KR20020005938A - 광원의 광효율 극대화를 위한 비구면 특성의 타원형반사경 및 구면렌즈를 구비한 조명장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 광원의 광효율 극대화를 위한 램프 반사경을 포함하는 조명장치에 관한 것이다.

이러한 본 발명은 전원 공급부(1), 비구면 특성을 갖는 타원형 반사경(31), 광원(3), 비구면 특성의 구면렌즈(32)를 포함하여 구성되며, 전원 공급부(1)는 비구면 특성의 타원형 반사경(31)의 제 1 초점 상에 위치하는 광원(3)이 빛을 방출하기 위한 에너지로서의 전류와 전압을 인가 시키는 부분이고, 비구면 특성을 갖는 타원형 반사경(31)은 외부에서 평행하게 입사된후 비구면 특성의 구면렌즈에서 굴절된 후, 타원형 반사경(31)에 의하여 반사되어 타원의 초점부에 빛의 다발이 퍼짐이 없이 모이도록 하는 특성을 갖음으로서, 초점에 광원을 위치시키는 경우 본 발명에 따르는 반사경과 구면렌즈에 의해 조명되어 진행하는 빛의 다발은 100%의 평행광을 이루며 진행하게된다.

본 발명에 의하면, 비구면 특성의 타원형 반사경과 비구면 특성의 구면렌즈를 사용하여 빛의 다발의 크기를 줄여줌과 동시에 100%의 평행광을 유도함으로써 빛의 손실을 최소화하고 광학엔진의 성능 저하를 막을 수 있는 효과가 있다.

Description

광원의 광효율 극대화를 위한 비구면 특성의 타원형 반사경 및 구면렌즈를 구비한 조명장치 {A illumination equipment with nonspherical ellipsoid type Light Source Reflector and concave lense to maximize lighting efficiency}

본 발명은 광원(light source)의 광효율을 극대화하는 램프 반사경(lamp reflector) 및 비구면 특성의 구면렌즈(lense)로 구성된 조명장치에 관한 것이다.

종래에 있어서 타원형 반사경(reflector)및 구면렌즈를 사용한 조명장치의 전체 구성이 도 1에 도시되어있다.

도 1에 도시된 바와 같이 종래에 있어서의 조명장치는 광원, 포물면 또는 타원형 반사경, 및 구면 렌즈(concave lense)로 구성된다.

상술된 광원은 일반적인 전구이며, 그 위치가 포물면 반사경 또는 타원형 반사경의 초점에 위치하여 반사경의 반사면에서 반사되어 평행광선을 이루도록 한다. 여기서 타원형 반사경을 사용하는 경우 타원의 두개의 초점중 하나인 제 1 초점(도면에서 타원의 우측초점을 말함)부에 위치한 광원의 빛이 타원형 반사경에 반사되어 타원의 또 다른 초점인 제 2 초점(도면에서 타원의 좌측초점을 말함:도면에 도시되어 있지 않음)부에 수렴되기 때문에 이를 평행 광선으로 만들기 위해서 구면렌즈를 광 경로상에 삽입하게 된다.

상술된 도 1의 동작과정을 구체적으로 설명하면, 전구의 전원 접촉부(1)에 전류 및 정압이 인가되면 타원형 반사경(2)의 제 1 초점에 위치하는 광원(3)에서 빛이 발산되게 된다. 발산된 빛은 타원형 반사경(2)의 반사면에서 반사되어 광원(3)이 위치한 초점이외의 다른 타원의 제 2 초점에 발산된 빛이 수렴되게 된다. 이러한 경우 제 2 초점에 수렴되는 빛을 평행 광선으로 바꾸기 위하여 광경로상에 구면렌즈를 삽입하여야 한다.

전술된 구성의 경우에 있어서, 광효율을 최대화하기 위해서는 발산광을 최대한 사용할 수 있게 해주어야 하는데, 광원으로부터 나오는 빛은 일정한 각으로 발산하기 때문에 발산광을 최대한 사용하기 위해서는 이 발산각 내의 빛을 최대한 수용해 주어야 한다. 전술된 빛을 최대한 수용하기 위해서는 반사경의 수용각을 크게 해주어야 하는데 종래의 타원형 반사경과 구면렌즈로 구성된 조명장치에 있어서는 반사경의 수용각이 커지게 되면 반사경의 크기와 빛 다발의 크기가 필요이상으로 커지는 문제점이 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 일반적인 평행 광선을 요하는 조명구에서는 광다발을 줄이기 위한 목적으로 도 1 에 도시된 바와 같은 타원형 반사경과 구면렌즈 즉 컨케이브 렌즈를 사용하여 왔으나, 전술된 렌즈를 통하고 타원형 반사경에 의해 반사되어 타원의 초점에 빛이 수렴하도록 역으로 평행광선을 조사하면 도시된 도 1의 광원(3)이 위치하는 초점에서 역광에 의한 초점이 정확하게 한 점에 수렴되지 않고 퍼짐으로써 광효율이 낮아지는 문제점이 있다. 따라서기존의 타원형 반사경(2)을 사용한 경우에 광다발의 크기는 줄여 줄 수 있으나, 최종적으로 나오는 빛의 다발이 완벽하게 평행광이 되지 못하는 문제가 있으며, 평행광이 아닌 빛의 다발이 광학엔진부에 유입되는 경우, 광학엔진의 성능을 저하시키게 되어 평행광이 되지 못한 빛의 양 만큼의 광량의 손실이 발생하고, 광학 엔진의 성능을 저하 시키는 문제점이 있었다.

이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서,

상술된 광다발의 크기를 작게 하고 반사경의 크기를 감소시키기 위해 종래의 타원형 반사경과 구면렌즈 대신에 비구면 요소가 첨가된 반사경과 비구면 요소가 첨가된 렌즈를 사용하여 광원에서 방출되는 광다발의 평행성을 증가 시키고, 평행광을 역으로 조사 했을 경우에 렌즈를 통하고 반사경에 의해 반사되어 초점에 수렴되는 빛이 퍼짐없이 정확한 초점에 모이게 구성함으로써 광효율을 극대화 시키는 비구면 특성의 타원형 반사경 및 비구면 특성의 구면렌즈로 구성된 조명장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.

도 1 은 종래의 타원형 반사경과 구면 렌즈로 구성된 조명장치를 나타내는 도면.

도 2 는 종래 기술에 있어서 타원형 반사경과 구면렌즈로 구성된 조명장치에 의한 광 경로를 나타내는 도면.

도 3 은 본 발명에 따르는 비구면 요소를 첨가한 타원형 반사경과 비구면 렌즈로 구성된 조명장치를 나타내는 도면.

도 4 는 본 발명에 따르는 비구면 요소를 첨가한 반사경과 비구면 렌즈로 구성된 조명장치에 의한 광경로도를 나타내는 도면.

도 5 는 본 발명에 따르는 타원형 반사경 및 비구면 렌즈로 구성된 조명장치가 차지하는 공간을 최소화 하기 위하여 평면 반사경이 타원형 반사경 및 구면렌즈 사이의 광경로에 삽입된 구성을 나타내는 도면.

* 도면의 중요 구성요소에 대한 부호의 설명 *

1 : 전원 공급부

2 : 타원형 반사경

3 : 광원

4 : 구면 렌즈

5 : 수렴광원부

31 : 비구면 특성의 타원형 반사경

32 : 비구면 특성의 구면렌즈

51 : 평면 반사경

전술된 종래 기술에서의 문제점을 극복하며 또한 전술된 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따르는 광원의 광효율 극대화를 위한 조명장치는 비구면 특성을 갖는 타원형 반사경, 타원형 반사경의 초점에 위치하는 광원, 전술된 광원에서 방출된 광의 다발이 비구면 특성의 타원형 반사경에 의해 반사된 광 다발을 평행광선으로 변환하는 비구면 특성의 구면렌즈를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.

도 3 은 본 발명에 따르는 비구면 요소를 첨가한 반사경과 비구면 렌즈를 사용한 경우의 램프 반사경의 구성을 나타내는 도면으로서,

도 3 에 도시된 바와 같이, 전원 공급부(1), 비구면 특성을 갖는 타원형 반사경(31), 광원(3), 비구면 특성의 구면렌즈(32)가 수평축을 중심으로 소정의 위치에 서러 마주 보며, 수평면에 대하여 수직으로 위치하여 구성된다.

전술된 전원 공급부(1)는 비구면 특성의 타원형 반사경(31)의 제 1 초점 상에 위치하는 광원(3)이 빛을 방출하기 위한 에너지로서의 전류와 전압을 인가 시키는 부분이다.

종래의 타원형 반사경이 외부에서 입사되고, 타원형 반사경에 의하여 반사되어 타원의 초점부에 빛이 모이도록 구성된 경우 초점의 퍼짐이 정확하게 타원의 초점을 이루는 한 점에 모이지 않는 성향을 보이는데, 전술된 비구면 특성을 갖는 타원형 반사경(31)은 이러한 종래의 타원형 반사경에서의 초점에 수렴되지 않는 문제점을 없애고 한점에 모일수 있도록 하는 특성을 갖는다. 이러한 과정이 도 3 의 초점부에 수렴되는 빛을 나타내는 수렴광원부(5)에 도시되어 있다.

전술된 비구면 특성의 구면렌즈(32)는 종래에 있어서 타원형 반사경에 의해 광원으로부터 방출된 빛이 평행광선을 이루며 진행하도록 한 것과 동일하게, 비구면 특성의 타원 반사경(31)에 의해 반사된 빛이 평행하게 진행하도록 빛의 다발을 굴절시켜 주는 비구면 특성을 갖는다.

상기의 비구면 특성을 나타내는 계수들은 비구면 특성을 나타내는 다항식의 차수 및 상수에 의해 결정된다.

비구면 특성을 나타내는 다항식은 다음과 같다.

여기서 z 는 z 축에 평행한 평면의 오목한 정도를 나타내며, c는 표면의 극점에서의 곡률 반경을 나타내고, k는 코닉상수를 나타낸다. 그리고 h²= x²+ y²인 관계가 있다. 이하 코닉상수의 크기에 따른 구면 특성의 설명은 생략한다.

전술된 비구면 특성의 타원형 반사경(31)의 비구면 계수는 비구면 다항식의 초기 4개의 차수의 계수값으로서 순서대로 h의 4차항의 계수인 A = -0.286454E-05, h의 6차항의 계수인 B = 0.149859E-09, h의 8차항의 계수인 C = -0.130846E-11, h의 10차항의 계수인 D = 0.439584E-15 이고, 코닉상수(conic constant)는 -18.96959이며, 반사경의 반경은 37.5mm이다.

전술된 비구면 특성의 구면렌즈(32)는 그 비구면 계수가 h의 4차항의 계수인 A = 0.152690E-04, h의 6차항의 계수인 B = -0.111870E-08, h의 8차항의 계수인 C = -0.618050E-11, h의 10차항의 계수인 D = 0.891499E-14를 가지며, 비구면 특성의 구면렌즈의 좌측부에 구성된 오목면의 반경은 24.5mm 이고, 우측면의 평면은 가로 세로가 30mm 이다.

전술된 비구면 특성의 타원형 반사경(31) 및 구면렌즈(32)의 크기는 전술된 수치에 한정되지 아니하며, 적절한 비례에 의해 그 크기가 조절될 수 있음은 자명한 사실이다.

도 4 는 본 발명에 따르는 비구면 요소를 첨가한 반사경과 비구면 렌즈를 사용한 경우의 광경로(41)도를 나타내는 도면으로서 본 발명에 따르는 램프 반사경의 작용을 설명한다.

본 발명에 따른 조명장치의 동작은, 먼저 전원 공급부(1)에 의하여 전류와 전압이 인가되면, 타원의 제 1 초점에 위치하는 광원(3)에서 전원공급부의 길이 방향과 수직방향으로 좌우 45도 정도의 각도를 이루며 빛이 방출되고, 방출된 빛은 비구면 특성을 갖는 타원형 반사경(31)에 의하여 반사되어 타원의 또 다른 초점인 제 2 초점에 수렴하도록 하는 광경로(41)를 따라 진행하여, 비구면 특성의 타원형 반사경(31)의 전면, 그리고 빛 다발이 진행하는 광 경로상에서 광경로(41)의 축과 수직을 이루며, 타원 반사경과 소정의 거리를 두고 서로 마주 하며 위치하는 비구면 특성의 구면렌즈(32)에 도달하게 된다. 비구면 특성의 구면렌즈(32)에 도달한 빛의 다발은 렌즈의 특정 비구면 특성 부위에 따라 입사되는 빛의 다발들이 서로 다른 굴절률을 가지고 굴절되어 평행한 빛의 다발로 변환되어 조명되게 된다.

도시된 도 4에 있어서 본 발명의 특징은, 광원에서 빛이 방출되는 경우의 광경로(41)의 역방향에서 평행 광선을 비추면, 비구면 특성의 구면레즈(32)에서 굴절되고 비구면 타원형 반사경(31)에 의하여 반사되어 타원의 제 1 초점부에 퍼짐없이 수렴한다는 것이다. 이러한 특성은 도 4의 수렴광원부(5)에 도시되어 있다. 이것은종래 기술에서의 타원형 반사경과 구면렌즈를 사용하는 경우에서 입사된 평행한 빛의 다발이 도 1에 도시된 바와 같이 초점을 중심으로 넓게 퍼져 수렴된다는 것과 비교하면 그 차이가 확연함을 알 수 있다.

도 5 는 본 발명에 따르는 반사경 및 렌즈의 구성이 차지하는 공간을 최소화 하기 위하여 평면 반사경이 비구면 특성의 타원형 반사경 및 비구면 특성의 렌즈 사이의 광경로(41)에 삽입된 구성을 나타내는 도면으로서,

도 4 에 도시된 전체 구성 및 광경로(41)에 의해 차지하는 램프 반사경의 전체 체적을 줄이기 위하여, 비구면 특성의 타원 반사경(31)과 비구면 특성의 구면렌즈(31) 사이에 위치하여 광경로를 90도 변경하는 평면 반사경(51)을 삽입한 본 발명에 따른 또 다른 실시예를 나타낸다.

본 발명에 따르는 비구면 특성의 타원형 반사경 및 비구면 특성의 구면 렌즈를 사용한 조명장치는 기존의 타원형 반사경(2) 및 구면렌즈(4)를 사용한 경우에 , 최종적으로 나오는 빛의 다발이 완벽하게 평행광이 되지 못하는 문제를 극복하고, 빛의 다발의 크기를 줄여줌과 동시에 100%의 평행광을 만들어 조명할 수 있게 됨으로써 빛의 손실을 최소화하고 광학엔진의 성능 저하를 막을 수 있는 효과가 있다.

Claims (7)

1. 비구면 특성을 갖는 타원형 반사경;

   비구면 특성을 갖는 구면렌즈; 및

   상기 타원형 반사경의 제 1 초점부에 위치하는 광원을 포함하여 구성되며,

   상기 구성요소들이 광경로상에 수직으로 서로 마주하며 위치하고, 상기 광원에서 방출된 빛이 상기 타원형 반사경에서 반사되어 상기 타원형 반사경의 제 2 초점부에 수렴하도록 일정한 광경로축을 중심으로 진행하여, 상기 비구면 특성의 구면렌즈에서 굴절되어 100%의 평행광선을 생성하는 것을 특징으로 하는 광원의 광효율 극대화를 위한 비구면 특성의 타원형 반사경 및 구면렌즈를 구비한 조명장치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 타원형 반사경은,

   비구면 다항식의 초기 4개의 차수의 계수값으로서 순서대로 h의 4차항의 계수인 A = -0.286454E-05, h의 6차항의 계수인 B = 0.149859E-09, h의 8차항의 계수인 C = -0.130846E-11, h의 10차항의 계수인 D = 0.439584E-15인 것을 것을 특징으로 하는 광원의 광효율 극대화를 위한 비구면 특성의 타원형 반사경 및 구면렌즈를 구비한 조명장치.
3. 제 1항에 있어서, 상기 타원형 반사경은,

   비구면 코닉상수가(conic constant) 18.96959 인 것을 특징으로 하는 광원의광효율 극대화를 위한 비구면 특성의 타원형 반사경 및 구면렌즈를 구비한 조명장치.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 비구면 특성의 타원형 반사경은,

   반사경의 반경이 37.5mm인 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 광원의 광효율 극대화를 위한 비구면 특성의 타원형 반사경 및 구면렌즈를 구비한 조명장치.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 구면렌즈는,

   비구면 계수가 h의 4차항의 계수인 A = 0.152690E-04, h의 6차항의 계수인 B = -0.111870E-08, h의 8차항의 계수인 C = -0.618050E-11, h의 10차항의 계수인 D = 0.891499E-14인 것을 특징으로 하는 광원의 광효율 극대화를 위한 비구면 특성의 타원형 반사경 및 구면렌즈를 구비한 조명장치.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 구면렌즈는,

   상기 비구면 특성의 상기 구면렌즈의 좌측부에 구성된 오목면의 반경이 24.5mm 이고, 우측면의 평면은 30mm인 것을 특징으로 하는 광원의 광효율 극대화를 위한 비구면 특성의 타원형 반사경 및 구면렌즈를 구비한 조명장치.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 조명 장치는,

   상기 구면렌즈와 상기 타원형 반사경이 서로 90도를 이루고 구성된 광경로 상에서 45도 각도로 위치하는 평면 반사경을 갖는 것을 특징으로 하는 광원의 광효율 극대화를 위한 비구면 특성의 타원반사경 및 구면렌즈를 구비한 조명장치.