KR101565609B1 - 균일한 시준된 광을 생성하기 위한 컴팩트한 광학 시스템 및 렌즈 - Google Patents

균일한 시준된 광을 생성하기 위한 컴팩트한 광학 시스템 및 렌즈 Download PDF

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파스칼 제이.에이치. 블로에멘
엠마누엘 엔.에이치.제이. 스태싸
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코닌클리케 필립스 엔.브이.
필립스 루미리즈 라이팅 캄파니 엘엘씨
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Abstract

광학 시스템은 순방향으로 양호하게 시준된 광으로 실질적으로 균일하게 조명되는 출사면을 만들어내기 위해, 원통형 측면 방출기 렌즈(110), 반사기(130) 및 원통형 프레넬 렌즈(150)를 포함한다. 원통형 측면 방출기 렌즈(110)는 직선으로 배치된 다수의 발광 다이오드(102)와 같은 광원(102)으로부터의 광을, 출사면에 평행한 광학축을 따른 측면 방출된 광으로 재지향시킨다. 반사기(130)는 출사면을 조명하고 순방향의 한 축을 따라 광을 시준하기 위해 원통형 측면 방출기 렌즈(110)로부터의 광을 재지향시키기 위하여, 광원에 대한 표면 거리 및 높이에 기초하는 상이한 초점 길이들을 갖는 복수의 반사기 표면을 포함하는 계단형 다초점 길이 반사기일 수 있다. 원통형 프레넬 렌즈(150)는 순방향으로 직교축을 따라 광을 시준하기 위해 이용된다.

Description

균일한 시준된 광을 생성하기 위한 컴팩트한 광학 시스템 및 렌즈{COMPACT OPTICAL SYSTEM AND LENSES FOR PRODUCING UNIFORM COLLIMATED LIGHT}
본 발명은 양호하게 시준된(well collimated) 조명을 생성하는 컴팩트한 광원을 위한 광학 시스템 및 렌즈에 관한 것이고, 더 구체적으로는 양호하게 시준되는 좁은 종횡비(aspect ratio) 및 출사면 전체에서의 균일한 조명을 갖는 높이가 낮은 광학 시스템에 관한 것이다.
많은 광원 응용들은 공간 및 조명 제약을 갖는다. 공간 절약을 목적으로 발광 다이오드와 같은 소형의 광원이 이용될 수 있긴 하지만, 이러한 장치들은 원하는 조명을 생성하기 위해 추가의 광학 시스템을 필요로 한다. 예를 들어, 일부 응용들에서는, 양호하게 시준된 광 또는 한 영역 전체에서 실질적으로 균일한 조명을 갖는 광원을 제공하는 것이 바람직할 수 있다. 균일하게 조명되는 표면 영역으로부터 양호하게 시준된 광을 생성할 수 있지만 큰 공간을 필요로 하지는 않는 광학 시스템 및 렌즈를 제공하는 것이 바람직하다.
<발명의 요약>
본 발명의 일 실시예에 따르면, 광학 시스템은 순방향으로 양호하게 시준된 광으로 실질적으로 균일하게 조명되는 출사면을 만들어내기 위해, 원통형 측면 방출기 렌즈, 반사기 및 원통형 프레넬 렌즈를 포함한다. 원통형 측면 방출기 렌즈는 직선으로 배치된 다수의 발광 다이오드와 같은 광원으로부터의 광을, 출사면에 평행한 광학축을 따른 측면 방출된 광으로 재지향시킨다. 반사기는 출사면을 조명하고 순방향의 한 축을 따라 광을 시준하기 위해 원통형 측면 방출기 렌즈로부터의 광을 재지향시키기 위하여, 광원에 대한 표면들의 거리 및 높이에 기초하는 상이한 초점 길이들을 갖는 복수의 반사기 표면을 포함하는 계단형 반사기일 수 있다. 원통형 프레넬 렌즈는 직교축을 따라 순방향으로 광을 시준하기 위해 이용된다.
본 발명의 다른 실시예에서, 원통형 측면 방출기 렌즈는 광학축에 평행한 바닥 표면, 및 그 안에 하나 이상의 광원이 위치될 수 있는 공동을 포함한다. 공동의 내측 표면은 2개의 평행한 표면들 및 하나의 본질적으로 구형인 표면으로 이루어진다. 렌즈의 외측 표면은 전반사(total internal reflection, TIR) 반사 표면, 및 평면이고 렌즈의 중심축에 대하여 비스듬하게 기울어진 제1 굴절 표면으로 이루어지며, 중심축은 광학축에 직교한다. 제2 굴절 표면은 바닥 표면으로부터 제1 굴절 표면까지 연장된다. 공동으로부터 렌즈에 들어오고 반사 표면에 직접 입사하는 광은 제1 굴절 표면으로 반사되고 굴절되어, 광학축에 실질적으로 평행한 방향으로 렌즈를 빠져나간다. 또한, 공동으로부터 렌즈에 들어오고 제2 굴절 표면에 직접 입사하는 광은 굴절되어, 또한 광학축에 실질적으로 평행한 방향으로 렌즈를 빠져나온다. 원통형 측면 방출기 렌즈는 중심축 및 광학축에 의해 정의되는 평면에서 단면 형상을 가지며, 광학축 및 중심축에 직교하는 수평축을 따른 모든 지점에서 동일한 단면 형상을 갖는다.
본 발명의 다른 실시예에서, 계단형 다초점 길이 반사기는 광원으로부터 상이한 거리들에 위치되고 광학축에 대하여 상이한 높이들에 위치된 복수의 반사기 표면을 이용한다. 광원에 가장 가까운 반사기 표면은 광학축 상에서 가장 낮은 높이를 갖고, 광원으로부터 가장 먼 반사기 표면은 광학축 상에서 가장 높은 높이를 갖는다. 각각의 반사기 표면은 광원까지의 반사기 표면의 거리에 기초하고 광학축 상에서의 반사기 표면의 높이에 기초하는 상이한 초점 길이를 갖는다. 각 반사기 표면의 초점 길이는 광원으로부터의 광을 순방향으로 재지향시키고, 출사면에 걸쳐서 실질적으로 균일한 조명을 생성하고, 광학축을 따라 광을 실질적으로 시준하도록 구성된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른, 발광 다이오드(LED)와 같은 컴팩트한 광원들과 함께 이용될 수 있는 광학 시스템의 사시도.
도 2 및 도 3은 도 1의 광학 시스템의 직교축들을 따른 측면도.
도 4는 원통형 측면 방출기 렌즈의 일 실시예의 사시도.
도 5는 도 1의 복수의 광학 시스템들이 함께 연결된 것의 사시도.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른, 발광 다이오드(LED)(102)와 같은 컴팩트한 광원들과 함께 이용될 수 있는 광학 시스템(100)의 사시도를 도시한 것이다. 도시된 바와 같이, 광학 시스템(100)은 좁은 종횡비(예를 들어, 3:1)를 갖지만, 이것은 원하는 대로 달라질 수 있다. 도 2 및 도 3은 각각 광학 시스템(100)의 장축(100long) 및 단축(100short)을 따른 측면도이다. 장축(100long) 및 단축(100short)은 서로 직교한다. 광학 시스템(100)은 광원으로부터 방출된 광이 광학 시스템(100)의 출사창(106) 전체에서 실질적으로 균일하게 분포되고, 양호하게 시준되도록, 즉 출사창(106)의 평면에 실질적으로 수직한 방향으로 지향되도록 한다. 시준되는 광은 완벽하게 시준되지 않고, 어느 정도 각도 퍼짐(angular spread)을 가질 수 있다는 것이 본 기술분야에서 잘 이해되고 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 광학 시스템(100)은 복수의 광원, 예를 들어 동일 평면 내에 그리고 광학 시스템(100)의 단축(100short)에 평행한 직선으로 배치된 4개의 LED(102)와 함께 이용될 수 있다. 어떠한 종래의 LED(102) 또는 다른 광원이라도 본 발명과 함께 이용될 수 있다. 일 실시예에서, LED(102)는 실질적으로 람베르트 방사 패턴(lambertian radiation pattern)을 생성하며, 백색광 또는 임의의 색상의 광을 생성하는 인광체 변환형 청색 LED일 수 있다. 바람직하게는, 광학 시스템(100)과 함께 사용되는 광원들은, 실질적으로 단축(100short)을 따르는 균일한 방사를 생성할 수 있다. 실질적으로 균일한 조명은 예를 들어 어떠한 거슬리는(disturbing) 광 변동도 육안으로 관찰될 수 없도록 충분히 균일한 것일 수 있다. 어느 정도의 조명 변동이 존재할 수 있지만, 그 변동은 육안에 의해 검출될 수 없거나 거슬리지 않는 것임을 이해해야 한다.
광학 시스템(100)은 본 발명의 일 양태에 따라, LED(102)로부터의 광을 장축(100long) 및 출사면(106)에 평행한 방향으로 재지향시키는 원통형 측면 방출기 렌즈(cylindrical side emitter lens)(110)를 포함한다. 도 4는 원통형 측면 방출기 렌즈(110)의 일 실시예의 사시도를 도시한 것이다. 원통형 측면 방출기 렌즈(110)는 렌즈(110)의 광학축(112) 및 중심축(113)에 의해 정의되는 평면을 따라, 여기에 참조에 의해 포함되는 미국 특허 제6,679,621호에 설명된 것과 같은 회전 대칭인 종래의 측면 방출기 렌즈와 유사한 형상을 가질 수 있는 단면을 갖는다. 이러한 단면을 따라, 원통형 측면 방출기 렌즈(110)는 반사(예를 들어, 전반사) 표면 I 및 굴절 표면 H를 갖는 "V" 형상 상부(110top)를 포함한다. 반사 표면 I 및 굴절 표면들은 평면들을 형성하며, 반사 표면은 중심축(113)에 대하여 비스듬하게 기울어진다. 하부(110bottom)는 굴절 표면 H로부터 렌즈(110)의 바닥 표면(118)까지 부드러운 곡선으로서 연장하는 굴절 표면(116)을 갖는다.
LED들(102)은 렌즈(110)의 공동(120) 내에 위치된다. 공동(120)의 내측 표면은 2개의 평면 표면(121) 및 하나의 본질적으로 구형인 표면(122)으로 이루어진다. 공동(120)은 기체를 포함할 수도 있고, 진공 하에 있을 수도 있고, 또는 광 추출을 도울 수 있는 고체, 액체 또는 겔과 같은 비-기체 재료를 포함할 수 있다. 공동(120)의 외측 면들, 즉 반사 및 굴절 표면들(I, H 및 116)에 직교하는 면들은 렌즈(110) 상의, 또는 광학 시스템(100)의 면들 상의 반사막으로 덮여질 수 있다. 반사 표면 I에 입사하는 광의 적은 부분이 투과되어, 출사면(106)을 조명하기 위해 이용될 수 있다. 공동(120)으로부터 렌즈(110)에 들어오고 반사 표면 I에 직접 입사하는 광은 제1 굴절 표면 H로 반사되고 굴절되어, 광학축(112)에 실질적으로 평행한 방향으로 렌즈(110)를 빠져나간다. 공동(120)으로부터 렌즈(110)에 들어오고 제2 굴절 표면(116)에 직접 입사하는 광도 역시 굴절되어, 광학축(112)에 실질적으로 평행한 방향으로 렌즈(110)를 빠져나간다.
도 4에 도시된 바와 같이, 광학축(112) 및 중심축(113)에 의해 정의된 평면을 따른 원통형 측면 방출기 렌즈(110)의 단면 형상은 광학축(112)에 직교하는 수평축(114)을 따른 모든 지점에서 동일한 단면 형상이다. 따라서, 종래의 측면 방출기 렌즈들과 달리, 원통형 측면 방출기 렌즈(110)는 회전 대칭이 아니다. 측면 방출기 렌즈(110)의 단면 형상은 예시적인 것이며, 원한다면, 측면 방출기 렌즈의 다른 단면 형상들도 이용될 수 있음을 이해해야 한다. 렌즈(110)는 폴리카보네이트, PMMA, 또는 기타 적합한 재료와 같은 재료를 이용하여, 예를 들어 진공 캐스팅(vacuum casting) 또는 사출 성형(injection molding)을 이용하여 생성될 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 반사기(130)는 원통형 측면 방출기 렌즈(110)로부터 측면 방출된 광을, 장축(100long) 및 단축(100short)에 수직한 순방향(100forward)으로 재지향시키기 위해 광학 시스템(100) 내에 존재한다. 광학 시스템(100)은 원통형 측면 방출기 렌즈(110)의 양측에 위치되고, 총괄하여 반사기들(130)로서 칭해지는 2개의 계단형 다초점 라인 반사기(130a 및 130b)를 포함한다. 원한다면, 단 하나의 반사기(130)만이 이용될 수 있고, 원통형 측면 방출기 렌즈(110)가 광학 시스템(100)의 한쪽 끝에 위치될 수 있다. 원통형 측면 방출기 렌즈(110)는 단축에 걸쳐 대칭일 필요가 없을 것이다. 다른 실시예에서, 반사기들(130)은 측면 방출된 광을 순방향 지향된 광으로 재지향시키기 위해, 전체 길이에 걸쳐서 적합한 형상(예를 들어, 스플라인)을 갖는 연속적인 반사기일 수 있다.
반사기(130)는 원통형 측면 방출기 렌즈(110)로부터 상이한 거리들에 위치된 복수의 반사기 표면(132)을 포함한다. 또한, 반사기 표면들(132)은 순방향(100forward)에 대하여 측정될 때, 상이한 높이들에 위치된다. 볼 수 있는 바와 같이, 가장 높은 반사기 표면(132top)은 또한 원통형 측면 방출기 렌즈(110)로부터 가장 멀리 떨어진 것이고, 가장 낮은 반사기 표면(132bottom)은 측면 방출기 렌즈(110)에 가장 가까운 것이다. 반사기 표면들(132)은 도시된 바와 같이 예를 들어 계단(134)을 통해 서로 접속될 수 있고, 대안적으로는 분리되어 광학 시스템(100)의 측벽들(104)에 의해 지지될 수 있다. 또한, 도 2에 도시된 측면도에서 더 분명하게 볼 수 있는 바와 같이, 반사기 표면들(132)은 포물선 형상이다. 각각의 포물선형 반사기 표면(132)의 초점 길이는 반사기 표면(132)과 원통형 측면 방출기 렌즈(110) 사이의 거리에 대응하도록 선택된다. 반사기 표면들(132)의 구성, 즉 그들의 포물선 형상들, 및 원통형 측면 방출기 렌즈(110)로부터의 높이 및 거리를 포함하는 위치들은 측면 방출된 광을 순방향 지향된 광으로 재지향시키고, 이는 원통형 측면 방출기 렌즈(110)에 의해 순방향 방출된 광의 부분과 함께, 출사면(106)의 길이를 따라, 즉 장축(100long)을 따라 실질적으로 균일한 조명으로 된다. 실질적으로 균일한 조명은 예를 들어 어떠한 거슬리는 강한 광 변동도 육안으로 관찰될 수 없도록 충분히 균일한 것일 수 있다. 약간의 조명 변동이 존재할 수 있긴 하지만, 그 변동은 육안으로 검출될 수 없거나, 거슬리지 않는 것임을 이해해야 한다.
원통형 측면 방출기 렌즈(110)와 마찬가지로, 반사기(130)는 폴리카보네이트, PMMA, 또는 기타 적합한 재료와 같은 재료를 이용하여, 예를 들어 진공 캐스팅 또는 사출 성형을 이용하여 생성될 수 있다.
결합된 원통형 측면 방출기 렌즈(110) 및 계단형 다초점 라인 반사기들(130a 및 130b)을 이용하면, 광은 광학 시스템의 길이를 따라 실질적으로 균일하고, 순방향(100forward)으로 양호하게 시준된다. 도 2에 도시된 바와 같이, 장축 및 순방향(100forward)에 대하여, 광은 실질적으로 시준되는데, 즉 광은 순방향(100forward) 및 장축(100long)에 의해 정의되는 평면에서 순방향 부근의 ±15도의 각도 퍼짐 α을 갖는다.
광학 시스템(100)은 도 3에 도시된 바와 같이, 순방향(100forward) 및 단축(100short)에 의해 정의되는 평면에서, 순방향(100forward) 부근에서 광을 시준하기 위해 출사면(106)에서 원통형 프레넬 렌즈(150)를 더 포함한다. 도 3은 단축을 따라 광학 시스템(100)을 도시하고 있지만, 명확성을 위하여 반사기들(130)을 도시하지 않고 있음에 유의해야 한다. 원통형 프레넬 렌즈(150)는 도 3에 도시된 단축을 따른 단면에서 볼 때, 전통적인 프레넬 구성을 갖는다. 원통형 프레넬 렌즈(150)는 장축을 따른 모든 지점에서 이러한 동일한 단면을 갖는다. 원통형 프레넬 렌즈(150)는 광을 단축에 대하여 순방향(100forward)으로 실질적으로 시준하는데, 즉 광은 순방향 부근에서 ±15도의 각도 퍼짐 β을 갖는다.
원통형 프레넬 렌즈(150)는 원통형 측면 방출기 렌즈(110)와 마찬가지로, 폴리카보네이트, PMMA, 또는 기타 적합한 재료와 같은 재료를 이용하여, 예를 들어 진공 캐스팅 또는 사출 성형을 이용하여 생성될 수 있다.
원통형 측면 방출기 렌즈(110), 계단형 다초점 반사기들(130a 및 130b) 및 원통형 프레넬 렌즈(150)를 이용하면, 광학 시스템(100)의 높이는 최소화되는 한편, 양호한 정도의 시준이 실현된다. 예를 들어, 90㎜ ×30㎜의 종횡비를 갖는 광학 시스템(100)에서, 광학적 높이는 10㎜ 미만이다. 일부 실시예들에서, 광학 시스템(300)은 도 5에 도시된 바와 같이, 함께 연결된 복수의 광학 시스템(100)을 포함할 수 있다.
교시를 위하여 본 발명이 구체적인 실시예들과 함께 설명되었지만, 본 발명은 그에 제한되지 않는다. 본 발명의 범위를 벗어나지 않고서 다양한 적응 및 수정이 이루어질 수 있다. 그러므로, 첨부된 청구항들의 취지 및 범위는 상기의 설명으로 제한되어서는 안 된다.

Claims (17)

  1. 순방향으로 실질적으로 시준된 광을 생성하기 위한 광학 시스템 - 상기 광학 시스템은 서로 직교하는 장축 및 단축을 갖고, 상기 순방향은 상기 장축 및 상기 단축에 수직임 - 으로서,
    적어도 하나의 광원;
    상기 적어도 하나의 광원에 광학적으로 연결된 원통형 측면 방출기 렌즈(cylindrical side emitter lens) - 상기 원통형 측면 방출기 렌즈는 상기 단축에 평행한 원통 축을 갖고 상기 적어도 하나의 광원으로부터 방출된 광의 일부를 상기 순방향에 수직하고 상기 장축에 평행한 측면 방출된 광을 제공하도록 재지향시키도록 구성됨 -;
    상기 원통형 측면 방출기 렌즈로부터의 측면 방출된 광을 받아들이고 상기 광을 실질적으로 상기 순방향으로 재지향시키도록 배치된 적어도 하나의 반사기 - 상기 반사기는 상기 광학 시스템의 출사면 전체에서 실질적으로 균일한 조명이 생성되고, 상기 반사기에 의해 반사된 광이 상기 순방향 및 상기 장축에 의해 정의된 평면에 대하여 실질적으로 상기 순방향으로 시준되도록 구성됨 -; 및
    상기 적어도 하나의 반사기로부터 순방향으로 지향된 광을 받아들이도록 연결된 원통형 프레넬 렌즈 - 상기 원통형 프레넬 렌즈는 상기 순방향 및 상기 단축에 의해 정의되는 평면에 대하여 상기 순방향으로 지향된 광을 실질적으로 시준하는 상기 장축에 평행한 원통 축을 가짐 -
    를 포함하는 광학 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    2개의 반사기가 존재하고, 상기 원통형 측면 방출기 렌즈는 상기 2개의 반사기 사이에 배치되는 광학 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 광원은 상기 단축에 평행하게 일렬로 배열된 복수의 광원인 광학 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 광원들은 발광 다이오드들인 광학 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 원통형 측면 방출기 렌즈는 상기 순방향 및 상기 장축에 의해 정의되는 평면을 따라 측면 방출기 렌즈의 단면 형상을 갖고, 상기 원통형 측면 방출기 렌즈는 상기 단축을 따른 모든 지점에서 동일한 단면 형상을 갖는 광학 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 원통형 측면 방출기 렌즈의 단면 형상은 상부 및 하부를 포함하고, 상기 상부는 "V" 형상을 갖고, 상기 "V" 형상의 각 아암(arm)은 상기 "V" 형상 내측의 반사 표면 및 상기 "V" 형상 외측의 굴절 표면을 가지며, 상기 하부는 상기 "V" 형상의 굴절 표면으로부터 바닥 표면까지 부드러운 곡선으로서 연장하는 굴절 표면을 갖고, 상기 원통형 측면 방출기 렌즈의 단면 형상은 상기 적어도 하나의 광원이 배치되는 공동을 더 포함하는 광학 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 원통형 프레넬 렌즈는 상기 순방향 및 상기 단축에 의해 정의되는 평면을 따라 프레넬 렌즈의 단면 형상을 갖고, 상기 원통형 프레넬 렌즈는 상기 장축을 따른 모든 지점에서 동일한 단면 형상을 갖는 광학 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 반사기는 상기 원통형 측면 방출기 렌즈로부터 상이한 거리들에, 그리고 상기 순방향에 대하여 상이한 높이들에 위치된 복수의 반사기 표면들을 갖는 적어도 하나의 계단형 다초점 반사기이고, 상기 복수의 반사기 표면들은 각각의 반사기 표면의 거리 및 높이에 기초하여 달라지는 상이한 초점 길이들을 갖고, 상기 초점 길이, 상기 원통형 측면 방출기 렌즈로부터의 거리, 및 각각의 반사기 표면의 높이의 구성은 상기 광학 시스템의 출사 표면 전체에서 실질적으로 균일한 조명을 생성하고 광을 상기 순방향으로 실질적으로 시준하는 광학 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 복수의 반사기 표면은 서로 연결되는 광학 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 반사기에 의해 실질적으로 시준되는 광은 ±15도 이하의 각도 퍼짐(angular spread)을 갖고, 실질적으로 광을 시준하는 상기 원통형 프레넬 렌즈는 ±15도 이하의 각도 퍼짐을 갖는 광을 생성하는 광학 시스템.
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 제1항에 있어서,
    서로 연결된 원통형 프레넬 렌즈들, 반사기들, 원통형 측면 방출기 렌즈들, 및 복수의 광원들을 더 포함하는 광학 시스템.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 원통형 측면 방출기 렌즈는,
    하나 이상의 광원이 위치될 수 있는 공동; 상기 공동으로부터 광을 받아들이도록 구성된 광 입사 표면 - 상기 광 입사 표면은 상기 하나 이상의 광원에 대하여 볼록함 - ; 평면인 제1 굴절 표면; 평면이고, 상기 렌즈의 중심축에 대하여 비스듬하게 기울어진 반사 표면; 및 상기 렌즈의 바닥 표면으로부터 상기 제1 굴절 표면까지 연장하는 제2 굴절 표면을 포함하고, 상기 공동으로부터 상기 렌즈에 들어오고 상기 반사 표면에 직접 입사하는 광은 상기 반사 표면으로부터 상기 제1 굴절 표면으로 반사되고 상기 제1 굴절 표면에 의해 굴절되어 상기 렌즈를 빠져나가고, 상기 공동으로부터 상기 렌즈에 들어오고 상기 제2 굴절 표면에 직접 입사하는 광은 상기 제2 굴절 표면에 의해 굴절되어 상기 렌즈를 빠져나가는 광학 시스템.
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