CN1179146C - 光导照明器 - Google Patents

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Abstract

一种光导(34)照明器(20)包括具有中心(43)和内表面(41)的纵向壳体(22)，和一光导管(34)，该导管至少包括二个布置在壳体(22)内的光学照明薄膜(26a-c)的区段(24a，24b)，其布置应使中心(43)和壳体(22)内表面(41)之间的最短距离小于各光学照明薄膜(26a-c)的区段(24a，24b)的曲率半径。光导管(34)可滑动地保持在壳体(22)内，而壳体(22)与光学照明薄膜(26a-c)被布置成为在壳体(22)与光学照明薄膜(26a-c)之间构成空气间隙(36)。照明器(20)也可包括从壳体(22)的内表面径向地向内延伸的抽出器元件(28)以散射光线，和供反射光线返回进入光导管(34)的回射器(24a-24b)。一个连接构件适合于可滑动地接纳光学照明薄膜(26a-c)，回射器区段(24a-24b)，和抽出器元件(28)的端部。

Description

光导照明器
发明领域
本发明涉及一种棱镜光导(管)照明器。更具体地说，本发明涉及一种棱镜光导照明器，它能够做成比用一张单独的光学照明薄膜做出的光导件的最小曲率半径更小的半径，它包括空气间隙，该间隙能够防止在光导件中形成的冷凝水珠，和容许个别照明器部件滑入和/或出照明器壳体而不损伤光学照明薄膜。
发明背景
由于具有许多优点，利用中央照明系统照亮一个大区域是很久以来人们所希望的。例如，一个中央光源比较许多单独的光源容易维护，中央光源所产生的热量比较容易排放，而来自于诸分布光源的热量不容易排放，而且联结于一个中央光源的光分布系统发射出最低水平的热量或无热量。这样的系统利用光导照明器传递和分布光线。
棱镜光导件和光导照明器在已有专利技术中是众所周知的。例如Whitehead的美国专利4,260,220中揭示一种用透明介电材料、如丙烯酸塑料或光学透明玻璃制造的中空纵向光导结构，用于将中央光源的光线传递或“管导”到远处。光导件包括处于“八个一组(octature)”的基本为平面的内外表面。光导件由一个或更多纵向区段组成，沿其长度方向各自具有不变的截面。光导件可以有中空的矩形或正方形截面结构，由四个纵向壁区段结合形成角部。光导件可以包括外护套或罩盖以保护介电材料的外表面免遭损伤。光导件的角部通过角条和带状弹簧被保持在保护护套内。
Whitehead的美国专利4,615,579中揭示一种用于棱镜光导系统的照明器，它包括光放出机构以供沿光导件长度方向放出光线。光放出机构可以是非平面的表面、一种粗糙的外表面或是在外部起波状的表面中的圆角。Whitehead的美国专利4,787,708中揭示各种附加的技术，以便连续地控制从光导件中发射的光，例如使沿光导件每单位长度逸出光线量成为常数而获得均匀照明。为使任何逸出的光线反射回到照明器，从而使其通过预期的表面放出，所有不希望有光线逸出的外表面可以用高度反光漫射的材料覆盖，诸如镜子、白漆、白塑料、白纸或白色织物。
光导件和光导照明器可以用各种截面形状制成，如在美国专利4,260,220(Whitehead)，美国专利5,661,839(Whitehead)，美国专利5,715,347(Whitehead)，和美国专利4,805,984(Cobb.Jr.)中所披露。此外，光导件可以用多种诸如透明介电材料制成，包括如美国专利4,260,220(Whitehead)揭示的丙烯酸塑料或光学透明玻璃，或者如美国专利5,661,839(Whitehead)揭示的光学多层薄膜。
按照现有技术典型的光导照明器在图1中描述。照明器2具有圆形截面，并包括外壳4，紧密地配合在外壳4的内表面一部分的回射器或背射器(backreflector)6和布置在回射器6邻近的光学照明薄膜8。光学照明薄膜8是一张连续的薄膜，并包括在装配前直接施加在薄膜8内表面上的抽出器材料10。如此，照明器2包括紧密地夹在外壳4和光学照明薄膜8之间的回射器6而其整个内外表面都与它们接触。光学照明薄膜8是利用摩擦保持在其位置上，这是由于弯曲薄膜和将其插入外壳4时所产生的力造成的。
不过，传统的光导照明器具有一些限制和缺点。例如，由于光学照明薄膜，回射器和外壳紧密接触，传统的光导照明器倾向于在光学照明薄膜内表面上聚集冷凝水珠，由此造成光线途径的破坏而导致光线不希望的抽出。此外，光学照明薄膜，回射器和外壳紧密接触后可防止这些部件个别地从照明器中滑入和/或滑出而不至于被损坏。这就是，当照明器的构造是使光学照明薄膜、回射器和外壳互相紧密接触，在这些部件之间的滑移可促使光学照明薄膜和回射器刮伤，因此而削弱照明器的性能。因此，对于传统的光导照明器，拆除、更换、或改进光学照明薄膜、回射器或外壳需要完全拆卸照明器。
此外，传统的光导照明器的半径依赖于用来制造光导件的光学照明薄膜的柔性而定。这就是说，有些商业上可提供而且具有需要光学性质的材料不能够用来制造小直径光导照明器，因为材料刚硬并在辗压成为具有小曲率半径的截面时趋向于破裂。例如用商业上可供应的聚碳酸酯光学照明薄膜制成的光导照明器，在形成直径小于四英寸的光导时将开始破裂。如美国专利5,745,632(Dreyer.)中所解释，对一个具体薄膜可卷成的近似最小圆筒直径由方程式决定：D＝T×C，式中D是薄膜直径，T是从光滑面量到凹槽谷底的薄膜厚度，而C是与具体材料的弹性模数关联的常数。
传统的光导照明器系统典型地做成具有一定要求的长度，并且做成分离的区段以方便搬运和运输。最近，已经开发成功模块化光导照明器系统，利用一定数量的分离的模块连接形成链式结构，如在美国专利5,901,266(Whitehead)所描述的。除去抽出器之外各模块均相同，而抽出器的尺寸必须保证各模块按照其在链式结构中的位置发射出适当数量的光线。由于各模块是在装配成光分配链式结构前制成的，为了建成一个光分配系统，必须维持大量的模块库存，其中各模块具有特定尺寸的抽出器。这样一来，目前的光导照明器系统必须为其预期最终应用而设计，而且一旦装配完成不能轻易地改变。
因此希望提供一种光导照明器，能够形成相对较小截面的配置，而不管用于制造光导件的材料如何。也希望提供一种光导照明器，它在光学照明薄膜导管、回射器和保护外壳之间具有空气间隙，以防止湿气在光学照明薄膜上冷凝，并且容许光学照明薄膜，回射器和抽出器等元件容易地滑入或滑出保护外壳而不损坏这些部件。此外，希望提供一种光导照明器，能够方便地加以改进或定制，以满足特定的最终用途，由此减少根据最终用途需要建造不同光导照明器系统的所需模块库存量，并且消除根据最终用途分别设计光导照明器系统的需要。也希望提供一种光导照明器，它既便于装配和修理，又容许各照明器部件方便地更换而不至于损坏光学照明薄膜。
发明概述
本发明提供一种光导照明器，包括一纵向外壳和一光导管，该导管至少包括二个布置在壳体内纵向延伸的光学照明薄膜区段。壳体和光导管的配置和布置应该是如此：即壳体中心和壳体内表面之间的最短距离小于各光学照明薄膜区段的曲率半径。
在此使用的光学照明薄膜区段涉及一段光学照明薄膜材料，其端面邻接照明器壳体，而延伸在两端之间的中间部分与壳体间隔。因此可以理解，几个光学照明薄膜区段可以从一张单独连续的材料形成，或每一区段是一片分立的材料。
照明器可以包括布置在光导管内的、纵向延伸的抽出器元件以散射光线，从而使光线由照明器发射。抽出器元件可以是固定在光学照明薄膜内表面上的漫射反射材料或者是从光学照明薄膜区段之间的壳体径向向内延伸的单独的部件。照明器也可以布置一个回射器，以便把光线反射回到光导管内。回射器可以布置在壳体的外表面上，或在壳体的内表面上，或在壳体和相应光学照明薄膜区段之间呈大体间隔关系。此外，壳体本身可以用作为回射器的材料制造，由此就不再需要单独的回射器。
在一个实施例中，光学照明薄膜区段、回射器区段和抽出器元件各自可以独立地可滑动地保持在壳体内。此外，壳体、光学照明薄膜和回射器区段可以布置成在壳体和回射器区段之间以及在回射器区段和相应光学照明薄膜区段之间构成间隙，从而防止在光学照明薄膜的内表面上形成冷凝水珠。而且，由于回射器区段、光学照明薄膜区段和抽出器元件各自可以独立地可滑动地保持在壳体，并且彼此间隔，这些部件各自可以单独地滑入或滑出壳体而不受到损害。这有利于装配照明器链式结构模块，并且减少需要装配这样链式结构的模块库存量，因为各模块可依照其在链式结构中位置和按照最终用途定制。
光学照明薄膜区段和回射器区段可以是弧形的，由此各区段的弯曲力使区段保持在壳体内位置上。在另一个实施例中，照明器包括连接构件，适合于滑动地接纳光学照明薄膜区段、回射器区段和抽出器元件的端部。在该实施例中，连接构件使光学照明薄膜区段、回射器区段和抽出器元件保持在壳体中。相应地，光学照明薄膜区段和回射器区段不需要是弧形的。
由于光导照明器包括光学照明薄膜区段，光导照明器能够达到其半径小于光学照明薄膜的最小曲率半径。在一个实施例中，光导照明器包括三个光学照明薄膜区段和三个径向向内并纵向延伸的抽出器元件。在一个特定的实施例中，各光学照明薄膜区段是弧形的并具有大约二英寸曲率半径，而壳体是圆筒形的，其直径约小于二英寸。
在另一实施中，一个包括色彩、图形和其他标记的发射面板布置在邻近光线通过的光学照明薄膜区段。这种发射面板特别适合美学上的照明，并且使照明器可以按照最终用途迅速而方便地定制。
附图简要说明
下面参考附图对本发明作进一步的描述，其中：
图1为按照已有技术的光导照明器的端视图；
图2为按照本发明的光导照明器的端视图；
图3为包括联接构件的本发明第二实施例的端视图；
图4为本发明第三实施例的端视图。
详细描述
参照图2，它表示一个光导照明器20，该光导照明器20包括一纵向外壳体22，布置在壳体22内的光学照明薄膜的纵向延伸弧形区段26a-c，分别布置在壳体22和光学照明薄膜26a、26b之间的纵向延伸弧形回射器区段24a、24b，和诸纵向延伸的抽出器元件28。在壳体22和光学照明薄膜区段26c之间没有回射器区段，由此构成一个光线可以逃逸的发射区域30。照明器20可以任选地包括一个在发射区域30内的发射面板40，成隔离关系布置在光学照明薄膜26c和壳体22的内表面之间。发射面板40可以包括，例如，色彩、印花、图形和其他标记。
壳体22采用诸如挤出聚碳酸酯之类的硬性材料制造，并用于保护回射器材料24a，24b，光学照明薄膜26a-c和抽出器元件28，使其不至于由于冲击或环境污染物，诸如灰尘、湿气或昆虫而损伤。壳体可以制成无缝，并且因此特别适合于户外应用。壳体22具有中空圆形横截面构造，但具有其他横截面形状，如正方、矩形和卵形，也可采用。
依照本发明的一个实施例的特征，各光学照明薄膜26a-c区段的端面与壳体22的内表面41邻接，而在各光学照明薄膜26a-c区段的两端之间的中间部分与壳体22的内表面41间隔。相应地，壳体22的中心43和壳体22的内表面41之间的最短距离小于各光学照明薄膜26a-c区段的曲率半径。
光学照明薄膜区段26a-c可滑动地保留在壳体22内，并组合成为具有弓状三角形横截面的光导管34。不过，光导管34不一定包括三段光学照明薄膜，也可以预期具有二个、四个或更多区段的光导管。每一光学照明薄膜区段26a-c由弯曲光学照明薄膜产生的力所保持在位。光学照明薄膜区段26a、26b各自与回射器区段24a、24b间隔和大致对准，因此在各回射器区段24a、24b和相应的光学照明薄膜区段26a、26b之间形成空隙36，并进而构成一个内部空心的空间38，可以使内部反射光线传播。空隙36和空心的内部空间38各有大致不变的纵向横截面。
对光学照明薄膜的合适的材料包括聚碳酸酯或丙烯酸树脂。其他可用的聚合物为聚丙烯、聚氨酯、聚苯乙烯、聚氯乙烯之类。由于其特别高的折射率和物理性能，即耐气候性、抗紫外线能力、尺寸稳定性、和温度忍受力，聚碳酸酯和丙烯酸树脂受到特别关注。商业上可用到的聚碳酸酯光学照明薄膜可从明尼苏达州、圣保罗市的3M公司获得，其产品名称为【光学照明薄膜2301】。其他合适的光学薄膜包括在美国专利4,260,220(Whitehead)；4,906,070(Cobb.Jr.)；5,056,892(Cobb.Jr.)中讨论的；和在美国专利5,661,839(Whitehead)中讨论的高效率反射镜面薄膜和棱镜状的薄膜。
由于照明器用若干光学照明薄膜区段建造而成，能够达到使照明器具有比光学照明薄膜最小曲率半径更小的半径。例如，如图2所描述的，如果各光学照明薄膜区段26a-c具有两英寸曲率半径rf，可以达到壳体22具有约一英寸曲率半径rh，其结果是照明器20具有二英寸的直径。另一方面，传统的照明器设计使用一张连续的聚碳酸酯光学照明薄膜，该薄膜当形成为具有小于四英寸的直径的辊子时将开始破裂。此外，光学照明薄膜以分开区段形式提供，可以容许各区段使用不同形式的光学照明薄膜。
回射器区段24a、24b与壳体22的内表面41间隔，由此构成空隙32。各回射器区段24a、24b较佳地是可滑动地保留在壳体22内，并通过弯曲回射器产生的力保持在其位置上。回射器区段24a、24b的作用是使沿照明器传播的反射光线返回照明器20，从而使光线只在希望的位置逸出。作为替代，回射器可以设置在壳体22的外表面上或者固定在壳体22的内表面43上。此外，在一种光线从整个照明器20发射的应用中，可以没有回射器。回射器24a、24b可以用任何高度漫射的反射材料。一种适宜的回射器材料可以从特拉华州，威林帧的E.I.Du Pont de Nemours & Company获得，其商业名称为TYVEK。回射器可选择地包括背衬以使回射器具有要求的硬性或刚度性质。也可以考虑照明器建造成为具有足够刚性的，并可当作壳体的回射器，从而省略单独的外壳。
光学照明薄膜区段26a-c和回射器区段24a、24b的弧形形状不但能够用作使这些区段保持在位，并且能够更有效地反射光线和用作捕获从传统光源出来的光线，传统光源典型地具有圆形反射器。
诸抽出器28纵向和径向向内在光学照明薄膜区段26a-c相邻端面之间延伸。抽出器28用作使反射在其上的光线分散，由此促使反射的光线从光导管34通过发射区域30逸出。由于抽出器元件28径向地向内延伸，抽出器元件并不阻挡任何光线逃逸，而因此当没有回射器时光线能够从照明器20的整个360°外表面发射。抽出器元件28可以与外壳22整体形成或者可以作为单独部件滑入和/或滑出壳体22。
一般，或者抽出器28的径向尺寸(即高度)或者宽度作为沿照明器20的距离的函数而变化，其目的是产生在照明器20长度上合理地均匀的光线输出，而不管光导管34内的光线量随沿照明器20的距离的函数而变化。抽出器元件28只需要能够散发入射光线，并且可包括任何漫射白色材料，该材料最好是高度反射性的。可从明尼苏达州，圣保罗市的3M公司获得合适的材料，其商业名称为SCOTCHAL。抽出器材料可以任选地设置在支承衬背，以增加结构强度。
图3显示相似于图2的照明器120，除去图3中的照明器包括连接构件142，并且回射器区段124a、124b和光学照明薄膜区段126a-c为平面的而不是弧形的。图3中的特征在功能上相似于图2，并用相似的数字但增加100表示。诸连接构件142可以是独立的部件或者可以与壳体122一起整体挤出。连接构件142最好包括狭槽144，适合于滑动地接纳各回射器124a、124b的端部、各光学照明薄膜区段126a-c的端部和各抽出器元件128的端部。
由于回射器124a、124b和光学照明薄膜区段126a-c通过连接构件142保持在位，这些项目没有必要成为弧形。此外，由于回射器124a、124b、光学照明薄膜区段126a-c、抽出器元件128和发射面板140是通过连接构件142可滑动地与壳体122连接，并且它们互相隔开，这些部件可以各自个别地很容易滑入或滑出壳体122而不至于损伤。这样一来，照明器的装配和修理成为很容易，并且可以改善设计机动性和定制。
图4显示另一个光导照明器220。图4中的特征在功能上相似于图2，并用相似的数字但增加200表示。光导照明器220包括纵向外壳体222、沿壳体222内表面一部分固定的回射器224和纵向延伸的三角形光导管234，它布置在壳体222内但与之成间隔关系，由此在光导管234和回射器224之间构成空隙236，在光导管234和壳体222之间构成空隙237。照明器还包括一固定在光导管234内表面上的平面抽出器元件246。照明器可以任选地建造成为回射器224固定在壳体222的外表面上。不过，这种构造将导致低效率，因为反射的光线将在被反射回向光导管234之前穿过壳体222。
光导管234是由一张单独连续的光学照明薄膜制成，该薄膜包括突起的削弱线，使薄膜可以容易地沿直线折叠，在此削弱线处形成三角形光导管234的两个角部248，而薄膜的远边形成三角形光导管234的第三角部250。光导管234包括三段由光导管的角248、250限定的区段234a-c。光导管234通过轻轻推压光导管234安装在壳体222内，由此使各区段234a-c轻微向外弓起。被轻微压缩的光导管234然后插入壳体222并使其向外涨开，以便与回射器224接合，由此光导管被可滑动地保留在壳体222中。作为替代，如在参考图2及3中所描述，光导管234可以用单独的光学照明薄膜区段形成。
本发明多种实施例已经在此描述，在本技术领域熟练的人员显然明白，可以作出各种变化和改进而不偏离以上提出的发明概念。这样，本发明的范围应该不限制于在这应用中所描述的结构，而只限于权利要求文字所描述的结构和那些结构的等同件。

Claims (14)

1.一种光导照明器，它包括：
(a)一具有中心(43)和内表面(41)的纵向壳体(22，122，222)
(b)一设置在所述壳体(22，122，222)内的光导管(34，234)，所述光导
管(34，234)包括至少三段纵向延伸的光学照明薄膜区段(26a-c，
126a-c，234a-c)，其中在所述壳体中心(43)和所述壳体内表面(41)
之间的最短距离小于各光学照明薄膜区段(26a-c，126a-c，234a-c)的
曲率半径；
(c)至少一个纵向延伸的抽出器元件(28，128)在相邻光学照明薄膜区段(26a-c，126a-c，234a-c)之间从所述壳体(22，122，222)径向向内延伸；以及
(d)至少一个回射器区段(24a，b，124a，b，224)，设置成反射光线使其进入所述光导管(34，234)。
2.一种按照权利要求1所述的光导照明器，其特征在于，所述回射器区段(24a，b，124a，b，224)设置在所述壳体(22，122，222)与至少所述光学照明薄膜区段(26a-c，126a-c，234a-c)中的至少一个之间。
3.一种按照权利要求1所述的光导照明器，其特征在于，所述回射器区段(24a，b，124a，b，224)被固定在所述壳体(22，122，222)的所述内表面(41)的至少一部分上。
4.一种按照权利要求1所述的光导照明器，其特征在于，所述回射器区段(24a，b，124a，b，224)以间隔关系设置在所述壳体内表面(41)和所述光学照明薄膜之间。
5.一种按照任何权利要求1所述的光导照明器，其特征在于，各所述光学照明薄膜区段(26a-c，126a-c，234a-c)，各抽出器元件(28，128，246)，和各回射器区段(24a，b，124a，b，224)是独立地和滑动地保留在所述壳体(22，122，222)之中。
6.一种按照任何权利要求1所述的光导照明器，其特征在于，所述光学照明薄膜区段(26a-c，126a-c，234a-c)是一张单独连续的光学照明薄膜。
7.一种按照任何权利要求1所述的光导照明器，其特征在于，还包括一连接构件(142)，适合于可滑动地接纳所述光学照明薄膜区段(26a-c，126a-c，234a-c)、所述回射器区段(24a，b，124a，b，224)或所述抽出器元件(28，128，246)中的至少一个的端部。
8.一种按照任何权利要求1所述的光导照明器，其特征在于，所述光导管(34，134)以间隔关系设置在所述壳体(22，122，222)之内，以便在各所述光学照明薄膜区段的至少一部分和所述壳体(22，122，222)之间构成空气间隙(36，136，236)。
9.一种按照任何权利要求1所述的光导照明器，其特征在于，所述各光学照明薄膜区段(26a-c，126a-c，234a-c)包括邻接所述壳体内表面(41)的端部，并且各光学照明薄膜区段(26a-c，126a-c，234a-c)另外包括处在所述端部之间的中间部分，该部分与所述壳体内表面(41)间隔。
10.一种按照任何权利要求1所述的光导照明器，其特征在于，所述壳体(22，122，222)具有圆形横截面，各所述光学照明薄膜区段(26a-c，126a-c，234a-c)为弧形，并且所述光导管(34，134)包括至少三段光学照明薄膜区段(26a-c，126a-c，234a-c)。
11.一种按照权利要求1所述的光导照明器，其特征在于，所述各光学照明薄膜区段(26a-c，126a-c，234a-c)具有约5cm(二英寸)的曲率半径，同时所述壳体(22，122，222)具有小于5cm(二英寸)的直径。
12.一种按照任何权利要求1所述的光导照明器，其特征在于，所述光学照明薄膜由聚碳酸酯制成。
13.一种按照任何权利要求1至12中之一所述的光导照明器，其特征在于，还包括发射面板(40)，它设置在至少一段光学照明薄膜区段和所述壳体之间，所述发射面板(40)包括至少色彩、图形信息、和印刷信息中之一。
14.一种按照任何权利要求1至9中之一所述的光导照明器，其特征在于，所述壳体(22，122，222)具有圆形横截面，各所述光学照明薄膜区段(26a-c，126a-c，234a-c)为平面。
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