KR101517356B1 - 상반구 및 하반구에서 배트윙 발광 강도 분포를 나타내는 광 제어 장치 - Google Patents

상반구 및 하반구에서 배트윙 발광 강도 분포를 나타내는 광 제어 장치 Download PDF

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Abstract

조명 기구(10)로서 구현되는 광 제어 장치는 조명 기구가 천장에 매우 가까이 장착되는 경우에도 실질적으로 균일한 천장 표면(44)의 조명을 제공하는 상반구(102)에서의 매우 넓은 배트윙 발광 강도 분포를 나타낸다. 발광 측면 패널 확산기들(78, 80)은 작업면(104)을 균일하게 조명하기 위해 하반구(100)에서 배트윙 발광 강도 분포를 생성하므로 조명 기구와 천장 표면의 조화를 돕는다.
Figure R1020097023354
광 제어 장치, 조명 기구, 천장 표면, 작업면, 확산기, 반사기, 배트윙 발광 강도 분포

Description

상반구 및 하반구에서 배트윙 발광 강도 분포를 나타내는 광 제어 장치{LIGHT CONTROL DEVICE EXHIBITING BATWING LUMINOUS INTENSITY DISTRIBUTIONS IN UPPER AND LOWER HEMISPHERES}
<관련 출원>
본 출원은 2007년 4월 10일자로 출원된 미국 특허 가출원 번호 60/911,049의 이익을 주장한다.
<저작권 공고>
ⓒ 2008 Ledalite Architectural Products, Inc. 본 특허 문헌의 명세서의 일부는 저작권 보호를 받는 자료를 포함한다. 저작권 소유자는 본 특허 문헌 또는 특허 명세서가 특허 상표청 특허 파일 또는 레코드에 실릴 때에 어느 누군가에 의한 팩시밀리 재생에 이의가 없으나, 그 외에는 37 CFR §1.72(d)에 의해 모든 저작권을 유보한다.
<발명의 요약>
조명 기구로서 구현되는 광 제어 장치는 조명 기구가 천장에 매우 가까이 장착되는 경우에도 실질적으로 균일한 천장 표면의 조명을 제공하는 상반구에서의 매우 넓은 배트윙 발광 강도 분포를 나타낸다. 발광 측면 패널 확산기들은 작업면을 균일하게 조명하기 위해 하반구에서 배트윙 발광 강도 분포를 생성하므로 조명 기구와 천장 표면의 조화를 돕는다.
추가적인 양태들 및 이익들은 첨부 도면들을 참조하여 진행되는 아래의 바람직한 실시예들에 대한 상세한 설명으로부터 명백할 것이다.
도 1은 상반구에서는 매우 넓은 배트윙 발광 강도 분포를, 그리고 하반구에서는 작업면을 균일하게 조명하는 배트윙 발광 강도 분포를 나타내는 조명 기구의 바람직한 실시예의 단면도.
도 2A 및 2B는 각각 도 1의 광 제어 장치의 하부 및 상부 등축도.
도 3은 90도 방위각에 대한 하반구 및 상반구에서의 배트윙 발광 강도 분포 패턴들을 나타내는 광도 측정 그래프.
도 4A, 4B, 4C, 4D 및 4E는 도 3의 다운라이트 및 업라이트 배트윙 발광 강도 분포 패턴들을 형성하는 광 강도 분포들의 다양한 광학 컴포넌트에 의한 기여들을 나타내는 도 1, 2A 및 2B의 조명 기구의 단면도들.
도 5는 키노폼(kinoform) 확산기들의 기록을 위한 종래 기술의 단일 빔 홀로그래픽 셋업을 나타내는 도면.
도 6A, 6B, 6C 및 6D는 입사 빔에 면하는 표면 릴리프 패턴들을 갖는 키노폼 확산기들의 4개 클래스에 대한 빔 분포들을 나타내는 도면들.
도 7은 균일한 빔 분포를 나타내도록 본 발명에 따라 구성된 원형 분포 키노폼 확산기의 포토마이크로그래프.
도 8은 균일한 빔 분포를 나타내도록 본 발명에 따라 구성된 선형 분포 키노폼 확산기의 포토마이크로그래프.
도 9는 고리형 빔 분포를 나타내도록 본 발명에 따라 구성된 원형 분포 키노폼 확산기의 포토마이크로그래프.
도 1은 광 제어 장치 또는 조명 기구(10)의 단면도이고, 도 2A 및 2B는 각각 그의 하부 및 상부 등축도들이다. 조명 기구(10)는, 그의 길이 및 상부 표면을 따라 연장하는 중앙 밸러스트 채널(14) 및 대향하는 상부 측면 마진들(16, 18)을 갖는 대체로 직사각형인 하우징(12)을 포함한다. 밸러스트 채널(14)은 상부 반사기(20)에 의해 하우징(12)의 내측으로 밀폐된다. 소켓 새들(도시되지 않음)에 설치된 튜브형 광원(22), 바람직하게는 형광 램프가 하우징(12) 내에 배치되며, 밸러스트 채널(14)의 길이를 따라 대체로 중앙에 정렬되게 연장한다.
클립들(28)에 의해 상부 반사기(20)의 각각의 플랜지들(30, 32)에 부착되는 좌측면 상부 확산기(24) 및 우측면 상부 확산기(26) 형태의 다중면 상부 확산기가 밸러스트 채널(14)의 측방으로 그의 길이를 따라 연장한다. 밸러스트 채널(14)은 상부 측면 확산기들(24, 26)과 더불어 하우징(12)의 상부 표면을 제1 및 제2의 분리된 상부 영역들로 분할한다. 상부 측면 확산기(24)의 원단(distal) 측면 마진(36) 및 상부 측면 마진(16)은 제1 상부 영역 내의 직사각형 개구(38)를 정의하고, 상부 측면 확산기(26)의 원단 측면 마진(40) 및 상부 측면 마진(18)은 제2 상부 영역 내의 직사각형 개구(42)를 정의한다. 직사각형 개구들(38, 42)은 천장 표면(44)(도 4B) 상의 입사를 위해 광원(22)에 의해 방출되는 광의 끊임없는 진행을 허가하기 위해 서로 이격되어 배치된다.
하우징(12)은 그의 길이 및 하부 표면을 따라 연장하는 구멍난 중앙 바스켓(50) 및 대향하는 하부 측면 지지 부재들(52, 54)을 구비한다. 구멍난 중앙 바스켓(50)은 하부 중앙 확산기(56)에 의해 하우징(12)의 내측으로 밀폐된다. 구멍난 중앙 바스켓(50)은 하우징(12)의 하부 표면을 제1 및 제2의 분리된 하부 영역들로 분할한다. 구멍난 중앙 바스켓(50)의 일측면(58) 및 지지 부재(52)의 측면 마진(60)은 제1 하부 영역 내의 직사각형 개구(62)를 정의하며, 구멍난 중앙 바스켓(50)의 일측면(68) 및 지지 부재(54)의 측면 마진(70)은 제2 하부 영역 내의 직사각형 개구(72)를 정의한다. 좌측면 확산기 패널(78) 및 우측면 확산기 패널(80)이 각각 직사각형 개구들(62, 72)을 커버한다. 지지 부재(52)의 내측면 상에 장착된 외측 레일(86)은 내측으로 경사진 측면 반사기(88)를 보유하며, 지지 부재(54)의 내측면 상에 장착된 외측 레일(90)은 내측으로 경사진 측면 반사기(92)를 보유한다.
조명 기구(10)는 하반구 및 상반구에서 다운라이트 및 업라이트 배트윙 발광 강도 분포 패턴들을 나타낸다. 도 3은 90도 방위각에 대한 하반구(100) 및 상반구(102)에서의 배트윙 발광 강도 분포 패턴들을 나타내는 광도 측정 그래프이다. 도 4A, 4B, 4C, 4D 및 4E는 도 3의 다운라이트 및 업라이트 배트윙 발광 강도 분포 패턴들을 형성하는 광 강도 분포들의 다양한 광학 컴포넌트에 의한 기여들을 나타내는 조명 기구(10)의 단면도들이다.
다운라이트는 확산기 패널들(78, 80)을 이용하여, 하반구(100)에서 배트윙 강도 분포를 갖는 발광 광학계를 생성한다. 배트윙 분포는 측면 확산기 패널들(78, 80) 사이에 배치된 구멍난 중앙 바스켓(50) 및 하부 중앙 확산기(56)에 의해 생성된다. 하부 중앙 확산기(56)에 결합된 구멍난 중앙 바스켓(50)은 밸러스트 채널(14) 아래의 램프(22) 및 반사기(20)로부터 전파되는 광의 제한된 양이 램버트(lambertian) 발광 강도 분포로 조명 기구(10)로부터 방출되는 것을 허가한다. 측면 확산기 패널들(78, 80)은 램프(22)에 의해 방출되고 상부 반사기(20)에 의해 반사되어 큰 각도로 벗어나는 광을 수신하여, 이 광을 아래로 구부려 작업면(104)을 향하게 한다. 이것은, 도 4A에 도시된 바와 같이, 큰 각도에서의 조명을 줄이는 동시에, 하반구(100)에서 배트윙 분포를 생성하여 아래의 작업면(104)을 균일하게 조명한다.
도 4A는 구멍난 중앙 바스켓(50) 상에 입사하는 광선들의 제1 서브세트(112) 및 측면 확산기 패널들(78, 80) 상에 입사하는 광선들의 제2 서브세트(114)를 포함하는 제1 광선 세트(110) 내에 구성되는 하반구(100) 내로 전파하는 광선들을 나타낸다. 구멍난 중앙 바스켓(50)에 의해 램버트 강도 분포로 생성되는 광선들은 광선들의 발산 팬(fan)으로서 전파하고, 크로스-해칭된 영역으로 도시되며, 측면 확산기 패널들(78, 80)에 의해 확산되고 재지향되는 광선들은 음영 영역들로 도시된다. 각각의 외측 레일들(86, 90) 상에 위치하는 측면 반사기들(88, 92)은 측면 확산기 패널들(78, 80)이 관측자가 조명 기구(10)의 대향 측부들로부터 이들을 관찰할 때 발광하는 것을 가능하게 한다.
상반구(102)에서의 발광 강도 분포는 천장 표면(44)을 균일하게 조명하기 위해 상반구(102)에서 매우 넓은 배트윙 분포를 생성하도록 하부 광학계와 함께 작동하는 광학계의 조합에 의해 생성된다. 상반구 조명 광학계는 램프(22)로부터의 직접 광이 도달하지 않는 밸러스트 채널(14) 위의 영역을 균일하게 조명한다. 이것은 밸러스트 채널(14)의 측면에 위치하는 두 조각의 선형 분광 재료인 상부 측면 확산기들(24, 26)에 의해 달성된다. 이러한 재료는 도 4B에 도시된 바와 같이 입사광을 수신하여, 이를 밸러스트 채널(14) 위의 천장 표면(44) 상으로 상향 확산시킨다. 도 4B는 천장 표면(44)을 향해 위로 향하는 광선들의 2개의 부분적으로 겹치는 팬(122, 124)으로서 전파하는 제2 광선 세트(120) 내에 구성되는 상반구(102) 내로 전파하는 광선들을 나타낸다. 상부 측면 확산기들(24, 26)은 또한, 램프(22) 및 하부 중앙 확산기(56)로부터 투영되는 이미지가 수직 각도의 감소에 따라 점차 증가할 때 전이를 유연하게 하는 데 도움이 된다.
광학계의 목적은 매우 넓은 배트윙 분포를 생성하는 것이다. 밸러스트 채널(14)은 조명 기구(10)로부터 위로 방출되는 광을 차단하며, 따라서 광은 밸러스트 채널(14) 위의 영역에 도달하지 않는다. 상부 측면 확산기들(24, 26)은 램프(22)로부터의 직접 조명에 의해 제공되는 것보다 훨씬 적은 광으로 이 영역을 채운다. 수직 각도가 감소함에 따라, 하부 중앙 확산기(56)의 선형 분광 구조는 도 4C에 도시된 바와 같이 직사각형 개구들(38, 42)을 통해 큰 각도로 램프(22)로부터 멀어지게 광을 반사하므로, 분포의 일부가 생성된다. 이것은 램프(22)로부터의 직접 광이 천장 표면(44) 상에 투영되기 시작하기 전에 전이 광을 제공한다. 이러한 반사 광은 상부 측면 확산기들(24, 26)과 함께 작용하여, 이러한 전이 동안에 천장 표면(44) 상의 줄 무늬들을 제거한다. 수직 각도가 훨씬 더 감소함에 따라, 도 4D에 도시된 바와 같이, 투영되는 부분 램프 이미지는 점차 증가하여, 하부 중앙 확산기(56)로부터 반사되는 광과 결합된다. 이것은 분포를 그의 피크로 유연하게 전이시키며, 따라서 균일한 천장 조명을 제공한다. 수직 각도가 100도에 도달할 때, 도 4E에 도시된 바와 같이, 램프의 전체 이미지가 투영되어, 분포의 피크 출력이 생성된다. 측면 반사기들(88, 92)은 대향 방향들로부터 측면 확산기 패널들(78, 80)을 조명하는 것을 도우며, 따라서 조명 기구(10)가 측면으로부터 관찰될 때, 더 가깝고 더 먼 패널 확산기들은 유사한 휘도를 갖는 것으로 보인다.
전술한 다운라이트 및 업라이트 광학 성능은 아래에 상술되는 바와 같이 제조되고 기능하는 바람직한 광학 컴포넌트들을 이용하여 달성된다.
구멍난 중앙 바스켓(50)은 구멍난 스틸로 제조되며, 도 4A에 도시된 바와 같이, 램버트 발광 강도 분포 패턴으로 입사광을 하반구(100) 내로 확산시킨다. 구멍난 중앙 바스켓(50)은 균일하게 발광하는 바스켓을 생성한다.
오팔(opal) 첨가제를 갖는 사출 성형된 분광 아크릴 재료로 제조되는 하부 중앙 확산기(56)는 입사광을 부분적으로 투과시킨다. 오팔 첨가제의 양은 입사광의 투과, 산란 및 반사의 원하는 균형을 달성하도록 선택된다. 도 1을 참조하면, 하부 중앙 확산기(56)는 편평 측부들(202) 사이에 텍스처화된 중앙 부분(200)을 갖는 광 확산면을 구비한다. 편평 측부들(202)은 입사광을 자신 쪽으로 산란시키는 텍스처화된 중앙 부분(200)에 비해 입사광에 대해 거울 반사를 제공한다. 하반구 광학 효과는 부분 투과된 광의 구멍난 중앙 바스켓(50)으로의 확산을 유발하며, 이는 도 4A에 도시된 램버트 강도 분포 패턴을 생성한다. 상반구 광학 효과는 도 4C에 도시된 바와 같이 램프(22)에 의해 방출되는 광의 큰 각도의 반사를 유발한다. 이러한 반사 광은 램프(22)로부터의 직접 광이 천장 표면(44) 상에 투영되기 시작하기 전에 전이 광을 제공하며, 상부 측면 확산기들(24, 26)과 협동하여, 이러한 전이 동안에 천장 표면(44) 상의 줄 무늬들을 제거한다. 수직 각도가 훨씬 더 감소함에 따라, 도 4D에 도시된 바와 같이, 투영되는 부분 램프 이미지는 점차 증가하여, 하부 중앙 확산기(56)로부터 반사되는 광과 결합된다. 이것은 분포를 그의 피크로 유연하게 전이시키며, 따라서 균일한 천장 조명을 제공한다.
확산기 패널들(78, 80)은 각각 아크릴 기판(212) 상에 지지되는 MesoOptic(상표) 막 재료(210)를 포함한다. 막 재료(210)는 입사광에 면하며, 광범위한 확산에 의해 특성화되는 원형, 타원형 또는 선형 MesoOptic(상표) 타입일 수 있다. MesoOptic(상표) 표면 릴리프 구조는 기판(212)의 표면과 접촉한다. MesoOptic(상표) 막 재료는 Light Control Devices Implemented With Diffusers Having Controllable Diffusion Characteristics라는 제목의 2007년 11월 22일자의 미국 특허 출원 공개 번호 2007-0268585('585 공개 특허)에서 키노폼 확산기 재료와 관련하여 설명되어 있다. 아래의 설명 및 관련 도면들은 '585 공개 특허로부터 관련 부분에서 취해지며, 측면 확산기 패널들(78, 80)의 바람직한 실시예들의 형성에 사용되는 형성 기술을 설명한다.
본 발명에 따라 제조되는 키노폼 확산기는 축외(off-axis) 투과율 및 반사율 특성들, 0차 빔의 제거 및 무색 조명하의 스펙트럼 분산으로부터의 자유를 갖는 제어 가능한 확산 특성들을 생성하는 복잡한 표면 릴리프 패턴으로 구성된다.
키노폼 확산기의 제조는 포토레지스트 막으로 코팅된 감광 플레이트를 포토레지스트 막의 원격장 스펙클 패턴(far-field speckle pattern)에 대한 다수의 노출 중 연속하는 노출들 사이에 이동시킴으로써 수행된다. 레이저 스펙클 패턴은 변경되지 않고 유지되며, 따라서 기록되는 패턴들은 공간적으로 자동 상관된다.
도 5는 키노폼 확산기들을 기록하는 데 사용되는 기본적인 종래 기술의 단일 빔 광학 셋업을 나타낸다. (기술자들은 광학 셋업의 다양한 변형이 가능함을 알 것이다.) 레이저(148)는 개구(158)를 갖는 불투명 마스크(156)를 통해 전파하는 가간섭성 평면 파면으로 확산기(160)를 조명하기 위해 렌즈들(152, 154)에 의해 확대되는 가간섭성 광(150)의 빔을 생성한다. 감광 기록 플레이트(162)는 확산기(160) 뒤의 거리 d에 배치된다. (적절한 감광 재료들은 포지티브 및 네거티브 포토레지스트 이멀션들, 은 할로겐 화합물 막들, 중크롬산 젤라틴 및 다양한 포토폴리머들을 포함한다.)
확산기(160)에 의해 산란되는 광은 감광 기록 플레이트(162)의 표면 상에 사진과 같이 기록되는 무작위 레이저 스펙클 패턴을 생성한다. 감광 플레이트(162)는 기록된 레이저 스펙클 패턴의 공간 분포 강도에 비례하는 공간적으로 분포된 높이 분포를 갖는 표면 릴리프 패턴을 구비하는 투명 기판을 생성하기 위해 공지된 처리 기술들에 따라 현상된다. 이것은 투과성 키노폼 확산기이다. 반사성 키노폼 확산기는 예를 들어 투과성 확산기의 표면에 증착된 금속 막을 도포함으로써 제조될 수 있다. 대안으로, 표면 릴리프 패턴은 엠보싱 또는 몰딩과 같은 공지된 복제 기술들을 이용하여 불투명 금속 또는 플라스틱 기판에 전사될 수 있다.
투과성 키노폼 확산기가 가간섭성 평면 파면에 의해 조명될 때, 임의 포인트에서 확산기를 통한 광학 경로의 길이는 그 포인트에서의 표면 릴리프 패턴의 높이에 의해 결정된다. 확산기를 통해 전파하는 파면의 위상 지연은 광학 경로 길이에 의존하므로, 평면 파면은 키노폼 확산기의 표면 릴리프 패턴에 따라 무작위로 산란된다. 이론적으로, 키노폼 확산기는 그라운드 글라스(ground glass) 확산기(160)에 의해 생성되는 레이저 스펙클 패턴을 재구성한다.
확산기 표면 바로 위의 자유 대기 또는 다른 광학적으로 투명한 매체 내에서 광학 경로 길이의 차이들 및 후속하는 위상 지연이 발생한다는 점 외에는, 동일한 원리가 반사성 키노폼 확산기들에 적용된다.
결과적인 키노폼 확산기 빔 분포를 생성하는 자동 상관된 스펙클 패턴들의 비간섭성 합산은 실질적인 가우스 함수에 의해 반드시 특성화되지는 않는다. 노출들의 수 및 노출들 사이의 감광 플레이트의 이동의 다양한 조합은 도 6A, 6B, 6C 및 6D에 도시된 바와 같은 균일하고 고리형인 빔 분포들을 갖는 키노폼 확산기들의 생성에 기여한다. 가우스 분포들과 달리, 이러한 빔 분포들은 특정된 각도 범위 밖에서 크게 감소된 산란을 나타낸다. 노출들 사이의 감광 플레이트의 이동은 또한 0차 빔의 제거 및 무색 조명하의 스펙트럼 분산으로부터의 자유를 나타내는 키노폼 확산기들의 제조를 가능하게 한다.
(도 7에 도시된 바와 같은) "자갈들(pebbles)"의 복잡한 표면 릴리프 패턴은 도 6A에 도시된 바와 같이 균일한 빔 분포를 갖는 원형(등방성) 키노폼 확산기들의 생성에 크게 기여한다. 마찬가지로, (도 8에 도시된 바와 같은) "주름들"의 복잡한 표면 릴리프 패턴은 도 6B에 도시된 바와 같이 균일한 빔 분포를 갖는 타원형 및 선형(비등방성) 키노폼 확산기들의 생성에 크게 기여한다.
(도 7에 도시된 자갈 표면의 느낌을 닮은) "구덩이들(pits)"의 복잡한 표면 릴리프 패턴 또한 도 6A에 도시된 바와 같이 균일한 빔 분포를 갖는 원형(등방성) 키노폼 확산기들의 생성에 크게 기여한다.
(도 9에 도시된 바와 같은) 자갈들, 구덩이들 또는 주름들의 표면들 상에 형성된 하위 구조들 또는 하위 요소들의 패턴은 도 6C 및 6D에 도시된 바와 같이 고리형 빔 분포를 갖는 키노폼 확산기들의 생성에 크게 기여한다. 도 7-9는 자갈들, 구덩이들 또는 주름들 형태의 광 산란 요소들의 복잡한 표면 릴리프 패턴들이 겹쳐진 광 산란 요소들, 및 광 산란 요소들 중 이웃하는 요소들 사이의 틈새 공동들에 의해 특성화됨을 보여준다.
개시되는 실시예들은 Shipley 사(메사추세츠, 말보로)의 Shipley 1818과 같은 포지티브 포토레지스트 재료들을 사용하여 바람직하게 구현된다. 이러한 재료들은 통상적으로 노출 광에 대한 비선형 특성 응답을 갖는다. 바람직한 제조 방법은 포토레지스트들의 준비, 노광 및 현상을 위한 제어되는 파라미터들의 조합, 및 가시광의 다수 파장들의 깊이로 에칭될 수 있는 비교적 두꺼운 포토레지스트 층을 이용함으로써 그러한 특성을 이용한다.
구덩이들 또는 주름들의 표면 릴리프 특징들은 3차원 레이저 스펙클 패턴의 부피 측정 단면에 대한 포토레지스트 재료의 노출에 의해 명백히 형성된다. 이어서, 포토레지스트 재료는 노출된 부분들을 에칭으로 제거하여 3차원 산란 요소들을 생성하도록 처리된다. Microchem 사(메사추세츠, 뉴턴)로부터 입수 가능한 Microchem SU-8과 같은 네거티브 포토레지스트 재료들을 이용하여, 구덩이들이 아니라 자갈들을 생성할 수 있다.
포토레지스트는 공지된 스핀 코팅 기술들을 이용하여 유리 기판에 도포된다. 코팅 두께는 포토레지스트 점도 및 회전 속도에 의해 결정되지만, 일반적으로 3.0 내지 12.0 마이크로미터이다. 바람직한 비선형 특성 응답을 갖는 복합 포토레지스트들을 얻기 위해 포토레지스트의 단일 층 또는 다양한 배합을 갖는 포토레지스트들의 다수 층이 기판에 유용하게 도포될 수 있다.
포토레지스트 특성 응답은 노광 시에 재료 내에 잔류하는 용매(통상적으로 프로필렌 글리콜 모노메틸 에테르 아세테이트)의 농도에 부분적으로 의존한다. 레지스트의 광활성 컴포넌트가 열에 의해 분해되지 않는 것을 보증하면서, 용매의 대부분을 증발을 통해 제거하기 위하여 포토레지스트 코팅을 상승된 온도에서 "프리베이크(prebake)"하는 것이 필요할 수 있다. 베이크 시간, 온도, 습도 및 공기 흐름은 일관되고 바람직한 결과들을 얻기 위해 이 프로세스 동안 면밀히 제어된다.
이어서, 포토레지스트는 하나 또는 다수의 레이저 스펙클 패턴에 노출된다. 도 5를 참조하면, 빔 확대 렌즈들(152, 154)에 의해 생성되는 가간섭성 레이저 빔은 원하는 키노폼 확산기 빔 분포에 따라 평행하거나, 수렴하거나, 발산할 수 있다. 결과적인 키노폼 확산기 빔 분포를 변경하기 위해 불균일한 레이저 빔 강도 프로파일도 유용하게 이용될 수 있다. 포토레지스트는 광활성 컴포넌트를 사전에 민감하게 하기 위하여 레이저 스펙클 패턴 또는 패턴들에 노출하기 전에 균일하게 노출될 수 있다.
개별적인 레이저 스펙클 패턴 노출 시간들은 레이저 전력, 빔 확대 광학계, 확산기 불투명도 및 포토레지스트 감도에 의존한다. 레이저 전력은 포토레지스트에서의 상반성(reciprocity) 실패를 유도하기 위해 의도적으로 감소될 수 있으며, 따라서 박막 간섭 노출의 비선형 효과를 유용하게 증폭시킬 수 있다. 여하튼, 주의 깊은 노출 제어는 최대 노출이 처리된 포토레지스트의 동적 범위 내에 있는 것을 보장한다.
노출에 이어서, 포토레지스트는 옵션으로서 상승된 온도에서 "포스트베이크" 처리된다. 이러한 프로세스는 레지스트 매트릭스(통상적으로 "노볼락"이라고 하는 페놀-포름알데히드 수지)를 통해 광활성 성분(통상적으로 포지티브 레지스트용의 디아조나프토퀴논)을 확산시킴으로써 포토레지스트 내의 박막 간섭(즉, 정상파) 노출의 악영향을 줄이는 역할을 한다. 또한, 이 프로세스는 화학 반응을 열적으로 촉진하여 잠재 이미지를 증폭시키는 데 사용될 수 있다. 또한, 베이크 시간, 온도, 습도 및 공기 흐름을 면밀히 제어하여 일관되고 바람직한 결과를 얻는다.
도 9에 도시된 하위 구조들은 포토레지스트 내의 박막 간섭 노출의 결과로서 생성되는 것으로 보인다. 따라서, 그러한 주름들이 바람직한 키노폼 확산기들에 대해, 포스트베이킹은 필요하지 않을 수 있다.
이어서, 수산화 나트륨과 같은 알칼리 현상제를 이용하여 포토레지스트를 현상한다. 상용 현상제들은 포토레지스트 에칭 프로세스를 조절하는 특수 목적을 위해 독점적인 첨가제들을 함유할 수 있다. 이러한 첨가제들은 포토레지스트 특성 응답을 유용하게 조절할 수 있다.
스핀 코팅, 스프레이 현상 및 교반 현상을 포함하는, 현상제를 도포하기 위한 여러 종래 기술이 존재한다. 현상 시간 및 온도는 현상제 농도와 더불어 결과적인 특성 응답에 영향을 미치는 파라미터들이다.
현상에 이어서, 포토레지스트는 옵션으로서 상승된 온도에서 "현상후 베이크" 처리될 수 있다. 이 프로세스는 노볼락 수지의 교차 결합을 통해 현상된 포토레지스트를 경화시키고, 옵션으로서 연화 및 소성 흐름을 통해 표면 릴리프 프로파일을 조절하는 데 이용된다.
키노폼 확산기들에 대한 포토레지스트 처리의 중요한 속성은 다음과 같이 표현되는 결과적인 콘트라스트 γ(감마)이다.
γ=1/(log10(Emax/Emin))
여기서, Emin은 에칭으로 이어지는 광활성 성분에서의 광화학 반응을 생성하는 데 필요한 (제곱 센티미터당 밀리 주울 단위로 측정된) 최소 화학선 노출이며, Emax는 하부 기판까지의 포토레지스트의 에칭을 생성하는 데 필요한 최대 화학선 노출이다.
결과적인 감마는 프리베이크, 노출, 포스트베이크, 현상 및 현상후 베이크 파라미터들에 의존한다. 이러한 파라미터들은 또한 포토레지스트 조성 및 현상제 첨가제들에 의존한다. 기술자들은 조합된 이러한 파라미터들의 효과를 특성화하거나, 이들을 변경함으로써 발생하는 결과들을 예측하는 것이 어렵다는 것을 인식하겠지만, 본 출원인은 다음과 같은 상호 관련된 파라미터들, 즉 포토레지스트 조성, 프리베이킹, 레이저 빔 파장, 레이저 전력 및 노출 시간, 포스트베이킹, 현상제 조성, 현상제 농도, 현상 시간, 현상 온도 및 현상후 베이킹이 결과적인 감마에 영향을 미친다는 것을 발견하였다.
제어 가능한 불균일 빔 분포를 갖는 키노폼 확산기들의 생성을 허가하는 프로세스 파라미터들의 적절한 조합의 발견은 시행착오 프로세스이다. 바람직한 불균일 빔 분포들은 일관되고 신뢰성 있게 생성될 수 있으며, 빔 분포 파라미터들은 증식적으로 제어될 수 있다. 특히, 분포들은 도 6A 및 6B에 도시된 균일 빔 분포들과 도 6C 및 6D에 도시된 불균일 분포들 사이에서 계속 변할 수 있다.
0차 빔은 다수의 자동 상관된 레이저 스펙클 패턴에 포토레지스트를 노출시킴으로써 제거될 수 있다. 이러한 패턴들은 다음과 같은 기계적 이동들, 즉 레이저 빔 방향에 수직으로 포토레지스트 플레이트를 이동시키고, 레이저 빔 방향에 수직으로 확산기를 이동시키고, 레이저 빔 방향에 평행하게 포토레지스트 플레이트를 이동시키고, 레이저 빔 방향에 평행하게 확산기를 이동시키고, 레이저 빔 방향에 수직인 축에 대해 포토레지스트 플레이트를 회전시키고, 레이저 빔 방향에 수직인 축에 대해 확산기를 회전시키고, 레이저 빔 방향에 평행인 축에 대해 포토레지스트 플레이트를 회전시키고, 레이저 빔 방향에 평행인 축에 대해 확산기를 회전시키는 이동들 중 하나 이상에 의해 생성될 수 있다. 또한, 확산기에 입사되는 레이저 빔 강도 프로파일은 레이저 스펙클 패턴의 부분적 역상관을 유발하도록 광학적으로 조절될 수 있다.
제1의 바람직한 확산기 실시예에서, 도 6A에 도시된 균일한 빔 분포를 갖는 키노폼 확산기는 먼저 Shipley 1818 또는 1827 포지티브 포토레지스트를 유리 기판에 스핀 코팅함으로써 생성될 수 있다. 이어서, 이 플레이트는 옵션으로서 오븐에서 30분 동안 80℃에서 프리베이킹되어, 여분의 용매가 제거된다.
베이킹된 플레이트는 상온으로 냉각되고, 원형 개구(158)를 갖는 불투명 마스크(156)를 이용하여, 도 5에 도시된 광학 셋업을 이용하여 생성된 레이저 스펙클 패턴에 노출된다. 180 밀리와트 헬륨-카드뮴 레이저를 이용하여 그라운드 글라스 확산기(160)를 조명한다.
이어서, 노출된 플레이트는 동일 레이저 스펙클 패턴에 노출되기 전에 조명 빔 축에 수직인 임의 방향으로 이동된다. 이 프로세스는 0차 빔 투과를 제거하기 위해 여러 번 반복된다.
노출에 이어서, 플레이트는 옵션으로서 오븐에서 5분 동안 110℃에서 포스트베이킹되어, 박막 간섭으로부터 발생하는 가능한 결함들이 제거되고, 잠재 이미지를 증폭시킬 수 있는 화학 반응이 열적으로 촉진될 수 있다.
노출된 플레이트는 물로 희석된 Shipley 303A 현상제 내에서 현상된 후, 에칭 프로세스를 중지하기 위해 물 린스 욕조 내에 넣어지고, 건조되고, 옵션으로 60초 동안 100℃에서 포스트베이킹된다.
현상 시간을 변경함으로써, 도 6C에 도시된 불균일한 빔 분포를 갖는 키노폼 확산기가 생성될 수 있다. 현상 시간의 변경은 빔 분포의 계속적이고 제어 가능한 변화를 생성한다.
불투명 마스크(156) 내의 타원 또는 직사각 개구(158)를 교체함으로써, 도 6B 및 6D에 각각 도시된 바와 같이, 타원 또는 선형 빔 분포를 갖는 키노폼 확산기들이 생성될 수 있다.
제2의 바람직한 확산기 실시예에서, 키노폼 확산기를 포함하는 3차원 표면 릴리프 패턴의 디지털 표현이 수학적 모델들로부터 컴퓨터에 의해 생성되거나, 스캐닝 컨포멀 마이크로스코프로부터 얻어진다. 이어서, 이러한 표현은 Maruo, S. et al., "Three-Dimensional Microfabrication with Two-Photon-Absorbed Photopolymerization," Optics Letters 22(2):132-134 (January 15, 1997), Cumpson, B. J., et al., "Two-Photon Polymerization Initiators for Three-Dimensional Optical Data Storage and Microfabrication," Nature 398(4):51-54 (March 4, 1999), 및 Galajda, P., and P. Ormos, "Comples Micromachines Produced and Driven by Light," Applied Physics Letters 78(2):249-251 (January 8, 2001)에 설명된 바와 같은 공지된 스테레오리소그라피 기술들을 이용하여 광 폴리머화 가능한 수지 내에 제조된다. 예를 들어, Galajda 및 Ormos의 공보에 설명된 바와 같이, Norland Products(뉴저지, 크랜버리)의 Norland NOA 63 광학 첨가제의 층이 기판에 도포된다. 이어서, 20 밀리와트 아르곤 레이저의 514 nm 라인 출력이 상기 층 내에 0.5μm 직경의 스폿으로 집속되어 2-광량자 폴리머화가 개시된다. Linos Photonics(메사추세츠, 밀포드)의 P3D 20-100 3축 압전 이동 스테이지를 이용하여 사전 프로그래밍된 궤도를 따라 기판을 이동시킴으로써 임의의 3차원 마이크로 구조를 생성할 수 있다. 이어서, 노출되지 않은 수지를 아세톤으로 분해하여 제거한다.
기술자들은 투과성 키노폼 확산기의 광학 특성을 책임지는 표면 릴리프 패턴이 상이한 굴절률을 갖는 2개의 투명 매체 사이의 경계라는 것을 알 것이다. 따라서, 이것은 상이한 굴절률을 가진 투명 매체의 보호층이 키노폼 확산기의 표면에 도포되는 실시예를 포함한다. 일례로, 1.56의 굴절률을 갖는 광학적으로 투명한 폴리머화된 수지로 제조된 투과성 키노폼 확산기가 1.30의 굴절률을 갖는 E.I. du Pont Nemours and Company의 테프론 AF와 같은 플루오로폴리머로 코팅될 수 있다.
전술한 바와 같은 키노폼 확산기들은 유리 또는 플라스틱 기판들과 같은 실질적으로 투명한 광학 요소들의 일 표면 또는 양 표면에 적용되는 극히 미세한 표면 릴리프 패턴들이다. a) 유리 또는 플라스틱 기판 상의 자외선 폴리머화 가능한 수지 막의 주조 및 경화, b) 플라스틱 기판 또는 막의 엠보싱, c) 플라스틱 기판의 진공 형성, d) 유리 또는 플라스틱 기판 상의 키노폼 확산기를 갖는 플라스틱 막의 적층, e) 유리 또는 플라스틱 기판의 벌크 주조 또는 사출 성형, 및 f) 유리 또는 플라스틱 기판 상의 졸-겔 재료의 주조 또는 엠보싱을 포함하지만 이에 한정되지 않는 다양한 제조 방법이 이용될 수 있다. 이어서, 이러한 광학 요소들은 여기에 개시되는 설계 원리들에 따르는 조명 기구들의 조제에 사용된다.
하반구 광학 효과는 소스(22)로부터 큰 각도로 하반구(100) 내로 방출된 입사광을 수신하고, 이 광을 작업면(104)으로 재지향시키는 것을 수반한다. 이 광은 구멍난 중앙 바스켓(50)으로부터 전파되는 광의 램버트 분포와 결합하여, 도 4A에 도시된 바와 같이 하반구(100)에서 배트윙 분포를 생성한다. 상반구 광학 효과는 측면 확산기 패널들(78, 80)의 높은 투과도 및 천장 표면(44)을 향한 반사의 제한을 수반한다. 이것이 이루어지는 경우, 그러한 반사는 조명 기구(10) 바로 위에 광을 채울 것이고, 따라서 그곳의 광범위한 배트윙 분포에 부정적인 영향을 미칠 것이다.
측면 반사기들(88, 92)은 높은 반사율을 가진 백색 페인트로 코팅된 스틸로 제조된다. 측면 반사기들(88, 92)은 램프(22)에 의해 방출되는 광의 반대 방향으로부터 측면 확산기 패널들(78, 80)을 조명하기 위해 서로 반대로 내측으로 경사지며, 따라서 관측자의 반대 측의 확산기 패널이 발광하는 것으로 보인다.
오팔 첨가제와 함께 사출 성형된 분광 아크릴 재료로 제조되는 상부 측면 확산기들(24, 26)은 광을 충분히 확산시켜, 밸러스트 채널(14) 위의 천장 표면(44) 상으로 산란시킨다. 오팔 첨가제의 양은 입사광의 투과, 산란 및 반사의 원하는 균형을 달성하도록 선택된다. 상부 측면 확산기들(24, 26) 각각은 그들 각각의 원단들(36, 40)을 향해 두께가 감소하는 텍스처화된 부분(220)을 갖는 광 확산면을 구비한다. 이러한 설계 구성은 각각의 상부 측면 확산기가 밸러스트 채널(14)에 더 가까이 입사광을 확산시키고 그의 원단에서 투과성을 갖게 한다. 원단에서의 투과 특성은 줄 무늬를 제거하여, 점진적인 광 강도를, 따라서 더 균일한 천장 조명을 제공한다. 하반구 광학 효과는 하부 광학계를 향하는 하향 광의 적은 양의 반사를 수반한다. 상반구 효과는 밸러스트 채널(14) 위의 영역을 조명하기 위한 밸러스트 채널(14) 주위의 광의 적은 양의 조절, 및 램프 이미지가 천장 표면(44)을 향해 투영되기 시작할 때의 전이의 용이함을 수반한다.
상부 반사기(20)는 높은 반사율을 가진 백색 페인트로 코팅된 스틸로 제조된다. 하반구 광학 효과는 배트윙 광 강도 분포를 향상시키고 다운라이트의 비율을 증가시키기 위한 측면 확산기 패널들(78, 80)을 향하는 하향 광의 반사를 수반한다. 상반구 효과는, 밸러스트 채널(14)과 더불어, 조명 기구(10) 바로 위의 천장 표면(44)을 과다하게 조명하여 핫 스폿을 생성하는 직접 광을 상반구(102)로부터 차단하는 것을 수반한다.
본 발명의 기본 원리들로부터 벗어나지 않고서, 전술한 실시예들의 상세들에 대한 많은 변경이 행해질 수 있다는 것은 이 분야의 기술자들에게 명백할 것이다. 예를 들어, 광원(22)은 다수의 램프로 구현될 수 있다. 더욱이, 측면 확산기 패널들(78, 80) 각각에 대해 키노폼 확산기가 선호되지만, 입사광의 각도 범위보다 좁은 출사 각도 범위로 광을 확산시키는 다른 확산기 재료로 제조된 측면 확산기 패널들(78, 80)을 이용하여 배트윙 발광 강도 패턴이 얻어질 수 있다. 따라서, 본 발명의 범위는 아래의 청구항들에 의해서만 결정되어야 한다.

Claims (11)

  1. 입사광에 응답하여, 천장 표면의 상향 조명 및 작업면의 하향 조명을 달성하도록 협동하는 다수의 제어 가능한 강도 분포 패턴을 나타내는 다수의 확산기로 구현되는 광 제어 장치로서,
    제1 세트 및 제2 세트의 광선들을 방출하는 광원;
    상기 광원에 의해 방출되고 상기 제1 세트의 광선들 중 제1 서브세트에 의해 운반되는 직접 광(direct light)을 수신하도록 배치되는 하부 중앙 확산기 - 상기 하부 중앙 확산기는, 광선들의 발산 팬(divergent fan)으로서 상기 작업면을 향하여 하향으로 그리고 광선들의 2개의 발산 팬으로서 상기 천장 표면을 향하여 상향으로 중단 없이 각각 전파하는 상기 제1 세트의 광선들의 제1 서브세트를 부분적으로 투과시키고 부분적으로 산란시키는 광 확산면을 구비함 -; 및
    상기 광원에 의해 방출되고 상기 제2 세트의 광선들에 의해 운반되는 직접 광을 수신하도록 배치되는 상부 측면 확산기 - 상기 상부 측면 확산기는, 광선들의 2개의 부분적으로 겹치는 팬으로서 상기 천장 표면을 향하여 상향으로 전파하는 상기 제2 세트의 광선들을 산란시키는 광 확산면을 구비함 -
    를 포함하고,
    상기 하부 중앙 확산기로부터 전파하는 상기 광선들의 2개의 발산 팬, 상기 상부 측면 확산기로부터 전파하는 상기 광선들의 2개의 부분적으로 겹치는 팬 및 상기 광원으로부터 전파하는 직접 광이 결합하여, 상기 광 제어 장치로부터 상기 천장 표면을 향해 배트윙(batwing) 발광 강도 분포 패턴으로 출사하는 광 제어 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 하부 중앙 확산기로부터 전파하는 상기 부분적으로 투과되는 광선들을 수신하도록 배치되고, 상기 부분적으로 투과되는 광선들을 확산시켜, 상기 광 제어 장치로부터 상기 작업면을 향해 램버트(lambertian) 발광 강도 분포 패턴으로 출사하는 확산된 광을 형성하는 특성을 갖는 램버트 광 투과 확산기를 더 포함하는 광 제어 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 램버트 광 투과 확산기는 구멍난 바스켓(perforated basket)을 포함하는 광 제어 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 램버트 광 투과 확산기에 인접 배치되고, 상기 제1 세트의 광선들의 제2 서브세트를 수신하여 발광 강도의 분포 패턴을 나타내는 확산된 광을 형성하는 제1 및 제2 다운라이트(downlight) 확산기들을 더 포함하고, 상기 제1 및 제2 다운라이트 확산기들과 상기 램버트 광 투과 확산기는 상기 제1 및 제2 다운라이트 확산기들로부터 전파하는 확산된 광과 상기 램버트 광 투과 확산기로부터 전파하는 확산된 광이 상기 광 제어 장치로부터 상기 작업면을 향해 배트윙 발광 강도 분포 패턴으로 출사하도록 하기 위해 협동하는 광학 특성들을 갖는 광 제어 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 다운라이트 확산기들의 각각은 표면 릴리프(relief) 광 확산 구조를 갖는 막 재료를 포함하는 광 제어 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 다운라이트 확산기들은 키노폼(kinoform) 타입인 광 제어 장치.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 다운라이트 확산기들은 각각 근단(proximal) 및 원단(distal) 측면들을 가지며, 상기 광 제어 장치는 제1 및 제2 측면 반사기들을 더 포함하고, 상기 제1 및 제2 다운라이트 확산기들의 근단 측면들은 상기 램버트 광 투과 확산기에 인접 배치되고, 상기 제1 및 제2 다운라이트 확산기들의 원단 측면들은 각각의 상기 제1 및 제2 측면 반사기들에 인접 배치되는 광 제어 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 상부 측면 확산기는 광 반사기에 의해 분리되는 한 쌍의 측면 확산기들을 포함하는 광 제어 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 하부 중앙 확산기 및 상기 상부 측면 확산기를 지지하는 가늘고 긴(elongated) 하우징을 더 포함하고, 상기 광원은 튜브 형상을 갖고, 상기 하우징 내에 배치되며, 상기 하부 중앙 확산기 및 상기 상부 측면 확산기와 협동하여 조명 기구를 형성하는 광 제어 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 튜브형 광원은 형광 램프를 포함하는 광 제어 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 광원은 다수의 램프를 포함하는 광 제어 장치.
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