KR20110106919A - Ｌｅｄ를 갖는 광학 소자, 및 이를 포함하는 광원 - Google Patents

Ｌｅｄ를 갖는 광학 소자, 및 이를 포함하는 광원 Download PDF

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KR20110106919A
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윤 리
예 리우
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코닌클리즈케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이.
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Abstract

본 발명은, 광 가이드의 한쪽 단에 배열된 광 유닛 내의 하나 이상의 발광 다이오드로부터의 광이 주입되는 상기 광 가이드와, 광 가이드의 다른 쪽 단에 배열되고 반사기에 입사하는 광을 반사할 수 있는 상기 반사기를 포함하는, 광학 소자에 관한 것이다. 광 가이드는 복수의 프리즘(prism)을 포함하는 프리즘 표면(prismatic surface)을 더 포함하며, 각각의 프리즘은, 광 유닛으로부터 방출된 광을 광 가이드의 출력단을 향하여 안내하기 위해, 광 가이드의 축 방향에 대하여 소정 각도로 배열된다. 본 발명은 또한, 본 발명에 따른 광학 소자를 포함하는 광원에 관한 것으로, 광원은 백열 광원을 이용하는 조명기구 내로의 리트로피팅을 위해 배열된다.

Description

ＬＥＤ를 갖는 광학 소자, 및 이를 포함하는 광원{OPTICAL ELEMENT WITH LED, AND LIGHT SOURCE COMPRISING THE SAME}
본 발명은 일반적으로 조명 설계 분야에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 발광 다이오드(LED) 광학 소자와, 전구와 같은 백열 광원을 이용하는 조명기구(luminaire)에서의 리트로피팅(retrofitting)을 위해 배열된 광원에 관한 것이다.
종래의 백열 광원은 일반적으로, 통상 텅스텐으로 만들어진 필라멘트에 전류를 인가하여 필라멘트가 방열(glow)하게 함으로써 전류를 광으로 변환시킨다. 필라멘트는 일반적으로 유리 전구 중앙 부근에 매달려 있어서, 예를 들어 방을 조명하는데 이용될 수 있는 방사상 분포를 갖는 광을 제공한다. 이와 같은 종래의 백열 광원은 통상 샹델리에(chandelier)에 사용된다. 방열하는 필라멘트의 높은 밝기(~1 Mcd/m2)로 인해, 샹델리에 내의 크리스탈들이 장식용의 반짝이는 광 효과를 보인다. 그러나, 백열 광원의 수명은 통상 비교적 짧으며, 대개 필라멘트의 수명으로 제한된다. 또한, 유리 전구는 일반적으로, 필라멘트의 높은 온도로 인해 매우 뜨겁게 되어, 유리 전구에 접촉하는 물체를 태우는 잠재적 위험을 나타낸다.
백열 광원을 LED 광원으로 대체하는 것은 일반적으로 상기 문제점들을 경감시키거나 제거한다. 또한, 이와 같은 대체물은, 광을 생성하는데 요구되는 에너지(또는 전력)량의 비율로서 광원에 의해 생성된 광속(luminous flux)인, 효율에서의 상당한 증가를 제공한다. 그러나, 대부분은 LED는 광을 반구(입체각 2π sr) 내로만 방출할 수 있는 반면, 방열하는 필라멘트를 이용하는 백열 광원은 대체로 전체 구(입체각 4π sr) 내에 균일하게 광을 방출한다.
이러한 단점을 극복하기 위해, 그 한쪽 단에 배열된 반사기와 다른쪽 단에 배열된 하나 이상의 LED를 가지며 LED 주변에 반사 벽을 갖는 원통 형상의 공동(cavity) 내에 위치한 원통형 광 가이드를 포함하는 광원이 제공될 수 있다. 이와 같은 구성은 광원의 매우 다양한 광 강도 분포를 달성하는 것을 허용할 수 있다. 그러나, 이와 같은 구성은 일반적으로, 광원에 대한 높은 광학 효율을 달성하기 위하여 높은 반사성 호일(foil) 등이 공동의 내부 벽에 적층될 것을 요구한다. 또 다른 유사한 접근법은, 광 가이드의 하측 부분을 반사 공동으로서 이용하는 것이다. 따라서, 이 접근법에 따르면, LED를 실장(housing)하는 원통 형상의 공동이 요구되지 않는다. 이와 같은 구성은 일반적으로, 광 가이드의 하측 부분에 반사성 코팅이 적용될 것을 요구한다. 양 접근법은 높은 광학 효율을 갖는 광원을 달성하기 위해 이용될 수 있다.
그러나, 이와 같은 반사성 호일 또는 코팅은, 추가 재료 뿐만 아니라 추가 제조 단계가 요구될 수 있다는 점에서 전체 장치의 비용을 증가시킬 수 있다. 게다가, 조명 설계에서는 일반적으로 크기를 가능한 작게 유지하는 것이 바람직한데도, 상기 접근법들은 일반적으로 광 가이드의 크기가 비교적 클 것을 요구한다.
<발명의 요약>
전술한 관점에서, 본 발명의 목적은, 백열 광원과 유사한 광 강도 분포를 갖는 광을 방출할 수 있으며, 종래 장치와 비교하여 비용이 낮고 더 용이한 제조를 허용하는 광학 소자를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 백열 광원과 유사한 광 강도 분포를 가지며, 비용이 낮고 종래 장치와 비교하여 더 용이한 제조를 허용하는 LED 광원을 제공하는 것이다.
이들 및 다른 목적들은 독립항들에 따른 광학 소자 및 광원에 의해 전적으로 또는 부분적으로 달성된다.
본 발명의 제1 양태에 따르면, 입력단, 출력단, 및 이들 사이의 중앙 영역을 가지며 축 방향을 따라 연장되는 광 투과성 광 가이드(light transmissive light guide)를 포함하는 광학 소자가 제공된다. 광학 소자는, 적어도 하나의 LED를 포함하며 입력단에 인접하게 배열되어 중앙 영역에 광을 주입하기 위한 광 유닛과, 자신에게 입사하는 광의 적어도 일부가 반사되도록 배열된 반사기를 더 포함한다. 광 가이드는 그 굴절 계수가 광 가이드 외부 매체의 굴절 계수보다 높도록 배열되고, 광 가이드의 내부 경계 표면(interior boundary surface)의 적어도 일부는, 축 방향을 따라 연속 배열된 복수의 프리즘(prism)을 포함하는 프리즘 표면(prismatic surface)을 포함하고, 각각의 프리즘은 축 방향에 대해 소정의 각도로 배열된다.
광 가이드의 내부 경계 표면의 적어도 일부를 포함하는 프리즘 표면의 프리즘은, 광 유닛으로부터 방출된 광의 광 가이드로의 되반사를 허용한다. 축 방향에 대한 프리즘의 각도는, 광 유닛으로부터 방출되고 프리즘 상에서 반사되는 광의 대부분이 입력단에 인접한 광 가이드에서 발생하는 광의 최소한의 다중반사와 함께 광 가이드의 출력단을 향해 수송되도록 선택될 수 있다. 축 방향에 대한 프리즘의 각도는, 프리즘에 입사하는 광의 전반사(total internal reflection)를 위해 충분히 크도록 선택될 수 있다. 대안으로서, 각각의 프리즘의 축 방향으로의 연장, 및/또는 축 방향에 대한 각도는 일반적으로, 원하는 반사 각도를 얻기 위해 개별적으로 선택될 수 있다.
이러한 구성에 의해, 서울반도체사의 4W Acriche 타입 LED와 같은 비교적 큰-크기의 LED가 광 유닛에서 사용되는 경우에도, 광 가이드의 크기는 작게 유지될 수 있다. 또한, 광학 소자는 어떠한 추가적인 반사성 호일 등을 요구하지 않아서, 광학 소자의 비용을 낮추고, 및/또는, 그 제조를 간소화한다. 예를 들어, 광 가이드의 구성은 주입 몰딩에 의한 광 가이드의 제조를 허용하는데, 이것은, 축 방향을 따른 프리즘의 피치(프리즘 표면상의 인접한 프리즘들 간의 축 방향에서의 거리)가 비교적 크도록 광 가이드가 구성될 수 있기 때문이다. 예를 들어, 광 유닛은, 그 다음, 인쇄 회로 기판(PCB)과 같은 기판상에 탑재될 수 있고, 광 가이드가 후속해서 PCB 상에 직접 탑재될 수 있다. 동시에, 광 가이드의 구성은 종래의 장치에 비해 광학 소자의 광학 효율을 유지 또는 개선하는 것을 허용한다. 또한, 광학 소자의 구성에 따르면, 광 유닛을 반사 공동 내에 배열할 필요가 없다. 따라서, 광 가이드의 하측 입력단에서의 임의의 다중반사가 본질적으로 제거될 수 있고, 그에 따라 광 유닛으로부터 방출되어 광 가이드에 주입된 광의 광 유닛으로의 되반사가 실질적으로 회피될 수 있다. 이것은 또한, 광 가이드의 크기를 작게 유지하는 것을 허용한다.
본 발명의 제2 양태에 따르면, 백열 광원을 이용하는 조명 기구 내로의 리트로피팅을 위해 배열되고, 본 발명의 제1 양태 또는 그 실시예에 따른 광학 소자를 포함하는 광원이 제공된다. 따라서, 종래의 LED 광원에 비해 동일하거나 개선된 광학 효율을 유지하면서, 종래의 LED 광원보다 제조하기에 대체로 더 용이한 LED 광원이 제공된다. 나아가, 이와 같은 구성에 의해, 전술된 바와 같이, 종래의 백열 광원의 단점을 극복하거나 경감시킬 뿐만 아니라, 광원의 효율에서의 상당한 증가를 제공하는 광원이 제공된다.
본 발명의 문맥에서, 용어 "리트로피팅(retrofitting)"은 필라멘트 전구, 할로겐 램프 등과 같은 통상 백열 광원을 위해 사용되는 조명 기구에 맞도록 피팅된다는 것을 의미한다. 즉, 본 발명에 따른 광원을 통상 백열 광원을 이용하는 조명 기구 내에 리트로피팅한다는 것은, 조명 기구 내의 백열 광원을 본 발명에 따른 광원으로 대체한다는 것을 의미한다.
또한, 본 발명의 문맥에서, 용어 "광학 효율"은 광학 소자(또는 광원)로부터 출력된 광속(luminous flux)과 설치된 광속의 초기양의 비율을 의미한다.
또한, 본 발명의 문맥에서, 용어 "내부 경계 표면"은, 광 가이드와, 광 가이드의 측근 환경(immediate surrounding)간의 계면의 표면(the surface of the interface)을 의미하며, 상기 표면은 광 가이드에서 안쪽으로 향하는 법선(normal)을 가진다.
본 발명의 실시예에 따르면, 적어도 하나의 프리즘의 축 방향으로의 연장은 다른 프리즘들의 축 방향으로의 연장과는 상이하다. 본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 적어도 하나의 프리즘은 다른 프리즘들의 축 방향에 대한 각도와는 상이한 축 방향에 대한 각도로 배열된다. 본 발명의 역시 또 다른 실시예에 따르면, 각각의 프리즘의 축 방향으로의 연장은 다른 프리즘들의 축 방향으로의 연장과는 상이하다. 또한, 본 발명의 역시 또 다른 실시예에 따르면, 각각의 프리즘의 축 방향에 대한 각도는 다른 프리즘들의 축 방향에 대한 각도와는 상이하다. 이들 상기 4개의 구성들 각각에 의해, 종래 장치에 비해 광학 소자의 광학 효율을 여전히 유지하거나 개선시키면서, 광학 소자의 제조 공정을 실질적으로 복잡하게 하지 않고도, 광학 유닛에서 크기와 개수가 변동하는 LED들을 이용하는 면에서, 증가된 적응성이 달성된다.
본 발명의 역시 또 다른 실시예에 다르면, 프리즘 표면은 광 가이드의 입력단에 아주 근접하게 배열된다. 이런 식으로, 프리즘들은 광 유닛으로부터 방출된 광의 대다수를 광 가이드의 출력단으로 효과적으로 안내할 수 있기 때문에, 입력단에 인접한 광 가이드 내의 광의 임의의 다중반사가 더욱 최소화될 수 있다.
본 발명의 역시 또 다른 실시예에 따르면, 반사기는 다음 중 하나 이상을 포함한다: 알루미늄 코팅과 같은 금속 코팅, 얇은 SiO2 및 ZrO2 층의 다중층과 같은 간섭 필터, 확산 코팅, 및 형광체 코팅(phosphor coating). 확산 코팅에 의해, 방출된 광의 밝기는 상당히 감소될 수 있고, 이것은 시각적 편안함(visual comfort)을 개선시키기 위한 일부 응용에서 바람직할 수 있다. 알루미늄과 같은 금속 코팅을 적용함으로써, 비교적 비싸지 않고, 역시 고도의 반사성을 가진 표면이 달성된다.
본 발명의 역시 또 다른 실시예에 따르면, 적어도 하나의 반사 패싯(facet)이, 반사 패싯에 입사된 광의 적어도 일부가 반사되도록, 반사 표면 상에 배열된다. 이와 같은 반사 패싯은, 사용자의 관찰각의 함수로서 실질적인 광 강도 변동을 생성하는데 이용될 수 있다. 따라서, 이와 같은 구성에 의해, 강한 관찰각 의존 반짝임 광 효과를 보이는 광학적, 발광 장치가 제공될 수 있다.
본 발명의 역시 또 다른 실시예에 따르면, 반사기는, 투과부에 입사하는 광의 적어도 일부가 반사기를 거쳐 투과되도록 배열된 적어도 하나의 투과부를 포함한다. 또 다른 실시예에 따르면, 투과부는 축을 따라 연장되는 관통 홀을 포함한다. 예를 들어, 축은 광 가이드의 축 방향과 일치하거나 평행한 직선 축일 수 있다. 이들 구성에 의해, 광이 투과부를 통과하거나 반사기에서 반사되는 것이 허용되기 때문에, 거의 관찰각-독립적인 광 강도가 달성될 수 있다. 따라서, 방출된 광은, 백열 광원의 광 강도 분포와 실질적으로 유사하게, 전체 구(입체각 4π sr) 내에 실질적으로 균일하게 방출되도록 될 수 있다.
본 발명의 역시 또 다른 실시예에 따르면, 광 가이드는 축 방향을 따라 연장되는 색 혼합봉(color mixing rod)을 포함하며, 여기서, 색 혼합봉은 광 가이드의 중앙 영역의 적어도 일부를 포함한다. 색 혼합봉은 복수의 소스(즉, 광 유닛 내의 하나 이상의 LED)로부터의 광을 혼합하도록 배열되고 6각형 단면을 가질 수 있다. 또한, 색 혼합봉이 축 방향에 수직한 평면에서 보았을 때 사각형 단면을 가지는 것도 생각해 볼 수 있다. 소위 이들 6각 및 사각 색 혼합봉 양자 모두는 다양한 색상의 광을 혼합하기에 매우 효과적이다.
본 발명의 역시 또 다른 실시예에 따르면, 반사 표면은, 반사 표면의 적어도 일부가 오목 및 볼록 중 하나가 되도록 배열된다. 이 구성에 의해, 광원으로부터의 광은 백열 광원의 광 강도 분포와 실질적으로 유사한 공간 강도 분포를 가질 수 있다. 또한, 반사 표면의 상기 적어도 일부의 오목 또는 볼록 형상의 특정한 선택에 의해, 광원으로부터의 광속은, 원하는 조명 응용의 요건에 따라, 축 방향에 수직한 평면에 관하여 실질적으로 대칭이거나, 비대칭일 수 있다. 따라서, 본 실시예에서, LED를 이용하는 매우 다양한 광원이 제조될 수 있으며, 각각은 일반적으로, 특정 사용자 요구 및/또는 조명 환경 요건에 따라 다른 광원들과는 상이한 광 강도 특성을 가진다. 용어 "오목" 또는 "볼록"은, 각각, 안으로 굽은 또는 안쪽으로 움푹 패인 것, 및 바깥으로 굽은 또는 바깥으로 돌출한 것을 의미한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 광원은 광학 소자를 적어도 부분적으로 둘러싸는 적어도 하나의 투명 엔벨로프를 더 포함한다. 이와 같은 구성에 의해, 광학적 성능(즉, 광 강도 분포) 또는 시각적 편안함(예를 들어, 밝기의 감소)이 개선될 수 있다. 적어도 하나의 투명 엔벨로프는 (적어도 하나의 투명 엔벨로프 상에 배열된) 광 산란 소자(light scattering element)를 포함할 수 있다. 이런 식으로, 광원의 밝기는 감소될 수 있고, 및/또는, 광원의 광 강도 분포는 매끄럽게 될 수 있다.
이와 같은 투명 엔벨로프는, 사용자의 관찰로부터 광원의 다른 광학 소자들을 숨기도록 배열될 수 있다는 점에서 장식적인 향상을 제공하는 데에도 이용될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 예를 들어, 적절한 표면 처리에 의해, 투명 엔벨로프는, 반투명의 외관(frosted appearance)을 보이도록 배열될 수 있으며, 또는, 선택사항으로서 혹은 대안으로서, 투명 엔벨로프는 투명 엔벨로프를 구성하는 재료에 확산된 색소에 의해 약간 채색(coloring)되도록 배열될 수도 있다.
본 발명의 역시 또 다른 실시예에 따르면, 광원은 광 유닛이 배열되는 베이스(base)를 더 포함하며, 베이스는 조명기구(luminaire) 또는 조명장치(light fixture)의 소켓 커넥터와 짝을 이루도록 배열된 전기 커넥터를 포함한다. 베이스는 전기 커넥터에 접속된 전기 회로를 더 포함하고, 전기 회로는 전기 커넥터로부터 전력을 수신하고, 전력에 의해 광 유닛을 동작시키도록 배열된다. 이런 식으로, 통상 백열 광원을 이용하는 조명장치 또는 조명기구 내로의 광원의 용이한 적응이 달성된다. 광원은 베이스 내에 배열된 히트싱크(heatsink) 장치를 더 포함할 수 있으며, 히트싱크 장치는 광 유닛에 의해 발생된 열을 발산하도록 구성된다. 따라서, 광원의 표면은, 광원과의 접촉에 의해 유발되는 사용자에 대한 화상을 피하기 위해 비교적 서늘하게 유지될 수 있다. 또한, 광원 컴포넌트에서의 더 적은 열적 스트레스 및/또는 부담으로 인해, 광원의 수명이 증가될 수 있다.
본 발명의 역시 또 다른 실시예에 따르면, 베이스는 PCB를 포함한다. 따라서, 광 유닛은 PCB 상에 직접 탑재될 수 있고, 이것은 용량 요건(예를 들어, 전력 요건) 면에서 적응성을 제공하며, 또한 광원의 제조를 용이하게 한다.
본 발명의 다른 목적, 특징 및 이점들은, 도면뿐만 아니라, 이하의 상세한 설명과, 첨부된 특허청구범위로부터 나타날 것이다.
일반적으로, 청구항에서 사용되는 모든 용어는, 명세서에서 달리 명시적으로 정의하지 않는 한, 그 기술 분야의 통상의 의미에 따라 해석되어야 한다. "한/하나의/그(a/an/the) [소자, 장치, 컴포넌트, 유닛, 수단, 단계 등]"에 대한 모든 참조는, 달리 명시적으로 언급되지 않는 한, 상기 소자, 장치, 컴포넌트, 유닛, 수단, 단계 등의 적어도 하나의 인스턴스(instance)를 말하는 것으로 개방적으로 해석되어야 한다.
본 발명은 청구항에서 인용되는 특징들의 모든 가능한 조합에 관한 것임에 주목해야 한다.
본 발명의 전술된 것뿐만 아니라 추가적인 목적, 특징, 및 이점들은, 동일하거나 유사한 요소에 대해 동일한 참조 부호가 사용되고 있는 첨부된 도면을 참조하여, 이하의 예시적이며 비제한적인 본 발명의 양호한 실시예의 상세한 설명을 통해 더 잘 이해될 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예의 개략적 단면도.
도 2a는 본 발명의 작동 원리를 설명하기 위한 본 발명의 실시예의 개략적 단면 측면도.
도 2b는 도 2a에서 예시된 실시예의 일부의 단면도.
도 3a는 본 발명의 실시예의 개략도.
도 3b는 본 발명의 실시예에 따라 광학 소자로부터 방출된 광의 원격장 각 광 강도 분포(far-field angular light intensity distribution)의 예시적인 광 강도 프로파일.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예의 개략적 단면도.
도 5는 본 발명의 역시 또 다른 실시예의 개략적 단면도.
도 6은 본 발명의 역시 또 다른 실시예의 개략도.
도 1은 본 발명의 실시예를 도시하는 개략적 단면도이며, 여기서 광학 소자(1)는 축 방향(z-축)을 따라 연장되는 광투과성 광 가이드(2)를 포함하고, 광 가이드(2)는, 입력단(2a), 출력단(2b), 및 이들 사이의 중앙 영역(2c)을 포함한다. 광학 소자(1)는, 하나 이상의 LED, 특히 이 경우에는 서울 반도체의 Acriche LED와 같은 하나의 큰-크기의 LED를 포함하는 광 유닛(3)과, 광 가이드(2)의 출력단(2b)과 대향하는 반사 표면(4a)을 갖는 반사기(4)를 더 포함한다. 이로써 반사 표면(4a)은 광 가이드(2)의 출력단(2b) 쪽으로 향하는 법선(미도시)을 가진다. 실시예에 따르면, 반사 표면(4a)은, 반사 표면(4a)의 적어도 일부가 오목하도록, 즉, (대체로 입력단(2a) 쪽을 향하여) 광 가이드(2) 안쪽으로 굽도록 배열된다. 도 1에 예시된 바와 같이, 광 가이드(2)는, 이하에서 더 상세히 기술되는 프리즘(prismatic) 표면(5)을 더 포함한다.
비록 첨부된 도면에는 광 가이드가 광 가이드의 내부와 광 가이드의 외부 간의 계면 양측 상에 프리즘 표면을 포함하는 것으로 도시되어 있지만, 본 발명의 이점을 달성하기 위하여, 광 가이드가, 광 가이드의 내부와 광 가이드의 외부 간의 계면의 한측으로서 광 가이드 안쪽을 가리키는 법선을 갖는 계면측 상에 이와 같은 프리즘 표면을 포함하는 것만이 필요하다(즉, 본 발명의 이점을 달성하기 위해 광 가이드의 내부 경계 표면만이 이와 같은 프리즘 표면을 포함하는 것이 요구된다).
도 1에 도시된 반사기(4)는 반사기(4) 상에 입사하는 광의 적어도 일부가 반사되도록 구성된다. 반사기(4)로부터 반사된 광의 비율은 반사기(4)의 반사도에 의존한다. 반사기(4)는 또한, 출력단(2b)과 마주보며 출력단(2b)의 적어도 일부를 커버하는 반사 표면(4a)을 가지도록 배열된다. 예를 들어, 출력단(2b)의 표면의 80% 및 90%는 반사 표면(4a)에 의해 커버될 수 있다. 대안으로서, 반사기 표면(4a)은 출력단(2b)의 표면을 완전히 커버할 수 있다. 반사기(4), 또는 대안으로서 반사 표면(4a)은 예를 들어 다음 중 하나 이상을 포함할 수 있다: 고 반사성의 알루미늄과 같은 금속 코팅, 얇은 SiO2 및 ZrO2 층의 다중층과 같은 고 반사율 간섭 필터, 백색 확산 코팅, 및 형광체 코팅(phosphor coating). 간섭 필터는, 입사광의 작은 부분을 고의적으로 투과시키고, 예를 들어 입사광의 약 4%를 투과시키고, 입사광의 나머지는 반사하도록 배열될 수 있다. 확산 코팅에 의해, 광학 소자로부터 방출된 광의 밝기는 상당히 감소될 수 있으며, 이것은 시각적 편안함을 개선시키기 위한 일부 응용에서 바람직할 수 있다. 확산 코팅은 또한 반투과반사형(transflective)이 되도록 배열될 수도 있다.
광 가이드(2)는 원통형 형상을 가질 수도 있지만, 본 발명은 이 특정한 경우만으로 제한되지 않는다. 반면, 광학 소자(1)의 기능과 능력을 달성하는데 적합한 광 가이드(2)의 임의의 기하학적 형상도 본 발명의 범위 내에 있는 것으로 생각할 수 있다. 또한, 광 가이드(2)가 입력단(2a)을 향하여 약간 가늘어지는(tapered) 것, 즉, 축 방향 및 축 방향에 수직한 횡단 방향에 의해 정의되는 평면에서의 광 가이드(2)의 크기가 출력단(2b)을 향하여 축 방향을 따라 점진적으로 커지게 되는 것을 생각해 볼 수도 있다. 원통형 형상을 갖는 광 가이드(2)의 예시적 경우에, 이것은, 광 가이드(2)의 직경이 출력단(2b)을 향하여 축 방향을 따른 거리에 따라 점진적으로 커지게 되는 것을 의미한다. 광 가이드(2)는 투명 폴리머, 폴리머 화합물, 유리(glass), 폴리카보네이트(polycarbonate), 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate), 아크릴(acrylic), 기타 유형의 플라스틱, 및 이들의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 물질로 이루어질 수 있다.
도 2a는 본 발명의 실시예를 도시하는 개략적 단면 측면도이며, 여기서, 반사 표면(4a)은, 반사 표면(4a)의 적어도 일부가 오목하도록, 즉, (대체로 입력단(2a)을 향하여) 광 가이드(2) 안쪽으로 굽도록 배열된다.
도 2b는 도 2a에 도시된 실시예의 도면으로서 광 가이드(2)의 부분적 확대도를 도시한다.
본 발명의 실시예에 따른 광학 소자(1)의 작동 원리가 이제 도 2a 및 2b를 참조하여 기술된다. 광 유닛(3) 내의 LED(또는 LED들)로부터 방출된 광은 광 가이드(2)의 중앙 영역(2c) 내에 주입(투과)된다. LED로부터의 광의 작은 부분, 전형적으로는 약 4%가 입력단(2a)의 광 가이드 경계에서 반사되고, 광의 나머지는 광 가이드(2)의 중앙 영역(2c) 내에 주입된다는 것을 이해할 것이다. 그 다음, 광 가이드(2) 내의 광은 대체로 광 가이드(2)의 연장부를 따라 출력단(2b)을 향하여 수송된다.
도 2b에 예시된 바와 같이, 광 가이드(2)의 내부 경계 표면(2c)의 일부를 포함하는 프리즘 표면(5)의 (도 2b에서는 참조 부호에 의해 일부만이 표시되어 있는) 프리즘(5a, 5b, 5c, ...)은, 광 유닛(3)으로부터 방출된 광의 광 가이드(2) 내로의 되반사를 허용한다. 축 방향에 대한 프리즘(5a, 5b, 5c, ...)의 각도는, 광 유닛(3)으로부터 방출되고 프리즘(5a, 5b, 5c, ...) 상에서 반사되는 광의 대부분이, 입력단(2a)에 인접한 광 가이드(2)에서 발생하는 광의 최소한의 다중반사와 함께, 광 가이드(2)의 출력단(2b)을 향해 수송되도록 하는 식으로 선택될 수 있다. 축 방향에 대한 프리즘(5a, 5b, 5c, ...)의 각도는, 프리즘에 입사하는 광의 전반사를 위해 충분히 크도록 선택될 수 있다. 대안으로서, 광 가이드(2)의 축 방향에서의 각 프리즘의 연장, 및/또는 광 가이드(2)의 축 방향에 대한 각 프리즘의 각도는 일반적으로, 원하는 반사 각도를 얻기 위해 개별적으로 선택될 수 있다. 추가적 대안은, 프리즘들(5a, 5b, 5c, ...) 모두에 대하여 축 방향에서의 상이한 연장, 및/또는 축 방향에 대한 상이한 각도를 선택하는 것이다. 따라서, 광 가이드(2)의 구성에 의해, 특히 프리즘 표면(5)의 구성에 의해, 광 유닛(3)으로부터 방출된 광의 대부분은, 종래 장치에서와 같이 광 유닛(2)에 배열된 예를 들어 추가적인 반사 코팅을 요구하지 않고도, 위쪽으로, 즉, 광 가이드(2)에서 입력단(2a)으로부터 출력단(2b)으로의 일반적인 방향으로 반사될 수 있다.
예를 들어, 광 가이드(2)의 이와 같은 구성은 주입 몰딩에 의한 광 가이드(2)의 용이한 제조를 허용하는데, 이것은 축 방향을 따른 프리즘(5a, 5b, 5c, ...)의 피치(프리즘 표면상의 인접한 프리즘들간의 축 방향에서의 거리)가 비교적 크도록 하는 식으로 광 가이드(2)가 구성될 수 있기 때문이다. 예를 들어, 광 유닛(3)은, 그 다음, PCB와 같은 기판 상에 탑재될 수 있고, 광 가이드(2)가 후속해서 기판 상에 직접 탑재될 수 있다.
또한, 이 구성에 의해, 광학 소자의 전체 크기는 작게 유지될 수 있다. 예를 들어, 예시적 경우에 따르면, (서울 반도체사의 4W Acriche 타입 LED에서 전형적인) 약 4 mm×4 mm의 발광 표면을 갖는 하나의 LED와 약 10 mm의 직경을 갖는 LED 돔(dome)을 포함하는 광 유닛의 경우, (원통형 광 가이드의 예시적 경우를 가정하면) 광 가이드의 직경은 약 12 mm정도로 작을 수 있다. 광 가이드의 높이는 전형적으로 약 25 mm이다. 이들 조건들을 가정하면, 그리고, 반사 표면(4a)이 약 90%의 반사 계수를 가진다고 추가로 가정하면, (광학 소자의 각각의 광학 표면의 Fresnel 손실을 고려하여) 약 85%보다 큰 광학 소자의 광학 효율이 달성될 수 있다.
본 발명의 문맥에서, 용어 "내부 경계 표면"은, 광 가이드(2)와, 광 가이드(2)의 측근 환경(immediate surroundings)간의 계면의 표면(the surface of the interface)을 의미하며, 상기 표면은 광 가이드(2)에서 안쪽으로 향하는 법선을 가진다.
광 가이드(2)는 바람직하게는, 광 가이드(2)의 굴절 계수가 광 가이드(2)의 외부 매체의 굴절 계수보다 높도록 구성되고, 외부 매체는 전형적으로 약 1의 굴절 계수를 갖는 공기이다. 즉, 광 가이드(2)는 바람직하게는, 광 가이드(2)의 외부 매체보다 높은 광학적 밀도를 갖도록 배열된다. 전형적으로, 광 가이드(2)는 약 1.5 이상의 굴절 계수를 갖도록 배열되지만, 이 특정한 경우만으로 제한되는 것은 아니다.
광 가이드(2)에서의 광의 수송은 전반사(total internal reflection)에 기초한다. 광 가이드(2)에서 이동하는 광은 일반적으로, 광 가이드(2)와 광 가이드(2)보다 광학적으로 덜 밀집한 광 가이드(2)의 외부 매체 간의 경계에 도달할 때, 광 가이드(2)를 벗어나지 않고, 광 가이드(2) 내로 다시 반사된다. 한편, 상기 경계에 입사하는 광의 입사 각도가 임계 각도(즉, 경계 표면을 따라 이동하도록 광이 굴절되는 입사각)보다 클 때, 광은 손실없이 다시 반사된다. 반면, 입사각이 점점 작아지는 경우, 점점 더 많은 비율의 입사광이 경계 표면을 통해 광 가이드(2)로부터 바깥쪽으로 투과될 것이다.
본 발명의 문맥에서, 용어 "입사각"은, 달리 명시하지 않는 한, 표면에 입사하는 광선과 입사 지점에서의 그 표면의 법선 간의 각도를 의미한다.
광 가이드(2)에서 이렇게 수송된 광 유닛(3)으로부터의 광이 반사기(4)의 반사 표면(4a)을 때릴 때, 광의 일부는 반사 표면(4a)의 반사도에 따라 반사된다. 예를 들어, 반사 표면(4a)은 1에 가깝거나 실질적으로 1의 반사 계수를 갖도록 배열될 수 있다. 반사 표면(4a)의 형상에 의해, 반사 표면(4a)으로부터 반사된 광의 대부분은, 광 가이드(2)와 광 가이드(2) 외부의 매체 간의 계면, 즉 내부 경계 표면에서 굴절되고, 후속해서 광 가이드(2)를 떠난다. 반사 표면(4a)의 형상의 적절한 선택에 의해, 반사 표면(4a)에서 반사된 후 광 가이드(2)를 떠나는 광의 강도는, 백열 광원의 광 강도와 실질적으로 유사할 수 있다. 2개의 이와 같은 형상이 도 1 및 도 2a에 비제한적 예로서 도시되었다.
도 3a는 본 발명의 실시예를 도시하는 개략도이다. 도 3a에 도시된 광학 소자는 도 1을 참조하여 기술된 광학 소자와 많은 점에서 유사하다.
도 3b는 도 3a에 도시된 광학 소자의 광 가이드(2)를 떠나는 광의 원격장 각 광 강도 분포의 예시적인 광 강도 프로파일이다. 전체 3차원 강도는 축 방향(z-축) 주변의 공전의 표면이다. 도 3b에 도시된 광 강도 프로파일은, (4W Acriche 타입 LED에서 전형적인) 약 4 mm × 4 mm의 발광 표면을 갖는 하나의 LED와 약 10 mm의 직경을 갖는 LED 돔을 포함하는 전술된 예시적 경우에 기초한다.
도 4는 본 발명의 실시예를 도시하는 개략적 단면도이며, 여기서, 반사기(4)는 투과부(6)를 더 포함하고, 이 투과부(6)는, 광 가이드(2)로부터의 광이 투과부(6)를 통과하거나 반사기(4)에서 반사된 다음 후속하여 광 가이드(2)로부터 결합해제됨으로써 광학 소자를 떠날 수 있도록 하기 위해, 투과부(6)에 입사한 광의 적어도 일부가 반사기(4)를 통해 투과되도록 구성된다. 이러한 구성에 의해, 거의 관찰각에 독립적인 광 강도가 달성될 수 있다. 투과부(6)는 또한 축 방향에 대해 소정 각도를 갖는 축을 따라 연장될 수도 있다는 것을 이해할 것이다. 투과부(6)가 연장되는 축은 바람직하게는 직선이지만, 어느 정도까지 굽은 투과부(6)도 역시 생각해 볼 수 있다. 예를 들어, 투과부(6)는 반사성 재료로 피복되지 않은 반사기(4)의 일부일 수 있다. 투과부(6)는 또한, 축 방향(z-축)을 따라 연장되는 관통 홀(through hole)을 포함하여, 광이 그 홀을 통과하는 것을 허용한다. 또한, 광의 일부는 반사기(4)에서 반사될 수 있다. 앞서 설명된 실시예들과 후속 설명되는 실시예들의 광학 소자들 중 임의의 소자는 이와 같은 투과부(6) 또는 관통 홀을 포함할 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예를 도시하는 개략적 단면도이며, 여기서, 반사 표면(4a)에는 패싯(4b)에 입사하는 광의 적어도 일부가 반사되도록 배열된 반사 패싯(4b)이 제공되었다. 앞서 설명된 실시예들과 후속 설명되는 실시예들의 광학 소자들 중 임의의 광학 소자는 이와 같은 반사 패싯(4b)을 포함할 수 있다. 또한, 임의의 적절한 개수의 패싯을 포함하는 다른 실시예들도 역시 본 발명의 범위 내에 있다는 것을 이해하여야 한다. 이와 같은 패싯(4b)은, 사용자의 관찰각의 함수로서 실질적인 광 강도 변동을 생성하는데 이용될 수 있다. 이와 같은 구성에 의해, 실질적인 공간 광 강도 변동을 생성할 수 있으며, 예를 들어, (샹들리에와 같은) 조명기구에서 사용될 때 향상된 관찰각 의존 반짝임 효과를 갖는 광학 소자 또는 LED 광원이 설계될 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 광원(7)을 도시하는 개략도이며, 광원(7)은, 통상 백열 광원을 이용하는 조명기구 또는 조명장치(미도시) 내에 리트로피팅되도록 배열되며, 본 발명 또는 그 실시예에 따른 광학 소자(1)를 포함한다. 광학 소자(1)는 선택사항으로서, 도 6에 예시된 바와 같이, 하나 이상의 투명 엔벨로프(8)에 의해 적어도 부분적으로 둘러싸일 수 있다. 광원(7)은, 광학 소자가 배열되거나 광학 소자(1)가 결합되는 베이스(9)를 더 포함할 수 있으며, 베이스(9)는, 필라멘트 전구 또는 할로겐 램프와 같은 백열 광원을 이용하는 조명기구(미도시)의 바람직하게는 나삿니가 있는 (도시되지 않은) 소켓 커넥트와 짝을 이룰 수 있도록 배열된, 바람직하게는 나삿니가 있는 전기 커넥터(10)를 포함한다. 베이스(9)는, 광 유닛(3)에 의해 발생된 열을 발산하도록 배열된 히트싱크 장치(미도시)를 더 포함할 수 있다. 히트싱크 장치에 의해, 광원의 컴포넌트들은 더 서늘하게 유지될 수 있어서, 광원 컴포넌트에서의 열적 스트레스 및/또는 부담을 덜게 되고, 그 결과로서, 광원의 수명을 연장시킨다. 또한, 광원과의 접촉에 의해 사용자에게 가해지는 어떠한 가능한 화상(burns)이 회피될 수 있다.
도 6에 도시된 바와 같은 투명 엔벨로프(8)는, 광학적 성능(즉, 광 강도 분포) 또는 시각적 편안함(예를 들어, 밝기 감소)을 개선하기 위해 편리하게 이용될 수 있다. 선택사항으로서, 맑은 유리 전구와 같은 투명 엔벨로프(8)에는, 예를 들어, 밝기를 감소시키거나 광 강도 분포를 매끄럽게 하기 위해 투명 엔벨로프(8) 상에 배열된 광 산란 소자가 제공될 수 있다. 투명 엔벨로프(8)는 또한, 사용자의 관찰로부터 다른 광학 소자들을 숨기도록 배열될 수 있다는 점에서 장식적인 향상을 제공하는데 이용될 수 있다. 예를 들어, 적절한 표면 처리에 의해, 투명 엔벨로프(8)는, 반투명의 외관을 보이도록 배열될 수 있으며, 또는, 선택사항으로서 혹은 대안으로서, 투명 엔벨로프(8)는, 투명 엔벨로프(8)를 구성하는 재료, 예를 들어 투명 폴리머에 확산된 색소에 의해 약간 채색되도록 배열될 수도 있다.
본 발명의 문맥에서, 용어 "리트로피팅"은 필라멘트 전구, 할로겐 램프 등과 같은 통상 백열 광원을 위해 사용되는 조명장치에 맞게 적응된다는 것을 의미한다. 즉, 실시예에 따른 광원을 통상 백열 광원을 이용하는 조명기구 내에 리트로피팅한다는 것은, 조명기구 내의 백열 광원을 실시예에 따른 광원으로 대체한다는 것을 의미한다.
결론적으로, 본 발명은, 광 가이드의 한쪽 단에 배열된 광 유닛 내의 하나 이상의 LED로부터의 광이 주입되는 상기 광 가이드와, 광 가이드의 다른 쪽 단에 배열되고 반사기에 입사하는 광을 반사할 수 있는 상기 반사기를 포함하는, 광학 소자에 관한 것이다. 광 가이드는, 복수의 프리즘을 포함하는 프리즘 표면을 더 포함하며, 각각의 프리즘은, 광 유닛으로부터 방출된 광을 광 가이드의 출력단을 향하여 안내하기 위해, 광 가이드의 축 방향에 대하여 소정 각도로 배열된다.
본 발명이 주로 몇 실시예를 참조하여 상기에서 설명되었다. 그러나, 당업자라면 용이하게 이해할 수 있는 바와 같이, 전술된 실시예들이 아닌 다른 실시예들도, 첨부된 특허청구범위에 의해 정의되는 바와 같은, 본 발명의 범위 내에서 동등하게 가능할 것이다.

Claims (15)

  1. 광학 소자(1)로서,
    입력단(2a), 출력단(2b), 및 이들 사이의 중앙 영역(2c)을 가지며, 축 방향을 따라 연장되는 광 투과성 광 가이드(2);
    적어도 하나의 발광 다이오드(LED)를 포함하며, 상기 입력단에 인접하게 배열되어 상기 중앙 영역에 광을 주입하기 위한 광 유닛(3); 및
    상기 출력단에 인접하게 배열되고, 반사기에 입사하는 광의 적어도 일부가 반사되도록 구성된 반사기(4)
    를 포함하고,
    상기 광 가이드는 굴절 계수가 상기 광 가이드 외부 매체의 굴절 계수보다 크도록 구성되며;
    상기 광 가이드의 내부 경계 표면의 적어도 일부는, 상기 축 방향을 따라 연속으로 배열된 복수의 프리즘(5a, 5b, 5c)을 포함하는 프리즘 표면(5)을 포함하고, 각각의 프리즘은 상기 축 방향에 대해 각을 이루도록 구성되는, 광학 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 프리즘들 중 적어도 하나의 상기 축 방향으로의 연장은, 다른 프리즘들의 상기 축 방향으로의 연장과는 상이한, 광학 소자.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 프리즘들 중 적어도 하나는, 다른 프리즘들의 상기 축 방향에 대한 각도와는 상이한 상기 축 방향에 대한 각도로 배열되는, 광학 소자.
  4. 제1항에 있어서,
    각각의 프리즘의 상기 축 방향으로의 연장은 다른 프리즘들의 상기 축 방향으로의 연장과는 상이한, 광학 소자.
  5. 제1항에 있어서,
    각각의 프리즘의 상기 축 방향에 대한 각도는 다른 프리즘들의 상기 축 방향에 대한 각도와는 상이한, 광학 소자.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 반사기는, 상기 출력단과 대향하며 상기 출력단의 적어도 일부를 피복하는 반사 표면(4a)을 포함하고, 상기 반사 표면은 상기 반사 표면의 적어도 일부가 오목 및 볼록 중 하나가 되도록 배열되는, 광학 소자.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 반사 표면 상에는 패싯에 입사되는 광의 적어도 일부가 반사되도록 적어도 하나의 반사 패싯(facet)(4b)이 배열되는, 광학 소자.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 반사기는, 적어도 하나의 투과부 상에 입사되는 광의 적어도 일부가 상기 반사기를 거쳐 투과되도록 배열된 상기 적어도 하나의 투과부(6)를 포함하는, 광학 소자.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 투과부는 축을 따라 연장되는 관통 홀을 포함하는, 광학 소자.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 광 가이드는 상기 축 방향을 따라 연장되는 색 혼합봉(color mixing rod)을 포함하고, 상기 색 혼합봉은 상기 중앙 영역의 적어도 일부를 포함하며, 상기 색 혼합봉은 6각형의 단면을 갖고 상기 광 유닛의 복수 광원으로부터의 광을 혼합하도록 배열되는, 광학 소자.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 반사기는,
    금속 코팅;
    간섭 필터;
    확산 코팅; 및
    형광체(phosphor) 코팅
    중 하나 이상을 포함하는, 광학 소자.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 광 가이드는, 투명 폴리머(transparent polymer), 폴리머 화합물(polymer compounds), 유리(glass), 폴리카보네이트(polycarbonate), 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate), 아크릴(acrylic), 플라스틱, 및 이들의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 물질을 포함하는, 광학 소자.
  13. 백열광원(1)을 이용하는 조명기구로 리트로피팅(retrofitting)하기 위해 구성된 배열된 광원(7)으로서, 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 광학 소자를 포함하는 광원.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 광학 소자를 적어도 부분적으로 둘러싸는 적어도 하나의 투명 엔벨로프(8)를 더 포함하는 광원.
  15. 제13항에 있어서,
    광 유닛이 배열되는 베이스(4)를 더 포함하고, 상기 베이스는 백열 광원을 이용하는 조명기구의 소켓 커넥터와 짝을 이루도록 구성된 전기 커넥터(10)를 포함하며, 상기 베이스는 상기 전기 커넥터에 접속된 전기 회로를 더 포함하고, 상기 전기 회로는 상기 전기 커넥터로부터 전력을 수취할 수 있고, 상기 전력에 의해 상기 광 유닛을 동작시킬 수 있도록 구성되는 광원.
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