KR100733110B1 - 에지-발광되는 도파관 및 빛을 추출하고 배향하는 부재를별개로 갖는 발광 시스템 - Google Patents

에지-발광되는 도파관 및 빛을 추출하고 배향하는 부재를별개로 갖는 발광 시스템 Download PDF

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Abstract

도파관(30)으로부터의 빛을 추출(60)하고 배향(80)하는 별개의 부재들(즉, 마이크로프리즘 어레이)를 가진 발광시스템이 제공된다.
상기 시스템은 상기 도파관에 광학적 및 물리적으로 결합된 광배향어레이(LDA)를 제공할 필요성을 제공한다. 상기 시스템은 종전의 발광시스템에 비하여 보다 신뢰성있고 견고하며, 적층된 LDA를 갖는 발광시스템에 결부된 문제점들 실질적으로 제거한다. 제조비용도 감소되고 시스템 유지 및 신뢰성은 개선된다. 상기 발광시스템은 값싸게 제조되며, 효율적이고 신뢰성있게 작동할 수 있어 저렴한 비용으로 신장된 서비스를 제공할 수 있다.
발광시스템, 도파관, 광배향어레이(LDA), 광추출구조, 광배향구조

Description

에지-발광되는 도파관 및 빛을 추출하고 배향하는 부재를 별개로 갖는 발광시스템{Illumination system having edge-illuminated waveguide and separate components for extracting and directing light}
본 발명은 발광 시스템에 관한 것으로, 보다 상세히는, 별개의 광추출부재 및 광배향부재를 갖는 에지-릿(edge-lit) 발광시스템에 관한 것이다.
단일 광배향어레이(single light directing array:LDA)를 사용하는 발광시스템에서 정형적으로 광추출과 광배향 양자는 물리적 및 광학적으로 도파관(waveguide)에 가까이 결합된 같은 LDA에 의해 달성된다. 상술한 LDA의 두가지 기능(즉, 광추출과 배향)은 LDA가 상기 도파관과 별개로 제조된후 적층, 접착제등으로 상호 부착될 것을 요한다. 정형적으로 LDA는 단지 상기 도파관의 광배출 표면부에 접촉하고, 상기 LDA와 도파관사이의 접촉면족이 100%이하, 예를들면, 정형적으로 8%와 20%사이의 접촉면적을 제공하는 다수의 3차원 프리즘(예컨데, 피라미드의)을 포함하여 구성된다. 상기 도파관의 전체적인 강성율과 시간의 경과에 따라 별개로 제조된 LDA가 휘어지려는 경향은 상기 LDA가 상기 도파관으로부터 분리되는 것을 야기하고, 이에 따라 발광시스템의 파손을 초래한다. 더욱이, 상기 LDA와 도파관과의 광학적 결합은 엄격한 요구조건하에 있어, 아주 미소한 하자라도 발광시스템의 유지,작동에 영향을 준다.
상술한 종래기술의 결함을 극복하기 위하여, 광추출 및 배향특징부를 갖는 발광시스템의 필요성이 제기된다.
본 발명은 상호 가까이 결합될 필요없이 도파관에서 배출된 빛을 추출하고 배향하는 별개의 부재들을 갖는 발광시스템을 제공한다. 상기 광추출 및 광배향을 위한 별개의 부재들을 제공함으로써, 본 발명은 상기 도파관에 물리적,광학적으로 결합된, 예컨데, LDA와 같은 단일의 광배출 및 광배향부재를 제공할 필요성을 제거한다. 또한 본 발명은 적층된 LDA들을 갖는 종래의 발광시스템에 결부된 문제점(failures)을 실질적으로 제거하고 발광시스템 제조비용을 감소시킬 수 있는 보다 신뢰성있고 견고한 발광시스템을 제공하며, 그리고 본 발명은 그 전체적인 유지보수 및 신뢰성이 개선된 발광시스템을 제공한다.
본 발명의 첫번째 견지에 의하면, 광원으로부터 광선을 배분하는 본 발명의 발광시스템은 상기 광원으로부터 광선을 전달시키고 1보다 큰 제 1굴절지수를 가지는 도파관(waveguide)을 포함하여 구성된다. 상기 발광시스템은 또한 광추출구조를 포함하는데, 이러한 광추출구조상에는 상기 고체 도파관으로부터의 광선을 상기 광추출구조를 통하여 배출시키는 것을 촉진하기 위한 광추출특징부가 정의되어 있다. 상기 광추출특징부는 그 단면을 볼때 넓은측과 좁은측이 있으며, 상기 넓은측은 상기 좁은측보다 상기 고체 도파관에 가까이 위치되어 있다. 상기 발광시스템은 또한, 상기 광추출구조를 상기 고체 도파관에 대략 100%로 접촉하여 연결하는 계면을 포함하여 구성된다.
본 발명의 둘째 견지에 의하면, 광원으로부터의 광선을 배분하는 본 발명의 발광시스템은 상기 광원으로부터 광선을 전달시키고 1보다 큰 제 1굴절지수를 가지는 고체 도파관을 포함하여 구성된다. 상기 발광시스템은 또한 광추출구조를 포함하는데, 이러한 광추출구조상에는 상기 고체 도파관으로부터의 광선을 상기 광추출구조를 통하여 배출시키는 것을 촉진하기 위한 광추출특징부가 정의되어 있다. 상기 광추출특징부는 그 단면을 볼 때 넓은측과 좁은측이 있으며, 상기 넓은측은 상기 좁은측보다 상기 고체 도파관에 가까이 위치되어 있다. 상기 발광시스템은 또한, 상기 광추출구조를 상기 고체 도파관에 대략 100%로 접촉하여 연결하는 계면을 포함하여 구성된다. 상기 계면은 상기 제 1굴절지수보다 작은 작은 제 2굴절지수를 가진다. 상기 광추출구조와 분리되어 있으며, 그 위에 광배향특징부를 가지고 있는 광배향구조가 상기 발광시스템으로부터 배출된 광선의 배분을 배향하기 위해 제공되어 있다. 상기 광배향특징부는 상기 광추출특징부에 대하여 상보적인 크기 및 형상으로 되어 있으며, 그들 상호간에 정합결합되어 위치되어 있다.
본 발명의 셋째 견지에 의하면, 광원으로부터의 광선을 배분하는 본 발명의 발광스템은 1보다 큰 굴절지수를 갖는 고체 도파관과 그에 일체화되어 형성된 광추출구조를 포함하여 구성되는데, 상기 광추출구조는 상기 고체 도파관으로부터의 광선을 상기 광추출구조를 통하여 배출시키는 것을 촉진하기 위한 광추출특징부를 포함한다. 상기 광추출구조와 분리되어 있으며, 그 위에 정의된 광배향특징부를 가지는 광배향구조가 상기 광추출구조로부터의 광선의 배분을 배향하기 위해 제공된다. 상기 광배향특징부는 상기 광추출특징부에 대하여 상보적인 크기 및 형상으로 되어 있으며, 그들 상호간에 정합결합되어 위치되어 있다.
유익하게도, 본 발명의 발광시스템은 상기 도파관과 물리적,광학적으로 결합되어 있는 LDA를 제공할 필요성을 제거한다. 종래의 발광시스템에 비해 보다 신뢰성이 있으며 견고하고, 적층된 LDA들(laminated LDA)와 결부된 제반 문제들을 실질적으로 제거한다. 제조비용은 감소되고 시스템 유지,보수 및 신뢰성은 개선된다. 상기 발광 시스템은 제조비용이 값싸고, 효율적이고 신뢰성있게 작동하며, 저렴한 비용으로 더많은 서비스를 가능하게 한다.
본 발명과 그 이익은 후속하는 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 상세한 설명과 첨부도면으로부터 완전히 이해하고 명백해지는바, 이하의 도면부호(reference character)는 수개의 도면을 통하여 유사한 요소를 의미한다.
도 1은 본 발명에 따라 고안된 빛을 추출하고 배향하는 별개의 부재들을 가지는 발광시스템에 대한 블럭도이다.
도 2는 본 발명에 따라 고안된 발광시스템의 제 1실시예에 대한 측면 분해도이다.
도 3은 본 발명에 따라 고안된 발광시스템의 제 2실시예에 대한 측면도이다.
도 4는 본 발명에 따라 고안된 발광시스템의 제 3실시예에 대한 측면도이다.
도 5(a~d)는 본 발명에 따른 고체 도파관 배치에 대한 다양한 실시예들의 측 면도이다.
도 6(a~e)는 본 발명에 따른 광추출특징부의 다양한 실시예들에 대한 단면도 및 측면도들이다.
도 7(a~c)는 본 발명에 따른 광배향특징부의 다양한 실시예들에 대한 측단면도이다.
도 8(a~e)는 본 발명에 따른 다양한 광배향특징부와 광추출특징부사이에 정합결합을 보여주는 측면도이다.
도 9(a~g)는 본 발명에 따른 광추출특징부의 다양한 실시예들에 대한 측단면도이다.
도 10은 본 발명에 따른 상기 광추출특징부의 측벽 경사각과 상기 발광시스템으로부터 배출되는 빛의 차폐각(cut-off angle)과의 관계을 나타내는 그래프이다.
도 11은 본 발명에 따른 상기 계면(interface)의 굴절지수와 상기 발광시스템으로부터 배출되는 빛의 차폐각과의 관계을 나타내는 그래프이다.
본 발명은 도파관으로부터의 빛을 추출하고 배향하는 별개의 부재들을 가지는 발광시스템을 제공하므로 상기 도파관에 물리적,광학적으로 결합되어 있는 2중기능 LDA를 제공할 필요성을 제거한다. 또한, 본 발명은 종래의 발광시스템에 비해 보다 신뢰성이 있으며 견고하고, 적층된 LDA들과 결부된 제반 문제들을 실질적으로 제거하며, 제조비용은 감소시킬 수 있는 발광스템을 제공한다. 그리고 본 발명의 발광시스템은 시스템 유지,보수 및 그 신뢰성이 개선된다.
도 1에는 본 발명에 따른 발광시스템(10)에 대한 블럭도가 나타나 있다. 상기 발광시스템(10)은 광원(20)에 광학적으로 결합되어 있는 고체 도파관(solid waveguide:30)을 일반적으로 포함한다. 상기 광원(20)으로부터 받은 광선(22)은 상기 도파관(30)이내 및 그를 통과하여 전달되고, 상기 도파관(30)에 광학적으로 결합될 수 있거나 그에 일체로 형성된 광추출구조(60)을 경유하여 이로부터 현출(emerge)된다. 이러한 현출된 광선(22)은 상기 광추출구조(light extracting structure:60)로부터 상기 발광장치(10)에서 배출된 빛의 배분을 배향하는 별개의 광배향구조(light directing structure:80)로 지나간다. 상기 도파관(30)의 광배출표면(32: 도 5a참조)과 상기 광추출구조(60)의 광유입표면(66: 도 6a참조)사이의 물리적 및 광학적 접촉은 대략 100%와 유사하다. 상기 광추출구조(60)가 상기 도파관(30)에 일체로 형성되어 있지 않은 경우, 계면(interface:40)은 그들 상호간에 대략 10%의 물리적 및 광학적 접촉을 제공한다. 상기 도파관(30)은 바람직하게는 1보다 큰 제 1굴절지수 n1을 갖는다. 바람직한 실시예로, 상기 도파관(30)이 아크릴 또는 폴리카본네이트로 구성된 경우에는, 상기 제 1굴절지수를 각각 대략 1.49와 1.59로 하는 것이다. 상기 계면(40)은 상기 제 1굴절지수 n1보다 작은 제 2굴절지수 n2를 가진다.
본 발명의 상기 발광시스템(10)에서 제공된 광원(20)의 숫자는 상기 도파관 (30)의 형상 및 상기 발광시스템(10)의 광배출요구량에 부분적으로 의존한다. 또한, 상기 광원(20)은 포인트형(전구), 선형(형광등) 또는 환형일 수도 있다. 상기 광원(20)은 상기 광선(22)이 상기 발광시스템(10)으로부터 현출되는 각도에 거의 수직인 각도로 상기 도파관(30)에 들어갈 수 있도록 상기 도파관(30)의 에지(edge)에 위치됨이 바람직하다. 예를들면, 도 2에 나타난 바와 같이, 광선(22)는 거의 ｘ축을 따라 상기 도파관(20)으로 들어가고 거의 ｚ축을 따라 상기 발광시스템(10)으로부터 현출된다. 반사경(reflector:38)은 상기 광원(20)을 둘러쌓아 그로부터 발산되는 광선(22)를 상기 도파관(30)내로 배향시킨다(도 2참조). 상기 도파관(30)의 뒷면(34)은 부드러우며 반사경을 포함할수도 있다(도시되지 않음).
도 2는 본 발명의 발광시스템(10)의 제 1실시예를 나타내고 있다. 상기 발광시스템(10)은 고체이고 거의 직사각형의 도파관(30)과 계면(40)에 의해 상기 도파관에 물리적 및 광학적으로 연결된 광추출구조(60)을 포함한다. 상기 계면(40)은 그 굴절지수 n2가 상기 도파관(30)의 굴절지수 n1보다 작은한 플루오린 폴리머와 아크릴 폴리머, 및 다른 실리콘 내지 아크릴기 재료를 포함한 어떠한 상업적으로 구입가능한 접착제일 수 있다. 상기 광추출구조(60)상에 정의된 광추출특징부(light extraxting feature:62)는 상기 광추출구조(60)의 광배출표면(64)내에서 정의되어 있는 다수의 거의 렌즈상의 섭동부(lenticular pertubations)를 포함하여 구성된다. 상기 광추출특징부(62)는 광선이 상기 도파관(30)내로 들어가고 그를 통하여 전달되는 평균방향과 실제적으로 수직인 방향으로 배열됨이 바람직하다. 도 2의 실시예에서, 상기 광추출특징부(62)는 상기 광배출표면(64)내에 그어진 다수의 실제적으로 일방향의 스크레치를 포함함이 바람직하다. 상기 광배향구조(light directing structure:80)는 클램프, 접착제, 스크류, 또는 다른 알려진 (나타내지 않은) 부가기술(affixation technique)에 의해 상기 광추출구조(60) 및/또는 상기 도파관(30)에 고정되어 있다. 상기 광배향구조(80)과 광추출구조(60)사이(즉, 상기 광추출특징부(62)와 광배향특징부 (82)사이)에는, 비록 그러한 접촉이 본 발명의 발광시스템(10)의 유지 및 작동에 필요적로 악영향을 주지 않지만, 가까운 접촉이 요구되지 않는다. 광배향특징부 (light directing feature:82)는 상기 광배향구조(80)의 광유입표면(86)상에 정의되어 있으며, 바람직하게는 상기 광추출특징부(92)와 평행한 방향으로 신장되어 있는 다수의 거의 렌즈상의 프리즘(84)를 포함한다. 상기 광배향구조(80)의 광배출표면(90)은 실제적으로 평면 (planner)임이 바람직하다. 또다르게는, 도 7에 나타난 바와같이, 상기 광배향특징부는 상기 광배출표면(90)상에 존재할 수 있다. 광선(22)은 (상기 광배출표면(64) 및 광추출특징부(62)를 경유하여)상기 광추출구조(60)로부터 현출되고 상기 광유입표면(86)을 경유하여 상기 광배향구조(80)내로 들어간다. 본 발명의 발광시스템 (10)으로부터 배출된 빛의 배분은, 아래에서 상술되는 바와같이, 상기 계면의 물성(즉, 그 굴절지수 n2), 및 상기 광추출특징부(62)와 배향특징부(82)의 물성 및 형태(geometries)에 의해 적어도 부분적으로 제어된다.
약간의 발광장치의 적용에서는, 상기 광추출구조(60)은 또한 광배향구조로서 기능하며, 이에 따라 별도의 광배향구조(80)의 필요성을 제거한다.
상기 광추출특징부(62)와 광배향특징부(82)가 상호 상보적인 크기 및 형상으로 되어 있고 상호 정합결합으로 위치되어 있다는 점에서, 도 3에 기술된 실시예는 도 2에 기술된 실시예와 구별된다. 본 실시예에서는,광선(22)가 상기 도파관(30)내로 들어가고 이를 통하여 전달되는 방향과 실제적으로 수직인 방향으로 신장되어 있는 다수의 거의 렌즈상의 섭동부를 정의한다. 상기 광추출특징부(62)는 예를들면, 삼각형, 사다리꼴, 정방형, 직사각형, 다면체, 곡선체등의 단면형상을 가진다(도 9(a~f)참조). 상술한 도 9(a~f)에서 기술되고 나타내어진 형상들이 제한되지 않은 예로서 제공된다면, 다른 단면형상들도 또한 본 발명에서 고려될 수 있다. 또다르게는, 상기 광추출특징부(62)는 상기 광유입표면(64)내에 정의된 섭동부 어레이 (array of pertubations)를 포함하는데, 각 섭동부는 도 9g에 나타난 바와 같은 단면형상을 가지고 있다. 상기 개개의 광추출특징부(62)는 일정한 간격 또는 그 간격을 변화시키면서(즉, 대징적인 또는 비대칭적인 배치) 상호 떨어져 있을 수 있으며, 또한 도 9f에 나타난 바와같이 상호 접촉할 수도 있다. 상기 광추출특징부 (62)는 상기 도파관(30)을 따라 길이방향으로, 또는 상기 도파관을 가로질러 신장할 수 있다.
상기 광배향구조(80)의 상기 광유입표면(86)상에 정의된 상기 광배향특징부 (82)는 상기 광추출특징부(62)에 상보적인 크기 및 형상으로 되어있어 그들상호간 정합결합을 하용한다. 예를 들면, (도 9c에 나타난 바와 같이) 거의 삼각 단면형상을 갖는 광추출특징부(62)에 대해서는 상기 광배향특징부(82)도 또한 거의 삼각형 단면형상을 가질 수 있다. 또다르게는, 상기 광배향특징부(82)는 상기 광추출특징부(62)에 상보적인 크기로 되어 있으나, 도 8c에 나타난 바와같이, 상기 광추출특징부(62)로하여금 상기 광배향특징부(82)내에서, 또는 그 역으로, 놓여질 수 있도록 할 수 있는 단면형상을 가지고 있다. 상기 광추출특징부(62)와 상기 광배향특징부(82)사이에는 가까운 접촉은, 비록 그러한 접촉이 본 발명의 발광시스템의 유지 내지 작동에 나쁜 영향을 없더라도, 요구되지 않는다.
도 4에 나타나 있는 본 발명의 제3 실시예에 있어서, 상기 광추출구조(60) 및 광상기 배향특징부(62)에 상기 고체 도파관(30)에 일체로 형성되어 있다. 또한, 상기 광추출특징부(62)와 상기 광배향특징부(82)는 상호 상보적인 크기로 되어 있으며, 그리고/또한 임의적으로 그들사이의 정합결합(registered engagement)을 허용하도록 상보적으로 형상되어 있다. 상기 광추출특징부(62)와 광배향특징부(82)의 구조 즉, 크기 및 형상은 실질적으로 도 3의 실시예에 대하여 기술된 것과 같다.
본 발명의 다양한 실시예에 따라 구성된 발광시스템(10)의 일반적인 구성을 기술하였는데, 상기 광추출구조(60) 및 광배향구조(80)의 특정구성 및 그들사이의 상호관계가 이하에서 보다 상세하게 설명된다.
광추출특징부(62)의 다양한 실시예들이 도 6a-6e에 나타나 있다. 일반적으로, 광추출특징부(62)는 광추출구조(60)의 광배출표면(64)내로 정의되는 거의 렌즈상의 다수의 섭동부를 포함한다. 그 단면으로 볼때 상기 광추출특징부(62)는 도 6b에 명확히 나타난 바와 같이, 넓은 측(67)과 좁은 측(69)을 갖는다. 바람직한 실시예에 있어서, 상기 광추출특징부(62)는 상기 도파관(30)에 대하여 광추출특징부 (62)의 넓은 측(67)이 좁은 측(69)보다 더 가깝도록(즉, 도파관(30)의 광배출표면 (32)에 보다 가깝도록)위치된다. 이러한 구성은 일차적으로 x-y방향 즉, 하나의 방향으로 광선들(22)의 발산(diffusion)을 제공한다.
상기한 바와 같이, 상기 광추출구조(60)는 고체 도파관(30)과 분리될 수 있고, 또는 일체로 형성될 수도 있다.
도 6a에 있어서, 상기 광배출특징부(62)는 샌딩(sanding), 스코링(scoring)등에 의해 만들어진 불규칙하거나 또는 균등하게 일정한 간격을 두고 형성되는 광배출표면(64)상의 다수개의 스크레치를 포함한다. 비록, 상기 광추출특징부(62)는 광로(light travel)의 방향에 거의 수직한 방향 즉, x-방향으로 신장될 수 있지만, 바람직하게는, 상기 광추출특징부(62)는 광선(22)이 도파관(30)을 통해 그 내부로 들어와 전파하는 방향에 거의 수직한 방향(즉, y-방향)으로 신장된다. 또한, 상기 광추출특징부(62)를 구성하는 선택적인 섭동부는 상기 도파관(30)을 길이방향을 따라 또는 가로방향으로 가로질러 어레이 상태로 배열되고, 정사각형 또는 직사각형 범프(bump), 사다리꼴 또는 삼각형 범프, 다면체(multi-faceted)범프, 곡면을 갖는 범프, 및 연속적으로 곡면화된 범프의 단면들을 포함한다.
상기 광추출특징부(62)는 상기 광추출구조(60)의 총 면적보다 작거나 또는 같은 상기 광추출구조(60)상의 면적을 정의한다. 바람직하게는, 상기 광추출특징부 (62)에 의해 정의되는 면적은 광추출구조(60)의 총 면적의 거의 5% - 100%이다.
광추출특징부(62)의 또 다른 실시예가 제한되지 않는 예로서 도 6b - 6c에 나타나 있다. 도 6b에서는, 상기 광추출특징부(62)는 상기 광추출구조(60)로부터 거의 외부를 향해 신장하는 다수의 거의 렌즈상인 다각형 섭동부들을 포함하므로써 구조화된(structured) 광배출표면(64)을 제공한다. 도 6c에 나타난 상기 광추출특징부(62)의 다른 실시예에 있어서, 상기 광추출구조(60)의 광배출표면(64)은 거의 렌즈상의 다각형 공공(cavity)으로 정의되는 다수개의 광추출특징부(62)에 의해서 구조화된다. 도 6d에서는, 상기 광추출특징부(62)는 다수개의 외부로 신장되고, 거의 렌즈상의 곡선화된 섭동부를 포함한다.
본 발명의 광추출특징부(62)의 또 다른 실시예가 도 6e에 도시되어 있다. 본 실시예에서 광추출특징부(62)는 광원(들)(20)의 근처에 위치되고, 그리고 광선 (22)이 도파관(30)으로 들어가기 전에 상기 광원(20)으로부터의 광선(22)을 재배향시키는 거의 두개의 수렴표면(converging surfaces)을 포함한다. 반면에, 도 6a-6d에 나타난 광추출특징부(62)는 단지 상기 광선(22)이 도파관(30)에 들어간후에야 이들에 의해 영향을 받는다. 어떤 경우에 있어서도, 상기 광추출특징부(62)는 상기 광선(22)이 상기 도파관(30)내 및 그것을 통해 전달되고 그로부터 현출되는 수단을 제공한다.
본 발명의 광배향구조(80)는 목적하는 광배향기능성을 제공하기 위하여 다양한 방법으로 구성될 수 있다. 3가지의 이러한 예시적이고 제한되지 않는 실시예들이 도 7a-7c에 나타나 있다. 도 7a-7c에 도시된 것들과 다르게 구성되는 광배향구조(80)가 본 발명에 의해 대체될 수 있다는 것과 이들 실시예가 본 발명의 제한되지 않는 예로서 여기서 설명된다는 것은 당업자에게는 자명하다.
먼저 도 7a에 의하면, 상기 광배향구조(80)는 실질적으로 평면상의 광유입표면 (90)과 광배향특징부(82)을 갖는 광배향어레이(LDA)(88)로서 구성되며, 상기 광배향특징부(82)는 거의 삼가형 단면형상을 갖는 거의 렌즈상의 섭동부(84)의 어레이를 갖는 구조화된 광배출표면(86)로서 구성된다. 상기 광유입표면(86)은 광추출표면(60)의 광배출표면(64)과 접촉할, 비록 그러한 접촉이 발광시스템(10)의 유지 내지 작동에 나쁜 영향을 끼지지 않고 본 발명에 의해 예기된다 하더라도, 필요가 없다. 바람직한 실시예에 있어서, 광추출특징부(62)와 광배향특징부(82)는 서로 정합결합상태로 위치될 수 있는 상보적인 공간을 포함한다. 이러한 광추출특징부 (62)와 광배향특징부(82)의 상보성에 대한 다섯개의 실시예들이 도 8a-8e에 나타나 있다.
도 7b에 나타나 있는 실시예에 있어서, 상기 광배향구조(80)는 구조화된 광배출표면(90)과 실질적으로 평면상의 광배출표면(86)을 갖는 LDA(88)를 포함한다. 상기 광배출표면(90)상에 정의된 광배향특징부(82)는 서로 접촉관계로 배열되는, 거의 삼각형상으로 형상화된 렌즈상의 다수개의 렌즈(94)을 포함한다.
다음으로 도 7c에 의하면, 상기 광배향구조(80)은 각각 제 1및 제2 광배향특징부(81)(82')를 포함하는 제1 및 제2 LDAs(88),(88')를 포함하며; 상기 광배향특징부 양자는 거의 2차원단면형상을 갖는 거의 렌즈상의 섭동부(84)(84')로서 구성된다. 또다르게는, 상기 제 1및 제2 광배향특징부(82)(82')는 거의 다-차원 단면형상(즉, 3차원)을 갖는 다수개의 거의 렌즈상의 프리즈메틱(prismatic) 어레이를 포함할 수 있다. 상기 제1 및 제2 LDAs(88),(88')는 각각의 광배출표면(90)(90')과 광유입표면(86)(86')를 포함한다. 바람직한 실시예에 있어서, 상기 제1 LDA(88)의 광유입표면(86)은 실질적으로 평면상이고, 그리고 광배출표면(90)은 구조화되는 것이다. 상기 제2 LDA(88,)에 대해서는, 상기 광유입표면(86')이 구조화되어 있고, 상기 광배출표면(90')는 실제적으로 평면상이다. 바람직한 실시예에 있어서는 상기 제 1및 제2 광배향특징부(82)(82')는 서로 바로 대향하는 관계로 적층되고, 서로에 대하여 거의 직각으로 배열되는 것이다.
본 발명의 발광시스템(10)으로 부터 배출된 빛의 각도배분은 광추출특징부 (62)의 형상에 의해 적어도 일부가 제어된다. 보다 상세하게 설명하면, 그리고 도 6b를 참조하면, 경사각 w는 상기 광배출표면(64)에 수직한 선과 상기 광추출특징부 (62)의 측벽(68)의 경사각 내지 기울기사이의 각도로서 정의된다. 상기 경사각 w 는 하기 식(1)을 사용하여 구해진다.
[수학식 1]
w = asin(2*cos(C)*(n12-1)1/2/(n12-sin2C)
여기에서, C는 목적하는 차폐각도이고, 그리고 n1은 상기 광추출구조(60)의 제 1굴절지수이다.
상기 차폐각도 C는 y-축(예를 들면, 도 6b참조)을 따른 수직선 (발광시스템(10)의 광배출표면(90)에 대하여 대략 0°의 시야각도(viewing angle)로서 정의된다)으로부터의 시야각도로서 정의되고 그리고 그것을 벗어나서는 어떠한 빛의 양도 상기 발광시스템(10)으로부터 현출됨으로써 가시적으로 감지될 수 없 는 것이다. 본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 차폐각은 0°와 90°사이의 범위를 갖는다. 경사각 w 와 차폐각 C사이의 관계는 도 10에 그래프로 도시되어 있는데, 경사각 w 은 차폐각 C가 증가될 때 거의 감소된다.
또한 상기 발광시스템(10)으로 배출된 빛의 각도배분은 상기 계면(40)의 굴절지수 n2, 만일 제공된다면, 에 의해 적어도 부분적으로 제어된다. 상기 계면(40)의 굴절지수 n2와 상기 차폐각 C사이의 관계는 하기 식(2)와 같이 정의된다. 이 관계는 도 11에 그래프로 도시되어 있다.
[수학식 2]
n2≤(n12-(cos(C))2)1/2
여기에서, n2는 상기 계면(40)의 굴절지수를, n1은 상기 도파관(30)의 굴절지수를 나타내면, C는 목적하는 차폐각이다.
상기 광배출특징부(62)의 측벽(68)의 경사각 w 를 변화시키고 특정굴절지수 n2를 갖는 계면을 선택하고, 광배향특징부형상을 선택하므로써, 모든 방향에 있어서 차폐각 C를 선택적으로 결정할 수 있으며, 그리고 본 발명의 발광시스템(10)의 광배출배분이 선택적으로 제어될 수 있다.
상술한 바와같이, 본 발명을 상세하게 기술하였으나, 본 발명은 이러한 설명에 엄격히 제한될 필요는 없으며, 당업자에 의한 다양한 변화 및 변경은 모두 청구범위에 의해 정의되는 한 본 발명의 범위내에 포함된다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 도파관으로부터의 빛을 추출하고 배향하는 별개의 부재들을 제공함으로써, 그 제조비용이 절감되고 신뢰성있는 동작등을 담보할 수 발광시스템의 제조등에 그 유용한 효과가 있다.

Claims (32)

  1. 광원으로부터 광선을 배분하는 발광시스템에 있어서,
    상기 광원으로부터 광선을 전달하고 1보다 큰 굴절지수를 갖는 도파관;
    그 단면을 볼때 넓은측과 좁은측이 있으며 상기 넓은측이 상기 좁은측보다 상기 고체 도파관에 보다 가까이 위치되고, 상기 고체 도파관으로부터의 광선을 광추출구조를 통하여 직접적으로 배출함을 촉진하는 광추출특징부가 그 위에 정의되어 있는 광추출구조; 및
    상기 광추출구조를 상기 고체 도파관에 대략 100%로 접촉하여 결합하는 상기 고체 도파관의 상기 제 1굴절지수보다 작은 제 2굴절지수를 갖는 계면;을 포함하여 구성되는 발광시스템.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 제 2굴절지수는 상기 발광시스템으로부터 배출된 빛의 차폐각도를 적어도 부분적으로 결정하며, 하기 수학식 2에 의해 결정되어짐을 특징으로 하는 발광시스템.
    [수학식 2]
    n2≤(n12-(cos(C))2)1/2
    여기에서, 상기 제 2굴절지수를, n1은 상기 제 1 굴절지수를 말하며, 그리고 C는 상기 발광시스템으로 배출된 빛의 차폐각도를 말한다.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 계면은 플루오린 폴리머기, 실론콘기 또는 아크릴기임을 특징으로 하는 발광시스템.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 광추출구조는 상기 광추출구조의 광배출표면내에 정의된 다수의 거의 렌즈상의 섭동부를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 발광시스템.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 광추출특징부는 광선이 들어가 상기 고체 도파관을 통하여 전달되는 평균방향에 실제적으로 평행하지 않게 배열되어 있음을 특징으로 하는 발광시스템.
  6. 제 4항에 있어서, 상기 광추출특징부는 광선이 들어가 상기 고체 도파관을 통하여 전달되는 평균방향에 실제적으로 수직하게 배열되어 있음을 특징으로 하는 발광시스템.
  7. 제 4항에 있어서, 상기 광추출특징부는 거의 렌즈상이며, 사다리꼴, 삼각형, 정방형, 직사각형, 다면체 및 곡선체로 이루어진 그룹중 선택된 단면형상을 가짐을 특징으로 하는 발광시스템.
  8. 제 4항에 있어서, 상기 광추출특징부는 상기 광배출표면내에 다수의 스크래치를 가짐을 특징으로 하는 발광시스템.
  9. 제 4항에 있어서, 상기 광추출특징부는 상기 광추출구조에 의해 정의되는 전체면적에 대하여 적어도 5%로 상기 광추출구조위에서 그 면적이 정의함을 특징으로 하는 발광시스템.
  10. 제 1항에 있어서, 상기 도파관은 아크릴 또는 폴리카보네이트임을 특징으로 하는 발광시스템.
  11. 제 10항에 있어서, 상기 광추출특징부는 상기 광배출시스템으로부터 배출되는 빛의 차폐각도를 적어도 부분적으로 결정하며, 하기 수학식 1에 의해 결정되어지는 경사각을 정의하는 측벽을 추가로 포함함을 특징으로 하는 발광시스템.
    [수학식 1]
    w = asin(2*cos(C)*(n12-1)1/2/(n12-sin2C)
    여기에서, w는 상기 경사각을, C는 상기 발광시스템으로부터 배출되는 빛의 차폐각도를, 그리고 n1은 상기 제 1굴절지수를 말한다.
  12. 제 1항에 있어서, 상기 광추출구조의 상부에 위치되나 그로부터 분리되어 상 기 광추출구조로부터 배출된 빛의 분배를 배향하는 광배향구조를 추가로 포함하여 구성되는 발광시스템.
  13. 제 12항에 있어서, 상기 광배향구조는 그 위에 정의되고 상기 거의 렌즈상의 광추출특징부의 배열과 실제적으로 평행하게 배열된 다수의 거의 렌즈상의 홈(groove)를 포함하는 광배향특징부를 포함함을 특징으로 하는 발광시스템.
  14. 제 13항에 있어서, 상기 거의 렌즈상의 홈들은 사다리꼴, 삼각형, 정방형, 직사각형, 다면체 및 곡선체로 이루어진 그룹중 선택된 단면을 가짐을 특징으로 하는 발광시스템.
  15. 광원으로부터 광선을 배분하는 발광시스템에 있어서,
    상기 광원으로부터 광선을 전달하고 1보다 큰 굴절지수를 갖는 도파관;
    그 단면을 볼때 넓은측과 좁은측이 있으며 상기 넓은측이 상기 좁은측보다 상기 고체 도파관에 보다 가까이 위치되고, 상기 고체 도파관으로부터의 광선을 광추출구조를 통하여 직접적으로 배출함을 촉진하는 광추출특징부가 그 위에 정의되어 있는 광추출구조;
    상기 광추출구조를 상기 고체 도파관에 대략 100%로 접촉하여 결합하는 상기 고체 도파관의 상기 제 1굴절지수보다 작은 제 2굴절지수를 갖는 계면; 및
    상기 광추출구조와 분리되어, 상기 광추출특징부에 대하여 상보적인 크기 및 형상을 가지고 그에 정합결합으로 위치되며, 그리고 상기 발광시스템으로부터 배출된 빛의 배분을 배향하는 광배향특징부가 그 위에 정의되어 있는 광배향구조;를 포함하여 구성되는 발광시스템.
  16. 제 15항에 있어서, 상기 제 2굴절지수는 상기 발광시스템으로부터 배출된 빛의 차폐각도를 적어도 부분적으로 결정하며, 하기 수학식 2에 의해 결정되어짐을 특징으로 하는 발광시스템.
    [수학식 2]
    n2≤(n12-(cos(C))2)1/2
    여기에서, 상기 제 2굴절지수를, n1은 상기 제 1 굴절지수를 말하며, 그리고 C는 상기 발광시스템으로 배출된 빛의 차폐각도를 말한다.
  17. 제 15항에 있어서, 상기 계면은 플루오린 폴리머기, 실론콘기 또는 아크릴기임을 특징으로 하는 발광시스템.
  18. 제 15항에 있어서, 상기 광추출구조는 상기 광추출구조의 광배출표면내에 정의된 다수의 거의 렌즈상의 섭동부를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 발광시스템.
  19. 제 18항에 있어서, 상기 광추출특징부는 상기 광추출구조에 의해 정의되는 전체면적에 대하여 적어도 5%로 상기 광추출구조위에서 그 면적이 정의함을 특징으로 하는 발광시스템.
  20. 제 19항에 있어서, 상기 광추출특징부는 광선이 들어가 상기 고체 도파관을 통하여 전달되는 평균방향에 실제적으로 평행하지 않게 배열되어 있음을 특징으로 하는 발광시스템.
  21. 제 18항에 있어서, 상기 광추출특징부는 광선이 들어가 상기 고체 도파관을 통하여 전달되는 평균방향에 실제적으로 수직하게 배열되어 있음을 특징으로 하는 발광시스템.
  22. 제 18항에 있어서, 상기 거의 렌즈상의 광추출특징부는 사다리꼴, 삼각형, 정방형, 직사각형, 다면체 및 곡선체로 이루어진 그룹중 선택된 단면형상을 가짐을 특징으로 하는 발광시스템.
  23. 제 22항에 있어서, 상기 단면형태들이 상기 광배출시스템으로부터 배출되는 빛의 차폐각도를 적어도 부분적으로 결정하며, 하기 수학식 1에 의해 결정되어지는 경사각을 정의하는 측벽을 추가로 포함함을 특징으로 하는 발광시스템.
    [수학식 1]
    w = asin(2*cos(C)*(n12-1)1/2/(n12-sin2C)
    여기에서, w는 상기 경사각을, C는 상기 발광시스템으로부터 배출되는 빛의 차폐각도를, 그리고 n1은 상기 제 1굴절지수를 말한다.
  24. 제 15항에 있어서, 상기 도파관은 아크릴 또는 폴리카보네이트임을 특징으로 하는 발광시스템.
  25. 제 15항에 있어서, 상기 상보적인 크기를 가진 광배향특징부는 사다리꼴, 삼각형, 정방형, 직사각형, 다면체 및 곡선체로 이루어진 그룹중 선택된 단면을 가짐을 특징으로 하는 발광시스템.
  26. 광원으로부터 광선을 배분하는 발광시스템에 있어서,
    1보다 큰 굴절지수를 가지는 고체도파관과, 그에 일체로 형성되고 상기 고체도파관으로부터 상기 광추출구조를 통해 광선의 직접적인 전달을 촉진하는 광추출특징부를 포함하는 광추출구조; 그리고
    상기 광추출구조와 분리되어, 상기 광추출특징부에 대하여 상보적인 크기 및 형상을 가지고 그에 정합결합으로 위치되며, 그리고 상기 발광시스템으로부터 배출된 빛의 배분을 배향하는 광배향특징부가 그 위에 정의되어 있는 광배향구조;를 포함하여 구성되는 발광시스템.
  27. 제 26항에 있어서, 상기 광추출구조는 상기 광추출구조의 광배출표면내에 정의된 다수의 섭동부를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 발광시스템.
  28. 제 26항에 있어서, 상기 광추출특징부는 상기 광추출구조에 의해 정의되는 전체면적에 대하여 적어도 5%로 상기 광추출구조위에서 그 면적이 정의함을 특징으로 하는 발광시스템.
  29. 제 26항에 있어서, 상기 광추출특징부는 거의 렌즈상이며, 사다리꼴, 삼각형, 정방형, 직사각형, 다면체 및 곡선체로 이루어진 그룹중 선택된 단면형상을 가짐을 특징으로 하는 발광시스템.
  30. 제 26항에 있어서, 상기 광추출구조는 상기 광추출구조의 광배출표면내에 정의된 섭동부의 어레이를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 발광시스템.
  31. 제 26항에 있어서, 상기 도파관은 아크릴 또는 폴리카보네이트로 구성됨을 특징으로 하는 발광시스템.
  32. 제 30항에 있어서, 상기 단면형상은 상기 광배출시스템으로부터 배출되는 빛의 차폐각도를 적어도 부분적으로 결정하며, 하기 수학식 1에 의해 결정되어지는 경사각을 정의하는 측벽을 추가로 포함함을 특징으로 하는 발광시스템.
    [수학식 1]
    w = asin(2*cos(C)*(n12-1)1/2/(n12-sin2C)
    여기에서, w는 상기 경사각을, C는 상기 발광시스템으로부터 배출되는 빛의 차폐각도를, 그리고 n1은 상기 제 1굴절지수를 말한다.
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