KR100942138B1 - Ｌｅｄ용 집광 렌즈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 LED로부터 방사되는 광을 집광하기 하기 위한 LED용 집광 렌즈에 관한 것으로, 상기 집광 렌즈는, 상기 LED로부터 방사되는 중앙부 광선이 입사되도록, 상기 LED의 상방에 형성된 제1 입사면이 하측을 향해 볼록한 형상을 가진 제1 렌즈부와, 상기 LED로부터 방사되는 주변부 광선이 입사되는 제2 입사면과, 상기 제2 입사면에서 굴절된 입사광을 전반사시키기 위한 반사면을 가진 제2 렌즈부와, 상기 제1 렌즈부의 제1 입사면과 상기 제2 렌즈부의 반사면으로부터 굴절되어 나온 광을 굴절시켜 출사하는 평탄면으로 형성된 출사면을 포함하고, 상기 제1 입사면이 상기 LED의 측방향을 둘러싸고, 상기 제2 입사면이 상기 LED의 상방향을 둘러싸도록 형성되고, 상기 제1 입사면은 상기 제2 입사면에 대해 수직한 방향으로부터 LED를 향해 멀어지는 방향으로 경사져 있으며, 상기 반사면은 상기 LED로부터 방사되어 상기 제2 입사면을 통해 굴절하여 진입된 입사광을 반사하기 위해 상기 제2 입사면에서 상기 출사면으로 갈수록 점차적으로 넓어지도록 만곡된 것을 특징으로 하는 LED용 집광 렌즈를 제공한다.

플래시, LED, 집광, 반사면, 입사면, 출사면

Description

ＬＥＤ용 집광 렌즈{A CONDENSING LENS FOR LED}

본 발명은 LED용 집광 렌즈에 관한 것으로, 구체적으로 카메라 모듈 및 플래시 모듈이 내장된 휴대기기에 있어서 플래시 광량의 손실을 방지할 수 있는 집광 렌즈에 관한 것이다.

최근 PDA, MP3, 넷북, 이동단말기와 같은 개인용 휴대기기의 다기능화가 진행됨에 따라 내장형 카메라 모듈을 채용한 휴대기기가 증가되고 있는 추세이다.

일례로, 내장형 카메라 모듈을 채용한 이동 단말기를 주위에서 쉽게 찾아볼 수 있다. 또한, 내장형 카메라 모듈의 채용이 증가함에 따라 소비자들에게 보다 선명한 사진이나 동영상을 제공하고 다양한 기능을 제공하기 위해, 최근의 휴대기기들은 플래시 모듈을 채용하여 조도가 낮은 환경에서도 사용자가 내장형 카메라 모듈과 플래시 모듈을 사용하여 사진을 찍을 수 있는 환경을 제공하고 있다.

휴대기기용 카메라는 카메라 모듈에 실장된 렌즈를 통해 들어오는 빛을 수광하여 카메라 모듈에 형성된 이미지 센서에 결상하고, 이미지 센서상에 결상된 피사체의 이미지에 해당하는 전기적인 신호가 출력된다.

카메라 모듈의 이미지 센서로부터 출력되는 전기적 신호는 후단의 이미지 처리 프로세서를 거쳐 전기적 신호에 해당하는 이미지로서 재현되고 메모리 등과 같은 저장 장치에 기록된다.

이러한 디지털 형식의 카메라 모듈은 종래의 필름을 대신하여 CCD(Charge Coupled Device) 또는 CMOS를 촬상소자로서 사용하는데 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다.

통상적으로, 이동 단말기 등에 실장되는 내장형 카메라의 경우, 아날로그 카메라 또는 디지털 카메라와 같은 전용기기와 같이 조리개나 셔터 스프드를 이용하여 이미지 센서로 유입되는 빛의 광량 조절이 불가능한 구조이기 때문에 플래시 기능을 채용한 카메라의 구조는 저광량시 조도 확보를 위한 필수적인 구성이라 하겠다.

따라서, 현재 이동 단말기와 같은 휴대기기 업체들은 휴대 기기 상에 플래시 기능을 구현하기 위해 노력하고 있다. 최근에는 저전력으로 작동가능하고 소형화에 유리한 LED를 플래시의 발광체로서 채용한 구성이 알려져 있다. LED는 반도체라는 특성으로 기인하여 처리속도, 전력소모, 수명, 발명 등의 제반사항에서 유리한 점이 있는 소자이다.

도 1은 이동 단말기에 실장된 카메라 모듈 및 플래시 모듈을 개략적으로 도시한 도면이다. 카메라 모듈(a)은, 도시하지 않았지만, 피사체의 이미지를 결상하는 촬영 렌즈부, 촬영 렌즈부의 하단에 장착되는 이미지 센서로 이루어지며, 카메라 모듈의 주변으로 조도가 낮은 환경하에서 피사체에 대한 광원을 제공하기 위한 플래시 모듈(b)이 형성된다.

그러나, 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이, 이런 구조의 카메라 모듈(a) 및 LED를 채용한 플래시 모듈(b)은 다음과 같은 문제점을 갖는다.

통상적으로, 휴대폰에 채용되는 카메라 모듈(a)은 뷰앵글(화각)이 30°내지 60°사이에 있는 단일 화각을 갖는다. 반면, 플래시 모듈(b)에 채용되는 LED의 방사각은 120°정도이다. 따라서, 카메라 모듈(a)에서 지원하는 화각이 60°인 것으로 가정한다 하더라도, 상기 도 2a 및 도 2b에 빗금으로 나타낸 것과 같이 대략 절반가량의 플래시 광이 카메라의 뷰앵글 밖으로 조사되기 때문에 심각한 광손실이 발생되게 된다.

또한, 플래시 모듈(b)의 방사각을 카메라 모듈(a)에서 지원하는 화각인 60° 정도로 일치시킨다 하더라도, 카메라 모듈(a)에서 통상적으로 채용되는 촬상소자는 직사각형 또는 사각형의 형상을 갖기 때문에, 도 2c에서 빗금영역으로 나타낸 바와 같이, 사각인 촬상 소자의 외부에서 광 손실이 발생하게 된다.

초기 100만 화소 미만의 저해상도를 갖는 카메라 모듈(a)의 경우 전술한 바와 같은 광손실이 발생하더라도, LED로부터 충분한 광량이 이미지 센서로 공급되었지만, 최근 300만 화소 이상의 고해상도의 카메라 모듈이 휴대기기에 채용되면서, 저조도의 환경하에서 고화소 이미지 센서에 필요한 충분한 광량이 상기 플래시로부터 제공되지 못하고 있는 실정이다.

전술한 문제점을 해결하기 위한 일환으로서 종래의 플래시 광량의 손실을 보상하기 위해 LED에 공급되는 전류를 증가시키거나 LED 모듈에 실장되는 LED의 갯수를 증가시키는 방법이 있지만, 이는 한정된 휴대기기의 전원으로부터 공급되는 전류를 불필요하게 낭비할 뿐만 아니라 제조단가를 증가시켜버리는 문제점이 있다.

본 발명은 전술한 바와 같은 문제점에 기반한 것으로, 휴대기기 등에 채용되는 LED 플래시로부터 방사되는 방사각도를 카메라 모듈의 화각에 대응하도록 방사하면서, 동시에 카메라 모듈에서 주로 채용되는 사각형상에 대응하여 방사광을 집광시킬 수 있는 집광 렌즈를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, LED로부터 방사되는 광을 집광하기 하기 위한 LED용 집광 렌즈에 있어서, 상기 집광 렌즈는, 상기 LED로부터 방사되는 중앙부 광선이 입사되도록, 상기 LED의 상방에 형성된 제1 입사면이 하측을 향해 볼록한 형상을 가진 제1 렌즈부와, 상기 LED로부터 방사되는 주변부 광선이 입사되는 제2 입사면과, 상기 제2 입사면에서 굴절된 입사광을 전반사시키기 위한 반사면을 가진 제2 렌즈부와, 상기 제1 렌즈부의 제1 입사면과 상기 제2 렌즈부의 반사면으로부터 굴절되어 나온 광을 굴절시켜 출사하는 평탄면으로 형성된 출사면을 포함하고, 상기 제1 입사면이 상기 LED의 상방향을 둘러싸고, 상기 제2 입사면이 상기 LED의 측방향을 둘러싸도록 형성되고, 상기 제2 입사면은 상기 제1 입사면에 대해 수직한 방향으로부터 LED를 향해 멀어지는 방향으로 경사져 있으며, 상기 반사면은 상기 LED로부터 방사되어 상기 제2 입사면을 통해 굴절하여 진입된 입사광을 반사하기 위해 상기 제2 입사면에서 상기 출사면으로 갈수록 점차적으로 넓어지 도록 만곡된 것을 특징으로 하는 LED용 집광 렌즈를 제공한다.

여기서, 반사면은 전반사 조건으로 이루어지며, 상기 중앙부 광선은 LED의 수직한 광축에 대해 ±45°의 범위 내에서 방사되는 광선이며, 상기 주변부 광선은 LED의 수직한 광축에 대해 ±45°의 범위 외에서 방사되는 광선이다.

이때, 출사면으로부터 출사되는 광의 출사 각도는 30°~ 60°범위에 있는 것이 바람직하며, 출사면으로부터 최종 출사된 광은 사각형상을 갖는다.

본 발명에 따르면, 휴대기기 등에 채용되는 LED로부터 방사되는 방사각도를 카메라 모듈의 화각에 대응하여 집광시킬 뿐만 아니라, 카메라 모듈의 촬상 소자에 주로 채용되는 사각 형상에 대응하여 집광시켜 광의 이용효율을 증가시킬 수 있다.

이하, 본 발명의 실시예에 대해 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 3 및 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 LED 플래시용 집광 렌즈(100)를 도시한 도면으로서, 도 3은 LED 플래시용 집광 렌즈(100)의 외관을 도시한 사시도이며, 도 4는 상기 LED 플래시용 집광 렌즈(100)를 도 3의 X-X'를 기준으로 하여 절단한 단면도이다.

먼저, 도 3 및 도 4에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 LED 플래시용 집광 렌즈(100)는 투명한 몸체부(110)를 가지고 있다. 본 실시예에서, 주광원으로서 LED는 램버트 타입의 백색 플래시 LED(500)가 사용되었다.

또한 몸체부(110)는 LED(500)를 수용하도록 사각기둥 형상의 스페이스(120)가 형성되어 LED(500)로부터 출사된 광이 직접적으로 집광 렌즈(100)로 입사되도록 형성된다.

또한, 몸체부(110)의 상기 스페이스(120)의 상측과 맞닿는 중앙부는 LED(500)로부터 출사된 중앙부근의 광을 집광하도록 LED(500)를 향해 하측으로 볼록한 제1 렌즈부(200)가 형성되어 있고, 이 제1 렌즈부(200)는 LED(500)의 중앙부근의 광이 입사되는 제1 입사면으로서 작용한다.

또한, 몸체부(110)는 LED(500)의 주변광을 집광하기 위한 제2 렌즈부(300)를 더 포함하는데, 제2 렌즈부(300)는 LED의 주변광이 입사되어 굴절되는 제2 입사면(310)과 제2 입사면(310)으로부터 입사된 주변광을 반사하기 위한 반사면(320)을 포함한다. 반사면(320)은 제2 입사면(310)을 통해 입사된 광을 전반사하도록 출사면(400)으로 갈수록 폭이 넓어지는 형상을 가지며 상기 몸체부(110)의 외측 측면을 형성한다.

보다 구체적으로, LED(500)로 출사되는 광선중 LED(500)의 수직인 법선(Y)에 대해 약 α가 90°범위 내의 광선, 바람직하게는 α<85°범위 내의 광선은 제1 렌즈부의 입사면(200)을 통해 입사되고 굴절되어 평탄하게 형성된 출사면(400)을 통해 출사된다. 도 5에 도시한 바와 같이, 제1 렌즈부(200)의 제1 입사면을 경유해서, 출사면(400)을 통해 출사되는 광출사 각도는 카메라 촬영 각도에 대응하도록, 바람직하게는 30°~ 60°사이 내에서 출사되도록 제1 렌즈부(200)를 형성하는 것이 좋다.

집광 효율을 향상시키기 위해 상기 출사면(400)의 중앙부를 입사면(200)에 대응하여 비구면으로 형성하는 것도 고려할 수도 있지만, 이 경우 제조 단가가 올라가는 문제점이 있다.

또한, 도 6에 도시한 바와 같이, LED(500)로 출사되는 광선중 LED(500)의 수직인 법선(Y)에 대해 약 α가 90°범위 이외의 광선, 바람직하게는 α>85°범위의 광선은 제2 렌즈부(300)의 제2 입사면(310)을 통해 입사되고 굴절되어 반사면(320)을 거쳐 전반사되고, 최종적으로 출사면(400)을 통해 출사된다.

제2 입사면(310)은 제1 입사면(200)과 연속하여 형성되어 있는데, 제2 입사면(310)은 제1 입사면(200)과의 접촉점 또는 경계점의 단부에서 LED를 향해 대략 수직 하방으로 형성되며, 바람직하게는 대략 4°의 경사를 갖고 형성되는 것이 바람직하다.

이와 같은 구조에서, 제2 입사면(310)은 제1 입사면(200)과 함께 스페이스(120)에 형성된 LED(500)을 감싸도록 형성됨에 따라, LED(500)로부터 광이 180°로 방사된다고 하더라도 제1 입사면(200)과 제2 입사면(310) 그리고 반사면(320)을 통해 방사되는 광의 손실 없이 카메라 촬영 각도의 범위 내로 조사할 수 있게 된다.

도 7은 본 발명에 따른 LED 집광렌즈를 채용한 경우의 광효율을 분석한 도면으로서, 도 7에 도시한 바와 같이, LED로부터 출사된 광은 중앙부에 집중하여 분포되어 있음을 알 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 LED 집광 렌즈는 사각의 출사면 형태를 가짐에 따라, 집광 렌즈를 통해 집광되는 광의 형태 역시 사각형상을 가지게 되며 이는 통상적으로 사각의 형상을 가진 촬상소자에 맞춰 플래시 광이 조사되므로, 광 손실을 최소로 줄일 수 있다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 갖는 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 게시된 실시예는 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아닌 설명을 위한 것이고, 이런 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다.

따라서 본 발명의 보호범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

도 1은 플래시 모듈과 카메라 모듈을 채용한 휴대 단말기의 외형을 도시한 도면.

도 2a 내지 도 2c는 플래시 모듈의 광 방사 각도와 카메라 모듈의 촬영 화각을 도시한 도면.

도 3은 본 발명에 따른 LED 플래시 집광 렌즈를 개략적으로 도시한 사시도.

도 4는 도 3의 선분 X-X'를 따라 절취한 단면도.

도 5는 LED의 중앙 부근으로 방사되는 광선의 굴절 패턴을 도시한 도면.

도 6은 LED의 주변 부근으로 방사되는 광선의 굴절 및 반사 패턴을 도시한 도면.

도 7은 본 발명에 따른 LED 플래시 집광 렌즈의 효율을 나타낸 도면.

Claims (5)

1. LED로부터 방사되는 광을 집광하기 하기 위한 LED용 집광 렌즈에 있어서,

   상기 집광 렌즈는,

   상기 LED로부터 방사되는 중앙부 광선이 입사되도록, 상기 LED의 상방에 형성된 제1 입사면이 하측을 향해 볼록한 형상을 가진 제1 렌즈부와,

   상기 LED로부터 방사되는 주변부 광선이 입사되는 제2 입사면과, 상기 제2 입사면에서 굴절된 입사광을 전반사시키기 위한 반사면을 가진 제2 렌즈부와,

   상기 제1 렌즈부의 제1 입사면과 상기 제2 렌즈부의 반사면으로부터 굴절되어 나온 광을 굴절시켜 출사하는 평탄면으로 형성된 출사면을 포함하고,

   상기 제1 입사면이 상기 LED의 상방향을 둘러싸고, 상기 제2 입사면이 상기 LED의 측방향을 둘러싸도록 형성되고, 상기 제2 입사면은 상기 제1 입사면에 대해 수직한 방향으로부터 LED를 향해 멀어지는 방향으로 경사져 있으며,

   상기 반사면은 상기 LED로부터 방사되어 상기 제2 입사면을 통해 굴절하여 진입된 입사광을 반사하기 위해 상기 제2 입사면에서 상기 출사면으로 갈수록 점차적으로 넓어지도록 만곡되어 있으며, 상기 제1 입사면은 사각형상인 것을 특징으로 하는 LED용 집광 렌즈.
2. 제1항에 있어서,

   상기 반사면은 전반사 조건으로 이루어진 것을 특징으로 하는 LED용 집광 렌즈.
3. 제1항에 있어서,

   상기 중앙부 광선은 LED에 수직한 광축에 대해 ±45°의 범위 내에서 방사되는 광선이며, 상기 주변부 광선은 LED에 수직한 광축에 대해 ±45°의 범위 외에서 방사되는 광선인 것을 특징으로 하는 LED용 집광 렌즈.
4. 제3항에 있어서,

   상기 출사면으로부터 출사되는 광의 출사 각도는 30°~ 60°범위에 있는 것을 특징으로 하는 LED용 집광 렌즈.
5. 제4항에 있어서,

   상기 출사면으로부터 출사되는 광의 방사 프로파일은 사각형상을 갖는 것을 특징으로 하는 LED용 집광 렌즈.

Images