DE69603452T2

DE69603452T2 - Lichtlenkende optische struktur

Info

Publication number: DE69603452T2
Application number: DE69603452T
Authority: DE
Inventors: Karl Beeson; Jerry Kuper; Leon Segal; Scott Zimmerman
Original assignee: AlliedSignal Inc
Current assignee: Honeywell International Inc
Priority date: 1995-01-23
Filing date: 1996-01-19
Publication date: 2000-02-03
Anticipated expiration: 2016-01-20
Also published as: KR100474233B1; AU4759096A; JP3529387B2; ATE208876T1; EP0805936A1; WO1996023166A1; TW297867B; EP0886103A2; JPH10513001A; DE69603452D1; DE69617046D1; ATE182664T1; DE69617046T2; MX9705276A; US5761355A; KR19980701367A; CN1169182A; CN1105862C; JP2004046071A; EP0886103B1

Description

Allgemeiner Stand der Technik

Die Erfindung betrifft allgemein optische Strukturen, die von Quellen, die hinsichtlich Richtwirkung und Gleichförmigkeit relativ ungesteuert sind, Licht empfangen und eine räumlich gesteuerte Lichtverteilung bezüglich der beiden orthogonalen Achsen, die bezüglich der Ausbreitungsrichtung der Lichtquelle definiert sind, abgeben, und sie betrifft insbesondere solche Strukturen, die für Lichtanwendungen im Wohnbereich, in Wirtschaft und Industrie eingesetzt werden.
Die Möglichkeit, die Lichtverteilung von verschiedenen Lichtquellen, wie beispielsweise einer punktförmigen Quelle oder einer größeren Quelle, um zwei orthogonale Achsen zu steuern, ist bisher nicht als einstückige Struktur realisiert worden. So ist etwa bei typischen Anwendungen in der Bürobeleuchtung, die Leuchtstoffbeleuchtung verwenden, kein einziges Element in der Lage, die Lichtverteilung gleichzeitig um zwei Achsen zu steuern. Eine Leuchtstofflampe enthält einen einzelnen Reflektor, der eine Richtwirkung nur entlang einer Achse liefern kann. Wenn aber der Versuch gemacht wird, mit der gegenwärtigen Technologie eine Zwei- Achsen-Steuerung zu realisieren, sind ein Reflektor und Leuchtkörper erforderlich. Diese Kombination führt jedoch zu Verlusten beim Wirkungsgrad, hat den Nachteil der Ungleichförmigkeit und schafft eine komplizierte und sperrige Anordnung.
Es wäre wünschenswert, eine relativ robuste, leichte und wirksame optische Struktur zu haben, die leicht in einen kleinen Formfaktor passen würde und die in der Lage wäre, von einem beliebigen lichterzeugenden Mittel Licht zu empfangen. Eine derartige Struktur würde neue und nützliche Möglichkeiten gestatten, verschiedene Beleuchtungsanwendungen mit einer gerichteten Lichtverteilung zu versehen.
EP-A-0632229 offenbart eine flache Lichtquelleneinheit.
Die vorliegende Erfindung stellt eine integrierte lichtlenkende Struktur bereit, die einen räumlich gerichteten Lichtaustritt entlang zweier orthogonaler Abmessungen liefert, wie dies die jeweilige Anwendung fordert.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zum Lenken von Licht in eine gewünschte Richtung bereitgestellt, wobei die Vorrichtung folgendes umfaßt:
einen Wellenleiter mit einer Kante zum Ankoppeln an eine Lichtquelle, wobei der Wellenleiter einen Brechungsindex n&sub1; aufweist, die Umgebung des Wellenleiters einen Brechungsindex na aufweist, wobei das Verhältnis von n&sub0; zu n&sub1; ein Verhältnis r&sub1; definiert, wobei der Wellenleiter eine erste und eine zweite Seite aufweist;
mehrere Prismen jeweils mit einem jeweiligen Brechungsindex n&sub2;, wobei das Verhältnis von n&sub0; zu n&sub2; ein Verhältnis r&sub2; definiert, wobei jedes Prisma mindestens eine erste, eine zweite und eine dritte Fläche aufweist;
dadurch gekennzeichnet, daß die erste Fläche jedes Prismas optisch an den Wellenleiter angekoppelt ist, die zweite Fläche jedes Prismas im wesentlichen flach ist und bezüglich der ersten Fläche einen Neigungswinkel definiert, die dritte Fläche jedes Prismas einen Teil aufweist, der zu einer im wesentlichen senkrecht zu einer gewünschten Lichtaustrittsrichtung verlaufenden Ebene tangential ist, und das Verhältnis r&sub2; etwa gleich r&sub1; ist.
Vorteilhafterweise kann die Vorrichtung ein schmales Profil aufweisen, und die Wellenleiterstruktur eignet sich dafür, eine Lichtankopplung entlang einer Lichteintrittskante oder entlang mehrerer Lichteintrittskanten zu gestatten. Weiterhin liegt keine Einschränkung hinsichtlich der Verteilung und Gleichförmigkeit des Lichteintritts zu dem Wellenleiter vor. Es gibt viele Beleuchtungsanwendungen, die die vorliegende Erfindung nutzen können. Derartige Anwendungen existieren im wirtschaftlichen Bereich und im Wohnbereich und in verschiedenen Industriezweigen wie etwa der Kraftfahrzeugindustrie und der Luft- und Raumfahrtindustrie.
Zu beispielhaften Anwendungen im Wohnbereich und im wirtschaftlichen Bereich zählen Innen- und Außenbeleuchtung mit niedrigem Profil wie etwa Spotlampen, Raum- und Bürobeleuchtung und hervorhebende Beleuchtung. Zu den beispielhaften Anwendungen im Kraftfahrzeugbereich zählen Scheinwerfer und Rückleuchten mit niedrigem Profil, Autoinnenleuchten mit niedrigem Profil wie Leselampen und Kartenleuchten und Lichtquellen für Instrumententafelanzeigen und Armaturenbretter.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Die Erfindung wird hinsichtlich einer Zeichnung aus mehreren Figuren beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 eine Darstellung eines einzelnen Prismas, das optisch mit einem Wellenleiter verbunden ist, wobei die Eigenschaften von Lichtstrahlen gezeigt werden;
Fig. 1A eine alternative Ausführungsform eines Wellenleiters;
Fig. 2 den Lichtverteilungsaustritt der Erfindung um zwei orthogonale Achsen;
Fig. 3 eine Querschnittsansicht, die die Geometrien von Prisma und Wellenleiter zeigt;
Fig. 4A und 4B eine alternative Ausführungsform eines Prismas;
Fig. 4C eine weitere alternative Ausführungsform eines Prismas;
Fig. 5 einen Wellenleiter und ein Prisma in Kombination mit einer Negativlinsenstruktur;
Fig. 6 eine Draufsicht der Erfindung, bei der die Prismen aus Gründen der Vereinfachung als einzelne Folie dargestellt sind, zusammen mit einer punktförmigen Lichtquelle;
Fig. 7 eine Draufsicht der Erfindung zusammen mit einer punktförmigen Lichtquelle und einem Lichtquellenhomogenisierer;
Fig. 7A eine Seitenansicht auf die Eintrittsfläche eines Lichtquellenhomogenisierers;
Fig. 8 die Erfindung in Kombination mit einem verjüngten Eintrittswellenleiter, einem Evolventenreflektor und einem Array aus Negativlinsen;
Fig. 9 eine Seitenansicht auf eine einzelne Lichtquelle in Kombination mit zwei Lichtlenkstrukturen;
Fig. 10 eine Draufsicht der von einer Lichtquelle entfernt angeordneten Lichtlenkstruktur; und
Fig. 11 eine Seitenansicht der Erfindung, die dafür optimiert ist, von der Decke aus ein großes flaches Objekt an der Wand zu beleuchten.
Wo dies möglich ist, sind gleiche Elemente mit gleichen Bezugszahlen gezeigt worden.

Ausführliche Beschreibung

Einer der grundlegenden Bausteine der Vorrichtung gemäß der Erfindung ist ein optisch an einen Wellenleiter angekoppeltes Prisma. Die Vorrichtung kann in der Regel zwar hunderte oder tausende von Prismen enthalten, die in einem gewissen Muster oder Array angeordnet sind, doch ist es aufschlußreich, ein Prisma ausführlich zu betrachten.
Unter Bezugnahme auf Fig. 1 laufen Lichtstrahlen, wie sie von den Lichtstrahlen 110 und 111 beispielhaft dargestellt werden, durch totale Innenreflexion durch den Wellenleiter 40. Beim Wellenleiter 40 kann es sich um einen Lichtleiter, einen Lichtkeil oder irgendeine andere Struktur handeln, die dem Fachmann bekannt ist. Sie kann flache Oberflächen oder aber auch unflache Teiloberflächen aufweisen, wie in Fig. 1A gezeigt. Zur Vereinfachung und zur Beschreibung, was aber keineswegs begrenzend sein soll, ist der Wellenleiter 40 flach dargestellt, und auf die unten erörterten Mikroprismen 42 wird als an einen flachen Wellenleiter angrenzend Bezug genommen. Wie dem Fachmann wohlbekannt ist, kommt es zu totaler Innenreflexion, wenn Licht innerhalb eines Mediums auf eine Grenzfläche auftrifft und in das Medium zurückgeworfen wird. Damit es zu einer solchen Reflexion kommen kann, muß der Brechungsindex des Mediums höher sein als der Brechungsindex des Materials auf der anderen Seite der Grenzfläche, und der Reflexionswinkel muß dem Snelliusschen Gesetz genügen. Zur einfacheren Analyse wird angenommen, daß es sich bei dem Material außerhalb des Wellenleiters 40 um Luft mit einem Brechungsindex von Eins handelt. Bei der Erfindung ist dies jedoch nicht erforderlich, und sie kann mit Materialien außerhalb des Wellenleiters praktiziert werden, bei denen es sich nicht um Luft handelt.
Aus der Lichtquelle 37 austretende Lichtstrahlen werden von einem durch das Snelliussche Gesetz bestimmten "Grenzwinkel" innerhalb des Wellenleiters 40 begrenzt. Die Lichtstrahlen 110 oder 111 würden, wenn das Prisma 42 nicht vorliegen würde, innerhalb des Wellenleiters 40 total reflektiert. Das Prisma 42 weist einen Brechungsindex auf, der dem Index des Wellenleiters 40 ungefähr gleich oder größer als dieser ist, und Strahl 110 und 111 können aus dem Wellenleiter 40 aus- und in das Prisma 42 eintreten. Diese Situation liegt unabhängig davon vor, ob Prisma 42 mit dem Wellenleiter 40 einstückig ausgebildet ist, oder ob es getrennt ausgebildet wurde und dann unter Verwendung eines Klebstoffs oder eines anderen geeigneten Mittels mit dem Wellenleiter 40 integriert wurde. Nach dem Eintritt in das Prisma 42 wird Strahl 111 innen reflektiert und wird zu Strahl 112. Analog wird Strahl 110 einer Reflexion unterzogen und wird zu Strahl 113. Der Bereich von Winkeln von Strahlen, wie etwa 112 und 113, steht zu der Verteilung von Winkeln von Lichtstrahlen innerhalb des Wellenleiters 40 in Beziehung. Da die Strahlen innerhalb des Wellenleiters beschränkt sind, werden die aus dem Prisma austretenden Strahlen hauptsächlich in einem recht schmal beschränkten Bereich von Winkeln angetroffen. Dies führt dementsprechend zu dem Ergebnis, daß relativ ungerichtetes Licht in den Wellenleiter 40 eingekoppelt werden kann und ein beträchtlicher Anteil dieses Lichts als gerichtete Lichtquelle aus dem Prisma 42 austritt.
Der Fachmann erkennt, daß einige der Flächen des Prismas 42 kritisch sind. Die erste Fläche 114 ist vorzugsweise flach (dies würde jedoch nicht für Wellenleiter gelten, wie sie in Fig. 1A gezeigt sind), damit sie eine enge optische Ankopplung an die flache Fläche des Wellenleiters 40 aufweist. Die zweite Fläche 32 muß nicht absolut flach sein, sondern könnte auch etwas gekrümmt sein oder Facetten aufweisen und dennoch die beschriebenen interessanten Ergebnisse bewirken; aus diesem Grund könnte man sagen, daß die zweite Fläche 32 nur im wesentlichen flach ist. Die dritte Fläche 36 braucht ebenfalls nicht absolut flach zu sein. Sie kann auch zu einer konvexen, konkaven Linse oder selbst zu einer asphärischen Linse ausgebildet sein, ohne von den beschriebenen Ergebnissen abzuweichen. Bei einer breitbandigen Lichtquelle wird gewünscht, daß die Oberfläche der dritten Fläche 36 zu der gewünschten Lichtaustrittsrichtung mehr oder weniger senkrecht ist. Dies reduziert die Brechung des austretenden Lichts auf ein Minimum; dadurch wird das Aufteilen eines weißen Lichts in Farben auf ein Minimum reduziert. Die gewünschte Orientierung kann so beschrieben werden, daß ein Bereich der dritten Fläche 36 zu einer senkrecht zu der gewünschten Lichtaustrittsrichtung verlaufenden Ebene tangential ist, eine Ausdrucksweise, die die Möglichkeit einschließt, daß · die Fläche flach oder eine Linse sein könnte. Der Fachmann erkennt, daß nichts in dieser Erörterung erfordert, daß die vierte Fläche 115 eine bestimmte Form aufweist. Bei der vorliegenden Ausführungsform würde die Steuerung des Lichtaustritts nur in einer Betrachtungsrichtung stattfinden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform jedoch wird auch die vierte Fläche 115 dazu verwendet, unter Verwendung der gleichen Grundlagen wie Fläche 32 Licht von dem Wellenleiter 40 zu reflektieren. Bei der am meisten bevorzugten Ausführungsform reflektieren auch die fünfte Fläche 120 und die sechste Fläche 122 aus dem Wellenleiter 40 austretende Lichtstrahlen. Eine Querschnittsansicht der bevorzugten Ausführungsform des Prismas 42 ist in Fig. 4A und 4B gezeigt und wird in der erwähnten Patentanmeldung mit der laufenden Nummer 08/242,525 ausführlich offenbart. Bei dieser am meisten bevorzugten Ausführungsform treten sich innerhalb des Wellenleiters 40 in unterschiedliche Richtungen ausbreitende Lichtstrahlen in das Prisma 42 ein und werden von allen Prismenflächen zurückreflektiert. Es kommt zu dieser Situation, wenn mehrere Lichtquellen verwendet werden oder wo reflektierendes Material Licht in den Wellenleiter zurückführt, wie in Fig. 6 und 7 gezeigt. Diese Ausführungsform wird bevorzugt, da sie sowohl hinsichtlich der Stärke als auch der Richtung für eine Steuerung der Lichtverteilung um zwei Sichtachsen xz und yz, wie in Fig. 2 gezeigt, und für eine wirksame Auskopplung von Licht aus dem Wellenleiter 40 sorgt. Weiterhin wird durch nichts in der obigen Erörterung gefordert, daß irgendeine der Flächen des Prismas 42 sich in einer einfachen Kante anschließt; wenn etwas an der Herstellungstechnik etwa erfordert, daß die Kantenverbindung zwischen Flächen abgeschrägt oder abgerundet ist, so würde dies nicht von der Erfindung abweichen. Außerdem ist es nicht erforderlich, daß die erste Fläche 114 und die dritte Fläche 36 parallel sind. Der Fachmann erkennt, daß bei einigen Anwendungen eine geringfügige Abschrägung vorzuziehen wäre, um das von den Prismen 42 abgegebene Licht zu verteilen.
Es besteht kein Erfordernis, abgesehen vielleicht davon, die Herstellung oder die Anpassung an ein bestimmtes Lichtmuster zu erleichtern, daß alle Prismen 42 identisch geformt oder gleichmäßig geformt sein müssen. Wie in den erwähnten Patentanmeldungen dargelegt, kann die Beabstandung der Prismen 42 über die Erstreckung des Wellenleiters variieren, um die Entfernung eines Prismas 42 von der Lichtquelle zu berücksichtigen. Weiterhin können die Prismen 42 an dem Wellenleiter 40 in ausgewählten Bereichen angebracht sein, um zu gestatten, daß Licht je nach der Anwendung nur an ausgewählt gewünschten Stellen aus dem Wellenleiter 40 entweicht. Auch können die Winkel der Prismen 42 über eine gewisse Verteilung vorgesehen sein, um bei einem bestimmten Austrittswinkel mehr Licht und bei anderen Austrittswinkeln weniger Licht zu erhalten, oder um absichtlich asymmetrische räumliche Verteilungen des austretenden Lichts zu erhalten.
Da die Erfindung auf viele unterschiedliche Anwendungen, von Kraftfahrzeugscheinwerfern bis zur Beleuchtung für Kunstgallerien, angewendet werden kann, ist es wünschenswert, die Orientierung der Prismen 42 bezüglich des Wellenleiters 40 variieren zu können, um einen Austritt von Licht mit einer bestimmten gewünschten Verteilung zu bewirken. Es wird nun auf Fig. 3 Bezug genommen. Der Einfachheit halber wird angenommen, daß der Brechungsindex des Prismas 42 gleich dem Brechungsindex des Wellenleiters 40 ist. Das Snelliussche Gesetz bestimmt den Winkelbereich von sich in dem Wellenleiter 40 ausbreitendem Licht bezüglich dem Grenzwinkel Ek. Vorzugsweise und im Fall einer breitbandigen, als 400-700 nm definierten Lichtquelle stellt der Lichtstrahl 20 den mittleren Strahl der Lichtaustrittsverteilung dar. Nur beispielhaft wird der mittlere Lichtstrahl 20 von der zweiten Fläche 32 zurückreflektiert und tritt unter einem zu der Tangente der dritten Fläche 36 senkrechten Winkel und bezüglich der zweiten Fläche 32 unter einem Winkel β aus dem Prisma 42 aus. Der gerichtete Austritt des mittleren Lichtstrahls 20 bildet auch bezüglich der Oberfläche 33 des Wellenleiters 40 einen Winkel Θ. Der Winkel Θ ist eine Funktion der jeweiligen Beleuchtungsanwendung, die ein bestimmtes Lichtverteilungsaustrittsmuster spezifizieren würde. Bei einem Wellenleiter mit Lichtstrahlen aus allen Winkeln von 0º bis Θ besteht eine einfache Beziehung zwischen dem gewünschten Lichtaustrittswinkel Θ mit dem Neigungswinkel φ, den die zweite Fläche 32 mit der Oberfläche 33 des Wellenleiters 40 bildet. Winkel Θ - 2φ - 45 + Θc/2, wobei Θ der durch das Snelliussche Gesetz definierte kritische Winkel ist und gleich sin&supmin;¹ n&sub2;/n&sub1;) ist, wobei n&sub1; gleich dem Brechungsindex des Wellenleiters 40 und n&sub2; gleich dem Brechungsindex des Materials außerhalb des Wellenleiters 40 ist (im Fall von Luft beispielsweise n&sub2; = 1,00). Eine ähnliche Beziehung kann abgeleitet werden, wenn der Brechungsindex des Wellenleiters 40 und des Prismas 42 nicht übereinstimmen.
Weiterhin ist die dritte bzw. obere Fläche 36 vorzugsweise zu der Austrittsrichtung für das Licht senkrecht, um eine Brechung des austretenden Lichts in Farben zu verhindern. In dem Fall jedoch, in dem die Lichtquelle schmalbandig ist, wie etwa eine LED oder ein Laser, trifft die obige Gleichung für Winkel Θ nicht zu, da der mittlere Lichtstrahl 20 nicht darauf beschränkt ist, unter einem Winkel senkrecht zu der Tangente der dritten Fläche 36 aus dem Prisma 42 auszutreten.
Fig. 4 zeigt alternative Prismenformen 42A, 42B für den Querschnitt von Fig. 1. Aus diesen Figuren ist ersichtlich, daß die erste Fläche des (mit dem Wellenleiter 40 gekoppelten) Prismas flach ist, die zweite Fläche 32A und 32B aber nur im wesentlichen flach sein muß. Je nach den Herstellungstechniken und dem gewünschten Nebenlichtmuster könnte die zweite Fläche 32A und 32B, ohne von der Erfindung abzuweichen, in zwei geringfügig verschiedenen angrenzenden Ebenen gekrümmt sein oder flach sein.
Fig. 5 zeigt einen Querschnitt eines Prismen 42 in optischem Zusammenwirken mit einer entsprechenden Konkavlinse 39. Wie offensichtlich sein würde, wenn mehrere Prismen 42 in einem spezifischen Muster angeordnet wären, würde jedem Prisma 42 eine Linse 39 entsprechen, Bei einer derartigen Ausführungsform wird der Lichtaustritt aus dem Prisma 41 verbreitert, um den Anforderungen der jeweiligen Anwendung zu genügen. Bei einem Prisma mit einem Brechungsindex von 1,45 beispielsweise beträgt die Lichtaustrittsverteilung +/- 35 Grad, und ein richtig positioniertes entfokussierendes Element, wie beispielsweise eine Konkavlinse 39, würde der Lichtverteilung eine größere winkelmäßige Ausbreitung geben. Diese Ausführungsform könnte vorteilhaft in kommerziellen Beleuchtungsanwendungen, bei denen die bevorzugte winkelmäßige Lichtverteilung +/- 60 Grad beträgt, verwendet werden. Es können aber auch entweder innerhalb oder außerhalb der Prismen 42 streuende Elemente verwendet werden, um die Austrittsverteilung zu verbreitern, allerdings mit einem Verlust beim Wirkungsgrad.
Eine alternative Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 6 gezeigt, die in Draufsicht ein Array aus lichtlenkenden Prismen 42 darstellt, die an einem Wellenleiter 40 angebracht sind, der an einer Kante 21 optisch an eine Reflektor-Bogenlichtquelle 44, wie etwa eine Metallhalogenidlampe, angekoppelt ist. Die Lampe 44 ist im wesentlichen eine Brennweite von der Kante entfernt angeordnet, damit die fokussierten Strahlen effizient in den Wellenleiter 40 einkoppeln können. Die Lampe 44 umfaßt vorzugsweise auch eine Lichtfilterungseinrichtung, um verschiedenen spektralen Gehalt der Lampe gezielt durchlassen und oder reflektieren zu können. Wenn beispielsweise der Wellenleiter 40 aus einem Kunststoffmaterial besteht, kann Infrarotlicht einen unerwünschten Wärmestau liefern. Außerdem definieren Licht reflektierende Mittel 45, wie etwa spiegelnde oder streuende Reflektoren, entlang der Kante 21 eine Apertur 47. Das reflektierende Mittel 45 wird vorzugsweise auch entlang der gegenüberliegend angeordneten Kante des Wellenleiters 40 eingesetzt, um Lichtstrahlen, die nicht in die Prismen 42 entwichen sind, in den Wellenleiter 40 zurückzuführen.
Um die Gleichförmigkeit des von dem Wellenleiter 40 abgegebenen Lichts zu verbessern, gestattet ein Lichtquellenhomogenisierer 46, der vorzugsweise aus dem gleichen Material wie der Wellenleiter 40 hergestellt ist, daß die Lichtstrahlen von der punktförmigen Lichtquelle 44 die Breite des in Fig. 7 gezeigten Wellenleiters 40 gleichmäßig ausfüllen. Diese Ausführungsform verhindert eine ungleichmäßige Lichthelligkeit innerhalb des Wellenleiters 40 und führt zu einer gleichmäßigeren Auskopplung von Licht aus dem Wellenleiter 40 durch die Prismen 42. Der Lichtquellenhomogenisierer 46 kann trapezförmig sein oder jede andere geeignete Form aufweisen. Es kann, um Licht zurückzuführen, auch ein spiegelndes oder streuendes lichtreflektierendes Material 45 an dem von der Lichtquelle 44 entfernt liegenden Ende verwendet werden. Bei der Lichtquelle kann es sich um eine parabolisch fokussierte kurze Lichtbogenquelle handeln. Die Form des Lichtquellenreflektors kann aber auch modifiziert werden, damit die Wellenleiterstruktur 40 gleichmäßig gefüllt wird, ohne daß der Homogenisierer 46 notwendig ist.
Fig. 7A zeigt die Eintrittsseite 43 des Trapezes von Fig. 7 direkt von vorne. Die Eintrittsseite 43 muß nicht quadratisch sein, sie muß nur so gewählt sein, daß sie größer ist als der Lichtfleck von dem Parabolreflektor.
Fig. 8 zeigt einen flachen Beleuchtungskörper gemäß der Erfindung, der zwei breitere Lichtquellen 37 und ein Array aus Konkavlinsen zusammen mit trapezförmigen Prismeneintrittsstrukturen 48 und bogenförmigen Reflektoren 49 verwendet. Alternativ können, um Licht innerhalb des Wellenleiters 40 zurückzuführen, von der Kombination aus zwei trapezförmigen Prismeneintrittsstruktur 48, Lichtquelle 37 und Reflektor 39 zwei durch ein reflektierendes Material ersetzt werden. Die trapezförmigen Prismen 48 sind verjüngte Abschnitte, die optisch mit dem Wellenleiter 40 gekoppelt sind und Licht von den breiteren Lichtquellen über ein recht großes Gebiet einsammeln, und über totale Innenreflexion wird das Licht in den dünnen Hauptwellenleiter 40 geleitet. Da die kleinsten im Handel erhältlichen Leuchtstofflampen eine Größe von 10-12 mm haben, wird die verjüngte Struktur benötigt, um die Dicke des Wellenleiters 40 zu reduzieren, so daß der Wellenleiter 40 eine Dicke aufweist, die viel niedriger ist, als was durch den Durchmesser der Lichtquelle diktiert wird. Um bei der Übertragung von Licht in den Wellenleiter den Wirkungsgrad zu maximieren, wird ein Reflektor 49 in Form einer Evolvente oder eines Bogens bevorzugt, um eine Umlenkung von Licht zurück zu der Quelle zu vermeiden. Der Reflektor 49 lenkt das Licht um, das nicht direkt in das Prisma 48 gekoppelt wurde, und über eine oder zwei Reflexionen hat das Licht zusätzliche Gelegenheiten, in das Prisma 48 einzutreten. Wie dem Fachmann bekannt, sind alternative Konfigurationen des Reflektors 49 möglich. Es kann ein Array aus Negativlinsenstrukturen 39 verwendet werden, um den Lichtaustritt der Prismen 42 auf einen breiteren Verteilungswinkel auszudehnen. Wenn die Lichtquelle 37 einen Durchmesser dL aufweist und die Eintrittsseite des trapezförmigen Prismas 48 eine Höhe D aufweist, so beträgt ein typisches Verhältnis D : dL etwa 2 : 1. Die Dicke dW des Wellenleiters liegt weit unter dL und kann 2 mm betragen.
Es versteht sich, daß diese Struktur architektonische Möglichkeiten liefert, die bisher nicht verfügbar waren. So ist beispielsweise der Beleuchtungskörper recht flach und erfordert somit keine dicke Decke. Wo abgehängte Decken verwendet werden, muß die abgehängte Decke nicht sehr weit unter der höheren festen Decke angeordnet werden und bietet deshalb kostengünstige Bauverfahren, die aufgrund von sperrigen Beleuchtungskörpern bisher nicht zur Verfügung standen. Zu den weiteren Vorzügen zählen die verbesserte Gleichförmigkeit des Lichts über zwei Dimensionen, weniger Blendung beim peripheren Sehen von Personen im beleuchteten Raum, eine wirksamere Ausnutzung des Lichts, da es unter Verwendung entsprechend geformter Prismen und Linsen zu den relevanten Gebieten gelenkt werden kann. Weiterhin können Abdeckung und Größe des Prismas über den Wellenleiter hinweg variieren, um in den Zielgebieten eine gleichmäßige Beleuchtung zu liefern.
Zwar kann eine Ausführungsform, wie oben erörtert, zwei breite Lichtquellen umfassen, doch kann eine Alternative, wie in Fig. 9 gezeigt, verwendet werden. Hier können sich mehrere Wellenleiterstrukturen 40 eine gemeinsame Lichtquelle 37 teilen. Durch diese Anordnung wird der Wirkungsgrad des Lichts erhöht, da mehr Licht von der Lichtquelle 37 direkt an den einen oder anderen der angrenzenden Wellenleiter 40 angekoppelt wird. Vorzugsweise ist die Lichtquelle 37 von Reflektoren umgeben, um ansonsten weggestreutes Licht über eine oder mehrere Reflexionen an die Wellenleiter anzukoppeln. Wie für den Fachmann offensichtlich wäre, könnten zusätzliche Wellenleiter 40 an die Lichtquelle 37 angekoppelt werden, und zusätzliche Lichtquellen könnten an andere verfügbare Kanten des Wellenleiters 40 angekoppelt werden.
Fig. 10 stellt ein Array aus lichtlenkenden Prismen 42, dem Wellenleiter 40, die zusammen als lichtlenkende Struktur 53 bezeichnet werden, und eine zusätzliche, optisch an eine Lichtquelle 55 angekoppelte Wellenleiterstruktur 54 dar. Dadurch kann die Lichtquelle 55 von der Struktur 53 entfernt sein. So ist beispielsweise die Struktur 53 für Benutzer möglicherweise relativ unzugänglich, und doch kann die Lichtquelle 55 zugänglich sein. Ein derartiger Fall kann sich ergeben, wenn sich die Struktur 53 in einer Decke befindet und sich die Lichtquelle 55 möglicherweise in Bodenhöhe befindet, um die Wartung der Lichtquelle 55 zu erleichtern. Ein weiteres Beispiel wäre die Straßenbeschilderung, bei der die Struktur 53 hoch über der Straße gelegene Straßenschilder beleuchtet. Hier könnte sich die Lichtquelle 55 an der Straßenoberfläche befinden. Ein Vorteil besteht in der einfacheren Wartung, wenn die Lampe 55 ausgetauscht werden muß. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die Wärmequelle von der Beleuchtungsquelle entfernt ist. Ein Beispiel für eine zusätzliche Wellenleiterstruktur 54 ist ein Bündel von Lichtleitern, die entlang einer Kante des Wellenleiters 40 angeordnet sind. Das Faserbündel könnte wahlweise durch andere Wellenleiterstrukturen ersetzt werden, die Licht verlustarm durch totale Innenreflexion übertragen. Je nach der Quelle könnte an die Lichtquelle mehr als eine lichtlenkende Struktur angekoppelt werden. Dies könnte sowohl bei Kraftfahrzeugbeleuchtung als auch bei kommerzieller Raumbeleuchtung nützlich sein. Vorzugsweise werden mindestens 60% und bevorzugt 70% des Lichts von der Quelle zu der gewünschten Stelle verteilt.
Fig. 11 zeigt eine Lichtquelle gemäß der Erfindung, die zur Beleuchtung eines großen flachen Objekts 22 an einer Wand von der Decke aus optimiert ist. Die meisten Beleuchtungskörper sind nicht in der Lage, derartige Objekte angemessen zu beleuchten. Die vorliegende Erfindung gestattet eine asymmetrische Lichtverteilung, wie von dieser Anwendung gefordert. Dies wird erreicht, indem die Formen der Prismen des Films gewählt werden und indem gewählt wird, wieviele Prismen jeder Form auf dem Film vorgesehen werden. Dennoch kann eine Struktur 53 mit einer Breite von nur "d" Zoll mit flacher vertikaler Abmessung über ein Objekt (z. B. ein Gemälde) mit einer Höhe von "D" Zoll, wobei D viel größer ist als d, eine gleichmäßige Beleuchtung liefern.

Claims

1. Vorrichtung zum Lenken von Licht in eine gewünschte Richtung, wobei die Vorrichtung folgendes umfaßt:

einen Wellenleiter (40) mit einer Kante (21) zum Ankoppeln an eine Lichtquelle (44), wobei der Wellenleiter (40) einen Brechungsindex n&sub1; aufweist, die Umgebung des Wellenleiters (40) einen Brechungsindex n&sub0; aufweist, wobei das Verhältnis von n&sub0; zu n&sub1; ein Verhältnis r&sub1; definiert, wobei der Wellenleiter (40) eine erste und eine zweite Seite aufweist;

mehrere Prismen (42) jeweils mit einem jeweiligen Brechungsindex n&sub2;, wobei das Verhältnis von n&sub0; zu n&sub2; ein Verhältnis r&sub2; definiert, wobei jedes Prisma (42) mindestens eine erste, eine zweite und eine dritte Fläche (114, 32; 36) aufweist; dadurch gekennzeichnet, daß

die erste Fläche (114) jedes Prismas (42) optisch an den Wellenleiter (40) angekoppelt ist, die zweite Fläche (32) jedes Prismas (42) im wesentlichen flach ist und bezüglich der ersten Fläche (114) einen Neigungswinkel definiert, die dritte Fläche (36) jedes Prismas (42) einen Teil aufweist, der zu einer im wesentlichen senkrecht zu einer gewünschten Lichtaustrittsrichtung verlaufenden Ebene tangential ist, und das Verhältnis r&sub2; etwa gleich r&sub1; ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die erste Seite und die zweite Seite des Wellenleiters (40) parallel sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der der Wellenleiter (40) und die Prismen (42) aus dem gleichen Material einstückig ausgebildet sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die zweite Fläche (32) jedes Prismas (42) flach ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die dritte Fläche (36) jedes Prismas (42) flach ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die dritte Fläche (36) jedes Prismas (42) eine Konvexlinse ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die dritte Fläche (36) jedes Prismas (42) eine Konkavlinse ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die dritte Fläche (36) jedes Prismas (42) eine asphärische Linse ist.