고휘도 LED를 이용한 면광원 조명기구용 광학시스템 설계 = Optical System Design of the Plane Source - Luminaire for Power LED
저자
발행사항
춘천 : 강원대학교 대학원, 2009
학위논문사항
학위논문(석사)-- 강원대학교 대학원 일반대학원 : 전기전자공학과 2009. 2
발행연도
2009
작성언어
한국어
주제어
발행국(도시)
강원특별자치도
기타서명
Optical System Design of the Plane Source - Luminaire for Power LED
형태사항
ⅴ, 49 p.p. 26cm
일반주기명
강원대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
지도교수:김훈
참고문헌 : p.
소장기관
현재 상용화되고 있는 평판 형태의 LED 조명기구는 LCD BLU의 핵심부품인 광학 시트 및 확산판의 사용으로 빛을 확산시키는 구조로서 Lambertian 배광 형태를 가지고 있다. 또한 다수의 LED에 대하여 2차 광학계 사용 외의 별도 보호 장치를 설치하는 이중적 구조를 가진다. 이와 같은 구조는 사용 목적에 적합한 배광을 구현하기 위한 조명기구에서의 광학적 기능 저하 및 효율 저하 등의 단점을 가지고 있다.
따라서 본 논문에서는 복합된 시스템으로부터 다양한 기능을 일체화시킨 일반 조명용 LED 광학계의 개발을 제시하였으며 고휘도 LED를 이용한 면광원 조명기구에 사용되는 Lens array와 Prism panel이 복합된 광학시스템을 설계하였다.
LED는 크기가 매우 작은 광원이지만 실제로 부피를 가지고 있기 때문에 점광원으로 가정하여 광학 설계가 진행되는 경우에는 오차가 발생할 수 있으므로 이러한 오차를 줄이기 위해서 발광면의 크기에 따른 1차 입사각 범위를 결정하였으며, Lens 및 Prism 설계에 관한 기본적인 이론을 이용하여 요구되는 배광을 구현할 수 있도록 최종 목표지향각에 대한 굴절부, 전반사부의 세그먼트 기울기와 프리즘부의 프리즘 정각을 구할 수 있는 수식을 유도하였다. 유도된 수식을 이용하여 조명 용도에 적합한 배광을 가지는 광학 시스템 설계를 실시하였으며, 굴절부, 전반사부, 프리즘부는 각각 요구되는 배광에 따라 가공의 용이성을 고려하여 다른 방법으로 설계가 진행되었다. 광학시스템 설계에 대한 예시로서 대칭형 배광을 가지는 조명기구와 비대칭형 배광을 가지는 조명기구를 설계 해 나가는 일련의 과정을 보여주었다.
설계된 광학시스템의 시뮬레이션 결과로서 대칭형 배광을 가지는 광학시스템 및 비대칭형 배광을 가지는 광학시스템 모두 기구 효율 80%이상의 값을 얻었으며 만족스러운 결과를 얻을 수 있었다. 또한 성능 평가에서는 대칭형 배광을 가지는 광학시스템은 모델링된 기존의 LED 조명기구에 비해 조도 균제도가 향상된 결과를 확인할 수 있었다. 비대칭형 배광을 가지는 광학시스템의 경우에는 수평면 조도 분포와 용도 및 설치 방식, 설치 조건 등이 일치하는 기존의 조명기구와 설계된 조명기구의 소비 전력 비교를 실시하였다. 따라서 설계된 조명기구가 더 적은 소비전력을 요구하는 것을 확인할 수 있었으며, 이것은 기구 선택에 있어서 조명점등 비용을 감소시키는 결과를 초래한다.
결과적으로 Lens array와 Prism panel이 복합된 광학시스템 설계를 통하여 기존의 LED 면광원 조명기구보다 더 다양한 배광 구현을 할 수 있음을 확인하였으며, 설계된 광학시스템은 각각의 LED가 개별적으로 광선을 제어하기 때문에 크기 변형 및 개수 증대에 관하여 요구되는 배광 달성에 대한 영향은 받지 않는다는 이점을 가지고 있다. 이는 LED 광학계의 생산 공정 과정에서의 비용 절감을 기대할 수 있을 것이다. 또한 선택된 광학시스템의 구조에 따라 조명기구 유지 관리가 용이할 것으로 기대된다.
Recently, as the luminous efficiency of LED is increased, a trial to substitute the incandescent lamp and fluorescent lamp is advanced actively in whole world.
The power consumption of LED is fewer than the other illumination machinery, and the span of life is long. Also, it has the advantage of which the miniaturization of luminaire is possible.
Although it is expected that LED luminaire can be used in various location, the light emitted from the LED is not widely diffused, and shows the lambertian light distribution. Moreover, the luminance from the LED is rather high. When it is used for general illumination, an appropriate light distribution must be achieved by controlling the light emitted from lamp, and the luminance and glare should be diminished.
However, LED luminaires which are developed until recently use the PLF(Photo Luminescent Film), Light Guide Plate -the core parts of LCD BLU- , reflector, diffuse sheet, prismatic sheet and so on. Also, the case using the duplex construction of the lens and the acrylic is majority.
This paper presents about design of optical system which Lens Array and Prism panel are compounded. It will be able to replace the existing optical parts. It also lowers a price by combining the various functions. Simultaneously, it is able to realize the high effect and a high efficiency of illumination system.
A research about the lens and prismatic design using the refraction and reflection mechanism were performed. Then design parts were largely classified into refracting parts, reflecting parts, prism parts. Finally, it was designed in order to realize the luminous intensity distribution for each illumination use.
Design examples were consisted two optical systems which realize symmetrical distribution and asymmetrical distribution. By using the photopia program to predict the luminous intensity distribution and the DIALux 4.5 program to examine the performance of luminaire, the optical performance of designed optical systems was presented.
As simulation result of designed optical systems, both optical system has more than 80 percent of efficiency of luminaire.
In performance test, the optical system with symmetrical distribution yielded results that the uniformity of illuminance distribution is improved. And the case of optical system with asymmetrical distribution confirmed that it is more effectively able to save energy compared with existing luminaire.
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