DE69330369T2

DE69330369T2 - Beleuchtungsvorrichtung mit Lichtleiter

Info

Publication number: DE69330369T2
Application number: DE69330369T
Authority: DE
Inventors: Roger H. Appeldorn; Alan G. Hulme-Lowe; Michael C. Lea
Original assignee: Minnesota Mining and Manufacturing Co
Current assignee: 3M Co
Priority date: 1992-10-19
Filing date: 1993-10-16
Publication date: 2002-05-02
Anticipated expiration: 2013-10-17
Also published as: US5432876A; DE69330369D1; JPH06201917A; EP0594089B1; EP0594089A1; US5432876C1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Lichtwellenleiter oder Lichtleitfasern, die eine Reihe optischer Elemente mit kontrollierter Morphologie, kontrolliertem Muster und Abstand aufweisen, die insbesondere als Beleuchtungseinrichtung geeignet sind. Die Erfindung betrifft auch Beleuchtungsvorrichtungen mit solchen Lichtleitfasern.
Lichtleitfasern weisen einen allgemein aus einem anorganischen Glas oder aus einem Kunstharz hergestellten Kern und ein Überzugs- oder Hüllmaterial auf, das einen kleineren Brechungsindex aufweist als der Kern und die Lichtenergie so begrenzt, daß sie durch totale Innenreflexion im Kern übertragen wird. Der Übertragungsgrad nimmt zu, wenn die Differenz der Brechungsindizes zwischen dem Kern und dem Hüllmaterial zunimmt. Für viele Zwecke kann das Hüllmaterial Luft sein.
Die Verwendung von Lichtleitfasern als Einrichtungen zur Datenübertragung ist von großem Interesse, und die Informationsübertragung unter Verwendung von durch Glas- oder Kunststoffasern geleiteten modulierten Lichtstrahlen für Telekommunikations-, Computer- und Datenbasiszwecke ist nun gang und gäbe.
In den US-Patenten Nr. 4171844, 4885663 und 4907132 und im deutschen Patent Nr. 3801385 sind verschiedene Beleuchtungsvorrichtungen beschrieben, in denen mehrere Lichtleitfasern miteinander verwebt oder verflochten sind, um ein Bandmaterial herzustellen. Durch die durch das Verwenben/Verflechten des Materials erzeugten, relativ scharfen Biegungen der Fasern wird begünstigt, daß Licht durch die Seitenwände der einzelnen Fasern austreten kann. Ein Teil des auf jede Biegung auftreffenden Lichts überschreitet den kritischen Winkel für die Innenreflexion und entweicht aus der Faser. Durch den Verwebungs-/Verflechtungsvorgang werden die Fasern jedoch mechanisch beansprucht, wodurch häufig Brüche entstehen, so daß Abschnitte des Materials "dunkel" bleiben. Außerdem wird, weil das übertragene Licht den kritischen Winkel für die Innenreflexion an den Biegungen der Verwebungen/Verflechtungen überschreitet, Licht in alle Richtungen gleichzeitig emittiert. Darüber hinaus kann das Material aufgrund seiner charakteristischen Eigenschaften nicht flach liegen und ist nur geringfügig flexibel, wodurch seine möglichen Anwendungen begrenzt sind.
Im US-Patent Nr. 4865417 wird eine Beleuchtungsvorrichtung mit einem Bündel von Lichtleitfasern beschrieben, wobei das durch sie übertragene Licht von den Endwänden der Lichtleitfasern abgestrahlt wird. Weil der durch Lichtleitfasern erreichbare minimale Biegungsradius jedoch relativ groß ist, sind die Vorrichtungen relativ großformatig. Ähnlicherweise muß, weil der Durchmesser des Faserkerns die minimale "Pixel" -größe der Vorrichtung darstellt, jede Lichtleitfaser von ihrer benachbarten Faser geeignet beabstandet sein, um die mechanische Integrität der Vorrichtung zu gewährleisten, wodurch ihre Größe weiter zunimmt. Außerdem sind solche Vorrichtungen unflexibel, weil ein gewisser Steifigkeitsgrad erforderlich ist, um zu gewährleisten, daß die Lichtleitfasern korrekt ausgerichtet bleiben.
Im französischen Patent Nr. 2626381 wird eine Beleuchtungsvorrichtung mit mehreren Lichtleitfasern beschrieben, die normalerweise einen elliptischen oder rechteckigen Querschnitt aufweisen, wobei die Hülle der Fasern in periodischen Abständen abgestreift ist, um den Faserkern freizulegen. Durch die freigelegten Bereiche der Fasern entweicht Licht, weil der kritische Winkel für Innenreflexion sich an diesen Stellen bezüglich des umhüllten Bereichs ändert und alle Lichtstrahlen, die diesen Winkel überschreiten, aus der Faser entweichen können. Das Licht wird von der Faser unter einem sehr flachen Winkel emittiert und ist nicht gerichtet.
In den japanischen Gebrauchsmusteranmeldungen Nr. 62- 9205 und 62-9206 wird eine Beleuchtungsvorrichtung mit einem Band von Lichtleitfasern beschrieben, die in einem ebenen, parallelen Satz angeordnet sind. Eine Oberfläche des Bandes ist durch Warmprägen mit Schleifpapier aufgerauht, um eine Reihe von Unterbrechungen in der Hülle jeder Faser auszubilden, die es ermöglichen, daß übertragenes Licht vom Band entweichen kann. Die Unterbrechungen sind auf das Hüllmaterial begrenzt und erstrecken sich nicht in den Faserkern. Ihr Muster und ihr Abstand ist im wesentlichen zufällig und durch das Schleifkorn des Schleifpapier bestimmt. Die Morphologie jeder einzelnen Unterbrechung ist ähnlicherweise unkontrolliert. Die Prägevorrichtung ist im US-Patent Nr. 4929169 dargestellt und so konstruiert, daß auf die Bereiche des Bandes, die entfernt von der Lichtquelle angeordnet werden sollen, ein zunehmend größerer Druck ausgeübt wird, um entlang der Bandlänge eine gleichmäßige Ausgangslichtintensität zu erhalten.
In der japanischen Patentveröffentlichung Nr. 63-121002 wird das Anschneiden der Endfläche einer Lichtleitfaser unter einem schiefen Winkel zur Faserachse beschrieben, so daß über die Faser übertragenes und auf die Endfläche auftreffendes Licht im wesentlichen quer zur Faserachse reflektiert wird. Die Lichtemission nimmt durch Aufrauhen der Oberfläche der Faserendfläche zu.
Im US-Patent Nr. 4743410 wird eine Beleuchtungsvorrichtung mit mehreren Lichtleitkanälen in der Form von transparenten Stangensätzen in einer gehärteten Harzmatrix beschrieben. Das Harz umschließt die Stangen auf drei Seiten, so daß eine Seite jeder Stange frei liegt. Die Vorrichtung wird durch einen komplizierten Gießprozeß hergestellt, in dem mehrere voneinander beabstandete, parallele Stangen auf einer Seite einer transparenten Basis ausgebildet werden z. B. durch Preß- oder Prägetechniken, und ein Gießharz über und zwischen den Stangen aufgebracht wird. Nachdem die Gießmasse aus gehärtet ist, wird Material von der Seite, die der die Stangen tragenden Seite gegenüberliegt, abgetragen, bis nur die Stangen übrigbleiben, die jeweils auf drei Seiten vom Gießharz umgeben sind. Die Vorrichtung ist aufgrund ihrer Eigenschaften im wesentlichen unflexibel, so daß ihre möglichen Anwendungen begrenzt sind.
In jeder Stange werden wahlweise mehrere Vertiefungen oder Nuten vorgeformt, die so ausgebildet sind, daß darauf auftreffendes, übertragenes Licht im wesentlichen senkrecht zur Stangenachse und durch die freiliegende Oberfläche reflektiert wird. Eine gleichmäßige Ausgangslichtintensität entlang einzelnen Lichtleitkanälen wird erreicht, indem die Tiefe (der Querschnitt) der Nuten in Richtung des vorgesehenen Lichtübertragungsweges vergrößert wird. um unerwünschte Lichtstreueffekte zu minimieren, wird die mit Nuten versehene Oberfläche der Stangen normalerweise versilbert, bevor sie mit dem Gießharz beschichtet wird.
Es sind verschiedenartige Lichtdiffusionsplatten oder -tafeln bekannt, die Licht von einer Quelle empfangen und eine Lichtebene für die gleichmäßige Beleuchtung von Hinweistafeln und anderen Sichtanzeigen mit relativ großen Oberflächen bereitzustellen, sowie für Artikel mit Flüssigkristallanzeigen. Solche Tafeln weisen normalerweise eine Platte aus einem transparenten Material auf, das eine Lichtdiffusions- oder Lichtreflexionsfläche oder -schicht aufweist, die durch ein Ende der Tafel eintretendes Licht so ausrichtet, daß es in die gewünschte Richtung aus der Tafel austritt. Beispiele dieser Lichtdiffusionstafeln sind in den US-Patenten Nr. 4059916, 4642736 und 4648690 und in den japanischen Patenten Nr. 60-26001, 6026001, 61-55684 und 61- 104490 beschrieben.
Im US-Patent Nr. 4285889 wird eine Lichtdiffusionstafel beschrieben, wobei die Rückseite der Tafel mehrere flache Vertiefungen aufweist, die so geformt sind, daß darauf auftreffendes übertragenes Licht aus der Tafel heraus auf eine Displayfläche reflektiert wird, die in der Nähe der Rückseite der Tafel angeordnet ist und sich über das gleiche Maß erstreckt wie die Rückseite. Die Vertiefungen können regelmäßig oder statistisch beabstandet angeordnet sein. Das reflektierte Licht wird vom Benutzer weg abgestrahlt, der die Displayfläche durch die Vorderseite der Tafel betrachtet. Die Diffusionsfläche wird durch Aufrauhen der Tafelrückseite hergestellt, um relativ tiefe Vertiefungen auszubilden, die dann teilweise mit einem optisch transparenten Material verfüllt werden.
Im US-Patent Nr. 4729068 wird eine mehrschichtige Lichtdiffusionstafel mit einer transparenten lichtdurchlässigen Basis, einer auf der Vorderseite der Basis ausgebildeten Lichtdiffusionsschicht, und einer auf der Rückseite der Basis ausgebildeten Lichtreflexionsschicht zum gleichmäßigen Verteilen des durch die Basis zur Lichtdiffusionsschicht übertragenen Lichts beschrieben. Die Lichtreflexionsschicht weist normalerweise einen transparenten Film auf, in dem mehrere "Lichtreflexionsflecke" ausgebildet sind, wobei die Größe, die Konfiguration und die Verteilung der Flecke so ausgewählt sind, daß eine gleichmäßige Ausgangslichtintensität erhalten wird. Die Lichtreflexionsflecke werden typischerweise durch Ätzen einer Schicht aus einem lichtreflektierenden Metall hergestellt.
In der JP-A-63-253903 wird eine Lichtleitfaserbeleuchtungsvorrichtung beschrieben, in der ein Lichtleitfaserkern mehrere Ausschnitte aufweist und eine Substanz, die einen höheren Brechungsindex aufweist als der Kern, auf die Ausschnitte aufgebracht ist, wobei die Ausschnitte eine schräge Ebene aufweisen, die zur Lichtquelle hingewandt ist, so daß Licht von den einzelnen Ausschnitten abgestrahlt wird.
In der US-A-4778989 wird eine Vorrichtung zur mikrozeilenweisen Beleuchtung und Abtastung eines ebenen Originals beschrieben, die mehrere beabstandete Beleuchtungselemente aufweist, die jeweils eine Längs- und eine Querabmessung aufweisen, die im wesentlichen einer Mikrozeile entsprechen, und mehrere beabstandete Lichtempfangselemente, die senkrecht zu den Mikrozeilen angeordnet sind und der Anzahl gewünschter Bildelemente entlang einer abzutastenden Mikrozeile entsprechen. Jedes Lichtempfangselement überlappt mindestens teilweise eine Mikrozeile. Die Beleuchtungselemente und die Lichtempfangselemente sind jeweils in parallelen Ebenen in einem gemeinsamen Film angeordnet. Gemäß einer Ausführungsform weist das Beleuchtungselement eine Lichtleitfaser mit mehreren Nuten auf, so daß der Lichtleitfaser zugeführtes Licht an den Nutenflächen aus der Faser heraus abgelenkt wird. Um den exponentiellen Abfall der Strahlungsintensität entlang der Lichtleitfaser zu kompensieren, nimmt die Nutentiefe entlang der Lichtleitfaser von dem der Lichtquelle zugewandten Ende der Lichtleitfaser ausgehend zu.
In der US-A-5036435 wird eine Leuchttafel beschrieben, mit: einer Lichtleitfaserplatte, die durch Anordnen mehrerer Lichtleitfasern mit einer Kern-Hüll- oder Mantel-Struktur gebildet wird, wobei ein Ende der Lichtleitfasern optisch mit einer Lichtquelle und mit einem Lichtverlustabschnitt auf mindestens einer Oberfläche davon verbunden ist; einer auf der Vorderseite der Lichtleitfaserplatte angeordneten Flächentafel und einer auf der Rückseite der Lichtleitfaserplatte angeordneten Reflexionsschicht, wobei der Lichtverlustabschnitt durch mehrere Leckstellen gebildet wird, die sich von der Hülle bzw. vom Mantel der Lichtleitfaser zu ihrem Kern erstrecken, wobei die Lichtverlustbreite des Lichtverlustabschnitts mit zunehmender Entfernung von der Lichtquelle zunimmt, wobei die Dichte der Leckstellen mit zunehmender Entfernung von der Lichtquelle zunimmt und wobei die Tiefe der Leckstellen mit zunehmender Entfernung von der Lichtquelle zunimmt, so daß die gesamte Beleuchtungsfläche gleichmäßig ausgeleuchtet wird.
Erfindungsgemäß wird eine Beleuchtungsvorrichtung bereitgestellt, mit: einer Lichtleitfaser zum Übertragen von Licht in eine vorgewählte Richtung, wobei die Beleuchtungsvorrichtung einen lichtemittierenden Bereich aufweist, wobei die Lichtleitfaser in dem lichtemittierenden Bereich mehrere sich in die Faser erstreckende Reflexionsflächen aufweist, wobei jede der Reflexionsflächen eine derartige optische Qualität aufweist, daß weniger als 20% des auf sie auftreffenden Lichts durch die Reflexionsfläche diffus gestreut wird, wobei die Reflexionsflächen so angeordnet sind, daß ein Teil des entlang der Faser übertragenen und auf die Flächen auftreffenden Lichts durch totale Innenreflexion an den Flächen gestreut wird und durch eine Seitenwand der Faser aus der Faser austritt, wobei die Reflexionsflächen sich dadurch unterscheiden, daß der Abstand bzw. die Abstände zwischen aufeinanderfolgenden Reflexionsflächen mit zunehmender Entfernung in die vorgewählte Richtung entlang der Faser abnimmt bzw. abnehmen, und wobei mindestens eine der Reflexionsflächen eine kleinere Querschnittsfläche aufweist als die Lichtleitfaser, so daß durch die Seitenwände der Faser austretendes Licht im wesentlichen gleichmäßig über den lichtemittierenden Bereich emittiert wird.
Der hierin verwendete Ausdruck "Lichtleitfaser" soll sowohl umhüllte oder ummantelte als auch nicht umhüllte oder nicht ummantelte Fasern umfassen. Der Ausdruck "umhüllte Faser" oder "ummantelte Faser" wird verwendet, um eine Faser zu beschreiben, die aus einem Kern mit einer Schicht aus einem Hüll- oder Mantelmaterial besteht, das einen niedrigeren Brechungsindex als das Kernmaterial aufweist. Der Ausdruck "nicht umhüllte Faser" oder "nicht ummantelte Faser" wird verwendet, um eine Faser zu beschreiben, die lediglich aus dem "nackten" Kern besteht. Sowohl umhüllte bzw. ummantelte als auch nicht umhüllte bzw. nicht ummantelte Fasern sind zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung geeignet.
Der hierin verwendete Ausdruck "optisches Element" soll jegliche im Kern der Lichtleitfaser ausgebildete kontrollierte Unterbrechung oder Diskontinuität umfassen, die eine oder mehrere Oberflächen definiert, die dazu geeignet sind, mindestens einen Teil des darauf auftreffenden Lichts durch die gegenüberliegende Wand der Faser zu reflektieren. Solche optischen Elemente sollen von Kratzern oder anderen Unterbrechungen unterschieden werden, sowie von Defekten und anderen Oberflächenunregelmäßigkeiten, die in Lichtleitfasern gelegentlich auftreten, weil sie auf kontrollierte Weise hergestellt werden, wobei die Morphologie, das Muster und der Abstand der Elemente so angepaßt werden, daß sie für die vorgesehene Verwendung der Faser geeignet sind. Durch geeignete Steuerung der Morphologie jedes optischen Elements, z. B. des Winkels, der Krümmung und der Querschnittsfläche der Reflexionsfläche(n), sowie des Musters und des Abstands der Elemente entlang der Faser kann Licht selektiv durch die Seitenwand der Faser emittiert werden.
Die Reflexionsfläche(n) jedes optischen Elements ist (sind) normalerweise unter einem Winkel zu einer normal zur Längsachse der Faser angeordneten Ebene geneigt. Im allgemeinen ist (sind) die Reflexionsfläche(n) unter einem winkel von 10 bis 80º, vorzugsweise von 20 bis 70º und noch bevorzugter von 30 bis 60º zu dieser Ebene geneigt, obwohl im wesentlicher jeder geeignete Winkel zwischen ≥ 0 und < 90º verwendbar ist.
Die Reflexionsfläche(n) jedes optischen Elements kann (können) gekrümmt sein, sie ist (sind) jedoch üblicherweise im wesentlichen eben.
Die Reflexionsfläche(n) des optischen Elements wird (werden) normalerweise so hergestellt, daß sie eine optische Qualität aufweist (aufweisen). "Optische Qualität" bezeichnet normalerweise, daß die betrachtete Oberfläche nur eine geringe (im allgemeinen weniger als 20%, vorzugsweise weniger als 15% und noch bevorzugter weniger als 10%) der auf sie auftreffenden Lichtmenge diffus streut, und das restliche Licht wird gerichtet reflektiert oder gebrochen.
Die optischen Elemente werden normalerweise so hergestellt, daß mindestens 50%, vorzugsweise mindestens 80% und noch bevorzugter mindestens 90% des von der (den) Fläche(n) eines optischen Elements reflektierten Lichts quer über die Faser und durch die Wand des lichtemittierenden Bereichs der Faser reflektiert wird.
Vorzugsweise werden mindestens 50% des gesamten, vom lichtemittierenden Bereich der Faser abgestrahlten Lichts durch die Reflexionsflächen des optischen Elements aus der Faser heraus reflektiert. Bevorzugter werden mindestens 80% des gesamten, vom lichtemittierenden Bereich der Faser abgestrahlten Lichts durch die Reflexionsflächen des optischen Elements aus der Faser heraus reflektiert.
Die Reflexionsfläche(n) der optischen Elemente kann (können) wahlweise durch ein beliebiges geeignetes bekanntes Verfahren so behandelt werden, daß ihr Reflexionsvermögen zunimmt.
Die Reflexionafläche(n) jedes optischen Elements erstreckt (erstrecken) sich normalerweise quer zur Längsachse der Faser, obwohl sie auch schräg dazu ausgebildet sein kann (können).
Die optischen Elemente sind normalerweise entlang der Mittellinie der Faser voneinander beabstandet, obwohl ein beliebiges, für die vorgesehene Verwendung der Faser geeignetes Muster optischer Elemente verwendbar ist.
Um eine im wesentlichen gleichmäßige Ausgangslichtintensität entlang des lichtemittierenden Bereichs der Faser zu erhalten, kann der Abstand aufeinanderfolgender optischer Elemente und wahlweise die Morphologie und/oder das Muster der optischen Elemente so eingestellt werden, daß eine Kompensation für das durch vorangehende Elemente aus der Faser heraus reflektierte Licht erhalten wird. Beispielsweise kann zusätzlich zur Verringerung des Abstands zwischen aufeinanderfolgenden optischen Elementen die Querschnittsfläche der Reflexionsfläche(n) aufeinanderfolgender optischer Elemente in Richtung des vorgesehenen Lichtübertragungsweges erhöht werden, oder der Winkel der Reflexionsfläche(n) kann vergrößert werden.
Die optischen Elemente können durch eine beliebige geeignete Einrichtung zum Herstellen einer Unterbrechung oder Diskontinuität in der Faser auf kontrollierte Weise hergestellt werden, z. B. durch Stanzen, Prägen oder andersartiges Vertiefen oder Eindrücken der Faser, Schneiden oder Schlitzen der Faser, Einritzen der Faser usw. Wenn die Faser eine Beschichtung aus einem Überzugs- oder Hüllmaterial aufweist, muß die Unterbrechung sich durch das Hüllmaterial in den Faserkern erstrecken.
Ein bevorzugtes Verfahren zum Herstellen der optischen Elemente weist das Einkerben der Faseroberfläche durch einen Stanz- oder Prägeprozeß auf. Jede Kerbe oder Nut definiert allgemein eine erste Reflexionsfläche zusammen mit einer zweiten Reflexionsfläche, die normal zur Längsachse der Faser angeordnet oder zur normal zur Längsachse der Faser angeordneten Ebene hin- oder weggeneigt sein kann. "Verbund" -nuten mit zwei oder mehr Reflexionsflächen sind ebenfalls geeignet.
Die optischen Elemente werden vorzugsweise so hergestellt, daß weniger als 20%, bevorzugter weniger als 10% und am bevorzugtesten weniger als 5% des gesamten, durch die Faser übertragenen Lichts direkt durch die durch die optischen Elemente in der Faser ausgebildeten Unterbrechungen entweichen kann.
Erfindungsgemäße Lichtleitfasern finden insbesondere Anwendung als Beleuchtungseinrichtung, und gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Beleuchtungseinrichtung mit einer oder mehreren solcher Lichtleitfasern bereitgestellt.
Beispielsweise kann eine Gruppierung oder ein Satz solcher Fasern als Hintergrundbeleuchtung für Instrumente, Displays und graphische Bilder verwendet werden, oder als Lichtquelle für Overheadprojektoren, Bildscanner, optische Drucker, Photokopierer, Faxgeräte, Fernsehgeräte usw. In diesen Anwendungen würden die Morphologie und der Abstand der optischen Elemente normalerweise so eingestellt, daß eine im wesentlichen gleichmäßige Ausgangslichtintensität normalerweise senkrecht zur Längsachse der Faser erhalten wird.
Die erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtungen sind auch für verschiedenartige Schilder oder Zeichen verwendbar, z. B. für Verkehrs- und andere Straßenschilder, für Gehweg- bzw. Fahrbahn- und Straßenmarkierungen, Reklametafeln und andere Werbeflächen, z. B. durch Fahrzeuge getragene Tafeln. In diesen Anwendungen können die Fasern einzeln oder in Gruppen verwendet werden, um unterschiedliche Effekte zu erzielen, z. B. eine Änderung der dargestellten Nachricht oder eine Farbänderung, wobei die Morphologie, der Abstand und das Muster der optischen Elemente eingestellt werden, um das gewünschte Bild und seine Projektion auf die erforderliche Position bezüglich des Zeichen oder Schildes zu erzeugen.
Die erfindungsgemäßen Lichtleitfasern finden insbesondere Anwendung in der Band- und Tafelbeleuchtung.
Die erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtungen weisen im allgemeinen eine Tafel und eine oder mehrere Lichtleitfasern auf, die so angeordnet sind, daß mindestens ein Teil des durch die Wand der Faser(n) durchgelassenen Lichts auf oder durch die Tafel gerichtet wird.
In einer Ausführungsform kann die Tafel aus einem transparenten oder halbtransparenten Material, z. B. aus einem anorganischen Glas oder Kunstharz, hergestellt sein. Die Tafel kann einen Diffusor, einen Polarisator, ein Filter, eine Vergrößerungslinse oder andere "optisch aktive" Elemente aufweisen, die die Richtung, die Quantität oder Qualität, z. B. die Farbe, des aus der Faser (den Fasern) herausreflektierten Lichts modifizieren.
Die Tafel dient, obwohl dies nicht wesentlich ist, dazu, die Faser(n) vor Staub, Schmutz und anderer Fremdmaterialien, vor mechanischer Beschädigung und, wenn die Vorrichtung im Außenbereich angeordnet ist, vor Witterungseinflüssen zu schützen. Eine solche Anordnung findet insbesondere Anwendung in Tafel- und Bandbeleuchtungen, in Straßen- und Gehwegmarkierungen usw.
In einer anderen Ausführungsform kann die Tafel eine Flüssigkristallblende aufweisen, die das von der Faser (den Fasern) emittierte Licht moduliert. Solche Blenden weisen im allgemeinen zwei Lagen aus einem anorganischen Glas oder aus einem Kunstharz auf, die durch "eingeschlossenes" Flüssigkristallmaterial getrennt sind. Die Innenfläche beider Lagen weisen eine dünne transparente Beschichtung aus einem leitfähigen Material auf. Wenn eine Spannung zwischen den beiden Beschichtungen angelegt wird, wird die Orientierung der Moleküle des Flüssigkristallmaterials so geändert, daß Licht durch die Blende durchgelassen (oder blockiert) wird.
In einer weiteren Ausführungsform kann die Tafel einen Bildschirm aufweisen, auf den das Licht von der Faser (den Fasern) gerichtet wird, um ein Bild darzustellen. Eine solche Anordnung findet insbesondere Anwendung in Verkehrs- und Straßenschildern, Reklametafeln und Werbeflächen usw.
Die Tafel kann vorteilhaft die optischen Fasern in der gewünschten Konfiguration halten, wobei die Fasern beispielsweise durch einen Klebstoff an der Tafel befestigt sind.
Die Vorrichtung weist eine Lichtquelle auf, die an einem oder an beiden Enden der optischen Faser(n) angeordnet ist, so daß Licht durch die Faser(n) übertragen wird. Die Lichtquelle kann eine beliebige geeignete Lichtquelle sein, z. B. eine kontinuierliche oder eine gepulste Lichtquelle, z. B. ein Laserscanner, eine Laserdiode, eine Glühlampe usw., die im UV-Bereich, im sichtbaren Bereich oder im Infrarotbereich emittiert.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Beleuchtungsvorrichtung mehrere optische Fasern auf, die in einem parallelen, normalerweise planaren Satz angeordnet sind. Eine solche Anordnung findet insbesondere Anwendung in Tafel- und Bandbeleuchtungen.
Die Vorrichtung kann zwei oder mehr solcher Fasersätze aufweisen, die schichtförmig übereinander angeordnet sind, wobei die Fasersätze miteinander und mit der Tafel verbunden sind. Die Nuten auf jeder einzelnen Lage sind normalerweise auf der Seite des von der Tafel entfernten Fasersatzes ausgebildet, die Nuten einer Lage müssen jedoch nicht notwendigerweise so angeordnet sein, daß sie mit denen der nächsten Schicht ausgerichtet sind, es kann sogar bevorzugt sein, daß dies nicht der Fall ist, um eine gleichmäßigere Ausgangslichtintensität zu erhalten. Natürlich können die beiden Fasersätze auch "Rückseite an Rückseite" angeordnet sein.
Wenn für die Fasern, aus denen ein Satz besteht, eine Kompensation zum Erzeugen einer konstanten Ausgangslichtintensität entlang der Länge des Satzes vorgenommen wird, indem beispielsweise der Abstand zwischen aufeinanderfolgenden optischen Elementen in Richtung des Lichtweges vermindert wird, ist die Lichtquelle normalerweise an einem Ende des Satzes angeordnet, und jede Faser ist entsprechend ausgerichtet. Wenn jedoch für die Fasern eine Kompensation hinsichtlich des Lichtverlusts von vorangehenden Elementen in beide Richtungen vorgenommen wird, indem z. B. der Abstand zwischen aufeinanderfolgenden optischen Elementen von beiden Enden bis zum Mittelpunkt des lichtemittierenden Bereichs vermindert wird, sollte eine Lichtquelle an beiden Enden des Feldes angeordnet sein.
Von einem Ende beleuchtete Fasern können vorteilhaft eine auf dem anderen Ende aufgebrachte Reflexionsfläche aufweisen.
Die Vorrichtung kann vorteilhaft eine Abdeckung aufweisen, die so geformt ist, daß sie um mindestens den Umfang der Tafel so befestigt werden kann, daß die Fasern umschlossen werden. Die Abdeckung kann aus einem reflektierenden Material hergestellt oder mit einer separaten Schicht aus einem solchen Material beschichtet sein, um jegliche von der (den) Faser(n) emittierten, "falschen" Lichtstrahlen zu reflektieren. Der Ausdruck "Abdeckung" wird hierin in seinem weitesten Sinn verwendet und kann z. B. eine durch Aufdampfen auf die Oberfläche der Faser(n) aufgebrachte Metallbeschichtung sein. Die Oberflächen der Nut können selbst mit einem Metall beschichtet sein, um das Entweichen "falscher" Lichtstrahlen zu verhindern.
Die Vorteile solcher Beleuchtungsvorrichtungen sind mannigfaltig und sind z. B.:
(1) sie können eine helle Lichtquelle von (praktisch) unbegrenzter Größe bereitstellen;
(2) übertragen kaltes Licht und verwenden eine entfernte Lichtquelle mit geringer Wärmeübertragung;
(3) sie haben eine relativ einfache Konstruktion, sind leicht zu warten und sind relativ leichtgewichtig, kleinformatig und flexibel;
(4) sie besitzen die Fähigkeit, das dargestellte Bild zu ändern;
(5) die Gleichmäßigkeit der Lichtintensität ist wählbar;
(6) sie sind dünn; und
(7) sie sind in der Lage, gerichtetes Ausgangslicht bereitzustellen.
Die vorliegende Erfindung wird nachstehend anhand eines Beispiels unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben; es zeigen:
Fig. 1 eine Seitenansicht eines Abschnitts einer erfindungsgemäßen Lichtleitfaser;
Fig. 2a bis 2d Seitenansichten weiterer Ausführungsformen erfindungsgemäßer Lichtleitfasern;
Fig. 3a bis 3c Querschnittansichten durch weitere Ausführungsformen erfindungsgemäßer Lichtleitfasern;
Fig. 4a und 4b Draufsichten weiterer Ausführungsformen erfindungsgemäßer Lichtleitfasern;
Fig. 5a und 5b Querschnittansichten weiterer Ausführungsformen erfindungsgemäßer Lichtleitfasern;
Fig. 6a eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Lichtleitfaser;
Fig. 6b eine Querschnittansicht entlang der Linie A-A der Lichtleitfaser von Fig. 6a;
Fig. 7 eine Seitenansicht einer Lichtleitfaser;
Fig. 8 eine schematische Darstellung einer anderen Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Lichtleitfaser;
Fig. 9 eine perspektivische Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung;
Fig. 9a eine Endansicht einer alternativen Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung;
Fig. 10 eine schematische Darstellung einer anderen bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung; und
Fig. 11a bis 11c ein Verfahren zum Herstellen der in den dargestellten Beispielen verwendeten Lichtleitfasern.
Fig. 1 zeigt einen Abschnitt einer erfindungsgemäßen Lichtleitfaser 2. Die Faser 2 weist in definierten Intervalllen mehrere optische Elemente auf, in dieser Ausführungsform eine Reihe von Nuten 4, von denen nur eine dargestellt ist. Jede Nut 4 erstreckt sich durch die Faserhülle (insofern eine vorhanden ist) in das Kernmaterial und definiert eine erste Fläche 6, die unter einem Winkel zu einer normal zur Längsachse der Faser ausgerichteten Ebene geneigt ist und als Reflexionsspiegel dient, so daß ein (beispielhaft durch einen durchgezogenen Pfeil dargestellter) Teil des durch die Faser 2 übertragenen und auf die Fläche 6 auftreffenden Lichts durch die gegenüberliegende Wand 8 der Faser 2 hindurch reflektiert wird. Jede Nut 4 definiert außerdem eine zweite, in dieser Ausführungsform im wesentlichen normal zur Achse der Faser 2 angeordnete Fläche 10.
Unter der Voraussetzung, daß die geneigte Fläche 6 nicht versilbert oder anderweitig totalreflektierend gemacht worden ist, wird Licht, das unter einem Winkel auf die Fläche 6 auftrifft, der kleiner ist als der kritische Reflexionswinkel der Kern-Luft-Grenzfläche, quer über die Faser 2 reflektiert und trifft auf die gegenüberliegende Wand 8 auf. Wenn der Einfallwinkel des reflektierten Lichts auf die Wand 8 größer ist als der kritische Reflexionswinkel für diese Grenzfläche, tritt das Licht durch die Wand 8 aus, wie durch den durchgezogenen Pfeil dargestellt ist. Wenn der Einfallwinkel des reflektierten Lichts auf die Wand 8 kleiner ist als der kritische Winkel, wird das Licht weiter in der Faser 2 übertragen.
Licht, das unter einem Winkel auf die geneigte Fläche 6 auftrifft, der größer ist als der kritische Reflexionswinkel, kann die Fläche 6 (mit Brechung) durchlaufen und in Abhängigkeit von den auftretenden Winkeln entweder aus der Faser 2 entweichen oder auf die zweite Fläche 10 auftreffen, wie durch die gestrichelten Pfeile dargestellt ist. Auf die zweite Fläche 10 auftreffendes Licht wird, wiederum in Abhängigkeit vom Einfallwinkel, entweder in die Faser 2 zurückgebrochen oder aus der Faser 2 herausreflektiert. Durch geeignetes Design der Nutengeometrie kann der Anteil des durch die Nut entweichenden Lichts minimiert und der Anteil des auf die gegenüberliegende Wand 8 reflektierten Lichts maximiert werden. Wenn das Reflexionsvermögen der Fläche 6 größer ist, wird ein größerer Anteil des auf die Fläche 6 auftreffenden Lichts auf die Wand 8 reflektiert.
Der Nettoeffekt der Nut 4 besteht daher darin, einen festen Anteil des durch die Faser 2 übertragenen Lichts durch die Wand 8 heraus abzulenken, während ein wesentlich kleinerer Anteil durch die Nut 4 selbst entweicht. Das übrige Licht wird weiter in der Faser 2 übertragen, wo es auf aufeinanderfolgende Nuten (nicht dargestellt) auftrifft, und an jeder Nut wird gemäß den vorstehend dargestellten Prinzipien ein weiterer Teil des Lichts durch die Wand 8 heraus abgelenkt.
Die Morphologie jeder Nut 4, z. B. der Neigungswinkel der ersten 6 und, in geringerem Ausmaß, der zweiten Fläche 10; ob jede Oberfläche 6, 10 planar oder gekrümmt ist; die Querschnittfläche jeder Fläche 6, 10, usw., werden die Menge und die Richtung des an einem bestimmten Emissionspunkt von der Faser 2 emittierten Lichts beeinflussen. Daher kann die Menge und Richtung des von der Faser reflektierten Lichts durch Auswahl des geeigneten Nutentyps sowie des Musters und des Abstands der Nuten entlang der Faser gesteuert werden. Obwohl alle Nuten einer vorgegebenen Faser normalerweise eine ähnliche Morphologie aufweisen, kann eine beliebige geeignete Kombination von Nutentypen verwendet werden (vergl. auch den nachstehenden Kommentar bezüglich der Erzeugung einer konstanten Ausgangslichtintensität entlang der Länge der Faser).
In der dargestellten Ausführungsform ist die erste Fläche 6 der Nut 4 unter einem Winkel von ungefähr 45º zur vorstehend erwähnten Ebene geneigt, obwohl auch Winkel von 10 bis 80º, vorzugsweise von 20 bis 70º und noch bevorzugter von 30 bis 60º geeignet sind. In Abhängigkeit von der gewünschen Menge und der gewünschten Ausbreitungsrichtung des von der Faser austretenden Lichts kann ein beliebiger Winkel im Bereich von 0 ≤ θ < 90º verwendet werden.
Die zweite Fläche 10 der Nut 4 kann normal zur Längsachse der Faser 2 ausgerichtet sein, wie in Fig. 2a dargestellt, oder zu einer normal zur Längsachse der Faser 2 angeordneten Ebene hin- oder von ihr weggeneigt sein, wie in den Fig. 2b und 2c dargestellt, um eine "V"-förmige oder eine unter- bzw. hinterschnittene Nut 14 bzw. 12 zu definieren.
Eine oder beide Flächen 6, 10 der Nut 4 können für bestimmte Anwendungen gekrümmt sein, wie in Fig. 2d dargestellt, sie sind jedoch normalerweise im wesentlichen planar. Die Nutenflächen werden normalerweise so hergestellt, daß sie eine geeignete optische Qualität aufweisen.
Die Fig. 3a bis 3c zeigen schematisch die breite Vielfalt der Nutenmorphologie, die zum Steuern der Menge und der Richtung des an einem vorgegebenen Emissionspunkt von der Faser emittierten Lichts verwendbar ist.
Eine oder beide Flächen 6, 10 der Nut 4 können wahlweise unter Verwendung eines beliebigen bekannten Verfahrens behandelt werden, um ihr Reflexionsvermögen zu erhöhen.
Die Nuten 4 können sich quer zur Längsachse der Faser 2 erstrecken, wie in Fig. 4a dargestellt, oder sie können unter einem Winkel dazu geneigt sein, wie in Fig. 4b dargestellt.
Die Faser selbst kann eine beliebige bekannte Lichtleitfaser sein, z. B. eine Faser aus anorganischem Glas oder Kunstharz, obwohl Kernmaterialien mit einem Brechungsindex von 1,4 bis 1,66 im allgemeinen bevorzugt sind und Nuten in Kunststoffasern leichter ausgebildet werden können. Das Überzugs- oder Hüllmaterial (falls vorhanden) kann ein beliebiges bekanntes geeignetes Material mit einem für das gewählte Kernmaterial geeigneten Brechungsindex aufweisen.
Obwohl die Faser eine beliebige geeignete Querschnittsform aufweisen kann, haben die meisten kommerziell erhältlichen Fasern einen kreisförmigen, einen rechteckigen (oder quadratischen) oder einen elliptischen Querschnitt (vergl. Fig. 5a und 5b). Um eine gleichmäßige Lichtverteilung über die gesamte Faser zu gewährleisten, sollte der Faserquerschnitt über mindestens den lichtemittierenden (mit Nuten versehenen) Bereich der Faser im wesentlichen gleichmäßig sein. Die Wahl des Faserquerschnitts kann von mehreren Faktoren abhängen, beispielsweise von einfachen Betrachtungen, z. B. von der Tatsache, daß rechteckige Fasern leichter in einem parallelen Satz angeordnet werden können, bis hin zu komplexen Betrachtungen, z. B. von der charakteristischen Verteilung des durch die Faser mit einem bestimmten Querschnitt übertragenen Lichts. Beispielsweise ist bekannt, daß das übertragene Licht für eine Faser mit elliptischem Querschnitt sich entlang der Hauptachen der Ellipse konzentriert.
Die Abmessungen der Fasern werden ebenfalls in Abhängigkeit von ihrem Verwendungszweck verschieden sein. Beispielsweise können für Bandbeleuchtungszwecke Faserlängen von bis zu 50 oder sogar 100 m verwendet werden. Im allgemeinen kann für Fasern mit kreisförmigem Querschnitt der Faserdurchmesser von 5 um bis 5 mm variieren, obwohl Durchmesser außerhalb dises Bereichs ebenfalls geeignet sein können.
Fig. 6 zeigt eine Seitenansicht einer anderen Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Lichtleitfaser 16. Die Faser 16 weist mehrere "V"-förmige Nuten 14 auf, die entlang der Mittellinie der Faser 16 in periodischen Intervallen beabstandet sind, obwohl ein beliebiges, für die vorgesehene Anwendung der Faser 16 geeignetes Muster der Nuten 14 verwendbar ist. Jede Nut 14 definiert eine erste und eine zweite Fläche 6 bzw. 10, die unter einem Winkel von etwa 45º zur Längsachse der Faser 16 geneigt sind. Um eine im wesentlichen gleichmäßige Ausgangslichtintensität entlang des lichtemittierenden (mit Nuten versehenen) Bereichs der Lichtleitfaser zu erhalten, nimmt der Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Nuten in Richtung des vorgesehenen (durch den gestrichelten Pfeil dargestellten) Lichtweges ab. Obwohl die Intensität des von aufeinanderfolgenden Nuten emittierten Lichts als Ergebnis des durch vorangehende Nuten erhaltenen Lichtverlusts abnimmt, wird dieser Effekt durch Erhöhen der Nutendichte in der Lichtausbreitungsrichtung kompensiert. Dies ist etwas übertrieben dargestellt. Außerdem kann der Neigungswinkel der Fläche(n) verändert werden, oder die Querschnittsfläche jeder Fläche 6, 10 aufeinanderfolgender Nuten 4 kann, wie in Fig. 7 dargestellt, in der vorgesehenen Lichtausbreitungsrichtung erhöht werden, um den vorstehend erwähnten Lichtverlust zu kompensieren.
Gemäß Fig. 6a kann der Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Nuten durch Formel (I) definiert werden:
Sn = K(1 - A/C)n(I)
wobei:
Sn = Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Nuten, d. h. zwischen der n-ten und der (n+1)-ten Nut;
n = Nummer jeder einzelnen Nut:
K = eine (als "Nutenabstandkonstante" bezeichnete) Konstante
C = Querschnittsfläche der Faser; und
A = Querschnittsfläche der Nut.
Gemäß Fig. 6b kann die Querschnittsfläche der Nut 12 für eine Faser 16 mit kreisförmigem Querschnitt durch Formel (II) bestimmt werden:
wobei:
A = Querschnittsfläche der Nut;
d = maximale Nutentiefe; und
r = Radius der Lichtleitfaser.
Die Länge T der mit Nuten versehenen Fläche kann durch Formel (III) bestimmt werden:
wobei:
N = Gesamtanzahl der Nuten;
n = Nummer jeder einzelnen Nut;
K = Nutenabstandkonstante;
C = Querschnittsfläche der Faser; und
A = Querschnittsfläche der Nut.
Daher würden z. B. für eine Faser mit kreisförmigem Querschnitt mit einem Durchmesser von 1,0 mm und mit 175 Nuten mit einer konstanten Morphologie folgende Daten erhalten:
(i) Faserradius (r) = 0,5 mm
(ii) Nutentiefe (d) = 0,0375 mm
(iii) Länge (T) der mit Nuten versehenen Fläche = 150 mm
(iv) Querschnittsfläche (A) der Nut = 0,009573 mm²
(v) Querschnittsfläche (C) der Faser = 0,7854 mm²
(vi) Nutenabstandkonstante (K) 2,0994 mm
(vii) Abstand (Sn, wobei n = 1) zwischen der ersten und der zweiten Nut = 2,074 mm
(viii) Abstand (Sn, wobei n = 174) zwischen der 174-ten und der 175-ten Nut = 0,246 mm
(ix) Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Nuten von der ersten Nut (mm) =
Fig. 8 zeigt eine Lichtleitfaser 18 mit einer "Verbund"-nut 20, d. h. mit zwei oder mehr Nuten, die nicht voneinander beabstandet sind, an jedem Emissionspunkt entlang der Länge der Faser 18. Licht, das auf die erste Fläche 6 der ersten Nut 22 unter Winkeln auftrifft, die nicht größer sind als der kritische Winkel, wird quer über die Faser 18 und durch die gegenüberliegende Wand 24 hindurch reflektiert, wie durch durchgezogene Pfeile "A" und "B" dargestellt ist. Licht, das unter Winkeln auftrifft, die größer sind als der kritische Winkel, wird durch die zweite Fläche 10 der Nut 22 gebrochen, woraufhin es von der ersten Fläche 6 der zweiten Nut 26 quer über die Faser 18 und durch die Seitenwand 24 hindurch reflektiert wird, wie durch einen durchgezogenen Pfeil "C" dargestellt ist.
Fig. 9 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung. Die (allgemein durch das Bezugszeichen 28 bezeichnete) Vorrichtung weist eine Vorderwand 34, die normalerweise eine Platte aus einem mindestens halbtransparenten (z. B. diffundierenden) Material aufweist, und einen im wesentlichen parallelen Satz 36 von Lichtleitfasern 38 auf, die nebeneinander angeordnet sind und aneinander anliegen. Der Satz 36 von Lichtleitfasern 38 kann z. B. unter Verwendung eines geeigneten transparenten Klebstoffs an der Vorderwand 34 befestigt werden. Wenn die Lichtleitfasern nicht umhüllt bzw. nicht ummantelt sind, kann der Klebstoff vorteilhaft einen Brechungsindex nD aufweisen, der kleiner ist als derjenige des Kernmaterials der Faser, im allgemeinen mindestens 0,03 Einheiten kleiner und vorzugsweise mindestens 0,05 Einheiten kleiner, um unerwünschte Lichtstreueffekte zu reduzieren.
Die Vorderwand 34 kann aus einem beliebigen geeigneten Material hergestellt sein, das eine ausreichende Transparenz besitzt, um vom Satz 36 der Lichtleitfasern 38 emittiertes Licht durchzulassen, geeignete Materialien sind z. B. anorganische Gläser und Kunstharze. Die optischen Eigenschaften der Vorderwand können so ausgewählt werden, daß die Richtung, die Quantität oder die Qualität, z. B. die Farbe, des von der Vorrichtung 32 emittierten Lichts beeinflußt werden. Beispielsweise kann die Wand oder Tafel mit Diffusionsplatten oder kleinen Kollektivlinsen versehen sein.
Die Vorrichtung kann wahlweise eine Abdeckung (nicht dargestellt) aufweisen, die dazu dient, die Rückseiten der Fasern vor mechanischer Beschädigung und die Nuten vor Kontamination durch Schmutz, Staub und anderen Fremdmaterialien zu schützen.
Die Abdeckung besteht vorteilhaft aus einem reflektierenden Material oder ist mit einem solchen Material beschichtet, um "falsche" Lichtstrahlen in Richtung der Vorderwand zu reflektieren. Die Abdeckung wird unter Verwendung eines geeigneten Klebstoffs oder einer Befestigungseinrichtung um mindestens den Umfang der Vorderwand befestigt. Wenn die Fasern nicht umhüllt bzw. nicht ummantelt sind, ist die Abdeckung vorzugsweise an der Vorderwand so befestigt, daß die Nuten mit Luft (als Material mit niedrigem Brechungsindex) gefüllt verbleiben. Alternativ können die Nuten, wenn ein Klebstoff mit niedrigem Brechungsindex nD verwendet wird, um die Rückwand in Position zu sichern, mit dem Klebstoff gefüllt sein, wobei dies jedoch nicht bevorzugt ist.
In der dargestellten Ausführungsform sind sowohl die Vorderwand 34 als auch der Satz 36 von Lichtleitfasern 38 im wesentlichen planar, es ist jedoch eine beliebige geeignete Konfiguration verwendbar.
In einer anderen Ausführungsform kann die Vorrichtung zwei oder mehr solcher schichtförmig aufeinander angeordneter Fasersätze aufweisen, die, z. B. durch einen geeigneten Klebstoff, aneinander und an der Vorderwand befestigt sind. Wenn, wie in Fig. 9a dargestellt, die, Fasern einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen, ist eine versetzte Anordnung (dichte Packung) benachbarter Lagen 41, 42 bevorzugt. Die Nuten 4 müssen in jeder spezifischen Lage auf der Seite der von der Vorderwand 34 entfernten Lage 41, 42 angeordnet sein, die Nuten müssen jedoch nicht notwendigerweise in jeder Lage so angeordnet sein, daß sie mit denjenigen der nächsten Lage ausgerichtet sind, es kann tatsächlich sogar bevorzugt sein, daß dies nicht der Fall ist, um eine gleichmäßigere Ausgangslichtintensität zu erhalten. Durch Vorrichtungen dieses Typs wird mit nur geringen Zugeständnissen hinsichtlich der Gesamtdicke eine höhere Lichtintensität erhalten.
Die Vorrichtung weist normalerweise eine Lichtquelle (oder mehrere Lichtquellen) (nicht dargestellt) auf, die an einem oder an beiden Enden des Fasersatzes angeordnet sein kann (können), um Licht durch die Fasern zu übertragen. Wenn die Nutenmuster einzelner Fasern des Satzes jeweils in eine Richtung ausgerichtet sind, wie in Fig. 9 dargestellt, wird die Lichtquelle normalerweise an einem Ende des Satzes angeordnet. Für andere Nutenmuster kann die Lichtquelle jedoch an beiden Enden angeordnet werden.
Die freien Enden der Lichtleitfasern 38 sind geeignet abgeschlossen 40, wie in Fig. 9 dargestellt, um sie zu einem Bündel zusammenzufassen. Ein Faserbündel ist leichter beleuchtbar als ein paralleler Fasersatz. Die Lichtquelle für die Vorrichtung kann vorteilhaft an einer vom lichtemittierenden (mit Nuten versehenen) Bereich des Fasersatzes entfernten Position angeordnet sein. Wenn die Vorrichtung beispielsweise als Innenraumbeleuchtung für ein motorbetriebenes Fahrzeug verwendet würde, könnte die Lichtquelle im Kofferraum des Fahrzeugs angeordnet sein, so daß einem Besitzer ein leichter Zugriff für einen Glühlampenwechsel ermöglicht wird. Durch eine einzige Lichtquelle können geeignet mehrere Vorrichtungen beleuchtet werden.
Fig. 10 zeigt eine weitere Ausführungsform einer (allgemein durch das Bezugszeichen 44 bezeichneten) erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung. Die Vorrichtung 44 weist einen im wesentlichen paralellen Satz 46 von Lichtleitfasern 48 und eine Vorderwand in der Form einer Flüssigkristallblendenanordnung (LCS) 50 auf. Die Vorrichtung 44 weist außerdem eine Rückwand 49 auf.
Die Flüssigkristallblendenanordnung 50 weist zwei transparente Lagen 52, 54 auf, z. B. aus einem anorganischen Glas oder einem Kunstharz, die durch eine Schicht aus einem Flüssigkristallmaterial getrennt sind, das durch Abstandselemente 58 in diskrete Bereiche oder "Blenden" 56 so geteilt ist, daß sie den einzelnen Fasern 48 des Satzes 46 zugeordnet sind. Die Innenfläche beider Lagen 52, 54 weist eine (nicht dargestellte) transparente Beschichtung aus einem leitfähigen Material auf, die ähnlicherweise in diskrete Abschnitte geteilt ist, die jeweils einer Flüssigkristallblende 56 zugeordnet sind. Wenn zwischen den beiden Beschichtungen eine Spannung angelegt wird, ändert sich die Ausrichtung des Flüssigkristallmaterials so, daß Licht durchgelassen (oder blockiert) wird. Die allgemeinen Prinzipien der Konstruktion und der Betriebsmodus von Flüssigkristallblendenanordnungen sind auf dem Fachgebiet bekannt.
Rotes Licht wird durch die erste, grünes Licht durch die zweite und blaues Licht durch die dritte von jeweils drei Fasern übertragen. Die Farbe des durch jede Faser übertragenen Lichts ist durch die Buchstaben "R" (Rot), "G" (Grün) bzw. "B" (Blau) dargestellt.
Jede Gruppe aus drei Fasern und ihre zugeordnete Blende kann einen "Bildpunkt" auf einem Bildschirm definieren. Vier solcher durch A bis D bezeichnete Bildelemente sind in Fig. 10 dargestellt und emittieren grünes (A), grünes (B), rotes (C) bzw. blaues Licht (D). Durch geeignetes Manipulieren der Blendenanordnungen können die Primärfarben gemischt werden, um Sekundärfarben zu erzeugen und dadurch ein Vollfarbenbild aufzubauen. Eine solche Anordnung findet insbesondere Anwendung z. B. in dünnen LCS-basierten Farbfernsehgeräten, in denen das Abbildungslicht, anders als in herkömmlichen Systemen, nur eine einzelne LCS-Anordnung durchläuft, die ein helles Bild erzeugt.
Die vorliegende Erfindung wird nachstehend unter Bezug auf die beigefügten Beispiele beschrieben, in denen ein gemäß der folgenden Spezifikation vorbereitetes Prägewerkzeug verwendet wurde, um. Nuten in den Lichtleitfasern auszubilden.
Spezifikation:
(a) Nutentiefe 0,0375 mm
(b) Gesamtzahl der Nuten 175
(c) Abstand zwischen der ersten und der letzten Nut 150 mm
(d) Abstand aufeinanderfolgender Nuten von der ersten Nut (mm)
Die vorstehende Spezifikation definiert ein Prägewerkzeug zum Ausbilden von Nuten in den Lichtleitfasern derart, daß, zumindest theoretisch, eine gleichmäßige Verteilung des emittierten Lichts entlang des lichtemittierenden Bereichs der Faser erhalten wird. Dies wird erreicht, indem der Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Nuten in der Lichtausbreitungsrichtung so vermindert wird, daß das von jeder der aufeinanderfolgenden Nuten emittierte Licht durch die Nutendichte der Faser kompensiert wird.
Die Fig. 11a bis 11c zeigen den in den Beispielen zum Ausbilden von Nuten in den Fasern verwendeten Prägeprozeß. Das Prägewerkzeug 60 weist einen Metallstempel auf, dessen eine Oberfläche z. B. durch galvanische Metallabscheidung oder eine Funkenerosionstechnik bearbeitet ist, um eine Reihe von Stegen 62 zu erzeugen, die parallel zueinander angeordnet und auf jeder Seite durch eine Nut 64 flankiert sind. Das Prägewerkzeug 60 wird nach unten auf die Faser 66 gedrückt und dazu verwendet, die Faseroberfläche einzudrücken, wie in Fig. 11b dargestellt. Der Prägevorgang wird vorzugsweise bei erhöhten Temperaturen durchgeführt. Die auf beiden Seiten der Stege 62 ausgebildeten Nuten 64 nehmen das verdrängte Mantel- oder Hüllmaterial auf, wie in Fig. 11c dargestellt.

Beispiel 1

Eine erfindungsgemäße Beleuchtungsvorrichtung wurde folgendermaßen zusammengesetzt. Sechzig Lichtleitfasern (Durchmesser 1,0 mm; Länge 1 m) aus Poly(methymethacrylat) (PMMA), kommerziell erhältlich von Fibre Lightguides, wurden nebeneinander auf einer flachen Oberfläche angeordnet und durch einen an zwei etwa 30 cm voneinander beabstandeten Positionen aufgebrachten, schnell aushärtenden Epoxydklebstoff miteinander verklebt. Eine Vorderwand mit einer (75 um dicken) Poly(ethylenterephtalat) (PET) -Platte wurde mit einer Klebstoffzusammensetzung (2 : 3 (in Gew.-%), Mischung von CY1311 und ARALDITE-Schnellhärter, die beide von Ciba Geigy kommerziell erhältlich sind) in einer Dicke von 75 um beschichtet. Der Lichtleitfasersatz wurde dann auf der Klebstoffschicht angeordnet und durch ein schweres Gewicht in Position gehalten. Nachdem der Klebstoff ausgehärtet war, wurde der Fasersatz auf einer Gummimatte angeordnet, wobei die PET-Schicht nach unten wies, und das Prägewerkzeug wurde auf dem Satz angeordnet. Auf das Werkzeug wurde für eine Zeitdauer von 1 Minute bei 80ºC eine Druckkraft von 5082,5 kg ausgeübt, woraufhin der Druck freigegeben und das Werkzeug vom Fasersatz entfernt wurde.
Die Daten für die Nuten sind folgende (vergl. auch den Kommentar zu den Fig. 6a und 6b):
(i) Nutenfiefe = 0,0375 mm
(ii) Länge der mit Nuten versehehen Fläche = 150 mm
(iii) Querschnittsfläche der Nut = 0,009573 mm²
(iv) Abstand zwischen der ersten und der zweiten Nut = 2,074 mm
(v) Abstand zwischen der 174-ten und der 175-ten Nut = 0,246 mm
Eine Rückwand, die eine (75 um dicke) PET-Platte aufweist, wurde auf der Oberseite der mit Nuten versehenen Fasern angeordnet (um zu gewährleisten, daß die Nuten nicht durch Staub bzw. Schmutz kontaminiert werden) und durch ein Klebeband am Fasersatz gesichert.
Die Lichtleitfasern wurden gebündelt, in einer Acryl- Vergußmasse angeordnet und durch Glaspapier poliert, um die Faserenden freizulegen. Der Endpoliervorgang wurde mit einem Diamantschleifmittel mit der Körnung 6 um ausgeführt. Zerhacktes Licht von einem 5 mW HeNe-Laser (633 nm), das durch eine Objektivlinse auf einen Durchmesser von etwa 15 mm aufgeweitet wurde, wurde in die polierten Faserendflächen eingeleitet, und die Intensität des Lichts von der Vorder- und von der Rückwand der Vorrichtung wurden (unter Verwendung einer Siliziumphotodiode, die in einem Synchrondetektor von Stanford Research Systems angeordnet war) an 11 Punkten des Displays wie unten angegeben gemessen. Die erhaltenen Ergebnisse sind in der nachstehenden Tabelle 1 dargestellt. Lichteinleitung Tabelle 1
Graphisch dargestellt (willkürliche Einheiten):
Die Ergebnisse zeigen, daß der Hauptteil des durch die Fasern emittierten Lichts durch die Vorderwand hindurchgeht.

Beispiel 2

Vor dem Vergießen und Polieren der Faserenden des Fasersatzes wurden Transmissionsmessungen für eine zufällige Probe von fünf Lichtleitfasern des Satzes ausgeführt. Ähnliche Messungen wurden für einen Vergleich mit den mit Nuten versehenen Fasern auch für Proben von nicht mit Nuten versehenen Fasern mit der gleichen Länge (1 m) ausgeführt. Die erhaltenen Ergebnisse sind in Tabelle 2 dargestellt. Tabelle 2

Beispiel 3

Ein Fasersatz wurde wie in Beispiel 1 beschrieben zusammengesetzt und mit Nuten versehen, jedoch unter Verwendung von 70 PMMA-Lichtleitfasern (1,0 mm Durchmesser, 1,5 m Länge), die kommerziell von Fibre Lightguides erhältlich sind, und eine Platte aus aluminisiertem PET wurde als Rückwand zum Reflektieren jeglichen Streulichts in die Vorwärtsrichtung verwendet. Licht wurde wie in Beispiel 1 beschrieben in die Vorrichtung eingeleitet, und die Ausgangslichtintensität wurde an 15 Punkten auf der Vorderwand der Vorrichtung gemessen, wie nachstehend dargestellt. Die erhaltenen Ergebnisse sind in der nachstehenden Tabelle 3 dargestellt.

Tabelle 3

Meßpunkt Ausgangslichtintensität

1 0,342
2 0,332
3 0,509
4 0.356
5 0,337
6 0,508
7 0,407
8 0,374
9 0,558
10 0,458
11 0,398
12 0,640
13 0,485
14 0,496
15 0,669
Graphisch dargestellt (willkürliche Einheiten):

Beispiel 4

Ein Fasersatz wurde wie in Beispiel 1 beschrieben zusammengesetzt und mit Nuten versehen, jedoch unter Verwendung von 25 PMMA-Lichtleitfasern (von Fibre Lightguides Ldt.) mit einem rechteckigen Querschnitt (2,0 mm · 1,5 mm), die nebeneinander bzw. Seite an Seite angeordnet wurden, wobei die kurze Fläche auf der Vorder- und der Rückwand der Vorrichtung freilag. Licht wurde wie in Beispiel 1 beschrieben in die Vorrichtung eingeleitet, und die Ausgangslichtintensität wurde an 18 Punkten auf der Vorderwand der Vorrichtung wie nachstehend dargestellt gemessen. Die erhaltenen Ergebnisse sind in der nachstehenden Tabelle 4 dargestellt.

Tabelle 4-

Meßpunkt Ausgangslichtintensität

1 0,303
2 0,354
3 0,222
4 0.301
5 0,381
6 0,254
7 0,325
8 0,395
9 0,266
10 0,355
11 0,409
12 0,299
13 0,357
14 0,401
15 0,285
16 0,270
17 0,335
18 0,269
Graphisch dargestellt (willkürliche Einheiten):
Die Ergebnisse zeigen, daß die Ausgangslichtintensität über etwa 2/3 des Weges entlang des Fasersatzes auf ein Maximum ansteigt, bevor es am Ende abnimmt. Durch Beleuchten dieser Vorrichtung mit einer starken Lichtquelle wird ein sehr helles Display erhalten, das durch das Auge betrachtet gleichmäßig verteilt erscheint.

Beispiel 5

Ein Fasersatz wurde wie in Beispiel 1 beschrieben zusammengesetzt, jedoch unter Verwendung von 39 PMMA- Lichtleitfasern (1,0 mm Durchmesser, 1 m Länge), die von Fibre Lightguides kommerziell erhältlich sind, unter Verwendung eines Klebstoffs mit kleinem Brechungsindex nD der ein Copolymer von FX13, kommerziell erhältlich von 3M Company, und Butylacrylat (40 : 60 Gew.-% ) enthält, das durch Lösungspolymerisation in Ethylacetat vorbereitet und von Ethylacetat mit einer Naßdicke von 150 um (Trockendicke 50 um) gegossen wurde, auf einem PET-Film angeordnet. Der Fasersatz wurde durch Verwendung des Prägewerkzeugs von Beispiel 1 mit einem Druck von 5082,5 kg für 2 Minuten bei 70ºC eingedrückt, und eine Platte aus aluminisiertem PET wurde auf der Rückseite angeordnet, wie in Beispiel 3 beschrieben, um die Montage der Vorrichtung abzuschließen. Licht wurde wie in Beispiel 1 beschrieben in die Vorrichtung eingeleitet, und die Ausgangslichtintensität wurde an 12 Punkten entlang der Vorderwand der Vorrichtung gemessen, wie nachstehend dargestellt. Die erhaltenen Ergebnisse sind in der nachstehenden Tabelle 5 dargestellt.

Tabelle 5

Meßpunkt Ausgangslichtintensität

1 0,244
2 0,220
3 0,221
4 0.227
5 0,232
6 0,249
7 0,256
8 0,244
9 0,258
10 0,274
11 0,277
12 0,260
Graphisch dargestellt (willkürliche Einheiten)
"FX13" (3M Company) und "CY1311" und "ARALDITE" (Ciba Geigy) sind Handelsnamen/-bezeichnungen.

Claims

1. Beleuchtungsvorrichtung mit einer Lichtleitfaser (2) zum Übertragen von Licht in eine vorgewählte Richtung, wobei die Beleuchtungsvorrichtung einen lichtemittierenden Bereich aufweist, wobei die Lichtleitfaser in dem lichtemittierenden Bereich mehrere sich in die Faser erstreckende Reflexionsflächen (6) aufweist, wobei die Reflexionsflächen (6) eine derartige optische Qualität aufweisen, daß weniger als 20% des auf eine Reflexionsfläche auftreffenden Lichts durch die Reflexionsfläche diffus gestreut wird, wobei die Reflexionsflächen (6) so angeordnet sind, daß ein Teil des entlang der Faser übertragenen und auf die Flächen (6) auftreffenden Lichts durch innere Totalreflexion an den Flächen (6) reflektiert wird und durch eine Seitenwand (8) aus der Faser austritt, wobei die Reflexionsflächen (6) sich dadurch unterscheiden, daß der Abstand bzw. die Abstände zwischen aufeinanderfolgenden Reflexionsflächen mit zunehmender Entfernung in die vorgewählte Richtung entlang der Faser abnehmen, wobei mindestens eine der Reflexionsflächen (6) eine kleinere Querschnittsfläche aufweist als die Lichtleitfaser (2), so daß durch die Seitenwände der Fasern austretendes Licht im wesentlichen gleichmäßig über den lichtemittierenden Bereich emittiert wird.

2. Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Projektionsfläche der Reflexionsflächen in der Querschnittsebene der Faser mit zunehmender Entfernung entlang der Faser in der vorgewählten Richtung zunimmt.

3. Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei jede der Reflexionsflächen (6) im wesentlichen planar ist.

4. Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei jede der Reflexionsflächen (6) eine Wand einer in der Faser ausgebildeten Nut aufweist.

5. Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei mindestens 50% des von den Reflexionsflächen (6) reflextierten Lichts quer über die Faser und durch die Seitenwand reflektiert wird.

6. Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 5, wobei mindestens 90% des von den Reflexionsflächen (6) reflextierten Lichts quer über die Faser und durch die Seitenwand reflektiert wird.

7. Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Nuten definiert ist durch die Formel:

Sn = K(1 - A/C )n

wobei Sn = Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Nuten, d. h. zwischen der n-ten und der (n+1)-ten Nut;

n = Nummer jeder einzelnen Nut:

K = Nutenabstandkonstante

A = Querschnittsfläche der Nut; und

C = Querschnittsfläche der Faser.