KR101150713B1 - 타원형의 광 방사 프로파일을 가진 ｌｅｄ용 집광 렌즈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 LED용 집광 렌즈에 관한 것으로, LED로부터 방사되는 중앙부 광선이 입사되도록, LED의 상방에 형성된 제1 입사면이 LED를 향해 볼록한 형상을 가진 제1 렌즈부와, LED로부터 방사되는 주변부 광선이 입사되는 제2 입사면과, 제2 입사면에서 굴절된 입사광을 전반사시키기 위한 반사면을 가진 제2 렌즈부와, 제1 렌즈부의 제1 입사면과 제2 렌즈부의 반사면으로부터의 광을 출사하고, 평탄면으로 형성된 출사면을 포함하고, 제1 입사면이 LED의 상방향을 둘러싸고, 제2 입사면이 LED의 측방향을 둘러싸도록 형성되고, 제2 입사면은 제1 입사면에 대해 수직한 방향으로부터 LED를 향해 멀어지는 방향으로 경사져 있으며, 반사면은 LED로부터 방사되어 제2 입사면을 통해 굴절하여 진입된 입사광을 반사하기 위해 제2 입사면에서 출사면으로 갈수록 점차적으로 넓어지도록 만곡되어 있으며, 제1 입사면은 타원형으로 형성된 것을 특징으로 하는 LED용 집광 렌즈.

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Description

타원형의 광 방사 프로파일을 가진 ＬＥＤ용 집광 렌즈{A CONDENSING LENS HAVING A OVAL-SHAPE LIGHT EMITTING}

본 발명은 LED용 집광 렌즈에 관한 것으로, 구체적으로 실내의 복도등 또는 인테리어 공간 등에 사용될 수 있는 타원형의 광 방사 프로파일을 가진 LED용 렌즈에 관한 것이다.

최근 LED(발광 다이오드) 소자를 이용한 조명이 각광 받고 있다. LED 조명은 전구나 형광등에 비하여 소비 전력이 매우 적으며, 또한 백열 전구와 같이 필라멘트 단락 등과 같은 현상이 없기 때문에, 수명은 통상 50,000 ~ 100,000 시간으로 알려져 있으며, 반영구적이라는 장점이 있다. 또한 대부분의 LED는 에폭시 패키징과 같은 소재로 몰딩되어 있기 때문에 충격에 강해 내구성 면에서 우수한 장점을 갖는다.

그러나, 이런 LED 소자는 전술한 장점 이외에, 소자 자체로부터 방사되는 광 의 방사각이 170°정도로 매우 넓고, 또한, 광축 중심부에서 조사되는 광에 비해 광축 외측으로 조사되는 광의 세기가 약하기 때문에, 실내 조명으로 사용하기 위해서는 광세기를 균일하게 조절하여 이를 국부적인 영역으로 조사할 필요가 있다.

이를 해결하기 위해, 도 2a에 도시한 바와 같은 렌즈구조가 알려져 있다. 이 렌즈구조에서는 외측으로 방사되는 빛을 렌즈의 외측면을 형성하는 반사면을 통해 일정 각도 범위 내로 집광 또는 시준함으로써 LED로부터 방사되는 광 균일도를 향상시키고 있다. 그러나, 이 렌즈 구조에서 방사되는 광의 프로파일은 도 2b에 도시한 바와 같이 단순한 원형의 광 방사 프로파일을 갖기 때문에, 최근 실내 조명에서 대두되는 미적인 측면과 실용적인 측면을 만족시키기에는 불리한 점이 있다.

예를 들면, 백화점 등의 쇼 케이스 등에서는 단순한 원형의 광 방사 프로파일을 갖는 조명보다는 쇼 케이스에 진열된 제품을 보다 부각시키기 위해 타원형의 프로파일을 갖는 조명이 사용되는 것이 미적인 측면에서 좋으며, 또한, 복도등과 같은 경우에도 타원형의 방사 프로파일을 갖는 것이 복도를 따른 길이 방향으로 보다 넓은 영역을 조사할 수 있기 때문에 실용적인 측면에서 이점이 얻어진다.

그러나, 전술한 도 2a와 같은 렌즈 구조는 원형의 광 방사 프로파일을 갖기 때문에, 이를 타원형의 광 방사 프로파일을 갖게 하기 위해서는 렌즈 조사면 전방에 특수 필터 등과 같은 또 다른 렌즈 구조물을 사용해야만 하는데, 렌즈 마다의 특성이 상이하기 때문에 이에 적합한 특수 필터를 구하기란 매우 번거롭다는 문제점이 있고, 이를 주문 제작하는 것 역시 비용 측면에서 비경제적이라는 문제점이 있다.

본 발명은 타원형의 광 방사 프로파일을 갖는 렌즈 구조물을 제공함으로써, 전술한 문제점을 해결하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 LED로부터 방사되는 광을 집광하기 위한 LED용 집광 렌즈를 제공하는데, 상기 LED용 집광 렌즈는,

상기 LED로부터 방사되는 중앙부 광선이 입사되도록, 상기 LED의 상방에 형성된 제1 입사면이 LED를 향해 볼록한 형상을 가진 제1 렌즈부와,

상기 LED로부터 방사되는 주변부 광선이 입사되는 제2 입사면과, 상기 제2 입사면에서 굴절된 입사광을 전반사시키기 위한 반사면을 가진 제2 렌즈부와,

상기 제1 렌즈부의 제1 입사면과 상기 제2 렌즈부의 반사면으로부터의 광을 출사하고, 평탄면으로 형성된 출사면을 포함하고,

상기 제1 입사면이 상기 LED의 상방향을 둘러싸고, 상기 제2 입사면이 상기 LED의 측방향을 둘러싸도록 형성되고, 상기 제2 입사면은 상기 제1 입사면에 대해 수직한 방향으로부터 LED를 향해 멀어지는 방향으로 경사져 있으며,

상기 반사면은 상기 LED로부터 방사되어 상기 제2 입사면을 통해 굴절하여 진입된 입사광을 반사하기 위해 상기 제2 입사면에서 상기 출사면으로 갈수록 점차적으로 넓어지도록 만곡되어 있으며, 상기 제1 입사면은 타원형으로 형성된 것을 특징적 구성으로 포함한다.

또한, 상기 LED용 렌즈의 반사면은 전반사 조건을 만족하도록 이루어져 있으며, 중앙부 광선은 LED에 수직한 광축에 대해 ±45°의 범위 내에서 방사되는 광선이며, 주변부 광선은 LED에 수직한 광축에 대해 ±45°의 범위 외에서 방사되는 광선이다.

또한, 출사면으로부터 출사되는 광의 출사 각도는 30°~ 60°범위에 있는 것이 바람직하다. 또한, 출사면으로부터 출사되는 광의 방사 프로파일은 타원 형상인 것이 바람직하다.

전술한 본 발명의 특징적 구성에 따르면, 별도의 필터 등을 사용하지 않고 단순한 원형의 광 방사 프로파일이 아닌 타원형의 광 방사 프로파일을 갖는 LED용 렌즈 구조물을 제공할 수 있다는 이점이 얻어질 수 있다.

이하, 본 발명의 실시예에 대해 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 3a는 본 발명의 실시예에 따른 LED용 집광 렌즈(100)의 외관을 개략적으로 도시한 도면이고, 도 3b는 상기 LED용 집광 렌즈(100)를 x축 방향으로 절단한 단면도이고, 도 4c는 상기 LED용 집광 렌즈(100)를 y축 방향으로 절단한 단면도이 다.

먼저, 도 3a에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 LED용 집광 렌즈(100)는 투명한 실리콘 등과 같은 재질로 이루어진 몸체부(110)와, 몸체부(100)의 전방에 평탄면으로 형성된 출사면(400)을 포함한다. 본 실시예에서 출사면(400)은 평탄면인 것으로 도시되었지만, 광의 확산성을 개선하기 위해 마이크로렌즈면을 포함할 수도 있으며, 특정 패턴을 갖고 형성될 수도 있다. 본 실시예에서, 주광원으로서 LED는 램버트 타입의 백색 플래시 LED(500)가 사용되었다.

또한, 몸체부(110)는 LED(500)를 수용하도록 스페이스부(120)가 형성되는데, 스페이스부(120)는 LED의 상측에 위치된 제1 입사면(121)과 LED(500)의 외측 주변에 형성된 제2 입사면(122)이 형성되어 있다.

스페이부(120)의 상면을 형성하는 제1 입사면(121)은 LED(500)로부터 출사된 중앙 부근의 광을 집광하는 제1 렌즈부로 기능하고, 제2 입사면(122)은 LED(500)로부터 출사된 주변 부근의 광을 집광하는 제2 렌즈부로 기능한다.

도 3a 및 도 3c는 도 3a에서의 X 방향과 Y 방향으로 각각 절단한 단면도이다. 이 도면에 도시된 바와 같이, X 방향에서 절단한 단면에서의 제1 입사면의 길이(x1)은 Y 방향에서 절단한 단면에서의 제1 입사면의 길이(x1') 보다 긴 길이를 갖는다. 또한, 도 3a 및 도 3c에 도시한 바와 같이, 출사면의 길이 역시 X 방향에서 절단한 길이(x2)가 Y 방향으로 절단한 길이(x2') 보다 길게 형성된다. 즉, 제1 입사면(121)의 형상은 타원형으로 형성되며, 따라서 스페이스부(120)는 제1 입사면(121)의 형상에 대응하여 타원형통의 형상을 갖게 된다.

또한, 제1 입사면의 집광과 관련해서 보다 구체적으로 설명하면, 도 3b에 도시한 바와 같이, X 방향에 있어서, LED(500)로 출사되는 광선 중 LED(500)의 광축인 법선(C)에 대해 약 α가 90°범위 내의 광선(-45°<α<45°), 바람직하게는 α<85°범위 내의 광선(-42.5°<α<42.5°)은 제1 렌즈부의 입사면(121)을 통해 입사되고 굴절되고, 최종적으로 평탄하게 형성된 출사면(400)을 통해 출사된다.

또한, 도 3c에 도시한 바와 같이, Y 방향에 있어서, LED(500)로 출사되는 광선 중 LED(500)의 광축인 법선(C)에 대해 약 β가 90°범위 내의 광선(-45°<β<45°), 바람직하게는 β<85°범위 내의 광선(-42.5°<β<42.5°)(단 β<α)은 제1 렌즈부의 입사면(121)을 통해 입사되고 굴절되고, 최종적으로 평탄하게 형성된 출사면(400)을 통해 출사된다.

다음으로, 스페이스부(120)의 주변 측벽(122)을 형성하는 제2 입사면(122)에 대해 설명한다.

몸체부(110)는 LED(500)의 주변광을 집광하기 위한 제2 렌즈부를 포함하는 데, 제2 렌즈부는 LED의 주변광이 입사되어 굴절되는 제2 입사면(122)과 제2 입사면(122)으로부터 입사된 주변광을 반사하기 위한 반사면(123)을 포함한다.

반사면(123)은 제2 입사면(122)을 통해 입사된 광을 전반사하도록 출사면(400)을 향해 갈수록 폭이 넓어지는 형상을 가지며 상기 몸체부(110)의 외측 측면을 형성한다.

도 4에 도시한 바와 같이, LED(500)로 출사되는 광선중 LED(500)의 수직인 법선(C)에 대해 약 α가 90°범위 이외의 광선, 바람직하게는 α>85°범위의 광선은 제2 입사면(122)을 통해 입사되고 굴절되고, 반사면(123)을 거쳐 전반사되며 최종적으로 출사면(400)을 통해 출사된다.

제2 입사면(122)은 제1 입사면(121)과 연속하여 형성되어 있는데, 제2 입사면(122)은 제1 입사면(122)과의 접촉점 또는 경계점의 단부에서 LED를 향해 대략 수직 하방으로 형성되며, 바람직하게는 대략 3° 내지 5°사이(바람직하게는 4°)의 경사를 갖고 형성되는 것이 바람직하다.

이와 같은 구조에서, 제2 입사면(122)은 제1 입사면(121)과 함께 스페이스부의 공간 내에 설치되는 LED(500)을 감싸도록 형성됨에 따라, LED(500)로부터 광이 180°로 방사된다고 하더라도 제1 입사면(121)과 제2 입사면(122) 그리고 반사 면(123)을 통해 방사되는 광은 손실 없이 소정 영역에 광을 방사할 수 있다.

도 5은 본 발명에 따른 LED 집광 렌즈를 채용한 경우의 광 효율을 분석한 광 방사 프로파일 도면으로서, 도 5에 도시한 바와 같이, LED로부터 출사된 광은 중앙부에 집중하여 분포되는 동시에 대약 타원 형상의 방사 프로파일을 가짐을 알 수 있다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 갖는 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 게시된 실시예는 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아닌 설명을 위한 것이고, 이런 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다.

따라서 본 발명의 보호범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

도 1은 LED로부터의 광세기 분포를 개략적으로 도시한 도면.

도 2a는 종래의 LED 집광 렌즈의 일례를 도시한 단면도이고, 도 2b는 종래 LED 집광 렌즈에서 방사되는 광의 프로파일을 개략적으로 도시한 도면.

도 3a는 본 발명의 실시예에 따른 LED 집광 렌즈의 외관을 도시한 도면, 도 3b는 도 3a의 X 방향을 기준으로 절단한 단면도, 도 3c는 도 3a의 Y 방향을 기준으로 절단한 단면도.

도 4는 본 발명에 따른 LED 집광 렌즈에서의 광의 경로를 도시한 도면.

도 5는 본 발명에 따른 LED 집광 렌즈의 최종 광 방사 프로파일을 도시한 도면.

Claims (6)

1. LED로부터 방사되는 광을 집광하기 위한 LED용 집광 렌즈에 있어서,

   상기 LED로부터 방사되는 중앙부 광선이 입사되도록, 상기 LED의 상방에 형성된 제1 입사면이 LED를 향해 볼록한 형상을 가진 제1 렌즈부와,

   상기 LED로부터 방사되는 주변부 광선이 입사되는 제2 입사면과, 상기 제2 입사면에서 굴절된 입사광을 전반사시키기 위한 반사면을 가진 제2 렌즈부와,

   상기 제1 렌즈부의 제1 입사면과 상기 제2 렌즈부의 반사면으로부터의 광을 출사하기 위한 출사면을 포함하고,

   상기 제1 입사면이 상기 LED의 상방향을 둘러싸고, 상기 제2 입사면이 상기 LED의 측방향을 둘러싸도록 형성되고, 상기 제2 입사면은 상기 제1 입사면에 대해 수직한 방향으로부터 LED를 향해 멀어지는 방향으로 경사져 있으며,

   상기 반사면은 상기 LED로부터 방사되어 상기 제2 입사면을 통해 굴절하여 진입된 입사광을 반사하기 위해 상기 제2 입사면에서 상기 출사면으로 갈수록 점차적으로 넓어지도록 만곡되어 있고, 상기 제1 입사면은 광축에 수직한 단면의 형상이 타원형이고,

   상기 중앙부 광선은 LED에 수직한 광축에 대해 ±45°의 범위 내에서 방사되는 광선이며, 상기 주변부 광선은 LED에 수직한 광축에 대해 ±45°의 범위 외에서 방사되는 광선이며, ,

   상기 출사면으로부터 출사되는 광의 방사 프로파일은 타원 형상인 것을 특징으로 하는 LED용 집광 렌즈.
2. 제1항에 있어서,

   상기 반사면은 전반사 조건으로 이루어진 것을 특징으로 하는 LED용 집광 렌 즈.
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,

   상기 출사면으로부터 출사되는 광의 출사 각도는 30°~ 60°범위에 있는 것을 특징으로 하는 LED용 집광 렌즈.
5. 삭제
6. 제1항에 있어서,

   상시 출사면은 평탄면 또는 특정한 패턴면인 것을 특징으로 하는 LED용 집광 렌즈.

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