KR20120014325A - 광학 렌즈 및 조명 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 광학 렌즈 및 이를 이용한 조명 장치에 관한 것으로서, 본 발명의 일 측면은, 광 입사 영역으로 제공되며, 표면 중 적어도 일부 영역에 형성된 마이크로 렌즈 어레이를 구비하는 입사부, 상기 입사부와 소정 거리 이격 배치되며, 상기 입사부를 거친 광 중 적어도 일부를 반사시키는 반사부 및, 상기 입사부 및 반사부를 연결하며, 상기 반사부에 의하여 반사된 광을 투과시키는 측면부를 포함하는 광학 렌즈를 제공한다.
본 발명에서 제안하는 광학 렌즈를 사용할 경우, 광원으로부터 입사된 광이 외부로 방출되면서 광축과 이루는 각도가 커지므로, 광원의 지향각이 향상된 효과를 가져올 수 있다.

Description

광학 렌즈 및 조명 장치 {Optical Lens and Lighting Apparautus}
본 발명은 광학 렌즈 및 이를 이용한 조명 장치에 관한 것으로, 특히, 지향각이 향상된 광학 렌즈를 사용함으로써 광범위한 용도의 조명으로 사용되기에 적합한 배광 곡선을 갖는 조명 장치에 관한 것이다.
반도체 광원의 일 종인 발광 다이오드(LED)는 전류가 가해지면 p, n형 반도체의 접합 부분에서 전자와 정공의 재결합에 기하여, 다양한 색상의 빛을 발생시킬 수 있는 반도체 장치이다. 이러한 발광 다이오드는 필라멘트에 기초한 광원에 비해 긴 수명, 낮은 전원, 우수한 초기 구동 특성, 높은 진동 저항 등의 여러 장점을 갖기 때문에 그 수요가 지속적으로 증가하고 있다. 특히, 청색 계열의 단파장 영역의 빛을 발광할 수 있는 III족 질화물 반도체가 각광을 받고 있다.
최근에는 이러한 발광 다이오드를 이용하여 백열등이나 형광등과 같은 종래의 조명 장치를 대체하기 위한 시도가 있다. 그러나, 발광 다이오드의 경우에는 빛이 모든 방향으로 균일하게 방출되기보다는 특정 방향으로만 빛이 방출되며, 통상적으로 지향각은 120° 정도의 수준이다. 이러한 배광 특성은 모든 방향으로 빛을 방출하는 백열등이나 형광등과 비교하여 큰 차이를 보이는 것으로서 광범위한 용도의 조명 장치로 사용되기에 제약이 된다. 따라서, 발광 다이오드를 이용한 조명 장치의 경우, 광 방출 방향을 제어하는 렌즈를 이용하여 발광 다이오드를 이용한 조명 장치의 적용 범위를 확대할 수 있도록 설계할 수 있는 방안이 요구된다.
본 발명은 일 목적은 광원의 지향각을 향상시킬 수 있는 형상을 갖는 광학 렌즈를 제공하며, 나아가, 이러한 광학 렌즈를 이용하여 광범위한 용도의 조명으로 사용되기에 적합한 배광 특성을 갖는 조명 장치를 제공하는 것이다.
상기 기술적 과제를 실현하기 위해서, 본 발명의 일 측면은,
광 입사 영역으로 제공되며, 표면 중 적어도 일부 영역에 형성된 마이크로 렌즈 어레이를 구비하는 입사부, 상기 입사부와 소정 거리 이격 배치되며, 상기 입사부를 거친 광 중 적어도 일부를 반사시키는 반사부 및, 상기 입사부 및 반사부를 연결하며, 상기 반사부에 의하여 반사된 광을 투과시키는 측면부를 포함하는 광학 렌즈를 제공한다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 마이크로 렌즈 어레이는, 입사부에 입사된 광의 적어도 일부를 굴절시키되 상기 반사부에서 전반사되는 각도로 굴절시키도록 제공될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 입사부 및 반사부는 서로 평행인 평면으로 형성되도록 제공될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 입사부는 반사부보다 큰 폭을 갖도록 제공될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 입사부 및 반사부는 원형이 되도록 제공될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 측면부는 외측으로 볼록한 곡면 형상을 갖도록 제공될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 마이크로 렌즈 어레이는 상기 입사부의 하면상에 돌출된 반구형상을 갖는 마이크로렌즈로 이루어지도록 제공될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 마이크로 렌즈 어레이는 반구형, 원추형, 삼각뿔형, 사각뿔형 및 랜덤한 산란 형상의 마이크로 렌즈 중 적어도 하나를 포함하도록 제공될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 폴리카보네이트 및 아크릴 중 적어도 하나로 이루어지도록 제공될 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 측면은,
광원 및, 광 입사 영역으로 제공되며, 표면 중 적어도 일부 영역에 형성된 마이크로 렌즈 어레이를 구비하는 입사부, 상기 입사부와 소정 거리 이격 배치되며, 상기 마이크로 렌즈 어레이를 거친 광 중 적어도 일부를 반사시키는 반사부 및, 상기 입사부 및 반사부를 연결하며, 상기 반사부에 의하여 반사된 광을 투과시키는 측면부로 이루어지는 광학 렌즈를 포함하는 것을 특징으로 하는 조명 장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 마이크로 렌즈 어레이는, 입사부에 입사된 광의 적어도 일부를 굴절시키되 상기 반사부에서 전반사되는 각도로 굴절시키도록 제공될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 입사부 및 반사부가 서로 평행인 평면으로 형성도록 제공될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 반사부가 입사부보다 큰 폭을 갖도록 제공될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 반사부 및 상기 입사부가 원형으로 제공될 수 있다.
이 경우, 상기 입사부의 폭과, 상기 광원의 폭의 비가 1.8 이상 3.2 이하 이도록 제공될 수 있다.
이 경우, 상기 반사부의 폭과, 상기 광원의 폭의 비가 3 이상 4.2 이하 이도록 제공될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 광학 렌즈는, 상기 측면부가 외측으로 볼록한 곡면 형상이 되도록 제공될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 반사부와 상기 입사부간의 거리와, 상기 광원의 폭의 비가 0.46 이상 0.9 이하 이도록 제공될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 마이크로 렌즈 어레이가 하면 상에 돌출된 반구 형상을 가지는 복수의 마이크로 렌즈들을 포함하도록 제공될 수 있다.
이 경우, 상기 마이크로 렌즈 어레이는, 상기 마이크로 렌즈들 간의 간격이 일정하도록 제공될 수 있다.
이 경우, 상기 마이크로 렌즈들 간의 간격과 상기 광원의 폭의 비는 0.08 이하이도록 제공될 수 있다.
이 경우, 상기 복수의 마이크로 렌즈들의 반지름과 상기 복수의 마이크로 렌즈들 간의 간격의 비는 0.48 이상 0.62 이하 이도록 제공될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 광학 렌즈는, 폴리카보네이트, 아크릴 중 적어도 하나로 이루어지도록 제공될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 마이크로 렌즈 어레이가 형성되는 영역은 광원에 대응되는 영역보다 크게 제공될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 광원 하부에 배치된 방열 구조체를 더 포함하도록 제공될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 광학 렌즈와 상기 방열 구조체와의 사이에 고정부를 더욱 포함하도록 제공될 수 있다.
상기와 같이 이루어지는 본 발명에 따르면, 광 확산 기능을 수행하는 광학 렌즈를 배치함으로서, 발광 다이오드의 빛이 넓은 면적으로 퍼져나가 고르게 확산됨과 동시에, 우수한 광효율을 얻을 수 있다.
도 1 은, 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 렌즈의 대략적인 사시도이다.
도 2 는, 도 1의 광학 렌즈 하면에 광원이 배치된 조명 장치의 AB면을 잘라 나타낸 단면도로서, 광 경로 또한 함께 나타내고 있다.
도 3 은, 도 2의 조명 장치의 배광 곡선을 시뮬레이션하여 나타낸 것이다.
도 4 는, 마이크로렌즈 어레이를 제거한 도 1의 광학 렌즈에서, 렌즈 하면에 광원이 배치된 조명 장치의 AB면을 잘라 나타낸 단면도로서, 광 경로 또한 함께 나타내고 있다.
도 5 는, 도 4의 조명 장치의 배광 곡선을 시뮬레이션하여 나타낸 것이다.
도 6 은, 본 발명에서 제안한 광학 렌즈를 사용한 조명 장치를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 7 은, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 광학 렌즈의 상기 입사부의 반지름과, 상기 광원의 폭의 비를 시뮬레이션하여 나타낸 것이다.
도 8 는, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 광학 렌즈의 상기 반사부의 반지름과, 상기 광원의 폭의 비를 시뮬레이션하여 나타낸 것이다.
도 9 는, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 광학 렌즈의 상기 반사부와 상기 입사부간의 거리와, 상기 광원의 폭의 비를 시뮬레이션하여 나타낸 것이다.
도 10 은, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 광학 렌즈의 상기 마이크로 렌즈들 간의 간격과 상기 광원의 폭의 비를 시뮬레이션하여 나타낸 것이다.
도 11 는, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 광학 렌즈의 상기 복수의 마이크로 렌즈들의 반지름과 상기 복수의 마이크로 렌즈들 간의 간격의 비를 시뮬레이션하여 나타낸 것이다.
도 12 은, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 광학 렌즈의 단면도로서, 광학 렌즈를 이루는 각 부의 길이관계를 설명하기 위한 기호를 나타낸 것이다.
도 13 은, 본 실시 형태에 따른 조명 장치의 배광 곡선을 시뮬레이션하여 나타낸 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시형태들을 설명한다.
그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시형태는 당해 기술 분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.
도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 렌즈의 대략적인 사시도이다.
도 2 는 도 1의 광학 렌즈 하면에 광원이 배치된 조명 장치의 AB면을 잘라 나타낸 단면도로서, 광학 렌즈를 통과하여 진행하는 광 경로 또한 함께 나타내고 있다.
우선, 도 1 및 도 2를 참조하면, 본 실시 형태에서 제공되는 광학 렌즈(10)는, 입사부(13)와, 입사부(13)와 소정 거리 이격 배치되는 반사부(11) 및, 입사부(13) 및 반사부(11)를 연결하는 측면부(12)로 형성된 기본 구조를 갖도록 제공된다. 이 경우, 상기 광학 렌즈(10)는 전체적으로 속이 꽉 찬 투명한 접시와 유사한 형상을 이루도록 제공된다. 즉, 상기 입사부(13) 및 반사부(11)는 전체적으로 원형이면서 평면 형태를 가지고, 각 원의 중심이 일치하도록 제공되며, 동시에 서로 평행하여, 렌즈의 어느 부분에서도 항상 같은 거리만큼 이격되고 이와 같이 이격된 상기 입사부(13) 및 반사부(11)는, 상기 측면부(12)를 통하여 서로 연결된다. 본 실시 형태와 같이 상기 입사부(13)의 폭(또는 지름)은 상기 반사부(11)의 폭(또는 지름)보다 작도록 형성되는 경우에는 측면부(12) 역시 반사부(11)에서 입사부(13)로 진행할수록 점점 렌즈의 중심에 모이는 형상을 가지면서, 상기 입사부(13) 및 반사부(11)를 원형으로 따라 돌면서 광학 렌즈(10) 외측으로 볼록한 곡면 형태가 되도록 제공된다.
이와 같이 형성된 광학 렌즈(10)의 하부, 즉 입사부(13)의 하부 중심에 광원(2)이 배치된 경우에, 광원으로부터 출사된 광이 렌즈를 거쳐 최종적으로 외부로 방출되는 과정을 도 2 를 통하여 구체적으로 설명한다.
도 2 를 참조하면, 본 실시 형태의 경우, 광원(2)은 발광 다이오드로 제공된다. 상술한 바와 같이 발광 다이오드는 통상적으로 지향각이 120° 정도의 수준에 머무는 배광 특성을 가지므로, 광원(2)에서 출사된 광은 넓게 퍼지지 못하고 대부분이 상부로 출사된다. 이때 출사된 광은 광원(2) 상부 중심에 인접하여 평행하게 배치된 광학 렌즈(10)의 입사부(13)에 도달하게 된다. 이 중 일부의 광은 상술한 마이크로 렌즈 어레이(14)에 입사하게 될 것이고, 일부의 광은 마이크로 렌즈 어레이(14)가 형성되지 않은 평면의 입사부(13)에 도달하고, 또 다른 일부의 광은 광학 렌즈(10) 방향으로 유도되지 않고 공기중으로 방산되거나, 또는 광학 렌즈(10)의 반사부(13)에서 반사, 혹은 전반사되어 방산된다. 이 경우, 최대한 많은 양의 광이 광학 렌즈(10)에 입사하는 것이 바람직하다. 이는 발광 다이오드의 특성인 좁은 지향각을 가지는 광을 광학 렌즈(10)을 통하여 분산시키고자 하는 본 실시 형태의 목적을 이루기 위하여 중요한 요소가 된다. 따라서, 본 실시 형태에서는 마이크로 렌즈 어레이(14)가, 입사부(13)에 형성되되, 광원의 폭보다 넓은 면적에 형성되도록 제공된다. 이와 같이 함으로써, 입사부(13)에서 반사, 전반사되어 광학 렌즈(10)에 입사되지 못하고 방산되는 광의 양을 최소화하여 궁극적으로는 배광 특성의 향상에 기여하게 된다.
상술한 바와 같이 마이크로 렌즈 어레이(14)에 입사된 광은, 굴절을 통하여 진행 방향이 바뀌게 된다. 이 경우, 마이크로 렌즈 어레이(14)에 입사될 때의 입사각보다, 출사될 때의 출사각이 커지는 것이 바람직한데, 이는 반사부(11)의 작용과 관계되어 설명되어야 하므로, 자세한 설명은 후술하기로 한다. 이와 같이, 마이크로 렌즈 어레이(14)는 입사된 광이 광학 렌즈(10)의 입사부(13)과 이루는 각도를 크게 하는 것이므로, 이와 같은 기능을 최대한 발휘할 수 있는 형태로 형성되는 것이 바람직하다. 빛의 굴절은 서로 굴절률이 다른 매질이 만나는 경계면에서 빛이 진행방향을 바꾸는 것으로서 각 매질의 굴절률 및 계면과 빛의 진행방향이 이루는 각도를 조절함으로써 출사된 빛을 원하는 방향으로 유도하는 것이 가능하다.
본 실시예에서는 마이크로 렌즈 어레이(14)를 이루는 복수의 마이크로 렌즈들은 입사부(13)에서 외부로 돌출된 반구형상을 갖는 것으로 제공된다. 이와 같이 함으로써, 마이크로 렌즈 어레이(14)에 입사된 빛의 상당수가 큰 출사각을 가지면서 출사될 수 있다. 그러나, 본 발명은 이와 같은 실시 형태에 한정되는 것이 아니며, 상기 마이크로 렌즈 어레이는 반구형, 원추형, 삼각뿔형, 사각뿔형 및 랜덤한 산란 형상 또는 이들을 혼합한 형태 등 실시 형태에 따라 다양하게 형성될 수 있다.
상술한 바와 같이, 마이크로 렌즈 어레이(14)는 입사한 빛을 큰 출사각으로 굴절시키는 역할을 수행하나, 광학 렌즈(10)의 입사부(13)에 입사한 광이 모두 위와 같이 굴절되는 것은 아니다. 즉, 광원(2)으로부터 입사부(13)에 입사한 광은 마이크로 렌즈 어레이(14)가 형성되지 않은 영역을 통해 입사하거나, 혹은 마이크로 렌즈 표면에서 반사될 수 있고, 마이크로 렌즈 어레이(14)를 통해 입사하여도 입사된 위치 및 입사각도에 따라 거의 굴절되지 않고 그대로 직진할 수 있다.
상술한 바와 같이 입사부(13)을 통하여 입사 및 굴절된 빛 중, 극히 일부의 광은 측면부(12)로 직접 진행하여 최종적으로 출사되고, 대부분의 광은 반사부(11)로 진행한다. 반사부(11)는 도 2 에서 보듯이 공기와 평면 형태의 계면을 이루고 있으므로, 일정한 임계각을 초과하는 입사각의 광에 대하여는 전반사가 일어나게 된다. 상술한 바와 같이 입사부(13)에서의 굴절이 크게 일어나지 않고 거의 직진하여 반사부(11)에 도달한 광은 입사각이 임계각을 초과하지 않으므로 굴절하여 공기와의 계면을 통과하면서 최종 출사된다. 이 과정에서도 광들은 저마다 서로 다른 출사각을 가지면서 산란되어 출사되지만, 이것만으로는 발광 다이오드의 지향각이 향상되는 정도의 유의할만한 효과를 얻기는 어렵다. 그러나, 임계각을 초과하는 입사각의 광은 전반사를 일으켜 광학 렌즈(10)의 외부로 출사되지 못하고 측면부(12)방향으로 진행하거나, 또는 다시 입사부(13)으로 진행한다.
이와 같이, 반사부(11)에서의 입사각을 크게 함으로서 광을 측면부(12)방향으로 유도할 수 있는데, 그러한 역할을 하는 것이 마이크로 렌즈 어레이(14)임은 상술한 바와 같다.
측면부(12)로 유도된 광은 더이상 전반사하지 않고 광학 렌즈(10)외부로 출사되어야 하며, 만약 계속 전반사 혹은 반사된다면 의도하지 않게 외부로 출사되지 못하고 손실되는 빛이 생기므로, 이와 같은 경우를 방지하기 위해서는 측면부(12)에 입사되는 빛의 입사각을 작게 할 필요가 있다. 따라서 측면부(12)는 반사부(11)에서 전반사되는 빛이 최대한 수직에 가깝게 입사되도록 외측면으로 불룩하게 튀어나온 형태로 제공된다.
이와 달리, 다시 입사부(13)으로 진행한 광은 입사부(13)을 통해 직접 외부로 출사되거나, 입사각이 큰 경우 재차 전반사 될 수 있다. 이와 같이 전반사를 거듭하는 경우에 있어서도, 빛은 측면부(12)를 향하여 진행할 수 밖에 없으므로, 결과적으로는 측면부를 통하여 출사되고, 빛의 손실이 일어나지는 않는다.
상술한 바와 같이 광학 렌즈(10)는, 광학 렌즈 어레이(14)를 구비한 입사부(13)을 통하여 입사된 빛이, 일부(L1)는 직접 반사부(11)을 통과하여 광학 렌즈(10) 상면으로 출사되고, 일부(L2)는 반사부(11)에서 전반사하여 측면부(12)을 통하여 측면으로 최종 출사 되며, 일부(L3)는 전반사를 거듭하여 측면부(12)혹은 입사부(13)을 통하여 출사된다. 이와 같이, 렌즈가 없는 경우 지향각이 120도 가량에 머물던 발광 다이오드의 경우에도, 상면에 본 실시예에서의 광학 렌즈(10)를 배치함으로서 측면과 후면까지도 빛을 조사하는 것이 가능해진다.
도 3은 도 2의 조명 장치의 배광 곡선을 시뮬레이션하여 나타낸 것이다. 도 3을 참조하면, 광원에서 출사된 빛이 본 실시 형태의 광학 렌즈(10)를 통하여 배광 특성이 향상되었음을 알 수 있다.
도 4는 마이크로렌즈 어레이(14)를 제거한 도 1의 광학 렌즈에서, 렌즈 하면에 광원(4)이 배치된 조명 장치의 AB면을 잘라 나타낸 단면도이다.
도 4를 참조하면, 입사부(43)에 마이크로렌즈 어레이(14)를 형성하지 않은 점을 제외하고는 도 1 및 도 2에 도시된 광학 렌즈(10)과 동일한 형태의 광학 렌즈(40)가 도시되고 있다. 즉, 광원(4)상에 입사부(43), 측면부(42) 및 반사부(41)로 구성된 광학 렌즈(40)의 단면도로서, 광원(4)으로부터 입사된 광(L4, L5)의 경로 또한 함께 나타내고 있다. 이 경우, 마이크로 렌즈 어레이가 없는 경우 입사부(43)으로 입사되는 광 중 대부분(L4, L5)이 큰 출사각을 갖도록 굴절되지 못하여 반사부(41)에서 전반사되지 못하고 그대로 최종 출사되는 것을 알 수 있다.
도 5 는 도 4의 조명 장치의 배광 곡선을 시뮬레이션하여 나타낸 것이다. 도 5 를 참조하면, 본 실시 형태의 광학 렌즈(40)를 배치하여도, 마이크로렌즈 어레이(14)를 제거하면 도 3의 경우에 비하여 배광 특성이 거의 향상되지 않음을 알 수 있다.
상술한 바와 같이, 광학 렌즈(10)는 일부의 광은 직진하고, 일부의 광은 굴절하도록 함으로서 자연스러운 광 산란을 유도하며, 이 과정에서 얼마나 많은 양의 광을, 어느정도로 굴절시키는가는 상술한 마이크로 렌즈 어레이(14)의 형태, 형성 범위 및, 광학 렌즈 제체의 형태와 마이크로 렌즈 어레이(14)간의 간격, 직경, 높이, 광원의 폭 등 다양한 변수를 조합하여 결정할 수 있는데, 이와 관련한 실시 형태에 대하여 구체적으로 설명한다.
도 6 은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 광학 렌즈를 나타낸 단면도로서, 광학 렌즈를 이루는 각 부의 길이관계를 설명하기 위한 기호를 나타낸 것이다.
도 7 내지 도 11은 도 6에서 정의된 각 부의 길이를 달리하는 경우에 후면으로 방사되는 광효율(Back Direction Efficiency)을 시뮬레이션하여 나타낸 것이다.
먼저 도 6을 참조하면, 광원(60)의 폭(S), 광학 렌즈(60)의 입사부(63)의 폭(D1), 반사부(61)의 폭(D2), 입사부(63)와 반사부(61)간의 거리(H)(즉, 광학 렌즈(60)의 높이), 마이크로 렌즈간의 간격(P), 반구형으로 형성된 마이크로 렌즈의 반지름(R)이 정의된 것을 알 수 있다.
또한, 도 7 내지 도 11을 참조하면, D1/S는 약 2.5의 값을 가지는 경우 최대의 효율을 발휘하며, 바람직하게는 1.8 내지 3.2 의 범위에서 유리한 효과를 기대할 수 있다. D2/S는 약 3.5의 값을 가지는 경우 최대의 효율을 발휘하며, 바람직하게는 3 내지 4.2 의 범위에서 유리한 효과를 기대할 수 있다. H/S는 약 0.5의 값을 가지는 경우 최대의 효율을 발휘하며, 바람직하게는 0.46 내지 0.9 의 범위에서 유리한 효과를 기대할 수 있다. P/S는 약 0.03의 값을 가지는 경우 최대의 효율을 발휘하며, 바람직하게는 0.08 이하의 범위에서 유리한 효과를 기대할 수 있다. r/P는 약 0.5의 값을 가지는 경우 최대의 효율을 발휘하며, 바람직하게는 0.48 내지 0.62 의 범위에서 유리한 효과를 기대할 수 있다.
한편, 상기 광학 렌즈(10, 40, 60)는 광 투과성이 있는 다양한 소재로 형성될 수 있으나, 바람직하게는, 폴리카보네이트 및 아크릴 중 적어도 하나로 이루어질 수 있다.
도 12는 본 발명에서 제안한 광학 렌즈를 사용한 조명 장치(100)를 개략적으로 나타낸 단면도이다. 본 실시 형태에 따른 조명 장치는 방열 구조체(150) 상에 회로 기판(140)이 배치되며, 회로 기판(140) 상에 광원(120)이 실장된다. 이 경우, 광원(120)은 복수의 발광 다이오드를 구비할 수 있다. 광원(120) 상부에는 앞선 실시 형태에서 설명한 광학 렌즈(110)가 배치되며, 광원(120)의 중심은 광학 렌즈(110)의 중심에 위치할 수 있다. 이 경우, 광원(120)에 비하여 광학 렌즈(110)의 폭이 큰 경우, 광학 렌즈(110)가 움직이지 않고 고정될 수 있도록 상기 방열 구조체와 광학 렌즈 사이에 고정부(160)를 배치할 수 있다. 또한, 방열 구조체(150)상에, 상기 광원(110) 및 광학 렌즈(110)을 둘러싸는 형태로 커버(130)를 배치할 수도 있다.
방열 구조체(150) 내부에는 광원(110)을 작동시키기 위한 구동 회로부(170)가 배치되며, 이와 연결되도록 전기 접속부(180)가 형성된다. 본 실시 형태에서 제안하는 조명 장치는 종래의 백열등과 유사한 형상을 가지며, 그 일 예를 나타낸 것일 뿐 필요에 따라 다양한 형상으로 변형될 수 있을 것이다.
도 13은 본 실시 형태에 따른 조명 장치의 배광 곡선을 시뮬레이션하여 나타낸 것이다. 도 13을 참조하면, 본 실시 형태의 광학 렌즈(110)를 사용한 조명 장치(100)를 통하여 배광 특성이 향상되었음을 알 수 있다.
이와 같이, 본 발명은 서술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 하며, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 점은 당 기술분야의 통상의 지식을 가지는 자에게는 자명할 것이다.
10, 40, 60, 110: 광학 렌즈 11, 41, 61: 반사부
12, 42, 62: 측면부 13, 43, 63: 입사부
14, 64: 마이크로 렌즈 어레이 2, 4, 6, 120: 광원
100: 조명 장치 130: 커버
140: 회로 기판 150: 방열 구조체
160: 고정부 170: 구동 회로부
180: 전기 접속부

Claims (26)

  1. 광 입사 영역으로 제공되며, 표면 중 적어도 일부 영역에 형성된 마이크로 렌즈 어레이를 구비하는 입사부;
    상기 입사부와 소정 거리 이격 배치되며, 상기 입사부를 거친 광 중 적어도 일부를 반사시키는 반사부; 및,
    상기 입사부 및 반사부를 연결하며, 상기 반사부에 의하여 반사된 광을 투과시키는 측면부;
    를 포함하는 광학 렌즈.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 마이크로 렌즈 어레이는, 입사부에 입사된 광의 적어도 일부를 굴절시키되 상기 반사부에서 전반사되는 각도로 굴절시키는 것을 특징으로 하는 광학 렌즈.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 입사부 및 반사부는 서로 평행인 평면으로 형성되는 것을 특징으로 하는 광학 렌즈.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 반사부는 입사부보다 큰 폭을 갖는 것을 특징으로 하는 광학 렌즈.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 입사부 및 반사부는 원형인 것을 특징으로 하는 광학 렌즈.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 측면부는 외측으로 볼록한 곡면 형상인 것을 특징으로 하는 광학 렌즈.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 마이크로 렌즈 어레이는 상기 입사부의 하면상에 돌출된 반구형상을 갖는 마이크로렌즈로 이루어지는 것을 특징으로 하는 광학 렌즈.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 마이크로 렌즈 어레이는 반구형, 원추형, 삼각뿔형, 사각뿔형 및 랜덤한 산란 형상의 마이크로 렌즈 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 렌즈.
  9. 제 1 항에 있어서, 폴리카보네이트 및 아크릴 중 적어도 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 광학 렌즈.
  10. 광원; 및,
    광 입사 영역으로 제공되며, 표면 중 적어도 일부 영역에 형성된 마이크로 렌즈 어레이를 구비하는 입사부, 상기 입사부와 소정 거리 이격 배치되며, 상기 마이크로 렌즈 어레이를 거친 광 중 적어도 일부를 반사시키는 반사부 및, 상기 입사부 및 반사부를 연결하며, 상기 반사부에 의하여 반사된 광을 투과시키는 측면부로 이루어지는 광학 렌즈;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 조명 장치.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 마이크로 렌즈 어레이는, 입사부에 입사된 광의 적어도 일부를 굴절시키되 상기 반사부에서 전반사되는 각도로 굴절시키는 것을 특징으로 하는 조명 장치.
  12. 제 10 항에 있어서, 상기 입사부 및 반사부가 서로 평행인 평면으로 형성되는 것을 특징으로 하는 조명 장치.
  13. 제 10 항에 있어서, 상기 반사부가 입사부보다 큰 폭을 갖는 것을 특징으로 하는 조명 장치.
  14. 제 10 항에 있어서, 상기 반사부 및 상기 입사부가 원형인 것을 특징으로 하는 조명 장치.
  15. 제 10 항에 있어서, 상기 입사부의 폭과, 상기 광원의 폭의 비가 1.8 이상 3.2 이하인 것을 특징으로 하는 조명 장치.
  16. 제 10 항에 있어서, 상기 반사부의 폭과, 상기 광원의 폭의 비가 3 이상 4.2 이하인 것을 특징으로 하는 조명 장치.
  17. 제 10 항에 있어서, 상기 광학 렌즈는, 상기 측면부가 외측으로 볼록한 곡면 형상인 것을 특징으로 하는 조명 장치.
  18. 제 10 항에 있어서, 상기 반사부와 상기 입사부간의 거리와, 상기 광원의 폭의 비가 0.46 이상 0.9 이하인 것을 특징으로 하는 조명 장치.
  19. 제 10 항에 있어서, 상기 마이크로 렌즈 어레이는, 하면 상에 돌출된 반구 형상을 가지는 복수의 마이크로 렌즈들을 포함하는 것을 특징으로 하는 조명 장치.
  20. 제 19 항에 있어서, 상기 마이크로 렌즈 어레이는, 상기 마이크로 렌즈들 간의 간격이 일정한 것을 특징으로 하는 조명 장치.
  21. 제 20 항에 있어서, 상기 마이크로 렌즈들 간의 간격과 상기 광원의 폭의 비는 0.08 이하인 것을 특징으로 하는 조명 장치.
  22. 제 20 항에 있어서, 상기 복수의 마이크로 렌즈들의 반지름과 상기 복수의 마이크로 렌즈들 간의 간격의 비는 0.48 이상 0.62 이하인 것을 특징으로 하는 조명 장치.
  23. 제 10 항에 있어서, 상기 광학 렌즈는, 폴리카보네이트, 아크릴 중 적어도 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 조명 장치.
  24. 제 10 항에 있어서, 상기 마이크로 렌즈 어레이가 형성되는 영역은 광원에 대응되는 영역보다 큰 것을 특징으로 하는 조명 장치.
  25. 제 10 항에 있어서, 상기 광원 하부에 배치된 방열 구조체를 포함하는 것을 특징으로 하는 조명 장치.
  26. 제 25 항에 있어서, 상기 광학 렌즈와 상기 방열 구조체와의 사이에 고정부를 포함하는 것을 특징으로 하는 조명 장치.
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