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Allgemeiner
Stand der Technik
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Optische
Fasern sind wohlbekannte Einrichtungen zum Führen elektromagnetischer Strahlung. Eine
typische optische Faser weist einen Kern auf, in dem die Strahlung
geleitet wird und der von einem Mantel mit einem niedrigeren Brechungsindex
umgeben ist. Die Strahlung wird durch Totalreflexion an der Grenzfläche zwischen
dem Kern und dem Mantel in den Kern eingeschlossen. Einige Fasern
weisen über den
Querschnitt hinweg einen gleichförmigen
Brechungsindex auf. Bei solchen Fasern fungiert die ganze Faser
als ein Kern und das umgebende Umfeld fungiert als der Mantel.
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Die üblichste
und am besten bekannte Verwendung für optische Faser ist für Datenkommunikation.
Eine typische für
Datenkommunikation verwendete Einmodenfaser weist einen Gesamtdurchmesser
von 125 Mikrometern mit einem Kern mit einem Durchmesser von 8,5
bis 10 Mikrometern auf. Eine Mehrmodenfaser mit einem Gradientenindexkern weist
ebenfalls einen Gesamtdurchmesser von 125 Mikrometern mit einem
Kern im Bereich von 50 bis 62,5 Mikrometern auf. Andere Mehrmodenfasern können Kerne
mit einer Größe von bis
zu 200 Mikrometern und Gesamtdurchmessern im Bereich von 230 Mikrometern
bis zu 1 Millimeter aufweisen.
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Eine
optische Faser kann auch zu Beleuchtungszwecken verwendet werden.
Wenngleich es möglich
ist, optische Fasern mit Größen, die
denen in der Datenkommunikation verwendeten ähneln, zur Beleuchtung zu verwenden,
werden bevorzugt größere Fasern
verwendet. Größere Fasern
gestatten das Führen
größerer Lichtmengen,
wodurch die mögliche
Beleuchtungsmenge erhöht
wird. Zu Zwecken der Beleuchtung verwendete optische Fasern können Gesamtdurchmesser
von bis zu einigen wenigen Zentimetern aufweisen. Weiterhin sind
in der Datenkommunikation verwendete Fasern in der Regel entweder
Glas oder Glas-Polymer-Verbundwerkstoffe, bei denen der Kern Glas
und der Mantel ein Polymer ist. Zu Zwecken der Beleuchtung verwendete
Fasern bestehen in der Regel ganz aus Polymer, weil die Polymerfasern
insbesondere bei den großen Durchmessern,
die in Beleuchtungssystemen verwendet werden, preiswerter sind,
wobei die von Glas gelieferte Eigenschaft eines niedrigen Verlustes,
die bei Datenkommunikation über
große
Entfernung notwendig ist, bei den relativ kurzen Entfernungen, über die
Licht in einer für
Beleuchtungszwecken verwendeten Faser geführt werden, nicht so wichtig
ist.
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Das
US-Patent 5,009,020 (Watanabe) lehrt die Verwendung optischer Faser
zu Beleuchtungszwecken in einem Kraftfahrzeug. Eine einzige Lichtquelle
wird in der Mitte eines Fahrzeugs angeordnet, und optische Faser
wird dazu verwendet, Licht zu externen Lichtern wie etwa Scheinwerfern
zu führen. Das
Patent von Watanabe lehrt jedoch keinerlei System, um die Lichtquelle
gleichförmig
zu machen oder das Licht zu kollimieren. Diese Aufgaben werden durch
den Beleuchtungskörper
bewerkstelligt, in den die optische Faser das Licht einkoppelt.
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Maurice
Daniel wurden zahlreiche Patente erteilt mit dem Gegenstand, optische
Fasern zu weben, um Mikrobiegungen herzustellen. Typisch für diese
Patente ist das US-Patent 4,234,907. An jeder dieser Biegungen entweicht
etwas Licht. Ein System wie dieses erzeugt eine sehr flache Lichtquelle. Gleichförmigkeit
kann man erreichen durch Erhöhen der
Straffheit der Bindung mit zunehmender Entfernung von der Lichtquelle.
Es existiert jedoch keine gute Möglichkeit
zum Vergrößern der
Kollimation des Lichts. Allein schon durch den eigentlichen Charakter der
Bindung bedingt erscheinen Mikrobiegungen auf beiden Seiten der
Webschicht. Das Licht entweicht deshalb von beiden Seiten der gewebten Matte.
Bei den meisten Anwendungen wird Licht nur auf einer Seite der Platte
gewünscht,
so daß dadurch
inhärent ein
Teil des Lichts verlorengeht.
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EP-A-594009
(Appeldorn et al.) lehrt die Verwendung von Kerben in optischen
Fasern zum Auskoppeln von Licht. Das Licht wird durch Totalreflexion aus
der Kerbe ausgekoppelt. Der Beleuchtungspegel kann über die
emittierende Fläche
hinweg gleichförmig
gemacht werden, indem die Tiefe der Kerben mit zunehmender Entfernung
von der Lichtquelle vergrößert wird
oder der Abstand zwischen Kerben bei zunehmender Entfernung von
der Lichtquelle reduziert wird oder durch eine Kombination dieser
Techniken. Diese Technik ist nicht mit dem Fehler in dem Websystem
von Daniel behaftet, da im wesentlichen alles Licht auf einer Seite
der Faser ausgekoppelt wird.
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Kurze Darstellung
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine optische Faser wie in Anspruch
1 spezifiziert.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist eine Seitenansicht
einer Faser;
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2 ist eine Seitenansicht
einer zweiten Faser;
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3 ist eine Seitenansicht
einer Ausführungsform
einer Faser gemäß der Erfindung;
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4 ist eine Perspektivansicht
einer Faseranordnung;
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5 ist eine Perspektivansicht
einer vierten Ausführungsform
einer Faser gemäß der Erfindung; und
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6 ist eine Perspektivansicht
einer zweiten Ausführungsform
einer Faseranordnung gemäß der Erfindung.
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Ausführliche
Beschreibung
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1 zeigt eine veranschaulichende
Ausführungsform.
In den Kern einer optischen Faser 10 ist eine Kerbe 12 geschnitten.
Der Faserkern 10 kann von einer fakultativen Mantelschicht
umgeben sein, oder kann seine Umgebung als ein Mantel verwenden.
Die Kerbe 12 weist Seiten 14 und 16 auf.
Die Seiten 14 und 16 der Kerbe 12 sind
bevorzugt von optischer Qualität,
was bedeutet, daß ihre
Oberflächenvariation
im Vergleich zu der Wellenlänge
des im Faserkern 10 zu führenden Lichts klein ist. Die
Seite 12 bildet einen Winkel θ1 zu
einer Senkrechten 18 zur optischen Faser. Die Seite 16 bildet
einen Winkel θ2 zur Senkrechten 18.
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Zwei
beispielhafte Lichtstrahlen 20 und 22 sind im
Kern 10 gezeigt. Beide treffen an Punkt 24 auf die
Oberfläche 14 auf.
Der Lichtstrahl 20 bildet einen Winkel mit der Senkrechten 26 zur
Oberfläche 14, der
größer ist
als der Grenzwinkel. Somit wird der Lichtstrahl 20 an der
Oberfläche 14 total
reflektiert und schlägt
den Weg 28 ein. Der Lichtstrahl 22 bildet einen
Winkel mit der Senkrechten 26, der kleiner ist als der
Grenzwinkel, und tritt somit durch die Oberfläche 14 hindurch. Der
Lichtstrahl 22 wird an der Oberfläche 14 gebrochen und
wieder an der Oberfläche 16,
wo er entlang des Weges 30 wieder in den Kern 10 eintritt.
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Durch
die entsprechende Auswahl der Winkel θ1 und θ2 wird die Leistung eines Beleuchtungskörpers unter
Verwendung der vorliegenden Erfindung optimiert. Um eine entsprechende
Größe für θ1 auszuwählen,
müssen
alle bekannt sein: der gewünschte
Bereich von Austrittswinkeln, der Brechungsindex des Kerns, der Brechungsindex
des Inneren der Kerbe 12 und der Bereich von Winkeln, die sich
im Kern 10 ausbreitendes Licht mit der Achse des Kerns 10 bilden.
Der Bereich von Winkeln, den Licht mit der Achse des Kerns 10 bildet,
wird im allgemeinen durch einen von zwei Faktoren gesteuert. Dieses
sind die numerische Apertur (NA) der optischen Faser und der Charakter
der Lichtquelle. Die NA der Faser definiert den maximalen Bereich
von Winkeln, den die Faser zu Einkoppelung annimmt. Wenn die Lichtquelle
Licht über
einen Bereich von Winkeln emittiert, der gleich oder größer ist,
als die NA der Faser anzunehmen gestattet, steuert die NA den Bereich
von Winkeln, den Licht in der Faser zu der Faserachse bildet. Es
ist jedoch klar, daß,
wenn die Lichtquelle Licht über
einen Bereich von Winkeln emittiert, der kleiner ist, als die NA
der Faser annehmen würde,
die Lichtquelle selbst den Bereich von Winkeln steuert, den Licht
mit der Achse 35 des Kerns 10 bildet. Wenn α der Bereich
von Winkeln ist, über
den Licht von der Faser nach Reflexion von einer Kerbe emittiert
werden soll und β der
Bereich von Winkeln ist, den sich im Kern 10 ausbreitendes
Licht zu der Achse 35 des Kerns bildet, dann ist θ1 = CA – β + α, wobei CA
der durch die relativen Brechungsindices des Kerns 10 und
des Inneren der Kerbe 12 bestimmte Grenzwinkel ist. Der
Wert für α für eine bestimmte
Lichtquelle muß auf
der Basis der beabsichtigten Verwendung für diese Lichtquelle ausgewählt werden,
doch werden im allgemeinen Werte im Bereich von 10 bis 20 Grad bevorzugt.
Damit der Bereich von Winkeln, den das austretende Licht bildet, auf α begrenzt
wird, muß natürlich die
reflektierende Oberfläche
von optischer Qualität
sein. Zu diesem Zweck bedeutet optische Qualität, daß die Oberfläche ausreichend
glatt ist, daß sie
wie ein spiegelnder Reflektor wirkt.
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Wie
man aus 1 leicht erkennen
kann, gibt es zwei Klassen von Lichtstrahlen, die von der Kerbe 12 nicht
ausgekoppelt werden. Die erste Klasse ist die Gruppe von Lichtstrahlen,
die nicht auf die Oberfläche 14 auftreffen.
Die Zahl derer, die in diese Kategorie fallen, wird durch die Tiefe
der Kerbe 12 in dem Kern 10 bestimmt. Die zweite
Kategorie sind diejenigen, die wie der Lichtstrahl 22 unter
einem unter dem Grenzwinkel liegenden Winkel auf die Oberfläche 14 auftreffen.
Ein Teil des unter einem unter dem Grenzwinkel liegenden Winkel
auf die Oberfläche 14 auftreffenden
Lichts wird reflektiert, wie das immer passiert, wenn Licht eine Änderung
beim Brechungsindex antrifft, doch tritt der größte Teil durch die Kerbe 12 hindurch,
um wieder in die Faser 10 einzutreten. Der Lichtstrahl 22 wird
jedoch an jeder der Grenzflächen 14 und 16 gebrochen. θ2 wird deshalb so gewählt, daß das Licht derart gebrochen
wird, daß es
abgelenkt wird und sich unter einem größeren Winkel zur Achse 35 des
Kerns ausbreitet, als es dies tat, bevor es durch die Kerbe 12 hindurchtrat.
Für einen
derartigen Winkel gibt es zahlreiche Möglichkeiten. Die Grundregel
für eine
Kerbe 12, die mit Luft gefüllt ist, lautet jedoch, daß θ2 kleiner sein muß als θ1. Es
ist sogar möglich,
daß θ2 negativ ist. In einem derartigen Fall würde sich
die Oberfläche 16 auf
der gleichen Seite der Senkrechten 18 befinden wie die Oberfläche 14.
Der Effekt des Umlenkens, das durch die Oberfläche 16 geschieht,
besteht darin, mindestens einen Teil des Lichts, das auf die Oberfläche 14 unter
einem Winkel auftraf, der kleiner ist als der Grenzwinkel, auf einen
Weg derart umzulenken, daß es
auf eine spätere
Kerbe unter einem Winkel auftrifft, der größer als der Grenzwinkel. Dieses
Licht wird dann durch eine nachfolgende Kerbe ausgekoppelt. Wenngleich
bevorzugt wird, daß die
Oberfläche 16 von
optischer Qualität
ist, ist dies nicht so wichtig wie die Tatsache, daß die Oberfläche 14 von
optischer Qualität
ist.
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Mit
zunehmendem Unterschied bei den Brechungsindices des Kerns und des
Inneren der Kerbe nimmt der Grenzwinkel ab. Wenn der Grenzwinkel abnimmt,
nimmt der Bereich von Einfallswinkeln zu, die bewirken, daß Licht
ausgekoppelt wird. Wenn die Kerbe 12 mit Luft gefüllt ist
und der Kern 10 aus einem Material besteht, das in der
Regel in optischen Polymerfasern verwendet wird, wird der Grenzwinkel so
klein sein, daß,
um eine erwünschte
kleine Winkelverteilung der Ausgabe zu erhalten, θ1 klein sein muß. Das Ergebnis davon ist,
daß viel
von dem ausgekoppelten Licht unter einem Winkel entlang der Faser
zurück
zur Lichtquelle gelenkt wird. Dies ist in 1 gezeigt. Die optische Faser kann unter
einem derartigen Winkel angeordnet werden, daß sich das ausgekoppelte Licht
in der gewünschten
Richtung ausbreitet, oder eine Fresnel-Linse oder eine andere Strahlwendeeinrichtung 32 kann
verwendet werden, um das Licht in eine senkrecht zu der optischen
Faser verlaufenden Richtung umzulenken.
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2 zeigt eine alternative
Ausführungsform.
In der Ausführungsform
von 2 weist der Kern 10 eine
Kerbe 12' auf.
Die Kerbe 12' ist
mit einem transparenten Material mit einem Brechungsindex gefüllt, der
geringer ist als der des Kerns 10, aber größer als
der von Luft. Der Vorteil bei der Verwendung eines Materials wie
gezeigt zum Füllen
der Kerbe 12' besteht
darin, daß es
den Unterschied beim Brechungsindex zwischen Kern 10 und
Kerbe 12' reduziert.
Dadurch wiederum steigt der Grenzwinkel der Grenzfläche zwischen
Kern 10 und Kerbe 12'. Dadurch kann θ1 größer sein
und immer noch einen erwünschten
schmalen Bereich von Austrittswinkeln aufrechterhalten. Dadurch
erhält
man zwei Vorteile. Der eine besteht darin, daß bei der richtigen Auswahl eines
Brechungsindexdifferentials Licht direkt in eine gewünschte Richtung
ausgekoppelt werden kann, üblicherweise
senkrecht zu der Faser mit dem Kern 10, und die Wendelinse 32 von 1 eliminiert werden kann.
Außerdem
ist der Aufbau von 2 leichter
herzustellen, da weil θ1 größer ist,
auch θ2 größer sein
kann. Die Kerbe 12' ist
somit viel breiter als die Kerbe 12 und läßt sich
leichter schneiden oder auf andere Weise herstellen.
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3 veranschaulicht eine Ausführungsform
der Erfindung. In 3 weist
der Kern 10 eine Kerbe 12'' auf.
In der Kerbe 12'' befindet sich
ein transparentes Material 34 mit einem Brechungsindex,
der geringer ist der des Kerns 10. Die Schicht 34 wird
im allgemeinen dünn
ausgeführt,
doch muß sie im
Vergleich zu der Wellenlänge
des aus dem Kern 10 auszukoppelnden Lichts dick sein. Innerhalb
des einen geringen Index aufweisenden Materials 34 befindet
sich ein weiteres Material 36. Das Material 36 kann
jeden beliebigen Brechungsindex außer dem des Kerns 10 aufweisen.
Bei einer Ausführungsform weist
das Material 36 einen höheren
Index als Kern 10 auf. Während das Licht von dem einen
niedrigen Index aufweisenden Material 34 zu dem einen hohen Index
aufweisenden Material 36 weiterläuft, wird es unter Vergrößerung der
Winkelverteilung des Lichts gebrochen. Das einen niedrigen Index
aufweisende Material 34 ist wie gezeigt auf beiden Seiten
der Kerbe 12'' beschichtet.
Es ist jedoch nur erforderlich, daß es sich auf der Seite befindet,
auf der Licht auffällt.
Es wird jedoch im allgemeinen leichter sein, es auf beide Seiten
aufzutragen.
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Leuchtkörper der
vorliegenden Erfindung werden normalerweise ausgebildet durch Herstellen einer
Anordnung von Fasern, die alle gemäß der vorliegenden Erfindung
gekerbt sind. Eine derartige Anordnung kann ausgebildet werden,
indem man eine Gruppe von Fasern nimmt und sie Seite and Seite legt.
Alternativ kann eine Anordnung von Fasern extrudiert oder auf andere
Weise als ein Stück
wie in 4 gezeigt geformt
werden. Wie in 4 gezeigt, weisen
vier Fasern 40, 42, 44 und 46 eine
sich über sie
erstreckende Kerbe 48 auf. Außerdem könnte die Kerbe in die Faser
oder Anordnung geformt sein oder zu einem späteren Zeitpunkt in sie geschnitten
werden.
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Außerdem ist
es nicht erforderlich, daß eine Faser
zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung rund ist. Mit anderen
Formen erhält
man einige wirkliche Vorteile. Eine derartige Form ist in 5 gezeigt. Die in 5 gezeigte Form enthält einen
Kern 50 in einer optischen Faser mit einer flachen Seite 52 mit
Kerben 54, 56 und 58 in der flachen Seite 52.
Die Verwendung der quadratischen Seite 52 ist vorteilhaft,
da sie dabei behilflich ist, das Licht auf kreisförmige Weise
zu mischen, anstatt zuzulassen, daß ein Teil des Lichts weiterhin
in einer einzigen Ebene in der Faser hin und her reflektiert wird.
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Für den Fachmann
ist klar, daß die
vorliegende Erfindung nur die Kollimierung des Lichts in einer parallel
zur optischen Faser verlaufenden Ebene beeinflußt. In der Realität jedoch
wird ein typischer Beleuchtungskörper
auch in der senkrecht zu der Länge der
Faser verlaufenden Ebene eine verbesserte Kollimierung aufweisen,
weil die gekrümmte
Seite, durch die das Licht freigegeben wird, wie eine Linse wirkt, die
die Divergenz des ausgekoppelten Lichts reduziert.
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6 zeigt eine Alternative
zu der Ausführungsform
von 4. In der Ausführungsform
von 6 wird eine Anordnung
quadratischer Fasern hergestellt. Wie bei der Anordnung von 4 könnte sie durch Gießen oder
durch Extrusion oder andere bekannte Techniken hergestellt werden.
Als weitere Alternative könnte
eine Mehrzahl von Fasern mit der Form der in 5 gezeigten Faser als eine Anordnung
extrudiert werden, die der Anordnung von 4 oder der von 6 ähnelt.
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Der
Fachmann versteht, daß nur
Ausführungsbeispiele
beschrieben worden sind und daß die vorliegende Erfindung
nicht derart beschränkt
ist. Beispielsweise sind nur „v"-Nuten gezeigt oder
beschrieben worden, doch könnte
die Nut andere Formen aufweisen.