KR20000071040A - 휘도 향상을 위해 광을 재순환하는 조명 시스템 - Google Patents

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Abstract

광학 조명 시스템은 (a) 반사 방사 표면과 고유 조도(휘도), (b) 광 전송 수단, (c) 광소스 수단에 의해 방사된 광의 일부분을 다시 광소스 수단으로 반사하고 순환시키기 위한 광 반사 수단, 및 (d) 광 전송 수단으로부터 광의 일부분을 추출하고 광을 조명 시스템의 출력으로 향하게 하기 위한 광 추출 수단으로 구성되어 있다. 결과적인 조명 시스템은 향상된 출력 휘도를 얻는다. 어떤 조건하에서, 베어 광소스의 고유 휘도보다 더 큰 출력 휘도를 얻는 것이 가능하다.

Description

휘도 향상을 위해 광을 재순환하는 조명 시스템{ILLUMINATION SYSTEM WITH LIGHT RECYCLING TO ENHANCE BRIGHTNESS}
다양한 디바이스는 시스템마다 광소스로써 동작하기 위해 또는 몇몇의 다른 목적에 빛을 제공하기 위해 조명 시스템을 사용하고 구체화한다. 예를 들면, 랩탑과 더 신형인 노트북 컴퓨터와 같은 작은 포터블 컴퓨터는 최근 몇년동안 요구가 증가해 왔다. 기술이 향상함에 따라, 노트북 유닛은 데스크-탑과 비슷하게 완전히 에뮬레이팅하게 되었다. 그렇게 함으로써, 계산 파워와 디스플레이 능력이 상당히 향상하게 되었다.
디스플레이에 관해서, 많은 사용자들은 데스크에 장착된 음극선관("CRT")의 능력과 동일한 크고, 깨끗하고, 선명한 스크린을 요구한다. 이러한 필요성에 대처하기 위해, 컴퓨터 제조업자들은 최소 전력을 요구하는 동시에 뛰어난 해상도, 컬러 및 콘트라스트를 제공하는 플랫 판넬 디스플레이 구축을 모색해왔다. 이러한 점에서 접하게 되는 한가지 어려운 점은 상당히 다양한 주위 광 상태에서 충분한 조도(휘도)를 제공하는 디스플레이를 생산하는 것이다.
전형적으로, 그러한 플랫 판넬 디스플레이용 조명 시스템은 디스플레이를 통하여 확산 광선을 향하게 하는 백 라이트 구조에 출력을 제공하는 확산 광소스, 예를 들면, 형광소스를 사용한다. 확산에 의해, 광 분포가 약 50도(분포의 중심으로부터 ± 25도)보다 더 큰 이분의 일 최대에서 전 폭(FWHM)을 갖는다는 것을 우리는 계획한다. 조명 시스템은 광 전송 수단의 입력 표면에 인접하여 위치된 광소스로부터 빛을 전송하고 조명 시스템의 출력 표면을 가로질러 광을 분산시키는 광 전송 수단, 예를 들면 도파관(광 파이프)을 구성할 수 있다. 광 전송 수단으로 도파관을 이용하는 몇몇 타입의 조명 시스템은 조명 시스템의 출력 표면으로부터 광을 향하게 하는 도파관상에 프린트되거나 또는 에칭되는 백색 점과 같은 광 산란 특징을 갖는다. 그러한 조명 시스템의 출력 표면 영역(영역(out))은 광소스에 인접하여 위치한 광 전송 수단의 입력 표면 영역(입력(in))보다 전형적으로 상당히 더 크다. 게다가, 조명 시스템의 출력 휘도(L(out))는 베어 소스의 고유 휘도(L(intrinsic))보다 상당히 더 적다. 베어 소스에 의해, 우리는 출력을 섭동할 수 있는 다른 광학 구조없이 동작하는 광소스를 계획한다.
향상된 출력 휘도(L(out))를 갖는 조명시스템을 갖는 것이 바람직한 많은 응용, 특히 영역(out)이 영역(in)보다 더 큰 응용이 있다. 본 발명에서, 향상된 출력 휘도를 이루는 방법과 몇몇의 경우에 베어 소스의 고유 휘도보다 더 큰 출력 휘도를 이루기 위한 방법을 보여줄 것이다.
발명의 개요
본 발명은 (1) 반사 방사 표면과 고유 휘도(L(intrinsic))를 갖는 광소스 수단; (2) 광소스 수단에 밀접한 광 입력 표면을 갖는 광 전송 수단; (3) 광소스 수단으로부터 다시 광소스 수단으로 방사된 광의 일부분을 반사시키고 순환시키기 위해 광소스 수단으로부터 분리된 광 반사 수단; 및 (4) (a) 광 전송 수단의 광의 적어도 일부분이 광 전송 수단으로부터 추출된 광 전송 수단의 한 표면을 갖는 광학적으로 접촉하는 광 입력 표면, (b) 추출된 광이 향하는 광 출력 표면, 및 선택적으로, (c) 조명 시스템의 출력이 광 전송 수단으로의 입력 광보다 더 콜리메이팅되는 광 출력 수단의 광 출력 표면과 광 입력 사이에 계속해서 개입되는 광 콜리메이팅 수단을 포함하는 광 추출 수단;을 포함하는 광 조명 시스템에 관한 것이다. 소스로부터 소스로 다시 빛의 일부분을 순환시킴으로써, 광소스는 단독의 베어 소스의 L(intrinsic)보다 더 큰 향상된 휘도(L(enhanced))를 나타낼 것이고, 게다가 조명 시스템의 출력 휘도(L(out))가 향상될 것이다. 그러나, 이것은 그것만으로 L(out)이 베어 소스의 L(intrinsic)보다 더 클 것이라는 것을 반드시 의미하는 것은 아니다. 광 전송 수단의 입력 영역(영역(in)), 조명 시스템의 출력 영역(영역(out)), 광 전송 수단의 입력 표면에서의 입력 광 콜리메이션 또는 입체각(Ω(in)) 및 조명 시스템의 출력 표면에서의 출력 광 콜리메이션 또는 입체각(Ω(out))에 의존하는 단지 어떤 조건하에서, 시스템의 출력 휘도(L(out))가 베어 광소스 수단의 고유 휘도(L(intrinsic))보다 더 큰 것이 가능하다.
본 발명의 일 실시예에서, 반사 방사 표면과 고유 휘도(L(intrinsic))을 갖는 광소스 수단은 광 전송 수단의 광 수용 표면에 인접하여 위치된다. 광 전송 수단은 광을 전송하는 어떤 구조일 수 있다. 광 전송 수단을 통하여 통과하는 광의 일 부분을 추출하고 광을 조명 시스템의 출력 표면으로 향하게 하는 광 추출 수단은 광학적으로 광 전송 수단의 일 면에 연결되어 있다. 광 반사 수단은 광소스 수단으로부터 반대편에 배치된 광 전송 수단의 광 수용 표면에 인접하여 위치된다. 광소스 수단으로부터의 적어도 광의 일부분은 광 전송 수단을 통하여 광 반사 수단으로 전송되고, 다시 광소스로 반사되며 다음에 광소스 수단의 반사 방사 표면으로부터 반사됨으로써 광소스 수단의 휘도를 향상시키고 조명 시스템의 출력 휘도를 향상시킨다. 영역(in), 영역(out), Ω(in) 및 Ω(out)의 조작에 의해, 광소스 수단의 고유 휘도보다 더 큰 조명 시스템에 대한 출력 휘도를 이루는 것이 가능하다.
본 발명의 다른 실시예에서, 각각 반사 방사 표면과 고유 휘도(L(intrinsic))를 갖는 두 개의 광소스 수단은 광 전송 수단의 반대편에 배치된 광 수용 표면에 인접하여 위치된다. 광 전송 수단은 광을 전송하는 어떤 수단일 수 있다. 광 전송 수단을 통하여 통과하는 광의 일부분을 추출하고 광을 조명 시스템의 출력표면으로 향하게하는 광 추출 수단은 광 전송 수단의 일 면에 광학적으로 연결되어 있다. 제 2 광소스 수단은 제 1 광소스로의 반사 수단으로써 동작하고 역도 또한 마찬가지이다. 제 1 광소스 수단으로부터의 적어도 광의 일부분은 광 전송 수단을 통하여 광 반사 수단(제 2 광소스 수단)으로 전송되고, 제 1 광소스 수단으로 다시 반사되며, 다음에 제 1 광소스 수단의 반사 방사 표면에서 반사됨으로써 제 1 광소스 수단의 휘도를 향상시키고 조명 시스템의 출력 휘도를 향상시킨다. 유사하게, 제 2 광소스 수단으로부터의 적어도 광의 일부분은 광 전송수단을 통하여 광 반사수단(제 1 광소스 수단)으로 전송하고, 다시 제 2 광소스 수단으로 반사되며, 다음에 제 2 광소스 수단의 반사 방사 표면으로부터 반사됨으로써 제 2 광소스 수단의 휘도를 향상시키고 조명 시스템의 출력 휘도를 향상시킨다. 영역(in), 영역(out), Ω(in) 및 Ω(out)의 조작에 의해, 광소스 수단의 고유 휘도보다 더 큰 조명 시스템에 대한 출력 휘도를 이루는 것이 가능하다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 반사 방사 표면과 고유 휘도(L(intrinsic))를 갖는 광소스 수단은 광 전송 수단의 광 수용 표면에 인접하여 위치된다. 광 전송수단은 광을 전송하는 어떤 구조일 수 있다. 광 전송수단을 통하여 통과하는 광의 적어도 일 부분을 추출하고 광을 조명 시스템의 출력 표면으로 향하게 하는 광 추출 수단은 광 전송 수단의 일 표면에 광학적으로 연결되어 있다. 광 반사수단은 광소스 수단을 부분적으로 둘러싸도록 위치된다. 광소스 수단으로부터의 광의 일부분은 광 전송수단을 통하여 전송되고 조명 시스템의 출력 표면을 나간다. 광소스 수단으로부터의 적어도 광의 일부분은 광 반사수단으로 전송하고, 다시 광소스 수단으로 다시 반사되며, 다음에 광소스 수단의 반사 방사 표면으로부터 반사됨으로써 광소스 수단의 휘도를 향상시키고 조명 시스템의 출력 휘도를 향상시킨다. 영역(in), 영역(out), Ω(in), Ω(out) 및 광 반사 수단의 영역의 조작에 의해, 광소스 수단의 고유 휘도보다 더 큰 조명 시스템에 대한 출력 휘도를 이루는 것이 가능하다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 반사 방사 표면과 고유 휘도(L(intrinsic))를 갖는 광소스 수단은 광 전송수단의 광 수용 표면에 밀접하게 위치된다. 광 전송수단은 광을 전송하는 어떤 구조일 수 있다. 광 전송 수단을 통하여 통과하는 적어도 광의 일부분을 추출하고 광을 조명 시스템의 출력 표면으로 향하게 하는 광 추출 수단은 광 전송수단의 일 표면에 광학적으로 연결되어 있다. 광 반사 수단은 광소스 수단과 광 전송수단의 광 수용 표면사이에 위치된다. 본 예에서, 광 반사수단은 광소스 수단에서 다시 광 반사수단상에 충돌하는 빛의 일 부분을 부분적으로 반사하고 광소스 수단으로부터 광 전송 수단의 입력 표면으로 광의 또 다른 일 부분을 전송한다. 광 반사 수단과 광 추출 수단을 통해 전송된 빛의 상기 부분은 광 전송 수단을 통하여 더 전송되고 조명 시스템의 출력 표면을 나간다. 광 반사 수단에 의해 반사되는 광소스 수단으로부터의 빛의 부분은 다시 광소스 수단으로 향하고 그렇게 함으로써 광소스 수단의 휘도와 조명 시스템의 출력 휘도를 향상시킨다. 영역(in), 영역(out), Ω(in)및 Ω(out)의 조작에 의해, 광소스 수단의 고유 휘도보다 더 큰 조명 시스템에 대한 출력 휘도를 이루는 것이 가능하다.
다른 구성에서 광을 서로 반사시키도록 정렬된 다중 광소스가 사용될 수 있다. 더우기, 단일 또는 다중 소스는 조명 시스템의 반사 능력을 향상시키기 위해 소스를 부분적으로 둘러싼 반사기와 결합될 수 있다.
여기에 설명되는 조명 시스템은 조명 시스템을 사용하는 시스템에서 폭 넓은 응용을 갖는다. 상기 시스템은 직접 조명 디바이스, 프로젝션 디스플레이 디바이스, 자동차 기구의 판넬용 플랫 판넬 디스플레이, 게임, 방송 텔레비젼 수신기, 군용, 항공우주와 아비오닉스 관련 응용, 컴퓨터 모니터 및 영숫자, 수자, 데이터 또는 비디오 정보를 제공하는 다른 디바이스에 사용될 수 있다. 다른 응용은 많은 타입의 가정용, 상업용 및 산업용 광 응용을 포함한다.
본 발명은 일반적으로 조명 시스템과 플랫 판넬 디스플레이용 조명 시스템을 포함하는 전기 디바이스에 관한 것이다.
여기에 열거되지 않은 다른 목적과 이점뿐만 아니라 본 발명의 더 완전한 이해는 이어지는 발명의 상세한 설명과 첨부된 도면을 고려하면 분명해 질 것이다.
도 1은 반사 방사 표면과 마주보고 있는 반사기를 갖는 단일 광소스 수단을 포함하는 조명 시스템의 단면도이다.
도 2는 두개의 반사 방사 광소스 수단을 갖는 조명 시스템의 단면도이다.
도 3은 둘러싸는 반사기를 갖는 하나의 광소스 수단을 갖는 조명 시스템의 단면도이다.
도 4는 광소스 수단과 광 전송 수단사이에 위치된 반사 수단을 갖는 조명 시스템의 단면도이다.
도 5는 도 4의 조명 시스템을 구비하여 사용될 수 있는 반사 수단의 단면도이다.
도 6은 도 4의 조명 시스템을 구비하여 사용될 수 있는 다른 반사 수단의 단면도이다.
본 발명의 바람직한 실시예는 상기 도면을 참조함으로써 해당 분야에 능숙한 당업자에게는 더 잘 이해될 것이다. 도면에 도시된 본 발명의 바람직한 실시예는 철저히 논술되거나 또는 본 발명을 개시된 분명한 형태로 제한하는 것이 의도되지는 않는다. 도면은 본 발명의 원리와 응용할 수 있고 실질적으로 사용함으로써 해당 분야에 능숙한 다른 당업자가 본 발명을 최선으로 이용하도록 묘사하고 최선으로 설명하기 위해 선택된다.
본 발명의 일 실시예는 도 1의 단면도로 도시되는 바와 같은 조명 시스템(10)이다. 상기 도면은 단순히 구조의 표현이고 실제적이고 상대적인 차원은 상이할 것이다. 조명 시스템(10)은 반사 방사 표면(25)을 갖는 광소스 수단(20)을 구비한다. 반사 방사 표면을 갖는 광소스 수단의 예는, 제한적이지는 않지만, 형광 램프, 음극 발광 형광체 램프, 단일 크리스탈 형광체 램프, 박막 형광체 소스, 발광 다이오드(LED), 유기 발광 다이오드, 전계 발광 후막 소스, 백열 소스같은 그레이 보디 방사기 및 플라즈마 방전 소스를 포함한다. 바람직한 광소스는 형광 램프와 발광 다이오드이다.
광 전송 수단(30)은 광을 전송하는 어떤 구조일 수 있다. 광 전송 수단은, 제한적이지는 않지만, 도파관, 광 파이프, 광 웨지, 반사기에 의해 부분적으로 둘러싸인 중공 도파관 또는 해당 분야의 당업자에게 공지된 어떤 다른 구조와 같은 반사를 경유하여 광을 전송하는 구조를 포함한다. 바람직하게 광 전송 수단(30)은 광소스 수단(20)으로부터 광을 수용하는 입력 표면(35)을 갖는 도파관이다. 총 내부 반사(TIR)를 통하여, 도파관(30)은 광소스(20)에 의해 발생된 광선을 도파관(30)내에 실질적으로 반사시키는 원인이 된다. 반사 표면(45)을 갖는 광 반사 수단(40)은 광소스 수단(20)에 대하여 도파관(30)의 반대편 끝에 위치된다. 광 반사 수단은 표면상에 광 입사의 적어도 일 부분을 반사하는 어떤 표면일 수 있다. 표면은 반사(거울) 또는 반사를 확산할 수 있고 평평한 면, 자른 면 또는 곡면일 수 있다.
광 추출 수단(50)은 도파관(30)과 광학적으로 접촉하고 입력 표면(52)과 출력 표면(54)을 갖는다. 광 추출 수단(50)은 도파관(30)을 통과하여 통과하는 광 플럭스의 일부분을 추출한다. 추출된 광은 입력 표면(52)을 통하여 광 추출 수단(50)의 출력 표면(54)으로 통과한다. 광 추출 수단(50)의 출력 표면(54)은 또한 조명 시스템(10)에 대한 출력 표면이다. 광 추출 수단(50)은 광 전송 수단에 광학적으로 접촉하여 위치될 수 있고 광 전송 수단으로부터 광의 일 부분을 제거하는 단순한 렌즈, 프리즘, 표면이 거칠은 영역 또는 해당 분야에 능숙한 당업자에게 공지된 어떤 다른 구조와 같은 어떤 광학 구조일 수 있다.
조명 시스템의 출력 표면 영역이 광 전송 수단의 입력 표면보다 더 크다면, 바람직하게 광 추출 수단(50)은 또한 광 콜리메이팅 수단을 포함한다. 광 콜리메이팅 수단의 예는 Beeson등의 A Backlighting Apparatus Employing an Array of Microprisms에 대해 1995년 3월 7일 발행된 미국 특허 번호 제 5,396,350호와 Zimmerman등의 An Illumination System Employing an Array of Microprisms에 대해 1995년 6월 27일 발행된 미국 특허 번호 제 5,428,468호 및 Beeson등의 An Illumination System Employing an Array of Microprisms에 대해 1996년 5월 28일 발행된 미국 특허 번호 제 5,521,725호에 개시되어 있고, 모두 여기에서 참조로써 사용된다. 광 콜리메이팅 수단의 일 예는 각각의 마이크로프리즘이 (i) 광 전송 수단에 광학적으로 연결된 광 입력 표면, (ii) 광 입력 표면으로부터 먼 광 출력 표면, (iii) 광 입력 표면과 광 출력 표면사이에 근접하게 배치되고 광 전송 수단의 표면의 법선에 대하여 경사각을 형성하는 제 1 측벽을 포함하는 마이크로프리즘의 어레이이다. 제 2 예로써, 광 추출 수단(50)은 광 전송 수단(30)과 광 추출 수단(50)사이에 배치된 굴절층의 낮은 인덱스와 결합하여 사용될 수 있다. 굴절층의 이 낮은 인덱스는 단지 초기 광각 분포의 선택된 부분이 시스템의 출력으로부터 나타나게함으로써 조명 시스템의 출력 광을 부분적으로 콜리메이팅하도록 동작한다. 추가 옵션으로써, 마이크로렌즈의 어레이는 각 마이크로프리즘의 출력이 적어도 하나의 대응하는 마이크로렌즈로 향하도록 마이크로프리즘의 어레이와 결합하여 사용될 수 있다. 해당 분야에 능숙한 당업자에게 공지된 다른 타입의 광 콜리메이팅 수단이 또한 본 발명에 대해서 사용될 수 있다.
조명 시스템(10)이 어떤 기능을 하는지 더 이해하기 위해, 몇몇의 대표적인 화살표가 조명 시스템(10)내의 몇몇의 광에서 발생할 수 있는 이벤트의 시퀀스를 나타내는 도 1이 도시된다. 이 화살표는 예시적인 목적으로 단지 도시되고 모든 광이 이벤트의 동일한 시퀀스를 수행하는 것을 암시하는 것은 아니다. 시퀀스의 초기에서, 광은 광소스 수단(20)의 표면(25)에 의해 방사된다. 방사 표면에 부가하여, 이 표면은 또한 r(1)의 반사율을 갖는 반사 표면이다. 광소스 수단의 부근에서 다른 광학 구조가 없이 측정된 광소스 수단(20)의 고유 조도 또는 휘도는 L(intrinsic)이다. 몇몇의 광은 표면 영역(영역(in))을 갖는 도파관 입력 표면(35)에서 도파관(30)에 들어간다. 입력 표면(35)에서 광의 휘도는 L(in)이다. 입력 표면(35)으로 통과하는 광의 입체각 분포(공기에서)는 Ω(in)이다. 도파관(30)으로 들어온 광 플럭스는 화살표(60)로 나타낸다. 화살표(62)로 나타낸 광(60)의 부분[x]은 광 추출 수단(50)에 의해 추출되고 출력 표면(54)을 통하여 조명 시스템(10)으로부터 나타날 것이다. [x]의 값은 0에서 1까지의 범위일 수 있다. [x]가 0.01과 0.80사이에 있는 것이 바람직하다. [x]가 0.01과 0.60사이에 있는 것이 더 바람직하다. [x]가 0.01과 0.40사이에 있는 것이 가장 바람직하다. 출력 표면(54)으로부터 나타나는 광의 입체각 분포(공기에서)는 Ω(out)이고 출력 표면(54)의 영역은 영역(out)이다. 화살표(64)로 나타내는 광(60)의 잔여 부분[1-x]은 TIR에 의해 계속해서 도파관을 통과하고 표면(36)에서 도파관(30)을 나갈 것이다. 몇몇의 광(64)은 반사기(40)의 반사 표면(45)에 의해 반사될 것이고 표면(36)에서 도파관으로 다시 들어갈 것이다. 반사 표면의 반사율은 r(2)이다. 도파관(30)으로 다시 들어온 초기 광(60)의 부분은 [1-x][r(2)]이고 화살표(70)으로 지정된다. 광(70)의 부분[x] 또는 등가적으로 초기 광(60)의 부분[x][1-x][r(2)]은 추출 수단(50)에 의해 추출되고 입체각 분포(Ω(out))를 갖는 출력 표면(54)(화살표(72)로 도시)을 통하여 조명 시스템(10)으로부터 나온다. 광(70)(화살표(74)로 지정)의 잔여 부분[1-x], 또는 초기 광(60)의 등가 부분[1-x][1-x][r(2)]은 일순한 후에 다시 광소스 수단(20)으로 순환될 것이다. 광소스 수단(20)으로부터 반사기(40)로 그리고 광소스 수단(20)으로 다시 일순한 후에 광소스 수단(20)으로 다시 순환되는 초기 광(60)의 부분은 R에 의해 지정되며, 여기에서 R의 크기는
(1) R = [1-x][1-x][r(2)]
로 주어진다.
광소스 수단(20)의 방사 표면이 반사율(r(1))로 반사되기 때문에, [r(1)R]에 동일한 광(74)의 몇몇의 부분은 도파관(30)으로 다시 반사될 것이고 화살표(80)으로 지정된다. 광소스의 휘도는 반사된 광에 의해 향상될 것이다. 광소스 수단(20)으로부터 반사기(40)로 그리고 다시 광소스 수단(20)으로 광의 일순한 결과로 초래된 향상된 휘도(L(enhanced))는
(2) L(enhanced) = [L(intrinsic)][1+r(1)R]
로 주어지고, 여기에서 r(1)은 광소스 수단(20)의 반사율이고 R은 등식(1)에 의해 주어진다. 도파관(30)으로 다시 반사되는 광(80)은 초기 광(60)과 같이 이벤트의 동일한 시퀀스를 반복할 수 있다. 광(80)의 일 부분은 광소스 수단(20)으로 다시 반사될 수 있고 소스 휘도의 부가적인 향상을 초래한다. 초기 광(60)으로부터 남아있는 광의 이회전 후에, 소스의 휘도는
(3) L(enhanced) = [L(intrinsic)][1+r(1)R+[r(1)R]2]
이 된다.
이벤트의 이러한 시퀀스는 여러번 발생될 수 있다. 등식(3)은 다음에 급수의 각 항이 급수의 전항을 취함으로써 계산되고 인자[r(1)R]를 곱함으로써 무한 기하 급수가 된다. 기하 급수의 합은 단순한 수학적 표현으로 주어진다. 예를 들면, 초기 광(60)의 일 부분이 광소스 수단(20)으로부터 반사기(40)로 다시 광소스 수단(20)으로 많이 순환할 때 발생하는 향상된 휘도는
(4) L(enhanced) = [L(intrinsic)]{1/[1-r(1)R]}
로 주어진다. 등식(4)에서, 방사 표면(25)의 반사율 r(1)의 값은 0과 1사이의 수이다. 순환된 광의 부분(R)은 또한 0과 1사이의 수이다. 따라서, 두 수의 곱(r(1)R) 또한 0과 1 사이의 수이다. 반사율(r(1))과 순환되는 광의 부분(R)이 등식(4)의 R과 r(1)에 대한 특정한 값을 대체함으로써 휘도의 향상에 얼마나 영향을 끼치는지를 알 수 있다. 예를 들면, r(1)=0.9(상대적으로 높은 수)이고 재순환R=0.1이라면, 향상된 휘도는 고유 휘도의 단지 1.10배이다. r(1)=0.9이고 R=0.5라면, 향상된 휘도는 고유 휘도의 1.82배이다. r(1)=0.9이고 R=0.9라면, 향상된 휘도는 고유 휘도의 5.26배이다. 소스의 휘도에 상당한 향상을 얻기위해, 광소스의 반사율이 0.5와 1.0사이에 있는 것이 바람직하다. 광소스의 반사율이 0.7과 1.0사이에 있는 것이 더 바람직하다. 광소스의 반사율이 0.9와 1.0사이에 있는 것이 가장 바람직하다. 광소스 휘도의 어떤 향상을 얻기 위해, 광소스로 다시 순환되는 광소스에 의해 방사된 광이 영이 아닌 부분(R)이어야 한다. 순환된 광의 부분(R)이 0.10과 0.99사이에 있는 것이 바람직하다. 순환된 광의 부분(R)이 0.25와 0.99사이에 있는 것이 더 바람직하다. 순환된 광의 부분(R)이 0.40과 0.99사이에 있는 것이 가장 바람직하다.
전술한 바와 같이, 소스에 의해 방사된 몇몇의 광이 향상된 휘도(L(enhanced))를 갖는 소스를 초래하는 소스로 다시 순환될지라도, 여기에서 L(enhanced)는 고유 휘도(L(intrinsic))보다 더 크다, 조명 시스템(10)의 출력 휘도(L(out))는 L(intrinsic)보다 더 클 것이다. L(out)의 크기는 (a) 광소스 수단에 인접한 광 전송 수단의 표면의 입력 영역(영역(in)), (b) 조명 시스템의 출력 표면의 출력 영역(영역(out)), (c) 입력 표면에서의 입력 광 콜리메이션 또는 입체각(Ω(in)) 및 (d) 조명 시스템의 출력 표면에서의 출력 광 콜리메이션 또는 입체각(Ω(out))에 강하게 의존한다. 모든 경우에, L(out)이 가질 수 있는 최대값은 L(enhanced)이다. 예시적인 예에서와 같이, 몇몇의 광이 소스로 다시 순환되는 조명 시스템에 대하여 광 전송 수단의 입력 표면에서의 광의 각 분포와 조명 시스템의 출력에서의 광의 각 분포가 둘다 동일[Ω(in)=Ω(out)]하다는 것을 가정하자. 광 전송 수단의 입력 표면의 영역(영역(in))이 조명 시스템의 출력 영역(영역(out))과 동일하고 시스템에 광 손실이 없다면, 다음에 L(out)이 L(enhanced)와 동일하게 되고 시스템 출력 휘도(L(out))이 소스의 고유 휘도(L(intrinsic))보다 크게 될 것이다.
대부분의 실제적인 조명 시스템에서, 영역(out)은 영역(in)보다 상당히 더 크다. 후자의 예에서, 광 추출 수단(50)이 광 출력 분포(Ω(out))에 의해 마주보게 되는 입체각이 광 입력 광 분포(Ω(in)에 의해 마주보게 되는 입체각보다 작아지도록(즉, 광 출력 분포가 광 입력 분포보다 더 콜리메이팅됨), 광 콜리메이팅 수단을 포함해야만 조명 시스템이 소스의 고유 휘도보다 더 큰 출력 휘도를 갖는 것이 가능하다. 단순화를 위해 입력과 출력 분포가 램버르션 또는 절단된 램버르션 분포라고 가정하고 시스템이 손실이 없으며 평형상태라고 가정하면, 플럭스의 보존은 결과적으로
(5) [L(out)][영역(out)][Ω(out)] = [L(enhanced)][영역(in)][Ω(in)]
이 된다. 램버르션에 의해, 광 분포가 어떤 각으로부터 조사될때 동일한 휘도를 갖도록 하고자 한다. 절단된 램버르션 분포는 컷오프 각으로부터의 램버르션이고 다음에 컷오프후에 영인 분포이다. L(out)에 대하여 풀면,
(6) [L(out)] = {[L(enhanced)][영역(in)][Ω(in)]}/{[영역(out)][Ω(out)]}
이다.
등식(6)으로부터, 최대값(L(out)=L(enhanced))은 광 출력 분포가 광 입력 분포보다 더 콜리메이팅된다면 이루어 질 수 있고, 광 출력 콜리메이션은
(7) Ω(out) = {[영역(in)][Ω(in)]}/[영역(out)]
로 주어진다. 상기 예는 개념을 설명하기 위해 손실없는 시스템을 가정하여 단순화된 방법으로 표현되었다. 실제 상황에서, 해당 분야에 능숙한 당업자에 의해 이해되는 바와 같이, 산란 또는 흡수와 같은 상황에 기인한 광 손실은 수학적 분석을 복잡하게 하고 등식((5)-(7))은 수정될 필요가 있다.
본 발명의 또 다른 실시예는 도 2의 단면도로 도시되는 조명 시스템(100)이다. 이 실시예는 각각 반사 표면을 갖는 두개의 광소스 수단을 갖는다. 이 도면은 실제적이고 대응하는 차원이 상이할 수 있는 구조의 단순한 표현이다. 조명 시스템(100)은 반사 방사 표면(125)을 갖는 광소스 수단(120)을 갖는다. 광 전송 수단(130)은, 예를 들면, 광소스 수단(120)으로부터 광을 수용하는 입력 표면(135)을 갖는 도파관이다. 광 전송 수단의 다른 예는 제 1 실시예에서 논의 되었다. 총 내부 반사(TIR)를 통하여, 도파관(130)은 광소스 수단(120)에 의해 발생된 광선을 실질적으로 도파관(130)내에 반사되게 한다. 반사 표면(145)을 갖는 부가적인 광소스 수단(140)은 광소스와 반사기로써 사용될 수 있고 광소스 수단(120)에 비하여 도파관(130)의 반대쪽 끝에 위치된다. 광 추출 수단(150)은 도파관(130)과 광학적으로 접촉되어 있고 입력 표면(152)과 출력 표면(154)를 갖는다. 광 추출 수단(150)은 도파관(130)을 통하여 통과하는 광 플럭스의 일 부분을 추출한다. 추출된 광은 입력 표면(152)을 통하여 광 추출 수단(150)의 출력 표면(154) 밖으로 통과하여 나간다. 광 추출 수단(150)의 출력 수단(154)은 또한 조명 시스템(100)에 대한 출력 표면이다.
조명 시스템(100)이 어떤 기능을 하는지 이해하기 위하여, 몇몇의 대표적인 화살표가 조명 시스템(100)내의 몇몇의 광에 발생할 수 있는 이벤트의 시퀀스를 나타내는 도 2에 도시된다. 이 화살표는 도시적인 목적으로 도시되고 모든 광이 이벤트의 동일한 시퀀스를 수행하는 것을 내포하지는 않는다. 시퀀스의 초기에서 우선 광소스 수단(120)을 보면, 광은 광소스 수단(120)의 표면(125)에 의해 방사된다. 방사 표면에 부가하여, 이 표면은 또한 r(1)의 반사율을 갖는 반사 표면이다. 광소스 수단(120)의 부근에 다른 광학 구조없이 측정된 광소스 수단의 고유 휘도 또는 휘도는 L(intrinsic)이다. 광소스 수단(120)으로부터의 몇몇의 광은 표면 영역(영역(in))을 갖는 도파관 입력 표면(135)에서 도판관(130)으로 들어온다. 입력 표면(135)에서의 광의 휘도는 L(in)이다. 입력 표면으로 통과하는 광의 입체각 분포(공기에서)는 Ω(in)이다. 도파관(130)으로 들어온 광 플럭스는 화살표(160)로 지정된다. 화살표(162)로 지정된 광(160)의 부분[x']은 광 추출 수단(150)에 의해 추출되고 출력 표면(154)을 통하여 조명 시스템(100)으로부터 나타날 것이다. [x']의 값은 0에서 1까지의 범위일 수 있다. [x']이 0.01과 0.80사이가 바람직하다. [x']이 0.01과 0.60사이인 것이 더 바람직하다. [x']이 0.01과 0.40사이인 것이 가장 바람직하다. 출력 표면(154)으로부터 나오는 광의 입체각 분포(공기에서)는 Ω(out)이고 출력 표면(154)의 영역은 (영역(out))이다. 화살표(164)로 지정된 광(160)의 잔여 부분[1-x']은 TIR에 의해 도파관(130)을 통하여 계속될 것이고 표면(136)에서 도파관(130)을 나간다. 몇몇의 광(164)은 광소스 수단(140)의 반사 표면(145)에 의해 반사되고 표면(136)에서 도파관(130)으로 다시 들어간다. 광소스 수단(140)의 반사 표면(145)의 반사율은 r(2)이다. 도파관(130)으로 다시 들어가는 초기 광(160)의 부분은 [1-x'][r(2)]이고 화살표(170)로 지정된다. 광(170)의 부분[x'], 또는 동등하게 초기 광(160)의 부분[x'][1-x'][r(2)]은 광 추출 수단(150)에 의해 추출되고 입체각(Ω(out))을 갖는 출력 표면(154)(화살표(172)로 도시)을 통하여 조명 시스템(100)에서 나올 것이다. 광(170)의 잔여 부분[1-x'], 또는 등가적으로 초기 광(160)의 부분[1-x'][1-x'][r(2)](화살표 174로 지정됨)은 일순한 후에 광소스 수단(120)으로 다시 순환될 것이다. 광소스 수단(120)으로부터 광소스 수단(140)으로의 일순후에 광소스 수단(120)으로 다시 순환되고 광소스 수단(120)으로 다시 순환되는 초기 광(160)의 일부분은 R'으로 지정되며, 여기에서 R'의 크기는
(8) R' = [1-x'][1-x'][r(2)]
로 주어진다. 광소스 수단(120)의 방사 표면(125)이 반사율(r(1))으로 반사되기 때문에, [r(1)R']과 동일한 광(174)의 어느 정도의 부분은 도파관(130)으로 다시 반사될 것이고 화살표(180)로 지정된다. 광소스의 휘도는 반사된 광에 의해 향상될 것이다. 광소스 수단(120)으로부터 광소스 수단(140)으로 일순하고 다시 광소스 수단(120)으로 나가면서 초래되는 향상된 휘도(L(enhanced))는
(9) L(enhanced) = [L(intrinsic)][1+r(1)R']
으로 주어지고, 여기에서 r(1)은 광소스 수단(120)의 반사율이고 R'은 등식(8)에 의해 주어진다. 도파관(130)으로 다시 반사되는 광(180)은 초기 광(160)의 이벤트의 동일한 시퀀스를 반복할 수 있다. 광(180)의 일부분은 광소스 수단(120)으로 다시 반사될 수 있고 결과적으로 소스 휘도의 부가적인 향상을 가져온다. 초기 광(160)으로부터 남아있는 광의 제 2의 순환후에, 소스의 휘도는
(10) L(enhanced) = [L(intrinsic)][1+r(1)R'+[r(1)R']2]
이 된다. 이벤트의 이 시퀀스는 여러번 발생할 수 있다. 등식(10)은 다음에 급수의 각 항이 급수의 이전 항을 취하고 인자([r(1)R'])를 곱함으로써 계산되는 무한 기하 급수가 된다. 기하 급수의 합은 단순한 수학적 표현으로 주어진다. 상기 예를 들면, 초기 광(160)의 일부분이 광소스 수단(120)으로부터 광소스 수단(140)으로 그리고 다시 광소스 수단(120)으로 상당히 많은 순환을 한때의 향상된 휘도는
(11) L(enhanced) = [L(intrinsic)]{1/[1-r(1)R']}
로 주어진다. 등식(11)은 광소스 수단(120)으로 다시 순환되는 광소스 수단(120)에 의한 광 방사에 기인한 광소스 수단(120)의 향상된 휘도에 대한 표현이다.
등식(11)은 광소스 수단(140)에 의해 방사된 광에 기인한 광소스 수단(120)의 휘도에 부가적인 향상을 포함하지 않는다. 이 부가적인 향상은 또한 도 2에 도시된다. 도 2에 도시되는 바와 같이 이벤트의 이러한 제 2 시퀀스의 초기에서, 광은 광소스 수단(140)의 표면(145)에 의해 방사된다. 상기에 설명된 바와 같이 표면(145)은 r(2)의 반사율을 갖는다. 광소스 수단(140)의 부근에 다른 광학 구조없이 측정된 광소스 수단(140)의 고유 휘도 또는 밝기는 광소스 수단(120)의 휘도 또는 L(intrinsic)과 동일하다고 가정된다. 단순화하기 위해, 광소스 수단(140)에 대한 L(in), 영역(in) 및 Ω(in)의 값은 광소스 수단(120)에 대한 등가값과 또한 동일하다고 가정된다. 해당 분야에 능숙한 당업자에게 공지된 바와 같이, 광소스 수단(140,120)에 대한 이러한 값이 동일할 필요는 없다. 광소스 수단(140)으로부터의 몇몇의 광은 표면 영역(영역(in))을 갖는 표면(136)에서 도파관에서의 도파관(130)으로 들어간다. 입력 표면(136)에서의 광의 휘도는 L(in)이다. 입력 표면(136)으로 통과하는 광의 입체각 분포(공기에서)는 Ω(in)이다. 도파관(130)으로 들어온 광 플럭스는 화살표(190)로 지정된다. 화살표(192)로 지정된 광(190)의 일부분[x']은 광 추출 수단(150)에 의해 추출될 것이고 출력 표면(154)을 통하여 조명 시스템(100)으로부터 나온다. 출력 표면(154)으로부터 나오는 광의 입체각 분포(공기에서)는 Ω(out)이고 출력 표면(154)의 영역은 영역(out)이다. 화살표(194)로 지정된 광(190)의 잔여 부분[1-x']은 TIR에 의해 계속해서 도파관(130)을 통할 것이고 표면(135)에서 도파관(130)을 나온다. 몇몇의 광(194)은 광소스 수단(120)의 반사 표면(125)에 의해 반사될 것이고 표면(135)에서 도파관(130)으로 다시 들어올 것이다. 광소스 수단(120)의 반사 표면(125)의 반사율은 r(1)이다. 도파관(130)에 다시 들어온 초기 광(190)의 상기 부분은 [1-x'][r(1)]이고 화살표(200)으로 지정된다. 이 광은 광소스 수단(120)의 표면 휘도를 부가할 것이다. 광소스 수단(120)으로부터 반사된 이 부가적인 광(200)은 다음에 광(160)과 같은 이벤트의 동일한 시퀀스를 통하여 순환할 것이다. 광소스 수단(120)의 결과적인 향상된 밝기(L(enhanced))는 광소스 수단(120)으로부터 다시 광소스 수단(120)으로 방사된 순환 광의 효과와 광소스 수단(140)에 의해 다시 광소스 수단(120)으로 처음에 방사된 반사광과 순환광의 효과의 합이다. 두개의 광소스에 기인한 총 향상된 밝기(L(enhanced))는
(12) L(enhanced) = [L(intrinsic)]{1+[1-x'][r(1)]}{1/[1-r(1)R']}
으로 주어진다. 등식(12)에 의해 주어진 관계는 등식(11)과 유사하지만 소스 수단(140)으로부터 방사되는 광에 기인한 부가적인 항을 갖는다. 광소스 수단(140)의 휘도는 광소스 수단(140)으로부터 광소스 수단(140)으로 다시 순환되는 광에 기인하여 유사한 향상을 수행한다. 등식(14)에서, [x']은 도파관(130)을 통한 광의 한번 통과에서 광 추출 수단(150)에 의해 추출되는 도파관(130)내의 광의 부분이다. [x']의 값은 0에서 1까지의 범위이다. 바람직하게 [x']의 값은 0.01과 0.80사이이다. 더 바람직하게, [x']의 값은 0.01과 0.60사이이다. 가장 바람직하게, [x']의 값은 0.01과 0.40사이의 값이다. 소스의 휘도에 상당한 향상을 얻기 위해서는, 광소스 수단(120,140)의 반사율이 0.5와 1.0사이인 것이 바람직하다. 광소스 수단(120,140)의 반사율이 0.7과 1.0사이인 것이 더 바람직하다. 광소스 수단(120,140)의 반사율이 0.9과 1.0사이인 것이 가장 바람직하다. 광소스 휘도의 어떤 향상을 갖기 위해서, 다시 소스로 순환되는 광소스에 의해 방사된 광의 부분(R')이 영이 아니어야 한다. 순환된 광의 부분(R')이 0.10과 0.99사이에 있는 것이 바람직하다. 순환된 광의 부분(R')이 0.25과 0.99사이에 있는 것이 더 바람직하다. 순환된 광의 부분(R')이 0.40과 0.99사이에 있는 것이 가장 바람직하다.
도 2에 도시된 예에서, 두개의 광소스 수단에 의해 방사된 몇몇의 광이 소스에 향상된 휘도를 갖게 소스로 다시 순환될지라도, 조명 시스템(100)의 출력 휘도가 소스의 고유 휘도보다 더 크게될 필요는 없다. 도 1에서의 파라미터(영역(in), 영역(out), Ω(in) 및 Ω(out))가 또한 중요하다. 출력 휘도와 이 파라미터사이의 관계의 계산은 등식(5)-(7)에 도시된 계산과 유사하다. 많은 실제의 응용에서, 영역(out)은 각 광소스에 대한 영역(in)보다 상당히 더 크다. 그러한 경우에, 광 추출 수단은 L(out)이 L(intrinsic)보다 더 큰 상황을 이루기 위해 광 콜리메이팅 수단을 포함할 필요가 있다. 광 콜리메이팅 수단의 예는 상기 도 1에 관계된 제 1 실시예에 주어진다.
본 발명의 또 다른 실시예는 도 3의 단면도로 도시되는 바와 같은 조명 시스템(300)이다. 이 실시예는 반사 방사 표면을 갖는 한개의 광소스 수단을 갖는다. 이 광소스 수단은 반사 표면을 갖는 반사 수단에 의해 부분적으로 둘러싸인다. 이 도면은 단순히 실제와 상대적인 차원이 상이할 수 있는 구조의 표현이다. 조명 시스템(300)은 반사 방사 표면(325)을 갖는 광소스 수단(320)을 갖는다. 광소스 수단(320)은 광 반사 표면(345)을 갖는 반사 수단(340)에 의해 부분적으로 둘러싸여 있다. 광 전송 수단(330)은, 예를 들면, 광소스 수단(320)으로부터 광을 수용하는 입력 표면(335)을 갖는 테이퍼된 도파관이다. 광 전송 수단의 다른 예는 제 1 실시예에서 주어진다. 총 내부 반사(TIR)를 통하여, 도파관(330)은 광소스 수단(320)에 의해 발생된 광선이 실질적으로 도파관(330)내에서 반사되게 한다. 광 추출 수단(350)은 도파관(330)과 광학적으로 접촉되어 있고 입력 표면(352)과 출력 표면(354)을 갖는다. 광 추출 수단(350)은 도파관(330)을 통하여 통과하는 광 플럭스의 적어도 일부분을 추출한다. 추출된 광은 입력 표면(352)을 통하여 광 추출 수단(350)의 출력 표면(354) 밖으로 통과한다. 광 추출 수단(350)의 출력 표면(354)은 또한 조명 시스템(300)에 대한 출력 표면이다.
조명 시스템(300)의 기능을 이해하기 위해, 조명 시스템(300)내의 몇몇의 광에 발생할 수 있는 이벤트의 시퀀스를 나타내는 몇 개의 대표적인 화살표가 도 3에 도시된다. 이 화살표는 단지 예시적인 목적으로 도시되는 것이지 모든 광이 이벤트의 동일한 시퀀스를 수행할 것이라는 것을 의미하는 것은 아니다. 우선 광소스 수단(320)을 보면, 시퀀스의 초기에서, 광은 광소스 수단(320)의 표면에 의해 방사된다. 이 광은 도 3에서 화살표(360)로 지정된다. 방사 표면에 부가하여, 이 표면은 또한 r(1)의 반사율을 갖는 반사기이다. 광소스 수단(320)의 부근에 다른 광학 구조 없이 측정된 광소스 수단(320)의 고유 휘도 또는 밝기는 L(intrinsic)이다. 광소스 수단(320)으로부터의 광의 몇몇 부분[x"]은 표면 영역을 갖는 도파관 입력 표면(335)에서 도파관(330)으로 들어온다. [x"]의 값은 0에서 1까지의 범위일 수 있다. [x"]의 값은 0.01에서 0.80사이인 것이 바람직하다. [x"]의 값은 0.01에서 0.60사이인 것이 더 바람직하다. [x"]의 값은 0.01에서 0.40사이인 것이 가장 바람직하다. 입력 표면(335)에서의 광의 휘도는 L(in)이다. 입력 표면(335)으로 통과하는 광의 입체각 분포(공기에서)는 Ω(in)이다. 도파관(330)으로 들어온 광 플럭스[x"]는 화살표(362)로 지정된다. 도파관(330)으로 들어오고 화살표(362)로 지정된 적어도 광의 일부분 또는 모두는 광 추출 수단(350)에 의해 추출되고 조명 시스템(300)으로부터 출력 표면(354)을 통하여 나올 것이다. 출력 표면(354)로부터 나오는 광의 입체각 분포(공기에서)는 Ω(out)이고 출력 표면(354)의 영역은 영역(out)이다. 화살표(364)로 지정된 광(360)의 잔여 부분[1-x"]은 반사 수단(340)으로 진행할 것이다. 반사 수단(340)의 반사 표면(345)의 반사율은 r(2)이다. 반사 표면(345)으로부터 반사되는 초기 광(360)의 부분은 [1-x"][r(2)]이고 화살표(370)로 지정된다. 광(370)의 일부분(y) 또는 등가적으로 초기 광(360)의 일부분[y][1-x"][r(2)]은 광소스 수단(320)으로 다시 순환되고 화살표(374)로 지정된다. [y]의 값은 0에서 1까지의 범위일 수 있다. [y]의 값은 0.10에서 0.99사이인 것이 바람직하다. [y]의 값은 0.20에서 0.99사이인 것이 더 바람직하다. [y]의 값은 0.3에서 0.99사이인 것이 가장 바람직하다. 광소스 수단(320)으로부터 반사 수단(340)으로 그리고 다시 광소스 수단(320)으로 일순한 후에 광소스 수단(320)으로 다시 순환되는 광(374)는 R"로 지정되며, 여기에서 R"의 크기는
(13) R" = [y][1-x"][r(2)]
로 주어진다. 광(370)의 잔여 부분[1-y] 또는 등가적으로 초기 광(360)의 부분[1-y][1-x"][r(2)]는 반사 수단(340)의 또 다른 부분으로 진행할 것이고 화살표(372)로 지정된다. 광소스 수단(320)의 방사 표면(325)이 반사율(r(1))로 반사되기 때문에, [r(1)R"]과 동일한 광(374)의 몇몇 부분은 표면(325)로부터 반사될 것이고 화살표(380)으로 지정된다. 광소스 수단의 휘도는 반사된 광에 의해 향상될 것이다. 광소스 수단(320)으로부터 반사 수단(340)으로 그리고 다시 광소스 수단(320)으로의 일순으로부터 초래되는 향상된 휘도(L(enhanced))는
(14) L(enhanced) = [L(intrinsic)][1+r(1)R"]
로 주어지고, 여기에서 r(1)은 광소스 수단(320)의 반사율이고 R"는 등식(13)에 의해 주어진다. 표면(325)로부터 반사되는 광(380)은 초기 광(360)과 같이 이벤트의 동일한 시퀀스를 반복할 수 있다. 광(380)의 일부분은 광소스 수단(320)으로 다시 반사될 수 있고 결과적으로 소스 휘도의 부가적인 향상을 가져온다. 초기 광(360)으로부터 남아있는 광의 제 2 순후에, 소스의 휘도는
(15) L(enhanced) = [L(intrinsic)][1+r(1)R"+[r(1)R"]2]
가 된다. 이벤트의 이러한 시퀀스는 많이 발생할 수 있다. 등식(15)은 다음에 급수의 각 항이 급수의 이전 항을 취하고 인자[r(1)R"]를 곱함으로써 계산되는 무한 기하 급수가 되고, 여기에서 R"은 등식(13)에 의해 주어진다. 기하 급수의 합은 단순한 수학적 표현으로 주어진다. 상기 예를 들면, 초기 광(360)의 일부분이 광소스 수단(320)으로부터 반사 수단(340)으로 그리고 다시 광소스 수단(320)으로 매우 많이 순환할때 초래되는 향상된 휘도는
(16) L(enhanced) = [L(intrinsic)]{1/[1-r(1)R"]}
으로 주어진다. 등식(16)은 광소스 수단(320)에 의한 광 방사에 기인하여 광소스 수단(320)으로 다시 순환되는 광소스 수단(320)의 향상된 휘도에 대한 표현이다. 광소스 수단(320)의 반사율(r(1))이 0.5와 1.0 사이에 있는 것이 바람직하다. 광소스 수단(320)의 반사율이 0.7과 1.0 사이에 있는 것이 더 바람직하다. 광소스 수단(320)의 반사율이 0.9와 1.0 사이에 있는 것이 가장 바람직하다. 광소스 휘도의 어떤 향상을 얻기 위해서, 소스로 다시 순환되는 광소스에 의해 방사된 광의 부분(R")이 영이 아니어야 한다. 순환된 광의 부분(R")(등식(13)에 의해 주어짐)이 0.10과 0.99 사이에 있는 것이 바람직하다. 순환된 광의 부분(R")이 0.25와 0.99 사이에 있는 것이 더 바람직하다. 순환된 광의 부분(R")이 0.40과 0.99 사이에 있는 것이 가장 바람직하다.
도 3에 도시된 예에서, 소스에 의해 방사된 몇몇의 광이 소스로 다시 순환되어 소스에 향상된 휘도를 초래할지라도, 조명 시스템(300)의 출력 휘도가 소스의 고유 휘도보다 더 클 필요는 없다. 도 1에서와 같이, 파라미터(영역(in), 영역(out), Ω(in) 및 Ω(out)) 또한 중요하다. 출력 휘도와 이 파라미터사이의 관계의 계산은 등식(5)-(7)에 보여지는 계산과 유사하다. 많은 실제 응용에서, 영역(out)는 각 광소스의 영역(in)보다 상당히 더 크다. 그러한 경우에, 광 추출 수단은 L(out)이 L(intrinsic)보다 더 큰 상황을 이루기 위해 광 콜리메이팅 수단을 포함할 필요가 있다. 광 콜리메이팅 수단의 예는 상기 도 1과 관계된 제 1 실시예에 주어진다.
본 발명의 또 다른 실시예는 도 4의 단면도로 도시되는 바와 같은 조명 시스템(400)이다. 이 실시예는 반사 방사 표면을 갖는 한개의 광소스를 갖는다. 이 도면은 단순히 실제와 상대적인 차원이 상이할 수 있는 구조의 표현이다. 조명 시스템(400)은 반사 방사 표면(425)을 갖는 광소스 수단(420)을 갖는다. 광 반사 수단은 광소스 수단(420)과 광 전송 수단(430)사이에 위치된다. 광 반사 수단(440)은 광소스 수단(420)으로부터 다시 광소스 수단(420)으로 광의 각 분포의 일부분 또는 영역의 일부분을 선택적으로 반사하는 어떤 부분적인 반사 광학 요소 또는 구조이고 광의 또 다른 부분을 광소스 수단(420)으로부터 광 전송 수단(430)으로 전송한다. 광 반사 수단(440)의 예는, 제한하는 것은 아니지만, 렌즈형 프리즘의 어레이, 테이퍼된 광학 도파관의 어레이, 렌즈형 테이퍼된 광학 도파관 또는 이러한 요소의 결합의 어레이를 포함한다.
광 반사 수단(440)의 예는 도 5와 도 6에 도시된다. 도 5는 도 4의 광 반사 수단으로써 사용될 수 있는 렌즈형 프리즘(505)의 어레이(500)를 도시한다. 프리즘 측면(520)의 길이와 모양, 프리즘 각(530) 및 프리즘(505)의 배향은 변경할 수 있다. 플랫 표면(510)은 광소스 수단(420)(도 4)에 인접하여 배향되고 프리즘(505)의 점(540)은 광 전송 수단(430)의 입력 표면(435)에 인접하여 배향되는 것이 바람직하다. 프리즘 각(530)은 5도에서 170도의 범위에 있는 것이 바람직하다. 프리즘 각(530)은 80도에서 130도의 범위에 있는 것이 더 바람직하다. 도 6은 도 4의 광 반사 수단으로 사용될 수 있는 테이퍼된 광학 도파관(605)의 어레이(600)를 도시한다. 테이퍼된 광학 도파관(605)은 입력 표면(610), 출력 표면(620) 및 측벽(630)을 갖는다. 각각 테이퍼된 도파관(605)의 단면은, 제한되는 것은 아니지만, 정방형, 어떤 차원의 직사각형, 다각형, 원 또는 타원을 포함하는 어떤 모양일 수 있다. 테이퍼된 도파관(605)은 또한 렌즈형 테이퍼된 도파관일 수 있다. 테이퍼된 도파관(605)의 측면(630)은 직선, 곡선, 또는 면일수있다. 도파관 끝의 영역(610)은 도파관 끝(620)과 상이할 수 있다. 바람직하게 도파관 끝(610)은 광소스 수단(420)(도 4)에 인접하여 향하게 되고 도파관 끝(620)보다 더 작은 영역을 갖는다. 테이퍼된 도파관 사이의 영역(640)은 바람직하게 반사 물질로 채워지거나 또는 덮어 씌어진다.
도 4의 광 전송 수단(430)은, 예를 들면, 광소스 수단(420)으로부터 광을 수용하는 입력 표면(435)을 갖는 테이퍼된 도파관이다. 광 전송 수단의 다른 예는 제 1 실시예에 주어진다. 총 내부 반사(TIR)를 통하여, 도파관(430)은 광소스 수단(420)에 의해 발생된 광선을 실질적으로 도파관(430)내에 반사하게 한다. 광 추출 수단(450)은 도파관(430)과 광학적으로 접촉하고 입력 표면(452)과 출력 표면(454)을 갖는다. 광 추출 수단(450)은 도파관(430)을 통하여 통과하는 광 플럭스의 적어도 일부분을 추출한다. 추출된 광은 입력 표면(452)을 통하여 광 추출 수단(450)의 출력 표면(454) 밖으로 통과한다. 광 추출 수단(450)의 출력 표면(454)는 또한 조명 시스템(400)에 대한 출력 표면이다.
조명 시스템(400)이 어떤 기능을 하는지 이해하기 위해, 조명 시스템(400)내의 몇몇의 광에 발생할 수 있는 이벤트의 시퀀스를 나타내는 몇개의 대표적인 화살표가 도 4에 도시된다. 이 화살표는 단지 도시적인 목적으로 도시되는 것이지 모든 광이 이벤트의 동일한 시퀀스를 수행한다는 것을 의미하지는 않는다. 우선 광소스 수단(420)을 보면, 시퀀스의 초기에, 광은 광소스 수단(420)의 표면(425)에 의해 방사된다. 이 광은 도 4에 화살표(460)으로 지정된다. 반사 표면인 것에 부가하여, 이 표면은 반사기이다. 광소스 수단(420)의 부근에 다른 광학 구조없이 측정된 광소스 수단(420)의 밝기와 고유 휘도는 L(intrinsic)이다. 광소스 수단(420)으로부터의 화살표(462)로 지정된 광의 몇몇 부분[x"']은 광 반사 수단(440)을 통하여 통과할 것이고 표면 영역(영역(in))인 도파관 입력 표면(435)에서 도파관(430)으로 들어간다. [x"']의 값은 0에서 1까지의 범위일 수 있다. [x"']이 0.01과 0.80 사이에 있는 것이 바람직하다. [x"']이 0.01과 0.60 사이에 있는 것이 더 바람직하다. [x"']이 0.01과 0.40 사이에 있는 것이 가장 바람직하다. 입력 표면(435)에서의 광의 휘도는 L(in)이다. 입력 표면(435)으로 통과하는 광의 입체각 분포(공기에서)는 Ω(in)이다. 도파관(430)으로 들어오고 화살표(462)로 지정되는 광의 일부분 또는 모두는 광 추출 수단(450)에 의해 추출될 수 있고 출력 표면(454)을 통하여 조명 시스템(400)으로 나올 것이다. 출력 표면(454)으로부터 나오는 광의 입체각(공기에서)은 Ω(out)이고 출력 표면(454)의 영역은 영역(out)이다. 화살표(464)로 지정된 광(460)의 잔여 부분[1-x"']은 반사 수단(440)에 의해 소스로 다시 순환될것이다. 광소스 수단(420)의 반사 표면(425)의 반사율은 r(1)이다. 반사 표면(425)으로부터 반사되는 초기 광(460)의 부분은 [1-x"'][r(1)]이고 화살표(470)으로 지정된다. 광소스 수단(420)의 휘도는 반사된 광에 의해 향상될 것이다. 이전 실시예와 같이, 광은 계속 반사 수단(440)으로부터 여러번 반사를 수행할 것이고 광소스 수단(420)은 광소스 수단(420)의 휘도를 더 향상시킬 수 있다.
도 4에 도시된 예에서, 광소스에 의해 방사된 몇몇 광은 다시 소스로 순환되고 결과적으로 소스에 향상된 휘도를 초래할지라도, 조명 시스템(400)의 출력 휘도가 소스의 고유 휘도보다 더 클 필요는 없다. 도 1 에서와 같이, 파라미터(영역(in), 영역(out), Ω(in) 및 Ω(out)) 또한 중요하다. 출력 휘도와 파라미터사이의 관계의 계산은 등식(5)-(7)에 도시된 계산과 유사하다. 많은 실제 응용에서, 영역(out)은 각각 광소스의 영역(in)보다 상당히 더 크다. 그러한 경우에, 광 추출 수단은 L(out)이 L(intrinsic)보다 더 큰 상태을 이루기 위해 광 콜리메이팅 수단을 포함할 필요가 있다. 광 콜리메이팅 수단의 예는 상기 도 1과 관계된 제 1 실시예에 주어진다.
도 1-6에 도시된 예는 본 발명의 가능한 실시예를 관찰하기 위한 것이고 본 발명의 사상을 제한하지는 않는다. 해당 분야에 능숙한 당업자에게 공지된 바와 같이, 부가적인 반사기가 본 발명의 사상과 범위를 벗어나지 않고 도 3과 유사한 방법으로 도 1, 2 및 4의 광소스 수단 주위에 위치될 수 있다. 부가적인 광소스 수단은 또한 도 1-4에 도시된 구성 또는 수정된 구성에 부가될 수 있다.
광선의 순환을 통하여 증가된 밝기는 이어지는 세개의 예에 논의되는 바와 같이 실험실에서 도모된다. 처음에, 한개의 램프 조명 시스템이 구성되었다. 이 시스템은 직경이 0.102"(2.6mm)인 관형 형광 램프, 램프를 둘러싸고 튜브의 길이를 따라 폭이 대략 0.07"인 슬릿 개구를 갖는 공동 Spectralon™ 관형 확산 반사기, Spectralon™ 램프 반사기의 슬릿을 통하여 형광 램프에 의해 조사된 한개의 에지(4"와 0.062")를 갖는 아크릴 도파관(폭 4", 길이 6" 및 두께 0.062"), 램프 반대편 도파관의 에지상에 위치된 확산 반사기(4"와 0.062"), 및 압력에 민감한 접착성을 갖는 도파관의 4"와 6" 표면중의 하나에 부착된 콜리메이션 시트의 0.025"와 4" 스트립으로 구성된다. 콜리메이션 시트는 여기에서 참조로써 사용되고 본 출원의 동일한 양수인에게 양도된 an Illumination System Employing an Array of Microprisms에 대한 미국 특허 번호 제 5,521,725호의 지시에 따라 디자인된 렌즈와 프리즘으로 구성되었다. 콜리메이션 시트는 타원의 한 축을 따라 대략 ±8°그리고 타원의 수직축을 따라 ±13°의 각 확산(피크 휘도의 50%에서)을 갖는 타원형 광 출력 분포를 갖는다.
광학 구성요소를 둘러싸지 않고 형광 램프의 고유 휘도는 8,000foot-Lamberts(fL)로 측정된다. 상기에 설명되는 바와 같이 시스템에 위치된 램프를 갖는 이전 단락(콜리메이션 시트의 출력에서 측정됨)에 설명되는 바와 같이 구성된 조명 시스템의 광 출력 휘도는 대략 15,000fL이다. 따라서, 조명 시스템의 출력 휘도는 램프 소스의 고유 휘도보다 1.8배 더 크다. 램프 반대쪽의 도파관 끝에 위치된 확산 반사기가 도파관으로부터 램프 소스로 다시 순환되는 것으로부터 광을 보호하기 위해 제거될 때, 시스템의 출력 휘도는 8,000fL(고유 소스 휘도보다 적음) 이하로 떨어진다.
제 2 예에서, 두개의 램프를 갖는 조명 시스템이 구성되었다. 이 시스템은 폭 3.2", 길이2.4" 및 두께 0.25"인 아크릴 도파관, 아크릴 도파관의 반대편 3.2"×0.25"에지를 따라 위치된 직경 0.157"(4.0mm)인 두개의 관형 형광 램프, 각각의 형광 램프를 둘러싸고 각각의 램프로부터 도파관으로 광을 향하게 하는 곡선의 은은로 코팅된 거울형 반사기, 및 압력에 민감한 점착성을 갖는 도파관의 3.2"와 2.4" 표면중의 하나에 부착된 콜리메이션 시트의 3.2"와 2.0" 스트립으로 구성된다. 콜리메이션 시트는 본 출원의 동일한 양수인에게 양도된 an Illumination System Employing an Array of Microprisms에 대한 미국 특허 번호 제 5,521,725호의 지시에 따라 디자인된 렌즈와 프리즘으로 구성되었다. 콜리메이션 시트는 타원의 한 축을 따라 대략 ±8°그리고 타원의 수직축을 따라 ±13°의 각 확산(피크 휘도의 50%에서)을 갖는 타원형 광 출력 분포를 갖는다.
광학 구성요소를 둘러싸지 않고 각각의 형광 램프의 고유 휘도는 10,000foot-Lamberts(fL)로 측정된다. 상기에 설명되듯이 시스템에 위치된 램프를 갖는 이전 단락(콜리메이션 시트의 출력에서 측정됨)에 설명되는 바와 같이 구성된 조명 시스템의 광 출력 휘도는 22,000fL에 달한다. 따라서, 조명 시스템의 출력 휘도는 램프 소스의 고유 휘도보다 대략 2.2배 더 크다.
제 3 예에서, 여섯개의 램프를 갖는 조명 시스템이 구성되었다. 이 시스템은 폭 6", 길이 6" 및 두께 1"인 아크릴 도파관, 아크릴 도파관의 반대쪽 6"×1" 에지를 따라 위치된 직경 7mm인 여섯개의 관형 핫 음극 형광 램프, 각각 세개의 형광 램프의 세트를 둘러싸고 램프로부터 도파관으로 광을 향하게 하는 백색 확산 반사기, 및 압력에 민감한 점착성을 갖는 도파관의 6"와 6" 표면중의 하나에 부착된 1"와 1" 유리 직각 프리즘으로 구성되어 있다. 광 구성요소를 둘러싸지 않고 각각의 형광 램프의 고유 휘도는 제곱미터당 23,667 칸델라(Cd/m2)로 측정되었다. 상기에 설명되듯이 시스템에 위치된 램프를 갖는 이전 단락(직각 프리즘의 출력에서 측정됨)에 설명되는 바와 같이 구성된 조명 시스템의 광 출력 휘도는 대략 235,000 Cd/m2이다. 따라서, 조명 시스템의 출력 휘도는 램프 소스의 고유 휘도보다 9.9배 이상으로 더 크다.
본 발명이 직접 조명 디바이스, 프로젝션 디스플레이 디바이스, 자동차 기구의 판넬용 플랫 판넬 디스플레이, 게임, 방송 텔레비젼 수신기, 군용, 항공우주와 아비오닉스 관련 응용, 컴퓨터 모니터, 및 영숫자, 수자, 데이터 또는 비디오 정보를 제공하는 다른 디바이스와 같은 폭 넓은 다양성의 디바이스에 적용할 수 있다는 것이 이해될 것이다.
본 발명의 바람직한 실시예가 신뢰있게 설명되었지만, 해당 분야에 능숙한 당업자는 다른 그리고 추가의 수정이 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않고 가해질 수 있다는 것을 이해할 것이고, 본 발명의 진실한 범위내에 해당하는 모든 실시예를 청구하고자한다. 예를 들면, 다른 변경과 조합은 참조된 특허 출원에 개시된 구조를 사용하여 가능하다는 것이 이해될 것이다.

Claims (12)

  1. (a) 광선을 발생하며, 반사 방사 표면과 고유 휘도(L(intrinsic))를 갖는 광소스 수단;
    (b) 상기 광소스 수단에 밀접한 광 입력 표면을 갖는 광 전송 수단;
    (c) 상기 광소스 수단으로부터 다시 상기 광소스 수단으로 광의 일부분을 반사하고 순환시키기 위해 광소스 수단과 분리된 광 반사 수단; 및
    (d) 상기 광 전송 수단에서 광의 일부분을 추출하기 위한 광 추출 수단;을 포함하며, 상기 광 추출 수단은,
    (i) 상기 광 전송 수단의 일 표면에 광학적으로 접촉한 광 입력 표면;
    (ii) 추출된 광이 향하는 광 출력 표면; 및 선택적으로
    (iii) 광 입력과 상기 광 추출 수단의 광 출력 표면사이에 근접하여 개입된 광 콜리메이팅 수단;을 포함하며, 상기 조명 시스템의 출력이 광 전송 수단으로의 입력 광보다 더 콜리메이팅되고,
    여기에서, 광학 조명 시스템의 출력 휘도가 향상되는 것을 특징으로 하는 광학 조명 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 광학 조명 시스템의 상기 출력 휘도가 상기 광소스 수단의 고유 휘도(L(intrinsic))보다 더 큰 것을 특징으로 하는 광학 조명 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 광소스 수단은 형광 광소스 또는 적어도 하나의 발광 다이오드인 것을 특징으로 하는 광학 조명 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 광 전송 수단은 광학 도파관 또는 중공 도파관인 것을 특징으로 하는 광학 조명 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 광 추출 수단은 광선을 실질적으로 콜리메이팅된 광의 패턴으로 향하게 하는 광 콜리메이션 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 조명 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 광 콜리메이팅 수단은 마이크로프리즘의 어레이를 포함하며, 각각의 마이크로프리즘은,
    (i) 상기 광 전송 수단에 광학적으로 연결된 광 입력 표면;
    (ii) 상기 광 입력 표면으로부터 먼 광 출력 표면; 및
    (iii) 상기 광 입력 표면과 상기 광 출력 표면사이에 그리고 근접하여 배치되고 상기 광 전송 수단의 표면의 법선에 대하여 경사각을 형성하는 제 1 측벽;을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 조명 시스템.
  7. 제 5 항에 있어서, 상기 광 콜리메이팅 수단은 상기 광 전송 수단과 상기 광 콜리메이팅 수단사이에 배치된 굴절층의 낮은 인덱스를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 조명 시스템.
  8. 제 6 항에 있어서, 마이크로렌즈의 어레이를 포함하며, 각각의 마이크로 프리즘의 출력은 적어도 하나의 대응하는 마이크로렌즈로 향하는 것을 특징으로 하는 광학 조명 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 광소스 수단과 상기 광 반사 수단이 광소스 수단으로부터의 광선의 일부분이 광 반사 수단으로 그리고 다시 광소스 수단으로 진행하도록 상기 광 전송 수단의 반대편 끝에 배치되는 것을 특징으로 하는 광학 조명 시스템.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 광 반사 수단은 부분적으로 광소스 수단을 둘러싸는 것을 특징으로 하는 광학 조명 시스템.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 광 반사 수단은 상기 광소스 수단과 상기 광 전송 수단의 사이에 위치되는 것을 특징으로 하는 광학 조명 시스템.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 광 반사 수단은 프리즘의 렌즈형 어레이 또는 테이퍼된 도파관의 어레이를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 조명 시스템.
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