KR101183858B1

KR101183858B1 - 선택적인 광선 각도 재순환을 이용한 ｌｅｄ의 광도 향상

Info

Publication number: KR101183858B1
Application number: KR1020077006930A
Authority: KR
Inventors: 던캔 앤더슨; 한스 조우
Original assignee: 코닌클리케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이.
Priority date: 2004-09-30
Filing date: 2005-09-22
Publication date: 2012-09-19
Also published as: JP2008515216A; EP1797595B1; CN101032036A; US7631991B2; US20090185384A1; KR20070058532A; WO2006035391A1; CN101032036B; EP1797595A1

Abstract

LED 칩에 대해 제1입사각 이하의 각도로 LED 칩으로부터 방출된 광은 LED 패키지를 이탈하는 것이 허용된다. 제1입사각보다 큰 입사각에서 LED 칩으로부터 방출된 광은 LED 패키지를 이탈하지 못하게 되고 LED 패키지 내에 다시 재순환된다. 재순환된 광은, 예를 들어 산광기를 통해 재순환된 광을 통과시켜, LED 칩에 대한 입사각이 변화된 후에 LED 칩으로부터 재방출된다.

Description

선택적인 광선 각도 재순환을 이용한 ＬＥＤ의 광도 향상{BRIGHTNESS ENHANCEMENT OF LED USING SELECTIVE RAY ANGULAR RECYCLING }

본 출원은 일반적으로 LED 광소스 및, 프로젝션 엔진과 프로젝션 디스플레이 이미지 처리를 위한 LED 광 소스에 관한 것인데, 특히 움직임 보상을 포함하는 이미지 처리에 관한 것이다.

고 전력 LED 소스의 제조업자의 리더는 이런 소스에 대한 가열-싱킹(sinking)과 최대 전류 밀도를 향상하는 동안에 고 광도 LED소스를 생산한다. 광은 이러한 소스로부터 무작위적인(Lambertian) 방향으로 방출되며 수집(collecting) 광학 장치는 광의 광도를 보존하고 광을 시준하기 위해서 설계된다. 그러나, 이런 LED의 광도는 프로젝션 시스템을 위한 소스로서 사용하기 위해 충분치 않고 LED 겉보기 광도의 향상을 위한 필요성이 있다. LED 칩이 모든 방향으로 광을 방출하기 때문에, 광의 상당한 부분은 많은 적용을 위해 직접적으로 수집될 수 있는데, 상기 적용은 제한된 광 수집 능력을 갖는다.

그러므로, 총 출력 플럭스의 최소한의 손실이 있는 LED 출력 분산을 알맞게 하는 방법을 갖는 것이 바람직하다. 또한 LED 소스의 광도를 향상시켜서, 이런 소스를 기초로 한 프로젝션 시스템을 생성하는 것을 가능케하는 것이 바람직하다. 또 한 총 출력 플럭스의 최소한의 손실이 있는 광 수집 광학 장치와 잘 맞도록 LED의 출력 분산을 알맞게 하는 방법을 개발하는 것이 바람직하다.

하나 이상의 이러한 문제를 해결하기 위해서, 본 발명의 한 양상에서 LED 패키지는 LED 칩, LED 칩에 대해 제1입사각 또는 제1입사각 보다 작은 각을 갖는 LED 칩으로부터 방출된 광을 전송하고, 제1입사각 보다 큰 LED 칩에 대한 입사각을 가진 LED 칩으로부터 방출된 광을 반사하는 에지 필터와, 에지 필터로부터 반사된 광을 수용하기 위해 배치된 산광기를 포함한다.

본 발명의 다른 양상에서, LED 패키지는 LED 칩과, LED 칩에 대한 제1입사각 또는 제1입사각 보다 작은 각을 가진 LED 칩으로부터 방출된 광을 전송하고, 제1입사각보다 큰 LED 칩에 대한 입사각을 가진 LED 칩으로부터 방출된 광을 반사하기 위한 각 의존적 광 재순환 수단과, 에지 필터로부터 반사된 광을 수용하기 위해 배치된 산광기를 포함한다.

본 발명을 성취하기 위한 방법을 기술하는 한 가지 방법은 LED 칩에 대한 제1입사각 또는 제1입사각 보다 작은 각에서 LED 칩으로부터 방출된 광이 LED 패키지를 이탈하는 것이 허용된다는 것이다. 제1입사각보다 큰 입사각에서 LED 칩으로부터 방출된 광은 LED 패키지를 이탈하는 것이 제지되고 LED 패키지 내로 다시 재순환된다. LED 칩에 대한 입사각이 예를 들어 재순환광이 산광기를 통과하게 하여 변화된 후, 재순환된 광이 LED 패키지로부터 재방출된다.

본 발명은 다음의 도면을 참조로 더 잘 설명될 수 있다.

도 1은 본 발명의 한 가지 가능한 실시예에 따른 LED 칩을 도시한 도면.

도 2는 본 발명의 다른 가능한 실시예에 따른 LED 칩을 도시한 도면.

도 3a는 복합식 포물면 집선 장치(CPC : Compound Parabolic Concentrator)를 이용하여 LED 칩으로부터 광의 시준을 도시한 도면.

도 3b는 시준/수집을 위한 외부 광학 장치를 갖는 LED의 사용을 도시한 도면.

도 4a는 광도 향상 필름(BEF : Brightness Enhancement Film)을 도시한 도면.

도 4b는 LED가 있는 광도 향상 필름(BEF)의 사용을 도시한 도면.

마이크로디스플레이를 사용하는 프로젝션 시스템에서, 디스플레이 영역에 의해 한정된 광학 장치의 개구{또는 에텐듀(etendue)(각도에 따른 광 방사량)}와 배율 광학 장치의 개구수가 있다. 임의의 조명 시스템의 목적은 개구 내의 최대 광학 플럭스를 제공하는 것과, 가장 밝은 프로젝팅된 이미지를 생성한다. LED 소스는 소스 팁으로부터 무작위적인 방향에서 광을 방출하고 종종 광은 프로젝션 시스템의 개구 내에 수집되지 않는다(따라서 낭비된다). 재순환하지 않으면 낭비되었을 광을 재순환시켜서, 이러한 광선을 광 수집 개구로 방향을 고쳐서 LED의 겉보기(apparent) 광도가 증가되는 것이 가능하다.

도 1은 상기의 LED 칩(11), 산광층(산광기)(13) 및 다이크로익 거울(15)을 포함하는 LED 칩 패키지를 도시한다. 다이크로익 거울의 기능은 입사각이 설계된 전이 콘(16)(프로젝션 시스템의 개구수) 외부로 떨어지는 광을 반사시키는 것이다. 이것을 성취하기 위해서 광의 입사각이 증가되면서 전송 에지가 더 짧은 파장으로 이동되는 다이크로익 절단 에지 필터(17)는 칩 위에 위치된다. 추가 거울(18)은 LED 패키지(1)의 측면에 위치될 수 있다. LED의 방출 스펙트럼과 필터의 전송은 고 입사각의 반사를 가능케 하기 위해 맞춰지지만 여전히 축의 방사에 가깝게 광선을 전송한다. 반사된 광은 다시 다이크로익 거울(15)과 만나기 위해서 산광기(13)(또는 산광기 및 LED 칩이 가능)를 통해 재순환되고; 따라서 반사없이 방출된 경우 반사 콘(9)이라 불릴 수 있는 곳 내에 떨어질 수 있는, 이런 재순환된 광(12)의 일부가 이제 전송 콘(16) 내에 있다. 재순환은 광이 필터의 전송 콘으로 산재될 때까지 여러번 발생하지만, 재순환 경로의 흡수 손실은 각각의 연속적인 재순환 경로에 의해 제공되는 광학 플럭스를 감소시키기 위해 합성될 것이다. 에지 필터 설계 외에, 전송 창이 LED 파장에 맞는 대역-통과 필터가 사용될 수 있고; 저 및 고 파장 필터 에지는 조명 입사각의 함수로서 LED 방사의 증가하는 반사를 야기하는 증가하는 입사각으로 전환된다.

도 1에서, LED 칩(11)은 반구의 절반(half-hemisphere)으로 광을 방사한다(램버시안 분포 : Lambertian distribution). 추가의 유전체 거울과 산광기 코팅은 방출된 광의 광도를 증가시키기 위해 조합된다. 절연체 거울의 차단 파장은 조명의 입사각이 증가하면서 더 짧은 파장으로 전환된다.

게다가, 다이크로익 필터는 LED 패키지로 통합되는 시준 광학 장치 뒤에 위 치될 수 있다. 도 2에서 복합식 포물면 집선 장치(CPC)(21)는 광학 장치의 에지로부터 광선을 반사하여(내부 전반사) LED 칩으로부터 무작위적으로 방출되는 광선을 시준한다. 다시 한번, 다이크로익 필터 컷-오프보다 크도록 결정된 각을 갖는 광선은 반사되어 LED 칩과 산광기에 재지향될 것이다. 이런 광의 산란은 광의 일부가 다이크로익 필터(27)의 전송 콘(26)으로 향하게 한다. CPC 시준기(21)는 여기에 도시되었지만, 다른 시준/수집 광학 장치도 가능하고 굴절 및 반사 광학 장치의 조합이 될 수 있다. 게다가, 광이 도 1에 도시된 LED 칩은 CPC(21) 또는 렌즈(31)에 의해 추가로 시준될 수 있고 도 3a 및 도 3b에 개략적으로 도시된다. 재순환된 광은 LED로부터 방출된 콘 각이 좁아지게 하고, 비구면 렌즈와 같은 종래의 광학 장치가 광을 수집하기 위해 사용될 수 있다. CPC 광학 장치의 에지 프로파일은 LED에 의해 방사된 광선 각의 새로운 범위를 수집하기 위해 변경되어야 한다.

다이크로익 절단 필터 외에 광을 LED 칩으로 다시 방향을 고치게 하고 광선 각의 범위를 선택하기 위해 사용될 수 있는 다른 광학 장치가 있다. 하나의 이러한 구조는 삼각형 그루브 배열을 기초로 하고 도 4a 및 도 4b에 도시된다. 이런 구조는 상표명 BEF(Brightness Enhancement Film) 하에 3M에 의해 제조되고 일반적으로 광을 시준하기 위해 직시형 액정 디스플레이의 백라이트에 사용된다. 도 4a에 도시된 광학 필름(43)은 산광기(45)의 상부에 위치된 분광 필름(41)을 갖는다. 분광 필름은 (내부 전반사에 의해) 필름의 법선(normal)에 가까운 (한 평면의) 각도 범위에서 광을 반사하는데; 더 큰 입사광에 대해, 광이 필름의 법선을 향해 BEF에 의해 굴절된다. 따라서 광의 선택적인 반사 및 재순환은 이런 광학 구조를 가지고 가능 하다. 이런 광학 장치의 한 가지 장점은 반사된 광이 도 1에 도시된 기술과 비교하여, LED의 파장에 상대적으로 민감하지 않다는 것이고; LED의 파장의 변화는 한 묶음씩 발생할 수 있고 추가적으로 LED가 고 전류 밀도에서 구동될 때 파장의 동적인 전환이 발생한다. 이것은 LED 파장 및 다이크로익 필터의 엄밀한 공차를 유도할 수 있다. 한 평면에만 광을 반사하는 삼각형 그루브 구조 외에, 피라미드 배열(또는 교차 BEF 필름)이 양 평면에서 광을 반사하기 위해 사용될 수 있다.

반사와 굴절 성분을 사용하는 광 시준 광학 장치를 위해서, 일부 역방향 전파되는 광선은 반사 측벽을 통과할 수 있다. 이런 광선을 받기 위해, 고 반사 발산층(47)은 도 4b에 도시된 바와 같이 광접촉 없이 반사 층 주위에 랩핑(wrapping)된다. 예를 들어, 삼각형 프로파일 그루브 필름(BEF) 프리즘 배열(49)은 시준/수집 광학 장치의 출구에 또는 LED 칩(48)에 근접하여 추가될 수 있다. 필름은 LED의 명백한 광도를 증가시키기 위해서 광 각도의 범위의 재순환을 제공한다.

본 출원은 일반적으로 LED 광소스 및, 프로젝션 엔진과 프로젝션 디스플레이 이미지 처리를 위한 LED 광 소스에 사용되는데, 특히 움직임 보상을 포함하는 이미지 처리에 사용된다.

Claims

LED 패키지로서,

LED 칩과,

LED 칩에 대한 제1입사각 이하의 각도를 가진 LED 칩으로부터 방출된 광을 투과시키고, 제1입사각보다 큰 LED 칩에 대한 입사각을 가진 LED 칩으로부터 방출된 광을 반사하는 에지 필터(edge filter)와,

LED 칩으로부터 방출되는 광을 내부 전반사하여 LED 칩으로부터 무작위적으로 방출되는 광을 시준하는 복합식 포물면 집선 장치(CPC) 시준기와,

에지 필터로부터 반사된 광을 수용하기 위해 배치된 산광기(diffuser)를 포함하는,

LED 패키지.
제1항에 있어서, 상기 에지 필터는 다이크로익 에지 필터(dichroic edge filter) 또는 다이크로익 거울(dichroic mirror)인, LED 패키지.
제1항에 있어서, 상기 에지 필터는 프리즘 배열 또는 삼각형 그루브(grooved) 배열을 포함하는, LED 패키지.
LED 패키지로서,

LED 칩과,

LED 칩에 대해 제1입사각 보다 이하의 각도를 가진 LED 칩으로부터 방출된 광을 투과하고, 제1입사각보다 큰 LED 칩에 대한 입사각을 가진 LED 칩으로부터 방출된 광을 반사하기 위한 각도 의존 광 재순환 수단과,

LED 칩으로부터 방출되는 광을 내부 전반사하여 LED 칩으로부터 무작위적으로 방출되는 광을 시준하는 복합식 포물면 집선 장치(CPC) 시준기와,

에지 필터로부터 반사된 광을 수용하기 위해 배치된 산광기를 포함하는,

LED 패키지.
제4항에 있어서, 상기 각도 의존 광 재순환 수단은 다이크로익 에지 필터 또는 다이크로익 거울인, LED 패키지.
제4항에 있어서, 상기 각도 의존 광 재순환 수단은 프리즘 배열 또는 삼각형 그루브 배열을 포함하는, LED 패키지.
LED 패키지의 광을 재순환 하는 방법으로서,

광이 LED 칩으로부터 무작위적으로 방출될 때, LED 칩으로부터 방출되는 광을 내부 전반사하여 시준하는 단계와,

광이 LED 칩에 대해 제1입사각 이하의 각도로 LED 칩으로부터 방출될 때, LED 칩으로부터 방출된 광이 LED 패키지를 이탈하게 하는 단계와,

광이 제1입사각 보다 큰 LED 칩에 대한 입사각에서 LED 칩으로부터 방출될 때, LED 칩으로부터 방출된 광이 LED 패키지를 이탈하는 것을 막고, LED 패키지 내에서 상기 광을 상기 재순환된 광으로서 다시 재순환하는 단계와,

LED 칩에 대한 재순환 광의 입사각을 변화시키는 단계와,

LED 칩에 대해 제1입사각 이하의 각도로 LED 패키지로부터 재순환된 광을 방출하는 단계를 포함하는,

LED 패키지의 광을 재순환 하는 방법.
제7항에 있어서, 상기 광이 LED 패키지로부터 이탈하는 것을 막는 단계는 다이크로익 에지 필터 또는 다이크로익 거울을 사용해서 그 경로를 재지향(redirecting)시켜 실행되는, LED 패키지의 광을 재순환 하는 방법.
제7항에 있어서, 상기 광이 LED 패키지로부터 이탈하는 것을 막는 단계는 광은 프리즘 배열 또는 삼각형 그루브 배열을 사용해서 그 경로를 재지향 시켜 실행되는, LED 패키지의 광을 재순환 하는 방법.
제9항에 있어서, 상기 LED 칩에 대해 재순환된 광의 입사각을 변경하는 단계는 산광기를 통해 재순환된 광을 통과하여 실행되는, LED 패키지의 광을 재순환하는 방법.
제8항에 있어서, 상기 LED 칩에 대해 재순환된 광의 입사각을 변경시키는 단계는 산광기를 통해 재순환된 광을 통과하여 실행되는, LED 패키지의 광을 재순환하는 방법.