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ALLGEMEINER STAND DER
TECHNIK
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1. Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft Beleuchtungssysteme und insbesondere
ein Beleuchtungssystem mit einer Anordnung linearer Prismen, die
auf einer Seite eines massiven Wellenleiters angeordnet sind und denen
gegenüber
Licht aus dem Wellenleiter austritt, zum Steuern der Lichtausgabeverteilung
des Beleuchtungssystems.
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2. Beschreibung des Standes
der Technik
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Für den privaten
Bereich und in Büros
ist es zweckmäßig, den
Winkel der Lichtausgabeverteilung von Beleuchtungssystemen so zu
steuern, dass keine Bereiche mit steil einfallendem Licht überflutet
werden und dass keine Lichtkonzentrationspunkte entstehen, wenn
der Blick auf das Beleuchtungssystem gerichtet ist. Das Steuern
des Winkels der Lichtausgabeverteilung erfolgte bisher durch Vor-Begrenzen
oder Vor-Kollimieren der Lichtzufuhr zum Beleuchtungssystem (siehe
beispielsweise US-Patentschriften Nr. 5,359,691 und 5,390,276 an
Tai und Mitarbeiter). Solche Beleuchtungssysteme erfordern zusätzliche
Vorrichtungen und Konstruktionen, um das Kollimieren von zugeführtem Licht
sicherzustellen. Des Weiteren betreffen die in diesen Patenten offenbarten
Beleuchtungssysteme die Hinterleuchtung von Flüssigkristallanzeigen (LCDs),
die eine stark kollimierte Lichtausgabe erfordern, beispielsweise
Ausgabewinkel von maximal ±20°, wobei die
Ausgabewinkel von einer Richtung her gemessen werden, die senkrecht
zur Ebene der Ausgabeoberfläche
des Wellenleiters verläuft.
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Es
ist somit wünschenswert,
ein Beleuchtungssystem bereitzustellen, das zugeführtes Licht
unbeschränkt
verarbeiten kann (d. h. nicht-kollimiertes Licht oder 180°-Licht) und
das Lichtausgabeverteilung und -intensität steuern kann. Solche Beleuchtungssysteme
müssen
preiswert in der Herstellung, langlebig und zuverlässig sein.
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Aus
US-A-5390276 ist eine Hinterleuchtung für eine Flüssigkristallanzeige oder allgemeiner
ein Beleuchtungssystem nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 bekannt.
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Die
vorliegende Erfindung ist des Weiteren dadurch gekennzeichnet, dass
der eingeschlossene Winkel einen Lichtausgabegrenzwinkel von größer als
etwa ±25° zum Steuern
der Lichtausgabe des Beleuchtungssystems definiert.
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Die
Erfindung ermöglicht
vorteilhafterweise eine Lichtausgabeverteilung, die sich bestens
für den
privaten Bereich und für
Büroumgebungen
eignet. Das Beleuchtungssystem umfasst allgemein einen massiven Wellenleiter
und eine Lichtlenkstruktur auf einer Seite, die der Lichtausgabeseite
des Wellenleiters gegenüber liegt,
zum Steuern der Lichtausgabeverteilung des Beleuchtungssystems.
Die Lichtlenkstruktur kann mit dem Wellenleiter einstückig ausgebildet
sein, oder sie kann über
eine Grenzschicht am Wellenleiter befestigt sein, die einen etwa
100%-igen Kontakt zwischen dem Wellenleiter und der Lichtlenkstruktur
herstellt. Die Lichtlenkstruktur enthält ein Array aus Lichtlenkmerk malen,
die als allgemein linsenartige Prismen konfiguriert sind, welche
sich in einer Richtung erstrecken, die im wesentlichen senkrecht
(d. h. nicht parallel) zu der Durchschnittsrichtung verläuft, in
der Lichtstrahlen eintreten und sich durch den Wellenleiter ausbreiten.
Jedes Lichtlenkmerkmal definiert einen eingeschlossenen Winkel,
der die Lichtausgabeverteilung von dem Beleuchtungssystem in einer
ersten Richtung steuert. Die Grenzschicht, sofern vorhanden, steuert
die Lichtausgabeverteilung von dem Beleuchtungssystem in einer zweiten
Richtung, die bezüglich
der ersten Richtung allgemein orthogonal verläuft.
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Das
Beleuchtungssystem kann des Weiteren eine Grenzschicht zum Koppeln
der Lichtlenkstruktur mit etwa 100% Kontakt zu dem massiven Wellenleiter
und mit einem zweiten Brechungsindex, der kleiner ist als der erste
Brechungsindex des massiven Wellenleiters, enthalten. Die Grenzschicht
steuert die Lichtausgabeverteilung von dem Beleuchtungssystem in
einer zweiten Richtung, die bezüglich
der ersten Richtung allgemein orthogonal verläuft.
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Die
vorliegende Erfindung stellt vorteilhafterweise ein Beleuchtungssystem
mit einer steuerbaren Lichtausgabeverteilung und einer idealen Lichtausgabeintensität bereit,
das sich besonders gut für
den privaten Bereich und für
Büroumgebungen
eignet.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Die
Erfindung wird besser verstanden, und weitere Vorteile werden offenbar,
wenn die folgende detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungs formen
der Erfindung und die begleitenden Zeichnungen, in denen gleiche
Bezugszeichen ähnliche
Elemente in den verschiedenen Ansichten bezeichnen, zu Hilfe genommen
werden. Es zeigen:
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1 ist
eine Seitenansicht einer ersten Ausführungsform eines Beleuchtungssystems,
das einen massiven Wellenleiter und eine Lichtlenkstruktur, die
mit dem massiven Wellenleiter einstückig ausgebildet ist und gegenüber der
Lichtausgabeseite des Wellenleiters angeordnet ist, aufweist und
das gemäß der vorliegenden
Erfindung aufgebaut ist.
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2 ist
eine Seitenansicht einer zweiten Ausführungsform eines Beleuchtungssystems,
das einen massiven Wellenleiter und eine Lichtlenkstruktur, die
gegenüber
der Lichtausgabeseite des Wellenleiters angeordnet ist und mittels
einer Grenzschicht an den Wellenleiter gekoppelt ist, aufweist und
das gemäß der vorliegenden
Erfindung aufgebaut ist.
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3a–3d sind
Seitenansichten verschiedener Ausführungsformen eines Lichtlenkmerkmals
gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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4a–4b sind
grafische Darstellungen der Lichtausgabe von einem Beleuchtungssystem,
das gemäß der vorliegenden
Erfindung aufgebaut ist.
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5 ist
eine grafische Darstellung der Beziehung zwischen dem Brechungsindex
der Grenzschicht und dem Grenzwinkel der Lichtausgabe von dem Beleuchtungssystem
gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die
vorliegende Erfindung stellt ein Beleuchtungssystem bereit, das
eine steuerbare Lichtausgabeverteilung und -intensität von einer
unbeschränkten
Lichtzufuhrquelle (d. h. nicht-kollimiertes Licht oder 180°-Licht) aufweist
und das sich besonders gut für
den privaten Bereich und für
Büroumgebungen
eignet. Das Beleuchtungssystem enthält allgemein einen massiven
Wellenleiter und ein Array aus Lichtlenkmerkmalen zum Steuern der
Lichtausgabe, von dem Beleuchtungssystem in einer einzelnen oder
ersten Richtung. Es kann eine Grenzschicht vorgesehen sein, um den
Wellenleiter optisch und physisch mit den Lichtlenkmerkmalen zu
verbinden und um die Lichtausgabe von dem Beleuchtungssystem in
einer zweiten Richtung zu steuern, die bezüglich der ersten Richtung allgemein
orthogonal verläuft.
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In 1 ist
eine erste Ausführungsform
eines Beleuchtungssystems 10 gezeigt, das eine steuerbare Lichtausgabeverteilung
von einer unbeschränkten
Lichtzufuhrquelle ermöglicht.
Für Beleuchtungszwecke
im privaten Bereich und im Büro
ist es wünschenswert,
eine solche Grenze für
die Lichtausgabe vom Beleuchtungssystem 10 zu haben, dass
gar kein oder nur wenig Licht von dem Beleuchtungssystem in Winkeln
abstrahlt, die größer sind
als ein vorbestimmter Grenzwinkel C. Vorzugsweise ist der Grenzwinkel
größer als
etwa ±25° und kleiner
als etwa ±90°. Ein Grenzwinkel
verhindert, dass das Beleuchtungssystem eine Fläche mit steil einfallendem
Licht überflutet.
Es ist ebenso wünschenswert,
eine Lichtausgabe bereitzustellen, die eine allgemein gleichmäßige Intensität – ohne Lichtkonzentrationspunkte
-aufweist und die sich verringert oder neigt, wenn der Blick gerade
auf das Beleuchtungssystem fällt,
d. h. bei einem Betrachtungswinkel von etwa 0°. Eine solche Ausgabeverteilung
wird als "Fledermausflügel"-Muster bezeichnet
und wird durch die vorliegende Erfindung bereitgestellt.
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Die
Verteilung der Lichtausgabe von dem Beleuchtungssystem 10 definiert
einen Betrachtungswinkelbereich, der durch den Grenzwinkel C begrenzt
ist, über
den hinaus nur wenig oder gar kein Licht als von dort abgestrahlt
wahrgenommen wird. Die folgende detaillierte Beschreibung betrifft – als nichteinschränkendes Beispiel – ein Beleuchtungssystem 10 mit
einem Grenzwinkel von etwa ±60°. Der Fachmann
erkennt, dass dieser Grenzwinkelbereich nur ein veranschaulichendes
und nicht-einschränkendes
Beispiel der vorliegenden Erfindung ist und dass für die vorliegende
Erfindung auch größere oder
kleinere Grenzwinkel (d. h. Betrachtungswinkelbereiche) in Frage
kommen, beispielsweise im Bereich von etwa ±25° bis etwa ±90°.
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Das
Beleuchtungssystem 10 enthält allgemein einen massiven
Wellenleiter 30, der optisch an eine Lichtquelle 20 gekoppelt
ist, die sich längs
entlang einer Lichteingangsseite 26 des Wellenleiters 30 erstreckt. Lichtstrahlen 22 von
der Lichtquelle 20 breiten sich innerhalb des Wellenleiters 30 und
durch den Wellenleiter 30 aus und treten von dort durch
eine Lichtausgabeseite 34 aus, die eine im wesentlichen
planare Lichtausgabefläche 32 aufweist.
Um die Lichtquelle 20 herum ist ein Reflektor 24 angeordnet,
um die Lichtstrahlen in den Wellenleiter 30 zu lenken.
Der Wellenleiter 30 besteht aus einem durchsichtigen Kunststoff
und weist einen ersten Brechungsindex n1 auf, der vor zugsweise größer als
1 ist. In einer bevorzugten Ausführungsform
besteht der Wellenleiter 30 aus Acryl oder Polycarbonat
und hat einen ersten Brechungsindex n1 von etwa 1,49 bzw. 1,59.
Obgleich das bevorzugte Material für den Wellenleiter 30 Acryl
ist, kommen für
die vorliegende Erfindung auch andere durchsichtige Kunststoffmaterialien
in Frage, einschließlich
beispielsweise durchsichtiges Polystyren, Silikon, Polyester und
Nylon.
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Die
vorliegende Erfindung steuert das Austreten von Lichtstrahlen 22 von
dem Wellenleiter 30 in einer ersten oder einzigen Richtung
im Fall der Ausführungsform
von 1 und in zwei Richtungen (d. h. eine erste und
eine zweite Richtung) im Fall der Ausführungsform von 2.
Im erfindungsgemäßen Sinne
meint Steuerung der Lichtausgabe von dem Beleuchtungssystem 10 in
der ersten Richtung eine Richtung, die allgemein senkrecht zur Längsrichtung
des Lichtlenkmerkmalsarrays 42 verläuft. Steuerung der Lichtausgabe
in zwei Richtungen meint eine erste Richtung, die allgemein senkrecht
zur Längsrichtung
des Lichtlenkmerkmalsarrays 42 verläuft, und eine zweite Richtung,
die bezüglich
der ersten Richtung allgemein orthogonal verläuft.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
weist die Lichtausgabeverteilung eine allgemein "Fledermausflügel"-artige
Form auf (siehe beispielsweise 4a) und
ist innerhalb des definierten Ausgabe-Betrachtungswinkelbereichs
im wesentlichen von gleichmäßiger Intensität. Wenn
sich der Betrachtungswinkel von 0° aus
in die eine oder die andere Richtung (d. h. positiv oder negativ)
verschiebt, bleibt die Intensität
der Lichtausgabe von dem Beleuchtungssystem 10 im wesentlichen
konstant, wenn der Blick entlang einer Ebene gerichtet ist, die
allgemein senkrecht zur Lichteingangsseite 26 des Wellenleiters 30 verläuft, und
nimmt allmählich
in dem Maße
ab, wie der Blickwinkel entlang dieser Ebene sich dem Grenzwinkel
C nähert.
Dies ist grafisch in 4a und 4b veranschaulicht,
wo der Grenzwinkel ungefähr ±60° misst. Durch
Verändern
des eingeschlossenen Winkels der Prismen 48 des Lichtlenkmerkmalsarrays 42 und/oder
durch Verändern
der Grenzschicht 60 (im Fall der Ausführungsform von 2)
kann die Lichtausgabeverteilung des Beleuchtungssystems 10 der vorliegenden
Erfindung in der ersten und in der zweiten Richtung gesteuert werden.
Die vorliegende Erfindung stellt außerdem vorteilhafterweise eine
Lichtausgabe bereit, die ein wenig gedämpft ist, wenn der Betrachtungswinkel
etwa 0° misst
(siehe beispielsweise 4a und 4b). Dies
mindert die schädlichen
Auswirkungen auf die Augen des Betrachters, wenn er direkt in das
Beleuchtungssystem 10 blickt.
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Ein
Lichtlenkmerkmalsarray 42 ist auf einer Lichtlenkstruktur 40,
die sich gegenüber
der Lichtausgabeseite 34 befindet, definiert und enthält mehrere
allgemein linsenartige Prismen 48, die sich längs entlang
des Wellenleiters 30 in einer Richtung erstrecken, die
allgemein nicht parallel (d. h. senkrecht) zu der Richtung verläuft, in
der Lichtstrahlen 22 eintreten und sich durch den Wellenleiter 30 ausbreiten.
Jedes Prisma 48 enthält eine
erste und zweite Lichtlenkoberfläche 44, 46,
die zueinander so angeordnet sind, dass sie zwischen sich einen
eingeschlossenen Winkel w definieren, der die Verteilung der Lichtausgabe
vom Beleuchtungssystem 10 in der ersten Richtung steuert (d.
h. in einer einzelnen Richtung, die allgemein senkrecht zur Längsrichtung des
Prismas 48 verläuft).
Der eingeschlossene Winkel w steuert das Austreten von Lichtstrahlen 22 vom
Beleuchtungssystem 10 in der ersten Richtung (d. h. in
der in 4a gezeigten ±x-Richtung) dergestalt,
dass nur Lichtstrahlen 22 mit einem Austrittswinkel von
maximal der Größe des gewünschten
Grenzwinkels C aus dem Beleuchtungssystem 10 austreten.
In der bevorzugten Ausführungsform
misst der gewünschte
Grenzwinkel C etwa ±60°. Der eingeschlossene
Winkel w wird bestimmt durch den Brechungsindex n1 (dem ersten Brechungsindex)
des Wellenleiters 30 (der sich nach dem Material richtet,
aus dem der Wellenleiter 30 besteht), dem Verteilungswinkel
der Lichtzufuhr zum Wellenleiter 30 (die bei der vorliegenden
Erfindung nicht gesteuert zu werden braucht) und dem gewünschten
Verteilungswinkel der Lichtausgabe vom Beleuchtungssystem 10, d.
h. dem gewünschten
Grenzwinkel C. Bei einem Wellenleiter 30 aus Acryl mit
einem Brechungsindex n1 von etwa 1,49 und bei einem Lichtzufuhrverteilungswinkel
von vollen 180° und
einem gewünschten
Grenzwinkel zwischen ungefähr ±60° liegt der
eingeschlossene Winkel w je nach dem spezifizierten Grenzwert im
Bereich zwischen etwa 120° und
140°. Der
Fachmann erkennt, dass andere eingeschlossene Winkel es Lichtstrahlen mit
größeren oder
kleineren Austrittswinkeln gestatten, aus dem Beleuchtungssystem 10 auszutreten.
Folglich ist die vorliegende Erfindung nicht auf den offenbarten
gewünschten
Grenzwinkelbereich von ±60° beschränkt, sondern
es fallen vielmehr auch Grenzwinkelbereiche zwischen ±25° und ±90° darunter.
Des Weiteren kann die Lichtausgabe vom Beleuchtungssystem 10 der
vorliegenden Erfindung symmetrisch (beispielsweise ±60°), asymmetrisch
(beispielsweise +30°, –75°) oder auch
anders sein.
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Der
eingeschlossene Winkel w für
Prismen 48 mit im wesentlichen geraden Seiten (siehe beispielsweise 3a)
und für
einen allgemein symmetrischen Grenzwinkel (d. h. ±60°) wird anhand
der folgenden Gleichungen bestimmt: 90 + asin(1/n1) – asin(sinC/n1) < w < asin(sinC/n1) +
90 (1)wobei:
w = der eingeschlossene Winkel, n1 = der Brechungsindex des massiven
Wellenleiters 30 und C = der gewünschte Grenzwinkel der Lichtausgabe
vom Beleuchtungssystem 10. Der eingeschlossene Winkel bewegt sich
bevorzugt im Bereich zwischen etwa 120° und 140° und beträgt ganz besonders bevorzugt
etwa 125°. Der
eingeschlossene Winkel richtet sich teilweise nach dem Brechungsindex
n1 des Materials, aus dem der massive Wellenleiter 30 besteht.
Im Fall der Ausführungsform
von 1 besteht die Lichtlenkstruktur 40 aus dem
gleichen Material wie der Wellenleiter 30 und weist den
gleichen Brechungsindex auf.
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Das
Lichtlenkmerkmalsarray 42 definiert auf der Lichtlenkstruktur 40 einen
Bereich, der maximal so groß ist
wie die Gesamtfläche
der Lichtlenkstruktur 40. Der durch das Lichtlenkmerkmalsarray 42 definierte
Bereich misst vorzugsweise zwischen etwa 5% und 100% der Gesamtfläche der
Lichtlenkstruktur 40.
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Auf
einer Außenfläche des
Lichtlenkmerkmalsarrays 42 befindet sich eine reflektierende
Beschichtung 52, um die Reflexion von Lichtstrahlen 22 innerhalb
des Wellenleiters 30 in Richtung der Lichtausgabeseite 34 zu
unterstützen.
Alternativ kann auch ein Reflektor 50 nahe der Lichtlenkstruktur 40 angeordnet
sein, wie in 2 gezeigt.
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Die
Anzahl der in dem Beleuchtungssystem 10 der vorliegenden
Erfindung angeordneten Lichtquellen 20 richtet sich teilweise
nach der Form des Wellenleiters 30 und nach den Lichtausgabeanforderungen
des Beleuchtungssystems 10. Des Weiteren kann die Lichtquelle 20 punktförmig (Glühlampen)
oder linear (Leuchtstoffröhren)
sein und können
außerdem – als nichteinschränkendes
Beispiel – ein
Array aus Glühlampen, Leuchtdioden,
Lasern und Halogenlichtquellen umfassen, die in jeder beliebigen
Konfiguration angeordnet sein können.
Die Lichtquelle 20 ist vorzugsweise an einem Rand des Wellenleiters
dergestalt angeordnet, dass Lichtstrahlen 22 in den Wellenleiter 30 in
einem Winkel eintreten, der allgemein senkrecht zu dem Winkel verläuft, in
dem die Lichtstrahlen 22 aus dem Beleuchtungssystem 10 austreten.
Beispielsweise treten Lichtstrahlen 22 in den Wellenleiter 30 allgemein
entlang der x-Achse ein und treten aus dem Beleuchtungssystem 10 allgemein
entlang der z-Achse aus, wie in 1 gezeigt.
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Eine
alternative Ausführungsform
des Beleuchtungssystems 10 der vorliegenden Erfindung ist
in 2 gezeigt. Das Beleuchtungssystem 10 enthält einen
massiven, allgemein rechteckigen Wellenleiter 30 und eine
Lichtlenkstruktur 40, die über eine Grenzschicht 60 physisch
und optisch mit dem Wellenleiter 30 verbunden ist. Bei
der Grenzschicht 60 kann es sich um einen beliebigen handelsüblichen
Klebstoff, der Fluorpolymere und Acrylpolymere enthält, oder
um sonstige Materialien auf Silikon- oder Acrylbasis handeln. Die Grenzschicht 60 schafft
etwa 100% physischen und optischen Kontakt zwischen dem Wellenleiter 30 und
der Lichtlenkstruktur 40. Die Lichtlenkstruktur 40 weist
einen dritten Brechungsindex n3 auf, der sich nach dem Material
richtet, aus dem die Lichtlenkstruktur 40 besteht. In einer
bevorzugten Ausführungsform
ist der dritte Brechungsindex n3 größer als
1.
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Der
Verteilungswinkel der Lichtausgabe von dem Beleuchtungssystem
10 wird überdies
in der zweiten Richtung durch den Brechungsindex n2 der Grenzschicht
60 (sofern
vorhanden) gesteuert. Die Beziehung zwischen dem Brechungsindex
n2 der Grenzschicht
60 und dem Grenzwinkel C wird durch
folgende Gleichung definiert:
n2 ≤ (n12 – (cos(C))2)1/2 (2)wobei: n2
= der Brechungsindex der Grenzschicht
60, n1 = der Brechungsindex
des Wellenleiters
30 und C = der gewünschte Grenzwinkel. Die Beziehung
ist grafisch in
5 gezeigt. Wenn eine Grenzschicht
zur Steuerung des Ausgabegrenzwinkels in der zweiten Richtung verwendet
wird, so wird die Berechnung des eingeschlossenen Winkels zum Steuern
des Ausgabegrenzwinkels in der ersten Richtung durch folgende Gleichung bestimmt:
wobei
n3 = der Brechungsindex der Lichtlenkstruktur
40. Durch
Variieren des eingeschlossenen Winkels w der Prismen
48 und
durch Auswählen
einer Grenzschicht
60 mit einem spezifischen Brechungsindex
n2 kann der Grenzwinkel C in allen Richtungen selektiv bestimmt
und die Lichtausgabeverteilung von dem Beleuchtungssystem
10 der
vorliegenden Erfindung selektiv gesteuert werden.
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In 3a–3d sind
verschiedene Ausführungsformen
der Prismen 48 dargestellt, und zwar eine dreieckige Form,
eine mehrfacettige Form, eine konvex gekrümmte Form und eine konkav gekrümmte Form. Jede
Ausführungsform
der Prismen 48 enthält
eine erste und zweite Lichtlenkoberfläche 44, 46,
die zueinander so angeordnet sind, dass sie zwischen sich einen
eingeschlossenen Winkel w definieren. Die Prismen 48 können in
enger, einander berührender
Beziehung angeordnet sein, wie in 3a–3dgezeigt,
oder es können
gleichmäßige oder
nach dem Zufallsprinzip verteilte Lücken oder Spalte zwischen den
Prismen 48 angeordnet sein.
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Nachdem
die Erfindung nun praktisch in allen Details beschrieben wurde,
wird man erkennen, dass diese Details nicht streng befolgt werden
müssen,
sondern dass dem Fachmann verschiedene Änderungen und Modifikationen
einfallen, die allesamt in den Geltungsbereich der Erfindung fallen,
wie er durch die angehängten
Ansprüche
definiert ist.
