KR200477083Y1

KR200477083Y1 - 조명 장치

Info

Publication number: KR200477083Y1
Application number: KR2020120007966U
Authority: KR
Inventors: 빅터 표도로비치 게라세브; 알렉산드르 바실리예비치 세메넨코; 세르게이 콘스탄티노비치 시갈라예브; 알렉세이 니콜라예비치 알렉사킨; 이고르 빅토로비치 프로트센코
Original assignee: 오오오 "노브예 에너지티체스키에 테크놀로지"; 골센 리미티드
Priority date: 2012-09-07
Filing date: 2012-09-07
Publication date: 2015-05-04
Anticipated expiration: 2022-09-07
Also published as: KR20140001577U

Abstract

본 고안은 조명 기술에 속한다. 조명 기술의 사용은 거실, 작업실 및 기술적인 공간을 조명하기 위해 발광 다이오드-광원을 사용함으로써 육안으로 감지하기에 편하고, 균일하며, 경제적인 광 전류(lighting current)를 얻을 수 있도록 해준다. 이 경우에는 광원으로부터 방출되는 광속(pencil of rays)이 더 큰 횡단면을 갖는 하나 또는 다수의 방출 광속으로 변형되는 형태에서 기술적인 결과들이 나타날 수 있으며, 방출되는 광속의 명도가 횡단면에 걸쳐서 더 균일한 경우에는 광선의 유입/방출과 관련하여 높은 효율을 보장하면서 방출되는 광속의 사전에 결정된 방향에서도 기술적인 결과들이 나타날 수 있다. 이와 같은 결과는 길게 늘어진 형태로 형성되었고 적어도 하나의 종단면에서는 하나의 베이스(base) 그리고 상기 베이스로부터 출발하여 하나의 피크(peak)로 수렴되는 두 개의 가로 방향 면을 구비한 도광 소자(light guide element)를 포함하는 조명 장치에서 얻을 수 있으며, 이때 각각의 종단면에서 베이스는 도광 소자의 정면에 배치되어 있고, 그리고 상기 도광 소자의 정면에는 상기 정면 내부로 광 전류의 방향을 조정하기 위한 편향 가능한 광원이 배치되어 있으며, 이때 상기 편향 가능한 광원으로부터 출발하는 광 전류의 정렬 방향과 상기 도광 소자의 연장부의 방향 사이에 형성되는 각은 광 전류가 도광 소자의 적어도 하나의 종단면에서 수렴되는 전술된 가로 방향 면들에 의해서 적어도 한 번 내부 전반사(total reflection)를 경험할 수 있는 범위 안에서 그리고 적어도 한 번의 내부 전반사 후에는 광 전류가 상기 수렴되는 가로 방향 면들 중에 하나의 면을 통해 방출될 수 있는 범위 안에서 선택된다. 하나의 독립 청구항, 아홉 개의 종속 청구항 그리고 열 한 개의 도면이 첨부되었다.

Description

조명 장치 {ILLUMINATING DEVICE}

본 고안은 거실, 작업실 및 기술적인 공간을 조명하기 위해 발광 다이오드-광원을 사용함으로써 육안으로 감지하기에 편하고, 균일하며, 경제적인 광 전류(lighting current)를 얻을 수 있도록 해주는 조명 기술 그리고 특히 조명 장치에 관한 것이다.

현재는 균일한 광 전류를 보증하기 위하여 확산에 의한 광 분산(light dispersion) 기술이 적용된 발광 다이오드-광원이 사용되는 조명 장치가 공지되어 있다. 이와 관련해서는 예컨대 러시아 연방의 실용신안 특허 번호 제 95886호(2010년 7월 10일에 공개됨) 및 제 93929호(2010년 5월 10일에 공개됨) 그리고 US-특허 출원 번호 제 2011/0042700호(2011년 2월 24일에 공개됨)가 참조될 수 있다.

상기와 같은 간행물에 개시된 기술적인 해결책들의 단점은, 도광 소자(light guide element)의 재료 내부에 발광 다이오드의 광을 투과시키는 분산 입자가 존재한다는 것이다.

그밖에, 예컨대 러시아 연방의 실용신안 특허 번호 제 95181호(2010년 6월 10일에 공개됨)에 공지된 바와 같이 다양한 렌즈를 이용해서 광 전류를 포커싱(focussing) 하는 내용도 공지되어 있다. 하지만, 이와 같은 포커싱 방식에서는 도광 소자의 재료 내부에 광을 분산시키는 입자가 존재하지 않더라도 임의의 렌즈에서 발생하는 왜곡 현상(광행차 현상; aberration of light) 때문에 균일한 조명이 보증될 수 없다.

본 고안의 과제는,

- 광원의 광속이 상대적으로 더 큰 횡단면을 갖는 하나 또는 다수의 방출 광속으로 변형되도록 보증해주는 것,

- 상기 방출 광속이 횡단면에 걸쳐서 균일한 명도를 갖도록 보증해주는 것,

- 광선의 유입/방출과 관련하여 높은 효율을 보증해주는 것, 그리고

- 상기 방출 광속의 사전에 결정된 방향(들)을 보증해주는 것이다.

상기 과제를 해결하기 위하여, 길게 늘어진 형태로 형성되었고 적어도 하나의 종단면에서는 하나의 베이스(base) 그리고 상기 베이스로부터 출발하여 하나의 피크(peak)로 수렴되는 두 개의 가로 방향 면을 구비한 도광 소자를 포함하는 조명 장치가 제공되었으며, 이때 각각의 종단면에서 베이스는 도광 소자의 정면에 배치되어 있고, 그리고 상기 도광 소자의 정면에는 상기 정면 내부로 광 전류의 방향을 조정하기 위한 편향 가능한 광원이 배치되어 있으며, 이때 상기 편향 가능한 광원으로부터 유래하는 광 전류의 정렬 방향과 상기 도광 소자의 연장 방향 사이의 각은 광 전류가 도광 소자의 적어도 하나의 종단면에서 수렴되는 전술된 가로 방향 면들에 의해서 적어도 한 번 내부 전반사(total reflection)를 경험할 수 있는 범위 안에서 그리고 적어도 한 번의 내부 전반사 후에는 광 전류가 상기 수렴되는 가로 방향 면들 중에 하나의 면을 통해 방출될 수 있는 범위 안에서 선택된다.

본 고안에 따른 조명 장치의 한 가지 실시 예에서, 도광 소자 재료의 굴절률(refractive index) 그리고 광 전류의 확장이 이루어지는 종단면 내부에서 수렴되는 가로 방향 면들 사이에 형성되는 각의 한계 값 및 광 전류가 도광 소자 내부로 유입될 때에 형성되는 각의 범위는 상기 광 전류가 상기 수렴되는 가로 방향 면들 중에 하나의 동일한 면을 통해서 방출되도록 선택될 수 있다.

본 고안에 따른 조명 장치의 한 가지 추가 개선 예에서, 도광 소자는 상기 도광 소자의 내부 영역 중에 광 전류의 확장이 이루어지는 적어도 하나의 종단면 내부에서 상기 도광 소자로부터 광 전류가 방출되는 측에 돌출 부위(convexity)를 구비하면서 일정하게 좁아지는 형상이 형성되도록 구부러진 형태로 구현될 수 있다.

상기 개선 예에서 도광 소자는 일정하게 구부러진 플레이트의 형태로 형성될 수 있으며, 상기 플레이트는 일정하게 좁아지는 형태의 평행 이동(parallel translation)에 의하여 이와 같은 형태의 평면에 대해 수직인 방향에서 얻어졌으며, 그리고 이때 상기 도광 소자의 정면에는 다수의 지향성 광원이 배치될 수 있다. 또는 상기 도광 소자는 회전체의 형태로도 형성될 수 있는데, 이와 같은 회전체는 일정하게 좁아지는 형태가 이와 같은 형태의 평면 내부에서 그리고 이와 같은 형태의 외부에서 상기와 같은 형태의 뾰족한 단부 근처에 놓인 축을 중심으로 회전함으로써 얻어졌으며, 그리고 이때 상기 도광 소자의 정면에는 다수의 지향성 광원이 배치될 수 있다.

본 고안에 따른 조명 장치의 한 가지 바람직한 실시 예에서, 도광 소자는 상기 도광 소자의 내부 영역 중에 광 전류의 확장이 이루어지는 적어도 하나의 종단면 내부에서 상기 도광 소자로부터 광 전류가 방출되는 측에 돌출 부위를 구비하는 파선에 의해서 제한된 점차 좁아지는 다면의 형상이 형성되도록 구부러진 형태로 구현될 수 있다.

상기 실시 예에서 도광 소자는 굴절부에서 구부러진 플레이트의 형태로 형성될 수 있으며, 상기 플레이트는 점차 좁아지는 다면 형태의 평행 이동에 의하여 이와 같은 형태의 평면에 대해 수직인 방향에서 얻어졌으며, 그리고 이때 상기 도광 소자의 정면에는 다수의 지향성 광원이 배치될 수 있다. 대안적으로 상기 도광 소자는 회전체의 형태로도 형성될 수 있는데, 이와 같은 회전체는 점차 좁아지는 다면 형태가 이와 같은 형태의 평면 내부에서 그리고 이와 같은 형태의 외부에서 상기와 같은 형태의 뾰족한 단부 근처에 놓인 축을 중심으로 회전함으로써 얻어졌으며, 그리고 이때 상기 도광 소자의 정면에는 다수의 지향성 광원이 배치될 수 있다.

본 고안에 따른 조명 장치의 한 가지 개선 예에서는 상기 지향성 광원들이 도광 소자의 정면에 균일하게 배치될 수 있다.

마지막으로는, 적어도 하나의 지향성 광원이 발광 다이오드로 구현된 본 고안에 따른 조명 장치의 한 가지 실시 예가 제시된다.

본 고안의 실시 예들은 도면부에 첨부된 각각의 도면들에 의해서 상세하게 설명된다.
도 1은 한 가지 실시 예에 따른 도광 소자의 횡단면도이다.
도 2는 반축(semiaxis)의 길이 비율이 a/b = 2 인 타원 안에서 이루어지는 광선의 확장을 도시한 개략도이다.
도 3은 점 모양의 광원으로부터 출발하는 광 전류의 분포를 도시한 도면이다.
도 4는 타원으로부터 외부로 방출되는 광선의 성분(

)과 상기 타원의 초점(focal point)들을 연결하는 축에 대한 광속의 경사각(

) 간의 종속 관계를 도시한 도면으로서, 본 도면에는 광원 전체 출력의 15%가 외부로 방출되는 경사각에 상응하는 점(1-4)이 표시되어 있다.
도 5는 유리로 이루어진 타원형 렌즈의 표면 섹션 A₁B₁ 및 A₂B₂ 를 보여주고 있으며, 이때 상기 타원형 렌즈를 통해서는 초점 1에서의 광원 출력의 0.15에 해당하는 비율이 외부로 방출된다.
도 6은 내부 전반사 되는 도광 소자의 하부 면(비-작업 면)의 한 섹션 A₂B₂ 의 구조를 보여주는 개략도로서, 이때에는 큰 타원과 작은 타원의 초점 1이 일치한다.
도 7은 도 6의 면 A₂B₂ 로 입사되는 한 광속의 광선들의 입사각을 보여준다.
도 8은 도 6에 따른 도광 소자 내에서 나타나는 한 광속의 각 분포(angular distribution) 함수들을 보여준다.
도 9는 광속이 반사될 때마다 상부 면(작업 면)으로부터 방출되는 출력이 고정된(전체 출력의 15%) 도광 소자의 개략도로서, 이 경우에는 광선이 하부 면을 통해서 방출되지 않는다(각도 관계들은 정확하게 유지된다).
도 10은 도 9에 따른 도광 소자 내에서 이루어지는 각각의 반사(1-11) 후에 나타나는 각 분포 함수 및 출력-분포 함수(0)를 보여준다.
도 11은 한 가지 실시 예에 따른 도광 소자를 보여준다.

조명 장치는 하나의 도광 소자 그리고 적어도 하나의 지향성 광원을 포함한다. 우선 도 1에 개략적으로 도시된 횡단면 상으로 볼 때 기본적으로 수렴되는 가로 방향의 면(11)을 구비하는 도광 소자를 관찰해보자. 상기 도광 소자는 쐐기 모양의 또는 원뿔 모양의 도광 소자일 수 있는데, 다시 말하자면 길게 늘어진 형태로 제조되었고 적어도 하나의 종단면에 하나의 베이스 그리고 상기 베이스로부터 출발하여 하나의 피크(peak)로 수렴되는 두 개의 가로 방향 면을 구비한 도광 소자일 수 있으며, 이 경우 전술된 각각의 종단면의 베이스는 도광 소자의 정면에 배치되어 있다.

도 1에 따른 횡단면을 갖는 도광 소자 내부에서는 상기 도광 소자의 정면에 배치된 광원(12)으로부터 방출되는 광선이 상기 도광 소자의 종축에 대하여 각(θ)을 형성하는 광 전류의 방향을 상기 정면 내부로 조정하기 위하여 상기 도광 소자의 좌측 작업 면으로부터 소정의 각(

)을 두고 제 1 반사를 경험한 후에 계속해서 진행한다. 제 2 반사(우측 작업 면으로부터의 반사) 후에는 각(

)이 형성되고, 그 다음에 ｋ-번째 반사 후에는 각(

)이 형성되는데, 다시 말하자면 반사 될 때마다 각(

)은 감소한다. 따라서, 소정의 반사(

)(도 1에서는

)에서는

이라는 사실이 입증되며, 이 경우

는 굴절률이 ｎ인 도파관 재료에 대한 내부 전반사의 각이다. 상기 반사(

) 후에 그리고 후속하는 여러 번의 반사 후에 광이 도파관으로부터 외부로 방출되기 시작한다. 따라서,

인 경우에 광 확장의 처음 단계에서는 상기 광이 외부로의 방출 없이 도파관의 연장 방향을 따라서 전송되지만, 그 다음에

인 경우에는 광선의 전송뿐만 아니라 외부로의 방출도 이루어지게 된다. 도파관의 종축에 대하여 상대적으로 더 큰 각(

)을 갖는 광원의 광선들은 상기 도파관의 입력 정면에 더 가까운 장소에서 방출되고, 상대적으로 더 작은 각(

)을 갖는 광선들은 상기 정면으로부터 더 멀리 떨어진 장소에서 방출된다.

다시 말하자면, 지향성 광원으로부터 출발하는 광 전류의 방향과 도광 소자의 연장부의 방향 사이에 형성되는 각은 광 전류가 도광 소자의 전술된 적어도 하나의 종단면에서 수렴되는 전술된 가로 방향 면들에 의해서 적어도 한 번 내부 전반사(total reflection)를 경험할 수 있는 범위 안에서 그리고 전술된 적어도 한 번의 내부 전반사 후에는 광 전류가 상기 수렴되는 가로 방향 면들 중에 하나의 면을 통해 방출될 수 있는 범위 안에서 선택된다. 이와 같은 방식에 의해서는 도파관의 측면으로부터 방출되는 광선의 균일성이 보증된다.

만약에 이때 수렴되는 가로 방향 면(11)들 중에 하나의 동일한 가로 방향 면을 통해서 광 전류가 방출될 수 있도록 도광 소자 재료의 굴절률 그리고 광 전류의 확장이 이루어지는 바로 그 종단면에서 수렴되는 가로 방향 면(11)들 사이에서 형성되는 각들의 한계 값 그리고 광 전류가 도광 소자 내부로 유입될 때에 형성되는 각들의 범위가 선택되면, 광선이 단 하나의 측면으로부터만 출발하게 되는 도광 소자가 얻어진다.

굴절률 및 상응하는 각을 전술된 바와 같은 방식으로 선택하는 것은 각각의 구체적인 경우에 수학적인 모델링(modelling)을 이용해서 해결되는 상당히 어려운 과제이다.

도 1에 도시된 도광 소자는 상기 도광 소자의 내부 영역 중에 광 전류의 확장이 이루어지는 적어도 하나의 종단면 내부에서 상기 도광 소자로부터 광 전류가 방출되는 측에 돌출 부위를 구비하면서 일정하게 좁아지는 형상이 형성되도록 구부러질 수 있다.

이제는 상기와 같은 도광 소자의 종단면에 있는 곡선들이 타원의 섹션들인 경우를 관찰해보자. 설명을 단순화 하기 위하여 먼저 도 2를 참조해보면, 도 2에는 타원의 초점들이 배치되어 있는 각(

) 범위 안에서 광 전류를 전송하는 점 형태의 광원(12)이 도시되어 있다. 상기 타원은 굴절률이

인 재료로 제조되었고, 외부에는 굴절률이

인 재료가 존재한다. 상기 타원의 표면에 대한 광원(12)의 광속 방향은 상기 타원의 초점들을 연결하는 수평 축에 대한 광속의 우측 한계의 경사각(

)에 의해서 결정된다.

광속으로부터 유래하는 소정의 광선은 상기 수평 축에 대하여 각(

)을 갖는다. 상기 광선에 상응하는 반사된 광선은 각(

)을 가지며, 이 경우

은 상기 수평 축을 기준으로 광속 내부에서 좌측 가장 먼 곳에 있는 반사된 광선의 경사각이고,

는 상기 광선으로부터 측정된다. 상기 각(

)이 동일하기 때문에, 선택된 광선의 입사각은

이다.

상기 각들

과

의 관계를 결정하기 위하여, 극 좌표(polar coordinate) [1]에 있는 타원 방정식을 이용해보자:

도 2 에서 알 수 있는 바와 같이, 광원의 광속 안에 있는 각각의 광선에 대해서는 관계식

이 충족되었다. 그 다음에는 표현식(1)을 상기 관계식에 대입함으로써 다음과 같은 표현식(2)를 얻게 되며;

이 경우에는 도 2로부터 알 수 있는 바와 같이

이다.

상기 표현식 (2)는

과

사이에 관계를 만들어준다.

정확성을 위해서 도광 소자(및 도 2의 타원)가

인 유리로부터 제조되고, 상기 유리 둘레에

인 공기가 존재한다고 가정해보자. 광원(12)은 아래와 같은 방출 파워의 가우스 식 각 분포를 갖고

의 각도 한계 범위 안에 있는 광 전류를 발생시키며;

이때 분산(dispersion)

이다(도 3 참조).

주변(2)으로 방출된 상기 광원(12)의 방출 파워의 상대적인 비율은 다음과 같은 일반식에 따라서 결정된다:

이 경우 입사각

은 표현식 (2)를 고려한 함수 (0)에 의해서 결정되었다. 분극 되지 않은 광선의 (세기를 기준으로 한) 반사 계수는

이며

이때

이고,

인 경우에는

는 내부 전반사의 각이며,

이고,

은 필드의 진폭에 상응하는 공지된 프레넬 렌즈-반사 계수들이며,

이다.

도 4에는 타원으로부터 a/b=2 의 애스팩트 비(aspect ratio)로 외부로 방출되는 광선의 비율(

₎이 도시되어 있다.

인 섹션들은 내부 전반사에 상응한다. 경사각

로 지정되었고,

로 지정되었으며(상기 경사각들은 다이어그램에 있는 점 1 및 2에 상응함), 이 경우에는 광원 출력 중에

의 비율이 외부로 방출된다. 점 4 및 3은 수평 축을 기준으로

를 갖는 광속에 대하여 대칭인 광속을 위한 각

및

에 상응한다. 광원 출력의 0.15의 비율을 방출시키는 타원체의 표면 섹션들은 도 5에 도시되어 있다.

상대적으로 적은 각 변경이 타원으로부터 방출되는 에너지를 상당히 변동시킨다는 것을 알 수 있다. 예컨대

이

로 축소되면, 다시 말해 1.4°만큼 축소되면,

이라고 입증되었으며, 그리고

이

로 확대되면, 다시 말해

만큼 확대되면,

라고 입증되었다. 이와 같은 사실은, 단지

가까이에 있는 각에 대한 반사 계수(5)만이 입사각

에 상당히 의존한다는 내용과 관련이 있다. 따라서, 방출되는 광선의 출력에 대한 규정이 확정된 경우(허용 오류는 5 % 미만)에 도광 소자의 표면 형상은 (그리고 광원의 위치 및 광원 출력의 각 분포) 매우 정확하게 준수되어야만 하고 공지된 것이어야만 한다.

도 6에 도시되어 있는 도광 소자는 하나의 광원(1) 그리고 서로 상대적으로 정렬된 작업 면들의 하나의 섹션(A₁B₁)을 포함한다. 상기 섹션(A₁B₁)의 반사 후에는 - 외부로 부분적으로 방출됨 - 광속이 포커싱 되고, 그 다음에 타원의 초점 2의 방향으로 확장된다. 상기 광속을 재차 디포커싱(defocussing) 하고 도광 소자를 따라 정렬시키기 위해서는, 상기 광속의 제 2 반사의 출발점이 되는 상기 도광 소자의 표면 부분이 디포커싱 작용을 하는 (다시 말해 광속의 확장 방향을 기준으로 내부로 구부러진) 타원형의 렌즈이어야만 한다. 이 경우 상기 렌즈의 표면으로 입사되는 상기 광속의 광선의 입사각은 내부 전반사의 각보다 더 커야만 한다; 이러한 경우에는 광선이 도광 소자로부터 외부로 방출되지 않는다. 제 1 면의 편심률(eccentricity)과 동일한 편심률 ｅ를 갖는 타원 형태의 제 2 면이 적합하지 않다는 것은 명백한데, 그 이유는 상기 제 2 면으로 입사되는 광선의 입사각이 상기 제 1 면으로 입사되는 광선의 입사각과 동일해지기 때문인데, 다시 말하자면 내부 전반사의 각보다 더 작으며, 그리고 도광 소자로부터 유래하는 광선의 일부분이 외부로(즉, 타원의 내부로) 방출되기 때문이다. 따라서, 상기 제 2 면에 상응하는 타원에 대한 애스팩트 비를 변경시킬(확대시킬) 필요가 있거나, 또는 상기 타원을 자신의 초점을 기준으로 하여 회전시킴으로써 광선들이 타원의 표면에 투사될 때에 상기 광선들이 모두 동일한 내부 전반사를 경험하게 되도록 할 필요가 있다. 도 6에 도시된 바와 같이(도 6에서 큰 타원에 대한 애스팩트 비는 2이고, 그리고 상기 큰 타원의 큰 반축의 길이는 4임), 큰 반축의 길이가 3.3이고 애스팩트 비가 2.2인 한 타원의 일부분이 제 2 면으로서 간주되면, 광속으로부터 유래하는 각각의 광선은 상기 면에서 내부 전반사를 경험하게 되고, 광은 외부로 방출되지 않게 된다. 실제로, 도 6에서 알 수 있는 바와 같이 각

및

을 규정하게 되면, 표현식 (2)에 따라

가 적용된다.

표면 섹션 A₂B₂ 로 입사되는 광속의 입사각은 도 6에 도시된 상대적으로 더 작은 타원의 외부로부터 또는 내부로부터 상기 섹션으로 입사되는 광속의 입사각과 동일하며, 그리고 함수 (0)과 유사한 다음과 같은 표현식에 의해서 결정되며;

상기 표현식에서

는

부터

까지 변경된다. 관계

는 도 7에 도시되어 있다. 도 7에서 알 수 있는 바와 같이

인데, 다시 말하자면 광선은 상기 섹션 A₂B₂ 를 통해서 도광 소자로부터 외부로 방출되지 않는다. 이때 알 수 있는 사실은,

인 경우에 최소 애스팩트 비는 2.16이라는 것이다. 도 6에 도시된 내부 타원을 위해서 a/b>2.16 의 애스팩트 비를 선택하고, 그리고 또한 상기 애스팩트 비가 유지되는 상태에서 타원의 치수들을 변경시키면, 이와 같은 상황은 표면 섹션들의 위치를 서로 상대적으로 최적화하는 데 도움이 될 수 있다.

따라서, 광속의 제 3 반사의 경우에 광원의 전체 광선 출력의 사전에 규정된 비율(예컨대 섹션 A₁B₁ 의 반사의 경우와 동일한 15 %의 비율)이 도광 소자의 한계로부터, 다시 말해 도 6에 도시된 섹션 A₃B₃ 으로부터 외부로 방출되도록 하기 위해서는, 상기 섹션 A₃B₃ 의 표면 형상이 더 큰 타원의 표면 섹션의 형상과 구분되어야만 한다. 하지만, 우연의 일치로 인해 상기 큰 타원의 섹션 A₃B₃ 으로부터 광원 전체 출력의 약 15 %가 방출되는 것으로 입증되더라도, 이 경우에 제 3 반사 후에는 광선의 파형을 기술하는 것이 어려워지는데, 그 이유는 상기 섹션 A₃B₃ 으로부터 반사되는 광속이 상기 큰 타원의 초점이 아닌 도 6의 점 2로부터 출발하기 때문이다. 따라서, 상기 표면 섹션 A₃B₃ 의 형상은 이 형상이 점 2에 있는 초점을 갖는 소정의 타원에 상응하도록 변경되어야만 한다(도 6의 작은 타원의 초점은 동일한 점이다). 상기 제 3 타원의 구조적인 파라미터들은 광 출력이 사전에 규정된 비율(15 %)만큼 외부로 출력되도록 보증해주어야만 한다.

또한, 광원으로부터 섹션 A₃B₃ 으로 넘어갈 때에 광원 출력의 각 분포는 광선의 일부분이 섹션 A₁B₁ 을 통해 외부로 방출됨으로써 변경될 뿐만 아니라, 도광 소자 표면으로부터 반사가 이루어질 때에 발생하는 광속의 포커싱 및 디포커싱으로 인해서도 변경된다는 것을 알 수 있다.

제 1 반사 후에 분포 함수를 결정하자. 포커싱 전에는

이며,

이 경우

는 표현식 (2)를 고려한 함수 (0)에 의해서 규정되었다. 포커싱 후에 각 간격(angle interval)이 작은 경우의 출력은

이며,

이 경우

및

는 표현식 (2)에 의해서 연산되었다. 제 1 반사 후에 상기 방정식 (7)로부터는 아래와 같은 분포 함수가 나타난다:

를 결정하자. 표현식 (2)가

및

대하여 대칭이기 때문에, 다시 말해

이기 때문에, 다음과 같은 함수가 적용되며:

이 경우

는 0 부터

까지, 그리고

는 표현식 (5a)로부터 결정된다.

도 8에는 각 분포 함수들이 도시되어 있다: 광원에 대한 출발 곡선 - 곡선 1, 제 1 반사 전에 포커싱까지의 곡선 - 곡선 2, 제 1 반사 후의 그리고 포커싱 후의 곡선 - 곡선 3; 100 % 반사의 경우의 포커싱에 상응하는 곡선 4는 비교의 목적으로 제시되었다.

이와 유사하게 각 분포 함수

는 는 제 2 반사(내부 전반사) 후에 결정된다; 상기 각 분포 함수는 도 8에서 곡선 5에 의해 도시되었다:

계산할 때에는 도 6에 도시된 작은 타원의 편심률

이 사용될 수 있다. 각

은 0 부터

까지 변경되며, 이 경우

이고

이며,

이다.

도 6에서 알 수 있는 바와 같이, 제 2 반사 후에는 출발 광속에 비해 근소한 광속 포커싱이 이루어졌다. 이때 도광 소자의 한계부의 소자들이 선택된 경우에는 제 2 반사 후에 광속이 출발 광속 에너지의 85 %를 포함하고 있다는 사실을 납득할 수 있게 된다:

도광 소자의 다음 표면 섹션을 결정하기 위해서는, 일반식 (4)와 유사한 아래의 방정식을 풀어야만 하며:

,

이 경우

이며,

이고,

이다. 이다. 표현식 (2) 에서는 Ｆ 에 대한 변수로서 편심률 ｅ를 선택하였으며, 그리고 제 3 타원의 큰 반축의 길이는 도광 소자의 제 3 표면 섹션이 제 1 표면 섹션과 연결되도록 선택될 수 있다. 따라서, 상기 방정식 (11)은

을 대신하여 상기 표현식에 삽입되는 ｅ에 대한

에 의해서 풀릴 수 있게 된다. 상기 마지막 방정식의 해답은

으로 나타나며, 이와 같은 결과는 애스팩트 비

를 규정한다. 도광 소자의 제 3 표면 섹션을 위해서는 큰 반축의 길이가 a= 3.911 이고 작은 반축의 길이가 b=2.7 인 타원이 선택될 수 있으며, 이 경우 상기 제 3 타원의 좌측 초점은 제 2 타원의 좌측 초점과 일치한다.

상기와 유사한 방식으로 도광 소자 표면의 후속 소자들이 (상이한 방법으로) 부가될 수 있다. 도 9에는 예컨대 편심률에 상응하는 타원을 결정함으로써 그리고 (또는) 수평선에 대하여 상기 타원의 축들을 기울임으로써 얻어지는 표면 섹션들을 갖는 도광 소자가 도시되어 있다. 이와 같은 도광 소자는 자체 횡단면 내부에서 상기 도광 소자로부터 광 전류가 방출되는 측에 돌출 부위(convexity)를 구비하는 파선에 의해서 제한된 점차 좁아지는 다면의 형상이 형성되도록 구현되었다. 광원은 전술된 도광 소자의 정면(횡단면의 가장 넓은 부분)에 배치된다.

도 9 에는 일곱 개의 측면으로 이루어진 도광 소자가 도시되어 있으며, 상기 일곱 개의 측면은 전술된 광원의 광선을 방출하기 위한 볼록한 타원체의 표면을 형성하며, 그리고 상기 일곱 개의 측면은 전술된 광원의 광선을 반사하기 위한 오목한 타원체의 표면을 형성한다. 도광 소자의 볼록한 부분 상에 표시되어 있는 표면 섹션들에 의해서는 전체 광선 출력의 15 %가 방출되는 한편, 도광 소자의 오목한 부분 상에 표시된 섹션들에 의한 광의 반사는 외부로의 광 방출 없이 이루어진다.

도 10 에는 각각의 반사 후에 나타나는 광선의 출력-분포 함수 및 각 분포 함수들이 도시되어 있다.

전술된 모든 설명은 평평한 횡단면의 경우를 위해서 제시되었다. 실제의 도광 소자는 상이한 방식으로 제조될 수 있다. 예컨대 횡단면 상으로 볼 때 도 1, 도 6 또는 도 9 에 따른 점자 좁아지는 형상을 갖는 도광 소자는 상기 점차 좁아지는 형상의 평면에 대하여 수직인 방향으로 상기 형상이 평행 이동함으로써 얻어진 플레이트의 형태로 형성될 수 있다. 이와 같은 도광 소자의 정면에는 다수의 지향성 광원, 예컨대 발광 다이오드가 배치된다.

도광 소자의 다른 한 가지 예는 도 11 에 도시되어 있다. 상기 도광 소자는 도 1, 도 6 또는 도 9 에 따른 점자 좁아지는 형상이 상기 형상의 평면 안에서 또는 상기 형상 외부에서 상기 형상의 뾰족한 단부 근처에 놓인 축을 중심으로 상기 형상이 회전함으로써 얻어진 회전체의 형태로 형성되었다. 이 경우에도 마찬가지로 도광 소자의 정면에는 다수의 지향성 광원, 예컨대 발광 다이오드가 배치된다.

도광 소자 내부의 영역 중에서 광 전류의 확장이 이루어지는 적어도 하나의 종단면 내부에 상기 도광 소자로부터 광 전류가 방출되는 측에 돌출 부위(convexity)를 구비하는 파선에 의해서 제한된 점차 좁아지는 다면의 형상이 형성되는 방식으로 도광 소자를 구현하는 다른 한 가지 예도 가능하다. 이 경우에 도광 소자는 상기 점차 좁아지는 다면 형상의 평면에 대하여 수직인 방향으로 상기 형상이 평행 이동함으로써 얻어진 그리고 굴절부에서 구부러진 플레이트의 형태로 형성될 수 있을 뿐만 아니라, 상기 점차 좁아지는 다면 형상의 평면 안에서 또는 상기 형상 외부에서 상기 형상의 뾰족한 단부 근처에 놓인 축을 중심으로 상기 다면 형상이 회전함으로써 얻어진 회전체의 형태로도 형성될 수 있다.

균일하게 분포된 밀도를 갖는 완전한 광 전류를 얻을 필요가 있는 경우에는, 하나의 임의의 도광 소자의 정면에 발광 다이오드 또는 다른 지향성 광원들을 균일하게 배열하는 것이 바람직하다. 이때 도광 소자를 구부러진 플레이트 형태로 구현하는 경우에는 형성된 광 전류가 한 측면 쪽으로 향하게 되며, 그리고 도광 소자를 회전체의 형태로 구현하는 경우에는 형성된 광 전류가 모든 측면 쪽으로 향하게 된다.

도광 소자의 다른 한 가지 실시 예에서는, 예컨대 도광 소자가 도 11 에 도시된 바와 유사하게 볼록한 몸체의 형태로 형성되었지만 수직 축에 대하여 수직인 단면에서는 원형이 아닌 타원 모양으로 형성된 실시 예에서는 광 전류가 다양한 방향으로 상이한 밀도를 가질 수 있음이 분명하다.

상기 조명 장치는 게시판, 상이한 정보들이 제공된 알림판, 네온 사인, 의학적인 적용을 위한 조명 설비 및 다른 조명 설비들에 사용될 수 있다.

따라서, 광원으로부터 방출되는 광속이 더 큰 횡단면을 갖는 하나 또는 다수의 방출 광속으로 변형됨으로써, 그리고 광선의 유입/방출과 관련하여 높은 효율이 보장되면서 상기 방출되는 광속의 사전에 결정된 방향에서 상기 방출되는 광속의 명도가 횡단면에 걸쳐 더욱 균일하게 나타남으로써, 상기 조명 장치는 제시된 과제의 해결을 보증해준다.

Claims

적어도 하나의 종단면에서 베이스가 이루어지고, 상기 베이스로부터 끝을 향하여 수렴되는(tapering) 두개의 측면(11)들을 가지되 길게 늘어지게 연장된 형태로 형성된 도광소자를 포함하고,
상기 도광 소자의 말단에 위치하되 그 말단을 통하여 입사되는 광 전류의 방향을 조정하는 편향 가능한 광원(12)이 배치되고,
상기 편향 가능한 광원(12)으로부터 유래하는 광 전류의 방향과 상기 도광 소자의 연장 방향 사이의 각도(angle)는,
상기 도광소자의 수렴되는 측면(11)들에 의해서 적어도 하나의 내부 전반사(total internal reflection)가 수행되고,
상기 적어도 하나의 내부 전반사가 이루어진 후에 상기 측면(11)들 중 어느 하나의 측면을 통하여 방출되는 범위 안에서 선택되고,
상기 도광소자는 구부러진(curved) 형태로 이루어지되, 적어도 하나의 종단면에서 내부를 통하여 광전류의 확산이 이루어지도록 형성된 상기 도광소자로부터 광 전류가 방출되는 측면에 볼록한 부위(convexity)를 형성하면서 완만하게 수렴되는 형상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 조명 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 도광소자의 재료의 굴절률(refractive index); 및
광 전류의 확장이 이루어지되 수렴되는 상기 측면(11)들 사이의 각도의 한계값(limits); 및
광 전류가 상기 도광소자 내부로 유입될 때 형성되는 각의 범위는,
상기 광 전류가 상기 수렴되는 측면(11)들 중 어느 하나의 동일한 측면을 통하여 방출되도록 선택되는 것을 특징으로 하는 조명 장치.
삭제
제 1 항에 있어서,
상기 도광소자는,
상기 완만하게 수렴되는 형상이 해당 형상의 평면에 수직한 방향으로 평행하게 이동됨에 의하여 얻어지는 완만하게 구부러진 플레이트(plate)의 형태로 형성되고,
상기 도광소자의 말단에 다수개의 지향성 광원이 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 조명 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 도광소자는,
상기 완만하게 수렴되는 형상을 해당 형상의 평면과 해당 형상의 수렴된 끝단에 걸쳐서 놓인 축을 중심으로 회전시킴으로써 얻어지는 회전체의 형태로 형성되고,
상기 도광소자의 말단에 다수개의 지향성 광원이 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 조명 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 도광소자는 구부러진 형태로 이루어지되,
적어도 하나의 종단면에서 내부를 통하여 광전류의 확산이 이루어지도록 형성된 상기 도광소자로부터 광 전류가 방출되는 측면에 볼록한 부위를 가지는 곡선에 의하여 구획되는 다면의(multilateral) 수렴되는 형상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 조명 장치.
제 6 항에 있어서,
상기 도광소자는,
상기 다면의 수렴되는 형상이 해당 형상의 평면에 수직한 방향으로 평행하게 이동됨에 의하여 얻어지는 코너(corner)를 가진 구부러진 플레이트(plate)의 형태로 형성되고,
상기 도광소자의 말단에 다수개의 지향성 광원이 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 조명 장치.
제 6 항에 있어서,
상기 도광소자는,
상기 다면의 수렴되는 형상을 해당 형상의 평면과 해당 형상의 수렴된 끝단에 걸쳐서 놓인 축을 중심으로 회전시킴으로써 얻어지는 회전체의 형태로 형성되고,
상기 도광소자의 말단에 다수개의 지향성 광원이 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 조명 장치.
제 1 항, 제 2 항, 제 4 항, 제 5 항, 제 6 항, 제 7 항, 제 8 항중 어느 한 항에 있어서,
상기 편향 가능한 광원들이 상기 도광소자의 말단에 균일하게 배치된 것을 특징으로 하는 조명 장치.
제 9 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 편향 가능한 광원은 발광 다이오드인 것을 특징으로 하는 조명 장치.