KR102071806B1 - 모듈렌즈 - Google Patents

Abstract

모듈렌즈에 관한 발명이 개시된다. 개시된 모듈렌즈는;
엘이디가 있고, 엘이디에서 출사한 빛을 굴절시켜 수평확산렌즈로 전달하는 집광렌즈군, 집광렌즈군으로부터 전달받은 빛을 굴절시켜 렌즈 외부로 출사시키는 수평확산렌즈로 구성되어 있는 것을 특징으로 한다.

Description

모듈렌즈 {MODULE LENS}

본 발명은 항공 장애 표시등에 사용되는 모듈렌즈에 관한 것으로, 다수의 모듈렌즈를 지면에 수직한 회전 축을 중심으로 회전 배열하여 수평 방향의 광도가 일정하도록 해주는 고효율 모듈렌즈에 관한 것이다.

최근 LED(발광 다이오드) 소자를 이용한 조명이 각광 받고 있다. LED 조명은 전구나 형광등에 비하여 소비 전력이 매우 적으며, 또한 백열 전구와 같이 필라멘트 단락 등과 같은 현상이 없기 때문에, 수명은 통상 50,000 ~100,000 시간으로 알려져 있으며, 반영구적이라는 장점이 있다. 또한 대부분의 LED는 에폭시 패키징과 같은 소재로 몰딩되어 있기 때문에 충격에 강해 내구성 면에서 우수한 장점을 갖는다.

한편, 항공장애표시등은 지면과 수평한 방향에 대해 균일한 광도를 가져야 하는 특징이 있다.

항공장애 표시등은 지면과 수평 방향으로 균일한 광도가 필요한데, 이를 위해 종래에는 광학계가 도넛 형상을 가지는 리플렉터로 구성되어 있다.

도1에 도시된 바와 같이, 도넛 형상의 리플렉터는 손실되는 빛이 많아 광 효율이 매우 낮다. 이 때문에, 광도를 높이는데 한계가 있고, 소비전력 상승을 야기 할 뿐만 아니라 높은 열이 발생하여 방열에 어려움이 있다. 또한, 리플렉터의 크기가 매우 커서 제작이 어렵다.

이러한 문제를 극복하기 위해, 작은 크기의 모듈렌즈 다수를 지면에 수직한 회전 축을 중심으로 회전 배열하면, 수평 방향에 따른 광도를 일정하게 유지하는 것이 용이하고, 제작이 쉽다. 또한, 광 효율이 종래의 리플렉터보다 매우 높아 저전력으로 높은 광도를 구현 할 수 있다.

본 발명에 있어, 모듈렌즈는;

엘이디가 있고, 엘이디에서 출사한 빛을 굴절시켜 수평확산렌즈로 전달하는 집광렌즈군, 집광렌즈군으로부터 전달받은 빛을 굴절시켜 렌즈 외부로 출사시키는 수평확산렌즈로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 모듈렌즈,

또한, 상기 모듈렌즈는 지표면과 평행한 렌즈 축이 있고, 상기 집광렌즈군은 렌즈축을 중심으로 원 대칭 형상을 가지며, 상기 수평확산렌즈의 입광면을 면2-1, 출광면을 면2-2라고 할 때, 면2-1은 집광렌즈군 방향으로 볼록하면서 렌즈축을 중심으로 원 대칭 형상을 가지며, 면2-2는 실린더리컬 형상의 면 다수가 선형 배열되어 구성되는 것을 특징으로 하는 모듈렌즈.

또한, 상기 렌즈 축을 포함하면서 동시에 지표면과 평행인 면을 수평면, 렌즈축을 포함하면서 동시에 수평면에 수직한 면을 수직면이라고 할 때, 수평면에 의한 면2-2의 단면은 곡률을 가진 다수의 면이 선형 배열되어 있고, 수직면에 의한 면2-2의 단면은 직선인 것을 특징으로 한다.

또한, 수직면의 단면 상에서의 초점을 f라고 할 때, 상기 엘이디의 출광면이 렌즈축에 수직하면서 f를 포함하는 면상에 위치하는 것을 특징으로 하는 모듈렌즈.

또한, 상기 집광렌즈군은 Positive Power를 가지는 것을 특징으로 하는 모듈렌즈.

또한, 상기 모듈렌즈는, 집광렌즈군은 한 개 이상의 렌즈로 구성되는 것을 특징으로 하는 모듈렌즈.

또한, 상기 모듈렌즈는, 집광렌즈군 및 수평확산렌즈 중 최소 1개 이상이 프레넬 렌즈로 구성되는 것을 포함하는 모듈렌즈.

본 발명은 다수의 모듈렌즈를 지면에 수직한 회전 축을 중심으로 회전 배열하여 수평 방향의 광도가 일정하도록 하는 것으로, 크기가 작아 제작이 용이하고 고효율 구현이 가능하다.

도 1은 종래의 리플렉터를 이용한 항공장애표시등의 광 경로에 대해 보인 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른, 모듈렌즈의 단면을 보인 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른, 모듈렌즈의 면2-2의 정면을 보인 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른, 모듈렌즈의 광도 분포를 보인 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른, 모듈렌즈를 회전 배열한 것의 예를 보인 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른, 도 4의 예시에 대한 광도 분포를 보인 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른, 도 5의 광도를 중첩하여 보인 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른, 렌즈 구성 조건을 만족 시키지 못할 경우에 광 손실을 보인 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른, 제1 변형의 예를 보인 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른, 제 2 변형의 예를 보인 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시 예에 따른, 모듈렌즈의 회전 배열의 예를 보인 도면이다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 모듈렌즈(10)의 일 실시예를 설명한다.

이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

본 발명은 모듈렌즈(10)에 관한 것으로 모듈렌즈(10)는 도 2에 도시된 바와 같이, 엘이디(100)가 있고, 엘이디(100)로부터 출발한 빛을 굴절시켜 수평확산렌즈(300)로 전달하는 집광렌즈군(200)가 있고, 수평확산렌즈(300)로부터 전달된 빛을 굴절시켜 모듈렌즈(10) 외부로 출사시키는 수평확산렌즈(300)로 구성된다.

집광렌즈군(200)은 지표면과 평행인 렌즈축(400)을 중심으로 하는 원대칭 형상이고 Positive Power를 가져, 엘이디(100)로부터 출사한 빛을 모아준다. 수평확산렌즈(300)의 입광면을 면2-1(310), 출광면을 면2-2(320)이라고 하면, 면2-1(310)은 렌즈축(400)을 중심으로 원대칭이면서 집광렌즈군(200) 방향으로 볼록한 형상을 가진다.

도2 내지 도 3을 참고하면, 면2-2(320)는 실린더리컬 형상을 가진 면 다수가 선형 배열되어 구성된다. 렌즈축(400)을 포함하면서 동시에 지표면과 평행인 면을 수평면, 렌즈축을 포함하면서 동시에 수평면에 수직한 면을 수직면이라고 할 때, 면2-2(320)의 실린더리컬 형상은, 수평면에 의한 단면에서는 곡률을 가진 면 다수가 선형 배열되어 있고, 수직면에 의한 단면에 대해선 직선 형상을 가진다.

또한, 수직면의 단면 상에서 집광렌즈군(200)와 수평확산렌즈(300)에 의한 초점을 f라고 할 때, 상기 엘이디의 발광면은 렌즈축(400)에 수직하면서 f를 포함하는 면 상에 위치하게 된다. 이로 인해, 집광렌즈군(200) 투과 후 면2-1(310)에서 굴절된 빛은 수평확산렌즈(300)의 내부에서 평행광이 된다. 면2-2(320)는 수평방향으로는 곡률을 가지므로 빛이 굴절되어 확산되고, 수직 방향으로는 곡률을 가지지 않으므로 굴절에 의한 빛의 각 변화가 거의 일어나지 않기 때문에, 수직 방향의 빛은 평행을 유지하면서 수평확산렌즈(300) 외부로 출사하게 된다. 만약, 엘이디의 발광면이 f를 포함하는 면 상에 위치하지 않게 되면, 면2-1(310)을 굴절한 빛이 수평확산렌즈(300) 내부에서 평행광이 아닌, 각을 가지고 발산하게 되고, 이로인해 면2-2(320)를 투과하지 못하고 재귀 반사하는 빛이 일부 발생하여 투과율이 낮아질 뿐만 아니라 빛이 집광되지 못하고 확산되므로 광도가 낮아지게 된다.

보다 자세히 살펴보면, 도 4는 모듈렌즈(10) 1개에 의한 수평 광도와 수직 광도 분포 Simulation 결과를 도시한 것이다. 수직 광도는 집광된 빛이 면2-2(320)에 의해 확산되지 않으므로 매우 좁은 각 범위 내에 빛이 집중되어 있어 높은 광도를 보이고, 수평 광도는 면2-2(320)에 의해 확산되어 분포하는 것을 볼 수 있다. 수평 방향의 빛이 확산되어야 이웃한 모듈렌즈(10)를 회전 배열 했을 때, 균일한 광도를 유지하기가 용이해 진다.

도 5는 모듈렌즈(10) 3개를 지표면에 수직한 회전축을 중심으로 30도 간격으로 회전 배열한 예시를 보인 도면이다. 이와 같이 배열된 각기 모듈렌즈(10)에 의한 각각의 광도 분포는 도 5에 도시하였다.

도 6을 자세히 살펴보면, 각 모듈렌즈(10)의 수평 광도에서, 모듈렌즈(10) A의 광도 분포와, 모듈렌즈(10) B의 광도 분포가 겹치는 수평각 영역이 발생하고, 마찬가지로 모듈렌즈(10) B와 모듈렌즈(10) C의 광도 분포가 겹치는 수평각 영역이 발생한다. 즉, 모듈렌즈(10) A에서 나온 빛의 일부가 모듈렌즈(10) B에서 나온 빛의 일부와 동일한 방향을 향하고 있게 되므로, 광도가 중첩된다. 이와 같이, 모듈렌즈(10) A, B, C의 광도를 모두 중첩시키면 도 7에 도시된 바와 같이 -30° ~ +30° 사이의 광도는 일정하게 된다. 이는 모듈렌즈(10)를 3개 회전 배열한 예시이며, 모듈렌즈(10)의 배열 수량과 간격에 따라 광도가 일정하게 되는 각의 범위를 자유롭게 조절 할 수 있다.

또한, 본 발명의 모듈렌즈(10)는 고효율을 달성하기 위해, 집광렌즈군(200)와 수평확산렌즈(300), 즉 최소 2개의 렌즈가 필요하다. 만약 집광렌즈군(200)이 제외된 수평확산렌즈(300)로만 구성되면, 도 8에 도시된 바와 같이, 면2-1(310)은 과도하게 볼록해져야 하고, 볼록한 형상으로 인해 렌즈에 입사하지 못하고 외부로 손실되는 빛의 양이 많아진다. 또한, 렌즈에 빛이 입사할 때, 빛이 렌즈의 면과 급한 경사를 가지고 입사하기 때문에 높은 프레넬 반사율을 가져 투과율이 낮아진다. 이 때문에 1개의 렌즈로는 효율이 매우 낮아 진다. 이뿐만이 아니라, 빛을 집광하여 수평확산렌즈(300) 내부에서 평행하게 만들기 위한 광학면이 1개뿐이므로, 구면수차를 효과적으로 제어하지 못하여 렌즈에서 출사한 빛의 평행도가 낮아진다. 이는 집광성이 낮아져 높은 광도 구현이 어려워짐을 의미한다. 또한, 수평확산렌즈(300)의 면2-2가 없을 경우에는 수평방향으로 빛이 확산되지 않아, 이웃한 모듈렌즈(10)를 회전 배열하여도 균일한 수평광도 구현이 불가능해 진다.

도 9는 본 발명의 변형의 예를 보인 도면이다. 집광렌즈군(200) 내지 수평확산렌즈(300)는 프레넬 렌즈로 구성될 수 있는데, 이는 모듈렌즈(10)의 크기를 작게 하고, 렌즈의 두께를 얇게 하여 제작이 용이하도록 하기 위함이다.

도10은 본 발명의 변형의 예를 보인 도면이다. 집광렌즈군(200)은 다수의 렌즈로 구성될 수 있다.

도11은 모듈렌즈(10)의 회전 배열의 예를 보인 도면이다. 이와 같이 배열하면 수평방향 0°~ 360°에서 균일한 광도 구현이 가능하다.

10: 모듈렌즈
100: 엘이디
200: 집광렌즈군
300: 수평확산렌즈
310: 면2-1
320: 면2-2
400: 렌즈축
f: 수직면상에서의 초점

Claims (7)

1. 엘이디가 있고, 엘이디에서 출사한 빛을 굴절시켜 수평확산렌즈로 전달하는 집광렌즈군, 집광렌즈군으로부터 전달받은 빛을 굴절시켜 렌즈 외부로 출사시키는 수평확산렌즈로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 모듈렌즈에 있어서,
   상기 모듈렌즈는 지표면과 평행한 렌즈 축이 있고, 상기 집광렌즈군은 렌즈축을 중심으로 원 대칭 형상을 가지며, 상기 수평확산렌즈의 입광면을 면2-1, 출광면을 면2-2라고 할 때, 면2-1은 집광렌즈군 방향으로 볼록하면서 렌즈축을 중심으로 원 대칭 형상을 가지며, 면2-2는 실린더리컬 형상의 면 다수가 선형 배열되어 구성되는 것을 특징으로 하고,
   상기 렌즈 축을 포함하면서 동시에 지표면과 평행인 면을 수평면, 렌즈축을 포함하면서 동시에 수평면에 수직한 면을 수직면이라고 할 때, 수평면에 의한 면2-2의 단면은 곡률을 가진 다수의 면이 선형 배열되어 있고, 수직면에 의한 면2-2의 단면은 직선인 것을 특징으로 하는 모듈렌즈.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제 1항에 있어,
   수직면의 단면 상에서의 초점을 f라고 할 때, 상기 엘이디의 출광면이 렌즈축에 수직하면서 f를 포함하는 면상에 위치하는 것을 특징으로 하는 모듈렌즈.
5. 제 1항에 있어,
   상기 집광렌즈군은 Positive Power를 가지는 것을 특징으로 하는 모듈렌즈.
6. 제 1항에 있어,
   상기 모듈렌즈의 집광렌즈군은 한 개 이상의 렌즈로 구성되고, 렌즈축을 따라 순차적으로 배열되는 것을 특징으로 하는 모듈렌즈.
7. 제 1항에 있어,
   상기 모듈렌즈는, 집광렌즈군 및 수평확산렌즈 중 최소 1개 이상이 프레넬 렌즈로 구성되는 것을 포함하는 모듈렌즈.

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