DE102013011864A1

DE102013011864A1 - Methode und Konstruktion einer Leuchte mit gebogenem und an den Stirnseiten beleuchtetem Lichtleiter

Info

Publication number: DE102013011864A1
Application number: DE201310011864
Authority: DE
Inventors: Sergey Dyukin; Elena Ovsyannikova
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-07-16
Filing date: 2013-07-16
Publication date: 2015-02-26

Abstract

Methode und Konstruktion einer Leuchte mit gebogenem und an den Stirnseiten beleuchtetem Lichtleiter. Die Erfindung ist eine Methode für die Erhöhung der Effizienz des Panels, die Regulierung der Helligkeitsverteilung, Regulierung der Streuung und die Regulierung des Ausrichtungsdiagramms des Leuchtpanels durch das Biegen des Lichtleiterkörpers und den Ausgleich der Krümmung. Das von den Stirnseiten des Lichtleiters gerichtete Licht fällt auf die gekrümmte Außenwand des Lichtleiters unter einem größeren Winkel und verlässt den Lichtleiter noch intensiver an der erforderlichen Stelle und in erforderlicher Menge, die proportional zum Radius der Krümmung des Lichtleiters ist. In 4 ist das Schema, das den Strahlengang des Lichtstrahles (5), der durch den gebogenen Lichtleiter geht, dargestellt. Es wurde auch die aus dem Lichtleiterkörper austretenden Strahlen (4) eingezeichnet. Das Licht, das durch den Lichtleiterkörper geht, hat die Möglichkeit, den Lichtleiter ohne einen zusätzlich eingebauten Streukörper zu verlassen. Die Erfindung ermöglicht, eine wesentliche Steigerung des Wirkungsgrades zu erzielen.

Description

1. Bereich der Technik, zu dem die Erfindung zugeordnet wird
Diese Erfindung ist den Lichtleiterpanels zuzuordnen, in denen die Beleuchtung des Lichtleiters über die Stirnseiten erfolgt. Die Erfindung ist eine Methode für die Erhöhung der Effizienz des Panels, die Regulierung der Helligkeitsverteilung, Regulierung der Streuung und die Regulierung des Ausrichtungsdiagramms des Leuchtpanels durch das Biegen des Lichtleiterkörpers und Ausgleich der Krümmung. Diese Panels sind für die Beleuchtung von Räumen, Informationstableaus, Werbepanels sowie Displays geeignet, deren wichtigsten Eigenschaften eine kompakte flache Platzierung, sowie:

– Sparsamkeit
– Stärke (Dicke)
– Bequemes Platzieren
– Ästhetik
– Design

Normalerweise werden in den Lichtleiterpanels für die Beleuchtung Leuchtdioden (LED) verwendet, die an den Stirnseiten angebracht werden. Außerdem können auch andere Lichtquellen, wie Lumineszenz-Lampen, Gas- oder Glühlampen, Leuchtdioden (LED), Leuchtdiodenchips (LED Chip), Strahlung der organischen Strukturen (OLED) usw. eingesetzt werden.
2. Stand der Technik
Es sind flache Leuchtpanels bekannt, in denen die Beleuchtung des Lichtleiters von den Stirnseiten erfolgt.
In diesen Panels gibt es Lichtverluste:

– beim Ausrichten des Lichtes aus dem Lichtleiterkörper, um nützliche Arbeit zu leisten. Wir nennen diese Verluste – ”Richtungsverluste”. Es sind Verluste an den Reflexionskörpern, die das aus dem Lichtleiterkörper gerichtete Licht auf die Oberfläche der Leuchte leiten. Üblicherweise sind es Unebenheiten, Vertiefungen, Rillen, Leisten, schräg stehende Lichtleiter, diamanten- und netzartige Strukturen und Ähnliches.
– bei der Bildung des gleichmäßigen Lichtfeldes des Lichtleiters. Diese Verluste nennen wir ”Verteilungsverluste (Verluste der Streuung)” des Lichtes. Dies ist das Ergebnis einer Vielzahl von Reflexionen an den Streukörpern an der Übergangsgrenze Lichtleiter – Luft, an den ausgleichenden und absorbierenden Flächen usw.
– bei den nutzlosen Durchgängen (hin und zurück) des Lichtes im Lichtleiterkörper. Wir nennen diesen Verluste – ”Leerlaufverluste”. Es sind Verluste durch Lichtstreuung im Lichtleiterkörper bei mehrfachen Durchgängen des Lichtes von einem Ende des Lichtleiters zum anderen.
– bei der Reflexion an den Stirnseiten des Lichtleiters bei mehreren Lichtdurchgängen (hin und zurück). Wir nennen diese Verluste als „Stirnseitenstreuungsverluste”. Dieser Lichtverlust entsteht durch die ungünstige Reflexion des Lichtes an den Stirnseiten des Lichtleiters.

Nun prüfen wir die Verluste in den praktischen Konstruktionen:

(1) WO2011/057457 A1 – Ultradünnes LED-Panel. Die Beleuchtung des Lichtleiterkörpers erfolgt an den Stirnseiten. Auf die untere Seite des Lichtleiters wurde eine netzartige Struktur aufgetragen.

Nachteile:

– Um das Licht von der hinteren Wand des Lichtleiters zu leiten, ist seine Oberfläche mit einer netzartigen Struktur beschichtet. Eine Netzstruktur hat It. ihrer Definition keinen hohen Reflexionskoeffizient. Daher sind für derartige Leuchten „Richtungsverluste” und „Verteilungsverluste” charakteristisch.
– Die Netzstruktur auf der Rückseite des Lichtleiters ist unwirksam, um die Lichtrichtung aus dem Lichtpanel zu gestalten. Um das Licht auf den Ausgang des Panels zu richten, wurden keine weiteren Maßnahmen ergriffen. Folglich hat diese Konstruktion große Verluste des „Leerlaufs” und der „Stirnseitenstreuung”.

(2) WO2009102066 – Dünnes LED-Panel. Die Beleuchtung des Lichtleiterkörpers erfolgt an den Stirnseiten des Lichtleiters. Die Schwerpunkte der Erfindung sind Maßnahmen zum Erreichen eines gleichmäßigen Beleuchtungsfeldes. Dafür werden im Körper des Lichtleiters diamantähnliche reflektierende Ausbuchtungen entlang dem Lichtstrahlengang angebracht.

Nachteile:

– Diese Methode der Richtungsänderung lässt mehrfache Reflexionen von Lichtstrahlen, die auf dem Weg auf diamantähnliche Kanten treffen, zu. Die mehrfachen Reflexionen zwischen den Kanten werden durch Grenzübergänge Lichtleiter – Luft und Luft – Lichtleiter begleitet. Bei jedem Grenzübertritt geht ein Teil des Lichtes verloren. Folglich sind wesentliche „Richtungsverluste” unvermeidlich.
– Diamantähnliche Kanten schließen die „Leerlaufverluste” und „Stirnseitenstreuungsverluste” nicht aus, weil der Lichtleiter nur anteilig durch die diamantähnlichen Körper überdeckt ist.

(3) WO2011103535 – Dünne LED-Modul-Panels, aus denen Flächen verschiedener Größe zusammengestellt werden können. Der Autor schlägt verschiedene Texturflächen im unteren Teil des Lichtleiters vor. Um das Licht von der hinteren Seite des Lichtleiters zu leiten, wird auf seine Oberfläche eine Netzstruktur aufgetragen.

Nchteile:

– Um das Licht von der hinteren Seite des Lichtleiters zu leiten, ist seine Oberfläche mit einer Netzstruktur beschichtet. Daher wird diese Leuchte durch wesentliche „Richtungsverluste” und „Verteilungsverluste” charakterisiert.
– Die Netzstruktur auf der Rückseite des Lichtleiters ist weniger effizient, um darin das Licht auf den Ausgang des Panels zu leiten. Weitere Maßnahmen wurden dazu nicht getroffen. Folglich hat diese Konstruktion große ”Leerlaufverluste” und „Stirnseitenstreuungsverluste”.

(4) JP2011108520 – Planare Beleuchtungseinrichtung. Ein flacher Lichtleiter, der an den Stirnseiten mit LED beleuchtet wird. Der Lichtleiter besteht aus einer Vielzahl von schräg stehenden Lichtleitern, zwischen denen ein Difraktionsgitter eingebaut ist.

Nachteile:

– In dieser Konstruktion kommt es zu wesentlichen Verlusten wegen den mehrfachen Übergängen an den Mediengrenzen. Folglich entstehen in dieser Konstruktion wesentliche „Richtungsverluste” und „Verteilungsverluste”.

(5) US20100254121 – LED – Deckenleuchte. Der Körper des Lichtleiters wird über dessen Stirnseiten beleuchtet. In der Erfindung löst man das Problem der Regulierung und gleichmäßigen Verteilung des Lichtes auf der Oberfläche der Leuchte. Das Problem wird durch das Anbringen von reflektierenden Vertiefungen auf der unteren Oberfläche des Lichtleiters gelöst. Die Ungleichmäßigkeit wird durch die Veränderung der Dichte der Positionierung dieser Vertiefungen reguliert.

Nachteile:

– Die Lichtstrahlen treffen auf ihrem Weg auf Vertiefungen. Ein Teil des Lichtes verlässt den Lichtleiter über die Grenze Lichtleiter – Luft, danach reflektiert es von der unteren Reflexionsplatte und kommt über die Grenze Luft – Lichtleiter in den Lichtleiter zurück. Bei jeder Überquerung der Grenzen entsteht ein Lichtverlust von ca. 10%. Die Konstruktion hat „Richtungsverluste” und „Verteilungsverluste”.
– Eine noppenartige Struktur auf der Rückseite des Lichtleiters ist wenig effizient, um das Licht auf den Ausgang des Panels zu leiten. Weitere Maßnahmen wurden dazu nicht getroffen. Folglich hat diese Konstruktion große _”Leerlaufverluste” und „Stirnseitenstreuungsverluste”.

(6) JP20100282184 – Optische Platte der Oberflächenbeleuchtung SOURCE und der LCDs. Der Lichtleiter wird seitwärts beleuchtet. Die untere Seite des Lichtleiters ist in Form von längs liegenden Kerbungen ausgeführt. Auf dem Lichtleiter liegt ein Blatt mit quer liegenden Kerbungen.

Nachteile:

– Die obere Streufläche führt unweigerlich zu einem wesentlichen ”Streuungsverlust” von etwa 10%.
– Die längs liegende Kerbungen im hinteren Teil des Lichtleiters, als Instrument für die Ausrichtung des Lichtes, führen zu wesentlichen Verlusten. Dieser Prozess führt zu mehrfachen Reflexionen zwischen den Kanten, bei Grenzübergängen Lichtleiter – Luft und zurück. Deshalb sind wesentliche „Richtungsverluste” unvermeidbar.
– Die längs liegende Kerbungen auf der Rückseite des Lichtleiters sind wenig effizient, um das Licht auf den Ausgang aus dem Panel zu richten. Weitere Maßnahmen wurden dazu nicht getroffen. Folglich hat diese Konstruktion große „Leerlaufverluste” und „Stirnseitenstreuungsverluste”.

(7) JP2009099270 – Hohle Beleuchtungseinrichtung. Hohler Lichtleiter mit Beleuchtung an den Stirnseiten. Der untere Teil des Lichtleiters reflektiert das Licht nach oben. Durch verschiedene Kämme und die Verengung des Querschnitts des Lichtleiters wird die Helligkeit der Beleuchtung der Frontseite des Lichtleiters reguliert.

Nachteile:

– Die obere Streufläche führt unweigerlich zu einem wesentlichen ”Streuungsverlust” des Lichtes von etwa 10%.
– Die untere reflektierende Fläche besteht aus einer Gratstruktur und ist für die Ausrichtung des Lichtes auf den Ausgang des Panels zuständig. Wesentliche „Richtungsverluste” sind unvermeidbar.

(8) WO2007049847 20070503 – Modul mit Hintergrundbeleuchtung, das leicht eine gekrümmte und dreidimensionale Form annimmt. Die Konstruktion des Gerätes lässt eine leichte Krümmung des Panels zu, mit dem Ziel einer schnellen Anpassung der Konstruktion an die Gegebenheiten der Platzierung. Bequeme Platzierung des Panels ist das Ziel dieser Erfindung. Demzufolge bieten die technischen Lösungen der Konstruktion eine rasche operative Deformation des Panels, mit dem Ziel der optimalen Platzierung des Panels, ohne wesentliche Änderungen an der Konstruktion. In der Erfindung ist keine Rede über die Verbesserung der Effizienz des Panels durch das Biegen, die Regulierung der Intensität und des Diagramms.

Nachteile:

– Die untere reflektierende Fläche besteht aus Grat-Strukturen und dient der Ausrichtung des Lichtstrahles auf den Ausgang des Panels und auf die Streuung. Wesentliche ”Richtungsverluste” und ”Streuungsverluste” sind unvermeidbar.

Zusammenfassung: Aus dem Stand der Technik folgt, dass im Wesentlichen alle Konstruktionen von den „Richtungsverlusten”, „Verteilungsverlusten”, „Leerlaufverlusten” und „Stirnseitenstreuungsverlusten” betroffen sind. In den oben genannten Konstruktionen betragen diese Verluste etwa von 20–30% bis 70–80%. Es sind große Zahlen, die die Bedeutung dieser Erfindung hervorhaben.
3. Darstellung der Erfindung
Das Problem
Die vorliegende Erfindung ist auf die Verbesserung der Effizienz der Beleuchtungspanels sowie auf grundlegende Erweiterung der Anwendungsmöglichkeiten gerichtet.
Das Licht, das an den Stirnseiten des Panels eintritt, muss aus dem Panel geführt und auf der Fläche des Panels so verteilt werden, dass die Aufgabe, wie Beleuchtung der Räume, Hintergrundbeleuchtung der Informationstableaus usw. mit maximalen Effizienz gelöst werden.
Bei der Lösung dieser Aufgabe geht in der Regel ein Teil des Lichtes verloren:

– bei der Führung des Lichtes aus dem Lichtleiterkörper. Es sind „Richtungsverluste”-Verluste an den Reflexionskörpern, die das Licht aus dem Lichtleiter zur Frontseite der Leuchte leiten.
– beim Ausgleich der Beleuchtungsstärke des Lichtfeldes. Es sind „Verteilungsverluste” des Lichtes. Dies ist das Ergebnis einer Vielzahl von Reflexionen in den Streukörpern an der Grenzfläche Lichtleiter-Luft, an den ausgleichenden Flächen usw.
– beim mehrfachen Durchgang des Lichtes im Körper des Lichtleiters (hin und zurück). Dabei entstehen „Leerlaufverluste” und „Stirnseitenstreuungs-verluste”.

Die Lösung
In der vorliegenden Erfindung wird eine Methode vorgeschlagen: den Lichtleiterkörper zu biegen. Das von den Stirnseiten des Lichtleiters gerichtete Licht fällt auf die gekrümmte Außenwand des Lichtleiters unter einem größeren Winkel und verlässt den Lichtleiter noch intensiver an der erforderlichen Stelle und in erforderlicher Menge, die proportional zum Radius der Krümmung des Lichtleiters ist.
Um die vorgegebene Ziele zu erreichen, kann der Radius der Krümmung angepasst werden. Man kann auch die Anzahl der Krümmungen des Lichtleiterkörpers und deren Platzierung anpassen. Die Biegung kann in Richtung der Oberfläche des Lichtleiterkörpers oder in mehreren Richtungen gleichzeitig erfolgen. Dies ermöglicht, die notwendige Lichtintensität der Panelbeleuchtung ihrem Feld anzupassen, sowie auch ein Diagramm für die Ausrichtung des Panels zu bilden.
Die vorgeschlagene Methode hat eine Reihe von positiven Eigenschaften:

1. ermöglicht die „Richtungsverluste” des Lichtes zu vermeiden
2. ermöglicht die „Verteilungsverluste” des Lichtes zu vermeiden
3. ermöglicht die „Leerlaufverluste” und „Stirnseitenreflexionsverluste” des Lichtes zu vermeiden
4. ermöglicht die Helligkeit des Panels im dessen Feld zu regulieren
5. ermöglicht die Regulierung des Ausrichtungsdiagramms des Panels. Dadurch können bisher unzugängliche Aufgaben gelöst werden. Folglich erweitert sich das Anwendungsgebiet.

Die in dieser Erfindung vorgeschlagene Methode erzeugt eine neue Klasse von Beleuchtungseinrichtungen mit einem gebogenen Lichtleiterkörper, der über die Stirnseiten beleuchtet wird.
Schwerpunkt der Erfindung
Ich nenne die physikalischen Gesetze, auf denen die Erfindung basiert. Es ist bekannt, dass eine elektromagnetische Welle beim Passieren einer flachen Grenze zweier Medien mit unterschiedlichen Brechungsindizes teilweise reflektiert wird und dass der Einfalls- und der Reflexionswinkel gleich groß sind. Dabei geht ein Teil der Welle durch die Mediengrenze unter einem Brechungswinkel hindurch.
Quantitativ wird der Brechungswinkel für den optischen Bereich der elektromagnetischen Welle durch das Gesetz von Snellius bestimmt: λ₁ sin ω₁ = λ₂ sin ω₂
In dieser Formel:

λ₁: – Brechungsindex des Mediums, aus dem die Welle auf die Oberfläche fällt;
λ₂: – Brechungsindex des Mediums, in das die Welle nach dem Passieren der Mediengrenze eintritt;
ω₁: – Einfallswinkel des Lichtes – der Winkel zwischen dem einfallenden Lichtstrahl und der Normalen zu der Oberfläche;
ω₂: – Brechungswinkel des Lichtes – der Winkel zwischen dem durch die Grenze gegangenem Lichtstrahl und der Normalen zur Oberfläche

Das Verhältnis der Brechungsindizes der Medien λ₂/λ₁ = λ₂₁ wird relativer Brechungsindex der beiden Medien genannt.
Die quantitativen Eigenschaften von einer reflektierten (K) und gebrochenen (P) elektromagnetische Lichtwelle beim Durchgang durch eine flache Grenzfläche zwischen zwei Medien mit unterschiedlichen Brechungsindizes werden mit Formeln von Fresnel beschrieben. Der Reflexionskoeffizient wird ermittelt durch: K = sin²(α – β)/sin²(α + β)
In dieser Formel: α – Einfallswinkel; β – der Brechungswinkel.
Der Transmissionskoeffizient P wird bestimmt: P = 1 – K
Es ist zu beachten, dass die Gesetze der geometrischen Optik (insbesondere gilt dies für das Gesetz von Fresnel) die quantitativen Merkmale mit einer ziemlich großen Abweichung beschreiben, die stark von den optischen Eigenschaften der verwendeten Materialien, von der Qualität der Bearbeitung von reflektierenden Oberflächen usw. abhängig sind. Außerdem ist eine Vielzahl von Methoden bekannt, um die Brechungsindizes zu kontrollieren (sie werden in diesem Kapitel nachfolgend kurz erwähnt).
Um den physischen Schwerpunkt der Erfindung darzustellen, richtet man auf den Lichtleiter parallele Lichtstrahlen und zeigt zwei davon, siehe 1. Aus dem Gesetz von Fresnel folgt, dass wenn man den Biegewinkel des Lichtleiters an die Senkrechte annähert, man eine maximale Lichtleistung erhält, siehe 1. Einfallswinkel¹ γ = 90°.
Jetzt werden parallele Lichtstrahlen unter einem bestimmten Winkel¹ η eingestrahlt, siehe 2. Man erhält kein vollständiges Lichtstrahlenpaket (4) am Ausgang des Lichtleiters. Das Verhältnis der Lichtausgangsmenge (gebrochenes Licht) und des weiter durch den Lichtleiter gegangenen Lichtes (reflektiertes Licht) hängt von der Größe des Winkels η ab und wird durch die obigen Formeln von Fresnel ermittelt.
Dementsprechend kann durch das Andern des Biegewinkels η des Lichtleiters (siehe 2) die Intensität der Lichtausgabe des Lichtleiters praktisch von Null bis zum Maximum variiert werden. Dies bedeutet, dass man das Biegen der Lichtleiter als Methode zur Regulierung der aus den Lichtleitern strahlenden Lichtmenge verwendet kann.
Betrachten wir nun den Fall von parallelen Lichtstrahlen im gekrümmten Lichtleiter unter demselben Winkel η, wobei sein Biegewinkel durch den Biegeradius oder einer anderen gekrümmten Oberfläche geglättet ist, siehe 3. An den Stellen der Einfallswinkel auf der äußeren Grenze des Lichtleiters zeichnet man Tangenten Ψ₁, Ψ₂ ein. Die Winkel¹ zwischen den Tangenten und der Strahlrichtung bezeichnet man θ₁ und θ₂. Es sind die Einfallswinkel an der Grenzfläche der Medien.
Vom geometrischen Gesichtspunkt der Verbindung zweier Winkelseiten mit einer Kurve folgt, dass „alle Lichtstrahlen, die parallel zu einer Winkelseite verlaufen und in die Kurvenglättung dieses Winkels einfallen, die seine Winkelseiten verbindet, stets einen kleineren Winkel als der Einfallswinkel η haben”.
Für den am nächsten zur Innenseite der Lichtleiterkrümmung Lichtstrahl A₃ wird im Diagramm nur seine Laufbahn gezeigt (der Lichtstrahl wird nicht gezeigt, um das Schema nicht zu belasten). Diese Regel wird eingehalten, der Winkel θ₃ ist auch kleiner als der Neigungswinkel des Lichtleiters η.
Dies ergibt Folgendes – alle Strahlen, die einen kleineren Einfallswinkel haben, werden höheren Reflexionskoeffizient K und dementsprechend einen geringeren Transmissionskoeffizient P haben. Dies bedeutet, dass beim Gleitbiegen des Lichtleiters eine bessere Lichtverteilung am Ausgang des Lichtleiters erzielt wird, trotz dem gleichen Biegewinkel η des Lichtleiters. Es sei darauf hingewiesen, dass je gleichmäßiger die Biegung des Lichtleiters, desto geringer die Einfallswinkel θ₁, θ₂, θ₃. Entsprechend bekommt man einen besser verteilten Lichtausgang.
Diese Eigenschaft kann als Regulator der Lichtverteilung auf der Oberfläche des Lichtleiters verwendet werden. Somit kann „die gleichmäßige Krümmung des Lichtleiters als ein Werkzeug für die Verteilung der Lichtausgabe aus dem Lichtleiterkörper dienen.”
Quantitativ wird der Brechungswinkel des Lichtes, wenn es durch eine ebene Grenzfläche zwischen zwei Medien mit unterschiedlichen Brechungsindizes geht, durch das Gesetz von Snellius bestimmt. Aus diesem Gesetz folgt, dass der Brechungswinkel – die Richtung des aus dem Lichtleiter austretenden Lichtes – vom Einfallswinkel des Lichtes auf die Grenzfläche zwischen den Medien und dem Verhältnis der Brechungsindizes abhängig ist. Das Verhältnis der Brechungsindizes der Luft und des Lichtleiters wird als relativer Brechungsindex bezeichnet. Der Brechungsindex der Luft und des Lichtleiters hat im vorliegenden Fall einen konstanten Wert, d. h. dass der relative Brechungsindex für den bestimmten Lichtleiter auch konstant ist. Somit hängt in unserem Fall die Richtung des aus dem Lichtleiter austretenden Lichtes nur vom Einfallswinkel des Lichtes auf die Mediengrenze ab. Wie bereits oben angedeutet sind der Biegewinkel und die Krümmung der Biegung des Lichtleiters als Methode für die Regulierung des Einfallswinkels zu betrachten.
Somit kann der Biegewinkel und der Krümmungsradius des Lichtleiters als Methode für die Ausrichtung des austretenden Lichtes und dessen Intensität verwendet werden.
Nach dem Gesetz von Snellius wird der Richtungsvektor des ausgehenden Lichtstroms für jeden Punkt des Panels und nach dem Fresnel-Gesetz der Betrag des Vektors bestimmt. Dementsprechend ist es möglich, durch Summenbildung dieser Werte auf der Oberfläche ein Ausrichtungsdiagramm für ein konkretes gekrümmtes Panel zu zeichnen.
Die vorgeschlagene Methode macht es möglich, die Richtung und die Verteilung des austretenden Lichtes im Panelfeld sowie das Ausrichtungsdiagramm zu regulieren, und die Effizienz des Panels zu steigern. Um die gewünschte Lichtrichtung und Lichtleistung an einem bestimmten Punkt des Panelfeldes zu bekommen, müssen deshalb ein bestimmter Winkel und Krümmungsradius des Lichtleiterkörpers angewendet werden. Dieser Krümmungsradius an dem speziellen Punkt des Lichtleiterfeldes kann durch Berechnung oder Simulation praktischer Modellierung bestimmt werden. Das Biegen des Lichtkörpers kann in einer Richtung oder in mehreren Richtungen gleichzeitig erfolgen.
In 4 ist ein Diagramm, das das Wirkungsprinzip der Erfindung zeigt, dargestellt. Das Schema zeigt die Laufbahn eines einzigen Lichtstrahls (5), der durch den gebogenen Lichtleiterkörper geht. Das Licht, das durch den Lichtleiter geht, hat die Möglichkeit, den Lichtleiter ohne zusätzlich eingebaute Körper zu verlassen. Es sind die Richtung und die Größe der aus dem Lichtleiter ausgehenden Lichtstrahlen (4) gezeigt. Die Stirnseiten des Lichtleiters verfügen über keine direkte Sichtlinie, somit verlässt das Licht den Lichtleiter, ohne dass mehrere Durchgänge zwischen den Stirnseiten stattfinden.
Darüber hinaus ermöglicht die Krümmung des Lichtleiters grundlegend neue Eigenschaften des Panels im Bereich der Regulierung des Ausrichtungsdiagramms. Dadurch werden die Möglichkeiten der Anwendung von solchen Leuchten erweitert.
Bei kontinuierlicher Steigerung der Krümmung der Oberfläche, während der Entfernung von der Lichtquelle (Kante des Panels), ermöglicht die Methode eine gleichmäßige Beleuchtung des Panelfeldes oder eine gleichmäßige Beleuchtung eines Flachbildschirms. Dabei ist der energetische Aufwand (Quanten) für die Schaffung einer einheitlichen Beleuchtung minimal.
Auf der äußeren Oberfläche des Lichtleiterkörpers, durch die das Licht geht, ist es wünschenswert, Maßnahmen zur Minderung der inneren Reflexionen zu ergreifen. Diese Aktion kann mit der Bearbeitung der Oberfläche in Verbindung gebracht werden. Es können speziellen Folien oder Beschichtungen aufgetragen werden, die einen mittleren Brechungsindex haben, sowie eine Reihe komplexer Maßnahmen eingeleitet werden. Diese Maßnahmen genauer zu beleuchten, ist hier nicht notwendig, da sie den Fachleuten bekannt sind.
Die innere Seite des Lichtleiters muss über gute Reflexionseigenschaften verfügen. Es können Vakuumauftragungen, reflektierende Folien, reflektierende Farben, reflektierende Flächen und dergleichen sein. Die äußeren und inneren Lichtleiterflächen können gleichzeitig oder in irgendeiner Kombination undurchsichtig angefertigt werden, je nach ästhetischen Bedürfnissen und Anwendungsgebiet des Panels.

Anmerkung¹. In den obigen Formeln von Fresnel und Snellius werden Winkel von den Normalen zu den Oberflächen genommen. Im nachfolgenden Text wurden die Winkel γ, η, θ₁, θ₂, θ₃ zur Einfallsebene (die Tangente zur Kurve) genommen. Dies wurde mit Absicht getan, um eine größere Transparenz zu erreichen und eine Überfüllung der Schemata durch Normalen zu vermeiden. Diese Berechnungen sind nur für die visuelle Erläuterung des Prinzips der Erfindung gedacht und nicht als Berechnungsmethode der gekrümmten Panels vorgesehen.

4. Vorteile der Erfindung (positive Effekte)
Es wird eine Methode vorgeschlagen, den von den Stirnseiten beleuchtete Lichtleiter zu biegen. Dies führt zu folgenden Vorteilen:
Erhöhung des Wirkungsgrades aufgrund der Vermeidung der „Richtungsverluste” des Lichtes
In der Regel werden in den flachen Panels mit Strahlengang entlang dem Lichtleiter zur Ausrichtung des Lichtes zum Ausgang gerippte, diamant-, netz- und noppenartige Strukturen verwendet. In diesen Strukturen geht ein Teil des Lichtes durch mehrfache Reflexionen und Übergänge an den Mediengrenzen „Lichtleiter-Luft” und zurück verloren. In unserem Fall ist dies nicht notwendig, da das Licht den Lichtleiter auf natürlichem Wege seiner Lichtstrahlen verlässt. So vermeidet die vorgeschlagene Methode den Lichtverlust vollständig und steigert die Effizienz der Leuchte.
Erhöhung des Wirkungsgrades aufgrund der Vermeidung der „Verteilungsverluste” des Lichtes auf absorbierenden Flächen
Manchmal werden für eine gleichmäßige Verteilung des Lichtes auf der Oberfläche der Leuchte absorbierende Flächen unterschiedlicher Dichte verwendet. Diese Flachen haben typischerweise eine variable Dichte oder Platten mit einer einheitlichen oder exponentiellen Verteilung der streuenden Strukturen. Die Flächen absorbieren einen Teil des Lichtes an den Stellen der größten Helligkeit. Die Flächen können von 30% bis 70% des Lichtes absorbieren. Dies reduziert erheblich den Wirkungsgrad des Lichtpanels.
Die vorliegende Erfindung ist eine Methode zur Regulierung der Lichtverteilung im Feld des Panels. Die vorgeschlagene Methode ermöglicht, durch das Verbiegen des Lichtleiters die Helligkeit im Bereich des Panels zu regulieren und die Anwendung der absorbierenden Flächen vollständig zu beseitigen oder wesentlich zu reduzieren.
Erhöhung des Wirkungsgrades aufgrund der Vermeidung der „Verteilungsverluste” des Lichtes auf transparenten streuenden Flächen
Um das Licht auf der Oberfläche des Panels gleichmäßig auszurichten, werden transparente Streuflächen eingesetzt. Diese Flachen haben eine gerippte, netz- und noppenartige oder eine andere streuende Oberfläche. Die Flächen absorbieren Licht bidirektional an den Übergangsgrenzen „Fläche-Luft” (hin und zurück), sowie bei den zahlreichen internen Reflexionen.
Die vorliegende Erfindung ist eine Methode für die Regulierung der Verteilung des Lichtes im Lichtleiterfeld. Dies ermöglicht, für eine Reihe von Aufgaben ein gleichmäßiges Lichtleiterfeld zu bekommen und die zusätzlichen Streuflächen in der Konstruktion auszuschließen.
Die Methode ermöglicht, die „Verteilungsverluste” zu eliminieren und den Wirkungsgrad der Leuchte zu erhöhen.
Erhöhung des Wirkungsgrades aufgrund der Vermeidung der „Leerlaufverluste” und der „Stirnseitenstreuungsverluste”
Flache Panels haben einen gemeinsamen Nachteil: das Licht geht durch den Lichtleiter und kommt reflektierend an der Stirnseite zurück. Eine solche nutzlose Bewegung des Lichtes kann mehrmals erfolgen.
In diesem Fall geht ein Teil des Lichtes durch Absorption des Lichtleiterkörpers und der andere Teil als eine unvollständige Reflexion an den Stirnseiten verloren. Wie oben beschrieben, nennen wir diese Verluste „Leerlaufverluste” und ”Stirnseitenstreuungsverluste”. Die vorgeschlagene Methode der Lichtabgabe des Panels in der vorliegenden Erfindung ermöglicht durch das Biegen des Lichtleiters das Ausschließen der Verluste und damit die Verbesserung der Gesamteffizienz der Leuchte.
Es ist zu beachten, dass es eine schwierige technische Herausforderung ist, eine qualitative Reflexion an den Stirnseiten des Panels zu bekommen. Mit dem Ausschluss der „Stirnseitenstreuungsverluste” entfällt die Notwendigkeit einer qualitativen Reflexion an den Stirnseiten. Daher wird die Anwendung der vorliegenden Erfindung nicht nur die Effizienz der Lampe erhöhen, sondern auch ihre Konstruktion vereinfachen.
Neues Werkzeug der Regulierung der Gleichmäßigkeit der Beleuchtung des Lampenfeldes
Es gibt eine breite Palette von Aufgaben und für deren Lösung ist die gleichmäßige Beleuchtung des Panelfeldes ein sehr wichtiger Parameter. Die vorliegende Erfindung ist eine neue Methode, die die Regulierung der Lichtverteilung im Feld der Leuchte ermöglicht.
Es gibt Aufgaben, wo einige Teile des Lichtleiters intensiver oder weniger intensiv im Vergleich zu den anderen Teilen strahlen müssen, z. B., das wichtigste Detail muss durch Helligkeit hervorgehoben werden. In diesem Fall ist es auch möglich, durch das Biegen des Lichtleiterkörpers die Helligkeit des Feldes zu regulieren.
Regulierung des Ausrichtungsdiagrammes
Die vorliegende Erfindung ermöglicht es, das Lichtstrahlungsdiagramm der Leuchte zu regulieren. Durch die Biegung des Lichtleiterkörpers ist es möglich das Diagramm in die gewünschte Richtung zu verengen oder zu erweitern. Mit dieser Regulierung des Diagramms gibt es keine Verluste auf den Reflexionskörpern, da das Licht seinen natürlichen Weg geht. Darüber hinaus fehlen gänzlich die „Leerlaufverluste” und die „Stirnseitenstreuungsverluste”. Folglich wird der maximale Wirkungsgrad beim Regulieren des Ausrichtungsdiagrammes erreicht.
Die Regulierung des Ausrichtungsdiagrammes eröffnet prinzipiell neue Möglichkeiten
Durch das Biegen des Lichtleiters in die richtige Richtung, ist es möglich, das Ausrichtungsdiagramm in die gewünschte Richtung zu lenken. Dies ermöglicht völlig neue Eigenschaften dieser Panels, die zuvor in der Klasse der flachen Leuchtpanels nicht verfügbar waren. Zum Beispiel, kann jetzt eine solche Lampe die Decke oder die Wand um die Leuchte herum beleuchten. Dies kann verwendet werden, um ein weiches Licht oder Gegenlicht für signifikante Inschriften, Teile des Intereures usw. zu bekommen.
Mit dieser Regulierung des Ausrichtungsdiagrammes gibt es keinen ”Richtungsverlust” des Reflexionskörpers, da das Licht seinen natürlichen Weg hat. Folglich wird der maximale Wirkungsgrad beim Regulieren des Ausrichtungsdiagrammes erreicht.
Zusammenfassung:

1. Die vorgeschlagene Methode kann Aufgaben mit wesentlichen Energieeinsparungen bis zu 80% lösen, wenn keine Ausgleichs- und Streuflächen eingesetzt werden. In den Beleuchtungsgeräten können Einsparungen von 10 bis 30% erreicht werden.
2. Die vorgeschlagene Methode ermöglicht die Lösung der Aufgaben, die bisher für diese Gruppe von Geräten nicht lösbar waren. Sie erweitert die Möglichkeiten der Lösung vieler Aufgaben mit Hilfe von flachen Lichtleiterpanels.
3. Die in dieser Erfindung vorgeschlagene Methode erzeugt eine neue Klasse der Leuchtgeräte mit einem an den Stirnseiten beleuchteten gekrümmten Lichtleiter.

5. Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 Schema des Lichtstrahlenganges in der Variante des senkrecht gebogenen Lichtleiters
2 Schema des Lichtstrahlenganges in der Variante des von der Senkrechten abweichenden Krümmung des Lichtleiters
3 Schema des Lichtstrahlenganges im Lichtleiter, der unter einem Winkel η gebogen ist und durch einen Radius geglättet ist
4 Schema, das das Arbeitsprinzip der Erfindung darstellt
5 Schema des Lichtstrahlenganges in der Variante einer flachen Oberfläche des gebogenen Leuchtpanels
6 Schema des parallelen Lichtstrahlenganges in der Variante des flachen gebogenen Leuchtpanels
7 Zeichnung der Variante des flachen gebogenen Leuchtpanels
7.1 Ansicht von oben
8 Zeichnung der Variante des gebogenen Leuchtpanels mit einem kleinen Biegungswinkel des Lichtleiters
9 Zeichnung der Variante des flachen gebogenen Leuchtpanels mit einem kleinen Biegungswinkel des Lichtleiters
6. Bevorzugte Varianten der Realisierung der Erfindung
In 4 ist ein Schema, das das Wirkungsprinzip der Erfindung zeigt, dargestellt. Das Diagramm zeigt den Strahlengang eines Lichtstrahles (5), der durch den gebogenen Lichtleiter geht. Es sind auch die aus dem Lichtleiterkörper austretenden Strahlen (4) dargestellt. Das Licht, das durch den Lichtleiterkörper geht, hat die Möglichkeit, den Lichtleiter ohne zusätzlich eingebauten Streukörper zu verlassen. Die Stirnseiten des Lichtleiters haben keine direkte Sichtlinie, das Licht verlässt den Lichtleiter ohne dass mehrere Durchgänge zwischen den Stirnseiten erfolgen.
In 5 ist ein schematisches Diagramm des Strahlenganges bei der Variante der flachen Oberfläche des gebogenen Lichtleiters dargestellt. Das Diagramm zeigt die hohe Effizienz der Erfindung und bestätigt die Möglichkeit der Lichtstrahlen, den Lichtleiter ohne zusätzlich eingebaute Streukörper zu verlassen.
In 6 ist ein Schema des parallelen Strahlenganges in der Variante der flachen Oberfläche des gebogenen Lichtleiters dargestellt. Dies ist die am wenigsten geeignete praktische Version des Strahlenganges, wenn nach der Reflexion der Strahlengang mit der Fläche des Lichtleiters übereinstimmt. Das Schema zeigt die Wirksamkeit der Erfindung für diese Art von Lichtstrahlen.
In 7 ist die Variante einer Leuchte mit gebogenem Lichtleiter dargestellt. Als Material für den Lichtleiter (1) kann Acryl oder sonstiges Material mit ausreichender Transparenz und Langzeitstabilität der optischen Parameter zum Licht verwendet werden. Die Lichtquelle (2) an den Stirnseiten des Lichtleiters wurde aus LED-Strukturen gefertigt.
Eine reflektierende Beschichtung (3) auf der Unterseite des Lichtleiterkörpers kann durch Metallaufsprühen aufgebracht werden. Dies können Aluminium, Silber oder andere Metalle mit hohem Reflexionsvermögen sein. Als eine reflektierende Beschichtung können spezielle reflektierende Farben oder reflektierende Folien eingesetzt werden.
Der Treiber (6) ist ein Standard-Gerät, das die erforderliche Spannung und Strom für LEDs liefert. Der Treiber wird unter dem Lichtleiterkörper platziert, ohne die Gesamtgröße des Panels zu beeinflussen.
Das Gehäuse (7) kann aus jedem Konstruktionsmaterial gebaut werden. In 7 wird das Gehäuse (7), das z. B. aus Aluminium gefertigt wird, dargestellt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel kann das Gehäuse aus Aluminium gepresst, geprägt oder gegossen werden. Allerdings kann bei einigen Änderungen an der Konstruktion auch gestanzter Stahl eingesetzt werden. Für eine kostengünstigere Variante in einer Serienfertigung wäre Kunststoff einzusetzen, als billigeres und gutes technologisches Material.
Im Plan (Draufsicht) kann diese Variante des Panels in Form eines Rechtecks mit jeglichem Dehnungsgrad gefertigt werden. Dies kann ein Pentaeder, Hexaeder oder ein beliebiges Polyeder sein. Er kann eine rechteckige Form haben oder in eine beliebige bzw. mehrere Richtungen gedehnt sein. Es kann ein Kreis, eine Ellipse oder ein anderer geschlossener Umriss sein. Weiterhin kann eine beliebige Kombination der oben genannten Figuren realisiert werden.
Die Beleuchtung des Lichtleiters kann am ganzen Rand des Lichtleiters oder stückweise erfolgen.
In 7.1 ist eine Variante der Leuchte in Form eines rechtwinkligen Vierecks (Ansicht von oben) dargestellt. Der Lichtleiter ist an den längeren und an den kürzeren Seiten des Vierecks gebogen. Um die Konstruktion zu vereinfachen, kann der Lichtleiter auch nur an den längeren Seiten gebogen sein.
In 8 ist eine Variante des Panels mit einem geringen Biegewinkel dargestellt. Diese Konstruktion unterscheidet sich nicht prinzipiell von der Konstruktion in 7. Der einzige Unterschied liegt in der Größenordnung des Biegewinkels des Lichtleiters und dem zusätzlichen dekorativen Deckel (8). Diese Konstruktion ist ästhetisch, elegant und attraktiv.
Die Forderungen an das verwendbare Material sind ähnlich, wie bei der Konstruktion in 7. Diese Ausführungsform des Panels kann wie in 7 konfiguriert sein (s. Plan/Draufsicht).
In 9 ist eine Variante des gebogenen Panels mit einem kleinen Biegewinkel des Lichtleiters dargestellt. Diese Konstruktion unterscheidet sich von der in 8 dargestellten durch eine flache Frontplatte.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die o. g. Ausführungsformen begrenzt. Es sind Kombinationen und Modifikationen, ohne vom Wesen der Erfindung abzuweichen, möglich.
Bezugszeichenliste

1: Lichtleiterkörper
2: LED-Lichtquellen für den Lichtleiter
3: Reflexionsbeschichtung des Lichtleiters
4: Lichtstrahlen, aus dem Körper des Lichtleiters austretend
5: Lichtstrahlen im Körper des Lichtleiters
6: Treiber LED
7: Gehäuse der Leuchte
8: Gehäusedeckel der Leuchte

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2011/057457 A1 [0005]
WO 2009102066 [0005]
WO 2011103535 [0005]
JP 2011108520 [0005]
US 20100254121 [0005]
JP 20100282184 [0005]
JP 2009099270 [0005]
WO 2007049847 [0005]

Claims

Eine Leuchte mit Beleuchtung des Lichtleiters an den Stirnseiten, die dadurch charakterisiert wird, dass eine Methode des Biegens des Lichtleiterkörpers in einer oder mehreren Richtungen und der Glättung dieser Krümmung oder Krümmungen für die Erhöhung der Effizienz, für die Regulierung der Lichtintensität am Ausgang des Lichtleiterkörpers, für die Verteilung der Lichtintensität im Lichtleiterfeld, für die Regulierung der Ausrichtung des Lichtstrahlendiagramms der Leuchte angewandt wird. Die Erfindung betrifft die Lichtleiter mit Beleuchtung über die Stirnseiten. 1) Die Erfindung beansprucht den Schutz der Methode der Umleitung des Lichtes aus dem Lichtleiterkörper durch dessen Biegen. Das Biegen des Lichtleiters kann in einer oder in mehreren Richtungen der Lichtleiteroberfläche erfolgen. Die Krümmung kann durch eine radiale, krummlinige, gebrochene oder kombinierte Oberfläche geglättet werden. 2) Die Erfindung beansprucht den Schutz der Methode der Verteilung des Lichtes am Ausgang des gekrümmten Lichtleiters durch Glätten des Biegewinkels des Lichtleiters. Das Glätten kann durch die radialen, krummlinigen, geknickten oder kombinierten Oberflächen, die den Biegewinkel im Querschnitt verbinden, realisiert werden und räumlich gesehen durch Oberflächen, die diese Linien bilden. 3) Die Erfindung beansprucht den Schutz der Methode der Regulierung des Ausrichtungsdiagramms durch Ändern des Biegewinkels des Lichtleiters sowie mit Hilfe von radialen, krummlinigen, geknickten oder kombinierten Oberflächen, die diesen Biegewinkel im Querschnitt verbinden, realisiert werden und räumlich gesehen durch Oberflächen, die diese Linien bilden.