KR20090028820A - 광 안내 및 혼합용 장치 - Google Patents

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KR20090028820A
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바트 에이. 살터스
마르셀리누스 피. 씨. 엠. 크리즌
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코닌클리즈케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이.
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Abstract

광 안내 및 혼합용 장치는 광 가이드, 제1 층의 적어도 발광 소자들의 제1 세트와 제2 층의 적어도 발광 소자들의 제2 세트를 포함한다. 각각의 발광 소자들은 적어도 제1의 소정의 주파수의 광을 방출하도록 배열된다. 제2 층은 제1 층의 제1 기하학적 평면과 상이한 제2 기하학적 평면에 뻗어있어 구성 주파수들의 집합으로부터 출력된 균일한 광을 생성한다.
광 가이드, LED, 백 라이트

Description

광 안내 및 혼합용 장치{DUAL LAYER LIGHT GUIDE STRUCTURE FOR LED BASED AMBILIGHT}
본 발명은 컬러를 혼합하기 위한 광 가이드 구조체, 특히 발광 다이오드를 이용한 주변 광 기기용 광 가이드 구조체(light guide structure)에 관한 것이다.
수개의 새로운 LED 기반 조명 시스템에 광 가이드가 사용된다. 일반적으로 편평 또는 곡선의 투명 플라스틱 또는 유리로 된 이러한 광 가이드는 일반적으로 두 가지 역할을 한다. 광 가이드는 광원, 예컨대 하나 이상의 발광 다이오드(LED)로부터의 광을 희망하는 지점으로 안내하며, 각각의 레드, 그린 및 블루 LED로부터의 컬러를 혼합하는 것을 돕는다. 이는 불완전 혼합되면 모서리가 착색되고 어둡게되면서 백색면들이 백색이 되지 않고 착색이 되기 때문에, 컬러의 혼합에 있어 특히 중요하다.
광 가이드는 범용 조명 또는 LCD 모니터 또는 텔레비젼용 백라이트와 같은 많은 조명 분야에서 사용된다. 하나의 이러한 예가 국제 특허 출원 WO 2004/008023 A1에 개시되어 있으며, 상기 국제 특허 출원에는 광원인 LED 군과, 컬러 혼합용 광 가이드 플레이트와, 광 출력면을 가지는 광 가이드 플레이트를 포함하는 광 가이드 장치가 도시되어 있다. 광 가이드 장치는 LCD (liquid crystal display) 패널 후방의 백라이트 소스로서 제공된다. 이는 또한 LED 군으로부터 광 가이드 플레이트의 일 단부면으로 광선을 가이드하기 위한 삼각형 프리즘과, 광 가이드 플레이트의 다른 단부면으로부터 광 가이드 플레이트의 일 단부면으로 광선을 가이드 하기 위한 삼각형 프리즘들을 나타낸다.
이들 광 가이드들은 예컨대, 평면 스크린 디스플레이 패널과 같은 TV 수상기의 LED 기반 주변 후광 조명에도 적용이 가능하다. 광 효과는 화상 컨텐트(content)와 매칭되는 TV 주위에서 생성된다. 이러한 효과는 더 큰 가상 스크린과 보다 몰입적인 시각적 체험의 느낌을 준다. 이외에, 이는 시청자들의 눈의 피로를 감소시킨다.
이러한 주위 후광 조명 효과를 달성하기 위해서는, 벽을 향하여 광을 방출시키는 램프를 텔레비젼 세트의 후방에 위치시키는 것이 알려져 있다. 이를 위해서는, 냉음극 형광(CCFL; Cold Cathode Fluorescent) 램프들을 사용하는 것이 일반적이다. 몇몇 이유로 인하여, LED 기반 버젼이 선호된다. 그러나, 컬러 혼합 및 LED들의 사용과 관련된 컬러 균일성에 있어 문제가 존재한다. 예컨대, 모든 컬러를 생성 가능하게 하기 위해서, 적어도 3개의 상이한 LED들, 즉 하나의 레드 LED, 하나의 그린 LED 및 하나의 블루 LED가 요구된다. 3개의 LED는 본질적으로 서로 이웃하여 위치되며, 상이한 위치들로 인하여, 개별 컬러들의 출력은 서로 완전히 오버랩되지는 않는다.
주요 컬러당 더 많은 LED를 사용하는 것은 대체안이며, 이러한 대체안은 솔루션의 가격을 상당히 증대시킨다. 그래서, 컬러 당 몇 개만 또는 심지어 단 하나 의 LED를 가지는 것이 바람직할 것이다.
상기의 관점에서 볼 때, 본 발명의 목적은 상기 논의된 문제점들을 해결하거나 또는 적어도 감소시키려는 것이다. 특히, 일 목적은 향상된 컬러 조성(composition)을 생성시키기 위한 향상된 광 가이드를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 강도를 점진적으로 변경시키면서 컬러를 혼합함에 있어서 광 가이드의 성능을 향상시키려는 것이다.
상기 목적들은 광 가이드와, 제1 층의 적어도 제1 발광 소자와, 제2 층의 적어도 제2 발광 소자를 포함하는 광 안내 및 혼합용 장치에 의한 본 발명의 제1 양태에 따라 얻어진다. 각각의 발광 소자는 적어도 제1의 소정의 주파수의 광을 발광시키도록 배열된다. 상기 장치는 제2 층이 제1 층의 제1 기하학적 평면과 상이한 제2 기하학적 평면으로 연장되어, 구성 주파수들의 집합으로부터 균일한 광 출력을 생성하는 것을 특징으로 한다. 그래서, 광 가이드에 의해 특징된 컬러를 혼합하는 기능과 어느 한 지점의 소스(single point source)로부터의 광을 확산시키는 기능을 활용하는 것이 바람직하다. 상기 발광 소자들의 이점은 상기 발광 소자들이 상이한 평면으로 나눠어져 있어, 개별 소자들로부터 방출된 광이 다른 발광 소자들에 의해 덜 불명료하게 되거나 덜 쉐도잉된다는 것이다. 또한, 바람직하게는, 구성 주파수들의 집합으로부터 출력된 균일 강 강도가 달성된다. 다른 이점으로서, 컬러 균일성에 있어서 향상된 성능이 달성된다. 본 발명의 일 실시형태에 따르면, 발광 소자들은 소정의 주파수들의 협대역(narrow band) 광을 방출하도록 배열되어 하나의 명료하게 인지된 원색을 나타낸다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 제1 및 제2 층의 기하학적 평면들은 본질적으로 서로 평행하다.
본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 적어도 제1 및 제2 발광 소자는 적어도 제1 및 제2 발광 소자의 세트로 각각 이루어진다. 그래서, 추가 발광 소자들은 제1 및 제2 세트의 발광 소자들이 생성되도록 구성될 수 있다. 그래서, 많은 수의 동시에 방출된 주파수들 또는 컬러들은 이의 이점으로서 더욱 향상된 컬러 혼합이 가능하다.
본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 상기 세트들은 방출 주파수에 대하여 대응하는 발광 소자들을 포함하며, 발광 소자들의 제2 발광 소자 세트는 방출 주파수들에 관한 순서가 발광 소자들의 제1 발광 소자 세트와 반대로 되어 있다.
발광 소자들은 발광이 광 가이드 수단을 통하여 광 가이드의 내부로 향하도록 광 가이드 외부에 위치될 수 있다. 그러나, 본 발명의 일 실시형태에 따르면, 발광 소자들은 광 가이드 내의 평면에 포함된다. 본 발명의 또 다른 실시형태에 따르면, 발광 소자들의 제1 및 제2 층의 기하학적 평면들은 광 가이드를 통하여 연장된다. 예컨대, 방출 패턴을 지닌 측 방출 LED들은 파장 가이드의 평면과 일치하는 평면을 규정한다.
본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 임의의 상기 세트는 개별 컬러를 방출하여 인식된 백색 광에 대응하는 주파수들이 생성되도록 하는 3개의 발광 소자를 포함한다. 예컨대, 일 평면에 3개의 발광 소자들의 한 세트를 가질 수 있으며, 다른 평면에 하나의 발광 소자를 가질 수 있다. 이점으로서, 컬러들의 전체 규모(scale)는 그린, 블루 및 레드 즉, RGB 트리플(RGB-triplet)과 같은 확실히 상이한 컬러의 광을 방출하도록 배열된 각각의 3개의 발광 소자들로부터의 광 강도를 개별적으로 제어함으로써 재현될 수 있다. 또 다른 이점으로서, 3개의 주요 컬러, 예컨대 3개의 상이한 LED의 광 강도는 스크린 또는 표면 상에 균일하게 분배된다. 다시 말하면, 본 발명의 이점으로서, 본 발명은 벽의 각각의 위치에 동일한 양의 레드, 그린 및 블루 컬러를 제공하는데 도움을 주어, 백색 벽이 된다. 그래서, 균일하게 채색된 화상들 뿐만 아니라 색 윤곽(color fringe)이 거의 또는 전혀 없는 화상이 얻어진다.
일반적으로, 전체 휘도는 조명된 영역 상에서 변할 수 있다. 각각의 특정 지점에서 개별 컬러 간의 휘도 차이가 없는 한, 그 합은 백색이 될 것이다. 특정 실시형태, 예컨대 주위 백라이트의 응용에서의 실시형태에 따르면, 컬러의 절대 강도는 투영 스크린 전체에 걸쳐 반드시 일정할 필요는 없고, 스크린까지의 거리에 따라 저하하며(drops off), 얼마간은 완전히 허용가능한 것이다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 컬러는 레드, 그린 및 블루이다.
본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 세트들 중 제1 세트는 제1 측 방향을 따르는 제1, 제2 및 제3 광 소자를 포함하며, 세트들의 제2 세트는 제2 측 방향을 따라 위치된 대응하는 카운터 파트 소자들을 포함하며, 제1 및 제3의 카운터 파트 소자들은 직경방향으로 서로 마주보며 위치되며, 제2의 카운터 파트 소자들은 서로 마주보며 위치된다.
본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 발광 소자들은 본질적으로 일렬로 위치된다. 또한, LED들은 완전히 일렬로 위치될 필요는 없다. 예컨대, LED들은 삼각형과 유사한 형상을 형성하도록 측면에서 볼 때 약간 벗어나 위치될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시형태에 따르면, 발광 소자는 발광 다이오드들을 포함한다.
본 발명의 또 다른 실시형태에 따르면, 발광 소자들은 서로 균등하게 떨어져 있다.
다시 말하면, 본 발명에 따라 제시하고자 하는 것은 신규한 광 가이드 구조체, 바람직하게는 주변 광 기술 분야의 LED 광원용 광 가이드 구조체이다. 광원들은 광 가이드의 상부면과 하부면 사이에 위치된다.
본 발명의 상기의 추가 목적들과, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명의 바람직한 실시형태들의 설명적 및 비제한적인 상세한 설명을 통하여 보다 잘 이해될 수 있으며, 상기 첨부된 도면들에서 동일 참조 번호는 유사한 요소에 사용된다.
도 1a는 본 발명에 따른 광 가이드의 입체도.
도 1b는 본 발명에 따른 광 가이드의 측면도.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 측 발광 소자를 나타내는 도면.
도 3은 LED들의 일 배열로 형성된 광 가이드를 나타내는 도면.
도 4는 LED들의 다른 배열로 형성된 광 가이드를 나타내는 도면.
도 5는 광 가이드에 의해 방출된 광이 투영된 벽 및 광 가이드를 나타내는 도면.
수개의 컬러로 이루어진 광의 분배를 더욱 균일하게 하기 위해서는, 내부 전반사(TIR; Total Internal Reflection)를 통하여 광을 전송하면서 동시에 광 가이드를 통과하는 상이한 컬러의 광을 혼합하는 광 가이드들을 이용하는 기술이 있다. 예컨대, 내부 전반사(TIR) 광은 광 가이드 내에 보유될 수 있다. 광이 충분히 수직에 가까운 각도로 평면에 이를 때에, 광은 광 가이드를 빠져나갈 수 있다.
도 3 및 도 4는 광 가이드(301, 401) 내에서의 LED(302, 402)의 배열 예를 나타낸다. 예컨대, 도 3은 3개의 상이한 색상의 측 발광 LED(303, 304, 305)가 투영면(미도시)과 평행하게 일렬로 나란히 배열되어 있는 것을 나타낸다. 측 발광 LED는 노출된(naked) LED 다이와, 광을 옆으로 방출시켜 광 가이드 면으로 향하게하는 수개의 추가 광학 요소를 포함한다. 또한, 광 가이드의 이러한 평면도에서 4개의 벽 중 3개의 벽에 도시된 두꺼운 선은 미러 코팅(mirror coatings; 312, 412)을 나타낸다. LED들의 상이한 위치로 인하여, 3개의 LED로부터의 광이 더해지지가 않아, 조명될 물체 상에 백색 광의 균일한 분배가 얻어질 수 없다. 대신에, 레드 LED가 다른 LED를 차단하거나 쉐도잉하여 다른 LED들로부터의 광이 특정 영역에 도달하지 않게 됨으로써, 일부 영역에서는 레드가 두드러지는 한편, 다른 영역에서는 그린 또는 블루가 보다 가시적이게 된다. 그래서, 상호 차단으로 인하여, 개별 광 소자로부터의 최종 광 분배는 공간적으로 분리되게 된다.
도 4에는, LED(403, 404, 405)가 투영면(미도시)과 수직한 열로 나란히 위치된 광 가이드(401)를 나타내는 다른 실시형태가 도시되어 있다. 그래서, 비록 그린 및 블루 광의 직선 방출(exiting straight out)이 차단되기는 하지만, 좌우 비대칭은 해결된다. 이제 문제는 레드 광이 주로 중앙에서 가시적이라는 것이다. 그래서, 비용에 상당한 영향을 미치는 여러개의 각 컬러의 LED를 사용하지 않는다면, LED를 평면에 위치시킴으로써 하나 이상의 LED의 차단을 회피할 수는 없다. 다수의 LED를 이용하더라도, 쉐도우 영역은 남아있게 된다. 사실상, 2개의 레드 LED를 사용하더라도, 기껏해야 한번에 하나가 차단될 수 있기 때문에, 더 많은 쉐도우가 생기게 된다(In fact, more shadows will arise, although, with 2 red LEDs, maybe not more than one at a time will be blocked). 소정의 주어진 영역에서 특정 컬러의 광이 일부만 차단되는 전체 효과가 얻어질 것이다.
또한, 도 3 및 도 4에서, 작은 원들로 도시된 작은 광 산란 구조(310, 410)는 광 가이드를 벗어난 광을 반사시키는데 도움을 준다. 이들이 없다면, 대부분의 광은 광 가이드의 45°측부(311, 411)에 의해 반사될 때까지, 광 가이드 내에 남아있게 될 것이다. 동시에, 산란 구조(310, 410)는 광을 확산시키며 강도 균일성을 향상시키는 기술을 나타낸다. 그래서, 이들 및 다른 기술이 광을 확산 및 혼합시키는 일부 개선안을 제공하더라도, 이들 목적에 대한 보다 우수하고 효율적인 기술이 요구된다.
도 5는 광 가이드(501) 및, 이 광 가이드로부터 출력된 광을 투영시키기 위한 투영부(502)의 벽 또는 평면을 나타낸다. 광 가이드(501)는 일렬로 위치된 3개 의 발광 소자(503, 504, 505)를 가진다. 광 가이드(501)는 3개의 반사 벽(506, 507, 508)과, 산란 구조(510)가 근방에 위치된 하나의 출력측(509)을 포함한다. 화살표(511, 512, 513, 514, 515)에 의해 나타낸 광선은 발광 소자 중의 하나(504)로부터 방출된 광을 전파하는 다양한 경로를 나타낸다. 광선(511)은 광 가이드의 후방 벽(507)에서 반사되어 발광 소자(504)에서 차단된다. 광선(512)은 후방 벽(507)에서 반사되어 벽(502)에 도달하기 전에 산란 구조(510)에서 산란된다. 광선(513)은 후방 벽(507)에서 반사되어 발광 소자(503)에 의해 차단된다. 광선(514)은 출력측(509)을 통하여 방출되기 전에 후방 벽(507) 및 측벽(508)에서 반사되어 벽(502)에 도달한다. 광선(517)은 벽(502)에 도달하기 전에 산란 구조(510)에서 산란된다. 광선(515, 516)은 직접 출력측(509)을 통하여 방출되어 벽(502)에 도달한다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명에 따른 광을 확산시키기 위한 장치(100)의 입체도를 도시한다. 장치(100)는 광 가이드(101), 상기 광 가이드에 내장된 제1 발광 소자 세트(102)와 제2 발광 소자 세트(103)를 포함한다. 상기 제1 및 제2 발광 소자 세트는 카운터 파트의 발광 소자들과 서로 대응지어져 제1 대응 쌍(104, 114), 제2 대응 쌍(105, 115) 및 제3 대응 쌍(106, 116)으로 도시되어 있다. 그래서, 도 1a 및 도1b는 발광 소자들, 예컨대 LED들의 이중 층을 지닌 광 가이드를 나타낸다. 이러한 도시는 하나의 바람직한 실시형태만을 나타내는 것이며, 많은 수의 발광 소자들이 사용되는 예에 대한 다른 대안적인 실시형태도 존재한다. 그러나, 도시된 바와 같은 특정 예로 되돌아 가서, 발광 소자들의 개별 쌍들은 다양한 컬러의 광을 방출할 수 있다. 예컨대, 발광 소자(104, 114)의 쌍은 블루 광, 발광 소자(105, 115)의 쌍은 그린 광 및 발광 소자의 쌍(106, 116)은 레드 광을 방출할 수 있다.
광 출력의 대칭성(symmetry)은 중앙에서 서로 마주보는 제1 쌍의 발광 소자(105, 115)와, 직경방향으로 서로 마주보는 두개의 잔여 쌍을 가짐으로써 달성된다. 임의의 개별 소자들로부터 발산되는 광의 이동 경로가 방해받지 않아 최종적으로 모여진 컬러 성분의 균일성이 향상된다. 그래서, 스크린 상의 모든 위치에서의 레드 광, 그린 광 및 블루 광의 동일한 광량을 포함하는 백색 화상은 또한 전체 3개의 컬러가 동일한 균일 분배를 가짐으로써 달성된다.
도 1b는 도 1a에 나타낸 장치의 측면도를 나타낸다. 발광 소자(104, 105, 106, 114, 115, 116)는 광 가이드(101)를 통하여 뻗어있는 두 개의 평행한 기하학적 평면(117, 118)으로 나타낸 두 개의 층에 위치된다. 이 층들은 광 가이드(101)의 상부(119)와 하부(120) 사이의 광 가이드(101) 내에 위치된다. 화살표(121)는 발광 소자(104, 105, 106, 114, 115, 116)로부터 방출된 광선들을 가르킨다.
도 2는 본 발명에 따른 광 가이드(미도시) 배치용 측 발광 소자(201)를 나타낸다. 화살표(202)에 의해 지시된 광은 원통형 외주부(203)를 벗어나 옆으로 방출되며, 광의 대칭 원추형(204)을 형성한다. 상기 원추형은 도 1b의 참조부호 "117", "118"로 나타낸 바와 같은 광 가이드의 연장에서의 기하학적 평면의 법선(206)의 양 측으로부터 각도(205)로 뻗어있다. 특정 유형의 측 발광 소자들 또는 LED들에 따르면, 각도는 대략 20°이다. 그래서, 동시에 모든 방향에서도 방출된 광의 패턴은 등대로부터의 방출 광 패턴과 기본적으로 유사하다. 그래서, 이러 한 구성에서도, 도 1a 및 도 1b와 도 2를 조합하여 알 수 있는 바와 같이, 앞서보다는 상당히 적지만, 광이 다른 LED들의 아래 또는 위를 통과함에 따라, 수개의 LED들은 인접 LED들로부터의 일부 광을 차단하게 된다.
도면들은 축척으로 그려진 것이 아니며, 일반적으로 실제 폭은 높이 보다 더 클 것이다. 특정 기기에서, 특정 요구 조건은 대략 25 대 1의 비가 바람직할 수 있다.

Claims (12)

  1. 광 가이드(101, 301, 401), 제1 층의 적어도 제1 발광 소자(104, 105, 106) 및 제2 층의 적어도 제2 발광 소자(114, 115, 116)를 포함하는 광 안내 및 혼합용 장치(100) - 각각의 상기 발광 소자는 적어도 제1의 소정의 주파수의 광을 방출하도록 배치됨 - 로서,
    상기 제2 층은 상기 제1 층의 제1 기하학적 평면(117)과 상이한 제2 기하학적 평면(118)으로 연장되어, 구성 주파수들의 집합(aggregate of the constituting frequencies)으로부터 균일한 광 출력을 생성하는 것을 특징으로 하는 광 안내 및 혼합용 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 층 및 제2 층의 기하학적 평면들(117, 118)은 본질적으로 서로 평행한 광 안내 및 혼합용 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 발광 소자(104, 105, 106, 114, 115, 116)는 상기 광 가이드(101) 내에 포함되는 광 안내 및 혼합용 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 층 및 제2 층의 기하학적 평면들(117, 118)은 상기 광 가이드(101)를 통하여 연장되는 광 안내 및 혼합용 장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 제1 발광 소자(104)와 제2 발광 소자(114)는 각각이 적어도 제1 발광 소자 세트(102) 및 제2 발광 소자 세트(103)를 구성하는 광 안내 및 혼합용 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 발광 소자 세트(102)와 제2 발광 소자 세트(103)는, 방출 주파수에 대하여 대응하는 카운터 파트 발광 소자들을 포함하며, 발광 소자(114, 115, 116)의 상기 제2 발광 소자 세트(103)는 방출 주파수에 관한 순서가 발광 소자(104, 105, 106)의 상기 제1 발광 소자 세트(102)와 반대로 되어 있는 광 안내 및 혼합용 장치.
  7. 제5항 또는 제6항에 있어서,
    상기 제1 발광 소자 세트(102) 및 제2 발광 소자 세트(103) 중 임의의 세트가, 개별 컬러를 방출하여 인식된 백색광에 대응하는 주파수들이 생성되도록 하는 3개의 발광 소자(104, 105, 106 또는 114, 115, 116)를 포함하는 광 안내 및 혼합용 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 컬러는 레드, 그린 및 블루인 광 안내 및 혼합용 장치.
  9. 제7항 또는 제8항에 있어서,
    상기 세트들 중 제1 세트(104, 105, 106)는 제1의 측면 방향을 따르는 제1 발광 소자(104), 제2 발광 소자(105), 제3 발광 소자(106)를 포함하고, 상기 세트들 중 제2 세트는 제2의 측면 방향을 따라 위치된 대응하는 카운터 파트 발광 소자(114, 115, 116)를 포함하며, 제1 및 제3의 카운터 파트 발광 소자(104 와 114; 106 와 116)는 직경방향으로 서로 마주보며 위치되며, 제2의 카운터 파트 발광 소자(105 와 115)는 서로 마주보며 위치되는 광 안내 및 혼합용 장치.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 발광 소자(104, 105, 106; 114, 115, 116)는 본질적으로 일렬로 위치되는 광 안내 및 혼합용 장치.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 발광 소자(104, 105, 106, 114, 115, 116)는 발광 다이오드들을 포함하는 광 안내 및 혼합용 장치.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 발광 소자(104, 105, 106, 114, 115, 116)는 서로 균등하게 떨어져 있는 광 안내 및 혼합용 장치.
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