DE102012208810A1

DE102012208810A1 - Seitenemittierendes Glaselement

Info

Publication number: DE102012208810A1
Application number: DE102012208810A
Authority: DE
Inventors: Hubertus Russert
Original assignee: Schott AG
Current assignee: Schott AG
Priority date: 2012-05-25
Filing date: 2012-05-25
Publication date: 2013-11-28
Anticipated expiration: 2032-05-26
Also published as: DE102012208810B4; GB2503565B; US9329318B2; GB2503565A; GB201308532D0; FR2991059B1; US20130314940A1; CN103423708A; FR2991059A1; CN103423708B

Abstract

Die Erfindung betrifft seitenemittierende Glaselemente (10) umfassend eine Mehrzahl von an ihren Außenumfangsflächen unlösbar miteinander verbundenen Lichtleitelementen (1) und zumindest ein Streuelement (3). Das Streuelement ist mit der Außenumfangsfläche zumindest eines Lichtleitelements (1) unlösbar verbunden. Die Lichtleitelemente (1) bestehen aus zumindest einem Glas mit dem Brechungsindex n1, wobei die einzelnen Lichtleitelemente (1) nicht von einem Mantel umhüllt sind. Zwischen den Lichtleitelementen (1) ist eine Phasengrenze vorhanden, durch die das geleitete Licht hindurchtreten und so zu dem Streuelement (3) gelangen kann.

Description

Die Erfindung betrifft ein seitenemittierendes Glaselement, welches Anteile des in ihm geleiteten Lichts seitlich emittiert, ein Verfahren zu dessen Herstellung sowie dessen Anwendung. Solche seitenemittierenden Glaselemente werden beispielsweise für Beleuchtungsanwendungen benötigt, sei es die dekorative Beleuchtung, die Signalbeleuchtung oder die Ausleuchtung von Räumen.
Die Lichtleitung von in Glaselementen geleiteten Lichts beruht auf dem Prinzip der Totalreflektion des geleiteten Lichts an einem das Glaselement umgebenden Medium mit niedrigerem Brechungsindex. Die Totalreflektion tritt dann auf, wenn das umgebende Medium einen niedrigeren Brechungsindex aufweist als das das Licht leitende Glaselement. Allerdings ist die Bedingung der Totalreflektion nur bis zu einem Grenzwinkel des auf das Medium treffenden Lichts möglich, der von den Brechungsindices von Glaselement und umgebenden Medium abhängig ist. Der Grenzwinkel β_Min, d.h. der kleinste Winkel, bei dem noch die Totalreflektion auftritt, kann berechnet werden durch sin(β_Min) = n₂ / n₁, wobei β_Min von einer Ebene senkrecht zur Achse der Hauptrichtung der Lichtleitung gemessen wird, n₁ den Brechungsindex des Glaselements und n₂ den Brechungsindex des Mediums repräsentiert. Das umgebende Medium kann üblicherweise entweder Luft sein, aber auch ein Glasmantel.
Üblicherweise wird eine möglichst gute Führung des Lichts in einem lichtleitenden Element angestrebt, d.h. es soll möglichst wenig Licht bei der Einkopplung in das Element und bei dem Transport in dem Element verloren gehen. Bei einem seitenemittierenden Glaselement wird allerdings absichtlich Licht aus dem Glaselement heraus und aus diesem ausgekoppelt. Im allgemeinen ist eine gleichmäßige Auskopplung erwünscht, welche ein seitenemittierendes Glaselement im Idealfall als ein gleichmäßig leuchtendes Band oder Linie erscheinen lassen. Dies macht sie für mannigfaltige Anwendungen insbesondere in der Beleuchtungstechnik interessant.
Seitenemittierend im Sinne der Erfindung heißt, dass das Glaselement in der Lage ist, Licht zu leiten und aber auch seitlich zu emittieren, unabhängig davon, ob es im Betrieb ist, d.h. ob tatsächlich eine Lichtquelle angeschlossen und das Licht eingeschaltet ist.
Vielfältige Methoden zum Erzeugen des Effekts der Seitenemission bei Lichtleitern sind aus dem Stand der Technik insbes. bzgl. Fasern bekannt. Eine bekannte Methode ist, für eine Lichtauskopplung im Faserkern zu sorgen.
Die japanische Offenlegungsschrift JP 9258028 A2 offenbart seitenemittierende Stufenindexfasern, bei denen die Lichtauskopplung durch einen unrunden Kern erzeugt werden soll. Die Auskopplung erfolgt, wenn Licht unter Winkeln auf die Grenzfläche zwischen Faserkern und Mantel trifft, welche kleiner als der Grenzwinkel der Totalreflektion β_Min sind. Durch die beschriebenen unrunden Kerngeometrien, beispielsweise quadratische, dreieckige oder Sternformen, werden in dem Kern geometrische Bereiche erzeugt, in denen ansonsten durch Totalreflektion geleitetes Licht ausgekoppelt werden kann. Die Erzeugung von seitenemittierenden Fasern durch solche Kerngeometrien ist allerdings mit dem Problem behaftet, dass die Auskopplung des Lichts in diesem Fall sehr ineffizient ist. Das Licht wird in der Faser im wesentlichen unter sehr flachen Einfallswinkeln zum Mantel geleitet, und die beschriebenen Kerngeometrien erstrecken sich entlang der Faserachse. Demnach gibt es kaum Flächen, bei welchen β_Min unterschritten wird. Ferner ist es sehr aufwendig, die in der JP 9258028 A2 offenbarten Kerngeometrien für Fasern aus Glas einzusetzen, weil es sehr schwierig ist, entsprechende Preformen, wie sie für den Faserzug benötigt werden, herzustellen. Darüber hinaus ist gerade bei Glasfasern die Bruchfestigkeit solcher Fasern mit unrunden Faserkerndurchmessern stark herabgesetzt. Wahrscheinlich offenbart diese Schrift aus diesem Grund auch nur Fasern aus Polymeren.
Eine weitere Methode, das Licht aus einem Faserkern auszukoppeln, wird in der US 4,466,697 beschrieben. Demnach werden Licht reflektierende und/oder streuende Partikel in den ansonsten homogenen Faserkern gemischt. Hierbei gestaltet es sich schwierig, längere Fasern mit gleichmäßig seitenemittierenden Eigenschaften herzustellen, da die Lichtleitung im Kern durch die beigegebenen Partikel im Kern durch Absorption abgeschwächt wird, da es keine vollständig streuenden Partikel gibt, sondern nur solche, die nur nahezu das gesamte auftreffende Licht streuen. Weil die Wahrscheinlichkeit bei gleichmäßig im Kern verteilten Partikeln sehr hoch ist, dass das im Kern geführte Licht auf solche Partikel trifft, ist auch die Absorptionswahrscheinlichkeit sehr hoch, selbst wenn die Gesamtzahl der Partikel klein ist. Dadurch ist der Auskopplungseffekt auch nur sehr schwer zu skalieren, was reproduzierbare Ergebnisse aufwendig bis nahezu unmöglich werden lässt.
Unter Skalierbarkeit im Sinne der vorliegenden Offenbarung wird die Möglichkeit des gezielten Einstellens des Seitenemissionseffekts über die Länge des Glaselements verstanden. Dies ist notwendig, weil dessen Längen für verschiedene Anwendungen sehr stark variieren können, aber eine möglichst gleichmäßige Intensität des Leuchtens über die gesamte Länge des Elements erzielt werden soll.
Alternativ zur Auskopplung des Lichts direkt aus dem Faserkern können seitenemittierende Eigenschaften bei Fasern auch durch Effekte in der Grenzfläche zwischen Faserkern und Mantel verursacht werden. Die WO 2009/100834 A1 sieht vor, in der Grenzfläche zwischen Kern und Mantel einer Faser Streubereiche einzubringen. Dazu wird ein entsprechendes Material beim Faserzug auf den Faserkern aufgeschmolzen. Durch den Kontakt der Streubereiche zum Fasermantel erfolgt eine sehr effiziente seitliche Lichtauskopplung, die Streubereiche selbst sind durch den umgebenden Mantel geschützt und integraler Teil der Faser. Die seitenemittierenden Lichtleitfasern der letztgenannten Schrift ermöglichen es, flexible und relativ lange seitenemittierende Lichtleiter herzustellen. Versuche haben jedoch ergeben, dass wenn starre Lichtleiter mit dieser Lösung erzeugt werden, diese üblicherweise tausende seitlich emittierende Einzelfasern aufweisen, die sich gegenseitig überlagern und so die Effizienz der seitlichen Emission herabsetzen und nur ein sich radial entlang der Faserachse erstreckendes Seitenemissionsprofil erreichbar ist. In bestimmte definierte Raumwinkel seitlich emittierende starre Fasern lassen sich damit nicht oder höchstens ungünstig erzeugen. Außerdem ist ein nachteiliger Farbverlaufseffekt zu beobachten, der bei dem Einstrahlen von weißem Licht in solche starren Fasern auftritt. Dieser wird vermutlich von den sehr kleinen Dimensionen der verwendeten Streuzentren verursacht.
In definierte Raumwinkel seitlich emittierende starre Glaselemente sind durch die DE 10 2011 084 062 bekannt, bei denen ein Glasstab auf dessen Außenumfang mit Farbe beschichtet wird, z.B. durch Aufdrucken. Diese Lösung hat den Nachteil, dass der beschichtete Glasstab nicht mehr heißverarbeitbar ist, d.h. er kann nach der Beschichtung nicht mehr in eine andere Form gebracht werden. Außerdem ist die Schicht empfindlich. Alternativ könne der Glasstab nach dessen Heißverformung beschichtet werden, was allerdings höhere Anforderungen an die Beschichtungstechnik stellt und so den Herstellungsaufwand für viele Anwendungen in nicht akzeptabler Weise erhöht.
Vor diesem Hintergrund ist es die Aufgabe der Erfindung, ein seitenemittierendes Glaselement zur Verfügung zu stellen, in welchem der Ort der seitlichen Emission gezielt einstellbar ist, das heißverarbeitbar ist, starr ausführbar ist, möglichst wenig axiale Farbverschiebungen verursacht und das mit wenig Aufwand herstellbar ist.
Die Aufgabe wird gelöst durch das seitenemittierende Glaselement gemäß der unabhängigen Ansprüche und dem Verfahren zu dessen Herstellung. Bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen. Alternative Ausführungsformen und vorteilhafte Anwendungen sind ebenfalls in der vorliegenden Beschreibung genannt.
Das erfindungsgemäße seitenemittierende Glaselement beinhaltet eine Mehrzahl von an ihren Außenumfangsflächen unlösbar miteinander verbundenen Lichtleitelementen und zumindest ein Streuelement. Das Streuelement ist mit der Außenumfangsfläche zumindest eines Lichtleitelements unlösbar verbunden. Die Lichtleitelemente bestehen aus zumindest einem Glas mit dem Brechungsindex n₁, wobei die einzelnen Lichtleitelemente nicht von einem Mantel umhüllt sind. Zwischen den Lichtleitelementen ist erfindungsgemäß eine Phasengrenze vorhanden, d.h. die Lichtleitelemente werden bei der Herstellung des Glaselements vorteilhafterweise nicht vollständig miteinander verschmolzen. In einem Schnitt quer zur Längsachse des Glaselements sind die Lichtleitelemente folglich voneinander unterscheidbar. Wenn Licht in dem Glaselement geleitet wird, erfolgt die Lichtleitung in den Lichtleitelementen entlang der Hauptrichtung der Lichtleitung, die in der Regel parallel zu der Hauptachse des Glaselements verläuft. Durch die miteinander verbundenen Bereiche der Lichtleitelemente kann das geleitete Licht schräg oder senkrecht durch die Phasengrenze hindurchtreten und so zu dem Streuelement gelangen. Das Streuelement sorgt dann dafür, dass das auf es treffende und somit ein Anteil des geleiteten Lichts seitlich aus dem Glaselement emittiert wird. Insbesondere ist das erfindungsgemäße seitenemittierende Glaselement starr.
Die Abwesenheit eines Mantels der einzelnen Lichtleitelemente sowie das Vorhandensein der Phasengrenze unterscheiden das erfindungsgemäße Glaselement von seitenemittierenden Stufenindexfasern gemäß dem Stand der Technik. Der Mantel um die einzelnen Lichtleitelemente würde gemäß der erfindungsgemäßen Lösung das Durchtreten des geleiteten Lichts behindern und die Effizienz der Seitenemission reduzieren wenn nicht sogar unmöglich machen.
Unter einer Mehrzahl von Lichtleitelementen werden im Sinne der Erfindung zumindest zwei verstanden. Üblicherweise werden gemäß der Erfindung mehrere dutzend bis mehrere hundert oder sogar tausend und mehr Lichtleitelemente verwendet. Die unlösbare Verbindung zwischen den Lichtleitelementen unterscheidet das erfindungsgemäße Glaselement ebenfalls von einem Faserbündel aus seitenemittierenden Stufenindexfasern aus dem Stand der Technik, bei dem diese lose nebeneinander liegen. Das beschriebene Übersprechen von geleitetem Licht, wie es durch die miteinander verbundenen Außenumfangsflächen der Lichtleitelemente und den dazwischen liegenden Phasengrenzen ermöglicht wird, soll in solchen Stufenindexfasern gerade nicht erfolgen.
Als Außenumfangsfläche wird im Sinne der Erfindung der äußere Bereich der Lichtleitelemente entlang deren Hauptachse verstanden, insbesondere die Stirnflächen sind davon nicht umfasst. Das erfindungsgemäße seitenemittierende Glaselement wird vereinfacht ausgedrückt durch die Summe der im wesentlichen parallel zueinander angeordneten Lichtleitelemente gebildet, in oder an die zumindest ein Streuelement ein- und/oder angelagert ist. Wie viel Licht seitlich aus dem Glaselement ausgekoppelt werden kann wird hauptsächlich durch die Anzahl der enthaltenen Streuelemente bedingt. Dadurch ist der Effekt der Seitenemission skalierbar. Um ein Glaselement zu erhalten, bestehen Lichtleitelemente und Streuelemente aus Glas.
Bevorzugt sind die Lichtleitelemente des erfindungsgemäßen Glaselements formschlüssig miteinander verbunden. Gleiches gilt für das zumindest eine Streuelement. Dies hat den Vorteil, dass der Übertritt von geleitetem Licht von einem Lichtleitelement in das andere und in das Streuelement besonders effektiv erfolgen kann und somit eine sehr effiziente Seitenemission möglich wird. Außerdem sind durch den Formschluss keine Zwickel zwischen den Lichtleitelementen vorhanden, in welche Verunreinigungen in das Glaselement eindringen könnten und/oder welche zu unerwünschten optischen Effekten führen können. Insbesondere können formschlüssig miteinander verbundenen Lichtleit- und Streuelemente einen hexagonalen Querschnitt aufweisen.
Ebenso bevorzugt ist das erfindungsgemäße seitenemittierende Glaselement entlang seines Außenumfangsbereichs mit einem Mantelglas umhüllt, das den Brechungsindex n₂ aufweist. Insbesondere gilt dabei n₂ < n₁, weil dadurch die Totalreflektion von in dem Glaselement geleitetem Licht erreicht werden kann und so die erforderlichen Lichtleiteigenschaften für viele Anwendungen am besten zu erzielen sind. Dieses Mantelglas schützt auch die Lichtleitelemente und/oder die Streuelemente, z.B. vor aggressiven Medien und/oder mechanischer Beschädigung.
Die Durchmesser der einzelnen Lichtleitelemente sind in einem erfindungsgemäßen Glaselement nicht notwendigerweise gleich. Vielmehr können Lichtleitelemente unterschiedlicher Durchmesser enthalten sein. Als gut einsetzbar haben sich in einem erfindungsgemäßen seitenemittierenden Glaselement Lichtleitelemente mit mindestens zwei unterschiedlichen Durchmessern erwiesen. Dies bedeutet, dass eine bestimmte Anzahl von Lichtleitelementen den Durchmesser d₁ aufweisen können, während die anderen den Durchmesser d₂ besitzen. Die Lichtleitelemente mit dem kleineren Durchmesser können vorteilhaft die Leerräume zwischen den Lichtleitern mit dem größeren Durchmesser füllen, so dass ein Glaselement ohne Zwickel effizient herstellbar ist. Bei unrunden Querschnitten der Lichtleitelemente wird als Durchmesser die maximale Ausdehnung des Querschnitts verstanden.
Die Durchmesser der Lichtleitelemente und auch der Streuelemente innerhalb des Glaselements sind vorzugsweise an die Durchmesser des Glaselements angepasst. Generell gilt, je größer der Durchmesser des Glaselements ist desto größer ist der Durchmesser der Lichtleitelemente in diesem. Dies und/oder die genauen Abmessungen kann allerdings auch von dem zu erzielenden Beleuchtungsprofil der seitlichen Emission abhängig sein.
Das zumindest eine Streuelement umfasst bevorzugt ein Glas, welches Streuzentren aufweist, die bevorzugt gebildet werden durch in das Glas eingelagerte Streupartikel und/oder durch inhomogene Bereiche. Die inhomogenen Bereiche können insbesondere durch Phasentrennung und/oder Entmischung des Glases entstehen. Im Sinne der Erfindung sind Streuzentren alle Partikel und/oder Materialagglomerationen und/oder inhomogene Bereiche, gleich welcher Form, welchen Materials und/oder welcher Größe, die das geleitete Licht streuen können. Die Streuzentren können durch klassische Streuung, insbes. Rayleigh- und/oder Mie-Streuung, ebenso wie durch Beugung und/oder Reflektion sowie Mehrfachprozessen dieser Mechanismen untereinander ihre streuende Wirkung entfalten. Ihre Funktion ist lediglich, individuell oder in ihrer Summe auftreffendes Licht abzulenken.
Werden Streupartikel als Streuzentren eingesetzt können diese vorteilhaft einen Durchmesser zwischen 10 nm und 5000 nm aufweisen, besonders vorteilhaft zwischen 100 nm und 1200 nm. Für nicht runde Streupartikel wird als Durchmesser im Sinne der Erfindung ihre maximale Ausdehnung verstanden. Die Streupartikel können aus einer Vielzahl von Materialen ausgewählt sein. Bevorzugt bestehen sie im wesentlichen aus SiO₂ und/oder BaO und/oder MgO und/oder BN und/oder AlN und/oder SN und/oder ZrO₂ und/oder Y₂O₃ und/oder Al₂O₃ und/oder TiO₂ und/oder Ru und/oder Os und/oder Rh und/oder Ir und/oder Ag und/oder Au und/oder Pd und/oder Pt und/oder diamantartiger Kohlenstoff und/oder Glaskeramik-Partikel. Mischungen von Streupartikeln aus verschiedenen Materialien, Verbindungen und/oder Konglomerate aus diesen oder auch miteinander verschmolzene und/oder gesinterte Streupartikel sind ebenfalls denkbar und von der Erfindung umfasst ebenso wie die metallischen Komponenten der vorgenannten Oxide und Nitride alleine.
Werden Streupartikel als Streuzentren verwendet, weist der Brechungsindex n₃ des Glases, in welches sie eingelagert sind, vorteilhaft in etwa den gleichen Wert wie n₁ des Glases der Lichtleitelemente auf. Ein wesentlich von n₁ abweichender Brechungsindex n₃ würde zu einer Reduktion der Effizienz der Seitenemission führen. Ist der Brechungsindex n₃ im wesentlichen gleich dem Brechungsindex n₁, wird die Lichtleitung in den Lichtleitelementen am wenigsten gestört. Somit ist auch über die Wahl der Konzentration der Streupartikel in den Streuelementen eine effiziente Skalierung der seitlichen Emission möglich. Eine Konzentrationen der Streupartikel im von 10 ppm bis 1000 ppm, insbesondere von 20 ppm bis 100 ppm ist besonders vorteilhaft. Die Konzentrationsangabe in ppm bezieht sich hierbei auf den Anteil der Streupartikel im Verhältnis zu den Masseanteilen der Bestandteile des Glases, in welchem die Streupartikel eingelagert sind.
Dienen inhomogene Bereiche des Glases der Streuelemente als Streuzentren, ergibt sich eine alternative Ausführungsform der Erfindung, in der die inhomogenen Bereiche bevorzugt durch Phasentrennung und/oder Entmischung der Glaskomponenten des Glases gebildet werden, in welches sie eingelagert sind. Die durch inhomogene Bereiche gebildeten Streuzentren weisen bevorzugt einen Durchmesser von 10 nm bis 1000 nm auf, besonders bevorzugt von 100 nm bis 800 nm. Besonders vorteilhaft sind diese Streuzentren kugelförmig. Für nicht kugelförmige Streuzentren wird als Durchmesser im Sinne der Erfindung ihre maximale Ausdehnung verstanden.
Das Glas, in dem die inhomogenen Bereiche als Streuzentren eingelagert sind, kann bevorzugt aus einem As- und Pb-haltigen Silikatglas bestehen. Die Streuzentren weisen in diesem Fall bevorzugt einen gegenüber der umgebenden Glasmatrix erhöhten Gehalt an Pb und/oder As auf. Alternativ kann das Glas, in welches die inhomogenen Bereiche als Streuzentren eingelagert sind, aus einem Fluor-haltigen Ca-Zn-Silikatglas bestehen. Dann weisen die Streuzentren gegenüber der umgebenden Glasmatrix bevorzugt einen erhöhten Gehalt an Fluor auf. Besonders vorteilhaft ist der Brechungsindex n₃ des Glases, in das die Streuzentren eingelagert sind, mindestens gleich groß oder größer als der Brechungsindex n₁ der Lichtleitelemente, d.h. besonders vorteilhaft wird die Bedingung n₃ ≥ n₁ erfüllt.
Wie im Fall der Streupartikel als Streuzentren ist die Effizienz der seitlichen Auskopplung von Licht aus dem seitenemittierenden Glaselement auch im Fall der inhomogenen Bereiche als Streuzentren, neben der streuenden Eigenschaft der inhomogenen Bereiche selbst als intrinsischem Parameter, von der Konzentration der inhomogenen Bereiche in dem Glaselement als Ganzem abhängig. Es wurde festgestellt, dass Konzentrationen der inhomogenen Bereiche in den Streuelementen zwischen 1% und 80% eine effiziente Auskopplung ermöglichen, wobei der günstigste Bereich zwischen 10% und 50% liegt. Die Konzentrationsangabe in % bezieht sich hierbei auf den Anteil der inhomogenen Bereiche im Verhältnis zu den Masseanteilen der Bestandteile des Glases der Streuelemente, in welchem die inhomogenen Bereiche eingelagert sind.
Insgesamt betrachtet sind die Parameter, mit welchen bevorzugt der Seitenemissionseffekt eingestellt und somit skaliert werden kann, die Anzahl der Streuelemente im Glaselement, die Streueigenschaften der verwendeten Streuzentren und deren Konzentration sowie die Wahl der Brechungsindices n₁ und n₃. Durch die geeignete Kombination dieser Parameter wird es möglich, für das menschliche Auge weitgehend homogen erscheinende seitenemittierende Glaselemente unterschiedlichster Länge herzustellen, so dass eine Vielzahl von Anwendungen überhaupt erst möglich werden.
Die Lage des zumindest einen Streuelements in dem Glaselement und damit dessen Lage im Verhältnis zu den Lichtleitelementen bestimmt die geometrischen Eigenschaften der Seitenemission, insbes. das seitliche Emissionsprofil, d.h. in welche Raumwinkel das geleitete Licht seitlich emittiert wird. Das zumindest eine Streuelement kann sich am Rand des Glaselements befinden, bevorzugt aber von dem Mantelglas umhüllt sein, oder aber an beliebigen Stellen im Innern des Glaselements von den Lichtleitelementen umgeben sein.
Von der Erfindung ebenso umfasst sind Beleuchtungseinrichtungen, welche das hierin beschriebene seitenemittierende Glaselement beinhalten. Eine solche Beleuchtungseinrichtung beinhaltet neben dem seitenemittierenden Glaselement eine Lichtquelle, die im Betriebszustand Licht in das Glaselement einstrahlt. Wie beschrieben weist das Glaselement lichtleitende und seitenemittierende Eigenschaften auf, so dass bevorzugt mindestens 50% des eingestrahlten Lichts seitlich aus diesem heraus emittiert wird. Das Glaselement wird von einem Beobachter somit bevorzugt als Leuchtband wahrgenommen, oder als Glaskörper, der ein leuchtendes Band oder zumindest leuchtende Strukturen enthält. Der tatsächliche Anteil des seitlich emittierten Lichts kann durch in einem erfindungsgemäßen Glaselement einfach skaliert und den Erfordernissen angepasst werden, so dass die Herstellung des Glaselements wie beschrieben wird entsprechend dieses Anforderungen erfolgt.
Als Lichtquelle können alle geeigneten Lichtquellen eingesetzt werden. Besonders geeignet sind LEDs. Die Einstrahlung erfolgt in der Regel in die Stirnfläche des Glaselements. In der Ausführung, die ein das Glaselement entlang seiner Außenumfangsfläche umhüllendes Mantelglas vorsieht, bedeckt dieses Mantelglas nicht die Stirnfläche. Ob weitere optische Einrichtungen, z.B. Linsen und/oder andere Lichtleiter, zwischen Lichtquelle und Stirnfläche angeordnet werden kann je nach Anwendung variieren. Besonders bevorzugt wird im Betriebszustand in jede Stirnfläche Licht von einer Lichtquelle eingekoppelt. Ebenso möglich ist es, die Stirnflächen des Glaselements mit geeigneten Beschichtungen zu versehen, beispielsweise IR-Schutzfilter, Antireflexbeschichtungen etc.
Besonders vorteilhaft als Lichtquelle sind punktförmige Lichtquellen, die zur optimalen Lichtausbeute das Licht mittels einer Vorsatzoptik derart fokussiert werden, dass das Licht innerhalb des für das Glaselement spezifischen Akzeptanzwinkels eingestrahlt wird. Aufgrund ihrer kompakten Bauart und vergleichsweise hohen Lichtausbeute werden v.a. LEDs, insbesondere Weißlicht-LEDs oder RGB-LEDs, als Lichtquelle vorgeschlagen. Auch eine Matrix von LEDs ist vorteilhaft einsetzbar, wobei die Matrixgeometrie der Geometrie der Stirnfläche des Glaselements anpassbar ist und umgekehrt.
Verschiedene Anwendungszwecke der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung erfordern unterschiedliche Beleuchtungsprofile. Das Profil der seitlichen Emission entspricht dem durch die seitliche Emission erleuchteten Raum. Diese Erfordernisse bedeuten für die erfindungsgemäße Beleuchtungseinrichtung, dass sie unterschiedliche Profile der seitlichen Emission ermöglichen muss. In der DE 10 2011 084 062 wird z.B. eine Beleuchtungseinrichtung mit einem bedruckten Glasstab als Lichtleiter beschrieben, die Leuchtstoffröhren ersetzen kann. Das erforderte Emissionsprofil ist ein Streifen, der sich entlang der Längsachse des Glaselements erstreckt und so einen Raumbereich senkrecht von dieser Längsachse illuminiert. Ein solches Beleuchtungsprofil lässt sich durch die Anordnung von Streuelementen im Randbereich des Glaselements erreichen. Ein radialsymmetrisches Beleuchtungsprofil ist durch die zentrale und/oder radialsymmetrische Anordnung von Streuelementen im Glaselement erzielbar.
Die Erzeugung eines erfindungsgemäßen Glaselements mit skalierbaren seitenemittierenden Eigenschaften und einem dem Anwendungszweck angepassten Profil der seitlichen Emission stellt ein schwerwiegendes Problem dar. Daher ist das Herstellungsverfahren eines erfindungsgemäßen Glaselements ebenfalls ein wesentlicher Teil der Erfindung.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren werden eine Mehrzahl von Lichtleitstäben aus einem Glas mit dem Brechungsindex n₁ bereitgestellt. Abhängig von dem zu erreichenden Beleuchtungsprofil werden Streustäbe aus einem Glas beinhaltend die beschriebenen Streuzentren in einer erforderlichen Anzahl bereitgestellt und neben den Lichtleitstäben angeordnet, so dass eine Matrix von Lichtleitstäben und Streustäben entsteht, in der die Längsachsen von Lichtleitstäben und Streustäben vorteilhaft weitestgehend parallel zueinander angeordnet werden. Die Verteilung der Streustäbe in der Matrix erfolgt nach einem von dem gewünschten Beleuchtungsprofil abhängigen Muster. Diese Matrix wird durch geeignete Mittel fixiert und bildet so eine Preform.
In einem folgenden Verfahrensschritt wird die Preform erwärmt und zu dem seitenemittierenden Glaselement so ausgezogen, dass sich die Lichtleitstäbe und der zumindest eine Streustab an ihren Außenumfangsflächen unlösbar miteinander verbinden. Die Temperaturführung beim Ausziehen bewirkt auch, dass zwischen den Lichtleitelementen eine Phasengrenze vorhanden bleibt. Dies kann insbesondere dadurch erreicht werden, dass die Ziehtemperatur unterhalb der Schmelztemperatur des Glases der Lichtleitelemente gehalten wird und diese insbesondere bei der Sintertemperatur zusammengesintert werden. Eine vollständige Verschmelzung der Lichtleitstäbe wird erfindungsgemäß vermieden. Ebenso durch die Temperaturführung wird der bevorzugte Formschluss der Lichtleitelemente und bedarfsweise auch der Streuelemente erreicht.
In einer vorteilhaften Ausführungsform sind die Lichtleitelemente wie beschrieben nicht vollständig miteinander verschmolzen, und auch das Streuelement ist nicht vollständig mit zumindest einem Lichtleitelement verschmolzen. Eine Phasengrenze kann dann auch zwischen dem Streuelement und den Lichtleitelementen vorhanden sein. Diese Ausführungsform lässt sich dadurch erreichen, dass die Erweichungstemperatur des Glases der Lichtleitstäbe gleich hoch oder niedriger als die Erweichungstemperatur der Streustäbe ist.
Eine ebenso vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass die Lichtleitelemente nicht vollständig miteinander verschmolzen und eine Phasengrenze zwischen diesen vorhanden ist, aber das zumindest eine Streuelement auf zumindest ein Lichtleitelement aufgeschmolzen ist. Dies kann erreicht werden, indem die Erweichungstemperatur des Glases der Streustäbe kleiner als die des Glases der Lichtleitstäbe. Vorteilhaft hat sich eine bis zu 50 K niedrigere Erweichungstemperatur des Glases der Streustäbe erwiesen, insbesondere eine bis zu 30 K niedrigere Erweichungstemperatur.
Beim Ausziehen werden aus den Lichtleitstäben die Lichtleitelemente und aus den Streustäben die Streuelemente des Glaselements. Die Lichtleitstäbe bestehen daher aus einem Glas mit einem Brechungsindex n₁ und sind im einzelnen nicht von einem Mantelglas mit dem Brechungsindex n₂ umhüllt.
Die Mittel zum Fixieren der Matrix aus Lichtleitstäben und Streustäben können beispielsweise Klammern sein, die nachher wieder entfernt werden. Bevorzugt wird allerdings ein Hüllrohr verwendet, das aus einem Glas mit dem Brechungsindex n₂ besteht. Die Matrix der Lichtleitstäbe und Streustäbe wird in dieser Ausführungsform im Innern des Hüllrohres angeordnet. Besonders bevorzugt ist das Hüllrohr einseitig verschlossen. Das Hüllrohr umfängt die zuvor beschriebene Preform zumindest entlang ihres Außenumfangs. Beim Erwärmen und Ausziehen erweicht das Hüllrohr und legt sich auf die Matrix aus Lichtleitstäben und Streustäben, so dass der Mantel um das Glaselement gebildet wird. Das durch das Erwärmen und Ausziehen erhaltene Produkt kann auch zerteilt und/oder weiterverarbeitet werden, um das seitenemittierende Glaselement zu erhalten.
Ein erfindungsgemäßes seitenemittierendes Glaselement kann insbesondere für die Allgemeinbeleuchtung eingesetzt werden. Dies umfasst den Einsatz zur Beleuchtung von Innenräumen und/oder Fassaden in der Architektur. Insbesondere können die erfindungsgemäßen Glaselemente in geeigneten Beleuchtungseinrichtungen Leuchtstoffröhren ersetzen. Dies umfasst den Einsatz in der Gebäudeinstallationstechnik, z.B. bei Fluchtwegkennzeichnungen, Flurbeleuchtungen etc. Vorteilhaft ist auch der Einsatz in Wasseraufbereitungsanlagen und in medizintechnischen Geräten, z.B. für Bestrahlung von Proben mit sichtbaren Licht, als Funktionsanzeige bei Röntgen/Bestrahlungsgeräten, und/oder in einer medizintechnischen Umgebung, z.B. farbige Beleuchtung im Operationssaal, als Ambientebeleuchtung in Aufwachräumen etc.
Wegen der Heißverformbarkeit des Glaselements kann es entsprechend geformt und entlang von Konturen von Innenraumbestandteilen, beispielsweise Durchgängen, Trägerelementen, Umrissen von Gebäuden etc. angebracht und an geeignete Lichtquellen angeschlossen werden. So ist es möglich, die Konturen eines Gebäudes oder Gebäudeteile durch das Glaselement nachzustellen und eine linienförmige oder gebogene oder beliebig geformte Lichtquelle zu realisieren.
Besonders vorteilhaft kann das erfindungsgemäße Glaselement für die Beleuchtung von Innenräumen von Fahrzeugen, insbesondere von Automobilen, Flugzeugen, Schiffen und/oder Zügen eingesetzt werden. Dabei kann das Glaselement an beliebigen Stellen angebracht oder in Konturen dieser Innenräume eingelegt werden. Wird Licht in das seitenemittierende Glaselement eingekoppelt, erscheint dieses bevorzugt als leuchtendes Band oder leuchtende Linie. Dadurch, dass das Glaselement so ausgestaltet ist, dass es nur flammfeste Stoffe beinhaltet, kann es sehr strenge Brandsicherheitsbestimmungen und/oder Anforderungen bzgl. der Temperaturstabilität erfüllen. Das macht es für den Einsatz in Fahrzeugen aller Art besonders geeignet. In Automobilen kann ein bevorzugter Anbringungsort eines erfindungsgemäßen Glaselements beispielsweise eine Türinnenverkleidung sein, in welcher eine Beleuchtungsfunktion integriert sein kann. Bei Flugzeugen und Schiffen bietet sich der Ersatz der Leuchtstoffröhren durch die Glaselemente an. In Flugzeugen und Schiffen kann dass das erfindungsgemäße Glaselement vorteilhaft zur Beleuchtung der Kabine und/oder zur Markierung von Fluchtwegen eingesetzt werden.
Ebenso vorteilhaft ist die Verwendung des erfindungsgemäßen Faserbündels als Teil von Möbeln, insbesondere von Schränken, Vitrinen, Öfen, Wohnlandschaften und/oder Arbeitsplatzbeleuchtung.
Insbesondere im Automobilbau werden zunehmend auch die Scheinwerfer dazu eingesetzt, durch besondere Beleuchtungseinrichtungen einen Wiedererkennungswert des Herstellers zu erzeugen. Daher weisen manche Automobilscheinwerfer Standlichtringe auf, welche das Abblendlicht umgeben und bei eingeschaltetem Licht als weitgehend homogen leuchtender Ring erscheinen. Andere Hersteller setzen beispielsweise ein Band von LEDs in ihren Scheinwerfern ein. Das erfindungsgemäße seitenemittierende Glaselement kann ebenfalls in Scheinwerfern eingesetzt werden, insbesondere in Scheinwerfern von Automobilen. Das erfindungsgemäße Glaselement ermöglicht es, beliebige bevorzugt homogen leuchtende Strukturen in Scheinwerfern zu erzeugen. Aus verschiedenen Gründen finden LEDs auch zunehmend Anwendungen in Automobilscheinwerfern. Gegenüber in Bändern angeordneten LEDs hat diese erfindungsgemäße Verwendung des Glaselements den Vorteil, dass wenige LEDs ausreichen, um die Beleuchtung herzustellen. Darüber hinaus sind gegenüber einem Band aus LEDs keine einzelnen Lichtpunkte sichtbar, was auch aus Designgründen bevorzugt werden kann. Auch können ein oder mehrere LEDs in die Stirnfläche des erfindungsgemäßen Glaselements eingekoppelt werden. Somit kann die Funktion als Positionslicht innerhalb von Scheinwerfern erzielt, welche wiederum beispielsweise die Anwendungen als Standlicht und/oder als Tagfahrlicht beinhalten. Dadurch, dass das erfindungsgemäße Glaselement heißverformbar ist, können nahezu beliebige Formen und damit leuchtende Konturen effizient und mit wenig Herstellungsaufwand erzeugt werden.
Eine weitere mögliche Verwendung des erfindungsgemäßen Glaselements ist die Positionsbeleuchtung von Flugzeugen, Schiffen und/oder Zügen. Möglich ist auch die Verwendung des erfindungsgemäßen Glaselements zur Beleuchtung von Landebahnen für Luftfahrzeuge, beispielsweise Flugzeuge, Hubschrauber, Luftschiffe etc.. Bisher werden Landebahnen durch eine Vielzahl von in einer Reihe angeordneten Glühlampen beleuchtet. Diese haben eine begrenzte Lebenszeit, weshalb in einer solchen Reihe immer wieder die ausgefallenen Glühlampen im laufenden Betrieb des Flughafens ersetzt werden müssen. Wird das erfindungsgemäße Glaselement entlang der Landebahnen und/oder auch in deren Mitte angeordnet, wird eine linienförmige leuchtende Struktur erzeugt, welche die Lage der Landebahn bei Dunkelheit und/oder schlechten Sichtverhältnissen markiert. Die Beleuchtungsquelle kann das Licht in die Glaselemente an wenigen zentralen Stellen einkoppeln, die sich bei der Ankopplung des Glaselements durch weitere Lichtleiter noch nicht einmal in unmittelbarer Nähe der Landebahn befinden müssen. Das erfindungsgemäße Glaselement ist weitestgehend wartungsfrei, so dass sich die Wartung dieser Landebahnbeleuchtung auf die wenigen eingesetzten Lichtquellen beschränkt. Auf diese Weise können beispielsweise die Start- und Landepisten von Flughäfen markiert werden, aber auch die von Flugzeugträgern, Hubschrauberlandeplätzen und anderen Luftfahrzeugen. Gleiches gilt für Wasserfahrzeuge und deren Anlegestellen, z.B. Fährenterminals.
Eine weitere mögliche Anwendung des beschriebenen und von der Erfindung umfaßten Glaselements ist die Hintergrundbeleuchtung von Displays. Displays können Anzeigeeinrichtungen aller Art sein, bevorzugt aber Flachbildschirme, beispielsweise Computermonitore, Tablet-Computern, Flachbildfernseher und die Displays von Mobiltelefonen und PDAs (Personal Digital Assistants). Bisher werden großformatige Displays, welche eine Hintergrundbeleuchtung benötigen, von Leuchtstoffröhren beleuchtet, welche am Rand des Displays oder aber hinter der Anzeigefläche des Displays angeordnet sind. Eine möglichst homogene Ausleuchtung der Anzeigefläche wird erwünscht, weshalb sich zwischen Leuchtstoffröhren und Anzeigefläche üblicherweise eine Diffusorplatte befindet, welche das von den Leuchtstoffröhren emittierte Licht homogenisiert. In Diffusorplatten kann das Licht auch seitlich eingekoppelt werden, beispielsweise wenn die Leuchtstoffröhren am Rande des Displays angeordnet sind. Die Diffusorplatte wirkt dann als Lichtleiter. Bei kleineren Displays, beispielsweise Displays von Mobiltelefonen und/oder PDAs, wird üblicherweise Licht von LEDs seitlich in die Diffusorplatte eingekoppelt. Bei größeren Displays findet die LED-Beleuchtung seit neuestem verstärkt Anwendung, weil sie kostengünstiger ist als die Beleuchtung mit Leuchtstoffröhren. Das Problem bei dem Einsatz von LEDs ist, damit eine ausreichend homogen beleuchtete Leichtfläche realisieren zu können. Abhilfe können die erfindungsgemäßen Glaselemente schaffen. Werden sie in geeigneten Strukturen hinter der Anzeigefläche verlegt, je nach Bedarf hinter eine Diffusorplatte oder aber auch ohne, können LEDs Licht in die Stirnflächen der Glaselemente einkoppeln, so dass die oder das Glaselement mit seitenemittierenden Eigenschaften für die Hintergrundbeleuchtung des Displays sorgt. Wird die Anordnung des Glaselements mit dem Intensitätsverlauf des seitlich emittierten Lichts abgeglichen, lässt sich so kosteneffizient auch eine großflächige homogene Hintergrundbeleuchtung für Displays erzielen. Auch ist es möglich, mit dem erfindungsgemäßen Glaselement ein Flächenelement zu erzeugen, in welchem die Streubereiche so angeordnet sind, dass es eine Diffusorplatte ersetzen kann.
Die Erfindung wird weiterhin anhand der beiliegenden Zeichnungen erläutert. Es stellen dar:
1a: den Längsschnitt entlang der Längsachse eines erfindungsgemäßen seitenemittierenden Glaselements.
1b: den Querschnitt eines erfindungsgemäßen seitenemittierenden Glaselements.
2a: den Längsschnitt entlang der Längsachse eines erfindungsgemäßen seitenemittierenden Glaselements mit einem Streuelement, das Abschnittsweise entlang der Längsachse Streuzentren aufweist.
2b: den Querschnitt eines erfindungsgemäßen seitenemittierenden Glaselements entsprechend 3a.
3: eine Preform zum Herstellen eines erfindungsgemäßen seitenemittierenden Glaselements.
4a: einen Schnitt quer zur Längsachse durch eine Preform beinhaltend Lichtleitstäbe unterschiedlicher Durchmesser.
4b: einen Schnitt quer zur Längsachse durch eine Preform beinhaltend Lichtleitstäbe mit gleichen Durchmessern.
5a: einen Schnitt quer zur Längsachse durch eine Preform beinhaltend Lichtleitstäbe unterschiedlicher Durchmesser und Streustäbe in radialsymmetrischer Randkonfiguration.
5b: einen Schnitt quer zur Längsachse durch eine Preform beinhaltend Lichtleitstäbe unterschiedlicher Durchmesser und Streustäbe in radialsymmetrischer Zentralkonfiguration.
6a: einen Schnitt quer zur Längsachse durch erfindungsgemäßes seitenemittierendes Glaselement mit formschlüssig verbundenen Lichtleitelementen und Streuelementen mit gerichtetem Beleuchtungsprofil.
6b: einen Schnitt quer zur Längsachse durch erfindungsgemäßes seitenemittierendes Glaselement mit formschlüssig verbundenen Lichtleitelementen und Streuelementen mit radialem Beleuchtungsprofil.
7a: einen Schnitt quer zur Längsachse durch erfindungsgemäßes seitenemittierendes Glaselement mit radialem Beleuchtungsprofil und zentralem Streuelement.
7b: einen Schnitt quer zur Längsachse durch erfindungsgemäßes seitenemittierendes Glaselement mit gerichtetem Beleuchtungsprofil und Streuelementen in Randkonfiguration.
7c: einen Schnitt quer zur Längsachse durch erfindungsgemäßes seitenemittierendes Glaselement mit radialem Beleuchtungsprofil und Streuelementen in Randkonfiguration.
8: einen Flugzeuginnenraum mit Anwendungen von erfindungsgemäßen seitenemittierenden Glaselementen.
9: eine Beleuchtungseinrichtung mit einem heißverformten seitenemittierenden Glaselement.
10: einen Automobilscheinwerfer mit seitenemittierendem Glaselement als Tagfahrlicht.
11: Eine Beleuchtungseinrichtung mit seitenemittierenden Glaselementen.
12: Eine Beleuchtungseinrichtung mit einer Ketten von seitenemittierenden Glaselementen.
Alle Zeichnungen sind schematisch, die Durchmesser ihrer Elemente sind nicht Maßstäblich und auch die Größenverhältnisse aller Elemente untereinander können in den realen Gegenständen von den Zeichnungen abweichen.
1a zeigt schematisch den Längsschnitt entlang der Längsachse A eines erfindungsgemäßen seitenemittierenden Glaselements. Dieses Glaselement weist ein Streuelement (3) aus einem Glas auf, in welches durch Entmischung und/oder Phasentrennung erzeugte oder eingelagerte Streupartikel als Streuzentren vorhanden sind und das sich zwischen Lichtleitelementen (1) aus Glas mit dem Brechungsindex n₁ befindet. Zwischen den einzelnen Lichtleitelementen (1) befindet sich eine Phasengrenze. Der Mantel (2) aus Glas mit dem Brechungsindex n₂ umschließt das Glaselement entlang seiner Längsachse (A). In das Glaselement eingekoppeltes Licht (4) kann durch die Phasengrenze der einzelnen Lichtleitelemente (1) und so von einem Lichtleitelement (1) in andere hindurchtreten und so zu dem Streuelement (3) gelangen. Es wird die Streuzentren in dem Streuelement (3) nach außen aus dem Glaselement ausgekoppelt, wodurch der Seitenemissionseffekt entsteht. Ohne Vorliegen des Streuelements (3) wäre ansonsten für viele Einstrahlwinkel die Bedingung der Totalreflektion erfüllt und das Glaselement würde das Licht in den Lichtleitelementen (1) leiten. Verantwortlich für die Auskopplung des Lichts (4) ist die Streuung des Lichts (4) an den in den Streuelementen (3) vorhandenen Streuzentren. Weil das Material dieses Bereichs (3), in dessen Matrix die Streuzentren eingelagert sind, bevorzugt den gleichen Brechungsindex n₁ wie das Material des Kerns (1) aufweist, kann das Licht (4) von dem Matrixmaterial weitgehend ungehindert zu den Streupartikeln gelangen. Durch einzelne oder mehrfache Interaktion mit den Streuzentren kann es durch die Streuzentren von seinem ursprünglichen Einfallswinkel abgelenkt werden, so dass der Auftreffwinkel auf den Mantel (2) so herabgesetzt wird, dass Licht aus dem Glaselement auskoppeln kann. Ist der Winkel des Einfallens auf den Mantel (2) größer als der Grenzwinkel der Totalreflektion β_Min, erfolgt eine Rückreflektion in die Lichtleitelemente (1) und so eine Lichtleitung in dem Glaselement.
Dass in diesem Ausführungsbeispiel der Mantel (2) das das Glaselement entlang der Achse (A) umschließt wird anhand der Abbildung des schematischen Querschnitts in 1b gut ersichtlich. Ebenfalls verdeutlicht wird hier, dass das Streuelement (3) zwischen den Lichtleitelementen (1) angeordnet ist. Die Lichtleitelemente (1) und das Streuelement (3) sind an ihren Kontaktflächen unlösbar miteinander verbunden, auch wenn hier kein Formschluss zwischen den Elementen (1, 3) vorliegt.
In der schematischen 2a ist das Streuelement (3) mit den eingelagerten Streuzentren so ausgestaltet, dass es alternierend Bereiche eingelagerter Streuzentren aufweist, die sich entlang der Achse (A) erstrecken und sich mit Bereichen abwechseln. Trifft das in den Lichtleitelementen (1) geleitete Licht (4) auf Bereiche mit eingelagerten Streuzentren (3), kann das Licht (4) entsprechend den zuvor beschriebenen Mechanismen mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit aus dem Glaselement ausgekoppelt werden. Trifft das in den Lichtleitelementen (1) geleitete Licht (4) jedoch auf Bereiche ohne eingelagerte Streuzentren, tritt es weitgehend ungehindert durch diese Bereiche und können durch Totalreflektion am Mantel (2) in dem Glaselement geleitet werden. Durch das gezielte Einstellen des Intervalls zwischen den Bereichen des Streuelements (3) mit eingelagerten Streuzentren und den Bereichen ohne eingelagerte Streuzentren kann die Menge des ausgekoppelten Lichts eingestellt werden. Wie bereits beschrieben sind allerdings auch andere Parameter für die Effizienz der Auskopplung verantwortlich.
3 zeigt eine Preform, welche zum Herstellen eines erfindungsgemäßen seitenemittierenden Glaselements geeignet ist. Sie ist somit als Vorprodukt des erfindungsgemäßen seitenemittierenden Glaselements notwendig. Die Preform beinhaltet mehrere Lichtleitstäbe (1) und mehrere Streustäbe (3), die entsprechend dem zu erzielenden Beleuchtungsprofil zwischen den Lichtleitstäben (1) angeordnet sind. Die Lichtleitstäbe (1) und die Streustäbe (3) sind von einem Hüllrohr (2) umgeben. In den meisten Fällen werden Lichtleit- und Streustäbe (1, 3) und Hüllrohr (2) so zueinander ausgerichtet, ihre Längsachsen im wesentlichen parallel zueinander verlaufen.
Die Lichtleitstäbe (1) bestehen aus einem Glas mit dem Brechungsindex n₁ und das Hüllrohr aus einem Glas mit dem Brechungsindex n₂. Die Streustäbe (3) bestehen aus einem Glas mit dem Brechungsindex n₃, in das die Streuzentren eingelagert sind. Es wird bevorzugt, wenn der Brechungsindex n₃ des Glases der Streustäbe (3) größer ist als der Brechungsindex n₂ des Mantels. Besonders bevorzugt ist der Brechungsindex n₃ des Glases der Streustäbe (3) genauso groß oder größer als der Brechungsindex n₁ der Lichtleitstäbe (1), weil somit das in den Lichtleitstäben (1) geführte Licht effizient in die Streustäbe und somit den Bereich gelangen kann, in dem die Streuzentren vorliegen und somit eine hohe Effizienz der seitlichen Auskopplung des Lichts aus dem Glaselement erfolgen kann. Ganz besonders bevorzugt sind beide Bedingungen miteinander verknüpft, so dass in diesem Fall gilt n₁ ≤ n₃ > n₂, wobei dann insbesondere bevorzugt n₁ > n₂ gilt.
Neben der dargestellten kreisrunden Durchmesserform der Lichtleit- und Streustäbe sind alle weiteren Formen, insbesondere auch unrunde Formen, von der Erfindung umfasst. Um eine unter mechanischer Spannung stehendes Glaselement zu erhalten, wird das Glas des Mantelrohrs (2) bevorzugt so gewählt, dass seine thermische Ausdehnung kleiner als die des Glases der Lichtleitstäbe (1) ist. Ebenso möglich ist es, das die Gläser der Lichtleitstäbe (1) unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten aufweisen. Die thermische Ausdehnung der Streustäbe ist vorteilhaft wiederum größer als diejenige der Lichtleitstäbe.
Beim Ausziehen der Preform wird aus einem Lichtleitstab (1) ein Lichtleitelement (1) und aus dem Hüllrohr (2) der Mantel (2) des Glaselements. Die Streustäbe (3) mit den eingelagerten Streuzentren werden zu den Streuelementen (3), in denen die Streuzentren eingelagert sind. Wie beschrieben wird insbesondere die Temperaturführung beim Ausziehen so gewählt, dass sich zwar eine unlösbare Verbindung zwischen den Streu- und Lichtleitelementen erreicht wird, aber weiterhin eine Phasengrenze zwischen den Lichtleitelementen (1) vorhanden ist. Es kann aber vorgesehen werden, dass das Mantelglas (2) einen niedrigeren Schmelzpunkt als insbesondere das Glas der Lichtleitelemente (1) aufweist, so dass beim Ausziehen das Hüllrohr (2) aufschmilzt uns sich um die äußeren Lichtleit- und/oder Streuelemente (1, 3) des Glaselements legt.
4a zeigt eine Anordnung von Lichtleitstäben (1) in einer Preform und innerhalb eines Hüllrohres (2). Die Anordnung erfolgt vorzugsweise in hexagonal dichtester Packung. Hierzu sind die Durchmesser der Lichtleitstäbe (1) und der Rohrinnendurchmesser aufeinander anzupassen. Falls eine möglichst runde Außenkontur erforderlich ist, ist es erforderlich die Lücken im Randbereich mit Lichtleitstäben (11) angepassten Durchmessers zu füllen.
In 4b ist der Fall gezeigt, bei dem Lichtleitstäbe (1) gleichen Durchmessers in einer Preform innerhalb eines Hüllrohres (2) angeordnet sind. Es ergibt sich eine hexagonale Form, das ausgezogene Glaselement hat in diesem Fall nicht notwendigerweise einen runden Querschnitt. Für die Betrachtung der Anordnung in einer Preform ist das Vorhandensein von Streustäben (3) unerheblich.
Um ein seitenemittierendes Glaselement herzustellen, werden in der Preform gemäß 5a an geeigneten Stellen Streustäbe (3) angebracht. 5a entspricht im wesentlichen 4a, bei der einzelne Lichtleitstäbe (1) durch Streustäbe (3) ausgetauscht wurden. In dem gezeigten Beispiel werden drei Streustäbe (3) im Randbereich der Matrix aus Lichtleitstäben (1, 11) eingebracht, d.h. die Streustäbe (3) liegen in einer radialsymmetrischen Randkonfiguration vor. Damit läßt sich ein radiales Beleuchtungsprofil des ausgezogenen seitenemittierenden Glaselements erreichen. Ebenso wie in 4a sind in 5a Lichtleitstäbe (1, 11) unterschiedlicher Durchmesser vorhanden.
5b entspricht weitestgehend 4a, nur dass in der Nähe des Zentrums einzelne Streustäbe in radialsymmetrischer Zentralkonfiguration eingebracht sind. Die Durchmesser der Streustäbe (3) ist in diesem Beispiel erheblich kleiner als die der Lichtleitstäbe (1). Wird die gezeigte Preform ausgezogen wird ein seitenemittierenden Glaselements erhalten, das ebenfalls ein radiales Beleuchtungsprofil aufweist. Eine radialsymmetrische Zentralkonfiguration ist natürlich auch in der Preform gemäß 4b möglich, in der Lichtleitstäben (1) gleicher Durchmesser eingebracht sind.
In 6a ist der schematische Querschnitt eines seitenemittierenden Glaselements gezeigt, das durch das Ausziehen einer beschriebenen Preform erhalten wurde und bei dem die Lichtleitelemente (1) und Streuelemente (3) einen Formschluss aufweisen. Üblicherweise stellt sich dabei ein hexagonaler Querschnitt der Lichtleitelemente (1) und Streuelemente (3) ein. Der Mantel (2) ist in dem Beispiel auf diese aufgeschmolzen. In der gezeigten asymmetrischen Randkonfiguration der Streuelemente (3) lässt sich ein gerichtetes Beleuchtungsprofil erreichen, bei dem das seitenemittierende Glaselement insbesondere einen Streifen beleuchtet.
6b stellt schematisch den Querschnitt eines seitenemittierenden Glaselements dar, das durch das Ausziehen einer beschriebenen Preform erhalten wurde und bei dem die Lichtleitelemente (1) und Streuelemente (3) ebenfalls einen hexagonalen einen Formschluss aufweisen. Hier ist ein Streuelement in zentraler und damit auch radialsymmetrischer Konfiguration gezeigt, welches ein radiales Beleuchtungsprofil ermöglicht.
In den 7a, 7b und 7c wird näher auf die durch die Anordnung der Streuelemente (3) bedingte Strahlengeometrie eingegangen. In der Darstellung wird die hexagonale formschlüssige Verbindung der Lichtleit- und Streuelemente verwendet. Die prinzipiellen Betrachtungen gelten aber auch für die nicht formschlüssige Verbindung. Der Übersichtlichkeit halber sind keine Lichtleitelemente (1) eingezeichnet, obwohl sie in einem realen Bauteil selbstverständlich vorhanden sind.
7a stellt schematisch die Zentralkonfiguration wie in 6b dar. In der Zentralkonfiguration trifft das von dem Streuelement (3) gestreute Licht unter einem Winkel auf den Mantel (2), der kleiner als der Winkel der Totalreflektion ist. Somit tritt das Licht (4) aus dem Glaselement aus und bewirkt den Seitenemissionseffekt. Es resultiert ein ungerichtetes Profil der seitlichem Emission, d.h. ein radiales Beleuchtungsprofil entlang der Längsachse des Glaselements.
In 7b ist schematisch die asymmetrische Randkonfiguration der Streuelemente (3), durch die ein gerichtetes Beleuchtungsprofil des Glaselements erzeugt werden kann. Die gezeigten Lichtstrahlen (4) stellen die Randstrahlen des streifenförmigen Beleuchtungsprofils dar. Der Abstrahlwinkel kann durch die Position der Streuelemente (3) bestimmt werden.
Die radialsymmetrische Randkonfiguration entsprechend der schematischen 7c stellt gewissermaßen einen Spezialfall dar, mit dem es möglich ist, eine radial besonders homogene Abstrahlung zu erzielen. Idealisiert ist das der Fall, wenn das Produkt aus Grenzwinkel und Anzahl der Streuelemente (3) 360° ergibt und diese äquidistant auf gleichem Abstand zur Achse liegen. Selbstverständlich können dazu auch mehr als die drei in 7c gezeigten Streuelemente verwendet werden.
In 8 ist der Innenraum eines Flugzeuges dargestellt, beispielsweise die Kabine eines Passagierflugzeugs. Beleuchtungseinrichtungen beinhaltend die erfindungsgemäßen seitenemittierenden Glaselemente (10) können vielfältige Anwendungen in Flugzeugkabinen finden. Die Glaselemente (10) sind flammfest und erfüllen die die Zulassungsbestimmungen der für die Zulassung von Passagierflugzeugen zuständigen Behörden und die anwendbaren Herstelleranforderungen. In 8 sind die seitenemittierenden Glaselemente (10) mitunter als breite Bänder dargestellt. Diese Darstellung muss nicht maßstabsgerecht sein. Je nach Anforderung werden die Glaselemente (10) als schmaler Stab ausgebildet, der als leuchtende Linie erscheint.
Ein erfindungsgemäßes seitenemittierendes Glaselement (10) kann als Allgemeinbeleuchtung der Kabine und/oder als Konturbeleuchtung (10) entlang der und/oder um die Fenster der Flugzeugkabine, entlang der und/oder um die Fächer der Handgepäckaufbewahrung oder entlang und/oder um Innenraumteiler angebracht sein. Generell ist jede insbes. durch Heißverformung hertellbare Form von Konturbeleuchtung innerhalb der Flugzeugkabine möglich. In dem Boden der Flugzeugkabine kann das seitenemittierende Glaselement (10) zur Markierung der Wege innerhalb des Flugzeugs angebracht werden. Besonders vorteilhaft ist diese Wegemarkierung zur Markierung der Wege zu den Notausstiegen. Ebenso ist es möglich, das seitenemittierendes Glaselement (10) als Konturbeleuchtung für Sitze zu verwenden. Mittels Lichteinkopplung mit farbigen und/oder durchstimmbaren RGB-Lichtquellen können Farbstimmungen, je nach Tageszeit oder Flugdauer erzielt werden. Neben dem dekorativen Effekt haben diese Anwendungen den Vorteil, dass zur Einstellung von Nachtverhältnissen in der Kabine, die für die Passagiere zum Unterstützen von Schlafphasen eingesetzt werden, das Umgebungslicht reduziert werden kann, aber die Passagiere ihre Sitzplätze immer noch auffinden können. Man hat erkannt, dass gerade auf Langstreckenflügen das Einlegen von Schlafphasen die Reise für die Passagiere stressfreier macht. Gleiches gilt für verschieden farbige Lichtstimmungen in unterschiedlichen Flugphasen, in denen Lichtstimmungen beispielsweise in Abhängigkeit von dem Biorythmus der Passagiere eingestellt werden. Daher wird immer mehr Wert auf eine geeignete Nachtausstattung und farbig einstellbare Lichtstimmungen im Innern von Flugzeuginnenkabinen gelegt.
9 zeigt eine Beleuchtungseinrichtung beinhaltend ein gebogenes seitenemittierendes Glaselement (10). Licht wird von Lichtquellen (40) in die Stirnflächen des Glaselements (10) eingekoppelt und in diesem geleitet. Als Lichtquelle (40) eignen sich insbesondere LEDs. Das Streuelement (3) ist in diesem Fall so ausgebildet, dass es nur Abschnittsweise Streuelemente aufweist. Der Effekt der Seitenemission ist damit nur auf diesen Abschnitten des Glaselements (10) zu beobachten. Durchgängige Streuelemente (3) sind selbstverständlich ebenso möglich. Die Biegung des Glaselements (10) lässt sich besonders effizient durch Heißformgebung erzeugen. Geeignete Verfahren dazu sind dem Fachmann bekannt.
10 zeigt einen Automobilscheinwerfer (120), in den das seitenemittierende Glaselement (10) Beleuchtungsaufgaben übernimmt. Es ist in diesem Beispiel als Strang unterhalb der Hauptscheinwerfer (42) angeordnet. Es kann neben dekorativen Funktionen die Aufgaben als Stand- und/oder Tagfahrlicht realisieren. Die Anwendung des erfindungsgemäßen seitenemittierenden Glaselements (10) in Automobilscheinwerfern (120) ist vorteilhaft, da das seitenemittierende Glaselement (10) Beständig gegenüber Hitze und Verwitterung ist, die durch das Einwirken von aggressiven Substanzen verstärkt werden kann. Das erfindungsgemäße seitenemittierende Glaselement (10) gegenüber Verwitterung und Hitzebelastung unempfindlicher als bisher eingesetzte Strukturen aus Kunststoffen. Außerdem können sehr viel höhere Lichtleistungen eingekoppelt werden.
Ebenso eignen sich insbesondere LEDs zur Einkopplung in seitenemittierende Glaselemente (10), da ihre im Vergleich zu Glühlampen oder Gasentladungslampen geringe Abstrahlfläche eine effiziente Einkopplung ohne eine großvolumige Optik ermöglicht. So lassen sich in einem Automobilscheinwerfer (120) u.a. Kosten, Gewicht und Platz sparen. Gegenüber dem Anbringen von bandförmig angeordneten LEDs hat die Verwendung eines seitenemittierenden Glaselements (10) in Automobilscheinwerfern (120) den Vorteil, dass das Licht homogen ausgestrahlt wird, so dass nicht der ästhetisch unschöne Eindruck einzelner Leuchtpunkte entsteht, andere Verkehrsteilnehmer nicht durch eine Vielzahl von Leuchtpunkten irritiert werden, der Leuchteffekt weitgehend winkelunabhängig ist und die Anzahl von LEDs verringert wird und dadurch Energie beim Gebrauch des Scheinwerfers eingespart werden kann, was wiederum den Kraftstoffverbrauch des Fahrzeugs und somit seine CO₂-Emissionen senken kann.
In 11 ist die bevorzugte Montage von erfindungsgemäßen seitenemittierenden Glaselementen (10) in einer Beleuchtungseinrichtung schematisch dargestellt, welche als Leuchtstoffröhrenersatz dienen kann. Als Lichtquellen (40) dienen LEDs, die auf Trägern (41) angebracht sind. Die Träger sind mit dem Montagekörper (50) verbunden. Die Verbindung wird bevorzugt so ausgeführt, dass eine Wärmeleitung von den Trägern (41) in den Montagekörper (50) möglich ist. Die Oberflächen der Träger (41) und insbesondere des Montagekörpers (50) können somit die von den LEDs (40) im Betriebszustand erzeugte Wärme als Wärmesenke aufnehmen und insbesondere auch über ihre Oberfläche wieder abstrahlen. Träger (41) und Montagekörper (50) können so als Kühlkörper dienen.
Der Montagekörper (50) und die Träger (41) besonders vorteilhaft einteilig ausgebildet. Sie bestehen insbesondere aus einem wärmeleitenden Material, z.B. einem Metall (einschließlich Legierungen von Metallen). Der Montagekörper (50) kann an anderen Gegenständen angebracht werden. Der Abstand Z zwischen den zugewandten Stirnflächen der Glaselemente (10) kann so klein gewählt werden, dass in üblichem Beobachtungsabstand der Lichtabfall zwischen den Glaselementen (10) kaum wahrnehmbar ist und die Beleuchtungseinrichtung als weitestgehend homogenes Leuchtband erscheint.
In 12 ist das Schema einer Kette von seitenemittierenden Glaselementen (10) dargestellt, die im wesentlichen denen in 9 beschriebenen entsprechen. Die 12 soll verdeutlichen, dass mit den erfindungsgemäßen seitenemittierenden Glaselementen (10) Beleuchtungseinrichtungen hergestellt werden können, die beliebige Konturen aufweisen und modular aufgebaut sein können.
Gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten bedruckten seitenemittierenden Glaselementen haben die seitenemittierenden Glaselemente (10) gemäß der Erfindung den Vorteil, dass sie mittels etablierter Heißformgebungsverfahren in nahezu jegliche Form gebracht werden können. Das Bedrucken von verformten Glasposten wäre entweder großtechnisch unmöglich oder mit unvertretbarem Aufwand verbunden. Darüber hinaus werden die Streuelemente (3) gemäß der Erfindung selbst von einem Glas gebildet und noch dazu von den benachbarten und/oder umgebenden Lichtleitelementen (1) und/oder bevorzugt auch dem Mantel (2) geschützt. Dies macht die erfindungsgemäßen seitenemittierenden Glaselemente (10) besonders widerstandsfähig gegenüber Beschädigungen, wie sie beispielsweise durch das Schaben an anderen Gegenständen, insbesondere bei der Vibration in Flugzeugen, oder aber auch dem Kontakt mit aggressiven Medien entstehen können. Durch das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren ist es möglich, den Seitenemissionseffekt des erfindungsgemäßen Glaselements (10) zu skalieren und auch den jeweiligen Anforderungen entsprechende Beleuchtungsprofile zu realisieren.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 9258028 A2 [0006, 0006]
US 4466697 [0007]
WO 2009/100834 A1 [0009]
DE 102011084062 [0010, 0032]

Claims

Seitenemittierendes Glaselement (10), das eine Mehrzahl von an ihren Außenumfangsflächen unlösbar miteinander verbundenen Lichtleitelementen (1, 11) aus einem Glas mit dem Brechungsindex n₁ und zumindest ein Streuelement (3) umfasst, das mit der Außenumfangsfläche zumindest eines Lichtleitelements (1, 11) unlösbar verbunden ist und das, wenn Licht in dem Glaselement geleitet wird, einen Anteil dieses Lichts seitlich aus dem Glaselement emittiert, wobei die einzelnen Lichtleitelemente (1, 11) von keinem Mantelglas mit einem von n₁ abweichenden Brechungsindex umhüllt sind und wobei zwischen den Lichtleitelementen (1, 11) eine Phasengrenze vorhanden ist.
Seitenemittierendes Glaselement (10) nach Anspruch 1, wobei die Lichtleitelemente (1, 11) und das zumindest eine Streuelement (3) formschlüssig miteinander verbunden sind.
Seitenemittierendes Glaselement (10) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Glaselement (10) entlang seines Außenumfangsbereichs mit einem Mantelglas (2) umhüllt ist, das den Brechungsindex n₂ aufweist und wobei gilt n₁ > n₂.
Seitenemittierendes Glaselement (10) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das zumindest eine Streuelement (3) durch ein Glas gebildet wird, welches Streuzentren aufweist, die bevorzugt gebildet werden durch in das Glas eingelagerte Streuelemente und/oder durch inhomogene Bereiche, die bevorzugt durch Phasentrennung und/oder Entmischung des Glases entstehen.
Seitenemittierendes Glaselement (10) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich das zumindest eine Streuelement (3) im Randbereich des Glaselements (10) befindet und/oder von den Lichtleitelementen (1, 11) umgeben wird.
Beleuchtungseinrichtung umfassend zumindest eine Lichtquelle (40), die im Betriebszustand Licht durch zumindest eine Stirnfläche des seitenemittierenden Glaselements (10) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche in dieses einstrahlt und im Betriebszustand Licht seitlich aus dem Glaselement (10) austritt.
Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 6, wobei im Betriebszustand mindestens 50% des in das seitenemittierende Glaselement (10) eingestrahlten Lichts seitlich aus diesem emittiert wird.
Beleuchtungseinrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 6 bis 7, wobei im Betriebszustand das Profil der seitlichen Emission durch die Anordnung der Streuelemente (3) im Verhältnis zu den Lichtleitelementen (1, 11) im seitenemittierenden Glaselement (10) bestimmt wird.
Verfahren zum Herstellen eines seitenemittierenden Glaselements nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 5 beinhaltend die Verfahrensschritte – Bereitstellen einer Mehrzahl von Lichtleitstäben (1) aus einem Glas mit dem Brechungsindex n₁, – Anordnen zumindest eines Streustabs (3) aus einem Glas beinhaltend Streuzentren in oder bei der Mehrzahl der Lichtleitstäbe (1, 11), so dass die Achsen A der Lichtleitstäbe (1, 11) und des zumindest einen Streustabs (3) zumindest weitestgehend parallel zueinander verlaufen und eine Preform erhalten wird, – Erwärmen der Preform, – Ausziehen der Preform zu einem seitenemittierenden Glaselement (10), so dass sich die Außenumfangsflächen der Lichtleitstäbe (1, 11) unlösbar miteinander und mit dem zumindest einem Streustab (3) verbinden.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Anordnung des zumindest eines Streustabs (1) in oder bei den Lichtleitstäben (1, 11) abhängig von dem Ort der seitlichen Emission des Glaselements (10) erfolgt.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 9 bis 10, wobei das Erwärmen und Ausziehen der Preform bei Temperaturen unterhalb der Schmelztemperatur des Glases der Lichtleitstäbe (1, 11) erfolgt.