KR20150058295A - 광을 리사이클링하기 위한 2개의 반사를 갖는 포물선형 반사기를 구비한 램프 시스템 - Google Patents

Abstract

램프 시스템은 광원 및 상기 광원 주위에 위치되고 중심축이 확장되는 어퍼처를 갖춘 포물선형 반사 칼라를 포함한다. 상기 어퍼처는 상기 축에 대해 낮은 각도로 상기 광원에 의해 방출된 광선들이 상기 포물선형 반사 칼라로부터 방출되게 하고, 반면 보다 높은 각도로 상기 광원에 의해 방출된 광선들이 리사이클링을 위해 반사된다. 상기 포물선형 반사 칼라는 보다 높은 각도의 광선들이 대향의 벽 반사부들에 두 번 반사되어 원래의 지점으로 다시 되돌아가도록 배치된다. 바람직하게 광원은 각기 다른 칼라 및 크기를 갖는 다수의 LED 어레이이다.

Description

광을 리사이클링하기 위한 2개의 반사를 갖는 포물선형 반사기를 구비한 램프 시스템{LAMP SYSTEM HAVING PARABOLIC REFLECTOR WITH TWO REFLECTIONS FOR RECYCLING LIGHT}

본 발명은 2012년 9월 18일 출원된 미국 가출원 제61/702,451호의 우선권을 주장한다.

구형(spherical) 반사기를 갖춘 램프는 광을 리사이클시켜 출력의 밝기를 증가시키는데 사용되고 있다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 히트 싱크(12) 상에 설치되는 LED(10)는 반사면을 갖는 반구형 리사이클링 칼라(16; hemispherical recycling collar)의 굴곡의 중심(14)에 배치된다. 그러한 반구형 리사이클링 칼라(16)는 어퍼처(18; aperture)를 형성하는 컷아웃(cutout)을 포함한다. 중심축(22)에 대해 비교적 낮은 각도, 즉 각도 α보다 작은 각도로 LED(10)로부터 방출된 광선(20)은 그 장치로부터 방출되고, 반면 보다 큰 각도, 즉 각도 α보다 큰 각도로 LED로부터 방출된 광선(24)은 리사이클링을 위해 LED(10)로 다시 반사된다.

상기 반구형 리사이클링 칼라(16)는 높은 리사이클링 효율을 제공한다. 상기 어퍼처(18)의 크기는 그러한 리사이클링의 양을 결정한다. 어퍼처가 작을 수록 리사이클링의 퍼센테이지가 높고 시스템의 출력이 더 크다(즉, 밝다).

도 1에 나타낸 바와 같이, LED(10)의 중심으로부터 방출되는 높은 각도의 광선(24)은 그 LED(10)의 중심으로 다시 반사될 것이다. 중심을 벗어난 위치로부터 방출되는 광선(26)은 방향 26a로 미러 이미지(mirror image) 형태로 다시 반사되고, 또 다시 중심을 벗어나나 그 LED 표면의 반대측에 위치된다.

단일의 LED(또는 다른 광원)를 갖춘 램프의 경우, 상기 기술된 시스템은 리사이클링을 위해 LED(10) 상으로 다시 큰 각도의 광선(24)을 리사이클링할 것이다. 그러나, 다수의 칼라 LED와 같은 다수의 광원을 갖춘 램프의 경우, 상기 시스템은 그와 같은 LED가 칼라(16)의 굴곡 중심에 위치되면 그 동일한 LED(10)로 다시 높은 각도의 광선을 반사할 것이다. 만약 도 1의 광원이 단일의 LED(10) 대신 다수의 LED를 구성하면, 기껏해야 LED들 중 단지 하나만이 그 굴곡 중심(14)에 위치되고 그 동일한 LED로 다시 리사이클된 높은 각도의 광선을 갖는다. 그 나머지의 광원들은 필연적으로 중심을 벗어나 위치될 것이다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 만약 LED(10)가 그 중심(14)의 대향측 상에 2개의 LED를 구성하는 것이면, 그 굴곡 중심의 우측의 중심에서 벗어나 위치된 LED로부터 방출된 높은 각도의 광선(26)은 중심(14)의 반대측에 위치된 LED에 대해 방향 26a로 뒷면의 표면에 의해 반사되는데, 즉 그 방출하는 LED(또는 다른 광원) 외에 다른 LED에 영향을 줄 것이다. 그 결과 중심을 벗어나 방출된 높은 각도의 광선(26)은 그 중심의 대향측 상의 LED들이 그 광선(26)을 방출하는 LED와 동일한 칼라가 아닌 이상 리사이클되지 않을 것이다.

다수의 광원이 사용되는 램프를 제공함과 동시에 광 어레이의 중심으로부터 방출될 뿐만 아니라 그 중심(14)으로부터 방출된 높은 각도의 광선(24, 26)의 효율적인 리사이클링을 제공하는 것이 바람직하다. 또한 중심의 대향측에 위치된 LED들이 각기 다른 칼라이고 시스템이 높은 각도의 광선(26)의 리사이클링을 제공하는 시스템을 제공하는 것이 바람직하다.

본 발명은 광을 리사이클링하기 위한 2개의 반사를 갖는 포물선형 반사기를 구비한 램프 시스템을 제공하기 위한 것이다.

램프 시스템은 광원 및 이 광원 주위에 위치되고 중심축이 확장되는 어퍼처를 갖춘 포물선형 반사 칼라(parabolic reflecting collar)를 포함한다. 상기 어퍼처는 상기 축에 대해 낮은 각도로 상기 광원에 의해 방출된 광선들이 상기 포물선형 반사 칼라로부터 방출되게 하고, 반면 보다 높은 각도로 상기 광원에 의해 방출된 광선들은 리사이클링을 위해 상기 칼라에 의해 반사된다.

상기 포물선형 반사 칼라는 포커스를 지나고 그 준선(directrix)에 평행한 축 주위를 포물선형 곡선(parabolic curve)을 회전시킴으로써 이루어진다. 그 결과의 반사기는 포물선형 표면으로 라운드된다. 상기 포커스에 배치된 LED로부터 방출된 광은 상기 포물선형 표면의 한 측면으로부터 반사되고, 평행 빔이 되어, 대향의 포물선형 표면 상으로 입사되어, LED 자체로 다시 재포커스된다. 상기 이러한 포물선형 리사이클링 칼라(parabolic recycling collar)와 도 1에 나타낸 바와 같은 구형 리사이클링 칼라간 하나의 주요한 차이점은 포커스 지점에서 그리고 그 근처로부터 방출된 광이 포물선형 반사기에 의해 두 번 반사되고 그 광이 방출되는 동일한 지점으로 다시 돌아간다는 것이다. 이러한 특성에 따라, 다수의 LED 및 다수의 칼라를 갖는 패키지로 사용되는 경우, 각각의 LED는 독립적으로 자체 광의 리사이클링을 수행할 수 있고 그 자신의 칼라를 갖는 각각의 LED는 다른 LED 및 칼라들과는 상관없이 밝기를 향상시킬 수 있다.

상기 포물선형 반사 칼라는 보다 높은 각도의 광선들이 대향의 벽 반사부들에 두 번 반사되어 원래의 지점으로 다시 되돌아가도록 배치된다. 바람직하게 광원은 각기 다른 칼라 및 크기를 갖는 다수의 LED 어레이이다.

도 1은 반구형 리사이클링 칼라를 갖는 종래 램프의 개략도이고;
도 2는 본 발명에 따른 램프 시스템의 개략도이고;
도 3은 2개의 녹색, 하나의 적색, 그리고 하나의 청색 LED로 이루어진 광원 어레이를 개략적으로 나타내고;
도 4는 도 3과 유사하나 그 LED들이 서로 다른 크기인 광원 어레이를 개략적으로 나타내고;
도 5는 도 2와 유사하나 도 3의 광원을 이용하는 램프 시스템의 개략도이고;
도 6은 상업적으로 이용가능한 멀티-칼라 LED 어레이의 사시도이고;
도 7은 도 5의 램프 시스템을 이용한 스포트라이트(spotlight)의 개략도이고;
도 8은 광원으로서 마이크로파 플라즈마 전구를 이용하는, 도 2와 유사한 램프 시스템의 개략도이며;
도 9는 도 5의 램프 시스템을 이용하는 프로젝션(projection) 시스템의 개략도이다.

도 2와 관련하여 본 발명에 따른 램프 시스템(30)은 광원, 예컨대 LED(10)를 포함한다. 그러한 광원은 반사면을 갖는 칼라(32) 및 램프의 축(36)의 중심에 있는 어퍼처(34; 즉, 개구)에 의해 둘러싸여진다. 도 1의 경우에서와 같이, 상기 어퍼처(34)는 미리 규정된 각도 이하의 상기 축(36)에 대한 방출각을 갖는 방출 광선이 램프 시스템으로부터 방출되게 함과 동시에, 그와 같은 미리 규정된 각도보다 큰 방출각을 갖는 광선이 상기 칼라(32)의 표면에 반사되게 한다.

본 발명에 따르면, 상기 칼라의 단면(도 2에 나타낸 바와 같은)은 광이 방출되는 방향으로 수렴되는 양측에서 포물선 형태를 갖는다. 광원, 예컨대 LED(10)는 그러한 포물선형 칼라(32; parabolic collar) 내에 중심에 위치된다. 상기 칼라(32)는, 축(36)에 대해 비교적 낮은 각도로 방출된 광선(20)이 개구(34)를 통해 방출되도록, 그리고 LED의 중심점(38)으로부터 방출된 보다 높은 각도의 광선(40)이 축(36)에 수직인 방향으로 포물선형 칼라(32)에 반사되도록 광원(10)에 대해 공간 이격된 방향에 위치된다. 그러한 반사된 광선(40a)은 상기 칼라(32)의 대향의 벽으로 지향되고, 거기서 그 광선은 다시 LED(10) 쪽으로 반사된다. 두 번 반사된 광선(40b)은 광선(40)의 각도의 미러 이미지인 각도(광선 40 및 40b가 90도 떨어진)로 다시 LED(10) 쪽으로 지향된다.

도 2는 또한 LED(10)의 중심을 벗어난 위치로부터 방출된 높은 각도의 광선(50)이 축(36)에 수직이 아닌 방향으로 제1포물선형 표면에 의해 반사되는 것을 나타내며, 상기 광선(50)의 반사 각도는 광선(40)의 반사 각도보다 크다. 그 반사된 광선(50a)은 지점(52)에서 그 대향의 포물선형 표면에 부딪혀 원래의 지점(54)으로 다시 반사된다. 따라서, 제1반사 광선(50a)은 광선(40a)의 반사 각도보다 작은 각도로 제2포물선형 표면에 의해 반사된다.

도 3 및 5와 관련하여, 도 3은 동일한 히트 싱크(57; 도 5 참조) 상에 조립된 2개의 녹색 LED, 하나의 적색 LED, 및 하나의 청색 LED를 구비한 RGGB LED 어레이(56) 형태의 멀티-컬러 광원 어레이의 예를 나타낸다. 도 5는 도 3의 RGGB 어레이(56) 및 도 2의 리사이클링 칼라(32)를 이용하는 램프 시스템(59)을 나타낸다. 상기 RGGB 어레이(56)가 중심축의 중심에 위치되면, 적색 및 녹색 LED로부터 방출된 광은 반대측 상으로 그 중심축을 벗어나 방출될 것이다. 그러나, 듀얼 포물선형 칼라(32)의 존재로 인해, 녹색 LED로부터 방출된 높은 각도의 광선(60)은 반사된 광선 60a 및 60b와 같이 녹색 LED로 다시 반사되며, 적색 LED(R)로부터의 높은 각도의 광선(62)은 반사된 광선 62a 및 62b와 같이 적색 LED로 다시 반사될 것이다.

도 4는 적색 LED(R), 녹색 LED(G), 청색 LED(B), 및 백색 LED(W)로 이루어진 멀티-컬러 광원(64)의 다른 예를 나타낸다. 4개의 LED가 동일한 히트 싱크(나타내지 않음) 상에 설치된다. 포물선형 칼라(32)가 높은 각도의 광선(60, 62)들을 광선이 방출되는 LED 상의 동일한 지점으로 다시 반사하기 때문에, 도 4에 의해 나타낸 바와 같이, 그러한 LED들은 각기 다른 크기를 갖는다.

도 6은 미국, 메사추세츠, 빌레리카의 루미노스 디바이스 인코포레이티드(Luminous Devices, Inc.)에 의해 판매되는 도 4에 대응하는 상업적으로 이용가능한 LED 어레이의 도면이다. 그와 같은 LED 어레이는 보통 다수의 컬러가 요구되는 스포트라이트 및 스테이지 조명과 같은 많은 애플리케이션에 이용된다.

도 7은 도 5의 램프 시스템(59)을 이용한 스포트라이트의 예이다. 어퍼처(34)를 통해 방출된 광선(20)은 그 출력 빔(20)을 원하는 다이버전스(divergence)로 형성하기 위해 렌즈 시스템(70)을 통해 지향된다. 그 출력의 컬러는 적절한 파워로 어레이(56)의 LED들을 구동함으로써 콘트롤될 수 있다.

도 8은, 램프 시스템(59a)의 광원이 단일 컬러의 마이크로파 플라즈마 전구(72)인 것을 제외하고, 도 7과 동일한 스포트라이트의 다른 실시예이다. 이러한 경우, 듀얼 포물선형 라사이클링 칼라(32)의 이미징 특성은 중심으로부터 소정 편향의 광원이 다시 광원(72) 상에 이미지되는 한 그 시스템 배열의 큰 허용오차를 허용한다.

도 9는 도 5의 램프 시스템(59)을 이용한 프로젝션 시스템(76)의 예를 나타낸다. 도 7의 시스템에서와 같이, 어퍼처(34)를 통해 방출된 광선(20)은 렌즈 시스템(78)을 통해 지향된다. 다음에, 그 빔은 광 터널(80)을 통해 지향되고, 이후 프로젝션 엔진(82)의 입력으로 지향된다. 렌즈 시스템, 광 터널 및 프로젝션 엔진의 이용은 공지되어 있어 상세히 기술하지는 않는다.

각각의 기술된 실시예들에 있어서, 방출 지점으로 다시 반사하기 위한 높은 각도의 광선(40, 50, 60 및 62)들의 리사이클링은 램프 시스템(30, 59 및 59a)의 밝기를 증가시켜 램프 시스템의 사용을 감소시킨다.

포물선형 리사이클링 칼라(32)는 금속, 유리, 또는 플라스틱으로 이루어질 수 있다. 그 반사 코팅은 알루미늄, 은, 또는 소정 파장을 목표로 한 다층 유전체 코팅이 될 수 있다.

상기한 설명은 본 발명의 바람직한 실시예들을 나타낸다. 통상의 기술자라면 다양한 변형을 알 수 있을 것이다. 모든 그와 같은 변형 및 변경은 다음의 청구항들에 기술된 바와 같은 발명의 범주 내에 속할 것이다.

Claims (8)

1. 광원; 및
   상기 광원 주위에 위치되고 중심축이 확장되는 어퍼처를 갖춘 포물선형 반사 칼라를 포함하며,
   상기 어퍼처는 상기 축에 대해 낮은 각도로 상기 광원에 의해 방출된 광선이 상기 포물선형 반사 칼라로부터 방출되게 하고, 리사이클링을 위해 보다 높은 각도로 상기 광원에 의해 방출된 광선을 반사하고,
   상기 포물선형 반사 칼라는 보다 높은 각도의 광선들이 대향의 벽 반사부들에 두 번 반사되어 원래의 지점으로 다시 되돌아가도록 배치되는, 램프 시스템.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 광원은 다수의 컬러 소스를 갖는 어레이이고, 상기 포물선형 반사 칼라는 보다 높은 각도의 광선들을 각각의 컬러 소스로 다시 두 번 반사하는, 램프 시스템.
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 광원은 적어도 하나의 LED를 포함하는, 램프 시스템.
4. 청구항 3에 있어서,
   상기 광원은 각기 다른 컬러의 다수의 LED를 포함하는, 램프 시스템.
5. 청구항 4에 있어서,
   상기 LED들은 서로에 대한 크기가 변화되는, 램프 시스템.
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 광원은 단일의 컬러 LED의 마이크로파 플라즈마 전구인, 램프 시스템.
7. 청구항 4의 램프 시스템을 갖춘 스포트라이트.
8. 청구항 4의 램프 시스템의 출력을 수신하기 위한 입력을 구비한 프로젝션 엔진을 갖춘 프로젝션 시스템.

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