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1. Erfindungsgebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft Beleuchtungssysteme und insbesondere
ein kantenbeleuchtetes Beleuchtungssystem mit separaten lichtauskoppelnden
und lichtlenkenden Komponenten.
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2. Beschreibung des Stands
der Technik
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Sowohl
Lichtauskopplung als auch Lichtlenkung in einem Beleuchtungssystem
unter Verwendung eines einzelnen lichtlenkenden Arrays (LDA) werden
in der Regel mit dem gleichen LDA bewerkstelligt, das eng, d.h.
physisch und optisch, an einen Wellenleiter gekoppelt ist. Die doppelte
Funktionalität des
LDA (d.h. Lichtauskopplung und Lichtlenkung) erfordert, daß die LDA
getrennt vom Wellenleiter hergestellt und dann durch Laminierung,
Kleber usw. daran befestigt werden. Das LDA umfaßt in der Regel mehrere dreidimensionale
Prismen (z.B. pyramidenförmig),
die nur einen Abschnitt der Lichtausgabeoberfläche des Wellenleiters kontaktieren
und einen Kontaktbereich zwischen dem LDA und dem Wellenleiter von
unter 100, z.B. in der Regel zwischen 8% und 20%, bereitstellen.
Die Steifheit des Wellenleiters insgesamt und die Tendenz des getrennt
hergestellten LDA, sich im Lauf der Zeit zu verziehen, bewirkt,
daß sich
der LDA vom Wellenleiter trennt, was zu einem Ausfall des Beleuchtungssystems
führt.
Zudem ist die optische Kopplung zwischen dem LDA und dem Wellenleiter
strengen Anforderungen unterworfen, und selbst geringfügige Störungen beeinflussen
die Leistung des Beleuchtungssystems.
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In
der Technik besteht ein Bedarf an einem Beleuchtungssystem mit Lichtauskoppel-
und -lenkmerk malen, das die oben beschriebenen Mängel des Stands der Technik überwinden.
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Aus
US 5,671,994 ist ein flaches
und transparentes Frontbeleuchtungssystem bekannt, das Mikroprismen
dafür verwendet,
um im wesentlichen alles in einen Lichtleiter gelenkte Licht in
einer Vorwärtsrichtung
durch. eine Vorderfläche
des Lichtleiters zu reflektieren.
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KURZE DARSTELLUNG
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung liefert ein Beleuchtungssystem wie in Anspruch
1 definiert.
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Das
System kann die Merkmale von einem oder mehreren der abhängigen Ansprüche 2 bis
13 enthalten.
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Die
vorliegende Erfindung stellt ein Beleuchtungssystem mit separaten
Komponenten zum Auskoppeln und Lenken von Licht von einem Wellenleiter bereit,
die nicht eng zusammengekoppelt sein müssen. Durch Bereitstellen separater
Komponenten für die
Funktionen der Lichtauskopplung und Lichtlenkung eliminiert die
vorliegende Erfindung die Notwendigkeit zur Bereitstellung einer
einzelnen lichtauskoppelnden und lichtlenkenden Komponente wie beispielsweise
einem LDA, das optisch und physisch an den Wellenleiter gekoppelt
ist. Außerdem stellt
die vorliegende Erfindung ein zuverlässigeres und robusteres Beleuchtungssystem
bereit, das die Ausfälle
so gut wie eliminiert, die mit Beleuchtungssystemen mit laminierten
LDAs verbunden sind, die Kosten der Herstellung eines Beleuchtungssystems reduziert
und die Gesamtleistung und -zuverlässigkeit von gemäß der vorliegenden
Erfindung hergestellten Beleuchtungssystemen verbessert.
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Bei
einer ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung umfaßt
ein Beleuchtungssystem zum Verteilen von Lichtstrahlen von einer
Lichtquelle einen Wellenleiter zum Ausbreiten von Lichtstrahlen von
der Lichtquelle und mit einem ersten Brechungsindex, der größer ist
als 1. Das Beleuchtungssystem umfaßt weiterhin eine lichtauskoppelnde
Struktur mit einem daran definierten lichtauskoppelnden Merkmal zum
Erleichtern des Austritts von Lichtstrahlen direkt aus dem massiven
Wellenleiter durch die lichtauskoppelnde Struktur. Das lichtauskoppelnde
Merkmal weist bei Betrachtung im Querschnitt eine breite Seite und
eine schmale Seite auf, wobei die breite Seite näher am massiven Wellenleiter
liegt als die schmale Seite. Das Beleuchtungssystem umfaßt weiterhin eine
Grenzschicht zum Koppeln der lichtauskoppelnden Struktur mit etwa
100 Kontakt zu dem massiven Wellenleiter. Die Grenzschicht weist
einen zweiten Brechungsindex auf, der kleiner ist als der erste
Brechungsindex des Wellenleiters.
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Bei
einer zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung umfaßt
ein Beleuchtungssystem zum Verteilen von Lichtstrahlen von einer
Lichtquelle einen massiven Wellenleiter zum Ausbreiten von Lichtstrahlen
von der Lichtquelle und mit einem ersten Brechungsindex, der größer ist
als 1. Das Beleuchtungssystem umfaßt weiterhin eine lichtauskoppelnde
Struktur mit einem daran definierten lichtauskoppelnden Merkmal
zum Erleichtern des Austritts von Lichtstrahlen direkt aus dem massiven
Wellenleiter durch die lichtauskoppelnde Struktur. Das lichtauskoppelnde
Merkmal weist bei Betrachtung im Querschnitt eine breite Seite und
eine schmale Seite auf, wobei die breite Seite näher am massiven Wellenleiter
liegt als die schmale Seite. Das Beleuchtungssystem umfaßt weiterhin
eine Grenzschicht zum Koppeln der lichtauskoppelnden Struktur mit etwa
100 Kontakt zu dem massiven Wellenleiter. Die Grenzschicht weist
einen zweiten Brechungsindex auf, der kleiner ist als der erste
Brechungsindex. Eine von der lichtauskoppelnden Struktur getrennte
lichtlenkende Struktur mit einem daran definierten lichtlenkenden Merkmal
ist zum Lenken der Verteilung der Lichtausgabe von dem Beleuchtungssystem
bereitgestellt. Das lichtlenkende Merkmal ist dabei komplementär zu dem
lichtauskoppelnden Merkmal gemessen und geformt und in registrierter
Ineingriffnahme damit positioniert.
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Vorteilhafterweise
entfällt
durch das vorliegende Beleuchtungssystem die Notwendigkeit zur Bereitstellung
eines LDA, das optisch und physisch an den Wellenleiter gekoppelt
ist. Es ist zuverlässiger und
robuster als bisherige Beleuchtungssysteme, und Ausfälle, die
mit Beleuchtungssystemen mit laminierten LDAs verbunden sind, werden
so gut wie eliminiert. Herstellungskosten werden reduziert, und Systemleistung
und -zuverlässigkeit
werden verbessert. Das Beleuchtungssystem kann preiswert konstruiert
werden und arbeitet effizient und zuverlässig, wobei es erweiterten
Service bei niedrigen Kosten bietet.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Die
Erfindung läßt sich
vollständiger
verstehen, und weitere Vorteile ergeben sich unter Bezugnahme auf
die folgende ausführliche
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung und
der beiliegenden Zeichnungen, bei denen in den mehreren Ansichten
gleiche Referenzzeichen ähnliche
Elemente bezeichnen. Es zeigen:
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1 ein
Blockschaltbild eines Beleuchtungssystems mit separaten Komponenten
zum Auskoppeln und Lenken von Licht, das gemäß der vorliegenden Erfindung
konstruiert ist;
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2 eine
auseinandergezogene Seitenansicht einer ersten Ausführungsform
eines gemäß der vorliegenden
Erfindung konstruierten Beleuchtungssystems;
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3 eine
Seitenansicht einer zweiten Ausführungsform
eines gemäß der vorliegenden
Erfindung konstruierten Beleuchtungssystems;
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4 eine
Seitenansicht einer dritten Ausführungsform
eines gemäß der vorliegenden
Erfindung konstruierten Beleuchtungssystems;
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5a–5d Seitenansichten
von verschiedenen Ausführungsformen
von massiven Wellenleitergeometrien gemäß der vorliegenden Erfindung;
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6a–6e Querschnitts-
und Seitenansichten von verschiedenen Ausführungsformen von lichtauskoppelnden
Merkmalen gemäß der vorliegenden
Erfindung:
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7a–7c Querschnittsseitenansichten von
verschiedenen Ausführungsformen
von lichtlenkenden Merkmalen gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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8a–8e Seitenansichten,
die die registrierbare Ineingriffnahme zwischen verschiedenen lichtlenkenden
Merkmalen und verschiedenen lichtauskoppelnden Merkmalen gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigen;
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9a–9g Querschnittsseitenansichten
von verschiedenen Ausführungsformen
von lichtauskoppelnden Merkmalen gemäß der vorliegenden Erfindung;
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10 eine
graphische Darstellung der Beziehung zwischen Neigungswinkel der
Seitenwand des lichtauskoppelnden Merkmals und Grenzwinkel der Lichtausgabe
von dem Beleuchtungssystem gemäß der vorliegenden
Erfindung und
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11 eine
graphische 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 mit separaten
Komponenten zum Auskoppeln und Lenken von Licht von einem Wellenleiter bereit,
bei dem die Notwendigkeit entfällt,
ein Doppelfunktions-LDA bereitzustellen, das optisch und physisch
an den Wellenleiter gekoppelt ist. Außerdem liefert die vorliegende
Erfindung ein zuverlässigeres und
robusteres Beleuchtungssystem, das die Ausfälle, die mit Beleuchtungssystemen
nach dem Stand der Technik mit laminierten LDAs verbunden sind,
so gut wie eliminiert, die Herstellungskosten eines Beleuchtungssystems
reduziert und die Gesamtleistung und -zuverlässigkeit von gemäß der vorliegenden
Erfindung konstruierten Beleuchtungssystemen verbessert.
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Unter
Bezugnahme auf die Zeichnungen wird in 1 ein Blockschaltbild
eines Beleuchtungssystems 10 gemäß der vorliegenden Erfindung
gezeigt. Das Beleuchtungssystem 10 enthält allgemein einen massiven
Wellenleiter 30, der optisch an eine Lichtquelle 20 gekoppelt
ist. Von der Lichtquelle 20 empfangene Lichtstrahlen 22 breiten
sich in dem und durch den Wellenleiter 30 aus und treten
aus ihm über
eine lichtauskoppelnde Struktur 60 aus, die optisch an
den Wellenleiter 30 gekoppelt ist. Die austretenden Lichtstrahlen 22 laufen
von der lichtauskoppelnden Struktur 60 zu einer separaten
lichtlenkenden Struktur 80, die die Verteilung der Lichtausgabe von
dem Beleuchtungssystem 10 lenkt. Der physische und optische
Kontakt zwischen einer Lichtausgabeoberfläche 32 (siehe z.B. 5a)
des Wellenleiters 30 und einer Lichteingabeoberfläche 66 (siehe z.B. 6a)
der lichtauskoppelnden Struktur 60 liegt in der Größenordnung
von etwa 100. Eine Grenzschicht 40 liefert etwa 100 physischen
und optischen Kontakt zwischen der lichtauskoppelnden Struktur 60 und
dem Wellenleiter 30. Der Wellenleiter 30 weist
einen ersten Brechungsindex n1 auf, der größer ist als 1. Bei einer bevorzugten
Ausführungsform,
bei der der Wellenleiter 30 aus Acryl oder Polycarbonat
konstruiert ist, beträgt
der erste Brechungsindex n1 etwa 1,49 bzw. 1,59. Die Grenzschicht 40 weist
einen zweiten Brechungsindex n2 auf, der kleiner ist als der erste
Brechungsindex n1.
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Die
Anzahl der im Beleuchtungssystem 10 der vorliegenden Erfindung
vorgesehenen Lichtquellen 20 hängt teilweise von der Gestalt
des Wellenleiters 30 und von den Lichtausgabeanforderungen
des Beleuchtungssystems 10 ab. Außerdem kann die Lichtquelle 20 punktförmig (Glühbirnen),
linear (Leuchtstoffröhren)
oder ringförmig
sein. Die Lichtquelle 20 befindet sich bevorzugt an einer
Kante des Wellenleiters 30 derart, daß Lichtstrahlen 22 unter
einem Winkel in den Wellenleiter 30 eintreten, der allgemein
senkrecht zum Winkel verläuft,
unter dem die Lichtstrahlen 22 aus dem Beleuchtungssystem 10 austreten.
Beispielsweise treten die Lichtstrahlen 22 allgemein entlang
der x-Achse in den Wellenleiter 30 ein und treten aus dem
Beleuchtungssystem 10 allgemein entlang der z-Achse aus,
wie in 2 gezeigt. Ein Reflektor 38 (siehe z.B. 2)
kann die Lichtquelle 20 umgeben, um daraus austretende Lichtstrahlen 22 in
den Wellenleiter 30 zu lenken. Die Rückseite 34 des Wellenleiters 30 kann
glatt sein und enthält
bevorzugt einen Reflektor (nicht gezeigt).
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Eine
erste Ausführungsform
des Beleuchtungssystems 10 der vorliegenden Erfindung ist
in 2 gezeigt. Das Beleuchtungssystem 10 enthält einen
massiven, allgemein rechteckigen Wellenleiter 30 und eine
durch eine Grenzschicht 40 physisch und optisch damit verbundene
lichtauskoppelnde Struktur 60. Die Grenzschicht 40 kann
jeder im Handel erhältliche
Kleber sein, einschließlich
Fluorpolymere und Acrylpolymere und andere Materialien auf Silikon- oder
Acrylbasis, solange ihr Brechungsindex n2 kleiner als der Brechungsindex
n1 des Wellenleiters 30 ist. Ein an der lichtauskoppelnden
Struktur 60 definiertes lichtauskoppelndes Merkmal 62 umfaßt bevorzugt
mehrere allgemein linsenförmige
Störungen, die
in einer Lichtausgabeoberfläche 64 der
lichtauskoppelnden Struktur 60 definiert sind. Das lichtauskoppelnde
Merkmal 62 ist bevorzugt im wesentlichen senkrecht zur
mittleren Richtung orientiert, unter dem Lichtstrahlen in den Wellenleiter 30 eintreten
und sich in ihn und durch ihn ausbreiten. Bei der Ausführungsform
von 2 umfaßt
das lichtaus koppelnde Merkmal 62 bevorzugt mehrere im wesentlichen
unidirektionale Kratzer, die in die Lichtausgabeoberfläche 64 geritzt
sind. Die lichtlenkende Struktur 80 ist über Klammern,
Kleber, Schrauben oder andere bekannte Fixierungstechniken (nicht
gezeigt) an der lichtauskoppelnden Struktur 60 und/oder
dem Wellenleiter 30 befestigt. Zwischen der lichtlenkenden
Struktur 80 und der lichtauskoppelnden Struktur 60 ist
kein enger Kontakt erforderlich (d.h. zwischen dem lichtauskoppelnden
Merkmal 62 und dem lichtlenkenden Merkmal 82),
obwohl ein derartiger Kontakt die Leistung und die Arbeitsweise
des Beleuchtungssystems 10 der vorliegenden Erfindung nicht
notwendigerweise beeinträchtigt.
Ein lichtlenkendes Merkmal 82 ist an einer Lichteingabeoberfläche 86 der
lichtlenkenden Struktur 80 definiert und enthält mehrere
allgemein linsenförmige
Prismen 84, die in einer Richtung parallel zu dem lichtauskoppelnden
Merkmal 62 verlaufen. Die Lichtausgabeoberfläche 90 der
lichtlenkenden Struktur 80 ist bevorzugt im wesentlichen
planar. Alternativ können
sich die lichtlenkenden Merkmale auf der Lichtausgabeoberfläche 90 befinden,
wie in 7b gezeigt. Lichtstrahlen 22 treten
(über die Lichtausgabeoberfläche 64 und
das lichtauskoppelnde Merkmal 62) aus der lichtauskoppelnden
Struktur 60 aus und treten über die Lichteingabeoberfläche 86 in
die lichtlenkende Struktur 80 ein. Die Verteilung der Lichtausgabe
von dem Beleuchtungssystem 10 der vorliegenden Erfindung
wird zumindest teilweise durch die Eigenschaften der Grenzschicht
(d.h. ihren Brechungsindex n2) und durch die Eigenschaften und Geometrien
des lichtauskoppelnden Merkmals 62 und lenkenden Merkmals 82 gesteuert,
wie unten ausführlicher
beschrieben.
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Bei
einigen Beleuchtungssystemanwendungen fungiert die lichtauskoppelnde
Struktur 60 auch als eine lichtlenkende Struktur, wodurch
die Notwendigkeit für
eine separate lichtlenkende Struktur 80 entfällt.
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Die
in 3 dargestellte Ausführungsform unterscheidet sich
von der von 2 dadurch, daß das lichtauskoppelnde
Merkmal 62 und das lichtlenkende Merkmal 82 komplementär bemessen
und geformt und in registrierter Ineingriffnahme miteinander positioniert
sind. Bei dieser Ausführungsform
definiert das lichtauskoppelnde Merkmal 62 mehrere allgemein
linsenförmige
Störungen,
die sich in einer Richtung erstrecken, die im wesentlichen senkrecht zu
der Richtung verläuft,
zu der die Lichtstrahlen 22 eintreten und sich in dem und
durch den Wellenleiter 30 ausbreiten. Das lichtauskoppelnde
Merkmal 62 weist eine Querschnittsform auf, die beispielsweise dreieckig,
trapezförmig,
quadratisch, rechteckig, vielflächig
und gekrümmt
ist (siehe z.B. 9a–9f). Von
der vorliegenden Erfindung werden auch andere Querschnittsformen
in Betracht gezogen, wobei die zuvor beschriebenen und in 9a–9f gezeigten
Formen als nichteinschränkendes
Beispiel vorgestellt werden. Das lichtauskoppelnde Merkmal 82 kann
alternativ ein Array von Störungen
umfassen, das in der Lichtausgabeoberfläche 64 definiert ist, wobei
jede Störung
eine Querschnittsform wie in 9g gezeigt
aufweist. Die individuellen lichtauskoppelnden Merkmale 62 können durch
konstante oder variierende Räume
voneinander getrennt sein (d.h. symmetrische oder asymmetrische
Plazierung), oder sie können
einander berühren,
wie in 9f gezeigt. Das lichtauskoppelnde
Merkmal 62 kann sich in Längsrichtung entlang oder quer
zu dem Wellenleiter 30 erstrecken.
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Das
an der Lichteingabeoberfläche 86 der lichtlenkenden
Struktur 80 definierte lichtlenkende Merkmal 82 ist
zu dem lichtauskoppelnden Merkmal 62 komplementär bemessen
und geformt, um eine registrierte Ineingriffnahme dazwischen zu
gestatten. Beispielsweise kann bei einem lichtauskoppelnden Merkmal 62 mit
einer allgemein dreieckigen Querschnittsform (wie in 9c gezeigt)
auch das lichtlenkende Merkmal 82 eine allgemein dreieckige Querschnittsform
aufweisen. Alternativ ist das lichtlenkende Merkmal 82 komplementär zu dem lichtauskoppelnden
Merkmal 82 bemessen, weist aber eine Querschnittsform auf,
die gestatten würde, daß das lichtauskoppelnde
Merkmal 62 in dem lichtlenkenden Merkmal 82 ruht
oder umgekehrt, wie in 8c gezeigt. Enger Kontakt ist
zwischen dem lichtauskoppelnden Merkmal 62 und dem lichtlenkenden
Merkmal 82 nicht erforderlich, wenngleich ein derartiger
Kontakt die Leistung oder die Arbeitsweise des Beleuchtungssystems 10 der
vorliegenden Erfindung nicht notwendigerweise beeinträchtigt.
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Ein
in 4 gezeigtes Beleuchtungssystem, das keinen Teil
der vorliegenden Erfindung bildet, sind die lichtauskoppelnde Struktur 60 und
das lichtauskoppelnde Merkmal 62 einstückig mit dem massiven Wellenleiter 30 ausgebildet.
Das lichtauskoppelnde Merkmal 62 und das lichtlenkende
Merkmal 82 sind außerdem
komplementär
bemessen und wahlweise auch komplementär geformt, um eine registrierte
Ineingriffnahme dazwischen zu gestatten. Die Konstruktion, d.h.
Größe und Form,
des lichtauskoppelnden Merkmals 62 und lichtlenkenden Merkmals 82 ist
im wesentlichen gleich der für
die Ausführungsform
von 3 beschriebenen.
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Nachdem
die allgemeine Konfiguration eines gemäß verschiedenen Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung konstruierten Beleuchtungssystems 10 so
beschrieben worden ist, werden nun die spezifische Konstruktion
der lichtauskoppelnden Struktur 60 und lichtlenkenden Struktur 80 und
die Beziehung dazwischen ausführlicher
beschrieben.
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Verschiedene
Ausführungsformen
des lichtauskoppelnden Merkmals 62 sind in 6a–6e gezeigt.
Allgemein umfaßt
das lichtauskoppelnde Merkmal 62 mehrere allgemein linsenförmige Störungen,
die in der Lichtausgabeoberfläche 64 der
lichtauskoppelnden Struktur 60 definiert sind. Bei Betrachtung
im Querschnitt weist das lichtauskoppelnde Merkmal 62 eine
breite Seite 67 und eine schmale Seite 69 auf,
in 6b deutlich zu sehen. Bei der Erfindung liegt
das lichtauskoppelnde Merkmal 62 bezüglich des Wellenleiters 30 derart, daß die breite
Seite 67 des lichtauskoppelnden Merkmals 62 näher am Wellenleiter 30 liegt
(d.h. näher
an der Lichtausgabeoberfläche 32 des
Wellenleiters 30) als die schmale Seite 69. Durch
diese Konfiguration erhält
man eine Diffusion der Lichtstrahlen 22 hauptsächlich in
der x-z-Richtung, d.h. in einer einzigen Richtung. Wie oben beschrieben
ist die lichtauskoppelnde Struktur 60 von dem massiven
Wellenleiter 30 getrennt. In 6a umfaßt das lichtauskoppelnde Merkmal 62 mehrere
zufällig
oder gleichmäßig beabstandete
Kratzer auf der Lichtausgabeoberfläche 64, die durch
Schleifen, Ritzen und dergleichen hergestellt sind. Das lichtauskoppelnde
Merkmal 62 erstreckt sich bevorzugt in einer Richtung,
die allgemein senkrecht zu der Richtung verläuft, in der die Lichtstrahlen 22 in
den Wellenleiter 30 eintreten und sich durch ihn und in
ihm ausbreiten, d.h. in der y-Richtung, obwohl sich das lichtauskoppelnde
Merkmal 62 in einer Richtung erstrecken kann, die allgemein
parallel zur Lichtausbreitungsrichtung liegt, d.h. in der x-Richtung.
Noch weitere alternative Störungen,
die das lichtauskoppelnde Merkmal 62 umfassen, beinhalten
im Querschnitt quadratische oder rechteckige Höcker, trapezförmige oder
dreieckige Höcker,
vielflächige
Höcker,
Höcker
mit gekrümmten Seiten
und durchgehend gekrümmte
Höcker,
die in Arrays angeordnet sind oder sich in Längsrichtung entlang oder quer
zu dem Wellenleiter 30 erstrecken.
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Das
lichtauskoppelnde Merkmal 62 definiert einen Bereich auf
der lichtauskoppelnden Struktur 60, der kleiner oder gleich
dem Gesamtbereich der lichtauskoppelnden Struktur 60 ist.
Bevorzugt liegt der durch das lichtauskoppelnde Merkmal 62 definierte
Bereich zwischen etwa 5% und 100 der Gesamtfläche der lichtauskoppelnden
Struktur 60.
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Weitere
alternative Ausführungsformen
der lichtauskoppelnden Merkmale 62 sind als nichteinschränkendes
Beispiel in 6b–6e gezeigt. 6b umfaßt das lichtauskoppelnde
Merkmal 62 mehrere allgemein linsenförmige vieleckige Störungen,
die sich allgemein von der lichtauskoppelnden Struktur 60 aus
nach außen
erstrecken, um eine strukturierte Lichtausgabeoberfläche 64 zu
liefern. Bei einer in 6 gezeigten
weiteren Ausführungsform
des lichtauskoppelnden Merkmals 62 ist die Lichtausgabeoberfläche 64 der
lichtauskoppelnden Struktur 60 durch mehrere lichtauskoppelnde
Merkmale 62 strukturiert, die als im allgemeinen linsenförmige vieleckige
Hohlräume
definiert sind. In 6d umfaßt das lichtauskoppelnde Merkmal 62 mehrere sich
nach außen
erstreckende, allgemein linsenförmige
gekrümmte
Störungen.
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Noch
eine weitere Ausführungsform
des lichtauskoppelnden Merkmals 62 der vorliegenden Erfindung
ist in 6e gezeigt. Das lichtauskoppelnde
Merkmal 62 dieser Ausführungsform
liegt in der Nähe
der Lichtquelle(n) 20 und umfaßt zwei im allgemeinen konvergierende
Oberflächen,
die Lichtstrahlen 22 von den Lichtquellen 20 umlenken,
bevor die Lichtstrahlen 22 in den Wellenleiter 30 eintreten.
Im Gegensatz dazu beeinflussen die in 6a–6d dargestellten
lichtlenkenden Merkmale 62 die Lichtstrahlen 22 erst
nach ihrem Eintritt in den Wellenleiter 30. In jedem Fall
liefert das lichtauskoppelnde Merkmal 62 das Mittel, durch
das die sich in dem und durch den Wellenleiter 30 ausbreitenden
Lichtstrahlen 22 daraus austreten.
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Die
lichtlenkende Struktur 80 der vorliegenden Erfindung kann
auf vielerlei Weise konstruiert sein, um die gewünschte lichtlenbende Funktionalität zu liefern;
drei solche veranschaulichenden nichteinschränkenden Ausführungsformen
sind in 7a–7c dargestellt.
Für den
Fachmann ist offensichtlich, daß lichtlenkende
Struktur 80, die anders als jene in 7a–7c konstruiert
ist, von der vorliegenden Erfindung in Betracht gezogen werden und
daß diese
Ausführungsformen
hier als nichteinschränkende
Beispiele der vorliegenden Erfindung offenbart werden. zunächst unter
Bezugnahme auf 7a ist die lichtlenkende Struktur 80 als
ein lichtlenkendes Array (LDA) 88 mit einer im wesentlichen
planaren Lichtausgabeoberfläche 90 und
ein lichtlenkendes Merkmal 82 konstruiert, konfiguriert als
eine strukturierte Lichteingabeoberfläche 86, die ein Array
von allgemein linsenförmigen
Störungen 84 mit
einer allgemein dreieckigen Querschnittsform umfaßt. Die
Lichteingabeoberfläche 86 braucht
nicht die Lichtausgabeoberfläche 64 der
lichtauskoppelnden Struktur 60 zu berühren, obwohl ein derartiger Kontakt
die Funktionsweise oder Leistung des Beleuchtungssystems 10 nicht
beeinträchtigt
und von der vorliegenden Erfindung in Betracht gezogen wird. Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
umfassen das lichtauskoppelnde Merkmal 62 und das lichtlenkende
Merkmal 82 komplementäre
Räume,
die in registrierter Ineingriffnahme miteinander plaziert sein können. Fünf Beispiele
für derartige
komplementäre lichtauskoppelnde
Merkmale 62 und lichtlenkende Merkmale 82 sind
in 8a–8e gezeigt.
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Bei
der in 7b gezeigten Ausführungsform
umfaßt
die lichtlenkende Struktur 80 ein LDA 88 mit einer
strukturierten Lichtausgabeoberfläche 90 und einer im
wesentlichen planaren Lichteingabeoberfläche 86. Ein an der
Lichtausgabeoberfläche 90 definiertes
lichtlenkendes Merkmal 82 umfaßt mehrere allgemein dreieckige
linsenförmige
Linsen 94, die in kontaktierender Beziehung zueinander
angeordnet sind.
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Als
nächstes
unter Bezugnahme auf 7c umfaßt die lichtlenkende Struktur 80 erste
und zweite LDAs 88, 88', die jeweils erste und zweite
lichtlenkende Merkmale 82, 82' enthalten; beide sind als allgemein
linsenförmige
Störungen 84, 84' mit einer im
allgemeinen zweidimensionalen Querschnittsform konfiguriert. Alternativ
können
die ersten und zweiten lichtlenkenden Merkmale 82, 82' mehrere allgemein linsenförmige prismenförmige Arrays
mit einer allgemein mehrdimensionalen Querschnittsform (d.h. dreidimensional)
umfassen. Die LDAs 88, 88' enthalten jeweilige Lichtausgabeoberflächen 90, 90' und Lichteingabeoberflächen 86, 86'. Bei einer
bevorzugten Ausführungsform
ist die Lichteingabeoberfläche 86 der
ersten LDA 88 im wesentlichen planar und die Lichtausgabeoberfläche 90 ist
strukturiert. Für
die zweite LDA 88' ist
die Lichteingabeoberfläche 86' strukturiert
und die Lichtausgabeoberfläche 90' ist im wesentlichen
planar. Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die ersten
und zweiten lichtlenkenden Merkmale 82, 82' in direkt gegenüberliegender
Beziehung zueinander gestapelt und allgemein orthogonal zueinander
angeordnet.
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Die
Winkelverteilung der Lichtausgabe von dem Beleuchtungssystem 10 der
vorliegenden Erfindung wird zumindest teilweise durch die Konfiguration
des lichtauskoppelnden Merkmals 62 gesteuert. Genauer gesagt
und unter Bezugnahme auf 6b ist
ein Neigungswinkel w definiert als der Winkel zwischen einer senkrecht
zur Lichtausgabeoberfläche 64 verlaufenden
Linie und der Neigung oder Steigung der Seitenwand 68 des
lichtauskoppelnden Merkmals 62. Der Neigungswinkel w wird
mit der folgenden Gleichung berechnet: w=asin(2·cos(C)·(n12-1)1/2/(n12-sin2C)) (1)wobei C der
gewünschte
Grenzwinkel und n1 der erste Brechungsindex der lichtauskoppelnden
Struktur 60 ist. Der Grenzwinkel C ist definiert als ein
Betrachtungswinkel von der Normalen (hier als ein Betrachtungswinkel
von ungefähr
0° bezüglich der
Lichtausgabe- oberfläche 90 des
Beleuchtungssystems 10 definiert) entlang der y-Achse (siehe
z.B. 6b) und jenseits dessen keine nennenswerte Lichtmenge visuell
als aus dem Beleuchtungssystem 10 austretend detektiert
werden kann. Bei bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung liegt der Grenzwinkel im Bereich zwischen 0° und 90°. Die Beziehung
zwischen Neigungswinkel w und Grenzwinkel C ist in 10 graphisch
dargestellt, wobei der Neigungswinkel w allgemein mit zunehmendem Grenzwinkel
C abnimmt.
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Die
Winkelverteilung von Lichtausgabe aus dem Beleuchtungssystem 10 wird
ebenfalls zumindest teilweise durch den Brechungsindex n2 der Grenzschicht 40 gesteuert.
Die Beziehung zwischen dem Brechungsindex n2 der Grenzschicht 40 und dem
Grenzwinkel C wird durch folgende Gleichung definiert: n2 ≤ (n12-(cos(C))2)1/2 (2)wobei n2
der Brechungsindex der Grenzschicht 40, n1 der Brechungsindex
des Wellenleiters 30 und C der gewünschte Grenzwinkel ist. Diese
Beziehung ist in 11 graphisch dargestellt.
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Durch
Variieren des Neigungswinkels w der Seitenwand 68 des lichtauskoppelnden
Merkmals 62 und durch Wählen
einer Grenzschicht 40 mit einem spezifischen Brechungsindex
n2 und Wählen
einer Form für
das lichtlenkende Merkmal kann der Grenzwinkel C in allen Richtungen
selektiv bestimmt und die Lichtausgabeverteilung des Beleuchtungssystems 10 der
vorliegenden Erfindung selektiv gesteuert werden.
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Nachdem
die Erfindung somit recht ausführlich
beschrieben worden ist, ist zu erkennen, daß man sich nicht streng an
dieses Detail halten muß, sondern
daß sich
verschiedene Änderungen
und Modifikationen dem Fachmann ergeben können, die alle in den Schutzbereich
der Erfindung fallen, wie durch die beigefügten Ansprüche definiert.