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평면-비구면 2×2 fly-eye 렌즈형태의 2차 렌즈를 사용한 고효율의 좁은 배광각을 갖는 MR-16 램프 시리즈 제작 및 성능평가
Fabrication and Performance Evaluation of MR-16 Lamp Series with Narrow Angular Distribution of Luminous Intensity Using an Aspherical Planar-convex 2×2 Fly-eye Lens Type 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.18 no.8, 2017년, pp.25 - 33  

추경덕 (한남대학교 공과대학 광.센서공학과) ,  류재명 (금오공과대학교 광시스템공학과) ,  홍춘강 ((주)강동테크) ,  정연홍 (국제대학교 안경광학과) ,  조재흥 (한남대학교 공과대학 광.센서공학과)

초록
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본 연구에서는 간편하고 빠른 사출성형을 위하여 한쪽이 평면인 비구면 형상을 갖는 단일 fly-eye 렌즈형태의 2차 렌즈를 사용하는 MR-16 램프 시리즈의 설계를 보고하고자 한다. 인테리어 조명용 할로겐 램프를 대체하기 위해 효율이 높고 좁은 배광각을 갖도록 MR-16 램프용 광학계를 설계하여 이를 제작하고 성능을 확인하였다. 광학설계용 소프트웨어는 ORA사의 CODE V와 LightTools를 사용하였다. 그 결과, 제작된 MR-16 램프의 배광각은 $22.4^{\circ}$, $31.1^{\circ}$, $37.3^{\circ}$, $59.9^{\circ}$였으며, 광효율은 각각 76.5 lm/W, 75.2 lm/W, 72.0 lm/W, 77.8 lm/W 이고, 복사 균제도 81%에서 발산각은 $3^{\circ}$, $15^{\circ}$, $22^{\circ}$, $49^{\circ}$이다. 그리고 제작된 MR-16 램프에 확산시트를 2차 렌즈와 LED사이에 확산 시트를 적용하여 황색 띠를 제거한 후의 배광각은 각각 $20.8^{\circ}$, $31.5^{\circ}$, $37.8^{\circ}$, $68.7^{\circ}$로 측정되었다. 실험적으로 2차 렌즈를 같은 렌즈 4개를 붙이는 형식으로 fly-eye 형태로 함으로써 설계 및 제작이 용이하며 배광각과 균일한 조도 분포를 갖는데 있어서 문제가 없다는 것을 알 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

This paper reports the optical design of the MR-16 lamp series with a LED second lens and an aspherical plano-convex lens suitable for a simple and rapid injection molding fabrication method. The fabrication and performance evaluation of the MR-16 lamp series, which was designed with a narrow angula...

주제어

#fly-eye lens   #LED lamp   #luminous efficiency   #MR-16 lamp   #second lens  

AI 본문요약
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제안 방법

  • For a spreading angle of illuminance uniformity of 81%, we performed the measurements by defining it as a spreading angle with the same illuminance uniformity of 81% as the Rayleigh's criterion for the illuminance distribution data from measuring the angular distribution of luminous intensity [12].
  • In this study, we propose, design, and fabricate a new type of second lens with high level of optical performance and uniform irradiance, in a simplified form of the complicated and expensive second lens from the above-mentioned conventional MR-16 LED lamps. The second lens for such MR-16 LEDs is a single 2´ 2 fly-eye lens type and performs as a protective transparent plate.
  • The white light LED used in this study is the Xlamp-XTE White, manufactured by CREE (USA). Its relative radiant power and relative luminous intensity as functions of wavelength and spreading angle, respectively, described in the specifications agree with the results of measurements with a goniometer (JNC Tech Co., Ltd., VA-3001), and we therefore used the angular distributions of luminous intensity and spectral distribution chart in the specifications (shown in Figs.1 and 2) to obtain basic design data for MR-16 lamp systems. The optical design software packages used were CODE V and LightTools from Synopsys (USA).
  • Next, we requested a mold manufacturer to make a prototype of the designed second lens, injection molded the product with PMMA, and made a heat sink and LED circuit to fabricate the MR-16 lamp with a new type of second lens.
  • In addition, the angular distribution of luminous intensity of the second lens is designed to be 20°, 30°, 40°, and 60° to meet the customers' various demands. The angular distributions of luminous intensity, luminous efficiencies, and light transmittance of the fabricated lens series are measured and evaluated. Moreover, the use of a beam spoiler to eliminate a yellow tail from the conventional MR-16 lamps is investigated experimentally.
  • We designed, fabricated, and evaluated a second lens for the MR-16 lamp series by using the paraxial ray tracing equation in this paper. Based on the paraxial ray tracing, we made one side of the lighting lenses flat as an initial design value.

대상 데이터

  • The white light LED used in this study is the Xlamp-XTE White, manufactured by CREE (USA). Its relative radiant power and relative luminous intensity as functions of wavelength and spreading angle, respectively, described in the specifications agree with the results of measurements with a goniometer (JNC Tech Co.
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참고문헌 (11)

  1. Z. Zhenrong, H. Xiang, and L. Xu, "Freeform surface lens for LED uniform illumination", Appl. Opt. 48, pp. 6627-6634, 2009. DOI: https://doi.org/10.1364/AO.48.006627 

    상세보기 crossref

  2. D. Malacara and Z. Malacara, Handbook of Optical Design 2th ed., Chapter 9, Marcel Dekker Inc., New York, USA, 2004. 

  3. D. Y. Lee, C. H Ko, C. W. Yi, "Compare the efficiency of the reflector and LED secondary lens", Proceedings of KIIEE Annual Conference (Hoseo University, Korea), p. 60, Nov. 2014. 

  4. J. H Kim, M. S. Jung, S. W. Kim, "Aspherical Lens Design of LED surface source", Proceedings of the Optical Society of Korea Conference (Polytechnic University, Korea), pp. 299-300, Feb. 2007. 

  5. K. W. Park, J. Y. Joo, "The Optical Design of Illumination System for LED Stage Lighting Projectors", Proceedings of KIIEE Annual Conference (Korea), pp. 5-6, May 2014. 

  6. S. C. Yoo, K. S. Yoo, D. H. Hyun, "A Study on Aspheric Optics Research for Improving the Luminous Efficiency of the LED MR16", Journal of the Korean Society of Manufacturing Technology Engineers, pp. 480-487, 2013. 

  7. J. H. Park, B. G. Moon, J. H. Yu, "Design of Optical System for LED Lamp using MR16", Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, vol. 13, no. 10, pp. 4725-4732, 2012. DOI: http://dx.doi.org/10.5762/KAIS.2012.13.10.4725 

    원문보기 상세보기 crossref

  8. W. J. Smith, Modern Optical Engineering Third Edition, Chapter 2, SPIE press.Mcgraw-Hill, USA, 2001. 

  9. J. H. Jo, "Lamp System with a Single Second-lens Newly Designed by Using the Least Square Method for 4 LEDs", Proc. SPIE 9131, 91311F, 2014. DOI: https://doi.org/10.1117/12.2051642 

  10. W. J. Smith, Modern Lens Design Second Edition, Chapter. 2, Mcgraw-Hill professional engineering SPIE press, USA, 2005. 

  11. E. Hecht, Optics 4th ed., Chap. 9, Addison-Wesley, USA, 2001. 

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