KR20130077499A - Free-form lens with the effect of overlapping illumination patterns formed by different surfaces of the lens in order to improve the manufacturing tolerance of a led luminaire - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명의 실시예들은 LED로부터 방출되는 빛이 특정 조명 영역 내에서 원하는 조도 분포를 가질 수 있도록 만들어 주면서, 동시에 LED 조명기구의 제작공차를 개선할 수 있도록 배광 분포의 중첩 효과를 갖는 자유 형상 렌즈에 관한 것이다.Embodiments of the present invention are directed to a free-form lens having an overlapping effect of light distribution so as to make light emitted from the LED have a desired illuminance distribution within a specific lighting area, while at the same time improving the manufacturing tolerances of the LED luminaire. It is about.
최근, 전 세계적으로 에너지 및 환경에 대한 관심이 커지면서 백열등, 형광등 등의 조명 광원을 LED로 대체하는 다양한 정책들이 시행되어 LED 조명기구에 대한 수요가 폭발적으로 증가하고 있다. 그러나 LED는 기존 조명과 달리 매우 좁은 광 방출 지향각을 가진다. 따라서 LED를 이용한 조명기구가 원하는 광 방출 분포를 갖기 위해서는 LED 광원 주변에 렌즈, 반사경 등, 2차광학계를 결합할 필요가 있다.Recently, as the interest in energy and the environment grows around the world, various policies for replacing light sources such as incandescent and fluorescent lamps with LEDs have been implemented, and the demand for LED lighting equipment has exploded. However, unlike conventional lighting, LEDs have a very narrow light emission directivity. Therefore, in order for a luminaire using an LED to have a desired light emission distribution, it is necessary to combine a secondary optical system such as a lens and a reflector around the LED light source.
2차광학계에 사용되는 렌즈 또는 반사경의 광학면 형태는 크게 구면, 비구면 및 자유 형상 면으로 구분할 수 있다.The optical surface of the lens or reflector used in the secondary optical system can be largely divided into spherical, aspherical and free-form surfaces.
구면 광학계는 설계 및 구현이 쉬운 반면, 원하는 광학적 특성을 얻기 위하여 다수의 광학 소자를 사용해야 한다. 그러나, 다수의 광학 소자를 포함하는 광학계는 손실이 크고, 정렬이 어려우며 생산 원가가 높은 단점을 가진다.While spherical optics are easy to design and implement, many optical elements must be used to achieve the desired optical properties. However, an optical system including a plurality of optical elements has disadvantages of high loss, difficulty in alignment, and high production cost.
상기 구면 광학계의 광학적 특성을 향상시키거나 광학 소자의 수를 줄이기 위하여 비구면 광학계가 사용될 수 있다. 비구면 광학계는 포물면, 타원면과 같은 비교적 약한 비구면이나 원추 곡면과 비구면 계수로 표현되는 심한 비구면을 포함한다. 이러한 비구면 광학계는 축 대칭성을 가지며, 일반적으로 구면 광학계와 복합적으로 사용된다.Aspherical optics may be used to improve the optical properties of the spherical optics or to reduce the number of optical elements. Aspherical optical systems include parabolic surfaces, relatively weak aspherical surfaces such as ellipsoidal surfaces, or severe aspherical surfaces represented by conical curved surfaces and aspherical surface coefficients. Such aspherical optical systems have axial symmetry and are generally used in combination with spherical optical systems.
일 예로, 공개특허공보 10-2011-0105235(공개일자 2011년 09월 26일) "균일한 배광 분포 및 다른 컬러를 균일하게 조합하는 LED 조명 렌즈"에는 다른 색상을 발광하는 LED 칩이 다수개 실장된 조명용 LED 모듈에 있어서, 내부에 LED 칩이 구비되고, 상기 LED에서 출사되는 광을 확산시키기 위해 LED를 감싸도록 구비되는 볼록형상을 갖는 볼록렌즈를 포함하며 각각 다른 색상의 광을 출력하는 LED가 배치된 LED 모듈 및 상기 LED 모듈 전면에 구비되며 상기 볼록렌즈를 통해 출사되는 광을 산란시켜 배광 분포를 균일화시키기 위한 제1 산란면과 제2 산란면을 포함하는 렌즈부를 포함하는 LED 조명 렌즈를 이용하여 LED 모듈의 광 산란 효과를 극대화함으로써 최종적으로 출력되는 광의 균일성을 제공하는 것이 기재되어 있다.For example, Korean Patent Publication No. 10-2011-0105235 (published September 26, 2011) "LED lighting lens that uniformly combines a uniform distribution of light and different colors" is mounted with a plurality of LED chips emitting different colors. In the LED module for lighting, LED chip is provided therein, and includes a convex lens having a convex shape is provided to surround the LED to diffuse the light emitted from the LED, and each LED outputs light of different colors Using an LED lighting lens provided on the LED module disposed on the front surface of the LED module and including a lens unit including a first scattering surface and a second scattering surface for scattering the light emitted through the convex lens to uniform the light distribution distribution. It is described to maximize the light scattering effect of the LED module to provide uniformity of the finally output light.
한편, 단일 광학 소자로 구성된 2차 광학계를 구현하기 위해서는 자유 형상 렌즈 또는 자유 형상 반사경(이하 자유 형상면 광학계라 함)이 사용될 수 있다. 자유 형상면은 함수로 표현하는 것이 어려운 자유로운 형태의 면으로서, 일반적으로 면 위의 모든 위치에 대한 높이를 각각 정의하는 방식으로 표현된다. 이러한 자유 형상면을 포함한 광학계는 단일 소자만으로 LED와 같은 좁은 지향각의 광 방출 특성을 매우 넓은 지향각의 방출 특성으로 변환시켜주는 것과 같은 극단적인 광학적 특성을 구현하는데 사용될 수 있다. 따라서 단일 광학 소자로 구현된 자유 형상면 광학계는 다수의 광학 소자를 사용하는 구면 또는 비구면 광학계에 비하여 광 손실이 작고, 생산 원가가 낮은 장점을 가진다.Meanwhile, a free-form lens or a free-form reflector (hereinafter referred to as a free-form surface optical system) may be used to implement a secondary optical system composed of a single optical element. Free-form planes are free-form planes that are difficult to express as functions, and are generally expressed in a way that defines the heights for all positions on the plane. The optical system including such a free-form surface can be used to realize extreme optical characteristics such as converting light emission characteristics of narrow beam angles such as LED into very wide beam angle emission characteristics with only a single device. Therefore, the free-form surface optical system implemented as a single optical element has the advantage of low light loss and low production cost compared to spherical or aspherical optical systems using a plurality of optical elements.
그러나, 자유 형상면 광학계는 특정한 광학적 특성, 예컨대 LED의 특정한 광 방출 분포, LED 광원의 위치, 각도 등에 최적 설계된 특수한 광학계이므로 LED 제조 공정상 발생할 수 있는 광 방출 특성의 편차, LED와 자유 형상면 광학계의 정렬 오차, 자유 형상면 광학계의 제작 오차 등에 따라 민감하게 성능 변화를 야기하는 문제점을 가진다.However, since the free-form plane optical system is a special optical system that is optimally designed for specific optical characteristics, such as a specific light emission distribution of the LED, the position and angle of the LED light source, deviations in light emission characteristics that may occur in the LED manufacturing process, the LED and the free-form plane optical system There is a problem that causes a performance change sensitively depending on the alignment error of the, the manufacturing error of the free-form surface optical system.
LED 광원으로부터 방출되어 렌즈 표면을 통과한 빛이 조명면에서 원하는 형태의 배광 분포를 나타내도록 하는 LED 조명기구의 제작공차를 개선할 수 있는 배광 분포의 중첩 효과를 갖는 자유 형상 렌즈가 제공된다.There is provided a free-form lens having an overlapping effect of light distribution, which can improve the manufacturing tolerance of the LED luminaire such that light emitted from the LED light source and passing through the lens surface exhibits a desired shape of light distribution in the illumination surface.
LED 광 방출 분포의 편차, 정렬 오차 등이 조명 장치의 성능에 미치는 영향을 감소시킬 수 있는 LED 조명기구의 제작공차를 개선할 수 있는 배광 분포의 중첩 효과를 갖는 자유 형상 렌즈가 제공된다.There is provided a free-form lens having an overlapping effect of light distribution, which can improve the manufacturing tolerances of the LED luminaire, which can reduce the influence of deviations, alignment errors, etc. of the LED light emission distribution on the performance of the lighting device.
LED(Light Emitting Diode) 칩을 광원으로 사용하는 LED 조명기구에 의해 조명면에 형성되는 배광 분포를 원하는 형태로 만들기 위해 사용되는 자유 형상 렌즈는 상기 자유 형상 렌즈의 표면은 적어도 두개의 구역으로 구분되고, 상기 각 구역에 의해 굴절되는 빛이 상기 조명면 전체에 도달할 때 상기 조명면 상에서 원하는 배광 분포를 이루도록 형성되며, 상기 각 구역에 의해 굴절된 빛이 상기 조명면에서 이루는 배광 분포가 다른 구역에 의해 굴절된 빛이 상기 조명면에서 이루는 배광 분포와 동일하면서 서로 중첩되도록 적어도 두 가지의 서로 다른 자유 형상 곡면으로 형성될 수 있다.A free-form lens used to make a light distribution distribution formed on an illumination surface by an LED luminaire using an LED (Light Emitting Diode) chip as a light source, and the surface of the free-form lens is divided into at least two zones. And when the light refracted by the respective zones reaches the entire illumination surface, it is formed to have a desired light distribution on the illumination surface, and the light distribution distributed by the respective zones on the illumination surface is different in the region. The light refracted by the light distribution may be formed of at least two different free-form curved surfaces so as to overlap with each other and have the same light distribution as the light distribution.
일측에 따르면, 상기 자유 형상 렌즈는 상기 LED 칩을 향하는 제1면 및 상기 조명면을 향하고 있는 제2면으로 구성되고, 상기 제1면 및 제2면 중 적어도 하나의 면은 자유 형상 곡면일 수 있다.According to one side, the free-form lens is composed of a first surface facing the LED chip and a second surface facing the illumination surface, at least one of the first surface and the second surface may be a free-form curved surface. have.
다른 측면에 따르면, 상기 자유 형상 렌즈는 상기 LED 칩을 향하는 제1면과 상기 조명면을 향하고 있는 제2면으로 구성되고, 상기 LED 칩이 상기 제1면과 인접함에 따라 상기 제1면에 의한 굴절 현상이 일어나지 않으며, 상기 제2면이 자유 형상 곡면일 수 있다.According to another aspect, the free-form lens is composed of a first surface facing the LED chip and a second surface facing the illumination surface, and is formed by the first surface as the LED chip is adjacent to the first surface. Refraction does not occur, and the second surface may be a free-form curved surface.
또 다른 측면에 따르면, 조명면에서 균일 조도 분포를 이루고자 하는 경우에 상기 자유 형상 렌즈의 표면은 상기 자유 형상 렌즈의 표면에 대한 상미분 방정식의 해를 다음의 수학식을 기초로 구함으로써 형성될 수 있다.According to another aspect, in the case of achieving uniform illuminance distribution in the illumination plane, the surface of the free-form lens may be formed by solving an ordinary differential equation for the surface of the free-form lens based on the following equation. have.
여기서, Φmax는 점광원으로부터 최대 방출각 범위 내로 방출되는 광속, Φ(θ)는 점광원으로부터 θ 각도 범위 내로 방출되는 광속, R은 조명면의 반경, xd는 θ 각도로 방출된 광선이 조명면 상에 도달하는 위치에 해당하는 반경을 각각 나타냄.Where max max is the luminous flux emitted from the point light source within the maximum emission angle range, Φ (θ) is the luminous flux emitted from the point light source within the θ angle range, R is the radius of the illumination surface, and x d is the light emitted at the θ angle. Each of the radii corresponds to the position reaching on the illumination plane.
자유 형상 렌즈는 복수개의 LED 칩에서 방출되어 자유 형상 렌즈에 입사되는 빛을 굴절시켜 조명면에 도달하도록 하면서 원하는 배광 분포를 이루도록 표면이 형성되고, 상기 표면은 적어도 두 개의 구역으로 구분되어 각 구역에 입사된 빛이 굴절에 의해 상기 조명면에서 원하는 배광 분포가 되도록 형성되고 두 가지 이상의 서로 다른 자유 형상 곡면으로 형성됨으로써 상기 자유 형상 렌즈의 각 구역에 의해 굴절된 빛이 상기 조명면에서 이루는 배광 분포가 다른 구역에 의해 굴절된 빛이 상기 조명면에서 이루는 배광 분포와 동일하면서 서로 중첩되도록 할 수 있다.The free-form lens is formed to have a desired light distribution while refracting light incident from the plurality of LED chips and reaching the illumination surface by refracting the light incident on the free-form lens, and the surface is divided into at least two zones. The incident light is formed to be a desired light distribution on the illumination surface by refraction, and is formed into two or more different free-form curved surfaces so that the light distribution distributed by each zone of the free-form lens is formed on the illumination surface. The light refracted by the other zones may be the same as the light distribution of the illumination plane and overlap each other.
하나의 자유 형상 렌즈를 이용하여 원하는 배광 분포를 얻을 수 있으므로 LED 조명기구를 구성하는 광학 소자의 수를 줄여 광 손실을 줄이고, 생산 원가를 절감하며, 제조 공정을 용이하게 할 수 있다.Since a desired light distribution can be obtained using one free-form lens, the number of optical elements constituting the LED luminaire can be reduced to reduce light loss, reduce production costs, and facilitate the manufacturing process.
하나의 자유 형상 렌즈 표면에서 적어도 2개로 구분된 각각의 영역이 독자적으로 동일한 배광 분포를 형성하게 되고, 이러한 배광 분포가 중첩되어 조명면의 배광 분포를 형성하게 되므로 LED의 광 방출 분포가 원래 설계 조건과 편차를 갖거나 LED 조명기구의 내부 구조의 정렬에 오차가 발생하더라도 중첩된 배광 분포가 원하는 배광 분포를 유지할 수 있다.At least two separate areas on one free-form lens surface form the same light distribution independently, and these light distributions overlap to form the light distribution of the illumination surface. Even if there is a deviation from or misalignment of the internal structure of the LED luminaire, the overlapping distribution may maintain the desired distribution.
도 1은 본 발명의 일실시예에 있어서, LED 칩, 자유 형상면, 조명면 배치 및 좌표계를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 있어서, 발산 조명 모델의 자유 형상 렌즈 설계 개념을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 있어서, 수렴 조명 모델의 자유 형상 렌즈 설계 개념을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 있어서, 적어도 2개의 구역으로 분할한 자유 형상 렌즈의 설계 개념을 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 있어서, 적어도 2개의 구역으로 분할한 자유 형상 렌즈의 설계 결과를 도시한 도면이다.
도 6은 도 5에 도시한 렌즈와 비교하기 위하여 전 구간에 발산 조명 모델을 적용하여 설계한 기존 방식의 자유 형상 렌즈의 설계 결과를 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 있어서, 도 5에 도시한 렌즈의 성능을 평가하기 위하여 설계 조건에 해당하는 반각(half angle, θ1/2)이 30도인 광 방출 분포를 중심으로 20도의 반각 편차 범위에 대한 조명면에서의 조도 분포를 시뮬레이션한 결과를 도시한 도면이다.
도 8은 도 6에 도시한 렌즈의 성능을 평가하기 위하여 설계 조건에 해당하는 반각이 30도인 광 방출 분포를 중심으로 20도의 반각 편차 범위에 대한 조명면에서의 조도 분포를 시뮬레이션한 결과를 도시한 도면이다.
도 9는 도 7과 도 8의 계산 결과로부터 평균 조도 분포를 비교하여 도시한 도면이다.
도 10은 도 7과 도 8의 계산 결과로부터 조도 분포의 균제도(uniformity)를 비교하여 도시한 도면이다.1 is a diagram illustrating an LED chip, a free-form surface, an illumination surface arrangement, and a coordinate system according to an embodiment of the present invention.
2 is a diagram illustrating a free shape lens design concept of a divergent illumination model according to one embodiment of the present invention.
3 is a diagram illustrating a free shape lens design concept of a converging illumination model according to one embodiment of the present invention.
4 is a diagram illustrating a design concept of a free-form lens divided into at least two zones according to an embodiment of the present invention.
5 is a diagram illustrating a design result of a free-form lens divided into at least two zones according to an embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a diagram illustrating a design result of a conventional freeform lens designed by applying a divergent illumination model to all sections in order to compare with the lens of FIG. 5.
FIG. 7 is a view illustrating a light emission distribution having a half angle (θ 1/2 ) corresponding to a design condition of 30 degrees in order to evaluate the performance of the lens illustrated in FIG. 5. The figure which shows the result of having simulated illuminance distribution in the illumination surface with respect to half angle deviation range.
FIG. 8 illustrates the results of a simulation of illuminance distribution on an illumination plane with a half angle deviation range of 20 degrees centered on a light emission distribution having a half angle of 30 degrees corresponding to a design condition in order to evaluate the performance of the lens shown in FIG. 6. Drawing.
9 is a diagram illustrating an average illuminance distribution in comparison with the calculation results of FIGS. 7 and 8.
FIG. 10 is a diagram illustrating a comparison of uniformity of illuminance distribution from the calculation results of FIGS. 7 and 8.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 일실시예에 있어서, LED 칩, 자유 형상면, 조명면 배치 및 좌표계를 도시한 도면이다.1 is a diagram illustrating an LED chip, a free-form surface, an illumination surface arrangement, and a coordinate system according to an embodiment of the present invention.
도 1은 조명면의 목표영역에 균일한 조도 분포(배광 분포)를 이루기 위해 점광원으로 근사된 LED 칩으로부터 방출된 광속에 대한 자유 형상 렌즈의 작용을 도시하였다. 도면을 참조하면, 점광원은 xyz 직각 좌표계 원점에 위치하며, 방출 광도(luminous intensity)는 각도 θ에 따라 변하지만 z축에 대해 회전 대칭성을 갖는다. 도면에서, 자유 형상 렌즈의 제1면은 z=0에 위치한 평면이며, 제2면은 점선으로 표시된 곡면이다. 렌즈의 굴절률은 n이며, 광축과 z축은 일치한다. 조명면(혹은 검출면)은 높이 z=H 에 위치하며, 그 중심은 z축과 일치한다. 조명면에서 목표 영역은 반경이 R인 원 영역에 해당한다.FIG. 1 illustrates the action of a free-form lens on the luminous flux emitted from an LED chip approximated as a point light source to achieve a uniform illuminance distribution (light distribution) in a target area of an illumination surface. Referring to the figure, the point light source is located at the xyz rectangular coordinate system origin, and the luminous intensity varies depending on the angle θ, but has rotational symmetry about the z axis. In the figure, the first surface of the free-form lens is a plane located at z = 0, and the second surface is a curved surface indicated by dotted lines. The refractive index of the lens is n, and the optical axis and the z axis coincide. The illumination plane (or detection plane) is located at height z = H, the center of which coincides with the z axis. In the illumination plane, the target area corresponds to a circle area of radius R.
조명면의 목표 영역 내에 균일 조도 분포를 이루기 위한 자유 형상 렌즈의 설계는 다음과 같은 과정으로 진행된다. 점광원에서 렌즈 경계면까지의 광선 벡터(In)와 렌즈 경계면에서 검출면까지의 광선 벡터(Out), 두 벡터 사이의 관계를 표현하는 스넬(Snell)의 법칙을 적용한 후, 두 광선 벡터를 구성하는 위치 변수들을 정리하면 다음의 수학식 1과 같은 자유 형상 표면에 관한 상미분 방정식을 세울 수 있다.
The design of the free-form lens for achieving a uniform illuminance distribution in the target area of the illumination surface proceeds as follows. After applying Snell's law that expresses the relation between the two vectors, the ray vector (In) from the point light source to the lens boundary, the ray vector (Out) from the lens interface to the detection plane, By arranging the positional variables, ordinary differential equations for free-form surfaces, such as
수학식 1에서 (x, 0, z)는 각도 θ 방향으로 방출된 광선과 렌즈 경계면의 교점 즉 입사점 좌표이며, (xd, 0, H)는 렌즈 경계면에 의해 굴절된 방출 광선과 조명면의 교점 즉, 최종 도달점 좌표이다. In
수학식 1의 표현을 각도에 따른 계산 방식으로 좌표계를 변환하여 표현하면 다음의 수학식 2와 같다.
When the expression of
다음으로, 광원의 방출선속 값과 검출면의 입사선속 값이 동일하다는 것을 이용하여 발산 혹은 수렴 조명 모델을 적용함으로써 방출 광선과 조명면 상의 최종 도달점 (±xd, 0, H) 관계를 결정한다. 이때 조명면에서 균일 조도를 얻기 위한 조건은 다음의 수학식 3과 같이 표현할 수 있다.
Next, the relationship between the emission beam and the final arrival point (± x d , 0, H) on the illumination surface is determined by applying a divergence or convergence illumination model using the fact that the emission flux value of the light source and the incident flux value of the detection plane are the same. . In this case, a condition for obtaining uniform illuminance on the illumination surface may be expressed as in Equation 3 below.
여기서, Φmax는 점광원(혹은 LED 칩)으로부터 최대 방출각 범위 내로 방출되는 광속이며, Φ(θ)는 점광원으로부터 θ 각도 범위로 방출되는 광속을 의미한다.Here, Φ max is the luminous flux emitted from the point light source (or LED chip) within the maximum emission angle range, Φ (θ) refers to the luminous flux emitted from the point light source in the θ angle range.
도 2는 본 발명의 일실시예에 있어서, 발산 조명 모델의 자유 형상 렌즈 설계 개념을 도시한 도면이다.2 is a diagram illustrating a free shape lens design concept of a divergent illumination model according to one embodiment of the present invention.
도 2는 이러한 조건으로부터 발산 조명 모델을 적용하여 균일 조도분포를 얻는 자유 형상 렌즈의 설계 개념을 도시한 도면이다. 발산 조명 모델은 광원으로부터 방출되는 광선들이 수학식 3의 조건을 만족하면서 방출 발산각 θ 가 증가함에 따라 조명 영역의 중심으로부터 멀어지는 방향으로 진행하도록 자유 형상면의 기울기를 결정하는 방식이다. 발산 조명 모델을 적용하는 경우 Φ(θ), Φmax 및 xd 는 다음의 수학식 4와 같이 주어질 수 있다.
FIG. 2 is a diagram illustrating a design concept of a free-form lens that obtains a uniform illuminance distribution by applying a divergent illumination model from such a condition. The divergent illumination model is a method of determining the inclination of the free-form surface so that the light rays emitted from the light source satisfy the condition of Equation 3 and proceed in a direction away from the center of the illumination area as the emission divergence angle θ increases. Φ (θ), Φ max when using a divergent illumination model And x d may be given by Equation 4 below.
도 3은 본 발명의 일실시예에 있어서, 수렴 조명 모델의 자유 형상 렌즈 설계 개념을 도시한 도면이다.3 is a diagram illustrating a free shape lens design concept of a converging illumination model according to one embodiment of the present invention.
도 3은 수렴 조명 모델을 적용하여 균일 조도분포를 얻는 자유 형상 렌즈의 설계 개념을 도시한 도면이다. 수렴 조명 모델은 광원으로부터 최대 발산각으로 방출되는 광선은 조명면의 중심을 향하고, 방출 발산각 θ 가 감소함에 따라 조명면의 중심으로부터 멀어지는 영역으로 광선이 진행하면서 수학식 3의 조건을 만족하는 굴절이 일어나도록 자유 형상면의 기울기를 결정하는 설계 방식이다. 수렴 조명 모델을 적용하는 경우 Φ(θ), Φmax 및 xd 는 다음의 수학식 5와 같이 주어질 수 있다.
3 is a diagram illustrating a design concept of a free-form lens that obtains a uniform illuminance distribution by applying a converging illumination model. In the convergent illumination model, the light rays emitted at the maximum divergence angle from the light source are directed toward the center of the illumination plane, and the light rays propagate toward an area away from the illumination plane as the emission divergence angle θ decreases to satisfy the condition of Equation 3 It is a design scheme to determine the slope of the free-form surface so that this occurs. Φ (θ), Φ max when applying converging lighting models And x d may be given by Equation 5 below.
이렇게 얻어진 결과를 수학식 1 또는 수학식 2에 대입한 후, 룬게-쿤타법(Runge-Kutta method)과 같은 수치해석적 방법으로 상미분 방정식을 풀어 자유 형상 렌즈의 표면 형상을 구할 수 있다.After substituting the obtained result into
지금까지의 자유 형상 렌즈는 자유 형상면 전체에 발산 조명 모델 또는 수렴 조명 모델 중 하나의 조명 모델을 적용하여 렌즈 면의 형상을 결정하였다. 그러나 이러한 설계 방식을 적용하게 되면 설계 과정에서 고려된 LED의 광 방출 분포가 달라질 경우, 조명면에서의 균제도가 심하게 나빠지는 문제를 가진다.Until now, the shape of the lens surface was determined by applying an illumination model of either a divergent illumination model or a convergent illumination model to the entire free-form surface. However, the application of such a design method has a problem in that even if the light emission distribution of the LED considered in the design process is changed, the uniformity of the illumination surface is severely deteriorated.
예컨대 자유 형상 렌즈 전체에 발산 조명 모델을 적용하여 설계하는 경우, 실제 광원의 방출 분포가 렌즈 설계의 기준 광원보다 좁아지면 조명면의 외곽 부분에는 조명이 이루어지지 않아 급격히 어두워지는 현상이 발생할 수 있다. 반대로 실제 광원의 방출 분포가 설계 기준 광원 보다 넓어지는 경우에는 수학식 3의 조건을 만족하도록 설계된 렌즈를 통하여 방출되는 광속의 조건은 
따라서, 본 발명에 따른 자유 형상 렌즈는 렌즈의 표면을 2 이상의 구간으로 분할하여 각각의 구간에 대하여 독자적으로 전체 조명 영역을 균일하게 조명할 수 있도록 설계함으로써 실제 광원의 방출 분포가 설계 기준 광원의 방출 분포보다 좁은 경우에는 렌즈의 중심부를 통과한 광선이 조명면의 외곽에 도달하도록 하며, 실제 광원의 방출 분포가 설계 기준 광원의 방출 분포보다 넓은 경우에는 각각 영역의 오차 결과가 중첩되어 전체 조명 영역의 조도 분포를 균일하게 유지할 수 있도록 한다.Therefore, the free-form lens according to the present invention is designed to divide the surface of the lens into two or more sections so that the entire illumination area can be uniformly illuminated independently for each section, so that the actual distribution of the light source is emitted from the design reference light source. If it is narrower than the distribution, the ray passing through the center of the lens reaches the outside of the illumination surface.If the emission distribution of the actual light source is wider than the emission distribution of the design reference light source, the error results of the regions overlap each other. Ensure uniform distribution of illuminance.
이 때, 일 예로 본 발명에 따른 자유 형상 렌즈는 LED 칩을 향하는 제1면 및 조명면을 향하고 있는 제2면으로 구성되고, 제1면 및 제2면 중 적어도 하나의 면은 자유 형상 곡면으로 형성될 수 있다. 그러나, 다른 실시예로 본 발명에 따른 자유 형상 렌즈는 LED 칩이 제1면과 인접함에 따라 제1면에 의한 굴절 현상이 일어나지 않으며, 제2면이 자유 형상 곡면으로 형성될 수도 있다.In this case, for example, the free-form lens according to the present invention includes a first surface facing the LED chip and a second surface facing the illumination surface, and at least one of the first surface and the second surface is a free-form curved surface. Can be formed. However, in another embodiment, in the free form lens according to the present invention, since the LED chip is adjacent to the first surface, the refractive phenomenon of the first surface does not occur, and the second surface may be formed as a free-form curved surface.
한편, 본 발명에 따른 자유 형상 렌즈는 복수개의 LED 칩에서 방출되는 빛도 조명면에서 균일한 조도 분포를 유지하도록 할 수도 있다.On the other hand, the free-form lens according to the present invention may also maintain a uniform illuminance distribution in the illumination surface emitted from the plurality of LED chips.
이 경우, 자유 형상 렌즈는 복수개의 LED 칩에서 방출되어 자유 형상 렌즈에 입사되는 빛을 굴절시켜 조명면에 도달하도록 하면서 균일한 배광 분포를 이루도록 표면이 형성되고, 상기 표면은 적어도 두개의 구역으로 구분되어 각 구역에 입사된 빛이 굴절에 의해 상기 조명면에서 균일한 배광 분포가 되도록 형성되고 두 가지 이상의 서로 다른 자유 형상 곡면으로 형성됨으로써 상기 자유 형상 렌즈의 각 구역에 의해 굴절된 빛이 상기 조명면에서 이루는 배광 분포가 다른 구역에 의해 굴절된 빛이 상기 조명면에서 이루는 배광 분포와 동일하면서 서로 중첩되도록 할 수 있다. 이 때, 상기 자유 형상 렌즈의 표면은 각 LED 칩에서 방출된 빛이 입사된 표면 별로 적어도 두개의 구역으로 구분될 수 있다.In this case, the free-form lens is formed to have a uniform light distribution while refracting the light incident from the plurality of LED chips incident on the free-form lens to reach the illumination surface, the surface is divided into at least two zones The light incident on each zone is formed to have a uniform distribution of light on the illumination surface by refraction, and is formed of two or more different free-form curved surfaces so that the light refracted by each zone of the free-form lens is reflected on the illumination surface. The light distribution distributed by the light may be overlapped with each other while the light refracted by another region is the same as the light distribution distributed by the illumination surface. In this case, the surface of the free-form lens may be divided into at least two zones for each surface on which light emitted from each LED chip is incident.
도 4는 본 발명의 일실시예에 있어서, 적어도 2개의 구역으로 분할한 자유 형상 렌즈의 설계 개념을 도시한 도면이다.4 is a diagram illustrating a design concept of a free-form lens divided into at least two zones according to an embodiment of the present invention.
도 4는 자유 형상 렌즈 표면을 두 개의 영역으로 구분하여 각각의 영역에 발산 조명 모델을 적용하는 설계 방법의 개념을 도시하고 있다.4 illustrates a concept of a design method of dividing a free-form lens surface into two regions and applying a divergent illumination model to each region.
본 발명을 적용한 자유 형상 렌즈의 성능과 기존 방식으로 설계된 자유 형상 렌즈의 성능을 비교하기 위하여 최대 방출각이 60°인 Lambertian source를 광원으로 하고, 광원으로부터 40mm 위치에 놓인 반경 60mm의 원형 조명 영역에 대하여 자유 형상 렌즈의 시작 두께를 0~30°구간은 7mm, 30~60°구간은 9.90mm로서 각각 영역이 독자적으로 조명 영역 전체를 균일하게 조명할 수 있는 자유 형상 렌즈를 설계하였다.In order to compare the performance of the free-form lens to which the present invention is applied and the performance of the conventionally designed free-form lens, a Lambertian source having a maximum emission angle of 60 ° is used as a light source, and a circular illumination region having a radius of 60 mm placed at a position of 40 mm from the light source. The starting thickness of the free-form lens was 7mm in the 0 ~ 30 ° section and 9.90mm in the 30 ~ 60 ° section. The freeform lens was designed so that the area could illuminate the entire illumination area uniformly.
도 5는 본 발명의 일실시예에 있어서 적어도 2개의 구역으로 분할한 자유 형상 렌즈의 설계 결과를 도시한 도면이고, 도 6은 도 5에 도시한 렌즈와 비교하기 위하여 기존 설계 방식과 같이 전 구간에 발산 조명 모델을 적용하여 설계한 기존 방식의 자유 형상 렌즈의 설계 결과를 도시한 도면이다.FIG. 5 is a view showing a design result of a free-form lens divided into at least two zones according to an embodiment of the present invention, and FIG. 6 is an entire section as in the conventional design method for comparison with the lens shown in FIG. 5. The drawing shows the results of a conventional free-form lens designed by applying a divergent illumination model.
도 6의 렌즈는 도 5의 렌즈와 동일한 광원, 조명 영역 조건에 대하여 렌즈 표면 전체에 하나의 발산 조명 모델을 적용하여 조명 영역을 균일하게 조명하도록 설계된 자유 형상 렌즈로서 렌즈의 시작 두께는 7mm이다.The lens of FIG. 6 is a free-form lens designed to uniformly illuminate an illumination region by applying one divergent illumination model to the entire lens surface with respect to the same light source and illumination region conditions as the lens of FIG. 5, and the starting thickness of the lens is 7 mm.
각각 자유 형상 렌즈의 조명 특성은 LightToolsTM 와 같은 광선추적 프로그램을 이용하여 계산하였으며, 그 결과로부터 조도 분포와 조명 균제도 등을 분석하였다. 이때 광선 수는 100,000개 이상, 광원의 방출선속(luminous flux)은 680 lm로 각각 설정하였다. 광원의 방출 분포는 설계 기준 광원의 반각 30도를 중심으로 20도의 편차 구간에서 계산을 실시하였으며, 성능의 평가를 위해 조명 영역 내의 평균 조도를 비교하였으며, 계산된 조도 분포를 정량적으로 분석하기 위해, 두 가지의 조도 균제도(uniformity)를 정의하였다. 균제도 1 (U1)은 평균 조도와 조도 표준 편차의 비로, 균제도 2 (U2)는 최소 조도와 최대 조도의 비로 각각 정의하였다.The illumination characteristics of each free-form lens were calculated using a ray tracing program such as LightTools ™, and the illuminance distribution and illumination uniformity were analyzed from the results. In this case, the number of rays was set to 100,000 or more, and the luminous flux of the light source was set to 680 lm, respectively. The emission distribution of the light source was calculated in the deviation range of 20 degrees around the half angle of the design reference light source, the average illuminance in the illumination region was compared for the performance evaluation, and to quantitatively analyze the calculated illuminance distribution, Two roughness uniformities were defined. Uniformity 1 (U 1 ) is defined as the ratio of mean roughness and standard roughness, and uniformity 2 (U 2 ) is defined as the ratio of minimum and maximum roughness.
도 7은 본 발명의 일실시예에 있어서 도 5에 도시한 렌즈의 성능을 평가하기 위하여 설계 조건에 해당하는 반각이 30도인 광 방출 분포를 중심으로 20도의 방출각 편차 범위에 대한 조명면에서의 조도 분포를 시뮬레이션한 결과를 도시한 도면이고, 도8은 도 6에 도시한 렌즈의 성능을 평가하기 위하여 설계 조건에 해당하는 광 방출 분포를 중심으로 20도의 방출각 편차 범위에 대한 조명면에서의 조도 분포를 시뮬레이션한 결과를 도시한 도면이다.FIG. 7 is a perspective view of an illumination angle variation range of 20 degrees based on a light emission distribution having a half angle corresponding to a design condition in order to evaluate the performance of the lens illustrated in FIG. 5 according to one embodiment of the present invention. FIG. 8 is a diagram illustrating a result of a simulation of illuminance distribution, and FIG. 8 is a view showing an illumination plane with a 20 degree emission angle deviation range based on a light emission distribution corresponding to a design condition in order to evaluate the performance of the lens shown in FIG. 6. It is a figure which shows the result of simulating illuminance distribution.
그리고, 도 9는 도 7과 도 8의 계산 결과로부터 평균 조도를 비교하여 도시한 도면이고, 도 10은 도 7과 도 8의 계산 결과로부터 조도 분포의 균제도 U1, U2를 비교하여 도시한 도면이다.FIG. 9 is a diagram illustrating an average roughness from the calculation results of FIGS. 7 and 8, and FIG. 10 is a comparison of the uniformity distributions U 1 and U 2 of the roughness distribution from the calculation results of FIGS. 7 and 8. Drawing.
도 9에 도시된 그래프의 Lens 1은 기존 방식으로 설계된 자유 형상 렌즈이고, Lens 2는 본 발명을 적용하여 설계된 자유 형상 렌즈로서 반각 편차에 따른 평균 조도의 변화 경향은 본 발명을 적용한 렌즈가 기존 방식의 렌즈보다 완만하여 성능이 우수함을 확인할 수 있다.
또한, 도 10은 조명면에서의 조도 균제도를 비교한 결과를 도시한 그래프로서 두 가지 균제도 정의 모두 본 발명을 적용한 자유 형상 렌즈의 경우가 기존 방식의 자유 형상 렌즈에 비하여 균일한 조명 특성을 보이는 것을 확인할 수 있다.In addition, Figure 10 is a graph showing the result of comparing the roughness uniformity on the illumination surface, both definitions of the uniformity of the free-form lens to which the present invention is applied shows a uniform illumination characteristics as compared to the conventional free-form lens. You can check it.
따라서, 본 발명에 따른 LED 조명기구의 제작공차를 개선할 수 있는 배광 분포의 중첩 효과를 갖는 자유 형상 렌즈 및 그 설계 방법은 하나의 자유 형상 렌즈를 이용하여 균일한 배광 분포를 얻을 수 있으므로 LED 조명 기구를 구성하는 광학 소자의 수를 줄여 광 손실을 줄이고, 생산 원가를 절감하며, 제조 공정을 용이하게 할 수 있을 뿐만 아니라, 하나의 자유 형상 렌즈 표면에서 적어도 2개로 구분된 각각의 영역이 독자적으로 동일한 배광 분포를 형성하게 되고 이러한 배광 분포가 중첩되어 조명면의 배광 분포를 형성하게 되므로, LED의 광 방출 분포가 원래 설계 조건과 편차를 갖거나 LED 조명기구의 내부 구조의 정렬에 오차가 발생하더라도 중첩된 배광 분포가 원하는 배광 분포를 유지할 수 있다.Therefore, the free shape lens having a superimposition effect of the light distribution to improve the manufacturing tolerances of the LED lighting fixture according to the present invention and its design method can obtain a uniform light distribution using one free shape lens, LED lighting In addition to reducing the number of optical elements that make up the instrument, it is possible to reduce light loss, reduce production costs, and facilitate the manufacturing process, as well as to independently separate at least two separate areas on one free-form lens surface. Since the same light distribution is formed and these light distributions overlap to form a light distribution of the illumination surface, even if the light emission distribution of the LED is inconsistent with the original design condition or an error occurs in the alignment of the internal structure of the LED luminaire. The superimposed light distribution may maintain the desired light distribution.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.As described above, the present invention has been described by way of limited embodiments and drawings, but the present invention is not limited to the above embodiments, and those skilled in the art to which the present invention pertains various modifications and variations from such descriptions. This is possible.
그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.Therefore, the scope of the present invention should not be limited to the described embodiments, but should be determined by the equivalents of the claims, as well as the claims.
Claims (7)
상기 자유 형상 렌즈의 표면은 적어도 두개의 구역으로 구분되고, 상기 각 구역에 의해 굴절되는 빛이 상기 조명면 전체에 도달할 때 상기 조명면 상에서 원하는 배광 분포를 이루도록 형성되며, 상기 각 구역에 의해 굴절된 빛이 상기 조명면에서 이루는 배광 분포가 다른 구역에 의해 굴절된 빛이 상기 조명면에서 이루는 배광 분포와 동일하면서 서로 중첩되도록 적어도 두 가지의 서로 다른 자유 형상 곡면으로 형성되는 자유 형상 렌즈.In the free-form lens used to make the light distribution distribution formed on the illumination surface by a LED luminaire using a light emitting diode (LED) chip as a light source,
The surface of the free-form lens is divided into at least two zones, and is formed to have a desired light distribution on the illumination surface when the light refracted by each zone reaches the entire illumination surface, and is refracted by each zone. And at least two different free-form curved surfaces so that the light refracted by the region having different light distributions on the illumination surface is the same as the light distribution distribution on the illumination surface and overlaps with each other.
상기 자유 형상 렌즈는,
상기 LED 칩을 향하는 제1면 및 상기 조명면을 향하고 있는 제2면으로 구성되고,
상기 제1면 및 제2면 중 적어도 하나의 면은 자유 형상 곡면인 것을 특징으로 하는 자유 형상 렌즈.The method of claim 1,
The free form lens,
A first surface facing the LED chip and a second surface facing the illumination surface,
At least one of the first surface and the second surface is a free-form lens, characterized in that the free-form curved surface.
상기 자유 형상 렌즈는,
상기 LED 칩을 향하는 제1면과 상기 조명면을 향하고 있는 제2면으로 구성되고,
상기 LED 칩이 상기 제1면과 인접함에 따라 상기 제1면에 의한 굴절 현상이 일어나지 않으며, 상기 제2면이 자유 형상 곡면인 것을 특징으로 하는 자유 형상 렌즈.The method of claim 1,
The free form lens,
A first surface facing the LED chip and a second surface facing the illumination surface,
The refractive shape of the first surface does not occur as the LED chip is adjacent to the first surface, and the second surface is a free-form curved surface.
상기 표면은 적어도 두개의 구역으로 구분되어 각 구역에 입사된 빛이 굴절에 의해 상기 조명면에서 원하는 배광 분포가 되도록 형성되고 두가지 이상의 서로 다른 자유 형상 곡면으로 형성됨으로써 상기 자유 형상 렌즈의 각 구역에 의해 굴절된 빛이 상기 조명면에서 이루는 배광 분포가 다른 구역에 의해 굴절된 빛이 상기 조명면에서 이루는 배광 분포와 동일하면서 서로 중첩되도록 하는 자유 형상 렌즈.The surface is formed to achieve a desired light distribution while refracting the light emitted from the plurality of LED chips and incident on the free-form lens to reach the illumination surface.
The surface is divided into at least two zones so that the light incident on each zone is formed to have a desired light distribution on the illumination surface by refraction and is formed by two or more different free-form curved surfaces so that each zone of the free-form lens is A free-form lens, wherein the light distribution distributed by the refracted light on the illumination surface is overlapped with each other while the light refracted by the zone is equal to the light distribution on the illumination surface.
상기 자유 형상 렌즈는,
상기 LED 칩을 향하는 제1면 및 상기 조명면을 향하고 있는 제2면으로 구성되고,
상기 제1면 및 제2면 중 적어도 하나의 면은 자유 형상 곡면인 것을 특징으로 하는 자유 형상 렌즈.5. The method of claim 4,
The free form lens,
A first surface facing the LED chip and a second surface facing the illumination surface,
At least one of the first surface and the second surface is a free-form lens, characterized in that the free-form curved surface.
상기 자유 형상 렌즈는,
상기 LED 칩을 향하는 제1면과 상기 조명면을 향하고 있는 제2면으로 구성되고,
상기 LED 칩이 상기 제1면과 인접함에 따라 상기 제1면에 의한 굴절 현상이 일어나지 않으며, 상기 제2면이 자유 형상 곡면인 것을 특징으로 하는 자유 형상 렌즈.5. The method of claim 4,
The free form lens,
A first surface facing the LED chip and a second surface facing the illumination surface,
The refractive shape of the first surface does not occur as the LED chip is adjacent to the first surface, and the second surface is a free-form curved surface.
상기 자유 형상 렌즈는,
상기 각 LED 칩에서 방출된 빛이 입사된 표면 별로 적어도 두개의 구역으로 표면이 구분되는 것을 특징으로 하는 자유 형상 렌즈.5. The method of claim 4,
The free form lens,
The free shape lens, characterized in that the surface is divided into at least two zones for each surface incident light emitted from the LED chip.
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