KR101031959B1 - 조명광학계 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 조명광학계에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 조명광학계는 두개 이상의 집광렌즈와, 상기 집광렌즈의 초점과 집광렌즈의 사이영역에서 상기 집광렌즈를 향해 각각 배치되는 광원이 형성된 합성광원부; 및, 상기 집광렌즈에 의해 굴절된 조명을 일측을 향해 제공하는 집광부;를 포함하며, 상기 집광렌즈는 초점보다 가까이 배치되는 광원에 의해 허상점(virtual image point)이 초점보다 먼 지점에 형성되며, 상기 집광렌즈들은 각각의 허상점들이 공통의 한 지점에 위치하도록 배치되는 것을 특징으로 한다. 이에 의하여, 다수의 광원들로부터 제공되는 전체 광속이 마치 하나의 광원에서 발산하는 것과 같은 효과를 얻을 수 있는 조명광학계가 제공된다.
조명광학계, 집광렌즈, 광원, 허상점, 광속발산도

Description

조명광학계{ILLUMINATION OPTICAL SYSTEM}
본 발명은 조명광학계에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 다수개의 합성광원부의 집광렌즈들이 공통적인 허상점을 갖도록 배열하는 것에 의해 광속발산도를 향상시킬 수 있는 조명광학계에 관한 것이다.
일반적으로 조명광학계는 도 1 및 도 2에서 도시하는 바와 같이 단일 광원(10)과 상기 단일 광원(10)으로부터 큰 각도로 발산하는 광속을 집속하여 일 방향으로 제공하는 집광렌즈(20)로 구성되거나, 단일 광원(10)과 단일 광원(10)으로부터 큰 각도로 발산하는 광속을 반사시켜 일 방향으로 제공하는 반사경(20)으로 구성된다.
그러나, 상기 집광렌즈나 반사경을 향해 배치되는 광원의 조명을 향상시키기 위해 고휘도의 LED와 같은 광원을 이용한다 하더라도, 광원의 발광각 범위가 넓고 광원이 한 지점으로부터 제공되는 것이므로, 광속발산도를 향상시키는 데에는 한계가 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 다수의 광원으로부터 제공되는 광속이 단일 광원에서 제공되는 것과 같도록 함으로써 광속발산도를 향상시킬 수 있는 조명광학계를 제공함에 있다.
또한, 다양한 형태의 집광부를 이용해 합성광원부로부터 제공되는 방사상의 광속을 집속하여 원하는 방향에 원하는 형태로 제공할 수 있는 조명광학계를 제공함에 있다.
상기 목적은, 본 발명에 따라, 두개 이상의 집광렌즈와, 상기 집광렌즈의 초점과 집광렌즈의 사이영역에서 상기 집광렌즈를 향해 각각 배치되는 광원이 형성된 합성광원부; 및, 상기 집광렌즈에 의해 굴절된 조명을 일측을 향해 제공하는 집광부;를 포함하며, 상기 집광렌즈는 초점보다 가까이 배치되는 광원에 의해 허상점(virtual image point)이 초점보다 먼 지점에 형성되며, 상기 집광렌즈들은 각각의 허상점들이 공통의 한 지점에 위치하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 조명광학계에 의해 달성된다.
여기서, 상기 두개 이상의 집광렌즈들은 서로 인접 배치되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 집광렌즈들은 초점길이가 서로 동일한 것이 바람직하다.
한편, 본 발명의 조명광학계의 상기 집광렌즈들은 초점길이가 서로 다른 것 이 적용되는 것도 가능하다.
또한, 상기 집광부는 상기 합성광원부의 집광렌즈들을 통해 방사형으로 제공되는 광속을 집속시켜 일측 방향을 향해 제공하는 포물면 형태의 반사경으로 이루어지는 것이 바람직하다.
또한, 상기 집광부는 상기 합성광원부의 집광렌즈들을 통해 방사형으로 제공되는 광속을 집속시켜 일측 방향을 향해 제공하는 타원면 형태의 반사경으로 이루어지는 것이 바람직하다.
또한, 상기 집광부는 상기 합성광원부의 집광렌즈들을 통해 방사형으로 제공되는 광속을 집속시켜 일측 방향을 향해 제공하는 굴절광학렌즈로 이루어지는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 다수의 광원으로부터 제공되는 광속이 단일 광원에서 제공되는 것과 같도록 함으로써 광속발산도를 향상시킬 수 있는 조명광학계가 제공된다.
또한, 다양한 형태의 집광부를 이용해 합성광원부로부터 제공되는 방사상의 광속을 집속하여 원하는 방향에 원하는 형태로 제공할 수 있는 조명광학계가 제공된다.
설명에 앞서, 여러 실시예에 있어서, 동일한 구성을 가지는 구성요소에 대해서는 동일한 부호를 사용하여 대표적으로 제1실시예에서 설명하고, 그 외의 실시예 에서는 제1실시예와 다른 구성에 대해서 설명하기로 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 제1실시예에 따른 조명광학계에 대하여 상세하게 설명한다.
첨부도면 중 도 3은 본 발명 조명광학계의 합성광원부를 원리를 나타내는 도면이고, 도 4는 본 발명 조명광학계의 합성광원부를 나타내는 도면이며, 도 5는 본 발명 조명광학계를 나타내는 도면이다.
상기 도면에서 도시하는 바와 같은 본 발명 조명광학계는 크게 합성광원부(110)와, 상기 합성광원부(110)로부터 제공되는 조명을 집광하여 일측 방향을 향해 반사 또는 굴절시키는 집광부를 포함하여 구성된다.
상기 합성광원부(110)는 도 3과 같이 어느 한 지점에 초점이 형성되는 콜리메이팅 렌즈 또는 프레넬 렌즈 등의 집광렌즈(112)와, 상기 초점으로부터 집광렌즈(112)를 향해 소정간격 이격된 위치에서 상기 집광렌즈(112)를 향하도록 배치되는 광원(111)으로 구성된다.
상기와 같이 광원이 집광렌즈의 초점보다 가까운 위치에 배치되면 광원으로부터 제공되는 광속은 집광렌즈를 통과하면서 수평보다 넓은 각으로 확산된다.
이러한 확산각을 집광렌즈의 중심축을 향해 연장하면 집광렌즈의 중심축의 어느 한 지점에서 교차하게 되는데, 이러한 지점을 허상점(V; virtual image point)이라고 하며, 광원이 초점으로부터 집광렌즈를 향해 소정거리 이동한 위치에 배치되어 있으므로, 상기 허상점은 집광렌즈로부터 초점보다 먼 지점에 위치하게 된다.
도 4와 같이 초점보다 먼 지점에 허상점(V)이 위치하도록 설정된 합성광원부(110)들을 다수 마련하되, 다수의 허상점(V)들이 서로 동일한 지점에 위치하도록 배치하고, 각각의 집광렌즈(112)들의 사이에서 광속의 빈공간이 발생하지 않도록 집광렌즈(112)들의 단부를 서로 인접배치하는 것에 의해 다수의 집광렌즈(112)들은 구면(sphere)의 형태로 배열 된다.
따라서, 상기 합성광원부(110)는 각각의 광원(111)으로부터 집광렌즈(112)들을 지나 방사형으로 제공되는 광속이 허상점(V)에서 발산하는 광속과 같게 되므로, 다수의 광원(111)들로부터 제공되는 전체 광속이 마치 하나의 광원(111)에서 발산하는 것과 같은 효과를 얻게 되며, 이로인해 발광면의 단위 면적당 발산 광속을 나타내는 광속발산도가 향상된 합성광원부(110)를 구성할 수 있게 된다.
상기 집광부는 도 5와 같이 포물면 형태의 반사경(120a)으로 이루어지며, 포물면 형태의 반사경(120a)의 중심축상에 상기 합성광원부(110)의 허상점(V)이 배치된다.
상기와 같은 포물면 형태의 반사경(120a)은 상기 합성광원부(110)의 집광렌즈(112)들을 통해 방사형으로 제공되는 광속을 집속시켜 일측 방향으로 제공하게 되는데, 상기 포물면 형태의 반사경(120a)을 축방향으로 이동하는 것에 의해 포물면 형태의 반사경(120a)에 의해 반사되어 일측 방향으로 제공되는 광속의 공급 각도를 제어할 수 있게 된다.
즉, 포물면 형태의 반사경(120a)의 초점위치를 합성광원부(110)의 허상점(V) 에 일치시키는 경우에는 포물면 형태의 반사경(120a)을 통해 반사되는 광속이 일측 방향을 향해 평행하게 제공되고, 포물면 형태의 반사경(120a)의 초점위치를 합성광원부(110)의 허상점(V)의 전후로 이동하는 경우 포물면 형태의 반사경(120a)을 통해 반사되는 광속이 한곳으로 모이거나 퍼지게 된다.
또한, 상기 집광부는 도 6에서 도시하는 바와 같이 타원면 형태의 반사경(120b)으로 이루어지는 것도 가능하며, 타원면 형태의 반사경(120b)의 중심축상에 상기 합성광원부(110)의 허상점(V)이 배치된다.
상기와 같은 타원면 형태의 반사경(120b)은 상기 합성광원부(110)의 집광렌즈(112)들을 통해 방사형으로 제공되는 광속을 집속시켜 일측 방향으로 제공하게 되는데, 상기 타원면 형태의 반사경(120b)을 축방향으로 이동하는 것에 의해 타원면 형태의 반사경(120b)에 의해 반사되어 일측 방향으로 제공되는 광속의 교차점의 위치를 조절할 수 있게 된다.
즉, 타원면 형태의 반사경(120b)의 초점위치가 합성광원부(110)의 허상점(V)과 일치하는 경우에는 타원면 형태의 반사경(120b)을 통해 반사되는 광속이 유한거리의 한 지점에 집속시킬 수 있게 되며, 타원면 형태의 반사경(120b)의 초점위치를 합성광원부(110)의 허상점(V)의 전후로 이동하면 상기 집속되는 광속의 교차점도 전후방향으로 이동하게 된다.
상기와 같은 집광부의 반사경 형상에 관련된 방정식은 일반적으로 다음과 같 다.
코닉면(conic surface) 방정식
Figure 112009069420318-pat00001
(여기서 z는 z축에 평행한 면의 sag량, c는 근축영역의 곡률반경의 역수 즉 곡률, k는 코닉(conic)계수이다.)
한편, 코닉계수에 의한 코닉면의 분류는 아래와 같다.
k=-1:포물면(paraboloid)
-1<k<0:장축이 광축에 있는 타원면체면(prolate ellipsoid)
k<-1:쌍곡면(hyperboloid)
k=0:구면(sphere)
회전 대칭 비구면(aspherical surface) 방정식
Figure 112009069420318-pat00002
(여기서 z는 z축에 평행한 면의 sag량, c는 근축영역의 곡률반경의 역수 즉 곡률, k는 코닉(conic)계수, A4, A6, A8, A10은 비구면 계수이다.)
회전 비대칭 비구면(anamorphic aspherical surface) 방정식
Figure 112009069420318-pat00003
Figure 112009069420318-pat00004
(여기서 z는 z축에 평행한 면의 sag량, ry는 YZ평면에서의 근축 곡률반경, rx는 XZ평면에서의 근축 곡률반경, kx는 XZ평면에서의 코닉계수, ky는 YZ평면에서의 코닉계수, AR과 BR은 Z축에 대해서 회전 대칭인 각각 4차와 6차 비구면계수, AP와 BP는 Z축에 대해서 회전 비대칭인 각각 4차와 6차 비구면계수이다.)
한편, 상기 집광부는 도 7에서 도시하는 바와 같이 초점위치가 상기 합성광원부(110)의 허상점(V)과 일치하도록 배치되는 콜리메이팅 렌즈 또는 프레넬 렌즈 등의 굴절광학렌즈(120c)로 이루어지는 것도 가능하다.
즉, 상기 합성광원부(110)의 집광렌즈(112)들을 통해 방사형으로 제공되는 광속이 상기 굴절광학렌즈(120c)에 의해 집속되어 일측 방향을 향해 평행하게 제공된다. 한편, 상기 굴절광학렌즈(120c)를 축방향으로 전후로 이동하는 것에 의해 집속되는 광속의 공급각도를 조절하는 것도 가능할 것이다.
상기한 바와 같이 본 발명은 다양한 실시형태의 집광부를 통해 합성광원부(110)에 의해 광속발산도(divergence)가 향상되어 방사상의 형태로 제공되는 광속을 집속하여 원하는 방향을 향해 다양한 형태로 제공하는 것이 가능하게 된다.
첨부도면 중 도 8은 본 발명 조명광학계에 따른 합성광원부(110)의 다른실시예를 나타내는 도면이다.
상기 도면에서 도시하는 바와 같은 본 발명 조명광학계에 따른 합성광원부(110)의 다른실시예는 다수 마련되는 집광렌즈(112)들의 초점거리가 서로 다르게 형성되는 점에서 상술한 실시예와 차이를 갖는다.
즉, 서로 다른 초점거리를 갖는 다수의 집광렌즈(112)들은 허상점(V)이 공통의 한 지점에 위치하도록 배치되는 것과 동시에, 각각의 집광렌즈(112)들 사이에서 광속의 빈공간이 발생하지 않도록 집광렌즈(112)의 단부가 서로 인접되도록 배치되어 구면(sphere)의 형태를 이루게 된다.
이러한 다른 실시예의 합성광원부(110) 역시 다수의 집광렌즈(112)들의 허상점(V)이 일치하므로, 각각의 광원(111)으로부터 집광렌즈(112)들을 지나 방사형으로 제공되는 광속이 허상점(V)에서 발산하는 광속과 같아지므로, 다수의 광원(111)들로부터 제공되는 전체 광속이 마치 하나의 광원(111)에서 발산하는 것과 같은 효 과를 얻게 되며, 이로인해 발광면의 단위 면적당 발산 광속을 나타내는 광속 발산도가 향상된 합성광원부(110)를 구성할 수 있게 된다.
한편, 이러한 다른 실시예의 합성광원부(110)에 상술한 바와 같은 다양한 실시형태의 집광부를 적용하여 합성광원부(110)로 부터 제공되는 방사상의 광속을 원하는 곳을 향해 원하는 형태로 제공하는 것이 가능할 것이다.
또한, 상술한 실시예들에서는 다수의 집광렌즈들이 허상점(V)을 중심으로 입체적인 구면(sphere)의 형태로 배치되는 것으로 설명하였으나, 허상점(V)을 중심으로 XY평면에 배치되면서 호형의 띠모양으로 배치되는 것도 가능하다.
본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시예로 구현될 수 있다. 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 변형 가능한 다양한 범위까지 본 발명의 청구범위 기재의 범위 내에 있는 것으로 본다.
도 1 및 도 2는 종래 단일 광원을 사용한 조명광학계를 나타내는 도면,
도 3은 본 발명 조명광학계의 합성광원부를 원리를 나타내는 도면,
도 4는 본 발명 조명광학계의 합성광원부를 나타내는 도면,
도 5는 본 발명 조명광학계를 나타내는 도면,
도 6은 본 발명 조명광학계의 집광부의 다른실시예를 나타내는 도면,
도 7은 본 발명 조명광학계의 집광부의 또 다른 실시예를 나타내는 도면이고,
도 8은 본 발명 조명광학계의 합성광원부의 다른실시예를 나타내는 도면이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
110:합성광원부,
111:집광렌즈,
112:광원,
120a:포물면 형태의 반사경,
120b:타원면 형태의 반사경,
120c:굴절광학렌즈

Claims (7)

  1. 두개 이상의 집광렌즈와, 상기 집광렌즈의 초점과 집광렌즈의 사이영역에서 상기 집광렌즈를 향해 각각 배치되는 광원이 형성된 합성광원부;
    상기 집광렌즈에 의해 굴절된 조명을 일측을 향해 제공하는 집광부;를 포함하며,
    상기 집광렌즈는 초점보다 가까이 배치되는 광원에 의해 허상점(virtual image point)이 초점보다 먼 지점에 형성되며, 상기 집광렌즈들은 각각의 허상점들이 공통의 한 지점에 위치하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 조명광학계.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 두개 이상의 집광렌즈들은 서로 인접 배치되는 것을 특징으로 하는 조명광학계.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 집광렌즈들은 초점길이가 서로 동일한 것을 특징으로 하는 조명광학계.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 집광렌즈들은 초점길이가 서로 다른 것을 특징으로 하는 조명광학계.
  5. 제 3항 또는 제 4항에 있어서,
    상기 집광부는 상기 합성광원부의 집광렌즈들을 통해 방사형으로 제공되는 광속을 집속시켜 일측 방향을 향해 제공하는 포물면 형태의 반사경으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 조명광학계.
  6. 제 3항 또는 제 4항에 있어서,
    상기 집광부는 상기 합성광원부의 집광렌즈들을 통해 방사형으로 제공되는 광속을 집속시켜 일측 방향을 향해 제공하는 타원면 형태의 반사경으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 조명광학계.
  7. 제 3항 또는 제 4항에 있어서,
    상기 집광부는 상기 합성광원부의 집광렌즈들을 통해 방사형으로 제공되는 광속을 집속시켜 일측 방향을 향해 제공하는 굴절광학렌즈로 이루어지는 것을 특징으로 하는 조명광학계.
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