KR20160027236A

KR20160027236A - 광원의 휘도를 증가시키기 위해 광을 재활용하는 조명 시스템 및 방법

Info

Publication number: KR20160027236A
Application number: KR1020167004462A
Authority: KR
Inventors: 케네스 케이. 리; 세이지 이나쯔구
Original assignee: 웨이비엔, 인코포레이티드
Priority date: 2006-06-13
Filing date: 2007-06-13
Publication date: 2016-03-09
Also published as: KR101678688B1; US8388190B2; TW200804727A; CN105805697A; KR101717891B1; KR20090031415A; WO2007146373A2; US7976204B2; US20070291491A1; TWI332069B; EP2032895B1; CA2652240C; CA2652240A1; CN101999059A; WO2007146373A3; US20110273862A1; JP2010503004A; EP2032895A2; EP2032895A4; JP5642385B2

Abstract

본 발명의 광원의 휘도를 증가시키기 위한 조명 시스템은 광을 공간적 및/또는 각도적으로 재활용하기 위해 광원(100), 바람직하게는 발광 다이오드(LED)에 커플링된 광학 재활용 장치(200)를 포함한다. 광학 재활용 장치(200)는 반사기 또는 거울(400)을 사용하여 LED에 의해 발광된 광선의 일부를 광원(100)으로 공간적으로 재활용하고, 그리고/또는 높은 각도의 광을 각도적으로 재활용하고 작은 각도의 광선을 투과하여 광원(100)의 출력의 휘도를 증가시킨다.

Description

광원의 휘도를 증가시키기 위해 광을 재활용하는 조명 시스템 및 방법 {ILLUMINATION SYSTEM AND METHOD FOR RECYCLING LIGHT TO INCREASE THE BRIGHTNESS OF THE LIGHT SOURCE}

본 발명은 조명 시스템의 휘도를 증가시키기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이며, 특히 광원의 휘도를 증가시키기 위해 광원으로부터 발광된 광을 재활용하는 조명 시스템 및 방법에 관한 것이다.

광원은 모든 유형의 조명 애플리케이션에 사용된다. 통상적인 광원은 아크 램프, 할로겐, 형광 장치, 마이크로파 램프 및 발광 다이오드(LED)를 포함하지만 이에 제한되지는 않는다. 많은 애플리케이션은 작은 유효 발광 면적에서 높은 수준의 휘도를 갖는 조명 시스템을 요구한다. 종래에는 더 많은 광원을 추가하여 이러한 높은 수준의 휘도를 달성할 수 있었다. 하지만, 이는 광원을 합체하는데 공간의 제약이 존재하면 기술적으로 불가능할 뿐만 아니라 여러 개의 광원을 합체 및 사용하는 것이 비용이 많이 들기 때문에 경제적으로 적절하지 않을 수 있다.

예컨대, 마이크로디스플레이계 텔레비전(MDTV, microdisplay based television)은 큰 크기의 스크린을 저렴하게 구비할 수 있는 가능성을 갖는다. 종래의 MDTV는 통상 아크 램프에 의해 조명된다. 광원은 가장 저렴한 비용으로 가장 밝을 수 있지만, 백색 광을 3색으로 분할해야 하는 요구와 짧은 수명으로 인해 덜 바람직하다. LED 기술이 진보함에 따라, LED의 긴 수명 특성과 즉시 켜짐(instant ON)과 같은 다른 이점을 얻기 위해 MDTV에서 광원으로 LED를 사용하는 것이 고려되어야만 한다. 하지만, 현재 LED는 작은 결상 패널을 사용하거나 또는 더 큰 스크린을 구비한 저가 애플리케이션에 대해 충분히 밝지 못하다. LED 재활용 개념은 광원의 휘도를 강화하기 위해 Zimmerman 등에 허여된 미국 특허 제6,869,206호에서 사용되었다. 하지만, Zimmerman 등의 특허는 하나의 광 출력 개구를 구비한 광 반사 공동에 LED를 수납하는 것을 개시한다. 또한, Zimmerman 등에 허여된 미국 특허 제6,144,536호는 가스 충전식 중공 내부를 수납하는 형광체 코팅(phorsphor coating)을 구비한 유리 엔벨로프(glass envelope)를 갖는 현광 램프(fluorescent lamp)를 개시한다. 현광체 코팅에 의해 발생된 광의 일부는 현광체 코팅으로 다시 재활용된다. 본 발명은 더 작은 패널이 사용될 수 있거나 또는 더 큰 스크린이 충분한 휘도로 조명될 수 있도록 효율적인 재활용에 의해 LED의 사용 가능한 휘도를 증가시키기 위해 하나 이상의 LED에 커플링될 수 있는 재활용 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

예컨대, LED는 전반 조명(general lighting), 건축화 조명(architectural lighting) 그리고 특히 최근에는 프로젝션 텔레비전과 같은 다양한 조명 용도에 사용되는 일 유형의 광원이다. 예컨대 프로젝션 텔레비전에 사용되면, LED는 텔레비전 스크린상에 필수적인 높은 광 출력을 제공하기 위해 높은 휘도 수준으로 작은 유효 발광 영역에서 광을 발광해야 한다. 특히, LED는 프로젝션 텔레비전에서 유용하도록 작은 발광 영역 내에서 작은 입체각(small and solid angle)으로 루멘(lumen) 내에서 계산될 때 강하고 밝은 광을 제공해야 한다. 불행하게도, 현재 상용화된 LED는 소비자가 점점더 선호하는 대형 프로젝션 텔레비전 스크린을 조명하기에 유용할 만큼 충분히 밝지 못하다.

따라서, 합리적인 가격으로 현재 그리고 미래의 애플리케이션의 요구를 만족시키는 조명 시스템을 제공하기 위해 LED의 휘도를 증가시킬 방법 및 시스템이 필요하다.

따라서, 본 발명의 일 목적은 종래 기술의 상기한 문제를 해결하는 조명 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 출력된 광의 휘도를 증가시키기 위해 광원에 의해 발광된 광의 일부를 재활용하는 재활용 장치를 포함하는 조명 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 출력된 광의 휘도를 증가시키기 위해 광원에 의해 발광된 광의 일부를 광원으로 되반사시켜 광을 재활용하는 공간적 재활용 장치를 포함하는 조명 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 출력된 광의 휘도를 증가시키기 위해 작은 각도의 광을 투과시키고 높은 각도의 광을 재활용하는 각도 재활용 장치를 포함하는 조명 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 출력된 광의 휘도를 증가시키기 위해 광원에 의해 발광된 광의 일부를 재활용하는 공간 및 각도 재활용 장치를 포함하는 조명 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 바람직하지 못한 편광을 갖는 광을 반사 및 재활용하기 위한 편광기를 더 포함하여 재활용 장치의 재활용 효과를 강화한 상술된 조명 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명은 광원의 휘도를 증가시키기 위해 광을 재활용하는 조명 시스템에 관한 것으로서, 조명 시스템이 합리적인 가격으로 광의 더 높은 출력을 제공할 수 있게 한다. 본 발명의 예시적 실시예에 따르면, 휘도를 증가시키기 위해 광을 재활용하는 조명 시스템은 공간 재활용 장치를 포함한다. 공간 재활용 장치는 광원, 바람직하게는 기판에 장착된 LED 칩에 커플링된 광 파이프를 포함한다. 공간 재활용 장치는 반사 매체로 광 파이프의 출력 단부의 일부를 덮거나 또는 광원으로부터의 광이 반사 매체에 의해 광 파이프를 통해 광원으로 되반사되도록 코팅됨으로써 광을 재활용한다. 광원은 광 파이프로 반사된 광을 재발광하여, 조명 시스템으로부터의 출력되는 광의 휘도를 증가시킨다.

본 발명의 예시적 실시예에 따르면, 휘도를 증가시키기 위해 광을 재활용하는 조명 시스템은 각도 재활용 장치를 포함한다. 각도 재활용 장치는 광원, 바람직하게는 기판상에 장착된 LED 칩에 커플링된 테이퍼식 광 파이프를 포함한다. 테이퍼식 광 파이프는 광 파이프가 입력 단부의 큰 단면 치수에서 출력 단부의 작은 단면 치수로 테이퍼지는 감소 테이퍼식 광 파이프인 것이 바람직하다. 각도 재활용 장치는 작은 각도의 광을 투과시키고 큰 각도의 광을 광원으로 되반사한다. 광원은 다른 각도 분포로 반사된 광을 재발광하여, 출력된 광의 휘도를 증가시킨다.

본 발명의 예시적 실시예에 따르면, 각도 재활용 장치는 광원, 바람직하게는 기판상에 장착된 LED 칩에 커플링된 감소 테이퍼식 광 파이프와, 감소 테이퍼식 광 파이프의 출력 단부에 커플링된 증가 테이퍼식 광 파이프를 포함한다. 감소 테이퍼식 광 파이프는 입력 단부의 작은 단면 치수로부터 출력 단부의 큰 단면 치수로 테이퍼 진다. 각도 재활용 장치는 작은 각도의 광을 투과하고 큰 각도의 광을 광원으로 되반사하여, 출력된 광의 휘도를 증가시킨다.

본 발명의 예시적 실시예에 따르면, 각도 재활용 장치는 광원, 바람직하게는 기판상에 장착된 LED 칩에 커플링된 렌즈 시스템을 포함한다. 렌즈 시스템은 오목 반사기 또는 반사 표면에 의해 둘러싸인 중심부에 렌즈 표면 또는 렌즈를 포함한다. 대안으로, 반사기는 LED 칩 상으로 다시 포커싱되기 전에 높은 각도의 광선이 두 번 반사되는 이중 포물선형 반사기일 수 있다. 반사기 및 반사 표면은 재활용을 위해 LED 칩으로 높은 각도의 광선을 되반사하고, 렌즈 또는 렌즈 표면은 광 출력으로 작은 각도의 광선과 커플링되어 출력된 광의 휘도를 증가시킨다.

본 발명의 예시적 실시예에 따르면, 광원의 휘도를 증가시키기 위한 광학 재활용 장치는 광원으로부터 복수의 광선을 투과하는 투과 매체를 포함한다. 투과 매체는 출력 단부와 광원에 커플링된 입력 단부를 구비한다. 거울 또는 반사기는 복수의 광선 중 일부 광선이 광원에 의해 재발광되도록 복수의 광선 중 일부 광선을 투과 매체의 입력 단부를 통해 광원으로 되반사시켜 복수의 광선 중 일부 광선을 재활용하도록 투과 매체의 출력 단부에 커플링되어, 광원의 출력의 휘도를 증가시킨다.

본 발명의 예시적 실시예에 따르면, 조명 시스템의 휘도를 증가시키기 위한 방법은 광원과, 입력 단부 및 출력 단부를 포함하며 출력 단부에 배치된 반사 매체를 더 포함하는 광 파이프를 제공하는 단계와, 광원에 의해 광선을 생성하는 단계와, 입력 단부가 광원에 사실상 근접하도록 광 파이프를 배치하는 단계와, 광선의 일부를 반사 매체에 의해 광 파이프로 되반사시키는 단계와, 광원으로부터 발광된 광과 반사된 광선을 커플링하는 단계와, 광 파이프의 출력 단부로부터 반사된 광선을 출력하여 조명 시스템의 휘도를 증가시키도록 광을 재활용하는 단계를 포함한다.

본 발명의 예시적 실시예에 따르면, 조명 시스템의 휘도를 증가시키기 위한 방법은 광원과, 입력 단부 및 출력 단부를 가지며 입력 단부의 큰 단면 치수로부터 출력 단부의 작은 단면 치수로 테이퍼진 테이퍼식 광 파이프를 제공하는 단계와, 광원에 의해 광선을 생성하는 단계와, 입력 단부가 광원에 대체로 근접하도록 테이퍼식 광 파이프를 배치하는 단계와, 입력 단부의 광선을 수광하는 단계와, 광각인 광선의 일부를 테이퍼식 광 파이프로 되반사하여 각 치수를 감소시키는 단계와, 출력 단부로부터 작은 각도 광을 출력하는 단계를 포함한다.

본 발명의 예시적 실시예에 따르면, 광원의 휘도를 증가시키기 위한 방법은 광원으로부터 복수의 광선을 수광하도록 광원에 광학 재활용 장치를 커플링하는 단계와, 복수의 광선 중 일부를 광원으로 다시 재활용하는 단계와, 광원에 의해 광학 재활용 장치로 복수의 광선 중 일부 광선을 재발광시켜, 광원의 출력의 휘도를 증가시키는 단계를 포함한다.

본 발명의 다양한 다른 목적, 장점 및 특징은 상세한 설명으로부터 쉽게 이해될 것이며 신규한 특징은 첨부된 청구항에 특정적으로 지시된다.

예로서 제공되어 단독으로 본 발명을 제한하지 않는 후속하는 상세한 설명은 다양한 구성에서 유사한 구성 요소 또는 구성이 유사한 도면 부호로 표시된 첨부된 도면과 함께 잘 이해될 것이다.

합리적인 가격으로 현재 그리고 미래의 애플리케이션의 요구를 만족시키는 조명 시스템을 제공하기 위해 LED의 휘도를 증가시킬 방법 및 시스템을 제공할 수 있다.

도1은 기판상에 장착된 LED 칩의 단면도이고,
도2는 광 파이프에 커플링된 도1의 LED를 도시하고,
도3은 광 파이프의 출력 단부의 일부를 덮는 반사기 또는 거울을 도시한, 본 발명의 예시적 실시예에 따른 조명 시스템의 단면도이고,
도4는 본 발명의 예시적 실시예에 따라 반사기에 의해 덮이지 않은 광 파이프의 출력 단부의 일부를 덮는 편광기를 추가로 포함하는 도3의 조명 시스템을 도시하고,
도5는 테이퍼식 광 파이프의 출력 단부의 주연부 둘레의 반사기를 도시하는, 본 발명의 예시적 실시예에 따른 조명 시스템의 단면도이고,
도6은 본 발명의 예시적 실시예에 따라 광을 재활용하는 감소 테이퍼식 광 파이프의 단면도이고,
도7은 테이퍼식 광 파이프를 갖는 본 발명의 예시적 실시예에 따른 도7의 감소 테이퍼식 광 파이프를 포함하는 조명 시스템의 단면도이고,
도8은 본 발명의 예시적 실시예에 따라 서로 커플링된 2개의 테이퍼식 광 파이프를 포함하는 조명 시스템의 단면도이고,
도9a 및 9b는 본 발명의 예시적 실시예에 따라, 기판상에 장착된 2개의 LED로서, LED들 사이의 기판상에 배치되고 직선 또는 테이퍼식 광 파이프에 각각 커플링된 반사 코팅을 구비한 LED를 포함하는 조명 시스템의 단면도이고,
도10a 및 도10b는 본 발명의 예시적 실시예에 따라, 2개의 LED로서, 기판상에 장착되고 LED들 사이에 광 파이프의 입력 단부상에 배치된 반사 코팅을 갖는 직선 또는 테이퍼식 광 파이프에 커플링된 LED를 포함하는 조명 시스템의 단면도이고,
도11a는 본 발명의 예시적 실시예에 따라 입력 단부에서 LED에 각각 커플링되고, 출력 단부에서 출력 단부의 일부를 덮어 공간적으로 광을 재활용하는 반사기를 구비한 동일한 직선 광 파이프에 각각 커플링된 2 개의 테이퍼식 광 파이프를 포함하는 조명 시스템의 단면도이고,
도11b는 본 발명의 예시적 실시예에 따라 입력 단부에서 LED에 각각 커플링되고, 출력 단부에서 각도적으로 광을 재활용하는 동일한 감소 테이퍼식 광 파이프에 각각 커플링된 2 개의 테이퍼식 광 파이프를 포함하는 조명 시스템의 단면도이고,
도12는 본 발명의 예시적 실시예에 따라 직선 광 파이프의 출력 단부를 덮는 반사 편광기를 더 포함하는 도11a의 조명 시스템의 단면도이고,
도13a 내지 도13d는 본 발명의 예시적 실시예에 따라 3개의 LED 칩의 출력을 결합하기 위해 직선 또는 테이퍼식 광 파이프에 커플링된 색 빔 결합기를 포함하는 조명 시스템의 단면도이고,
도14a 및 도14b는 본 발명의 예시적 실시예에 따라 기판상의 LED에 커플링된 직선 또는 테이퍼식 광 파이프와 유리 플레이트를 장착하기 위한 장착 프레임을 포함하는 조명 시스템의 단면도이고,
도15a 및 도15b는 2개의 LED 칩을 포함하는 도14a 및 도14b의 조명시스템이고,
도16은 본 발명의 예시적 실시예에 따라 각도적으로 광을 재활용하기 위해 큰 각도의 광선을 되반사하기 위한 2개의 오목 반사 표면과 작은 각도의 광선을 커플링하기 위한 렌즈 표면을 갖는 중실 광학 구성 요소를 포함하는 조명 시스템의 단면도이고,
도17은 본 발명의 예시적 실시예에 따라 각도적으로 광을 재활용하기 위해 큰 각도의 광선을 되반사하기 위한 오목 반사기와 작은 각도의 광선을 커플링하기 위한 렌즈를 포함하는 조명 시스템의 단면도이고,
도18은 본 발명의 예시적 실시예에 따른 이중 포물선형 반사기 또는 반사 표면을 사용하여 광을 각도적으로 재활용하기 위한 도16 및 도17의 조명 시스템의 단면도이고,
도19는 본 발명의 예시적 실시예에 따른 광학 재활용 장치를 합체한 LED 조명 시스템의 단면도이고,
도20은 본 발명의 예시적 실시예에 따라 광학 재활용 장치를 합체한 합체식 광학 기기를 구비한 LED 칩을 갖는 LED 조명 시스템의 단면도이고,
도21은 본 발명의 예시적 실시예에 따라 광학 재활용 장치를 합체한 LED 투영 시스템의 단면도이고,
도22는 본 발명의 예시적 실시예에 따라 광학 재활용 장치를 합체한 광섬유시스템의 단면도이고,
도23은 합체식 광학 기기를 구비한 LED 칩을 갖는 도21의 LED 투영 시스템 또는 도22의 광섬유 시스템의 단면도이고,
도24는 본 발명의 예시적 실시예에 따른 다양한 LED 반사율에 대한 계산된 휘도 향상 곡선을 도시하고,
도25는 본 발명의 예시적 실시예에 따른 다양한 LED 반사율에 대한 실험 휘도 향상 곡선을 도시하고,
도26은 본 발명의 예시적 실시예에 따라 LED가 광 파이프 부근에 밀접하게 배치된 계산된 휘도 향상 곡선을 도시한다.

도면을 참조하여, 본 발명의 예시적 실시예가 설명된다. 이러한 실시예들은 본 발명의 원리를 도시하며 본 발명의 범주를 제한하는 것으로 해석되면 안 된다.

본 발명의 예시적 실시예에 따르면 도3 내지 도5 및 도7 내지 도18에 도시된 바와 같이, 광원의 휘도를 증가시키기 위해 광을 재활용하는 조명 시스템(1000)은 광원(100)과 광학 재활용 장치(200)를 포함한다. 도1에 도시된 바와 같이, 광원(100)은 기판(140) 상에 장착된다. 하지만, 기판(140)은 광원(100)으로부터 발산된 열을 흡수 및 분산시키는 열싱크(140)에 제한되지 않는 것이 바람직하다. 광원(100)은 발광 다이오드("LED")인 것이 바람직하다. 또는 LED 광원(100)은 베어 칩(bare chip)으로 기판(140)에 장착될 수 있으며, 칩은 보호 코팅을 구비하거나, 또는 렌즈나 시준 렌즈가 장착된다. 칩 크기는 1㎟보다 작을 수 있거나, 또는 기술적으로 실행 가능한 정도의 크기일 수 있다. 상업적 칩은 치수가 3㎜ 내지 5㎜ 정도일 수 있다. 이러한 칩의 치수는 기술이 숙련됨에 따라 시간이 흐를수록 증가하고 있다. LED 칩(100) 상에 장착된 렌즈는 구형일 수 있거나 비구면과 같이 최대 커플링을 얻기 위한 임의 형상의 칩으로 제작될 수 있거나, 또는 투과를 위해 성형된 렌즈 또는 반사를 위해 성형된 표면의 조합일 수도 있다. 본 발명의 조명 시스템은 광원(100)으로 LED를 사용하여 설명되었지만, 광원(100)은 예컨대, 아크 램프, 할로겐 램프, 표면 발광 장치(surface emitting device, SEDs), 형광 장치, 마이크로파 램프 및 당업자에게 공지된 다른 광원을 포함하지만 이에 제한되지는 않는 임의의 광원일 수도 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 도9a 내지 도13d, 도15a 및 도15b에 도시된 바와 같이 본 시스템은 단일 기판(140) 상에 장착된 복수의 광원(100)을 포함할 수 있다. 본 발명의 일 양태에 따르면, 각각의 광원(100)은 도11a 내지 도12에 도시된 바와 같이 개별 기판(140)상에 장착될 수 있다.

본 발명의 예시적 실시예에 따르면, 광학 장치(200)는 광원(100)과 광학적으로 소통하는 공간 및/또는 각도 재활용 장치(spatial and/or angular recycling deviece)일 수 있다. 본원에 개시된 바와 같이, 공간 또는 각도 재활용 장치(200)는 일반적으로 직선 또는 테이퍼식 광 파이프(300)를 포함한다. 도2에 도시된 바와 같이, 광원 또는 LED(100)의 출력은 광 파이프(300)에 커플링되어, 광 파이프(300)의 출력 단부(320)에서 광의 균일한 강도 프로파일을 제공한다. 광 파이프(300) 내의 광은 전반사(total interanl reflection)를 통해 출력 단부(320)로 안내된다. LED(100)의 출력은 광 파이프(300)에 의해 포획되어 광 파이프(300)의 출력 단부(320)로 투과된다. 광 파이프(300)는 사각형, 육각형 또는 삼각형일 수 있다. 광 파이프(300)의 형상은 높은 커플링 효율을 위해 광원 또는 LED(100)의 형상과 일치하는 것이 바람직하다. 이상적인 경우에, LED(100)의 출력은 광 파이프(300)에 의해 완전히 포획된다. 광 파이프(300)의 단면 치수가 LED(100)와 일치하면, 광 파이프(300)의 출력 단부(320)에서의 출력 휘도는 LED(100)의 출력 휘도와 대체로 동일할 것이다. 하지만, 상업적인 용도에서는 LED(100)와 광 파이프(300) 사이에서 약간의 커플링 손실과 광 파이프(300) 내에서의 투과 손실이 예상된다.

본 발명의 예시적 실시예에 따르면, 도3 내지 도5, 도9a, 도10a, 도11a, 도12, 도13a, 도14a, 및 도15a에 도시된 바와 같이 공간 광학 재활용 장치(200)는 광 파이프(300)와, 광 파이프(300)의 출력 단부(320)에 커플링된 반사기, 거울, 반사 매체 또는 반사기 시스템(400)을 포함한다. 광 파이프(300)의 입력 단부(310)는 광원(100)과 광학적으로 소통하거나 커플링되고 출력 단부(320)는 반사 매체(400)에 커플링된다. 광학적 소통은 광 파이프(300)의 입력 단부(310)가 광원(100)으로부터 발광된 광을 집광하도록 광 파이프(300)를 광원(100) 부근에 배치하여 달성될 수 있다. 대안으로, 광 파이프(300)의 입력 단부(310)는 에폭시 또는 임의의 다른 내열성인 투명 연결 재료를 사용하여 광원(100)에 부착 또는 접착될 수 있다. 광 파이프(300)는 중공이거나 중실일 수 있으며 사각형, 육각형, 삼각형 등을 포함하는 임의의 단면 치수 형상을 가질 수 있지만 이에 제한되지는 않는다. 광 파이프(300)의 형상은 높은 커플링 효율을 위해 광원 또는 LED(100)의 형상과 일치하는 것이 바람직하다.

광 파이프(300)는 단면 치수가 균일할 수 있거나 또는 입력 단부(310)로부터 출력 단부(320)까지의 단면 치수가 증가 또는 감소되도록 테이퍼질 수 있다. 단면 치수가 증가하는 광 파이프(300)를 포함하는 광학 재활용 장치(200)는 출력 개구수(numerical aperture)를 줄일 수 있다. 반면에, 단면 치수가 감소하는 광 파이프(300)를 포함하는 광학 재활용 장치(200)는 광각(large angle)에서 광의 재활용을 향상시킬 수 있어 광의 각 재활용(angular recycling)을 제공한다.

광 파이프(300)는 유리, 석영, 플라스틱, 용융 실리카(fused silica), 아크릴 등으로 이루어질 수 있다. 광 파이프(300)는 표준 광섬유와 유사한 광 안내용 낮은 굴절율(refractive index) 재료로 코팅된 베어 표면(bare surface) 또는 표면을 갖거나, 또는 광 파이프(300)는 표면의 일부 또는 전체가 알루미늄과 같은 굴절 코팅으로 코팅될 수 있다. 본원에 개시 및 도시된 재활용 광 파이프(300)는 중실 광 파이프이지만, 실제 상업적 용도에서 광 파이프(300)는 입력 단부(310)와 출력 단부(320)의 개방부와, 반사면을 형성하는 거울을 갖는 중공일 수 있다. 입력 단부(310)와 출력 단부(320)의 개방부는 무반사 재료(anti-reflective material)로 코팅되어 광을 재활용할 때 광 파이프(300)의 효율을 증가시킨다.

반사 매체(400)가 광 파이프(300)의 출력 단부에 장착되어 광 파이프(300)의 출력 단부(320)의 일부를 덮는다. 반사 매체(400)는 외부 반사기, 거울 또는 반사 코팅 재료일 수 있다. 대안으로, 반사 매체(400)는 예컨대, 광 파이프(300)의 출력 단자(320)를 반사 코팅으로 적층함으로써, 광 파이프(300)에 합체될 수 있다. 반사 매체(400)가 광 파이프(300)의 출력 단부(320)의 일부를 덮기 때문에, 광원(100)으로부터의 광의 일부는 광 파이프(300) 내로 되반사된다. 반사된 광(110)은 도3에 도시된 바와 같이, 광 파이프(300)에 의해 광원(100)으로 투과되고 광원(100)으로부터의 출력으로 광 파이프(300) 내로 재발광 또는 되반사된다. 광 파이프(300)의 출력 단부(320)의 영역이 반사기(400)에 의해 감소되기 때문에, 반사기(400)에 의해 광 파이프(300) 내로 되반사된 임의의 광은 광원(100)으로부터 출력되고 광 파이프(300)에 존재하는 광의 휘도를 향상 또는 증가시켜서, 본 발명의 일 실시예에 따른 조명 시스템의 휘도를 증가시킨다. 전체 출력 파워가 광 파이프(300)로부터 더 작아질 것이지만, 광 출력의 휘도는 본 발명의 광학 재활용 장치(200)에 의해 광원(100)으로부터의 광의 일부를 재활용함으로써 증가될 것이다.

통상적으로, LED 칩 또는 다이(100)는 표면상으로의 광 입사량에 대한 표면에서 광이 반사되는 비율에 의해 정의되는 소정의 반사율을 갖는다. 또한, LED 칩(100)의 표면은 무반사성(non-specula)으로써, 산란 인자(scattering factor)에 의해 정의된다. 다양한 LED 반사율에 대해 광선 추적법(ray tracing)에 의해 계산된 공간 재활용 장치(200)의 이론적 재활용 효율이 도24에 도시된다. 본 발명의 공간 재활용 장치(200)의 휘도 향상은 광 파이프(300)의 출력 단부(320)에서의 개방부의 백분율(%)의 역수인 LED의 수에 대해 플롯팅된다. 예컨대, 본 발명의 공간 재활용 장치(200)의 출력은 광 파이프(300)의 출력 단부(320)의 20% 개방부(5개의 LED에 대응함)에 대해 60%의 LED 반사율인 경우에 대해 1.9배 더 밝다.

개시되지 않은 판매자(vendor)에 의해 제조된 LED를 사용하는 공간 재활용 장치(200)의 실험 결과가 도24의 이론적 곡선에 대해 플롯팅되어 도25에 개시된다. 거울(400)은 다양한 백분율의 개방부를 제공하기 위해 조절될 수 있도록 광 파이프(300)의 출력 단부(320)에 배치되었다. LED 칩(100)이 투명한 창과 함께 열싱크(140)에 장착되었기 때문에, LED(100)와 광 파이프(300) 사이의 커플링 효율은 100%가 아니었다. 또한, 광 파이프(300)의 출력 단부(320)에서의 거울(400)의 반사율은 100%가 아니었다. LED(100)의 반사율 손실과 이러한 손실에 기여하는 다른 실험적 결함으로 인해, 관찰된 반사는 LED의 반사율보다 적었다. 실험적 공간 재활용 장치(200)의 물리적 모델이 곡선 조정(curve fitting) 파라미터인 LED의 R(반사율) 및 S(산란)와 함께 ASAP 광선 투사 프로그램(ASAP ray tracing program)에 의해 구해졌다. 최선의 조정에서, 반사율(R)은 52%이며 산란(S)은 18도인 것으로 밝혀졌다. 또한, ASAP 광선 투사는 광 파이프(300)가 LED 다이(100)에 매우 근접하도록 창이 제거된 상태로 수행되었다. 도26은 광 파이프(300)의 출력 단부(320)에서의 개방부의 백분율(%)의 역수인 LED(100)의 수에 대한 광 파이프(300)와 직접 접촉하는 LED 다이(100)로 인한 계산된 휘도 향상을 도시한다. 예컨대, 1.6배의 휘도 향상이 광 파이프(300)의 출력 단부(320)의 20% 개방부(5개의 LED에 대응함)에 대해 존재하는 공간 재활용 장치(200)를 사용하여 LED 다이(100)에 대해 얻어질 수 있다.

본 발명의 예시적 실시예에 따르면, 도4에 도시된 바와 같이 광학 재활용 장치(200)는 편광 빔 분할기(PBS, polarizing beam splitter)(220) 또는 편광기(210), 바람직하게는 반사 편광기(210, reflective polarizer)를 포함하여, 편광 조명 시스템(1000)을 제공한다. 반사 편광기(210) 또는 PBS(220)는 광 파이프(300)의 전체 출력 단부(320)를 덮거나 또는 출력 단부(320)의 일부가 반사기에 의해 덮이지 않을 수도 있다. 또한, 반사 편광기(210) 또는 PBS(220)는 반사기(400) 전후에서 광 파이프(300)의 출력 단부(320) 상에 배치 또는 장착될 수 있다. 반사 편광기(210) 또는 PBS(220)는 바람직하지 않거나 또는 원치 않게 편광된 광을 광 파이프(300)로 되반사하여, 본 발명의 광학 재활용 장치(200)의 재활용 효율을 향상시키고 출력 광의 휘도를 증가시킨다.

*본 발명의 예시적 실시예에 따르면, 도4에 도시된 바와 같이 광학 재활용 장치(200)는 광학 재활용 장치(200)의 효율을 증가시키기 위해 편광 상태(light polarization state)의 스크램블(scrambling)을 증진하는 파장판(230, wave plate)을 포함한다. 파장판(230)은 광 파이프(300)의 출력 단부(320)와 반사 편광기(210) 사이에 배치될 수 있다.

도5를 다시 참조하면, 본 발명의 예시적 실시예의 공간 및 각도 재활용 장치(200)는 LED 칩(100), 입력 단부(310)가 출력 단부(320)보다 좁은 테이퍼식 광 파이프(300) 및 테이퍼식 광 파이프(300)의 출력 단부(320)의 주연부 주위의 거울(400)을 포함한다. LED 칩(100)은 열싱크(140) 상에 장착된다. 테이퍼식 광 파이프(300)의 좁은 입력 단부(310)는 LED 칩(100)과 광학적으로 소통된다. LED 칩(100)과 테이퍼식 광 파이프(300)의 입력 단부(310) 사이의 공기 간극은 굴절률이 낮은 에폭시(low index epoxy)로 충진될 수도 있다. 본 발명의 본 실시예에서 테이퍼식 광 파이프(300)를 사용함으로써, 특정 원뿔각(cone angle) 내에서의 효율 및 휘도 모두가 개선되었다. LED(100)가 광원으로 사용되면, 일반적으로 작은 각도 내의 광 출력만이 집광될 수 있기 때문에, 휘도는 통상 가장 중요한 파라미터이다. 예컨대, 상용화된 후면 투사 텔레비전(RPTV)에서 집광 각도는 약 38도로 추산되며 이러한 RPTV에서 38도 내지 90도로 발광되는 광은 사용되지 않거나 폐기될 것이다. 본 발명의 테이퍼진 재활용 테이퍼식 광 파이프(300)는 LED(100)로부터 광을 집광하고, 출력으로서 투과될 광의 적절한 각도를 선택하고, LED(100)로 나머지 광을 재활용하여, 선택된 각도 외측의 사용되지 않은 광을 재활용하여, LED(100)의 휘도를 효과적으로 증가시킨다. 광 파이프(300)의 출력 단부(320)의 주연부 주위에 배치된 거울(400)은 선택된 각도 외측의 광을 LED(100)로 반사하여, 사용되지 않는 광을 재활용한다. 선택된 각도 내에서 본 발명의 공간 재활용 장치(200)를 사용하여 LED(100)에 의해 출력되는 광의 양은 선택된 각도 내에서 자체로 LED(100)가 발광한 광의 양보다 커서, 사용가능한 범위 내에서 LED(100)의 휘도를 증가시킨다.

본 발명의 예시적 실시예에 따르면, 도14a 및 도14b에 도시된 바와 같이 본 발명의 (직선 또는 테이퍼진) 재활용 또는 재생 광 파이프(300)는 LED(100)의 패키징과 합체될 수 있다. LED(100) 및 장착 프레임(600)은 열싱크 또는 기판(140)에 장착된다. 유리 플레이트 또는 덮개(650)가 장착 프레임(600) 상에 장착되고 광 파이프(300)에 합체 또는 부착될 수 있다. 유리 덮개(650)는 또한 LED 칩(100)을 보호하는데에도 사용된다. 장착 프레임(600)의 크기는 광 파이프(300)와 LED 칩(100) 사이의 간극(610)을 제어하도록 조절될 수 있다. LED(100)로부터의 광이 광 파이프(300)에 최대로 커플링되도록 그리고 거울(400)에 의해 광 파이프(300)를 통해 LED(100)로 되반사되는 광을 위해 광 파이프(300)는 LED 칩(100)에 밀접하게 위치되는 것이 바람직하다.

도14a 및 도14b에 도시된 바와 같이, 광 파이프(300)의 출력 단부(320)에서 표면의 일부는 반사 표면[예컨대, 반사 매체, 코팅 또는 거울(400)]으로 덮여서, 광 파이프(300) 내에서의 광의 재활용을 증진시킨다. 반사 매체(400)는 광 파이프(300)의 출력 단부(320)의 표면의 주연부 주위에 배치되는 것이 바람직하다. 도시되지는 않았지만, 일측 또는 다른 측으로 편의된 반사 매체(400)로 출력 표면의 일부를 덮는 것과 같은 다른 구성이 사용될 수도 있다. 본원에 개시된 바와 같이, 광 파이프(300)는 유리 덮개(650)에 부착될 수 있어 광학 재활용 장치(200)의 다양한 광학 구성 요소의 장착을 용이하게 한다. 본 발명의 합체식 광 파이프를 위한 조립 공정은 유리 덮개(650)가 광 파이프(300)와 함께 형성되는 것을 제외하면 표준 LED 조립과 유사하다. 광 파이프(300)는 용도에 따라 (증가 또는 감소되도록) 테이퍼지거나, 직선이거나, 중실이거나 또는 중공일 수 있다. 중공 광 파이프는 에폭시, 납땜 또는 다른 부착 수단에 의해 덮개 유리(650)에 4개의 거울을 부착하여 조립될 수 있다.

본 발명의 예시적 실시예에 따르면, 직선 또는 테이퍼식 광 파이프(300)는 도15a 및 도15b의 2개의 LED 칩(100)과 같이 다중 LED 칩(100)의 패키징과 합체될 수 있다. 다중 LED 또는 LED 칩(100)은 단일의 장착 프레임(600)과 함께 열싱크 또는 기판(140) 상에 장착된다. 도15a 및 도15b에 도시된 바와 같이, 광 파이프(300)의 입력 단부(310)에서 LED 칩(100)들 사이의 공간에 대응하는 표면은 광 파이프(300) 내에서의 광의 재활용을 증진하기 위해 반사 코팅으로 코팅된다.

대부분의 LED는 람베르시안 발광 패턴(lambertian emission pattern)을 갖다. 광 격자(photonic lattice)로 이루어진 특정 LED는 휘도가 더 높아지도록 작은 각도(small angle)에서 강화된 발광 패턴을 갖는다. 임의의 경우에서, 작은 각도에서의 휘도는 더 높은 각도(high angle)에서의 휘도보다 높다. 그 결과, 더 높은 휘도가 요구되면, 작은 각도의 발광만이 사용될 수 있으며, 이는 모든 높은 각도의 발광을 폐기시킨다. 이러한 최종 시스템은 매우 비효율적이다. 이러한 단점을 극복하기 위해, 높은 각 발광이 LED로 되반사되고 낮은 각 발광만이 투과되도록 각 재활용 시스템이 사용된다. 도5는 각 재활용 시스템의 개략도를 도시한다.

도6 내지 도8, 도9b, 도10b, 도11b 도13c, 도13d, 도14b 및 도15b를 참조하면, 본 발명의 예시적 실시예의 광학 재활용 장치(200)는 중공 또는 중실 테이퍼식 광 파이프(300)를 포함한다. 도6은 더 넓은 영역으로부터 작은 영역[입력 단부(310)가 출력 단부(320)보다 크다]으로 테이퍼진 감소 테이퍼식 광 파이프(300)를 포함하는 각도 재활용 장치(200)를 도시한다. 이러한 감소 테이퍼식 광 파이프(300)는 큰 입사각을 갖는 입력 광을 필터링하는데 사용될 수 있다. 즉, 큰 입사각을 갖는 입력 광은 반사되고 작은 입사각을 갖는 입력 광만이 감소식 테이퍼식 광 파이프(300)에 의해 투과될 것이다. θa의 입사각으로 감소식 테이퍼식 광 파이프(300)의 입력 단부(310)에 진입하는 입력 광선(a0)은 여러 차례 감소식 테이퍼식 광 파이프(300) 내측에서 반사되어 출력 광선(a1)으로서 감소식 테이퍼식 광 파이프(300)의 출력 단부(320)를 통해 빠져나간다. 입력 광선은 더 큰 입사 각도로 증가 테이퍼식 광 파이프(300)를 빠져나갈 수 있다. θb의 큰 입사 각도로 감소 테이퍼식 광 파이프(300)의 입력 단부(310)에 진입하는 광선(b0)도 감소 테이퍼식 광 파이프(300) 내에서 여러 차례 반사되지만, 감소 테이퍼식 광 파이프(300)의 출력 단부(320)에 도달하기 전에 광선(b0)의 입사각이 90도를 넘게 된다. 광선(b0)은 감소 테이퍼식 광 파이프(300)의 입력 단부(310)를 향해 되반사하기 시작하여, 도6에 도시된 바와 같이 광선(b1)으로서 감소 테이퍼식 광 파이프(300)의 출력 단부(320)가 아니라 입력 단부(310)를 빠져나간다. 감소 테이퍼식 광 파이프(300)는 사실상 작은 입사각의 광은 투과되고 큰 입사각의 광은 감소 테이퍼식 광 파이프(300)에 의해 거부 또는 반사되는, 입사 입력 광에 대한 각 필터로 작용한다.

도7, 도8, 도9b, 도10b, 도11b, 도13c, 도13d, 도14b 및 도15b에 도시된 바와 같이, 본 발명의 예시적 실시예의 각도 재활용 장치(200)는 감소 테이퍼식 광 파이프(300)와 복수의 LED(100)를 포함한다. LED(100)는 감소 테이퍼식 광 파이프(300)의 입력 단부(310)의 전방에 배치되며, 이때 LED(100)의 영역이 감소 테이퍼식 광 파이프(300)의 입력 단부(310)의 영역과 대체로 동일하다. 높은 입사 각도의 광 또는 높은 각도의 광은 본 발명의 감소 테이퍼식 광 파이프(300)에 의해 LED(100)로 되반사된다. 반사된 광은 LED(100)에서 재활용되어 원래 입력 광과 다른 각 분포를 가지고 감소 테이퍼식 광 파이프(300) 내로 다시 반사된다. 즉, 재활용되어 반사된 광의 일부가 감소 테이퍼식 광 파이프(300)에 의해 투과되고 감소 테이퍼식 광 파이프(300)의 출력에 커플링되도록 작은 입사각(또는 작은 각도 광)을 갖는다. 작은 각도의 광은 출력으로서 감소 테이퍼식 광 파이프(300)의 출력 단부(320)를 빠져나간다. LED 표면이 산란(scattering)을 갖기 때문에, 높은 각도로 반사된 광의 일부는 낮은 각도로 산란되고 각도 재활용 장치(200)의 외부에서 커플링되어, 조명 시스템(1000)의 휘도를 증가시킨다. 도8에 도시된 바와 같이, 본 발명의 예시적 실시예의 감소 테이퍼식 광 파이프(300)의 출력 단부(320)는 다른 테이퍼식 광 파이프(300)(바람직하게는 증가 테이퍼식 광 파이프)의 입력 단부(310)에 커플링될 수 있어, LED로부터의 높은 각도의 광을 감소시키지만, 광 출력 영역을 증가시킨다.

본 발명의 예시적 실시예에 따르면, 조명 시스템(1000)은 단일 출력 광 파이프(300)에 커플링된 복수의 LED(100)를 포함한다. 도11a, 도11b 및 도12를 다시 참조하면, 본 발명의 예시적 실시예에 따른 2개의 LED(100)는 2개의 테이퍼 입력 광 파이프(350), 바람직하게는 증가 테이퍼식 광 파이프(350)를 사용하여 단일의 출력 광 파이프(300)(도11에서와 같은 직선 광 파이프 또는 도11b에서와 같은 테이퍼식 광 파이프)에 커플링된다. 테이퍼 입력 광 파이프(350)의 이력 단부는 2개의 LED(100)에 개별적으로 커플링되고 테이퍼 입력 광 파이프(350)의 출력 단부는 출력 광 파이프(300)에 커플링된다. 본원에 개시된 바와 같이, 출력 광 파이프(300)의 출력 단부(320)는 광학 재활용 장치(200) 내에서의 재활용을 증진시키기 위해 반사 코팅 또는 매체로 부분적으로 코팅되어, 조명 시스템(1000)의 휘도를 증가시킨다. 입력 광 파이프(350)의 출력 단부들 사이의 간극이 최소화되어 높은 광 커플링 효과를 얻도록, 테이퍼 입력 광 파이프(350)의 출력 단부들의 치수는 출력 광 파이프(300)의 입력 단부의 치수와 일치하는 것이 바람직하다.

도9a, 도9b, 도10a, 도10b, 도11a, 도11b 및 도12에 도시된 바와 같이, 본 발명의 예시적 실시예의 조명 시스템(1000)은 복수의 LED 칩 또는 LED(100)를 바람직하게는 1차원(즉, LED의 열) 또는 2차원 어레이로 밀접하게 패키징하여 포함한다. 도11a, 도11b 및 도12에 도시된 바와 같이, LED/LED 칩(100)과 입력 광 파이프(350)는 조밀하게 또는 밀접하게 패키징되는 것이 바람직하다. LED(100)와 입력 광 파이프(350)의 형상은 원형, 삼각형, 육각형, 팔각형 등일 수 있다. LED(100)와 입력 광 파이프(350)의 치수는 균일할 수 있지만, 조명 시스템의 용도에 따라 변경될 수도 있다. 즉, 광학 재활용 장치(200)는 다양한 형상과 치수를 갖는 복수의 입력 광 파이프(350)와 다양한 형상과 치수를 갖는 복수의 LED(100)를 포함할 수 있다. 예시적 실시예에 따르면, LED(100)와, LED(100)가 커플링된 입력 광 파이프(350)는 대체로 유사한 형상을 갖는다. 예컨대, 삼각형 입력 광 파이프(350)는 삼각형 LED(100)에 커플링된다. 이로 인해, 본 발명의 조명 시스템(1000)은 출력 파워 및 크기가 다양한 기존의 쉽게 구입 가능한 LED를 조합하여 특정 출력 파워를 제공하도록 설계된다는 점에서 유리하다. 또한, 다중 LED(100)를 사용하여, 출력 파워 및 파장에 대한 평균 효과(averaging effect)를 추가로 제공한다. 통상적으로 LED 제품에서 LED/LED 칩의 출력 파워 및 파장은 양호하게 제어되지 않는다. 현재의 LED 제품은 수개의 파장 및 수개의 파워 범위로 LED 칩을 "묶을(binning)" 필요가 있다. 수개의 LED가 본 발명의 다양한 실시예에 따라 단일의 출력원으로 결합되면, 조명 시스템(1000)(또는 광원)의 평균 변동(average variation)은 전체적으로 출력 파워와 파장 모두에서 더 작을 것이다. 충분한 LED가 본원의 다양한 실시예에서와 같이 단일의 광 출력원으로 사용되면, 상기한 묶음이 필요하지 않아, LED/LED 칩의 수율을 개선하고 제조 비용을 절감할 수 있다.

통상적으로 2개 이상의 색이 색 투영 시스템에 사용된다. 본 발명의 예시적 실시예에 따르면, 조명 시스템(1000)은 예컨대, 전체가 참조로서 본원에 합체되었으며 본 출원의 공동 양수인이 소유한 발명의 명칭을 "다중 광원의 효율적인 확산 조합(Etendue Efficient Combination fo Multiple Light Sources)"으로 하는 공동 계류중인 출원 번호 제11/351,013호에 개시된 기술을 사용하여 조합 및 혼합될 수 있는 다양한 색의 LED 또는 LED 칩을 포함한다. 즉, 예컨대 본 발명은 일부 모멘텀을 얻기 위해 시동하는 3색(적색, 녹색 및 청색) 투영 시스템 또는 4색 및 5색 투영 시스템을 제공하기 위해 사용될 수 있다.

도9a, 도9b, 도10a 및 도10b에 도시된 바와 같이, 본 발명의 예시적 실시예의 광학 재활용 장치(200)는 광 파이프(300)의 입력 단부(310)에 커플링된 다중 LED 칩을 포함한다. 본원에 개시된 바와 같이, LED 칩(100)은 LED 칩(100)들 사이의 공간을 최소화하여 조밀하게 패키징된다. LED 칩(100)들 사이의 공간이 반사적이거나, 부분 반사적이거나 또는 무반사적일 수 있지만, 바람직하게는 이러한 공간은 광의 재활용을 증진하기 위해 반사적이어서, 광학 재활용 장치(200)의 효율이 증가된다. 도9a 및 도9b에 도시된 바와 같이, 본 발명의 예시적 실시예의 LED 칩(100) 사이의 기판(140)의 표면[즉 공간(130)]은 반사기, 거울, 반사 코팅 등을 이용하여 반사적이 된다. 대안으로, 도10a 및 도10b에 도시된 바와 같이 LED 칩(100) 사이의 공간(130)에 대응하는 광 파이프(300)의 입력 단부(310)는 반사기, 거울, 반사 코팅 등을 이용하여 반사적이 될 수 있다. 증가 테이퍼식 광 파이프(300) 만이 도9b 및 도10b에 도시되었지만, 증가(큰 출력 단부에 대한 작은 입력 단부) 테이퍼식 광 파이프(300) 또는 감소(작은 출력 단부에 대한 큰 입력 단부) 테이퍼식 광 파이프(300) 중 어느 하나가 사용될 수 있다. 증가 테이퍼식 광 파이프(300)는 출력 개구수(output numerical aperture)를 감소시키는데 사용될 수 있으며, 감소 테이퍼식 광 파이프(300)는 입사각이 큰 광의 재활용을 향상시키는데 사용될 수 있다.

도13a 및 도13b에 도시된 바와 같이, 본 발명의 예시적 실시예의 조명 시스템(1000)은 광 파이프(300)(직선 또는 테이퍼식 광 파이프 중 하나) 또는 다양한 색 LED(100)[예컨대, 다양한 파장을 갖는 광을 발광하는 각각의 LED(100)]로부터의 출력을 단일 출력(250)으로 조합하기 위한 색 비임 결합기(700)를 포함한다. 도13a에 도시된 바와 같이, 색 빔 결합기(700)는 적색, 청색 및 녹색 LED(100)와 같은 다양한 색 LED(100)로부터의 출력을 결합하기 위해 큐브 프리즘(P1, P2, P3)(바람직하게는 편광 빔 분할기)와 큐브(G1, G2)를 포함한다. 큐브 프리즘(P3)은 광 파이프(300)의 입력 단부(310)에 커플링된다. 적색 LED(R-LED)(100)는 큐브 프리즘(P1)에 의해 큐브(G1)로 반사되는 적색 광을 발광한다. 큐브 프리즘(P2)은 큐브(G1)로부터 수광된 적색 광을 투과하고 녹색 LED(G-LED)(100)에 의해 발광된 녹색 광을 반사한다. 큐브 프리즘(P2)은 반사된 녹색 광과 투과된 적색 광 모두를 큐브(G2)로 투과한다. 큐브 프리즘(P3)은 큐브(G2)로부터 수광된 녹색 및 적색 광 모두를 투과하고, 청색 LED(B-LED)(100)에 의해 발광된 청색 광을 광 파이프(300)로 반사한다. 큐브 프리즘(710), 큐브(720) 및 광 파이프(300)의 모든 측면은 조명 시스템(1000)의 다양한 광학 구성 요소를 통한 효율적인 안내를 위해 연마되는 것이 바람직하다. 본원에 개시된 바와 같이, 광 파이프(300)의 출력 단부(320)는 재활용을 증진하기 위해 출력 단부(320)의 일부를 덮는 반사 코팅, 반사기 또는 거울(400)을 가짐으로써 조명 시스템(1000)의 휘도를 증가시킨다.

대안으로, 삼각형 프리즘(730)과 같은 색 빔 결합기(700)와 광 파이프(300)가 일체로 합체된다. 도13b에 도시된 바와 같이, 조명 시스템(1000)은 R-LED(100), G-LED(100) 및 B-LED(100), 도파관 섹션(W1-W5) 및 출력 섹션(300)(테이퍼지거나 또는 직선일 수 있음)을 포함한다. 도파관 섹션(W1, W3, W5)은 삼각형 프리즘인 것이 바람직하다. 적색 LED(R-LED)(100)는 도파관 섹션(W1)에 의해 도파관 섹션(W2)으로 반사되는 적색 광을 발광한다. 도파관 섹션(W3)은 도파관 섹션(W2)으로부터 수광된 적색 광을 투과하고 녹색 LED(G-LED)(100)에 의해 발광된 녹색 광은 반사한다. 도파관 섹션(W3)은 반사된 녹색 광과 투과된 적색 광 모두를 도파관 섹션(W4)으로 투과시킨다. 도파관 섹션(W5)은 도파관 섹션(W4)으로부터 수광된 녹색 및 적색 광 모두를 투과시키고 청색 LED(B-LED)(100)에 의해 발광된 청색 광을 출력 섹션(300)으로 반사한다. 색 빔 결합기의 일 예는 전체가 본원에 참조로서 합체된 공동 계류중인 출원 제11/351,013호에 개시된다. 도파관 섹션(W1-W5)과 출력 섹션(300)의 모든 측부는 조명 시스템(1000)의 다양한 광학 구성 요소를 통한 효율적인 안내를 위해 연마되는 것이 바람직하다. 본원에 개시된 바와 같이, 출력 섹션(300)의 출력 단부(320)는 재활용을 증진하기 위해 출력 단부의 일부를 덮는 반사 코팅, 반사기 또는 거울(400)을 가짐으로써, 조명 시스템(1000)의 휘도를 증가시킨다.

본 발명의 예시적 실시예에 따르면, 조명 시스템(1000)은 각도 재활용 장치(200)를 포함한다. 도16에 도시된 바와 같이, 각도 재활용 장치(200)는 열싱크(140) 상에 장착된 LED(100)와, 반사 오목면(820, 830) 및 렌즈 표면(810)을 갖는 플라스틱 또는 유리(800)로 이루어진 중실 광학 구성 요소를 포함한다. 반사 오목면(820, 830)은 렌즈 표면(810)을 둘러싸는 것이 바람직하다. 반사 오목면(820, 830)의 형상은 구형, 포물선 또는 타원형일 수 있으며, 반사 코팅에 의해 반사적이 될 수 있다. 반사 표면(820, 830)은 재활용을 위해 LED(100) 내로 높은 각 광선을 되반사하는 되반사기(retro-reflector)로 작동한다. LED(100)로부터의 작은 각 광선은 렌즈 표면(810)에 의해 커플링되어 출력(250)으로서 각도 재활용 장치(200)로부터 출력된다.

대안으로, 도17에 도시된 바와 같이 각도 재활용 장치(200)는 열싱크(140) 상에 장착된 LED(100), 반사기(840, 850) 및 렌즈(860)를 포함한다. LED(100)로부터의 높은 각도의 광선은 재활용을 위해 반사기(840, 850)에 의해 LED로 되반사되고 LED(100)로부터의 작은 각도의 광선은 렌즈(860)에 의해 커플링되어 출력(250)으로서 각도 재활용 장치(200)로부터 출력된다.

도18에 도시된 바와 같이, 본 발명의 예시적 실시예의 도16 및 도17의 각도 재활용 장치(200)는 이중 포물선형 반사기(840, 850)를 포함하거나 또는 반사 표면(820, 830)은 LED(100)상으로 다시 포커싱되기 전에 높은 각 광선을 두 번 반사하는 이중 포물선형 반사기로 작용한다. 즉, 반사 표면(820) 또는 반사기(840)로부터 반사된 광은 반사 표면(830) 또는 반사기(850)에 의해 각각 시준 및 수광된다. 그 후, 시준된 광은 재활용을 위해 반사 표면(830) 또는 반사기(850)에 의해 재포커싱되고 LED(100) 상으로 포커싱된다. 또한, 반사 표면(820, 830)과 반사기(840, 850)의 곡률 반경은 반사 표면(820, 830) 또는 반사기(840, 850)가 렌즈 표면(810) 또는 렌즈(860)보다 LED에 더 근접할 수 있도록 렌즈 표면(810) 또는 렌즈(860)의 곡률 반경보다 작을 수 있다.

본 발명의 예시적 실시예에 따르면, 본 발명의 광학 재활용 장치(200)는 광의 공간 및/또는 각 재활용을 이용하여 LED 소스의 휘도를 증가시키도록 종래의 LED 조명 시스템에 합체될 수 있다. 통상적으로, 종래의 LED 조명 시스템에서 LED 칩(100)으로부터의 광은 외부 광학 시스템(800)을 통해 애플리케이션(900)[예컨대, 프로젝션 디스플레이 스크린(projection display screen)]에 커플링된다. 도19에 도시된 바와 같이, 본 발명의 공간 및/또는 각 광학 재활용 장치(200)는 LED 칩(100)과 외부 광학 시스템(800) 사이에 삽입되어 애플리케이션(900)에서 광의 휘도를 증가시킨다.

도20을 다시 참조하면, 본 발명의 공간 및/또는 각도 재활용 장치(200)는 LED 칩(100)으로부터 광을 추출하기 위해, LED 패키지 상의 몰딩된 렌즈와 같은 통합식 광학 기기(850)와 함께 LED 칩(100)을 갖는 종래의 LED 조명 시스템으로 합체될 수 있다. 이때, 본 발명의 공간 및/또는 각도 재활용 장치(200)는 통합식 광학 기기(850)와 외부 광학 시스템(800) 사이에 삽입되어 애플리케이션(900)에서 광의 휘도를 개선한다.

본 발명의 예시적 실시예에 따르면, 본 발명의 광학 재활용 장치(200)는 광의 공간 및/또는 각 재활용을 이용하여 투영 시스템(950)으로 커플링된 광의 양 및/또는 LED의 휘도를 증가시키도록 종래의 LED 투영 시스템에 합체될 수 있다. 통상적으로 종래의 LED 투영 시스템에서, LED 칩(100)으로부터의 광은 렌즈 또는 렌즈 시스템(810)을 사용하여 투영 시스템(950)에 커플링된다. 도21에 도시된 바와 같이, 본 발명의 공간 및/또는 각 광학 재활용 장치(200)는 LED 칩(100)과 렌즈(810) 사이에 삽입되어, 투영 시스템(950)으로 커플링된 광의 양 및/또는 광의 휘도를 증가시킨다.

도22에 도시된 바와 같이, 본 발명의 예시적 실시예의 본 발명의 공간 및/또는 각도 재활용 장치(200)는 광섬유(fiber optics) 시스템에 합체될 수 있어 광섬유(920)에 커플링된 전체 광과 LED 소스의 휘도를 증가시킨다. 이때, 본 발명의 공간 및/또는 각도 재활용 장치(200)는 LED 칩(100)과 렌즈(810) 사이에 삽입되어 광섬유(920)에 커플링된 광의 양 및/또는 광의 휘도를 증가시킨다.

도23을 참조하면, 본 발명의 공간 및/또는 각도 재활용 장치(200)는 도21의 LED 투영 시스템, 또는 LED 칩(100)이 LED 칩(100)으로부터 광을 추출하기 위한 통합식 광학 기기(850)를 포함하는 도22의 광섬유 시스템에 합체될 수 있다. 이때, 본 발명의 공간 및/또는 각도 재활용 장치(200)는 통합식 광학 기기(850)와 렌즈(810) 사이에 삽입되어 광 섬유(920) 또는 투영 시스템(950)으로 커플링된 광의 양 및/또는 광의 휘도를 증가시킨다.

당업자라면 본원에 개시된 발명은 발명의 사상 및 범주 내에서 여러 가지 방식으로 변경될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 임의의 그리고 모든 이러한 변경은 후속하는 청구항의 범주 내에 포함되도록 의도된다.

광원: 100
광학 재활용 장치: 200

Claims

광원의 휘도를 증가시키는 조명 시스템이며,
복수의 광선을 발광하는 광원과, 상기 광원으로부터의 복수의 광선을 전달하는 광학 재활용 장치를 구비하고,
상기 광학 재활용 장치는 중실의 단일 광학 구성 요소를 구비하고,
상기 광학 요소는 상기 광원으로부터의 광을 포착하도록 배치되고,
상기 광학 요소는 렌즈면을 포위하는 반사 오목면을 구비하고,
단일 광학 요소의 상기 렌즈면은 상기 광원과 소정의 원추 각을 형성함으로써, 상기 단일 광학 요소의 상기 반사 오목면은 상기 광원으로부터 상기 소정의 원추 각도 외로 진행하는 광선을 상기 광원에 반사하여 상기 복수의 광선의 일부를 각도적으로 재활용하는 각도 광학 재활용 장치를 구성하고, 상기 광원은 상기 소정의 원추 각도 외로 진행하는 광선을 상기 각도 광학 재활용 장치에 재방출하여 상기 광원의 출력 휘도가 증대되고,
상기 반사 오목면은 상기 단일 광학 구성 요소의 표면의 일부를 상기 광원과 반대측에서 피복하는 반사 피복재에 의해 형성되어 있으며,
상기 단일 광학 요소의 상기 렌즈면은 상기 광원으로부터 상기 소정의 원추 각도 내에서 진행하는 광선을 상기 광학 재활용 장치로부터 출력하는 조명 시스템.
제1항에 있어서, 상기 광원은 LED 또는 LED 칩을 갖는 조명 시스템.
제2항에 있어서, 상기 LED 칩은 반사 피복재를 갖는 기재에 설치된 조명 시스템.
제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 LED 칩은 상기 LED 칩에서 빛을 추출하기위한 일체형 광학계를 포함하는 조명 시스템.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광원은 복수의 LED 칩을 갖는 조명 시스템.
제5항에 있어서, 상기 복수의 LED 칩은 일차원 또는 이차원 형상의 열에서 치밀하게 배치되는 조명 시스템.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광원은 서로 다른 주파수 광선을 발하는 다양한 컬러 LED 칩을 갖는 조명 시스템.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 반사 오목면은 상기 소정의 원추 각도 외로 진행하는 광선을 그들이 상기 광원에 다시 돌아와 포커스되기 전에 2회 반사하는 이중 포물 반사면을 형성하는 조명 시스템.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 반사 오목면은 구형 포물선 모양 또는 타원체로 되는 조명 시스템.
광원의 휘도를 증가시키는 방법이며,
상기 광원에서 복수의 광원을 받아 상기 복수의 광선의 일부를 상기 광원에 재활용하는 광학 재활용 장치를 상기 광원에 결합하는 단계로서, 상기 광학 재활용 장치는 중실의 단일 광학 구성 요소를 가지며, 상기 광학 요소는 상기 광원과 소정의 원추 각을 형성하는 렌즈면을 포위하는 반사 오목면을 가지며, 상기 반사 오목면은 상기 단일 광학 구성 요소의 표면의 일부를 상기 광원 반대편에서 피복하는 반사 피복재에 의해 형성되는 단계와,
상기 광학 요소를 상기 광원으로부터 진행하는 광원을 포착하도록 배치하는 단계와,
상기 광원으로부터 상기 소정의 원추 각도 외로 진행하는 광선을 상기 단일광학 요소의 상기 반사 오목면에 의해 상기 광원으로 반사하여 상기 복수의 광선의 일부를 각도적으로 재활용하는 단계와,
상기 광원으로부터 상기 소정의 원추 각도로부터 진행하는 광선을 상기 렌즈면을 통해 상기 광학 재활용 장치로 출력하는 단계와,
상기 광원으로부터 상기 소정의 원추 각도 외로 진행하는 광선을 상기 각도 광학 재활용 장치로 재방출하는 단계를 구비하고, 이에 따라 상기 광원의 출력 휘도기 증대되는 광원의 휘도를 증가시키는 방법.
제10항에 있어서, 상기 광원으로부터 상기 소정의 원추 각도 외로 진행하는 광선을 그들이 상기 광원에 다시 돌아와 포커스되기 전에 이중 포물선 반사 표면에 의해 2회 반사하는 단계를 구비하는 광원의 휘도를 증가시키는 방법.
제10항 또는 제11항에 있어서, LED 또는 LED 칩으로부터 상기 복수의 광선을받는 단계를 구비하는 광원의 휘도를 증가시키는 방법.
제12항에 있어서, 반사 피복재를 갖는 기판에 상기 LED 칩을 장착하는 단계를 갖는 광원의 휘도를 증가시키는 방법.
제10항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 서로 다른 주파수 광선을 발하는 다양한 컬러 LED 칩에서 상기 복수의 광선을 받는 단계를 갖는 광원의 휘도를 증가시키는 방법.
제12항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 LED 칩의 일체형 광학계를 이용하여 상기 LED 칩으로부터의 빛을 추출하는 단계를 갖는 광원의 휘도를 증가시키는 방법.
제12항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 기판 상에 일차원 또는 이차원 형상의 열에서 치밀하게 배치되는 복수의 LED 칩에서 상기 복수의 광선을 받는 단계를 갖는 광원의 휘도를 증가시키는 방법.