KR20060113980A - 반사 광 커플러 - Google Patents

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KR20060113980A
KR20060113980A KR1020067013166A KR20067013166A KR20060113980A KR 20060113980 A KR20060113980 A KR 20060113980A KR 1020067013166 A KR1020067013166 A KR 1020067013166A KR 20067013166 A KR20067013166 A KR 20067013166A KR 20060113980 A KR20060113980 A KR 20060113980A
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존 제이. 심발
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쓰리엠 이노베이티브 프로퍼티즈 컴파니
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Abstract

본 발명은 각각의 광섬유에 반사 커플러를 통해 광학적으로 커플링되는 개별의 발광 다이오드(LED)를 갖는 조사 시스템에 관한 것이다. 그 다음에, 각각의 광섬유는 다발화될 수 있다. 반사 커플러의 형상은 LED와 그 광섬유 사이의 커플링 효율을 증가시키도록 선택될 수 있다. 반사 커플러는 입력부 측면에서 제1 형상부 그리고 제2 측면에서 제1 형상부와 상이한 제2 형상부를 갖는 시트를 관통하는 구멍으로서 형성될 수 있다. 반사 커플러는 본체를 관통하는 구멍으로서 형성될 수 있으며, 여기에서 구멍의 내부 표면의 적어도 제1 부분은 2-차원(2-D) 표면에 따르며 내부 표면의 적어도 제2 부분은 3-차원(3-D) 표면에 따른다.
반사 커플러, 구멍, 본체, 내부 표면, 2-차원 표면, 3-차원 표면

Description

반사 광 커플러{REFLECTIVE LIGHT COUPLER}
본 발명은 광학 시스템 특히 폭넓게 방출하는 광원으로부터 광섬유 등의 타겟으로 광을 커플링하는 커플러에 관한 것이다.
조사 시스템은 다양한 분야에서 사용된다. 가정 및 산업 분야에서 광이 요구된다. 마찬가지로, 항공기, 선박 및 자동차 분야는 종종 조사를 위한 고강도 광속을 요구한다. 전통적인 조명 시스템은 전기적으로 작동되는 필라멘트 또는 아크 램프를 사용하였는데, 이것은 때때로 방출된 광을 수집하여 의도된 타겟으로 광속으로서 유도하는 집속 렌즈 및/또는 반사 표면을 포함한다.
그러나, 어떤 분야에서, 물리적인 충격 또는 손상에 취약하여 전기 접촉이 바람직하지 않거나 공간이 제약되는 환경으로부터 광원을 제거하는 것이 유리할 수 있다. 이러한 요구에 따라, 광원으로부터 원하는 조사 지점으로 광을 안내하는 도광부를 사용하는 조사 시스템이 개발되었다. 하나의 기존 접근법은 큰 코어 플라스틱 섬유 등의 도광부의 입력 단부를 조사하는 단일의 밝은 광원 또는 일군의 광원을 사용하는 것이다. 또 다른 접근법에서, 단일의 섬유는 다발의 섬유로 교체될 수 있다. 이들 방법은 일반적으로 비효율적이며, 발생된 광의 대략 70 %는 일부의 경우에 손실된다. 다중 섬유 시스템에서, 손실 중 일부는 섬유들 사이의 어두운 공간 때문이다. 단일 도광부 접근법에서, 밝은 조명 분야를 위해 필요한 광의 양을 포착할 정도로 충분히 큰 직경을 갖는 도광부는 두꺼워지므로 가요성을 상실한다.
일부의 조사 시스템은 도광부로의 응집된 광 출력 그리고 높은 커플링 효율을 이용하기 위해 광원으로서 레이저를 사용한다. 그러나, 레이저 광원은 비싸고 전형적으로 단일 파장의 광을 생성시키는데, 이것은 요건이 광대역 조사를 위한 경우에 덜 유용하다.
그러므로, 원격 광원을 사용하여 비싸지 않은 가격으로 고강도 조사를 효율적으로 전달할 수 있는 조사 시스템에 대한 필요성이 있다.
고강도 조사 시스템을 구성하는 하나의 특정 접근법은 개별의 발광 다이오드(LED: light emitting diode)로부터 각각의 광섬유로 광을 커플링하는 것이다. 그 다음에, 각각의 광섬유는 원격 조사 출력부를 형성하도록 다발화될 수 있다. 각각의 LED와 그 각각의 광섬유 사이의 반사 커플러가 매우 효율적인 광학 커플링을 제공한다. 반사 커플러의 형상은 LED와 그 광섬유 사이의 높은 커플링 효율을 유지하기 위해 중요하다.
본 발명의 하나의 실시예는 제1 측면으로부터 제2 측면으로 관통하여 연장하는 구멍을 갖는 본체를 포함하는 반사 커플러에 관한 것이다. 구멍의 내부 표면은 반사성이다. 내부 반사 표면의 제1 부분은 2-차원(2-D) 표면에 따르며 내부 반사 표면의 제2 부분은 3-차원(3-D) 표면에 따른다. 2-D 표면은 적어도 부분적으로 본체의 제1 및 제2 측면들 사이에서 연장한다.
본 발명의 또 다른 실시예는 대체로 반사기 축을 따라 배치된 제1 반사 커플러를 포함하는 광학 시스템에 관한 것이다. 제1 광원이 구멍 내로 광을 방출하도록 본체의 제1 측면에 근접하게 배치된다. 제1 광섬유는 제1 광원으로부터 구멍을 통해 광을 수용하도록 본체의 제2 측면에 근접하게 배치된 입구 표면을 갖는다. 반사 커플러는 제1 측면으로부터 제2 측면으로 관통하여 연장하는 구멍을 갖는 본체로부터 형성된다. 구멍의 내부 표면은 반사성이다. 내부 반사 표면의 제1 부분은 2-차원(2-D) 표면에 따르며, 내부 반사 표면의 적어도 제2 부분은 3-차원(3-D) 표면에 따른다. 2-D 표면은 적어도 부분적으로 본체의 제1 및 제2 측면들 사이에서 연장한다.
본 발명의 또 다른 실시예는 시트의 제1 측면으로부터 시트의 제2 측면으로 관통하여 연장하는 구멍을 갖는 재료 시트를 포함하는 반사 커플러에 관한 것이다. 시트의 제1 표면에서의 제1 구멍 모서리는 제1 개수의 측면을 갖는 제1 주변 형상부를 가지며 시트의 제2 표면에서의 제2 구멍 모서리는 제1 개수의 측면과 상이한 제2 개수의 측면을 갖는 제2 주변부를 갖는다. 구멍은 제1 및 제2 구멍 모서리들 사이에서 연장하는 내부 반사 표면을 갖는다.
본 발명의 또 다른 실시예는 대체로 반사기 축을 따라 배치된 제1 반사 커플러를 포함하는 광학 시스템에 관한 것이다. 반사 커플러는 시트의 제1 측면으로부터 시트의 제2 측면으로 관통하여 연장하는 구멍을 갖는 재료 시트로부터 형성된다. 시트의 제1 표면에서의 제1 구멍 모서리는 제1 개수의 측면을 갖는 제1 주변 형상부를 가지며 시트의 제2 표면에서의 제2 구멍 모서리는 제1 개수의 측면과 상이한 제2 개수의 측면을 갖는 제2 주변 형상부를 갖는다. 구멍은 제1 및 제2 구멍 모서리들 사이에서 연장하는 내부 반사 표면을 갖는다. 제1 광원이 제1 구멍 모서리에 근접하게 배치된다. 입구 표면을 갖는 제1 광섬유가 제2 구멍 모서리에 근접하게 배치된다.
본 발명의 위의 요약은 본 발명의 각각의 도시된 실시예 또는 모든 실행예를 설명하고자 하지 않는다. 후속하는 도면 및 세부 설명은 이들 실시예를 더욱 구체적으로 예시하고 있다.
본 발명은 첨부 도면과 연계하여 본 발명의 다양한 실시예의 다음의 상세한 설명을 고려하면 더욱 완전하게 이해될 수 있다.
도1은 본 발명의 원리에 따른 조사 시스템의 실시예의 분해도를 제시하고 있다.
도2는 본 발명의 원리에 따른 도1에 도시된 조립된 조사 시스템을 통한 단면도를 개략적으로 도시하고 있다.
도3은 램버시안 광원으로부터 광섬유로 광을 커플링하는 모델의 요소를 개략적으로 도시하고 있다.
도4a 내지 도4c는 상이한 2-차원(2-D) 표면을 개략적으로 도시하고 있다.
도5a 내지 도5k는 본 발명의 원리에 따른 3-차원(3-D) 표면과 2-D 표면을 조합한 반사 커플러의 실시예의 구성을 개략적으로 도시하고 있다.
도6은 2개의 상이한 표면으로부터의 반사 커플러 내에서의 반사를 개략적으로 도시하고 있다.
도7a 내지 도7d는 도5k에 도시된 반사 커플러를 통한 상이한 단면도를 개략적으로 도시하고 있다.
도8은 복잡-형상의 다이를 갖는 LED를 개략적으로 도시하고 있다.
도9는 본 발명의 원리에 따른 3-D 표면과 2-D 표면을 조합한 반사 커플러의 또 다른 실시예를 개략적으로 도시하고 있다.
본 발명은 다양한 변형 및 대체 형태로 수정 가능하지만, 그 세부 사항은 도면에서 예로서 도시되었고 상세하게 설명될 것이다. 그러나, 설명된 특정 실시예로 본 발명을 제한하고자 하지 않는다는 것이 이해되어야 한다. 그와 반대로, 첨부된 청구의 범위에 의해 형성된 바와 같은 본 발명의 사상 및 범주 내에 속하는 모든 변형예, 등가예 및 대체예를 포함하고자 한다.
본 발명은 광학 시스템에 적용 가능하고 1개 이상의 발광 다이오드(LED)로부터의 광으로 타겟을 조사하는 데 유용한 광 수집 및 관리 시스템에 특히 적용 가능하다.
백색광으로의 LED 조사에 대해 새로운 분야를 확장시키는 고출력을 갖는 LED가 더욱 용이하게 이용 가능해지고 있다. 고출력 LED로 언급될 수 있는 일부의 분야는 프로젝션 및 디스플레이 시스템, 기계 인식 시스템(machine vision system) 및 카메라/비디오 분야 그리고 심지어 자동차 헤드라이트 등의 원거리 조사 시스템 을 포함한다.
LED는 전형적으로 넓은 각도에 걸쳐 광을 방출하므로, 광학 설계자를 위한 도전 과제 중 하나는 LED에 의해 생성된 광의 효율적인 수집 그리고 선택된 타겟 영역으로의 수집된 광의 유도이다. 일부의 분야에서, 타겟 영역은 광이 원격 조사를 위해 사용될 수 있도록 된 광섬유 등의 도광부로의 입력부이다. 예컨대, 일부의 광원은 각각의 다중 모드 광섬유 내로 광을 방출하는 1개 이상의 LED를 포함한다.
이러한 광 조사 시스템(100)의 예가 도1에 도시된 분해도로 개략적으로 도시되어 있다. 시스템은 각각의 광섬유(106)로 정합 어레이 내의 각각의 반사 커플러(104)를 통해 광학적으로 커플링되는 다수개의 LED(102)를 포함한다. LED(102)는 기판(103) 상에 배치될 수 있다. 섬유(106)는 1개 이상의 조사 유닛(110)으로 광을 운반하는 1개 이상의 다발(108)로 함께 수집될 수 있다. 섬유(106)는 다중 모드 광섬유일 수 있다. LED(102) 및 반사 커플러(104)는 하우징(112) 내에 수납되며 섬유(106)는 섬유 장착판(114)을 사용하여 그 각각의 커플러(104) 및 LED(102)에 근접한 공간 어레이 내에 보유될 수 있다. 시스템(100)은 LED(102)에 전력을 공급하도록 커플링된 전원(116)을 포함할 수 있다.
조립된 광원(200)의 실시예를 통한 부분 단면도가 도2에 개략적으로 도시되어 있다. 광원(200)은 방열기로서 사용될 수 있는 기부(202)를 포함할 수 있다. 열 전도층(204)이 LED(206)의 어레이와 기부(202) 사이의 열 커플링을 제공하는 데 사용될 수 있다. 판(208)이 LED(206)로부터 각각의 광섬유(214)의 어레이로 광(212)을 커플링하는 반사 커플러(210)의 어레이를 포함한다. LED(206)는 각각의 반사 커플러(210)를 통해 각각의 섬유(214)로 광학적으로 커플링된다. 반사 커플러(210)는 LED(206)의 반도체 재료와의 계면에서 굴절률 변화를 감소시켜 굴절 손실을 저하시키도록 공기-충전될 수 있거나 광학 에폭시 등의 공기보다 높은 굴절률을 갖는 투명 재료를 함유할 수 있다. 투명 재료는 반사기(210)를 부분적으로 충전할 수 있거나 LED(206)로부터 섬유(214)까지의 반사 커플러(210)를 완전하게 충전할 수 있다. 섬유(214)는 섬유판(216)에 의해 반사 커플러(210)의 어레이에 대해 어떤 위치에 보유될 수 있다. 섬유의 출력부 단부는 조사를 위한 광원으로서 수집 및 사용될 수 있다.
판(208)은 반사 커플러(210)를 형성하도록 관통하는 구멍과 함께 성형될 수 있다. 반사 커플러의 반사 표면은 상이한 접근법 예컨대 금속화에 의해 또는 유전체 박막 코팅에 의해 형성될 수 있다.
LED(206)에 의해 발생된 광(212)의 적어도 일부의 색상은 넓은 범위의 가시 광 스펙트럼을 포함하도록 1개 이상의 상이한 색상으로 변환될 수 있다. 예컨대, LED(206)가 청색 또는 UV 광을 발생시키는 경우에, 인광체가 스펙트럼의 가시 광 영역 내의 다른 색상 대역 예컨대 녹색, 황색 및/또는 적색의 광을 발생시키는 데 사용될 수 있다. 인광체는 LED(206)의 상부 상에 포함될 수 있거나, 섬유의 입구부에 제공될 수 있거나, 다른 위치에 제공될 수 있다. 1개 이상의 파장 선택 반사기가 색상 변환의 효율을 향상시키는 데 사용될 수 있다. LED(206)에 의해 방출된 광(212)의 색상을 변환시키기 위한 인광체의 사용은 각각이 2003년 1월 27일자로 출원된 미국 특허 가출원 제60/443,235호, 제60/443,274호 및 제60/443,232호; 그리고 2003년 12월 2일자로 출원된 다음의 출원 즉 미국 특허 출원 제10/726,997호를 갖는 "중합체의 긴 통로 반사기를 갖는 인광체 계열의 광원(Phosphor Based Light Sources Having a Polymeric Long Pass Reflector)" 그리고 미국 특허 출원 제10/727,072호를 갖는 "비평면형의 긴 통로 반사기를 갖는 인광체 계열의 광원(Phosphor Based Light Sources Having a Non-Planar Long Pass Reflector)"에 추가로 기재되어 있다.
LED로부터 섬유로 광을 커플링하는 반사 커플러가 합성 포물선 집광기(CPC: compound parabolic concentrator)의 형상을 사용할 수 있다. 이러한 형태의 반사기는 원래 예컨대 웰포드 및 윈스턴의 "높은 수집 비화상 광학 장치(High Collection Nonimaging Optics)"(아카데믹 프레스, 샌 디에고, 캘리포니아, 1989)에 기재된 것과 같이 태양 복사선을 수집하기 위해 개발되었다. CPC는 최대한으로 가능한 집광 비율 즉 출력부 영역에 대한 입력부 영역의 비율을 갖는 것에 매우 근접하게 접근하는 효율적인 반사 집광기로 알려져 있다.
그러나, LED-계열 조사 시스템에서 반사 커플러로서 CPC를 사용하는 것에는 여러 개의 결점이 있다. 예컨대, CPC는 광원의 형상과 상이한 형상을 갖는 타겟으로 광을 효율적으로 커플링하는 그 능력에서 어느 정도 제한된다. 이것은 많은 LED가 정사각형 또는 직사각형 방출 영역을 가지며 광섬유가 전형적으로 원형 단면을 갖기 때문에 문제점이다. CPC는 광원 및 타겟의 처리량이 동일하더라도 정사각형 광원으로부터 원형 섬유 타겟으로의 커플링에서 비효율적이다. CPC로의 효율적 인 커플링은 정사각형 또는 직사각형 광원의 처리량이 광섬유보다 상당히 작을 것을 요구한다는 것이 단순한 물리적 제한에 의해 강제된다. CPC의 외형은 CPC의 중간 섹션의 직경이 양쪽 단부에서보다 크도록 요구되므로 성형 기술을 사용하는 반사기의 대량 생산을 어렵게 한다는 것이 또 다른 문제점이다.
추가로, 높은 집광 비율이 LED로부터 LED의 방출 구멍보다 큰 구멍을 갖는 광섬유로 광을 커플링할 반사기에 대한 유용한 특징의 장점일 필요는 없다. 광섬유의 유용한 모드로 큰 분율의 광을 커플링하는 능력이 더욱 중요하다. 따라서, LED로부터 광섬유 타겟으로 광을 커플링하는 데 있어서의 CPC의 이용은 제한된다.
램버시안 방출기는 모든 각도로 균등하게 광을 방출하는 방출기이다. 정확하게 램버시안 방출기는 아니지만, LED는 적어도 광이 방출되는 반구에서 본질적으로 거의 램버시안 방출기이므로, 섬유에 광을 커플링하는 커플러를 설계하는 데 있어서 램버시안 광원을 고려하는 것이 편리하다. 이제, 광섬유에 광을 커플링하는 광학 커플러를 설계하는 하나의 태양이 도3을 참조하여 고려된다. 램버시안 광원(302)은 측면 길이 a를 갖는 정사각형의 형상으로 된 방출 영역을 가지므로, 광원(302)의 대각선의 길이는 a√2이다. 섬유(304)는 직경 d를 갖는 원형 입구부 구멍(306)을 갖는다. 광원(302) 및 입구부 구멍(306)은 축(308) 상에 놓여 있다. 입구부 구멍(306) 상에 직접적으로 입사되는 광은 섬유의 개구수(NA: numerical aperture)에 의해 형성되는 섬유의 수용 각도 θ 내에서 입사되어야 한다. 공기 중에서, NA는 수용 각도의 사인이다. 이러한 제한 하에서, 광원 및 섬유 사이의 최소 거리 Lmin은 다음의 표현식에 의해 주어진다:
Lmin = (a√2+d)/(2tanθ) (1)
a, d 및 θ에 대한 예시 수치는 a=300 ㎛, d=600 ㎛ 및 NA(공기 중에서)=sinθ=0.48이므로, 이러한 예에서, Lmin은 약 936 ㎛이다. 입구부 구멍(306) 상에 직접적으로 입사되지 않는 광은 또 다른 표면 즉 반사 커플러의 표면에 의해 반사될 수 있다. 나아가, 섬유 내로 효율적으로 커플링되는 광의 양을 증가시키기 위해, 반사 표면은 많은 광이 섬유의 수용 원추면 내에 속하도록 반사기 축에 대해 반사된 광의 각도를 감소시키는 방식으로 배향되어야 한다. 이것은 비교적 예리한 각도가 바람직하다는 것을 의미한다. 이와 같이, 반사 커플러의 형상은 LED와 광섬유 사의의 높은 커플링 효율을 유지하기 위해 중요하다. LED로부터 광섬유로 광을 반사적으로 커플링하는 반사 표면의 하나의 예는 발명의 명칭이 "복수개의 광원을 사용하는 조사 시스템(ILLUMINATION SYSTEM USING A PLURALITY OF LIGHT SOURCES)"이고 미국 공개 제2004-0149998-A1호이고 2003년 12월 2일자로 출원된 미국 특허 출원 제10/726,222호에 논의되어 있다. 그 설명에서, 반사 커플러의 프로파일은 포물선 형상에 근접하고 4-차 표현식에 의해 정확하게 설명되도록 계산된다.
반사 커플러의 다음의 설명에서 사용되는 상이한 표면의 형상을 설명하기 위해 일부의 용어를 정의하는 것이 유용하다. 용어 2-차원 표면 또는 2-D 표면은 표면이 많아야 1개의 평면 내에서만 예컨대 x-z 평면 또는 y-z 평면 내에서만 곡률 반경을 갖고 그 축에 직각인 단면의 형상 또는 크기를 변화시키지 않으면서 1개의 축을 따라 연장될 수 있다는 것을 의미한다. 2-D 표면의 예는 평탄형 평면(곡률 반경이 무한대), 원형 원통형 표면 그리고 비구면 원통형 표면을 포함한다. 도4a는 원형 원통형 표면(402)을 도시하고 있다. 비구면 원통형 표면은 포물선, 타원 및 쌍곡선 원통형 표면을 포함한다. 포물선 원통형 표면(404)이 도4b에 개략적으로 도시되어 있으며 타원 원통형 표면(406)이 도4c에 개략적으로 도시되어 있다. 도4a 내지 도4c에 제시된 각각의 예에서, 표면(402 내지 406)은 x-축에 평행한 축에 대해 원통형이다. 또한, 표면(402 내지 406)은 각각의 원, 포물선 또는 타원의 형상 또는 크기를 변화시키지 않으면서 x-축을 따라 연장될 수 있다.
3-차원 또는 3-D 표면은 회전 표면 또는 1개를 초과한 평면 예컨대 x-z 평면 및 y-z 평면 내에 곡률 반경을 갖는 표면이다. 회전 표면의 일부의 예가 원추면, 포물면, 타원면 및 쌍곡면이다. 1개를 초과한 평면 내에 곡률 반경을 갖는 표면의 예는 구면 표면 또는 환상면 표면을 포함한다. 반사 표면은 특정 2-D 또는 3-D 표면에 따른다고 다음의 논의에서 지적될 때, 반사 표면은 특정 2-D 또는 3-D 표면의 일부에 따르기만 하면 된다는 것이 이해되어야 한다.
이제, 반사 커플러를 설계하는 하나의 접근법이 도5a 내지 도5k를 참조하여 설명된다. 도5a는 LED의 방출 영역 등의 정사각형 광원에 대응하는 입력부 구멍 모서리(502)를 개략적으로 도시하고 있다. 출력부 구멍 모서리(504)는 광섬유의 입구부 구멍에 대응한다. 구멍 모서리(502, 504)는 반사 커플러에 대한 입력부 및 출력부의 기본 형상을 형성한다. 반사기 축으로서 호칭되는 축(506)은 입력부 구멍 모서리(502)의 중심과 출력부 구멍 모서리(504)의 중심 사이를 통과한다. 반사 기 축(506)은 z-축에 평행하다.
반사 커플러로의 입력부의 형상은 출력부와 상이한 개수의 측면을 갖는다. 도시된 예에서, 입력부 구멍 모서리(502)의 주변 형상부는 정사각형이고, 4개의 측면을 가지며, 여기에서 측면은 직선 섹션인 것으로서 형성된다. 출력부 구멍 모서리(504)의 주변 형상부는 원형이다. 원은 보통 무한 개수의 측면을 갖는 것으로 이해된다. 이와 같이, 입력부 구멍 모서리(502)는 출력부 구멍 모서리(504)의 측면의 개수와 상이한 개수의 측면을 갖는 주변 형상부를 형성한다.
1개 이상의 2-D 표면이 도5b 및 도5c에 도시된 바와 같이 입력부 구멍 모서리(502)에 대해 구성된다. 이러한 특정 예에서, 2-D 표면은 포물선 실린더에 따른다. 포물선(508)은 입력부 구멍 모서리(502)의 상부 및 저부 측면 그리고 출력부 구멍 모서리(504)의 상부 및 저부를 교차시키도록 y-z 평면 내에 그려져 있다. 포물선(508)의 실선 부분은 도5c를 참조하여 후술되는 바와 같이 x-축과 정렬된 비구면 실린더의 일부를 포함한다. 포물선(508)의 점선 부분은 절두체화되고, 이러한 예에 대해 단일 포물선이 사용되는 것을 단지 설명하기 위해 도시되어 있다.
도5c는 포물선 원통형 표면(510a, 510b)을 형성하도록 +x 및 -x 방향으로 연장된 후의 도5b의 포물선을 도시하고 있다. 표면(510a, 510b)은 단지 1개의 방향으로 파워(곡률)를 갖는 대향된 비구면 표면이다. 즉, 표면(510a, 510b)의 곡률 반경은 y-z 평면 내에 있다.
이제, 추가의 2-D 표면의 구성이 도5d 및 도5e를 참조하여 설명된다. 도5d에서, 포물선(512)이 입력부 구멍 모서리(502)의 우측 및 좌측 측면의 중간부 그리 고 출력부 구멍 모서리(504)의 우측 및 좌측을 교차시키도록 x-z 평면 내에 그려져 있다. 포물선(512)의 실선 부분은 도5e에 도시된 비구면 실린더의 일부에 대응하며, 반면에 포물선(512)의 점선 부분은 단일 포물선이 사용되는 것을 설명하도록 도시되어 있다. 포물선(512)의 실선 부분은 한 쌍의 대향 비구면 표면(514a, 514b)을 형성하도록 +y 및 -y 방향으로 연장된다.
도5f는 서로 삽입된 2-D 표면(510a, 510b, 514a, 514b)을 개략적으로 도시하고 있으며, 반면에 도5g는 그 교차부에서 다시 트리밍된 도5f의 2-D 표면(510a, 510b, 514a, 514b)을 개략적으로 도시하고 있다. 표면(510a, 510b, 514a, 514b)은 정사각형 광원에 대응하는 원하는 입력부 구멍 모서리(502)를 정확하게 끼워 맞춘다. 그러나, 대향 단부에서, 정사각형 출력부(516)는 원형 출력부 모서리(504)에 잘 맞지 않는다. 반사 커플러가 단독으로 2-D 표면(510a, 510b, 514a, 514b)으로부터 형성되었다면, 원형 출력부 모서리(504)가 2-D 표면(510a, 510b, 514a, 514b)의 정사각형 출력부(516)에 맞지 않는 영역(518) 내에서 상당한 양의 광이 손실될 것이다.
이와 같이, 단독으로의 단지 2-D 표면의 사용은 입력부 모서리가 직선 측면을 갖는 형상에 맞으며 출력부 모서리가 원형 형상을 갖는 형상에 맞는 반사 표면으로 귀착되지 않는다.
대신에, 출력부 모서리(504)의 원형 구멍에 맞는 또 다른 표면을 고려하기로 한다. 이러한 표면은 3-D 표면 구체적으로 이제 도5h 및 도5i를 참조하여 설명되는 바와 같은 반사기 축(506) 주위의 회전 표면이다. 도시된 실시예에서, 포물 선(520)은 원형 출력부 구멍 모서리(504) 그리고 축(506)으로부터 가장 멀리 떨어진 입력부 구멍 모서리(502)의 일부 즉 입력부 구멍 모서리(502)의 코너에 맞는다. 축(506)에 대한 포물선의 회전은 회전 표면(522)을 형성시킨다. 표면(522)은 입력부 구멍 모서리(502)에 의해 설명된 영역 내에 침범하지 않는다.
반사기 커플러가 LED와 섬유 사이를 커플링하도록 반사 표면으로서 단독으로 2-D 표면 또는 3-D 표면 중 하나의 세트를 사용하면 단점이 있다. 도5g에 대해 전술된 바와 같이, 2-D 표면의 사용은 섬유에 커플링되지 않는 부분(518)으로 귀착되므로, 광은 손실된다. 따라서, 단독으로의 2-D 표면의 사용은 섬유로의 감소된 커플링으로 귀착된다.
또한, 단독으로의 회전 표면의 사용은 이제 도6을 참조하여 설명되는 이유 때문에 섬유로의 광의 감소된 커플링으로 귀착된다. 반사 표면(626, 628)에 의한 광(604)의 반사의 다음의 비교를 고려하기로 한다. 하나의 반사 표면(626)은 포물면(522) 상의 직선(526)에 대응하고, 포물면 반사 표면(522)을 나타낸다. 다른 반사 표면(628)은 출력부 구멍 모서리(504)로부터 정사각형 입력부 구멍 모서리(502)의 상부 모서리의 중간부로 연장하는 곡선(528)에 대응한다. 이러한 반사 표면은 표면(510a) 등의 포물선 원통형 표면에 대응한다.
광(604)은 각각의 반사 표면(626, 628) 상에 입사된다. 표면(628)에 의해 반사된 광은 광축(506)에 대해 각도 θ1로 광(638)으로서 전파된다. 표면(626)에 의해 반사된 광은 광축(506)에 대해 각도 θ2로 광(636)으로서 전파된다. 표면(628)은 예리한 각도 즉 θ1<θ2에 있으므로, 광(638)은 광(636)보다 섬유의 수 용 각도 내에서 섬유 내로 진입하기 쉽다. 따라서, 반사 표면(628)에 의해 형성된 예리한 각도는 섬유 내로의 큰 커플링으로 귀착되므로, 반사 커플러의 입력부에 적어도 근접한 2-D 표면의 사용은 섬유 내로 커플링되는 광의 양을 증가시킨다.
LED로부터 섬유로 광을 커플링하는 데 있어서 높은 효율을 보증하는 하나의 접근법은 2-D 표면 및 3-D 표면을 조합한 반사 표면을 사용하는 것이다. 이제, 이것이 도5j 및 도5k를 참조하여 설명된다. 도5j는 입력부 구멍 모서리(502)와 출력부 구멍 모서리(504) 사이에 이어지는 모든 표면(510a, 510b, 514a, 514b, 522)을 갖는 복합체를 도시하고 있다. 광이 광축(506)에 대해 큰 각도로 광원으로부터 방출될 때, 광은 큰 비율의 반사된 광이 섬유의 NA 내에 속하도록 회전 표면에 대해 더욱 예리한 각도를 형성하는 2-D 표면을 우선적으로 타격한다. 반사 커플러의 출력부에 더욱 근접한 지점에 대해, 2-D 표면으로부터 3-D 표면으로의 전이부가 있으며, 이것은 섬유의 형상에 따른다. 도5k는 도5j에 도시된 반사 커플러의 "트리밍된" 버전을 개략적으로 도시하고 있다. 트리밍된 버전은 3-D 표면(522)보다 광축(506)에 근접하는 2-D 표면(510a, 510b, 514a, 514b)의 일부 그리고 2-D 표면(510a, 510b, 514a, 514b)보다 광축(506)에 근접하는 3-D 표면의 일부만 포함한다.
반사 커플러를 통한 단면도가 반사 표면의 형상을 이해하는 것을 돕기 위해 도7a 내지 도7d에 제공된다. 도7a 내지 도7c는 축(506)을 따라 보이는 반사 커플러 내의 단면도를 제시하고 있다. 이와 같이, 도7a 내지 도7c에 도시된 섹션의 평면은 x-y 평면에 평행하게 놓여 있다. 도7a는 반사 커플러의 입력부 구멍 모서 리(502)에서의 단면도를 도시하고 있다. 입력부 구멍 모서리에서, 2-D 표면은 모두 회전 표면(522)보다 광축(506)에 근접하므로, 단면의 형상은 2-D 표면(510a, 510b, 514a, 514b)에 맞는다. 도7b는 입력부 구멍 모서리(502)와 출력부 구멍 모서리(504) 사이의 대략 중간에 있는 지점에서의 반사 커플러를 통한 단면도를 도시하고 있다. 이러한 지점에서, 3-D 표면(522)은 2-D 표면(510a, 510b, 514a, 514b)들 사이의 교차부보다 광축(506)에 근접하므로, 반사 커플러는 "코너"에서 3-D 표면(522)에 따른다. 2-D 표면(510a, 510b, 514a, 514b)의 중심 평탄 부분은 +x, -x, +y 및 -y 방향으로 축(506)에 더욱 근접한 상태로 남아 있다. 도7c는 출력부 구멍 모서리(504)에 근접한 반사 커플러를 통한 단면도를 도시하고 있다. 평탄 부분(510a, 510b, 514a, 514b)의 폭은 감소하였으며 3-D 표면(522)의 크기는 증가하였다. 출력부 구멍 모서리에서, 반사 커플러의 단면은 3-D 표면(522)만 포함한다.
2-D 표면(510a, 510b, 514a, 514b)은 3-D 표면(522)과 "상호 삽입된" 것으로 언급될 수 있으며, 여기에서 용어 "상호 삽입된"은 반사기 축에 직각으로 취해진 반사 커플러를 통한 적어도 1개의 단면에 대해 단면의 적어도 하나의 부분이 2-D 표면에 따르며 단면의 적어도 또 다른 부분이 3-D 표면에 따르는 것을 의미한다. 도7b 및 도7c에 도시된 단면은 2-D 표면 및 3-D 표면 양쪽에 따르는 부분을 보여주므로 상호 삽입을 도시하고 있다.
축(506)에 직각인 방향으로 반사 커플러(700)를 통한 단면도가 도7d에 개략적으로 제시되어 있다. 또한, 반사 커플러(700)는 본체(710)를 관통하는 구멍으로서 형성될 수 있으며, 여기에서 입력부 구멍 모서리(502)는 LED 방출기(702)에 맞 춰지며 출력부 구멍 모서리(504)는 광섬유(704)에 맞춰진다는 것을 이러한 도면이 도시하고 있다. 광섬유(704)는 클래딩(705)을 갖는다. 본체(710)는 관통하는 단지 1개의 구멍(708)을 가질 수 있거나, 시트와 같이 x 및 y 방향으로 연장할 수 있다. 본체(710)는 하나의 측면으로부터 다른 측면으로 연장하는 구멍(708)과 같은 다중 구멍을 가질 수 있다.
반사 커플러(700)의 반사 표면은 전술된 2-D 및 3-D 표면에 따르는 상이한 부분을 갖는다. 2-D 표면(510a, 510b)은 각각 반사 커플러(700)의 상부 및 저부에 있으며 이러한 도면에서 2-D 표면(514b)은 구멍의 후방에서 보여진다. 선(720)은 2-D 표면(514b)과 3-D 표면(522) 사이의 경계부를 표시한다. 반사 표면은 출력부 구멍 모서리(504)를 향해 3-D 표면(522)에 의해 점차로 지배된다.
반사 커플러(700)는 그 입력부 및 출력부에서 상이한 형상을 갖고, 복수개의 2-D 표면과 조합된 회전 표면 등의 3-D 표면으로부터 형성된다. 도5a 내지 도5k에 대해 설명된 예에서, 2-D 표면은 포물선 원통형 표면이며 3-D 표면은 포물면 회전 표면인 것으로 가정되었다. 본 발명은 이들 형상에 따르는 표면만 사용하는 것에 제한되지 않으며, 다른 형태의 표면이 사용될 수 있다. 예컨대, 2-D 표면은 평탄형, 원형 원통형 또는 타원형 원통형일 수 있거나, 어떤 다른 2-D 형상을 취할 수 있다. 또한, 3-D 표면은 원추면 또는 타원면일 수 있거나, 어떤 다른 3-D 형상을 취할 수 있다.
추가로, 전술된 예에서의 입력부 구멍 모서리는 정사각형인 것으로서 설명되었지만, 본 발명은 정사각형 입력부 구멍 모서리로 제한되고자 하지 않는다는 것이 이해될 것이다. 다른 사변형 입력부 구멍 모서리가 사용될 수 있으며, 예컨대 입력부 구멍 모서리는 직사각형일 수 있거나 어떤 다른 사변형의 형상을 채택할 수 있으며: 입력부 구멍 모서리는 입력부에 대해 원하는 형상에 따라 설정된다. 이러한 설명의 목적을 위해, 용어 직사각형은 정사각형 형상을 포함하고자 한다. 또한, 입력부 구멍 모서리는 직선 측면을 갖는 상이한 형상을 취할 수 있다. 예컨대, 입력부 구멍 모서리는 삼각형, 오각형, 육각형 등일 수 있다. 2-D 표면이 입력부 구멍 모서리의 각각의 직선 측면에 맞도록 제공될 수 있다. 예컨대, 입력부 구멍 모서리가 삼각형이면, 3-D 표면은 3개의 2-D 표면과 조합될 수 있다.
여기에서, 다수개의 2-D 표면 그리고 회전 표면 등의 3-D 표면에 따르는 표면을 갖는 반사 커플러는 2D-3D 복합 반사기로서 호칭된다.
상이한 형상을 갖는 반사 커플러의 성능이 계산된다. 각각의 경우에, 광원은 섬유의 입구 표면으로부터 936 ㎛만큼에 위치된 300 ㎛ 정사각형 램버시안 방출기인 것으로 가정된다. 섬유 코어의 직경은 600 ㎛인 것으로 가정되며, 그 NA는 0.48이다. 반사기의 내부 반사 표면에는 은이 덮인 것으로 가정되며 프레넬 반사가 섬유의 근위 및 원위 모서리에서 고려된다. 계산된 커플링 효율에 대한 결과가 표1에 제시되어 있다. 광원의 처리량은 섬유의 처리량보다 크므로, 100 %의 커플링 효율은 이러한 모델을 사용하면 불가능하다.
[표 1]
다양한 반사기 기하 형상의 비교
반사기 기하 형상 커플링 효율
a) 단순한 원추면 51.57 %
b) 포물면 51.61 %
c) 교차된 포물선 실린더 65.66 %
d) 4개의 평탄부와 교차하는 단순한 원추면 75.13 %
e) 상호 삽입된 포물선 76.33 %
처음 2개의 기하 형상 즉 a) 단순한 원추면 및 b) 포물면은 3-D 표면만 사용하여 형성된 반사기를 나타낸다. 단순한 원추면은 원형 입력부 및 출구부 구멍을 갖는 원추면이다. 출구부 구멍은 섬유의 직경에 맞으며 입력부 구멍은 광원의 대각선과 동일한 직경을 갖는다. 포물면 반사기는 포물면 회전 표면을 갖고 원형 입력부 및 출구부 구멍을 갖는다. 출구부 구멍은 섬유의 직경에 맞으며 입력부 구멍은 광원의 대각선과 동일한 직경을 갖는다.
교차된 포물선 실린더가 형성된 반사기 c)는 2-D 표면으로부터만 형성된 반사기 예컨대 도5g에 도시된 바와 같은 표면(510a, 510b, 514a, 514b)에 따르는 반사기를 나타낸다.
마지막 2개의 기하 형상 d) 및 e)는 2D-3D 복합 반사기의 예이다. 예 d)는 3-D 표면으로서의 단순한 원추면과 상호 삽입된 절두형 피라미드 형상을 형성하는 4개의 평탄형 2-D 표면을 사용하여 형성되는 것으로 가정된다. 예 e)는 예컨대 도5k에 도시된 바와 같이 2-D 표면이 포물선 실린더이며 회전 표면이 포물면인 것으로 가정한다. 계산의 결과로부터 파악될 수 있는 바와 같이, 2D-3D 복합 반사기의 커플링 효율은 단순한 3-D 반사기(반사기 a) 및 b))의 커플링 효율보다 상당히 높고 또한 합성 2-D 반사기(반사기 c))의 커플링 효율보다 높다.
현재까지, 설명은 광원이 평탄형 램버시안 방출기인 것으로 가정하였다. 그 러나, 이것이 사실일 필요는 없으며, 광원은 단순한 평탄형 표면보다 복잡한 형상을 가질 수 있다. 예컨대, 미국 노쓰 캐롤라이나주에 소재한 크리 인코포레이티드에 의해 제조된 실리콘 카바이드(SiC)의 등록 상표 XBright 계열 등의 어떤 고출력 LED는 도8에 개략적으로 도시된 것과 같은 표면 형상을 갖는다. LED(800)는 상부 표면(802) 및 경사 표면(804)을 가지며, 이들 모두는 광을 방출할 수 있다. 결합 패드(806)가 전기 연결을 용이하게 하기 위해 상부 표면(802) 상에 위치될 수 있다. LED(800)로부터 출력된 광의 대부분은 경사 표면(804)으로부터 방출되며, 또한 일부의 광은 상부 표면(802)으로부터 방출된다. 또한, LED 축(808)이 도시되어 있다.
도8에 도시된 것과 같은 복잡한 LED 형상은 상이한 형상을 갖는 타겟 예컨대 섬유로 방출된 광을 효율적으로 전달하는 반사기의 설계에서 복잡한 문제를 유발시킨다. 경사 표면은 LED 축으로부터 멀리 떨어진 측면으로 많은 광을 방출하는 경향이 있다. 추가의 고려 사항은 LED 본체가 전형적으로 비교적 높은 굴절률을 갖는 반도체 재료로 제조된다는 것이다. 예컨대, SiC는 2.6 내지 2.7의 범위 내에서 굴절률을 가지며, 갈륨 질화물(GaN)은 약 2.4의 굴절률을 갖는다. 이들 비교적 높은 수치의 굴절률은 LED 자체의 내부 표면 상에 입사된 광의 상당한 부분이 반사되게 하는데, 이것은 후속적으로 산란, 흡수 또는 손실된다. 이러한 효과는 공기보다 높은 굴절률을 갖는 재료 내에 예컨대 약 1.6의 굴절률을 갖는 광학 에폭시 내에 LED를 캡슐화함으로써 부분적으로 완화될 수 있다. 반도체 LED 다이의 표면에서의 굴절률 변화의 결과적인 감소는 프레넬 손실을 감소시키므로, LED의 반도체 다이로부터 LED 내에서 발생된 광의 높은 추출을 가능케 한다.
섬유 내로의 커플링을 가능케 하는 섬유 표면에서의 입사 각도는 캡슐화 재료가 섬유의 입력부 표면으로 연장할 때 비례적으로 감소된다. 예컨대, 공기 중에서의 섬유의 NA가 0.48이며 LED와 섬유 사이의 영역에 n=1.56의 에폭시가 충전되면, 섬유 표면에서의 허용 가능한 입사 각도는 28.7˚로부터 17.9˚로 감소된다. 이와 같이, 17.9˚보다 큰 각도로 섬유 내로 커플링되는 광은 섬유 내로 안내되지 않고, 섬유 클래딩 내에서 손실된다. 따라서, 반사 커플러는 가능하면 최대한으로 이러한 감소된 원추면 각도 내에서 섬유 내로 광을 유도하도록 성형되는 것이 중요하다.
위에 논의된 2D-3D 복합 반사기의 예에서, 도5k에 도시된 표면(510a, 510b) 등의 대향 2-D 표면은 그 축이 반사기 축(506)과 일치하는 포물선 실린더에 따른다. 이것이 사실일 필요는 없으며, 포물선 실린더의 축은 반사기 축과 일치하지 않을 수 있고, 심지어 반사기 축에 평행할 필요도 없다. 추가로, 대향 2-D 표면은 상이한 축을 갖는 표면에 따를 수 있다. 예컨대, 표면(510a)은 제1 축에 대해 형성될 수 있으며 표면(510b)은 제2 축에 대해 형성될 수 있다. 이것은 도9에 도시되어 있으며, 도9는 도8에 도시된 LED와 같은 형상을 갖는 LED(930)로부터 광섬유의 코어(932)로 광을 커플링하는 반사 커플러(900)를 개략적으로 도시하고 있다. 섬유 코어(932)는 클래딩(934)에 의해 포위될 수 있다.
반사 커플러(900)는 본체(903)를 관통하는 구멍(901)으로서 형성될 수 있다. 구멍(901)은 표면(910a, 910b, 914b)을 포함하는 다수개의 2-D 표면 그리고 회전 표면(922)에 따르는 반사벽을 갖는다. 표면(910a, 910b)은 도7에서의 표면(510a, 510b)과 동일한 방식으로 도면의 평면에 대해 내부 및 외부로 연장한다. 선(920)은 2-D 표면(914b)과 3-D 표면(922) 사이의 경계부를 표시한다. 표면(910a, 910b, 914b)을 포함하는 2-D 표면은 LED(930)의 형태를 밀접하게 끼우는 입구부 구멍 모서리(902)를 형성한다. 이러한 특정 실시예에서, 각각의 2-D 표면은 반사기 축(906)으로부터 오프셋되는 각각의 2-D 표면 축 주위에 형성된 포물선 반사 표면에 따른다. 예컨대, 2-D 표면(910a)은 2-D 표면 축(916a) 주위에 형성된 포물선 2-D 표면에 따른다. 마찬가지로, 2-D 표면(910b)은 2-D 표면 축(916b) 주위에 형성된 2-D 표면에 따른다. 2-D 표면(914b) 그리고 존재하는 임의의 다른 2-D 표면이 또한 각각의 2-D 표면 축(도시되지 않음) 주위에 형성될 수 있다는 것이 이해될 것이다.
2-D 표면 축(916a, 916b)은 반사기 축(906)과 일치할 필요가 없고, 반사기 축(906)에 대해 변위될 수 있다. 2-D 표면 축(916a, 916b)은 반사기 축(906)에 평행할 수 있지만, 또한 반사기 축(906)에 평행하지 않을 수 있다. 2-D 표면 축(916a, 916b)은 예컨대 LED(930)의 경사 표면(938)의 중심을 통과하도록 위치될 수 있다. 이러한 배열은 경사 표면(938)이 LED(930)로부터 출력된 광의 상당한 분율을 방출하는 경우에 특히 유용할 수 있다. 나아가, 2-D 표면이 초점을 갖는 위치에서, 초점은 경사 표면(938)의 중심에 또는 그에 근접하게 위치될 수 있다. 초점을 갖는 2-D 표면의 예는 포물선 표면 또는 타원형 표면을 포함한다. 대부분의 광을 방출하는 표면의 중심에 근접한 초점의 배치는 반사기 축(906)에 대략 평행한 방향으로 섬유 코어(932)로 증가된 분율의 방출된 광을 유리하게 안내한다.
섬유 코어(932)의 단부 상에 직접적으로 입사되지 않는 방향으로 경사 표면(938)으로부터 방출되는 광에 대해, 2-D 반사기 표면(910a, 910b) 그리고 임의의 다른 2-D 표면은 방출된 광의 증가된 부분이 섬유의 NA 내에서 섬유 코어(932) 내로 진입하도록 섬유 코어(932)를 향해 광을 반사시켜 부분적으로 시준한다. 또한, 광이 LED(930)의 평탄 단부(940)로부터 방출된다. 이러한 광의 일부는 섬유 코어(932)로의 입력부 상에 직접적으로 입사되며 일부는 반사기(900)로부터 반사된 후 섬유 입력부 상에 입사된다.
도8에 도시된 바와 같이 성형된 다이를 갖는 LED로부터의 광의 커플링 효율이 상이한 기하 형상을 갖는 반사 커플러에 대해 비교된다. 특히, 반사 커플러의 축을 따라 단부 대 단부로 접합된 2개의 원추형 반사기에 따르는 테이퍼형 원추형 반사기의 커플링 효율이 오프셋된 2-D 포물선 표면 그리고 포물면 3-D 표면을 갖는 도9에 도시된 것과 같은 2D-3D 복합 반사기에 비교된다. 각각의 경우에, 반사 커플러에는 에폭시(n∼1.56)가 충전되는 것으로 가정되며 굴절률은 섬유에 맞춘다. 테이퍼형 원추형 반사 커플러를 사용하여 LED로부터 섬유로 커플링된 광의 양은 1로 표준화된다. 비교하면, 2D-3D 복합 반사기(900)를 사용하여 섬유 내로 커플링된 광의 표준화된 양은 약 1.7로 계산된다. 바꾸어 말하면, 2D-3D 복합 반사 커플러(900)는 테이퍼형 원추형 반사기보다 섬유로의 광 커플링에서 70 %만큼 더 효율적이다.
본 발명은 전술된 특정 예에 제한되는 것으로 간주되지 않아야 하고, 오히려 첨부된 청구의 범위 내에 정당하게 기재된 바와 같은 본 발명의 모든 태양을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명이 적용 가능할 수 있는 많은 구조뿐만 아니라 다양한 변형, 등가 공정은 본 명세서의 검토 시 본 발명이 관련되는 분야의 당업자에게 용이하게 자명할 것이다. 청구의 범위는 이러한 변형 및 장치를 포함하고자 한다.

Claims (44)

  1. 반사 커플러이며,
    제1 측면으로부터 제2 측면으로 관통하여 연장하는 구멍을 갖는 본체를 포함하며, 구멍의 내부 표면은 반사성이며, 내부 표면의 제1 부분은 2-차원(2-D) 표면에 따르며 내부 반사 표면의 제2 부분은 3-차원(3-D) 표면에 따르며, 2-D 표면은 적어도 부분적으로 본체의 제1 및 제2 측면들 사이에서 연장하는 커플러.
  2. 제1항에 있어서, 제1 부분은 본체의 제1 측면에 근접하게 배치되며, 제2 부분은 본체의 제2 측면에 근접하게 배치되는 커플러.
  3. 제1항에 있어서, 구멍은 본체의 제1 측면에서 제1 구멍 모서리를 형성하며, 제1 구멍 모서리는 형상이 직사각형인 커플러.
  4. 제1항에 있어서, 구멍은 본체의 제2 측면에서 제2 구멍 모서리를 형성하며, 제2 구멍 모서리는 원형 형상을 갖는 커플러.
  5. 제1항에 있어서, 2-D 표면은 비구면 실린더인 커플러.
  6. 제5항에 있어서, 제1 구멍 모서리에 근접한 반사 표면은 실질적으로 2개의 교차 비구면 실린더에 따르는 커플러.
  7. 제6항에 있어서, 반사기 축이 제1 및 제2 측면들 사이의 구멍의 중심을 따라 길이 방향으로 형성되며, 비구면 실린더는 반사기 축 주위에 형성되는 커플러.
  8. 제6항에 있어서, 비구면 실린더는 포물선 실린더인 커플러.
  9. 제1항에 있어서, 반사기 축이 제1 및 제2 측면들 사이의 구멍의 중심을 따라 길이 방향으로 형성되며, 2-D 표면은 2-D 표면 축에 대해 형성된 표면을 포함하는 표면인 커플러.
  10. 제9항에 있어서, 2-D 표면 축은 반사기 축과 일치하는 커플러.
  11. 제9항에 있어서, 2-D 표면 축은 반사기 축과 일치하지 않는 커플러.
  12. 제11항에 있어서, 구멍 내로 광을 방출하도록 본체의 제1 측면에 배치된 발광 다이오드(LED)를 추가로 포함하며, LED는 반사기 축에 직각이 아닌 제1 방출 표면을 가지며, 2-D 표면 축은 제1 방출 표면을 통과하는 커플러.
  13. 제12항에 있어서, 2-D 표면은 2-D 표면 축 상에 초점을 형성하며, 초점은 제 1 방출 표면 상에 위치되는 커플러.
  14. 제1항에 있어서, 구멍은 본체의 제2 측면에서 제2 구멍을 형성하며, 제2 구멍 모서리는 실질적으로 3-D 표면에 따르는 커플러.
  15. 제1항에 있어서, 3-D 표면은 회전 표면인 커플러.
  16. 제15항에 있어서, 반사기 축이 제1 및 제2 측면들 사이의 구멍의 중심을 따라 길이 방향으로 형성되며, 회전 표면은 반사기 축 주위의 회전 표면인 커플러.
  17. 제15항에 있어서, 회전 표면은 포물면 표면인 커플러.
  18. 제1항에 있어서, 제1 측면에 근접하게, 반사 표면은 실질적으로 4개의 비구면 원통형 표면에 따르고, 제2 측면에 근접하게, 반사 표면은 실질적으로 회전 표면에 따르는 커플러.
  19. 제1항에 있어서, 2-D 표면 및 3-D 표면은 상호 삽입되는 커플러.
  20. 광학 시스템이며,
    대체로 반사기 축을 따라 배치되고, 제1 측면으로부터 제2 측면으로 관통하 여 연장하는 구멍을 갖는 본체로부터 형성되며, 구멍의 내부 표면은 반사성이며, 내부 반사 표면의 적어도 제1 부분은 2-차원(2-D) 표면에 따르며 내부 반사 표면의 적어도 제2 부분은 3-차원(3-D) 표면에 따르며, 2-D 표면은 적어도 부분적으로 본체의 제1 및 제2 측면들 사이에서 연장하는, 제1 반사 커플러와;
    구멍 내로 광을 방출하도록 본체의 제1 측면에 근접하게 배치된 제1 광원과;
    제1 광원으로부터 구멍을 통해 광을 수용하도록 본체의 제2 측면에 근접하게 배치된 입구 표면을 갖는 제1 광섬유를 포함하는 시스템.
  21. 제20항에 있어서, 광원은 발광 다이오드인 시스템.
  22. 제20항에 있어서, 복수개의 각각의 반사 커플러를 통해 복수개의 각각의 광섬유 내로 광을 유도하는 복수개의 광원을 추가로 포함하며, 복수개의 광원은 제1 광원을 포함하며, 복수개의 광섬유는 제1 광섬유를 포함하며 복수개의 반사 커플러는 제1 반사 커플러를 포함하는 시스템.
  23. 제22항에 있어서, 광원은 어레이 내에 배열되며, 반사 커플러 및 광섬유는 광원 어레이에 맞도록 각각의 어레이 내에 배치되는 시스템.
  24. 제22항에 있어서, 반사 커플러는 재료 시트로 형성되며, 시트의 재료는 본체를 포함하는 시스템.
  25. 제22항에 있어서, 복수개의 섬유의 섬유는 함께 다발화되고 조사 유닛에서 출력부를 갖는 시스템.
  26. 제22항에 있어서, 복수개의 광원에 전력을 공급하도록 커플링된 전원을 추가로 포함하는 시스템.
  27. 반사 커플러이며,
    시트의 제1 측면으로부터 시트의 제2 측면으로 관통하여 연장하는 구멍을 갖는 재료 시트를 포함하며, 시트의 제1 표면에서의 제1 구멍 모서리는 제1 개수의 측면을 갖는 제1 주변 형상부를 형성하며 시트의 제2 표면에서의 제2 구멍 모서리는 제2 개수의 측면을 갖는 제2 주변 형상부를 형성하며, 제1 개수의 측면은 제2 개수의 측면과 상이하며, 구멍은 제1 및 제2 구멍 모서리들 사이에서 연장하는 내부 반사 표면을 갖는 커플러.
  28. 제27항에 있어서, 제1 주변 형상부는 직사각형이며 제2 주변 형상부는 원형인 커플러.
  29. 제27항에 있어서, 내부 반사 표면의 제1 부분은 2-D 표면에 따르며, 내부 반사 표면의 제2 부분은 3-D 표면에 따르는 커플러.
  30. 제29항에 있어서, 제1 주변 형상부는 선형 측면을 포함하며 제1 구멍 모서리에 근접한 내부 반사 표면은 2-D 표면에 따르며, 각각의 2-D 표면은 제1 주변 모서리의 각각의 선형 측면에서 끝나는 커플러.
  31. 제30항에 있어서, 2-D 표면은 비구면 실린더에 따르는 적어도 한 쌍의 대향 2-D 표면을 포함하는 커플러.
  32. 제31항에 있어서, 비구면 실린더는 포물선 실린더인 커플러.
  33. 제29항에 있어서, 반사기 축이 구멍의 중심을 따라 실린더의 제1 및 제2 측면들 사이에 형성되며, 2-D 표면 중 적어도 1개는 2-D 표면 축에 대해 형성되는 커플러.
  34. 제33항에 있어서, 2-D 표면 축은 반사기 축과 일치하는 커플러.
  35. 제33항에 있어서, 2-D 표면 축은 반사기 축과 일치하지 않는 커플러.
  36. 제29항에 있어서, 제2 주변 형상부는 원형이며 제2 구멍 모서리에 근접한 내부 반사 표면은 실질적으로 회전 표면을 따르는 커플러.
  37. 제36항에 있어서, 회전 표면은 포물면인 커플러.
  38. 제29항에 있어서, 2-D 표면 및 3-D 표면은 상호 삽입되는 커플러.
  39. 광학 시스템이며,
    대체로 반사기 축을 따라 배치되고, 시트의 제1 측면으로부터 시트의 제2 측면으로 관통하여 연장하는 구멍을 갖는 재료 시트로부터 형성되며, 시트의 제1 표면에서의 제1 구멍 모서리는 제1 개수의 측면을 갖는 제1 주변 형상부를 형성하며 시트의 제2 표면에서의 제2 구멍 모서리는 제2 개수의 측면을 갖는 제2 주변 형상부를 형성하며, 제1 개수의 측면은 제2 개수의 측면과 상이하며, 구멍은 제1 및 제2 구멍 모서리들 사이에서 연장하는 내부 반사 표면을 갖는, 제1 반사 커플러와;
    제1 구멍 모서리에 근접하게 배치된 제1 광원과;
    제2 구멍 모서리에 근접하게 배치된 입구 표면을 갖는 제1 광섬유를 포함하는 시스템.
  40. 제39항에 있어서, 광원은 발광 다이오드인 시스템.
  41. 제39항에 있어서, 복수개의 각각의 반사 커플러를 통해 복수개의 각각의 광섬유 내로 광을 유도하는 복수개의 광원을 추가로 포함하며, 복수개의 광원은 제1 광원을 포함하며, 복수개의 광섬유는 제1 광섬유를 포함하며 복수개의 반사 커플러는 제1 반사 커플러를 포함하는 시스템.
  42. 제41항에 있어서, 광원은 어레이 내에 배열되며, 반사 커플러 및 광섬유는 광원 어레이에 맞도록 각각의 어레이 내에 배치되는 시스템.
  43. 제41항에 있어서, 복수개의 섬유의 섬유는 함께 다발화되고 조사 유닛에서 출력부를 갖는 시스템.
  44. 제41항에 있어서, 복수개의 광원에 전력을 공급하도록 커플링된 전원을 추가로 포함하는 시스템.
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