KR101204474B1 - LED lamp for search light and design method thereof - Google Patents

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Abstract

본 발명은 원거리 조명용 LED(Light Emitting Diode) 조명등 설계방법에 관한 것으로서, SMD 타입 LED의 배광(配光)특성을 분석하는 단계, 분석된 LED 배광특성을 이용하여 원거리 조명을 위한 목표배광을 설정하는 단계, 2차 렌즈의 굴절율과 형상을 설정하고, 가초점법을 사용하여 상기 2차 렌즈의 초점거리에 가초점 영역을 설정하고 가초점과 2차 렌즈 사이에 LED 광원을 배치하는 단계, 2차 렌즈로부터 출사되는 광선의 지향각과 LED 광원을 기준으로 수직각에 대해 등간격으로 세그먼트들을 설정하여 세그먼트 단면 기울기로 목표 배광을 구현하는 단계를 포함한다.
본 발명은 조도(照度)를 향상시켜 가로등이나 탐조등과 같은 원거리 조명용으로 LED를 활용할 수 있다.The present invention relates to a method of designing a light emitting diode (LED) light for long distance lighting, comprising: analyzing light distribution characteristics of a SMD type LED, and setting target light distribution for long distance lighting using the analyzed LED light distribution characteristics. Setting the refractive index and the shape of the secondary lens, setting the focus area at the focal length of the secondary lens using the focusing method, and disposing the LED light source between the focusing point and the secondary lens, secondary And setting the segments at equal intervals with respect to the vertical angle with respect to the directivity angle of the light beam emitted from the lens and the LED light source to implement the target light distribution with the slope of the segment cross section.
The present invention can improve the illuminance (Utility) can utilize the LED for long distance lighting, such as street light or searchlight.

Description

원거리 조명용 엘이디 조명등 및 그 설계방법{LED lamp for search light and design method thereof}LED lighting for long distance and its design method {LED lamp for search light and design method

본 발명은 원거리 조명용 LED(Light Emitting Diode) 조명등에 관한 것으로서. 더욱 상세하게는 원거리 조명이 가능하도록 볼 렌즈를 이용하여 조도(照度)를 향상시킨 LED 조명등 및 그 설계방법에 관한 것이다.The present invention relates to a LED (Light Emitting Diode) lighting for long distance lighting. More particularly, the present invention relates to an LED lamp having improved illuminance using a ball lens and a design method thereof to enable long-distance illumination.

LED는 P형과 N형 반도체의 접합에 전압을 가하면 전자와 정공의 재결합으로 반도체의 밴드 갭(band gap)에 해당하는 에너지의 빛을 방출하는 광전자 소자로서, 조명으로 활용할 경우 수명이 길고 소비전력이 20% 수준으로 낮아 고효율의 조명수단을 포함하여 여러 가지 조명에 활용되고 있다.LED is an optoelectronic device that emits light of energy corresponding to the band gap of semiconductor by recombination of electrons and holes when voltage is applied to the junction between P-type and N-type semiconductors. This low level of 20% is used for various lighting including high efficiency lighting means.

최근 세계 각국의 온실가스 감축 등의 친환경 정책 선언 등과 같은 환경 규제 제도의 시행으로 에너지 절감 대책이 필요한 상황이다. 특히, 조명분야는 전체 전력 소비량의 약 20% 정도를 차지할 정도로 에너지 절감 영향력이 큰 산업 분야로서 LED 조명 사용 시 에너지를 1/3~1/5로 절감이 가능하다. 또한 LED 조명의 수명은 백열전구 수명의 약 30배, 형광등 수명의 약 5배에 달하며 수은이나 충전 가스등 인체에 유해한 물질을 사용하지 않아 친환경적인 조명으로서 각광을 받고 있다.In recent years, energy conservation measures are needed due to the implementation of environmental regulations such as the declaration of eco-friendly policies such as GHG reduction. In particular, the lighting sector is an industrial sector with a large energy saving impact, accounting for about 20% of the total power consumption, and it is possible to reduce energy by 1/3 to 1/5 when using LED lighting. In addition, the lifespan of LED lights is about 30 times that of incandescent bulbs and about 5 times that of fluorescent lamps.

그러나, 종래의 LED 조명등은 조도(照度,illuminance)가 낮아 실외 조명장치로 사용하기에는 한계가 있다. 특히, 고출력 SMD(Surface Mount Device)형태의 LED 광원은 일반적으로 램버시안((Lambertian) 형태의 배광(配光)특성을 갖기 때문에 조명용으로 사용하기에는 적합하지 않다. 램버시안 형태의 배광은 LED 광원을 중심으로 확산형태의 배광 분포를 갖게 되므로 점광원과 유사한 형태의 발산형태를 보이고 있다. 하지만 실제 LED의 발산 형태는 점광원이 아니므로 점광원으로 가정한 설계시 결과에 오차가 발생하게 되므로 이러한 오차를 줄일 수 있는 적절한 설계방식이 요구된다.However, the conventional LED lamp has a low illumination (luminance), there is a limit to use as an outdoor lighting device. In particular, high-power SMD (LED) light sources are typically unsuitable for lighting because they have Lambertian-type light distribution characteristics. Since the light distribution is diffused around the center, it shows a diverging form similar to the point light source, but since the LED divergence is not a point light source, an error occurs in the result of designing a point light source. Appropriate design methods are required to reduce the

본 발명에서는 LED를 사용하여 높은 조도의 탐조등, 가로등 및 무대 조명등과 같은 원거리 조명등을 위한 설계방법을 제공하고자 한다.The present invention is to provide a design method for the long-distance lamp such as a high-light searchlight, street light and stage lighting using the LED.

또한, 원거리 조명용으로 사용가능한 LED 조명용 광학기구를 제공하고자 한다.In addition, an object of the present invention is to provide an optical device for LED lighting that can be used for remote lighting.

상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 원거리 조명용 LED 조명등 설계방법은, SMD 타입 LED의 배광(配光)특성을 분석하는 단계, 분석된 LED 배광특성을 이용하여 원거리 조명을 위한 목표배광을 설정하는 단계, 2차 렌즈의 굴절율과 형상을 설정하고, 가초점법을 사용하여 상기 2차 렌즈의 초점거리에 가초점 영역을 설정하고 가초점과 2차 렌즈 사이에 LED 광원을 배치하는 단계, 2차 렌즈로부터 출사되는 광선의 지향각과 LED 광원을 기준으로 수직각에 대해 등간격으로 세그먼트들을 설정하여 세그먼트 단면 기울기로 목표 배광을 구현하는 단계를 포함한다. In the LED lighting lamp design method according to the present invention for solving the above problems, the step of analyzing the light distribution characteristics of the SMD-type LED, by using the analyzed LED light distribution characteristics to determine the target light distribution for the distance lighting Setting the refractive index and the shape of the secondary lens, setting a gamma-focal region at the focal length of the secondary lens by using a focusing method, and disposing an LED light source between the focusing lens and the secondary lens, And setting the segments at equal intervals with respect to the vertical angle based on the directivity angle of the light beam emitted from the secondary lens and the LED light source, and implementing the target light distribution with the slope of the segment cross section.

본 발명에 따른 일 실시예로서, 상기 2차 렌즈는 볼 렌즈이고, 재질은 아크릴(PMMA)이며, 상기 볼 렌즈의 곡률 반경은 LED 광원부 크기의 1 내지 1.5 배 사이의 값을 갖는 것을 특징으로 한다.In one embodiment according to the invention, the secondary lens is a ball lens, the material is acrylic (PMMA), the radius of curvature of the ball lens is characterized in that it has a value between 1 and 1.5 times the size of the LED light source portion. .

본 발명에 의한 원거리 LED 조명등 설계방법은 기존의 실내 조명장치에만 활용된 LED를 탐조등, 가로등 및 무대조명 등으로 활용범위를 확장시킬 수 있고, 목표배광에 따라 다양하게 응용할 수 있다.The long distance LED lamp design method according to the present invention can extend the application range of the LED used only in the existing indoor lighting devices, such as searchlights, street lamps and stage lighting, and can be variously applied according to the target light distribution.

원거리 조명용 LED 조명등은 전력 소비를 절감할 수 있고 수명이 길고 유해물질을 사용하지 않아 친환경적이며, 유지 보수 비용이 절약된다.Long distance LED lamps can reduce power consumption, have a long life and do not use harmful substances, which are environmentally friendly and save maintenance costs.

도 1은 SMD 타입의 LED 배광곡선
도 2는 굴절체를 통과하는 광선의 지향각을 나타내는 그림
도 3은 본 발명에 의한 볼 렌즈의 설계
도 4는 본 발명에 의한 각 세그먼트들의 배광 곡선
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 의한 2중 렌즈를 사용한 2차 렌즈1 is a light distribution curve of SMD type LED
2 is a diagram showing the directivity angle of light rays passing through the refraction body
3 is a design of a ball lens according to the present invention
4 is a light distribution curve of each segment according to the present invention
5 is a secondary lens using a dual lens according to another embodiment of the present invention.

이하에서는, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 의한 볼 렌즈를 사용하여 높은 조도(照度)로 원거리(遠距離) 조명이 가능한 LED 조명등 및 그 설계방법에 관하여 설명한다. 예시된 도면은 발명의 명확성을 위하여 핵심적인 내용만 확대 도시하고 부수적인 것은 생략하였으므로 도면에 한정하여 해석하여서는 아니 된다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described with respect to the LED lamp and its design method capable of long distance illumination with high illumination using the ball lens according to the present invention. The illustrated drawings are only enlarged to the essential content for clarity of the invention, and the additional ones are omitted and should not be construed as limited to the drawings.

LED 패키지는 사용형태에 따라 SMD 타입과 램프타입으로 나눠지고, 빛을 모아 광속 또는 광량을 높이기 위해 1차 렌즈 역할을 하는 플라스틱 수지가 패키지 내에 봉입된다. 일반적으로 램프 타입은 표시장치용으로 사용되고, SMD 타입은 브레이크등, LCD 패널용 및 형광등 대체의 면광원(面光源)용으로 사용되고 있고, 최근의 고출력 SMD 타입은 다양한 실내외 조명기기에 사용된다.LED package is divided into SMD type and lamp type according to usage type, and plastic resin which acts as primary lens to collect light and increase luminous flux or light quantity is enclosed in the package. In general, the lamp type is used for the display device, the SMD type is used for the surface light source of the replacement of the brake light, LCD panel and fluorescent lamp, and the recent high-power SMD type is used for various indoor and outdoor lighting equipment.

본 발명에서는 고출력 SMD타입의 LED 패키지를 사용하여 광속(光束)을 높이는 설계방법에 대하여 설명한다. 고출력 SMD형태의 LED 광원은 일반적으로 도 1과 같이 LED 광원을 중심으로 한 확산형태의 램버시안 형태의 배광(配光)특성을 갖는다. 이는 점광원을 중심으로 한 발산형태이기 때문에 2차 렌즈 역할을 하는 적절한 광학기구를 이용하여 원하는 지향각으로 빛을 모아주는 방법이 요구된다.In the present invention, a design method of increasing the luminous flux using a high-output SMD type LED package will be described. A high power SMD type LED light source generally has a light emitting characteristic of a diffused Lambertian type centering on the LED light source as shown in FIG. 1. Since this is a divergence form centering on the point light source, a method of collecting light at a desired direction angle by using an appropriate optical device serving as a secondary lens is required.

조명기기에 있어서 조도(단위는 lux)는 어떤 면에 광속(단위는 lm)이 투사되어 밝게 비추는 정도로서 단위 면적당 광속으로 표현된다. 광속(光束)은 일정한 면을 단위시간에 통과하는 광량이므로 조도를 높이기 위해서는 광속 또는 광량을 높여 주어야 한다.In illuminators, illuminance (unit: lux) is the degree to which light beams (units lm) are projected on a certain surface to shine brightly. The luminous flux is a quantity of light that passes through a certain plane in a unit time, so the luminous flux or quantity of light must be increased to increase illumination.

본 발명에서는 광속을 높이기 위하여 2차 렌즈로 구(球) 형태의 볼 렌즈를 사용하여 광학기구를 설계한다. 렌즈는 굴절의 성질을 가지는 굴절체로 제작된다. 굴절체는 굴절률, 투과율, 내열성 등을 종합적으로 고려하여 선택되어야 하며, 이 중 굴절률은 렌즈의 설계단계에 적용되는 요소이므로 설계에 앞서 렌즈의 재질에 대한 선택이 이루어져야 한다. 표 1은 광학 매질의 굴절율과 전반사 임계각을 나타낸다.In the present invention, in order to increase the luminous flux, the optical device is designed using a ball lens having a spherical shape as a secondary lens. The lens is made of a refractive body having the property of refraction. The refractive body should be selected in consideration of the refractive index, transmittance, heat resistance, etc. Among these, the refractive index is a factor applied to the design stage of the lens, so the material of the lens should be selected before the design. Table 1 shows the refractive index and the total reflection critical angle of the optical medium.

광학 매질 Optical medium 굴절율Refractive index 임계각(°)Critical angle (°) 물water 1.331.33 4949 아크릴acryl 1.491.49 4242 소다 유리Soda glass 1.521.52 4141 폴리스티렌polystyrene 1.591.59 3939 납 유리paste 1.621.62 3838

LED 조명기기의 2차 렌즈의 경우 일반적으로 유리나, 아크릴(PMMA) 또는 폴리카보네이트(PC)와 같은 고분자화합물 소재를 많이 사용한다. 유리는 내구성이 우수하나 가공이 어렵고 무거워, 본 발명에서는 투과율이 우수하고 가공 측면에서 장점을 갖는 아크릴(PMMA,굴절률 1.49)을 렌즈의 재질로 선택한다.In the case of the secondary lens of the LED lighting device, glass, or polymer materials such as acrylic (PMMA) or polycarbonate (PC) are commonly used. Glass is excellent in durability, but difficult to process and heavy, and in the present invention, acrylic (PMMA, refractive index 1.49), which has excellent transmittance and has advantages in processing, is selected as the material of the lens.

설계된 렌즈가 적용된 조명기구가 달성해야 할 평균조도 10lx는 KS 도로조명기준(KS A 3701)의 상업지역 이면도로의 기준조도이다. LED 효율은 현재의 개발 상황을 고려하여 65 lm/W로 설정하였으며, 렌즈설계 결과에 대한 시뮬레이션에 적용하였다.The average illuminance 10 lx the luminaire with the designed lens is to achieve is the standard illuminance on the backside of the commercial area of KS Road Lighting Standard (KS A 3701). LED efficiency was set to 65 lm / W in consideration of the current development situation and applied to the simulation of the lens design results.

광원은 점광원(point source)으로 가정하고 설계하나, LED 자체가 물리적인 크기를 가지고 있어 점광원으로 볼 수 없고, 특히 SMD 타입의 LED는 면광원에 가까우므로 빛은 LED 내부의 어떤 가상의 초점(점광원)으로부터 출발하는 것으로 보고 설계를 진행하며, 시뮬레이션 결과와 측정치를 비교하여 오차를 보정한다. 시뮬레이션은 상업용 설계 프로그램인 Light tool을 사용한다.The light source is designed as a point source, but since the LED itself has a physical size, it cannot be seen as a point source. Especially, since an SMD type LED is close to a surface light source, the light is a virtual focal point inside the LED. The design is reported as starting from the point light source, and the error is corrected by comparing the simulation result with the measured value. The simulation uses a light tool, a commercial design program.

목표 배광(配光)은 조명담당구역 전체에 대하여 균일한 조도를 공급하는 이상적인 형태의 배광이다. 목표배광은 수직각 구간에서의 광도분포를 나타낸 것이며 광도는 어떤 방향으로의 단위 입체각에 포함된 광속이다. 이는 빛의 세기를 나타내는 단위이며 이를 양적인 개념의 광속으로 변환하면 광속재분배 과정에 의해 목표배광의 구간별로 요구되는 광속과 이에 대응되는 굴절체를 통과한 광속을 일치시켜 목표배광의 구현이 가능하다. 이때의 구간별 광속은 구역광속으로 배광 데이터상에 포함된 광도값에 구역계수를 곱하여 구할 수 있다. The target light distribution is an ideal type of light distribution that provides uniform illumination over the entire lighting area. The target light distribution represents the light intensity distribution in the vertical angle section, and the light intensity is the light beam included in the unit solid angle in any direction. This is a unit representing the intensity of light, and converting it into a luminous flux of a quantitative concept makes it possible to realize the target distribution by matching the luminous flux required for each section of the target distribution by the luminous flux redistribution process with the luminous flux passing through the corresponding refractive body. The luminous flux for each section at this time can be obtained by multiplying the luminous intensity value included in the light distribution data as the luminous flux by the zonal coefficient.

렌즈의 설계는 분할된 배광을 사용하여 최대 광도를 갖는 광선의 지향각을 찾아내 렌즈 굴절체의 단면 기울기로 목표 배광을 구현한다. 설계는 단면각, 최대광도가 분포하는 지점의 수직각, 구간별 광도값 등을 분석하여 렌즈를 통과한 빛의 분포가 이러한 요건들을 만족할 수 있는 광학계 세그먼트들을 설정하고 각 세그먼트들은 구역광속과 배광분포의 분석을 통해 제어된다.The design of the lens uses divided light distribution to find the direct angle of the light beam with the highest luminous intensity and implements the target light distribution with the cross-sectional slope of the lens refractor. The design analyzes the cross-sectional angle, the vertical angle of the point where the maximum luminous intensity is distributed, and the luminous intensity value for each section, and sets the optical segments where the distribution of light passing through the lens can satisfy these requirements. Is controlled through the analysis.

목표배광에 대한 굴절체의 각 세그먼트가 대응되는 범위를 설정하고 이 구간에 대한 광도를 광속으로 변환하여 최종적으로 구간에서 필요로 하는 빛의 양과 굴절체를 통과한 빛의 양이 동일하도록 굴절체 세그먼트의 단면 기울기를 지정한다.Set the range where each segment of the refractor for the target light distribution corresponds and convert the luminous intensity for this section into the luminous flux so that the amount of light that finally passes through the refractor is equal to the amount of light needed in the section. Specifies the cross section slope of.

세그먼트의 기울기(ψ)는 도 2를 참조하여 계산된다. LED의 구간별 광선의 지향각을 θi라 하고 요구 광속을 만족하기 위한 굴절체(매질 1의 굴절율 n1, 매질 2의 굴절율 n2)를 통과한 새로운 지향각을 θr이라고 하고, 구간의 입사각을 θa 구간의 출사각을 θw 라고 하면 도 2를 참조하면 수학식 1과 같은 관계가 성립한다.The slope ψ of the segment is calculated with reference to FIG. 2. The directing angle of the light beam for each section of the LED is called θi and the new directing angle passing through the refractors (refractive index n 1 of medium 1, refractive index n 2 of medium 2 ) for satisfying the required luminous flux is θ r, and the incident angle of the section is When the emission angle of the θa section is θw, the relationship as in Equation 1 is established with reference to FIG. 2.

Figure 112011008359102-pat00001
Figure 112011008359102-pat00001

θi와 θr은 스넬의 굴절 법칙(Snell's law)에 의하여 수학식 2와 같이 표현된다.θ i and θ r are expressed by Equation 2 according to Snell's law of refraction.

Figure 112011008359102-pat00002
Figure 112011008359102-pat00002

수학식 1과 수학식 2로부터 삼각함수 전개를 이용하여 각 구간의 세그먼트 기울기 ψ를 구하면 수학식 3과 같다.Using the trigonometric expansion from equations (1) and (2), the segment slope ψ of each section is obtained as shown in equation (3).

Figure 112011008359102-pat00003
Figure 112011008359102-pat00003

LED 자체는 물리적인 크기를 가지는데, 특히 SMD 타입의 LED는 면광원에 가까우므로 구의 원주에 근접하게 LED 광원(20)이 위치하고 어떤 가상의 초점(10)으로부터 빛이 방사되는 것으로 하는 가초점 설계법을 사용한다. LED 광원(20)은 LED 칩을 패키지할 때 형성되는 1차 렌즈다. 가초점의 영역은 LED 패키지에 따라 다르나 굴절체 구의 반경을 1이라고 하였을 때, 상용 제품들은 Z축으로 0.99 ~ 1.17 사이의 값을 갖는다.The LED itself has a physical size. In particular, an SMD type LED is close to a surface light source. Therefore, a focusing design method in which an LED light source 20 is located near a circumference of a sphere and light is emitted from a virtual focal point 10 is provided. Use The LED light source 20 is a primary lens formed when packaging an LED chip. The area of the focal point varies depending on the LED package, but assuming that the radius of the refraction sphere is 1, commercial products have a value between 0.99 and 1.17 on the Z axis.

렌즈의 설계는 광선의 지향각과 LED 광원을 기준으로 수직각에 대해 등간격으로 세그먼트들을 설정하여 세그먼트 단면 기울기로 목표 배광을 구한다. 원거리 조명을 위하여 광원에서 나온 광속(光束)을 상향 평행광으로 지향하도록 하기 위하여 구(球)의 하반부 초점거리에 LED 칩이 위치하도록 하고, 구의 상반부 모든 세그먼트에서 나온 광선(光線)들(40)이 도 3에서 보여 주듯이 모두 평행으로 지향하도록 설계하면, 모든 세그먼트에서의 배광 특성이 도 4와 같이 지향각에 광속이 집속된다. The design of the lens sets the segments at equal intervals with respect to the vertical angle with respect to the directing angle of the light beam and the LED light source and obtains the target light distribution by the slope of the segment cross section. The LED chip is positioned at the focal length of the lower half of the sphere to direct the luminous flux from the light source to the upward parallel light for long distance illumination, and the rays 40 from all segments of the upper half of the sphere. As shown in FIG. 3, the light beams are focused at the directivity as shown in FIG.

상기와 같은 설계 과정에 따른 원거리 조명용 2차 렌즈(30)는 구형의 볼(ball) 렌즈가 적합하며, 가볍고 가공이 용이한 아크릴을 렌즈 소재로 사용할 수 있다. 볼 렌즈의 곡률 반경은 LED 광원부 크기의 1 내지 1.5 배 사이의 값이 목표배광 특성을 달성할 수 있다. 예를 들어 5054 타입의 SMD LED 패키지의 광원부의 직경 크기는 대략 4.2 ~ 4.5 mm이므로 2차 렌즈(30)의 크기(직경)는 12 mm 정도가 적합하다. According to the design process as described above, the secondary lens 30 for long distance illumination is suitable for a spherical ball lens, and light and easy acrylic may be used as a lens material. The radius of curvature of the ball lens is between 1 and 1.5 times the size of the LED light source unit can achieve the target light distribution characteristics. For example, since the diameter of the light source of the 5054 type SMD LED package is about 4.2 to 4.5 mm, the size (diameter) of the secondary lens 30 is about 12 mm.

광속(光束)을 집속시키기 위한 다른 실시예로서, 도 5와 같이 2차 렌즈를 2중 렌즈로 구현한다. 2중 렌즈는 굴절율이 다른 재질을 사용하여 결합한 것으로서 제1렌즈(31)의 굴절율이 1.7이고 제2렌즈(32)의 굴절율이 1.49인 재질을 사용할 경우, 조도가 도 3과 같은 단일 초점 구 렌즈(30)를 사용하는 것보다 조도가 20% 이상 향상되는 결과를 얻었다. 이는 굴절율이 큰 매질에서 굴절율이 작은 매질로 광선이 진행하는 경우 입사각이 커짐에 따라 굴절각도 법선과 먼 방향으로 커지게 되는 특성을 이용한 것이다. 2중 렌즈는 광학적 특성은 향상되나 제작이 복잡하다.As another embodiment for focusing the light beam, the secondary lens is implemented as a dual lens as shown in FIG. 5. The dual lens is a combination of materials having different refractive indices, and when a material having a refractive index of 1.7 of the first lens 31 and a refractive index of 1.49 of the second lens 32 is used, the illuminance is a single focal sphere lens as shown in FIG. 3. Roughness was improved by 20% or more than using (30). This is because when the light propagates from the medium having a large refractive index to the medium having a small refractive index, the refractive angle increases in a direction far from the normal as the incident angle increases. Dual lenses have improved optical properties but are complex to manufacture.

또 다른 실시예로서는 인덱스 정합층(index matching layer)이나 다층 루네버그 렌즈(Luneberg) 렌즈를 사용하여 굴절체/공기 계면에서 발명하는 전반사 손실을 감소시키고 광속을 증가시킬 수 있다.In another embodiment, an index matching layer or a multi-layered Luneberg lens may be used to reduce the total reflection loss and increase the luminous flux at the refractive body / air interface.

인덱스 정합층은 단일 초점 구 렌즈(30)에 굴절율이 다른 물질을 코팅을 하여 형성할 수 있으며, 인덱스 정합층의 굴절율은 구 렌즈 굴절율의 평방근으로 하는 것이 바람직하다.The index matching layer may be formed by coating a single focal spherical lens 30 with a material having a different refractive index, and the refractive index of the index matching layer is preferably the square root of the spherical lens refractive index.

다층 루네버그 렌즈는 중심부로부터 가장자리로 향하여 연속하여 감소하는 유전상수를 가진 복수 개의 동심원 구형층으로 형성한다.
The multilayer Luneberg lens is formed of a plurality of concentric spherical layers with a dielectric constant that decreases continuously from the center to the edge.

설계된 2차 렌즈를 이용하여 원거리용 LED 조명등의 제작은 PCB 기판에 SMD 타입의 LED를 실장하고, 실장된 LED 각각에 1:1로 대응하여 볼 렌즈를 배치한다. 볼 렌즈는 LED의 1차 렌즈와 밀착시키거나 근접하도록 배치한다. PCB는 원거리 조명에 적합하도록 원형으로 할 수 있고 MCPCB(metal core PCB) 사용하여 방열 효과를 높일 수 있다. 볼 렌즈의 고정은 아크릴과 같은 투명 재질의 판재에 볼의 직경과 같거나 조금 작게 구멍을 뚫어 볼렌즈를 끼우거나, 지지체와 함께 볼 렌즈를 사출 방법으로 형성할 수 있다.In the manufacture of a long distance LED lamp using the designed secondary lens, a SMD type LED is mounted on a PCB board, and a ball lens is disposed in a 1: 1 correspondence to each mounted LED. The ball lens is placed in close contact with or close to the primary lens of the LED. PCBs can be rounded for long distance lighting and metal-core PCB (MCPCB) can be used to increase heat dissipation. The fixing of the ball lens may be made by inserting the ball lens by drilling a hole smaller than or equal to the diameter of the ball in a transparent plate such as acrylic, or forming the ball lens together with the support by an injection method.

제작된 2차 렌즈를 포함한 광학기구는 케이스에 설치하고, 케이스 전방에 방수와 집광을 위하여 3차 렌즈 기능을 할 수 있는 투명 커버를 더 부가할 수 있다.The optical apparatus including the manufactured secondary lens may be installed in the case, and a transparent cover capable of functioning as a tertiary lens for waterproofing and condensing may be further added to the case front.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.The above description is merely illustrative of the technical idea of the present invention, and those skilled in the art to which the present invention pertains may make various modifications and variations without departing from the essential characteristics of the present invention. Therefore, the embodiments disclosed in the present invention are not intended to limit the scope of the present invention but to limit the scope of the technical idea of the present invention. The scope of protection of the present invention should be interpreted by the claims, and all technical ideas within the scope equivalent thereto should be construed as being included in the scope of the present invention.

10: 가초점 20: 1차 렌즈
30: 2차 렌즈 31: 제1렌즈
32: 제2렌즈 40: 광선10: virtual focus 20: primary lens
30: secondary lens 31: first lens
32: second lens 40: light beam

Claims (5)

LED를 원거리 조명용으로 사용하기 위한 2차 렌즈 설계방법에 있어서,
SMD 타입 LED의 배광(配光)특성을 분석하는 단계;
분석된 LED 배광특성을 이용하여 원거리 조명을 위한 목표배광을 설정하는 단계;
2차 렌즈의 굴절율과 형상을 설정하고, 가초점법을 사용하여 상기 2차 렌즈의 초점거리에 가초점 영역을 설정하고 가초점과 2차 렌즈 사이에 LED 광원을 배치하는 단계;
2차 렌즈로부터 출사되는 광선의 지향각과 LED 광원을 기준으로 수직각에 대해 등간격으로 세그먼트들을 설정하여 세그먼트 단면 기울기로 목표 배광을 구현하는 단계를 포함하는 원거리 조명용 LED 조명등 설계방법In the secondary lens design method for using the LED for far-field lighting,
Analyzing light distribution characteristics of the SMD type LED;
Setting a target light distribution for remote illumination using the analyzed LED light distribution characteristics;
Setting a refractive index and a shape of a secondary lens, setting a focus area at a focal length of the secondary lens using a focusing method, and disposing an LED light source between the focusing point and the secondary lens;
A method of designing an LED lamp for long-distance illumination, comprising the step of realizing a target light distribution with a slope of a segment cross-section by setting segments at equal intervals with respect to the vertical angle based on the direction angle of the light beam emitted from the secondary lens and the LED light source. 제1항에 있어서, 상기 2차 렌즈는 볼 렌즈인 것을 특징으로 하는 원거리 조명용 LED 조명등 설계방법      The method of claim 1, wherein the secondary lens is a ball lens. 제2항에 있어서, 상기 볼 렌즈의 재질은 아크릴(PMMA)인 것을 특징으로 하는 원거리 조명용 LED 조명등 설계방법 The method of claim 2, wherein the ball lens is made of acrylic (PMMA). 제3항에 있어서, 상기 볼 렌즈의 곡률 반경은 LED 광원부 크기의 1 내지 1.5 배 사이의 값을 갖는 것을 특징으로 하는 원거리 조명용 LED 조명등 설계방법The method of claim 3, wherein the radius of curvature of the ball lens has a value between 1 and 1.5 times the size of the LED light source unit. 삭제delete
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