기하학적 광선 추적을 통한 프레넬 렌즈 및 반사경 광학계 설계 연구

Abstract

반도체 기술의 발전과 함께 백색 LED의 효율이 비약적으로 상승하였고, 이에 따라 LED 조명시장의 성장과 더불어 LED를 광원으로 한 다양한 광학계 디자인이 제시되고 있다. 빛을 멀리 보내는 시준 광학계에서 주로 사용되는 프레넬 렌즈는 구면수차를 해결하고, 소자의 경량화 및 광학계 소형화에 큰 장점을 두고 있다. 그러나 우수한 광학적 성능만큼 제작이 까다롭고, 비용의 부담이 큰 편이다. 통상 렌즈 제작자 공식에 기반을 두어 설계가 이루어지며 시준광학계의 경우 groove가 상측 공간에 위치하고, 그로 인해 외부 오염에 쉽게 노출되어 내구성에 부정적인 영향을 받고 있다. 본 연구에서는 기하학적 광선추적을 통해 목적에 맞는 광학계 설계법을 제시하고, 설계법을 바탕으로 한 광학 소자를 형상화 하여 그에 따른 광학계 특성을 확인하였다. 기하학적 광선 추적은 기하광학의 반사의 법칙과 스넬의 법칙에 근거하여 설계를 진행하였으며 시준용 프레넬 렌즈의 격자형 groove 및 원뿔형 반사경의 설계법을 제시하였다. 회전대칭형 격자 프레렌 렌즈는 주어진 조건에서 빔 각 1.17° 및 중심광도 약 680,000 cd로 우수한 배광 성능을 보였고, 원뿔형 반사경은 저광도 B형 항공장애 표시등을 목표하여 KS C 7714를 만족할 수 있었다.

With the development of semiconductor technology, the efficiency of white LEDs has increased dramatically. Accordingly, with the growth of the LED lighting market, various optical system designs using LEDs as light sources are being proposed. Fresnel lens mainly used in the collimating optical system that sends the light far away has a great advantage in solving spherical aberration, lightening the device and miniaturizing the optical system. However, the manufacturing is as difficult as the excellent optical performance and the cost is large. The design is usually based on the formula of the lens manufacturer, and in the case of collimated optical systems, the groove is located in the upper space, which is easily exposed to external contamination, which is adversely affected by durability. In this study, we proposed the optical system design method for the purpose through geometric optical path tracking, and the optical system based on the design method was identified to verify the optical system characteristics. Geometric optical path tracking was designed based on the geometrical law of reflection and Snell's law, and presented the design of the lattice groove and conical reflector of the collimating Fresnel lens. The rotationally symmetric grating Freren lens showed excellent light distribution performance with beam angle of 1.17 degrees and center light 680,000 candela under the given conditions, and the conical reflector was able to satisfy KS C 7714 for B type low brightness aviation indicator.