-
ALLGEMEINER STAND DER
TECHNIK
-
1. Gebiet
der Erfindung
-
Diese
Erfindung betrifft Beleuchtungssysteme und genauer ein kantenbeleuchtetes
Beleuchtungssystem, das einen Hohllichtleiter und ein oder zwei
stapelnd angeordnete transparente lichtrichtende Anordnungen (LRA)
beinhaltet, die einen Lichtausgang vom Beleuchtungssystem bereitstellen,
der eine vorherbestimmte winkelige Verbreitung aufweist.
-
2. Beschreibung des Stands
der Technik
-
Beleuchtungskörper oder
Beleuchtungssysteme, die in einer Büroumgebung eingesetzt werden, müssen sowohl
für herkömmliche
Papierarbeiten, die typischerweise auf einer waagerechten Oberfläche mit
abwärts
gerichteten Augen des Betrachters durchgeführt werden, als auch für computergestützte oder
Bildschirmarbeitsplatz(BAP)-Arbeiten,
die typischerweise mit zum BAP gerichteten Augen des Betrachters
durchgeführt
werden und im Sichtfeld einen Teil der Decke beinhalten, geeignet
sein. Für
BAP-Arbeiten ist es daher wichtig, die Leuchtdichte der in der Decke
eingebauten Beleuchtungskörper
zu steuern, um reflektierte Blendung oder verhüllende Reflexionen an einem
BAP auf ein Mindestmaß zu
verringern. Als eine allgemeine Faustregel sollte die Leuchtdichte
der Decke nicht das zehn(10)fache jener des BAP-Bildschirms überschreiten. Siehe z.B. die
amerikanische nationale Standardpraxis für Bürobeleuchtung, ANSI/IESAN RP-1-1993,
Seiten 34 bis 41. Deckenbeleuchtungskörper können Bildblendung, wobei der
Betrachter das Bild des Beleuchtungssystems am BAP sieht; Flächenblendung,
wobei am BAP eine Fläche
von Helligkeit erscheint; und gleichmäßige Blendung, die zu einer
Verringerung der Helligkeit und des Kontrasts des BAP führt, verursachen. Jedes
dieser Blendungsprobleme be einflußt die Fähigkeit einer Person, BAP-Arbeiten
durchzuführen, nachteilig.
Bei indirekten Beleuchtungskörpern
werden eine im Allgemeinen weit verstreute Lichtverbreitung und
eine gleichmäßige Lichtausgangshelligkeit auf
Blendungsprobleme eingehen. Zusätzlich
werden unerwünschte
Blendwirkungen durch Steuern des Lichtausgangs vom Beleuchtungskörper bei Sichtwinkeln,
die von zwischen 55° und
90° reichen, weiter
verringert (z.B. wird empfohlen, dass die durchschnittliche Leuchtdichte
in diesem winkeligen Sichtbereich 850 cd/m2 nicht überschreitet,
wenn sie in der Längs- und in der Querrichtung
und in einem Winkel von 45° zur
Längs-
und zur Querrichtung gesehen wird). Folglich ist es wünschenswert,
ein Beleuchtungssystem bereitzustellen, das einen steuerbaren und
verhältnismäßig genauen
oder "sauberen" Abgrenzungswinkel
bereitstellen kann; wobei der Abgrenzungswinkel jener Winkel ist, über den
hinaus ein Lichtausgang vom Beleuchtungssystem im Wesentlichen unbedeutend
oder visuell unbemerkbar ist.
-
Blendungsprobleme
von Deckenleuchtkörpern
werden durch die fortgesetzte Entwicklung hellerer, kompakterer
und leistungsfähigerer
Lichtquellen verschlimmert. Einige dieser neu entwickelten Lichtquellen
können
Schäden
an den Augen einer Person verursachen, wenn sie direkt betrachtet
werden. Zusätzlich
wird helles Licht, das in die Augen einer Person dringt, zu Ermüdung und
geringerer Arbeitskraftproduktivität führen. Aus diesen Gründen ist es
höchst
wünschenswert,
ein Beleuchtungssystem bereitzustellen, das einen steuerbaren und
sauberen Abgrenzungswinkel aufweist.
-
Beleuchtungssysteme
stellen ein Mittel zum Umlenken des Lichtausgangs von einer Lichtquelle zu
einer bestimmten Stelle bereit. Für Lichtquellen, die eine enge
winkelige Ausgangsverbreitung aufweisen, offenbaren die US-Patentschriften
Nr. 4,984,114 an Cobb et al. (das '144er-Patent) und Nr. 5,190,370 an Miller
et. al. (das '370er-Patent)
hohle Beleuchtungssysteme, die mehrere Prismen beinhalten, in denen
Lichtstrahlen von der Lichtquelle total intern reflektiert werden,
bevor sie vom Beleuchtungssystem austreten. Die Lichtquelle strahlt
entweder einen Kegel (das '144er-Patent)
oder einen gebündelten
Lichtstrahl (das '370-er-Patent)
aus, der mit den Prismen in einem kleinen Winkel in Bezug zur Ebene
der Ausgangsoberfläche
des Beleuchtungssystems in Kontakt tritt. Praktisch alle Lichtstrahlen, die
durch die Lichtquelle ausgestrahlt werden, treten in die Prismen
ein und treten vom Beleuchtungssystem aus. Die winkelige Verbreitung
des Lichtausgangs wird durch den begrenzten winkeligen Ausgang der
Lichtquelle gesteuert, und die Prismen stellen nur das Mittel bereit,
wodurch die Lichtstrahlen vom Beleuchtungssystem austreten. Folglich
sind die in diesen Literaturverweisen offenbarten Beleuchtungssysteme
nur für
Lichtquellen geeignet, die enge Lichtstrahlen oder -säulen ausstrahlen.
-
Für Lichtquellen,
die eine breite oder verstreute winkelige Verbreitung der Lichtstrahlen
aufweisen, offenbart die US-Patentschrift Nr. 5,676,453 an Parkyn,
Jr. et al. (das '453er-Patent)
ein Beleuchtungssystem, das eine bündelnde, total intern reflektierende
Linse beinhaltet, die Lichtstrahlen von einer fluoreszierenden Lichtquelle
zu einer Lichtzielzone umlenkt. Obwohl die Linse die Lichtstrahlen
von der Lichtquelle umlenkt und in mancher Hinsicht ausrichtet,
wenn sie vom Beleuchtungssystem austreten, wird die Gleichmäßigkeit
des Ausgangs nicht durch die in diesem Literaturverweis offenbarte
Linse gesteuert, und als Folge können
Lichtquellen als "Heißpunkte" erscheinen. Selbst
wenn dieser Literaturverweis das Zuschneiden oder Steuern einer
Richtung der winkeligen Verbreitung des Lichtausgangs offenbart,
sind saubere Abgrenzungswinkel, die größer als annähernd 60° sind, nicht möglich.
-
Ein
Beleuchtungskörper,
der zwei im Allgemeinen rechtwinkelig angeordnete gewellte Platten aufweist,
ist in der US-Patentschrift Nr. 4,452,449 (das '449er-Patent) an Whitehead offenbart.
Die in diesem Literaturverweis offenbarten gewellten Platten sind
durch eine Eigenschaft gekennzeichnet, die als Okatatur bezeichnet
wird, wobei Oberflächen
an der gleichen Seite einer gewellten Platte entweder parallel oder
senkrecht zueinander liegen, und Oberflächen an gegenüberliegenden
Seiten der gewellten Platte mit 45° zueinander liegen. Folglich
ist der Spitzenwinkel der Prismen der gewellten Platten notwendigerweise
auf 90° begrenzt.
Dieser Literaturverweis offenbart ferner die Erwünschtheit des Konzentrierens
des Lichtausgangs vom Beleuchtungskörper über den winkeligen Sichtbereich
zwischen 0° und 30° von der
Normalen.
-
Eine
Oberflächenlichtquellenvorrichtung,
die zwei lichtrichtende Anordnungen einsetzt, welche in Bezug zueinander
im Allgemeinen rechtwinkelig angeordnet sind, ist aus dem Dokument
EP-A-0 819 970 bekannt.
-
Es
besteht in der Technik ein Bedarf an einem Beleuchtungssystem, das
einen Lichteingang von einer Vielfalt von unterschiedlichen Lichtquellen annimmt,
und das einen Lichtausgang bereitstellt, der eine vorherbestimmte
winkelige Verbreitung mit einem sauberen Abgrenzungswinkel und guter
Lichtausgangsgleichmäßigkeit
aufweist.
-
KURZDARSTELLUNG
DER ERFINDUNG
-
Die
vorliegende Erfindung stellt ein wie in Anspruch 1 definiertes Beleuchtungssystem
bereit.
-
Das
System kann die Merkmale jedes beliebigen oder mehrerer der abhängigen Ansprüche 2 bis 11
beinhalten.
-
Die
vorliegende Erfindung stellt ein Beleuchtungssystem bereit, das
einen Hohllichtleiter aufweist, der eine erste und eine zweite lichtrichtende Anordnung
(LRA) aufweist, von denen jede mehrere linsenförmige Prismen aufweist, die
daran definiert sind und in Bezug zueinander im Allgemeinen rechtwinkelig
angeordnet sind. Lichtstrahlen von einer Lichtquelle betreten den
Lichtleiter durch eine Lichteingangsseite, verlassen den Lichtleiter
durch eine Lichtausgangsseite, und treten mit einem vorherbestimmten
Fluß (d.h.,
einer Stärke)
und einer vorherbestimmten winkeligen Verbreitung vom Beleuchtungssystem
aus. Der Lichtausgangsfluß und
die winkelige Verbreitung können
nach der vorliegenden Erfindung durch die LRAs jeweils unabhängig gesteuert
werden, um ein Beleuchtungssystem bereitzustellen, das für verschiedenste
Anforderungen der Lichtausgangsverbreitung und der Stärke konfiguriert werden
kann.
-
Das
Beleuchtungssystem beinhaltet einen Hohllichtleiter, der eine Lichteingangsseite,
durch die Lichtstrahlen von einer Lichtquelle den Hohllichtleiter betreten,
und eine Lichtausgangsseite, von der Lichtstrahlen vom Hohllichtleiter
austreten, aufweist. Das Beleuchtungssystem beinhaltet ferner eine
erste lichtrichtende Anordnung, die ein daran definiertes erstes
lichtrichtendes Merkmal aufweist, und eine zweite lichtrichtende
Anordnung, die ein daran definiertes zweites lichtrichtendes Merkmal
aufweist. Das erste und das zweite lichtrichtende Merkmal sind in
Bezug zueinander im Allgemeinen rechtwinkelig angeordnet, wobei
die zweite lichtrichtende Anordnung die Lichtausgangsseite des Hohllichtleiters
umfasst. Der Hohllichtleiter kann im Allgemeinen rechteckig, quadratisch,
rund, ringförmig,
dreieckig oder von jeder beliebigen anderen im Allgemeinen vieleckigen
Form sein. Eine einzelne oder mehrere Lichtquellen können optisch
mit dem Hohllichtleiter der vorliegenden Erfindung gekoppelt sein.
-
Das
Beleuchtungssystem der vorliegenden Erfindung kann einen im Allgemeinen
rechteckigen Hohllichtleiter umfassen, der eine Lichteingangsseite,
durch die Lichtstrahlen von einer Lichtquelle den Hohllichtleiter
betreten, und eine Lichtausgangsseite, von der Licht strahlen vom
Hohllichtleiter austreten, aufweist. Eine erste lichtrichtende Anordnung,
die ein daran definiertes erstes lichtrichtendes Merkmal aufweist,
und eine zweite lichtrichtende Anordnung, die ein daran definiertes
lichtrichtendes Merkmal aufweist, sind im Beleuchtungssystem der
vorliegenden Erfindung beinhaltet. Das erste und das zweite lichtrichtende
Merkmal sind in Bezug zueinander im Allgemeinen rechtwinkelig angeordnet,
und die zweite lichtrichtende Anordnung umfasst die Lichtausgangsseite
des Hohllichtleiters.
-
KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
-
Die
Erfindung wird umfassender verstanden werden, und weitere Vorteile
werden offensichtlich werden, wenn auf die folgende ausführliche
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen und die beiliegenden
Zeichnungen Bezug genommen wird, in denen gleiche Bezugszeichen über die
mehreren Ansichten hinweg ähnliche
Elemente bezeichnen, und wobei
-
1a eine Querschnittansicht eines Beleuchtungssystems
ist, das Folgendes aufweist: eine einzelne Lichtquelle, einen Hohllichtleiter,
und zwei stapelnd angeordnete lichtrichtende Anordnungen, die jeweils
ein daran definiertes lichtrichtendes Merkmal aufweisen, die in
Bezug zueinander im Allgemeinen rechtwinkelig angeordnet sind, und
das nach der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist;
-
1b eine
Querschnittansicht eines Beleuchtungssystems ist, das Folgendes
aufweist: eine einzelne Lichtquelle, einen im Allgemeinen vieleckigen
Hohllichtleiter, und zwei stapelnd angeordnete lichtrichtende Anordnungen,
die jeweils ein daran definiertes lichtrichtendes Merkmal aufweisen,
die in Bezug zueinander im Allgemeinen rechtwinkelig angeordnet
sind und in einem im Allgemeinen gegenüberstehenden Gegensatz zueinander
eingerichtet sind, und das nach der vorliegenden Erfindung aufgebaut
ist;
-
1c eine
Querschnittansicht eines Beleuchtungssystems ist, das Folgendes
aufweist: eine einzelne Lichtquelle, die sich im Allgemeinen hinter der
Ausgangsoberfläche
des Beleuchtungssystems befindet, einen im Allgemeinen vieleckigen
Hohllichtleiter, und zwei stapelnd angeordnete lichtrichtende Anordnungen,
die jeweils ein daran definiertes lichtrichtendes Merkmal aufweisen,
die in Bezug zueinander im Allgemeinen rechtwinkelig angeordnet
sind, und das nach der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist;
-
2a eine
Querschnittansicht eines Beleuchtungssystems ist, das Folgendes
aufweist: eine einzelne Lichtquelle, einen im Allgemeinen rechteckigen
Hohllichtleiter, und zwei stapelnd angeordnete lichtrichtende Anordnungen,
die jeweils ein daran definiertes lichtrichtendes Merkmal aufweisen,
die in Bezug zueinander im Allgemeinen rechtwinkelig angeordnet
sind, und das nach der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist;
-
2b eine
Vorderansicht oder normalwinkelige Ansicht des Beleuchtungssystems
von 2a ist, das mehrere peripher angeordnete Lichtquellen aufweist
und nach der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist;
-
3 eine
Querschnittansicht eines Beleuchtungssystems ist, das Folgendes
aufweist: eine einzelne ringförmige
Lichtquelle, einen im Allgemeinen runden Hohllichtleiter, und zwei
stapelnd angeordnete lichtrichtende Anordnungen, die jeweils ein daran
definiertes lichtrichtendes Merkmal aufweisen, die in Bezug zueinander
im Allgemeinen rechtwinkelig angeordnet sind, und das nach der vorliegenden Erfindung
aufgebaut ist;
-
4a eine
Querschnittansicht eines Beleuchtungs systems ist, das Folgendes
aufweist: eine einzelne punktförmige
Lichtquelle, einen im Allgemeinen ringförmigen Hohllichtleiter, und
zwei stapelnd angeordnete lichtrichtende Anordnungen, die jeweils
ein daran definiertes lichtrichtendes Merkmal aufweisen, die in
Bezug zueinander im Allgemeinen rechtwinkelig angeordnet sind, und
das nach der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist;
-
4b eine
Querschnittansicht eines Beleuchtungssystems ist, das Folgendes
aufweist: einen im Allgemeinen runden Hohllichtleiter, eine erste lichtrichtende
Anordnung mit radialen Prismen und eine zweite runde lichtrichtende
Anordnung, die jeweils ein daran definiertes lichtrichtendes Merkmal aufweisen,
die in Bezug zueinander im Allgemeinen rechtwinkelig angeordnet
sind, und das nach der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist;
-
4c eine
isometrische Ansicht des Beleuchtungssystems von 4b ist,
die eine lichtrichtende Anordnung mit radialen Prismen zeigt, welche stapelnd
mit einer lichtrichtenden Anordnung mit runden Prismen angeordnet
ist;
-
5a eine
Querschnittansicht eines Beleuchtungssystems ist, das Folgendes
aufweist: eine einzelne Lichtquelle, einen im Allgemeinen dreieckigen
Hohllichtleiter, und zwei stapelnd angeordnete lichtrichtende Anordnungen,
die jeweils ein daran definiertes lichtrichtendes Merkmal aufweisen,
die in Bezug zueinander im Allgemeinen rechtwinkelig angeordnet
sind, und das nach der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist;
-
5b eine
Vorderansicht des Beleuchtungssystems von 5a ist,
das mehrere peripher angeordnete Lichtquellen aufweist;
-
6a eine
perspektivische Ansicht einer ersten lichtrichtenden Anordnung ist,
die nach der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist;
-
6b eine
perspektivische Ansicht einer zweiten lichtrichtenden Anordnung
ist, die nach der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist;
-
7 eine
Seitenansicht einer lichtrichtenden Anordnung ist, die den Spitzenwinkel
und den winkeligen Verbreitungsbereich des Lichtausgangs zeigt;
-
8 eine
graphische Darstellung der theoretischen Lichtausgangsverbreitung
und der Stärke eines
nach einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung aufgebauten Beleuchtungssystems ist;
-
9a bis 9d ausführliche
Ansichten verschiedener linsenförmiger
Prismenkonfigurationen nach der vorliegenden Erfindung sind;
-
10 eine
graphische Darstellung der Spitzenwinkelbeschränkungen für lichtrichtende Anordnungen
aus Acryl und Polycarbonat sind, die nach der vorliegenden Erfindung
berechnet wurden;
-
11 eine
graphische Darstellung des Lichtausgangs eines Beleuchtungssystems
ist, das eine verspiegelte Rückseite
aufweist und nach der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist; und
-
12 eine
graphische Darstellung des Lichtausgangs eines Beleuchtungssystems
ist, das eine streuend reflektierende Rückseite aufweist und nach der
vorliegenden Erfindung aufgebaut ist.
-
BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
-
Die
vorliegende Erfindung stellt ein Beleuchtungssystem bereit, das
einen Hohllichtleiter aufweist, der eine erste und eine zweite lichtrichtende Anordnung
(LRA) beinhaltet, die jeweils mehrere im Allgemeinen linsenförmige Prismen
aufweisen, die daran definiert sind und in Bezug zueinander im Allgemeinen
rechtwinkelig angeordnet sind. Lichtstrahlen von einer Lichtquelle
betreten den Lichtleiter durch eine Lichteingangsseite, verlassen
den Lichtleiter durch eine Lichtausgangsseite, und treten vom Beleuchtungssystem
mit einem vorherbestimmten Fluß (d.h.,
einer Stärke)
und einer vorherbestimmten winkeligen Verbreitung aus. Der Lichtausgangsfluß und die
winkelige Verbreitung können
nach der vorliegenden Erfindung durch die LRAs jeweils unabhängig gesteuert
werden, um ein Beleuchtungssystem bereitzustellen, das für verschiedenste
Anforderungen der Lichtausgangsverbreitung und der Stärke konfiguriert
werden kann.
-
Wie
hierin verwendet beziehen sich die Begriffe "Einfallswinkel" und "Austrittswinkel" auf den Winkel, den ein Lichtstrahl
mit der Normalen zur Oberfläche,
auf die der Lichtstrahl trifft, beschreibt.
-
Unter
Bezugnahme auf die Zeichnungen ist in 1 ein Beleuchtungssystem 10 nach
einer ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung gezeigt. Das Beleuchtungssystem 10 beinhaltet
einen im Allgemeinen rechteckigen Hohllichtleiter 50, der Folgendes
aufweist: eine Lichteingangsseite 58, durch die Lichtstrahlen
von einer Lichtquelle 20 den Hohllichtleiter 50 betreten,
eine im Allgemeinen reflektierende Seite 54, die sich gegenüber der
Lichteingangsseite 58 befindet, eine Rückseite 52, und eine
Lichtausgangsseite 56, die sich gegenüber der Rückseite 52 befindet,
und von der Lichtstrahlen vom Lichtleiter 50 des Beleuchtungssystems 10 austreten.
Die Rückseite 52,
die Lichtausgangsseite 56 und die Seite 54 können durch
Extrusion, Spritzguß oder andere ähnliche
Herstellungsverfahren einheitlich gebildet werden. Wechselweise
können
diese Bestandteile geson dert hergestellt und aneinander befestigt
werden, um den Hohllichtleiter 50 der vorliegenden Erfindung
zu bilden. Die Lichtquelle 20 ist vorzugsweise so gelegen,
dass Lichtstrahlen, die davon ausgehen, den Hohllichtleiter 50 in
einem Winkel betreten, der im Allgemeinen senkrecht (d.h., 0°) zum normalen
Sichtwinkel des Beleuchtungssystems 10 liegt. Diese Konfiguration
beseitigt Licht"heißpunkte" und trägt zumindest
teilweise zur gleichmäßigen Verbreitung
des Lichtausgangs vom Beleuchtungssystem 10 bei. Alternativ
und wie in 1c gezeigt kann die Lichtquelle 20 im
Inneren des Hohllichtleiters gelegen sein, so dass ihre Lichtstrahlen
im Allgemeinen parallel zum normalen Sichtwinkel verlaufen. Obwohl diese
Konfiguration Licht"heißpunkte" bereitstellen kann,
wird die Steuerung der winkeligen Verbreitung des Lichtausgangs
vom Beleuchtungssystem 10 dennoch nach der vorliegenden
Erfindung und wie nachstehend ausführlich beschrieben gesteuert.
Wie hierin verwendet bezieht sich der Ausdruck "Heißpunkte" auf das Aussehen
für einen
Betrachter, dass der Lichtausgang von einem Beleuchtungssystem an manchen
Stellen heller ist, wenn der Lichtausgang betrachtet wird.
-
Die
Rückseite 52,
die Seite 54 und die Lichtausgangsseite 56 definieren
einen Lichtkanal 40, in dem sich Lichtstrahlen von der
Lichtquelle 20 ausbreiten. Die Rückseite 52 kann vollständig reflektierend,
wie etwa ein Spiegel, sein, oder die Rückseite 52 kann alternativ
teilweise reflektierend und teilweise brechend (d.h., streuend reflektierend),
wie etwa eine lichtrichtende Anordnung (LRA) 90, sein.
In einer bevorzugten Ausführungsform
umfasst die Rückseite 52 eine
LRA 90, die mehrere daran in Längsrichtung verlaufend definierte,
im Allgemeinen linsenförmige
Prismen 94 aufweist, die im Allgemeinen parallel zur Lichteingangsseite 58 des
Hohllichtleiters 50 ausgerichtet sind. Die Prismen 94 der
LRA 90 definieren einen Spitzenwinkel 96, der
vorzugsweise zwischen annähernd
105° und
115° und
am bevorzugtesten annähernd
110° beträgt und die Menge
der Lichtstrahlen, die von der Rückseite 52 des
Hohllichtleiters 50 austreten, steuert. Für einen
Spitzenwinkel von annähernd
110° ist
die LRA 90 für
Lichtstrahlen, die mit dem Prisma 94 in bestimmten Einfallswinkeln in
Kontakt treten, total intern reflektierend (TIR), und treten annähernd 30
% der Lichtstrahlen, die durch die Lichtquelle 20 ausgestrahlt
werden, von der Rückseite 52 (d.h.,
durch die LRA 90) aus. Die teilweise reflektierende und
teilweise brechende Rückseite 52 gestattet,
dass eine vorherbestimmte Menge an Lichtstrahlen von der Rückseite 52 des
Hohllichtleiters 50 austritt, was eine steuerbare Menge
an Rückseitenbeleuchtung
für das
Beleuchtungssystem 10 bereitstellt, was für bestimmte
Beleuchtungssystemanwendungen wünschenswert
ist. Durch Verändern
des Spitzenwinkels 96 kann die Menge (d.h., der Prozentsatz)
der Lichtstrahlen, die von der Rückseite 52 austreten
(und folglich von der Lichtausgangsseite 56 austreten),
gesteuert werden. Die Lichtausgangsstärke des Beleuchtungssystems 10 der
vorliegenden Erfindung kann somit durch die Gestaltung der Rückseite 52 des
Hohllichtleiters 50 gesteuert werden.
-
Die
erste und die zweite lichtrichtende Anordnung (LRA) 70, 80 steuern
den Durchgang von Lichtstrahlen aus dem Hohllichtleiter 50 heraus.
In einer bevorzugten Ausführungsform
umfasst die zweite LRA 80 die Lichtausgangsseite 56 des
Hohllichtleiters 50. Die LRAs 70, 80 sind
so konfiguriert, dass sie die winkelige Verbreitung des Lichtausgangs
des Beleuchtungssystems 10 durch Brechen von Lichtstrahlen,
die innerhalb eines vorherbestimmten Abgrenzungswinkels von den
LRAs 70, 80 austreten würden, und durch Reflektieren
von Lichtstrahlen, die außerhalb
des vorherbestimmten Abgrenzungswinkels von den LRAs austreten würden, steuern.
Mit anderen Worten sind die einzigen Lichtstrahlen, die vom Hohllichtleiter 50 austreten,
jene innerhalb der wie durch den Abgrenzungswinkel definierten vorherbestimmten
winkeligen Verbreitung. Folglich stellt das Beleuchtungssystem 10 der
vorliegenden Erfindung eine steuerbare und vorherbestimmbare winkelige Verbreitung
des Lichtausgangs bereit. Lichtstrahlen, die von den LRAs 70, 80 in
Winkeln außerhalb
des gewünschten
Abgrenzungswinkelbereichs austreten würden, werden in den Lichtkanal 40 zurück und darin
reflektiert, wobei ihre Winkel mehr oder weniger verändert werden,
bis sie entweder durch die teilweise reflektierende Rückseite 52 (d.h.,
die LRA 90) verlaufen oder sich im Inneren des Lichtkanals 40 ausbreiten,
bis sie erneut mit der ersten LRA 70 in Kontakt treten.
Diese wirksame Wiedergewinnung von Lichtstrahlen im Inneren des
Hohllichtleiters 50 stellt ein Beleuchtungssystem 10 bereit,
das einen Lichtausgang aufweist, der im Wesentlichen gleichmäßig über die
Lichtausgangsseite 56 des Beleuchtungssystems 10 verbreitet
ist.
-
Ein
Beispiel der ersten LRA 70, das auch in 6a gezeigt
ist, befindet sich im Inneren des Lichtkanals 40 des Lichtleiters 50 und
beinhaltet mehrere im Allgemeinen längsgerichtete linsenförmige Prismen 74 als
ein erstes lichtrichtendes Merkmal 72 und eine erste Lichtausgangsoberfläche 75,
die zur zweiten LRA 80 gerichtet ist. In diesem Beispiel
sind die Prismen 74 im Wesentlichen senkrecht zur Lichtausgangsseite 56 des
Hohllichtleiters 50 (die in 6a durch
die y-Achse angegeben ist) ausgerichtet, obwohl die Prismen 74 auch
im Wesentlichen parallel zur Lichteingangsseite 58 des
Lichtleiters 50 ausgerichtet sein können. Die Ausrichtung des lichtrichtenden
Merkmals 72 der ersten LRA 70 (d.h., der Prismen 74)
ist nicht unabhängig
kritisch, solange das lichtrichtende Merkmal 72 im Allgemeinen
rechtwinkelig in Bezug zum lichtrichtenden Merkmal 82 der zweiten
LRA 80 ausgerichtet ist. Lichtstrahlen betreten die erste
LRA 70 durch die Lichteingangsoberfläche 78, die einwärts zum
Lichtkanal 40 zeigend an einer Oberfläche der ersten LRA 70 definiert
ist. Die Lichteingangsoberfläche 78 umfasst
im Wesent lichen die gesamte einwärts
zeigende Oberfläche
der ersten LRA 70, und folglich ist die Öffnung,
durch die Lichtstrahlen in die erste LRA 70 eintreten können, annähernd der
Größe der ersten
LRA 70 gleich. Obwohl praktisch alle Lichtstrahlen, die
sich im Inneren des Lichtkanals 40 fortpflanzen, anfänglich die
erste LRA 70 durch die Lichteingangsoberfläche 78 betreten,
treten nur bestimmte Lichtstrahlen von der ersten LRA 70 aus
und verlaufen in die zweite LRA 80. Genauer steuert das
lichtrichtende Merkmal 72 der ersten LRA 70 das
Austreten von Lichtstrahlen von der ersten LRA 70, so dass
nur Lichtstrahlen, die eine vorherbestimmte winkelige Verbreitung
aufweisen, von der ersten LRA 70 zur zweiten LRA 80 verlaufen. Somit
ist die erste LRA so konfiguriert, dass sie nur bestimmte Lichtstrahlen
zur zweiten LRA 80 weitergibt und bestimmte andere Lichtstrahlen
in den Lichtkanal 40 zurück reflektiert. Wenn der Hohllichtleiter 50 eine
reflektierende Rückseite 52 beinhaltet,
werden sich die Lichtstrahlen, die durch die erste LRA 70 reflektiert
werden, im Inneren des Lichtkanals 40 ausbreiten, wobei
ihr Vektorwinkel mehr oder weniger verändert wird, bis sie durch die
Lichteingangsoberfläche 78 hindurchgehen
und erneut mit dem lichtrichtenden Merkmal 72 in Kontakt
treten, oder bis sie das andere Ende des Lichtkanals 40 erreichen. Wenn
der Hohllichtleiter 50 andererseits eine teilweise reflektierende/teilweise
brechende Rückseite, d.h.,
eine LRA 90, beinhaltet, wird ein Teil der durch die erste
LRA 70 reflektierten Lichtstrahlen durch die LRA 90 hindurchgehen
und durch die Rückseite 52 des
Hohllichtleiters 50 austreten.
-
Die
Steuerung der Lichtstrahlen, die durch die erste LRA 70 hindurchgehen
und reflektiert werden, wird teilweise durch das Material, aus dem
die LRA aufgebaut ist, und teilweise durch die Geometrie des linsenförmigen Prismas 74,
d.h., durch den (nachstehend ausführlicher besprochenen) Spitzenwinkel 76,
ausgeführt.
Obwohl das bevorzugte Material Acryl ist, werden durch die vorliegende
Erfindung andere durchsichtige Kunststoffmaterialien einschließlich, aber
ohne Beschränkung
auf durchsichtiges Polycarbonat, Polystyrol, Silikon, Polyester
und Nylon ins Auge gefaßt.
Jedes linsenförmige
Prisma 74 der ersten LRA 70 definiert einen Spitzenwinkel 76,
der das Austreten von Lichtstrahlen von der ersten LRA 70 steuert,
so dass nur Lichtstrahlen, die einen Austrittswinkel aufweisen,
der geringer als oder gleich wie der gewünschte Abgrenzungswinkel ist, von
der ersten LRA 70 austreten. In der bevorzugten Ausführungsform
beträgt
der gewünschte
Abgrenzungswinkel annähernd ± 60°. Der Spitzenwinkel 76 der
Prismen 74 der ersten LRA 70 steuert die winkelige
Verbreitung des Lichtausgangs von der Beleuchtungsvorrichtung 10 durch
Steuern der winkeligen Verbreitung des Lichts, das in einer ersten
Richtung, d.h., in der in 2b und 6a angegebenen x-Richtung,
von der ersten LRA 70 austritt. Der Spitzenwinkel 76 wird
durch den Brechungsindex der LRA (der durch das Material, aus dem
die LRA hergestellt ist, bestimmt wird), die winkelige Verbreitung des
Lichteingangs in die LRA, und die gewünschte winkelige Verbreitung
des Lichtausgangs vom Beleuchtungssystem 10 bestimmt. Für LRAs aus
Acryl, bei denen der Brechungsindex annähernd gleich 1,49 ist, und
für eine
winkelige Verbreitung des Lichteingangs über eine vollständige Halbkugel
und eine gewünschte
winkelige Verbreitung des Ausgangs von zwischen annähernd ±60° reicht der
Spitzenwinkel 76 von zwischen etwa 115° und 121°. Es wird für Fachleute offensichtlich
sein, dass andere Spitzenwinkel gestatten werden, dass Lichtstrahlen,
die größere oder
geringere Austrittswinkel aufweisen, durch die erste LRA 70 hindurchgehen.
Folglich ist die vorliegende Erfindung nicht auf den offenbarten
gewünschten
Abgrenzungswinkelbereich von ±55° beschränkt, sondern
beinhaltet vielmehr praktisch alle Abgrenzungswinkelbereich, ob
sie nun symmetrisch (z.B. ±55°), asymmetrisch
(z.B. +30°, –5°), oder anders
sind. Eine ausführliche
Beschreibung der Berechung des Spitzenwinkels wird nachstehend bereitgestellt.
-
Die
erste LRA 70 kann frei im Inneren des Lichtkanals 40 ruhen
oder kann wie etwa in einem Kanal oder einer Rille 62 (siehe 2a)
oder durch ein anderes bekanntes Befestigungs- oder Anbringungsmittel
am Hohllichtleiter 50 angebracht sein.
-
Die
zweite LRA 80 befindet sich an einer äußeren Oberfläche des
Hohllichtleiters 50 und ist vorzugsweise einheitlich damit
gebildet. Alternativ kann die zweite LRA 80 wie in 1b an
einer inneren Oberfläche
des Hohllichtleiters 50 gebildet sein, in welchem Fall
die Prismen 74 der ersten LRA 70 und die Prismen 84 der
zweiten LRA 80 in einem engen gegenüberstehenden Gegensatz zueinander
liegen würden.
Obwohl keine direkte Kopplung oder kein direkter Kontakt zwischen
der ersten und der zweiten LRA 70, 80 benötigt wird,
würde ein
derartiger Kontakt keinen Einfluß auf die Leistung und den
Betrieb der vorliegenden Erfindung aufweisen. Die zweite LRA 80 beinhaltet
mehrere im Allgemeinen längsgerichtete
linsenförmige
Prismen 84 als ein zweites lichtrichtendes Merkmal 82 und
eine zweite Lichtausgangsoberfläche 85,
von der Lichtstrahlen austreten. Das zweite lichtrichtende Merkmal 82 ist
im Allgemeinen rechtwinkelig in Bezug zum ersten lichtrichtenden
Merkmal 72 ausgerichtet, um eine Steuerung der Lichtstrahlen,
die vom Hohllichtleiter 50 austreten, in zwei Richtungen
zu erzielen.
-
Die
Steuerung der Lichtstrahlen, die durch die zweite LRA 80 hindurchgehen
und reflektiert werden, wird in der gleichen Weise wie oben für die erste LRA 70 beschrieben
ausgeführt.
-
Die
Lichtquelle 20 ist vorzugsweise eine im Allgemeinen röhrenförmige Vorrichtung
wie etwa eine Leuchtstoffröhre,
kann aber auch als nichtbeschränkendes
Beispiel eine Anordnung von Glühlichtern,
Leuchtdioden, Lasern, und Halogenlichtquellen, die in jeder beliebigen
Konfiguration angeordnet sind, umfassen. Ein Reflektor 30 umgibt
die Lichtquelle 20 und richtet Lichtstrahlen von der Lichtquelle 20 in
den Lichtkanal 40 des Hohllichtleiters 50.
-
Für bestimmte
Beleuchtungsanwendungen ist es wünschenswert,
einen maximalen Lichtausgang bereitzustellen, wenn das Beleuchtungssystem 10 in
einem Sichtwinkel von annähernd
0° betrachtet wird,
d.h., wenn das Beleuchtungssystem 10 frontal oder in einer
senkrecht zur (nachstehend ausführlicher
beschriebenen) Lichtausgangsoberfläche 85 liegenden Richtung
betrachtet wird. Dieser Sichtwinkel wird hierin als der normale
Sichtwinkel bezeichnet werden. Die Stärke des Lichtausgangs für einen Sichtwinkel
von 0° kann
durch Wählen
der Rückseite 52 gesteuert
werden. Zum Beispiel wird eine verspiegelte Rückseite 52 wie in 11 gezeigt
zu einem Lichtausgang von geringerer Stärke führen, wenn das Beleuchtungssystem 10 vom
normalen Sichtwinkel betrachtet wird, ohne den Abgrenzungswinkel
zu beeinflussen. Andererseits wird eine streuend reflektierende
Rückseite 52 wie
in 12 gezeigt vom normalen Sichtwinkel zu einem Lichtausgang
mit höherer
Stärke
führen.
Es ist auch wünschenswert,
die winkelige Verbreitung des Lichtausgangs zu steuern, um eine
verhältnismäßig gleichmäßige Verbreitung des
Lichts über
einen gewünschten
winkeligen Sichtbereich zu erzielen, d.h., um Heißpunkte
zu beseitigen. Vorzugsweise wird der Lichtausgang vom Hohllichtleiter
(d.h., vom Beleuchtungssystem 10) über den gewünschten winkeligen Sichtbereich
ziemlich gleichmäßig sein,
und wird er praktisch nicht vorhanden sein, wenn das Beleuchtungssystem 10 in
Winkeln außerhalb
des gewünschten
winkeligen Sichtbereichs betrachtet wird. Die winkelige Verbreitung
des Lichtausgangs vom Hohllichtleiter 50 definiert somit winkelige
Sichtbeschränkungen, über die
hinaus praktisch kein Licht visuell als vom Beleuchtungssystem 10 austretend
feststellbar ist. Als nichtbeschränkendes Beispiel wird die folgende
Beschreibung auf ein Beleuchtungssystem 10 gerichtet sein,
das einen Abgrenzungswinkel von annähernd ±60° aufweist. Es wird für Fachleute
offensichtlich sein, dass dieser Abgrenzungswinkelbereich ein veranschaulichendes und
nicht beschränkendes
Beispiel der vorliegenden Erfindung ist, und dass durch die vorliegende
Erfindung größere oder
geringere winkelige Sichtbereiche ins Auge gefaßt sind.
-
Die
vorliegende Erfindung steuert das Austreten von Lichtstrahlen vom
Hohllichtleiter 50 in zwei Richtungen. Genauer, und unter
Bezugnahme auf 2b, die die Ansicht des Beleuchtungssystems 10 im
normalen Sichtwinkel zeigt, steuert die erste LRA 70 die
winkelige Verbreitung des Lichtausgangs in der x-Richtung und steuert die zweite LRA 80 die
winkelige Verbreitung des Lichtausgangs in der y-Richtung. Folglich
ist der Lichtausgang vom Beleuchtungssystem 10 der vorliegenden
Erfindung im Wesentlichen gleichmäßig, wenn er innerhalb des
gewünschten
winkeligen Sichtbereichs betrachtet wird, und werden Lichtheißpunkte
wirksam beseitigt. Der Winkelbereich des Lichtausgangs vom Beleuchtungssystem 10 kann
durch Verändern
des Spitzenwinkels einer oder beider aus der ersten und der zweiten
LRA 70, 80 gesteuert werden.
-
In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist die Lichtausgangsverbreitung innerhalb des definierten Ausgangswinkelbereichs
gleichmäßig. Wenn
sich der Sichtwinkel in einer Richtung (d.h., positiv oder negativ)
von 0° wegbewegt,
nimmt die Stärke
des Lichtausgangs vom Beleuchtungssystem 10 ab und erreicht
einen Abgrenzungswinkel, bei dem für den Betrachter keine bedeutende
Lichtmenge vom Beleuchtungssystem 10 auszutreten scheint.
Dies ist graphisch in 8 veranschaulicht, wo der Abgrenzungswinkel
gleich annähernd ±60° ist. Durch
Verändern
des Spitzenwinkels einer der oder beider LRAs 70, 80 kann
der Abgrenzungswinkel verändert
werden.
-
Unter
Bezugnahme auf 2a ist eine zweite Ausführungsform
des Beleuchtungssystems 10 der vorliegenden Erfindung gezeigt.
Ein im Allgemeinen rechteckiger oder quadratischer Hohllichtleiter 50 beinhaltet
eine feste Lichteingangsseite 58a, die eine lichtannehmende
Oberfläche 60 definiert,
welche sich in der Nähe
einer Lichtquelle 20 befindet. Wie hierin verwendet beinhaltet
der Ausdruck "in
der Nähe" einen Kontakt wie
auch einen Beinahe-Kontakt, d.h., vorzugsweise weniger als oder
gleich wie ein Zoll. Die feste Lichteingangsseite 58a trennt
die Lichtquelle 20 und den Lichtkanal 40 physisch
und verbindet sie optisch. Ein Reflektor 30 umgibt die Lichtquelle 20 und
lenkt Lichtstrahlen zur festen Lichteingangsseite 58a des
Lichtleiters 50 um. Der Hohllichtleiter 50 beinhaltet
eine Lichtausgangsseite 56, die aus einer ersten LRA 70 und
einer zweiten LRA 80 bestehen kann, die jeweils daran definierte, im
Allgemeinen linsenförmige
Prismen 74, 84 aufweisen, welche jeweilige lichtrichtende
Merkmale 72, 82 definieren, die in Bezug zueinander
im Allgemeinen rechtwinkelig angeordnet sind. Die erste LRA 70 kann
frei im Inneren des Lichtkanals 40 des Hohllichtleiters 50 ruhen
oder durch eine Rille oder einen Kanal 62 darin befestigt
sein. Die zweite LRA 80 ist vorzugsweise einheitlich mit
dem Hohllichtleiter 50 gebildet, der durch Extrusion, Spritzguß, oder
andere ähnliche
Bildungs- und Formungsverfahren
hergestellt werden kann. Der Hohllichtleiter 50 beinhaltet
eine Rückseite 52,
die reflektierend oder alternativ teilweise reflektierend und teilweise
brechend (d.h., streuend) sein kann, in welchem Fall die Rückseite
eine LRA 90 umfasst. In beiden Fällen ruht die Rückseite 52 in
einer Rille oder einem Kanal 64, der in der festen Lichteingangsseite 58a definiert
ist.
-
Beim
Betrieb treten Lichtstrahlen von der Lichtquelle 20 mit
der lichtannehmenden Oberfläche 60 in
Kontakt und pflanzen sich durch die feste Lichteingangsseite 58a in
den Lichtkanal 40 fort. Einige der Lichtstrahlen pflanzen
sich über
den Lichtkanal 40 hinweg fort, treten mit der Seite 54,
die sich gegenüber
der festen Lichteingangsseite 58a befindet, in Kontakt,
und werden in den Lichtkanal 40 zurück reflektiert. Einige der
Lichtstrahlen können
mit der Rückseite 52 in
Kontakt treten, und werden ebenfalls in den Lichtkanal 40 zurück reflektiert
werden, während
andere Lichtstrahlen mit der Lichteingangsoberfläche 78 der ersten
LRA 70 in Kontakt treten werden und in diese verlaufen
werden. Diese Lichtstrahlen werden abhängig von der winkeligen Verbreitung
dieser Lichtstrahlen entweder in den Kanal 40 zurück reflektiert
werden oder werden von der ersten LRA 70 austreten. Die
Lichtstrahlen, die von der ersten LRA 70 austreten, werden
mit der Lichteingangsseite 88 der zweiten LRA 80 in
Kontakt treten und in diese verlaufen. Nur jene Lichtstrahlen, die
eine winkelige Verbreitung von ±60° aufweisen, werden durch die Lichtausgangsoberfläche 85 von
der zweiten LRA 80 austreten.
-
Die
Ausführungsform
von 2a kann wie in 2b dargestellt
auch bis zu drei zusätzliche
Lichtquellen 200, 210, 220 beinhalten.
Das Beleuchtungssystem 10 dieser Ausführungsform ist dem in 2a dargestellten
und oben ausführlich
beschriebenen im Wesentlichen funktionell gleichwertig. Natürlich stellen
die zusätzlichen
Lichtquellen 200 zusätzliche Lichtstrahlen
bereit, und kann die Lichtausgangsstärke dieser Ausführungsform
größer als
jene der Ausführungsform
von 2a sein. Was die Reflexion und die Brechung von
Lichtstrahlen im Inneren des Hohllichtleiters 50 und durch
die LRAs 70, 80, 90 (falls bereitgestellt)
betrifft, gilt die oben für
die Ausführungsform
von 2a bereitgestellte Beschreibung gleichermaßen für die Ausführungsform
von 2b.
-
Noch
eine andere Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist in 3 dargestellt,
wobei das Lichtbeleuchtungssystem 10 einen hohlen runden
Licht leiter 50 beinhaltet, der durch eine im Allgemeinen
ringförmige
Lichtquelle 20 umgeben ist. Das Beleuchtungssystem 10 dieser
Ausführungsform
ist den oben beschriebenen Ausführungsformen
im Wesentlichen funktionell gleichwertig.
-
Noch
eine andere Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist in 4a dargestellt,
wobei ein im Allgemeinen ringförmiger
Hohllichtleiter 50 eine im Allgemeinen punktförmige Lichtquelle 20 umgibt.
Die Lichtquelle 20 dieser Ausführungsform kann ein einzelnes
Licht oder eine Anordnung von Lichtern umfassen. Das Beleuchtungssystem 10 dieser
Ausführungsform
ist den oben beschriebenen Ausführungsformen
im Übrigen
im Wesentlichen funktionell gleichwertig.
-
Die
im Allgemeinen rechtwinkelige Beziehung zwischen der ersten und
der zweiten LRA 70, 80, die durch die vorliegende
Erfindung benötigt
wird, ist in 4b und 4c deutlich
dargestellt, wobei das Beleuchtungssystem 10 einen runden
Lichtleiter 50 beinhaltet, der eine radial ausgerichtete
Prismen 74 aufweisende erste LRA 70 aufweist,
die stapelnd mit einer konzentrisch angeordnete ringförmige Prismen 84 aufweisenden
zweiten LRA 80 angeordnet ist. Solange die im Allgemeinen
rechtwinkelige Beziehung zwischen den lichtrichtenden Merkmalen 72, 82 (d.h.,
zwischen den Prismen 74, 84) der gestapelten LRAs 70, 80 an
jeder Stelle über
den runden Lichtleiter 50 hinweg aufrechterhalten wird,
können die
besonderen lichtrichtenden Merkmale 72, 82 oder der
Aufbau jeder LRA verändert
werden. Zum Beispiel können
die besonderen lichtrichtenden Merkmale 72, 82 in
den LRAs als im Uhrzeigersinn und gegen den Uhrzeigersinn verlaufende,
im Allgemeinen spiralförmige
Prismenanordnungen aufgebaut sein.
-
Unter
nächstfolgender
Bezugnahme auf 5a beinhaltet das Beleuchtungssystem 10 der vorliegenden
Erfin dung einen dreieckigen Hohllichtleiter 50, der eine
Lichtquelle 20 aufweist. Wie in 5b dargestellt
kann auch eine zweite und eine dritte Lichtquelle 200, 210 bereitgestellt
sein. Das Beleuchtungssystem 10 dieser Ausführungsform
ist den oben beschriebenen Ausführungsformen
im Wesentlichen funktionell gleichwertig.
-
In
jeder der oben beschriebenen Ausführungsformen kann die zweite
LRA 80 einheitlich mit dem Hohllichtleiter 50 gebildet
sein oder alternativ gesondert gebildet und durch jede beliebige
bekannte Befestigungs- und Anbringungstechnik am Hohllichtleiter 50 befestigt
sein. Bei jeder der oben beschriebenen Ausführungsformen können sich
die linsenförmigen
Prismen 84 und das zweite lichtrichtende Merkmal 82 entweder
wie in 1b gezeigt im Inneren des Lichtkanals 40 oder
außerhalb
des Wellenleiters 50 (siehe z.B. 1a)
befinden, solange die Beziehung zwischen dem ersten und dem zweiten lichtrichtenden
Merkmal 72, 82 im Allgemeinen rechtwinkelig ist.
Wenn sich das zweite lichtrichtende Merkmal 82 im Inneren
des Lichtkanals 40 befindet, sind die linsenförmigen Prismen 84 total
intern reflektierend und treten alle Lichtstrahlen, die durch die Oberfläche 85 und
in die zweite LRA 80 verlaufen, vom Hohllichtleiter 50 aus.
-
Wie
hierin verwendet soll sich der Ausdruck "im Allgemeinen rechtwinkelig" auf eine Beziehung zwischen
dem ersten und dem zweiten lichtrichtenden Merkmal 72, 82 beziehen,
die durch eine Winkelbeziehung zwischen 80° und 100°; bevorzugter zwischen 85° und 95°; und am
bevorzugtesten von 90° definiert
ist.
-
Obwohl
die LRAs 70, 80, 90 hierin als mehrere
im Allgemeinen linsenförmige
Prismen umfassend offenbart wurden, werden durch die vorliegende Erfindung
verschiedene Geometrien und Konfigurationen für die Prismen ins Auge gefaßt. Genauer,
und wie in 9a dargestellt beinhalten die
Prismen vorzugsweise im Wesentlichen ge rade Seitenwände 42 und
eine wohldefinierte Spitze 44. Alternativ können die
Prismen gekrümmte
Seitenwände 42 und
eine im Wesentlichen flache oder ebene Spitze beinhalten (siehe 9b)
Die Prismen können
alternativ wie in 9c dargestellt auch gekrümmte Seitenwände 42 und
eine wohldefinierte Spitze 42 umfassen. Bei noch einer
anderen Alternative können
die Prismen wie in 9d gezeigt mehrfachfacettiert
sein. Es wird für
Fachleute offensichtlich sein, dass durch die vorliegende Erfindung
noch andere Geometrien und Konfigurationen für die Prismen ins Auge gefaßt sind.
-
Die
lichtrichtenden Anordnungen 70, 80, 90 können aus
jedem beliebigen transparenten Material aufgebaut werden. Bevorzugte
Materialien weisen einen Brechungsindex von größer als oder gleich wie etwa
1,30 auf und beinhalten Glas, Polymethylmethacrylat, Polycarbonat,
Polyester, Polystyrol und andere Polymere, die durch Photopolymerisierung
von Acrylmonomeren gebildet werden. Der Brechungsindex der bevorzugten
Materialien reicht von zwischen etwa 1,40 und 1,70. Es wird für Fachleute
offensichtlich sein, dass durch die vorliegende Erfindung auch Materialien
ins Auge gefaßt
sind, die größere oder geringere
Brechungsindizes aufweisen.
-
Die
Berechnung des Spitzenwinkels für
Prismen, die im Wesentlichen gerade Seiten (siehe z.B. 9a)
aufweisen, und für
einen im Allgemeinen symmetrischen Abgrenzungswinkel wird nun ausführlich besprochen
werden. Der Spitzenwinkel hängt
vom Brechungsindex des Materials, aus dem die LRA hergestellt ist;
der gewünschten
winkeligen Lichtausgangsverbreitung, und der winkeligen Verbreitung
des Lichteingangs ab. Die Variablen und Konstanten für die Berechnung
sind wie folgt definiert:
- w
- = Spitzenwinkel des
Prismas;
- C
- = gewünschter
Abgrenzungswinkel; und
- n
- = Brechungsindex für das Prismenmaterial.
-
Unter
Bezugnahme auf 7 definieren die folgenden Gleichungen
die Bedingungen, die nötig sind,
um den Spitzenwinkel für
jede beliebige winkelige Verbreitung des Lichtausgangs vom Hohllichtleiter 50,
der einen Abgrenzungswinkel C von ±90° aufweist, zu berechnen. w/2 ≤ C (1) w ≥ 2(2·asin(1/n) + 90)/3 (2) tan(w/2) ≤ (n·sin(asin(1/n) – 3w/2)
+
cos(w/2))/(n·cos(asin(1/n) –
3w/2)
+ sin(w/2)) (3)
-
Die
graphische Lösung
von Gleichung 3 ist in 10 gezeigt.
-
Als
ein Beispiel erfordert Gleichung 1 für eine winkelige Ausgangsverbreitung
von annähernd ±60° und einen
Brechungsindex n = 1,49 (eine LRA aus Acryl), dass w ≤ 120° ist. Als
nächstes
ergibt sich durch Bewertung von Gleichung 2, dass w ≥ 116° ist. Schließlich beträgt die obere
Grenze von w wie in 10 graphisch durch die Kurve
der vollen Dreiecke dargestellt annähernd 121,5°. Daher liegt der Spitzenwinkel
im Bereich von zwischen annähernd 116° und 120°.
-
Für eine LRA
aus Polycarbonat, die einen Brechungsindex von n = 1,59 und die
gleiche winkelige Ausgangsverbreitung aufweist, erfordert Gleichung
2, dass w ≥ 112° ist. Unter
erneuter Bezugnahme auf das Diagramm von 10 beträgt die obere Grenze
für w (durch
die Kurve der durchsichtigen Dreiecke dargestellt) annähernd 118,1°. Der Spitzenwinkel
liegt daher im Bereich von zwischen annähernd 112° und 118,1°.
-
Für Prismen,
die gekrümmte
oder anders aufgebaute Seitenwände
aufweisen, sollte sowohl der Mindest- als auch der Höchstspitzenwinkel
die durch die Gleichungen (1), (2) und (3) definierten Bedingungen
erfüllen.
-
Nachdem
die Erfindung somit ausführlich
beschrieben wurde, wird erkannt werden, dass derartige Einzelheiten
nicht streng eingehalten werden müssen, sondern dass sich einem
Fachmann verschiedenste Veränderungen
und Abänderungen
aufdrängen
werden, die alle in den wie durch die beigelegten Ansprüche definierten
Umfang und Geist der vorliegenden Erfindung fallen.