KR20010037798A - 경면 반사를 이용한 광 전송 튜브 - Google Patents

Abstract

본 발명은 경면 반사를 이용한 광 전송 튜브에 관한 것으로서, 개시된 광 전송 튜브는 소정의 굴절율을 가지며, 내부가 빈 튜브; 및 상기 튜브 내면 또는 외주면에 처리되어 내부에 입사된 광을 적어도 한번이상 반사시켜 출력시키는 경면을 포함한다. 따라서, 본 발명은 광전송 효율을 획기적으로 향상시키는 효과를 달성하였다.

Description

경면 반사를 이용한 광 전송 튜브{LIGHT RAY TRANSMISSION TUBE USING SPECULAR REFLECTION}

본 발명은 광 전송 장치에 관한 것으로서, 특히 경면 반사를 이용한 광 전송 튜브에 관한 것이다.

빛이 두매질1,2사이를 통과할 때, 도 1에 도시된 바와같이 굴절율()이 적은 매질1에서 굴절율()이 큰 매질2로 진행하는 것과, 도 2에 도시된 바와같이, 굴절율()이 큰 매질2에서 굴절율()이 적은 매질1로 진행하는 것이 있다.

도 1에 도시된 바와같이, 빛이 굴절율이 서로 상이한 매질1,2사이를 통과하면, 입사광은 반사광과 굴절광으로 분리된다. 이때, 입사광의 입사각과 반사광의 반사각은 서로 같다. 또한, 입사광의 입사각과 굴절광의 굴절각의 관계는 스넬의 법칙(Snell's law)에 의해 정의된다. 스넬의 법칙은 수학식 1로 나타난다.

도 2에 도시된 바와같이, 굴절율()이 큰 매질2에서 굴절율()이 작은 매질1로 빛이 입사하는 경우, 입사광은＜이 된다. 이때, 입사각를 증가시키면, 굴절각도 커진다. 여시서, 입사각이일때,이 90도 되었다면, 매질1의 굴절광은 없어지고 매질1과 매질2사이 경계면을 따라서 빛이 진행한다. 이때의 각를 임계각이라 한다. 입사광이보다 커지면, 모든 빛은 경계면에서 모두 매질2쪽으로 반사된다. 이때의 반사를 전반사라 한다.

임계각는 스넬의 법칙에 따라서 수학식 2로 표현된다.

이와같은 원리를 이용하여 광섬유의 코어에 빛을 가두어서 광신호를 전송하게 된다. 통상적인 광섬유의 구성이 도 3에 도시되었다. 도 3에 도시된 바와같이,

광섬유는 광섬유 모재공정을 거쳐서, 제조된 모재를 한가닥의 광섬유로 인출하는 공정으로 진행된다. 인출된 광섬유는 피복과정을 거처 최종적으로 스풀에 권선된다. 이러한 광섬유는 중심에 굴절율을 갖는 코어가 위치하고, 코어 주위를 상기 굴절율보다 작은 굴절율인 클래딩이 감싸게 된다.

입사광의 입사각의 값이 커져서에 이르면, P2점에서 입사광은 코어내부로 진행하지 않고, 클래딩 외부로 향하게 된다. 이러한 이유 때문에 광섬유에서는 수광각(acceptance angle)이 제한되어 있다. 통상적으로 수광각이상으로 입사한 광은 손실로 나타나게 된다.

따라서, 종래의 광섬유 구성으로 빛을 전송하는 데는 하기와 같은 많은 문제점이 발생하게 된다.

첫번째로, 통상적인 광섬유에서 수광각의 제한으로 광 전송시의 빛의 수광범위가 제한되어 광 전송 효율이 저하되는 문제가 있다. 이러한 수광각의 제한은 개구수(numerical aperture)의 제한으로 광 전송 손실의 주 요인이 되고 있다.

두번째로, 통상적인 광섬유에서는 광섬유간의 연결이나 배열시에 매우 정밀도를 요구하기 때문에 연결 또는 배열작업시 시간이 많이 필요하고, 고가의 장비 또한 요구되는 실정이다.

더욱이, 광섬유를 평면 스크린형으로 배열시켰을 경우, 바로 근접한 광섬유간에서, 한개의 화소의 임계각이 벗어난 빛은 옆의 광섬유에 영향을 주게 되어서 선명한 화질구현이 어렵고, 측면에서 볼때도 광섬유의 쌓여진 층이 보이는 단점이 있다.

본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 본 발명의 목적은 광 전송 손실이 발생하지 않는 광 전송 튜브를 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 평면 스크린 또는 튜브 판넬 구성시, 선명한 화질을 구현함과 아울러 근접한 튜브에 전혀 영향을 주지 않는 광 전송 튜브를 제공함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 광 출력측에 볼록 렌즈형상으로 제공되어 시야각이 크고, 이득이 향상된 광 전송 튜브를 제공함에 있다.

상기한 목적들을 달성하기 위하여 본 발명은 일정 굴절율을 가지며, 내부가 빈 튜브; 및

상기 튜브 내면에 처리되어 내부에 입사된 광을 적어도 한번이상 반사시켜 출력시키는 경면을 포함한다.

본 발명은 소정의 굴절율을 가지는 튜브;

상기 튜브 내면에 처리되어 입사된 광을 적어도 한번이상 반사시켜 출력시키는 경면; 및

상기 튜브 내부에 채워짐과 아울러 일정 굴절율을 가지는 투명체를 포함한다.

도 1은 통상적인 빛의 반사와 굴절을 나타내는 도면.

도 2는 통상적인 빛의 전반사를 나타내는 도면.

도 3은 통상적인 광섬유에서 빛이 진행하는 원리를 나타내는 도면.

도 4a는 본 발명에 따른 경면 처리한 반사체를 거리d만큼 서로 마주보는 방향으로 이겨되게 배치한 상태를 나타내는 도면.

도 4b는 본 발명에 따른 지름의 크기가 d인 원통형 튜브내를 경면처리한 상태를 나타내는 도면.

도 5는 본 발명에 따른 경면 반사를 이용하여 빛이 진행하는 원리를 나타내는 도면.

도 6a는 본 발명에 따른 표면이 경면 처리된 직육면체형 투명수지를 나타내는 도면.

도 6b는 본 발명에 따른 표면이 경면 처리된 원통형 투명 수지를 나타내는 도면.

도 7은 본 발명에 따른 투명 수지가 채워지고, 경면 처리된 상태에서 빛이 진행하는 원리를 나타내는 도면.

도 8a 내지 도 8d는 본 발명에 따른 다양한 광 전송 튜브를 나타내는 도면.

도 9a 내지 도 9d는 본 발명에 따른 내부에 투명 수지가 채워진 또다른 다양한 광 전송 튜브를 나타내는 도면.

도 10은 본 발명에 따른 광 전송 튜브의 외주면에 경면 처리되어 빛이 진행하는 상태를 나타내는 도면.

도 11은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 커버 또는 렌즈가 구비된 광 전송 튜브를 나타내는 도면.

도 12는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 내부에 투명 수지가 채워짐과 동시에 커버 또는 렌즈가 구비된 광 전송 튜브를 나타내는 도면.

도 13은 본 발명의 따른 커버와 렌즈가 내부에 채워지는 투명 수지와 일체형으로 구성된 광 전송 튜브를 나타내는 도면.

도 14는 본 발명에 따른 광 전송 튜브를 이용하여 평면 스크린을 구성한 상태를 나타내는 구성도.

이하에서는 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하지 않게 하기 위하여 생략한다.

본 발명에 따른 광 전송 튜브는 입사각이 0도보다 크고, 임계각보다 큰 90도까지 입사되는 모든 광을 경면(specular surface)에 의해 반사되어 출력할 수 있는 튜브(tube) 또는 광 전송 부재(light ray transmission member)이다. 본 발명에 따른 경면 반사(specular reflection)를 이용한 광 전송을 할 수 있는 구성이 도 4a, 도 4b에 도시되었다. 상기 도면을 참조하여 본 발명에 따른 광 전송 원리를 설명하면 다음과 같다.

도 4a에 도시된 바와같이, 경면(S)처리한 2장의 반사체(41)를 거리d만큼 서로 마주보는 방향으로 이격되게 배치를 하거나, 도 4b에 도시된 바와같이, 지름의 크기가 d인 원통형 튜브(42)내면을 경면(S)처리한 경우, 도 5에 도시된 바와같이 빛이 진행한다. 구체적으로 설명하면, 본 발명은 입사광①을의 각도로 입사시키면, P1점과 P2점에서 경면 반사가 일어나고, 최종 출력광③으로 진행한다. 이때, 상기 P1점과 P2점의 반사각은 동일하다. 입사광②를의 각도로 입사시켜도 경면(S)내에서 반사하는 위치만 상이할 뿐, 모든 입사광②는 출력광④으로 진행한다.

도 6a에 도시된 바와같이, 굴절율이인 투과성 매질(61)에 높이가 d인 직육면체의 표면을 경면(S)처리한 경우나, 도 6b에 도시된 바와같이, 굴절율이인 투과성 물질(62)에 지름이 d인 원통형의 표면(외주면)을 경면(S)처리한 경우에 빛은 도 7과 같이 진행한다. 상기 투과성 물질(61)로는 투명 수지가 바람직하다.

도 7에 도시된 바와같이, 굴절율인 투과성 매질(70)에 입사광⑤가의 각도로 P0점에 입사하면, 굴절이 되어 P1점에 도달하고, P1점에서 경면(S)반사가 이루어져 출력광⑥으로 진행한다. 상기 투과성 매질(70)은 투명 수지가 바람직하다.

도 8a 내지 도 8d는 본 발명에 따른 광 전송 튜브의 단면의 다양한 실시예를 나타내는 도면이다. 본 발명에 따른 광 전송 튜브의 단면은 다각형의 형상이 모두 가능하다. 도 8a 내지 도 8d는 내면이 경면처리된 광 전송 튜브를 나타낸다. 튜브의 내부로 빛이 진행한다. 상기 튜브의 경면에서 빛의 반사가 일어난다. 도면에 도시된 바와같이, 본 발명은 다각형의 모양을 구비한 다양한 다양한 튜브가 적용된다. 도 8a는 튜브(81)의 단면이 원형이고, 도 8b는 튜브(82)의 단면이 삼각형이고, 도 8c는 튜브(83)의 단면이 사각형이고, 도 8d는 튜브(84)의 단면이 육각형이다.

도 9a 내지 도 9d는 본 발명에 따른 또 다른 다양한 실시예를 나타내는 도면이다. 도 9a 내지 도 9d는 광 전송 튜브내에 투명 수지가 채워진 광 전송 튜브를 나타낸다. 상기 도면에 도시된 바와같이, 본 발명에 따른 광 전송 튜브는 내부에 투명 수지가 채워진 다각형의 모양을 구비한 다양한 실시예가 적용된다. 도 9a는 투명 수지(91a)가 채원진 튜브(91)의 단면이 원형이고, 도 9b는 투명 수지(92a)가 채워진 튜브(92)의 단면이 삼각형이고, 도 9c는 투명 수지(93a)가 채워진 튜브(93)의 단면이 사각형이고, 도 9d는 투명 수지(94a)가 채워진 튜브(94)의 단면이 육각형이다.

도 10은 본 발명에 따른의 굴절율을 갖는 투명 수지가 채워지고,의 굴절율을 갖는 튜브의 외주면에 경면처리된 광 전송 튜브를 나타내는 도면이다. 도 10에 도시된 바와같이, 상기 광 전송 튜브(102)의 내부에 굴절율을 갖는 투명수지(101)가 채워지고, 튜브의 외주면에 경면(S)처리가 된 경우, 입사광⑦이 임계각보다 작은 값으로 입사하면, P0점에서 굴절되고, 이어서 튜브의 경면을 따라서 반사되어 출력광⑧로 진행한다.

입사광⑨이 임계각보다 큰 값으로 입사하면, 매질에서 전반사 조건으로 일차적으로 P0점에서 굴절되고, 이차적으로 P1점에서 굴절되고, 최종적으로 P2점에서 경면(S)반사를 일으켜 출력광⑩으로 진행하게 된다.

도 11은 광 전송 튜브의 또다른 실시예를 나타내는 도면이다. 내면(112)에 경면(S)처리된 광 전송 튜브(111)는 일단에 일정 굴절율과 곡률반경을 갖는 투명 수지의 렌즈(115)가 구비되고, 타단에 일정 굴절율을 갖는 투명 수지의 커버(114)가 구비된다. 입사광은 커버(114)를 통과하고, 빈 공간을 둘러싸고 있는 경면(S)에서 반사되어 렌즈(115)를 통과하여 출력된다. 또한, 상기 튜브(111)는 커버(114) 또는 렌즈(115)중 하나만이 구비될 수 있다. 더우기, 상기 렌즈(115)는 볼록 렌즈로 한정될 필요는 없으며, 오목 렌즈도 적용될 수 있으며, 상기 커버(114)도 오목형 또는 볼록형으로 구비될 수 있다.

도 12는 광 전송 튜브의 또 다른 실시예를 나타내는 도면이다. 내면(121)에 경면(S)처리되고, 내부에 투과성 매질 즉, 투명 수지(122)로 채원진 광 전송 튜브(120)는 일단에 일정 굴절율과 곡률반경을 갖는 투명 수지의 렌즈(124)가 구비되고, 타단에 일정 귤절율을 갖는 투명 수지의 커버(123)가 구비된다. 상기 커버(123)와 렌즈(124)는 투과성 매질이 적절하며, 투명 수지가 바람직하다. 입사광은 커버(123)를 통과하고, 경면에 의해 둘러싸인 투명 수지(122)를 지나 경면(S)에서 반사되고, 이어서 렌즈(124)를 지나 출력된다. 상기 튜브(120)는 커버(123) 또는 렌즈(124)중 하나만이 구비될 수 있다.

도 13은 광 전송 튜브의 또 다른 실시예를 나타내는 도면이다. 튜브(130)는 내면에 경면(S)처리되고, 내부에 투명 수지(132)가 채워짐과 동시에 일체로 일정 굴절율과 곡률반경을 갖는 투명 수지의 렌즈(133)가 구비된다. 입사광은 경면(S)에 둘러싸인 투명 수지(132)를 지나 경면(S)에서 반사되고, 렌즈(133)를 지나 출력된다. 상기 렌즈(133)는 투명 수지(132)로 채우는 과정에서 제작된다. 또한, 도면에 미도시 되었지만, 상기 튜브(130)의 일단에 일체로 커버를 구비할 수도 있다. 또한, 상기 튜브(130)는 커버 또는 렌즈(133)중 하나만이 투명 수지(132)에 일체로 구비될 수 있다.

도 14에 도시된 바와같이, 본 발명에 따른 광 전송 튜브(141)를 이용하여 평면 스크린(140)을 구성한 경우, 임계각을 벗어난 프로젝터(150)(projector)에서 조사된 한개의 화소의 빛은 각각의 튜브(141)에 입사되며, 가장 근접한 튜브에 전형 영향을 주지 않는다. 따라서, 튜브를 통하여 렌즈(142)로 출력된 평면 스크린(140)에 구현된 화질은 선명하다.

이때, 도 14에 도시된 광 전송 부재의 단면은 직사각형으로 한정될 필요는 없으며, 적층된 평면 스크린을 구성하는데 적용되는 광 전송 부재의 단면은 원형, 육각형도 가능하다. 더욱이, 도 14에 도시된 광 전송 부재에 구비된 렌즈의 모양으로 한정될 필요는 없으며, 렌즈의 형상이 일정 곡률반경과 일정 굴절율을 구비하는 반구형도 가능하다. 예를들어, 광 전송 부재의 단면이 원형이거나 직사각형인 경우에 반구형의 렌즈 구비가 가능하고, 광 전송 부재의 단면이 직사각형이거나 육각형인 경우에 도 14에 도시된 형상의 렌즈 구비가 가능하다.

결과적으로 본 발명에 따른 광 전송 튜브는 경면이 튜브 내면 또는 외주면에 적용될 수 있고, 내면에 경면처리된 광 전송 부재의 단면 형상이 원형(튜브) 또는 다각형상일 수 있으며, 내면에 경면처리된 광 전송 튜브의 내부가 빈 공간상태이거나, 투명한 매질의 투명 수지 또는 투명체로 채워질 수 있다. 여기서 광 전송 튜브의 내부가 빈 상태라 함은 내부에 공기가 존재하여 굴절율이 1인 경우를 의미한다.

또한, 본 발명의 광 전송 튜브는 투명체의 커버 또는 렌즈가 선택적으로 구비될 수 있으며, 상기 커버나 렌즈는 볼록 또는 오목형으로 구비될 수 있고, 커버 또는 렌즈는 투명수지와 독립적으로 또는 일체형으로 구비될 수 있다.

또한, 본 발명의 광 전송 부재를 이용하여 평면 스크린을 구현할 경우, 상기 광 전송 부재의 단면은 원형, 직사각형, 육각형등의 형상이 가능하고, 이러한 광 전송 튜브에 구비되는 렌즈의 형상도 반구형이나 도 14에 도시된 형상으로 다양하게 채택되어 질 수 있다.

한편, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해서 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도내에서 여러가지 변형이 가능함을 당해분야에서 통상의 지식을 가진자에게 있어서 자명하다 할 것이다.

이상으로 살펴본 바와같이, 본 발명은 입사광이 출력광으로 진행하는 동안에 누설광이 전혀 발생되지 않음으로서, 광 전송 손실을 방지하였으며, 입사광의 각도에 제한이 없기 때문에 광 전송 효율을 극대화하게 되었다. 또한, 평면 스크린을 구성할 경우, 임계각을 벗어난 빛이 옆의 튜브에 영향을 전혀 주지 않기 때문에 선명한 화질을 구현하게 되었다. 더욱이, 광 출력측이 볼록 렌즈를 구비하여 시야각을 크게할 수 있었고, 전송 이득이 향상되는 결과를 달성하였다.

Claims (12)

1. 소정의 굴절율을 가지며, 내부가 빈 튜브; 및

   상기 튜브 내면 또는 외주면에 처리되어 내부에 입사된 광을 적어도 한번이상 반사시켜 출력시키는 경면을 포함하는 광 전송 튜브.
2. 제1항에 있어서, 상기 튜브의 일단에 렌즈를 더 구비하는 광 전송 튜브.
3. 제2항에 있어서, 상기 렌즈의 재질이 투과성 매질, 바람직하게 투명 수지인 광 전송 튜브.
4. 제1항에 있어서, 상기 튜브의 타단에 일정 굴절율을 가지는 커버를 더 구비하는 광 전송 튜브.
5. 제4항에 있어서, 상기 커버의 재질이 투과성 매질, 바람직하게 투명 수지인 광 전송 튜브.
6. 소정의 굴절율을 가지는 튜브;

   상기 튜브 내면 또는 외주면에 처리되어 입사된 광을 적어도 한번이상 반사시켜 출력시키는 경면; 및

   소정의 굴절율을 가지며, 상기 튜브 내부에 완전히 채워지는 투과성 매질을 포함하는 하는 광 전송 튜브.
7. 제6항에 있어서, 상기 튜브의 일단에 렌즈를 더 구비하는 광 전송 튜브.
8. 제7항에 있어서, 상기 렌즈가 투과성 물질과 일체형으로 구성되는 광 전송 튜브.
9. 제6항에 있어서, 상기 튜브의 타단에 일정 굴절율을 가지는 커버를 더 구비하는 광 전송 튜브.
10. 제9항에 있어서, 상기 커버가 투과성 매질에 일체형으로 구성되어지는 광 전송 튜브.
11. 소정의 굴절율을 가지며, 단면이 다각형이고, 내부가 빈 광 전송 부재; 및

    상기 광 전송 부재의 내면 또는 외주면에 처리되어 내부에 입사된 광을 적어도 한번이상 반사시켜 출력시키는 경면을 포함하는 광 전송 튜브.
12. 소정의 굴절율을 가지며, 단면이 다각형인 광 전송 부재;

    상기 광 전송 부재의 내면 또는 외주면에 처리되어 내부에 입사된 광을 적어도 한번이상 반사시켜 출력시키는 경면; 및

    상기 광 전송 부재 내부에 완전히 채워지며, 소정의 굴절율을 구비하는 투과성 매질을 포함하는 광 전송 튜브.