KR20100127283A - 굴절 및 반사 광학 장치를 이용한 방향성 광원 - Google Patents

Abstract

굴절 및 반사 광학 장치로 구성된 방향성 광원이 공지된다. 어느 한 실시예에서, 해당 시스템은 빛을 좁은 뿔로 굴절시키는 굴절 장치와 원하는 좁은 뿔 내에서 빛이 굴절 장치로부터 발산되는 방향으로 빛을 재사용하는 반사 장치로 구성된다.

Description

굴절 및 반사 광학 장치를 이용한 방향성 광원{A DIRECTIONAL LIGHT SOURCE USING REFRACTIVE AND REFLECTIVE OPTICS}

본 특허는 2008년 3월 19일자로 인도 뭄바이에서 “굴절 및 반사 광학을 이용한 축광 개선에 대하여”라는 제목으로 출원된 임시 특허 554/MUM/2008로부터 우선권을 청구한다.

본 발명은 조명 시스템에 대한 것이다. 더욱 구체적으로, 본 발명은 좁은 뿔 (narrow cone)방향으로 빛을 발산하는 광원에 대한 굴절 및 반사 장치에 대한 것이다.

조명은 눈으로 보기 위해서뿐만 아니라 사진 촬영, 현미경 검사, 과학용, (극장, TV 및 영화를 포함한) 오락물 상연, 이미지 투사를 위해 사물을 비추는데 사용되며 디스플레이의 후광으로 사용된다.

더 나아가, 조명은 특정한 방식으로 사물을 지향할 것이 종종 요구된다. 예를 들어, 사진 촬영을 위한 조명원은 확산될 필요가 있고, 디스플레이의 후광은 균일해야 하며, 극장의 스포트라이트는 높은 지향성을 지녀야 한다.

특정한 발산 형태로 빛을 발산하는 조명기들은 당해 기술분야에서 다양한 용도가 있다. 용도 중 하나는 투과형 정보 디스플레이의 후광으로 사용되며, 후광들은 빛을 좁은 시야각으로 발산한다. 약간의 빛 에너지는 보는 사람이 존재하지 않는 방향으로 낭비되기 때문에, 이는 개인이 디스플레이를 볼 때 에너지를 절감할 수 있다. 당해 기술분야에서 알려진 후광 시스템은 광 가이드에서 발산된 빛을 좁은 뿔(narrow cone)로 안내하는 프리즘 모양 시트들로 구성된다.

도 1은 정보 표시 시스템에 대한 종래 기술인 후광(199)을 도시한 것이다.표면 광원(108)은 표면에서 빛을 발산한다. 이 빛은 확산기(106)를 통과하여 프리즘 모양 시트(104)에 입사된다. 프리즘 모양 시트(104)는 입사광의 일부를 안내하여 표면 광원(108)으로부터 발산된 빛에 비교하여 더 좁은 뿔(narrow cone)의 각으로 해당 프리즘 모양 시트를 떠나게 한다. 프리즘 모양 시트(104)에 입사된 빛의 일부는 확산기 (106)쪽으로 재반사된다. 확산기(106)는 인입하는 반사광의 방향을 임의로 정하여 그 일부를 프리즘 모양 시트(104)에 의해 좁은 뿔(narrow cone) 방향으로 통과될 수 있는 방향으로 재활용한다. 확산기에서 나온 빛의 일부는 반사기(102)에 입사되어 프리즘 모양 시트(104)쪽으로 다시 반사된다.

확산기는 빛을 임의의 방식으로 재활용한다. 재활용되는 빛은 프리즘 모양 시트(104), 확산기(106), 표면 광원(108) 및 반사기(102) 사이에서 여러 번 되튀어 나아간다. 일부 빛은 반사기(102), 표면 광원(108) 및 확산기(106)의 흡수로 인해 낭비된다.

정보 표시 시스템에 대한 종래 기술인 후광은 일부 빛이 반사기, 표면 광원 및 확산기에서 흡수되어 낭비되는 문제점을 갖는다.

굴절 및 반사 광학 장치로 구성되는 방향성 광원이 공지된다. 어느 한 실시예에서, 해당 시스템은 빛을 좁은 뿔(narrow cone)로 굴절시키는 굴절 장치와 빛이 원하는 좁은 뿔(narrow cone)에서 굴절 장치로부터 발산되는 방향으로 빛을 재활용하는 반사 장치로 구성된다.

요소들의 구현 및 조합에 대한 다양한 세부사항을 포함하여 위의 그리고 다른 선호되는 특징들은 부수하는 도면들을 참조하여 더욱 구체적으로 설명되며 청구항에서 지적된다. 여기서 설명된 특정한 방법 및 시스템들은 설명의 목적으로만 제시되는 것이지 한정하는 것이 아님이 이해될 것이다. 당해 기술분야에 정통한 사람들이라면 쉽게 알 수 있다시피, 여기서 설명된 원리와 특징들은 본 발명의 범위를 벗어나지 않은 다양하고 수많은 실시예들에서 활용될 수 있다.

전술한 본 발명의 특징적 구성에 따르면 일부 빛이 반사기, 표면 광원 및 확산기에서 흡수되어 낭비되는 문제점을 해결할 수 있다.

본 명세서의 일부로 포함되어 있는 부수하는 도면들은 위에서 주어진 일반적인 설명과 함께 현재 바람직한 실시예들을 설명하며, 아래에서 주어진 바람직한 실시예들에 대한 상세한 설명은 본 발명의 원리들을 설명하고 가르치는 역할을 한다.

도 1은 정보 표시 시스템의 종래 기술에 따른 후광을 도시한 도면.
도 2a는 어느 한 실시예에 따른 좁은 뿔 방향으로 빛을 발산하는 광원을 도시한 도면.
도 2b는 어느 한 실시예에 따른 좁은 뿔 방향으로 빛을 발산하는 광원을 도시한 도면.
도 3a는 어느 한 실시예에 따른 좁은 뿔 방향으로 빛을 발산하는 광원의 예시적인 반사 장치를 도시한 도면.
도 3b는 어느 한 실시예에 따른 하나의 면에서 본 좁은 뿔 방향으로 빛을 발산하는 광원의 예시적인 반사 장치를 도시한 도면.
도 4는 어느 한 실시예에 따른 하나의 면에서 본 좁은 뿔 방향으로 빛을 발산하는 광원의 예시적인 반사 장치를 도시한 도면.
도 5는 어느 한 실시예에 따른 하나의 면에서 본 좁은 뿔 방향으로 빛을 발산하는 광원의 예시적인 반사 장치를 도시한 도면.
도 6a는 어느 한 실시예에 따른 좁은 뿔 방향으로 빛을 발산하는 광원의 예시적인 굴절 장치를 도시한 도면.
도 6b는 어느 한 실시예에 따른 좁은 뿔 방향으로 빛을 발산하는 광원의 예시적인 굴절 장치의 상단도를 도시한 도면.
도 6c는 어느 한 실시예에 따른 좁은 뿔 방향으로 빛을 발산하는 광원의 예시적인 굴절 장치의 전면도를 도시한 도면.
도 6d는 어느 한 실시예에 따른 좁은 뿔 방향으로 빛을 발산하는 광원의 예시적인 굴절 장치의 측면도를 도시한 도면.
도 6e는 어느 한 실시예에 따른 프리즘 시트에 입사되는 빛의 각분포에 대한 간이 배치 계획(schematic plot)을 도시한 도면.
도 7a는 어느 한 실시예에 따른 좁은 뿔 방향으로 빛을 발산하는 광원의 예시적인 반사 장치를 도시한 도면.
도 7b는 어느 한 실시예에 따른 좁은 뿔 방향으로 빛을 발산하는 광원의 예시적인 반사 장치를 도시한 도면.
림 8a는 어느 한 실시예에 따른 좁은 뿔 방향으로 빛을 발산하는 광원의 예시적인 반사 장치를 도시한 도면.
도 8b는 어느 한 실시예에 따른 좁은 뿔 방향으로 빛을 발산하는 광원의 예시적인 반사 장치를 도시한 도면.
도 9a 는 어느 한 실시예에 따른 좁은 뿔 방향으로 빛을 발산하는 광원의 예시적인 굴절장치를 도시한 도면.
도 9b 는 어느 한 실시예에 따른 좁은 뿔 방향으로 빛을 발산하는 광원의 예시적인 굴절장치를 도시한 도면.
도 1Oa는 어느 한 실시예에 따른 좁은 뿔 방향으로 빛을 발산하는 광원을 도시한 도면.
도 1Ob는 어느 한 실시예에 따른 좁은 뿔 방향으로 빛을 발산하는 광원을 도시한 것이다.
도 1Oc는 어느 한 실시예에 따른 좁은 뿔 방향으로 빛을 발산하는 광원을 도시한 도면.
도 11는 어느 한 실시예에 따른 좁은 뿔 방향으로 빛을 발산하는 광원을 도시한 것이다.
도 12는 어느 한 실시예에 따른 좁은 뿔 방향으로 빛을 발산하는 광원을 도시한 도면.
도 13은 어느 한 실시예에 따른 표면 광원을 도시한 도면.
도 14는 어느 한 실시예에 따른 선형 광원을 도시한 도면.
도 15는 어느 한 실시예에 따른 광원으로 사용되는 광 굴절기가 달린 광 가이드의 예시적인 요소를 도시한 도면.
도 16은 어느 한 실시예에 따른 다양한 농도의 광 굴절 입자들을 갖는 하나의 예시적인 광원을 도시한 도면.
도 17은 어느 한 실시예에 따른 두 개의 광원을 갖는 예시적인 광원을 도시한 도면.
도 18은 어느 한 실시예에 따른 거울이 달린 광 가이드를 갖는 하나의 예시적인 광원을 도시한 도면.

굴절 및 반사 광학 장치로 구성된 방향성 광원이 공지된다. 어느 한 실시예에서, 해당 시스템은 빛을 좁은 뿔 안으로 굴절시키는 굴절 장치와 빛이 원하는 좁은 뿔 안에 있는 굴절 장치로부터 발산되는 방향으로 빛을 재활용하는 반사 장치로 구성된다.

도 2a는 어느 한 실시예에 따른 좁은 뿔 방향으로 빛을 발산하는 광원(299)을 도시한 것이다. 광원(208)은 빛을 하나 이상의 표면에서 발산한다. 어느 한 실시예에서, 광원(208)은 광 가이드이며 광 발산은 대부분 표면 부식 또는 광 굴절 입자들 또는 모양들의 미세 분포로부터의 산포로 인하여, 또는 당해 기술분야에 알려진 어떤 다른 방법을 통하여 발생한다. 굴절 장치(206)는 광원(208)의 발광 표면 중 하나의 근처에 위치한다. 굴절 장치(206)는 특정 방향들로 입사하는 빛은 통과시키는 반면 특정 방향들로 입사하는 빛은 반사한다. 부분적으로는 반사되고 부분적으로는 굴절되는 입사광의 방향들이 있을 수 있다. 빛은 굴절 장치(206) 내부에서 굴절되며, 좁은 뿔 방향에 해당하는 방향으로 발산된다. 일부 빛은 굴절 장치(206)에 의해 재반사된다. 굴절 장치(206)에서 반사된 빛은 반사 장치(202)에 입사되는데, 굴절 장치(202)는 굴절 장치가 놓인 곳 근처의 표면 반대쪽에 있는 광원(208)의 표면의 근처에 놓인다. 반사 장치(202)는 입사광의 일부를 굴절 장치(206)에 의해 인도된 방향들로 보낸다. 어느 한 실시예에서, 반사 장치(202)는 입사광의 일부를 굴절 장치(206)에 의해 원하는 좁은 뿔 방향들로 보내진 방향으로 보낸다. 어느 한 실시예에서, 광원(208)은 본질적으로 굴절 장치(206)로부터 그리고 반사 장치(202)로부터 들어오는 빛에 대하여 투명하다, 즉, 그러한 빛이 대부분 방향에 있어서 변화없이 통과할 수 있게 한다.

광원(208)은 점 광원, 선형 광원 또는 표면 광원일 수 있으며, 따라서 광원(299)은 좁은 뿔 방향으로 빛을 발산하는 점 광원, 선형 광원 또는 표면 광원이 된다. 점 광원은 매우 작은 영역에서 빛을 발산하는 광원이며, 선형 광원은 하나의 차원은 길고 다른 차원들은 작은 영역에서 빛을 발산하는 광원이고, 표면 광원은 큰 2차원 영역에서 빛을 발산하는 광원이다.

반사 장치(202)는 굴절 장치(206)에 의해 반사된 빛을 굴절 장치(206)에 의해 전달된 방향으로 보낸다. 어느 한 실시예에서, 반사 장치는 하나의 비평면 반사기이다. 또 다른 실시예에서, 해당 반사 장치는 평면 거울과 빛의 방향을 수정하는 기타 광학 장치로 구성된다.

도 2b는 어느 한 실시예에 따른 좁은 뿔 방향들로 빛을 발산하는 광원(299)을 도시한 것이다. 방향(214, 218)의 빛은 굴절 장치(206)에 입사된다. 방향(218)의 빛은 굴절 장치(206)의 내부에서 굴절되어 방향(216)을 따라 투과된다. 방향(214)의 빛은 굴절 장치(206)에 의해 반사되어 방향(212)을 따라 전달된다. 방향(212)의 빛은 반사 장치(202)에 입사된다. 반사 장치(202)는 방향(212)으로 입사된 빛을 방향(220)으로 반사한다. 방향(220)의 빛은 굴절 장치(206)에 의해 투과된다.

어느 한 실시예에서, 굴절 장치(206)는 자기 쪽으로 수직으로 이동하는 빛을 자기 쪽에서 반사 장치(202)쪽으로 수직으로 이동하는 빛으로 보낸다.

도 3a는 어느 한 실시예에 따른 좁은 뿔 방향으로 빛을 발산하는 광원의 예시적인 반사 장치(399)를 도시한 것이다. 반사 장치(399)는 골진 또는 'V 모양 거울들로 구성된다. 거울은 금속 표면, 분포 그래그 반사기, 하이브리드 반사기, 내부 전반사기 또는 무지향 반사기를 포함하여 빛을 반사하는 어떤 수단이다. 반사 장치(399)는 방향(312)으로 입사된 빛을 방향(310)으로 반사한다. 'V자 모양 골 주름들은 미세하거나 클 수 있다.

도 3b는 어느 한 실시예에 따른 하나의 면에서 본 좁은 뿔 방향으로 빛을 발산하는 광원의 예시적인 반사 장치(399)를 도시한 것이다. 반사 장치(399)는 골진 또는 'V 모양 거울들로 구성된다. 반사 장치(399)는 방향(312)으로 입사하는 빛을 방향(310)으로 반사한다.

도 4는 어느 한 실시예에 따른, 하나의 면에서 본 좁은 뿔 방향으로 빛을 발산하는 광원의 예시적인 반사 장치(499)를 도시한 것이다. 반사 장치(499)는 톱니 모양으로 정렬된 거울들로 구성되는데, 거울들은 성형된 톱니 모양을 가진다. 반사 장치(499)는 방향(412)으로 입사하는 빛을 방향(410)으로 반사한다.

어느 한 실시예에서, 반사 장치(499)는 굴절 광학 장치의 수평면에 대하여 어떤 각으로 기울어진 하나의 단일 거울로 구성된다.

도 5는 어느 한 실시예에 따른, 하나의 면에서 본 좁은 뿔 방향으로 빛을 발산하는 광원의 예시적인 반사 장치(599)를 도시한 것이다. 반사 장치(599)는 평면경(516)과 프리즘 모양 시트(518)로 구성된다. 프리즘 모양 시트(518)는 아크릴과 같은 투명 물질로 이루어져 삼각형 프리즘 모양을 구성한다. 프리즘 모양 시트(518)는 방향(510)으로 입사된 빛을 방향(530)으로 굴절시킨다. 이 빛은 거울 (516)에 의해 반사된 후 프리즘 모양 시트(518)에 의해 방향(512)으로 굴절된다.

도 6a는 어느 한 실시예에 따른 좁은 뿔 방향으로 빛을 발산하는 광원의 예시적인 굴절 장치(699)를 도시한 것이다. 굴절 장치(699)는 투명 물질로 이루어진 하나의 시트이다. 해당 시트의 상단 표면은 평행 삼각형 프리즘의 형태로 골이 져 있다. 예시적인 입사광선(610)은 해당 시트에 수직인 축(612)을 가진 각(604)(극각이라고 함)를 이루며, 이 극각은 0도와 90도 사이이다.

어느 한 실시예에서, 굴절 장치는 상이한 방향으로 지향된 프리즘을 갖는 하나 이상의 시트를 가질 수 있다. 예를 들어, 해당 굴절 장치는 서로에 대하여 직각으로 향하고 있는 두 개의 판으로 구성된 프리즘을 가진 서로 겹쳐져 있는 두 개의 프리즘 시트를 가질 수 있다.

도 6b는 어느 한 실시예에 따른 좁은 뿔 방향으로 빛을 발산하는 광원의 예시적인 굴절 장치(699)의 상단도를 도시한 것이다. 굴절 장치(699)는 평행 삼각형 프리즘들의 형태로 상단 표면이 주름잡혀 있는 투명 물질로 이루어진 시트이다. 입사광선과 해당 시트에 수직인 축을 포함하는 수평면(611)은 해당 시트에 수직인 축을 함유하는 프리즘에 수직인 수평면(618)을 가진 각(602)(수평각이라고 함)을 이루며, 이 수평각은 0도와 360도 사이이다.

도 6c는 어느 한 실시예에 따른 좁은 뿔 방향으로 빛을 발산하는 광원의 예시적인 굴절 장치(699)의 전면도를 도시한 것이다. 굴절 장치(699)는 상단 표면이 평행 삼각형 프리즘들의 형태로 골이 져 있는 투명 물질로 된 시트이다. 입사광선(610)은 해당 시트와 수직인 축(612)과 각(604)을 이룬다.

도 6d는 어느 한 실시예에 따른 좁은 뿔 방향으로 빛을 발산하는 광원의 예시적인 굴절 장치(699)의 측면도를 도시한 것이다. 굴절 장치(699)는 상단 표면이 평행 삼각형 프리즘들의 형태로 골이 져 있는 투명 물질로 된 하나의 시트이다. 입사광선(610)은 프리즘 시트의 수평면에 수직인 축(612)과 각(604)을 이룬다.

어느 한 실시예에서, 프리즘의 경사진 표면(620)과 (622)은 해당 시트의 수평면과 45도 각을 이루며, 서로 직각을 이룬다.

도 6e는 어느 한 실시예에 따른 프리즘 시트에 입사되는 빛의 각분포(698)에 대한 간이 배치 계획(schematic plot)을 도시한 것이다. 이 계획에서, 극각은 해당 계획의 중앙으로부터의 방사상 거리에 의해 표현되며, 수평각들은 고정선(624)과 이루어진 각들에 의해 표현된다. 영역(616, 617)은 빛이 본질적으로 프리즘 시트로부터 통과되는 입사광 방향들의 세트들이다. 영역(614)은 빛이 주로 프리즘 시트로부터 반사되는 입사광 방향들의 세트이다. 반사된 입사광 방향들의 영역(614)은 90도와 270도의 수평각 근처에 자리하고 더 큰 극각에서 크기가 증가한다. 영역(614)에서 오는 방향으로 입사하는 빛은 반사되게 된다. 그러한 반사된 빛의 큰 부분은 스스로 영역(614)에서 오는 방향 내로 들어간다. 반사 장치는 영역(614) 방향에서 온 빛을 영역(616, 617)의 방향들로 재활용한다. 즉, 반사 장치는 굴절 장치에 의해 주로 반사된 방향으로부터 굴절 장치에 의해 주로 투과되는 방향으로 전환시킨다.

프리즘 표면들이 프리즘 시트의 수평면과 45도 각을 이루고 서로 간에 직각을 이루는 경우, 반사된 입사광들의 방향들로 이루어진 영역(614)은 해당 계획의 출발점 근처의 방향들, 즉 해당 프리즘 시트에 대하여 정상 또는 수직 입사에 근접한 방향들을 포함한다. 이러한 입사광 방향들은 이 프리즘 시트에 의해 다시 반사되어 회귀 방향도 또한 해당 프리즘 시트에 정상 또는 수직에 가깝다. 이 경우 반사 광학 장치들은 수직으로 입사하는 빛을 영역 (616)이나 (617)에 있는 빛으로 전환시킨다.

도 7a는 어느 한 실시예에 따른 좁은 뿔 방향으로 빛을 발산하는 광원의 예시적인 반사 장치(799)를 도시한 것이다. 반사 장치(799)는 입사광의 방향을 향하여 가리키고 있는 각뿔 꼭지점을 가진 사각뿔 모양 거울들로 구성된다. 다른 실시예들에서, 각뿔의 밑변은 사각형이 아니라 삼각형 또는 육각형과 같은 타일로 이어 붙일 수 있는 모양들을 포함한 다른 모양이다.

도 7b는 어느 한 실시예에 따른 좁은 뿔 방향으로 빛을 발산하는 광원의 예시적인 반사 장치(798)를 도시한 것이다. 반사 장치(798)는 평면경(724)과 사각뿔 모양 시트(722)로 구성된다. 사각뿔 모양 시트(722)는 아크릴과 같은 투명 물질로 이루어져 있으며 거울(724)에서 멀리 떨어진 곳을 가르키는 각뿔 꼭지점을 가진 사각뿔 모양으로 구성된다. 다른 실시예들에서, 해당 뿔들의 밑변은 사각형이 아니라 삼각형 또는 육각형과 같이 타일 형태로 이어 붙일 수 있는 모양들을 포함하여 다른 모양이다.

도 8a는 어느 한 실시예에 따른 좁은 뿔 방향으로 빛을 발산하는 광원의 예시적인 반사 장치(899)를 도시한 것이다. 반사 장치(899)는 각뿔 꼭지점들이 입사광의 방향을 따라 가리키고 있는 사각뿔 모양 거울들로 된 하나의 시트이다. 다른 실시예들에서, 해당 각뿔들의 밑변은 사각형이 아니라 삼각형 또는 육각형과 같은 타일로 이어 붙일 수 있는 모양을 포함한 다른 모양이다.

도 8b는 어느 한 실시예에 따른 좁은 뿔 방향으로 빛을 발산하는 광원의 예시적인 반사 장치(898)를 도시한 것이다. 반사 장치(898)는 평면경(824)과 사각뿔 모양 시트(822)로 구성된다. 사각뿔 모양 시트(822)는 아크릴과 같은 투명 물질로 이루어져 있고 상단 표면은 여러 개의 사각뿔 모양을 가지고 있는데 각뿔의 꼭지점들은 거울(824)쪽을 가리키고 있다. 다른 실시예들에서, 각뿔의 밑변은 사각형이 아니고 삼각형이나 육각형과 같은 타일로 이어붙일 수 있는 모양을 포함한 다른 모양이다.

도 9a는 어느 한 실시예에 따른 좁은 뿔 방향으로 빛을 발산하는 광원의 예시적인 굴절 장치(999)를 도시한 것이다. 굴절 장치(999)는 아크릴과 같은 투명 물질로 이루어져 있으며, 상단 표면에는 해당 시트로부터 떨어진 곳을 가리키는 각뿔 꼭지점을 가진 여러 사각뿔 모양을 가지고 있다. 다른 실시예들에서, 해당 각뿔의 밑변은 삼각형 또는 육각형과 같은 타일로 이어붙일 수 있는 모양을 포함하여 다른 모양이다.

도 9b는 어느 한 실시예에 따른 좁은 뿔 방향으로 빛을 발산하는 광원의 예시적인 굴절 장치(998)를 도시한 것이다. 반사 장치(998)는 아크릴과 같은 투명 물질로 이루어진 시트이며, 상단 표면은 해당 시트를 가리키는 각뿔의 꼭지점을 가진 다수의 사각뿔 모양을 가지고 있다. 다른 실시예들에서, 해당 각뿔의 밑변은 삼각형 또는 육각형과 같은 타일로 이어붙일 수 있는 모양을 포함하여 다른 모양이다.

도 1Oa는 어느 한 실시예에 따른 좁은 뿔 방향으로 빛을 발산하는 광원(1099)을 도시한 것이다. 반사 장치(1000)와 굴절 장치(1002)의 지향축들은 서로 평행하다. 프리즘 또는 골 주름으로 구성된 반사 또는 굴절 장치에 있어서, 해당 장치의 지향축은 해당 프리즘 또는 골진 주름의 긴 축에 평행인 선이다. 각뿔로 구성된 반사 또는 굴절 장치의 경우, 해당 장치의 지향축은 각뿔의 밑변의 변들 중 하나에 평행하는 선이다.

도 1Ob는 어느 한 실시예에 따른 좁은 뿔 방향으로 빛을 발산하는 광원(1098)을 도시한 것이다. 반사 장치(1004)와 굴절 장치(1006)의 지향축들은 서로 수직이다.

도 1Oc는 어느 한 실시예에 따른 좁은 뿔 방향으로 빛을 발산하는 광원(1097)을 도시한 것이다. 반사 장치(1008)와 굴절 장치(1010)의 지향 축들은 서로 45도 각이다.

도 11은 어느 한 실시예에 따른 좁은 뿔 방향으로 빛을 발산하는 광원(1199)을 도시한 것이다. 반사 장치(1112), 광원(1110)과 굴절 장치(1128)는 함께 좁은 뿔 방향으로 빛을 발산하는 광원(1138)을 형성한다. 광원(1138)에서 나온 광(1122)은 작은 면들 중 하나에서 나와 광 가이드(1126)로 들어가 그 내부에서 인도된다. 광 가이드(1126)는 내부에 있는 지향성 비구면 산포 입자들(1130)을 가지고 있는데, 이들은 빛(1122)을 광 가이드(1126)에서 발산되는 빛(1124) 속으로 좁은 뿔 방향으로 굴절시킨다. 어느 한 실시예에서, 해당 산란 입자들(1130)은 직각이등병삼각형 프리즘 또는 직사각형 평행육면체 모양이다.

어느 한 실시예에서, 광원(1110)은 점 광원이며, 광 가이드(1126)는 선형 광 가이드이고, 그리하여 광원(1199)은 선형 광원이다. 또 다른 실시 예에서, 광원(1110)은 선형 광원이며, 광 가이드(1126)는 표면 광 가이드이고, 그리하여 광원(1199)은 하나의 표면 광원이다.

광 굴절 입자들(1130)의 농도는 광 가이드(1126)를 통틀어 균일하거나, 요구되는 광발산 형태를 달성할 수 있도록 변화될 수 있다. 어느 한 실시예에서, 광 굴절 입자들(1130)의 농도는 희박해서 늘어난 면들 중의 하나로 들어가는 빛에 광 가이드(1126)가 본질적으로 투명하다.

도 12는 어느 한 실시예에 따른 좁은 뿔 방향으로 빛을 발산하는 광원(1299)을 도시한 것이다. 반사 장치(1212), 광원(1210) 및 굴절 장치(1216)는 함께 좁은 뿔 방향으로 빛을 발산하는 광원(1238)을 형성한다. 광원(1238)에서 나온 빛(1220)은 더 작은 면들 중의 하나에서 광 가이드(1208)로 들어가 그것에 의해 인도된다. 광 가이드(1208)는 상이한 굴절 지수를 갖는 시트(1206, 1204)와 같은 다수의 시트들로 구성된다. 해당 시트들은 광 가이드(1208)에 대하여 경사져 있다. 해당 시트들 사이의 각 접촉면은 빛(1220)의 소량을 굴절시켜 빛(1202)으로서 광 가이드(1208)로부터 좁은 뿔 방향으로 발산하게 한다.

도 13은 어느 한 실시예에 따른 표면 광원(1399)을 도시한 것이다. 선형 광원(1302)은 광 가이드 시트(1304)의 일단부(1307)의 근처에 놓인다. 광 가이드 시트(1304)는 빛을 굴절, 반사 또는 분산에 의하여 확산시키는 작은 입자들이나 거품, 또는 금속 입자들, 또는 염료 또는 안료를 포함한다. 선형 광원(1302)에서 나온 빛은 광 가이드 시트(1304)로 들어가 내부 전반사에 의해 그 내부에서 인도된다. 이 빛은 광편향기에 의해 굴절되어, 광 가이드 시트(1304) 전체 표면에 걸쳐 발산하여, 하나의 표면 광원을 형성한다. 광편향기 입자들의 농도는 균일하거나, 또는 요구되는 광발산 형태를 달성하기 위해 광 가이드 시트(1304)를 통틀어 변화될 수 있다. 선형 광원(1302)에 의해 발산되는 출력이 변하면, 광원(1399)의 광 발산 형태도 비례하여 변화된다. 하나 이상의 선형 광원이 사용되는 경우, 이들의 출력은 광발산 형태를 비례하여 변화시키기 위하여 함께 변할 수 있다.

어느 한 실시예에서, 광 가이드 시트(1304)가 큰 면에서 보면 투명하지만 끝(1307)에서 보면 반투명하여 외부에서 들어오는 빛에 투명한 표면 광원(1399)을 형성할 수 있도록 광편향기 입자들의 농도가 선택된다. 이런 투명 광원은 굴절 장치에서 나온 빛을 반사 장치 쪽으로 통과시키고 방향에 있어서 변화없이 반사 장치로부터 해당 굴절 장치로 다시 통과시킨다.

도 14는 어느 한 실시예에 따른 선형 광원(1499)을 도시한 것이다. 점 광원(1401)은 선형 광 가이드(1402)의 일단부 근처에 놓인다. 선형 광 가이드(1402)는 작은 투명 입자들이나 거품, 또는 금속 입자들, 또는 염료나 안료와 같은 광편향기를 포함하는데, 이것들은 굴절, 반사 또는 분산을 통해 빛을 확산시킨다. 점 광원(1401)에서 나온 빛은 선형 광 가이드(1402)로 들어가 내부 전반사에 의해 그 내부에서 안내된다. 이 빛은 광편향기에 의해 굴절되어 선형 광 가이드(1402) 전체 표면에 걸쳐 발산하여 하나의 선형 광원을 형성한다. 광편향기 입자들의 농도는 균일하거나 요구되는 광 발산 형태를 달성하기 위해 선형 광 가이드(1402)를 통틀어 변할 수 있다. 점 광원(1401)에 의해 발산된 출력이 변하면, 광원(1499)의 광발산 형태가 비례하여 변화된다. 하나 이상의 점 광원이 사용되는 경우, 해당 광원들의 출력은 광발산 형태를 비례적으로 변화시키기 위해 함께 변화될 수 있다.

어느 한 실시예에서, 선형 광 가이드(1402)가 면에서 볼 때는 투명하지만 일단부에서 보면 반투명하도록 광편향기 입자들의 농도가 선택되어 외부에서 들어가는 빛에 투명한 선형 광원(1499)이 된다. 그러한 투명 광원은 빛을 굴절 장치로부터 반사 장치 쪽으로 그리고 반사 장치로부터 다시 굴절 장치로 방향에 있어서의 변화없이 통과시킨다.

도 15는 어느 한 실시예에 따른 광 굴절기가 달린 광 가이드의 예시적인 요소(1599)를 도시한 것이다. 요소(1599)는 광원 근처에 있는 광 가이드의 끝으로부터 특정 거리에 있는 광 가이드의 작은 조각이며, 이는 매우 작은 높이를 가지고 있다(광 가이드의 다른 차원들이 아닌). 요소(1599)가 하나의 요소인 광 가이드는 선형 또는 표면 광 가이드일 수 있고, 따라서 선형 또는 표면 광원을 형성한다.

광원에 의해 발산되고 요소(1599) 전에 있는 광 가이드 부분에 의해 인도되는 빛(1500)은 요소(1599)로 들어간다. 광의 일부는 광 가이드에 포함된 광편향기로 인해 확산되고 조명광(1502)으로서 광 가이드를 떠난다. 남아 있는 빛은 빛 (1504)으로서 계속해서 다음 요소로 이동한다. 들어오는 빛(1500)의 출력은 조명광 (1502)과 계속 진행하는 빛(1504)의 출력의 합과 일치한다. 들어오는 빛(1500)에 대하여 확산된 조명광 1502의 부분은 요소(1599)의 광분산성이다. 요소(1599)의 광분산성의 요소(1599)의 높이에 대한 비율은 요소(1599)의 광 분산 밀도이다. 요소 (1599)의 높이가 감소함에 따라, (이 요소의) 광 분산 밀도는 상수에 근접한다. 요소(1599)의 이 광분산 밀도는 요소(1599) 안의 광 굴절 입자들의 농도에 대하여 특정한 관계를 지닌다. 해당 관계는 정비례로서 특정한 정도로 어림잡아진다. 요소 (1599)의 광 굴절 입자들의 농도를 파악함으로써, 요소(1599)의 광 분산 밀도가 평가될 수 있고, 그 역도 가능하다.

요소(1599)의 높이가 감소함에 따라, 조명광(1502)의 출력은 비례하여 감소한다. 조명광(1502)의 출력의 요소(1599) 높이에 대한 비율은 해당 요소의 높이가 감소됨에 따라 상수에 근접하는데 요소(1599)에서의 발산된 출력 밀도이다. 요소 (1599)에서의 발산된 출력 밀도는 광 분산 밀도 곱하기 들어오는 빛(1500)의 출력이다. 요소(1599)를 통해 이동하는 빛의 출력의 변화는 발산된 출력 밀도의 음수이다. 이들 두 관계는 미분 방정식이 된다:

dP/dh = - qP = - K

여기서, h는 광 가이드의 광원 끝으로부터 요소의 거리이다,

P는 요소를 통해 인도되는 빛의 출력이다,

q는 요소의 광 분산 밀도이며 K는 해당 요소에서의 발산된 출력 밀도이다.

이 미분 방정식은 확산 광 가이드의 모든 요소에 적용된다. 이 방정식은 각 요소에서의 광 분산 밀도가 주어졌을 때 발산된 출력 밀도를 구하는데 사용된다. 이 방정식은 또한 발산된 출력 밀도가 주어진 경우 각 요소의 광 분산 밀도를 구하기 위해서도 사용된다. 특정 발산된 출력 밀도 형태(광 가이드의 광원 끝으로부터의 거리의 함수로서 발산된 출력 밀도)를 갖는 광원을 설계하기 위하여, 위의 미분 방정식이 해결되어야 해당 광 가이드의 각 요소에서의 광 분산 밀도를 판단할 수 있다. 여기서, 광 가이드의 각 요소에서의 광 굴절 입자들의 농도가 판단된다.

균일 입자 농도가 광 가이드에서 사용되는 경우, 발산된 출력 밀도는 끝으로부터의 거리와 함께 지수적으로 감소한다. 균일 발산된 출력 밀도는 광원에 가까운 끝으로부터 타단부로의 출력 감소가 최소화되는 입자 농도를 선택함으로써 어림잡아질 수 있다. 출력 손실을 줄이면서도 발산된 출력의 균일성을 개선하기 위해서, 반대편 끝은 빛을 광 가이드로 다시 반사한다. 대안적인 실시예에서는, 또 다른 광원은 반대편 끝으로 빛을 제공한다.

도 16은 어느 한 실시예에 따른 다양한 농도의 광 굴절 입자들을 가진 예시적인 광원(1699)을 도시한 것이다. 광 굴절 입자들(1602)의 농도가 광 가이드(1604)의 광원 끝(광원 (1608) 근처)에서 반대편 끝까지 희박에서 농밀로 변한다.

균일 조명을 달성하기 위하여, 광 분산 밀도와 입자 농도는 광 가이드에 걸쳐서 변해야 한다. 광 분산 밀도는 다음의 공식에 따라 변한다.

q = K/(A-hK)

여기서, A는 광 가이드(1604)로 들어가는 출력이며,

K는 각 요소에서의 발산된 출력 밀도로서 균일 조명을 위한 상수(h와 별개)이다.

광 가이드(1604)의 총 높이가 H라면, H 곱하기 K는 A보다 적어야 하는데, 즉 발산된 총 출력은 광 가이드로 들어가는 총 출력보다 작아야 하며, 이 경우 위의 해결책이 타당하다. 광 가이드로 들어가는 완전한 출력이 조명을 위해 활용된다면, H 곱하기 K는 A와 같다. 어느 한 실시예에서, H 곱하기 K는 A보다 약간 적게 유지되어 단지 소량의 출력만이 낭비될 뿐만 아니라 광분산 밀도 또한 항상 유한하다.

도 17는 어느 한 실시예에 따른 두 개의 광원을 갖는 예시적인 광원(1799)을 도시한 것이다. 두 개의 광원(1708, 1709)을 사용함으로써, 광 가이드(1704) 내의 광 굴절 입자(1702)의 농도에 있어서 높은 편차가 필요하지 않다. 위에서 제시된 미분 방정식은 광원(1708, 1709) 각각으로 인해 발산된 출력 밀도를 구하기 위해 독립적으로 사용된다. 이들 두 가지 출력 밀도들을 추가함으로써 특정 광 가이드 요소에서의 총 광 출력 밀도를 구할 수 있다.

광원(1799)을 위한 균일 조명은 아래의 공식에 따라 광분산 밀도를 변화시킴으로써 달성된다.

q = 1 / sqrt((h-H/2)Λ2 + C/KΛ2)

여기서, sqrt는 제곱근 함수이며,

Λ는 누승법을 나타내며,

C = A (A-HK)이다.

도 18은 어느 한 실시예에 따른 거울이 달린 광 가이드를 가진 예시적인 광원(1899)을 도시한 것이다. 거울이 달린 광 가이드(1804)를 사용함으로써, 광 굴절 입자들(1802)의 농도에 있어서의 높은 편차가 필요하지 않다. 광 가이드(1804)의 최상단(1810)은 거울이 달려 있어서 빛을 광 가이드(1804)로 다시 반사한다.

광원(1899)을 위한 균일 조명은 아래 공식에 따라 광분산 밀도를 변화시킴으로써 달성된다.

q = 1 / sqrt((h-H)Λ2 + D/KΛ2)

여기서, D = 4A (A-HK)이다.

굴절 및 반사 광학 장치로 구성된 방향성 광원이 공지된다. 여기서 설명된 실시예들은 설명의 목적이지 본 특허의 주제 사안을 제한하는 것으로 간주되어서는 안 된다는 것이 이해된다. 본 발명의 범위나 정신을 벗어나지 않는 다양한 수정사항, 용도, 대체, 재조합, 개선사항, 생산 방법들이 당해 기술분야에 정통한 사람에게 자명할 것이다.

Claims (23)

1. 장치에 있어서,
   광원;
   굴절 장치; 및
   반사 장치; 를 포함하는 것을 특징으로 하는
   장치.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 광원은 투명한 것을 특징으로 하는
   장치.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 굴절 장치는 프리즘들을 구비한 투명 시트인 것을 특징으로 하는
   장치.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 굴절 장치는 각뿔들을 구비한 투명 시트인 것을 특징으로 하는
   장치.
   
5. 제1항에 있어서,
   상기 반사 장치는 비평면거울(non-planar mirror)인 것을 특징으로 하는
   장치.
   
6. 제5항에 있어서,
   상기 반사 장치는 골진 거울(corrugated mirror)인 것을 특징으로 하는
   장치.
   
7. 제6항에 있어서,
   골 주름(corrugation)은 V자 모양인 것을 특징으로 하는
   장치.
   
8. 제6항에 있어서,
   골 주름(corrugation)은 톱니 모양인 것을 특징으로 하는
   장치.
   
9. 제5항에 있어서,
   상기 반사 장치는 각뿔 모양을 갖는 거울인 것을 특징으로 하는
   장치.
   
10. 제9항에 있어서,
    각뿔들의 입사광의 방향을 따라 가리키고 있는 꼭지점을 구비하는 것을 특징으로 하는
    장치.
    
11. 제9항에 있어서,
    각뿔들의 입사광의 방향에 반하여 가리키고 있는 꼭지점을 구비하는 것을 특징으로 하는
    장치.
12. 제1항에 있어서,
    상기 반사 장치는 굴절 요소와 거울을 포함하는 것을 특징으로 하는
    장치.
    
13. 제12항에 있어서,
    상기 굴절 요소는 프리즘 모양 시트인 것을 특징으로 하는
    장치.
    
14. 제12항에 있어서,
    상기 굴절 요소는 각뿔 모양을 가진 시트인 것을 특징으로 하는
    장치.
    
15. 제14항에 있어서,
    상기 각뿔들의 꼭지점들이 거울을 향하여 가리키는 것을 특징으로 하는
    장치.
    
16. 제14항에 있어서,
    상기 각뿔들의 꼭지점들이 거울로부터 먼 곳을 가리키는 것을 특징으로 하는
    장치.
    
17. 제1항에 있어서,
    상기 굴절 장치와 상기 반사 장치의 지향축이 평행인 것을 특징으로 하는
    장치.
    
18. 제1항에 있어서,
    상기 굴절 장치와 상기 반사 장치의 지향축이 수직인 것을 특징으로 하는
    장치.
    
19. 제1항에 있어서,
    상기 굴절 장치와 상기 반사 장치의 축들이 서로 45도 각을 이루는 것을 특징으로 하는
    장치.
20. 제1항에 있어서,
    상기 장치는 좁은 뿔로 이동하는 빛을 좁은 뿔로 이동하는 두 번째 빛으로 굴절시키는 광학 장치를 이용하는 광 가이드를 더 포함하는 것을 특징으로 하는
    장치.
    
21. 제20항에 있어서,
    빛을 굴절시키는 상기 광학 장치는 지향성 비구면 입자들(oriented aspherical particles)을 포함하는 것을 특징으로 하는
    장치.
    
22. 제20항에 있어서,
    빛을 굴절시키는 상기 광학 장치는 상이한 굴절 지수를 구비한 다수의 시트를 포함하는 것을 특징으로 하는
    장치.
    
23. 제3항에 있어서,
    프리즘 면들이 시트와 45도 각을 이루고 상기 반사 장치가 수직으로 입사하는 빛을 상기 굴절 장치에 의해 본질적으로 투과되는 방향에 있는 빛으로 변환시키는 것을 특징으로 하는 장치.

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