KR20130097951A - 조명기구용 렌즈 - Google Patents

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KR20130097951A
KR20130097951A KR1020120019654A KR20120019654A KR20130097951A KR 20130097951 A KR20130097951 A KR 20130097951A KR 1020120019654 A KR1020120019654 A KR 1020120019654A KR 20120019654 A KR20120019654 A KR 20120019654A KR 20130097951 A KR20130097951 A KR 20130097951A
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led light
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정승균
이창모
민경익
석대일
이창섭
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삼성전자주식회사
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Abstract

본 발명의 일 실시예는 빛을 균일하고 멀리 보낼 수 있는 조명기구용 렌즈에 관한 것이다. 조명기구용 렌즈는, 입사부와 출사부의 형상으로 인해 빛을 균일하고 멀리 보낼 수 있다.

Description

조명기구용 렌즈{LENS OF LIGHTING APPARATUS}
조명기구용 렌즈가 개시된다. 더욱 상세하게는, LED로부터 발산하는 균일한 빛을 최대한 먼 거리로 보낼 수 있도록 하는 도로조명용 LED 조명기구용 렌즈가 개시된다.
도로조명과 같은 실외 조명은 주로 야간에 도로 이용자의 시환경(視環境)을 개선하여 안전하고 원활하며 쾌적한 도로 교통을 확보하는 것을 목적으로 한다. 또한, 교통 소통에 기여하여 차량운전자의 불안감을 제거하고 피로를 감소시킨다. 이는 곧 보행자의 안전을 확보하고 범죄의 감소를 통해 도로 이용률을 향상시킨다.
도로조명은 조명시설이 적용되는 도로에 따라 가로등, 보안등, 보행등으로 나뉜다. 기존에는 가로등, 보안등, 보행등에 이용되는 광원으로 주로, 나트륨 램프, 수은 램프 또는 메탈 할라이드 램프 등을 사용하였으나, 이러한 램프들은 전기소모량이 많고 사용 수명이 짧으며, 유지보수비용과 환경오염에 따른 단점이 있다. 따라서, 최근에는 상기 램프들을 대체하기 위한 광원으로 도로조명에 LED(Light Emitting Device)를 사용하는 추세이다. LED는 상기 램프들에 비해 낮은 소비전력을 가지며, 긴 수명 및 소형 광원이기 때문에, 도로조명에 이용할 경우, 에너지 절감, 긴 수명으로 유지비용절감, 소형광원으로 공간 절약 등의 이점이 있다.
LED를 도로조명에 사용할 경우, LED에서 광이 발생하는 방향에 렌즈를 설치하여 광선을 수집한다. 일반적으로, 렌즈는 원형 구조를 갖는 것으로, 렌즈의 중심부와 중심부를 둘러싸는 주변부 간의 휘도 차이가 크다.
한편, 렌즈 성형 과정에서 렌즈 재질의 수축 및 변형을 고려한 설계가 이루어지지 않기 때문에, 렌즈의 제작단계에서 설계 단계에서는 예상치 못했던 오차가 발생할 수 있다. 이러한 렌즈 제작 오차를 줄이고 최대한 먼 거리(높은 수직각)로 LED 광원의 빛을 보낼 수 있도록 하는 설계 기법이 필요하다.
또한, 도로조명에서 요구되는 최대한 넓은 간격의 조명기구 배치를 위한 배광의 설계에서도 쳬계적인 설계기법이 정립되어 있지 않아 개발자 개개인의 설계 특성에 따른 개발이 이루어지고 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면 LED 광원에서 발산되는 빛을 균일하게 최대한 먼 거리로 보낼 수 있도록 하는 조명기구용 렌즈를 제공하기 위한 것이다.
상술한 본 발명의 실시예들에 따른 도로조명용 조명기구용 렌즈는, LED 광원을 덮도록 형성된 본체, 상기 본체 내부에서 상기 LED 광원에서 발산되는 빛이 입사되는 직하부에 형성되어 빛의 지향각을 조절하기 위한 다수의 형상부가 형성된 입사부 및 상기 본체의 외부에 형성되며 상기 입사부에서 입사된 상기 빛의 굴절이 조절되어 외부로 발산되도록 서로 다른 곡률을 갖는 다수의 곡면부가 형성된 출사부를 포함하여 구성된다.
일 측에 따르면, 상기 입사부는, 상기 본체의 직하부 중앙 부분에서 상기 LED 광원을 향해 돌출 형성되는 제1 형상부, 상기 제1 형상부에서 연장되며 경사면으로 형성되는 제2 형상부 및 상기 제2 형상부 상부에 구비되는 제3 형상부를 포함할 수 있다. 상기 제1 형상부와 상기 제2 형상부 사이에는 요입 형성된 요입부가 형성될 수 있다.
상기 제1 형상부는 상기 LED 광원에서 발산되는 빛의 임계각 이내에서 굴절되도록 상기 LED 광원의 중심에서 연장된 선에 대해 일정 각도 범위 내에 형성되고, 원기둥 또는 콘 형상을 가질 수 있다.
일 측에 따르면, 상기 출사부는, 상기 본체 중앙 부분이 요입되고, 낮은 수직각의 빛을 높은 수직각으로 보내는 제1 곡면부, 제1 곡면부에서 테두리쪽으로 연장되어 상기 제1 곡면부보다 볼록하게 돌출된 형상을 갖고, 높은 수직각을 갖는 빛의 지향성을 유지시키는 제2 곡면부 및 상기 제2 곡면부에서 테두리쪽으로 연장되며, 상기 제2 곡면부와 다른 곡률을 갖는 곡면으로 형성되며, 기설정된 정도 이상의 수직각을 갖는 빛을 낮은 수직각으로 보내는 제3 곡면부를 포함할 수 있다.
이상에서 본 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따르면, 렌즈 성형시 수축 및 변형을 감소시킬 수 있다. 또한, LED로부터 발산하는 빛을 균일하고 최대한 먼 거리로 보낼 수 있어서 LED 조명기구 간의 설치간격을 증가시킬 수 있다. 더불어, 조명기구로부터 멀리 떨어진 거리에서의 연직면 조도를 확보할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 조명기구용 렌즈의 단면도이다.
도 2는 도 1의 렌즈에서 LED 광원의 일 예를 도시한 사시도이다.
도 3 내지 도 6은 도 1의 렌즈에서 빛 지향성 특성을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 7은 도 1의 렌즈에서 렌즈의 도로 폭 방향 단면도이고, 도 8은 렌즈의 도로 길이 방향 단면도이다.
도 9는 도 1의 렌즈의 사시도이고, 도 10은 도 1의 렌즈의 저면 사시도이다.
도 11과 도 12는 도 1의 렌즈의 배광곡선을 나타내는 도면들이다.
도 13은 도 1의 렌즈를 적용한 도로조명용 조명기구의 설계 결과를 보여주는 표이다.
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 본 발명을 설명함에 있어서, 공지된 기능 혹은 구성에 대해 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략될 수 있다.
본 발명의 설명에 있어서, 각 영역, 면 또는 부 등이 각 영역, 면 또는 부 등의 "상(on)"에 또는 "아래(under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, "상(on)"과 "아래(under)"는 "직접(directly)" 또는 "다른 구성요소를 개재하여 (indirectly)" 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 각 구성요소의 상 또는 아래에 대한 기준은 도면을 기준으로 설명한다.
이하, 도 1 내지 도 13을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 조명기구용 렌즈(20)에 대해서 상세하게 설명한다.
도 1을 참조하면, 렌즈(20)는 낱개의 LED 광원(10)에 취부하여 사용하는 렌즈로써, 본체(21), 입사부(23) 및 출사부(25)를 포함하고, LED 광원(10)에 렌즈(20)를 취부하기 위한 체결부(22)를 포함한다. 여기서, 렌즈(20)는 LED 광원(10)에서 발산된 빛을 최대한 먼 거리로 보낼 수 있는 형태로 형성된다.
도 2는 본 발명의 렌즈(20)에 사용되는 LED 광원(10)의 일 예를 도시한 사시도이다. LED 광원(10)은 패키지 바디부(12)와 실질적인 광원부인 형광체면(11)으로 구성된다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, LED 광원(10)의 형상 및 크기는 실질적으로 다양하게 변경될 수 있다.
이하, 본 실시예에서는 LED 패키지 타입의 LED 광원(10)를 사용하는 것으로 설명하지만, 이에 한정되는 것은 아니며 설계조건에 따라 다양한 광원이 사용될 수 있다. 또한, 본 실시예에서는 설명의 편의를 위하여 LED 광원(10)이 하측을 향해 빛을 발산하는 것으로 설명한다.
본체(21)는 LED 광원(10)의 하부에 배치되어 LED 광원(10)을 덮는 돔 형상으로 형성되며, LED 광원(10)에서 방출되는 빛이 통과할 수 있도록 투명 소재로 형성될 수 있다.
체결부(22)는 본체(21)의 가장자리 둘레를 따라 플랜지 형상으로 돌출될 수 있다. 또한, 체결부(22)는 복수의 돌기 또는 플랜지 형상으로 형성될 수 있다.
렌즈(20)는 본체(21) 내부에서 LED 광원(10)을 마주보는 직하부의 입사부(23) 형태가, 렌즈(20)의 성형 시 부피를 줄이면서 렌즈(20)의 사출 제작 시 수축이 발생하지 않도록 하며, 원하는 형태를 유지할 수 있도록 소정의 형상을 갖는다. 렌즈(20) 직하부의 입사부(23)는 빛의 지향각을 조절하기 위해서 제1 형상부(231), 제2 형상부(233), 제3 형상부(235) 및 요입부(232)로 구분될 수 있다. 또한, 렌즈(20)는 본체(21) 외측면의 출사부(25)는 입사부(23)에서 입사된 빛의 굴절을 조절하여 균일하고 최대한 먼 거리로 보낼 수 있도록 빛의 지향각을 조절하기 위해서, 서로 다른 곡면을 갖는 제1 곡면부(251), 제2 곡면부(253) 및 제3 곡면부(255)로 형성된다.
여기서, 입사부(23)는 중앙을 향해 갈수록 점차 단면적이 작아지는 원뿔 또는 콘 형태를 갖는다. 그리고, 도 7과 도 8에 도시한 바와 같이, 도로 폭 방향과 길이 방향에 대해서 서로 다른 너비 및 형상을 갖는다. 그리고 출사부(25)는 도 10에 도시한 바와 같이, 하부(도 10에서는 상부)를 향해 점차 좁아지는 원뿔 또는 콘 형상을 가지며, 입사부와 마찬가지로 도로 폭 방향과 길이 방향에 대해서 서로 다른 너비 및 형상을 갖는다. 즉, 렌즈(20)는 본체(21)의 외측면이 대략적으로 땅콩을 반으로 자른 형상과 유사하게 형성된다. 그리고 렌즈(20)의 본체(21) 내부는 대략적으로 타원을 반으로 자른 형상으로 요입되게 형성된다.
제1 내지 제3 형상부(231, 233, 235)와 제1 내지 제3 곡면부(251, 253, 255)는 입사되는 빛의 수직각에 따라 구분되며, 제1 내지 제3 형상부(231, 233, 235)와 제1 내지 제3 곡면부(251, 253, 255)가 서로 대응되어 LED 광원(10)에서 입사된 빛을 균일하게 최대한 멀리 보낼 수 있도록 빛의 지향성을 조절한다. 렌즈(20)에서 제1 내지 제3 형상부(231, 233, 235)와 제1 내지 제3 곡면부(251, 253, 255)가 서로 대응되어 각 부분에서 발산되는 빛의 지향성이 도 4 내지 6과 같다. 여기서, 도 4 내지 도 6에서는 LED 광원(10)에서 발생한 빛이 렌즈(20)를 통과하는 경로의 일부를 화살표로 도시하였다. 본 실시예에서는 일부 빛의 경로만을 도시하였고, 렌즈(20)의 한쪽 방향에만 도시하였으나, 렌즈(20)의 중심축을 기준으로 하여 양측에 서로 대칭되게 각각 빛의 경로가 형성될 수 있다. 그리고 도시하지 않은 빛의 경로는 설명을 생략한다.
제1 형상부(231)는 직하부 저면에서 소정 높이 돌출되어 형성되고, 제1 형상부(231)의 돌출된 부분에서 LED 광원(10)의 빛이 원하지 않는 방향으로 굴절되지 않도록 형성된다. 예를 들어, LED 광원(10)은 중심 부분에서 가장 많은 빛이 방출되므로, 도 3에 도시한 바와 같이, 제1 형상부(231)는 LED 광원(10)에서 발산되는 빛이 임계각 이내에서 굴절되도록 LED 광원(10)의 중심을 통과하는 연장선 상에 대해서 소정 각도를 갖는 범위 내에 형성된다. 또한, 제1 형상부(231)는 형성되며 원기둥 또는 콘 형상을 가질 수 있다.
한편, 본체(21)의 중심부는 입사부(23)에서 가장 요입된 중심부이고, 제1 곡면부가 오목하게 형성되므로, 다른 부분에 비해서 두께가 매우 얇아진다. 그러나 본체(21)의 중심부에 돌출된 제1 형상부(231)를 형성함으로써, 본체(21)의 중심부에서의 두께 감소를 보상할 수 있다. 그리고, 제1 형상부(231)가 본체(21) 중심부의 두께를 보상하므로 렌즈(20)의 성형시 본체(21)의 중심부가 비정상적으로 수축되는 현상을 방지할 수 있다.
그리고, 도 4에 도시한 바와 같이, 제1 곡면부(251)에서는 LED 광원(10)에서 발산되는 낮은 수직각의 빛을 최대한 높은 수직각으로 방출시키는 역할을 하며, 이를 위해서 제1 곡면부(251)는 렌즈(20) 중앙 부분이 오목하게 들어간 형태를 갖는다.
또한, 제1 형상부(231)와 제2 형상부(233)의 경계 부분을 이루는 요입부(232)는 LED 광원(10)의 중심에 대해서 연장한 직선의 연장선 상에 배치되도록 사선 형태의 기울기를 갖는 면이 형성된다. 그리고 요입부(232)는 제2 형상부(233)와 연결되는 부분이 상기 제2 형상부(233)와 연속된 곡면을 이루도록 곡면 형태를 갖는다. 즉, 제1 형상부(231)는 요입부(232)의 바닥면보다 소정 높이 평평하게 돌출되고, 그 돌출된 측면이 LED 광원(10)의 중심에서 연장된 직선의 연장선 상에 배치된 기울기를 갖도록 형성된다.
제2 형상부(233)는 제1 형상부(231)에서 연장되고 소정 경사를 갖는 곡면 또는 평면으로 형성된다. 제2 곡면부(253)는 도 4에 도시한 바와 같이, 높은 수직각을 갖는 빛의 지향성을 유지시킬 수 있도록 소정의 곡면으로 형성된다. 예를 들어, 제2 곡면부(253)는 제1 곡면부(251)에서 테두리쪽으로 연장되어 상기 제1 곡면부(251)보다 볼록하게 돌출된 형상을 갖는다.
제3 형상부(235)는 제2 형상부(233)에서 상부로 연장되며, 평면으로 잘린 형상으로 형성된다. 그리고 제3 곡면부(255)는 기설정된 정도 이상으로 지나치게 높은 수직각을 갖는 빛을 낮은 수직각을 가지도록 원하는 방향으로 빛을 굴절시킬 수 있도록 소정의 평면으로 형성된다. 예를 들어, 제3 곡면부(255)는 제2 곡면부(253)에서 테두리쪽으로 연장되며 제2 곡면부(253)와 서로 다른 곡률을 갖도록 형성된다.
여기서, 제1 내지 제3 형상부(231, 233, 235)와 제1 내지 제3 곡면부(251, 253, 255)의 곡률 및 형상은 도면에 의해 한정되는 것은 아니며, 입사되는 빛의 수직각 및 출사되는 빛의 지향각에 따라 실질적으로 다양하게 변경될 수 있다.
또한, 렌즈(20)는 도로의 폭 방향과 길이 방향에서의 빛 발산을 다르게 할 수 있도록 도 7 내지 도 10에 도시한 바와 같이 도로 폭 방향과 길이 방향에 대해서 서로 다른 형상을 갖는다. 상세하게는, 도 9에 도시한 바와 같이, 렌즈(20)의 외측면이 도로 폭 방향과 도로 길이 방향에 대해서 서로 다른 형상을 갖는다. 그리고 도 7, 도 8 및 도 10에 도시한 바와 같이, 렌즈(20)는 외측면의 형상뿐만 아니라 직하부의 형상 역시 도로 폭 방향과 길이 방향에 대해서 서로 다른 형상을 갖는다.
도 11과 도 12는 본 발명의 실시예에 따른 렌즈의 배광곡선들을 나타낸다. LED 광원(10)에서 발산된 빛은 입사부(23)로 입사된 후 출사부(25)를 통해 외부로 방출된다. 여기서, 입사부(23)에 입사되는 빛의 수직각에 따라 제1 내지 제3 형상부(231, 233, 235)와 제1 내지 제3 곡면부(251, 253, 255)의 형상으로 인해, 서로 다른 기울기로 굴절되어 렌즈(20) 주위로 균일하게 넓게 발산되는 형태로 발산된다.
여기서, 도 11에서 배광곡선이 비대칭적으로 나타난 것은 LED 광원(10)의 RAY 측정 파일을 이용했기 때문이며, 이는 LED 광원에서 발산되는 빛이 균일하게 퍼지지 않기 때문이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 렌즈를 이용한 도로조명 설계의 결과이다. 도 13에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 렌즈를 사용하는 경우, 설치 높이 6m에서 설치 간격 30m의 매우 넓은 간격을 가지면서 차선 중앙 최소 연직면 조도가 1을 만족함으로써 보행자 조명 기준을 만족시킬 수 있음을 알 수 있다. 이와 같은 설치조건(6m, 30m)을 가지면서 본 발명에 따른 렌즈를 이용한 도로조명과 같은 수치를 만족시키는 광학부품은 없는 실정이다.
본 실시예들에 따르면, 입사부(23)의 형상으로 인해 렌즈(20)의 성형 시 수축을 감소시킬 수 있다. 또한, 렌즈(20)의 입사부(23) 및 출사부(25)의 형상으로 인해, 빛을 균일하고 멀리 보낼 수 있으며, LED 광원(10)의 빛을 반사시키지 않고 굴절만 이용하여 배광하므로 광손실을 배제할 수 있다. 또한, LED 조명기구간의 설치간격을 증가시킬 수 있으며, 조명기구로부터 멀리 떨어진 거리에서의 연직면 조도를 확보할 수 있다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것이다. 또한, 본 발명이 상술한 실시예들에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 그러므로, 본 발명의 사상은 상술한 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
10: LED 광원
11: 형광체면
12: 패키지 바디부
20: 렌즈
21: 본체
22: 체결부
23: 입사부
25: 출사부
231, 233, 235: 형상부
232: 요입부
251, 252, 253: 곡면부

Claims (5)

  1. 조명기구용 렌즈에 있어서,
    LED 광원을 덮도록 형성된 본체;
    상기 본체 내부에서 상기 LED 광원에서 발산되는 빛이 입사되는 직하부에 형성되어 빛의 지향각을 조절하기 위한 다수의 형상부가 형성된 입사부; 및
    상기 본체의 외부에 형성되며 상기 입사부에서 입사된 상기 빛의 굴절이 조절되어 외부로 발산되도록 서로 다른 곡률을 갖는 다수의 곡면부가 형성된 출사부;
    를 포함하는 렌즈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 입사부는,
    상기 본체의 직하부 중앙 부분에서 상기 LED 광원을 향해 돌출 형성되는 제1 형상부;
    상기 제1 형상부에서 연장되며 경사면으로 형성되는 제2 형상부; 및
    상기 제2 형상부 상부에 구비되는 제3 형상부;
    를 포함하는 렌즈.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 형상부와 상기 제2 형상부 사이에는 요입 형성된 요입부가 형성된 렌즈.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제1 형상부는 상기 LED 광원에서 발산되는 빛의 임계각 이내에서 굴절되도록 상기 LED 광원의 중심에서 연장된 선에 대해 일정 각도 범위 내에 형성되고, 원기둥 또는 콘 형상을 갖는 렌즈.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 출사부는,
    상기 본체 중앙 부분이 요입되고, 낮은 수직각의 빛을 높은 수직각으로 보내는 제1 곡면부;
    제1 곡면부에서 테두리쪽으로 연장되어 상기 제1 곡면부보다 볼록하게 돌출된 형상을 갖고, 높은 수직각을 갖는 빛의 지향성을 유지시키는 제2 곡면부; 및
    상기 제2 곡면부에서 테두리쪽으로 연장되며, 상기 제2 곡면부와 다른 곡률을 갖는 곡면으로 형성되며, 기설정된 정도 이상의 수직각을 갖는 빛을 낮은 수직각으로 보내는 제3 곡면부;
    를 포함하는 렌즈.
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