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KR20150137959A - 보조 광학 소자 및 광원 모듈 - Google Patents

보조 광학 소자 및 광원 모듈 Download PDF

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KR20150137959A
KR20150137959A KR1020140148650A KR20140148650A KR20150137959A KR 20150137959 A KR20150137959 A KR 20150137959A KR 1020140148650 A KR1020140148650 A KR 1020140148650A KR 20140148650 A KR20140148650 A KR 20140148650A KR 20150137959 A KR20150137959 A KR 20150137959A
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KR
South Korea
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light
light emitting
emitting surface
incidence
auxiliary optical
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Application number
KR1020140148650A
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휴 유-카이
판 위-웬
황 융-치
Original Assignee
네이셔널 치아오 텅 유니버시티
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by 네이셔널 치아오 텅 유니버시티 filed Critical 네이셔널 치아오 텅 유니버시티
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Abstract

광 입사 표면, 발광 표면, 및 연결 표면을 포함하는 보조 광학 소자가 제공된다. 광 입사 표면은 제 1 및 제 2 광 입사 표면들을 포함한다. 제 1 광 입사 표면은 발광 표면쪽으로 함입된 곡면이다. 발광 표면은 광 입사 표면의 맞은편에 있으며 제 1 및 제 2 발광 표면들을 포함한다. 제 1 발광 표면은 광 입사 표면쪽으로 함입된 자유-형 표면 또는 편평한 표면이다. 제 2 발광 표면은 자유-형 표면이다. 제 2 발광 표면의 직경은 제 2 광 입사 표면의 직경보다 크며, 연결 표면은 제 2 광 입사 표면과 제 2 발광 표면간에 연결된다. 광원 모듈이 또한 제공된다.

Description

보조 광학 소자 및 광원 모듈{SECONDARY OPTICAL ELEMENT AND LIGHT SOURCE MODULE}
본 발명은 일반적으로 보조 광학 소자 및 광원 모듈에 관한 것이며, 보다 상세하게는 균일한 조명을 갖는 보조 광학 소자 및 보조 광학 소자를 적용한 광원 모듈에 관한 것이다.
빠른 응답, 작은 볼륨, 낮은 전력 소비 및 낭비, 높은 신뢰성, 및 대량 생산에 대한 적합성과 같은 이점들로 인해, 발광 다이오드(LED)는 조명 및 백라이트 소스로서 이러한 분야들에 널리 적용되어 왔다. LED 조명에서, LED는 램버시안(Lambertian) 방출 패턴을 방출하고, 이러한 유형의 방출 패턴은 타겟 조명 평면상에서 고르지 않은 조명을 보여준다. 매우 높은 휘도 또는 휘도 대비가 인간 시각의 시야 내에 존재할 때, 인간 눈들에 의해 불편함이 발생될 수 있다. 그러므로, 중요한 초점 영역은 눈부심을 감소시키며 조명 균일성을 개선하는 데 있다.
종래의 기술들에서, 눈부심을 감소시키기 위해 사용된 조명 장비들은 측-광 패널 광 및 종래의 그릴 램프(grille lamp)를 포함하며, 이것은 광 방출 패턴을 제어하기 위해 및 시야 내에서의 높은 휘도 또는 휘도 대비를 제거하기 위해 광 가이드 설계 또는 반사기 설계를 이용한다. 그러나, 이들 장비들은 낮은 광 추출 효율을 가진다. 따라서, 높은 광 추출 효율을 획득하면서 눈부심을 감소시키고 조명 균일성을 개선하는 방법이 연구 및 개발의 중요한 주제이다.
본 발명은 눈부심을 감소시키며 조명 균일성을 강화할 수 있는 보조 광학 소자를 제공한다.
본 발명은 높은 광 추출 효율을 가진 광원 모듈을 제공한다.
상기 보조 광학 소자는 발광 소자 위에 배치되도록 적응된다. 상기 보조 광학 소자는 광 입사 표면, 발광 표면, 및 연결 표면을 포함하며, 여기에서 상기 광 입사 표면은 제 1 광 입사 표면 및 상기 제 1 광 입사 표면을 둘러싸는 제 2 광 입사 표면을 포함한다. 게다가, 상기 제 1 광 입사 표면은 상기 발광 표면쪽으로 함입된 곡면이다. 상기 발광 표면은 상기 광 입사 표면의 맞은편에 있으며 제 1 발광 표면 및 상기 제 1 발광 표면을 둘러싸는 제 2 발광 표면을 포함한다. 상기 제 1 발광 표면은 편평한 표면 또는 상기 광 입사 표면쪽으로 함입된 자유-형 표면이다. 상기 제 2 발광 표면은 자유-형 표면이다. 상기 제 2 발광 표면의 직경은 상기 제 2 광 입사 표면의 직경보다 크며, 상기 연결 표면은 상기 제 2 광 입사 표면과 상기 제 2 발광 표면간에 연결된다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 제 1 광 입사 표면, 상기 제 2 광 입사 표면, 상기 제 1 발광 표면, 및 상기 제 2 발광 표면은 동일한 중심 축을 가진다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 제 1 광 입사 표면은 원호 표면이다. 상기 발광 소자는 상기 제 1 광 입사 표면 아래에 위치된 광 출사 표면을 가지며, 상기 광 출사 표면에 수직인 방향을 따라 상기 광 출사 표면과 상기 제 1 광 입사 표면 사이의 최대 거리는 상기 제 1 광 입사 표면의 곡률 반경보다 작다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 제 1 광 입사 표면의 직경은 상기 광 출사 표면의 폭보다 크다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 보조 광학 소자에서의 상기 제 2 광 입사 표면과 상기 연결 표면 사이의 사잇각은 125도 내지 145도의 범위 내에 있다.
상기 광원 모듈은 복수의 발광 소자들 및 복수의 앞서 언급한 보조 광학 소자들을 포함한다.
요컨대, 본 발명의 실시예에 따르면, 상기 보조 광학 소자들은 상기 제 1 광 입사 표면 및 상기 연결 표면의 설계들로 인한 눈부심을 감소시키도록 광 방출 패턴을 제어할 수 있다. 게다가, 상기 제 2 발광 표면의 자유-형 표면의 설계 때문에, 상기 보조 광학 소자들은 또한 조명 균일성을 강화시킬 수 있다. 더욱이, 상기 보조 광학 소자들은 높은 광 추출 효율을 가진 프레임워크들(예로서, 직접 조명형 광원 모듈들)에 적용될 수 있으며, 그에 의해 눈부심 감소, 균일한 조명, 및 또한 높은 광 추출 효율을 달성할 수 있다.
도면들과 함께 첨부된 여러 개의 대표적인 실시예들이 본 발명을 추가로 상세히 설명하기 위해 이하에 상세히 설명된다.
첨부한 도면들은 본 발명의 추가 이해를 제공하기 위해 포함되며 본 명세서의 일 부분에 통합되며 이를 구성한다. 도면들은 본 발명의 실시예들을 예시하며, 설명과 함께 본 발명의 원리들을 설명하도록 작용한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 광원 모듈의 확대도이다.
도 2는 도 1에 묘사된 보조 광학 소자의 제 1 단면 개략도이다.
도 3은 도 1에 묘사된 보조 광학 소자의 상부 개략도이다.
도 4는 도 1에 묘사된 보조 광학 소자의 하부 개략도이다.
도 5는 도 1에 묘사된 보조 광학 소자의 제 2 단면 개략도이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 광원 모듈의 확대도이다. 도 2는 도 1에 묘사된 보조 광학 소자의 제 1 단면 개략도이다. 도 3은 도 1에 묘사된 보조 광학 소자의 상부 개략도이다. 도 4는 도 1에 묘사된 보조 광학 소자의 하부 개략도이다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 광원 모듈(100)은 복수의 발광 소자들(110) 및 복수의 보조 광학 소자들(120)을 포함한다. 보조 광학 소자들(120)의 각각은 발광 소자들(110)의 하나 위에 배치되도록 적응되며, 보조 광학 소자들(120)은 발광 소자들(110)의 광 필드 패턴을 변경하도록 그리고 조명을 균일하게 하도록 구성된다. 예를 들면, 발광 소자들(110)의 각각은 발광 다이오드(LED)일 수 있으며, 보조 광학 소자들(120)의 각각은 보조 렌즈일 수 있다.
광원 모듈(100)은 회로 보드(130)를 더 포함할 수 있으며, 발광 소자들(110)은 예를 들면, 회로 보드(130) 상에 배치되며 어레이로 배열된다. 보조 광학 소자들(120)의 각각은 발광 소자들(110)의 하나에 대응하도록 회로 보드(130) 상에 배치되며 발광 소자들(110)은 보조 광학 소자들(120) 및 회로 보드(130) 사이에 위치된다. 보조 광학 소자들(120)은 접착 층들, 래치들, 또는 고정 요소들을 통해 회로 보드(130) 상에 고정될 수 있다. 게다가, 상이한 설계 요건들에 따르면, 광원 모듈(100)은 보조 광학 소자들(120) 위와 같이, 광원 모듈(100)의 발광 측면 상에 배치된 적어도 하나의 광학 필름(140)을 더 포함할 수 있다. 예를 들면, 광학 필름(140)이 디퓨저(diffuser)일 때, 광원 모듈(100)의 휘도는 더 균일할 수 있다.
도 2 내지 도 4를 참조하면, 보조 광학 소자들(120)의 각각은 광 입사 표면(122), 발광 표면(124), 및 연결 표면(126)을 포함한다. 광 입사 표면(122)은 제 1 광 입사 표면(122a) 및 제 1 광 입사 표면(122a)을 둘러싸는 제 2 광 입사 표면(122b)을 포함하며, 제 1 광 입사 표면(122a)은 발광 표면(124)쪽으로 함입된(recessed) 곡면이다.
발광 소자들(110)은 제 1 광 입사 표면(122a) 아래에 위치된 광 출사 표면(S110)을 가지며, 제 1 광 입사 표면(122a)의 직경(R122a)은 광 출사 표면(S110)의 폭(W110)보다 크다. 본 실시예에서, 제 1 광 입사 표면(122a)의 정사영(orthographic projection)은 광 출사 표면(S110)의 정사영을 완전히 커버하며, 따라서 제 1 광 입사 표면(112a)은 발광 소자들(110)의 발광 범위를 커버한다. 구체적으로, 발광 표면(S110)의 폭(W110)은 예를 들면, 3 mm일 수 있으며, 제 1 광 입사 표면(122a)의 직경(R122a)은 6.58 mm이다.
제 1 광 입사 표면(122a)은 원호 표면일 수 있다. 광 출사 표면(S110) 및 광 출사 표면(S110)에 수직인 방향(D1)을 따르는 제 1 광 입사 표면(122a) 사이에서의 최대 거리(H)가 제 1 광 입사 표면(122a)의 곡률 반경보다 작도록 구성함으로써, 광 출사 표면(S110)으로부터의 광 빔들의 대부분의 송신 경로들은 보조 광학 소자들(120)에 들어간 후 스넬의 법칙으로 인해 굴절되며, 그로 인해 수렴 효과를 달성한다. 제 1 광 입사 표면(122a)의 곡률 반경은 예를 들면, 5.148 mm일 수 있다.
본 실시예에서, 제 2 광 입사 표면(122b)은 상이한 유형들의 표면들로서 설계될 수 있거나, 또는 다른 구성요소들이 도 1에 묘사된 회로 보드(130)와 결합하기 위해 제 2 광 입사 표면(122b) 상에 배치될 수 있으며, 본 발명은 제 2 광 입사 표면(122b)의 유형을 제한한다.
발광 표면(124)은 광 입사 표면(122)의 맞은편에 있으며 제 1 발광 표면(124a) 및 제 1 발광 표면(124a)을 둘러싸는 제 2 발광 표면(124b)을 포함한다. 게다가, 제 1 광 입사 표면(122a), 제 2 광 입사 표면(122b), 제 1 발광 표면(124a), 및 제 2 발광 표면(124b)은 예를 들면, 동일한 중심 축(O)을 가질 수 있다.
본 실시예에서, 제 1 발광 표면(124a)은 편평한 표면일 수 있으며, 제 2 발광 표면(124b)은 자유-형 표면(free-form surface)일 수 있다. 자유-형 표면 설계는 예를 들면, 발광 소자들(110)의 각각에 대응하는 타겟 조명 평면상에서의 지역적 조명 차이를 감소시킴으로써, 광 방출 조명의 균일성을 강화시킨다. 자유-형 표면의 균등화 및 균등화(equation)에서의 각각의 파라미터 값은 상이한 설계 요건들에 따라 결정될 수 있다는 것이 주의되어야 한다. 게다가, 발광 표면(124)을 차지하는 제 2 발광 표면(124b) 및 제 1 발광 표면(124a)의 비(또는 제 2 발광 표면(124b) 및 제 1 발광 표면(124a)의 직경들)가 또한 요건들에 따라 결정될 수 있다. 본 실시예에서, 제 1 발광 표면(124a)의 직경(R124a)은, 본 발명이 이에 제한되지 않을지라도, 제 2 광 입사 표면(122b)의 직경(R122b)과 동일할 수 있다. 또한, 직경들(R122b 및 R124a)은 예를 들면, 10 mm일 수 있으며, 제 2 발광 표면(124b)의 직경(R124b)은 25.3 mm일 수 있다.
연결 표면(126)은 제 2 광 입사 표면(122b)과 제 2 발광 표면(124b)간에 연결된다. 본 실시예에서, 광 출사 표면(S110)에 수직인 기준 평면(R) 상에서의 연결 표면(126)의 단면 라인(X)은 직선이다. 제 2 발광 표면(124b)의 직경(124b)이 제 2 광 입사 표면(122b)의 직경(122b)보다 크기 때문에, 광 출사 표면(S110)에 평행하는 기준 평면(RR) 상에서의 연결 표면(126)의 단면적(AA)은 제 2 광 입사 표면(122b)으로부터 제 2 발광 표면(124b)의 방향(즉, 방향(D1))쪽으로 점진적으로 증가한다.
연결 표면(126)의 비스듬한 표면 설계로 인해, 연결 표면(126)에 송신된 광 빔들은 전반사 원리 때문에 발광 표면(124)으로 다시 송신되며, 따라서 발광 소자들(110)의 발광 각이 추가로 감소될 수 있다. 보조 광학 소자들(120)에서의 연결 표면(126) 및 제 2 광 입사 표면(122b) 사이에서의 사잇각(included angle)(θ)은 제 1 발광 표면(124a) 및 제 2 발광 표면(124b)으로부터 방출된 광 빔들의 비율을 제어할 수 있다. 본 실시예에서, 보조 광학 소자들(120)에서의 연결 표면(126)과 제 2 광 입사 표면(122b)간의 사잇각(θ)은 125도 내지 145도의 범위 내에 있을 수 있다. 게다가, 방향(D1)을 따르는 연결 표면(126)의 두께(T126)는 예를 들면, 9.5 mm일 수 있으며, 방향(D1)을 따르는 발광 표면(124)의 두께(T124)는 1.05 mm일 수 있다.
측광 패널 광 및 종래의 그릴 램프에 비교하면, 본 실시예는 발광 소자들(110)의 광 방출 패턴을 제어하기 위해, 및 시야 내에서의 높은 휘도 또는 휘도 대비를 제거하기 위해, 비교적 높은 광 추출 효율을 갖고 직접 조명형 광원에 보조 광학 소자들(120)을 구성한다. 따라서, 본 실시예는 또한 높은 광 추출 효율을 가지면서 눈부심을 감소시키고 조명 균일성을 강화시킬 수 있다.
도 5는 도 1에 묘사된 보조 광학 소자의 제 2 단면 개략도이다. 도 5를 참조하면, 본 실시예의 보조 광학 소자(120A)는 도 2 내지 도 4에 묘사된 보조 광학 소자(120)와 대체로 동일하며, 동일한 구성요소들은 동일한 참조 라벨들에 의해 표현되고, 그것의 추가 상술은 이후 생략된다. 주요 차이는 제 1 발광 표면(124a')이 광 입사 표면(122)쪽으로 함입된 자유-형 표면이라는 점이며, 자유-형 표면의 균등화 및 균등화에서의 각각의 파라미터 값은 상이한 설계 요건들에 따라 결정될 수 있다. 게다가, 제 2 발광 표면(124b) 및 제 1 발광 표면(124a')의 면적(또는 직경)의 비가 또한 요건들에 따라 결정될 수 있다. 본 실시예에서, 제 1 발광 표면(124a')(도 2 및 도 3 참조)의 직경(R124a')은, 본 발명이 이에 제한되지 않을지라도, 제 2 광 입사 표면(122b)의 직경(R122b)과 동일할 수 있다.
요컨대, 본 발명의 실시예들에 따르면, 보조 광학 소자들은 제 1 광 입사 표면 및 연결 표면의 설계들로 인한 눈부심을 감소시키도록 광 방출 패턴을 제어할 수 있다. 게다가, 제 2 발광 표면의 자유-형 표면의 설계 때문에, 보조 광학 소자들은 또한 조명 균일성을 강화시킬 수 있다. 더욱이, 보조 광학 소자들은 높은 광 추출 효율을 가진 프레임워크들(예로서, 직접 조명형 광원 모듈들)에 적용될 수 있으며, 그에 의해 눈부심 감소, 균일한 조명, 및 또한 높은 광 추출 효율을 달성한다.
다양한 수정들 및 변형들이 본 발명의 범위 또는 사상으로부터 벗어나지 않고 개시된 실시예들의 구조에 대해 이루어질 수 있다는 것이 이 기술분야의 숙련자들에게 명백할 것이다. 앞서 말한 것을 고려하여, 개시는 그것들이 다음의 청구항들 및 그것들의 등가물들의 범위 내에 있는 경우에만 본 명세서의 수정들 및 변형들을 커버하도록 의도된다.

Claims (10)

  1. 발광 소자 위에 배치되도록 적응된 보조 광학 소자에 있어서,
    광 입사 표면, 발광 표면, 및 연결 표면을 포함하며, 상기 광 입사 표면은 제 1 광 입사 표면 및 상기 제 1 광 입사 표면을 둘러싸는 제 2 광 입사 표면을 포함하고, 상기 제 1 광 입사 표면은 상기 발광 표면쪽으로 함입된(recessed) 곡면이고, 상기 발광 표면은 상기 광 입사 표면의 맞은편에 있으며 제 1 발광 표면 및 상기 제 1 발광 표면을 둘러싸는 제 2 발광 표면을 포함하고, 상기 제 1 발광 표면은 편평한 표면이거나 또는 상기 광 입사 표면쪽으로 함입된 자유-형 표면(free-form surface)이고, 상기 제 2 발광 표면은 자유-형 표면이고, 상기 제 2 발광 표면의 직경은 상기 제 2 광 입사 표면의 직경보다 크며, 상기 연결 표면은 상기 제 2 광 입사 표면과 상기 제 2 발광 표면간에 연결되는, 보조 광학 소자.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제 1 광 입사 표면, 상기 제 2 광 입사 표면, 상기 제 1 발광 표면, 및 상기 제 2 발광 표면은 동일한 중심 축을 갖는, 보조 광학 소자.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제 1 광 입사 표면은 원호 표면(circular arc surface)이고, 상기 발광 소자는 상기 제 1 광 입사 표면 아래에 위치된 광 출사 표면을 가지며, 상기 광 출사 표면에 수직인 방향을 따라 상기 광 출사 표면과 상기 제 1 광 입사 표면 사이에서의 최대 거리는 상기 제 1 광 입사 표면의 곡률 반경보다 작은, 보조 광학 소자.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 제 1 광 입사 표면의 직경은 상기 광 출사 표면의 폭보다 큰, 보조 광학 소자.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 보조 광학 소자에서의 상기 연결 표면과 상기 제 2 광 입사 표면 사이의 사잇각(included angle)은 125도 내지 145도의 범위 내에 있는, 보조 광학 소자.
  6. 광원 모듈에 있어서,
    복수의 발광 소자들; 및
    복수의 보조 광학 소자들로서, 상기 보조 광학 소자들의 각각은 상기 발광 소자들의 하나 위에 배치되도록 적응되며, 상기 보조 광학 소자들의 각각은 광 입사 표면, 발광 표면, 및 연결 표면을 포함하고, 상기 광 입사 표면은 제 1 광 입사 표면 및 상기 제 1 광 입사 표면을 둘러싸는 제 2 광 입사 표면을 포함하며, 상기 제 1 광 입사 표면은 상기 발광 표면쪽으로 함입된 곡면이고, 상기 발광 표면은 상기 광 입사 표면의 맞은편에 있으며 제 1 발광 표면 및 상기 제 1 발광 표면을 둘러싸는 제 2 발광 표면을 포함하고, 상기 제 1 발광 표면은 편평한 표면 또는 상기 광 입사 표면쪽으로 함입된 자유-형 표면이고, 상기 제 2 발광 표면은 자유-형 표면이고, 상기 제 2 발광 표면의 직경은 상기 제 2 광 입사 표면의 직경보다 크며, 상기 연결 표면은 상기 제 2 광 입사 표면과 상기 제 2 발광 표면간에 연결되는, 상기 복수의 보조 광학 소자들을 포함하는, 광원 모듈.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 제 1 광 입사 표면, 상기 제 2 광 입사 표면, 상기 제 1 발광 표면, 및 상기 제 2 발광 표면은 동일한 중심 축을 갖는, 광원 모듈.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 제 1 광 입사 표면은 원호 표면이고, 상기 발광 소자는 상기 제 1 광 입사 표면 아래에 위치된 광 출사 표면을 가지며, 상기 광 출사 표면에 수직인 방향을 따라 상기 광 출사 표면과 상기 제 1 광 입사 표면 사이에서의 최대 거리는 상기 제 1 광 입사 표면의 곡률 반경보다 작은, 광원 모듈.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 제 1 광 입사 표면의 직경은 상기 광 출사 표면의 폭보다 큰, 광원 모듈.
  10. 청구항 6에 있어서,
    상기 보조 광학 소자에서의 상기 연결 표면과 상기 제 2 광 입사 표면 사이의 사잇각은 125도 내지 145도의 범위 내에 있는, 광원 모듈.
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