KR100614123B1

KR100614123B1 - 선형 조명광원과 그 시스템

Info

Publication number: KR100614123B1
Application number: KR1020007011476A
Authority: KR
Inventors: 린헤펜; 쿠퍼제리웨인; 샤클렛트로우런스웨인; 맥파랜드마이클제임스; 조우한; 지머만스코트엠; 윌슨존콜빈; 비손칼
Original assignee: 알라이드시그날 인코포레이티드
Priority date: 1998-04-16
Filing date: 1999-03-23
Publication date: 2006-11-17
Also published as: JP2002511684A; DE69917253D1; CA2329437A1; KR20010042747A; TW449728B; EP1071906B1; EP1071906A1; CA2329437C; WO1999053238A1; US6550942B1; DE69917253T2; AU3199599A; US6186649B1

Abstract

향상된 선형 조명광원(100)은 하나 이상의 선형 개구(108)를 포함하여 광원 효율, 출력 방사조도 및/ 또는 출력 방사휘도를 향상시키는 외부의 고 반사밀폐물에 유용하다는 것이 개시되어 있다. 이러한 향상된 조명광원은 부가적인 광학소자와 결합되어 더욱 복잡한 조명광원을 생산한다.

선형, 조명광원, 개구, 방사조도, 방사휘도, 반사밀폐물, 렌즈

Description

선형 조명광원과 그 시스템{LINEAR ILLUMINATION SOURCES AND SYSTEMS}

본 발명은 일반적으로 출력 방사조도와 출력 방사휘도가 강화된 고효율 선형 조명 광원과 선형 조명시스템에 관한 것이다. 방사조도(irradiance)는 예를 들면 제곱 센티미터당 와트(W/cm²)의 단위와 같이 단위 면적당 광속(light flux)으로 정의되고 표현될 수 있다. 방사휘도(irradiance)는 광의 휘도이다. 방사휘도는 예를 들면 제곱센티-스테라디안당 와트(W/(cm²·steradian))의 단위로 표현될 수 있는데, 여기서 스테라디안은 입체각의 단위이다.

많은 응용에 있어서, 좁은 출력개구와 고 출력효율을 가진 조명광원이 바람직하다. 이러한 광원은 통상 램프구조에 형성된 내부슬릿구멍(internal slit aperture)을 가진 구멍램프(aperture lamp)를 사용함으로써 제작된다. 그러나, 구멍램프는 램프내부에서 광흡수가 증가하고 인(phosphor)-도포된 표면적에서 광방사가 감소되기 때문에, 일반적으로 종래의 램프에 비해 더 낮은 광방사를 갖는다. 따라서, 내부슬릿구멍을 가진 램프보다 더 높은 효율의 향상된 좁은 조명광원이 요구되고 있다.

예를 들면, 광스캐너와 광복사기와 같은 응용에서 고출력 방사조도를 갖는 선형 조명시스템은 스캐닝되거나 광복사되는 영역의 좁은 스트립(strip)을 조명하는데 바람직하다. 이러한 장치용의 조명조립품은 통상 노출 선형 광원이나 구멍램 프 혹은 정반사기에 의해 부분적으로 둘러 싸인 램프로 구성된다. 정반사기는 매끄러운 표면을 가진 거울같은 반사경으로써, 표면에 수직한 방향에 대해 측정된 입사각 및 반사각이 동일하다는 특성을 가진다. 고출력 방사조도를 가진 향상된 선형 조명시스템은 많은 장점이 있다.

평판표시장치와 같은 다른 응용에서는 아주 얇은 두께를 갖는 조명시스템이 강하게 요구된다. 이러한 시스템은 통상 적어도 하나의 조명광원, 조명광원으로부터 광을 모으거나 분배하는 도파관 또는 광파이프(light pipe), 도파관으로부터 광을 추출하는 부가적인 산란이나 반사 또는 시준소자로 구성된다. 중요한 심도보존(depth saving)은 도파관의 가장자리를 통해 조명장치를 결합함으로써 실행될 수 있다. 상기 시스템으로부터 추출된 광량은 도파관 내에 발생하는 반사 및 산란의 수에 비례하는데, 상기 반사 및 산란의 수는 도파관의 두께에 반비례한다. 최대의 광출력을 얻기 위해 얇은 도파관이 바람직하다. 그러나, 이것은 도파관에서 가장자리의 표면적을 작게 하기 때문에 상기 도파관의 가장자리에 바로 인접하는 조명장치의 크기를 제한하게 된다. 한편, 도파관 가장자리의 표면적이 증가한다면 도파관의 추출효율이 감소할 것이다. 최대의 조명광원 입력을 제공하는 얇은 도파관이 요구된다. 그러므로, 좁은 개구로부터의 고출력 방사조도와 방사휘도를 갖는 고효율, 선형 조명광원이 필요하게 된다.

방사된 광을 좁은 각영역으로 집중하고 방향짓기 위하여 내부 슬릿구멍을 갖는 원통형 형광등을 사용할 수 있다는 것은 이미 잘 알려져 있다. 내부 슬릿을 보유하는 2가지 형태의 구멍램프가 통상 사용된다. 도 1에 첫번째 형태의 구멍램프가 단면으로 도시되어 있다. 램프는 좁은 영역(16)에 대하는 각(18)을 제외한 전체 내부 표면 위에 도포된 인도포막(14)을 보유하는 공동의 유리튜브(hollow glass tube;12)로 구성되어 있다. 관의 중앙은 관 양단부의 전극(도면에 도시하지 않음)에 의해 전류가 인가될 때 여기되어 자외선을 방출하는 혼합가스가 채워져 있다. 상기 자외선은 인도포막(14)에 차례로 충돌하여 가시광선으로 변환된다. 전형적인 인도포막은 또한 확산반사기이다. 확산반사기는 입사광을 각영역으로 산란시키는 반사기임을 주목해야만 한다. 확산반사기는 전형적으로 반사도포막이 상대적으로 두꺼울 때(예를 들면, 약 15mm 이상) 고반사율을 갖는다. 구멍램프의 내부에 도포되는 구멍램프 도포막은 저반사율(60∼80％정도)을 초래하는 0.15mm의 두께 보다 훨씬 두꺼워야만 된다. 인에 의해 반사되지 않는 대부분의 광은 도포막을 통해 전송된다. 이러한 케이스갭(16)에서 구멍를 대신하는 것에 의해, 인도포막에서 빛이 구멍밖에서 적절하게 방향지어진다. 그러나, 인도포막을 통한 광 일부의 손실 때문에 이러한 형태의 구멍램프의 효율은 치명적으로 감소한다.

내부 구멍을 갖는 두번째 형태의 램프는 도 2에 도시된 구멍램프(50)로서 이미 잘 알려져 있다. 상기 램프는 유리관(52)을 갖는다. 유리관 내부는 인도포막(54)과 부가의 반사막(56)이 형성되어 있다. 구멍개구(aperture opening;58)는 각(59)에 대향하여 한방향으로 빛을 방출시키는 인도포막(54)과 반사막(56)을 통해 형성된다.

도 1 및 도 2에 도시된 내부구멍램프(10,50)에 관련된 6가지의 중요한 문제 가 있다. 첫째, 인도포막과 반사막은 매우 얇아야만 하며 도포물질은 램프의 작동이 간섭받지 않도록 그 선택이 한정되어 있다. 유기물질은 가스를 배출하고 자외선에 의해 분해되어 램프의 효율을 저하시키기 때문에, 비유기물질이 내부 도포막으로 사용가능하다. 둘째, 도포막물질의 한정 때문에, 도포막의 반사율이 원하는 만큼 높지 않다. 셋째, 램프의 내부에서 발생하는 자외선의 많은 양이 인도포막이 형성되지 않은 영역에서 유리관에 의한 흡수에 의해 손실된다. 넷째, 자외선에 기인하는 변색과 구멍영역에서의 유리의 광전달손실을 감소시키기 위해서는 더 값비싼 유리가 상기한 형태의 구멍램프에 사용되어야만 한다. 다섯째, 인도포막에 의해 덮여지는 내부램프 표면의 면적이 구멍을 포함하는 면적에 의해 감소하기 때문에, 이에 대응하여 전력을 광에너지로 변환시키는 효율이 감소하게 된다. 여섯째, 내부개구램프는 종래의 램프보다 제작하기 어렵기 때문에, 더 값비싸게 된다. 이러한 결함은 내부 구멍이 없는 일반적인 램프와 비교해 구멍램프의 효율감소와 비용증가를 야기한다.

따라서, 본 발명에서는 광원효율, 출력 방사조도 및 출력 방사휘도를 향상시키기 위해 적어도 하나의 선형 구멍에 결합되는 고반사율의 외부 밀폐물에 유용한 선형 조명광원을 제공한다. 이러한 향상된 조명광원은 다른 부가의 광학소자와 결합되어 더 복잡한 조명장치를 제작한다. 본 발명의 부가의 목적은 다음의 설명에 의해 명백해질 것이다.

본 발명의 일실예는 선형 조명광원을 제공하는 것이다. 선형 조명광원은:

(a) 선형 조명광원의 장축방향과 수직한 방향으로 w1의 폭을 갖는 선형 광원; 및 (b) 상기한 선형 광원을 부분적으로 둘러싸는 외부의 반사밀폐물로 구성되며, 외부 반사밀폐물은 w2의 최대 내부 폭을 가지고 (0.03)(w2)≤w3≤(0.75)(w2)와 같은 최대 폭 w3를 갖는 적어도 하나의 선형 개구를 갖는다. 선형 광원은 폭치수(width dimension) w1의 적어도 3배인 길이 치수를 갖는 광원으로서 정의된다. 선형 광원은 단일소자나 다수 소자를 포함하는 선형 배열로 구성된다. 선형 광원이 다수 소자를 포함하는 선형 배열이라면, 배열의 길이는 적어도 각 소자 폭의 3배이다. 선형 개구는 폭치수의 적어도 3배인 길이치수를 갖는 개구로서 정의된다.

본 발명의 다른 실시예에는 고광학효율과 고출력 방사조도 및/혹은 방사휘도를 가진 시스템을 실현하기 위해 상기 선형 조명광원과 하나 이상의 부가적인 광학소자를 이용하는 선형 조명시스템이 개시되어 있다. 이러한 선형 조명시스템은: (a) 선형 조명광원의 장축에 수직한 방향으로 w1의 폭을 갖는 선형 광원, (b) 상기 선형 광원을 부분적으로 둘러싸며 최대 내부 폭이 w2이고 최대폭 w3이 (0.03)(w2)≤w3≤(0.75)(w2)인 적어도 하나의 선형 개구를 보유하는 외부 반사밀폐물, 및 (c) 적어도 하나의 선형 개구에 아주 접근하여 형성되는 적어도 하나의 광학소자로 구성된다. 광학소자는 예를 들면, 원통형의 로드렌즈(rod lens), 렌티큘라렌즈(lenticular lens), 비구면 렌티큘라렌즈(aspherical lenticular lens), 렌티큘라프리즘, 렌티큘라렌즈의 배열, 렌티큘라 프리즘의 배열, 거울, 반사집광기 또는 도파관을 포함할 것이다. 렌티큘라에 의해, 렌즈 또는 프리즘의 단면(단지 한방향으로)을 갖는 선형 광학소자를 만든다.

본 발명의 실시예들은 다음의 특정 실시예에 대한 상세한 설명과 본 실시예를 예로서 나타내는 첨부된 도면에 의해 더욱 상세히 이해될 것이다.

도 1은 종래의 내부 구멍램프의 단면도.

도 2는 종래의 다른 내부 구멍램프의 단면도.

도 3은 선형 조명광원의 단면도.

도 4 및 도 5는 각각 선형 조명광원의 다른 변형에 대한 단면도 및 사시도.

도 6 및 도 7은 각각 선형 조명광원의 또 다른 변형에 대한 단면도 및 사시도.

도 8은 또 다른 선형 조명광원의 단면도.

도 9는 도 4의 선형 조명광원과 도파관을 사용하는 선형 조명시스템의 단면도.

도 10 및 도 11은 각각 도 4의 선형 조명광원과 렌즈를 이용하는 선형 조명시스템의 단면도 및 사시도.

도 12는 도 4의 선형 조명광원과 굴절과 총내부굴절에 의해 기능하는 렌즈를 이용하는 선형 조명시스템의 단면도.

도 13은 도 4의 선형 조명광원과 파라볼릭 집광기(Parabolic Concentrator:CPC)을 이용하는 선형 조명시스템의 단면도.

도 14는 도 4의 선형 조명광원과 광학소자배열을 이용하는 선형 조명시스템의 단면도.

도 15는 강도(방사조도) 대 검출기 위치의 그래프.

도 16은 강도(방사조도) 대 검출기 위치의 그래프.

도 17은 상대출력 대 개구폭의 그래프.

도 18은 강도(방사조도) 대 검출기 위치의 그래프.

도면에 의해 예시되는 다음의 바람직한 실시예는 본 발명의 실례이지만 이것이 응용에 대한 청구범위를 포함하는 것으로서 본 발명의 범위를 한정하지는 않는다. 이하에, 향상된 외부 반사밀폐물, 선형 개구 및 부가적인 광학소자를 사용하는 조명광원과 조명시스템이 개시되어 있다.

본 발명의 일실시예는 도 3의 단면으로 도시된 선형 조명광원(100)이다. 선형 조명광원(100)은 외부 밀폐물(104)에 의해 부분적으로 둘러 싸여진 선형 광원(102)으로 구성되어 있다. 선형광원(102)은 외부밀폐물(104)의 중심에 위치하거나 밀폐물의 한측에 위치한다. 외부밀폐물의 벽에 위치하는 하나 이상의 선형 개구(108)는 광이 밀폐물로부터 방출되도록 한다. 외부밀폐물(104)의 내부 표면에 아주 근접한 곳에는 반사층(106)이 배치된다. 이러한 구성에서, 선형광원(110)의 폭은 도면부호 110으로 표시되어 있고, 외부밀폐물의 최대 내부폭은 112로, 선형 개구의 최대 폭은 114로 표시된다. 광학적으로 외부밀폐물(104)이 투명물질로 제작된다면, 상기 외부밀폐물은 선형 광원(102)을 완전히 둘러 쌀 것이다. 그러나, 개구(108)는 선형 조명광원으로부터 광이 방출되도록 반사층(106)에 여전히 존재할 것이다.

선형광원(102)은 광을 방사하는 어떤 광원도 가능하다. 전형적인 선형광원은 비록 한정되지는 않지만 하나 이상의 다음과 같은 형태의 광원을 포함한다: 형광등, 발광다이오드(LEDs), 레이저 다이오드, 유기발광다이오드, 전계발광스트립 혹은 고강도 방전램프. 실증적인 예로서, 일렬의 다수 발광다이오드는 선형광원이다. 선형광원의 단일 또는 다수소자는 단일색, 다수색, 또는 백색광(다수색으로 이루어진)의 광을 방사할 것이다. 도 3에 도시된 선형광원(102)은 모든 방향으로 광을 방사할 수 있다. 선형 조명시스템(100)의 효율을 최대화하기 위해, 선형광원(102)이 비흡수표면(116)을 갖는 것이 바람직하다. 이러한 비흡수표면(116)은 반사적이거나 투과적, 혹은 둘다일 것이다.

선형광원(102)의 표면(116)과 반사층(106) 사이에는 갭(118)이 존재한다. 선형광원(102)과 반사층(106) 사이에 갭을 갖는 것은 선형광원(102)이 형광등이거나 램프의 광출력 크기가 램프온도에 민감한 다른 형태의 램프인 경우에 중요하게 된다. 갭(118)은 선형광원(102)이 최적의 작동온도로 빠르게 데워지도록 하는 절연층으로서 작용한다. 갭은 선형광원의 폭(110) 보다 약 10％ 큰 것이 바람직하다.

도 3에 도시된 외부밀폐물(104)은 한정되는 않지만 원형, 타원형, 달걀형, 첨단형상, 작은 면이 있는 형상의 단면을 가질 수 있다. 선형 개구(108)는 외부밀폐물(104)의 최대 내부폭(112) 보다 작은 최대폭(114)을 갖는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는, 선형 개구(108)의 최대폭(114)은 외부밀폐물의 최대 내부폭(112)의 약 3∼75％이다. 가장 바람직하게는 선형 개구(108)의 최대폭(114)은 외부밀폐물의 최대 내부폭(112)의 약 5∼50％이다. 부가적으로, 선형광원(102)이 관형 형광등이라면 선형 개구(108)의 최대폭(114)은 선형광원의 폭(110)의 약 10∼100％인 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는 선형 개구(108)의 최대폭(114)은 선형광원의 폭(110)의 약 20∼90％이다. 선형 개구(108)의 폭은 선형광원의 길이를 따라 균일하거나 광원을 따라 출력광의 분배를 변화시키기 위해 선형광원의 길이를 따라 변할 수 있다. 본 발명에서의 상기 후자의 특징은 균일한 조명을 요구하는 응용품에 대하여 중대한 장점을 제공하여, 균일한 방사조도를 제공하도록 램프의 광출력의 고유한 특성인 비균일성을 수정할 수 있게 된다. 구멍의 폭은 램프출력이 낮을 때 조명광원으로부터 상대적으로 일정하고 균일한 출력을 제공하도록 램프의 길이에 따른 어떤 점에서 넓어질 수 있다.

반사층(106)은 광을 반사시키는 어떠한 물질로도 형성될 수 있다. 상기 반사층은 확산반사기, 정반사기 또는 정반사기와 확산반사기의 조합일 수 있다.

확산반사기는 초고반사율(예를 들면 95％ 이상이거나 98％ 이상)을 만들 수 있다. 그러나, 고반사율의 확산반사기는 두께가 두껍다. 예를 들면, 98％ 이상의 반사율을 갖는 확산반사기는 전형적으로 수밀리미터의 두께이다. 제한되지는 않지만, 확산반사기의 예로서는 'Labsphere, Inc.'에서 제작된 상표명 'Spectralon'과 같은 플루오르폴리머물질, 'Fluorglas'사(상표명 'Furon'으로 시판되는)나 'W.L.Gore and Accociates, Inc'사(상표명 DRP로서 시판되는) 혹은 'E.I.du Pont de Nemours & Company'사(상표명 'Teflon'으로 시판되는)에서 제작한 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE)필름, 황산바륨필름, 'Pall Gelman Sciences'사에서 제작한 폴리에테프술폰과 폴리프로필렌 필터물질과 같은 다공성 폴리머필름, 예를 들어 티타늄옥사이드와 같은 반사필터물질을 이용하는 폴리머합성물을 포함한다. 상기 후자의 물질의 예로는 'RTP'사에서 제작한 티타늄다이옥사이드 함유 ABS(Acrylonitrile-Butadiene-styrene terpolytmer)이 있다. 티타늄다이옥사이드 함유 ABS와 같은 구조적인 물질이 이 반사물질로서 적용되는 경우 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 구조적인 지지부재(104)가 상기 반사물질(106)과 결합될 수 있다.

대부분의 정반사물질은 약 80∼93％ 영역의 반사율을 갖는다. 정반사기에 의해 반사되지 않는 물질은 흡수되고 열로 변환되어, 상기 반사기를 사용하는 광학시스템의 효율을 저하시킨다. 한정되지는 않지만, 정반사물질의 예는 '3M'사에서 제작한 상품명 'Silverlux' 및 은이나 알루미늄 또는 금과 같은 얇은 금속층으로 도포된 플라스틱의 캐리어필름을 포함한다. 금속막의 두께는 약 0.05㎛∼0.1mm로서, 금속막의 물질이나 제작방법에 따라 달라진다.

정반사물질과 확산반사물질의 결합의 예는 정반사기가 후면에 형성된 하나 이상의 확산반사기이다. 이러한 정반사물질과 확산반사물질의 결합은 미국특허출원 제08/679,047호에 개시되어 있는데, 이를 참조함으로써 본 발명에 포함시킨다. 정반사물질과 확산반사물질의 결합의 사용은 얇은 층에서 확산반사물질을 단독으로 사용하는 경우보다 더 높은 반사율을 야기한다.

조명광원(100)의 효율은 선형광원(102)으로부터 방사되어 선형 개구(108)를 통해 방출되는 광의 비율로서 정의될 수 있다. 상기 효율은 선형 개구(108)의 폭(114), 반사층(106) 내부표면의 원주, 반사층(106)의 반사율 및 선형광원(102)의 반사율에 따라 크게 달라진다. 예를 들면, 선형 개구(108)의 폭(114)이 반사층(106) 내부표면 원주의 1/10이라면, 선형광원(102)로부터 방사되는 광의 단지 10％만이 반사층(106)에 의한 반사없이 선형 개구(108)를 통해 방출될 것이다. 광의 나머지 90％는 선형 개구(108)를 통해 방출되기 전 또는 반사층에 의해 흡수되어 열로 변환되기 전에 반사층(106)이나 선형광원(102)에 의해 한번 이상 반사될 것이다. 일부의 광은 방출되기 전에 열번 이상 반사될 것이다. 많은 수의 광반사는 반사층(106)의 반사율이 100％에 근접함에 따라 공간과 비용을 실제적으로 고려할 수 있게 한다. 예를 들면, 광학표면의 반사율이 반사당 90％이고 광이 표면으로부터 10번 반사되는 경우 총 효율은 (0.90)¹⁰ 또는 35％이다. 나머지 65％는 손실된다. 그러나, 반사기의 반사율이 반사당 95％이고 광이 표면으로부터 10번 반사되는 경우에는 총 효율이 (0.95)¹⁰ 또는 60％로 되어 35％ 이상의 탁월한 향상이 이루어진다. 반사율이 95％ 이상인 경우 큰 향상을 이룰 수 있다. 그래서, 본 발명에서는 반사층(106)에 적용되는 물질의 반사율이 90％ 이상인 것이 바람직하고 95％ 이상인 것이 더욱 바람직하며, 97％ 이상인 것이 가장 바람직하다.

본 발명의 다른 실시예인 선형 조명광원이 도 4(단면도) 및 도 5(사시도)에 도시되어 있다. 이 실시예에서, 폭(160)을 갖는 선형광원(152)은 최대 내부폭(162)을 갖는 외부 반사밀폐물(154)에 의해 부분적으로 둘러 싸여 있다. 외부 반사밀폐물(154)의 벽에는 하나 이상의 선형 개구(158)가 밀폐물로부터 광이 방출되도록 한다. 선형 개구(158)의 최대 폭은 도면부호 164로 표시되어 있다. 한정되지는 않지 만, 도 4 및 도 5에 도시된 외부 반사밀폐물(154)은 원형, 타원형, 계란형, 첨단형상, 작은 면이 있는 형상의 어떠한 단면 형상을 가질 수 있다. 선형 개구(158)는 외부 반사밀폐물(154)의 최대 내부폭(162) 보다 작은 최대폭(164)을 갖는 것이 바람직하다. 더욱 바람하게는, 선형 개구(158)의 최대폭(164)은 외부 반사밀폐물의 최대 내부폭(162)의 약 3∼75％이다. 가장 바람직하게는 선형 개구(158)의 최대폭(164)은 외부 반사밀폐물의 최대 내부폭(162)의 약 5∼50％이다. 또한, 선형광원(152)이 관형 형광등이라면, 선형 개구(158)의 폭(164)이 선형 광원 폭(160)의 약 10∼100％인 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는 선형 개구(158)의 폭(164)이 선형 광원 폭(160)의 약 20∼90％이다. 선형 개구(158)의 폭은 선형광원의 길이를 따라 균일하거나 광원을 따라 출력광의 분배를 변화시켜 선형광원의 비균일성을 보상하기 위해 선형광원의 길이를 따라 변할 수 있다.

도 4 및 도 5에 도시된 실시예는 외부밀폐물(154)의 구조적인 물질이 또한 반사물질이라는 것을 제외하고는 도 3에 도시된 실시예와 유사하다. 이 실시예는 외부 반사밀폐물에 대한 구조적인 물질이 확산반사기인 경우 특히 유용하다. 확산반사기의 예를 전에 언급하였다. 반사물질은 외부 반사밀폐물용의 원하는 형상으로 절단되거나, 형성되거나, 압축성형되거나 혹은 몰딩되는 것이 바람직하며, 조명시스템용의 구성부재로서 작용하기 위해 충분한 신장율, 굴곡율, 열편향온도, 강도저항을 갖는 것이 바람직하다.

특정한 실시예(150,200,300,350,400,450,500)에 사용되는 바람직한 반사물질은 호스트폴리머(host polymer) 보다 큰 굴절율을 갖는 미세한 입자가 포함된 공학적인 가소성물질로서, 티타늄다이옥사이드(루틸(rutile)과 아나타스(anatase)), 산화알루니늄, 산화아연, 황화아연, 황산바륨, 산화안티몬, 산화마그네슘, 탄화칼슘, 티타늄 스트론티윰 등과 같이 그것의 순수한 형태가 광학적으로 깨끗하고 백색이다. 바람직한 물질은 또한 입자, 공간 또는 거품발생에 의해 생성되는 가스가 채워진 거품이 포함된 공학적 열가소성물질로 이루어지는데, 이러한 입자, 공간 또는 거품에 의해 호스트폴리머 보다 실질적으로 작은 굴절율을 가진다. 비록 기본적인 입자크기는 더 작아질 수는 있지만, 폴리머 매트릭스(polymer matrix)속으로 분산되기 때문에 충전입자나 공간은 약 0.1∼3.0마이크론인 것이 바람직하며 0.1∼1마이크론인 것이 가장 바람직하다. 충전입자의 최적 크기는 d=2λ₀/(πnδ)의 관계로부터 추정할 수 있는데, 여기서 d는 입자의 직경, λ₀는 관계된 진공파장, n은 매트릭스 폴리머의 굴절율, δ는 충전물과 매트릭스의 굴절율차이다. 본 발명에서 유용한 열가소성물질은 비-황색인 것이 바람직하며, 예를 들면 ABS, 폴리(메틸 메타크릴레이트)폴리(에틸렌 테레프탈레이트)(PET), 폴리(부틸렌 테레프탈레이트)(PBT), 폴리프로필렌, 나일론6, 나일론66, 폴리카보나이트, 폴리스틸렌, 폴리(산화페닐린), 그 혼합물들 및 이것들의 합성물과 같은 사출성형이나 압축성형에 대해 유용한 이미 잘 알려진 다양한 종류의 가소성물질을 포함한다.

본 발명의 또 다른 실시예가 도 6(단면도) 및 도 7(사시도)에 도시되어 있다. 이 실시예에서는, 폭(210)을 갖는 선형광원(202)이 최대 내부폭(212)을 갖는 외부 반사밀폐물(204)의 측면에 끼워져 있다. 외부 반사밀폐물(204)의 벽에 형성되는 하나 이상의 선형 개구(208)는 밀폐물로부터 광이 방출되도록 한다. 각 선형 개구(208)의 최대폭은 도면부호 214로 표시된 치수를 갖는다. 도 6 및 도 7에서, 선형 개구(208)는 선형광원(202)과 대향하는 외부 반사밀폐물(204)의 측면에 도시되어 있다. 그러나, 이것은 필수적인 것은 아니며, 상기 선형광원(202)과 선형 개구(208)는 서로 인접할 수 있다. 외부 반사밀폐물(206)은 확산반사물로 구성되며, 부가적인 반사층은 외부 반사밀폐물(204)의 내부표면(206)에 위치하여 고반사율을 실현한다. 도 6 및 도 7에 도시된 선형광원(202)은 반구(2π의 입체각)나 2π 보다 작은 입체각으로 방사되는 것이 바람직하며 모든 방향으로 (4π의 입체각이 되는) 방사되지 않는 것이 바람직하다. 비록 한정되지는 않지만, 선형광원(202)은 발광다이오드, 레이저다이오드, 유기발광다이오드 및 전계발광스트립을 포함한다. 본 발명의 실시예에서, 외부 반사밀폐물(204)은 선형광원(202)으로부터 출력되는 광을 균질로 하도록 작용한다. 이 균질성은 특히 선형광원(202)이 아주 작은 발광표면을 갖는 발광다이오드, 레이저다이오드 또는 유기발광다이오드의 배열인 경우 특히 중요하다. 선형광원(202)이 다른 색을 방사하는 소자(예를 들면, 적색, 녹색 및 청색발광다이오드)를 포함하는 경우, 외부 반사밀폐물(204)은 백색광 출력을 형성하기 위해 색을 혼합할 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 선형 조명광원(250)이 도 8에 단면으로 도시되어 있다. 이러한 구성은 예를 들면 선형광원이 인도포막(254)을 가진 내부에 도포된 투명한 유리외피(252)로서 도 8에 도시된 관형 형광등인 경우 특히 유용하다. 선형광원은 개구 폭(262)을 가진 개구(264)를 제외하고는 외부 밀폐물(256)에 의해 둘러 싸여 있다. 외부 밀폐물(256)은 반사물질, 비반사물질 또는 투명물질로 이루어진다. 외부 밀폐물이 비반사물질이나 투명물질로 이루어져 있다면, 부가적인 반사층(258)이 외부 밀폐물(256)의 내부 표면에 형성될 필요가 있다. 외부밀폐물(256) 및/또는 반사층(258)을 포함하는 반사구조 혹은 반사구조들은 확산반사물질, 정반사물질 또는 상기 확산반사물질과 정반사물질의 결합으로 구성된다. 확산반사물질과 정반사물질의 예는 이미 언급하였다. 도 8은 선형광원과 반사층(258) 사이에 갭이 거의 없거나 갭이 없다는 점을 제외하고는 도 3과 유사하다. 바람직한 실시예로서, 갭은 램프의 폭(260)의 10％ 보다 작다. 선형광원이 형광등인 경우, 갭을 제거하는 것은 개구(264)로부터 방출되기 전에 외부 반사밀폐물내에서 광의 반사회수를 감소시킴으로서 선형 조명광원의 고출력효율을 제공할 수 있다. (형광등 내부의 인도포막은 전형적으로 약 60∼80％의 반사율을 갖으며, 나머지의 대부분은 투과되어 광이 인도포막을 통해 진행하는 것에 의해 램프의 한측에서 다른 측으로 전달되는 것을 명심해야 한다.). 그러나, 형광등은 주위 온도에 매우 민감하다. 외부밀폐물(256) 및/또는 반사층(258)을 형광등에 아주 근접하거나 접촉하도록 위치시키는 것은 가열시간을 길게 하여 램프가 가열되는 동안 광출력을 감소시키는 결과를 초래하거나 정상상태의 구동온도를 저하시켜 다시 저광출력을 초래할 수 있다. 선택적으로, 외부 밀폐물(256)이 투명물질로 구성되고 반사층(258)이 사용된다면, 외부 밀폐물(256)은 형광등의 유리포락선(252)을 완전히 둘러 쌀 것이다. 그러나, 개구(264)는 선형 조명광원으로부터 광이 방출되도록 여전히 반사층에 남아 있어야만 한다. 선택적인 구성의 예로서 개구(264)를 갖는 굴곡가능한 확산, 반사층(258)이 사용될 수 있으며, 외부 밀폐물(256)용의 투명한 수축관이 사용될 수 있다. 요소들이 정확한 구조로 조립된 후, 수축관에 열이 가해져 상기 수축관이 반사기와 형광등에 단단하게 수축된다.

본 발명의 다른 실시예는 더욱 복잡한 선형 조명시스템을 만들기 위해 도 3∼도 8에 도시된 형태의 선형 조명광원을 포함한다. 선형 조명시스템은 예를 들면 도파관, 원통형 로드렌즈, 렌티큘라 렌즈, 비구면 렌티큘라렌즈, 렌티큘라렌즈의 배열, 프리즘, 렌티큘라프리즘의 배열, 반사기, 집광기 및 시준기와 같은 부가적인 광학소자를 포함한다. 광학소자는 선형 조명광원으로부터 방사된 광을 형상짓거나, 포커싱하거나, 시준하거나 혹은 투사하는데 사용될 수 있다. 이러한 조명광원의 예가 도 9∼도 14에 도시되어 있지만, 이러한 예는 본 발명의 범위를 한정하는 것은 아니다. 예를 들어, 부가의 선형 조명광원을 만들기 위해 도 3∼도 8에 도시된 어떠한 선형 조명광원도 어떤 광학소자와 함께 사용될 수 있다는 것을 명심해야 한다. 마찬가지로, 부가의 광학소자는 도 9의 도광관과 함께 사용되는 도 10의 렌즈같이 결합되어 사용되거나, 렌즈 및 CPC가 일체로 형성되며 혹은 다단계의 CPC가 일련으로 채용될 수도 있다.

도 9는 본 발명의 또 다른 실시예를 나타낸다. 선형 조명시스템(300)은 선형 조명광원(320)과 광학 도파관(316)으로 구성된다. 예로서, 선형 조명광원(320)은 도 4에 이미 도시된 형태가 되도록 예시되었으며, 또한 선형광원(302)과 외부 반사밀폐물(304)로 구성된다. 외부 반사밀폐물(304)에 형성된 선형 개구(308)는 광이 선형 조명광원(320)에서 광학 도파관(316)으로 전달되도록 한다. 광학 도파관은 선형 조명광원(320)으로부터 떨어져 위치하여 전내부반사(TIR)에 의한 광을 전달하도록 사용될 수 있다. 종래의 기술로부터 이해되듯이, 부가적인 조명시스템을 형성하기 위해 다른 광학소자가 광학 도파관(316)과 사용될 수 있다. 이러한 선형 조명시스템의 응용은 평판표시장치와 시준조명시스템용의 에지발광(edge-lit) 조명시스템을 포함한다.

도 10(단면도) 및 도 11(사시도)에 본 발명의 또 다른 실시예가 예시되어 있다. 선형 조명시스템(350)은 선형 조명광원(370) 및 렌즈(366)로 구성된다. 예로서, 선형 조명광원(370)은 도 4에 이미 도시된 형태가 되도록 예시되어 있다. 외부 반사밀폐물(354)에 형성된 선형 개구(358)는 선형 조명광원(370)에서 렌즈(366)로 광이 전달되도록 한다. 선형 조명시스템에 대하여 고출력 방사조도와 방사휘도를 실현하기 위해, 선형 개구(358)는 외부 반사밀폐물(354)의 최대 내부폭(362) 보다 작은 최대폭(364)을 갖는 것이 바람직하다. 더욱 바람하게는, 선형 개구(358)의 최대폭(364)은 외부 반사밀폐물의 최대 내부폭(162)의 약 3∼75％이다. 가장 바람직하게는 선형 개구(358)의 최대폭(364)은 외부 반사밀폐물의 최대 내부폭(362)의 약 5∼50％이다. 또한, 선형광원(352)이 관형 형광등이라면, 선형 개구(358)의 폭(364)이 선형 광원 폭(360)의 약 5∼100％인 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는 선형 개구(358)의 폭(364)이 선형 광원 폭(360)의 약 20∼90％이다. 한정되지는 않지만, 렌즈(366)의 예로서는 렌티큘라렌즈, 비구면 렌티큘라렌즈, 원통형 로드렌즈, 평철(plano-convex) 렌티큘라렌즈, 이중볼록렌즈, 렌티큘라렌즈, 렌티큘라 프레넬렌즈(Fresnel lens) 및 어떠한 렌즈의 다중소자렌즈도 포함할 수 있다. 특히 유용한 것은 렌즈(366)가 도 10 및 도 11에 도시된 원통형 로드렌즈인 선형 조명시스템이다. 렌즈(366)는 어떠한 투명물질로도 구성될 수 있다. 선형 조명시스템은 예를 들면, 광학스캐너, 팩시밀리장치, 광복사기와 같은 많은 응용품에 사용될 수 있다.

도 12는 본 발명의 또 다른 실시예를 나타낸다. 선형 조명시스템(400)은 선형 조명광원(430)과 투명한 광학소자(416)로 구성된다. 예로서, 선형 조명광원(430)은 도 4에 이미 도시된 형태가 되도록 예시되어 있으며, 차례로 선형 광원(402) 및 외부 반사밀폐물(404)로 구성된다. 외부 반사밀폐물(404)은 최대 폭(414)을 갖는 선형 개구(40)를 보유하여 선형 조명광원(430)에서 투명한 광학소자(416)로 광이 전달되도록 한다. 투명한 광학소자(416)는 개구(408), 측변(420,422)에 의해 경계지어진 길이의 테이퍼된 부분(tapered section;432) 및 출력표면(424)과 인접한 입력표면을 갖는다. 선택적으로, 투명한 광학소자(416)는 또한 평행한 측벽(434,436)을 가진 직선부를 가지는데, 상기 직선부는 상기 테이퍼된 부분(측벽 420 및 422에 의해 경계진)과 출력표면(424) 사이에 위치한다. 바람직하게는 상기 입력표면(418)은 평면이지만 이러한 평면성이 필수적인 것은 아니다. 광학소자(416)의 출력폭(428)은 테이퍼된 부분(426)의 입력폭(426) 보다는 큰 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는, 광학소자(416)의 출력폭(428)은 입력폭(426)의 적어도 2배이다. 테이퍼된 부분의 측벽(420,422)은 평면, 곡면 혹은 다면으로 이루어질 수 있다. 바람직하게는 출력표면(424)은 곡선으로된 렌티큘라렌즈인데, 상기 렌즈는 단일 반경의 곡률을 갖거나 포물선 형상을 갖거나 혹은 단일 반경이 아닌 곡률을 갖는 일반적인 형상일 수 있다. 더욱 바람직하게는, 출력표면(424)는 단일 반경(R)의 곡률을 갖는데, 여기서 곡률의 반경(R)은 출력폭(428)의 반에서 출력폭(428)의 반의 1.5배 범위이다. 즉, 곡률의 반경(R)은 다음과 같다.

(폭(428))/2≤R≤(1.5)(폭(428))/2.

광은 입력표면(418)을 통해 투명 광학소자(416)로 들어간다. 광의 일부는 측벽(420,422)의 내부표면으로 부터 반사된 후 선택적으로 측벽(434,436)으로부터 반사된다. 반사는 측벽(420,422,434,436)이 도포되지 않은 경우에는 TIR에 의해 발생하고 측벽들이 반사막에 의해 도포된 경우에는 통상의 반사에 의해 발생한다. 측벽(420,422)이 확장된 테이퍼를 형성하기 때문에, 광은 광학소자(416)의 테이퍼된 부분에 의해 부분적으로 시준될 것이다. 그후, 광은 출력표면(424)을 통해 나가서 출력광빔을 형성한다. 출력표면(424)는 더욱 시준되거나 더욱 포커싱된 출력빔을 일으킨다.

도 13은 본 발명의 또 다른 실시예를 나타낸다. 선형 조명시스템(450)은 조명광원(476)과 테이퍼된 광학구조(466)로 구성된다. 예로서, 선형 조명광원(476)은 도 4에 이미 도시된 형태가 되도록 예시되어 있다. 조명광원(476)은 또한 선형광원(452)와 외부 반사밀폐물(454)로 구성된다. 외부 반사밀폐물(454)에 형성된 개구(458)는 조명광원(452)에서 측벽(470,472)을 가진 테이퍼된 광학구조(466)로 광이 전달되도록 한다. 테이퍼된 광학구조(466)이 속이 찬 구조(공동이 아닌)라면, 테이퍼된 광학구조(466)의 광학입력단부(468)는 평면의 표면이 바람직하지만 이러한 평면성이 필수적인 것은 아니다. 테이퍼된 광학구조(466)의 출력폭(480)은 입력폭(478) 보다 크다. 바람직하게는 테이퍼된 출력구조(466)의 출력폭(480)은 입력폭(478)의 적어도 2배이다. 테이퍼된 광학 도파관의 측벽(470,472)이 포물선 형상이거나 복합 포물선 집광기(CPC)형상인 경우 상기 선형 조명시스템이 특히 유용하다. 상기 테이퍼된 광학구조(466)는 반사물질이 도포되거나 도포되지 않은 표면(470,472)을 갖는 고체의 투명물질로 구성될 수 있으며, 또한 반사물질로 도포된 표면(470,472)과 단부(468,474)를 갖는 공동구조일 수도 있다. 광은 입력단부(468)에서 테이퍼된 광학구조(466)로 들어가서, 표면(470,472)으로부터 반산된 후 출력단부(474)로 나간다. 광학구조(466)의 테이퍼된 측면의 결과에 따라, 입력단부(468) 보다는 테이퍼의 출력단부(474)에서 광이 더욱 시준된다. 광학구조(466)가 순수한 유전물질로 제작되는 경우, 도시된 평면이 아니라 볼록하게 만들어질 수 있다. 이러한 경우에 있어서, 주어진 시준정도는 더 짧은 길이의 소자를 가지고 실현될 수 있는데, 여기서 길이는 입력단부(468)에서 출력단부(474)까지의 수직거리로 정의된다.

본 발명의 또 다른 실시예가 도 14에 선형 조명시스템(500)으로 예시되어 있다. 선형 조명시스템(500)은 선형 조명광원(520)과 렌티큘라광학소자(518)의 배열(516)로 구성되어 있다. 예로서, 선형 조명광원(520)은 도 4에 도시된 형태로 예시된다. 선형 조명광원(520)은 또한 개구(508)를 갖는 외부 반사밀폐물(504)에 의해 부분적으로 둘러 싸인 선형광원(502)로 구성된다. 렌티큘라광학소자(518)은 분리되어 사용되거나 혹은 합동으로 사용되는 렌틴큘라 프리즘과 렌티큘라렌즈를 포함할 수 있다. 렌티큘라광학소자(518)가 렌티큘라렌즈인 경우, 프리즘이 측벽은 평면, 곡면 또는 다면형상일 것이다. 렌티큘라광학소자(518)이 렌티큘라렌즈인 경우, 렌즈는 단일 반경의 곡률이나 다수 반경의 곡률을 갖거나 비구면 렌티큘라렌즈가 될 수 있다. 렌티큘라광학소자의 배열(516)의 목적은 개구(508)로부터 나타나는 광을 형상짓거나 시준하거나 또는 포커싱하기 위한 것이다.

다음의 실시예들은 본 발명의 실시예를 예시하기 위한 것이지만 이것들이 본 발명의 범위를 한정하는 것은 아니다.

실시예1.

본 실시예는 확산반사물질로 이루어진 층과 정반사물질로 이루어진 층의 결합을 사용하여 반사기를 형성하는 것을 예시한 것이다. 반사율 측정은 상업적으로 유용한 'MACBETH #3100 Spectrophotometer'을 사용하여 실행된다. 'Furon, Hoosick Falls, NY'사에 의해 생산되는 백색의 확산되는 폴리테트라플루오르에틸렌물질(생산품 번호 128-10 백색)로 이루어진 0.5mm(0.020인치) 두께 판의 반사율이 스펙큘라 반사기의 이면(backing)없이 95.6％로 측정되었다. 92％의 반사율을 갖는 '3M'사에서 제작한 상품명'Silverlux'의 스펙큘라 반사판이 백색확산물의 후면에 위치하는 경우, 복합물질의 반사율은 96.8％로 증가하는데, 이 숫자는 2개의 반사판을 독립적으로 측정한 것 보다 크다. 이러한 크기의 반사율의 증가는 시스템의 내부에서 광이 많이 반사되는 조명시스템에서 대단히 중요하다. 예를 들면, 광이 조명시스템 내부에서 20번 반사되는 경우, 20번 반사의 전체 반사율은 확산반사물질만을 사용하는 경우에는 (0.956)²⁰ 또는 40.7％이고, 스펙큘라 반사물질만을 사용하는 경우에는 (0.920)²⁰ 또는 18.9％이며, 반사물질의 결합을 사용하는 경우에는 (0.968)²⁰ 또는 52.2％이다. 본 실시예에서, 확산 및 스펙큘라 반사물질의 결합은 확산반사물질만이 사용되는 경우에 비해 28％ 더 효율적이며, 스펙큘라 반사물질만이 사용되는 경우에 비해 176％ 더 효율적이다.

실시예 2.

본 실시예에서, 내부구멍을 갖는 상업적으로 유용한 형광구멍램프(도 2에 도시된 종래의 구성을 이용한다)의 효율이 본 발명에서 설명된 것과 같은 향상된 조명광원의 설계와 비교되었다.

상업적으로 유용한 내부구멍램프는 LCD조명에 의해 제작된 3mm직경의 냉음극 형광등이다. 이램프는 램프의 한측으로부터 광이 현저하게 방출될 수 있도록 하는 90°의 내부구멍을 갖는다. 90°의 내부구멍은 구멍의 폭이 반사막의 내부폭의 약 50％인 경우와 일치한다. 램프는 통합된 구(integrating sphere) 내부에 위치하였으며 전체 광출력이 측정되었다. 출력된 전체 광출력을 길이에 의해 나눈 것은 4.0 lumens/inch의 길이당 출력이다.

제2램프(전의 구멍램프와 동일한 길이를 갖는)는 내부구멍을 갖지 않고 이전의 구멍램프와 동일한 기술적인 특징(3mm 직경과 동일한 인과 가스 충전 합성)을 갖는 LCD조명에 의해 얻어졌다. 이러한 램프는 광을 방출하도록 형성된 90°의 선형 개구를 제외하고는 확산 및 스펙큘라 반사물질의 결합에 의해 단단히 둘러 싸여 있다. 이 경우, 확산 및 스펙큘라 반사물질의 결합은 선형 외부개구를 형성하는 램프의 유리포락선의 바깥쪽에 위치한다. 확산 및 스펙큘라 반사물질의 결합은 'Fluorglas'사에서 판매하는 상표명 'Furon'인 폴리데트라플루오르에틸렌 확산반사물질로 이루어지고 '3M'사에서 판매하는 상품명'Silverlux'인 스펙큘라 반사물질이 후면에 부착되는 0.25mm(0.010인치) 두께의 판으로 만들어졌다. 상기 반사물질은 램프와 투명플라스틱 수축관을 가진 반사물질을 완전히 둘러 싸도록 위치시킨 후, 상기 반사물질이 램프의 외부표면에 단단히 압착될 때가지 열을 가한다. 조명광원은 통합구 내부에 위치하며 전체 광출력이 측정되었다. lumens/inch로 변환시키기 위해 램프의 길이로 나눔으로써 외부구멍램프의 효율이 70％ 향상되는 6.8lumens/inch가 된다.

실시예 3.

실시예2의 2개의 조명광원, 즉 LCD조명으로부터의 내부의 90°구멍램프와 본 발명의 향상된 선형 조명광원이 램프로부터 4mm 떨어진 표면을 조명하기 위해 각각 사용되었다. 방사조도(mW/cm²의 단위)는 각 광원으로부터 측정되었다. 4mm의 거리에서, 기준 내부구멍램프로부터의 방사조도는 3.4mW/cm²였다. 본 발명의 향상된 조명광원으로부터 방사조도는 5.6mW/cm²로서, 65％가 향상되었다.

실시예 4.

선형 조명광원은 도 4에 도시된 구조를 이용하여 구성되었으며, 도 10에 도시된 구조를 이용하여 구성되고 외부렌즈를 포함하는 선형 조명시스템과 비교되었다. 양경우에 있어서, 광원은 2.6mm의 외부직경과 268mm의 길이를 가진 'Harrison'사에서 제작한 냉음극 형광등이었다. 램프는 약 3.7watts의 인버터입력전력을 사용하는 인버터에 의해 구동되었다. 노출램프의 광출력은 보정통합구를 사용하여 측정하였으며 그 결과는 123lumens였다. 외부 반사밀폐물은 조정가능한 폭을 가진 선형 개구를 제외하고는 램프를 둘러 싸고 있다. 상기 외부 반사밀폐물은 상품명 'Spectralon'('Labsphere'사에서 제작한) 2개로 구성되었다. 'Spectralon'은 반사율이 물질의 두께에 따라 변하는 확산반사고체이다. 555nm의 광에 대하여, 두께가 3mm인 'Spectralon' 일부는 97.2％의 반사율을 가진다. 반사물질 2개는 밀폐물의 형상이 달걀형으로 되도록 가공되었다. 달걀형 밀폐물의 최대 내부폭은 약 7.0mm이고 최소 내부폭은 약 4.6mm였다. 밀폐물의 한방향으로의 선형 개구는 1.15mm의 균일한 두께를 갖도록 조정되었다. 선형 개구의 두께가 1.15mm일 때, 개구의 폭이 밀폐물의 최대 내부폭의 약 16％이고 램프폭의 약 44％임을 주목해야 한다. 선형 조명시스템의 경우에 있어서, 직경이 약 3.18mm인 로드렌즈나 평철 원통형렌즈는 밀폐물의 외부에 위치하였고, 외부 반사밀폐물의 달걀형 구멍으로부터 약 3.5mm에 떨어진 곳에 위치하였다. 이러한 모든 경우에 있어서(즉, 렌즈가 없는 경우, 로드렌즈인 경우 또는 평철 원통형 렌즈인 경우), 선형 조명시스템의 방사조도(mW/cm² 단위)는 1mm 직경의 검출기를 이용하여 로드렌즈로부터 7mm의 거리에서 측정하였다. 7mm의 거리 내에는 평상형의 문서스캐너의 내부에 전형적으로 설치되는 광학적 배열을 자극하는 3mm 두께의 유리판이 위치한다. 선형 조명시스템의 장축과 수직한 방사조도의 형상을 맵핑하기 위하여, 검출기는 약 30mm의 영역을 걸쳐 측면에서 측면으로 이동한다. 그 결과가 도 15에 도시되었다. 렌즈가 없는 선형 조명광원에 대하여, 결과적으로 생기는 피크 방사조도는 약 7.3mW/cm²였다. 조명 광원의 선형 개구에 평철 원통형 렌즈를 위치시키는 것을 피크 방사조도를 약 14mW/cm²로 증가시켰다. 로드렌즈를 가진 원통형 렌즈를 다시 위치시키는 경우 피크 방사조도가 약 15mW/cm²로 증가하였다. 로드렌즈이든 평철 원통형 렌즈이든, 렌즈를 사용하는 것에 의해 피크 방사조도가 크게 향상되었다.

실시예 5.

선형 조명시스템은 도 10에 도시된 구조를 이용하여 구성되었으며, 광원, 외부 반사밀폐물 및 외부렌즈를 포함한다. 광원은 2.6mm의 외부직경과 268mm의 길이를 가진 'Harrison'사에서 제작한 냉음극 형광등이었다. 램프는 약 3.7watts의 인버터입력전력을 사용하는 인버터에 의해 구동되었다. 노출램프의 광출력은 보정통합구를 사용하여 측정하였으며 그 결과는 123 lumens였다. 외부 반사밀폐물은 조정가능한 폭을 가진 선형 슬릿을 제외하고는 램프를 둘러 싸고 있다. 상기 외부 반사밀폐물은 상품명 'Spectralon'('Labsphere'사에서 제작한) 2개로 구성되었다. 'Spectralon'은 반사율이 물질의 두께에 따라 변하는 확산반사고체이다. 555nm의 광에 대하여, 두께가 3mm인 'Spectralon' 일부는 97.2％의 반사율을 가진다. 반사물질 2개는 밀폐물의 형상이 달걀형으로 되도록 가공되었다. 달걀형 밀폐물의 최대 내부폭은 약 7.0mm이고 최소 내부폭은 약 4.6mm였다. 밀폐물의 한방향으로의 선형 개구는 1.15∼2.35mm의 균일한 두께를 갖도록 조정될 수 있다. 선형 개구의 두께가 2.35mm일 때, 개구의 두께는 형광등의 폭(2.6mm) 보다 작고 단지 밀폐물의 최대 내부폭의 약 35％임을 주목하라. 선형 개구의 두께가 1.15mm일 때, 개구 두께는 밀폐물의 최대폭의 약 16％이고 램프폭의 약 44％이다. 직경이 약 3.18mm인 원통형 로드렌즈는 밀폐물의 외부에 위치하였고, 외부 반사밀폐물의 달걀형 구멍으로부터 약 3.5mm에 떨어진 곳에 위치하였다. 선형 조명시스템의 방사조도(mW/cm² 단위)는 1mm 직경의 검출기를 이용하여 로드렌즈로부터 7mm의 거리에서 측정하였다. 7mm의 거리 내에는 평상형의 문서스캐너의 내부에 전형적으로 설치되는 광학적 배열을 자극하는 3mm 두께의 유리판이 위치한다. 선형 조명시스템의 장축과 수직한 방사조도의 형상을 맵핑하기 위하여, 검출기는 약 30mm의 영역을 걸쳐 측면에서 측면으로 이동한다. 그 결과가 도 16에 도시되었다. 1.15mm의 가장 좁은 개구폭은 가장 높은 피크 방사조도(약 16mW/cm²)를 갖지만 또한 가장 좁은 방사조도 분포(반최대에서의 전체 폭 약 5mm)를 가진다. 반면에, 가장 넓은 개구폭(2.35mm)는 가장 낮은 방사조로(약 11.5mW/cm²)를 갖지만 가장 넓은 방사분포(반최대에서 전체 폭 약 11mm)를 가진다. 측정된 가장 좁은 개구폭과 가장 넓은 개구폭에 대하여, 방사조도의 피크값은 렌즈가 없는 동일한 선형 조명광원의 방사조도에 비해 훨씬 높다. 선 형 조명시스템으로부터의 전체 통합된 광출력은 개구폭과 직접 관련되는데, 도 17에 도시된 바와 같이 가장 넓은 개구에서 가장 높다. 표준화된 피크 방사조도는 개구 폭과 반비례하고 가장 작은 개구에서 가장 높다(도 17에 도시).

실시예 6

선형 조명시스템의 출력효율을 반사물질의 반사비율의 함수로서 측정하기 위해 실험이 진행되었다. 선형 조명광원은 선형광원, 외부 관형 밀폐물 및 1.5mm의 고정된 두께를 갖는 선형 개구를 제외한 외부 관형 밀폐물의 내부표면에 정렬한 반사물질로 이루어진 막을 포함하여 구성되었다. 선형 광원은 2.6mm의 직경과 258mm의 길이를 갖는 냉음극 형광등이었다. 램프는 약 3.7watts의 인버터입력전력을 사용하는 인버터에 의해 구동되었다. 외부 밀폐물은 내부직경이 6.4mm인 아크릴관으로 구성되었다. 다섯개의 다른 반사물질이 밀폐물 내부에 순차적으로 배치되었다. 그 물질은 다음과 같다: 폴리에테르설퍼 필터물질('Pall Gelman Sciences'사에서 시판), 상표명 'Spectraflect'('Labsphere'사에서 시판), 상표명 'Duraflect'('Labsphere'사에서 시판), 상표명 'Silverlus'('3M'사에서 시판), 상표명 'Predator'('Pall Gelman Sciences'사에서 시판). 상표명 'Silverlux'를 제외한 모든 반사물질은 확산반사기이다. 아래의 표는 조명광원의 효율을 물질의 반사율 함수로 표시한 것이다.

표

반사물질	반사율	효율
폴리에테르설퍼	97.7％	54.3％
Spectraflect^TM	97.5％	54.3％
Duraflect^TM	96％	48％
Silverlux^TM	92％	41.9％
Predator^TM	85％	31.3％

따라서, 상기 표는 반사율에서의 작은 변화가 선형 조명광원의 효율에서는 큰 변화를 일으키는 것을 증명한다.

실시예 7.

본 실시예에서는 구멍램프를 사용하는 2개의 조명장치가 본 발명에 의한 2개의 향상된 조명장치와 비교되었다. 장치 1은 LCD조명에 의해 제작된 3mm직경의 냉음극 형광등이다. 이램프는 램프의 한측으로부터 광이 현저하게 방출될 수 있도록 하는 90°의 내부구멍을 갖는다. 90°의 내부구멍은 구멍의 폭이 반사막의 내부폭의 약 50％인 경우와 일치한다. 장치 2는 장치 1과 동일한 구멍램프에 사용되지만, 램프의 구멍으로부터 약 3.5mm 떨어져 위치한 3.18mm 직경 로드렌즈가 부가된다. 장치 1 및 장치 2에 대하여, 램프는 순수한 아크릴 밀폐물 내부에 배치하지만 밀폐물에 사용되는 반사물이 없다. 장치3과 장치 4는 본 발명의 실시예의 예이다. 제2램프를 사용하는 장치 3 및 장치4는 내부구멍을 갖지 않고 이전의 구멍램프와 동일한 기술적인 특징(3mm 직경과 동일한 인과 가스 충전 합성)을 갖는 LCD조명에 의해 얻어졌다. 또한, 장치3 및 장치 4에 대하여 외부 반사밀폐물은 램프 주위에 위치하는데, 여기서 외부 반사밀폐물은 1.15mm로 조정된 선형 개구를 갖는다. 상기 외부 반사밀폐물은 상품명 'Spectralon'('Labsphere'사에서 제작한) 2개로 구성되었다. 'Spectralon'은 반사율이 물질의 두께에 따라 변하는 확산반사고체이다. 555nm의 광에 대하여, 두께가 3mm인 'Spectralon' 일부는 97.2％의 반사율을 가진다. 반사물질 2개는 밀폐물의 형상이 달걀형으로 되도록 가공되었다. 달걀형 밀폐물의 최대 내부폭은 약 7.0mm이고 최소 내부폭은 약 4.6mm였다. 장치4에 대해서는, 직경이 약 3.18mm인 로드렌즈는 외부 반사밀폐물의 달걀형 구멍으로부터 약 3.5mm에 떨어진 곳에 위치하였다. 장치3은 렌즈를 포함하지 않는다. 선형 조명시스템의 방사조도(mW/cm² 단위)는 1mm 직경의 검출기를 이용하여 로드렌즈로부터 7mm의 거리에서 측정하였다. 7mm의 거리 내에는 평상형의 문서스캐너의 내부에 전형적으로 설치되는 광학적 배열을 자극하는 3mm 두께의 유리판이 위치한다. 선형 조명시스템의 장축과 수직한 방사조도의 형상을 맵핑하기 위하여, 검출기는 약 30mm의 영역을 걸쳐 측면에서 측면으로 이동한다. 그 결과가 도 18에 도시되었다. 장치1(구멍램프 단독)은 약 3.0mW/cm²의 가장 낮은 피크 방사조도를 가진다. 장치2에 대해서는(구럼램프 더하기 로드렌즈), 피크 방사조도가 4.29mW/cm²로약간 증가하였다. 장치3(본 발명에 따른 반사 밀폐물을 가진 비-구멍램프)는 7.0mW/cm²의 더욱 향상된 피크 방사조도를 가진다. 장치4(본 발명에 따른 반사 밀폐물과 로드렌즈배열을 가진 비-구멍램프)는 11.8mW/cm²의 가장 높은 피크 방사조도를 가진다. 이러한 결과들은 좁은 선형 개구를 갖는 외부 반사밀폐물을 가지고 사용된 비-구멍램프는 내부구멍램프에 비해 더 높은 쪽의 방사조를 제공하며, 부가적인 광학소자(이 경우, 로드렌즈)를 추가하는 것에 의해 더욱 향상된 방사조도를 제공할 수 있다.

본 발명은 선형 조명광원과 선형 조명시스템을 요구하는 다양한 장치에 적용가능하다. 이러한 예로는 한정되지는 않지만, 스캐너, 팩시밀리장치, 광복사기 및 상업적, 사무적, 주거적, 옥외적, 자동차, 기구응용과 같은 직접적인 조명장치를 포함한다. 또한, 본 발명은 컴퓨터, 자동차, 군대, 우주항공, 소비용, 상업용 및 산업용의 표시장치(예를 들면, 평판표시장치)에 적용가능하다.

Claims

(a) 선형 광원의 장축과 수직한 방향으로 폭(w1)을 갖는 선형 광원; 및

(b) 상기 선형광원을 부분적으로 둘러 싸고 최대 내부폭(w2)을 가지며, 최대폭(w3)이 (0.03)(w2)≤w3≤(0.75)(w2)인 적어도 하나의 선형 개구가 마련된 외부 반사 밀폐물을 포함하며,

상기 외부 반사 밀폐물은 순수 혹은 백색 충전재의 미세입자가 충전된 공학적인 열가소성 물질로 포함하며, 상기 미세입자의 굴절율은 상기 열가소성 물질의 굴절율보다 크고, 상기 외부 반사밀폐물은 R≥95％의 반사율을 갖는 반사물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 선형 조명광원.
제1항에 있어서, 상기 선형광원은 관형 형광등인 것을 특징으로 하는 선형 조명광원.
제2항에 있어서, (0.1)(w1)≤w3≤w1인 것을 특징으로 하는 선형 조명광원.
제2항에 있어서, (0.2)(w1)≤w3≤(0.9)(w1)인 것을 특징으로 하는 선형 조명광원.
제1항에 있어서, 상기 선형광원은, 발광다이오드의 배열, 레이저다이오드의 배열, 적어도 하나의 유기발광다이오드 및 적어도 하나의 발광스트립으로 구성된 그룹으로부터 선택된 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 선형 조명광원.
제5항에 있어서, 상기 선형광원은 하나 이상의 색상의 광방사기를 포함하는 것을 특징으로 하는 선형 조명광원.
삭제
삭제
제1항에 있어서, 상기 외부 반사밀폐물의 반사물질은, 확산반사기, 정반사기 및 상기 확산반사기와 정반사기의 결합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 것을 특징으로 하는 선형 조명광원.
제1항에 있어서, 상기 반사물질은 상기 외부 반사밀폐물의 구조적인 물질로서 사용되는 것을 특징으로 하는 선형 조명광원.
삭제
제1항에 있어서, 상기 선형 개구는 조명광원의 길이방향을 따라 변하는 폭을 갖는 것을 특징으로 하는 선형 조명광원.
제1항에 있어서, 상기 선형 개구는 (0.05)(w2)≤w3≤(0.50)(w2)인 폭(w3)을 갖는 것을 특징으로 하는 선형 조명광원.
(a) 선형 광원의 장축과 수직한 방향으로 폭(w1)을 갖는 선형 광원;

(b) 상기 선형광원을 부분적으로 둘러 싸고 최대 내부폭(w2)을 가지며, 최대폭(w3)이 (0.03)(w2)≤w3≤(0.75)(w2)인 적어도 하나의 선형 개구를 포함하는 외부 반사밀폐물; 및

(c) 상기 적어도 하나의 선형 개구에 근접한 적어도 하나의 광학소자를 포함하며,

상기 외부 반사 밀폐물은 순수 혹은 백색 충전재의 미세입자가 충전된 공학적인 열가소성 물질로 포함하며, 상기 미세입자의 굴절율은 상기 열가소성 물질의 굴절율보다 크고, 상기 외부 반사밀폐물은 R≥95％의 반사율을 갖는 반사물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 선형 조명시스템.
제14항에 있어서, 상기 광학소자는 원통형 로드렌즈인 것을 특징으로 하는 선형 조명시스템.
제14항에 있어서, 상기 광학소자는, 렌티큘라렌즈, 비구면 렌티큘라렌즈, 렌티큘라 프레넬렌즈, 렌티큘라 프리즘, 렌티큘라렌즈의 배열, 렌티큘라 프리즘의 배열, 거울 및 반사집광기로 구성된 그룹으로부터 선택된 것을 특징으로 하는 선형 조명시스템.
제14항에 있어서, 상기 광학소자는 도파관 또는 광파이프인 것을 특징으로 하는 선형 조명시스템.
제14항에 있어서, 상기 선형 개구는 (0.05)(w2)≤w3≤(0.50)(w2)인 폭(w3)을 갖는 것을 특징으로 하는 선형 조명시스템.
제14항에 있어서, 상기 선형광원은 관형 형광등인 것을 특징으로 하는 선형 조명시스템.
제19항에 있어서, (0.1)(w1)≤w3≤(1.0)(w1)인 것을 특징으로 하는 선형 조명시스템.
제19항에 있어서, (0.2)(w1)≤w3≤(0.9)(w1)인 것을 특징으로 하는 선형 조명시스템.