LED array를 이용한 해상용 등명기 렌즈설계

Abstract

해상용 등명기의 성능을 향상하기 위해 차세대 광원으로 주목받고 있으며, 현재 여러 신호의 광원으로 사용되고 있는 LED를 이용한 해상용 등명기의 렌즈를 설계하였다. 해상용 등명기의 신호는 해상에서 전 방향으로 퍼져 나가야 하므로 LED를 원형으로 Array이 하였다. 사용되는 LED는 신호용으로 가장 흔히 사용되는 5mm LED를 사용하였다. 이러한 LED를 array할 때, 그 Array의 크기와 LED의 수에 따라 그 배치가 달라진다. 여기서는 200mm 크기의 등명기를 설계하기 위해 그 광원인 LED array의 반경을 80mm로 정하였다. Φ 5mm LED를 원형으로 array 할 때, LED를 75개 사용한 array는 space angle이 4.8°를 이루며 그 광학적 성능이 다른 것에 비해 조금 뛰어났다. 등명기에 사용될 렌즈는 먼저 하나의 LED에 대한 렌즈 설계가 이루어진 뒤, 이를 바탕으로 회전 대칭하여 array용 렌즈를 설계하였다. LED 등명기 렌즈는 구면과 비구면으로 나누어 고려하였으며 비구면 렌즈는 타원형태로 설계하였다. 이 두 경우 모두 렌즈의 초점에 광원인 LED의 가상 초점을 위치시켜 렌즈를 통과한 빛이 평행이 되도록 설계를 하였다. 구면 렌즈의 경우 LED에서 나온 빔각이 아주 좁아져서 그 광이 멀리 나갔으나 비구면 타원 렌즈를 통과한 후의 빛이 더 좁은 발산각으로 가져 그 광달거리가 더 길어졌다. array에 사용될 렌즈는 회전대칭으로 이루어지기 때문에 하나의 LED에 대한 구면 렌즈나 타원 렌즈에서와 같은 광 특성이 나타나지는 않는다. 따라서 구면 렌즈와 타원렌즈에 대한 회전 렌즈를 모두 설계하여 그 분석을 하였다. 렌즈의 회전에 의해 타원의 형태가 아닌 실린더 형태가 되어 배광특성이 변화됨을 볼 수 있다. 특히 실린더 형태의 렌즈가 되어서 원형의 회전렌즈와 타원의 회전 렌즈가 각각 가지는 광학적 성능이 변화하게 되어 전체 시스템에서 그 광학적 성능의 차이가 줄어들게 되었다. 회전렌즈에서 원형과 타원의 배광특성을 비교하면 이를 확인할 수 있다. 실제 시뮬레이션의 결과 이 둘의 차이가 없어져 둘은 같은 특성을 가짐을 볼 수 있다. 이러한 회전 렌즈의 특성을 고려하여 하나의 LED에 대한 렌즈로 실린더 형태를 생각해 볼 수 있으며, 하나의 LED에 대한 렌즈의 설계시 또한 회전에 의해 그 특성의 변화가 적어지도록 하기 위한 변수에 대한 고려가 요구되어진다.

Light Emitting Diode (LED) has good features; color, brightness, lifetime and so on. Because of this optical property of LED, the fields using LED are getting wider and wider. Marine lantern is one of them and the marine signal, so it plays an important role in marine safety. To improve the optical properties of this lantern, there are many ongoing studies on the marine lantern using LED. First, The LEDs array is arranged with the number and the interval of LEDs for light source of lantern. We designed the marine lantern using LEDs to improve the optical property of marine lantern. LED light source is arranged in a circle of 80 mm in radius and consists of 75 LEDs and emitted in 4πsteradian direction. And designed LED lens to readjust the light source and analyzed optical properties by using simulation. Lens of lantern is designed to satisfy specification of LED light source to emit far away. Designed lens for single LED has spherical shape and ellipse shape. Designed LED lens should be placed in front of each 75 LEDs. Assumed that the previously designed lens is ahead of one of 75 LEDs, and rotated lens for the center of the LEDs array.