KR101580742B1 - 조명 장치의 렌즈 설계 방법 - Google Patents

조명 장치의 렌즈 설계 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR101580742B1
KR101580742B1 KR1020140075963A KR20140075963A KR101580742B1 KR 101580742 B1 KR101580742 B1 KR 101580742B1 KR 1020140075963 A KR1020140075963 A KR 1020140075963A KR 20140075963 A KR20140075963 A KR 20140075963A KR 101580742 B1 KR101580742 B1 KR 101580742B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
spherical surface
direction vector
designing
light
lens
Prior art date
Application number
KR1020140075963A
Other languages
English (en)
Inventor
박선정
홍춘지
이준원
Original Assignee
엘지전자 주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 엘지전자 주식회사 filed Critical 엘지전자 주식회사
Priority to KR1020140075963A priority Critical patent/KR101580742B1/ko
Priority to US14/744,714 priority patent/US9589077B2/en
Priority to DE102015211332.9A priority patent/DE102015211332A1/de
Application granted granted Critical
Publication of KR101580742B1 publication Critical patent/KR101580742B1/ko

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B3/00—Simple or compound lenses
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21S—NON-PORTABLE LIGHTING DEVICES; SYSTEMS THEREOF; VEHICLE LIGHTING DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR VEHICLE EXTERIORS
    • F21S8/00—Lighting devices intended for fixed installation
    • F21S8/08—Lighting devices intended for fixed installation with a standard
    • F21S8/085—Lighting devices intended for fixed installation with a standard of high-built type, e.g. street light
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21V—FUNCTIONAL FEATURES OR DETAILS OF LIGHTING DEVICES OR SYSTEMS THEREOF; STRUCTURAL COMBINATIONS OF LIGHTING DEVICES WITH OTHER ARTICLES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F21V5/00—Refractors for light sources
    • F21V5/04—Refractors for light sources of lens shape
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B19/00—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics
    • G02B19/0033—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics characterised by the use
    • G02B19/0047—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics characterised by the use for use with a light source
    • G02B19/0061—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics characterised by the use for use with a light source the light source comprising a LED
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21W—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASSES F21K, F21L, F21S and F21V, RELATING TO USES OR APPLICATIONS OF LIGHTING DEVICES OR SYSTEMS
    • F21W2131/00—Use or application of lighting devices or systems not provided for in codes F21W2102/00-F21W2121/00
    • F21W2131/10—Outdoor lighting
    • F21W2131/103—Outdoor lighting of streets or roads
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21Y—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASSES F21K, F21L, F21S and F21V, RELATING TO THE FORM OR THE KIND OF THE LIGHT SOURCES OR OF THE COLOUR OF THE LIGHT EMITTED
    • F21Y2115/00—Light-generating elements of semiconductor light sources
    • F21Y2115/10—Light-emitting diodes [LED]
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T29/00—Metal working
    • Y10T29/49—Method of mechanical manufacture
    • Y10T29/49758—During simulated operation or operating conditions
    • Y10T29/4976—Temperature

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Evolutionary Computation (AREA)
  • Geometry (AREA)
  • Non-Portable Lighting Devices Or Systems Thereof (AREA)
  • Architecture (AREA)
  • Software Systems (AREA)

Abstract

본 실시예에 따른 조명 장치의 렌즈 설계 방법은, 광원인 LED 소자로부터 발생된 빛을 굴절시키는 제 1 구면과, 상기 제 1 구면을 통과한 빛을 굴절시키는 제 2 구면을 갖는 렌즈를 설계하는 방법으로서, 상기 제 2 구면을 통과한 빛이 조사되는 영역을 나타내는 조사면을 결정하는 단계; 상기 조사면 내에 위치하는 기준원을 형성하는 단계; 상기 LED 소자에서 출사되는 빛을 입력 방향 벡터로 이용하고, 상기 기준원 내의 좌표를 출력 방향 벡터로 이용하여, 법선 벡터들을 연산함으로써 제 1 구면의 자유 곡면을 설계하는 단계; 및 상기 제 1 구면에서 굴절된 빛을 입력 방향 벡터로 이용하고, 상기 조사면 내의 좌표를 출력 방향 벡터로 이용하여, 법선 벡터들을 연산함으로써 제 2 구면의 자유 곡면을 설계하는 단계;를 포함한다.

Description

조명 장치의 렌즈 설계 방법{Method for designing a lens of lighting device}
본 발명은 조명 장치의 렌즈를 설계하는 방법에 대한 것으로서, 조명의 조사 영역을 결정한 다음, 결정된 조사 영역으로 빛을 굴절시킬 수 있는 렌즈를 설계할 수 있는 방법에 대한 것이다.
최근 조명 장치를 포함한 산업 전반에 걸쳐 에너지 절감을 위하여 광원으로 LED를 채택하는 경우가 많아지고 있다. 이에 따라 LED를 효과적이면서 효율적으로 사용하기 위한 각 산업 분야에서의 연구 또한 활발히 진행되고 있다.
그러나, LED 광원은 빛의 직진성이 강한 특성을 갖는 것으로서, 통상적으로 점광원에 가까운 LED의 빛에너지 방사형태는, 도 1에 도시된 바와 같이, 주변에 비해 중심부분에 광 분포가 집중되는 특성을 보여주고 있다. 이러한 중심 광 집중에 따른 눈부심 현상 및 공해의 단점을 보완하기 위하여, LED의 광 분포를 확산 및 조정하기 위한 광학 렌즈가 개발되고 있다.
그리고, LED를 광원으로 이용하는 조명 장치는, 그 설치 위치에 따라 빛이 조사되는 형상/영역이 다르게 설계되어야 한다. 예를 들어, 일반 가로등이나 보안등, 터널 등 사용되는 장소와 용도에 따라, LED 광원으로부터 출사된 빛이 조사되는 영역(즉, 조사면)을 달리 설계할 필요가 있다.
또한, 인접한 조명 장치들 사이의 조사면이 상호간에 겹쳐지지 않도록 함으로써, 효율적인 조명 장치의 설계 및 설치가 요구되는 경우도 있다.
본 발명은 요구하는 조사면에 따라 LED 광원을 굴절시키기 위한 렌즈를 용이하게 설계할 수 있는 방법을 제안하고자 한다. 즉, 조명 장치의 설치 위치나, 용도 등에 따라 조사면을 달리 결정하여야 하는 경우에, 요구하는 조사면으로부터 렌즈를 용이하게 설계할 수 있는 방법을 제안하고자 한다.
또한, 요구하는 조사면을 이용하여 렌즈 설계가 가능하도록 함으로써, 각각의 조명 장치에서 출사되는 빛을 보다 효율적으로 이용할 수 있게 하는 방법을 제안하고자 한다.
본 실시예에 따른 조명 장치의 렌즈 설계 방법은, 광원인 LED 소자로부터 발생된 빛을 굴절시키는 제 1 구면과, 상기 제 1 구면을 통과한 빛을 굴절시키는 제 2 구면을 갖는 렌즈를 설계하는 방법으로서, 상기 제 2 구면을 통과한 빛이 조사되는 영역을 나타내는 조사면을 결정하는 단계; 상기 조사면 내에 위치하는 기준원을 형성하는 단계; 상기 LED 소자에서 출사되는 빛을 입력 방향 벡터로 이용하고, 상기 기준원 내의 좌표를 출력 방향 벡터로 이용하여, 법선 벡터들을 연산함으로써 제 1 구면의 자유 곡면을 설계하는 단계; 및 상기 제 1 구면에서 굴절된 빛을 입력 방향 벡터로 이용하고, 상기 조사면 내의 좌표를 출력 방향 벡터로 이용하여, 법선 벡터들을 연산함으로써 제 2 구면의 자유 곡면을 설계하는 단계;를 포함한다.
그리고, 상기 조사면을 결정하는 단계는, 결정되는 형상에 대한 x 좌표 및 y 좌표를 연산할 수 있는 슈퍼일립스 방정식을 이용하는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 제 1 구면의 자유 곡면을 설계하는 단계는, 아래의 수학식에 해당하는 스넬의 법칙을 이용하고, 입력 방향 벡터
Figure 112014057990986-pat00001
는 상기 LED 소자로부터 출사되는 빛의 방향 벡터이고, 출력 방향 벡터
Figure 112014057990986-pat00002
는 상기 기준원 내에 위치하는 x 및 y 좌표의 방향 벡터인 것을 특징한다.
[수학식]
Figure 112014057990986-pat00003
그리고, 상기 제 2 구면의 자유 곡면을 설계하는 단계는, 위의 수학식에 해당하는 스넬의 법칙을 이용하고, 입력 방향 벡터
Figure 112014057990986-pat00004
는 상기 기준원 내에 위치하는 x 및 y 좌표의 방향 벡터이고, 출력 방향 벡터
Figure 112014057990986-pat00005
는 상기 조사면 내에 위치하는 x 및 y 좌표의 방향 벡터인 것을 특징으로 한다.
제안되는 바와 같은 렌즈 설계 방법에 의해서, 조사면을 결정하고, 결정된 조사면 내에 위치하는 좌표들을 이용하여 렌즈를 설계하게 되므로, 다양한 렌즈 설계를 용이하게 수행할 수 있다.
그리고, 결정된 조사면에 기초하여 렌즈를 설계하는 것에 의하여, 빛이 배광되는 방향 또는 면적에 손실이 발생하는 경우를 줄일 수 있는 장점이 있다.
그리고, 조사면을 결정하는 때에, 슈퍼일립스 방정식을 이용함으로써, 그 조사면의 결정 및, 조사면 내에 위치하는 좌표의 방향 벡터를 용이하게 연산해낼 수 있는 장점이 있다.
도 1은 LED 광원에 대한 일반적인 빛 에너지의 방사 형태를 보여주는 도면이다.
도 2 내지 도 4는 슈퍼일립스 방정식을 통하여 연산될 수 있는 곡선 형상의 예를 보여주는 도면이다.
도 5는 도로 인근에 배치되는 조명등의 예와, 상기 조명등의 조사면의 예를 보여주는 도면이다.
도 6은 본 실시예에 따라 설계되는 렌즈 형상의 예를 보여주는 도면이다.
도 7은 본 실시예에 따라 렌즈를 설계하는 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 8은 본 실시예에 따라 조명 장치의 결정된 조사면을 도시한 도면이다.
도 9는 본 실시예에 따라 렌즈의 제 1 구면을 설계하기 위하여 조사면 내에 기준원을 형성한 경우를 도시한 도면이다.
도 10은 본 실시예에 따라 기준원과 조사면을 이용하여 렌즈의 제 1 구면 및 제 2 구면을 결정하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 본 실시예에 따라 설계되는 제 2 구면의 예를 보여주는 도면이다.
이하, 본 실시예에 따라 조명 장치의 광원에서 출사된 빛을 굴절시키는 렌즈를 설계하는 방법을 상세히 설명하여 본다.
실시예에 따르면, 렌즈의 구면 설계를 위하여 사용되는 슈퍼일립스(superellipse) 방정식에 대해서 설명하여 본다.
도 2 내지 도 3은 슈퍼일립스 방정식을 통하여 연산될 수 있는 곡선 형상의 예를 보여주는 도면이다.
슈퍼일립스 방정식은 아래의 수학식 1과 같이 표현된다.
Figure 112014057990986-pat00006
n, a, b가 양수이고, -a ≤ x ≤ +a, -b ≤ y ≤ +b의 범위일 경우에, 사각형 내에서 정의되는 닫힌 곡선의 공식이 된다.
n이 0과 1사이인 경우에는, 슈퍼일립스는 오목한 형태의 곡선을 갖게 되고, 특히, n이 1/2일 때에는, 도 2에 도시된 바와 같이, 네 개의 Arc들이 모두 2차 베지어 커브로 정의될 수 있다. 즉, 포물선의 형태를 갖게 된다.
n이 1인 경우에는, 곡선은 다이아몬드 형태를 나타내고, n이 1과 2사이라면, 각 코너가 볼록한 형태의 다이아몬드 형태가 된다. 그리고, 곡률은 제한없이 계속 증가하게 된다. 참고로, n이 2인 경우에는 곡선은 일반적인 타원으로 나타나며, a=b일 경우에는 반지름이 동일한 원이 된다. 또한, n이 2보다 큰 경우에는, 외관상으로는 각 모서리 영역이 둥근 사각형의 형태가 된다.
도 3의 경우는, n이 2/3이고, a=b=1일 경우에, 나타나는 곡선 형태가 된다. 그리고, n=4이고, a=b=1일 경우에는, 도 4에서와 같이, 직사각형 형태가 될 수 있다.
결국, 슈퍼일립스 방정식에서 n값을 조절하는 것을 통하여 조명 장치의 배광 형태를 결정할 수 있다. 예를 들어, 조명 장치의 조사면이 원형, 사각, 비대칭, 또는 십자가 형태의 특수 배광 형태가 되도록 설정하는 것이 가능하다.
그리고, 슈퍼일립스 방정식에서 a와 b 값을 조절함으로써, 조사하고자 하는 영역을 직사각형이나 정사각형 등의 사각형 형상 역시도 조절하는 것이 가능하다.
이러한 슈퍼일립스 방정식을 통하여, a,b 및 n값을 결정함으로써 결국 조명 장치의 조사면을 결정하게 되면, 결정된 조사면 내의 x 및 y 좌표값을 획득할 수 있다. 본 실시예에서는, 슈퍼일립스 방정식을 이용한 조명 장치의 조사면을 결정하고, 그로부터 획득되는 x,y좌표에 주목한다.
빛이 조사되는 최종 좌표값(x,y)을 슈퍼일립스 방정식을 통하여 연산하고, 그로부터 렌즈의 외주면, 즉 제 2 구면을 설계할 수 있다.
빛이 최종적으로 배광되는 형태, 즉, 조사면을 결정하고, 결정된 조사면 내로 빛을 굴절시키는 렌즈를 설계하는 것은 많은 장점을 가져다 준다. 예를 들면, 불필요한 영역으로의 빛의 조사를 줄여, 원하는 영역으로 빛의 배광이 집중되도록 할 수 있다.
도 5에는 조명 장치의 예로서 도로를 비추는 조명등(100)과, 조명등의 조사면(A)이 도시되어 있다. 도 5의 조명등의 경우에는, 그 조사면(A)이 도로면에 집중되어야 하고, 복수의 조명등에 의하여 도로의 전체 영역으로 빛이 조사되도록 직사각 형상의 조사면(A)이 이루어지도록 하는 것이 바람직하다. 이러한 조사면의 경우, 슈퍼일립스 방정식에서 n=4이고, a=b=1의 경우가 될 수 있으나, 조사면의 면적에 따라 n의 값은 변경가능할 것이다.
이러한 슈퍼일립스 방정식을 이용한 렌즈 설계에 대해서, 도 6 내지 도 11을 참조하여 상세히 설명한다.
도 6은 본 실시예에 따라 설계되는 렌즈 형상의 예를 보여주는 도면이고, 도 7은 본 실시예에 따라 렌즈를 설계하는 방법을 설명하는 흐름도이다.
그리고, 도 8은 본 실시예에 따라 조명 장치의 결정된 조사면을 도시한 도면이고, 도 9는 본 실시예에 따라 렌즈의 제 1 구면을 설계하기 위하여 조사면 내에 기준원을 형성한 경우를 도시한 도면이고, 도 10은 본 실시예에 따라 기준원과 조사면을 이용하여 렌즈의 제 1 구면 및 제 2 구면을 결정하는 방법을 설명하기 위한 도면이고, 도 11은 본 실시예에 따라 설계되는 제 2 구면의 예를 보여주는 도면이다.
먼저, 도 6을 참조하면, 설계 대상의 렌즈는, 광원인 LED 소자(10)를 감싸는 형상으로 LED 소자(10)와 소정 간격을 두고 위치하는 제 1 구면(21)과, 렌즈의 외형을 형성하고 조사면으로 빛을 굴절시키는 제 2 구면(41)과, 상기 제 1 구면(21)과 제 2 구면(41)의 단부를 연결하는 근위면(31)을 포함한다.
조명 장치의 렌즈는 LED 소자(10)로부터 방출된 빛이 제 1 구면(21)에서 굴절되고, 그 다음 제 2 구면(41)에서 굴절된 다음 최종 조사면으로 빛이 진행되도록 하는 역할을 한다. 따라서, 제 1 구면(21)과 제 2 구면(41)의 자유 곡면 설계는 희망하는 조사면이 고려되어야 한다.
본 실시예에서는, 제 2 구면(41)에서 굴절된 빛이 조사되는 조사면을 슈퍼일립스 방정식을 이용하여 결정하는 것이 선행되지만, 렌즈의 자유 곡면 설계는 제 2 구면이 아닌 제 1 구면(21)에 대하여 먼저 수행된다.
도 7의 흐름도를 참조하면, 렌즈 설계를 위하여 최종적으로 빛이 조사되는 영역에 대한 조사면을 슈퍼일립스 방정식을 이용하여 결정한다(S101). 그 결과, 도 8에 예시된 도면과 같이, 도면부호 201로 도시되는 외곽선으로 둘러싸이는 조사면이 결정될 수 있다. 물론, 슈퍼일립스 방정식의 n, a, 및 b 값을 조절하여 다른 형상의 조사면을 결정할 수 있을 것이다.
그 다음, 결정된 조사면의 외곽선(201) 내에 위치하는 기준원(도 9의 301)을 설정하는 과정이 수행된다(S102). 여기서, 기준원(301)은 렌즈의 제 1 구면을 결정하기 위하여 사용되는 것으로서, 기준원이 결정된 조사면 내에 위치하는 사이즈로 형성한다. 그리고, 상기 기준원(301)은 상기 조사면의 외곽선(201)과 적어도 하나 이상의 점과 접하는 형상이 될 수 있으며, 예를 들어, 직사각 형상의 조사면을 구성하는 경우에 상기 기준원(301)은 조사면의 외곽선의 두 점에서 내접하는 원이 될 수 있다.
기준원(301)을 조사면 내에 위치할 수 있도록 형성하는 것에 의해서, 제 1 구면에 의하여 굴절된 빛이 제 2 구면에서 굴절되는 때에 조사면을 향하여 확장되도록 유도할 수 있다. 이러한 방법을 통하여, 제 1 구면과 제 2 구면에서 각각 굴절되는 때에 빛의 손실을 줄일 수 있다.
그 다음, 결정된 기준원(301)에 포함되는 좌표들을 이용하여, 렌즈의 제 1 구면(21)을 설계하는 과정이 수행된다(S103). 방향 벡터(direction vector)를 이용하여 굴절면에서의 스넬의 법칙을 연산하면, 법선 벡터(normal vector)를 연산할 수 있고, 이러한 법선 벡터들의 포인트들을 연결하면 요구하는 구면을 설계할 수 있다.
이러한 연산의 과정은, 제 1 구면과 제 2 구면을 설계하는 때에 모두 적용되므로, 제 1 구면 설계를 위하여 법선 벡터와, 그 포인트를 연산하는 과정을 도 10을 참조하여 설명하여 본다.
Figure 112014057990986-pat00007
위의 수학식 2는 본 실시예에 따라 제 1 구면과 제 2 구면의 자유 곡면을 설계하기 위한 스넬의 법칙이다.
여기서,
Figure 112014057990986-pat00008
은 단위 크기 1을 갖는 법선 벡터이고,
Figure 112014057990986-pat00009
는 제 1 구면 또는 제 2 구면에서 굴절되어 출사되는 출력 빛의 방향 벡터이고,
Figure 112014057990986-pat00010
는 제 1 구면 또는 제 2 구면으로 입사되는 입력 빛의 방향 벡터이다. 그리고, n1은 입력 빛이 통과하는 물질의 굴절률이고, n2는 출력 빛이 통과하는 물질의 굴절률이다.
LED 소자와 공기층을 사이에 두고, 소정 간격을 두고 형성되는 제 1 구면(21)을 설계하는 방법을 설명하여 본다. LED 소자(10)로부터 출사된 빛들은
Figure 112014057990986-pat00011
가 되고,
Figure 112014057990986-pat00012
에 대한 정보는 LED 소자(10)의 제조 스펙으로 결정되는 사항이므로, 설계에 사용되는 LED 소자의 출사 빛들에 대한 방향 벡터들을
Figure 112014057990986-pat00013
로 설정한다.
그리고, n1은 공기층이므로 1의 값이 되고, n2는 렌즈에 사용되는 물질의 굴절률을 나타낸다.
특히, 단위 크기의 법선 벡터
Figure 112014057990986-pat00014
를 연산하기 위해서는, 제 1 구면에서 굴절되어 출사되는 출력 빛의 방향 벡터인
Figure 112014057990986-pat00015
에 대한 정보를 획득하여야 한다. 이때, 출사 빛의 방향 벡터인
Figure 112014057990986-pat00016
는 미리 결정한 기준원(301) 내에 위치하는 x,y 좌표들에 대한 방향 벡터가 된다.
따라서, 법선 벡터
Figure 112014057990986-pat00017
을 연산하기 위한 수학식 2에서의 변수들이 모두 결정될 수 있다. 즉, 기준원(301)으로 굴절되어 출사되어야 하는 방향 벡터인
Figure 112014057990986-pat00018
각각에 대하여 법선 벡터
Figure 112014057990986-pat00019
들이 연산되고, 법선 벡터
Figure 112014057990986-pat00020
의 포인트들을 연결하는 것에 의하여 렌즈의 제 1 구면(21)이 설계될 수 있다.
그 다음, 제 2 구면의 자유 곡면을 설계하는 과정이 수행된다(S104). 제 2 구면의 자유 곡면을 설계하기 위하여, 상기한 수학식 2가 마찬가지로 사용되며, 다만, 제 1 구면을 설계하기 위하여 사용된
Figure 112014057990986-pat00021
는 제 2 구면 설계를 위한 스넬의 법칙 이용시에 입력 빛의 방향 벡터인
Figure 112014057990986-pat00022
가 된다.
그리고, 제 2 구면(41)에서 굴절되어 출사되는 출력 빛의 방향 벡터
Figure 112014057990986-pat00023
는 앞서 결정한 조사면의 좌표들에 대한 방향 벡터가 된다.
따라서, 제 2 구면(41)의 자유 곡면 설계에 있어서, n1은 렌즈를 구성하는 물질의 굴절률이 되고, n2는 공기층의 굴절률 1이 된다. 제 1 구면(21)에 대한 자유 곡면 설계가 완성된 다음, 제 2 구면(41)에 대한 자유 곡면 설계시에도, 법선 벡터
Figure 112014057990986-pat00024
연산에 필요한 값(n1, n2,
Figure 112014057990986-pat00025
, 및
Figure 112014057990986-pat00026
)이 모두 결정될 수 있다. 따라서, 제 2 곡면(41)에서 굴절되어 출사되는 출력 빛의 방향 벡터
Figure 112014057990986-pat00027
각각에 대하여 법선 벡터
Figure 112014057990986-pat00028
이 결정되고, 법선 벡터
Figure 112014057990986-pat00029
의 포인트들을 연결하는 것에 의하여 제 2 곡면(41)의 설계가 완성될 수 있다.
그 다음, LED 소자(10)의 발광면과 수평방향에 위치하게 되는 근위면(31)은 상기 제 1 곡면(21)과 제 2 곡면(41)의 단부를 연결하거나, 렌즈를 구성하는 물질의 가공도를 고려하여 결정한다(S105).
이러한 방법을 통하여, 도 11에 도시된 바와 같이 법선 벡터들의 출발점을 가리키는 포인트들을 연결한 자유 곡면이 형성될 수 있다.
전술한 바와 같은 본 실시예의 방법을 통해서, 다양한 환경에 설치되는 조명 장치에 대해서 희망하는 조사면으로 빛이 굴절되어 조명될 수 있도록 할 수 있다. 그리고, 조사면을 기준으로 렌즈를 설계하게 되므로, 출사되는 빛의 손실을 줄일 수 있는 장점이 있다.

Claims (5)

  1. 광원인 LED 소자로부터 발생된 빛을 굴절시키는 제 1 구면과, 상기 제 1 구면을 통과한 빛을 굴절시키는 제 2 구면을 갖는 렌즈를 설계하는 방법으로서,
    상기 제 2 구면을 통과한 빛이 조사되는 영역을 나타내는 조사면을 결정하는 단계;
    상기 조사면 내에 위치하는 기준원을 형성하는 단계;
    상기 LED 소자에서 출사되는 빛을 입력 방향 벡터로 이용하고, 상기 기준원 내의 좌표를 출력 방향 벡터로 이용하여, 법선 벡터들을 연산함으로써 제 1 구면의 자유 곡면을 설계하는 단계; 및
    상기 제 1 구면에서 굴절된 빛을 입력 방향 벡터로 이용하고, 상기 조사면 내의 좌표를 출력 방향 벡터로 이용하여, 법선 벡터들을 연산함으로써 제 2 구면의 자유 곡면을 설계하는 단계;를 포함하고,
    상기 제 1 구면의 자유 곡면을 설계하는 단계는,
    아래의 수학식에 해당하는 스넬의 법칙을 이용하고,
    입력 방향 벡터
    Figure 112015046912686-pat00047
    는 상기 LED 소자로부터 출사되는 빛의 방향 벡터이고,
    출력 방향 벡터
    Figure 112015046912686-pat00048
    는 상기 기준원 내에 위치하는 x 및 y 좌표의 방향 벡터인 것을 특징으로 하는 조명 장치의 렌즈 설계 방법.
    [수학식]
    Figure 112015046912686-pat00049
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 조사면을 결정하는 단계는, 결정되는 형상에 대한 x 좌표 및 y 좌표를 연산할 수 있는 슈퍼일립스 방정식을 이용하는 것을 특징으로 하는 조명 장치의 렌즈 설계 방법.
  3. 삭제
  4. 광원인 LED 소자로부터 발생된 빛을 굴절시키는 제 1 구면과, 상기 제 1 구면을 통과한 빛을 굴절시키는 제 2 구면을 갖는 렌즈를 설계하는 방법으로서,
    상기 제 2 구면을 통과한 빛이 조사되는 영역을 나타내는 조사면을 결정하는 단계;
    상기 조사면 내에 위치하는 기준원을 형성하는 단계;
    상기 LED 소자에서 출사되는 빛을 입력 방향 벡터로 이용하고, 상기 기준원 내의 좌표를 출력 방향 벡터로 이용하여, 법선 벡터들을 연산함으로써 제 1 구면의 자유 곡면을 설계하는 단계; 및
    상기 제 1 구면에서 굴절된 빛을 입력 방향 벡터로 이용하고, 상기 조사면 내의 좌표를 출력 방향 벡터로 이용하여, 법선 벡터들을 연산함으로써 제 2 구면의 자유 곡면을 설계하는 단계;를 포함하고,
    상기 제 2 구면의 자유 곡면을 설계하는 단계는,
    아래의 수학식에 해당하는 스넬의 법칙을 이용하고,
    입력 방향 벡터
    Figure 112015046912686-pat00033
    는 상기 기준원 내에 위치하는 x 및 y 좌표의 방향 벡터이고,
    출력 방향 벡터
    Figure 112015046912686-pat00034
    는 상기 조사면 내에 위치하는 x 및 y 좌표의 방향 벡터인 것을 특징으로 하는 조명 장치의 렌즈 설계 방법.
    [수학식]
    Figure 112015046912686-pat00035
  5. 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 제 2 구면의 자유 곡면 설계가 수행된 다음에는,
    상기 제 1 구면과 제 2 구면의 단부를 연결함으로써, 상기 렌즈의 근위면을 설계하는 단계를 더 포함하는 조명 장치의 렌즈 설계 방법.
KR1020140075963A 2014-06-20 2014-06-20 조명 장치의 렌즈 설계 방법 KR101580742B1 (ko)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020140075963A KR101580742B1 (ko) 2014-06-20 2014-06-20 조명 장치의 렌즈 설계 방법
US14/744,714 US9589077B2 (en) 2014-06-20 2015-06-19 Method for designing lens of lighting device
DE102015211332.9A DE102015211332A1 (de) 2014-06-20 2015-06-19 Verfahren zum Entwerfen einer Linse einer Beleuchtungsvorrichtung

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020140075963A KR101580742B1 (ko) 2014-06-20 2014-06-20 조명 장치의 렌즈 설계 방법

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR101580742B1 true KR101580742B1 (ko) 2015-12-28

Family

ID=54768179

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020140075963A KR101580742B1 (ko) 2014-06-20 2014-06-20 조명 장치의 렌즈 설계 방법

Country Status (3)

Country Link
US (1) US9589077B2 (ko)
KR (1) KR101580742B1 (ko)
DE (1) DE102015211332A1 (ko)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100935205B1 (ko) * 2009-07-08 2010-01-06 (주)어플리컴 점 광원을 위한 렌즈 형상정보 생성방법
KR101263491B1 (ko) * 2012-12-07 2013-05-13 주식회사 휴락코퍼레이션 비구면 조명렌즈
KR101320869B1 (ko) * 2013-05-15 2013-10-23 주식회사 휴락코퍼레이션 비구면 조명렌즈
KR101343563B1 (ko) * 2012-07-20 2013-12-19 노명재 비대칭 자유곡면 수식을 적용한 엘이디 광확산렌즈

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5213383B2 (ja) * 2007-08-09 2013-06-19 シャープ株式会社 発光装置およびこれを備える照明装置
US8136967B2 (en) * 2008-03-02 2012-03-20 Lumenetix, Inc. LED optical lens
TW201200798A (en) * 2010-06-25 2012-01-01 Alliance Optotek Co Ltd Optic element of lighting device and design method thereof
US20120039077A1 (en) * 2010-08-11 2012-02-16 Fraen Corporation Area lighting devices and methods
TWI474049B (zh) * 2010-12-29 2015-02-21 Ind Tech Res Inst 光學透鏡、光學透鏡模組及光學透鏡的曲面形成方法
JP5952541B2 (ja) * 2011-09-30 2016-07-13 イーエイチエス レンズ フィリピン インク 光学レンズ、光学レンズの設計方法、および光学レンズの製造装置
KR20140129749A (ko) * 2013-04-30 2014-11-07 삼성전자주식회사 광원 유닛 및 이를 포함하는 표시 장치
CN103807806B (zh) * 2014-01-22 2016-01-20 宏力照明集团有限公司 能照射到3、5车道的cob模块led路灯透镜的配光方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100935205B1 (ko) * 2009-07-08 2010-01-06 (주)어플리컴 점 광원을 위한 렌즈 형상정보 생성방법
KR101343563B1 (ko) * 2012-07-20 2013-12-19 노명재 비대칭 자유곡면 수식을 적용한 엘이디 광확산렌즈
KR101263491B1 (ko) * 2012-12-07 2013-05-13 주식회사 휴락코퍼레이션 비구면 조명렌즈
KR101320869B1 (ko) * 2013-05-15 2013-10-23 주식회사 휴락코퍼레이션 비구면 조명렌즈

Also Published As

Publication number Publication date
DE102015211332A1 (de) 2015-12-24
US20150370925A1 (en) 2015-12-24
US9589077B2 (en) 2017-03-07

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6046252B2 (ja) Ｌｅｄ灯器具
CN102121665B (zh) 一种用于户外led照明的自由曲面透镜结构设计方法
US9658439B2 (en) LED freeform surface illumination system
EP2402646A2 (en) Optical illumination system producing an asymmetric beam pattern
TWI525292B (zh) 可控制光型之導光元件及燈具
TW201832381A (zh) 具有發光二極體及可變透鏡之陣列
US9858362B2 (en) Method of LED freeform surface illumination system
CN105351885B (zh) 一种led汽车前雾灯用的光学透镜设计方法
Liu et al. Optimized design of LED freeform lens for uniform circular illumination
CN107687623A (zh) 用于led汽车远光灯的双自由曲面光学透镜
US9732933B2 (en) Illumination device
JP2010145964A (ja) 照明用レンズ、発光装置、面光源および液晶ディスプレイ装置
US10697613B2 (en) Light source guiding device with refracting unit and reflecting unit
Tsai Design of free-form reflector for vehicle LED low-beam headlamp
KR101305728B1 (ko) Ｌｅｄ 조명기구의 제작공차를 개선할 수 있는 배광 분포의 중첩 효과를 갖는 자유 형상 렌즈
TWI639798B (zh) LED light source guiding device
EP2823348A1 (en) Lens and illuminating device having the lens
US20180149787A1 (en) Light guide element and lamp
KR101580742B1 (ko) 조명 장치의 렌즈 설계 방법
JP6127347B2 (ja) 照明器具
TW202104862A (zh) 檢測光源模組與檢測裝置
JP2015141766A (ja) 照明装置及びフレネルレンズシート
CN102954437A (zh) Led配光透镜曲面构造方法和led配光透镜
KR101320869B1 (ko) 비구면 조명렌즈
TW201506297A (zh) 改良之側光式面板保護層

Legal Events

Date Code Title Description
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20181114

Year of fee payment: 4