DE69708615T2

DE69708615T2 - Beleuchtungssystem mit blenden aufweisenden mikroprismen

Info

Publication number: DE69708615T2
Application number: DE69708615T
Authority: DE
Inventors: Janpu Hou; Wayne Kuper; Rosalie Unger
Original assignee: Honeywell International Inc
Current assignee: Honeywell International Inc
Priority date: 1996-03-26
Filing date: 1997-03-21
Publication date: 2002-08-01
Anticipated expiration: 2017-03-22
Also published as: DK0890060T3; CN1083079C; JP2000507736A; ATE209768T1; WO1997036131A1; ES2169374T3; US5839823A; CA2250312C; CA2250312A1; TW419572B; CN1220002A; PT890060E; EP0890060B1; DE69708615D1; EP0890060A1

Description

Allgemeiner Stand der Technik

Gegenwärtig verfügbare Beleuchtungssysteme zur direkten Beleuchtung und andere Anwendungen sind wegen der Absorption und Strahlung von Licht in unerwünschten Richtungen mit Verlusten behaftet. Wenn die durch Absorption oder Strahlung in unerwünschten Richtungen verlorenen Lichtstrahlen eingefangen und genutzt werden könnten, könnte die Nutzausgabe der Lichtquelle erhöht werden. Ein Beleuchtungssystem, das dies bewerkstelligen könnte, wäre in höchstem Grade erwünscht. Diese und weitere Aufgaben werden von der vorliegenden Erfindung durch Umlenken und Zurückführen von ansonsten verlorengehendem Licht erzielt.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung läßt sich umfassender verstehen und weitere Vorteile ergeben sich unter Bezugnahme auf die folgende ausführliche Beschreibung der Erfindung und der beiliegenden Zeichnungen. Es zeigen:
Fig. 1 ein schematisches Blockdiagramm des Konzepts eines Beleuchtungssystems;
Fig. 2 ein schematisches Querschniittsdiagramm einer Ausführungsform des Beleuchtungssystems;
Fig. 3-5 schematische Querschnittsdiagramme von alternativen Reflektoren für eine Lichtquelle;
Fig. 6 ein Querschnittsdiagramm eines Mikroprismas der Lichtlenkbaugruppe von Fig. 2;
Fig. 7-12 Perspektivansichten alternativer Mikroprismenstrukturen;
Fig. 13 eine Perspektivansicht eines Arrays von geradlinigen Mikroprismen;
Fig. 14 ein schematisches Querschnittsdiagramm einer Ausführungsform des zurückgekoppelten Beleuchtungssystems ohne Linsen;
Fig. 15 ein schematisches Querschnittsdiagramm eines Arrays von Mikroprismen und Linsen, die relativ zu den geometrischen Mitten der Mikroprismen versetzt sind;
Fig. 16-23 schematische Querschnittsdiagramme von Lichtlenkbaugruppen mit verschiedenen alternativen reflektierenden Elementen;
Fig. 24 eine Draufsicht auf eine in dem Beleuchtungssystem von Fig. 18 verwendete Maske;
Fig. 25-28 Perspektivansichten von alternativen Beleuchtungssystemen,
Fig. 29-32 schematische Querschnittsdiagramme zusätzlicher alternativer Beleuchtungssysteme;
Fig. 33 ein schematisches Querschnittsdiagramm eines Beleuchtungssystems; und
Fig. 34 und 35 Beispiele eines herkömmlichen Leuchtenbands und eines Tiefstrahlers mit den hier beschriebenen Beleuchtungssystemen.

Beschreibung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Beleuchtungssystem, das folgendes umfaßt: (a) eine Lichtquelle und (b) eine Lichtlenkbaugruppe, die sich in unmittelbarer Nähe zu der Lichtquelle befindet und aus einem oder mehreren Mikroprismen besteht, wobei jedes Mikroprisma eine Eintrittsfläche, die von der Lichtquelle strahlendes Licht einläßt, eine von der Eintrittsfläche entfernte und zu dieser parallele Austrittsfläche und mindestens eine Seitenwand enthält, die zwischen der Eintrittsfläche und der Austrittsfläche angeordnet ist und mit diesen zusammenhängt und bezüglich der Eintrittsfläche unter einem stumpfen Neigungswinkel angeordnet ist und weiterhin so positioniert ist, daß eine Gesamtreflexion der durch die Eintrittsfläche empfangenen Lichtstrahlen bewirkt wird, und das Beleuchtungssystem umfaßt weiterhin mindestens ein Blockiermittel zum Blockieren des Durchgangs von Licht durch die Seitenwand.
Eine konzeptuelle Darstellung der Erfindung ist ein Beleuchtungssystem 10 in dem schematischen Blockdiagramm von Fig. 1. Das Beleuchtungssystem 10 ist in zwei Teilbaugruppen unterteilt: eine Beleuchtungsbaugruppe 12 und eine Lichtlenkbaugruppe 14. Der Pfeil 20 gibt die beabsichtigte Ausbreitungsrichtung der Lichtwellen von der Beleuchtungsquelle 12 durch die Lichtlenkbaugruppe 14 zu dem nicht gezeigten beabsichtigten Objekt an. Es ist zu verstehen, daß diese Zeichnung lediglich eine schematische Darstellung der Struktur ist und keine tatsächlichen oder relativen Abmessungen der Systemkomponenten oder ihrer physischen Anordnung vermitteln soll.
Eine spezifische Ausführungsform 100 des Beleuchtungssystems ist in Fig. 2 gezeigt. Das System 100 weist eine Beleuchtungsbaugruppe 110 und eine Lichtlenkbaugruppe 120 aus mindestens einem Mikroprisma 122 auf, die fakultativ auf einer Seite einer Bodenwand 124 getragen werden. Die Lichtlenkbaugruppe 120 kann wahlweise eine Linse oder ein Linsenarray 140 aus individuellen Linsen 142 auf der anderen Seite der Bodenwand 124 zum Steuern der Winkelverteilung der Lichtabgabe des Beleuchtungssystems 100 aufweisen.

Die Beleuchtungsbaugruppe

Die Beleuchtungsbaugruppe 110 weist eine Lichtquelle 112 auf, für die man eine Glühlampe, eine Leuchtdiode (LED) oder eine Hochleistungs-Metall- oder Halogenentladungslampe (HID-Lampe), eine Leuchtstofflampe oder eine beliebige andere, für die Anwendung geeignete Quelle auswählen kann.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist die Beleuchtungsbaugruppe 110 einen Reflektor 150 auf, der hinter der Lichtquelle 112 und/oder um diese herum positioniert ist, das heißt in der zu der Lichtlenkbaugruppe 120 entgegengesetzten Richtung. Der Reflektor 150 lenkt sich von der Lichtlenkbaugruppe 120 ausbreitende Lichtstrahlen zurück zu den Mikroprismen 122. Der Reflektor 150 kann aus einem diffusen oder einem stark spiegelnden Material, wie etwa poliertem Aluminium oder weißer Farbe, hergestellt sein, obwohl ein spiegelndes Material bei einigen Anwendungen möglicherweise bevorzugt wird. Das für den Reflektor ausgewählte Material sollte einen Reflexionsgrad in einem Bereich von etwa 75%-90% und bevorzugt über 90% aufweisen. Der Reflexionsgrad kann mit mehreren im Handel erhältlichen Instrumenten gemessen werden, wie etwa dem Spektrofotometer Macbeth #7100, New Windsor, New York, oder einem Spektrofotometer Perkin Eimer #330, Danbury, CT.
Die Stelle des Reflektors bezüglich der Lichtquelle und der Lichtlenkbaugruppe und die Entfernungen dazwischen sollten so ausgewählt werden, daß das auf die Lichtlenkbaugruppe gerichtete Licht maximiert wird. Wie der Fachmann leicht herausfinden kann, können die Stellen und Entfernungen aus den relativen Größen der Lichtquelle und des Reflektors und dem Design des Reflektors bestimmt werden. Je nach den physischen Abmessungen der Lichtquelle ist die Entfernung zwischen der Lichtquelle und dem Reflektor in der Regel ein- bis zweimal so groß wie der Durchmesser der Lichtquelle. Die Entfernung zwischen der Lichtquelle und der Lichtlenkbaugruppe ist ebenfalls in der Regel ein- bis zweimal so groß wie der Durchmesser der Lichtquelle. Falls beispielsweise als Lichtquelle eine Leuchtstofflampe T-5 mit einem Durchmesser von 5/8 Zoll eingesetzt wird, liegen die Entfernung zwischen der Lampe und dem Reflektor und die Entfernung zwischen der Lampe und der Lichtlenkbaugruppe in der Regel im Bereich von 0,625 Zoll bis 1,375 Zoll.
Obwohl der Reflektor 150 von Fig. 2 parabolförmig ist, können andere Formen und Konfigurationen zum Einsatz kommen, wie für den Fachmann ohne weiteres offensichtlich ist. So weist beispielsweise, wie in Fig. 3 dargestellt, der Reflektor 230 eine rechteckige Form und zwei Seitenwände 232 und einen Boden 234 auf. Zur Berücksichtigung der Geometrie und des Streumusters der Lichtquelle 112 kann der Winkel der Seitenwände 232 relativ zu dem Boden 234 eingestellt werden, um einen rechten, spitzen oder stumpfen Winkel zu definieren. Es können auch andere Reflektorformen zum Einsatz kommen, wie etwa ein höckerförmiger Reflektor 240 oder ein Reflektor 250 mit Kassetten oder Segmenten, wie in den Fig. 4 bzw. 5 gezeigt. Außerdem könnte der Reflektor 150 anstatt als ein durchgehendes Stück aus Material in zwei oder mehr Abschnitten implementiert werden.
Anstelle einer künstlichen Lichtquelle der oben erwähnten Art könnte natürliches Licht (zum Beispiel direktes Sonnenlicht) oder Umgebungslicht verwendet werden. In diesem Fall würde die Beleuchtungsbaugruppe 110 keinen Reflektor aufweisen.

Die Lichtlenkbaugruppe

Die in Fig. 2 gezeigten Mikroprismen 122 sind Polyeder mit vier abgewinkelten Seiten. Die Struktur dieser besonderen Mikroprismen sind in dem am 7. März 1995 an Beeson et al. erteilten US-Patent Nr. 5,396,350 für eine Rückbeleuchtungsvorrichtung mit einem Array von Mikroprismen, das unter Bezugnahme hier aufgenommen ist, ausführlich erörtert. Wie in den Fig. 6 und 7 gezeigt, weist jedes Mikroprisma 122 eine Eintrittsfläche 132, eine Austrittsfläche 134 und gegenüberliegende Seitenwände 136, die jeweils mit der Eintrittsfläche und der Austrittsfläche 132 und 134 zusammenhängen, auf; die Verbindung der Seitenwände 136 und der Eintrittsfläche 132 definieren einen stumpfen Neigungswinkel α. Fig. 13 zeigt ein Array 200 aus auf einer Bodenwand 220 getragenen geradlinigen Mikroprismen 210.
Anstelle der geometrischen Form der Mikroprismen 122 von Fig. 6 können andere Formen zum Einsatz kommen. In Fig. 8-12 werden alternative Mikroprismen dargestellt: konische (Fig. 8), vielflächige (Fig. 9), vielflächig-krummlinige (Fig. 10 und 11) und krummlinige Mikroprismen (Fig. 12). Diese Liste ist nur beispielhaft, und es könnten andere geometrische Formen verwendet werden, wie für den Fachmann ohne weiteres ersichtlich ist. Weiterhin könnten die Querschnitte der Mikroprismen 122 asymmetrisch (zum Beispiel rechteckig) sein.
Durch die Abmessungen der Mikroprismen 122 wird die Lichtabgabeverteilung der Lichtlenkbaugruppe 120 beeinflußt. Insbesondere können der Flächeninhalt der Eintrittsfläche 132, die Höhe der Seitenwandflächen 136 und der Neigungswinkel α der Seitenwände 136 zueinander eingestellt werden, um den Durchtritt von Licht durch die Mikroprismen 122 zu verändern. Durch Reduzieren des Flächeninhalts der Eintrittsfläche 132 kann eine engere Ausgabewinkelverteilung erzielt werden, wobei gleichzeitig die Höhe der Seitenwände 136 vergrößert und die stumpfen Neigungswinkel α minimiert werden. Als Alternative kann die Ausgabewinkelverteilung durch Vergrößern des Flächeninhalts der Eintrittsfläche 132 und gleichzeitiges Reduzieren der Höhe der Seitenwand 136 und Vergrößern der stumpfen Neigungswinkel α vergrößert werden.
Bei Verwendung einer Bodenwand 124 kann eine zusätzliche Kontrolle der Winkelverteilung der Ausgabe des Beleuchtungssystems 100 durch Variieren der Dicke der Wand 124 erzielt werden. Bei einem gegebenen positiven Krümmungsradius der Linse 142 und einer Vergrößerung der Dicke der Basiswand 124 führt eine Zunahme des Abstands zwischen den Mikroprismen 122 und dem Linsenarray 140 zu einer Vergrößerung der Winkelverteilung der Ausgabe des Beleuchtungssystems 100.
Obwohl die in Fig. 2 gezeigten Linsen 142 konvex sind, könnten sie auch sphärisch, konkav, asphärisch, zylindrisch-konkav oder zylindrisch-konvex sein oder eine beliebige andere geeignete Form aufweisen, wie dies durch die jeweilige Anwendung vorgeschrieben wird und wie dies dem Fachmann ohne weiteres einsichtig ist. Die Linsen 142 könnten außerdem, falls keine Bodenwand 124 vorliegt, direkt an den Austrittsflächen 134 angeordnet sein. Zudem könnten die Linsen entweder beugend oder brechend oder eine Kombination aus beugenden oder brechenden Elementen sein.
Es ist zu verstehen, daß die Beleuchtungsbaugruppe 110 und die Lichtlenkbaugruppe 120 des zurückgekoppelten Beleuchtungssystems 100, wie durch die Struktur in Fig. 14 gezeigt, ohne Linsen verwendet werden könnten. Weiterhin sind die Achsen der Linsen 142 in Fig. 2 auf die geometrischen Mitten 126 der einzelnen Mikroprismen 122 ausgerichtet. Falls gewünscht, könnten die Linsen 142 bezüglich der geometrischen Mitten 126 der Mikroprismen 122 versetzt oder abgeschattet sein, wie in Fig. 15 gezeigt. Schließlich könnte die Querschnittsgröße der Linsen 142 bezüglich des Querschnitts der Mikroprismen 122 variieren.
Die Entfernung zwischen den geometrischen Mitten 126 der einzelnen Mikroprismen 122 und den geometrischen Mitten der Linsen 142 variiert zwischen Null und der Hälfte der Breite der Austrittsflächen 134 der Mikroprismen 122. Die Linsen 142 können neben den Austrittsflächen 134 der Mikroprismen 122 oder in einer Entfernung von bis zur Hälfte der Entfernung zwischen den Eintritts- und Austrittsflächen 132 und 134 der Mikroprismen 122 angeordnet sein.
Die Mikroprismen 122 und ihre zugeordnete Struktur (einschließlich des wahlweisen Linsenarrays) können gemäß den Verfahren und unter Verwendung der Materialien hergestellt werden, die in dem oben erwähnten US- Patent Nr. 5,396,350, dem am 27. Juni 1995 an Zimmerman et al. erteilten US-Patent Nr. 5,248,468 für ein Beleuchtungssystem mit einem Array von Mikroprismen und in dem am 2. Januar 1996 an Zimmerman et al. erteilten US-Patent Nr. 5,481,385 für ein Direktsichtdisplay mit einem Array aus verjüngtem Wellenleiter, die alle unter Bezugnahme hier aufgenommen sind, offenbart ist. Wie aus den angeführten Patent bekannt ist, können die Mikroprismen und die Linsenarrays aus einer großen Vielfalt von Materialien hergestellt werden, einschließlich Polycarbonat, Acryl, Polystyrol, Glas, transparenter Keramik und einer Monomerenmischung, wie in dem am 31. Oktober 1995 an Beeson et al. erteilten US-Patent Nr. 5,462,700 für einen Prozeß zur Herstellung eines Arrays aus verjüngten photopolymerisierten Wellenleitern, die unter Bezugnahme hier aufgenommen sind, beschrieben ist. Bei der Wahl eines Konstruktionsmaterials für diese Strukturen sollte die von der Lichtquelle erzeugte Wärme berücksichtigt werden. Die Linsenbaugruppe könnte gegebenenfalls als eine getrennte, an die Bodenwand der Lichtlenkbaugruppe laminierte eigene Folie bereitgestellt werden, oder als einstückige Struktur mit der Lichtlenkbaugruppe hergestellt werden, wobei Spritzguß- oder andere Verfahren verwendet werden, die dem Fachmann ohne weiteres bekannt sind.

Die Gebiete neben den Seitenwänden

Die Seitenwände 136 der Mikroprismen 122 der Lichtlenkbaugruppe 120 definieren Gebiete 128 neben den Seitenwänden 136; diese Gebiete können in einer Lichtlenkbaugruppe 120 mit mehreren Mikroprismen 122 als "Zwischengebiete" bezeichnet werden. Diese Gebiete 128 sind mit einem reflektierenden Element versehen, bei dem es sich in der Konfiguration von Fig. 2 um ein hochreflektierendes massives Füllmaterial 160 handelt. Das massive Füllmaterial 160 kann Licht entweder reflektieren oder lediglich seinen Durchtritt blockieren. Das massive Füllmaterial 160 kann entweder spiegelnd oder diffus sein, und es kann sich bei ihm um Materialien wie etwa BaSO&sub4;, TiO&sub2; oder MgO handeln, die aufgrund ihrer Mikrostruktur für sichtbares Licht hochreflektierend sind. Diese Materialien können in Trägermaterialien, wie etwa trockenem Pulver, Farbe oder Kitt, verwendet werden. In diesem Gebiet können aber auch Materialien angebracht werden, die gegenüber den von der Beleuchtungseinrichtung gebildeten Umgebungsbedingungen stabil sind, wie etwa SpectralonTM (Labsphere, Inc.) oder Teflon® (du Pont), um eine hohe Reflexion für sichtbares Licht bereitzustellen. Obwohl das massive Füllmaterial 160 bevorzugt hochreflektierend ist, das heißt einen Reflexionsgrad von über neunzig Prozent (90%) aufweist, kann es möglicherweise Anwendungen geben, bei denen ein weniger hochflektierendes Material oder ein absorbierendes Material wünschenswert wäre. Der Reflexionsgrad kann wie oben angegeben gemessen werden.
Als das reflektierende Element können andere reflektierende Materialien verwendet werden. In Fig. 16 weisen die Seitenwände 136 der Mikroprismen 122 eine Beschichtung 260 aus reflektierendem Material auf. Bei der Beschichtung 260 kann es sich um Silver, Aluminium, Gold, weiße Emaille oder andere Materialien handeln, die dem Fachmann ohne weiteres einfallen. Diese Materialien können durch Techniken wie etwa CVD (chemical vapor deposition), Elektronenstrahldampfabscheidung, Sputtern und dergleichen abgeschieden werden. In Fig. 17 ist das reflektierende Element eine reflektierende Auskleidung 270, die mit den Seitenwänden 136 einstückig geformt oder durch Kleb- oder beliebige andere bekannte Mittel auf die Seitenwände 136 aufgebracht ist. In Fig. 18 wird eine Maske 280 als das reflektierende Element verwendet, das die Gebiete 128 zwischen den Mikroprismen 122 bedeckt. Wie in Fig. 24 dargestellt, würde eine Draufsicht auf die Maske 280 wie ein Gitter mit Öffnungen 282 erscheinen, die die Eintrittsflächen 132 der Mikroprismen 122 durchlassen. Die Maske könnte aus massivem Material hergestellt werden, die entweder spiegelnd oder diffus sind, wie oben erwähnt.
Die reflektierenden Elemente der Fig. 16-18 (Beschichtung, Auskleidung und Maske) können entweder spiegelnd oder diffus sein und einen Reflexionsgrad im Bereich von etwa 75%-90% und bevorzugt über 90% aufweisen. Ein Beispiel für ein geeignetes spiegelndes Material ist SilverluxTM, ein Produkt von 3M, doch können andere verwendet werden, wie dem Fachmann ohne weiteres klar ist. Der Reflexionsgrad kann wie oben angegeben gemessen werden.
Verschiedene Arten von reflektierenden Elementen können kombiniert verwendet werden. Wie in Fig. 19 gezeigt, weisen die Seitenwände 136 zwei reflektierende Elemente auf, eine Beschichtung 260 und eine Maske 280. In den Gebieten 128 der in Fig. 120 gezeigten Baugruppe sind eine reflektierende Beschichtung 270 und ein massives Füllmaterial 160 vorgesehen. In dieser Konfiguration könnte man für die Auskleidung 270 ein spiegelndes Material und für das Füllmaterial 160 ein diffuses Material auswählen, obwohl andere Kombinationen zum Einsatz kommen können.
In Fig. 21 weisen die Seitenwände 136 eine Beschichtung 260 und ein massives Füllmaterial 160 auf. In den Gebieten 128 der in Fig. 22 gezeigten Baugruppe sind eine reflektierende Auskleidung 270 und eine Maske 280 vorgesehen. In den Gebieten 128 in Fig. 23 ist schließlich die Kombination aus einem massiven Füllmaterial 160 und einer Maske 280 vorgesehen.
Die bis hierher erörterten Anordnungen waren linear oder planar. Das Beleuchtungssystem könnte außerdem als krummlinige oder sphärische Arrays konfiguriert sein, wie in den Fig. 25 bzw. 26 gezeigt, und andere Konfigurationen, die dem Fachmann ohne weiteres einfallen. In Fig. 25 ist eine Lichtquelle 300 einem krummlinigen Array 310 aus Mikroprismen zugewandt. In Fig. 26 ist eine Lichtquelle 320 in einem kugelförmigen Teilarray 330 aus Mikroprismen enthalten. Um die Lichtlenkbaugruppen auf diese Weise zu konfigurieren, müssen die Neigungswinkel der Mikroprismenseitenwände bezüglich den Eintrittsflächen so eingestellt werden, daß eine Winkelverteilung zustande kommt, die einem kugelförmigen Strahler entspricht. Außerdem muß der Raum zwischen den Mikroprismen möglicherweise variiert werden, um eine richtige Kontrolle über das Licht zu erlangen. Die Eintritts- und Austrittsflächen der Mikroprismen können flach, krummlinig oder kugelförmig sein. Wahlweise können die Lichtlenkbaugruppen der Fig. 25 und 26 außerdem mit Bodenwänden neben den Austrittsflächen der Mikroprismen und Linsen an den Basiswänden versehen werden, wie in Fig. 2 gelehrt. Außerdem könnten mehrere planare und/oder krummlinige Lichtlenkbaugruppen 340 und eine oder mehrere Lichtquellen 350 kombiniert werden und vielflächige Beleuchtungssysteme bilden, wie in den Fig. 27 und 28 dargestellt, um Strahlung in mehreren Richtungen zu liefern. Die einzelnen Mikroprismen einer planaren Baugruppe sind in Fig. 27a dargestellt.
Die Intensität des in die Lichtlenkbaugruppe 120 eintretenden Lichts kann gesteuert werden, indem zwischen die Lichtquelle 112 und die Lichtlenkbaugruppe 120 ein optisches Element 400 eingefügt wird, wie in Fig. 29 gezeigt. Durch Reduzieren der direkten Lichtübertragung von der Lichtquelle 112 in die Mikroprismen 122 ist die Ausgabe der Lichtlenkbaugruppe 120 gleichförmiger und die Überstrahlung wird auf ein Minimum reduziert. Das optische Element 400 kann aus einem rechteckigen Materialstück (z.B. Kunststoff, Glas oder irgendein anderes Material) hergestellt werden, das planare Abmessungen aufweist, die dem Querschnitt des sich von der Lichtquelle 112 zu den Mikroprismen 122 ausbreitenden Lichts an dieser Stelle ungefähr gleich sind. [not dictated]
Die Beleuchtungsbaugruppe 110 kann weiterhin wie in Fig. 30 dargestellt durch Verkapseln der Lichtquelle 112 mit einem lichtdurchlässigen Material 410 mit einem Brechungsindex (n&sub1;) modifiziert werden, der größer als eins ist, anstatt daß die Lichtquelle 112 einfach in der Luft hängt. Das lichtdurchlässige Material 410 kann den die Lichtquelle 112 umgebenden Bereich völlig ausfüllen und hängt mit den Eintrittsflächen 132 der Mikroprismen 122 zusammen. Dadurch werden Fresnel- Reflexionen an den Eintrittsflächen 132 der Mikroprismen 122 vermieden, und die Lichtquelle 112 kann ein Array aus Eintrittsflächen 132, das wesentlich größer ist als die Quelle 112, leichter ausfüllen. Das lichtdurchlässige Material 410 ist durch eine Klebstoffschicht 412 mit den Eintrittsflächen verbunden. Zur optimalen Lichtübertragung werden die Brechungs- Indizes derart gewählt, daß sie von der Lichtquelle 112 aus nach außen zunehmen. Somit, wobei die Werte der Brechungsindizes des lichtdurchlässigen Materials 410 (n&sub1;), der Klebstoffschicht 412 (n&sub2;) und der Lichtlenkbaugruppe 120 (n&sub3;) derart gewählt werden, daß
n&sub1; ≤ n&sub2; ≤ n&sub3;
Ein optisches Element 414, dessen Funktion der des Elements 400 in Fig. 29 ähnlich ist, könnte an der Klebstoffschicht 412 angeordnet werden. Der Brechungsindex des Elements 414 sollte etwa gleich n&sub2; sein.
Die Übertragung von Licht von der Quelle 112 zu den Eintrittsflächen 132 kann auch dadurch verbessert werden, daß in die Mikroprismen eine Krümmung eingeführt wird, die das Strahlungsmuster der Lichtquelle 112 ergänzt. Wie in Fig. 31 gezeigt, definieren die Eintrittsflächen 422 der Mikroprismen 420 einen Bogen, damit sichergestellt wird, daß bei den von der Lichtquelle 112 am weitesten entfernten Mikroprismen 420 der Einfallswinkel unter dem Dämpfungswinkel liegt. Der Dämpfungswinkel ist durch die folgenden Gleichungen definiert:
wobei:
n&sub1; sinφ&sub1; = n&sub3; sinφ' und
RS der Reflexionsgrad von senkrecht zu der Einfallsebene polarisiertem Licht ist;
RP der Reflexionsgrad von parallel zu der Einfallsebene polarisiertem Licht ist;
φ&sub1; der Winkel des auf die Eintrittsfläche 422 auftreffenden Lichtstrahls ist;
φ' der Winkel des durch das Mikroprisma 420 übertragenen einfallenden Lichtstrahls ist und
φ&sub1; und φ' von der Normalen der Ebene der Eintrittsfläche 422 definiert sind.
In Fig. 32 wird ein optisches Zwischenelement 430 eingeführt, um die Winkelverteilung des in die Lichtlenkbaugruppe 120 eintretenden Lichts einzuschränken. Obwohl es in der Zeichnung als zwischen der Beleuchtungsbaugruppe 110 und der Lichtlenkbaugruppe 120 angeordnet gezeigt ist, könnte das Element 430 innerhalb der Beleuchtungsbaugruppe näher an der Lichtquelle 112 positioniert sein. Zudem könnte ein dem optischen Element 400 in Fig. 29 ähnliches zweites optisches Element 440 zwischen der Lichtquelle 112 und dem optischen Zwischenelement 430 vorgesehen sein, um die Lichtabgabe der Beleuchtungsbaugruppe 110 zu reduzieren. Die optischen Elemente 430 und 440 können aus Kunststoff, Glas oder einem beliebigen anderen Material hergestellt werden.
Der Brechungsindex des optischen Zwischenelements 430 (n&sub3;) kann so gewählt werden, daß die Lichtstrahlen mit einem höheren Einfallswinkel von der Lichtquelle 112 selektiv gedämpft und die Winkelverteilung in die Lichtlenkbaugruppe 120 gesenkt wird. Beispielsweise wird unter Verwendung der Gleichungen auf der vorigen Seite zum Berechnen von RS und RP die Erhöhung des Reflexionsgrads bei einem Einfallswinkel φ&sub1; bei Erhöhung des Brechungsindexes n&sub3;. Wenn n&sub1; gleich 1 ist, dann beträgt der Reflexionsgrad für Werte des Brechungsindexes n&sub3; von 1,52, 1,7 und 4,0 bei einem Einfallswinkel von 45º 17,5%, 24% bzw. 65%.

Die Funktionsweise des Beleuchtungssystems

Die Funktionsweise des Systems wird unter Bezugnahme auf Fig. 33 erläutert. Ohne spezielle Struktur strahlt die Lichtquelle 112 Licht in Richtung der Lichtlenkbaugruppe 120 und auch in andere Richtungen. Diejenigen Lichtstrahlen, die sich direkt zu einer Eintrittsfläche 132 eines Mikroprismas 122 ausbreiten und wie durch die Gleichungen zum Berechnen von RS und RP diktiert reflektiert werden; der Rest des Lichts wird durch das Mikroprisma 122 übertragen und tritt schließlich durch eine zugeordnete Linse 142 und hinaus, wie durch Lichtstrahl A dargestellt.
Falls das die Lichtquelle 112 verlassende Licht sich anfänglich von der Lichtlenkbaugruppe 120 wegbewegt, trifft es auf den Reflektor 150. Dort wird es zu der Lichtlenkbaugruppe 120 zurückreflektiert, wobei es durch ein Mikroprisma 122 und eine Linse 142 läuft, wie durch den Lichtstrahl B gezeigt.
Ein Teil der Lichtstrahlen können sich von der Lichtquelle 112 in Richtung der Lichtlenkbaugruppe 120 ausbreiten, treten aber in die Gebiete 128 neben den Seitenwänden 136 ein. Falls man zulassen würde, daß derartige Lichtstrahlen diesen Weg fortsetzen, würden sie wahrscheinlich durch die Seitenwände 136 in die Mikroprismen 122 eintreten. Sie würden jedoch aus der Lichtlenkbaugruppe 120 nicht ordnungsgemäß austreten und würden sogar die Lichtabgabeverteilung verzerren. Deshalb sind in den Gebieten 128 reflektierende Elemente vorgesehen, um derartige fehllaufende Lichtstrahlen zu blockieren und umzulenken. Ein die Quelle 112 verlassender Lichtstrahl erreicht, wie gezeigt, das massive Füllmaterial 160, wo er zu dem Reflektor 150 zurückreflektiert wird. Dort wird der Lichtstrahl zu der Lichtlenkbaugruppe 120 zurückreflektiert und durch diese hindurch, wie durch den Lichtstrahl C dargestellt. Bei Verwendung eines nichtreflektierenden Füllmaterials in den Gebieten 128 anstelle eines reflektierenden Materials würde der Lichtstrahl von dem Füllmaterial einfach absorbiert werden. Das Licht könnte aber auch zu der Lichtquelle 112 zurückreflektiert werden, obwohl dies unerwünscht ist, da der größte Teil derartigen Lichts von der Lichtquelle 112 absorbiert wird. Dieser Reflexionsmodus sollte deshalb minimiert werden, indem beispielsweise eine kleinere Lichtquelle verwendet wird.
Es ist zu verstehen, daß sich die vorliegende Erfindung auf eine große Vielfalt von Einrichtungen anwenden läßt, wie etwa Direktbeleuchtungseinrichtungen, einschließlich Beleuchtung für Anwendungen in der Wirtschaft, im Bürobereich, im Heimbereich, im Außenbereich, im Kraftfahrzeugbereich und bei Geräten. Die Erfindung kann auch auf Anwendungen im Computerbereich, im Kraftfahrzeugbereich, im Militärbereich, im Luftfahrtbereich, im Verbraucherbereich, im kommerziellen und industriellen Bereich und auf jede andere Einrichtung angewandt werden, die eine Beleuchtungsquelle erfordert. Zwei Beispiele sind das kommerzielle Leuchtenband 500 und der Tiefstrahler 600, die in den Fig. 34 bzw. 35 dargestellt sind. Das Leuchtenband 500 weist zwei Lichtquellen 510, wie etwa Leuchtstofflampen T-5 oder T-8, einen Reflektor 520 und eine Lichtlenkbaugruppe 530 aus Mikroprismen auf. Der Tiefstrahler 600 weist analog eine Lichtquelle 610 (z.B. eine CFL-Lampe), einen Reflektor 620 und eine Lichtlenkbaugruppe 630 auf.

Claims

1. Beleuchtungssystem (10, 100), das folgendes umfaßt:

(a) eine Lichtquelle (112, 300, 320, 350); und

(b) eine Lichtlenkbaugruppe (14, 120, 340), die sich in unmittelbarer Nähe zu der Lichtquelle befindet und aus einem oder mehreren Mikroprismen (122, 210, 310, 330, 420) besteht, wobei jedes Mikroprisma eine Eintrittsfläche (132, 422), die von der Lichtquelle strahlendes Licht einläßt, eine von der Eintrittsfläche entfernte und zu dieser parallele Austrittsfläche (134) und mindestens eine Seitenwand (136, 232) enthält, die zwischen der Eintrittsfläche und der Austrittsfläche angeordnet ist und mit diesen zusammenhängt und bezüglich der Eintrittsfläche unter einem stumpfen Neigungswinkel angeordnet ist und weiterhin so positioniert ist, daß eine Gesamtreflexion der durch die Eintrittsoberfläche empfangenen Lichtstrahlen bewirkt wird;

dadurch gekennzeichnet, daß das Beleuchtungssystem (10, 100) weiterhin folgendes umfaßt:

(c) mindestens ein Blockiermittel zum Blockieren des Durchgangs von Licht durch die Seitenwand.

2. Beleuchtungssystem nach Anspruch 1, bei der die Beleuchtungsbaugruppe weiterhin einen Reflektor (150, 230, 240, 250) umfaßt, der in unmittelbarer Nähe der Lichtquelle angeordnet ist, und wobei die Seitenwände der Mikroprismen Zwischengebiete (128) zwischen den Mikroprismen definieren.

3. Beleuchtungssystem nach Anspruch 1 oder 2, weiterhin mit einer Linsenbaugruppe (140), die aus einer oder mehreren Linsen (142) besteht, wobei sich die Linsenbaugruppe in unmittelbarer Nähe der Austrittsflächen des Mikroprismas befinden.

4. Beleuchtungssystem nach Anspruch 3, bei dem die Lichtlenkbaugruppe weiterhin eine Bodenwand (124, 220) mit zwei Flächen umfaßt, die Austrittsflächen der Mikroprismen an eine Fläche der Bodenwand angrenzen und die Linsenbaugruppe an die andere Fläche der Bodenwand angrenzt.

5. Beleuchtungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem das Mikroprisma eine geometrische Mitte aufweist, die bezüglich der Achse mindestens einer Linse kollinear oder versetzt ist.

6. Beleuchtungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem der Reflektor so orientiert ist, daß er reflektiertes Licht zu den Eintrittsflächen der Mikroprismen lenkt.

7. Beleuchtungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem das Blockiermittel ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus einer reflektierenden Beschichtung auf den Seitenwänden der Mikroprismen, einer reflektierenden Auskleidung auf den Seitenwänden der Mikroprismen, einem massiven Füllmaterial in den Zwischengebieten, einer reflektierenden Maske neben den Eintrittsflächen der Mikroprismen und Kombinationen daraus.

8. Beleuchtungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem die Beleuchtungsbaugruppe weiterhin ein zwischen der Lichtquelle und der Lichtlenkbaugruppe angeordnetes optisches Mittel (400) zum Reduzieren der Übertragung von Licht von der Lichtquelle zu der Lichtlenkbaugruppe umfaßt.

9. Beleuchtungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem die Beleuchtungsbaugruppe weiterhin zwischen der Lichtquelle und der Lichtlenkbaugruppe angeordnete dazwischenliegende optische Mittel zum Einschränken der Winkelverteilung des zu der Lichtlenkbaugruppe übertragenen Lichts umfaßt.

10. Beleuchtungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem die Beleuchtungsbaugruppe weiterhin ein zwischen der Lichtquelle und den dazwischenliegenden optischen Mitteln angeordnetes optisches Lichtreduziermittel umfaßt.

11. Beleuchtungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem die Beleuchtungsbaugruppe einen um die Lichtquelle herum positionierten Parabolreflektor umfaßt, der so orientiert ist, daß er reflektiertes Licht zu den Eintrittsflächen der Mikroprismen lenkt.