KR20150046786A - Led 백라이트용 조명 렌즈 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 대표적인 실시예들은 발광 다이오드(LED) 위에 배치되는 조명 렌즈에 관한 것이다. 조명 렌즈는 LED를 둘러싸고 LED에 의해 방출되는 광을 가로막도록 구성되는 내부 표면을 포함하며, 내부 표면은 아치형 비회전 대칭으로 기다랗게 연장된 수평 단면을 포함한다. 조명 렌즈는 또한 중심 첨단을 포함하는 외부 표면을 포함하고, 외부 표면은 상이한 수평 방향들에서 비축 대칭 프로파일들을 갖도록 측방으로 기다랗게 연장되고, 비축 대칭 프로파일들은 조명 렌즈의 경사진 장축에 대해 타원형이고, 발광 디바이스는 기다랗게 연장된 조명 패턴을 생성하도록 구성된다.

Description

LED 백라이트용 조명 렌즈{ILLUMINATION LENS FOR LED BACKLIGHTS}
본 발명의 대표적인 실시예들은 발광 장치, 평면 표면 광원 장치, 및 더 일반적으로 광학 렌즈라고 알려진 광속 제어 또는 결정적 광 편향 부재에 관한 것이다.
지난 10여 년 동안, 평면 스크린 텔레비전들은 고급 상태(luxury-status)에서 시장의 주류로 완전히 이동하였고, 브라운관(CRT) 텔레비전의 생산은 중단되었으며 오래된 CRT 세트는 주어질 수 없다. 플라즈마 평면 스크린들은 CRT들과 같이 발광 픽셀들을 갖지만, LCD들의 픽셀들은 수동적이고, 그것들을 통과하는 광의 편광을 단순히 회전시키는 역할을 하여, 그것들은 픽셀들이 강도 조절기들의 역할을 하기 위해 2개의 직교 편광자들 사이에 놓여져야 한다. 본래, 평면 스크린 LCD들은 형광관들에 의해 에지 조명된 도파관 기반의 백라이트들을 이용함으로써 이러한 강도를 제공했다. LED들의 밝기 및 효력(efficacy)이 급속히 증가함으로써, 그것들은 에지 조명된 도파관을 유지하면서 형광관들을 대체했다. 그러나, 도파관들은 큰 화면 크기들에 대해서는 두껍고 무거울 수 있으므로, 중공 라이트 박스들을 포함하는 직하형 백라이트들(direct-view area backlights)은 그것의 광들이 라이트 박스의 뒷면에 걸쳐 모두 분산되기 때문에 바람직할 수 있다. 직하형 백라이트들은 각각의 LED 광원 바로 위의 스크린 상에서 핫스팟들을 제거하기 위해 광을 균일하게 확산시킬 수 있어야 하며, 이는 전용 로컬 렌즈들을 갖지 않는 LED들은 달성할 수 없는 것이다.
LED들이 발달함에 따라, 그것의 파워 출력의 증가는 임의의 특정 조명 작업을 수행하기 위해서 점점 더 적은 LED들이 요구되는 것을 의미한다. 특히 일반적인 고선명(high-definition) 텔레비전들의 16:9 비율에서, 영역 백라이트들이 더 적은 LED들을 사용하려고 시도할 때, 그것들의 조명 기하학적 구조는 수개의 방식들로 균일한 조명을 달성하는 것이 더욱 어렵게 될 수 있다.
첫째, LED들 사이의 중간 위치들은 세번째 파워 드롭 오프(third-power drop-off)에 대한 코사인에 영향을 받을 수 있으며, 이는 심지어 60°오프-축에서 8:1 비율이다. 이것은 전형적인 LED들의 더 적은 측방 강도에서 그 이상일 수 있다. 둘째, 조명 렌즈는 사출 성형 렌즈 재료의 고유한 결함들로 인해, 불가피한 산란에 영향을 받을 수 있으며, 그것은 광도가 증가함에 따라 더 중요해 진다. 이것은 렌즈가 생성하는 직사광 패턴 상에 핫 스팟들을 중첩시킬 수 있어, 중심 암부(dark zone)를 갖는 그 패턴의 보상을 요구한다.
일부 어플리케이션들에서, 이러한 불리한 요인들은 LED와 비교하여 조명 렌즈의 상대 크기를 증가시킴으로써 처리될 수 있다. 그러나, LCD 백라이트들은 두께가 1인치 이하일 수 있어, 렌즈 크기를 심하게 제한한다. 또한, 이러한 얇은 기하학적 구조는 렌즈에 의한 광 산란의 강도를 증가시킨다.
LED 백라이트들은 LCD들, 진열용 냉장 조명, 및 일반 조명(조명 기구들)을 포함하는 수많은 어플리케이션들에 사용된다. 이러한 응용들 전부는 LED 광원들 사이의 간격보다 훨씬 더 작은 투사 거리(패널 두께)를 갖는다. LED들은 준-램버시안 방식으로 방출하므로, 발산 렌즈는 방출된 광을 큰 측방 영역에 걸쳐 외부로 확산시키기 위해 사용된다. 이것은 LED 광원의 전방 방출 각도 분포를 대부분의 측면 방출 각도 분포로 수정할 수 있는 렌즈에 대한 필요성을 야기한다. 종래 기술은 회전 대칭을 갖는 해결법들에 거의 전적으로 집중했다. 이러한 해결법들 중 일부는 1차원에서 거의 이상적인 균일성을 예측하지만, 에탕듀(etendue), 구체적으로 그것의 비대칭도에 의해 그것들이 2차원들에서 거의 이상적인 균일성을 달성하는 것이 기본적으로 제한된다.
LED 백라이트들에서, LED들을 지지하는 회로 보드들은 보드 상의 LED들의 피치보다 더 큰 거리에 의해 분리될 수 있다. 이것은 조명 렌즈가 비대칭 또는 직사각형 패턴을 생성하는 것을 요구할 수 있으며, 이는 광이 어떻게 직사각형의 긴 단부 쪽으로 수평 편향되어야 하는 것인지에 대하여 LED의 거의 원형 패턴의 위상 불일치로 인해 그 이상의 어려움들을 추가한다.
조명 렌즈들의 어레이는 중간 위치들에 대한 그것의 패턴들을 중첩시킬 수 있지만, 백라이트의 에지 주위에 조명의 잠재적인 결손을 생성할 수 있다. 라이트 박스는 그것의 에지들 주위에 반사 거울 또는 45°사면(beveling)을 포함할 수 있지만, 비용적 이유들로 인해 이것은 비실용적일 수 있다. 백라이트들은 둘레 주위에 45°사면을 이용할 수 있으며, 이는 적은 LED들이 어떻게 사용되고 조도 균일성을 여전히 획득할 수 있는지를 좌우할 것이다.
종래 기술은 스마트폰들뿐만 아니라 개인용 컴퓨터들, LCD 텔레비전 세트들, 태블릿 디스플레이들에서 사용되는 LCD 모니터를 백라이팅하기 위한 조광 수단으로서 복수의 LED들을 사용하는 표면 광원 디바이스를 구성하는 방법을 개시한다. 미국 특허 제7,798,679호는 이러한 아키텍처의 예를 개시한다. 그것에 교시된 표면 광원 디바이스는 결정적 방식(deterministic manner)으로 LED들로부터 방출되는 광을 벗어나게 하도록 설계된 렌즈들과 함께 복수의 LED들을 사용하며; 더욱이, 이러한 조명 요소들은 그것이 조명하는 LCD 패널과 실질적으로 동일한 형상을 갖는 평면 어레이에 위치된다. 그 다음, 이러한 표면 광원 디바이스는 LCD의 배면 측으로부터 LCD 디바이스를 조명한다.
'679 특허는 LCD 스크린 상에 양호한 균일성을 달성하기 위해 50°- 70°범위에서 LED들로부터 방출되는 광을 벗어나게 할 때, 렌즈 외주 및 그것 내부의 베이스에서 원치 않는 프레넬 반사들과 직면될 수 있는 것을 개시한다. 이것은 LCD 백라이트 디스플레이에서 비균일성을 야기하는 2차 밝은 광원들을 초래할 수 있고 렌즈의 하단 표면으로부터 이러한 원치 않는 광을 랜덤하게 산란시키는 패시트 구조(faceted structure)를 도입함으로써 어느 정도 보상될 수 있다.
미국 특허 제8,227,969호는 다양한 타입들의 광 산란 하단 표면 특징들 및 플럭스 제어 및 광 전환 렌즈들의 패시트 하단 표면을 구성하는 법을 결합하는 것을 고려한다. 선형 및 대각선 구조들의 볼록 및 오목 패시트들은 이러한 여러가지 패시트 타입들 상에 거칠게 에칭된 표면들을 포함하는, 피라미드 산란 패시트들로 또한 모델링된다. '969 특허는 렌즈 특징의 효과적인 확산 하부가 없이는, 굴절 렌즈들이 양호한 LCD 스크린 균일성을 산출할 수 없는 것을 개시한다.
미국 특허 제8,328,395호는 강한 프레넬 반사들을 무산시키는 패시트 처리와 함께, 인쇄 회로 보드(PCB)에 부착되는 렌즈 레그 부착들의 크기 및 배치의 중요성을 개시한다. '395 특허는 축 대칭 렌즈 형상들을 위해, 원치 않는 프레넬 반사들의 일부를 제거하기 위해 레그 부착들을 매우 특정한 공간 위치들에 전략적으로 배치하고 그러한 레그들을 광 도체들로서 이용하고, 심지어 원치 않는 광 흡수를 증가시키는 레그들의 흑화를 포함하는 점을 개시한다.
본 발명의 대표적인 실시예들은 16:9 스크린 기하학적 구조들을 갖는 패널들에 대해서도 우수한 LCD 스크린 균일성을 달성하기 위한 비축 대칭 내부 캐비티를 갖는 비축 대칭 렌즈를 제공한다.
본 발명의 추가적인 특징들은 이하의 설명에서 진술될 것이고, 부분적으로 설명으로부터 분명할 것이거나, 본 발명의 실시에 의해 습득될 수 있다.
본 발명의 대표적인 실시예는 발광 다이오드(LED) 상에 배치되는 조명 렌즈를 포함하는, 발광 디바이스를 개시한다. 조명 렌즈는 LED를 둘러싸고 LED에 의해 방출되는 광을 가로막도록 하는 내부 표면을 포함하며, 내부 표면은 아치형으로 비회전 대칭이고, 기다랗게 연장된 수평 단면을 포함한다. 조명 렌즈는 또한 중심 첨단(cusp)을 포함하는 외부 표면을 포함하고, 외부 표면은 상이한 수평 방향들에서 비축 대칭 프로파일들을 갖도록 측방으로 연장되고, 비축 대칭 프로파일들은 조명 렌즈의 경사진 장축에 대해 타원형이고, 발광 디바이스는 기다랗게 연장된 조명 패턴을 생성하도록 구성된다.
본 발명의 대표적인 실시예는 또한 기판 상에 배치되는 발광 요소 및 발광 요소 상에 배치되는 광속 제어 부재를 포함하는 발광 장치를 개시한다. 광속 제어 부재는 기판 상에 배치되는 하단 표면 섹션, 발광 요소 바로 위의 위치에서 하단 표면 섹션에 배치되며 내부 오목부를 포함하는 비회전 대칭 입사 표면, 입사 표면 섹션을 통과하는 광을 굴절시키고, 광을 외부로 투과시키도록 구성되는 비회전 대칭 출사 표면, 및 하단 표면 섹션으로부터 돌출되고 기판과 접촉하는 적어도 2개의 레그 섹션들을 포함한다.
전술한 일반적 설명 및 이하의 상세한 설명 둘 다는 대표적인 것이고 설명을 위한 것이며, 청구된 바와 같은 본 발명의 추가 설명을 제공하도록 의도된다는 점이 이해되어야 한다.
도 1a는 광 방출 외부 표면의 비축 대칭 형상을 도시하는 본 발명의 대표적인 실시예의 평면도이다.
도 1b는 x 방향에 따른 상기 대표적인 실시예에서의 측면도이고 x 방향에서 본 내부 캐비티의 단면도를 도시한다.
도 1c는 y 방향에 따른 상기 대표적인 실시예에서의 측면도이고 내부 캐비티의 비축 대칭을 도시한다.
도 1d는 +x 방향을 따라 본 도 1a의 단면도이고 상기 대표적인 실시예에서 LED로부터 방출되는 광선이 받는 입사 표면 및 출사 표면에서의 굴절을 도시한다.
도 1e는 도 1d에서와 같이 동일한 도면이지만 LED를 떠나는 광선들의 빔이 대략 50°를 초과할 때 렌즈 내부에 발생하는 프레넬 반사들을 도시한다.
도 2는 본 발명의 대표적인 실시예에 따른 라이트 박스의 일부에서의 2개의 렌즈들의 측면도이다.
도 3은 본 대표적인 실시예에 따른 비대칭 렌즈 포맷을 위해 레이아웃되는 라이트 박스 내의 렌즈들의 직사각형 어레이의 평면도이다.
도 4는 본 발명의 대표적인 실시예에 따른 렌즈의 하단 표면 상에 미세 피라미드 패시트 구조의 평활 작용(smoothing effect)을 갖지 않는 출력 조명의 등고선 지도이다.
도 5는 +x 방향을 따라 볼 때, 본 발명의 대표적인 실시예에 따른 렌즈의 내부 및 외부 둘 다에서의 프레넬 반사된 광선들을 도시한다.
본 발명은 이하 본 발명의 실시예들이 도시되는 첨부 도면들을 참조하여 더 완전히 설명된다. 그러나, 본 발명은 많은 상이한 형태들로 구체화될 수 있고 본 명세서에 진술된 실시예들에 제한되는 것으로 해석되지 않아야 한다. 오히려, 이러한 실시예들은 이러한 개시가 철저하도록 제공되고, 본 발명의 범위를 당해 기술에서 통상의 기술자들에게 완전히 전달할 것이다. 도면들에서, 층들 및 영역들의 크기 및 상대 크기들은 명확성을 위해 과장될 수 있다. 도면들에서 유사한 번호들은 유사한 요소들을 나타낸다.
요소들 또는 층이 다른 요소 또는 층 "상에" 있거나 이에 "연결되는" 것으로 언급될 때, 그것은 다른 요소 또는 층 상에 직접 있거나 이에 직접 연결될 수 있거나, 개재 요소들 또는 층들이 존재할 수 있다는 점이 이해될 것이다. 대조적으로, 요소가 다른 요소 또는 층 "상에 직접" 있거나 "직접 연결되는" 것으로 언급될 때, 개재 요소들 또는 층들이 존재하지 않는다. 본 개시의 목적들을 위해, "X, Y, 및 Z 중 적어도 하나"는 X 만으로, Y 만으로, Z 만으로, 또는 2개 이상의 항목들 X, Y, 및 Z의 임의의 조합(예를 들어, XYZ, XYY, YZ, ZZ)으로 해석될 수 있다는 점이 이해될 것이다.
"밑", "아래", "하부", "위", "상부" 등과 같은 공간적인 상대 용어들은 본 명세서에서 설명의 용이성을 위해 도면들에 예시된 바와 같은 한 요소 또는 특징의 관계를 다른 요소(들) 또는 특징(들)에 설명하기 위해 사용될 수 있다. 공간적인 상대 용어들은 도면들에 도시된 배향에 더하여 사용 또는 동작에서 디바이스의 상이한 배향들을 망라하도록 의도된다는 점이 이해될 것이다. 예를 들어, 도면들 내의 디바이스가 반전되면, 이때 다른 요소들 또는 특징들 "아래" 또는 "밑"으로 설명되는 요소들은 다른 요소들 또는 특징들 "위"로 배향될 것이다. 따라서, 대표적인 용어 "아래"는 위 및 아래의 배향 둘 다를 포함할 수 있다. 디바이스는 (회전된 90도 또는 다른 배향들로) 다르게 배향되고 본 명세서에 사용된 공간 관련 기술어들은 적절히 해석될 수 있다.
본 발명의 특징들 및 장점들의 더 좋은 이해는 본 발명의 이하의 상세한 설명 및 첨부 도면들을 참조하여 획득될 것이며, 이는 본 발명의 원리들이 이용되는 예시적인 실시예들을 진술한다.
LED 직하형 백라이트들에 대한 조명 렌즈들은 단초점(short-throw) 조명기들로 분류될 수 있으며, 이는 축 상에서 최소 강도를 갖고, 측방 각도에서 최대 강도를 갖는 렌즈를 사용한다. 따라서, 단초점 렌즈는 LED를 둘러싸는 아크 형상을 갖는 내부 표면 및 측방 강도를 최대화하는 측방 렌즈 두께를 생성하기 위해 외부로 연장되는 외부 표면을 갖는, 최소 중심 두께를 가져야 한다. 입체를 형성하기 위해 중심축 주변에 펼쳐지는 프로파일을 갖는 종래 기술에서 나타내는 렌즈들은 회전 대칭이다. 이러한 렌즈들은 전형적으로, 오목-평면, 오목-오목, 또는 평면-오목 렌즈 형상들을 갖는 그것의 중심에서 음(negative)의 광 파워를 갖는다. 더 큰 균일성을 달성하고 추가적인 자유도들을 제공하기 위해, 본 발명의 대표적인 실시예들에 따른 렌즈는 회전 대칭으로부터 벗어난다. 특히, 순차(ordinal) 방향들 및 대각선 방향들에서의 렌즈 프로파일들은 독립적이다. 그 결과는, 백라이트들의 응용에서, 순차 방향들로부터 대각선들로 광의 일부를 지향시키는 어느 정도 "정사각형의" 렌즈인 것이다.
직사각형 렌즈 패턴은 원형 대칭이 아닌 자유형 렌즈를 사용하여 생산될 수 있어, 그것은 직사각형의 장축의 단부 쪽으로 더 많은 광을 보내고, 그것의 단축의 단부 쪽으로 더 적은 광을 보낼 수 있다. 본 발명의 대표적인 실시예들에서, 내부 표면은 외부 표면보다 더 원형에 가깝지 않고, 외부 표면은 오목 렌즈를 생성하고, 축 상의 출력을 감소시키며 렌즈 바로 위에 미광 핫스팟을 보상하는 중심 첨단(cusp)을 갖는다. 본 발명의 대표적인 실시예들은, LED의 단지 23mm 상에 있는 내부 상단 확산기를 가지며, 1인치만의 두께를 갖는 라이트 박스 내부에 어레이되며 100mm로 보드 상에 이격된 렌즈들(즉, LED들) 및 200mm로 이격된 PCB 보드를 위한 2:1 직사각형과 관련된다.
본 발명의 대표적인 실시예에 따른 발광 디바이스는 도 1a 내지 도 1e를 참조하여 아래에 설명된다.
도 1a는 수직 아치형 내부 표면(11)을 가지며 수평(즉, x축)으로 기다랗게 연장된 내부 캐비티, 및 훨씬 더 큰 외부 볼록 표면(12)를 포함하는, 광속 제어 부재, 또는 더 간단히 명명된 조명 렌즈(10)의 평면도이다. 점선으로된 원(13)은 18mm의 직경을 갖고, 이는 표면(12)이 어떻게 비회전 대칭 외부 표면이 되는지를 도시한다. 내부 표면(11)은 그것의 베이스에서 대략 2.5:1의 길이 대 폭 비율을 가질 수 있다. 외부 표면(12)은 내부 표면(11)의 기다랗게 연장된 단면과 동일한 방향에서 수평으로 기다랗게 연장되고, 대략 16:15의 길이 대 폭 비율을 가질 수 있다.
도 1a에 예시된 본 대표적인 실시예에 따른 발광 디바이스는 발광 요소, 전형적으로 X-Y축의 교차점에 위치되는 LED(도 1a에 도시되지 않음) 및 LED를 둘러싸고 커버하도록 배열되는 광 조명 렌즈(10)를 포함한다. 광축 Z(기준 광축)의 방향은 도시되지 않으나, 오른손 좌표 시스템 XYZ의 Z 축을 따르는 것으로 가정되고, 도 1a의 중심에서 수직으로 나오고 도 1d에 도시된 바와 같이 페이지에 수직인 것으로 가정된다.
나아가, 조명 렌즈(10)는 광축 Z에 대해 비회전 대칭 형상을 갖고, 더욱이 LED로부터의 방사를 수용하는 중심 내부 캐비티는 매우 비대칭적이다. 조명 렌즈(10)는 LED로부터 나오는 광을 LCD 스크린용 LED 백라이트로서 더 유용한 방향으로 재지향시키기 위해, LED로부터 방출되는 광을 광축 Z에 수직인 방향과 더 평행한 방향으로 굴절시킨다.
조명 렌즈(10)는 LED로부터 방출되는 광의 방향을 변경시키는 부재이다. 그러나, 광속 제어 부재(10)는 1.45 내지 1.65의 범위에 있는 굴절률을 갖는 투명 재료로 제조될 수 있다. 게다가, 조명 렌즈(10)는 투명 수지 재료 또는 투명 유리로 제조될 수 있다. 그러한 투명 수지 재료의 예들은 1.49의 굴절률을 갖는 폴리메틸메타크릴레이트(아크릴 또는 PMMA), 1.59의 굴절률을 갖는 폴리카보네이트(PC), 프록시 수지(EP) 등이다.
이제 도 1b 및 도 1c에 주목하면, 조명 렌즈(10)가 내부 표면으로서의 광 유입 표면(11), 외부 표면으로서의 광 유출 표면(12), 중심 첨단(14), 및 광 유입 표면(11)을 광 유출 표면(12) 및 중심 첨단(14)과 상호 연결하는 하단 표면(16)을 갖는 것을 알 수 있다. 조명 렌즈(10)는 그 안에 비어 있는 큰 비대칭의 캐비티 공간을 갖고, LED는 비어 있는 캐비티 공간에 배치된다. LED는 그것의 발광의 중심으로서의 광축 Z를 갖는 그것의 주위들로 광을 방출하는 부재이다. LED는 특별히 제한되지 않고, 종래 LED 칩은 발광 요소로서 사용될 수 있다.
도 1b는 렌즈(10)의 -y 및 +y 축을 따라 취해진 단면도이고, 또한 내부 표면(11) 및 중심 첨단(14)을 갖는 외부 표면(12)을 도시한다.
도 1c는 +y 방향에서 본 조명 렌즈(10)의 -x 및 +x 축을 따라 취해진 단면도이고, 또한 도 1b와 비교되는 바와 같이 큰 비대칭의 내부 표면(11) 및 중심 첨단(14)을 갖는 외부 표면(12)을 도시한다. 도 1b 및 도 1c는 본 대표적인 실시예에 따른 발광 디바이스의 단면도들을 예시한다. 본 대표적인 실시예에 따르면, 광 방향은 내부 표면(11), 외부 표면(12), 및 중심 첨단(14) 모두에서 변화되므로, 광축 Z의 주변에서 볼록 형상(즉, 중심 첨단(14))으로 외부 표면(12)을 형성하는 것이 가능하다. 중심 첨단(14)은, 예를 들어, 외부 표면(12)의 최대 높이의 대략 5/6 높이에 배치될 수 있다. 내부 표면(11)은 조명 렌즈(10)의 최대 높이의 대략 55%인 중심 정점 높이를 가질 수 있다.
도 1d는 +x 축을 따라 본 조명 렌즈(10)의 도면이다. 여기서 LED(1)는 표면(2a)에서 굴절되고 그 다음 그것이 표면(2b)에서 다시 굴절할 때까지 렌즈(10)를 지나 이동하는 광자를 방출한다. 하단 표면(2c)은 내부 캐비티(2a)를 외부 표면(2b)과 연결한다.
도 1e는 대략 50°+ 각도의 경사로, LED(1)를 나가는 광자들의 빔을 도시하는 조명 렌즈(15)의 도면이고, 포인트(P)에서 반사시키는 하단 표면(2c)으로 보내지고, 조명 렌즈(150)를 다시 통과하고, 상단 표면(2)으로부터 출현하여 상단 확산기(6)에 충돌하는 강한 프레넬 반사를 도시하며, 이는 확산기(6) 사에서의 광의 균일한 분포를 어렵게 만들 수 있는 2차 광원을 야기시킨다. 이러한 효과에 대응하기 위해, 도 1e는, 예를 들어, 포인트(P)에서 반사되는 광을 랜덤화하는 거친 표면 및/또는 다중 패시트 피라미드형 확산기일 수 있는 표면(3)을 도시한다. 표면(3) 및 표면(2c)은 또한 동일한 표면일 수 있고, 이러한 확산 구조는 렌즈(15)를 형성하는 사출 성형 금형(tooling)에 포함될 수 있다.
도 2는 라이트 박스(20)의 측면도이며, 서브섹션은 95%를 초과하는 확산 반사율을 갖는 고반사성 확산 백색 재료로 코팅된 하단 표면(21) 및 측방 벽들(22)을 포함하고, 라이트 박스의 최단부들에서 측방 벽들(22)은 45°사면으로 경사질 수 있다. 상단 표면 필름 스택(23)은 수평으로 배치되고, 더 낮은 확산기 시트, 수평(x축)으로 정렬된 프리즘들을 갖는 프리즘 시트, 및 최상면 편광 반사층을 포함할 수 있다. 필름 스택은 상향 진행 광의 반 이상을 아래의 백색 하단 표면(21)으로 다시 확산 반사시키며, 이는 차례로 그것을 다시 상향으로 반사시켜, 필름 스택(23)으로부터 위로 진행하는 광의 전체 균일성을 향상시킨다. 위에 설명된 바와 같은 조명 렌즈들(10)과 실질적으로 유사한 렌즈들(24)은, 고선명 텔레비전 스크린의 수평 장축인 x방향을 따라, 회로 보드(25) 상에서 100mm 떨어져서 위치된다. 또한 비대칭 내부 캐비티의 장축은 200mm 방향에 수직이도록 배향되는 점을 도 2로부터 주목한다.
도 3은 도 2에 도시된 바와 같은 렌즈들(24)의 공간 배열을 도시하며, 표면 영역이 대략 700mm×400mm인 전형적인 32인치 LCD 텔레비전 세트에 대해, 장 방향에 걸치는 6개의 렌즈들(24) 및 400mm 방향을 걸치는 렌즈들의 3개의 행이 있을 수 있다는 점을 주목한다. PCB 재료가 렌즈들의 하단으로부터 또는 일부 경우들에서 원치 않는 프레넬 반사들을 흡수하는 것을 돕기 위해 어두운 녹색 또는 검정 컬러일 수 있거나, 몇몇 예들에서 고 흡수성의 검정 페인트로 코팅된 하단 표면을 갖는 렌즈로 백라이트 패널이 제조될 수 있는 점이 주목되어야 한다. 더욱이, 미리 결정된 컷아웃 홀들을 갖는 백색 또는 고반사 확산 재료의 큰 시트는 PCB들(31)을 덮고, 렌즈들(24)이 그것을 통해서 관통하는 것을 허용할 것이다. 렌즈들(24)은 렌즈들(24)로부터 직사각형 발광 패턴을 최적으로 분산시키기 위해 렌즈들(24)을 PCB(31)에 대한 제자리에 영구적으로 부착하고 비회전 대칭 내부 캐비티가 정확하게 배향되는 것을 보장하도록, 그것의 하단으로부터 그리고 PCB 기판으로 연장되는 2개 이상의 레그들(도시되지 않음)을 갖는다.
도 4는 도 1에 도시된 조명 렌즈(10) 및 서울 반도체 주식회사에 의해 제조된 125-루멘(lumen) LED에 대해, 상업용 광선 추적 패키지 포토피아에서의 1000만-광선 시뮬레이션의 럭스(lux) 결과들을 도시하는, 등고선 지도(40)의 투시도이다. 이러한 그래프는 도 2에 도시된 라이트 박스(20)의 필름 스택(23)의 맨 위에 이르는 럭스 레벨들을 표시한다. x축(41) 및 y축(42)은 밀리미터로 눈금이 매겨진다. 범례(43)는 중심에 위치되는 렌즈에 대한 다양한 조명 럭스 존들을 도시한다. 이러한 등고선 지도(40)는 하단 표면 확산기 또는 패시트 피라미드 어레이가 조명 균일성을 개선하기 위해 부여하는 평활화(smoothing)에 우선한다.
도 5는 프레넬 반사된 광선들의 거동을 도시하는 광선 다이어그램이다. 도 1의 조명 렌즈(10)와 실질적으로 동일한 렌즈(50)는 내부 표면(51) 및 외부 표면(52)을 갖는다. 진단 방사 광선 팬(53)은 좌표 원점(O)(LED 칩의 위치)에서 내부 표면(51)으로 진행하는 광선들을 포함하며, 거기서부터 그것의 플럭스의 일부는 프레넬 광선들(54)이 되기 위해 반사된다. 이러한 광선들은 외부 표면(52)으로 진행하기 위해 외부로 편향되며, 거기서부터 그것의 플럭스의 일부는 프레넬 광선들(55)이 되기 위해 반사되는 반면, 그러한 플럭스의 대부분은 직접 조명 광선들(56)이 되도록 더 외부로 편향된다. 프레넬 광선들의 양 세트들이 광선들(56)에 의해 생성되는 조명 패턴에 원치 않는 추가들을 어떻게 생성할 수 있는지는 도 5에 도시되지 않는다. 프레넬 광선들은 회로 보드에 반사하고(도 1e에서와 같이), 렌즈에 근접한 단거리 패턴을 갖는 국소화된 광원이 될 것이다. 직접 조명 패턴은 프레넬 광선들에 의한 초과 중심 조명을 보상하는 중심 암부를 가지기 때문에, 이것이 렌즈의 상단 중심에 중심 첨단(14)이 있는 이유이다. 렌즈(50)는 미국 특허 제7,674,019호에 교시된 바와 같은 방법을 사용하여 구성되고, 이로써 참고로 전체적으로 포함된다.
도 2에 도시된 좁은 광 박스 기하학적 구조는 렌즈 표면들에 의해 큰 측방 편향을 야기하며, 이는 더 강한 프레넬 광선들을 초래한다. 도 3에 도시된 200 mm 보드 간격은 도 2의 필름 스택(23)에 이르는 광선들의 매우 큰 입사 각도들을 일으킨다. 강한 측방 강도는 충분한 렌즈 높이에 의해 획득될 수 있지만, 그러한 높이는 라이트 박스(20)의 원하는 두께에 의해 제한되며, 이는 렌즈(24)의 이격과 비교하여 LED들 상의 필름 스택(23)의 높이를 매우 중요한 파라미터로 만든다. 본 명세서의 대표적인 실시예들에 따라 개시된 크기보다 더 큰 렌즈를 제조하는 것은 필름 스택 타겟의 근접으로 인해, 문제를 오히려 키우게 될 수 있다.
본 발명의 대표적인 실시예들은 외부 렌즈 형상들뿐만 아니라 비축 대칭 렌즈 캐비티들을 사용하는 것을 개시한다. 이러한 내부 및 외부 렌즈 표면들이 조정될 때, 방출된 방사 광선 패턴은 더 새로운 타입의 LCD 디스플레이들을 위한 바람직한 16:9 구조에 더 가까이 접근할 수 있다. 게다가, 회전 대칭 렌즈들이 획득할 수 있는 동일한 작업을 수행하기 위해, 더 적은 LED들의 사용이 요구될 수 있으며, 이는 본 발명의 대표적인 실시예들에 따른 고유 비회전 대칭(자유형 또는 애너모픽(anamorphic)) 아키텍처가 이용될 때, 더 낮은 제조 비용 및 더 적은 LED들 및 렌즈들을 통한 절감을 허용한다.
다양한 수정들 및 변형은 본 발명의 사상 또는 범위로부터 벗어나는 것 없이 본 발명에서 이루어질 수 있다는 점이 당해 기술에서 통상의 기술자들에게 분명할 것이다. 따라서, 본 발명은 그들이 첨부된 청구항들 및 그것의 균등물들의 범위 내에 있다면, 본 발명의 수정들 및 변형들을 망라하도록 의도된다.

Claims (11)

  1. 광원에 의해 방출되는 광을 가로막도록 구성되는 내부 표면으로서, 아치형 비회전 대칭이고, 기다랗게 연장된 수평 단면을 포함하는 상기 내부 표면; 및
    중심 첨단을 포함하며, 상이한 수평 방향들에서 비축 대칭 프로파일들을 갖도록 측방으로 연장되는 외부 표면을 포함하고, 상기 비축 대칭 프로파일들은 상기 조명 렌즈의 경사진 장축에 대해 타원형인 조명 렌즈.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 조명 렌즈의 내부 표면 단면은 그것의 베이스에서 2.5:1의 길이 대 폭 비율을 갖는 조명 렌즈.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 외부 표면은 상기 내부 표면의 기다랗게 연장된 수평 단면과 동일한 방향으로, 수평으로 기다랗게 연장되고,
    상기 외부 표면은 16:15의 길이 대 폭 비율을 갖는 조명 렌즈.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 중심 첨단은 상기 외부 표면의 최대 높이의 5/6 높이에 배치되는 조명 렌즈.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 내부 표면은 상기 외부 표면의 최대 높이의 55%인 정점 높이를 갖는 조명 렌즈.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 조명 렌즈는 1.45 내지 1.65 범위의 굴절률을 갖는 투명 재료를 포함하는 조명 렌즈.
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 조명 렌즈는 상기 내부 표면 및 상기 외부 표면을 상호 연결하는 하단 표면을 더 포함하고,
    상기 하단 표면은 상기 내부 표면으로부터 프레넬 반사들을 흡수하도록 구성되는 조명 렌즈.
  8. 청구항 7에 있어서, 상기 하단 표면은 텍스처된 부분, 다중 패시트 피라미드형 요소들의 어레이를 포함하는 확산 부분, 또는 상기 텍스처 부분 및 상기 확산 부분 둘 다를 포함하는 조명 렌즈.
  9. 기판 상에 배치되는 발광 요소; 및
    상기 발광 요소 상에 배치되는 광속 제어 부재를 포함하며,
    상기 광속 제어 부재는,
    상기 기판 상에 배치되는 하단 표면 섹션;
    상기 발광 요소 바로 위의 위치에서 상기 하단 표면 섹션에 배치되며 내부 오목부를 포함하는 비회전 대칭 입사 표면 섹션;
    상기 입사 표면 섹션을 통과하는 광을 굴절시키고, 광을 외부로 투과시키도록 구성되는 비회전 대칭 출사 표면; 및
    상기 하단 표면 섹션으로부터 돌출하고 상기 기판과 접촉하는 적어도 2개의 레그 섹션들을 포함하는 발광 장치.
  10. 상기 청구항 9의 발광 장치;
    상기 광속 제어 부재의 출사 표면 섹션의 측면 상에 배치되는 광 확산 부재; 및
    상기 기판 상에 배치되는 반사 확산 시트를 포함하고, 상기 반사 확산 시트는 상기 광속 제어 부재로부터 방출된 광이 빠져나오는 것을 허용하도록 구성되는 홀을 포함하고, 상기 반사 확산 시트는 상기 광속 제어 부재의 외부에 발생하는 프레넬 반사들을 차단하도록 구성되는 표면 광원 장치.
  11. 상기 청구항 10의 표면 광원 장치; 및
    상기 표면 광원 장치로부터 광을 수용하도록 구성되는 조명 타겟 부재를 포함하는 디스플레이 장치.
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