KR20100135939A - 조명 시스템 및 이를 위한 광 주입 커플러 - Google Patents

조명 시스템 및 이를 위한 광 주입 커플러 Download PDF

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데이비드 제이 런딘
데이비드 지 프레이어
케네스 에이 엡스테인
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쓰리엠 이노베이티브 프로퍼티즈 컴파니
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Abstract

조명 시스템은 광을 안내할 수 있는 하나 이상의 도광체를 갖고, 각각의 도광체는 코어 및 2개의 광학적으로 매끄러운 면을 포함한다. 광학적으로 매끄러운 면들 중 2개에 인접한 공동이 개구 및 개구에 대향하는 반사-투과 표면을 갖는다. 광원을 갖는 커버가 개구에 근접하여 이를 폐색한다. 광원으로부터 방출된 임의의 광의 많은 부분은 공동의 반사-투과 표면에 의해 반사되어 도광체 내로 주입되고, 광원에 의해 방출된 임의의 광의 적은 부분은 공동의 반사-투과 표면을 통해 투과되어 조명 시스템으로부터 방출된다. 광학적 투과성 하우징을 갖고 적어도 하나의 도광체의 단부를 결합시켜서 조명 시스템을 형성하는 데 사용하기에 적합한 광 주입 커플러가 또한 개시된다.

Description

조명 시스템 및 이를 위한 광 주입 커플러{LIGHTING SYSTEM AND LIGHT INJECTION COUPLER THEREFOR}
본 발명은 일반적으로 도광체(light guide) 기반의 조명 시스템에 관한 것이다.
광학적으로 투명한 재료(예컨대, 유리 또는 투명 중합체)가 광을 전파시키는 도광체로서 사용될 수 있다. 도광체는 전형적으로 광원으로부터 광을 수광하도록 구성된 적어도 하나의 표면 및 도광체를 통해 전파되는 광을 반사시키기 위한 광학적으로 매끄러운 표면을 포함한다. 도광체의 통상의 예는 광 섬유 및/또는 로드(rod)와, 평면형 도파로(waveguide)를 포함한다.
도광체는 또한 조명(lighting)(즉, 조광(illumination)) 시스템의 구성요소로서 사용된다. 전형적인 도광체는 내부 반사성이고 상대적으로 높은 굴절률의 코어(core) 및 코어 상에 배치된 보다 낮은 굴절률의 선택적인 클래딩(cladding)을 갖는다. 이들 시스템에서, 광은 도광체의 적어도 일 단부 내로 주입되고(즉, 도광체에 의한 내부 반사를 위한 임계각 이하의 각도로 진입함) 도광체의 길이를 따라 미리설정된 위치 또는 위치들에서 도광체로부터 빠져나가게 된다. 광이 원하는 위치에서 도광체를 빠져나가도록 하기 위한 방법은 추출 기술로서 공지되어 있다. 많은 추출 기술은 광이 광 섬유로부터 제어되지 않은 방식으로 누설되게 한다. 이러한 기술은 섬유에 비교적 급격한 굽힘을 가하고 도광체 코어 또는 클래딩의 일부분을 제거 및/또는 거칠게 하여 광을 탈출하게 하는 확산 표면을 제공하는 것을 포함한다. 광 섬유를 따라 이격된 광 추출 구조물(예컨대, 노치)를 사용하는 추출 기술이 또한 광을 도광체로부터 제어된 방식으로 추출하기 위해 사용된다.
그러나, 비교적 대형의 조명 시스템에서의 도광체의 사용은, 비교적 긴 길이에 걸쳐 허용가능하고 미적으로 만족스러우며 상당히 균일한 광 세기를 유지하는 것의 어려움으로 인해 제한되었다.
일 태양에서, 본 발명은 조명 시스템을 제공하며, 상기 조명 시스템은,
m개의 각각의 길이 방향으로 광을 안내할 수 있는 m개의 도광체 - 상기 m개의 도광체 각각은 코어 및 2개의 광학적으로 매끄러운 면을 각각 포함하며, 상기 광학적으로 매끄러운 면은 m개의 각각의 길이 방향에 실질적으로 수직하게 각각 정렬됨 - ;
n개의 공동 - 상기 n개의 공동 각각은 개구 및 개구에 대향하는 반사-투과 표면을 각각 포함하며, 상기 공동은 광학적으로 매끄러운 면들 중 2개에 인접함 - ; 및
각각 n개의 공동에 인접하게 배치되어 n개의 공동의 개구를 폐색하는 n개의 커버 - 상기 n개의 커버는 n개의 공동의 각각의 반사-투과 표면과 광학적으로 연통하는 n개의 광원을 각각 포함하며, 상기 n개의 광원으로부터 방출된 임의의 광의 많은 부분(major portion)은 n개의 공동의 각각의 반사-투과 표면에 의해 반사되어 m개의 도광체 내로 주입되고, 상기 n개의 광원에 의해 방출된 임의의 광의 적은 부분(minor portion)은 n개의 공동의 각각의 반사-투과 표면을 통해 투과되어 조명 시스템으로부터 방출됨 - 를 포함하며,
m 및 n은 독립적으로 적어도 1인 정수이다.
몇몇 실시예에서, m은 n 이상이다. 몇몇 실시예에서, m 및 n은 1이다. 몇몇 실시예에서, n개의 공동 중 적어도 일부는 m개의 도광체 중 적어도 일부에 일체로 형성된다.
몇몇 실시예에서, n개의 공동 중 p개는 실질적으로 p개의 각각의 인접한 광학적 투과성 하우징 내에 포함되며, p개의 공동의 각각의 반사-투과 표면을 통해 투과되어 조명 시스템으로부터 방출된 임의의 광은 각각의 인접한 광학적 투과성 하우징을 통과하고, p는 n 이하의 양의 정수이다.
몇몇 실시예에서, m개의 도광체 중 적어도 하나는 광 추출 요소를 포함한다. 몇몇 실시예에서, n개의 광원 중 적어도 하나는 발광 다이오드를 포함한다. 몇몇 실시예에서, n개의 광원 중 적어도 하나는 상이한 색상을 각각 갖는 복수의 발광 다이오드를 포함한다. 몇몇 실시예에서, n개의 광원 중 적어도 하나는 램프에 광학적으로 결합된 광 섬유를 포함한다. 몇몇 실시예에서, n개의 공동 중 적어도 하나는 경면 반사성(specularly reflective) 반사-투과 표면을 각각 포함한다. 몇몇 실시예에서, n개의 공동 중 적어도 하나는 확산 반사성(diffusely reflective) 반사-투과 표면을 각각 포함한다. 몇몇 실시예에서, m개의 도광체 중 적어도 하나는 가요성 코어를 각각 포함한다. 몇몇 실시예에서, m개의 도광체 중 적어도 하나는 유기 중합체를 각각 포함한다. 몇몇 실시예에서, m개의 도광체 중 적어도 하나는 그의 코어 상에 클래딩을 각각 추가로 포함하며, 클래딩은 코어보다 낮은 굴절률을 갖는다. 몇몇 실시예에서, n개의 공동 중 적어도 하나(예를 들어, 하나, 대부분 또는 전부)는 그의 각각의 커버 및 각각의 도광체의 광학적으로 매끄러운 면까지 연장하는 각각의 반사-투과 표면을 갖는다.
다른 태양에서, 본 발명은 광 주입 커플러를 제공하며, 상기 광 주입 커플러는,
제1, 제2 및 제3 개구를 갖는 광학적 투과성 하우징;
제1, 제2 및 제3 개구 사이에서 연장하는 도관 - 상기 제1 및 제2 개구 각각은 그들 사이에 공동을 유지하면서 적어도 하나의 도광체의 적어도 2개의 단부 부분과 결합하도록 구성되며, 상기 적어도 2개의 단부 부분은 적어도 제1 및 제2의 각각의 길이 방향으로 광을 안내할 수 있고, 상기 도관은 공동에 인접한 그리고 제3 개구에 대향하는 반사-투과 표면을 가지며, 상기 적어도 2개의 단부는 그의 각각의 길이 방향에 실질적으로 수직하게 정렬된 광학적으로 매끄러운 면을 각각 가짐 - ;
광원을 포함하는 커버 - 상기 커버는 하우징에 부착되며 하우징의 제3 개구에 근접하게 배치되어 이를 폐색하고, 상기 광원은 반사-투과 표면과 광학적으로 연통하며, 상기 광원으로부터 방출된 임의의 광의 많은 부분은 반사-투과 표면에 의해 반사되어 적어도 제1 및 제2 단부 부분 내로 주입되고, 상기 광원에 의해 방출된 임의의 광의 적은 부분은 반사-투과 표면을 통해 그리고 광학적 투과성 하우징을 통해 투과됨 - 를 포함한다.
몇몇 실시예에서, 반사-투과 표면은 경면 반사성이다. 몇몇 실시예에서, 반사-투과 표면은 확산 반사성이다. 몇몇 실시예에서, 반사-투과 표면은 다층 광학 필름을 포함한다. 몇몇 실시예에서, 광원은 적어도 하나의 발광 다이오드를 포함한다. 몇몇 실시예에서, 광원은 상이한 색상을 각각 갖는 복수의 발광 다이오드를 포함한다. 몇몇 실시예에서, 광원은 램프에 광학적으로 결합된 광 섬유를 포함한다. 몇몇 실시예에서, 광학적 투과성 하우징은 힌지에 의해 가요성 있게 연결된 제1 및 제2 부분을 포함하며, 제1 및 제2 부분은 적어도 하나의 기계식 체결구에 의해 서로에 대해 추가로 체결된다. 몇몇 실시예에서, 제1 및 제2 개구 중 적어도 하나는 각각의 칼라(collar)를 포함한다.
유리하게는, 본 발명에 따른 조명 시스템은, 특히 그들의 의도된 응용에서의 전형적인 거리로부터 볼 때, 비교적 긴 길이에 걸쳐 상당히 균일한 광 세기를 제공하도록 제조될 수 있다. 따라서, 이들은 특히 조명 시스템의 미적 매력이 중요한 응용에 특히 유용하다. 그러한 응용의 예는 차량 트림 조명, 건축용 조명 및 상용 간판(commercial signage)을 포함한다.
몇몇 실시예에서, 본 발명에 따른 미적으로 만족스러운 조명 시스템이 본 발명에 따른 하나 이상의 광 주입 커플러와 조합하여 도광체를 사용하여 편리하게 제조될 수 있다.
본 명세서에 사용되는 바와 같이:
반사-투과 표면과 관련하여 "개구에 대향하는"은, 반사-투과 표면이 그 영역을 지나 연장할 수도 있지만, 반사-투과 표면의 적어도 일부분이 개구에 대향하는 것을 의미한다.
"근접하게 배치되어 폐색하는"은 덮거나 내부에 배치되어 광의 투과를 차단하는 것을 의미한다.
"도광체 내로 주입된"은 광이 도광체에 의해 내부 반사되어 안내되도록 소정 각도로 도광체에 진입하는 것을 의미한다.
"도광체"는 그의 본체 내에서의 내부 반사를 통해 광을 안내(즉, 전파)할 수 있는 물체를 말한다.
"광"은 가시광을 의미한다.
도광체에 적용될 때의 "길이 방향"은 선형 또는 평면형일 수 있거나 그렇지 않을 수도 있는(예를 들어, 곡선형 도광체의 경우) 전파의 방향을 말한다.
"많은 부분(major portion)"은 절반보다 많은 것을 의미한다.
"적은 부분(minor portion)"은 절반보다 적은 것을 의미한다.
2개의 물체에 적용될 때의 "광학적 연통"은 광이 광학적 방법(예를 들어, 반사, 회절, 굴절)을 사용하여 직접적으로 또는 간접적으로 한 물체에서 다른 물체로 투과될 수 있다는 것을 의미한다.
"광학적으로 매끄러운"은 산란 메커니즘을 통한 광 손실에 기여하는 표면 특징부가 본질적으로 없는 것을 의미한다.
"광학적 투과성"은 광에 대해 투명하거나 반투명하고 불투명하지 않은 것을 의미한다.
"반사-투과 표면"은 예를 들어 원-웨이 미러(one-way mirror)의 경우에서와 같이, 한 방향으로부터 충돌하는 광에 대해 동시에 반사성이고 투과성인 표면을 의미한다.
"실질적으로 수직하게"는 약 80도 내지 약 90도의 각도를 의미한다.
<도 1>
도 1은 본 발명에 따른 예시적인 조명 시스템의 절결 사시도.
<도 2>
도 2는 본 발명에 따른 예시적인 조명 시스템의 절결 사시도.
<도 3>
도 3은 본 발명에 따른 예시적인 조명 시스템의 절결 사시도.
<도 4>
도 4는 본 발명에 따른 예시적인 광 주입 커플러의 분해 사시도.
<도 5>
도 5는 도 4에 도시된 예시적인 광 주입 커플러에 사용되기에 적합한 광학적 투과성 플라스틱 하우징의 사시도.
본 발명에 따른 조명 시스템은 예컨대 도 1 내지 도 3에 도시된 것들을 포함한다.
이제 도 1을 참조하면, 예시적인 조명 시스템(100)은 길이 방향(190)으로 광을 안내할 수 있는 도광체(105)를 포함한다. 도광체(105)는 선택적인 클래딩(180)을 그 상에 갖는 가요성 코어(175)를 포함한다. 도광체(105)는 도광체(105) 내에 각각 일체로 형성된 2개의 공동(120a, 120b)을 포함한다. 각각의 공동(120a, 120b)은 각각 2개의 광학적으로 매끄러운 면(125a1, 125a2 및 125b1, 125b2)과 개구(135a, 135b)에 대향하는 반사-투과 표면(110a, 110b)에 인접한다. 광학적으로 매끄러운 면(125a1, 125a2 및 125b1, 125b2)은 길이 방향(190)에 실질적으로 수직하게 정렬된다. 도광체(105)는 그의 길이를 따라 분포된 선택적인 광 추출 요소(노치로 도시됨)(185a, 185b, 185c)를 갖는다. 커버(130a, 130b)가 각각 개구(135a, 135b)를 폐색한다. 커버(130a, 130b)는 와이어(160a, 160b)를 통해 통전되는 각각의 광원(155a, 155b)(발광 다이오드("LED")로 도시됨)을 포함한다. 광원(155a, 155b)은 각각의 반사-투과 표면(110a, 110b)과 광학적으로 연통한다.
조명 시스템의 다른 예시적인 실시예가 도 2에 도시되어 있다. 이제 도 2를 참조하면, 예시적인 조명 시스템(200)은 각각의 길이 방향(290a, 290b, 290c)으로 광을 안내할 수 있는 도광체(205a, 205b, 205c)를 포함한다. 도광체(205a, 205b, 205c)는 각각의 선택적 클래딩(280a, 280b, 280c)을 그 상에 갖는 가요성 코어(275a, 275b, 275c)를 각각 포함한다. 조명 시스템(200)은 각각의 광학적 투과성 하우징(250a, 250b)에 인접하게 위치된 2개의 공동(220a, 220b)을 포함한다. 각각의 공동(220a, 220b)은 각각 2개의 광학적으로 매끄러운 면(225a2, 225b1 및 225b2, 225c1)과 개구(235a, 235b)에 대향하는 반사-투과 표면(210a, 210b)에 인접한다. 광학적으로 매끄러운 면(225a2, 225b1 및 225b2, 225c1)은 각각의 길이 방향(290a, 290b, 290c)에 실질적으로 수직하게 정렬된다. 도광체(205)는 그의 길이를 따라 분포된 선택적인 광 추출 요소(285a, 285b, 285c)를 갖는다. 커버(230a, 230b)가 각각 개구(235a, 235b)를 폐색한다. 커버(230a, 230b)는 램프(265)에 광학적으로 연결된 각각의 광원(255a, 255b)(광 섬유로 도시됨)을 포함한다. 광원(255a, 255b)은 각각의 반사-투과 표면(210a, 210b)과 광학적으로 연통한다.
m 및 n이 1인 예시적인 조명 시스템의 또 다른 실시예가 도 3에 도시되어 있다. 이제 도 3을 참조하면, 예시적인 조명 시스템(300)은 길이 방향(390)으로 광을 안내할 수 있는 도광체(305)를 포함한다. 도광체(305)는 선택적인 클래딩(380)(도시 안됨)을 그 상에 갖는 코어(375)를 포함한다. 조명 시스템(300)은 광학적 투과성 하우징(350)에 인접하게 위치된 공동(320)을 포함한다. 공동(320)은 2개의 광학적으로 매끄러운 면(325a1, 325a2)과 개구(335)에 대향하는 반사-투과 표면(310)에 인접한다. 광학적으로 매끄러운 면(325a1, 325a2)은 길이 방향(390)에 실질적으로 수직하게 정렬된다. 도광체(305)는 그의 길이를 따라 분포된 선택적 광 추출 요소(385)를 갖는다. 커버(330)가 개구(335)에 근접하여 이를 폐색한다. 커버(330)는, 와이어(365)에 의해 통전되고 반사-투과 표면(310)과 광학적으로 연통하는 광원(355)(상이한 색상의 다수의 LED로 도시됨)을 포함한다.
도광체는 일반적으로 코어 및 선택적인 클래딩을 포함한다. 전형적으로, 코어는 광학적으로 매끄러운 표면에 의해 경계지어지고, 선택적으로 도광체로부터의 광을 지향시키는 하나 이상의 광 추출 구조물에 의해 차단된다. 이들은 광의 내부 반사 및 전파에 효과적인 임의의 형상을 가질 수 있다. 적합한 형상 및 구성의 예는, 예를 들어 원형, 정사각형, 타원형, D자형 또는 다변형 프로파일(many-sided profile)을 갖는 로드, 및 평평한 시트 또는 패널을 포함한다. 예를 들어, 도광체는 원통형 도광체(예컨대, 그의 길이를 따른 하나 이상의 지점에서 안내된 광을 방출하도록 설계된 중합체 도광체), 또는 평면형 도광체(예컨대, 시트 또는 리본)을 포함할 수 있다. 도광체 및 이의 제조 방법에 관한 더욱 상세한 사항은, 예를 들어 미국 특허 제6,039,553호(룬딘(Lundin) 등); 제6,367,941호(룬딘 등); 제6,259,855호(룬딘); 제6,367,941호(레아(Lea) 등); 및 재발행 특허 제40,227호(코브, 주니어(Cobb, Jr.))에서 확인할 수 있다. 도광체는 또한 상업적 공급처로부터; 예를 들어 미국 미네소타주 세인트 폴 소재의 쓰리엠 컴퍼니(3M Company)로부터 쓰리엠(3M) 프리시전 라이팅 엘러먼트(Precision Lighting Element, PLE)로서 입수가능하다.
많은 적합한 코어가 도광체/광 섬유 분야에 공지되어 있다. 코어는 전형적으로 연속적이며, (전형적으로 적어도 10 센티미터 및 더 전형적으로는 적어도 1 미터의 거리에 대해) 길이 방향을 따라 광을 효과적으로 전파시키기에 충분히 투명하고 내부 반사성인 재료 또는 재료들의 조합으로 제조될 수 있다. 적합한 재료의 예는 유리, 석영 및 유기 중합체(예를 들어, 열가소성 및/또는 열경화성 중합체)를 포함한다. 코어는 고체, 액체 또는 중공형일 수 있으며, 전형적으로는 고체일 수 있다. 코어는, 많은 응용에서 가요성인 것이 바람직할 수 있지만, 가요성이거나 강성 또는 그 사이의 임의의 것일 수 있다. 예시적인 중합체 코어는, 예를 들어 미국 특허 제5,898,810호(데븐즈(Devens) 등)에 설명되어 있는 것과 같은 아크릴 코어; 및 예를 들어 미국 특허 제6,379,592호(룬딘 등)에 설명되어 있는 것과 같은 우레탄 코어를 포함한다. 코어는 전형적으로 적어도 약 1.45, 더 전형적으로는 적어도 약 1.50 또는 심지어 적어도 약 1.55의 굴절률을 갖는다. 적합한 코어를 형성하기 위한 방법은 공지되어 있으며, 예를 들어 압출, 성형 및 인발을 포함한다. 대안적으로, 코어는 상업적 공급처로부터 입수될 수 있다.
마찬가지로, 매우 다양한 적합한 코어가 도광체/광 섬유 분야에 공지되어 있다. 선택적인 클래딩에 유용한 재료의 예는 열 수축성 재료, 탄성중합체(예를 들어, 열가소성 폴리올레핀, 폴리아미드, 폴리우레탄 및 이들의 조합), 및 플루오로중합체(예를 들어, 테트라플루오로에틸렌, 클로로트라이플루오로에틸렌, 헥사플루오로프로펜, 비닐리덴 플루오라이드, 퍼플루오로알킬비닐 에테르, 트라이플루오로에틸렌 및 이들의 조합의 중합 생성물)를 포함한다. 예시적인 유용한 플루오로중합체는 테트라플루오로에틸렌, 헥사플루오로프로펜 및 비닐리덴 플루오라이드의 중합 생성물을 포함한다.
광학적으로 매끄러운 면은, 예를 들어 프레넬 윈도우(Fresnel window) 또는 연마된 표면을 포함하는 임의의 적합한 표면일 수 있다. 광학적으로 매끄러운 면은 선택적으로 코팅(예를 들어, 반사방지 코팅)을 그 상에 가질 수 있다.
선택적인 클래딩은 단일 중합체 층으로 제조될 수 있거나, 복수의 동심 층을 포함할 수 있다. 하나의 예시적인 다층 클래딩은 (a) 플루오로중합체(예를 들어, 테트라플루오로에틸렌, 헥사플루오로프로펜 및 비닐리덴 플루오라이드의 중합 생성물)를 포함하는 제1 층, (b) 제1 층을 둘러싸며 열가소성 중합체(예를 들어, 폴리우레탄)를 포함하는 제2 층, 및 (c) 제2 층을 둘러싸며 열가소성 중합체(예를 들어, 폴리올레핀)를 포함하는 제3 층을 포함한다. 일반적으로, 선택적인 클래딩은, 존재할 경우, 선택적인 클래딩이 그 상에 배치되는 코어보다 낮은 굴절률을 갖는다. 전형적으로, 선택적인 클래딩의 굴절률은 코어의 굴절률보다 적어도 약 0.05 또는 심지어 적어도 약 0.10 낮다. 클래드(clad) 및 언클래드(unclad) 코어 둘다가 본 발명에 사용하기에 적합하다. 선택적인 클래딩에 관한 더욱 상세한 사항은 미국 특허 제5,898,810호(데븐즈 등)에서 확인할 수 있다.
도광체에 통합될 경우, 공동은 섬유 제조 시에 형성되거나(예를 들어, 성형에 의함), 이후에 제조될 수도 있다(예를 들어, 레이저 또는 기계적 가공에 의함). 2개의 도광체가 공동을 형성하기 위해 사용되는 이들 실시예에서, 공동은 전형적으로 커플링 장치(예를 들어, 본 발명에 따른 광 주입 커플러)에 의해 용이하게 형성된다. 공동의 크기 및 형상은, 일반적으로 광학적으로 매끄러운 면을 통한 그리고 도광체의 임계각보다 작은 각도에서 도광체(들) 내로 주입되는 반사된 및/또는 직접적인 광 조명의 주입을 최대화하도록 선택되어야 하지만, 결정적인 것은 아니다.
반사-투과 표면은 일반적으로 투과성이기보다 반사성이다. 조명 시스템의 특정 설계에 따라, 반사 대 투과의 비는 의도된 조망 거리에서 관찰자에게 외관의 전체적 차이를 최소화하도록 조절될 수 있다. 반사-투과 표면을 제공하기 위하여, 예를 들어 기상 코팅된(vapor-coated) 금속(예를 들어, 은, 금, 알루미늄), 전기도금된(electroplated) 금속, 금속 염(예를 들어, 황산바륨) 또는 금속 산화물(예를 들어, 산화알루미늄, 이산화티타늄) 필름, 다층 광학 필름(예를 들어, 미국 미네소타주 세인트 폴 소재의 쓰리엠 컴퍼니로부터 "비퀴티 인핸스드 스페큘러 리플렉터 필름(Vikuiti Enhanced Specular Reflector Film)" 또는 "비퀴티 듀러블 인핸스드 스페큘러 리플렉터 필름 - 메탈(Vikuiti Durable Enhanced Specular Reflector Film - Metal)"이라는 상표명으로 입수가능한 것), 및 이들의 조합을 포함하는 다양한 재료가 사용될 수 있다.
다층 광학 필름(예를 들어, 중합체 다층 광학 필름)이 전형적으로, 일부 광이 인접한 미세층들 사이의 계면에서 반사되도록 상이한 굴절률 특성을 갖는 개별 미세층들을 포함한다. 미세층들은 충분하게 얇아서, 복수의 계면에서 반사된 광은 다층 광학 필름에 원하는 반사 또는 투과 특성을 제공하기 위해 보강 또는 상쇄 간섭(constructive or destructive interference)을 겪는다. 자외선, 가시광선 또는 근적외선 파장에서 광을 반사하도록 설계된 다층 광학 필름의 경우, 각각의 미세층은 일반적으로 약 1 마이크로미터 미만의 광학 두께(즉, 물리적 두께에 굴절률을 곱함)를 갖는다. 그러나, 다층 광학 필름의 외부 표면에서의 스킨층, 또는 미세층들의 간섭성 그룹(coherent grouping)들을 분리하는 다층 광학 필름들 사이에 배치된 보호 경계층(PBL)과 같은 보다 두꺼운 층이 또한 포함될 수 있다. 이러한 다층 광학 필름 본체는 또한 다층 광학 필름의 2개 이상의 시트를 라미네이트로 접합하도록 하나 이상의 두꺼운 접착제 층을 포함할 수 있다.
간단한 실시예에서, 미세층들은 1/4-파 스택(1/4-wave stack)에 대응하는 두께 및 굴절률 값을 가질 수 있는데, 즉 동일한 광학 두께(f-비(f-ratio) = 50%)의 2개의 인접한 미세층을 각각 갖는 광학 반복 단위 또는 단위 셀(unit cell)로 배열될 수 있고, 이러한 광학 반복 단위는, 그의 파장(λ)이 광학 반복 단위의 전체 광학 두께의 2배인 보강 간섭 광으로 반사하는 데 효과적이다. 필름의 두께 축(예를 들어, z-축)을 따른 두께 구배(gradient)가 확장된 반사 대역(reflection band)를 제공하기 위하여 사용될 수 있다. 미국 특허 제6,157,490호(위슬리(Wheatley) 등)에 논의되어 있는 바와 같이, (고 반사와 고 투과 사이의 파장 전이부에서) 이러한 대역 에지를 예리하게 하도록 맞춰진 두께 구배가 또한 사용될 수 있다. 중합체 다층 광학 필름의 경우, 반사 대역은 반사 특성이 응용의 파장 범위에 걸쳐 본질적으로 일정한 '평탄 상부(flat top)' 반사 대역뿐만 아니라 예리한 대역 에지를 갖도록 설계될 수 있다. 그의 f-비가 50%와 상이한 2-미세층 광학 반복 단위를 갖는 다층 광학 필름 또는 그의 광학 반복 단위가 2개 초과의 미세층을 포함하는 필름과 같은 다른 층 구성이 또한 고려된다. 설계된 이들 대안적인 광학 반복 단위는, 예를 들어 미국 특허 제5,360,659호(아렌즈(Arends) 등) 및 제5,103,337호(쉬렝크(Schrenk) 등)에 설명된 것과 같이, 소정의 높은 차수(higher-order)의 반사를 감소 또는 여기시키도록 구성될 수 있다.
다층 광학 필름은 적어도 하나의 대역폭에 걸쳐 하나 또는 양 편광의 광을 반사하도록 설계될 수 있다. 다양한 필름 축을 따른 이들 층 두께 및 굴절률의 신중한 조작을 통해, 다층 광학 필름은 하나의 편광 축에 대해 고 반사성 미러로서 그리고 직교 편광 축에 대해 더 약하고 덜 반사성인 미러(더 투과성)로서 거동하도록 제조될 수 있다. 따라서, 예를 들어, 다층 광학 필름은 스펙트럼의 가시 영역에서 광의 하나의 편광을 강하게 반사하는 반면에 직교 편광 축에 대해서는 약하게 반사(실질적으로 투명)하도록 조정될 수 있다. 중합체 미세층에 대한 복굴절의 적절한 선택 및 미세층 두께의 적절한 선택에 의해, 다층 광학 필름은 그의 2개의 직교 평면내 축 중 어느 하나를 따른 편광에 대하여 반사-투과 크기의 임의의 변동을 갖도록 설계될 수 있다.
대안적으로 또는 부가적으로, 반사 대 투과의 비는 다층 광학 필름의 일 면 또는 양 면 상에 확산 코팅을 포함시킴으로써 변동될 수 있다.
중합체 다층 광학 필름의 제조에 사용될 수 있는 예시적인 재료는 국제 출원 공개 WO 99/36248호(네빈(Neavin) 등)에서 확인할 수 있다. 적당한 굴절률 차이 및 적당한 층간 접착성 둘다를 제공하는 예시적인 2-중합체 조합은 (1) 주로 단축 연신에 의한 공정을 사용하여 제조되는 편광 다층 광학 필름의 경우, PEN/coPEN, PET/coPET, PEN/sPS, PET/sPS, PEN/이스타(Eastar), 및 PET/이스타를 포함하며, 여기서 "PEN"은 폴리에틸렌 나프탈레이트를 말하고, "coPEN"은 나프탈렌다이카르복실산에 기반한 공중합체 또는 블렌드를 말하며, "PET"는 폴리에틸렌 테레프탈레이트를 말하고, "coPET"는 테레프탈산에 기반한 공중합체 또는 블렌드를 말하며, "sPS"는 신디오탁틱(syndiotactic) 폴리스티렌 및 그의 유도체를 말하고, 이스타는 미국 테네시주 킹스포트 소재의 이스트만 케미칼 컴퍼니(Eastman Chemical Co.)로부터 구매가능한 폴리에스테르 또는 코폴리에스테르(사이클로헥산다이메틸렌 다이올 단위 및 테레프탈레이트 단위를 포함하는 것으로 여겨짐)이며; (2) 이축 연신 공정의 공정 조건을 조작함으로써 제조되는 편광 다층 광학 필름의 경우, PEN/coPEN, PEN/PET, PEN/PBT, PEN/PETG, 및 PEN/PETcoPBT를 포함하고, 여기서 "PBT"는 폴리부틸렌 테레프탈레이트를 말하며, "PETG"는 2차 글리콜(대개 사이클로헥산다이메탄올)을 이용한 PET의 공중합체를 말하고, "PETcoPBT"는 테레프탈산 또는 그의 에스테르와 에틸렌 글리콜 및 1,4-부탄다이올의 혼합물의 코폴리에스테르를 말하며; (3) 미러 필름(착색된 미러 필름을 포함함)의 경우, PEN/PMMA, coPEN/PMMA, PET/PMMA, PEN/엑델(Ecdel), PET/엑델, PEN/sPS, PET/sPS, PEN/coPET, PEN/PETG, 및 PEN/THV을 포함하고, 여기서 "PMMA"는 폴리메틸 메타크릴레이트를 말하며, 엑델은 이스트만 케미칼 컴퍼니로부터 구매가능한 열가소성 폴리에스테르 또는 코폴리에스테르(사이클로헥산다이카르복실레이트 단위, 폴리테트라메틸렌 에테르 글리콜 단위, 및 사이클로헥산다이메탄올 단위를 포함하는 것으로 여겨짐)을 말하고, THV는 미국 미네소타주 세인트 폴 소재의 쓰리엠 컴퍼니로부터 구매가능한 플루오로중합체이다.
적합한 다층 광학 필름 및 관련 설계와 구성의 추가의 상세한 사항은, 예를 들어 미국 특허 제5,882,774호(존자(Jonza) 등), 제6,297,906 B1호(알렌(Allen) 등); 제6,531,230호(웨버(Weber) 등); 제6,888,675 B2호(오우더커크(Ouderkirk) 등); 및 미국 특허 출원 공개 제2002/0031676 A1호(존자 등)와 제2008/0037127 Al호(웨버)에서 확인할 수 있다.
반사-투과 표면은 경면 또는 확산 반사 특성을 가질 수 있거나, 그 사이의 어떤 반사 특성을 가질 수 있다. 반사-투과 표면은 개구에 대향하여 배치되지만, 반사-투과 표면 또는 다른 반사 표면은 광학적으로 매끄러운 면 및 광원 이외의 공동의 표면의 나머지 표면 상에 존재할 수 있다. 예를 들어, 커버는 부분적으로 반사성일 수 있다. 전형적으로, 도광체(들) 내로 주입되는 반사된 광의 양을 증가시키기 위하여 이러한 표면의 반사성의 크기 및 면적을 최대화하는 것이 바람직하다. 일 실시예에서, 반사-투과 표면은 광학적으로 매끄러운 면 및 커버 이외의 공동의 표면의 실질적으로 전부에 존재한다.
임의의 또는 모든 커버는, 예를 들어 투명하거나, 반투명하거나, 반사성이거나, 불투명하거나, 이들의 조합일 수 있다. 전형적으로, 커버 및 그에 따른 대응하는 공동의 개구는 이들이 의도된 사용 중에 관찰자의 시야로부터 벗어나도록 배향된다. 예를 들어, 많은 응용에 대하여 바람직하지 않거나 불필요하거나 심지어 미적으로 좋지 않게 될 수도 있지만, 임의의 또는 모든 커버(들)는 조명 시스템의 동일 측면에 위치될 수 있다. 커버는, 예를 들어 금속, 플라스틱, 섬유판, 탄성중합체 또는 회로 기판과 같은 임의의 적합한 재료로 제조될 수 있다.
선택적인 광 추출 구조물은, 전형적으로 원하는 세기 수준으로 도광체로부터 그의 길이를 따라 원하는 지점에서 광을 추출하는 데 유용하다. 예를 들어, 노치 및 돌기를 포함하는 많은 유형의 광 추출 구조물이 공지되어 있다. 광 추출 구조물의 예 및 그의 제조에 대한 상세한 사항은, 예를 들어 미국 특허 제5,432,876호(아펠도른(Appeldorn) 등) 및 제6,863,428 B2호(룬딘 등); 제6,033,604호(룬딘 등); 제6,039,553호(룬딘 등); 제6,077,462호(룬딘 등); 제6,259,855호(룬딘); 제6,367,941호(레아 등); 제6,379,592호(룬딘 등); 제6,623,667호(룬딘); 제6,863,428호(룬딘); 및 제7,052,168호(엡스테인(Epstein) 등)에서 확인할 수 있다.
선택적으로, 확산 반사성 층이 또한 본 발명의 실시에 사용되는 도광체의 코어 및/또는 선택적인 클래딩 상에 배치될 수 있다. 이들은 네온 또는 형광 조명 외관을 달성하기를 원하는 경우 특히 유용할 수 있다. 예시적인 확산 반사성 층은, 예를 들어 미국 특허 제6,863,428 B2호(룬딘 등)에 설명되어 있다.
임의의 적합한 광원이 사용될 수 있지만; 소형 크기가 요구될 경우, 발광 다이오드(즉, LED) 및/또는 광 섬유가 특히 유용하다. 광원은 동일하거나 상이할 수 있는 다수의 별개의 광원을 포함할 수 있는데; 예를 들어, 개별 색상(예컨대, 적색-청색-녹색)에 대응할 수 있다. 광 섬유의 경우, 복수의 광 섬유가 충분한 출력의 원격 위치된 램프에 결합될 수 있고, 이러한 방식으로 램프와 관련된 장비 및 노이즈가 조명 시스템을 보는 관찰자의 시야로부터 감춰질 수 있다.
본 발명에 따른 조명 시스템은, 예를 들어 건축 응용(예를 들어, 간접 조명(recessed lighting), 또는 형광 또는 네온 조명의 대용); 간판 응용(예를 들어, 네온형 사인); 및 운송수단용 조명(예를 들어, 트레일러 트림 조명, 통로 조명, 해양 조명, 자동차 조명 및 항공기 조명)을 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 조명 시스템은, 리어 윈도우의 에지를 따르거나 트렁크 리드의 곡선을 따르는 스포일러(spoiler), 측면 지시등(side marker), 비상등 및 중앙 상부 장착식 정지 램프와 같은 자동차 응용에 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 조명 시스템은 본 발명에 따른 도광체 및 광 주입 커플러(들)를 사용하여 제조될 수 있다. 이제 도 4를 참조하면, 예시적인 광 주입 커플러(400)는 제1, 제2 및 제3 개구(421, 422, 423) 및 이들 사이에서 연장하는 도관(430)을 갖는 광학적 투과성 하우징(480)을 포함한다. 제1 및 제2 개구(421, 422) 각각은 선택적인 각각의 칼라(451, 452(도시 안됨))를 갖고, 그들 사이에 공동(420)을 유지하면서 도광체(405a, 405b)의 적어도 2개의 단부 부분(432, 434)과 결합하도록 구성된다. 단부 부분(432, 434)은 길이 방향(490a, 490b)에 대응하여 광을 안내할 수 있다. 도관(460)은 공동(420)에 인접한 그리고 제3 개구(423)에 대향하는, 선택적인 다층 광학 필름(412)에 의해 제공되는 반사-투과 표면(410)을 갖는다. 도시된 바와 같이, 선택적인 다층 광학 필름(412)은 도관(460)에 맞닿아 끼워지도록 도관(460) 및 개구(421, 422, 423)의 치수에 정합하도록 된 크기 및 형상을 갖는다. 전형적으로, 선택적인 다층 광학 필름(412)은 존재하는 임의의 선택적인 칼라(451, 452)를 지나 연장하지 않는다.
단부 부분(432, 434)은 그의 각각의 길이 방향에 실질적으로 수직하게 정렬된 각각의 광학적으로 매끄러운 면(425a, 425b)을 갖는다. 커버(430)는 광원(455)(본 명세서에서는 LED로 도시됨)을 포함한다. 커버(430)는 나사(485)에 의해 광학적 투과성 하우징(480)에 부착되며, 광학적 투과성 하우징(480)의 제3 개구(423)에 근접하여 이를 폐색한다. 와이어(465)에 전기적으로 연결된 LED 광원(455)은, 광원(455)으로부터 방출된 임의의 광의 많은 부분이 공동에 인접한 다른 표면으로부터의 임의의 후속하는 재-반사를 포함하여 반사-투과 표면에 의해 반사되어 제1 및 제2 단부 부분(432, 434) 내로 주입되도록 그리고 광원(455)에 의해 방출된 임의의 광의 적은 부분이 반사-투과 표면(410)을 통해 그리고 광학적 투과성 하우징(480)을 통해 투과되도록, 반사-투과 표면(410)과 광학적으로 연통한다.
광학적 투과성 하우징은 임의의 적합한 광학적 투과성 재료, 예를 들어 유리; 석영; 플라스틱, 예컨대 폴리에스테르, 폴리아미드, 폴리올레핀, 스티렌 중합체(예를 들어, 폴리스티렌, ABS 플라스틱), 및 이들의 조합으로 제조될 수 있다. 도 5에 도시된 예시적인 일 실시예에서, 광학적 투과성 하우징(580)은 힌지(520)에 의해 가요성 있게 연결된 제1 및 제2 부분(510, 512)을 포함한다. 조립될 때, 제1 및 제2 부분(510, 512)은 스냅 클립(530)으로 도시된 기계식 체결구에 의해 서로에 대해 체결된다. 다른 적합한 기계식 체결구는 리벳, 나사, 클램프, 클립 및 이들의 조합을 포함한다.
본 명세서에서 상기 인용된 모든 특허 및 공보의 개시 내용은 전체적으로 본 명세서에 참고로 포함된다.
본 발명의 다양한 변형 및 변경은 본 발명의 범주 및 사상으로부터 벗어남이 없이 당업자에 의해 이루어질 수 있으며, 본 발명이 본 명세서에 기재된 예시적인 실시예로 부당하게 제한되지 않는다는 것을 이해하여야 한다.

Claims (24)

  1. 조명 시스템으로서,
    m개의 각각의 길이 방향으로 광을 안내할 수 있는 m개의 도광체(light guide) - 상기 m개의 도광체 각각은 코어(core) 및 2개의 광학적으로 매끄러운 면을 각각 포함하며, 상기 광학적으로 매끄러운 면은 m개의 각각의 길이 방향에 실질적으로 수직하게 각각 정렬됨 - ;
    n개의 공동 - 상기 n개의 공동 각각은 개구 및 개구에 대향하는 반사-투과 표면을 각각 포함하며, 상기 공동은 광학적으로 매끄러운 면들 중 2개에 인접함 - ; 및
    각각 n개의 공동에 인접하게 배치되어 n개의 공동의 개구를 폐색하는 n개의 커버 - 상기 n개의 커버는 n개의 공동의 각각의 반사-투과 표면과 광학적으로 연통하는 n개의 광원을 각각 포함하며, 상기 n개의 광원으로부터 방출된 임의의 광의 많은 부분(major portion)은 n개의 공동의 각각의 반사-투과 표면에 의해 반사되어 m개의 도광체 내로 주입되고, 상기 n개의 광원에 의해 방출된 임의의 광의 적은 부분(minor portion)은 n개의 공동의 각각의 반사-투과 표면을 통해 투과되어 조명 시스템으로부터 방출됨 - 를 포함하며,
    m 및 n은 독립적으로 적어도 1인 정수인 조명 시스템
  2. 제1항에 있어서, m은 n 이상인 조명 시스템.
  3. 제1항에 있어서, m 및 n은 1인 조명 시스템.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, n개의 공동 중 적어도 일부는 m개의 도광체 중 적어도 일부에 일체로 형성되는 조명 시스템.
  5. 제1항에 있어서, n개의 공동 중 p개는 실질적으로 p개의 각각의 인접한 광학적 투과성 하우징 내에 포함되며, p개의 공동의 각각의 반사-투과 표면을 통해 투과되어 조명 시스템으로부터 방출된 임의의 광은 각각의 인접한 광학적 투과성 하우징을 통과하고, p는 n 이하의 양의 정수인 조명 시스템.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, m개의 도광체 중 적어도 하나는 광 추출 요소를 포함하는 조명 시스템.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, n개의 광원 중 적어도 하나는 발광 다이오드를 포함하는 조명 시스템.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, n개의 광원 중 적어도 하나는 상이한 색상을 각각 갖는 복수의 발광 다이오드를 포함하는 조명 시스템.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, n개의 광원 중 적어도 하나는 램프에 광학적으로 결합된 광 섬유를 포함하는 조명 시스템.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, n개의 공동 중 적어도 하나는 경면 반사성 반사-투과 표면을 각각 포함하는 조명 시스템.
  11. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, n개의 공동 중 적어도 하나는 확산 반사성 반사-투과 표면을 각각 포함하는 조명 시스템.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, m개의 도광체 중 적어도 하나는 가요성 코어를 각각 포함하는 조명 시스템.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, m개의 도광체 중 적어도 하나는 유기 중합체를 각각 포함하는 조명 시스템.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, m개의 도광체 중 적어도 하나는 그의 코어 상에 클래딩(cladding)을 각각 추가로 포함하며, 클래딩은 코어보다 낮은 굴절률을 갖는 조명 시스템.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, n개의 공동 중 적어도 하나는 그의 각각의 커버 및 각각의 도광체의 광학적으로 매끄러운 면까지 연장하는 각각의 반사성 반사-투과 표면을 갖는 조명 시스템.
  16. 광 주입 커플러로서,
    제1, 제2 및 제3 개구를 갖는 광학적 투과성 하우징;
    제1, 제2 및 제3 개구 사이에서 연장하는 도관 - 상기 제1 및 제2 개구 각각은 그들 사이에 공동을 유지하면서 적어도 하나의 도광체의 적어도 2개의 단부 부분과 결합하도록 구성되며, 상기 적어도 2개의 단부 부분은 적어도 제1 및 제2의 각각의 길이 방향으로 광을 안내할 수 있고, 상기 도관은 공동에 인접한 그리고 제3 개구에 대향하는 반사-투과 표면을 가지며, 상기 적어도 2개의 단부는 그의 각각의 길이 방향에 실질적으로 수직하게 정렬된 광학적으로 매끄러운 면을 각각 가짐 - ;
    광원을 포함하는 커버 - 상기 커버는 하우징에 부착되며 하우징의 제3 개구에 근접하게 배치되어 이를 폐색하고, 상기 광원은 반사-투과 표면과 광학적으로 연통하며, 상기 광원으로부터 방출된 임의의 광의 많은 부분은 반사-투과 표면에 의해 반사되어 적어도 제1 및 제2 단부 부분 내로 주입되고, 상기 광원에 의해 방출된 임의의 광의 적은 부분은 반사-투과 표면을 통해 그리고 광학적 투과성 하우징을 통해 투과됨 - 를 포함하는 광 주입 커플러.
  17. 제16항에 있어서, 반사-투과 표면은 경면 반사성인 광 주입 커플러.
  18. 제16항에 있어서, 반사-투과 표면은 확산 반사성인 광 주입 커플러.
  19. 제16항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 반사-투과 표면은 다층 광학 필름을 포함하는 광 주입 커플러.
  20. 제16항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서, 광원은 적어도 하나의 발광 다이오드를 포함하는 광 주입 커플러.
  21. 제16항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서, 광원은 상이한 색상을 각각 갖는 복수의 발광 다이오드를 포함하는 광 주입 커플러.
  22. 제16항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서, 광원은 램프에 광학적으로 결합된 광 섬유를 포함하는 광 주입 커플러.
  23. 제16항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서, 광학적 투과성 하우징은 힌지에 의해 가요성 있게 연결된 제1 및 제2 부분을 포함하며, 제1 및 제2 부분은 적어도 하나의 기계식 체결구에 의해 서로에 대해 추가로 체결되는 광 주입 커플러.
  24. 제16항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 및 제2 개구 중 적어도 하나는 각각의 칼라(collar)를 포함하는 광 주입 커플러.
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