DE69623974T2

DE69623974T2 - Auflage mit strukturierter oberfläche zur lichtauskoppelung und beleuchtungssystem

Info

Publication number: DE69623974T2
Application number: DE69623974T
Authority: DE
Inventors: H Appeldorn; J Lundin
Original assignee: Minnesota Mining and Manufacturing Co
Current assignee: 3M Co
Priority date: 1995-08-23
Filing date: 1996-07-02
Publication date: 2003-01-23
Anticipated expiration: 2016-07-03
Also published as: JPH11512191A; ZA966248B; EP0846241B1; KR19990044014A; MX9801304A; NO980402D0; WO1997008490A1; DE69623974D1; CA2227618A1; AU6407496A; US5631994A; NO980402L; ATE225014T1; EP0846241A1

Description

TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG

Die Erfindung betrifft Beleuchtungssysteme. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Overlay, einen Überzug bzw. eine Auflage mit strukturierter Oberfläche zum Auskoppeln von Licht aus einem Lichtwellenleiter und ein Beleuchtungssystem, in dem diese Auflage verwendet wird.

TECHNISCHER HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Lichtleitfasern bzw. Lichtwellenleiter weisen einen Kern auf, der im allgemeinen aus einem anorganischen Glas oder einem synthetischen Kunststoff besteht, und können ein Mantelmaterial mit einem niedrigeren Brechungsindex als dem des Kernmaterials aufweisen. In ein Ende des Lichtwellenleiters eingekoppeltes Licht breitet sich nach den Prinzipien der inneren Totalreflexion durch den Faserkern aus. Der Wirkungsgrad der Ausbreitung durch den Lichtwellenleiter ist proportional zur Differenz zwischen dem Brechungsindex der Lichtleitfaserkerns und dem Brechungsindex des Mantels. Dementsprechend steigt der Wirkungsgrad der Ausbreitung mit zunehmender Differenz zwischen dem Brechungsindex des Kerns und dem Brechungsindex des Mantels.
In der Komunikationsindustrie verwendete Lichtleitfasern messen typischerweise von etwa 0,1 mm und 1,5 mm. In der Praxis können mehrere Lichtleitfasern zu einem Lichtleiterkabel gebündelt werden. Jede Faser in dem Kabel kann selbständig bzw. unabhängig Licht übertragen. Dementsprechend wird eine solche Bündelung von Lichtleitfasern für Datenübertragungszwecke als wünschenswert angesehen, wie z. B. in der Elektronik- und Telekommunikationsindustrie.
Eine Lichtleitfaser kann auch als Komponente einer Beleuchtungsvorrichtung bzw. einen Beleuchtungssystem eingesetzt werden. Man kann Licht in ein Ende einer Lichtleitfaser einkoppeln und an einer vorgegebenen Stelle entlang der Faser austreten lassen. Verfahren zur Förderung des Lichtaustritts aus der Faser sind unter anderem das Anbringen von relativ scharfen Knicken an der Faser, die allgemein als Mikrokrümmungen bekannt sind (US-A-4 885 663, US-A-4 907 132, DE-A-38 01 385) und das Entfernen und/oder Aufrauhen eines Abschnitts des Lichtleitfaserkerns oder -mantels, um eine diffuse Oberfläche zu schaffen, die Licht austreten läßt (FR-A-2 626 381; Japanische Gebrauchsmuster, Reg.-Nrn. 62-9205; 62-9206). Alle diese Verfahren sind im wesentlichen passive Auskopplungsverfahren, die Licht unkontrolliert aus einer Lichtleitfaser entweichen lassen. US-A-5 432 876 ('876er Patentschrift) betrifft eine Lichtleitfaser mit mehreren im Kern der Lichtleitfaser ausgebildeten reflektierenden Flächen, die einen Teil des Lichts, das sich axial durch die Faser ausbreitet, in radialer Richtung reflektieren, so daß es in radialer Richtung aus der Faser austritt. Die in US-A-5 432 876 beschriebene Erfindung erfordert eine dauerhafte Veränderung des Kerns der Lichtleitfaser, die vorzugsweise während des Herstellungsprozesses ausgeführt wird.
WO-A-94/20871 offenbart ein optisches Bauelement zur Auswahl von Licht und zur selektiven Auskopplung oder Bündelung des Lichts. Eine keilförmige Schicht weist einen optischen Brechungsindex n1 und Deck-, Boden- und Seitenflächen auf, die einander schneiden und einen Neigungswinkel d definieren. Eine Rückseite spannt die Deckfläche, Bodenfläche und die Seitenfläche auf. Eine erste Schicht ist mit der Bodenfläche der Schicht gekoppelt und weist einen Brechungsindex n2 auf. Der Brechungsindex n2 der ersten Schicht führt dazu, daß durch die Rückseite der Schicht einfallendes Licht vorzugsweise durch die erste Schicht austritt. Eine zweite Schicht ist mit der Bodenfläche der ersten Schicht gekoppelt und verursacht selektiv einen Lichtaustritt in die Umgebung. Weitere Schichten, wie z. B. ein Luftspalt, können angrenzend an die keilförmige Schicht vorgesehen werden. Die keilförmige Schicht kann auch einen veränderlichen Brechungsindex n aufweisen.
US-A-4 052 120 offenbart eine optische Vorrichtung zur Erzeugung eines Lichtvorhangs mit Hilfe eines Lichtleitfaserstabs mit einem Sägezahnspiegel, der entlang der vom Lichtvorhang entfernten Fläche angeordnet ist.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung stellt ein Overlay Überzug bzw. eine Auflage zum Auskoppeln von Licht aus einem Lichtwellenleiter bereit. Vorzugsweise weist eine erfindungsgemäße Auflage ein im wesentlichen optisch durchsichtiges Substrat mit einer Grundfläche und einer strukturierten Fläche mit mehreren optischen Elementen gegenüber der Grundfläche auf. Mindestens ein optisches Element, und vorzugsweise eine Mehrzahl der optischen Elemente, weist eine erste optisch glatte Fläche auf, die in einem Winkel zur Grundfläche der Auflage angeordnet ist, so daß im Gebrauch ein Teil des auf die Grundfläche der Auflage auffallenden Lichts von der optisch glatten Fläche reflektiert wird und an der Grundfläche in einem Winkel, der kleiner ist als der Einfallswinkel, aus der Auflage austritt.
Ein zweiter Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Lichtverteilungssystem mit einem Lichtwellenleiter zum Transport von Licht und mindestens einer Lichtauskopplungsauflage mit einem Substrat, das eine Grundfläche und eine der Grundfläche gegenüberliegende, mit einem Teil der Oberfläche des Lichtwellenleiters optisch gekoppelte, strukturierte Fläche zum Auskoppeln von Licht aus dem Lichtwellenleiter aufweist. In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Lichtwellenleiter eine Lichtleitfaser, noch stärker bevorzugt eine Lichtleitfaser mit großem Durchmesser (z. B. > 1,0 mm), zum Transport von Licht auf. Die Grundfläche der Lichtauskopplungsauflage ist optisch so mit einem Teil der Oberfläche des Lichtwellenleiters gekoppelt, daß Licht aus dem Lichtwellenleiter in das Substrat übertragen werden kann. Die strukturierte Fläche weist mindestens ein optisches Element mit einer ersten, optisch glatten Oberfläche auf, die in einem Winkel zur Grundfläche angeordnet ist, so daß vom Lichtwellenleiter in das Substrat übertragenes Licht von dem optischen Element reflektiert und an einer gegen die Auflage versetzten Stelle aus einer Oberfläche des Lichtwellenleiters ausgekoppelt werden kann.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Beleuchtungssystem, das eine Lichtquelle und einen optisch mit der Lichtquelle gekoppelten Lichtwellenleiter zum Transport von Licht von der Lichtquelle sowie mindestens eine Lichtauskopplungsauflage aufweist, die mit einem Teil der Lichtwellenleiteroberfläche optisch gekoppelt ist. In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Lichtwellenleiter eine Lichtleitfaser, stärker bevorzugt eine Lichtleitfaser mit großem Durchmesser (z. B. > 1,0 mm), zum Transport von Licht auf. Die Grundfläche der Lichtauskopplungsauflage ist optisch so mit einem Abschnitt der Lichtwellenleiteroberfläche gekoppelt, daß Licht aus dem Lichtwellenleiter in das Substrat übertragen werden kann. Die strukturierte Fläche weist mindestens ein optisches Element mit einer ersten, optisch glatten Oberfläche auf, die in einem Winkel zur Grundfläche angeordnet ist, so daß vom Lichtwellenleiter in das Substrat übertragenes Licht von dem optischen Element reflektiert und an einer gegen die Auflage versetzten Stelle aus einer Oberfläche des Lichtwellenleiters ausgekoppelt werden kann.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft die Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung eines Lichtwellenleiters zur Verteilung von Licht auf vorgegebene, an den Lichtwellenleiter angrenzende Bereiche. Erfindungsgemäß wird mindestens ein gewünschter Abschnitt des Lichtwellenleiters ausgewählt, aus dem Licht, das sich durch den Lichtwellenleiter ausbreitet, auszukoppeln ist. Als nächstes wird entlang einem gewünschten Abschnitt des Lichtwellenleiters eine Lichtauskopplungsauflage so mit dem Lichtwellenleiter verbunden, daß die Grundfläche der Lichtauskopplungsauflage mit dem lichtdurchlässigen Abschnitt des Lichtwellenleiters optisch gekoppelt wird. Wenn Licht in den Lichtwellenleiter eingekoppelt wird, wird dementsprechend ein bestimmter Teil des Lichts, das sich entlang dem Lichtwellenleiter ausbreitet, an der gewünschten Stelle ausgekoppelt.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform einer Lichtauskopplungsauflage mit strukturierter Oberfläche nach den Grundgedanken der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 zeigt eine schematische Schnittansicht einer Lichtauskopplungsauflage mit strukturierter Oberfläche in Verbindung mit einem Lichtwellenleiter, welche die Funktionsprinzipien einer erfindungsgemäßen Lichtauskopplungsauflage darstellt;
Fig. 3 zeigt eine schematische Schnittansicht einer alternativen Ausführungsform einer Lichtauskopplungsauflage mit strukturierter Oberfläche in Verbindung mit einem Lichtwellenleiter, welche deren Funktionsprinzipien darstellt;
Fig. 4 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Beleuchtungssystems, das eine Lichtauskopplungsauflage mit strukturierter Oberfläche gemäß den Grundgedanken der vorliegenden Erfindung einschließt;
Fig. 5 zeigt eine Schnittansicht eines Abschnitts der in Fig. 4 dargestellten Lichtleitfaser, geschnitten in Richtung der Längsachse;
Fig. 6 zeigt eine Schnittansicht eines Abschnitts der in Fig. 4 dargestellten Lichtleitfaser in einer zur Längsachse senkrechten Ebene.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Lichtauskopplungsauflage, die, wenn sie in Verbindung mit einem Lichtwellenleiter verwendet wird, einen hochwirksamen Mechanismus zum Auskoppeln von Licht aus einer oder mehreren gewünschten Stellen an einen Lichtwellenleiter bereitstellt. Eine Auflage gemäß der vorliegenden Erfindung ist ohne weiteres an das Auskoppeln einer gewünschten Lichtmenge aus einer vorgegebenen Fläche eines Lichtwellenleiters anpassungsfähig. Außerdem kann eine erfindungsgemäße Auflage leicht an die Verteilung von ausgekoppeltem Licht in eine gewünschte Energiecharakteristik bzw. -muster oder -verteilung angepaßt werden. Hier werden zwar verschiedene konkrete Ausführungsformen der Erfindung beschrieben, aber durch die vorliegende Erfindung werden viele weitere Varianten ins Auge gefaßt, die für einen Durchschnittsfachmann der Lichttechnik offensichtlich sind.
Eine beispielhafte Ausführungsform einer Auflage gemäß der vorliegenden Erfindung weist ein im wesentlichen optisch durchsichtiges bzw. transparentes Substrat auf, das aus einem geeigneten Kunststoff hergestellt ist und vorzugsweise eine Dicke von etwa 0,05 mm bis 1,5 mm hat. Das Substrat weist eine Grundfläche und eine der Grundfläche gegenüberliegende strukturierte Fläche auf. Die Grundfläche weist vorzugsweise einen optisch durchsichtigen Verbindungsmechanismus zur optischen Kopplung der Auflage an einen Lichtwellenleiter auf, wie z. B. an eine Lichtleitfaser. Die strukturierte Fläche weist vorzugsweise mehrere optische Elemente auf, die durch eine im wesentlichen ebene, optisch glatte Fläche voneinander getrennt sein können. Jedes optische Element definiert eine erste optisch glatte Fläche und eine zweite Fläche im Substrat. Jede optisch glatte Fläche ist in einem Winkel von etwa 40 bis 50º zur Grundfläche angeordnet, vorzugsweise in einem Winkel von etwa 45º zum Substrat. Vorzugsweise sind die ersten und zweiten Seitenflächen der optischen Elemente mit einer normal- bzw. spiegelreflektierenden Substanz beschichtet.
Der Begriff "optisch glatte Fläche", wie er hier gebraucht wird, soll sich auf eine Oberfläche beziehen, die so funktioniert, daß sie auffallendes Licht spiegelnd reflektiert. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Teil des von dem optischen Element reflektierten Lichts in einem Winkel, der kleiner ist als der kritische Winkel, der nach den Prinzipien der inneren Totalreflexion für eine fortgesetzte Ausbreitung entlang der Faser notwendig ist, in den Lichtwellenleiter umgelenkt. Optisch glatte Flächen sind von streuenden Flächen zu unterscheiden, die Licht aus einer Lichtleitfaser entweichen lassen.
Im Gebrauch ist die Grundfläche der Auflage optisch mit einem Lichtwellenleiter gekoppelt. Ein Teil des Lichts, das sich durch den Lichtwellenleiter ausbreitet, wird durch die Grundfläche der Auflage durchgelassen und breitet sich durch das optisch durchsichtige Substrat aus. Ein erster Teil des Lichts, das sich durch das Substrat ausbreitet, trifft auf eine der optisch glatten Flächen eines optischen Elements und wird in einem Winkel reflektiert, der kleiner ist als der kritische Winkel für den Lichtwellenleiter, wodurch das Licht aus dem Lichtwellenleiter herausgelenkt wird. Vorausgesetzt, daß die strukturierte Fläche eine optisch glatte Fläche aufweist, die im wesentlichen parallel zur Grundfläche ist, trifft ein zweiter Teil des Lichts, das sich durch die Auflage ausbreitet, auf diesen Teil der strukturierten Fläche auf und wird in einem Winkel, der größer als der kritische Winkel ist, in den Wellenleiter zurückreflektiert und breitet sich daher weiter durch den Lichtwellenleiter aus.
Vorteilhafterweise ermöglicht ein Lichtverteilungssystem, das eine Kombination aus einem Lichtwellenleiter und mindestens einer Lichtauskopplungsauflage aufweist, das selektive Auskoppeln von Licht aus einer oder mehreren gewünschten Stellen an einem Lichtwellenleiter, wodurch eine bessere Flexibilität als bei bestehenden Lichtleitfaserbeleuchtungssystemen bereitgestellt wird. Außerdem können Lichtauskopplungsauflagen gemäß der vorliegenden Erfindung so konstruiert werden, daß bei ihrer Verwendung in Kombination mit einem Lichtwellenleiter von vorgewählter Form Licht mit einer vorgegebenen, gewünschten Energieverteilungsstruktur bzw. -muster ausgekoppelt wird.
Fig. 1 zeigt einen Abschnitt einer Ausführungsform einer Lichtauskopplungsauflage 10 gemäß dem Grundgedanken der vorliegenden Erfindung. Die Auflage 10 besteht aus einem im wesentlichen optisch durchsichtigen Substrat 12 und weist eine Grundfläche 14 und eine der Grundfläche 14 gegenüberliegende strukturierte Fläche 16 auf. Die strukturierte Fläche 16 weist mindestens ein, vorzugsweise mehrere darin ausgebildete optische Elemente 18 auf. Jedes optische Element weist mindestens eine optisch glatte Fläche 20 auf. Obwohl dies nicht notwendig ist, sind die optischen Elemente 18 vorzugsweise durch einen im wesentlichen ebenen Abschnitt 24 einer strukturierten Fläche 16 voneinander getrennt.
Die Grundfunktionsprinzipien der Lichtauskopplungsauflage 10 können anhand von Fig. 2 erläutert werden. Fig. 2 zeigt eine schematische Schnittansicht einer Lichtauskopplungsauflage 10, wie sie im wesentlichen in Fig. 1 dargestellt ist, in funktionellem Kontakt mit einem Lichtwellenleiter 30. Gemäß der Darstellung ist die Grundfläche 14 der Auflage 10 optisch mit der Fläche 32 des Lichtwellenleiters 30 gekoppelt. In Gebrauch wird ein Lichtstrahl 40 durch die Grenzfläche zwischen Lichtwellenleiter 30 und Grundfläche 14 der Lichtauskopplungsauflage 10 durchgelassen und trifft auf einen im wesentlichen ebenen Abschnitt 24 der strukturierten Fläche 16, wo er unter einem größeren Winkel als dem kritischen Winkel des Lichtwellenleiters 30 in den Lichtwellenleiter 30 zurückreflektiert wird und sich dementsprechend weiter durch den Lichtwellenleiter 30 ausbreitet. Dagegen wird der Lichtstrahl 42 durch die Grenzfläche zwischen Lichtwellenleiter 30 und Grundfläche 14 der Lichtauskopplungsauflage 10 durchgelassen und trifft auf eine optisch glatte Fläche 20 des optischen Elements 18, die in einem Winkel zur Ebene der Grundfläche 14 angeordnet ist. Dementsprechend wird der Lichtstrahl 42 von der optisch glatten Fläche 20 in den Lichtwellenleiter 30 reflektiert und trifft unter einem Winkel, der kleiner ist als der für die fortgesetzte Ausbreitung in dem Lichtwellenleiter 30 notwendige kritische Winkel, auf eine Oberfläche des Lichtwellenleiter 30, wodurch der Lichtstrahl 42 von der Oberfläche des Lichtwellenleiters 30 durchgelassen werden kann. Vorzugsweise ist die optisch glatte Fläche 20 mit einem spiegelreflektierenden Material beschichtet, wie z. B. mit Aluminium oder Silber.
Ein Durchschnittsfachmann der Lichttechnik wird erkennen, daß die Eigenschaften (z. B. Länge, Breite, Dicke, Form und Größe optische Elementer usw.) der Auflage 10 in Abhängigkeit von den Anforderungen der jeweiligen Anwendung stark variieren können. Zum Beispiel werden die Form, die Querschnittsfläche und der Neigungswinkel (zur Grundfläche) jeder optisch glatten Fläche die aus der Faser ausgekoppelte Lichtmenge beeinflussen. Folglich können die Menge und die Richtung von Licht, das von der Faser reflektiert wird, durch Auswahl der geeigneten Geometrie für optische Elemente 18 sowie des Anordnungsmusters und des Abstands zwischen den optischen Elementen 18 gesteuert werden. Außerdem wird ein Durchschnittsfachmann der Lichttechnik erkennen, daß die optischen Eigenschaften der Auflage 10 mit den optischen Eigenschaften eines Lichtwellenleiters zu einem optischen System mit gewünschten Eigenschaften kombiniert werden können. Zum Beispiel kann eine erfindungsgemäße Auflage Nutzen aus der Brechkraft ziehen, die durch die gekrümmte Oberfläche einer Lichtleitfaser bereitgestellt wird, um ausgekoppeltes Licht in eine gewünschte Energieverteilung zu fokussieren.
Bei der in Fig. 2 abgebildeten Ausführungsform ist die optisch glatte Fläche 20 des optischen Elements 18 in einem Winkel von etwa 45º zur Grundfläche 14 geneigt, wobei man allerdings einsehen wird, daß Winkel von 10º bis 80º, vorzugsweise von 20º bis 70º, und stärker bevorzugt von 30º bis 60º auch anwendbar sind, in Abhängigkeit von der gewünschten Lichtmenge und der Ausbreitungsrichtung des aus dem Lichtwellenleiter austretenden Lichts. Es kann jedoch jeder verwendbare Winkel zwischen 0º und 90º benutzt werden.
Das optische Element 18 kann außerdem eine zweite optisch glatte Fläche 22 zur Reflexion von Licht aufweisen, das sich durch den Lichtwellenleiter 30 in einer Richtung ausbreitet, die der durch die Lichtstrahlen 40,42 dargestellten Richtung entgegengesetzt ist. Die in Fig. 2 abgebildete zweite optisch glatte Fläche 22 ist gleichfalls in einem Winkel von annähernd 45º zur Ebene der Grundfläche 14 geneigt, wobei man jedoch einsehen wird, daß die zweite optisch glatte Fläche 22 in jedem verwendbaren Winkel zwischen 0 und 90º geneigt sein kann. Man wird auch einsehen, daß ein optisches Element mehr als zwei optisch glatte Flächen aufweisen kann. Zum Beispiel könnte das optische Element 18 eine triedrische oder halbkugelförmige Vertiefung in der strukturierten Fläche 16 aufweisen. Außerdem wird man einsehen, daß die strukturierte Fläche 16 optische Elemente aufweisen könnte, die aus der Ebene der strukturierten Fläche hervorstehen.
Licht, das in einem Winkel von weniger als dem kritischen Winkel auf optisch glatte Flächen 20 und 22 auffällt, wird durch die optisch glatten Flächen 20 und 22 durchgelassen. Ein Durchschnittsfachmann der Lichttechnik wird erkennen, daß, wenn die optisch glatten Flächen 20 und 22 nicht mit einer spiegelreflektierenden Substanz beschichtet sind, von diesen Flächen durchgelassenes Licht von der Auflage 10 auf eine stark gerichtete Weise gebrochen wird. Empirische Tests unter Verwendung einer Lichtleitfaser mit großem Durchmesser als Lichtwellenleiter haben gezeigt, daß Licht, das von optischen Flächen wie z. B. 20 und 22 gebrochen wird, von der Faser in einem Austrittskegel mit einer Winkelausdehnung zwischen 27 und 30º zur Längsachse der Lichtleitfaser durchgelassen wird. Diese Durchlässigkeit kann für bestimmte Anwendungen wünschenswert sein, wo das Ziel darin besteht, Licht in einem engen Kegel aus der Lichtleitfaser auszukoppeln, wie z. B. bei Anwendungen zur Fahrbahnmarkierung.
Um den Durchgang von Licht durch optisch glatte Flächen 20 und 22 des optischen Elements 18 zu verhindern, können sie mit einem spiegelreflektierenden Material beschichtet werden, wie z. B. mit einer Zusammensetzung auf Aluminium- oder Silberbasis. Dementsprechend werden Lichtstrahlen, die auf optisch glatte Flächen 20 und 22 auftreffen, spiegelnd reflektiert.
Die gesamte strukturierte Fläche 16 der Auflage 10 könnte nach herkömmlichen, dem Fachmann bekannten Verfahren mit einem spiegelreflektierenden Material beschichtet werden, wie z. B. durch Aufdampfen oder chemische Abscheidungsverfahren. Durch die Beschichtung der gesamten strukturierten Fläche mit einem spiegelreflektierenden Material wird jedoch der Wirkungsgrad bzw. die Ausbreitungsleistung entlang dem Lichtwellenleiter reduziert, da Lichtstrahlen, die auf einen ebenen Abschnitt 24 der strukturierten Fläche 16 auftreffen, Absorptionsverluste an das spiegelreflektierende Material erleiden. Solche Absorptionsverluste können unerwünscht sein, besonders in Situationen, die den Transport von Licht über relativ große Entfernungen erfordern.
Um sowohl eine Ausbreitung mit hohem Wirkungsgrad als auch eine hocheffiziente Lichtauskopplung sicherzustellen, ist es wünschenswert, daß die ebene Fläche 24 Licht nach den Prinzipien der inneren Totalreflexion reflektiert, während die optisch glatten Flächen 20 und 22 Licht nach den Prinzipien der Spiegelreflexion reflektieren. Um dies zu erreichen, können die optisch glatten Flächen 20 und 22 mit einem spiegelreflektierenden Material beschichtet werden, während die ebene Fläche 24 durch Maskieren oder anderweitige Behandlung von ebenen Flächen 24 während des Herstellungsprozesses unbehandelt bleibt. Dementsprechend unterliegt Licht, das unter größeren als dem kritischen Winkel auf ebenen Flächen 24 auffällt, der inneren Totalreflexion, während Licht, das auf optisch glatte Flächen 20 und 22 auffällt, der Spiegelreflexion an dem spiegelreflektierenden Beschichtungsmaterial unterliegt.
Eine alternative Konstruktion für eine Auflage gemäß der vorliegenden Erfindung, die für innere Totalreflexion an ebenen Abschnitten der strukturierten Fläche und für Spiegelreflexion an optischen Elementen sorgt, ist schematisch in Fig. 3 abgebildet. Die strukturierte Fläche 12 einer Auflage 10 gemäß der vorliegenden Erfindung ist mit einer dünnen Überzugsschicht 26 versehen, das aus einem im wesentlichen optisch durchsichtigen Material mit einem Brechungsindex besteht, der kleiner als der Brechungsindex des Substrats 12 ist. Fluorpolymere, wie z. B. fluorierte Materialien auf Ethylen-Propylen- Basis, haben einen relativ niedrigen Brechungsindex (z. B. 1,34) und eignen sich gut zur Verwendung als erste Überzugsschicht 26. Weitere geeignete Materialien sind unter anderem Polyvinylidenfluorid (Brechungsindex 1,42), Perfluoracrylat (Brechungsindex 1,35) und Polytetrafluorethylen (Brechungsindex 1,40). Die Dicke der Überzugsschicht 26 ist zwar nicht kritisch, aber die Überzugsschicht 26 sollte eine Dicke von mindestens einer Wellenlänge haben und hat vorzugsweise eine Dicke zwischen etwa 0,25 um und 10 um.
Eine zweite Überzugsschicht 28, die vorzugsweise eine spiegelreflektierende Substanz aufweist, wie z. B. Silber oder Aluminium, kann auf die erste Überzugsschicht 26 nach irgendeinem herkömmlichen, dem Fachmann bekannten Verfahren aufgebracht werden, wie z. B. durch Aufdampf- oder Sputterbeschichtungsverfahren. Wiederum ist zwar die Dicke der zweiten Überzugsschicht 28 nicht kritisch, aber die zweite Überzugsschicht 28 sollte eine ausreichende Dicke aufweisen, um die Oberfläche im wesentlichen undurchsichtig zu machen. Vorzugsweise hat die zweite Überzugsschicht 28 eine Dicke zwischen 0,25 um und 10 um. Eine optionale bzw. wahlfreie dritte Überzugsschicht (nicht dargestellt) kann hinzugefügt werden, damit eine Schutzversiegelung geschaffen wird, um eine Zersetzung (z. B. Oxidation, Zerkratzen, Verschleiß) der spiegelreflektierenden Schicht zu verhindern. Die dritte Schicht kann irgendein geeignetes Material zum Schutz des spiegelreflektierenden Materials in der zweiten Schicht aufweisen. Fluorpolymere, wie z. B. fluorierte Materialien auf Ethylen-Propylen-Basis, sind für die Verwendung als dritte Überzugsschicht gut geeignet.
Die Funktionsweise der in Fig. 3 abgebildeten Ausführungsform wird durch Lichtstrahlen 40 und 42 veranschaulicht. Der Lichtstrahl 40 wird vom Lichtwellenleiter 30 durch die Grundfläche 14 durchgelassen und trifft auf einen ebenen Abschnitt 24 der strukturierten Fläche 16. Da der Brechungsindex der zweiten Überzugsschicht kleiner ist als der Brechungsindex des Substrats 12, wird der Lichtstrahl 40 nach den Prinzipien der inneren Totalreflexion in den Lichtwellenleiter 30 zurückreflektiert und breitet sich weiter durch den Lichtwellenleiter 30 aus. Dagegen wird der Lichtstrahl 42 vom Lichtwellenleiter 30 durch die Grundfläche 14 durchgelassen und trifft auf eine optisch glatte Fläche 20 des optischen Elements 18 an der strukturierten Fläche 16. Da der Einfallswinkel des Lichtstrahls 42 größer ist als der kritische Winkel für innere Totalreflexion, wird der Lichtstrahl 42 in die erste Überzugsschicht 26 durchgelassen und von der zweiten Überzugsschicht 28 in einem Winkel, der kleiner ist als der für innere Totalreflexion im Lichtwellenleiter 30 erforderliche kritische Winkel, spiegelnd in den Lichtwellenleiter 30 zurückreflektiert. Dementsprechend wird der Lichtstrahl 42 von der Oberfläche des Lichtwellenleiters 30 an der Stelle durchgelassen, wo der reflektierte Lichtstrahl 42 auf die Oberfläche des Lichtwellenleiters 30 auftrifft.
Zahlreiche Varianten und Modifikationen der Strukturen, die hier konkret offenbart werden, werden für einen Durchschnittsfachmann der Lichttechnik offensichtlich sein. Die folgenden Varianten und Modifikationen sind exemplarisch und nicht als Einschränkung gedacht:
(a) Der Neigungswinkel der optisch glatten Flächen 20 und 22 zur Grundfläche 14 kann verändert werden, um den Weg des reflektierten Lichts zu ändern;
(b) Die Tiefe der optischen Elemente 18 kann vergrößert oder verkleinert werden, um die Auskopplung von relativ mehr bzw. weniger Licht aus dem Lichtwellenleiter 30 zu bewirken;
(c) Die Tiefe an irgendeinem gegebenen Punkt entlang dem optischen Element 18 kann variieren (z. B. ein Element mit konstanter Tiefe, ein Element mit linear variierender Tiefe, mit quadratisch variierender Tiefe), um optisch glatte Flächen mit unterschiedlichen Formen zu erzeugen;
(d) Die Auflage 10 kann mehrere optische Elemente aufweisen, die sich in mindestens einer der folgenden Eigenschaften unterscheiden: Tiefe, Breite, Anzahl der optisch glatten Flächen, Neigungswinkel optisch glatter Flächen zur Grundfläche;
(e) Die optisch glatte Flächen 20 und 22 können auch gekrümmt sein, um Brechkraft für das aus dem Lichtwellenleiter 30 austretende reflektierte Licht bereitzustellen oder dieses zu fokussieren;
(f) Die optisch glatten Fläche 20 und 22 können durch eine ebene Fläche getrennt sein;
(g) Der Abstand zwischen optischen Elementen, welcher der Länge der ebenen Abschnitte der strukturierten Fläche entspricht, kann bis auf ein Minimum von im wesentlichen null Millimeter verringert werden, um die durch die Auflage ausgekoppelte Lichtmenge zu erhöhen, oder kann vergrößert werden, um die durch die Auflage ausgekoppelte Lichtmenge zu verringern;
(h) Der Abstand zwischen optischen Elementen kann je nach der Anwendung konstant sein oder variieren.
Nachstehend wird anhand der Fig. 4-6 ein Beleuchtungssystem mit einer Lichtauskopplungsauflage gemäß der vorliegenden Erfindung näher erläutert. Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung eines Beleuchtungssystems mit einer Lichtquelle 50 und einer Lichtleitfaser 52, die mit der Lichtquelle 50 optisch gekoppelt ist. Die Lichtquelle 50 kann irgendeine geeignete Lichtquelle zum Einkoppeln von Licht in die Lichtleitfaser 52 sein. Eine gewöhnlich verwendete Lichtquelle ist eine Halogen-Metalldampflampe oder Wolfram-Halogenglühlampe. Eine Lichtauskopplungsauflage 60 gemäß der vorliegenden Erfindung ist mit einem Längenabschnitt der Lichtleitfaser 52 optisch gekoppelt, um einen Teil des Lichts auszukoppeln, das sich durch die Lichtleitfaser 52 ausbreitet.
Fig. 5 zeigt eine Schnittansicht entlang einer Längsachse, ähnlich wie Fig. 2 und 3, der Lichtauskopplungsauflage 60 im Zusammenwirken mit der Lichtleitfaser 52. Fig. 6 zeigt eine Schnittansicht einer Auflage 60 und einer Lichtleitfaser 52 in einer zur Längsachse der Lichtleitfaser 52 annähernd senkrechten Ebene. Die Lichtleitfaser 52 weist einen Lichtleitfaserkern 54 auf, der aus einem lichtdurchlässigen bzw. optisch durchsichtigen bzw. transparenten Material besteht. Der Lichtleitfaserkern 54 kann irgendeine dem Fachmann bekannte Lichtleitfaser aufweisen, einschließlich anorganischer Glasfasern und Kunstharzfasern, wobei allerdings Kernmaterialien mit einem Brechungsindex von 1,4 bis 1,66 im allgemeinen bevorzugt werden. Gebräuchliche Materialien sind unter anderem Polymethylmethacrylat und Polycarbonat. Die Lichtleitfaser 52 weist ferner eine Mantelschicht 56 aus einem Material mit einem niedrigeren Brechungsindex als dem des Lichtleitfaserkerns 54 auf. Der Mantel 56 dient zum Schutz des Lichtleitfaserkerns 52 und ermöglicht den Durchgang von Licht durch den Lichtleitfaserkern 52 nach den Prinzipien der inneren Totalreflexion. Der Mantel (falls vorhanden) kann irgendein geeignetes, dem Fachmann bekanntes Material mit einem für das gewählte Kernmaterial geeigneten Brechungsindex aufweisen. Gebräuchliche Materialien für den Lichtleitfasermantel sind unter anderem Polyvinylidenfluorid (Brechungsindex 1,42), Perfluoracrylat (Brechungsindex 1,35) und Polytetrafluorethylen (Brechungsindex 1,40). Der Durchschnittsfachmann der Lichttechnik wird erkennen, daß Lichtleitfasern weitere schützende Mantelschichten aufweisen können. Außerdem wird der Durchschnittsfachmann der Lichttechnik erkennen, daß eine Lichtleitfaser keine Mantelschicht benötigt.
Die Abmessungen der Lichtleitfaser können in Abhängigkeit von ihrer vorgesehenen Verwendung variieren. Zum Beispiel sind zu Beleuchtungszwecken Faserlängen im Bereich von 0 bis 100 Meter gegenwärtig kommerziell verwendbar. Eine verbesserte Lichtausbeute würde die Verwendung längerer Lichtleitfasern erlauben. Zu Beleuchtungszwecken sind Fasern mit einem Durchmesser im Bereich von etwa 1 mm bis 25 mm gegenwärtig als verwendbar bekannt. Man wird jedoch einsehen, daß Fasern mit kleineren oder größeren Durchmessern durch die vorliegende Erfindung ins Auge gefaßt werden. Außerdem hat zwar die in Fig. 5 abgebildete Faser einen runden Querschnitt, aber man wird erkennen, daß Lichtleitfasern mit unterschiedlichen Querschnittsformen (z. B. rechteckig, quadratisch, elliptisch), auf dem Gebiet der Beleuchtung Anwendung finden. Die vorliegende Erfindung ist auf Fasern von beliebiger Querschnittsform gleich gut anwendbar.
In den Fig. 5 und 6 ist ein Teil des Mantels 56 entfernt, und die Lichtauskopplungsauflage 60 ist mit einem Oberflächenabschnitt des Lichtleitfaserkerns 54 optisch gekoppelt. Das Entfernen des Mantels 56 kann durch herkömmliche mechanische oder chemische Verfahren ausgeführt werden. Als Alternative kann die Lichtleitfaser 52 so hergestellt werden, daß Teile des Mantels 54 an vorgegebenen Stellen entlang ihrer Länge fehlen. Die Grundfläche der Auflage 60 wird unter Anwendung herkömmlicher chemischer oder mechanischer Verfahren mit dem Lichtleitfaserkern 52 optisch gekoppelt. Zum Beispiel sind optisch durchsichtige Klebstoffe, zu denen Acrylat- Abziehklebstoffe bzw. -Transferklebstoffe gehören, besonders gut verwendbar und im Handel erhältlich.
Im Gebrauch wird Licht von der Lichtquelle 50 in die Lichtleitfaser 52 eingekoppelt und breitet sich nach den Prinzipien der inneren Totalreflexion axial in Längsrichtung der Lichtleitfaser 52 aus. Der Brechungsindex der Auflage 60 ist mindestens so groß wie der Brechungsindex des Lichtleitfaserkerns 52, vorzugsweise gleich diesem Brechungsindex. Dementsprechend können Lichtstrahlen in die Auflage 60 durchgelassen werden und fallen auf die strukturierte Fläche 62 der Auflage 60 auf. Wie oben diskutiert, werden Lichtstrahlen, die auf eine optisch glatte Fläche 66 eines optischen Elements 64 auftreffen, unter einen Winkel, der kleiner ist als der für die fortgesetzte Ausbreitung entlang der Lichtleitfaser 52 notwendige kritische Winkel, in die Lichtleitfaser 52 zurückreflektiert und von der Oberfläche der Lichtleitfaser 52 durchgelassen. Fig. 6 zeigt eine Art und Weise, wie eine Auflage 60 im Zusammenwirken mit einer Lichtleitfaser 52 Licht über ein breites Energieprofil verteilt. Fig. 6 zeigt den Weg von vier separaten Lichtstrahlen 40, 42, 44, 46, die an vier getrennten Punkten einer optisch glatten Fläche 66 der Auflage 60 reflektiert werden. Die vier getrennten Lichtstrahlen werden durch die Faser reflektiert und bilden einen Austrittslichtkegel, der eine Winkelverteilung aufweist.
Fig. 6 ignoriert die Auswirkungen der Brechung auf die Lichtstrahlen 40, 42, 44, 46 bei deren Ausbreitung vom Lichtleitfaserkern 54 in den Mantel 56 und dann in die Umgebung, vermutlich Luft oder Wasser. Ein Durchschnittsfachmann der Lichttechnik wird leicht erkennen, daß für die in Fig. 6 abgebildete Ausführungsform die Brechung dazu beiträgt, den Austrittskegel von aus der Lichtleitfaser 52 austretendem Licht zu verengen; d. h. die Oberfläche der Lichtleitfaser 52 wirkt wie eine Linse. Außerdem wird man erkennen, daß die Querschnittsform der Lichtleitfaser verändert werden kann, um die optischen Eigenschaften des Austrittskegels zu verändern.
Eine Auflage gemäß der vorliegenden Erfindung kann unter Anwendung herkömmlicher, einem Durchschnittsfachmann bekannter Fertigungsverfahren hergestellt werden. Zum Beispiel kann eine Form, die ein Negativ der gewünschten strukturierten Fläche ist, mit Hilfe von Diamant-Bearbeitungsverfahren gefertigt werden, um eine optische Oberflächengüte zu erzeugen. Die Form kann dann in herkömmlichen Formgebungsverfahren benutzt werden, um die strukturierte Fläche an dem optisch durchsichtigen Substrat zu formen. Akzeptierbare Formgebungsverfahren sind unter anderem Formpressen, Spritzgießen, Hohlprägen oder Prägen. Um hohe Fertigungsleistungen zu erzielen, können Teile in Tafeln geformt werden, die wesentlich größer sind als das gewünschte Endprodukt, und aus der Tafel können mit Hilfe herkömmlicher Stanzverfahren einzelne Auflagen ausgeschnitten werden. Auf die strukturierte Fläche entweder der Tafel oder der einzelnen Auflagen können unter Anwendung herkömmlicher Verfahren zusätzliche Schichten aufgebracht werden.
Es sind zwar eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sowie mehrere alternative Ausführungsformen beschrieben worden, um einen Fachmann in die Lage zu versetzen, die erfindungsgemäßen Verfahren praktisch auszuführen, aber die vorstehende Beschreibung ist als Beispiel gedacht und sollte nicht zur Einschränkung des Umfangs der Erfindung benutzt werden. Der Umfang der Erfindung ist ausschließlich durch Bezugnahme auf die nachstehenden Patentansprüche festzulegen.

Claims

1. Lichtauskopplungsauflage (10; 60) zur Verwendung mit einem Lichtwellenleiter (30; 52), wobei die Auflage aufweist:

ein im wesentlichen optisch transparentes Substrat (12) mit einer Grundfläche (14) und einer der Grundfläche (14) gegenüberliegenden strukturierten Oberfläche (16; 62), wobei die strukturierte Oberfläche (16; 62) mehrere darin definierte optische Elemente (18; 64) aufweist, wobei mindestens ein optisches Element (18) eine erste optisch glatte Fläche (20; 66) aufweist, die in einem Winkel zur Grundfläche (14) angeordnet ist, so daß ein Teil des Lichts, das unter einem Einfallswinkel θ&sub1; auf die Grundfläche (14) der Auflage (10) auffällt, durch das Substrat (12) durchgelassen, von der optisch glatten Fläche (20; 66) reflektiert wird und unter einem Winkel θ&sub2; aus der Auflage (10; 60) austritt, der kleiner als θ&sub1; ist, wobei die strukturierte Oberfläche (16; 62) mindestens ein zweites optisches Element aufweist, wobei das zweite optische Element gegen das erste optische Element (18; 64) um einen vorgegebenen Abstand versetzt ist.

2. Lichtauskopplungsauflage (10; 60) nach Anspruch 1, wobei:

mindestens eines der optischen Elemente (18; 64) ein optisches Element aufweist, das sich über einen Abschnitt der strukturierten Oberfläche (16; 62) der Auflage (10; 60) erstreckt, wobei das optische Element eine erste optisch glatte Fläche (20; 66) definiert, die in einem Winkel von 10º bis 90º zur Grundfläche (14) angeordnet ist.

3. Lichtauskopplungsauflage (10; 60) nach Anspruch 2, wobei:

die erste optisch glatte Fläche (20; 66) in einem Winkel von 40 bis 50º zur Grundfläche (14) angeordnet ist.

4. Lichtauskopplungsauflage (10; 60) nach Anspruch 3, wobei:

die erste optisch glatte Fläche (20; 66) in einem Winkel von 45º zur Grundfläche (14) angeordnet ist.

5. Lichtauskopplungsauflage (10; 60) nach Anspruch 2, wobei:

das optische Element (18; 64) eine zweite optisch glatte Fläche (22) aufweist, die in einem Winkel von 10º bis 90º zur Grundfläche (14) angeordnet ist.

6. Lichtauskopplungsauflage (10; 60) nach Anspruch 5, wobei:

die zweite optisch glatte Fläche (22) in einem Winkel von 40 bis 50º zur Grundfläche (14) angeordnet ist.

7. Lichtauskopplungsauflage (10; 60) nach Anspruch 5, wobei:

die zweite optisch glatte Fläche (22) in einem Winkel von 45 zur Grundfläche (14) angeordnet ist.

8. Lichtauskopplungsauflage (10; 60) nach Anspruch 1, wobei:

die optischen Elemente (18; 64) mit einer spiegelreflektierenden Substanz beschichtet sind.

9. Lichtauskopplungsauflage (10; 60) nach Anspruch 1, die ferner aufweist:

eine Überzugsschicht (26), welche die strukturierte Oberfläche (16; 62) bedeckt, wobei die Überzugsschicht (26) aus einem Material mit einem niedrigeren Brechungsindex als dem Brechungsindex der Auflage (10; 60) besteht.

10. Lichtauskopplungsauflage (10; 60) nach Anspruch 1, die ferner aufweist:

eine erste Überzugsschicht (26), welche die strukturierte Oberfläche (16; 62) bedeckt, wobei die erste Überzugsschicht (26) aus einem Material mit einem niedrigeren Brechungsindex als dem der Auflage (10; 60) besteht; und

eine zweite Überzugsschicht (28), die einen Abschnitt der ersten Überzugsschicht (26) bedeckt, wobei die zweite Überzugsschicht (28) aus einer spiegelreflektierenden Substanz besteht.

11. Lichtauskopplungsauflage (10; 60) nach Anspruch 10, die ferner aufweist:

eine dritte Überzugsschicht aus einem geeigneten Material zum Schutz der spiegelreflektierenden Substanz.

12. Lichtauskopplungsauflage (10; 60) nach Anspruch 1, die ferner aufweist:

Mittel zum optischen Koppeln der optisch glatten Grundfläche (14) an einen Lichtwellenleiter (30; 52).

13. Lichtverteilungssystem, das aufweist:

einen Lichtwellenleiter (30; 52) mit einer Lichtleitfaser (52), dessen Länge sich in Richtung einer Längsachse der Faser erstreckt;

mindestens einen Lichtauskopplungsbereich mit einer Lichtauskopplungsauflage (10; 60), die ein Substrat (12) mit einer Grundfläche (14), die mit einem Oberflächenabschnitt des Lichtwellenleiters (30; 52) optisch gekoppelt ist, und mit einer der Grundfläche (14) gegenüberliegenden strukturierten Oberfläche (16; 62) aufweist, wobei die strukturierte Oberfläche (16; 62) mehrere optische Elemente (18; 64) aufweist; wobei mindestens ein optisches Element (18; 64) eine erste optisch glatte Fläche (20; 66) aufweist, die in einem Winkel zur Grundfläche (14) angeordnet ist, so daß Licht, das sich durch den Lichtwellenleiter (30; 52) ausbreitet, durch die Grundfläche (14) der Auflage (1; 60) in die Auflage (10; 60) durchgelassen, an der optisch glatten Fläche (20; 66) reflektiert und von einer Fläche des Lichtwellenleiters (30; 52) an einer bezüglich der Auflage (10; 60) versetzten Stelle durchgelassen werden kann.

14. Lichtverteilungssystem nach Anspruch 13, wobei die Lichtleitfaser (52) aufweist:

einen Lichtleitfaserkern (54) mit einer Breite von mindestens etwa 1,0 mm, der ein im wesentlichen optisch transparentes Material aufweist;

einen den Lichtleitfaserkern (54) umgebenden Mantel (56), wobei der Mantel (56) aus einem Material mit einem niedrigeren Brechungsindex als dem Brechungsindex des Lichtleitfaserkerns (54) besteht, so daß in ein Ende der Lichtleitfaser (52) eingekoppeltes Licht sich nach den Prinzipien der inneren Totalreflexion durch die Faser ausbreitet.

15. Lichtverteilungssystem nach Anspruch 14, wobei:

die Grundfläche (14) der Lichtauskopplungsauflage (10; 60) entlang einer vorgegebenen Länge der Lichtleitfaser (52) mit einem Oberflächenabschnitt des Lichtleitfaserkerns (54) optisch gekoppelt ist.