KR101959932B1 - 보조반사경을 구비한 프레넬 렌즈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 프레넬 렌즈의 외측으로 갈수록 각 색의 파장대에 따른 다른 굴절율의 차이로 인하여 색분해가 발생하는 것을 방지하여 색분해 없이 균질한 색온도의 빛을 목적한 방향으로 출사시켜 집광 효율을 높이기 위하여 빛을 발산하는 광원; 상기 광원으로부터 발산된 빛을 광원의 전방으로 집광하기 위한 집광렌즈; 상기 광원의 광축을 중심으로 집광렌즈에 도달하지 아니하는 빛을 반사시키기 위해 집광렌즈와 광원사이에 배치되는 반사경; 상기 집광렌즈의 측면에 형성되며, 상기 반사경으로부터 반사된 빛이 입사면을 통해 입사한 후 내부 전반사면을 통해 전반사되도록 하여 빛을 수직으로 집광시켜 출사시키는 프레넬 커트;로 구성되고, 상기 반사경이 광원으로부터 집광렌즈에 직접 도달하는 빛을 간섭하지 않도록 배치하기 위해, 2 개의 초점을 갖는 타원면을 이용하되, 타원의 제1 초점은 광원에 위치하고, 나머지 제2 초점은 상기 집광렌즈에 추가된 프레넬커트의 입사면 근처에 위치시키며, 프레넬커트의 입사면과 내부 전반사면은 상기 제2초점을 중심으로 형성된 원으로 형성된 면 또는 포물면이 되도록 설계하는 것을 특징으로 하는 보조반사경을 구비한 프레넬 렌즈에 관한 것이다.

Description

보조반사경을 구비한 프레넬 렌즈{Fresnel Lens with Subsidiary- Reflector}

본 발명은 광원에서 발산된 빛을 보다 효율적으로 집광시키기 위한 보조반사경을 구비한 프레넬 렌즈에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 종래의 집광렌즈(구면, 비구면, 프레넬 렌즈, 양면패턴을 지는 프레넬 렌즈)를 광원의 정면에 배치하여 빛을 집광함에 있어 집광렌즈의 입사면에 직접 도달하지 못하여 손실되는 광축의 측방향 빛을 모두 활용할 수 있게 보조반사경을 지니는 프레넬 렌즈에 관한 것이다.

통상적으로 프레넬 렌즈(Fresnel-lens)는 하나의 두꺼운 볼록렌즈를 대체하기 위하여 같은 작용을 가지게 하면서도 그 두께를 줄이기 위하여 빛의 출사면을 여러 조각의 굴절면으로 나누거나, 빛의 입사면을 내부전반사기능을 하는 여러 조각의 프리즘면으로 나누어서 빛을 집광하여 출사하도록 구성되어 있다.

이러한 프레넬 렌즈는 얇은 두께를 가지면서도 넓은 면으로 구성이 가능하여 등대의 써치라이트, 차량용 라이트의 광학부품 등으로 다양한 분야에서 사용되고 있다. 도 1과 도 2와 도 3은 종래의 프레넬 렌즈를 나타내는 구성도가 도시된다.

그러나 도 1, 도3에 도시된 종래의 프레넬 렌즈 그리고 구면, 비구면 렌즈 등 종래의 '집광렌즈'(이하 구면, 비구면, 프레넬렌즈, 양면패턴을 지닌 프레넬렌즈를 총칭함)에 의하면 프레넬 렌즈의 광축에서 외측으로 멀어질 수록 평행광(이하 평행광은 광원이 점광원인 경우 가정함, 현실에서는 완전한 점광원이 없으므로 이론상의 개념으로 이해)으로 집광시키기 위해서는 굴절각도를 높여야 하므로 이에 따라 굴절되어 투과되지 않고 반사되는 빛이 많아지므로 집광효율이 떨어지게 되며, 각 색의 파장대에 따라 다른 굴절율의 차이로 인하여 색분해 현상이 증대한다. 따라서 굴절이 아닌 내부전반사를 이용한 프레넬커트를 사용할 필요성이 커진다.

또한, 도 1과 도 2, 도3을 포함한 종래의 집광렌즈는 입사면에 닿는 빛만을 평행광으로 집광시킬 수 있으므로, 광원으로부터 집광렌즈에 도달하지 못하여 사출되는 빛은 모두 유실되게 되어 광효율적인 측면에서 비효율적이다.

한국공개특허 제2016-0139886호 한국등록특허 제1206677호

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 집광효율이 높고, 색분해가 거의 일어나지 않는 중심부의 경우에는 종래의 집광렌즈를 그대로 사용하고, 광축에서 벗어나 외측으로 갈수록 집광을 위해 필요한 굴절각도가 커지며, 이에 따라 각 색의 파장대에 따라 달라지는 굴절율의 차이로 인한 색분해가 커지고, 빛이 굴절되어 투과되지 못하고 반사되는 비율이 커지는 현상이 있는 바, 이는 빛의 굴절에 따라 물리적으로 발생하는 것이므로, 집광을 위해 굴절방식이 아닌 반사방식을 사용함으로써 굴절시 일어나는 일부 빛의 반사로 인한 손실과 색분해를 제거하여 균질한 색온도의 빛을 제공하고, 설계 구조상 집광렌즈에 도달시키지 못하는 나머지 방향의 빛을 모두 활용하게 하는 보조반사경을 구비한 프레넬 렌즈를 제공하는 데 목적이 있다.

또한, 본 발명은 프러넬렌즈에 상응하는 보조반사경을 제공함에 있어, 여러 조각면으로 구성된 반사경을 제공하고, 이에 대응하는 복수의 프러넬 커트를 배치하여 광학계가 커지더라도 렌즈의 두께를 얇게 유지할 수 있으면서도 광원에서 출사되는 빛을 모두 활용할 수 있도록 하는데 목적이 있다.

또한, 본 발명은 프레넬 렌즈의 프레넬 커트를 구성하는 입사면과 내부전반사면의 일부만이 빛의 입사 및 내부전반사에 필요하며 입사면과 내부전반사면이 만나는 모서리 부분은 여유 공간이 있으므로, 그 모서리 부분을 없애고 Round curve 등 곡선을 사용하여 자연스럽게 연결시킨 프레넬 커트를 제공함으로써 프레넬 렌즈의 가공의 용이성을 확보하고 제품의 손상을 방지하는 데 목적이 있다.

또한, 본 발명은 반사성능이 우수한 고효율의 보조반사경을 사용하고, 프레넬 커트의 입사면에 반사방지 코팅을 부가함으로써, 광원으로부터 발산된 빛이 손실없이 반사경에서 반사되어 프레넬 커트의 입사면에서 빛이 반사되지 않고 모두 투과되게 함으로써 광축을 중심으로 측면으로 출사되어 종래의 집광렌즈에 도달하지 아니하는 모든 빛을 손실 없이 집광시키는 보조반사경을 구비한 프레넬 렌즈를 제공하는 데 목적이 있다.

이 경우 종래의 집광렌즈의 굴절면에(즉 내부전반사면 사용시 이를 제외한 나머지 전체 렌즈면) 반사방지코팅을 추가할 경우 광원으로부터 출사되는 대부분의 빛을 거의 손실없이 모두 활용할 수 있게 되며, 이로써 종래의 광학계보다 훨씬 적은 광량으로 같은 배광목적을 달성할 수 있으므로 상대적으로 낮은 전력 소모량으로 LED 광원을 구동할 수 있게 되어 방열문제의 해결에도 도움을 주게 된다.

상기 과제를 해결하기 위하여 본 발명은 빛을 발산하는 광원; 상기 광원으로부터 발산된 빛을 광원의 전방으로 집광하기 위한 집광렌즈; 상기 광원에서 상기 집광렌즈에 도달하지 아니하는 빛을 상기 집광렌즈의 측면 방향으로 반사시키기 위해 상기 집광렌즈와 상기 광원사이에 배치되는 반사경; 상기 집광렌즈의 측면에 형성되며, 상기 반사경으로부터 반사된 빛을 입사면을 통해 입사한 후 내부 전반사면을 통해 전반사되도록 하여 빛을 집광시켜 반사시키는 프레넬 커트;로 구성되고, 상기 반사경의 반사면은 2 개의 초점을 갖는 타원을 이용하되, 타원의 제1 초점은 광원에 위치하고, 제2 초점은 상기 집광렌즈의 측면에 형성된 상기 프레넬커트의 입사면 근처에 위치시키며, 상기 광원으로부터 상기 집광렌즈에 직접 도달하는 빛을 간섭하지 않도록 타원의 일부를 사용하고, 상기 프레넬커트의 입사면은 상기 제2초점을 중심으로 한 원으로 형성된 면으로 하고, 상기 프레넬커트의 내부전반사면은 상기 제2초점을 초점으로 한 포물선으로 형성된 면이 되도록 설계하는 것을 특징으로 한다(이하 프레넬커트의 입사면은 타원의 제2초점을 중심으로 하는 원으로 생성되며, 프레넬커트의 내부전반사면은 타원의 제2초점을 초점으로 한 포물선으로 형성된 면을 설명함에 있어, 단순히 '타원의 제2초점을 기준으로 생성된 프레넬커트' 라고 표현할 수 있다.)

상기 광원으로부터 상기 반사경의 반사면에 반사된 빛은, 상기 반사경의 반사면이 타원으로 형성되었고 제1초점을 상기 광원에 위치하였으므로, 하나의 초점에서 출사한 빛을 다른 초점으로 반사시키는 타원의 성질에 의해 상기 반사경의 반사면을 형성한 타원의 제2초점을 통과하여, 제2초점을 중심으로 한 원으로 형성된 면인 상기 프레넬커트의 입사면에 빛의 경로의 변경 없이 그대로 투과하고(원의 중심에서 원인 입사면을 통과하는 빛은 경로 변경없이 그대로 투과함), 제2초점을 초점으로 한 포물선으로 형성된 면인 상기 프레넬 커트의 내부전반사면에서 포물선의 축 방향으로 평행광으로 내부전반사된다(포물선의 초점에서 출사한 빛은 포물선의 축의 방향으로 평행하게 반사시키는 포물선의 성질). 따라서 상기 프러넬 커트의 내부전반사면을 구성하는 포물선의 축을 광축에 평행하게 설계함으로써 광축에 평행하게 반사시킴으로써 평행광으로 집광할 수 있게 된다.

상기 반사경은 여러 조각으로 나누어 구성될 수 있으며, 타원의 제1초점을 광원으로 동일하게 갖고 각 반사경의 조각에 따라 제2초점을 달리 하는 다수의 타원을 이용하여 각 제2초점을 중심으로 그에 대응되게 복수개의 프러넬 커트를 배치한다.

상기 프레넬커트의 입사면과 내부전반사면이 만나는 모서리 부분을 없애고 Round curve(곡선)를 사용하여 자연스럽게 연결시키는 것을 특징으로 한다.

상기 프레넬커트의 입사면의 중심 혹은 포물면의 초점이 상기 제2초점이 아닌 곳에 위치하여 평행광이 아닌 배광목표를 달성할 수 있다.

상기 프레넬커트의 입사면과 내부 전반사면은 임의의 자유 곡면을 사용하여 평행광이 아닌 배광목표를 달성할 수 있다.

상기 반사경의 반사면, 상기 프레넬커트의 입사면의 원으로 형성된 면 또는 상기 프레넬커트의 내부 전반사면의 포물면은 각각 임의의 자유 곡선, 직선, 포물선의 일부, 원의 일부, 타원의 일부 혹은 이를 혼용한 커브로 형성된 면으로 대체될 수 있으며, 평행광이 아닌 배광목표를 달성할 수 있다.

상기 프러넬 커트의 입사면에 반사방지코팅(Anti-Reflection)을 실시하고, 상기 보조반사경에 우수한 고효율의 반사코팅으로 함으로써 광원으로부터 출사되어 종래의 집광렌즈에 도달하지 못하는 빛을 거의 손실없이 평행광 혹은 목적한 방향의 배광분포로 빛을 반사시킬 수 있다. 상기 프러넬 커트의 출사면에 굴절형상을 추가하여 내부전반사면에서 반사된 빛을 추가적으로 굴절시킴으로써 목적한 배광분포로 출사시킬 수 있음은 통상적인 이 분야의 전문가가 쉽게 응용할 수 있는 응용례라 할 것이다.

상기와 같이 이루어지는 본 발명은 색분해가 거의 없으면서도, 광원 중 특히 LED나 레이저 다이오드처럼 빛의 발산각도가 180도인 광원의 경우에는 출사되는 빛의 대부분을 활용할 수 있게 된다.

또한, 본 발명은 광원으로부터 출사되는 빛을 대부분 활용함으로써 에너지를 효율적으로 활용해야 하면서도 색분해 없이 균질한 색온도의 빛을 목적한 방향으로 출사할 수 있는 빛을 필요로 하는 정밀광학분야에 적용될 수 있다.

또한, 본 발명은 약 90%의 반사효율을 갖는 일반적인 AL 코팅이 아닌, 더 뛰어난 반사효율을 갖는 AL코팅(E-BEAM 방식 등)으로 반사효율이 높은 반사광학계를 보조반사경으로 제공하고, 프레넬 렌즈면에서 내부전반사면을 제외한 나머지 굴절면에서 빛이 굴절되어 통과되지 아니하고 일부가 반사되는 것을 방지하기 위해 반사방지 코팅처리를 할 경우, 종래의 집광렌즈만을 사용하여 렌즈면에 동일한 수준의 반사방지 코팅처리를 하여 얻을 수 있는 전체 빛의 집광효율을 훨씬 능가하게 되어, 광원으로부터 출사되는 빛을 손실 없이 전체 광량을 거의 그대로 활용할 수 있게 된다.

또한, 본 발명은 반사경을 복수의 조각면으로 구성하여 복수의 프레넬 커트에 빛을 반사하게 함으로써 프레넬 커트의 수를 자유로이 추가할 수 있으므로 전체 광학계의 요구 크기가 커지더라도 프레넬 렌즈의 두께를 얇게 설계할 수 있다.

또한, 본 발명은 Round curve 등 곡선을 구성하여 입사면과 내부전반사면이 만나는 날카로운 모서리(Edge)를 구성할 필요가 없으므로 가공이 용이하고, 작업상 작업자에게 상처를 입히거나 파손의 염려를 줄일 수 있는 효과가 있다.

그 주요 적용례로 차량용 헤드램프, 가로등은 물론 이외 다양한 정밀 조명분야에 사용할 수 있다.

도 1과 도 2와 도 3은 종래 발명의 다양한 프레넬렌즈를 나타내는 도면(이하 도면은 모두 개념도로서, 정확한 굴절률과 굴절각도, 반사각도에 따라 실제 경로를 정확히 산출한 도면은 아님)이다.
도 4는 본발명의 일 실시예에 따라 프러넬렌즈 및 반사경을 구비한 집광 광학계와 빛의 경로를 나타내는 도면이다.
도 5와 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 180도 출사각을 갖는 광원(LED 등)을 사용하여 본 발명의 일 실시예로서 본 발명의 광학계를 광축을 중심으로 회전(revolve)시켜 만든 3D 형상이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 반사경이 여러 조각면으로 구성되어 각 조각면에 대응하는 복수의 프레넬커트를 구성한 것을 보여주는 도면이다.
도 8은 본 발명에 일 실시예에 따른 설계 방식을 보여주는 도면으로서 반사경과 프네넬 커트를 구성하기 위한 타원이 다양하게 존재하는 것을 보여주는 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따라 완전한 평행광이 아닌 목적한 방향으로 출사되는 것을 보여주는 도면이며, 반사경의 크기가 광원으로부터 나온 빛을 반사하여 프레넬 커트로 보내지는 빛을 간섭하지 않도록 하여야 함을 보여주는 도면이다.

본 발명을 충분히 이해하기 위해서 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명의 실시예는 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상세히 설명하는 실시예로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다. 따라서 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어 표현될 수 있다. 각 도면에서 동일한 부재는 동일한 참조부호로 도시한 경우가 있음을 유의하여야 한다. 또한, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 기술은 생략된다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 프레넬렌즈 및 반사경을 구비한 집광 광학계와 빛의 경로를 나타내는 도면이고, 도 5와 도 6는 본 발명의 일 실시예로서 본 발명의 광학계를 광축을 중심으로 회전시켜(revolve) 만든 3D 형상이다.

도 4 내지 도 6에 도시된 바와 같이 본 발명은 광원(10); 집광렌즈(300); 반사경(100); 프레넬 커트(200: 200A, 200B; fresnel cut) 등으로 이루어진 단순한 구조임에도 불구하고 종래의 광원(10)으로부터 출사되어 렌즈에 직접 도달하지 않는 나머지 빛을 모두 버려야 하는 문제점을 해결하였다.

본 발명을 설명함에 있어 2D 단면도를 사용한 것은, 이를 회전시킴으로써 원형의 형상으로 실시할 수 있고, 이를 돌출시켜 사용할 수도 있는 등 다양한 응용형태가 가능하기 때문이다.

본 발명에서 도 4의 집광렌즈(300)의 사각형 구역과 그 응용례인 도 5, 도 6의 2집광렌즈(300), 도 7 ~ 도 9 의 집광렌즈(300)의 사각형 구역에는 구면, 비구면, 프레넬렌즈, 양면패턴을 지닌 프레넬렌즈로 대체할 수 있으며 이에 한정되는 것은 아니다. 따라서 설계목적에 따라 볼록형상의 집광렌즈가 아닌 오목형상의 확산렌즈를 사용할 수 있다.

상기 집광렌즈(300)는 구면, 비구면, 프레넬렌즈, 양면패턴을 지닌 프레넬렌즈 중 하나를 포함하는 렌즈이다.

또한, 상기 집광렌즈(300) 부분을 집광 혹은 확산형의 렌즈가 아닌 굴절없는(집광 또는 확산이 없거나, 이를 혼용한) 렌즈로 대체할 수 있고, 빛을 전부 혹은 일부 차단하는 매질이나 형상을 사용하거나, 집광렌즈(300) 부분을 일부 혹은 전부 제거할 수 있음은 당연한 응용형태일 것이다.

상기 집광렌즈(300)의 측면에는 반사경(100)으로부터 반사되어 도달한 빛을 입사면에 입사한 후 전방향으로 내부전반사시킬 수 있는 프레넬 커트(200A, 200B)를 배치한다.

광원(10)의 측면에는 반사경(100)을 배치하고, 그 반사경(100)이 광원(10)으로부터 집광렌즈(300)에 직접 도달하는 빛을 간섭하지 않도록 회피하여 배치한다.

또한 반사경(100)과 프레넬 커트(200A, 200B)는 광원(10)을 중심으로 하는 광축을 대칭으로 하여 한 쌍(101, 102; 이하 100으로 하고, 201, 203; 이하 200A, 202, 204: 이하 200B로 함)으로 구비된다. 즉 반사경(101)은 광축에 대칭한 위치의 프레넬 커트(200A)에 상응하며, 반사경(102)는 광축에 대칭한 위치의 프레넬 커트(200B)에 상응한다.

상기 반사경(100)은 광원(10)으로부터 도달한 빛을 반사하여 집광렌즈(300)의 측면에 근접하여 도달하도록 설계되어야 한다. 상기 반사경(100)은 광축을 중심으로 집광렌즈(300)에 도달하지 아니하는 빛을 반사시켜 사출되는 빛을 상기 프레넬 커트(200A, 200B)의 입사면에 도달시킨다.

또한, 반사경(100)은 여러 조각으로 나누어 구성될 수 있으며, 타원의 제1초점을 광원으로 동일하게 갖고 각 반사경의 조각에 따라 제2초점을 달리 하는 다수의 타원을 이용하여 각 제2초점을 중심으로 그에 대응되게 복수개의 프러넬 커트를 배치한다.

상기 프레넬 커트(200A, 200B)는 입사면(203, 204)과 내부전반사면(201, 202)으로 이루어지며, 상기 반사경(100)으로부터 반사된 빛을 입사면(203, 204)을 투과하여 내부전반사면(201, 202)에서 전반사시켜 집광된 빛을 전방향으로 반사시킨다.

이로써 상기 광원(10)으로부터 발산된 빛이 상기 반사경(100)에서 반사되어 상기 집광렌즈(300)의 측면에 구비된 상기 프레넬 커트(200A, 200B)의 입사면(203,204)으로 입사하여 굴절없이(이하 빛의 진행 방향, 각도가 이론상 바뀌지 아니한다는 의미) 투과하여, 상기 프레넬 커트(200A, 200B)의 내부전반사면(201,202)에서 집광되어 전반사된 후 렌즈의 출사면을 통하여 출사되도록 구성하여 색분해 없이 균질한 색온도의 빛을 목적한 방향으로 출사시킨다.

이때 상기 프레넬 커트(200A, 200B)의 출사면에 임의로 굴절형상을 추가하지 않고 평면(빛이 내부전반사면에서 반사되어 출사되는 평행광에 수직인 면)의 출사면을 갖는 한 굴절로 인한 색분해가 없다.

즉, 종래의 프레넬 렌즈 구성이 프레넬 렌즈의 외측으로 갈수록 각 색의 파장대에 따라 다른 굴절율의 차이로 인하여 색분해가 발생하던 것을 본 발명은 상기 프레넬커트의 내부전반사면에서 굴절 없이 반사를 이용하여 집광시킨 뒤 출사면으로 출사되므로 색분해가 없도록 구성하였고, 상기 반사경(100)을 설계함에 있어 광원(10)으로부터 출사되는 빛을 손실없이 모두 감싸서 집광렌즈(300)의 측방향에 근접하여 도달하도록 설계할 수 있으므로 광원으로부터 출사되는 전체 빛을 집광시킬 수 있다.

또한, 본 발명은 반사효율이 높은(E-BEAM 방식 AL 코팅 등 98%이상 효율) 반사광학계를 사용하고, 굴절면에 반사방지 코팅처리를 할 경우, 전체 광량을 거의 손실없이 그대로 사용할 수 있게 된다.

따라서 본 발명은 색분해가 거의 없으면서도, 특히 LED나 레이저처럼 빛의 발산각도가 180도인 광원의 경우에는 이론상 방출되는 빛을 전부 활용할 수 있게 함으로써, 보다 효율적으로 집광효율을 높이게 된다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.

본 발명은 광원(10)으로부터 발산된 빛을 광원(10)의 전방 중심에 집광렌즈(300)를 구성하고 광축을 중심으로 위치한 집광렌즈(300)에 도달하지 아니하는 빛을 반사시키는 반사경(100)을 광원(10)의 측면 부근으로부터 집광렌즈(300)와 광원(10)사이에 배치하고, 그 반사경(100)으로부터 반사된 빛을 입사면에 입사한 후 내부전반사시키는 프레넬 커트(200A, 200B)를 구비하여, 빛을 집광시켜 반사시키고 이후 프레넬 렌즈의 출사면을 통하여 출사된다.

또한, 상기 반사경(100)은 광원(10)으로부터 상기 집광렌즈(300)에 직접 도달하는 빛을 방해하지 않도록 회피 설계되며, 상기 반사경에서부터 반사되어 광축을 대칭하여 반대편에 위치한 상기 프러넬 커트의 입사면으로 도달하는 빛을 방해하지 않도록 회피 설계된다.

상기 반사경(100)은 타원을 이용하여 생성하되 타원의 제1 초점은 광원에 위치하고, 나머지 제2 초점은 상기 집광렌즈에 추가된 프레넬커트의 입사면 근처에 위치시키며, 프레넬커트의 입사면은 제2초점을 중심으로 한 원으로 형성된 면으로 설계되고, 내부 전반사면은 상기 제2초점을 초점으로 한 포물선으로 형성된 면이 되도록 설계한다.

도 7 내지 도 9는 본 발명에 따라 반사경의 설계 방식의 일 실시예를 보여주는 도면이고, 도 9는 본 발명의 일실시예에 따라 완전한 평행광이 아닌 목적한 방향으로 출사되는 것을 함께 보여주는 도면이다. 또한 도 9의 하늘색 부분인 반사면(102')이 반사면(101')에서 반사된 빛을 가리고 있으므로 반사면(101')와 같이 반사면(102')에서 반사된 빛을 가리지 않도록 회피설계되어야 한다.

도 8은 반사경(100)과 프레넬 커트(200A,200B)의 일 실시예로서, 자동으로 최적화된 반사경(100) 및 굴절렌즈면의 설계가 어려운 경우에 용이한 설계방식으로서, 2 개의 초점(F1, F2)을 갖는 타원면을 이용하되, 타원의 제1 초점(F1)은 광원(10)에 위치하고, 나머지 제2 초점(F2)은 집광렌즈(300)에 추가된 프레넬커트의 입사면(203, 204) 근처에 위치시키며, 프레넬커트의 입사면(203, 204)은 상기 제2초점(F2)을 중심으로 한 원으로 생성된 면으로 하여 형성된다. 이 때 제1 초점(F1)과 제2초점(F2)을 갖는 타원(e1)은 무한하게 존재하며, 설계 목적에 따라 임의의 크기를 선택하여 그 타원의 일부분을 반사경으로 이용할 수 있다.

따라서 광원(10)으로부터 타원의 반사경(100)에 반사된 빛은 하나의 초점에서 출사한 빛을 다른 초점으로 반사시키는 타원의 성질에 의해 제2초점(F2)으로 집광되며, 상기 제2초점(F2)을 통과한 빛은 제2초점(F2)을 중심으로 한 원으로 형성된 면인 프레넬커트(200A, 200B)의 입사면(203, 204)에 빛의 경로의 변경 없이 그대로 투과한다.

도 7은 도8의 응용예로서, 반사경을 여러 조각의 반사면들로 나누어 구성하고, 이에 대응하는 프레넬 커트를 여러 개로 배치하여 광학계의 두께가 두꺼워 지지 않도록 하기위한 설계방식으로서, 타원의 제1초점을 광원에 위치하고, 제2초점의 위치를 달리하는 다수의 타원의 일부를 이용하여 생성된 여러 조각의 반사면들을 갖는 반사경을 구성하고, 각 타원의 제2초점을 기준으로 복수개의 프레넬 커트를 배치하며, 각 프레넬 커트는 반사경을 구성한 여러 조각의 반사면에 각각 대응하므로, 광원으로부터 반사경에 도달한 빛은 나뉘어서 복수 개의 프레넬 커트를 향하여 반사되고 각 프레넬 커트에서는 빛을 입사하여 평행광으로 내부전반사시킨다.

이때 각각의 상기 프레넬 커트에서 원으로 형성된 면인 입사면과 포물선으로 형성된 면인 내부전반사면 전체가 반사경으로부터 반사된 빛을 입사 및 내부전반사에 필요하지 않고 입사면과 내부전반사면이 만나는 모서리 부분에 여유 공간이 생기므로, 상기 모서리 부분을 없애고 Round curve 등 부드러운 곡선(207)을 사용하여 자연스럽게 연결할 수 있다.

이렇게 Round curve 등 곡선(207)을 구성하여 입사면과 내부전반사면이 만나는 날카로운 모서리(Edge)를 구성할 필요가 없으므로 가공이 용이하고, 작업상 작업자에게 상처를 입히거나 파손의 염려를 줄일 수 있다.

프레넬 커트(200A, 200B)의 내부전반사면은 상기 제2초점(F2)을 초점으로 하는 포물선(도 7과 도 8의 적색선)으로 형성된 면으로서 입사된 빛을 전방향의 평행광으로 집광시켜 출사하게 한다.

이때 광학계의 설계목적이 전체 빛이 광원의 광축을 따라 평행광을 이루어 집광하는 것이 목표라면 포물선의 축 역시 광원의 광축과 일치하도록 하여야 하며, 설계목적이 이와 다를 경우 광축과 일치하지 않을 수 있으며, 평행광을 목표로 하는 것이 아니라면 포물선의 초점을 상기 제2초점에서 임의로 벗어나게 할 수도 있다.

또한 집광도를 낮추어 평행광이 아닌 배광분포를 원할 경우, 포물선으로 형성된 면인 내부전반사면이나, 입사면, 혹은 반사경(100)의 반사면을 적절히 수정하여 빛의 경로를 바꿈으로써 빛의 출사방향을 용이하게 조절할 수 있게 된다.

상기 입사면과 내부전반사면은 임의의 자유곡선, 직선 혹은 이를 혼용한 곡선으로 구성된 면으로 대체하여 배광목적을 달성할 수 있다.

특히, 프레넬 커트의 입사면에 반사방지 코팅을 추가하여 반사면에서 반사되어 입사하는 모든 빛을 반사됨이 없이 투과하여 효율성을 높이는 프러넬 커트를 구성할 수 있다. 또 반사방지 코팅은 내부전반사면이 아닌 렌즈면 전체에 추가할 수도 있다.

도 9는 본 발명의 일실시예에 따라 완전한 평행광이 아닌 목적한 방향으로 출사되는 것을 함께 보여주는 도면이다.(광원 F1의 위치에 있는 광원으로부터 출사된 빛이 반사면 102'에서 반사되어 F2의 초점에 모이지 아니하고(즉 반사면이 타원이 아닌 임의의 자유면) 프레넬커트의 입사면 204로 입사한 뒤, 프레넬커트의 내부전반사면 202에서 반사되어 평행광이 아닌 빛으로 반사되는 모습 :이에 대칭하여 도시된 광원 F1(타원의 초점 위치)에서 출사된 빛이 반사면 101'(타원으로 생성된 면)에서 반사되어 F2의 초점(타원의 초점 위치)에 빛이 모인 뒤 입사면인 203'을 굴절없이 통과하여 201'에서 내부전반사되어 평행광을 이루는 모습)

도 9에 도시된 바와 같이 본 발명의 다양한 응용 실시예에 따라 상술한 타원, 원, 포물선을 사용하지 않고 임의의 NURBS(자유 곡선) 곡선을 사용하여 완전한 평행광이 아닌 목적한 방향으로 특정 빛(ray1)의 출사가 가능하다. 이 때 반사경(101’, 102’)의 크기를 늘리거나 줄일 수도 있다.

또한, 상기 포물선으로 형성된 면은 임의의 NURBS(자유 곡선) 곡선이나 직선 혹은 이를 혼용하여 빛의 배광목표에 적합한 반사면으로 대체될 수 있다.

또한, 프레넬 커트의 출사면(205, 206)에 굴절형상을 추가하여 빛의 분포를 조절할 수 있음은 일반적인 굴절 광학계의 원리상 당연한 것으로서 본 발명의 응용예에 속할 것이다.

또한, 상기 반사경은 여러 조각면으로 구성될 수 있으며, 여러 조각면은 각 조각면이 타원의 제1초점을 광원의 위치에 동일하게 갖고 제2초점을 달리 하는 다수의 타원의 일부분으로 생성된 것으로서, 이들은 연속적으로 결합하여 만들어 지고, 다수의 타원들의 제2초점들을 기준으로 한 면을 입사면으로 하고 반사경의 각 조각면에 대응하는 복수개의 프레넬 커트를 배치시킬 수도 있음은 본 발명의 당연한 응용례에 해당할 것이다.

이상 살펴 본바와 같이, 본 발명의 주요 적용례는 차량용 헤드램프, 가로등은 물론 이외 다양한 정밀 조명분야에 사용할 수 있다.

10 : 광원
100, 101, 102 : 반사경
200(200A, 200B) : 프레넬 커트
201, 202 : 내부전반사면
203, 204 : 입사면
207 : Round curve(곡선)
300 : 집광렌즈

Claims (7)

1. 빛을 발산하는 광원;
   상기 광원으로부터 발산된 빛을 광원의 전방으로 집광하기 위한 집광렌즈;
   상기 광원의 광축을 중심으로 집광렌즈에 도달하지 아니하는 빛을 반사시키기 위해 집광렌즈와 광원 사이에 배치되는 반사경;
   상기 집광렌즈의 측면에 형성되며, 상기 반사경으로부터 반사된 빛을 입사시키는 입사면과 입사된 빛을 반사시키는 내부전반사면을 갖는 프레넬 커트;로 구성되고,
   상기 반사경은 광원으로부터 집광렌즈에 직접 도달하는 빛을 간섭하지 않도록 배치하기 위해, 2 개의 초점을 갖는 타원의 일부를 이용하여 생성되고, 타원의 제1 초점은 광원에 위치하고, 나머지 제2 초점은 상기 프레넬커트의 입사면 근처에 위치시키고,
   상기 프레넬커트의 입사면은 상기 제2 초점을 중심으로 형성된 원으로 형성된 면으로, 내부전반사면은 상기 제2 초점을 초점으로 하는 포물선으로 형성된 면이 되도록 설계하는 것을 특징으로 하는 보조반사경을 구비한 프레넬 렌즈.
2. 청구항 1 에 있어서,
   상기 반사경을 복수 개의 조각으로 나뉜 반사면들로 구성하고, 각 반사면 조각은 각각 타원의 일부분을 이용하여 구성하되, 각 반사면 조각을 구성하는 타원의 제1초점들은 광원에 위치하며, 나머지 제2초점들은 다르게 위치하고, 제2초점들을 기준으로 복수개의 프레넬 커트를 배치하는 것을 특징으로 하는 보조반사경을 구비한 프레넬 렌즈.
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 입사면과 내부전반사면이 만나는 모서리 부분을 없애고 Round curve(곡선)를 사용하여 자연스럽게 연결시키는 것을 특징으로 하는 보조반사경을 구비한 프레넬 렌즈.
4. 청구항 1 내지 3 중 어느 한항에 있어서,
   상기 제2 초점을 초점으로 하는 포물선으로 형성된 면의 초점이 상기 제2초점이 아닌 곳에 위치하여 평행광이 아닌 배광목표를 달성하는 보조반사경을 구비한 프레넬 렌즈.
5. 청구항 1 내지 3 중 어느 한항에 있어서,
   상기 입사면, 내부 전반사면 또는 반사경은 임의의 자유 곡면을 사용하여 평행광이 아닌 배광목표를 달성하는 보조반사경을 구비한 프레넬 렌즈.
6. 청구항 1 내지 3 중 어느 한항에 있어서,
   상기 반사경, 입사면의 원으로 형성된 면 또는 내부 전반사면의 포물면은 각각 임의의 자유 곡선, 직선, 포물선의 일부, 원의 일부, 타원의 일부 혹은 이를 혼용한 커브로 형성된 면으로 대체될 수 있으며, 평행광이 아닌 배광목표를 달성하는 보조반사경을 구비한 프레넬 렌즈.
7. 청구항 1 내지 3 중 어느 한항에 있어서,
   상기 프레넬커트의 입사면에 빛이 반사되지 않고 그대로 투과하도록 반사방지(Anti-Reflection) 코팅처리를 한 것을 특징으로 하는 보조반사경을 구비한 프레넬 렌즈.
   
   

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