KR20170066679A - 스위칭가능 확산기를 포함하는 광학 장치 - Google Patents

스위칭가능 확산기를 포함하는 광학 장치 Download PDF

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Abstract

광학 장치들이 개시된다. 특히, 시준된 광원(140), 스위칭가능 확산기(110), 및 적어도 하나의 광 편향 요소(120, 130)를 포함하는 광학 장치들이 개시된다. 전기적 스위칭가능 확산기(110)는, 적어도 광 편향 요소(120, 130)와 조합하여, 전기적 스위칭가능 확산기(110)에서 광의 전체 분포의 상당한 변화를 제공할 수 있으며 둘 이상의 상태 사이에서 스위칭된다.

Description

스위칭가능 확산기를 포함하는 광학 장치{OPTICAL DEVICE INCLUDING SWITCHABLE DIFFUSER}
램프 및 조명기구는 일반적인 주변 조명 및 작업 조명에 사용된다. 또한, 일부 경우에서 그것들은 안전, 간판(signage), 내비게이션, 또는 장식 목적으로 사용될 수 있다. 스위칭가능 확산기는 전형적으로 적어도 일부를, 일반적으로 투명한 상태로부터 일반적으로 혼탁한 상태로 스위칭할 수 있는 전기적으로 구동되는 필름 또는 층이다.
일 양태에서, 본 개시내용은 광학 장치에 관한 것이다. 광학 장치는 적어도 제1 상태 및 제2 상태를 가질 수 있는 전기적 스위칭가능 확산기(electrically switchable diffuser), 전기적 스위칭가능 확산기에 근접하게 배치된 적어도 하나의 광 편향 요소, 및 전기적 스위칭가능 확산기에 근접하게 배치된 시준된 광원(collimated light source)을 포함한다. 시준된 광원은 전원공급 상태에서, 중심 광축을 갖고 약 40도 이하의 최소 각도 폭을 갖는 입력 광 원뿔(input light cone)을 생성하도록 구성된다. 시준된 광원으로부터의 광의 적어도 일부는, 전기적 스위칭가능 확산기가 제1 상태가 아닌 제2 상태에 있을 때, 광 편향 요소 상에 입사한다. 일부 실시 형태에서, 제1 상태는 투명 상태이다. 일부 실시 형태에서, 시준된 광원은 약 40도 초과의 각도 폭을 갖지 않는 입력 광 원뿔을 생성하도록 구성된다. 일부 실시 형태에서, 전기적 스위칭가능 확산기와 적어도 하나의 광 편향 요소는 평행하지 않다. 일부 실시 형태에서, 전기적 스위칭가능 확산기는 스멕틱(smectic) A를 포함한다. 일부 실시 형태에서, 전기적 스위칭가능 확산기의 적어도 일부는 만곡된다. 일부 실시 형태에서, 적어도 하나의 광 편향 요소의 적어도 일부는 만곡된다. 일부 실시 형태에서, 적어도 하나의 광 편향 요소는 미세구조화된 표면, 반사기, 또는 확산기를 포함한다.
다른 양태에서, 본 개시내용은 광학 장치에 관한 것이다. 광학 장치는 적어도 제1 상태 및 제2 상태를 가질 수 있는 전기적 스위칭가능 확산기, 전기적 스위칭가능 확산기에 근접하게 배치된 실질적으로 평면인 광 편향 요소, 및 전기적 스위칭가능 확산기에 근접하게 배치되고 광 편향 요소에 대향하여 배치된 시준된 광원을 포함한다. 시준된 광원은 전원공급 상태에서, 중심 광축 및 약 40도 이하의 각도 폭을 갖는 입력 광 원뿔을 생성하도록 구성된다. 광 편향 요소는, 중심 광축으로부터 중심 부분의 에지까지 측정되는 최소 반경(r)을 갖는 중심 부분, 및 중심 부분을 포함하지 않는 외측 부분을 포함한다. 광 편향 요소는, 중심 광축을 따라 측정되는, 스위칭가능 확산기로부터의 거리(l)에 배치된다. 외측 부분은 입사광을 방향전환시키지만, 중심 부분은 적어도 하나의 광 편향 요소 상에 입사하는 시준된 광원으로부터의 광에 대해 실질적으로 방향전환시키지 않고, l 은 r보다 크거나 그와 실질적으로 동일하다. 일부 실시 형태에서, 중심 부분은 공기를 포함한다. 일부 실시 형태에서, l은 2r보다 크거나 그와 실질적으로 동일하다. 일부 실시 형태에서, 광 편향 요소의 외측 부분은 광 편향 요소의 전체 외측 에지에 근접한다. 일부 실시 형태에서, 광학 장치는, 외측 부분도 포함하지 않고 중심 부분도 포함하지 않는 제2 외측 부분을 추가로 포함하며, 제2 외측 부분은 시준된 광원으로부터 입사광을 방향전환시킨다.
또 다른 양태에서, 본 개시내용은 광학 장치에 관한 것이다. 광학 장치는 적어도 제1 상태 및 제2 상태를 가질 수 있는 전기적 스위칭가능 확산기, 전기적 스위칭가능 확산기에 근접하게 배치된 실질적으로 평면인 광 편향 요소, 및 전기적 스위칭가능 확산기에 근접하게 배치되고 광 편향 요소에 대향하여 배치된 시준된 광원을 포함한다. 시준된 광원은 전원공급 상태에서, 중심 광축 및 약 40도 이하의 각도 폭을 갖는 입력 광 원뿔을 생성하도록 구성된다. 광 편향 요소는 중심 부분, 및 중심 부분을 포함하지 않는 적어도 하나의 외측 부분을 포함하며, 중심 부분 및 적어도 하나의 외측 부분은 적어도 부분적으로 경계를 공유한다. 경계에서의 중심 부분과 적어도 하나의 외측 부분 사이에서, 시준된 광원으로부터 광 편향 요소 상에 입사하는 광의 광 편향의 급격한 변화가 있다. 일부 실시 형태에서, 광 편향의 급격한 변화는 광 산란의 불연속적인 변화가 있음을 의미한다. 일부 실시 형태에서, 광 편향의 급격한 변화는 중심 광축에 대한 광 편향 방향의 불연속적인 변화가 있음을 의미한다. 일부 실시 형태에서, 광 편향의 급격한 변화는 편향 각도에서 10도 초과의 불연속적인 변화가 있음을 의미한다. 일부 실시 형태에서, 광 편향의 급격한 변화는 편향 각도에서 30도 초과의 불연속적인 변화가 있음을 의미한다. 일부 실시 형태에서, 광 편향의 급격한 변화는 반사율에서 10% 초과의 불연속적인 변화가 있음을 의미한다. 일부 실시 형태에서, 광 편향의 급격한 변화는 반사율에서 50% 초과의 불연속적인 변화가 있음을 의미한다.
도 1a는 광학 장치의 개략 정면도이다.
도 1b는 투명 상태에 있는 도 1a의 광학 장치의 개략 정면도이다.
도 1c는 혼탁 상태에 있는 도 1a의 광학 장치의 개략 정면도이다.
도 2a는 투명 상태에 있는 다른 광학 장치의 개략 정면도이다.
도 2b는 혼탁 상태에 있는 도 2a의 광학 장치의 개략 정면도이다.
도 3은 혼탁 상태에 있는 다른 광학 장치의 개략 정면도이다.
도 4a 내지 도 4d는 예시적인 광 편향 요소들의 일련의 평면도들이다.
도 5a 내지 도 5d는 광학 장치에서의 광 편향 요소들의 예시적인 구성들의 일련의 평면도들이다.
조명기구 및 기타 조명 장치는 기능적 및 미적 이유 둘 모두로 관심대상이다. 예를 들어, 고집광 작업등은 의학적 처치 동안 또는 흐릿한 주변 조명을 갖는 어두운 환경 내에서 가시성을 가능하게 할 수 있으면서, 더 확산시키는 조명기구는 작업공간 또는 실내를 위한 범용 조명을 제공할 수 있다. 마찬가지로, 광의 상이한 분포들은 흥미롭거나 유용한 효과를 제공하거나, 특정 대상을 향해 관찰자의 관심을 끌거나 관심을 떨어뜨릴 수 있다. 일부 응용들에서, 상이한 스타일들 및 분포들 사이에서 실시간으로 스위칭할 수 있는 것 - 즉, 조명 기구를 분해, 재구성 및 재조립하거나, 램프를 물리적으로 조작하거나, 추가 컴포넌트들을 제공 및 설치할 필요가 없는 것 - 이 바람직할 수 있다.
스위칭가능 확산기는 잠재적인 해결책이지만, 이 전기적 스위칭가능 확산기는 높은 정도의 탁도를 달성하는 데 어려움이 있다. 따라서, 스위칭가능 확산기를 직접 조명하는 시준된 광원은 일반적으로 조명 장치의 최종 출력 분포에 단지 약간의 영향을 미친다. 다시 말하면, 입력 분포는 스위칭가능 확산기의 혼탁 상태에 의해 크게 영향을 받지(넓혀지지) 않을 것이다. 일부 응용들에서 이것은 충분할 수 있지만, 램프의 조명 프로파일에서의 보다 극적이거나, 눈에 띄거나, 현저한 변화는 특정 응용들에 유용할 수 있거나 흥미롭고 역동적인 효과를 제공할 수 있다.
특정 실시 형태들에서, 개시된 광학 장치는 스위칭가능 확산기 및 그 다음의 광 편향 요소들을 포함한다. 이들 광 편향 요소는 광을 그것의 이전 경로로부터 크게 벗어나게 할 수 있다. 스위칭가능 확산기와 조합하여, 광 편향 요소들은 혼탁 상태와 투명 상태 사이의 전이를 넘어서 램프 또는 조명기구의 광 분포의 외관에서의 큰 변화를 가능하게 할 수 있다. 예로서, 하나의 상태로부터 다른 상태로 스위칭 시, 이 조합은 이전에 조명되지 않은 환경의 영역(예를 들어, 벽 또는 물체의 일부분)을 조명할 수 있다.
도 1a는 광학 장치의 개략 정면도이다. 광학 장치는 스위칭가능 확산(110), 제어 메커니즘(112), 제1 광 편향 요소(120), 미세구조체(132)를 포함하는 제2 광 편향 요소(130), 및 중심 광축(144)을 갖는 입력 광 원뿔(142)을 생성하는 시준된 광원(140)을 포함한다.
스위칭가능 확산기(110)는 임의의 적합한 크기를 갖는 임의의 적합한 재료 및 임의의 적합한 3차원 형상일 수 있다. 일부 실시 형태에서, 스위칭가능 확산기(110)는 전기적 스위칭가능 확산기일 수 있다. 전기적 스위칭가능 확산기들은 일반적으로 중합체 또는 유리와 같은 구조적으로 지지하는 재료 사이에 개재된 활성 재료를 포함한다. 일부 실시 형태에서, 이들 구조적으로 지지하는 재료는 투명 도체 또는 전극과 같은 전기적 활성 층을 추가로 포함할 수 있다. 일부 실시 형태에서, 구조적으로 지지하는 재료는 적합한 재료 세트로부터 선택되거나, 전체 스위칭가능 확산기가 가요성 또는 변형가능하도록(또는 만곡된 또는 면처리된(faceted) 형상을 가능하게 하도록) 적합한 두께를 가질 수 있다. 활성 재료는 액정 재료일 수 있거나 이를 포함할 수 있다. 일부 실시 형태에서, 활성 재료는 고분자 분산형 액정(polymer dispersed liquid crystal, PDLC)이거나 이를 포함할 수 있다. 고분자 분산형 액정은 전압 차가 제공되지 않는 한 혼탁해 보이고 광을 확산시킨다. 충분히 강한 전계의 존재 시, 고분자 분산형 액정 재료는 필드 라인들을 따라 정렬되어, 상대적으로 더 낮은 광의 산란을 갖는 실질적으로 투명한 상태 및 외관을 제공한다. 일부 실시 형태에서, 활성 재료는 스멕틱 A 액정을 포함한다. 스멕틱 A는 적절한 주파수를 갖는 상이한 전압 파형들(예를 들어, 사인파, 구형파)을 제공함으로써 투명으로부터 혼탁으로 스위칭될 수 있다. 일부 실시 형태에서, 혼탁 상태 및 투명 상태를 제공하기 위한 주파수들은 상당히 상이하다. 일부 실시 형태에서, 활성 재료는 쌍안정성이다. 이 응용의 목적상, 쌍안정성에 의해, 전압 또는 전기 신호들의 연속적인 인가 없이도 적절한 응용-의존적 시간량 동안 혼탁 상태 및 투명 상태 둘 모두가 유지가능하다는 것이 의미된다. 일부 응용들에서, 수 분 또는 수 시간 정도의 쌍안정성은 충분할 수 있다. 다른 응용들, 예를 들어 실외 간판 또는 도로 안전 응용들에서는, 수 일, 수 주, 수 개월, 또는 심지어 수 년 정도의 쌍안정성을 갖는 것이 바람직할 수 있다.
일부 실시 형태에서, 스위칭가능 확산기의 활성 재료는 중간 혼탁 상태들이 가능할 수 있다. 이것은 단일 중간 상태의 탁도(최대 및 최소 혼탁 상태 사이), 또는 최소 및 최대 탁도 사이의 연속체를 따르는 임의의 혼탁 상태들의 배열일 수 있다. 일부 실시 형태에서, 스위칭가능 확산기의 활성 재료의 요소들은 개별적으로 어드레스가능할 수 있다. 이것은 성형된(shaped) 세그먼트들이 실시 형태들에 따라 상이하게 처리되는 실시 형태들을 포함하며, 여기서 그리드 구성은 스위칭가능 확산기의 면적 범위에 대한 픽셀화된 제어를 제공한다. 이들 특징부의 조합은, 스위칭가능 확산기가 관찰자에게 가시적인 경우, 흥미롭거나 유용한 오프-상태 또는 비활성 상태 디스플레이를 초래하는 패턴화된 혼탁 상태들을 제공할 수 있다. 예를 들어, 스위칭가능 확산기는 상표 또는 로고(양 또는 음의 공간에서; 즉, 상표에 할당된 투명 또는 혼탁 값을 갖는), 또는 현재 시간 또는 날짜와 같은 기타 정보의 혼탁 버전을 표시할 수 있다.
탁도 또는 혼탁은 ASTM D1003-13 "투명 플라스틱의 탁도 및 시감 투과율에 대한 표준 시험 방법(Standard Test Method for Haze and Luminous Transmittance of Transparent Plastics)"에 규정된 바와 같이 그것의 방향이 입사 빔의 방향으로부터 2.5도를 초과하여 벗어나도록 산란되는 투과된 광의 백분율로 특성화될 수 있다. 탁도는 비와이케이-가드너 인크.(BYK-Gardner Inc.)(미국 메릴랜드주 실버 스프링스 소재)로부터 입수가능한 헤이즈-가드 플러스(HAZE-GARD PLUS) 측정기를 사용하여 결정될 수 있다. 일부 실시 형태에서, 스위칭가능 확산기는 투명 상태에서 5% 미만, 또는 심지어 1% 미만의 탁도를 가질 수 있다. 일부 실시 형태에서, 스위칭가능 확산기의 혼탁 상태는 50%, 80%, 90%, 95%, 또는 심지어 99%보다 클 수 있다. 동일하거나 유사한 측정된 탁도 값들을 제공하는 기판들이 매우 상이한 광 분포들을 가질 수 있음에 유의한다.
제어 메커니즘(112)은 스위칭가능 확산기(110)의 스위칭을 제어하는 데 사용되는 전기 컴포넌트들의 임의의 조합을 나타낸다. 제어 메커니즘(112)은 변압기, 마이크로프로세서, 및 데이터를 수신하는 수단, 예컨대 안테나를 포함할 수 있다. 제어 메커니즘(112)은 설명을 용이하기 위해 도 1a에서(그리고 이 설명에서의 도면들 전체에 걸쳐) 개략적으로 도시된다. 제어 메커니즘(112)은 스위칭가능 확산기(110)에 전기 신호들을 제공하기 위한 임의의 전도성 와이어들, 리드들, 또는 전극들을 포함한다. 제어 메커니즘(112)은 스위칭가능 확산기(110)에 스위칭 기능성을 제공하기 위해 광학 장치와 함께 사용되는 임의의 외부 컴포넌트들을 추가로 포함할 수 있다.
제1 광 편향 요소(120)는 임의의 적합한 형상, 임의의 재료일 수 있고, 사실상 임의의 광학 기능을 제공할 수 있다. 도 1a 내지 도 1c에 도시된 바와 같이, 제1 광 편향 요소(120)는 반사 요소이지만, 많은 다른 광학 기능들(및, 그에 따라, 재료들, 요소들, 및 요소들의 조합들)이 가능하다. 예를 들어, 제1 광 편향 요소(120)는 확산, 경면 또는 반-경면 반사기, 부분 반사기, 반투과기, 흡수, 반사 또는 흡수/반사 편광기, 하향변환 재료 또는 양자점, 컬러 필터 또는 안료, 루버 또는 광 제어 필름, 공학적으로 또는 홀로그래픽적으로 복제된 표면을 갖는 확산기들을 포함하는 체적/벌크 또는 표면 확산기, 렌즈 또는 시준 굴절 광학체, 발산 렌즈, 프리즘 필름과 같은 미세구조화된 표면 또는 미세구조화된 필름, 터닝 필름(turning film) 또는 다른 적합한 광학 요소들이거나 이들을 포함할 수 있다. 일부 요소들은 천공되거나, 스트라이프되거나, 또는 다른 식으로 공간적으로 변형될 수 있으며; 예를 들어, 제1 광 편향 요소(120)의 반사율은 그것의 길이에 걸쳐 변할 수 있다. 예를 들어, 광 편향 요소(120)는 광 또는 복사 에너지를 필름의 부분들에 인가함으로써 선택적으로 가열되어 그 부분들에서 복굴절을 감소시키거나 제거하도록 하는 다층 반사 필름일 수 있으며, 이는 그 부분들에서 반사율을 감소시키거나 심지어 실질적으로 제거할 수 있다. 이러한 필름들은 미국 특허 공개 제2011/0255163호(메릴(Merrill) 등)에 기술되어 있다. 그러나, 이 설명의 목적을 위해, 다른 광학 기능성이 없는 광학적으로 투명한 기판은 광 방향전환 요소로 고려되지 않는다.
제1 광 편향 요소(120)는 원하는 응용을 위한 적절한 광 분포들을 제공하기 위해 위치되거나 구성될 수 있다. 예를 들어, 제1 광 편향 요소(120)는 부분적으로 또는 전체적으로 만곡되거나 면처리된 것일 수 있거나, 스위칭가능 확산기의 평면에 평행하거나 수직일 수 있거나, 그 사이의 임의의 배향을 가질 수 있다. 그것은 스위칭가능 확산기의 표면으로부터 임의의 적합한 거리로 이격될 수 있고, 일부 실시 형태에서는 스위칭가능 확산기의 면적 범위를 넘어 연장될 수 있다. 다시 말하면, 스위칭가능 확산기의 제1 광 편향 요소 상으로의 투영 또는 그 반대는 부분적으로만 중첩될 수 있다.
제2 광 편향 요소(130)는 복수의 미세구조체(132)를 포함하는 광 방향전환 또는 프리즘 필름으로서 도 1a의 실시 형태에 도시되어 있다. 제2 광 편향 요소(130)는 제1 광 편향 요소(120)와 동일한 광학 요소들이거나 이들을 포함할 수 있거나, 또는 그들은 상이할 수 있다. 응용에 따라, 제1 및 제2 광 편향 요소들은 대칭적으로, 또는 비대칭적으로, 유사하게 위치되거나 구성될 수 있다. 일부 실시 형태에서, 3개 이상의 광 편향 요소가 가능하다.
시준된 광원(140)은 중심 광축(144)을 갖는 입력 광 원뿔(142)을 생성한다. 일부 실시 형태에서, 입력 광 원뿔(142)는 40도 이하의 각도 폭을 갖는 치수를 갖는다. 일부 실시 형태에서, 입력 광 원뿔(142)은 40도 초과의 각도 폭을 갖지 않는다. 응용에 따라, 더 큰 시준 각도(또는 더 좁은 각도 폭)가 바람직할 수 있다. 각도 폭은 반치전폭((FWHM) 값으로서 측정될 수 있다. 일부 실시 형태에서, 시준된 광원은, 시준된 광원으로부터의 파워 또는 휘도의 30%, 20%, 또는 10% 이하가 40도, 35도, 30도, 또는 임의의 적합한 시준 각도의 각도 폭을 갖는 원뿔의 외부에 있을 수 있다는 것을 특징으로 할 수 있다. 시준된 광원(140)은, 임의의 파장 또는 파장들의 조합으로 방출하거나 또는 임의의 원하는 스펙트럼 파워 분포를 제공하는 발광 다이오드(LED)들을 포함하는 임의의 광원 또는 광원들의 조합일 수 있다. 일부 실시 형태에서, 시준된 광원(140)은 실질적으로 백색광을 방출할 수 있다. 일부 실시 형태에서, 시준된 광원(140)은 예를 들어 3000K 내지 6000K의 온도에서 복사 흑체의 스펙트럼에 접근할 수 있다. 일부 실시 형태에서, 시준된 광원은 조정가능한 색온도를 가질 수 있다. 원하는 특성들을 갖는 광 원뿔을 제공하기 하기 위해 시준 광학체들이 포함될 수 있다. 본 명세서에서 입력 광 원뿔로서 지칭되지만, (예를 들어, 마스크들의 사용을 통해) 타원형, 환형, 및 다각형을 포함하는 다른 형상들이 가능할 수 있다. 중심 광축(142)이 시준된 광원과 스위칭가능 확산기 사이의 거리를 위해 결정되고, 이어서 광학 장치를 통해 연장된다.
도 1b는 투명 상태에 있는 도 1a의 광학 장치의 개략 정면도이다. 도 1b는, 예시적인 광선들(150, 152, 154)이 도시된 것을 제외하고는, 도 1a에 대응한다. 설명의 간소화를 위해, 스위칭가능 확산기(110)의 전부가 투명 상태에 있는 것으로 취급되지만, 본 명세서의 다른 곳에서 설명된 바와 같이 일부 부분들은 혼탁 상태에 있는 반면 일부 부분들은 투명 상태에 있을 수 있다.
예시적인 광선들(150, 152, 154)은 각각 스위칭가능 확산기 상에 입사하고, 방향전환되지 않으면서 통과한다. 본 개시내용의 목적들을 위해, 굴절률의 변화로 인한 프레넬 반사들은 무시되며(그것들은 반사방지 표면 코팅들 또는 구조들, 예컨대 나방눈 구조들에 의해 감소될 수 있지만), 이는 더 높은 굴절률 기판을 통과하고 그에 의해 굴절되는 것으로부터의 광선에 대한 미세한 효과와 같다. 예시적인 광선들(150, 152, 154) 중 어느 것도 제1 광 편향 요소(120) 또는 제2 광 편향 요소(130) 상에 입사하지 않는다는 것에 유의한다.
도 1c는 혼탁 상태에 있는 도 1a의 광학 장치의 개략 정면도이다. 도 1b에서와 같이, 도 1c는 도 1a 및 도 1b에 대응하며 스위칭가능 확산기(110) 전체를 혼탁한 것으로 취급한다. 광선(150)은 이제 스위칭가능 확산기(110)의 혼탁에 의해 광선들(150a, 150b, 150c)로 산란된다. 광선들(150b, 150c)은 스위칭가능 확산기(110)를 빠져나간 후에 여전히 방해받지 않고 통과하고, 추후에는 출력 광이 되어 궁극적으로 주변 조명을 제공할 수 있다. 그러나, 광선(150a)은 이제, 이 실시 형태에서 경면 반사기인 제1 광 편향 요소(120) 상에 입사한다. 광선(150a)은 제1 광 편향 요소(120)에 의해 반사되고 스위칭가능 확산기(110)를 다시 통과하여, 추가로 광선(150a)을 산란시킨다. 일부 구성들은 제1 광 편향 요소(120) 및 스위칭가능 확산기(110)의 상이한 상대적 크기들 및 위치설정을 이용하여, 반사된 광이 스위칭가능 확산기를 다시 한 번 통과하지 않도록 할 수 있다. 이들 고려사항은 원하는 광 출력 및 미적 효과에 따라 고려될 수 있다.
광선(154)은 혼탁 상태인 스위칭가능 확산기(110)를 통과하고 광선들(154a, 154b, 154c)로 산란된다. 광선(154a)은 광 편향 요소들 중 어느 것에도 입사하지 않는다. 광선(154b)은 제2 광 편향 요소(130), 특히 미세구조체(132) 상에 입사하지만, 프리즘 기하학적 구조 및 입사각으로 인해, 제2 광 편향 요소(130)에 의해 크게 방향전환되지 않는다. 그러나, 광선(154c)은 미세구조체(132) 중 하나와 공기 사이의 계면에 의해 내부 전반사되고 상향으로 방향전환된다. 도 1a 내지 도 1c에 도시된 구성은, 시준된 광원으로부터의 광의 적어도 일부가 투명 상태가 아닌 혼탁 상태에 있는 광 편향 요소들 중 적어도 하나 상에 입사하는, 광학 장치의 예를 제공한다. 이 구성은, 스위칭가능 확산기 및 시스템의 전체 구성에 의해 부여되는 탁도의 함수로서 매우 상이한 광 출력 각도들을 제공한다.
도 2a는 투명 상태에 있는 다른 광학 장치의 개략 정면도이다. 광학 장치는 스위칭가능 확산기(210), 제어 메커니즘(212), 중심 부분(222)을 갖는 광 편향 요소(220), 및 중심 광축(234)을 갖는 입력 광 원뿔(232)을 생성하는 시준된 광원(230)을 포함한다. 예시적인 광선들(250, 252, 254)이 또한 도시된다.
도 2a 및 도 2b에 도시된 실시 형태들은, 단일 광 편향 요소가 스위칭가능 확산기(210)와 적어도 동일한 공간에 있다(coextensive)는 점에서, 도 1a 내지 도 1c의 실시 형태들과 상이하다. 다시 말하면, 광 편향 요소(220)의 투영은 스위칭가능 확산기(210)를 넘어서 연장된다.
광 편향 요소(220)는, 시준된 광원(240)으로부터 광 편향 요소(220) 상에 입사하는 광에 대해 실질적으로 방향전환되지 않는 중심 부분(222)을 특징으로 한다. 일부 실시 형태에서, 실질적으로 방향전환되지 않는다는 것은, 광이 평균적으로 그것의 이전 경로로부터 10도 초과로 방향전환되지 않는다는 것을 의미한다. 일부 실시 형태에서, 이것은, 광이 평균적으로 5도 초과로 방향전환되지 않는다는 것을 의미한다. 일부 실시 형태에서, 중심 부분(222)은 단순히 투명한 플라스틱이거나 심지어 단순히 공기일 수 있어서(다시 말하면, 그 광 편향 요소(220)는 환형 또는 도넛 형상을 갖는다), 광의 무시할 만한 방향전환을 초래한다.
광 편향 요소(220)는 또한 중심 부분(222)을 포함하지 않는 외측 부분을 가지며, 여기서 광 편향 요소(220)는 시준된 광원(240)으로부터 그것 상에 입사하는 광을 실질적으로 방향전환시킨다. 일부 실시 형태에서, 그리고 중심 부분(222)과 대조적으로, 이것은 광이 평균적으로 10도 초과로 방향전환됨을 의미한다. 광 편향 요소는 중심 부분(222)과 외측 부분 사이에 식별가능한 경계를 가져야 한다. 중심 광축(234)과 광 편향 요소(220)의 교차점과, 중심 부분(222)과 외측 부분 사이의 경계 사이의 최소 거리는, 중심 광축에 수직인 축을 따라 측정될 때, r이다. 때때로, 중심 광축(234)과 광 편향 요소(220)의 교차점은 광 편향 요소의 기하학적 중심과 동일하거나 실질적으로 동일할 것이지만, 그러할 필요는 없다. 광 편향 요소가 구멍을 포함하는 실시 형태들에서, 교차점은 광 편향 요소의 평면과 함께 있는 것으로 고려될 수 있다. 평면이 정의하기 어렵거나 불가능할 수 있는 실시 형태들에서, 교차점은 r의 값이 존재하는 위치들에 대해 광축을 따라 계산될 수 있고, 가장 큰 것이 사용될 수 있다. 중심 광축(234)을 따르는 스위칭가능 확산기(210)와 광 편향 요소(220) 사이의 거리는 l이다. 일부 실시 형태에서, l은 r과 실질적으로 동일하다. 일부 실시 형태에서, l은 2r보다 크거나 그와 실질적으로 동일하다.
광선들(250, 252, 254) 각각은 투명 상태에 있는 스위칭가능 확산기(210) 상에 입사한다. 따라서, 광선들은 현저하게 산란되지 않는다. 광선들(250, 252, 254) 각각은 다음에 광 편향 요소(220)의 중심 부분(222) 상에 입사하고, 실질적으로 방향전환되지 않는다. 따라서, 투명 상태에서, 시준된 광원(230)으로부터의 상대적으로 좁은 광 원뿔은 스위칭가능 확산기 및 광 편향 요소의 중심 부분을 통해 보존된다.
도 2b는 혼탁 상태에 있는 도 2a의 광학 장치의 개략 정면도이다. 이 상태에서, 광선들(250, 254)을 포함하는 광선들은 혼탁 상태에 있는 스위칭가능 확산기(210)를 통과하여 산란된다. 광선(250)은 250a, 250b 및 250c로 산란되며, 250b 및 250c가 광 편향 요소(220)의 중심 부분(222)을 통과하고 실질적으로 방향전환되지 않는 한편, 광선(250a)은 이제 광 편향 요소(220)의 방향전환시키는 외측 부분에 의해 전환된다. 광 편향 요소(220)의 특정 구조는 중요하지 않지만, 광 편향 요소(220)의 외측 부분은 광 방향전환 효과를 부여하기 위해 프리즘, 렌즈릿, 또는 다른 면처리되거나 만곡된 형상들과 같은 미세복제된 구조체를 포함할 수 있다. 다른 실시 형태들에서, 광 편향 요소(220)는 표면 또는 체적/벌크 확산기를 포함할 수 있다. 일부 실시 형태에서, 광 편향 요소(220)는 인쇄된 확산기; 즉, 원하는 산란 효과를 제공하기 위해 인쇄된 점들을 갖는 기판을 포함할 수 있다.
마찬가지로, 광선(254)은 스위칭가능 확산기(210)를 통과할 때 광선들(254a, 254b, 254c)로 산란된다. 광선들(254a, 254b)은 여전히 광 편향 요소(220)의 중심 부분(222) 상에 입사하고, 따라서 실질적으로 방향전환되지 않으면서 통과한다. 그러나, 광선(254c)은 광 편향 요소(220)의 외측 부분 상에 입사하고, 따라서 광 편향 요소에 의해 방향전환된다. 스위칭가능 확산기(210)와 광 편향 요소(220)의 이러한 조합을 통해, 상당히 상이한 광 출력 분포들을 갖는 램프들 및 조명기구들과 같은 광학 장치들을 설계하는 것이 가능하다: 스위칭가능 확산기가 그 자체로 가져올 수 있는 것 이상.
도 3은 혼탁 상태에 있는 다른 광학 장치의 개략 정면도이다. 도 2a 및 도 2b에서와 같이, 광학 장치는 스위칭가능 확산기(310), 제어 메커니즘(312), 및 광 편향 요소(320)를 포함하지만, 광 편향 요소(320)는 중심 부분(322), 제1 외측 부분(324), 및 제2 외측 부분(326)을 갖는다. 광학 장치는 중심 광축(334)을 갖는 입력 광 원뿔(332)을 생성하는 시준된 광원(330)을 추가로 포함한다.
일부 실시 형태에서, 광 편향 요소(320)의 3개 이상의 외측 부분이 있을 수 있다. 일부 실시 형태에서, 하나의 외측 부분이 있을 수 있으며, 이때 중심 부분은 예를 들어, 도 3에서 제2 외측 부분으로서 설계된 공간을 점유한다. 도 3에 도시된 실시 형태는, 중심 부분(322)이 시준된 광원(340)으로부터 그것 상에 입사하는 광에 대해 방향전환시키고 있으므로, 도 2a 및 도 2b의 실시 형태와 상이할 수 있다. 그러나, 이들 경우에서, 중심 부분(322)과 외측 부분들 사이에 급격한 변화 또는 불연속은 여전히 있다. 일부 실시 형태에서, 이는 입사 위치의 작은 변화가, 광이 어떻게 방향전환되는지에 있어서 큰 크기 변화를 야기한다는 것을 의미한다. 일부 실시 형태에서, 이는 광학 특성들 또는 성능에서의 불연속적인 변화가 있음을 의미하며; 예를 들어, 중심 부분(322)은 광학적으로 투명할 수 있는 반면에, 외측 부분은 높은 탁도를 가질 수 있다. 마찬가지로, 중심 부분(322)은 거의 모든 입사광을 경면 투과시킬 수 있는 반면에, 외측 부분은 하프-미러, 또는 반사 편광기일 수 있다.
도 3에 의해 도시된 예시적인 실시 형태에서, 중심 부분(322) 및 제1 외측 부분(324)은 둘 모두 광을 거의 동일한 각도로 방향전환시키지만; 각 부분은 (중심 광축(334)에 대해) 반대 방향으로 방향전환시킨다. 마찬가지로, 제1 외측 부분(324) 및 제2 외측 부분(326)은 둘 모두 광을 거의 동일한 각도로 방향전환시키지만; 제1 외측 부분(324)은 (중심 광축(334)에 대해) 축외로(off-axis) 광을 추가로 방향전환시킨다.
도 4a 내지 도 4d는 예시적인 광 편향 요소들의 일련의 평면도들이다. 도 4a 내지 도 4d는 광 편향 요소들의 일부 예시적인 구성들; 특히, 광 편향 요소들의 중심 및 외측 부분들의 기하학적 구조들 및 상대적 크기들을 도시한다. 이들은 특징적인 치수(r)를 가지며, 여기서 r은, 중심 광축(중심점에 의해 표시됨)이 광 편향 요소와 교차하고 중심 부분과 외측 부분 사이의 경계까지 최소 거리만큼 연장되는 위치로부터, 측정된다. 외측 부분은 광 편향 요소의 전체 외측 에지에 근접할 필요는 없다는 것에 유의한다.
도 5a 내지 도 5d는 광학 장치에서의 광 편향 요소들의 예시적인 구성들의 일련의 평면도들이다. 이 도면들은 이용가능한 설계 가능성들의 부분집합을 도시하며, 이는 응용-특정 요구들에 기초하여 맞춤화될 수 있다. 도시된 광 편향기들은 점으로서 제공된 중심 광축을 기준으로 위치설정된다. 대칭 또는 비대칭 구성들로 배열된, 임의의 수의 광 편향 요소들이 가능하다. 일부 실시 형태에서, 광 편향 요소들은 만곡된 부분들을 포함할 수 있다. 광 편향 요소들의 선택 및 위치설정은 원하는 광 출력 및 응용에 궁극적으로 의존한다.
본 명세서에 기재된 실시 형태들에 대한 응용들은 램프들 및 조명기구들을 포함한다. 또한, 일부 실시 형태는 간판(실내 또는 실외)과 같은 광고 목적들, 특정 제품에 대한 주의를 끌거나 선반 위 또는 냉각기 내의 특정 제품의 위치 파악을 돕기 위한 조명을 포함하는 상업적 용도들에 대해 유용할 수 있다. 일부 실시 형태는 경로를 따르는 또는 벽을 따르는 것과 같이, 장식용 광을 제공하는 데 유용할 수 있다. 일부 실시 형태는 작업등, 예를 들어, 동굴 또는 광산과 같은 어두운 주변 환경들에서의 온디맨드식의 조명을 위한 헤드 마운트형 조명에서 사용될 수 있다.
하기는 본 개시내용에 따른 예시적인 실시 형태들이다.
항목 1. 광학 장치로서,
적어도 제1 상태 및 제2 상태를 가질 수 있는 전기적 스위칭가능 확산기;
전기적 스위칭가능 확산기에 근접하게 배치된 적어도 하나의 광 편향 요소; 및
전기적 스위칭가능 확산기에 근접하게 배치되고 광 편향 요소에 대향하여 배치된 시준된 광원을 포함하며,
시준된 광원은 전원공급 상태에서, 중심 광축을 갖고 약 40도 이하의 최소 각도 폭을 갖는 입력 광 원뿔을 생성하도록 구성되고;
시준된 광원으로부터의 광의 적어도 일부는, 전기적 스위칭가능 확산기가 제1 상태가 아닌 제2 상태에 있을 때, 광 편향 요소 상에 입사하는, 광학 장치.
항목 2. 항목 1의 광학 장치로서, 제1 상태는 투명 상태인, 광학 장치.
항목 3. 항목 1의 광학 장치로서, 시준된 광원은 약 40도 초과의 각도 폭을 갖지 않는 입력 광 원뿔을 생성하도록 구성되는, 광학 장치.
항목 4. 항목 1의 광학 장치로서, 전기적 스위칭가능 확산기와 적어도 하나의 광 편향 요소는 평행하지 않은, 광학 장치.
항목 5. 항목 1의 광학 장치로서, 전기적 스위칭가능 확산기는 스멕틱 A를 포함하는, 광학 장치.
항목 6. 항목 1의 광학 장치로서, 전기적 스위칭가능 확산기의 적어도 일부는 만곡되는, 광학 장치.
항목 7. 항목 1의 광학 장치로서, 적어도 하나의 광 편향 요소의 적어도 일부는 만곡되는, 광학 장치.
항목 8. 항목 1의 광학 장치로서, 적어도 하나의 광 편향 요소는 미세구조화된 표면을 포함하는, 광학 장치.
항목 9. 항목 1의 광학 장치로서, 적어도 하나의 광 편향 요소는 반사기를 포함하는, 광학 장치.
항목 10. 항목 1의 광학 장치로서, 적어도 하나의 광 편향 요소는 확산기를 포함하는, 광학 장치.
항목 11. 광학 장치로서,
적어도 제1 상태 및 제2 상태를 가질 수 있는 전기적 스위칭가능 확산기;
전기적 스위칭가능 확산기에 근접하게 배치된 실질적으로 평면인 광 편향 요소; 및
전기적 스위칭가능 확산기에 근접하게 배치되고 광 편향 요소에 대향하여 배치된 시준된 광원을 포함하며,
시준된 광원은 전원공급 상태에서, 중심 광축 및 약 40도 이하의 각도 폭을 갖는 입력 광 원뿔을 생성하도록 구성되고;
광 편향 요소는, 중심 광축으로부터 중심 부분의 에지까지 측정되는 최소 반경(r)을 갖는 중심 부분, 및 중심 부분을 포함하지 않는 외측 부분을 포함하고;
광 편향 요소는, 중심 광축을 따라 측정되는, 스위칭가능 확산기로부터의 거리(l)에 배치되고;
외측 부분은 입사광을 방향전환시키지만, 중심 부분은 적어도 하나의 광 편향 요소 상에 입사하는 시준된 광원으로부터의 광에 대해 실질적으로 방향전환시키지 않고;
l은 r보다 크거나 그와 실질적으로 동일한, 광학 장치.
항목 12. 항목 11의 광학 장치로서, 중심 부분은 공기를 포함하는, 광학 장치.
항목 13. 항목 11의 광학 장치로서, l은 2r보다 크거나 그와 실질적으로 동일한, 광학 장치.
항목 14. 항목 11의 광학 장치로서, 광 편향 요소의 외측 부분은 광 편향 요소의 전체 외측 에지에 근접하는, 광학 장치.
항목 15. 항목 11의 광학 장치로서, 외측 부분도 포함하지 않고 중심 부분도 포함하지 않는 제2 외측 부분을 추가로 포함하며, 제2 외측 부분은 시준된 광원으로부터 입사광을 방향전환시키는, 광학 장치.
항목 16. 광학 장치로서,
적어도 제1 상태 및 제2 상태를 가질 수 있는 전기적 스위칭가능 확산기;
전기적 스위칭가능 확산기에 근접하게 배치된 실질적으로 평면인 광 편향 요소; 및
전기적 스위칭가능 확산기에 근접하게 배치되고 광 편향 요소에 대향하여 배치된 시준된 광원을 포함하며,
시준된 광원은 전원공급 상태에서, 중심 광축 및 약 40도 이하의 각도 폭을 갖는 입력 광 원뿔을 생성하도록 구성되고;
광 편향 요소는 중심 부분, 및 중심 부분을 포함하지 않는 적어도 하나의 외측 부분을 포함하고 - 중심 부분 및 적어도 하나의 외측 부분은 적어도 부분적으로 경계를 공유함 -;
경계에서의 중심 부분과 적어도 하나의 외측 부분 사이에서, 시준된 광원으로부터 광 편향 요소 상에 입사하는 광의 광 편향의 급격한 변화가 있는, 광학 장치.
항목 17. 항목 16의 광학 장치로서, 광 편향의 급격한 변화는 광 산란의 불연속적인 변화가 있음을 의미하는, 광학 장치.
항목 18. 항목 16의 광학 장치로서, 광 편향의 급격한 변화는 중심 광축에 대한 광 편향 방향의 불연속적인 변화가 있음을 의미하는, 광학 장치.
항목 19. 항목 16의 광학 장치로서, 광 편향의 급격한 변화는 편향 각도에서 10도 초과의 불연속적인 변화가 있음을 의미하는, 광학 장치.
항목 20. 항목 16의 광학 장치로서, 광 편향의 급격한 변화는 반사율에서 10% 초과의 불연속적인 변화가 있음을 의미하는, 광학 장치.
도면 내의 요소에 대한 설명은 달리 지시되지 않는 한 다른 도면 내의 대응하는 요소에 동등하게 적용되는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명은 전술한 특정 실시 형태들로 제한되는 것으로 간주되어서는 안 되는데, 그 이유는, 본 발명의 다양한 양태들의 설명을 용이하게 하기 위하여 그러한 실시 형태들이 상세히 기술되어 있기 때문이다. 오히려, 본 발명은 첨부된 청구범위 및 그 등가물들에 의해 한정되는 본 발명의 범주 내에 속하는 다양한 변형들, 등가의 공정들, 및 대안적인 디바이스들을 포함한 본 발명의 모든 양태들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

Claims (10)

  1. 광학 장치로서,
    적어도 제1 상태 및 제2 상태를 가질 수 있는 전기적 스위칭가능 확산기(electrically switchable diffuser);
    전기적 스위칭가능 확산기에 근접하게 배치된 적어도 하나의 광 편향 요소; 및
    전기적 스위칭가능 확산기에 근접하게 배치되고 광 편향 요소에 대향하여 배치된 시준된 광원(collimated light source)을 포함하며,
    시준된 광원은 전원공급 상태에서, 중심 광축을 갖고 약 40도 이하의 최소 각도 폭을 갖는 입력 광 원뿔(input light cone)을 생성하도록 구성되고;
    시준된 광원으로부터의 광의 적어도 일부는, 전기적 스위칭가능 확산기가 제1 상태가 아닌 제2 상태에 있을 때, 광 편향 요소 상에 입사하는, 광학 장치.
  2. 제1항에 있어서, 제1 상태는 투명 상태인, 광학 장치.
  3. 제1항에 있어서, 전기적 스위칭가능 확산기와 적어도 하나의 광 편향 요소는 평행하지 않은, 광학 장치.
  4. 제1항에 있어서, 적어도 하나의 광 편향 요소의 적어도 일부는 만곡되는, 광학 장치.
  5. 제1항에 있어서, 적어도 하나의 광 편향 요소는 미세구조화된 표면을 포함하는, 광학 장치.
  6. 제1항에 있어서, 적어도 하나의 광 편향 요소는 반사기를 포함하는, 광학 장치.
  7. 광학 장치로서,
    적어도 제1 상태 및 제2 상태를 가질 수 있는 전기적 스위칭가능 확산기;
    전기적 스위칭가능 확산기에 근접하게 배치된 실질적으로 평면인 광 편향 요소; 및
    전기적 스위칭가능 확산기에 근접하게 배치되고 광 편향 요소에 대향하여 배치된 시준된 광원을 포함하며,
    시준된 광원은 전원공급 상태에서, 중심 광축 및 약 40도 이하의 각도 폭을 갖는 입력 광 원뿔을 생성하도록 구성되고;
    광 편향 요소는, 중심 광축으로부터 중심 부분의 에지까지 측정되는 최소 반경(r)을 갖는 중심 부분, 및 중심 부분을 포함하지 않는 외측 부분을 포함하고;
    광 편향 요소는, 중심 광축을 따라 측정되는, 스위칭가능 확산기로부터의 거리(l)에 배치되고;
    외측 부분은 입사광을 방향전환시키지만, 중심 부분은 적어도 하나의 광 편향 요소 상에 입사하는 시준된 광원으로부터의 광에 대해 실질적으로 방향전환시키지 않고;
    l은 r보다 크거나 그와 실질적으로 동일한, 광학 장치.
  8. 제7항에 있어서, 중심 부분은 공기를 포함하는, 광학 장치.
  9. 제7항에 있어서, 외측 부분도 포함하지 않고 중심 부분도 포함하지 않는 제2 외측 부분을 추가로 포함하며, 제2 외측 부분은 시준된 광원으로부터 입사광을 방향전환시키는, 광학 장치.
  10. 광학 장치로서,
    적어도 제1 상태 및 제2 상태를 가질 수 있는 전기적 스위칭가능 확산기;
    전기적 스위칭가능 확산기에 근접하게 배치된 실질적으로 평면인 광 편향 요소; 및
    전기적 스위칭가능 확산기에 근접하게 배치되고 광 편향 요소에 대향하여 배치된 시준된 광원을 포함하며,
    시준된 광원은 전원공급 상태에서, 중심 광축 및 약 40도 이하의 각도 폭을 갖는 입력 광 원뿔을 생성하도록 구성되고;
    광 편향 요소는 중심 부분, 및 중심 부분을 포함하지 않는 적어도 하나의 외측 부분을 포함하고 - 중심 부분 및 적어도 하나의 외측 부분은 적어도 부분적으로 경계를 공유함 -;
    경계에서의 중심 부분과 적어도 하나의 외측 부분 사이에서, 시준된 광원으로부터 광 편향 요소 상에 입사하는 광의 광 편향의 급격한 변화가 있는, 광학 장치.
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