DE69407273T2

DE69407273T2 - Aus einem prismatischen lichtwellenleiter bstehende leuchte mit wirksam gerichteter ausstrahlung

Info

Publication number: DE69407273T2
Application number: DE69407273T
Authority: DE
Inventors: Lorne Whitehead
Original assignee: Minnesota Mining and Manufacturing Co
Current assignee: 3M Co
Priority date: 1993-02-23
Filing date: 1994-02-22
Publication date: 1998-07-16
Anticipated expiration: 2014-02-23
Also published as: CA2156435C; WO1994019643A1; NO953289L; DE69407273D1; JP2675677B2; US5339382A; NO953289D0; EP0686247B1; JPH08512166A; EP0686247A1; CA2156435A1

Description

Gebiet der Erfindung

Diese Anmeldung betrifft eine einen prismatischen Lichtwellenleiter aufweisende Leuchte bzw. eine Prismenlichtwellenleiter-Leuchte, die Licht wirksam in eine bestimmte Richtung ausstrahlt und die das ausgestrahlte Licht auf einen bestimmten Winkelbereich begrenzen kann.

Hintergrund der Erfindung

Das Grundkonzept einer einen prismatischen Lichtwellenleiter aufweisenden Leuchte wurde zuerst von Whitehead in dem am 7. Oktober 1986 veröffentlichten U.S.-Patent Nr. 4,615,579 beschrieben und basierte auf seinem Konzept eines prismatischen Lichtwellenleiters, wie es in dem U.S.-Patent Nr. 4,260,220 beschrieben ist. Seit damals sind viele Verbesserungen des Konzepts einer einen prismatischen Lichtwellenleiter aufweisenden Leuchte eingeführt worden, die alle auf dem Prinzip basieren, daß eine aus einem prismatischen Lichtwellenleiter bestehende Leuchte mittels Totalreflexion an den Außenflächen des Wellenleiters Licht wirksam durch einen hohlen Luftraum leitet, während es möglich ist, daß eine bestimmte Lichtmenge an bestimmten Punkten auf der Oberfläche des Wellenleiters entweicht.
Zum Beispiel beschreibt das U.S.-Patent Nr. 4,937,716 (Whitehead), wie man bewirken kann, daß eine aus einem prismatischen Lichtwellenleiter bestehende Leuchte Licht mit einer bestimmten Leistung ausstrahlt, die sich als Funktion der Position auf der Oberfläche des Wellenleiters ändert. Kurzgefaßt, Lichtstrahlen, die innerhalb des Akzeptanzwinkels des Wellenleiters einfallen, treffen auf eine innere, diffus reflektierende Fläche, die einen beträchtlichen Anteil des einfallenden Lichts in Richtungen umleitet, die durch Totalreflexion nicht innerhalb des Wellenleiters begrenzt werden können. Derartige umgeleitete Lichtstrahlen können demgemäß aus dem Wellenleiter entweichen.
Alle derartigen bekannten, einen prismatischen Lichtwellenleiter aufweisenden Leuchten sind mit der Tatsache belastet, daß das Licht, das sie ausstrahlen, im wesentlichen diffus ist. Dies schränkt die Anwendung der bekannten, einen prismatischen Lichtwellenleiter aufweisenden Leuchten auf Situationen ein, in denen eine diffuse Lichtausstrahlung erwünscht ist, wie etwa den zahlreichen Situationen, in denen man sonst Leuchtstoffröhren verwenden könnte. Jedoch gibt es einige Situationen, in denen es vorzuziehen ist, daß eine Lichtquelle irgendwie kollimiertes Licht ausstrahlt. Beispiele umfassen eine Hallenbeleuchtung, bei der es wichtig ist, daß Licht von einer hochgelegenen Stelle nach unten auf eine beleuchtete Fläche wirksam gerichtet wird; und eine Außenschildbeleuchtung, bei der Licht durch einen begrenzten Winkelbereich nach oben auf das Schild wirksam gerichtet werden muß. Es ist eine Aufgabe dieser Erfindung, eine einen prismatischen Lichtwellenleiter aufweisende Leuchte, die gerichtetes Licht wirksam ausstrahlen kann, in einer Weise bereitzustellen, die zweckmäßig herzustellen ist.
Bekannte Versuche, gerichtete Lichtausstrahlung durch einen prismatischen Lichtwellenleiter aufweisende Leuchten zu erzielen, sind lediglich auf eingeschränkten Erfolg gestoßen. Ein Beispiel ist in dem U.S.-Patent Nr. 4,850,665 (Whitehead) beschrieben, bei dem innerhalb des Wellenleiters sorgfältig ausgerichtete, teilweise reflektierende, teilweise durchlässige Elemente befestigt sind, um einen bestimmten Anteil des durch den Wellenleiter laufenden Lichts in Richtungen zu reflektieren, die der Wellenleiter nicht durch Totalreflexion begrenzen kann, was es somit ermöglicht, daß derartiges Licht aus dem Wellenleiter entweicht. Außerdem ist die Richtung des reflektierten Lichts so, daß der natürliche Brechungseffekt des prismatischen Materials, das verwendet wird, um den Wellenleiter auszubilden, das entweichende Licht weiter in eine bestimmte Richtung richtet.
Alternative Lösungswege sind in den U.S.-Patenten Nrn. 4,984,144 und 4,989,125 (Cobb, Jr. et al.) beschrieben. Abschnitte der Wand des prismatischen Lichtwellenleiters werden entfernt und durch prismatische Filme ersetzt, die es ermöglichen, daß Licht entweicht, und die das entweichende Licht in bestimmte gewünschte Richtungen umleiten.
Die vorstehend erwähnten bekannten Lösungen sind zwei grundsätzlichen Problemen unterworfen. Zuerst erfordern sie komplexe Herstellungs- und Ausführungstechniken. Es ist erheblicher Aufwand nötig, um die Elemente der von Whitehead in dem U.S.-Patent Nr. 4,850,665 beschriebenen Art richtig anzuordnen und zu halten. Entsprechend ist erheblicher Aufwand erforderlich, um prismatisches Lichtwellenleiterwandmaterial in Übereinstimmung mit den Erfindungen von Cobb, Jr. et al. in Segmente einzuteilen. Außerdem können diese bekannten Lösungswege das entweichende Licht nicht in einem Grad kollimieren, der wesentlich größer ist als der Kollimationsgrad des Lichts innerhalb des prismatischen Lichtwellenleiters selbst (typischerweise ± 30º). Grundsätzliche thermodynamische Einschränkungen sollten wesentlich größere Kollimation des ausgestrahlten Lichts erlauben, da die lichtemittierende Fläche des Wellenleiters gewöhnlicherweise viel größer ist als die Fläche, durch die Licht von der Lichtquelle in den Lichtwellenleiter eintritt.
Aus US-4 615 579 ist eine Leuchte für ein prismatisches Lichtwellenleitersystem bekannt. Es besteht aus einer longitudinalen Hohlstruktur aus transparentem, dielektrischem Material. Die Struktur besitzt Innen- und Außenflächen, die in Oktaturbeziehung stehen, und mindestens einen Abschnitt einer Außenfläche, die einen Lichtfreisetzungsmechanismus besitzt. Die Lichtfreisetzungsmechanismen weisen eine unebene Fläche, eine rauhe Außenfläche oder runde Kanten in einer gewellten Außenfläche auf. Die Leuchte kann ferner eine Einrichtung aufweisen, die innerhalb der Hohlstruktur angeordnet ist, um den Divergenzwinkel θ des Lichts zu vergrößern. Sie kann aus einem Diffusionsschirm oder einem Spiegel bestehen. Einige der Wände können ebenfalls mit einem reflektierenden Material bedeckt sein, um irgendein entweichendes Licht zu ihnen zurück umzuleiten.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung ist durch die Merkmale der Patentansprüche gekennzeichnet.
In Übereinstimmung mit der bevorzugten Ausführungsform stellt die Erfindung eine einen prismatischen Lichtwellenleiter aufweisende Leuchte mit lichtundurchlässigen und lichtemittierenden Flächenabschnitten bereit, die insgesamt eine ausgewählte Querschnittsform bilden. Der opake Flächenabschnitt besitzt eine lichtreflektierende Eigenschaft. Der lichtemittierende Flächenabschnitt ist ein prismatisches Lichtwellenleitermaterial, das innerhalb der Leuchte Lichtstrahlen begrenzt, die auf das Material unter Winkeln einfallen, die innerhalb des Akzeptanzwinkelbereichs des Materials liegen. Die Leuchte besitzt ebenfalls eine lichtstreuende Fläche mit einer bestimmten Form und Position, um Licht in Winkel umzuleiten, die außerhalb des Akzeptanzwinkelbereichs des prismatischen Lichtwellenleitermaterials liegen. Die Querschnittsform der Leuchte, die lichtreflektierende Eigenschaft des lichtundurchlässigen Flächenabschnitts und die Form sowie Position der lichtstreuenden Fläche sind so gewählt, daß (i) von der lichtstreuenden Fläche umgeleitetes Licht, das nicht direkt von der streuenden Fläche zu dem lichtemittierenden Flächenabschnitt läuft und durch diesen Abschnitt entweicht, im wesentlichen von dem prismatischen Lichtwellenleitermaterial direkt zurück auf die streuende Fläche wirksam reflektiert wird; und (ii) alle Wege, entlang denen Licht direkt von der streuenden Fläche zu dem lichtemittierenden Flächenabschnitt laufen kann, einen Raumwinkel kleiner als 2π bestimmen.
Bei einer Ausführungsform ist die Querschnittsform der Leuchte annähernd kreisförmig, und die lichtstreuende Fläche ist ein verlängerter Streifen mit einer Länge, die etwa gleich der Länge des lichtemittierenden Flächenabschnitts ist, der auf einer Längsachse der annähernd kreisförmigen Form zentriert ist. Das prismatische Lichtwellenleitermaterial besitzt eine flache Seite und eine rechtwinklige, gleichschenklige Prismenseite. Bei dieser Ausführungsform ist das Material mit seiner flachen Seite nach außen zeigend und mit seiner Prismenseite nach innen zeigend ausgerichtet.
Bei einer weiteren Ausführungsform besitzt die Leuchte eine annähernd halbkreisförmige Querschnittsform, wobei der lichtemittierende Flächenabschnitt auf einem gekrümmten Abschnitt der halbkreisförmigen Form angeordnet ist. Die lichtstreuende Fläche ist ein verlängerter Streifen mit einer Länge, die etwa gleich der Länge des lichtemittierenden Flächenabschnitts ist, der an einem flachen Abschnitt der halbkreisförmigen Form angeordnet und auf einer deren Längsachsen zentriert ist. Das prismatische Lichtwellenleitermaterial ist wieder mit seiner flachen Seite nach außen zeigend und mit seiner Prismenseite nach innen zeigend ausgerichtet.
Bei noch einer anderen Ausführungsform besitzt die Leuchte eine annähernd elliptische Querschnittsform, und die lichtstreuende Fläche weist zwei verlängerte Streifen auf, von denen jeder eine Länge besitzt, die etwa gleich der Länge des lichtemittierenden Flächenabschnitts ist, wobei die Streifen jeweils auf Linien zentriert sind, die der Ort der Brennpunkte der annähernd elliptischen Form sind. Bei dieser Ausführungsform ist das prismatische Lichtwellenleitermaterial mit seiner flachen Seite nach innen zeigend und seiner Prismenseite nach außen zeigend ausgerichtet. Das Verhältnis von Haupt- zu Nebenachse der annähernd elliptischen Querschnittsform ist so gewählt, daß Licht, das von jedem Streifen auf den lichtemittierenden Flächenabschnitt gestreut wird, auf diesen Abschnitt unter einem derartigen Winkel einfällt, daß das Licht durch das prismatische Lichtwellenleitermaterial in eine einzige Richtung gebrochen wird, die an diesem Punkt auf der flachen Seite des Materials ungefähr senkrecht steht.
Bei noch einer weiteren Ausführungsform besitzt die Leuchte eine annähernd halbelliptische Querschnittsform, wobei die lichtstreuende Fläche wieder zwei verlängerte Streifen aufweist, von denen jeder eine Länge besitzt, die etwa gleich der Länge des lichtemittierenden Flächenabschnitts ist. Bei dieser Ausführungsform sind die Streifen an einem flachen Abschnitt der Halbellipsenform angeordnet und sie sind jeweils auf Linien zentriert, die der Ort der Brennpunkte der Halbellipse sind. Das prismatische Lichtwellenleitermaterial ist mit seiner flachen Seite nach innen zeigend und mit seiner Prismenseite nach außen zeigend ausgerichtet. Das Verhältnis von Haupt- zu Nebenachse der annähernd halbelliptischen Form ist so, daß Licht, das von jedem Streifen auf den lichtemittierenden Flächenabschnitt gestreut wird, auf diesen Abschnitt unter einem Winkel einfällt, bei dem das Licht durch das Material in eine einzige Richtung gebrochen wird, die an diesem Punkt auf der flachen Seite des Materials ungefähr senkrecht steht.
Bei jeder Ausführungsform der Erfindung erstreckt sich der lichtemittierende Flächenabschnitt vorzugsweise entlang der Länge der Leuchte über einen länglichen Bereich mit einer kleinen, im wesentlichen konstanten Breite.
Bei jeder Ausführungsform kann eine lineare Fresnellinse in der Nähe des lichtemittierenden Flächenabschnitts der Leuchte und außerhalb von ihm angeordnet werden, um über die gesamte Ausdehnung des lichtemittierenden Flächenabschnitts das entweichende Licht in Richtung einer im wesentlichen konstanten bevorzugten Richtung umzuleiten.
Bei jeder Ausführungsform kann ein zusätzliches Stück des prismatischen Lichtwellenleitermaterials parallel zu dem lichtemittierenden Flächenabschnitt und außerhalb von ihm angeordnet werden, wobei die flache Seite des zusätzlichen Stücks nach innen zeigt und wobei die Prismen des zusätzlichen Stücks zu den Prismen des lichtemittierenden Flächenabschnittsmaterials im wesentlichen parallel ausgerichtet sind, so daß Strahlen, die durch das lichtemittierende Flächenabschnittsmaterial in zwei Richtungen entweichen, durch das zusätzliche Materialstück in eine einzige Richtung ausgestrahlt werden, die zu der makroskopischen Ebene des Materials senkrecht steht. Vorteilhafterweise ist das zusätzliche Materialstück um einen ausgewählten Abstand von dem lichtemittierenden Flächenabschnittsmaterial getrennt und das Material besitzt eine ausgewählte Dicke, wodurch im wesentlichen das gesamte Licht, das durch eine Prismenfläche auf dem lichtemittierenden Flächenabschnittsmaterial übertragen wird, eine parallele Prismenfläche auf dem zusätzlichen Stück trifft.
Bei jeder Ausführungsform kann die Leuchte eine Lichtablenkungseinrichtung besitzen, um den Lichtstrahlen, die sich in der Leuchte ausbreiten, kleine, relative Richtungsänderungen zu verleihen. Dies verhindert, daß bestimmte Strahlentypen innerhalb der Leuchte "eingefangen" werden. Die Lichtablenkungseinrichtung kann aus verschiedenen Formen eine bestimmte annehmen, die umfassen: eine Krümmung der Leuchte entlang ihrer Längsachse; leichte Winkelabweichungen in der Querschnittsform der Leuchte bezüglich einer mathematisch idealen Form; oder einen Schirm, der senkrecht zu der Längsachse der Leuchte befestigt ist.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Figur 1 ist eine Querschnittsabbildung einer bekannten, einen prismatischen Lichtwellenleiter aufweisenden Leuchte mit einer Lichtextraktionsvorrichtung, die bewirkt, daß der Wellenleiter in einer kontrollierten Weise Licht ausstrahlt.
Figur 2 zeigt, wie die Leuchte aus Figur 1 in Übereinstimmung mit dem Stand der Technik verbessert werden kann, so daß Lichtstrahlen, die durch die Extraktionsvorrichtung reflektiert werden und die aus dem Wellenleiter ohne weitere Reflexion entweichen, in eine bevorzugte Richtung entweichen. Figur 2 zeigt, daß Lichtstrahlen, die von der Extraktionsvorrichtung reflektiert werden, jedoch aus dem Lichtwellenleiter nur nach weiterer Reflexion entweichen, in nicht bevorzugte Richtungen entweichen.
Figur 3 ist eine vergrößerte Querschnittsabbildung des prismatischen Lichtwellenleiterwandmaterials, die zeigt, daß, wenn ein Lichtstrahl auf die ebene Fläche des Materials mit dem richtigen Einfallswinkel trifft, er durch das Material hindurch geht und aus der anderen Seite in eine zu der ebenen Fläche senkrecht stehende Richtung austritt; und daß alle reflektierten Strahlen entweder spiegelnd reflektiert oder retroreflektiert werden.
Figur 4 ist zu Figur 3 ähnlich, zeigt jedoch einen spiegelnden Reflektor, der neben den Prismenflächen des prismatischen Lichtwellenleiterwandmaterials so angeordnet ist, daß alle Lichtstrahlen, die die ebene Fläche des Materials treffen, eine rein spiegelnde Reflexion oder eine reine Retroreflexion erfahren.
Figur 5 stellt eine Ellipse und bestimmte mathematische Eigenschaften von ihr dar.
Die Figuren 6(a) und 6(b) sind Querschnittsabbildungen der einen prismatischen Lichtwellenleiter aufweisenden Leuchten mit elliptischen Querschnitten gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung.
Figur 7 ist eine Querschnittsabbildung einer einen prismatischen Lichtwellenleiter aufweisenden Leuchte mit einem halbelliptischen Querschnitt gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
Figur 8 ist zu Figur 7 ähnlich, zeigt jedoch die Leuchte mit einem vergrößerten lichtemittierenden Abschnitt und mit einer Fresnellinse, die über dem lichtemittierenden Abschnitt befestigt ist.
Figur 9 ist eine Querschnittsabbildung einer einen prismatischen Lichtwellenleiter aufweisenden Leuchte mit einem kreisförmigen Querschnitt gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
Figur 10 ist eine vergrößerte Querschnittsabbildung zweier Stücke des prismatischen Lichtwellenleiterwandmaterials, die Rücken an Rücken so angeordnet sind, daß Licht, das auf die obere Prismenfläche senkrecht zu den ebenen Flächen trifft, umgeleitet wird und von der unteren Prismenfläche senkrecht zu den ebenen Flächen ausgestrahlt wird.
Figur 11 zeigt, wie die Lichtumleitungstechnik aus Figur 10 auf die Leuchte aus Figur 9 angewendet werden kann.
Figur 12 ist zu Figur 11 ähnlich, zeigt jedoch eine Leuchte mit einem halbkreisförmigen Querschnitt.
Figur 13 ist zu Figur 12 ähnlich, zeigt jedoch die Leuchte mit einem vergrößerten lichtemittierenden Abschnitt und mit einer Fresnellinse, die über dem lichtemittierenden Abschnitt befestigt ist.
Die Figuren 14(a) und 14(b) sind Querschnittsabbildungen der Leuchten ähnlich derjenigen aus Figur 7, die zeigen, daß derartige Leuchten bestimmte Lichtstrahlen wiederholt reflektieren können, ohne sie auf eine Extraktionsvorrichtung zu richten, so daß die Strahlen nicht aus der Leuchte entweichen.
Figur 15 zeigt, wie die Leuchte aus Figur 7 angepaßt werden kann, um dem in den Figuren 14(a) und 14(b) veranschaulichten Problem entgegenzuwirken.
Figur 16 ist eine Draufsicht einer einen prismatischen Lichtwellenleiter aufweisenden Leuchte mit dem gleichen Querschnitt wie die Leuchte aus Figur 7, die eine andere Weise zeigt, mit der die Leuchte angepaßt werden kann, um dem in den Figuren 14(a) und 14(b) veranschaulichten Problem entgegenzuwirken.
Figur 17 ist ein Draufsicht einer einen prismatischen Lichtwellenleiter aufweisenden Leuchte mit dem gleichen Querschnitt wie die Leuchte aus Figur 7, die noch eine andere Weise zeigt, mit der die Leuchte angepaßt werden kann, um dem in den Figuren 14(a) und 14(b) veranschaulichten Problem entgegenzuwirken.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform

Figur 1 ist eine Querschnittsabbildung einer bekannten, einen prismatischen Lichtwellenleiter aufweisenden Leuchte 10, die allgemein für diejenigen repräsentativ ist, die in den U.S.-Patenten Nrn. 4,615,579; 4,750,798 und 4,787,708 (Whitehead) beschrieben sind. Lichtstrahlen breiten sich entlang des Lichtwellenleiters 12 aus und werden mittels Totalreflexion innerhalb von ihm begrenzt. Der Wellenleiter 12 ist innerhalb einer opaken Verkleidung 14 mit einer reflektierenden Innenfläche und einer lichtemittierenden Öffnung 16 untergebracht. Ein lichtstreuendes Element 18 ist innerhalb des Wellenleiters 12 befestigt. Lichtstrahlen, die sich entlang des Wellenleiters 12 ausbreiten, treffen gelegentlich auf das streuende Element 18, was eine zufällige Änderung der Ausbreitungsrichtung solcher Strahlen bewirkt; normalerweise in eine Richtung, die der Wellenleiter 12 nicht durch Totalreflexion begrenzen kann, was es somit ermöglicht, daß solche Strahlen aus dem Wellenleiter 12 entweichen. Zum Beispiel wird ein von dem Punkt 20 ausgehender Lichtstrahl durch das Element 18 reflektiert und trifft auf den Wellenleiter 12 unter einem Winkel, der zu weiterer Reflexion des Strahls führt, so daß er durch die Wand des Wellenleiters 12 entweicht und durch die Öffnung 16 in eine Richtung 22 austritt. Entsprechend treffen von den Punkten 24, 26 ausgehende Lichtstrahlen auf das Element 18 und entweichen durch den Wellenleiter 12 und die Öffnung 16 in Richtungen 28 bzw. 30. Es ist wichtig anzumerken, daß Licht durch die Öffnung 16 in einen sehr weiten Richtungsbereich austreten kann.
Figur 2 stellt eine weitere bekannte Leuchte 32 dar, die mit der Leuchte 10 identisch ist, außer daß das lichtstreuende Element in zwei Teilelemente 18a, 18b unterteilt ist, von denen jedes eine kleinere Fläche bedeckt als das Element 18 aus Figur 1. Die Teilelemente 18a, 18b nehmen die Form dünner Streifen an, die an Punkten zentriert sind, die auf jeder Seite einer durch die Mitte der lichtemittierenden Öffnung 16 gezogenen senkrechten Linie 34 um einen Winkel versetzt sind. Lichtstrahlen, wie etwa diejenigen, die von den Punkten 36, 38 ausgehend gezeigt sind, werden von den Teilelementen 18a, 18b so reflektiert, daß sie, wenn sie sich direkt auf die Öffnung 16 zubewegen, nach Brechung durch die Wand des Wellenleiters 12 in bevorzugte Richtungen 40, 42 entweichen werden, von denen beide an der Öffnung 16 auf der makroskopischen prismatischen Lichtwellenleiterwandfläche senkrecht stehen. Derartige "direkt entweichende" Strahlen sind im wesentlichen kollimiert bzw. parallel ausgerichtet, wobei der halbe Winkel der Kollimation ungefähr gleich der Gesamtbreite jedes Teilelements 18a oder 18b plus der Breite der Öffnung 16, dividiert durch den Durchmesser der Leuchte 32 ist. Jedoch fällt lediglich ein kleiner Bruchteil des von den Teilelementen 18a, 18b reflektierten Lichts in diese "direkt entweichende" Kategorie. Die meisten Lichtstrahlen, wie etwa der Strahl, der von dem Punkt 44 ausgehend gezeigt ist, laufen nicht direkt zu der Öffnung 16, nachdem sie von dem Teilelement 18a oder 18b reflektiert worden sind, sondern erreichen die Öffnung 16 indirekt nach einer oder mehrerer zusätzlicher Reflexionen an den Innenflächen des Wellenleiters 12. Derartige Strahlen treten durch die Öffnung 16 in nicht bevorzugte Richtungen aus, die an der Öffnung 16 nicht auf der makroskopischen prismatischen Lichtwellenleiterwandfläche senkrecht stehen, wie etwa die Richtung 46.
Figur 3 ist eine vergrößerte Querschnittsabbildung eines Stücks des prismatischen Lichtwellenleiterwandmaterials 48, die die wichtige Eigenschaft dieses Materials veranschaulicht, die bewirkt, daß Licht von Prismenflächen 50 in eine Richtung ausgestrahlt wird, die im wesentlichen auf der glatten Fläche 52 des Materials senkrecht steht. (Das Material muß nicht wie gezeigt eben sein, sondern kann gekrümmt sein und ist es typischerweise, um eine Lichtwellenleiterstruktur zu bilden). Der Lichtstrahl 34 fällt unter einem Winkel θp bezüglich der Senkrechten auf die ebene Fläche 52 ein. Wenn der Strahl 34 auf die Fläche 52 trifft, wird ein Teil seiner Lichtenergie als Strahl 56 reflektiert, der ebenfalls einen Winkel θp bezüglich der Senkrechten bildet. Ein anderer Teil der Lichtenergie des Strahls 34 wird durch das Material 48 als Strahl 58 übertragen, der von der Prismenfläche 50 in eine Richtung ausgestrahlt wird, die auf der ebenen Fläche 52 senkrecht steht. Allgemeiner wird der Strahl 58 von der Fläche 50 in eine auf der Fläche 52 senkrecht stehende Richtung ausgestrahlt, vorausgesetzt, der Winkel θp lautet wie folgt:
θp = sin&supmin;¹ n sin ( π/8 - sin&supmin;¹ 1/n sin π/8 ) (1)
wobei n der Brechungsindex des Materials 48 ist.
Ein weiterer Teil der Lichtenergie des Strahls 34 wird von der Prismenfläche 50 als Strahl 60 retroreflektiert, anstatt durch sie hindurch als Strahl 58 übertragen zu werden. Noch ein weiterer Teil der Lichtenergie des Stahls 34 wird an der Innenseite der ebenen Fläche 52 reflektiert und entweicht anschließend durch die Prismenfläche 50 als Strahl 62. Die Oktaturgeometrie des prismatischen Lichtwellenleiterwandmaterials 48 (wie sie in dem U.S.-Patent Nr. 4,260,220 bestimmt ist) stellt sicher, daß der Strahl 60 derart retroreflektiert wird, daß er auch einen Winkel θp bezüglich der Senkrechten auf der gleichen Seite der Senkrechten wie der Strahl 34 bildet, anstatt der normalen spiegelnden Richtung, wie es der Strahl 56 darstellt. Entsprechend stellt die Oktaturgeometrie sicher, daß der entweichende Strahl 62 ebenfalls senkrecht zu der makroskopischen ebenen Fläche 52 steht, wie es der Strahl 58 darstellt.
Figur 3 zeigt, daß die vorstehend für den Strahl 34 beschriebenen Eigenschaften ebenfalls für den Strahl 64 gelten. Das heißt, der Strahl 64 wird teilweise an der ebenen Fläche 52 als Strahl 66 reflektiert; und wird als Strahl 68 retroreflektiert, nachdem er im Inneren zweimal an der Prismenfläche 50 reflektiert worden ist. Die Strahlen 70 und 72 werden nach dem Durchqueren komplexerer Wege ausgestrahlt. Jedoch wird in allen Fällen die gesamte Lichtenergie des Strahls 64 entweder durch das Material 48 in eine zu der Fläche 52 senkrecht stehende Richtung übertragen; oder von der Fläche 52 in die spiegelnde oder Retrorichtung unter dem gleichen Winkel bezüglich der Querschnittsebene (d.h. der Fläche 52) reflektiert, wie der einfallende Strahl 64.
Figur 4 zeigt einen ebenen spiegelnden Reflektor 74, der angrenzend an die Prismenflächen 50 des prismatischen Lichtwellenleiterwandmaterials 48 angeordnet ist. Der Reflektor 74 reflektiert das meiste des auf ihn einfallenden Lichts. Im wesentlichen wird durch diese Struktur schließlich die gesamte Lichtenergie reflektiert, wie mit den Strahlenwegen 76 - 78 (spiegelnde Reflexion durch den Reflektor 74) und den Strahlenwegen 80 - 82 (Retroreflexion durch die Prismenfläche 50) gezeigt ist. Somit kann man durch Hinzufügen eines äußeren spiegelnden Reflektors 74 sicherstellen, daß für alle Winkel des einfallenden Lichts die Lichtenergie insgesamt entweder in die spiegelnde oder die Retrorichtung in der Querschnittsebene reflektiert wird.
Figur 5 stellt eine Ellipse mit einer Hauptachsenhalblänge A, einer Nebenachsenhalblänge B, einem Brennpunktabstand F und Brennpunkten f&sub1;, f&sub2; dar. Es ist gut bekannt, daß A, B und F wie folgt miteinander verknüpft sind:
F = (A² - B²) (2)
und daß der Winkel θ gegeben ist durch:
Die vorliegende Erfindung kann als einen prismatischen Lichtwellenleiter aufweisende Leuchten bzw. Prismenlichtwellenleiter-Leuchten 84, 86 mit elliptischen Querschnittsformen ausgebildet sein, wie in den Figuren 6(a) bzw. (b) gezeigt ist. Die Außenflächenabschnitte der Leuchten 84, 86 sind abgesehen von den lichtemittierenden Flächenabschnitten oder Öffnungen 88, 90, die auf der entsprechenden Nebenachse der Leuchte angeordnet sind, opak (d.h. das auf die opaken Innenflächen der Leuchten einfallende Licht wird nach innen reflektiert). Die lichtstreuenden Flächen sind doppelstreifige lichtstreuende Elemente 92, 94 und 96, 98. Die Streifen sind auf den entsprechenden Brennpunkten der Ellipse zentriert, für die der Winkel θ den in Gleichung (1) gegebenen Wert θp besitzt. Wenn dies auf die Gleichungen (2) und (3) für ein typisches prismatisches Lichtwellenleiterwandmaterial mit einem Brechungsindex von n = 1.6 angewendet wird, führt dies zu einem Verhältnis A : B von etwa 1.16 und legt die Brennpunkte auf etwa 0.52 A von der Mitte der Hauptachse fest, wobei der Winkel θp etwa 32º beträgt.
Bei der Ausführungsform aus Figur 6(a) wird das prismatische Lichtwellenleiterwandmaterial 100 nur in der lichtemittierenden Öffnung 88 verwendet. Der Rest des Inneren der Leuchte 84 ist aus opakem, spiegelnd reflektierendem Material 102 ausgebildet, das ein poliertes Metall, ein auf einer Kunststoffolie abgelagerter Metallfilm, oder eine andere geeignet hochreflektierende, spiegelnde Fläche sein könnte. In dem Fall der Lichtstrahlen, die direkt zu dem prismatischen Lichtwellenleitermaterial 100 laufen, nachdem sie durch die Elemente 92, 94 gestreut worden sind, verhält sich der Lichtwellenleiter 84 im wesentlichen genauso wie der Lichtwellenleiter 32, der in Verbindung mit Figur 2 beschrieben ist. Zum Beispiel wird der Lichtstrahl 104 von dem Element 92 gestreut, läuft direkt zu dem Material 100 und wird von diesem in eine senkrechte Richtung als Strahl 106 ausgestrahlt.
Ein Schlüsselmerkmal, das den Lichtwellenleiter 84 von dem Lichtwellenleiter 32 unterscheidet, besteht in der Weise, in der der Wellenleiter 84 Lichtstrahlen behandelt, die nicht direkt zu dem prismatischen Lichtwellenleitermaterial 100 laufen, nachdem sie durch die Elemente 92, 94 gestreut worden sind. Zum Beispiel wird der Lichtstrahl 108 durch das Element 92 auf einen Punkt auf der reflektierenden Innenfläche des Materials 102 gestreut, an dem er spiegelnd reflektiert wird. Eine Ellipse besitzt die mathematische Eigenschaft, daß ein derartiger spiegelnd reflektierter Strahl, der von einem Brennpunkt oder in der Nähe von ihm ausgeht, auf einen Punkt an dem gegenüberliegenden Brennpunkt oder in der Nähe von diesem reflektiert werden wird. Deshalb läuft, wie in Figur 6(a) gezeigt, der spiegelnd reflektierte Strahl direkt zu dem lichtstreuenden Element 94 an dem anderen Brennpunkt und wird wieder gestreut. Der Strahl ist dann direkt durch das Material 100 laufend gezeigt, durch das er in eine senkrechte Richtung als Strahl 110 ausgestrahlt wird. In anderen Fällen kann der spiegelnd reflektierte Strahl durch das Element 94 gestreut werden, so daß er eine zusätzliche spiegelnde Zwischenreflexion an einem anderen Punkt auf der reflektierenden Innenfläche des Materials 102 erfährt. Jedoch erreicht schließlich die Lichtenergie zwangsläufig die lichtemittierende Öffnung 88 und wird durch sie in die senkrechte Richtung ausgestrahlt.
Die Ausführungsform aus Figur 6(a) verbindet somit zwei Schlüsselmerkmale. Erstens wird, da die lichtstreuenden Elemente 92, 94 einen relativ kleinen Raumwinkel bezüglich der Öffnung 88 einnehmen, und aufgrund der vorhergehend beschriebenen Geometrieeigenschaften des prismatischen Lichtwellenleiterwandmaterials 100, Licht, das direkt durch die Elemente 92, 94 auf das Material 100 gestreut wird, in einen schmalen Winkelbereich ausgestrahlt, der auf der Senkrechten zu der makroskopischen Fläche des prismatischen Lichtwellenleiterwandmaterials 100 zentriert ist. Zweitens verhindert die elliptische Geometrie des Wellenleiters 84, daß Lichtstrahlen durch das Material 100 indirekt entweichen. Das heißt, Lichtstrahlen, die nicht direkt von den Elementen 92, 94 zu dem Material 100 laufen, werden wirksam zu den streuenden Elementen 92, 94 zurück reflektiert, an denen sie eine weitere Gelegenheit besitzen, direkt zu dem lichtemittierenden Bereich zu laufen (d.h. zu dem Material 100 innerhalb der Öffnung 88). Somit kann sehr wenig Lichtenergie unter Winkeln entweichen, die außerhalb des charakteristischen Winkelbereichs der direkten Ausstrahlung von der Fläche liegen, die von den lichtstreuenden Elementen 92, 94 eingenommen wird. Das meiste der Lichtenergie wird vorzugsweise in diesen gewünschten Winkelbereich wirksam ausgestrahlt.
Im Prinzip kann der Winkelbereich des entweichenden Lichts, der in der Querschnittsebene gesehen wird, wesentlich geringer als der Divergenzwinkel des Lichts sein, das sich durch den prismatischen Lichtwellenleiter 84 ausbreitet. Tatsächlich hat die Divergenz des sich durch den prismatischen Lichtwellenleiter 84 ausbreitenden Lichts keine Wirkung auf irgendeine Winkelverteilung des ausgestrahlten Lichts, da alle Richtungsbeiträge des übertragenen Lichts verloren gehen, nachdem das Licht zufällig durch die Elemente 92, 94 gestreut ist. In der Praxis wird der Hauptfaktor, der den möglichen Kollimationsgrad begrenzen wird, die praktische Begrenzung der Reflektivität der Fläche 102 sein. Je geringer die Größe der lichtemittierenden Öffnung 88 und der streuenden Elemente 92, 94 ist, desto größer ist die Anzahl der optischen Reflexionen, die ein Lichtstrahl erfahren muß, bevor er aus dem Wellenleiter 84 entweicht. Dies erhöht die Lichtverlustmenge aufgrund von Absorption; und vergrößert die Möglichkeit, daß sich Licht über die gesamte Länge des Wellenleiters 84 und zurück zu der Lichtquelle bewegt und folglich verloren geht. In der Praxis ist es herausgefunden worden, daß es praktisch ist, den Ausstrahlungswinkelbereich auf weniger als ± 20º in der Querschnittsrichtung einzuschränken, einen Kollimationsgrad, der bei allgemein tiefstrahlenden Anwendungen und bei Außenbeleuchtungen von Außenschildern sehr brauchbar ist.
Figur 6(b) zeigt, wie der Wellenleiter aus Figur 6(a) so angepaßt werden kann, daß der Lichtverlust durch Absorption aufgrund der mehrfachen inneren Reflexionen verringert wird, wie vorstehend erwähnt ist. In Figur 6(b) umgibt das prismatische Lichtwellenleiterwandmaterial 112 das gesamte Innere der elliptischen Form, und spiegelnd reflektierendes Material 114 ist außerhalb des Materials 112 über dem gesamten nicht lichtemittierenden Abschnitt des Wellenleiters 86 angeordnet. Wie vorstehend in Verbindung mit Figur 4 beschrieben ist, führt die Kombination aus spiegelnd reflektierendem Material und prismatischem Lichtwellenleitermaterial zu einer Oberfläche, die in der Querschnittsebene teilweise spiegelnd reflektierend und teilweise retroreflektierend ist. Dies ist vollkommen mit dem gewünschten Verhalten des Wellenleiters 86 vereinbar.
Insbesondere wird, wie in Figur 6(b) gezeigt, der Lichtstrahl 134 durch das Element 96 gestreut, so daß er sich zuerst zu dem Punkt 116 auf dem nicht lichtemittierenden Abschnitt des Wellenleiters 86 bewegt, an dem er in der Querschnittsebene zurück zu dem Abschnitt des Elements 96 retroreflektiert wird, von dem er ausging. Dann wird der Strahl wieder durch das Element 96 gestreut, wobei er sich zu dieser Zeit zu einem anderen Punkt 118 auf dem nicht lichtemittierenden Abschnitt des Wellenleiters 86 bewegt, an dem er eine spiegelnde anstelle einer Retroreflexion erfährt, und folglich zu dem anderen Ellipsenbrennpunktbereich läuft, der von dem Element 98 eingenommen wird. Somit wird ungeachtet davon, ob ein spezieller Strahl retroreflektiert oder spiegelnd reflektiert oder beides wird, das Gesamte der Lichtenergie dieses Strahls an die lichtstreuende Fläche zurückgegeben, die von den Elementen 96, 98 eingenommen wird; sofern der Strahl nicht direkt von einem der Elemente 96, 98 zu der lichtemittierenden Öffnung 90 läuft, wobei er in diesem Fall durch die Öffnung 90 in die senkrechte Richtung 120 entweicht. Diese Konfiguration, bei der das prismatische Lichtwellenleiterwandmaterial 112 das gesamte Innere des Wellenleiters 86 bedeckt, führt zu einer effizienteren Lichtführung, einer effizienteren Konzentration des gestreuten Lichts auf die lichtemittierende Öffnung 90 und stellt unter vielen Umständen auch eine praktischere Form zum Herstellen dar.
Damit die Ausführungsformen aus Figur 6(a) und 6(b) richtig arbeiten, sollte das Material, das verwendet wird, um die lichtstreuenden Elemente 92, 94, 96, 98 auszubilden, lichtdurchlässig sein, oder es sollte lediglich Licht streuen, das auf die Seite des Materials einfällt, die der lichtemittierenden Öffnung gegenüberliegt, und sollte auf der anderen Seite spiegelnd reflektierend sein. Wenn das Material Licht streuen würde, das auf seine Seite eingefallen ist, die von der lichtemittierenden Öffnung weg zeigt, würde dieses Licht nicht aus dem Wellenleiter entweichen, sofern keine andere lichtemittierende Öffnung auf der gegenüberliegenden Seite des Wellenleiters vorgesehen wäre (d.h. jeweils gegenüber der Öffnungen 88, 90).
Die vorstehenden Überlegungen helfen, den Vorteil einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zu zeigen, die in Figur 7 gezeigt ist, bei der die Querschnittsform des Lichtwellenleiters 122 eine Halbellipse ist, wobei sein nichtgekrümmter Abschnitt 124 auf der Hauptachse der Ellipse liegt und wobei lichtstreuende Elemente 126, 128 an der Hauptachse an den Ellipsenbrennpunkten angeordnet sind. Wie veranschaulicht, entspricht der Lichtwellenleiter 122 dem vollelliptischen Wellenleiter 84 insofern, daß prismatisches Lichtwellenleiterwandmaterial 130 lediglich in der lichtemittierenden Öffnung 132 verwendet ist, wobei der Rest des Inneren des Wellenleiters 122 aus spiegelnd reflektierendem Material ausgebildet ist. Es wird jedoch verständlich sein, daß der Wellenleiter 122 aus einer Kombination aus spiegelnd reflektierendem Material und prismatischern Lichtwellenleiterwandmaterial hergestellt sein kann, wie vorstehend diskutiert ist. Das Verhalten des Lichtwellenleiters 122 ist im wesentlichen das gleiche, wie vorstehend für die vollelliptischen Lichtwellenleiter 84, 86 beschrieben ist. Wie in Figur 7 gezeigt ist, tritt der Lichtstrahl 134 schließlich als Strahl 136 aus, der sich in die senkrechte Richtung bewegt. Jedoch ist anzumerken, daß bei dem Wellenleiter 122 die lichtstreuenden Elemente 126, 128 vollständig opak sein können und daß die Struktur weniger tief ist als die Wellenleiter 84, 86.
Da die lichtstreuenden Elemente 126, 128 des Wellenleiters 122 nicht durchlässig sein müssen, können sie eine große Vielfalt an Formen annehmen. Zum Beispiel könnte der gewünschte lichtstreuende Effekt erreicht werden, indem ein weißer Anstrich auf die Elemente 126, 128 aufgetragen wird oder indem die Elemente siebgedruckt werden oder indem ein separater weißer oder lichtdurchlässiger Film auf die Elemente aufgeklebt wird. Ein weiterer Vorteil dieser Ausführung besteht darin, daß es keine Notwendigkeit für eine separate physikalische Einrichtung gibt, um die lichtstreuenden Elemente auf den Ellipsenbrennpunkten anzuordnen, wie sie in dem Fall der Lichtwellenleiter 84, 86 erforderlich ist.
Figur 8 zeigt einen weiteren halbelliptischen Lichtwellenleiter 138, der dem Wellenleiter 122 ähnlich ist, außer daß die lichtemittierende Öffnung 140 in dem Wellenleiter 138 wesentlich größer ist als die Öffnung 132 in dem Wellenleiter 122. Prismatisches Lichtwellenleiterwandmaterial 142 ist in der Öffnung 140 vorgesehen. Licht, das durch irgendeinen kleinen Bereich des Materials 142 ausgestrahlt wird, wird einigermaßen gut kollimiert. Jedoch wird sich die senkrechte Richtung zu der Prismenfläche des Materials 142 über dieser Fläche verändern, da die elliptische Form des Wellenleiters 138 die Fläche einer beträchtlichen Krümmung über ihren größeren Bereich unterwirft. In einigen Fällen kann dieser Effekt wünschenswert und brauchbar sein, jedoch wird er es in vielen Fällen nicht sein. Dennoch ist es vorteilhaft, die Größe der lichtemittierenden Öffnung zu vergrößern, da dies die mittlere Anzahl innerer Reflexionen verringert, die die Lichtenergie erfahren muß, bevor sie entweicht, und deshalb die Leistung der Einrichtung verbessert. Deshalb ist es, wie in Figur 8 gezeigt, oftmals erwünscht, die Öffnung 140 größer zu machen und eine lineare Fresnellinse 144 zu verwenden, um das entweichende Licht in Richtung einer im wesentlichen konstanten bevorzugten Richtung über die gesamte Ausdehnung der Öffnung 140 umzuleiten.
Dies ist eine einfache Technik, da es allgemein gesagt, nicht notwendig ist, daß die Fresnellinse 144 hochgenau ist, vorausgesetzt, daß der gesamte Winkelbereich des ausgestrahlten Lichts normalerweise mehr als 10º beträgt. Aufgrund dieser niedrigen Toleranz wird es oftmals möglich sein, gebrauchsfertige lineare Fresnellinsen anstelle solcher zu verwenden, die für diese besondere Aufgabe maßgefertigt sind. Wahlweise wird es oftmals möglich sein, die notwendige Fresnellinsenform in eine schützende Außenverkleidung für die aus einem Lichtwellenleiter bestehende Leuchte unter Verwendung vergleichsweise grober Formtechniken, wie etwa Strangpressen und Vollprägen, zu formen, um das ungefähr gewünschte Fresnellinsenprofil zu erhalten.
Die vorstehend diskutierten Ausführungsformen verwenden elliptische Formen, jedoch ist dies nicht das einzige Mittel zum Erzielen der Vorteile der Erfindung. Im allgemeinen besitzen die gemäß der Erfindung aufgebauten Lichtwellenleiter Querschnitte, die mit speziellen mathematischen Formen übereinstimmen, und besitzen eine lichtstreuende Fläche oder lichtstreuende Flächen an einer bestimmten Stelle oder bestimmten Stellen, so daß zwei Grundbedingungen erfüllt sind. Zuerst wird Licht, das direkt von der lichtstreuenden Fläche oder den lichtstreuenden Flächen zu dem lichtemittierenden Abschnitt des Wellenleiters läuft, in einer im wesentlichen nichtdiffusen Weise ausgestrahlt. Zweitens wird Licht, das nicht direkt von der lichtstreuenden Fläche oder den lichtstreuenden Flächen zu dem lichtemittierenden Abschnitt des Wellenleiters läuft, im wesentlichen zurück auf die lichtstreuende Fläche oder die lichtstreuenden Flächen reflektiert, so daß es eine weitere Gelegenheit gibt, direkt zu dem lichtemittierenden Abschnitt zu laufen, und somit in der gewünschten nichtdiffusen Weise zu entweichen.
Figur 9 zeigt eine alternative Form, die diese Grundausführungskonzepte verbindet. In diesem Fall ist der Lichtwellenleiter 146 zylindrisch (im Querschnitt kreisförmig) und das lichtstreuende Element 148 ist ein einziger verlängerter Streifen mit einer Länge, die etwa gleich der Länge der lichtemittierenden Öffnung 150 ist, und ist auf der Achse des zylindrischen Wellenleiters zentriert. Die lichtemittierende Öffnung 150 enthält prismatisches Lichtwellenleiterwandmaterial 152, wobei die Prismen nach innen anstatt nach außen zeigen (was eine der großen Vielfalt an Prismenkonfigurationen ist, die unter die allgemeine Definition "prismatischer Lichtwellenleiter" bzw. "Prismenlichtwellenleiter" fallen). Es ist notwendig, daß die Prismen bei dieser Ausführungsform nach innen zeigen, damit ein wesentlicher Betrag des direkt von dem lichtstreuenden Element 148 zu dem Material 152 laufenden Lichts wirksam übertragen werden kann.
Wie in Figur 9 gezeigt ist, erfährt der Lichtstrahl 154 einige Wechselwirkungen und läuft dann direkt von dem lichtstreuenden Element 148 zu der lichtemittierenden Öffnung 150, durch die er in zwei verschiedene Richtungen 156, 158 ausgestrahlt wird. Dies sind unterschiedliche Richtungen, jedoch liegen sie beide auf dem gleichen Winkel θp bezüglich der normalen Richtung zu der makroskopischen Fläche des Materials 152. Ein Vorteil dieser Ausführung besteht darin, daß kreisförmige Querschnitte oftmals einfacher herzustellen sind als elliptische Querschnitte. Jedoch besteht ein eindeutiger Nachteil darin, daß das ausgestrahlte Licht, während es nichtdiffus ist, in zwei Richtungen konzentriert ist, die das Spiegelbild voneinander bezüglich einer Ebene sind, die durch die Achse des Wellenleiters läuft und senkrecht zu der makroskopischen prismatischen Lichtwellenleiterwandfläche an der Öffnung 150 steht.
Figur 10 zeigt, wie von dem Wellenleiter 146 in zwei Richtungen ausgestrahltes Licht in eine einzige Richtung umgeleitet werden kann. In Figur 10 stellt prismatisches Lichtwellenleiterwandmaterial 160 das in Figur 9 gezeigte Material 152 dar. Durch Ersetzen eines anderen Stücks 162 des prismatischen Lichtwellenleiterwandmaterials angrenzend an das Material 160 kann man das entweichende Licht wirksam "nicht divergieren lassen". Überdies kehren irgendwelche Lichtstrahlen, die durch teilweise Reflexionen auf den Innenflächen reflektiert werden, in die senkrechte Richtung zurück und kehren somit zu dem lichtstreuenden Element zurück, um wiederverwendet zu werden. Lichtübertragung durch die Anordnung aus Figur 10 ist insbesondere wirksam, wenn die Stücke des Materials 160, 162 wie gezeigt aneinandergrenzend liegen, wobei die Prismenflächen um einen Abstand 164 getrennt sind, der so ausgewählt ist, daß sich Lichtstrahlen weitestgehend direkt von einer Prismenfläche auf dem Material 160 zu einer entsprechenden parallelen Prismenfläche auf dem anderen Stück des Materials 162 bewegen. Eine derartige Präzisionsausrichtung ist jedoch nicht notwendig, da sogar mit ungenauer Ausrichtung ein wesentlicher Bruchteil der Lichtstrahlen übertragen werden wird und im wesentlichen alle reflektierten Lichtstrahlen zu dem lichtstreuenden Element zurückgegeben werden, um wieder ausgestrahlt zu werden.
Figur 11 zeigt, wie das Konzept aus Figur 10 auf den Lichtwellenleiter 146 aus Figur 9 angewendet wird, um gerichtete Lichtausstrahlung in eine Richtung zu erreichen, die an dem lichtemittierenden Abschnitt senkrecht zu der makroskopischen Ebene des prismatischen Lichtwellenleiterwandmaterials steht. Der Lichtstrahl 166 wird durch das Element 148 gestreut und läuft dann direkt zu der lichtemittierenden Öffnung 150, wobei er durch das Material 152 in zwei verschiedene Richtungen entweicht, wie vorstehend erwähnt. Das zusätzliche Stück des prismatischen Lichtwellenleiterwandmaterials 162, das angrenzend an das Material 152 angeordnet ist, wie vorstehend in Verbindung mit Figur 10 beschrieben ist, leitet die zwei entweichenden Strahlen so um, daß sie beide in Richtungen 166, 168 ausgestrahlt werden, die an der lichtemittierenden Öffnung 150 senkrecht zu der makroskopischen Ebene des Materials stehen.
Die gleichen Überlegungen, die zu der halbelliptischen Ausführungsform aus Figur 7 geführt haben, gelten für den kreisförmigen Querschnitt. Somit kann, wie in Figur 12 gezeigt ist, ein halbzylindrischer Lichtwellenleiter 170 mit einem halbkreisförmigen Querschnitt vorgesehen werden, wobei sein nichtgekrümmter Abschnitt 172 auf der zylindrischen Achse 174 des Wellenleiters liegt und wobei das lichtstreuende Element 176 an der Achse 174 angeordnet ist. Wie veranschaulicht, entspricht der Lichtwellenleiter 170 dem vollzylindrischen Wellenleiter 146 insofern, daß die Rücken an Rücken liegenden Stücke des prismatischen Lichtwellenleiterwandmaterials 178, 180 lediglich in der lichtemittierenden Öffnung 182 verwendet werden, wobei der Rest des Inneren des Wellenleiters 170 aus spiegelnd reflektierendem Material ausgebildet ist. Jedoch wird es verständlich sein, daß der Wellenleiter 122 aus einer Kombination aus spiegelnd reflektierendem Material und prismatischem Lichtwellenleiterwandmaterial bestehen kann, wie vorstehend diskutiert ist. Das Verhalten des Lichtwellenleiters 170 ist im wesentlichen das gleiche wie vorstehend in Verbindung mit Figur 11 für den vollzylindrischen Lichtwellenleiter 146 beschrieben ist. Wie in Figur 12 gezeigt ist, tritt der Lichtstrahl 184 schließlich als Strahl 186 aus, der sich in die senkrechte Richtung bewegt. Bei dem Wellenleiter 170 kann anders als bei dem Wellenleiter 146 das lichtstreuende Element 176 vollständig opak sein. Der Wellenleiter 170 ist auch weniger tief als der Wellenleiter 146.
In ähnlicher Weise kann das Konzept des Vergrößerns der lichtemittierenden Öffnung und dann des Korrigierens der Winkelabweichungen bei dem ausgestrahlten Licht mit einer Fresnellinse auf die halbkreisförmige Ausführungsform angewendet werden, wie in Figur 13 gezeigt ist. Der Lichtwellenleiter aus Figur 13 ist zu dem Lichtwellenleiter aus Figur 8 ähnlich, außer daß der Wellenleiter aus Figur 13 im Querschnitt halbkreisförmig ist und in der lichtemittierenden Öffnung 182 Rücken an Rücken liegende Stücke des prismatischen Lichtwellenleiterwandmaterials 178, 180 besitzt. Der Lichtstrahl 188 wird durch das Element 176 gestreut und läuft dann direkt zu der lichtemittierenden Öffnung 182, wobei er durch das Material 178 in zwei verschiedene Richtungen entweicht, wie vorstehend erwähnt ist. Das zusätzliche Stück des prismatischen Lichtwellenleiterwandmaterials 180, das angrenzend an das Material 178 angeordnet ist, leitet die zwei entweichenden Strahlen so um, daß sie beide in Richtungen senkrecht zu der makroskopischen Ebene des Materials an der lichtemittierenden Öffnung 182 ausgestrahlt werden. Jedoch ändert sich aufgrund der Krümmung, die durch die vergrößerte Öffnung bedingt wird, die senkrechte Richtung zu dem prismatischen Material über die Öffnung 182, so daß eine Fresnellinse 190 vorgesehen wird, um das entweichende Licht in Richtung einer im wesentlichen konstanten bevorzugten Richtung 192 über die gesamte Ausdehnung der Öffnung 182 umzuleiten.
Es ist wichtig anzumerken, daß die vorstehend beschriebenen Techniken einer vergrößerten lichtemittierenden Öffnung mit einer Fresnellinse und die Verwendung von entweder spiegelnd reflektierendem Material alleine oder einer Kombination aus prismatischen Lichtwellenleiterwandmaterial und spiegelndem Material, um den nicht lichtemittierenden Abschnitt des Lichtwellenleiters auszubilden, auf alle Ausführungsformen der Erfindung angewendet werden kann. Die optimale Kombination dieser Techniken wird von einer genauen Analyse der Kosten der verwendeten Materialien und den gewünschten zu erhaltenden Leistungen abhängen.
Ein weiterer Faktor, der die Leistung der prismatischen Lichtwellenleiter, die in Übereinstimmung mit der Erfindung aufgebaut sind, beeinflussen kann, ist in den Figuren 14(a) und 14(b) veranschaulicht. Die Figur 14(a) zeigt einen Lichtstrahl 194, der mehrfache Reflexionen innerhalb eines Lichtwellenleiters 196 mit einem halbelliptischen Querschnitt in einer Weise erfährt, die nicht dazu führt, daß der Strahl 194 jemals die lichtstreuenden Elemente 198 oder 200 erreicht. Es ist eine mathematische Eigenschaft der Ellipse, daß derartige Lichtwege existieren. Strahlen, die derartige Wege in dem Wellenleiter 196 durchqueren, werden nicht wirksam ausgestrahlt.
Figur 14(b) stellt den gleichen halbelliptischen Lichtwellenleiter 196 dar und zeigt ein anderes Beispiel eines Lichtstrahls, der mehrfache Reflexionen erfährt, ohne jemals die lichtstreuenden Elemente 198 oder 200 zu erreichen. Ähnliche Probleme existieren für Lichtwellenleiter mit vollelliptischen, vollzylindrischen oder halbzylindrischen Querschnitten und existieren wahrscheinlich auch für Lichtwellenleiter mit irgendeiner anderen Form, die sehr genau das Ausführungsziel erreichen, im wesentlichen das gesamte Licht umzuleiten, das von der lichtstreuenden Fläche zurück zu der lichtstreuenden Fläche in dem Fall gestreut wird, daß es nicht direkt zu dem lichtemittierenden Abschnitt des Wellenleiters läuft und aus ihm entweicht. Glücklicherweise gibt es einige Lösungen dieses Problems, von denen alle die Genauigkeit der vorstehend erwähnten Lichtumleitung etwas verringern, jedoch in einem Maß, das nicht wesentlich den grundlegenden Betrieb behindert.
Figur 15 zeigt eine Lösung, bei der die Querschnittsform des Lichtwellenleiters 202 von der mathematisch idealen Ellipse, dem Kreis oder was auch immer für eine mathematische Form verwendet wird, leicht abweicht, um das vorstehend erwähnte Ausführungsziel zu erreichen. Die Abweichung kann die Form mechanischer Verzerrung annehmen, wie in Figur 15 gezeigt ist, oder kann von Winkelabweichungen innerhalb des prismatischen reflektierenden Materials oder in der Orientierung von diesem herrühren. Auf jeden Fall ist die Abweichung gering genug, daß für die kleine Anzahl an Reflexionen, die erforderlich sind, damit das Licht nach dem Streuen entweicht, die Ziele des erfindungsgemäßen Designs nicht bedeutend gefährdet werden (d.h. minimales Licht geht durch Absorption verloren oder wird außerhalb des bevorzugten Ausstrahlungswinkelbereichs ausgestrahlt); jedoch ist über die große Anzahl an Reflexionen, die ein Lichtstrahl erfährt, wenn er sich entlang des Wellenleiters ausbreitet, die Abweichung ausreichend, um Strahlen zu befreien, die andernfalls auf Wege wie diejenigen, die in den Figuren 14(a) und 14(b) gezeigt sind, begrenzt sein würden. Somit durchquert der Lichtstrahl 203 langsam den Querschnitt, erreicht schließlich das lichtstreuende Element 205 und entweicht.
Figur 16 zeigt eine andere Lösung, indem eine Draufsicht eines prismatischen Lichtwellenleiters 204 mit dem in den Figuren 14(a) und 14(b) gezeigten halbelliptischen Querschnitt dargestellt ist, jedoch mit einer leicht gekrümmten Längsachse. Der Lichtstrahl 206, der andernfalls auf Wege wie diejenigen, die in den Figuren 14(a) und 14(b) gezeigt sind, begrenzt sein würde, durchquert langsam den Querschnitt in einer Weise, die zu derjenigen, die in Figur gezeigt ist, ähnlich ist, erreicht schließlich den lichtstreuenden Streifen 208 und entweicht.
Noch eine andere Lösung ist in Figur 17 gezeigt, bei der lichtablenkende Folien 211, 212 in Abständen entlang der Länge des prismatischen Lichtwellenleiters 210 angeordnet sind. Die Folien 211, 212 besitzen die Eigenschaft, daß sie Licht wirksam durchlassen, jedoch die Lichtrichtung leicht ändern, erneut um die Strahlenausbreitungseigenschaften ausreichend zu ändern, um es zu ermöglichen, daß anderweitig eingefangene Strahlen entweichen. Die Folien 211, 212 können Acrylfolien sein, die mit Rohm & Haas PLEXI-L -Zusatzstoff dotiert sind, um kleine Winkelabweichungen mit geringer Rückstreuung zu erzeugen.
Die Figuren 15, 16 und 17 veranschaulichen spezielle Beispiele der Lösungen des in den Figuren 14(a) und 14(b) dargestellten Problems, jedoch könnten zahlreiche andere Verfahren verwendet werden. Alles, was benötigt wird, ist eine Einrichtung zum Verzerren bzw. Stören der perfekten Geometrie der gewünschten Querschnittsform des Lichtwellenleiters bis zu einem Grad, der nicht wesentlich die effektive Bündelung des entweichenden Lichts behindert, während es ermöglicht wird, daß eingefangene Lichtstrahlen nach und nach zu den lichtstreuenden Flächen "wandern", so daß sie wirksam aus dem Wellenleiter ausgestrahlt werden können.
Eine große Vielzahl optischer Konfigurationen fällt in den Schutzbereich der Erfindung. Man braucht nur eine Querschnittsgeometrie des Lichtwellenleiters zu bestimmen, bei der Lichtstrahlen, die direkt von der lichtstreuenden Fläche zu dem lichtemittierenden Abschnitt des Wellenleiters unter Winkeln außerhalb des Akzeptanzwinkelbereichs des prismatischen Lichtwellenleitermaterials laufen, nichtdiffus ausgestrahlt werden, und die im wesentlichen (i) Strahlen, die nicht direkt von der lichtstreuenden Fläche zu dem lichtemittierenden Abschnitt laufen, und (ii) Strahlen, die direkt von der lichtstreuenden Fläche zu dem lichtemittierenden Abschnitt laufen, jedoch teilweise oder vollständig durch das prismatische Lichtwellenleitermaterial reflektiert werden, im wesentlichen wirksam zurück zu der lichtstreuenden Fläche umleitet.
Insbesondere sollte es erkannt werden, daß unter verschiedenen Umständen mehrere Formen verwendet werden können, um verschiedene gewünschte Muster für gerichtete Ausstrahlung des Lichts über einen ausgewählten Winkelbereich zu erreichen. Man muß lediglich sicherstellen, daß das Licht wirksam umgeleitet wird, wie hier beschrieben, und daß die lichtstreuende Fläche nicht das meiste des Inneren des Lichtwellenleiters einnimmt, wenn er von dem lichtemittierenden Abschnitt aus gesehen wird. Mit anderen Worten, der Winkelbereich, durch den Licht direkt von der lichtstreuenden Fläche zu dem lichtemittierenden Abschnitt laufen kann, sollte wesentlich kleiner als die Hälfte einer Kugel sein, oder mit mathematischen Ausdrücken, der mit diesem Bereich der Vektorwege verknüpfte Raumwinkel sollte kleiner als 2π sein.
Dieses einzigartige Erfindungskonzept kann von einem Fachmann für optisches Design angewendet werden, um Konfigurationen zu entwickeln, die am besten die Notwendigkeiten spezieller Anwendungen treffen, einschließlich von Anwendungen, an die momentan nicht notwendigerweise gedacht worden ist. Deshalb ist der Schutzbereich dieser Erfindung lediglich durch die folgenden Patentansprüche bestimmt und eingeschränkt.

Claims

1. Einen prismatischen Lichtwellenleiter aufweisende Leuchte (84) mit opaken (102) und lichtemittierenden (88) Flächenabschnitten, die zusammen eine ausgewählte Querschnittsform bilden; wobei der opake Flächenabschnitt eine lichtreflektierende Eigenschaft besitzt; und der lichtemittierende Flächenabschnitt ein prismatisches Lichtwellenleiterelement (100) aufweist, um innerhalb der Leuchte Lichtstrahlen zu begrenzen, die auf das Material unter Winkeln einfallen, die innerhalb eines Akzeptanzwinkelbereichs des Materials liegen; und mit einer lichtstreuenden Fläche (92, 94), die eine lichtstreuende Einrichtung zum Umleiten von Licht in Winkel aufweist, die außerhalb des Akzeptanzwinkelbereichs liegen, wobei die Fläche eine bestimmte Form und Position besitzt; wobei die Leuchte dadurch gekennzeichnet ist, daß die Querschnittsform, die lichtreflektierende Eigenschaft, die Form und Position der lichtstreuenden Fläche so gewählt sind, daß

(i) von der lichtstreuenden Fläche umgeleitetes Licht, das nicht direkt von der streuenden Fläche zu dem lichtemittierenden Flächenabschnitt läuft und durch den lichtemittierenden Flächenabschnitt entweicht, im wesentlichen direkt zurück auf die streuende Fläche wirksam reflektiert wird; und

(ii) alle Wege, entlang denen Licht direkt von der streuenden Fläche zu dem lichtemittierenden Flächenabschnitt laufen kann, einen Raumwinkel kleiner als 2π bestimmen.

2. Einen prismatischen Lichtwellenleiter aufweisende Leuchte nach Anspruch 1, wobei:

(a) die Querschnittsform annähernd kreisförmig ist;

(b) die Form der lichtstreuenden Fläche ein länglicher Streifen mit einer Länge ist, die etwa gleich der Länge des lichtemittierenden Flächenabschnitts ist;

(c) die Position der lichtstreuenden Fläche auf einer Längsachse der annähernd kreisförmigen Form zentriert ist; und

(d) das prismatische Lichtwellenleitermaterial eine flache Seite (52) und eine rechtwinklige, gleichschenklige Prismenseite (50) besitzt, wobei das Material mit der flachen Seite nach außen zeigend und mit der Prismenseite nach innen zeigend ausgerichtet ist.

3. Einen prismatischen Lichtwellenleiter aufweisende Leuchte (146) nach Anspruch 2, die ferner ein zusätzliches Stück (162) des prismatischen Lichtwellenleitermaterials aufweist, das parallel zu dem lichtemittierenden Flächenabschnitt und außerhalb von ihm angeordnet ist, wobei die flache Seite des zusätzlichen Stücks nach innen zeigt und wobei die Prismen des zusätzlichen Stücks zu den Prismen des lichtemittierenden Flächenabschnittsmaterials im wesentlichen parallel ausgerichtet sind.

4. Einen prismatischen Lichtwellenleiter aufweisende Leuchte (170) nach Anspruch 1, wobei:

(a) die Querschnittsform annähernd ein Halbkreis ist;

(b) der lichtemittierende Flächenabschnitt (178) auf einem gekrümmten Abschnitt der Querschnittsform liegt;

(c) die Form der lichtstreuenden Fläche (176) ein länglicher Streifen mit einer Länge ist, die etwa gleich der Länge des lichtemittierenden Flächenabschnitts ist;

(d) die Position der lichtstreuenden Fläche an einem flachen Abschnitt (172) der Querschnittsform liegt und auf einer Längsachse der annähernd halbkreisförmigen Form zentriert ist; und

(e) das Material eine flache Seite und eine rechtwinklige, gleichschenklige Prismenseite besitzt, wobei das Material mit der flachen Seite nach außen zeigend und mit der Prismenseite nach innen zeigend ausgerichtet ist.

5. Einen prismatischen Lichtwellenleiter aufweisende Leuchte nach Anspruch 4, die ferner ein zusätzliches Stück (180) des prismatischen Lichtwellenleitermaterials aufweist, das parallel zu dem lichtemittierenden Flächenabschnitt (178) und außerhalb von ihm angeordnet ist, wobei die flache Seite des zusätzlichen Stücks nach innen zeigt und wobei die Prismen des zusätzlichen Stücks zu den Prismen des lichtemittierenden Flächenabschnittsmaterials im wesentlichen parallel ausgerichtet sind.

6. Einen prismatischen Lichtwellenleiter aufweisende Leuchte nach Anspruch 1, wobei:

(a) die Querschnittsform annähernd elliptisch ist;

(b) die Form der lichtstreuenden Fläche zwei längliche Streifen aufweist, von denen jeder eine Länge besitzt, die etwa gleich der Länge des lichtemittierenden Flächenabschnitts ist;

(c) die Streifen jeweils auf Linien zentriert sind, die der Ort der Brennpunkte der annähernd elliptischen Querschnittsform sind;

(d) das Material eine flache Seite und eine rechtwinklige, gleichschenklige Prismenseite besitzt, wobei das Material mit der flachen Seite nach innen zeigend und mit der Prismenseite nach außen zeigend ausgerichtet ist; und

(e) das Verhältnis von Haupt- zu Nebenachse der annähernd elliptischen Querschnittsform so ist, daß Licht, das von jedem der lichtstreuenden Flächenstreifen auf den lichtemittierenden Flächenabschnitt gestreut wird, auf den lichtemittierenden Flächenabschnitt unter einem Winkel einfällt, unter dem das Licht durch das Material in eine einzige Richtung gebrochen wird, die an diesem Punkt zu der flachen Seite ungefähr senkrecht steht.

7. Einen prismatischen Lichtwellenleiter aufweisende Leuchte nach Anspruch 6, die ferner eine lineare Fresnellinse aufweist, die angrenzend an den lichtemittierenden Flächenabschnitt und außerhalb von ihm angeordnet ist.

8. Einen prismatischen Lichtwellenleiter aufweisende Leuchte nach Anspruch 1, wobei:

(a) die Querschnittsform annähernd die Hälfte einer Ellipse ist;

(c) die Streifen an einem flachen Abschnitt der Halbellipsenform angeordnet sind und jeweils auf Linien zentriert sind, die der Ort der Brennpunkte der Halbellipsenform sind;

(e) das Verhältnis von Haupt- zu Nebenachse der annähernd halbelliptischen Form so ist, daß Licht, das von jedem der lichtstreuenden Flächenstreifen auf den lichtemittierenden Flächenabschnitt gestreut wird, auf den lichtemittierenden Flächenabschnitt unter einem Winkel einfällt, unter dem das Licht durch das Material in eine einzige Richtung gebrochen wird, die an diesem Punkt zu der flachen Seite ungefähr senkrecht steht.

9. Einen prismatischen Lichtwellenleiter aufweisende Leuchte nach Anspruch 8, die ferner eine lineare Fresnellinse aufweist, die angrenzend an den lichtemittierenden Flächenabschnitt und außerhalb von ihm angeordnet ist.