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KR20090005194A - 피제어 색 혼합용 광 디바이스 - Google Patents

피제어 색 혼합용 광 디바이스 Download PDF

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Publication number
KR20090005194A
KR20090005194A KR1020087028180A KR20087028180A KR20090005194A KR 20090005194 A KR20090005194 A KR 20090005194A KR 1020087028180 A KR1020087028180 A KR 1020087028180A KR 20087028180 A KR20087028180 A KR 20087028180A KR 20090005194 A KR20090005194 A KR 20090005194A
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KR
South Korea
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lens
radius
emitting diode
light emitting
diode assembly
Prior art date
Application number
KR1020087028180A
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English (en)
Inventor
에드워드 베일리
쉐인 하라
Original Assignee
라미나 라이팅, 인크.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 라미나 라이팅, 인크. filed Critical 라미나 라이팅, 인크.
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Abstract

본 발명은 보다 균일한 색 혼합을 생성하기 위해 개선되고 제어되는 색 혼합으로 패키지된 다색 LED 어셈블리를 제공한다. 어셈블리는 다수의 LED 다이들을 봉지하는 봉지재를 오버레이하는 적어도 하나의 렌즈를 포함한다. 렌즈는 상부 면과 바닥 면을 포함하는데, 바닥 면의 컨투어가 다른 방향에 있는 LED 다이들 각각으로부터의 빛을 렌즈의 상부 면 쪽으로 리다이렉트하도록 디자인된다. 렌즈의 컨투어된 형상의 바닥 면은 다수의 LED 다이들 각각으로부터의 빛을 리다이렉트하여, 다수의 LED 다이들의 조도 및 광도 분포가 충분히 오버랩되도록 하고, 여기서 완전 오버랩으로부터의 편향은 평균적인 인간의 눈에는 거의 감지하기 어려운 소정의 양보다 적다.

Description

피제어 색 혼합용 광 디바이스{OPTICAL DEVICES FOR CONTROLLED COLOR MIXING}
본 발명은 광 디바이스에 관한 것으로, 상세하게는 균일 혼색을 위한 피제어 색 혼합을 갖는 다색 광 소스 어셈블리에 관한 것이다.
본 출원은 미국 특허법 111(b)에 따라 2006년 4월 18일 출원된 가출원 60/792,885에 대해 우선권을 주장하며, 그 내용을 여기에 포함시킨다.
여러 공개문헌들을 포함하는 다수의 참고자료가 본 발명의 설명에서 인용되고 검토된다. 그러한 참고자료의 인용 및/또는 검토는 본 발명의 개시를 명확히 하기 위한 것일 뿐, 그러한 참고자료가 본 발명에 대한 종래기술로 인정하는 것은 아니다. 이 명세서에 인용되고 검토되는 모든 참고자료는 그들 전체로서 여기에 포함되며, 각 참고자료는 동일한 정도까지 각각 참고로서 포함된다.
발광 다이오드(LED)들은 통신과 계측에서 가정, 자동차 및 비쥬얼 디스플레이 용도에 이르기까지 증대되는 다양한 응용에서 광원으로서 사용되고 있다. 이러한 응용들 중 많은 부분에서, 색 제어는 이점이 있고, 또한 요구되고 있다. LED들은 색 가변 응용들에 유망한데, 이는 그것들의 빠른 스위칭 타임, 작은 사이즈, 높은 신뢰도, 긴 수명, 그리고 색 제어의 간단함 때문이다. 흔한 색 가변 LED 어셈블 리는 RGB 어셈블리에 적색, 녹색 및 청색(RGB) LED 들을 결합한다. 색은 각각의 다른 색 LED의 출력들을 변화시킴으로써 제어되고 변경될 수 있다.
그러나, 종래의 RGB 어셈블리들을 포함해서 종래의 멀티-컬러의 LED들은 색 혼합이 좋지 않다. LED 다이가 상당한 열을 발산하기 때문에, LED 다이는 열 방출을 위해서 보통 넓게 공간배치된다. 그 결과, 다른 색의 다이가 멀리 떨어지게 되고, 그리고 보는 사람들은 다른 시야각에서 다른 개별 색들을 보게 될 수 있다.
종래의 RGB 어셈블리(10)의 개략적 단면도인 도1은 조잡한 색 혼합을 이해하는데 유용하다. 어셈블리(10)는 적색, 녹색 및 청색 LED 다이(11R,11G,11B)를 포함하고, 각각은 마운팅 베이스(12)에 배치되고 투명 돔(13)에 봉지된다. 다이는 베이스(12)에서 면 공동(cavity) 내에 마운트될 수 있다. 예시된 특정 배열에서, 다이(11G)의 녹색 광은 어셈블리의 좌측 상의 시야각들을 지배하고, 다이(11B)의 청색 광은 우측으로부터의 시야를 지배하고, 그리고 다이(11R)의 적색 광은 중앙 시야를 지배한다. 각 색들의 열악한 조도 오버랩과 열악한 광도 오버랩이 모두 있다. 조도는 인간의 눈에 인지되는, 단위 면적당 면에 입사하는 전체 광 플럭스로 정의된다. 광도는, 인간 눈의 민감도에 대한 표준 모델에 기초하여, 특정 방향으로 광원으로부터 방사되는 파장-가중 파워의 크기로 정의된다.
종래 기술에서 색 혼합을 개선하려는 시도들은 외부에 부착된 보조 광학계를 포함한다. 그러한 디바이스들은 파리 눈 렌즈릿 어레이들, 홀로그래픽 확산기, 마이크로렌즈 패턴들, 그리고 스캐터 디바이스들을 포함한다. 이들 디바이스들은 굴절기들(refractors), 반사기들(reflectors) 또는 시준기들(collimators)에 부착될 수 있다. 다른 그러한 부착물들은 내부 반사(TIR) 적분기들과 미러 적분기들(mirror integrators)을 포함하고, 이들은 그것들의 각 출구 틈에서 색들의 오버랩을 개선한다.
모든 그러한 보조 광학 디바이스들은 몇몇 불편함을 갖고 있다. 외부 디바이스들은 집적된 조명기구 응용들을 위해서는 부피가 크고 다루기 힘들다. 보조 광학 디바이스들은 빛을 더 넓은 빔으로 확산시킴으로써 색 혼합을 개선할 수 있지만, 빛이 확산될 때 광도가 에텐듀(etendue) 및 왜도(skewness) 불변 법칙에 따라 떨어진다. 에텐듀는 광학계의 속성인데, 그것은 빛이 영역과 각에서 어떻게 확산하는가를 특징짓는다. 이것은 고강도 협분포 응용에는 바람직하지 않다. TIR 또는 미러 적분기들은 광원으로부터 특정 거리에서 광도의 일부 또는 전부를 완전한 오버랩까지 회복시킬 수 있지만, 그 소스로부터 다른 거리들에서는 매칭이 열악하다. 어떤 타입의 TIR 미러 적분기들에 대해, 다른 색 소스들의 조도 분포 함수는 충분히 오버랩될 수 있지만, 그들의 대응하는 광도 분포 함수는 충분히 오버랩되지 않는다. 그러한 환경에서, 색들은 다시 소스들로부터 더 먼 거리에서 분할된다. 다른 상황에서, 광도 분포는 충분히 오버랩될 수 있지만, 조도 분포는 그렇지 않는데, 이로인해 소스들이 보여지는 플레인의 중앙 근처에서 가시적인 하나의 색으로 결과되고, 한편, 다른 색들은 플레인의 주변 근처에서 보다 가시적이며, 그 결과적 조도 분포는 불스아이(bull's eye)의 외관을 갖는다.
이와 같이, 다색 어레이에 의해 생성된 빛은 방사된 광 빔 내의 어디에서든 보다 균일한 혼색을 만들어내는 것이 바람직하다. 따라서, 개선 및 피제어 색 혼합 을 갖는 다색 LED 어셈블리가 필요하다.
본 발명의 한 예는 피제어 색 혼합을 위해 패키지된 다색 발광 다이오드의 어셈블리를 제공한다. 그 어셈블리는 기판 상에 마운트된 다수의 LED 다이를 갖는 열전도성 마운팅 기판을 포함한다. 다수의 LED 다이는 함께 하나의 색 이상의 빛을 방사한다. 또한, 다수의 LED 다이를 에워싸는 광 투과성 봉지재(encapsulant)가 포함된다. 봉지재는 면 공동(cavity)을 채운다. 따라서, 어셈블리는 봉지재를 커버하는 상부면과 바닥면을 갖는 적어도 하나의 렌즈를 포함하고, 렌즈의 바닥면은 다른 방향으로 렌즈의 상부면을 향해서 다수의 LED 다이 각각으로부터의 빛을 리다이렉트하는(redirect) 컨투어(contour)를 포함한다. 컨투어된 형상의 렌즈 바닥면은 다수의 LED 다이 각각으로부터의 빛을 리다이렉트하여, 다수 LED 다이의 광도 분포와 조도가 충분히 오버랩되고, 여기서 완전 오버랩으로부터의 편향은 보통 인간의 눈에는 감지되기 어려운 소정의 양보다 적다. 소정 양은 다수 LED 다이에 의해 함께 방사되고 혼합된 색들에 대한 색도 챠트 상에 그려진 맥아담 엘립스(MacAdam ellipse)의 영역 내에 들어간다.
컨투어된 바닥면은 마이크로렌즈릿 어레이를 포함하는데, 이는 미세면 거칠기 규정(microsurface roughness prescription), 마이크로-파리의 눈 렌즈릿(micro-fly's eye lenslet) 어레이에 의해 규정될 수 있는데, 또한 보로노이(Voronoi) 렌즈릿 어레이 구조를 갖는다. 렌즈의 상부면은 다수의 표준 형상을 갖는 면에 의해 규정될 수 있다. 렌즈에는 굴절적 또는 반사적 마이크로파티클들이 임베디드될 수 있다. 반사적 마이크로파티클들이 임베디드되어 있다면, 그 마이크로파티클들은 LED들에 의해 방사된 빛에 대한 도파관처럼 작용하는 마이크로터널들을 생성하도록 배열될 수 있다. 렌즈는 다수의 돌출부(lobe)들로 구성될 수 있다. LED 다이를 에워싸는 봉지재는 그 자체가 반사기에 의해 에워싸일 수 있다. 렌즈는 또한 제2 반사기에 의해 에워싸일 수 있다. 제2 반사기는 다수의 랜덤하게 건드려진 마이크로패싯들로 구성될 수 있다. 봉지재와 렌즈는 RXI 집광기(concentrator)/시준기(collimator)에 의해 에워싸일 수 있는데, 여기서 RXI는 반사적(R), 굴절적(X), 그리고 전 내부 반사(Total Internally Reflecting)(I) 면들의 결합들을 말한다.
본 발명은 첨부한 도면들과 함께 아래에 제시된 예시적 실시예의 상세한 설명으로부터 보다 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
도1은 종래 RGB LED 어셈블리의 개략적 단면도이다.
도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 다색 LED 어셈블리의 예시적 개략 단면도이다.
도3은 도2의 다색 LED 어셈블리에 대한 조도 대 공간량의 이상적 플롯(ideal plot)인데, 여기에 각 LED에 대한 커브들(curves)의 거의 완전한 오버랩이 있다.
도4는 도2의 다색 LED 어셈블리에 대한 광도 대 각의 이상적 플롯인데, 여기에 각 LED에 대한 커브들(curves)의 거의 완전한 오버랩이 있다.
도5는 도2의 다색 LED 어셈블리에 대한 색도 챠트인데, 맥아담 엘립시스를 보여주고 있다.
도6은 도2의 다색 LED 어셈블리에 대한 맥아담 엘립시스에 기초하여 허용가능한 색 균일도를 결정하기 위한 원하는 메트릭을 얻는 단계들을 보여주는 플로우 챠트이다.
도7은 본 발명의 다른 실시예에 따른, 미세면 거칠기 규정을 적용하는 다색 LED 어셈블리의 측면도이다.
도7A는 쇼울더 포인트가 있는 및 없는 양방향 면 분포 함수(BSDF: Bidirectional Surface Distribution Function)의 그래프이다.
도8A-8C는 도7의 다색 LED 어셈블리의 면에서 산란할 때, 미세면 거칠기 규정을 적용하는 면을 통과하는 입사 광선으로부터 에너지가 어떻게 분포되는 지를 보여주는 다이아그램들이다.
도9는 도7에 이용된 광 추출 렌즈의 밑면의 위쪽 평면도인데, 다른 MSR 규정들이 렌즈의 다른 "영역들(zones)"에 대해 어떻게 디자인될 수 있는 지를 보여준다.
도10은 도7의 LED 광 어셈블리와 함께 사용된 광 추출 렌즈의 측면도인데, 여기서 렌즈는 구면 형상(spherical shape)을 갖는다.
도11은 도7의 LED 광 어셈블리와 함께 사용된 광 추출 렌즈의 측면도인데, 여기서 렌즈는 구면 반경과 원추 계수 형상을 함께(spherical radius plus conic constant shape) 갖는다.
도12는 도7의 LED 광 어셈블리와 함께 사용된 광 추출 렌즈의 측면도인데, 여기서 렌즈는 반경, 원추 계수 및 비구면 형상(aspherical shape)을 함께 갖는다.
도13은 도7의 LED 광 어셈블리와 함께 사용된 광 추출 렌즈의 측면도인데, 여기서 렌즈는 반경, 원추 계수, 비구면 형상, 그리고 일반 다항식 형상을 함께 갖는다.
도14는 도7의 LED 광 어셈블리와 함께 사용된 광 추출 렌즈의 사시도인데, 여기서 렌즈는 글로벌 제르니커 변형(global Zernike deformation)에 따른 형상을 갖는다.
도15는 도7의 LED 광 어셈블리와 함께 사용된 광 추출 렌즈의 사시도인데, 여기서 렌즈는 다수의 다른 제르니커 변형들에 따른 형상을 갖는다.
도16은 NURBS(Non-Uniform Rational B-Spline)에 의해 규정된 면들로 연결된 다수의 제르니커 다항식 렌즈릿 셀들로 형성되는 렌즈 형상의 예시이다.
도17은 도7의 LED 광 어셈블리와 함께 사용된 전 내부 반사(TIR) 광 추출 렌즈의 측면도이다.
도18은 도7의 LED 광 어셈블리와 함께 사용된 광 추출 렌즈의 측면도인데, 여기서 렌즈는 NURBS 방정식에 의해 규정된다.
도19는 도7의 LED 광 어셈블리와 함께 사용된 광 추출 렌즈의 측면도인데, 여기서 렌즈는 TIR 렌즈와 프레넬 렌즈의 결합이다.
도20은 도7의 LED 광 어셈블리와 함께 사용된 굴절적 광 소자(DOE) 광 추출 렌즈의 측면도이다.
도21은 도7의 LED 광 어셈블리와 함께 사용된 쌍원추 광 추출 렌즈의 측면도 로서, z-x 평면에 도시되고, 그리고 구면 + 원추 계수 A의 형상을 갖는다.
도22는 도7의 LED 광 어셈블리와 함께 사용된 쌍원추 광 추출 렌즈의 측면도로서, z-y 평면에 도시되고, 그리고 구면 + 원추 계수 B의 형상을 갖는다.
도23은 도21 및 도22의 쌍원추 광 추출 렌즈의 사시도인데, 2개의 다른 구면 반경과 2개의 다른 원추 계수 A와 B의 사용을 예시하고 있다.
도24는 도7의 LED 광 어셈블리와 함께 사용된 카트오발(cartoval) 광 추출 렌즈의 측면도이다.
도25는 도7의 LED 광 어셈블리와 함께 사용된, 유전체 전 내부 반사 집광기(DTIRC) 면을 갖는 광 추출 렌즈의 측면도이다.
도26은 도7의 LED 광 어셈블리와 함께 사용된, 초점 공유 타원 집광기 면을 갖는 광 추출 렌즈의 측면도이다.
도27은 도면에 도시된 기하학적 솔리드(geometric solid)의 등치선들(isolines)을 가진 도7의 LED 광 어셈블리와 함께 사용된, 다 초점 파라볼릭 집광기 면을 갖는 광 추출 렌즈의 z-x 평면에서의 측면도이다.
도28은 도면에 도시된 기하학적 솔리드(geometric solid)의 등치선들(isolines)을 가진 도7의 LED 광 어셈블리와 함께 사용된, 다 초점 파라볼릭 집광기 면을 갖는 광 추출 렌즈의 z-y 평면에서의 측면도이다.
도29는 도7의 LED 광 어셈블리와 함께 사용된, 다 초점 파라볼릭 집광기 면을 갖는 광 추출 렌즈의 x-y 평면에서의 위쪽 평면도이다.
도30은 도7의 LED 광 어셈블리와 함께 사용된, 다 초점 파라볼릭 집광기 면 을 가진 광 추출 렌즈의 x-y 평면에서의 위쪽 평면도로서, 여기서 각 파라볼라는 복합렌즈를 생성하기 위해 회전된다.
도31은 본 발명의 다른 실시예에 따른, 마이크로-파리의 눈 렌즈릿 어레이를 사용하는 다색 LED 어셈블리의 측면도이다.
도32는 도31의 다색 LED 어셈블리의 아래쪽 사시도이다.
도33은 도31의 다색 LED 어셈블리의 아래쪽 평면도로서, 육각형 렌즈릿들을 사용하고 있다.
도34는 도31의 다색 LED 어셈블리의 아래쪽 평면도로서, 정사각형 렌즈릿들을 사용하고 있다.
도35는 도31의 다색 LED 어셈블리의 사시도로서, 렌즈릿 어레이에 가해진 글로벌 변형을 갖는 직사각형 렌즈릿들을 사용하고 있다.
도36은 도31의 다색 LED 어셈블리의 아래쪽 평면도로서, 랜덤하게 분포된 원형 렌즈릿들을 사용하고 있다.
도37은 본 발명의 다른 실시예에 따른, 보로노이 셀 렌즈릿 규정을 사용하는 다색 LED 어셈블리의 위쪽 평면도로서, LED들 위에 관심 지점을 보여주고 있다.
도38은 보로노이 셀 렌즈릿 규정을 사용하는 다색 LED 어셈블리의 위쪽 평면도로서, 도37의 렌즈릿 어레이를 위한 LED들 위에 관심 지점과 구축된 다각형 보로노이 렌즈릿들을 보여주고 있다.
도39는 도38의 보로노이 셀 렌즈릿 규정을 사용하는 다색 LED 어셈블리의 위쪽 평면도로서, 아래의 LED 공동과 위의 광 추출 렌즈 재료 사이의 굴절률 차이가 존재하는 상황에서 결과하는 렌즈릿들을 보여주고 있으며, 여기서 렌즈릿 지오메트리(lenslet geometry)는 제르니커 변형을 포함할 수 있다.
도40은 적분 광 추출 렌즈 상의 보로노이-푸아송 규정의 모자이크 오버레이에 대한 예의 위쪽 사시도이다.
도41은 본 발명의 다른 실시예에 따른, 광 추출 렌즈에 임베디드된 구형의 굴절적 구면을 사용하는 다색 LED 어셈블리의 측면도이다.
도42는 본 발명의 다른 실시예에 따른, 광 추출 렌즈에 임베디드된 반사적 파티클들을 사용하는 다색 LED 어셈블리의 측면도이다.
도43은 광 추출 렌즈에 임베디드된 반사적 파티클들을 사용하는 다색 LED 어셈블리의 사시도인데, 여기서 파티클들은 본 발명의 다른 실시예에 따른 직사각형 반사기 터널을 생성하도록 방향이 맞추어진다.
도44는 광 추출 렌즈에 임베디드된 반사적 파티클들을 사용하는 다색 LED 어셈블리의 사시도인데, 여기서 파티클들은 본 발명의 다른 실시예에 따른 원형 반사기 터널을 생성하도록 방향이 맞추어진다.
도45는 광 추출 렌즈의 위쪽 사시도로서, 여기서 도45에 도시된 실제의 위쪽 면은 색 균일도를 더 개선하기 위해 패싯된 지오메트리를 이용할 수 있는 도10-27의 위쪽 면 디자인들 중 하나로 교체될 수 있다.
도46은 도45의 광 추출 렌즈의 아래쪽 사시도로서, 아래쪽 면 상의 마이크로-렌즈릿 규정들을 보여주고 있다.
도47은 본 발명의 다른 실시예에 따른, 광 추출 렌즈 면에 다수의 렌즈 돌출 부들(lobes)을 사용하는 다색 LED 어셈블리의 위쪽 평면도이다.
도48은 LED들을 에워싸고 있는 반사기를 사용하는 다색 LED 어셈블리의 측면도이다.
도49는 도48에 도시된 다색 LED 어셈블리의 전형적 램버트 빔 강도 분포의 그래프이다.
도50은 +-30도의 넓은 빔(wide beam)을 생성하기 위해 광 추출 렌즈를 에워싸는 적분 반사기(integrated reflector)를 사용하는 다색 LED 어셈블리의 측면도이다.
도51은 도50에 도시된 다색 LED 어셈블리의 빔 강도 분포의 그래프이다.
도52는 +-30도의 넓은 빔(wide beam)을 생성하기 위해 광 추출 렌즈를 에워싸는 적분 반사기(integrated reflector)를 사용하는 다색 LED 어셈블리의 측면도인데, 여기서 적분 반사기는 광 제어 패싯들을 생성하는 것에 대비하여 슬라이스된다(sliced).
도53은 도52의 다색 LED 어셈블리의 측면도인데, 여기서 제2 반사기가 광 제어 패싯들을 생성하기 위해 수직으로 추가 슬라이스된다.
도54는 도52의 다색 LED 어셈블리의 측면도로서, 각 패싯을 위한 패싯 각 제어 벡터의 구성을 보여준다.
도55는 도54의 패싯 각 제어 벡터들을 이용하여 랜덤하게 건드려진 마이크로 패싯 반사기를 구성하는 단계를 예시하는 플로우챠트이다.
도56은 도54의 패싯 각 제어 벡터들을 이용하여 랜덤하게 건드려진 마이크로 패싯 반사기를 구성하는데 건드림 각을 선택하기 위한 그래프이고, 그리고 각 제어 패싯에 할당된 건드림 각을 갖는 테이블이 도시되어 있다.
도57은 도52의 반사기의 위쪽 사시도로서, NURBS 지오메트리를 이용하여 견고한 전체 형상으로 같이 접합된 결과적인 랜덤하게 건드려진 마이크로패싯들을 보여주고 있다.
도58은 도57의 반사기의 확대도이다.
도59는 도57의 반사기를 사용하는 다색 LED 어셈블리의 광도 분포의 결과적 오버랩의 그래프이다.
도60은 도57의 반사기를 사용하는 LED 광 어셈블리들의 어레이를 도시하고 있다.
도61a-e는 본 발명의 다른 실시예에 따른, RXI 집광기/시준기를 사용하는 다색 LED 어셈블리의 도면들이다.
도62는 도61의 RXI 집광기/시준기를 구성하는 단계들을 예시하는 플로우챠트이다.
첨부된 도면들은 발명의 개념을 예시적으로 설명하기 위한 것일 뿐, 발명의 개념을 제한하는 것으로 사용될 수 없다.
도2를 보면, 본 발명의 일 실시예에 따른, 다색 LED 어셈블리(20)의 개략적인 단면도가 도시되어 있다. 어셈블리(20)는 다른 색 LED들(예를들어, 21R,21B,21G)을 포함하는데, 이들은 다른 색 LED들로부터 방사되는 빛의 개선된 혼 합을 위해 패키지되고 구성된다. 어셈블리(20)는 바람직하게는 금속으로 만들어지는 마운팅 기판(22), 바람직하게는 면 공동(surface cavity)(24)을 정의하는 틈(opening)을 가진 세라믹으로 만들어지는 하나 이상의 피복층(overlying layer)(23)을 포함한다. 다수의 LED 다이(21R,21G,21B)가 공동(24)에 그리고 기판(22)와 열 접촉(thermal contact)에 마운트된다. LED 다이(21)는 바람직하게는 도2에 도시된 바와 같이 기판(22)과 직접 접촉할 수 있다. 선택적으로, LED 다이(21)는 개재하는 열-전도 층(미도시)를 통해서 기판(22)과 열 접촉될 수 있는데, 이는 바람직하게는 LED 다이(21)의 열 팽창 계수와 매칭되고, 이는 기판(22)의 속도와 다른 속도의 팽창 또는 수축으로 인한 다이 상의 스트레스를 줄이기 위한 것이다. 공동(24)은 LED 다이(21)를 에워싸는 광 투과 봉지재(25)로 채워져 있다. 봉지재(25)는 투명(clear) 실리콘, 투명 에폭시 또는 투명 아크릴 캐스팅 레진(casting resin)이 바람직하다.
LED 어셈블리(20)는 상부면(26a)과 바닥면(26b)을 갖는 투명 몰딩 렌즈(26)로 덮혀 있다. 렌즈(26)는 주입 몰드된 폴리카보네이트, 아크릴, 나일론 또는 실리콘으로 만들어지는 것이 바람직하다. 렌즈(26)의 상부면(26a)은 바람직하게는 단순한 구면 형상, 비구면 또는 보다 복잡한 형상일 수 있는데, 이는 아래에서 개시될 주 렌즈(primary optic)의 원하는 방사 패턴에 달려 있다. 몰드된 렌즈(26)의 바닥면(26b)은 색 혼합을 제공하고 제어하며 어셈블리의 광학적 효율을 개선하도록 컨투어되는(contoured) 것이 바람직하다. 특히, 바닥면(26b)은 다른 스펙트럼 컨텐트와 공간 배치를 갖는 색 LED들(예를들어, 21R,21B,21G)에 대한 조도(도3)와 광도 (도4) 분포함수 모두의 거의 완전한 오버랩이 있도록 크기가 맞추어지고 형상화된다. 보다 상세하게는, 도5에 도시된 바와 같이, 색도 챠트 상에 그려진(plotted) 색들의 완전 오버랩으로부터 편향은 맥아담 엘립시스의 크기보다 작은데, 여기서 맥아담 엘립시스(MacAdam ellipses)는 색도 챠트 상의 인간 눈으로는 구별할 수 없는 모든 색들을 포함하는 영역들을 나타낸다. 도5에 도시된 엘립스의 중앙에 있는 색은 엘립스의 주변 내의 또는 상의 다른 어떤 곳의 색으로부터 인간 눈에는 구별되지 않는다.
바닥면(26b)의 정확한 형상은 렌즈나 돔(26)의 사이즈, LED 다이(21)의 수, 각 LED 다이(21)의 사이즈, 그리고 렌즈(26)의 중앙 축에 대한 각 LED(21)의 위치에 의존한다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, LED 다이(21)는 가능한 한 LED의 중앙 축에 가깝게 위치되고, 그리고 렌즈의 바닥면(26b)의 지름은 LED 다이(21)의 어레이에 비하여 상대적으로 크다.
일반적으로, LED 다이(21)는 공동(24) 내에 가까이 함께 위치하여 LED 어레이의 광학적 효율을 높인다. 그러나, 몇몇 환경에서, LED 다이(21)는 원하는 방사 패턴에 의존하여 더 멀리 공간상 떨어지는 것이 광학적으로 이득일 수 있다. 또한, LED 어레이는 하나 또는 다수의 공동들을 포함하는데, 각각은 다른 색들 또는 형광체들의 다수 LED 다이로 채워져 있다.
맥아담 엘립시스에 기초한 허용가능한 색 균일도를 결정하기 위한 메트릭은 도6에 도시된 플로우챠트의 단계들에서 개설된다. 단계 28에서, 강도 분포가 축상 또는 피크 강도의 1/e2 로 떨어지는 대략적 포인트에서 수직 및 수평 분포 극값들 내의 4개의 각 광도 포인트에서 빔의 x,y 색도 샘플들이 취해진. 단계 30에서, 9 포인트 x,y 색도 샘플은 바깥의 주변에서 축상 광도의 최상 포인트까지의 나선에서 취해진다. 단계 32에서, 추가적인 8 포인트 x,y 색도 샘플은 최대치의 중간(FWHM) 포인트에서 거의 전체 폭에서 0,45,90,135,180,225,270,315도 방사상에서 취해진다. 단계 34에서, x,y 색도 샘플들은 u,v 공간으로 변경된다. x,y 색도 공간에서 1960 u,v 공간으로의 변환은 최소한으로 감지되는 색 차이에 이르도록 2개의 색 샘플들 사이의 거리에서 더 가까운 상관을 생성한다. x,y 색도 좌표에서 u,v 좌표로 변환시키는 변형 방정식들은 다음을 포함한다. 즉, u=4x/(-2x+12y+3), v=6y/(-2x+12y+3). 단계 36에서, 맥아담 엘립시스는 샘플로부터 플롯된다(plotted). 단계 38에서, 델타E 파라메터가 계산된다. 델타E는 3자극값으로 특정되는 2개 색 샘플들 사이에서 감지되는 색 차이의 크기에 관한 것이다. 3자극값은 무색 자극을 매칭하는데 필요한 적색,녹색,청색에서 주 자극의 상대적 양들이다. 델타E 파라메터는 2-스텝 맥아담 엘립스보다 적어야 하고, 또는 표준의 최대 필드 색도 차이와 매칭되거나 초과되어야 한다. 맥아담 엘립스는 색도 영역에 관한 것인데, 여기서 인간의 눈은 색에서의 변화를 감지할 수 없다. 인구의 약 65%는 2 표준 편향들 내에서 또는 표준 맥아담 엘립스보다 큰 스텝들 내에서 색도 차이를 감지할 수 있다. 95%는 엘립스로부터 표준 편향들 또는 3-스텝들의 차수에서 차이를 감지할 수 있고, 인구의 99%는 4-스텝들의 차수에서 색 차이를 감지할 수 있다. 미국 국가 표준 기구는 4-스텝 엘립스를 형광등에 대한 최대 색도 차이 허용오차로 지정하고 있다. 미국 국가 표준 기구의 표준은 C78.376-2001이다. 단계 40에서, 이것이 혼합물에 포함될 최종 색이 아니라면, 단계들 32-38이 다른 색에 대해 반복된다. 예를들어, 이 프로세스는 적색+녹색+청색, 또는 청록색, 노란색 및 자홍색에 대해 반복된다. 적색+녹색+청색은 흰색으로 감지되는 색을 생성한다. 형광등과 같은 흰색 소스에 대해 허용가능한 횐색 균일도는 4-스텝 맥아담 엘립스보다 작은 편향을 갖는 색 균일도를 생성한다. 흰색을 생성하기 위해 하나 이상의 혼합된 프라이머리 색을 이용할 때, 때때로 7 또는 8-스텝 엘립스만큼 높게 증가된다. 청록색, 자홍색 및 노란색의 균일도를 분석하는 것은 부가적인 색 균일도 분석의 한 방법인데, 여기서 적색+녹색=노란색, 적색+청색=자홍색, 그리고 청색+녹색=청록색이다. 흰색 빔은 적색, 녹색 및 청색의 가변 결합으로 구성되거나, 또는 흰색으로 감지되는 색을 만들어내기 위해 동시에 모두 턴온되는 대안적 파장 멀티-프라이머리(multi-primary) 소스들로 구성될 수 있다. 흰색으로 감지되는 색은 m 원뿔들의 스펙트럼 응답에 따라 더 많은 녹색을 필요로 한다. 흰색 불균일도는 흰색 광 필드의 색 온도가 인간 눈에 의해 감지되는 가시적 변화를 가질 때 발생하는데, 여기서 일부 영역들은 흰색 복합 내에 더 많은 청색 또는 적색을 가진다. 높은 흰색 균일도를 얻고자 할 때, 분석 프로세스는 추가적인 제한을 포함해야 하는데, 이는 조도 또는 광도 분포들에 걸쳐 x,y 색도 차이 또는 최대 허용 상관 색온도(CCT)에 관하여 추가된다. CCT는 흑체 라디에이터의 온도로 정의되는데, 그것의 인간 감지 색은 시감 샘플(luminous sample)의 색도가 비교되는 흑체 라디에이터의 색도들 중 어떤 것과 완전히 동일하 지 않을 때 동일 밝기에서 그리고 특정 뷰잉 조건들 하에서 주어진 라디에이터의 그것과 가장 가깝게 닮아있다. 공간 조도 및 공간 강도에서 색도 차이들은 바람직하지 않다. LED에서 색 균일도 개선 지오메트리를 집적하는 목적은 측정 필드에 걸쳐 x,y 또는 u,v 좌표에서 측정되는 색도 차이들을 최소화하는 것이다.
본 발명의 한 실시예에서, 도7을 참조하여, 렌즈(26)의 컨투어된 바닥면(26b)은 마이크로-면 거칠기 규정에 따라 도5에 개시된 기준을 충족하도록 디자인되는데, 이것은 봉지재(25)와 렌즈(26) 사이에 마이크로-면 거칠기 인덱스 차이 인터페이스(MSR) 층(42)으로 보여지고 있다. MSR 층(42)은 면 거칠기 특징인데, 이는 봉지재(25)와 렌즈(26) 사이의 미미한 굴절률 차이를 이용하며, 이는 색 LED들(21R,21B,21G)로부터 방사하는 빛의 색 특정 위상을 재분포시키기 위한 것이다. MSR 층(42)은, 빛이 먼 거리에 걸쳐 전파될 때, 색 LED들(21R,21B,21G)로부터 방사하는 빛의 강도를 제어하는 역할을 한다. 예를들어, 한 색 강도가 다른 색에 비해 너무 좁으면, MSR 층(42)의 면은 한 빔의 빛을 확산시켜 다른 빔과 오버랩되게 한다.
MSR 층(42)의 형상을 만드는 각 마이크로구조체들의 컨투어들 또는 구조들은 다수의 디자인 규칙들, 즉 V-공동, 하베이 양방향 면 분포 함수(하베이 BSDF), 각 분해 스캐터, 퐁, 그리고 등방성 및 이방성 스캐터 규정들 모두의 영역들과 결합들을 포함하는 등방성 및 이방성 형태들 모두에서 사용자-정의된 BSDF 등에 의해 규정될 수 있다. V-공동에 대해서, MSR 층(42)은 정면으로 보여질 때 V-형상의 투스들(teeth) 또는 공동들의 집합으로 규정된다. V-공동들은 랜덤하게 분포되고, 그리 고 공동의 슬로프나 피치는 가우시안 정규 분포 함수를 따를 수 있다. 슬로프들은 다음과 같은 테일러 슬로프 분포 함수에 의해 수학적으로 규정될 수 있다.
Figure 112008079579953-PCT00001
여기서, "u"는 균일하게 분포된 랜덤 수이고, "s"는 랜덤 수에 영향받는 슬로프 에러 확귤 분포 함수이다.
MSR 층(42)의 형상을 만드는 각 마이크로구조체들의 컨투어들 또는 구조들을 규정하는 다른 방법은 하베이 BSDF에 의하는 것이다. 하베이 BSDF 함수는 렌즈(26)의 면(26b) 상에 비-랜덤 테일러된 마이크로-구조인데, 이는 MSR 층(42)으로 하여금 광 원으로부터 스캐터된 광선들을 재분포시키는 것을 가능하게 하는데, 이는 구조들이 순수하게 랜덤화되는 경우보다 더 큰 정도로 멀티-LED 광도 및 조도 분포 함수들이 오버랩되는 방식으로 이루어진다. MSR 층(42)의 형상을 규정하는 "등방성 모델"은 다음과 같다.
Figure 112008079579953-PCT00002
Figure 112008079579953-PCT00003
여기서, "B"와 "C"는 LED 다이(21)를 포함하는 면 공동(24)의 기판(22)에 수직으로부터 스캐터의 각의 SIN[], 및 COS[]이다. "B0"와 "C0"는 특정 스캐터의 프라이머리 각의 SIN[],및 COS[]이다. "m"와 "n"은 면 거칠기 불변 파라메터를 정의 한다.
MSR 층(42)의 형상을 만드는 각 마이크로구조체들의 컨투어들이나 구조들을 규정하는 "전 이방성 하베이 모델"은 다음의 함수에 의해 정의될 수 있다.
Figure 112008079579953-PCT00004
여기서, "b"는 최대 BSDF 수직 정반사, 그리고 "f"는 각을 갖는 점근선적 감소이다. I와 I'는 라디안에서 A-A0, 및 B-B0 쇼울더 포인트들이다. 모델에 대한 쇼울더 포인트 상수들의 추가는 BSDF로 하여금 각들의 범위에 걸쳐 확산 스캐터 영역 특성(diffuse scatter zone properties)을 보다 낫게 근사화하게 한다. 도7A를 보라.
일반적으로, 렌즈를 통과하는 광선 번들들의 방향 코사인들에 걸쳐 보다 많은 제어를 제공하기 위해, MSR 규정들은 보다 일반적인 이방성 제어를 필요로 한다. 예를들어, 퐁과 하베이의 결합은
Figure 112008079579953-PCT00005
Figure 112008079579953-PCT00006
여기서, A, A0, B, 및 B0는 쇼울더 스캐터 포인트들이고, pi,qi,a1,b1,ci 및 d1은 이방성 상수들이다. θ와 θ0는 스캐터 및 정반사 각들이다.
정반사 광선은 거울 연마 면을 때리는 광 필드의 샘플링이고, 여기서 반사각 은 입사각과 같다. 다수의 프라이머리 소스들에 대해, 면 거칠기 스캐터는 다음과 같이 하나 이상의 파장 또는 스펙트럼 분포로 정의된다.
Figure 112008079579953-PCT00007
BSDF는 역 입체각의 차원 유닛들을 갖는다.
MSR 층(42)의 형상을 만드는 각 마이크로구조체들의 컨투어들 또는 구조들을 규정하는 다른 방법은 MSR 층(42)의 면에서 전체 적분 스캐터(TIS:Total Integrated Scatter)를 규정하는 "각 분해된 스캐터"에 의하는 것이다. TIS 함수는 진성 면 거칠기, 입사 파장의 외인성 측정 파라메터들, 파장 특정 소소들로부터의 광 방사의 입사 각, 물질 인덱스와 물질의 굴절률 차이 최대치, 그리고 스캐터링 각의 내적으로 정의될 수 있다. 3D 공간에 걸친 적분은 다음과 같은 전체 적분된 스캐터(TIS)를 생성한다.
Figure 112008079579953-PCT00008
여기서, δ는 RMS 면 거칠기, △n은 봉지재(25)와 렌즈(26) 사이의 최대 굴절률 차이와 같고, 그리고 λ는 MSR 층(42)의 면에 입사하는 피크 파장과 같다.
MSR 규정을 가지고도 다색 소스 분포들의 조도 및 광도를 훨씬 더 개선하기 위해서는, 다음과 같은 디자인 스캐터 면을 삽입하는 것이 적절할 수 있다.
Figure 112008079579953-PCT00009
여기서, Fs 는 MSR 면으로부터 방사하는 원하는 스캐터된 광선들의 플럭스이고, F0 는 스캐터 디자인 면으로 들어가는 입사 광선들의 플럭스이고, ρ(θi, φi ,θs, φs) 는 렌즈(26)에 가해진 MSR 층(42)의 스캐터 면(42)의 BSDF이다. A는 스캐터 면 어트랙터(attractor)의 영역이다. 멀티-프라이머리 소스들(LED들 21)에 대해서, "A"는 특정 색의 조도 경계(illuminance periphery)를 정의하는데, 이에 대해 제2 색은 테일러된 거칠기 면 디자인의 적용 후에 매칭되어야 한다. n'은 어트랙터 면을 스캐터하고 때리는데 필요한 원하는 수의 광선들(광 필드의 제1 차수 근사값)을 정의한다. R은 MSR 층(42)의 스캐터 면에서 스캐터 디자인 면까지의 거리를 정의한다.
MSR 층(42)의 형상을 만드는 각 마이크로구조체들의 컨투어들 또는 구조들을 규정하는 또다른 방법은 퐁(phong)에 의한 것이다. 퐁은 브로드 피크 스캐터 모델 또는 로컬 반사 레벨에서 정반사 및 확산 스캐터링 모두의 결합들을 고려하는 모델을 말한다. 퐁 스캐터는 엄격한 몽뜨-카를로 광선추적(Monte-Carto raytracing)과 같은 2차 반사에 대해서는 설명하지 않는다.
도8A-8C는 면으로부터 스캐터될 때 에너지가 입사 광선으로부터 표면을 통과하여 어떻게 분포되는지를 보여주고 있다. 도8A에서, 면(44)은 스캐터링을 거의 나타내지 않는다. 그래서, 결과적인 에너지 스캐터 대 포지션(46)은 좁은-형상의 엘립스를 생성한다. MSR 규정의 랜덤 분포에 대해서(도8B), 광 에너지는 더 큰 영역에 걸쳐 스캐터되지만, 부드러운 원 같은 분포를 생성한다. 도8C를 참조하면, 비- 랜덤하게 분포된 각 면들의 사용자-정의 BSDF 분포를 이용하여, MSR 규정을 갖는 면(47)을 통한 굴절 이후의 통과는 결과적인 에너지 스캐터 돌출부(48)에 대해 최적화되며, 이는 방해받지 않은 빔의 보다 좁은 분포 면에 근접할 수 있다. 검출기에 입사하는 에너지는 랜덤하게 분포된 면 만큼 빨리 감소되지 않아, 빛 확산의 보다 나은 제어가 얻어지고, 그 결과 색 균일도의 보다 나은 제어가 될 수 있다.
사용자-정의 BSDF 함수는 다음의 방정식 내의 A 및 B 계수를 조절하여, 원하는 α와 ε 각 및 스캐터 돌출부 형상과 다음과 같은 폭 계수(width coefficients)를 생성한다.
Figure 112008079579953-PCT00010
A1=등방성 스캐터
A2=램버터 스캐터
A3=가우시안 스캐터
A4=정반사 가우시안 스캐터
A5=역반사의 정도(degree)
α=굴절 각도로부터 참조되는 스캐터 에너지 돌출부의 폭
ε=출구 굴절 각
마이크로면 거칠기 규정은 포워드 하베이, 리트로 하베이, 램버트, 푸아송 분포의 마이크로 특징들, 포워드 퐁, 그리고 리트로 퐁과 같은 함수들에 의해 정의될 수도 있다. 이들 거칠기 또는 스캐터 특징들의 각각은 서로 추가되거나 결합될 수도 있다.
광 방사체를 봉지하는 물질(봉지재 (25))과 렌즈(26) 사이의 굴절률 차이는 매우 중요하다. 굴절률의 큰 차이는 광 추출과 강도 분포에 큰 영향을 미친다. 예를들어, 반도체 광 방사체의 굴절률은 매우 높고(2.4-3.4), 그래서 원하는 봉지재의 굴절률도 높다. 렌즈의 굴절률이 봉지재 굴절률에 매칭하기 위해 증가하면서, 더 적은 빛이 전 내부 반사를 만날 가능성을 가지게 되고, 이로인해 광 방사체에 의해 재흡수되고 있다. 작은 인덱스 차이는 마이크로-면 거칠기 규정의 효율성을 개선하고, 그러나 공간적으로 분포된 광 방사체들(LED들 21)의 조도 및 광도 분포의 거의 완전한 오버랩을 일으키기에는 아직 충분하지 않을 수 있다.
그러한 환경에서, 다른 MSR 규정들이 도9에 도시된 렌즈의 다른 "영역들"에 대해 디자인될 수 있다. 영역들 "49a-49d"는 스트라이프(stripes), 다각형(polygons), 또는 임의 크기 및 분포의 자유 형태의 주변 형상들의 형태를 가질 수 있다. 영역들 "49a-49d" 각각은 최적화된 MSR 규정을 가지는데, 이는 색-특정 조도 및 광도를 오버랩하도록 조절된다. 예를들어, 적색 광 방사체는 가능한 한 많은 빛을 확산하는 MSR 규정을 가질 수 있는데, 한편 그것은 녹색 및/또는 청색 LED 방사체에 대한 규정이 MSR 면을 통과하는 빛의 확산을 최소화하도록 하는 것이 더 바람직할 수 있다.
도7에 규정된 MSR 특징들은 최적화된 렌즈에 적용될 수 있는데, 여기서 렌즈 자체는 빛을 재분포하도록 테일러된 디자인 규정을 가지며, 이는 원격장에서 색 균일도를 개선하기 위함이다. 그러한 렌즈들은 테이블 1에 나열되고 도10-30에 도시 된 형태들에 한정되지 않는 여러 형태들을 취할 수 있다.
렌즈 지오메트리( LENS GEOMETRY ) 　
반경(RADIUS) 도 10
반경 + 원추(CONIC) 도 11
반경 + 원추 + 비구면 계수(ASPHERIC COEFFICIENTS) 도 12
반경 + 원추 + 비구면 + 글로벌 일반 다항식(GLOBAL GENERAL POLYNOMIAL) 도 13
글로벌 제르니커 변형(GLOBAL ZERNIKE DEFORMATION) 도 14
굴절 광학 TIR 렌즈(DIOPTRIC TIR LENS) 도 17
자유형(FREE-FORM) NURBS 정의 TIR 렌즈 도 18
프레넬(FRESNEL) + TIR 렌즈 도 19
회절 광학 엘리먼트 렌즈(DIFFRACTIVE OPTICAL ELEMENT LENS)(DOE) 도 20
바이콘(BICONIC) 도 21
카트오발(CARTOVAL) 도 24
DTIRC 렌즈(DTIRC LENS) 도 25
초점 공유 타원형 집광기(CONFOCAL ELLIPTICAL CONCENTRATOR) 도 26
다 초점 파라볼릭 집광기(MULTI-FOCAL PARABOLIC CONCENTRATOR) 도 27
도10-12의 렌즈들은 광 렌즈 새그(sag) 방정식들로 규정될 수 있다. 새그 함수는 렌즈의 중앙으로부터 거리에 걸쳐 렌즈의 형상 변경을 규정한다. 도10의 "반경" 렌즈와 도11의 "반경 + 원추 계수" 렌즈에 대해, 새그 함수는 다음과 같이 정의된다.
Figure 112008079579953-PCT00011
ρ= 방사상 좌표(radial coordinate)
r = 곡률의 반경(radius of curvature)
c = 원추 계수(conic constant)
도12의 "반경 + 원추 계수 + 비구면 계수" 렌즈에 대해서, 새그 함수는 다음과 같이 정의된다.
ρ= 방사상 좌표(radial coordinate)
r = 곡률의 반경(radius of curvature)
c = 원추 계수(conic constant)
d, e, f, g, h, I, j, k . . . = 비구면 계수(aspheric coefficients)
도13에서, 도12의 렌즈 형상은 3개의 데카르트 좌표에서 nth 차수 일반 다항식을 포함하도록 확장되어, 결과적으로
Figure 112008079579953-PCT00012
가 될 수 있다.
도14에는, 렌즈 형상은 제르니커 다항식들에 의해 규정될 수 있다. 제르니커 다항식들은 일련의 다항식들인데, 이는 단위 디스크에 직교한다. 짝수 및 홀수 제르니커 다항식들이 있다. 짝수 제르니커 다항식들은 다음과 같이 정의된다.
Figure 112008079579953-PCT00013
그리고, 홀수 제르니커 다항식들은 다음과 같이 정의된다.
Figure 112008079579953-PCT00014
여기서, m과 n은 m≥n인 음이 아닌 정수, φ는 라디안인 방위각, 그리고 ρ는 정규화된 방사상 거리이다. 방사상 다항식들
Figure 112008079579953-PCT00015
은 다음과 같이 정의된다.
Figure 112008079579953-PCT00016
n-m 짝수에 대해서, 그리고 n-m 홀수에 대해서는 동일하게 0이다.
m=0에 대해서,
Figure 112008079579953-PCT00017
로 정리되는 짝수 정의가 사용된다.
제르니커 다항식들은 광 원들의 파면들(wavefronts)을 규정하는데 사용될 수 있다. 검안과 안과학에서, 제르니커 다항식들은 이상적인 구면 형상으로부터 각막이나 렌즈의 수차를 규정하는데 사용될 수 있는데, 이것들은 굴절 에러를 일으킨다. 그것들은 망원경들을 위한 적응성 광학에서 흔히 사용되는데, 여기서 그것들은 대기 왜곡을 효과적으로 제거하는데 사용될 수 있다. 현 상황에서, 하나 이상의 제르니커 다항식들이 렌즈의 광 제어 면을 규정하는데 사용될 수 있다. 제르니커 방정식들이 단위 원 내에서 정의될 뿐이기는 하지만, 제르니커 형상을 포함하는 광 제어 영역들은 원형, 직사각형, 육각형, 일반 다각형, 또는 자유형태의 주변 형상들에 의해 렌즈의 틈 동공(aperture pupil)(50)에서 잘려질 수 잇다.
확장으로서, 도15에, 렌즈는 같은 또는 다른 다항식들의 다수의 제르니커 제어 면으로 구성될 수 있다. 도16에는, 렌즈 형상은 NURBS(Non-Uniform Rational B-Spline) 지오메트리에 의해 규정되는 면들(52)로 결합된 다수의 제르니커 다항식 렌즈릿 셀들(51)로 구성될 수 있다. 제르니커 다항식 셀들을 혼합하는데 사용된 NUBRS 면 지오메트리를 규정하는 방정식은 다음과 같다.
Figure 112008079579953-PCT00018
여기서, C(u)는 베지어 커버(Bezier curve)를 나타냄, 여기서, u는 파라메트릭 파라메터이고,
i는 0과 동일한 차수의 베지어 커버를 나타내고,
n은 최대 베지어 커버 차수를 나타내고,
wi는 제어 포인트 가중(weighting) 파라메터를 나타내고,
Pi는 제어 포인트 수를 나타내고, 그리고
Ni ,p(u)는 정규화된 베이스 함수를 나타낸다.
도17에는, MSR 규정은 전 내부 반사 렌즈(TIR)와 결합되어, 렌즈의 상부(127)로부터 방사하는 빛을 같은 방향으로 한다(collimate). 이 타입의 TIR 렌즈는 1994년 9월 1일 발행의 스피굴리스(Spigulis)의 응용광학(Applied Optics), 33권 25호에 설명되어 있는데, 이 전체를 참고자료로 인용한다.
도18에는 렌즈의 제어 면(53)이 NURBS 방정식에 의해 규정되어 있다.
도19는 TIR 렌즈와 프레넬 렌즈의 결합에 의해 규정된 렌즈(26)의 제어 면(54)을 도시하고 있다. 중앙 볼록 면(56)에 의해 야기된 굴절 위상은 지금 프레넬 렌즈(57) 내로 펼쳐지고, 결합 렌즈의 전체 볼륨을 감소시키는 외부 TIR 렌즈 면(58)과 결합된다.
도20은 회절 광학 엘리먼트(DOE) 렌즈와 함께 사용되는 MSR 규정을 도시하고 있다. 엘리먼트를 포함하는 굴절 위상은 광 선의 방향 코사인을 건드려, 광 필드의 가도와 조도 분포를 조작하게 된다. 광 선의 위상은 x,y 및 z 방향에서 단위 방향 벡터들로부터 광선 경로의 편향의 양을 말한다. DOE 렌즈 엘리먼트는 키노형(kinoform) 회절 구조(59)를 통해 생성될 수 있는데, 여기서 그러한 구조들의 액 티브 디멘션들은 빛 파장의 차수에 있다. 다른 실시예에서, DOE 렌즈는 홀로그래픽 패턴의 격자 구조를 이용하여 생성될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 가지각색의 DOE 구조들의 어레이가 생성될 수 있는데, 여기서 DOE 렌즈들 각각은 테일러되어 특정 파장 스펙트럼의 밴드에서 동작하는데, 여기서 빛 전송 효율성이 가장 높다.
도21-23은 쌍원추 렌즈의 다른 뷰들을 도시하고 있다. 도시된 쌍원추 렌즈는 회전적으로 대칭이지만 데카르트 좌표에서 다른 축을 따라 다른 형상을 갖는 2개 이상의 원추 계수-형상의 렌즈들을 결합한다. 그러한 렌즈를 가지고, 빛은 다른 방향으로 보다 한 방향으로 더 많은 빛을 가진 타원형 빔으로 확산된다. 이것은 스트립 LED 빛들에 대해 유용한데, 여기서 색 균일도를 개선시키기 위해 렌즈의 더 긴 축이 다이의 축과 정렬되도록 LED 다이의 어레이는 하나의 축을 따라 정렬된다. 도21은 ZX 축을 따라 돌출된 쌍원추 렌즈를 도시하고 있는데, 그것은 파라볼릭 형상을 가지고 있으며, 한편 도22에서 ZY 축을 따라 돌출된 같은 쌍원추 렌즈는 반원 형상을 갖는다. 도23는 쌍원추 렌즈의 사시도인데, 그것의 상부 면(60)은 방정식에 의해 규정될 수 있다.
Figure 112008079579953-PCT00019
cx는 x 방향에서 계수 가중 팩터이고,
cy는 y 방향에서 계수 가중 팩터이고,
x는 x 방향에서 공간 디멘션이고,
y는 y 방향에서 공간 디멘션이고,
kx는 x 방향 다항식에서 원추 계수이고,
ky는 y 방향 다항식에서 원추 계수이다.
도24는 카트오발 형태의 렌즈와 함께 사용된 MSR 규정을 도시하고 있는데, 그것의 제어 면은 데카르트 좌표에서 다음과 같은 방식으로 규정될 수 있다.
Figure 112008079579953-PCT00020
데카르트 오발 또는 카트오발은 2개의 오발로 구성된 4차 커버이다. b = m2 - n2 , c = m2 + n2 여기서, m과 n은 양의 실수들이고, k는 양이고 항상 실수이다. mr =/- nr' = k, 여기서 r과 r'는 2개 오발들의 초점으로부터의 방사상 거리이다.
도25는 유전체 전 내부 반사 집광기(DTIRC) 면과 함께 사용되는 MSR 규정을 도시하고 있는데, 이는 1987년 1월 15일, 닝(Ning), 윈스톤(Winston) 및 갈라그(Gallager)가 발표한 응용과학 26권 2호의 "유전체 전 내부 반사 집광기들(Dielectric Total Internally Reflecting Concentrators)" 에 설명되어 있는데, 이를 참고자료로 인용한다. DTIRC 면은 다음 세트의 방정식들에 의해 데카르트 좌표에서 설명될 수 있다.
Figure 112008079579953-PCT00021
Figure 112008079579953-PCT00022
x와 y는 시준기나 집광기의 면을 정의하는 공간 좌표들이고, R은 렌즈의 곡률 반경 R=d1/(2sin(phi)), 여기서 d1은 렌즈의 입구 직경, l2 는 출구 굴절 포인트에 대한 시준기 유전체/공기 벽에서 초기 TIR 반사 후 기준 광선의 광 경로 길이이다. H는 DTIRC의 높이이다. Xi와 Yi는 P2,P3 측면 프로파일 상의 포인트의 좌표를 말하는데, 여기서 P3는 입력 반경 구멍이고 P2는 하이퍼볼릭 프로파일 상의 포인트이다. θc 는 TIR 임계각, θ'는 수직축에 대한 기준 광선의 각이다. Xj +1 은 시준기 상에 x 공간 방향으로 다음 연결된 재귀 포인트이다. Yi +1 은 y 공간 방향으로 다음 연결된 재귀 포인트이다.
도26은 미국특허 3,957,031에 개시된 "복합 타원 집광기(CEC:Compound Elliptic Concentrator)" 면과 함께 사용되는 MSR 규정을 도시하고 있는데, 이를 참고자료로 인용한다. 도26에서, CEC 면은 등각 나선으로 형성된 전 내부 반사 벽을 변경하였다. 지오메트리는 제2 타원 초점에 빛을 다시 집광하기 위해 자신에 포개진다. MSR 구조는 다-초점 플레인들을 재분포하여 제2 초점에서 개선된 색 특정 오버랩을 생성하는데, 이것은 다시 멀티-프라이머리 조도 및 강도 분포 오버랩을 개선한다.
도27-30은 다-초점 파라볼릭 집광기(MFPC) 면과 함께 사용되는 MSR 규정을 도시하고 있는데, 이는 필수적으로 도25의 DTIRC 면의 다-초점, 멀티-프라이머리 광학 변수이고, 여기서 파라볼릭 면은 그것의 주 축에 대해 회전되는데, 멀티-다이 방사 디바이스의 다이들 각각은 포물면(paraboloid)들의 하나의 각 초점에 위치된다. 도27은 ZX 평면을 따른 MFPC의 돌출부(projection)이고, 도28은 ZY 평면에 따른 돌출부이다. 도29는 포물면의 초점의 대응하는 하나에서 방사체들을 보여주는 상면도이고, 그리고 도30은 복합 렌즈를 생성하기 위해 회전된 각 파라볼라를 도시하고 있다. MFPC 면은 회전 대칭을 파괴하여 멀티-프라이머리 다이 레이아웃에 매칭한다.
도31-36은 본 발명의 다른 실시예를 도시하고 있다. 도31-36에 예시된 엘리먼트들은 도2-30의 실시예와 연결하여 위에서 설명된 엘리먼트들에 대응하며, 이들은 유사 구조와 기능은 같은 참조번호들과 동일하다.
도31-36에 참조하면, 렌즈(26)의 컨투어된 바닥면(26b)은 마이크로-렌즈릿 어레이에 따른 도6에 개시된 기준을 충족하도록 디자인되는데, 이것은 봉지재(25)와 렌즈(26) 사이의 마이크로-파이의 눈 렌즈릿 어레이 층(62)에서 도시되어 있다. 마이크로-파리의 눈 렌즈릿 어레이 층(62)은, MSR 규정 특징과 같이, 봉지재(25)와 렌즈(26) 사이의 미미한 굴절률 차이를 이용하는데, 이는 색 LED들(21R,21B(미도시),21G)로부터 방사되는 빛의 색 특정 위상을 재분포시키기 위한 것이다. 마이크로 파리의 눈 렌즈릿 어레이 층(62)의 굴절률은 LED들(21R,21B,21G)을 봉지하는 봉지재(25)의 주 굴절률보다 높거나 낮을 수 있다. 마이크로 파리의 눈 렌즈릿 어메 리들은 파리의 복합 눈에 유사한 방식으로 동작한다. 인간 눈의 단일 렌즈는 망막의 와(fovea of retina) 상에 빛을 포커싱한다. 파리의 분할된 복합 눈들은 다수의 렌즈릿을 가지는데, 이들은 많은 봉상체를 통과하여 수광체로 빛을 포커싱한다. 이들 구조체들 또는 낱눈들(ommatidia)은 복합 눈에 걸쳐 분포된다. 마이크로 파리의 눈 렌즈릿 어레이는 유사하게 단일 LED 광원이 다수의 광원들로부터 방사하는 것으로 보이도록 한다. 렌즈릿들(64)은 특정 파장의 빛을 분산시키는 역할을 하는 마이크로-화면(micro-caustics)를 도입함으로써 작용한다.
각 렌즈릿(64)은 다양한 형상을 갖는데, 육각형(도33), 정사각형(도34), 직사각형(도35), 원(반경), 반경+원추 계수, 구면, 자유형 NURBS, 또는 제르니커 다항식 형상의 셀들을 포함하는 임의의 다각형을 포함한다. 도35는 글로벌 변형(global deformation)이 렌즈릿 어레이에 적용될 수 있음을 보여주고 있다. 그 변형은 제르니커 다항식 또는 다른 멀티-축 일반 다항식으로 규정될 수 있다. 도36은 셀들이 랜덤한 형태로 분포될 수 있음을 보여주고 있다.
도37-40은 본 발명의 또다른 실시예에 따른 도31-36의 렌즈릿 어레이 컨셉에 대한 변경을 보여주고 있는데, 여기서 각 다각형 셀은 더 많은 자연적 형태의 렌즈릿들로 대체될 수 있다. 이들 셀들은 보로노이 셀들이라고 불리고, 그것들로부터 만들어지는 마이크로-렌즈릿 어레이는 보로노이 다이어그램의 형상과 전체 분포 및 패턴을 가진다. 보로노이 다이어그램(도38 참조)에서, "n" 포인트들을 갖는 플레인은 볼록 다각형들(셀들)로 분할되어, 각 다각형은 정확히 하나의 생성 포인트(generating point)를 가지며 그리고 주어진 다각형의 모든 포인트는 어떤 다른 것보다 그것의 생성 포인트에 더 가깝다. 보로노이 다이어그램은 때때로 디리슈레 모자이크(Dirichlet tessellation)로 알려져 있기도 하다. 모자이크는 일반적으로 면을 채우는 유사한 또는 동일한 형상들의 반복적 패턴으로 정의된다. 셀들은 디리슈레 영역, 티센 다면체들(Thiessen polytopes), 또는 보로노이 다각형들로 불린다. 각 다각형 영역 내의 포인트는 더 높은 관심의 포이트인데, 여기서 LE 방사체들이 위치된다. 다각형들의 사이즈는 가장 작고, 그리고 다각형들의 분포는 방사체들의 위치들 가까운 영역들에서 가장 밀집되어 있다. 보로노이 또는 디리슈레 모자이크 경계들은 포인트들 사이의 연결들의 직교 이등분선들(orthogonal bisectors)로부터 형성된다. 이등분선들은 3차원 포물면 위로의 돌출 후에 2차원 공간에서 복잡한 헐(hull)의 포인트들을 취함으로서 발견된다. 보로노이 모자이크 경계들을 형성하는 세트에서의 이들 포인트들은 공간 위치에서 통계적 푸아송 분포를 통해 건드려져서, 멀티플 프라이머리들로 구성된 빛을 더 균질화한다. 알고리듬은 프라이머리 색 집중 포인트들을 렌즈릿 형성의 중요 영역들로 두드러지게 한다.
보로노이 렌즈릿 어레이 구조를 구성하기 위해, 도37과 38을 참조한다. 도37에는, 다수의 포인트들(65)이 빛 추출 렌즈 플레인에 멀티-프라이머리 방사체들(LED들 21) 위에 형성된다. 다수 포인트들(65)의 형성은 프라이머리 색이 복합 색을 지배하는 굴절 면 상의 영역들 또는 프라이머리 위상 집중에 의해 결정된다. 가장 좁은 스펙트럼 대역폭을 갖는 영역들은 보로노이 렌즈릿 형성을 위한 중요 영역이 되는 많은 포인트들을 필요로 한다. 그 후, 도38에는, 보로노이 알고리듬은 주변 호들(perimeter segment)(66)의 길이와 결합하는 셀 렌즈릿들(67) 사이의 각 들을 결정한다. 변형은 이후 반경, 반경+원추 계수, 비구면, 제르니커, 또는 자유형태의 NURBS 형태들을 통해서 렌즈릿들(67)에 가해져 원격장에서 색 균일도를 더 개선한다.
도39는 굴절률 차이를 갖는 보로노이 렌즈릿 어레이에 가해지는 광학 파워 변형을 도시하고 있다. 굴절률의 차이는 로컬 광 필드의 각 위상을 건드려 하나의 프라이머리 공간 조도 또는 강도 분포를 제2 공간 조도 또는 강도 분포에 더 밀접하게 상관되도록 하는데 필요하다. 도40은 적분 광 추출 렌즈 상에 보로노이-푸아송 규정의 모자이크 오버레이의 예를 도시하고 있는데, 여기서 보로노이-푸아송 규정의 모자이크 주변은 스텐실(stencil)로 역할하여 렌즈릿 광학 파워 마이크로-변형이 그곳에 대해 생성되어져야 한다. 여기, 6-포인트된 스타(68) 새도우들은 가장 높은 프라이머리(LED 광) 파장 집중의 영역들인데, 이들은 원하는 광도와 조도 분포 멀티-프라이머리 오버랩을 위한 분산을 필요로 한다.
도31-40의 마이크로-렌즈릿 어레이 구조체들은 다수의 변화와 변경을 겪게 된다. 렌즈릿 어레이들을 위한 보로노이-푸아송 구조 또는 마이크로 파리의 눈 구조는 도10-27의 광 추출 렌즈 형태들 중 어떤 것과 함께 사용될 수 있다. 본 발명의 또다른 실시예에 따르면, 굴절 디바이스들로 사용된 구면의 파티클들은 색 균일도를 개선하기 위해 도10-40에 설명된 광 추출 렌즈들 중 어떤 것에 임베디드될 수 있다. 도41은 마이크로-렌즈릿 어레이(62)를 포함할 수 있는 광 추출 렌즈(26)에 임베디드된 마이크로-구면들(70)을 도시하고 있다. 구면 파티클들(70)은 효과적이 되도록 렌즈(26)의 주위 물질(72)로부터 미세하게 다른 굴절률을 필요로 한다. 최 적화 파라메터들은 파티클들(70)의 최적 밀도, 파티클 반경, 그리고 파티클들(70)과 주위 렌즈 물질(72) 사이의 굴절률 차이를 포함하여, 색 균일도를 개선하고 아울러 광 추출을 높게 유지하게 한다. 광 추적을 할 때, 구면 파티클들의 효과는 수정된 미(Mie) 스캐터링 모델을 통해 특징지워질 수 있다. Mie 스캐터링은 동질 매체에서 빛의 파장의 그것과 가까운 임의의 직경의 구면 유전체 파티클들에 의한 빛의 스캐터링을 설명하기 위한 수학적 형식을 말한다. 임의 형상들의 파티클들에 의한 빛의 스캐터링을 계산하기 위해, Mie 근사값은 더 이상 유지되지 않고, 그리고 이산 2극 근사 또는 E.M. 퍼셀(Purcell)과 C.R. 페니패커(Pennypacker)에 의해 제안된 DDA("비구면의 유전체 그레인들에 의한 빛의 스캐터링과 흡수" 천체물리학회 저널, 186:705, 1973)와 같은 더 엄격한 방법이 사용되어야 한다. 변경은 스캐터링 벡터(s)와 임베디드된 파티클의 반경(R)의 내적에 의해 규정될 수 있는데, 여기서 s=2*k*sin(θ/2), 그리고 R=구면 파티클들의 평균 반경이다. 많은 물질들이 파티클(70)과 주위 렌즈 물질(72) 사이의 미미한 굴절률 차이들을 생성하는데 이용될 수 있다. 굴절률들은 공통의 높은 인덱스 실리콘들, 글래스들 및 폴리머들과 유사할 필요가 있다. 테이블 2는 임베디드된 구면 파티클들(70)을 만드는데 사용될 수 있는 물질들에 대한 굴절률을 나열하고 있다. 테이블 2에서, K는 크라운(crown), F는 플린트(flint), H는 납, 비소 및 카드뮴이 없는 글래스를 말하고, 그리고 보다 환경적으로 친숙하게, BaK는 바륨 크라운이고, ZK는 고밀도(dense) 크라운, ZF는 고밀도 플린트이다. 증가하는 수는 증가하는 굴절률을 나타내고, 예를들어 H_BaK2 는 H_BaK6보다 낮은 굴절률을 갖는다.
테이블 2
선택된 물질들 파장=589nm에 대한 굴절률
물질 인덱스
PMMA 아크릴 1.492
스틸렌 1.590
폴리카보네이트 1.584
NAS 1.563
용융(FUSED) 실리카 1.463
K9 1.517
F2 1.630
H_BaK6 1.564
H_ZK6 1.613
H_F4 1.620
H_ZK11 1.639
H_ZF2 1.673
H_ZF3 1.717
H_BaK2 1.540
형석(FLUORITE) 1.387
붕규산염(BOROSILICATE) 1.474
플렉시글라스(PLEXIGLASS) 1.488
석영(QUARTZ) 1.458
사파이어(SAPPHIRE) 1.760
물(WATER) 1.333
지르코니아(ZIRCONIA) 2.173
임의로 형상된 솔리드들(solids)은 광 추출 렌즈 호스트 물질 내에 임베디드될 수도 있다. 그러한 솔리들은 정육면체들(cubes), 20면체들(icosahedrons), 아르키메디언(Archimedean) 솔리드들, 플라토닉(platonic) 솔리드들, 또는 다른 솔리드 형상들을 포함한다. 솔리드들은 제어된 밀도와 부피 사이즈를 가지고 랜덤하게 분산될 수 있고, 또는 보다 제어된 공간 위치들에 위치될 수 있다. 굴절 "더스트(dust)" 또는 마이크로파티클들은 광 추출 렌즈 호스트 물질 내에 분산될 수 있다.
굴절은 프라이머리 컬러 위상 랜덤화에 의하여 색 균일도를 개선하는 유일한 방법은 아니다. 도42에 도시된 본 발명의 다른 실시예에 따른, 반사 마이크로-파티 클들도 하나의 옵션이다. 반사 마이크로-파티클들(74)을 도10-27에 설명된 광 추출 렌즈들의 어떤 것의 호스트 물질(76)에 임베디드될 수 있다. 이상적으로는, 반사 마이크로-파티클들(74)은 백스캐터를 감소시키기 위해 수직으로 방향지워질 수 있다. 반사 마이크로-파티클들(74)은 임의 형상들을 가질 수 있고, 여러 물질들로 구성될 수 있다. 바람직한 실시예에서, 반사 마이크로-파티클들(74)은 가시 파장 영역에서 높은 반사율을 갖는 실버 또는 알루미늄으로부터 만들어질 수 있다. 마이크로-파티클들(74)이 강자성이고, 그래서 호스트 렌즈 물질(76)이 그것의 글래스 전이 포인트에 도달하기 전에 렌즈 물질(76)이 작은 마그네틱 메쉬 필드들의 적용에 의해 아직 녹아 있을 때 반사 마이크로-파티클들(74)의 오리엔테이션이 렌즈(26)의 제조 중에 제어될 수 있다. 일반적으로, 같은 색 균일도 효과를 얻기 위해, 도41에 설명된 마이크로-굴절 파티클들(70)보다 반사 마이크로-파티클들(74)의 밀도가 더 낮게 요구된다.
도43과 44를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따라, 반사 물질들의 마이크로-터널들(77)이 굴절 렌즈 매체 내에 형성될 수 있는데, 이는 도파관에 유사한 방식으로 매체를 통과하는 빛의 색 특정 위상을 방향지우고 오리엔트한다. 마이크로-파티클 반사기 터널들(77)은 임의의 방향 벡터들을 따라 형성될 수 있다. 그러한 마이크로-터널을 만들기 위해서, 반사 마이크로-미러들(78)의 3D 격자가 녹아 있는 동안에 굴절 렌즈 매체 내에 임베디드된다. 마이크로-미러들이 강자성이면, 인가하는 특정 마그네틱 필드들이 격자를 오리엔트하는데, 이는 광 터널들이 광 추출 렌즈 내에 형성되어 빛을 더 방향 잡아주어 색 균일도를 개선하거나 원격장 강 도 분포에 영향을 미치도록 하는 방식으로 이루어진다. 이러한 마이크로-터널 디자인은 도10-42의 광 추출 렌즈 디자인 형태들의 어떤 것에 적용될 수 있다.
도45와 46을 참조하면, 도10-27의 광 추출 렌즈 디자인들은 패싯된 지오메트리(80)를 포함할 수 있는데, 여기서 매끄러운 스플라인 면의 패싯 건드림들은 특정하게 디자인되어 색 균일도를 더 개선한다. 도46은 LED 봉지재 영역(미도시)과 패싯된 광 추출 렌즈(86) 사이의 인터페이스 면(84)에 적용되는 마이크로렌즈릿 어레이들(82)을 도시하고 있다.
도47을 참조하면, 각 광 방사체(21) 상에 중앙이 맞추어지고 디자인된 다수 돌출부들(88)가 단일 광 추출 렌즈(92)로 결합될 수 있다. 광 추출 렌즈(90) 상의 다수 돌출부들(88)는 광 추출을 향상시켜 이전에 설명한 색 균일도 개선 특징들의 몇몇에 의해 생성된 약간의 광 추출 감퇴를 보상한다. 도10-46에서 이미 설명한 색 균일도 개선 특징들 모두가 다수-돌출부 렌즈에 적용될 수 있다.
많은 응용에서, 빛의 더 높은 강도 빔은 종래의 LED 패키지들에 의해 생성된 완전한 램버트 빔보다 더 바람직하다. 램버트 빔은 균일하게 분포된 빔인데, 이는 보름달과 같은 디스크 빛에 의해 생성된다. 램버트 빛 분포에서, 각 함수로서의 광휘(radiance)는 일정하다. 도48을 참조하면, 광 엔진(LED 다이 방사체)의 축상 강도를 증가시키는 하나의 방법은 반사기(94)를 LED 방사체들(미도시)을 둘러싸는 원피스 패키지로 집적하는 것이다. 반사기(94)는 LED 패키지로부터의 광 추출을 개선하고 아울러 빛을 형태지우는 역할을 한다. 반사기가 없는 LED 방사체를 가지고 생성되는 전형적인 램버트 빔들은 중간 최대치 축상 강도에서 +/- 62도 최대 폭(full width)을 갖는다. 도49는 도48에 도시된 LED 패키지 구성을 갖는 전형적인 램버트 빔 강도 분포를 보여주고 있다.
확산의 작은 각도에 걸쳐 빔의 강도를 증가시키기 위해, 반사기(96)는 도50에 도시된 바와 같이 방사체 공동(24)과 함께 집적된다. 공동(24)과 반사기(96)를 오버레이하는 것은 광 추출 렌즈(26)이고, 이것은 도10-27에 설명된 형상들 중 어떤 것을 취할 수 있다. 프라이머리 반사기(98)는 광 추출 렌즈(26)를 봉지하고, 반사기(96)를 위에서 덮는다. 반사기(96)는 스플라인 형상을 갖는데, 이는 회전된 다항식(revolved polynomial), 베지어 스플라인, 또는 NURBS 면에 의해 규정된다. 반사 면의 각들은 강도 분산을 감소시키는 것뿐 아니라 잠긴(immersed) 반도체 소스로부터 광 추출을 최대화하도록 선택된다. 더 큰 프라이머리 반사기(98)은 빛을 집중시켜 증가된 축상 강도를 갖는 더 밀집된(tighter) 빔으로 만든다. LED 공동(24)의 일부로서 반사기(96)를 집적함으로써, 높은 광 추출이 얻어진다. 광 추출 렌즈(26)는 빛을 비-램버트 방식으로 분산시켜 도51에 도시된 바와 같은 +/- 30도 빔을 얻는데 필요한 반사기의 높이를 줄인다. 빛은 반사기(96)를 때리고, 그것은 광 추출 렌즈(26)를 나와서, 그것의 일부는 프라이머리 반사기(98)를 때리고 다색 LED 어셈블리(20)로부터 나오게 된다.
도52-58은 색 균일도를 향상시기키 위해서 프라이머리 반사기(98)의 랜덤화된 패싯 건드림들과 광 제어 패싯들을 사용하는 기술을 예시하고 있다. 도52에 도시된 바와 같이, 프라이머리 반사기(98)는 먼저 수평 슬라이스들(100)로 쪼개진다. 도53에는, 이들 수평 슬라이스들이 이후 수직으로 잘려 다수의 패싯들(102)로 된 다. 도54를 보면, 패싯들(102) 각각은 그들의 수학적 중앙(106) 가까이의 로컬 영역에서 거의 평평하게(flat) 나타난다. 로컬 영역(104)에는, 각 패싯 제어 벡터(108)로 불리는 벡터가 도55에 도시된 다음의 알고리듬을 가함으로써 발견될 수 있다. 단계 110에서, x=x(ψ,ψ), y=y(ψ,ψ),z=(ψ,ψ), 새로운 벡터들 a'=[xψ,yψ, zψ], b'=[xψ,yψ,zψ] 가 정의된다. 단계 112에서, 단위 법선 벡터(unit normal vector)는 N'=(a'x b')/(sqrt((abs(a'^2)abs(b'^2)-abs(a'b')^2)로서 발견된다. 단계 114에서, 메트릭 텐서의 판별자 g가 발견되고, 면에 수직인 벡터는 N=r1'x r2'/(sqrt(g))=εij*r’^j이다. 단계 116에서, 내적이 대칭적, 비축퇴적, 그리고 쌍선형적인 반사기 패싯 매니폴드에 연관된 접촉 공간들(tangency spaces)의 내적을 취함으로써 메트릭 텐서는 발견될 수 있다.
도56의 그래프를 이용하여, 건드림이 이후 패싯(102)에 가해지는데, 이는 상부와 하부 바운드(bound) 사이의 랜덤 각만큼 단위 법선 벡터로부터 각 패싯 제어 벡터(108)를 편향시킴으로써 이루어진다. 건드림의 정도는 색 특정 위상 집중(concentration)이 가장 높은 곳에서 더 높다. 다층의 완성 후에, 멀티-패싯, 건드림 루틴, 그 결과의 집적된 프라이머리 반사기(98)는 빛을 같은 방향으로 하고 아울러 색 특정 위상을 램덤화하여, 청록색, 자홍색 및 노란색의 강도 분포 함수 오버랩을 개선시킨다.
도57은 다이아몬드-형상과 같은 마이크로패싯들(110)을 도시하고, 도58은 다 이아몬드 마이크로패싯들(110)의 일부에 대한 확대도인데, 여기서 패싯 간의 공간(112)은 빛이 그것들을 통과하여 방사하지 못하도록 하기 위해 빈틈없게 짜여진다. 본 발명은 본 발명의 사상을 벗어남이 없이 다른 다각 형상의 패싯들, 즉 다이아몬드, 삼각형, 육각형 형상 등으로 확장될 수 있다. 다각 형상 외에, 마이크로패싯들(110)은 멀티플 사용자-정의의 BSDF 함수들로 정의되는 형상들을 취할 수 있는데, 여기서 교호적 확산과 정반사 면 구조들이 적용될 수 있다. 정반사 면들은 미러-같은 피니시(finish)를 갖는 그러한 면들이고, 한편 확산 면들은 거친 피니시를 갖는데 이는 침범하는(impinging) 빛을 스캐터하는 경향이 있다. 패싯 간 공간(112)(짜깁기)은 NURBS 또는 다른 일반 다각형 혼합 함수들에 의해 규정될 수 있다. 도59는 청록색, 자홍색, 및 노란색에 대한 강도 분포의 결과적 오버랩을 도시하고 있다. 도60은 R-G-B 광 엔진들의 멀티플 집합들의 어레이뿐 아니라, 랜덤화된 건드려진 패싯들(114)을 도시하고 있는데, 이들은 교호하는 정반사/확산 구조화를 갖는 집적된 프라이머리 반사기(124)에 가해진다. 중점은 패싯들의 건드림들에 놓여 있다. 패싯팅만으로는 멀티-프라이머리 LED 광 엔진 어레이들(126)에 대한 허용가능한 색 균일도를 생성하는데 충분하지 않다. 즉, 패싯 제어 벡터의 랜덤화된 건드림이 원하는 결과를 만들어낼 수 있다.
도61을 참조하면, 반사(R), 굴절(X), 그리고 전 내부 반사(I) 면들은 도2-60에 검토된 색 균일도 개선 특징들의 어떤 콤비네이션과 결합될 수 있다. RXI 집광기들은 치밀한 고효율 시준(collimation)을 가능하게 한다. RXI 집광기들은 단일 및 어레이 구조들 모두에 이용가능하게 만들어질 수 있다. 종래의 RXI 집광기의 디 자인은 "비-이미징 광학" 엘스비어 아카데믹 프레스(2005)의 페이지 202, 베니테즈와 미나노에 의해 설명될 수 있는데, 이 전체를 참고자료로 원용한다. 도61a-61e를 참조.
다음의 단계들은 도62에 도시된 RXI 집광기를 구성하기 위해 수반된다. 단계 120에서, 카세그레인식 반사 망원경(cassegrain telescope)의 매개 공기(intermediary air)는 굴절 유전체로 채워진다. 단계 124에서, 패싯들은 도52-58에 대해서 이미 설명된 벡터 건드림들을 이용하여 수직으로부터 각에 대해 랜덤화된다. 단계 126에서, 반사기 패싯들은 오가닉(organic) 형상들로 변경되거나 임의의 다각형 파라메터의 그것들로 변경된다. 단계 128에서, 유일한(unique) 건드림 팩터들을 가지고 주 반사기와 동일한 건드림들이 보조 반사기에 가해진다. 단계 130에서, RXI 집광기의 출구 구멍에서, 유전체의 면은 마이크로-렌즈릿들로 모자이크화되고, 여기서 이들 마이크로-렌즈릿 셀룰러 주변들은 도37-40에 설명된 보로노이-푸아송 타입이다. 단계 132에서, 반경들, 비구면들, NURBS, 및 글로벌 제르니커 변형 중 하나 이상을 가지고 새그(sag)를 랜덤화한다. 선택적으로, 단계 134에서, 유전체 매체에서 변하는 인덱스 마이크로-구(sphere)형 필러를 사용하라. 단계 136에서, 프라이머리와 보조 반사기들에 대한 최적 글로벌 변형의 관점에서, 멀티-프라이머리 파장 특정 위상의 관점에서 특정화된 수적 솔루션 프로세스들을 이용하여 몽주-암페어(Monge-Ampere) 편미분 방정식을 풀고, 그리고 프라이머리 및 보조 반사기들의 일반 다항식 표현들에 대한 솔루션들을 찾는데, 이것은 원격장에서 멀티-프라이머리 위상을 최적으로 결합한다.
렌즈들은 경화 스틸 또는 니켈 매스터를 먼저 생성함으로써 제조될 수 있는데, 이는 표준 EDM이나 전기 방전 머시닝, 마이크로 EDM, 스텝 및 플래쉬 임프린트 리소그라피, 또는 등록상표 Ormocer와 같은 특정 물질을 이용하는 다이렉트 레이저 라이팅 및 모사를 이용한다. 이것은 T.앰머(Ammer)와 M.게일(Gale)에 의해 설명된, "멀티모드 수직-공동 면-방사 레이저 대 파이버 커플링을 위한 칩-레벨 집적된 굴절 광학 마이크로렌즈들(Chip-level integrated diffractive optical microlenses for multimode vertical-cavity surface-emitting laser to fiber coupling" 옵티컬 엔지니어링(Opt.Eng.) 41 (12) 3141-3150. 12월 2002년에 설명되어 있는데, 이 전체를 참고자료로 원용한다.
예시된 실시예들은 본 발명의 설명을 위한 것일 뿐이고, 당업자는 위에서 설명된 실시예의 많은 변형들을 본 발명의 사상을 벗어남이 없이 고안할 수 있을 것이다. 그러므로, 모든 그러한 변형들은 첨부한 클레임들과 그것들의 균등물의 범위에 포함된다.

Claims (63)

  1. 피제어 색 혼합을 위해 패키지되는 다색 발광 다이오드 어셈블리에 있어서,
    기판;
    상기 기판 상에 마운트되고 각각 상응하는 색의 빛을 방사하는 다수의 발광 다이오드(LED) 다이들;
    상기 다수의 LED 다이들을 커버하는 광 투과 봉지재; 그리고
    상기 봉지재를 어버레이하며 상부면과 바닥면을 갖는 적어도 하나의 렌즈를 포함하며, 상기 렌즈의 바닥면은 상기 다수의 LED 다이들 각각으로부터의 빛의 방향을 바꾸는 소정 형상을 포함하여 상기 다수 LED의 조도 및 광도 분포들의 오버랩이 실질적으로 증가되도록 하고, 완전 오버랩으로부터의 편향은 보통 인간의 눈에는 실질적으로 감지되지 않는 것을 특징으로 하는 다색 발광 다이오드 어셈블리.
  2. 제1 항에 있어서, 상기 편향은
    상기 다수의 LED 다이들에 의해 방사되어 함께 혼합되는 색들에 대한 색도 챠트 상에 그려지는 맥아담 엘립시스의 영역 내의 소정 양과 같거나 적은 것을 특징으로 하는 다색 발광 다이오드 어셈블리.
  3. 제2 항에 있어서, 상기 소정의 바닥면은
    마이크로렌즈릿(microlenslet) 어레이를 포함하는 것을 특징으로 하는 다색 발광 다이오드 어셈블리.
  4. 제3 항에 있어서, 상기 마이크로렌즈릿 어레이는
    미세면 거칠기(MSR : microsurface roughness) 규정(prescription)을 갖는 것을 특징으로 하는 다색 발광 다이오드 어셈블리.
  5. 제4 항에 있어서, 상기 MSR은
    랜덤 분포 함수, 각 분해 분산(angle resolve scatter) 함수, 하베이 BSDF 함수, 사용자-정의 BSDF 함수, 그리고 퐁 분포(phong distribution) 함수 중 하나에 의해 표현되는(described) 것을 특징으로 하는 다색 발광 다이오드 어셈블리.
  6. 제5 항에 있어서, 상기 랜덤 분포 함수는
    V-공동의 윤곽을 표현하는(describe) 것을 특징으로 하는 다색 발광 다이오드 어셈블리.
  7. 제4 항에 있어서, 상기 MSR은
    포워드 하베이(forward Harvey), 리트로 하베이(retro Harvey), 램버트(Lambertian), 푸아송(Piosson), 포워드 퐁(forward phong), 또는 리트로 퐁(retro phong) 분포 함수 중 하나 이상에 의해 표현되는 것을 특징으로 하는 다색 발광 다이오드 어셈블리.
  8. 제4 항에 있어서, 상기 마이크로렌즈릿 어레이는
    2개 이상의 다른 MSR 규정들을 포함하는 2개 이상의 영역(zone)으로 나누어지는 것을 특징으로 하는 다색 발광 다이오드 어셈블리.
  9. 제4 항에 있어서, 상기 렌즈의 상기 상부면은
    반경(radius), 반경 + 원추 계수(conic constant), 반경 + 원추 계수 + 비구 면(aspheric), 반경 + 원추 계수 + 비구면 + 글로벌 일반 다항식(global general polynomial), 글로벌 제르니커 변형(global Zernike deformation), 굴절 광학의(dioptric) 전 내부 반사(total internal reflection: TIR), 자유형의(free-form) NURBS(Non-Uniform Rational B-Spline) 정의의 TIR, 프레넬(Fresnel)과 TIR, 회절 광 소자 면(diffractive optical element surface), 바이콘(biconic), 카트오발(cartoval), 유전체(dielectric) 전 내부 반사 집광기(Total Internal Reflecting Concentrator), 초점 공유 타원형(Confocal Elliptic) 집광기, 그리고 다 초점 포물선(Multi-Focal Parabolic) 집광기 면 중 하나에 의해 표현되는 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 다색 발광 다이오드 어셈블리.
  10. 제3 항에 있어서, 상기 마이크로렌즈릿 어레이는
    마이크로-파리의 눈 렌즈릿 어레이인 것을 특징으로 하는 다색 발광 다이오드 어셈블리.
  11. 제10 항에 있어서, 상기 마이크로-파리의 눈 렌즈릿 어레이는
    다각형 형태의 렌즈릿을 갖는 것을 특징으로 하는 다색 발광 다이오드 어셈블리.
  12. 제10 항에 있어서, 상기 마이크로-파리의 눈 렌즈릿 어레이는
    육각형들, 정사각형들, 직사각형들, 원들(반경), 반경 + 원추 계수, 비구면, 자유형 NURBS, 그리고 제르니커 다항식들 중 하나의 형태인 렌즈릿들을 갖는 것을 특징으로 하는 다색 발광 다이오드 어셈블리.
  13. 제10 항에 있어서, 상기 마이크로-파리의 눈 렌즈릿 어레이는
    글로벌 변형을 겪는 것을 특징으로 하는 다색 발광 다이오드 어셈블리.
  14. 제10 항에 있어서, 상기 마이크로렌즈릿 어레이들은
    랜덤하게 분포되는 것을 특징으로 하는 다색 발광 다이오드 어셈블리.
  15. 제10 항에 있어서, 상기 렌즈의 상기 상부면은
    반경(radius), 반경 + 원추 계수(conic constant), 반경 + 원추 계수 + 비구면(aspheric), 반경 + 원추 계수 + 비구면 + 글로벌 일반 다항식(global general polynomial), 글로벌 제르니커 변형(global Zernike deformation), 굴절 광학의(dioptric) 전 내부 반사(total internal reflection: TIR), 자유형의(free-form) NURBS(Non-Uniform Rational B-Spline) 정의의 TIR, 프레넬(Fresnel)과 TIR, 회절 광 소자 면(diffractive optical element surface), 바이콘(biconic), 카트오발(cartoval), 유전체(dielectric) 전 내부 반사 집광기(Total Internal Reflecting Concentrator), 초점 공유 타원형(Confocal Elliptic) 집광기, 그리고 다 초점 포물선(Multi-Focal Parabolic) 집광기 면 중 하나에 의해 표현되는 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 다색 발광 다이오드 어셈블리.
  16. 제3 항에 있어서, 상기 마이크로렌즈릿 어레이는
    보로노이 렌즈릿 어레이 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 다색 발광 다이오드 어셈블리.
  17. 제16 항에 있어서, 상기 렌즈의 상기 상부면은
    반경(radius), 반경 + 원추 계수(conic constant), 반경 + 원추 계수 + 비구면(aspheric), 반경 + 원추 계수 + 비구면 + 글로벌 일반 다항식(global general polynomial), 글로벌 제르니커 변형(global Zernike deformation), 굴절 광학의(dioptric) 전 내부 반사(total internal reflection: TIR), 자유형의(free-form) NURBS(Non-Uniform Rational B-Spline) 정의의 TIR, 프레넬(Fresnel)과 TIR, 회절 광 소자 면(diffractive optical element surface), 바이콘(biconic), 카트오발(cartoval), 유전체(dielectric) 전 내부 반사 집광기(Total Internal Reflecting Concentrator), 초점 공유 타원형(Confocal Elliptic) 집광기, 그리고 다 초점 포물선(Multi-Focal Parabolic) 집광기 면 중 하나에 의해 표현되는 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 다색 발광 다이오드 어셈블리.
  18. 제2 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 렌즈는
    굴절률을 갖는 극미립자(refractive microparticles)를 포함하는 것은 특징으로 하는 다색 발광 다이오드 어셈블리.
  19. 제18 항에 있어서, 상기 소정의 바닥면은
    MSR, 마이크로-파리의 눈 렌즈릿 어레이, 그리고 보로노이 렌즈릿 어레이 구조 중 하나를 갖는 것을 특징으로 하는 다색 발광 다이오드 어셈블리.
  20. 제18 항에 있어서, 상기 렌즈의 상기 상부면은
    반경(radius), 반경 + 원추 계수(conic constant), 반경 + 원추 계수 + 비구면(aspheric), 반경 + 원추 계수 + 비구면 + 글로벌 일반 다항식(global general polynomial), 글로벌 제르니커 변형(global Zernike deformation), 굴절 광학의(dioptric) 전 내부 반사(total internal reflection: TIR), 자유형의(free-form) NURBS(Non-Uniform Rational B-Spline) 정의의 TIR, 프레넬(Fresnel)과 TIR, 회절 광 소자 면(diffractive optical element surface), 바이콘(biconic), 카트오발(cartoval), 유전체(dielectric) 전 내부 반사 집광기(Total Internal Reflecting Concentrator), 초점 공유 타원형(Confocal Elliptic) 집광기, 그리고 다 초점 포물선(Multi-Focal Parabolic) 집광기 면 중 하나에 의해 표현되는 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 다색 발광 다이오드 어셈블리.
  21. 제2 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 렌즈는
    반사율을 갖는 극미립자를 포함하는 것을 특징으로 하는 다색 발광 다이오드 어셈블리.
  22. 제21 항에 있어서, 상기 소정의 바닥면은
    마이크로-파리의 눈, 그리고 보로노이 렌즈릿 어레이 구조 중 하나를 갖는 것을 특징으로 하는 다색 발광 다이오드 어셈블리.
  23. 제21 항에 있어서, 상기 렌즈의 상기 상부면은
    반경(radius), 반경 + 원추 계수(conic constant), 반경 + 원추 계수 + 비구면(aspheric), 반경 + 원추 계수 + 비구면 + 글로벌 일반 다항식(global general polynomial), 글로벌 제르니커 변형(global Zernike deformation), 굴절 광학의(dioptric) 전 내부 반사(total internal reflection: TIR), 자유형의(free-form) NURBS(Non-Uniform Rational B-Spline) 정의의 TIR, 프레넬(Fresnel)과 TIR, 회절 광 소자 면(diffractive optical element surface), 바이콘(biconic), 카트오발(cartoval), 유전체(dielectric) 전 내부 반사 집광기(Total Internal Reflecting Concentrator), 초점 공유 타원형(Confocal Elliptic) 집광기, 그리고 다 초점 포물선(Multi-Focal Parabolic) 집광기 면 중 하나에 의해 표현되는 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 다색 발광 다이오드 어셈블리.
  24. 제21 항에 있어서, 상기 반사율을 갖는 극미립자는
    마이크로터널들을 형성하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 다색 발광 다이오드 어셈블리.
  25. 제2 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 렌즈의 상부면은
    패싯되는(faceted) 것을 특징으로 하는 다색 발광 다이오드 어셈블리.
  26. 제25 항에 있어서, 상기 소정의 바닥면은
    마이크로-파리의 눈, 그리고 보로노이 렌즈릿 어레이 구조 중 하나를 갖는 것을 특징으로 하는 다색 발광 다이오드 어셈블리.
  27. 제25 항에 있어서, 상기 렌즈의 상기 상부면은
    반경(radius), 반경 + 원추 계수(conic constant), 반경 + 원추 계수 + 비구면(aspheric), 반경 + 원추 계수 + 비구면 + 글로벌 일반 다항식(global general polynomial), 글로벌 제르니커 변형(global Zernike deformation), 굴절 광학의(dioptric) 전 내부 반사(total internal reflection: TIR), 자유형의(free-form) NURBS(Non-Uniform Rational B-Spline) 정의의 TIR, 프레넬(Fresnel)과 TIR, 회절 광 소자 면(diffractive optical element surface), 바이콘(biconic), 카트오발(cartoval), 유전체(dielectric) 전 내부 반사 집광기(Total Internal Reflecting Concentrator), 초점 공유 타원형(Confocal Elliptic) 집광기, 그리고 다 초점 포물선(Multi-Focal Parabolic) 집광기 면 중 하나에 의해 표현되는 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 다색 발광 다이오드 어셈블리.
  28. 제2 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 렌즈는
    다수의 돌출부들(lobes)로 구성되는 것을 특징으로 하는 다색 발광 다이오드 어셈블리.
  29. 제28 항에 있어서, 상기 소정의 바닥면은
    마이크로-파리의 눈, 그리고 보로노이 렌즈릿 어레이 구조 중 하나를 갖는 것을 특징으로 하는 다색 발광 다이오드 어셈블리.
  30. 제28 항에 있어서, 각 돌출부의 상기 상부면은
    반경(radius), 반경 + 원추 계수(conic constant), 반경 + 원추 계수 + 비구면(aspheric), 반경 + 원추 계수 + 비구면 + 글로벌 일반 다항식(global general polynomial), 글로벌 제르니커 변형(global Zernike deformation), 굴절 광학의(dioptric) 전 내부 반사(total internal reflection: TIR), 자유형의(free-form) NURBS(Non-Uniform Rational B-Spline) 정의의 TIR, 프레넬(Fresnel)과 TIR, 회절 광 소자 면(diffractive optical element surface), 바이콘(biconic), 카트오발(cartoval), 유전체(dielectric) 전 내부 반사 집광기(Total Internal Reflecting Concentrator), 초점 공유 타원형(Confocal Elliptic) 집광기, 그리고 다 초점 포물선(Multi-Focal Parabolic) 집광기 면 중 하나에 의해 표현되는 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 다색 발광 다이오드 어셈블리.
  31. 제2 항에 있어서, 상기 다수의 LED 다이들을 커버하는 상기 광 투과 봉지재는
    제1 반사기에 의해 둘러싸이는 것을 특징으로 하는 다색 발광 다이오드 어셈블리.
  32. 제31 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 렌즈는
    상기 제1 반사기 위의 제2 반사기에 의해 둘러싸이는 것을 특징으로 하는 다색 발광 다이오드 어셈블리.
  33. 제32 항에 있어서, 상기 제1 반사기는
    다항식, 베지어(Bezier), 그리고 NURBS 면 중 하나에 의해 표현되는 곡선(spline shape)을 갖는 것을 특징으로 하는 다색 발광 다이오드 어셈블리.
  34. 제32 항에 있어서, 상기 소정의 바닥면은
    마이크로-파리의 눈, 그리고 보로노이 렌즈릿 어레이 구조 중 하나를 갖는 것을 특징으로 하는 다색 발광 다이오드 어셈블리.
  35. 제32 항에 있어서, 상기 렌즈의 상기 상부면은
    반경(radius), 반경 + 원추 계수(conic constant), 반경 + 원추 계수 + 비구면(aspheric), 반경 + 원추 계수 + 비구면 + 글로벌 일반 다항식(global general polynomial), 글로벌 제르니커 변형(global Zernike deformation), 굴절 광학의(dioptric) 전 내부 반사(total internal reflection: TIR), 자유형의(free-form) NURBS(Non-Uniform Rational B-Spline) 정의의 TIR, 프레넬(Fresnel)과 TIR, 회절 광 소자 면(diffractive optical element surface), 바이콘(biconic), 카트오발(cartoval), 유전체(dielectric) 전 내부 반사 집광기(Total Internal Reflecting Concentrator), 초점 공유 타원형(Confocal Elliptic) 집광기, 그리고 다 초점 포물선(Multi-Focal Parabolic) 집광기 면 중 하나에 의해 표현되는 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 다색 발광 다이오드 어셈블리.
  36. 제32 항에 있어서, 제2 반사기는
    다수의 랜덤하게 건드려진(randomly-perturbed) 마이크로패싯(microfacets)을 포함하는 것을 특징으로 하는 다색 발광 다이오드 어셈블리.
  37. 제36 항에 있어서,
    랜덤하게 건드려진 마이크로패싯의 패싯간 스페이스들은 NURBS 면에 의해 표현되는 것을 특징으로 하는 다색 발광 다이오드 어셈블리.
  38. 제36 항에 있어서, 상기 마이크로패싯들은
    마름모형, 삼각형, 육각형, 다른 다각 형태들, 그리고 이들의 결합 중 하나에 의해 표현되는 형상들을 갖는 것을 특징으로 하는 다색 발광 다이오드 어셈블 리.
  39. 제2 항에 있어서, 상기 광 투과 봉지재와 상기 적어도 하나의 렌즈는
    RXI 집광기에 의해 둘러싸이는 것을 특징으로 하는 다색 발광 다이오드 어셈블리.
  40. 제39 항에 있어서, 상기 소정의 바닥면은
    마이크로-파리의 눈, 그리고 보로노이 렌즈릿 어레이 구조 중 하나를 갖는 것을 특징으로 하는 다색 발광 다이오드 어셈블리.
  41. 제39 항에 있어서, 상기 렌즈의 상기 상부면은
    반경(radius), 반경 + 원추 계수(conic constant), 반경 + 원추 계수 + 비구면(aspheric), 반경 + 원추 계수 + 비구면 + 글로벌 일반 다항식(global general polynomial), 글로벌 제르니커 변형(global Zernike deformation), 굴절 광학의(dioptric) 전 내부 반사(total internal reflection: TIR), 자유형의(free-form) NURBS(Non-Uniform Rational B-Spline) 정의의 TIR, 프레넬(Fresnel)과 TIR, 회절 광 소자 면(diffractive optical element surface), 바이콘(biconic), 카트오발(cartoval), 유전체(dielectric) 전 내부 반사 집광기(Total Internal Reflecting Concentrator), 초점 공유 타원형(Confocal Elliptic) 집광기, 그리고 다 초점 포물선(Multi-Focal Parabolic) 집광기 면 중 하나에 의해 표현되는 형상 을 갖는 것을 특징으로 하는 다색 발광 다이오드 어셈블리.
  42. 적어도 2가지 색을 갖는 다수의 발광 다이오드(LED) 다이들의 피제어 색 혼합을 위한 렌즈로서, 상기 렌즈는
    상기 LED 다이들 위를 덮는 상부면과 바닥면을 가지며, 상기 렌즈의 상기 바닥면은 상기 렌즈의 상기 상부면을 통해서 및 벗어나서 상기 다수의 LED 다이들의 각각으로부터의 빛을 수신하고 방향을 바꾸는 소정 형상을 포함하여 상기 다수의 LED 다이들의 조도 및 광도 분포들이 충분히 오버랩되게 하고, 완전 오버랩으로부터의 편향은 보통의 인간의 눈으로는 거의 감지할 수 없는 것을 특징으로 하는 피제어 색 혼합용 렌즈.
  43. 제42 항에 있어서, 상기 소정의 바닥면은
    마이크로렌즈릿 어레이를 포함하는 것을 특징으로 하는 피제어 색 혼합용 렌즈.
  44. 제43 항에 있어서, 상기 마이크로렌즈릿 어레이는
    미세면 거칠기(MSR) 규정을 갖는 것을 특징으로 하는 피제어 색 혼합용 렌즈.
  45. 제43 항에 있어서, 상기 마이크로렌즈릿 어레이는
    마이크로-파리의 눈과 보로노이 렌즈릿 어레이 구조 중 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 피제어 색 혼합용 렌즈.
  46. 제43 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 렌즈는
    굴절률을 갖는 미립자들을 포함하는 것을 특징으로 하는 피제어 색 혼합용 렌즈.
  47. 제43 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 렌즈는
    반사율을 갖는 미립자들을 포함하는 것을 특징으로 하는 피제어 색 혼합용 렌즈.
  48. 제47 항에 있어서, 상기 반사율을 갖는 미립자들은
    마이크로터널들을 형성하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 피제어 색 혼합용 렌즈.
  49. 제43 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 렌즈의 상기 상부면은
    패싯되는 것을 특징으로 하는 피제어 색 혼합용 렌즈.
  50. 적어도 2가지 색을 갖는 다수의 발광 다이오드(LED) 다이들의 피제어 색 혼합을 위한 렌즈로서, 상기 렌즈는
    상기 다수의 LED 다이들 위를 덮고, 곡선(spline shape)을 갖는 반사기에 의해 둘러싸이며, 상기 다수의 LED 다이들의 조도 및 광도 분포들이 충분히 오버랩되도록 상기 다수의 LED 다이들의 각각으로부터의 빛을 수신하고 방향을 바꾸도록 예정된 적어도 하나의 면을 가지며, 완전 오버랩으로부터의 편향은 보통의 인간의 눈으로는 거의 감지할 수 없는 것을 특징으로 하는 피제어 색 혼합용 렌즈.
  51. 제50 항에 있어서, 상기 편향은
    상기 다수의 LED 다이들에 의해 함께 방사되고 혼합되는 색들에 대한 색도 챠트 상에 그려지는 맥아담 엘립시스의 영역 내의 소정 양과 같거나 적은 것을 특징으로 하는 피제어 색 혼합용 렌즈.
  52. 제50 항에 있어서, 상기 반사기는
    다항식, 베지어(Bezier), 그리고 NURBS 면 중 하나에 의해 표현되는 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 피제어 색 혼합용 렌즈.
  53. 제50 항에 있어서, 상기 반사기는
    다수의 랜덤하게 건드려진 마이크로패싯들을 포함하는 것을 특징으로 하는 피제어 색 혼합용 렌즈.
  54. 제53 항에 있어서, 상기 랜덤하게 건드려진 마이크로패싯들의 패싯간 스페이 스들은
    NURBS 면들에 의해 표현되는 것을 특징으로 하는 피제어 색 혼합용 렌즈.
  55. 적어도 2가지 색을 갖는 다수의 발광 다이오드(LED) 다이들의 피제어 색 혼합을 위한 렌즈로서, 상기 렌즈는
    상기 다수의 LED 다이들 위를 덮고, RXI 집광기에 의해 둘러싸이며, 상기 다수의 LED 다이들의 조도 및 광도 분포들이 충분히 오버랩되도록 상기 다수의 LED 다이들의 각각으로부터의 빛을 수신하고 방향을 바꾸도록 예정된 적어도 하나의 소정 면을 가지며, 완전 오버랩으로부터의 편향은 보통의 인간의 눈으로는 거의 감지할 수 없는 것을 특징으로 하는 피제어 색 혼합용 렌즈.
  56. 제55 항에 있어서, 상기 편향은
    상기 다수의 LED 다이들에 의해 함께 방사되고 혼합되는 색들에 대한 색도 챠트 상에 그려지는 맥아담 엘립시스의 영역 내의 소정 양과 같거나 적은 것을 특징으로 하는 피제어 색 혼합용 렌즈.
  57. 광 빔의 허용가능한 색 균일도를 결정하는 방법에 있어서,
    각각 백색광의 성분인 측정할 3개의 색을 선택하는 단계;
    각 선택된 색에 대해서,
    상기 선택된 색에서, 강도 분포가 축상 또는 피크 광도의 대략 e-2 까지 떨어지는 수직 및 수평 분포 극값에 있는 포인트들에서 상기 광 빔의 다수의 x,y 색도 샘플들을 측정하여, 상기 광 빔의 외주(outer periphery)를 결정하는 단계;
    상기 외주에서 상기 축상 또는 피크 광도까지 나선 상에 위치된 포인트들에서 상기 광 빔의 다수의 x,y 색도 샘플들을 측정하는 단계;
    최대(FWHM) 포인트의 중간에서 대략 전체 폭에서 선택된 각 방사상(angular radial)에서, 상기 선택된 색에 대해 상기 광 빔의 다수의 x,y 색도 샘플들을 측정하는 단계;
    상기 선택된 색에 대한 x,y 색도 샘플들을 u,v 공간 표현으로 수학적으로 변환시키는 단계;
    상기 선택된 색에 대한 상기 색도 샘플들의 u,v 공간 표현으로부터 맥아담 엘립시스를 플로팅하는(plot) 단계;
    상기 선택된 색에 대한 델타E 파라메터를 계산하는 단계로서, 상기 델타E 파라메터는 3자극값으로 명시되는 2가지 색 샘플들 사이에서 인지되는 색 차이의 크기를 나타내고;
    상기 선택된 색에 대한 델타E 파라메터가 2-스텝 맥아담의 엘립시스보다 적을 때 또는 상기 선택된 색에 대한 델타E 파라메터가 선택된 표준의 최대 색도 차이와 일치하거나 초과하는 때 얻어지는, 상기 선택된 색에 대한 허용가능한 색 균일도를 결정하는 단계를 실행하여,
    상기 제1 색, 제2 색, 그리고 제3 색에 대한 색 균일도가 모두 허용가능한 경우, 상기 광 빔의 허용가능한 색 균일도를 결과하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 빔의 허용가능한 색 균일도 결정 방법.
  58. 제57 항에 있어서, 상기 3가지 색은
    빨간색, 초록색, 그리고 청색으로 구성되는 그룹에서 선택되는 것을 특징으로 하는 광 빔의 허용가능한 색 균일도 결정 방법.
  59. 제57 항에 있어서, 상기 3가지 색은
    청록색, 노란색, 그리고 자홍색으로 구성되는 그룹에서 선택되는 것을 특징으로 하는 광 빔의 허용가능한 색 균일도 결정 방법.
  60. 제57 항에 있어서, 상기 3가지 색에 대한 허용가능한 색 균일도를 결정하는 단계들은
    상관 색 온도(CCT:Correlated Color Temperature)와 색도 차이들이 측정의 필드에 걸쳐 소정 레벨보다 적은 지를 결정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광 빔의 허용가능한 색 균일도 결정 방법.
  61. 색 균일도를 개선하기 위해, 주 반사기의 랜덤화된 패싯 건드림들과 광 제어 패싯들을 이용하는 방법에 있어서,
    상기 주 반사기를 수평 슬라이스들과 수직 슬라이스들로 나누어 다수의 패싯들로 만드는 단계로서, 상기 패싯들 각각은 x= x(ψ,ψ), y = y(ψ,ψ), z = z(ψ,ψ)에 표현되는 파라메트릭 면을 가지며;
    각 패싯에 대한 변환 벡터 a`=[xψ,yψ,zψ), b`=[xψ,yψ,zψ) 를 계산하는 단계;
    각 패싯에 대한 단위 법선 벡터 N`=(a`x b`)/(sqrt((abs(a`^2)abs(b`^2)-abs(a`b`)^2) 를 계산하는 단계;
    내적이 3D 벡터 공간에서 쌍일차적, 대칭적, 비축퇴적인 반사기 패싯 매니폴드에 연관된 다수의 접촉 공간들의 내적을 취함으로써, 메트릭 텐서를 계산하는 단계;
    상기 메트릭 텐서의 판별식 g를 계산하는 단계;
    상기 면에 수직인 벡터 N = r1`x r2`/(sqrt(g)) = εij*r'^j 를 계산하는 단계;
    상부 및 하부 경계 사이에서 상기 단위 법선 벡터로부터 랜덤 각도 만큼 각 패싯 제어 벡터를 편향시킴으로써 각 패싯에 소정의 건드림을 가하는 단계;
    청록색, 노란색, 그리고 자홍색의 강도 분포 함수 오버랩을 개선하기 위해서, 빛을 평행하게 하고 동시에 색 특정 위상을 랜덤화하는 집적된 주 반사기를 유발하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 주 반사기의 랜덤화된 패싯 건드림들과 광 제어 패싯들을 이용하는 방법.
  62. RXI 집광기를 구성하는 방법에 있어서,
    카세그레인 망원경의 매개 에어를 굴절률을 갖는 유전 매체로 필링하는 단계, 여기서 카세그레인 망원경은 제1 반사기와 제2 반사기를 포함하고;
    다수의 마이크로 패싯들을 상기 카세그레인 망원경의 제1 반사기에 부가하는 단계;
    벡터 건드림을 이용하여 각 마이크로 패싯의 법선으로부터 각에 대해 상기 마이크로 패싯들을 랜덤화하는 단계;
    상기 마이크로 패싯들을 오가닉 형상(organic shape)으로 또는 임의의 다각형 파라메터 형상(arbitrary polygonal parameter shape)으로 변경시키는 단계;
    건드림 팩터들을 이용하여, 상기 벡터 건드림을 상기 제2 반사기에 인가하는 단계;
    각각 처진 부분(sag)이 특징인 다수의 마이크로 렌즈릿들을 가지고 상기 RXI 집광기의 출구 틈(exit aperture)에서 상기 굴절률을 갖는 유전체의 면을 모자이크식으로 맞추는 단계;
    반경들, 비구면들, NURBS, 그리고 글로벌 제르니커 변형의 하나 이상으로 상기 처진 부분을 랜덤화하는 단계;
    상기 제1 반사기와 상기 제2 반사기에 대한 최적 글로벌 변형에 관련된, 몽주-암페어(Monge-Ampere) 편미분 방정식을 푸는 단계;
    원격장에서 멀티 프라이머리 위상을 최적으로 결합하는 RXI 집광기를 결과하 는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 RXI 집광기 구성 방법.
  63. 제62 항에 있어서, 상기 굴절률을 갖는 유전 매체는
    상기 둘러싸는 유전 매체의 굴절률과 다른 굴절률을 갖는 다수의 마이크로-장들(micro-spheres)을 포함하는 것을 특징으로 하는 RXI 집광기 구성 방법.
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