WO2014106992A1 - 고방사각 렌즈 - Google Patents

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WO2014106992A1
WO2014106992A1 PCT/KR2013/010593 KR2013010593W WO2014106992A1 WO 2014106992 A1 WO2014106992 A1 WO 2014106992A1 KR 2013010593 W KR2013010593 W KR 2013010593W WO 2014106992 A1 WO2014106992 A1 WO 2014106992A1
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WO
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spherical surface
curvature
lens
light
radius
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PCT/KR2013/010593
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English (en)
French (fr)
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조재형
김영일
최은아
문기선
Original Assignee
㈜코이즈
한국산업기술대학교산학협력단
고아광학 주식회사
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01L33/58—Optical field-shaping elements

Definitions

  • the present invention relates to a high-radiation lens, and more particularly, by providing a high-angle lens that can increase the radiation angle of light by using a spherical lens to the lens of a flat panel lighting device used for backlighting, such as LCD,
  • the present invention relates to a high-radiation lens for reducing the cost by constructing a lens in spherical surface instead of an aspherical surface, and at the same time manufacturing a lens having high radial performance and enabling a thin flat panel lighting device to be configured.
  • the present invention claims the benefit of the filing date of Korea Patent Application No. 10-2013-0001686 filed January 7, 2013, the entire contents of which are incorporated herein.
  • FIG. 1 is a structural diagram of a general flat panel lighting apparatus for an LCD, and a representative configuration of a flat panel lighting apparatus in which a light source is directly irradiated from a lower surface thereof is shown.
  • the flat panel lighting apparatus supplies power to the LED 10 and the LED 30, which are light sources disposed at regular intervals on the frame 10, the reflecting plate 20, and the reflecting plate 20 for supporting and fixing the components.
  • the circuit board 50 to supply, the lens 40 for increasing the radiation angle of the light emitted from LED, the diffuser plate 60 which diffuses the light from the lens 40, and the light which diffused from the diffuser plate 60
  • the diffusion sheet 70 and the prism sheet 80 to increase the front brightness by collecting the diffused light passing through the diffusion sheet 70 to further diffuse the light uniformity.
  • the LCD panel 90 is mounted on the flat panel lighting device so that light is irradiated onto the LCD panel 90.
  • 2A to 2C are diagrams showing the function of a high-radial lens used in a general flat panel lighting device for LCD. 2A to 2C, the function of the flat panel lighting apparatus will be described in more detail. 2A to 2C show the intensity distribution 5 of the light in a curved shape.
  • Fig. 2A shows a case where there is no high-angle lens in the flat panel lighting device.
  • the light emitted from the LED usually has a divergence angle of 120 degrees.
  • the portion where the LED 30 is located has a large light intensity 5 and is disposed between the LED 30 and the LED.
  • the corresponding portion becomes weak in the light intensity 5, resulting in poor luminance distribution uniformity on the diffuser plate 60.
  • the distance between the LED 30 and the diffusion plate 60 may be far away, but the thickness of the flat panel lighting device becomes considerably thick, thereby losing the value as a product.
  • Fig. 2B shows a case where the flat illumination device has a high radial lens.
  • the radiation angle increasing lens is installed above the LED as shown in FIG. 2B, the light is emitted at a radiation angle greater than 120 degrees, so that the distribution of light intensity 5 on the diffuser plate 60 is uniform.
  • FIG. 2C shows that the light having improved uniformity passes through the diffuser plate 60 and the diffuser sheet 70 in order to achieve a substantially uniform luminance distribution through the high-radial lens of the flat panel lighting device, and emits a radiation angle by the prism sheet 80. After narrowing down, the LCD panel is irradiated to supply uniform light to the LCD panel.
  • the incident curve 40a and the exit curve 40b of the light of the lens are composed of aspherical curves that vary according to the emission angle of the LED, not the spherical surface.
  • 3A and 3B are views showing the structure of a conventional high-radial lens.
  • the light L emitted from the LED 30 is incident on the incident surface 40a of the lens 40 and is first refracted in a direction away from the optical axis Z of the lens 40.
  • the light angle refracted by 40a is further refracted by the exit curved surface 40b in the direction away from the optical axis Z of the lens 40, so that the radiation angle increases.
  • the above principle generally occurs when the incident curved surface 40a is a concave surface and the exit curved surface 40b is a convex surface.
  • the incident curve 40a is manufactured as an aspherical surface instead of a spherical surface. That is, the radius of incidence surface is determined in a direction in which the refraction angle ⁇ 1 caused by the incident surface 40a is far from the Z axis according to the angle ⁇ 1 value of the light L emitted from the LED 30.
  • the radius of the exit curve 40b is determined in a direction in which the angle of refraction ⁇ 2 by the exit curve 40b is increased according to the incident angle ⁇ 2 of the light L incident on the exit curve 40b.
  • the light emitting angle of light was increased.
  • the prior art implements the function of increasing the angle of incidence by making both the incidence surface and the outgoing surface of the lens as spherical surfaces instead of aspherical surfaces.
  • the aspherical mold for manufacturing the aspherical lens is expensive and the inspection of the manufactured lens is also spherical. There is a problem that the cost of the lens is increased because the cost is increased than the old lens.
  • U.S. Patent No. 7,798,679 discloses a light emitting device in which light diffusivity is improved by using an aspherical lens.
  • the manufacturing cost increases and the unit price of the lens increases.
  • An object of the present invention is to increase the radiation angle of the light by using a spherical lens in the lens of the flat panel lighting device used for backlighting, such as LCD, thereby reducing the cost by constructing the lens as a spherical surface instead of a conventional aspheric surface and at the same time high radiation angle It is an object of the present invention to provide a lens having high performance, and to provide a high-angle lens for enabling the construction of a thin flat panel lighting device.
  • the high-radiation lens according to the present invention for achieving the above object includes an incident surface to which light emitted from a light source disposed on an optical axis is incident and an exit curved surface to which light incident on the incident surface is emitted. And an emission surface having a rotational symmetry with respect to the optical axis, wherein the incident surface has a center of curvature at a distance of D1 in the -X direction from the optical axis and is negative in the direction of light travel (+ Z).
  • Connected to one end of the third sphere and the center of curvature is located on the optical axis, and is characterized in that a fourth spherical surface having a positive radius of curvature R4 for the light traveling direction.
  • the high-radiation lens according to the present invention further comprises a bottom surface connected to the other end of the first spherical surface, the first spherical surface and the bottom surface is characterized in that connected to the fifth spherical surface having a radius of curvature R5.
  • the radius of curvature R5 of the fifth spherical surface of the high-radiation lens according to the invention is characterized in that more than 0.5mm and less than 1.5mm.
  • the high-radiation lens according to the present invention further comprises a bottom surface connected to the other end of the first spherical surface and a side surface connected to the bottom surface, the bottom surface and the side surface is connected to a sixth spherical surface having a radius of curvature R6 It is done.
  • the radius of curvature R6 of the sixth spherical surface of the high-radiation lens according to the invention is characterized in that more than 0.5mm and less than 1.5mm.
  • the apparatus may further include a side surface connected to the other end of the third spherical surface of the high-radial lens according to the present invention, wherein the third spherical surface and the side surface are connected to a seventh spherical surface having a radius of curvature R7.
  • the radius of curvature R5 of the seventh spherical surface of the high-radiation lens according to the invention is characterized in that more than 0.5mm and less than 1.5mm.
  • the high-radiation lens according to the invention is characterized in that the refractive index is composed of a transparent material of 1.4 or more.
  • the D1 value of the high-radiation lens according to the present invention is characterized by satisfying the condition of 0 ⁇ D1 ⁇ (R1 / 2).
  • the D2 value of the high-radiation lens according to the present invention satisfies the condition of 0 ⁇ D2 ⁇ R3-H
  • the H value satisfies the condition of H ⁇ (R3 2 -D2 2 ) 0.5 -R1. .
  • R1 and R2 values of the high-angle lens according to the present invention are represented by
  • R3 and R4 values of the high-angle lens according to the present invention are represented by
  • the present invention it is possible to manufacture a lens having a high radial performance even if the lens is manufactured only as a spherical surface instead of the conventional aspherical surface, and the inspection of the lens produced by making the lens only as a spherical surface is also easy to inexpensive high-angle lens There is an effect that can produce.
  • FIG. 1 is a structural diagram of a general flat panel lighting device for LCD.
  • FIG. 1 2A to 2C are diagrams showing the function of the high-angle lens used in the flat panel lighting device for LCD of FIG.
  • 3A and 3B are views showing the structure of a conventional high-radial lens.
  • FIG. 4 is a view showing the structure of a high-radial lens according to an embodiment of the present invention.
  • 5A and 5B are enlarged views of a part of the structure of the high-radial lens according to the embodiment of the present invention.
  • 6A to 6C are diagrams showing the principle of construction of a high-radial lens according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a view showing the membership of the high-radiation lens according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a graph showing the results of the radiation angle according to the LED divergence angle of the high-radiation lens according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 9 is a graph showing the X-axis displacement of the light beam on the diffusion plate according to the LED divergence angle of the high-radiation lens according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a graph showing the X-axis displacement of the light beam on the exit curve surface according to the LED divergence angle of the high-radiation lens according to an embodiment of the present invention.
  • 11A and 11B are graphs showing a light distribution curve of a high-radiation lens according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a graph showing the results of the radiation angle according to the LED divergence angle of the high-radiation lens according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 is a graph showing the X-axis displacement of light rays on a diffusion plate according to the LED divergence angle of the high-radiation lens according to the embodiment of the present invention.
  • 14A to 14C are graphs showing a light distribution curve of a high-radial lens according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • 15A to 15D are diagrams illustrating a configuration and a light distribution curve of a high-radiation lens according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • 16A to 16D illustrate a configuration and a light distribution curve of a high-radiation lens according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a view showing the structure of a high-radiation lens according to an embodiment of the present invention
  • Figures 5A and 5B is an enlarged view of a portion of the structure of a high-angle lens according to an embodiment of the present invention.
  • the high-angle lens 100 is composed of an incident curve and an exit curved surface.
  • the high radial lens 100 is disposed symmetrically with respect to the optical axis Z.
  • the lens disposed on the right side with respect to the optical axis Z and the lens disposed on the left side are configured symmetrically with respect to the optical axis Z.
  • the present invention will be described based on the lens disposed on the right side.
  • the incident curve includes a first spherical surface 101 and a second spherical surface 102 disposed on the optical axis Z, and the output curved surface has a fourth spherical surface disposed on the third spherical surface 103 and the optical axis Z ( 104).
  • the incident surface has a center of radius of the curved surface from which the light L emitted from the light source 200 is incident, deviating in the negative direction (-X) of the X axis with respect to the optical axis Z, and And a first spherical surface 101 having a radius of curvature R1 with respect to a positive direction (+ Z) of the Z axis, which is a travel direction.
  • a representative example of the light source 200 is an LED, and any light source capable of emitting light or other light may be applied.
  • the incident surface includes a second spherical surface 102 whose center of curvature lies on the optical axis Z and has a negative radius of curvature R2 less than R1, which is the radius of curvature of the first spherical surface 101.
  • the first spherical surface 101 is connected to the second spherical surface 102, and the first spherical surface 101 and the second spherical surface 102 are concave curved surfaces that form rotational symmetry around the optical axis Z.
  • the light L is refracted by the incident curved surface, that is, the first spherical surface 101 and the second spherical surface 102 and then exits through the medium having a refractive index n.
  • High radial lens 100 is preferably composed of a transparent material having a refractive index of 1.4 or more. That is, the refractive index of the medium constituting the high-angle lens 100 is preferably composed of a transparent material of 1.4 or more.
  • the emission curved surface includes a third spherical surface 103 having a center of curvature deviating from the optical axis Z in the + X direction and having a negative curvature radius R3 with respect to the traveling direction of the light.
  • the exit curved surface includes a fourth spherical surface 104 whose center of curvature lies on the optical axis Z and has a positive radius of curvature R4 less than R3 which is the radius of curvature of the third spherical surface 103.
  • the third spherical surface 103 and the fourth spherical surface 104 are connected to each other to form an emission curved surface that forms a rotational symmetry around the optical axis Z.
  • the first spherical surface 101 which is the incident surface, and the bottom surface 105 forming the lower portion of the lens are connected to the fifth spherical surface 110, and the radius of curvature R5 of the fifth spherical surface 110 is greater than 0.5 mm and less than 1.5 mm. desirable.
  • the bottom surface 105 forming the lower part of the lens and the side surface 106 formed in a straight line and connected to the sixth spherical surface 111 are formed on the side of the lens, and the radius of curvature R6 of the sixth spherical surface 111 is greater than 0.5 mm. It is preferably less than 1.5 mm.
  • the side surface 106 of the lens and the third spherical surface 103, which is the exit curved surface, are connected to the seventh spherical surface 112, and R7, the radius of curvature of the seventh spherical surface 112, is preferably greater than 0.5 mm and less than 1.5 mm.
  • the first spherical surface 101, the bottom surface 105, the side surface 106, and the third spherical surface 103 are smoothly connected to the fifth to seventh spherical surfaces 110, 111, and 112.
  • first spherical surface 101 is connected to the second spherical surface 102, the other end of the first spherical surface 101 is connected to the bottom surface 105, and the first spherical surface 101 and the bottom surface 105 are It is connected through the fifth spherical surface 110.
  • the first spherical surface 101 has a curvature R1.
  • the center of curvature of the first spherical surface 101 is separated from the optical axis Z by D1 in the -X direction.
  • the center of curvature of the first spherical surface 101 lies on the same X axis as the light emitting point of the light source 200.
  • the center of curvature lies on the optical axis Z.
  • the radius of curvature of the second spherical surface 102 has a negative radius of curvature R2 (
  • the first spherical surface 101 and the bottom surface 105 connected to the other end of the first spherical surface 101 are connected through a fifth spherical surface 110 having a radius of curvature R5.
  • the third spherical surface 103 has a curvature R3, and the center of curvature of the third spherical surface 103 is separated from the optical axis Z on the X axis by D2 in the + X direction and by H in the -Z direction on the Z axis. , H satisfies the following equation.
  • the third spherical surface 103 is placed as far as H satisfying the above expression, so that the intersection of the first spherical surface 101 and the third spherical surface 103 does not occur.
  • One end of the third spherical surface 103 is connected to the fourth spherical surface 104, and the other end of the third spherical surface 103 is connected to the side surface 106.
  • the fourth spherical surface 104 connected to one end of the third spherical surface 103 has a center of curvature on the optical axis Z.
  • the radius of curvature R4 of the fourth spherical surface 104 has a radius of curvature (
  • the side surface 106 connected to the other end of the third spherical surface 103 is disposed away from the optical axis Z by D.
  • the third spherical surface 103 and the side surface 106 are connected through the seventh spherical surface 112.
  • the seventh sphere 112 has a radius of curvature R7.
  • the third spherical surface 103, the fourth spherical surface 104, and the seventh spherical surface 112 correspond to the emission curved surface.
  • 6A to 6C are diagrams showing the principle of construction of a high-radial lens according to an embodiment of the present invention.
  • the light source disposed at P1 which is the intersection of the optical axis Z and the X axis, emits light at an angle of ⁇ (corresponding to 50 to 60 degrees when the light source is an LED).
  • the radiation angle of the light is increased to be directed to the exit curved surface 103, the refraction from the exit curved surface in the direction away from the optical axis again to pass through the exit curved surface of the light room It is effective to increase blind spots.
  • FIG. 7 is a view showing the membership of the high-radiation lens according to an embodiment of the present invention.
  • the angle ⁇ z with respect to the optical axis Z of the light emitted from the emission curved surface after being emitted from the light emitting point P1 of the light source is calculated as shown in FIG. 8.
  • the total reflection by the emission surface does not occur within the divergence angle of the light source (55 ⁇ 60 degrees for LED).
  • a process of obtaining D which is a distance between the side surface 106 and the optical axis Z, is as follows.
  • the angle ⁇ z between the light refracted at an angle of ⁇ r and the Z axis in the emission curve should not exceed 90 degrees.
  • the light source radiation angle corresponding to the selected displacement is selected by selecting the displacement X d with the Z axis. ( ⁇ z ) is determined.
  • the value becomes the radius D of the lens.
  • D value of the high-radiation lens according to an embodiment of the present invention is preferably 7 ⁇ 7.15mm. If the lens radius D is larger than 7.15 mm, the angle ( ⁇ z) of the refracted light with respect to the Z axis is close to 90 degrees or over 90 degrees so that the refracted light does not reach the diffuser plate directly. The light loss occurs because the light is absorbed by the field or partially reflected and reaches the diffuser plate.
  • the above-described embodiment has a structure in which the radial angle increases only by the exit curve. It is possible to have a structure in which refraction is generated not only by the exit curve but also by the incident curve to further increase the radiation angle.
  • the first spherical surface 101 of FIG. 15A is rotationally symmetric about an optical axis Z whose center of curvature deviates from the optical axis Z in the -X direction and has a negative curvature radius R1 with respect to the traveling direction of light (+ Z). It is a concave surface that forms a rotational symmetry.
  • the curved surface exiting through the medium having the refractive index n is the third spherical surface 103, and the center of curvature of the third spherical surface 103 is + X from the optical axis Z.
  • It consists of a curved surface deviating in the direction, having a negative curvature radius R3 with respect to the direction of light propagation, and forming a rotational symmetry around the optical axis, as shown in FIG. 15C, resulting in a light distribution curve with a very low light intensity at the center of the lens. The luminance is lowered.
  • 15B is a high-radiation lens according to an embodiment of the present invention, wherein the incident surface has a first curvature center deviating from the optical axis Z in the -X direction and having a negative radius of curvature R1 with respect to the traveling direction of light (+ Z).
  • a spherical surface 101 and a second spherical surface 102 having a negative curvature radius R2 having a center of curvature on the optical axis and having a radius of curvature R2 smaller than the radius of curvature R1 are connected to form a concave curved surface forming a rotational symmetry about the optical axis.
  • the curved surface refracted by the incidence surfaces 101 and 102 and then exited through the medium having a refractive index n is a third spherical surface having a center of curvature deviating from the optical axis Z in the + X direction and having a negative radius of curvature R3 with respect to the propagation direction of the light.
  • a fourth spherical surface 104 having a radius of curvature R4 and a radius of curvature R4 smaller than the radius of curvature R3 connected to each other to form a rotational symmetry around the optical axis.
  • the second sphere 102 having the negative radius of curvature R2 and the fourth sphere 104 having the positive radius of curvature R4 connect the first sphere 101 and the third sphere 103 to each other.
  • the intensity of light in the center of the lens can be adjusted according to the value.
  • surfaces where the first spherical surface 101, the third spherical surface 103, the bottom surface 105 forming the lower portion of the lens and the side surface 106 forming the side surface portion of the lens meet each other may have a radius of curvature (
  • the fifth to seventh spheres 110, 111, and 112 having R5, R6, and R7 are configured to be smoothly connected to each sphere.
  • the first spherical surface 101, the third spherical surface 103, the bottom surface 105, and the side surface 106 are connected to the fifth to seventh spherical surfaces 110, 111, and 112, they have a light distribution curve as shown in FIG. 16D.
  • the annular band that is projected in the form of a lens can be eliminated to obtain a more uniform luminance distribution. have.
  • the present invention as described above, it is possible to manufacture a lens having a high radial performance even if the lens is produced only in spherical surface instead of the conventional aspherical surface, and the lens is manufactured only in the spherical surface is also easy to inspect the low cost There is an effect that can produce a high-angle lens.

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Abstract

본 발명의 목적은, LCD 등의 백라이팅시 사용되는 평판조명장치의 렌즈에 구면렌즈를 사용하여 빛의 방사 각도를 증가시킴으로써, 종래의 비구면 대신 구면으로 렌즈를 구성하여 비용을 절감함과 동시에 고방사각의 성능을 갖는 렌즈의 제작이 가능하고, 박형의 평판조명장치의 구성이 가능하도록 하기 위한 고방사각 렌즈를 제공하고자 함에 있다.

Description

고방사각 렌즈
본 발명은 고방사각 렌즈에 관한 것으로, 보다 상세하게는 LCD 등의 백라이팅시 사용되는 평판조명장치의 렌즈에 구면렌즈를 사용하여 빛의 방사 각도를 증가시킬 수 있는 고방사각 렌즈를 제공함으로써, 종래의 비구면 대신 구면으로 렌즈를 구성하여 비용을 절감함과 동시에 고방사각의 성능을 갖는 렌즈의 제작이 가능하고, 박형의 평판조명장치의 구성이 가능하도록 하기 위한 고방사각 렌즈에 관한 것이다. 본 발명은 2013년 1월 7일 출원된 한국특허출원 제10-2013-0001686호의 출원일의 이익을 주장하며, 그 내용 전부는 본 명세서에 포함된다.
액정 표시 장치인 LCD는, LCD의 후면에서 발광하는 평판조명장치(Plane light source unit)를 필수적으로 포함한다. 도 1은 일반적인 LCD용 평판조명장치에 대한 구조도로서, 광원이 하면에서 직접 조사하는 평판조명장치의 대표적인 구성이 도시되어 있다.
도 1에 따른 평판조명장치는, 부품들을 지지하고 고정하기 위한 프레임(10), 반사판(20), 반사판(20)에 일정 간격으로 배치된 광원인 LED(30), LED(30)에 전원을 공급하는 회로기판(50), LED로부터 발산한 빛의 방사 각도를 증가시키기 위한 렌즈(40), 렌즈(40)로부터 나오는 빛을 확산시키는 확산판(60), 확산판(60)으로부터 확산된 빛을 더욱 확산시켜 빛의 분포를 균일하게 하여 주는 확산시트(70) 및 확산시트(70)를 통과한 확산된 빛을 모아주어 정면 휘도를 증가시키는 프리즘시트(80)로 구성된다. 상기의 평판조명장치 위에 LCD패널(90)을 장착하여 LCD 패널(90)에 빛이 조사 된다.
도 2A 내지 도 2C는 일반적인 LCD용 평판조명장치에 사용하는 고방사각 렌즈의 기능을 나타내는 도면이다. 도 2A 내지 도 2C를 참조하여 좀 더 구체적으로 상기의 평판조명장치의 기능을 살펴본다. 도 2A 내지 도 2C는 곡선 형상으로 빛의 세기분포(5)를 표시한다.
도 2A는 평판조명장치에 고방사각 렌즈가 없는 경우를 나타낸다. LED로부터 발산하는 빛은 보통 120도의 발산 각도를 가지게 되어 도 2A와 같이 방사각 증가 렌즈가 없을 경우 LED(30)가 위치한 부분은 빛의 세기(5)가 크고 LED(30)와 LED의 사이에 해당하는 부분은 빛의 세기(5)가 약하게 되어 확산판(60)상에서의 휘도 분포 균일도가 나쁘게 된다. 이를 해소하기 위해서는 LED(30)로부터 확산판(60) 사이의 거리를 멀리하면 가능하나 평판조명장치의 두께가 상당히 두껍게 되어 제품으로서의 가치를 상실하게 된다.
도 2B는 평판조명장치에 고방사각 렌즈가 있는 경우를 나타낸다. 도 2B와 같이 LED 상부에 방사각 증가 렌즈를 설치하게 되면 120도보다 큰 방사 각도를 가지고 빛이 발산하므로 확산판(60) 상에서의 빛의 세기(5) 분포가 균일하게 된다.
도 2C는 평판조명장치의 고방사각 렌즈를 통과하여 균일도가 향상된 빛이 확산판(60) 과 확산시트(70)를 차례로 통과하여 거의 균일한 휘도 분포를 이루게 되고 프리즘시트(80)에 의해 방사 각도가 좁혀진 후 LCD패널에 조사하게 되므로써 LCD패널에 균일한 빛을 공급하게 된다.
종래에는 LED로부터의 발산하는 빛의 방사 각도를 증가 시키기 위해 여러 가지 형태의 렌즈가 개발되어 왔다. 이하, 도 3A 및 도 3B를 참조하여 종래기술에 따른 렌즈를 살펴본다.
종래에는 방사 각도를 증가시키기 위해 도 3A 및 도 3B와 같이 렌즈의 빛의 입사 곡면(40a)과 출사 곡면(40b)을 구면이 아닌 LED의 방사 각도에 따라 가변하는 비구면 곡선으로 구성하였다.
도 3A 및 도 3B는 종래의 고방사각 렌즈의 구조를 나타내는 도면이다.
도 3A와 같이 LED(30)로부터 발산하는 빛(L)이 렌즈(40)의 입사곡면(40a)에 입사되어 1차적으로 렌즈(40)의 광축(Z)으로부터 멀어지는 방향으로 굴절되고, 입사곡면(40a)에 의해 굴절된 빛은 출사곡면(40b)에 의해 재차 렌즈(40)의 광축(Z)으로부터 멀어지는 방향으로 굴절되는 원리로 방사 각도가 증가한다. 상기와 같은 원리는, 일반적으로 입사곡면(40a)이 오목면이고 출사곡면(40b)이 볼록면일 때 발생하게 된다.
도 3B를 참조하면, 종래에는 방사 각도를 더욱 더 넓히기 위해 입사곡면(40a)을 구면이 아닌 비구면으로 제작하였다. 즉, LED(30)로부터 방사하는 빛(L)의 각도 Φ1 값에 따라 입사곡면(40a)에 의한 굴절각 θ1이 Z축으로부터 멀어지게 되는 방향으로 입사곡면의 반경이 결정된다.
출사곡면(40b) 역시 마찬가지로, 출사곡면(40b)에 입사하는 빛(L)의 입사각 θ2에 따라 출사곡면(40b)에 의한 굴절각 Φ2가 크게 되는 방향으로 출사곡면(40b)의 반경이 결정되도록 하여 빛의(L) 방사 각도를 크게 하였다.
상기와 같이 종래 기술은 렌즈의 입사곡면 및 출사곡면을 모두 구면이 아닌 비구면으로 하여 방사각 증가 기능을 구현하였으나 비구면 렌즈를 제작하기 위한 비구면 금형은 제작 비용이 고가이고 제작된 렌즈의 검사 또한 구면으로 된 렌즈 보다 비용이 증가되어 렌즈의 단가가 상승하는 문제점이 있었다.
한편, 미국등록특허공보 제7,798,679호는 비구면 렌즈를 이용하여 광의 확산성이 향상된 발광장치를 개시하고 있다. 하지만, 상기와 같은 구성에 의하더라도 제작 비용이 증가하고 렌즈의 단가가 상승하는 한계가 있다.
본 발명의 목적은, LCD 등의 백라이팅시 사용되는 평판조명장치의 렌즈에 구면렌즈를 사용하여 빛의 방사 각도를 증가시킴으로써, 종래의 비구면 대신 구면으로 렌즈를 구성하여 비용을 절감함과 동시에 고방사각의 성능을 갖는 렌즈의 제작이 가능하고, 박형의 평판조명장치의 구성이 가능하도록 하기 위한 고방사각 렌즈를 제공하고자 함에 있다.
이와 같은 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 고방사각 렌즈는, 광축 상에 배치된 광원으로부터 출사된 빛이 입사하는 입사 곡면 및 입사 곡면에 입사한 빛이 출사되는 출사 곡면을 포함하고, 입사 곡면 및 출사 곡면은 광축을 중심으로 회전대칭(rotational symmetry)되는 고방사각 렌즈에 있어서, 입사 곡면은 곡률 중심이 광축으로부터 -X 방향으로 D1의 거리에 위치하고 빛의 진행 방향(+Z)에 대해 음의 곡률반경 R1을 가지는 제1 구면 및 제1 구면의 일단에 연결되고 곡률 중심이 광축 상에 위치하며 빛의 진행 방향에 대해 음의 곡률반경 R2를 가지는 제2 구면을 포함하고, 출사 곡면은 곡률 중심이 광축으로부터 +X 방향으로 D2의 거리에 위치하고 X축으로부터 -Z 방향으로 H의 거리에 위치하며 빛의 진행 방향에 대해 음의 곡률반경 R3을 가지는 제3 구면 및 제3 구면의 일단에 연결되고 곡률 중심이 광축 상에 위치하며 빛의 진행 방향에 대해 양의 곡률반경 R4를 가지는 제4 구면을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 고방사각 렌즈는, 제1 구면의 타단에 연결되는 바닥면을 더 포함하고, 제1 구면과 바닥면은, 곡률 반경 R5를 가지는 제5 구면으로 연결된 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 고방사각 렌즈의 제5 구면의 곡률 반경 R5는 0.5mm 초과 1.5mm 미만인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 고방사각 렌즈는, 제1 구면의 타단에 연결되는 바닥면 및 바닥면에 연결되는 측면을 더 포함하고, 바닥면과 측면은 곡률반경 R6를 가지는 제6 구면으로 연결된 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 고방사각 렌즈의 제6 구면의 곡률 반경 R6는 0.5mm 초과 1.5mm 미만인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 고방사각 렌즈의 제3 구면의 타단에 연결되는 측면을 더 포함하고, 제3 구면과 측면은 곡률 반경 R7를 가지는 제7 구면으로 연결된 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 고방사각 렌즈의 제7 구면의 곡률 반경 R5는 0.5mm 초과 1.5mm 미만인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 고방사각 렌즈는 굴절률이 1.4 이상인 투명 재질로 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 고방사각 렌즈의 D1 값은 0 < D1 < (R1/2) 의 조건을 만족하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 고방사각 렌즈의 D2 값은 0 < D2 < R3-H 의 조건을 만족하고, H 값은 H < (R32 -D22)0.5 - R1 의 조건을 만족하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 고방사각 렌즈의 R1 및 R2 값은 |R1| > |R2| 의 조건을 만족하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 고방사각 렌즈의 R3 및 R4 값은 |R4| < |R3| 조건을 만족하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 종래의 비구면 대신에 구면으로만 렌즈를 제작하여도 고방사각의 성능을 가진 렌즈를 제작할 수 있고, 렌즈가 구면으로만 제작되어 제작된 렌즈의 검사 또한 용이하여 저가의 고방사각 렌즈를 생산할 수 있는 효과가 있다.
또한, 렌즈의 제작 비용을 절감함과 동시에 고방사각의 성능을 갖는 렌즈의 제작이 가능하고, 박형의 평판조명장치의 구성이 가능한 효과가 있다.
도 1은 일반적인 LCD용 평판조명장치에 대한 구조도이다.
도 2A 내지 도 2C는 도 1의 LCD용 평판조명장치에 사용하는 고방사각 렌즈의 기능을 나타내는 도면이다.
도 3A 및 도 3B는 종래의 고방사각 렌즈의 구조를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 고방사각 렌즈의 구조를 나타내는 도면이다.
도 5A 및 도 5B는 본 발명의 실시예에 따른 고방사각 렌즈의 구조의 일부를 확대한 도면이다.
도 6A 내지 도 6C는 본 발명의 실시예에 따른 고방사각 렌즈의 구성 원리를 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 고방사각 렌즈의 구성원리를 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 고방사각 렌즈의 LED 발산각에 따른 방사각의 결과를 나타내는 그래프이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 고방사각 렌즈의 LED 발산각에 따른 확산판 상에서 광선의 X축 변위를 나타내는 그래프이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 고방사각 렌즈의 LED 발산각에 따른 출사곡면 상에서 광선의 X축 변위를 나타내는 그래프이다.
도 11A 및 도 11B는 본 발명의 실시예에 따른 고방사각 렌즈의 배광곡선을 나타내는 그래프이다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 고방사각 렌즈의 LED 발산각에 따른 방사각의 결과를 나타내는 그래프이다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 고방사각 렌즈의 LED 발산각에 따른 확산판 상에서 광선의 X축 변위를 나타내는 그래프이다.
도 14A 내지 도 14C는 본 발명의 실시예에 따른 고방사각 렌즈의 배광곡선을 나타내는 그래프이다.
도 15A 내지 도 15D는 본 발명의 실시예에 따른 고방사각 렌즈의 구성 및 배광곡선을 나타내는 도면이다.
도 16A 내지 도 16D는 본 발명의 또다른 실시예에 따른 고방사각 렌즈의 구성 및 배광곡선을 보이는 도면이다.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
이하, 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 고방사각 렌즈의 구조를 나타내는 도면이고, 도 5A 및 도 5B는 본 발명의 실시예에 따른 고방사각 렌즈의 구조의 일부를 확대한 도면이다.
본 발명의 실시예에 따른 고방사각 렌즈(100)는, 입사곡면과 출사곡면으로 구성된다.
고방사각 렌즈(100)는 광축(Z)을 기준으로 좌우 대칭으로 배치된다. 광축(Z)을 기준으로 우측에 배치된 렌즈와 좌측에 배치된 렌즈는, 광축(Z)을 기준으로 좌우 대칭으로 구성되는 바, 이하 우측에 배치된 렌즈를 기준으로 본 발명을 설명한다.
입사곡면은 제1 구면(101) 및 광축(Z)상에 배치된 제2 구면(102)을 포함하고, 출사곡면은 제3 구면(103) 및 광축(Z)상에 배치된 제4 구면(104)을 포함한다.
입사곡면은 광원(200)으로부터 나오는 빛(L)이 입사하는 곡면의 곡률 중심(Center of Radius)이 광축(Z)을 기준으로 X축의 음의 방향(-X)으로 벗어나고, 빛(L)의 진행 방향인 Z축의 양의 방향(+Z)에 대해 음의 곡률반경인 R1을 가지는 제1 구면(101)을 포함한다.
광원(200)의 대표적인 예로는 LED가 있으며, 발광체 또는 기타 빛을 발광할 수 있는 어떠한 광원이든 적용될 수 있다.
입사곡면은 곡률 중심이 광축(Z)상에 놓이며 제1 구면(101)의 곡률반경인 R1보다 작은 음의 곡률반경 R2를 가진 제2 구면(102)을 포함한다.
제2 구면(102)에는 제1 구면(101)이 연결되며, 제1 구면(101)과 제2 구면(102)은 광축(Z)을 중심으로 회전 대칭(rotational symmetry)을 이루는 오목한 곡면이다.
빛(L)은, 입사 곡면, 즉 제1 구면(101) 및 제2 구면(102)에 의해 굴절된 후 굴절률 n 인 매질을 지나 출사된다.
본 발명에 따른 고방사각 렌즈(100)는 굴절률이 1.4 이상인 투명 재질로 구성되는 것이 바람직하다. 즉, 고방사각 렌즈(100)를 구성하는 매질의 굴절률은 1.4 이상인 투명재질로 구성되는 것이 바람직하다.
출사곡면은, 곡률 중심이 광축(Z)으로부터 +X 방향으로 벗어나고 빛의 진행 방향에 대해 음의 곡률반경 R3을 가지는 제3 구면(103)을 포함한다.
출사곡면은, 곡률 중심이 광축(Z) 상에 놓이며 제3 구면(103)의 곡률반경인 R3 보다 작은 양의 곡률반경 R4를 가진 제4 구면(104)을 포함한다.
제3 구면(103)과 제4 구면(104)은 서로 연결되어 광축(Z)을 중심으로 회전 대칭(rotational symmetry)을 이루는 출사곡면을 구성한다.
입사 곡면인 제1 구면(101)과 렌즈의 하부를 이루는 바닥면(105)은 제5 구면(110)으로 연결되며, 제5 구면(110)의 곡률반경인 R5는 0.5mm 초과 1.5 mm 미만임이 바람직하다.
렌즈의 하부를 이루는 바닥면(105)과 렌즈의 측부에 배치되며 직선으로 형성된 측면(106)은 제6 구면(111)로 연결되며, 제6 구면(111)의 곡률반경인 R6는 0.5mm 초과 1.5 mm 미만임이 바람직하다.
렌즈의 측면(106)과 출사 곡면인 제3 구면(103)은 제7 구면(112)로 연결되며, 제7 구면(112)의 곡률반경인 R7은 0.5mm 초과 1.5 mm 미만임이 바람직하다.
즉, 제1 구면(101), 바닥면(105), 측면(106) 및 제3 구면(103)은 제5 내지 제7 구면(110, 111, 112)으로 부드럽게 연결된다.
이하, 도 5A 및 도 5B를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 고방사각 렌즈를 설명한다.
제1 구면(101)의 일단은 제2 구면(102)과 연결되고, 제1 구면(101)의 타단은 바닥면(105)과 연결되며, 제1 구면(101)과 바닥면(105)은 제5 구면(110)을 통하여 연결된다.
제1 구면(101)은 곡률 R1을 가진다. 제1 구면(101)의 곡률 중심은 광축(Z)으로부터 -X방향으로 D1 만큼 떨어진다. 제1 구면(101)의 곡률 중심은 광원(200)의 발광점과 같은 X축 상에 놓이게 된다.
제1 구면(101)의 일단에 연결된 제2 구면(102)은, 곡률 중심이 광축(Z) 상에 놓이게 된다. 제2 구면(102)의 곡률반경은 제1 구면(101)의 곡률반경 R1보다 작은 음의 곡률반경 R2 (|R1| > |R2|)를 가진다.
제1 구면(101)과 제1 구면(101)의 타단에 연결된 바닥면(105)은, 곡률 반경이 R5인 제5 구면(110)을 통하여 연결된다.
제3 구면(103)은 곡률 R3를 가지고, 제3 구면(103)의 곡률 중심은 X축 상으로는 광축(Z)으로부터 +X 방향으로 D2 만큼 떨어지고 Z축 방향으로는 -Z방향으로 H만큼 떨어지게 되며, H는 하기와 같은 식을 만족한다.
H < (R32 -D22)0.5 - R1 (식) - 1
제3 구면(103)은 상기의 식을 만족하는 H 만큼 떨어진 곳에 놓이게 되어, 제1 구면(101)과 제3 구면(103)의 교차가 생기지 않도록 한다.
제3 구면(103)의 일단은 제4 구면(104)과 연결되고, 제3 구면(103)의 타단은 측면(106)과 연결된다.
제3 구면(103)의 일단에 연결되는 제4 구면(104)은 곡률 중심이 광축(Z) 상에 놓인다. 제4 구면(104)의 곡률 반경 R4는, 제3 구면(103)의 곡률반경 R3 보다 작은 곡률반경(|R4| < |R3|)을 가진다.
제3 구면(103)의 타단에 연결되는 측면(106)은, 광축(Z)으로부터 D 만큼 떨어져 배치된다. 제3 구면(103)과 측면(106)은 제7 구면(112)을 통하여 연결된다. 제7 구면(112)은 곡률 반경 R7를 가진다.
즉, 제3 구면(103), 제4 구면(104) 및 제7 구면(112)는 출사곡면에 해당한다.
도 6A 내지 도 6C은 본 발명의 실시예에 따른 고방사각 렌즈의 구성 원리를 나타내는 도면이다.
광축(Z)과 X축의 교점인 P1에 배치된 광원은 θ(광원이 LED 경우에는 50 ~ 60도에 해당함)의 각도로 빛을 발산하게 된다.
만약, R1의 곡률을 가진 제1 구면(101)의 곡률 중심(P2)이 광원에 위치한다면, 즉 P1 = P2 이면 도 6의 (b)와 같이 제1 구면(101)의 법선 방향과 입사하는 빛의 방향이 같게 되어(θr=0) 스넬의 법칙(Snell's Law)
n1 sinθi = n2 sinθr (식) - 2
에 의해 제1 구면(101)에 의한 굴절이 발생하지 않는다. 즉 입사각(θi)과 굴절각(θr)이 모두 0이 되므로 빛은 제1 구면(101)에 입사한 방향으로 렌즈의 굴절률 n 인 매질을 지나 출사 곡면으로 향하게 된다.
그러나 도 6C와 같이 제1 구면(101)이 곡률 R1을 가지고 곡률 중심(P2)이 광축(Z)으로부터 -X 방향으로 D1 만큼 떨어지고 광원과 같은 X축상에 놓이게 되면, 제1 구면(101)의 법선 방향과 입사 빛의 방향 사이의 입사각이 형성되고 상기의 식 2에 의해 곡면(101)에 입사된 빛은 일정 각도로 굴절되어 출사 곡면으로 향하게 된다.
상기와 같은 굴절은 광축(Z)으로부터 멀어지는 방향으로 굴절되므로 빛의 방사각이 증가되어 출사 곡면(103)으로 향하게 되고 출사곡면에서 재차 광축으로부터 멀어지는 방향으로 굴절되어 출사곡면을 통과하게 되어 빛의 방사각이 증가되는 효과를 발휘한다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 고방사각 렌즈의 구성원리를 나타내는 도면이다.
제1 구면(101)의 곡률 반경 R1, 제3 구면(103)의 곡률 반경 R3, 제3 구면(103)의 곡률 중심의 광축(Z) 상의 거리 H, 굴절률 n, X축과 확산판(60)간의 거리 T, 제1 구면(101)의 곡률 중심과 광축(Z)과의 거리인 D1의 값을 R1 = 3.0 mm, R3 = 8 mm, H = 3 mm, n = 1.5, T = 25 mm, D1 = 0 mm 와 같이 설정한다.
또한, 제3 구면(103)의 곡률 중심(P3)과 광축(Z)간의 거리값인 D2를, D2 = 0, 1, 2, 3, 4 ,5 mm 와 같이 점차 증가시키는 방향으로 각각 이동시킨다.
광원의 발광점 P1으로부터 발산한 후 출사 곡면으로부터 출사하는 빛의 광축(Z)과의 각도(θz)를 계산하면 도 8과 같은 그래프가 된다.
도 8의 그래프를 참조하면, D2의 길이가 증가할수록 렌즈를 통과한 빛의 방사각(θz)은 증가하나 D2=5 mm인 경우에는 광원의 방사각도가 10도도 되지 않는 TR의 위치의 각도에서 전반사가 일어나 광학적 특성이 나빠지게 된다.
즉, D2 는
0 < D2 < R3-H (식) - 3
의 조건을 만족해야 광원의 발산 각도(LED의 경우 55~60도) 내에서 출사곡면에 의한 전반사가 발생하지 않는다.
또한 상기 조건에서 광원의 발광점 P1으로부터 일정거리 T=25 mm 에 위치한 확산판(60) 상에서의 광원에서의 발산 방사각(θz)에 따른 x 변위를 계산하면 도 9와 같이 D2 = 4 mm 인 구조에서 빛의 확산성이 가장 좋음을 알 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 고방사각 렌즈(100)에서, 측면(106)과 광축(Z)간의 거리인 D를 구하는 과정은 하기와 같다.
먼저, 출사곡면에서 θr의 각도로 굴절된 빛과 Z축과의 각도(θz)가 90도를 넘지 않아야 한다. 또한, 도 1과 같은 평판조명장치의 구조에서 LED(30)와 LED(30) 사이의 거리 및 도 9의 그래프를 참조하여, Z축과의 변위 Xd를 선택하여 선택된 변위에 맞는 광원 방사각(θz)을 결정한다. 마지막으로, 도 10의 그래프를 참조하여 광원 방사각(θz)에 따른 출사곡면 상에서의 X변위를 찾으면 그 값이 렌즈의 반경 D가 된다.
본 발명의 실시예에 따른 고방사각 렌즈의 D 값은 7 ~ 7.15mm임이 바람직하다. 렌즈 반경 D값이 7.15mm보다 크게 되면 굴절된 빛의 Z축 과의 각도(θz) 가 90도에 가깝거나 90도를 넘어서게 되어 굴절된 빛이 확산판에 직접적으로 도달하지 못하며 이 빛들은 다른 구조물 들에 흡수되거나 일부가 반사하여 확산판에 도달되므로 광손실이 발생하게 된다.
본 발명의 실시예에 따른 고방사각 렌즈를 광선 추적하여 렌즈의 발산 광학 특성을 나타내는 배광곡선을 시뮬레이션하면 도 11과 같이 D2 = 4 mm 의 배광곡선이, D2 = 2mm 인 배광곡선보다 빛의 확산성 및 균일성에서 더 우수하다는 것을 알 수 있다.
상기 설명한 실시예는 단지 출사곡면에 의해서만 방사각이 증가하는 구조이다. 출사곡면 뿐만 아니라 입사곡면에 의해서도 굴절이 발생하게 하여 방사각을 더욱 더 증가시키는 구조가 가능하며 이는 하기와 같다.
상기 도 11A 및 도 11B의 그래프를 참조하여 볼 때, 가장 확산성이 좋은 구조인 D2 =4 mm의 조건에서 입사곡면의 곡률 중심을 다음과 같이 -X 방향으로
D1 = 0, -0.5 , -1.0, -1.5, -1.6 mm
각각 이동시킨다.
D1을 변화 시키면서 발광점 P1으로부터 발산한 후 출사 곡면으로부터 출사하는 빛의 Z축 과의 각도(θz)를 계산하면 도 12 및 도 13과 같은 결과를 얻을 수 있다.
도 13을 참조하면, D1의 길이가 -X방향으로 증가할수록 렌즈를 통과한 빛의 방사각(θz)이 증가하나 D1이 -1.5 mm 이상이 되면 광원의 방사각도 20도 이하의 각도에서 출사곡면에서 전반사가 발생하게 되어 광학 특성이 나빠지게 된다. 그러므로 D1은
0 < D1 < (R1/2) (식) - 4
의 조건을 만족하는 것이 바람직하다.
또한, 광원의 발광점 P1으로부터 T=25 mm에 위치한 확산판 상에서의 광원에서의 발산 방사각에 따른 x 변위를 계산하면 도 13과 같고, 상기 렌즈를 광선 추적하여 렌즈의 발산 광학 특성을 나타내는 배광곡선을 시뮬레이션하면 도 14A 내지 도 14C와 같은 결과를 얻을 수 있다.
도 14A 내지 도 14C의 그래프를 참조하면, D1 < 1.5 mm 인 조건, 즉 (식)-4를 만족하는 조건인 D1=1.0 mm 렌즈의 배광곡선을 나타내는 도 14B가 빛의 확산성 및 균일성에서 가장 우수하다는 것을 알 수 있다.
도 15A의 제1 구면(101)은, 곡률 중심이 광축(Z)으로부터 -X 방향으로 벗어나고 빛의 진행 방향(+Z)에 대해 음의 곡률반경 R1을 가지는 광축(Z)을 중심으로 회전 대칭(rotational symmetry)을 이루는 오목한 곡면이다. 또한, 빛이 제1 구면(101)에 의해 굴절된 후 굴절률 n 인 매질을 지나 출사되는 곡면은 제3 구면(103)으로, 제3 구면(103)의 곡률 중심이 광축(Z)으로부터 +X 방향으로 벗어나고 빛의 진행 방향에 대해 음의 곡률반경 R3을 가지며 광축을 중심으로 rotational symmetry를 이루는 곡면으로 구성된 경우로 도 15C와 같이 렌즈 중심부의 빛의 세기가 매우 낮은 배광곡선 결과를 낳아 렌즈 중심부의 휘도가 낮아지게 된다.
도 15B는 본 발명의 실시예에 따른 고방사각 렌즈로서, 입사곡면은 곡률 중심이 광축(Z)으로부터 -X 방향으로 벗어나고 빛의 진행 방향(+Z)에 대해 음의 곡률반경 R1을 가지는 제1 구면(101)과, 곡률 중심이 광축 상에 놓이며 곡률반경 R1 보다 작은 음의 곡률반경 R2를 가진 제2 구면(102)이 연결되어 광축을 중심으로 rotational symmetry를 이루는 오목한 곡면이며, 빛이 상기의 입사 곡면(101,102)에 의해 굴절된 후 굴절률 n 인 매질을 지나 출사되는 곡면은 곡률 중심이 광축(Z)으로부터 +X 방향으로 벗어나고 빛의 진행 방향에 대해 음의 곡률반경 R3을 가지는 제3 구면(103) 및 곡률 중심이 광축 상에 놓이며 곡률반경 R3 보다 작은 양의 곡률반경 R4를 가진 제4 구면(104)이 연결되어 광축을 중심으로 rotational symmetry를 이루는 곡면으로 구성한 경우이다.
도 15B와 같은 조건을 설정한 본 발명의 실시예에 따르면, 도 15D와 같이 렌즈 중심부의 빛의 세기가 증가함을 알 수 있다.
즉, 음의 곡률반경 R2를 가진 제2 구면(102)과 양의 곡률반경 R4를 가진 제4 구면(104)으로 제1 구면(101)과 제3 구면(103)을 연결함으로써 R2와 R4의 값에 따라 렌즈 중심부의 빛의 세기를 조절할 수 있는 것이다.
더욱 바람직하게는 도 16B와 같이, 제1 구면(101), 제3 구면(103), 렌즈의 하부를 이루는 바닥면(105) 및 렌즈의 측면부를 이루는 측면(106)이 만나는 면들은 곡률 반경 (R5, R6, R7)을 가진 제5 내지 제7 구면(110, 111, 112)으로 각 구면들이 부드럽게 연결되도록 구성한다.
제5 내지 제7 구면(110, 111, 112)으로 제1구면(101), 제3 구면(103), 바닥면(105) 및 측면(106)을 연결하면, 도 16D와 같은 배광곡선을 가지게 되며, 도 16A와 같은 렌즈 구조에서 발생하는 빛의 세기의 급격한 변화 (도 16C의 (A)영역)를 제거하여 렌즈 형태로 투사되어 나타나는 환형의 띠를 없앨 수 있어 더욱더 균일한 휘도 분포를 얻을 수 있다.
상기와 같이 본 발명에 따르면, 종래의 비구면 대신에 구면으로만 렌즈를 제작하여도 고방사각의 성능을 가진 렌즈를 제작할 수 있고, 렌즈가 구면으로만 제작되어 제작된 렌즈의 검사 또한 용이하여 저가의 고방사각 렌즈를 생산할 수 있는 효과가 있다.
또한, 렌즈의 제작 비용을 절감함과 동시에 고방사각의 성능을 갖는 렌즈의 제작이 가능하고, 박형의 평판조명장치의 구성이 가능한 효과가 있다.
상기와 같이 도면과 명세서에서 최적의 실시예가 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (12)

  1. 광축 상에 배치된 광원으로부터 출사된 빛이 입사하는 입사 곡면 및 상기 입사 곡면에 입사한 빛이 출사되는 출사 곡면을 포함하고, 상기 입사 곡면 및 상기 출사 곡면은 상기 광축을 중심으로 회전대칭(rotational symmetry)되는 고방사각 렌즈에 있어서,
    상기 입사 곡면은,
    곡률 중심이 상기 광축으로부터 -X 방향으로 D1의 거리에 위치하고 빛의 진행 방향(+Z)에 대해 음의 곡률반경 R1을 가지는 제1 구면; 및
    상기 제1 구면의 일단에 연결되고 곡률 중심이 상기 광축 상에 위치하며 빛의 진행 방향에 대해 음의 곡률반경 R2를 가지는 제2 구면을 포함하고,
    상기 출사 곡면은,
    곡률 중심이 상기 광축으로부터 +X 방향으로 D2의 거리에 위치하고 X축으로부터 -Z 방향으로 H의 거리에 위치하며 빛의 진행 방향에 대해 음의 곡률반경 R3을 가지는 제3 구면; 및
    상기 제3 구면의 일단에 연결되고 곡률 중심이 상기 광축 상에 위치하며 빛의 진행 방향에 대해 양의 곡률반경 R4를 가지는 제4 구면을 포함하는 것을 특징으로 하는 고방사각 렌즈.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 구면의 타단에 연결되는 바닥면을 더 포함하고,
    상기 제1 구면과 상기 바닥면은, 곡률 반경 R5를 가지는 제5 구면으로 연결된 것을 특징으로 하는 고방사각 렌즈.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 제5 구면의 곡률 반경 R5는 0.5mm 초과 1.5mm 미만인 것을 특징으로 하는 고방사각 렌즈.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 구면의 타단에 연결되는 바닥면 및 상기 바닥면에 연결되는 측면을 더 포함하고,
    상기 바닥면과 상기 측면은, 곡률반경 R6를 가지는 제6 구면으로 연결된 것을 특징으로 하는 고방사각 렌즈.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 제6 구면의 곡률 반경 R6는 0.5mm 초과 1.5mm 미만인 것을 특징으로 하는 고방사각 렌즈.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 제3 구면의 타단에 연결되는 측면을 더 포함하고,
    상기 제3 구면과 상기 측면은, 곡률 반경 R7를 가지는 제7 구면으로 연결된 것을 특징으로 하는 고방사각 렌즈.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 제7 구면의 곡률 반경 R5는 0.5mm 초과 1.5mm 미만인 것을 특징으로 하는 고방사각 렌즈.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 고방사각 렌즈는 굴절률이 1.4 이상인 투명 재질로 구성되는 것을 특징으로 하는 고방사각 렌즈.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 D1 값은 0 < D1 < (R1/2) 의 조건을 만족하는 것을 특징으로 하는 고방사각 렌즈.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 D2 값은 0 < D2 < R3-H 의 조건을 만족하고,
    상기 H 값은 H < (R32 -D22)0.5 - R1 의 조건을 만족하는 것을 특징으로 하는 고방사각 렌즈.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 R1 및 상기 R2 값은 |R1| > |R2| 의 조건을 만족하는 것을 특징으로 하는 고방사각 렌즈.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 R3 및 상기 R4 값은 |R4| < |R3| 조건을 만족하는 것을 특징으로 하는 고방사각 렌즈.
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