KR101463414B1 - 고방사각 렌즈 - Google Patents

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KR101463414B1
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조재형
양근영
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(주)코이즈
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    • Y10S362/00—Illumination
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Abstract

이와 같은 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 고방사각 렌즈는, 입사곡면은, 곡률중심 P1이 광축 상에 위치하며 빛의 진행 방향에 대해 음의 곡률반경 R1을 가지는 제1 구면; 제1 구면의 하단에 연결되고 곡률중심 P2(X2≤0, Z2>0) 및 음의 곡률반경 R2를 가지는 제2 구면; 및 제2 구면의 하단에 연결되고 곡률중심 P3(X3<0, Z3≤0) 및 음의 곡률반경 R3를 가지는 제3 구면을 포함하고, 출사곡면은, 곡률중심 P4(X4≤0, Z4>T2) 및 양의 곡률반경 R4를 가지는 제4 구면; 제4 구면의 일단에 연결되고 곡률중심 P5(X5>D, Z5<0) 및 음의 곡률반경 R5를 가지는 제5 구면; 제5 구면의 일단에 연결되고 곡률중심 P6(D<X6≤X5, 0>Z6≥Z5) 및 음의 곡률반경 R6을 가지는 제6 구면; 제6 구면의 일단에 연결되고 곡률중심 P7(X7>X5, Z7>0) 및 음의 곡률반경 R7을 가지는 제7 구면; 및 제4 구면의 타단에 연결되고 광축 상에 위치하는 곡률중심 P8 및 음의 곡률반경 R8을 가지는 제8 구면을 포함하는 것을 특징으로 하는 고방사각 렌즈이다. 본 발명의 목적은, LCD 등의 백라이팅시 사용되는 평판조명장치의 렌즈에 구면렌즈를 사용하여 빛의 방사 각도를 증가시킴과 동시에 빛의 방사 각도에 따른 빛의 양을 조절함으로써, 휘도 분포를 균일하게 할 수 있음과 동시에 박형의 평판조명장치의 제작이 가능하도록 하기 위한 고방사각 렌즈를 제공하고자 함에 있다.

Description

고방사각 렌즈{LIGHTING EMITTING OPTICAL DEVICE}
본 발명은 고방사각 렌즈에 관한 것으로, 보다 상세하게는, LCD 등의 백라이팅시 사용되는 평판조명장치의 렌즈에 구면렌즈를 사용하여 빛의 방사 각도를 증가시킴과 동시에 빛의 방사 각도에 따른 빛의 양을 조절할 수 있는 고방사각 렌즈를 제공함으로써, 휘도 분포를 균일하게 할 수 있음과 동시에 박형의 평판조명장치의 제작이 가능하도록 하기 위한 고방사각 렌즈에 관한 것이다.
액정 표시 장치인 LCD에는, LCD의 후면에서 발광하는 평판조명장치(Plane light source unit)를 필수적으로 포함한다. 도 1은 일반적인 LCD용 평판조명장치에 대한 구조도로서, 광원이 하면에서 직접 조사하는 평판조명장치의 대표적인 구성이 도시되어 있다.
도 1에 따른 평판조명장치는, 부품들을 지지하고 고정하기 위한 프레임(10), 반사판(20), 반사판(20)에 일정 간격으로 배치된 광원인 LED(30), LED(30)에 전원을 공급하는 회로기판(50), LED로부터 발산한 빛의 방사 각도를 증가시키기 위한 렌즈(40), 렌즈(40)로부터 나오는 빛을 확산시키는 확산판(60), 확산판(60)으로부터 확산된 빛을 더욱 확산시켜 빛의 분포를 균일하게 하여 주는 확산시트(70) 및 확산시트(70)를 통과한 확산된 빛을 모아주어 정면 휘도를 증가시키는 프리즘시트(80)로 구성된다. 상기의 평판조명장치 위에 LCD패널(90)을 장착하여 LCD 패널(90)에 빛이 조사된다.
도 2는 일반적인 LCD용 평판조명장치에 사용하는 고방사각 렌즈의 기능을 나타내는 도면이다. 도 2를 참조하여 좀 더 구체적으로 상기의 평판조명장치의 기능을 살펴본다. 도 2의 (a), (b) 및 (c)는 곡선 형상으로 빛의 세기분포(5)를 표시한다.
도 2의 (a)는 평판조명장치에 고방사각 렌즈가 없는 경우를 나타낸다. LED로부터 발산하는 빛은 보통 120도의 발산 각도를 가지게 되어 도 2의 (a)와 같이 방사각 증가 렌즈가 없을 경우 LED(30)가 위치한 부분은 빛의 세기(5)가 크고 LED(30)와 LED의 사이에 해당하는 부분은 빛의 세기(5)가 약하게 되어 확산판(60)상에서의 휘도 분포의 균일도가 나빠진다. 이를 해소하기 위해서는 LED(30)와 확산판(60)사이의 거리를 멀게하면 가능하나 평판조명장치의 두께가 상당히 두껍게 되어 제품으로서의 가치를 상실하게 된다.
도 2의 (b)는 평판조명장치에 고방사각 렌즈가 있는 경우를 나타낸다. 도 2(b)와 같이 LED 상부에 방사각 증가 렌즈를 설치하게 되면 120도보다 큰 방사 각도를 가지고 빛이 발산하므로 확산판(60) 상에서의 빛의 세기(5) 분포가 균일하게 된다.
도 2의 (c)는 평판조명장치의 고방사각 렌즈를 통과하여 균일도가 향상된 빛이 확산판(60)과 확산시트(70)를 차례로 통과하여 거의 균일한 휘도 분포를 이루게 되고 프리즘시트(80)에 의해 방사 각도가 좁혀진 후 LCD패널에 조사하게 됨으로써 LCD패널에 균일한 빛을 공급하게 된다.
또한, 도 3의 (a)에 도시된 바와 같이 하나의 확산판(60) 만을 사용하고 고방사각 렌즈를 사용하지 않는 경우에는 LED(30) 중심부위에 생기는 Hot Spot을 제거하기 위해 LED(30)와 확산판(60) 사이의 거리 H값을 커지게 할 수 밖에 없다. 하지만, 도 3의 (b)에 도시된 바와 같이 고방사각을 갖는 렌즈(40)를 적용하면 LED(30)와 확산판(60) 사이의 거리 H를 줄일 수 있어 제품의 두께를 줄이는 동시에 무게를 감소 시킬 수 있다.
상기의 도 3의 (b)에 도시된 바와 같이, 평판조명장치에서 평판조명장치의 두께를 줄이면서 균일한 휘도 분포를 달성하기 위한 고방사각렌즈의 기능을 도 4의 (a), (b) 및 (c)와 함께 설명한다.
도 4의 (a)와 같이 LED(30)에서 방사되어 고방사각 렌즈에 의해 출사되는 빛이 확산판(60)에 입사되고, 확산판(60)에 입사된 빛이 a~c의 각각의 방향으로 재확산된다.
렌즈 중심축에 가까운 영역에서 확산되는 빛의 분포는 a와 같이 확산판(60)에 수직에 가까운 분포를 가지고 확산되고, 렌즈 중심축으로부터 멀어질수록 확산판(60)에 입사되는 빛의 입사각도는 증가하여 확산판(60)에 의해 재확산 되는 빛의 분포가 b 또는 c와 같이 입사각도 방향으로 재확산 되어 렌즈 중심축으로부터 멀어질수록 정면휘도가 낮아지게 된다.
도 4의 (b)는 고방사각 렌즈에 의한 확산판 상에서의 조도 분포를 나타내고, 도 4의 (c)는 고방사각 렌즈에 의한 확산판 상에서의 정면휘도 분포를 나타낸다.
고방사각 렌즈에 의해 렌즈로부터 입사되는 빛의 방사각도를 증가 시킬 경우 확산판(60)에 입사되는 조도 분포는 도 4의 (b)와 같이 렌즈 중심부위는 조도가 낮고 렌즈 중심으로부터 멀어질수록 조도가 증가하게 된다.
또한, 도 4의 (b)에서 A와 같은 조도 분포를 갖는 경우에는 도 4의 (c)에서의A'과 같은 정면휘도 분포를 갖게되고, 도 4의 (b)에서 B와 같은 조도 분포를 갖는 경우에는 도 4의 (c)에서의 B'과 같은 정면휘도 분포를 갖게 된다. 이는, 고방사각 렌즈는 방사각에 따른 빛의 양을 조절할 수 있어야 확산판 상에서 균일한 정면휘도 분포를 얻을 수 있음을 나타낸다.
즉, 상기에서 설명한 바와 같이 고방사각렌즈는 방사각을 증가시키는 기능 이외에도 방사 각도에 따른 빛의 양을 조절할 수 있는 기능을 가져야 균일한 정면휘도 분포를 얻을 수 있다.
종래에는 LED로부터의 발산하는 빛의 방사 각도를 증가 시키기 위해 여러 가지 형태의 렌즈가 개발되어 왔다. 이하, 도 5를 참조하여 종래기술에 따른 고방사각 렌즈를 살펴본다.
종래에는 방사 각도를 증가시키기 위해 도 5의 (a), (b)와 같이 렌즈의 빛의 입사 곡면(40a)과 출사 곡면(40b)을 구면이 아닌 LED의 방사 각도에 따라 가변하는 비구면 곡선으로 구성하였다.
도 5의 (a)와 같이 LED(30)로부터 발산하는 빛(L)이 렌즈(40)의 입사곡면(40a)에 입사되어 1차적으로 렌즈(40)의 광축(Z)으로부터 멀어지는 방향으로 굴절되고, 입사곡면(40a)에 의해 굴절된 빛은 출사곡면(40b)에 의해 재차 렌즈(40)의 광축(Z)으로부터 멀어지는 방향으로 굴절되는 원리로 방사 각도가 증가한다. 상기와 같은 원리는, 일반적으로 입사곡면(40a)이 오목면이고 출사곡면(40b)이 볼록면일 때 발생하게 된다.
도 5의 (b)를 참조하면, 종래에는 방사 각도를 더욱 더 넓히기 위해 입사곡면(40a)을 구면이 아닌 비구면으로 제작하였다. 즉, LED(30)로부터 방사하는 빛(L)의 각도값 Φ1에 따라 입사곡면(40a)에 의한 굴절각 θ1이 Z축으로부터 멀어지게 되는 방향으로 입사곡면의 반경이 결정된다.
출사곡면(40b) 역시 마찬가지로, 출사곡면(40b)에 입사하는 빛(L)의 입사각 θ2에 따라 출사곡면(40b)에 의한 굴절각 Φ2가 크게 되는 방향으로 출사곡면(40b)의 반경이 결정되도록 하여 빛의(L) 방사 각도를 크게 하였다.
상기와 같이 종래 기술은 렌즈의 입사곡면 및 출사곡면을 모두 구면이 아닌 비구면으로 하여 방사각 증가 기능을 구현하였으나 상기에서 설명한 바와 같이 방사각에 따른 빛의 양을 조절하는 기능을 가지고 있지 못하여 균일한 휘도 분포를 얻는데 문제점이 존재하였다.
한편, 미국등록특허공보 제7,798,679호는 비구면 렌즈를 이용하여 광의 확산성이 향상된 발광장치를 개시하고 있다. 하지만, 이와 같은 구성에 따르더라도 방사각에 따른 빛의 양을 조절할 수 없어 균일한 휘도 분포를 얻을 수 없는 한계가 있었다.
본 발명의 목적은, LCD 등의 백라이팅시 사용되는 평판조명장치의 렌즈에 구면렌즈를 사용하여 빛의 방사 각도를 증가시킴과 동시에 빛의 방사 각도에 따른 빛의 양을 조절함으로써, 휘도 분포를 균일하게 할 수 있음과 동시에 박형의 평판조명장치의 제작이 가능하도록 하기 위한 고방사각 렌즈를 제공하고자 함에 있다.
이와 같은 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 고방사각 렌즈는, 광축 상에 배치된 광원으로부터 출사된 빛이 입사하는 입사곡면 및 입사곡면에 입사한 빛이 출사되는 출사곡면을 포함하고, 입사곡면 및 출사곡면은 광축을 중심으로 회전대칭(rotational symmetry)되는 고방사각 렌즈에 있어서, 입사곡면은, 곡률중심 P1이 광축 상에 위치하며 빛의 진행 방향에 대해 음의 곡률반경 R1을 가지는 제1 구면; 제1 구면의 하단에 연결되고 곡률중심 P2(X2≤0, Z2>0) 및 음의 곡률반경 R2를 가지는 제2 구면; 및 제2 구면의 하단에 연결되고 곡률중심 P3(X3<0, Z3≤0) 및 음의 곡률반경 R3를 가지는 제3 구면을 포함하고, 출사곡면은, 곡률중심 P4(X4≤0, Z4>T2) 및 양의 곡률반경 R4를 가지는 제4 구면; 제4 구면의 일단에 연결되고 곡률중심 P5(X5>D, Z5<0) 및 음의 곡률반경 R5를 가지는 제5 구면; 제5 구면의 일단에 연결되고 곡률중심 P6(D<X6≤X5, 0>Z6≥Z5) 및 음의 곡률반경 R6을 가지는 제6 구면; 제6 구면의 일단에 연결되고 곡률중심 P7(X7>X5, Z7>0) 및 음의 곡률반경 R7을 가지는 제7 구면; 및 제4 구면의 타단에 연결되고 광축 상에 위치하는 곡률중심 P8 및 음의 곡률반경 R8을 가지는 제8 구면을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 고방사각 렌즈의 제4 구면과 제8 구면은 양의 곡률반경을 가지는 미세구면에 의해 연결되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 고방사각 렌즈의 제1 구면의 곡률반경 R1, 제2 구면의 곡률반경 R2 및 제3 구면의 곡률반경 R3은, |R1|<|R2|<|R3| (R1<0, R2<0, R3<0) 를 만족하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 고방사각 렌즈의 제1 구면의 곡률중심 P1은, 제1 구면과 제2 구면의 접점 C1과 제2 구면의 곡률중심 P2의 사이에 위치하고, 제1 구면과 제2 구면의 접점 C1과 제2 구면의 곡률중심 P2를 연결하는 일직선상에 위치하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 고방사각 렌즈의 제2 구면의 곡률중심 P2는, 제2 구면과 제3 구면의 접점 C2와 제3 구면의 곡률중심 P3의 사이에 위치하고, 제2 구면과 제3 구면의 접점 C2와 제3 구면의 곡률중심 P3를 연결하는 일직선상에 위치하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 고방사각 렌즈의 제4 구면의 곡률반경 R4, 제5 구면의 곡률반경 R5, 제6 구면의 곡률반경 R6, 제7 구면의 곡률반경 R7 및 제8 구면의 곡률반경 R8은, |R8|<|R7|<|R6|<|R5| (R4>0, R5<0, R6<0, R7<0, R8<0), |R5| > T2, |R6| > T2 를 만족하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 고방사각 렌즈는, 입사곡면에 의해 굴절된 빛이 제5 구면으로 입사될 때, 제5 구면의 곡률중심선과 제5 구면으로 입사되는 빛의 각도 θ는 θ > arcsin(1/n) 를 만족하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 고방사각 렌즈의 굴절률이 1.4 이상인 투명 재질로 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 종래의 비구면 대신에 구면으로만 렌즈를 제작하여도 고방사각의 성능을 가진 렌즈를 제작할 수 있고, 렌즈가 구면으로만 제작되어 제작된 렌즈의 검사 또한 용이하여 저가의 고방사각 렌즈를 생산할 수 있는 효과가 있다.
또한, 빛의 방사 각도에 따른 빛의 양을 조절할 수 있게 되어 종래의 불균일한 휘도 분포를 극복하고 균일한 휘도 분포를 얻을 수 있는 효과가 있다.
또한, LED와 확산판 사이의 두께를 줄일 수 있게 되어, 제품의 두께를 줄이면서 무게를 감소시켜 박형의 평판조명장치의 제작이 가능한 효과가 있다.
도 1은 일반적인 LCD용 평판조명장치에 대한 구조도이다.
도 2는 도 1의 고방사각 렌즈의 기능을 나타내는 도면이다.
도 3은 도 1의 고방사각 렌즈의 적용에 따른 LED와 확산판 사이의 거리를 나타내는 도면이다.
도 4는 고방사각 렌즈에 의한 확산판 상에서의 조도 분포 및 정면휘도 분포의 기본적인 개념을 나타내는 도면이다.
도 5는 종래의 고방사각 렌즈의 구조를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 고방사각 렌즈의 구조를 나타내는 단면도이다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 고방사각 렌즈의 구조를 나타내는 단면도이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 고방사각 렌즈의 방사각에 따른 빛의 양을 조절하는 과정을 나타내는 모식도이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 고방사각 렌즈의 확산판 상에서의 조도 분포 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다.
도 10은 도9의 시뮬레이션 결과에 따른 조도 분포 및 정면휘도 분포를 나타내는 그래프이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 고방사각 렌즈의 확산판 상에서의 정면휘도 분포 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
이하, 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 설명하면 다음과 같다.
고방사각 렌즈(200)는 광축(Z)을 기준으로 회전 대칭으로 제작되고, 도 6에 도시된 단면도 상에서는 좌우 대칭으로 나타난다. 이하에서는, 설명의 편의를 위하여 도 6에 도시된 단면도 상에서 광축(Z)을 기준으로 우측에 배치된 렌즈를 기준으로 본 발명을 설명한다.
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 고방사각 렌즈의 구조를 나타내는 단면도이다.
고방사각 렌즈(200)는 광축 상에 배치된 광원(300)으로부터 출사된 빛이 입사하는 입사곡면을 포함한다. 또한, 입사곡면에 입사한 빛이 출사하는 출사곡면을 포함한다.
입사곡면은 제1 구면(201), 제2 구면(202) 및 제3 구면(203)을 포함하고, 제1 구면 내지 제3 구면은 각각의 곡률반경(Center of Radius) P1 내지 P3을 갖는다.
제1 구면(201)은 입사곡면의 중앙에 배치된다. 제1 구면(201)의 곡률중심 P1은 광축(Z)상에 배치된다. 또한 제1 구면(201)의 곡률중심 P1은 입사곡면 하단에 배치된다. 제1 구면(201)은 빛의 진행방향에 대해 음의 곡률반경 R1을 가진다.
상기에서 설명한 음의 곡률반경이란, 렌즈의 sign convention 규약에 기반하여 +Z축을 빛의 진행방향으로 설정한 경우의 곡률반경을 의미한다. 이하에서 기재할 음의 곡률반경 또는 양의 곡률반경도 이와 동일하다.
제2 구면(202)은 제1 구면의 하단에 연결된다. 제2 구면(202)의 곡률중심 P2(X2, Z2)는 X2≤0, Z2>0 를 만족한다. 즉, 제2 구면(202)의 곡률중심 P2는 광축을 기준으로 제2 구면(202)의 반대측에 형성된다. 제2 구면(202)은 빛의 진행방향에 대하여 음의 곡률반경 R2를 가진다.
제3 구면(203)은 제2 구면의 하단에 연결된다. 제3 구면(203)의 곡률중심 P3(X3, Z3)는 X3<0, Z3≤0 를 만족한다. 즉, 제3 구면(203)의 곡률중심 P3는 광축을 기준으로 제3 구면(203)의 반대측에 형성된다. 제3 구면(203)은 빛의 진행방향에 대하여 음의 곡률반경 R3를 가진다.
출사곡면은 제4 구면(204), 제5 구면(205), 제6 구면(206), 제7 구면(207) 및 제8 구면(210)을 포함하고, 제4 구면 내지 제8 구면은 각각의 곡률반경(Center of Radius) P4 내지 P8을 가진다.
제4 구면(204)의 곡률중심 P4(X4, Z4)는 X4≤0, Z4>T2 를 만족한다. 즉, 제4 구면(204)의 곡률중심 P4는 광축을 기준으로 제4 구면(204)의 반대측에 형성된다. 또한, 곡률중심 P4는 고방사각 렌즈(200)의 높이 T2보다 높은 위치에 형성된다. 보다 구체적으로는 X축으로부터 곡률중심 P4까지의 거리값은 고방사각 렌즈(200)의 높이 T2 보다 크다. 제4 구면(204)은 빛의 진행방향에 대하여 양의 곡률반경 R4를 가진다.
제5 구면(205)은 제4 구면(204)의 일단에 연결된다. 제5 구면(205)의 곡률중심 P5(X5, Z5)는 X5>D, Z5<0 를 만족한다. 즉, 광축(Z)으로부터 제5 구면(205)의 곡률중심 P5까지의 거리는, 광축(Z)으로부터 제3 구면(203)과 바닥면(209)의 접점까지의 거리보다 멀다. 또한, 곡률중심 P5는 X축을 기준으로 제5 구면(205)의 반대측에 형성된다. 제5 구면(205)은 빛의 진행방향에 대하여 음의 곡률반경 R5를 가진다.
제6 구면(206)은 제5 구면(205)의 일단에 연결된다. 제6 구면(206)의 곡률중심 P6(X6, Z6)은 D<X6≤X5, 0>Z6≥Z5 를 만족한다. 즉, 광축(Z)으로부터 제6 구면(206)의 곡률중심 P6까지의 거리는, 광축(Z)으로부터 제5 구면(205)의 곡률중심 P5까지의 거리보다 가깝다. 또한, X축으로부터 제6 구면(206)의 곡률중심 P6까지의 거리는, X축으로부터 제5 구면(205)의 곡률중심 P5까지의 거리보다 가깝다. 또한, 곡률중심 P6는 X축을 기준으로 제6 구면(206)의 반대측에 형성된다. 제6 구면(206)은 빛의 진행방향에 대하여 음의 곡률반경 R6을 가진다.
제7 구면(207)은 제6 구면(206)의 일단에 연결된다. 제7 구면(207)의 곡률중심 P7(X7, Z7)은 X7>X5, Z7>0 를 만족한다. 즉, 광축(Z)으로부터 제7 구면(207)의 곡률중심 P7까지의 거리는, 광축(Z)으로부터 제5 구면(205)의 곡률중심 P5까지의 거리보다 멀다. 또한, 제7 구면(207)의 곡률중심 P7는 X축보다 위에 형성된다. 제7 구면(207)은 빛의 진행방향에 대하여 음의 곡률반경 R7을 가진다.
제8 구면(210)은 출사곡면의 중앙에 배치된다. 즉, 제8 구면(210)의 곡률중심 P8은 광축(Z)상에 배치된다. 또한 제8 구면(210)의 곡률중심 P8은 출사곡면 하단에 배치된다. 제8 구면(210)은 빛의 진행방향에 대해 음의 곡률반경 R8을 가진다.
즉, 제8 구면(210)은 제4 구면(204)과 반대 방향으로 오목한 형태로 구성되어 렌즈 중심축(Z축)에서 암부가 생기는 현상을 방지한다. 제8 구면(210) 없이 렌즈 중심 부위가 제4 구면(204)에 의해서만 구성될 경우에는 도 11(a)와 같이 중심 부위에 암부가 발생하게 되나 제8 구면(208)에 의하여 도 11(b)와 같이 암부 발생을 제거할 수 있다.
또한, 제8 구면(210)의 곡률반경 R8을 조정하게 되면 렌즈 중심부위의 휘도를 조절할 수 있어 더욱 더 균일한 정면 휘도 분포를 얻을 수 있다.
제1 구면(201)의 곡률반경 R1, 제2 구면(202)의 곡률반경 R2 및 제3 구면(203)의 곡률반경 R3은, XZ-Plane 상에서 하기 식을 만족한다.
|R1|<|R2|<|R3| (R1<0, R2<0, R3<0) - 식(1)
또한, 제4 구면(204)의 곡률반경 R4, 제5 구면(205)의 곡률반경 R5, 제6 구면(206)의 곡률반경 R6, 제7 구면(207)의 곡률반경 R7 및 제8 구면(208)의 곡률반경 R8은, XZ-Plane 상에서 하기 식을 만족한다.
|R8|<|R7|<|R6|<|R5| (R4>0, R5<0, R6<0, R7<0, R8<0) - 식(2)
|R5| > T2 - 식(3)
|R6| > T2 - 식(4)
상기와 같은 식들을 만족할 경우, XZ-Plane 상의 원점에 광원(300)이 위치하면 광원(300)으로부터 발산하는 빛이 방사각에 따라 일차적으로 입사곡면인 제1 구면 내지 제3 구면(201,202,203)에 의해 굴절되어 방사각이 증가하게 된다.
입사곡면에 의해 굴절되어 방사각이 증가하게 된 빛은 출사곡면인 제4 구면 내지 제7 구면(204, 205, 206, 207)에 의해 재차 굴절되어 방사각이 더 증가하게 되어 광원(300)으로부터 발산하는 빛의 방사각을 증가시키게 된다.
요약하면, 일차적으로 입사곡면에 입사하는 빛은 각각의 곡률반경 및 곡률중심이 다른 제1 구면 내지 제3 구면(201, 202, 203)에 의해 굴절되는 방향이 조정됨으로써 방사각에 따른 빛의 양을 조절하게 되고, 최종적으로 각각의 곡률반경 및 곡률중심이 다른 제4 구면 내지 제7 구면(204, 205, 206, 207)에 의해 방사각에 따른 빛의 양을 조절함으로써 고방사각 렌즈(200)로부터 일정거리 떨어진 확산판 상에 입사되는 빛의 양을 방사각도에 따라 조절할 수 있게 된다.
제1 구면(201)의 곡률중심 P1은, 제1 구면(201)과 제2 구면(202)의 접점 C1과 제2 구면(202)의 곡률중심 P2의 사이에 위치한다. 또한, 제1 구면(201)과 제2 구면(202)의 접점 C1과 제2 구면(202)의 곡률중심 P2를 연결하는 일직선상에 위치한다.
제2 구면(202)의 곡률중심 P2는, 제2 구면(202)과 제3 구면(203)의 접점 C2와 제3 구면(203)의 곡률중심 P3의 사이에 위치한다. 또한, 제2 구면(202)과 제3 구면(203)의 접점 C2와 제3 구면(203)의 곡률중심 P3를 연결하는 일직선상에 위치한다.
또한, 제5 구면(205)의 곡률반경 R5 및 제6 구면(206)의 곡률반경 R6은 하기의 식을 만족한다.
|R5| > T2 - 식(5)
|R6| > T2 - 식(6)
상기 식(5) 및 식(6)에서 T2는 바닥면(209)으로부터 고방사각 렌즈(200)의 최상단까지의 높이를 나타낸다.
입사곡면에 의해 굴절된 빛이 제5 구면(205)으로 입사될 때, 제5 구면(205)의 곡률중심선과 제5 구면(205)으로 입사되는 빛의 각도를 θ2라 할 때, θ2와 고방사각 렌즈(200)의 굴절률 n은 하기 식을 만족한다.
θ2 > arcsin(1/n) - 식(7)
고방사각 렌즈(200)의 굴절률은 1.4 이상인 것이 바람직하고, 고방사각 렌즈(200)는 투명 재질로 구성되는 것이 바람직하다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 고방사각 렌즈의 구조를 나타내는 단면도이다. 제2 실시예의 타 구성은 제1 실시예와 동일하므로 구체적인 설명은 생략한다.
본 발명의 제2 실시예에 따르면, 제4 구면(204)과 상기 제8 구면(210)은 양의 곡률반경을 가지는 미세구면(211)에 의해 연결된다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 고방사각 렌즈의 방사각에 따른 빛의 양을 조절하는 과정을 나타내는 모식도이다. 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 고방사각 렌즈의 확산판 상에서의 조도 분포 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이고, 도 10은 도9의 시뮬레이션 결과에 따른 조도 분포 및 정면휘도 분포를 나타내는 그래프이다.
이하에서는 도 8을 참조하여, 방사각에 따른 빛의 양을 조절하는 방법을 구체적으로 설명한다. 도 8(a)는 비교예에 해당하고 도 8(b)는 본 발명에 따른 실시예에 해당한다.
도 8(a)에 도시된 비교예는 제5 구면(205)과 제6 구면(206)이 같은 곡률반경 및 곡률중심을 갖는 경우, 즉 P5=P6, R5=R6일 경우를 나타낸다.
광원(210)으로부터 발산하는 빛은 제1 구면(201)과 제4 구면(204)에 의해 L1로 진행하고, 제2 구면(202)과 제5 구면(205)에 의해 L2로 진행한다. 또한, 광원(210)으로부터 발산하는 빛은 제3 구면(203)과 제6 구면(206)에 의해 L3로 진행하고, 제3 구면(203)과 제7 구면(207)에 의해 L4로 진행하게 된다.
L2로 진행하는 빛은 제2 구면(202)에 의해 굴절되어 Q1에서 제5 구면(205)의 곡률 중심선과 θ1의 각도를 가지고 입사되어 제5 구면(205)에 의해 재차 굴절되어 방사각이 증가된다.
또한, L4로 진행하는 빛은 제3 구면(203)에 의해 굴절되어 Q2에서 제7 구면(207)의 곡률 중심선과 θ3의 각도를 가지고 입사되어 제7 구면(207)에 의해 재차 굴절되어 방사각이 증가된다.
도 8(a)의 비교예와 같이 구성된 렌즈에 의해 방사하는 빛을 광선추적 방법으로 시뮬레이션하면 도 9(a)에 도시된 조도 및 정면휘도 분포를 가지게 되어 광원이 위치한 렌즈 중심부에서는 정면휘도가 강하고 렌즈 중심부로부터 멀어질수록 정면휘도가 약하게 되어 정면휘도 분포가 불균일하게 된다.
도 9에서의 (a) 내지 (c) 각각의 시뮬레이션 결과는, 도 10의 조도 분포 및 정면휘도 분포 그래프에서 A 내지 C로 나타낸다.
상기와 같은 문제점을 해소하기 위해서는 확산판 상에서의 조도분포를 도 9(c)와 같이 렌즈의 중심부는 조도를 약하게 하고 렌즈 중심으로부터 멀어질수록 조도를 증가시켜야 정면휘도 분포가 균일하게 된다.
도 8(b)에 도시된 본 발명의 실시예에 따르면, 제5 구면(205)은 X5>D, Z5<0, 식(3)을 만족하고, 제6 구면(206)은 D<X6≤X5, 0>Z6≥Z5, 식(4), 식(7)을 만족한다.
이에 따르면, L2로 진행하는 빛이 제2 구면(202)에 의해 굴절되어 Q1에서 제5 구면(205)의 곡률 중심선과 θ2의 각도를 가지고 입사되고, 제2 구면(202)에 의해 굴절된 빛의 일부는 제5 구면(205)에 의해 전반사되어 L2'과 같이 진행한다. 따라서, 제5 구면으로부터 굴절되는 빛의 양을 줄일 수 있게 된다.
또한, 도 8(a)에 도시된 비교예의 제7 구면(207)의 곡률중심 P7이, 도 8(b)에 도시된 본 발명에 따른 실시예와 같이 X7>X5, Z7>0, 식(2)를 만족하면서 P7'으로 변경될 경우, 즉 θ3의 각도를 θ4의 각도로 증가시키거나 감소시킬 경우, 제7 구면(207)의 Q2에서 굴절되는 빛의 굴절각 θ5의 각도를 증가시키거나 감소시킬 수 있어 고방사각 렌즈(200)로부터 외부로 발산하는 방사각 및 빛의 양을 조절할 수 있게 된다.
상기와 같이 렌즈의 구성 변수가 식(1) 내지 식(8)을 만족하도록 하는 경우, 도 9(a) 내지 (c)와 같이 방사각에 따른 빛의 양을 조절할 수 있어 렌즈로부터 일정거리 떨어진 곳에 위치한 확산판 상에서 균일한 정면휘도 분포가 가능하다.
상기와 같이 본 발명에 따르면, 종래의 비구면 대신에 구면으로만 렌즈를 제작하여도 고방사각의 성능을 가진 렌즈를 제작할 수 있고, 렌즈가 구면으로만 제작되어 제작된 렌즈의 검사 또한 용이하여 저가의 고방사각 렌즈를 생산할 수 있는 효과가 있다.
또한, 빛의 방사 각도에 따른 빛의 양을 조절할 수 있게 되어 종래의 불균일한 휘도 분포를 극복하고 균일한 휘도 분포를 얻을 수 있는 효과가 있다.
또한, LED와 확산판 사이의 두께를 줄일 수 있게 되어, 제품의 두께를 줄이면서 무게를 감소시켜 박형의 평판조명장치의 제작이 가능한 효과가 있다.
상기와 같이 도면과 명세서에서 최적의 실시예가 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
10: 프레임 20: 반사판
30: LED 40: 렌즈
50: 회로기판 60: 확산판
70: 확산시트 80: 프리즘시트
90: LCD패널
200: 고방사각 렌즈 201: 제1 구면
202: 제2 구면 203: 제3 구면
204: 제4 구면 205: 제5 구면
206: 제6 구면 207: 제7 구면
208: 측면 209: 바닥면
210: 제8 구면 300: 광원
R1: 제1 구면의 곡률반경 R2: 제2 구면의 곡률반경
R3: 제3 구면의 곡률반경 R4: 제4 구면의 곡률반경
R5: 제5 구면의 곡률반경 R6: 제6 구면의 곡률반경
R7: 제7 구면의 곡률반경 R8: 제8 구면의 곡률반경

Claims (8)

  1. 광축 상에 배치된 광원으로부터 출사된 빛이 입사하는 입사곡면 및 상기 입사곡면에 입사한 빛이 출사되는 출사곡면을 포함하고, 상기 입사곡면 및 상기 출사곡면은 상기 광축을 중심으로 회전대칭(rotational symmetry)되는 고방사각 렌즈에 있어서,
    상기 입사곡면은,
    곡률중심 P1이 상기 광축 상에 위치하며 빛의 진행 방향에 대해 음의 곡률반경 R1을 가지는 제1 구면;
    상기 제1 구면의 하단에 연결되고 곡률중심 P2(X2≤0, Z2>0) 및 음의 곡률반경 R2를 가지는 제2 구면; 및
    상기 제2 구면의 하단에 연결되고 곡률중심 P3(X3<0, Z3≤0) 및 음의 곡률반경 R3를 가지는 제3 구면을 포함하고,
    상기 출사곡면은,
    곡률중심 P4(X4≤0, Z4>T2) 및 양의 곡률반경 R4를 가지는 제4 구면;
    상기 광축과 먼 쪽에 위치한 상기 제4 구면의 일단에 연결되고 곡률중심 P5(X5>D, Z5<0) 및 음의 곡률반경 R5를 가지는 제5 구면;
    상기 광축과 먼 쪽에 위치한 상기 제5 구면의 일단에 연결되고 곡률중심 P6(D<X6≤X5, 0>Z6≥Z5) 및 음의 곡률반경 R6을 가지는 제6 구면;
    상기 광축과 먼 쪽에 위치한 상기 제6 구면의 일단에 연결되고 곡률중심 P7(X7>X5, Z7>0) 및 음의 곡률반경 R7을 가지는 제7 구면; 및
    상기 제4 구면의 타단에 연결되고 상기 광축 상에 위치하는 곡률중심 P8 및 음의 곡률반경 R8을 가지는 제8 구면을 포함하는 것을 특징으로 하는 고방사각 렌즈.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제4 구면과 상기 제8 구면은 양의 곡률반경을 가지는 미세구면에 의해 연결되는 것을 특징으로 하는 고방사각 렌즈.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 제1 구면의 곡률반경 R1, 상기 제2 구면의 곡률반경 R2 및 상기 제3 구면의 곡률반경 R3은,
    |R1|<|R2|<|R3| (R1<0, R2<0, R3<0)
    를 만족하는 것을 특징으로 하는 고방사각 렌즈.
  4. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 제1 구면의 곡률중심 P1은,
    상기 제1 구면과 상기 제2 구면의 접점 C1과 상기 제2 구면의 곡률중심 P2의 사이에 위치하고, 상기 제1 구면과 상기 제2 구면의 접점 C1과 상기 제2 구면의 곡률중심 P2를 연결하는 일직선상에 위치하는 것을 특징으로 하는 고방사각 렌즈.
  5. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 제2 구면의 곡률중심 P2는,
    상기 제2 구면과 상기 제3 구면의 접점 C2와 상기 제3 구면의 곡률중심 P3의 사이에 위치하고, 상기 제2 구면과 상기 제3 구면의 접점 C2와 상기 제3 구면의 곡률중심 P3를 연결하는 일직선상에 위치하는 것을 특징으로 하는 고방사각 렌즈.
  6. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 제4 구면의 곡률반경 R4, 상기 제5 구면의 곡률반경 R5, 상기 제6 구면의 곡률반경 R6, 상기 제7 구면의 곡률반경 R7 및 상기 제8 구면의 곡률반경 R8은,
    |R8|<|R7|<|R6|<|R5| (R4>0, R5<0, R6<0, R7<0, R8<0)
    |R5| > T2
    |R6| > T2
    를 만족하는 것을 특징으로 하는 고방사각 렌즈.
  7. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 입사곡면에 의해 굴절된 빛이 상기 제5 구면으로 입사될 때, 상기 제5 구면의 곡률중심선과 상기 제5 구면으로 입사되는 빛의 각도 θ는
    θ > arcsin(1/n)
    를 만족하는 것을 특징으로 하는 고방사각 렌즈.
  8. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 고방사각 렌즈는 굴절률이 1.4 이상인 투명 재질로 구성되는 것을 특징으로 하는 고방사각 렌즈.
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