KR20200101773A

KR20200101773A - 빛공해 억제형 조명장치

Info

Publication number: KR20200101773A
Application number: KR1020190020072A
Authority: KR
Inventors: 이창모
Original assignee: 주식회사 금빛
Priority date: 2019-02-20
Filing date: 2019-02-20
Publication date: 2020-08-28

Abstract

빛공해 억제형 조명장치가 개시된다. 본 발명에 따른 빛공해 억제형 조명장치는, 광면과 직각인 광축 방향으로 방사광을 발산하는 광원; 광면을 마주보며 오목하게 형성된 제1 입사면과, 이로부터 소정 두께를 이루며 볼록하게 형성된 제1 출사면을 포함하여 방사광을 조명영역으로 투과시키는 메인렌즈; 및 방사광 중 빛 공해영역으로 발산되어 입사되는 침입광이 전반사에 의해 광축 쪽으로 편향된 후 출사되도록 하기 위해 상기 빛 공해영역에 대응하는 상기 메인렌즈의 둘레 일부에서 돌출형성되는 광제어렌즈를 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의하면, 할 수 있다. 본 발명에 의하면, 광원으로부터의 방사광을 조명영역으로 투과시키는 볼록한 메인렌즈와, 빛 공해영역에 대응하는 메인렌즈의 둘레 일부에서 돌출형성되어 침입광을 전반사를 통해 광축 쪽으로 편향시키는 광제어렌즈가 일체화되어 하나의 광학렌즈를 구성함에 따라 차단판과 같은 별도의 장치를 부가설치할 필요없이 빛 공해영역으로 광의 발산이 간단하고 용이하게 억제 내지 제한됨은 물론, 깔끔한 디자인적 외관의 유지가 가능하고, 광손실 없이 조명영역에 대한 효율적인 배광이 이루어질 수 있으며, 광제어렌즈의 가변을 통해 광 분포를 조명설계 의도에 따라 다양하게 변경(커스터마이징)할 수 있는 효과가 있다.

Description

빛공해 억제형 조명장치{LIGHTING EQUIPMENT TO SUPPRESS LIGHT-POLLUTION}

본 발명은 빛공해 억제형 조명장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 광원으로부터의 방사광을 의도한 조명영역으로 균일하게 배광하는 한편, 불필요한 영역으로의 빛의 발산을 억제하는 렌즈가 구비된 조명장치에 관한 것이다.

최근의 조명장치와 관련된 산업은, 친환경, 고효율, 그리고 긴 수명을 갖춘 광원에 대한 요구에 따라 개발된 LED광원에 의해 주도되고 있는 실정이며, 이러한 LED광원에 대한 효율과 휘도를 더욱 향상시키기 위한 노력과 연구개발은 현재에도 산업체에 의해 활발하게 이루어지고 있다.

이러한 연구개발에 따라 비약적으로 향상된 LED광원 기술은, 저비용과 고효율의 장점으로 인해 무분별하게 확산되어 도 6의 (a)와 같은 소위 빛공해(주택 침입광, 상향광, 눈부심)를 유발하게 되는 지경에 이르게 되었다.

위와 같은 빛공해 즉, 인공조명의 오남용으로부터 국민건강을 지키고, 주변 생태계에 대한 악영향을 예방하기 위해 건축물 조명과 전광판, 각종 가로등과 같은 기반시설 조명의 빛 방사 허용기준 등을 규정한 '인공조명에 의한 빛공해 방지법'이 2013년에 제정되어 시행되고 있다.

이렇게 조명장치의 광분포인 배광이나 휘도 등을 일정하게 제한하는 법규정이 마련됨에 따라 이에 부합할 수 있도록, 조명장치와 관련하여 배광조절 또는 빛공해 저감을 위한 수단 내지 방안에 대한 다양한 기술적 제시가 이루어지고 있다.

그 중에서 일례로서, 도 6의 (b)에서는 조명장치에 별도로 설치되어 침입광의 발산을 차폐하는 차단판에 관한 기술을 개시하고 있다.

이러한 종래 침입광 저감 수단은, 도 6의 (a)에 도시된 바와 같이 조명장치의 인공 광원에서 발산되는 방사광 중 설계상 조명영역(ex: 도로) 이외의 영역으로 불필요하게 발산되는 침입광(후사광)이 주거지역으로 확산되는 것을 인위적으로 차폐하여 수면 방해 등과 같은 빛공해를 효과적으로 저감시키는 장점이 있다.

그러나 이 경우, 차단판 자체에 의해 광학적으로 광손실이 발생되고, 조명장치의 전체적인 광의 분포를 조명 설계 의도와 다르게 왜곡시켜 조명환경에 영향을 미치는 것은 물론, 조명장치의 디자인적 미감을 해쳐 주변 경관을 저해한다는 점에서 문제가 있다.

따라서, 조명장치에 부대해서 추가 설치되는 차단판 또는 조명각을 인위적으로 조절하는 별도의 장치가 아니라 표준화된 조명모듈 수준 즉, 광의 발산단계에 적용되어 침입광이 빛 공해영역으로 확산되지 않도록 직접 제어하면서도, 동시에 조명영역을 균일하게 배광할 수 있는 광학적 구조에 대한 개선이나 연구개발이 필요한 실정이다.

본 발명의 목적은, 조명장치에 추가로 부대설치되어 침입광을 억제하는 것이 아니라 광원 및 광의 배광을 위한 렌즈로 구성되는 표준화된 조명모듈 단계에서 구조적, 광학적으로 침입광을 조명방향으로 편향시켜 광손실 없는 조명영역에 대한 효율적인 배광이 이루어지는 한편, 빛 공해영역으로 광의 발산이 제한될 수 있는 빛공해 억제형 조명장치를 제공하는 것이다.

상기 목적은, 광면과 직각인 광축 방향으로 방사광을 발산하는 광원; 광면을 마주보며 오목하게 형성된 제1 입사면과, 이로부터 소정 두께를 이루며 볼록하게 형성된 제1 출사면을 포함하여 방사광을 조명영역으로 투과시키는 메인렌즈; 및 방사광 중 빛 공해영역으로 발산되어 입사되는 침입광이 전반사에 의해 광축 쪽으로 편향된 후 출사되도록 하기 위해 상기 빛 공해영역에 대응하는 상기 메인렌즈의 둘레 일부에서 돌출형성되는 광제어렌즈를 포함하는 빛공해 억제형 조명장치에 의해 달성된다.

상기 광제어렌즈는, 발산된 침입광이 수광되는 영역에 구비되어 상기 제1 입사면과 함께 오목한 홈을 이루고, 수광된 침입광을 상기 광제어렌즈의 내부로 굴절시키는 제2 입사면; 굴절된 침입광에 대한 전반사가 이루어지도록 제1 기울기로 경사형성된 전반사면; 및 전반사된 침입광이 수광된 후 광축 쪽으로 편향되게 출사되도록 상기 광제어렌즈의 돌출 단부에 구비되는 제2 출사면을 포함할 수 있다.

상기 제1 입사면은, 단면이 광면에 대하여 완만한 경사를 이루며 오목하게 형성되고, 상기 제2 입사면은, 단면이 광면에 대하여 가파른 경사를 이루며 오목하게 형성되어, 상기 제1 입사면과 제2 입사면은, 광축을 기준으로 비대칭의 오목한 홈을 형성할 수 있다.

상기 제2 입사면은, 광축이 통과하는 광면으로부터 25° 내지 30°에 해당하는 각도 범위에서 형성되어 발산된 침입광을 수광할 수 있다.

상기 전반사면은, 상기 제2 입사면을 통해 투과되어 상기 전반사면으로 입사되는 침입광의 최소 입사각이 적어도 소재별 임계각보다 커지게 하는 상기 제1 기울기로 경사형성되되, 상기 제1 기울기는, 광면을 기준으로 하여 소재별 임계각보다 크고, 90°에서 소재별 임계각을 뺀 각보다 작을 수 있다.

상기 제2 출사면은, 전반사된 침입광의 최대 입사각이 적어도 소재별 임계각보다 작아지게 하는 제2 기울기로 경사형성되되, 상기 제2 기울기는, 광면과 나란한 평면을 기준으로 하여 0°보다 크고, 소재별 임계각보다 작을 수 있다.

상기 광원은, 상기 제1 입사면 및 제2 입사면을 향해 방사광을 발산할 수 있는 백열등, 방전등 또는 적어도 하나 이상의 LED소자일 수 있다.

본 발명에 의하면, 광원으로부터의 방사광을 조명영역으로 투과시키는 볼록한 메인렌즈와, 빛 공해영역에 대응하는 메인렌즈의 둘레 일부에서 돌출형성되어 침입광을 전반사를 통해 광축 쪽으로 편향시키는 광제어렌즈가 일체화되어 하나의 광학렌즈를 구성함에 따라 차단판과 같은 별도의 장치를 부가설치할 필요없이 빛 공해영역으로 광의 발산이 간단하고 용이하게 억제 내지 제한됨은 물론, 깔끔한 디자인적 외관의 유지가 가능하고, 광손실 없이 조명영역에 대한 효율적인 배광이 이루어질 수 있으며, 광제어렌즈의 가변을 통해 광 분포를 조명설계 의도에 따라 다양하게 변경(커스터마이징)할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 빛공해 억제형 조명장치의 사시도이다.
도 2는 도 1의 절단 및 분해사시도이다.
도 3은 도 2에 기초하여 광원으로부터 발산된 방사광이 메인렌즈와 광제어렌즈를 통해 투과되는 과정을 설명하기 위한 작동상태도이다.
도 4a는 도 1이 적용된 가로등의 광축을 기준으로 조명률곡선을 도시한 도면이다.
도 4b는 도 1에서 광제어렌즈를 배제한 가로등의 광축을 기준으로 조명률곡선을 도시한 도면이다.
도 5는 도 4a 및 도 4b에 도시된 가로등의 후방 수직평면인 연직면에 대한 조도 분포를 각각 도시한 도면이다.
도 6은 빛공해의 일례로서 주택 침입광에 의한 인공조명의 오남용과 종래 침입광의 발산을 차폐하는 차단판을 각각 도시한 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세하게 설명하면 다음과 같다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어서, 이미 공지된 기능 혹은 구성에 대한 설명은, 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 빛공해 억제형 조명장치의 사시도이고, 도 2는 도 1의 절단 및 분해사시도이고, 도 3은 도 2에 기초하여 광원으로부터 발산된 방사광이 메인렌즈와 광제어렌즈를 통해 투과되는 과정을 설명하기 위한 작동상태도이고, 도 4a는 도 1이 적용된 가로등의 광축을 기준으로 조명률곡선을 도시한 도면이고, 도 4b는 도 1에서 광제어렌즈를 배제한 가로등의 광축을 기준으로 조명률곡선을 도시한 도면이고, 도 5는 도 4a 및 도 4b에 도시된 가로등의 후방 수직평면인 연직면에 대한 조도 분포를 각각 도시한 도면이고, 도 6은 빛공해의 일례로서 주택 침입광에 의한 인공조명의 오남용과 종래 침입광의 발산을 차폐하는 차단판을 각각 도시한 도면이다.

발명의 설명 및 청구범위 등에서 방향을 지칭하는 상(위쪽), 하(아래쪽), 좌우(옆쪽 또는 측방), 전(정,앞쪽), 후(배,뒤쪽) 등은 권리의 한정의 용도가 아닌 설명의 편의를 위해서 도면 및 구성 간의 상대적 위치를 기준으로 정한 것으로, 이하에서 설명되는 각 방향은 이와 다르게 특별히 한정하는 경우를 제외하고, 이에 기초한 것이다.

본 발명에 따른 빛공해 억제형 조명장치(100)는, 별도의 부가 장치를 설치할 필요없이 빛 공해영역(A2_평,A2_직)으로의 침입광(PL)이 간단, 용이하게 억제 내지 제한되고, 깔끔한 디자인적 외관의 유지가 가능하며, 광손실을 최소화한 상태로 조명영역(A1)에 대한 효율적이고 균일한 배광과 조명설계에 따른 광분포의 다양한 커스터마이징이 자유롭게 이루어지도록 하기 위해 안출된 발명이다.

상술한 바와 같은 본 발명의 기능 내지 작용을 구체적으로 구현하기 위해, 본 발명의 실시예에 따른 빛공해 억제형 조명장치(100)는, 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 광원(110), 메인렌즈(120) 및 광제어렌즈(130) 등을 포함하여 구성될 수 있다.

여기서 메인렌즈(120)와 광제어렌즈(130)는 광원(110)에서 측방과 연직방향으로 발산되는 방사광(L)과 일측방으로 발산되는 침입광(PL)을 서로 다른 입사면으로 수광한 후 서로 다른 출사면을 통해 각각 굴절시켜 빛 공해영역(A2_평,A2_직)에 대한 배광은 최소화하는 한편, 소정의 조명영역(A1)에 대한 배광은 광손실 없이 강화하는 이중의 광학 구조를 갖는 렌즈 결합체로서, 광투과성 재질을 소재로 일체로 형성될 수 있다.

일례로, 메인렌즈(120)와 광제어렌즈(130)는, 광투과성 및 성형성이 우수한 폴리카보네이트(Polycarbonate,PC) 및 폴리메틸메타아크릴레이트(Poly Methyl Methacrylate,PMMA) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 수지를 소재로 사출성형을 통해 일체로 제작될 수 있고, 이와 달리 광투과성의 비결정성 고체인 유리 등을 절삭가공하여 일체로 제작될 수도 있다.

이하에서 앞서 언급한 각 구성들을 구체적으로 설명하면, 다음과 같다.

먼저, 광원(110)은, 외부로부터 전기에너지를 제공받아 광면(OS)에서 직각인 광축(OA) 방향을 기준으로 방사광(L)을 측방과 하방으로 발산하는 구성요소로서, 광원(110)에 인접배치되는 후술할 제1 입사면(122) 과 제2 입사면(132)을 향해 빛을 발산할 수 있는 백열등, 방전등 또는 적어도 하나 이상의 LED소자로 구성될 수 있다.

다만, 본 발명의 실시예에 따른 광원(110)은, 휘도와 에너지 효율이 우수한 적어도 하나 이상의 LED소자를 소정의 기판에 실장(mounting)하여 구성될 수 있다.

여기서 기판은, 외부 전원장치(미도시)로부터 공급되는 전원을 실장된 LED소자에 정격으로 인가하는 구성요소로서, LED소자와 전기적으로 연결되는 금속배선이 인쇄되고 전원공급회로를 구성하기 위한 각종 회로부품이 탑재될 수 있다.

LED소자는, 전압을 인가하였을 때 광을 방출하는 반도체 소자로 이루어지는 구성요소로서, 상술한 기판을 통해 전원을 인가받게 되는데, 그 구체적 구조나 발광원(110)리는 이미 공지된 기술인바, 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다.

메인렌즈(120)는, 상술한 광원(110)에서 광축(OA)을 기준으로 반구형으로 발산된 방사광(L)을 수광한 후 적절히 굴절시켜 설정된 조명영역(A1)을 전체적으로 균일성 있게 배광하는 광투과성의 구성요소로서, 제1 입사면(122) 및 제1 출사면(124)을 포함하여 구성될 수 있다.

여기서 제1 입사면(122)은, 광면(OS)에 인접배치되어 광원(110)에서 발산된 방사광(L)을 수광하며 굴절시키는 구성요소로서, 광면(OS)을 마주보며 오목한 홈형태로 형성될 수 있다.

그리고 제1 출사면(124)은 제1 입사면(122)을 통해 굴절된 방사광(L)을 조명영역(A1)으로 다시 굴절시키는 구성요소로서, 제1 입사면(122)로부터 소정 두께를 이루며 광축(OA) 방향으로 볼록하게 형성될 수 있다.

이때, 제1 입사면(122)의 오목한 정도(내측 곡률), 제1 출사면(124)의 볼록한 정도(외측곡률), 메인렌즈(120)의 두께 또는 메인렌즈(120)의 소재(굴절률) 등은, 조명영역(A1)의 설계범위나 의도한 배광 분포 등에 따라 다양하게 변경될 수 있다.

그리고 매질의 경계인 제1 입사면(122)에서 제1 출사면(124)으로 굴절되며 투과되는 방사광(L)의 진행경로는 빛의 굴절 법칙인 스넬의 법칙(Snell's Law)에 따라 결정되고, 이는 널리 알려진 빛 관련 자연법칙이므로, 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다.

광제어렌즈(130)는, 광원(110)에서 발산되는 방사광(L) 중 설계된 조명영역(A1)과 무관하거나 빛 공해가 예상되는 영역으로 발산되는 침입광(PL)을 설계된 조명영역(A1) 쪽으로 최대한 편향시키기 위해 특별히 마련된 구성요소로서, 빛 공해영역(A2_평,A2_직)에 대응하는 메인렌즈(120)의 둘레 일부에서 돌출형성되어 이루어질 수 있다.

즉, 이러한 광제어렌즈(130)는, 광축(OA)을 기준으로 설계된 조명영역(A1)의 반대방향으로 발산되는 침입광(PL)이 돌출된 구조 내부에서 작은 각도로 굴절되는 것이 아니라 큰 각도로 꺾이며 전반사(TR)되도록 구조화됨으로써, 침입광(PL)을 최대한 광축(OA) 쪽(조명영역(A1))으로 편향시키게 된다. 이로 인해 광손실의 최소화와 조명영역(A1)에 대한 배광이 종래에 비해 보다 강화될 수 있게 된다.

위와 같은 기능 내지 작용을 구체적으로 구현하기 위해, 본 발명의 실시예에 따른 광제어렌즈(130)는, 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이 제2 입사면(132), 전반사면(133) 및 제2 출사면(134) 등을 포함하여 구성될 수 있다.

제2 입사면(132)은, 침입광(PL)이 도달 내지 수광되는 영역을 따라 구비되어 침입광(PL)을 수광하는 한편, 광제어렌즈(130)의 내부로 입사되며 굴절된 침입광(PL)을 후술할 전반사면(133)으로 직접 안내하는 구성요소로서, 이러한 제2 입사면(132)은 제1 입사면(122)과 함께 오목한 홈을 형성하게 된다.

이때, 제2 입사면(132)은 광축(OA)과 광면(OS)이 서로 교차되는 지점을 기준으로 수직면과 수평면에 대하여 각각 소정 각도범위로 조명설계에 따라 결정되는 빛 공해영역(A2_평,A2_직)에 대응하거나 적어도 빛 공해영역(A2_평,A2_직)을 포함하는 다양한 면형상으로 이루어질 수 있다.

다만, 본 발명의 실시예에 따른 제2 입사면(132)은, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 광축(OA)이 통과하는 광면(OS)으로부터 수직면을 따라 광축(OA) 방향으로 25° 내지 30°에 해당하는 각도 범위 즉, 0° 내지 25°~ 30°에서 형성될 수 있다.

그리고 제2 입사면(132)은, 광축(OA)이 통과하는 광면(OS)을 기준으로 수평면을 따라 60° 내지 180°에 해당하는 각도 범위에서 호형태로 형성될 수 있다.

위와 같은 제2 입사면(132)의 수직 및 수평방향에 대한 각도 범위는 앞서 설명한 바와 같이 조명의 용도나 방향, 조명장치(100)의 높이, 주변 환경 등을 고려해서 각각 설정 내지 설계되는 조명영역(A1) 및 빛 공해영역(A2_평,A2_직)에 따라 다양하게 변경될 수 있다.

한편, 도 3에 도시된 바와 같이, 제1 입사면(122)은 단면이 광면(OS)에 대하여 완만한 경사를 이루며 오목하게 형성되고, 제2 입사면(132)은 단면이 광면(OS)에 대하여 가파른 경사를 이루며 오목하게 형성되어, 제1 입사면(122)과 제2 입사면(132)은 일체로 광축(OA)을 기준으로 비대칭의 오목한 홈 형태를 이루게 된다.

이때, 제2 입사면(132)을 광면(OS)에 대하여 가파른 경사로 오목하게 형성한 이유는, 빛 공해영역(A2_평,A2_직)으로 발산되어 제2 입사면(132)으로 입사되는 소정 각도 범위의 침입광(PL)이 후술할 전반사면(133)을 지향하는 방향으로 굴절된 후 모두 전반사(TR)될 수 있도록 하기 위함이다.

그리고 제1 입사면(122)을 제2 입사면(132)과 달리 완만한 경사로 오목하게 형성한 이유는, 제1 입사면(122)이 급경사의 제2 입사면(132)과 구조적으로 자연스럽게 연결되며 광축(OA)을 기준으로 비대칭의 오목한 홈을 이루게 하기 위한 것으로, 이로 인해 방사광(L)의 배광은 대칭형태의 홈인 경우보다 조명영역(A1) 쪽으로 집중될 수 있게 된다.

전반사면(133)은, 상술한 제2 입사면(132)과 소정의 두께를 이루며 제1 기울기(S1)로 경사형성되어 굴절된 침입광(PL)에 대한 전반사(TR)가 이루어지게 하는 구성요소로서, 소정 각도범위에 형성된 제2 입사면(132)에서 전달 또는 굴절된 침입광(PL)을 일반적인 굴절각보다 큰 각도 범위로 전반사(TR)시키도록 경사형성된 것이라면, 면의 평평도나 면의 형상 등은 특별하게 제한되지 않는다.

여기서 전반사(TR, Total Internal reflection)란, 굴절률이 큰 매질(메인렌즈(120), 광제어렌즈(130))에서 작은 매질(공기)을 향해 특정 입사각(매질 경계면의 법선에 대한 각도)으로 진행하는 빛이 작은 매질로 굴절하며 투과되는 것이 아니라 큰 매질 내부에서 모두 반사되는 현상을 말한다.

이때, 전반사(TR)가 이루어지게 되는 입사각을 임계각(Critical angle)이라 하며, 임계각(θc) 이상의 입사각으로 진행하는 빛은 모두 매질 경계면의 법선을 기준으로 대칭된 형태로 반사된다.

위와 같이 전반사(TR)를 위한 임계각(θc)은 공기의 굴절률을 대략 1이라고 할 때, 렌즈를 형성하는 소재에 따라 달라지는데, 일례로 PC(굴절률 1.586)의 경우 임계각(θc)이 대략 39.09°이고, PMMA(굴절률 1.49)의 임계각(θc)은 대략 42.16°이다. 즉, PC 소재로 제작된 렌즈가 PMMA 소재보다 전반사에 의해 침입광(PL)을 메인렌즈(120) 쪽으로 더 꺽이도록 유도할 수 있게 된다.

다만, 본 발명의 실시예에 따른 전반사면(133)은, 도 3의 (b)를 참조할 때, 제2 입사면(132)을 통해 투과되어 전달 내지 굴절된 침입광(PL)의 최소 입사각(θmin)이 적어도 소재별 임계각(θc)보다 커지게 하는 제1 기울기(S1)로 경사형성될 수 있고, 침입광(PL)에 대한 일관성 있는 전반사(TR) 유도를 위해 평평한 면 또는 곡면 형상으로 이루어질 수 있다.

이때, 경사형성되는 전반사면(133)의 제1 기울기(S1)는, 광면(OS)을 기준으로 하여 소재별 임계각(θc)보다 크고, 90°에서 소재별 임계각(θc)을 뺀 각보다 작은 범위로 한정하는 것이 침입광(PL)에 대한 원활한 전반사(TR) 유도와 광제어렌즈(130)의 크기 제한을 위해 바람직할 수 있다.(소재별 임계각(θc) < S1 < (90°- 소재별 임계각(θc))

여기서 제1 기울기(S1)가, 상한인 90°- 소재별 임계각(θc)보다 커지면, 수직한 빛 공해영역(A2_직) 범위로 입사되는 침입광(PL)의 입사각이 작아져 전반사면(133)에 의한 침입광(PL)의 전반사(TR)가 원활하게 이루어지지 않게 됨에 따라 조명영역(A1)으로 침입광(PL)을 편향시키지 못하게 되고, 오히려 침입광(PL)이 전반사면(133)을 투과하게 되어 빛 공해가 해소되지 못하는 문제가 있다.

반면에 제1 기울기(S1)가, 하한인 소재별 임계각(θc)(일례로, PC의 39.09°, PMMA의 42.16°)보다 작게 되면, 수직한 빛 공해영역(A2_직) 범위로 입사되는 침입광(PL)의 입사각이 커져서 전반사면(133)에 의한 침입광(PL)의 전반사(TR)가 원활하게 이루어지게 되지만, 모든 범위의 침입광(PL)에 대응하는 전반사(TR)를 위해 전반사면(133)이 과도하게 길어져 광제어렌즈(130)의 크기가 비대해지는 문제가 있다.

또한, 전반사(TR)에 의해 침입광(PL)이 꺾이는 정도가 작아 조명영역(A1)을 지향한 침입광(PL`)의 효과적인 편향이 이루어지지 못하는 문제가 있다.

제2 출사면(134)은, 전반사(TR)된 침입광(PL)이 도달 내지 수광되는 영역인 광제어렌즈(130)의 돌출 단부에 구비되어 침입광(PL)을 수광하는 한편, 광제어렌즈(130) 내부에서 외기인 조명영역(A1)으로 침입광(PL`)을 굴절시키는 구성요소이다.

이러한 제2 출사면(134)은, 수직한 빛 공해영역(A2_직) 범위로 입사되어 전반사면(133)에서 다양한 각도로 전반사(TR)된 침입광(PL`)의 대부분을 광축(OA) 쪽으로 편향시킬 수 있는 구조로 된 것이라면, 면의 평평도, 면의 형상 등은 특별하게 제한되지 않는다.

다만, 본 발명의 실시예에 따른 제2 출사면(134)은, 도 3의 (c)를 참조할 때, 전반사면(133)을 통해 반사된 침입광(PL)의 최대 입사각(θ`max)이 적어도 소재별 임계각(θc)보다 작아지게 하는 제2 기울기(S2)로 경사형성될 수 있고, 침입광(PL`)에 대한 일관성 있는 편향된 광축(OA) 방향 굴절의 유도를 위해 평평한 면 또는 곡면 형상으로 이루어질 수 있다.

이때, 경사형성되는 제2 출사면(134)의 제2 기울기(S2)는, 광면과 나란한 평면(OS`)을 기준으로 상방으로 0°보다 크고, 소재별 임계각(θc)보다 작은 범위로 한정될 수 있는데, 이는 출사되는 침입광(PL`)을 광축(OA) 방향으로 보다 효과적으로 굴절시키기 위함이다.(0°< S2 < 소재별 임계각(θc))

여기서 제2 기울기(S2)가 상한인 소재별 임계각(θc)(일례로, PC의 39.09°, PMMA의 42.16°)보다 커지게 되면, 전반사(TR)된 침입광(PL)의 제2 출사면(134)에 대한 입사각도 따라서 커짐에 따라 제2 출사면(134)에서 침입광(PL)이 다시 전반사(TR)되거나 또는 과도하게 굴절되며 외기로 출사되는 문제가 있다. 이로 인해 조명영역(A1)에 대한 균일한 배광이나 빛 공해의 저감 등은, 의도대로 이루어지지 않게 된다.

반면에 제2 기울기(S2)가 하한인 0°보다 작게 되면, 즉 제2 기울기(S2)가 하방으로 경사형성되면, 반사된 침입광(PL)의 입사각이 커짐은 물론, 광제어렌즈(130)의 크기가 점차 비대해지고, 수직한 빛 공해영역(A2_직) 범위로 입사된 침입광(PL)의 대부분이 오히려 광축(OA) 방향의 반대 반향으로 편향되어 조명영역(A1)에 대한 배광이 집중되는 것이 아니라 분산되는 문제가 있다.

이상에서 살펴본 본 발명에 따른 빛공해 억제형 조명장치(100)는, 도 4a 내지 도 5에 도시된 바와 같이 메인렌즈(120)만이 구비되고, 본 발명의 특징부인 광제어렌즈(130)가 배제된 조명장치와의 비교시 다음과 같은 효과를 명확히 알 수 있다.

먼저, 도 4a는 본 발명에 따른 조명장치(100)가 탑재된 가로등(10)의 광축(OA)을 기준으로 측정한 연직수평면에 대한 조명률 곡선이고, 도 4b는 광제어렌즈(130)가 배제된 조명장치가 탑재된 가로등(10)의 광축(OA)을 기준으로 측정한 연직수평면에 대한 조명률 곡선이다.

이때, 조명률 곡선이란, 조명률 곡선이란 전체 광속에 대하여 조명영역(A1)(일례로 도로 영역)으로의 광속비율과 빛 공해영역(A2_평,A2_직) 및 광제어영역(A3)으로의 광속비율을 광축(OA)을 기준으로 구분하여 나타낸 것으로, 이에 의해 침입광(PL)이 얼마나 제어되었는지를 확인할 수 있다.

여기서 광제어영역(A3)은, 비대칭의 오목한 홈을 이루는 제1 입사면(122) 및 제2 입사면(132)에 의한 침입광(PL`)의 편향과 광제어렌즈(130)에 의한 침입광(PL`)의 편향에 따라 제어된 배광영역을 말한다.

도 4a 및 도 4b에 따르면, 도 4a의 조명영역(A1)(일례로 도로 영역)에 대한 광속비율은 72%로서, 도 4b에 따른 조명영역(A1)(일례로 도로 영역)에 대한 광속비율인 64%보다 8%가량 증대된 것임을 알 수 있다.

이러한 결과는, 도 4a의 경우가 빛 공해영역(A2_평,A2_직)으로 발산되는 침입광(PL)을 광제어렌즈(130)의 부가에 의해 도 4b의 경우보다 효과적으로 저감시켰음을 증명하는 것이다.

또한, 도 5는, 도 4a 및 도 4b에 각각 도시된 가로등(10)의 후방 수직평면인 연직면에 대한 조도 분포를 각각 시뮬레이션한 도면으로서, 이 또한, 침입광(PL)이 발산되는 빛 공해영역(A2_평,A2_직)에 대한 조도 세기의 상호 비교를 통해 본 발명의 효과를 손쉽게 확인할 수 있다.

즉, 전체 광속이 6,500lm으로 동일한 도 4a 및 도 4b의 조명장치(100)로부터 빛 공해방향으로 2m 수평 이격된 가상의 후방 연직면에 대하여 각각 측정한 조도는, 도 4b의 경우 최대 연직면 조도가 44.2lx이지만, 도 4a의 경우 13.4lx로서, 도 4b와 비교시 조도가 약 70% 감소되었음을 도 5로부터 손쉽게 확인할 수 있다.

또한, 도 4a의 경우 빛 공해영역(A2_평,A2_직)의 비율이 도 4b와 대비시 약 8% 정도 감소한 것이지만, 도 5의 연직면 조도 즉, 빛 공해 감소의 정도를 고려하면, 전체적으로 70%를 웃도는 현저한 빛 공해 저감이 본 발명을 통해 이루어졌음을 명확히 확인할 수 있다.

앞에서, 본 발명의 특정한 실시예가 설명되고 도시되었지만 본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 일이다. 따라서, 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 기술적 사상이나 관점으로부터 개별적으로 이해되어서는 안 되며, 변형된 실시예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.

OS,OS`: 광면, 광면과 나란한 평면 OA: 광축
A1: 조명영역 A2_평,A2_직: 빛 공해영역(수평 및 수직)
A3: 광제어영역 L: 방사광
PL: 침입광 PL`: 편향된 침입광
TR: 전반사(광) S1: 제1 기울기
S2: 제2 기울기 θc: 소재별 임계각
θmin: 최소 입사각 θmax: 최대 입사각
10: 가로등
100: 빛공해 억제형 조명장치
110: 광원 120: 메인렌즈
122: 제1 입사면 124: 제1 출사면
130: 광제어렌즈 132: 제2 입사면
133: 전반사면 134: 제2 출사면

Claims

광면과 직각인 광축 방향으로 방사광을 발산하는 광원;
광면을 마주보며 오목하게 형성된 제1 입사면과, 이로부터 소정 두께를 이루며 볼록하게 형성된 제1 출사면을 포함하여 방사광을 조명영역으로 투과시키는 메인렌즈; 및
방사광 중 빛 공해영역으로 발산되어 입사되는 침입광이 전반사에 의해 광축 쪽으로 편향된 후 출사되도록 하기 위해 상기 빛 공해영역에 대응하는 상기 메인렌즈의 둘레 일부에서 돌출형성되는 광제어렌즈를 포함하는 빛공해 억제형 조명장치.
제2항에 있어서,
상기 광제어렌즈는,
발산된 침입광이 수광되는 영역에 구비되어 상기 제1 입사면과 함께 오목한 홈을 이루고, 수광된 침입광을 상기 광제어렌즈의 내부로 굴절시키는 제2 입사면;
굴절된 침입광에 대한 전반사가 이루어지도록 제1 기울기로 경사형성된 전반사면; 및
전반사된 침입광이 수광된 후 광축 쪽으로 편향되게 출사되도록 상기 광제어렌즈의 돌출 단부에 구비되는 제2 출사면을 포함하는 빛공해 억제형 조명장치.
제1항에 있어서,
상기 제1 입사면은, 단면이 광면에 대하여 완만한 경사를 이루며 오목하게 형성되고, 상기 제2 입사면은, 단면이 광면에 대하여 가파른 경사를 이루며 오목하게 형성되어,
상기 제1 입사면과 제2 입사면은, 광축을 기준으로 비대칭의 오목한 홈을 형성하게 되는 것을 특징으로 하는 빛공해 억제형 조명장치.
제2항에 있어서,
상기 제2 입사면은,
광축이 통과하는 광면으로부터 25° 내지 30°에 해당하는 각도 범위에서 형성되어 발산된 침입광을 수광하게 되는 것을 특징으로 하는 빛공해 억제형 조명장치.
제2항에 있어서,
상기 전반사면은,
상기 제2 입사면을 통해 투과되어 상기 전반사면으로 입사되는 침입광의 최소 입사각이 적어도 소재별 임계각보다 커지게 하는 상기 제1 기울기로 경사형성되되,
상기 제1 기울기는,
광면을 기준으로 하여 소재별 임계각보다 크고, 90°에서 소재별 임계각을 뺀 각보다 작은 것을 특징으로 하는 빛공해 억제형 조명장치.
제2항에 있어서,
상기 제2 출사면은,
전반사된 침입광의 최대 입사각이 적어도 소재별 임계각보다 작아지게 하는 제2 기울기로 경사형성되되,
상기 제2 기울기는,
광면과 나란한 평면을 기준으로 하여 0°보다 크고, 소재별 임계각보다 작은 것을 특징으로 하는 빛공해 억제형 조명장치.
제4항에 있어서,
상기 광원은,
상기 제1 입사면 및 제2 입사면을 향해 방사광을 발산할 수 있는 백열등, 방전등 또는 적어도 하나 이상의 LED소자인 것을 특징으로 하는 빛공해 억제형 조명장치.