기존에는 정보 전달의 목적으로 길거리에서 간판과 표지판 등을 사용하였지만, 이는 최근 빛을 조사하여 정보를 이미지의 형태로 효과적으로 전달할 수 있는 고보 조명으로 대체되고 있다. 고보 조명(gobo lighting)은 ‘고보’라고 불리는 이미지 마스크(image mask)에 빛을 투영하여 이미지를 바닥 또는 벽면에 조사하는 조명이다^[1]. 프로젝터와 비슷한 원리를 가지며^[2], 조사할 수 있는 이미지의 종류와 형태가 다양하고, 이미지 마스크 교체가 간단하여 실내외 여러 장소에서 길 안내, 광고, 안전 경고 등 다양한 분야에 사용되고 있다. 하지만 고보 조명은 이미지 마스크와 여러 매의 렌즈를 사용하기 때문에 가격이 비싸다는 단점이 있다.

일반적으로 길 안내를 위해 사용되는 고보 조명은 화살표 등의 기호를 조사하며, 사용하는 이미지 마스크가 장소에 상관없이 거의 동일해 광고용으로 사용하는 고보 조명과 달리 이미지 마스크를 교체할 일이 거의 없다. 또한 조사하는 이미지가 상대적으로 간단하기 때문에, 고품질의 이미지를 위해 여러 매의 렌즈를 사용하는 것보다 고보 조명 사용비용을 절감하고 대신 더 다양한 장소에 설치하는 편이 기회비용 대비 유리하다. 따라서 본 논문에서는 주로 균일한 조도 분포를 위해 사용되고 있으며 원하는 조명을 얻기에 가장 효과적인 기술로 알려져 있는 freeform lens^[3]를 사용하여 고보 조명과 유사한 조명 광학계를 설계하였다. 이를 위해 이미지 마스크 대신 freeform lens 한 매를 사용하여 고보 조명을 대체할 수 있는 렌즈를 설계하였고, 조도 시뮬레이션을 통해 설계한 조명 광학계가 고보 조명을 대체할 수 있음을 검증하였다.

고보 조명은 그림 1과 같이 광원, 조명부, 이미지 마스크, 결상부로 이루어진 조명이다. 조명부는 일반적으로 collimator 렌즈 1매를 사용해 광원의 빛을 최대한 이미지 마스크에 시준하여 투영시킴으로써 광효율을 최대한 확보한다. 결상부와 조명부는 서로 결합되어 있으며, 결상부에서는 다수의 렌즈를 사용하여 이미지 마스크에서 나온 빛을 확대함으로써 고보 조명의 배율을 맞추고 이미지 품질을 향상시킨다.

Figure 1. Gobo lighting optical system.

길 안내용 고보 조명은 설치되는 장소에 관계없이 조사하는 이미지가 거의 동일하며, 화살표 등 상대적으로 간단한 이미지를 조사한다. 본 논문에서는 조사하는 이미지가 간단하다면, 조명 이미지 품질의 향상을 위해 조명부에 여러 매의 렌즈를 사용할 필요는 없다고 가정하였다. 또한 이미지 품질 향상을 위한 비용을 절감하여 더 많은 장소에 설치하는 방향이 길 안내용 조명의 목적에 부합한다고 판단하였다. 따라서 본 논문에서는 제작 단가를 절감하기 위해 고보 조명을 대체할 수 있는 freeform lens 조명 설계를 진행하였다.

본 논문에서는 freeform lens 조명 설계를 위해 UV mapping 방법을 사용하였다. UV mapping은 그림 2와 같이 UV 좌표계에서 형성된 교차점에 각각 좌표값(x, y, z)을 부여하여 3차원 형상을 정량적으로 투영하는 모델링 프로세스이다^[4]. 고보 조명 광학계를 freeform lens 조명으로 설계하기 위해 조명 광학계 설계 S/W인 LightTools를 통해 freeform 면의 UV 좌표를 101 (U) × 101 (V)로 설정하였다(그림 3). 그림 3의 확대된 이미지와 같이, 빨간색 선은 U를, 파란색 선은 V를 나타내고, 두 선의 교차점은 UV 좌표이며, 조사면에 원하는 이미지를 조사할 수 있도록 좌표점 간의 곡면을 보간법을 통해 연결함으로써 freeform 면의 형상을 결정한다.

Figure 2. UV mapping process.

Figure 3. Setting of UV points on the freeform surface.

조사면에 원하는 이미지를 표시하기 위한 최적화 방법은 점광원에서 freeform 면의 각 UV 대응 좌표점을 지나는 광선이 원하는 목표에 도달하도록 UV 좌표(x, y, z)를 조절함으로써 이루어진다^[5]. 실제 크기를 가진 광원을 사용하면 목표 이미지의 경계가 흐려지므로, 실사용 시 가능한 작은 크기의 광원을 사용해야 한다.

본 논문에서는 UV mapping 이미지로 우방향 화살표(566 px × 566 px) 이미지를 사용하였으며(그림 4), pixel의 최댓값은 1, 최솟값은 0을 가지도록 정규화하였다.

Figure 4. Image and normalized image of a curved right arrow.

이후 freeform lens 면으로부터 2 m 거리에서 1,500 mm (V) × 1,500 mm (H) 크기의 화살표 이미지가 표시되도록 freeform 면의 UV 좌표 최적화를 진행하였다. 최적화된 freeform 면의 UV 좌표값(x, y, z)은 그림 5와 같다.

Figure 5. UV coordinate values of x, y, z of the freeform surface.

LightTools S/W를 사용하여 최적 설계한 freeform lens는 UV 좌표를 가지는 freeform 면과 plano 면을 가지며, 중심두께는 54.5 mm, 유효구경은 98.5 mm이다(그림 6). 렌즈의 재질은 제작 단가를 고려하여 polycarbonate로 적용하였다. 점광원으로 형성된 최적화 이미지는 그림 7과 같으며, 우방향 화살표 이미지가 깔끔한 경계를 가지고 형성되었음을 알 수 있다.

Figure 6. Freeform lens layout.

Figure 7. Image by the freeform lens with a point source.

설계된 freeform lens에 점광원이 아닌 실제 광원을 적용했을 때 목표 이미지 형성 여부와 광효율을 확인하기 위하여 LightTools로 조도 시뮬레이션을 진행하였다. 조도 시뮬레이션에 사용한 광원은 직경 2.6 mm, power 436 lm, 파장 631 nm, 지향각 130°를 가지는 XLamp® XP-E2 LED (Cree LED, NC, USA)이다(그림 8).

Figure 8. Setup of the light source for illuminance simulation.

또한 높은 위치에 장착되는 고보 조명 조사 조건을 고려하여^[6] 그림 9와 같이 LED, freeform lens, freeform lens의 UV 면으로부터 2 m 거리에 조사면을 두고 조도 시뮬레이션을 진행하였다.

Figure 9. Illuminance simulation layout of freeform lens lighting.

조도 시뮬레이션 결과 그림 10과 같이 목표 이미지(우방향 화살표)가 잘 형성되었으며, 이미지 크기는 설계 목표인 약 1,500 mm (V) × 1,500 mm (H)를 만족함을 확인하였다. 또한 우방향 화살표 경계에서의 조도는 150 lux이고, 화살표 밖 푸른색의 조도는 50 lux로 적절한 이미지 대비를 가지며, 조사면에 입사되는 광량은 205 lm으로 광 효율이 47%임을 알 수 있다. 본 시뮬레이션에서 측정된 광 효율(47%)은 Goboservice사의 Signum 75W 모델^[7]보다 적지만(56%), 고보 조명을 대체하여 사용하는 데에는 큰 문제가 없다고 판단하였다.

Figure 10. Illuminance result of freeform lens lighting.

본 논문에서는 길 안내용 고보 조명과 같이 상시 동일한 이미지를 조사하는 고보 조명을 대체하기 위해 이미지 마스크 없이 freeform lens 한 매만을 사용하는 조명을 설계하고 최적화하였다. 점광원을 이용하여 각 광선이 원하는 목표에 도달할 수 있도록 UV mapping의 최적 좌표점(x, y, z)을 찾음으로써 최적화를 진행하고, 설계된 freeform lens는 실제 LED 광원을 가지고 시뮬레이션을 진행하였다. 시뮬레이션 결과 목표 크기의 형상을 얻을 수 있었으며, 47%의 광 효율을 얻음으로써 실사용에 문제가 없는 수준임을 확인하였다.

저자들은 본 연구와 저자됨, 논문출판에 관련된 어떤 경제 지원도 공식적으로 받지 않았음을 밝힌다.

저자는 본 논문과 관련된 어떠한 이해충돌 사항도 없었음을 밝힌다.

본 연구의 결과 분석 및 생성된 데이터는 모두 본 논문 내 명시되어 있으며 공공의 이용이 가능하다. 데이터에 접근하거나 사용하고자 하는 이는 저자에게 타당한 이유를 밝히고 허가를 득해 사용 가능하다.