EP1834205A1

EP1834205A1 - Optische einrichtung zur erzeugung von lichtlinien quasi-punktf\rmigen lichtquellen mittels schlitzartiger hohlr[ume

Info

Publication number: EP1834205A1
Application number: EP05810046A
Authority: EP
Inventors: Frederic Zweig; Thomas Bührer
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-12-08
Filing date: 2005-12-05
Publication date: 2007-09-19
Also published as: US20080094843A1; AU2005313736A1; IL183742A0; CA2590746A1; WO2006060929A1

Abstract

Optische Einrichtung und Verfahren zur Erzeugung von Lichtlinien mittels quasi-punktformiger Lichtquellen, bei der das Licht aus den quasi-punktförmigen Lichtquellen (Q) durch einen transparenten, Licht leitenden Grundkörper (102) hindurchgeleitet wird, und wobei das Licht an einer ersten Stirnseite (104) des Körpers (102) eingestrahlt und im Wesentlichen an der gegenüberliegenden zweiten Stirnseite (106) wieder ausgestrahlt wird, und wobei in dem Körper (102) schlitzartige Hohlräume (10) das eingestrahlte Licht so umformen, dass der Körper (102) wie eine Kombination eines Reflektors mit einer Linsenoptik und einem Lichtstreuer wirkt.

Description

OPTISCHE EINRICHTUNG ZUR ERZEUGUNG VON LICHTLINIEN AUS QUASI-PUNKTFÖRMIGEN LICHTQUELLEN MITTELS SCHLITZARTIGER HOHLRÄUME

Die vorliegende Erfindung befasst sich mit optischen Einrichtungen und einem optischen verfahren. Sie befasst sich insbesondere mit einer optischen Einrichtung zur Erzeugung von Lichtliπien mittels quasi-punktförmiger Lichtquellen gemäss dem Oberbegriff des Anspruches 1 und einem solchen verfahren gemäss Oberbegriff des Anspruches 1 1.

Es sind optische Einrichtungen bekannt, mit deren Hilfe aus quasi-punktförmigen Lichtquellen, wie LED oder Lichtleitfasern, Licht in mehr oder weniger durchgehend erschienender Linienform zur Verfügung gestellt wird.

Bei diesen optischen Einrichtungen sind hinter einer mehr oder weniger milchigen Scheibe eine dichte Reihe quasi punktueller Lichtquellen so angeordnet, dass keine oder nur minimale Zwischenräume zwischen den einzelnen Lichtquellen bestehen, Dies erfordert eine grosse Zahl quasi-punktförmiger Lichtquellen, was mit einem entsprechenden finanziellen Aufwand verbunden ist. Mittels Streuung an der rauen/milchigen Scheibe wird das Licht aus den quasi punktförmigen Lichtquellen so verteilt, dass das von der optischen Einrichtung abgestrahlte licht relativ homogen ist. Die Verluste durch Rückstrahlung und/oder Absorption beim Durchgang des Lichts durch die Streuscheibe sind aber beträchtlich und die optischen Einrichtungen liefern daher nur ein recht diffuses Licht von mangelhafter Reichweite. Bei diesen Einrichtungen ist es in der Regel nicht möglich, die Verteilung der Lichtintensität und die Ausbreitungsrichtung des Lichtes zu definieren bzw. zu begrenzen. Die Diffusität führt ausserdem dazu, dass die Lichtintensität mit zunehmendem Abstand von der optische Einrichtung sehr schnell abnimmt. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher eine optische Einrichtung zur Verfügung zu stellen, mit der das Licht von wenigen diskreten, quasi-punktförmigen Lichtquellen, in eine lang gestreckte Lichtlinie umgewandelt wird. Vorzugsweise ist dabei die Lichtintensität über die Lichtlinie möglichst homogen verteilt und das von der optischen Einrichtung abgestrahlte Licht ist vorzugsweise zu einem hohen Prozentsatz in seiner Abstrahlrichtung definiert und gerichtet. Insbesondere soll dies für Lichtquellen erreicht werden, deren abstrahlendes Licht einen - je nach Lichtquelle - variablen Öffnungswinkel zwischen O bis zu 90° aufweist, wobei als Öffnungswinkel der Winkel zwischen der Mittel normalen der Abstrahlungsebene und dem Lichtkegel betrachtet wird, für den die Lichtintensität <5% der Gesamtintensität beträgt. In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist es möglich mit der erfindungsgemässen optischen Einrichtung Licht von nebeneinander angeordneten, quasi-punktförmigen Lichtquellen verschiedener Farbe so zu durchmischen, dass es als Licht einer genau vorher bestimmten Farbe von der optischen Einrichtung abgestrahlt wird bzw. als Licht einer vorher bestimmten Farbe auf eine zu beleuchtende Fläche auftrifft.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die erfindungsgemässe optische Einrichtung ein optischer Körper mit einer linienartigen Lichtaustrittsfläche, die gerade oder gebogen sein kann. Die Intensitätsverteilung des von den voneinander beabstandet angeordneten, punktartigen Lichtquellen kommenden Lichtes wird in der optischen Einrichtung vorteilhaft derart reguliert, dass der Gesamteindruck einer homogenen oder auf andere Weise bewusst gestalteten Lichtlinie entsteht. Das Licht aus den diskreten Lichtquellen wird auf die ganze Länge zwischen den Quellen, sowie in das Gebiet unmittelbar über den Lichtquellen verteilt. Die Quellen selbst werden somit unsichtbar.

Die Distanz der diskreten Lichtquellen ist relativ frei wählbar, wobei die Tiefe des optischen Grundkörpers vor allem von der zu erzielenden Lichtverteilung, vom Material, von der Anzahl Lichtquellen und vom Abstrahlwinkel des Lichts ausgehend von den Lichtquellen abhängig ist. Mit zunehmendem Abstrahlwinkel und wachsender Anzahl Lichtquellen nimmt die minimale Tiefe des Grundkörpers zu.

In dem vorzugsweise plattenförmigen optischen Grundkörper der erfindungsgemässen optischen Einrichtung sind komplex geformte, aufeinander genau abgestimmte Hohlräumevorgesehen, die vorzugsweise per Laser als dünne, schlitzartige Einschnitte eingebracht werden. Diese, schlitzartigen Hohlräume , haben eine endliche Dicke von 0.05 mm -bis 2 mm, insbesondere von 0.1 mm^' bis 1 mm. Sie bilden vorzugsweise durchgehende Hohlräume, die senkrecht zur Plattenebene des plattenförmigen Grundkörpers verlaufen. Die schlitzartigen Hohlräume wirken als optische Elemente, an welchen das Licht, je nach Einfallswinkel, per Totalreflexion reflektiert wird oder durch die es gezielt hindurchstrahlt. Sie wirken immer entsprechend den Gesetzen der Lichtbrechung, - Lichtbeugung und der Strahlenoptik als Strahlteiler, Linsen und/oder Spiegel. Wobei sie diese verschiedenen Wirkungen durchaus auch gleichzeitig haben können, je nach Einfallswinkel des Lichtes. Die Wirkung als optische Linse tritt dabei freilich eher Selten auf und ist daher meist, aber nicht immer, vernachlässigbar. Die Gesamtwirkung der erfindungsgemässen Einrichtung kann jedoch der einer Linsenoptik gleichkommen, die mit Hilfe spiegelnder Flächen (Totalreflexion) erreicht wird.

Die schlitzartigen Hohlräume sind mit Vorteil so angeordnet, dass ein einziger Körper mit einer Vielzahl von schlitzartigen Hohlräumen resultiert, wobei immer mehrere schlitzartigen Hohlräume zu einer Gruppe zusammengefasst werden können, und die einzelnen Gruppen die Wirkung spezifischer optischer Einheiten haben.

Eine Gruppe dient beispielsweise der Leitung und Ablenkung des Lichtes vom Eintrittsbereich des Lichtes, in die Mitte des optischen Körpers, und eine andere Gruppe dient der endgültigen Lichtverteilung an der Lichtaustrittsfläche des optischen Körpers. Ein langer, als Boden bezeichneter und sich in Längsrichtung des Grundkörpers erstreckender schlitzartiger Holraum teilt den Grundkörper der optischen Einrichtung bereichsweise in einen vom Licht durchstrahlten und einen vom Licht nicht durchstrahlten Raum. Er erstreckt sich dabei so von einer zugehörigen Lichtquelle weg in Längsrichtung, dass er jeweils wenigstens eine benachbarte Lichtquelle Q überdeckt und gleichsam eine optische Barriere zwischen der benachbarten Lichtquelle und der Lichtaustrittsfläche bildet. Das Licht der zugehörigen Lichtquelle wird dagegen über die Lichteintrittsfläche und weitere schlitzförmige Hohlräume - die eine erste und eine zweite Gruppe bilden können, die auch als optische Einheiten wirken - in den jeweils lichtdurchstrahlteπ Raum auf der Lichtaustrittsseite des Bodens gelenkt. Auf diese Weise wird verhindert, dass die quasi-punktförmigen Lichtquellen im Bereich der Lichtaustrittsfläche als punktförmige Lichtquellen wahrnehmbar sind. Die Neigung des Bodens gegenüber der ersten Stirnseite ist abhängig vom Lichtanteil der über die erste Stirnseite reflektieren und im Körper weitergeleitet werden soll. Kleinere in die gleiche Gruppe, wie der Boden gehörende schlitzarteigen Hohlräume, die in Wurzel, Stamm und Krone unterteilbar sind, dienen schliesslich der Feineinstellung des zur Austrittsfläche geleiteten Lichtes betreffend seiner Intensität, Verteilung, Ausrichtung etc.. Sie bewirken somit massgeblich die endgültige Lichtverteilung an der Austrittsfläche. Die Lichtaustrittsfläche selber kann wiederum besonders geformt sein, ähnlich wie die Lichteintrittsfläche um das austretende Licht nochmals zu modifizieren.

In einer besonderen Ausführungsform, wenn die schlitzförmigen Hohlräume beispielsweise mit einem Laser durch Schneiden in den Grundkörper eingebracht werden, ist der Abstand zwischen einzelnen schlitzartigen Hohlräumen mindestens dreimal so gross wie die Schnittdicke des Lasers, bzw. wie die Breite des resultierenden schlitzartigen Hohlraumes.

Die schlitzartigen Hohlräume weisen vielfach ein hohe Komplexität auf, d.h. der Schlitzverlauf kann statt einer Geraden oder einer einfachen Biegung mit konstantem Radius auch einer Kombination von Biegungen verschiedener Radien und geraden Teilstücken folgen, wobei die Biegungen auch aus kleinsten geraden Teilstücken zusammengesetzt sein können. Durch die Verwendung von schlitzartigen Hohlräumen im Sinne von gekrümmten Spiegeln, werden die üblichen Probleme, wie Randeffekte und Dispersionsprobleme, umgangen.

In einer besonderen Ausführungsform wird das Licht in der optische Einrichtung so abgelenkt und durchmischt, dass es nach dem Durchgang durch die optische Einrichtung von jedem Punkt der optischen Einrichtung in einer zu mindestens 90% vorbestimmten, messbaren und gerichteten Weise abstrahlt, wobei das abgestrahlte Licht vorzugsweise zu mehr als 85% nicht diffus ist und die Richtungsverteilung und Intensitätsverteilung des Lichtes messbar den Vorgaben innerhalb vorgegebener Toleranzen entsprechend durch die Geometrie des Körpers und die Geometrie und Anordnung der Schlitze und einstellbar ist.

Die durch die Optik verursachten Verluste sind sehr gering (bei optischer Vergütung der Eintrittsflächen 1 und Austrittsflächen 5 ist der Verlust < 5%) Dies, weil die Wirkung durch Totalreflexion erzielt wird, die verlustfrei funktioniert. Ausserdem entstehen keine Probleme mit Dispersion, da Licht aller Wellenlängen genau gleich abgelenkt wird.

Soll Licht verschiedener Farben gemischt werden, so wird das Licht aus den einzelnen, verschiedenfarbigen Lichtquellen mittels Eintritts-Optik und einer ersten Gruppe von schlitzförmigen Hohlräumen, die eine erste optische Einheit bilden, so gelenkt, dass sich die Lichtwege zu kreuzen beginnen. Die Einstrahlung dieses Lichts auf eine zweite Gruppe von schlitzförmigen Hohlräumen, die eine zweite optische Einheit bilden, erfolgt somit vorteilhaft schon als gemischtes Licht. Dieses gemischte Licht wird dann durch die zweite Gruppe von schlitzförmigen Hohlräumen dergestalt weitergeleitet, dass die Abbildung der ursprünglichen Lichtquellen im Gebiet einer dritten Gruppe schlitzförmiger Hohlräume zur Deckung kommt. D.h. das zu durchmischende Licht aus allen Lichtquellen liegt nun verteilt im Grundkörper im Raum zwischen verschiedenen diskreten Lichtquellen in einer vorher definierten Verteilung vor. Licht aller eingestrahlten Farben kommt also aus vielen verschiedenen Richtungen so, .dass die Abbilder der ursprünglichen Quellen sich decken und nicht mehr als einzelne Abbilder sichtbar sind.

Dem Fachmann ist klar, dass er mit dieser optischen Einrichtung und ihren vielfältigen Ausführungsformen ein sehr flexibles Werkzeug in die Hand bekommt, um Licht aus diskreten, gerichtetes Licht abstrahlenden Quellen, sowohl in seiner Ausbreitungsrichtung als auch in seiner Intensitätsverteilung in Abhängigkeit von der Richtung, oder auch in seiner Phasenverschiebung zu beeinflussen.

Weitere bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand weiterer abhängiger Patentansprüche. Im Folgenden wird der Erfindungsgegenstand anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen, welche in den Figuren dargestellt sind, .näher erläutert. Es zeigen rein schematisch:

Figur 1 eine Prinzipskizze einer quasipunktförmigen Lichtquelle;

Figur 2 in Seitenansicht eine erste Ausführungsform der erfindungsgemässen- optischen Einrichtung;

Figur 3 in Vergrösserung einen Ausschnitt aus Figur 2 mit erfindungsgemäss ausgestalteten optisch wirksamen Hohlräumen;

Figur 4 die optische Einrichtung aus Figur 2 mit eingezeichneten Lichtwegen;

Figur 5 in Seitenansicht eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemässen optischen Einrichtung;

Figur 6 in Seitenansicht eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemässen optischen Einrichtung; und

Figur 7 die Ausführungsform der optischen Einrichtung aus Figur 6 mit eingezeichneten Lichtwegen. Die beschriebenen Ausführungsformen stehen beispielhaft für den Erfindungsgegenstand und haben keine beschränkende Wirkung. Dem Fachmann ist klar, dass und auf weiche Weise das die Einrichtung sinnvoll abgewandelt werden kann, ohne dass dadurch der Rahmen der vorliegenden Erfindung verlassen wird. Gleiche Elemente werden in den verschiedenen Figuren mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.

Figur 1 zeigt die Prinzipskizze einer quasi-punktförmigen Lichtquelle Q, wie Sie für die erfindungsgemässe optische Einrichtung verwendet wird. Die quasi-punktförmige Lichtquelle Q, weist eine Rückseite H auf, über welche kein Licht austritt, und eine hier durch eine Zentralachse Ax der Lichtabstrahlung in zwei Sektoren L und R geteilte Vorderseite, über welche das Licht abgestrahlt wird. Das aus der quasi-punktförmigen Lichtquelle abgestrahlte Licht weist vorzugsweise einen Öffnungswinkel zwischen 0 bis zu 90° auf, wobei als Öffnungswinkel der Winkel zwischen der Mittelnormalen der Abstrahlungsebene Ax und dem Kegel, betrachtet wird, für den die Lichtintensität <5% der Gesamtintensität beträgt. Als quasi- punktförmige Lichtquellen der beschriebenen Art sind besonders gut LED und/oder Lichtleiterfasern einsetzbar.

Die Figuren 2 und 4 zeigen in Seitenansicht eine erste Ausführungsform der erfindungsgemässen optischen Einrichtung 100, wobei in Figur 4 der Lichtweg eingezeichnet ist. Die optische Einrichtung 100 umfasst einen langgestreckten plattenförmigen, transparenten, Licht leitenden Grundkörper 102 mit einer Dicke von - in diesem Beispiel - etwa 9 mm, wobei die Dicke in einem Bereich von 0.5 mm bis 20 mm liegen kann. Die Platte weist in diesem Beispiel eine rechtwinklige Grundgeometrie auf, kann aber auch eine beliebige andere Grundgeometrie haben. Eine erste sich in Längsrichtung 6 der Platte 102 erstreckende Stirnseite 104 dient der Lichteinkopplung. Hierfür sind an der Stirnseite 104 Positionierungshilfen 7, z. B. in Form von Zapfen oder Löchern vorgesehen, welche die quasi- punktförmigen Lichtquellen Q, wie LED und/oder Lichtleiterfasern, in für die Lichteinkopplung geeigneter Position, fixieren. Die Lichtquellen sind in diesem Beispiel in Gruppen von drei unmittelbar benachbarten Lichtquellen mit einem Abstand von etwa 90mm zueinander angeordnet, können aber innerhalb eines sehr weiten Bereiches von Abständen, nämlich etwa mit Abständen von 0 mm bis 1000 mm entlang der ersten Stirnseite 104 angeordnet sein.

An jenen Stellen der ersten Stirnseite 104, die für die Lichteinkopplung vorgesehen sind, kann die Stirnseite 104 als Lichteintrittsfläche 8 ausgeformt sein, um eine optimierte Lichteinkopplung zu erreichen. Die Lichteintrittsfläche 8 kann zu diesem Zwecke beliebig geformt sein, z.B. als Fresnel-Linse, Hologramm, oder als einfache optische Linse. Die Geometrie der Lichteintrittsfläche 8 bewirkt eine genaue Lichtmanipulation, die die Ausbreitungsrichtung und die Intensitätsverteilung der von der Lichtquelle Q kommenden Lichtstrahlen so formt, dass sie optimal weiter verarbeitet werden können. In den meisten Fällen heisst dies, dass die Lichtstrahlen vornehmlich parallelisiert werden, um sie in der Folge optimal weiter verteilen zu können. Es sind jedoch auch Szenarien denkbar, in denen die Lichtstrahlen einer Lichtquelle Q geteilt, defokussiert, in ihrer Phase verschoben, oder auf einen Brennpunkt fokussiert werden, um sie dann weiter lenken und dem schlussendlichen Zweck gemäss aus der optischen Einrichtung austreten zu lassen. In dem hier gezeigten Beispiel ist die Lichteintrittsfläche 8 als schwach fokussierende Linse ausgebildet, welche die schwach divergierenden Strahlen der hier verwendeten Lichtquellen Q ein erstes Mal leicht ausrichtet.

An einer zweiten sich in der Längsrichtung 6 der optischen Einrichtung 100 erstreckenden und der ersten Stirnseite 104 im Wesentlichen gegenüberliegenden Stirnseite 106 wird das eingestrahlte Licht homogenisiert und vorzugsweise gerichtet über eine Lichtaustrittsfläche 5 wieder ausgekoppelt und abgestrahlt. Für die Homogenisierung und Ausrichtung des Lichtes sind zwischen den beiden Stirnseiten 104, 106 schlitzartige Hohlräume 10 mit polierten Oberflächen vorgesehen, die als optische Elemente in dem Licht leitenden, transparenten Körper 102 wirken. Die schlitzartigen Hohlräume 10 sind komplex geformt und aufeinander abgestimmt. Sie haben in diesem Beispiel eine Breite von etwa 0.3mm. Generell kann die Breite der schlitzartigen Hohlräume 10 im Beriech von etwa 0.05 mm bis 2 mm und insbesondere im Bereich von 0.1 mm bis 1 mm liegen. In diesem Beispiel sind die Hohlräume 10 als durchgehende Schlitze ausgebildet, sie

■ können aber- auch als nicht durchgehende Nuten ausgebildet sein. Die ^' schlitzartigen

Hohlräume 10 erstrecken sich in diesem Beispiel senkrecht zur Plattenebene des plattenförmigen Grundkörpers 102. Aber auch eine andere Ausrichtung ist denkbar, d.h. die Schlitze 10 können sich in einem definierten Winkel zur Plattenebene in den Körper 102 hinein bzw. durch ihn hindurch erstrecken. Die schlitzartigen Hohlräume 10 wirken als optische Elemente 1, 2, 3, an welchen das Licht, je nach Einfallswinkel, per Totalreflexion reflektiert wird, oder gezielt hindurchstrahlt. Sie wirken immer entsprechend den Gesetzen der Lichtbrechung, Lichtbeugung und der Strahlenoptik als Strahlteiler, Linsen und/oder Spiegel. Wobei sie diese verschiedenen Wirkungen durchaus auch gleichzeitig haben können, je nach Einfallswinkel des Lichtes. Die Schlitzbreite ist im Wesentlichen durch fertigungstechnische Gegebenheiten bestimmt und ist sonst relativ frei variierbar.

Die schlitzartigen Hohlräume ^' 10 bilden Gruppen 2, 3, 4, welche die Wirkung spezifischer optischer Einheiten haben. Die schlitzartigen Hohlräume 10 einer ersten optischen Einheit 1 bewirken zum einen eine gezielten Ablenkung und Fpkussierung des von der ^• Lichteintrittsfläche 8 kommenden Lichtes. Zum anderen werden alle Strahlen, die in einem grosseren Winkel als dem Winkel der Totalreflexion auf die schlitzartigen Hohlräume 10 treffen, transmittiert, so dass eine Strahlteilung erfolgt: Transmittiertes Licht erreicht die schlitzartigen Hohlräume 10 der dritten optischen Einheit 3. An den schlitzartigen Hohlräumen 10 der ersten optischen Einheit 1 reflektiertes bzw. abgelenktes Licht strahlt auf die schlitzartigen Hohlräume 10 der zweiten optischen Einheit 2. Die zweite optische Einheit 2 bewirkt eine Ausbreitungsrichtungs- und Intensitätsverteilung so, dass einerseits die als optischen Elemente wirkenden schlitzartigen Holräume 10 einer dritten optischen Einheit 3 in vorbestimmter Weise bestrahlt werden, andererseits ein Teil des Lichtes wieder über den schlitzartigen Hohlräumen 10 der zweiten optischen Einheit 2 durch die Austrittsfläche 5 der zweiten Stirnseite 106 aus dem optischen Grundkörper 102 austritt.

Dabei ist die Ausgestaltung der schlitzartigen Hohlräume 10 der zweiten optischen Einheit 2 mit den verschiedenen geraden Teilen und den verschiedenen, definierten Kurvenradien genau auf die gewünschte Verteilung z. B. betreffend die Intensität, die Ausrichtung und den/die Abstrahlungswinkel abgestimmt.

Konvexe Radien, dies ist vor allem auch bei den mit 2 bezeichneten schlitzartigen Hohlräumen 10 wichtig, bewirken eine Defokussierung der von der Lichteintrittsfläche 8 kommenden Strahlen, konkave eine Fokussierung, und ebene schlitzartigen Hohlräume 10 eine unverzerrte Abbildung, entsprechend den Gesetzen der Strahlenoptik.

Der grösste Teil des über die zweite optische Einheit 2 reflektierten Lichtes wird in dem in den Figuren 2 und 4 gezeigten Beispiel in den Raumsektor R abgelenkt und weist eine vorbestimmte Richtungs- und Intensitätsverteilung auf.

An der dritten optischen Einheit 3 wird das Licht nochmals in seiner Ausbreitungsrichtungs- und Intensitätsverteilung verändert, und je nach gewünschter endgültiger Verteilung defokussiert, fokussiert, aufgeteilt in mehrere Strahlen; sprich als komplizierte Lichtverteilungskurve über die Lichtaustrittsfläche 5 der zweiten Stirnseite 106 zur Abstrahlung gebracht. In der dritten optischen Einheit 3 lassen sich ein langer, durchgehender schlitzförmiger, sich im Wesentlichen in Richtung der Längsausdehnung 6 des plattenförmigen Grundkörpers 1 02 schlitzartiger Hohlraum 1 0, der als Boden 9 bezeichnet ist, und viele kurze schlitzartige Hohlräume 10 unterscheiden. Die kurzen schlitzartigen Hohlräume 10 sind in drei Bereiche unterteilt, wie dies in der vergrösserten Darstellung der Figur 3 gezeigt ist. Ein dem Boden 9 zugewandter Bereich, der als Wurzel 13 bezeichnet ist, ein daran anschliessender als Stamm 1 1 bezeichneter mittlerer Bereich und ein an diesen Stamm 1 1 anschliessender als Krone 1 2 bezeichneter Bereich. Von dem Boden 9 aus erstrecken sich die kurzen Schlitze 10 im Wesentlichen in Richtung auf die Austrittsfläche 5 hin.

Die Böden 9 der dritten optischen Einheiten 3 teilen den Crundkörper 102 der optischen Einrichtung 100 bereichsweise in einen vom Licht durchstrahlten Raum 20 und einen vom Licht nicht durchstrahlten Raum 21 , wobei der lichtdurchstrahlte Raum 20 der Lichtaustrittsfläche 5 zugewandt liegt und der nicht oder wenig vom Licht durchstrahlte Raum 21 auf der Seite des Körpers angeordnet ist, auf dem das Licht eingekoppelt wird. Jeder Boden 9 erstreckt sich dabei so von einer zugehörigen Lichtquelle Q weg Richtung der Hauptachse 6 des Crundkörpers 2, dass er jeweils wenigstens eine benachbarte Lichtquelle Q überdeckt und gleichsam eine optische Barriere zwischen der benachbarten Lichtquelle Q und der Austrittsfläche 5 bildet. Das Licht der zugehörigen Lichtquelle Q wird dagegen über die Lichteintrittsfläche 8 und die erste und zweite optische Einheit 1 , 2 in den jeweils lichtdurchstrahlten Raum 20 auf der Lichtaustrittsseite des Bodens 9 gelenkt. Auf diese Weise wird verhindert, dass die quasi-punktförmigen Lichtquellen Q im Bereich der Austrittsfläche 5 als solche in Erscheinung treten. Die Neigung des Bodens 9 gegenüber der ersten Stirnseite 104 ist abhängig vom Lichtanteil der über die erste Stirnseite 104 reflektiert und im Körper 102 weitergeleitet werden soll. Die kleineren schlitzarteigen Hohlräume 10, die in Wurzel 13, Stamm 1 1 und Krone 12 unterteilbar sind, dienen schliesslich der Feineinstellung des zur Austrittsfläche 5 geleiteten Lichtes betreffend seiner Intensität, Verteilung, Ausrichtung etc.. Sie bewirken somit massgeblich die endgültige Lichtverteilung an der Austrittsfläche 5.

Der Gesamteffekt der optischen Einheiten 1 , 2 und der Lichteintrittsfläche 8 bestimmt zusammen mit der angestrebten Intensitäts- und Ausbreitungsrichtungsverteilung des Lichtes entlang der Austrittsfläche 5 der zweiten Stirnseite 106 die Form der schlitzartigen Hohlräume 10 der dritten optischen Einheit 3. Das heisst sie beeinflussen die Neigung des Bodens 9, sowie die Ausgestaltung der kurzen Schlitze 10 insbesondere, die Ausgestaltung von Wurzel 13, Stamm 1 1 , und Krone 1 2 in Bezug auf ihre Radien, oder ihre Ausgestaltung als Geraden, ihre Neigungswinkel zueinander und zum Boden 9. Der

Der Boden 9 bewirkt eine Reflexion des meisten Lichtes, das nicht durch die anderen optischen Einheiten 8, 1 , 2 oder Elemente 13, 1 1 , 12 schon in Richtung auf die Austrittsfläche 5 zu abgelenkt wurde. Bei dem hier gezeigten Beispiel ist das Ziel, möglichst alles Licht spätestens durch diesen Boden 9 zu reflektieren und eine möglichst hohe Lichtausbeute zu erhalten. Infolge unvermeidlicher Streuvorgänge und Ungenauigkeiten wird jedoch immer ein kleiner Anteil durch diesen Boden 9 hindurchgehen und dann in Richtung der ersten Stirnseite 104 als Verlust zurückstrahlen.

Das vom Boden 9 reflektierte Licht strahlt durch und auf die anderen schlitzartigen Holräume, und wird von diesen nach und nach durch Reflexion, Brechung und Transmission zur gewünschten, endgültigen Austrittsfläche 5 abgelenkt; wieder gemäss den Gesetzen der Strahlenoptik. Dabei wirken alle weiteren schlitzartigen Hohlräume 10 mit Wurzel 13, Stamm 1 1 , Krone 1 2, wie Strahlteiler-Spiegel: Trifft das Licht auf diese derart auf, dass keine Totalreflexion erfolgt, wird das Licht gemäss den optischen Gesetzen transmittiert bzw. gebrochen, wobei ein Anteil des Lichtes auch reflektiert werden kann. Trifft das Licht so auf, dass Totalreflexion entsteht, wird alles Licht reflektiert. In beiden Fällen gelten für das reflektierte Licht die normalen strahlenoptischen Vorgänge: sind die Reflexionsflächen gerade, erfolgt eine unverfälschte Abbildung in eine andere Richtung, sind sie gekrümmt, erfolgt eine entsprechende Fokussierung/Defokussierung, also Verzerrung des Abbildes des eingestrahlten Lichtes. Genauso wirken die schlitzartigen Hohlräume 10 für das transmittierte Licht als Linsen, gemäss den Gesetzen der Strahlenoptik und der Lichtbrechung. Durch die Verwendung der schlitzartigen Hohlräume 1 0 im Sinne von gekrümmten Spiegeln, werden die üblichen Probleme, wie Randeffekte und Dispersionsprobleme, umgangen.

Die Austrittsfläche 5 dient als letztes optisches Element, um den Lichtweg zu beeinflussen. Sie kann eben oder mit räumlichen Komponenten ausgeformt sein, um dem austretenden Licht nochmals eine andere Richtungs- und Intensitätsverteilung zu verleihen.

Die hier gezeigte optische Einrichtung 1 ist aus einer Plexiglasplatte gefertigt. Es ist aber auch denkbar sie aus einer Platte anderen transparenten, Licht leitenden Materials zu fertigen. Die Dicke der Platte beträgt in diesem Beispiel etwa 9 mm. Generell sind aber Dicken zwischen 0.5 mm und 20 mm; vorzugsweise zwischen 1 mm und 14 mm, denkbar. Die erfindungsgemässen als optische Elemente wirkende Hohlräume 10 sind hier durch Laserschneiden erzeugt, können aber beispielsweise auch bereits beim Giessprozess berücksichtigt werden. Die Oberflächen der Hohlräume 10 sind in diesem Beispiel feuerpoliert, es sind aber auch andere Methoden zum Glätten bzw. Polieren dieser Oberflächen denkbar.

Figur 5 zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemässen optische Einrichtung, bei der die Krone 1 2 flacher ausgebildet ist als in dem Beispiel aus den Figuren 2 bis 4. Die Krone 12 spielt eine wichtige Rolle als Strahlteiler. Wird sie sehr flach gewählt, wie in dem hier gezeigten Beispiel, wird das meiste Licht schon an der Krone 12 reflektiert, und erreicht nie andere optische Elemente oder auch die erste Stirnseite 104, um im Grundkörper 102 weitergeleitet und dort reflektiert und/oder sonst modifiziert zu werden.

Für das hier gezeigte Beispiel ist die Krümmung der Krone für den Hauptteil der Lichtverteilung verantwortlich, und diese Lichtverteilung ist relativ stark gerichtet (kleine Öffnungswinkel). Die Optionen zur Gestaltung sind relativ eingeschränkt. Das von der zweiten optischen Einheit 2 kommende Licht, das direkt an der Krone 12 reflektiert wird, strahlt in den Sektor R ab. Es gelten wieder die Gesetze der Strahlenoptik und Lichtbrechung, die es dem Fachmann freistellen, die Lichtverteilung unter Beachtung der Grenzwinkel der Totalreflexion zu beeinflussen.

Wird die Krone 1 2 steil gewählt, wie in dem in den Figuren 2 bis 4 gezeigten Beispiel, strahlt fast alles Licht durch die Wurzel 13, den Stamm 1 1 und die Krone 1 2 hindurch bis auf den Boden 9, und wird erst in der Folge durch Wurzel 13, Stamm 1 1 und Krone 12 allmählich in die Sektoren L und R gelenkt.

Die Optionen zur Erzeugung verschiedener Abstrahlungscharakterisitka der gesamten optischen Einrichtung 100 sind in diesem Fall wesentlich weiter gesteckt, weil das Licht an jeder der oben beschriebenen Hohlräume 10 mehrfach entsprechend den Gesetzen der Lichtbrechung und Strahlenoptik abgelenkt und geteilt wird. Auf diese Wiese lassen sich Lichtverteilungen mit sehr grossen Abstrahlwinkeln in beide Sektoren L und R realisieren.

In den Figuren 6 und 7 ist eine Ausführungsform der erfindüngsgemäss optischen Einrichtung gezeigt, die zur Lichtverteilung dient, ohne dass dabei das Licht von benachbarten Lichtquellen Q durchmischt wird. Die schlitzartigen Hohlräume 10 und geometrischen Formen für dieses Beispiel sind wie folgt bezeichnet: 8 ist wiederum die Lichteintrittsfläche, die wie in den Beispielen zuvor als Linse oder anderes optisches Element ausgestaltet sein kann, je nach Lichtquelle Q und den strahlentechnischen Bedürfnissen im Grundkörper 102. Mit 14 ist die erste optische Einheit bezeichnet, die hier im Wesentlichen als Führungselemente wirkende schlitzartige Hohlräume 10 umfasst, die das Licht in den lichtdurchstrahlten Raum 20 über dem Boden 9 lenken. 1 5 bezeichnet eine zweite optische Einheit.

Das Licht wird durch die Eintrittsfläche 8 in den Grundkörper 102 der optischen Einrichtung eingekoppelt. Das Licht jeder diskreten Lichtquelle Q wird separat durch wenigstens einen langen Schnitt der erste optischen Einheit 14, wie in einem Lichtkanal gelenkt und in den lichtdurchstrahlten Raumbereich 20 auf der Lichtaustrittsseite des Bodens 9 geleitet. Es gelten wieder die Gesetze der Lichtbrechung und Strahlenoptik, innerhalb derer der Fachmann die Verteilung des Lichtes bestimmen kann, indem er die Geometrie der Ersten optischen Einheit 14 entsprechend den Erfordernissen entwirft. Die Erste optische Einheit 14 ist so geformt, dass das Licht in genereller Richtung entlang der Hauptachse 6 der optischen Einrichtung 100 geleitet wird.

Um eine optimale Ausbreitungsrichtungs- und Intensitätsverteilung an der Austrittsfläche 5 zu gewährleisten, benötigt man eine zweite optische Einheit 1 5, bestehend aus mehreren kleineren schlitzartigen Hohlräume 1 On, die das im durch die erste optische Einheit 14 gebildeten Lichtkanal sich fortpflanzende Licht in die gewünschte Ausbreitungsrichtungs- und

Intensitätsverteilung bringt. Diese schlitzartigen Hohlräume 10 wirken also als Strahlteiler,

Linsen und Spiegel gleichzeitig, und bewirken die endgültige Verteilung des Lichtes in den zu beleuchtenden Raum, das nicht durch die erste optische Einheit 14 in diese endgültige

Verteilung gezwungen werden kann.

Es ist jedoch offensichtlich, dass diese Variante der optischen Einrichtung wesentlich enger gestecktere Richtungsverteilungen erzeugt, als dies im Beispiel der Figuren 2 bis 5 der Fall ist. Des Weitem ist klar, dass mittels Einführung weiterer schlitzartiger Hohlräume 10, z. B. analog zu denen in der dritten optischen Einheit 3, der Beispiele aus den Figuren 2 bis 4 und 5, die als Strahlteiler, Linsen und Spiegel gleichzeitig wirken können, wiederum eine grosse Vielfalt an Lichtverteilungen erzielt werden kann.

Die Austrittsfläche 5 dient auch hier als letzte Optik, und kann plan oder dreidimensional geformt sein, um dem austretenden Licht nochmals eine andere Richtungs- und Intensitätsverteilung zu verleihen. Im Speziellen lässt sich durch die Ausgestaltung der Austrittsfläche 5 die Richtungsverteilung des austretenden Lichtes senkrecht zur durch die Hauptachse 6 und die Lichtachse Ax aufgespannten Ebene, also aus der Zeichnungsebene hinaus, beeinflussen. Es können Fresnel-Linsen, Hologramme, oder einfachere optisch gekrümmte Flächen eingearbeitet oder aufgesetzt werden, die das Licht beeinflussen.

Wie in den Figuren gut zu erkennen, wiederholen sich die Einheiten aus Lichteintrittsfläche 8, optischen Einheiten 1 ,2,3, 14, 15, und Lichtaustrittsfläche 5 in der Richtung der Hauptachse 6 des Grundkörpers 102 der erfindungsgemässen optischen Einrichtung 100 periodisch mit den quasi-punktförmigen Lichtquellen Q. Um besondere Effekte zu erreichen ist es denkbar verschieden ausgestaltete Einheiten dieser Art in einem Crundkörper 102 bzw. optischen Einrichtungen 1 00 miteinander zu kombinieren und allenfalls periodisch sich wiederholend anzuordnen. Auch können mehrere Grundkörper mit etwa gleichen äusseren Dimensionen ohne Probleme in Richtung ihrer Hauptachse 6 miteinander verbunden werden. Ist die Lichtverteilung durch die optischen Einheiten 1 , 2, 3, 14, 15 und Elemente 13, 1 1 , 1 2 der benachbarten Bereiche entsprechend ausgestaltet, ist der Übergang zwischen den Grundkörpern 102 bzw. optischen Einrichtungen 100 von aussen nicht erkennbar. Aufgrund der Komplexität des hier beschriebenen Prozesses ist dem Fachmann klar, dass die Grenzen bezüglich der zu realisierenden Lichtverteilung nicht beliebig sein können. Sie sind jedoch wesentlich weiter gesteckt, als dies mit den bisherigen Einrichtungen der Fall war.

Es gibt minimale Tiefen für den Grundkörper 102, um die Lichtquellen Q mit dem Boden 9 überdecken zu können. Die Parabole, die das Licht entlang der Linie ablenken beanspruchen

Platz, so dass eine minimale Tiefe gegeben ist. Diese ist mehr oder weniger vom

Abstrahlwinkel der Lichtquellen Q abhängig: Je weiter dieser Winkel ist, desto schwieriger ist es, alles Licht einer Lichtquelle Q mit der ersten optischen Einrichtung 1 umzuleiten. Mit Hilfe einer gezielten Ausgestaltung der Eintrittsfläche 8 kann aber das eingekoppelte Licht der Lichtquelle Q parallelisiert oder sogar fokussiert werden, und so Platz gespart werden.

Wird eine Ausführungsform der optischen Einrichtung mit homogener Lichtverteilung gewählt so lässt sich die Intensitätsverteilung am Ort der Beleuchtung mit der erfindungsgemässen optischen Einrichtung mit vorher bestimmter Toleranz vorherbestimmen. Es wird eine Lichtlinie erzeugt, bei der das Licht ohne Lücken abgestrahlt wird mit keinen oder nur verhältnismässig geringen Intensitätsschwankungen.

Claims

Patentansprüche

1 Optische Einrichtung zur Erzeugung von Lichtlinien mittels quasi-punktförmiger Lichtquellen, bei der das Licht aus den quasi-punktförmigen Lichtquellen (Q) durch einen transparenten, Licht leitenden Grundkörper (102) hindurchgeleitet wird, und wobei das

Licht an einer ersten Stirnseite (104) des Körpers (102) eingestrahlt und im Wesentlichen an der gegenüberliegenden zweiten Stirnseite (106) wieder ausgestrahlt wird, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Körper (102) schlitzartige Hohlräume (10) das eingestrahlte Licht so umformen, dass der Körper (102) wie eine Kombination eines Reflektors mit einer Linsenoptik und einem Lichtstreuer wirkt.

2 Einrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass ein langer, als Boden (9) bezeichneter und sich von einer zugehörigen Lichtquelle (Q) in Richtung einer Hauptachse (6) des Grundkörpers (102) erstreckender, schlitzartiger Holraum (10) den Grundkörper (102) bereichsweise in einen vom Licht durchstrahlten Raum (20) und einen vom Licht nicht durchstrahlten Raum (21 ) teilt.

3 Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Boden (9) von der zugehörigen Lichtquelle Q weg wenigstens eine benachbarte Lichtquelle (Q) überdecken in Richtung der Hauptachse (6) des Grundkörpers (102) erstreckt.

4 Einrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Boden gegenüber der ersten Stirnseite (104) geneigt und insbesondere mit unterschiedlichen

Winkeln geneigt ist und/oder dass der Boden (9) Krümmungen in Kombination mit Geraden aufweist, wobei die Krümmungen insbesondere unterschiedliche Radien haben. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Boden (9) zu einer optischen Einheit (3) gehört, die weitere schlitzartige Hohlräume (10) umfasst, die sich im Wesentlichen in Richtung auf eine Lichtaustrittsfläche (5) erstrecken, und die insbesondere drei Bereiche, nämlich Wurzel (13) , Stamm (1 1 ) und Krone (12) aufweisen.

Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Krone (5) massgeblich die Intensitätsverteilung und die Ausrichtung des Lichtes an der Lichtaustrittsfläche (5) bestimmt.

Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine weitere, schlitzartige Hohlräume (10) umfassende optische Einheiten

(I ₁ 2, 14, 15) vorgesehen sind, mit deren Hilfe das Licht einer zugehörigen Lichtquelle (Q) in den lichtdurchstrahlten Raum (20) gelenkt wird.

Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass Licht durch Lichteintrittsflächen (8) in den Körper (102) eingekoppelt wird, wobei die Lichteintrittsfläche (8) als Linse, Hologramm oder anderes optisches Element ausgestaltet ist.

Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass Licht durch wenigstens eine Lichtaustrittsfläche (5) aus dem Körper (102) austritt, wobei die Lichtaustrittsfläche (5) vorzugsweise als Linse, Hologramm oder anderes optisches Element ausgestaltet ist. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Boden (9) eine optische Barriere zwischen der benachbarten Lichtquelle (Q) und einer Austrittsfläche 5 bildet

Verfahren zur Erzeugung von Lichtlinien mittels quasi-punktförmiger Lichtquellen, bei dem das Licht aus den quasi-punktförmigen Lichtquellen (Q) durch einen transparenten,

Licht leitenden Grundkörper (102) hindurchgeleitet wird, und wobei das Licht an einer ersten Stirnseite (104) des Körpers (102) eingestrahlt und im Wesentlichen an der gegenüberliegenden zweiten Stirnseite (106) wieder ausgestrahlt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Licht auf seinem Weg durch den Körper (102) an schlitzartigen Hohlräume (10) so manipuliert wird, dass der Körper (102) wie eine Kombination eines

Reflektors mit einer Linsenoptik und einem Lichtstreuer wirkt.

Verfahren nach Anspruch 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Licht einer zu einem Boden (9) zugehörigen Lichtquelle (Q) über eine Lichteintrittsfläche (8) und wenigstens eine optische Einheit (1 , 2, 14, 1 5) in einen durch den Boden (9) begrenzten lichtdurchstrahlten Raum auf der Lichtaustrittsseite des Bodens (9) gelenkt und von dort aus dem Körper ausgekoppelt wird.