DE60031397T2

DE60031397T2 - Lichtabzweigungsvorrichtung für Lichtleiterlampe

Info

Publication number: DE60031397T2
Application number: DE2000631397
Authority: DE
Inventors: Marcella Pesenti
Original assignee: 3M Innovative Properties Co
Current assignee: 3M Innovative Properties Co
Priority date: 2000-08-14
Filing date: 2000-08-14
Publication date: 2007-08-23
Anticipated expiration: 2020-08-15
Also published as: EP1180640A1; DE60031397D1; EP1180640B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Lichtextraktor für eine Lichtleiterlampe. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner einen Diffusor und eine Lichtleiterlampe, die den Lichtextraktor aufweisen.
In der vorliegenden Beschreibung und in den beigefügten Patentansprüchen bezeichnet der Ausdruck "Diffusor" eine Lichtleiter/Extraktor-Einheit.
Lichtleiterlampen sind bekannt und erzeugen durch eine oder mehr Lichtquellen das in einen Lichtleiter einzuleitende Licht, wobei der Lichtleiter eine im wesentlichen rohrförmige Struktur mit einer Oberfläche ist, die an der Innenseite mindestens teilweise transparent und mindestens teilweise reflektierend ist. Die Lichtstrahlen breiten sich innerhalb der rohrförmigen Struktur durch eine Folge aufeinanderfolgender Reflexionen aus und treten auf eine mehr oder weniger graduelle Weise aus der rohrförmigen Struktur aus. Lichtleiter, die durch die Verwendung von Totalreflexionsfilmen (oder TIR-Filmen) erhalten werden, sind besonders effektiv.
TIR-Filme sind beispielsweise gemäß dem europäischen Patent Nr. EP-0 225 123 bekannt, auf das für eine detaillierte Beschreibung ihrer Merkmale durch Verweis Bezug genommen wird; ein Beispiel eines TIR-Films ist ein Film, der von Minnesota Mining and Manufacturing Company unter der Handelsbezeichnung OLF – Optical Lighting Film – hergestellt und vermarktet wird. Dieser Film ist als flexibles lagen- oder band- bzw. streifenförmiges Material ausgebildet und hat eine Oberfläche mit einer Serie paralleler Mikroreliefs mit einem im wesentlichen dreieckigen Querschnitt; dieser Film kann auf die Innenfläche transparenter Rohre aufgebracht werden, wobei die Mikroreliefs bezüglich des Rohrs axial ausgerichtet sind und normalerweise nach außen weisen, um einen effektiven Lichtleiter zu erhalten. Tatsächlich wird aufgrund der optischen Eigenschaften der Filme, wie beispielsweise im Dokument US-4 805 984 beschrieben ist, auf das hierin für weitere Details durch Verweis Bezug genommen wird, das Licht, das mit der Längsachse des Lichtleiters einen Winkel bildet, der kleiner ist als ein kritischer Winkel θ_max, immer total reflektiert, wohingegen Licht, das mit der Längsachse des Lichtleiters einen Winkel θ bildet, der größer ist als der Winkel θ_max, innen total reflektiert wird, wenn es bezüglich der Normalen unter einem Winkel auf den TIR-Film auftrifft, der kleiner ist als ein vom Winkel θ abhängiger spezifischer Winkel. Daher soll, anders als in der herkömmlichen Definition, der Einfallswinkel eines Lichtstrahls auf eine Oberfläche in der nachstehenden Beschreibung und in den beigefügten Patentansprüchen einen Winkel bezeichnen, den die Lichtstrahlen bezüglich einer sich tangential zur Oberfläche erstreckenden Ebene bilden.
Der Winkel θ_max ist von den Eigenschaften des TIR-Films abhängig und beträgt für den vorstehend erwähnten OLF-Film 27,6°.
Als Lichtextraktoren bezeichnete spezielle Elemente werden in den Lichtleiter eingefügt, um eine kontrollierte Diffusion oder Streuung eines Teils des sich im Lichtleiter ausbreitenden Lichts zu verursachen und zu veranlassen, dass ein Teil der Lichtstrahlen abgelenkt werden und unter derartigen Winkeln auf den TIR-Film auftreffen, dass sie aus dem Rohr austreten. Zu diesem Zweck weisen Lichtextraktoren eine typischerweise weiße Diffusionsfläche auf.
Die Extraktoren können aus Streifen bestehen, die auf die Innenfläche des Lichtleiters aufgebracht sind, wie beispielsweise in der DE-A1-198 17 570 dargestellt ist, in der ein Lichtextraktor gemäß der Präambel von Patentanspruch 1 beschrieben ist, oder aus Körpern, die in einer axialen Position im Lichtleiter angeordnet sind.
Unter den Extraktoren des zweiten Typs wird in der italienischen Patentanmeldung T098A000513 ein in einer TIR-Lichtleiterlampenstruktur mit einem linsenförmigen Abschnitt angeordneter axialer Lichtextraktor beschrieben, der ebenfalls einen linsenförmigen Querschnitt hat. Durch eine derartige Lichtleiterlampe wird eine ungleichmäßige Beleuchtung in der Querebene erhalten, so dass sie zum Beleuchten einer Oberfläche, z.B. einer Wand, geeignet ist, die sich parallel zu ihrer eigenen Längsachse erstreckt.
Außerdem ist eine kreisförmige Lichtleiterlampe bekannt, die durch AEC ILLUMINAZIONE S.r.l, Subbiano, Arezzo, Italien unter der Handelsbezeichnung "Mistica" vermarktet wird und einen Lichtextraktor aufweist. Der Extraktor besteht aus zwei Diffusionsplatten, die jeweils als gleichschenkliges Dreieck ausgebildet und in zwei orthogonalen diametralen Ebenen mit der Basis gegenüberliegend dem Lichteinlassende im Lichtleiter angeordnet sind. Daher hat der Extraktor einen kreuzförmigen Querschnitt, der vom Lichteinlassende zum entgegengesetzten Ende hin gleichmäßig zunimmt. Der Anmelder hat jedoch festgestellt, dass durch diese Lichtleiterlampe nur ein kleiner Beleuchtungsbereich mit einer ungleichmäßigen Beleuchtung in den Querebenen bereitgestellt wird, weil parallel zur Längsachse einige Schattenbereiche erzeugt werden.
Das grundsätzliche technische Problem der vorliegenden Erfindung ist es, einen Lichtextraktor für eine Lichtleiterlampe bereitzustellen, durch die eine "streifende" Beleuchtung erhalten wird, d.h. eine Beleuchtung, deren Intensität zur Querebene des Lichteinlasses in die Lichtleiterlampe hin zunimmt, wodurch der größtmögliche Beleuchtungsbereich erhalten wird.
Die vorliegende Erfindung betrifft gemäß einem ersten Aspekt einen Lichtextraktor für eine Lichtleiterlampe mit einer Diffusionsfläche, der dazu vorgesehen ist, koaxial in einen Lichtleiter der Lichtleiterlampe eingefügt zu werden, wobei die Diffusionsfläche bezüglich der Richtung der Längsachse mindestens teilweise geneigt ist, divergierend von einem Lichteinlassende.
Das geneigte und divergente Muster der Diffusionsfläche hat die Wirkung, dass der von der Lichtleiterlampe zum Lichteinlassende hin, d.h. zur vorstehend erwähnten Lichteinlass-Querebene hin, austretende Lichtstrahl konvergent ausgerichtet wird. Daher ist die Beleuchtung in der Querebene an der Lichteinlassebene im Allgemeinen maximal. Gleichzeitig werden, weil die Querschnittsfläche des Extraktors am Lichteinlassende minimal ist, die vom Beleuchtungssystem austretenden Lichtstrahlen maximal aufgefangen, so dass die Effizienz der Lichtleiterlampe hoch ist.
Vorzugsweise ist der Neigungswinkel am Lichteinlassende kleiner als 10° und liegt bevorzugter im Bereich zwischen 1° und 9° und beträgt noch bevorzugter etwa 8°. Eine derartige Neigung stellt den besten Kompromiss zwischen dem Erfordernis der Ablenkung der austretenden Lichtstrahlen zur Lichteinlassebene hin und dem Erfordernis zum Bereitstellen eines großen Beleuchtungsbereichs dar. Außerdem ermöglicht eine derartige Neigung eine hohe Ausnutzung des Emissionswinkels des Beleuchtungssystems.
Die Diffusionsfläche kann insbesondere mindestens einen Längsabschnitt mit einem konstanten Neigungswinkel in einem beliebigen Längs-Halbschnitt aufweisen. Der Abschnitt ist vorzugsweise der dem Lichteinlassende benachbarte Abschnitt. Eine Fläche mit konstanter Neigung, d.h. ein Extraktor mit einer mindestens teilweise konischen, pyramidenförmigen oder im Allgemeinen prismatischen Form, lenkt die Lichtstrahlen gleichmäßig zur Lichteinlassebene hin ab, so dass die Intensitätsabnahme entlang der Längsrichtung gleichmäßig ist.
Alternativ oder zusätzlich kann die Diffusionsfläche mindestens einen Längsabschnitt mit einem in einem beliebigen Längs-Halbschnitt zunehmenden Neigungswinkel aufweisen. Dadurch treten die Lichtstrahlen mit minimalen Neigungen aus, die ausgehend vom Lichteinlassende zunehmen, d.h., die Lichtstrahlen werden in im wesentlichen transversalen Grenzen in geringerem Maße zum dem Lichteinlassende entgegengesetzten Ende hin ausgerichtet. Dadurch wird ein großer Beleuchtungsbereich erhalten.
Um einen großen Beleuchtungsbereich zu erhalten, hat der Längsabschnitt mit zunehmendem Neigungswinkel vorzugsweise ein logarithmisches Muster.
In diesem Fall liegt das Verhältnis zwischen der Querprojektion des logarithmischen Abschnitts und der Längsprojektion des logarithmischen Abschnitts im Bereich zwischen 0,2 und 0,5 und beträgt bevorzugter 0,3375. Der Ausdruck "Querprojektion" bezeichnet die Größe in Querrichtung bezüglich des Extraktors, wohingegen der Ausdruck "Längsprojektion" die Größe in Längsrichtung bezüglich des Extraktors bezeichnet.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Extraktor ausgehend vom Lichteinlassende einen ersten Längsabschnitt mit einem konstanten Neigungswinkel und einen zweiten Längsabschnitt mit einem logarithmischen Muster auf, wobei das Verhältnis zwischen der Längsprojektion des ersten Abschnitts und der Längsprojektion des zweiten Abschnitts im Bereich zwischen 4 und 10 liegt und vorzugsweise 6,5 beträgt. Auf diese Weise wird bei der Verwendung des Extraktors das extra hierte Licht auf eine geeignete Weise verteilt, wodurch die Intensität von den Querebenen, in denen der Extraktor einen größeren Querschnitt hat, so dass die Diffusionsfläche näher am Lichtleiter angeordnet ist, zu den Querebenen abnimmt, in denen der Extraktor einen kleineren Querschnitt hat, so dass die Diffusionsfläche weiter vom Lichtleiter entfernt ist.
Alternativ weist die Diffusionsfläche mindestens einen Längsabschnitt mit einem abnehmenden Neigungswinkel in einem beliebigen Längs-Halbschnitt auf. Der Längsabschnitt kann ein gekrümmtes Muster aufweisen, insbesondere ein parabelförmiges, elliptisches oder kreisförmiges Muster. Durch einen derartigen Abschnitt wird eine weniger ausgeprägte streifende Beleuchtung erhalten.
Außerdem weist der Lichtextraktor vorzugsweise eine Radialsymmetrie auf. Infolgedessen weist auch die Beleuchtung in den Querebenen eine Radialsymmetrie auf. Der hierin verwendete Ausdruck "Radialsymmetrie" bedeutet, dass um mehrere gleichmäßig beabstandete Radien eine Wiederholung auftritt.
Insbesondere kann der Querschnitt kreisförmig sein. Durch einen kreisförmigen Querschnitt kann in den Querebenen eine gleichmäßige Beleuchtung erhalten werden.
Alternativ kann der Querschnitt als regelmäßiges Polygon, vorzugsweise mit mindestens vier Seiten, ausgebildet sein. Daher ist der Lichtextraktor als regelmäßige Pyramide ausgebildet und ermöglicht eine streifende Beleuchtung über einen Weitbereich mit für einige Anwendungen wünschenswerten Effekten in den Querebenen.
Um ausgeprägtere visuelle Effekte zu erhalten, kann der radialsymmetrische Querschnitt alternativ nach außen konkave Abschnitte aufweisen, vorzugsweise mindestens vier, die aus Umfangsbögen mit einer Konkavität nach außen bestehen. Noch bevorzugter haben die Kreisbögen in jedem Querschnitt einen dem Radius des umgrenzenden Umfangs entsprechende Krümmung.
Der Extraktor kann eine Längsabmessung zwischen 20 und 300 cm oder mehr aufweisen. Dadurch ist der Extraktor sowohl für Tischlampen als auch für Straßenlaternen geeignet. Abmessungen zwischen 40 und 70 cm sind für Deckenleuchten und auch für Bodenleuchten besonders geeignet, durch die, da sie oberhalb bzw. unterhalb der Augenhöhe angeordnet sind, direktes grelles Licht vermieden wird.
Der Lichtextraktor kann vorteilhaft kompakt ausgebildet sein und eine axiale Öffnung aufweisen, die sich an dem dem Lichteinlassende entgegengesetzten Ende erweitert. Außer dass das Licht eine streifende Beleuchtung erzeugt, durchläuft es auch die axiale Öffnung und tritt vom zweiten Ende aus, was für einige Anwendungen vorteilhaft sein kann.
Der Lichtextraktor kann einen sich von dem dem Lichteinlassende entgegengesetzten Ende aus erstreckenden zylindrischen Ansatz aufweisen, wobei die axiale Öffnung sich am Ende des zylindrischen Ansatzes erweitert. Auf diese Weise ist das durch die Öffnung emittierte Licht von dem Licht beabstandet, das aufgrund der Diffusionsfläche des Diffusors emittiert wird.
Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung einen Diffusor für eine Lichtleiterlampe, wobei der Diffusor einen vorstehend erwähnten Lichtextraktor aufweist, koaxial aufgenommen in einem rohrförmigen Lichtleiter mit einer Oberfläche, die für Lichtstrahlen transparent ist, die sich unter einem Winkel ausbreiten, der größer ist als ein vorgegebener kritischer Winkel, und Lichtstrahlen innen reflektiert, die in einem Winkel auftreffen, der kleiner ist als der vorgegebene kritische Winkel.
Typischerweise weist der Lichtleiter ein transparentes Rohr und einen auf der Innenfläche des transparenten Rohrs aufgebrachten Totalreflexionsfilm auf. Das transparente Rohr kann beispielsweise aus Polykarbonat bestehen. Der Totalre flexionsfilm kann beispielsweise der vorstehend erwähnte OLF-Film sein.
Der Totalreflexionsfilm weist vorzugsweise parallel zur Längsachse ausgerichtete und nach innen ausgerichtete Mikroreliefs auf. Die Ausrichtung des Films mit den nach innen ausgerichteten Mikroreliefs ist bevorzugt, weil dadurch bestimmte optische Effekte erzielt werden können, während gleichzeitig das Innere des Diffusors auch bei eingeschalteter Lampe verborgen bzw. verdeckt werden kann.
Der Lichtleiter kann einen Durchmesser aufweisen, der der maximalen Querabmessung des Lichtextraktors im wesentlichen entspricht. Auf diese Weise treffen alle Lichtstrahlen, die sich vom Lichteinlassende zum zweiten Ende hin ausbreiten, auf die Innenseitenwand des Lichtleiters oder auf den Extraktor auf, so dass sie durch den Extraktor zunehmend blockiert werden, was dazu beiträgt, eine streifende Beleuchtung zu erzielen.
Alternativ kann der Diffusor ein nicht-transparentes Verschluss- oder Querstück an dem dem Lichteinlassende entgegengesetzten Ende aufweisen. Das Querstück blockiert die sich zum zweiten Ende hin ausbreitenden unerwünschten Lichtstrahlen, was dazu beiträgt, eine streifende Beleuchtung zu erzielen.
Schließlich betrifft die vorliegende Erfindung gemäß einem dritten Aspekt eine Lichtleiterlampe mit einem vorstehend erwähnten Diffusor und einem in der Nähe des Lichteinlassendes angeordneten Beleuchtungssystem.
Das Beleuchtungssystem ist vorzugsweise dazu geeignet, das Licht unter einem Winkel in den Lichtleiter zu projizieren, der bezüglich der Längsrichtung kleiner ist als der kritische Winkel. Auf diese Weise wird verhindert, dass die vom Beleuchtungssystem emittierten Lichtstrahlen vom Lichteinlassende direkt nach außen transmittiert werden, weil sie vom Lichteinlassende weg ausgerichtet würden, d.h. sie wären zum Erzeugen einer "streifenden" Beleuchtung unerwünscht.
Nachstehend werden Merkmale und Vorteile der Erfindung unter Bezug auf Ausführungsformen in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen dargestellt, die lediglich ein Beispiel darstellen, durch das die Erfindung nicht eingeschränkt werden soll; es zeigen:
1 eine nicht maßstabsgerechte schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Lichtleiterlampe;
2 eine nicht maßstabsgerechte schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Lichtleiterlampe;
3–5 nicht maßstabsgerechte Darstellungen alternativer Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Lichtextraktors; und
6 eine fotometrische Kurve einer der Ausführungsform von 2 entsprechenden Lichtleiterlampe.
1 zeigt eine Lichtleiterlampe 1 mit einem Beleuchtungssystem 2 und einem über ein Glas 4 damit verbundenen Diffusor 3.
Die Lichtleiterlampe 1 ist vorzugsweise wie in 1 dargestellt konstruiert, d.h. sie weist das unter der Querebene P des Lichteinlasses in den Diffusor 3, an der die maximale Lichtintensität erwünscht ist, angeordnete Beleuchtungssystem 2 auf. Insbesondere kann die Ebene P im Fall einer Außenbeleuchtung mit dem Erdboden übereinstimmen, aber auch mit dem Boden eines Raums. Alternativ könnte das Beleuchtungssystem 2 von der Erdbodenebene oder der Bodenebene hervorstehen, so dass die Lichtleinlassebene P sich parallel dazu erstrecken würde, wobei die Beleuchtung natürlich auch den Erdboden oder Boden erreichen würde.
Diese vertikale Ausrichtung mit dem an der Unterseite angeordneten Beleuchtungssystem sollte jedoch nicht als Einschränkung verstanden werden.
Tatsächlich kann die Lichtleiterlampe 1 alternativ von der Decke eines Raums herabhängen, wobei das Beleuchtungssystem 2 an der Unterseite angeordnet ist, so dass der Raum direkt beleuchtet wird, oder wobei das Beleuchtungssystem 2 an der Oberseite angeordnet ist, so dass die Decke beleuchtet und dann der Raum indirekt beleuchtet wird.
Analog kann die Lampe 1 horizontal angeordnet sein, wobei sie von der Wand eines Raums hervorsteht und das Beleuchtungssystem 2 in der Wand eingebettet oder unmittelbar benachbart zur Wand angeordnet ist, um die Wand zu beleuchten, oder an der entgegengesetzten Seite, um den Raum zu beleuchten.
Die Lichtleiterlampe ist vorzugsweise in einer Mittelposition angeordnet, damit ihre Licht voll ausgenutzt werden kann.
Der Diffusor 3 weist einen Lichtleiter 5 auf, der ein transparentes Rohr 6 aufweist, das aus einem starren Material hergestellt ist, wie beispielsweise Polykarbonat, das innen mit einem TIR-Film 7 beschichtet ist, beispielsweise mit einem OLF-Film von Minnesota Mining and Manufacturing Company. Der TIR-Film 7 ist derart angeordnet, dass seine Mikroreliefs in der Längsrichtung, d.h. parallel zur Längsachse A-A der Lichtleiterlampe 1, ausgerichtet sind. Im Gegensatz zu herkömmlichen Anwendung der OLF-Filme weisen die Mikroreliefs nach innen. Der vorliegende Anmelder hat festgestellt, dass auf diese Weise besondere optische Effekte erzielt werden können und gleichzeitig das Innere des Diffusors 3 verborgen oder verdeckt werden kann. Wenn die Lampe 1 ausgeschaltet ist, ist die Außenfläche des Diffusors 3 tatsächlich spiegelähnlich, wenn die Lampe 1 eingeschaltet ist, scheint sie so, als ob zwei oder mehr parallele Extraktoren in den Diffusor 3 eingefügt wären.
Im Lichtleiter 5 ist ein Lichtextraktor 8 aus einem lichtdiffundierenden Material, wie beispielsweise aus lackiertem Holz, lackiertem Aluminium und optional einem lackierten Kunststoffmaterial, koaxial angeordnet. Die Farbe der Diffusionsfläche ist typischerweise weiß, vorzugsweise glänzend, es sind natürlich auch andere Farben möglich, vorzugsweise helle und glänzende Farben.
Das Beleuchtungssystem 2 weist eine am Brennpunkt eines Parabolspiegels 22 angeordnete Lichtquelle 21 mit einer Leistung von 50 W auf. Außerdem ist das Beleuchtungssystem 2 vorzugsweise in einer versiegelten Kammer 23 aufgenommen. Die elektrische Spannungsversorgung und die Steuerelemente des Beleuchtungssystems 2 sind nicht detailliert dargestellt, weil sie herkömmliche Komponenten sind.
Das Beleuchtungssystem 2 ist derart konstruiert, dass die in den Diffusor 3 eintretenden Lichtstrahlen direkt auf den Extraktor 8 oder auf den TIR-Film 7 auftreffen, in diesem Fall mit einem Winkel β, der kleiner oder gleich dem kritischen Winkel θ_max des gleichen Films ist (der im Fall des vorstehend erwähnten OLF-Films 27,6° beträgt).
Der Lichtextraktor 8 der in 1 dargestellten Ausführungsform hat eine konische Form und ist zu einem ein Lichteinlassende 9 definierenden Punkt an der dem Beleuchtungssystem 2 entsprechenden Seite hin ausgerichtet.
Obwohl es bevorzugt ist, dass der Querschnitt des Extraktors am Lichteinlassende minimal, idealerweise punktförmig, ist, könnte der Extraktor leicht kegelstumpfförmig ausgebildet sein oder einen abgerundeten "Punkt" aufweisen.
Der halbe Öffnungswinkel α des Kegels ist vorzugsweise kleiner als 10° und beträgt z.B. etwa 8°. Weil hierfür die bekannte Beziehung tanα = (d/2)/h (2)gilt, entspricht ein Winkel α von etwa 8° einem Verhältnis zwischen der Höhe h, d.h. der Längsabmessung des Lichtextraktors 8, und seinem Durchmesser d am zweiten Ende 10, d.h. seiner maximalen Querabmessung, von etwa 4:1.
Beispielsweise könnte der Lichtextraktor eine Höhe h von etwa 60 cm und einen Durchmesser d am zweiten Ende 10 von etwa 16 cm haben. Durch eine Lampe 1 mit einem Lichtextraktor 8 mit derartigen Abmessungen kann ein Beleuchtungsbereich von etwa 4,8 m an der Lichteinlass-Querebene P erhalten werden.
Außerdem ist die Beleuchtung auch in der Querebene P und in allen Querebenen aufgrund des kreisförmigen Querschnitts des Lichtextraktors 8 gleichmäßig, und sie hat eine maximale Intensität an der Lichteinlass-Querebene P, wobei die Intensität zum zweiten Ende 10 hin abnimmt. Diese Beleuchtung wird als "streifend" definiert.
Um den Effekt der "streifenden" Beleuchtung hervorzuheben, sollte der Lichtleiter 5 einen Innendurchmesser D aufweisen, der größer ist als der Durchmesser d, und am zweiten Ende 10 des Lichtextraktors 8 kann ein den Lichtleiter 5 verschließendes nicht-transparentes Querelement 11 angeordnet sein, wodurch die Lichtstrahlen blockiert werden, die tendenziell in einer bezüglich der Ebene P entgegengesetzten Richtung, d.h. in 1 nach oben gerichtet, austreten würden.
Tatsächlich trifft, wie vorstehend erwähnt, ein vom Beleuchtungssystem 2 austretender Lichtstrahl R aufgrund der Abmessungen des Beleuchtungssystems 2 direkt auf den Extraktor 8 oder auf den TIR-Film 7 unter einem Winkel β auf, der kleiner oder gleich dem kritischen Winkel θ_max des gleichen Films ist.
Wenn der Lichtstrahl R auf den TIR-Film 7 auftrifft, wird er unter dem gleichen Winkel β innen reflektiert und trifft anschließend auf den Lichtextraktor 8 auf. Hierbei wird der Lichtstrahl R, wie in 1 schematisch dargestellt ist, in mehrere Lichtstrahlen gestreut, die unter verschiedenen Einfallswinkeln auf den TIR-Film auftreffen. Insbesondere wird ein Teil der gestreuten Lichtstrahlen dort unter einem Winkel auftreffen, der größer ist als der kritische Winkel θ_max, so dass diese Lichtstrahlen durch den TIR-Film 7 und das transparente Rohr 6 nach außen transmittiert werden. Der übrige Teil der gestreuten Lichtstrahlen, die sich innerhalb des Lichtleiters 5 nach vorne bzw. hinten ausbreiten, ist in erster Näherung vernachlässigbar, weil bei jedem Auftreffen auf den TIR-Film 7 oder den Extraktor 8 ein Lichtverlust von etwa 2% entsteht.
Die Neigung der Seitenfläche des Lichtextraktors 8 gemäß dem halben Öffnungswinkel α führt dazu, dass die gestreuten Lichtstrahlen allgemein zur Ebene P hin abgelenkt werden. Daher ist die durch die Lichtleiterlampe 1 bereitgestellte Beleuchtung derart, dass die Intensität in den Querebenen vom Lichteinlassende 9 zum zweiten Ende 10 hin abnimmt.
Trotzdem ist, weil die vorstehend erwähnte Ablenkung relativ klein ist, der Beleuchtungsbereich an der Ebene P groß.
Andererseits hat die Neigung α des Lichtextraktors 8 die Wirkung, dass vom Lichteinlassende 9 zum zweiten Ende 10 hin der Weg der Lichtstrahlen nach der ersten Reflexion am TIR-Film 7 verkürzt wird, so dass der längere Weg der gleichen Lichtstrahlen vor der ersten Reflexion am TIR-Film 7 teilweise kompensiert wird.
Schließlich werden, weil die Querschnittsfläche des Extraktors 8 am Lichteinlassende 9 minimal ist, die vom Beleuchtungssystem 2 austretenden Lichtstrahlen in einem minimalen Maß abgefangen, so dass die Effizienz der Lichtleiterlampe 1 hoch ist.
2 zeigt eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die den Elementen von 1 entsprechenden Elemente sind durch die gleichen Bezugszeichen, erhöht um 200, bezeichnet und werden, wenn sie gleich sind, nicht näher beschrieben.
Die Ausführungsform von 2 unterscheidet sich von der vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsform dadurch, dass der Lichtextraktor 208 "kelchförmig" ausgebildet ist. D.h., der Lichtextraktor 208 ist ein Körper, der durch Rotation einer seinen Längsschnitt bestimmenden Erzeugenden um die Längsachse A-A erhalten wird, und weist einen ersten geraden Abschnitt 212, der bezüglich der Achse A-A unter einem Winkel α₁ in einem für den Winkel α der Ausführungsform von 1 angegebenen Winkelbereich geneigt ist, und einen nach außen konkaven oder gewölbten zweiten Abschnitt 213 auf.
Der zweite Abschnitt 213 kann ein hyperbelförmiges, parabelförmiges oder elliptisches Muster oder ein einer Kurve höherer Ordnung entsprechendes Muster aufweisen. Der zweite Abschnitt 213 hat vorzugsweise ein logarithmisches Muster, wobei ein Verhältnis zwischen seiner Querprojektion l₂ und seiner Längsprojektion h₂ vorzugsweise 0,3375 beträgt. Außerdem beträgt das Verhältnis zwischen der Längsprojektion h₁ des geraden Abschnitts 212 und der Längsprojektion h₂ des logarithmischen Abschnitts 213 vorzugsweise 6,5.
Die Wirkung des logarithmischen Abschnitts 213 auf die durch diese Ausführungsform der Lichtleiterlampe 201 bereitgestellte Beleuchtung kann durch Beobachten des Pfades eines Lichtstrahls R' verstanden werden. Der Lichtstrahl R' trifft nach einer inneren Reflexion am TIR-Film 207 unter einem Winkel γ an einer Stelle des logarithmischen Abschnitts 213 unter einem Winkel δ auf den Lichtextraktor 208 auf. Weil an dieser Stelle die Neigung der Oberfläche des Extraktors 208 wesentlich größer ist als der Winkel α₁, treten die durch den Lich textraktor 208 gestreuten Strahlen an dieser Stelle im wesentlichen transversal oder zur Ebene P hin von der Lampe 201 aus. D.h., in der zur Ebene P hin gerichteten Richtung entgegengesetzten Richtung bzw. in der Zeichnung nach oben gerichtet, tritt keine wesentliche Streuung auf, so dass die Beleuchtung in der vorstehend erläuterten Bedeutung in noch höherem Maße "streifend" ist.
6 zeigt eine fotometrische Kurve in Polarkoordinaten, die für eine gemäß der Ausführungsform von 2 hergestellte Lichtleiterlampe experimentell erhalten wurde. Im rechten oberen Abschnitt ist auch die Ausrichtung der für die experimentellen Messungen verwendeten Fotometriesonde dargestellt.
Bekanntermaßen kann durch eine fotometrische Kurve geprüft werden, wie das Licht um das Beleuchtungsobjekt herum verteilt ist, wobei die metrischen Abstände, die das Licht erreicht, bezüglich ihrer Winkelposition vom Auslass des Beleuchtungsobjekts hervorgehoben sind. Im vorliegenden Fall werden die metrischen Abstände von der Bodenebene oder der Lichteinlass-Querebene P am Ende des Beleuchtungsobjekts, d.h. an der sich durch das zweite Ende 210 erstreckenden Querebene gemessen.
D.h., dass im vorliegenden Fall, in dem die für experimentelle Messungen verwendete Lichtleiterlampe 201 etwa 60 cm hoch war, anhand des Graphen ersichtlich ist, dass beispielsweise in einer Höhe von 40 cm über der Ebene P eine verifizierbare Lichtintensität auf der Winkelachse bei 105° existiert, wohingegen in einer Höhe von 60 cm über der Ebene P eine verifizierbare Lichtintensität auf der Winkelachse bei 120° existiert.
Natürlich wird das Muster der fotometrischen Kurve für andere Lichtleiterlampen 201, die gemäß der Ausführungsform von 2 konstruiert sind, dem in 6 dargestellten "Schmetterlings"muster ähnlich sein.
Die 3 bis 5 zeigen schematische Darstellungen anderer Ausführungsformen erfindungsgemäßer Lichtextraktoren, die dazu vorgesehen sind, analog wie die vorstehend beschriebenen Extraktoren 8 und 208 in eine Lichtleiterlampe eingefügt zu werden.
Der in 3 dargestellte Lichtextraktor 308 hat die Form einer regelmäßigen Pyramide, d.h. einer Pyramide, deren Basis oder Querschnitt ein regelmäßiges Polygon bildet. Obwohl sie mit einer fünfseitigen Basis dargestellt ist, kann eine derartige Pyramide eine beliebige Anzahl von Seiten haben, vorzugsweise mindestens vier. Tatsächlich wird durch einen derartigen Lichtextraktor 308 eine "streifende" Beleuchtung bereitgestellt, die in der Lichteinlass-Querebene P, sowie in den anderen Querebenen, mit zunehmender Anzahl von Seiten zunehmend gleichmäßiger wird, die jedoch ein angenehmes Lichtspiel erzeugt.
In dem in 4 dargestellten "schirmförmigen" Lichtextraktor 408 erstrecken sich die Seiten der "Pyramide" konkav nach außen, wobei die Seiten sich beispielsweise in jedem Querschnitt betrachtet entlang eines Umfangsbogens mit einem Krümmungsradius erstrecken, der dem Radius des begrenzenden Umfangs gleicht. Die durch diesen Lichtextraktor 408 bereitgestellte Beleuchtung ist derjenigen der Konfiguration von 3 ähnlich, es wird jedoch ein wesentliches Lichtspiel bereitgestellt.
Schließlich erstreckt sich die Diffusionsfläche des in 5 dargestellten Lichtextraktors 508 in einem Längsschnitt auf eine im Allgemeinen gekrümmte Weise konvex nach außen, vorzugsweise gemäß einem parabelförmigen, elliptischen, hyperbelförmigen oder logarithmischen Muster. Der Lichtextraktor 508 erzeugt analog zu den vorstehend beschrie benen Extraktoren eine "streifende" Beleuchtung, jedoch in einem weniger deutlichen Maß, was für einige Anwendungen bevorzugt sein kann.
Außerdem weist der dargestellte Lichtextraktor 508 einen zylinderförmigen Ansatz 514 an der dem Lichteinlassende 509 entgegengesetzten Seite und eine axiale Öffnung 515 auf, die am oberen Ende des zylindrischen Ansatzes 514 erweitert ist. Die axiale Öffnung 515 transmittiert einen Teil des Lichts nach oben, wobei das Licht durch die gleiche Erweiterung der Öffnung 515 gestreut wird. Der zylinderförmige Ansatz 514 dient zum Trennen der beiden Beleuchtungsbereiche in der Längsrichtung, er könnte natürlich auch weggelassen werden.
Innerhalb des durch die beigefügten Patentansprüche definierten Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung sind zahlreiche Änderungen und Modifikation in den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen möglich und können Komponenten ersetzt oder integriert werden.
Insbesondere könnten verschiedene Muster der Diffusionsfläche der beschriebenen Extraktoren miteinander und/oder mit zylindrischen Abschnitten kombiniert werden, um die Wirkung der "streifenden" Beleuchtung gemäß den Anforderungen zu modifizieren.
Die beschriebenen Lichtextraktoren können analog zu der Beschreibung unter Bezug auf die Ausführungsform von 5 massiv oder hohl ausgebildet sein, um ihr Gewicht zu begrenzen, insofern keine axiale Öffnung erwünscht ist.

Claims

Lichtextraktor (8; 208; 308; 408; 508) für eine Lichtleiterlampe (1; 201) mit einer Diffusionsfläche, wobei der Lichtextraktor dazu vorgesehen ist, in einen Lichtleiter (5; 205) der Lichtleiterlampe (1; 201) eingeführt zu werden; dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtextraktor (8; 208; 308; 408; 508) dazu vorgesehen ist, koaxial in den Lichtleiter (5; 205) eingeführt zu werden; und die Diffusionsfläche bezüglich der Längsrichtung (A-A) mindestens teilweise geneigt ist, divergierend von einem Lichteinlassende (9; 209; 309; 409; 509).
Lichtextraktor (8; 208; 308; 408; 508) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Neigungswinkel (α; α₁) am Lichteinlassende (9; 209; 309; 409; 509) kleiner ist als 10°.
Lichtextraktor (8; 208; 308; 408) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Diffusionsfläche mindestens einen Längsabschnitt (8; 212) mit einem konstanten Neigungswinkel in einem beliebigen Längs-Halbschnitt aufweist.
Lichtextraktor (208) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Diffusionsfläche mindestens einen Längsabschnitt (213) mit einem zu nehmenden Neigungswinkel in einem beliebigen Längs-Halbschnitt aufweist.
Lichtextraktor (208) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Längsabschnitt (213) mit zunehmendem Neigungswinkel ein logarithmisches Muster aufweist.
Lichtextraktor (208) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis zwischen der Querprojektion (l₂) des logarithmischen Abschnitts und der Längsprojektion (h₂) des logarithmischen Abschnitts zwischen 0,2 und 0,5 beträgt.
Lichtextraktor (208) nach Anspruch 5 oder 6 in Abhängigkeit von Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtextraktor beginnend am Lichteinlassende (209) einen ersten Längsabschnitt (212) mit konstantem Neigungswinkel und einen zweiten Längsabschnitt (213) mit einem logarithmischen Muster aufweist; und das Verhältnis zwischen der Längsprojektion (h₁) des ersten Abschnitts (212) und der Längsprojektion (h₂) des zweiten Abschnitts (213) zwischen 4 und 10 beträgt.
Lichtextraktor (508) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Diffusionsfläche mindestens einen Längsabschnitt mit abnehmendem Neigungswinkel in einem beliebigen Längs-Halbschnitt aufweist.
Lichtextraktor (8; 208; 308; 408; 508) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtextraktor radial symmetrisch ist.
Lichtextraktor (8; 208; 508) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtextraktor einen kreisförmigen Querschnitt hat.
Lichtextraktor (308) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtextraktor einen Querschnitt in der Form eines regelmäßigen Polygons hat.
Lichtextraktor (408) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtextraktor einen Querschnitt mit außen konkaven Abschnitten aufweist.
Lichtextraktor (8; 208; 308; 408; 508) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er in Längsrichtung eine Größe zwischen 20 und 300 cm, vorzugsweise zwischen 40 und 70 cm, aufweist.
Lichtextraktor (508) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er massiv ausgebildet ist und eine axiale Öffnung (515) aufweist, die an dem dem Lichteinlassende (509) entgegengesetzten Ende erweitert ist.
Lichtextraktor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass er eine sich von dem dem Lichteinlassende (509) entgegengesetzten Ende erstreckende zylindrische Verlängerung (514) aufweist, wobei die Öffnung (515) sich am Ende der zylindrischen Verlängerung (514) erweitert.
Diffusor (3; 203) für eine Lichtleiterlampe (1; 201) mit einem Lichtextraktor nach einem der Ansprüche 1 bis 15, koaxial aufgenommen in einem rohrförmigen Lichtleiter (5; 205) mit einer Oberfläche, die für Lichtstrahlen transparent ist, die sich unter einem Winkel ausbreiten, der größer ist als ein vorgegebener kritischer Winkel (θ_max), und Lichtstrahlen innen reflektiert, die mit einem Winkel auftreffen, der kleiner ist als der vorgegebene kritische Winkel (θ_max).
Diffusor (3; 203) nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtleiter (5; 205) ein transparentes Rohr (6; 205) und einen auf die Innenfläche des transparenten Rohrs (6, 206) aufgebrachten Totalreflexionsfilm (7; 207) aufweist.
Diffusor (8; 203) nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Totalreflexionsfilm (7; 207) Mikroreliefs aufweist, die parallel zur Längsachse (A-A) und nach innen ausgerichtet sind.
Diffusor (3; 203) nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtleiter (5; 205) einen Durchmesser (D) aufweist, der der maximalen transversalen Größe des Lichtextraktors im wesentlichen entspricht.
Diffusor (3; 203) nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass er ein nicht-transparentes Verschlußteil (11; 211) an dem dem Lichteinlassende entgegengesetzten Ende aufweist.
Lichtleiterlampe (1; 201) mit einem Diffusor nach einem der Ansprüche 16 bis 20 und einem Beleuchtungssystem (2; 202).
Lichtleiterlampe (1; 201) nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass das Beleuchtungssystem dazu geeignet ist, Licht in den Lichtleiter (5; 205) unter Winkeln zu projizieren, die bezüglich der Längsrichtung kleiner sind als der kritische Winkel (θ_max) des Lichtleiters (5; 205).