NO173797B

NO173797B - Hul, roerformet lysledning

Info

Publication number: NO173797B
Application number: NO86864631A
Authority: NO
Inventors: Jr Sanford Cobb
Original assignee: Minnesota Mining & Mfg
Priority date: 1985-11-21
Filing date: 1986-11-20
Publication date: 1993-10-25
Also published as: DK559686A; NO932336D0; NO173797C; IL80692A0; IL80692A; NO864631D0; NO864631L; US4805984A; DK559686D0; NO932336L

Abstract

En hul, rørformet lysledning innbefatter. en vegg som består av gjennomsiktig. polymert materiale og har en strukturert. overflate og en overforliggende glatt,. glinsende overflate samt i det minste. har en del av sitt tverrsnitt beliggende. på en glatt krum kurve. Lys som treffer. innerflaten innenfor et akseptabelt. vinkelområde, blir inngrenset ved. fullstendig innvendig refleksjon.Den strukturerte overflate oppviser. et lineært mønster av hovedsakelig. rettvinklede trekantprismer anordnet. side om side for å danne spor. Videre. danner de på hinannen loddrette sider. av prismene en vinkel på omtrent 45°. med tangenten til den overforliggende. glatte flate. På grunn av lysledningens. fleksibilitet og evne til å reflektere. lys fullstendig innvendig er det mulig. å bruke en passende håndtert lysledning. på en rekke forskjellige måter, f.eks.som en lysarmatur, hvorved det lys som sendes inn i lysledningen, blir sendt ut fra denne for belysning eller for bruk som sekundær lyskilde. En egnet lyskilde kan gjøre bruk av kunstig energi eller solenergi. Ved bruk av lysarmaturen som varsellys foretrekkes det imidlertid å benytte blinklys.

Description

Oppfinnelsen angår en hul, rørformet lysleder (10) til bruk for overføring av lys i dens lengderetning og/eller fordeling av lys fra den, omfattende

en vegg som består av et gjennomsiktig materiale og har en strukturert overflate på sin ene side og en overforliggende glatt overflate på sin annen side, og hvor den strukturerte overflate har et lineært mønster av hovedsakelig rettvinklede trekantprismer anordnet side om side med sine på hverandre loddrette sider i en vinkel på ca. 45° i forhold til den glatte flate overfor den strukturerte flate, slik at en på forhånd fastlagt andel av lyset som trer inn i lyslederen innen et akseptabelt vinkelområde, blir inngrenset ved fullstendig innvendig refleksjon, hvorved denne andel av lyset forplanter seg over lyslederens lengde.

Det er kjent å anvende optiske lysledningsrør eller lysledere inneholdende en fast eller halvfast optisk fiber til å overføre lys, som det f.eks. fremgår av US patentskrift 4 466 697,

4 422 719 og 3 641 332. Endel slike innretninger har inneholdt reflekterende hylser som omgav den lysoverførende fiber. For eksempel kunne hylsens innerflate være tildannet med et reflekterende lag eller et lag av materiale med forholdsvis lav brytningsindeks sammenlignet med kjernens, f.eks. luft, inn-skutt mellom hylsen og kjernen. Imidlertid ligger et spesielt problem i at slike innretninger ikke godt egner seg til å overføre tilstrekkelig lys for belysning, noe som skyldes

den nødvendige størrelse. Dessuten ville slike innretninger om de ble brukt, være ruvende og behøve en betydelig mengde gods, noe som ville øke deres vekt og pris.

Videre har optiske bølgeledere vært benyttet til å lede elektromagnetisk bølgeenergi, som anskueliggjort i US patentskrift 4 453 803, 3 975 828, 3 583 786, 3 506 331, 3 436 141

og 3 386 043. Slike innretninger innbefatter et hylseparti eller en hul optisk fiber. På lignende måte som de ovenfor omtalte optiske lysledningsrør eller lysledere har også slike innretninger hatt problemer i forbindelse med sammenføyning og omkostninger. Videre har disse innretninger i første rekke

vært konstruert for å formidle informasjon for kommunikasjons-formål i en enkelt elektromagnetisk modus for å øke informa-sjonens båndbredde. Dette krever ytterst spesialiserte lys-kilder og optiske systemer til å dirigere kvasi-monokromatisk lys korrekt inn i innretningen for bølgeforplant.ningen.

Videre har der som vist i US patentskrift 4 260 220 vært brukt en lysleder av gjennomsiktig materiale med hovedsakelig plane inner- og ytterflater i "oktatur" til å overføre lys. Denne innretning er den som ligger den foreliggende oppfin-nelses gjenstand nærmest. Innretningen innbefatter stive ark av et polymert, gjennomsiktig materiale med en strukturert overflate på den ene side og en overforliggende glatt overflate på den annen side, slik at lys som faller inn i lyslederen under en vinkel mindre enn et fastsatt, maksimum, blir fullstendig reflektert innvendig. Imidlertid har man ved bruken av slike innretninger støtt på en betydningsfull vanskelig-het eller begrensning, idet den er begrenset til et. forholdsvis lite vinkelområde for akseptable lysstråler. Dessuten krever begrensninger i optisk henseende at sidene blir holdt nøyaktig flate for effektivt å overføre lysenergi og arbeids-omkostningene i forbindelse med sammenføyning eller utførelse av enkelte plane seksjoner i "oktatur" for å danne en slik stiv lysleder innebærer begrensninger i økonomisk henseende.

Endelig viser GB patentsøknad nr. 2 145 760 en lysleder med innvendige og utvendige overlfater svarende til dem i oven-nevnte US-PS nr. 4 260 220 og beheftet med de samme ulemper.

De publikasjoner som har vært. drøftet ovenfor, hverken beskriver eller viser en hul, rørformet lysleder med en vegg av gjennomsiktig materiale, som har en strukturert overflate på den

ene side og en overforliggende glatt overflate på den annen side, og hvor disse flater i tverrsnitt i det. minste delvis følger en jevnt krummet bue som vil gi total innvendig refleksjon slik at en forhåndsbestemt andel av lyset, som faller inn innenfor et akseptablet vinkelområde, blir inngrenset.

ved total innvendig refleksjon for overføring og/eller fordeling av lyset. Dessuten beskriver de nevnte publikasjoner ikke noen lysleder som på grunn av sin evne til å reflektere

lys innenfor et akseptabelt vinkelområde totalt innvendig,

kan benyttes i lysarmaturer og belysningsanlegg for å overføre og fordele ikke-koherent, bredbåndet sollys eller kunstig lys for mange forskjellige formål. Heller ikke finnes der i de nevnte publikasjoner noen beskrivelse av en lysleder som var i stand til å anta et anseliq antall tverrsnittsformer med en del av veggen beliggende i en jevn, krum kurve under vedlikeholdelse av total innvendig refleksjon.

Den foreliggende oppfinnelse er kjennetegnet ved de

trekk som fremgår av karakteristikken til krav 1

og skaffer en fullstendig innvendig reflekterende

lysleder til å overføre og/eller fordele lys,

omfattende en vegg av et gjennomsiktig materiale med en strukturert overflate på den ene side og en glatt overforliggende overflate på den annen side, samtidig som minst en del av veggens tverrsnitt følger en jevn, krummet kurve. Den strukturerte overflate består av et lineært mønster av hovedsakelig rettvinklede trekantprismer anordnet side om side. De på hverandre loddrette sider av hvert prisme danner en vinkel på tilnærmelsesvis 45° med tangenten til den nærliggende glatte overflate på den motsatte side. Skjønt en del av veggen følger en jevn, krum kurve, vil lys som trer inn i lyslederen innenfor et akseptabelt vinkelområde, bli holdt inngrenset ved total innvendig refleksjon idet det forplanter seg langsetter lysledningen. Videre blir effektiviteten av lyslederens lysoverføringsevne under visse forhold høynet når tverrsnittet nærmer seg sirkel- eller ellipseform.

Evnen til å beholde refleksjonsevnen samtidig som bare en

del av veggen behøver å ligge i en krum kurve, fører til at lyslederen vil kunne anta diverse tverrsnittsformer eller fasonger, f.eks. sirkelrunde eller elliptiske. Dermed bortfaller optiske begrensninger når det gjelder utførelse og orientering av veggen, og der oppnås en påtagelig reduksjon i omkostninger og økning i den totale lysmengde som kan aksepteres for over-føring og/eller fordeling. Videre kan det lineære mønster av rettvinklede trekantprismer anordnes parallelt med eller i noe så nær hvilken som helst vinkel i forhold til lyslederens akse. Imidlertid vil en fullstendig innvendig refleksjon og

rettes korrekt inn i lyslederen.

Fordeler ved lyslederen ifølge den foreliggende oppfinnelse ligger i mulighetene for å anta adskillige forskjellige tverrsnittsformer og for å benyttes i lysarmaturer og belysnings-systemer for å overføre og fordele lys når lyslederen hånd-teres, for å tillate en del av lyset å passere gjennom lyslederens vegg uten å bli fullstendig reflektert innvendig.

Således kan lyslederen lettvint integreres i lysarmaturer

av eksisterende utførelse uten behov for spesialutstyr eller vesentlig omkonstruksjon av armaturen.

Oppfinnelsen vil bli belyst mer fullstendig under henvisning til tegningen hvor samme henvisningstall betegner tilsvarende deler. Fig. 1 er et perspektivriss av en lysleder ifølge opp finnelsen. Fig. 2 er et enderiss av en avbrukket detalj av lyslederen

på fig. 1.

Fig. 3 er et enderiss i likhet med fig. 2 og viser en lys leder hvor den glatte overflate er på utsiden. Fig. 4 er et perspektivriss av en lysleder med elliptisk

tverrsnitt.

Fig. 5 er et enderiss av en tidligere kjent lysleder og

viser forsiderefleksjon av lysstråler.

Fig. 6 er et enderiss av lyslederen på fig. 1 og viser

forsiderefleksjon av lysstråler.

Fig. 7 er et perspektivriss av lyslederen og anskueliggjør

lysstrålenes geometri.

Fig. 8 er et enderiss av lyslederen på fig. 7.

Fig. 9 er et diagram som anskueliggjør den matematiske sammen-heng mellom lysstrålers vinkler.

På fig. 1 ses en hul, rørformet lysleder ifølge oppfinnelsen, generelt betegnet med 10, som kan benyttes til å overføre eg/ eller fordele en forhåndsbestemt andel av lys i lederen. Lyslederen har en vegg 11 av gjennomsiktig materiale med

en strukturert overflate 12 på den ene side og en overfor-

liggende glatt overflate 14 på den annen side, samtidig som i det minste en del av veggens tverrsnitt ligger på en jevn, krum kurve. Lys som faller inn fra en lyskilde 15 og treffer en av flatene 12 eller 14 innen et akseptabelt vinkelområde,

vil bli fullstendig innvendig reflektert på den annen flate,

som anskueliggjort på fig. 2 og 3. Fullstendig innvendig refleksjon av lyset fås når det lys som reflekteres av første flate/ treffer den annen flate under en vinkel i forhold til normalen større enn den kritiske vinkel. Denne kritiske vinkel er definert som arcsin til forholdet mellom det. omgivende mediums (typisk luft.) brytningsindeks og veggmaterialets. Dessuten vil en påtagelige annen del av innfallende lys som treffer en av flatene 12 og 14 utenfor det akseptable vinkelområde,

bli sendt ut og resten bli reflektert, som anskueliggjort på fig. 2 og 3. I begge situasjoner forekommer neglisjerbar absorpsjon av lys i veggmaterialet.

Den strukturerte flate 12 danner et lineært mønster av hovedsakelig rettvinklede trekantprismer 16 anordnet parallelt, ved siden av hverandre for å danne en rekke spor 18 som forløper over lengden av lyslederen 10 og har tverrsnitt som anskueliggjort på fig. 2 og 3. De på hverandre loddrette sider 20

er normalt flate og danner en vinkel (a) på omtrent 45° med tangenten til den nærliggende glatte flate 14. Nøyaktigheten av prismenes form og orientering er vesentlig for lysoverfør-ingen, men den er ikke like vesentlig for belysning eller for bruk som sekundær lyskilde.

Det har vært funnet, at. vise tverrsnittsformer, særlig sirkulære og elliptiske, gir bedret, optisk funksjon ved å utvide det. aksepable vinkelområde for overførbare lysstråler. En tidligere kjent lysleder 30, jfr. fig. 5, med plane vegger 31 og rek-tangulært tverrsnitt og med den strukturerte overflate 32

på utsiden, er når det gjelder vinkelområdet, begrenset med hensyn til stråler som kan overføres. Derimot vil lyslederen 10 ifølge oppfinnelsen med i det minste en del av veggen 11 beliggende i en jevn, krum kurve, godta et større område av lysstrålevinkler. Spesielt er en lysleder 10 med sirkelrundt tverrsnitt som vist. på fig. 6, og med prismene 16 på den

konvekse utside funnet å gi optimal funksjon. Imidlertid bør det forstås at det er mulig å anvende en rekke forskjellige tverrsnittsformer avhengig av behovene for de respektive anvendelser, og at den strukturerte overflate 12 også kan være på innsiden så lenge i det minste en del av veggen 11 ligger på en glatt, krummet kurve. Den følgende redegjørelse er basert på den lysleder som er anskueliggjort på fig. 6.

For å belyse forholdet klart, er det nødvendig å definere vinkler r og G, som vist på fig. 7 og 8. Som vist på fig. 7, er T vinkelen mellom en gitt lysstråle A og aksen Z for lyslederen 10, som i dette tilfelle antas å være parallell med prismenes retning. Vinkelen G er vinkelen, projisert på tverrsnittsplanet, Tiellom den gitte lysstråle A og normalen N på veggen 11 hos Lyslederen 10, som anskueliggjort på fig. 8. Det kan bestemmes at der for en gitt vinkel T finnes en maksimal akseptabel vinkel G betegnet G for lysoverføring, utenfor hvilken lys kan unnvike fra lyslederen 10. Omvendt finnes der for an gitt vinkel G en maksimal akseptabel vinkel T betegnet rmax ^or ^en *- nn^allende lysstråle A. Er imidlertid vinkelen r mindre enn ^ max (27,3° for et veggmateriale med brytning-indeks 1,493), er alle verdier av vinkelen G tillatelige.

I den tidligere kjente rektangulære lysleder 3 0 som vist på fig. 5, er det akseptable vinkelområde (definert ved maksimalverdien av vinkelen T, altså T ) begrenset til 27,3°. Vinkel-max

området for akseptable stråler er begrenset fordi en hvilken som helst stråle kan bli reflektert fra den motstående glatte flate 34 hos lyslederen 30 et tilstrekkelig antall ganger til å nå en tilgrensende glatt flate 34, hvor vinkelen G kan nærme seg 90°. Dette er anskueliggjort for tilfellet av et lyskildepunkt 15' sentrert i lyslederen 30 på fig. 5. Lys-strålen C treffer først den glatte flate 34 på veggen 31 under vinkelen G1 , men treffer etter flere refleksjoner på denne første flate den tilgrensende glatte flate 34 under en vinkel G2 lik (90-g1) grader. Således kan G2 nærme seg 90° når G1 nærmer seg null.

7

I den sirkelrunde lysleder 10 ifølge oppfinnelsen som anskueliggjort på fig. 6 kan det imidlertid på grunn av lyslederens symmetri ikke inntre noen økninq i vinkelen G. Dermed får den sirkelrunde lysleder 10 et akseptabelt vinkelområde på 90° for et lyskildepunkt i krumningssenteret, dvs. R1=0.

En lysstråle D som opprinnelig treffer den glatte flate 14 under en eller annen vinkel G, vil alltid treffe den glatte flate 14 under samme vinkel G, og som vist på fig. 6, vil vinkelen aldri øke eller minke for tilfellet, av et lyskildepunkt 15' som ikke er sentrert i den sirkelrunde lysleder 10.

Lys som ikke blir reflektert på den glatte flate 14, trer gjennom den krumme rørvegg, undergår fullstendig innvendig refleksjon ved prismeflåtene 20 og vender tilbake til den hule innside av lyslederen 10 gjennom den samme krumme rør-vegg. Nettovirkningen av denne dobbelte gjennomgang gjennom den krumme vegg blir å spre lyskjeglen som om den hadde passert, gjennom en konkav linse. På grunn av de små dimensjoner av prismene 16 i forhold til krumningsradien R er det mulig å anvene en paraksial linse-approksimasjon, idet tynnlinse-approksimasjonen lar seg anvende fordi veggen 11 er tynn i forhold til krumningsradien.

Den maksimale avbøyning (endring i vinkel G) kan derfor bestemmes som følger:

G2 - G1 - y/F,

hvor

G1 og G2 er de projiserte strålevinkler G i forhold

til symmetriaksen (sektorens radiale halveringslinje) henholdsvis før og etter brytning;

y er strålehøyden (avstanden fra strålens innfallspunkt.

til symmetriaksen); og

F er linsens brennvidde. F = 2(n'-1)/R, hvor R er krumningsradien og n<1> er den effektive brytningsindeks som definert, ovenfor.

8;

Vinkelendringen (G2 - G1) kan således være positiv eller negativ og vil ha størrelsen y/F. Hvis man innsetter tilnærmede verdier for y og F og antar en moderat verdi (20°) for vinkelen T, finner man at. maksimalverdien av (G2 - G1 ) er i nærheten av 1,3°. Følgelig kan vinkelen G for strålen som reflekteres ved fullstendig innvendig refleksjon (TIR), øke eller minke med opptil 1,3°, mens den gjennomsnittlige stråle vil bli meget mindre avbøyd. Nettovirkningen av denne brytningsevne blir gradvis å spre ut strålene vifteformig i tverretningen.

Siden vinkelen G i tilfellet av en sirkelrund lysleder er definert og fastlagt ved lyskilden, er også den maksimale tillatelige vinkel T, altså T max , definert ved lyJskilden. Sammenhengen mellom hvert punkt på lyskilden og den maksimalt. tillatelige vinkel T, altså T max , er bestemt, ved de følg3ende ligninger som anføres under henvisning til fig. 6, hvor R1 betegner avstanden fra lyskildepunktet. 15' til sentrum av lyslederen 10 som har en krumningsradius R2, n er veggmaterialets brytningsindeks, og n<1> er den effektive brytningsindeks. Dette forhold R1/R2 (eller sin G) er anskueliggjort, ved dia-grammet på fig. 9_ hvor det skraverte areal representerer akseptable vinkler.

Når R1 = R2 (dvs. at lyskildepunktet. 15' ligger på den glatte flate 14 på lysledningen 10) er Gmav 90°, og der fås samme Tmax (27,3° når n = 1,493) som for den rektangulære lysleder 9

30. Men når lyskildepunktet 15' er innenfor lyslederen 10

noe som er meget mer vanlig, vil den maksimalt tillatelige verdi av vinkelen T, dvs. T_a . øke påtagelig som vist i dia-III Ci A

grammet på fig. 9, som anskueliggjør sammenhengen mellom forholdet R1/R2 (eller sin G) og den maksimalt tillatelige verdi av vinkelen T, dvs. T . Det betyr at mer lys fra lyskilden

ruclX

kan overføres uten tap, og gjør utformningen av lyslederen enklere og mer effektiv.

Den mest lovende og revolusjonære bruk av lyslederen 10 skyldes dens evne til å tildannes i en rekke forskjellige tverrsnittsformer under bibehold av fullstendig innvendig refleksjon, så lys som er korrekt rettet inn i lyslederen 10, blir overført og/eller fordelt idet det forplantes over lengden av lyslederen. Lyslederen 10 kan utformes med den strukturerte flate 12 på sin konkave innside eller på sin konvekse utside. For eksempel kan lyslederen 10 når der kreves optimal lysoverfø-ring, formes med sirkelrundt tverrsnitt og med prismene på utsiden og parallelle med lyslederens akse, mens den glatte flate 14 er glinsende. Det vil også forstås at lyslederen på lignende måte kan formes med elliptisk tverrsnitt når der benyttes en liten lyskilde plassert i et av brenn-punktene F1 eller , som anskueliggjort på fig. 4. I tillegg kan det lineære mønster av prismer 16 for spesielle anvendelser anordnes i noe så nær en hvilken som helst vinkel i forhold til lederens akse når lyset fra kilden 15 rettes korrekt. Videre kan prismene under visse betingelser anordnes ortogonalt når prismene sitter på lederens konkave innside.

Claims

1. Hul, rørformet lysleder (10) til bruk for overføring av lys i dens lengderetning og/eller fordeling av lys fra den, omfattende en vegg (11) som består av et gjennomsiktig materiale og har en strukturert overflate (12) på sin ene side og en overforliggende glatt overflate (14) på sin annen side, og hvor den strukturerte overflate har et lineært mønster av hovedsakelig rettvinklede trekantprismer (16) anordnet side om side med sine på hverandre loddrette sider i en vinkel på ca. 45° i forhold til den glatte flate overfor den strukturerte flate, slik at en på forhånd fastlagt andel av lyset som trer inn i lyslederen innen et akseptabelt vinkelområde, blir inngrenset ved fullstendig innvendig refleksjon, hvorved denne andel av lyset forplanter seg over lyslederens lengde, karakterisert ved at i det minste en del av veggens (11) tverrsnitt danner en glatt, krum kurve og de på hverandre loddrette sider (20) av prismene overfor kurven er anordnet i en vinkel (a) på tilnærmelsesvis 45° til kurvens tangent.

2. Lysleder som angitt i krav 1, karakterisert ved at veggen (11) har hovedsakelig sirkelrundt tverrsnitt.

3. Lysleder som angitt i krav 1, karakterisert ved at veggen (11) har hovedsakelig elliptisk tverrsnitt.