DE3015054A1

DE3015054A1 - Vorrichtung zum konzentrieren von optischer strahlung

Info

Publication number: DE3015054A1
Application number: DE19803015054
Authority: DE
Inventors: Gerhard 8200 Rosenheim Krause
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1980-04-18
Filing date: 1980-04-18
Publication date: 1981-10-22

Description

Vorrichtung zum Konzentrieren von optischer Strahlung.
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Konzentrieren von optischer Strahlung aus transparentem Material, die im wesentlichen die Form eines Stabes besitzt, eine Symmetrieachse und zwei verschieden große Endflächen aufweist.
Vorrichtungen aus transparenten Werkstoffen, die zur Verbesserung des Lichtaustritts an Lichtquellen bzw.
zur Verbesserung des Lichteintritts an lichtempfindliche Elemente angebracht werden, sind bekannt. So ist beispielsweise in der DE-OS 26 32 462 eine Leuchtdiode mit einem die lichtemittierenden Elektroden einschließenden, im wesentlichen zylinderförmigen, in Richtung des Lichtaustritts von einer konvex gewölbten Fläche begrenzten Schutzgehäuse aus transparentem Werkstoff bekannt, bei der die gewölbte Gehäusefläche zumindest in ihrem achsfernen Bereich eine aus einer Vielzahl stufenartig aneinanderstoßender Flächenelemente aufgebaute gebrochene Struktur aufweist, wobei die von den Stufenflächen gebildeten Stoßkanten rechtwinklig zur Achse des Gehäuses orientiert sind. Dadurch wird es ermöglicht, das Signal der Leuchtdiode nicht nur aus einer Richtung, sondern aus möglichst großem Sichtwinkel wahrzunehmen. Will man den Leuchteffekt von relativ schwachen Leuchtquellen, beispielsweise Leuchtdioden, für Beleuchtungs- und Anzeigezwecke möglichst verlustarm nutzen, so kann man bei Leuchtdioden das emittierte Licht innerhalb eines die Elektroden umschließenden, lichtdurchlässigen Gehäuses bündeln und dabei eine der beiden das Licht emittierenden Elektroden als Reflektor gestalten. Durch ein solches Gehäuse soll ermöglicht werden, daß ein möglichst hoher Prozentsatz der emittierten Lichtmenge achsparallel in eine Richtung abgestrahlt wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Konzentrieren von optischer Strahlung zu schaffen, die die von einer Strahlungsquelle ausgehende optische Strahlung in verbesserter Weise achsparallel konzentriert bzw. optische Strahlung auf einen Strahlungsdetektor bündelt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mittels einer im wesentlichen die Form eines Stabes besitzenden, eine Symmetrieachse und zwei verschieden große Endflächen aufweisenden Vorrichtung dadurch gelöst, daß im Bereich der kleineren Endfläche eine Strahlungsquelle oder ein Strahlungsdetektor angeordnet ist und daß die Stabmantelfläche so ausgeführt ist, daß der kleinste Winkel zwischen der Stabmantelfläche und einer parallel zur Symmetrieachse des Stabes liegenden Geraden (Öffnungswinkel) mit zunehmender Entfernung von der kleineren Endfläche kleiner wird.
Es liegt im Rahmen der Erfindung, daß die Stabmantelfläche so ausgeführt ist, daß sich die Öffnungswinkel benachbarter Stababschnitte diskontinuierlich verändern, daß die Stabmantelflache so ausgeführt ist, daß sich die Öffnungswinkel benachbarter Stababschnitte um den Faktor 1,5 bis 2,5, vorzugsweise 2 unterscheiden, daß die Stabmantelfläche in dem der kleineren Endfläche benachbarten Bereich verspiegelt ist und daß der Stab bezogen auf eine senkrecht zur Symmetrieachse liegende Fläche einen Querschnitt aufweist, der nicht rotationssymmetrisch, sondern beispielsweise elliptisch oder polygon ist.
Vorzugsweise wird als transparentes Material Kunststoff verwendet. Von Vorteil ist es, ein transparentes Ma- terial zu wählen, daß einen Brechungsindex von n = 1,4 bis 1,5 aufweist.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figur näher erläutert. Die Figur zeigt einen nicht maßstabsgetreuen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Konzentrator.
Der in der Figur dargestellte Konzentrator 10 ist aus Kunststoff mit möglichst guter Transparenz, beispielsweise einem handelsüblichen Material zur Herstellung von Lichtleitern, hergestellt. Er weist, wie in der Figur gezeigt, eine kleinere Endfläche 5 und eine größere Endfläche 6 auf. Die beiden Flächen 5 und 6 sind senkrecht zur Symmetrieachse 8 des stabförmigen Konzentrators 10 angeordnet. Mit dem Bezugszeichen 7 ist die Mantelfläche des Konzentrators 10 bezeichnet. Der Konzentrator 1G besteht ausgehend von seiner kleineren Endfläche 5 beispielsweise aus vier Abschnitten 1, 2, 3 und 4.
Der kleinste Winkel zwischen der Stabmantelfläche 7 und einer parallel zur Symmetrieachse 8 des Stabes liegenden Geraden (Öffnungswinkel) nimmt mit zunehmender Entfernung von der kleineren Endfläche 5 insbesondere diskontinuierlich ab. Bezeichnet man mit i den Öffnungswinkel des ersten Stababschnittes 1, mit p den Öffnungswinkel des zweiten Stababschnittes 2, mit t den Öffnungswinkel des dritten Stababschnittes 3 und mit CF den Öffnungswinkel des vierten Stababschnittes 4, so gilt also: Wird der Konzentrator 10 zum Bündeln von durch die Endfläche 6 einfallenden optischen Strahlen verwendet, so wird an der kleineren Endfläche 5 ein Strahlendetektor, beispielsweise eine Fotodiode angebracht.
Dient der Konzentrator 10 zur Erzeugung möglichst zur Symmetrieachse 8 achsparallelen Lichtes, so wird an der kleineren Mantelfläche 5 die Strahlungsquelle, beispielsweise eine lichtemittierende Diode (LED) angebracht. Das achsparallele Licht verläßt den Konzentrator 10 in diesem Fall durch die größere Endfläche 6.
Die Öffnungswinkel der einzelnen Abschnitte können so gewählt werden, daß sich die Öffnungswinkel benachbarter Stababschnitte um den Faktor 1,5 bis 2,5, insbesondere 2 unterscheiden.
Um eine gute Totalreflexion der optischen Strahlen im Konzentrator 10 an der Mantelfläche 7 zu gewährleisten empfiehlt es sich, für den Konzentrator 10 ein transparentes Material mit einem Brechungsindex von n = 1,4 bis 1,5 zu wählen. Um sicherzustellen, daß auch in dem, der kleineren Endfläche 5 benachbarten Bereich des Konzentrators 10 die Strahlen möglichst 100%ig reflektiert werden, ist die Mantelfläche 7 in diesem Bereich verspiegelt ausgeführt.
Der Konzentrator 10 kann bezogen auf eine senkrecht zur Symmetrieachse 8 liegende Fläche auch einen nicht rotationssymmetrischen Querschnitt, beispielsweise den eines regelmäßigen Vieleckes aufweisen.
Beispiel: Ein Konzentrator 10 mit kreisförmigem Querschnitt weist eine kleinere Endfläche 5 mit 0,4 mm Durchmesser auf, an der ein LED-Chip angebracht ist. Der Konzentrator 10 ist in fünf Abschnitte unterteilt, deren Öffnungswinkel sich jeweils um den Faktor 2 unterscheiden. Im einzelnen haben die Öffnunswinkel folgende Größen: % = 150, (S = 7,50, W = 3,75O,£=1,875O und £ (Öffnungswinkel des fünften Abschnittes) = 0,93750. Die Längen der einzelnen Abschnitte werden mindestens so groß gewählt, daß ein Lichtstrahl, ausgehend von der kleineren Endfläche 5, der am Ende des ersten Abschnittes 1 an der Mantelfläche 7 reflektiert wird, das nächste Mal mindestens vor dem Ende des zweiten Abschnittes 2 reflektiert wird. Die diesbezüglichen Abstände für die einzelnen Abschnitte 1, 2, 3, 4 und 5 des Konzentrators 10 betragen im Beispiel etwa 0,28; 1,24; 4,31; 14,49 und für den fünften Abschnitt 48,40 mm, so daß sich eine Gesamtlänge des Konzentrators 10 von etwa 69 mm ergibt. Der Öffnungsdurchmesser der Austrittsfläche 6 beträgt 3,96 mm.
Würde man anstelle dieses im Beispiel verwendeten Konzentrators 10 zur Erzielung vergleichbarer Strahlenbündelung einen geometrischen Kegel, bzw. unter Berücksichtigung der Endfläche von 0,4 mm Durchmesser, an der der LED-Chip angebracht ist, einen Kegelstumpf mit einem Öffnungswinkel (Halbwinkel) von einem Grad aus gleichem Material verwenden, so hätte dieser Kegel eine Gesamtlänge von ca. 200 mm und einen Öffnungsdurchmesser von 7,0 mm. d. h., er wäre erheblich länger und hätte einen erheblich größeren Öffnungsdurchmesser als der erfindungsgemäße Konzentrator, bei dem daher die durch Absorption bedingten Lichtverluste erheblich geringer sind. Der erfindungsgemäße Konzentrator zeichnet sich also bei guter Bündelung austretenden Lichtes, bzw. bei guter Bündelung eintretenden Lichtes durch kleine Baulänge und geringen Öffnungsdurchmesser aus. Er ist zur Bündelung aller totalreflektierbaren Strahlungsarten geeignet.
8 Patentansprüche 1 Figur Leerseite

Claims

Pat entansprüche 1. Vorrichtung zum Konzentrieren von optischer Strahlung aus transparentem Material, die im wesentlichen die Form eines Stabes besitzt, eine Symmetrieachse und zwei verschieden große Endflächen aufweist, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß im Bereich der kleineren Endfläche eine Strahlungsquelle oder ein Strahlungsdetektor angeordnet ist und daß die Stabmantelfläche so ausgeführt ist, daß der kleinste Winkel zwischen der Stabmantelfläe und einer parallel zur Symmetrieachse des Stabes liegenden Geraden (Öffnungswinkel) mit zunehmender Entfernung von der kleineren Endfläche kleiner wird.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß die Stabmantelfläche so ausgeführt ist, daß sich die Öffnungswinkel benachbarter Stababschnitte diskontinuierlich verändern.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Stabmantelfläche so ausgeführt ist, daß sich die Offnungswinkel benachbarter Stababschnitte um den Faktor 1,5 bis 2,5, vorzugsweise 2 unterscheiden.
4. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t daß die Stabmantelfläche in dem der kleineren Endfläche benachbarten Bereich verspiegelt ist.
5. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t daß der Stab bezogen auf eine senkrecht zur Symmetrieachse liegende Fläche einen Querschnitt aufweist, der nicht rotationssymmetrisch ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß der Stab bezogen auf eine senkrecht zur Symmetrieachse liegende Fläche einen elliptischen oder polygonen Querschnitt aufweist.
7. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t daß als transparentes Material Kunststoff verwendet ist.
8. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t daß das transparente Material einen Brechungsindex von n = 1,4 bis 1,5 aufweist.