KR20080081085A

KR20080081085A - 복합 봉지재 렌즈를 갖는 ｌｅｄ

Info

Publication number: KR20080081085A
Application number: KR1020087018600A
Authority: KR
Inventors: 패트릭 알. 데스테인
Original assignee: 쓰리엠 이노베이티브 프로퍼티즈 컴파니
Priority date: 2005-12-30
Filing date: 2006-12-20
Publication date: 2008-09-05
Also published as: US7798678B2; WO2007078971A3; JP2009522779A; CN101371371A; CN101371371B; US20070152231A1; WO2007078971A2; EP1974398A2; TW200735422A

Abstract

LED 광원은 LED 에미터 및 에미터를 적어도 부분적으로 둘러싸는 봉지재를 포함한다. 봉지재는 내부 렌즈 및 외부 렌즈를 포함하고, 내부 렌즈는 외부 렌즈의 굴절률보다 작은, 일부 경우에는 외부 렌즈의 굴절률의 약 70 내지 80%의 굴절률을 갖는다. 내부 렌즈 및 외부 렌즈는 만곡 표면을 따라 서로 접촉할 수 있고, 일부 경우에는 내부 렌즈가 사실상 평철형이며 외부 렌즈는 메니스커스형이다. 내부 렌즈는 에미터의 제1 허상을 생성하고 외부 렌즈는 제2 허상을 생성하며, 제1 허상은 에미터와 제2 허상 사이에 배치된다. LED 광원은 집약적인 공간에서 균일한 조명을 제공할 수 있다.

발광 다이오드, LED, 에미터, 봉지재, 굴절률, 허상

Description

복합 봉지재 렌즈를 갖는 ＬＥＤ{LED WITH COMPOUND ENCAPSULANT LENS}

본 발명은 발광 다이오드(light emitting diode, LED) 소자, 이를 위한 구성요소, 및 관련 용품과 공정에 관한 것이다.

LED는 그의 상대적으로 작은 크기, 낮은 전력/전류 요건, 신속한 응답 시간, 긴 수명, 강건한 패키징(packaging), 다양한 가용 출력 파장(available output wavelength) 및 현대의 회로 구성과의 상용성(compatibility) 때문에 부분적으로 바람직한 광원 선택이다. 이들 특성들은 지난 수십년에 걸쳐 다수의 상이한 최종 사용 응용에 있어서의 광범위한 사용을 설명하는 데에 도움을 줄 수 있다. 잠재적인 최종-사용 응용의 범주를 추가로 확대하면서, 효율, 휘도 및 출력 파장의 분야에서 LED에 대한 개선이 계속 이루어지고 있다.

LED는 전형적으로 금속 헤더(header)에 실장된 LED 다이(die) 또는 칩(chip)을 포함하는 패키징된 형태로 판매된다. 헤더는 LED 다이가 내부에 실장된 반사 컵(reflective cup)과, LED 다이에 접속된 전기 도선을 가질 수 있다. 일부 패키지는 또한 LED 다이를 봉지하는 성형된 투명 수지를 포함한다. 봉지 수지는 다이로부터 발광된 광을 부분적으로 시준하는 명목상 반구형인 전방 표면, 또는 명목상 평탄한 표면을 가질 수 있다.

공지의 LED 광원의 예가 도 1 내지 도 5에 주어져 있다.

도 1에서, 광학 반도체 소자(10)는 지지체(11)와, 적합한 땜납에 의해 지지체(11)의 상부 표면에 고정된 전기발광 반도체 다이오드(12)를 포함한다. 지지체(11) 내의 개구를 통해 연장하는 단자 와이어(13)는 유리 또는 세라믹과 같은 전기 절연 재료로 된 와셔(14)에 의해 지지체에 고정되고 전기 절연된다. 각각의 단자 와이어(13)는 미세 와이어(15)에 의해 다이오드(12)의 별도의 접촉부에 전기 접속된다. 제3 단자 와이어(16)가 다이오드(12)에 전기 접속된 지지체(11)에 고정된다. 유리 돔(glass dome, 17)이 지지체(11)의 상부 표면 상에 실장 및 고정된다. 유리 돔은 다이오드(12) 상에서 연장하고 다이오드와 밀접 접촉하여, 다이오드에 의해 발광된 방사가 유리 돔을 통과한다. 도 1의 소자(10)에 있어서, 유리 돔은 거의 구형 형상이다. 도 2는 지지체(11) 상에 실장되고 다이오드(12)를 덮는 도 2의 유리 돔(17')이 반구형 형상이라는 점을 제외하고는 소자(10)와 유사한 광학 반도체 소자(10')를 도시한다. 도 1 및 도 2의 소자는 미국 특허 제3,596,136호(피셔(Fischer))에 추가로 설명된다. 예를 들어, 피셔는 다이오드로부터의 방사를 원하는 수신기로 효율적인 방식으로 전달하는 유리 돔을 위한 타원형, 포물선형 및 기타 바람직한 형상을 개시한다. 피셔는 다른 것들 중에서 유리 돔(17 또는 17')이 높은 굴절률, 바람직하게는 2보다 크고 가능한 한 전기발광 다이오드의 굴절률에 근접한 굴절률과, 낮은 흡수율을 갖는 유리로 제조됨을 또한 교시한다.

도 3에, 반도체 발광 소자(18)가 도시되어 있다. 소자(18)는 좁은 광 발산 영역(20)을 갖는 반도체 칩(19)을 포함한다. 구형 렌즈(21)가 자외선 경화 접착 제(23)로 칩의 후방 표면(22) 상에 실장된다. 반도체 칩(19)은 보다 큰 반도체 웨이퍼를 스크라이빙(scribing)하고 분할함으로써 얻어지고, 웨이퍼의 기판 측(후에 칩(19)의 후방 표면을 형성함)은 렌즈(21)의 중심과 발산 영역(20)의 중심 사이의 거리가 최적이 되도록 미리 결정된 두께로 고정밀도로 연마된다. 소자(18)는 미국 특허 제5,403,773호(니타(Nitta) 등)에 추가로 설명된다. 니타 등은 접착제 수지(23)의 굴절률이 소자 칩(19) 및 구형 렌즈(21)의 굴절률과 유사하여야 함을 기술한다.

도 4에서, LED-여기 형광체 기반(LED-excited phosphor-based) 광원(24)은 LED(25)로부터 발광된 광 중 일부를 형광체-반사기 조립체(27)를 향해 또한 반사시키는 전기 전도성 히트 싱크(heat sink, 26)의 오목부(well) 내에 실장된 반도체 LED(25)를 포함한다. 조립체(27)는 광원(24)에 의해 발광된 광을 맞춤하기 위하여 렌즈 특징부(29)를 제공하도록 형상화될 수 있는 광학적으로 투명한 포팅 재료(potting material, 28) 내에 존재할 수 있다. 광원(24)은 미국 특허 출원 공개 제2004/0145288 A1호(오우더커크(Ouderkirk) 등)에 추가로 설명되어 있다.

도 5에서, 미국 특허 제6,717,362호(리(Lee) 등)에서 보다 완전하게 논의된 다층 LED(30)는 p-n 접합 다이오드를 형성하는 반도체 재료(31)를 포함하고, 반도체 재료(31)는 3개의 층(32, 33, 34)에 의해 봉지된다. 층(32, 33, 34)의 재료는 층의 굴절률이 반도체 재료(31)의 굴절률에 근접한 값으로부터 공기(35)의 굴절률에 근접한 값으로 점진적으로 감소하도록 선택된다. 리 등에 따르면, 이는 반도체 재료(31)와 제1 층(32), 제1 층(32)과 제2 층(33), 제2 층(33)과 제3 층(34), 그리 고 마지막으로 제3 층(34)과 공기(35)의 각각의 계면들 사이에서 작은 굴절률 차이를 초래한다. 리 등은 층의 굴절률이 상기 특성을 갖는 한 임의의 개수의 층이 사용될 수 있음을 교시한다.

발명의 개요

본 발명은 특히 LED 에미터(emitter)와, 에미터를 적어도 부분적으로 둘러싸는 봉지재(encapsulant)를 포함하는 LED 광원을 개시한다. 봉지재는 내부 렌즈 및 외부 렌즈를 포함하고, 내부 렌즈는 외부 렌즈의 굴절률보다 사실상 작은, 바람직하게는 외부 렌즈의 굴절률의 70 내지 80%의 굴절률을 갖는다. 내부 및 외부 렌즈는 내부 렌즈의 외부 만곡 표면과 외부 렌즈의 내부 만곡 표면에 대응하는 만곡 표면을 따라 서로 접촉할 수 있다. 바람직하게, 내부 렌즈는 사실상 평철형(plano-convex)이고 외부 렌즈는 메니스커스(meniscus)형이다. 내부 렌즈는 에미터의 제1 허상을 생성하고 외부 렌즈는 제2 허상을 생성하며, 제1 허상은 에미터와 제2 허상 사이에 배치된다. LED 광원은 집약적인 공간에서 균일한 조명을 제공할 수 있다.

예시적인 실시 형태에 있어서, 만곡된 표면은 곡률반경, 및 만곡된 표면의 정점부(apex)와 LED 에미터 사이의 거리(Sag₁이라 칭함, 아래의 도 7 참조)를 갖고, 곡률반경 및 거리는 LED 에미터 및 이에 부착될 수 있는 임의의 와이어 본드(wire bond)를 둘러싸면서 내부 렌즈의 체적을 최소화하도록 선택된다.

예시적인 실시 형태에서, 외부 렌즈는 제1 허상에 대해 사실상 무수차(aplanatic)가 되도록 선택된 외부 만곡 표면을 갖는다. 예를 들어, 그러한 외 부 만곡 표면은 제1 허상의 에지 부분에 대해, 또는 에지 부분과 제1 허상의 중심 사이의 중간 부분에 대해 무수차가 되도록 최적화될 수 있다.

예시적인 실시 형태에서, LED 에미터는 0도 내지 90도까지의 극각(polar angle)(θ_S)의 범위에 걸쳐 내부 렌즈 내로 광을 발광하고, 그러한 발광된 광은 0도 내지 45도 이하, 또는 0도 내지 30 이하인 표면각(surface angle)(θ₂) 범위에 걸쳐 외부 렌즈를 빠져나간다. 출사각(exit angle)의 그러한 제한된 범위에 의해, 표면 반사율 또는 프레넬 반사율(Fresnel reflectivity)이 외부 렌즈의 외부 표면 상에 1/4 파장 또는 다른 적합한 반사 방지 코팅(anti-reflection coating)을 제공함으로써 효과적으로 감소될 수 있다.

본 출원의 이들 태양 및 다른 태양이 이하의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다. 그러나, 어떠한 경우에도 상기 개요는 청구된 요지에 대한 제한으로서 해석되어서는 아니되며, 그 요지는 절차의 수행 동안 보정될 수 있는 첨부된 청구의 범위에 의해서만 한정된다.

도 1 내지 도 5는 공지의 LED 광원의 개략 단면도.

도 6은 복합 봉지재 렌즈를 포함하는 LED 광원의 개략 단면도.

도 7은 도 6의 LED 광원의 다른 개략 단면도.

도 8은 예시적인 확장형 LED 광원을 형성하는 LED 다이의 어레이(arrary)의 평면도.

도 9는 외부 렌즈의 외부 표면의 반경(R₂)에 의해 정규화된(normalized) LED 에미터의 절반폭(half-width)의 함수로서 도 6 및 도 7의 광원과 같은 광원으로부터의 모델링된 정규화 투과도(modeled normalized transmission)의 그래프.

도 10은 추가 광학 요소와 함께 도 6 및 도 7의 광원을 도시하는 도면.

도면에 있어서, 동일한 도면 부호는 동일한 요소를 지시한다.

본 출원은 확장형 LED 다이와 같은 LED 에미터의 허상을 형성하는 복합 봉지재 렌즈를 이용한 집약형 LED 광원을 개시한다. 바람직하게, 광원은 집약형 패키지에서의 LED 에미터의 에텐듀(etendue)를 사실상 보존하여, 광원은 소형 프로젝터 시스템의 LCOS 패널 또는 기타 특이한 패널을 효과적으로 조명하는 데에 사용될 수 있다.

이 점에 관해서, "발광 다이오드" 또는 "LED"는 가시광선, 자외선 또는 적외선이든지 간에 광을 발광하는 다이오드를 말한다. 이는 통상적인 것이든 초 방사성(super radiant) 종류의 것이든 간에 "LED"로서 시판되는 비간섭성의 싸여진 또는 봉지된 반도체 소자를 포함한다. LED가 자외광과 같은 비가시광을 발광한다면, 그리고 가시광을 발광하는 일부 경우에 있어서, LED는 단파장 광을 장파장 가시광으로 변환하기 위해 형광체를 포함하도록 패키징되어(또는 원격 배치된 형광체를 조명할 수도 있음) 일부 경우에 백색광을 발광하는 장치가 얻어질 수 있다. "LED 다이"는 가장 기본적인 형태, 즉 반도체 가공 공정에 의해 제조된 개별 구성요소 또는 칩 형태의 LED이다. 예를 들어, LED 다이는 하나 이상의 3족 원소와 하나 이상의 5족 원소의 조합(III-V족 반도체)으로 보통 형성된다. 적합한 III-V족 반도체 재료의 예는 질화갈륨과 같은 질화물, 및 인듐 갈륨 포스파이드와 같은 인화물(phosphide)을 포함한다. 주기율표의 다른 족의 무기 재료일 수 있는 다른 유형의 III-V족 재료가 또한 사용될 수 있다. 이 구성 요소 또는 칩은 상기 소자에 에너지를 공급하기 위한 전력의 인가에 적합한 전기 접촉부를 포함할 수 있다. 예로서 와이어 본딩, 테이프 자동 본딩(TAB), 플립칩 본딩이 포함된다. 구성요소 또는 칩의 개별 층 및 다른 기능 요소는 전형적으로 웨이퍼 규모로 형성되고, 완성된 웨이퍼는 이어서 개별적인 단품(piece part)으로 절단되어 다수의 LED 다이가 얻어진다. LED 다이는 표면 실장, 칩 온 보드(chip-on-board) 또는 기타 공지된 실장 구성용으로 구성될 수 있다. 일부 패키징된 LED는 LED 다이 및 관련 반사기 컵 위에 중합체 봉지재를 형성함으로써 제조된다. LED 다이는 유사 램버시안(quasi-Lambertian) 방출 패턴을 가지며, LED 다이 내에서 발생되는 많은 광은 다이 표면에서의 내부 전반사로 인해 갇히거나 LED 다이 바로 위의 중합체 봉지재의 외부로 방출된다.

이제 도 6으로 돌아가면, 여기서 LED 에미터(42)와, 에미터를 적어도 부분적으로 둘러싸는 봉지재(43)를 포함하는 광원(40)을 볼 수 있다. 도 7은 똑같은 광원(40)을 도시하지만, 읽기 쉽도록 도 6에 나타내지 않은 추가적인 파라미터를 보여준다. LED 에미터(42)는 LED 다이 또는 다이들의 어레이의 발광 표면이거나, 또는 예를 들어 그러한 LED 다이 또는 다이들 상에 코팅되거나 이에 의해 달리 여기되는 얇은 형광체 층일 수 있다. 바람직하게는, 에미터(42)는 사실상 도 6 및 도 7에서 xyz 직교 좌표계의 x-y 평면에 대응하는 평면에 놓이지만, 다른 배열이 또한 가능하다. 에미터(42)는 광각(wide-angle) 광원이며, 비록 일부의 광이 내부 전반사에 의해 에미터(42) 내에 갇힐 수 있지만, 내부 렌즈(44) 내로 나오는 광은 전형적으로 0 내지 사실상 90도 범위인 광원 각(θ_S)(도 6 및 도 7에서 z축에 대응하는, 에미터의 국부적인 표면 법선에 대해 측정됨)에 대응하는 입체각의 완전한 반구에 걸쳐 분포된다.

봉지재(43)는 적어도 2개의 별개의 구성요소로 형성되고, 따라서 복합 봉지재로서 특징지워질 수 있다. 구체적으로, 봉지재(43)는 내부 렌즈(44) 및 외부 렌즈(46)를 포함하고, 이들 각각은 에미터(42)로부터 발산되는 광을 수렴시키도록 맞춰진 표면을 갖는다. 내부 렌즈(44)의 내부 표면은 바람직하게는 에미터(42)와 밀접하게 접촉하고, 내부 렌즈(44)의 외부 표면(44a)은 외부 렌즈(46)의 내부 표면(46a)과 밀접하게 접촉하거나 사실상 정합한다. 따라서, 에미터(42)는 사실상 내부 렌즈(44)의 재료 내에 파묻힌다. 외부 렌즈(46)는 전형적으로는 그러나 반드시 그렇지는 않은 공기인 굴절률 n₀의 매질에 노출된 만곡된 외부 표면(46b)을 갖는다. 바람직하게는, 내부 및 외부 렌즈(44, 46)는 광원의 광축(48)을 중심으로 사실상 회전 대칭이고, 에미터(42)는 또한 광축(48) 상에 그 중심을 위치시키는 것이 바람직하다. 광원(40)에 대해, 광축(48)은 직교 z축에 평행하다.

내부 및 외부 렌즈의 굴절률 n₁ 및 n₂는 각각, 위에서 참조된 리 등의 교시와 달리, 상대적으로 높은 굴절률의 LED 에미터(42)로부터 주위 매질의 상대적으로 낮은 굴절률 n₀로 진행함에 따라 점진적으로 감소하지 않는다는 점에서 종래와 다르다. 대신, 외부 렌즈의 굴절률 n₂는 내부 렌즈의 굴절률 n₁보다 사실상 크다. 이 점에 관해서, 굴절률은 적색, 녹색, 청색 또는 다른 가시 색상이든 간에 LED 에미터(42)의 피크(peak) 출력 파장과 같은 적합한 파장에서 측정 또는 평가된다. 굴절률의 차이는 바람직하게는 내부 및 외부 렌즈 사이의 계면(즉, 표면(44a 또는 46a))에 충분한 광출력을 제공하여 에미터(42)로부터 스침각(grazing angle)으로 발광된 광이 아래에서 추가로 논의되는 바와 같이 사실상 보다 작은 표면각으로 외부 렌즈를 빠져나가게 할 수 있도록 충분히 크다. 한편, 차이는 바람직하게는 외부 표면(46b)에서의 프레넬 반사율이 수용될 수 없게 될 정도로 크지 않다. 따라서, n₁/n₂의 비는 바람직하게는 0.8 미만, 보다 바람직하게는 0.7 내지 0.8의 범위이다.

예시적인 실시 형태에 있어서, 내부 렌즈(44)는 광 투과성 액체, 겔 또는 다른 비고체 재료로 이루어진다. 그러한 재료는 LED 에미터(42)가 실장되고 외부 렌즈(46)가 또한 그 외주 둘레에 부착되는 기판(50)과 외부 렌즈(46)의 내부 표면(46a) 사이의 공간 내에 포함되거나 밀봉될 수 있다. 기판(50)은 세라믹, 금속 또는 다른 적합한 재료의 사실상 평평한 조각(piece)이거나 이로 이루어질 수 있으며, 또한 금속 접촉부, 핀(pin) 및 다른 종래의 구조물과 같은 다른 구성요소를 포함할 수도 있다. 일부 경우에, 광원(40)은 LED 에미터를 하나 이상의 금속 접촉부 또는 핀에 접속시키는 하나 이상의 와이어 본드(52)를 포함할 수 있다. 내부 렌즈가 액체 또는 겔로 이루어지면, 그러한 와이어 본드 상의 열유도 응력이 최소화될 수 있다. 대안적인 실시 형태에 있어서, 내부 렌즈는 초기에는 미국 뉴저지주 뉴 브런스윅 소재의 노어랜드 프로덕츠(Norland Products)로부터 입수가능한 것과 같은 액체 UV 경화성 접착제 또는 수지로 이루어지고, 후에 UV 또는 다른 단파장 방사의 인가에 의해 고체로 경화되거나 달리 굳어질 수 있다. 경화 후에, 그러한 수지는 외부 렌즈(46)를 제 위치에 유지하고 외부 렌즈를 기판(50)에 그리고 에미터(42)에 접합시키도록 작용할 수 있다. 예시적인 UV 경화성 접착제는 노어랜드 옵티칼 어드히시브(Norland Optical Adhesive) 81 (NOA81)이다. 액체, 겔, 수지, 또는 다른 비고체 또는 고체 광 투과성 재료로 이루어지든지 간에, 내부 렌즈의 굴절률 n₁은 전형적으로 1.4 내지 1.6의 범위, 종종 약 1.5이지만 다른 값이 사용될 수 있다.

예시적인 실시 형태에 있어서, 외부 렌즈(46)는 상대적으로 높은 굴절률의 유리 또는 다른 적합한 광학 재료로 이루어진다. 전형적으로, 이 렌즈는 적어도 1.8, 바람직하게는 약 1.9 내지 2.1 또는 약 2의 굴절률 n₂를 가질 것이다. 예시적인 재료는 사파이어(굴절률 1.77), LASFN9 광학 유리(굴절률 1.85) 및 S-LAH79 광학 유리(굴절률 2.003)를 포함한다. 외부 렌즈(46)는 도 6에 도시된 형상으로 주조 또는 성형될 수 있거나, 볼(ball) 또는 구(shpere)의 형태로 만들어지고 나서 바람직하게는 기판(50)과 접촉하는 내부 표면(46a)과 외주(46c)를 형성하도록 기계가공된다.

광학적으로, 굴절률 차이 및 만곡 표면의 형상의 결과로서, 내부 렌즈(44)는 에미터(42)로부터의 광을 수렴하여, 에미터의 제1 허상(VI₁)을 형성하고, 외부 렌즈(46)는 광을 더욱 더 수렴하여 제2 허상(VI₂)을 형성한다. 제1 허상은 LED 에미터(42)와 제2 허상 사이에 배치된다. 바람직하게는, 렌즈(44, 46)는 조합되어 LED 에미터(42)를 3 내지 4, 보다 바람직하게는 3.5 내지 4배만큼 확대한다. 도 7을 참조하면, LED 에미터(42), 제1 허상(VI₁) 및 제2 허상(VI₂)의 최대 평면내(in-plane) 치수(즉, x-y 평면에 평행한 평면에서 측정된 최대 측방향 치수)는 각각 h, h₁ 및 h₂로 표기된 치수의 2배이다. 따라서, h₂/h는 바람직하게는 3 내지 4의 범위이다. 더욱이, 치수가 2h₂인 최종 허상(VI₂)의 최대 평면내 치수는 외부 렌즈(46)의 최대 평면내 치수 정도인 것이 바람직하다. 외부 표면(46c)이 중심점(C₂)을 갖는 곡률반경(R₂)에 의해 명확하게 특징지워질 수 있다면, 이는 2h₂가 2R₂ 정도이며, 예를 들어 R₂ ≤ 2h₂ ≤ 4R₂임을 의미한다.

표면(44a, 46a, 46b)은 구면 또는 비구면일 수 있지만, 경제적 이유 때문에 이들은 바람직하게는 (표면(44a, 46a)에 대한) 제1 곡률반경(R₁) 및 중심점(C₁)과, (표면(46b)에 대한) 제2 곡률반경(R₂) 및 중심점(C₂)에 의해 특징지워지는 사실상 구면이다. 봉지재가 대칭이라면, 중심점(C₁ 및 C₂)들은 광축(48) 상에 배치된다. 도 7에 도시된 관심 대상의 다른 파라미터는 하기를 포함한다: Sag₁로 표기된 LED 에미터(42)의 상부 또는 전방 표면으로부터 표면(44a/46a)의 정점부(vertex)까지의 축방향 거리; Sag₂로 표기된 제1 허상(VI₁)의 상부 또는 전방으로부터 외부 표면(46b)의 정점부까지의 축방향 거리; H₁으로 표기된 LED 에미터의 상부 또는 전방 표면에 대한 와이어 본드(52)의 최대 높이; r₁로 표기된 LED 에미터의 평면에서의 내부 렌즈(44)의 최대 평면내 절반폭 또는 반경; 및 r₂로 표기된 LED 에미터 평면에서의 외부 렌즈(46)의 최대 평면내 절반폭 또는 반경. 광원(40)의 전체 크기 또는 체적을 최소화하기 위해, r₂는 바람직하게는 r₁과 대략 동일하거나 이보다 단지 약간만 크도록 선택된다.

또한 많은 경우에 예를 들어 R₁ 및 Sag₁ (여기서, R₁ > Sag₁)의 신중한 선택에 의해 내부 렌즈(44)의 체적을 최소화하는 것이 바람직하다. 내부 렌즈가 액체 또는 겔 재료로 이루어지고, 심지어 경화되지 않은 (액체) UV 접착제 재료의 경우에도, 내부 렌즈(44)의 체적을 최소화하는 것은 광을 불리하게 산란시키고 이미지 품질을 감소시킬 수 있는 공기 기포 또는 보이드(void)가 렌즈들 내에 또는 내부 렌즈와 외부 렌즈 사이에 발생하는 것을 감소시키는 데에 도움을 줄 수 있다. 와이어 본드(52)가 존재하지 않는다면, 이 선택은 내부 레즈의 반경(평면 내)인 r₁이 에미터(42)의 최대 절반폭인 h와 대략 동일하게 되게 할 수 있다. 와이어 본드(52)가 도시된 바와 같이 최대 높이 H₁로 존재하면, 최소 체적의 형상은 LED 에미터(42)와 와이어 본드(들)(52) 둘 모두를 둘러싸기 위해 일반적으로 상이하게 될 것이다. 일부 경우에, 해결책은 Sag₁ ≒ 2H₁인 표면((44a)(및 46a))을 제공한다.

내부 렌즈(44)의 체적을 최소화시키기보다, 대신에 광원(40)의 광학 특성을 최적화시키도록 R₁ 및 Sag₁을 선택할 수 있다. 예를 들어, R₁ 및 Sag₁은 봉지재(43)의 확대를 최대화하도록 선택될 수 있다.

일부 경우에, 광원의 광학 시스템에서의 구면 수차 및/또는 코마(coma)의 양을 최소화하거나 적어도 조절하는 것이 또한 바람직하다. 표면(44a, 46a)은 C₁을 광축(48)과 LED 에미터(42)의 교차점에 위치시켜서, Sag₁ ≒ R₁이 되도록 함으로써 무수차(즉, 구면 수차 또는 코마가 약간 있거나 전혀 없음)로 만들어질 수 있지만, 이는 내부 렌즈(44)의 체적을 최소화하는 것과 대체로 상용가능하지 않으며, 이는 또한 표면(44a, 46a)의 수렴 능력을 감소시키거나 제거한다. 따라서, 구면 수차 및 코마를 조절하는 보다 바람직한 방식은 외부 표면(46b)을 무수차가 되도록 설계하는 것이다. 축상(on-axis) 지점에 대해서는, 이는 제1 허상(VI₁)(외부 렌즈의 목적에 대해 "대상물"로서 작용함)과 외부 표면(46b)의 정점부 사이의 거리를 다음과 같이 되도록 설정함으로써 행해질 수 있다:

Sag₂ ≒ R₂ * ((n₀ + n₂)/n₂)

n₂가 약 2이고 n₀이 1 (공기)인 경우, 이는 다음과 같이 단순화된다:

Sag₂ ≒ 1.5 * R₂

상기 최소 체적 및 무수차 조건은, 종래의 광학 설계 소프트웨어에 의한 것과 같이, 추가의 최적화가 행해질 수 있는 출발점으로서 사용될 수 있음을 주지하여야 한다. 예를 들어, 외부 표면(46b)은 상기 수학식 1에 따라 설계되고 나서, 허상(VI₁)의 에지(edge)에서 또는 에지 부근에서, 먼 축외(off-axis) 지점에 대해 구면 수차 및/또는 코마를 최소화하도록 최적화될 수 있다.

도 6 및 도 7과 관련하여 논의된 설계의 예기치 못한 하나의 효과는 특히 외부 렌즈의 외부 표면(46b)에서의 총 프레넬 표면 반사를 감소시키는 능력이다. 이 점과 관련하여 "총 프레넬 표면 반사"는 발광된 광의 사실상 전체 각도 범위, 즉 0 ≤ θ_S ≤ 90에 걸쳐 LED 에미터(42)로부터 발생된 광에 대해, 그리고 지정된 계면 상의 주어진 지점에서의 입사광의 s- 및 p- 편광 성분 둘 모두에 대해 외부 표면(46b)에서 경험된 모든 프레넬 표면 반사의 합 또는 평균을 말한다. 하나의 극단적인 경우에, (광축(48)을 따라) θ_S = 0의 방향으로 에미터(42)의 중심부로부터 발광된 축방향 광선은 편향됨이 없이(그러나 부분적으로 반사됨) 표면(44a, 46a)을 통과하고 나서, 0도의 내부 표면각(국부적인 표면 법선에 대해 외부 렌즈 매질(n₂)에서 측정됨)으로 외부 표면(46a)에 충돌하며, 0도의 외부 표면각(θ₂)(동일한 국부 적인 표면 법선에 대해 매질(n₀)에서 측정됨)으로 나온다. 그러한 축방향 광선에 대해, 계면에서의 프레넬 반사율은 사실상 ((n₂-n₀)/(n₂+n₀))²이고, n₀ ≒ 1이고 n₂ ≒ 2일 때 약 11% 반사율에 달한다. 다른 극단적인 경우에, 스침각 θ_S ≒ 90도로 LED 에미터(42)로부터 내부 렌즈(44) 내로 발광되는 스침 광선은 만곡된 표면(44a, 46a)의 곡률(R₁) 및 위치(Sag₁)에 따라 그러한 표면에서 부분적으로 반사되지만 또한 편향된다. 그 후, 편향된 광선은 외주(46c) 근처의 지점에서 외부 표면(46c)에 충돌하고, 최대 외부 표면각인 θ₂ = θ₂ _MAX로 그로부터 나온다. 최대 표면각(θ_2MAX)에서의 프레넬 반사율은, 국부적인 s- 및 p- 편광 성분에 대해 평균했을 때, 법선 입사(이때 θ₂ = 0)에 대한 프레넬 반사율보다 상당히 높다는 것을 주지하여야 한다. 렌즈(44, 46)의 설계에 주의하지 않으면, θ₂ _MAX는 90도이거나 90도에 근접할 수도 있으며, LED 에미터(42)에 의해 발광된 광 중 많은 양이 외부 표면(46c)에서의 프레넬 반사로 손실될 수 있다.

다행히, 외부 렌즈의 굴절률이 내부 렌즈의 굴절률보다 사실상 크고, 외부 및 내부 렌즈가 적합하게 만곡된 표면에서 만나는 외부 렌즈/내부 렌즈 조합을 사용함으로써, 외부 표면(46b)에서의 최대 표면각(θ_2MAX)은 고배율 이미징 시스템을 여전히 유지하면서 바람직하게는 45, 40, 35 또는 30도 이하로 사실상 감소될 수 있다. 봉지재를 빠져나오는 광에 대한 그러한 제한된 표면각의 범위에 의해, 외부 렌즈의 외부 표면 상에 1/4 파 또는 다른 적합한 반사 방지 코팅을 심지어 더 제공함으로써 총 표면 반사 또는 프레넬 반사를 효과적으로 감소시킬 기회를 또한 갖는다. 그러한 코팅은 사실상 0 내지 30도 또는 0 내지 45도의 전체의 제한된 범위의 표면각에 걸쳐 효과적일 수 있는 반면에, 보다 넓은 표면각 범위(예를 들어, 0도 내지 약 90도)에 걸쳐서는 보다 덜 효과적일 것이다. 주목할 만하게, n₂가 약 2이고 n₀이 약 1 (공기)이면, 최적의 단일 층 1/4 파 반사 방지 코팅은 √(n₂*n₀), 즉, √2 또는 약 1.4의 굴절률을 갖고, 이는 유리하게는 특히 강건하고 입증된 광학 코팅 재료인 불화 마그네슘의 굴절률에 대응한다.

외부 렌즈(46)의 외부 표면(46b)에서의 표면각의 범위를 감소시키는 관련 효과는 외부 표면(46b)의 활성 부분의 구형 비율(spherical fraction)을 감소시키는 것이다. 이는 외부 표면(46b)의 활성 부분, 즉 입체각의 전체 반구에 걸쳐(0 ≤ θ_S ≤ 90도) LED 에미터로부터 발사된 광선이 외부 표면(46b)을 빠져나오는 그 부분이 완전한 구의 보다 작은 부분이 될 수 있거나 보다 작은 입체각에 마주 대할 수 있음을 의미한다. 사실, 외부 표면(46b)의 활성 부분이 (초구형(hyperspherical)이라기보다는) 사실상 반구형 또는 반구형 미만이어서 2π 스테라디안 이하의 입체각에 마주 대하는 것이 실용적이다.

이제 도 8로 돌아가면, 여기서 반경 r₁의 원형 경계 내에 포함된 예시적인 LED 에미터(60)의 평면도를 볼 수 있는데, 원형 경계는 내부 렌즈(44)의 외부 표면(44a)과 LED 에미터의 평면의 교차부에 대응한다. LED 에미터는 확장되지만 불 연속적이며, 그 사이에 작은 갭(gap)을 갖는 정사각형 LED 다이(62)들의 4x3 어레이로 구성되어 최대 평면내 치수가 2h(직사각형의 마주보는 코너 사이의 거리)인 대체로 직사각형 형상을 형성한다. 에미터(60)는 광축(48) 상에 그 중심이 위치한다.

에미터(60)의 크기를 고려하면, 광원의 전체 체적 또는 크기를 최소화하고자 하는 사용자는 내부 및 외부 렌즈의 크기를 축소시켜, 적어도 r₁, r₂, 및 R₂를 최소화시킨다(도 7 참조). 그러나, 광원의 확장된 성질 및 비네팅(vignetting)의 문제 때문에, 너무 작은 렌즈는 허상(VI₂) 또는 허상으로부터 형성된 임의의 실상(real image)이 이미지를 가로질러 수용할 수 없는 비네트-관련 휘도 변동을 가지게 할 것이고, 휘도는 (광축에 가장 근접한) 광원의 중심에서 최대이고 (광축으로부터 가장 먼) 광원의 에지 또는 코너에서 최소로 감소된다. 렌즈의 크기를 증가시키는 것은 비네팅 문제를 감소시킬 것이지만, 또한 광학 시스템의 크기 및 중량을 증가시킬 것이다. 볼 렌즈의 경우, 볼 직경을 ≤ 5 ㎜로, 보다 바람직하게는 ≤ 4 ㎜로 유지하는 것은 기존의 렌즈 제조업자로부터 대체로 낮은 가격으로 입수할 가능성이 증대된다는 실용적인 결과를 갖는다.

도 9는 렌즈 크기와 비네팅의 균형을 맞추어 가능한 한 작은 렌즈를 사용하여 비네팅 손실을 작게 유지할 목적을 위해 바람직한 광원 대 렌즈 비를 확인하도록 사용된 단순하지만 대표적인 광학 시스템에 대한 모델링 결과를 보여준다. 모델은 0의 두께 및 광축에 중심을 둔 최대 평면내 치수 2h의 편평한 광원을 취하고, 광원은 반경 R과 굴절률 1.533의 반구 평철형 렌즈 내에 묻히며, 렌즈는 또한 광축 상에 중심을 두고 공기에 의해 둘러싸였다. 모델은 광원의 모든 영역으로부터 모든 방향으로 광선을 발사하고, 이들 광선의 어느 정도의 비율이 광원의 기하학적 또는 근축(paraxial) (허)상에 대응하는 방향으로 렌즈를 빠져나오는지를 계산한다. 이 계산된 비율은 도 9에서 "정규화 투과도"로 언급된다. 이 모델링은 h/R의 이산값에 대해 그리고 또한 2개의 특징적인 광원 형상: 반경 h의 원 및 정사각형의 중심으로부터 그의 임의의 코너까지의 거리가 h인 정사각형에 대해서 행해졌다. 그러한 광원은 각각 2h의 최대 평면내 치수를 갖는다. 원형 광원에 대한 정규화 투과도가 곡선(70)으로 도시되고, 정사각형 광원의 정규화 투과도가 곡선(72)으로 도시되어 있다. 곡선은 h가 R과 비교하여 무시할 정도가 됨에 따라(h/R이 0에 접근함), 정규화 투과도는 원형 광원과 정사각형 광원 둘 모두에 대해 1에 접근함을 뒷받침한다. 곡선은 또한 h가 R에 접근(h/R이 1에 접근)함에 따라 정규화 투과도는 단조 감소함을 보여준다. 흥미롭게도, 곡선(70)(원형 광원)에 대한 곡선(72)(정사각형 광원)의 하향 이동은 이미지 열화가 광원의 최외측 에지 또는 코너에서 현저하게 발생하는 사실을 뒷받침한다. 0.9의 최소 허용 정규화 투과도(10% 비네팅-관련 손실)를 선택하면, 도 9는 사용자가 대략 0.4 이하의 h/R 값을 선택하도록 안내한다. 렌즈 크기(R)를 상대적으로 집약형으로 유지하기 위해, 대략 0.2 또는 0.3의 h/R에 대한 하부 한계를 선택한다. 따라서, 도 6 및 도 7의 시스템과 같은 시스템에 있어서, (반드시 필요한 것은 아니지만) h/R₂가 0.4 이하, 바람직하 게는 0.4 내지 0.3 범위인 것이 바람직하다.

개시된 집약형 광원이 다양한 광학 시스템들에 사용될 수 있고, 광학 시스템들 중 하나가 도 10에 도시되어 있다. 도 10에서, 소형 시준 시스템(80)은 외부 시준 렌즈(82) 및 선택적인 반사 편광기(84)뿐만 아니라 전술된 광원(40)을 포함한다. 렌즈(82)는 집약성의 이유 때문에 세그먼트화된 또는 구역화된 프레넬 렌즈로서 도시되었지만, 필요하다면 종래의 벌크 광학 렌즈(bulk-optic lens) 또는 다른 공지의 렌즈가 또한 사용될 수 있다. 시준을 위해, 렌즈(82)의 초점 길이 및 위치는 외부 렌즈(46)에 의해 형성된 최종 허상(IM2)이 렌즈(82)의 후방 초점에 배치되도록 선택된다. 렌즈(82)를 빠져나오는 "시준된" 광이 실제로 LED 에미터(42)의 확장된 성질의 결과로서 0이 아닌 각도 방향 퍼짐을 갖는다는 것을 주지하여야 한다.

시준 시스템(80)은 또한 선택적인 반사 편광기(84)를 포함한다. 편광기는 원하는 대로 선형, 원형 또는 타원형의 편광된 광을 제공하기 위해 사용될 수 있다. 이러한 목적을 위해 흡수 편광기가 또한 사용될 수 있지만, 바람직하게는 "차단된" 편광 상태가 흡수되거나 산란되기보다는 거울 반사되는 반사 편광기는, 차단된 편광 상태의 적어도 일부를 직교하는 "통과" 상태로 변환하기 위한 구성 또는 메커니즘이 광원(40) 내에 존재하면, 증가된 효율을 제공할 수 있다. 사실, 실시예에서 후술되는 광원은, 편광기의 양 측에 도포된 반사 방지 코팅과 함께, 시준 렌즈 및 미국 특허 제5,882,774호(존자(Jonza) 등)에 기술된 유형의 공압출된 다층 반사 편광기와 조합되었고, (반사 편광기보다는 흡수 편광기를 이용하는 동일 시스 템에 대해) 10% 초과의 편광된 광 출력에서의 증가가 관찰되었다. 공압출된 다층 편광 필름을 제조하는 예시적인 방법이 미국 특허 제6,916,440호(잭슨(Jackson) 등), 제6,939,499호(머릴(Merrill) 등), 제6,949,212호(머릴 등) 및 제6,936,209호(잭슨(Jackson) 등)에 개시되어 있다. 추가의 예시적인 반사 편광기는 미국 미네소타주 세인트 폴 소재의 쓰리엠 컴퍼니(3M Company)로부터 입수가능한 비퀴티(Vikuiti™) 이중 휘도 향상 필름(dual brightness enhancement film, DBEF)을 포함한다. 콜레스테릭 편광기가 또한 고려된다. 전술된 바와 같이, 반사 방지 코팅이 프레넬 표면 반사로 인한 손실을 최소화하기 위해 편광기의 일 표면 또는 양 표면 상에 사용될 수 있다. 대안적으로, 편광기는 렌즈 또는 플레이트와 같은 다른 광학 구성요소의 매끄럽고 바람직하게는 평평한 표면에 적층될 수 있거나, 양 측에 적층되어 2개의 그러한 광학 구성요소들 사이에 개재될 수 있다.

개시된 집약형 광원이 또한 LCOS(liquid crystal-on-silicon) 패널 또는 다른 특이한 패널을 포함한 것과 같은 프로젝션 시스템에 사용될 수 있다. 예시적인 프로젝션 시스템이 발명의 명칭이 "비임 균질기를 가진 프로젝션 시스템(Projection System With Beam Homogenizer)"이며 공히 양도된 미국 특허 출원 제11/322801호(대리인 관리 번호 제61338US002호)에 개시되어 있다.

도 6 및 도 7과 관련하여 기술된 것과 유사한 광원이 제조 및 시험된다. 광원을 미국 캘리포니아주 새너제이 소재의 루미레즈 라이팅(Lumileds Lighting)으로부터 입수가능한, 구매가능한 룩세온(Luxeon™) LED 백색광 에미터, 유형 LXHL- PW01로 구성하였다. 이 에미터가 제공된 봉지재 렌즈를 4개의 LED 다이, 다이의 전방 표면 상의 얇은 형광체 코팅, 다이가 실장된 기판 또는 와이어 본드를 손상시킴이 없이 제거하였다. 이들 나머지 구성요소를 그대로 두었고 본 명세서에서 "LED 베이스(base)"로 칭한다. 4개의 LED 다이는 직사각형 형상이지만, 이들을 평면도에서 명목상 정사각형 형상을 형성하도록 서로의 옆에 실장하였으며, 정사각형의 각각의 변은 길이가 1.1㎜이지만, 이웃하는 다이의 각각의 쌍 사이에 얇은 갭(gap)이 존재하였다. 백색 광이 동일한 명목상 정사각형(그러나 불연속적임) 영역을 갖는 (사실상 평평한) 형광체 코팅으로부터 방사되었다.

별개로, S-LAH79 유리(굴절률 2.003)로 제조된 5㎜ 직경의 볼 렌즈를 미국 뉴저지주 베링턴 소재의 에드먼드 사이언티픽 컴퍼니(Edmund Scientific Co.)로부터 얻었다. 볼 렌즈에서 끝을 잘랐고, 이어서 끝이 잘린 영역에 정밀 기계가공에 의해 반경 2.76㎜의 내부 캐비티를 형성하였다. 이어서 내부 캐비티를 경화되지 않은(액체) 노어랜드 옵티칼 어드히시브 81 (NOA81)로 채웠고, 생성된 구조물을 LED 다이, 형광체 코팅 및 와이어 본드가 내부 캐비티 내에 놓이도록 LED 베이스 위에 배치하였으며, 끝이 잘린 볼 렌즈의 외주(도 6의 특징부(46c) 참조)가 LED 베이스의 기판과 접촉하였다. 생성된 구조물을 이어서 액체 접착제를 경화(및 고화)시키는 역할을 하는 UV 광에 노출시켜, 외부 렌즈를 기판 및 LED 다이에 접합시켰다. 생성된 광원은 LED 에미터(LED 다이의 표면 상의 얇은 형광체 코팅)와, 경화된 UV 접착제로 이루어진 사실상 평철형인 내부 렌즈 및 보다 높은 굴절률의 광학 유리로 이루어진 메니스커스형의 외부 렌즈를 포함하는 복합 봉지재 렌즈를 가졌 다. 광원은 또한 하기의 특성 및 특징을 갖는다:

n₀ = 1

n₁ = 1.53

n₂ = 2.003

R₁ = 2.76 ㎜

R₂ = 2.5 ㎜

Sag₁ = 1.1 ㎜

Sag₂ = 3.4 ㎜

Sag₂/R₂ = 1.36

r₁ = 2.19 ㎜

r₂ = 2.35 ㎜

h = 0.77

h/R₂ = 0.31

h₂ = 2.58

h₂/R₂ = 1

광원 발광각(θ_S)의 범위 = 0 내지 약 90도

외부 표면(46b)에서의 표면각(θ₂)의 범위 = 0 내지 약 30도

복합 봉지재 렌즈의 배율: 3.35

달리 지시되지 않는 한, 명세서 및 청구의 범위에서 사용된 양, 특성의 측정치 등을 표현하는 모든 숫자는 모든 경우에 "약"이라는 용어에 의해 수식되는 것으로서 이해되어야 한다. 따라서, 반대로 지시되지 않는 한, 본 명세서 및 청구의 범위에 기술된 수치적 파라미터는 근사치이며, 이 근사치는 본 발명의 교시 내용을 이용하는 당업자가 얻고자 하는 원하는 특성에 따라 달라질 수 있다. 최소한, 그리고 청구의 범위의 범주에 대한 균등론(doctrine of equivalents)의 적용을 제한하려고 시도함이 없이, 각각의 수치적 파라미터는 보고된 유효 숫자의 수의 관점에서 그리고 통상의 반올림 기법을 적용하여 적어도 해석되어야 한다. 넓은 범주의 본 발명을 설명하는 수치적 범위 및 파라미터는 근사치이지만, 구체적인 실시예에 설명된 수치 값은 가능한 한 정확하게 보고된다. 그러나, 임의의 수치 값은 그 개개의 시험 측정에서 발견되는 표준 편차로부터 필수적으로 생기는 특정 오차를 본질적으로 포함한다.

상기 설명은 예시적인 것이며 본 발명의 범주를 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에 개시된 실시 형태의 변형 및 변경이 가능하며, 실시 형태의 다양한 요소들의 균등물 및 실용적인 대안이 본 특허 문서의 검토시 당업자에게 이해될 것이다. 본 명세서에 개시된 실시 형태의 상기 및 다른 변형과 변경이 본 발명의 범주 및 사상으로부터 벗어남이 없이 이루어질 수 있다.

Claims

LED 에미터; 및

LED 에미터를 적어도 부분적으로 둘러싸는 봉지재를 포함하고,

봉지재는 내부 렌즈 및 외부 렌즈를 포함하며, 내부 렌즈는 굴절률(n₁) 및 외부 만곡 표면을 갖고, 외부 렌즈는 굴절률(n₂ > n₁) 및 내부 렌즈의 외부 만곡 표면과 사실상 정합하는 내부 만곡 표면을 가지며,

내부 렌즈는 LED 에미터의 제1 허상을 생성하고 외부 렌즈는 제1 허상의 제2 허상을 생성하며, 제1 허상은 LED 에미터와 제2 허상 사이에 배치된 광원.
제1항에 있어서, LED 에미터는 내부 렌즈 내로 축각(axial angle)으로부터 스침각(grazing angle)까지의 광각의 광(wide-angle light)을 발광하고, 내부 렌즈는 그러한 광각의 광을 외부 렌즈로 수렴 및 투과시키는 광원.
제2항에 있어서, 광각의 광은 내부 렌즈에서 0 내지 90도의 극각(polar angle)을 나타내고, 그러한 광은 0 내지 θ_2MAX의 표면각(surface angle)의 범위에 걸쳐 외부 렌즈로부터 나오며, θ_2MAX는 45도 이하인 광원.
제1항에 있어서, LED 에미터에 대한 제2 허상의 배율이 3 내지 4의 범위인 광원.
제1항에 있어서, LED 에미터는 사실상 평평하고 2h의 최대 평면내(in-plane) 치수를 갖는 광원.
제5항에 있어서, 외부 렌즈는 반경 R₂의 외부 만곡 표면을 갖고, h/R₂는 0.4 이하인 광원.
제6항에 있어서, h/R₂는 0.3 내지 0.4의 범위인 광원.
제1항에 있어서, 외부 렌즈는 제1 허상에 대해 사실상 무수차인 외부 만곡 표면을 갖는 광원.
제1항에 있어서, 외부 렌즈는 반경 R₂의 외부 만곡 표면을 갖고, 외부 렌즈는 굴절률 n₀의 매질에 노출되며, 제1 허상은 외부 렌즈의 외부 만곡 표면의 정점부(apex)로부터 거리 Sag₂에 배치되며, Sag₂ ≒ R₂*((n₀ + n₂)/n₂)인 광원.
제1항에 있어서, n₁/n₂는 0.7 내지 0.8의 범위인 광원.
제10항에 있어서, n₁은 약 1.5이고 n₂는 약 2인 광원.
제1항에 있어서, 내부 렌즈는 사실상 평철형(plano-convex)이고, 외부 렌즈는 사실상 메니스커스(meniscus)형인 광원.
제1항에 있어서, 내부 렌즈는 비고체 재료로 이루어지고, 외부 렌즈는 고체 재료로 이루어지는 광원.
제13항에 있어서, 내부 렌즈는 광투과성 액체 또는 겔로 이루어지는 광원.
제13항에 있어서, LED 에미터가 실장된 기판을 추가로 포함하고, 비고체 재료는 외부 렌즈와 기판 사이에 포함되는 광원.
제1항에 있어서, LED 에미터가 실장된 기판을 추가로 포함하고, 내부 렌즈는 외부 렌즈를 기판에 부착시키는 광원.
제1항에 있어서, LED 에미터는 0 내지 90도의 극각(θ_S)의 범위에 걸쳐 내부 렌즈 내로 광을 발광하고, 그러한 발광된 광은 0도 내지 θ_2MAX의 표면각(θ₂)의 범 위에 걸쳐 외부 렌즈를 빠져나가며, θ_2MAX는 30도 이하인 광원.
제1항에 있어서, 외부 렌즈는 외부 만곡 표면을 갖고, 광원은 외부 렌즈의 그러한 외부 만곡 표면 상에 반사 방지 코팅을 추가로 포함하는 광원.
제1항에 있어서, 내부 렌즈의 외부 만곡 표면은 곡률반경 R₁을 갖고, LED 에미터로부터 거리 Sag₁에 배치된 정점부를 가지며, Sag₁ 및 R₁은 LED 에미터 및 이에 부착된 임의의 와이어 본드를 둘러싸면서 내부 렌즈의 체적을 사실상 최소화하도록 선택된 광원.
제1항에 있어서, 내부 렌즈의 외부 만곡 표면은 곡률반경 R₁을 갖고, LED 에미터로부터 거리 Sag₁에 배치된 정점부를 가지며, R₁ > Sag₁인 광원.