DE69932522T2

DE69932522T2 - Konstruktion zur erzeugung einer linearen lichtquelle

Info

Publication number: DE69932522T2
Application number: DE69932522T
Authority: DE
Inventors: Colvin John Wayne WILSON
Original assignee: AlliedSignal Inc
Current assignee: Honeywell International Inc
Priority date: 1998-07-02
Filing date: 1999-06-28
Publication date: 2007-02-15
Anticipated expiration: 2019-06-29
Also published as: US6299328B1; CA2337613A1; EP1092112B1; CA2337613C; KR20010053360A; KR100682613B1; JP2002519840A; US6224237B1; DE69932522D1; EP1092112A1; TW500892B; AU4837099A; WO2000001986A1; JP4276786B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere eine lineare Lichtquelle in einem einzelnen, herstellbaren Teil, und allgemeiner hocheffiziente, lineare Beleuchtungsquellen und lineare Beleuchtungssysteme, welche eine verstärkte Austrittsbestrahlungsstärke und Austrittsstrahldichte aufweisen. Bestrahlungsstärke wird als der Lichtfluss pro Flächeneinheit definiert und kann zum Beispiel in Einheiten von Watt pro Quadratzentimeter (W/cm²) ausgedrückt werden. Die Strahldichte ist die Helligkeit des Lichts. Die Strahldichte kann zum Beispiel in Einheiten von Watt pro Quadratzentimeter pro Steradian (W/(cm²•Steradian) ausgedrückt werden, wobei ein Steradian die Einheit des Raumwinkels ist.
Bei vielen Anwendungen wird eine Beleuchtungsquelle mit einer engen Austrittsöffnung und hoher Austrittseffizienz bevorzugt. Eine solche Quelle wird häufig unter Verwendung einer Aperturlampe mit einer internen Schlitzapertur konstruiert, welche in die Lampenkonstruktion eingebaut ist. Eine Aperturlampe weist jedoch im Allgemeinen eine geringere Lichtaussendung auf als eine herkömmliche Lampe, aufgrund der erhöhten Lichtabsorption innerhalb der Lampe und einer Reduktion der Oberfläche der Phosphorbeschichtung. Es wäre äußerst wünschenswert, über eine verbesserte enge Beleuchtungsquelle zu verfügen, die effizienter als eine Lampe mit einer internen Schlitzapertur ist.
Bei Anwendungen wie beispielsweise optischen Abtastgeräten und Fotokopiergeräten ist ein lineares Beleuchtungssystem mit hoher Austrittsbestrahlungsstärke erwünscht, um einen engen Streifen der Fläche zu beleuchten, die abgetastet oder fotokopiert wird. Die Beleuchtungseinheit für eine solche Vorrichtung besteht häufig aus einer nackten Lichtquelle, einer Aperturlampe oder einer Lampe, die teilweise mit einem Spiegelreflektor umgeben ist. Ein Spiegelreflektor ist ein spiegelähnlicher Reflektor mit einer glatten Oberfläche und weist die Eigenschaft auf, dass der Winkel des Lichteinfalls gleich dem Reflexionswinkel ist, wobei der Einfallswinkel und der Reflexionswinkel relativ zur Richtung gemessen werden, die zur Oberfläche normal ist. Ein verbessertes lineares Beleuchtungssystem, das eine höhere Austrittsbestrahlungsstärke aufweist, wäre vorteilhaft.
Bei bestimmten anderen Anwendungen, wie Flachbildschirmanzeigen, ist ein Beleuchtungssystem, das eine sehr geringe Dicke aufweist, höchst wünschenswert. Solche Systeme werden häufig mit einer oder mehreren Beleuchtungsquellen konstruiert, einem Wellenleiter oder einem Lichtleiter, um das Licht aus den Beleuchtungsquellen zu sammeln und zu verteilen, und mit zusätzlichen Streu-, Reflexions- oder Kollimationselementen für das Extrahieren des Lichts aus dem Wellenleiter. Es können deutliche Tiefeneinsparungen erzielt werden, wenn die Beleuchtungsquellen durch die Kante des Wellenleiters gekoppelt werden. Die Menge des Lichts, das aus dem System extrahiert wird, ist proportional zu der Menge von Reflexionen oder Streuereignissen, die innerhalb des Wellenleiters auftreten, wobei die Anzahl umgekehrt proportional zur Dicke des Wellenleiters ist. Um einen maximalen Lichtaustritt zu erhalten, wird ein dünner Wellenleiter bevorzugt. Dies führt jedoch dazu, dass Wellenleiterkanten eine kleine Oberfläche aufweisen, wodurch die Größe der Beleuchtungsquelle begrenzt wird, die direkt an die Kante des Wellenleiters angrenzen kann. Wenn die Oberfläche der Wellenleiterkante hingegen erhöht wird, wird die Extraktionseffizienz des Wellenleiters abnehmen. Es wäre äußerst wünschenswert, einen dünnen Wellenleiter zu verwenden, jedoch gleichzeitig den maximalen Beleuchtungsquelleneintritt bereitzustellen. Daher wird eine hoch-effiziente, lineare Beleuchtungsquelle mit hoher Austrittsbestrahlungsstärke und -strahldichte aus einer engen Öffnung benötigt.
BESCHREIBUNG DES STANDS DER TECHNIK
Es ist wohl bekannt, dass es möglich ist, röhrenförmige fluoreszierende Lampen zu verwenden, welche eine interne Schlitzapertur aufweisen, um das ausgesendete Licht in eine enge Winkelbandbreite zu konzentrieren und zu richten. Zwei Arten von Aperturlampen mit internen Schlitzen werden allgemein verwendet. Die erste Art ist im Querschnitt als Aperturlampe 10 in 1 dargestellt. Die Lampe besteht aus einem hohlen Glasrohr 12, welches eine Phosphorbeschichtung 14 auf der gesamten Innenfläche aufweist, mit Ausnahme eines engen Bereichs 16, der den Winkel 18 schneidet. Das Zentrum des Rohrs ist mit einem Gemisch aus Gasen gefüllt, die – wenn sie durch einen elektrischen Strom erregt werden, der durch Elektroden (nicht dargestellt) an den Enden des Rohrs bereitgestellt wird – ultraviolettes Licht aussendet. Das ultraviolette Licht wiederum trifft auf die Phosphorbeschichtung 14 und wird in sichtbares Licht umgewandelt. Eine typische Phosphorbeschichtung ist auch ein Streureflektor. Dabei ist zu beachten, dass ein Streureflektor ein Reflektor ist, der einfallendes Licht in eine Reihe von Winkeln streut. Streureflektoren weisen typischer Weise nur dann ein hohes Reflexionsvermögen auf, wenn die reflektierende Beschichtung relativ dick ist (z. B. ungefähr 0,15 mm oder größer). Die reflektierende Phosphorbeschichtung auf der Innenseite einer Aperturlampe ist notwendigerweise wesentlich dünner als 0,15 mm, was zu einem schlechten Reflexionsvermögen (in der Größenordnung von 60–80 %) führt. Der Großteil des Lichtes, das nicht von dem Phosphor reflektiert wird, wird durch die Beschichtung übertragen. Durch Anordnen einer Apertur, im vorliegenden Fall des Spalts 16, in der Phosphorbeschichtung, kann Licht vorzugsweise aus der Apertur hinaus gelenkt werden. Aufgrund des Verlustes von einem Teil des Lichts durch die Phosphorbe schichtung hindurch, wird die Wirksamkeit dieses Typs von Aperturlampe jedoch deutlich herabgesetzt.
Ein zweiter Typ von Lampe mit einer internen Apertur, der Fachleuten bekannt ist, wird in 2 als Aperturlampe 50 gezeigt. Die Lampe weist eine Glasröhre 52 auf. Innerhalb der Glasröhre befindet sich eine Phosphorbeschichtung 54 und eine zusätzliche reflektierende Beschichtung 56. Es gibt eine Aperturöffnung 58 sowohl durch die Phosphorbeschichtung 54 als auch die reflektierende Beschichtung 56, welche den Winkel 59 schneidet und ermöglicht, das Licht vorzugsweise in eine Richtung austritt.
Es gibt sechs bedeutende Probleme in Zusammenhang mit den Lampen 10 und 50 mit interner Apertur, die in 1 und 2 gezeigt werden. Erstens müssen die Phosphor- und die reflektierende Beschichtung sehr dünn sein, und die Auswahl von Beschichtungsmaterialien ist sehr begrenzt, um die Funktionsweise der Lampe nicht zu beeinträchtigen. Es können keine organischen Materialien für eine interne Beschichtung verwendet werden, da ein etwaiges Entgasen aus dem organischen Material oder eine Zersetzung des organischen Materials aufgrund der Wirkungen des ultravioletten Lichts die Effizienz der Lampe reduzieren würden. Zweitens ist aufgrund der Einschränkungen in Bezug auf die Beschichtungsmaterialien das Reflexionsvermögen der Beschichtungen nicht so hoch wie gewünscht. Drittens wird eine wesentliche Menge an ultraviolettem Licht, das innerhalb der Lampe erzeugt wird, aufgrund von Absorption durch die Glasröhre in dem Bereich ohne Phosphorbeschichtung vergeudet. Viertens muss ein teureres Glas verwendet werden, um diese Typen von Aperturlampen herzustellen, um eine durch ultraviolettes Licht herbeigeführte Bleichung und einen Verlust von Lichtübertragung des Glases in dem Bereich der Apertur zu reduzieren. Fünftens: Da der Bereich der internen Lampenoberfläche, der mit der Phosphorbeschichtung überzogen ist, durch den Bereich reduziert wird, welcher die Apertur aufweist, gibt es eine entsprechende Reduktion bei der Effizienz des Umwandelns von elektrischem Strom in Lichtenergie. Sechstens, Lampen mit interner Apertur sind schwieriger herzustellen als herkömmliche Lampen und sind daher teurer. Derartige Mängel führen zu einer reduzierten Effizienz und zu höheren Kosten für Aperturlampen im Vergleich zu regulären Lampen ohne interne Aperturen.
Demzufolge werden nun mit der vorliegenden Erfindung verbesserte lineare Beleuchtungsquellen bereitgestellt, die externe, hoch reflektierende Umfassungen verwenden, die eine oder mehr lineare Öffnungen aufweisen, um eine verbesserte Quelleffizienz, Austrittsbestrahlungsstärke und Austrittsstrahldichte zu erzielen. Derartige verbesserte Beleuchtungsquellen können mit zusätzlichen optischen Elementen kombiniert werden, um komplexere Beleuchtungssysteme zu erzeugen. Zusätzliche Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden aus folgender Beschreibung hervorgehen.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung wird gemäß Anspruch 1 definiert. Die vorliegende Erfindung kann in einer verbesserten linearen Beleuchtungsquelle verwendet werden. Die lineare Beleuchtungsquelle umfasst: (a) eine lineare Lichtquelle mit einer Breite w₁ in einer Richtung senkrecht zur Längsachse der linearen Quelle und (b) eine externe reflektierende Umfassung, die teilweise die zuvor erwähnte lineare Lichtquelle umgibt, wobei die externe reflektierende Umfassung eine maximale innere Breite w₂ aufweist und wobei die externe reflektierende Umfassung mindestens eine lineare Öffnung mit einer maximalen Breite w₃ aufweist, so dass (0, 03) (w₂) ≤ w₃ ≤ (0,75) (w₂). Eine lineare Lichtquelle wird als eine Lichtquelle mit einer Längenabmessung definiert, die mindestens drei Mal der Breitenabmessung w₁ entspricht.
Eine lineare Lichtquelle kann ein einzelnes Element umfassen oder eine lineare Anordnung sein, welche mehrere Elemente enthält. Wenn die lineare Lichtquelle eine Anordnung ist, welche mehrere Elemente enthält, dann entspricht die Länge der Anordnung mindestens drei Mal der Breite eines einzelnen Elements. Eine lineare Öffnung wird als eine Öffnung definiert, welche eine Längenabmessung aufweist, die mindestens drei Mal die Breitenabmessung ist.
Die Erfindung kann auch in einem linearen Beleuchtungssystem verwendet werden, welches die zuvor erwähnte lineare Beleuchtungsquelle und eines oder mehrere zusätzliche optische Elemente verwendet, um ein System mit hoher optischer Effizienz und hoher Austrittsbestrahlungsstärke und/oder Strahldichte zu erhalten. Ein derartiges lineares Beleuchtungssystem umfasst: (a) eine lineare Lichtquelle mit einer Breite w₁ in einer Richtung senkrecht zur Längsachse der linearen Quelle, (b) eine externe reflektierende Umfassung, welche teilweise die zuvor erwähnte lineare Lichtquelle umgibt, wobei die externe reflektierende Umfassung eine maximale innere Breite w₂ aufweist und wobei die externe reflektierende Umfassung mindestens eine lineare Öffnung mit der maximalen Breite w₃ aufweist, so dass (0, 03) (w₂) ≤ w₃ ≤ (0, 75) (w₂) und (c) mindestens ein optisches Element in unmittelbarer Nähe zu mindestens einer linearen Öffnung. Ein optisches Element kann zum Beispiel eine zylinderförmige Stablinse, eine linsenförmige Linse, eine asphärische linsenförmige Linse, ein linsenförmiges Prisma, eine Anordnung von linsenförmigen Linsen, eine Anordnung von linsenförmigen Prismen, ein Spiegel, ein reflektierender Konzentrator oder ein Wellenleiter sein. Unter linsenförmig verstehen wir ein lineares optisches Element mit dem Querschnitt (nur in einer Richtung) einer Linse oder eines Prismas.
Die Erfindung umfasst ein einzigartiges Gehäuse, das sowohl optische als auch mechanische Eigenschaften für den Betrieb einer Beleuchtungsvorrichtung bereitstellt und kann einfach unter Anwendung herkömmlicher Herstellungsverfahren hergestellt werden. Die Form besteht aus einer hohlen Umfassung, die einen ausreichenden Durchmesser und eine ausreichende Länge aufweist, um eine lineare, fluoreszierende Lampe zu umfassen, welche als Lichtquelle dient. Die Umfassungswand enthält eine Apertur, so dass Licht daraus austreten kann. Die Umfassung enthält ferner mindestens ein Element, so dass sie ein optisches Element der Einheit aufnimmt und hält, typischer Weise eine transparente, zylinderförmige Stablinse.
Die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden durch Bezugnahme auf folgende detaillierte Beschreibungen von spezifischen Ausführungsformen und auf die beiliegenden Figuren, welche diese Ausführungsformen darstellen und beispielhaft zeigen, besser verstanden werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf folgende detaillierte Beschreibung der Erfindung und die beiliegenden Zeichnungen besser verstanden werden. Es zeigen:
1 ein schematisches Querschnittdiagramm einer Lampe mit interner Apertur des bekannten Stands der Technik;
2 ein schematisches Querschnittdiagramm einer alternativen Lampe mit interner Apertur des bekannten Stands der Technik;
3 ein schematisches Querschnittdiagramm einer linearen Beleuchtungsquelle;
4 bzw. 5 ein schematisches Querschnitt- und ein perspektivisches Diagramm einer alternativen Version einer linearen Beleuchtungsquelle;
6 bzw. 7 ein schematisches Querschnitt- und perspektivisches Diagramm einer anderen Version einer linearen Beleuchtungsquelle;
8 ein schematisches Querschnittdiagramm einer anderen linearen Beleuchtungsquelle;
9 ein schematisches Querschnittdiagramm eines linearen Beleuchtungssystems, welches die lineare Beleuchtungsquelle von 4 und einen Wellenleiter verwendet;
10 bzw. 11 ein schematisches Querschnitt- und ein perspektivisches Diagramm eines linearen Beleuchtungssystems, welches die lineare Beleuchtungsquelle von 4 und eine Linse verwendet;
12 ein schematisches Querschnittdiagramm eines linearen Beleuchtungssystems, welches die lineare Beleuchtungsquelle von 4 und eine Linse verwendet, welche sowohl durch Brechung als auch totale interne Reflexion funktioniert;
13 ein schematisches Querschnittdiagramm eines linearen Beleuchtungssystems, das die lineare Beleuchtungsquelle von 4 und einen parabolischen Verbundkonzentrator (CPC) verwendet; und
14 ein schematisches Querschnittdiagramm eines linearen Beleuchtungssystems, welches die lineare Beleuchtungsquelle von 4 und eine Anordnung von optischen Elementen verwendet;
15 eine graphische Darstellung der Intensität (Bestrahlungsstärke) versus Detektorposition;
16 eine graphische Darstellung der Intensität (Bestrahlungsstärke) versus Detektorposition;
17 eine graphische Darstellung des relativen Austritts versus Öffnungsbreite;
18 eine graphische Darstellung der Intensität (Bestrahlungsstärke) versus Detektorposition;
19 ein schematisches Querschnittdiagramm einer Ausführungsform des neuartigen Gehäuses der vorliegenden Erfindung;
20 eine andere Ansicht des neuartigen Gehäuses einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die folgenden bevorzugten Ausführungsformen, die durch die Zeichnungen beispielhaft angeführt werden, stellen die Erfindung dar und sind nicht als Einschränkung des Schutzumfangs der Erfindung, so wie durch die Ansprüche der vorliegenden Anmeldung festgelegt, auszulegen. Beleuchtungsquellen und Beleuchtungssysteme, welche verbesserte externe reflektierende Umfassungen, lineare Öffnungen und, wahlweise, zusätzliche optische Elemente verwenden, werden im vorliegenden Dokument offenbart.
Eine lineare Beleuchtungsquelle 100 wird im Querschnitt in 3 gezeigt. Die lineare Beleuchtungsquelle 100 umfasst eine lineare Lichtquelle 102, die teilweise von einer externen Umfassung 104 umgeben ist. Die lineare Lichtquelle 102 kann in der externen Umfassung 104 zentriert oder zu einer Seite der Umfassung hin verschoben sein. Eine oder mehrere lineare Öffnungen 108 in der Wand der externen Umfassung ermöglicht/ermöglichen es, dass Licht aus der Umfassung austritt. In unmittelbarer Nähe zu der Innenoberfläche der externen Umfassung 104 befindet sich eine reflektierende Schicht 106. In dieser Figur ist die Breite der linearen Lichtquelle 110, die maximale innere Breite der externen Umfassung ist 112 und die maximale Breite der linearen Öffnung ist 114. Wahlweise kann – wenn die externe Umfassung 104 aus einem transparenten Material hergestellt wird – die externe Umfassung die lineare Lichtquelle 102 vollständig umgeben. Eine Öffnung 108 muss jedoch weiterhin in der reflektierenden Schicht 106 aufrechterhalten werden, damit Licht aus der linearen Beleuchtungsquelle austreten kann.
Die lineare Lichtquelle 102 kann jegliche Quelle sein, die Licht aussendet. Zu beispielhaften linearen Lichtquellen gehören – ohne darauf beschränkt zu sein – eine oder mehrere der folgenden Typen von Lichtquellen: fluoreszierende Lampen, Leuchtdioden (LEDs), Laserdioden, organische Leuchtdioden, elektrolumineszente Streifen oder Hochintensitäts-Entladelampen. Als darstellendes Beispiel dienen mehrere Leuchtdioden, die in einer Reihe angeordnet sind, als eine lineare Lichtquelle. Das einzelne oder die mehreren Elemente der linearen Lichtquelle können Licht einer Farbe, mehrerer Farben oder weißes Licht (das aus mehreren Farben besteht) aussenden. Die lineare Lichtquelle 102, die in 3 dargestellt ist, kann Licht in alle Richtungen aussenden. Eine fluoreszierende Lampe ist ein Beispiel einer linearen Lichtquelle 102, die Licht in alle Richtungen aussendet. Um die Wirksamkeit des linearen Beleuchtungssystems 100 zu maximieren, weist die lineare Lichtquelle 102 vorzugsweise eine nicht-absorbierende Oberfläche 116 auf. Eine solche nicht-absorbierende Oberfläche 116 kann reflektierend, übertragend oder beides sein.
Zwischen der Oberfläche 116 der linearen Lichtquelle 102 und der reflektierenden Schicht 106 gibt es einen Spalt 118. Das Vorhandensein eines Spalts zwischen der linearen Lichtquelle 102 und der reflektierenden Schicht 106 ist kritisch, wenn die lineare Lichtquelle 102 eine fluoreszierende Lampe oder ein anderer Typ Lampe ist, wo die Größenordnung des Lichtaustritts der Lampe der Lampentemperatur gegenüber empfindlich ist. Die Lücke 118 kann als Isolierschicht dienen, welche es der linearen Lichtquelle 102 ermöglicht, sich schnell auf ihre optimale Betriebstemperatur aufzuwärmen. Vorzugsweise ist der Spalt größer als ungefähr 10 % der Breite 110 der linearen Lichtquelle.
Die externe Umfassung 104, die in 3 gezeigt wird, kann eine beliebige Querschnittform aufweisen, einschließlich – ohne darauf beschränkt zu sein – einer kreisförmigen, elliptischen, ovalen, gewölbten oder facettierten Form. Die lineare Öffnung 108 weist vorzugsweise eine maximale Breite 114 auf, die geringer als die maximale innere Breite 112 der externen Umfassung 104 ist. Bevorzugter liegt die maximale Breite 114 der linearen Öffnung 108 bei von ungefähr 3 % bis ungefähr 75 % der maximalen inneren Breite 112 der externen Umfassung. Am bevorzugtesten reicht die maximale Breite 114 der linearen Öffnung 108 von ungefähr 5 bis ungefähr 50 % der maximalen inneren Breite 112 der externen Umfassung. Zusätzlich reicht – wenn die lineare Lichtquelle 102 eine röhrenförmige fluoreszierende Lampe ist – die maximale Breite 114 der linearen Öffnung 108 von ungefähr 10 % bis ungefähr 100 der Breite 110 der linearen Lichtquelle. Bevorzugter reicht die Breite 114 der linearen Lichtquelle 108 von ungefähr 20 % bis ungefähr 90 % der Breite 110 der linearen Lichtquelle. Die Breite der linearen Öffnung 108 kann entlang der Länge der linearen Lichtquelle einheitlich sein oder die Breite der linearen Öffnung 108 kann entlang der Länge der linearen Lichtquelle variieren, um die Ausgangslichtverteilung entlang der Lichtquelle zu ändern. Letzteres Merkmal der vorliegenden Erfindung stellt einen kritischen Vorteil für Anwendungen bereit, welche eine gleichmäßige Be leuchtung erfordern, wobei die Ungleichmäßigkeit, die dem Lichtausgang der Lampe eigen ist, korrigiert werden kann, um eine gleichmäßige Bestrahlungsstärke zu ergeben. Die Breite der Apertur kann an einem beliebigen Punkt entlang der Länge der Lampe verbreitert werden, wo der Lampenausgang niedrig ist, um einen relativ konstanten und gleichmäßigen Ausgang aus der Beleuchtungsquelle bereitzustellen.
Die reflektierende Schicht 106 kann aus einem beliebigen Material hergestellt werden, das Licht reflektiert. Die reflektierende Schicht kann ein Streureflektor, ein Spiegelreflektor oder eine Kombination eines Spiegelreflektors und eines Streureflektors sein.
Streureflektoren können mit sehr hohem Reflexionsvermögen hergestellt werden (von zum Beispiel mehr als 95 oder mehr als 98 %). Streureflektoren mit hohem Reflexionsvermögen sind im Allgemeinen jedoch ziemlich dick. Zum Beispiel sind Streureflektoren mit einem Reflexionsvermögen von mehr als 98 % typischer Weise mehrere Millimeter dick. Beispiele von Streureflektoren sind – ohne darauf beschränkt zu sein – zum Beispiel Fluorpolymermaterialien, wie Spectralon^TM von Labsphere, Inc., und Polytetrafluorethylenfilm (PTFE) von Fluorglas (im Handel unter der Bezeichnung Furon^TM erhältlich), W.L. Gore and Associates, Inc. (im Handel unter der Bezeichnung DRP^TM erhältlich), oder E.I. von Pont de Nemours & Company (im Handel unter der Bezeichnung Teflon^TM erhältlich), Filme aus Bariumsulfat, poröse Polymerfilme, welche winzige Luftkanäle enthalten, beispielsweise Polyethersulfon- und Polypropylenfiltermaterialien, die von Pall Gelman Sciences hergestellt werden, und Polymerverbundstoffe, welche reflektierende Füllmaterialien verwenden, zum Beispiel Titandioxid. Ein Beispiel für letzteres Material ist titandioxidgefülltes ABS (Acrylonitrilbutadienstyrolterpolymer), das von RTP hergestellt wird. Für den Fall, dass ein strukturelles Material als reflektierendes Material verwendet wird, wie titandioxidgefülltes ABS, kann der strukturelle Träger 104 mit der reflektierenden Schicht 106 kombiniert werden, so wie in 4 und 5 gezeigt.
Die Mehrheit der reflektierenden spiegelnden Materialien weisen ein Reflexionsvermögen auf, das von ungefähr 80 % bis ungefähr 93 % reicht. Jegliches Licht, das nicht von dem Spiegelreflektor reflektiert wird, wird absorbiert und in Wärme umgewandelt, wodurch die Effizienz eines optischen Systems, welches einen solchen Reflektor verwendet, gesenkt wird. Beispiele für reflektierende spiegelnde Materialien sind unter anderem – ohne darauf beschränkt zu sein – Silverlux^TM, ein Produkt aus 3M, sowie andere Trägerfilme aus Kunststoff, welche mit einer dünnen Metallschicht, z. B. aus Silber, Aluminium oder Gold, beschichtet worden sind. Die Dicke der Metallbeschichtung kann von ungefähr 0,05 μm bis ungefähr 0,1 mm reichen, in Abhängigkeit von den Materialien und dem Verfahren zur Herstellung der Metallbeschichtung, die verwendet werden.
Ein Beispiel einer Kombination aus spiegelnden und streuenden reflektierenden Materialien sind eine oder mehr Schichten eines Streureflektors, der durch einen Spiegelreflektor unterstützt wird. Eine derartige Kombination aus spiegelnden und streuenden, reflektierenden Materialien wird in der US-Patentanmeldung 08/679,047 offenbart und wird hiermit zur Bezugnahme aufgenommen. Die Verwendung einer Kombination aus spiegelnden und streuenden, reflektierenden Materialien kann zu einem höheren Reflexionsvermögen in einer dünneren Schicht führen als dies möglich wäre, wenn nur ein streuendes, reflektierendes Material alleine verwendet würde.
Die Effizienz der Beleuchtungsquelle 100 kann als der Prozentsatz des Lichts definiert werden, das aus der linearen Lichtquelle 102 ausgesendet wird, welches durch die lineare Öffnung 108 austritt. Die Effizienz hängt stark von der Breite 114 der linearen Öffnung 108, dem Umfang der Innenoberfläche der reflektierenden Schicht 106, dem Reflexionsvermögen der reflektierenden Schicht 106 und dem Reflexionsvermögen der linearen Lichtquelle 102 ab. Wenn zum Beispiel die Breite 114 der linearen Öffnung 108 1/10 des Umfangs der Innenoberfläche der reflektierenden Schicht 106 ausmacht, dann werden nur 10 % des Lichts, das aus der linearen Lichtquelle 102 ausgesendet wird, durch die lineare Öffnung 108 austreten, ohne durch die reflektierende Schicht 106 reflektiert zu werden. Die restlichen 90 des Lichts werden einmal oder mehrmals durch die reflektierende Schicht 106 oder durch die lineare Lichtquelle 102 reflektiert, bevor sie aus der linearen Öffnung 108 austreten oder bevor sie durch die reflektierenden Oberflächen absorbiert und in Wärme umgewandelt werden. Ein Teil des Lichts kann zehn Mal oder öfter reflektiert werden, bevor es austritt. Aufgrund der großen Häufigkeit, mit welcher das Licht reflektiert werden kann, ist es sehr wichtig, dass das Reflexionsvermögen der reflektierenden Schicht 106 so nahe bei 100 % ist, wie dies unter praktischer Berücksichtigung von Raum und Kosten möglich ist. Wenn zum Beispiel das Reflexionsvermögen einer optischen Oberfläche 90 % pro Reflexion beträgt und das Licht zehn Mal von dieser Oberfläche reflektiert, dann liegt die Gesamteffizienz bei (0,90)¹⁰ oder 35 %. Die anderen 65 % des Lichts sind verloren. Wenn jedoch das Reflexionsvermögen des Reflektors auf 95 % pro Reflexion erhöht wird und das Licht zehn Mal von der Oberfläche reflektiert, dann beträgt die Gesamteffizienz (0,95)¹⁰ oder 60 %, was eine deutliche Verbesserung im Vergleich zu 35 % darstellt. Noch deutlichere Verbesserungen können erzielt werden, wenn das Reflexionsvermögen größer als 95 % ist. Somit ist bei der vorliegenden Erfindung das Reflexionsvermögen des Materials, das für die Schicht 106 verwendet wird, vorzugsweise größer als 90, bevorzugter größer als 95 % und am bevorzugtesten größer als ungefähr 97 %.
Eine lineare Beleuchtungsquelle 150 wird in 4 gezeigt (eine Querschnittansicht) und in 5 (eine perspektivische Ansicht). Die lineare Lichtquelle 152, die eine Breite 160 aufweist, ist teilweise von einer externen reflektierenden Umfassung 154 umgeben, welche eine maximale innere Breite 162 aufweist. Eine oder mehrere lineare Öffnungen 158 in der Wand der externen, reflektierenden Umfassung 154 ermöglichen es dem Licht, aus der Umfassung auszutreten. Die maximale Breite der linearen Öffnung 158 ist die Abmessung 164. Die externe, reflektierende Umfassung 134, die in 4 und 5 gezeigt wird, kann jede beliebige Querschnittform aufweisen, einschließlich – ohne darauf beschränkt zu sein – einer kreisförmigen, elliptischen, ovalen, gewölbten oder facettierten Form. Die lineare Öffnung 158 weist vorzugsweise eine maximale Breite 164 auf, die geringer als die maximale innere Breite 162 der externen, reflektierenden Umfassung 154 ist. Insbesondere reicht die maximale Breite 164 der linearen Öffnung 158 von ungefähr 3 % bis ungefähr 75 % der maximalen inneren Breite 162 der externen, reflektierenden Umfassung. Am bevorzugtesten reicht die maximale Breite 164 der linearen Öffnung 158 von ungefähr 5 % bis ungefähr 50 % der maximalen inneren Breite 162 der externen, reflektierenden Umfassung. Wenn die lineare Lichtquelle 152 eine röhrenförmige, fluoreszierende Lampe ist, reicht außerdem die maximale Breite 164 der linearen Öffnung 158 vorzugsweise von ungefähr 10 % bis ungefähr 100 % der Breite 160 der linearen Lichtquelle. Insbesondere reicht die Breite 164 der linearen Öffnung 158 von ungefähr 20 % bis ungefähr 90 % der Breite 160 der linearen Lichtquelle. Die Breite der linearen Öffnung 158 kann entlang der Länge der linearen Lichtquelle gleichmäßig sein oder die Breite der linearen Öffnung 158 kann entlang der Länge der linearen Lichtquelle variieren, um die Ausgangslichtverteilung entlang der Lichtquelle zu ändern, um Ungleichmäßigkeiten in der Lichtquelle auszugleichen.
Die in 4 und 5 gezeigte Ausführungsform ist ähnlich zu 3, außer, dass jetzt das strukturelle Material der externen Umfassung 154 auch das reflektierende Material ist. Diese Ausführungsform ist besonders nützlich, wenn das strukturelle Material für die externe, reflektierende Umfassung ein Streureflektor ist. Beispiele für Streureflektoren werden oben angeführt. Vorzugsweise kann das reflektierende Material in die erforderliche Gestalt für die externe, reflektierende Umfassung geschnitten, geformt, extrudiert oder gussgeformt werden, und natürlich besitzt es einen ausreichenden Zugmodul, Biegemodul, eine ausreichende Wärmeablenkungstemperatur und Stoßfestigkeit, um als das strukturelle Element für das Beleuchtungssystem zu dienen.
Bevorzugte reflektierende Materialien zur Verwendung in den einzelnen Ausführungsformen 150, 200, 300, 350, 400, 450 und 500 sind technische, thermoplastische Kunststoffe, die mit Feinpartikeln gefüllt worden sind, die einen Brechungsindex aufweisen, der wesentlich größer als jener des Wirtspolymers ist, und optisch klar oder weiß in ihrer sauberen Form sind, zum Beispiel Titandioxid (Rutil und Anatase), Aluminiumoxid, Zinkoxid, Zinksulfid, Bariumsulfat, Antimonoxid, Magnesiumoxid, Kalziumkarbonat, Strontiumtitanat und dergleichen. Bevorzugte Materialien sind unter anderem technische, thermoplastische Kunststoffe, welche Partikel, Hohlräume oder gasgefüllte Blasen enthalten, die zum Beispiel durch Schäumen gebildet werden, und wobei die Partikel, Hohlräume oder Blasen einen Brechungsindex aufweisen, der wesentlich geringer als jener des Wirtspolymers ist. Obwohl die primäre Partikelgröße viel feiner sein kann, dispergiert in der Polymermatrix, liegen die Füllerpartikel oder Hohlräume vorzugsweise in der Größenordnung von ungefähr 0,1 Mikron bis ungefähr 3,0 Mikron und am bevorzugtesten von ungefähr 0,1 Mikron bis ungefähr 1 Mikron. Die optimale Größe eines Füllerpartikels kann aus der Beziehung d = 2λo/(πnδ) abgeleitet werden, wobei d der Durchmesser des Partikels ist, λo die Vakuumwellenlänge, die von Interesse ist, n ist der Brechungsindex des Matrixpolymers und δ die Differenz zwischen den Brechungsindizes des Füllers und der Matrix.
Thermoplastische Kunststoffe, die in der vorliegenden Erfindung nützlich sind, sind vorzugsweise nicht-gelb und weisen eine große Bandbreite an Kunststoffen auf, von denen auf dem Fachgebiet bekannt ist, dass sie für den Spritzguss oder die Extrusion nützlich sind, zum Beispiel ABS, Poly(methylmethacrylat)poly(ethylenterephthalat) (PET), Poly(butylenterephthalat) (PBT), Polypropylen, Nylon 6, Nylon 66, Polycarbonat, Polystyrol, Poly(phenylenoxid) und Mischungen sowie Legierungen davon.
Die lineare Beleuchtungsquelle 200 wird in 6 (eine Querschnittansicht) und 7 (eine perspektivische Ansicht) gezeigt. In dieser Ausführungsform ist die lineare Lichtquelle 202, welche eine Breite 210 aufweist, in die Seite der externen, reflektierenden Umfassung 204 eingebettet, welche eine maximale innere Breite 212 aufweist. Eine oder mehrere lineare Öffnungen 208 in der Wand der externen, reflektierenden Umfassung 204 ermöglichen es, dass Licht aus der Umfassung austritt. Die maximale Breite jeder linearen Öffnung 208 ist die Abmessung 214. In 6 und 7 ist die lineare Öffnung 208 so dargestellt, dass sie sich auf der Seite der externen, reflektierenden Umfassung 204 befindet, gegenüber der linearen Lichtquelle 202. Dies ist jedoch nicht erforderlich, und die lineare Lichtquelle 202 und die lineare Öffnung 208 können nebeneinander liegen. Die externe, reflektierende Umfassung 206 kann aus einem reflektierenden, streuenden Material hergestellt werden, oder eine zusätzliche, reflektierende Schicht kann auf die Innenoberfläche 206 der externen, reflektierenden Umfassung 204 angeordnet werden, um ein hohes Reflexionsvermögen zu erreichen. Die lineare Lichtquelle 202, die in 6 und 7 dargestellt ist, sendet vorzugsweise Licht in eine Hemisphäre (mit einem Raumwinkel von 2 π) oder in einen Raumwinkel von weniger als 2 π aus und sendet vorzugsweise Licht nicht in alle Richtungen aus (was einem Raumwinkel von 4 π gleichkäme). Beispiele für eine lineare Lichtquelle 202 sind unter anderem – ohne darauf beschränkt zu sein – Leuchtdioden, Laserdioden, organische Leuchtdioden und elektrolumineszente Streifen. In dieser Ausführungsform der Erfindung kann die externe, reflektierende Umfassung 204 auch dazu dienen, den Lichtaustritt aus der linearen Lichtquelle 202 zu homogenisieren. Diese Homogenisierung ist besonders wichtig, wenn die lineare Lichtquelle 202 eine Anordnung von Leuchtdioden, Laserdioden oder organischen Leuchtdioden ist, von denen jede eine sehr kleine Lichtaussendungsoberfläche aufweisen kann. Wenn die lineare Lichtquelle 202 Elemente aufweist, die unterschiedliche Farben aussenden (zum Beispiel Dioden, die Rot, Grün und Blau aussenden), kann die externe, reflektierende Umfassung 204 die Farben vermischen, um einen Ausgang mit weißem Licht zu bilden.
Die lineare Beleuchtungsquelle 250 wird in 8 im Querschnitt dargestellt. Diese Konfiguration ist besonders nützlich, wenn die lineare Lichtquelle zum Beispiel eine röhrenförmige fluoreszierende Lampe ist, welche in 8 als eine transparente Glashülle 252 gezeigt wird, die auf der Innenseite mit einer Phosphorschicht 254 beschichtet ist. Die lineare Lichtquelle ist von einer externen Umfassung 256 umgeben, mit Ausnahme der Öffnung 264, welche eine Öffnungsbreite 262 aufweist. Die externe Umfassung 256 kann aus einem reflektierenden Material, einem nichtreflektierenden Material oder einem transparenten Material hergestellt werden. Wenn die externe Umfassung aus einem nicht-reflektierenden oder transparenten Material hergestellt wird, wird eine zusätzliche, reflektierende Schicht 258 auf der Innenoberfläche der externen Umfassung 256 benötigt. Die reflektierende Struktur oder reflektierenden Strukturen, einschließlich der externen Umfassung 256 und/oder der reflektierenden Schicht 258, können aus streuendem, reflektierendem Material, spiegelndem, reflektierendem Material oder einer Kombination aus streuendem, reflektierendem Material und spiegelndem, reflektierendem Material hergestellt werden. Beispiele für streuende und spiegelnde, reflektierende Materialien werden oben angeführt. 8 ist ähnlich 3, außer, dass in 8 ein kleiner oder kein Spalt zwischen der linearen Lichtquelle und der reflektierenden Schicht 258 ist. In der bevorzugten Ausführungsform ist der Spalt geringer als 10 % der Lampenbreite 260. Wenn die lineare Lichtquelle eine fluoreszierende Lampe ist, kann das Entfernen des Spalts zu höherer Austrittseffizienz der linearen Beleuchtungsquelle führen, indem die Häufigkeit verringert wird, mit welcher das Licht innerhalb der externen, reflektierenden Umfassung reflektiert werden muss, bevor es aus der Öffnung 264 austritt. (Beachten Sie, dass die Phosphorbeschichtung innerhalb einer fluoreszierenden Lampe typischer Weise ein Reflexionsvermögen von ungefähr 60–80 % aufweist, wobei der Großteil des Rests des Lichts derart übertragen wird, dass Licht von einer Seite der Lampe zur anderen wandern kann, wobei es durch die Phosphorbeschichtung wandert.). Fluoreszierende Lampen sind aber gegenüber der Temperatur ihrer Umgebung sehr empfindlich. Das Anordnen der externen Umfassung 256 und/oder der reflektierenden Schicht 258 in unmittelbarer Nähe oder in tatsächlichem Kontakt mit der fluoreszierenden Lampe kann die Aufwärmzeit der Lampe verlängern, woraus ein reduzierter Lichtaustritt resultiert, während sich die Lampe aufwärmt, oder kann die Dauerzustandsbetriebstemperatur der fluoreszierenden Lampe senken, was wiederum zu einem geringeren Lichtaustritt führen könnte. Wahlweise kann, wenn die externe Umfassung 256 aus einem transparenten Material hergestellt und eine reflektierende Schicht 258 verwendet wird, die externe Umfassung 256 vollständig die Glashülle 252 der fluoreszierenden Lampe umgeben. Eine Öffnung 264 muss jedoch weiterhin in der reflektierenden Schicht 258 bleiben, damit Licht aus der linearen Beleuchtungsquelle austritt. Ein Beispiel der optimalen Konfiguration wäre die Verwendung einer flexiblen, streuenden, reflektierenden Schicht 258 mit einer Öffnung 264 und die Verwendung von transparenten Schrumpfrohren für die externe Umfassung 256. Nachdem die Teile in die korrekte Konfiguration zusammengefügt wurden, kann das Schrumpfrohr erwärmt werden, wodurch es eng um den Reflektor und die fluoreszierende Lampe herum geschrumpft wird.
Andere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beinhalten die Verwendung von linearen Beleuchtungsquellen des Typs, der in 3–8 dargestellt ist, um komplexere lineare Beleuchtungssysteme herzustellen. Die linearen Beleuchtungssysteme können zusätzliche optische Elemente enthalten, zum Beispiel Wellenleiter, zylinderförmige Stablinsen, linsenförmige Linsen, asphärische, linsenförmige Linsen, Anordnungen von linsenförmigen Linsen, Prismen, Anordnungen von linsenförmigen Prismen, Reflektoren, Konzentratoren und Kollimatore. Die optischen Elemente können verwendet werden, um das Licht, das aus der linearen Beleuchtungsquelle ausgesendet wird, zu formen, zu fokussieren, zu kollimieren oder zu projizieren. Beispiele solcher Beleuchtungssysteme werden in 9–14 dargestellt und sind nicht als Einschränkung des Umfangs der Erfindung zu betrachten. Beachten Sie zum Beispiel, dass jede der in 3–8 dargestellten linearen Beleuchtungsquellen mit jedem der Systeme 350 verwendet werden kann, das eine lineare Beleuchtungsquelle 370 und eine Linse 366 umfasst. Zum Beispiel wird die lineare Beleuchtungsquelle 370 so dargestellt, dass sie dem Typ entspricht, welcher zuvor in 4 gezeigt wurde. Eine lineare Öffnung 358 in der exter nen, reflektierenden Umfassung 354 ermöglicht es dem Licht, von der linearen Beleuchtungsquelle 370 zu den Linsen 366 zu wandern. Um eine Bestrahlungsstärke mit höherem Ausgang und eine Strahldichte mit höherem Ausgang für das lineare Beleuchtungssystem zu erhalten, weist die lineare Öffnung 358 vorzugsweise eine maximale Breite 364 auf, die geringer als die maximale innere Breite 362 der externen, reflektierenden Umfassung 354 ist. Insbesondere reicht die maximale Breite 364 der linearen Öffnung 358 von ungefähr 3 bis ungefähr 75 % der maximalen inneren Breite 362 der externen, reflektierenden Umfassung. Am bevorzugtesten reicht die maximale Breite 364 der linearen Öffnung 358 von ungefähr 5 % bis ungefähr 50 % der maximalen inneren Breite 362 der externen, reflektierenden Umfassung. Wenn die lineare Lichtquelle 352 eine röhrenförmige, fluoreszierende Lampe ist, reicht zudem die maximale Breite 364 der linearen Öffnung 358 von ungefähr 5 % zu ungefähr 100 % der Breite 360 der linearen Lichtquelle 352. Insbesondere reicht die Breite 364 der linearen Öffnung 358 von ungefähr 20 % bis ungefähr 90 der Breite 360 der linearen Lichtquelle. Beispiele für Linsen 366 sind unter anderem – ohne darauf beschränkt zu sein – eine linsenförmige Linse, eine asphärische, linsenförmige Linse, eine zylinderförmige Stablinse, eine plankonvexe, linsenförmige Linse, eine doppelkonvexe, linsenförmige Linse, eine linsenförmige Fresnel-Linse und Multielement-Linsen jeglichen Typs. Besonders nützlich sind lineare Beleuchtungssysteme, bei denen die Linse 366 eine zylinderförmige Stablinse ist, wie in 10 und 11 dargestellt. Die Linse 366 kann aus einem beliebigen transparenten Material hergestellt werden. Lineare Beleuchtungssysteme können in vielen Anwendungen verwendet werden, unter anderem zum Beispiel in optischen Abtastgeräten, Faxgeräten und Fotokopiergeräten.
12 stellt ein lineares Beleuchtungssystem 400 dar, welches eine lineare Beleuchtungsquelle 430 und ein transparentes optisches Element 416 umfasst. Beispielhaft wird die lineare Beleuchtungsquelle 430 als Typ dargestellt, der in 4 gezeigt wird, und umfasst wiederum eine lineare Beleuchtungsquelle 402 und eine externe, reflektierende Umfassung 404. Die externe, reflektierende Umfassung 404 weist eine lineare Öffnung 408 mit einer maximalen Breite 414 auf, welche es Licht ermöglicht, von der linearen Beleuchtungsquelle 430 zu dem transparenten optischen Element 416 zu wandern. Das transparente optische Element 416 weist eine Eintrittsoberfläche 418 benachbart zur Öffnung 408, einen verjüngten Längenabschnitt 432, der durch Seitenwände 420 und 422 begrenzt ist, und eine Austrittsoberfläche 424 auf. Wahlweise weist das transparente optische Element 416 auch einen geraden Abschnitt mit parallelen Seitenwänden 434 und 436 auf, wobei der gerade Abschnitt zwischen dem verjüngten Abschnitt (durch die Seitenwände 420 und 422 begrenzt) und der Austrittsoberfläche 424 angeordnet ist. Vorzugsweise ist die Eintrittsoberfläche 418 eben, wobei eine Ebenheit jedoch nicht erforderlich ist. Die Austrittsbreite 428 des optischen Elements 416 ist vorzugsweise größer als die Eintrittsbreite 426 des verjüngten Abschnitts. Insbesondere entspricht die Austrittsbreite 428 des optischen Elements 416 mindestens zwei Mal der Eintrittsbreite 426. Die Seitenwände 420 und 422 des verjüngten Abschnitts können eben, gekrümmt oder facettiert sein. Die Austrittsoberfläche 424 des transparenten optischen Elements 416 kann ebenfalls eben, gekrümmt oder facettiert sein. Vorzugsweise ist die Austrittsoberfläche 424 eine gekrümmte, linsenförmige Linse, wobei die Linse einen einzelnen Krümmungsradius aufweisen, eine parabolische Form oder eine allgemeine Form aufweisen kann, ohne einzelnen Krümmungsradius. Insbesondere weist die Austrittsoberfläche 424 einen einzelnen Krümmungsradius R auf, wobei der Krümmungsradius R von der Hälfte der Austrittsbreite 428 bis zum 1,5-fachen der Hälfte der Austrittsbreite 428 reichen kann. Mit anderen Worten, die Band breite des Krümmungsradius R ist
(Breite 428)/2 ≤ R ≤ (1,5) (Breite 428)/2.
Licht tritt in das transparente optische Element 416 durch die Eintrittsoberfläche 418 ein. Ein Teil des Lichts wird von den Innenoberflächen der Seitenwände 420 und 422 und von den Innenoberflächen der wahlweisen Seitenwände 434 und 436 reflektiert. Die Reflexionen können durch TIR erfolgen, wenn die Seitenwände 420, 422, 434 und 436 unbeschichtet sind, oder sie können durch normale Reflexion erfolgen, wenn die Seitenwände mit einer reflektierenden Beschichtung beschichtet sind. Da die Seitenwände 420 und 422 eine expandierende Verjüngung bilden, wird das Licht teilweise durch den verjüngten Abschnitt des optischen Elements 416 kollimiert. Danach tritt das Licht durch die Austrittsoberfläche 424 aus, welche den Austrittslichtstrahl weiter formen kann. Die Austrittsoberfläche 424 kann zu einem Lichtaustrittsstrahl führen, der entweder mehr kollimiert oder mehr fokussiert.
13 stellt ein lineares Beleuchtungssystem 450 dar, das eine Beleuchtungsquelle 476 und eine verjüngte optische Struktur 466 umfasst. Beispielhaft wird die lineare Beleuchtungsquelle 476 als Typ dargestellt, der in 4 gezeigt wird. Die Beleuchtungsquelle 476 umfasst ferner eine lineare Lichtquelle 452 und eine externe, reflektierende Umfassung 454. Eine Öffnung 458 in der externen, reflektierenden Umfassung 454 ermöglicht es Licht, von der Beleuchtungsquelle 452 zu der verjüngten optischen Struktur 466 zu wandern, welche Seitenwände 470 und 472 aufweist. Wenn die verjüngte optische Struktur 466 eine feste Struktur (nicht hohl) ist, ist das Lichteintrittsende 468 der verjüngten optischen Struktur vorzugsweise eine ebene Oberfläche, wobei die Ebenheit jedoch nicht erforderlich ist. Die Austrittsbreite 480 der verjüngten optischen Struktur 466 ist größer als die Eintrittsbreite 478. Vorzugsweise entspricht die Austrittsbreite 480 der verjüngten optischen Struktur 466 mindestens zwei Mal der Eintrittsbreite 478. Besonders nützlich sind lineare Beleuchtungssysteme, bei denen die Seitenwände 470 und 472 des verjüngten optischen Wellenleiters eine parabolische Form oder die Form eines parabolischen Verbundkonzentrators (CPC) aufweisen. Die verjüngte optische Struktur 466 kann aus einem festen, transparenten Material hergestellt werden, das Oberflächen 470 und 472 aufweist, die entweder unbeschichtet oder mit einem reflektierenden Material beschichtet sind, oder die verjüngte optische Struktur 466 kann eine hohle Struktur sein, mit Oberflächen 470 und 472, die mit einem reflektierenden Material beschichtet sind, und mit offenen Enden 468 und 474. Licht tritt in die verjüngte optische Struktur 466 beim Eintrittsende 468 ein, reflektiert von den Oberflächen 470 und 472 und tritt beim Austrittsende 474 aus. Als Folge der verjüngten Seiten der optischen Struktur 466 wird das Licht an dem Austrittsende 474 der Verjüngung mehr kollimiert als das Licht an dem Eintrittsende 468. Für den Fall, dass die optische Struktur 466 aus einem klaren, dielektrischen Material hergestellt wird, ist es auch möglich, das Austrittsende 474 nicht eben – so wie dargestellt – sondern konvex zu gestalten. In einem solchen Fall kann ein bestimmter Kollimierungsgrad mit einem Element kürzerer Länge erzielt werden, wobei die Länge als die senkrechte Distanz von dem Eintrittsende 468 zu dem Austrittsende 474 definiert wird.
14 zeigt das lineare Beleuchtungssystem 500. Das lineare Beleuchtungssystem 500 umfasst die lineare Beleuchtungsquelle 520 und ein Feld 516 von linsenförmigen, optischen Elementen 518. Beispielhaft wird die lineare Beleuchtungsquelle 520 als Typ dargestellt, der in 4 gezeigt ist. Die lineare Beleuchtungsquelle 520 umfasst ferner die lineare Lichtquelle 502, die teilweise durch eine externe, reflektierende Umfassung 504 mit der Öffnung 508 umgeben ist. Die linsenförmigen, optischen Elemente 518 können linsenförmige Prismen und linsenförmige Linsen enthalten, die getrennt oder in Kombination verwendet werden. Wenn die linsenförmigen, optischen Elemente 518 linsenförmige Prismen sind, können die Seitenwände der Prismen eben, gekrümmt oder facettiert sein. Falls die linsenförmigen, optischen Elemente 518 linsenförmige Linsen sind, können die Linsen einen Krümmungsradius, mehrere Krümmungsradien aufweisen oder asphärische linsenförmige Linsen sein.
Der Zweck der Anordnung 516 von linsenförmigen optischen Elementen besteht darin, das Licht, das aus der Öffnung 508 austritt, weiter zu formen oder zu kollimieren oder zu fokussieren.
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird in 19 als das Gehäuse 700 dargestellt. Das Gehäusesystem 700 umfasst eine hohle, lineare Umfassung 705, welche einen ausreichenden Durchmesser und eine ausreichende Länge aufweist, um eine lineare Lichtquelle zu umgeben, wie zum Beispiel eine fluoreszierende Lampe. Die Wand der Umfassungsröhre weist eine lineare Apertur 710 auf, so dass Licht daraus austreten kann. Die Apertur 710 ist typischer Weise in Form eines Schlitzes von kontrolliertem XY ausgebildet, wodurch die Länge der Umfassung, die zu seiner Achse parallel ist, verlängert wird. Die maximale Breite der linearen Apertur 710 ist geringer als die maximale innere Breite der linearen Umfassung 705. Vorzugsweise reicht die maximale Breite der linearen Apertur 710 von ungefähr 3 % bis ungefähr 75 % der maximalen inneren Breite der linearen Umfassung 705. Bevorzugter reicht die maximale Breite der linearen Apertur 710 von ungefähr 5 % bis ungefähr 50 % der maximalen inneren Breite der linearen Umfassung 705.
Der Umriss des Querschnitts der linearen Umfassung in der Nähe der Apertur ist derart geformt, dass er mindestens ein Element 720 aufweist, das mehrfachen Linienkontakt mit einem optischen Element 730 des Zusammenbaus aufweist. Dieses optische Element 730 ist typischer Weise ein transparenter, zylinderförmiger Stab mit einem Durchmesser, der größer als die Breite des Schlitzes und kleiner als der Durchmesser der Umfassung ist. Der Stab dient dazu, die Richtung des Lichts, das durch ihn wandert zu ändern, von seiner Anfangsrichtung, die aus dem Schlitz austritt.
Mindestens ein Element 720 der Umfassung weist eine Querschnittkontur auf, die so gestaltet ist, dass sie den Stab 730 fest gegen die Umfassung in einer feststehenden Position hält, während es zu keiner Beeinträchtigung des gewünschten Durchgangs des Lichts von innerhalb der Umfassung und durch den Schlitz 710 und den Stab 730 kommt.
Vorzugsweise werden Materialien und die Abmessung der linearen Umfassung in Bezug auf den Stab derart ausgewählt, dass ein „Schnappverschluss" („snap fit") erzielt wird. Somit können die Umfassung und der Stab derart zusammengefügt werden, dass das Ausüben einer physikalischen Kraft auf den Stab gegen die umrissenen Elemente dazu führt, dass die Elemente expandieren und den Stab aufnehmen, so dass der Stab gehalten wird und entlang seiner Länge einen Linienkontakt mit der Umfassung eingeht. Auf diese Weise sind keine zusätzlichen Elemente oder Haftmittel notwendig, um den Stab an der Umfassung zu halten.
Vorzugsweise weist die hohle Umfassung, die den Schlitz enthält, zwei integrierte umrissene Elemente zum Halten des Stabselementes auf, die unter Verwendung von herkömmlichen Extrusionstechniken hergestellt werden. Die Umfassung ist vorzugsweise linear und aus einem reflektierenden Material hergestellt, das ein Reflexionsvermögen von 95 % oder mehr aufweist, so dass keine zusätzlichen reflektierenden Elemente, wie re flektierende Filme oder Beschichtungen, benötigt werden.
Es sollte verstanden werden, dass die vorliegende Erfindung auf eine große Bandbreite von Vorrichtungen anwendbar ist, welche lineare Beleuchtungsquellen und lineare Beleuchtungssysteme benötigen. Beispiele sind unter anderem, ohne darauf beschränkt zu sein, Abtastgeräte, Faxgeräte, Fotokopiergeräte und direkte Beleuchtungsvorrichtungen für kommerzielle Anwendungen, Büroanwendungen, Anwendungen im Wohnbereich, Außenanwendungen, Anwendungen in der Automobilindustrie und Anwendungen bei Geräten. Die vorliegende Erfindung kann auch auf Anzeigen (z. B. Flachbildschirmanzeigen) für Computer, Anwendungen in der Automobilindustrie, im Militär, in der Luftfahrt, im Konsumbereich, im kommerziellen Bereich und bei industriellen Anwendungen angewendet werden.

Claims

Gehäuse (700) für ein Beleuchtungssystem, umfassend (a) eine hohle, lineare, reflektierende Umfassung (705) mit ausreichendem Durchmesser und ausreichender Länge, um eine lineare Lichtquelle zu umfassen, wobei die Umfassung eine lineare Öffnung (710) aufweist, die sich entlang ihrer Länge parallel zu ihrer Achse erstreckt; wobei die lineare Öffnung eine maximale Breite aufweist, die geringer als eine innere Breite der linearen Umfassung ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse ferner Folgendes umfasst: (b) ein Halteelement (720), das bogenförmige Seitenwände aufweist, wobei das Halteelement mit der Umfassung fest verbunden ist und sich entlang der Öffnung erstreckt und ein zylinderförmiges optisches Element (730) in daneben angeordneter Position entlang der Öffnung halten kann.
Gehäuse nach Anspruch 1, wobei die reflektierende Umfassung eine Innenoberfläche aufweist, welche ein reflektierendes Material mit einem Reflexionsvermögen R ≥ 90 % umfasst.
Gehäuse nach Anspruch 2, wobei die reflektierende Umfassung eine Innenoberfläche aufweist, welche ein reflektierendes Material mit einem Reflexionsvermögen R ≥ 95 % umfasst.
Gehäuse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches mehrere Elemente aufweist, um ein optisches Element in daneben angeordneter Position entlang der Öffnung zu halten.
Gehäuse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das optische Element eine Linse ist.
Gehäuse nach Anspruch 5, wobei die Linse eine zylinderförmige Stablinse ist.
Gehäuse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die lineare Öffnung eine maximale Breite aufweist, die von ungefähr 3 % bis ungefähr 75 der maximalen inneren Breite der linearen Umfassung reicht.
Gehäuse nach Anspruch 7, wobei die lineare Öffnung eine maximale Breite aufweist, die von ungefähr 5 % bis ungefähr 50 % der maximalen inneren Breite der linearen Umfassung reicht.
Gehäuse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches ferner eine lineare Lichtquelle innerhalb des Gehäuses umfasst.
Gehäuse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches ferner ein optisches Element innerhalb des Halteelementes umfasst.
Gehäuse nach Anspruch 10, wobei das optische Element fest ist.
Gehäuse nach Anspruch 10, wobei das optische Element ein Lichteintrittsende, das neben der Öffnung angeordnet ist, und ein Lichtauntrittsende aufweist, das von dem Eintrittsende beabstandet ist, wobei eine Breite des Austrittsendes größer als eine Breite des Eintrittsendes ist.
Gehäuse nach Anspruch 12, wobei das optische Element einen Zylinder umfasst, das Lichteintrittsende einen Teil des Zylinders umfasst, der kleiner als die Breite der linearen Öffnung ist, und das Lichtaustrittsende einen Teil des Zylinders umfasst, der größer als die Breite der linearen Öffnung ist.