KR101804498B1 - 조명 장치 및 광 확산을 위한 광학 렌즈 - Google Patents

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Abstract

조명 장치 및 광을 확산하기 위한 광학 렌즈가 개시된다.
개시된 광학 렌즈가 광원으로부터 조사된 광이 입사되는 제1면, 광이 출사되는 제2면을 포함하고, 상기 제1면이 광축 상의 제1변곡점과, 광축으로부터 벗어난 영역에 구비된 제2변곡점을 포함하고, 제2면이 광축 상의 제2변곡점과, 광축으로부터 벗어난 영역에 구비된 제4변곡점을 포함하여, 광의 배광 특성을 향상한다.

Description

조명 장치 및 광 확산을 위한 광학 렌즈{Illumination apparatus and optical lens for diffusing light}
본 발명의 실시예들은 조명 장치 및 조명 광을 확산하기 위한 광학 렌즈에 관한 것이다.
조명 장치는 공간을 밝게 비추기 위하여 사용되는 전기 기구로서, 조명에 주로 사용되는 광원으로는, 백열전구, 방전등, 형광등, 발광 다이오드(Light Emitting Diode : LED) 등 다양한 광원이 사용되고 있다. 백열 전구와 같은 저항성 광원은 효율이 낮고 열이 많이 발생하는 단점이 있고, 방전등의 경우 고가이며 고전압의 단점이 있다. 그리고, 형광등의 경우 수은 사용에 따른 환경 문제 등이 있다.
이와 같은 광원들의 단점을 보완하기 위하여, 최근에는 효율, 색상의 다양성, 디자인의 자율성 등에 있어서 많은 장점을 가지는 발광 다이오드(Light Emitting Diode : LED)를 광원으로 많이 사용하고 있다.
발광 다이오드는, 순방향으로 전압을 가했을 때 발광하는 반도체 소자로서, 수명이 길고, 소비 전력이 낮으며, 대량 생산에 적합한 전기적, 광학적, 물리적 특성을 가진다. 따라서, 발광 다이오드는 백열 전구나 형광등을 대체하는 조명 수단으로서 각광받고 있다. 그런데, 발광 다이오드는 광 분포가 주변부에 비해 중심부에 상대적으로 많이 분포되어 조명이 고르게 되지 않는 한계가 있다. 이러한 발광 다이오드의 배광 특성을 좋게 함으로써, 발광 다이오드를 조명 장치에 더욱 적합하게 사용될 수 있도록 하기 위해 여러 가지 광학 수단들이 개발되고 있다.
예시적인 실시예는 조명 광원의 광 확산 특성을 개선할 수 있는 광학 렌즈를 제공한다.
예시적인 실시예는 광학 렌즈를 이용하여 광 확산 특성을 개선한 조명 장치를 제공한다.
예시적인 실시예에 따른 광학 렌즈는,
광원으로부터 조사된 광이 입사되는 제1면;
광이 출사되는 제2면;을 포함하고,
상기 제1면이 광축 상의 제1변곡점과, 광축으로부터 벗어난 영역에 구비된 제2변곡점을 포함하고, 제2면이 광축 상의 제3변곡점과, 광축으로부터 벗어난 영역에 구비된 제4변곡점을 포함하고,
상기 제1면과 제2면이 복수 개의 구간을 포함하고, 상기 복수 개의 구간의 경계를 노드라고 할 때, 상기 제1면과 제2면이 각각 다음 식을 만족한다.
<식>
Figure 112016004750018-pat00001
Figure 112016004750018-pat00002
Figure 112016004750018-pat00003
여기서, Z는 상기 제1면과 제2면의 새그값이고, h는 광축에서 떨어진 수직 거리, Hi -1는 (i-1)번째 노드의 위치의 광축에서 떨어진 수직 거리를, Hi 는 i번째 노드의 위치의 광축에서 떨어진 수직 거리를, Zi -1Hi -1에서의 새그값, Zi는 Hi에서의 새그값, Si Hi 에서의 슬로프(slope), Si -1Hi -1에서의 슬로프(slope), Mi는 Hi에서의 곡률을, Mi -1Hi -1에서의 곡률을 나타낸다.
상기 광학 렌즈가 다음 식을 만족할 수 있다.
<식>
 
Figure 112016004750018-pat00004
                         
여기서, H 2 는 제2면에서 광축으로부터 제4변곡점까지의 수직 방향 거리이고, H 1 는 제1면에서 광축으로부터 제2변곡점까지의 수직 방향 거리이다.
상기 제1면이 광축을 포함하는 중심 영역에서 볼록하고, 주변부로 갈수록 오목한 형상을 가질 수 있다.
상기 제2면이 광축을 포함하는 중심 영역에서 오목하고, 주변부로 갈수록 볼록한 형상을 가질 수 있다.
상기 제1 내지 제4 변곡점은 Z의 1차 미분 값이 0인 점을 포함할 수 있다.
상기 제1면과 제2면은 각각 광축을 중심으로 회전 대칭형일 수 있다.
상기 광학 렌즈가 실린더형 렌즈일 수 있다.
예시적인 실시예에 따른 조명 장치는,
광원; 및
상기 광원으로부터 조사된 광이 입사되는 제1면과, 광이 출사되는 제2면을 포함하는 광학 렌즈;를 포함하고,
상기 제1면이 광축 상의 제1변곡점과, 광축으로부터 벗어난 영역에 구비된 제2변곡점을 포함하고, 제2면이 광축 상의 제3변곡점과, 광축으로부터 벗어난 영역에 구비된 제4변곡점을 포함하고,
상기 제1면과 제2면이 복수 개의 구간을 포함하고, 상기 복수 개의 구간의 경계를 노드라고 할 때, 상기 제1면과 제2면이 각각 다음 식을 만족한다.
<식>
Figure 112016004750018-pat00005
Figure 112016004750018-pat00006
Figure 112016004750018-pat00007
여기서, Z는 상기 제1면과 제2면의 새그값이고, h는 광축에서 떨어진 수직 거리, Hi -1는 (i-1)번째 노드의 위치의 광축에서 떨어진 수직 거리를, Hi 는 i번째 노드의 위치의 광축에서 떨어진 수직 거리를, Zi -1Hi -1에서의 새그값, Zi는 Hi에서의 새그값, Si Hi 에서의 슬로프(slope), Si -1Hi -1에서의 슬로프(slope), Mi는 Hi에서의 곡률을, Mi -1Hi -1에서의 곡률을 나타낸다.
상기 광학 렌즈의 제2면으로부터 이격되어 확산판이 더 구비될 수 있다.
예시적인 실시예에 따른 광학 렌즈는 조명 광원의 광 확산 특성을 개선할 수 있다. 예시적인 실시예에 따른 광학 렌즈는 조명 광원의 중심부와 주변부의 배광 특성을 향상하여 조명 광원의 성능을 좋게 할 수 있다. 예를 들어, 예시적인 실시예에 따른 광학 렌즈는 발광 다이오드로부터 조명된 광의 배광 특성을 향상할 수 있다.
예시적인 실시예에 따른 조명 장치는 광원으로부터 조사된 광을 가능한 넓은 각도로 확산하여 넓은 범위에서 균일한 광 분포를 가질 수 있다.
도 1은 예시적인 실시예에 따른 조명 장치를 개략적으로 도시한 것이다.
도 2는 램버시안 광원의 배광 특성을 나타낸 그래프이다.
도 3은 제1 비교예에 따른 광학 렌즈의 일 예를 도시한 것이다.
도 4는 도 3에 도시된 광학 렌즈에 의한 배광 그래프를 도시한 것이다.
도 5는 제2 비교예에 따른 광학 렌즈의 다른 예를 도시한 것이다.
도 6은 도 5에 도시된 광학 렌즈에 의한 배광 그래프를 도시한 것이다.
도 7은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 광학 렌즈를 도시한 것이다.
도 8은 도 7에 도시된 광학 렌즈에 의한 배광 그래프를 도시한 것이다.
도 9는 본 발명의 제1 수치 실시예에 따른 광학 렌즈를 도시한 것이다.
도 10은 도 9에 도시된 광학 렌즈에 의한 배광 그래프를 도시한 것이다.
도 11은 본 발명의 제2 수치 실시예에 따른 광학 렌즈를 도시한 것이다.
도 12는 도 11에 도시된 광학 렌즈에 의한 배광 그래프를 도시한 것이다.
도 13은 본 발명의 제3 수치 실시예에 따른 광학 렌즈를 도시한 것이다.
도 14는 도 13에 도시된 광학 렌즈에 의한 배광 그래프를 도시한 것이다.
도 15는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 광학 렌즈를 도시한 것이다.
도 16은 도 15에 도시된 광학 렌즈에 의한 배광 그래프를 도시한 것이다.
도 17은 도 1에 도시된 조명 장치에 확산판을 더 구비한 예를 도시한 것이다.
이하, 예시적인 실시예에 따른 조명 장치 및 광학 렌즈에 대해 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 그러나, 이는 본 문서에 기재된 기술을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 문서의 실시예의 다양한 변경(modifications), 균등물(equivalents), 및/또는 대체물(alternatives)을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 도면의 설명과 관련하여, 유사한 구성요소에 대해서는 유사한 참조 부호가 사용될 수 있다.
이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다. 제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 1은 예시적인 실시예에 따른 조명 장치를 도시한 것이다. 도 1을 참조하면, 조명 장치는 광원(10)과, 광원(10)으로부터 조사된 광을 확산시키는 광학 렌즈(20)를 포함할 수 있다. 광원(10)은 예를 들어 발광 다이오드를 포함할 수 있다. 발광 다이오드는 예를 들어, 램버시안(Lambertian) 광원으로 중심부가 밝고, 주변부가 상대적으로 어두울 수 있다. 도 2는 램버시안 광원의 배광 분포를 도시한 것이다. 도 2를 참조하면, 램버시안 광원은 광의 확산 각도가 작아 좁은 범위에서 조명을 할 수 있다. 따라서, 램버시안 배광 분포를 가지는 광원은 광원의 중심부와 주변부의 광 분포를 가능한 넓은 범위에서 균일하게 하기 위해 광을 확산시키기 위한 광학 렌즈가 필요하다. 이러한 기능을 하는 렌즈를 예를 들어, 2차 렌즈라고 할 수 있다.
광학 렌즈(20)는 예를 들어, 유리 또는 플라스틱으로 형성될 수 있다. 광학 렌즈(20)는 광원(10)으로부터 광이 입사되는 제1면(21)과, 광이 출사되는 제2면(22)을 포함할 수 있다. 제1면은 입사면이라고 지칭될 수도 있다. 제2면은 출사면이라고 지칭될 수도 있다. 제1면(21)은 적어도 하나의 변곡점(inflection point)을 가질 수 있다. 제2면(22)은 적어도 하나의 변곡점을 가질 수 있다. 곡률 반경(radius of curvature)은, 예를 들면, 곡면이나 곡선의 각 점에 있어서의 만곡의 정도를 표시하는 값을 나타낼 수 있다. 곡률 반경은 예를 들어, 광이 결상되는 지점을 기준으로 볼록하면 (+) 부호를, 오목하면 (-) 부호를 가질 수 있다. 변곡점은, 예를 들면, 곡률 반경의 부호가 (+)에서 (-)로 변하거나 (-)에서 (+)로 변하는 점을 나타낼 수 있다.
또는, 변곡점은, 예를 들면, 렌즈의 형상이 볼록(convex)에서 오목(concave)으로 변하거나 오목에서 볼록으로 변하는 점을 나타낼 수 있다. 따라서, 변곡점은 렌즈 면 또는 렌즈 단면의 곡선을 나타내는 식의 1차 미분 값이 0이 되는 점일 수 있다. 이에 대해서는 뒤에 좀더 상세하게 설명하기로 한다.
제1면(21)은 예를 들어, 제1변곡점(IP1)과 제2변곡점(IP2)을 가질 수 있다. 예를 들어, 제1변곡점(IP1)은 광축 또는 중심축(OA; 이하에서는 광축이라고 한다) 상에 구비될 수 있다. 제2변곡점(IP2)은 광축을 벗어난 영역에 구비된 것으로, 광축 둘레를 따라 또는 광축을 따라 무수히 많은 변곡점이 존재할 수 있으나, 본 명세서에서는 광학 렌즈(20)의 어느 한 단면에서 광축의 상부 영역에 있는 변곡점을 기준으로 한다. 광학 렌즈(20)는 예를 들어 원형 렌즈 또는 실리더형 렌즈일 수 있다. 실린더형 렌즈는 예를 들어 바(Bar) 형태의 렌즈를 나타낼 수 있다. 예를 들어, 광학 렌즈(20)가 원형 렌즈인 경우, 광축 둘레를 따라 무수히 많은 변곡점이 존재할 수 있으나, 광학 렌즈를 광축을 포함하도록 자른 종단면에서의 변곡점을 기준으로 한다. 또는, 광학 렌즈(20)가 실린더형 렌즈인 경우 광축 또는 중심축을 포함하도록 자른 종단면에서 적어도 하나의 변곡점을 가질 수 있다(도 14 참조).
제2변곡점(IP2)은 예를 들어, 광축(OA)을 포함하지 않는 영역에서 광축(OA)으로부터 가장 가까이 위치한 변곡점일 수 있다. 제1면(21)은 예를 들어 광축(OA)을 중심으로 한 회전 대칭형 형상을 가질 수 있다. 이 경우, 제1면(21)은 광축(OA)으로부터 동일한 반경 위치에 제2변곡점(IP2)을 가질 수 있다. 광학 렌즈(20)가 실린더형 렌즈인 경우에는 상하 대칭형이거나 좌우 대칭형일 수 있다.
제1면(21)은 광축(OA)을 포함하는 중심 영역에서 볼록한 형상을 가지고, 상기 중심 영역으로부터 주변부로 가면서 오목한 형상을 가질 수 있다.
제1면(21)은 제2변곡점(IP2)으로부터 더 주변부에 변곡점을 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1면(21)은 제2변곡점(IP2)을 중심으로 오목한 형상을 가지고, 주변부로 갈수록 볼록한 형상을 가질 수 있다.
제2면(22)은 예를 들어, 제3변곡점(IP3)과 제4변곡점(IP4)을 가질 수 있다. 예를 들어, 제3변곡점(IP3)은 광축(OA) 상에 구비될 수 있다. 제4변곡점(IP4)은 광축(OA)을 벗어난 영역에 구비될 수 있다. 제4변곡점(IP4)은 예를 들어, 광축(OA)을 포함하지 않는 영역에서 광축(OA)으로부터 가장 가까이 위치한 변곡점일 수 있다. 제2면(22)은 예를 들어 광축(OA)을 중심으로 한 회전 대칭형 형상을 가질 수 있다. 이 경우, 제2면(22)은 광축(OA)으로부터 동일한 반경 위치에 제4변곡점(IP4)을 가질 수 있다.
제2면(22)은 예를 들어, 광축(OA)을 포함하는 중심 영역에서 오목한 형상을 가지고, 상기 중심 영역으로부터 주변부로 가면서 볼록한 형상을 가질 수 있다.
제1면(21)과 제2면(22)은 광축(OA)을 중심으로 회전 대칭 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 제1면(21)과 제2면(22)은 각각 광축을 포함하고 광축에 대해 평행하게 자른 종단면에서 스플라인 곡선(spline curve) 형상을 가질 수 있다. 스플라인 곡선(spline curve)은 예를 들어, 소정의 복수의 점을 통과하는 부드러운 곡선을 나타낸 것으로, 인접한 두 점 사이의 구간마다 별도의 다항식을 이용해 곡선을 정의할 수 있다. 예를 들어, 제1면(21)과 제2면(22)은 복수 개의 구간을 포함하고, 각 구간의 경계를 노드라고 할 때, 제1면(21)과 제2면(22)은 다음 식을 만족할 수 있다.
Figure 112016004750018-pat00008
<식 1>
여기서, Z는 상기 제1면(21)과 제2면(22)의 새그값(sag)이고, h는 광축(OA)으로부터 떨어진 수직 거리, Hi -1는 (i-1)번째 노드의 위치의 광축으로부터 떨어진 수직 거리를, Hi 는 i번째 노드의 위치의 광축으로부터 떨어진 수직 거리를, Zi -1Hi -1에서의 새그값, Zi는 Hi에서의 새그값, Si Hi 에서의 슬로프(slope), Si -1Hi -1에서의 슬로프(slope), Mi는 Hi에서의 곡률을, Mi -1Hi -1에서의 곡률을 나타낸다.
노드의 위치는 스플라인 곡선을 복수 개의 구간으로 나누었을 때, 각 구간의 광축에서 경계 지점까지의 거리를 나타내고, 슬로프는 각 노드에서 접선의 기울기를 나타낸다.
식 1에서 H i S i 는 주어지는 값이고, 광학 렌즈의 회전 대칭성을 고려하면 S 0는 0이 되고, M 0는 광축 중심에서의 곡률이 되고 나머지 값들은 다음 식에 의해 정의될 수 있다.
Figure 112016004750018-pat00009
Figure 112016004750018-pat00010
      <식 2>
제1면(21)과 제2면(22)이 식 1과 2에 의해 정의되는 곡선을 가지고, i번째 노드에서 접선의 기울기 S i 를 알면, 식 1의 1차 미분 값이 0이 되는 변곡점 M i 를 구할 수 있고, 이를 통해 식 (2)와 같이 각 노드에서의 새그 값 Z i 을 구할 수 있다.
제1면과 제2면이 식 1과 식 2에 의해 정의되는 곡선을 포함하고, 제1면과 제2면이 각각 적어도 하나의 변곡점을 포함할 때, 광학 렌즈(20)를 통과한 광의 배광 특성을 개선할 수 있다.
이에 반해, 다음 식과 같은 일반적인 비구면 새그(sag)값에서는 1차 미분 값이 0이 되는 점을 구하기 어렵다. 비구면 새그값은 광축 방향을 x축으로 하고, 광축 방향에 대해 수직한 방향을 y축으로 할 때, 광선의 진행 방향을 정(positive)으로 하여 다음과 같은 식으로 나타낼 수 있다.
Figure 112016004750018-pat00011
          <식 3>
여기서, x는 렌즈의 정점으로부터 광축 방향으로의 거리, 즉 새그값을 나타내고, y는 광축에 대해 수직한 방향으로의 거리를, k는 코닉 상수(conic constant)를, A4, A6, A8, A10...는 비구면 계수를, c는 렌즈의 정점에 있어서의 곡률 반경의 역수(1/R)를 각각 나타낸다.
식 3과 같은 비구면 형태에서는 곡률 정점(또는 변곡점)의 위치를 결정하는 1차 미분 값과 곡률, 즉, 광선의 굴절력이 결정되는 2차 미분 값이 0이 되는 위치를 결정하기 어렵다.
하지만, 식 (1)과 같이 정의되는 스플라인 곡선은 최초 곡면의 기울기로 곡면이 정의되므로 렌즈 면에서는 1차 미분 값이 0이 되는 변곡점을 구하기가 쉽다. 렌즈 면을 나타내는 식의 1차 미분 값이 0이 되는 위치를 조절하여 광학 렌즈를 통과하는 광의 배광 특성을 향상할 수 있다. 이상 설명한 바와 같이, 조명 광학계의 경우, 결상 광학계와 달리 곡면의 특정 부분에서만 새그(sag)값을 바꿀 필요가 있으며, 원추 계수 및 고차 비구면 계수를 갖는 비구면 식 3이 아니라 스플라인 곡면을 사용하는 것이 좋다.
예시적인 실시예에 따른 광학 렌즈는 다음 식을 만족할 수 있다.
Figure 112016004750018-pat00012
     <식 4>                     
여기서, h 2 는 제2면(22)에서 광축(OX)으로부터 제4변곡점(IP4)까지의 수직 방향 거리이고, h 1 는 제1면에서 광축(OX)으로부터 제2변곡점(IP2)까지의 수직 방향 거리를 나타낸다. 식 4는 렌즈 면에서의 스플라인 곡선의 1차 미분 값이 0이 되는 변곡점의 위치를 한정한 것이다. 이 때 h 1 은 광원쪽에 위치한 입사면에 대해 광축에서부터 1차 미분값이 0이 되는 지점까지 거리이고, h 2 는 출사면에 대해 광축에서부터 1차 미분값이 0이 되는 지점까지 거리이다. (h2-h1)이 식 4를 만족할 때, 배광 특성이 향상될 수 있다. (h2-h1)이 식 4의 하한 값보다 작을 때, 배광 특성이 나빠질 수 있으며, (h2-h1)이 식 4의 상한 값보다 클 때, 배광 특성은 좋아지지만, 광학 렌즈가 너무 커질 수 있고, 배광 각도가 커지더라도 배광 균일도가 나빠져서 추가 렌즈가 필요할 수 있다.
이하에서, 광학 렌즈의 변곡점을 포함하는 형상에 따른 배광 특성 변화에 대해 좀더 상세히 설명한다.
도 3은 제1 비교 예에 따른 광학 렌즈(100)를 나타낸 것으로, 광학 렌즈(100)는 예를 들어 평면으로 된 입사면(101)과, 제5변곡점(IP5)과 제6변곡점(IP6)을 포함하는 출사면(102)을 포함한다. 제5변곡점(IP5)은 광축(OA) 상에 존재하는 변곡점이고, 제6변곡점(IP6)은 광축을 포함하지 않는 영역에서 광축(OA)과 가장 가까운 변곡점을 나타낼 수 있다. 출사면(102)은 광축(OA)을 포함하는 중심 영역에서 오목한 형상을 가지고, 렌즈의 주변부로 갈수록 볼록한 형상을 가질 수 있다. 제6변곡점(IP6)에서 오목한 형상에서 볼록한 형상으로 변할 수 있다.
도 4는 도 3에 도시된 제1 비교예에 따른 광학 렌즈(100)의 배광 특성을 나타낸 그래프이다. A는 광원이 예를 들어 직경 3mm LED 광원인 경우를, B는 직경 5mm LED 광원인 경우를 나타낸다. 예를 들어, LED 광원의 크기가 3~5mm 범위 내에서 적절히 선택할 수 있으며, 3mm 광원과 5mm 광원에 대해 배광 특성을 나타낸 것이다.
도 5는 제2 비교예에 따른 광학 렌즈(200)의 단면도를 나타낸 것이다. 광학 렌즈(200)는 입사면(201)과 출사면(202)을 포함한다. 입사면(201)은 광축(OA) 상에 제7변곡점(IP7)과, 광축(OA)을 포함하지 않는 영역에 제8변곡점(IP8)을 포함할 수 있다. 출사면(202)은 광축 상에 제9변곡점(IP9)과, 광축(OA)을 포함하지 않는 영역에 제10변곡점(IP10)을 포함할 수 있다. 그리고, 광축(OA)으로부터 제8변곡점(IP8)까지의 제1수직 거리(H1)가 대략 1.596mm이고, 광축(OA)으로부터 제10변곡점(IP10)까지의 제2수직 거리(H2)가 대략 2.056mm이다. 이 경우, (h2-h1)이 0.46이다.
도 6은 제5에 도시된 제2 비교예에 따른 광학 렌즈(200)의 배광 특성을 나타낸 것이다. A는 광원이 예를 들어 직경 3mm LED 광원인 경우를, B는 직경 5mm LED 광원인 경우를 나타낸다.
도 4와 도 6을 비교할 때, 렌즈의 한 면에 변곡점을 가지는 경우보다 렌즈의 두 면에 변곡점을 가지는 경우가 배광 특성이 상대적으로 향상되었음을 보여 준다.
도 7은 예를 들어, 제1수직 거리(h1)가 대략 1.596mm이고, 제2수직 거리(h2)가 대략 3.212mm인 예를 도시한 것이다. 도 7에 도시된 광학 렌즈의 경우, (h2-h1)이 1.616이다. 도 8은 도 7에 도시된 광학 렌즈에 의한 배광 특성 그래프를 도시한 것이다. 도 8에 도시된 배광 특성이 도 4 및 도 6에 도시된 경우의 배광 특성에 비해 상대적으로 향상되었음을 보인다. 이와 같이, 예시적인 실시예에 따른 광학 렌즈는 제1면(입사면)과 제2면(출사면)이 각각 적어도 하나의 변곡점을 가지고, 제1면에서 광축으로부터 가장 가까운 변곡점으로부터 광축까지의 수직 거리(h1)와 제2면에서 광축으로부터 가장 가까운 변곡점으로부터 광축까지의 수직 거리(h2)를 조절하여 배광 특성을 조절할 수 있다.
이상 내용에 기초할 때, (h2-h1)의 값이 커질수록 배광 각도가 증가됨을 알 수 있다. 하지만, (h2-h1)의 값이 커질수록 렌즈의 직경이 증가하여 렌즈의 크기가 증가될 수 있고, 배광 각도가 커지더라도 배광 균일도가 나빠져서 추가 렌즈가 필요할 수 있다. 따라서, 렌즈의 유효경을 고려하여 (h2-h1)의 상한 값을 한정할 수 있다. (h2-h1)은 예를 들어, 3보다 작을 수 있다. (h2-h1)은 예를 들어, 2.5보다 작을 수 있다.
상술한 바와 같이, 예시적인 실시예에 따른 광학 렌즈를 이용하여 광원에서 나온 빛을 원하는 각도로 확산해 줄 수 있다. 예를 들어, 예시적인 실시예에 따른 광학 렌즈를 이용하여, LED로부터 나온 광을 100도 이상의 배광 각도(확산각)을 가지고 확산되도록 할 수 있다. 광학 렌즈의 렌즈 면을 나타내는 식의 1차 미분값이 0이 되는 지점을 적절히 조절하여 배광 각도를 조절할 수 있다.
다음은 본 발명의 실시예에 따른 광학 렌즈의 수치 실시예를 나타낸 것이다.
이하에서, Height(Hi)는 렌즈 면을 소정의 복수 개의 구간으로 나눌 때, 각 구간 i에서의 광축으로부터의 높이(노드의 위치)를 나타내고, Slope(Si)는 각 구간 i에서의 슬로프를 나타내고, Curvature(Mi)는 각 구간 i에서의 2차 미분값으로서 곡률을 나타내고, sag(Zi)는 각 구간 i에서의 새그 값을 나타낸다.
<제1 수치 실시예>
도 9는 제1 수치 실시예에 따른 광학 렌즈를 도시한 것으로, 예를 들어, 제1수직 거리(h1)가 대략 1.716mm이고, 제2수직 거리(h2)가 대략 3.285mm인 예를 도시한 것이다. 도 9에 도시된 광학 렌즈의 경우, (h2-h1)이 1.569이다.
제1면 (입사면) 제2면 (출사면)
Height(Hi) Slope(Si) Curvature
(Mi)
sag(Zi) Height(Hi) Slope(Si) Curvature
(Mi)
sag(Zi)
0 0 2.183406 0 0 0 0.197824 0
0.1 0.21718 2.148632 0.010888 0.2 0.039404 0.19542 0.003948
0.2 0.42744 2.045324 0.043205 0.4 0.077848 0.188221 0.015698
0.3 0.624059 1.876499 0.095921 0.6 0.114376 0.17627 0.03496
0.4 0.800719 1.647105 0.167351 0.8 0.148044 0.159638 0.061257
0.5 0.951685 1.363899 0.255207 1 0.177926 0.138427 0.093925
0.6 1.071983 1.035286 0.356665 1.2 0.203118 0.11277 0.132115
0.7 1.157555 0.671107 0.468445 1.4 0.222748 0.082831 0.174801
0.8 1.205386 0.28239 0.586916 1.6 0.235978 0.048812 0.220787
0.9 1.213612 -0.118932 0.708201 1.8 0.242016 0.010949 0.268713
1 1.181596 -0.520336 0.828296 2 0.24012 -0.030478 0.317065
1.1 1.109968 -0.909058 0.943198 2.2 0.229609 -0.07515 0.364187
1.2 1.00063 -1.272448 1.049031 2.4 0.209869 -0.122698 0.408293
1.3 0.856728 -1.598354 1.142171 2.6 0.180366 -0.172703 0.447483
1.4 0.682586 -1.875499 1.219367 2.8 0.140655 -0.224693 0.479758
1.5 0.48359 -2.093869 1.277858 3 0.090392 -0.278134 0.503041
1.6 0.266052 -2.245083 1.315467 3.2 0.029344 -0.332427 0.515196
1.7 0.037027 -2.322743 1.330685 3.4 -0.042592 -0.386907 0.514053
1.8 -0.195905 -2.322761 1.322741 3.6 -0.125381 -0.440828 0.497435
1.9 -0.424884 -2.24364 1.291636 3.8 -0.218831 -0.493365 0.463189
2 -0.642036 -2.086705 1.238159 4 -0.322575 -0.543606 0.409216
2.1 -0.839771 -1.856273 1.163877 4.2 -0.436053 -0.590539 0.33351
2.2 -1.011084 -1.559736 1.071087 4.4 -0.558496 -0.633055 0.234197
2.3 -1.149861 -1.207571 0.962746 4.6 -0.688899 -0.669931 0.10958
2.4 -1.251189 -0.813227 0.842365 4.8 -0.826003 -0.699827 -0.04181
2.5 -1.311638 -0.392906 0.713873 5 -0.968268 -0.721278 -0.221166
2.6 -1.329522 0.034797 0.581458 5.2 -1.113845 -0.732682 -0.429339
2.7 -1.305113 0.449407 0.44938 5.4 -1.260555 -0.732293 -0.66678
2.8 -1.240799 0.829246 0.321768 5.6 -1.40585 -0.718212 -0.933467
2.9 -1.141158 1.152296 0.202401 5.8 -1.546789 -0.688375 -1.228831
3 -1.012944 1.397276 0.094491 6 -1.680001 -0.640547 -1.551669
도 10은 도 9에 도시된 광학 렌즈에 의한 배광 특성 그래프를 도시한 것이다. 도 5 및 도 6에 도시된 경우의 배광 특성에 비해 상대적으로 배광 특성이 향상되었음을 보인다.
<제2 수치 실시예>
도 11은 제2 수치 실시예에 따른 광학 렌즈를 도시한 것으로, 예를 들어, 제1수직 거리(h1)가 대략 1.5mm이고, 제2수직 거리(h2)가 대략 3.6mm인 예를 도시한 것이다. 도 11에 도시된 광학 렌즈의 경우, (h2-h1)이 2.1이다.
제1면 (입사면) 제2면 (출사면)
Height(Hi) Slope(Si) curvature(Mi) sag(Zi) Height(Hi) Slope(Si) curvature(Mi) sag(Zi)
0 0 2.497703 0 0 0 0.18053 0
0.1 0.248034 2.445686 0.012445 0.3 0.053748 0.176421 0.008093
0.2 0.485731 2.291618 0.049262 0.6 0.105035 0.164137 0.032003
0.3 0.703148 2.041388 0.108914 0.9 0.151426 0.143816 0.070624
0.4 0.89112 1.704603 0.188909 1.2 0.190543 0.11569 0.12213
0.5 1.041614 1.294283 0.285888 1.5 0.220092 0.080092 0.183993
0.6 1.148056 0.826445 0.395761 1.8 0.237895 0.037463 0.253011
0.7 1.2056 0.31957 0.513867 2.1 0.241923 -0.011637 0.325352
0.8 1.211346 -0.20601 0.635152 2.4 0.230335 -0.066517 0.396602
0.9 1.16449 -0.728821 0.75438 2.7 0.201517 -0.126343 0.461829
1 1.066402 -1.227015 0.86634 3 0.154134 -0.190115 0.515655
1.1 0.920622 -1.679194 0.966068 3.3 0.087171 -0.256657 0.55235
1.2 0.73277 -2.065255 1.04906 3.6 0 -0.324586 0.565935
1.3 0.510376 -2.367259 1.111469 3.9 -0.10756 -0.392296 0.550309
1.4 0.262622 -2.570263 1.150288 4.2 -0.235171 -0.457931 0.499392
1.5 0 -2.663126 1.163497 4.5 -0.381898 -0.519353 0.407293
1.6 -0.266105 -2.639235 1.150172 4.8 -0.546118 -0.574117 0.268501
1.7 -0.5239 -2.497128 1.110553 5.1 -0.725425 -0.619437 0.07811
1.8 -0.761723 -2.240975 1.046058 5.4 -0.916521 -0.652149 -0.167936
1.9 -0.968624 -1.880898 0.959241 5.7 -1.115097 -0.668676 -0.472554
2 -1.13497 -1.433063 0.853688 6 -1.315707 -0.664993 -0.837202
2.1 -1.253041 -0.919531 0.733859 6.3 -1.511622 -0.636577 -1.261514
2.2 -1.317598 -0.367803 0.604867 6.6 -1.694676 -0.578372 -1.742894
2.3 -1.326396 0.189964 0.472202 6.9 -1.855104 -0.484738 -2.276063
2.4 -1.280589 0.718145 0.341412 7.2 -1.981351 -0.349405 -2.852545
2.5 -1.185003 1.179263 0.217747
2.6 -1.048216 1.536103 0.105788
2.7 -0.882408 1.754372 0.009075
2.8 -0.702909 1.805961 -0.070234
2.9 -0.527388 1.672869 -0.131638
3 -0.374621 1.351857 -0.176471
도 12는 도 11에 도시된 광학 렌즈에 의한 배광 특성 그래프를 도시한 것이다. 도 5 및 도 6에 도시된 경우의 배광 특성에 비해 상대적으로 배광 특성이 향상되었음을 보인다.
<제3 수치 실시예>
도 13은 예를 들어, 제1수직 거리(h1)가 대략 1.5mm이고, 제2수직 거리(h2)가 대략 2.1mm인 예를 도시한 것이다. 도 13에 도시된 광학 렌즈의 경우, (h2-h1)이 0.6이다.
제1면 (입사면) 제2면 (출사면)
Height(Hi) Slope(Si) Curvature
(Mi)
sag(Zi) Height(Hi) Slope(Si) Curvature
(Mi)
sag(Zi)
0 0 2.497703 0 0 0 0.30948 0
0.1 0.248034 2.445686 0.012445 0.15 0.046163 0.304303 0.003472
0.2 0.485731 2.291618 0.049262 0.3 0.090775 0.288813 0.013771
0.3 0.703148 2.041388 0.108914 0.45 0.132298 0.263137 0.03055
0.4 0.89112 1.704603 0.188909 0.6 0.169217 0.227487 0.05323
0.5 1.041614 1.294283 0.285888 0.75 0.20006 0.182168 0.081011
0.6 1.148056 0.826445 0.395761 0.9 0.223404 0.127579 0.112873
0.7 1.2056 0.31957 0.513867 1.05 0.237895 0.064223 0.14759
0.8 1.211346 -0.20601 0.635152 1.2 0.242263 -0.007287 0.183736
0.9 1.16449 -0.728821 0.75438 1.35 0.235338 -0.086217 0.219704
1 1.066402 -1.227015 0.86634 1.5 0.21607 -0.171699 0.25372
1.1 0.920622 -1.679194 0.966068 1.65 0.183551 -0.262723 0.283862
1.2 0.73277 -2.065255 1.04906 1.8 0.137034 -0.358116 0.308085
1.3 0.510376 -2.367259 1.111469 1.95 0.075964 -0.456533 0.324244
1.4 0.262622 -2.570263 1.150288 2.1 0 -0.556433 0.330129
1.5 0 -2.663126 1.163497 2.25 -0.090952 -0.656064 0.323494
1.6 -0.266105 -2.639235 1.150172 2.4 -0.196707 -0.753444 0.302102
1.7 -0.5239 -2.497128 1.110553 2.55 -0.316761 -0.846333 0.263767
1.8 -0.761723 -2.240975 1.046058 2.7 -0.450257 -0.932217 0.206401
1.9 -0.968624 -1.880898 0.959241 2.85 -0.595936 -1.008275 0.128079
2 -1.13497 -1.433063 0.853688 3 -0.752092 -1.071361 0.027096
2.1 -1.253041 -0.919531 0.733859 3.15 -0.916521 -1.117969 -0.097963
2.2 -1.317598 -0.367803 0.604867 3.3 -1.086465 -1.144206 -0.248137
2.3 -1.326396 0.189964 0.472202 3.45 -1.25855 -1.145763 -0.42401
2.4 -1.280589 0.718145 0.341412 3.6 -1.428722 -1.117877 -0.625608
2.5 -1.185003 1.179263 0.217747 3.75 -1.592179 -1.055305 -0.852292
2.6 -1.048216 1.536103 0.105788 3.9 -1.743292 -0.952279 -1.102646
2.7 -0.882408 1.754372 0.009075 4.05 -1.875525 -0.802478 -1.374338
2.8 -0.702909 1.805961 -0.070234 4.2 -1.981351 -0.59898 -1.663985
2.9 -0.527388 1.672869 -0.131638 4.35 -2.052158 -0.334231 -1.966994
3 -0.374621 1.351857 -0.176471 4.5 -2.078148 0.000003 -2.277393
도 14는 도 13에 도시된 광학 렌즈에 의한 배광 특성 그래프를 도시한 것이다. 도 5 및 도 6에 도시된 경우의 배광 특성에 비해 상대적으로 배광 각도 특성이 향상되었음을 보인다.
도 15는 광학 렌즈(320)가 실린더형 렌즈인 예를 도시한 것이다. 도 15에서 광축 또는 중심축(OA)을 포함하는 종단면(A-A 단면)이 식 1, 2, 및 4를 만족할 수 있다. 예를 들어, 도 15에 도시된 광학 렌즈(320)의 A-A 단면이 표 1에 나타낸 데이터를 포함할 수 있다. 도 16은 도 15에 도시된 광학 렌즈(320)에 의한 배광 특성 그래프를 도시한 것이다.
한편, 도 17은 도 1에 도시된 조명 장치에 확산판(30)이 더 구비된 예를 도시한 것이다. 확산판(30)은 광학 렌즈(20)의 제2면(22)으로부터 이격되게 배치될 수 있다. 확산판(30)은 광학 렌즈(20)에 의해 1차로 확산된 광을 2차로 더욱 확산시킬 수 있다. 그럼으로써, 광원(10), 예를 들어 LED로부터 조사된 좁은 배광 각도를 가지는 광을 확산시켜 넓은 범위에서 고른 조명 광을 공급할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 조명 장치 및 광학 렌즈는, 이해를 돕기 위하여 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.
10:광원, 20:광학 렌즈
30:확산판, OA:광축
IP1,IP2,IP3,IP4,IP5,IP6,IP7,IP8,IP9,IP10: 변곡점

Claims (12)

  1. 광원으로부터 조사된 광이 입사되는 제1면;
    광이 출사되는 제2면;을 포함하고,
    상기 제1면이 광축 상의 제1변곡점과, 광축으로부터 벗어난 영역에 구비된 제2변곡점을 포함하고, 제2면이 광축 상의 제3변곡점과, 광축으로부터 벗어난 영역에 구비된 제4변곡점을 포함하고,
    상기 제1면과 제2면이 복수 개의 구간을 포함하고, 상기 복수 개의 구간의 경계를 노드라고 할 때, 상기 제1면과 제2면이 다음 식을 만족하는 광학 렌즈.
    <식>
    Figure 112017097255303-pat00013

    Figure 112017097255303-pat00014

    Figure 112017097255303-pat00015

    Figure 112017097255303-pat00038

    여기서, Z는 상기 제1면과 제2면의 새그값이고, h는 광축에서 떨어진 수직 거리, Hi -1는 (i-1)번째 노드의 위치의 광축에서 떨어진 수직 거리를, Hi 는 i번째 노드의 위치의 광축에서 떨어진 수직 거리를, Zi -1Hi -1에서의 새그값, Zi는 Hi에서의 새그값, Si Hi 에서의 슬로프(slope), Si -1Hi -1에서의 슬로프(slope), Mi는 Hi에서의 곡률을, Mi -1Hi -1에서의 곡률을 나타내고, h2 는 제2면에서 광축으로부터 제4변곡점까지의 수직 방향 거리이고, h1 는 제1면에서 광축으로부터 제2변곡점까지의 수직 방향 거리를 나타낸다.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1면이 광축을 포함하는 중심 영역에서 볼록하고, 주변부로 갈수록 오목한 형상을 가지는 광학 렌즈.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제2면이 광축을 포함하는 중심 영역에서 오목하고, 주변부로 갈수록 볼록한 형상을 가지는 광학 렌즈.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 내지 제4 변곡점은 Z의 1차 미분 값이 0인 점을 포함하는 광학 렌즈.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1면과 제2면은 각각 광축을 중심으로 회전 대칭형인 광학 렌즈.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 광학 렌즈가 실린더형 렌즈인 광학 렌즈.
  8. 광원; 및
    상기 광원으로부터 조사된 광이 입사되는 제1면과, 광이 출사되는 제2면을 포함하는 광학 렌즈;를 포함하고,
    상기 제1면이 광축 상의 제1변곡점과, 광축으로부터 벗어난 영역에 구비된 제2변곡점을 포함하고, 제2면이 광축 상의 제3변곡점과, 광축으로부터 벗어난 영역에 구비된 제4변곡점을 포함하고,
    상기 제1면과 제2면이 복수 개의 구간을 포함하고, 상기 복수 개의 구간의 경계를 노드라고 할 때, 상기 제1면과 제2면이 각각 다음 식을 만족하는 조명 장치.
    <식>
    Figure 112017097255303-pat00017

    Figure 112017097255303-pat00018

    Figure 112017097255303-pat00019

    Figure 112017097255303-pat00039

    여기서, Z는 상기 제1면과 제2면의 새그값이고, h는 광축에서 떨어진 수직 거리, Hi -1는 (i-1)번째 노드의 위치의 광축에서 떨어진 수직 거리를, Hi 는 i번째 노드의 위치의 광축에서 떨어진 수직 거리를, Zi -1Hi -1에서의 새그값, Zi는 Hi에서의 새그값, Si Hi 에서의 슬로프(slope), Si -1Hi -1에서의 슬로프(slope), Mi는 Hi에서의 곡률을, Mi -1Hi -1에서의 곡률을, h2 는 제2면에서 광축으로부터 제4변곡점까지의 수직 방향 거리이고, h1 는 제1면에서 광축으로부터 제2변곡점까지의 수직 방향 거리를 나타낸다.
  9. 삭제
  10. 제8항에 있어서,
    상기 제1면이 광축을 포함하는 중심 영역에서 볼록하고, 주변부로 갈수록 오목한 형상을 가지는 조명 장치.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 제2면이 광축을 포함하는 중심 영역에서 오목하고, 주변부로 갈수록 볼록한 형상을 가지는 조명 장치.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 광학 렌즈의 제2면으로부터 이격되어 확산판이 더 구비된 조명 장치.
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