KR20010052208A - 광확산용 광학 시트 - Google Patents

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KR20010052208A
KR20010052208A KR1020007010125A KR20007010125A KR20010052208A KR 20010052208 A KR20010052208 A KR 20010052208A KR 1020007010125 A KR1020007010125 A KR 1020007010125A KR 20007010125 A KR20007010125 A KR 20007010125A KR 20010052208 A KR20010052208 A KR 20010052208A
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light
sheet
prism
prisms
optical sheet
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KR1020007010125A
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리아마이클씨.
마틸라찰스에이.
Original Assignee
스프레이그 로버트 월터
미네소타 마이닝 앤드 매뉴팩춰링 캄파니
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    • F21V5/00—Refractors for light sources
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Abstract

광을 확산시키기 위한 광학 시트(25)는 실질적으로 매끄러운 표면(27)과, 프리즘(30, 31)의 어레이를 구비한 구조 표면(28)을 갖는다. 확산될 광의 비임은 매끄러운 표면으로부터 필름을 통해서 안내된다. 프리즘중 일부(굴절 프리즘)는 광이 필름으로부터 방출될 때 굴절에 의해 직각 입사광을 이탈시키고, 다른 일부(반사 프리즘)는 광이 필름으로부터 방출되기 전에 프리즘 내의 전체 내부 반사에 의해 직각 입사광을 이탈시킨다. 직각 입사광을 상이한 각도로 이탈시키도록 선택된 다수의 반사 프리즘(30)과, 직각 입사광을 상이한 각도로 이탈시키도록 선택된 다수의 굴절 프리즘(31)이 마련되며, 이들은 후속 반사 프리즘이 적어도 하나의 굴절 프리즘에 의해 분리되도록 비순서식으로 배열되는 것이 바람직하다. 변경 실시예에서, 구조 표면은 직각 입사광을 상이한 각도로 이탈시키도록 선택된 다수의 반사 프리즘의 비순서식 배열부 또는 직각 입사광을 상이한 각도로 이탈시키도록 선택된 다수의 굴절 프리즘으로 된 비순서식 배열부를 포함한다.

Description

광확산용 광학 시트 {OPTICAL SHEETS SUITABLE FOR SPREADING LIGHT}
반투명 재료로 된 시트 형태의 간단한 확산체가 광을 확산시키는 데 자주 사용되지만, 이들은 비록 값은 싸더라도 광을 효율적으로 투과시키지 못하고 광을 필요에 따라 제어 방식으로 유도할 수도 없다.
US-A-5 551 042에는 자연 주광으로 건물의 내부를 개선된 방식으로 조명하도록 채광창 또는 지붕창에 사용하기 위한 구조 광학 필름이 개시되어 있다. 이 필름은 태양광 쪽으로 마련된 (다수의 부의 프레넬 렌즈를 형성하는) 구조 표면을 구비한 창에 위치하도록 되어 있고, 건물의 마루 영역을 이상적으로 균일하고 번쩍임 없는 조명 상태로 조명할 수 있게 해준다.
US-A-28 019, 586 220, 720 386 및 818 208에는 주광을 분배하기 위한 프리즘 유리판의 형태를 취하는 또 다른 구조들이 개시되어 있다.
인공 광원으로부터 광을 분배시키도록 조명기구를 사용하기 위한 구조 필름 및 시트 재료도 개시되어 있다. US-A-5 150 966, 5 029 060 및 4 755 921에는 예를 들어 광 고정부(light fixtures)에 반사굴절 프레넬 렌즈를 사용하는 것이 개시되어 있고, 각 경우에 렌즈는 프리즘 구조체를 포함하는 구조 표면을 갖는 투명 재료로 된 시트로부터 형성된다. US-A-1 612 804 및 GB-A-762 769에는 광을 소정 방향들로 분배시키기 위한 다수의 프리즘을 광원으로부터 이격된 표면 상에 갖는 반사체를 구비한 조명기구가 개시되어 있다.
예를 들어 휴대형 개인용 컴퓨터 및 계산기 등에 사용되는 액정 표시장치 등에서의 배후조명 광학 표시장치 분야에서는, 방사된 광량을 증가시키기 위해서 표시장치를 통과하는 광을 표시장치에 대략 직각인 방향으로 재차 안내하도록 구조 광학 시트 재료를 사용하는 것이 공지되어 있다. 이러한 목적으로 사용된 시트 재료의 예가 US-A-5 467 208 및 5 771 328에 개시되어 있다.
본 발명은 자연광 및 인공광에 모두 적용할 수 있는 제어 방식으로 광을 확산시킬 때의 문제를 해결하는 것에 관한 것으로, 후자의 경우에는 대표적인 백열등 및 형광등에 적용할 수 있을 뿐만 아니라 최근에 개발된 발광 다이오드(LED) 등의 광원에도 적용할 수 있다.
본 발명은 광을 확산시키는 데 사용되는 예를 들어 필름 등의 광학 시트에 관한 것이다.
인공 광원 또는 자연 주광을 사용하여 소정 영역을 조명할 때 광을 충분하고 균일하게 확산시킴에 있어 자주 문제에 부딪히게 된다. 예를 들어 조명할 영역이 건물 내의 마루 영역인 경우에는 대개는 주변 영역보다 빛을 매우 덜 받는 마루 영역이 생기고 또한 몇몇 위치에서는 건물에서 생활하는 사람들이 광원으로부터의 번쩍임에 의해 성가시게 된다.
도1은 본 발명에 따르지 않은 투과 구조를 갖는 광학 시트의 일례를 도시한 도면.
도2는 본 발명에 따르지 않은 전체 내부 반사 구조를 갖는 광학 시트의 일례를 도시한 도면.
도3은 도2에 도시된 전체 내부 반사 구조를 구비한 감소된 투과 상태를 도시한 도면.
도4는 도3에 도시된 배열의 변경예를 도시한 도면.
도5 내지 도7은 본 발명에 따른 광학 시트의 예들을 도시한 도면.
도8 내지 도10은 비대칭 T셀, R셀 및 R2셀 각각을 도시한 단면도.
도11은 도10에 도시된 형태의 프리즘 구조의 상세 단면도.
도12는 프리즘 구조가 선형으로 된 광학 시트의 평면도.
도13 내지 도15는 프리즘 구조가 다른 통로들을 따르도록 된 광학 시트의 평면도.
도16은 광원과 조합된 2중 중첩된 광학 시트의 사용 상태를 도시한 도면.
도17은 도15와 유사한 도면으로 3개의 광원과 조합된 광학 시트를 도시한 도면.
도18은 본 발명에 따른 광학 시트를 사용하는 조명기구를 도시한 도면.
도19는 본 발명에 따른 광학 시트를 포함하는 조명기구를 도시한 도면.
도20은 도19의 조명기구의 하우징을 광학 시트가 제위치에 있는 상태로 확대 도시한 횡단면도.
도21은 본 발명에 따른 광학 시트에 조합되어 사용된 광섬유의 횡단면도.
본 발명은 필름의 제2 주표면이 실질적으로 매끄러운 경우에 제2 주표면을 통해서 필름에 도입되고 프리즘 어레이를 통해서 방출되는 광의 직각 입사 비임이 프리즘 어레이에 의해 확산되도록 시트의 제1 주표면이 프리즘 어레이를 포함하는 구조 표면으로 된 구성을 취하는 광확산용 광학 시트를 제공하며, 상기 어레이는,
(a) 후속 반사 프리즘이 적어도 하나의 굴절 프리즘에 의해 분리되도록 되고, 직각 입사광을 상이한 각도들로 이탈시키도록 선택된 다수의 반사 프리즘 및 직각 입사광을 상이한 각도들로 이탈시키도록 선택된 다수의 굴절 프리즘과,
(b) 직각 입사광을 상이한 각도들로 이탈시키도록 선택된 다수의 반사 프리즘의 비순서식 배열부와,
(c) 직각 입사광을 상이한 각도들로 이탈시키도록 선택된 다수의 굴절 프리즘의 비순서식 배열부를 포함하고,
상기 각각의 굴절 프리즘은 광이 제1 주표면을 통해서 필름으로부터 방출될 때 프리즘 면에서 굴절에 의해서만 직각 입사광을 이탈시키고, 상기 각각의 반사 프리즘은 광이 제1 주표면을 통해서 필름으로부터 방출되기 전에 프리즘 내의 전체 내부 반사에 의해서 직각 입사광을 이탈시킨다.
또한, 본 발명은 시트의 제1 주표면이 프리즘 어레이를 포함하는 구조 표면이고 시트의 제2 주표면이 실질적으로 매끄럽게 되어 있어서 제2 주표면을 통해서 필름에 도입되어 프리즘 어레이를 통해서 방출되는 직각 입사 비임이 프리즘 어레이에 의해 확산되도록 구성된 광확산용 광학 시트를 제공하며, 상기 프리즘 어레이는,
후속 반사 프리즘이 적어도 하나의 굴절 프리즘에 의해 분리되도록 되고, 직각 입사광을 상이한 각도들로 이탈시키도록 선택된 다수의 반사 프리즘 및 직각 입사광을 상이한 각도들로 이탈시키도록 선택된 다수의 굴절 프리즘으로 된 비순서식 배열부를 포함하고,
상기 각각의 굴절 프리즘은 광이 제1 주표면을 통해서 필름으로부터 방출될 때 프리즘 면에서 굴절에 의해서만 직각 입사광을 이탈시키고, 상기 각각의 반사 프리즘은 광이 제1 주표면을 통해서 필름으로부터 방출되기 전에 프리즘 내의 전체 내부 반사에 의해서 직각 입사광을 이탈시킨다.
대개, 본 발명에 따른 광학 시트의 구조 표면은 정성 입사광을 해당 각도들로 이탈시키도록 선택된 다수의 반사 및/또는 굴절 프리즘을 포함한다.
본 명세서에 사용된 "광"이란 용어는 전자기 스펙트럼의 자외선, 가시광선 및/또는 적외선 영역에서의 전자기 방사를 의미한다.
"프리즘"이란 용어는 두개의 단부들이 유사하고 균등하고 평행한 선형 형상을 취하고 그 측면들이 평행사변형인 구조를 의미한다. 가장 간단한 형태로서, 프리즘은 삼각형 단면을 취한다. 그러나, 여기에 사용된 것처럼 상기 용어는 3개 이상의 측면을 구비한 단면을 갖는 구조까지 연장되고, 상기 구조가 다수의 측면들을 구비한 단면을 갖는 경우에는 적어도 그 측면중 일부가 곡선을 형성하는 것에는 제한된다. 굴절 프리즘의 경우에, 여기에 사용된 상기 용어는 180 °인 꼭지각을 갖는 삼각형 프리즘의 경우(프리즘이 없는 것에 가까움)를 제한하는 것을 포함한다.
여기에 사용된 것처럼, "비순서"는 광을 상이한 각도들로 이탈시키는 다수의 프리즘에 적용될 때에는 이들 프리즘이 배열되는 방식이 구별가능한 순서 또는 패턴이 아닌 것을 의미한다.
본 발명의 실시예를 첨부 도면을 참조하여 단지 예시로서 아래에 설명한다.
도1은 광을 이탈시키는 데 사용할 수 있는 광학 시트를 도시한다. 시트는 실질적으로 매끄러운 주표면(2)과 구조 주표면(3)을 가지며, 상기 주표면(3)은 도면의 평면에 대해 직각으로 서로 평행하게 연장되는 다수의 동형 프리즘(4)을 포함한다. 프리즘(4)을 여기서는 "굴절 프리즘"(또는 "T셀")이라 하고, 도1에는 두개만 도시하였다. 입사광(5)은 매끄러운 표면(2)을 통해서 시트(1)에 직각으로 도입되고, T셀(4)에 의해 굴절되고 시트(1)를 빠져나갈 때 각도적으로 이탈된다.
이러한 형태의 프리즘 구조는 작은 만곡각(방출각) (0 ° 내지 약 30 °의 범위)에 대해서는 효과적으로 광을 투과만 시킨다. 방출각은 각도 θ이고 이 각을 통해서 광(5)이 광학 시트(1)에 의해 각도적으로 이탈되게 되고, 광(5)은 매끄러운 표면(2) 상에 직각으로 입사되는 것으로 가정한다. 프리즘(4)들이 동형이기 때문에, 대칭형의 삼각형 단면들은 매끄러운 표면(2)에 직각인 하나의 측면 또는 다른 측면에 대하여 광을 모두 동일 각으로 이탈시키게 된다. 약 30 °이상인 방출각에서는 프리즘(4)의 면들로부터 내부 반사가 시작되어 시트(1)의 투과 효율이 감소되는데, 그 이유는 광이 매끄러운 표면(2) 쪽으로 후방으로 반사되어 구조 표면(3)을 통해서 방출되지 않기 때문이다.
도2는 광을 이탈시키는 데 사용할 수 있는 광학 시트(6)의 제2 실시예를 도시한다. 이 경우에, 시트는 실질적으로 매끄러운 주표면(7)과 구조 주표면을 포함하고, 상기 구조 주표면은 도면의 평면에 대하여 직각으로 서로 평행하게 연장되는 다수의 동형 프리즘(8)을 포함한다. 프리즘(8)을 여기서는 "반사 프리즘"(또는 "R셀")이라 하고, 도2에는 두개만 도시하였다. R셀(8)은 약 5 ° 내지 90 ° 범위의 방출각 φ을 얻을 수 있지만 20 °보다 큰 방출각을 얻는 것이 적합하다. 각각의 프리즘(8)은 면(9)과 면(10)을 포함한다. 매끄러운 표면(7) 상에 직각으로 입사된 광(11)은 면(9, 10)중 하나에 충돌하기 전에 이탈되지 않은 상태로 시트(6) 안으로 통과하고, 전체 내부 반사 상태에서 대향 면(9, 10)을 통해서 방출되어 각도적으로 이탈된 방출 비임(12)을 형성한다. 프리즘(8)들이 동형이기 때문에, 대칭형의 삼각형 단면들은 매끄러운 표면(7)에 직각인 하나의 측면 또는 다른 측면에 대하여 광을 모두 동일 각으로 이탈시키게 된다. 또한, 도2에 도시된 R셀 배열과 관련한 일부 단점도 있다. 특히, 직각 입사된 평행 조준광 및 60 °이상의 방출각의 경우에, 하나의 R셀을 통해서 시트로부터 방출되는 광의 소정 부분은 인접 R셀에 의해 빼앗겨서 시트(6)의 투과 효율을 감소시키게 된다. 이러한 문제는 도3에 도시되어 있으며, 여기서 하나의 프리즘의 면(9)에 충돌하는 광(11)은 면(10)을 통해서 시트(6)로부터 방출된 후에 인접 프리즘에 의해 빼앗기게 되는 것을 볼 수 있다. 입사광(11)이 평행 조준되지 않거나 시트 상에 직각으로 입사되지 않으면 이러한 효과는 작은 방출각에서도 나타난다.
도4는 도3과 유사하지만 두개의 R셀(14)들 사이에 위치한 T셀(13)을 도시한다. T셀(13)의 존재에 의해 야기된 R셀(14)의 분리가 증가된 것에 기인하여, R셀의 한 면(16)의 하부 부분에 충돌하는 광(15)은 다른 면(17)을 통해서 방출되어 인접 R셀(14)에 의해 빼앗기지 않게 된다. 도4의 T셀(13)이 30 °미만의 방출각 θ을 제공하도록 마련되므로, 이러한 형태의 프리즘 구조체(13, 14)를 포함하는 시트는 광을 비교적 효율적으로 투과시키게 된다. T셀(13)에 도입되는 광은 각도 θ로 이탈되게 되고, R셀(14)에 도입되는 광은 큰 각도 φ로 이탈되게 된다.
대개, 평행 조준된 광 비임이 도1, 도2 및 도4에 도시된 임의의 시트의 매끄러운 주표면 상에 직각으로 입사되면, 구조 표면 상의 각 프리즘은 프리즘의 면들의 각도에 의해[예를 들어, 도2의 시트에서 프리즘 면(9, 10)의 경사에 의해] 결정된 각도들에서 두개의 출력 비임을 생성하게 된다. 이러한 구조 표면에서 시트에 걸쳐 다양한 면 각도들을 생성하는 프리즘 어레이를 사용함으로써, 상이한 각도들에서의 출력 비임의 혼합부가 생성될 수 있다. 다시 말해서, 시트로부터 나오는 광의 각도를 이룬 분배는 프리즘 어레이에서의 다양한 면 각도들에 의해 미리 예견할 수 있는 방식으로 결정된다. 따라서, 시트로부터 출현하는 광에서 특정 각도의 분배를 이루기 위하여 시트의 구조 표면 상에 필요한 면 각도들의 스펙트럼을 결정할 수 있다. 이로써, 상기 스펙트럼을 만족시키는 T셀 및/또는 R셀의 세트는 수학적으로 유도될 수 있어서 상기 경우의 특정 상황(즉, 시트 재료의 굴절률 및 입사광의 입사각 등의 인자)과 관련을 갖게 된다. 입사 비임이 평행 조준되고 시트의 매끄러운 표면 상에 직각으로 입사되고, 출현 광 비임의 단지 좁은 확산(약 60 °미만; 시트의 매끄러운 표면에 직각인 각 측면 상에서 약 30 °의 이탈에 대응함) 만이 필요하면, 시트의 구조 표면 상의 T셀 또는 R셀만을 사용하여 출현 광의 필요한 각도적 분배를 얻을 수 있다. T셀 및 R셀의 혼합부도 사용할 수 있다. 약 120 ° 이하의 각도(시트의 매끄러운 표면에 직각인 측면 상에서의 약 60 °의 이탈에 해당)로 비임을 확산시킬 필요가 있으면, 시트의 구조 표면 상에 R셀만을 사용하여 출현 광에서 필요한 각도적 분배를 얻을 수 있으며 T셀 및 R셀의 혼합부도 사용할 수 있다. 그러나, 입사 비임이 평행 조준되지 않거나 시트 상에 직각으로 입사되지 않거나, 또는 넓은 각도의 확산이 필요하면, R셀과 T셀의 혼합부가 필수적으로 된다 (도4에 도시된 것처럼 R셀을 분리하는 데 T셀이 사용됨). 이 경우에, T셀에 의해 광의 작은 각도의 확산이 수행될 수 있고, R셀에 의해 큰 각도의 확산이 수행될 수 있다. 필요한 세트의 셀이 결정되면, 이들은 나중에 설명하는 것처럼 상이한 방법으로 시트의 표면에 걸쳐 배열될 수 있다.
가장 간단한 경우에 즉, 한가지 형태의 셀만 (즉, T셀 또는 R셀만) 본 발명에 따른 시트의 구조 표면 상에 사용되는 경우에, 면 각도들의 필요한 스펙트럼을 제공하는 프리즘은 (필요한 시트 영역을 얻도록 어레이 자체가 필요에 따라 자주 반복되거나 다른 프리즘 어레이와 조합되어 사용되더라도) 시트의 표면에 걸쳐 비순서적인 방식으로 배열되어야 한다. 상이한 각도들로 광을 이탈시키는 프리즘의 비순서식 배열을 사용함으로써, 시트를 통과하는 광의 집중을 피할 수 있는데, 즉 태양광선의 어떠한 집중도 안전(특히, 화상)을 해치게 되는 고온 스폿을 만들기 때문에 광이 태양광인 경우에는 특히 중요하다. 광원의 반대쪽으로부터 시트를 보는 관찰자(즉, 시트의 구조 표면 상에 있는 관찰자)의 관점에서, 프리즘의 비순서식 배열은 번쩍임을 줄여주는 것을 돕는다.
도5는 상기 형태의 광확산 시트(20)를 확대 도시한다. 이 시트는 매끄러운 표면(21)과 구조 주표면(22)을 포함하고, 상기 주표면(22)은 (도면에 점선으로 도시된 광선으로 도시된 것처럼) 시트로부터 출현하는 광에 특정 각도의 분배를 제공하도록 선택된 상이한 각도들로 광을 이탈시키는 다수의 반사 프리즘(24a, 24b, 24c, …)의 어레이(23)를 포함한다. 어레이(23)의 프리즘(24)은 비순서식 방식으로 시트(20)에 걸쳐 배열된다. 도5는 시트(20)를 생성하는 데 사용된 제조 공정이 동일 깊이를 취하는 프리즘들 사이의 골을 갖는 동일 높이로 된 프리즘(24)들을 최적으로 생성하게 되는 특정 경우를 도시한다. 따라서, 프리즘(24)은 필요한 다양한 면 각도들을 제공하도록 상이한 폭으로 되어야 한다. 그러나, 반드시 그럴 필요는 없고, 또 다른 제조 공정으로도 프리즘(24)들이 상이한 높이로 되거나 그리고/또는 이들 사이에 상이한 높이의 골을 갖도록 된 시트를 제조할 수 있다. 몇몇 경우에, 연속 프리즘(24)들은 예를 들어 동형 굴절 프리즘에 의해 서로 이격된다. 어레이(23)는 필요한 시트 영역을 얻는데 필요하다면 시트(20)에 걸쳐 반복될 수도 있다. 이와 달리, 어레이(23)는 또 다른 형태의 하나 또는 그 이상의 프리즘 어레이와 조합될 수도 있다.
T셀과 R의 혼합부가 본 발명에 따른 시트의 구조 표면 상에 사용되는 경우에, 면 각도들의 필요한 스펙트럼을 제공하는 프리즘은 (프리즘 어레이가 필요한 시트 영역을 얻도록 필요에 따라 자주 반복되거나 다른 프리즘 어레이와 조합되어 사용되더라도) 적어도 하나의 굴절 프리즘에 의해 분리된 연속 반사 프리즘들로 시트의 표면에 걸쳐 배열되어야 한다. 그러나, T셀 및 R셀은 시트의 사용 의도에 따라 순서식 또는 비순서식 방식으로 배열될 수 있으며, 이에 대해서는 도4에 도시된 방식으로 일반적으로 배열된 T셀 및 R셀을 포함하는 광학 시트를 예시적인 방법으로 도시하는 도6 및 도7을 참조하여 나중에 설명한다.
도6의 시트(25; 크게 확대 도시됨)는 매끄러운 주표면(27)과 구조 표면(28)을 가지며, 구조 표면(28)은 (점선으로 도시된 광선에 의해 도시된 것처럼) 광확산 특성을 제공한다. 구조 표면은 다수의 R셀(30a, 30b, 30c, …)을 포함하는 프리즘 어레이(29)를 포함하며, 상기 R셀의 각각의 인접 쌍은 대응 T셀(31a, 31b, 31c, …)에 의해 분리된다. 어레이(29)의 프리즘들은 시트로부터 출현하는 광에 특정 각도적 분배를 제공하도록 선택된 상이한 각도들로 광을 이탈시키고, 대개 T셀(31)은 약 30 ° 미만의 상이한 각도로 광을 이탈시키는 데 사용되고, R셀(30)은 약 20 ° 이상의 상이한 각도로 광을 이탈시키는 데 사용된다. 그러나, 가장 중요한 것은 어레이(29)의 프리즘들이 비순서식으로 배열된다는 것이다. 제조상의 이유로, R셀(30)은 모두 동일 높이(및, 따라서 상이한 폭)으로 되지만, T셀(31)은 모두 동일 폭(및, 따라서 상이한 높이)로 되어 있다. 어레이(29)는 필요한 시트 영역을 얻는 데 필요하다면 시트(25)에 걸쳐 반복될 수도 있다. 이와 달리, 어레이(29)는 예를 들어 도5에 도시된 형태인 또 다른 형태의 하나 이상의 프리즘 어레이와 조합될 수도 있다.
도6에 사용된 T셀 및 R셀의 혼합부는 시트가 광을 효과적으로 투과시켜 넓은 각도로 확산시킬 수 있게끔 해준다. 상이한 각도로 광을 이탈시키는 프리즘의 비순서식 배열을 사용하면 시트를 통과하는 광의 집중을 피할 수 있는데, 즉 태양광선의 어떠한 집중도 안전(특히, 화상)을 해치게 되는 고온 스폿을 만들기 때문에 광이 태양광인 경우에는 특히 중요하다. 광원의 반대쪽으로부터 시트를 보는 관찰자(즉, 시트의 구조 표면 상에 있는 관찰자)의 관점에서, 프리즘의 비순서식 배열은 번쩍임을 줄여주는 것을 돕는다.
도7의 시트(34)는 도6의 시트(25)와 다른데, 즉 프리즘 어레이(34A)의 R셀(32) 및 T셀(33)이 순서식 방식으로, 다시 말해서 도면의 좌측으로부터 우측으로 가면서 방출각이 증가되는 방식으로 배열되어 있다. 제조상의 이유로, 도6의 시트(25)에 있어서 R셀(32)은 모두 동일 높이(및, 따라서 상이한 폭)으로 되지만, T셀(33)은 모두 동일 폭(및, 따라서 상이한 높이)로 되어 있다. 따라서, 도면에 도시된 것처럼 R셀(32a)은 좁은 폭을 갖고 R셀(32k)은 큰 폭을 갖지만, T셀(33a)은 낮은 높이를 갖고 T셀(33j)은 큰 높이를 갖는다. 각 T셀(33)의 폭이 인접 R셀(32)에 따라 조절되도록 더욱 효과적인 설계도 가능하다는 것을 알 수 있다. 또한, 방출각이 60 °미만(또는 비평행 조준광에 대하여 낮은 각도) R셀(32)에 대하여 인접 T셀(33)을 가질 필요는 없다. 그러나, 큰 방출각[예를 들어 R셀(32k)]을 갖는 R셀(32)은 가장 넓은 T셀(33)을 필요로 하게 된다.
도7의 시트(34)는 고온 스폿의 위험을 증가시키고 번쩍임의 정도를 증가시키는 하지만 광을 효율적으로 투과시켜 확산시킬 수 있다. 그러나, 예를 들어 시트가 온실 내에 도입되는 자연광을 확산시킬 때에는 이러한 요소들은 실질적인 문제를 일으키지는 않을 수도 있다.
도6 및 도7에서, T셀(31, 33)은 완전히 평평하게 되는데, 즉 180 °의 꼭지각에 대응하는 높이를 갖지 않는다.
도8 내지 도10은 본 발명에 따른 광학 시트를 사용하기에 적합한 3가지 가능한 변경예의 프리즘 형상을 도시한다. 도8은 0 °내지 약 30 °의 범위의 각도를 통해서 광을 직각의 일 측면으로 이탈시키는 데 적합한 시트의 표면에 실질적으로 직각인 한 면(36)을 갖는 T셀 비대칭 구조체(35)를 도시한다. 도9는 시트의 표면에 실질적으로 직각인 면(38)과, 도입광(40)의 전체 내부 반사를 위하여 구조에 내부 표면을 제공하는 제1면에 대하여 각도를 이루는 또 다른 면(39)을 갖는 R셀 비대칭 구조체(37)를 도시한다. 비대칭 R셀(37)은 방출광(41)에 의해 도시된 것처럼 광을 이 경우에는 약 20 ° 내지 45 °범위의 각도로 직각인 일 측면으로 이탈시키는 데 적합하다. 도10은 시트의 표면에 실질적으로 직각인 한 면(43)과 두개의 대향 면(44, 45)을 갖는 R셀 구조체(42)를 도시하며, 상기 대향면중 상부면(44)은 하부면(45)보다 시트의 표면의 직각에 대하여 높은 각도를 취한다. 따라서, 하부면(45)으로부터 반사된 도입광(46)은 상부면(44)으로부터 반사된 광의 방출각보다 작은 방출각으로 구조체(42)로부터 방출된다. R셀(42)은 약 30 °내지 90 °사이의 각을 통해서 광을 직각인 일 측면으로 이탈시키는 데 적합하다.
도8 내지 도10에 도시된 각각의 셀(35, 37, 42)에서, 면(36, 38, 43)들의 각도 B는 상기 면에 충돌하는 광량을 최소화시키도록 실질적으로 90 °로 되어야 한다. 대개, 상기 각 B는 89 °로 된다. 도8에 도시된 T셀에 대하여 방출각이 10 °를 얻도록 시트 재료의 굴절률이 1.492이면, 다른 면(46)의 각 A는 19 °로 된다. 50 °및 36.8 °의 방출각을 갖는 도10에 도시된 R셀(37)에 대해서는 면(45)의 각 A가 61.5 °로 되어야 하고 면(44)의 각 A는 58 °로 되어야 하며, 시트의 표면 상에 투사된 면(44, 45)들의 상대 길이는 도11에 도시된 것처럼 1.766 : 1로 되어야 한다.
도8 내지 도10에 도시된 것과 같은 비대칭 구조체를 갖는 시트를 사용하여 소정의 각도적 분배를 이루기 위해서는, 면 각도들의 범위는 도6 및 도7을 참조하여 앞에서 설명한 것처럼 중간에 개재된 T셀 및 R셀과 함께 혼합되거나 또는 R셀들의 혼합부로 혼합될 수 있다.
도10의 프리즘은 도입광(46)이 반사되게 되는 경사면[면(44, 45)]의 수를 증가시킴으로써 변경될 수 있다. 제한된 경우에, 적어도 이들 경사면의 일부는 곡선을 형성하게 된다. 다수의 경사면[도10의 면(44, 45)]을 사용하는 것은 비대칭 프리즘에 제한되지 않고 대칭 프리즘에도 또한 적용할 수 있다.
도12는 도5 내지 도7을 참조하여 앞에서 설명한 형태의 시트(48)의 평면도로서, 여기서 프리즘(49)은 시트에 걸쳐 선형으로 연장되도록 되어 있다. 이 시트는 프리즘(49)의 연장 방향에 대하여 직각으로 일방향으로 광을 확산시키는 효과를 갖게 된다. 또한, 도5 내지 도7을 참조하여 앞에서 설명한 형태의 변경예의 시트(50)의 평면도도 도시되어 있으며, 여기서는 프리즘(51)이 도13에 도시된 곡선 경로를 따른다. 이 시트는 광이 통과하게 되는 방향의 교차 방향으로 광을 추가로 대칭 확산시키게 된다. 대개, 프리즘 구조체는 예를 들어 도14에 도시된 것과 같은 시트 상의 동심원 세트를 형성하는 경로 또는 도15에 도시된 것과 같은 중심 위치로부터 방사되는 경로를 포함하는 임의 형상의 경로를 따를 수 있다. 도12에 도시된 일반적인 형태의 두개의 시트가 프리즘 구조체(49)와 중첩되어 이들이 서로 직각으로 연장되면, 그 결과적인 구조체는 광을 2차원으로 분기시키게 된다. 나중에 설명하는 것처럼, 이러한 구조는 미적으로 좋은 효과를 제공할 뿐만 아니라 조명기구의 최종 광학 요소로서 사용되면 광을 효과적으로 분배하여서 관찰자에게 보이는 조명기구의 면을 형성하게 된다. 프리즘 구조가 다른 경로(곡선 경로를 포함)들을 따르게 되는 두개의 시트를 사용하여 시트들이 중첩되면 프리즘 구조체가 상호 직교하도록 또 다른 효과를 얻을 수 있다. 예를 들어, 도14에 도시된 형태의 시트는 도15에 도시된 형태의 시트를 사용하여 얻을 수 있다.
본 발명에 따른 시트는 임의의 적절한 두께를 취할 수 있고 임의의 적절한 재료로 형성될 수 있다. 예를 들어, 이들은 가요성 필름으로 형성될 수 있으나, 더욱 강성인 시트로 형성될 수도 있다. 시트들이 형성될 수 있는 재료의 예로는 아크릴 및 폴리카보네이트 재료가 있다. 더욱 일반적으로는, 시트용으로 적합한 재료는 굴절률이 높은 광학적으로 깨끗한 재료를 포함하며, 시트가 사용될 환경에 따라 백열등 또는 형광등 입자 및 확산 입자 등의 다른 물질을 사용할 수 있다. 그러나, 시트의 구조 측면 상의 프리즘 구조체는 직접 절단, 엠보싱 및 주조를 포함하여 임의의 적절한 방법으로 형성될 수 있다. 프리즘 구조체의 크기는 시트를 사용하려는 의도에 따라 광원의 특성에 따라, 그리고 시트의 시각적 외관 및 제조에 사용되는 제조 공정에 의해 결정된다. 대개, 광원이 발광 다이오드로서 공간적으로 소형인 공급원이면, R셀은 약 0.2 내지 0.3 mm의 높이를 갖게 되고, R셀은 약 0.1 내지 0.15 mm의 폭을 갖게 된다. 또한, 프리즘 구조체가 앞에서 설명한 것처럼 종래의 평평한 면을 갖지만 곡선 면을 갖는 이와 유사한 일반적인 프리즘 구조체를 사용할 수도 있다.
두개의 중첩된 시트(52, 53)를 공간적으로 소형인 광(55) 공급원을 사용하는 조명기구(54)에 사용하는 것이 도16에 개략적으로 도시되어 있다. 조명기구(54)를 보는 관찰자(56)는 서로 직각인 2세트의 평행 광선을 보게 된다. 상기 광선들의 위치는 관찰자가 보게 되는 위치에 따라 변화하게 되며, 시트들이 도6에 도시된 형태로 되면 관찰자가 이동하게 됨으로써 반짝거리게 된다. 시트(52, 53)의 구조 표면 상의 프리즘이 비순서식 방법으로 배열되는 양호한 경우에, 임의의 특정 위치로부터 관찰자에게 보이는 광선 세트는 시트들에 걸쳐 불균일하게 분배되어 약간의 번쩍임을 일으키게 된다. 이러한 효과는 도17에 도시된 것처럼 조명기구(57)가 수개의 광원(58)을 사용하는 경우에는 관찰자(59)가 유사하게 보게 되지만 각각의 광원용의 평행 광선 세트는 변위되어 있기 때문에 배가된다. 이 효과는 지점 광원들이 상이한 색상(예를 들어, 적색, 청색 및 녹색)으로 된 경우에 특히 흥미롭게 된다. 이 경우에, 조명기구는 조명될 영역 상에 백색광을 제공하지만, 관찰자가 보게 되는 조명기구는 광원의 개개의 색상에서 평행 광선의 직교 세트들로 보이게 된다.
본 발명에 따른 광학 시트는 발광 다이오드(LED), 레이저(특히 레이저 다이오드) 및 소형 백열등 등의 공간적으로 소형인 광원을 사용하는 조명기구에 특히 적합하다. 그러나, 이들은 금속 할라이드 램프 및 할로겐 램프를 포함하는 다른 광원에도 사용할 수 있으며, 대형 백열등 및 형광관 등의 일반적인 종래의 광원에도 사용할 수 있다. 대형 광원이 사용되면, 광원을 바라보는 관찰자에 대한 광학 시트의 효과는 확산되게 보이고 광원의 형태를 다소의 범위까지 가장되어 보이게 한다. 바람직하게는, 도12에 도시된 것처럼 선형 연장 프리즘을 갖는 시트는 확대된 광원에 사용할 수 있으며, 도14에 도시된 것처럼 원형 경로를 따르는 프리즘을 구비한 시트는 원형 형태의 광원에 사용할 수 있다.
본 발명에 따른 광학 시트를 사용하는 또 다른 조명기구가 도18 및 도20에 도시되어 있다. 도18에 도시된 조명기구(60)는 예를 들어 종래의 형광관인 긴 광원(61)을 사용한다. 관찰자에게 보이는 조명기구의 광원은 도12에 도시된 것처럼 선형 프리즘 구조체를 갖는 본 발명에 따른 광학 시트(62)에 의해 형성된다. 시트(62)는 광원(61)의 길이에 대하여 연장되고, 조명될 영역에서 관찰자의 시계로부터 광원을 감추도록 만곡되어 있다. 시트 상의 프리즘 구조체는 광원에 대하여 평행하게 연장되고 시트의 외측 표면 (즉, 광원으로부터 멀리 면하는 표면)상에 위치한다. 시트(62)는 광을 광원(60)으로부터 조명될 영역에 걸쳐 확산시키고, 조명기구에서 보는 관찰자를 위하여 광원의 형태를 확산시키는 효과를 제공하여 조명기구의 전체적인 외관을 개선하게 된다.
도19 및 도20은 또 다른 긴 조명기구(64)를 도시하는데, 이 경우에는 긴 광원보다는 공간적으로 소형인 광원(예를 들어 LED)을 사용한다. 상기 조명기구는 광원(66)을 내장하는 원통형 하우징(65, 도19)을 포함한다. 광원(66, 도20)은 하우징(65)의 길이를 따라 (예를 들어 3 내지 5 cm) 간격으로 위치하고, 이들은 66A에 도시된 개별적인 형태 또는 66B에 도시된 클러스터 형태를 취하거나 양쪽 모두를 취하기도 한다. 광은 하우징(65)의 길이를 연장시키는 소정 폭의 창(67, 도20)을 통해서 방출될 필요가 있고, 하우징의 외부 곡선 표면의 잔여부는 광을 광원(66)으로부터 하우징으로 뒤로 반사시키게 되는 재료(68, 도19에는 생략됨)로 덮인다. 대개, 반사 재료(반사식으로 또는 확산식으로 반사함)는 하우징 주연의 65 내지 70 %를 덮게 되고, 실린더의 일 단부 또는 양단부도 동일 재료로 덮일 수 있다. 적절한 반사 재료는 미국 세인트폴에 소재하는 미네소타 마이닝 앤드 매뉴팩춰링 캄파니로부터 "광학 필름(Optical Lighting Film)" 및 "실버룩스 필름(Silverlux Film)"의 상표명으로 판매되고 US-A-5 882 774 및 5 976 686에도 개시되어 있는 필름을 포함한다. 그러나, 알루미늄 및 백색 도료 등의 다른 반사 재료도 사용할 수 있다. 하우징 창(67)은 프리즘이 광 주위로 연장되어 관의 길이를 따라 광원(66)으로부터 광을 확산시키는 기능을 하도록 위치된 본 발명에 따른 광학 시트(67A, 도19에 생략됨)에 의해 덮인다. 도6 또는 도7에 도시된 경우에 바람직한 광학 시트(67A)도 도19에는 생략되어 있다.
필요에 따라, 반사 재료(68)는 조명기구(64)로부터 생략될 수도 있으며, 광학 시트 재료(67A)는 하우징(65)의 전체 주연 주위로 연장되어 광원(66)으로부터의 광이 360 °로 방출되게 한다.
하우징(65)은 광원(66)을 둘러싸는 고체 광학적 선명 플라스틱(예를 들어 아크릴) 재료로 되거나, 또는 도20에 도시된 것처럼 광원이 위치하게되는 중공의 광학적 선명 파이프로 간단하게 될 수도 있다. 광원(66)용 전원 배선(69)은 일 단부에서 하우징(65)에 도입되고, 광원(66)의 광출력을 연속적으로 제어하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 광원(66)이 LED들이면, 이들은 LED들을 개별적으로 제어함으로써 얻게 되는 다양한 다색 조명을 가능하게 하는 상이한 색상의 클러스터에 사용될 수 있다. 이 LED들은 전지팩에 의해 또는 저전압 DC 변환기(도시 생략)를 거쳐 전력을 공급받는다.
광원(66)이 LED인 도19 및 도20에 도시된 형태의 조명기구는 [특히 LED가 중실 플라스틱 하우징(65)에 싸인 경우에] 특히 견고하게 하는 장점을 제공하고, 적어도 형광등의 에너지 효율, 예상 수명 및 낮은 발열성을 만족한다. 소정 용도에서, 하우징(65)은 소정 범위까지 만곡될 수도 있다. 광원(66)으로서 LED를 사용하는 것이 이점이 있지만, 전계 발광 재료, 발광 중합체, 레이저 다이오드, 형광등 및 할로겐 램프 등을 포함하는 다른 광원을 사용할 수도 있다.
변경예의 조명기구에서, 본 발명에 따른 광학 시트는 광섬유에 의해 방사된 광을 확산시키는 데에도 사용될 수 있다. 즉, 도21에는 광섬유의 일단에서 광원(도시 생략)으로부터 광을 공급받는 광섬유(70)가 도시되어 있다. 광섬유의 일 측면 상의 광 취출 요소(71)는 광을 그 반대 측면 상의 광섬유로부터 제어식 방법으로 방출되게 한다. 본 발명에 따른 광학 시트(72)는 광섬유의 상기 측면 상에 위치하고, 광섬유에 평행하게 연장되는 긴 프리즘에 의해 출현 광을 필요로 하는 각도 분배 상태로 확산시킨다.
본 발명에 따른 광학 시트는 광의 확산시에 높은 효율 및 정확한 제어가 중요한 경우에는 인공광 또는 자연광을 사용하는 조명 시스템에 특히 유용하다. 이들은 예를 들어 조명 비용이 매우 비싸고 양호한 조명이 요구되는 전시홀 등의 큰 건물에서의 고전력 조명기구에 사용될 수 있다. 본 발명의 광학 시트를 사용할 수 있는 상기 상황에 사용하기에 적합한 조명기구는 PCT 출원(출원번호 미확인; 출원인의 미국 대리인 정리번호 54853PCT1A)에 개시되어 있다. 마찬가지로, 광학 시트는 도로 및/또는 포장도로의 소정 영역을 효율적이고 제어식으로 조명하기 위해 거리용 LED를 사용하는 조명기구에 사용할 수 있다. 주광 용도에서, 본 발명에 따른 광학 시트는 태양광 파이프의 단부로부터 출현되는 광을 확산시키는 데 사용될 수 있고, 또는 마루 영역에 걸쳐 수행되는 제어식 방법에서 광의 하방으로의 번쩍임 및 확산을 없애도록 태양광 창에 간단하게 적층시킬 수도 있다. 이들 모든 용도에서, 시트의 구조 표면을 형성하는 프리즘을 적절하게 선택하면 필름으로부터 출현되는 광이 좁은 비임으로부터 넓은 (예를 들어 램버션) 분배에 이르기까지 다양한 형태로 안내되게 한다.
앞에서 이미 설명한 것처럼 본 발명에 따른 광학 시트는 광확산 효율에 더하여 두개의 시트가 특히 하나 위에 다른 하나가 사용될 때 광원의 전방에 위치하면 독특한 장식적인 외관을 갖게 된다. 실제로, 광원이 시트의 구조 측면 상에 위치하고 시트를 매끄러운 측면으로부터 보았을 때에는 이러한 상황에서 시트의 투과 효율이 감소되기는 하지만 독특한 장식적인 외관도 제공된다는 것을 알 수 있다. 상호 직교하는 프리즘 구조체를 갖는 두개의 중첩된 시트의 외관과 유사한 외관은 각각의 주표면에 형성된 해당 프리즘 구조체를 구비한 재료의 단일 시트를 사용하여 얻을 수 있다.
본 발명에 따른 광학 시트는 이의 광확산 기능보다는 시트의 독특한 외관이 더 중요한 경우에도 사영할 수 있다. 예를 들어, 본 발명에 따른 광학 시트는 반사 후방판 재료를 구비할 수 있고, 자동차 및 에어로스페이스 트림 재료로서, 그리고 장벽 외형 재료로서 또는 장식적인 목적으로 간단하게 사용된다. 이 방식에 사용될 때, 관찰자는 도16 내지 도21에서처럼 대향 측면 상에서보다는 광원으로서의 시트의 동일 측면 상에 위치하게 된다. 본 발명에 따른 시트 재료가 독특한 장식적인 외관을 위해 사용될 때에는 광원과 시트 사이의 상대 이동이 있거나 관찰자에 대한 각도가 변화하는 경우에 특히 효과적이다.

Claims (18)

  1. 필름의 제2 주표면이 실질적으로 매끄러운 경우에 제2 주표면을 통해서 필름에 도입되고 프리즘 어레이를 통해서 방출되는 광의 직각 입사 비임이 프리즘 어레이에 의해 확산되도록 시트의 제1 주표면이 프리즘 어레이를 포함하는 구조 표면으로 된 구성을 취하는 광확산용 광학 시트에 있어서,
    상기 어레이는,
    (a) 후속 반사 프리즘이 적어도 하나의 굴절 프리즘에 의해 분리되도록 되고, 직각 입사광을 상이한 각도들로 이탈시키도록 선택된 다수의 반사 프리즘 및 직각 입사광을 상이한 각도들로 이탈시키도록 선택된 다수의 굴절 프리즘과,
    (b) 직각 입사광을 상이한 각도들로 이탈시키도록 선택된 다수의 반사 프리즘의 비순서식 배열부와,
    (c) 직각 입사광을 상이한 각도들로 이탈시키도록 선택된 다수의 굴절 프리즘의 비순서식 배열부를 포함하고,
    상기 각각의 굴절 프리즘은 광이 제1 주표면을 통해서 필름으로부터 방출될 때 프리즘 면에서 굴절에 의해서만 직각 입사광을 이탈시키고, 상기 각각의 반사 프리즘은 광이 제1 주표면을 통해서 필름으로부터 방출되기 전에 프리즘 내의 전체 내부 반사에 의해서 직각 입사광을 이탈시키는 것을 특징으로 하는 광학 시트.
  2. 제1항에 있어서, 어레이가 교대로 된 반사 및 굴절 프리즘들을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 시트.
  3. 제2항에 있어서, 어레이가 교대로 된 반사 및 굴절 프리즘들의 비순서식 배열부를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 시트.
  4. 상기 항중 어느 한 항에 있어서, 필름의 제2 주표면이 실질적으로 매끄러운 것을 특징으로 하는 광학 시트.
  5. 시트의 제1 주표면이 프리즘 어레이를 포함하는 구조 표면이고 시트의 제2 주표면이 실질적으로 매끄럽게 되어 있어서 제2 주표면을 통해서 필름에 도입되어 프리즘 어레이를 통해서 방출되는 직각 입사 비임이 프리즘 어레이에 의해 확산되도록 구성된 광확산용 광학 시트에 있어서,
    상기 어레이는, 후속 반사 프리즘이 적어도 하나의 굴절 프리즘에 의해 분리되도록 되고, 직각 입사광을 상이한 각도들로 이탈시키도록 선택된 다수의 반사 프리즘 및 직각 입사광을 상이한 각도들로 이탈시키도록 선택된 다수의 굴절 프리즘으로 된 비순서식 배열부를 포함하고,
    상기 각각의 굴절 프리즘은 광이 제1 주표면을 통해서 필름으로부터 방출될 때 프리즘 면에서 굴절에 의해서만 직각 입사광을 이탈시키고, 상기 각각의 반사 프리즘은 광이 제1 주표면을 통해서 필름으로부터 방출되기 전에 프리즘 내의 전체 내부 반사에 의해서 직각 입사광을 이탈시키는 것을 특징으로 하는 광학 시트.
  6. 상기 항중 어느 한 항에 있어서, 제1 주표면이 또 하나의 동형 프리즘 어레이를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 시트.
  7. 상기 항중 어느 한 항에 있어서, 프리즘중 적어도 일부가 삼각형 단면을 취하는 것을 특징으로 하는 광학 시트.
  8. 상기 항중 어느 한 항에 있어서, 프리즘중 적어도 일부가 두개 이상의 면을 갖고, 그중 제1면이 시트로부터 제1각도로 시트의 평면으로 돌출하고 제2면이 제1각도보다 작은 시트의 평면에 대한 소정 각도로 시트에 대하여 외향으로 제1면으로부터 연장되는 것을 특징으로 하는 광학 시트.
  9. 상기 항중 어느 한 항에 있어서, 프리즘의 폭 및/또는 깊이가 구조 표면에 걸쳐 변화되는 것을 특징으로 하는 광학 시트.
  10. 상기 항중 어느 한 항에 있어서, 프리즘의 적어도 일부가 비대칭인 것을 특징으로 하는 광학 시트.
  11. 제10항에 있어서, 비대칭 프리즘들이 시트의 평면에 대하여 실질적으로 직각인 하나의 면을 각각 갖는 것을 특징으로 하는 광학 시트.
  12. 상기 항중 어느 한 항에 있어서, 프리즘이 시트에 걸쳐 선형으로 연장되는 것을 특징으로 하는 광학 시트.
  13. 제1항 내지 제11항중 어느 한 항에 있어서, 프리즘이 시트에 걸쳐 곡선 경로로 연장되는 것을 특징으로 하는 광학 시트.
  14. 상기 항중 어느 한 항에 따른 광학 시트를 포함하는 광학 시트와 적어도 하나의 광원을 조합식으로 포함하는 조명기구.
  15. 제14항에 있어서, 광원은 이 광원으로부터 광이 시트의 제2 주표면으로부터 시트를 통해서 안내되도록 위치한 것을 특징으로 하는 조명기구.
  16. 제15항에 있어서, 광원으로부터의 광이 양 시트들을 통해서 안내되도록 제1 광학 시트에 중첩하도록 위치한 제1항 내지 제13항중 어느 한 항에 따른 제2 광학 시트를 더 포함하고, 상기 제2 시트는 상기 두개의 시트의 프리즘이 서로 직각인 방향으로 연장되도록 위치한 것을 특징으로 하는 조명기구.
  17. 제14항 내지 제16항중 어느 한 항에 있어서, 광원이 발광 다이오드 또는 레이저 다이오드, 또는 백열등 또는 형광등인 것을 특징으로 하는 조명기구.
  18. 하우징 내의 창을 통해서 방출되도록 긴 하우징 내에서 그 길이를 따라 위치한 다수의 공간적으로 소형인 광원을 포함하는 조명기구에 있어서, 상기 창은 이를 통과하는 광을 확산시키기 위해 제1항 내지 제13항중 어느 한 항에 따른 광학 시트를 내장하는 것을 특징으로 하는 조명기구.
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