DE69715918T2

DE69715918T2 - Faseroptisches beleuchtungssystem

Info

Publication number: DE69715918T2
Application number: DE69715918T
Authority: DE
Inventors: C. Lea; J. Lundin
Original assignee: Minnesota Mining and Manufacturing Co
Current assignee: 3M Co
Priority date: 1997-01-28
Filing date: 1997-05-16
Publication date: 2003-06-05
Anticipated expiration: 2017-05-17
Also published as: CN1093927C; JP2001509307A; JP3987965B2; CA2277923A1; WO1998033008A1; CN1245555A; EP0956472A1; DE69715918D1; AU3219397A; US5845038A; EP0956472B1; CA2277923C

Description

GEBIET DER ERFINDUNG

Die Erfindung betrifft Beleuchtungssysteme, die optische Fasern als Lichttransportmechanismus verwenden. Insbesondere betrifft die Erfindung Beleuchtungssysteme, die Lichtleiter zum Transportieren und Verteilen von Lichtenergie verwenden.

HINTERGRUND

Bekanntlich können optisch durchlässige Materialien, z. B. Glas oder Polymere, als Lichtleiter zur Lichtausbreitung dienen. Normalerweise verfügt ein Lichtleiter über mindestens eine Oberfläche, die geeignet ist, Licht von einer Lichtquelle zu empfangen, und eine optisch glatte Oberfläche zum Reflektieren von Licht, das sich durch den Lichtleiter ausbreitet. Zu verbreiteten Beispielen für Lichtleiter gehören optische Fasern, die traditionell in der Datenkommunikation verwendet werden und in jüngerer Zeit für Beleuchtungszwecke zum Einsatz kommen (siehe z. B. die US-A-5432876) Mindestens eine Endfläche der optischen Faser ist geeignet, Licht von einer Lichtquelle zu empfangen, das sich durch die Faser axial ausbreitet. Planarwellenleiter, die in optischen Anzeigen genutzt werden, sind ein weiteres Beispiel für optische Wellenleiter. Mindestens eine Endfläche des Planarwellenleiters ist geeignet, Licht Von einer Lichtquelle zu empfangen. In den Wellenleiter eingekoppeltes Licht breitet sich zwischen den beiden Hauptflächen des Wellenleiters aus.
Bekannt ist auch, daß optische Fasern als Komponente eines Beleuchtungssystems verwendet werden können. Licht kann in ein Ende einer optischen Faser eingekoppelt werden und kann die Faser an einer vorbestimmten Position entlang der Faser verlassen. Zu Techniken, die den Lichtaustritt aus der Faser befördern, gehören das Herstellen relativ scharfer Biegungen in der Faser, die allgemein als Mikrobiegungen bekannt sind (US-A-4171844; 4885663; 4907132; DE-A-3801395), und das Entfernen und/oder Aufrauhen eines Abschnitts des optischen Faserkerns oder -mantels, um eine diffuse Oberfläche zu bilden, durch die Licht entweichen kann (FR-A-2626381; JP-U-62- 9205; 62-9206). Jede dieser Techniken ist im wesentlichen eine passive Entnahmetechnik, durch die Licht aus einer optischen Faser unkontrolliert austreten kann.
Die US-A-5432876 (das Patent '876) betrifft eine optische Faser mit mehreren reflektierenden Oberflächen, die im Kern der optischen Faser gebildet sind und die einen Anteil des sich axial durch die Faser ausbreitenden Lichts in Radialrichtung reflektieren.
Die gemeinsam mit dieser Anmeldung übertragene US-A- 5631994 betrifft ein Beleuchtungssystem, wobei ein Lichtentnahmeüberzug mit mehreren reflektierenden Oberflächen optisch mit einer optischen Faser gekoppelt ist, um Licht aus der Faser zu entnehmen. Im Gegensatz zu früheren passiven Lichtentnahmetechniken reflektieren diese Systeme Licht aktiv aus der Faser.
In jeder gegebenen faseroptischen Beleuchtungsanwendung ist es erwünscht, mindestens zwei Variablen zu steuern. Die erste Variable ist die Rate, mit der optische Leistung aus der optischen Faser entnommen wird. In einem System, das reflektierende Oberflächen zum Entnehmen von Licht aus dem Wellenleiter nutzt, ist die Rate der optischen Leistungsentnahme je Längeneinheit der optischen Faser eine Funktion der gesamten Querschnittfläche reflektierender Oberflächen optischer Elemente je Längeneinheit zur Querschnittfläche der Faser über die Längeneinheit. Je größer die gesamte Querschnittfläche reflektierender Oberflächen in einer bestimmten optischen Faserlänge ist, um so größer ist die Rate der optischen Leistungsentnahme aus der Faser, nimmt man einen konstanten optischen Faserdurchmesser über die Länge an. Eine Erhöhung der Tiefe, auf die sich optische Elemente in eine optische Faser erstrecken, oder eine Verringerung des Abstands zwischen benachbarten Elementen führt zu einer erhöhten Rate der optischen Leistungsentnahme aus einer optischen Faser.
Erwünscht ist ferner eine Steuerung der Richtungsverteilung von Lichtenergie, die einer optischen Faser entnommen wird. Licht, das einer optischen Faser gemäß der im Patent '876 beschriebenen Erfindung entnommen wird, verläßt die Faser mit einer Ausfallswinkelverteilung. Erwünscht ist die Steuerung des Winkelbereichs von Lichtenergie sowohl in Längsrichtung (d. h. faserabwärts) als auch in Querrichtung (d. h. quer zur Faser). Die Längsverteilung (d. h. faserabwärts) von Lichtenergie in der Ausfallswinkelverteilung ist primär eine Funktion des Kegelwinkels von Licht, das die optische Faser durchläuft. Die Querverteilung (d. h. quer zur Faser) von Lichtenergie in der Ausfallswinkelverteilung ist primär eine Funktion des Winkels, den die reflektierenden Oberflächen der optischen Elemente begrenzen. Für optische Elemente mit flachen Basen ist der von den reflektierenden Oberflächen der optischen Elemente begrenzte Winkel eine Funktion der Tiefe, auf die sich die reflektierende Oberfläche in den optischen Faserkern erstreckt. Somit hat die Vergrößerung der Tiefe, in der sich ein optisches Element in eine optische Faser erstreckt, den Folgeeffekt der Erhöhung der Querverteilung (d. h. quer zur Faser) von Lichtenergie in der Ausfallswinkelverteilung und damit der optischen Leistungsmenge, die durch das Element der Faser entnommen wird.
Die Korrelation zwischen der Querverteilung des Divergenzkegels von reflektiertem Licht und der entnommenem Lichtleistung legt der Gestaltung optischer Beleuchtungssysteme Beschränkungen auf. In einigen Anwendungen kann es z. B. erwünscht sein, die Querverteilung von Lichtenergie im Divergenzkegel von der Faser entnommenem Licht zu verbreitern, ohne die Längsverteilung von Lichtenergie oder die Leistungsentnahmerate aus der Faser dramatisch zu beeinflussen.
Erwünscht ist auch, die räumliche Intensität von Lichtenergie in der Ausfallswinkelverteilung von Lichtenergie zu steuern. In Beleuchtungssystemen mit mehreren optischen Elementen, die entlang der Ausbreitungsachse eng benachbart angeordnet sind, um Licht aus dem Wellenleiter zu reflektieren, blockiert jedes optische Element einen Anteil des Lichts, der sonst auf das nachfolgende Element fallen würde. Im Sinne der Anmeldung wird diese Erscheinung als "Abschattung" bezeichnet. Durch Abschattung wird Variabilität in die räumliche Intensität von Lichtenergie in der Ausfallswinkelverteilung von Licht eingeführt, das aus einem Wellenleiter reflektiert wird. Bei einigen Gestaltungen ist der Abschattungseffekt so schwerwiegend, daß Dunkelflecken, auch Lücken oder Löcher genannt, in der Winkelverteilung von Lichtenergie erzeugt werden, die aus einem Wellenleiter reflektiert wird. Die durch Abschattungseffekte eingeführte Variabilität der Winkelverteilung von Lichtenergie gilt allgemein als unvorteilhaft. Besonders unerwünscht ist diese Variabilität für Anwendungen, in denen der Wellenleiter als Lichtquelle zur Direktbetrachtung dient, z. B. als Warnleuchte an einem Kraftfahrzeug.
Somit besteht in der Technik Bedarf an einem optischen Wellenleiter, bei dem sich die Querverteilung von Lichtenergie in der Ausfallswinkelverteilung unabhängig von der Längsverteilung von Lichtenergie und damit die Rate der Leistungsentnahme steuern läßt. Außerdem bedarf die Technik eines optischen Wellenleiters, der Abschattungseffekte kompensiert, die durch optische Elemente im engen Abstand bewirkt werden.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die Erfindung widmet sich diesen und anderen Problemen durch Bereitstellung eines Beleuchtungssystems, das eine optische Faser mit einer optisch glatten Oberfläche zur Lichtausbreitung durch die Faser und einen lichtemittierenden Bereich hat, der sich entlang einem Abschnitt der Faser erstreckt. Der lichtemittierende Bereich weist mindestens ein und vorzugsweise mehrere optische Elemente auf, die um eine erste Längsachse zentriert sind, die sich entlang der optisch glatten Oberfläche der optischen Faser erstreckt. Ferner weist der lichtemittierende Bereich mindestens ein und vorzugsweise mehrere optische Elemente auf, die um eine zweite Längsachse zentriert sind, die sich entlang der optisch glatten Oberfläche der optischen Faser erstreckt. Die zweite Längsachse ist von der ersten Längsachse winkelverschoben.
In einer weiteren Ausführungsform stellt die Erfindung einen optischen Wellenleiter bereit, der geeignet ist, sichtbare Variationen der Winkelintensität von Licht zu verringern, das aus dem Wellenleiter in einem Betrachtungsbereich reflektiert wird, der um eine Achse zentriert ist, die in einem gewünschten Betrachtungswinkel γ angeordnet ist. Der Wellenleiter verfügt über einen Kern, der aus einem im wesentlichen optisch transparenten Material gebildet ist, das eine erste Oberfläche, die zum Empfangen von Licht von einer Lichtquelle geeignet ist, und mindestens eine optisch glatte Oberfläche zur Lichtausbreitung durch den Wellenleiter entlang einer Ausbreitungsachse hat. Die optisch glatte Oberfläche weist mehrere optische Elemente auf, wobei jedes optische Element mindestens eine optisch reflektierende Oberfläche hat, die in einem schiefen Winkel θ zu einer Ebene angeordnet ist, die senkrecht zur Ausbreitungsachse ist, wobei der Winkel durch folgende Gleichung bestimmt ist:
wobei ξ aus der Gruppe von Winkeln ausgewählt ist, die sich von α/2 bis β/2 oder -β/2 bis -α erstrecken, und wobei α der Abschattungswinkel ist;
β der Kegelwinkel von Licht ist, das sich durch die optische Faser ausbreitet; und
γ' der gewünschte Austrittswinkel von reflektiertem Licht ist.
Vorzugsweise gilt
In einer weiteren Ausführungsform weist ein faseroptisches Beleuchtungssystem, das zur Verwendung als Kraftfahrzeugwarnleuchte geeignet ist, auf:
eine optische Faser mit einer entgegengesetzten ersten und zweiten Oberfläche, die zum Empfangen von Licht von einer Lichtquelle geeignet sind, und einer reflektierenden Oberfläche zur Lichtausbreitung durch die Faser entlang einer Ausbreitungsachse, wobei die optische Faser eine Länge von etwa 500 Millimetern und einen Durchmesser von etwa 9,5 Millimetern hat;
mehrere optische Elemente, die um eine erste Längsachse zentriert sind, die sich entlang der Oberfläche der optischen Faser erstreckt, wobei jedes optische Element eine erste reflektierende Oberfläche und eine zweite reflektierende Oberfläche hat, die sich auf eine Tiefe von 0,25 Millimeter in die Faser erstrecken;
mehrere optische Elemente, die um eine zweite Längsachse zentriert sind, die sich entlang der Oberfläche der optischen Faser erstreckt, wobei jedes optische Element eine erste reflektierende Oberfläche und eine zweite reflektierende Oberfläche hat, die sich auf eine Tiefe von 0,25 Millimeter in die Faser erstrecken;
wobei die erste Längsachse von der zweiten Längsachse um 10º winkelverschoben ist.
Vorzugsweise weist jedes optische Element eine erste optisch reflektierende Oberfläche auf, die sich in den Kern der optischen Faser erstreckt und in einem Winkel von etwa 52,5º relativ zu einer Achse angeordnet ist, die senkrecht zur Ausbreitungsachse ist.
Jedes Element kann ferner eine zweite optisch reflektierende Oberfläche aufweisen, die sich in den Kern der optischen Faser erstreckt und in einem Winkel von etwa 52,5º relativ zu einer Achse angeordnet ist, die senkrecht zur Ausbreitungsachse ist, wobei sich die erste und zweite optisch reflektierende Oberfläche entlang einer linearen Furchen- bzw. Kerbenbasis schneiden.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist eine Querschnittansicht einer optischen Faser, die die Lichtausbreitung durch die Faser zeigt;
Fig. 2 ist eine Perspektivansicht eines Segments einer optischen Faser gemäß von Aspekten der Erfindung;
Fig. 3 ist eine Draufsicht auf die optische Oberfläche der in Fig. 2 gezeigten optischen Faser;
Fig. 4 ist eine an einer Längsachse gezeigte Querschnittansicht eines Abschnitts der in Fig. 2 dargestellten optischen Faser;
Fig. 5 ist eine senkrecht zu einer Längsachse gezeigte Querschnittansicht eines Abschnitts der in Fig. 2 dargestellten optischen Faser;
Fig. 6 ist eine schematische Ansicht eines faseroptischen Beleuchtungssystems gemäß von Aspekten der Erfindung;
Fig. 7 ist eine Querschnittansicht einer optischen Faser, die Abschattungseffekte in der Faser illustriert;
Fig. 8 ist eine graphische Darstellung der Winkelverteilung von Lichtstrahlen, die auf einen Abschnitt einer reflektierenden Oberfläche in der optischen Faser gemäß Fig. 7 fallen; und
Fig. 9 ist eine graphische Darstellung der Winkelverteilung von Lichtstrahlen, die Fig. 8 ähnelt.

NÄHERE BESCHREIBUNG

Die Erfindung betrifft die Bereitstellung von Lichtleitern, die Licht emittieren können und spezielle Gebrauchseignung beim Aufbau von Beleuchtungssystemen haben. Bei der Beschreibung der Erfindung werden der Klarheit halber spezifische Ausführungsformen und Termini verwendet. Allerdings soll die Erfindung nicht auf die spezifisch beschriebenen Ausführungsformen und Termini beschränkt sein. Insbesondere wird die Erfindung anhand eines faseroptischen Lichtleiters beschrieben, der einen allgemein kreisförmigen Querschnitt hat. Dem Fachmann wird aber klar sein, daß die Grundsätze der Erfindung auf optische Fasern mit anderen Querschnittformen und auf Planarwellenleiter zutreffen.
Zur Darstellung des Hintergrunds breitet sich gemäß Fig. 1 in eine optische Faser 10 eingekoppeltes Licht durch die Faser 10 entlang einer Ausbreitungsachse 12 aus, die im wesentlichen mit der Längsachse der Faser 10 zusammenfällt. Das Licht durchläuft die Faser mit einem maximalen Kegelwinkel β in der Messung von der Ausbreitungsachse 12, der durch den zur inneren Totalreflexion notwendigen kritischen Winkel bestimmt ist. Der Winkel β läßt sich ableiten, indem zuerst der zur inneren Totalreflexion notwendige kritische Winkel θc anhand des Snelliusschen Brechungsgesetzes wie folgt berechnet wird:
sinθc = η&sub2;/η&sub1;,
wobei η&sub1; die Brechzahl des faseroptischen Kernmaterials und η&sub2; die Brechzahl des umgebenden Mediums ist, normalerweise ein Mantelmaterial oder Luft. Der Kegelwinkel β ist das Komplement des kritischen Winkels θc. Somit breitet sich Licht durch die optische Faser 10 in einem Kegelwinkel β aus, der proportional zum Verhältnis der Brechzahl des Kernmaterials zur Brechzahl des den Kern umgebenden Mediums ist.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist eine optische Faser mit reflektierenden Elementen zum Entnehmen von Licht aus der Faser auf eine Weise versehen, die die Querverteilung (d. h. quer zur Faser) von Lichtenergie verbreitert, die der Faser entnommen wird, ohne die Längsverteilung (d. h. faserabwärts) von Lichtenergie wesentlich zu beeinflussen, die der Faser entnommen wird. In einer bevorzugten Ausführungsform ist eine optische Faser bereitgestellt, die aufweist: einen optischen Faserkern mit einer optisch glatten Oberfläche zur Lichtausbreitung durch die Faser und einem lichtemittierenden Bereich entlang mindestens einem Abschnitt seiner Länge, wobei der lichtemittierende Bereich vorzugsweise aufweist: mehrere optische Elemente, die um eine erste Längsachse zentriert sind, die sich entlang der optisch glatten Oberfläche des optischen Faserkerns erstreckt, und mehrere optische Elemente, die um eine zweite Längsachse entlang der optisch glatten Oberfläche des optischen Faserkerns zentriert sind. Jedes optische Element weist mindestens eine optisch reflektierende Oberfläche auf, die sich in den optischen Faserkern so erstreckt, daß ein Anteil des Lichts, der auf das optische Element trifft, aus der optischen Faser heraus reflektiert wird.
Eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optischen Wellenleiters ist in Fig. 2 bis 5 dargestellt. Fig. 2 ist eine Perspektivansicht eines Abschnitts einer optischen Faser 20 gemäß von Aspekten der Erfindung, und Fig. 3 ist eine Draufsicht auf einen Abschnitt von ihr. Die optische Faser 20 verfügt über einen optischen Faserkern 22 mit einer ersten Endfläche 24, einer zweiten Endfläche 26 und einer optisch glatten Oberfläche 28, die sich in Längsrichtung über die Länge der Faser 20 erstreckt. Vorzugsweise entspricht die optisch glatte Oberfläche 28 der Umfangsfläche des optischen Faserkerns 22. In der Verwendung hierin bezeichnet "optisch glatte Oberfläche" eine Oberfläche, die auf die Oberfläche fallendes Licht mit minimaler Streuung oder Diffusion reflektieren kann, was z. B. möglich ist, wenn die Oberflächenrauheit im Vergleich zur Lichtwellenlänge klein ist. Obwohl die in Fig. 2 gezeigte Faser eine "blanke" Faser ist, wird dem Fachmann der optischen Technik klar sein, daß die Faser eine oder mehrere Mantelschichten und/oder zusätzliche Verkleidungsschichten aufweisen kann.
Die optische Faser 20 ist versehen mit mehreren optischen Elementen 30, die um eine erste Längsachse 38 zentriert sind, die sich entlang der optisch reflektierenden Oberfläche 28 der optischen Faser 20 erstreckt, sowie mehreren optischen Elementen 40, die um eine zweite Längsachse 48 der optischen Faser 20 zentriert sind. Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist die erste Längsachse 38 von der zweiten Längsachse 48 verschoben. Für die meisten optischen Fasern ist es zweckmäßig, die Winkelverschiebung δ (Fig. 5) zwischen der ersten Längsachse 38 und zweiten Längsachse 48 zu messen. Allerdings kann die Verschiebung zwischen den beiden Längsachsen auch als Entfernung entlang der reflektierenden Oberfläche 28 der optischen Faser 20 gemessen werden. Eine Entfernungsmessung kann für optische Fasern geeignet sein, die polygonale Querschnittformen haben.
Gemäß Fig. 3 und 4 ist die optische Faser 20 mit mehreren optischen Elementen 30 versehen, die um eine erste Längsachse 38 entlang der optisch reflektierenden Oberfläche 28 der Faser 20 zentriert sind. Vorzugsweise weist jedes optische Element 30 eine erste optisch reflektierende Oberfläche 32 auf, die sich in den Kern 22 der optischen Faser 20 erstreckt. Die optisch reflektierende Oberfläche 32 ist vorzugsweise eine im wesentlichen optisch glatte Oberfläche, was bedeutet, daß sie Licht mit minimalen Verlusten infolge von Streuung oder Diffusion reflektieren kann. Die Oberfläche 32 kann in jedem brauchbaren Winkel zwischen 0º und 90º von einer Achse senkrecht zur Ausbreitungsachse angeordnet sein. Außerdem weist jedes optische Element 30 eine zweite Oberfläche 34 auf, die optisch reflektierend oder nicht reflektierend sein kann. Die Oberflächen 32 und 34 schneiden sich so, daß sie die Basis 36 des optischen Elements 30 bilden. Ferner ist die optische Faser 20 mit mehreren optischen Elementen 40 versehen, die um eine zweite Längsachse 48 entlang der optisch reflektierenden Oberfläche der Faser 20 zentriert sind. Vorzugsweise weist jedes optische Element 40 eine erste optisch reflektierende Oberfläche 42 auf, die sich in den Kern 22 der optischen Faser 20 erstreckt. Die optisch reflektierende Oberfläche 42 ist ebenfalls vorzugsweise eine im wesentlichen optisch glatte Oberfläche, was bedeutet, daß sie Licht mit minimalen Verlusten infolge von Streuung oder Diffusion reflektieren kann. Die Oberfläche 42 kann in jedem brauchbaren Winkel zwischen 0º und 90º von einer Achse senkrecht zur Ausbreitungsachse angeordnet sein. Außerdem weist jedes optische Element 40 eine zweite Oberfläche 44 auf, die optisch reflektierend oder nicht reflektierend sein kann. Die Oberflächen 42 und 44 schneiden sich so, daß sie die Basis 46 des optischen Elements 40 bilden.
Gemäß Fig. 4 und 5 fällt im Gebrauch ein erster Anteil des den optischen Faserkern 22 durchlaufenden Lichts, dargestellt durch einen Lichtstrahl 50, auf die optisch reflektierende Oberfläche 32 des optischen Elements 30 und wird durch die optische Faser 20 hindurch so reflektiert, daß er auf die optisch glatte Oberfläche 28 der optischen Faser 20 in einem größeren Winkel als der zur fortgesetzten Ausbreitung durch die Faser erforderliche kritische Winkel trifft und dadurch mindestens teilweise aus der optischen Faser 20 gebrochen wird. Ein zweiter Anteil des die optische Faser 20 durchlaufenden Lichts, dargestellt durch einen Lichtstrahl 58, trifft auf die optisch reflektierende Oberfläche 28 der optischen Faser 20 und breitet sich weiter durch die optische Faser 20 aus. Ferner fällt ein dritter Anteil des den optischen Faserkern 22 durchlaufenden Lichts, dargestellt durch einen Lichtstrahl 60, auf die optisch reflektierende Oberfläche 42 des optischen Elements 40 und wird durch die optische Faser 20 hindurch so reflektiert, daß er auf die optisch glatte Oberfläche 28 der optischen Faser 20 in einem kleineren Winkel als der zur fortgesetzten Ausbreitung erforderliche kritische Winkel trifft und dadurch mindestens teilweise aus der optischen Faser 20 gebrochen wird.
Fig. 5 ist eine schematische Querschnittansicht senkrecht zu einer Längsachse der optischen Faser 20, die einen Aspekt der Erfindung veranschaulicht. Die Strichlinie 36 repräsentiert die Unterkante eines optischen Elements 30, das um die erste Längsachse 38 angeordnet ist, während die Vollinie 46 die Unterkante eines optischen Elements 40 darstellt, das um die zweite Längsachse 48 angeordnet ist. Die Achsen 38 und 48 sind um einen Winkel δ winkelverschoben. Lichtstrahlen 52 und 54 stellen die Grenzlichtstrahlen dar, die aus der optischen Faser 20 durch ein optisches Element 30 reflektiert werden, das um die erste Achse 38 angeordnet sind. Somit tritt aus dem optischen Element 30 reflektiertes Licht in einem Profil aus, das sich über den durch die Lichtstrahlen 52 und 54 gebildeten eingeschlossenen Winkel erstreckt. Ähnlich stellen Lichtstrahlen 62 und 64 die Grenzlichtstrahlen dar, die aus der optischen Faser 20 durch ein optisches Element 40 reflektiert werden, das um die zweite Achse 48 angeordnet sind. Somit tritt aus dem optischen Element 40 reflektiertes Licht in einem Profil aus, das sich über den durch die Lichtstrahlen 62 und 64 gebildeten eingeschlossenen Winkel erstreckt.
Wie Fig. 5 zeigt, besteht der Nutzeffekt der Anordnung optischer Elemente um zwei getrennte Längsachsen darin, die Querverteilung (d. h. quer zur Faser) von Lichtenergie im Divergenzprofil von Licht zu verbreitern, das aus der optischen Faser 20 reflektiert wird. Vorteilhaft verbreitert sich die Querverteilung von Lichtenergie, ohne das Divergenzprofil in Längsrichtung (d. h. faserabwärts) wesentlich zu beeinflussen. Somit läßt sich die Querverteilung von Lichtenergie im Divergenzprofil steuern, ohne die Längsverteilung von Lichtenergie im Divergenzprofil wesentlich zu beeinflussen, indem optische Elemente um zwei oder mehr getrennte Längsachsen entlang der Oberfläche der optischen Faser angeordnet sind. Erreichen läßt sich dies durch Verwendung optischer Elemente, die im wesentlichen flache (z. B. lineare) Kerbenbasen (z. B. 36, 46) und im wesentlichen identische Größe und Geometrie haben. Diese Faktoren erleichtern die Gestaltung und Herstellung faseroptischer Beleuchtungssysteme, da die Eigenschaften solcher optischer Elemente leichter als die Eigenschaften komplexerer optischer Elemente zu modellieren sind. Weiterhin sind optische Elemente mit flachen (z. B. linearen) Kerbenbasen leichter als optische Elemente herzustellen, die eine komplexere Geometrie haben.
Dem Fachmann wird deutlich sein, daß die minimale Winkelverschiebung δ etwas größer als 0º ist, wobei in diesem Fall die Achsen nahezu zusammenfallen, und daß die maximale Winkelverschiebung δ 180º beträgt. In der Praxis wird die Verschiebung δ zwischen der ersten Längsachse 38 und zweiten Längsachse 48 primär durch funktionelle Gesichtspunkte bestimmt. Insbesondere bestimmt man die Winkelverschiebung δ anhand des gewünschten Winkelbereichs des Divergenzkegels von reflektiertem Licht im Quermaß (d. h. quer zur Faser), und sie kann mit optischen Modellierungstechniken bestimmt werden, die dem Fachmann bekannt sind. Für viele Anwendungen, in denen die optische Faser zum Beleuchten einer großen Fläche dient, sind Winkelverschiebungen bis 100º nutzbar, um das Ausfallslicht in breiter Winkelverteilung divergieren zu lassen. In Anwendungen, in denen die optische Faser dagegen direkt betrachtet wird, z. B. eine Fahrzeugwarnleuchte, kann es erwünscht sein, das Quermaß der Winkelverteilung von Ausfallslicht zu verengen, um das Licht in einem gewünschten Winkelbereich zu konzentrieren. Für solche Anwendungen sind Winkelverschiebungen δ zwischen etwa 5º und 20º nützlich.
Ein weiterer Nutzen im Zusammenhang mit der Anordnung optischer Elemente um getrennte Längsachsen, die sich entlang der Oberfläche der optischen Faser 20 erstrecken, betrifft Abschattungseffekte in der Faser. Abschattungseffekte werden später näher diskutiert. Kurz gesagt schattet jedes optische Element in einer optischen Faser das benachbarte optische Element von einem Anteil der Lichtstrahlen ab, die sich durch die optische Faser 20 ausbreiten. Der Abschattungsgrad ist proportional zur Tiefe, in der sich das optische Element in die optische Faser 20 erstreckt. Die Bereitstellung optischer Elemente, die erfindungsgemäß um zwei getrennte Längsachsen auf der Oberfläche der optischen Faser angeordnet sind, reduziert die nachteiligen Wirkungen im Zusammenhang mit Abschattung, indem Licht in einem breiteren Divergenzpegel verteilt werden kann, ohne auf tiefere optische Elemente zurückzugreifen, die in Ausführungsformen mit einer einzelnen Achse erforderlich sind. Da zusätzlich die optischen Elemente voneinander verschoben sind, werden Abschattungseffekte gleichmäßiger um den Umfang der optischen Faser 20 verteilt, wodurch ihre Auswirkungen weniger spürbar sind.
Dem Fachmann der optischen Technik wird klar sein, daß sich Nutzeffekte der Erfindung mit optischen Elementen erhalten lassen, die um mehr als zwei Längsachsen angeordnet sind, die sich entlang der Oberfläche der optischen Faser 20 erstrecken. Zum Beispiel kann ein faseroptisches Beleuchtungssystem optische Elemente enthalten, die um drei oder mehr getrennte Längsachsen angeordnet sind, die sich entlang der Oberfläche der optischen Faser 20 erstrecken. Die Verschiebung zwischen den Längsachsen kann vorab so festgelegt sein, daß ein spezifisches optisches Ziel erreicht wird, oder sie kann alternativ zufällig sein.
Die reflektierenden Oberflächen 32, 42 der optischen Elemente 30, 40 können jeweils mit einem spiegelnd reflektierenden Stoff (z. B. Silber, Aluminium) so beschichtet sein, daß auf diese Oberflächen treffendes Licht spiegelnd reflektiert wird. Sind aber die reflektierenden Oberflächen 32, 42 nicht mit einem spiegelnd reflektierenden Stoff beschichtet, wird Licht, das auf die reflektierenden Oberflächen in einem kleineren Winkel als der durch das Snelliussche Brechungsgesetz definierte kritische Winkel fällt, durch das optische Element durchgelassen (und gebrochen). Im Gegensatz dazu wird Licht, das auf die reflektierende Oberfläche in einem größeren Winkel als der durch das Snelliussche Brechungsgesetz definierte kritische Winkel fällt, ganz ähnlich wie das durch die Strahlen 58 gezeigte Licht innen total reflektiert.
Wie zuvor diskutiert wurde, verläßt Licht, das einer optischen Faser durch optische Elemente entnommen wird, die Faser mit einer Ausfallswinkelverteilung. Die Längsverteilung (d. h. faserabwärts) von Lichtenergie im Divergenzkegel ist primär eine Funktion des Kegelwinkels von Licht, das sich durch die optische Faser ausbreitet. Diese Verteilung läßt sich einstellen, indem man den reflektierenden Flächen der optischen Elemente 30, 40 optische Leistung verleiht, z. B. durch Einbringen einer Krümmung in diese Oberflächen. Alternativ kann die Längsverteilung von Lichtenergie eingestellt werden, indem der Kegelwinkel von Licht geändert wird, das die optische Faser 20 durchläuft. Die Querverteilung (d. h. quer zur Faser) von Lichtenergie im Divergenzkegel ist eine Funktion der Tiefe, auf die sich die reflektierenden Oberflächen der optischen Elemente in die optische Faser 20 erstrecken. Durch Erhöhen der Tiefe, auf die sich ein optisches Element in den optischen Faserkern erstreckt, erhöht man also den Winkelbereich von Lichtenergie im Divergenzkegel.
Vorzugsweise ist die optische Faser 20 aus einem im wesentlichen optisch durchlässigen Material gebildet. Bevorzugte Materialien zeigen einen hohen optischen Durchlaßgrad und haben relativ hohe Brechzahlen. Zu verbreiteten Materialien zählen Polymethylmethacrylat (Brechzahl 1,49) und Polycarbonat (Brechzahl 1,58). Optional kann die optische Faser 20 ein Mantelmaterial (nicht gezeigt) aufweisen, das den Kern der Faser umgibt. Eine Mantelschicht kann jedes in der Technik bekannte geeignete Material aufweisen, das eine für das ausgewählte Kernmaterial geeignete Brechzahl hat. Zu verbreiteten faseroptischen Mantelmaterialien zählen Polyvinylidenfluorid (Brechzahl 1,42), Perfluoracrylat (Brechzahl 11,35) und Polytetrafluorethylen (Brechzahl 1,40) sowie Tetrafluorethylen-Hexafluorpropylen-Vinylidenfluorid, dessen Brechzahl mit der Relativkonzentration seiner Bestandteile variiert, aber allgemein als etwa 1,36 betrachtet werden kann.
Deutlich ist, daß die Morphologie jedes optischen Elements 30, 40, z. B. der Neigungswinkel der ersten optisch reflektierenden Oberflächen 32, 42 und in geringerem Maß der zweiten Oberflächen 34, 44; die Tatsache, ob die optisch reflektierenden Oberflächen 32, 42 eben oder gewölbt sind; die Querschnittfläche jeder optisch reflektierenden Oberfläche 32, 42 usw., die Menge und Richtung von Licht beeinflussen, das aus der Faser 20 an diesem speziellen Punkt emittiert wird. Somit läßt sich die Menge und Richtung von aus der Faser reflektiertem Licht steuern, indem man die geeignete Kerbungsart sowie das Muster und den Abstand der Kerben entlang der Faser auswählt. Obwohl jede Kerbe auf einer bestimmten Faser gewöhnlich ähnliche Morphologie hat, kann jede brauchbare Kombination aus optischen Elementen zum Einsatz kommen.
In der gezeigten Ausführungsform sind die ersten optisch reflektierenden Oberflächen 32, 42 der optischen Elemente 30, 40 in einem Winkel von etwa 45º zu einer Achse geneigt, die senkrecht zur Ausbreitungsachse ist, obwohl Winkel von 10º bis 80º, vorzugsweise von 20º bis 70º und stärker bevorzugt von 30º bis 60º auch nützlich sind. Je nach gewünschter Menge und Laufrichtung des aus der Faser austretenden Lichts kann jeder brauchbare Winkel von 0º bis 90º genutzt werden. Besonders bevorzugte Winkelbereiche für spezielle Ausführungsformen eines optischen Wellenleiters sind im folgenden dargestellt.
Die zweiten optisch reflektierenden Oberflächen 34, 44 der optischen Elemente 30, 40 können lotrecht zur Längsachse der Faser 20 oder zu einer Ebene hin oder davon weg geneigt sein, die lotrecht zur Längsachse der Faser 20 ist, um V- förmige oder hinterschnittene optische Elemente zu bilden. Zusätzlich können eine oder beide optisch reflektierenden Oberflächen 34, 44 der optischen Elemente 30, 40 für bestimmte Verwendungszwecke gewölbt sein, wobei sie aber gewöhnlich im wesentlichen eben sind. Die Oberflächen der Kerbe sind normalerweise so hergestellt, daß sie optische Güte haben, was bedeutet, daß die Oberflächen Auflicht mit minimaler Streuung oder Diffusion reflektieren.
Der Terminus "optisches Element" dient hier zum Erfassen jeder gesteuerten, im Kern der optischen Faser ausgebildeten Unterbrechung oder Diskontinuität, die die eine oder mehrere Oberflächen bildet, die mindestens einen Anteil von Licht reflektieren können, das auf sie durch die Gegenwand der Faser auftrifft. Solche optischen Elemente sind von Kratzern und anderen Unterbrechungen sowie Unvollkommenheiten und anderen Oberflächenunregelmäßigkeiten zu unterscheiden, die von Zeit zu Zeit in optischen Fasern auftreten, da sie auf gesteuerte Weise ausgebildet sind, wobei die Morphologie, das Muster und der Abstand der Elemente so gezielt hergestellt sind, daß sie der beabsichtigten Verwendung der Faser entsprechen. Durch geeignetes Steuern der Morphologie jedes optischen Elements, z. B. des Winkels, der Wölbung und der Querschnittfläche der reflektierenden Oberfläche(n) sowie des Musters und Abstands der Elemente entlang der Faser kann Licht durch die Seitenwand der Faser selektiv emittiert werden.
Fig. 6 ist eine schematische Darstellung eines Beleuchtungssystems 110 in Übereinstimmung mit Grundsätzen der Erfindung. Das Beleuchtungssystem 110 weist eine Lichteinkoppelanordnung 112 auf, die mit einer optischen Faser 114 optisch gekoppelt ist. Die Lichteinkoppelanordnung 112 weist eine Lichtquelle (nicht gezeigt) auf und verfügt vorzugsweise über eine Kollimatoranordnung (nicht gezeigt) zum Kollimieren von Licht zu einem Divergenzkegel, der durch die optische Faser 114 aufgenommen werden kann. Die Spezifika der Lichteinkoppelanordnung 112 sind für die Erfindung nicht kritisch. Zu geeigneten handelsüblichen Lichteinkoppelanordnungen gehören die Lichtpumpe Light Pump 150, im Handel zu beziehen von Remote Source Lighting International, Inc., San Juan Capistrano, California, USA; und der Metallhalogenid-Leuchtkörper PowerhouseTM, im Handel erhältlich von Lumenyte International Corporation, Costa Mesa, California, USA. Die optische Faser 114 weist einen lichtemittierenden Bereich 116 auf, der sich über einen Abschnitt ihrer Länge erstreckt. Der lichtemittierende Bereich 116 verfügt über mindestens ein optisches Element 118, das um eine erste Längsachse angeordnet ist, und ein zweites optisches Element 120, das um eine zweite Längsachse angeordnet ist, was in Fig. 2 und 3 gezeigt ist. Im Gebrauch wird Licht von der Lichtquelle in die optische Faser 114 so eingekoppelt, das sich das Licht durch die optische Faser 114 nach dem Snelliusschen Brechungsgesetz ausbreitet. Wie zuvor diskutiert wurde, fällt ein Anteil des sich durch die optische Faser 114 ausbreitenden Lichts auf die reflektierenden Oberflächen der optischen Elemente 118, 120 und wird aus der Faser reflektiert. Erfindungsgemäße Beleuchtungssysteme können in vielfältigen Anwendungen zum Einsatz kommen, u. a. Arbeitsplatzbeleuchtung, Fahrzeugbeleuchtung, auffallende Markierungssysteme und Beschilderung.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft die Steuerung bzw. Eindämmung der Auswirkung von Abschattungseffekten auf die Winkelverteilung von Lichtenergie, die aus einer optischen Faser reflektiert wird. Wie oben diskutiert wurde, führen Abschattungseffekte Variabilität in die Winkelverteilung von Lichtenergie ein, die aus einer optischen Faser reflektiert wird. Besonders nützlich ist die Eindämmung von Abschattungseffekten für optische Fasern mit eng beabstandeten optischen Elementen. Erfindungsgemäß kann der Winkel, den die reflektierenden Oberflächen in der optischen Faser bilden, so abgewandelt sein, daß Abschattungseffekte in der Faser eingedämmt werden.
Dieser Aspekt der Erfindung geht am besten aus Fig. 7 bis 9 hervor. Gemäß Fig. 7 verfügt eine optische Faser 70 über einen Kern 72 mit einer ersten Oberfläche 74, die geeignet ist, Licht von einer Lichtquelle (nicht gezeigt) zu empfangen, und einer optisch reflektierenden Oberfläche 78, die Licht reflektiert, das sich durch die optische Faser 70 ausbreitet. Die optisch reflektierende Oberfläche 78 entspricht vorzugsweise der Umfangsfläche des optischen Faserkerns 72. Ein erstes optisches Element 80 ist in einem ersten Abstand d&sub1; von der ersten Oberfläche 74 angeordnet, und ein zweites optisches Element 90 ist in einem zweiten Abstand d&sub2;, der größer als d&sub1; ist, von der ersten Oberfläche 74 angeordnet. Das erste optische Element 80 verfügt über eine erste optisch reflektierende Oberfläche 82, die in einem Winkel θ von einer Achse angeordnet ist, die senkrecht zur Längsachse 73 der optischen Faser 70 ist, und eine zweite Oberfläche 84. Das zweite optische Element 90 verfügt ebenfalls über eine erste optisch reflektierende Oberfläche 92, die in einem Winkel θ von einer Achse angeordnet ist, die senkrecht zur Längsachse 73 der optischen Faser 70 ist, und eine zweite Oberfläche 94.
Wie zuvor im Zusammenhang mit Fig. 1 diskutiert wurde, breitet sich in die optische Faser 70 eingekoppeltes Licht durch die optische Faser 70 entlang einer Ausbreitungsachse, die allgemein mit der Längsachse 73 der Faser 70 zusammenfällt, in einem Kegel mit einem Kegelwinkel β aus, der durch die relativen Brechzahlen des optischen Faserkerns und des umgebenden Mediums bestimmt wird. Für diese Offenbarung sei angenommen, daß sich Licht durch die optische Faser 70 von links nach rechts ausbreitet. Als Konvention gelten Winkelmessungen oberhalb einer Achse, die parallel zur Längsachse 73 der optischen Faser 70 ist, als positiv, während Winkelmessungen unterhalb einer Parallelachse zur Ausbreitungsachse als negativ gelten.
Haben benachbarte optische Elemente 80, 90 einen relativ engen Abstand (z. B. von 0,05 Millimeter bis 5,0 Millimeter), schattet das erste optische Element 80 einen Anteil des Lichts ab, der sonst auf die reflektierende Oberfläche 92 des zweiten optischen Elements 90 fallen würde. Der Abschattungseffekt des ersten optischen Elements 80 auf das zweite optische Element 90 läßt sich veranschaulichen durch Vergleichen der Winkelverteilung von Lichtstrahlen, die auf die reflektierende Oberfläche 82 des ersten optischen Elements 80 fallen, das nicht durch ein benachbartes optisches Element abgeschattet wird, mit der Winkelverteilung von Lichtstrahlen, die auf die reflektierende Oberfläche 92 des zweiten optischen Elements 90 fallen, das durch das erste optische Element abgeschattet wird.
Jeder Punkt auf der reflektierenden Oberfläche 82 des ersten optischen Elements 80 empfängt Lichtstrahlen aus der gesamten Winkelverteilung (d. h. von -β bis +β) von Licht, das sich durch die optische Faser 70 ausbreitet. Im Gegensatz dazu verhindert das Vorhandensein des ersten optischen Elements 80, daß ein Anteil der Winkelverteilung von Licht, das die optische Faser 70 durchläuft, auf die reflektierende Oberfläche 92 des zweiten optischen Elements 90 fällt.
Fig. 7 veranschaulicht den Abschattungseffekt des ersten optischen Elements 80 an einem Punkt an der Unterkante 96 der reflektierenden Oberfläche 92 des zweiten optischen Elements 90. Licht breitet sich durch die optische Faser 70 mit einem Kegelwinkel β aus. Der Abschattungswinkel α kann als Winkel zwischen einem ersten optischen Weg 100, der sich von der Unterkante 96 des zweiten optischen Elements 90 zur Oberseite des ersten optischen Elements 80 erstreckt, und einem zweiten optischen Weg 102 definiert werden, der sich vom gleichen Punkt am zweiten optischen Element 90 zur Unterkante 86 des ersten optischen Elements 80 erstreckt. Alle Lichtstrahlen innerhalb des durch den Abschattungswinkel α gebildeten Winkelbereichs sind durch das erste optische Element 80 daran gehindert, auf die reflektierende Oberfläche 92 des zweiten optischen Elements 90 zu fallen. Zusätzlich repräsentiert ein optischer Weg 104 den Winkel des Grenzlichtstrahls, der die Unterkante 86 des ersten optischen Elements 80 passiert, von der Oberfläche 78 der optischen Faser 70 reflektiert wird und auf die Unterkante 96 des zweiten optischen Elements 90 fällt. Folglich werden alle Lichtstrahlen innerhalb des Winkelbereichs zwischen dem optischen Weg 104 und 100 durch das erste optische Element 80 auch blockiert. Unter Anwendung der Grundsätze der geometrischen Optik läßt sich zeigen, daß der vom optischen Weg 104 und optischen Weg 100 begrenzte Winkel gleich dem Abschattungswinkel α ist. Somit werden aus dem Winkelbereich von -β bis +β Lichtstrahlen im Winkelbereich, der sich von 0º (d. h. parallel zur Ausbreitungsachse) bis 2α Grad erstreckt, durch das optische Element 80 blockiert oder abgeschattet.
Fig. 8 zeigt eine graphische Darstellung der Winkelverteilung von Lichtstrahlen, die auf einen Punkt an der Unterkante 96 der reflektierenden Oberfläche 92 des zweiten optischen Elements 90 fallen. Unter Annahme eines Kegelwinkels β (d. h. einer Winkelverteilung von Lichtstrahlen von -β bis +β in der Messung von der Ausbreitungsachse) empfängt die Unterkante 96 der reflektierenden Oberfläche 92 des zweiten optischen Elements 90 Licht, das sich in den Winkelbereichen von -β bis 0 Grad und von 2α bis β Grad ausbreitet. Dagegen wird Licht, das die Faser in der sich von 0 Grad bis 2α Grad erstreckenden Winkelverteilung durchläuft, durch das erste optische Element 80 abgeschattet.
Somit besteht der Effekt der Abschattung darin, eine Unterbrechung der Winkelverteilung von Licht zu erzeugen, das auf jeden Punkt der reflektierenden Oberfläche 92 des zweiten optischen Elements 90 fällt. Mit herkömmlichen optischen Modellierungsverfahren, die dem Fachmann der optischen Technik bekannt sind, ist es möglich, den Abschattungseffekt über die gesamte reflektierende Oberfläche 92 des zweiten optischen Elements 90 zu integrieren. Fig. 9 repräsentiert den integralen Abschattungseffekt über die gesamte reflektierende Oberfläche 92 des zweiten optischen Elements 90. Unter der Annahme, daß sich Licht durch die Faser mit einer sich von -β bis +β erstreckenden Winkelverteilung ausbreitet, schattet das erste optische Element Licht innerhalb des Winkelbereichs vollständig ab, der sich von 0 Grad (d. h. parallel zur Ausbreitungsachse) bis α Grad erstreckt. Licht innerhalb des Winkelbereichs, der sich von -α bis 0 Grad und von α Grad bis 2α Grad erstreckt, wird durch das erste optische Element 80 teilweise abgeschattet. Dagegen wird Licht innerhalb des Winkelbereichs, der sich von -β bis -α und von 2α bis β Grad erstreckt, nicht durch das erste optische Element 80 abgeschattet.
Die Unterbrechung der Winkelverteilung von Licht, das durch das zweite optische Element 90 reflektiert wird, erzeugt eine entsprechende Winkelvariation in der räumlichen Intensität des aus der optischen Faser 70 reflektierten Lichts. Diese Variation führt zu einer "Lücke" oder einem "Loch" in der Ausfallswinkelverteilung von Licht, das aus der Faser reflektiert wird. Diese "Lücke" oder dieses "Loch" kann für das bloße Auge eines Betrachters wahrnehmbar sein, der die optische Faser an einer Position innerhalb der "Lücke" oder des "Lochs" betrachtet. Manifestiert ist sie als Bereich mit relativ geringer Lichtintensität oder unter einigen Bedingungen als Bereich, der im wesentlichen lichtleer ist.
Somit betrifft ein weiterer Aspekt der Erfindung die Festlegung eines bevorzugten Bereichs von Winkeln für die reflektierende Oberfläche optischer Elemente, um Abschattungseffekte in einer optischen Faser zu kompensieren. In dieser Hinsicht stellt die Erfindung eine optische Faser bereit, die aufweist: ein Kernmaterial mit einer ersten Oberfläche zum Empfangen von Licht von einer Lichtquelle und einer optisch reflektierenden Oberfläche zur Lichtausbreitung durch das Kernmaterial. Die optisch reflektierende Oberfläche weist mehrere optische Elemente auf. Jedes optische Element weist eine reflektierende Oberfläche auf, die in einem Winkel θ zu einer Ebene angeordnet ist, die senkrecht zur Ausbreitungsachse der optischen Faser ist, wobei der Winkel θ aus einem bevorzugten Bereich von Winkeln so ausgewählt ist, daß er die durch Abschattung bewirkte Unterbrechung der Winkelverteilung von Licht kompensiert, das auf die reflektierenden Oberflächen der optischen Elemente fällt.
Als Darstellung des Hintergrunds läßt sich der Kerbwinkel θ von einem gewünschten Winkel γ ableiten, aus dem die optische Faser 70 zu betrachten ist. Unter der Annahme, daß das den optischen Faserkern umgebende Medium Luft ist (Brechzahl 1,0), muß der von der reflektierenden Oberfläche 78 reflektierte Lichtstrahl die Faser/Luft-Grenzfläche in einem Austrittswinkel γ' schneiden, der sich durch das Snelliussche Brechungsgesetz wie folgt bestimmt:
wobei η' die Brechzahl des faseroptischen Kernmaterials ist. Dem Fachmann der optischen Technik wird klar sein, daß zusätzliche Iterationen mit gleichem Verfahrensablauf genutzt werden können, um den gewünschten Austrittswinkel γ' zu berechnen, wenn die optische Faser 70 ein oder mehrere Mantelmaterialien mit unterschiedlichen Brechzahlen aufweist. Konventionsgemäß mißt man die Winkel γ und γ' von einer Achse, die lotrecht zur reflektierenden Oberfläche 78 der optischen Faser 70 ist.
Unter Anwendung von Grundsätzen der geometrischen Optik, die dem Fachmann der optischen Technik bekannt sind, läßt sich der Winkel θ, der notwendig ist, Licht von der reflektierenden Oberfläche 92 des zweiten optischen Elements 90 so zu reflektieren, daß es die reflektierende Oberfläche 78 der optischen Faser 70 in einem Winkel γ' schneidet, mit folgender Gleichung ableiten:
Nimmt man z. B. an, daß der gewünschte Austrittswinkel 0º beträgt, so daß wegen der Ausfallswinkelverteilung Licht aus der optischen Faser 70 in Zentrierung um eine Achse austritt, die im wesentlichen senkrecht zur reflektierenden Oberfläche 78 ist, führt die o. g. Gleichung zu einem Winkel θ von 45º.
Erfindungsgemäß ist der Winkel θ zur Kompensation von Abschattungseffekten durch Addition eines Terms ξ modifiziert. Somit berechnet sich erfindungsgemäß der Winkel θ wie folgt:
Der Term ξ stellt eine Winkelabweichung dar, die so berechnet ist, daß der Austrittswinkel geändert wird, um den die Ausfallswinkelverteilung von Lichtenergie zentriert ist, die die Faser verläßt. Vorzugsweise ist der Winkel θ so modifiziert, daß die breitere Keule der Ausfallswinkelverteilung von Lichtenergie um den gewünschten Austrittswinkel γ' zentriert ist. Somit läßt sich in einer bevorzugten Ausführungsform der Fehlerterm ξ aus der Gleichung
berechnen, wobei
α der zuvor definierte Abschattungswinkel und
β der Kegelwinkel des sich durch die optische Faser ausbreitenden Lichts ist.
Nimmt man z. B. wiederum an, daß der gewünschte Austrittswinkel γ' 90º beträgt, der Abschattungswinkel 5º mißt und der Kegelwinkel β von Licht, das die optische Faser 70 durchläuft, 25 Grad beträgt, so läßt sich der bevorzugte Kerbwinkel wie folgt bestimmen:
θ = 52,5º.
Somit ist erfindungsgemäß der Winkel θ, in dem die reflektierenden Oberflächen 92 der optischen Elemente 90 angeordnet sind, gegenüber dem Winkel modifiziert, der nach der Lehre der geometrischen Optik erforderlich ist, um Licht aus der Faser in einem bestimmten Austrittswinkel γ' zu reflektieren. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Winkel θ um einen Term ξ modifiziert, der so berechnet ist, daß er die breitere Lichtkeule um den gewünschten Austrittswinkel γ' zentriert, wobei die o. g. Gleichung verwendet wird. Allerdings kann es für viele Anwendungen akzeptabel sein, die Ausfallswinkelverteilung von Lichtenergie um jeden Winkel im Bereich von -β bis -α oder von 2α bis β zu zentrieren. Somit kann der Term ξ aus der Gruppe von Winkeln im Bereich von α/2 bis β/2 oder von -β/2 bis -α ausgewählt sein.

BEISPIEL

Eine spezifische Ausführungsform einer erfindungsgemäßen optischen Faser stellt einen optischen Wellenleiter und ein Beleuchtungssystem bereit, die zum Gebrauch in einer Zusatz- bzw. hochgesetzten Bremsleuchte (CHMSL) in einem Kraftfahrzeug besonders geeignet sind. Photometrische Spezifikationen für hochgesetzte Bremsleuchten sind in der Norm SAE J186 DEC89 der Society of Automotive Engineers festgelegt. Hergestellt wurde eine optische Faser, die im wesentlichen Fig. 2 und 3 entsprach. Die optische Faser hatte eine Länge von 500 Millimetern und einen Durchmesser von 9,5 Millimetern. Die optische Faser verfügte über zwei Reihen optischer Elemente: eine erste Reihe, die um eine erste Längsachse angeordnet war, und eine zweite Reihe, die um eine zweite Längsachse angeordnet war, die gegenüber der ersten Längsachse um 10º winkelverschoben war. Jede Reihe wies 189 optische Elemente auf, die sich auf eine Tiefe von etwa 0,25 Millimetern (250 Mikrometer) in den optischen Faserkern erstreckten. Der Abstand zwischen den Kerben war so berechnet, daß optische Leistung der optischen Faser gleichmäßig entnommen wurde, wobei die folgende Gleichung zum Einsatz kam:
wobei
Sn der Abstand zwischen einem optischen Element n und einem optischen Element n + 1 ist;
S&sub1; der Abstand zwischen einem optischen Element 1 und einem optischen Element 2 ist;
n die laufende Nummer des optischen Elements ist;
N die Gesamtanzahl (378) optischer Elemente ist; und
a der Durchlaßkoeffizient für jede Kerbe ist (0,993).
Die reflektierenden Oberflächen der Kerben waren mit einem reflektierenden silbrigen Stoff beschichtet. Die reflektierenden Oberflächen der Kerben waren in einem Winkel θ von 52,5º angeordnet. Eine Leuchtdiode war mit jeder Endfläche der optischen Faser gekoppelt, und Licht wurde in die Faser eingekoppelt. Zu geeigneten Leuchtdioden gehöre n z. B. Leuchtdioden Modell HTWP-MH00, die im Handel von Hewlett- Packard Corporation zu beziehen sind.
Die Ausfallslichtverteilung wurde mit Sichtkontrolle geprüft. Das Beleuchtungssystem zeigte im wesentlichen gleichmäßige Beleuchtung über die Länge der optischen Faser. Zudem zeigte das Beleuchtungssystem im wesentlichen gleichmäßige Beleuchtung quer zur Faser.
In der vorstehenden Diskussion und im Beispiel wurden mehrere Ausführungsformen eines Beleuchtungssystems offenbart, das eine optische Faser mit einem Kern und mehreren optischen Elementen zum Entnehmen von Licht aus dem Kern aufweist, die um zwei getrennte Längsachse angeordnet sind. Obwohl mehrere Ausführungsformen der Erfindung dargestellt und beschrieben wurden, wird dem Fachmann der optischen Technik klar sein, daß an den zuvor offenbarten spezifischen Ausführungsformen und Schritten unwesentliche Änderungen vorgenommen weißen können, die so berechnet sind, daß das gleiche Ergebnis erreicht wird. Mit dieser Anmeldung sollen alle derartigen Anpassungen oder Varianten der Erfindung erfaßt werden. Daher soll die Erfindung nur durch die beigefügten Ansprüche beschränkt sein.

Claims

1. Beleuchtungssystem mit:

einer optischen Faser (20) mit einem optischen Faserkern (22) mit einer optisch glatten Oberfläche (28) zur Lichtausbreitung durch die Faser und einem lichtemittierenden Bereich, der sich entlang einem Abschnitt der Faser erstreckt, wobei der lichtemittierende Bereich aufweist:

mehrere optische Elemente (30), die um eine erste Längsachse (38) zentriert sind, die sich entlang der optisch glatten Oberfläche (28) des optischen Faserkerns erstreckt, wobei jedes optische Element eine optisch reflektierende Oberfläche (32) aufweist, die sich in den optischen Faserkern erstreckt;

gekennzeichnet durch mehrere optische Elemente (40), die um eine zweite Längsachse (48) zentriert sind, die sich entlang der optisch glatten Oberfläche (28) des optischen Faserkerns erstreckt, wobei jedes Element eine optisch reflektierende Oberfläche (42) aufweist, die sich in den optischen Faserkern erstreckt, wobei die zweite Längsachse von der ersten Längsachse verschoben ist.

2. Beleuchtungssystem nach Anspruch 1, wobei: die zweite Längsachse um die Mittelachse der optischen Faser von der ersten Längsachse um einen Winkel umfangsverschoben ist, der zwischen 1º und 180º liegt.

3. Beleuchtungssystem nach Anspruch 1, wobei: die zweite Längsachse um die Mittelachse der optischen Faser von der ersten Längsachse um einen Winkel umfangsverschoben ist, der zwischen 5º und 100º liegt.

4. Beleuchtungssystem nach Anspruch 1, wobei: die zweite Längsachse um die Mittelachse der optischen Faser von der ersten Längsachse um einen Winkel umfangsverschoben ist, der zwischen 5º und 20º liegt.

5. Beleuchtungssystem nach Anspruch 1, wobei: die zweite Längsachse um die Mittelachse der optischen Faser von der ersten Längsachse um einen Winkel umfangserschoben ist, der 10º beträgt.

6. Beleuchtungssystem nach Anspruch 1, wobei der lichtemittierende Bereich aufweist: mehrere optische Elemente, die um eine dritte Längsachse zentriert sind, die sich entlang der optisch glatten Oberfläche des optischen Faserkerns erstreckt, und die eine optisch reflektierende Oberfläche aufweisen, die sich in den optischen Faserkern erstreckt, wobei die dritte Längsachse von der ersten Längsachse und der zweiten Längsachse umfangsverschoben ist.

7. Beleuchtungssystem nach Anspruch 1, ferner mit: einer Lichtquelle (112), die mit der optischen Faser optisch gekoppelt ist.

8. Beleuchtungssystem nach Anspruch 1, wobei: die optische Faser eine Querschnittform hat, die aus der Gruppe von Querschnittformen ausgewählt ist, die aus kreisförmig, elliptisch, oval, rechtwinklig, quadratisch und polygonal besteht.