[논문]단거리 조사 시 넓은 면적에 균일한 조명도를 가지는 비대칭 조명 광학계 설계 연구

강동화; 정미숙

doi:10.3807/kjop.2020.31.4.183

단거리 조사 시 넓은 면적에 균일한 조명도를 가지는 비대칭 조명 광학계 설계 연구
Study on the Design of Asymmetric Lighting with Uniform Illumination Over a Large Area at Short Distance 원문보기

한국광학회지 = Korean journal of optics and photonics, v.31 no.4, 2020년, pp.183 - 190

강동화 (한국산업기술대학교 나노광공학과) , 정미숙 (한국산업기술대학교 나노광공학과)

초록
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본 논문에서는 넓은 조사 면적에 단거리 조사시에도 균일한 조명도 분포를 가지도록 하는 비대칭 배광의 조명 광학계에 대한 연구를 진행하였다. 단거리에 설치되는 조명의 경우 조사 거리가 짧기 때문에 충분한 배광 분포 형성이 되지 못해 조명의 균일도를 만족하기 어렵다. 또한 시인성을 위해 조명기기가 기울어져 설치되기 때문에 비대칭 배광의 조명 설계가 요구된다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 비대칭 배광을 가지는 조명 광학계 설계를 통해 근거리 조사 시에도 대상 표면에 균일한 조명도를 얻을 수 있었으며, 이를 근거리 조명 중 하나인 라이선스 램프에 적용하여 법규 기준을 만족하는 것을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, the illuminating optics of asymmetric light distribution was studied, which allowed the light distribution to be uniform even for short-range irradiation on a wide illumination area. In the case of a light installed at a short distance, the light is not diffused enough because of the short irradiation distance. For this reason, it is difficult to satisfy uniformity of illumination. In addition, lighting design for asymmetric distribution is required because the lighting device is installed tilted, for visibility. Therefore, the design of lighting systems with asymmetric light distribution could achieve uniform illumination of the target surface even under short-distance irradiation. This was then applied to the license lamp, a lighting system featuring short light irradiation distance, to confirm that it satisfies the legal standards.

주제어

표/그림 (20)

그림 Fig. 1. Short-range lighting image.
그림 Fig. 2. Lighting module of licensed lamp.
그림 Fig. 3. License plate and license lamp layout.
그림 Fig. 4. Lens design.
그림 Fig. 5. Intensity slice chart.
그림 Fig. 6. Illumination distribution chart.
표 Table 1. Lens specification (aspheric coefficients)
그림 Fig. 7. Detail of the license lamp layout.
그림 Fig. 8. Example of uneven distribution.
그림 Fig. 9. Uniform light distribution.
그림 Fig. 10. Ray tracing to the receiver.
그림 Fig. 11. Lens design.
그림 Fig. 12. Intensity slice chart.
그림 Fig. 13. Illumination distribution chart.
표 Table 2. Grid coordinates
그림 Fig. 14. Position of the license plate.
표 Table 3. Results of illumination simulation
표 Table 4. Measuring points on the license plate
표 Table 5. Luminance values at the measuring area
표 Table 6. Illuminance values at the measuring area

AI 본문요약
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문제 정의

8° 기울어진 광학계가 장착되 도록 한다. 기존 라이선스 램프에서 2개의 조명 모듈과 다수의 LED 광원을 사용하는 것과 달리 1개의 조명 모듈과 LED 를 사용하면서 ECE R-4 유럽 법규를 만족하는 것을 목표로 하였다.
또 한 그림 2와 같이 하나의 라이선스 plate를 조사하기 위해 2개의 조명 모듈이 사용되며, 각 모듈에는 2~20개의 LED가 포함되어 불필요한 공간 사용 및 유지 보수 비용이 발생한다. 따라서 1개의 LED 광원과 조명 모듈만으로 기존의 라이 선스 램프와 같은 법규를 만족할 수 있도록 비대칭 배광의 조명 광학계를 설계하고자 한다
따라서 본 논문에서는 넓은 조사 면적에 단거리 조사시에 도 균일한 조명도 분포를 가지도록 하는 비대칭 배광의 조명광학계를 설계하고, 다양한 단거리 조명 중 하나인 라이선스 램프에 적용하여 1개의 조명 기기만으로도 유럽 법규 기준을 만족하는 것을 목표로 하였다.
본 논문에서는 단거리 조명 설계 시 짧은 조사거리로 인해 광 조절이 어려워 조명도 균일도가 떨어지는 문제를 해결하 기 위해 수평, 수직 방향의 렌즈 형상을 나누어 설계하는 방법을 제시하였다.
이처럼 번호판에 균일한 수직 배광을 가져가기 위한 렌즈 형상을 도출하여 설계하고자 한다.

가설 설정

. 먼저 source에서 렌즈의 rear surface로 입사하는 빛의 각도와 출사하는 빛의 각도를 설정하여, 해당 출사광이 target plane의 한 위치에 도달한다고 가정한다. 이 경우 렌즈의 입사 광선과 출사광선은 각각 source 및 target plane을 통한 한 점 과 각도를 통한 기울기가 존재하므로 둘 사이의 교점을 구할 수 있다^[8].

제안 방법

2차원 평면에서의 교점 계산을 위해 렌즈의 X 값을 각각 -4, - 2, 0, 2, 4 총 다섯 파트로 나누었다. 이후 정해진 X 값의 평면에서 렌즈 형상을 나타내는 (Z, Y) gird 좌표를 추출 하였다.
수평 방향의 배광을 넓게 가져가기 위해서는 비구면 방정 식을 따르는 넓은 돔형상을, 수직 방향의 비대칭 배광과 조 명도 균일도를 만족하기 위해서는 원하는 방향으로의 ray 진행을 위한 grid 좌표 추출 후 해당 형상을 따르도록 하는 설계 방법을 연구하였다.
표로 나타난 grid 좌표계를 Solidworks를 통해 형상화하고, 이를 이용해 해당 좌표점을 가지는 자유 곡면 형상을 LightTools로 구현하였다. 이 곡면을 앞서 설계한 렌즈의 rear surface로 적용하여 grid 좌표계를 따르는 형상의 렌즈 설계 후, LightTools를 통한 추가적인 최적화를 진행하였다.
2차원 평면에서의 교점 계산을 위해 렌즈의 X 값을 각각 -4, - 2, 0, 2, 4 총 다섯 파트로 나누었다. 이후 정해진 X 값의 평면에서 렌즈 형상을 나타내는 (Z, Y) gird 좌표를 추출 하였다. 해당 grid 좌표는 표 2로 나타내었다
식 (3)을 통해 계산된 각 영역의 조명도값은 표 6으로 나타내었다. 조명도 값이 어느 부분에 서도 80 lux 이상이어야 하며, 최고 조명도영역 2개의 평균 조명도는 최소 조명도영역 2개의 평균 조명도의 20배 이하여야 함을 기준으로 조명도 분석을 진행하였다.
표 3을 통해 비구면 방정식을 따르는 돔 형상을 이용한 설계로 라이선스 램프의 수평 배광만 조절했을 때와 grid 좌표 추출로 수직 배광까지 함께 조절했을 때의 detector 영역 조명도 분포 및 광효율을 비교하였다. 수평 배광만 조절 시의 균일도는 4.
표로 나타난 grid 좌표계를 Solidworks를 통해 형상화하고, 이를 이용해 해당 좌표점을 가지는 자유 곡면 형상을 LightTools로 구현하였다. 이 곡면을 앞서 설계한 렌즈의 rear surface로 적용하여 grid 좌표계를 따르는 형상의 렌즈 설계 후, LightTools를 통한 추가적인 최적화를 진행하였다.

대상 데이터

야립 광고용 판넬 혹은 자동차 번호판 등 단거리 조명이 사용되는 경우, 제품의 사용 기간이 매우 길기 때문에 긴 수 명의 조명 기기가 요구된다. 따라서 긴 사용 시간과 높은 효율을 가지는 LED를 광원으로 선정하였다^[1].
선정한 광원은 power 124.21 lm, size 2.45 mm (H) × 2.45 mm (W), 발광각 120°의 특성을 가지는 LED이다.
설계된 렌즈는 1.6 mm × 4.5 mm × 10.5 mm (L × W × D)의 크기를 가지며, 수평면 형상(X-Z plane)의 경우 앞서 설계한 것과 유사한 돔 형상을 띔으로써 넓은 수평 배광을 나타낸다.
조사 면적은 자동차 번호 판의 표준 크기인 520 mm × 120 mm이며, 13.3° (θ)로 기울 어져 장착된다.

성능/효과

Simulation 결과, 최대 조명도 649.10 lux, 최소 조명도 26.606 lux로 약 4%의 균일도를 보인다. 따라서 수직 배광 조절을 통해 전체 영역의 균일도를 향상시켜야 한다
계산된 조명도의 최소값은 82.6 lux로, 첫번째 조건을 만족 했으며, 최고 조명도영역 2개(B3, B5)의 평균값은 634.5 lux, 최소 조명도영역 2개(B9, B12)의 평균값은 83.7 lux로 약 8 배 가량의 차이를 보임으로써 두번째 조건도 만족한 것을 알 수 있다.
또한 해당 설계 방법을 대표적인 단거리 조명 중 하나인 라이선스 램프에 적용하여 2개의 조명 모듈을 사용하는 것 이 보편화되어 있는 기존의 것과 달리 단일 광학계 구성만으로 조명도 균일도 향상과 ECE R-4 유럽 법규를 만족하는 것 을 확인하였다.
설계 후 진행한 simulation 결과, 균일도 향상을 위해 수직 방향의 배광을 조절함으로써 기존 4.1%의 균일도가 36.9% 로 향상되었으며 광효율 또한 17.45%에서 33.6%로 향상된 것을 확인하였다.
표 3을 통해 비구면 방정식을 따르는 돔 형상을 이용한 설계로 라이선스 램프의 수평 배광만 조절했을 때와 grid 좌표 추출로 수직 배광까지 함께 조절했을 때의 detector 영역 조명도 분포 및 광효율을 비교하였다. 수평 배광만 조절 시의 균일도는 4.1%, 광효율은 17.4%의 값을 보였고, 수평 및 수 직 배광 모두 조절 시 균일도 36.9%, 광효율 33.6%로 수평 배광만 조절했을 때에 비해 향상된 값을 보인다.
특히 조명도 균일도의 경우 8배 이상 향상된 것을 보이는 데, 이를 통해 앞서 제시한 원하는 방향으로의 ray 진행을 위 한 grid 좌표 추출 후 해당 형상을 따르도록 하는 설계 방안 이 단거리 조명의 조명도 균일도를 높이는 방법임을 확인할 수 있다.

후속연구

5 mm (L × W × D)의 크기를 가지며, 수평면 형상(X-Z plane)의 경우 앞서 설계한 것과 유사한 돔 형상을 띔으로써 넓은 수평 배광을 나타낸다. 또한 Y-Z plane 에서 바라본 렌즈의 수직면 형상은 추출한 grid 좌표를 따르며, 이러한 형상을 통해 단거리 plate 조사 영역에 수직 방향 으로 개선된 조명도 균일도를 보일 것이다.
연구 내용을 통하여 짧은 조사 거리로 인해 광균일도를 확보하기 어려워 다수의 조명 및 광원 모듈이 사용되는 다양한 단거리 조명 광학계의 불필요한 공간 사용 및 유지보수 비용을 절감할 수 있을 것이라 기대한다.

참고문헌 (9)

M.-W. Lee, H.-Y. Oh, and H. Kim, "Optical design of secondary lens considering a shape of LED dome," in Proc. KIIEE Annual Conference (The Korean Institute of IIIuminating and Electrical Installation Engineers, Korea, 2009), pp. 190-192.
S.-W. Jang and B.-J. Jung, "Design of the lens structure for COB type LED safety luminaires," J. Korean Inst. Illum. Electr. Install. Eng. 27, 1-8 (2013).
S.-G. Jung, C.-M. Lee, D.-I. Seok, S.-J. Lee, and H. Kim, "Optical design of LED line lens for street lighting," in Proc. KIIEE Annual Conference (The Korean Institute of IIIuminating and Electrical Installation Engineers, Korea, 2011), pp. 85-88.
M.-W. Lee and H. Kim, "LED optical design for asymmetrical light distribution realization," in Proc. KIIEE Annual Conference (The Korean Institute of IIIuminating and Electrical Installation Engineers, Korea, 2009), pp. 27-30.
R. Hu, Z. Gan, and X. Luo, "Design of double freeform-surface lens by distributing the deviation angle for light-emitting diode uniform illumination," in 2013 14th International Conference on Electronic Packaging Technology (Dalian, China, Aug. 2013), pp. 1150-1153.
Y. Ding, X. Liu, Z.-R. Zheng, and P.-F. Gu, "Freeform LED lens for uniform illumination," Opt. Express 16, 12958-12966 (2008).

상세보기
Y. Luo, Z. Feng, Y. Han, and H. Li, "Design of compact and smooth free-form optical system with uniform illuminance for LED source," Opt. Express 18, 9055-9063 (2010).

상세보기
K. Wang, S. Liu, F. Chen, Z. Qin, Z. Liu, and X. Luo, "Freeform LED lens for rectangularly prescribed illumination," J. Opt. A: Pure Appl. Opt. 11, 105501 (2009).

상세보기
United Nations, "Agreement addendum 3: Regulation No. 4 - unece," (UN Vehicle Regulations - 1958 Agreement, 2013), https://www.unece.org/fileadmin/DAM/trans/main/wp29/wp29regs/2013/R004r3e.pdf

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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