KR20120081842A - Ｌｅｄ용 조명렌즈 및 이를 이용한 어레이 타입 조명렌즈 - Google Patents

Ｌｅｄ용 조명렌즈 및 이를 이용한 어레이 타입 조명렌즈 Download PDF

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Abstract

본 발명은 LED용 조명렌즈 및 이를 이용한 어레이 타입 조명렌즈에 관한 것으로, 엘이디(LED) 발광소자에서 출력되는 광을 일정 출사각으로 조사시키기 위한 LED용 조명렌즈에 있어서, 몸체 전면에 구비되며, LED 발광소자에서 출력되는 광을 출사시키기 위해 임의의 곡률반경을 갖는 볼록 또는 평면 형상의 제 1비구면렌즈, 상기 LED 발광소자에서 출력되는 광을 집광하며, 상기 제 1비구면렌즈 후단에 구비되어 임의의 곡률반경을 갖고 상기 LED 발광소자가 수용되는 수용부 상부측에 구비되는 제 2렌즈, 상기 수용부를 둘러싸도록 구비되며, LED 발광소자에서 출력되는 광을 굴절시키는 입사부 및 상기 몸체 외주면에 형성되어 상기 입사부에서 출사되는 광을 반사시키는 반사부를 포함하여 구성되고, 상기 제 1비구면렌즈와 반사부의 비구면 계수값 Z는, 수학식
Figure pat00007
에 의해서 결정되는 것을 특징으로 한다.

Description

ＬＥＤ용 조명렌즈 및 이를 이용한 어레이 타입 조명렌즈{LED array type for the lighting lens and the lens using the same}
본 발명은 LED용 조명렌즈 및 이를 이용한 어레이 타입 조명렌즈에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 각도별 출사가 가능한 LED용 조명렌즈 및 이를 이용한 어레이 타입 조명렌즈에 관한 것이다.
일반적으로, 발광다이오드(Light Emitting Diode : LED)는 반도체의 P-N 접합 구조를 이용하여 주입된 소수의 캐리어를 만들어내고, 이들의 재결합에 의하여 발광시키는 전광변환 반도체 소자이다. 발광파장은 반도체에 첨가되는 불순물의 종류에 따라 다른데, 예컨대 인화갈륨인 경우, 아연 및 산소 원자가 관여하는 발광은 적색(파장 700nm)이고, 질소 원자가 관여하는 발광은 녹색(파장 550nm)이다. 발광 다이오드는 종래의 광원(光源)에 비해 소형이고, 수명이 길며, 전기에너지가 빛에너지로 직접 변환하기 때문에 전력이 적게 들고 효율이 좋다.
발광 표시 소자 또는 저조도 광원용으로 주로 사용되는 LED는 환경 친화성, 긴 수명, 저 전력 소모, 색 재현성, 고효율 발광성, 정밀 제어성 등에서 많은 장점을 가지고 있으며, 근래 들어 고휘도화 및 박형화라는 기술발전에 힘입어 그 활용 범위가 점차 확대되어 가고 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 집광렌즈(10)는 LED(2)의 광이 방사되는 측에 배치되어 설치된다. 상기 집광렌즈(10)는 몸체(11)의 전체가 투명한 유리와 같은 재질로 형성되고, 그 상면은 상방향으로 볼록한 곡면의 비구면 렌즈면(12)으로 형성된다. 이와 같이 형성된 비구면렌즈로 구성되는 집광렌즈(10)에 인해 120도 이상으로 방사되는 LED(2)의 광은 집광렌즈(10)의 평탄한 하면을 투과하여 상면의 비구면렌즈면(12)에서 대략 100도 미만의 방사각으로 집광되어 조사된다. 그러나, 이와 같이 이루어진 종래의 집광렌즈(10)는 비구면렌즈면(12)에 의해 광축(4) 부근에서는 집광효율이 다소 향상되지만, 이러한 집광효율은 광축(4) 부근에만 국한되게 형성되고, 광축(4)과 먼 집광렌즈(10)의 가장자리 부위에서는 광이 광축(4)과는 먼 외측방향으로 굴절되어 확산되므로 인해 원거리를 국부적으로 조명하는데 있어서는 한계가 있는 문제가 있었다.
또한, 기존의 조명렌즈의 경우 임의의 출사각을 설정하여 단품의 렌즈를 제작하였을 때 상기 조명렌즈를 어레이 타입(다수의 조명렌즈가 적용됨)으로 적용할 경우 최종 출사각을 결정을 위해서는 재설계할 필요성이 있는 문제점이 있었다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 제품의 소형화, 경량화를 실현할 수 있고, 제품 구성의 자유도를 증가시킬 수 있는 LED용 조명렌즈를 제공하고자 하는데 그 목적이 있다.
또한, 단품의 조명렌즈를 어레이 타입 적용 시 조명렌즈 설계 계수값에 따라 제조함으로써 별도의 재설계 없이 최종 출사각을 결정함에 따라 어레이 타입 조명렌즈 적용이 용이한 LED용 조명렌즈를 제공하고자 하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 엘이디(LED) 발광소자에서 출력되는 광을 일정 출사각으로 조사시키기 위한 LED용 조명렌즈에 있어서, 몸체 전면에 구비되며, LED 발광소자에서 출력되는 광을 출사시키기 위해 임의의 곡률반경을 갖는 볼록 또는 평면 형상의 제 1비구면렌즈, 상기 LED 발광소자에서 출력되는 광을 집광하며, 상기 제 1비구면렌즈 후단에 구비되어 임의의 곡률반경을 갖고 상기 LED 발광소자가 수용되는 수용부 상부측에 구비되는 제 2렌즈, 상기 수용부를 둘러싸도록 구비되며, LED 발광소자에서 출력되는 광을 굴절시키는 입사부 및 상기 몸체 외주면에 형성되어 상기 입사부에서 출사되는 광을 반사시키는 반사부를 포함하여 구성되고, 상기 제 1비구면렌즈와 반사부의 비구면 계수값 Z는, 수학식
Figure pat00001
에 의해서 결정되는 것을 특징으로 한다.
여기서, h(R)는 반지름, C는 곡률중심, K는 원추상수.
또한, 상기 제 2렌즈는, 비구면렌즈 또는 구면 렌즈이며, 내측으로 볼록한 형상 또는 평면, 오목하게 구비되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 LED용 조명렌즈는, 상기 몸체 전면의 직경이 10mm 이하를 가지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제 1비구면 렌즈와 반사부의 비구면 계수는, 출사각이 20도일 경우 K값이 -0.95 내지 -1, R값이 2.2 내지 2.6이며, 30도일 경우 K값이 -0.85 내지 -0.1, R값이 1.8 내지 2.4이며, 40도일 경우 -0.8 내지 -0.95, R값이 1.8 내지 2.2인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 LED용 조명렌즈가 고정패널에 다수개 구비되어 어레이 타입 조명렌즈를 구성하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 고정패널은, 상기 어레이 타입 조명렌즈를 외부 장치에 고정시키기 위한 고정부재를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기와 같이 구성되고 작용되는 본 발명은 제품의 소형화, 경량화를 실현할 수 있고, 더불어 제품 구성 자유도를 증가시킬 수 있는 이점이 있다.
또한, 손실을 최소화하면서 LED에서 출력되는 광을 출사시킬 수 있으며, 단품의 조명렌즈를 어레이 타입으로 적용 시 조명렌즈 설계 계수값에 따라 호환성을 갖기 때문에 별도의 재설계 없이 어레이 타입 조명용 렌즈 적용이 가능한 LED 조명렌즈를 제공하고 하는데 그 목적이 있다.
도 1은 종래기술에 따른 기술에 일예로 LED용 조명렌즈를 도시한 도면,
도 2는 본 발명에 따른 LED용 조명렌즈를 도시한 도면,
도 3은 본 발명에 따른 LED용 조명렌즈를 이용한 어레이 타입 조명렌즈를 도시한 사시도,
도 4는 본 발명에 따른 LED용 조명렌즈를 이용한 어레이 타입 조명렌즈의 정면 사시도,
도 5는 본 발명에 따른 LED용 조명렌즈를 이용한 어레이 타입 조명렌즈의 출사각을 도시한 도면.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 LED용 조명렌즈의 바람직한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 LED용 조명렌즈는, 엘이디(LED) 발광소자에서 출력되는 광을 일정 출사각으로 조사시키기 위한 LED용 조명렌즈에 있어서, 몸체 전면에 구비되며, LED 발광소자에서 출력되는 광을 출사시키기 위해 임의의 곡률반경을 갖는 볼록 또는 평면 형상의 제 1비구면렌즈, 상기 LED 발광소자에서 출력되는 광을 집광하며, 상기 제 1비구면렌즈 후단에 구비되어 임의의 곡률반경을 갖는 볼록 또는 오목 형상으로, 상기 LED 발광소자가 수용되는 수용부 상부측에 구비되는 제 2렌즈, 상기 수용부를 둘러싸도록 구비되며, LED 발광소자에서 출력되는 광을 굴절시키는 입사부 및 상기 몸체 외주면에 형성되어 상기 입사부에서 출사되는 광을 반사시키는 반사부를 포함하여 구성되고, 상기 제 1비구면렌즈와 반사부의 비구면 계수값 Z는, 수학식
Figure pat00002
에 의해서 결정되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 LED용 조명렌즈는, 단품의 조명렌즈를 어레이 타입(다수의 조명렌즈를 일체로 적용함) 조명렌즈를 설계할 때 어레이 타입 렌즈의 광 출사각 제어를 위해 각각의 렌즈를 별도의 재설계(출사각 조절) 없이 바로 적용하여 적용의 용이성이 높은 LED용 조명렌즈를 제공하자고 하는 것에 그 기술적 요지가 있다.
도 2는 본 발명에 따른 LED용 조명렌즈를 도시한 도면이다.
조명렌즈(100)는 투명한 아크릴(합성수지) 또는 유리로 형성되는 몸체(101)를 가지며, 몸체 전면으로 임의의 곡률을 가지는 제 1비구면렌즈(110), 상기 제 1비구면렌즈 후단에 구비되는 임의의 곡률을 가지는 제 2렌즈(120), LED에서 출력되는 광을 집광 또는 가이드하는 입사부(130), 입사부에 조사된 광을 반사시키는 반사부(140) 및 상기 입사부에 반사된 광을 출사시키는 전방으로 출사시키는 출사부(150)로 크게 구성된다.
제 1비구면렌즈(110)는 광원에서 출력되는 광을 전방으로 최종 출력하기 위한 것으로, 조명렌즈(100)의 몸체(101) 전면에 구비되어 후술할 반사부(140)에서 반사되는 광과 제 2렌즈(120)에서 출사되는 광을 입사받아 최종적으로 조명광을 집광하여 출사한다. 상기 제 1비구면렌즈는 외측으로 볼록한 형상 또는 평면 형상을 가지는 렌즈이다. 이때, 상기 제 1비구면렌즈와 반사부 설계 시 비구면 값을 조절하여 설계하면 최종적으로 출력되는 광을 출사각을 결정할 수 있다. 또한, 상기 제 2렌즈와 대칭되는 면 즉 상, 하면에 서로 다른 크기로 형성된다.
여기서, 상기 제 1비구면 렌즈와 반사부의 비구면 값은 아래 수학식 1에 의해 결정된다.
Figure pat00003
Figure pat00004
Figure pat00005
여기서, h(R)는 반지름, C는 곡률중심, K는 원추상수,
-1 < K < 0 : 긴타원체(ellipse)
k= -1 : 포물면(parabola)
본 발명에 따른 예로 출사각에 따른 제 1비구면 렌즈와 반사부의 k값과 r값은 아래 표와 같다.

 지향각
angle 20 angle 30 angle 40
K -0.95 ~ -1 -0.85 ~ -1 -0.8 ~ -0.95
R 2.2 ~ 2.6 1.8 ~ 2.4 1.8 ~ 2.2
본 발명에 따른 상기 조명렌즈(100)는 단품(개별적) 또는 어레이 타입으로 적용할 수 있는데, 상기 비구면 계수값을 통해 최종 출사각(지향각)이 결정된 단품 조명렌즈를 사용하고, 이를 어레이 타입용(다수의 조명렌즈가 일체화됨)으로 적용할 경우 상기 수학식에 따른 결정된 지향각에 의해 호환성이 가능하기 때문에 어레이 타입을 재설계 없이 그대로 사용할 수 있다. 즉, 개별 조명렌즈의 출사각과 어레이 타입 조명렌즈의 출사각이 동일하다.
한편, 상기 제 1비구면렌즈가 중앙에 위치하면 그 외측으로는 출사부(150)가 형성되어 상기 전반사부에서 반사되어 제 1비구면렌즈로 입사된 광을 제외한 나머지 광이 입사된다. 상기 출사부는 중앙에 형성된 제 1비구면렌즈를 향해 경사지게 형성됨에 따라 출사부로 입사된 광도 최종적으로 집광된다.
제 2렌즈(120)는 상기 입사부의 전면에 위치하는 것으로, 엘이디 광원에서 출력되는 중심광 즉, 광축과 평행한 광을 전면으로 출사 및 1차로 빛을 집광 시키는 역할을 한다. 상기 제 2렌즈는 비구면 또는 구면형상의 렌즈로써, 내측으로 볼록한 형상 또는 평면, 오목한 형상을 가지는 렌즈 형태를 가질 수 있다.
상기 제 2렌즈는 상기 입사부와 일체로 형성되는 것이 바람직하나, 별도로 구비시킬 수 도 있다.
따라서, 광원(200)에서 출력되는 방사광은 상기 입사부(130)를 투과하여 전반사부로 조사되고 전반사 되어 전방으로 출사된다. 또한, 광원에서 출력된 중심광은 상기 제 2렌즈 또는 구면렌즈(120)를 통해 전방으로 출사된다.
입사부(130)는 LED 발광소자에서 출력되는 광을 굴절시켜 출사시키며, 그 내측으로는 광원이 수용될 수 있는 소정 크기의 수용부(160)가 형성된다. 상기 수용부는 구형의 곡률을 가지는 형태로 이루어져 광원에서는 출력되는 광 즉, 방사광을 일측으로 굴절시켜주는데, 이때 후술할 반사부(140)로 방사광이 입사하여 전반사가 일어날 수 있는 조건에 맞는 입사각으로 광을 출사한다. 상기 수용부(160)는 LED 소자를 소정 공간에 수용할 수 있는 공간을 제공하며, 외부 구조물(ex.기판)에 고정되어 돌출된 LED 소자를 수용한다. 즉, 입사부의 내측으로 수용부가 형성되는 것이다.
반사부(140)는 조명렌즈(100)의 몸체 외곽을 형성하는 것으로, 상기 입사부에는 출사되는 방사광은 반사부를 통해 전반사가 일어나도록 입사부에서 출사되는 광을 전반사되도록 임계각을 만족하여 반사렌즈의 전면으로 전반사시키게 된다. 상기 반사부(140)는 아래쪽에서 위쪽으로 점차 확장되는 형상을 가진다.
도 3은 본 발명에 따른 LED용 조명렌즈를 이용한 어레이 타입 조명렌즈를 도시한 사시도, 도 4는 본 발명에 따른 LED용 조명렌즈를 이용한 어레이 타입 조명렌즈의 정면 사시도이다. 앞서 설명한 조명렌즈를 다수개 결합하여 어레이 타입 조명 렌즈로 그대로 적용 가능하다. 출사각이 20도인 조명렌즈를 어레이 타입에 적용할 경우 마찬가지로 20도의 출사각을 가지게 된다. 다수의 조명렌즈를 적용할 경우 전면으로 렌즈를 고정시키기 위한 고정패널(300)이 구비되고, 상기 고정패널에 일체로 조명렌즈가 형성된다.
또한, 상기 고정패널에는 어레이 타입 조명렌즈를 외부 기구물에 고정시키기 위한 고정부(310)가 일체로 형성되어 있다. 상기 고정부는 상기 고정패널과 동일한 재질로 형성되며, 다수의 고정부는 서로 길이가 동일하여 어레이 타입 조명렌즈 조립 시 수평도를 유지할 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 LED용 조명렌즈를 이용한 어레이 타입 조명렌즈의 출사각을 도시한 도면이다. 임의의 출사각을 가지는 각각의 조명렌즈를 이용하여 어레이 타입 조명렌즈로 제작할 경우 어레이 타입 조명렌즈의 출사각은 단품 조명렌즈의 출사각과 동일한 출사각을 가진다.
따라서, 본 발명에 따른 조명렌즈는 소형 조명에 적용될 경우 조명렌즈를 하나씩 적용하고 사용할 수 있으며, 대형 조명광에 필요할 경우 상기 조명렌즈를 이용하여 어레이 타입 조명렌즈를 제작하고 이를 통해 대형 광 출력을 구현할 수 있다. 이러한 조명렌즈는 실내등, 투광등, 가로등 등 다양한 조명장치에 적용 가능하다.
이와 같이 구성되는 본 발명은 임의의 출사각에 따라 제조된 단품의 조명렌즈를 어레이 타입 조명렌즈 그대로 사용할 수 있기 때문에 공정상의 재설계(ex. 금형 재설계)가 불필요한 이점이 있다.
이상, 본 발명의 원리를 예시하기 위한 바람직한 실시예와 관련하여 설명하고 도시하였지만, 본 발명은 그와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용으로 한정되는 것이 아니다. 오히려, 첨부된 청구범위의 사상 및 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대한 다수의 변경 및 수정이 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 그러한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.
100 : 조명렌즈
101 : 몸체
110 : 제 1비구면렌즈
120 : 제 2렌즈
130 : 입사부
140 : 반사부
150 : 출사부
160 : 수용부
200 : LED 발광소자
300 : 고정패널
310 : 고정부

Claims (6)

  1. 엘이디(LED) 발광소자에서 출력되는 광을 일정 출사각으로 조사시키기 위한 LED용 조명렌즈에 있어서,
    몸체 전면에 구비되며, LED 발광소자에서 출력되는 광을 출사시키기 위해 임의의 곡률반경을 갖는 볼록 또는 평면 형상의 제 1비구면렌즈;
    상기 LED 발광소자에서 출력되는 광을 집광하며, 상기 제 1비구면렌즈 후단에 구비되어 임의의 곡률반경을 갖고 상기 LED 발광소자가 수용되는 수용부 상부측에 구비되는 제 2렌즈;
    상기 수용부를 둘러싸도록 구비되며, LED 발광소자에서 출력되는 광을 굴절시키는 입사부; 및
    상기 몸체 외주면에 형성되어 상기 입사부에서 출사되는 광을 반사시키는 반사부를 포함하여 구성되고,
    상기 제 1비구면렌즈와 반사부의 비구면 계수값 Z는, 수학식
    Figure pat00006
    에 의해서 결정되는 것을 특징으로 하는 LED용 조명렌즈.
    여기서, h(R)는 반지름, C는 곡률중심, K는 원추상수.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 제 2렌즈는,
    비구면렌즈 또는 구면 렌즈이며, 내측으로 볼록한 형상 또는 평면, 오목하게 구비되는 것을 특징으로 하는 LED용 조명렌즈.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 LED용 조명렌즈는,
    상기 몸체 전면의 직경이 10mm 이하를 가지는 것을 특징으로 하는 LED용 조명렌즈.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 제 1비구면렌즈의 비구면 계수는,
    출사각이 20도일 경우 K값이 -0.95 내지 -1, R값이 2.2 내지 2.6이며, 30도일 경우 K값이 -0.85 내지 -0.1, R값이 1.8 내지 2.4이며, 40도일 경우 -0.8 내지 -0.95, R값이 1.8 내지 2.2인 것을 특징으로 하는 LED용 조명렌즈.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 LED용 조명렌즈가 고정패널에 다수개 구비되어 어레이 타입 조명렌즈를 구성하는 것을 특징으로 하는 LED용 조명렌즈를 이용한 어레이 타입 조명렌즈.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 고정패널은,
    상기 어레이 타입 조명렌즈를 외부 장치에 고정시키기 위한 고정부재를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 LED용 조명렌즈를 이용한 어레이 타입 조명렌즈.
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