KR20180043363A - 인공 스카이라이트 및 방법 - Google Patents

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KR20180043363A
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신 플린
조나단 클락
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이너시네, 인크.
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Abstract

인공 스카이라이트는 일반적으로 적어도 하나의 광원, 적어도 하나의 제1 시준기, 프리즘 시트, 및 적어도 하나의 투과성 물질을 포함한다. 적어도 하나의 제1 시준기는 적어도 하나의 광원으로부터 광을 시준하도록 구성된다. 프리즘 시트는 적어도 하나의 제1 시준기에 인접하게 배치되고, 적어도 하나의 제1 시준기로부터 수신된 시준 광을 반사 및 굴절시키도록 구성된다. 상기 적어도 하나의 투과성 물질은 프리즘 시트에 인접하여 배치되고 광을 확산적으로 방사하도록 구성된다.

Description

인공 스카이라이트 및 방법
본 출원은 2015년 9월 16일자로 출원된 미국 가출원 제62/219,419호 및 2015년 11월 11일자로 출원된 미국 가출원 제62/253,944호에 대한 우선권을 주장하며, 그 전체 내용이 본 명세서에 참고로 포함된다.
개시된 시스템 및 방법은 무한대로 설정된 가상 태양과 함께 현실적인 외관의 인공적으로 생성된 하늘을 제공하는 합성 스카이라이트(synthetic skylight)를 제공한다.
스카이라이트는 지붕에 접근하는 경우 종종 방 또는 사무실을 위한 조명의 바람직한 선택이다. 그러나, 접근이 가능할지라도 지붕을 변경하는 비용이 높을 수 있고, 특히 기존 구조물 및 유틸리티를 우회해야하는 경우 특히 높을 수 있다. 스카이라이트는 다른 수많은 도전을 제공한다; 빛의 양은 다양하고, 쉽게 조절할 수 없으며, 하루 중 다른 시간에 원하지 않는 번쩍임이 생길 수 있고, 마지막으로 태양광에서 발견되는 자외선은 사람과 건물에 해로울 수 있다.
따라서, 하늘의 넓은 관측 시야(FOV)와 함께 일반적인 천장(일반적으로 천장 패널과 바닥 사이의 높이가 8인치 미만)의 경계 내에 설치할 수 있는 소형의 스카이라이트이 사업 또는 가정 사용자에게 제어된 휘도의 이점이 추가되어 자연광의 알려진 정신적인 이점을 즐기기 위한 실용적인 수단을 제공한다.
일부 실시예에서, 스카이라이트는 적어도 하나의 광원, 적어도 하나의 제1 시준기(collimator), 프리즘 시트, 및 적어도 하나의 투과성 물질을 포함한다. 상기 적어도 하나의 제1 시준기는 적어도 하나의 광원으로부터의 광을 시준하도록 구성된다. 상기 프리즘 시트는 적어도 하나의 제1 시준기에 인접하게 배치되고, 상기 적어도 하나의 제1 시준기로부터 수신된 시준된 광을 반사 및 굴절시키도록 구성된다. 상기 적어도 하나의 투광성 물질은 상기 프리즘 시트에 인접하여 배치되고, 광을 분산적으로 방사하도록 구성된다.
일부 실시예에서, 방법은 적어도 하나의 광원으로부터 방출된 광을 시준하여제1 시준 광을 제공하는 단계, 상기 제1 시준 광을 굴절시켜 굴절된 광을 제공하는 단계, 상기 굴절된 광을 확산시켜 확산 광을 제공하는 단계, 및 상기 확산 광을 반사시키는 단계를 포함한다.
개시된 시스템 및 방법의 특정 실시예는 첨부된 도면을 참조하여 예로서 기술되며, 동일한 부분은 동일한 참조 번호로 나타낸다:
도 1은 일부 실시예에 따른 스카이라이트의 일례를 나타낸 단면도이며, 광원으로부터 발생된 광이 시준되고 부분적으로 투과되는 반면 이어서 반사되는 프리즘 시트 상으로 향하게 되는 방법을 보여준다. 상기 반사되고 투과된 광은 컬러 필터에 의해 스펙트럼적으로 시프트된 후 동일한 프리즘 시트를 통해 관찰자로 다시 향하게 한다.
도 2는 다수의 광학 가이드에 의해 시스템으로 광을 중계하는 다른 수단 및 광 패널에 의해 확산 광을 제공하는 다른 수단을 포함하는 일부 실시예에 따른 인공 스카이라이트의 다른 예를 나타낸 단면도이다.
도 3a는 일부 실시예에 따라 프리즘 시트 내의 프리즘의 면각도(facet angle)가 반사각을 제어하는 방법의 일례를 나타내는 상세도이다.
도 3b는 일부 실시예에 따라 유전체 코팅을 프리즘 시트 물질에 적용함으로써 정반사(specular reflection)가 증가될 수 있는 방법의 일례를 나타내는 상세도이다.
도 4a는 시준 광이 다수의 광 가이드로 향하게 하는 시스템의 일례를 나타낸 개략적인 평면도이고, 후속하여 일부 실시예에 따라 광을 시준 렌즈 어레이 및 광 패널로 전달한다.
도 4b는 일부 실시예에 따라 광 패널 및 라인 광 섀시(line light chassis)와 인터페이스(interface)하는 광 가이드의 일례를 나타낸 사시도이다.
도 5는 일부 실시예에 따라 시준 렌즈의 중심 축의 좌우로 라인 광을 이동시킴으로써 시준 빔의 방향이 이동될 수 있는 것을 나타낸 개략도이다.
도 6은 일부 실시예에 따라 천장에 설치되는 인공 스카이라이트의 사시도이다.
도 7은 일부 실시예에 따라 광 패널에 광을 중계하기 위한 LED 어레이를 포함하는 인공 스카이라이트의 다른 예를 나타낸 단면도이다.
도 8a는 일부 실시예에 따라 3개의 다른 색의 광원으로부터의 광이 포물선 반사기에 의해 시준 및 결합될 수 있어, 이들이 다수의 가이드로 주입되기 전에 프리즘에 의해 공통의 광학 경로로 병합되는 방법의 일례를 나타낸 개략도이고, 후속하여 광을 시준 렌즈 어레이로 전달한다.
도 8b는 일부 실시예에 따라 3개의 다른 색의 광원으로부터의 광이 포물선 반사기에 의해 시준 및 결합될 수 있어, 이들이 복수의 가이드로 주입되기 전에 프리즘에 의해 공통의 광학 경로로 병합되는 방법의 다른 예를 나타낸 개략도이고, 후속하여 광을 광 패널로 전달한다.
도 9는 도 8a 및 도 8b에 나타낸 두개의 개별 광원으로부터 광이 시스템으로 전달되어, 하나의 광원은 특히 시준 렌즈 어레이로 조명을 제공하는 반면, 다른 광원은 광 패널로 조명을 제공하는 방법의 일례를 나타낸 단면도이다.
도 10a는 일부 실시예에 따라 확산 패널에 인접하여 그리고 확산 패널로부터 이격되어 배치된 코팅되지 않은 프리즘 시트를 포함하는 인공 스카이라이트의 일례를 나타낸 단면도이다.
도 10b는 일부 실시예에 따라 확산 패널에 인접하고 확산 패널로부터 이격되어 배치된 코팅되지 않은 프리즘 시트를 포함하는 인공 스카이라이트의 다른 예를 나타낸 단면도이다.
도 11a는 일부 실시예에 따라 반사 표면에 인접하여 배치되고 반사 표면으로부터 이격되어 배치된 프리즘 시트의 일례를 나타낸 단면도이다.
도 11b는 일부 실시예에 따라 반사 표면에 인접하여 배치되고 반사 표면으로부터 이격된 프리즘 시트의 다른 예를 나타낸 단면도이다.
도 12a는 일부 실시예에 따라 광원으로부터 나오는 광을 폴딩(folding)하는 프리즘의 일례를 나타낸다.
도 12b는 도 12a에 도시된 프리즘 내의 광의 미광선(stray ray)이 일부 실시예에 따라 확산 광으로 프리즘을 빠져나가는 방법의 일례를 나타낸다.
도 13은 일부 실시예에 따라 광을 시준하기 위한 포물선 표면을 갖는 프리즘의 다른 예를 도시한다.
도 14는 일부 실시예에 따라 광 경로를 폴딩하기 위한 포물선 시준기에 결합된 반사면의 일례를 도시한다.
도 15는 일부 실시예에 따른 정반사체 인클로저(enclosure)로부터 반사되는 광의 일례를 도시한다.
도 15a는 일부 실시예에 따른 반사 인클로저 내에서의 미광의 확산의 일례를 도시한다.
도 16은 일부 실시예에 따라 미광이 인접 인클로저 상에 침입하는 것을 방지하기 위한 오클루젼 패널(occlusion panel)의 일례를 도시한다.
도 17은 일부 실시예에 따른 단일 광원을 갖는 실시예의 일례를 도시한다.
도 18a 및 18b는 일부 실시예에 따른 시준형 프레넬 렌즈(Fresnel lens)가 없는 스카이라이트의 일례를 도시한다.
본 명세서는 첨부된 도면과 관련하여 읽히도록 의도되었으며, 이는 첨부된 도면 전체의 일부분으로 간주되어야한다. 도면은 반드시 일정한 스케일이 아니며, 본 발명의 특정 특징은 명료함 및 간결함을 위해 스케일 또는 다소 개략적으로 과장되게 도시될 수 있다. 본 명세서에서, "수평적(horizontal)", "수직적(vertical)", "상향(up)", "하향(down)", "상부(top)" 및 "하부(bottom)"와 같은 상대적인 용어 및 그 파생어(예를 들어, "수평적으로(horizontally)", "하향(downwardly)", "상향(upwardly)" 등)은 설명된 방향 또는 논의 중인 도면에 표시된 방향을 나타내는 것으로 해석되어야 한다. 이러한 관련된 용어는 설명의 편의를 위한 것이며, 일반적으로 특정 방향을 요구하기 위한 것이 아니다. "내측" 대 "외측", "세로의" 대 "측면의" 등을 포함하는 용어는 서로에 대해 또는 연신축, 회전축 또는 회전 중심에 대해 상대적으로 해석되어야 한다. "연결" 및 "상호 연결"과 같은 부착물, 결합 등과 관련된 용어는 달리 명시하지 않는 한, 구조가 중간 구조를 통해 직접적 또는 간접적으로 서로 고정되거나 부착되는 관계뿐만 아니라, 이동식 또는 강성 부착물 또는 관계를 나타낸다. "작동 가능하게 연결된(operatively connected)"이라는 용어는 해당 구조물이 해당 관계 때문에 의해 의도된대로 작동할 수 있도록 하는 부착물, 결합부 또는 연결부이다. 청구범위에서, 수단-플러스-작용 절은 사용되거나 암시되는 경우 구조적 등가물뿐만 아니라 등가 구조물을 포함하여 인용된 기능을 수행하기 위해 작성된 상세한 설명 또는 도면에 의해 명백하게 설명, 제안 또는 제시된 구조를 포함하도록 의도된 것이다.
시스템 및 방법의 개시된 실시예는 가상 태양 광원 및 확산 청색 하늘의 생성을 가능하게 하여, 태양에 가까운 고도로 시준된 광과 함께 하늘에 가까운 확산 조명을 제공하는 문제점을 방지할 수 있다. 또한, 개시된 시스템은 자연스러운 주변 광없이 사무실 공간 또는 다른 방에 설치될 수 있도록 일반적인 천장 공동 내에 설치될 수 있을 정도로 소형이다. 개시된 시스템 및 방법은 또한 청색 하늘이 넓은 시야에 걸쳐 관찰될 수 있는 방법으로 확산 스카이라이트로부터 시준된 태양 광을 분리시킨다.
일부 실시예에서, 개시된 시스템 및 방법은 사실적인 외관을 갖는 청색 또는 다른 색의 기본 설정(default setting)을 포함할 수 있는 합성 하늘을 관찰자에게 제공한다. 일부 실시예에서, 인공 스카이라이트는 무한대로 광학적으로 설정된 사실적인 태양, 예를 들어 물체상의 임의의 지점으로부터의 광선이 실질적으로 평면 인 파면으로서 눈에 들어올 정도로 넓은 거리를 제공하도록 구성된다. 이러한 인공 스카이라이트는 설계자와 조명 엔지니어에게 거주 공간을 보완하기 위해 잘 정의 된 빛과 그림자의 샤프트와 같은 새롭거나 얻을 수 없는 조명 효과를 생성하는 옵션을 제공한다. 또한, 많은 사무실과 방은 외부 세계에 대한 명백한 시야가 없을 때 폐쇄 공포증으로 보일 수 있지만, 공개된 인공 스카이라이트의 실시예는 이러한 문제를 완화하고 지역을 상대적으로 매력있게 만들 수 있다. 마지막으로, 특히 겨울철과 고위도 지역에서 충분한 태양광을 받는 심리적 효과는 잘 입증되어 있으며, 이의 부재는 감수성의 사람들에게 계절성 감정 장애(SAD)를 유발할 수 있음이 일반적으로 인정된다. 광범위한 스펙트럼의 인공 조명을 사용하여 시뮬레이션된 햇빛을 제공하는 종래의 방법은 요구되는 높은 럭스 레벨(lux level)을 고려할 때 항상 실용적이지는 않지만, 개시된 시스템 및 방법에 의해 제공되는 바와 같이 분리되고 단단히 집중된 인공 태양 광선에 노출은 광원에 근접하게 서 있거나 전체 방의 럭스 레벨을 높이는 것 없이 사람들로 하여금 필요한 럭스를 받게 한다.
일부 실시예에서, 인공 스카이라이트는 광원의 일차원 어레이, 예를 들어 발광 다이오드(LED), 및 시준 렌즈의 일차원 어레이, 예를 들어 프레넬 렌즈를 포함하여, 각각의 렌즈가 광원 중 하나로부터 광을 시준할 수 있다. 다면적인 투명 프리즘 시트와 같은 복수의 각진 반사 표면은 시준 렌즈로부터 실질적으로 시준된 광선이 입사되는 곳에서 제공된다. 한 세트의 오클루전 패널(occlusion panel)은 인접하는 광원들로부터 이를 차폐함으로써 하나의 광원이 임의의 주어진 시준 렌즈를 포함하도록 구성되고, 확산 광을 방출하는 표면이 또한 제공된다. 일부 실시예에서, 확산 광은 면을 가진 프리즘을 통해 투과되는 하늘에 가까운 청색 광이다. 일부 실시예에서, 오클루전 패널은 베이클라이트(bakelite)와 같은 복합 물질로 형성되지만, 당업자는 다른 불투명한 물질이 사용될 수 있음을 이해할 것이다.
일부 실시예에서, 광의 어레이는 백색 LED이고; 그러나, 일부 실시예에서, 광의 어레이는 각각 약 8mm 직경일 수 있는 광학 광 가이드의 종단점이다. 당업자는 광 가이드가 8mm보다 크거나 작은 직경으로 제공될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 시준 렌즈는 인접한 어레이의 일부이며, 이들 특정 LED로부터 광을 시준(collimate)하여, 태양 광과 관련이 있는 광의 넓고 평행한 빔이 "프리즘 시트"로 불리는 복수의 프리즘 면을 지닌 시트 물질 상에 입사된다. 아크릴과 같은 실질적으로 투명한 물질로 형성되는 프리즘 시트는 가상 태양을 생성하기 위해 반사에 의해 관찰자를 향해 광의 평행한 빔을 다시 향하게 한다(redirect). 또한, 프리즘 시트는 이를 구성하는 프리즘 면의 각도에 따라 반사된 광의 각도에 영향을 미치므로, 적절한 프리즘 면의 각도를 선택함으로써 태양광의 가상 빔의 각도가 제어될 수 있다. 일 실시예에서, 반사광의 정도는 다른 물질 및 두께가 사용될 수 있지만, 대략 50 nm 두께의 산화 티타늄("Ti02")과 같은 유전체 코팅의 적용에 의해 향상된다.
일부 실시예에서, 복수의 광 어레이는 각각의 시준 렌즈가 복수의 광 중 각각으로부터 광을 수신하도록 보장하기 위해 각각의 시준 렌즈 사이에 배치되는 약 0.5 mm 두께의 물질로 제조되는 "오클루전 패널"을 포함한다. 이러한 공정에 의해, 하나의 가상 태양은 관찰자에 의해 감지된다.
가상 하늘은 실질적으로 투명한 프리즘 시트를 통해 확산 광을 방사함으로써 생성된다. 프리즘 시트의 상부 또는 하부에 위치하는 독립적인 광 패널의 사용에 의해 증가될 수 있지만, 전술한 일차원 광 어레이(이하, "라인 광(line light)"이라 함)는 또한 개시된 시스템에서의 확산 조명의 광원이다. 광 패널은 변화하는 하늘 상태를 시뮬레이션하기 위해 동적으로 변화하는 확산 유색 광을 방출하는데 사용될 수 있다.
일부 실시예에서, 프리즘 시트 상에 입사되는 백색 시준 광을 확산 청색광으로 변환하는 것은 프리즘 시트의 프리즘 면을 통해 프리즘 시트에 의해 반사되지 않는 시준 광, 예를 들어 굴절된 광을 투과시키는 단계 및 프로스팅 코트(frosting coat)의 적용에 의해 생성된 확산층에 의해 평면을 통해 투과되는 굴절 광으로서의 광을 확산시키는 단계를 포함한다. 당업자는 확산층이 예를 들어, 표면 거칠기에 의해 생성된 프리즘 시트에 필수적인 특성일 수 있음을 인지할 것이다. 그 후, 확산된 광은 일반적으로 약 7000K에서 스펙트럼의 청색 단부 방향으로 이를 바이어스시키는 컬러 필터를 통해 투과된다. 다음, 확산 광은 확산 광을 전술한 컬러 필터 및 프리즘 시트를 통해 후방으로 광을 다시 향하게 하는 필터 뒤의 반사층을 때려, 확산 청색 배경으로서 그 자체를 제공한다.
다시 향하게된 광을 확산시키기 위한 다른 옵션들 및 배열들이 또한 존재할 수 있고, 청색 이외의 필터들이 사용될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
도 1을 참조하면, 점 광원(1)의 선형 어레이가 프레넬 렌즈와 같은 복수의 렌즈(2)에 의해 실질적으로 시준되는 것을 도시한다(예를 들어, 광원(1) 당 하나의 렌즈(2)). 각각의 렌즈(2)는 부분 반사 프리즘 시트(5)에 각각의 점 광원(1)으로부터 광(3)을 시준하고 향하게 한다. 정반사되지 않은 광은 프리즘 시트를 포함하는 투명 매체(아크릴 물질을 포함하는 매체)를 통해 투과되고, 프리즘 시트(5)의 평면 측(6)을 출사(exit)하면서 확산된다. 프리즘 시트(5)의 평면 측(6)을 통과한 광은 프리즘 시트(5)에 인접하게 배치되고 스펙트럼의 청색 단부 방향으로 광을 바이어스시키는 컬러 필터(7)를 통해 투과된다. 반사 패널(8)은 컬러 필터(7)에 인접하게 배치되고, 컬러 필터(7) 및 확산기를 통해 후방으로 컬러 필터(7)로부터 수신된 광을 다시 향하게 하여(따라서 광이 고도로 확산됨) 프리즘 시트(5)를 통해 최종적으로 출사하고, 따라서 확산 청색 하늘로서 자체를 제공한다.
일부 실시예에서, 컬러 필터와 확산기는 착색된 확산기가 상기 프리즘 시트 뒤에 배치되거나 확산 착색 필름이 프로스 효과(frost effect) 코팅을 스프레이 방식으로 프리즘 시트의 평면 측에 직접 적용되도록 하기 위해 결합될 수 있다. 확산기와 필터의 또 다른 결합은 질감이 있거나 "거친(roughened)" 프리즘 시트의 평면 측을 포함하여 광을 확산시키고, 프리즘 시트를 포함하는 물질은 몰딩 공정 중 염료의 도입 또는 알려진 착색 기술 중 하나을 이용하여 기초 물질을 착색함으로써 청색 또는 임의의 원하는 색으로 착색되게 한다. 도 1에는 도시되지 않았지만, 유리와 같은 투명 기판이 프레넬 렌즈(2)의 폭에 의한 바와 같이 프리즘 시트(5)로부터 이격된 위치에 배치될 수 있어, 스카이라이트는 반사 표면(8)과 프리즘 시트(5) 사이의 밀봉된 내부를 포함한다. 이러한 투명 기판(20)의 일례를 도 6에 나타낸다.
도 2를 참조하면, 이는 인공 스카이라이트의 다른 배열을 도시하고, 점 광원(1)이 광 파이프(9-1)의 종단점으로 나타내며, 하늘의 확산 광은 엣지 릿 광 패널(edge lit light panel, 10)에 의해 증대되고, 일부 실시예에서 이는 또한 광 파이프(9-2)에 의해 조명되며, 프리즘 시트(5) 바로 뒤(또는 직접 인접하게)에 배치된다. 엣지 릿 광 패널(10)은 내부로부터의 광을 분리하고 모든 방향으로 광을 확산적으로 방출할 수 있는 웨이브 가이드(wave guide)일 수 있다. 일부 실시예에서, 광 패널(10)은 컬러 필터(7)가 생략될 수 있지만 옵션으로 남아 있도록 LED(22) 어레이(도 7에 도시된 바와 같음)에 의해 생성된 청색(또는 다른 색) 광을 전달한다. 프리즘 시트를 통해 투과하는 렌즈(2)로부터의 광은 낭비되지 않고, 광 패널에 의해 운반되는 광의 럭스 레벨을 증가시키는 역할을 한다는 것을 유의한다.
프리즘 시트(5) 및 광 패널(10) 모두에 광을 전달하기 위해 복수의 광 파이프(9)를 사용하는 또 다른 장점은 장치가 밀봉되어 유지 보수 비용을 감소시킬 수 있다는 것이다. 또한, 도 4a 및 도 4b는 점 광원(들)(1)으로부터 광을 전달하기 위해 광 파이프(9)를 사용하는 방법의 일례를 도시하고, 감소된 유지 보수 조립체를 제공한다. 원격의 부분적으로 시준된 광원(1)은 광 스위치에 인접한 높이에서 벽과 같이 쉽게 접근할 수 있는 위치에 배치될 수 있으며, 도 4a에 도시된 바와 같이 복수의 광 파이프(9)로 광을 전달하도록 구성된다. 광 파이프(9)는 그룹(14)에서의 광 파이프(9)가 도 4b에 도시된 광 패널(10)에 광을 제공하도록 그룹(13, 14)으로 분할될 수 있는 반면, 그룹(13)에서의 광 파이프(9)는 도 4b에 도시된 프레넬 렌즈(2)에 의해 시준되는 광을 향하게 하는 라인 광 지지 패널(21)에 의해 이동 및 지지된다. 도 4a에 도시된 하나 이상의 광원(1) 및 시준기(15)는 이러한 작업을 위해 사용될 수 있음이 이해될 수 있다.
설치되면, 광 파이프(9)는 바람직하게는 제거될 필요가 없다. 방출 광원, 즉 점 광원(1)이 고장나면, 이것만이 교체될 필요가 있다. 따라서, 광원(1)은 편리한 높이에서 벽에 배치될 수 있고, 접근하기 어려운 천장 또는 다른 위치에 배치될 수 있는 스카이라이트용 광을 제공할 수 있다.
그러나, 도 1에 도시된 배열에서와 같이, 국부 광원(들)에 의한 조명이 바람직하다면, 도 6에 도시된 바와 같이 스카이라이트 조립체가 천장에 직접적으로 고정되거나 매달린 천장 내에 간단한 클램프 픽스쳐(fixture)에 의해 장착되도록 설계될 수 있다. 직접적인 전기 조명이 바람직하다면, 장치의 무게가 힌지에 의해 유지되는 동안, 장치는 또한 광에 쉽게 접근할 수 있도록 로프트 도어(loft door)와 같이 힌지 결합될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
도 1과 관련하여 상기한 바와 같이, 개시된 스카이라이트는 유리 시트와 같은 외부 투명 기판(20)(도 6에 도시됨)으로 장착되어 프리즘 시트(5) 및 다른 구성 요소가 스크래치로부터 보호되고 먼지의 침입으로부터 보호될 수 있다. 또한, 오클루전 패널(19)은 인접한 광원들 사이에 위치될 수 있다. 전술한 바와 같이, 오클루전 패널을 위해 다른 물질이 사용될 수 있지만, 오클루전 패널(19)은 베이클라이트와 같은 복합 물질로 제조될 수 있다.
가상 태양 이미지를 참고하여; 선명한 태양 이미지의 각도는 여러 가지 방법으로 변경될 수 있다. 예를 들어, 라인 광은 도 5에 도시된 바와 같이 좌우로 미끄러질 수 있어, 참조 번호 18에 의해 식별되는 바와 같이 태양의 횡방향 이동은 동적이며, 원격으로 변경될 수 있다. 광의 방향성을 제어하는 것이 매우 바람직하다. 예를 들어, 태양 광빛의 샤프트에 의해 매우 선택적이고 매우 완전하게 지역을 조명하도록 하나가 선택될 수 있고, 이는 모서리를 밝힘으로써 전체 조명을 향상시킬 수 있는 이유를 위해 일 수 있거나, 예를 들어 건축가가 공간에 어울리는 깜짝 놀랄만한 효과, 분위기 또는 조명 분위기를 생성하기를 원할 수 있는 심미적 이유를 위해서 일 수 있다. 가상 태양은 하루 종일 광원(1)의 밝기와 색 출력을 제어하는 마이크로 프로세서를 갖는 컨트롤러(controller)를 사용하여 밝기와 색을 동적으로 변경하여 구름 그림자와 현재 시간을 시뮬레이션할 수 있다.
도 3a 및 3b에 도시된 실시예(들)와 같은 일부 실시예에서, 하나 이상의 프리즘 시트는 상이한 각도의 면을 지닌 다른 프리즘 시트를 위해 교환될 수 있다. 이러한 실시예에서, 태양의 세로 방향 각도는 프리즘 각도의 선택을 통해 사용자에 의해 미리 결정되며, 도 3a 및 3b에서 δ로 식별되는 바와 같이 설치 후 프리즘 시트(5)를 교체하여 조정될 수 있다. 도 3a를 참조하여, 여기에서 반사의 움푹 들어간 곳(dint)에 의해 프리즘 시트(5)의 단일 프리즘 면으로부터 광이 반사되는 방법을 알 수 있으며, 이의 입사각(AOI)은 관찰자 방향으로 하기에 의해 바람직하게 변경된다:
180 - 2δ - φ = γ
코팅되지 않은 프리즘 시트의 경우, 반사된 광(3A)은 예를 들어, 혼합된 극성 광을 가정하여, 10°보다 큰 δ 값에 대해 투과부(11A)보다 일반적으로 훨씬 작다. 따라서 반사광은 태양을 시뮬레이션하도록 설계되었기 때문에 특히 밝은 광원이 필요하고, 이는 물질이 실질적으로 투명하더라도 거의 눈부시게 밝아야한다. 따라서, 도 3b에 나타낸 일 실시예에서, TiO2와 같은 유전체 코팅의 추가는 투과 광선(11B)의 강도를 감소시키면서 반사 광선(3B)의 강도를 크게 향상시킨다. 거의 무손실이기 때문에 3B와 11B의 결합된 강도는 정수에 도달한다.
일부 경우에, 코팅되지 않은 프리즘 시트(5), 즉 반사 코팅이 없는 프리즘 시트는 도 10a에 도시된 바와 같이 광 패널(10)에 인접하지만 이격되어 배치됨으로써 대부분의 시준 광(3)을 관찰자 방향으로 향하게 하도록 구성된다. 일부 실시예 에서, 코팅되지 않은 프리즘 시트(5)와 광 패널(10) 사이의 거리는 시준 광학기가 프리즘 시트(5)의 최상부 표면과 광 패널(10)의 최하부 표면 사이에 광을 주입할 수 있도록 한다.
도 10b는 광 패널(10)에 인접하지만 광 패널(10)로부터 이격되어 배치된 코팅되지 않은 프리즘 시트(5)의 다른 예를 도시한다. 도 10b에 도시된 바와 같이, 패널의 매트릭스 내부 또는 표면 상에 레이저 도트(laser dot), 홈(groove), 또는 작은 분산 입자와 같은 광 결합 해제 피쳐(light uncoupling feature, 66)는 TIR 광선의 대부분을 패널(10) 밖으로 방출(65)시키게 한다. 이러한 동일한 피쳐는 가상 태양의 광선(3)의 일부가 산란(64)되게 하여 가상 태양의 디스크(disc)를 부드럽게 한다. 도 10b에 도시된 실시예에서, 렌즈(2)와 같은 시준 광학기는 확산 패널의 최상부 표면 위에 배치되고 프리즘 시트(5)의 최상부 표면의 적어도 일부와 반사 표면(8)의 하부 표면 아래 사이에 배치된다.
프리즘 시트(5)의 굴절 특성에 의해 야기되는 스펙트럼 분산은 도 11a 및 도 11b에 나타낸 바와 같이 보상 광학기(compensating optics)를 도입함으로써 보상될 수 있다. 도 11a는 광선이 프리즘 시트(5)를 투과할 때 광선이 겪는 굴절은 RGB 광선의 바람직한 시준을 원상태로 복귀시키기 위해 프리즘(40)이 프리즘 시트(5)로 광이 들어오기 전에 광을 분산시키도록 구성될 수 있는 방법을 도시한다. 실시예의 다른 비-제한적인 예는 도 11b에 나타낸다. 도 11b에 나타낸 바와 같이, 프리즘 시트(5)는 듀얼 프리즘 표면으로 제공되어, 제2 프리즘 표면(42)이 제1 프리즘 표면(41)에 의해 생성된 스펙트럼 분산을 보상한다.
앞서 언급한 바와 같이, 하늘과 태양의 색을 제어하는 것이 바람직할 수 있다. 일부 실시예들에서, 하늘과 태양의 색은 개개의 조명 수단, 즉 도 7에서의 광원(22) 및 도 9에서의 광원(23, 24)을 제공함으로써 독립적이고 동적으로 제어될 수 있다. 이는 도 8a 및 도 8b에서 추가로 기술되고, 이들 모두는 세개의 색-바이어스된 광원으로부터 광을 기술하고, 하나는 주로 적색 파장(R)을 가지며, 하나는 주로 녹색 파장(G)을 가지고, 하나는 주로 청색 파장(B)을 가지며, 시준을 겪는다. 3개의 색 바이어스된 광원 모두는 서로 약간 이격되어 있고, 이들 각각의 시준 광이 실질적으로 동일한 방향으로 광 파이프로 들어가기 때문에, 상기 컬러 바이어스된 광원으로부터의 광이 결합하고 실질적으로 공통의 광 경로를 채택하도록 프리즘(25)이 이들 각각의 광선을 굴절시키는데 이용된다. 이러한 이유로, 청색-바이어스된 광원은 가장 크게 굴절을 겪도록 배치되지만, 적색-바이어스된 광원은 가장 낮은 굴절을 겪도록 배치된다. 가상 태양으로 광을 운반하는 색-바이어스된 광원(23) 각각의 밝기를 변화시킴으로써, 가상 태양의 색 변화가 관찰될 수 있다. 이의 별개의 조명 수단(24)이 유사하게 변경될 때, 가상 하늘 색의 변화가 관찰될 수 있다. 그러나, 가상 태양 및 하늘을 제공하기 위해 LED 기반 또는 임의의 주어진 광원으로부터 광의 색을 동적으로 변경하기 위한 다른 수단 및 메커니즘이 존재한다는 것은 당업자에 의해 이해될 것이다.
광원과 시준 광학기로부터의 광 경로는 광 경로를 폴딩하여 필요한 초점 길이를 유지하면서 짧아질 수 있다. 일부 실시예에서, 오클루전 패널의 사용은 생략될 수 있다. 예를 들어, 도 12a는 LED 광원과 같은 각각의 광원(1)으로부터 방출되는 광을 접도록 구성된 고체 프리즘(50)의 일례를 도시한다. 다수의 광원(1)을 갖는 일부 실시예에서, 각각의 다수의 프리즘(50)이 구현될 수 있다. 프리즘(50)의 사용은 초점("FP")을 시준 광학기(2)에 더 가깝게 이동시킴으로써 보다 소형의 시준 시스템을 제공하여 실질적으로 스카이라이트의 전체 크기를 감소시킬 수 있다. 반사 코팅(56)은 프리즘(50)의 하나 이상의 표면에 적용되어 광원으로부터의 광을 시준 광학기(2)로 향하게 한다.
프리즘(50)에 들어가기 전에, 광원(1)으로부터의 광선은 부분적으로 시준된다(즉, 계산된 발산의 좁은 빔을 형성하도록 제한됨). 도 12a에 나타낸 프리즘(50)을 아래 방향으로 바라본 도 12b에 도시된 바와 같이(도 12b의 프리즘(50-1)으로 나타냄), 빔 뒤로 발산되는 미광선(52)은 프리즘(50)(50-1)의 측벽(54)에서 반사 및 확산되는 광선(52) 때문에 시준 빔과 같이 인접한 프리즘(50-2) 상에 침범되는 것을 방지한다. 반사는 장애 내부 전반사("FTIR")로부터 발생되고, FTIR은 일부 광이 투과되도록 하기 때문에, 투과되는 부분은 확산층(53)을 통과함에 따라 확산된다.
도 13은 시준 시스템에 사용될 수 있는 프리즘의 다른 예를 도시한다. 도 13에 도시된 바와 같이, 프리즘(51)은 광을 시준하기 위해 프리즘(50)의 굴절 렌즈와 반대로 포물선 표면(55)을 포함한다. 반사 코팅(56)은 도 13에 도시된 바와 같이 적어도 포물선 표면(55)에 적용될 수 있다. 도 14는 TIR이 광 경로를 폴딩하는데 이용되는 경우 반사 코팅(56)이 포물선 시준기에 한정될 수 있는 방법을 도시한다. 당업자는 다른 프리즘 폴딩 시스템이 구현될 수 있다는 것을 이해할 것이다.
또한, 시준 시스템과 광원 사이의 광 경로는 프리즘 이외의 구조를 사용하여 감소될 수 있다. 예를 들어, 도 15는 시준 광학기(2)에 연결되고 광원(1)에 인접하게 배치되는 반사 인클로저(57)의 일례를 도시한다. 일부 실시예에서, 반사 인클로저(57)는 정반사기이다. 도 15a는 부분적으로 투과성인 확산 패널(53)을 배치하여 광의 일부가 확산 적으로 반사되는 반면에 광의 나머지는 확산적으로 투과되도록 함으로써, 관찰자에게 복수의 태양 이미지가 식별할 수 있게 하는 것을 방지하는 반사 인클로저(57) 내 미광(52)이 확산될 수 있는 방법을 도시한다. 일부 실시예에서, 확산 패널(53)은 단지 일부 광에 반대되도록 모든 미광을 확산 반사시키기 위해 불투명할 수 있다. 어느 경우에나, 이러한 확산 패널(53)은 인장 하에 얇은 직물로 제조될 수 있다.
도 16은 반사 인클로저(57) 내의 미광(52)이 오클루전 패널(58)을 사용하여 이웃하는 인클로저에 침입하는 것을 방지할 수 있는 방법을 도시한다. 이러한 경우, 미광(52)은 소멸되거나 확산 반사된 임의의 미광이 광-흡수 매트 표면의 사용으로 인해 가늘어진다. 오클루전 패널(58)은 당업자가 이해할 수 있는 바와 같이 장력 하 얇은 직물 또는 다른 물질로 제조될 수 있다.
도 17은 하나의 광원(1)을 갖는 스카이라이트의 실시예의 일례를 도시한다. 도 17에 도시된 바와 같이, 광원(1)은 광(3)을 확산시키도록 구성된 프리즘 시트(5)에 인접하게 배치된 시준 렌즈(60) 위에 배치된다.
또한, 도 18a 및 도 18b는 프리즘 시트를 반사 평면형 포물선 표면으로 제조함으로써 시준 장치(61)로 프레넬 렌즈 및 프리즘 시트가 결합된 실시예를 도시한다. 예를 들어, 이는 도 18a에서 명백하게 나타나고, 이는 포물선 디자인(62)이 전면(63)에 포함되는 시준 장치(61)의 전방 측면도이다. 도 18b에서, 전면(63)은 실질적으로 평면인 것이 명백하다.
일부 실시예에서, 인공 스카이라이트는 부분 반사 표면에 입사하는 시준 광 및 부분 반사 표면을 통해 투과되는 확산 광을 제공하도록 구성되어, 직접 반사된 광이 태양 광과 같은 원거리 광원을 제안하며, 확산 광은 스카이라이트에 가깝다.
일부 실시예에서, 인공 스카이라이트는 하나의 광원으로부터 광을 각각의 시준 렌즈로 향하게 하기 위해 한 세트의 오클루전 패널을 포함한다. 일부 실시예에서, 부분 반사 표면은 프레넬 프리즘과 같은 프리즘 구조를 포함한다. 일부 실시 예에서, 부분 반사 표면은 실질적으로 정반사를 제공한다.
일부 실시예에서, 인공 스카이라이트는 반사면 및 대향하는 확산면을 모두 운반하는 단일 시트를 포함한다. 일부 실시예에서, 확산면은 평면이다. 일부 실시예에서, 확산 광을 방출하는 표면은 프리즘 시트로부터 분리된다.
일부 실시예에서, 시준 광은 LED와 같은 방사광의 선형 어레이에 의해 생성된다. 일부 실시예에서, 선형 어레이의 광은 방사광의 점광원에 가깝다. 일부 실시예에서, 선형 어레이의 광은 광이 출사되는 광 파이프의 종단점이다.
일부 실시예에서, 인공 스카이라이트는 종단점에 부착된 렌즈를 포함하여 광 파이프로부터 나오는 광 원뿔(light cone)을 제한하여, 각각의 원뿔이 적어도 약간의 스필오버(spillover)로 전체 애퍼처(aperture)에서 시준 렌즈를 감싼다.
일부 실시예에서, 인공 스카이라이트는 프리즘 시트를 통해 투과되는 추가 확산 광을 전달하는 광 패널을 포함한다.
일부 실시예에서, 인공 스카이라이트는 합성 하늘을 생성하기 위해 확산 표면과 후면 반사기 사이에 삽입된 컬러 필터를 포함한다. 일부 실시예에서, 확산 하늘 색은 라이트 패널만으로 제공된다. 일부 실시예에서, 광 파이프는 상기 광 패널에 대한 조명 광원을 제공한다.
일부 실시예에서, 인공 스카이라이트는 프리즘 시트로부터 분리된 확산 표면을 포함한다.
일부 실시예에서, 인공 스카이라이트는 또한 광을 확산시킬 수 있는 컬러 필터를 포함한다.
일부 실시예에서, 인공 스카이라이트는 상기 확산성 페인트가 별도의 컬러 필터의 필요성을 제거하도록 상기 프리즘 시트의 평면 측에 직접 적용되는 확산성 페인트를 갖는 프리즘 시트를 포함한다.
일부 실시예에서, 인공 스카이라이트는 하늘의 색을 착색된 확산 평면을 갖는 프리즘 시트를 포함하여, 굴절 프리즘, 컬러 필터 및 확산기의 기능을 결합할 수 있다.
일부 실시예에서, 가상 태양 및 가상 하늘의 색은 가상 태양의 색이 가상 하늘의 색과 독립적으로 변경될 수 있도록 제어되고, 그 반대의 경우도 각각의 RGB 광원의 밝기를 변경함으로써 제어된다.
일부 실시예에서, 인공 스카이라이트는 먼지로부터 보호하기 위해 스카이라이트 상에 구비된 유리 커버를 포함한다.
일부 실시예에서, 프리즘 시트는 확산기를 포함하지 않고, 가상 태양을 구성하는 시준 광이 프리즘 시트의 면에 의해 관찰자를 다시 향하도록 확산형 광 패널에 인접하지만 이격되어 배치된다.

Claims (16)

  1. 적어도 하나의 광원;
    상기 적어도 하나의 광원으로부터 광을 시준하도록 구성된 적어도 하나의 제1 시준기;
    상기 적어도 하나의 제1 시준기에 인접하게 배치되고 상기 적어도 하나의 제1 시준기로부터 수신된 시준 광을 반사 및 굴절시키도록 구성된 프리즘 시트; 및
    상기 프리즘 시트에 인접하게 배치되고 광을 확산적으로 방사하도록 구성된 적어도 하나의 투과성 물질;을 포함하는 인공 스카이라이트.
  2. 제1항에 있어서, 상기 프리즘 시트는 상기 적어도 하나의 투과성 물질에 직접적으로 인접하여 배치되는 것을 특징으로 하는 인공 스카이라이트.
  3. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 광원은 상기 프리즘 시트와 상기 적어도 하나의 투과성 물질 사이에 광선을 주입하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 인공 스카이라이트.
  4. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 광원은 상기 프리즘 시트와 반사 패널의 적어도 하나의 반사면 사이에 광선을 주입하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 인공 스카이라이트.
  5. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 광원은 어레이로 배열된 복수의 광원을 포함하고, 상기 적어도 하나의 제1 시준기는 시준기의 선형 어레이로 배치된 복수의 제1 시준기를 포함하고, 상기 복수의 제1 시준기 각각은 상기 복수의 광원 중 각각으로부터 광을 시준하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 인공 스카이라이트.
  6. 제5항에 있어서, 상기 복수의 광원 중 인접한 광원 사이에 배치된 오클루전 패널을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 인공 스카이라이트.
  7. 제5항에 있어서, 상기 광원들의 어레이는 상기 시준기의 어레이에 대해 횡방향으로 이동하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 인공 스카이라이트.
  8. 제1항에 있어서,
    제1 단부 및 제2 단부를 갖는 적어도 하나의 제1 광 파이프; 및
    상기 적어도 하나의 광원과 상기 적어도 하나의 제1 광 파이프의 제1 단부에 인접하게 배치된 적어도 하나의 제2 시준기를 더 포함하고, 상기 적어도 하나의 제2 시준기는 상기 적어도 하나의 광원으로부터 상기 적어도 하나의 제1 광 파이프의 제1 단부로 광을 향하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 인공 스카이라이트.
  9. 제8항에 있어서, 상기 적어도 하나의 제1 시준기는 상기 적어도 하나의 광 파이프의 제2 단부에 인접하게 배치되는 것을 특징으로 하는 인공 스카이라이트.
  10. 제9항에 있어서, 제1 단부 및 제2 단부를 갖는 적어도 하나의 제2 광 파이프를 더 포함하고, 상기 적어도 하나의 제2 광 파이프의 제1 단부는 상기 적어도 하나의 광원에 인접하여 배치되고, 상기 적어도 하나의 광원 및 상기 적어도 하나의 제2 시준기로부터 광을 수신하도록 구성되고, 상기 적어도 하나의 제2 광 파이프의 제2 단부는 적어도 하나의 확산기(diffuser) 표면을 포함하는 광 패널에 인접하게 배치되는 것을 특징으로 하는 인공 스카이라이트.
  11. 적어도 하나의 광원으로부터 방출되는 광을 시준하여 제1 시준 광을 제공하는 단계;
    상기 제1 시준 광을 굴절시켜 굴절된 광을 제공하는 단계;
    상기 굴절된 광을 확산시켜 확산 광을 제공하는 단계; 및
    상기 확산 광을 반사시키는 단계를 포함하는 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 제1 시준 광은 적어도 하나의 프리즘 시트에 의해 굴절되는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제11항에 있어서, 상기 적어도 하나의 광원으로부터 방출된 광을 시준하여 제1 시준 광을 제공하기 전에:
    적어도 하나의 제1 광 파이프의 제1 단부에서 상기 적어도 하나의 광원으로부터 방출된 광을 수신하는 단계; 및
    상기 적어도 하나의 제1 광 파이프의 제2 단부로부터 상기 적어도 하나의 광원으로부터 방출된 광을 방출하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    제2 광 파이프의 제1 단부에서 상기 광원으로부터 방출된 광을 수신하는 단계; 및 광 가이드에 인접하게 배치된 상기 제2 광 파이프의 제2 단부로부터 상기 광원으로부터 광을 방출시켜 상기 제2 광 파이프의 상기 제2 단부로부터 방출된 광을 상기 광 가이드에 수신하도록 하는 단계를 더 포함하는 방법.
  15. 제13항에 있어서, 상기 적어도 하나의 제1 광 파이프의 제2 단부로부터 상기 적어도 하나의 광원으로부터 방출된 광을 방출하기 전에 상기 적어도 하나의 광원으로부터 방출된 광을 시준하여 제2 시준 광을 제공하는 단계를 더 포함하는 방법.
  16. 제11항에 있어서, 상기 적어도 하나의 광원은 어레이로 배열된 복수의 광원을 포함하고, 상기 방법은 시준 장치의 어레이에 대해 상기 광원의 어레이를 횡방향으로 이동시키는 단계를 더 포함하는 방법.
KR1020187008930A 2015-09-16 2016-09-08 인공 스카이라이트 및 방법 KR102536758B1 (ko)

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