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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 지도교수
- 이승걸
- 발행연도
- 2014
- 저작권
- 인하대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
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본 연구에서는 단일 COB-type LED 패키지를 사용하여 고효율의 좁은 광속각(beam angle)을 갖는 2차 광학계를 구현하기 위해 네 가지 설계 개념을 사용하였으며, 각 개념의 성능을 비교 분석하였다.
첫째, 좁은 광속각 구현을 위하여 광원 분할하는 개념을 도입하였다. 면광원의 한계성을 극복하기 위하여 광원 중심 근방에 배치된 작은 크기의 비구면 렌즈로 광원 중심부에서 방출된 광속을, 주변에 배치된 반사경으로 광원 주변부에서 방출된 광속을 제어하는 개념이었다. 이 설계를 통하여 11도의 광속각, 82%의 광속 효율을 보였으나, 조명면에 심각한 satellite ring이 발생하는 문제가 존재하였다.
두 번째는 단일 광학계의 이론적 한계를 극복하기 위해 2개의 반사경을 사용하여 유효 초점거리를 길게 가져가는 설계를 진행하였다. 15도의 광속각과 80%의 광속 효율을 보였지만, 거울면에 의한 흡수 손실로 인해 광속 효율을 더 이상 개선할 수 없다는 문제와 satellite ring 발생을 억제하지 못하는 문제점을 확인하였다.
세 번째 설계에서는 반사 굴절 개념을 사용하여 광학계를 설계하였다. 전반사면과 반사 코팅 면을 사용하여 광학계를 구성함으로써 14.5mm의 낮은 광학계 높이를 구현할 수 있었다. 대략 15도의 좁은 광속각을 얻을 수 있었고, satellite ring 발생도 억제할 수 있었다. 하지만 굴절 광학계 매질의 흡수로 인한 광속 효율을 60%이상으로 향상시킬 수 없었다.
마지막으로 광학 효율을 향상하기 위해 세번째 설계 개념에서 굴절 광학계 즉 대형 렌즈를 Fresnel 렌즈화를 사용함으로써 지름 80mm, 높이 30mm인 2차 광학계를 설계할 수 있었다. 비구면 형태의 렌즈를 Fresnel 렌즈로 변환하여 매질의 손실 흡수를 최소화함으로써, 87.5%의 높은 광속 효율을 얻을 수 있었다. 15도의 좁은 방출각과 98% 이상의 높은 Gaussian 유사도 결과를 얻을 수 있었으며, satellite ring 발생도 성공적으로 억제할 수 있었다.
4가지 설계 개념 중에서 광속 효율, 광속각, satellite ring 발생 등의 측면에서 4번째 설계 개념이 가장 우수하였으며, 공차 분석을 통해 최종 설계된 광학계가 실제 제작이 가능함을 확인하였다.
첫째, 좁은 광속각 구현을 위하여 광원 분할하는 개념을 도입하였다. 면광원의 한계성을 극복하기 위하여 광원 중심 근방에 배치된 작은 크기의 비구면 렌즈로 광원 중심부에서 방출된 광속을, 주변에 배치된 반사경으로 광원 주변부에서 방출된 광속을 제어하는 개념이었다. 이 설계를 통하여 11도의 광속각, 82%의 광속 효율을 보였으나, 조명면에 심각한 satellite ring이 발생하는 문제가 존재하였다.
두 번째는 단일 광학계의 이론적 한계를 극복하기 위해 2개의 반사경을 사용하여 유효 초점거리를 길게 가져가는 설계를 진행하였다. 15도의 광속각과 80%의 광속 효율을 보였지만, 거울면에 의한 흡수 손실로 인해 광속 효율을 더 이상 개선할 수 없다는 문제와 satellite ring 발생을 억제하지 못하는 문제점을 확인하였다.
세 번째 설계에서는 반사 굴절 개념을 사용하여 광학계를 설계하였다. 전반사면과 반사 코팅 면을 사용하여 광학계를 구성함으로써 14.5mm의 낮은 광학계 높이를 구현할 수 있었다. 대략 15도의 좁은 광속각을 얻을 수 있었고, satellite ring 발생도 억제할 수 있었다. 하지만 굴절 광학계 매질의 흡수로 인한 광속 효율을 60%이상으로 향상시킬 수 없었다.
마지막으로 광학 효율을 향상하기 위해 세번째 설계 개념에서 굴절 광학계 즉 대형 렌즈를 Fresnel 렌즈화를 사용함으로써 지름 80mm, 높이 30mm인 2차 광학계를 설계할 수 있었다. 비구면 형태의 렌즈를 Fresnel 렌즈로 변환하여 매질의 손실 흡수를 최소화함으로써, 87.5%의 높은 광속 효율을 얻을 수 있었다. 15도의 좁은 방출각과 98% 이상의 높은 Gaussian 유사도 결과를 얻을 수 있었으며, satellite ring 발생도 성공적으로 억제할 수 있었다.
4가지 설계 개념 중에서 광속 효율, 광속각, satellite ring 발생 등의 측면에서 4번째 설계 개념이 가장 우수하였으며, 공차 분석을 통해 최종 설계된 광학계가 실제 제작이 가능함을 확인하였다.
목차
제 1 장 서론 1제 2 장 LED 광원을 이용한 조명용 광학계 32.1 기존 광학계 및 설계 구조 32.2 기존 설계 방식의 문제점 5제 3 장 협각 구현을 위한 램프 광학계 설계 방법론 63.1 협각 구현의 문제점 63.2 협각 구현을 위한 설계 방법론 83.3 설계 절차 9제 4 장 협각 구현을 위한 광학계 설계 방법론 124.1 광원 분할 개념에 의한 광학계 설계 124.2 2개의 반사경을 사용한 광학계 설계 144.3 설계 결과 및 문제점 16제 5 장 Satellite ring 억제를 위한 광학계 245.1 Satellite ring 발생 원인 245.2 반사 굴절 개념에 의한 광학계 설계 255.3 Fresnel 렌즈 개념을 사용한 광학계 설계 275.4 설계 결과 및 성능 평가 30제 6 장 결론 39
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