본 연구는 균일한 조명을 얻기 위해 중첩 조명 모델(overlapped illumination model)을 사용하여 자유 형상 렌즈(freeform lens)를 제작하였으며, 제작한 LED 렌즈들의 특성을 비교 분석하였다. 제작한 렌즈는 LED 광원의 위치변화, 두께 및 기울임을 이용해 성능을 평가하였다. 아울러 조명영역은 평균 조도 (average illuminance)와 조도 균일도 (illuminance uniformity) 변화 값으로 측정하였다. 광도 분포의 Z축 방향변화에 대해서는 중첩 모델과 발산 모델이 대체로 비슷한 공차 특성을 보였으나, 렌즈두께 변화에 대해서는 중첩모델이 발산모델에 비해 조도 균일도 공차 특성은 현저히 개선됨을 확인하였다. 또한, 발산 조명 모델로 설계된 렌즈가 전반적으로 좋은 성능을 나타냈으나, LED 방출에 대한 성능은 중첩 모델에서 그 편차의 폭이 상대적으로 적게 나타났다.
본 연구는 균일한 조명을 얻기 위해 중첩 조명 모델(overlapped illumination model)을 사용하여 자유 형상 렌즈(freeform lens)를 제작하였으며, 제작한 LED 렌즈들의 특성을 비교 분석하였다. 제작한 렌즈는 LED 광원의 위치변화, 두께 및 기울임을 이용해 성능을 평가하였다. 아울러 조명영역은 평균 조도 (average illuminance)와 조도 균일도 (illuminance uniformity) 변화 값으로 측정하였다. 광도 분포의 Z축 방향변화에 대해서는 중첩 모델과 발산 모델이 대체로 비슷한 공차 특성을 보였으나, 렌즈두께 변화에 대해서는 중첩모델이 발산모델에 비해 조도 균일도 공차 특성은 현저히 개선됨을 확인하였다. 또한, 발산 조명 모델로 설계된 렌즈가 전반적으로 좋은 성능을 나타냈으나, LED 방출에 대한 성능은 중첩 모델에서 그 편차의 폭이 상대적으로 적게 나타났다.
In this research, the overlapped illumination model was used for designing a freeform LED lens with a uniform illuminance distribution on its illuminating plane, and their performances and tolerances were compared. And, the illuminations on a illumination plane was measures for change with average i...
In this research, the overlapped illumination model was used for designing a freeform LED lens with a uniform illuminance distribution on its illuminating plane, and their performances and tolerances were compared. And, the illuminations on a illumination plane was measures for change with average illuminance and illuminance uniformity. As a result of the tolerance analysis about z-axis direction change, thickness change in lens and tilt change of light emission and characteristic change in LED source, overlapped model and divergent illumination model are similar to the performance about Z-axis direction change of light emission in LED source. but the uniformity illumination value in this overlapped model is more remarkably value than it in divergent illumination model about thickness change in LED lens. Also, even though the lens based on a divergent illumination model showed good performance compare to the lens based on an overlapped illumination model, the latter was less the deviation to variation of LED beam radiation ability.
In this research, the overlapped illumination model was used for designing a freeform LED lens with a uniform illuminance distribution on its illuminating plane, and their performances and tolerances were compared. And, the illuminations on a illumination plane was measures for change with average illuminance and illuminance uniformity. As a result of the tolerance analysis about z-axis direction change, thickness change in lens and tilt change of light emission and characteristic change in LED source, overlapped model and divergent illumination model are similar to the performance about Z-axis direction change of light emission in LED source. but the uniformity illumination value in this overlapped model is more remarkably value than it in divergent illumination model about thickness change in LED lens. Also, even though the lens based on a divergent illumination model showed good performance compare to the lens based on an overlapped illumination model, the latter was less the deviation to variation of LED beam radiation ability.
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문제 정의
이러한 렌즈의 성능 결과를 통해, 중첩 조명 모델의 렌즈는 광원의 각도 공차에 성능 저하 억제 특성이 좋게 유지되지만, 광원의 공간적 위치 경우에 있어서 약간 낮은 특성을 보였지만, 두께 경우와 기울임 경우에서는 한층 발전 가능성이 있었다. 그러므로 특성 분석을 통해, 렌즈 설계 환경 변화에 제안된 모델의 렌즈 성능의 유, 불리를 적절히 판단하여 조명 렌즈 설계시 발생할 수 있는 성능 저하 요인을 최소화하기 위한 목적으로 조명 렌즈를 설계하고 성능을 분석하였다. 이를 통해 향후 다양한 렌즈 설계 환경 변화 요인에 적절히 대응할 수 있는 렌즈 설계의 연구가 수행되어야 함이 우선 과제라 하겠다.
본 연구는 중첩 조명 모델을 이용하여, 세 종류 자유 형상 렌즈를 설계하고, 그 렌즈의 성능과 특성을 분석하였다. 특히 광원의 기울기와 렌즈의 위치변화와 렌즈의 두께변화에 대한 조도값과 평균 조도값을 수치 해석적으로 각각 계산하였다.
본 연구에서는 제작한 렌즈를 조명장치에 부착하여 활용할 경우 발생할 수 있는 조명용 렌즈의 성능 저하를 극복하기 위해 중첩 조명 모델을 사용하여 렌즈를 설계하였다. 이 렌즈들의 성능 비교를 위해 3가지 렌즈를 설계하였다.
제안 방법
따라서, 광원 특성이나 배치가 설계 조건으로부터 벗어날 경우 성능이 다소 미흡한 것은 피할 수 없다. 그러므로 광원 특성이나 배치를 설계조건에 맞추면서, 균일 조도 조건을 얻을 수 있는 조명 모델을 사용하여 렌즈를 설계하였다.
이 렌즈들의 성능 비교를 위해 3가지 렌즈를 설계하였다. 그리고 렌즈의 설계 환경 변화에 대한 허용한계를 측정하기 위하여 조명면에 대한 광원 위치별(Z) 변화, 렌즈의 두께변화 그리고 렌즈 기울임 변화 등에 따른 허용치를 측정하였다. 그리고 조명 영역의 평균 조도 값과 균일도를 각 렌즈들의 성능 평가 항목으로 측정 하였다.
그리고 렌즈의 설계 환경 변화에 대한 허용한계를 측정하기 위하여 조명면에 대한 광원 위치별(Z) 변화, 렌즈의 두께변화 그리고 렌즈 기울임 변화 등에 따른 허용치를 측정하였다. 그리고 조명 영역의 평균 조도 값과 균일도를 각 렌즈들의 성능 평가 항목으로 측정 하였다.
08mm이다. 그리고, 자유 형상 렌즈 설계를 위해 LED 광원은 좌표계 원점에 두고, 점광원으로 간주하였다. 또한, LED 광원의 반치각(θ1/2)은 30o로 설정하였으며, 최대 방출각θmax를 60o로 제한하였다.
LED 패키지 공정 과정에서 개별 LED 칩의 방출 특성과 LED의 배치 조건이 달라질 수 있다. 따라서, 설계한 렌즈의 조도 특성 및 성능 분석은 LED 광원의 방출과 관련 있는 렌즈 두께, 높이 및 z축과 기울어진 각도에 따른 성능변화를 측정하였다. 측정에 사용된 변수들을 표 1에 나타내었다.
본 연구에서는 균일한 조도를 얻기 위해 기존의 조명모델을 기반으로 세 가지 자유 형상렌즈를 설계하였다. 그러나 기존 조명모델인 수렴 조명모델은 조명조건에 따라 자유형상면을 정의할 수 없는 경우가 있어서, 발산모델을 이용한 중첩모델을 사용하여 렌즈를 설계하였다.
실험은 z축을 회전 축으로 하여, 렌즈를 처음 위치(β=0.0)에서 0.1° 회전시킨 후, 원래 위치에서 0.5°까지 회전시켰으며, 간격은 0.5°이다.
본 연구에서는 제작한 렌즈를 조명장치에 부착하여 활용할 경우 발생할 수 있는 조명용 렌즈의 성능 저하를 극복하기 위해 중첩 조명 모델을 사용하여 렌즈를 설계하였다. 이 렌즈들의 성능 비교를 위해 3가지 렌즈를 설계하였다. 그리고 렌즈의 설계 환경 변화에 대한 허용한계를 측정하기 위하여 조명면에 대한 광원 위치별(Z) 변화, 렌즈의 두께변화 그리고 렌즈 기울임 변화 등에 따른 허용치를 측정하였다.
또한, 조명면의 높이(H)는 좌표계 원점을 기준으로 40mm이며, 조명면 영역은 반경(R)이 60mm인 원으로 하였다. 이와 같은 조건들을 기준으로 계산된 자유 형상 면의 단면을 Z축에 대해 회전시켜, 설계 및 제작했으며, 자유 형상렌즈는 3차원 형상으로 제작한다. 렌즈의 개략적인 형상을 그림 3에 도시하였다.
본 연구는 중첩 조명 모델을 이용하여, 세 종류 자유 형상 렌즈를 설계하고, 그 렌즈의 성능과 특성을 분석하였다. 특히 광원의 기울기와 렌즈의 위치변화와 렌즈의 두께변화에 대한 조도값과 평균 조도값을 수치 해석적으로 각각 계산하였다.
대상 데이터
렌즈 1과 렌즈 2는 발산 모델을 적용하여 제작했으며, 높이는 각각 7.00mm, 14.00mm이며, 반경은 각각 9.54mm 20.61mm이다. 또한, 중첩모델을 적용한 렌즈 3의 높이와 반경은 각각 7.
본 연구에서 채택한 자유 형상 렌즈 외관은 평탄한 입사면과 비구면 형태의 곡선 모양을 갖는 출사면으로 구성되도록 제작한 광학 소자이며, 출사면이 자유 형상면(freeform surface) 형태를 갖고 있으며, 이는 미리 계산에 의해 계획된 형태이며, 그림 1에 개략적인 형상을 나타내었다.
아울러 광선 갯수는 100,000개, LED 광원의 선속은 679.55lm으로 설정하였다. 계산된 조도 분포로부터 조명성능을 정량화하기 위한 평균 조도(Averageilluminance: Eavg), 평균 균일도 및 표준 균일도(Uav, Usd)를 각각 정의한다[13,14].
데이터처리
제작한 자유 형상 렌즈의 조명성능을 분석하기 위해 상용 프로그램인 LightToolsTM를 활용하여 조명면의 조도 분포를 계산하였으며, 이때 검출기 크기는 조명면 면적의 대략 2배정도인 ≒160x 160mm2이고, 검출기는 50x50개 pixel이다.
성능/효과
(c)의 균일도 (Uav, Usd)그래프에서는 렌즈2는 전반적 안정적인 특성을 보였으며, 렌즈1과 렌즈3은 z0인 구간에서는 비교적 이론치에 근접함을 보여준다.
그림에서 조도 분포(a)에서는, 3개 렌즈 모델은 회전 값이 커질수록 현저하게 밝기 정도의 차이를 보였으나, 렌즈 3은 전반적으로 밝기가 다른 렌즈에 비해 떨어짐을 확인하였다.
즉 크기가 큰 기존(발산) 조명 모델인 렌즈2가 렌즈와 광원의 위치 변화와 크기 변화에 관련된 렌즈 두께 변화, 광원의 위치 변화에 좋은 성능을 보였으나, 전반적으로 볼 때 중첩 조명 모델인 Lens3가 기존(발산) 조명 모델인 렌즈 1, 2보다 좋은 성능을 보였다. 또한 기울임 각도 변화와 광원의 특성변화에서 기존의 기존(발산) 조명 모델 렌즈보다 중첩 조명 모델렌즈가 좋은 성능을 보였다. 중첩 조명 모델 렌즈 3는 렌즈와 광원의 위치 변화와 크기 변화에 안 좋은 성능을 발휘하는 반면 각도 변화에 좋은 성능을 발휘하는 것을 알 수 있었다.
이러한 렌즈의 성능 결과를 통해, 중첩 조명 모델의 렌즈는 광원의 각도 공차에 성능 저하 억제 특성이 좋게 유지되지만, 광원의 공간적 위치 경우에 있어서 약간 낮은 특성을 보였지만, 두께 경우와 기울임 경우에서는 한층 발전 가능성이 있었다. 그러므로 특성 분석을 통해, 렌즈 설계 환경 변화에 제안된 모델의 렌즈 성능의 유, 불리를 적절히 판단하여 조명 렌즈 설계시 발생할 수 있는 성능 저하 요인을 최소화하기 위한 목적으로 조명 렌즈를 설계하고 성능을 분석하였다.
이상과 같은 결과를 종합적으로 살펴보면, 광원의 위치 변화, 두께 변화에서 기존(발산) 조명 모델인 렌즈1 및 2가 중첩 조명 모델인 렌즈 3보다 큰 허용한계를 나타냈고, 특히 렌즈 크기가 큰 Lens2가 Lens1보다 유리한 조건을 보였다. 즉 크기가 큰 기존(발산) 조명 모델인 렌즈2가 렌즈와 광원의 위치 변화와 크기 변화에 관련된 렌즈 두께 변화, 광원의 위치 변화에 좋은 성능을 보였으나, 전반적으로 볼 때 중첩 조명 모델인 Lens3가 기존(발산) 조명 모델인 렌즈 1, 2보다 좋은 성능을 보였다.
또한 기울임 각도 변화와 광원의 특성변화에서 기존의 기존(발산) 조명 모델 렌즈보다 중첩 조명 모델렌즈가 좋은 성능을 보였다. 중첩 조명 모델 렌즈 3는 렌즈와 광원의 위치 변화와 크기 변화에 안 좋은 성능을 발휘하는 반면 각도 변화에 좋은 성능을 발휘하는 것을 알 수 있었다.
이상과 같은 결과를 종합적으로 살펴보면, 광원의 위치 변화, 두께 변화에서 기존(발산) 조명 모델인 렌즈1 및 2가 중첩 조명 모델인 렌즈 3보다 큰 허용한계를 나타냈고, 특히 렌즈 크기가 큰 Lens2가 Lens1보다 유리한 조건을 보였다. 즉 크기가 큰 기존(발산) 조명 모델인 렌즈2가 렌즈와 광원의 위치 변화와 크기 변화에 관련된 렌즈 두께 변화, 광원의 위치 변화에 좋은 성능을 보였으나, 전반적으로 볼 때 중첩 조명 모델인 Lens3가 기존(발산) 조명 모델인 렌즈 1, 2보다 좋은 성능을 보였다. 또한 기울임 각도 변화와 광원의 특성변화에서 기존의 기존(발산) 조명 모델 렌즈보다 중첩 조명 모델렌즈가 좋은 성능을 보였다.
후속연구
그러므로 특성 분석을 통해, 렌즈 설계 환경 변화에 제안된 모델의 렌즈 성능의 유, 불리를 적절히 판단하여 조명 렌즈 설계시 발생할 수 있는 성능 저하 요인을 최소화하기 위한 목적으로 조명 렌즈를 설계하고 성능을 분석하였다. 이를 통해 향후 다양한 렌즈 설계 환경 변화 요인에 적절히 대응할 수 있는 렌즈 설계의 연구가 수행되어야 함이 우선 과제라 하겠다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
중첩 조명 모델을 사용하여 설계한 렌즈들의 성능 평가 항목으로 어떤 것을 측정하였는가?
그리고 렌즈의 설계 환경 변화에 대한 허용한계를 측정하기 위하여 조명면에 대한 광원 위치별(Z) 변화, 렌즈의 두께변화 그리고 렌즈 기울임 변화 등에 따른 허용치를 측정하였다. 그리고 조명 영역의 평균 조도 값과 균일도를 각 렌즈들의 성능 평가 항목으로 측정 하였다.
자유 형상 렌즈의 외관은 어떤 형태인가?
본 연구에서 채택한 자유 형상 렌즈 외관은 평탄한 입사면과 비구면 형태의 곡선 모양을 갖는 출사면으로 구성되도록 제작한 광학 소자이며, 출사면이 자유 형상면(freeform surface) 형태를 갖고 있으며, 이는 미리 계산에 의해 계획된 형태이며, 그림 1에 개략적인 형상을 나타내었다.
자유 형상렌즈 설계의 주된 목적은 무엇인가?
자유 형상렌즈 설계에 있어서 주된 목적은 LED에서 방출된 빛(light beam)을 적절히 조절하여 조명 조건에 정확히 맞추는 것이다. 따라서, 광원 특성이나 배치가 설계 조건으로부터 벗어날 경우 성능이 다소 미흡한 것은 피할 수 없다.
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