KR102604393B1 - 배광각 변형이 용이한 투광등 장치. - Google Patents

Abstract

투광등 장치에 대한 발명이 개시된다.
엘이디가 있고 엘이디 상측에 위치하여 엘이디로부터 출발한 빛을 빛을 모아주는 집광렌즈로 구성된 집광옵틱;
상기 집광옵틱 다수가 어레이되도록 구성되고;
어레이된 집광옵틱 중, 엘이디의 광축과 집광렌즈의 중심축 사이의 거리가 D1인 곳에 위치하는 집광옵틱들의 모임을 제1 렌즈군;
엘이디의 광축과 집광렌즈의 중심축 사이의 거리가 D2인 곳에 위치하는 집광옵틱들의 모임을 제2 렌즈군;
엘이디의 광축과 집광렌즈의 중심축 사이의 거리가 Dn인 곳에 위치하는 집광옵틱들의 모임을 제n 렌즈군;
이라고 할 때, 상기 제1 렌즈군 내지 제n렌즈군이

을 만족하도록 구성된다.

Description

배광각 변형이 용이한 투광등 장치.{Floodlight device with easy to change light distribution angle}

본 발명은 렌즈를 이용해 엘이디(LED)광원서 나오는 빛을 집광시킨 후 투사 시키는 투광등에 관한 것이다.

투광등은 공원, 도로, 공장 등 많은 곳에 활용되고 있다. 과거에는 할로겐 램프가 주로 쓰였으나, 광원이 엘이디(LED)로 바뀌면서 설치 환경에 맞는 다양한 배광각에 대한 요구가 커지고, 이를 달성하기 위해 많은 렌즈들이 출시되고 있다. 하지만, 필요한 배광각이 달라지면 그에 맞는 새로운 렌즈가 요구되는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명에서는 여러 배광각이 요구 될 때, 여러 렌즈의 제작 없이도, 한 종류 혹은 최소한의 렌즈로, 서로 다른 여러 배광각 구현이 가능하도록 하는 투광등 장치에 관한 것이다.

엘이디가 있고 엘이디 상측에 위치하여 엘이디로부터 출발한 빛을 빛을 모아주는 집광렌즈로 구성된 집광옵틱;

상기 집광옵틱 다수가 어레이되도록 구성되고;

어레이된 집광옵틱 중, 엘이디의 광축과 집광렌즈의 중심축 사이의 거리가 D1인 곳에 위치하는 집광옵틱들의 모임을 제1 렌즈군;

엘이디의 광축과 집광렌즈의 중심축 사이의 거리가 D2인 곳에 위치하는 집광옵틱들의 모임을 제2 렌즈군;

엘이디의 광축과 집광렌즈의 중심축 사이의 거리가 Dn인 곳에 위치하는 집광옵틱들의 모임을 제n 렌즈군;

이라고 할 때, 상기 제1 렌즈군 내지 제n렌즈군이

을 만족하는 것을 특징으로 한다.

또한, 제n렌즈군에 속한 집광옵틱에서, 집광렌즈의 굴절률을 m, 중심

두께를 H1, 집광렌즈 입사면과 출사면이 엘이디의 광축과 만나는 두 점 사이의 거리를 H2, 엘이디의 광축과 집광렌즈의 중심축 사이의 거리를 Dn이라고 할 때, 다음을 만족하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 집광옵틱은 한 개의 집광렌즈에 다수의 엘이디가 구비되어 다수의 엘이디가 하나의 렌즈를 공유하는 것을 포함한다.

또한, 상기 집광렌즈는 중심축을 포함하는 엘이디의 상측에 위치하여 엘이디로부터 입사된 빛을 굴절시키는 입사면, 입사면으로부터 전달된 빛을 굴절시켜 렌즈 외부로 출광시키는 출사면;

입사면의 외측에 위치하여 측방으로 발산한 빛을 굴절시키는 측면;

측면에서 굴절된 빛을 전반사 시키는 전반사면;

전반사된 빛을 출광시키는 상단면;

으로 구성되는 것을 포함 한다.

원하는 배광각을 구현하기 위해선, 그에 맞는 렌즈가 필요한데, 어느 한 렌즈로는 한 가지의 배광각을 가진 빛을 투사 시킬 수 있게 된다. 만약 다른 배광각을 가진 조명을 원하면, 그에 맞는 새로운 렌즈가 필요하게 되는데, 본원발명은 한 종류의 렌즈로 서로 다른 여러 배광각 구현이 가능하도록 하여, 다른 배광각을 가진 조명을 위해 새로운 렌즈를 제작할 필요가 없어 제작비용을 절감시켜주는 효과가 있다.

도1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 집광옵틱을 보인 것이다.
도2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 렌즈군을 보인 것이다.
도3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 제1 렌즈군을 보인 것이다.
도4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 제1 렌즈군의 배광 분포를 보인 것이다.
도5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 제1 렌즈군의 조도 분포를 보인 것이다.
도6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 제1 렌즈군과 제2 렌즈군의 조합을 보인 것이다.
도7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 제2 렌즈군의 배광분포를 보인 것이다.
도8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 제2 렌즈군의 조도분포를 보인 것이다.
도9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 제1, 2 렌즈군이 조합된 배광분포를 보인 것이다.
도10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 제1, 2 렌즈군이 조합된 조도분포를 보인 것이다.
도11은 본 발명의 일 실시 예에 따른 엘이디 배열의 변형을 보인 것이다.
도12는 본 발명의 일 실시 예에 따른 엘이디 배열의 변형을 보인 것이다.
도13은 본 발명의 일 실시 예에 따른 집광렌즈와 엘이디의 위치에 관해 보인 것이다.
도14는 본 발명의 일 실시 예에 따른 본원 발명이 성립하지 않는 경우에 대해 보인 것이다.
도15는 본 발명의 일 실시 예에 따른 집광렌즈의 변형을 보인 것이다.
도16는 본 발명의 일 실시 예에 따른 집광렌즈의 변형을 보인 것이다.
도17는 본 발명의 일 실시 예에 따른 집광렌즈의 변형을 보인 것이다.
도18는 본 발명의 일 실시 예에 따른 집광렌즈의 변형을 보인 것이다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 배광각 변형이 용이한 투광등 장치의 일 실시예를 설명한다.

이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

도1은, 엘이디(100)와 집광렌즈(200)로 구성된 집광옵틱(10) 1개를 도시한 것이다.

상기 집광렌즈(200)는 엘이디(100)의 상측에 위치하여 엘이디(100)로부터 입사된 빛을 굴절시키는 입사면(210), 입사면(210)으로부터 전달된 빛을 굴절시켜 렌즈 외부로 출광시키는 출사면(220)으로 구성되고, 상기 집광렌즈(200)는 양의 굴절능을 가진다.

도2를 참고하면, 본원 발명은 상기 집광옵틱(10) 다수가 어레이되도록 구성되고;

어레이된 집광옵틱(10) 중, 엘이디(100)의 광축과 집광렌즈(200)의 중심축 사이의 거리가 D1인 곳에 위치하는 집광옵틱(10)들의 모임을 제1 렌즈군;

엘이디(100)의 광축과 집광렌즈(200)의 중심축 사이의 거리가 D2인 곳에 위치하는 집광옵틱(10)들의 모임을 제2 렌즈군;

엘이디(100)의 광축과 집광렌즈(200)의 중심축 사이의 거리가 Dn인 곳에 위치하는 집광옵틱(10)들의 모임을 제n 렌즈군;

이라고 할 때, 상기 제1 렌즈군 내지 제n 렌즈군은 다음을 만족하도록 구성된다.

도3내지 도10은 Ray Tracing Simulation을 통해 본원 발명을 설명하기 위한 예시로, 다음과 같은 조건에서 시행하였다.

도3은 D1=0인 제1 렌즈군으로만 구성된 경우에 대한 정면 프로파일과 평면도를 보인 것으로, 모든 엘이디(100)가 집광렌즈(200)의 중심축상에 놓여 있어, 각기 집광렌즈(200)에서 출사되는 빛의 각도는 동일하다.

도4 내지 도5는 제1 렌즈군의 Simulation 결과로 반치각이 10°임을 알 수 있으며, 도5를 통해 투사거리가 10M인 곳에서의 조도 분포를 알 수 있다. 즉, 상기와 같이 제1 렌즈군으로만 구성하면 반치각이 10°인 투광등을 달성 할 수 있다.

한편, 도6은 제1 렌즈군과, 제2 렌즈군이 함께 구성된 경우에 대한 정면 프로파일과 평면도를 보인 것이다. 도6에 보인 바와 같이, 제1 렌즈군은 엘이디(100)가 광축위에 있지만, 2개의 제2 렌즈군 엘이디(100)는 광축으로부터 동일한 거리만큼 서로 반대 방향으로 떨어져 있다. 이로 인해, 제1 렌즈군에서 출사된 빛과 제2 렌즈군에서 출사된 빛의 배광분포는 서로 다르게 된다.

도6에서는 프로파일과 그에 대한 평면도이므로 제1 렌즈군에 속한 집광옵틱(10)1개, 제2렌즈군에 속한 집광옵틱(10) 2개로 간략히 도시하였지만, 도7과 도8에서 보인 Simulation 결과는 제1 렌즈군에 속한 집광옵틱(10) 10개, 제2 렌즈군에 속한 각각의 엘이디(100)는 집광렌즈(200)의 중심축을 중심으로 16개가 회전 대칭 배열을 하여 수행한 것으로, 제1 렌즈군에서 출사된 빛은 도4와 동일한 배광분포를 가지며, 제2 렌즈군에서 출사된 빛은 도7에 보인바와 같이, 0°주변이 움푹 들어간 형태의 배광분포를 가지게 되고, 이를 10M거리에 투사시키면 도8과 같이 중심이 어두운 형태의 조도분포를 가지게 된다.

도9는 제1 렌즈군의 엘이디(100)와, 제2 렌즈군의 엘이디(100)를 모두 점등 하였을 때 보이는 배광 분포이며, 반치각이 15°임을 보인다.

상기의 예시에서 보인바와 같이, 렌즈의 변경 없이 엘이디(100)의 배열과 조합만으로 반치각 10°, 15°을 모두 구현하는 것을 보였다. 마찬가지로, 엘이디(100)의 수량 및 위치를 적절히 조절하여 더욱 다양한 배광 분포를 구현 할 수 있다.

도11은 1개의 집광렌즈(200)가 있고, 집광렌즈(200) 중심축에서 D2만큼 떨어진 2개의 엘이디(100)를 적용하여 각기 엘이디(100)가 집광렌즈(200)를 공유하는 예를 보인 것이다. 이 경우 엘이디(100)가 2개이고 집광렌즈(100)는

공유되는 것이므로 2개의 집광옵틱(10)으로 취급 한다. 이렇게 구성할 경우, 집광렌즈(100)의 수를 줄이면서도 동일한 광속을 낼 수 있어 투광등의 크기를 최소화 할 수 있게 된다.

도12는 집광렌즈(200) 1개에 다수의 엘이디(100)가 배열되는 다른 예를 보인 것으로, 필요에 따라 A에서와 같이 사각 대칭형으로 배열 하여 사각형에 가까운 배광각을 가지게 할 수 있고, B와 같이 원대칭 배열을 하면 원 대칭 배광각을 가지게 할 수 있다. 비대칭 배광각을 만들기 위해 C, D와 같이 엘이디(100)를 배열 할 수도 있다.

도13은 집광렌즈(200)의 중심축으로 가장 먼 곳에 엘이디(100)가 위치한 제n렌즈군에 속한 집광옵틱(10)에 있어, 파장이 587.6nm인 빛에 대한 굴절률을 m, 중심 두께를 H1, 집광렌즈(200)의 입사면(210)과 출사면(220)이 엘이디(100)의 광축과 만나는 두 점 사이의 거리를 H2, 엘이디(100)의 광축과 집광렌즈(200)의 중심축 사이의 거리를 Dn이라고 할 때,

(식A)

을 만족해야 한다. 위 식A에서 1.585는 가시광선에 속하는, 파장이 587.6nm인 빛에서의 PC(Polycarbonate)의 굴절률이며, 렌즈에 가장 대중적으로 사용되는 소재 이므로, 이를 기준으로 집광렌즈(200)와 엘이디(100)의 관계를 정하였다. 만약, 식A를 만족하지 못하면, 심각한 효율 저하가 발생하게 된다. 도14는 식A를 만족하지 못할 경우 광경로에 대해 보인 것으로, 엘이디(100)에서

출발한 빛이 입사면(210)을 굴절후, 출사면(220)에서 렌즈 외부로 출광하지 못하고 전반사를 하여 노이즈광을 발생시키고 효율이 저하 되게 된다.

도15는 집광렌즈(200)의 변형을 보인 것으로, 상기 집광렌즈(200)는 중심축을 포함하는 엘이디(100)의 상측에 위치하여 엘이디(100)로부터 입사된 빛을 굴절시키는 입사면(210), 입사면(210)으로부터 전달된 빛을 굴절시켜 렌즈 외부로 출광시키는 출사면(220);

입사면(210)의 외측에 위치하여 측방으로 발산한 빛을 굴절시키는 측면(230);

측면(230)에서 굴절된 빛을 전반사 시키는 전반사면(240);

전반사된 빛을 출광시키는 상단면(250); 으로 구성된다.

상기와 같이 구성되면 엘이디(100)에서 출발한 빛 중, 입사면(210)에 도달하지 못하고 측면(230)을 향하는 빛을 전반사를 이용해 렌즈 외부로 출사 시킬 수 있게 되어 효과적으로 집광 시킬 수 있다.

도16은 집광옵틱(10)의 변형을 보인 것으로, 출사면(220)이 평면으로 구성 되어, 입광면(210)과 전반사면(240)으로부터 전달받은 빛을 모두 굴절시켜 출사 시킨다.

도17은 집광옵틱(10)의 변형을 보인 것으로, 출사면(220)이 색분해를 방지하기 위해, 마이크로렌즈어레이로 구성될 수 있다.

도18은 집광옵틱(10)의 변형을 보인 것으로, 입사면(210)이 측면(230)에 비해 클 경우에는, 출사면(220)의 외곽 끝단과 상단면(250) 사이를 연결하는 연결면(260)이 포함된다.

10: 집광옵틱
100: 엘이디
200: 집광렌즈
210: 입사면
220: 출사면
230: 측면
240: 전반사면
250: 상단면
260: 연결면

Claims (4)

1. 엘이디가 있고 엘이디 상측에 위치하여 엘이디로부터 출발한 빛을 모아주는 집광렌즈로 구성된 집광옵틱;
   상기 집광옵틱 다수가 어레이되도록 구성되고;
   어레이된 집광옵틱 중, 엘이디의 광축과 집광렌즈의 중심축 사이의 거리가 D1인 곳에 위치하는 집광옵틱들의 모임을 제1 렌즈군;
   엘이디의 광축과 집광렌즈의 중심축 사이의 거리가 D2인 곳에 위치하는 집광옵틱들의 모임을 제2 렌즈군;
   엘이디의 광축과 집광렌즈의 중심축 사이의 거리가 Dn인 곳에 위치하는 집광옵틱들의 모임을 제n 렌즈군;
   이라고 할 때, 상기 제1 렌즈군 내지 제n렌즈군이
   0≤D1≤D2≤ㆍㆍㆍ≤Dn, (n은 자연수)
   을 만족하고;
   제n렌즈군에 속한 집광옵틱에서, 파장이 587.6nm인 빛에 대한 집광렌즈의 굴절률을 m, 중심 두께를 H1, 집광렌즈의 입사면과 출사면이 엘이디의 광축과 만나는 두 점 사이의 거리를 H2, 엘이디의 광축과 집광렌즈의 중심축 사이의 거리를 Dn이라고 할 때, 다음을 만족하는 것을 특징으로 하는 투광등 장치.
   
2. 삭제
3. 제1 항에 있어;
   상기 집광옵틱은 한 개의 집광렌즈에 다수의 엘이디가 구비되어 다수의 엘이디가 하나의 렌즈를 공유하는 것을 포함하는 투광등 장치.
4. 제1 항에 있어;
   상기 집광렌즈는 중심축을 포함하는 엘이디의 상측에 위치하여 엘이디로부터 입사된 빛을 굴절시키는 입사면, 입사면으로부터 전달된 빛을 굴절시켜 렌즈 외부로 출광시키는 출사면;
   입사면의 외측에 위치하여 측방으로 발산한 빛을 굴절시키는 측면;
   측면에서 굴절된 빛을 전반사 시키는 전반사면;
   전반사된 빛을 출광시키는 상단면;
   으로 구성되는 것을 포함하는 하는 투광등 장치.