KR100651550B1 - 상, 중, 하부로 구성된 ｌｅｄ 광원용 렌즈 - Google Patents

상, 중, 하부로 구성된 ｌｅｄ 광원용 렌즈 Download PDF

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KR100651550B1
KR100651550B1 KR1020050075827A KR20050075827A KR100651550B1 KR 100651550 B1 KR100651550 B1 KR 100651550B1 KR 1020050075827 A KR1020050075827 A KR 1020050075827A KR 20050075827 A KR20050075827 A KR 20050075827A KR 100651550 B1 KR100651550 B1 KR 100651550B1
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Abstract

본 발명은 상, 중, 하부의 구조를 가지는 LED 광원용 렌즈에 관한 것이며, 보다 상세하게는 하부에서 상부로 진행하는 광 경로상에 내부 전반사와 굴절을 일으키는 구조를 포함함으로써 광을 측면으로 보다 효율적으로 보내는 상, 중, 하부로 구성된 LED 광원용 렌즈에 관한 것이며, 이를 위하여 상부 반사면의 말단에서 중심축과 평행하게 연장된 상부 굴절면을 형성하고, 중앙부의 측면을 단차지게 형성하고, 단차진 측면의 일부는 내측으로 소정의 각도로 경사진 경사면을 포함하며, LED 광원에서 방사되는 광 경로 중 일부가 측면의 경사면에서 반사 또는 굴절됨으로써 광경로가 변경되어, 측면으로 광이 효율적으로 출사될 수 있다.
LED 광원, 렌즈, 반사면, 굴절면, 광 경로

Description

상, 중, 하부로 구성된 ＬＥＤ 광원용 렌즈 {Lens for LED light source composed the upper, middle, low parts}
도 1은 종래의 렌즈의 일 예를 도시한 단면도;
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 렌즈를 도시한 단면도;
도 3은 도 2의 렌즈의 광 경로를 나타낸 도;
도 4는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 렌즈를 도시한 단면도;
도 5는 도 4의 렌즈의 광 경로를 나타낸 도;
도 6은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 렌즈를 도시한 단면도; 및
도 7은 도 6의 렌즈의 광 경로를 나타낸 도면이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
200, 300, 400 : 렌즈 110, 210, 310 : 상부
112, 212, 312 : 상부 반사면 114, 214, 314 : 상부 굴절면
120, 220, 320 : 중앙부 122, 222, 322 : 측면
124, 224, 324 : 경사면 130, 230, 330 : 하부
132, 232, 322 : 하부 굴절면 140, 240, 340 : 중심축
150, 250, 350 : LED 광원 L1 ~ L4 : 광 경로
D1 : 하부 굴절면의 최대 직경 D2 : 상부 반사면의 최대 직경
종래기술 :
미국 특허 제6,679,621 B1호
본 발명은 상, 중, 하부의 구조를 가지는 LED 광원용 렌즈에 관한 것이며, 보다 상세하게는 하부에서 상부로 진행하는 광 경로상에 내부 전반사와 굴절을 일으키는 구조를 포함함으로써 광을 측면으로 보다 효율적으로 보내는 상, 중, 하부로 구성된 LED 광원용 렌즈에 관한 것이다.
디스플레이 및 조명 광학계에서는 친환경, 고효율, 장수명을 가진 광원의 요구가 커지고 있으며, 또한 LED 효율과 휘도가 계속 증가함에 따라 LED를 이용한 대체 광원 개발이 이루어지고 있다. 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 광원용 렌즈 개발에 관한 필요가 더욱 증대되고 있다.
미국 특허 제6,679,621 B1호는 측면 방사 LED 및 그 렌즈에 관하여 기술하고 있으며, 반사면과 굴절면을 포함하여 LED로부터의 광이 렌즈의 측면으로 나오는 것 을 특징으로 하는 렌즈의 구조를 개시하고, 도 1을 참조하여 이를 설명하면 다음과 같다.
도 1에 따르면, 종래의 측면 방사 렌즈(100)는 상부(10)와 하부(30)로 구성되며, 상부는 중심축(40)에 대칭으로 굴곡지게 형성된 반사면(12)과 반사면(12)의 말단에서 중심축(40)에 대하여 기울어진 각도로 연장된 제 1 굴절면(14)을 가지고, 하부는 제 1 굴절면(14)의 하단에서 저면(34)까지 아치형으로 연장되어 형성된 제 2 굴절면(32)을 가지도록 구성되어 있다.
종래의 측면 방사 렌즈(100)에 따른 빛의 경로를 살펴보면 다음과 같다. 렌즈(100)의 초점 F(50)에 위치하고 있는 LED 광원에서 방사되는 광은 렌즈의 저면(34)을 통하여 렌즈에 들어갈 수 있으며, 상부(10)의 반사면(12)에 직접 입사하는 제 1의 광 경로는 초점 F(50)에서 광이 방사되고 상부(10)의 반사면(12)에서 제 1 굴절면(14)으로 반사되고, 제 1 굴절면(14)에서 굴절되어 렌즈의 중심축(40)에 실질적으로 수직인 방향으로 출사된다(화살표 L1 참조).
또한, 제 2 굴절면(34)에 직접 입사하는 제 2의 광 경로는 초점 F(50)에 위치하고 있는 LED 광원에서 광이 방사되고 제 2 굴절면(34)에 의해 굴절되어 중심축(40)에 실질적으로 수직인 방향으로 출사된다(화살표 L2 참조).
이처럼, 종래의 측면 방사 렌즈는 광의 대부분이 렌즈의 제 1 굴절면 및 제 2 굴절면으로 나오도록 함으로써 LED 광원의 광이 렌즈의 측면으로 출사되는 점에 특징이 있다.
그러나, 종래의 측면 방사 렌즈는 상부의 반사면의 말단이 날카롭기 때문에 LED 광원에서 방사된 광이 반사면의 날카로운 부분을 통하여 스크린으로 바로 조사될 수 있으며, 상부의 반사면(특히, 말단에 인접한 부분)에 입사된 광은 올바른 광 경로로 가기 어려운 문제점이 나타날 수 있다.
또한, 상부의 반사면의 말단이 날카롭기 때문에 대량 제작시에 파손, 손상 등 변형의 우려가 있으며, 렌즈가 변형되는 경우 변형된 부분이 스크린과 가까운 위치에 있기 때문에 스크린의 손상을 가져오는 문제점이 나타날 수 있다.
또한, 하부의 제 2 굴절면의 경우, 상부로 올라가는 광을 최소화하고 측면으로 광을 출사하는 역할을 하지만, 제 2 굴절면이 제 1 굴절면에 비하여 상대적으로 넓은 면적을 가지기 때문에 제 2 굴절면에서 원하는 각으로만 광을 출사시키기 위해서는 면의 곡률의 변화가 커야하며, 이는 렌즈 내부에 갇히는 광량을 증가시키는 문제점이 나타날 수 있다.
본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 창안한 것으로, 상부 반사면의 말단에서 중심축과 평행하게 연장된 굴절면을 형성하여 제작을 용이하도록 하고, 상부와 연결되는 중앙부의 측면을 단차지게 형성하여 경사면을 구성하고 이를 통하여 광 경로를 바꿔주어 측면으로 출사될 수 있는 LED 광원용 렌즈를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 하부 굴절면의 최대 직경이 상부 반사면의 최대 직경보다 작게 함으로써 하부에서 발생하는 내부 전반사에 의한 광의 손실을 줄일 수 있는 LED 광원용 렌즈를 제공하는 것이다.
이를 위하여, 본 발명은 LED 광원에서 방사되는 광을 측면으로 출사시키는 렌즈에 관한 것으로, 중심축에 대칭으로 굴곡진 상부 반사면을 갖고, 상부 반사면의 말단에서 중심축과 실질적으로 평행하게 연장된 상부 굴절면을 갖는 상부; 상부 굴절면의 하단에서 연장되어 내측으로 단차지게 형성된 측면을 갖고, 측면을 통해 광이 굴절 또는 반사되는 중앙부; 및 LED 광원이 수용되고, 중앙부의 측면 하단에서 외측으로 연장되어 형성된 아치형의 하부 굴절면을 갖는 하부; 를 포함하며, 이때, LED 광원에서 방사된 광이 중심축에 실질적으로 수직한 방향으로 출사되는 것을 특징으로 하는 상, 중, 하부로 구성된 LED 광원용 렌즈를 제공한다.
본 발명에 있어서, 하부, 중앙부 그리고 상부가 일체로 사출 성형되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 있어서, 단차진 중앙부의 측면은 적어도 일부에서 내측으로 소정의 각도로 경사지도록 제작된 경사면을 포함하고, 경사면을 통해 광이 굴절 또는 반사되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 있어서, 경사면의 상단은 상부 굴절면의 하단과 단차를 갖고 연장되며, 경사면의 하단 또한 단차를 갖고 하부 굴절면과 연장된 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 있어서, 하부 굴절면의 최대 직경이 상부 반사면의 최대 직경보다 작은 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 있어서, 경사면의 상단은 상부 굴절면의 하단과 단차를 갖고 연장되며, 경사면의 하단은 하부의 굴절면과 직접 연장되는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명한다.
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 LED 광원용 렌즈(200)를 도시한 단면도이며, 도 3은 도 2의 LED 광원용 렌즈(200)의 빛의 경로를 나타낸 도면이다.
본 발명의 제 1 실시예에 따른 LED 광원용 렌즈(200)는 상부(110), 중앙부(120) 그리고 하부(130)로 구성되어 있으며, 하부 굴절면(132)의 최대 직경(D1)이 상부 반사면(112)의 최대 직경(D2)보다 작게 제작되는 것을 특징으로 한다.
상부(110)는 상부 반사면(112)과 상부 굴절면(114)으로 구성되고, 상부 반사면(112)은 중심축(140)에 대칭형으로 굴곡진 형상을 가지며, 상부 굴절면(114)은 상부 반사면(112)의 말단에서 중심축(140)과 평행하게 소정의 길이로 연장되어 형성된다.
중앙부(120)는 상부 굴절면(114)의 하단에서 연장되는 측면(122)을 포함하고고, 이 측면(122)은 내측으로 소정의 각도로 경사진 경사면(124)을 포함한다. 또한, 경사면(124)의 상단은 상부 굴절면(114)의 하단과 중심축(140)에 실질적으로 수직한 방향으로 단차지게 연장되며, 경사면(124)의 하단은 하부 굴절면(132)과 중심축(140)과 수직하게 단차지면서 하부 굴절면(132)에 연장되고, 이 경사면(124)에서 광은 선택적으로 반사 또는 굴절될 수 있다. 경사면(124)에서 광이 반사 또는 굴절되는 경우에 관해서는 하기의 광 경로에 대해 설명하면서 같이 기술하기로 한다.
하부(130)는 중앙부(120)의 측면(122)의 말단에서 외측으로 연장된 아치형의 하부 굴절면(132)을 포함하며, 하부(130)의 저부에는 렌즈에 광을 방사하기 위한 LED 광원(150)이 수용된다.
일반적으로, 렌즈를 구성하는 물질과 공기가 이루는 임의의 경계면(예컨대, 상부 반사면과 경사면)에서 이루어지는 반사는 광의 입사각이 임계각보다 큰 경우에 수행되는 내부 전반사를 포함한다. 또한, 굴절은 또 다른 경계면(예컨대, 상부 굴절면, 하부 굴절면 그리고 경사면)에서 광의 입사각이 임계각보다 작은 경우에 수행된다.
본 발명의 제 1 실시예에 따른 광 경로를 보면 L1과 L2는 종래 문헌에 기술한 광 경로와 유사하다. 구체적으로는, 상부 반사면(112)에 직접 입사되는 광 경로는 LED 광원(150)에서 광이 방사되고, 상부 반사면(112)에서 상부 굴절면(114)으로 반사되고, 상부 굴절면(114)에서 굴절되어 렌즈의 중심축(140)에 실질적으로 수직인 방향으로 출사된다(화살표 L1 참조). 또한, LED 광원(150)에서 광이 방사되어 하부 굴절면(132)에 직접 입사되고 굴절되어 중심축(140)에 실질적으로 수직한 방향으로 출사된다(화살표 L2 참조).
그 외의 광 경로를 살펴보면, LED 광원에서 방사되어 하부 굴절면(132)을 통과하여 직접 상부(110)로 들어가는 광 중에서 일부는 중앙부(120)의 측면(122)에 형성된 경사면(124)에서 반사되어 상부 반사면(112)에서 다시 반사되고 상부 굴절면(114)을 통해 출사된다(화살표 L3 참조). 그리고 LED 광원에서 방사되어 직접 상부 반사면(112)으로 들어가는 광 중에서 상부 반사면(112)에서 반사되어도 상부 굴절면(114)까지 도달하지 못하는 각도의 광은 중앙부(120)의 측면(122)에 형성된 경사면(124)을 통하여 굴절되어 출사될 수 있다(화살표 L4참조).
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 측면이 단차진 LED 광원용 렌즈는 상부와 중앙부 및 하부로 구성되고 특히 상부 굴절면의 하단이 내측으로 단차지게 연장되어 경사진 형태의 측면을 포함하여 제공될 수 있으며, 이에 따라 LED 광원에서 방사되는 광 중에서 하부를 통과하여 상부로 직접 들어가는 광이 중앙부의 측면(경사면)에서 반사되어 상부 반사면 및 상부 굴절면을 거쳐 출사됨으로써 종래의 잘못된 광 경로를 줄일 수 있다.
또한, 하부 굴절면의 최대 직경이 상부 반사면의 최대 직경보다 작은 크기로 제작되어 제공될 수 있으며, 이에 따라 대부분의 광이 상부 및 중앙부의 경사면을 통해 출사함으로써 하부에서 발생하는 내부 전반사에 의한 광의 손실도 줄일 수 있다.
다음으로, 도 4는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 LED 광원용 렌즈(300)를 도시한 단면도이며, 도 5는 도 4의 LED 광원용 렌즈(300)의 광의 경로를 나타낸 도면이다.
본 발명의 제 2 실시예에 따른 LED 광원용 렌즈(300)는 도 2와 같이 상부 (210), 중앙부(220) 그리고 하부(230)로 구성되어 있으며, 측면(222)의 경사면(224)의 하단과 하부 굴절면(232) 사이에 단차 없이 직접 연장되고, 하부(230)가 차지하는 영역이 제 1 실시예의 하부(도 2의 130 참조)보다 큰 것을 특징으로 한다.
상부(210)는 상부 반사면(212)과 상부 굴절면(214)으로 구성되고, 상부 반사면(212)과 상부 굴절면(214)의 형태는 도 2의 상세한 설명에 기술된 바와 같다.
중앙부(220)는 측면(222)을 포함하고, 이 측면(222)은 내측으로 소정의 각도로 경사진 경사면(224)을 포함한다. 또한, 경사면(224)의 상단은 상부 굴절면(214)의 하단과 중심축(240)에 실질적으로 수직한 방향으로 적어도 두 번 단차진 후 연장되고, 경사면(224)의 하단은 중심축(240)을 중심으로 외측으로 아치형태의 하부 굴절면(232)과 직접 연장되며, 이 경사면(224)에서 광은 선택적으로 반사 또는 굴절될 수 있다.
하부(230)는 중앙부(220)의 측면(222)의 하단에서 외측으로 연장된 아치형의 하부 굴절면(232)으로 구성되며, 하부(230)는 렌즈에 광을 방사하기 위한 LED 광원(250)이 수용된다.
본 발명의 제 2 실시예에 따른 광 경로에서 L1과 L2는 제 1 실시예에 기술한 광 경로와 같다. L3 와 L4의 빛의 경로 또한, 상기 도 3의 설명한 것과 동일하다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 렌즈는 측면(222)의 경사면(224)의 하단과 하부 굴절면(232) 사이에 직접 연장되도록 제작되 고, 하부(230)가 제 1 실시예의 하부(도 2의 130참조)보다 크도록 제공될 수 있으며, 이에 따라 상부 반사면 및 상부 굴절면을 거쳐 출사되는 광 중에서 일부가 상부 반사면 및 상부 굴절면까지 가지 않고 하부 굴절면에서 직접 굴절되어 출사될 수 있다.
도 6은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 LED 광원용 렌즈(400)를 도시한 단면도이며, 도 7은 도 6의 LED 광원용 렌즈(400)의 광의 경로를 나타낸 도면이다.
본 발명의 제 3 실시예에 따른 LED 광원용 렌즈(400)는 상부(310), 중앙부(320) 그리고 하부(330)로 구성되어 있으며, 제 2 실시예와 비교했을 때, 중앙부(320)의 경사면(324)의 하부와 하부 굴절면(332)과 단차를 갖도록 제작되고, 제 1 실시예와 비교했을 때, 경사면의 상단이 상부 굴절면의 하단과 두 번의 단차를 갖는 것을 특징으로 한다.
상부(310)는 상부 반사면(312)과 상부 굴절면(314)으로 구성되고, 상부 반사면(312)과 상부 굴절면(314)의 형태는 도 2의 상세한 설명에 기술된 바와 같다.
중앙부(320)는 상부 굴절면(314)의 하단에서 연장되어 형성된 측면(322)을 포함하고, 이 측면(322)은 내측으로 소정의 각도로 경사진 경사면(324)을 포함한다. 또한, 경사면(324)의 상단은 상부 굴절면(314)의 하단과 중심축(340)에 실질적으로 수직한 방향으로 적어도 두 번 단차진 후 연장되고, 경사면(324)의 하단은 하부 굴절면(332)과 중심축(340)과 수직하게 단차지면서 하부 굴절면(332)에 연장되며, 이 경사면(324)에서 광은 선택적으로 반사 또는 굴절된다.
하부(330)는 중앙부(320)의 측면(322) 하단에서 외측으로 연장된 아치형의 하부 굴절면(332)으로 구성되며, 하부(330)는 렌즈에 광을 방사하기 위한 LED 광원(350)이 수용된다.
본 발명의 제 2 실시예에 따른 광 경로에서 L1과 L2는 종래 문헌에 기술한 광 경로와 유사하다. L3 와 L4의 빛의 경로 또한, 상기 도 3에서 설명한 것과 유사하다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 측면이 단차진 LED 광원용 렌즈는 상부와 중앙부 및 하부로 구성되고, 특히 상부 굴절면의 하단이 내측으로 단차지게 연장되어 경사진 형태의 경사면을 갖는 측면을 포함하여 제공될 수 있으며, 이에 따라 LED 광원에서 방사되는 광 중에서 하부를 통과하여 상부로 직접 들어가는 광 일부가 중앙부의 경사면에서 반사되어 상부 반사면 및 상부 굴절면을 거쳐 출사됨으로써 종래의 잘못된 광 경로를 줄일 수 있다.
또한, 하부 굴절면의 최대 직경이 상부 반사면의 최대 직경보다 작게 제작되어 제공될 수 있으며, 이에 따라 대부분의 광을 상부 및 중앙부의 경사면에서 출사시킴으로써 하부의 내부 전반사에 의한 광의 손실도 줄일 수 있다.
이처럼, 본 발명에서는 상부 굴절면을 형성하고, 측면을 단차지게 형성하며, 측면은 적어도 일부는 내측으로 경사진 경사면을 형성한 구조의 LED 광원용 렌즈를 제공하고, LED 광원의 광이 잘못된 광 경로 없이 렌즈의 측면으로 효율적으로 나오도록 한 점에 특징이 있다.
이상에서와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 중심으로 본 발명의 단차진 측면을 포함하는 LED 광원용 렌즈에 대하여 설명하였지만, 본 발명의 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 수정, 변경 및 다양한 변형 실시예가 가능함은 당업자에게 명백하다.
본 발명의 상, 중, 하부로 구성된 LED 광원용 렌즈에 따르면, 상부 반사면의 말단에서 중심축과 평행하게 연장된 굴절면을 형성하며, 중앙부의 측면을 단차지게 형성하고 일부는 경사면을 가지도록 제작했기 때문에, 경사면을 이용하여 잘못된 광 경로를 바꿔 측면으로 효율적으로 출사될 수 있으며, 또한 대량 생산이 용이하다.
또한, 하부 굴절면의 최대 직경이 상부 반사면의 최대 직경보다 작은 크기로 제작할 수 있기 때문에, 하부에서의 내부 전반사에 의한 광의 손실을 줄일 수 있다.

Claims (6)

  1. LED 광원에서 방사되는 광을 측면으로 출사시키는 렌즈에 있어서,
    중심축에 대칭으로 굴곡진 상부 반사면을 갖고, 상기 상부 반사면의 말단에서 상기 중심축과 실질적으로 평행하게 연장된 상부 굴절면을 갖는 상부;
    상기 상부 굴절면의 하단에서 연장되어 내측으로 단차지게 형성된 측면을 갖고, 상기 측면을 통해 광이 굴절 또는 반사되는 중앙부; 및
    상기 LED 광원이 수용되고, 상기 중앙부의 측면 하단에서 외측으로 연장되어 형성된 아치형의 하부 굴절면을 갖는 하부; 를 포함하며,
    이때, 상기 LED 광원에서 방사된 광이 상기 중심축에 실질적으로 수직한 방향으로 출사되는 것을 특징으로 하는 상, 중, 하부로 구성된 LED 광원용 렌즈.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 하부, 상기 중앙부 그리고 상기 상부가 일체로 사출 성형되는 것을 특징으로 하는 상, 중, 하부로 구성된 LED 광원용 렌즈.
  3. 제 1 항에 있어서, 단차진 상기 중앙부의 측면은 적어도 일부에서 내측으로 소정의 각도로 경사지도록 제작된 경사면을 포함하고, 상기 경사면을 통해 광이 굴절 또는 반사되는 것을 특징으로 하는 상, 중, 하부로 구성된 LED 광원용 렌즈.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 경사면의 상단은 상기 상부 굴절면의 하단과 단차를 갖고 연장되며, 상기 경사면의 하단 또한 단차를 갖고 상기 하부 굴절면과 연장된 것을 특징으로 하는 상, 중, 하부로 구성된 LED 광원용 렌즈.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 하부 굴절면의 최대 직경이 상기 상부 반사면의 최대 직경보다 작은 것을 특징으로 하는 상, 중, 하부로 구성된 LED 광원용 렌즈.
  6. 제 3 항에 있어서, 상기 경사면의 상단은 상기 상부 굴절면의 하단과 단차를 갖고 연장되며, 상기 경사면의 하단은 상기 하부의 굴절면과 직접 연장되는 것을 특징으로 하는 상, 중, 하부로 구성된 LED 광원용 렌즈.
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