KR20070058380A - 발광 다이오드를 위한 광학 매니폴드 - Google Patents

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KR20070058380A
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led
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훌리오 씨. 샤베즈
와키디 팰리코프
후안 씨. 미나노
파블로 베니테즈
올리버 드로스
윌리엄 에이. 주니어. 파킨
로버토 알바레즈
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라이트 프리스크립션즈 이노베이터즈, 엘엘씨
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Abstract

소형의 경제적인 패키지 내부에 복수의 LED를 단일의, 실질적으로 균질한 출력으로 효율적으로 결합하는 광학 매니폴드. 광학 매니폴드는 동일한 색상의 복수의 LED를 결합하고 아주 높은 균일도와 분명한 경계를 갖는 고강도의 출력을 제공하기 위하여 사용될 수 있으며, 또한, 백색광을 생성하기 위하여 결합되는 레드, 그린 및 블루 LED와 같은 다중 파장의 출력을 생성하는데 사용될 수 있다. 또한, 단일 또는 다중 LED와 원격 형광체와, 후방 산란된 광루미네선스가 휘도 및 출력구의 플럭스를 강화하기 위하여 재사용될 수 있도록 중간 파장 선택 필터를 사용하는 실시형태와 실시예가 개시된다. 광학 매니폴드는 LED에 기인하는 본질적인 휘도 비균일성을 약화시키기 위하여 설계된다. 광학 매니폴드는 광을 변환하고 방향성이 있고 본질적으로 균일한 광원을 제공하기 위해 비화상화 광학 원리를 사용한다.

Description

발광 다이오드를 위한 광학 매니폴드{OPTICAL MANIFOLD FOR LIGHT-EMITTING DIODES}
본 발명은 일반적으로 발광 다이오드(LED)에 관한 것이고, 더욱 구체적으로는, 하나 이상의 LED를 활용하는 광 집적/분산(light collection/distribution) 시스템에 대한 것이다.
(관련 출원 참고 사항)
발명의 명칭이 발광 다이오드를 위한 광학 매니폴드(OPTICAL MANIFOLD FOR LIGHT-EMITTING DIODES)인 2005년 3월 3일에 출원된 미국 특허 가출원 제 60/658,713호의 우선권을 주장하고, 그 내용을 본 출원의 본 출원의 일부로서 참조한다.
발명의 명칭이 발광 다이오드를 위한 광학 매니폴드(OPTICAL MANIFOLD FOR LIGHT-EMITTING DIODES)인 2004년 9월 29일에 출원된 미국 특허 가출원 제 60/614,565호의 우선권을 주장하고, 그 내용을 본 출원의 본 출원의 일부로서 참조한다.
발명의 명칭이 발광 다이오드를 위한 광학 매니폴드(OPTICAL MANIFOLD FOR LIGHT-EMITTING DIODES)인 2004년 9월 22일에 출원된 미국 특허 가출원 제 60/612,558호의 우선권을 주장하고, 그 내용을 본 출원의 본 출원의 일부로서 참조한다.
발명의 명칭이 발광 다이오드를 위한 광학 매니폴드(OPTICAL MANIFOLD FOR LIGHT-EMITTING DIODES)인 2004년 4월 23일에 출원된 미국 특허 가출원 제 60/564,847호의 우선권을 주장하고, 그 내용을 본 출원의 본 출원의 일부로서 참조한다.
발광 다이오드(LED)는 널리 사용 가능하고, 비용이 저렴하고, 효과적인 광원이다. 캠핑 조명등과 같은 저조명으로, 하나 또는 2개의 LED가 적절한 빛을 제공한다. 그러나, 자동차 전조등과 같은 더 많은 빛을 필요로 하는 상품에 LED를 활용하기 위해서는, 복수의 LED의 출력을 결합하는 것이 필요하다. LED에 관한 종래의 기술은 복수의 방출기 칩의 광출력 결합에 대해 만족스러운 수준에 미치지 못한다. 물리적으로 칩을 인접시킨다면 물론 더 큰 광원을 생산할 수 있으나, 열제거에 따른 제한으로 인해 전체 휘도가 감소된다. 또한, 개별 방출기 사이의 암흑 지역(dark zone)을 남기므로, 인접한 방출기 사이에 휘도의 연속성이 떨어진다. LED는 광범위한 제조업자로부터 사용 가능하고, 상업적으로 사용 가능한 LED에 있어서, 방출기 그 자체는 휘도에 있어서 변화를 가져온다. 예를 들어, 몇몇 제조업자(예를 들어, OSRAM사(OSRAM Corporation of San Jose, CA) 및 Cree사(Cree Corporation of Santa Barbara, CA))는 와이어와 방출 칩의 상부로부터 빛을 차단하는 본딩 패드(bonding pad)가 있는 고출력 LED를 제조한다. 대조적으로, Lumileds사(Lumileds Corporation of San Jose, CA)가 제조하는 고출력 LED는 플립 칩을 예시하며, 이는 달리 정면의 광출력을 차단하는 와이어 및 본드가 없다. 그러나, 이들 조차도 방출기를 통해 큰 휘도 변화를 나타낸다. 예를 들어, Lumileds사의 Luxeon I과 Luxeon II LED는, 한 칩으로부터 다른 칩으로 변화하는 사이에 임의의 패턴으로, 중심으로부터 모서리로의 1할의 인자(factor) 만큼 휘도에 있어서 변화할 수 있다. 플립 칩 또는 정면 와이어 칩(front-wired chip)의 하나에 대한, 그러한 바람직하지 못한 패턴은 렌즈를 시준하거나 집광하는 빔에 있어서 해로운 것을 야기시킬 수 있다. 확산기(diffuser)를 그러한 렌즈 위에 배치할 수 있을지라도, 확산기는 15%의 빛을 상실하고 빔에 모서리를 흐릿하게 한다. 광원을 균일하게 하는 더 효율적인 방법(모서리를 분명하게 유지하는 것)은 휘도 광학에 있어서 중대한 발전이다. 박막 LED는 통상적인 기판 LED를 능가하는 크게 향상된 균일성을 갖지만, 활성화된 광발생 층을 통해 하방향으로의 고유한 불균일 전류 분포로 인해, 항상 불균일한 휘도를 갖는다는 근본적인 이유가 있다. 큰 융착 전극을 사용하는 것은 LED가 있는 접점에서 더 많은 쓸모없는 표면 재결합(surface recombination)을 발생시키고, 따라서 전극은 작게 유지되어야 한다. 대조적으로, 여기에서 묘사되는 광학 트랜스포머(optical transformer)는 전류 공급을 위한 모서리 위치에 불균일성을 증폭시키는 프리미엄을 놓는다. LED 칩의 미처리 톱니 모서리(untreated sawed edge)는 표면 재결합을 야기하기 때문에, 전류는 도달하도록 할 수 없고, LED는 모서리로의 모든 길을 조명할 수 없다. LED에 고유한 휘도 불균일성을 경감시키는 광학 트랜스포머를 제공하는 것이 유리하다.
단일 광원을 균일하게 만드는 것을 넘어서서, 공간적으로 분리된 LED 칩의 출력을 결합하가 위한 더 나은 광학적 방법이 요구되며, 이는 가깝게 채워졌을 때 냉각이 용이하다. 그러한 광학적 광원 결합 수단은 날카로운 모서리가 있는 균일한 휘도를 최적으로 생산해야 한다. 용이한 열처리뿐만 아니라, 개별적인 변화 또는 LED의 오류조차도 알아채지 못하도록 하는 광학적 광원 결합이 요구된다.
LED의 종래 기술은 또한, 백색광을 발생시키는 LED와 같은, LED에 있어서 형광(phosphor) 활용의 외형에 대하여 만족스러운 수준에 미치지 못한다. 1mm 블루 칩 상에 직접 1/4mm(240㎛) 이상의 형광 코팅은 필연적으로 광원의 면적을 증가시키고, 때로는 4할의 인자 만큼에 달하고, 휘도를 감소시킨다. 그러한 소형 칩에 형광 활용은 각각의 칩에 대해 및 그 사이에 역시 색상-온도 변화를 필연적으로 야기한다. 또한, 형광 출력은 많은 부분은 산란한다. 즉, 칩으로 소모적으로 되비춘고, 이는 상대적으로는 흡수성이다. 따라서, 형광은 칩은 고원 동작 온도에 저항해야 하고, 미분 열팽창(differential thermal expansion)은 접착 문제점을 불러 일으키고, 형광이 느슨하게 작동해야하는 경우 출력을 크게 감소시킨다. 더 얇은 형광층은 스트레스(stress)에 대해 문제점이 적어질지라도, 더 많은 휘도뿐만 아니라, 오직 하나의 제조회사(예를 들어, Lumileds사)만이 다른 회사보다 10배 더 얇도록 백색 LED의 등각의 25㎛ 코팅을 위한 진보된 형광 증착 기술을 보유하고 있다(다른 회사로부터의 실험용 견본이 제시되나 과정은 이때 상업적으로 실행 가능한지 여부 가 증명되지 않는다). 이러한 장치조차도, 칩으로부터 칩까지 뿐만이 아니라 정면에 대해서도, 색상-온도에 있어서 변화한다.
형광이 LED로부터 떨어져서 배치되는 것이 유리하다. 특히, LED 장치의 형광막이 LED 그 자체의 온도 변화에 영향을 받지 않도록 충분히 멀리 배치되는 것이 유리하다. 그러한 형광 표적은 휘도를 극대화하기 위해 분리된 LED 칩의 결합 멱적 만큼 작게 될 수 있다. 백색 LED의 통상적인 배열은 색온도(color temperature)에 있어서 변화를 겪는다. 이러한 문제점을 극복하기 위해, 제조자는 값비싼 바이닝 과정(binning procedure)을 채용한다. 그러나, LED 기술에 관련된 현 상태에서, 견고한 저장(bin)을 사용할지라도, 색온도에 있어서 상당한 변화는 아직도 있다. 또한, 폐쇄 포장 LED의 배열은 한개 이상의 칩 너비의 공간을 갖기 때문에, 전체 배열에 걸쳐서 형광의 단순한 응용은 희석되고 매우 불균일한 휘도를 초래한다.
LED로부터 균일함과 색상 지속성을 갖춘 더 높은 백색 휘도를 얻는 것은 LED 시장이 일반 광 용도로 진입하기 위해 중요하고, LED의 전력 소모가 적고 수명이 길 경우 에너지 절약에도 큰 기여를 할 수 있다. 청색 광원으로부터 분리될 수 있다면 더 크도 더 효율적인 형광 코팅이 활용될 수 있다. 그러한 발전은 자동자 전조등에 특히 유용하며, 현재의 백색 LED는 휘도에 있어서 고작 한계선상에 있을 뿐이다. 사실상, 빔을 횡단하는 색온도 변화는 청색광을 초과하도록 하고, 이는 안과학적으로 위험하다.
몇몇 응용례에 있어서, 단일한 큰 광원으로부터 많은 수의 소형 관원을 생산하는 것이 유리하다. 예를 들어, 광학 부품은 너무 두껍거나 너무 크기 때문에 광 학적 설계는 성형하기 힘들 때, 이는 유용하다. 그러한 큰 단일 광원이 같은 전체 면적의 많은 수의 소형 광원으로 분할되면, 동일한 렌즈 설계는 각각의 그러한 광원을 위해 사용될 수 있고, 성형 가능한 크기로 단지 치수를 줄이면 된다. 또한, 큰 부모 광원보다 이러한 소형 광원은 더 균일하거나 소정의 휘도 출력을 갖는다는 점에서 바람직하다.
다른 응용례에 있어서, 실질적으로 동일한 면적을 갖는 정사각형에서 직사각형의 형상 또는 그 역과 같이, 단일 광원 또는 복수 광원의 형상을 다른 형상으로 바꾸는 것이 유용하다. 2대1 내지 6대 1 사이의 종횡비(세로 대 가로비)를 갖는 직사각형 광원을 발생시키는 LED 전조등과 같은 응용례에 유용하다. 물론, 그러한 광원은 가능한 많은 광원 휘도를 유지해야 한다.
최종적으로, 2개 이상의 다른 파장의 LED를 단일한 균일 광원으로 결합하여, 형광을 사용하지 않고 백색 LED 광원을 발생시키는 매우 효율적은 수단을 갖는 것이 바람직하다. 전통적으로, 백색 광을 만들기 위해, 일반적으로는 레드, 그린과 블루 LED의 서로 다른 3개의 색상 LED를 사용하여 시도되어 왔다. 그러나, 전통적인 광학적 시도는 RGB 광원과 같은 것을 사용하는 직사각형 또는 정사각형의 균일한 광원을 생산하지 않는다. 3개 이상의 LED 파장을 결합하여 광원을 생산하는 수단을 갖는 것이 유리하다. 또한, 광원의 색도(chromaticity)가 조정 가능한 광원을 생산하는 수단을 갖는 것이 유용하다.
여기에서는, 복수의 LED 출력을, 유전성(dielectric) 소재로 제작될 수 있는 소형의 비용 효율이 큰 패키지에서, 실질적으로 균일한 단일 출력으로 효과적으로 결합할 수 있는 능력을 제공하는 광학 매니폴드가 설명된다. 광학 매니폴드는 동일 색상의 복수의 LED를 결합하여 높은 광선속(flux)과 고강도 출력 빔을 제공하기 위해 사용될 수 있거나 다파장 빔을 발생시키기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 레드, 그린 및 블루 LED는 "백색" 출력을 만들기 위해 결합될 수 있다. 또한, 단일 LED 또는 다중 LED, 및 비산된 포토 루미네센스(photoluminescence)가 출력으로 재활용되도록 배열되는 원격 형광 코팅을 사용하는 실시예가 공개된다. 광학 매니폴드는 비화상(nonimaging) 광학의 원리를 사용하고, 실질적으로 LED의 발출면 상의 휘도 변화를 경감시키기 위해 고안되고, 실질적으로 균일한 광원을 제공한다. 또한, 이러한 광학 매니폴드는 정사각형 형상의 LED를 사용하여 다양한 비정사각형 형상의 광원을 생산하기 위해 사용될 수 있고, 이는 직사각형과 비대칭의 높은 광선속 광원을 포함한다. 이러한 높은 광선속 광원은 고체 소자(solid state) 광 자동차 전조등과 같은 많은 응용례에 유용하다. 예를 들어, 이러한 응용례를 위해, 4대1의 종횡비를 갖는 균일한 직사각형 LED 기반의 광원을 갖는 것이 바람직하다. 이는 여기에서 설명되는 광학 매니폴드로 달성 가능하다. 통상적으로 고체 소자 광 및 특히 발광 다이오드는 여기에서 설명되는 광학 트랜스포머의 혜택을 통해 새로운 응용례를 찾아낸다. 예를 들어, 백색 LED를 제공하기 위해, 하나 이상의 블루 칩을 공간적으로 분리된 형광으로 전달하기 위한 광학 시스템이 공개된다. 그 후에, 그러한 형광 표적은, 휘도를 극대화하기 위해, 분리된 칩의 결합 면적만큼 소형화될 수 있다. 형광층은 LED 그 자체의 온도 변화에 영향을 받지 않을 정도의 충분히 떨어진 곳에 배치된다.
여기에서 설명되는 광학 트랜스포머는 일반적으로, 신형 광학 매니폴드의 발명을 통해서, 이상에서 논의된 조명 공학적인 필요를 충족시키기 위해 비화상 광학의 원리를 활용하는 것과 관련이 있다. 비화상 광학의 에지 레이(edge-ray) 원리는 광원 에텐듀(etendue), 비화상 광학의 중심 량의 미량의 표면을 출발한다. 에텐듀는 광원 면적(As) 및 광원 출력의 투영 입체각의 곱에 광원을 둘러싸는 광학 매개물의 굴절 지수(n)의 제곱을 곱한다.
E=n2Assin2θ
여기에서, θ는 광원의 방사 패턴가 동등한 입체 원추각의 비법선(off-normal) 각도이다. 2π 스테라디안(steradian)으로의 확산 램버시안(lambertian) 방출은 θ=90°에 의해 표시된다. 이러한 방출 출력은 LED 칩 그 자체로부터의 방출의 특징이다.
이상적인 광학 시스템은 에텐듀를 유지하여, 태양광 집광기의 집광점의 작은 크기가 넓은 빔 각도로부터 유용한 복수의 광선속으로 되는 것에 비해, 이상적인 시준기(collimator)의 확대된 출력 면적이 좁은 빔 각도 내의 유용한 고강도가 된다.
여기에서 설명되는 광학 트랜스포머는 시준되는 백라이트를 위한 에텐듀 한정 조명, 복수의 광원이 있는 에텐듀 한정 조명 및 에텐듀 한정 형광 활용을 제공하는 신형 광학 매니폴드를 제안한다. 여기에서 설명되는 광학 트랜스포머에 의한 이러한 중요한 임무의 유용한 성취는 LED 진화의 새 장을 연다. 예를 들어, 형광에 비해 다른 포토 루미네센스 소재는, 포토 루미니센스 반도체 AllnGaP와 같은, LED 상에 직접보다 더욱 용이하게, 이곳에서 설명되는 광학 트랜스포머와 함께 사용될 수 있다.
특히, 설명되는 몇몇 실시예는 전반사만을 활용하고, 표면에 인가되는 금속성 반사 코팅을 필요로 하지 않는다. 또한, 실시예는 소형의 다수 LED 칩의 방출로부터 대형 "가상 칩"을 만들어내기 위한 완전한 매니폴드로 결합되는 사출 성형된 하부 구조를 포함한다. 가상 칩은 실제 칩보다 더 나은 조명 균일성과 색상을 갖고, 유용하게 제한된 각방향 출력으로 구성될 수 있다. 또한, 제어되는 불균일성은 그러한 각방향 제한에 따라서 처리될 수 있고, 매니폴드 출력 상의 투영 렌즈의 집광면에 배치시켜서 만나는 강도 지시(prescription)를 가능하게 한다.
광경로의 가역성은, 여기에서 설명되는 실시예가 자동차 계기판 상의 많은 도구를 조명하는 단일 LED 뿐만이 아니라 대형 광원을 다수의 소형 광원으로 변환시켜서 분산시키는데 동일하게 사용될 수 있다는 점을 나타낸다. 여기에서 설명되는 광학 트랜스포머로, 계기판을 위한 광학 매니폴드로 또한 공급되는 백업 LED을 갖는 것이 용이하다.
본 발명에 대한 더 완전한 이해를 위해, 첨부된 도면에 나타낸 바와 같이 실 시예에 대한 이하의 상세한 설명에 참조하도록 제작된다.
도 1A는 인접한 복합 포물선 집광기(compound parabolic concentrator:CPC) 반사기가 있는 박막 LED에 대한 단면도이다.
도 1B는 활성 증착막(active epitaxy layer)과 접촉하는 확산 반사기(diffuse reflector)가 있는 도 1A에서의 상부 방출 LED의 확대된 단면도이다.
도 2A는 10°유전체로 채워진 CPC와 광학 접착으로 담긴(immersed) 박막 LED에 대한 단면도이다.
도 2B는, 전체 10°유전체 CPC를 나타내는, 도 2A의 유전체로 채워진 CPC의 바닥 부분에 대한 단면도이다.
도 2C는, 고효율 광추출을 위한 높은 지수의 CPC 및 시준을 위한 낮은 지수의 CPC를 포함하는, 도 2A 및 도 2B에 도시된 단면도를 통합하는 광학 매니폴드에 대한 단면도이다.
도 2D는 도 2C에서 부분적으로 도시된 전체 CPC2003을 도시하는 단면도이다.
도 3A는 소형 반구에 담긴 박막 LED의 단면도이다.
도 3B는 최소형의 가능한 볼 렌즈에 담긴 박막 LED의 단면도이다.
도 3C는 칩 온보드(chip-on-board) LED의 구형 구성 형태에 담긴 박막 LED에 대한 단면도이다.
도 4A는 2개의 박막 LED와 프리즘 결합기에 대한 단면도이다.
도 4B는 도 4A에 도시된 프리즘 결합기를 활용하는 광학 매니폴드(44)에 대 한 단면도이고, 이는 각각 프리즘 결합기가 있는 소형 CPC에 담긴 2개의 박막 LED와 대형 CPC를 포함한다.
도 5는 2개의 LED를 위한 반사 광학 매니폴드 반사기에 대한 단면도이고, 각각은 출력을 제공하는 단일한 대형 직사각형 CPC로 공급하는 CPC를 갖는다.
도 6A는 2:1 유전 광학 결합기의 단면도이다.
도 6B는 도 6A와 유사한 전연 결합기에 대한 단면도이며, 또한 혼합봉(mixing rod)을 포함한다.
도 6C는 CPC 입력이 있는 하이브리드 광학 매니폴드 및 공기중에 각방향으로 제한된 출력이 있는 원추체에 대한 단면도이다.
도 6D는 원추체 또는 맞춤형 거울 및 다중 렌즈를 포함하는 광학 매니폴드에 대한 단면도이다.
도 6E는 도 6D와 유사하나 다중 프레넬(Fresnel) 렌즈를 활용하는 구성에 대한 단면도이다.
도 6F는 다중 TIR 렌즈를 포함하는 광학 결합기에 대한 단면도이다.
도 6G는 복수의(예를 들어, 55) 원형 대칭 렌즈를 활용하는 육각형 타일의 광학 매니폴드의 정면도이고, 예를 들어, 도 6A 내지 도 6F에서 도시된 렌즈로 실시될 수 있다.
도 6H는 다중 TIR 렌즈의 입력 측에 대한 사시도이다.
도 6I는 도 6H의 다중 TIR 렌즈의 출력 측에 대한 사시도이다.
도 7A는 돔형 LED로부터 공기중의 화상으로의 에텐듀 한정 광선속 전 사(etendue-limited flux-transfer)에 대한 측면도이다.
도 7B는 돔형 LED로부터 공기중의 화상으로의 다른 에텐듀 한정 광선속 전사에 대한 측면도이다.
도 7C는 돔형 LED로부터 공기중의 화상으로의 다른 에텐듀 한정 광선속 전사에 대한 측면도이다.
도 7D는 이색 필터(dichroic filter)가 있는 2중 시준 렌즈(collimating lens)에 대한 측면도이고, 또한 형광 코팅된 표면을 포함한다.
도 7E는 이색 필터가 있는 다른 2중 시준 렌즈에 대한 측면도이고, 또한 형광 코팅된 표면을 포함한다.
도 7F는 이색 필터가 있는 다른 2중 시준 렌즈에 대한 측면도이고, 축을 벗어난 LED와 축을 벗어난 형광 시스템을 포함한다.
도 7G는 이색 필터가 있는 다른 2중 시준 렌즈에 대한 측면도이고, 축을 벗어난 LED 3개조 배치와 축을 벗어난 형광 3개조 배치 시스템을 포함한다.
도 7H는 축을 벗어난 LED와 형광 시스템을 사용하기 위한 다른 2중 시준 렌즈에 대한 측면도이다.
도 7I는 원격 형광이 있는 교차 CEC에 대한 단면도이다.
도 8A는 2×2:1 구성으로 배치된 복수의 정사각형 CPC를 포함하는 광학 매니폴드의 측면도이다.
도 8B는 2×2:1 구성의 정사각형 CPC를 포함하는 광학 매니폴드의 단면도(end view)이다.
도 9A는 8개의 LED와 2:1 직사각형 출력을 위한 2×4:1 광학 매니폴드의 측면도이고, 또한 혼합봉을 포함한다.
도 9B는 8개의 LED와 2:1 직사각형 출력을 위한 2×4:1 광학 매니폴드의 다른 측면도이고, 또한 혼합봉을 포함한다.
도 10A는 블루 통과 필터(blue-pass filter)를 통해 16개의 블루 LED의 출력을 공급하는 4×4 광학 매니폴드의 입력 측으로부터의 사시도이다.
도 10B는 도 10A의 출력 측으로부터의 매니폴드의 사시도이고, 블루 통과광은 고균일 형광의 패치(patch) 상으로 응집된다.
도 10C는 모노리식(monolithic) 세라믹이고, 광학적으로 CPC에 접합되는 형광의 근접 확대 사시도이다.
도 10D는 도 10A의 광학 매니폴드의 사시도에서의 광진로(ray trace)이며, 형광의 광출력이 필터에 의해 되돌아오고, 형광 효율과 휘도를 크게 증가시키는 방법을 도시한다.
도 10E는 도 10A의 광학 매니폴드에서의 그린 형광 정상에 설치된 레드 반도체에 대한 확대 사시도이다.
도 10F는 레드 및 블루 LED 모두에 의해 공급되는 매니폴드를 나타내고, 또한 형광이 코팅된 표면을 포함한다.
도 10G는 레드 및 블루 LED 모두에 의해 공급되는 매니폴드의 형광 단에 대한 다른 도면이다.
도 10H는 모노리식 세라믹이 담긴 유전체 돔에 대한 근접 확대도이고, 또한 형광이 코팅된 표면을 포함한다.
도 10I는 형광을 수용하기 위한 돔의 움푹한 곳(indentation)을 도시하는 다른 시야각에서 본 근접 확대도이다.
도 11A는 블루 LED로부터의 광출력 스펙트럼에 대한 그래프이고, 또한 전송 곡선(transmission curve).
도 11B는 옐로우 형광의 흡수 및 방출 스펙트럼에 대한 그래프이고, 또한 블루 통과 필터의 전송 곡선을 포함한다.
도 11C는 그린 형광의 흡수 및 방출 스펙트럼에 대한 그래프이고, 또한 레드 통과 필터의 전송 곡선을 포함한다.
도 12는 각 압축기(angular compressor)에 대한 단면도이다.
도 13A는 종래 기술에 대한 도면이고, 코너 토너(corner turner)를 포함한다.
도 13B는 도 13A에 도시된 종래 기술에 대한 광진로이다.
도 13C는 광학 매니폴드의 각 회전자(angle rotator)에 대한 단면도이다.
도 13D는 도 13C의 것과 유사한 각 회전자의 다른 실시예이다.
도 13E는 도 13D에 도시된 바와 같은 각 회전자의 광진로이다.
도 14는 2개의 변형된 각 회전자를 포함하는 광원 시프터(shifter)에 대한 단면도이다.
도 15A는 반폭(half-width) 광원 시프터에 대한 단면도이다.
도 15B는 전폭(full-width) 광원 시프터에 대한 단면도이다.
도 16은 광원 트위스터(twister)에 대한 단면도이다.
도 17은 2:1 광학 매니폴드에 대한 단면도이다.
도 18은 도 17과 유사한 외형의 정사각형 2:1 광학 매니폴드에 대한 사시도이다.
도 19는 도 17과 유사한 외형의 정사각형 1:2 광학 매니폴드에 대한 사시도이다.
도 20A는 다른 입력 색상의 3:1 광학 매니폴드에 대한 단면도이다.
도 20B는 LED 사이에 더 많은 공간이 있는 도 20A의 3:1 광학 매니폴드에 대한 다른 실시예이다.
도 21은 각각 단일 각 회전자를 갖는 동일 평면 입력의 4:1 광학 매니폴드에 대한 단면도이다.
도 22는 각각 2개의 각 회전자를 갖는 동일 평면 입력의 다른 4:1 광학 매니폴드에 대한 단면도이다.
도 23은 담긴 입력(immersed input)을 위한 각 압축기가 있는 4:1 광학 매니폴드의 다른 실시예에 대한 단면도이다.
도 24는 대략 원형 호로 배치된 광학 매니폴드의 단면도이다.
도 25는 반경이 감소하는 호 상의 광학 매니폴드의 단면도이다.
도 26A는 중간 각 회전자가 있는 2×2:1 광학 매니폴드에 대한 사시도이다.
도 26B는 도 26A에 도시된 중간 각 회전자가 있는 2×2:1 광학 매니폴드에 대한 사시도이다.
도 26C는 더 개방적으로 분기된 2×2:1 매니폴드에 대한 도면이다.
도 26D는 3×3:1 매니폴드에 대한 도면이다.
도 27A는 4×4:1 분기된 광학 매니폴드에 대한 사시도이다.
도 27B는 다른 각도에서 본 도 27A에 도시된 4×4:1 분기된 광학 매니폴드에 대한 다른 사시도이다.
도 28A는 4×4:1 뒤틀림 분기(twisted-branch) 광학 매니폴드에 대한 사시도이다.
도 28B는 다른 각도에서 본 도 28B에 도시된 4×4:1 뒤틀림 분기 광학 매니폴드에 대한 다른 사시도이다.
도 29는 임의로 분기된 광학 매니폴드의 다른 실시예에 대한 사시도이다.
도 30은 광원 시프터에 대한 사시도이다.
도 31A는 모노리식 에텐듀 스퀴져(squeezer)를 정의하는 광학 매니폴드의 다른 실시예에 대한 확대 사시도이다.
도 31B는 도 31A의 확대도에 도시된 모노리식 에텐듀 스퀴져를 기인하는 사시도이다.
도 31C는 도 31A 및 도 31B에 도시된 모노리식 에텐듀 스퀴져에 대한 다른 사시도이다.
도 32는 모노리식 9:1 에텐듀 스퀴져에 대한 사시도이다.
도 33A는 광학적 비활성 표면이 있는 휘도 전달 덕트(luminance transfer duct)에 대한 단면도이다.
도 33B는 도 33A의 실시예와 유사한 각 회전 휘도 덕트에 대한 단면도이다.
도 34는 대칭으로 배치된 포트를 갖는 각 회전 휘도 덕트에 대한 단면도이다.
도 35는 비활성 표면이 있는 4:1 덕트의 단면도이다.
도 36은 2개의 비활성 표면이 있는 양방향 대칭 덕트에 대한 단면도이다.
도 37A는 도 35의 구성이 있는 4개의 결합 덕트를 포함하는 복합 시스템에 대한 단면도이다.
도 37B는 더 복합적인 시스템에 있어서, 광학 매니폴드의 다른 실시예에 대한 단면도이다.
도 37C는 복합 시스템의 광학 매니폴드의 다른 실시예에 대한 단면도이고, 또한 형광 코팅된 표면을 포함한다.
도 38A는 다른 CPC를 조명하는 유전체 CPC에 대한 단면도이다.
도 38B는 도 38A의 다른 구성에 대한 단면도이다.
도 39A는 유전체 CPC를 포함하는 다른 광학 매니폴드에 대한 단면도이고, 2개의 CPC를 90°로 결합의 문제점(drawback)을 나타낸다.
도 39B는 도 39A에서의 2개의 유전체 CPC를 포함하는 다른 광학 매니폴드에 대한 단면도이고, 에어 갭(air gap)이 광선이 흘러나오는 것을 방지하는 방법을 나타낸다.
도 40은 형광 역방출(back-emission)을 활용하는 다른 구성에 대한 단면도이다.
도 41은 도 40에서의 또 다른 구성에 대한 단면도이고, 또한 형광 코팅된 표면을 포함한다.
도 42는 도 41의 또 다른 구성에 대한 단면도이고, 또한 형광 코팅된 표면을 포함한다.
도 43은 도 42의 자유 공간 버전에 대한 단면도이고, 또한 형광 코팅된 표면을 포함한다.
도 44는 도 43에 결합기(combiner)를 추가하는 다른 구성에 대한 단면도이고, 또한 형광 코팅된 표면을 포함한다.
도 45는 다파장 출력을 제공하기 위해, 3개 모두가 아니라 1개의 광원의 수축된 출력 면적이 있는 직교하는 3가지 색상의 자유 공간 결합기를 포함하는 다른 구성에 대한 단면도이다.
도 46은 다파장 출력을 제공하기 위해 4개의 프리즘 필터 배치의 도 45에서의 직교 결합기를 포함하는 다른 구성에 대한 단면도이다.
도 47은 각 방향으로 좁은 출력이 있는 직교 프리즘 결합기를 포함하는 다파장 출력을 제공하는 다른 구성에 대한 단면도이다.
도 48은 각 방향으로 좁은 출력이 있는 평행 3 색상 결합기를 도시하는 다른 구성에 대한 단면도이다.
도 49는 하나의 입력에 대해 n배의 출력 면적이 있는 자유 공간 평행 결합기를 포함하는 다른 구성에 대한 단면도이다.
도 50은 다파장 광출력을 제공하기 위해 다른 색상의 복수의 LED를 결합하여 사용될 수 있는 다른 구성의 단면도이고, 2개의 횡방향 CPC가 있는 프리즘 결합기를 포함한다.
도 51A는 광을 결합하고 다파장 광출력을 제공하기 위해 평행하게 배치된 3개의 횡방향 CPC가 있는 프리즘 결합기를 포함하는 다른 구성에 대한 단면도이다.
도 51B는 다른 색상 LED를 사용하여 다파장 출력을 발생하는 매니폴드와 형광 코팅된 표면에 대한 단면도이다.
도 51C는 다른 색상 LED를 사용하여 다파장 출력을 발생하는 매니폴드와 형광 코팅 표면의 다른 구성에 대한 단면도이다.
도 52는 2배 너비의 광원 시프터를 포함하는 광학 매니폴드의 다른 구성에 대한 단면도이다.
도 53A는 3중 광학 매니폴드의 평면도이다.
도 53B는 도 53A의 3중 광학 매니폴드의 측면도이다.
도 54A는 도 53A 및 도 53B의 매니폴드로부터 방출되는 원시야(far-field) 강도에 대한 윤곽 그래프이다.
도 54B는 도 53A 및 도 53B의 매니폴드로부터 방출되는 원시야 강도 패턴의 중심의 수평 및 수직 윤곽을 나타낸다.
도 55는 도 53A 및 도 53B의 매니폴드의 출력면으로부터의 공간 출력에 대한 윤곽 그래프이다.
도 56A는 회로 기판 상에 3개의 입력 LED를 따라서 3중 광학 매니폴드의 다른 실시예에 대한 사시도이다.
도 56B는 도 56A의 광학 매니폴드에 대한 사시도이고, 또한 프리폼 빔 형상(beam-shaping) 렌즈를 포함한다.
도 56C는 도 56B의 광학 매니폴드와 빔 형상 렌즈, 및 빔 형상 반사기 상에 빛나는 출력의 광진로에 대한 사시도이다.
도 57은 도 56C에서와 같은 그러한 4개의 구성을 포함하는 사시도이고, 예를 들어, 규정를 충족하는 자동차 램프를 형성한다.
도 58A는 자동차 전조등 광 요구조건의 것에 대략 맞는 빔 휘도 패턴의 형성으로 출구를 발생시키는 비대칭 매니폴드의 사시도이다.
도 58B는 도 58A의 비대칭 매니폴드에 대한 다른 사시도이다.
대응하는 참조 부호는 도면의 몇몇 시야에 걸쳐서 대응하는 구성부분을 나타낸다.
본 발명은 도면에 관하여 이하의 설명에 있어서 기술되고, 같은 숫자는 동일하거나 유사한 요소를 표시한다.
(용어 및 두문자의 해설)
이하의 용어 및 두문자는 상세한 설명 전체에 걸쳐서 사용된다.
각 회전자 한 평면으로부터 그에 경사지게 놓인 다른 평면으로 휘도를 전달하는 장치
CEC 복합 타원형 집광기
CPC 복합 포물선형 집광기
교차(cross)-CPC 2개의 직교하는 방향으로 2차원 CPC 외형을 갖는 3차원(3-D) 구성
이색(dichroic) 필터 2개의 분명한 전송 피크(peak)를 갖는 필터
LED 돔 투명 유전성 소재로 제작된 대략 구형 LED 덮개
에지 레이 원리 비화상 광학의 기본 원리로, 개구의 에지로부터의 한정된 세트의 광이 다른 개구의 에지로 전달되도록 보장되나, 제 1 개구는 제 2 개구로 비춰지지 않는다(not imaged).
에텐듀 엔트로피의 광학적 표현으로, 광원 면적(As) 및 광원 출력의 투영 입체각의 곱에 광원을 둘러싸는 광학 매개물의 굴절 지수(n)의 제곱을 곱한 것으로 정의된다.
ITO 주석 첨가 산화 인디움
LED 발광 다이오드, 저전압 직류를 좁은 분광 대역폭의 빛으로 변화시키는 직접 변환기
조명장치(luminaire) 20세기 신조어, 'luminary'의 19세기 용법을 대체하며, 광원 및 반사기 또는 쉐이드(shade)와 같은 기능적으로 결합된 광제어 장치를 표현한다.
광원 시프터 휘도를 다른 가로 좌표로 전달하는 장치
형광 외부 들뜸에 반응하여 광을 방출하는 포토 루미네센스 소재이고, 종종 들뜸이 멈춘 후에도 지속한다.
PMMA 아크릴(polymethyl-methacrylate), 투명 아크릴 플라스틱의 중공 성분
RIIR 렌즈 굴절(R) 및 내부 반사(I) 표면을 명기된 순서로 갖는 렌즈 시스템
SMS 미국 특허 출원 제 10/269/479호 및 제 10/880,386과 미국 특허 제 6,639,733호 및 제 6,867,929호에서 공개된 것과 같은, 2개의 명시된 입력 파면(wavefront)을 2개의 명시된 출력 파면으로 변환시키는 2개 표면의 광학 장치를 발생시키는 광학 설계의 방법
박막 LED 매우 얇은 막을 구성하고, 상부 면으로부터 거의 100%의 방사를 방출하는 LED
TIR 전반사
파면(wavefornt) 전파하는 전자기장에서의 일정한 위상 표면
(개요)
설명의 목적으로, "광학 매니폴드"는 엔진의 배기 매니폴드와 닮았다. 광학 매니폴드에 있어서, 다중 광 출력을 단일 출력으로 결합하거나 단일 출력을 공간으로 분배하는 것 중 하나의 채널이 제공된다. 이러한 용어는, 시몬스(Simmons) 등에 의한 미국 특허 제 6,850,684호, 제 6,847,774호, 제 6,832,032호, 제 6,655,848 호, 제 6,556,754호 및 제 6,549,710호와 같은, 광섬유 팬인(fan-in) 및 팬아웃(fan-out)을 위한 장치를 의미할 수 있다. 이러한 다중 입력, 다중 출력 기능은 조명의 효과적인 분배로부터 분명한 지적 과업이다. 광섬유의 전문 용어에 있어서, 그러한 분배는 때때로 '팬인' 및 '팬아웃'이라고 불리고, 수개의 광경로가 하나로 결합되는 것을 나타낸다.
'팬인'과 '팬아웃' 사이의 구별은 가역성(reversibility)이 고려될 때 중요하다. 즉, 몇몇 광섬유 장치는 역방향 경로 상의 빛이 발산되거나 내부적으로 유실될 수 있기 때문에 기능적으로 교환될 수 없다. 그러나, 역방향으로 빛을 반송하여 실시예가 양 방향으로 작동 가능한 시스템을 갖는 것이 유리하다. 따라서, 여기에서 설명되는 광학 매니폴드의 실시예는, 고출력 광원으로부터 많은 응용 지점으로 뿐만이 아니라 많은 광원의 광 결합으로부터 입력 광원과 같은 휘도의 단일 대형 합성 광원으로까지, 양 광-분배에 있어서 작동한다.
"광학 매니폴드"라는 용어는 캠벨(Campbell) 등에 의한 미국 특허 제 4,362,361호에서 사용되나, 이러한 용어는 레이저 빔의 작은 부분이 평판 내부를 관통하면서 반복해서 반사를 피하도록 하여 다중 빔이 단일한 것에서 만들어지도록 하는 부분 반사 코팅을 나타낸다. 이러한 용법은, "광학 매니폴드"가 현재 다중 대 단일 광경로 분기를 나타내는 통상적인 용법과는 다르다.
미국 특허 제 6,186,650호는, 설명되는 수많은 실시예와 함께, 도파로(waveguide) 분기의 "광학 매니폴드"를 공개한다. 그러나, 이러한 구조의 실제 광진로는, 그 특허의 도 19A 및 도 19B에서 도시된 바와 같이, 상당한 누출을 보인 다. 또한, 종래 기술은 에텐듀를 유지하지 않고, 입력보다 훨씬 약한 출력을 제공한다. 이는 포트의 정돈된 단부가 많은 양의 안내되는 빛을 후방으로 반사되도록 하기 때문이다.
엔트로피와 같이, 에텐듀는 광학적 무질서의 정도이고, 기본적으로 공간적인 범위(spatial extent)와 각 방향 범위(angular extent)의 곱이다. 빛의 에텐듀를 증가시키는 것은 일(work)을 열손실로 전환하는 광학적 등가와 같이 고려될 수 있고, 여기에서 광학적 일은 광 방출의 휘도이고, 열손실은 이러한 빛의 쓸모없는 분산이다. "에텐듀 한정(etendue-limited)" 광학 장치는 거의 본래 휘도를 갖는 빛을 전달하고 일단 불가피한 반사 및 산란이 그 원인이 되는 장치이다. 여기에서 설명되는 광학 트랜스포머는 에텐듀 한정이고, 입력 면적-각 곱은 관통하는 빛을 위해 유지된다. 여기에서 설명되는 광학 트랜스포머의 몇몇 실시예는, 조명 기술 분야에서 매우 유용한 것으로 입증된 대형 고균일 합성 광원을 창안하기 위해 복수의 광원으로부터 빛을 수용한다. 다른 실시예는, 자동차 계기판에 있어서와 같이, 발광도(luminosity) 및 에텐듀 모두를 유지하고 더 적은 LED 광원으로 조명 작업을 실행하는 것이 충분하도록 하는 분배 광 시스템을 형성한다.
에텐듀 한정 광학 요소의 한 예는 복합 포물선형 집광기(CPC)이고, 윈스턴(Winston)에 의해 미국 특허 제 4,002,499호에서 공개된다. 다른 것은 복합 타원형 집광기(CEC)이고, 윈스턴에 의해 미국 특허 3,957,301호에서 공개된다. 이들 모두는 여기에서 설명된 광학 트랜스포머의 빌딩 블록(building block)으로 사용될 수 있다. 근래의 경우는 Fein에 의해 미국 특허 제 6,819,687호에서 공개되는 코너 전환(corner-turning) 요소이고, 이는 임계 각도(NA<1) 이하의 각도만을 위한 에텐듀 한정이다. 광섬유 조명의 각도 한정으로 사용하기 위해 고안되기 때문에, 이러한 장치는 외관은 유사하나 기하학적으로 다른 여기에서 설명되는 광학 트랜스포머의 각도 전환 부재에 의해 능가되는 중요한 한정을 갖는다. Fein의 장치는 광섬유 조명의 NA=0.5 범위가 되도록 의도되고, NA=1 범위의 빛(여기에서 설명되는 광학 트랜스포머의 것이다)은 누출된다. 여기서 설명되는 광학 트랜스포머는, Fein과 같은 NA=0.5 시스템의 방사의 4배를 반송하는 것이 가능하도록 하기 위해 NA=1 범위를 갖는다. Fein 장치의 추가적인 한정은 설계가 허용하는 NA=1이고, 이는 주요 응용례가 생물 의학의 설정에 있어서 직각 회전이고, 2개의 45°터너(turner)가 NA=0.5에서 활용되기 때문이다. 대조적으로 여기에서 설명되는 광학 트랜스포머에 대한 실시예의 각 회전 부재는 반송하는 NA=1 빛의 임의 화전 각도에서 매우 적은 누출을 갖고, 따라서, 설명되는 90°각 회전자는 헬리컬 구조에 적합한 360°장치를 포함하기 위해 용이하게 신장될 수 있고, 그러한 새로운 요구조건이 발생한다. 이러한 탄력성은 설명되는 광학 트랜스포머 실시예가 최대 선속으로 광 결합 및 광 분배 양자의 응용례에 대한 전체 범위에 대처하게 하지만, 몇몇은 종래 기술에 의해 성취된다. 이러한 탄력성은, 분배 조명의 임의 분기 패턴이 있는 시스템의 다른 유용한 부재인 광원 시프터로 작용하는 2개의 대면하는 각 회전자로 구성되는 여기에서 설명되는 광학 매니폴드의 실시예에 의해 더 예시된다.
여기에서 제공되는 다른 개선점은 광학 트랜스포머의 제조 가능성에 대한 것이다. 종래 기술에 있어서, Fein에서 예증된 바와 같이, 모든 표면은 그러한 광학 각 회전 장치 상에 광학적으로 활성화되어야 한다. 이는 광학적 활성 표면 상의 손실 있는 표면 결함을 도입하지 않고 부분을 위해 주입 지점을 갖는 것이 힘들다. 주입 지점을 위해 사용될 수 있는 장치의 길이를 따라서 비활성 표면을 제공하여 이러한 문제점을 극복하는 광학 트랜스포머가 설명된다. 비활성 표면은 장치를 지지하는 수단으로서 사용될 수 있고, 장치의 활성 표면의 형상에 영향을 미치지 않고, 광범위한 형상으로 자유롭게 변환될 수 있다. 비활성 표면은 각 회전자 내에서 광 분배의 패턴에 의해 계획적으로 창안되고, 빛 장(light field)과 상호 작용하지 않는 봉투(envelope)를 제공하고, 그 내부에는 비손실 장착이 될 수 있다.
(설명)
여기에서 설명되는 광학 트랜스포머의 구성요소와 장점을 더 깊은 이해는 이하의 본 발명에 대한 상세한 설명과 첨부 도면을 참조하여 얻어지고, 본 발명의 원리가 활용되는 상세한 실시예를 제시한다.
복수의 고체 소자 광원으로부터 빛을 수용하고 이를 입력의 합계보다 조금 더 많은 에텐듀를 갖는 단일 가상 광원 출력으로 결합하는 광학 매니폴드가 설명된다. 광원이 서로 다른 주요 파장을 가질 때, 출력 광은 비색(colorimetric) 혼합의 색도(chromaticity)를 갖는다. 빛의 가역성으로 인해, 매니폴드의 동일 형상은 다중 가상 광원 사이의 단일 대형 고체 소자 광원으로부터 빛을 분산하는데 사용될 수 있다.
특히 2개의 고체 소자 광원(박막 LED 및 돔 패키지(dome-packaged) 고출력 LED)은 여기에서 설명되는 광학 트랜스포머를 위해 계획된다. 이러한 패키지 형상은 설명되는 광학 트랜스포머를 위한 주입 수단의 구성을 구별에 영향을 미친다. 종래 기술은 여러 형태의 분사기 수단을 망라하고, 종래의 돔형 패키지 뿐만이 아니라 CPC 및 담금(immersion) 렌즈를 포함한다.
도 1A는 광 방출막(11), 반사 수단(12) 및 창(13)을 포함하는 박막 LED(10)를 포함하는 광학 매니폴드에 대한 단면도이다. LED(10)는 보호 투명 에폭시(14)에 묻혀있다. 외부 CPC 반사기(15)는 에폭시(14) 표면 상에 정확하게 배치되어 LED(10) 상부의 창(13)에 단지 놓이고, 전형적으로는 약 밀리미터 간격을 둔다. 설명되는 광학 매니폴드의 하나의 장점은 대형(또는 다중) LED를 더 효과적으로 냉각하도록하는 것이다. 대형 또는 다중 칩 냉각의 어려움은 설명되는 광학 트랜스포머를 위한 동기 중의 하나이다(전기 및 열제거 수단은 도시되지 않음).
도 1A에 도시된 LED(10)와 같은 박막 LED는 장치의 정상 표면으로부터 방출 선속의 거의 100%를 방출한다. 그러한 장치는 연구실에서 제작되고, 예를 들어 오스람 반도체(OSRAM Semiconductor of Regensburg, Germany)에 의해 대중에 공개되고, 2005년 중반까지 그린 및 블루와 함께 레드 및 옐로우에 있어서 상업적으로 제작하기 시작했다. 다양한 얇은 방출기 기술은 오스람사(OSRAM Corporation of San Jose, CA)에 의해 현재 제안되고, 인듐 갈륨 알루미늄 인화물(INGaAlP) 및 인듐 갈륨 질화물(InGaN)을 포함한다. 여태까지 오스람 반도체에 의해 도시된 모든 방출 구조는 정상 표면 상에 와이어 접합(wire bond)를 사용한다. 이러한 장치에 있어서 방출막의 현재 두께는 0.1 미크론 단위이고, 전체적인 칩 깊이는 2 미크론 내지 4 미크론이다. 그러므로, 이러한 장치로부터의 측면 방출은 매우 적고, 따라서, 본 발명의 많은 실시예에 있어서 사용하기에는 이상적으로 적합하다.
도 1A는 에지 레이(16)를 방출하는 광원 지점(11s)을 더 도시하고, 이는 CPC(15)의 상부 에지를 단지 지나친다. 또한, 수평으로 방출되는 에지 레이(17e)가 도시되고, 반사기(15)의 기부(base)를 차단하고, 그로부터 광(17r)으로 반사되고, 순차적으로 CPC(15)의 상부 에지를 단지 지나친다. 45°설계 각도가 도시된다. 직접광(16) 및 반사광(17r) 둘 다에게 적용된다. 이중 화살표(18)는 CPC(15)에 의해 발생된 가상 광원의 폭을 나타낸다. 폭은 방출막(11) 폭의 1/sin45°배이고, 따라서 에텐듀를 유지한다.
도 1A는 공동 금속 반사기로서 CPC(15)를 도시함에도 불구하고, 캐스트 에폭시와 같은 유전체로 채워질 수도 있다. 45°설계각이 임계각(40°)으로 조금 감소된다면, CPC는 더 크게 되고, CPC(15) 상부를 가로지르는 평면의 공기 경계면으로 인해 극광(extreme ray, 16, 17r)은 수평으로 굴절된다. 그렇게 채워진 CPC는 LED를 투명 충전 소재의 굴절 지수와 동등한 횡방향 배율의 공기로 연결시킨다(면적은 n2의 인지만큼 증가된다). 배율이 더 크기 때문에, 더 좁은 설계각이 요구된다. 그러한 각도가 10°로 감소될 때, 반사기(15)는 도 2에 도시된 바와 같이 전반사를 충족하기 때문에 분배될 수 있다.
Berg 및 Saul에 의한 미국 특허 제 3,739,217호는, 높은 굴절 지수 물체 내로부터의 빛 추출(extraction)은 고지수(high-index) 막의 정면 방출면 또는 후방 면 중 하나를 연마(roughening)에 의해 증가시킬 수 있고, 이러한 연마된(roughened) 후방면은 반사막과 연계된다는 것을 알려준다. 그러나, 반사기 소재가 반사기는 고지수 물체의 모든 표면과 직접 접촉되어야하는지 여부를 나타내지 않는다는 사실 또한 Berg 등 특허는 명시하지 않는다. Berg 등 특허는 도 2 및 도 3에서 조명된 물체 및 후방 반사기 사이에 공기 틈새가 있다는 사실을 나타내는 것처럼 보인다.
도 1B는 LED(10)의 확대도이고, 중앙에 배치된 얇은(약 0.1 미크론) 활성막(11a), 그 상부에 InGaN 막(11u) 및 그 하부의 막(11b)을 포함하는 방출막(11)을 도시한다. 창(13)은 광 탈출을 방지하기 위해 경사 에지(13w)를 갖도록 될 수 있다. 도 1B는 상부 방출 LED(또는 주된 상부 방출 LED)의 광 추출 효율을 향상시키려는 시도를 더 도시하고, 또한, 전기 전도성 반사막(12)은 특수 에폭시 막(11)에 작용하고, 그에 직접 접촉한다. 연마된 계면(11i)은 접촉면이다. 이러한 연마는 화학적 에칭 또는 다른 잘 알려진 방법에 의해 증착막(epitaxy layer, 11) 상에 획득된다. 한번 증착막이 연마되면, 반사막(12)은 진공, 스퍼터링 또는 다른 증착 방법에 의해 증착될 수 있다.
반사막(12)의 소재 성질은 증착막의 성질에 맞도록 분명하게 적시되어야 한다. 예를 들어, 전기 전도성 반사막이 요구된다면, 금속성 소재가 최선이고, 지수는 높은 확산 반사율(reflectance)을 얻기 위해 적합한 복합적인 값을 가져야 한다. 예를 들어, GaInN 또는 GaN의 증착막을 사용하는 블루 LED를 위해, GaInN 및 GaN 모두의 반사에 대한 가시 파장 지수(visible-wavelength index)는 약 2.54이 다. 그러한 금속막의 반사율 계산은 프레넬 반사 방정식(Fresnel-reflection equation)에서의 굴절에 대한 복합 지수를 사용하는 것을 포함하고, 따라서, 후보 소재의 굴절 지수의 실제 및 가상 부분 양자는 임계치이다. 0 입사각에서 충돌하는 빛의 반사율은 적절한 소재를 선택하기 위한 측정기준을 제공한다. 그러한 분석을 행하기 위한 적절한 방정식은 다음과 같다.
R=[(Nepi-Ns)2+Ks 2]/[(Nepi+Ns)2+Ks 2]
여기에서,
R은 증착막과 금속막의 계면에서 0 입사각에서의 반사율,
Nepi은 증착의 굴절 지수,
Ns은 금속의 굴절 지수의 실제 부분(real part) 및
Ks는 금속의 굴절 지수의 가상 부분(imaginary part)이다.
증착막이 지수 2.54로 가정하면, 금속은 실제 부분은 낮게, 가상 부분은 높을 것을 요구한다. 은은 낮은 실제 부분(0.12)과 매우 높은 가상 부분을 갖고, 450nm(k=2.47) 내지 700nm(k=4.52) 범위의 파장을 갖는다. 550nm에서 은의 두꺼운 막은 약 0.12의 굴절 지수(실제)와 3.34의 가상치를 갖는다. 이러한 값을 전술한 방정식에 대입하면 0.93의 반사율을 산출한다. 비교할 대 알루미늄 막은 GaIN과 접촉하여 매우 낮은 반사율을 갖고, 이는 550nm에서 0.76의 실제치와 5.32의 가상치를 갖기 때문이다. 이러한 경우, 두 소재의 계면에서의 반사율은, 0 입사각 광선을 위해, 같은 방정식에 의해 0.80으로 계산될 수 있다. 이는 매우 중요한 차이이고, 특히 장치의 추출 효과가 이러한 막의 반사율에 비선형 관계를 갖고, 이는 증착에서의 내부 광선은 흡수되거나 막으로부터 추출되기 전에 많은 경계 반사를 겪기 때문이다. 따라서, 이러한 바닥 계면 막의 반사율에서의 작은 개선은 LED의 외부 양자 효율에 있어서 많은 개선을 발생시킬 수 있다.
또한, 그러한 반사막은 다중막 시도(approach)를 사용한 유전 소재로 제작되고, 특히 산업계에 널리 알려진 Bragg 반사기가 그것이다. 그러나 경로(vias)로 알려진 전기 전도성 경로는, 반도체를 가동하기 위해, 비전도성 막과는 다르게 이러한 것을 통해 도입되어야 한다. 그러나, 유전 막의 사용은 장치의 내부 저항을 증가시킬 수 있고, 그러므로, 주어진 인가된 전압을 위해 발생되는 내부 열을 증가시킨다. 또한, 넓은 범위의 파장 및 입사각을 위한 높은 반사율을 갖는 Bragg 반사기를 설계하는 것은 매우 난해하다고 알려져 있다. 이는 특히 다이(die) 상의 등사 형광 코팅을 채용하는 LED의 문제이다. 따라서, 은(silver)은 넓은 범위의 입사각과 파장에 걸쳐서 양호하게 수행되기 때문에 유전 반사기에 대한 우수한 해결책으로 간주될 수 있다.
미국 특허 제 6,784,462호는, 은의 막 앞에 주석 첨가 산화 인디움(ITO)의 1/4 파장막을 결합하여 LED를 위한 매우 높은 반사율을 갖는 "전방향(omni-directional)" 후방 반사기를 제작하는 방법을 설명한다. 그러나, 462 특허에서의 박막 시도는 은 및 ITO 막이 매끄럽고, LED 바닥의 연마가 적당한 것을 배제하고, 진공 상태에서 원자 빔에 의해 기판 상부에서 제작되기 때문에 '증착막'으로 알려 진다고 가정한다. 고지수 소재의 입방체 내부의 광범위한 빛 트랩(trapping)으로 인해, 최대 추출 효과를 달성하는 표준 LED 외형은 계면에서 연마된 표면을 갖는 것이 필수적이 되며, 여기에서 반사기는 증착막과 접촉한다. 이는 높은 확산 반사율을 달성하는 것이 요구되고, 따라서 트랩된 출구에서의 다른 기회를 위해 임의로 방향이 바꿔진다. 또한, ITO는 은보다 더 낮은 전기 전도성을 갖고, 이는 몇몇 설계에 대해 단점이 될 수 있다.
흡수되기 전에 트랩된 빛을 산란시키는 것은 도 1A의 막(11u)과 통합된 바닥 확산 반사기 또는 정상 산란막 중의 하나를 갖는 것을 바람직하게 한다. 양자의 시도가 채용되는 결합 역시 사용될 수 있다. 그러나, 정상 및 바닥 산란막이 모두 사용되고, 따라서 장치 추출 효율을 감소시킬 때, 장치에 너무 많은 산란을 도입할 수 있다. 막(11u)으로 도입된 정상 산란이 없이는, 미국 특허 제 6,784,462호에서 설명된 것과 같은 완벽한 반사기는 수행하지 않고, 여기에서 설명되는 확산 은(silver) 반사기도 마찬가지다. 또한, 많은 경우에 있어서, 막(11u)의 상부에서 매끄러운 계면을 갖는 것이 바람직하고, 계면 상에 또는 정상 방출면 아래에 산란 또는 확산막을 도입할 수 없다. 이러한 경우, 실제 확산 반사기가 가장 유용하다는 것이 판명되고 설명되고, 100% 완벽한 정반사기(specular reflector)보다도 더 뛰어날 것이다.
또한, 은은 공기 또는 부식성 소재와의 접촉으로부터 적절하게 보호되지 않는다면 반사성(reflectivity)을 잃고(황과 반응성이 매우 높다), 따라서 적절한 보호막에 의해 밀봉되어야 한다. 통상적으로, 은이 증착막과 게르마늄과 같은 적절한 기판 사이에 끼워진다면, 밀봉되었기 때문에 이러한 소재의 눈에 띄는 침식은 일어나지 않는다. 에지 보호가 요구된다면, 이러한 반도체 설계 분야에서 지식을 가진 자에게 알려진 많은 적절한 소재가 있다.
은으로 제작된 연마된 후방 반사기의 문제에 대하여, 잘 알려진 잘 알려진 몬테 카를로(Monte-Carlo) 광추적 기술을 사용하는 컴퓨터 시뮬레이션은, 여기에서 설명되는 광학 트랜스포머가 LED에 있어서 실시예를 조명하고 특히 형광의 방출을 재활용하는 이하에서 공개되는 이러한 구성요소를 갖추어 매우 유용하다는 것을 보여준다.
물론, 이러한 연마된 은 반사기는, 여기에서 설명되는 광학 트랜스포머와 관련하여 사용되는 또는 사용되지 않는 박막 LED를 매우 유용하게 할 수 있다. 다시 도 1B에 대하여, 다른 그러한 LED 광학적 개선은 증착막(11) 내부에서 발광도(luminosity) 손실의 대부분이 발생하는 하부 증착막(11b)의 흡수를 감소시킨다. 증착으로서, 이러한 막은 통상적으로 사파이어 크리스탈 상에 증착된다. 박막 LED의 생산에 있어서, 증착 웨이퍼는 사파이어로부터 제거된다(사파이어 기판으로부터 InGaN 웨이퍼를 제거하기 위해 요구되는 과정의 요약은 2004년 10월 Intertech LED 컨퍼런스(Intertech LED conference in San Diego, CA, USA)에서 OSRAM-Opto의 K. Streubel 박사에 의해 설명되었다).
하부 막의 흡수는 기능에 있어서 필수적인 것이 아니고, 막의 전체 두께 5,000nm 중의 수십 나노미터인 표면상의 원자 크리스탈 평면에 한정되는 것처럼 보인다. 독일 Ulm 대학의 S. Schad 및 B. Neubert의 연구에 따라서, 사파이어 기판 상에 약 65nm로 자란 InGaN 타입 LED의 제 1 박막은 블루 파장에 있어서 InGaN LED의 흡수에 가장 주요한 원인이 된다. 그들은 기판 상에 자라난 잔류 반도체 소재는 매우 투명하다고 이론화한다. 이러한 평면은 크리스탈 구조와 흡수가 매우 증가하는 사파이어에 매우 근접하게 있다. 몇몇 실시예에 있어서, 막(11a) 또는 막(11u)도 이러한 얇은 흡수막을 갖지 않는다. 이러한 변형된(strained) 보조막의 정밀한 제거는 자기유체(magnetorheological) 연마로 가능하고, 흡수율을 크게 감소시키고 LED 외부 양자 효율을 향상시킨다.
그러한 효율을 향상시키는 분리된 가능성은 도 1B의 정면막(11u)이, 그러한 막의 전형적인 완전한 투명도 보다도, 벌크(bulk)-확산 특징을 갖도록 한다. 광추적(ray-tracing) 모델을 사용하는 연구는 100/mm의 확산 계수를 막(11u)으로 도입하는 것은 SMD 타입 LED를 위한 효율에 있어서 약 40% 증가를 가져온다는 것을 보여주고, 여기에서 막(11u)은 상당한 확산이 없고, 접촉하는 형광막을 갖지 않는다. 유사한 개선점이 돔 타입 단색(monochrome) LED에 존재한다. 확산 계수가 200/mm까지 증가된다면, 개선점이 매우 적다. 그럼에 반해서, 이러한 수준을 넘어서면 성능이 최대치에서 저하되는 지점에 닿는다. 정면막에서 확산 수단을 사용하는 것은 통상적으로, 이미 설명된 연마된 후방 반사기 시도와 관련해서 사용될 때, 성능에 있어서 유용한 효과를 갖지 않는다. 연마된 후방 반사기가 10/mm 확산 계수를 갖는 막(11u)과 결합되어 사용된다면, 추출 효율에 대해 매우 작은 개선점만 있다. 정면 확산의 이러한 수준을 초과한다면, 성능은 단일 시도 중의 하나 이하로 떨어진다.
후방 확산광을 되찾는 여기에서 설명되는 광학 매니폴드는 LED의 추출 효율 이 높을 때 크게 향상될 수 있다. 특히, 여기에서 설명되는 원격 형광 실시예는 외부 양지 효율, 특히 등각 인광(conformal-phosphor) LED의 측면에서 종래의 기술을 능가한다. 여기에서 설명되는 새로운 광학 시스템의 성능은, 정상부 방출 또는 실질적으로 정상부 방출 LED와 결합되어 사용될 때, 특히 적절한 확산이 있는 고도의 반사성 후방 막을 채용할 때, 비약적으로 향상될 수 있다.
도 2A는 전열체 충전(dielectric-filled) CPC의 바닥에 대한 단면도이다. 도 1A와 같이, 박막 LED(10)는 투명한 유전체(14)에 담겨있다. 유전체 충전 CPC(20)는 투명한 유전체(14)로 광학적으로 연속되고, 이는 CPC 표면(21)에 의해 형성되고, 전반사에 의해 단독으로 작동되며, 따라서, 반사 코팅을 필요로 하지 않는다. 실제 실행에 있어서, CPC(20)는 분리되어 제작되고, 박막 LED(10) 바로 위에 투명 유전체(14)로 광학적으로 접합된다.
도 2B는 도 2A의 유전체 충전 CPC의 바닥에 대한 단면도이고, CPC(20)의 전부를 도시하고, 10°출력 각도를 위해 형성된 포물선 외형(21)이 있고, 오직 전반사를 사용하는 CPC를 위해 폭넓은 가능성이 있다. 외형(21)의 정상부 에지(21t)는 가상 광원(22)의 외부 에지이다. CPC(20) 내부의 유전체 매개물은, 도 5의 더 큰 CPC(53)와 연결된 CPC(54)에 의해 예증되는 바와 같이 다른 실시예(도 2에 도시되지 않음)로 우측을 향해 연결한다.
몇몇 실시예에 있어서, CPC(20)는 도 1B의 투명 유전체(14)를 포함하는 에폭시 소재의 것보다 더 큰 굴절 지수를 갖는다. 예를 들어, 보석 등급 입방체 산화 지르코늄(zirconia)은 다이아몬드와 유사한 2.2의 굴절 지수를 갖는다. 현재 폴리 머 플라스틱 광학기기보다 더 비쌀지라도, 그러한 높은 지수의 투명 소재는 미래에 경제적으로 사용가능하게 될 수 있다. 여기에서 설명되는 광학 트랜스포머의 실시예를 형성하기 위해 박막 LED에 광학적으로 접합되는 CPC를 형성하는 것이 유리하다. 2산화 티탄 막의 높은 지수(~2.5)는 LED 소재의 것에 대응할 때, 막의 높은 흡수율(absorptance)은 CPC를 형성하는데 있어서 부적절하다. Naval Research Laboratory, Infrared Material Group, Washington D.C.,로부터의 솔-겔 소재는 주조 또는 불(boule) 형상을 위해 개발되고 있고, LED 소재와 대응하도록 충분한 지수인 2.4~3의 전례없이 높은 값에서 사용가능한 굴절 지수를 갖는다. 또한, 이러한 높은 지수 소재는, 가장 높은 광학 등급의 PMMA와 같은 소재와 유사하게, 가시 파장에 있어서 극도로 낮은 흡수율 계수를 갖도록 설계 및 제작될 수 있다. 이는 광 트랩과 현재 LED를 괴롭히는 높은 프레넬 반사를 제거할 수 있다. 도 2C는 이러한 시도의 변화를 활용하는 다른 광학 매니폴드의 단면도이고, 이는 2개의 CPC가 있는 CPC(20)를 대체한다. 제 1 CPC(2002)는 LED(2001)와 접촉하고, 반도체의 지수에 대응하는 솔-겔 소재로 제작되고, 제 2의 상부 CPC(2003)는 PMMA와 같은 낮은 굴절 지수 소재로 제작된다. 제 1 CPC(2002)는 부분적인 시준을 위해 설계되고, 제 2 CPC(2003)를 완전히 발광하게 하고, 이는 더 시준을 행한다. 도 2C에서 도시된 이러한 배치는 다이로부터 선속의 전체적인 추출을 크게 증가시킨다. 이로 인해, LED(2001)는, 도 1B에서의 확산 반사 거울과는 다르게, 바닥측 상에 정반사막을 갖는다. CPC(2002) 주조를 위해 초기 주형은 1.4의 낮은 굴절 지수를 갖는 실리콘 소재(2004)를 둘러싸고, 그 후에 소형 CPC(2002)를 위해 구조적 지원을 제공하고, 정 상부 표면 LED(2001)와의 접합 상의 응력을 경감시킨다. CPC(2001)는 2.5:1.4의 지수 비율로 설계되고, 전반사에 의해 전체적으로 동작한다. 출구면은 대형 CPC(2003)가 있는 평면의 계면(2005)이다. 에지 레이(2006R, 2006L)는 CPC(2001)의 정상부 에지에 의해 굴절되고 따라서 계면(2005)에 의해 70°에지 레이(2007R, 2007L)로 굴절되는 것이 도시된다. 이는 CPC(2003)에 의해 각각 최종 시준 레이(2008R, 2008L)로 내부적으로 굴절된다. 이에 인접하여, 에지 레이(2008E)는 계면(2005)을 통해 직접 굴절되고 CPC(2003)의 벽에서 전반사되는 광선(2006R, 2006L)으로부터 시작된다.
도 2D는 도 2C에서 부분적으로 도시된 전체 CPC(2003)을 도시하는 단면도이고, 에지 레이(2008E)의 궁극적인 위치를 포함한다.
도 2C 및 도 2D의 장치의 다른 실시예는 LED(2001)와 CPC(2002) 사이의 계면에 얇은 높은 대응 지수 막을 포함한다. 이 때, 대응하는 지수 형광막은 일렉트로필라틱(electrophilatic) 증착과 같은 방법을 통해 LED 상에 증착된다. 하나의 방법은, LED의 형광과 정상부 표면 사이에 높은 접촉 면적을 제공하는 것이다. LED(2001), 소형 CPC(2002) 및 형광의 굴절 지수는 바람직하게는 마이너스 0.1 이내로 근접하게 대응되어야 한다. 따라서, 정상부 비활성 표면 상에 2.5 굴절 지수를 갖는 InGaN LED를 위해서, 소형 CPC의 형광 및 소재는 2.4 및 2.5 사이의 굴절 지수를 가져야 한다. 이러한 장치에 기반을 둔 실시예는, 도 10B의 실시예에서 도시된 단파 통과 필터(short-pass, 105)를 위한 경우와 같은, LED로부터 후방 확산된 빛을 트랩하기 위해 단파 통과 필터를 사용하거나 또는 필요로 하지 않는다.
도 3A는 상업적인 패키지에서 전형적인 구성인 돔(30)에 묻힌 얇은 LED(10)에 대한 단면도이다. 돔(30)은 최소한의 가능한 크기로 도시되고, 에폭시(n=1.54)의 굴절 지수는 전반사로에서 벗어나는 LED(10)로부터 방출되는 모든 광선과 일치한다. 지점(point, 10d)은 LED(10)의 모서리의 반경을 표시한다. 이를 초과해서 몇몇 광선은 돔을 탈출하지 않는다. 가설적인 예시인 광선(31)은 시점(origin)이 반구(30)의 표면에 매우 근접하기 때문에 내부적으로 반사된다.
도 3B는 볼 렌즈(33)에 담긴 LED(10)에 대한 단면도이다. 거의 수평 에지 레이(34e)는 30°방향을 나타내는 외부 광선(34r)으로 굴절된다. 이러한 각 방향의 감소는 신속 광학 시스템이 빔으로 모으는데 유용하다. 실제로, 볼(33)은 투명 기판(14)에 접합된다. 수차(aberration)로 인해, 그러한 렌즈는 어느정도 에텐듀를 증가시킨다. 그것은 도 3A의 반구보다 크지만, 크기는 유사하게 결정되고, LED(10)의 코너에 의해 방출되는 모든 광선이 반사되지 않고 탈출하도록 한다.
도 3C는 에폭시 글로브(glob, 38)에 담긴, 회로 보드(37) 상의 얇은 LED(36)에 대한 단면도이고, 맞춤형이 아닌(untailored) 형상은 단독으로 대량 생산을 위해 매우 편리한 에폭시의 특성의 결과이다. 그것은 불리하게는 몇몇 빛을 트랩한다. 그러나, 이러한 형상은 대량 생산에 매우 적합하고, 따라서, 여기에서 설명되는 광학 트랜스포머의 다른 요소는 그것과 접합하도록 형성될 수 있다.
도 4A는 프리즘 소재의 임계각(αc)에 순응된 내부 각을 갖는 프리즘 결합기(40)에 대한 단면도이다. 얇은 LED(41)는 공기 틈새(41a)를 통과하는 램버시안 방출을 보내고, 상부 에지 레이(41e)와 하부 에지 레이(41L) 사이에 한정된다. 얇은 LED(42)는 공개 틈새(42a)를 가로질러 방출하고, 프리즘(40)에 들어가고, 램버시안 방출은 상부 에지 레이(42e) 및 하부 에지 레이(42L) 사이의 반 각(αc)에 한정된다. 2αc인 내부 각도(40A)의 목적은, 광선(42L)을 결합하기 위해, 광선(41e)이 공기 틈새(42)로부터 떨어져서 내부적으로 반사하도록 될 때, 분명해진다. 따라서, 내부적으로 반사된 빛은 들어오는 빛의 에지 레이의 외부의 각도 공간(angle space)을 채운다.
도 4B는 도 4A에 도시된 프리즘 결합기를 활용하는 광학 매니폴드(44)에 대한 단면도이다. 광학 매니폴드(44)는 유전체 CPC(44c)와 결합된 프리즘 블록(44b)을 포함한다. 얇은 LED(45)는 절연체 CPC(45c)에 담기고, 이는 공기 틈새(45a)보다 넓으며, 이를 가로질러서 램버시안 광선을 매니폴드(44)로 비추고, 굴절은 임계각(αc)에 한정된다. 유사한 시도는 LED(46), CPC(46c) 및 공기 틈새(46a)가 사용된다. 따라서, 프리즘 결합기는 45a 및 46a를 통해서 각(2αc)을 매는(spanning) 복사의 2개의 입력을 수용하고, 이를 44b에서 완전히 램버시안 패턴으로 변환한다(약 ±90°의 전체 각도). CPC(44c)는 블록(44b)의 폭으로부터 출구면(44a)까지 신장한다. 이는 모든 빛을 "가상 칩(virtual chip)"을 형성하여 램버시안 방출(44e)로서 탈출하도록 한다. 44b에서 탈출 표면은 임계각(αc)을 초과하는 빛을 트랩하고, 따라서 CPC(44c)를 사용한다.
도 5는 입력으로서 2개의 LED(51, 52)를 위한 반사 광학 매니폴드에 대한 단면도이고, 출력을 위해 단일한 대형 직사각형 CPC(53)로 송출되는 소형 CPC(54, 55)를 각각 갖는다. 이는 2개의 발광 다이오드의 출력을 결합하는 간단한 방법이다. 반사 광학 매니폴드(50)는 제 1 LED 칩(51)과 제 2 LED 칩(52)의 광출력을 수용한다. 매니폴드(50)는 상부 복합 포물선형 집광기(상부 CPC, 53)와 하부 복합 포물선형 집광기(하부 CPC, 54, 55)를 포함하고, 이는 각각 칩(51, 52)의 빛을 수용한다. 분할선(dividing line, 50d)은 CPC(53)의 입력 평면 뿐만이 아니라 CPC(54, 55)의 출력 평면의 윤곽을 그린다. 출력 개구(56)는 2개의 LED의 결합된 출력을 약 ±90°로 방출한다.
CPC(54)의 동작은 에지 레이(57)에 의해 도시되고, 이는 칩(51)으로부터의 거의 수평 광선의 표면 법선(58)에 의한 반사이다. 선(50d)에서의 반사 후에, 에지 레이(57)는 출력 개구(58)의 에지로 진행하고, 점선의 탈출 선(exit-line)에 의해 표시되고, 수평으로 되반사되고, 불운하게도 어느정도 상기 점선을 흐리게 한다.
여기에서 설명된 광학 트랜스포머의 추가 실시예는 도 5의 밀집 원리(clustering principle)를 사용하여 가능하며, 이는 도 1A의 반사기 상에 세워진다. 도 6A 내지 도 6I에서의 일련의 도면은 밀집의 추가 실시예를 도시한다.
도 6A는 도 2에서의 것과 같은 유전체 CPC에 근거한 광학 매니폴드(610)에 대한 단면도이다. 매니폴드(610)는 입력 CPC(611, 612) 및 출력 CPC(613)를 포함한다. LED는 도입 포트(entry port, 611L, 612L)에 장착되고, 결합된 출력은 출구 포트(613E)에서 형성된다. 분할선(610D)은 입력 및 출력 CPC 사이의 경계선이다. 빛 의 가역성은 포트(613E)로 조명하는 대형 LED가 있을 수 있음을 나타내고, 이는 빛을 포트(611L, 612L)에서 방출되도록 한다.
도 6B는 광학 매니폴드(620)에 대한 단면도이고, 이는 입력 유전체 CPC(621, 622) 및 대형 출력 CPC(623)를 포함한다. 또한, 입력 CPC(621)는 혼합봉(mixing rod, 621M)을 포함하며, 광원(621L)으로부터 내부로만 향하고, 안내된 빛을 위해 가능한 최소한의 폭을 갖는다. 이는 광원(621L)에 있어서 불균일성을 제거하고, 출구 포트(623E)를 위한 균일한 휘도를 보장하도록 한다.
도 6C는 광학 매니폴드(620)의 한 실시예에 대한 단면도이고, 유전체 CPC 입력 매니폴드(621, 622) 및 맞춤형 거울(623)을 포함하고, 출구(623E)에서 공기 중의 에텐듀 한정 출력을 발생시키기 위해 렌즈 표면(620S)과 결합하여 작동한다.
도 6D는 광학 매니폴드(630)의 다른 실시예에 대한 단면도이고, 반사 입력 원뿔체(631, 632), 출력 원뿔체(633) 및 렌즈(634)를 포함한다. LED(631L, 632L)로부터의 빛은 출력 포트(633E)에서 결합된다.
도 6E는 광학 매니폴드(640)의 또 다른 실시예에 대한 단면도이고, 반사 입력 거울(641, 642), 출력 거울(643) 및 플레넬 렌즈(644)를 포함한다. LED(641L, 642L)로부터의 빛은 출력 포트(643E)에서 결합된다. 플레넬 렌즈(644)의 두께는 명백함를 위해 과장되고 실제 사용에 있어서는 더욱 얇아질 수 있다.
도 6F는 입력 TIR 렌즈(651, 652) 및 출력 TIR 렌즈(653)를 포함하는 광학 매니폴드(650)의 또 다른 실시예에 대한 단면도이다. 입력 LED(651L, 652L)는 집광 구역(focal zone, 653E)에서 결합된 출력을 갖는다. 도 6A 내지 도 6E의 단면도는 직사각형 또는 원형의 대칭 중의 하나로 현실화될 수 있다. 그러나, TIR 렌즈는 본질적으로 원형의 대칭이고, 바둑판 모양의 배열로 하기 위해서는 다소간의 조정(trimming)을 요구한다.
도 6G는 다중 렌즈(660)에 대한 평면도이고, 도 6A 내지 도 6F에 의해 예를 든 바와 같이, 육각형으로 조정된 원형 대칭 입력 수단(55)을 포함한다. 각각의 렌즈(661)는 LED(662) 상에서 집광한다.
도 6H는 광학 매니폴드(670)의 입력 측에서 본 사시도이고, 각각 LED(672) 상의 중앙에 있는 원형 TIR 렌즈(671)를 포함하고, 빛을 수용한다.
도 6I는 다른 측으로부터 도 6H의 광학 매니폴드(670)에 대한 사시도이고, 출력 TIR 렌즈(673) 및 출구 구역(673E)을 도시한다.
상기 부재의 많은 다른 조합은 본 발명의 원리가 이해된 뒤에 고안될 수 있다. 예를 들어, 도 6A에서의 대형 출력 유전체 CPC(610)는 도 6F의 대형 조정 TIR 렌즈(653)에 의해 교체될 수 있다. 이때, 출력 화상은 공기 중에 형성된다. 이러한 차후의 구성은, 전체적인 광학 시스템이 길이면에서 더 짧고, 때로는 TIR 렌즈가 긴 CPC 또는 교차 CPC보다 성형하기에 더 용이하고 저렴하다는 측면에서 장점을 갖는다.
이상의 모든 구성에 있어서, 부분은 분리된 조각으로 성형되어 함께 접합되거나 단일 조각으로 성형될 수도 있다.
따라서, 도시된 실시예는 얇은 LED를 입력 광원으로서 활용하고, 많은 수가 방출 칩에 가까워지는 것에 의존한다. 도 3A에서 도시된 것과 같은 실시예에 있어 서, 돔은 도 6H의 TIR 렌즈에 의한 입력으로서만 사용될 수 있다. 돔으로부터 광원을 추출하여 공기중에 화상화하는 것이 필요하고, 물론, 굴절 지수(n)에 있어서 칩 담김(chip immersion)의 경우 치수에 있어서 n배 크게 나타난다.
도 7A는 돔형 LED로부터 공기 중의 화상으로 에텐듀 한정 선속 전사에 대한 측면도이다. 도 7A는 고출력 LED 패키지(700)를 도시하고, 기부(701), 방출 칩(702) 및 투명 돔(703)을 포함한다. 입체 유전체 2중 렌즈(710)는 하부 렌즈(711)와 동일한 상부 렌즈(712)를 포함하고, 이는 정반대로 향하고 선(710D)를 따라서 결합되고, 양 렌즈는 축(710A) 주위를 원형으로 대칭이다. 하부 렌즈(711)는 중앙 쌍곡선형 렌즈(711h) 및 둘러싸는 일반 카티전 타원형 반사기(generalized-Cartesian-oval reflector, 711t)를 포함하고, 이는 중앙 실린더(711c)를 통해 오는 빛을 시준한다. 쌍곡선형 렌즈(711h)는 흡입구(inlet)로 작동하고, LED 칩(702)의 중앙 상에 집광된다. 상부 렌즈(712)는 중앙 쌍곡선형 렌즈(712h) 및 둘러싸는 전반사 표면(712t)을 포함한다. 빛은 칩 화상(710E) 상의 ±90°로 수렴하고, 그로부터 다른 광학 매니폴드는 입력 광을 수용할 수 있다. 예로든 주요 광선(chief ray, 715)은 칩(702)로부터 편각(polar angle, β) 및 화상(710E)에서 동등한 편각(β')을 갖는다. 그러한 렌즈가 정확하게 제작되고 배치될 때, 화상(710E)의 에텐듀는 광원의 것 이상으로 증가되지 않고, 광원-휘도 불균질성(inhomogeneity)이 세척되고, 화상 상의 지점은 광원 상의 다수 지점으로부터 광을 수용한다. 이러한 비화상화 작용은 외형(711t, 712t)의 거울 반전 동작(mirror-inversion action)에 의해 행해지고, 이는 전반사하는 빛을 회전으로 손 상시키기 위해 도브(Dove) 프리즘과 같이 작용한다.
도 7B는 돔형 LED로부터 공기 중의 화상으로의 다른 에텐듀 한정 선속 전사에 대한 측면도이다. 도 7B는 LED 패키지(700) 상에 장착된 2단면 2중 TIR 렌즈(720)에 대한 단면을 도시한다. 하부 TIR 렌즈(721)는 돔(703)을 둘러싸고 칩(702)의 빛을 시준하고, 분할 평면(720d)을 가로질러 상부 TIR 렌즈(722)로 보내고, 차례로 출구 화상(720E) 상으로 집광한다. 렌즈(720)는 LED 패키지(700)의 축(720A) 주위의 원형으로 대칭이다. 예시의 주요 광선(725)은 축(720A)과 등각(β, β')으로 마주본다. 이러한 바람직한 실시예의 제작의 광학적 정확도는 화상(702E)이 칩(702)보다 조금 많은 에텐듀를 갖도록 높아야 한다. 칩(202)의 것으로부터의 화상(720E)의 면적에 있어서 증가가 있고, 이는 LED(702)가 묻힌 돔(703)의 소재의 굴절 지수의 제곱에 비례한다.
도 7C는 SMS-설계 RIIR 렌즈(730)의 측면도이고, 중상 축(730a) 주위의 회전으로 대칭이고, 하부 렌즈(731) 및 상부 렌즈(732)로 분할하는 적도면(equatorial plane, 730d)이 있다. 중앙 렌즈(731c)는 LED 칩(702)으로부터 상방향으로 진행하는 빛을 모아서, 중앙 렌즈(732c)로 시준하고, 차례로 출구 화상(730e) 상에 집광한다. 벨 형상 표면(731e)은 중앙 렌즈(731c)를 둘러싸고, 이는 칩(702)으로부터 전반사 표면(732r)에 걸쳐서 빛을 분배하기 위해 구체화되고, 이는 하부 전반사 표면(731r) 상으로 시준하고, 벨 형상 표면(732e) 상에 수렴하고, 출구 화상(730e) 상에 집광한다. 예시의 주요 광선(725)은 도입 표면(731e)에서 굴절되도록[R] 편각(β)에서 칩(702)의 중앙을 떠나고, 상부 표면(732r)에서 내부적으로 반사되 고[I], 하부 표면(731r)에서 내부적으로 반사되고[I], 최종적으로 출구 표면(732e)을 통과하여 굴절되고[R], 따라서 렌즈(730)는 RIIR 렌즈이다. 렌즈(730) 표면의 연속성은, 정사각형 LED 칩(702)이 730E에서 매우 적은 에텐듀 증가와 함께 정사각형 화상을 갖는다는 것을 의미한다. 이는 725 및 726과 같은 모든 RIIR 광경로가 동등한 광학적 경로 길이를 갖기 때문이고, 공기 중에 있고 칩(702)보다 치수상으로 n배나 클지라도, 화상(730e)의 경계의 정확한 정의를 보증한다(칩을 둘러싸는 굴절 지수를 사용함). 렌즈(730)는 비화상화(non-imaging)를 하기 때문에, 칩(702)의 휘도 비균질성은 손상된다. 또한, 이러한 렌즈는 도 7A 및 도 7B의 것보다 더 빽빽하고, 따라서, 도 7C에 도시된 실시예는 도 7A 및 도 7B의 것보다 몇몇 목적에 있어서 더 바람직할 수 있다.
도 7D 및 도 7E에서 추가적인 실시예가 도시되고, 도 11에 관하여 이하에서 설명되는 구성요소를 가지나, 즉, 재활용 형광 방출을 위한 블루 통과(blue-pass) 이색 필터는 각각 도 7A, 도 7B 및 도 7C에서의 적도면(710D, 720d, 730d)과 조화되어 배치된다. 도 7D는 2중 렌즈 시스템(740)를 통한 단면도이다. LED 패키지(700)는 기부(701), 블루 방출 칩(702, 또한 오른쪽에서 평면도에서 도시됨) 및 겔 충전 돔(703)을 포함한다. 굴절 지수 약 1.5의 렌즈(741)는 광학적으로 돔(703)에 결합된다. 굴절 지수 1.34의 실리콘 렌즈(742)는 차례로 광학적으로 결합된다. 렌즈 시스템(740)의 적도면에 블루 통과 이색 필터(743)가 있고, 이 재활용 목적은 도 11에 있어서 이하에서 설명된다. 정상부에는 실리콘 렌즈(744)가 있고, 하부 실리콘 렌즈(742)의 것과 실질적으로 동일한 형상이다. 최상부 렌즈(745)는, 돔(745d)의 추가를 제외하고는, 하부 렌즈(741)와 형상에 있어서 동일하고, 내부에는 원격 형광(746)이 잠긴다(또한 오른쪽에서 평면도에서 도시됨). 실리콘 렌즈(742, 744)는, 각각 렌즈(741, 745) 내부의 전반사에 의해 광선(747)을 일제히 향하도록 작용하게 보일 수 있다. 광선(748)은 중앙선(749)으로부터 각도(β)에서 방출되고, 동일한 각도(β')에서 형광(746)과 충돌한다.
도 7E는 2중 렌즈 시스템(750)을 통한 측면도이고, 도 7D의 것과 기능에 있어서 유사하고, 유사한 LED가 있다. 겔 충전 돔(703)은 광학적으로 하부 렌즈(751)에 접합되고, 내부 반사하는 외부 외형(751t), 내부 시준 렌즈(751c) 및 광학적으로 비활성 실린더형 벽(751w)을 포함한다. 블루 통과 이색 필터(753)는 시스템(750)의 적도면에 있다. 반전된 상부 렌즈(755)는 하부 렌즈(751)와 형상에 있어서 동일하나, 추가적인 돔(755d)이 있고, 형광(756)이 잠긴다. 또한, 블루 방출 칩(702)과 같이, 형광(756)은 평면도에서 오른쪽으로 도시된다. 광선(758)은 중앙 대칭축(759)에 대하여 각도(β)로 방출되고, 동일한 입사각(β')으로 형광(756)과 충돌한다.
도 7F는 2중 렌즈 시스템(760)을 통한 측면도이고, 이는 도 7E에 도시된 2중 렌즈와 유사하다. 이러한 실시예에 있어서, LED(766)는 장치 축(777)의 측면으로 변위되어, LED(766)의 한 에지는 축(777) 상에 있다. 형광막(765)은 렌즈(76)의 화상화된 집광 위치에 배치되나, LED(766)의 것으로부터 장치 축(777)의 반대측 상에 배치된다. 2중 렌즈(764)는 LED(766)를 형광막(765) 상으로 선명하게 화상화하고, 몇몇 광선은 입체 유전체 광학기기(762)로 향하게 되고, 다른 광선은 필터(761)로 후방 산란된다. 필터(761)는 방향을 바꾸고 형광막(765)과 같은 높이의 화상화된 집광 위치 상으로, 그러나 장치의 축의 반대측 상에, 모든 후방 산란된 광선을 화상화한다. 이러한 광선은 입체 유전체 광학기기(762)로 향하게 되고, 장치로부터 패턴을 이루어 향하게 된다. 광선(763)은 이러한 실시예와 관련되는 중요한 원리(key principle)을 나타낸다. 이중 광선(764)은 SMS 설계 방법의 응용을 통해서 고안된다. 이러한 장치는 이론적으로, 광원의 가상 면적이 더 크기 때문에, 도 7E의 실시예보다 낮은 잠재 휘도를 갖는다. 그러나, 장치를 떠날 수 있기 전에 후방 산란광의 오직 단일 재활용이 있다는 점에서 도 7E에 있어서 채용되는 시도를 능가하는 장점을 갖는다.
도 7G는 도 7F에서 설명되는 것과 유사한 광학 시스템이다. 이러한 실시예에 있어서, 단일 LED 및 단일 형광 표적은 3개조의 LED(775) 및 3개조의 형광 표적(774)로 교체된다. 장치의 원리 및 동작은 도 7F에 있어서 도시된 장치와 유사하다.
도 7H는 도 7F 및 도 7G에 도시된 실시예와 같은 단일 재순환의 동일 원리를 사용하나 광학적 구조가 조금 다른 실시예를 도시한다. 이러한 시도에 있어서, 필터(787)는 광학기기(782)의 하반부 및 상반부에 의해 전면 상에 묻힌다. 광학기기(782)의 각 반은 외부 입체 유전체 TIR 요소(785) 및 그 사이에 공기 틈새가 있는 굴절 렌즈(786, 784)의 내부 쌍을 갖는다. 이러한 광학적 구성요소는, LED 다이의 제어된 오프셋 화상화를 단일 LED/형광 쌍 또는 다이와 형광 배열 중의 하나를 위해 형광 상으로 함께 제공된다. 계면(783)은, 직접 및 재활용된 광선을 추출하기 위해, 도 7F의 762와 같이 부착된 제 2 유전체 광학기기를 가질 수 있다.
도 7I는 원격 형광 시스템(790)의 단면도이고, LED 칩(791), 고지수 복합 타원형 집광기(CEC, 792) 및 고지수 형광막(793)을 포함한다. 정사각형 또는 직사각형 LED를 위해, 한 실시예는 교차 CEC이다. 최근의 고지수(2.4~2.8) 형광은 아연-셀렌화물-황화물(zinc-selenide-sulfide)이고, 세레늄-황 비율에 의해 제어되는 지수를 갖는 높은 패킹 농도가 가능한 전기 이동(electrophoretic) 증착으로서 Phosphor-Tech사에서 사용가능하다. 추가의 고지수 CPC는 도 2C의 CPC(2002)와 유사하게 정상부 막(793)을 기능할 수 있다. 이러한 실시예는 LED(791)의, 바람직하게는 미국 특허 제 6,784,462호에서 설명되는 은 또는 하이브리드 은/ito 전방향 반사기의, 후방에서 정반사기를 포함한다. 이는 좋은 효율로 형광의 후방 방출을 반사하고, 정면측 휘도를 거의 2배로 증가시키는데 도움을 준다.
2차원을 통해서, 도 1A는 여기에서 설명되는 광학 트랜스포머를 위한 빛의 집적에 대한 것이다. 이는 도면의 평면에 있어서 진행하는 광선 상에 작용하는 2차원 외형을 도시한다. 실제로 3차원 시스템은 평면에 직교하는 그러한 외형을 돌출하여 형성된다. 이러한 돌출 거리의 두께는 통상적으로 정사각형 칩의 폭과 같거나 조금 크다. 이는 돌출되는 외형의 평면에 있지 않는 광선의 돌출 방향에 있어서의 손실을 야기한다. 대신에, 2방향 교차 CPC가 직교하는 방향에서 사용되는 같은 외형으로 사용될 수 있다. 이는 도 8A, 도 8B, 도 9A, 도 10A 및 도 10B에 있어서 도시된다. 이러한 실시예 내부에서 빛의 통행의 다중 통과 속성으로 인해, 만족스러운 낮은 흡수율을 갖는 투명 소재의 사용이 높은 시스템 효율을 위해 중요하다. 예 를 들어, 사출 성형 플라스틱에 관례상 채용되는 폴리카보네이트는, 아크릴은 갖지 않는, 이러한 실시예가 갖는 중요한 손실인 매우 많은 흡수성(absorption)을 갖는다.
도 8A는 광학 매니폴드(80), 유전체 충전 2×2:1 다중 CPC 실시예에 대한 사시도이다. 이는 4개의 입력 교차 CPC(81) 및 출력 교차 CPC(82)를 포함하고, 분할선(80d)에서 보여지는 바와 같이, 단면은 모두 정사각형이다. 이러한 4개의 교차 CPC의 각각의 단면은 도 2B의 것과 유사하고, 따라서, 잠긴 LED(83)는 평면(80d)을 가로질러 교차 CPC(82)로 보내지는 모든 빛을 갖는다.
도 8B는 광학 매니폴드(80)의 다른 사시도이고, 또한 출구 표면(84)를 도시하고, 이는 유사한 굴절 지수의 다른 장치로 연결되어야 하고, 집광된 빛의 다른 몇몇은 내부 반사에 의해 되돌려진다. 매니폴드(80)와 이하에서 도시되는 실시예의 몇몇과 결합하는 것이 가능하다.
도 9A는 2×4:1 광학 매니폴드(90)의 사시도이고, 대응하는 복수의 잠긴 LED(92)로부터 빛을 수용하는 복수의 입력 교차 CPC(91), 복수의 교차 CPC(91)로부터 빛을 수용하는 직사각형 혼합 지역(93), 직사각형 혼합 지역으로부터 빛을 수용하는 직사각형 출력 교차 CPC(94)를 포함한다.
도 9B는 도 9A에 도시된 매니폴드(90)의 다른 사시도이고, 또한 출력 교차 CPC(94)로부터의 대략 직사각형 출력 표면(95)을 포함한다. 혼합 지역(93)은 대략 일정한 짧은 치수(93w)이나 약간 신장하는 긴 치수(93L)가 있는 직사각형 단면을 갖는다.
여기에서 설명되는 광학 트랜스포머의 이러한 및 다른 다중 포트 실시예에 대해서, 도 2C의 고지수 CPC 배치는, 복수의 LED를 넘는 고지수 CPC를 위한 다중 몰드(mold)를 형성하는 다중 굴곡(indentation)을 포함하기 위해 신장된 실리콘 막(2004)로 실시될 수 있다. 따라서, 고지수 주조의 솔-겔 과정은 여기에서 설명되는 광학 트랜스포머의 많은 다른 실시예를 수용할 수 있다.
도 10A는 4×4:1 광학 매니폴드(100)의 사시도이고, 상기 4×4:1 광학 매니폴드(100)는 복수의 정사각형 유전체 입력 교차-CPC(101), 상기 교차-CPC에 개별적으로 연결된 대응하는 복수의 담긴 LED(102), 및 상기 교차-CPC 각각으로부터 상기 광출력을 총체적으로 수용하도록 연결된 대략 정사각형 출력 유전체 교차-CPC(103)를 를 포함한다. 또한, 담긴 정사각 필터(105)가 도시되고, 블루 LED(102)의 상기 케이스에 대해 설치된다. 어떤 실시예에서, 정사각 필터(105)는 출력 CPC(103)의 입력면을 가로질러 적용되는 블루-패스 반사체이고, 이 때 광학적으로 입력 교차-CPC(101)의 배열체와 결합된다. 이러한 블루-패스 반사체는 당업자에게 알려진 적절한 기판상에 박막 다중막 유전성 또는 다른 물질을 침전시키는 방법, 단일 또는 다중막 반사나 전송 홀로그래픽 코팅을 통하는 방법과 같은 여러 방법으로 제조가능하다. 1981년 공개(Miles, Webb, and Griffith,"Hemisheric-field-of-view, nonimaging narrow band spectral filter", Optics Letters, Vol.6#12 pp. 606-618)에서, 2개의 중공 반사 CPC는 빛을 협대역 스펙트럼 필터로 시준하고 이때 상기 필터처리된 빛을 모으기 위해 마주보고 사용된다. 반면, 여기서 설명된 광학 트랜스의 실시예는 중공 CPC를 대신해 유전체 CPC를 사용한다. 또 다른 차이점은 협 대역 필터보다 차라리 대역 필터를 사용하는 것이다. 도 10A의 실시예는 단일 CPC보다는 차라리 복수의 입력 CPC를 구비한다. 도 10C에서 도시된 바와 같이, 상기 콘덴서 CPC(103)은 형광 표적(106)을 구비한다. 콘덴서 CPC(103)는 16 개 LED로부터 형광 표적(106)이 존재하는 단일 출구면상에 상기 입력을 결합하고 균질화한다. 또한, 마일스 등에서 개시되지 않은 도 10A의 실시예의 신규함은 도 10D에서 도시된 바와 같이 형광체(105)의 재방사를 반사시키는 필터(105)의 기능이다. 이는 여기서 설명되는 상기 광학 트랜스의 리사이클 원리이고 신규하다고 인정된다.
도 10B는 도 10A에서 도시되고 또한 대략 직사각형 출구면(104)를 더 포함하는 광학 매니폴드(100)의 또 다른 사시도이다.
도 10C는 출구면(104)에서 출구 CPC(103)의 확대도이고, 상기 출구면(104)에 설치되는 실제 위치로부터 절개된 형광 박막(106)을 보여준다. 상기 형광막은 상기 담긴 교차-CPC(103)의 람베르시안(Lambertian) 광학 출력의 전체를 수용한다. 블루 LED(102)로부터의 빛의 유용하게 균일한 합계가 어떤 하나의 LED의 동요나 오작동으로 인해 잃게되는 균일화를 겪지 않는다. 유용하게, 품질 제어가 상기 복수의 LED 중 어느 것의 평균 중심 파장을 일정하게 유지하는 것을 만족시키도록 개별 LED의 파장 바이닝(binning)은 필요치 않다.
도 10A, 10B, 및 10C에서 도시된 광학 매니폴드는 개별적인 블루 칩에 일반적으로 적용가능한 형광막으로는 가능하지 않으나 형광체 구조로부터 유동하는 이점을 더 갖는다. 일반적인 화이트 LED에서, 상기 블루 칩은 반유동체 고착제에서 분말 형광체의 슬러리의 방울(drop)을 수용한다. 상기 방울은 제조과정동안 상기 블루 칩상에 증착된 이후 건조된다(또는 자외선 처리된다). 상기 일반적인 접근 방법의 불이익은 많다. 첫째, 형광체의 얇고 두께가 제어되는 등각 층의 증착은 1-mm 고전력 LED 방출기의 표면상에서 실행하는 것이 극도로 어렵고 이는 상기 LED의 제조에 사용되는 물질, 증착면의 작은 크기, 및 방사면 상에 일정한 두께를 가진 층을 증착시키기 위해 이용되는 많은 기술은 상기 LED를 손상시킬 가능성이 있다는 사실이 중요성이라고 알려진다. 둘째, 상기 형광막은 상기 LED에 근접되기 때문에 고열 상태가 되기 쉽고, 상기 코팅의 가속된 열 저하나, 부적절한 열팽창으로부터 발생하는 힘에 의해 상기 형광체/LED 인터페이스에 물리적 손상을 발생시킬 수 있다. 도 11A, 11B, 및 11C와 관련하여 설명된 상기 형광체 스펙트럼 방사 곡선은 온도가 증가함에 따라 더 긴 파장으로 이동하여, LED 색의 바람직하지 않은 온도 의존으로 귀결된다. 색 온도 조절시 상술된 어려움을 포함하는, 당업자에게 알려진 이 기술이 갖는 다른 문제점이 있다.
그 대신, 도 10C는 여기서 설명된 상기 광학 트랜스가 25-60 마이크론의 균일한 두께를 가진 크고 얇은 시트로서 세라믹으로 구워진 후에 직접 상기 형광체를 사용하는 방법을 보여준다. 이 때, 편리하게 큰 조각은 레이저로 표시되거나 반면에 층(106)의 크기를 측면이 4-6 밀리미터의 범위의 여러 조각으로 쪼개질 수 있다. 동일한 두께를 가진 형광체의 더 큰 조각은 당연히 더 큰 백색광 발광을 위한 더 큰 광학 매니폴드에서 사용될 수 있다. 이 방법은 형광체 두께의 더 향상된 제어 및 열 순환의 결여로 인해 조명 및 색 온도 모두에 높은 균일도를 제공한다.
도 10D는 도 10A, 10B, 10C의 광학 매니폴드(100)내의 투사광이고, 출력 교 차-CPC(103)의 상기 입력면에 걸쳐 설치된 블루-패스 필터층(105)의 기능을 설명한다. 형광막은 대표적인 람베르시안 분배광(107)을 방사한다. 광학의 가역성은 교차-CPC(103)가 대표광(107)과 함께 형광막(106)의 내측으로부터 상기 람베르시안 옐로우 방사의 전체 각 범위를 압축할 것이라는 것을 의미한다. 이 방사는 블루-패스 필터(105)로부터 반사되면, 그 좁은 각도는 형광체(106)으로 되돌아오도록 한다. 즉 큰 CPC(103)은 모든 광선의 상기 비축 각도를 10도이하로 감소시킨다. 이 되돌아온 광선은 형광막(106)내에서 흡수되는 것이 아니라 확산될 것이고,대신에 형광막(106)의 외측을 회피하는 또 다른 50%의 기회를 가질 수 있다. 이 특징은 블루 LED상에 직접 코팅된 형광체에서 발견되는 백색 휘도를 거의 두배로 해야 한다는 사실이 알려져 있다. 상기 큰 CPC(103)은 비화상성으로 인해 우수한 균일성을 발생시킬 수 있다. 여기서 설명된 상기 광학 매니폴드의 몇몇 실시예의 또 다른 신규성은 형광체 두께의 정확하고 균일한 적용에 의해 색 온도의 정확한 제어이다. 균일한 블루 조도와 큰 광냉광성 층의 조합은 신규하다.
AlInGaP 웨이퍼 조각처럼 블루광에 의해 방사되면 레드광을 발생시키는 광냉광성 반도체를 사용하는 것이 가능하다. 이 물질은 투명하기 때문에 그린 형광체에 걸쳐 도금되고, 옐로우 형광체 대신에 사용될 수 있다. 그린 형광체를 사용하는 것은 상기 반도체의 양자 효율이 상기 옐로우 형광체의 효율 이상이면 유리할 수 있다. 도 10E는 이러한 구조의 일 예를 보여주고, 상기 출구면(104)를 구비한 큰 CPC(103)를 보여준다. 그린 형광체(106P)는 접착되고 얇은 레드 반도체 층(106S)는 그 위에 설치된다.
그린 형광체를 사용하는 또 다른 방식은 레드 LED광원과 함께하는 것이다. 도 10F는 평면 필터(1005)를 통해 큰 CPC(1003)를 공급하는 16개의 작은 CPC(1001)를 포함하는 매니폴드(1000)의 사시도이다. 이 예에서, 상기 LED 중 4개(1002R)는 레드이고, 나머지 12개 LED(1002B)는 블루이다. 도 10G는 매니폴드(1000)의 또 다른 도면이고, 큰 CPC(1003)의 상기 출구면에서 그린 형광체(1006)를 보여준다. 필터(1005)는 더 작은 레드패스 필터(1005ㄲ)과 L형 블루패스 필터(1005B)로 이루어진 것으로 도시된다. 필터(1005B)가 상기 12개의 블루 LED(1002B)에 걸쳐 배치되는 반면 상기 필터(1005R)은 상기 4개의 레드 LED(1002R)에 걸쳐 배치된다.
또 다른 문제는 대략 1.8인 형광체 물질의 굴절율에서 발생한다. 이것은 전체 내부 반사로 인해 빛이 상기 형광체에 트랩되도록 한다. 도 10G는 도 10C와 유사하나 상기 형광체로부터 광추출을 증가시키는 광학 시스템을 추가하는 절개도이다. 도 10G는 상기 형광체에 걸쳐 적합한 유전성 교차-CPC(103), 일체형 세라믹 형광체(106), 및 유전성 반구를 도시한다.
도 10H는 이런 적합한 것의 또 다른 도면이고, 형광체(106)를 수용하고 광학적으로 결속된 정사각형 톱니(109)를 포함하는 상기 반구(107)의 적도면(108)을 나타낸다. 이 정렬은 상기 형광체의 자화된 화상을 발생시킴으로 광추출을 증가시킨다. 형광체 확산이 높으면 이러한 돔은 덜 유용하다는 것이 알려진다. 이 경우에, 상기 평평한 형광막에 의해 트랩된 빛은 추출되거나 흡수될 때까지 재확산되고 상기 쇼트 패스 필터와 연결되어 리사이클 될 것이다. 상기 쇼트 패스 필터가 적절히 디자인 된다면, 0.99의 반사율 및 무시할 수 있는 흡수율을 가져야 한다. 렌즈의 상기 리사이클링 섹션을 위해 선택된 재료는 낮은 흡수율(PMMA와 같은)을 갖는다고 가정하면, 다중 변동(multiple bounces)으로 손실되는 광속의 양은 작고, 이러한 시스템에서 추출되는 빛은 강할 것이다. 이것은 전체 광도에서 작은 감소(5-10%)이기는 하나 휘도를 상기 돔 경우보다 실질적으로 더 강하게 만들 것이다. 적합한 재료의 평평한 보호 커버는 일반적으로 상기 형광막을 보호하기위해 필요하다. 적합한 재료는 예를 들어 에폭시,PMMX, 폴리카보네이트, 및 상기 형광체보다 낮은 반사율을 갖는 다른 재료를 포함한다.
도 11A는 분광측정(spectrophotometric) 도면(110)에서 상기 필터(105)의 출력의 그래프이고, 400-800 나노미터의 상기 가시광 스펙트럼의 극단에 걸친 수평 파장 스케일(111)을 포함한다. 수직 스케일(112)은 상대적 밀도 또는 투과율을 나타낸다. 도선(113)은 도 10A의 필터(105)의 스펙트럼 투과율을 보여준다. 필터(105)는 일반적으로 폴리카보네이트 같은 사출성형 플라스틱의 반사율보다 다소 작은 반사율을 갖기 때문에 상부선(113h)은 약 100%이다. 예를 들면, 이러한 필터를 위한 하나의 적절한 재료는 PYREX 웨이퍼이다.
또한, 도 11A는 왼쪽의 485nm와 오른쪽의 495nm의 사이에서 급격한 경사(113c)를 보이는 투과율 도면(113)을 그래프로 만든다. 투과율과 반사율 도면에서 급격한 변화를 갖는 쇼트 패스 필터는 중심 파장의 넓은 범위에 걸쳐 산타로사의 JDS 유니페이즈사에서 상업적으로 구입가능하다. 적합한 쇼트 패스 필터는 소정의 파장보다는 낮은 높은 투과율(일반적으로 프레즈넬 손실을 포함하는 공기에서조차 90%이상), 및 단지 5nm에서 출발한 파장에 대해 상기 투과 컷오프 파장보다는 높은 높은 반사율(99%이상). 또한, 이 필터는 150nm이상의 높은 반사 대역폭을 유지할 수 있다. 결국, 이 쇼트 패스 필터는 10도 이하의 광 입사각으로 유전체 사이에 위치하거나 공기에 위치하는 경우 이러한 스펙을 만족할 수 있다. 상기 중심 파장은 수직한 입사에서 보증되고, 이론상 상기 필터내에서 입사각 코사인값에 따라 변하는것처럼 설명된다. 도선(114)은 블루 LED를 위한 일반적인 분광측정 도면을 보여준다. 단지 작은 일부(114f)은 상기 투과율 곡선(113)의 외측에 있다. 그러나 이러한 분광 필터링은 각에 민감하고, 파장 이동(115)은 27도의 입사각 효과를 보여준다. 이것은 플롯선(114)이 모든 블루 광을 반사시키기에 충분히 이동된것을 보여준다. 도 10A의 상기 입력 CPC는 10도 출구각을 가지며, 이는 단지 약 495(1-cos 10°) = 7nm, 경사(113c)의 폭의 절반의 이동을 야기한다. 이 효과는 다만 약 1-2%의 반사 손실을 증가시킨다.
도 11B는 다른 분광 플롯을 가지나 도 11A와 유사한 그래프이고, 필터 투과율 플롯(113)의 중요성을 설명하며. 점선의 형광체 흡수율 곡선(115) 및 형광체 방사 곡선(116)가 나란히 놓인다. 흡수율 곡선(115)은 도 11A의 블루 LED 방사 곡선(114)와 거의 일치하고, 플롯(113)의 투과율 측에 있다. 방사 곡선(116)은 거의 모두 플롯(113)의 반사측상에 있고, 이는 도 10D의 백색 광(107)의 귀로를 야기하는 것이고 형광체(106)로부터 내측으로 방사된 백색 광의 리사이클링을 보장한다.
도 11C는 도 11A와 11B와 유사한 그래프를 보이며, 도 10G에서 구성 필터(1005)의 스펙트럼 작용을 설명한다.
도 10G의 블루패스 필터(1005B)는 도 11C에서 투과율 곡선(1113)을 갖는다. 점선(1115)는 상기 그린 형광체의 여기 함수이고, 실선(1116)은 그것의 방사 함수이다. 도 10G의 레드필터(1005R)는 도 11C의 스펙트럼 분포(1118)을 갖는다. 양 필터 모두 곡선(1116)의 상기 그린 형광체 방사 파장을 반사하고, 큰 CPC내에서 상기 형광체 재방사의 리사이클링 하는 것이 가능하게 한다.
이 적용을 위한 필터는 기판으로서 PYREX를 사용하고,잘 알려진 증착 공정을 사용하여 재료의 많은 박막을 이 기판의 일측에 증착시킴으로 생산가능하다. 적합한 PYREX 웨이퍼는 코닝사에서 구입할 수 있고, ±0.05mm의 공차로 대략 0.3mm의 두께를 가진다. 이 재료는 1.47의 가시 범위에서 평균 반사율을 갖는다. 상기 증착 공정, 디자인 절차, 및 이러한 장치를 만들기 위해 필요한 상기 재료는 종래 기술로부터 잘 정착된다. 예를 들면, 상술된 PYREX 웨이퍼에 이산화 규소, 5산화 탄탈륨의 45개의 교대 박막을 사용하면서, 필터는 약 515-700nm의 범위의 파장에 대해 98%이상의 투과율을 가지는 반면 400-495nm의 범위의 파장에 대해 약 85% 이상의 최소 투과율을 얻도록 디자인될 수 있다. 이러한 장치는 큰 웨이퍼로 만들어질 수 있고, 이때 필요한 모양은 필터(105)의 크기와 맞도록 더 작은 조각으로 나눌수 있다. 이러한 접근 방법은 상기 필터의 가격을 상당히 낮출수 있다. 다른 훨씬 더 효과적인 디자인은 산타 로사(CA)의 JDS 유니페이즈사로부터 구입가능한 장치와 같은 산업 소스(industrial source)에서 이용가능하다. 또한, 동일한 결과를 얻도록 홀로그래픽 기술을 사용하는 것이 가능하다. 만약 대량생산된다면 홀로그램은 매우 저렴한 구성요소일 수 있기 때문에 이것은 과거의 접근방식을 넘는 여러 이점을 갖는다. 그러나, 이러한 기술은 현재 아직 상용화된 것으로 보고되지 않으며, 특별함 연구와 개발이 필요할 것이다.
담긴 LED의 상기 람베르시안 분포가 상기 임계각까지 압축되는 것이 바람직하다. 그러나 에텐듀 보존 방식(etendue-conserving ways)으로 영역을 확장한다. 도 12는 종점(123, 124)에 의해 표시된 광각(±90°)부(121)를 갖는, 특히 종점(125, 126)에 의해 표시된 광각부(122)를 갖는 분포변형(distribution-transforming) 요소(120)를 보여준다. 점(127)은 투명 매체 구성 요소(120)의 임계각 θ에 의해 형성된다. 요소(120)의 측면(profile)은 점(123)으로부터 점(126)까지, 반대편의 점(124, 126)에 초점을 가진 타원이다. 점(125, 127) 사이에서 점(124)에 초점을 가지고 점(125)으로부터 점(128)까지 전파되는 광선과 평행한 축을 가진 포물선이다. CEC(복합 타원형 집광기)는 점(127, 128)의 좌측까지이고, 반면에 CPC는 그 우측까지이다. 분포변형 요소(120)의 상기 더 좁은 각 출력은 다른 실시예를 위한 적합한 출력으로서 작용한다.
높은 균일성과 일정한 색을 얻도록 혼합할 때 일반적으로 대략 1인 높은 NA에서 휘도를 수송(transport)하기 위한 에텐듀 보존 방식은 여기서 설명된 상기 광학 트랜스의 광학 매니폴드의 구성을 위해 동일하게 중요하다. 상기 NA는 다음 공식들 중 하나를 사용하여 계산가능하다.
NA=n sin(π/2-θc)=n√(1-1/n2),
여기서 θc는 상기 재료의 임계각이고, n은 상기 재료의 반사율이다. 이 공식은 시스템의 상기 NA를 결정하기 위해 유용하고, 상기 입력 광 다발은 이미 유전 성 매체 내에 있다. 이 때, 상기 공식의 n 값은 1.0보다 더 크다.
조명의 수송에 관한 종래 기술은 파인에 의한 미국특허 제 6,189,687호, 특히 도 1F에서 볼 수 있다. TIR은 입사되는 임의 광선에 대해서는 작동하지 않기 때문에 코너-터닝(corner-turning) 구조는 전통적인 반사체에서만 가능하다. 모든 TIR 작동을 위해 파인(Fein)은 45°회전(turn)을 위해 그의 도 3B에서 장치를 갖는다. 여기서 개시된 각 회전자에서 렌즈의 특징에 대한 식별력 및 그것에 대한 이점을 증진시키기 위해 유사한 구조를 갖는 렌즈가 도 13A에서 다시 그려진다.
도 13A는 45°상호방위에 배치된 포트(1351, 1352)를 갖는 파인의 코너-반전기(corner-turner)(1350)를 보여준다. 그것은 구조각 θ를 사용하며, 이것은 상기 임계각 θc=sin-1(1/n)의 여각(complement)이고, n=1.495에 대해 θ=49°이다. 이것은 안내된 빛의 최대각에 대응하거나 대략 NA=1이다. 내벽(1353)은 TIR이 사용가능한 평면거울이고, 점(F1)으로부터 점(F2)까지 계속된다. 외벽(1354)은 점(P1)으로부터 점(P2)까지 계속되며 점(F2)에 초점을 갖고 수직선에 대해 시계방향으로 각 θ를 만드는 축을 갖는 포물선 호, 및 점(P2)으로부터 점(P3)까지 계속되며 점(F1, F2)에 초점을 갖는 타원형 호, 및 점(P3)으로부터 점(P4)까지 계속되며 점(F1)에 초점을 갖고 상기 출구 구멍(1352)에 대한 수직선에 대해 각 θ를 만드는 축을 갖는 포물선 호를 포함한다. 구조선(1355)은 대략 NA=1에서 상기 제한된 광선처럼 동일한 방식으로 외벽(1354)에서 반사된다.
비록 이 구조선이 NA에 대해 하나와 대략 동일하더라도, 파인의 도 3B의 장 치는 실제적으로 단지 전체 내부 반사를 넘는 그러한 방사를 수송할 수 없다. 이것은 도 13B에서 도시되며, 이는 코너 반전기(1310)의 광선 자취를 나타낸다. 에지광(edge rays)(1357)은 입구 구멍에 대한 수직선에 대해 각을 만들고, 이는 이 장치의 재료에 대한 임계각의 여각(complement)이다. 그들 중 단지 하나인 광선(1357e)은 반사된다. 나머지 모든 굴절되어 투과된 광선(1357r)은 누출 및 부분적인 장치 고장을 구성한다. 더 완전한 광선 자위는 100%의 수송이 상기 광선 입사각이 점(F1, P4)를 연결하는 선과 도 13A에서 입구 구멍에 대한 수직선 사이의 각 이하일 때만 얻을 수 있다는 것을 보여준다. 도 13A의 예에서 이 각은 대략 3 도이다. 이 장치에 대해 3 도 이상의 입사각을 갖는 어떤 광선은 상기 렌즈의 측면으로 누출될 것이다. 만약 모든 빛이 전체 내부 반사 수단에 의해 재유도된다면, 파인에서 설명된 상기 장치는 다만 높은 시준 광원을 회전시키기 위해서만 적합하다는 것을 명백해 해야 한다.
상기 광학 매니폴드에서 사용되는 각회전자(angle-rotator)는 최상으로 가능한 NA까지 모든 광선에 대한 전체 내부 반사를 만족한다. 도 13C는 제 1 포트(131) 및 제 2 포트(132)를 구비한 각회전자(130)의 횡단면도이고, 이는 각폭 2θ의 빛을 완전히 교환한다. 이 각은 회전자(130)의 투명 재료에 대한 임계각의 여각의 두배이다. 상기 제 2 포트(132)는 포트(131)의 평면으로부터 각 β,일반적으로 대략 45°의 편리한 값에 있고, 이는 2개의 각회전자가 실질적으로 손실 즉, 종래 기술의 단순 원형 또는 정사각형 횡단면에 대한 피할 수 없는 손실을 야기하는 상황 없이 직각 만곡부(right angle bend) 주위에 휘도를 수송하는 것을 가능하게 한다.
도 13C에서 평평한 측벽(133)은 타원형 세그먼트(134)의 초점(F1, F2)사이에서 연장되고, 이는 평평한 측벽(135, 136)에 옆에 차례로 배치된다. 측벽(135)는 입구 구멍(131)에 수직한 방향이다. 광선(137)은 단일의 전체 내부 반사를 경유하여 초점(F1)으로부터 초점(F2)까지 계속되고, 반면에 광선(138)은 점(F1)에서 포트(131)의 반대측으로부터 점(F2)에서 포트(132)의 반대측까지 전체 내부 반사를 경유하여 계속된다. 이것은 각회전자(130)가 제 1 포트(131)로부터 제 2포트(132)까지 ±θ 내에서 모든 광선을 회피함 없이 이동시키는 방법을 보여준다. 이 비화상(nonimaging) 광학 구조는 그것이 수용하는 어떤 휘도(luminance) 비균질성(non-uniformities)을 더럽히는 경향이 있다. 이 더럽힘은 각회전자(130)의 상기 벽으로부터의 반사로부터 뿐만 아니라 상기 제 2 포트(132)상의 점각각이 포트(131) 전체로부터 빛을 수용하기 때문이다. 화상이 단지 휘도 비균질성의 또 다른 형태이기 때문에, 이것은 여기서 이 실시예 및 다른 실시예가 '비화상(non-imaging)'이라고 불리우는 이유이다.
도 13D는 도 13C와 유사하게 지점(C)에서의 만곡 중심을 갖는 외부 호(1301)와 상기 지점(C)에 역시 중심을 갖는 내부 호(1302)를 갖는 각 회전자(1300)의 단면도이다. 재단된 곡선(1303)은 호(1302)의 양단을 단말처리하고, 재단된 곡선(1304)은 호(1301)의 양단을 단말처리한다. 곡선(1303, 1304)은 함께 끝단 포트(1305, 1306)를 정의한다. 외부 입사각 α와 전반사각 β로 전반사되는 이들의 2방향 특성은 반대방향으로 향하는 광선에 의하여 도시된다. 끝단 포트는 본 명세서 에 개시되는 것과 같은 다른 광학 매니폴드에 결합될 것이므로, 끝단 포트가 광선을 굴절하는 것은 도시하지 않는다.
도 13E는 각 회전자(1300)를 도시하나, 각 회전자(1300)이 전반사를 경유하여 대형 호를 통해 모든 휘도를 전할하는 각 한계(amgular limit)를 정의하는 평행 경로의 에지 광선의 완전한 집합(1309, 1310)을 도시한다.
도 14는 제1 각 회전자(141)와 반대방향으로 배향하는 제2 각 회전자(142)를 포함하는 광 시프터(140)의 단면도이다. 서로 피팅되기 위하여, 양 회전자는 도 13의 평면 세그먼트(135)와 유사한 세그먼트의 제거에 의해 변형된다. 따라서, F1-F3는 입사광보다 더 넓다. 시프터(140)의 순 영향은 그것을 구성하는 투명한 물질의 임계각에 제한되는 입력 휘도 분포의 1.5 폭의 측면 시프트이다. 시프터(140)내의 다중 내부 반사는 입사하는 비균일 휘도를 부드럽게 한다.
도 15A는 각 회전이 없는 측면 광원 시프트를 위한 광학 시프터(150)의 단면도이다. 제1 포트(151)는 지점(F11)과 지점(F12)을 연결한다. 제2 포트는 지점(F21)과 지점(F22)을 연결하며, 점선(150L)로 표시된 것과 같이 포트(151)로부터 반폭만큼 시프트된다. 포트 중 하나가 공기와 경계를 가지는 경우, 입사하는 광은 반드시 투명 물질(150)의 임계각(θ) 내에 있어야 한다. 직선 세그먼트(F1'P1)는 포트(152)에 수직이며, 직선 세그먼트(F2'P2)는 포트(151)에 수직이다. 포물선 F11P1은 F22에서 초점을 가지며, 광선 r1에 평행한 축을 갖는다. 도 13C에 관하여 전술된 바와 같이, 비화상화 광학 장치로서, 구성요소(150)는 입사하는 광원 분포의 비균일성을 약화시킨다.
도 15B는 선(155L)에 의해 도시된 바와 같이, 그 전체 폭만큼 측면 광원 시프트하는 광학 시프터(155)의 단면도이다. 제1 포트(156)는 지점(F1)과 지점(F2)을 연결한다. 제2 포트(157)는 지점(F3)과 지점(F4)을 연결한다. 이전과 같이, 광은 시프터(155)를 이루는 투명 물질(150)의 임계각(θ)에 제한된다. 이것은 지점(F3)d에서 지점(P4)으로의 광선에 의하여 정의되는 선과 축(155L) 사이에 형성된 정확한 각으로 도 15B에 도시된다. 시프터(155)의 주변부의 대부분은 지점(F4)에서 지점(P2), 지점(F2)에서 지점(P1), 지점(F1)에서 지점(P3), 지점(F3)에서 지점(P4)으로의 연결되는 직선이다. 포물선 세그먼트(158)는 지점(P1)에서 지점(P2)로 연결되며, F1에서 초점을 가지고, F2-P3의 광선에 평행한 축을 갖는다. 포물선 세그먼트(158')는 지점(P3)에서 지점(P4)로 연결되며, F4에서 초점을 가지고, F3-P2의 광선에 평행한 축을 갖는다.
도 15A 및 15B는 측면 광원 시프터의 가능한 값의 연속체에 따른 두 개의 변형물을 도시한다. 더 큰 시프트는 도 15B의 155보다 더 긴 시프터를 요구할 뿐이다.
도 16은 제1 직각 포트(rectangular port) 및 그와 직각으로 배향하는 제2 직각 포트를 갖는 광원 트위스터(160)의 사시도이다. 나선형의 곡선(163)이 160의 모서리를 형성하는 4개 중 하나이다. 또한, 공극(165g)를 가로질러 배치되는 람베르시안(Lambertian) LED(165)가 도시되며, 장치(160)의 내부의 빛은 그 재질의 임 계각에 한정되어, 면(161)에서 면(162)로 적은 손실을 가지면서 전달된다.
도 17은 각 회전자(angle rotator)를 갖는 광학 매니폴드의 단면도이다. 특히, 도 17은 광학 매니폴드(170)를 만들기 위해 각 회전자가 어떻게 결합되는지를 보여준다. LED(171)와 LED(172)는 각각의 공극(171g, 172g)를 가로질러 각각의 각 회전자(173, 174) 측(각 회전자(174)는 직선부(175)에 따라 배치된다)으로 발광한다. 출구 포트(176)의 전체 폭은 양 LED로부터의 광을 수신한다.
도 18은 3차원 디자인으로 구현된 광학 매니폴드(170)의 실시예에 대한 사시도이다. 람베르시안 LED(181, 182)는 매니폴드(180) 방향으로 발광하며, 결합된 광이 출구 포트(183)로부터 방출된다. 각 LED로부터의 광은 실질적으로 출구 포트(183)의 폭 전체로 확산한다. 도 18에서, 직각 경로 방향을 사용하는 것에 의하여 2차원 윤곽이 3차원 입체로 사출 성형된다. 대신에, 상기 사출 성형은 주입 틀(injection mold)로부터의 부품 제거를 용이하게 하기 위하여 1 내지 2도의 드래프트 각도(draft 각도)로 가늘어 질 수 있다. 이러한 방식에 따라, 최초 윤곽 또는 최종 윤곽은 다른 쪽보다 더 작아질 것이며, 장치의 성능은 단지 미소하게 감소할 것이다.
도 19는 정사각형의 입력 포트(191)를 구비하는 광학 매니폴드(190)의 사시도이다. 연속적인 각 회전자(192, 193)는 직각 출구 포트(194)에 공급한다. 직선직각부(195)는 연속적인 각 회전자(196, 197) 및 직각 출구 포트(195)에 공급한다. 직선직각부(195)의 길이는 포트(198)을 포트(194)와 동일한 평면에 포트들을 배치하도록 수정된다.
도 20A는 적색 LED(R)로부터 광을 수신하는 측면 시프터(201)와, 녹색 LED(G)로부터 광을 수신하는 혼합 로드(mixing rod)와, 청색 LED(B)로부터 광을 수신하는 측면 시프터(203)을 포함하는 광학 매니폴드(200)의 단면도이다. 덕터(204)는 혼합된 광을 수신한다. 이전과 같이 LED들은 도시된 201g와 같은 작은 공극을 가로질러 발광하기 때문에, 매니폴드(200) 내부에서, 모든 광은 임계각(θ) 내로 한정된다.
도 20B는 매니폴드(도 20A의 200)와 유사하고, 세 개의 분기(207-209)에 의해 공급되는 입력 덕터(206)를 구비하는 광학 매니폴드(205)의 단면도이다. 그러나, 더 멀리 분리되어 있는 광원에 도달하기 위하여 매니폴드(205)는 더 커진다. 상부 분가(207)는 위쪽으로 향하는 곡선형태의 제1 각 회전자(207a)와 아래쪽으로 향하는 곡선형태의 제2 각 회전자(207b)와, 이들을 결합하는 가상의 선(207d)를 포함하는 것으로 도시된다. 상부 분기(207)는 적색 LED(R)용이며, 하부 분기(208)는 청색 LED(B)용이며, 긴 혼합 로드(209)는 녹색 LED(G)용이다.
도 21은 동일 평면에 있는 입력 포트(211)와, 각 회전자(212)와, 전체 전장이 각 입력 포트로부터의 광을 수신하는 출구 포트(213)를 포함하는 4:1 광학 매니폴드(210)의 단면도이다. 그러나, 실제 실시에 있어서는, 넓은 구형의 끝단 대신에 긴 금과 같은 끝단으로 대신하는 것으로 정의되는, 아마도 수천 분의 1인치 폭을 갖는 슬릿 모양 같은 금이 조금 있을 수 있다.
광선 추적은, 이상적인 형태로부터의 그와 같은 실제적인 변경은 단지 수 퍼센트 정도의 손실과, 출력면에서의 균일도에서의 약간의 차이만을 야기한다는 것을 보여준다. 그러한 설계 변경은 이러한 도면의 도면 축적에서는 쉽게 볼 수 있기에는 너무 작고, 그 성능 비용은 비교적 중요하지 않다. 부분적으로는, 입력 광의 큰 나선형의 변환이 출력 균일도로부터 아주 조금 이탈하게 하는, 여기에 기술된 광학 트랜스포머의 큰 통합 능력 때문이다. 예를 들어, LED 상의 어두운 접합 패드는, 균일도가 단지 5%만 이탈되게 하며, 이것은 상업 디스플레이의 비공식적인 50% 한계보다 훨씬 적다.
도 22는 동일 평면에 있는 LED(221)와, 이중 각 회전자(222)와, 출구 포트(223)를 포함하는 4:1 광학 매니폴드(210)의 단면도이다. 도 22에서, 동일 평면에 있는 LED(221)는 도 21보다 더 멀리 떨어져 배치된다.
도 21과 도 22의 LED들은 람베르시안 광을 공극을 가로질러 주입하며, 매니폴드 내에서 광은 임계각에 한정된다. 도 23은 도 12의 각 트랜스포머와 동일한 각 트랜스포머(232)에 들어가는 동일 평면에 위치한 LED(231)를 갖는 4:1 광학 매니폴드를 도시한다. 그것들로부터의 광은 하부 각 회전자(233)에서 출구 포트(234)로 진행한다.
여기에 서술된 원리에 따라, 입력포트 사이의 거리는 상기 포트들이 동일한 평면에 있게 하면서도 적절한 거리로 조정될 수 있다. 이러한 성능은, 양호한 열 관리에 필요한 LED 사이의 거리가 용이하게 공급될 수 있기 때문에, 공통 회로 기판에 배치되는 복수의 LED를 위한 특정 매니폴드 결합기를 설계할 때 특히 유용한다.
도 24는 입력 포트(241), 각 회전자(242) 및 출구 포트(243)을 갖는 활모양 의 4:1 광학 매니폴드를 도시한다. 외벽(outer wall)(244, 245 및 246)과 내벽(inner wall)(247)은 지점(C)에서 동일한 주심을 갖는 원호이다. 반지름(R)은 상기 활 모양의 벽으로부터의 누출을 방지하기 위하여 충분히 커야만 한다. 본 발명의 가상적인 모든 실시예에 있어서 가능한 것으로, 전송 효율이나 출력 균일도에 영향을 미치지 않으면서 이 장치의 예리한 주름은 상기 주름을 깍거나 채우는 것, 또는 그 조합에 의하여 수정될 수 있다.
도 25는 소형 각 회전자(252)를 각각 갖는 4개의 입력 포트(251)와 출구 포트(253)을 포함하는 활 모양의 4:1 매니폴드의 단면도이다. 소형 각 회전자(254) 중형 각 회전자(255) 및 대형 각 회전자(256)는 매니폴드(250)가 작은 반지름(257)으로부터 중간 반지름(258)을 거쳐 큰 반지름(259)으로 가변하는 만곡 부분의 반지름을 갖도록 한다. 이러한 반지름들과 분기 사이의 간격은 회전각과 특정 매니폴드를 구성하는 다양한 각 회전자의 상대적인 크기에 의하여 제어된다.
도 26A는 각각 소형 각 회전자(262)를 갖는 동일 평면에 있지 않은 정사각형의 입력 포트(261)을 갖는 2×2:1 광학 매니포터(260)의 사시도이다. 상기 회전자(262)의 각 쌍은 대형 각 회전자(263)으로 직각의 분배를 공급한다. 도 26A에서, 4개의 포트(261) 각각은 임의의 상이한 평면에 배치되지만, 동일 평면상에 용이하게 배치될 수 있다.
도 26B는 상기 회전자(263)에 수직인 평면에서 동작하는 두 개의 각 회전자(262)에 의해 차례로 공급되는 직각 각 회전자(263)에 의해 공급되는 정사각형의 출구 포트(264)를 도시하는 도 26A의 2×2:1 광학 매니포터(260)의 사시도이다.
도 26C는 직각 평면에서 각 회전자 쌍(2653)으로부터 각각 공급받는 두 개의 각 회전자(2652)로부터 공급받는 출구 포트(2651)을 포함하는 4:1 매니폴드(2650)의 사시도이다. 상기 4개의 회전자는 4개의 다리(2655) 중 하나를 형성하기 위하여 2개 이상의 회전자를 갖는다.
도 26D는 도 26C의 다리(2655)와 동일한 모서리 다리(2665)와, 더 큰 출구 포트(2661)를 갖는 9:1 매니폴드(2660)의 사시도이다. 중앙 다리(2666)와, 상부 각 회전자(2667A)와 하부 각 회전자(2667B)를 포함하고, 광 파이프(2667P)에 의하여 연결되는 측면 다리(2667)가 상기 모서리 다리(2665) 사이에 있다. 중앙 광 파이프(2668)는 3×3 배열을 갖는 광 덕트의 정 중앙에 있다.
도 27A는 이중 각 회전자(272)를 각각 갖는 16개의 동일 평면상의 입력 포트(271)을 구비하는 더 정교한 4×4:1 광학 매니폴드의 사시도이다. 4개의 이중 각 회전자의 각 지주(column)는 대형 이중 각 회전자(273)을 공급한다.
도 27B는 정사각형의 출구 포트(274)를 도시하는, 다른 방향에서 바라본 도 27A의 4×4:1 광학 매니폴드의 사시도이다.
도 28A는 90°회전한 제2 각 회전자(283)을 공급하는 이중 각 회전자(282)를 각각 구비하는 16개의 동일 평면에 있는 입력 포트(281)를 포함하는 4×4:1 광학 매니폴드의 사시도이다. 상기 이중 각 회전자의 지주는 대형 각 회전자(285)가 따르는 4개의 트위스터(284)로 공급한다.
도 28B는 정사각형의 출구 포트(286)를 도시하는, 다른 각도에서 바라본 도 28A의 4×4:1 광학 매니폴드의 사시도이다.
도 29는 여기서 설명된 광학 매니폴드의 다목적성을 도시하기 위한, 자동차의 계기반 기기를 조명하는데 사용되는 것과 유사한 광학 매니폴드(290)의 사시도이다. 신뢰성을 위하여, 하나가 주 조명원으로 동작하고, 나머지가 백업 또는 주간 조명원으로 동작하는 이중 입력 LED(291)는 매니폴드(290)로 공급한다. 대신에, 상이한 전체 조건 표시하기 위하여 2개의 LED가 상이한 색상을 가질 수 있다. 입력 광은 혼합 로드(292)에서 나누어져, 대략 절반은 4×4 출력 어레이(293)으로 가며, 나머지 절반은 나누어져서 직각 출구 포트(294)에 공급된다.
여기서 설명된 광원 매니폴드의 다른 이점은, 입사된 광의 제한된 각도뿐만 아니라, 입사하는 광원의 공간 모양을 변형시킨다. 도 15A 및 도 15B의 광원 시프터는 이와 같은 목적으로 사용될 수 있으며, 연장된 광원 분포가 생성될 수 있게 한다.
도 30은 폭(포트(302)에서)이 w인 프로파일(301)로부터 w/2의 직각 방향의 면이 형성되어, 제1 포트(302)가 2:1의 직사각형이 되는 광원 시프터(300)의 사시도이다. 제2 포트(303)은 도 15A에 도시된 w/2가 아니라 w/4만큼 이동한다.
도 31A는 다른 실시예의 확대 사시도이다. 상부의 4분의1 폭의 시프터(300U)는 선(300Ud)을 따라 w/2의 폭과, w/4의 측면 시프트와, w/2의 아래쪽 시프트를 갖는 직각 시프터(305U)에 근접한다. 거의 동일하지만, 반전된 하부 시프터(300L)는 w/2의 위쪽 시프트를 공급하기 위하여 시프터(305L)에 근접한다.
도 31B는 도 31A의 확대도에 도시된 모노리식 에텐듀 스퀴져의 사시도이다. 도 31B에서, 정사각형 입력면(311)은 상부 덕트(311U)와 하부 덕트(311L)로 나누어 진다. 이전과 같이, 이 장치는 투사 재질의 임계각 내의 광에 대하여 작용한다.
도 31C는, 4:1의 직사각형 출력면(312)과 2w의 폭 및 w/2의 높이를 도시하는. 도 31B에 도시된 모노리식 에텐듀 스퀴져에 대한 다른 사시도이다.
도 32는 상부-좌측 광 덕트(321), 중악 직각 덕트(322) 하부-우측 광 덕트(323)을 포함하는 모노리식 9:1 에텐듀 스퀴져에 대한 사시도이다. 이러한 광 덕트는 3:1의 비율을 각각 가지고, 9:1을 연장된 직각 덕트(325)로 이동되어 재결합되는 3 부분으로 직각면 포트(324)를 분할한다. 직사각형 모양(325)은, 특히 형광물질로 코팅될 때, 9개의 소형 광 덕트용 팬아웃 또는 인공 조명의 합성 광원으로서 유용할 수 있다.
여기서 설명된 광학 매니폴드의 많은 실시예에 대한 실질적인 쟁점은, 매니폴드를 적절한 위치에 장착하기 위한 부착점을 어디에 두는가이다. 표면이 광학적으로 활동적이라면, 그 위에 부착 고정 장치를 배치하는 것은 의도된 목표점으로부터의 광의 분산에 의하여 광학적 손실을 야기한다. 따라서, 소정의 광학적으로 비활성 표면이 매니폴드의 부분이 되게 배치하는 것이 요구된다.
도 33A는 투사 각도(θ)를 제한하는 입력 포트(331)와 출구 포트(332)를 구비하는 광 덕트(330)의 단면도이다. 덕트(330)의 하부면은 면(332)에 수직인 평면 거울(333)과, 지점(F4)와 지점(F5)에 초점을 갖는 타원의 호(E45)와, 지점(F2)와 지점(F4)에 초점을 갖는 타원의 호(E24)와, 지점(F2)에서의 초점과 선(r1)에 평행한 축을 갖는 포물선의 호(P21)와, 지점(F2)와 지점(F3)에 초점을 갖는 타원의 호(E23) 와, 지점(F2)에서의 초점과 선(r2)에 평행한 축을 갖는 포물선의 호(P22)를 포함한다. 덕트(330)의 상부면은, 지점(F5)에서의 초점과 선(r3)에 평행한 축을 갖는 포물선의 호(P53)와, 비활성 표면(334)과, 지점(F1)에서의 초점과 선(r1)에 평행한 축을 갖는 포물선의 호(P11)와, 평면 거울(335)를 포함한다. 어떠한 광도 표면(334)에 접촉하지 않는 것을 알 수 있고, 따라서, 지점(F2)와 지점(F4)을 연결하는 선은 극선(extreme ray)인 것을 알 수 있다.
도 33B는 도 13D와 유사하고, 완전한 90°의 원주각을 갖는 외부 프로파일(3301)을 구비하는, 광원 덕트(3300)에 대한 단면도이다. 대신에, 비활성 광학 프로파일(3302)가 광 경로(3304)에 의해 형성되는 활 모양의 화선(caustic) 내부에 배치되어, 전체 각도(θ)에 걸치는 방향으로 3300 내부에 전파한다. 3308을 통한 종단부(3305)는 화선(3303)을 형성하기 위하여 성형되고, 어떠한 활성 내벽으로 분배한다.
도 34는 대칭으로 배치된 포트(341, 342)를 갖는 광 덕트(340)에 대한 단면도이다. 그 상부 면은 좌측 평면 거울 세그먼트(343)와 지점(F2)에서의 초점과 선(r1)에 평행한 축을 갖는 포물선의 호(344)를 구비한다. 상부 중앙은 광학적으로 비활성인 면(345)이다. 대응하는 포물선 호(346)와 평면 거울(347)이 상부 오른 쪽에 있다. 하부 면은 지점(F1)에서의 초점과 선(r1)에 평행한 축을 갖는 포물선의 호(348)와 그와 거울 대칭인 호(349)를 구비한다.
도 35는 복수의 입력 포트(351)와 출구 포트(352)를 갖는 광 덕트(350)에 대한 단면도이다. 중간에 있는 광학 비활성면(353)은 선(r2)에 평행한 축과 지점(F4)에서의 초점을 정의하는 포물선 세그먼트(354)의 측면에 위치한다. 광 덕트(350)의 하부면은 평면 거울(M), 지점(F2)에서의 초점과 선(r1)에 평행한 축을 갖는 포물선의 호(P1), 지점(F1)와 지점(F2)에 초점을 갖는 타원의 호(E12), 지점(F1)에서의 초점과 선(r2)에 평행한 축을 갖는 포물선의 호(P2), 지점(F1)와 지점(F3)에 초점을 갖는 타원의 호(E13) 및 지점(F1)에서의 초점과 선(r3)에 평행한 축을 갖는 포물선의 호(P3)를 포함한다.
도 36은 광원 점선(360d)에 양방향 대칭인 구성과 포트(361)를 구비한 덕트(360)의 단면도이다. 또한, 광학 비활성 표면(362), 지점(F4)에서의 초점과 선(r2)에 평행한 축을 갖는 포물선의 호(363), 평면 거울(364), 지점(F1)에서의 초점과 선(r3)에 평행한 축을 갖는 포물선의 호(365), 지점(F1)와 지점(F3)에 초점을 갖는 타원의 호(366), 지점(F1)에서의 초점과 선(r2)에 평행한 축을 갖는 포물선의 호(367), 지점(F1)와 지점(F2)에 초점을 갖는 타원의 호(368) 및 지점(F2)에서의 초점과 선(r1)에 평행한 축을 갖는 포물선의 호(369)가 도시된다.
도 37A는 도 35의 시스템(350)과 4개의 LED에 의해 공급되는 4부분의 매니폴드(371)를 포함하는 확장된 광학 매니폴드에 대한 단면도이다. 광학 매니폴드(371) 는 4개의 도 34의 부분(340)과 각 회전자(374), 각 트랜스포머(375)를 포함하며, 화살표(376) 방향으로 덕트(350)에 결합되는 것이 도시된다. 광학 비활성면(373)은 주입 성형 시 주입 게이트와 출구의 위치로 사용될 수 있으며, 장착시 사용될 수 있다.
도 37B는 광학 매니폴드의 다른 실시예에 대한 사시도이다. 도 37B의 광학 매니폴드(3700)는 전술한 도면의 구성요소가 결합된다. 도 37B에서, 광학 매니폴드는, 4개의 입력 포트(3701)(각각은 CPC(3703)), 결합된 에텐듀를 갖는 단일 출구 포트(3702)을 포함하여, 입력 포트로 입사한 모든 광이 출구 포트로 전달될 것이다. 각 입력 포트(3701)는 도 33A의 실시예와 동일한 각 회전자(3704) 중 하나를 공급한다. 회전자는 대형 회전자(3706)에 차례로 연결되는 도 37과 동일한 결합기(combiner)(3705)에 공급한다. 구조적인 빔(3707)은 회전자(3704)의 광학 비활성 플랜지에 연결되어, 플랜지(3708)과 다른 평면에 장착할 수 있게 한다.
도 37C는 청색 통과 이색성 필터(blue-pass dichroic filter)(3755)를 포함하고, 형광체 후방으로 방출되는 광을 재사용하는 원격 형광체를 갖는 도 7E와 동일한 2개의 개별적인 이중 렌즈 LED(3750)를 도시하는 다른 조합에 대한 단면도이다. 각 형광체는 출구 포트(3780)에서 광학적으로 결합되는 발광(luminosity)를 각 회전자(3770)에 공급한다. 브라켓(3775)은 형광체(3760)가 구조적인 부하를 받지 않도록 견고한 지지를 제공한다.
도 38A는 수신기(receiver)(R1)를 갖는 유전체 CPC(382)를 조명하는 에지 광선을 방출하는 광원(S1)을 갖는 유전체 CPC에 대한 단면도이다. S1에 대한 비균일 성은 R1에서의 균일한 분배를 위하여 평탄해진다. 곡선형의 전면은 본 실시예를 평면의 CPC보다 더 짧게 만들 수 있게 한다.
도 38A는 다른 구성을 갖는 유전체 CPC에 대한 단면도이다. 가장자리 광선의 자유 공간 전파가 위치 오차를 허용하지 않을 수 있기 때문에, 도 38B는 광 전송을 보장하는 다른 구성을 도시한다. 광원(S2)를 갖는 평면형의 유전체 CPC(385)는 유전체 블럭(387)와 수신기(R2)을 갖는 CLC(386)을 차례로 조명한다. 공극(388)은 선택적이며, CPC 길이의 특정 선택에 따른다. 프레넬 반사에 따른 손실을 최소화하기 위하여 상기 공극에 가까운 블럭(387)의 표면에 반사 방지 코팅이 될 수 있다.
도 39A와 도 39B는 유전체 CPC를 포함하는 다른 배열에 대한 단면도이다. 90°의 회전이 필요한 경우, 도 39A의 구성은 프리즘 결합기(prism coupler)가 필수적이거나 유용한 이유를 보여준다. 유전체 CPC(391, 392)는 직각으로 배향되며, 대각선(393)에 결합된다. 탈출하는 광선(r1, r2)은 이 구성에서의 광학적 손실에 대한 예시이다. 도 39B는 공극(398, 399)을 갖고 배치되는 대각 프리즘(diagonal prism)에 결합되는 분리된 유전체 CPC(395, 396)를 도시한다. 광선(r1)은 공극(398)에 의해 내부적으로 반사되어 CPC(396) 내부에 계속 있게 된다. 유사하게, 광선(r2)은 공극(399)에 의해 CPC(396)으로 반사되도록 대각선(397)상에서 내부적으로 반사된다.
도 40은 광학 매니폴드의 다른 구성에 대한 단면도이다. 형광체의 후방으로 방사를 재사용하는 도 10D를 참조하여 도시되고 논의된 방법은 상기 후방 방사를 형광체로 되돌려주는 청색-통과 필터를 사용한다. 이 방법은 형광체에서의 저흡수 를 사용한다. 도 40의 구성은 방사 파장의 흡수가 중요하지 않는 형광체에 사용될 수 있다. 유전체 CPC(401)는 에지 광선(403)으로 도시된 통제된 출력을 갖는 청색 LED(402)가 결합된다. 이 청색광은 대각선면의 청색 필터(404)를 통해 방해받지 않고 통과하고, 형광체 패치(406)을 조명하기 위하여 유전체 CPC(405)로 진행한다. 형광체 후방 방사는 필터(404)로 진행하며, 출력면(408)을 갖는 제3 유전체 CPC(407)로 반사된다. 평면부분(407f)은 CPC(407)을 구성하는 유전체 물질의 굴절율 n에 대하여 αc=sin-1(1/n)로 주어지는 임계각αc보다 작도록 입사각을 제한하도록 작용한다.
도 41은 광학 매니폴드의 다른 구성에 대한 단면도이다. 도 41은 도 40에 유사한 구성을 도시하며, 청색 LED(412)가 결합된 유전체 CPC(411)를 포함한다. CPC(411)은 청색 통과 필터가 코팅된 대각선의 출력면(413)을 갖는다. 대각 프리즘(414)은 면(413)에 광학적으로 결합된다. 유전체 CPC(415)는 상기 프리즘(414)에 인접하며, 그 출력면에 형광체 패치(416)을 갖는다. 형광체 후방 방사는 프리즘(414)를 통해 진행하고, 대각선 출력면(413)에서 유전체 CPC(417) 방향으로 반사된다. 반사된 후방 방사는 CPC(417)의 출력면에서 가상적인 광원(418)을 형성한다. 확대된 부분은 평면 부분(417f)이 면(418)에서의 입사각을 임계각 αc으로 제한하기 위해 작용하는 방법을 보여준다.
도 42는 광학 매니폴드의 다른 구성에 대한 단면도이다. 도 41은 도 40에 fc유사한 구성을 도시한다. 유전체 CPC는 청색 LED(422)에 결합되며, 프리즘(424)에 부착되고 청색-통과 거울이 코팅된 대각 출력면(423)을 구비한다. 유전체 CPC(425)는 LED(422)로부터의 청색광을 수신하고, 형광체(426)에 집광한다. 형광체 후방 방사는 프리즘(424)를 통해 대각 프리즘(327)로 반사된다. 제3 유전체 CPC(428)는 프리즘(427)로부터 후방 방사를 수신하여, 출력면(429)를 통해 집광한다.
도 43은 도 42의 자유 공간 방식으로의 변형에 대한 단면도이다. 상부가 곡선형인 유전체 CPC(431)는 LED(432)에 결합되고, 광을 청색 통과 필터(433)를 통해 출력면에 형광체 패치(435)를 갖는 제2 유전체 CPC(434)로 보낸다. 형광체 후방 방사는 필터(433)에 의해 거울(436) 방향과 제3 CPC(437)쪽으로 반사되어 출력면(438)을 통해 집광된다.
도 44는 도 43과 유사한 광학 매니폴드의 다른 구성에 대한 단면도이다. 도 44는 CPC(441), 청색 LED(442), 청색 통과 필터(443), 제2 CPC(444), 형광체 패d치(445), 대각 거울(446) 및 제3 CPC(447)을 구비한다. Y 형상의 결합기(448)은 사기 형광체 패치(445) 면적의 두 배인 출력면(449)을 갖는다.
도 45는 다중 파장의 광출력을 제공하기 위하여 상이한 색상을 갖는 복수의 LED를 결합하는데 사용되는 광학 매니폴드에 대한 단면도이다. 상이한 색상을 갖는 복수의 LED를 결합하여 백색 광을 생성하는 경우, 출력 면적이 입력 면적의 합이 아니라 어느 한 색상의 입력 면적과 대략 동일하다면, 휘도가, 예를 들어 대략 3배로 증가하기 때문에, 이러한 구성이 유용하다.(직설적으로 말하면, 모든 광이 출력 영역으로부터 대기(air)로 방사되도록 고체 유전체에 매입된다면, 출력 면적의 크기는 유전체 물질의 굴절율의 제곱과 동일한 비율로 입력면적보다 더 크다는 것에 주의해야만 한다.) 도 45는 이와 같은 것을 달성하기 위한 하나의 방법을 보여준다. 적색 CPC(451), 녹색 CPC(452), 청색 CPC(453)을 포함하는 곡선면을 갖는 세개의 유전체 CPC가 도시된다. 대응하는 LED 광원인 R, G, B는 공극 없이 각 CPC에 광학적으로 접촉한다. 대각 필터(454)는 적색 광만 반사한다. 제2 대각 필터(455)는 청색 광만 반사한다. 그 후, 세 색상 모두가 중첩되어 제4 CPC(456)로 보내어 지고, 그 광들을 출력면(457)에서 백색 광으로 결합한다. 상세하게 관찰은, 4개의 CPC(451, 452, 453, 456)을 구성하는 유전체 물질의 굴절률 n에 적어도 동일한 비율로, 면(457)은 R, G, B 면보다 얼마나 더 큰 지를 보여준다. (이 비율은 2차원에 대해서만 해당한다. 3차원의 경우, 출력면의 면적은 n2의 비율로 더 클 것이다.) 그러나, 면(457)의 입사각을 임계각 αc의 최대값으로 제한하는 작용을 하는 기저 선형 구역(458)을 포함하기 때문에 CPC(456)은 상이하다. 가장자리의 광선(459)으로 도시된 것과 같이, 면(457)을 나온 굴절된 광선은 90°까지 범위가 커진다.
도 46은 다중 파장의 광출력을 제공하기 위하여 상이한 색상을 갖는 복수의 LED를 결합하는데 사용되는 광학 매니폴드의 다른 구성에 대한 단면도이다. 도 46은 적색 유전체 CPC(461), 녹색 유전체 CPC(462), 청색 유전체 CPC(463)을 도시한다. 제1 대각 필터(464)는 적색광만을 반사하며, 제2 대각 필터(465)는 청색광만을 반사한다. 프리즘 블럭(466)은 코팅된 필터를 갖는 4개의 작은 프리즘으로 조립된다. 제4 CPC(467)은 3개의 중첩된 입력을 수신하고, 세 색상의CPC의 한 에지의 크기의 3배인 에지를 갖는 출력면(468)에 하나의 백색 출력으로 결합한다. 직선 부 분(467f)은 입사 광선을 임계각(αc)으로 제한한다.
도 47은 도 46과 유사한 광학 매니폴드의 다른 구성에 대한 단면도이다. 좁은 각도의 백색 광이 요구되는 경우, 제4 CPC는 생략될 수 있다. 또한, 프리즘 블럭과 녹색 CPC 사이의 공극은 엄격하게 필수적인 것은 아니다. 도 47은 적색 유전체 CPC(471)와 청색 유전체 CPC(473)의 결과를 도시하나, 녹색 CPC는 이중 대각 출력면을 갖는다. 적색 반사기(reflector)(474)와 청색 반사기(475)는 대각 부프리즘(sub-prism)(476, 477, 478) 면에 부착된다. 결합된 백색 출력(479)은 세 CPC의 내부 각도(θ)의 스넬 합성(Snellian resultant)인 광폭(beamwidth)(α)을 갖는다.
도 48은 다중 파장의 광출력을 제공하기 위하여 상이한 색상을 갖는 복수의 LED를 결합하는데 사용되는 광학 매니폴드의 다른 구성에 대한 단면도이다. LED가 동일 평면상에 있다면 더욱 편리할 것이다. 따라서, 도 48은 적색 CPC(481), 녹색 CPC(482), 청색 CPC(483)을 포함하는 평행한 복수의 유전체 CPC를 도시한다. 또한, 제1 및 제2 대각 거울 프리즘(484, 485)가 도시된다. 전술한 바와 같은 부프리즘(486,487,488)이 백색 출력(489)을 제공한다.
도 49는 다중 파장의 광출력을 제공하기 위하여 상이한 색상을 갖는 복수의 LED를 결합하는데 사용되는 광학 매니폴드의 다른 구성에 대한 단면도이다. 동일 평면에 있는 광원의 자유 공간 방식으로의 변형도 가능하다. 도 49는 혼합 로드(491m)와 주입기(injector)(491i), 녹색의 상부가 곡선인 CPC(492) 및 CPC(491)와 동일한 구성을 가는 청색 CPC(493)을 도시한다. 대각 거울(494)는 적색광을 적 색 반사기(496)로 반사하며, 거울(495)는 청색 광을 청색 반사기(497)로 반사한다. 제4 CPC(498)는 499에서의 입사각을 임계각(αc)로 제한하는 평면부분(498f)을 갖는 출력면(499)에서 이러한 빔을 백색 출력으로 결합한다.
도 50은 다중 파장의 광출력을 제공하기 위하여 상이한 색상을 갖는 복수의 LED를 결합하는데 사용되는 광학 매니폴드의 다른 구성에 대한 단면도이다. 도 50에서, 광학 매니폴드는 대각선의 출력 표면을 갖는 적색 CPC(501), 녹색 CPC(502) 및 청색 CPC(503)를 갖는다. 프리즘(504)는 그 대각면에 적색-통과 녹색 반사기를 갖는다. 전이 프리즘(transition prism)은 적색광 및 녹색광을 결합하고, 대각면에 청색 반사기를 구비하여 백색 출력(507)이 방사되는 프리즘(506)에 광학적으로 연결된다.
도 51A는 동일 평면을 사용하는 광학 매니폴드의 다른 구성에 대한 단면도이다. 도 51A의 실시예는 적색 유전체 CPC(511), 녹색 유전체 CPC(512), 청색 유전체 CPC(513)를 포함한다. 대각 거울 프리즘(514)는 적색광을 전이 프리즘(515)을 통해 하부로 반사한다. 대각면에 녹색 반사기가 코팅된 대각 프리즘(516)은 프리즘(515)에 광학적으로 결합되고, 녹색광을 전이 프리즘(517)을 통해 하부로 보낸다. 대각면에 청색 반사기가 코팅된 대각 프리즘(518)은 프리즘(517)에 광학적으로 결합된다.
다음으로 도 51B가 참조된다. 소정의 실시예에서, 여기서 설명되는 광학 트랜스포머의 청색-여기 실시예에 2개의 상이한 형광체가 채용될 수 있다. 양호한 양 자 효율을 갖는 녹색 형광체는 청색-여기 LED와 동일한 방사 출력을 갖는 녹색 LED와 대략 동일한 휘도를 생성하지만, 파장의 넓은 대역은 색상 변조에 대하여 더 양호하다. 제2 형광체는 최근 백색 LED에 사용되지만 그 방사의 적색 부분을 감소하기 위하여 채용되는 일반적인 황색 형광체일 수 있다. 광루미네선스(photoluminescence)에 의해 생성될 때, 적색 파장이 높은 스톡스 손실(Stokes loss)을 가지는 경우에 유용하다. 대신에, 적색 LED는 우수한 백색 광원을 생성하기 위하여 2개의 형광체로 혼합될 수 있다. 도 51B는 다중 파장의 광출력을 생성하는 광학 매니폴드의 구성에 대한 단면도이다. 특히, 도 51B의 광학계는 광 입력으로 두개의 청색 LED(5101)와 하나의 적색 LED(5102)를 포함하는 백색 LED 매니폴드(5100)를 구비한다. 청색 LED(5101)는 청색-통과 이색성 필터(5104)로 광을 시준하고 CPC(5105) 상부에 차례로 놓이는 CPC(5103)에 공급한다. 녹색 형광체(5106)와 황색 형광체(5107)는 후방 방사를 필터(5104)에 의하여 재사용하게 하며, 강화된 정방향 방사가 각 회전자쌍(5109)에 차례로 공급하는 소형 CPC(5108)에 의해 모여지게 한다. 제2 회전자 각각은 출구 포트(5111)에서 균일한 휘도와 균일한 백색차(white-chrominance)를 제공하는 혼합 로드(5110)에 공급한다.
도 51C는 다중 파장의 광출력을 생성하는 광학 매니폴드의 다른 구성에 대한 단면도이다. 도 51C의 실시예는 녹색 형광체만 구비한다. 도 51C의 광학계는 청색 필터(5153)에 접촉하는 CPC(5152)에 공급하는 입력 청색 LED(5151)를 갖는 매니폴드(5150)를 포함한다. CPC(5154)는 소형 끝단에서 녹색 형광체(5155)를 갖는다. 상기 형광체(5155)는 형광체의 광을 대각 적색 반사 필터(5157) 상으로 시준한다. 청 색 LED(5158)는 필터(5157)을 통해 조정된 청색광을 보내는 CPC(5159)에 공급한다. 적색 LED(5150)는
대형 CPC(5162)를 따라 광을 차례로 90°반사하는 필터(5157)상으로 조정된 광을 보낸다. 대형 CPC(5162)는 소형 CPC(5156, 5159, 5161)로부터의 광을 혼합하여, 굴절 출력면(5164)에서 각도를 좁히는 각 트랜스포머(angle transformer) (5163)에 전달한다.
본 명세서에 설명된 복수의 LED 광원을 통합하기 위한 광학 트랜스포머의 성능은 적어도 3개의 파장이 사용되고 결합될 수 있게 한다. 인간의 눈의 색수차가 RGB 영상에서 적색 및 청색 이미지를 불안한 정도로 분리하기 때문에, 추가적인 앰버(amber) 또는 시안(cyan) 색상이 그와 같은 현상을 감소시키기 위하여 더해질 수 있다. 예를 들어, 도 51A의 적층된 구성이 앰버와 시안 광원을 위한 2개의 CPC와 필터가 증가될 수 있다.
다음으로, 광학 매니폴드의 다른 구성에 대한 단면도인 도 52가 참조된다. 광원 시프터(520)에 대한 주제로 돌아가서, 도 15A의 반폭(half-width) 측면 시프트(150)와 도 15B의 전폭(full-width) 시프터(155)에 대한 설명을 계속하면, 도 52는 2w로 표시된 화살표로 도시된 2배폭의 측면 시프트가 가능한 광원 시프터(520)를 포함한다. 도시된 바와 같이, 광은 출구 포트(521) 상의 그려진 축(520a)으로부터 각 θ로 제한된다. 입력 포트(522)는 동일한 폭(w)을 가지며, 포트(521)에 대하여 그 폭의 2배로 측면으로 시프트된다. 좌측 프로파일은 지점 F4에서 지점 P1으로 연결된 평면(523)과, 지점(P1)과 지점(P2) 사이에 연결되고 지점(F3)에서의 초점과 선(r1)에 평행한 축을 갖는 포물선의 호(524)와, 지점(P2)과 초점(F1) 사이에 연결되고 F2와 F3에 초점을 갖는 타원의 호(525)를 포함한다. 우측 프로파일은 F1에서 초점을 갖고 r1에 평행한 축을 갖는 포물선의 호(P21)를 포함한다.
도 53A는 도 52의 좌측 광원 시프터(531)(왼쪽에 그려진), 중앙 광원 덕트(532), 도 52의 우측 광원 시프터(533)를 포함하며, 세 가지 모두 본 예시에서 대략 1.2mm의 폭을 갖는 각자의 입력 포트(531i, 532i, 533i)를 구비하는 3중 광학 매니폴드(5300의 평면도이다. 2개의 시프터는 직선 부분(도 52의 523)을 따라 중앙 덕트(532)와 맞물린다. 덕트(531)의 접합부분의 시작점(입력 포트에 가장 가까운)에서, 시프터(531, 533)의 수평방향의 폭(534)은 입력 포트 폭의 2배이다. 중앙 덕트는 수평 방향으로 좌측 또는 우측 시프터와 동일한 출사각에 가깝게 출력을 제한하기 위해 선택된 입력 포트에서 CPC 프로파일(535)를 구비한다. 이러한 광학계는 이 예시에서 대략 7.2mm의 폭을 갖는 결합된 출력면(530e)를 생성한다.
도 53B는 이 예시에서 대략 2.33mm의 폭을 갖는 도 53A에 도시된 3중 광학 매니폴드(530)의 측면도이다. 도 53A의 세 매니폴드 모두 도 53A의 프로파일에 직각인 방향으로 CPC 프로파일(530c)를 구비한다. 따라서, 중앙 덕트(532)의 입력 부분은 수직 및 수평 출사각을 요구되는 규격으로 조정하기 위한 유전체 교차 CPC를 사용한다. 수직 및 수평 방향에서의 3폴드의 매니폴드에 대한 출력각은 서로 독립적으로 설정될 수 있다.
도 54A는 좌측 50°(50L)으로부터 우측(50R)로 연결되는 수평 각 눈금(541)과 상부 50°(50U)으로부터 하부(50D)로 연결되는 수직 각 눈금(542)을 갖고, 도 53A 및 도 53B의 매니폴드로부터 방출되는 원시야(far-field) 강도에 대한 윤곽 그래프이다. 윤곽선(540c)은 스테라디안(steradian) 당 최대 3.25 와트까지의 강도를 도시한다. 윤곽선은 대략 ±30°에서 예리한 수평 경계를 갖는다. 윤곽선의 수직 경계는 덜 가파르며, 대략 ±40°에서 넓어진다.
도 54B는 도 53A 및 도 53B의 매니폴드로부터 수평 강도 윤곽(545)과 수직 강도 윤곽(546)을 도시하는 그래프이다. 양 윤곽은 잘 정의된 경사가 급한 스커트를 갖는다. 전체적인 형태는 매니폴드에 공급하는 LED의 개별적인 차이가 있더라도 잘 재현될 수 있다.
도 55는 밀리미터 단위로 작성된 도 53A와 도 53B에 도시된 실시예에 따른 매니폴드의 출력면(530e)의 공간 휘도 맵(550)을 도시한 그래프이다. 도 53A의 LED(532i)는 중앙 음영 구역을 가지고 입력 비균일도가 큰 형상으로 모델링되었다. 그럼에도, 맵(550)은 윤곽이 상당히 뚜렸한 에지를 가지며 매니폴드에 공급하는 LED와 비교하여 월등한 균일도를 갖는다. 이러한 분포는 LED의 통상적인 위치 오차나 휘도에서의 개별적인 차이에 의하여 거의 영향을 받지 않는다. 또한, 이러한 균일도와 윤곽은 백열광 필라멘트 또는 아크와 같은 고휘도의 광원보다 우수하다. 윤곽은 에지에서 15,000W/m2로 표시되었고, 중앙에서 60,000이상으로 표시되었다.
도 56A, 도 56B 및 도 56C는 삼중 광학 매니폴드의 다른 구성을 도시한다. 도 56A는 모두 회로 기판(564)에 있는 입력 LED(561, 562, 563)과 삼중 광학 매니폴드(560)에 대한 사시도이다.
도 56B는 도 56A의 삼중 광학 매니폴드(560)의 사시도이며, 또한, 매니폴드(560)의 광출력을 성형하는 자유로운 형상의 렌즈(565)를 도시한다.
도 56C는 도 56A의 삼중 광학 매니폴드(560)의 사시도이며, 또한, 렌즈(565)의 광출력(567)으로부터 시준된 빔(568)을 형성하는데 작용하는 구부러진 직사각형 거울(566)을 도시한다. 빔(568)은 전조등에 대한 자동차 조명 규정 또는 다른 필요 조건을 충족한다.
도 57은 광학적으로 완전한 자동차 전등을 형성하는 4개의 조명 기기(570) 뱅크의 사시도이다.
도 58A와 58B는 자동차의 전등, 특히 자동차 전조등과 같은 응용을 위한 비대칭적인 빔 패턴을 생성하는 다른 접근방식을 도시한다. 도 58A는 도 53A의 삼중 매니폴드(530)의 형상을 갖는 비대칭 매니폴드(580)의 외부 사시도이며, 또한, 주덕트(582)와 맞물리는 보조 덕트(581)를 포함한다. 도 58B는 다른 사시도이다. 덕트(582)는 출력면(583)에서 원시야 자동차 전조등 빔 조도 또는 강도 패턴의 형상에 근사적으로 일치하는 외부 경계를 갖는 단면 형상을 가진다. 덕트(582)는 출력면(583)에서의 다양한 지점에서 강도를 조절하기 이하여 그 길이를 따라 하나 또는 두 방향으로 가늘어질 수 있다. 또한, 수직 또는 수평 방향으로 580의 각출력(angular output)은 삼중 매니폴드(580m)의 설계에 의하여 조절될 수 있다. 출력면(581)으로부터의 출력은 화상화(imaging) 또는 비화상화(nonimaging) 원리를 채 용하는 보조 광학기구에 의하여 더 조정될 수 있다.
본 명세서에서 개별적인 광학 구성요소와 그것들을 기초단위로서 결합하는 몇 가지 실시예를 설명한다. 이러한 구성요소들과 그 조합의 공통적인 주제 중 하나는 비화상화 광학 원리에 대한 새로운 응용을 사용하는 에텐듀 보존을 통한 광원 휘도의 보존이다.
본 명세서에서 설명된 광학 트랜스포머를 실시하기 위한 현재 고찰된 최상의 방식에 대하여 전술된 설명은 한정하기 위한 것이 아니며, 본 발명의 일반적인 원리를 설명하기 위한 것이다. 본 발명의 범위는 청구범위를 참조하여 결정되어야 한다.
다른 실시형태가 본 발명의 사상이나 범위를 벗어나지 않고 실시될 수 있다는 것은 당업자에 의해 이해될 수 있다. 본 발명은 첨부된 청구범위에 의해서만 한정되며, 청구범위는 상기 명세서 및 첨부 도면과 관련되어 참조되는 실시예와 변경을 포함한다.

Claims (25)

  1. 특정 파장의 광을 출력하는 적어도 하나의 LED;
    대략 기설정된 파장의 광을 전달하고, 다른 파장을 반사하는 광학 필터;
    상기 광학 필터를 통해 상기 적어도 하나의 LED로부터의 광의 방향을 돌리는 입력 시준 광학계(imput collimating optical system);
    상기 광학 필터로부터 상기 광 처리량을 수신하고, 집광기(concentrator)로서 배치되며, 반대편 단에 출구 포트(exit port)를 갖는 출력 광학계(output optical system); 및
    상기 출구 포트(exit port)에 형성되고, 상기 LED에 의해 생성되는 광으로부터의 여기(exitation)에 응답하여 발광하는 조성을 가지며, 상기 LED로부터의 광을 전달하는 형광체 패치(phosphor patch)
    를 포함하며,
    상기 출력 광학계는 상기 형광체로부터의 후방 산란된 조명을, 상기 출구 포트에 다시 반사하는 상기 광학 필터 방향으로 상기 후방 산란된 조명의 방향을 돌리는 것에 의하여 재사용하고 근사적으로 시준하는 형상을 갖는 다중 파장(multiwavelength) 광원.
  2. 제1항에 있어서, 상기 광학 필터는,
    대역 통과 필터 및 단파 통과(shortpass) 필터 중 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 다중 파장 광원.
  3. 제1항에 있어서, 상기 입력 시준 광학계는,
    제2 단계 시준기보다 더 높은 굴절율을 갖는 투명 물질로 이루어지며, 적어도 하나의 LED에 결합되는 제1 단계 시준 각 트랜스포머를 포함하는 2 단계의 시준기를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 파장 광원.
  4. 대략 특정한 파장의 광을 출력하는 복수의 LED;
    유전체 물질로 이루어지며, 상기 복수의 LED 중 하나에 각각 연결되는 복수의 비화상화(nonimaging) 입력 시준기;
    유전체 물질로 이루어지며, 일단에서 상기 입력 시중기 각각으로부터의 광출력을 공동으로 수신하도록 연결되며, 반대편 단에 출구 포트를 갖는 비화상화 출력 집광기;
    상기 입력 시준기와 상기 출력 집광기 사이의 계면에 배치되며, 기설정된 파장보다 낮은 광을 전달하고, 기설정된 파장보다 높은 광을 반사하는 단파 통과 필터; 및
    상기 출구 포트에 형성되고, 상기 LED에 의해 생성되는 광으로부터의 여기에 응답하여 발광하는 조성을 가지며, 상기 LED로부터의 광을 부분적으로 전달하는 형광체 패치
    를 포함하는 다중 파장 광원.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 LED는 청색광을 발광하고,
    상기 단파 통과 필터는 청색-통과 필터로 이루어지며,
    상기 형광체는 상기 LED에 의해 생성되는 청색광에 의한 여기에 응답하여 근사적으로 황색광을 방출하는 조성을 가짐으로써, 근사적으로 백색 광원을 제공하는 것을 특징으로 하는 다중 파장 광원.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 입력 광학계의 상기 비화상 장치는 적어도 하나의 복합 포물선 집광기를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 파장 광원.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 비화상 시준기와 시준기는 길이방향으로 근사적인 직사각형의 단면을 갖는 교차 CPC(crosss-CPC)인 것을 특징으로 하는 다중 파장 광원.
  8. 제7항에 있어서, 상기 복수의 시준기는,
    직사각형 배치로 배열되는 것을 특징으로 하는 다중 파장 광원.
  9. 제8항에 있어서, 상기 출력 집광기는,
    길이방향으로 근사적인 직사각형의 단면을 갖는 것을 특징으로 하는 다중 파장 광원.
  10. 제4항에 있어서,상기 LED는,
    투입 LED(immersed LED)인 것을 특징으로 하는 다중 파장 광원.
  11. 제4항에 있어서,
    상기 복수의 LED는, 상기 제1 특정 파장에 근사하게 발광하는 복수의 제1 LED와, 제2 특정 파장에 근사하게 발광하는 복수의 제2 LED를 포함하고,
    상기 입력 광학계와 상기 출력 광학계의 계면에 배치되고, 기설정된 제1 및 제2 파장 이하의 광을 전송하는 이중 단파 통과(dual shortpass) 필터를 더 포함하며,
    상기 형광체는 상기 제1 및 제2 파장 중 적어도 하나에 의한 여기에 응답하여 발광하는 조성을 갖는 것을 특징으로 하는 다중 파장 광원.
  12. 외부면과, 적어도 하나의 도입 포트(entry port) 및 적어도 하나의 출구 포트로 정의되고, 광을 전파하기에 적합한 물질로 이루어진 투명한 본체를 포함하며,
    상기 물질은 상기 본체의 표면에서의 전반사를 제공하기에 적합한 굴절율을 가지며,
    상기 외부면은 상기 도입 포트로 그리고 상기 출구 포트로부터 방출되는 광을 전반사할 수 있도록 각을 갖는 광학적 활성 표면을 가지며,
    상기 도입 및 출구 포트는 상기 물질의 임계각까지 실질적으로 모든 입사각에 대한 광 전송을 위해 사용되며,
    상기 도입 및 출구 포트는 평행하게 작용하는 복수의 소형 포트(small port)와 상기 복수의 소형 포트에 광학적으로 연결되는 하나의 대형 포트(large port)를 가지며,
    상기 광학 활성 표면은 상기 복수의 포트와 상기 단일 포트 사이의 연결 표면으로 사용되며,
    상기 연결 표면은 상기 투명한 물질의 임계각을 넘는 입사각에서 전반사에 의하여 광을 전달하기 위하여 사용되며,
    상기 연결 표면은 상기 광을 공간적으로 혼합하는 비화상화 구성을 갖는 것을 특징으로 하는 광 분배 광학 매니폴드(manifold).
  13. 제12항에 있어서,
    상기 투명한 본체는 상기 복수의 소형 포트와 대형 포트에 연결되는 복수의 소형 비화상화 트랜스포머와, 상기 대형 포트에 연결되는 대형 비화상화 트랜스포머로 한정되며, 상기 복수의 비화상화 집광기는 상기 대형 비화상화 트랜스포머에 연결하기 위하여 공간적으로 배치되는 것을 특징으로 하는 광 분배 광학 매니폴드.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 도입 포트에 근접하여 상기 투명한 본체를 둘러싸고, 상기 투명한 본체의 상기 물질보다 큰 굴절율을 갖는 고율 투명 물질을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광 분배 광학 매니폴드.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 복수의 소형 포트들은 공간적으로 분리되며,
    상기 연결 표면은 상기 단일 대형 포트에 광학적으로 연결된 단일 채널로부터 나오는 분리된 광 채널로 정의되는 분기 구조(branching structure)를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 분배 광학 매니폴드.
  16. 제13항에 있어서, 상기 비화상화 광학 트랜스포머는,
    시준기, 집광기 및 각 회전자(angle-rotator) 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 분배 광학 매니폴드.
  17. 제13항에 있어서, 상기 비화상화 광학 트랜스포머는,
    시준기, 집광기 및 광원 시프터(luminance shifter) 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 분배 광학 매니폴드.
  18. 제13항에 있어서, 상기 비화상화 광학 시준기는,
    SMS 광학을 포함하는 것을 특징으로 하는 광 분배 광학 매니폴드.
  19. 제13항에 있어서, 상기 비화상화 광학 집광기는,
    SMS 광학을 포함하는 것을 특징으로 하는 광 분배 광학 매니폴드.
  20. 제13항에 있어서,
    상기 복수의 소형 포트와 대응하는 복수의 도입구(entry aperture)를 정의하도록 상기 복수의 소형 포트에 연결되는 복수의 LED를 더 포함하고,
    상기 복수의 소형 비화상화 트랜스포머는 배열 구성에 있어서 복수를 포함하고,
    상기 복수의 소형포트는 상기 복수의 LED와 각각 과학적으로 연결되도록 배치되는 것을 특징으로 하는 광 분배 광학 매니폴드.
  21. 제12항에 있어서,
    상기 복수의 소형 포트가 서로 다른 색상의 광을 수신하도록 상기 복수의 소형 포트에 연결되는 서로 다른 색상의 복수의 LED; 및
    상기 복수의 파장에서 상기 복수의 소형 포트로부터의 광을 단일 다중 파장 빔으로 결합하기 위해 배치되는 복수의 파장 종속 필터(wavelength-dependent filter)
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광 분배 광학 매니폴드.
  22. 제12항에 있어서,
    상기 복수의 소형 포트는, 6각형으로 인접하여 배열되는 원형으로 대칭인 TIR 렌즈를 포함하며, 상기 단일 대형 포트는, 상기 소형 TIR 렌즈에 광학적으로 결합되는 원형으로 대칭인 단일 대형 TIR 렌즈를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 분배 광학 매니폴드.
  23. 광을 생성하고, 대략 동일 평면상의 배열되는 N개의 LED;
    상기 N개의 LED에 각각 광학적으로 결합되는 N개의 동일 평면상의 입력 포트;
    상기 입력 포트에 각각 연결되는 N개의 각 회전자;
    상기 각 회전자를 통해 상기 LED로부터 전파되는 전체 광을 수신하기 위하여 상기 각 회전자에 연결되는 출력 매니폴드;
    상기 출력 매니폴드상의 출구 포트 - 상기 각 회전자는 광의 방향을 상기 출력 포트 방향으로 전환하기 위하여 상기 출력 포트에 따라 배치됨 -; 및
    상기 LED와 상기 각 회전자의 교점에서 전반사를 제공하고, 상기 각 회전자로부터의 광출력 방향을 상기 출구 포트 방향으로 전환하기 위하여 상기 각 회전자 각각에 근접하여 배치되는 복수의 슬릿(slit)
    을 포함하는 상기 N이 2 이상의 값을 갖는 정수인 N:1 광학 매니폴드.
  24. 제23항에 있어서,
    공극(air gap)은 상기 LED 각각과 상기 각 회전자 사이로 정의되며, 상기 매니폴드 사이에서 광이 전반사를 위한 임계각 내로 제한되는 것을 특징으로 하는 N:1 광학 매니폴드.
  25. 제1, 제2 및 제3 LED로부터의 광을 모으고 방출하기 위한 3중 광학 매니폴드에 있어서,
    상기 제1 LED에 연결된 입력 포트와 반대편 단에 출구(exit aperture)를 갖는 제1 광원 시프터;
    상기 제2 LED에 연결된 입력 포트와 반대편 단에 출구(exit aperture)를 갖는 제2 광원 시프터;
    상기 제1 및 제2 광원 시프트 사이에 배치되며, 상기 제3 LED에 연결된 입력 포트를 가지며, 상기 제1 및 제2 광원 시프터의 출구로부터의 광과 거의 동일한 출구각(exit angle)으로 출구로부터 출력광을 선택하는 구성을 갖는 광원 덕트;
    상기 광원 시프트와 상기 광원 덕트로부터의 광 출력을 수신하기 위해 연결되는 출력 매니폴드; 및
    상기 출력 매니폴드 상의 출력 포트
    를 포함하고,
    상기 제1 및 제2 광원 시프트와 상기 광원 덕트는 변환하고 평행하지 않은 구성을 가짐으로써 그 출구가 상기 출력 매니폴드로 수렴하는 광학 매니폴드.
KR1020067024655A 2004-04-23 2005-04-25 발광 다이오드를 위한 광학 매니폴드 KR20070058380A (ko)

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