KR100989436B1 - Ｌｅｄ 용 집광 렌즈 및 그 설계 방법 - Google Patents

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Abstract

LED 용 집광 렌즈 및 그 설계 방법이 개시된다. 본 발명에 따른 LED 용 집광 렌즈는, 상기 집광 렌즈의 중앙부에 형성되는 비구면부; 상기 비구면부의 외측에 형성되며, 복수 개의 프레넬 패턴들을 가지는 프레넬 렌즈부; 상기 비구면부로 입사된 빛과 상기 프레넬 렌즈부를 경유한 빛이 출사되는 출사면을 포함하고, 상기 비구면부는, 상기 비구면부의 하부에 마련될 LED 칩과 상기 비구면부 사이에 형성되는 제1 가상 발광점으로부터 방사되어 상기 비구면부에 입사되는 빛들의 지향각을 조절하도록 설계되고, 상기 복수 개의 프레넬 패턴들의 적어도 일부는, 상기 LED 칩을 기준으로 상기 제1 가상 발광점의 반대편에 형성되는 제2 가상 발광점으로부터 방사되어 상기 적어도 일부의 프레넬 패턴들 각각을 경유한 빛들의 지향각을 조절하도록 설계된 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의한 LED 용 집광 렌즈는 LED 칩으로부터 방사되는 빛을 집광하여 국부적으로 조명할 수 있으며, 미니어쳐화된 LED 어플리케이션에 적용할 수 있다.
LED, SMT LED, 집광 렌즈

Description

ＬＥＤ 용 집광 렌즈 및 그 설계 방법{Concentrating lens for LED and designing method thereof}
본 발명은 LED 용 집광 렌즈에 관한 것으로 보다 상세하게는 LED 칩으로부터 방사되는 빛을 집광하여 국부적으로 조명할 수 있도록 하는 LED 용 집광 렌즈에 관한 것이다.
발광 다이오드(Light-emitting diodes, LED)는 조명과 전자 기기에서 널리 사용된다. 휴대 전화나 PDA 등 개인용 모바일 통신 기기의 급속한 성장으로 인해 다양한 광학 요소들이 단일 기기 내에 구비되고 있다. 최근의 연구들은 LED의 이러한 기기들로의 적용을 확대하는 것에 초점을 맞추고 있다.
프로젝션 디스플레이 분야에서 LED를 이용한 효과적인 균질한 조명의 사용이 늘어나고 있는데, 여기에는 두 가지 관심 영역, 즉 광원과 광학 렌즈가 있다. 이상적인 광원은 매우 작은 지향각(solid angle)과 양호한 균질성을 가지는 빛을 제공한다. 공진 공동(resonant-cavity) LED는 이에 이상적이다. 광학 연구자들 및 제작자들은 광학 디자인과 제조 기술을 통하여 매우 균질한 조명 패턴을 달성하기 위해 전념하고 있다. 전기-광학(Electro-optical) 광원은 광학 시스템과의 경쟁을 위하 여 광학적 성능의 제약을 극복해야 한다. 전반사(total internal reflection, TIR) 프레넬 렌즈는 이를 달성하기 위한 수단 중의 하나이다.
모든 어플리케션에서 전기-광학 시스템의 성능의 기준은 일반적으로 집광 효율(concentration efficiency)로 정의된다. 집광 효율은 타겟에서 얻어지는 사용 가능한 플럭스 대 광원에 의해 방출되는 전체 소스 플럭스의 비율이다. 사용 가능한 플럭스는 보통 지향각에 대하여 정의된다. 그러나 LED의 집광 효율은 LED의 지향각이 일반적으로 45ㅀ보다 크기 때문에 어플리케이션을 제약할 만큼 상당히 낮다. 게다가, 개인 통신 기기는 고작해야 수 밀리미터의 두께이다. 이러한 이유로 인해 LED는 기술적 요구사항을 만족시키기 위해 소형화된 프레넬 렌즈와 같은 특별한 광학 요소를 필요로 한다.
비록 프레넬 렌즈가 다양한 어플리케이션에서 LED와 함께 사용되어 왔지만, 렌즈 특성의 관점에서는 미니어쳐화된 광학 요소에서의 사용을 위해서는 충분하지 않았다. 대신 비구면 렌즈가 광학 성능과 광학 요소의 미니어쳐화에서 요구되는 성능 향상을 달성하기 위해 일반적으로 사용된다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 미니어쳐화된 LED 어플리케이션에 적용할 수 있는, LED 칩으로부터 방사되는 빛을 집광하여 국부적으로 조명할 수 있도록 하는 LED 용 집광 렌즈 및 그 설계 방법을 제공하는 데 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명에 따른 LED 용 집광 렌즈는, 상기 집광 렌즈의 중앙부에 형성되는 비구면부; 상기 비구면부의 외측에 형성되며, 복수 개의 프레넬 패턴들을 가지는 프레넬 렌즈부; 상기 비구면부로 입사된 빛과 상기 프레넬 렌즈부를 경유한 빛이 출사되는 출사면을 포함하고, 상기 비구면부는, 상기 비구면부의 하부에 마련될 LED 칩과 상기 비구면부 사이에 형성되는 제1 가상 발광점으로부터 방사되어 상기 비구면부에 입사되는 빛들의 지향각을 조절하도록 설계되고, 상기 복수 개의 프레넬 패턴들의 적어도 일부는, 상기 LED 칩을 기준으로 상기 제1 가상 발광점의 반대편에 형성되는 제2 가상 발광점으로부터 방사되어 상기 적어도 일부의 프레넬 패턴들 각각을 경유한 빛들의 지향각을 조절하도록 설계된 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 복수 개의 프레넬 패턴들은 상기 비구면부와 가까운 순서대로 제1 프레넬 패턴들, 제2 프레넬 패턴들, 및 제3 프레넬 패턴들로 나뉘고, 상기 제1 프레넬 패턴들은 상기 제1 가상 발광점으로부터 방사되어 상기 제1 프레넬 패턴들 각각을 경유한 빛들의 지향각을 조절하도록 설계되고, 상기 제2 프레넬 패턴들은 상기 제2 가상 발광점으로부터 방사되어 상기 제2 프레넬 패턴들 각각을 경유한 빛들의 지향각을 조절하도록 설계되고, 상기 제3 프레넬 패턴들은 상기 제2 발광점의 하부에 형성되는 제3 발광점으로부터 방사되어 상기 제3 프레넬 패턴들을 경유한 빛들의 지향각을 조절하도록 설계되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 프레넬 패턴들 각각은, 빛이 입사하는 입사면과 상기 입사면에 입사된 빛을 전반사시키는 전반사면으로 이루어지며, 상기 입사면과 상기 전반사면이 만나는 에지는 원형을 이루는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제1 내지 제3 가상 발광점의 위치는 각각 상기 LED 칩의 발광층의 위치와 상기 LED 칩을 감싸는 봉지제의 높이와 상기 봉지제의 굴절률에 따라 결정되는 것이 바람직하다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명에 따른 LED 용 집광 렌즈의 설계 방법은, 상기 집광 렌즈의 중앙부에 형성되는 비구면부를 설계하는 단계; 및 상기 비구면부의 외측에 형성되며, 복수 개의 프레넬 패턴들을 가지는 프레넬 렌즈부를 설계하는 단계를 포함하고, 상기 비구면부를 설계하는 단계는, 상기 비구면부의 하부에 마련될 LED 칩과 상기 비구면부 사이에 형성되는 제1 가상 발광점으로부터 방사되어 상기 비구면부에 입사되는 빛들의 지향각을 조절하도록 설계하고, 상기 프레넬 렌즈부를 설계하는 단계에서, 상기 복수 개의 프레넬 패턴들의 적어도 일부는, 상기 LED 칩을 기준으로 상기 제1 가상 발광점의 반대편에 형성되는 제2 가상 발광점으로부터 방사되어 상기 적어도 일부의 프레넬 패턴들 각각을 경유한 빛들의 지향각을 조절하도록 설계하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 프레넬 렌즈부를 설계하는 단계는, 상기 복수 개의 프레넬 패턴들을 상기 비구면부와 가까운 순서대로 제1 프레넬 패턴들, 제2 프레넬 패턴들, 및 제3 프레넬 패턴들로 나누고, 상기 제1 프레넬 패턴들은 상기 제1 가상 발광점으로부터 방사되어 상기 제1 프레넬 패턴들 각각을 경유한 빛들의 지향각을 조절하도록 설계하고, 상기 제2 프레넬 패턴들은 상기 제2 가상 발광점으로부터 방사되어 상기 제2 프레넬 패턴들 각각을 경유한 빛들의 지향각을 조절하도록 설계하고, 상기 제3 프레넬 패턴들은 상기 제2 발광점의 하부에 형성되는 제3 발광점으로부터 방사되어 상기 제3 프레넬 패턴들을 경유한 빛들의 지향각을 조절하도록 설계하는 것이 바람직하다.
상술한 본 발명에 따른 LED 용 집광 렌즈는, LED 칩으로부터 방사되는 빛을 집광하여 국부적으로 조명할 수 있으며, 미니어쳐화된 LED 어플리케이션에 적용할 수 있다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 이하 설명 및 첨부된 도면들에서 실질적으로 동일한 구성요소들은 각각 동일한 부호들로 나타냄으로써 중복 설명을 생략하기로 한다. 또한 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 용 집광 렌즈의 단면도이다. 도 1을 참조하면, LED 용 집광 렌즈는 중앙부에 형성되는 비구면부와(10), 비구면부(10)의 외측에 형성되는 프레넬 렌즈부(20), 비구면부(10)로 입사된 빛과 프레넬 렌즈부(20)를 경유한 빛이 외부로 출사되는 출사면(30)을 포함한다.
비구면부(10)는 비구면부(10) 하단의 특정 지점에서 방사되어 비구면부(10)에 입사되는 빛들의 지항갹을 조절하도록 설계된다. 예를 들면, 비구면부(10)에 입사되는 빛들이 입사 후에 중심축(z)에 평행하게 진행하도록 설계된다. 프레넬 렌즈부(20)는 동심원의 형태로 형성된 다수의 프레넬 패턴(21)들로 이루어진다. 프레넬 패턴(21)은 그 단면 형상이 도시된 바와 같이 톱니 형상으로 되어 있어 빛이 프레넬 패턴(21)을 경유하면서 입사 및 전반사를 걸쳐 지향각이 조절되도록 설계된다. 예를 들어, 입사 및 전반사 후에 중심축(z)에 평행하게 진행하도록 설계된다. 비구면부(10) 및 프레넬 패턴(21)들의 구조 및 설계에 관하여는 뒤에 자세히 설명하기로 한다.
도 2는 LED 용 집광 렌즈의 비구면부(10) 하단에 마련될 수 있는 표면실장(Surface Mount, SMT) LED의 개략적인 구조와 본 실시예에서 사용할 단순화된 모델을 설명하기 위한 도면이다.
SMT LED는 실장 기판(300) 위에 LED 칩(100)과 그를 감싸는 봉지제(200)가 형성된다. 봉지제(200)는 에폭시 또는 실리콘 등을 포함하는 투광성이 우수한 절연성 수지일 수 있으며, 봉지제(200) 내에는 형광체 및/또는 확산제가 포함될 수 있다.
LED 용 집광 렌즈의 설계에 있어서 광원의 특성은 매우 중요한 역할을 차지 한다. 특히 렌즈와 광원인 LED 칩 간의 거리가 근접한 경우에는 LED 칩(100)과 더불어 봉지제(200)와 실장 기판(300)을 포함하는 SMT LED를 하나의 광학 시스템으로 간주할 필요가 있다.
빛은 LED 칩(100)의 발광층(110)으로부터 방사된다. 발광층(110)은 LED 칩(100)의 양자우물 층에 해당할 수 있다. 방사된 빛은 봉지제(200)를 통과하여 공기로 나오는데, 일부 빛은 실장 기판(300)에서 반사를 거치게 되고, 봉지제(200)의 굴절률은 공기와 차이가 있으므로 봉지제(200)의 표면에서 굴절이 발생하게 된다. 따라서 도 2에 도시된 바와 같이 LED 칩(100)의 발광층(110)으로부터 방사되는 빛은 LED 칩(100)의 외부에서 보았을 때 서로 다른 발광점으로부터 방사되는 것으로 간주할 수 있고, 이들 발광점을 가상 발광점이라 할 수 있다. 가상 발광점은 LED 칩(100)의 상부로부터 나와 봉지제(200)의 상부면에서 굴절되는 빛의 발광점인 제1 가상 발광점(FT)과, LED 칩(100)의 측면으로부터 나와 봉지제(200)의 측면에서 굴절되는 빛의 발광점인 제2 가상 발광점(FST)과, LED 칩(100)의 측면으로부터 나와 실장 기판(300)에서 반사된 뒤 봉지제(200)의 측면에서 굴절되는 빛의 발광점이 제3 가상 발광점(FSL)로 나눌 수 있다. 따라서 제1 가상 발광점(FT)은 LED 칩(100)의 상부에 형성되고, 제2 가상 발광점(FST)은 LED 칩(100)을 기준으로 제1 가상 발광점(FT)의 반대편에 형성되며, 제3 가상 발광점(FSL)은 제2 발광점(FST)의 하부에 형성된다.
다음 수학식은 가상 발광점들의 위치를 LED 칩(100)과 봉지제(200)의 물리적 수치를 바탕으로 나타낸 수학식이다.
Figure 112009042811391-pat00001
상기 수학식에서 n1 및 n2는 각각 봉지제(200) 및 공기의 굴절률을, hc는 LED 칩(100)의 발광층(110)의 위치, 즉 실장 기판(300)으로부터의 높이를, h는 봉지제(200)의 높이를 나타내고 Φ, Θ, α는 입사각을, a는 봉지제(200)의 반경을 나타낸다.
도 3은 SMT LED로부터 나오는 빛의 지향각(solid angle)에 따른 각 가상 발광점의 분포를 나타낸다. 여기서, 지향각이란 집광 렌즈의 중심축(z) 방향과 빛의 진행 방향이 이루는 각을 의미한다.
발광 소자의 구현 시에 LED 칩(100)은 도 1에 도시된 집광 렌즈의 비구면부(10)의 하단에 중심축(z)을 중심으로 위치하게 된다. 따라서 봉지제(200)의 상부로부터 나오는 빛은 비구면부(10)에 입사되지만, 봉지제(200)의 측면으로부터 나오는 빛은 비구면부(10)에 입사되지 않는다. 따라서 본 실시예에서 비구면부(10)는, LED 칩(100)과 비구면부(10) 사이에 형성되는 제1 발광점(FT)으로부터 방사되어 비구면부(10)에 입사되는 빛들이 입사 후에 평행하게 진행하도록 설계한다.
다음 수학식은 비구면의 설계에 이용되는 수학식의 예이다. 여기서, z0(x)는 비구면 중심으로부터의 거리 x 에 대응하는 비구면 상의 임의의 지점의 z 좌표를 나타낸다.
Figure 112009042811391-pat00002
점광원의 위치가 정해지면 점광원의 위치에 초점을 가지는 구면렌즈의 곡률반경(C)을 선정하고 방사각의 퍼짐의 정도에 따라 k, a2, a4, a6, ... 의 적절한 값을 선정할 수 있다. 한편, 비구면부의 디자인은 광학 설계용 소프트웨어인 Code V 소프트웨어를 이용하여 수행될 수도 있다.
프레넬 렌즈부(20)에 도달하는 빛은 봉지제(200)의 상부로부터 나오는 빛과 더불어 봉지제(200)의 측면으로부터 나오는 빛이 모두 해당한다. 다만 프레넬 렌즈부(20)의 프레넬 패턴들 중 비구면부(10)에 가까운 프레넬 패턴들에는 봉지제(200)의 상부로부터 나오는 빛만 도달하게 되며, 비구면부(10)로부터 그보다 먼 곳에 있는 프레넬 패턴들에는 봉지제(200)의 측면으로부터 나오는 빛이 도달하게 된다. 나아가, LED 칩(100)의 측면으로부터 나와 봉지제(200)의 측면에서 굴절되는 빛은 상대적으로 비구면부(10)로부터 가까운 곳에 있는 프레넬 패턴들에, LED 칩(100)의 측면으로부터 나와 실장 기판(300)에서 반사된 뒤 봉지제(200)의 측면에서 굴절되는 빛은 상대적으로 비구면부(10)로부터 먼 곳에 있는 프레넬 패턴들에 도달한다. 따라서 본 실시예에서는 프레넬 렌즈부(20)의 프레넬 패턴들을 비구면부(10)와의 거리에 따라 세 가지 프레넬 패턴들의 셋으로 나누고, 이들을 비구면부(10)와 가까운 순서대로 제1 프레넬 패턴들, 제2 프레넬 패턴들, 및 제3 프레넬 패턴들이라 하기로 한다. 그리고 제1 프레넬 패턴들은 제1 가상 발광점(FT)으로부터 방사되어 제1 프레넬 패턴들 각각을 경유한 빛들이 평행하게 진행하도록 설계하고, 제2 프레넬 패턴들은 상기 제2 가상 발광점(FST)으로부터 방사되어 제2 프레넬 패턴들 각각을 경유한 빛들이 평행하게 진행하도록 설계되고, 제3 프레넬 패턴들은 상기 제2 발광점의 하부에 형성되는 제3 가상 발광점(FSL)으로부터 방사되어 제3 프레넬 패턴들을 경유한 빛들이 평행하게 진행하도록 설계한다.
비구면부(10)와 프레넬 렌즈부(20)의 경계 및 상기된 세 프레넬 패턴의 경계는 각 가상 발광점들로부터의 각도에 따라서 분류될 수 있고, 이 각도는 도 2와 같은 광학 시스템 모델에 따라 정해질 수 있다. 그리고 도 4에 도시된 바와 같이 제1 가상 발광점(FT), 제2 가상 발광점(FST), 및 제3 가상 발광점(FSL)으로부터 각각 특정 지향각 방향과 만나는 지점이 비구면부(10)와 제1 프레넬 패턴과의 경계, 제1 프레넬 패턴과 제2 프레넬 패턴의 경계, 및 제2 프레넬 패턴과 제3 프레넬 패턴의 경계로 정해질 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라서 임의의 가상 발광점(점광원)이 주어질 때 프레넬 패턴을 설계하는 방법을 설명하기 위한 도면으로서 프레넬 패턴의 단면이 도시되어 있다. 도시된 바와 같이 프레넬 패턴은 빛이 입사하는 입사면과 입사 면에 입사된 빛을 전반사시키는 전반사면으로 이루어지며, 입사면과 전반사면이 만나는 에지는 원형을 이룬다. 입사면은 점광원 O를 중심으로 하고 곡률반경을 ρ로 하는 원형을 띤다.
도 5에서 점광원의 위치를 O라 하고, 지향각을 α라 하자. 이때 입사면에서의 입사각을 E, 굴절각을 T, 입사점에서 입사면의 접선과 전반사면이 이루는 각을 T, 전반사면에서 반사된 빛의 진행 방향과 전반사면이 이루는 각을 C, 전반사면과 렌즈의 중심축 방향이 이루는 각을 P, 렌즈의 굴절률을 n이라 하면 다음 수학식이 성립한다.
Figure 112009042811391-pat00003
이때, 입사면의 곡률반경 ρ는 다음 수학식에 따라 구해진다.
Figure 112009042811391-pat00004
여기서, r은 입사면의 렌즈 중심으로부터의 거리를 의미한다. 따라서 상기 수학식 3으로부터, 지향각 α가 특정되면 적절한 T, P, E 값이 산출될 수 있다. 이때 산출된 E 값을 수학식 4에 대입하면 곡률반경 ρ가 구해진다.
이미 설명한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 프레넬 렌즈부(20)의 프레넬 패턴들의 위치에 따라서 해당 프레넬 패턴의 입사면과 전반사면의 모양을 결정하기 위한 점광원의 위치를 달리 한다. 그 점광원을 도 2에 나타낸 제1 가상 발광점(FT), 제2 가상 발광점(FST), 및 제3 가상 발광점(FSL)으로 하는 경우, 지향각 Φ', Θ'', α''는 각각 다음 수학식과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112009042811391-pat00005
따라서, 상기 수학식 3에서 α 를 Φ', Θ'', α'' 로 각각 대체하여 제1 내지 제3 가상 발광점 각각에 대응하는 제1 내지 제3 프레넬 패턴에 대한 T, P, E 값을 산출한 후, 각 E 값을 가지고 상기 수학식 4로부터 해당 프레넬 패턴에 대한 곡률반경 ρ를 구할 수 있다.
그러면 프레넬 패턴의 입사면의 형상은 다음 수학식에 따라 정해진다.
Figure 112009042811391-pat00006
여기서, r, y는 입사면 상의 임의의 지점의 좌표점을 의미한다.
도 6은 상술한 실시예에 따라 설계된 집광 렌즈의 비구면부(10)와 프레넬 렌즈부(20)의 형상을 나타낸 도면이다. 비구면부(10)와 프레넬 렌즈부(20)의 형상이 정해지면 집광 렌즈의 두께, 즉 비구면부(10)의 중심으로부터 출사면(30)까지의 거리는 적절하게 선택될 수 있다. 이렇게 설계된 집광 렌즈는 Poly Methyl Methacrylate(PMMA) 소재에 초정밀 가공기를 이용하여 직접 가공될 수 있으며, 가공 순서는 출사면(30), 비구면부(10), 프레넬 렌즈부(20)의 순서로 가공한다.
도 7은 상술한 실시예에 따라 설계된 집광 렌즈의 입체 단면도를 나타낸다.
상술한 본 발명에 의하면, SMT LED를 하나의 광학 시스템으로 간주하여 각 가상 발광점들을 점광원으로 하여 비구면부(10)와 프레넬 렌즈부(20)를 설계한다. 따라서 SMT LED와 근접한 위치에서 SMT LED로부터 방사되는 빛을 보다 정확하게 집광할 수 있고, 따라서 미니어쳐화된 LED 어플리케이션에 적용 가능하다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 용 집광 렌즈의 단면도이다.
도 2는 LED 용 집광 렌즈의 비구면부(10) 하단에 마련될 수 있는 표면실장(Surface Mount, SMT) LED의 개략적인 구조와 본 실시예에서 사용할 단순화된 모델을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 SMT LED로부터 나오는 빛의 지향각(solid angle)에 따른 각 가상 발광점의 분포를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 비구면부(10)와 프레넬 렌즈부(20)의 경계 및 세 프레넬 패턴의 경계가 정해지는 모습을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라서 임의의 가상 발광점(점광원)이 주어질 때 프레넬 패턴을 설계하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 설계된 집광 렌즈의 비구면부(10)와 프레넬 렌즈부(20)의 형상을 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 설계된 집광 렌즈의 입체 단면도를 나타낸다.

Claims (7)

  1. LED 용 집광 렌즈에 있어서,
    상기 집광 렌즈의 중앙부에 형성되는 비구면부;
    상기 비구면부의 외측에 형성되며, 복수 개의 프레넬 패턴들을 가지는 프레넬 렌즈부;
    상기 비구면부로 입사된 빛과 상기 프레넬 렌즈부를 경유한 빛이 출사되는 출사면을 포함하고,
    상기 비구면부는, 상기 비구면부의 하부에 마련될 LED 칩과 상기 비구면부 사이에 형성되는 제1 가상 발광점으로부터 방사되어 상기 비구면부에 입사되는 빛들의 지향각을 조절하도록 설계되고,
    상기 복수 개의 프레넬 패턴들의 적어도 일부는, 상기 LED 칩을 기준으로 상기 제1 가상 발광점의 반대편에 형성되는 제2 가상 발광점으로부터 방사되어 상기 적어도 일부의 프레넬 패턴들 각각을 경유한 빛들의 지향각을 조절하도록 설계되고,
    상기 복수 개의 프레넬 패턴들은 상기 비구면부와 가까운 순서대로 제1 프레넬 패턴들, 제2 프레넬 패턴들, 및 제3 프레넬 패턴들로 나뉘고,
    상기 제1 프레넬 패턴들은 상기 제1 가상 발광점으로부터 방사되어 상기 제1 프레넬 패턴들 각각을 경유한 빛들의 지향각을 조절하도록 설계되고,
    상기 제2 프레넬 패턴들은 상기 제2 가상 발광점으로부터 방사되어 상기 제2 프레넬 패턴들 각각을 경유한 빛들의 지향각을 조절하도록 설계되고,
    상기 제3 프레넬 패턴들은 상기 제2 가상 발광점의 하부에 형성되는 제3 가상 발광점으로부터 방사되어 상기 제3 프레넬 패턴들을 경유한 빛들의 지향각을 조절하도록 설계된 것을 특징으로 하는 LED 용 집광 렌즈.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 프레넬 패턴들 각각은,
    빛이 입사하는 입사면과 상기 입사면에 입사된 빛을 전반사시키는 전반사면으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 LED 용 집광 렌즈.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 내지 제3 가상 발광점의 위치는 각각 상기 LED 칩의 발광층의 위치와 상기 LED 칩을 감싸는 봉지제의 높이와 상기 봉지제의 굴절률에 따라 결정되는 것을 특징으로 하는 LED 용 집광 렌즈.
  6. LED 용 집광 렌즈의 설계 방법에 있어서,
    상기 집광 렌즈의 중앙부에 형성되는 비구면부를 설계하는 단계; 및
    상기 비구면부의 외측에 형성되며, 복수 개의 프레넬 패턴들을 가지는 프레넬 렌즈부를 설계하는 단계를 포함하고,
    상기 비구면부를 설계하는 단계는, 상기 비구면부의 하부에 마련될 LED 칩과 상기 비구면부 사이에 형성되는 제1 가상 발광점으로부터 방사되어 상기 비구면부에 입사되는 빛들의 지향각을 조절하도록 설계하고,
    상기 프레넬 렌즈부를 설계하는 단계에서, 상기 복수 개의 프레넬 패턴들의 적어도 일부는, 상기 LED 칩을 기준으로 상기 제1 가상 발광점의 반대편에 형성되는 제2 가상 발광점으로부터 방사되어 상기 적어도 일부의 프레넬 패턴들 각각을 경유한 빛들의 지향각을 조절하도록 설계하고,
    상기 프레넬 렌즈부를 설계하는 단계는,
    상기 복수 개의 프레넬 패턴들을 상기 비구면부와 가까운 순서대로 제1 프레넬 패턴들, 제2 프레넬 패턴들, 및 제3 프레넬 패턴들로 나누고,
    상기 제1 프레넬 패턴들은 상기 제1 가상 발광점으로부터 방사되어 상기 제1 프레넬 패턴들 각각을 경유한 빛들의 지향각을 조절하도록 설계하고,
    상기 제2 프레넬 패턴들은 상기 제2 가상 발광점으로부터 방사되어 상기 제2 프레넬 패턴들 각각을 경유한 빛들의 지향각을 조절하도록 설계하고,
    상기 제3 프레넬 패턴들은 상기 제2 가상 발광점의 하부에 형성되는 제3 가상 발광점으로부터 방사되어 상기 제3 프레넬 패턴들을 경유한 빛들의 지향각을 조절하도록 설계하는 것을 특징으로 하는 LED 용 집광 렌즈의 설계 방법.
  7. 삭제
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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KR101490347B1 (ko) * 2013-04-16 2015-02-11 한국광기술원 조명 렌즈 모듈

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20000071058A (ko) * 1997-02-15 2000-11-25 에이치. 지. 톰슨 광학 장치
US6407860B1 (en) * 1998-12-02 2002-06-18 Kuraray Co., Ltd. Fresnel lens sheet
JP2003515779A (ja) * 1999-12-02 2003-05-07 ユニヴェルシダッド ポリテクニカ デ マドリッド 放射状のエネルギーを集中するまたは平行にするための装置

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20000071058A (ko) * 1997-02-15 2000-11-25 에이치. 지. 톰슨 광학 장치
US6407860B1 (en) * 1998-12-02 2002-06-18 Kuraray Co., Ltd. Fresnel lens sheet
JP2003515779A (ja) * 1999-12-02 2003-05-07 ユニヴェルシダッド ポリテクニカ デ マドリッド 放射状のエネルギーを集中するまたは平行にするための装置

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101299530B1 (ko) * 2011-12-29 2013-08-23 (주)애니캐스팅 발광다이오드용 렌즈, 이를 구비하는 백라이트유닛 및 표시장치

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