광도파관이란 무엇인가?

여기서 n은 굴절률이고, c 는 진공에서의 빛의 속도이며, v는 물질 내 빛의 위상 속도입니다. 진공은 엄밀히 말해 물질은 아니지만 굴절률은 1입니다. 물의 굴절률은 1.3333입니다. 광 도파관에 일반적으로 사용되는 유리와 플라스틱은 가시광선에 대해 약 1.45에서 1.6의 굴절률을 가집니다.

빛이 서로 다른 굴절률을 가진 두 물질 사이의 경계를 만날 때, 경계를 통과하는 빛은 굴절되어 빛의 방향을 바꿉니다. 이 과정을 굴절이라고 하며 스넬의 법칙에 의해 지배됩니다.

스넬의 법칙이란 무엇인가?

스넬의 법칙에 따르면 빛이 나오는 각도는 빛이 경계면에 닿는 각도와 재료의 굴절률 차이에 따라 달라집니다. 굴절률 차이가 클수록, 그리고 입사각이 클수록 굴절이 더 많이 일어납니다. 굴절을 지배하는 스넬의 법칙에서 n은 굴절률이고, θ는 재료 1 또는 재료 2에서 빛의 입사각입니다.

스넬의 법칙을 풀면 빛의 출사각은 다음과 같습니다.

두 굴절률 중 더 높은 굴절률을 가진 재료 내부에서 빛이 시작되는 특수한 경우, 방정식을 풀 수 없는 각도 θ1이 존재함을 알 수 있습니다. 이는 대괄호 안의 식이 1보다 클 때 발생합니다. 대괄호 안의 식이 정확히 1이 되는 θ1 값(임계각이라고 함)은 다음 방정식으로 주어집니다.

예를 들어, 공기(굴절률 1) 내 굴절률 1.5인 재료의 경우 41.81º의 임계각을 얻습니다. 이 임계각보다 큰 각도로 표면에 닿는 빛은 굴절될 수 없으며, 따라서 빛의 100%가 재료 내부로 다시 반사됩니다. 이는 전반사를 유발합니다.

전반사는 유리나 플라스틱과 같은 재료 내부에 있는 빛이 굴절률이 더 낮은 재료(일반적으로 공기)와의 경계면에 임계각보다 큰 각도로 입사할 때 발생합니다.

직사각형 판 또는 파이프, 원통 또는 구와 같은 특정 형상의 경우, 빛이 가이드의 가장자리 또는 끝에 도달할 때까지 가이드 내부에 갇힐 수 있습니다. 이를 통해 빛은 원래 광원에서 가이드를 따라 다른 쪽 끝까지 최소한의 손실로 전달될 수 있습니다.

도광판의 목적이 가이드 길이를 따라 빛을 추출하는 것이라면, 설계자는 가이드 길이를 따라 추출 기능을 사용할 수 있습니다. 이러한 기능은 여러 형태를 취할 수 있지만, 더 일반적인 기능 중 일부는 페인트 점과 가이드에 새겨진 작고 프리즘 같은 구조(종종 텍스처라고 함)이며, 그림 6에 나와 있습니다.

도광판은 길고 직선일 필요가 없습니다. 곡선 형태일 수도 있습니다. 원하는 대로 테이퍼지거나 플레어지거나 단면 모양을 변경할 수 있습니다. 자동차 계기판, 자동차 외부 조명 애플리케이션, 핸드형 장치의 키패드를 조명하는 데 자주 사용되는 매우 복잡한 형태를 취할 수 있습니다.

가장 중요한 라이트 가이드 중 일부는 텔레비전, 모니터, 시계 등의 평면 패널 디스플레이를 밝히는 데 사용되는 평평한 시트입니다. 이러한 유형의 라이트 가이드는 한 면에 추출 기능이 성형된 얇고 평평한 재료 시트입니다. 빛은 일반적으로 LED를 사용하여 하나 이상의 가장자리에서 라이트 가이드로 주입됩니다. 일반적으로 균일한 원하는 출력 패턴은 추출 기능을 신중하게 분배하여 얻어집니다. 시스템의 복잡성으로 인해 원하는 광 분포를 달성하기 위해 텍스처 배치를 최적화하려면 조명 설계 소프트웨어가 필요합니다.

라이트 가이드는 광섬유 형태를 취할 수도 있습니다. 광섬유는 높은 굴절률의 중앙 코어와 낮은 굴절률의 클래딩으로 구성된 매우 얇고 유연한 유리 "와이어"입니다. 광섬유는 장거리로 빛을 전송하는 데 매우 유용하며 통신, 의료 영상 및 레이저 수술과 같은 다양한 애플리케이션에 널리 사용됩니다.

라이트 가이드는 구부러지고 더 복잡한 형태를 취할 수 있지만, 대부분의 빛 누출은 이러한 굽힘 부분에서 발생합니다. 굽힘 부분에서 TIR에 의해 갇힌 일부 빛은 임계각보다 작은 각도로 가이드 경계에 부딪혀 라이트 가이드를 벗어날 수 있습니다. 이는 소프트웨어의 설계 및 시뮬레이션을 통해 신중하게 관리되어야 합니다.

라이트 가이드를 테이퍼링하는 것도 누출을 유발할 수 있습니다. 일반적으로 광원에서 멀어질수록 단면적을 늘리는 것은 문제가 되지 않지만, 단면적을 줄이면 일반적으로 누출을 통해 또는 가이드 내부의 빛을 반전시켜 광원 방향으로 되돌려 보내는 방식으로 손실이 발생합니다. 이는 라이트 가이드에 삽입되는 빛이 넓은 각도 범위를 커버하는 경우 특히 그렇습니다.

라이트 가이드의 일반적인 용도는 넓은 영역에 걸쳐 빛을 고르게 분산시키는 것입니다. 적용 분야는 정보 디스플레이부터 제어 조명, 액센트 조명에 이르기까지 매우 다양합니다. 빛을 분산시키는 능력을 통해 조명 엔지니어는 더 적은 수의 고출력 광원을 사용하여 시스템을 단순화하고 비용을 절감할 수 있습니다. 또한 에너지 절약형 LED와 함께 작동하므로 라이트 가이드는 많은 조명 시나리오에서 효율적이고 비용 효율적인 솔루션을 제공할 수 있습니다.

광 도파관은 비교적 단순한 수동 장치이지만, 빛이 광 도파관과 상호 작용하는 방식은 복잡합니다. 제대로 작동하고 올바른 점등 외관을 갖는 광 도파관을 설계하려면 신중한 엔지니어링이 필요합니다. LightTools 및 LucidShape와 같은 조명 시뮬레이션 도구는 프로토타입을 제작하는 데 시간, 비용 및 노력을 들이기 전에 조명 엔지니어에게 광 도파관/광원 조합의 성능을 설계, 최적화 및 분석하기 위한 적절한 도구 세트를 제공합니다. 소프트웨어에서 모델의 성능에 만족하면 엔지니어는 프로토타입을 구현하고 시뮬레이션 결과를 실제 측정값과 비교하여 확인할 수 있습니다.

빛 추출 광 도파관은 설계하기가 훨씬 더 복잡합니다. 엔지니어는 광 도파관에서 원하는 출력을 얻기 위해 텍스처를 적절하게 배치해야 합니다. 엔지니어는 또한 추출된 빛이 나아가는 방향을 확인해야 하며, 이는 점등된 광 도파관의 밝기와 외관에 영향을 미칩니다. 이러한 작업과 많은 광 도파관에 필요한 복잡한 형상을 관리하려면 LightTools 또는 LucidShape와 같은 전문 도구가 필요합니다.