EP1099079A1 - Beleuchtungsvorrichtung - Google Patents

Beleuchtungsvorrichtung

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EP1099079A1
EP1099079A1 EP00943592A EP00943592A EP1099079A1 EP 1099079 A1 EP1099079 A1 EP 1099079A1 EP 00943592 A EP00943592 A EP 00943592A EP 00943592 A EP00943592 A EP 00943592A EP 1099079 A1 EP1099079 A1 EP 1099079A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
lamp
aperture
light
lighting device
longitudinal axis
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP00943592A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Frank Vollkommer
Lothar Hitzschke
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Osram GmbH
Original Assignee
Patent Treuhand Gesellschaft fuer Elektrische Gluehlampen mbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Patent Treuhand Gesellschaft fuer Elektrische Gluehlampen mbH filed Critical Patent Treuhand Gesellschaft fuer Elektrische Gluehlampen mbH
Publication of EP1099079A1 publication Critical patent/EP1099079A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/0001—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems
    • G02B6/0011—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems the light guides being planar or of plate-like form
    • G02B6/0033—Means for improving the coupling-out of light from the light guide
    • G02B6/005—Means for improving the coupling-out of light from the light guide provided by one optical element, or plurality thereof, placed on the light output side of the light guide
    • G02B6/0053—Prismatic sheet or layer; Brightness enhancement element, sheet or layer
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21V—FUNCTIONAL FEATURES OR DETAILS OF LIGHTING DEVICES OR SYSTEMS THEREOF; STRUCTURAL COMBINATIONS OF LIGHTING DEVICES WITH OTHER ARTICLES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F21V13/00—Producing particular characteristics or distribution of the light emitted by means of a combination of elements specified in two or more of main groups F21V1/00 - F21V11/00
    • F21V13/02—Combinations of only two kinds of elements
    • F21V13/04—Combinations of only two kinds of elements the elements being reflectors and refractors
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21V—FUNCTIONAL FEATURES OR DETAILS OF LIGHTING DEVICES OR SYSTEMS THEREOF; STRUCTURAL COMBINATIONS OF LIGHTING DEVICES WITH OTHER ARTICLES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F21V17/00—Fastening of component parts of lighting devices, e.g. shades, globes, refractors, reflectors, filters, screens, grids or protective cages
    • F21V17/04—Fastening of component parts of lighting devices, e.g. shades, globes, refractors, reflectors, filters, screens, grids or protective cages the fastening being onto or by the light source
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21V—FUNCTIONAL FEATURES OR DETAILS OF LIGHTING DEVICES OR SYSTEMS THEREOF; STRUCTURAL COMBINATIONS OF LIGHTING DEVICES WITH OTHER ARTICLES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F21V5/00—Refractors for light sources
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    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/0001—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems
    • G02B6/0096—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems the lights guides being of the hollow type
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J61/00—Gas-discharge or vapour-discharge lamps
    • H01J61/02—Details
    • H01J61/025—Associated optical elements

Definitions

  • the invention relates to a lighting device with an electric lamp with an aperture and an optical system according to the preamble of claim 1.
  • the invention also relates to a method for directing light rays from an aperture lamp according to the preamble of the method claim.
  • the lamp used for the lighting device has a tubular lamp vessel which is closed on both sides.
  • the inside or outside of the lamp vessel is provided with a reflector for visible light, where a defined area is left out along the longitudinal axis. In this way, an aperture is created through which the light passes the lamp reaches the outside (aperture lamp) .
  • the reflector can also be formed by a suitably thick phosphor layer. These lamps are also known as aperture fluorescent lamps.
  • lighting devices of the type mentioned are suitable, inter alia, for effect lighting and workplace lighting.
  • LCD Liquid Crystal Display
  • Liquid crystal displays are used in a variety of ways, for example in control rooms, cockpits of aircraft and increasingly also in motor vehicles, in entertainment and communication electronics and as screens for personal computers (PC).
  • the lamp, the optical system and the light guide plate are matched to one another in such a way that the light of the lamp can be coupled into the light guide plate through at least one narrow side (“edge”).
  • Light technology "). By means of reflection on a diffuse reflection layer applied to the underside of the light guide plate, for example, this light passes out over the entire front side of the light guide plate and thus acts as a flat light source which is expanded in accordance with the dimensions of the light guide plate.
  • the lamp vessel can be rod-shaped, but also angled, for example L-shaped or U-shaped. In the latter case, the light from the lamp is coupled into the light guide plate via two or three of the edges thereof.
  • two or more lamps - each including an optical system - can also be used to couple light into a light guide plate.
  • the lighting device under consideration is a device with a tubular aperture lamp.
  • the cross section of the lamp is curved, in particular circular, or also elliptical, drop-shaped, etc.
  • Each sufficiently small surface element of the aperture surface of this lamp emits light in a good approximation with a relatively wide angular distribution, in particular a Lambertian or at least Lambertian distribution.
  • this angular distribution must be suitably shaped, in particular narrowed, in order to to achieve luminosity and / or to improve the effective overall efficiency of the lighting device. Because of the tubular geometry of the aperture lamp, essentially only the angular distribution in a sectional plane perpendicular to the lamp longitudinal axis is decisive.
  • the angular distribution of the radiation in the direction of the lamp longitudinal axis is at most of secondary importance.
  • the actually cylindrical problem of light beam distribution or guidance can therefore be reduced approximately to considerations in a sectional plane perpendicular to the lamp axis.
  • Another aspect of the invention relates to the coupling of the lamp light leaving the aperture into a light guide plate.
  • the aperture surface is curved because it is part of the tubular lamp surface.
  • Protection is also claimed for a method for influencing the light of a tubular aperture lamp according to the method claim.
  • the basic idea of the invention is to provide two optical means connected in series, the first means being curved, viewed in a sectional plane perpendicular to the longitudinal axis of the lamp.
  • This first means bundles the wide light beam distribution emitted by each surface element in the area of the aperture in the direction of the normal of the respective surface element.
  • the second means tilts at least a part of the light beams coming from the first means by a tilt angle, the tilt angles of at least some of the light beams being of different sizes.
  • the light emitted by the curved aperture surface can be directed in a targeted manner, for example “parallelized” or converging light beams can be generated.
  • the tilt angle is defined here as the angle between the original main emission direction and the tilted main emission direction of the respective light beam.
  • the curvature of the first optical means is preferably adapted to the curvature of the lamp in the area of the aperture. It is thereby achieved that a large part of the light leaving the aperture with a broad light beam distribution is coupled into the first means, leaving it in the form of numerous relatively narrow light beams which are at least partially tilted by the second means.
  • the first is to minimize coupling losses Means also preferably arranged substantially directly on the outer surface of the aperture.
  • FIG. 1 shows schematically a cross section through a tubular lamp 1 with a circular cross section.
  • FIG. 1 shows schematically a cross section through a tubular lamp 1 with a circular cross section.
  • Shown are a first and second edge 2, 3 of an aperture, the central beam 4 of the aperture and in each case the vectors of the main emission direction of an edge light bundle without 5 or with 6 the optical system according to the invention (not shown).
  • FIG. 1 shows schematically a cross section through a tubular lamp 1 with a circular cross section.
  • the advantageous effect of the invention is particularly effective when the diameter of the tubular vessel of the lamp is relatively large, in particular the same size as or greater than the thickness of the light guide plate. Then, without any special measures, a relatively large proportion of the light emitted by the lamp aperture passes the coupling surface of the light guide plate.
  • the advantageous effect of the invention is not limited to such constellations.
  • the second means can also be integrated directly into the light guide.
  • the width d of the aperture is also chosen to be as large as possible.
  • the width b of the aperture preferably corresponds approximately to the thickness d of the light guide plate.
  • FIG. 1 shows a schematic illustration to explain the basic idea of the invention
  • FIG. 2 shows a cross section through a tubular lamp with an optical system in a highly schematic representation
  • FIG. 3 shows an enlargement A of the optical system from FIG. 2 in the central region of the aperture
  • FIG. 4 shows an enlargement B of the optical system from FIG. 2 in the edge region of the aperture
  • Figure 5 shows a partial cross section of a complete lighting device with a tubular aperture fluorescent lamp with an optical system and light guide plate.
  • FIG. 2 shows a highly schematic illustration of a cross section through a tubular aperture fluorescent lamp 1 according to the invention (details have been omitted here for the sake of clarity) with an optical system consisting of the two optical means 8, 9.
  • the two optical means are transparent plastic films 8, 9 which are arranged one after the other on the surface of the vessel wall 10 of the lamp 1 in the area of the aperture. are not. Starting from the center point M of the lamp (viewed in the cross section in FIG. 2), the aperture spans an angle ⁇ .
  • the first film 8 has a microprism structure on its side facing away from the vessel wall 10 of the lamp aperture.
  • the structure is designed as a multiplicity of prisms 11 in the form of isosceles triangles, the prisms 11 running parallel to the longitudinal axis of the lamp 1.
  • the prism structure of the first film 8 transmits only those light rays that strike the side of the film 8 facing the lamp aperture within an acceptance angle.
  • the value of the acceptance angle can be influenced, among other things, by the respective prism angle of each prism.
  • the remaining rays are reflected back by means of total reflection on the respective prisms in the direction of the lamp aperture or vessel wall 10 and redistributed by means of scattering or reflection until they strike the first film 8 within the acceptance angle and are finally also transmitted.
  • the aperture is completely spared from phosphor, it can be helpful to support the redistribution to arrange an additional diffuser between the vessel wall 10 of the lamp 1 and the first film 8. This minimizes the interface losses.
  • the diffuser can also be realized by matting the surface of the vessel wall 10 in the area of the aperture. However, these measures can also be useful if the aperture surface of the lamp is provided with phosphor.
  • the second film 9 likewise has a prism structure on its side facing the first film 8.
  • the structure is designed as a multiplicity of prisms 12 in the form of isosceles triangles, the prisms 12 likewise running parallel to the longitudinal axis of the tubular lamp 1.
  • the light beams coming from the first film 8 are tilted away from their respective main emission direction and towards the central beam 4.
  • FIG. 5 shows a schematic sectional illustration of a flat lighting device for the backlighting of liquid crystal displays (not shown), consisting of an aperture fluorescent lamp 19, an optical system 110, corresponding to the illustrations in FIGS. 3 and 4, and a light guide plate 111.
  • the phosphor layer 116 is on the reflection layer 115 or applied directly to the inner wall of the discharge vessel 112 in the region of the aperture 117.
  • the outer diameter of the discharge vessel 112 made of glass is approximately 14 mm with a wall thickness of approximately 0.5 mm.
  • the length of the tubular discharge vessel 112, closed at both ends with a dome (not shown) formed from the vessel material, is approximately 27 cm.
  • Xenon is located within the discharge vessel 112 with a filling pressure of approximately 17 kPa.
  • the two electrodes 113, 114 are formed as metal strips which are arranged on the inner wall of the discharge vessel 112 parallel to the longitudinal axis of the tube and diametrically to one another.
  • both electrodes 113, 114 are covered with a dielectric layer 100 made of glass solder.

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Abstract

Eine Beleuchtungsvorrichtung mit einer Aperturlampe (1) weist zwei einander nachgeschaltete optische Mittel (8, 9) auf, wobei zumindest das erste Mittel (8) - in einer Schnittebene senkrecht zur Lampenlängsachse betrachtet - gekrümmt ist. Das erste Mittel (8) bündelt die von jedem Flächenelement im Bereich der Apertur jeweils emittierte breite Lichtstrahlenverteilung in Richtung zur Normalen des jeweiligen Flächenelements. Das zweite Mittel (9) kippt zumindest einen Teil der vom ersten Mittel kommenden Lichtbündel um einen Kippwinkel, wobei die Kippwinkel zumindest eines Teils der Lichtbündel unterschiedlich gross sind. Auf diese Weise kann das von der gekrümmten Aperturoberfläche emittierte Licht zielgerichtet gelenkt, beispielsweise 'parallelisiert' werden.

Description

Beleuchtungsvorrichtung
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Beleuchtungsvorrichtung mit einer elektrischen Lampe mit Apertur und einem optischen System gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Lenken von Lichtstrahlen einer Aperturlampe gemäß dem Oberbegriff des Verfah- rensanspruchs.
Die für die Beleuchtungsvorrichtung verwendete Lampe weist ein rohrför- miges, beidseitig verschlossenes Lampengefäß auf. Zur Erhöhung der Leuchtdichte der Lampe ist das Lampengefäß auf der Innen- oder Außenseite mit einem Reflektor für sichtbares Licht versehen, wo' "<ei ein definierter Bereich entlang der Längsachse ausgespart ist. Auf diese Weise ist eine Apertur geschaffen, durch die hindurch das Licht der Lampe nach außen gelangt (Aperturlampe). Der Reflektor kann auch durch eine geeignet dicke Leuchtstoffschicht gebildet sein. Diese Lampen sind auch als Apertur- Leuchtstofflampen bekannt.
Beleuchtungsvorrichtungen der genannten Art eignen sich wegen ihrer Lichtlenkungsfunktion unter anderem für die Effektbeleuchtung sowie Arbeitsplatzbeleuchtung.
Darüber hinaus eignen sich derartige Beleuchtungsvorrichtungen, ergänzt um eine Lichtleiterplatte, beispielsweise zur Hinterleuchtung von Anzeigen, insbesondere von Flüssigkristallanzeigen (LCD = Liquid Crystal Display) aber auch großflächigen Werbetafeln. Flüssigkristallanzeigen finden vielfältige Verwendungen, beispielsweise in Leitwarten, Cockpits von Flugzeugen und zunehmend auch Kfz, in der Unterhaltungs- sowie Kommunikations- elektronik und als Bildschirme für Personalcomputer (PC).
In diesem Fall sind die Lampe, das optische System und die Lichtleiterplatte so aufeinander abgestimmt, daß das Licht der Lampe durch mindestens eine Schmalseite („Kante" bzw. englisch „Edge") der Lichtleiterplatte hindurch in diese eingekoppelt werden kann (sogenannte „Edge-Light Technik"). Mittels Reflexion an einer auf der Unterseite der Lichtleiterplatte aufgebrachten, z.B. diffusen Reflexionsschicht tritt dieses Licht über die gesamte Frontseite der Lichtleiterplatte hindurch nach außen und wirkt so als flache, entsprechend den Abmessungen der Lichtleiterplatte ausgedehnte Lichtquelle.
Das Lampengefäß kann stabförmig, aber auch abgewinkelt, beispielsweise L- oder U-förmig, sein. Im letztgenannten Fall wird das Licht der Lampe über zwei bzw. drei der Kanten der Lichtleiterplatte in diese eingekoppelt. Selbstverständlich können auch zwei oder mehr Lampen - jeweils inklusive optischem System - zur Lichteinkopplung in eine Lichtleiterplatte verwendet werden.
Wie bereits eingangs erwähnt, handelt es sich bei der betrachteten Beleuch- tungsvorrichtung um eine Vorrichtung mit einer rohrförmigen Aperturlampe. Der Querschnitt der Lampe ist gekrümmt, insbesondere kreisförmig, oder auch elliptisch, tropfenförmig usw.. Jedes hinreichend kleine Flächenelement der Aperturoberfläche dieser Lampe strahlt dabei in einer guten Näherung Licht mit einer relativ breiten Winkelverteilung, insbesondere ei- ner lambertschen oder zumindest lambertähnlichen Verteilung ab. Für die eingangs erwähnten Beleuchtungsaufgaben muß diese Winkelverteilung geeignet geformt, insbesondere eingeengt werden, um die erforderlichen Be- leuchtungsstärken zu erreichen und/ oder die wirksame Gesamteffizienz der Beleuchtungsvorrichtung zu verbessern. Aufgrund der rohrförmigen Geometrie der Aperturlampe ist dabei im wesentlichen nur die Winkelverteilung in einer Schnittebene senkrecht zur Lampenlängsachse maßgebend. Mit an- deren Worten ist die Winkelverteilung der Strahlung in Richtung der Lampenlängsachse allenfalls von untergeordneter Bedeutung. Das hier eigentlich zylindrische Problem der Lichtstrahlenverteilung bzw. -lenkung läßt sich folglich näherungsweise auf Betrachtungen in einer Schnittebene senkrecht zur Lampenlängsachse reduzieren.
Darstellung der Erfindung
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Beleuchtungsvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, welche eine verbesserte Lenkung bzw. Bündelung des die Apertur verlassenden Lichts aufweist.
Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Oberbe- griffs des Anspruchs 1 durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gelöst. Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft die Einkopplung des die Apertur verlassenden Lichts der Lampe in eine Lichtleiterplatte.
Gewünscht ist, daß ein Maximum des die Apertur verlassenden Lichts mit Hilfe eines optischen Systems geeignet in den Lichtleiter eingekoppelt wird. Erschwerend kommt hinzu, daß die Aperturoberfläche in sich gekrümmt ist, denn sie ist Teil der rohrförmigen Lampenoberfläche.
Außerdem wird Schutz beansprucht für ein Verfahren zum Beeinflussen von Licht einer rohrförmigen Aperturlampe gemäß dem Verfahrensanspruch. Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, zwei einander nachgeschaltete optische Mittel vorzusehen, wobei, in einer Schnittebene senkrecht zur Lampenlängsachse betrachtet, das erste Mittel gekrümmt ist. Dieses erste Mittel bündelt die von jedem Flächenelement im Bereich der Apertur jeweils emittierte breite Lichtstrahlenverteilung in Richtung zur Normalen des jeweiligen Flächenelements. Das zweite Mittel kippt zumindest einen Teil der vom ersten Mittel kommenden Lichtbündel um einen Kippwinkel, wobei die Kipp winkel zumindest eines Teils der Lichtbündel unterschiedlich groß sind. Auf diese Weise kann das von der gekrümmten Aperturoberfläche emittierte Licht zielgerichtet gelenkt, beispielsweise „parallelisiert" oder konvergierende Lichtstrahlen erzeugt werden.
Unter dem Begriff „bündeln" ist hier zu verstehen, daß die ursprünglich breite Winkelverteilung der Lichtstrahlen in eine engere Winkelverteilung transformiert wird, d.h., daß nach der Bündelung die Lichtstrahlen mit be- züglich der Hauptabstrahlrichtung des jeweiligen Flächenelements großen Winkeln mit wesentlich geringerem relativen Gewicht vertreten sind. Als die Hauptabstrahlrichtung eines Flächenelements wird hier ditj Richtung desjenigen Lichtstrahlvektors der Lichtstrahlenverteilung des betrachteten Flächenelements verstanden, der den größten Betrag (= Intensität) hat.
Der Kippwinkel ist hier als der Winkel zwischen der ursprünglichen Hauptabstrahlrichtung und der gekippten Hauptabstrahlrichtung des jeweiligen Lichtbündels definiert.
Die Krümmung des ersten optischen Mittels ist bevorzugt der Krümmung der Lampe im Bereich der Apertur angepaßt. Dadurch wird erreicht, daß ein Großteil des die Apertur mit breiter Lichtstrahlenverteilung verlassenden Lichts in das erste Mittel eingekoppelt wird, dieses in Form zahlreicher relativ enger Lichtbündel verläßt, die zumindest zum Teil durch das zweite Mittel gekippt werden. Um die Koppelverluste zu minimieren, ist das erste Mittel außerdem bevorzugt im wesentlichen direkt auf der äußeren Oberfläche der Apertur angeordnet.
Zum besseren Verständnis des Grundgedankens der Erfindung wird auf die Figur 1 verwiesen, welche die Verhältnisse stark schematisiert und abstra- hiert darstellt. Figur 1 zeigt schematisch einen Querschnitt durch eine rohr- förmige Lampe 1 mit kreisförmigem Querschnitt. Der Übersicht wegen wurde hier auf die Darstellung weiterer Details der Lampe 1 sowie des optischen Systems verzichtet. Gezeigt ist ein erster und zweiter Rand 2, 3 einer Apertur, der Zentralstrahl 4 der Apertur sowie jeweils die Vektoren der Hauptab- Strahlrichtung eines Randlichtbündels ohne 5 bzw. mit 6 dem erfindungsge- mäßen optischen System (nicht dargestellt). Wie aus Figur 1 deutlich ersichtlich ist, ist der Betrag der Projektion (P2) des Lichtvektors 6 der gekippten Hauptabstrahlrichtung auf eine Parallele 7 zum Zentralstrahl 4 größer als derjenige (Pl) des Lichtvektors 5 der ursprünglichen (ungekippten) Hauptrichtung. Dies gilt erfindungsgemäß in analoger Weise im wesentlichen für alle Hauptabstrahlrichtungen sämtlicher Oberflächenelemente. Der Zentralstrahl 4 wird dabei von der Hauptabstrahlrichtung des zentralen Flächenelements der Apertur gebildet.
Auf diese Weise kann beispielsweise ein "quasiparalleles" Lichtbündel (nicht dargestellt) erzeugt werden. Dazu ist das zweite optische Mittel derart ausgebildet, daß der Kippwinkel δ der einzelnen Lichtbündel mit dem Winkelabstand vom Zentralstrahl 4 der Apertur zunehmen.
Die erfindungsgemäßen Mittel können durch geeignete optische Strukturen, beispielsweise Mikroprismenstrukturen und/ oder holographische Struktu- ren o.a. realisiert sein.
Im Hinblick auf die Lichteinkopplung in eine Lichtleiterplatte kommt die vorteilhafte Wirkung der Erfindung in besonderem Maße zum Tragen, wenn der Durchmesser des rohrförmigen Gefäßes der Lampe relativ groß ist, insbesondere gleich groß wie oder größer als die Dicke der Lichtleiterplatte. Dann geht nämlich ohne besondere Maßnahmen ein relativ großer Anteil des von der Lampenapertur emittierten Lichts an der Einkoppelfläche der Licht- leiterplatte vorbei. Die vorteilhafte Wirkung der Erfindung ist allerdings nicht auf derartige Konstellationen beschränkt. Hier kann das zweite Mittel auch direkt in den Lichtleiter integriert sein ist.
Eine bevorzugte Ausführungsform verwendet eine für eine dielektrische Entladung geeignete Entladungslampe mit einem rohrförmigen Entladungs- gefäß. Die Lampe weist zwei streifenförmige Elektroden auf, die auf der Innen- oder Außenwandung des Entladungsgefäßes parallel zur Rohrlängsachse und zueinander diametral angeordnet sind. Auf diese Weise wird der große Lampendurchmesser gezielt für die entsprechende maximal mögliche Schlagweite der Entladung ausgenutzt. Mit zunehmender Schlagweite nimmt nämlich auch die Brennspannung für die dielektrisch behinderte Entladung und folglich die einkoppelbare elektrische Wirkleistung zu. Mit Hilfe der gepulsten Betriebsweise gemäß der Schrift WO 94/22975 führt dies schließlich wie gewünscht zu der oben erwähnten Erhöhung des Lichtstroms der Lampe.
Da die Lichtausbeute mit kleiner werdendem Verhältnis b/D zwischen Aperturbreite b und Lampendurchmesser D deutlich sinkt, wird auch die Breite d der Apertur möglichst groß gewählt. Bevorzugt entspricht die Breite b der Apertur ungefähr der Dicke d der Lichtleiterplatte.
Weitere bevorzugte Bereiche für das Verhältnis von Aperturbreite b zur Dik- ke d der Lichtleiterplatte sind b/d > 0,6, 0,8 und 1. Beschreibung der Zeichnungen
Im folgenden soll die Erfindung unter Bezugnahme auf die Figuren anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Es zeigen:
Figur 1 eine schematisierte Darstellung zur Erläuterung des Grundgedankens der Erfindung,
Figur 2 einen Querschnitt durch eine rohrförmige Lampe mit optischem System in stark schematischer Darstellung,
Figur 3 eine Vergrößerung A des optischem Systems aus Figur 2 im Zentralbereich der Apertur,
Figur 4 eine Vergrößerung B des optischem Systems aus Figur 2 im Rand- bereich der Apertur,
Figur 5 einen teilweisen Querschnitt einer kompletten Beleuchtungsvorrichtung mit einer rohrförmigen Apertur-Leuchtstofflampe mit optischem System und Lichtleiterplatte.
Figur 2 zeigt in stark schematischer Darstellung einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße rohrförmige Aperturleuchtstofflampe 1 (auf Details wurde hier der Übersicht wegen verzichtet) mit einem optischen System, bestehend aus den beiden optischen Mitteln 8, 9.
Details der beiden Folien 8, 9 sind in den Figuren 3, 4 offenbart, wo Vergrößerungen des optischen Systems aus dem Zentralbereich A bzw. dem Rand- bereich B der Apertur schematisch dargestellt sind und auf die im folgenden ebenfalls Bezug genommen wird. Bei den beiden optischen Mitteln handelt es sich um transparente Kunststoffolien 8, 9, die nacheinander auf der Oberfläche der Gefäßwandung 10 der Lampe 1 im Bereich der Apertur angeord- net sind. Ausgehend vom Mittelpunkt M der Lampe (im Querschnitt der Figur 2 betrachtet) spannt die Apertur einen Winkel α auf.
Die erste Folie 8 weist auf ihrer von der Gefäßwand 10 der Lampenapertur abgewandten Seite eine Mikroprismenstruktur auf. Die Struktur ist als eine Vielzahl von Prismen 11 in Form gleichschenkliger Dreiecke ausgebildet, wobei die Prismen 11 parallel zur Längsachse der Lampe 1 verlaufen. Die Prismenstruktur der ersten Folie 8 transmittiert nur diejenigen Lichtstrahlen, die innerhalb eines Akzeptanzwinkels auf die der Lampenapertur zugewandten Seite des Folie 8 treffen. Der Wert des Akzeptanzwinkels ist unter anderem durch den jeweiligen Prismenwinkel jedes Prismas beeinflußbar. Die restlichen Strahlen werden mittels Totalreflexion an den jeweiligen Prismen in Richtung zur Lampenapertur bzw. Gefäßwand 10 zurück reflektiert und mittels Streuung bzw. Reflexion solange umverteilt, bis sie innerhalb des Akzeptanzwinkels auf die erste Folie 8 treffen und schließlich ebenfalls transmittiert werden.
Vor allem dann, wenn die Apertur vollständig von Leuchtstoff ausgespart ist, kann es zur Unterstützung der Umverteilung hilfreich bein, einen zusätzlichen Diffusor zwischen der Gefäßwand 10 der Lampe 1 und der ersten Folie 8 anzuordnen. Dadurch werden die Grenzflächenverluste minimiert. Der Diffusor kann auch durch Mattieren der Oberfläche der Gefäßwand 10 im Bereich der Apertur realisiert sein. Diese Maßnahmen können allerdings auch dann sinnvoll sein, wenn die Aperturoberfläche der Lampe mit Leuchtstoff versehen ist.
Die zweite Folie 9 weist mit Ausnahme des Zentralbereichs A auf ihrer der ersten Folie 8 zugewandten Seite ebenfalls eine Prismenstruktur auf. Allerdings ist die Struktur als eine Vielzahl von Prismen 12 in Form ungleichschenkliger Dreiecke ausgebildet, wobei die Prismen 12 ebenfalls parallel zur Längsachse der rohrförmigen Lampe 1 verlaufen. Mit Hilfe der ungleich- schenkligen Dreiecksprismen werden die von der ersten Folie 8 kommenden Lichtbündel von ihrer jeweiligen Hauptabstrahlrichtung weg und hin in Richtung zum Zentralstrahl 4 gekippt.
Die jeweiligen Prismenwinkel γ und folglich auch die Breite der Prismenbasis der verschiedenen Prismen 12 nehmen in Richtung zum Randbereich B hin ab. Dadurch nimmt der Kippwinkel δ vom Randbereich B in Richtung zum Zentralbereich A hin ab und verschwindet im Zentralbereich A vollständig, d.h. die Strahlen im Zentralbereich A werden nicht gekippt (δ = 0°). Die Änderung der Prismenwinkel γ ist derart an die gekrümmte Geometrie der Apertur bzw. der Folie 9 angepaßt, daß insgesamt ein relativ „paralleles" Gesamtstrahlenbündel resultiert, das sich mit nur geringen Verlusten in eine Lichtleiterplatte einkoppeln läßt.
Figur 5 zeigt in schematischer Schnittdarstellung eine flache Beleuchtungsvorrichtung für die Hinterleuchtung von Flüssigkristallanzeigen (nicht dar- gestellt), bestehend aus einer Apertur-Leuchtstofflampe 19, einem optischen System 110, entsprechend der Darstellungen in den Figuren 3 und 4, und einer Lichtleiterplatte 111.
Die Leuchtstofflampe 19 besteht aus einem rohrförmigen Entladungsgefäß 112, zwei Elektroden 113, 114 und einem funktionellen Schichtensystem. Das Schichtensystem besteht aus einer Reflexionsschicht 115 aus Ti02 und einer Leuchtstoff Schicht 116 aus einem Dreibandenleuchtstoff. Der Dreibandenleuchtstoff besteht aus einer Mischung der Blaukomponente BaMgA oOiziEu, der Grünkomponente LaP0 :Ce,Tb und der Rotkomponente (Y,Gd)B03:Eu. Die resultierenden Farbkoordinaten betragen x = 0,395 und y = 0,383, d.h. es wird weißes Licht erzeugt. Die Reflexionsschicht 115 ist unmittelbar auf der Innenwandung des Entladungsgefäßes 112 aufgebracht, wobei eine Apertur 117 der Breite b = 8 mm ausgespart ist. Die Leuchtstoffschicht 116 ist auf der Reflexionsschicht 115 bzw. im Bereich der Apertur 117 direkt auf der Innenwandung des Entladungsgefäßes 112 aufgebracht. Der Außendurchmesser des aus Glas bestehenden Entladungsgefäßes 112 beträgt ca. 14 mm bei einer Wandstärke von ca. 0,5 mm. Die Länge des an seinen beiden Enden mit einer aus dem Ge- fäßmaterial geformten Kuppel (nicht dargestellt) gasdicht verschlossen rohrförmigen Entladungsgefäßes 112 beträgt ca. 27 cm. Innerhalb des Entladungsgefäßes 112 befindet sich Xenon mit einem Fülldruck von ca. 17 kPa. Die beiden Elektroden 113, 114 sind als Metallstreifen ausgebildet, die auf der Innenwandung des Entladungsgefäßes 112 parallel zur Rohrlängsachse und zueinander diametral angeordnet sind. Auf diese Weise wird die bei einem rohrförmigen Entladungsgefäß maximal mögliche Schlagweite w für die Entladung ausgenutzt und folglich, wie eingangs erläutert, ein entsprechend hoher Lichtstrom der Lampe erzielt. Beide Elektroden 113, 114 sind mit einer dielektrischen Schicht 100 aus Glaslot bedeckt.
Die Lichtleiterplatte 111 besteht aus einem flachen Plexiglasquader der Dik- ke d = 10 mm, der Breite B = 27 cm in Richtung der Lampenlängsachse sowie der Länge L = 20 cm senkrecht zur Lampenlängsachse. Eine erste 118 der vier Schmalseiten der Lichtleiterplatte 111 ist parallel zu der Längsachse der Leuchtstofflampe 19 und gegenüber ihrer Apertur 117 angeordnet. Die erste Schmalseite 118 wird im folgenden der Einfachheit halber als „Eintrittskante" bezeichnet. Außerdem sind die Leuchtstofflampe 19 und die Lichtleiterplatte 111, in der Schnittdarstellung betrachtet, mittig zueinander ausgerichtet, d.h. zu beiden Seiten einer gedachten Mittellinie oder optischen Achse A ist die Breite b der Apertur 117 nur jeweils ca. 1 mm kleiner als die Dicke d der Lichtleiterplatte 111 ("/ b/ - \ mmy Qje Breite b der Apertur 117 ist
also ungefähr gleich groß wie die Dicke d der Lichtleiterplatte 111.
Das optische System 110 besteht, wie in den Figuren 2 bis 4 gezeigt, aus den beiden Prismenfolien 8,9 (in Figur 5 der Übersicht wegen nicht im Detail dargestellt) und hat die bereits in der Beschreibung der Figuren 2 bis 4 erläuterte Funktion, die von der Apertur 117 emittierte Strahlung derart zu „parallelisieren", daß eine effiziente Einkopplung in die Lichtleiterplatte 111 erreicht wird.
Eine nicht dargestellte Variante der oben genannten Beleuchtungsvorrichtung zum Beleuchten von Gegenständen, z.B. Arbeitsflächen oder Gebrauchsgegenstände sowie Dekorationen, entspricht im wesentlichen jener aus der Figur 2. Lediglich die Variation der Prismenwinkel der zweiten Folie 9 - und folglich die Variation der Hauptabstrahlrichtungen der Lichtbün- del - ist der zu beleuchtenden Fläche angepaßt.

Claims

Patentansprüche
1. Beleuchtungsvorrichtung mit
• einer Lampe (1; 19) mit einem rohrförmigen Lampengefäß (112) mit Apertur (117),
• einem optischen System (8, 9; HO) zur Beeinflussung der im Lam- penbetrieb von der Lampe (1; 19) im Bereich der Apertur (117) emittierten Lichtstrahlen,
dadurch gekennzeichnet, daß
• das optische System (8, 9; 110) ein erstes gekrümmtes (8) und ein zweites optisches Mittel (9) umfaßt, wobei in einer Schnittebene, senkrecht zur Lampenlängsachse betrachtet,
• das erste Mittel (8) die von jedem Flächenelement im Bereich der Apertur jeweils emittierte Lichtstrahlenverteilung in Richtung zur Normalen des jeweiligen Flächenelements bündelt und
• das zweite Mittel (9) zumindest einen Teil der vom ersten Mittel kommenden Lichtbündel um einen Kippwinkel (δ) - definiert als der Winkel zwischen der ursprünglichen Hauptabstrahlrichtung und der gekippten Hauptabstrahlrichtung des jeweiligen Lichtbündels - kippt,
• wobei die Kippwinkel zumindest eines Teils der Lichtbündel unterschiedlich groß sind.
2. Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei - in einer Schnittebene, senkrecht zur Lampenlängsachse betrachtet, - die Kippwinkel (δ) der einzelnen Lichtbündel mit dem Winkelabstand vom Zentrum (4) der Apertur zunehmen.
3. Beleuchtungs Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Variation der Kippwinkel derart gewählt ist, daß die Hauptabstrahlrichtungen der das zweite Mittel verlassenden Lichtbündel zu der Hauptabstrahlrichtung des zentralen Flächenelements der Apertur hin gekippt sind, ins- besondere im wesentlichen parallel zu der Hauptabstrahlrichtung des zentralen Flächenelements sind.
4. Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das erste Mittel (8) auf seiner von der Lampenapertur abgewandten Seite eine Prismenstruktur aufweist, die derart ausgebildet ist, daß die Prismen (11) der Struktur parallel zur Längsachse der Lampe (1) verlaufen.
5. Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Prismenstruktur derart ausgebildet ist, daß nur diejenigen Lichtstrahlen durch das erste Mittel transmittiert werden, die innerhalb eines Akzeptanzwinkels auf die der Lampenapertur zugewandten Seite des Mittels treffen und die restlichen Strahlen mittels Totalreflexion an den jeweiligen Prismen in Richtung zur Lampenapertur zurück reflektiert werden.
6. Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das zweite Mittel (9) auf seiner dem ersten Mittel zugewandten Seite und - in einer Schnittebene senkrecht zur Lampenlängsachse betrachtet - außerhalb des zentralen Bereiches der Apertur eine Prismenstruktur aufweist, deren Prismen (12) parallel zur Längsachse der Lampe verlaufen und wobei die Struktur derart ausgebildet ist, daß die jeweiligen Prismenwinkel (γ) der verschiedenen Prismen (12) mit dem Abstand des jeweiligen Prismas vom zentralen Bereich (4) der Apertur variieren.
7. Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei ein Diffusor zwischen Lampe und erstem Mittel angeordnet ist.
8. Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 7, wobei der Diffusor durch Mattieren der Oberfläche der Lampe im Bereich der Apertur realisiert ist.
9. Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das erste Mittel (8) im wesentlichen direkt auf der äußeren Oberfläche der Apertur angeordnet ist.
10. Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das zweite Mittel (9) im wesentlichen direkt auf dem ersten Mittel (8) angeordnet ist.
11. Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei zumindest die Krümmung des ersten optischen Mittels (8) der Krümmung der Lampe (1) im Bereich der Apertur angepaßt ist.
12. Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, mit zusätzlich einem Lichtleiter (111) mit Lichteintrittsfläche (118), wobei Lampe (19), optische Mittel (110) und Lichtleiter (111) derart zueinander angeordnet sind, daß die optischen Mittel (110) der Lichteintrittsfläche (118) gegenüberstehen und folglich im Lampenbetrieb von der Apertur (117) der Lampe (19) emittiertes Licht über die Lichteintrittsflä- che (118) in den Lichtleiter (111) einkoppelt.
13. Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 12, wobei der Lichtleiter als keilförmige oder quaderförmige Platte (111) ausgebildet ist.
14. Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Lampe für den Betrieb mittels dielektrisch behinderter Entla- dung geeignet ist und zu diesem Zweck mindestens eine Elektrode (113, 114) aufweist, die von der Entladung durch ein Dielektrikum (100) getrennt ist.
15. Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 14 - soweit abhängig von An- spruch 13 -, wobei der Durchmesser des rohrförmigen Gefäßes der
Lampe gleich groß wie oder größer als die Dicke (d) der Lichtleiterplatte (111) ist.
16. Verfahren zum Lenken von aus der Apertur (117) einer rohrförmigen Aperturlampe (19) emittiertem Licht, wobei das Licht zunächst eine breite Lichtstrahlenverteilung, z.B. insbesondere eine Lambert-
Verteilung oder zumindest lambertähnliche Verteilung, aufweist, mit folgenden Verfahrensschritten - betrachtet in einer Schnittebene senkrecht zur Lampenlängsachse,
• Bündeln der von jedem Ort der Apertur jeweils emittierten lambert- bzw. lambertähnlich-verteilten Lichtstrahlen zu relativ engen Lichtbündel,
• Kippen der Lichtbündel um einen Kippwinkel - definiert als der Winkel zwischen der ursprünglichen Hauptabstrahlrichtung und der gekippten Hauptabstrahlrichtung des jeweiligen Lichtbündels -, wo- bei die Kippwinkel zumindest eines Teils der Lichtbündel unterschiedlich groß gewählt werden.
17. Verfahren nach Anspruch 16, wobei die Kippwinkel der einzelnen Lichtbündel mit dem Winkelabstand vom Zentrum der Apertur größer gewählt werden.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 oder 17, wobei für das Bündeln ein der geometrischen Ausdehnung und Krümmung der Apertur angepaßtes optisches Mittel (8) verwendet wird.
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