KR20060132739A - 저 비용 섬유 조명기 - Google Patents

Abstract

단일 광원으로부터 멀리 떨어진 하나 이상의 장소 및/또는 물체를 조명하기 위한 조명기(10) 및 방법이 제시된다. 상기 조명기(10)는 광을 발광하는 광원(12), 광을 부분적으로 시준하기 위한 방사 시준기(14), 상기 시준된 광을 광섬유로 연결하기 위한 다수의 변형 구성요소(15, 16)을 포함한다.

조명기, 조명 시스템, 섬유 조명기, 광섬유

Description

저 비용 섬유 조명기{Low cost fiber illuminator}

본 발명은 일반적으로 광 유도기에 관한 것이고, 더욱 상세하게는 광원으로부터 멀리 떨어진 곳으로 광원으로부터의 광을 분배하는 섬유 조명기에 관한 것이다.

분산 또는 집중 조명 시스템은 광원으로부터 멀리 떨어진 다수의 장소에 광을 방사하기 위해 하나 이상의 광원을 사용한다. 상기 조명 시스템은 광원으로부터 멀리 떨어진 곳으로 광을 전송하기 위해 전형적으로 광섬유, 막대기, 또는 튜브를 포함한다. 하나의 예는, 광을 광원으로부터 자동차의 계기판의 다수의 게이지(guage)로 유도하기 위해 광섬유를 사용하는 섬유 조명기이다. 다른 예는, 직접 조명하는 것이 위험하거나 유지하기 어려운 경우를 비롯하여 섬유 조명기가 사용될 수 있는 곳이다.

섬유 조명기는 단일 광원을 다수의 멀리 떨어진 공간에 위치한 장소로 조명하게 하는 것뿐만 아니라, 예를 들어, 열에 민감한 장비나 물건에 열 손상을 방지할 수도 있다. 이는 상기 광원은 섬유 조명기에서 원격 조정되고, 광원에서 생성되는 열 및 다른 손상을 줄 수 있는 방사물은 상기 열에 민감한 장비나 물건으로부터 차단될 수 있기 때문이다. 상기 열은, 상기 열에 민감한 장비나 물건이 원하지 않 는 열에 노출되는 것을 피하도록 하는 방식으로, 상기 광원으로부터 유도될 수 있다. 이렇게, 예를 들어, 표시된 케이스(case)의 물건들은 잠재적으로 손상을 줄 수 있는 열이나 방사 없이도 직사광으로부터 조명될 수 있다.

일반적으로, 섬유 조명기는 다수의 렌즈와 반사판을 이용하여, 상기 광원으로부터의 광을 상기 섬유로 연결할 수 있다. 상기 광섬유는 이후 상기 광을 상기 멀리 떨어진 장소로 전송한다. 예를 들면, 미국 공보 제5,892,867호에서는 구형의 구조로 구성된 다수의 렌즈에 대해 개시하고 있다. 상기 구형 구조로 고안된 렌즈는 광원으로부터의 광을 다수의 초점 지점으로 집중시킨다. 상기 광섬유에 상기 광을 추가적으로 집중시키기 위해서는 추가적인 집광 렌즈 사이의 상기 초점 지점 각각에 위치해야 한다. 그러나 상기 구형 렌즈의 구성에 따른 복잡화와 비용, 그리고 상기 각각의 초점 지점에 상기 다수의 집광 렌즈를 정렬해야 하는 것 때문에 문제가 발생한다.

따라서 상기 기술된 또는 다른 종래 기술의 문제점을 극복하고, 상기 광원으로부터 멀리 떨어진 다수의 장소에 조명하기 위한 섬유 조명기 또는 조명 방법이 필요하다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 광원과 상기 광원을 둘러싼 방사 시준기(視準器)(radial collimator)를 포함하는 조명기를 제공한다. 상기 방사 시준기는 열 장벽 영역에 의해 광원으로부터 분리되는 내부 표면을 포함하고 있다. 상기 조명 시스템(또는 섬유 조명기)은 상기 방사 시준기에 인접한 광 입력단과 광 섬유에 광을 결합하기 위한 출력단을 갖는 변형 구성요소를 더 포함한다.

본 발명의 다른 실시예에 의하면, 광원, 상기 광원을 둘러싼 튜브(tube), 그리고 상기 튜브 주위에 배치된 다수의 집합을 포함한, 이때 상기 다수의 집합 각각은 한 개 이상의 프리즘(prism) 및 한 개 이상의 렌즈를 갖는, 조명 시스템을 제공한다. 상기 조명 시스템은 상기 튜브의 상기 광원과 상기 내부 표면 사이에 배치된 열 방벽(또는 열 브레이크)을 더 포함한다. 상기 조명 시스템은 또한 상기 방사 시준기에 인접한 광 입력단과 광 섬유에 광을 결합하기 위한 출력단을 갖는 변형 구성요소를 더 포함한다.

본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 한 축을 따라 정렬된 광원과 상기 광원을 둘러싼 배럴(barrel) 형상의 렌즈를 포함하는 섬유 조명기(또는 조명 시스템)를 제공한다. 상기 배럴 형상의 렌즈는 원통형의 내부 표면과 볼록한 모양의 외부 표면을 포함한다. 상기 섬유 조명기는, 상기 광원과 배럴 형상을 한 원통형의 내부 표면 사이에 배치된 열 브레이크와 다수의 변형 구성요소를 더 포함한다. 상기 변형 구성요소는 상기 배럴 형상의 외부 표면에 인접하여 배치된 원통형의 형상을 갖는 광원, 그리고 광섬유에 광을 결합하기 위한 출력단을 포함한다.

본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 광원, 상기 광원으로부터 멀리 떨어진 물체, 그리고 광 유도기를 포함하는 조명 시스템을 제공한다. 상기 광 유도기는 상기 광원으로부터의 광을 부분적으로 같은 방향으로 조준하는 방사 시준기, 상기 광 시준기로부터 부분적으로 시준된 광을 모으기 위해 상기 광 시준기에 인접한 다수의 변형 구성요소, 그리고 상기 변형 구성요소에 의해 수집된 광을 상기 물체로 전달하기 위해 상기 다수의 변형 구성요소 각각에 연결된 광섬유를 포함한다.

이에 더하여 본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 광원을 둘러싼 방사 시준기를 사용하여 상기 광원과 상기 광원으로부터 발광된 광을 부분적으로 시준함을 제공하는 것을 포함하는 상기 광원으로부터 멀리 떨어진 장소에 광을 전달하는 방법을 제공한다. 상기 방사 시준기에 의해 방사된 부분적으로 시준된 광은, 광 입력단을 포함하는 변형 구성요소에 의해 수집된다. 상기 변형 구성요소에 의해 광은 광섬유에 연결되고, 상기 광섬유에 의해 상기 광원으로부터 멀리 떨어진 장소로 전송된다.

도 1a는 본 발명의 전형적인 일 실시예에 따른 조명 시스템의 상하면도이다.

도 1b는 본 발명의 전형적인 일 실시예에 따른 조명 시스템의 단면도이다.

도 2a는 본 발명의 전형적인 일 실시예에 따른 한쪽만 볼록한(plano-convex) 렌즈를 포함한 변형 구성요소를 묘사한 구조도이다.

도 2b는 본 발명의 전형적인 일 실시예에 따른 볼록렌즈 표면을 갖는 변형 구성요소를 묘사한 구조도이다.

도 3은 본 발명의 전형적인 일 실시예에 따른 다수의 변형 구성요소를 포함하는 섬유 조명기의 상하면도이다.

도 4a는 본 발명의 전형적인 일 실시예에 따른 복층에 정렬된 다수의 변형 구성요소를 포함하는 섬유 조명기의 상하면도이다.

도 4b는 본 발명의 전형적인 일 실시예에 따른 방사상으로 정렬된 다수의 변 형 구성요소를 포함하는 섬유 조명기의 단면도이다.

도 5는 본 발명의 전형적인 일 실시예에 따른 방사 시준기의 단면도이다.

도 6은 본 발명의 전형적인 일 실시예에 따른 또 하나의 방사 시준기의 단면도이다.

도 7은 본 발명의 전형적인 일 실시예에 따른 조명 시스템의 단면도이다.

도 8은 본 발명의 전형적인 일 실시예에 따른 또 하나의 조명 시스템의 단면도이다.

도 9는 본 발명의 전형적인 일 실시예에 따른 조명 시스템을 묘사한 구조도이다.

이어지는 설명에 의하면, 본 발명의 실행될 수 있는 특정의 전형적인 형태를 도시하는 방법으로 표현된 별도의 첨부 도면을 참조하였다. 상기 실시예는 본 발명에서 숙련된 기술을 보유한 자가 실시할 수 있도록 충분히 자세하게 설명되었으며, 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 변형과 다른 실시예가 이용가능하다는 점은 이해될 수 있을 것이다. 이어지는 설명은, 그러므로, 발명을 한정하기 위해 사용되어서는 안 된다.

도 1 내지 도 9는 단일 광원을 사용하여 한 개 이상의 멀리 떨어진 장소에 조명하는 장치와 방법을 나타낸다. 다양한 예들이, 상기 광원으로부터 광을 방사적으로 같은 방향으로 조준하기 위한 방사 시준기 및 상기 방사적으로 시준된 광을 광섬유로 연결하는 다수의 변형 구성요소를 포함하고 있다. 본문에 사용된 "방사적 으로 시준된(radially collimated)"이란 문구는 광원의 중심선 축을 포함하는 방사 평면에서 부분적으로 같은 방향으로 조준하는 것을 의미한다. 광원(12)의 중심선 축(1)은 도 1에 표현되었다.

도 1a 및 도 1b는 전형적인 조명 시스템(또는 섬유 조명기)을 묘사하고 있다. 도 1a는 광원(12)과 방사 시준기(14)를 포함하는 조명 시스템(10)의 상하면도를 나타낸다. 도 1b는 도 1a의 A-A 선에 따른 조명 시스템(10)의 단면도를 나타낸다. 광원(12)은 어떤 적절한 광원도 될 수 있다. 예를 들면, 광원(12)은 세라믹 메탈 할로겐 램프(ceramic metal halide lamp)와 같은 아크(arc) 램프가 될 수 있다. 조명될 위치 및 물체를 포함한 수많은 구성요소들에 의존하여, 상기 아크 램프는 예를 들어, 39와트(watt), 70와트, 150와트와 같은 적절한 와트량을 갖는 T-6 램프가 될 수 있고, 예를 들어 필립스 조명(Philips Lightning)의 마스터컬러 시리즈(MasterColer series)로서 판매될 수 있다. 광원(12)은 예를 들어, 미국 특허 제 6,594,009 호에서 제시하고 있는 것처럼 한 개 이상의 섬유로 주사된 자외선에 의해 조사된 형광 입자와 같은 어떤 점 발광 표면 또한 될 수 있다. 상기와 같은 실시예에서, 열 브레이크(18)는 상기 입자가 외부의 열원에 의해 영향을 받는 것에서 격리시킨다. 전형적인 실시예는 광원(12)과 방사 시준기(14)는 중심선 축(1)을 따라 정렬될 수 있다.

다양한 실시예에서, 방사 시준기(14)는 광원(12)의 발광부(11)를 둘러싼다. 발광부(11)는 예를 들어, 세라믹 메탈 할로겐 램프의 원통형 발광 구성요소가 될 수 있다. 여기에 사용된 대로 "방사 시준기(視準器)(radial collimator)"는, 자체 축을 갖고 광원(12)을 통과하는 방사판에 광을 부분적으로 같은 방향으로 조준하는 전체적으로 링(ring) 형상을 갖는 광학 구성요소의 집합 또는 렌즈를 의미한다. 도 1a 및 도 1b는 광원(12)을 둘러싼 왜상(歪像)의 렌즈를 포함하는 방사 시준기를 묘사하는 도면이다. 상기 왜상 렌즈뿐만 아니라 본 발명의 의해 개시된 다른 렌즈를 위해, 다른 적절한 렌즈 또는 렌즈의 시스템이, 광학 디자인의 분야에 익숙한 사람에 의해 사용될 수 있다. 이와 유사하게, 광학 디자인 분야에 익숙한 사람은, 보다 복잡하며 기능적으로 유사하거나 우월한 광학 구성요소 또는 상기 분야에서 공지된 광학 구성요소의 시스템에 의해, 본 발명에 의해 개시된 프리즘이나 렌즈 같은 상기 광학 구성요소들 중 어떤 것을 대체할 수 있다.

조명 시스템(10)은 열 브레이크(18), 변형 구성요소(16) 그리고 광섬유(20)을 더 포함한다. 열 브레이크(18)는 광원(12)과 방사 시준기(14)의 내부 표면 사이에 위치할 수 있다. 다양한 실시예에서 열 브레이크(18)는 광원(12)에서 생성된 더운 공기가 빠져나갈 수 있게 한다. 열 브레이크(18)는 예를 들어, 고정된 또는 유동적인 공기의 에어 갭(air gap)일 수 있다. 유동적인 공기는 예를 들어 자연 대류의 굴뚝 효과, 팬(fan) 또는 다른 쿨링(cooling) 시스템(도시되지는 않은)에 의해 제공될 수 있다. 변형 구성요소(16)는 방사 시준기(14)에 인접하게 또는 거리를 두고 위치할 수 있다. 여기에 사용된바 대로, "변형 구성요소(morphing element)"는 방사적으로 시준된 광을 수집하는 입력단과 상기 수집된 광을 광섬유에 연결시키는 출력단을 갖는 광학 구성요소를 의미한다. 다양한 실시예에서 상기 입력단 단면의 지름은 출력단 단면의 지름보다 크다. 이에 의해 상기 섬유의 단면에 대응될 수 있 도록 축소된 단면에 상기 전달된 광을 집중시킬 수 있고 전달 경로에 따라 보존할 수 있다. 이런 방식으로 결합 효율은 극대화된다.

도 1b에 의하면, 방사 시준기(14)는 광원(12)의 발광부(11)로 부터 광을 붙잡아, 상기 광을 변형 구성요소(16)의 입력단을 향해 부분적으로 시준한다. 일 실시예에서, 방사 시준기(14)가 발광부(11)로 부터 붙잡은 광을 부분적으로 시준하기위해, 상기 입력단의 크기는 발광부(11)의 크기를 초과할 수 있다. 여기에서 사용된 바대로, "부분적으로 시준(partially collimate)"된다는 것은 상기 광학 시준기(14)의 광 입력부의 간극(aperture) 수치보다 상기 광학 시준기(14)의 광 출력부의 간극 수치가 더 작다는 것을 의미한다. 이런 방식으로, 적절한 디자인과 함께, 발광부(11)로 부터 발광되어 방사 시준기(14)에 의해 붙잡힌 광의 양은, 변형 구성요소(16)를 통해 전달하는 상기 광을 위한 전 내부 반사(total internal reflection)의 실패를 유발함이 없이 증가될 수 있다. 이와 같이, 변형 구성요소(16)는 방사 시준기(14)에 의해 부분 시준된 상기 광을 수집하고, 상기 광을 광섬유(20)로 연결한다. 광섬유(20)은, 예를 들면, 인덱스 매칭 액체(index matching fluid) 또는 본 분야에서 기술을 보유한 자에게 알려진 결합 정렬 방법에 의해, 변형 구성요소(16)에 물리적으로 연결된다. 광섬유(20)는 이후 상기 광을 상기 광원으로부터 멀리 떨어진 장소(들)에 전송한다.

동작 과정에서, 광원(12)은 광과 열을 생성한다. 다양한 실시예에서, 열 브레이크(18)는 광원(12)으로부터 멀어지는 축 방향으로 열을 순환시킨다. 방사 시준기(14)는, 광원(12)의 중심선 축(1)에 직각인 평면의 연속적인 고리모양에 상기 광 을 부분 시준하는 중요한 정렬 없이 배치될 수 있다. 상기 광의 부분 시준은 부분 투시선(Phantom line)으로 도 1b에 묘사되어 있다. 변형 구성요소(16)는, 방사 시준기(14)에 의해 부분 시준된 광을 모으고 광섬유(20)에 상기 광을 연결하기 위한 방사 시준기(14) 주위의 중요한 정렬 없이 배치될 수 있다. 광섬유(20)는 상기 광을 한 개 이상의 멀리 떨어진 장소로 전송할 수 있다. 예를 들면, 광섬유(20)는, 평평한 판넬 디스플레이(flat panel display), 건축상의 조명, 위험하거나 모험적인 환경에서의 조명 또는 박물관의 물체와 같이 민감한 물체에의 조명에 상기 광을 제공하기위해 전송한다.

도 2a 및 도 2b에서 보이듯이, 변형 구성요소(16)는 제1 영역(section)(161)과 제2 영역(163)의 적어도 두 영역을 포함한다. 제1 영역(161)은 상기 방사 시준기에 인접한 입력 없이 배치될 수 있다. 도 2a에서, 한쪽만 볼록한 렌즈(plano-convex lens)(165)는 제1 영역(161)의 입력단에 배치될 수 있다. 상기 한쪽만 볼록한 렌즈는, 예를 들어, 원통형의 렌즈 또는 원통형의 프레넬 렌즈(Fresnel lens)일 수 있다. 도 2b에서 유사하게, 한쪽만 볼록한 표면은 제1 영역(161)의 상기 입력단(167)에 적용될 수 있다. 상기 한쪽만 볼록한 표면은, 예를 들어, 원통형의 렌즈 또는 원통형의 프레넬 렌즈일 수 있다. 상기 렌즈의 한쪽만 볼록한 렌즈(165) 또는 입력단(147)은 도 4a 및 4b에서 보이듯이 상기 방사 시준기(14)에 인접하게 위치할 수 있다. 당업자라면, 도 4와 5에 따라 좀더 상세히 묘사된 바대로 방사 시준기(14)의 광학 디자인과 조화된 상기 말단과 표면의 광학 디자인은, 도 2a 및 2b에서 보이는 변형 구성요소(16)의 제1 영역(161)으로 투사된 상기 광의 시준을 개선 할 수 있다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 이에 의해, 예를 들어 도 4b에서 보이는 상기 광원(12) 축을 포함하는 평면에서와 같이, 상기 방사 시준기(14)의 간극 수치는 증가할 수 있다. 이런 식으로 상기 방사 렌즈의 광을 캡쳐하는(light capturing) 효율은 증가할 수 있다. 한쪽만 볼록한 렌즈(165) 및 입력단(167) 표면은, TIR(total internal reflection)에 의해 전달되는 곳으로, 방사 시준기(14)로부터 가로챈 광을 시준하고 제1 영역으로 상기 광을 방사한다.

도 2a 및 도 2b의 제2 영역(163)은 제1 영역(161)으로부터 그것으로 방사된 광을 캡쳐(capture)한다. 제2 영역(163)은 변형 구성요소(16)의 출력단(169)에 배치된 광섬유(도시되지 않은)로 광을 연결하기 위한 원뿔형상을 포함한다. 한 실시예에서는, 제2 영역(163)은 제1 영역(161)의 정사각형 또는 직사각형 교차 영역으로부터 원형 교차 영역 및 차차 가늘어 져서, 원뿔형상으로, 광섬유(도시되지 않은)에 인접한 원형의 광 출력단(169)으로 변형된다. 한 실시예에서, 상기 출력단(169)의 교차 영역 지역은 상기 제1 영역(161)의 교차 영역 지역보다 작을 수 있다. 한 실시예에서, 제2 영역(163)은, 상기 광섬유에 인접한 출력단(169)이 원형이고 상기 광섬유의 지름과 대략 같은 지름을 갖도록 가늘어진다. 변형 구성요소(16)는, 예를 들어, 플라스틱 물질 주형에 주입하는 것과 같이 당업자에게 알려진 방법으로 만들어질 수 있다.

도3은 방사 시준기(14) 주위의 원형 단일 층에 배열된 다수의 변형 구성요소(16)를 포함하는 섬유 조명기(또는 조명 시스템)의 상하면도를 나타낸다. 방사 시준기(14)와 상기 다수의 변형 구성요소(16)는 광원(12) 둘레에 집중되어 있다. 방사 시준기(14)는 광원(12)을 둘러싼 배럴(barrel) 형상 또는 도넛 형상의 렌즈일 수 있다. 열 브레이크(18)는 방사 시준기(14)와 광원(12) 사이에 위치한다. 다양한 실시예에서, 변형 구성요소의 개수는, 상기 변형 구성요소의 제1 영역의 교차 영역 및 형상, 그리고 상기 변형 구성요소로부터 상기 방사 시준기(14)의 중앙에 이르는 거리에 좌우된다.

전형적인 한 실시예에서, 다수의 변형 구성요소는 상기 방사 시준기를 원형으로 둘러싸며 배치되고 한 개 이상의 층에 적층될 수 있다. 도 4a는 방사 시준기(14)를 원형으로 둘러싸며 배치된 변형 구성요소(15, 16)를 보이는 상하면도이다. 변형 구성요소(16)는 상부 층을 포함하고, 변형 구성요소(15)는 하부 층을 포함한다. 변형 구성요소(15)는 변형 구성요소(16)의 하부에 위치하기 때문에, 도 4a의 A-A 단면을 보이는 도 4a 및 4b의 상하면도에는 변형 구성요소(15)가 보이지 않는다.

다시 도 2a 및 2b에 따르면, 상기 제1 영역(161)의 교차 영역 형상은, 예를 들어, 육각형, 삼각형, 정사각형 및 직사각형과 같은 다각형이 될 수 있다. 이로 인해 인접한 변형 구성요소 간의 그리고 변형 구성요소의 다수의 층 간의 갭(gap)을 제거하거나 최소화할 수 있다. 갭을 제거하는 것은 갭을 통해 광이 새어나가는 것을 방지함으로써 광 전달 효율을 개선한다. 변형 구성요소(15, 16)는, 인접하여 그리고 그것들의 축이 평행하고 입력 포트(port)의 간극이 그 축에 수직인 경우 간극 없이 적층될 수 있다. 그러나 다른 층의 하나에 인접하고 상기 광원(12)의 발광 지역의 중앙을 통과하는 축을 갖는 상기 척층된 구성요소의 층은 상기 중심으로부 터 멀어지도록 이동될 수 있다. 이것은 작은 이동의 경우에 용인될 수 있다. 예를 들면, 도 4a 및 4b상의 변형 구성요소의 상기 정사각형 또는 직사각형 간극은 상기 변형 구성요소 간극의 가장자리에 의해 한정된 다수의 작은 다각형들로 분할될 수 있다. 상기 다각형은 동일한 형상 및 크기(예를 들어 정삼각형과 같은)를 가질 수 있으며 상기 크기와 형상은 변할 수도 있다. 각각의 다각형 간극은, 원형의 출력 포트로 끝나는 원뿔형상 영역으로 변형되는 균일한 다각형 교차 영역을 갖는 변형 구성요소의 상기 입력 포트가 될 수 있다. 이는 간극없이 적층되고 상기 광원(12)의 발광 영역의 중심으로부터 떨어져 이동되는 평행 축을 갖는 변형 구성요소를 포함한다. 예를 들어, 당업자는 무한 구성요소 분석에 전형적으로 사용되는 메쉬-생성 소프트웨어(mesh-generation software)가 시준기 열(array)을 구성하기 위한 상기 구성요소의 형상 및 크기를 측정하는 데 사용될 수 있다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 하부 층의 변형 구성요소(15)는 상부 층의 변형 구성요소(16)로부터의 오프-세트(off-set)가 될 수 있다. 다른 말로 표현하자면, 상기 하부 층의 변형 구성요소는 상기 상부 층의 변형 구성요소의 바로 밑에 위치할 필요가 없다. 다른 실시예는 같은 방식으로 형성된 다수의 층을 포함한다.

도 3, 4a 및 4b에 묘사된 바대로, 평면 거울(19)은 상기 방사 시준기(14)의 상하부와 변형 구성요소(15, 16) 간의 공기 갭을 보충하는데 사용될 수 있다. 도 3의 상하면도는, 방사 시준기(14)와 변형 구성요소(16) 사이에 위치하고 원형의 고리 형상을 갖는, 점선으로 표현된 거울(19)을 보인다. 이와 유사하게, 도 4a는 방사 시준기(14) 및 변형 구성요소(15, 16)의 하부에 위치하며 원형 고리 형상을 갖 는, 점선으로 묘사된 거울(19)을 보인다. 도 3 및 4a의 명확함에도 불구하고, 보이지는 않지만, 상기 원형 평면 거울은 방사 시준기(14)의 상부에 위치할 수 있다. 기능적으로, 상기 평면 거울은 한편으로 상기 공기 갭으로부터 새어나온 것일 수 있는 광을 상기 변형 구성요소의 입력 포트로 반사한다. 도 4b에 분명히 나타난 바와 같이, 이를 통해 변형 구성요소(15, 16)의 상기 광 수집 효율을 개선할 수 있다.

도 5는 광원(12)의 발광부(11)을 주위에 집중된 방사 시준기(140)의 한 실시예를 묘사하고 있다. 방사 시준기(140)는 튜브(142) 및 상기 튜브(142)를 둘러싼 프레넬 렌즈(Fresnel lens)(144)를 포함한다. 튜브(142)는, 예를 들어, 원통형의 유리 튜브일 수 있다. 프레넬 렌즈(144)는 튜브(142) 주위를 둘러쌀 수 있을 정도로 얇고 구부러지기 쉬울 수 있다. 얇고 구부러지기 쉬운 프레넬 렌즈는,예를 들어, 텍사스 포트 워스의 프레넬 테크놀로지 주식회사(Fresnel Thchnologies, Inc. of Fort Worth, Texas) 의해 만들어진 것일 수 있다. 프레넬 렌즈(144)는 열에 의해 둘러싸는 것이 가능하도록 부드럽게 될 수도 있다. 한 실시예에서, 프레넬 렌즈(144)는 원통형의 프레넬 렌즈이다. 원통형의 유리 튜브(142) 주위를 둘러쌀 때에, 프레넬 렌즈(144)의 홈은 튜브(142) 주위의 원주를 따라 상기 튜브 축에 수직인 평면 내에 위치할 수 있다.

도 6에 의하면, 오직 배럴-형상의 렌즈만을 포함하는 방사 시준기의 또 다른 실시예가 보인다. 여기에 사용된 대로, "배럴-형상의 렌즈(barrel-shaped lens)는 한쪽만 볼록한 외부 표면을 갖는 도넛 형상의 렌즈를 의미한다. 방사 시준기(141) 는 원통형의 내부 표면(146)과 한쪽만 볼록한 외부 표면(148)을 포함한다. 전형적인 한 실시예에서, 상기 순환 대칭의 도넛 축을 포함하는 교차 영역 평면의 상기 한쪽으로 볼록한 외부 표면(148) 형상은 원형 또는 원형이 아닌 형상을 가질 수 있다. 방사 시준기(141)는, 예를 들어, 왜상의 외부 표면(148)을 형성하는 선반상에 나타난 붕규산염 유리 튜빙(borosilicate glass tubing)이 될 수 있다.

또 하나의 전형적인 예에서, 섬유 조명기는 광을 같은 방향으로 조준하기 위해 방사 시준기(141)의 다수의 집합을 사용한다. 도 7은 섬유 조명기(10)의 교차 영역을 묘사한다. 섬유 조명기(10)는 아크(arc) 구성요소(11)(또는 발광부)를 둘러싼 유리 엔벌로프(envelope)(13)를 갖는 광원(12)을 포함한다. 광원(12)은 중심선 축(1)상에 집중된다. 유리 또는 중합체 원통(polymer cylinder)과 같은 튜브(142) 광원(12)을 둘러싸고 또한 축(1)에 집중된다. 공기 갭과 같은 열 방벽(18)(또는 열 브레이크)은 열 소실을 위해 유리 엔벌로프(13)와 튜브(142) 사이에 배치될 수 있다.

다양한 실시예에서, 방사 시준기(141)의 다수의 집합은 광원(12)의 중심선(1)상 주위에 또는 집중되어 정렬될 수 있다. 방사 시준기(141)의 단일 집합은 도 7에서 보인다. 그것은 튜브(142)를 통해 통과하는 광을 같은 방향으로 조준하기 위한 다수의 렌즈와 프리즘을 포함한다. 방사 시준기(141)의 집합에 의해 가로채어진 광원(12)의 발광부(11)로부터의 광선은, 광원(12)의 중심선(1)에 수직은 평면에 방사되었을 때에 근접하게 수준된다. 그러나, 상기 광원(12)의 중심축(1)을 포함하는 평면상에 그리고 상기 방사 시준기(141)의 집합의 중심(도 7에서 보이는 상기 평면에 위치한)에 투사될 때에, 상기 발광부(11)로부터 방사 시준기(141)의 집합에 전달된 광선(112)은 시준되지 않는다. 이에 의하면, 도 7은 이렇게 투사된 관점에서의 광선(112)이 어떻게 상기 광학 장치(143, 144, 146)를 통한 경로에 시준될 수 있는지를 나타낸다.

다양한 실시예에서, 광은 도 7의 중심선에 수직인 축으로부터 큰 각을 갖으며 전달될 수 있다. 이것은 중심축(1)과 상기 방사 시준기(141)의 집합의 중심을 포함하는 교차 영역 평면인 도 7의 광선에 의해 도시된다. 이에 의할때, 상기 광은 튜브(142)를 통과할 수 있고 프리즘(144) 및 원통형의 렌즈(143, 146)의 조합에 의해 방사적으로 시준될 수 있다. 전형적인 실시예에서, 프리즘(144)은 원통형의 렌즈(143)에 대해 대칭적으로 위치한다. 프리즘(144) 및 원통형의 렌즈(143, 146)에 의해 방사적으로 시준된 광은 제1 층(15)과 제2 층(16)에 위치한 변형 구성요소로 나아간다. 방사 시준기(141)의 집합은 원통형의 렌즈(146)와 변형 구성요소(15, 16) 사이의 갭을 보충하기 위해 배치된 평면 거울(19)을 더 포함할 수 있다. 상기 원통형의 렌즈의 굴곡이 원통형의 렌즈(146)와 변형 구성요소(15, 16) 사이의 공기 갭을 유발하고, 원통형의 렌즈(146)에 의해 투사된 광의 일부가 상기 공기 갭으로부터 유출될 수 있게 됨으로써, 변형 구성요소(15, 16)에 의해 캡쳐되는 것을 피하게 된다. 도 7에서 보이듯이, 원통형의 렌즈(146)와 변형 구성요소(15, 16) 사이의 갭을 보충하기 위해 배치된 평면 거울(19)은 상기 광의 손실을 줄일 수 있다. 한 실시예에서, 평면 거울(19)은 상기 광원(12) 축에 대해 대칭적인 원형의 링(ring)으로 구성될 수 있다. 비록 도 7에서 특정한 프리즘이나 렌즈를 묘사하고 있지만, 당업자라면 다른 프리즘이나 렌즈가 사용될 수 있다는 점을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 상기 렌즈(143, 146)의 굴곡은 상기 광원(12) 축을 포함하는 평면에 원형이 아닌 형태가 될 수 있다. 이에 더하여, 상기 램프에 직면하는 상기 프리즘(144)의 측면은 광시준을 개선하기 위해 상기 광원(12)을 포함하는 평면에 굴곡을 가질 수 있다.

또 다른 실시예에서, 도 8의 단면도에서 보이는 섬유 조명기(10)는, 상기 광원(12)의 축에 원형 대칭인 각각의 획일적인 링 구성요소인 프리즘(244)과 렌즈(243, 246)을 포함한다. 광원(12)은 아크 구성요소(11)(또는 발광부)를 둘러싼 유리 엔벌로프(13)를 포함한다. 유리 원통과 같은 튜브(142)는 광원(12)을 둘러싸고 광원(12)의 축(1)상에 집중된다. 공기 갭과 같은 열 방벽(18)은 열 소실을 위해 유리 엔벌로프(13)와 튜브(142) 사이에 배치될 수 있다. 링 구성요소 렌즈(243, 246)은 도넛 모양이 될 수 있다. 광원(12)을 직면하는 상기 링 구성요소 프리즘(244)의 내부 표면은 원뿔형이 될 수 있고, 렌즈(246)에 직면하는 링 구성요소 프리즘(244)의 외부 표면은 원통형이 될 수 있다. 상기 표면이 서로 접하는 실시예에서, 상기 렌즈(246)의 표면은 상기 프리즘(244)의 인접한 표면에 대응된다. 이런 식으로, 집합(241)은 광원(12)에 원형 대칭인 링 구성요소를 포함하는 방사 시준기이다. 링 구성요소를 포함하는 집합(241)은, 예를 들어 도 7의 방사 시준기(141)의 집합과 같은 다수의 인접한 집합 사이에 존재하는 측면 씸(seam)을 제거한다. 한 실시예에서, 상기 광원(12)의 축에 대칭인 평면 거울(19)은 링 구성요소 렌즈(246)와 변형 구성요소(15, 16) 사이의 갭으로부터 소실되는 광을 최소화하는데 이용된 다. 당업자라면 방사 시준기(141)의 집합은 모놀리식(monolithic)으로 구성될 수 있고, 상기 추가적인 렌즈 및/또는 프리즘의 구성은 방사 방향으로 광을 시준하는데 이용될 수 있다는 점은 인식할 수 있을 것이다.

또 하나의 전형적인 실시예에서, 멀리 떨어진 물체를 조명하기 위한 또는 멀리 떨어진 장소에 조명을 제공하기 위한 조명 시스템을 개시된다. 도 9는 광 유도기(10)(또는 조명 시스템 또는 섬유 조명기)를 포함하는 전형적인 광을 비추는 시스템(100)을 묘사한다. 광 유도기(10)는 광원(12) 및 방사 시준기(14)를 포함한다. 광원(12)은, 예를 들어, 적절한 와트량(wattage)을 갖는 T-6 램프와 같은 아크 램프가 될 수 있다. 방사 시준기(14)는 배럴 형상의 유리 렌즈일 수 있다. 전형적인 일 실시예에서 상기 방사 시준기(14)의 외부 표면은 도넛 형상이다. 방사 시준기(14)는 광원(12)을 둘러싸고 열 브레이크(18)에 의해 광원(12)으로부터 분리된 내부 표면을 갖고 있다. 전형적인 일 실시예에서, 광원(12) 및 방사 시준기(14)는 중심선(1) 상에 집중될 수 있다.

다양한 실시예에서, 광 유도기(10)는 변형 구성요소(15, 16), 광섬유(20), 그리고 상기 방사 렌즈(14)와 변형 구성요소(15, 16) 사이의 갭을 보충하는 평면 거울(19)를 더 포함한다. 변형 구성요소(15, 16)는 도 3에 보이는 방식으로 방사 시준기(14)를 둘러싼다. 하나 이상의 층을 갖는 대체 실시예가 형성될 수 있다. 전형적인 한 예에서는 변형 구성요소(15, 16)는 도넛 모양의 제2 영역으로 변형되는 정사각형 직사각형, 다각형, 또는 삼각형 제1 영역을 포함한다. 제1 영역은 한쪽만 볼록한 표면을 갖는 광 입력단을 포함한다. 상기 도넛 모양의 제2 섹션은 상기 광 섬유(20)의 교차 영역의 지름과 대략 같은 교차 영역의 지름을 갖는 광 출력단에서 끝난다. 도 9에서 두 개의 변형 구성요소에 연결된 오직 두 개의 광학 섬유를 묘사하고 있음에도 불구하고, 당업자라면 광학 섬유가 각각의 상기 변형 구성요소에 연결될 수 있고, 각각의 상기 광학 섬유에 연결된 광이 다수의 섬유로 추가적으로 분할될 수 있다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 광섬유(20)는, 예를 들어, 인덱스 매칭 액체(index matching fluid) 또는 당업자에게 알려진 다른 정렬 및 연결 방법에 의해, 물리적으로 변형 구성요소(15, 16)에 연결될 수 있다. 또한, 모든 상기 광섬유들이 멀리 떨어진 같은 장소(101)에 조명을 제공해야 하는 것은 아니다. 대체 실시예는 한 개 이상의 광섬유를 다수의 멀리 떨어진 각각의 장소에 대해 경로로서 지정할 수 있다. 다른 실시예는 다른 크기의 섬유에 광을 전달하기 위해 다른 크기의 변형 구성요소를 포함할 수 있다.

다양한 실시예에 따른 동작에서, 광원(12)은 광을 발산한다. 열 브레이크(18)는 상기 광원(12)으로부터의 열을 소실시킨다. 방사 시준기(14)는 광원(12)의 중심선(1)에 직교인 고리형 평면에 상기 광을 부분 시준한다. 변형 구성요소(15, 16)는 방사 시준기(14)에 의해 부분 시준된 광을 모아서 광섬유(20)에 연결한다. 광섬유(20)는 광원(12)으로부터 멀리 떨어진 물체(101)의 부분을 조명하기 위해 상기 광을 전송한다.

다양한 실시예에서, 광섬유(20)는 상기 광을 광원(12)으로부터 멀리 떨어진 물체(101)로 전송한다. 물체(101)는, 예를 들면, 백라이팅(backlighting)을 필요로하는 계기판과 같은 시각적 정보 시스템이 될 수 있다. 여기에 사용된 대로, "시각 적인 정보 시스템"은 어떤 디스플레이(display), 게이지(guage), 장치, 또는, 예를 들어, 계기판과 컴퓨터 디스플레이처럼 정보를 보여주는 시스템을 의미한다. 물체(101)는 또한, 예를 들어, 열이나 방사능에 민감한 품목을 위한 디스플레이 케이스(display case), 단일 광원으로부터의 다수의 조명장소를 요구하는 구조물, 단일 광원으로부터의 조명을 요하는 위험하거나 모험적인 장소, 또는 멀리 떨어진 광원으로부터 조명된 어떠한 물체가 될 수 있다.

본 발명이 개시하고 있는 상기 조명 시스템과 방법이 단일 광원으로부터 멀리 떨어진 다수의 장소를 조명하기 위해 사용될 수 있다는 점은 당업자에게 자명할 것이다. 또한 본 발명의 정신 및 범위에서 벗어나지 않고 개시된 발명 내에서 다양한 응용 및 변형이 가능하다는 점도 당업자에게 자명할 것이다. 본 발명의 다른 실시예는, 명세서의 고려 및 여기 개시된 본 발명의 실습을 통해 당업자에게 자명할 수 있을 것이다. 상기 명세서 및 실시예들은 오직 전형적인 실시예들일 뿐이며, 본 발명의 실제 범위는 이어지는 청구항에 의해 결정되어야 한다.

본 발명은 광원과 상기 광원을 둘러싼 방사 시준기를 포함하는 조명기를 제공한다. 상기 방사 시준기는 열 장벽 영역에 의해 광원으로부터 분리되는 내부 표면을 포함하고 있다. 상기 조명 시스템은 상기 방사 시준기에 인접한 광 입력단과 광 섬유에 광을 결합하기 위한 출력단을 갖는 변형 구성요소를 더 포함한다. 광섬유는 상기 광을 광원으로부터 멀리 떨어진 물체로 전송한다. 상기 물체는, 예를 들면, 백라이팅을 필요로하는 계기판과 같은 시각적 정보 시스템이 될 수 있다. 여기 에 사용된 대로, "시각적인 정보 시스템"은 어떤 디스플레이, 게이지, 장치, 또는, 예를 들어, 계기판과 컴퓨터 디스플레이처럼 정보를 보여주는 시스템을 의미한다. 물체는 또한, 예를 들어, 열이나 방사능에 민감한 품목을 위한 디스플레이 케이스, 단일 광원으로부터의 다수의 조명장소를 요구하는 구조물, 단일 광원으로부터의 조명을 요하는 위험하거나 모험적인 장소, 또는 멀리 떨어진 광원으로부터 조명된 어떠한 물체가 될 수 있다.

Claims (10)

1. 광원(12);

   열 방벽(18) 부분에 의해 상기 광원으로부터 분리된 내부 표면을 갖는 상기 광원(12)부를 둘러싼 방사 시준기(14); 및

   상기 방사 시준기에 인접한 광 입력단(165, 167) 및 광섬유에 연결된 광 출력단(169)을 갖는 변형 구성요소(16)를 포함하는 조명 시스템.
2. 제1항에 있어서,

   상기 변형 구성요소는 직각 형상의 교차 영역을 갖는 제1 영역(161)과 원뿔 형상의 교차 영역을 갖는 제2 영역(163) 더 포함하는 것을 특징으로 하는 조명 시스템(10).
3. 제1항에 있어서,

   상기 변형 구성요소는 상기 광 입력단에 인접한 한쪽만 볼록한 렌즈를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 조명 시스템.
4. 제1항에 있어서,

   상기 변형 구성요소의 광 입력단은 볼록한 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 조명 시스템.
5. 제1항에 있어서,

   한 개 이상의 층에 배치되어 상기 방사 시준기를 둘러싸고 있는 다수의 변형 구성요소를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 조명 시스템.
6. 제1항에 있어서,

   상기 방사 시준기는 원통형의 내부 표면(146)과 한쪽만 볼록한 외부 표면(148)을 갖는 고리 형상의 렌즈를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 조명 시스템.
7. 광원(12);

   상기 광원으로부터 멀리 떨어진 물체(101); 및

   상기 광원으로부터의 광을 부분적으로 시준하는 방사 시준기(14, 241), 상기 방사 시준기로부터 부분적으로 시준된 광을 수집하기 위해 상기 방사 시준기에 인접하여 존재하는 다수의 변형 구성요소(15, 16), 그리고 상기 변형 구성요소에 의해 수집된 광을 상기 물체(101)로 전송하기 위해 상기 다수의 변형 구성요소에 연결된 광섬유(20)를 갖는 광 유도기(10)를 포함하는 광을 비추는 시스템.
8. 제7항에 있어서,

   상기 변형 구성요소는 원통형의 프레넬 표면을 갖는 광 입력단(167) 및 상기 광섬유에 연결하기 위한 광 출력단(169)을 포함하는 것을 특징으로 하는 광을 비추 는 시스템.
9. 제7항에 있어서,

   상기 변형 구성요소는, 직각 형상을 갖는 광 입력단에 인접한 제1 영역(161), 그리고 원뿔 형상을 갖는 광 출력단에 인접한 제2 영역(163)을 갖는 것을 특징으로 하는 광을 비추는 시스템.
10. 광원(12)을 제공하는 단계;

    상기 광원(12)을 둘러싼 방사 시준기(14)를 사용하여 상기 광원으로부터 투사된 광을 부분적으로 시준하는 단계;

    원통형의 프레넬 표면을 갖는 광 입력단(147)을 포함하는 변형 구성요소(16)로서 상기 방사 시준기(14)에 의해 부분적으로 시준된 광을 수집하는 단계;

    상기 변형 구성요소(16)에 의해 수집된 광을 광섬유(20)로 연결하는 단계; 및

    상기 광섬유에 연결된 광을 상기 광원으로부터 멀리 떨어진 장소(101)로 전송하는 단계를 포함하는 상기 광원(12)으로부터 멀리 떨어진 장소(101)에 광을 제공하기 위한 방법.

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