KR20070064238A - 발광 다이오드용 편향 렌즈 - Google Patents

Abstract

순차적으로 설치된 표면을 포함하는 발광 다이오드의 발광 형성용 렌즈는 발광 다이오드의 방사 경로를 따라 배치된 내부 표면, 외부표면을 포함하고, 상기 내부 표면 중 렌즈의 축과 인접한 중앙부의 내부 표면은 외부 표면과의 거리가 멀어짐에 따라 발광 다이오드의 발광 플렛폼의 이미지를 전달하는 광출력을 포함하고, 상기 외부 표면은 발광 다이오드의 발광 플렛폼과 반대방향으로 꼭지부분을 향하게 하는 깔때기 형상을 포함하고, 상기 외부 표면의 구조는 외부 표면에서의 첫 번째 굴절이 전반사가 일어나도록 하고, 외부 표면에서의 두 번째 굴절이 렌즈의 축방향과 주로 법선 방향으로 굴절될 수 있도록 하는 외부 표면의 구조를 포함한다.

렌즈, 발광다이오드, 액정표시장치, 백라이트

Description

발광 다이오드용 편향 렌즈 {LENS FOR DEVIATION OF LIGHT-EMITTING DIODE}

도 1은 종래 기술의 편향 렌즈의 단면도이다.

도 2는 종래의 발광 다이오드의 빛의 세기의 분배를 나타내는 그래프이다.

도 3은 본 발명의 발광 다이오드의 발광 형성을 위한 렌즈의 수직 단면도이다.

도 4는 도 3에서 설명된 렌즈의 다양한 실시예의 단면도이다.

도 5는 본 발명의 발광 다이오드의 빛의 세기의 분배를 나타내는 그래프이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

A : 내부면 B : 외부면 1

C : 외부면 2 F : 발광 다이오드

1 : 광선 1 2 : 광선 2

H : 렌즈의 총 길이 D : 렌즈 바닥의 외부 직경

a : 렌즈의 꼭지점의 각도 h : 외부 표면의 깔때기 부의 높이

r : 렌즈의 중심부의 내부 표면의 곡선의 곡률

d : 렌즈 바닥의 내부 직경 Z, R : 데카르트 좌표계의 축들

본 발명은 발광 다이오드용 편향 렌즈에 관한 발명이다. 보다 자세하게는, 수직 편향 굴절을 향상시키는 발광 다이오드용 편향 렌즈에 관한 발명이다.

발광 다이오드에 기초한 컬러 액정 표시 장치의 조명 시스템은 많은 장점을 가지고 있다. 램프에 의한 타 조명 시스템과 비교하여 주목할 만한 점으로는, 넓은 범위의 컬러와 더 큰 폭의 조도 비율을 가지고 있다는 점이다.

백-라이트 조명 장치, 예를 들면 액정 표시장치의 백-라이트 조명장치로서 발광 다이오드 조명 시스템을 설계할 대에 대두되는 가장 큰 문제점으로는 분리된 발광 다이오드의 발광의 효과적인 조합을 유지하여, 얇은 두께를 가지는 조명 장치에서 스크린의 발광 균일성을 생산해내는 데에 있다.

이러한 문제를 해결하기 위하여 발광 다이오드를 사용함에 있어서, 발광 다이오드의 발광 플렛폼에 의해 발생된 빛의 방향을 주로 강조된 스크린과 평행한 면의 방향으로 바꾸어주는 특별한 렌즈를 형성하는 방법이 있다. 그로 인해서, 발광 다이오드에서 발생된 빛은 상기의 형성된 렌즈의 장착으로 인해 스크린과 평행한 방향으로 집중된 웨이브 가이드로 진행된다. 웨이브 가이드에서는, 화면으로 향하는 발광의 믹싱 프로세스 및 후속적인 출력이 일어나고, 이 과정에서 스크린에 대한 조명은 균일하게 공급된다.

본 청구된 발명과 가장 비슷한 기술적인 해결 방법은 US 특허 No, 6,679,621 B2(01/24/2002)에서 기술된 렌즈의 형성이다. 상기 렌즈는 발광 다이오드로부터 발광된 빛을 그것의 축방향으로부터 90도의 편향을 발생시키며, 좁은 방향성을 가지는 도형을 형성한다.

상기 렌즈는 내부(A)와 외부(B + C)에 면들을 포함하며, 기능적으로는 중앙부와 주변부로 나뉘는 두 개의 파트로 구성되어 있다. 발광 다이오드(F)의 발광 플렛폼에 의해 생성된 광선(2)는 렌즈의 중앙부를 통과하고, 최초로 상기 내부 표면에서 반사된다. 그후, 외부 표면의 섹터(B)에서 내부 전반사를 하면서 반사되고, 렌즈의 외부 표면의 섹터(C)에서 반사하여, 렌즈의 축방향과 주로 법선인 방향으로 렌즈를 떠난다.

렌즈의 주변부를 통과하는 광선(1)은 렌즈의 내부표면(A) 및 외부표면(C)에서 반사되고, 렌즈의 축방향과 주로 법선인 방향으로 렌즈를 빠져나간다.

표면(B)에서의 광선(2)의 내부 전반사를 확실히 하기 위해, 렌즈는 가장자리가 발광 다이오드의 발광 플렛폼을 향하도록 하는 깔때기 형상을 가진다. 상기의 형상으로 인해, 발광 플렛폼의 축 이외의 부분에서 오는 광선의 일부들이 표면(B)에서 전반사를 일으키지 않고 오히려 렌즈의 축방향에 가까운 각도로 렌즈를 빠져나가게 된다.

도 2에서는, 상기에서 언급된 렌즈가 장착된 발광 다이오드의 빛의 세기의 전형적인 배분을 나타내고 있다. 도 2에서의 그래프로부터, 렌즈는 그것의 광학적인 축방향으로부터의 발광 다이오드의 발광 편향의 완전한 해결을 하지 못한 것을 알 수 있다. 특히, 축방향에서의 발광 다이오드의 빛의 세기와 축으로부터 ㅁ40도 범위의 빛의 세기는 최고 20% 범위나 된다. 이것은 축방향과 법선 방향으로 발생되는 발광 흐름의 배분이 감소한다는 것을 의미한다. 이로 인해서, 상기의 렌즈를 가지는 발광 다이오드는 밝은 점(bright point)으로써 스크린을 통하여 보여지게 된다.

상기의 밝은 점(bright point)들을 제거하기 위하여, 부가적으로 불투명한 스크린을 발광 다이오드 위에 설치할 필요성이 있다. 이러한 스크린의 크기는 렌즈의 크기보다 약간 초과하도록 한다.

본 발명은 상기의 결점의 발생을 방지하기 위한 것이다.

발광 다이오드의 방사 경로를 따라 배치된 내부 표면, 외부표면을 포함하고, 상기 내부 표면 중 렌즈의 축과 인접한 중앙부의 내부 표면은 외부 표면과의 거리가 멀어짐에 따라 발광 다이오드의 발광 플렛폼의 이미지를 전달하는 광출력을 포함하고, 상기 외부 표면은 발광 다이오드의 발광 플렛폼과 반대방향으로 꼭지부분을 향하게 하는 깔때기 형상을 포함하고, 상기 외부 표면의 구조는 외부 표면에서의 첫 번째 굴절이 전반사가 일어나도록 하고, 외부 표면에서의 두 번째 굴절이 렌즈의 축방향과 주로 법선 방향으로 굴절될 수 있도록 하는 외부 표면의 구조를 포함하는 순차적으로 설치된 표면을 포함하는 발광 다이오드의 발광 형성용 렌즈에 의해 형성된 렌즈로부터 축방향 부근으로의 발광 흐름의 분배가 감소되면서, 주어진 기술적 문제를 해결한다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 보다 상세하게 설명하고자 한다.

도 3은 본 발명에 의해 형성된 렌즈에서 광선의 경로를 묘사한 것이다. 상기 광선의 경로는 본 발명의 렌즈 기능의 원리를 설명한다. 본 발명과 가장 가까운 유사 발명과 같이, 광선 1은 형성된 렌즈의 주변부를 통과한다. 이 때에 각각 내부 표면과 외부 표면에서 두 번의 연속적인 굴절을 하면서 렌즈에 의해 광축 방향에 주로 법선 방향으로 꺾이게 된다. 렌즈의 중앙부를 통과하는 광선 2는 처음에, 내부 표면에서 굴절되고, 그후에 외부 표면에 의해 반사된다. 이때에는 외부 표면에서 전반사를 일으킨 후 외부 표면을 통해서 통과할 때에, 외부 표면에서 다시 굴절을 일으켜 결과적으로 광축과 주로 법선 방향으로 꺾여서 빠져나가게 된다.

중앙부의 외부 표면에서 반사와 굴절 모두를 할 수 있도록 하기 위해서, 렌즈는 상부가 발광 다이오드의 발광 플렛폼을 향하도록 하는 깔때기 모양을 갖게 된다. 발광부와 꼭대기간의 거리가 증가함에 따라, 결과적으로 렌즈의 광축 부근으로 퍼진 방사의 분배가 훨씬 더 감소하게된다.

렌즈 중앙부의 내부 표면이 광학적 출력을 가지고 있으므로, 발광부에서 외부면으로부터 더 멀어지는 거리로의 광 전달이 발생하고, 덧붙여서 렌즈로부터 렌즈의 축부근으로 가는 발광의 분배에서는 감소를 일으킨다.

렌즈 형성의 실질적인 실시예의 한 예로서, 도 4에 렌즈의 축방향 섹션이 게재되어 있다. "H"는 렌즈의 총 길이이고, "a"와 "h"는 각각 렌즈의 꼭지점의 각도와외부 표면의 깔때기 부의 높이를 나타내고, "D"는 렌즈 바닥의 외부 직경을 나타 내고, "r"은 렌즈의 중심부의 내부 표면의 곡선의 곡률을 나타낸다.

축 Z 및 R은 데카르트 좌표계의 축을 나타내고 축 Z 부근으로 회전하는 외부 비구면이 함수 Z=f(R)에 성립되도록 세팅되어 있다. 표 1은 렌즈의 실제 실시예 중 하나의 기술적인 변수의 값들을 보여준다. 비구면(R) 및 Z=f(R)의 34 포인트에 대한 좌표가 표 2에 나타나 있다.

표 1은 도 4의 다양한 실시예에 대한 설계 데이터이고, 표 2는 도 4의 다양한 실시예 중 비구면 렌즈 표면에 대한 구조이다.

파라미터들

파라미터	값	파라미터	값
D	5.5 [mm]	H	3.95 [mm]
d	2.5 [mm]	h	2.3 [mm]
α	63.35도	r	1.5 [mm]

렌즈의 비구면 구조

	R	Z=f(R)		R	Z=f(R)		R	Z=f(R)
1	2.7500	0.00	13	2.6071	0.60	25	2.1249	1.20
2	2.7490	0.05	14	2.5814	0.65	26	2.0643	1.25
3	2.7461	0.10	15	2.5530	0.70	27	1.99976	1.30
4	2.7413	0.15	16	2.5231	0.75	28	1.9311	1.35
5	2.7345	0.20	17	2.4903	0.80	29	1.8580	1.40
6	2.7257	0.25	18	2.4548	0.85	30	1.7804	1.45
7	2.7150	0.30	19	2.4167	0.90	31	1.6979	1.50
8	2.7022	0.35	20	2.3758	0.95	32	1.6104	1.55
9	2.6874	0.40	21	2.3321	1.00	33	1.5175	1.60
10	2.6706	0.45	22	2.2852	1.05	34	1.4193	1.65
11	2.6516	0.50	23	2.2352	1.10
12	2.6305	0.55	24	2.1818	1.15

도 5는 본 발명의 상기의 렌즈를 장착한 발광 다이오드의 광 출력 배분을 나 타내는 그래프이다. 그래프에서 알 수 있듯이, 본 발명의 기술적인 해결책은 ㅁ 45도 각도 범위 안에서 8회 이상의 접힌 곡선을 보여주는 잔존 발광 수준을 낮추는 데에 있다. ㅁ 45도 각도 범위 안에서의 주변 발광의 RMS(root-mean-square)값은 상기 언급된 유사 발명과 비교하여 30회 이상의 접힌 곡선을 나타내면서 감소된다.

Claims (4)

1. 발광 다이오드의 방사 경로를 따라 배치된 내부 표면 및 외부표면을 포함하고,

   상기 내부 표면 중 렌즈의 축과 인접한 중앙부의 내부 표면은 외부 표면과의 거리로부터 더 먼 거리로 발광 다이오드의 발광 플렛폼의 이미지를 전달하는 광출력을 포함하는 것을 특징으로 하고,

   상기 외부 표면은 발광 다이오드의 발광 플렛폼과 반대방향으로 꼭지부분을 향하게 하는 깔때기 형상을 포함하는 것을 특징으로 하고,

   상기 외부 표면의 구조는 외부 표면에서의 첫 번째 굴절이 전반사가 일어나도록 하고, 외부 표면에서의 두 번째 굴절이 렌즈의 축방향과 주로 법선 방향으로 굴절될 수 있도록 하는 외부 표면의 구조를 포함하는 순차적으로 설치된 표면을 가지는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드용 편향 렌즈.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 외부 표면의 깔때기 형상의 꼭지각은 63.35도 인 것을 특징으로 하는 발광 다이오드용 편향 렌즈.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 내부 표면 중 렌즈의 축과 인접한 중앙부의 내부 표면은 (15 / 23) * h 의 반경을 가지는 곡면인 것을 특징으로 하는 발광 다이오드용 편향 렌즈.

   단, 여기서 h 는 상기 외부 표면의 깔때기 형상의 높이이다.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 발광 형성용 렌즈의 수직 방향 중심으로부터 가장 떨어진 외부 표면까지의 수평 거리를 D, 상기 발광 형성용 렌즈의 수직 방향 중심으로부터 내부 표면까지의 수평 거리를 d라고 할 때에,

   D : d 의 비율이 11 : 5 인 것을 특징으로 하는 발광 다이오드용 편향 렌즈.

Images