DE69121651T2

DE69121651T2 - Katadioptrische Linse mit gleichmässigem Intensitätsprofil

Info

Publication number: DE69121651T2
Application number: DE69121651T
Authority: DE
Inventors: Kenneth A Aho; John C Nelson
Original assignee: Minnesota Mining and Manufacturing Co
Current assignee: 3M Co
Priority date: 1990-07-17
Filing date: 1991-07-15
Publication date: 1997-03-27
Anticipated expiration: 2011-07-16
Also published as: KR920002983A; DE69121651D1; CA2047146A1; KR100209848B1; EP0467608B1; EP0467608A2; EP0467608A3; JPH04261502A; US5029060A; AU8047691A

Description

Allgemeiner Stand der Technik

Bei der Gestaltung einer Lichtvorrichtung bzw. einer Beleuchtungsvorrichtung ist es allgemein wünschenswert, eine Vorrichtung vorzusehen, die über deren ganze Blende eine gleichmäßige Beleuchtung vorsieht. Um dies zu verwirklichen wurden verschiedene Techniken eingesetzt. Eine derartige Lichtvorrichtung wird zum Beispiel in dem allgemein zugewiesenen U.S Patent US-A-4.791.540 dargestellt. Bei dem System dieses Patentes wird eine spezielle Folie in der Blende verwendet, die dafür sorgt, daß das Licht vor dem Austritt mehrfach reflektiert wird. Auf diese Weise wird das Licht gleichmäßig in dem optischen Hohlraum verteilt, wodurch eine gleichmäßige Intensitätsausgabe vorgesehen wird.
In WO 88/07647, das den Oberbegriff des gegenständlichen Anspruchs 1 bildet, wird eine Lichtvorrichtung offenbart, bei der die Gleichmäßigkeit durch Krümmung einer Reflektorfolie erreicht wird. Dabei wird keine Abscheidung eines Teils des Lichts gelehrt.
In EP-A-0341996 wird eine weitere Technik dargestellt. Gemäß der darin gelehrten Technik wird ein Fresnel-Reflektor vorgesehen, wobei einige der Fresnelschen Strukturen mehrfach aktive Flächen aufweisen. Einige dieser Flächen werden dazu verwendet, Licht aus der Lichtvorrichtung in die beabsichtigte Richtung zu leiten, während andere Flächen dazu verwendet werden, überschüssiges Licht in Bereichen nahe an der Lichtquelle abzuscheiden.

Zusammenfassung der Erfindung

Vorgesehen ist gemäß der vorliegenden Erfindung eine Lichtvorrichtung gemäß dem gegenständlichen Anspruch 1.
In den anhängigen Ansprüchen werden verschiedene bevorzugte Merkmale der vorliegenden Erfindung definiert.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Es zeigen:
Figur 1 eine Ansicht einer erfindungsgemäßen Lichtvorrichtung;
Figur 2 eine Prinzipskizze einer erfindungsgemäßen Lichtvorrichtung;
Figur 3 eine Seitenansicht eines ersten Teilstücks eines Reflektors zur Verwendung in einer erfindungsgemäßen Lichtvorrichtung; und
Figur 4 eine Seitenansicht eines zweiten Teilstücks eines Reflektors zur Verwendung in einer erfindungsgemäßen Lichtvorrichtung.

Genaue Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels

Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung. In Figur 1 umfaßt eine Lichtvorrichtung 10 ein Gehäuse 12, das einen optischen Hohlraum begrenzt. Die Vorrichtung umfaßt ferner ein optisches Fenster 14, durch das das Licht austritt. Die Vorrichtung umfaßt ferner einen Reflektor 16 mit einer strukturierten Oberfläche. Die Strukturen sind durch die Bezugsziffer 18 schematisch dargestellt, wobei sie kennzeichnenderweise kreisförmig und konzentrisch sind. Die Lichtvorrichtung 10 umfaßt ferner eine Lichtquelle 20.
In Figur 2 ist die erfindungsgemäße Lichtvorrichtung schematisch dargestellt, um einige der in der folgenden Beschreibung verwendeten Symbole zu definieren. F ist die Brennweite des Reflektors 16 und stellt den Abstand zwischen der Lichtquelle 20 und dem Reflektor 16 dar. R steht für den radialen Abstand von der Mitte des Reflektors 16 zu einem in Betracht kommenden Punkt. L steht für den Abstand zwischen der Lichtquelle 20 und dem in Betracht kommenden Punkt. Der Einfallswinkel eines Lichtstrahls auf dem Reflektor 16 ist mit θ bezeichnet.
Das Ziel bei der Gestaltung einer erfindungsgemäßen Lichtvorrichtung ist die Bereitstellung des Erscheinungsbildes einer gleichmäßigen Lichtintensität auf der Blende. Der Ausdruck Erscheinungsbild wird verwendet, da gewisse Abweichungen in den meisten Fällen nicht erkennbar sind. Kennzeichnenderweise ist ein Intensitätsverhältnis von bis zu drei zu eins zwischen dem hellsten und dem dunkelsten Bereich nicht erkennbar.
Somit müssen die Konstrukteure einer Lichtvorrichtung ein gewünschtes Intensitätsprofil für die Blende der Vorrichtung spezifizieren. Dieses Profil kann durch die nachstehend dargestellte Gleichung ausgedrückt werden.
I(R) = (V - 1) (Rmax - R)/(Rmax - Rmin) + 1
In dieser Gleichung steht I für die Intensität des auf dem optischen Fenster projizierten Lichts, ausgedrückt als Funktion des radialen Abstands von der Blendenmitte. V steht für die zulässige Intensitätsabweichung, ausgedrückt als ein Verhältnis des hellsten Bereichs zu dem dunkelsten Bereich. Rmax ist die Entfernung von der Blendenmitte zu der Außenkante Rmin steht für den Radius einer zentralen Zone, die von der Berechnung ausgeschlossen ist. Rmin wird gleich Null gesetzt, wenn der Gleichmäßigkeitsbereich der Blendenmitte entsprechen soll.
Das von einer Lichtquelle erzielte tatsächliche Intensitätsprofil kann wie folgt ausgedrückt werden:
I(R) = α(cos(θ)/L²)T(R)φ)(θ)
wobei T die Transmissionsfunktion der Linse bzw. in diesem Fall des Reflektors darstellt, ausgedrückt als eine Funktion von R, und wobei φ(θ) die Lichtquellenintensität als eine Funktion des Einfallswinkels darstellt. Bei einer idealen Quelle ist φ(θ) konstant, wobei eine Berücksichtigung dieses Wertes bei einer realen Quelle erforderlich sein kann. In dieser Formel handelt es sich bei α um eine proportionale Konstante.
Durch eine Kombination dieser Gleichungen ergibt sich folgendes:
α = Tmax(cos(θmax))/(φ(θmax)I(Rmax)Rmax²)
wobei Tmax den Wert der Transmissionsfunktion bei Rmax darstellt, und wobei θmax den Wert von θ bei Rmax darstellt. Nachdem die Transmissionsfunktion definiert worden ist, wird ein Reflektor gestaltet, der dazu dient, diese Transmissionsfunktion vorzusehen. Dies kann unter Verwendung eines Strahlengangmodells iterativ erfolgen.
In Figur 3 ist ein Teilstück eines kennzeichnenden Reflektors dargestellt, der als der Reflektor 16 verwendet werden kann. Der Hauptkörper 17 des Reflektors 16 besteht aus einem transparenten Werkstoff, wie etwa aus Polycarbonat oder einem Acrylwerkstoff. Der Reflektor 16 weist eine strukturierte Oberfläche 22 und eine glatte Oberfläche 24 auf. Die strukturierte Oberfläche 22 weist die Strukturen 26, 28 und 30 auf. Die glatte Oberfläche 24 ist mit einer reflektierenden Schicht 32 versehen. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel handelt es sich bei der reflektierenden Schicht 32 um einen gerichteten Reflektor, wobei es sich bei einigen Anwendungen auch um einen diffusen Reflektor handeln kann. Bei der reflektierenden Schicht 32 kann es sich zum Beispiel um eine Schicht eines dampfbeschichteten Metalls, wie zum Beispiel Aluminium, handeln. Hiermit wird festgestellt, daß der Begriff "glatt" zur Beschreibung der Oberfläche 24 einen relativen Begriff darstellt, wobei die Oberfläche eine matte Oberflächenbeschaffenheit aufweisen kann, so daß ein dampfbeschichtetes Metall auf der Oberfläche 24 einen diffusen Reflektor vorsieht.
Die Struktur 26 auf der strukturierten Oberfläche 24 weist die Facetten 34 und 36 auf, die aus der Struktur ein dreiecksförmiges Prisma erzeugen. Ein Lichtstrahl 38 von der Lichtquelle 20 tritt durch die Facette 34 in den Hauptkörper 17 ein und wird gebrochen. Danach verläuft der Lichtstrahl 38 über die Struktur 26 zu der Facette 36, wo er vollständig innen reflektiert wird. Danach wird der Strahl von der reflektierenden Schicht 32 reflektiert und tritt durch die Facette 34 aus dem Reflektor 16. Die Facette 34 kann somit als durchlässige Facette bezeichnet werden, wohingegen die Facette 36 als reflektierende Facette bezeichnet werden kann.
Die Form jeder der Strukturen auf der strukturierten Oberfläche 22 wird durch die Auswahl von zwei Winkeln β und γ auf der Struktur 26 definiert. Der Winkel β ist der Winkel zwischen der durchlässigen Facette 34 und der glatten Oberfläche 24, während es sich bei dem Winkel γ um den Winkel zwischen der reflektierenden Facette 36 und einer Senkrechten zu der glatten Oberfläche 24 handelt. Der Winkel β wird so ausgewählt, daß die gewünschte Transmissionsfunktion für eine bestimmte Position auf dem Reflektor 16 vorgesehen wird, während der Winkel γ so ausgewählt wird, daß für ein Austreten des Lichts durch das optische Fenster 14 in der gewünschten Richtung gesorgt wird. Bei zunehmendem Wert von R müssen die beiden Winkel β und γ ebenfalls ansteigen, wenn davon ausgegangen wird, daß über dem optischen Fenster 14 ein gleichmäßiges Intensitätsprofil verlangt wird, wenn die Winkelintensitätsverteilung der Lichtquelle 20 konstant ist und wenn die Strukturen alle die gleiche Höhe aufweisen. Ein größerer Wert des Winkels β führt zu einer erhöhten Transmissionsfunktion, da mehr durch die durchlässige Facette in die Struktur eintretendes Licht auf der reflektierenden Facette auftrifft. Das nicht auf einer reflektierenden Facette eines Prismas auftreffende Licht wird wirksam von dem Ausgangsstrahl abgeschieden.
Im Gegensatz zu den in der Figur 3 dargestellten Strukturen, die für eine verhältnismäßig nahe Positionierung an der Lichtquelle 20 gestaltet sein können, eignet sich die Struktur 40 aus Figur 4 für einen Einsatz bei einem größeren Wert von R. Gemäß der Darstellung sind die Werte von β' und γ' der Struktur 40 größer als die Werte von β und γ der Struktur 26 aus Figur 3.

Beispiel

Ein Reflektor wurde für eine Lichtvorrichtung mit den folgenden Einstellungen gestaltet: einer Brennweite von 3,17 cm, Rmin von 2,5 cm, Rmax gleich 17,8 cm, einem Abfallfaktor (V) von 3 und einer konstanten Winkelintensitätsverteilung der Quelle. Bei diesen gegebenen Voraussetzungen wurden die Werte von θ und die gewünschten Werte T(R) für eine Vielzahl von Werten für R berechnet. Die errechneten Werte sind in der nachstehenden Tabelle aufgeführt.
Aus den vorstehenden gegebenen Werten und einem Brechungsindex von 1,586 können die Werte der Winkel β und γ berechnet werden. Diese Werte sind in der nachstehenden Tabelle aufgeführt.

Claims

1. Lichtvorrichtung (10), mit:

einem Gehäuse (12), das einen optischen Hohlraum mit einem optischen Fenster (14) aufweist, so daß ein Lichtaustritt aus dem genannten Hohlraum möglich ist;

einer Lichtquelle (20) in dem genannten optischen Hohlraum; und

einem Reflektor (16), der dazu dient, das Licht von dem genannten optischen Hohlraum durch das genannte optische Fenster zu leiten, wobei der genannte Reflektor einen Hauptkörper (17) aus einem transparenten Werkstoff aufweist, wobei der genannte Hauptkörper eine glatte Oberfläche aufweist, an die eine reflektierende Schicht (32) und eine strukturierte Oberfläche (22) angrenzen, wobei auf der genannten strukturierten Oberfläche eine Mehrzahl dreiecksförmiger Prismen (26, 28, 30) ausgebildet ist, wobei jedes der genannten Prismen (z.B. 26) eine durchlässige Facette (34) und eine reflektierende Facette (36) aufweist, die so positioniert sind, daß das Licht von der Lichtquelle durch eine der genannten durchlässigen Facetten in den genannten Hauptkörper eintritt, und wobei ein Teil des Lichts von einer der genannten reflektierenden Facetten vollständig innerhalb reflektiert wird und durch eine der genannten durchlässigen Facetten austritt und an dem genannten optischen Fenster einen Ausgangsstrahl bildet, wobei jede der genannten durchlässigen Facetten einen ersten Winkel (β) mit der genannten glatten Oberfläche bildet, und wobei jede der genannten reflektierenden Facetten einen zweiten Winkel (γ) mit einer Senkrechten zu der genannten glatten Oberfläche bildet, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten ersten und zweiten Winkel (β, γ) so ausgewählt werden, daß der Teil des Lichts, der nicht auf einer reflektierenden Facette auftrifft, wirksam von dem genannten Ausgangsstrahl getrennt wird, und wobei an dem genannten optischen Fenster eine vorausgewählte Lichtintensitätsverteilung vorgesehen wird.

2. Lichtvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die genannten dreiecksförmigen Prismen (26, 28, 32) kreisförmig und konzentrisch sind.

3. Lichtvorrichtung nach Anspruch 2, wobei es sich bei der genannten reflektierenden Schicht um einen gerichteten Reflektor handelt.

4. Lichtvorrichtung nach Anspruch 3, wobei die genannte reflektierende Schicht durch auf der genannten glatten Oberfläche aufgetragenen Metalldampf gebildet wird.

5. Lichtvorrichtung nach Anspruch 2, wobei es sich bei der genannten reflektierenden Schicht um einen diffusen Reflektor handelt.

6. Lichtvorrichtung nach Anspruch 5, wobei die genannte reflektierende Schicht durch auf der genannten glatten Oberfläche aufgetragenen Metalldampf gebildet wird.

7. Lichtvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die genannte Intensitätsverteilung einen Bereich mit der größten Intensität und einen Bereich mit der geringsten Intensität aufweist, und wobei der genannte Bereich mit der größten Intensität eine Intensität aufweist, die nicht größer ist als das Dreifache der Intensität in dem Bereich mit der geringsten Intensität.

8. Lichtvorrichtung nach Anspruch 1, wobei es sich bei der genannten reflektierenden Schicht um einen gerichteten Reflektor handelt.

9. Lichtvorrichtung nach Anspruch 8, wobei die genannte reflektierende Schicht durch auf der genannten glatten Oberfläche aufgetragenen Metalldampf gebildet wird.