KR20010073904A - 에피사이클로이드형 광 가이드 및 조명 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 조명 장치로부터 발생되는 빛을 더욱 멀리 전달하는 광 가이드에 관한 것으로, 광원과, 광원으로부터 연장되어 있고 측면의 일부분이 투명하며 내부가 빈 가이드부로 구성되는 조명장치에 있어서, 전력과 발광 특성을 향상시키기 위해 단면이 에피사이클로이드(epicycloid) 곡선을 가지는 파이프 형태의 광 가이드를 제공한다. 상기 에피사이클로이드 곡선 단면 중 일부의 면에는 빛이 투과하는 재질 또는 프리즘을 이용하여 빛을 투과시키고, 나머지 면은 반사율이 높은 재질의 반사판을 형성시킨다. 본 발명에 의하면 높은 가격의 렌즈나 프리즘을 사용할 필요가 없어 제조 비용을 절감할 수 있으며, 더욱 효율이 높은 광 가이드를 제공할 수 있게 된다. 특히, 에피사이클로이드의 형태를 변경하거나 광 가이드 벽면을 구성하는 물질의 광학적 파라미터를 변경시킴으로써 조명 특성 및 에너지 특성을 개선할 수 있다.

Description

에피사이클로이드형 광 가이드 및 조명 장치{EPICYCLOIDAL LIGHT GUIDE AND ILLUMINATING FACILITY}

본 발명은 조명 장치로부터 발생되는 빛을 더욱 멀리 전달하는 광 가이드에 관한 것으로, 특히 가이드의 단면이 에피사이클로이드(epicycloid) 형태로 된 광 가이드에 관한 것이다.

조명장치에서 방사되는 빛을 측면의 일부분을 통하여 재분배시키는 채널 형태의 광 가이드를 구비한 조명장치는 그러한 광 가이드가 없는 조명에서 보다 훨씬 적은 수의 광 플럭스로 가이드의 벽면을 조명하도록 되어 있다. 여러 가지 목적의 조명에 효과적으로 널리 사용되기 위해서, 채널형 광 가이드를 구비한 조명 기구는 다음의 조건을 만족시켜야 한다.

1) 가이드로 방사된 광 플럭스의 분포는, 방향과 강도의 관계에서, 피조명체에 정성적 및 정량적으로 요구되는 조명 파라미터의 필수적인 분포를 제공하여야 한다.

2) 전력 손실이 다른 조명 수단과 비교할 때 전력 소비의 증가를 야기해서는 안된다.

3) 비용면에서 다른 기술적 수단과 비교하여 이득이 되어야 한다.

채널형 광 가이드를 구비한 조명 기구로서 생산 가능한 모든 기구와 아직 실용화되지 않은 다수의 특허들은 채널형 광 가이드의 구조적 광학적 설계를 광 가이드의 전면부 형태가 원(임의의 볼록한 원을 포함)이거나 다각형으로 되어있고, 램프가 있는 광 방사부는 원형으로 되어 있으며 채널형 광 가이드의 홀과 일치되도록 되어 있다.

거울 반사 혹은 전반사(transparently prismatic) 또는 광산란 효과를 갖는 상기 광 가이드에 사용되는 물질에 관계없이 광 가이드 채널의 원형 및 다각형태는 광 가이드 벽면을 통해 빛의 방사가 효과적으로 분포되도록 하지 않는다. 또한, 다양한 응용 과제에 대해 달라져야할 분포 특성을 필요에 따라 수정하도록 되어 있지 않다. 한편, 광 가이드의 길이에 따른 분광의 기하학적 변화, 광 가이드의 개량 및 광 방출 파라미터에 관한 다수의 특허 기술은 앞서 기술된 요구 조건 내에서 조명 기구의 최적화를 제공할 수 없다.

광 가이드 내에서 빛이 전파되는 동안 동심원상으로 퍼지는 것을 집중(압축)되도록 할 필요가 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 이미 알려져 있는 방법으로 광 가이드 길이 방향으로 렌즈를 번갈아 배치하거나 광 가이드 벽의 광학적 특성을 변화시키는 것이 제안되었다.

이러한 예로서, 원형 단면을 갖는 광 가이드 벽면에 프리즘을 형성한 경우를 도 1a 및 1b에 나타내었다. 도 1a에 나타난 광 가이드의 구조를 보면, 전구(3)로부터 발생되는 빛을 조명장치 전면으로 모아주는 반사갓이 전구 주위에 설치되어 있고, 반사갓 전면에는 발생된 빛을 더욱 멀리 보내기 위해 다시 가이드(1)가 연결되어 있다. 가이드 끝에는 캡(2)이 부착되어 있다. 이러한 광 가이드의 단면을 나타낸 도 1b를 보면, 단면 형상이 원형으로 되어 있고, 그 상부에는 결합부(5)가 형성되어 있다. 가이드는 외부 가이드(4)와 내부 가이드(9)로 구성되어 있으며, 상기 내부 물질은 구조화된(structured) 프리즘으로 형성되어 있다. 상기 프리즘의 형상을 도 2a 및 2b에 구체적으로 나타내었다. 도 2a의 사시도를 보면, 프리즘 박막 위에 이등변 삼각형이 연속적으로 형성되어 있고, 그 크기는 도 2b에 나타난 것과 같다. 프리즘을 이용한 가이드는 일정한 각도 범위로 입사된 광이 전반사되도록 한다. 도 2c는 이와 같은 프리즘이 형성된 가이드의 일부분을 나타낸 사시도이다.

그러나, 렌즈를 번갈아 배치하거나 위에 설명한 바와 같이 프리즘을 사용하여 광 가이드 벽의 광학적 특성을 변화시키는 것은 채널형 광 가이드의 결함을 본질적으로 제거할 수 없다. 이러한 결함 제거 방법은 또한 채널형 광 가이드의 가격 상승과도 필연적으로 맞물려 있다. 따라서, 광 가이드 채널의 형상 및 광 방사부와의 광학적 연결을 개선하는 과제가 필연적으로 대두되고 있다.

본 발명은 기존의 광 가이드와 같이 렌즈나 프리즘을 사용하지 않고도 효율이 높고 생산 비용을 줄일 수 있는 새로운 광 가이드를 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1a는 원형 단면을 갖는 광 가이드 벽면에 프리즘을 형성한 종래 기술을 나타낸 종단면도이다.

도 1b는 도 1a의 광 가이드 단면의 형태를 나타내는 횡단면도이다.

도 2a는 도 1a의 광 가이드 단면의 프리즘 구조를 나타낸 사시도이다.

도 2b는 도 2a의 프리즘의 크기를 나타낸 단면도이다.

도 2c는 도 2a의 프리즘이 형성된 광 가이드를 나타낸 사시도이다.

도 3은 에피사이클로이드 곡선의 여러 형태를 나타낸 모식도이다.

도 4는 본 발명의 에피사이클로이드 원통의 파라미터 방정식을 설명하는 모식도이다.

도 5a는 본 발명의 광 가이드의 일실시예를 나타내는 종단면도이다.

도 5b는 도 5a의 광 가이드 단면의 형태를 나타내는 횡단면도이다.

*** 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ***

1:광 가이드 3:전구

4:외부 가이드 5:결합부

9:내부 가이드 21:에피사이클로이드면

22:반사판

본 발명은 광원과, 광원으로부터 연장되어 있고 측면의 일부분이 투명하며 내부가 빈 가이드부로 구성되는 조명장치에 있어서, 전력과 발광 특성을 향상시키기 위해 단면이 에피사이클로이드(epicycloid) 곡선을 가지는 파이프 형태의 광 가이드를 제공한다. 상기 에피사이클로이드 곡선 단면 중 일부의 면에는 빛이 투과하는 재질 또는 프리즘을 이용하여 빛을 투과시키고, 나머지 면은 반사율이 높은 재질의 반사판을 형성시킨다.

또한, 광 가이드 내에 램프로부터 일정한 거리를 두고 원뿔 형태의 반사판을 설치할 수 있다. 상기 반사판은 상기 가이드 단면의 에피사이클로이드 곡선의 브랜치(branch)와 동일한 수의 브랜치를 갖는 원뿔 형태로 형성시킨다.

에피사이클로이드는 고정된 원의 주위로 또 다른 원이 회전할 때 회전하는 원의 원주상의 한 점이 지나가는 경로로 정의되며, 고정된 원의 반지름의 크기와 회전하는 원의 반지름의 크기에 따라 다양한 형태의 곡선을 만든다. 고정된 원의 반지름을 a, 회전하는 원의 반지름을 b, 각을 t로 나타낼 때, 에피사이클로이드의 파라미터 방정식은 다음과 같다.

x = (a+b)cos(t) - bcos((a/b+1)t)

y = (a+b)sin(t) - bsin((a/b+1)t)

도 3에는 이러한 에피사이클로이드 곡선의 여러 형태를 나타내었다. 대부분의 에피사이클로이드 곡선은 꽃잎 모양으로 되어 있고, 각각의 형태에서 반복되는 반원형의 호를 브랜치(branch)로 정의 할 때, 브랜치의 수가 세 개 내지 여섯 개인 경우가 많고 그 이상의 브랜치가 형성되는 경우도 가능하다. 도 3에는 원형을 기본으로 한 것 뿐만 아니라 타원 형태의 에피사이클로이드도 나타나 있다.(i 내지 l 참고) 본 발명에서는 브랜치의 수가 5인 원형 에피사이클로이드를 기본으로 하고 있으나, 광 가이드의 사용 목적 및 제조 조건에 따라 브랜치의 수 및 기본 형태는 다양하게 적용할 수 있다.

단면이 다양한 에피사이클로이드 곡선 형태를 갖는 광 가이드는 다음과 같은 결과를 가져온다.

1) 광 가이드 채널의 벽으로부터 반사량이 감소되고, 이와 동시에 순차적인 반사 사이의 이동 경로가 신장된다.

2) 광 가이드에서 광 플럭스의 전파 방향으로 초영역(caustic domain)이 형성되고, 이것은 채널의 축방향으로 광선을 압축시킨다.

3) 에피사이클로이드의 형태를 변경하거나 광 가이드 벽면을 구성하는 물질의 광학적 파라미터를 변경시킴으로써 상기 1) 및 2)의 과정을 변경 가능하다.

4) 제조 비용이 감소하고 조명기술적 특성 및 에너지 특성이 개선된다.

이상은 종래의 내부가 빈 광 가이드를 구비한 조명 기구에서 부족한 점들을 제거하는데 요구되는 주요 선결 요건이다.

에피사이클로이드형 원통상의 광가이드로 구성되는 광 광학적 설계는 다양할 수 있다. 광 가이드의 내부가 빈 원통형 채널은 에피사이클을 형성하는 원의 반경(R), 에피사이클로이드 브랜치의 수(m), 광-엔트리 장치에 광학적으로 인접한 채널의 길이(L)에 따라 다양한 형상과 기하학적 파라미터를 가질 수 있다. 에피사이클로이드 형상은 또한 연장되거나 짧아질 수 있어 재료 타입과 파라미터의 다양한 변화로 광 가이드의 큰 변화를 가져오게 된다.

기술적인 면을 고려할 때, 에피사이클로이드를 형성하는 원 위가 아닌 그 반경 ｒ 위에 중심으로부터 λ·ｒ(λ＜ 1)의 거리를 두고 위치하는 점 M으로 묘사되는 축소된 에피사이클로이드를 택하는 것이 바람직하다.(도 4 참고). z축에 대한 에피사이클로이드 원통의 파라미터 방정식은 다음과 같다.

x =ｒ[(1+m)Cosφ-λCos(1+m)φ]

y = ｒ[(1+m)Sinφ-λSin(1+m)φ] ------------------- (1)

z = z

여기서, 각 파라미터 φ는 0 ~ 2π의 범위를 갖는다.

에피사이클로이드의 각 브랜치가 사이클로이드(cycloid)이면, 광 가이드의 벽면으로부터 거울 반사 혹은 내부전반사를 겪는 빛은 입사각과 반사각 사이에 상기 관계가 만족되도록 한다. 에피사이클로이드형 광 가이드의 주요 특징은 입사빔의 각 점에서 접선에 대한 모든 법선의 인벨로프(envelope)는 하이포사이클로이드가 될 것이라는 점이며 다음 식에 의해 기술된다.

x =ｒ[(1-m)Cosφ+λCos(1-mφ)]

y = ｒ[(1-m)Sinφ-λSin(1-mφ)] ------------------- (2)

z = z

식 (2)는 또한 타원, 카시니타원(Cassini's oval) 등과 같은 폐곡선에서 형성되는 브랜치들의 에피사이클로이드 앙상블로 구성되는 내부가 빈 광 가이드에도 유효하다. 타원으로 형성된 광 가이드가 도 3,(j)에 나타나 있다. 이것의 브랜치들은 m=3, 4, 5, 6 (도 3, i) 인 에피사이클로이드의 조합이다. 이러한 광 가이드를 결합 에피사이클로이드 광 가이드(a combined epicycloid light-guide)라고 한다. 빛의 다반사를 가져오는 에지 효과는 보통의 광 가이드에서 뿐만 아니라 조합 광 가이드에서도 약화되고, 비효율적인 광선의 확대 역시 감소된다. 반사빔의 집중(수렴)은 반사과정에서 에너지 손실을 교대로 감소시키는 각각의 반사 사이의 통로를 증가시키게 된다. 광 가이드 인벨로프의 반경이 작아질 수록 반사빔의 집중은 더욱 커진다. .

에피사이클로이드형 광 가이드에서 빛의 전파 특성은 빛이 가이드 안으로 들어올 때 광 가이드 중심 주위의 '초영역(caustic region)'에서 전파되는 빛의 집중을 가져온다는 것이다. 초영역의 인벨로프는 하이포사이클로이드(hypocycloid)이다. 그 형태는 유사상수K=R/(R-2r)를 갖고, 동일한 중심에 각 π/K로 회전된 에피사이클로이드와 유사하다. 중심 빔의 대부분이 슬릿에 도달하기 전에 많은 반사광과 마주치는 원형 광 가이드에 반하여, 에피사이클로이드형 광 가이드(특히 브랜치의 수가 홀수인 경우)에서는 모든 중심 빔이 반사 후에 슬릿으로 들어올 수 있어 효율이 증가한다.

본 발명의 에피사이클로이드 곡선을 그 단면 형태로 갖는 광 가이드의 일실시예를 도 5a 및 5b에 나타내었다. 도 5a를 보면, 전구(3)로부터 발생되는 빛을 조명기구 전면으로 모아주는 반사갓이 전구 주위에 설치되어 있고, 반사갓 전면에는 발생된 빛을 더욱 멀리 보내기 위해 다시 가이드(1)가 연결되어 있다. 종래 기술과 달리, 상기 가이드(1)의 단면은 원형이 아닌 에피사이클로이드 곡선의 형태를 가진다. 가이드의 끝에는 지그(jig)(6)가 형성되어 있다. 이러한 단면 형태를 도 5b에 구체적으로 나타내었다. 이 경우에는 브랜치가 5 개인 에피사이클로이드면(21)을 형성하여 가이드를 제조하였다. 이 때의 파라미터 방정식은 다음과 같다.

x = 150cos(t) - 20cos(6t)

y = 150sin(t) - 20sin(6t)

종래 기술과 다른 또 하나의 특징은 상기 반사갓의 전면부에 내고온반사판(22)을 설치한 것이다. 이 반사판(22)도 역시 에피사이클로이드 형태이나, 앞서의 가이드(1)와는 달리 원뿔 형태를 가지며, 가이드(1)와 동일하게 5 개의 브랜치를 갖는다. 이 반사판(22)의 파라미터 방정식은 다음과 같다.

x = 75cos(t) + 10cos(6t)

y = 75sin(t) - 10sin(6t)

이와 같이 가이드(1)의 단면과 반사판(22)의 단면을 동일한 수의 브랜치를 갖는 에피사이클로이드 형태로 형성시킴으로써 조명장치로부터 발생되는 빛을 더욱 효과적으로 전달할 수 있게 된다.

본 발명에 의하면 높은 가격의 렌즈나 프리즘을 사용할 필요가 없어 제조 비용을 절감할 수 있으며, 더욱 효율이 높은 광 가이드를 제공할 수 있게 된다. 특히, 에피사이클로이드의 형태를 변경하거나 광 가이드 벽면을 구성하는 물질의 광학적 파라미터를 변경시킴으로써 조명 특성 및 에너지 특성을 개선할 수 있다.

Claims (20)

1. 단면이 에피사이클로이드(epicycloid) 곡선을 가지는 파이프 형태의 에피사이클로이드형 광 가이드.
2. 제1항에 있어서, 상기 에피사이클로이드는 브랜치의 수가 2 이상인 것을 특징으로하는 에피사이클로이드형 광 가이드.
3. 제2항에 있어서, 상기 에피사이클로이드는 브랜치의 수가 3인 것을 특징으로하는 에피사이클로이드형 광 가이드.
4. 제2항에 있어서, 상기 에피사이클로이드는 브랜치의 수가 4인 것을 특징으로하는 에피사이클로이드형 광 가이드.
5. 제2항에 있어서, 상기 에피사이클로이드는 브랜치의 수가 5인 것을 특징으로하는 에피사이클로이드형 광 가이드.
6. 제2항에 있어서, 상기 에피사이클로이드는 브랜치의 수가 6인 것을 특징으로하는 에피사이클로이드형 광 가이드.
7. 제1항에 있어서, 상기 에피사이클로이드 곡선은 원형을 기본으로 하는 것을 특징으로하는 에피사이클로이드형 광 가이드.
8. 제1항에 있어서, 상기 에피사이클로이드 곡선은 타원형을 기본으로 하는 것을 특징으로하는 에피사이클로이드형 광 가이드.
9. 제1항에 있어서, 상기 에피사이클로이드 곡선의 단면 중 일부의 면에는 빛이 투과하는 재질 또는 프리즘을 이용하여 빛을 투과시키고, 나머지 면은 반사율이 높은 재질의 반사판을 형성시키는 에피사이클로이드형 광 가이드.
10. 광원과, 광원으로부터 연장되어 있고 측면의 일부분이 투명하며 단면이 에피사이클로이드 곡선을 가지는 파이프 형태의 에피사이클로이드형 가이드로 구성되는 조명장치.
11. 제10항에 있어서, 상기 광 가이드 내에 상기 광원으로부터 일정한 거리를 두고 원뿔 형태의 반사판이 추가로 설치되어 있는 조명장치.
12. 제11항에 있어서, 상기 반사판은 상기 가이드 단면의 에피사이클로이드의 브랜치와 동일한 수의 브랜치를 갖는 원뿔 형태인 조명장치.
13. 제10항에 있어서, 상기 에피사이클로이드는 브랜치의 수가 2 이상인 것을 특징으로하는 조명장치.
14. 제13항에 있어서, 상기 에피사이클로이드는 브랜치의 수가 3인 것을 특징으로하는 조명장치.
15. 제13항에 있어서, 상기 에피사이클로이드는 브랜치의 수가 4인 것을 특징으로하는 조명장치.
16. 제13항에 있어서, 상기 에피사이클로이드는 브랜치의 수가 5인 것을 특징으로하는 조명장치.
17. 제13항에 있어서, 상기 에피사이클로이드는 브랜치의 수가 6인 것을 특징으로하는 조명장치.
18. 제10항에 있어서, 상기 에피사이클로이드 곡선은 원형을 기본으로 하는 것을 특징으로하는 조명장치.
19. 제10항에 있어서, 상기 에피사이클로이드 곡선은 타원형을 기본으로 하는 것을 특징으로하는 조명장치.
20. 제10항에 있어서, 상기 에피사이클로이드 곡선의 단면 중 일부의 면에는 빛이 투과하는 재질 또는 프리즘을 이용하여 빛을 투과시키고, 나머지 면은 반사율이 높은 재질의 반사판을 형성시키는 조명장치.