Irradiation efficiency becomes Table 2 like the
도 14에 나타낸 것처럼, 발광 다이오드 조명 장치(50)는 도 15에 나타낸 LED(11)과 복합 포물면경(51)의 유닛을 복합 포물면경 출구 치수 Dout와 같은 간격으로(Io=Dout=Do) 6조 정방 배열한 것으로, 도 15의 6배의 면적을 조사할 수가 있다. 이 경우에도, 테이퍼 로드(31)를 이용한 발광 다이오드 조명 장치(30)와 마찬가지로, 도 15의 경우보다 휘도가 높아진다.As shown in FIG. 14, the
도 18에서는 본 발명의 실시의 형태의 발광 다이오드 조명용 부재를 나타낸다. 18 shows a light emitting diode illumination member according to an embodiment of the present invention.
도 18에 나타낸 것처럼, 발광 다이오드 조명용 부재(70)는 7개의 LED(11)를 평면 기판(71)에 Iled=8 mm의 간격으로, 동일 간격으로 조밀 배열해서 형성되어 있다. 또한, 이하의 설명에서는, 본 발명의 제1, 제2 및 제3의 실시의 형태의 발광 다이오드 조명 장치(10, 30, 50)와 동일한 구성에는 동일한 부호를 붙여서, 중복하는 설명을 생략한다.As shown in Fig. 18, the
각 LED(11)는 고휘도 조명 장치로서 사용하기 쉬운 조사 개구수가 0.1~0.5이기 때문에, 2 L<Iled<10 L의 간격 Iled로 배열된다. 또한, 7개의 LED(11)와 같은 면적을 1개의 LED로 하면 5.3 mm각의 칩(chip)이 된다. 이 LED를 2 mm각의 LED와 닮은꼴로 만들면, 발열량은 7배로 증가한다. 이때, 방열 저항은 2/5.3=1/2.7배로 감소하지만, 결과적으로 칩의 온도 상승은, 5.3/2=2.7배로 증가한다. 여기서, LED의 칩 온도 상한은 통상 150℃로 되어 있어서, 이것을 지키기 위해서는 발열량을 1/2.7로 줄여야 하며, 결과적으로 발광 면적을 7배로 해도, 전광속은 2.7(7의 제곱근) 배밖에 되지않는다.Each
방열을 위한 많은 제안이 이루어지고 있지만, 고휘도 LED의 발광 면적을 크게 하려면 방열에 의한 한계가 있다. 이 때문에, 발광 다이오드 조명용 부재(70)에서는, LED(11)를 분산 배치하여 방열성을 올려서, 결과적으로 개개의 LED(11)이 가지는 성능을 낼 수가 있도록 하고 있다. Many proposals have been made for heat dissipation, but there are limitations due to heat dissipation in order to increase the light emitting area of high-brightness LEDs. For this reason, in the light emitting
평면 기판(71)은 방열성이 좋은 알루미늄 또는 구리이다.The
이하에는, 발광 다이오드 조명용 부재(70)을 사용하여, 본 발명의 제1의 실시의 형태의 발광 다이오드 조명 장치(10)와 같은 유리, 같은 초점거리, 같은 지름으로, LED(11)의 발광면에서 광학계(12)의 제1면까지의 거리를 d0=0.8로 했을 때의 설계예를 나타낸다.Hereinafter, the light emitting surface of the
d0=0.8 d0 = 0.8
r1=∞ d1=2 n1=1.5168 ν1=64.17 r1 = ∞ d1 = 2 n1 = 1.5168 ν1 = 64.17
r2=-3.2 d2=1 r2 = -3.2 d2 = 1
r3=∞ d3=3.8 n2=1.8467 ν2=23.78 r3 = ∞ d3 = 3.8 n2 = 1.8467 v2 = 23.78
r4=-5.1 d4=0.5 k4=-1.6 r4 = -5.1 d4 = 0.5 k4 = -1.6
마찬가지로 d0=1로 했을 때의 설계예를 나타낸다.Similarly, the design example at the time of making d0 = 1 is shown.
d0=1 d0 = 1
r1=∞ d1=2.4 n1=1.5168 ν1=64.17 r1 = ∞ d1 = 2.4 n1 = 1.5168 v1 = 64.17
r2=-3.6 d2=1 r2 = -3.6 d2 = 1
r3=∞ d3=2.8 n2=1.8467 ν2=23.78 r3 = ∞ d3 = 2.8 n2 = 1.8467 v2 = 23.78
r4=-5.3 d4=0.5 k4=-1.9r4 = -5.3 d4 = 0.5 k4 = -1.9
이러한 설계에 있어서의 발광 다이오드 조명 장치(10)(d0=0.5)과 같은 조건에서의 몬테카를로·시뮬레이션 결과를, 표 3에 나타낸다.Table 3 shows the Monte Carlo simulation results under the same conditions as the LED lighting apparatus 10 (d0 = 0.5) in such a design.
표 3에 나타낸 것처럼, LED(11)로부터 광학계(12)의 제1면까지의 거리 d0가 커지면, 휘도의 변화는 없지만 조사 효율이 낮아진다. 표 3에 따라, 제1면까지의 거리 d0가 LED(11)의 치수 L의 0.4배 이하가 바람직하다. 이 때문에, LED(11)의 배선재(配線材), 커버 유리, 구조물 등은 LED 발광면에서 LED 치수의 0.4배 이내에 없어서는 안된다.As shown in Table 3, when the distance d0 from the
다음으로, 발광 다이오드 조명용 부재(70)을 사용해, 발광 다이오드 조명 장치(10)에 대해 LED(11)와 제1렌즈(21a)의 사이를 실리콘(굴절률=1.4)으로 밀봉했을 경우의 설계예를 나타낸다.Next, the design example at the time of sealing the
d0=0.5 n1=1.4 ν1=50 d0 = 0.5 n1 = 1.4 ν1 = 50
r1=∞ d1=1.4 n1=1.5168 ν1=64.17 r1 = ∞ d1 = 1.4 n1 = 1.5168 ν1 = 64.17
r2=-2.1 d2=1 r2 = −2.1 d2 = 1
r3=∞ d3=5.6 n2=1.8467 ν2=23.78 r3 = ∞ d3 = 5.6 n2 = 1.8467 v2 = 23.78
r4=-5 d4=0.5 k4=-0.67r4 = -5 d4 = 0.5 k4 = -0.67
이 설계의 발광 다이오드 조명 장치(10)와 동일 조건에서의 몬테카를로·시뮬레이션 결과는, 조사면의 휘도 11 cd/mm2, 조사 효율 44%였다. 밀봉함으로써, LED 출사광의 개구수는 1.4(=굴절률) 배로 된다. 이것은 개구수=1로 하면, LED 치수가 1.4배, 면적이 2배, 휘도가 1/2로 된 것과 같은 효과가 생긴다. 조사면의 휘도, 조사 효율과 같이 발광 다이오드 조명 장치(10)가 절반으로 된 것은, 이 효과에 의한다. 이것으로부터, 고휘도 LED 조명 장치에 대해서는, LED(11)를 공기중에 배치하는 것이 중요하다.The Monte Carlo simulation result on the same conditions as the light emitting
본 발명의 제1, 제2 및 제3의 실시의 형태의 발광 다이오드 조명 장치(10, 30, 50)의 조사면을 새로운 발광면으로서 취급할 수도 있다. 즉, 휘도를 떨어뜨리는 일 없이, 개구수를 줄여서 발광 면적을 늘린 새로운 발광면이 된다. 예를 들면, 발광 다이오드 조명 장치(10, 30, 50)의 조사면을 반사형의 표시 소자에 결상(結像)하여 사용할 수도 있다.The irradiation surface of the light emitting
10, 30, 50 발광 다이오드 조명 장치
11 LED(발광 다이오드)
12 광학계
13 믹싱 로드
14, 15 조사면
21a, 21b 렌즈
31 테이퍼 로드
51 복합 포물면경
70 발광 다이오드 조명용 부재
71 평면 기판10, 30, 50 light emitting diode lighting units
11 LED (Light Emitting Diode)
12 optical system
13 mixing rod
14, 15 screen
21a, 21b lens
31 tapered rod
51 compound parabolic mirror
70 Light Emitting Diodes
71 flat substrates
Claims (8)
상기 발광 다이오드의 발광면의 대표적 치수를 L, 상기 광학계의 대표적 치수를 Do, 장치로부터 조사되는 빛의 개구수를 NAout으로 했을 때,
0.8L/NAout≤Do≤1.1L/NAout
인 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 조명 장치.A light emitting diode illumination device having a light emitting diode and an optical system provided to convert a numerical aperture of the emitted light of the light emitting diode,
When the representative dimension of the light emitting surface of the light emitting diode is L, the representative dimension of the optical system is Do, and the numerical aperture of the light irradiated from the device is NAout,
0.8L / NAout≤Do≤1.1L / NAout
Light emitting diode illumination device characterized in that the.
상기 광학계는 양의 굴절력을 가지는 렌즈로 구성되며,
상기 발광 다이오드는 상기 광학계의 초점 또는 초점의 근방에 배치되되,
상기 광학계의 대표적 치수 Do를 상기 렌즈의 지름으로 하고, 상기 렌즈의 초점거리를 f로 했을 때,
Do≒2f≒L/NAout
인 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 조명 장치.The method of claim 1,
The optical system is composed of a lens having a positive refractive power,
The light emitting diode is disposed in or near the focal point of the optical system,
When the typical dimension Do of the optical system is the diameter of the lens and the focal length of the lens is f,
Do ≒ 2f ≒ L / NAout
Light emitting diode illumination device characterized in that the.
상기 발광 다이오드는 복수로 구성되어, 각각 동일 방향으로 빛을 출사하도록 발광면이 동일 평면상에 배치되고,
상기 광학계는 복수로 구성되어, 각 발광 다이오드의 출사광의 개구수를 변환하도록 각 발광 다이오드에 대응해 설치되며,
각 발광 다이오드의 발광면의 대표적 치수를 L, 서로 이웃이 되는 발광 다이오드 간의 간격을 Iled, 각 광학계의 대표적 치수를 Do, 서로 이웃이 되는 광학계 간의 간격을 Io, 장치로부터 조사되는 빛의 개구수를 NAout으로 했을 때,
0.8 L/NAout≤Do≤1.1 L/NAout
Io≤Iled
Io≤Do
인 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 조명 장치.The method of claim 1,
The light emitting diode is composed of a plurality, the light emitting surface is arranged on the same plane so as to emit light in the same direction, respectively,
The optical system is configured in plural and provided corresponding to each light emitting diode so as to convert the numerical aperture of the emitted light of each light emitting diode,
Representative dimensions of the light emitting surface of each light emitting diode are L, Iled is the spacing between neighboring light emitting diodes, Do is a representative dimension of each optical system, Io is the spacing between neighboring optical systems, and Io is the numerical aperture of light irradiated from the device. When set to NAout,
0.8 L / NAout≤Do≤1.1 L / NAout
Io≤Iled
Io≤Do
Light emitting diode illumination device characterized in that the.
각 광학계는 양의 굴절력을 가지는 렌즈로 구성되며,
각 발광 다이오드는 각각 각 광학계의 초점 또는 초점의 근방에 배치되되,
각 광학계의 대표적 치수 Do를 상기 렌즈의 지름으로 하고, 상기 렌즈의 초점거리를 f로 했을 때,
Do≒2f≒L/NAout
Io=Iled≤Do
인 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 조명 장치.The method of claim 3,
Each optical system is composed of a lens having a positive refractive power,
Each light emitting diode is disposed in or near the focus of each optical system,
When the typical dimension Do of each optical system is the diameter of the lens and the focal length of the lens is f,
Do ≒ 2f ≒ L / NAout
Io = Iled≤Do
Light emitting diode illumination device characterized in that the.
각 광학계는 테이퍼 로드로 구성되며,
각 광학계의 대표적 치수 Do를 상기 테이퍼 로드의 출구 치수로 하고, 서로 이웃이 되는 광학계 간의 간격 Io를 상기 테이퍼 로드 출구에서의 간격으로 하고, 상기 테이퍼 로드의 입구 치수를 Din, 상기 가는 테이퍼 로드의 열림각을 φ, 각 발광 다이오드와 각 광학계와의 간격을 t로 했을 때,
Do≒Din/NAout≒Io=Iled
φ<NAout/10
L≤Din≤1.1L
0<t≤0.2L
인 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 조명 장치.The method of claim 3,
Each optic consists of tapered rods,
Representative dimension Do of each optical system is made into the exit dimension of the said taper rod, space | interval Io between adjacent optical systems is made into the space | interval at the said taper rod exit, Din and the inlet dimension of the said taper rod are opened When the angle is φ and the interval between each light emitting diode and each optical system is t,
Do ≒ Din / NAout ≒ Io = Iled
φ <NAout / 10
L≤Din≤1.1L
0 <t≤0.2L
Light emitting diode illumination device characterized in that the.
각 광학계는 테이퍼 로드로 구성되며,
각 광학계의 대표적 치수 Do를 상기 테이퍼 로드의 출구 치수로 하고, 서로 이웃이 되는 광학계 간의 간격 Io를 상기 테이퍼 로드 출구에서의 간격으로 하고, 상기 테이퍼 로드의 입구 치수를 Din로 했을 때,
Do≒Din/NAout≒Io<Iled
인 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 조명 장치.The method of claim 3,
Each optic consists of tapered rods,
When the representative dimension Do of each optical system is made into the exit dimension of the said taper rod, the space | interval Io between adjacent optical systems is made into the space | interval at the said taper rod exit, and the inlet dimension of the taper rod is set to Din,
Do ≒ Din / NAout ≒ Io <Iled
Light emitting diode illumination device characterized in that the.
각 광학계는 복합 포물면 집광기로 구성되며,
각 광학계의 대표적 치수 Do를 상기 복합 포물면 집광기의 출구 치수로 하고, 상기 복합 포물면 집광기의 입구 치수 Din, 각 발광 다이오드와 각 광학계의 간격을 t로 했을 때,
Do≒Din/NAout≒Io=Iled
L≤Din≤1.1L
0<t≤0.2L
인 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 조명 장치.The method of claim 3,
Each optical system consists of a compound parabolic condenser
When the representative dimension Do of each optical system is the exit dimension of the compound parabolic light collector, and the inlet dimension Din of the compound parabolic light collector is set, and the interval between each light emitting diode and each optical system is t,
Do ≒ Din / NAout ≒ Io = Iled
L≤Din≤1.1L
0 <t≤0.2L
Light emitting diode illumination device characterized in that the.
각 발광 다이오드가 각각 동일 방향으로 빛을 출사 가능하도록, 2L<Iled<10L를 만족하는 간격으로, 평면상에 동일 간격으로 조밀 배열 또는 정방 배열되며, 각 발광 다이오드에 대해 각 발광 다이오드의 발광 방향으로 각 광학계를 0.4L 까지 근접 가능하게 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 조명용 부재.
In the light emitting diode illumination member which comprises the light emitting diode illumination device as described in any one of Claims 3-7,
Each light emitting diode is densely arranged or squarely arranged at equal intervals on a plane at intervals satisfying 2L <Iled <10L so that each light emitting diode can emit light in the same direction, and in the light emitting direction of each light emitting diode for each light emitting diode. A light emitting diode illumination member, characterized in that each optical system is configured to be close to 0.4L.
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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