KR20110081844A - 제1 및 제2 발광 장치로부터의 광을 혼합하도록 구성된 조명 장치 - Google Patents

제1 및 제2 발광 장치로부터의 광을 혼합하도록 구성된 조명 장치 Download PDF

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KR20110081844A
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마틴 제이. 제이. 자크
라몬 피. 반 고르콤
길버트 엠. 버비크
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코닌클리즈케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이.
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Abstract

조명 장치(100)로서, 입사단(108)으로부터 출사단(110)으로 광을 가이드하도록 구성된 광 가이드(104); 상기 광 가이드 내에 배치되며, 거기에 입사하는 주어진 파장의 광이 부분적으로 투과되고 부분적으로 반사되도록 구성된 부분적으로 투명한 파티션(106) - 상기 부분적으로 투명한 파티션(106)은 상기 광 가이드의 적어도 일부분을 따라 연장되며, 상기 광 가이드의 그 부분을 분리된 제1 영역(104a) 및 제2 영역(104b)으로 분할함 -; 적어도 상기 제1 영역(104a)에 광을 인커플링하도록 배치된 제1 발광 장치(102); 및 적어도 상기 제2 영역(104b)에 광을 인커플링하도록 배치된 제2 발광 장치(103)를 포함하는 조명 장치가 개시된다. 이점은, 예를 들어 레트로피트 유닛을 위한 것과 같이, 조명 장치의 길이가 제한되는 응용들에서 또한 균일한 조명이 달성될 수 있다는 것이다.

Description

제1 및 제2 발광 장치로부터의 광을 혼합하도록 구성된 조명 장치{ILLUMINATION DEVICE CONFIGURED TO MIX LIGHT FROM A FIRST AND A SECOND LIGHT EMITTING DEVICE}
본 발명은 균일한 조명을 가능하게 하기 위해 광 가이드를 포함하는 조명 장치에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 제1 및 제2 발광 장치로부터의 광을 혼합하기 위해 광 가이드가 이용되는 조명 장치에 관한 것이다.
현재, 발광 다이오드(LED)와 같은 소형 점 광원들이 조명 장치에서 널리 이용되고 있다. 일부 응용들에서, 복수의 LED로부터의 광이 적절하게 혼합되는 것이 요구될 수 있다. 일례는 컬러 가변 조명(color variable lighting)을 위한 조명 장치일 것이다. 그러한 장치는 전형적으로 복수의 상이한 컬러의 LED에 기초하며, 개별 LED들로부터의 광은 전형적으로 원하는 조명 효과를 달성하기 위해 믹싱 로드(mixing rod) 내에서 혼합된다. 컬러는 상이한 LED들을 통한 전류를 변화시키는 것에 의해 설정될 수 있다.
US 6,728,448은 입구 영역으로부터 출구 영역으로 광을 가이드하는 사각형의 단면을 갖는 광 믹싱 로드를 개시하고 있다. 믹싱 로드는 표면이 균일하게 조명되는 것을 가능하게 한다. 광 믹싱 로드는 입구로부터 출구 영역까지 미리 정해진 거리를 연장하여, 출구 영역에서의 휘도 분포의 비균질화(inhomogenization)를 발생시키는 반사성 코팅된 파티션을 더 포함할 수 있다.
그러나, 광의 적절한 혼합은 전형적으로 믹싱 로드가 큰 두께에 대한 길이 비율(large length over thickness ratio)을 가질 것을 요구한다는 한계를 갖는다. 따라서, 광의 혼합은 광 가이드의 두께를 감소시킴으로써 증가될 수 있다. 그러나, 이는 인커플링 효율(incoupling efficiency)을 감소시킬 것이고, 그에 의해 조명 장치의 전체 효율을 감소시킬 것이다. 대안은 광 가이드의 길이를 증가시키는 것일 것이다. 그러나, (예를 들어, 백열 전구를 LED 기반 전구로 교체하기 위한 레트로피트(retro-fit) 유닛에서와 같은) 많은 응용들에서, 허용되는 길이는 제한된다. 따라서, 더 균일한 조명을 가능하게 하는 콤팩트하고 효율적인 조명 장치가 필요하다.
상기를 고려하여, 본 발명의 목적은 위에서 논의된 문제들을 해결하거나 적어도 줄이는 것이다. 구체적으로, 콤팩트하고 효율적이며, 더 균일한 조명을 가능하게 하는 조명 장치를 제공하는 것이 목적이다.
본 발명의 제1 양태에 따르면, 조명 장치로서, 입사단으로부터 출사단으로 광을 가이드하도록 구성된 광 가이드(light-guide); 광 가이드 내에 배치되며, 거기에 입사하는 주어진 파장의 광이 부분적으로 투과되고 부분적으로 반사되도록 구성된 부분적으로 투명한 파티션 - 부분적으로 투명한 파티션은 광 가이드의 적어도 일부분을 따라 연장되며, 광 가이드의 그 부분을 분리된 제1 영역 및 제2 영역으로 분할함 -; 적어도 제1 영역에 광을 인커플링하도록 배치된 제1 발광 장치; 및 적어도 제2 영역에 광을 인커플링하도록 배치된 제2 발광 장치를 포함하는 조명 장치가 제공된다.
본 발명은 부분적으로 투명한 파티션을 광 가이드 내에 배치함으로써, 광 가이드 내에서 전파되는 광에 대한 평균 반사 횟수가 증가될 수 있는 반면, 광은 여전히 광 가이드의 전체 단면에 걸쳐서 혼합된다는 이해에 기초한다. 따라서, 광 가이드의 주어진 두께에 대한 길이 비율에 대하여, 향상된 광 혼합이 달성될 수 있으며, 또는 다르게 말하자면, 효율을 유지하면서, 광 가이드의 주어진 길이에 대하여 향상된 광 혼합이 달성될 수 있다.
이점은, 예를 들어 레트로피트 유닛을 위한 것과 같이, 조명 장치의 길이가 제한되는 응용들에서도 균일한 조명이 달성될 수 있다는 것이다. 요구되는 유일한 변경은 부분적으로 투명한 파티션이므로, 이러한 개선은 비용 효율적인 방식으로 달성될 수 있다. 또한, 이러한 구성은 에텐듀(etendue)를 보존하여, 조명 장치가 시준된 빔을 생성하기 위해 이용될 수 있게 한다.
부분적으로 투명한 파티션은, 거기에 입사하는 주어진 파장의 광이 부분적으로는 투과되고 부분적으로는 반사되도록 구성되기 때문에, 특정한 컬러의 광(예를 들어, 청색 광)이 부분적으로 투명한 파티션에 의해 투과 및 반사 둘 다 될 수 있음을 이해해야 한다. 이것은, 작은 범위의 컬러의 광을 선택적으로 통과시키는 한편 다른 컬러들을 반사시키기 위해 이용되는 종래의 컬러 필터와 다르다.
WO 2008/017968은 광을 발생시키기 위한 반도체 광원, 및 광을 방사(radiating)하며 원하는 방사 패턴을 달성하기 위해 제공되는, 반사기에 광을 공급하기 위한 주요 광학 시스템을 포함하는 조명 장치를 개시하고 있다. 주요 광학 시스템은 광을 반사기 내로 지향하기 위한 아웃커플링 구조 및 미러형 단부면(mirrored end-face)을 갖는 광 가이드를 포함한다. 미러형 단부면은 광 가이드를 광학적으로 포개어(fold), 그 광 가이드 내부에서 광이 균질화되는 길이를 효과적으로 연장하는 한편, 반사기 내부의 공간을 보다 더 경제적으로 이용한다.
WO 2008/017968에 개시된 조명 장치가 조명의 균일성을 향상시키지만, 본 발명에 따른 조명 장치는 보다 더 콤팩트하고 덜 복잡한 해법을 가능하게 한다. 또한, 본 발명과 달리, WO 2008/017968의 광학적으로 포개진 광 가이드는, 조명 장치가 종래의 광 가이드를 이용하는 조명 장치에 비교하여 반대의 아웃커플링 방향을 갖게 한다.
부분적으로 투명한 파티션은 전체 광 가이드를 따라 연장될 수 있다. 부분적으로 투명한 파티션이 광 가이드의 더 많은 부분을 통하여 연장되므로, 광 가이드 내에서 전파되는 광의 평균 반사 횟수가 증가될 수 있다. 이는, 부분적으로 투명한 파티션이 전체 광 가이드를 따라 연장되므로 광의 혼합이 최대화될 수 있음을 의미한다.
부분적으로 투명한 파티션은 전형적으로 다수의 반사와 전체 단면에 걸친 광의 혼합 간의 양호한 트레이드오프를 제공하도록 구성된다. 예를 들어, 단일의 부분적으로 투명한 파티션이 이용되는 실시예에서, 투과되는 광의 부분은 바람직하게는 반사되는 광의 부분과 본질적으로 동일할 수 있다. 그러나, 광 빔이 광 가이드의 한 측벽으로부터 광 가이드의 다른 측벽으로 이동함에 따라 광 빔이 전형적으로 하나보다 많은 부분적으로 투명한 파티션을 통과할 필요가 있는 방식으로, 둘 이상의 부분적으로 투명한 파티션이 배치되는 실시예들에 대하여, 각각의 파티션은 바람직하게는 투과되는 광의 부분이 반사되는 광의 부분보다 크도록 구성될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 부분적으로 투명한 파티션은 입사 광 빔의 일부분이 투과되고 그 일부분은 반사되도록 구성된 두께를 갖는 금속 코팅을 구비한다. (흡수로 인한 손실이 무시할만하다고 가정하면, 투과되지 않은 임의의 나머지 광은 반사될 것이다.) 금속 코팅은 광의 일부가 투과되고 광의 일부가 반사되기에 충분히 얇은 두께를 갖는, 예를 들어 은 또는 알루미늄일 수 있다. 부분적으로 투명한 파티션에 입사하는 광 빔이 분할되므로, 광 빔의 개수가 증가된다. 이는 조명의 균일성을 더 향상시킨다. 반사-투과 비율은 코팅의 두께를 적응시킴으로써 구성될 수 있다.
대안적인 실시예에 따르면, 부분적으로 투명한 파티션은 적어도 하나의 투과 영역 및 적어도 하나의 반사 영역을 포함하고, 적어도 하나의 투과 영역의 면적과 적어도 하나의 반사 영역의 면적 간의 비율은 부분적으로 투명한 파티션에 입사하는 광의 미리 정해진 부분이 투과되도록 구성된다.
투과 영역은 여기에서 본질적으로 모든 광이 투과되는 영역으로서 이해되어야 하는 반면에, 반사 영역은 여기에서 본질적으로 모든 광이 반사되는 영역으로서 이해되어야 한다. 투과 영역의 총 면적과 반사 영역의 총 면적 간의 비율을 적응시킴으로써, 부분적으로 투명한 파티션에 대한 투과되는 광과 반사되는 광 간의 비율이 조절될 수 있다. 예를 들어, 광의 절반은 투과되고 절반은 반사되는 부분적으로 투명한 파티션을 달성하기 위해, 투과 영역의 총 면적은 반사 영역의 총 면적에 대응해야 한다. 이는 투과와 반사의 비율을 튜닝하기 위해 층 두께를 정밀하게 제어할 필요가 없다는 이점을 갖는다.
부분적으로 투명한 파티션은 광 가이드의 (세로방향의) 중심축을 따라 배치될 수 있다. 이는 특히 양호한 광 혼합을 야기하여 보다 더 균일한 광 출력을 제공하는 것으로 밝혀진 대칭을 유발한다.
입사단(및/또는 출사단)은 부분적으로 투명한 파티션에 부딪치지 않고서 광 가이드를 통과하는 광의 부분을 감소시키기 위해, 광 가이드 내에서의 광의 각도 분포(angular distribution)를 수정하도록 구성될 수 있다. 이는, 예를 들어 하나 이상의 패싯(facet) 또는 프리즘 홈(prismatic groove) 세트를 갖는 프리즘 구조에 의해 달성될 수 있다. (부분적으로 투명한 파티션에 결코 부딪치지 않는) 광 가이드의 길이 방향에 평행한 광 빔을 회피함으로써, 광의 혼합이 더 향상될 수 있다.
광 가이드는 내부 전반사(total internal reflection: TIR)에 의해 광을 가이드하도록 구성될 수 있다. 이는 반사성 측벽들에서의 가능한 흡수 손실을 회피하고, 따라서 효율을 개선한다.
광 가이드는 반사성 측벽들의 세트에 의해 형성된 중공(hollow) 광 가이드일 수 있다. 이는 전형적으로, TIR에 의해 가이드되는 광에 대한 것보다 더 넓은 범위의 전파 각도를 가능하게 하며, 광 가이드의 입사단 및 출사단에서의 프레넬 반사로 인한 임의의 손실을 회피한다.
제1 발광 장치는 제1 컬러의 광을 방출할 수 있고, 제2 발광 장치는 상기 제1 컬러와는 다른 제2 컬러의 광을 방출할 수 있다. 이는, 상이한 발광 장치들을 통한 전류를 변화시킴으로써 간단하게 컬러가 설정될 수 있는 컬러 가변 조명을 가능하게 한다.
광의 혼합을 더 향상시키기 위해, 복수의 부분적으로 투명한 파티션이 광 가이드 내에 배치될 수 있다.
조명 장치가 시준된 빔을 제공하도록, 조명 장치는 광 가이드의 출사단에 배치된 시준기를 더 포함할 수 있다.
광 가이드는 육각형 단면을 가질 수 있다. 이는 특히 양호한 광 혼합을 가능하게 하는 것으로 밝혀졌다.
조명 장치는 조명 기구(luminaire), 즉 물체 또는 주변을 조명하도록 의도된 장치에서 이용될 수 있다.
다른 목적, 특징 및 이점은 이하의 상세한 설명으로부터, 첨부된 종속 청구항들로부터, 그리고 도면들로부터 분명해질 것이다.
본 발명의 상기의 목적, 특징과 이점 및 추가의 목적, 특징과 이점은, 동일한 참조번호들이 유사한 구성요소들을 위해 이용될 첨부 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예들의 이하의 예시적이며 비제한적인 상세한 설명을 통해 더 잘 이해될 것이다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 조명 장치를 개략적으로 도시한다.
도 2a 내지 도 2c는 광 믹싱 로드의 원리를 개략적으로 도시한다.
도 3a 및 도 3b는 부분적으로 투명한 파티션이 광의 혼합을 어떻게 더 향상시키는지를 개략적으로 도시한다.
도 4a 및 도 4b는 부분적으로 투명한 파티션의 두 가지 예를 개략적으로 도시한다.
도 5a 내지 도 5c는 패싯을 구비하는 입사단을 갖는 광 가이드를 개략적으로 도시한다.
도 6은 패싯을 구비하는 출사단을 갖는 광 가이드를 개략적으로 도시한다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명에 따른 조명 장치의 다른 실시예를 개략적으로 도시한다.
도 8은 또 다른 실시예를 개략적으로 도시한다.
도 9a 내지 도 9c는 복수의 부분적으로 투명한 파티션을 구비하는 광 가이드의 세가지 예를 개략적으로 도시한다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 조명 장치(100)를 개략적으로 도시한다. 조명 장치(100)는 광원(101), 광 가이드(104)의 형태로 된 믹싱 로드, 및 광 가이드를 분리된 제1 영역(104a) 및 제2 영역(104b)으로 분할하는 부분적으로 투명한 파티션(106)을 포함한다. 또한, 조명 장치는 여기에서 시준기(112)를 갖는다.
광 가이드(104)는 여기에서 입사단(108)으로부터 출사단(110)으로 연장되는 고체 로드(solid rod)이다. 도시된 광 가이드(104)의 단면은 직사각형이며, 광 가이드 전체에서 일정한 크기를 갖는다. 그러나, 다른 단면 형상들(예를 들어, 원형 또는 육각형)도 이용될 수 있으며, 단면의 크기는 광 가이드를 따라 달라질 수 있다(예를 들어, 광 가이드는 임의의 방향으로 테이퍼될(tapered) 수 있다). 또한, 고체 광 가이드(104)는 광원(101)에 의해 방출되는 광에 대해 투명하며 내부 전반사를 가능하게 하는 굴절률을 갖는 재료로 만들어진다. 적합한 재료의 예들은 PMMA(polymethyl methacrylate) 또는 유리인 반면에, 광 가이드를 둘러싸는 매질은 전형적으로 공기일 수 있다.
광원(101)은 광 가이드(104)의 입사단(108)에서 광을 인커플링하도록 배치된다. 광원(101)은 전형적으로 소형 점 광원들의 세트를 포함하며, 여기에서 이것은 적색 LED(발광 다이오드)(102) 및 청색 LED(103)이다. 2개의 LED 및 그들의 컬러는 예시의 목적으로만 선택된 것이며, 본 발명은 더 많은 수의 LED 및 다른 컬러의 LED들에 동등하게 적용될 수 있음을 이해해야 한다. 본 발명은 또한 동일한 컬러를 갖는 LED들로부터의 광을 혼합하기 위해서도 이용될 수 있다. 또한, 예를 들어, 레이저 또는 OLED(유기 LED)와 같이, 다른 유형의 소형 점 광원들도 이용될 수 있다.
LED들의 전형적인 조합의 예는 "따뜻한 백색(warm white)" 및 "차가운 백색(cool white)"(2개의 LED), 또는 적색-녹색-청색(3개의 LED), 또는 적색, 녹색, 청색, 백색(4개의 LED)이다. 그러나, 광원의 요구되는 전력 레벨 및 LED 패키지마다의 전력에 따라, 더 많은 LED가 이용될 수 있고, 또는 예를 들어 LED들 중 하나(예를 들어, 적색 LED)가 녹색 및 청색 LED보다 덜 효율적인 경우에, 예를 들어 2개의 적색 LED와 하나의 청색 LED 및 하나의 녹색 LED가 존재할 수 있다.
또한, 조명 장치(100)가 시준된 빔을 생성하도록, 광 가이드(104)의 출사단(110)은 시준기(112) 내에 배치된다. 효율적인 조명을 제공하기 위해, 광 가이드(104)의 출사단(110)은 바람직하게는 시준기(112)의 초점에 위치될 수 있다.
광 가이드(104)의 내부에 배치된 부분적으로 투명한 파티션(106)은 여기에서 광 가이드(104)의 중심축(114)을 따라 배치되고, 입사단(108)으로부터 출사단(110)으로 연장된다. 부분적으로 투명한 파티션(106)이 여기에서는 광 가이드(104) 전체에 걸쳐 연장되지만, 이것은 응용에 따라 그리고 원하는 조명 효과에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 광 가이드의 일부분(예를 들어, 절반 또는 3분의 2) 전체에 걸쳐 연장되는 부분적으로 투명한 파티션을 갖거나, 또는 광 가이드보다 더 길며 시준기 내로 연장되는 부분적으로 투명한 파티션을 갖는 것이 가능하다.
여기에서, 부분적으로 투명한 파티션(106)은 예를 들어 은 또는 알루미늄과 같은 금속 코팅이다. 부분적으로 투명한 파티션(106)은, 예를 들어 광 가이드(104)를 중심축(114)을 따른 절개에 의해 두 부분으로 분할하고, 두 부분 중 하나를 금속으로 코팅하고(즉, 절개로부터 기인하는 표면에서), 굴절률 일치 접착제(index matching glue)(즉, 광 가이드의 굴절률에 일치하는 굴절률을 갖는 접착제)로 다른 부분을 금속 코팅에 접착하는 것에 의해 광 가이드(104)를 재조립함으로써 달성될 수 있다. 부분적으로 투명한 파티션(106)을 이루는 금속 코팅은, 광 빔이 부분적으로 투명한 파티션(106)에 부딪침에 따라, 광의 일부는 투과되고 광의 일부는 반사되도록 충분히 얇아야 한다. 금속 코팅의 두께를 조절함으로써, 반사된 광과 투과된 광 간의 비율이 조절될 수 있다. 예를 들어, 유리 단편들 사이에 끼워진 5㎚의 알루미늄 층 상에 법선으로부터 60도 각도로 입사하는 광 빔에 대하여, 거의 동일한 양의 광이 반사되고 투과된다.
또한, 광 가이드는 중공 광 가이드일 수 있다(예를 들어, 미러와 같은 반사성 벽들에 의해 경계가 정해진 공기 공동(air cavity)). 그런 경우, 금속층은 전형적으로 (예를 들어, 유리로 이루어진) 투명 기판에 의해 지지된다. 대칭을 유지하기 위해, 투명 기판은 바람직하게는 양면에서 코팅될 수 있다.
부분적으로 투명한 파티션의 효과는 이하에서 도 3에 관련하여 더 설명될 것이다. 그러나, 본 발명의 더 나은 이해를 제공하기 위해, 우선 도 2a 내지 도 2c를 참조하여 종래의 믹싱 로드의 효과가 간단하게 설명될 것이다.
도 2a는 적색 LED(102) 및 청색 LED(103)가 시준기(112) 내에 배치된 조명 장치를 개략적으로 도시한다. 광 빔(202a-b, 203a-b)에 의해 나타난 바와 같이, 그러한 조명 장치에 대하여, 두 가지 컬러의 각도 분포는 동일하지 않으며, 결과적인 조명은 균일한 컬러를 갖지 않을 것이다.
컬러 균일성을 개선하기 위해, 도 2b에 개략적으로 도시된 바와 같이, 광 가이드(104)의 형태로 된 믹싱 로드가 LED들(102, 103)과 시준기(112) 사이에 배치된다. LED들(102, 103)로부터 나온 광이 내부 전반사(TIR)에 의해 광 가이드(104)를 통해 가이드됨에 따라, 각각의 반사에 의해 LED의 "가상 이미지"가 생성된다. 이는 입사단으로부터 출사단으로 광 가이드(104)를 통하여 가는 도중에 광 빔을 따름으로써 이해될 수 있다. 도 2b를 참조하면, 적색 LED(102)로부터 나온 광 빔(202)은 우선 점 A에서 광 가이드의 표면에서 반사되어, 가상 LED(102a)를 생성한다. 그 다음, 광 빔(202)은 점 B에서 반사되어 가상 LED(102b)로 되고, 점 C에서 반사되어 가상 LED(102c)로 되고, 점 D에서 반사되어 가상 LED(102d)로 된다. 따라서, 다수의 반사 후에, 적색 LED(102)로부터의 광은 다수의 광원으로부터 유래한 것으로 보인다. 당연히, 청색 LED(103)로부터 나온 광에도 동일한 원리들이 적용된다.
따라서, 전형적인 응용에서, 도 2c에 도시된 바와 같이, 광 가이드(104)로부터 아웃커플링된 광은 다수의 광원으로부터 유래한 것으로서 지각되며, 적색 광은 적색 LED(102) 및 적색 가상 LED들(102a-i)의 세트로부터 유래한 것으로서 지각되고, 청색 광은 청색 LED(103) 및 청색 가상 LED들(103a-g)의 세트로부터 유래한 것으로서 지각된다. 광 가이드(104)로부터 아웃커플링되는 광이 다수의 광원으로부터 유래하는 것으로서 지각되므로, 컬러 균일성이 개선된다.
이하에서는, 도 3a 및 도 3b를 참조하여, (본 발명에 의해 제안되는) 부분적으로 투명한 파티션이 광의 혼합을 어떻게 더 개선하는지가 설명될 것이다.
도 3a에서, 적색 LED(102)로부터 나온 광 빔(302)은 점 A에서 광 가이드의 표면에서 반사된다. 그 다음, 광 빔(302)은 점 B에서 부분적으로 투명한 파티션(106)에 부딪치고, 여기에서 광 빔의 부분(302')은 투과되고 광 빔의 부분(302")은 반사된다. 따라서, 도시된 예에서, 광 빔의 부분(302")은 부분적으로 투명한 파티션이 없는 경우에서와 같이 2회가 아니라, (점 A, B 및 C에서) 3회 반사될 것이다. 동시에, 광 빔의 부분(302')에 의해 도시된 바와 같이, 광이 광 가이드(104)의 전체 단면에 걸쳐 혼합된다. 또한, 광 빔이 점 B에서 분할되므로, 광 빔의 수가 증가되어, 균일성이 더 개선된다.
부분적으로 투명한 파티션(106)의 다른 효과는 도 3b에 도시되어 있다. 여기에서, 광이 부분적으로 투명한 파티션(106) 상에서 반사됨에 따라, 적색 LED(102)의 가상 이미지(102a)가 생성된다. 부분적으로 투명한 파티션(106)이 광 가이드(104)의 중심축을 따라 배치되므로, 이러한 가상 적색 LED(102a)는 광 가이드(104) 내부에서 파티션(106)의 다른 측 상에 대칭으로 위치된다. 따라서, (도 1과 관련하여 설명된 구성에서와 같이) 부분적으로 투명한 파티션의 상이한 측에 배치된 적색 및 청색 LED를 포함하는 구성에 대하여, 청색 LED의 바로 위에 떨어지는 적색 LED의 가상 이미지가 부분적으로 투명한 파티션에 의해 생성되거나 그 반대로 된다. 이는 컬러 혼합을 더 향상시킬 수 있다.
도 4a는 부분적으로 투명한 파티션의 대안적인 실시예를 개략적으로 도시한 것이다. 여기에서는, 금속 코팅의 층 두께로 반사/투과 비율을 튜닝하는 대신에, 파티션이 내부에 홀들(404)을 갖는 두꺼운 금속층(402)(광을 반사함)을 갖는다. 따라서, 광 빔이 부분적으로 투명한 파티션에 부딪침에 따라, 그것은 (반사성 부분에 부딪치는 경우에는) 반사되거나, (투과성 부분에 부딪치는 경우에는) 투과된다. 홀들(404)과 금속 코팅(402) 간의 면적 비율은 투과-반사 비율을 결정한다. 따라서, 홀들의 총 면적이 금속 코팅으로 덮여진 영역과 동일한 면적을 갖는 경우, 투과와 반사 간에 50-50 비율이 획득될 수 있다. 바람직하게는, 홀들은 실질적으로 광 가이드의 폭보다 작은데, 예를 들면 한자릿수(order of magnitude) 더 작다. 하한은 제조가능성(manufacturability)이다. 전형적인 직경은 수십 미크론에서 수 밀리미터의 범위 내에 있을 수 있다. 또한, 반사 영역과 투과 영역의 형상은 달라질 수 있다.
금속 코팅은 전형적으로 약간의 흡수와 연관되므로, 각각의 반사 영역에 대하여 유전체층, 또는 더 전형적으로는 유전체층들의 스택을 이용하는 것이 바람직할 수 있다. 이러한 층들의 굴절률 및 두께는 바람직하게는, 투과-반사 비율의 각도 및 파장 의존성이 최소화되도록 선택된다.
또한, 고체 광 가이드에 대하여, 부분적으로 투명한 파티션은, (예를 들어, PMMA로 이루어진) 광 가이드(104)를 분할하고, 광 가이드의 2개의 절반부를, 도 4b에 도시된 바와 같이 공기로 채워진 홀들을 내부에 남겨두고서 굴절률 일치 접착제로 함께 접착함으로써 달성될 수 있다. 굴절률 일치 접착제가 이용되는 영역에 대해서는, 본질적으로 반사는 없고 양호한 투과가 존재할 것인 반면에, 광 가이드의 2개의 절반부가 공기에 의해 분리된 영역에 대해서는, 본질적으로 투과는 없고 내부 전반사가 존재할 것이다. 광선들이 공기 영역의 측면들에 부딪치면 광이 광 가이드로부터 추출되는 것으로 이어질 수 있기 때문에, 이를 방지하기 위해, 층은 전형적으로 가능한 한 얇게 이루어진다. 공기 홀들(406)과 굴절률 일치 접착제를 구비하는 영역(408)의 면적 비율은 투과 및 반사 비율들을 결정한다.
도 5a는 패싯(502a-b)을 구비하는 입사단(108)을 갖는 광 가이드(104)의 개략도이다. 도시된 바와 같이, 패싯(502a-b)은 광 빔(506)을 부분적으로 투명한 파티션을 향해 굽힌다. 이러한 구성이 광 가이드 내부에서의 광의 각도 분포를 넓게 하기 때문에, 광 가이드의 길이 방향을 따라 또는 그에 가깝게(예를 들어, 측면(504) 및 부분적으로 투명한 파티션(106)에 평행하게) 전파되는 광 빔의 부분이 감소될 수 있고, 따라서 광의 혼합이 향상된다.
도 5b는 패싯들(502a-b)이 광 빔을 측면(504)을 향해 바깥쪽으로 굽히지만, 측면(504) 상에서의 반사를 통해 광 빔(506)이 부분적으로 투명한 파티션(106)에 부딪치게 되는 대안적인 실시예를 도시한다.
도 5c에 개략적으로 도시된 바와 같이, 입사단은 둘보다 많은 패싯을 가질 수 있다.
패싯들이 각도 분포를 넓게 하기 때문에, 두 가지의 바람직하지 못한 효과들이 발생할 수 있다. 첫번째로, 광이 광 가이드로부터 탈출할 수 있다. 이것은 광 가이드의 측벽들에 미러와 같은 반사 표면을 제공함으로써 극복될 수 있다. 두번째로, 내부 전반사로 인해, 일부 광이 출사면을 빠져나오지 못할 수 있다. 도 5a 및 도 5b에 도시된 바와 같이, 광 가이드의 출사면 상의 패싯들(508a-b)이 이를 개선할 수 있다.
본 기술분야에 지식을 가진 자라면, 예를 들어 홈을 갖는 프리즘 구조를 이용하는 것에 의한 것과 같이 각도 분포를 증가시키기 위한 대안적인 방법들이 존재함을 인식한다. 또한, 예를 들어 표면 거칠기(surface roughness) 또는 입자들로부터의 산란에 의해, 홀로그래픽 확산기에 의해, 또는 격자 상에서의 회절에 의해 각도 분포가 변경될 수 있다. 도 6은 광 가이드(104)가 광 가이드의 출사단에서 패싯들(602a-b)을 구비하는 다른 실시예를 개략적으로 도시하고 있다. 테이퍼된 출구로 인해, 길이 방향을 따른 광 빔(604)은 부분적으로 투명한 파티션(106)을 향해 재지향된다.
도 7은 조명 장치가 대각선을 따라 배치된 부분적으로 투명한 파티션(106)을 갖는 큐브 형상의 광 가이드(104)를 갖는 실시예를 개략적으로 도시한다. 큐브 형상의 광 가이드는 그것의 리지(ridge) 상에 배치되며, 큐브의 제1 측(702) 및 제2 측(704)에 의해 형성된 입사단에서 광을 인커플링하기 위해, 적색 LED(102) 및 청색 LED(103)가 제공된다. 여기에서, 적색 LED(102)는 제1 측(702)을 통해 광을 인커플링하는 반면, 청색 LED(203)는 제2 측(704)을 통해 광을 인커플링한다. 광은 큐브의 제3 측(706) 및 제4 측(708)에 의해 형성된 광 가이드의 출사단에서 아웃커플링된다. 따라서, 광 가이드는 완전히 입사(702, 704) 및 출사(706, 708) 패싯들에 의해 구성된다. 본 실시예에서, (프레넬 반사에 의해 반사되는 광 빔들을 제외하고) 본질적으로 모든 광 빔이 부분적으로 투명한 파티션(106)에 부딪치고, LED들에 대향하는 2개의 패싯(706, 708) 중 하나에서 출사된다. 큐브 형상의 광 가이드(104)는 여기에서 시준기(112)와 함께 이용된다. 또한, LED들(102, 103)은 그 LED들(102-103)로부터 나온 광을 광 가이드로 가이드하기 위한 추가의 미러(710)를 제공함으로써, 도 7b에 도시된 바와 같이 단일의 평평한 기판 상에 실장될 수 있다.
대안적인 실시예에 따르면, 큐브 형상의 광 가이드는 측면들 상의 3개의 LED와 함께 코너점 상에 배치될 수 있다(즉, 광이 3개의 측면에서 인커플링될 수 있다).
세개 이상의 LED에 대한 다른 가능한 확장은 복수의 큐브 형상의 광 가이드를 이용하는 것인데, 여기에서 하나의 큐브 형상의 광 가이드의 출구는 다른 큐브 형상의 광 가이드의 입구에 위치될 수 있다. 그 예가 도 8에 도시되어 있다. 여기에서, 2개의 조명 장치(100a-b)의 시준기들(112a-b)의 출력은 큐브 형상의 광 가이드(104c)에 대한 입력으로서 이용된다.
본 발명의 대안적인 실시예에 따르면, 광 가이드 내에서 복수의 부분적으로 투명한 파티션이 이용될 수 있다. 그것의 세가지 예가 도 9a 내지 도 9c에 도시되어 있는데, 이들은 각각 제1의 부분적으로 투명한 파티션(902) 및 제2의 부분적으로 투명한 파티션(904)을 갖는 광 가이드(104)의 단면을 도시하고 있다. 도 9c에 도시된 실시예에서, 광 빔은 측벽(105)으로부터 측벽(107)으로 가는 도중에, 2개의 부분적으로 투명한 파티션(802, 804)을 통과해야 할 필요가 있음에 유의해야 한다. 따라서, 투과되는 광의 부분이 반사되는 광의 부분보다 큰 경우가 바람직할 수 있다. 예를 들어, 부분적으로 투명한 파티션에 입사하는 광의 대략 3분의 2가 투과될 수 있다.
또한, 도 9c에 도시된 실시예에서, 4개의 코너 사분면에 4개의 발광 장치(801a-d)를 배치함으로써, 각각의 발광 장치(801a-d)가 부분적으로 투명한 파티션들(802, 804) 중 하나의 바로 아래에 배치되어, 부분적으로 투명한 파티션의 양면이 조명될 것임에 유의해야 한다.
본 발명은 위에서 주로 몇몇 실시예들을 참조하여 설명되었다. 그러나, 본 기술분야에 지식을 가진 자들이 쉽게 알 수 있는 바와 같이, 위에 개시된 것들과는 다른 실시예들도, 첨부된 청구항들에 의해 정의된 본 발명의 범위 내에서 동등하게 가능하다. 예를 들어, 파티션이 반드시 중심축을 따라 배치될 필요는 없다. 또한, 발광 장치는 부분적으로 투명한 파티션 바로 아래에 배치되어, 양면이 조명되게 할 수 있다.

Claims (14)

  1. 조명 장치(100)로서,
    입사단(108)으로부터 출사단(110)으로 광을 가이드하도록 구성된 광 가이드(light-guide)(104);
    상기 광 가이드 내에 배치되며, 입사하는 주어진 파장의 광이 부분적으로 투과되고 부분적으로 반사되도록 구성된 부분적으로 투명한 파티션(106) - 상기 부분적으로 투명한 파티션(106)은 상기 광 가이드의 적어도 일부분을 따라 연장되며, 상기 광 가이드의 그 부분을 분리된 제1 영역(104a) 및 제2 영역(104b)으로 분할함 -;
    적어도 상기 제1 영역(104a)에 광을 인커플링(incoupling)하도록 배치된 제1 발광 장치(102); 및
    적어도 상기 제2 영역(104b)에 광을 인커플링하도록 배치된 제2 발광 장치(103)
    를 포함하는 조명 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 부분적으로 투명한 파티션(106)은 상기 입사단(108)으로부터 연장되는 조명 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 부분적으로 투명한 파티션(106)은 전체 광 가이드(104)를 따라 연장되는 조명 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 부분적으로 투명한 파티션(106)은, 입사 광 빔의 일부분은 투과되고 일부분은 반사되도록 구성된 두께를 갖는 금속 코팅을 구비하는 조명 장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 부분적으로 투명한 파티션(106)은 적어도 하나의 투과 영역(404; 408) 및 적어도 하나의 반사 영역(402; 406)을 포함하고, 상기 적어도 하나의 투과 영역(404; 408)의 면적과 상기 적어도 하나의 반사 영역(402; 406)의 면적 간의 비율은 상기 부분적으로 투명한 파티션(106)에 입사하는 광의 미리 정해진 부분이 투과되도록 구성되는 조명 장치.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 부분적으로 투명한 파티션(106)은 상기 광 가이드(104)의 중심축(114)을 따라 배치되는 조명 장치.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 입사단(108)은, 상기 부분적으로 투명한 파티션(106)에 부딪치지 않고서 상기 광 가이드를 통과하는 광의 부분을 감소시키기 위해서 상기 광 가이드 내의 광의 각도 분포를 수정하도록 구성되는 조명 장치.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광 가이드(104)는 내부 전반사(total internal reflection: TIR)에 의해 광을 가이드하도록 구성되는 조명 장치.
  9. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광 가이드(104)는 반사성 측벽들의 세트에 의해 형성된 중공(hollow) 광 가이드인 조명 장치.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 발광 장치(102)는 제1 컬러의 광을 방출하며, 상기 제2 발광 장치(103)는 상기 제1 컬러와는 다른 제2 컬러의 광을 방출하는 조명 장치.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    복수의 부분적으로 투명한 파티션들(802, 804)을 포함하는 조명 장치.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광 가이드(104)의 출사단(110)에 배치된 시준기(112)를 더 포함하는 조명 장치.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광 가이드(104)는 육각형 단면을 갖는 조명 장치.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 조명 장치, 및 상기 제1 발광 장치와 상기 제2 발광 장치에 전력을 공급하도록 배치된 구동 일렉트로닉스를 포함하는 조명 기구(luminaire).
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