9
253 I. 스포츠 경기에서 선수와 관중에게 광원이 직접 보이게 되 면 눈부심이 발생하여 화이트 아웃 현상이 나타나게 된다. 이는 선수들의 운동 능력 저하와 경기 집중을 방해할 수 있 으므로 광원이 직접 노출되지 않도록 비대칭 배광을 갖는 스 포츠 조명이 요구된다. 특히 공이 빠르게 움직이는 스포츠 중 하나인 테니스는 공에 따라 선수 및 관중들의 시선이 이동하 기 때문에 적절한 조명을 설계 및 배치하는 것이 필수적이다. 그림 1은 기존에 널리 사용되는 투광등 형태의 스포츠 조 명으로 배광의 분포가 광원을 중심으로 대칭 형태이기 때문 에 설치 시 조명 기구를 직접 tilt하여 경기장에 배치한다. 러한 경우, 선수와 관중이 광원을 직접적으로 바라보게 되며 조명의 직접광으로 인한 눈부심이 발생하여 경기 진행에 문 제를 초래한다. 따라서 눈부심을 최소화하기 위해 비대칭 배 광을 가지는 스포츠 조명이 사용되어야 한다 [1] . 그림 2는 비 대칭 배광을 가지는 스포츠 조명으로 광원을 중심으로 비대 칭 배광 분포를 가진다. 조명의 비대칭 각도는 조도의 분포 를 고려하여 50° 이상, 선수의 시선 높이에 따른 눈부심을 고려하여 60° 이하로 설정하며 비대칭 배광을 가지는 경우 조명 기구의 tilt 없이 설치가 가능하여 눈부심을 최소화할 수 있다는 장점이 있다. 하지만 위와 같이 메탈 할라이드를 광원으로 사용하는 스 포츠 조명의 경우 유지보수 비용과 전력 소모량이 높다는 단 Design of a Reflector for LED Light Sources with Asymmetric Light Distribution Jin-Hee Seo, Ye-Ji Jo, Hyun-Hwa Lee, Jae-Yeong Seo, Won-Kyoun Jun, Han-Yul Lee, Dong-Hwa Kang, and Mee-Suk Jung Department of Nano-optical Engineering, Korea Polytechnic University, 237, Sangidaehak-ro, Siheung 15073, Korea (Received November 1, 2018; Revised November 26, 2018; Accepted November 26, 2018) In this paper, we study a method of designing a reflector for LED light sources with an asymmetric light distribution. In a sports game, lighting with a symmetric distribution makes the athlete and spectators look directly at the light source, so it can cause glare. We derive the optimal tilt angle and design a reflector with asymmetric light distribution to solve these problems. Afterward, performance is analyzed according to the tennis-court lighting standard, and is confirmed to meet the class 1 European standard. Keywords: Asymmetric light distribution, Reflector, Illumination optics OCIS codes: (220.2945) Illumination design; (120.5700) Reflection 비대칭 배광을 갖는 LED 스포츠 조명 반사경 설계 서진희조예지이현화서재영전원균이한율강동화정미숙 한국산업기술대학교 나노광공학과 15073 경기도 시흥시 산기대학로 237 (2018111일 받음, 20181126일 수정본 받음, 20181126일 게재 확정) 본 논문은 비대칭 배광을 가지는 LED 광원용 반사경 설계 방법에 대한 연구를 진행하였다. 스포츠 경기에서 광원을 중심으로 대칭 배광을 갖는 조명은 선수와 관중이 광원을 직접적으로 바라보게 되어 눈부심을 발생시키는 문제점이 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 최적 기울기 각도를 도출하여 비대칭 배광을 갖는 반사경 설계를 진행하였다. 이후 테니스장 조명 규격에 맞게 배치하여 성능 분석을 진행하였고 유럽 표준 조명 등급의 Class 1을 만족하는 것을 확인하였다. Keywords: 비대칭 배광, 반사판, 조명 광학 OCIS codes: (220.2945) Illumination design; (120.5700) Reflection E-mail: [email protected], ORCID: 0000-0003-3430-876X Color versions of one or more of the figures in this paper are available online. 연구논문Korean Journal of Optics and Photonics, Vol. 29, No. 6, December 2018, pp. 253-261 DOI: https://doi.org/10.3807/KJOP.2018.29.6.253 ISSN : 1225-6285(Print) ISSN : 2287-321X(Online)

Department of Nano-optical Engineering, Korea Polytechnic

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.

.
1

tilt .
,

.
[1]. 2

.
50° ,
60°
tilt
.

Design of a Reflector for LED Light Sources with Asymmetric Light Distribution
Jin-Hee Seo, Ye-Ji Jo, Hyun-Hwa Lee, Jae-Yeong Seo, Won-Kyoun Jun,
Han-Yul Lee, Dong-Hwa Kang, and Mee-Suk Jung†
Department of Nano-optical Engineering, Korea Polytechnic University, 237, Sangidaehak-ro, Siheung 15073, Korea
(Received November 1, 2018; Revised November 26, 2018; Accepted November 26, 2018)
In this paper, we study a method of designing a reflector for LED light sources with an asymmetric light distribution. In a
sports game, lighting with a symmetric distribution makes the athlete and spectators look directly at the light source, so it can
cause glare. We derive the optimal tilt angle and design a reflector with asymmetric light distribution to solve these problems.
Afterward, performance is analyzed according to the tennis-court lighting standard, and is confirmed to meet the class 1 European
standard.
LED

15073 237
(2018 11 1 , 2018 11 26 , 2018 11 26 )
LED .
.
.
Class 1 .
Keywords: , ,
OCIS codes: (220.2945) Illumination design; (120.5700) Reflection
†E-mail: [email protected], ORCID: 0000-0003-3430-876X
Color versions of one or more of the figures in this paper are available online.
Korean Journal of Optics and Photonics, Vol. 29, No. 6, December 2018, pp. 253-261
DOI: https://doi.org/10.3807/KJOP.2018.29.6.253
ISSN : 1225-6285(Print)
ISSN : 2287-321X(Online)
LED
. 120° LED
360°

LED [2].

LED
, (CEN)
Class 1
.
1000 W 600 W
LED 1 W 1120 lm
CREE XHP50-2 LED
. XHP50-2 120°, 8 W, 5 mm
(H) × 5 mm (W) 3 XHP50-2
. 6 × 12 72 576
W 600 W ,
13 mm, 10.8 mm .
2.2.

.
.


.

.

,
90% [3].
2.3.
Fig. 1. Symmetric sports lighting.
Sports lighting reflector image Light distribution Example usage
Fig. 2. Asymmetric sports lighting.
Fig. 3. XHP50-2 LED of CREE (top, side, view).
Fig. 4. Reflector shape.
LED 255
. 5 LightTools
polar 2D ,
. 5
,
.
, . 6
,
. 6

90° () 270°
() .

0° ()
[4].
.


[5].
2.4.
[6].
.

( )
.
8
. 8
θi θt
, α (1)
.
β β (2) .



Fig. 6. Distribution of light and illuminance in all directions.
Fig. 7. 3D view of lamp with backlight. Fig. 8. Asymmetric angle.
256 29 6, 2018 12

θt δ
(3)
.
Light distribution angle t ′
.
50° , 60°
.
2.4.2.
50° , 60°

. ,
55° θt 9
.
. 55°
LED
.
≤θi ≤ +60° -60° ≤θi ≤ +5°

+5° ≤θi ≤ +60°.
56 part (4)
part 1
(5) . 11

.
290 mm
(W) × 300 mm (D) × 100 mm (H). 13 LED

55° , LED

.

.
Fig. 9. Layout of upside reflector.
Fig. 10. Equation of light distribution and reflector tilt angle.
Table 1. Calculation of tilt angle in upside reflector
θi θt
Fig. 11. Design of upside reflector using fitted curve.
LED 257
2.4.3.
2.4.2
,

. 14

.
h
h’, z, θi,
θt .

. θi β
(6) 2.4.1 (2) β
θt (7) .
tan
′ (6)
2.4.2 h’ 20 mm, z
290 mm h 12 m 12065 mm
.

120° -5° ≤θi ≤ +5° .
2 .
16 2.4.2
, 17 LED
.
y-z plane x-z plane Isometric view
Fig. 12. Design of upside reflector.
Polar 2D of upside reflector
Illumination of upside reflector
Fig. 14. Layout of edge in reflector.
Fig. 15. Edge in reflector angle.
258 29 6, 2018 12

.
2.4.4.
.

. 18

.
90° (θi) (θt)
19 (8) .
2.4.2
-20° ≤θi ≤ +20°
-60°
≤θi ≤ -20°, +20° ≤θi ≤ +60°.
Table 2. Calculation of tilt angle in backlight reflector
θi θt
Fig. 16. Design of reflector with added edge.
Illuminance of reflector without edge
Illuminance of reflector with edge
Fig. 17. Illuminance comparison of each designed reflector.
Fig. 18. Layout of side reflector.
Fig. 19. Equation of light distribution and reflector tilt angle.
LED 259
41 part (8)
part 3 .
(8)
, 21 LED
.

.
2.4.5.

22 . 23
,
55°
y-z plane x-z plane Isometric view
Fig. 22. Design of final reflector.
Polar 2D of final reflector
Illuminance simulation of final reflector
Fig. 23. Result of final reflector.
Table 3. Calculation of tilt angle in side reflector
θi θt
Illuminance of flat side reflector
Illuminance of curved side reflector
Fig. 21. Illuminance comparison of designed side reflectors.
260 29 6, 2018 12
. Relux

.
,
.
(Eh average) (total playing
area)
, .


. (uniformity of illuminance)
.


.
, ,
, Class 1
[7].
2.5.2.

.
,
, .



×



. 5 .
12 m
Mt 0.58 .

(10)
[8]. , A [m2], E
[lx], M , U , F
[lm]. 36 m,
18 m Class 1 750 lux
. (9) 5 0.578
0.58 .
18
600 W 20
.


[8]. ,



.

.
24
.
Table 4. European standard indoor tennis light class
Horizontal
illuminance
Class 1 >750 >0.7
Class 3 >300 >0.5
Section Maintenance
General
interior
In case of good maintenance 0.72
In case of normal maintenance 0.65
In case of difficult maintenance 0.57
LED 261
36 m × 18 m .
24 m 2
5 .
25 Relux
6 .
829 lux, 0.79
Class 1 .
III.
.


.

.
W 600 W LED
.

,
.

, 55° .

36 m (L) × 18 m (W) ,

. 829 lux, 79%
Class 1 .
References
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light distribution realization,” J. KIIEE 23, 27-30 (2009).
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metal-halide lighting fixtures,” Chungnam National University
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by simulation,” KIEE 2006(7), 1669-1670 (2006).
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light distribution for road lighting luminaire,” J. KIIEE, 28,
35 (2009).
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of shielding plate development for backlight control: with
a main focus on 50W misaligned LED luminaires,” Kangwon
National University (2014), pp. 1-8.
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method for low road illumination,” Korean J. Opt. Photon.
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sports lighting,” British Standards Institution, 389 Chiswick
High Road, London, United Kingdom (2008), p. 26.
8. I.-C. Park, “(A) Study on the lighting placed in small indoor
playground,” Hongik University (2014), pp. 19-24.
Fig. 24. Evaluation area of tennis court.
3D simulation result
2D simulation result
Horizontal
illuminance
829 0.79 36 m 18 m