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LED 광원 크기에 따른 자유 형상 렌즈의 조명 성능 변화와 공차 특성
Variation of Illumination Performance with Source Size and Tolerance Characteristics of Freeform LED Lenses 원문보기

한국광학회지 = Korean journal of optics and photonics, v.24 no.1, 2013년, pp.29 - 38  

양재석 (인하대학교 정보통신공학과) ,  김대찬 (인하대학교 정보통신공학과 고성능 LED조명모듈 핵심기술 연구센터(LED-STAR)) ,  오범환 (인하대학교 정보통신공학과) ,  박세근 (인하대학교 정보통신공학과) ,  유일현 (세명대학교 정보통신학부) ,  이승걸 (인하대학교 정보통신공학과)

초록
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본 논문에서는 점광원을 기준으로 설계된 자유 형상 렌즈(freeform lens)의 조명 성능과 LED 광원 크기와의 관계 및 공차 특성을 살펴보았다. 비교를 위해 발산 조명 모델(divergent illumination model)을 적용한 두 가지 렌즈와 중첩 조명 모델(overlapped illumination model)을 적용한 한가지 렌즈를 설계하였다. LED 광원이 커짐에 따라 평균 조도에 비해 조도 균일도가 상대적으로 크게 감소하였으며, 정렬 오차에 의한 성능 저하는 거의 발생하지 않았다. 하지만 LED 광원의 방출 특성 변화는 LED 광원 크기에 관계없이 조명 성능에 영향을 미치는 것으로 확인하였다. 발산 조명 모델로 설계된 렌즈가 전반적으로 우수한 성능을 보였지만, LED 방출 특성 변화에 대해서는 중첩 조명 모델로 설계된 렌즈의 성능이 상대적으로 적게 변화함을 알 수 있었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In this paper, the illumination performances of three freeform lenses optimally designed for a point source were investigated for several LEDs with different source sizes, and also the tolerance characteristics of the lenses were analyzed. For comparison, two lenses with different sizes were designe...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 따라서, 본 연구에서는 점광원을 기준으로 설계된 세가지 자유 형상 렌즈에 대해 LED 광원 크기에 따른 렌즈의 성능 저하를 살펴 보았으며, 각 렌즈의 공차 특성도 분석하였다. 세가지 렌즈는 발산 조명 모델을 적용하면서 크기를 다르게 설계한 두 가지 렌즈와 중첩 조명 모델(overlapped illumination model)을 적용하여 설계한 한가지 렌즈였다.
  • 방출각이 작은 광선들은 중심부에 위치한 자유 형상 면에 의해 굴절되어 조명면에 도달하도록 하며, 방출각이 큰 광선들은 주변부에 위치한 자유 형상 면에 의해 전반사되어 조명면에 도달하도록 한다. 본 논문에서는 LED 조명 렌즈의 중심부에 위치하는 자유 형상 면을 가진 굴절부의 조명 성능과 공차 특성을 살펴보고자 하므로, 최대 방출각보다 더 큰 각도로 방출되는 광선은 소멸되는 것으로 간주하였다. 조명면 높이(H)는 좌표계 원점을 기준으로 40 mm이며, 조명면은 반경(R)이 60 mm인 원 영역으로 설정하였다.
  • 본 연구에서는, 자유 형상 렌즈의 실효성을 확인하기 위해, LED 광원 크기에 따른 자유 형상 렌즈의 조명 성능 변화를 살펴보았으며, 또한 광원의 정렬 오차, 광원의 방출면 기울기, 그리고 방출 광속의 반치각에 대한 공차 특성을 분석하였다. 비교를 위해 기존 조명 모델을 적용하면서 크기를 다르게 설계한 두 가지 렌즈와 제안된 중첩 조명 모델을 적용하여 설계한 한가지 렌즈를 설계하였다.

가설 설정

  • 그림 2(a)의 발산 조명 모델에서는 자유 형상 렌즈의 중앙으로 방출된 광선은 자유 형상 렌즈를 지나 조명면 중앙에 도달하며, 렌즈 테두리 쪽으로 방출된 광선은 조명면 테두리에 도달하는 개념이다. 반면, 그림 2(b)의 수렴 조명 모델에서는 자유 형상 렌즈의 테두리 쪽으로 방출된 광선은 조명면 중앙에, 렌즈 중앙으로 방출된 광선은 조명면 테두리에 도달하게 한다.
  • 예로서, 광선의 진행 과정에서 광 손실이 일어나지 않는다고 가정하고, 발산 조명 모델을 기준으로 균일 조도 조건을 유도해 보자. 만일 방출각이 0°~θ범위에 속하는 방출 광선들이 조명면 중에서 반경 xd인 원 영역에 모두 도달한다면, 평균 조도 E는 해당 방출각 범위 내로 방출된 LED의 방출 광속, Φ(Θ)와 원 영역의 면적(#)의 비율로 정의될 수 있다.
  • 크기가 0에 가까운 LED 광원을 가정하고 세가지 자유 형상 렌즈에 의해 조명면에 형성되는 조도 분포를 구하였으며, 그 결과를 그림 4의 하단에 도시하였다. 그림에서 볼 수 있듯이, 방출 광선들은 대부분 원하는 조명 영역 내에 도달하며, 조도 분포도 매우 균일함을 알 수 있다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
2차 광학 소자로 무엇이 사용되는가? 그러나 기존 조명용 광원과 달리 LED 광원의 방출 분포는 지향성을 가지므로, 원하는 조명 성능(illumination performance) 을 발휘하기 위해서는 2차 광학 소자(secondary optics)의 사용이 반드시 필요하다. 일반적으로 2차 광학 소자는 반사경, 렌즈, 혹은 이들의 조합 형태로 구현되며, 최근 LED 조명 제품의 저가격화 추세에 따라 2차 광학 소자의 단순화 및 고성능화에 대한 요구가 높아지고 있다. 특히 2차 광학 소자의 단순화 또는 단일화는 복잡한 광학 소자 사용으로 인한 광속 효율 저하와 정렬 문제를 극복하는데 매우 중요한 요소이기도 하다.
자유 형상 렌즈의 조명성능에 LED 광원 크기가 커지는 것은 어떠한 영향을 주는가? 비교를 위해 발산 조명 모델(divergent illumination model)을 적용한 두 가지 렌즈와 중첩 조명 모델(overlapped illumination model)을 적용한 한가지 렌즈를 설계하였다. LED 광원이 커짐에 따라 평균 조도에 비해 조도 균일도가 상대적으로 크게 감소하였으며, 정렬 오차에 의한 성능 저하는 거의 발생하지 않았다. 하지만 LED 광원의 방출 특성 변화는 LED 광원 크기에 관계없이 조명 성능에 영향을 미치는 것으로 확인하였다.
LED에 2차 광학 소자가 반드시 필요한 이유는 무엇인가? 그러나 기존 조명용 광원과 달리 LED 광원의 방출 분포는 지향성을 가지므로, 원하는 조명 성능(illumination performance) 을 발휘하기 위해서는 2차 광학 소자(secondary optics)의 사용이 반드시 필요하다. 일반적으로 2차 광학 소자는 반사경, 렌즈, 혹은 이들의 조합 형태로 구현되며, 최근 LED 조명 제품의 저가격화 추세에 따라 2차 광학 소자의 단순화 및 고성능화에 대한 요구가 높아지고 있다.
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참고문헌 (18)

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