CN1849532A - 包含多个光传输棒的光导系统 - Google Patents

Abstract

一种包含片状光导构件(1)的光导系统，该片状光导构件配备有用于将光耦合进所述光导构件(1)的侧面。多个光传输棒(6)的一端与所述侧面相连，同时所述光导构件(1)和所述光传输棒(6)是一块相同的材料。

Description

包含多个光传输棒的光导系统

本发明涉及一种包含片状(plate-like)光导构件的光导系统，该片状光导构件配备有用于将光耦合进所述光导构件的侧面。

在US-A-2002/0167820中公开了这种系统。该公开文献描述了一种用于提高机动车辆乘客车厢照明条件的光导系统，由此在车辆顶部内部衬层区域中设置片状光导构件。通过光导构件的一个或多个侧面将光耦合进光导构件，并通过光导构件的较大前表面以均匀的方式将光发射进车辆的乘客车厢。

根据光导构件的材料的折射率，当所述构件的表面比较平滑且当入射角大于特定值，即全反射角时，光会反射回光导构件中。入射角是光束和垂直于光束被定向到的表面的线之间的角度。

用于导光的适宜材料是透明的热塑性塑料，尤其是聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或聚碳酸酯(PC)。例如可通过注模工艺、挤压工艺、或移除材料激光操作对这种材料成形。

通过沿光导构件的侧面延伸的光发生单元，例如荧光管，可将光耦合进光导构件中。可选择地，多个发光元件，如发光二极管(LED)可以以沿所述侧面的行来设置。然而，在所有这些情形中，只有光发生单元辐射的一部分光将直接到达用于将光耦合进光导构件的侧面。在光发生单元后面使用反射器可增加达到所述侧面的光辐射部分，但与可被耦合进光导构件的光相比，仍有更多发生的光是在所述侧面附近。

此外，经常希望耦合进光导构件中的光束方向与垂直于所述侧面的方向成相对小的角。这将改善光导构件中光的引导。专门的透镜可用于获得这种光束的方向。

本发明的目的是提供一种光导系统，其中通过片状光导构件的侧面来耦合光，其中在所述侧面附近没有光损耗，其中光辐射的光束可以很容易地以与垂直于所述侧面的方向成较小的角度来导向。

为了获得该目的，多个光传输棒的一端与所述表面连接，所述光导构件和所述光传输棒是一整块相同的材料。光传输棒将光传导进所述光导构件中而没有任何光的损耗，因为光束在相同的光导材料中保持，且可以很容易对光传输棒中的光给定与光传输棒的轴向成较小角的方向，使得被耦合的光束的方向大致垂直于所述侧面。

在一个优选的实施方案中，在所述侧面附近安置至少四个，优选超过八个，或更多的、在垂直于所述侧面的平面内彼此平行的光传输棒，从而在接近所述侧面处光传输棒之间的距离优选小于5mm，更优选在1mm和2mm之间。优选地，每个光传输棒都具有0.2mm和5mm之间，更优选地是1mm和3mm之间的直径。光传输棒可能还设置在垂直于所述侧面的更多平行平面内。

为了实现光传输棒与其中没有过渡表面的光导构件之间的便利连接，光传输棒和光导构件是同一块均匀的材料。优选地，通过注模操作来生产所述光导构件和光传输棒，两者均在一个操作中联合地制造。

在一个优选的实施方案中，至少一部分光传输棒具有六边形或正方形的横截面。光传输棒的这种形状使得有可能在不使棒变形的情况下且在棒之间没有空间的情况下将多个光传输棒组合成束。作为结果，不用加热就可很容易地将光传输棒结合在一起。

光传输棒的横截面还可沿着其长度变化，即在一个优选的实施方案中，至少一部分光传输棒具有在向着光导构件的方向上增加的直径。因而当穿过光传输棒时光束将变得越来越平行。优选地在接近棒所连接的光导构件处应用这种直径的增加，接近所述构件的光传输棒的直径优选地大于1.5倍，更优选地大于两倍的离所述光导构件更远的直径。在光传输棒的注模制造工艺中可以很容易生产这种增加的直径。

在一个优选的实施方案中，光传输棒的另一端绑定在一起，从而形成将光耦合进所述光传输棒的构件。这种构件可能具有大致的圆柱形形状、矩形形状或一些其他形状。光传输棒还可以被一起绑定成多于一个的构件。绑定在一起的光传输棒的端表面可放在灯或其他光源之前，灯后面的反射器提供了包含大致平行光束的光辐射，从而在光传输棒中的光辐射方向和这些棒的轴向之间具有相对小的角度。

在一个优选的实施方案中，所述片状光导构件配备有用于通过其至少一部分前表面，即大致垂直于所述侧面的较大表面的发射光的装置。通过使光导构件的所述前表面或后表面变粗糙可获得这种光发射，如在US-A-2002/0167820中所述的。

在一个优选的实施方案中，所述光导构件具有大致平坦的片状的和三角形的形状，其中三角形的短边包括用于将光耦合进所述光导构件的侧面，其中三角形的长边包括耦合输出表面，该耦合输出表面可面对用于将光耦合进此光导元件的光导元件的表面，其中三角形的第三边包括多个表面，该多个表面以与所述第三边的方向成一角度来设置，所有所述表面都垂直于所述片状形状的平面，同时所述光传输棒与所述侧面连接。

优选地，片状光导构件具有大致直角三角形形状，其中三角形的所述短边和所述长边包围该大致的直角，其中所述第三边是三角形的斜边，该边包括所述多个表面，所述表面以与所述耦合输出表面成大约45°的角地设置。

优选地，所述第三边包括具有交替方向的多个表面，该多个表面与所述第三边的方向成所述角度并垂直于所述短边。

在该实施方案中，光导构件用作中间光波导，其中三角形的短边可做得如所要求的那样短，从而利用适当数量的光传输棒，而长边可具有对应于片状光导元件的长方形侧面长度的长度。沿三角形所述第三边成特定角的表面的数量优选地大于六个，更优选地大于十二个。

在一个优选的实施方案中，至少使具有与所述第三边的方向成某一角度的方向的表面配备一光反射材料。如果表面不够平滑从而不能反射具有大于全反射角的入射角的所有光，或如果光束具有小于全反射角的入射角，则除了耦合输出表面外，该光导构件的所有表面可配备有一光反射涂层，以增加光的反射。这种涂层还可以保护相关表面不与其他材料进行不希望的光学接触。

优选地，光导构件具有0.5mm和15mm之间，更优选地是2mm和7mm之间的厚度。该厚度优选地对应于所述光导元件(如果存在)的厚度。

在一个优选的实施方案中，所述光导元件具有片状形状，并配备有用于通过片的前侧发射光的装置，所述光传输棒、所述光导构件和所述光导元件是一整块相同的材料，在所述光导构件和所述光导元件之间存在有在光导构件的大部分耦合输出表面上延伸的空隙。空隙形成了两个互相面对且大致平行的表面，在其间存在空气，使得只有具有小于全反射角的入射角的光束才能穿过空隙。可具有更多个在相同平面内延伸的空隙，在该空隙之间具有相对小的区域，在该空隙处光导构件和光导元件互连。空隙可在注模操作过程中生产，或者可以例如通过使用激光束的材料移除操作而后来制成。

优选地，光导构件和/或光导元件和/或光传输棒的表面配备有涂层，该涂层具有分别比所述构件、元件或棒的材料小的折射率。这种涂层或覆层防止光导材料的表面与材料接触，或者变得被污染，例如被指纹，用具有相同或较高折射率的材料与光导材料的表面进行光学接触，从而导致光的不期望的耦合输出。

例如，这种覆层使得有可能通过粘合的手段来相对光导元件的前表面而附着织物，从而光可通过该织物照耀。此外，可在装配光导元件的同时通过粘合的方式固定光导元件。

光导构件和光导元件以及光传输棒的整个组合可通过一个注模操作制成，从而包含所有光导装置的组件是一块相同的材料。因而光可在没有损耗的情况下被从光源引导到发射位置。

本发明还涉及一种通过光导系统引导光的方法，所述光导系统包括片状光导构件，该片状光导构件配备有用于将光耦合进所述光导构件的侧面，其中通过多个光传输棒来耦合光，其中光传输棒的一端与所述侧面相连，所述光导构件和所述光传输棒是一整块相同的材料。

现在将通过描述光导系统的一些实施方案来阐述本发明，其中参考附图，该附图包括一些仅仅是示意性表示的图，其中：

图1是片状三角形光导构件的平面图；

图2是从图1下侧观看时光导构件的一侧视图；

图3是从图1上侧观看时光导构件的一侧视图；

图4是从图1右手侧观看时光导构件的一侧视图；

图5是图1中线V-V所取的截面图；

图6是包含光传输棒的光波导的平面图；

图7是从图6下侧观看时光波导的一侧视图；

图8是从图6左手侧观看时光波导的一侧视图；

图9是图6中线IX-IX所取的截面图；

图10是用于引导和发射光的系统的平面图；

图11是从图10下侧观看时该系统的一侧视图；

图12是从图10右手侧观看时该系统的一侧视图；

图13是从图10上侧观看时该系统的一侧视图；

图14是图10中线XIV-XIV所取的截面图；和

图15是图10中线XV-XV所取的截面图。

图1显示了片状且基本为三角形的光导构件1。在一实施方案的实例中，光导构件1的材料是聚碳酸酯，其是可通过注模操作而成形的透明热塑性材料。通过注模操作生产的产品外表面是平滑的，从而假如在于相关表面上的入射角大于全反射角(即全反射的临界角)，则耦合的光将通过所述表面反射。全反射角依赖于光导构件材料的折射率的值和与光导构件相关表面接界的介质的折射率的值。

聚碳酸酯的折射率大约是1.6，空气的折射率大约是1，从而全折射的角大约是39°。那意味着相对于光导构件1的相关表面具有39°以上入射角的所有光束将被全反射回光导构件1的材料中。只有具有小于39°的入射角的光束才被耦合输出。

在这个实施方案中，光导构件1在平面图中具有大致直角三角形的形状，三角形的短边2和长边3包围成大致的直角4。在所示的实施方案中，片状光导构件1的厚度大约是6mm。

短边2配备有用于将光耦合进光导构件1的光耦合装置5。光耦合装置5包括至少在接近此构件1处，在平行于光导构件1的片状形状平面的平面内彼此平行安置的多个光传输棒6。该光传输棒6和光导构件1在一个注模操作中制造，因此它们是一整块的相同材料。图1仅仅显示了十一个光传输棒6，但实际上可以有与光导构件1连接的更多个光传输棒。光传输棒6还可以位于多个不同平行平面的两个内。

长边3包括垂直于片状光导构件1的平面安置的耦合输出表面7。图2以前视图显示了耦合输出表面7。如果光束相对于耦合输出表面7具有小于39°的入射角，则光将从光导构件1耦合输出，39°是所述实施方案中的全反射角。

光导构件1的三角形的第三边，斜边8包括具有交替方向的多个表面9，10。所有表面9都平行于耦合输出表面7安置，所有表面10都以与耦合输出表面7成45°的角安置。表面9，10垂直于所述片状形状的平面地安置。图3和4显示了具有交替方向的表面9和10的行。

图5是沿图1的线V-V所取的截面图，并以截面图显示了光传输棒6。光传输棒也称作光传输管。然而，其不是“管”(即空心体)，但对于光，它实际上是一个管，因为光在管的材料中传播，并相对其外表面反射，所以其保持在管或棒6中。

光传输棒6可具有圆形横截面，从而其形状是圆柱形的。然而，为了利于在光传输棒6之间没有空间的情况下创建束，其他形状的横截面也是可能的，例如六边形或正方形。

光传输棒6的横截面可能还是沿其长度可变化的，即在一个优选的实施方案中，至少一部分光传输棒6在向着光导构件1的方向上具有增加的直径。因而当通过光传输棒时光束将变得越来越平行。优选地在与棒6连接的光导构件1附近应用这种直径的增加，接近所述构件1的光传输棒6的直径优选地大于1.5倍，更优选地大于两倍的离所述光导构件更远的直径。可通过光传输棒6的注模操作很容易地制造这种增加的直径。

通过光导构件1，光可通过短边2的相对小(短)的区域耦合进入并通过相对大(长)的区域，即长边3处的耦合输出表面7耦合输出。根据将光耦合进光传输棒6的方式，辐射的方向相对于所述轴向可被给以非常小的角度。因此，通过光传输棒6进入光导构件1的耦合光的辐射与光传输棒6轴向成较小的角，且因此大致平行于耦合输出表面7而定向。

于是，光主要以平行于耦合输出表面7的方向进入光导构件1。因此，几乎所有被耦合光将以大约45°的入射角撞击表面10之一。因为这个角远大于全反射角(大约为39°)，所以大部分光将在大致垂直于耦合输出表面7的方向上反射，或有从该方向相对小的偏离。除了由通过表面7而导致的一些小的光损耗外，具有小于39°的入射角的所有光将通过耦合输出表面7被耦合出去。

光导构件1用作中间光波导，其中三角形的短边2可能做得如所要求的那样短，从而利用适当的光耦合装置5，长边3可能具有对应于片状光导元件的长方形侧面长度的长度。沿三角形斜边8的表面9，10的数量可以是如所要求的那样多，从而获得适当的光反射和分布。

如果由于使用其他材料或其他包围介质而使得全反射角大于此实施方案中的，或者如果反射受到不怎么平滑的表面干扰，则光导构件的表面10和/或还有其他表面可以配备有光反射材料。这种材料或涂层还可以保护相关的表面免于与其他材料有不希望的光学接触。

代替反射涂层，可以在距相关表面，如表面10一定距离处安装反射镜。为了提供进入光导构件1材料中的光全反射，还有可附着到表面的可用的高反射带。

此外，光导构件的两个平行表面(前表面和后表面)可以配备一具有比光导构件1本身的材料低的折射率的材料的涂层。这种涂层或覆层防止光导材料的表面与材料接触，或防止变得被污染，例如被指纹，通过具有相同或较高折射率的材料与光导材料的表面进行光学接触，因而光可被无心地耦合出去。

图6，7和8显示了多个光传输棒6和与光传输棒6连接的一部分片状光导构件1。靠近光导构件1，光传输棒6是平行的且安置在一个平坦的平面内，如图9中所示，其是沿图6中的线IX-IX所取的截面图。越远离光导构件1，光传输棒6越彼此靠近地安置，且在该端处，所有的光传输棒6变成被圆柱形保持器15包围的平行棒6的束14。

为了通过光传输棒6将光传输给光导构件1，光必须在这些棒6的另一端，即不与光导构件1连接的那端处耦合进光传输棒6中。这些端位于圆柱形保持器15中。为了耦合光，保持器15可能放置在图中没有示出的灯或其他光源前面。灯后面的反射器，或灯前面的透镜可提供具有大致平行辐射的光，该光可被定向到圆柱形保持器15，从而在每个光传输棒6中的光具有大致对应于各个光传输棒6轴向的方向。因而光将主要在一个方向上进入光导构件1。如果光导构件1是图1-5中所示的构件，则光辐射的所述方向有利地如上所述。然而如果光导构件1是用于其他目的，例如用于如下所述通过其前侧发射光的片状波导，则具有主要平行和垂直于片状光导构件侧面的光辐射也是有利的。然后光将在光导构件中有效地分布并很容易到达远离所述侧面的位置。

光传输棒6可具有圆形横截面，如图中所示。然而，提供具有某一其他横截面形状，如六边形或正方形的光传输棒6可能是有利的。然后可很容易地将棒6绑定在一起成为束，而在它们之间没有任何空间。在圆形棒6的情形中，为了消除圆柱形保持器15中棒之间的空间，在将它们压在一起的同时可加热棒端。棒6可能甚至在保持器15中熔合(熔化)在一起。然而，保持器15中光传输棒6之间的任何空间不会干扰将光耦合进光传输棒6中，但是在该情形中可能会有更多的光损耗。

在所述的实施方案中，保持器15具有圆柱形的形状。然而，保持器还可以具有其他形状，例如矩形形状，其应是较好地对应于光源形状的这样一种形状。光传输棒6也可以分为更多的束14，即更多的保持器15，在该情形中束的端位于不同光源的前面。

在图中未示出的一个优选实施方案中，棒的直径在其长度上变化，从而在远离光导构件1的方向上直径增加。如上面提到的，这种形状改进了光的传输，因为传输的光束在它们的传输过程中彼此更加平行地被定向。

光传输棒6可能具有0.2mm和5mm之间，优选地是1mm和3mm之间的直径，接近光导构件1的棒6之间的距离可以在0.5mm和2mm之间。根据需要，光传输棒6的数量可以更多。光传输棒6的长度也可依赖于需要。一般地，光传输棒6的长度不同，从而使它们中的每一个都能以适当的方式跨接光导构件1的侧面与圆柱形保持器15之间的距离。如果具有光源的圆柱形保持器15接近光传输构件1放置，则该距离可能较短，但也可能将光源和圆柱形保持器15远离光导构件1放置，使光传输棒6以下述一种束设置，即该束从圆柱形保持器15延伸到接近光导构件1的位置，在该位置处光传输棒6分岔到光导构件1侧面处它们各自的位置。

光传输棒6以及与棒6连接的光导构件1在一个注模操作中制造。其中该两个部分1，6被一起制成，使得它们是一块材料，在一个实施方案的这个实例中是聚碳酸酯，该材料允许光传输棒6充分的柔性。因此，在没有任何中断的情况下可将光从距光导构件1一定距离处的光源导向所述的片状光导构件1，这里它的入口分布在光导构件1的整个侧面上，光辐射基本垂直于所述侧面被定向。

光传输棒6与光导构件1一起在注模操作中制造后，光传输棒6的所述另一端形成为束14并被保持器15包围。保持器15可为金属或塑料圆柱体，光传输棒6的束14被引入其中，它可能可选择地包括围绕束14接合在一起的两个“半管道”。作为可选择的方案，保持器15可由围绕光传输棒6的束14缠绕的带组成。

图10显示了光导系统的实施方案，该光导系统包括矩形片状发光元件20和类似于参照图1-5的上述光导构件1的大致三角形的片状光导构件21。

依照图11-13(侧视图)和图14-15(截面图)，片状发光元件20和光导构件21是平坦的，但它们也可以是弯曲的，从而产生二维或三维弯曲形状。这种形状例如可对应于汽车顶部或要安装光导系统的汽车顶部一部分的形状。如果片状形状中只有相对小的弯曲，则光将不会由于弯曲而耦合出来。

光通过发光元件20的前表面22耦合出来。为了获得这种光发射，元件20内的光辐射被给定下述方向，即该方向对应于小于全反射角的向着前表面的入射角。为了获得这种光辐射的方向，后表面23或前表面22可至少局部具有通过将材料表面变粗糙、压纹或钻孔而获得的特定结构。另一个可能性是在发光元件20的材料中引入散射中心，例如折射颜料。总之，将光耦合出去的这种手段本身是公知的。发光元件20的后表面23可涂覆有光反射材料，从而防止光辐射通过所述后表面23。还可能在距后表面23一定距离处安装镜子，从而将光反射回发光元件20中。

在图10中所示的实施方案中，发光元件20和光导构件21在四个位置24中彼此连接。在这些位置24之间有三个空隙25，该空隙25覆盖发光元件20与光导构件21之间的大部分区域。尽管空隙25可能在前表面22与后表面23之间的一部分距离上延伸，从而表面22，23之一不间断，但在所示的实施方案中空隙25在发光元件20和光导构件21的整个厚度上延伸，如图15中清楚地所示。该实施方案中空隙的宽度大约是1mm。优选地，空隙的宽度在0.05和0.15倍的光导构件1的厚度之间。

发光元件20和光导构件21以及光传输棒6为一块相同的材料，在该实施方案中为聚碳酸酯，是在一个注模操作中制造的。空隙25也在该注模工艺中形成。然而，例如可通过使用激光束的材料移除操作而可选择地以后制成该空隙25。

如上面参考大致三角形的光导构件1所述的，光通过光传输棒6进入光导构件21，光辐射的方向主要平行于棒6的轴向。然后通过表面10反射所述光并在发光元件20的方向上发送，在其间大部分光辐射具有大致垂直于空隙25的方向。该光将以较低的损耗穿过空隙25，因为所述光穿过了空隙25的两个表面。然而，具有下述方向的光辐射将不穿过空隙25，而是被反射回光导构件21的材料中，其中所述方向与垂直于空隙25的线成较大角。这种光辐射可以只在光导构件21中被反射一次或更多次后，直到其方向允许通过空隙25，才穿过空隙25。

因此由于空隙25，耦合进发光元件21的光具有一方向，由此其可很容易到达距光进入发光元件20的表面相对大距离处的位置。这改善了发光元件20的前表面22上光发射的分布。

此外，空隙25的存在改善了从光传输棒6到图10左手侧上，即远离棒6的表面10的光导向。如果来自较低(图10)光传输棒6的光束向下分岔，则其将被空隙25的表面反射并被定向到图10右手侧上的表面10。

光导构件21和/或发光元件20和/或光传输棒6可配备有涂层，该涂层分别具有比所述构件21、元件20或棒6的材料小的折射率。这种涂层或覆层防止光导材料的表面与材料接触，或防止其例如由指纹变得被污染，使具有相同或较高折射率的材料与光导材料表面进行光接触，从而导致不期望的光耦合输出。例如，这种覆层使得有可能可通过粘合的方式相对发光元件的前表面附着织物，使得光可通过该织物照耀。该覆层也允许通过粘合的方式来固定该光导系统。

上述的实施方案仅仅是光导系统的例子，更多其他的实施方案也是可能的。

Claims (13)

1.一种包含片状光导构件的光导系统，该片状光导构件配备有用于将光耦合进所述光导构件的侧面，其特征在于多个光传输棒的一端与所述侧面相连，所述光导构件和所述光传输棒是一整块相同的材料。

2.根据权利要求1所述的光导系统，其特征在于在接近所述侧面处，光传输棒在垂直于所述侧面的平面内彼此平行地设置。

3.根据前述权利要求任意一个所述的光导系统，其特征在于在接近所述侧面处光传输棒之间的距离小于5mm，优选地是在1mm和2mm之间。

4.根据前述权利要求任意一个所述的光导系统，其特征在于光传输棒具有0.2mm和5mm之间，优选地是在1mm和3mm之间的直径。

5.根据前述权利要求任意一个所述的光导系统，其特征在于所述光导构件和光传输棒通过注模工艺生产。

6.根据前述权利要求任意一个所述的光导系统，其特征在于至少一部分光传输棒具有六边形或正方形的横截面。

7.根据前述权利要求任意一个所述的光导系统，其特征在于至少一部分光传输棒具有在向着光导构件的方向上增加的直径。

8.根据前述权利要求任意一个所述的光导系统，其特征在于光传输棒的另一端绑定在一起，从而形成将光耦合进所述光传输棒的构件。

9.根据前述权利要求任意一个所述的光导系统，其特征在于所述光导构件配备有用于通过其至少部分的前表面发射光的装置。

10.根据前述权利要求任意一个所述的光导系统，其特征在于所述光导构件具有大致平坦的片状和三角形形状，其中三角形的短边包括用于将光耦合进所述光导构件的侧面，其中三角形的长边包括耦合输出表面，该耦合输出表面可面对用于将光耦合进一光导元件的所述光导元件的表面，其中三角形的第三边包括多个表面，该多个表面与所述第三边的方向成一角度设置，所有所述表面都垂直于所述片状形状的平面，所述光传输棒与所述侧面连接。

11.根据权利要求10所述的光导系统，其特征在于所述光导元件具有片状形状，并配备有用于通过片的前侧发射光的装置，且所述光传输棒、所述光导构件和所述光导元件是一整块相同的材料，且一个或多个空隙在所述光导构件和所述光导元件之间的大部分耦合输出表面上延伸。

12.根据前述权利要求任意一个所述的光导系统，其特征在于光导构件和/或光导元件和/或光传输棒的表面配备有涂层，该涂层具有分别比所述构件、元件或棒的材料小的折射率。

13.一种通过光导系统引导光的方法，所述光导系统包括片状光导构件，该片状光导构件配备有用于将光耦合进所述光导构件的侧面，其特征在于通过多个光传输棒耦合光，其中光传输棒的一端与所述侧面相连，所述光导构件和所述光传输棒是一整块相同的材料。

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