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문제 정의
- 본 연구에서는 LED 소자의 크기가 작고, 집속성이 강해 일반적인 조명기구와 같이 반사판 광학설계만으로 배광제어가 어려운 평면 LED 조명기구의 배광제어를 위한 평면 프리즘 LED 조명기구의 배광수치모델 알고리즘을 개발하였다. 본 연구의 배광수치모델 알고리즘은 LED 소자의 배광데이터를 사용하였으며, 광선추적기법을 이용하여 광자의 움직임을 계산하였다.
- 다양한 광학부품 중에서 평면 프리즘 LED 조명기구의 배광형태 변화에 가장 큰 영향을 주는 변수는 프리즘의 각도의 변화이다. 이에 본 연구에서는 평면 프리즘 LED 조명기구의 배광수치모델을 이용하여 일반적인 반사판 광학설계의 적용만으로 도출하기 어려운 평면 LED 조명기구의 다양한 배광 제어를 위한 프리즘 각도의 광학설계 방법론을 제시하고자 한다.
제안 방법
- 둘째, LED 설치 위치와 배광데이터를 이용하여 LED 소자의 초기 위치와 방향벡터를 설정하고, 셋째, 광선추적기법과 굴절법칙을 이용하여 프리즘을 통과하는 광자의 움직임에 따른 위치와 방향벡터를 계산하였다. 그리고 마지막으로 광자의 최종 도달위치를 계산하고, 조명기구의 중심에서 광자의 최종 위치가 이루는 각(Global angle)으로 다시 계산하고, 이것으로 평면 LED 프리즘 조명기구의 새로운 배광형태를 출력하였다.
- 본 연구의 배광수치모델 알고리즘은 LED 소자의 배광데이터를 사용하였으며, 광선추적기법을 이용하여 광자의 움직임을 계산하였다. 그리고 프리즘 각도와 입사각에 의해 발생하는 전반사와 프리즘을 투과하며 발생되는 확산광을 고려한 알고리즘을 개발하였다.
- 본 연구에서 개발한 배광수치모델 알고리즘의 사용 가능성을 검증하기 위하여 프리즘 각도를 1[°]와 5[°], 10[°], 20[°], 30[°], 40[°], 45[°], 60[°]로 변화시키며 시뮬레이션을 수행하였다. 그리고 프리즘 내부에서 발생할 수 있는 전반사 횟수를 50번, 확산광의 비율은 20[%]로 설정하였다. 표 3은 본 연구에서 개발한 배광 수치모델 시뮬레이션과 Photopia 2.
- 0을 이용하여 동일한 조건으로 광학설계 시뮬레이션을 수행한 결과와 배광수치모델 알고리즘 시뮬레이션 결과를 비교하였다. 다음 표 2는 본 연구의 광학설계 시뮬레이션에 사용된 광학부품의 특성을 나타낸 것으로 광학설계 시뮬레이션은 실제 사용되는 평면 LED 조명기구의 형태를 이용하였다.
- 첫째, 평면 LED 조명기구에 사용되는 LED 소자의 배광데이터를 사용하였으며, 배광데이터의 수직 각별 광도를 광자의 에너지로 사용하였다. 둘째, LED 설치 위치와 배광데이터를 이용하여 LED 소자의 초기 위치와 방향벡터를 설정하고, 셋째, 광선추적기법과 굴절법칙을 이용하여 프리즘을 통과하는 광자의 움직임에 따른 위치와 방향벡터를 계산하였다. 그리고 마지막으로 광자의 최종 도달위치를 계산하고, 조명기구의 중심에서 광자의 최종 위치가 이루는 각(Global angle)으로 다시 계산하고, 이것으로 평면 LED 프리즘 조명기구의 새로운 배광형태를 출력하였다.
- 그리고 본 연구에서 평면 프리즘 LED 조명기구의 프리즘 너비 변화에 따른 시뮬레이션을 수행하였고, 그 결과 프리즘 너비 변화에 따른 배광형태 변화는 크지 않은 것으로 나타났다. 또한 평면 프리즘 LED 조명기구의 다양한 배광형태 구현을 위한 방법으로 단위 프리즘 각도군 설정을 제안하였고, 임의의 단위 프리즘 각도군을 설정하여 시뮬레이션을 수행하였다. 그 결과 단위 프리즘 각도군 설정에 따라 다양한 배광 형태의 구현이 가능함을 알 수 있었다.
- 본 연구에서 개발한 배광수치모델 알고리즘의 사용 가능성을 검증하기 위하여 프리즘 각도를 1[°]와 5[°], 10[°], 20[°], 30[°], 40[°], 45[°], 60[°]로 변화시키며 시뮬레이션을 수행하였다.
- 본 연구에서 개발한 알고리즘은 LED 소자의 배광 형태나 설치 위치, 반사판의 반사율, 프리즘의 굴절률 등 광학부품의 광학적 특성을 입력변수로 설정이 되어진다. 이러한 광학부품 설정에 따라 평면 프리즘 조명기구의 배광형태는 매우 다양한 변화를 보일 수 있다.
- 본 연구에서 개발한 평면 프리즘 LED 조명기구의 배광수치모델은 광선추적기법(Raytracing technique)을 이용하여 광원으로부터 발생된 광자의 움직임을 추적하였고, 광자가 프리즘을 통과하며 변화된 조명기구의 배광형태를 예측할 수 있다. 이와 같은 배광수치모델 시뮬레이션 결과와 상용화된 광학설계 소프트웨어인 Photopia 2.
- 본 연구에서 평면 프리즘 LED 조명기구의 다양한 배광형태 구현을 위해 먼저, 프리즘의 너비의 변화에 따른 배광형태 변화를 비교하였고, 단위 프리즘 각도군 설정을 통한 배광형태 변화를 비교하였다. 이때 단위 프리즘 각도군이란 현재 일률적인 각도를 지닌 프리즘이 아닌 서로 다른 각도를 설정하기 위해 평면 프리즘을 같은 너비로 나눈 것을 의미한다.
- 본 연구에서 프리즘의 너비에 따른 평면 프리즘 LED 조명기구의 배광형태 변화를 비교하기 위하여 프리즘 너비를 5[mm]와 1[mm]로 변화시켜 시뮬레이션을 수행하였다. 표 4는 프리즘 너비의 변화에 따른 배광수치모델 시뮬레이션 결과와 Photopia 2.
- 본 연구의 광학설계 시뮬레이션에 사용된 프리즘의 형태는 이등변삼각형이고, 프리즘의 정각이 하부를 향하도록 하였다. 그리고 프리즘의 너비는 10[mm]로 하여 시뮬레이션을 수행하였으며, LED 소자는 Photopia 라이브러리에 제공되고 있는 O사의 2[W] LED 소자의 배광데이터를 사용하였다.
- 일반적으로 평면 프리즘의 각도는 일률적이지만, 본 연구에서는 다양한 배광 형태 구현을 위하여 그림 2와같이 단위 프리즘 각도군을 설정하여 여러 각도를 적용하였다. 이때 단위 프리즘 각도군의 개수(N)는 배광 수치모델 알고리즘의 입력데이터에서 설정하며, 개수에 따라 단위 프리즘 각도군 너비를 균등하게 분할하였다.
대상 데이터
- 본 연구의 광학설계 시뮬레이션에 사용된 프리즘의 형태는 이등변삼각형이고, 프리즘의 정각이 하부를 향하도록 하였다. 그리고 프리즘의 너비는 10[mm]로 하여 시뮬레이션을 수행하였으며, LED 소자는 Photopia 라이브러리에 제공되고 있는 O사의 2[W] LED 소자의 배광데이터를 사용하였다. 또한 조명기구 반사판의 반사율은 90[%], 프리즘의 굴절률은 일반적인 아크릴 재질의 굴절률인 1.
- 첫째, 평면 LED 조명기구에 사용되는 LED 소자의 배광데이터를 사용하였으며, 배광데이터의 수직 각별 광도를 광자의 에너지로 사용하였다. 둘째, LED 설치 위치와 배광데이터를 이용하여 LED 소자의 초기 위치와 방향벡터를 설정하고, 셋째, 광선추적기법과 굴절법칙을 이용하여 프리즘을 통과하는 광자의 움직임에 따른 위치와 방향벡터를 계산하였다.
데이터처리
- 본 연구에서 개발한 배광수치모델 알고리즘의 시뮬레이션 결과 검증을 위하여 광학설계 프로그램인 Photopia 2.0을 이용하여 동일한 조건으로 광학설계 시뮬레이션을 수행한 결과와 배광수치모델 알고리즘 시뮬레이션 결과를 비교하였다. 다음 표 2는 본 연구의 광학설계 시뮬레이션에 사용된 광학부품의 특성을 나타낸 것으로 광학설계 시뮬레이션은 실제 사용되는 평면 LED 조명기구의 형태를 이용하였다.
- 본 연구에서 개발한 평면 프리즘 LED 조명기구의 배광수치모델은 광선추적기법(Raytracing technique)을 이용하여 광원으로부터 발생된 광자의 움직임을 추적하였고, 광자가 프리즘을 통과하며 변화된 조명기구의 배광형태를 예측할 수 있다. 이와 같은 배광수치모델 시뮬레이션 결과와 상용화된 광학설계 소프트웨어인 Photopia 2.0 결과의 비교를 통해 사용 가능성을 검증하였다.
이론/모형
- 본 연구에서 개발한 평면 프리즘 LED 조명기구의 배광수치모델 알고리즘은 LED 소자의 배광데이터를 이용하며, LED 소자에서 발산된 광자의 거동은 광선추적기법에 의해 계산된다. 본 연구의 배광수치모델 알고리즘은 다음과 같이 크게 4단계로 이루어져 있다.
- 본 연구에서는 LED 소자의 크기가 작고, 집속성이 강해 일반적인 조명기구와 같이 반사판 광학설계만으로 배광제어가 어려운 평면 LED 조명기구의 배광제어를 위한 평면 프리즘 LED 조명기구의 배광수치모델 알고리즘을 개발하였다. 본 연구의 배광수치모델 알고리즘은 LED 소자의 배광데이터를 사용하였으며, 광선추적기법을 이용하여 광자의 움직임을 계산하였다. 그리고 프리즘 각도와 입사각에 의해 발생하는 전반사와 프리즘을 투과하며 발생되는 확산광을 고려한 알고리즘을 개발하였다.
- 이는 조명 계산 방법 중에 하나인 “Luminous flux transfer method”에 사용되는 규칙인 5-Times rule을 이용한 것이다.
성능/효과
- 또한 평면 프리즘 LED 조명기구의 다양한 배광형태 구현을 위한 방법으로 단위 프리즘 각도군 설정을 제안하였고, 임의의 단위 프리즘 각도군을 설정하여 시뮬레이션을 수행하였다. 그 결과 단위 프리즘 각도군 설정에 따라 다양한 배광 형태의 구현이 가능함을 알 수 있었다.
- 0은 전반사가 이루어지는 횟수와 측정된 매질의 투과율과 확산광 비율의 차이에서 발생되는 오차로 사료된다. 그러나 배광의 형태는 큰 차이가 없으며, 이로써 본 연구에서 개발한 평면 프리즘 LED 조명기구 배광수치모델 알고리즘의 사용 가능성이 검증되었다.
- 그리고 본 연구에서 평면 프리즘 LED 조명기구의 프리즘 너비 변화에 따른 시뮬레이션을 수행하였고, 그 결과 프리즘 너비 변화에 따른 배광형태 변화는 크지 않은 것으로 나타났다. 또한 평면 프리즘 LED 조명기구의 다양한 배광형태 구현을 위한 방법으로 단위 프리즘 각도군 설정을 제안하였고, 임의의 단위 프리즘 각도군을 설정하여 시뮬레이션을 수행하였다.
- 표 3과 표 4에서 나타내는 것과 같이 프리즘의 너비가 짧고, 프리즘 각도가 작을수록 둥근 형태인“Lambertian” 배광형태를 보였는데, 특히 프리즘 너비가 짧은 1[mm]인 경우, 각도가 작을수록 일반적인 확사판이나 불투명 커버와 유사한 성격을 나타나는 것으로 보인다. 그리고 프리즘 각도가 커짐에 따라 프리즘 너비 변화에 따른 배광형태의 변화가 거의 없는 것으로 나타났다.
- 본 연구에서 개발한 배광수치모델의 시뮬레이션 결과와 광학설계 소프트웨어인 Photipia 2.0의 시뮬레이션 결과를 비교한 결과, 프리즘 각도에 의해 도출되는 배광곡선의 형태가 거의 동일하게 나타났다. 이로써 본 연구에서 개발한 평면 LED 프리즘 조명기구의 배광수치모델 알고리즘의 사용 가능성이 검증되었다.
- 0의 시뮬레이션 결과를 비교한 결과, 프리즘 각도에 의해 도출되는 배광곡선의 형태가 거의 동일하게 나타났다. 이로써 본 연구에서 개발한 평면 LED 프리즘 조명기구의 배광수치모델 알고리즘의 사용 가능성이 검증되었다.
- 0 시뮬레이션을 위한 프리즘 모델링에 있어 프리즘의 크기가 매우 작아 면 깨짐 현상으로 효율이 다소 떨어지는 결과를 나타난 것으로 사료된다. 이와 같이 평면 프리즘 LED 조명기구의 배광형태 변화에 프리즘 너비 변화보다 각도에 큰 영향을 받는 것으로 나타났다.
후속연구
- 이와 같이 단위 프리즘의 개수와 각도에 따라 일률적인 각도를 적용한 경우와는 다른 배광형태가 구현됨을 알 수 있다. 이는 향후 평면 프리즘 LED 조명기구 배광수치모델의 최적화 알고리즘 개발에 적용되어 다양한 목표 배광형태에 적합한 단위 프리즘 각도군의 최적화된 각도 도출에 이용될 수 있다.
- 향후 본 연구에서 개발한 평면 프리즘 LED 조명기구의 배광수치모델을 기본으로 목표 배광에 맞는 배광제어가 가능한 최적화된 프리즘 각도군을 도출할 수 있는 최적화 알고리즘 개발이 필요하며, 이때 단위 프리즘 각도군의 적용을 통해 다양한 형태의 목표 배광 형태를 도출 할 수 있다. 이를 통해 기존의 최적화 광학설계 프로그램의 일률적인 프리즘 각도가 도출됨과 다르게 단위 프리즘 각도군의 적용을 통해 보다 다양한 목표 배광 구현이 가능할 것으로 사료된다.
- 향후 본 연구에서 개발한 평면 프리즘 LED 조명기구의 배광수치모델을 기본으로 목표 배광에 맞는 배광제어가 가능한 최적화된 프리즘 각도군을 도출할 수 있는 최적화 알고리즘 개발이 필요하며, 이때 단위 프리즘 각도군의 적용을 통해 다양한 형태의 목표 배광 형태를 도출 할 수 있다. 이를 통해 기존의 최적화 광학설계 프로그램의 일률적인 프리즘 각도가 도출됨과 다르게 단위 프리즘 각도군의 적용을 통해 보다 다양한 목표 배광 구현이 가능할 것으로 사료된다.
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