DE69507503T2

DE69507503T2 - Lichtleiteranordnung zum einfangen und leiten von licht

Info

Publication number: DE69507503T2
Application number: DE69507503T
Authority: DE
Inventors: Lorne A. Vancouver WHITEHEAD
Original assignee: University of British Columbia
Current assignee: University of British Columbia
Priority date: 1994-11-02
Filing date: 1995-10-27
Publication date: 2009-09-17
Anticipated expiration: 2015-10-28
Also published as: CA2200441A1; JPH10508704A; EP0789854A1; CA2200441C; EP0789854B1; JP3032016B2; DE69507503D1; WO1996014597A1; NO971856L; NO971856D0; US5481637A

Description

Bereich der Erfindung
Diese Erfindung ermöglicht es, die Lichtausgabe einer großen diffusen Lichtquelle in einen Prismenlichtleiter einzukoppeln, derart, daß das meiste Licht in dem Leiter eingeschlossen und entlang des Leiters geleitet bzw. geführt wird, wobei nur unerhebliche Mengen an Licht aus dem Leiter in der näheren Umgebung der Lichtquelle entweichen.
Hintergrund der Erfindung
Lichtleiter können in zwei grundlegende Kategorien aufgeteilt werden. Die erste, und am besten bekannte, ist die der festen Lichtleiter, deren Querschnittsfläche vollständig aus einem Führungs- bzw. Leitungsmedium besteht. Optische Fasern und größere analoge Strukturen sind von diesem Typ. Sie erreichen einen hohen Wirkungsgrad, da das Licht durch interne Totalreflexion geleitet wird, ein Prozess ohne Absorption.
Die zweite Hauptkategorie ist die der hohlen Lichtleiter, die praktischer sein können, da sie mehr Licht unter Verwendung von weniger Material leiten bzw. führen können. Zum Beispiel schließen hohle metallische Lichtleiter das Licht ein und leiten es mittels metallischer Reflexion, was ein Prozess mit Absorption ist. Seit kurzem sind Prismenlichtleiter verwendet worden, um Licht einzuschließen bzw. zu begrenzen und zu führen bzw. zu leiten. Diese sind hohle Strukturen, die interne Totalreflexion mittels einer sorgfältigen Anordnung von prismatischen Oberflächen auf dem Äußeren des transparenten dielektrischen Wandungsmaterials des Prismenlichtleiters erreichen (vgl. zum Beispiel WO-A-93/24787 oder EP-A-0236030 ). Obwohl Prismenlichtleiter effektiver als metalli sche Lichtleiter sind, leiden sie unter einem ernsthaften Nachteil: sie sind nur in der Lage, Licht zu führen bzw. zu leiten, das innerhalb eines begrenzten Bereiches von Winkeln relativ zu den prismatischen Oberflächen fällt.
Oft ist es möglich, die Lichtausgabe einer kleinen Lichtquelle mit einem Reflektor zu kollimieren, so daß im wesentlichen alle der reflektierten Lichtstrahlen die Winkelbeziehung erfüllen, die erforderlich ist, um sicher zu stellen, daß im wesentlichen alle solche Strahlen interner Totalreflexion unterworfen werden, wenn sie sich entlang des Prismenlichtleiters ausbreiten. Es gibt aber einige Situationen, wo dies schwierig ist; zum Beispiel, falls die Lichtausgabe einer großen diffusen Lichtquelle in einen Prismenlichtleiter eingekoppelt werden soll.
In Wohngebäudebeleuchtungsanwendungen ist es zum Beispiel erwünscht, die Lichtausgabe von verhältnismäßig großen kompakten Leuchtstofflampen in verhältnismäßig kleine Prismenlichtleiter einzukoppeln; und in kommerziellen Beleuchtungsanwendungen ist es erwünscht, die Lichtausgabe von Radiofrequenz-Induktionsleuchtstofflampen in etwas größere Lichtleiter einzukoppeln. In diesen Fällen ist die diffuse Lichtquelle zu groß, um eine hinreichende Kollimation mittels eines Reflektors zu gestatten, um sicher zu stellen, daß alle der reflektierten Lichtstrahlen die vorerwähnte Winkelbeziehung erfüllen, um so sicher zu stellen, daß im wesentlichen alle solche Strahlen interne Totalreflexion erfahren, während sie sich entlang des Prismenlichtleiters ausbreiten. Folglich entweicht ein beträchtlicher Teil der Lichtstrahlen, die von der diffusen Lichtquelle emittiert werden, sofort aus dem Lichtleiter in der näheren Umgebung der Lichtquelle, wodurch in jener näheren Umgebung eine unerwünschte Helligkeit erzeugt, und die Intensität des Lichtes verringert wird, das verbleibt, um entlang der vollen Ausdehnung des Lichtleiters geleitet zu werden.
Die vorliegende Erfindung stellt eine Einrichtung zum Einkoppeln der Lichtausgabe einer relativ großen diffusen Lichtquelle in einen relativ kleineren Prismenlichtleiter bereit, derart, daß das meiste Licht innerhalb des Lichtleiters begrenzt bzw. eingeschlossen wird und entlang des Lichtleiters geführt bzw. geleitet wird, wobei nur unerhebliche Mengen an Licht aus dem Leiter in der näheren Umgebung bzw. Nachbarschaft der Lichtquelle entweichen.
Kurzfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung stellt ein Lichtleitersystem bereit, wie es in Anspruch 1 definiert ist.
Vorteilhafterweise bildet die innere Umhüllung einen Zylinder der Länge "l" und des Durchmessers "d", wobei "l" kleiner als die Längenabmessung des Lichtleiters ist und sich jedes Ende des Zylinders mehr als das 1,65-fache des Durchmessers "d" über die Lichtquelle hinaus erstreckt.
Der äußere Prismenlichtleiter kann ebenfalls einen Zylinder bilden. Zum Beispiel können der äußere Prismenlichtleiter und die innere Umhüllung konzentrische Teilzylinder bilden, die von einem planaren Metallreflektor abgeschnitten werden, der die optische Mittellinie schneidet.
Ein Lichtextraktionsmechanismus kann bereit gestellt werden, um Licht an ausgewählten Punkten entlang des Leiters regelbar zu emittieren, wobei eine Endreflektoreinrichtung bereit gestellt ist, um eine Lichtemission durch jedes der gegenüberliegenden Enden des Leiters hindurch zu verhindern.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine bildhafte Darstellung eines prismatischen Lichtleiters nach dem Stand der Technik.
2 ist eine groß vergrößerte bildhafte Darstellung eines Segments des Wandungsmaterials des prismatischen Lichtleiters, das von zwei imaginären Ebenen geschnitten wird, und eines einfallenden Lichtstrahles, der eine dritte imaginäre Ebene definiert.
3 ist eine Querschnitts-Rißansicht eines prismatischen Lichtleiters mit einer gut kollimierten Lichtquelle.
4 veranschaulicht die Schwierigkeiten beim Einkoppeln der Lichtausgabe einer verhältnismäßig großen Lichtquelle in einen verhältnismäßig kleinen Prismenlichtleiter.
5 ist eine Querschnitts-Endansicht eines prismatischen Lichtleiters und veranschaulicht ein Phänomen, wodurch Lichtstrahlen, die von spezifischen Orten relativ in Bezug auf den Lichtleiter ausgehen, eingeschlossen und entlang des Lichtleiters geleitet werden, unabhängig von ihrem Winkel relativ in Bezug auf die Richtung der Achse des Lichtleiters.
6 ist ähnlich zu 2, verwendet aber ein kartesisches Koordinatensystem.
7 ist eine graphische Darstellung, die den Bereich der Winkel darstellt, unter Verwendung der kartesischen Koordinaten von 6, für den das Prismenlichtleiterwandungsmaterial interne Totalreflexion erzeugt.
8 ist eine teilweise zerlegte bildhafte Veranschaulichung einer absorptionslosen Einrichtung zum Verhindern, daß die von einer diffusen Lichtquelle emit tierten Lichtstrahlen in die Zone interner Nicht-Totalreflexion (d. h. nicht-schattierte Zone) von 7 eintreten.
9 ist eine graphische Darstellung, die, in den kartesischen Koordinaten von 6, das Aussehen einer diffusen Lichtquelle darstellt, die von der zylindrischen Struktur von 8 umgeben ist, wenn diese in einer Entfernung von der Achse des Zylinders betrachtet wird, die gleich dem 3,2-fachen des Radius des Zylinders ist.
10 zeigt die Lichtentweichzone der diffusen Lichtquelle von 9, die von der Struktur von 8 umhüllt bzw. umgeben wird, überlagert der Darstellung der Zone interner Totalreflexion des Prismenlichtleiterwandungsmaterials von 7.
11 ist eine Querschnitts-Rißansicht eines Prismenlichtleiters mit einer diffusen Lichtquelle, die von einer zylindrischen Umhüllung des in 8 gezeigten Typs umgeben ist.
12 ist eine teilweise zerlegte bildhafte Veranschaulichung einer Struktur, die ähnlich zu jener ist, die in 11 dargestellt ist, wobei aber der Lichtleiter und die zylindrische Umhüllung abgeschnitten sind.
13 ist eine Querschnitts-Rißansicht, die vier verschiedene prismatische Strukturen darstellt, die alle die "oktatäre" Anforderung bzw. Bedingung erfüllen, die charakteristisch für das Material ist, das zum Bilden eines Prismenlichtleiters geeignet ist.
14 ist eine Querschnitts-Rißansicht eines planaren Prismenlichtleiters gemäß der Erfindung.
Die 15(a), 15(b) und 15(c) stellen drei verschiedene Gestalten von Prismenlichtleiterwandungsmaterial dar, und die zwei Vektoren, die jene Gestalten charakterisieren.
16 stellt einen verallgemeinerten Prismenlichtleiter dar.
17 stellt eine verallgemeinerte Form einer absorptionslosen Einrichtung zum Verhindern, daß von einer diffusen Lichtquelle emittierte Lichtstrahlen in eine Zone interner Nicht-Totalreflexion eintreten, dar.
Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
1 stellt einen beispielhaften prismatischen Lichtleiter 10 nach dem Stand der Technik dar, der zufälligerweise einen kreisförmigen Querschnitt besitzt. Die äußere Fläche des transparenten dielektrischen Wandungsmaterials 12 des Lichtleiters 10 trägt eine Vielzahl von prismatischen Oberflächen 14. Wie oben erwähnt wurde, sind Prismenlichtleiter nur in der Lage, Licht zu leiten, das innerhalb eines begrenzten Bereichs von Winkeln relativ in Bezug auf die prismatischen Oberflächen fällt. Solche Strahlen unterliegen "interner Totalreflexion", was bedeutet, daß sie innerhalb des Leiters eingeschlossen bleiben und sich entlang des Leiters ausbreiten während sie wiederholt von dem Prismenlichtleiterwandungsmaterial reflektiert werden.
Für Prismenlichtleiter ist die Einfallsrichtung eines gegebenen Lichtstrahles relativ zu dem prismatischen Wandungsmaterial, das, was bestimmt bzw. entscheidet, ob der Strahl interner Totalreflexion unterliegen oder aus der Seitenwandung entweichen wird. Dies kann in Ausdrücken bzw. Begriffen der Winkel θ und ϕ beschrieben werden, die in 2 gezeigt sind, die ein Segment 12' des transparenten dielektrischen Wandungsmaterials zeigt, das prismatische Oberflächen 14' trägt. Das Segment 12' wird senkrecht von einer ersten imaginären Ebene P₁ parallel zu den prismatischen Oberflächen 14' und von einer zweiten imaginären Ebene P₂ quer zu den prismatischen Oberflächen 14' geschnitten. Der Lichtstrahl R definiert eine dritte imaginäre Ebene P₃, die die Ebene P₁ in einem Winkel ϕ schneidet, wobei der Strahl R die senkrechte Halbierungslinie der Ebenen P₁, P₂ in einem Winkel θ schneidet. Es kann gezeigt werden, daß die Lichtstrahlen für alle Werte von ϕ interner Totalreflexion unterliegen werden, vorausgesetzt, daß θ kleiner als ein kritischer Winkel θ_c ist, der durch die folgende Gleichung gegeben wird:
wobei η der Brechungsindex des Materials ist. Beispielsweise ist θ für einen typischen Wert von η von 1,6 (für Polycarbonatmaterial) ungefähr 30°.
Wie in 3 dargestellt ist, ist es oft möglich, die Lichtausgabe einer kleinen Lichtquelle 16 mit einem Reflektor 18 so zu kollimieren, daß im wesentlichen alle der reflektierten Lichtstrahlen R innerhalb 30° von der Richtung der Achse des Prismenlichtleiters 10 kommen, wodurch sichergestellt wird, daß im wesentlichen alle solche Strahlen interner Totalreflexion unterliegen, wenn sie sich entlang des Leiters 10 ausbreiten.
Wie es in 4 gezeigt ist, ist es schwierig, die Lichtausgabe einer verhältnismäßig großen Lichtquelle 16' in einen verhältnismäßig kleinen Prismenlichtleiter 10 einzukoppeln. Die Lichtquelle 16' ist zu groß, um eine hinreichende Kollimation durch den Reflektor 18 zu ermöglichen, um sicher zu stellen, daß alle der reflektierten Lichtstrahlen R die Zwangsbedingung der Gleichung (1) erfüllen, um so sicher zu stellen, daß im wesentlichen alle solche Strahlen interner Totalreflexion unterliegen, wenn sie sich entlang des Leiters 10 ausbreiten. Folglich entweicht ein beträchtlicher Teil der von der Lichtquelle 16' emittierten Lichtstrahlen R' sofort aus dem Leiter 10 in der näheren Umgebung bzw. Nachbarschaft der Quelle 16', wodurch eine unerwünschte Helligkeit in jener näheren Umgebung erzeugt und die Intensität des Lichtes verringert wird, das verbleibt, um entlang der vollen Ausdehnung des Leiters 10 geführt bzw. geleitet zu werden.
Eine wichtige zusätzliche Überlegung ist, daß in bestimmten Fällen Prismenlichtleiter Lichtstrahlen einschließen und leiten können, die innerhalb eines jeden Winkels relativ in Bezug auf die Richtung der Achse des Leiters kommen bzw. liegen, vorausgesetzt, daß die Strahlen von bestimmten Orten relativ in Bezug auf solche Leiter ausgehen. 5 stellt ein Beispiel für dieses Phänomen für einen Prismenlichtleiter 10' mit einem kreisförmigen Querschnitt dar, der einen imaginären Zylinder 20 mit einem Durchmesser "d" enthält. Es kann gezeigt werden, daß für ein Prismenlichtleiterwandungsmaterial mit einem Brechungsindex von 1,6 alle Lichtstrahlen, die durch den Zylinder 20 hindurchgehen, von dem Prismenlichtleiterwandungsmaterial reflektiert werden, solange wie der Durchmesser "d" des Zylinders 20 kleiner oder gleich 17,6% des Durchmessers des kreisförmigen Prismenlichtleiters ist. Der Grund dafür, daß dieses Phänomen wahr ist, ist, daß, solange wie die Lichtstrahlen durch den Zylinder 20 hindurchgehen, der Wert von ϕ, wie oben in Bezug zu 2 beschrieben, für jedes θ immer kleiner als 10,1° sein wird, was die Reflexion für alle Werte von θ sicherstellt.
Folglich, falls eine diffuse Lichtquelle innerhalb des Zylinders 20 angeordnet ist, werden alle von jener Quelle emittierten Lichtstrahlen von dem Prismenlichtleiter eingeschlossen und geleitet werden. Unglücklicherweise ist das vorhergehende Phänomen von geringem praktischem Vorteil, da die Querschnittsfläche des Zylinders 20 nur 3% der Querschnittsfläche des Leiters 10' representiert. In der Tat, falls eine diffuse Lichtquelle mit jener Größe verfügbar wäre, könnte man einfach einen konventionellen Reflektor verwenden, um die Lichtausgabe jener Quelle effektiv zu kollimieren, wie oben im Bezug zu 3 beschrieben. Nichtsdestotrotz legt das Phänomen nahe, daß es möglich sein kann, aus den speziellen Winkeleigenschaften des Prismenlichtleiterwandungsmaterials Vorteil zu ziehen, um eine Lichtleitung über die normalen Kollimationsbeschränkungen hinaus zu erreichen.
Um dies besser zu verstehen, ist es nützlich, auf 6 zu verweisen, die eine nützlichere Darstellung des Bereichs der Richtungen bereitstellt, für den das Prismenlichtleiterwandungsmaterial interne Totalreflexion erzeugen wird. 6 verwendet eine andere Einrichtung zum Beschreiben der Richtung des auf das Prismenlichtleitermaterial 12' einfallenden Lichtes, die für eine graphische Darstellung einer ebenen Oberfläche besser geeignet ist. 6 stellt dieselbe Geometrie wie 2 dar, aber unter Verwendung eines kartesischen Koordinatensystems. Der einfallende Strahl R besitzt einen Einheitsvektor (x, y, z) und in dieser Darstellung ist die zweidimensionale Richtungsbeschreibung, die nützlich ist, x/y, was die Abweichung des Strahles R von der Normalen auf die Lichtleiterwandung darstellt, in einer Richtung senkrecht zu den Prismen 14'; und z/y, was die Abweichung von der Senkrechten auf die Lichtleiterwandung in der Richtung parallel zu den Prismen 14' darstellt.
Die Beziehung zwischen ϕ, θ, x/y und z/y wird gegeben durch:
Unter Verwendung des Koordinatensystems von 6 stellt 7 den Bereich von Winkeln dar, für welche das Prismenlichtleiterwandungsmaterial interne Totalreflexion erzeugt. Einer der Gründe, daß diese Darstellung nützlich ist, ist, daß dies eine Projektion auf eine Ebene von genau dem ist, was man sieht, wenn man in ein Blatt beziehungsweise eine Folie aus dem Prismenlichtleiterwandungsmaterial blickt; das heißt, 7 zeigt das visuelle Aussehen der Zone der internen Totalreflexion (schattierter Bereich) gegenüber der Zone der Transmission (nicht-schattierter Bereich).
7 veranschaulicht zwei wichtige Merkmale. Erstens, wenn z/y = 0 (das heißt, wenn der Strahl in der Ebene senkrecht zu der Achse des Lichtleiters ist, das heißt, wenn θ = 90° ist), so kann man sehen, daß die Breite der Zone interner Totalreflexion ziemlich schmal ist (d. h. x/y = ±0,179, was der Wert von tanϕ ist, so daß ϕ = ±10,1°). Das zweite wichtige Merkmal ist die Asymptote, wo sowohl z als auch x viel größer als y sind, in welchem Fall x/z ≈ tanθ_c. Die Steigung dieser Asymptote beträgt 0,605, was einen Wert von θ_c = 31,1° entspricht, was der maximale Wert für θ ist, für den alle Werte von ϕ Reflexion ergeben.
Die vorliegende Erfindung stellt eine absorptionslose Einrichtung bereit, um zu verhindern, daß von einer diffusen Quelle emittierte Lichtstrahlen in die Zone interner Nicht-Totalreflexion (d. h. die nicht-schattierte Zone) von 7 eintreten beziehungsweise gelangen. Die Erfindung besteht in ihrer einfachsten Form (8) darin, die diffuse Lichtquelle mit einem hohlen transparenten Zylinder 22 zu umgeben, der eine glatte äußere Oberfläche 24 und eine innere Oberfläche besitzt, die aus einer großen Anzahl rechtwinkeliger Prismen 26 besteht, die sich senkrecht zu der Achse des Zylinders 22 erstrecken. Der Zylinder 22 kann, zum Beispiel, aus demselben prismatischen Plattenbeziehungsweise Folienmaterial bestehen, das verwendet wird, um Prismenlichtleiter zu bilden, indem man die Prismen verschieden orientiert (d. h. in einem Lichleiter sind die Prismen nach außen gerichtet und erstrecken sich parallel zu der axialen Richtung des Leiters).
Als ein veranschaulichendes Beispiel wird der Fall betrachtet, wo der Zylinder 22 eine diffuse Lichtquelle wie zum Beispiel eine Leuchtstoffröhre umgibt. 9 zeigt wie solch eine zusammengesetzte Quelle erscheinen beziehungsweise aussehen würde, wenn sie aus einer Entfernung von der Achse des Zylinders betrachtet würde, die gleich dem 3,2-fachen des Radius des Zylinders ist (der Grund für diese Wahl der Entfernung wird unten erklärt werden). In einer langen aber unkomplizierten Rechnung kann das gezeigte Aussehen aus den Eigenschaften des Prismenlichtleiterwandungsmaterials berechnet werden. Wenn man auf das Zentrum des Zylinders blickt, kann man eine lichtundurchlässige Zone (schattierter Bereich in 9) der Breite ±0,179 wahrnehmen, welche die normale lichtundurchlässige Zone bei senkrechtem Einfall des Prismenlichtleiterwandugsmaterials ist. Die vertraute Gestalt dieser Zone interner Totalreflexion wird durch die Krümmung des Prismenlichtleiterwandungsmaterials verzerrt, in die gezeigte Gestalt. Es ist wichtig zu bemerken, daß die Lichtstrahlen, die infolge der prismatischen Umhüllung nicht aus dem Prismenlichtleiterwandungsmaterial entweichen, in Richtung der diffusen Quelle intern totalreflektiert werden, wo sie zufällig zurückreflektiert werden kön nen, so daß sie eine zweite Gelegenheit besitzen, in erlaubte Richtungen zu entweichen. Folglich wird durch diese prismatische Enthüllung wenig Licht verloren, unter der Annahme, daß die Quelle nicht stark absorbiert, was oft der Fall ist. Es ist ebenfalls wichtig zu bemerken, daß, vorausgesetzt das Prismenlichtleiterwandungsmaterial ist von guter optischer Qualität, im wesentlichen kein Licht in der Zone interner Totalreflexion von 9 vorhanden ist.
Der Grund für die spezifische Wahl der Betrachtungsdistanz für 9 kann nun in Bezug auf 10 erklärt werden. In 10 ist die Lichtentweichzone der diffusen Lichtquelle, die von der Struktur von 8 umgeben beziehungsweise umhüllt wird, wie in 9 gezeigt, einer Darstellung der Zone interner Totalreflexion des Prismenlichtleiterwandungsmaterials, in 7 gezeigt, überlagert. Wie man sehen kann, liegt keiner der Lichtstrahlen, die aus der Umhüllung der diffusen Quelle entweichen, außerhalb der Zone interner Totalreflexion des Prismenlichtleiters selber, so daß sie alle eingeschlossen und geleitet werden. In dem gebräuchlichsten Fall, wo der Brechungsindex des Prismenlichtleiterwandungsmaterials 1,6 beträgt, tritt dies für einen diffusen Zylinder mit einem Durchmesser von 32% des Durchmessers des Prismenlichtleiters ein, was einem Bereich beziehungsweise einer Fläche von 10% der Querschnittsfläche des Prismenlichtleiters selber entspricht. Es sollte bemerkt werden, daß dies eine 3,2-fache Zunahme in der Querschnittsfläche ist, verglichen mit jener, die ohne solch eine prismatische Umhüllung möglich wäre, und diese erlaubt eine entsprechende Zunahme in der Menge des Lichtes, daß von einem Lichtleiter einer gegebenen Größe geführt werden kann.
11 zeigt wie das vorhergehende Konzept an ein einfaches Beleuchtungsprodukt angepaßt werden kann. In 11 wird eine diffuse Lichtquelle 28 von einem Zylinder 30 des in 8 gezeigten Typs umgeben. Der Zylinder 30 ist hinreichend lang, so daß Lichtstrahlen, die von der Quelle 28 direkt aus den Enden des Zylinders 30 austreten, innerhalb der Zone interner Totalreflexion des Wandungsmaterials liegen, das den Prismenlichtleiter 32 bildet, ohne irgendeinen Bedarf für weitere optische Korrektur. Der Durchmesser des Zylinders 30 beträgt 32% des Durchmessers des Prismenlichtleiters 32. Der Prismenlichtleiter 32 enthält einen Extraktionsmechanismus (nicht gezeigt), um ein gleichförmiges Entweichen des Lichts über die Länge des Leiters 32 hinweg zu bewirken. Die Enden des Leiters 32 sind mit Spiegeln (nicht gezeigt) zum Einfangen des Lichtes abgedeckt, das sich den ganzen Weg bis zum Ende des Leiters ausbreitet, so daß das ganze Licht effektiv genutzt wird.
Die Parameter, die das Koppeln diffuser Lichtquellen an Prismenlichtleiter bestimmen, sind allgemeiner als das einfache vorhergehende Beispiel nahelegt. Zum Beispiel braucht weder der Zylinder 30 noch der Prismenlichtleiter 32 einen vollständig kreisförmigen Querschnitt zu besitzen. Wie in 12 gezeigt ist, können sie einen teilweise kreisförmigen Querschnitt besitzen, wobei der Rest von einem konventionellen Metallreflektor 34 abgeschnitten ist.
Weiterhin sind, obwohl das transparente dielektrische Material, das am meisten verwendet wird, um die Wandungen eines Prismenlichtleiters zu bilden, gleichschenkelige rechtwinklige Dreiecksprismen des in den 2 und 5 gezeigten Typs besitzt, die optische Prinzipien, die Prismenlichtleiter charakterisieren, nicht auf einfache gleichschenkelige rechtwinklige Dreiecksprismen beschränkt. Im allgemeinen muß das Prismenlichtleiterwandungsmaterial nur Oberflächen besitzen, die "oktatär" sind, das heißt:

1. Alle Oberflächen sind parallel zu einer oktatären Symmetrierichtung (wie zum Beispiel die z-Richtung in dem Beispiel der 1 und 2);
2. Alle inneren Oberflächen erstrecken sich in rechten Winkeln zueinander;
3. Alle äußeren Oberflächen erstrecken sich in rechten Winkeln zueinander; und
4. Die inneren und äußeren Oberflächen erstrecken sich in 45° zueinander.

Zum Beispiel stellt 13 vier verschiedene prismatische Querschnitte dar, die alle die oktatäre Bedingung erfüllen, die alle geignetes Wandungsmaterial zum Bilden eines Prismenlichtleiters sind und die alle Zonen interner Totalreflexion besitzen, die verschieden von jener in 7 gezeigten sind. Indem man eine Struktur verwendet, die durchgehend oktatär ist, in der aber die prismatische Gestalt als eine Funktion der Position variiert, ist es möglich, die geommetrischen Konzepte der Erfindung in Querschnitten einzufangen, die nicht kreisförmig sind. Zum Beispiel zeigt 14 einen planaren Prismenlichtleiter 36 mit einer diffusen Lichtquelle 38, die von einer zylindrischen Umhüllung des oben in Bezug zu 8 beschriebenen Typs umgeben ist. Die Struktur der 14 erreicht dieselbe Leistung wir die Struktur der 11 aufgrund der detaillierten Gestalt der Prismen, wie gezeigt.
Eine vollständig verallgemeinerte Charakterisierung der Erfindung muß sowohl die mikroskopische als auch makroskopische Struktur des Prismenlichtleiterwandungsmaterials berücksichtigen. Die folgende Diskussion liefert ein vereinfachtes Verfahren zum Beschreiben der mikroskopischen Struktur des Prismenlichtleiterwandungsmaterials an jedem gegebenen Punkt in Bezug auf einfache wohldefinierte makroskopische Linien und Richtungen. Dies ermöglicht die Charakterisierung der Erfindung im allgemeinen.
Die 15(a), 15(b) und 15(c) stellen jeweils ein kleines Stück eines Prismenlichtleiterwandungsmaterials 40 dar, das hinreichend groß ist, so daß es einige vollstän dige Prismen 42 trägt, das aber hinreichend klein ist, so daß für alle praktischen Zwecke das Material makroskopisch flach ist und die Prismen 42 über die Ausdehnung des Stückes hinweg von gleichförmiger Gestalt sind. Die Gestalt des Materials 40 an jedem gegebenen Punkt wird durch nur zwei Vektoren charakterisiert.
Ein "oktatärer Symmetrierichtungsvektor" 44 definiert an jedem Punkt der Wandung die Richtung der Längsausdehnung der Prismen 42. Die oktatäre Symmetrierichtung muß parallel zu der makroskopischen Oberfläche des Materials 40 sein, kann aber ansonsten irgendeine Orientierung besitzen. In dem speziellen Fall, wo das Material 40 einen Prismenlichtleiter bildet, muß die oktatäre Symmetrierichtung parallel zu der Richtung der Längssymmetrie (d. h. der Längsachse) des Leiters sein, aber dies ist nicht erforderlich, falls das Material 40 einem anderen Zweck dient, zum Beispiel einer Umhüllung des oben in Bezug zu 8 beschriebenen Typs.
Der zweite Vektor ist ein "Prismenoberflächennormalenrichtungsvektor" 46, der auf einer gegebenen Fläche der Wandung entweder senkrecht oder parallel zu den prismatischen Oberflächen ist, die auf jener Fläche der Wandung liegen. Aus der obigen Definition der oktatären Eigenschaft folgt, das die prismatischen Oberflächen auf der gegenüberliegenden Fläche des Prismenlichtleiterwandungsmaterials in Bezug auf die gerade beschriebenen Richtungen um 45° geneigt sein werden. Die Prismenoberflächennormalenrichtungen müssen immer senkrecht zu der oktatären Symmetrierichtung sein, unterliegen aber ansonsten keiner Beschränkung. Die 15(a), 15(b) und 15(c) stellen drei verschiedene Beispiele von Richtungen dar und zeigen den sich ergebenden Effekt auf die makroskopische Struktur. Wie früher erwähnt wurde, sind alle solche Materialien Prismenlichtleiterwandungsmaterial, aber die Richtung der Prismenoberflächennormalen beeinflußt den Bereich der Lichtstrahlen, die interner Totalreflexion unterliegen, in dem Fall von Lichtstrahlen, die jenseits des Akzeptanzwinkels des Prismenlichtleiters liegen.
16 stellt eine verallgemeinerte Gestalt für einen äußeren Prismenlichtleiter 48 (d. h. analog zum Leiter 32 in 11) dar. Die Prismen sind nicht explizit gezeichnet, da sie zu klein sind, um in dieser Veranschaulichung gesehen zu werden, aber sie sind unten beschrieben, unter Verwendung der vorhergehenden Dual-Vektor-Terminologie. Die Querschnittsgestalt des Leiters 48 ist gleichförmig in der Ebene senkrecht zu einer ausgewählten optischen Mittellinie 50, ist aber ansonsten willkürlich. Die Prismen auf dem Prismenlichtleiterwandungsmaterial, das den Leiter 48 bildet, werden an jedem Punkt wie folgt charakterisiert:

1. Die oktatäre Symmetrierichtung 44 des Materials an solch einen Punkt ist parallel zu der optischen Mittellinie 50 des Leiters 48; und
2. Die Prismenoberflächennormalenrichtung 46 der Prismen des Materials ist an jedem Punkt auf jeder Oberfläche der inneren Fläche der Wandung entweder im wesentlichen senkrecht oder im wesentlichen parallel zu der imaginären Linie, die sich von solch einem Punkt durch die optische Mittellinie 50 hindurch und senkrecht dazu erstreckt.

Falls der Leiter 48 einen kreisförmigen Querschnitt besitzt, so liefert die vorhergende Definition einen Prismenlichtleiter wie jenen, der in 1 gezeigt ist. Für andere Gestalten wird es prismatische Oberflächen sowohl auf der Innenseite als auch auf der Außenseite des Materials geben.
17 zeigt eine verallgemeinerte Umhüllung 52, die innerhalb des verallgemeinerten Leiters 48 angeordnet werden kann. Die Umhüllung 52 besteht aus Prismenlichtleiterwandungsmaterial, ist aber kein Prismenlichtleiter. Das Material, das die Umhüllung 52 umfaßt, definiert eine Rotationsfigur um dieselbe optische Mittellinie 50 herum, wie sie in 16 zu sehen ist. Folglich ist die Umhüllung 52 kreisförmig in allen Querschnitten senkrecht zu der optischen Mittellinie 50. Der Durchmesser dieses kreisförmigen Querschnitts muß nicht konstant sein: wie es in 17 dargestellt ist, kann der Durchmesser entlang der optischen Mittellinie 50 variieren, so daß eine große Vielfalt von Gestalten für die Umhüllung 52 möglich sind. Zum Beispiel würde eine sphärische Schale unter die oben beschriebenen Bedingungen fallen. Das einfachste und gebräuchlichste Beispiel ist jenes eines Zylinders, aber andere Möglichkeiten können in bestimmten Situationen sehr vorteilhaft sein.
Wie zuvor erwähnt, ist die Umhüllung 52 kein Prismenlichtleiter. Anders als beim Leiter 48 ist die oktatäre Symmetrierichtung des Prismenlichtleitermaterials, daß die Umhüllung 52 bildet, nicht durchgehend konstant sondern variiert vielmehr von Position zu Position. An jedem Punkt auf der Umhüllung 52 ist die Beziehung, die für den beispielhaften Punkt 54 gezeigt ist (17), erfüllt; nämlich, daß die oktatäre Symmetrierichtung 56 der Umhüllung 52 an jedem Punkt 54 senkrecht zu der oktatären Symmetrierichtung 44 des Prismenlichtleiters von 16 und ebenfalls senkrecht zu einer Linie 58 ist, die von dem Punkt 54 durch die optische Mittellinie 50 hindurch und senkrecht dazu gezogen wird. Die andere definierende Eigenschaft des Materials, das die Umhüllung 52 bildet, ist, daß die äußere Prismenoberflächennormalenreferenz entweder parallel oder senkrecht zu der imaginären Linie 58 ist.
Falls die Umhüllung 52 zylindrisch ist, dann erzeugen die obigen Bedingungen eine prismatische Struktur wie jene, die in 8 gezeigt ist, mit Prismen auf nur einer Seite. Aber im allgemeinen werden sich prismatische Oberflächen auf sowohl der Innenseite als auch auf der Außenseite des Umhüllungsmaterials befinden.
Die vorstehende verallgemeinerte geometrische Charakterisierung macht es möglich, die Fähigkeit zur Leitung diffusen Lichtes, die in Bezug zu den spezifischen Geometrien der 1 bis 12 beschrieben wurde, beizubehalten, mit beträchtlich mehr Freiheit bei der Gestaltung bzw. Konstruktion. Genau dieselben Konzepte sind anzuwenden; und zwar, sicherzustellen, daß die Zone des möglichen Entweichens von Licht aus der Umhüllung immer aus Strahlenrichtungen besteht, die nicht in der Lage sind, durch das Wandungsmaterial des Prismenlichtleiters hindurch zu entweichen, so daß diese geleitet bzw. geführt werden. Wie bei den zuvor beschriebenen spezifischen Beispielen ist es erforderlich, sicherzustellen, daß die Umhüllung einen hinreichend kleinen Durchmesser besitzt, so daß dieser Leitungseffekt erreicht wird. Ebenfalls, wie bei den zuvor beschriebenen spezifischen Beispielen, wird dieser Durchmesser beträchtlich größer sein als jener, der für eine diffuse Lichtquelle möglich wäre, die nicht innerhalb der Umhüllung enthalten ist. Noch einmal, wie zuvor, die diffuse Lichtquelle wird innerhalb der Umhüllung und auf solch eine Weise angeordnet sein, daß alle Lichtstrahlen, die direkt aus der Umhüllung entweichen anstatt durch sie hindurch, bei Winkel auftreten werden, für die ihr Licht durch den äußeren Lichtleiter im wesentlichen geleitet wird.

Claims

Ein Lichtleitersystem zum Einfangen und Führen des von einer Lichtquelle (28) emittierten Lichtes mit: (a) einem äußeren hohlen Prismenlichtleiter (32, 48) mit einer ausgewählten Längslinie, "optische Mittellinie" (50) genannt, der aus einer Wandung aus transparentem dielektrischem Material gebildet ist, die um die optische Mittellinie (50) herum angeordnet ist, wobei die Wandung eine Struktur besitzt, "prismatische Struktur" genannt, dementsprechend welcher wenigstens eine der inneren und äußeren Flächen der Wandung aus einer großen Anzahl von parallelen rechtwinkeligen prismatischen Oberflächen (14) gebildet ist, welche oktatär zu der (den) Oberfläche(n) der anderen Fläche der Wandung sind, und wobei die Wandung an jedem ihrer Punkte des weiteren durch zwei spezifische Richtungen (44, 45) definiert sein kann, d. h., (i) eine erste Richtung (44), "oktatäre Symmetrierichtung" genannt, welche die Richtung ist, entlang der sich die prismatischen Oberflächen der Länge nach erstrecken, und (ii) eine zweite Richtung (46), "Prismenoberflächennormalenrichtung" genannt, welche, auf einer gegebenen Fläche der Wandung, entweder die Richtung senkrecht oder parallel zu den prismatischen Oberflächen ist, die jene Fläche bilden, wobei die Wandung auf solch eine Weise um die optische Mittellinie (50) herum angeordnet und gestaltet ist, daß (i) ihre Querschnittsgestalt über die optische Mittellinie (50) hinweg konstant ist, (ii) ihre oktatäre Symmetrierichtung (44) an jedem Punkt der Wandung parallel zu der optischen Mittellinie (50) ist, und (iii) ihre Prismenoberflächennormalenrichtung (46) an jedem Punkt auf jeder Oberfläche der inneren Fläche der Wandung entweder im wesentlichen parallel oder im wesentlichen senkrecht zu einer ersten imaginären Linie ist, die sich von dem Punkt durch die optische Mittellinie (50) hindurch und senkrecht zu der optischen Mittellinie (50) erstreckt, wobei das Lichtleitersystem gekennzeichnet ist durch: (b) eine innere hohle transparente Umhüllung (22, 30, 52), die innerhalb des äußeren hohlen Prismenlichtleiters (32, 48) angeordnet ist, zum Auffangen eines wesentlichen Teiles der von der innerhalb der inneren hohlen transparenten Umhüllung anzuordnenden Lichtquelle (28) zu emittierenden Strahlen und zum Reorientieren der aufgefangenen Strahlen auf solch eine Weise, daß im wesentlichen alle die auf die Wandung des äußeren Prismenlichtleiters auftreffenden Strahlen durch die Wandung intern totalreflektiert werden, wodurch die Menge des geführten Lichtes maximiert wird, wobei: die innere hohle Umhüllung (22, 30, 52) aus einer Wandung aus transparentem dielektrischem Material gebildet ist, die ebenfalls eine prismatische Struktur (26) besitzt, und die Wandung auf solch eine Weise angeordnet und gestaltet ist, daß (i) sie eine Rotationsfigur um eine Symmetrieachse bildet, was zu einem kreisförmigen Querschnitt senkrecht zu der Symmetrieachse führt, wobei der Durchmesser des kreisförmigen Querschnittes entlang der Symmetrieachse variieren kann, (ii) ihre oktatäre Symmetrierichtung (56) von Punkt zu Punkt variiert und an einem gegebenen Punkt der Wandung senkrecht zu der imaginären Linie (58) ist, die sich von jenem Punkt durch ihre Symmetrieachse hindurch und senkrecht zu ihrer Symmetrieachse erstreckt, und (iii) ihre Prismenoberflächennormalenrichtung an jedem Punkt auf jeder Oberfläche der äußeren Fläche der Wandung entweder parallel oder senkrecht zu der imaginären Linie ist, die sich von jenem Punkt durch ihre Symmetrieachse hindurch und senkrecht zu ihrer Symmetrieachse erstreckt, (c) wobei die innere hohle transparente Umhüllung (22, 30, 52) innerhalb des äußeren hohlen Prismenlichtleiters (32, 48) auf solch eine Weise angeordnet ist, daß ihre Symmetrieachse mit der optischen Mittellinie (50) des Lichtleiters zusammenfällt, wodurch die oktatäre Symmetrierichtung (56) der inneren Umhüllung senkrecht zu jener (44) des äußeren Prismenlichtleiters ist, und die Prismenoberflächennormalenrichtung der inneren Umhüllung entweder parallel oder senkrecht zu der oktatären Symmetrierichtung des äußeren Prismenlichtleiters ist, und wobei die Umhüllung (22, 30, 52) auf einen Bereich begrenzt ist, der hinreichend nahe zu der optischen Mittellinie (50) ist, um im wesentlichen eine Ausbreitung der auf eine innere Oberfläche der Umhüllung einfallenden Lichtstrahlen zum und durch das Wandungsmaterial des äußeren Prismenlichtleiters hindurch zu verhindern.
Ein Lichtleitersystem nach Anspruch 1, worin die Umhüllung (52) einen Zylinder bildet.
Ein Lichtleitersystem nach Anspruch 2, worin: (a) der innere Zylinder eine Länge "l" und einen Durchmesser "d" besitzt; (b) die Länge "l" geringer als die Längenabmessung des äußeren Prismenlichtleiters ist; und (c) jedes Ende des inneren Zylinders sich mehr als das 1,65-fache des Durchmessers "d" über die darin anzuordnende Lichtquelle hinaus erstreckt.
Ein Lichtleitersystem nach Anspruch 1 oder 2 oder 3, worin der äußere Prismenlichtleiter (48) einen Zylinder bildet.
Ein Lichtleitersystem nach Anspruch 1 oder 2 oder 3, worin der äußere Prismenlichtleiter (48, 32) und die innere Umhüllung (52, 30) teilweise konzentrische Zylinder bilden, die durch einen ebenen Metallreflektor (34) abgeschnitten werden, der die optische Mittellinie schneidet.
Ein Lichtleitersystem nach Anspruch 1 oder 2 oder 3, worin der äußere Prismenlichtleiter des weiteren aufweist: (a) eine Lichtextraktionseinrichtung zum regelbaren Emittieren von Licht an ausgewählten Punkten entlang des Leiters; und (b) eine Endreflektoreinrichtung zum Verhindern von Lichtemission durch jedes der gegenüberliegenden Enden des Leiters hindurch.