KR20080021059A

KR20080021059A - 조명 장치

Info

Publication number: KR20080021059A
Application number: KR1020077030346A
Authority: KR
Inventors: 요한 마라; 더크 케이. 지. 드 보에르
Original assignee: 코닌클리즈케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이.
Priority date: 2005-05-27
Filing date: 2006-05-19
Publication date: 2008-03-06
Also published as: CN101185015A; JP2008546139A; WO2006126155A2; WO2006126155A3; TW200706935A; EP1889104A2

Abstract

본 발명은 도광 구조물을 포함하는 조명 장치에 관한 것으로, 적어도 하나의 광원으로부터 입사된 빛이 이 도광 구조물을 통해 전달되며, 전반사에 의해 빛이 적어도 부분적으로 도광 구조물 내에 속박된다. 도광 구조물은 제1 도광판(6) 및 제2 도광판(7), 및 상기 제1 도광판(6)의 굴절률보다 낮은 굴절률을 갖는 중간층을 포함하며, 상기 제1 도광판(6)은 상기 적어도 하나의 광원으로부터 빛을 수신하도록 배치된다. 도광 구조물은 향상된 횡방향 광도 평균화 효과를 제공하여, 상기 적어도 하나의 광원이 점 또는 선 모양이더라도, 조명 장치의 출력 표면으로부터 빛이 더 균일하게 방사되도록 한다.

조명 장치, 조명 구조물, 도광판, 도광 구조물

Description

조명 장치{LIGHTING DEVICE}

본 발명은 제1 및 제2 주 평면(main surface)을 가지며, 적어도 하나의 광원으로부터 빛을 수신하도록 구성되고, 전반사에 의해 그 안에 빛을 적어도 부분적으로 속박하도록 배치된 평평한 도광(light-guide) 구조물, 및 제2 주 평면에 도광 구조물로부터의 빛을 아웃 커플링(out-coupling)하는 아웃 커플링 구조물을 포함하는 조명 장치에 관한 것이다.

이러한 장치는 WO 2004/027467 A1에 개시되며, 예를 들어, LCD-TV에서 백라이팅(backlighting) 구조물로서 사용될 수 있다. 면상 도광체(planar light guide)의 사용은 장치의 광-방사 표면으로부터 방사되는 빛의 광도를, 어느 정도까지, 횡방향으로(laterally) 평활화시키는 데 기여한다. 몇 개의 점상 또는 선형 광원들만이 사용되더라도, 조명 장치는 전체 광-방사 표면 영역으로부터 횡방향으로 비교적 균일한 빛의 흐름(light flow)을 방사할 수 있다.

하지만, 여전히 조명 장치의 제2 주 평면 전체로부터 더욱 균일한 빛의 흐름을 제공해야할 필요가 있을 수 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 조명 장치의 광-방사 표면 전체에서의 빛 흐름 변화와 관련하여 서두 단락에서 언급된 유형의 조명 장치를 개선하는 것이다.

이 목적은 청구항 1에 정의된 조명 장치를 통해 달성된다. 이 경우에, 도광 구조물은 평행한 제1 및 제2 도광판을 포함하며, 상기 제1 도광판은 광원으로부터 빛을 수신하도록 구성되고, 상기 제2 도광판은 아웃 커플링 구조물을 포함하며, 상기 제1 및 제2 도광판 사이에 중간층(intermediate layer)이 포함되고, 상기 중간층은 상기 제1 도광판보다 낮은 굴절률을 갖는다.

적어도 몇몇 광선이 제1 도광판과 중간층 사이의 경계면에서 전반사의 영향을 받기 때문에, 이것은 조명 장치의 광-방사 표면으로부터 횡방향으로 더욱 균일한 빛 흐름을 제공한다. 따라서, 평균적으로, 광선은 도광 구조물을 빠져나오기 전에 도광판 내에서 횡방향으로 더 먼 거리를 진행할 것이다.

장치는 제1 도광판의 한 에지(edge)를 통해 빛을 공급하도록 배치된 적어도 하나의 광원을 포함할 수 있다. 이것은 매우 얇은 장치를 제공한다.

대안적으로, 장치는 도광 구조물의 제1 주 평면을 구성하는 제1 도광판의 주 평면을 통해 빛을 공급하도록 배치된, 적어도 하나의 광원을 포함할 수 있다. 이 경우에, 주 평면은 바람직하게 인커플링(in-coupling) 구조를 포함한다. 이것은 보다 많은 양의 빛이 제1 도광판에 들어올 수 있게 한다. 리플렉터(reflector)가 바람직하게 배치되며, 이것은 도광 구조물의 제1 주 평면과 함께 광원을 둘러싼다. 이것은 (처음에) 제1 도광판에 들어갈 수 없었던 광선들이, 제1 도광판에 들어갈 수 있게 되는 순간까지, 리플렉터와 제1 주 평면으로 경계 지어진 공간 내에서 재사용될 수 있도록 한다.

아웃 커플링 구조는 복굴절(birefringent) 물질을 포함할 수 있으며, 이로써 조명 구조물이 편광된 빛을 생성 및 방사하도록 한다.

제1 및 제2 도광판은 사이에 적어도 하나의 갭(gap)을 형성하도록 이격될 수 있으며, 따라서, 이 갭은 중간층을 구성할 수 있고, 인접한 스페이서(spacer) 요소들 사이에 위치할 수 있는 적어도 하나의 세그먼트(segment)로 구성될 수 있다. 스페이서 요소들의 높이는 바람직하게 대체로 갭의 간격과 같다.

세그먼트는 기체, 액체, 및 고체를 포함하는, 적어도 부분적으로 투명한 매질들의 그룹의 적어도 하나의 구성원으로 채워질 수 있다. 선택적으로 색을 띠는 구성원을 이동가능하게 하는 적합한 설비들이 이루어질 수 있으며, 이로써 원래 위치에서 다른 구성원과 교체될 수 있도록 한다.

다수의 세그먼트들이, 예를 들어, 조명 구조물의 제1 및 제2 도광판 사이의 전체 갭 부피를 적어도 부분적으로 채우는 어레이 형태로 배치될 수 있다. 서로 다른 세그먼트들은 상기 적어도 부분적으로 투명한 매질들의 그룹의 하나 이상의 서로 다른 구성원들로 채워질 수 있다.

이러한 조명 장치들은, 백라이팅 구조물로서, 투과형 LCD 패널에 빛을 제공하도록 배치될 수 있다. 대안적으로, 이들은, 예를 들어, 스위칭 가능한 라이트 타일(switchable light tile)과 같은 범용 조명 목적을 위해 사용될 수 있다.

이들 및 본 발명의 다른 양상들은 명백하며, 아래에 설명되는 실시예들을 참조하여 설명될 것이다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따라 조명 장치를 도시한다.

도 2는 본 발명의 대안적인 실시예에 따라 조명 장치를 도시한다.

도 3은 인커플링 구조의 제1 예를 도시한다.

도 4는 인커플링 구조의 제2 예를 도시한다.

도 5는 아웃 커플링 구조의 제1 예를 도시한다.

도 6은 아웃 커플링 구조의 제2 예를 도시한다.

도 7은 본 발명에 따라 조명 장치를 사용하는 디스플레이 시스템을 도시한다.

도 1은 본 발명에 따라 조명 장치의 단면을 개략적으로 도시한다. 장치는 형광등과 같은 다수의 광원(1, 2, 3)을 포함한다. 광원들은 리플렉터(4)에 의해 부분적으로 둘러싸여 있기 때문에, 광원들로부터 방사되는 빛은 리플렉터(4)로부터의 하나 이상의 반사를 통해, 직접 또는 간접적으로, 평평한 도광 구조물(5)을 향할 것이다. 평평한 도광 구조물(5)은 광원(1, 2, 3)을 마주보는 제1 주 평면과 그 반대 방향을 마주보는 제1 주 평면을 갖는다.

도광 구조물(5)은 제1 및 제2 도광판(6, 7) 각각을 포함하며, 이들은 샌드위치 구조로 배치된다. 도광 구조물은 제1 및 제2 도광판 사이에 평평한 중간층(8)을 더 포함한다.

제1 도광판(6)은 리플렉터(4)를 통해 직접 또는 간접적으로 광원(1, 2, 3)으로부터 빛을 수신하도록 배치된다. 제1 도광판(6)은, 광원을 마주보며 도광 구조 물의 제1 주 평면을 구성하는 표면에 인커플링 구조(9)를 포함하며, 이는 이후에 더욱 상세히 설명될 것이다. 간단히 말해서, 인커플링 구조(9)는 제1 도광판(6)으로 들어가는 빛이 제한된 각 범위(angular range) 내에서 이 도광판을 통과하도록 보장하며, 제한된 각 범위는 전반사의 발생을 통해서 제1 도광판 내에 적어도 어느 정도의 빛 봉쇄(light containment)가 발생하는 것을 돕는다. 따라서, 빛은, 적어도 부분적으로, 전반사에 의해 도광 구조물 내에 속박된다.

제1 도광판(6)의 굴절률은 n₁, 중간층(8)의 굴절률은 n₂, 제2 도광판(7)의 굴절률은 n₃이며, n₃는 n₁과 같거나 다를 수 있다. 하지만, 중간층(8)의 굴절률 n₂는 n₁보다 실질적으로 더 낮아서, 충분히 기울어진 각으로 n₁→n₂ 경계면을 입사하는 광선들에 대해 제1 도광판(6) 내에서 전반사가 일어난다. 적합한 도광체 물질들은 유리, PMMA(polymethylmethacrylate), 실리콘 수지, 및 폴리카보네이트(polycarbonate)를 포함한다. 중간층 공기, 물, 오가닉 오일(organic oil) 또는 투명한 고체 물질과 같은 적어도 부분적으로 투명한 물질을 하나 이상 포함할 수 있다. 중간층에 포함되는 물질들은 바람직하게 실질적으로 비산란성(non-scattering) 물질이다.

제2 도광판(7)은, 중간층(8)의 반대 방향을 마주보며 또한 도광 구조물(5)의 제2 주 평면을 구성하는 표면에 아웃 커플링 구조(10)를 포함하며, 이 아웃 커플링 구조는 제2 도광판(7)을 통과해 나오는 빛을 표면에서 평행 시준하는 역할을 하여, 즉, 나오는 빛을 조정하여, 평균적으로, 제2 도광판(7)의 광-방사 주 평면의 법선(normal)에 대한 어떤 제한된 각 범위 내로 빛이 방사되도록 한다. 도광 구조물(5)은 바람직하게 에지에 정반사 거울(11, 12)이 제공된다. 대안적으로, 난반사 물질들이 도광판(6, 7) 내부를 통과하는 빛과 상당한 정도의 광학적 접촉을 갖지 않는다는 것을 조건으로, 거울(11, 12)은 백색 분말(white powder)과 같은 난반사 물질들을 포함할 수 있다.

도광 구조물(5)이 굴절률이 n₁인 하나의 고체 도광체 물질을 포함하는 경우와 비교하여, 굴절률 n₂<n₁인 중간층(8)은 도광 구조물로 들어오는 빛이 도광 구조물 내에서 평균적으로 더 많은 내부 반사를 겪게 하는 효과가 있다. 도광 구조물의 향상된 광도-평활화 기능(intensity-smoothing function)에 의해, 도광 구조물로부터 방사된 빛 흐름의 광도가 횡방향으로 더 균일하게 되도록 하는 효과가 제공된다.

또한, 제1 도광판(6)을 통과하는 광선의 일부만이 제1 도광판(6)과 중간층(8) 사이의 경계면을 통과할 수 있기 때문에, 즉, 후자 경계면에서 전반사가 일어나지 않는 광선들만이 통과할 수 있기 때문에, 투과된 광선들은 제1 도광판(6) 내에서보다 상대적으로 더 제한된 각 범위 내에서 통과한다. 따라서, 이 경계면은 가능한 전파 방향의 각 범위(angle range)에 대해 효과적인 제한을 제공하며, 제한의 정도는 차이 n₁-n₂ 비례한다. 이어서 광선들이 중간층으로부터, 바람직하게 n₃≥n₂인 굴절률을 갖는, 제2 도광판(7)을 통과할 때, 그들의 더욱 제한된 각 전파 범위(angular propagation range)는 제2 도광판(7) 내에서 지속된다. 이 특성적인 특징은 제2 주 평면에 적절한 아웃 커플링 구조가 제공되었을 때, 제2 도광판(7)의 제2 주 평면으로부터 방사된 빛 또한 제한된 각 방사 범위(angular emission range)를 갖기 용이하도록 한다. 도광 구조물(5)로부터 방사된 빛과 관련된 제한된 각 방사 범위는 평행 시준(collimation) 목적을 위해 사용될 수 있다.

가장 간단한 형태로, 중간층(8)은 바람직하게 반사적인(reflective) 스페이서(도시되지 않음)를 이용하여 제1 및 제2 도광판(6, 7)을 이격시킴으로써 형성될 수 있으며, 이로써 중간층(8)을 구성하는 제1 및 제2 도광판 사이의 갭이 얻어진다. 이 갭은 공기와 같은 기체, 또는 액체로 채워질 수 있다. 액체가 사용되면, 이 액체는 색을 띨 수 있으며, 이로써 도광 구조물(5)로부터 색을 띤 광 출력을 얻을 수 있고, 또한 사용되는 광원(1, 2, 3 또는 14)(도 2 참조)들이 백색광을 방사할 때에도 이를 얻을 수 있다.

만약 유체 매질이 사용되면, 매질을 갭 안팎으로 이동시키는 펌프와 같은 수단을 제공하는 것이 가능하며, 이로써 조명 구조물의 광학적 속성들을 변경할 수 있고, 구체적으로 굴절률 n₂ 및/또는 갭 내의 매질의 색을 변경할 수 있다. 제1 및 제2 도광판 사이의 갭을 서로 다른 세그먼트, 즉 부구역(subarea)으로 분리하는 것이 가능하며, 각 부구역은 개별적으로 제어가능한 속성들을 갖는다. 따라서, 예를 들어, 조명 장치의 광-방사 표면의 특정 영역에서 출력된 빛의 광도뿐 아니라, 이 빛의 색 및/또는 평행 시준 특성을 변경하는 것이 가능하다.

또한, 더 넓은 갭을 제공하고, 이 넓은 갭에 제2 도광판(도시되지 않음)을 제공함으로써 균일화 효과를 증대시키는 것이 가능하다. 그러면 세 개의 도광판 및 두 개의 중간(interpositioned) 낮은 굴절률층을 가진 샌드위치 구조를 얻을 수 있다.

도 2는 본 발명의 대안적인 실시예를 도시한다. 이 실시예는 또한 상대적으로 낮은 굴절률 n₂<n₁을 갖는 중간층을 둘러싸는 제1 및 제2 도광판을 포함한다. 하지만, 이 경우에, 제1 도광판은 에지 발광(edge-lit)된다. 광원(14)은 제1 도광판(6)의 에지(13)를 통해 제1 도광판(6)에 빛을 제공하도록 배치된다. 광원(14)에 리플렉터가 배치되어 빛이 그곳으로부터 도광판(6)의 에지(13)를 향하도록 한다.

도 3은 도 1의 제1 도광판(6)의 인커플링 구조로서 이용될 수 있는 인커플링 구조의 제1 예를 도시한다. 이러한 구조는 WO A1 2004/027467로부터 원래 공지되었으며, 인접한 직립(upstanding) 광학 소자(20)들 사이에 위치한 구조화된 반사 호일(reflective foil)(25)을 포함한다. 광학 소자(20)들은 광원(1)을 마주보면서 도광판(6)과 광학적 접촉을 하는 직립 입방체, 원통 또는 리브(rib)의 형태일 수 있다.

이 요소(20)들의 상부 표면(22)은 바람직하게 실질적으로 도광판 주 평면과 평행하며, 빛-확산(light-diffusing) 속성을 가질 수 있는 고반사성 코팅(coating)으로 덮여있다. 따라서, 표면(22)에 입사된 광선(23)들은 반사된다. 하지만, 측면(side surface)(21)은 투과성을 가지기 때문에 표면(21)에 입사되는 모든 광선(24a)들을 투과시킨다. 이어서, 적어도 일부의 투과된 광선(24a)들이 전반사에 의해 도광판(6)을 관통하여 전파될 수 있고, 결국에는 다시 광학 소자(20)들의 투과성을 가진 표면(21)을 통해 도광판(6)을 빠져나와, 가능한 다른 각으로 도광판(6)에 들어가기 전에, 제1 도광판(6)과 리플렉터(4)로 경계 지어진 공간 내에서 재사용될 수 있다. 도광판(6) 내로 투과된 광선의 다른 일부는, 횡방향 광도를 평활화하는 하나 이상의 프레넬 반사를 겪은 후에 혹은 겪지 않고서, 중간층(8)을 통해 제1 도광판을 빠져나온다. 도 3에서, 반사 호일 요소(25)들은 광학 소자(20)들 사이에 제공되며, 측면(21)으로 광선(26)들을 반사한다. 이 호일 요소(25)들은 도광판과 광학적 접촉을 할 필요가 없지만, 빛이 광학 소자(20)들의 직립 투과성 표면(21)들 외의 표면을 통해 직접적으로 제1 도광판(6)에 들어가는 것을 막는 역할을 한다. 이 실시예는 인접한 광학 소자(20)들 사이의 다른 표면들에 개별적인 반사 코팅이 제공될 필요가 없다는 이점이 있다. 호일 요소(25)들의 고반사성 표면을 통해, 광선(24b)들은 광학 소자(20)의 투과성 측면 상으로 직접적으로 반사될 수 있으며, 여기서 광선은 도광판(6) 내로 들어갈 수 있다.

도 4는 인커플링 구조의 제2 예를 도시한다. 이 경우에, 평평한 상부를 가지고 있을 수 있는 쐐기형 리브(wedge-shaped rib), 또는, 예를 들어, 원뿔(cone), 또는 끝이 잘린 원뿔과 같은 광학 소자(26)들이 제공된다. 광학 소자(26)들은 직립 투과성 측면(upstanding transmissive side surface)(29)을 갖는다. 리브가 사용된다면, 직립 투과성 표면(29)들은 우선 도광판을 따라 한 방향으로 제공되고, 반면에, 예를 들어, 원뿔이 사용된다면 투과성 표면(29)들은 두 개의 차원으로 제공된다. 광학 소자(26)들은 입사된 광선(28)들을 반사하고, 확산시킬 가능성이 있 는 고반사성 상부 표면(27)을 갖는다. 광학 소자(26)들의 측면(29)들은 투과성이고 어느정도 기울었을 수 있으며, 따라서 상부 표면 및 광학 소자들 사이의 공간과 함께 사다리꼴 단면을 형성한다. 이 측면들은, 도 3과 관련하여 설명된 것과 유사한 방식으로 광선(30)이 도광판에 들어가도록 한다. 광학 소자(26)들 사이에 어느 정도의 간격이 제공되며, 인접한 광학 소자(26)들 사이의 간격과 관련된 중간에 위치한 표면(31)들에는 입사된 광선(32)을 반사하는 반사 코팅이 제공된다.

도 4와 관련된 한 실시예에서, 인커플링 구조물은, 도광판의 제1 주 평면의 법선과 관련하여 각 β_in= 18°으로 놓인 투과성 표면(29)을 갖는 직립 리브를 포함한다. 리브 높이 h_in= 4mm, 반사하는 상부 영역 d_in= 0mm (즉, 상부 영역(27)이 없음)이다. 인접한 리브 사이의 간격 s_in은 요구되는 광 입력 용량(light input capacity)에 따라 달라질 수 있지만, s_in > 10mm 가 가장 좋은 값이다. 인커플링 요소(26) 및 도광판(6)을 구성하는 물질로 폴리카보네이트가 사용될 때, 굴절률 n₁= 1.59 이다.

도 3 및 도 4와 관련하여 설명된 인커플링 구조들 또한, 제1 및 제2 도광판 및 중간에 놓인 낮은 굴절률층을 갖는 도광 구조물과 관계없이 사용될 수 있다는 것을 주의해야 한다. 따라서, 인커플링 구조들은 또한, 예를 들어, 하나의 고체 물질로만 구성된 도광판 구조물과 함께 사용될 수 있다.

일반적으로, 따라서 도 4와 관련하여 개시된 개념은, 도광판, 및 그 도광판 내로 빛을 입사시키기 위해 상기 도광판의 제1 주 평면상에 인커플링 구조를 갖는 조명 구조물을 포함하며, 입사된 빛은 전반사에 의해 적어도 부분적으로 그 안에 속박되고, 인커플링 구조는 상기 제1 주 평면 위에 직립하고, 투명한 측면(29)을 갖는 광학 소자(26)들을 포함하며, 상기 측면들 사이의 상기 광학 소자들의 폭은 상기 제1 주 평면으로부터 멀어지는 방향으로 감소된다. 따라서, 광학 소자들은 주 평면으로부터 멀어지는 방향으로 점점 작아진다. 이러한 인커플링 구조는 도 3과 관련하여 설명된 구조들보다 덜 복잡하다. 광학 소자들 사이의 영역뿐 아니라 광학 소자들 상부의 주 평면과 평행한 모든 영역들에는 바람직하게 반사 코팅이 제공된다.

인커플링 구조의 개념은 다량의 빛이 도광판(6) 내로 들어오도록 하고, 들어온 빛이 전반사에 의해, 그리고 이보다는 적은 정도로, 프레넬 반사에 의해 적어도 부분적으로 도광판 내에 속박되도록 하는 것이다. 물론, 도 3 및 도 4에 도시된 것 이외의 다른 구조들 또한 이러한 효과를 제공할 수 있다.

광학 소자(20, 26)들의 상기 투명한 측면들을 통해서만 발생하는 선택적 광 입력의 기능은 완벽할 필요가 없다. 투명한 직립 표면(21)들 외의 다른 표면들을 통한 도광판 내로의 빛의 누설(leakage)은 몇몇 응용에서 허락될 수 있다. 또한, 반사 표면 소자(22, 28, 또는 31)에 의해 처음에 반사되는 빛은 이어서, 예를 들어, 리플렉터(4)에 의해 뒤로 반사(back-reflected) 될 수 있다. 리플렉터가 확산 속성이 있을 수 있기 때문에, 뒤로 반사된 빛은 도광판(6) 내로 들어가는 데 있어 계속 이어서 성공할 수 있는 방식으로 재사용되며, 따라서 빛을 잃는 것을 막을 수 있다.

도 5는 도광판(7)의 제2 주 평면상에 가능한 아웃 커플링 구조의 제1 예를 도시한다. 이 구조는 도 3과 관련하여 위에 설명된 인커플링 구조와 유사한 방식으로 제공될 수 있다. 도 5의 아웃 커플링 구조는 도광판(7)과 광학적 접촉을 하는, 투명한 직립 측면(35a)을 가진 직립 광학 소자(33), 및 인접한 광학 소자(33) 사이에 위치한 기울어진 정반사 호일 소자(specularly reflective foil element)(34)를 포함한다. 호일 소자(34)로 덮인 광학 소자(33)들의 상부 표면(35) 및 도광판(7)의 표면 영역들은 계속 투과성을 가질 있으며, 따라서 조명 장치의 도광판(7)의 제2 주 평면 또는 광학 소자(33)들과 관련된 어떠한 표면에도 반사 코팅이 적용될 필요가 없다. 이 아웃 커플링 구조는 광학 요소(33)들의 투명한 측면(35a)을 통해서 빛을 도광판(7)으로부터 공기 중으로 이끄는 효과가 있으며, 이 후에 회수된 빛은, 도광판(7)의 방사 표면의 법선에 대하여 제한된 각 범위 내의 방향 내에서 조명 장치로부터 멀어지는 방향으로 방사되기 전에, 구조화된 호일 소자(34)들에 의해 하나 이상의 정반사를 겪게 될 수 있다.

도 6은 도 4의 인커플링 구조와 유사한 아웃 커플링 구조의 제2 예를 도시한다. 이제 구조는 도광판(7)의 제2 주 평면의 법선과 관련하여 각 β_out> 0°를 갖는 측벽(side wall)(37)을 가진 직립 광학 소자(36)(쐐기 모양 리브 또는 예를 들어, 원뿔)들을 포함한다. 상부 표면(27)은 계속 투과성을 가질 수 있다. 이는 인접한 소자(36)들 사이의 표면들에 대해서도 마찬가지이다. 하지만, 도광판 내의 빛이, 인접한 소자(36)들 사이의 표면에서의 전반사 발생을 지원하는 각 전파 특성(angular propagation characteristic)이 없을 경우, 빛이 밖으로 탈출하는 것을 막기 위해 표면에 정반사 코팅을 제공하는 것이 바람직한 선택일 수 있다.

다른 실시예에서, 도 6의 아웃 커플링 구조는 도광판 법선으로부터 각 β_out= 21°에서 투명한 측면(37)을 갖는 직립 리브를 포함한다. 리브의 높이 h_out= 2mm, 상부 표면의 폭 d_out= 0mm이다. 인접한 리브 사이의 거리 s_out= 0mm이기 때문에, 톱니 모양이 얻어지고, 따라서 아웃 커플링 리브(36)들은 도광판(7)의 제2 주 평면상에 나란히 위치한다.

도광판(7) 내에서 전달되는 빛이, 인접한 직립 리브 사이의 도광판(7)의 표면 영역들에서 전반사의 발생을 지원하는 각 전파 속성을 갖지 않는 응용의 경우, 빛이 탈출하는 것을 막기 위해 이 표면 영역들에 정반사 코팅을 제공하는 것이 바람직할 수 있다. 또한, 도광판(7) 내에서 전달되는 광선이, 만약 제공된다면, 광학 소자(36)들의 상부 표면에 닿는 것을 막기 위해서 리브 높이 h_out는 충분히 높아야 한다. 이러한 조치는, 빛이 투명한 측면(37)을 통해서만 도광판을 빠져나오고, 그곳에서 빛이 굴절되어 제한된 각 범위 방향 내에서 도광판(7)으로부터 방사되도록 보장한다.

도 6과 관련하여 설명된 아웃 커플링 구조는 제1 및 제2 도광판 및 중간에 놓인 낮은 굴절률층을 갖는 도광 구조물과 관계없이 사용될 수 있다는 것을 주의해야 한다. 따라서, 이 아웃 커플링 구조는 또한, 예를 들어, 모노리식(monolithic) 단일 도광판 구조물과 함께 사용될 수 있다.

일반적으로, 따라서 도 6과 관련하여 개시된 개념은 조명 구조물로부터 빛을 출력하고, 방사된 빛의 방향을 도광판의 주 평면의 법선에 대하여 바람직한 각 범위 내로 제한하기 위해, 도광판(7) 및 도광판의 주 평면상에 아웃 커플링 구조를 갖는 조명 구조물을 포함하며, 여기서 아웃 커플링 구조는, 상기 주 평면 위에 직립하며 투명한 측면(37)을 갖는 광학 소자(36)를 포함하고, 상기 측면 사이의 상기 광학 소자의 폭은 상기 주 평면으로부터 멀어지는 방향으로 감소된다. 따라서, 광학 소자들은 주 평면으로부터 멀어지는 방향으로 점점 작아진다. 이러한 아웃 커플링 구조는 도 5와 관련하여 설명된 구조들보다 일반적으로 덜 복잡하다.

도 5의 아웃 커플링 구조의 개념은 제2 도광판(7)으로부터 빛이 방사될 때 제한된 각 범위 방향을 제공하기 위한 것이다. 실제적인 많은 경우에서, 방사된 빛의 각 분포는 바람직하게 원뿔 모양인데, 즉, 이는 도광판의 광-방사 주 표면의 법선에 대하여 제한된 각 범위 내에서 빛 방사를 제공할 것이다. 주 평면의 법선 주위의 원뿔 모양 각 광 분포(angular light distribution)는 통상의 평행 시준된 광 출력에 대응된다.

예시로서 두 가지의 경우가 설명될 것이다. 경우 1에서, 하나 이상의 광원으로부터 방사된 등방성(isotropic) 빛은, 도광 구조물(5)의 존재를 통해 광도에 있어서 횡방향으로 균일화되고 특정 정도로 평행 시준된다.

도 4에 나타난 것과 같이 고안되었을 때, 다음의 매개변수들이 인커플링 구 조를 위해 사용될 수 있다: β_in= 18°, d_in= 0(인커플링 구조의 광학 소자(26)들에 평평한 상부가 없음), h_in= 4mm. s_in는 원칙적으로 임의로 선택될 수 있지만, 인접한 인커플링 광학 소자들에 의한 간섭을 막기 위해 바람직하게 s_in≥ 10mm이다.

제1 도광판(6)은 굴절률 n₁= 1.59 (폴리카보네이트), 중간층(8)은 굴절률 n₂= 1.0 (중간 낮은 굴절률층 내의 공기)을 가지며, 제2 도광판(7)은 굴절률 n₃= 1.59 (폴리카보네이트)를 갖는다.

도 1에 도시된 것과 유사할 수 있는 아웃 커플링 구조에서, β_out= 21°, s_out= 0mm (인접한 아웃 커플링 소자들 사이에 간격이 없음), d_out= 0mm 및 h_out= 2mm를 선택한다.

위의 매개변수는 시준 각 θ_c= 16°의 방사된 평행 시준 빛을 얻는다. 따라서, 도광 구조물(5)의 방사하는 제2 주 평면의 법선 주위의 16°각 원뿔 내에서 빛이 도광 구조물(5)로부터 방사된다.

경우 2에서, 예를 들어, 위에 언급된 것과 같이 갭 내외로 다른 유체 및/또는 공기를 펌핑(pumping)함으로써, 갭으로 구성된 중간층(8) 내의 오일(n₂= 1.50)을 물(n₂= 1.33) 및/또는 공기(n₂= 1.0)로 교환하여 조정가능한 평행 시준 및/또는 조정가능한 광도 출력을 얻을 수 있다.

인커플링 구조에서, β_in= 0°, d_in= 5mm, 및 h_in≥ 5mm를 선택할 수 있다. s_in은 원칙적으로 임의로 선택될 수 있지만, 바람직하게 10mm를 넘는다.

제1 및 제2 도광판(6, 7)의 굴절률은 n₁ = n₃ = 1.50 (예를 들어, PMMA(polymethylmethacrylate))이 되도록 선택된다. 중간층(8)이 물을 포함하면, n₂= 1.33이 된다.

아웃 커플링 구조에서, β_out= 0°, s_out= 4mm, h_out= 2mm 및 d_out= 1.5mm를 선택할 수 있다.

중간층(8)이 물일 때, 위의 매개변수들은 시준 각 θ_c= 46°의 방사된 평행 시준 빛을 얻기 때문에, 도광 구조물(5)의 방사하는 제2 주 평면의 법선으로부터 46°의 각 내에서 빛이 방출된다.

만약, 위의 매개변수들을 가지고, 물(n= 1.33)이 오일(n= 1.50)로 대체되면, 방사된 빛은 램버시안 확산(Lambertian diffuse)되고 (하지만 광도와 관련하여 횡방향으로 균일화됨), 따라서, 도광 구조물의 방사하는 제2 주 평면으로부터 측정할 때 90°내의 각에서 방사된다(선택가능한 평행 시준).

만약, 위의 매개변수들을 가지고, 오일 또는 물이 공기(n= 1.0)로 대체되면, 도광 구조물로부터 빛이 방사되지 않는다(선택가능한 방출 광도).

중간층의 매질은 도광 구조물(5)의 표면 전체에 걸쳐 대체되거나, 앞서 언급된 분할된 구역들에서 대체될 수 있다. 매질을 통과하는 (백색)빛이 색을 띠도록 매질은 색을 띨 수 있다.

아웃 커플링 구조는 또한, 방사된 빛 흐름이, 적어도 어느 정도까지, 편광되도록 하는 복굴절 물질을 포함할 수 있으며, 즉, 다른 편광의 빛보다 한 편광의 빛이 도광판으로부터 더 쉽게 방사된다. 이것은 LCD 응용에서 유용할 수 있다. 도광판으로부터 방사되지 않는 "잘못된(wrong)" 편광의 빛은, 이어서 확산시키는 리플렉터에 반사되어 다른 편광을 가져올 수 있다. 이러한 아웃 커플링층들은 예를들어, WO 2003/027568 및 WO 2003/078892에 원래 개시된다.

도 7은 본 발명에 따라 조명 장치를 이용하는 디스플레이 시스템을 도시한다. 조명 장치(38)는 투과형 LCD 패널(39)을 위한 백라이팅 장치로서 사용된다. 이것은, 예를 들어, 컴퓨터 모니터 또는 LCD-TV에 적용될 수 있다. 물론, 일반적인 실내 조명과 같은 다른 적용이 가능하다.

요약해서, 본 발명은 도광 구조물을 가진 조명 장치에 관한 것으로, 적어도 하나의 광원으로부터 입력된 빛이 이 도광 구조물을 통해 전달되고, 전반사에 의해 적어도 부분적으로 빛이 도광 구조물 내에 속박된다. 도광 구조물은 제1 및 제2 도광판, 및 상기 제1 도광판의 굴절률보다 낮은 굴절률을 갖는 중간층을 포함하며, 상기 제1 도광판은 상기 적어도 하나의 광원으로부터 빛을 수신하도록 배치된다. 도광 구조물은 향상된 횡방향 광도 평균화 효과를 제공하여, 상기 적어도 하나의 광원이 점 또는 선 모양이더라도, 조명 장치의 출력 표면으로부터 빛이 더 균일하게 방사되도록 한다.

본 발명은 앞서 설명된 실시예들에 제한되는 것이 아니다. 본 발명은 첨부된 청구항의 범위 내에서 다양한 방법으로 변경될 수 있다.

Claims

조명 장치로서,

제1 및 제2 주 평면을 가지며, 적어도 하나의 광원으로부터 빛을 수신하고 전반사에 의해 빛을 적어도 부분적으로 그 안에 속박하는 평평한 도광 구조물(light-guide arrangement)(5), 및

상기 제2 주 평면에, 상기 도광 장치(5)로부터의 빛을 아웃 커플링(out-coupling)하는 아웃 커플링 구조물(10)

을 포함하며,

상기 도광 구조물은,

평행한 제1 도광판(light-guide plate)(6) 및 제2 도광판(7) -상기 제1 도광판(6)은 광원으로부터 빛을 수신하도록 배치되고, 상기 제2 도광판(7)은 상기 아웃 커플링 구조를 포함함-, 및

상기 제1 도광판 및 상기 제2 도광판 사이에 적어도 하나의 중간층(intermediate layer)(8) -상기 중간층은 상기 제1 도광판보다 낮은 굴절률을 가짐-

을 포함하는 조명 장치.
제1항에 있어서,

상기 제1 도광판(6)의 한 에지(edge)를 통해 빛을 공급하도록 배치된 적어도 하나의 광원(14)을 포함하는 조명 장치.
제1항에 있어서,

상기 제1 도광판(6)의 주 평면을 통해 빛을 공급하도록 배치된 적어도 하나의 광원(1, 2, 3)을 포함하며, 상기 주 평면은 인커플링(in-coupling) 구조(9)를 포함하고 상기 평평한 도광 구조물의 상기 제1 주 평면을 구성하는 조명 장치.
제3항에 있어서,

리플렉터(4)를 포함하며, 상기 제1 주 평면 및 상기 리플렉터(4)는 상기 적어도 하나의 광원(1, 2, 3)을 실질적으로 둘러싸는 조명 장치.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 아웃 커플링 구조(10)는 복굴절(birefringent) 물질을 포함하는 조명 장치.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 제1 및 제2 도광판(6, 7)은 사이에 적어도 하나의 갭(gap)을 형성하기 위해 서로 이격되며, 상기 갭은 상기 중간층을 구성하고 적어도 하나의 세그먼트(segment)로 구성되며, 상기 세그먼트는 상기 갭의 간격과 실질적으로 동일한 높이를 갖는 인접한 스페이서 요소들 사이에 위치하는 조명 장치.
제6항에 있어서,

상기 세그먼트는 기체, 액체, 및 고체를 포함하는, 적어도 부분적으로 투명한 매질들의 그룹의 적어도 한 구성원으로 채워진 조명 장치.
제7항에 있어서,

상기 구성원은 이동가능하며, 다른 구성원으로 대체될 수 있는 조명 장치.
제7항 또는 제8항에 있어서,

상기 구성원은 색을 띠는 조명 장치.
제7항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,

복수의 세그먼트를 포함하며, 서로 다른 세그먼트들은 상기 적어도 부분적으로 투명한 매질들의 그룹의 서로 다른 구성원들로 채워진 조명 장치.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 조명 장치는, 백라이팅 장치(backlighting arrangement)로서, 투과형 LCD 패널(39)에 빛을 제공하도록 배치된 조명 장치.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 조명 장치는, 라이트 타일(light tile)로서, 범용 조명 목적을 위해 빛을 제공하도록 배치된 조명 장치.
도광판을 포함하며, 상기 도광판 안으로 빛을 입사시키기 위해 상기 도광판의 제1 주 평면에 인커플링 구조물을 포함하는 조명 구조물로서,

상기 입사된 빛은 전반사에 의해 적어도 부분적으로 상기 도광판 안에 속박되고,

상기 인커플링 구조물은, 상기 제1 주 평면으로부터 직립(upstanding)하고 투명한 측면(side surface)(29)들을 갖는 광학 소자(26)들을 포함하고, 상기 측면들 사이의 상기 광학 소자들의 폭은 상기 제1 주 평면으로부터 멀어지는 방향으로 감소되는 조명 구조물.
도광판(7)을 포함하며, 상기 도광판으로부터 빛을 출력하고 평행 시준(collimate)하기 위해 상기 도광판의 주 평면에 아웃 커플링 구조물을 포함하는 조명 구조물로서,

상기 아웃 커플링 구조는, 상기 주 평면으로부터 직립하고 투명한 측면(37)들을 갖는 광학 소자(36)들을 포함하고, 상기 측면들 사이의 상기 광학 소자들의 폭은 상기 주 평면으로부터 멀어지는 방향으로 감소되는 조명 구조물.