KR20080106402A - Ｌｅｄ로부터 광을 유도하기 위한 개별 광학 디바이스 - Google Patents

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KR20080106402A
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덩 티 듀옹
폴 엔 윈버그
매튜 알 토마스
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일루미텍스, 인크.
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Abstract

본 발명의 실시예는 개별 LED에 결합하도록 작동 가능한 개별 광학 디바이스를 제공하고, 이 개별 광학 디바이스는 개별 광학 디바이스가 개별 LED에 결합될 때 개별 LED로부터 광을 수광하는 입구 표면과, 입구 표면으로부터 대향하여 입구 표면으로부터 일정 거리에 있는 출구 표면과, 측벽을 포함한다. 출구 표면은 개별 광학 디바이스로부터 투영된 광의 소정의 절반각에 대한 휘도를 보존하기 위해 필요한 적어도 최소 면적을 갖는다. 더욱이, 각각의 측벽은 입구 표면으로부터 그 측벽으로의 직선 전달 경로를 갖는 광선의 적어도 대부분이 출구 표면에서의 임계각 이하에서 출구 표면에서의 입사각을 갖고 출구 표면에 반사되도록 위치되고 성형된다.
개별 광학 디바이스, LED, 입구 표면, 출구 표면, 측벽, 절반각, 휘도

Description

ＬＥＤ로부터 광을 유도하기 위한 개별 광학 디바이스{SEPARATE OPTICAL DEVICE FOR DIRECTING LIGHT FROM AN LED}
관련 출원
본 출원은 본 명세서에서 참조로서 인용하고 있는 2006년 1월 5일 출원된 듀옹(Duong) 등의 발명의 명칭이 "광학 디바이스(Optical Device)"인 미국 가출원 제60/756,845호에 대해 35 U.S.C. 119(e) 하에서 우선권의 이익을 청구한다.
본 발명은 개별 광학 디바이스에 관한 것이다. 더 구체적으로는, 본 발명의 실시예는 개별 발광 다이오드("LED")로부터 광을 이용하는 능력을 증가시키는 디바이스 및 방법에 관한 것이다.
발광 다이오드("LED")는 전자 기기에 일반적이다. 이들 발광 다이오드는 디지털 디스플레이, 조명 시스템, 컴퓨터 및 텔레비전, 휴대 전화기 및 다양한 다른 디바이스에 사용된다. LED에서, 전통적인 다이오드에서와 마찬가지로, N-형 반도체로부터 P-형 반도체의 전자 정공으로 여분의 전자가 이동한다. 그러나, LED에서는, 광자가 배출되어 이 프로세스 동안에 광을 생성한다. 다수의 용례에서, LED로부터 가능한 한 많은 광을 집광하고 소정의 원추각으로 이를 분포시키는 것이 바람직하다.
다수의 통상의 LED 디바이스는 LED 주위에 형성된 돔 구면 렌즈 또는 비구면 렌즈를 사용한다. 일반적으로, 렌즈로부터 돔까지의 거리는 발산 원추(emission cone)를 제어한다. T-1 ¾, T-5 mm 또는 이들의 변형이 돔 렌즈 LED의 예이다. 그러나, 이 디자인에는 다수의 결점이 있다. 첫째로, 일반적인 돔은 LED 다이의 f/1 수광각(acceptance angle)만을 수집할 수 있다. 따라서, 이 각보다 크게 발산된 광자는 내부 전반사("TIR")에 기인하여 돔 내에 포획되거나 또는 사용 불가능한 각도로 돔의 에지로부터 발산된다. 둘째로, 광의 분포는 칩과 돔 사이의 정렬의 정확도에 매우 의존한다. 따라서, 원시야 분포 및 근시야 분포가 종종 희생된다. 셋째로, 근시야 분포와 원시야 분포 사이에 상당한 불균일성이 존재할 수 있다. 마지막으로, 분포 자체는 공간적으로 균일하지 않다.
다른 통상의 체계는 LED의 상부에 더 큰 돔을 배치하는 것이다. 이 방법은 전체가 아닌 경우 대부분의 에너지를 얻는 것을 허용하지만, 실용적인 용례에 있어서 다수의 상당한 결점이 있다. 첫째로, 발산 원추각이 일반적으로 180보다 크다. 광은 더 이상 포획되지 않지만, 에너지는 LED의 원래각보다 큰 각으로 발산된다. 기계적인 하우징 등이 더 큰 각도로 광을 비네팅(vignette)하고, 산란시키고, 흡수할 수 있다. 둘째로, 대부분의 2차 광학 시스템이 단지 f/1 원추(대략 30도 이하의 절반각을 갖는 원추)만을 수집하기 때문에, 많은 광이 손실된다. 셋째로, 돔은 LED 다이보다 훨씬 크기 때문에, 분포가 필요한 것보다 훨씬 큰 영역에 걸친다. 이는 광이 집속될 때 낮은 출력 밀도[또는 복사 조도(irradiance)]로 전이된다.
다른 해결책은 전형적인 돔 렌즈의 상부에 TIR 렌즈를 배치하여 발산된 에너 지의 모두를 수집하고 이를 더 작은 원추로 유도하는 것이다. 이는 시스템에 복잡성을 추가시키고 단지 더 좁은 원추각으로 더 많은 광을 얻게 하는 문제점만을 처리한다. 이들 시스템은 또한 소스의 휘도(brightness)의 보존을 처리하지 않아, 균일한 패턴을 생성하고 균일성 원시야 뿐만 아니라 근시야를 유지한다. 또한, 이러한 TIR 렌즈의 추가는 조명 패키지의 크기 및 비용을 10배 정도 증가시키게 되어, 이 해결책을 전자 기기 및 휴대형 디바이스에서의 거의 모든 LED 용례에 대해 실용 불가능하게 한다. 다른 시스템은 복잡한 TIR 렌즈, 반사 콜렉터(reflective collector) 및 집광 렌즈 시스템(condenser lens system)을 이용한다. 돔으로부터 LED를 재결상(re-image)하는 몇몇 반사 시스템은 복사 휘도(radiance)를 유지할 수 있지만(예를 들면, LED가 하나의 초점에 있고 이미지가 다른 초점에 있는 타원체), 이들 시스템은 다수의 용례에서 실용 불가능하다.
본 발명의 실시예는 이전의 개별 광학 디바이스 시스템 및 방법의 결점을 실질적으로 제거하거나 또는 감소시키는 개별 광학 디바이스 및 방법을 제공한다. 이 개시를 위해, "개별 광학 디바이스"는 LED와는 별개로 형성되지만 LED의 상부의 적소에 성형될 수 있는 광학 디바이스이다.
본 발명의 일 실시예는 LED에 결합하도록 작동 가능한 개별 광학 디바이스를 포함하고, 이 개별 광학 디바이스는 개별 광학 디바이스가 LED에 결합될 때 개별 발광 다이오드의 층으로부터 광을 수광하는 입구 표면과, 입구 표면으로부터 대향하여 입구 표면으로부터 일정 거리에 있는 출구 표면을 포함한다. 출구 표면은 개별 광학 디바이스로부터 발산된 광의 소정의 절반각에 대한 복사 휘도를 보존하기 위해 필요한 적어도 최소 면적을 갖는다. 더욱이, 개별 광학 디바이스는 일 세트의 측벽을 포함할 수 있다. 각각의 측벽은 입구 표면으로부터 그 측벽으로의 직선 전달 경로를 갖는 광선의 적어도 대부분이 출구 표면에서의 임계각 이하에서 출구 표면에서의 입사각을 갖고 출구 표면에 반사되도록 위치되고 성형될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예는 개별 LED에 결합하도록 작동 가능한 개별 광학 디바이스를 포함하고, 이 개별 광학 디바이스는 개별 광학 디바이스가 개별의 비원형 LED에 결합될 때 개별의 비원형 LED의 층으로부터 광을 수광하는 입구 표면과, 입구 표면으로부터 대향하여 입구 표면으로부터 일정 거리에 있는 출구 표면과, 일 세트의 측벽을 포함한다. 출구 표면은, 일 실시예에 따르면, 개별 광학 디바이스로부터 발산된 광의 소정의 절반각에 대한 복사 휘도를 보존하기 위해 필요한 적어도 최소 면적을 갖는다. 더욱이, 각각의 측벽은 입구 표면으로부터 그 측벽으로의 직선 전달 경로를 갖는 광선의 적어도 일부분이 출구 표면에서의 임계각 이하에서 출구 표면에서의 입사각을 갖고 출구 표면에 반사되도록 위치되고 성형될 수 있다. 각각의 측벽은 다중의 윤곽 표면의 중첩을 나타낸다. 출구 표면의 면적, 거리 및 측벽은 적어도 60% 효율 및 소정의 강도 프로파일을 갖고 10 내지 60도의 절반각으로 광을 투영하도록 선택될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예는 개별 LED에 결합하도록 구성된 개별 광학 디바이스를 포함하고, 이 개별 광학 디바이스는 개별 광학 디바이스가 개별의 비원형 LED에 결합될 때 개별의 비원형 LED의 층으로부터 광을 수광하는 입구 표면과, 입구 표면으로부터 대향하여 입구 표면으로부터 일정 거리에 있는 출구 표면과, 일 세트의 측벽을 포함한다. 출구 표면은
Figure 112008053609612-PCT00001
에 의해 정의되는 최소 면적에 적어도 동등한 면적을 갖고, Ω1은 광이 입구 표면에 진입하는 유효 입체각이고, Ω2는 광이 출구 표면을 떠나는 유효 입체각이고, A1은 입구 표면의 면적이고, n1은 개별 광학 디바이스의 재료의 굴절율이고, n2는 개별 광학 디바이스의 외부에 있는 물질의 굴절율이다. 입구 표면과 출구 표면 사이의 거리는, 입구 표면으로부터 출구 표면으로의 직선 전달 경로를 갖는 모든 광선이 출구 표면에서의 임계각 이하인 입사각을 갖도록 하는 적어도 최소 거리가 되도록 선택될 수 있다. 더욱이, 각각의 측벽은 입구 표면으로부터 그 측벽으로의 직선 전달 경로를 갖는 광선의 적어도 일부분이 출구 표면에서의 임계각 이하에서 출구 표면에서의 입사각을 갖고 출구 표면에 반사되도록 위치되고 성형될 수 있다. 각각의 측벽 형상은 다중의 윤곽 표면의 중첩을 나타낼 수 있다. 출구 표면의 면적, 거리 및 측벽 형상은 적어도 60% 효율 및 소정의 강도 프로파일을 갖고 10 내지 60도의 절반각으로 광을 투영하도록 선택될 수 있다.
본 발명의 실시예는 휘도를 보존하면서 소정의 절반각 및 강도 프로파일을 갖는 광을 투영함으로써 종래 기술에 비해 우수한 기술적인 장점을 제공하는 개별 광학 디바이스를 제공한다. 본 발명의 실시예는 예를 들면 60 내지 96% 효율을 갖고 10 내지 60도의 절반각(또는 다른 절반각)으로 광을 제공할 수 있다. 효율은 출구면 상의 적절한 반사 방지 코팅에 의해 이 값보다 높을 수 있고(거의 100%) 또는 이 값보다 낮을 수 있다.
다른 장점은 본 발명의 실시예에 따른 개별 광학 디바이스가 이전의 개별 광학 디바이스보다 훨씬 소형(10배 이상 소형인 것을 포함)일 수 있다는 것이다.
또 다른 장점은 개별 광학 디바이스의 기밀한 어레이가 매우 최소의 손실을 갖거나 갖지 않고 형성될 수 있다는 것이다.
본 발명의 실시예는 균일한 또는 거의 균일한 강도 분포를 갖는 정사각형 또는 직사각형 출력을 제공함으로써 또 다른 장점을 제공한다.
본 발명의 실시예는 소정의 절반각을 갖고 광을 생성하기 위한 2차 광학 기기에 대한 요구를 감소시키거나 또는 제거함으로써 다른 장점을 제공한다.
본 발명의 실시예는 부가의 광학 기기가 없이 소정의 종횡비를 갖는 광을 투영할 수 있는 개별 광학 디바이스를 제공함으로써 또 다른 장점을 제공한다.
본 발명의 실시예에 의해 제공되는 또 다른 장점은 광이 근시야 및/또는 원시야의 모두에서 소정의 형상 및 강도 프로파일을 갖고 투영될 수 있다는 것이다.
본 발명 및 본 발명의 장점의 더 완전한 이해는 유사한 도면 부호가 유사한 특징부를 지시하고 있는 첨부 도면과 관련하여 취한 이하의 설명을 참조하여 얻어질 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 개별 광학 디바이스를 포함하는 광학 시스템의 일 실시예의 개략도.
도 2는 일 점으로부터 그 점으로부터 상이한 거리에서 표면으로 이동하는 광선의 세트의 개략도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 개별 광학 디바이스의 개략 평면도.
도 4a는 측벽 형상을 결정하기 위한 개별 광학 디바이스의 모델의 개략 단면도.
도 4b는 측벽을 위한 파셋(facet)이 컴퓨터 프로그램을 사용하여 규정될 수 있는 것을 도시하고 있는 개략도.
도 4c는 TIR을 발생시켜 광선이 측벽으로부터 출구 표면으로 반사되도록 성형된 측벽을 갖는 개별 광학 디바이스의 일 실시예의 개략도.
도 5는 유효 입체각을 추정하기 위한 일 실시예의 개략도.
도 6a 내지 도 6e는 유효 입체각을 추정하기 위한 다른 실시예를 설명하고 있는 개략도.
도 7은 개별 광학 디바이스의 어레이의 일 실시예의 개략도.
도 8은 DLP 시스템의 기능적인 개략도.
도 9는 개별 광학 디바이스의 다른 실시예의 개략도.
도 10은 개별 광학 디바이스의 또 다른 실시예의 개략도.
도 11은 적층된 개별 광학 디바이스의 일 실시예의 개략도.
도 12는 개별 광학 디바이스의 또 다른 실시예의 개략도.
본 발명의 바람직한 실시예는 유사한 도면 부호가 다양한 도면의 유사한 부 분 및 대응 부분을 나타내는데 사용되고 있는 도면에 도시되어 있다.
본 발명의 실시예는 LED에 결합되어 LED로부터 개별 광학 디바이스의 출구 계면으로 광을 유도하는 개별 광학 디바이스를 제공한다. 이상적으로는, 개별 광학 디바이스는 LED로부터 개별 광학 디바이스에 진입하는 모든 광이 출구 계면으로부터 전달되도록 구성된다. 이로 인해, 출구 계면은 복사 휘도의 보존의 원리를 고려하도록 치수 설정될 수 있다. 출구 계면은 LED로부터 개별 광학 디바이스에 진입하는 모든 광이 출구 계면을 나오도록 하는 최소 크기일 수 있어, 이에 의해 복사 휘도를 보존하는 요구와 크기를 감소시키는 요구를 결합한다. 부가적으로, 디바이스의 측벽은, 반사 또는 내부 전반사("TIR")가 측벽에 입사된 광빔을 출구 계면을 향해 반사시키게 하고 임계각보다 작거나 동일한 각도로 출구 계면에 입사하게 하도록 성형될 수 있다. 따라서, 출구 계면에서의 TIR에 기인하는 광 손실이 감소되거나 제거된다. 고체 유전 재료로 구성된 디바이스에 있어서, TIR의 사용은 무손실 반사의 장점을 제공한다. 디바이스가 그 대신에 공기 충전되면, 측벽은 반사 재료로 제조될 수 있는데, 이는 몇몇 부차적 손실(minor loss)을 유도할 수 있다.
이상적으로는, 개별 광학 디바이스에 진입하는 광의 100%가 출구 계면을 나오지만, 본 발명의 다양한 실시예는 더 적은 양의 광이 출구 계면을 나오게 하면서 여전히 종래의 LED 개별 광학 디바이스에 비해 상당한 개량을 제공할 수도 있다. 더 구체적으로는, 본 발명의 실시예는 LED로부터 수광된 광이 소정의 강도 프로파일을 갖고 대략 50 내지 96% 효율(1.5의 굴절율의 유전 재료에 대한 프레즈넬 손실 에 기인하여 대략 4% 효율 손실이 있음)로 10 내지 60도의 원추 절반각을 갖고 출구 표면으로부터 발산되게 한다.
도 1은 개별 광학 디바이스(10), LED(15) 및 지지 구조체(20)를 포함하는 광학 시스템의 일 실시예의 개략도이다. LED(15)는 일반적으로는 InGaN 또는 InGaP와 같은 화합물 반도체인 발광부(25)와, 사파이어 기판, 실리콘 카바이드(SiC) 기판 또는 당 기술 분야에 공지되거나 또는 개발되어 있는 다른 기판과 같은 기판(30)을 포함한다. 도 1에서, 기판(30)은 일반적으로 발광부(25) 상부에 구체화된 상태로 위치되는데, 다른 일반적인 디자인에서 기판(30)은 발광부(25) 하부에 위치될 수도 있다. LED(15)로부터의 광은 주로 발산 표면(35)을 통해 개별 광학 디바이스(10)로 전달된다. LED(15)는 와이어 본드(wire bond), 플립 칩(flip chip) 또는 당 기술 분야에 공지되거나 또는 개발되어 있는 다른 LED일 수 있다. 도 1은 LED(15)의 출구 표면에 부착된 개별 광학 디바이스를 도시하고 있다. 대안적으로, 이 개별 광학 디바이스는 기판(20)에 그리고 LED(15)를 완전히 둘러싸서 부착될 수도 있다.
LED(15)의 두께는 명료화를 위해 실제 디바이스에서보다 개별 광학 디바이스(10)와 비교하여 훨씬 더 크게 도시되어 있다.
개별 광학 디바이스(10)는 LED(15)와는 별도로 형성되고, 마찰 끼워맞춤, 광학용 접착제(optical cement) 또는 기계적, 화학적 또는 다른 방식의 다른 결합 메커니즘을 사용하여 LED(15) 또는 기판(20)에 결합될 수 있다. 바람직하게는, 개별 광학 디바이스(10)는 투광성 실리콘 또는 아크릴과 같은 단일 굴절율("IOR")을 갖 는 유전성의 투광성 재료의 단일의 성형편으로 형성되지만, 다른 재료가 사용될 수 있다. 더욱이, 개별 광학 디바이스(10)의 IOR은 바람직하게는 기판(30)의 IOR의 20% 이내이다[그리고, 이상적으로는, 개별 광학 디바이스(10)의 IOR은 기판(30)의 IOR과 같거나 크다].
개별 광학 디바이스(10)는 LED(15)로부터 전달된 광을 수광하기 위한 입구 표면(50)을 포함한다. 입구 표면(50)은, 일 실시예에 따르면 LED(15)와 동일한 형상이고, LED(15)의 발산 표면(35)의 에지 치수와 대략 동일한 크기 또는 그보다 약간 큰 에지 치수를 갖는다. 즉, 입구 표면(50)의 면적은 개별 광학 디바이스(10)로 광을 전달하는 LED(15)의 면적과 대략 동일한 크기이지만, 입구 표면(50)은 제조 프로세스에서의 공차, 개별 광학 디바이스(10) 및 LED(15)의 정렬 오차 또는 다른 인자를 고려하기 위해 LED(15)보다 약간 클 수도 있다. 예로서, 1 mm2 LED에 있어서, 입구 표면(50)은 각각의 측면에서 1.075 mm가 되도록 제조될 수도 있다.
개별 광학 디바이스(10)는 바람직하게는, 제조 프로세스의 공차 내에서 입구 표면(50)과 실질적으로 동일한 형상이고 입구 표면(50)과 실질적으로 평행하고 실질적으로 회전 정렬되는 출구 표면(55)을 더 포함한다. 출구 표면(55)의 면적은 복사 휘도의 보존(종종 휘도의 보존이라 칭함)식에 따라 소정의 절반각에 대한 휘도를 보존하도록 선택될 수 있다.
Figure 112008053609612-PCT00002
φ1 = 입구 표면(50)에 진입하는 광선속이고,
φ2 = 출구 표면(55)을 나오는 광선속이고, 휘도의 보존을 위해 φ1=φ2이고,
Ω1 = 광이 입구 표면(50)에 진입하는 유효 입체각이고,
Ω2 = 광이 출구 표면(55)을 떠나는 유효 입체각이고,
A1 = 입구 표면(50)의 면적이고,
A2 = 출구 표면(55)의 면적이고,
n1 = 개별 광학 디바이스의 재료의 굴절율이고,
n2 = 개별 광학 디바이스(10)의 출구의 외부에 있는 물질(예를 들면, 일반적으로는 공기 또는 다른 물질)의 굴절율이다.
A2는 휘도가 상기 식에 대해 보존되도록 하는 출구 표면(55)의 최소 표면적을 나타낸다. 예를 들면 LED(15)가 1 mm2 LED이고 출구 표면(50)이 대략 1 mm2, n1 = 1.5, n2 = 1, Ω1 = 3, Ω2 = 1이라고 가정하면, A2는 복사 휘도를 보존하기 위해 적어도 6.75 mm2이어야 한다. 본 예에서는 유효 입체각이 제공되었지만, 소정의 절 반각에 대한 Ω1 및 Ω2를 결정하기 위한 방법은 도 6a 내지 도 6e와 관련하여 이하에 설명된다.
수학식 1에 따른 A2는 복사 휘도를 보존하기 위한 소정의 출력 원추각 또는 발산 절반각을 위한 최소 가능한 크기이다. 따라서, 복사 휘도를 보존하기 위해, A2는 적어도 수학식 1로부터 결정된 크기이어야 하지만, 더 클 수도 있다. 예를 들면, A2는 제조 프로세스에 있어서의 공차, LED(15)와 개별 광학 디바이스(10)를 정렬하는데 있어서의 오차 또는 다른 인자를 보상하기 위해 약간 더 크게 이루어질 수도 있다.
A2가 수학식 1에 의해 결정된 값보다 크게 이루어지는 경우에, 광선속은 보존될 수 있지만, 발산도(exitance)(단위 면적당 광선속으로서 정의됨)는 최대 획득 가능한 값으로부터 감소될 수 있다.
그러나, 공간을 절약하기 위해, A2를 가능한 한 작게 하는 것이 바람직하다. 예를 들면, A2는 5% 이내로 복사 휘도를 보존하는데 필요한 최소 면적의 5% 이내인 것이 바람직하다. 몇몇 광 출력(광선속)이 희생될 수 있으면, A2는 복사 휘도의 보존에 의해 지시되어 있는 크기보다 작을 수 있다. 더욱이, 출구 표면(55)의 형상은, 면적이 전술되어 있는 요건에 부합하는 한 입구 표면(50)의 형상과는 상이할 수 있다.
개별 광학 디바이스(10)의 입구 표면(50)과 출구 표면(55) 사이의 거리-본 명세서에서는 "높이"라 칭하지만, 이 거리는 수직이 아닌 다른 방향으로 연장될 수도 있음-는 입구 표면(50)으로부터 출구 표면(55)으로 직접 이동하는 광선의 TIR을 감소시키거나 최소화하도록 선택될 수 있다. TIR은 광이 이하의 수학식 2에 의해 정의되는 임계각보다 큰 입사각으로 표면에 입사될 때 발생한다.
Figure 112008053609612-PCT00003
여기서, n1 = 개별 광학 디바이스의 IOR이고,
n2 = 개별 광학 디바이스(10)의 출구의 외부에 있는 물질(예를 들면, 공기 또는 다른 물질)의 IOR이고,
θc = 임계각이다.
예를 들면, n1=1.5, n2=1이면, θc=41.81도이다. 따라서, 개별 광학 디바이스(10)의 높이는 출구 표면(55)에 입사하는 광선의 임계각을 출구 표면(55)에 수직이고 임계각 이하인 범위로 제한하도록 선택될 수 있다.
도 2 및 도 3을 간략하게 참조하면, 도 2는 표면(55)[점(57)으로부터 상이한 거리에 있는 표면(55a, 55b, 55c)으로서 나타냄]에 입사하는 점(57)으로부터 이동하는 광선의 세트의 개략도이다. 표면(55a)의 예에서, 몇몇 광선[예를 들면, 광선(56)]은 임계각보다 크게 표면(55a)에 입사하여, TIR에 기인하는 광의 손실을 유발한다. 역으로, 표면(55b)의 예에서는, 임계각에서 또는 임계각보다 다소 작게 표면(55c)에 입사할 수 있는 몇몇 광선[예를 들면, 광선(57)]은 대신에 측벽에 입사될 수 있다. 이들 광선의 손실의 방지는 원한다면 측벽 디자인의 복잡성을 증가시킬 수 있다. 게다가, 부가의 높이는 광학 디바이스를 수용하기 위한 더 많은 공간을 필요로 한다(즉, 광학 디바이스가 더 높아지기 때문임). 마지막으로, 표면(55c)의 경우에, 임계각 이하에서의 광선은 표면(55)에 입사되고, 출구면(55) 상에서 임계각보다 클 수 있는 광선은 대신에 측벽에 입사된다. TIR 또는 반사는 이하에 설명되어 있는 바와 같이 측벽에 입사된 광선을 출구면(55)으로 유도하는데 사용될 수 있다.
높이를 선택하기 위한 제한 광선은, 일 실시예에 따르면, 입구 표면(50)으로부터 출구 표면(55)으로 최장 직선 거리를 이동하고 임계각에서 출구 표면(55)에 입사되는 광선이다. 제한 광선으로서 선택될 수 있는 하나 이상의 광선이 존재할 수 있다. 정사각형 또는 직사각형 형태에서, 이는 입구 표면(50)의 코너에서 개별 광학 디바이스(10)에 진입하고 출구 표면(55)의 대각선으로 대향하는 코너로 직선에서 이동하여 광선이 임계각에서 출구 표면(55)에 입사될 수 있는 광선이다.
도 3은 정사각형 형태에 있어서의 개별 광학 디바이스(10) 및 제한 광선(59)의 개략 평면도를 제공하고 있다. 바람직한 실시예에서, 개별 광학 디바이스(10)의 높이는 출구 표면(55)에 입사되는 광선의 임계각을 출구 표면(55)에 수직이고 임계각 이하의 범위로 제한하도록 선택되지만, 다른 높이가 선택될 수 있는데, 다른 높이의 사용은 개별 광학 디바이스(10)의 효율을 감소시킬 수도 있다. 바람직하게는, 입구 표면과 출구 표면 사이의 거리는 입구 표면으로부터 출구 표면까지의 직선 전달 경로를 갖는 모든 광선이 임계각 이하의 출구 표면 상의 입사각을 갖도록 하는 최소 높이의 5% 이내이다.
도 1을 참조하면, 입구 표면(50)의 크기 및 형상, 출구 표면(55)의 크기 및 형상, 입구 표면(50)과 출구 표면(55) 사이의 크기 및 거리, 개별 광학 디바이스(10)의 측벽[예를 들면, 측벽(60), 측벽(65) 및 다른 측벽]의 선택된 경계 조건은 측벽의 내부면에 입사된 광을 출구 표면(55)으로 유도하여 소정의 강도 프로파일을 생성하도록 성형될 수 있다. 대부분의 용례에서, 소정의 강도 프로파일을 균일하거나 거의 균일하지만, 다른 분포 프로파일이 측벽의 높이 및 형상을 변경함으로써 성취될 수 있다. 균일한 램버티안(lambertian) 발산 패턴을 갖는 이상적인 이미터(emitter)의 경우에, 그리고 수학식 1에 따른 최소 계산된 표면적 및 출구면에서의 균일한 복사 강도를 갖는 광학 디바이스에 있어서, 에텐듀(etendue) 식은 출구면에서의 발산도의 분포가 또한 균일해야 하는 것을 요구한다는 것을 주목해야 한다. 균일한 것 이외의 발산도 프로파일이 요구되면, 출력면 면적은 수학식 1로 계산된 것보다 커야한다. 어느 경우에도, 출력면의 임의의 화소가 소스의 복사 휘도보다 큰 복사 휘도를 갖는 것이 가능하지 않다.
대체적으로, 측벽 형상은 측벽에 입사되는 임의의 광선이 출구 표면(55)에 반사되고 임계각 이하로 출구 표면(55)에 입사되도록[즉, 출구 표면(55)에서 내부 반사에 기인하는 손실이 없도록] 결정된다. 이는 θc보다 큰 측벽(65)에 대한 입사각(75)을 가져 광선(70)이 출구 표면(55)에 반사되고 θc 이하인 입사각(80)을 갖는 광선(70)에 의해 도 1에 도시되어 있다. 바람직하게는, 측벽은 측벽의 내부면에 조우하는 모든 광선이 출구 표면(55)에 대한 내부 전반사를 경험하고 임계각 이하에서 출구 표면(55)에 입사되도록 성형되지만, 몇몇 손실을 허용하는 다른 측벽 형상이 사용될 수 있다.
도 4a는 측벽 형상을 결정하기 위한 개별 광학 디바이스의 모델의 개략 단면도이다. 측벽 형상은 컴퓨터-지원 설계를 사용하여 결정될 수 있다. 측벽의 모델은 적절한 측벽 형상을 결정하기 위해 실행되는 컴퓨터-지원 설계 패키지 및 시뮬레이션에서 생성될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 각각의 측벽은 각각의 파셋이 평면 섹션인 n개의 파셋으로 분할될 수 있다. 예를 들면, 측벽(100)은 연속적인 곡선보다는 15개의 평면형 파셋(102a 내지 102o)으로 이루어진다. 각각의 파셋의 변수는 반복적으로 조절될 수 있고, 최종 분포 프로파일은 이하에 설명되어 있는 바와 같이 만족스러운 프로파일이 성취될 때까지 분석된다. 15개의 파셋의 예가 사용되었지만, 각각의 측벽은 15개 이상의 파셋을 포함하는 임의의 수의 파셋으로 분할될 수 있다.
각각의 파셋은 개별 광학 디바이스에서 광선의 특정 부분 집합을 반사하는 것에 대해 분석될 수 있다. 이 관심 영역은 "대향각(angular subtense)"으로서 정의될 수 있다. 파셋에 대한 대향각은 미리 결정된 점으로부터 발산하는 광선의 각도의 견지에서 정의될 수 있다. 바람직하게는, 선택된 점은 이러한 광선이 경험될 가능성이 거의 없기 때문에 파셋 상의 최고 입사각을 갖는 광선을 제공할 수 있는 것이다. 정사각형 개별 광학 디바이스에서, 예를 들면 이는 입구 표면의 대향 에 지 상의 점일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 선택된 A1, A2 및 높이에 대해, 다른 측벽에 의해 미리 반사되지 않고 소정의 측벽[예를 들면, 측벽(100)]에 입사될 수 있는 임의의 광선의 최대 각도(95)가 결정될 수 있다. 본 예에서, 점(115)으로부터 발산하는 광선(110)은 측벽(100)에 대한 최대 각도(95)를 설정한다. 최대 각도(95)가 48도이고 측벽(100)에 대해 15개의 파셋이 존재하면, 각각의 파셋(대향각의 균일한 분포를 가정함)은 각도(95)의 3.2도 대역에 대응할 수 있다[예를 들면, 제1 파셋은 0 내지 3.2도의 각도(95)를 갖고 점(115)으로부터 발산하는 광선이 입사되는 영역일 수 있고, 제2 파셋은 3.2 내지 6.4도의 각도(95)를 갖고 점(115)에서 발산하는 광선이 입사될 수 있는 영역일 수 있는 등임].
각각의 파셋에 있어서, 출구각, 파셋 크기, 경사각 또는 파셋의 다른 파라미터는 파셋에 입사되는 모든 광선이 TIR을 경험하고 출구 표면(55)에 반사되어 이들이 임계각 이하의 입사각을 갖고 출구 표면(55)에 입사되도록 설정될 수 있다. 바람직하게는, 측벽은 또한 단면도에서 본 광선이 단지 측벽을 1회만 타격하도록 성형된다. 그러나, 섹션의 평면외의 측벽으로부터 3차원 반사가 있을 수도 있다. 완전 3D 분석에서, 코너에 인접하여 제1 측벽을 타격하는 광선은 이어서 제1 측벽에 인접한 제2 측벽으로 튀어오르고 그로부터 출구면으로 튀어오를 수 있다. 곡선 적합법(curve fit) 또는 다른 수치 분석법이 수행되어 소정의 파셋에 가장 양호하게 적합한 곡선형 측벽 형상을 생성할 수도 있다. 도 4a에서, 예를 들면 측 벽(105)은 평면형 파셋의 세트보다는 만곡된다.
각각의 파셋에 대한 변수를 최적화하기 위해, 시뮬레이팅된 검출기 평면(120)이 설정될 수 있다. 검출기 평면(120)은 입사 전력을 독립적으로 기록하는 x개의 검출기를 포함할 수 있다. 개별 광학 디바이스를 통과하는 광의 시뮬레이션이 수행될 수 있고, 검출기 평면(120)에 의해 수신된 바와 같은 강도 분포가 분석된다. 강도 분포가 특정 용례에 대해 만족스럽지 않으면, 파셋의 각도 및 대향각이 조절될 수 있고, 만족스러운 강도 프로파일이 도달할 때까지 새로운 만곡된 표면이 생성되고 시뮬레이션이 재수행된다. 부가의 검출기 평면이 분석되어 근시야 및 원시야 패턴의 모두가 균일한 것을 보장할 수 있다. 대안적으로, 시뮬레이션(들)은 소정의 강도 프로파일이 도달한 후에 결정된 만곡면 및 표면 곡선보다는 파셋을 사용하여 수행될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 측벽은 파셋화되어 유지될 수 있고, 곡선이 생성되지 않는다.
도 4b는 측벽을 위한 파셋이 마이크로소프트 엑셀(마이크로소프트 및 엑셀은 미국 워싱턴주 레드몬드 소재의 마이크로소프트 코포레이션의 상표명임)과 같은 컴퓨터 프로그램을 사용하여 규정될 수 있는 것을 도시하고 있는 개략도이다. 마이크로소프트 엑셀의 도표화 특징(graphing feature)이 측벽 형상의 그래프(도면 부호 125로 나타내고 있음)를 생성하는데 사용될 수 있다. 동일한 일반적인 형상이 각각의 측벽 또는 상이한 측벽에 대한 상이한 형상을 위해 사용될 수 있다. 지정된 측벽 형상을 갖는(또는 지정된 파셋에 기초하는 만곡된 측벽 형상을 갖는) 개별 광학 디바이스가 예를 들면 제막스(Zemax) 광학 설계 프로그램(제막스는 미국 워싱 턴주 벨레뷰 소재의 제막스 디벨롭먼트 코포레이션의 상표명임)에서 분석될 수 있다. 컴퓨터 시뮬레이션은 제막스에서 수행되어 광선 자취와 강도 및 복사 조도 분포 프로파일을 생성할 수 있다. 최종 강도 및 복사 조도 프로파일이 불만족스러운 분포를 갖거나 개별 광학 디바이스의 효율이 너무 낮으면, 다양한 파셋의 변수가 조절되고 시뮬레이션이 재차 수행될 수 있다. 이 프로세스는 파셋 변수를 자동으로 조절하도록 컴퓨터 프로그램의 사용을 통해 자동화될 수 있다.
만족스러운 효율 및 강도 프로파일이 성취될 때, 개별 광학 디바이스는 지정된 파라미터를 갖고 형성될 수 있다. 이러한 개별 광학 디바이스의 예는 도 4c에 도시되어 있고, 도 4c는 TIR을 유발하여 광선이 측벽으로부터 출구 표면으로 반사되도록 성형된 측벽을 갖는 개별 광학 디바이스(10)의 일 실시예의 개략도를 제공한다. 각각의 측벽의 형상은 이 실시예에서 다양한 파셋에 의해 규정된 바와 같은 다중 윤곽 표면의 중첩이다. 곡선 적합법이 용이한 생산성을 위해 수행되지만, 본 발명의 다른 실시예는 파셋화된 측벽을 보유할 수 있다.
전술된 바와 같이, 다양한 경계 조건, 특히 출구 표면(55)의 면적은 휘도가 보존되도록 개별 광학 디바이스에 대해 결정된다. 출구 표면(55)의 최소 면적은 상기 수학식 1로부터 결정될 수 있고, 이는 다양한 유효 입체각에 의존한다. 일반적으로, 광의 유효 입체각은 램버티안 이미터로서 복사하는 소스로부터 유도된 식에 기초하여 결정되지만, 관심 거리가 소스의 크기보다 훨씬 크기 때문에 점으로서 취급된다. 램버티안 소스의 관찰된 복사 강도(광선속/스테라디안)는 이 각도의 코사인만큼 소스의 법선에 대한 각도로 변경된다. 이는 복사 휘도(광선속/스테라디 안/m2)가 모든 방향에서 동일하게 유지되더라도 소스의 유효 면적은 관찰된 각도가 90도로 증가할 때 0으로 감소하기 때문에 발생한다. 전체 반구에 걸친 이 효과의 적분은 □ 스테라디안과 동등한 투영된 입체각 값을 초래한다.
도 5를 참조하면, 소정의 반경(R)의 구(130)가 점 소스(132)를 둘러싸는 것으로 가정한다. 면적(A3)은 수직 광선으로부터 구형 표면의 교점까지의 거리인 원(134)의 반경(Rc)을 사용하여 관심 빔 입체각에 의해 경계 형성된 편평한 원형 표면[예를 들면, 표면(136)]으로서 계산될 수 있다. 빔의 θ의 소정의 절반각(137)에 대해, Rc는 R(구의 반경)과 각도(θ)의 사인의 적(product)인데, 즉
Figure 112008053609612-PCT00004
이고,
이 면적은 이하와 같다.
Figure 112008053609612-PCT00005
면적(A3)은 구에 교차할 때의 입체각의 투영 면적이다. 면적(A3)은 반구의 투영 면적으로 나눠지고(Ah=□R2), 몫은 전체 반구의 투영 입체각(□와 동등함)만큼 곱해져서 투영 입체각(Ω)이 얻어지는데, 즉
Figure 112008053609612-PCT00006
Figure 112008053609612-PCT00007
Figure 112008053609612-PCT00008
Figure 112008053609612-PCT00009
입구 표면(50)에 있어서, θ는 대략 90도이고, □*sin2(90)=□의 투영 입체각을 유도하고, 30도의 소정의 절반각에 있어서, 투영 입체각은 □*sin2(30)=□2이다. 수학식 1에서 Ω1 및 Ω2에 대해 이들 값을 사용하면, A2는 30도의 소정의 절반각에 대해 결정될 수 있다.
상기 예에서, 유효 입체각은 점 소스로부터 유도된 식을 사용하여 결정된다. 이들 식은 LED(15)가 정사각형, 직사각형 또는 다른 형상일 수 있다는 사실을 고려하지 않는다. 이 방법은 필요하다면 실험적 또는 컴퓨터 시뮬레이션 테스트에 기초하여 이후에 조절될 수 있는 A2의 양호한 추정을 제공할 수 있지만, 유효 입체각을 결정하는 다른 방법이 사용될 수 있다.
도 6a 내지 도 6e는 일반적인 개별 LED의 정사각형 프로파일을 더 정확하게 고려하는 LED에 부착되는 개별 광학 디바이스에 대한 유효 입체각을 결정하기 위한 다른 방법을 설명하고 있다. 도 6a는 개별 광학 디바이스(160)(도 6b에 도시되어 있음)의 입구 표면(150) 및 출구 표면(155)과 광이 투영되어 있는 가정 타겟 평면(156)의 일 실시예의 개략도이다. 부가의 설명을 위해, 입구 표면(150)의 중심은 데카르트 좌표계에서 0, 0, 0에 있는 것이 가정된다. 타겟 평면(156)은 최종 패턴의 파라미터(예를 들면, 다른 광학 기기에 의해 사용되는 크기 및 절반각)를 나타내고 있다. 일 실시예에 따르면, 대각선(도 6b에 α1으로서 도시되어 있음)에서의 절반각이 시작점이다. 예를 들면, 타겟 평면(156)에서의 소정의 광이 30도의 최대 절반각을 가지면, 정사각형 또는 직사각형 면 개별 광학 디바이스에 대한 α1은 30도이다. 개별 광학 디바이스(160) 내에서의 절반각(β1으로서 나타내고 있고 또한 도 6c에 도시되어 있음)은 이어서 이하의 식에 따라 결정될 수 있다.
Figure 112008053609612-PCT00010
여기서, n1은 개별 광학 디바이스의 IOR이고,
n2는 광이 개별 광학 디바이스로부터 투영되는 물질(일반적으로는 공기)의 IOR이고,
θ1은 LED 재료에서의 절반각(일반적으로, 90도)이고,
β1은 개별 광학 디바이스에서의 소정의 절반각이다.
예를 들면, 소정의 절반각(α1)이 30도이고 1.5의 IOR을 갖는 개별 광학 디 바이스가 1의 IOR을 갖는 공기 내로 투영되면, β1=19.47도이다. 유사한 계산이 입구 표면(150)의 긴 측면 및 짧은 측면 상의 점으로부터 투영하는 광선에 대해 수행될 수 있다. 예를 들면, 도 6b 및 도 6c에 도시되어 있는 바와 같이, α2 및 β2는 입구 표면(150) 상의 일 에지의 중심으로부터 출구 표면(155)의 대향 에지의 중심으로 이동하는 광선에 대해 결정될 수 있다. (임계각은 19.47로 동일하지만, β1은 β2와 동일하지 않다. β2는 광학 디바이스의 측면의 기하학적 형상 및 높이에 의해 결정된다.)
계산된 각도를 사용하여, 유효 점 소스(157)의 위치가 결정될 수 있다. 길이(l1)의 정사각형 입구 표면(150)에 있어서, 유효 점 소스는 X=0, Y=0 및
Figure 112008053609612-PCT00011
에 위치될 수 있고, 여기서 Zeps는 유효 점 소스가 LED의 발산 표면으로부터 변위되는 거리이다.
유효 점 소스(157)로부터 점(F1 및 F2)으로의 X, Y 및 Z 거리는 F1이 단일 반경의 구를 교차한다고 가정하여 이하의 수학식에 따라 계산될 수 있다.
Figure 112008053609612-PCT00012
Figure 112008053609612-PCT00013
Figure 112008053609612-PCT00014
Figure 112008053609612-PCT00015
Figure 112008053609612-PCT00016
Figure 112008053609612-PCT00017
여기서, ψ1은 X-Y 평면에서의 대각선 광선의 각도(정사각형에 있어서 45도)이고, 도 6c에 도시되어 있는 바와 같이 X축에 평행한 측면의 중간부로부터 투영하는 광선에 대해 ψ2=90도이다. 미리 계산된 기하학적 형상에 기초하는 유사한 방법론이 다른 점을 결정하는데 사용될 수 있다[예를 들면, 점(T1 및 T2)의 위치는 점(F1 및 F2)의 위치 및 타겟 평면(156)에서의 광의 소정의 절반각에 기초하여 결정될 수 있음].
도 6d는 출구 표면(155)에 대해 구(159)에, 그리고 타겟 평면(156)에 대해 구(161)에 투영된 짧은 측면으로부터의 대각선 광선 및 하나의 광선을 도시하고 있 다. 출구 표면(155)에 있어서, 출구 표면(155)의 평면 상으로의 구(159)에서의 에지 광선의 교점의 투영은 타원형 세그먼트를 형성한다. 마찬가지로, 타겟 평면의 에지에서의 회절된 출구 광선의 투영은 구(161)를 교차한다. 도 6e는 예를 들면 구(161)를 교차하는 타겟 평면(156)의 에지(163)에 의해 형성된 평면에 놓여 있는 광선의 원형 교점 및 타겟 평면(156) 상으로의 그 교점의 투영을 지시하고 있다. 타겟 평면의 정사각형을 둘러싸는 타원형 세그먼트의 각각의 면적을 계산하고 타겟 평면의 면적에 이를 가산함으로써, 본 출원인은 타겟 평면의 총 투영 면적을 발견하였다. 유효 입체각은 수학식 4B를 사용하여 타겟 평면에 대해 결정될 수 있다. 유사하게, 광선에 의해 상부에 형성된 타원형 세그먼트 및 구(159)를 사용함으로써, 광학 디바이스에 대한 유효 입체각이 결정될 수 있다. 예를 들면, 총 투영 면적은 전술된 바와 같이 결정되고 수학식 4B에 "소정의 입체각의 투영 면적"으로서 삽입된다.
일 예시적인 예로서, 정사각형 LED 및 출력면을 갖는 30도의 절반각에 대해 상기 방법을 사용하는 것은 공기 내의 타겟에 0.552 스테라디안의 유효 입체각을 산출한다. 대조적으로, 30도 절반각을 갖는 전통적인 원형 투영 면적의 사용은 0.785 스테라디안의 유효 입체각을 산출할 수 있다. 이들 값이 이어서 수학식 1에 사용될 때, 소정의 IOR 및 광선속에서, 전통적인(원형) 계산은 약 30%만큼 작아진 요구 출구 면적을 산출한다. 이 접근법을 사용하여 시스템을 설계하면, 적용 가능한 물리학(복사 휘도의 보존)은 최적의 디자인에 비해 30%만큼 광 출력을 감소시킬 수 있다. 역으로, 전술된 보정된 유효 입체각을 사용하는 것은 원형 계산에 의해 성취될 수 있는 것보다 42% 많은 광 출력을 생성할 수 있는 출구 표면 면적을 계산한다.
개별 광학 디바이스에 대한 유효 입체각을 결정하는 특정 방법이 전술되었지만, 당 기술 분야에 공지되거나 개발된 임의의 방법이 사용될 수 있다. 대안적으로, 휘도를 보존하기 위한 최소 표면적은 실험적으로 결정될 수 있다. 게다가, 상기 최소 표면적 계산은 LED의 발산 표면의 100%가 발산하는 것을 가정하지만, 실용 디바이스에서는 발산 표면적의 100% 미만이 발산될 수 있고 분포가 불균일할 수 있다. 출구 표면의 최소 면적의 계산이 조절되어 입구 표면의 크기보다는 LED의 실제 발산 면적을 고려할 수 있다. 즉, LED의 실제 발산 면적은 A1으로서 사용될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 개별 광학 디바이스는 최대 96%의 이론적인 효율을 갖고 10 내지 60도의 소정의 원추각으로 광을 투영할 수 있다(LED로부터 수광된 광의 96%가 4% 프레즈넬 손실을 갖고 소정의 절반각에서 발산되는 것을 의미함). 효율은 프레즈넬 손실이 없이 100%일 수 있다. 단지 70% 효율에서도, 본 발명의 실시예는 다른 LED 기술보다 높은 효율을 제공하면서 또한 근시야 및 원시야의 모두에서 균일한 또는 거의 균일한 강도 분포를 생성한다.
본 발명의 장점은 이전의 LED 해결책과 비교할 때 용이하게 알 수 있다. 직선형 캡슐화(예를 들면, 직선형 수직 측벽을 갖는 정사각형 또는 입방형 캡슐화)에서, 입구 및 출구에서의 유효 입체각은 동일하다. 개별 광학 디바이스 재료에 대 해 1.5의 굴절율 및 공기에 대해 1의 굴절율을 가정하면, 광의 대략 66%는 TIR에 기인하여 입구 표면에 대향하는 표면을 떠나지 않는다. 따라서, 직선형 벽의 개별 광학 디바이스는 단지 입구 표면에 대향하는 표면으로부터 발산하는 광의 양에 있어서 약 44% 효율만을 제공한다. 더욱이, 2차 광학 기기가 소정의 절반각으로 광을 성형하도록 요구된다.
일반적인 LED에 사용된 돔 광학 디바이스는 더 높은 효율을 나타내지만, 여전히 TIR에 기인하는 광 손실이 있고, 발산된 광은 대부분의 용례에 대해 즉시 이용 가능하지 않은 광선 패턴으로 돔 표면에 걸쳐 분포된다. 따라서, 렌즈 또는 반사기와 같은 2차 집광 메커니즘이 사용 가능한 각도로 발산된 광을 성형하도록 요구된다.
본 발명의 실시예에 의해 제공되는 다른 장점은 다중 개별 광학 디바이스가 실질적으로 균일한 강도 분포를 갖고 소정의 각도로(예를 들면, f/1 원추 내로) 광을 제공하는 어레이로 용이하게 배열될 수 있다는 것이다. 도 7은 개별 광학 디바이스(200)의 어레이의 도면의 일례를 도시하고 있다. 개별 광학 디바이스의 입구 표면 및 출구 표면[예를 들면, 입구 표면(205) 및 출구 표면(210)]의 푸트프린트(footprint)가 도시되어 있다. 개별 광학 디바이스의 어레이(및 LED의 대응 어레이)를 사용하는 일 장점은 어레이(200)를 구성하는 개별 광학 디바이스가 동일한 조합된 출구 표면적 및 입구 표면적을 갖는 단일의 개별 광학 디바이스보다 높이가 더 짧을 수 있다는 것이다. 따라서, 동일한 광의 양이 더 작은 양의 전체 체적 공간을 사용하여 동일한 절반각을 갖고 전달될 수 있다. 더욱이, 이러한 시스템은 더 소형의 LED가 더 대형의 LED보다 더 효율적인 경향이 있기 때문에(즉, 더 소형의 LED의 어레이가 동일한 발광 표면적을 갖는 더 대형의 LED보다 더 효율적일 수 있음), 전체적으로 더 효율적일 수 있다. 대응 개별 광학 디바이스를 갖는 LED의 어레이는 큰 면적 또는 긴 선형 표면을 조명하도록 배열될 수 있다.
본 발명의 실시예는 다양한 용례에 사용될 수 있다. 하나의 가능한 용례는 디지털 광 프로세싱("DLP") 시스템이다. 다수의 DLP 시스템에서, DLP 칩은 10 내지 12도의 절반각 사이의 임의의 수광각을 갖는다. 수광각만큼 곱해진 칩의 면적은 시스템의 에텐듀를 설정한다. 이 에텐듀에 정합하지 않는 조명 시스템은 광을 낭비한다. CPC를 사용하는 이전의 시스템에서, 다중 LED의 어레이로부터의 광은 2색성 필터(dichroic filter)를 통해 집광기 광학 기기로, 적분 터널(integrating tunnel)로, 촬영 릴레이 피사체로 이어서 원추로 유도된다. 적분 터널은 균일한 출력을 생성하도록 요구된다.
한편, 도 8은 본 발명의 실시예에 따라 LED(도면 부호 305로서 함께 도시되어 있음)와 결합된 개별 광학 디바이스를 사용하는 DLP 시스템(300)의 기능적인 개략도이다. DLP 시스템이 각각 12개의 LED의 3개의 어레이(12개의 녹색 LED, 12개의 적색 LED 및 12개의 청색 LED)(LED와 결합된 개별 광학 디바이스는 일반적으로 도면 부호 305로 나타내고 있고, 간단화를 위해 모두가 도시되어 있지는 않음)를 사용하는 것을 가정한다. 각각의 LED는 각각의 개별 광학 디바이스를 가질 수 있다. LED를 갖는 CPC보다는 본 발명에 따른 개별 광학 디바이스 및 LED(305)를 사용하는 DLP 시스템에 있어서, 소정의 f/1 원추(도면 부호 310으로 나타내고 있음) 에서의 균일한 광이 2색성 필터(315)를 통해 촬영 릴레이 광학 기기(320)로, 이어서 지정된 수광각 내에서 DLP 칩(325)으로 직접 투영될 수 있다. 게다가, 개별 광학 디바이스는 휘도를 보존하면서 투영 광이 4:3과 같은 바람직한 종횡비를 갖도록 성형될 수 있다. 이는 적어도 2개의 장점을 갖는다. 첫째로, 개별 광학 디바이스(305)가 일반적으로 CPC보다 작을 수 있기 때문에 공간이 절약되고 집광기 광학 기기 및 적분 터널이 더 이상 요구되지 않기 때문에 전달 경로의 거리가 더 작다. 게다가, 시스템의 효율은 집광기 광학 기기 및 적분 터널에 기인하는 광 손실이 없기 때문에 증가된다.
DLP 시스템(300)과 마찬가지로, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 개별 광학 디바이스는 개별 광학 디바이스의 출구 표면에서 또는 개별 광학 디바이스의 출구 표면으로부터 이격하여 2차 집광 렌즈와 함께 사용될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 집광기 렌즈가 개별 광학 디바이스의 출구 표면으로부터 이격될 때, 집광기 렌즈의 초점 평면은 대략 개별 광학 디바이스의 출구 표면에 있을 수 있다. 집광기 렌즈는 TIR 및/또는 굴절 디자인의 프레즈넬 렌즈 또는 다른 집광기 렌즈일 수 있다. 개별 광학 디바이스와 집광기 렌즈의 조합은 넓은 발산 입체각(□ 스테라디안)을 갖는 램버티안 소스를 취하고, 좁은 입체각(0.1 스테라디안 이하의 정도)으로 변환하면서 시스템의 복사 휘도를 보존하고 매우 작은 체적에서 이를 수행하는 능력을 허용한다.
본 발명의 실시예의 다른 가능한 용례는 휴대폰 디스플레이 조명이다. 현재의 시스템은 일반적으로 백색 광을 생성하기 위해 인광체(phosphor)-충전 캡슐화 재료를 갖는 3면 발광 청색 LED를 사용한다. LED의 측면은 일반적으로 불투명하고 생성된 광의 큰 비율이 측벽에 의해 흡수된다. 이는 광의 50% 이상이 흡수에 의해 손실되는 결과를 초래한다. 게다가, 공기에 대한 캡슐체의 계면에서의 굴절율 변화는 임계각보다 크게 계면을 타격하는 출구 광선에 대해 TIR 조건을 생성한다. 이는 계면에서 대략 44% 손실을 초래한다. 한편, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 개별 광학 디바이스는 생성된 광의 최대 95%를 라이트 가이드(light guide)로 전달하여, 매우 큰 시스템 휘도 개량을 초래할 수 있다.
다양한 재료의 나노입자를 포함하는 인광체 및 다른 재료(본 명세서에서는 간단하게 "인광체"라 총칭함)가 백색 광을 생성하기 위해 LED의 다양한 컬러와 결합하여 통상적으로 사용된다. 다양한 실시예에 따르면, LED는 또한 LED와 개별 광학 디바이스 사이에 인광체 층으로 코팅될 수도 있고, 또는 인광체 층은 라이트 가이드와 같은 후속의 광학 소자와 개별 광학 디바이스 사이에 존재할 수도 있고, 또는 인광체 코팅이 개별 광학 디바이스의 재료에 매립될 수도 있고, 또는 인광체 적층의 다른 실시예가 마찬가지로 사용될 수 있다. 제1 경우에, 인광체-코팅 LED로부터의 모든 광선이 라이트 가이드로 전달될 수 있다. 제2 경우에, LED로부터의 모든 광선이 인광체 층으로 전달될 수 있고, 인광체 층으로부터 재산란된 광선이 재순환될 수 있다. 제3 실시예에서, 인광체로부터 산란된 광은 일 방향에서 재차 재순환되고 다른 방향에서는 라이트 가이드로 재차 굴절된다. 다른 실시예는 인광체로부터 산란광을 포착하고 재순환시키기 위한 유사한 기회를 제공한다.
개별 광학 디바이스의 실시예에 대한 다른 가능한 용례는 휴대폰 카메라 플 래시로서의 사용이다. 현재의 시스템은 일반적으로 이미지의 중심에서 매우 밝은 영역을, 에지에서 어두운 영역을 생성하여 대상체의 불균일한 조명을 유발하는 가우스 에너지 분포를 갖는 LED를 사용한다. 더욱이, 현재의 플래시 유닛의 빔 형상은 원형이고, CCD 카메라에 의해 포착된 이미지는 직사각형이다. 부가적으로, 공기에 대한 캡슐체의 계면에서의 굴절율 변화는 임계각보다 크게 계면을 타격하는 출구 광선에 대해 TIR 조건을 생성한다. 이는 출구 입체각의 함수인 계면에서의 손실을 초래한다. 한편, 본 발명의 실시예에 따른 개별 광학 디바이스는 직사각형 또는 정사각형 플래시를 전달할 수 있고, LED로부터 개별 광학 디바이스에 의해 수광된 광의 95%가 균일한 분포로 이미지 영역에 제공된다. 이는 전통적인 시스템에서 사용되는 것과 동일한 LED로부터 더 균일한 장면 조명 및 더 높은 레벨의 조명을 초래한다.
본 발명의 실시예에 따른 개별 광학 디바이스에 대한 다른 가능한 용례는 액정 디스플레이("LCD") 배경 조명(backlighting)이다. 전통적인 LCD 시스템은 적색, 녹색 및 청색 LED의 선형 어레이를 사용한다. LED로부터의 광은 혼합 라이트 가이드로 유도되어 컬러 및 강도의 균일성을 제공한다. 일반적으로, LED는 LED 상부에 배치된 돔을 갖고, 광은 광을 라이트 가이드로 유도하기 위해 타원형 반사기에 의해 포착된다. 타원형 반사기가 점 소스에 대해 양호하게 작용하지만, LED는 점 소스가 아니고 광선의 일부가 라이트 가이드의 내부에 초점을 얻지 않을 수 있다(광의 대략 20%가 손실됨). 더욱이, 돔 캡슐체로부터의 몇몇 광은 180도 이상으로 발산되기 때문에, 광의 일부(재차, 대략 20%)가 기판, PCD 기판 및 다른 부품에 의해 흡수된다. 더욱이, 돔은 돔 내의 캐비티의 크기에 대해 크기 때문에, 광의 소정의 비율이 일반적으로 굴절된다(일반적으로, 대략 10%). 모든 이들 손실은 비교적 작지만, 이들은 복합적이다. 따라서, LED로부터 원래 발산된 광의 단지 약 57%만이 실제로 라이트 가이드에 도달한다.
본 발명의 실시예에 따른 개별 광학 디바이스는 다른 한편으로는, 소정의 원추각으로 LED(예를 들면, 적색, 녹색 및 청색 LED)로부터 라이트 가이드로 수광된 광의 96%를 제공할 수 있다(약 4% 프레즈넬 손실을 가정함). 따라서, 더 낮은 전력의 LED가 현재의 시스템에서 가능한 바와 동일한 결과를 성취하는데 사용될 수 있거나 또는 더 많은 광이 동일한 전력 소비 레벨에서 전달될 수 있다. 실제로, 몇몇 실시예에서, 라이트 가이드는 요구되지 않을 수 있고, 개별 광학 디바이스를 갖는 LED의 어레이가 LCD를 직접 배경 조명하는데 사용될 수도 있다.
조명 용도로(예를 들면, LCD 또는 다른 용례로), 적색, 녹색 및 청색 LED가 당 기술 분야에 공지되어 있는 바와 같이 백색 또는 다른 컬러 균형 광을 생성하는데 사용될 수 있다. LED의 어레이(예를 들면, 하나의 적색, 하나의 청색 및 2개의 녹색 또는 다른 조합) 및 대응 개별 광학 디바이스가 조명을 위해 백색 또는 컬러 균형 광을 생성하는데 사용될 수 있다. 다른 실시예에 따르면, 단일 개별 광학 디바이스는 백색 광을 생성하기 위해 다중 LED의 어레이에 결합될 수 있다. 예를 들면, 단일의 개별 광학 디바이스가 하나의 적색, 하나의 청색 및 2개의 녹색 LED를 갖는 기밀하게 이격된 어레이에 사용되어 백색 및 컬러 균형 광을 생성할 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예에 따른 개별 광학 디바이스의 다른 가능한 사용은 차량 헤드라이트, 섬광등(flashlight) 및 다른 디바이스이다. 개별 광학 디바이스의 다양한 파라미터는 소정의 투영 원추 및 빔 프로파일을 제공하도록 선택될 수 있다.
도 9는 개별 광학 디바이스(400)가 LED(405)의 측면으로 하향으로 연장하는 개별 광학 디바이스(400)의 다른 실시예의 개략도이고, 이 LED(405)는 개별 광학 디바이스(400)의 바닥에 형성된 캐비티 또는 비어 있는 체적부에 끼워진다. LED의 측면의 전체 또는 일부로 하향으로 연장하는 장점은 사파이어/공기 계면에서의 LED 사파이어 층(415)의 TIR에 기인하여 손실될 수 있는 광선이 이제 개별 광학 디바이스(400)에 진입할 수 있다는 것이다. 이들 광선은 전술된 바와 같이(예를 들면, TIR을 유발하도록 측벽을 성형함으로써) 출구 계면(420)으로 개별 광학 디바이스(400)의 측벽에 의해 반사될 수 있다. LED(405)의 측면이 또한 발산 표면이 될 때, 개별 광학 디바이스(400)의 A1 및 A2는 LED(405)의 상부면에 부가하여 측면을 고려하도록 계산될 수 있다[즉, A1은 입구 표면(430, 435, 440) 및 도시되어 있지 않은 다른 입구 표면의 표면적을 포함할 수 있음]. 다른 실시예에 따르면, A1은 단순히 입구 표면(430)에 대해서만 고려될 수 있고, A2의 크기가 계산되어 이어서 부가의 광 진입 입구 표면(435, 440) 및 다른 입구 표면을 고려하도록 약간 조절될 수 있다.
개별 광학 디바이스(400)는 개별 광학 디바이스(400)와 유사하거나 동일한 IOR을 갖는 폴리머 또는 다른 재료를 사용하여 LED(405)에 결합될 수 있다. 개별 광학 디바이스(400)가 LED(405) 상부에 배치될 때, 폴리머 또는 다른 재료는 개별 광학 디바이스(400)와 LED(405) 사이의 공기 공간을 완전히 충전하도록 작용할 수 있다. 과잉의 재료가 개별 광학 디바이스(400) 및 LED(405)의 접합부로부터 밀려나오면, 재료는 개별 광학 디바이스(400)의 측벽 표면을 지향하는 광의 형상을 유지하기 위해 여전히 유체 상태로 제거될 수 있다.
개별 광학 디바이스(400)는 LED(405)보다 실질적으로 클 수도 있다. 따라서, 부가의 지지체가 진동, 충격 및 외력에 대항하여 이를 고정하는데 요구될 수도 있다. 따라서, 기계적 부착 디바이스(443)(예를 들면, 성형 플라스틱, 금속 또는 다른 재료의)가 개별 광학 디바이스(400)의 출구 표면(420) 또는 다른 부분에 접촉하고 지지 구조체(445) 또는 PCB 기판에 부착되어 수직력을 생성하여 개별 광학 디바이스(400)를 LED(405)에 대해 안착 유지할 수 있다. 횡방향 움직임은 부착 디바이스(443)와 출구 표면(420) 사이의 마찰력에 의해 또는 부착 디바이스(443)와 개별 광학 디바이스(400) 사이의 다른 힘에 의해 방지될 수 있다. 바람직하게는, 부착 디바이스(443)는 개별 광학 디바이스(400)와 동일한 IOR을 가져 개별 광학 디바이스(400)를 나오는 광선은 이들이 부착 디바이스(400)를 통과할 때 일탈하지 않는다. 일 실시예에서, 개별 광학 디바이스(400) 및 부착 디바이스(430)는 단일 부품일 수 있지만, 다른 실시예에서 이들은 개별 부품일 수 있고 상이한 IOR을 가질 수 있다. 부착 디바이스(430) 및 개별 광학 디바이스(400)가 분리되면, 이들은 디바이스의 더 견고하고 정확한 정렬을 위한 범프 또는 리지와 같은 상호 체결 위치 설정 특징부를 포함할 수 있다. 부착 디바이스(443)는 접합 대신에 또는 접합에 부 가하여 사용될 수 있다. 부착 디바이스(443)는 렌즈, 재료의 층 또는 출구 표면(420)을 나오는 광이 이를 통해 통과되는 다른 면과 같은 면(446)을 포함할 수 있다. 따라서, 부착 디바이스는 부가적으로 출력 빔을 성형하거나 또는 더 규정하도록 작용할 수 있다. 부착 디바이스(443)는 도 9[LED(405)가 끼워지는 캐비티를 갖는 개별 광학 디바이스(400)의 일 실시예를 도시하고 있음]에 예시적으로 도시되어 있지만, 부착 디바이스(443)는 또한 도 1에 도시되어 있는 실시예를 포함하지만 이에 한정되는 것은 아닌 개별 광학 디바이스 및 LED의 다른 실시예와 결합하여 사용될 수도 있다[즉, 편평한 바닥을 갖는 개별 광학 디바이스(10)가 LED(15)에 직접 결합됨].
몇몇 경우에, 인광체(또는 다른 재료층)가 LED(405)로부터 백색 광을 생성하게 하는 것이 바람직할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 인광체의 층은 개별 광학 디바이스(400)가 LED(405) 상부에 배치되기 전에 입구 표면(430, 435, 440)에 코팅될 수 있다. 다른 실시예에 따르면, 인광체 층은 출구 표면(420)을 코팅할 수 있거나 또는 개별 광학 디바이스(400)의 임의의 평면 내에 매립될 수 있고, 또는 전술된 바와 같이 인광체 층은 부착 디바이스(443)의 부분일 수 있다. 또 다른 실시예에 따르면, 인광체 층은 출구 표면(420)과 인광체 층 사이에 공기 갭을 갖고 개별 광학 디바이스(400)의 외부에 있을 수 있다. 이 경우에, 개별 광학 디바이스(400)의 측벽은, 인광체 층으로부터 재산란된 광이 개별 광학 디바이스(400)에 재진입되고 부분적으로 또는 완전히 재순환되도록 설계될 수 있다.
다른 경우에, 인광체가 접합 폴리머 내에 있을 수 있다. 개별 광학 디바이 스(400)는 입구 표면(430)으로부터 출구 표면(420)으로 연장하는 통로(450)를 가질 수 있다. 개별 광학 디바이스(400)는 소정량의 재료가 사출될 수 있게 하기 위한 충분한 공간을 갖고 LED(405) 상에 배치될 수 있다. 인광체가 주입된 폴리머와 같은 이 재료는 유동 통로(450)를 통해 사출되어 개별 광학 디바이스(400)를 LED(405)에 접합할 수 있다. 투명한 폴리머 또는 개별 광학 디바이스(400)의 대부분에 사용된 재료와 유사한 재료가 이어서 유동 통로(450) 내에 사출되어 개별 광학 디바이스(400)를 중실이 되게 할 수 있다[즉, 유동 통로(450)를 충전함].
전술된 바와 같이, 개별 광학 디바이스[예를 들면, 개별 광학 디바이스(10) 및 개별 광학 디바이스(400)]의 측벽은, 측벽의 내부면에 입사된 광이 TIR에 기인하여 출구 표면에 반사되도록 성형될 수 있지만, 다른 실시예는 반사기에 의한 반사에 의존할 수 있다. 도 10은 LED(505)에 결합된 개별 광학 디바이스(500)의 일 실시예의 개략도이다. 개별 광학 디바이스(500)는 출구 표면(520) 및 입구 표면(530)을 포함한다. 도 10의 예에서, 개별 광학 디바이스(500)의 측벽[예를 들면, 측벽(540) 및 측벽(545)]은 니켈 또는 알루미늄과 같은 임의의 적합한 반사 재료로 형성될 수 있는 반사 코팅(550)을 포함할 수 있다. 측벽 형상은 측벽에 입사된 모든 광선 또는 대부분의 광선을 출구 표면(520)에 반사하기 위한 반사 코팅(550)으로부터의 반사에 의존하여 선택될 수 있다. TIR을 사용하여 존재하지 않을 수 있는 흡수에 기인하는 몇몇 손실이 존재할 수 있지만, 반사 코팅의 사용은 제조 관점으로부터 덜 복잡할 수 있다. 부가적으로, 반사 표면의 사용은 광선이 임계각보다 큰 각도에서 측벽을 타격해야 하는 필요성을 제거하여, 측벽 형상의 디 자인에 있어서 더 많은 자유도를 허용한다.
몇몇 용례에서, 적층된 개별 광학 디바이스가 사용될 수 있다. 도 11은 개별 광학 디바이스(560) 및 개별 광학 디바이스(565)를 포함하는 적층된 개별 광학 디바이스의 일 실시예의 개략도이다. 일 실시예에 따르면, 인광체(또는 전술된 바와 같은 다른 재료)의 층이 개별 광학 디바이스(560)의 출구 표면과 개별 광학 디바이스(565)의 입구 표면 사이에 배치될 수 있다. 인광체(570)의 층은 예를 들면 인광체가 매립된 폴리머 재료의 층을 포함할 수 있다. 폴리머 재료는 개별 광학 디바이스(560)의 출구 표면의 에지를 지나 연장될 수 있고, PCB, 지지 기판 또는 다른 베이스에 부착될 수 있는 부착 메커니즘(예를 들면, 레그 또는 다른 메커니즘)을 포함할 수 있다. 이 경우, 폴리머 재료의 층은 전술된 것과 같은 부착 디바이스의 부분이다. 다른 실시예에서, 다른 유형의 재료가 개별 광학 디바이스 사이에 배치되거나 어떠한 재료도 개별 광학 디바이스 사이에 배치되지 않는다.
일 실시예에 따르면, 개별 광학 디바이스(560)가 더 높은 IOR을 가질 수 있고 개별 광학 디바이스(565)가 더 낮은 IOR을 가질 수 있고, 또는 개별 광학 디바이스(560)가 더 낮은 IOR을 가질 수 있고 개별 광학 디바이스(565)가 더 높은 IOR을 가질 수도 있다. 다른 실시예에서, 개별 광학 디바이스(565) 및 개별 광학 디바이스(560)는 동일한 IOR을 가질 수 있다.
도 12는 개별 광학 디바이스(600)의 다른 실시예의 개략도이다. 개별 광학 디바이스(600)에서, 높이[입구 표면(605)과 출구 표면(610) 사이의 거리]는 그 점 에서의 단면의 경사각(θs)(619)에 따라 변경된다. θs=0은 일 측면의 중간으로부터 대향 측면의 중간까지 개별 광학 디바이스를 가로질러 취한 단면에 대응한다. 이는 도면 부호 620으로 나타내고 있고, 45도의 경사각은 도면 부호 622로 나타내고 있다.
일 실시예에 따르면, 정사각형 개별 광학 디바이스의 최대 높이(예를 들면, 전술된 바와 같이 결정됨)는 θs=45±n*90도를 갖는 단면 섹션에서 발생하고, 여기서 n은 정수이다. 달리 말하면, 최대 높이는 대각선(도면 부호 622로 나타내고 있음)에서 발생한다. 최소 높이는 θs=0±n*90에서 발생한다. 가변 높이 개별 광학 디바이스의 다른 실시예가 또한 형성될 수 있다.
개별 광학 디바이스는 다양한 방식으로 형성될 수 있다. 예를 들면, 캐비티를 형성하는 측벽 및 단부면을 포함하는 부분적으로 완성된 개별 광학 디바이스의 어레이가 연속적인 어레이(예를 들면, 계란 상자와 유사한 외관)로 성형될 수 있다. 이는 예를 들면 사출 성형에 의해 수행될 수 있다. 이 어레이는 이어서 LED의 대응 어레이 상에 배치될 수 있고, 캐비티 내부의 체적은 유전 재료로 충전된다. 어레이의 측벽은 선택적으로 반사 재료로 코팅될 수 있다. 다른 실시예에서, 어레이는 열가소성 시트의 진공 성형, 금속 시트(이는 완성된 개별 광학 디바이스의 반사 코팅일 수 있음)의 인발 다이 성형 또는 당 기술 분야에 공지되거나 개발되어 있는 다른 적합한 방법에 의해 형성될 수 있다. 또한, 어레이는 대응 LED 상에 배치될 수 있고 캐비티는 유전 재료로 충전되어 개별 광학 디바이스를 완성한 다.
상기 실시예에서, 개별 광학 디바이스는 LED의 상부의 적소에 LED와는 별도로 성형되어 있다. 다른 실시예에서, 개별 광학 디바이스는 통상의 성형 또는 다른 기술을 사용하여 LED와는 별도로 미리 성형될 수 있다. 이 경우에, 개별 광학 디바이스는 LED를 수용하기 위한 캐비티를 포함할 수 있다. LED 및 개별 광학 디바이스는, 전술된 바와 같이 폴리머 또는 다른 접합제를 사용하여 함께 접합될 수 있고, 부착 디바이스를 사용하여 함께 유지될 수 있거나 또는 서로 작동적인 관계로 다른 방식으로 배치될 수 있다.
본 발명이 특정 실시예를 참조하여 설명되었지만, 실시예는 예시적인 것이고, 본 발명의 범주는 이들 실시예에 한정되는 것은 아니라는 것이 이해되어야 한다. 전술된 실시예의 다수의 변형, 수정, 추가 및 개량이 가능하다. 예를 들면, 제공되어 있는 다양한 범위 및 치수는 예로서 제공된 것이고, 본 발명에 따른 광학 디바이스는 다른 치수를 사용하여 다른 범위 내에서 작동 가능할 수도 있다. 이들 변형, 수정, 추가 및 개량은 이하의 청구범위에 상세히 설명되어 있는 바와 같은 본 발명의 범주 내에 있는 것으로 고려된다.

Claims (36)

  1. 개별 LED에 결합하도록 작동 가능한 개별 광학 디바이스로서,
    상기 개별 광학 디바이스가 상기 개별 LED에 결합될 때 상기 개별 LED로부터 광을 수광하는 입구 표면과,
    상기 입구 표면으로부터 대향하여 상기 입구 표면으로부터 일정 거리에 있는 출구 표면으로서, 상기 출구 표면은 상기 개별 광학 디바이스로부터 투영된 광의 소정의 절반각에 대한 복사 휘도를 보존하기 위해 필요한 적어도 최소 면적을 갖는 출구 표면과,
    일 세트의 측벽으로서, 각각의 측벽은 상기 입구 표면으로부터 그 측벽으로의 직선 전달 경로를 갖는 광선의 적어도 대부분이 상기 출구 표면에서의 임계각 이하에서 상기 출구 표면에서의 입사각을 갖고 상기 출구 표면에 반사되도록 위치되고 성형되는 일 세트의 측벽
    을 포함하는 개별 광학 디바이스.
  2. 제1항에 있어서, 상기 출구 표면은 상기 개별 광학 디바이스로부터 발산된 광의 소정의 절반각에 대한 휘도를 보존하는데 필요한 최소 면적을 갖는 것인 개별 광학 디바이스.
  3. 제1항에 있어서, 상기 출구 표면은
    Figure 112008053609612-PCT00018
    인 최소 면적에 적어도 동등한 면적을 갖고, φ1은 상기 입구 표면에 진입하는 광선속이고, φ2는 상기 출구 표면을 나오는 광선속이고,
    Ω1은 광이 상기 입구 표면에 진입하는 유효 입체각이고, Ω2는 광이 상기 출구 표면을 떠나는 유효 입체각이고, A1은 상기 입구 표면의 면적이고, n1은 상기 개별 광학 디바이스의 재료의 굴절율이고, n2는 상기 개별 광학 디바이스의 외부에 있는 물질의 굴절율인 것인 개별 광학 디바이스.
  4. 제3항에 있어서, 상기 LED는 정사각형 형상을 갖고, 광이 상기 출구 표면을 떠나는 유효 입체각은 상기 LED의 정사각형 형상을 고려하도록 결정되는 것인 개별 광학 디바이스.
  5. 제1항에 있어서, 상기 거리는 상기 입구 표면으로부터 상기 출구 표면으로의 직선 전달 경로를 갖는 모든 광선이 상기 출구 표면에서의 임계각 이하인 입사각을 갖도록 하는 최소 거리의 50% 이내이고, 상기 출구 표면의 면적은
    Figure 112008053609612-PCT00019
    에 의해 정의되는 최소 면적의 50% 이내이고, φ1은 상기 입구 표면에 진입하는 광선속이고, φ2는 상기 출구 표면을 나오는 광선속이고,
    Ω1은 광이 상기 입구 표면에 진입하는 유효 입체각이고, Ω2는 광이 상기 출구 표면을 떠나는 유효 입체각이고, A1은 상기 입구 표면의 면적이고, n1은 상기 개별 광학 디바이스의 재료의 굴절율이고, n2는 상기 개별 광학 디바이스의 외부에 있는 물질의 굴절율인 것인 개별 광학 디바이스.
  6. 제1항에 있어서, 각각의 측벽은 상기 입구 표면으로부터 상기 측벽으로의 직선 전달 경로를 갖는 광선의 적어도 80%가 상기 출구 표면에서의 임계각 이하의 상기 출구 표면 상의 입사각을 갖고 상기 출구 표면에 반사되도록 위치되고 성형되는 것인 개별 광학 디바이스.
  7. 제6항에 있어서, 반사된 광선의 적어도 80%가 내부 전반사를 통해 반사되는 것인 개별 광학 디바이스.
  8. 제6항에 있어서, 반사층을 더 포함하고, 각각의 측벽은 광선의 적어도 80%가 상기 출구 표면에서의 임계각 이하의 상기 출구 표면 상에서의 입사각을 갖고 상기 반사층에 의해 상기 출구 표면에 반사되도록 성형되는 것인 개별 광학 디바이스.
  9. 제1항에 있어서, 상기 측벽의 형상은 소정의 강도 프로파일을 생성하도록 선 택되는 것인 개별 광학 디바이스.
  10. 제8항에 있어서, 상기 소정의 강도 프로파일은 대략 균일한 강도 프로파일인 것인 개별 광학 디바이스.
  11. 제1항에 있어서, 상기 개별 광학 디바이스는 단일편의 고체 재료로 형성되는 것인 개별 광학 디바이스.
  12. 제11항에 있어서, 상기 개별 광학 디바이스는 상기 LED의 기판의 굴절율의 20% 이내의 굴절율을 갖는 것인 개별 광학 디바이스.
  13. 제1항에 있어서, 상기 입구 표면 및 상기 출구 표면은 상기 LED와 동일한 형상 및 종횡비를 갖는 것인 개별 광학 디바이스.
  14. 제1항에 있어서, 상기 출구 표면은 상기 입구 표면에 평행하고 상기 입구 표면과 회전식으로 정렬되는 것인 개별 광학 디바이스.
  15. 제1항에 있어서, 상기 입구 표면은 정사각형인 것인 개별 광학 디바이스.
  16. 제1항에 있어서, 상기 개별 광학 디바이스는 실질적으로 정사각형의 균일한 광의 빔을 출력하도록 구성되는 것인 개별 광학 디바이스.
  17. 제1항에 있어서, 상기 개별 광학 디바이스는 복사 휘도를 보존하면서 상기 LED로부터 더 작은 입체각으로 광을 유도하도록 구성되는 것인 개별 광학 디바이스.
  18. 제17항에 있어서, 상기 개별 광학 디바이스는 최대 복사 강도를 제공하도록 구성되는 것인 개별 광학 디바이스.
  19. 제1항에 있어서, 상기 개별 광학 디바이스는 상기 LED가 적어도 부분적으로 끼워지는 캐비티를 적어도 부분적으로 형성하는 부가의 입구 표면의 세트를 형성하는 것인 개별 광학 디바이스.
  20. 개별 LED에 결합하도록 작동 가능한 개별 광학 디바이스로서,
    상기 개별 광학 디바이스가 상기 개별 LED에 결합될 때 상기 개별 LED의 층으로부터 광을 수광하는 입구 표면과,
    상기 입구 표면으로부터 대향하여 상기 입구 표면으로부터 일정 거리에 있는 출구 표면으로서, 상기 출구 표면은 상기 개별 광학 디바이스로부터 투영된 광의 소정의 절반각에 대한 복사 휘도를 보존하기 위해 필요한 적어도 최소 면적을 갖는 출구 표면과,
    일 세트의 측벽으로서, 각각의 측벽은 상기 입구 표면으로부터 그 측벽으로의 직선 전달 경로를 갖는 광선의 적어도 일부분이 상기 출구 표면에서의 임계각 이하에서 상기 출구 표면에서의 입사각을 갖고 상기 출구 표면에 반사되도록 위치되고 성형되고, 각각의 측벽 형상은 다중의 윤곽 표면의 중첩을 나타내는 일 세트의 측벽
    을 포함하고,
    상기 출구 표면의 면적, 거리 및 측벽 형상은 적어도 70% 효율 및 소정의 강도 프로파일을 갖고 10 내지 60도의 절반각으로 광을 투영하도록 선택되는 것인 개별 광학 디바이스.
  21. 제20항에 있어서, 상기 출구 표면의 면적, 거리 및 측벽 형상은 적어도 90%의 효율을 갖고 10 내지 60도의 절반각으로 광을 투영하도록 선택되는 것인 개별 광학 디바이스.
  22. 제20항에 있어서, 상기 출구 표면은
    Figure 112008053609612-PCT00020
    인 최소 면적에 적어도 동등한 면적을 갖고, φ1은 상기 입구 표면에 진입하는 광선속이고, φ2는 상기 출구 표면을 나오는 광선속이고,
    Ω1은 광이 상기 입구 표면에 진입하는 유효 입체각이고, Ω2는 광이 상기 출구 표면을 떠나는 유효 입체각이고, A1은 상기 입구 표면의 면적이고, n1은 상기 개별 광학 디바이스의 재료의 굴절율이고, n2는 상기 개별 광학 디바이스의 외부에 있는 물질의 굴절율인 것인 개별 광학 디바이스.
  23. 제22항에 있어서, 상기 LED는 정사각형 형상을 갖고, 광이 상기 출구 표면을 떠나는 유효 입체각은 상기 LED의 정사각형 형상을 고려하도록 결정되는 것인 개별 광학 디바이스.
  24. 제20항에 있어서, 상기 거리는 상기 입구 표면으로부터 상기 출구 표면으로의 직선 전달 경로를 갖는 모든 광선이 상기 출구 표면에서의 임계각 이하인 입사각을 갖도록 하는 최소 거리의 50% 이내이고, 상기 출구 표면의 면적은
    Figure 112008053609612-PCT00021
    에 의해 정의되는 최소 면적의 50% 이내이고, φ1은 상기 입구 표면에 진입하는 광선속이고, φ2는 상기 출구 표면을 나오는 광선속이고,
    Ω1은 광이 상기 입구 표면에 진입하는 유효 입체각이고, Ω2는 광이 상기 출구 표면을 떠나는 유효 입체각이고, A1은 상기 입구 표면의 면적이고, n1은 상기 개별 광학 디바이스의 재료의 굴절율이고, n2는 상기 개별 광학 디바이스의 외부에 있는 물질의 굴절율인 것인 개별 광학 디바이스.
  25. 제20항에 있어서, 각각의 측벽은 상기 입구 표면으로부터 상기 측벽으로의 직선 전달 경로를 갖는 광선의 적어도 80%가 상기 출구 표면에서의 임계각 이하의 상기 출구 표면 상의 입사각을 갖고 상기 출구 표면에 반사되도록 위치되고 성형되는 것인 개별 광학 디바이스.
  26. 제20항에 있어서, 반사층을 더 포함하고, 각각의 측벽은 광선의 적어도 80%가 상기 출구 표면에서의 임계각 이하의 상기 출구 표면 상에서의 입사각을 갖고 상기 반사층에 의해 상기 출구 표면에 반사되도록 성형되는 것인 개별 광학 디바이스.
  27. 제20항에 있어서, 상기 개별 광학 디바이스는 단일편의 고체 재료로 형성되는 것인 개별 광학 디바이스.
  28. 제27항에 있어서, 상기 개별 광학 디바이스는 상기 LED의 층의 굴절율의 20% 이내의 굴절율을 갖는 것인 개별 광학 디바이스.
  29. 제20항에 있어서, 상기 입구 표면 및 상기 출구 표면은 상기 LED와 동일한 형상 및 종횡비를 갖는 것인 개별 광학 디바이스.
  30. 제20항에 있어서, 상기 출구 표면은 상기 입구 표면에 평행하고 상기 입구 표면과 회전식으로 정렬되는 것인 개별 광학 디바이스.
  31. 제20항에 있어서, 상기 입구 표면은 정사각형인 것인 개별 광학 디바이스.
  32. 제20항에 있어서, 상기 개별 광학 디바이스는 상기 LED가 적어도 부분적으로 끼워지는 캐비티를 적어도 부분적으로 형성하는 부가의 입구 표면의 세트를 형성하는 것인 개별 광학 디바이스.
  33. 개별 LED에 결합하도록 구성된 개별 광학 디바이스로서,
    상기 개별 광학 디바이스가 상기 개별 LED에 결합될 때 상기 개별 LED의 층으로부터 광을 수광하는 입구 표면과,
    상기 입구 표면으로부터 대향하여 상기 입구 표면으로부터 일정 거리에 있는 출구 표면으로서, 상기 출구 표면은
    Figure 112008053609612-PCT00022
    에 의해 정의되는 최소 면적에 적어도 동등한 면적을 갖고, φ1은 상기 입구 표면에 진입하는 광선속이고, φ2는 상기 출구 표면을 나오는 광선속이고, Ω1은 광이 상기 입구 표면에 진입하는 유효 입체각이고, Ω2는 광이 상기 출구 표면을 떠나는 유효 입체각이고, A1은 상기 입구 표면의 면적이고, n1은 상기 개별 광학 디바이스의 재료의 굴절율이고, n2는 상기 개 별 광학 디바이스의 외부에 있는 물질의 굴절율이고, 상기 거리는 상기 입구 표면으로부터 상기 출구 표면으로의 직선 전달 경로를 갖는 모든 광선이 상기 출구 표면에서의 임계각 이하인 입사각을 갖도록 하는 적어도 최소 거리가 되도록 선택되는 출구 표면과,
    일 세트의 측벽으로서, 각각의 측벽은 상기 입구 표면으로부터 그 측벽으로의 직선 전달 경로를 갖는 광선의 적어도 일부분이 상기 출구 표면에서의 임계각 이하에서 상기 출구 표면에서의 입사각을 갖고 상기 출구 표면에 반사되도록 위치되고 성형되고, 각각의 측벽 형상은 다중의 윤곽 표면의 중첩을 나타내는 일 세트의 측벽
    을 포함하고,
    상기 출구 표면의 면적, 거리 및 측벽 형상은 적어도 60% 효율 및 소정의 강도 프로파일을 갖고 10 내지 60도의 절반각으로 광을 투영하도록 선택되는 것인 개별 광학 디바이스.
  34. 제33항에 있어서, 상기 출구 표면의 면적, 거리 및 측벽 형상은 적어도 90%의 효율을 갖고 10 내지 60도의 절반각으로 광을 투영하도록 선택되는 것인 개별 광학 디바이스.
  35. 제33항에 있어서, 상기 출구 표면의 면적은 상기 최소 면적의 5% 이내이고, 상기 거리는 상기 최소 거리의 5% 이내인 것인 개별 광학 디바이스.
  36. 제33항에 있어서, 상기 LED는 정사각형 형상을 갖고, 광이 상기 출구 표면을 떠나는 유효 입체각은 상기 LED의 정사각형 형상을 고려하도록 결정되는 것인 개별 광학 디바이스.
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