DE3853230T2

DE3853230T2 - Vorrichtung zur kontinuierlich gesteuerten Ausstrahlung von Licht aus einem prismatischen Lichtwellenleiter.

Info

Publication number: DE3853230T2
Application number: DE3853230T
Authority: DE
Inventors: Lorne A C O Minnesot Whitehead
Original assignee: Minnesota Mining and Manufacturing Co
Current assignee: 3M Co
Priority date: 1987-05-08
Filing date: 1988-05-09
Publication date: 1995-09-28
Anticipated expiration: 2008-05-10
Also published as: KR880014400A; JPS64905A; EP0292173A2; CA1283893C; DE3853230D1; EP0292173B1; MX169311B; US4787708A; EP0292173A3

Description

Gebiet der Erfindung

Die Anmeldung betrifft eine Vorrichtung zum kontinuierlichen Steuern der Emission von Licht von einem Prismen-Lichtleiter, wie er in der US am 7. April 1981 ausgegebenen US-PS 4 260 220 auf eine Erfindung von Lorne A. Whitehead allgemein beschrieben und dargestellt ist.

Hintergrund der Erfindung

In der vorgenannten US-PS ist ein Prismen-Lichtleiter beschrieben und dargestellt, der dazu dient, Licht von einer zentralen Quelle zu einer oder mehreren davon entfernten Stelle zu übertragen oder zu leiten. Hier wird als "Lichtleiter" ein Lichtleiter bezeichnet, wie er in der vorgenannten US-PS beschrieben und unter Schutz gestellt ist. Insbesondere wird hier mit dem Ausdruck "Lichtleiter" ein hohles Gebilde bezeichnet, das aus Abschnitten zusammengesetzt ist, die über Bereich jedes dieser Abschnitte, die relativ zu der Wandstärke des Lichtleiters in diesen Bereichen nicht groß sind, Innen- und Außenflächen besitzen, die in einer "Oktaturbeziehung" zueinander stehen, d.h., daß
1. alle Innenflächen jedes Abschnitts zueinander entweder rechtwinklig oder parallel sind;
2. alle Außenflächen jedes Abschnitts zueinander rechtwinklig oder parallel sind und
3. jede der Innenflächen unter einem Winkel von 45º zu jeder der Außenflächen angeordnet ist.
In der vorgenannten Patentschrift wird erläutert, daß Licht gezwungen werden kann, durch einen derartigen Lichtleiter zu wandern, ohne daß Licht durch die Wände des Leiters entweicht, wenn der Winkel, unter dem die Lichtstrahlen von dem Längsachsvektor des Leiters abweichen, ein Maximum nicht überschreitet, das von der Brechzahl des Lichtleiters abhängt und von dem gezeigt werden kann, daß es bei einem Lichtleiter aus einem Werkstoff mit der Brechzahl 1,5, wie Acrylkunststoff, 27,6º beträgt.
Zu zahlreichen Anwendungen soll das Licht aus dem Lichtleiter kontinuierlich entweichen. Insbesondere ist es häufig erwünscht, daß der Anteil des aus dem Leiter entweichenden Lichts sich längs des Leiters derart verändert, daß die Menge des pro Längeneinheit des Leiters entweichenden Lichts eine gewählte Werteverteilung hat. In zahlreichen Fällen ist es erwünscht, daß aus dem Leiter pro Längeneinheit entweichende Lichtmenge über die Länge des Leiters im wesentlichen konstant ist, damit längs des Leiters eine einheitliche Beleuchtung erzielt wird.
Allgemein gibt es sieben Mechanismen, die bewirken können, daß Licht aus einem Lichtleiter entweicht:
1. Winkelabweichung des zum Herstellen des Lichtleiters verwendeten Prismen-Lichtleiterwerkstoffs.
2. Lichtstreuungserscheinungen, die durch physikalische Eigenschaften des zum Herstellen des Lichtleiters verwendeten Prismen-Lichtleiterwerksotffs verursacht werden.
3. Verformung oder Zerstörung der Prismen, aus denen der Prismen-Lichtleiterwerkstoff besteht.
4. Entfernen des Prismen-Lichtleiterwerkstoffs von einem Teil des Lichtleiters.
5. Nichtlinearität des zentralen Lichtweges in dem Lichtleiter.
6. Veränderbarkeit des Querschnitts des Lichtleiters.
7. Anordnung von im wesentlichen nichtlichtabsorbierenden Substanzen in dem Lichtleiter.
Die ersten zwei Mechanismen sind innere Eigenschaften des den Lichtleiter bildenden Prismen-Lichtleiterwerkstoffes und können daher nicht in der gemäß dieser Anmeldung vorgesehenen Weise beeinflußt werden. Dagegen können die übrigen fünf Eigenschaften einzeln oder in Kombination miteinander beeinflußt werden, daß der Anteil des aus dem Lichtleiter entweichenden Lichts längs des Lichtleiters derart variiert, daß die Menge des aus dem Lichtleiter entweichenden Lichts längs des Lichtleiters eine gewählte Werteverteilung hat.

Darstellung der Erfindung

Die Erfindung schafft einen Lichtleiter nach Anspruch 1.
Die Erfindung schafft einen Lichtleiter der vorstehend gekennzeichneten Art, in dem ein erster Teil des Lichtleiters wenigstens teilweise aus Prismen-Lichtleiterwerkstoff besteht und der übrige Teil des Lichtleiters einem beträchtlichen Teil des darauffallenden Lichts gestattet, durch diesen Teil zu entweichen. Das Verhältnis des ersten Teils zu dem übrigen Teil kann längs des Lichtleiters derart variiert werden, daß an allen Punkten längs des Lichtleiters durch den übrigen Teil eine im wesentlichen konstante Lichtmenge entweicht. Zum Herstellen des übrigen Teils kann man von einem gewählten Bereich des Lichtleiters eine gewählte Menge Prismen-Lichtleiterwerkstoff entfernen. Man kann den übrigen Teil auch dadurch herstellen, daß die optischen Eigenschaften in einem gewählten Bereich des Prismen-Lichtleiterwerkstoffes, der zunächst zum Herstellen eines Teils des ersten Teils verwendet wurde, derart verändert werden, daß in dem gewählten Bereich eine totale gerichtete Innenreflexion von Licht in dem Lichtleiter verhindert wird, wie sie stattfinden würde, wenn diese Substanz nicht vorhanden wäre.
In jeder Ausführungsform kann ferner über mindestens einem Teil des erfindungsgemäßen Lichtleiters außen eine Abdeckung vorgesehen sein, die bewirkt, daß ein Teil des aus dem Lichtleiter entweichenden Lichts durch die Abdeckung hindurch von dem Lichtleiter weg übertragen wird, während der übrige Teil des entweichenden Lichts von der Abdeckung zurück in den Lichtleiter reflektiert wird.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Figur 1 zeigt schaubildlich einen Abschnitt eines erfindungsgemäßen Lichtleiters.

Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

In Figur 1 ist ein im Querschnitt rechteckiger Abschnitt 10 eines Lichtleiters dargestellt. Für den Fachmann versteht es sich jedoch, daß Lichtleiter mit beliebigem Querschnitt hergestellt werden können. Zweckmäßig wird der "zentrale Lichtweg" in einem Lichtleiter als der Ort der Punkte definiert, die die Flächenmittelpunkte von in dem Lichtleiter enthaltenen Segmenten aller Ebenen sind, die den Lichtleiter schneiden und so orientiert sind, daß jeder der Ebenenensegmente eine minimale Fläche hat. Wenn beispielsweise der Lichtleiter zylindrisch ist, hat er einen kreisförmigen Querschnitt und ist sein zentraler Lichtweg die Längsachse des Zylinders, weil die in dem Lichtleiter enthaltenen Segmente aller Ebenen, die den Lichtleiter schneiden und die so orientiert sind, daß die Fläche jedes der Ebenensegmente minimal ist, Kreise sind und die Flächenmittelpunkte dieser Kreise deren Mittelpunkte sind, die zusammen einen 0rt von Punkten bilden, der die Längsachse des Zylinders definiert. Ferner definiert man zweckmäßig eine "durchschnittliche Querschnittsabmessung", die für jedes der vorgenannten Ebenensegmente die durchschnittliche Länge jener in dem Lichtleiter liegenden Teile aller Linien sind, die auf dem einen Ebenensegment liegen und den Lichtleiter schneiden. Beispielsweise ist in einem zylindrischen Lichtleiter die durchschnittliche Querschnittsabmessung etwas kleiner als der Durchmesser der vorgenannten kreisförmigen Ebenensegmente mit der kleinsten Fläche.
Ein brauchbarer Lichtleiter muß mehreren Kriterien genügen. Insbesondere muß die Länge des Lichtleiters beträchtlich größer sein als die durchschnittliche Querschnittsdimension im wesentlichen aller der vorgenannten gedachten Ebenensegmente, damit Licht über eine brauchbare Strecke geleitet werden kann. Das Maß der Änderung im wesentlichen aller zufällig gewählten Querschnittsabmessungen des Lichtleiters längs des Lichtleiters muß beträchtlich kleiner sein als der Kehrwert der durchschnittlichen Querschnittsabmessung im wesentliche aller vorgenannten gedachten Segmente. Andernfalls könnten aus dem Leiter sehr beträchtliche Lichtmengen austreten, wenn ein derartiger Austritt nicht oder kaum beeinflußt werden kann. Aus demselben Grund muß der Krümmungsradius des zentralen Lichtweges in dem Lichtleiter im wesentlichen an allen zufällig gewählten Punkten des zentralen Lichtweges beträchtlich größer sein als die durchschnittliche Querschnittsabmessung im wesentlichen aller vorgenannten gedachten Ebenensegmente.
Hier wird häufig der Ausdruck "im wesentlichen" oder "beträchtlich" verwendet, weil es zahlreiche Lichtleiter gibt, die einen Austritt von Licht durch ihre Wände gestatten, aber trotzdem brauchbare Eigenschaften zum Leiten von Licht besitzen, weil brauchbare Lichtmengen über die ganze Länge oder im wesentlichen über die ganze Länge des Leiters geleitet werden.
Vorstehend wurde erläutert, daß ein Lichtleiter mit den vorgenannten allgemeinen Eigenschaften so ausgebildet sein kann, daß Licht gezwungen wird, durch den Lichtleiter zu wandern, ohne durch dessen Wände zu entweichen. Durch die Wände des Leiters entweicht stets eine kleine Lichtmenge, weil es physikalisch unmöglich ist, "ideale" Prismen herzustellen, und weil der zum Herstellen des Lichtleiters verwendete Prismen-Oichtleiterwerkstoff eine Streuung des Lichts bewirkt. (Ein geeigneter Prismen-Lichtleiterwerkstoff wird von 3M Company, St. Paul, Minnesota, unter dem Warenzeichen SCOTCHCAL vertrieben.) Die vorstehend angegebenen inneren Eigenschaften sind im wesentlichen nicht beeinflußbar. Ihre Wirkungen können weitgehend vermindert, aber nie vollständig beseitigt werden. Daher konzentriert sich diese Anmeldung auf beeinflußbare andere Mechanismen, die bewirken, daß Licht aus einem Lichtleiter entweicht.
In der Figur 1 ist gezeigt, daß Licht dadurch zum Entweichen aus einem Lichtleiter veranlaßt werden kann, daß dieser aus zwei getrennten Teilen hergestellt wird. Gemäß der Figur 1 besteht ein erster Teil des Lichtleiters wenigstens teilweise aus Prismen-Lichtleiterwerkstoff 12 und ist der übrige Teil 14 so ausgebildet, daß ein beträchtlicher Teil des (aus dem Innern des Lichtleiters) darauffallenden Lichts durch diesen Teil entweicht. Zum Ausbilden des übrigen Teils 14 kann man beispielsweise in einem gewählten Bereich des Lichtleiters 10 eine gewählte Menge Prismen-Lichtleiterwerkstoff 12 wegschneiden oder auf andere Weise entfernen. Man kann den übrigen Teil 14 auch dadurch herstellen, daß in einem gewählten Bereich die optischen Eigenschaften des Prismen-Lichtleiterwerkstoffs 12, der zunächst einen Teil des Lichtleiters 10 bildet, derart verändert werden, daß in dem genannten gewählten Bereich eine totale direkte Innenreflexion von Licht in dem Lichtleiter 10 verhindert wird. Diese Änderung kann beispielsweise bewirkt werden, indem durch Sandpapierschleifen, Schleifen oder sonstiges Abreiben von Prismen-Lichtleiterwerkstoff 12 die darauf vorhandenen Prismen verformt oder zerstört werden. Man kann den übrigen Teil 14 auch dadurch herstellen, daß in einem gewählten Bereich mit dem des Prismen-Lichtleiterwerkstoff, der zunächst einen Teil des Lichtleiters 10 bildet, eine Substanz in optischen Kontakt gebracht wird, die in dem Lichtleiter 10 eine totale direkte Innenreflexlon von Licht verhindert, wie sie ohne diese Substanz stattfinden würde. Beispielsweise kann auf die prismatische Oberfläche des Prismen-Lichtleiterwerkstoffs 12 flüssiges Acrylharz so gesprüht oder aufgestrichen werden, daß in dem vorgenannten gewählten Bereich auf dem Werkstoff 12 keine prismatische, sondern eine glatte Außenfläche vorhanden ist.
Gemäß der Figur 1 wird von einer der vier Wände des rechteckigen Lichtleiters 10 ein solcher Teil des Prismen-Lichtleiterwerkstoffs 12 entfernt, daß der übrige Teil 14 einfach offenbleibt, so daß Licht durch diese Wand des Lichtleiters 10 entweichen kann. Dabei sei jedoch darauf hingewiesen, daß das Verhältnis des Prismen-Lichtleiterwerkstoffes 12 zu dem übrigen Teil 14 sich längs des Lichtleiters 10 ändert. In diesem Beispiel ist angenommen, daß die das Innere des Lichtleiters 10 beleuchtende Lichtquelle an dem in Figur 1 rechten Ende des Lichtleiters 10 angeordnet wird. Am entgegengesetzten Ende des Lichtleiters 10 wird ein lichtreflektlerender Spiegel angeordnet. (Es kann aber auch der Lichtleiter 10 doppelt so lang sein und an seinem entgegengesetzten Ende eine identische zweiter Lichtleiter 10 angeordnet werden.) Gemäß der Figur 1 ist der übrige Teil 14 bis zu jenem Ende des Lichtleiters 10, an dem sich die Lichtquelle befindet, längs des Lichtleiters 10 allmählich größer. Die Menge des Prismen-Lichtleiterwerkstoffes 12 auf der betreffenden Wand des Lichtleiters nimmt entsprechend ab. Infolgedessen entweicht an dem der Lichtquelle benachbarten Ende des Lichtleiters 10 durch den übrigen Teil 14 nur relativ wenig Licht und nimmt die durch den übrigen Teil 14 entweichende Lichtmenge längs des Leiters in dem Maße zu, in dem die von dem übrigen Bereich 14 bedeckte Fläche zunimmt. Auf Grund von Versuchen kann man den übrigen Teil 14 so ausbilden, daß die pro Längeneinheit des Lichtleiters 10 entweichende Lichtmenge für eine einheitliche Beleuchtung sorgt.
Das Entweichen des Lichts aus einem Lichtleiter kann längs einer Linie analysiert werden, an der eine zu dem zentralen Lichtweg in dem Lichtleiter rechtwinklige Ebene diesen zentralen Lichtweg an einem Punkt "z" schneidet. Wenn ∅&sub1; Lichtstrom des Lichtes ist, das in einer ersten Richtung durch den Leiter in dessen Längsrichtung wandert, und ∅&sub2; der Lichtstrom des Lichts, das in der entgegengesetzten Richtung durch den Leiter in dessen Längsrichtung wandert, und wenn E&sub1; jener Anteil des in der ersten Richtung wandernden Lichts ist, das aus dem Lichtleiter entweicht, und E&sub2; der Anteil des in der entgegengesetzten Richtung wandernden Lichts, das aus dem Leiter entweicht, dann ist der Lichtstrom I(z) des an der vorgenannten Schnittlinie aus dem Leiter entweichenden Lichts durch
I(z)=E&sub1;(z)∅(z)+E&sub2;(z)∅&sub2;(z)
gegeben. Da das aus dem Leiter entweichende Licht den Leiter nicht in dessen Längsrichtung durchwandert, sind die Änderungsmaße von ∅&sub1; und ∅&sub2; durch
d(∅&sub1;(z)/dz=∅&sub1;(z)E&sub1;(z) und
d∅&sub2;(z)/dz = ∅&sub2;(z)E&sub2;(z)
gegeben. Dabei sind mit den unterschiedlichen Vorzeichen die beiden Richtungen bezeichnet, in denen Licht durch den Leiter wandert.
Man kann die vorstehenden Gleichungen lösen, wenn die an den Enden des Leiters herrschenden Bedingungen bekannt sind, wie dies gewöhnlich der Fall ist: Gewöhnlich werden die Bedingungen am einen Ende des Leiters durch eine Lichtquelle und am entgegengesetzten Ende durch einen Spiegel bestimmt. Für den Fachmann versteht es sich, daß durch die Wahl eines gegebenen Satzes von Werten für E&sub1; und E&sub2; (die gewöhnlich gleich sind, wenn nicht irgendeine optische Asymmetrie vorhanden ist) die Werte vorgegeben werden können, die für ∅&sub1; und ∅&sub2; und damit für I erzielbar sind. Wenn daher an einer bestimmten Stelle längs des Leiters ein gewählter Wert von I(z) erzielt werden soll, kann man in Versuchen oder durch Computersimulation durch Änderung von E&sub1; und E&sub2; die Werte bestimmen, mit denen der gewählte Wert von I(z) erzielt werden kann. In der Praxis sind Einschränkungen dadurch bedingt, daß durch innere Verluste in dem Lichtleiterwerkstoff der kleinste erzielbare Wert von I(z) vorgegeben ist. Ein erzielbarer Maximalwert von I(z) ist von der für das Entweichen von Licht angewendeten Technik abhängig. Wenn beispielsweise Lichtleiterwerkstoff 12 vollständig entfernt wird, kann das Entweichen einer größeren Lichtmenge aus dem Lichtleiter nur erzielt werden, wenn die von der Lichtquelle her eintretende Lichtmenge vergrößert wird. Ein weiterer zu berücksichtigender Auslegungsfaktor ist dadurch gegeben, daß die nach der Reflexion am entgegengesetzten Ende des Leiters zu der Lichtquelle zurückkehrende Lichtmenge möglichst klein sein soll.
Man kann den Lichtleiter 10 außen mit einer (nicht gezeigten) Abdeckung umschließen, die aus einem Werkstoff besteht, der Teile besitzt, die für Licht im wesentlichen durchlässig sind, und andere Teile, die Licht im wesentlichen reflektieren. Infolgedessen wandert ein Teil des durch die Wände des Lichtleiters 10 entweichenden Lichts durch den lichtdurchlässigen Teil der Abdeckung hindurch von dem Lichtleiter 10 weg und dient zu Beleuchtungszwecken. Der übrige Teil des durch die Wände des Lichtleiters 10 entweichenden Lichts wird von den lichtreflektierenden Teilen der Abdeckung in den Lichtleiter 10 zurückreflektiert. Man kann daher eine beträchtliche Steuerung erzielen, wenn der Lichtleiter 10 und die Abdeckung so ausgebildet werden, daß aus dem Lichtleiter 10 und der Abdeckung nur eine gewünschte Lichtmenge entweicht und daß das übrige Licht nicht "vergeudet", sondern in den Lichtleiter zurückreflektiert wird und in demselben in dessen Längsrichtung weiterwandert und aus dem Lichtleiter gegebenenfalls an einer weiteren Stelle längs des Leiters entweicht. Infolge wird von der den Lichtleiter 10 beleuchtenden Lichtquelle nur eine minimale Energiemenge zur Beleuchtung verwendet.

Claims

1. Im wesentlichen geradliniger Lichtleiter, der aus einem Prismen-Lichtleiterwerkstoff mit im Oktaturverhältnis zueinander angeordneten Innen- und Außenflächen besteht, der einen im wesentlichen konstanten Querschnitt hat, dessen Länge beträchtlich größer ist als seine durchschnittliche Querschnittsabmessung und der eine Wand (12) besitzt, die für einen Austritt von Licht derart ausgebildet ist, daß bei einer Beleuchtung eines ersten Endes durch eine Lichtquelle Licht durch die Wand derart entweicht, daß an allen Stellen der Länge der Wand eine einheitliche Beleuchtung erzielt wird. dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Wand (12) aus einem ersten im wesentlichen dreieckigen ersten Teil (12) aus dem Prismen-Dichtlelterwerkstoff und aus einem übrigen Teil (14) besteht, daß ein beträchtlicher Teil des aus dem Innern des Lichtleiters auf den übrigen Teil (14) fallenden Lichts durch den übrigen Teil hindurch entweicht, daß der aus dem übrigen Teil (14) bestehende Anteil der Wand (12) von dem ersten Ende des Lichtleiters längs desselben allmählich zunimmt.

2. Lichtleiter nach Anspruch 1, in dem zum Herstellen des übrigen Teils (14) Llchtleiterwerkstoff von der Lichtleiterwand entfernt wird.

3. Lichtleiter nach Anspruch 1, in der zum Herstellen des übrigen Teils (14) durch Sandpapierschleifen, Schleifen oder sonstiges Abreiben des Prismen-Lichtleiterwerkstoffes die Prismen verformt oder zerstört werden.

4. Lichtleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Herstellen des übrigen Teils (14) mit dem Prismen-Lichtleiterwerkstoff an der Oberfläche des Lichtleiterwerkstoffs eine Substanz in optischen Kontakt gebracht wird, die eine totale direkte Innenreflxion von Licht verhindert.

5. Lichtleiter nach Anspruch 5, in dem die genannte Substanz eine zur Bildung einer glatten Außenfläche auf die prismatische Fläche der Wand aufgesprühte oder aufgestrichene Acrylsubstanz ist.