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KR100722590B1 - 백라이트용 ｌｅｄ 렌즈 - Google Patents

백라이트용 ｌｅｄ 렌즈 Download PDF

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KR100722590B1
KR100722590B1 KR1020050080045A KR20050080045A KR100722590B1 KR 100722590 B1 KR100722590 B1 KR 100722590B1 KR 1020050080045 A KR1020050080045 A KR 1020050080045A KR 20050080045 A KR20050080045 A KR 20050080045A KR 100722590 B1 KR100722590 B1 KR 100722590B1
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KR
South Korea
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led
light source
backlight
led light
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KR1020050080045A
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김진종
정호섭
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삼성전기주식회사
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Publication date
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Abstract

본 발명은 백라이트용 LED 렌즈에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 LED 광원으로부터 나오는 빛을 렌즈 몸체의 측면 및 상면 방향으로 출사시킴으로써 LED 렌즈가 적용되는 시스템(예컨대, 백라이트 및 조명기기) 내에서 전체적인 휘도 균일성 및 색 균일성을 개선할 수 있는 백라이트용 LED 렌즈에 관한 것이며, 이를 위하여 LED 광원과, LED 광원이 수용되는 하부 몸체 및 하부 몸체의 상부에 형성되는 상부 몸체 그리고 상부 몸체의 상부에 결합되는 빔형상 조정 소자를 포함하는 렌즈 구조를 개시하고, 이러한 구조를 통하여 LED 광원으로부터 나오는 빛을 렌즈의 측면과 상면 방향으로 출사하도록 함으로써 종래에 비하여 전체적 휘도의 향상과 휘도 균일성 및 색 균일성을 가져올 수 있다. 덧붙여, 오류광을 제어함으로써 전체적인 시스템의 성능 향상을 도모할 수 있다.
LED 광원, 측면 방사, 상면 방사, 도광판, 백라이트, 빔형상 조정 소자

Description

백라이트용 ＬＥＤ 렌즈 {LED lens for backlight}
도 1은 종래의 LED 렌즈의 일 예를 도시한 도;
도 2는 종래의 LED 렌즈의 다른 예를 도시한 도;
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 렌즈를 도시한 도;
도 4a 및 도 4b는 도 3의 빔형상 조정 소자가 렌즈 몸체의 상부에 결합되는 예를 도시한 단면도;
도 5는 도 3의 LED 렌즈에 결합되는 다양한 종류의 빔형상 조정 소자를 개략적으로 도시한 도; 그리고
도 6a 내지 도 6c는 각각 본 발명에 적용되는 렌즈 몸체의 형태를 개략적으로 도시한 도이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
110, 110a, 110b, 110c : LED 렌즈
112 : 기판 114 : LED 광원
120 : 하부 몸체 122 : 하부 굴절면
130 : 상부 몸체 132 : 상부 굴절면
134 : 상부 반사면 134a : 돌기
136 : 상부 투과면 140 : 렌즈 몸체
150 : 빔형상 조정 소자 150a : 요홈
C : 중심축 L1 .. L4 : 빛의 출사 방향
S : 측면 방사 영역 U : 상면 방사 영역
미국 특허 제6,679,621호
본 발명은 백라이트용 LED 렌즈에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 LED 광원으로부터 나오는 빛을 렌즈 몸체의 측면 및 상면 방향으로 출사시킴으로써 LED 렌즈가 적용되는 시스템 내에서 전체적인 휘도 균일성 및 색 균일성을 개선할 수 있는 백라이트용 LED 렌즈에 관한 것이다.
최근에 디스플레이 및 조명 광학계에서 친환경, 고효율, 그리고 긴 수명을 갖춘 광원에 대한 요구가 커지고 있으며, 또한 LED 효율과 휘도가 계속적으로 증가됨에 따라 LED를 이용한 대체 광원이 개발되어 점차로 디스플레이 및 조명 광학계 등에 적용되는 추세이다. 특히, 친환경 텔레비젼 등과 같은 프로젝트 등이 공표됨에 따라 LED 광원을 이용한 LCD 디스플레이에 관한 연구 개발이 더욱 촉진되고 있다. 이러한 기술적 요구사항에 따라 디스플레이 및 조명용 광원으로써 보다 효율적인 형태의 LED 렌즈(또는 LED 광원용 렌즈) 개발에 관한 필요가 더욱 증대되고 있다.
도 1은 측면 방사형 LED 렌즈에 관하여 도시하고 있으며, 이는 미국 특허 제6,679,621B1호에 그 상세가 기술되어 있다. 도 1의 LED 렌즈는 소위 측면 방사 LED 렌즈이며, 반사면과 굴절면을 포함하여 LED로부터의 빛이 렌즈의 측면(굴절면)으로 나오는 것을 특징으로 한다.
도 1의 렌즈(20)는 저면에서 LED(10)가 수용되고, 하부 굴절면(22)과 하부 굴절면에서 연결되는 상부 굴절면(24) 및 상부 반사면(26)을 포함하며, 상부 반사면(26)은 중심축(C)에 대하여 대칭으로 소정의 각을 이루며 형성됨으로써 렌즈의 상부로 향하는 빛을 모두 반사시키는 것을 특징으로 한다.
즉, 도 1에서 L1 및 L2로 표시되는 바와 같이, LED 광원(10)으로부터 나오는 빛은 직접 하부 굴절면(22)을 통해 측면으로 방사되거나 또는 상부로 향한 빛이 상부 반사면(26)에 의해 내부전반사(TIR)를 통해 반사된 후 상부 굴절면(24)을 통해 역시 측면으로 방사되는 것을 주요 특징으로 한다.
그러나 위와 같은 구조의 LED 렌즈는 모든 빛을 측면으로 방사하는 것을 목적으로 설계되고는 있으나, 도 1의 L3 및 L4와 같이 렌즈의 상부로 방사되는 빛이 존재하게 된다. 이는, 렌즈에 수용되는 LED 광원이 점광원이라는 전제하에 렌즈가 설계됨으로써 LED 광원의 초점(F)을 벗어난 영역에서 나오는 빛이 상부 반사면에서 반사되지 못하고 상부 반사면을 투과함으로써 발생하게 되며, 이는 결과적으로 이 렌즈의 오류광으로써 나타나게 된다. 이러한 오류광은 결국 전체 시스템의 성능 저하(색 및 휘도의 균일성 저하)를 가져오며, 결과적으로는 전체 시스템의 두께를 상승시키는 요인이 될 수 있다.
또한, 이러한 측면 방사형 렌즈는 대부분의 광이 렌즈의 측면(예컨대, 디스플레이하고자 하는 면에 대하여 수직한 방향)으로 방사되기 때문에, 측면으로 방사되는 빛을 디스플레이 면을 향하여 그 경로를 바꿔주는 매개체(예컨대, 백라이트 내부 반사판 등)를 요구하게 되며, 이는 역시 전체적인 광 효율의 저하를 가져올 수 있다.
다음으로, 도 2는 종래의 상면 방사형 렌즈의 일 예를 도시하고 있다. 도 2에 따르면, 종래의 상면 방사형 렌즈는 평판 형상의 도광판(30) 중심에 LED 광원(32)이 위치하고, LED 광원(32)에서 방사되는 빛이 1차로 반사된 후 도광판의 하면에 형성된 소정의 패턴(34)에 의해 재반사되어 도광판의 상면(36; 디스플레이 면)을 향하여 방사되는 것을 기본 특징으로 한다.
즉, 도 2의 상면 방사형 렌즈는 LED 광원에서 나오는 빛의 방향과 디스플레이 방향을 동일한 축으로 배치함으로써 빛을 균일하게 만드는 것을 특징으로 한다.
그러나, 이러한 방식의 경우, 전체 시스템의 효율 향상을 기대할 수는 있으나, 백라이트 시스템의 구성이 단일 광원으로 이루어지는 것이 아니기 때문에 개개 광원의 휘도 편차가 전체 시스템의 불균형을 가져오게 되는 문제점에 당면하게 될 수 있다. 즉, 단일 광원의 경우 전체적인 휘도의 균일성을 확보하기 쉬우나, 다수의 LED 광원들이 배열되는 시스템의 경우 각 광원에서 방사되는 빛의 중첩 또는 간격의 벌어짐으로 인하여 전체적인 휘도의 불균일성을 유발하는 문제점을 갖게 된 다.
본 발명은 렌즈의 상면 및 측면 방향으로 빛을 방사시키는 구조의 백라이트용 LED 렌즈를 제공하기 위한 것이다.
본 발명은 다수의 LED 렌즈가 제공되는 시스템에서 전체적인 휘도 및 색 균일성을 확보할 수 있는 백라이트용 LED 렌즈를 제공하기 위한 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 LED 광원과; LED 광원이 저면에 수용되며, LED 광원으로부터 나오는 빛이 상면 및 측면 방향으로 출사되도록 구성되는 렌즈 몸체; 및 렌즈 몸체의 상부에 체결되어 상면을 통해 나오는 빛을 제어하는 빔형상 조정 소자;를 포함하는 것을 특징으로 하는 백라이트용 LED 렌즈를 제공한다.
본 발명에 있어서, 빔형상 조정 소자는 렌즈 몸체의 상부에 직접 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 있어서, 렌즈 몸체의 상면 방향으로 출사되는 빛은 LED 광원으로부터 나오는 빛의 10% 이상인 것을 특징으로 한다. 바람직하게는 상면으로 출사되는 빛의 변화는 백라이트의 요구사항에 따라 조절될 수 있다. 구체적으로는, 백라이트의 두께를 낮추고 싶을 경우는 10% 쪽으로 변화시키고 휘도에 대한 효율을 높일 경우는 상면 방향의 출사량이 많은 쪽으로 변화시킬 수 있다.
덧붙여, 본 발명의 LED 렌즈에 적용되는 렌즈 몸체는: LED 광원이 저면에 수 용되고, 상면 방향을 향한 중심축을 기준으로 대칭의 하부 굴절면을 갖는 하부 몸체; 및 하부 몸체의 상부에 형성되고, 하부 굴절면의 선단에서 직선 형상으로 연결되는 상부 굴절면과, 상부 굴절면의 선단에서 중심축을 향하여 대칭으로 소정의 기울기로 형성되는 상부 반사면을 갖는 상부 몸체;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이에 덧붙여, 상부 몸체는 상부 반사면의 중앙부에 형성되어 LED 광원으로부터 나오는 빛의 일부를 직접 상면 방향으로 출사시키는 상부 투과면을 더 포함하도록 구성될 수 있다.
또한 본 발명의 렌즈 몸체는: LED 광원이 저면에 수용되고, 상면 방향을 향한 중심축을 기준으로 대칭의 하부 굴절면을 갖는 하부 몸체; 및 하부 몸체의 상부에 형성되고, 하부 굴절면의 선단에서 직선으로 연결되는 상부 굴절면과, 상부 굴절면의 선단에서 중심축을 향하여 수평으로 형성되는 상부 투과면을 갖는 상부 몸체;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
한편으로, 본 발명의 빔형상 조정 소자는 렌즈 몸체의 상부 굴절면의 선단을 따라 다수의 돌기 및 요홈의 결합에 의해 체결되는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 렌즈를 도시한 도이다. 도 3의 LED렌즈는 기판(112)에 형성된 LED 광원(114)과 LED 광원이 저면에서 수용되는 하부 몸체(120)와 하부 몸체의 상부에 형성되는 상부 몸체(130) 및 상부 몸체의 상부에 체결되는 빔형상 조정 소자(150)를 포함한다.
하부 몸체(120)는 저면에 LED 광원(114)이 수용되고, 중심축(C)을 기준으로 대칭으로 형성되는 하부 굴절면(122)을 갖는다. 하부 굴절면(122)의 선단에서 중심축에 대칭으로 상부 굴절면(132)이 연결되며, 상부 굴절면의 선단에서 중심축을 향하여 소정의 각으로 형성되는 상부 반사면(134)이 형성된다. 상부 반사면(134)은 중심축(C)을 중심으로 대칭이고, 소정의 각을 이루며 형성됨으로써 렌즈의 상면 방향을 향한 빛을 내부전반사(TIR; total inner reflection)를 이용하여 반사시킬 수 있도록 구성된다.
또한, 본 발명의 특징에 따라 상부 반사면(134)의 중앙부에는 돔 형상의 상부 투과면(136)이 형성되며, 이 상부 투과면(136)을 통하여 LED 광원(114)으로부터 나오는 빛의 일부가 렌즈 몸체(140)의 상면 방향으로 직접 출사되도록 할 수 있다.
상면 방향으로 출사되는 빛은 LED 광원으로부터 나오는 빛의 대략 10% 내지 50% 범위에 이르도록 구성하는 것이 바람직하다.
덧붙여, 본 발명의 특징에 따른 LED 렌즈(110)는 상부 몸체(130)의 상부에 상부 굴절면(132)의 선단을 따라 체결되는 빔형상 조정 소자(150; beam shaping optics)를 더 포함한다. 빔형상 조정 소자(150)는 상면 방향으로 출사되는 빛의 방사각을 조정함으로써 렌즈 몸체의 상면에서 빛의 지향각 및 빛 분포효과를 극대화시킬 수 있도록 구성될 수 있다.
이러한 구조의 LED 렌즈(110)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 측면 방향으로 형성되는 빛(도 3에서 S로 표시되는 점선 영역)과 상면 방향으로 형성되는 빛(도 3에서 U로 표시되는 점선 영역)을 출사시킬 수 있다. 즉, 본 발명의 특징에 따른 LED 렌즈는 종래의 측면 방사형 렌즈의 특성과 상면 방사형 렌즈의 특성을 복합되 도록 함으로써 종래의 휘도 불균일 또는 색 불균일 등의 문제점을 해소할 수 있다.
보다 상세하게는, LED 광원으로부터 나오는 빛의 일부는 하부 굴절면(122)을 통해 측면으로 출사되고(L1), 상부 굴절면(132)을 통해 측면으로 출사되며(L2), 그리고 LED 광원으로부터 나오는 빛의 일부는 상부 투과면(136)을 통해 상면으로 출사될 수 있다(L3). 또한, 의도와 달리 오류광으로써 존재하는 빛 역시 렌즈의 상면으로 출사된 후 빔형상 조정 소자를 통해 출사될 수 있다(L4).
이처럼, 본 발명의 LED 렌즈는 종래에 상부 방향의 출사광을 억제하는 형태에서 만들어지는 오류광을 제거하고 상면 방향의 출사광을 이용목적에 맞게 조절함으로써, 오류광으로 분류되던 빛마저 효과적으로 이용할 수 있게 되어 전체적인 시스템의 성능 향상을 도모할 수 있는 특징을 갖는다.
다음으로, 도 4a 및 도 4b는 도 3의 빔형상 조정 소자가 렌즈 몸체의 상부에 결합되는 예를 나타낸 도이다. 도 3의 경우 간략하게 상부 몸체의 선단(예컨대, 상부 굴절면의 선단)에 걸쳐 빔형상 조정 소자가 체결된 모습이 도시되어 있으나, 이는 도 4에 도시된 바와 같이 요홈(150a)과 돌기(134a)의 조합에 의해 체결되도록 구성되는 것이 바람직하다.
예를 들어, 도 4에 도시된 바와 같이, 상부 반사면(134)의 소정의 위치에 다수의 돌기들(134a)을 형성하고, 이에 대응되는 요홈들(150a)을 체결하고자 하는 빔형상 조정 소자(150)의 하부에 형성함으로써, 이들 요홈과 돌기들을 체결수단으로 활용할 수 있다. 도 4에서 상부 반사면에 돌기가 그리고 빔형상 조정 소자의 하면에 요홈이 형성된 예가 도시되고 있으나, 이와 반대의 경우도 가능함은 자명하다.
또한, 도 4의 체결 구조는 본 발명의 일 실시예로써 제시된 것이며, 빔형상 조정 소자가 상부 몸체의 상부에 체결될 수 있는 조건하에서 돌기의 개수, 돌기의 형성 위치, 돌기의 형상 등 다양한 형태의 체결 구조가 구현될 수 있음에 유의한다.
다음으로, 도 5는 도 3의 LED 렌즈에 결합되는 다양한 종류의 빔형상 조정 소자를 개략적으로 도시한 도이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명에 적용되는 빔형상 조정 소자는 마이크로 렌즈(152), 마이크로 렌즈 어레이(154), 마이크로 렌즈쌍(156), 회절광학소자 또는 회절광학소자쌍(158; DOE or DOE pair), 확산기 또는 확산기쌍(160; difuser or diffuser pair) 및 볼륨확산기(162; volume diffuser) 등이 사용될 수 있다. 이러한 빔형상 조정 소자들은 렌즈의 상면으로 출사되는 빛의 방사각을 조정함으로써 전체 시스템의 균일도를 증가시키는 결과를 가져오는 역할을 한다.
즉, 렌즈 몸체의 상면 방향으로 직진하는 빛을 빔형상 조정 소자를 통과시킴으로써 도 3의 U 영역과 같이 렌즈를 중심으로 넓게 퍼지는 형상의 빛의 영역을 갖도록 함으로써 렌즈의 중심축에서 휘도가 집중되는 것을 방지할 수 있고, 이에 따라 전체적인 시스템에서 휘도 및 색의 균일성 증가에 효과를 가져올 수 있다.
또한, 본 발명의 LED 렌즈는 다양한 형상의 렌즈 몸체로 제공될 수 있다. 도 3의 렌즈 몸체(140)와 달리 다양한 형상의 렌즈 몸체가 적용될 수 있으며, 이러한 형태가 도 6a 내지 도 6c를 통해 예시적으로 설명된다.
참고로, 도 6a 내지 도 6c의 LED 렌즈들(110a, 110b, 110c)은 기본적으로 도 3의 렌즈(110)과 유사하며, 이에 동일 구성요소는 동일한 부호를 사용하여 도시하였으며, 그 상세에 대한 설명은 생략하기로 한다.
예를 들면, 도 6a의 렌즈(110a)는 도 3의 렌즈 몸체에서 상부 투과면(136; 도 3 참조)이 제거된 것이며, 도 6b의 렌즈(110b)는 상부 반사면(134; 도 3 참조) 대신에 수평한 형태의 상부 투과면(134') 및 상부 투과면(134')의 중앙에 형성된 중앙 굴절면(136')이 형성된 것이고, 도 6c의 렌즈(110c)는 수평한 형태의 상부 투과면(134') 위에 소정의 빔형상 조정 수단(150')이 형성된 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 백라이트용 LED 렌즈는 다양한 형태의 렌즈 몸체들(110, 110a, 110b, 110c)과, 다양한 종류의 빔형상 조정 소자들(150, 152, 154, 156, 158, 160, 162)이 조합되어 구성될 수 있으며, 이를 통하여 LED 광원으로부터 나오는 빛이 렌즈의 측면과 상면으로 동시에 빛을 출사시키는 것을 특징으로 한다.
이처럼, 본 발명의 LED 렌즈는 LED 광원으로부터 나오는 빛의 일부를 렌즈의 상면 방향으로 출사시켜 전체 휘도를 증가시키고, 동시에 빛의 일부를 렌즈의 측면 방향으로 출사시켜 최대한 넓은 면적으로 조사하도록 함으로써 시스템의 균일도를 향상시킬 수 있다.
렌즈의 상면 방향으로 출사되는 빛은 렌즈의 형태, 목적, 구성 등에 따라 달라질 수 있으나, 대체적으로 LED 광원으로부터 나오는 빛의 대략 10% 내지 50%의 범위가 사용될 수 있다. 이때 광량의 조절은 렌즈 몸체(주 렌즈)의 형태로 조절할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 백라이트용 LED 렌즈는 렌즈의 측면 방향과 상면 방향으로 빛을 출사시킴으로써 다음과 같은 특징을 가져올 수 있다.
먼저, 종래의 측면 방사형 렌즈에 비하여 휘도의 개선을 가져올 수 있다. 휘도 향상에 따라 소비전력량 및 발열량의 감소를 가져올 수 있다.
또한 종래의 상면 방사형 렌즈에 비하여 휘도 균일성 및 색 균일성을 높일 수 있다. 따라서 전체 시스템의 두께를 줄일 수 있다.
덧붙여, 본 발명에 따른 LED 렌즈는 오류광까지 제어하도록 함으로써 전체적인 시스템의 성능 향상을 도모할 수 있다.
본 발명에 따른 백라이트용 LED 렌즈는 LED 광원으로부터 나오는 빛을 렌즈의 측면과 상면 방향으로 출사하도록 함으로써 종래에 비하여 전체적 휘도의 향상과 휘도 균일성 및 색 균일성을 가져올 수 있다. 덧붙여, 오류광을 제어함으로써 전체적인 시스템의 성능 향상을 도모할 수 있다.

Claims (9)

  1. LED 광원;
    상기 LED 광원이 저면에 수용되며, 상기 LED 광원으로부터 나오는 빛이 상면 및 측면 방향으로 출사되도록 구성되는 렌즈 몸체; 및
    상기 렌즈 몸체의 상부에 체결되어 상면을 통해 나오는 빛을 제어하는 빔형상 조정 소자;를 포함하는 것을 특징으로 하는 백라이트용 LED 렌즈.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 빔형상 조정 소자는 상기 상면 방향으로 출사되는 빛의 방사각을 변화시키는 것을 특징으로 하는 백라이트용 LED 렌즈.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 빔형상 조정 소자는 상기 렌즈 몸체의 상부에 직접 형성되는 것을 특징으로 하는 백라이트용 LED 렌즈.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 렌즈 몸체의 상면 방향으로 출사되는 빛은 상기 LED 광원으로부터 나오는 빛의 10% 이상인 것을 특징으로 하는 백라이트용 LED 렌즈.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 렌즈 몸체는:
    상기 LED 광원이 저면에 수용되고, 상기 상면 방향을 향한 중심축을 기준으로 대칭의 하부 굴절면을 갖는 하부 몸체; 및
    상기 하부 몸체의 상부에 형성되고, 상기 하부 굴절면의 선단에서 직선 형상으로 연결되는 상부 굴절면과, 상기 상부 굴절면의 선단에서 상기 중심축을 향하여 대칭으로 형성되는 상부 반사면을 갖는 상부 몸체;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 백라이트용 LED 렌즈.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 상부 몸체는 상기 상부 반사면의 중앙부에 형성되어 상기 LED 광원으로부터 나오는 빛의 일부를 직접 상면 방향으로 출사시키는 상부 투과면을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 백라이트용 LED 렌즈.
  7. 제1 항에 있어서, 상기 렌즈 몸체는:
    상기 LED 광원이 저면에 수용되고, 상기 상면 방향을 향한 중심축을 기준으로 대칭의 하부 굴절면을 갖는 하부 몸체; 및
    상기 하부 몸체의 상부에 형성되고, 상기 하부 굴절면의 선단에서 직선으로 연결되는 상부 굴절면과, 상기 상부 굴절면의 선단에서 상기 중심축을 향하여 수평으로 형성되는 상부 투과면을 갖는 상부 몸체;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 백라이트용 LED 렌즈.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 상부 몸체는 상기 상부 투과면의 중앙부에 형성되는 돔 형상의 중앙 굴절면을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 백라이트용 LED 렌즈.
  9. 제 5 항 또는 제 7 항에 있어서, 상기 빔형상 조정 소자는 상기 상부 굴절면의 선단을 따라 체결되는 것을 특징으로 하는 백라이트용 LED 렌즈.
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