漫射光线的中空光导 本发明是使得一大型漫射光源的光输出耦合到一棱镜光导上，以致使大部分光线被限制在该光导中并被导向，仅有少部分光在光源附近逸出光导。
光导可分为两个基本类型。第一种，也是最为人所知的是实体光导，它的截面上全是传导介质。光学纤维和较大的一些相似结构属于这种。因为光由一种非吸收性过程地内部全反射导向，它们有很高的效率。
第二主要类型是中空光导，因为它能用较少材料导向较大量的光，故更实用些。例如，中空金属光导是通过一种吸收性过程的金属反射限制并导向光。最近，开始使用棱镜光导限制并导向光。这些装置是中空结构，借助在棱镜光导的透明介质壁的材料外部精心设计的棱镜表面取得内部全反射。虽然棱镜光导比金属光导效率更高，但存在着一严重缺欠：它们只能导向相对于棱镜表面有限角度范围内的光。
当光源不大时，常可用一反射器校准光线输出，使基本上所有反射的光线满足为了保证所有光线沿光导传播时被内部全反射所需的角度关系。但是，在某些情况下这是困难的，例如，当大的漫射光源的输出要耦合到一棱镜光导上时。
例如在住宅照明应用方面，希望将大的荧光灯输出耦合到比较小的棱镜光导上，而在商业照明应用方面，希望将射频感应荧光灯光输出耦合到稍大的光导上。在这些情况中，所述漫射光源太大，用一反射器不能充分校准以确保所有反射光线，满足上述的角度关系，以致不能确保在它们沿光导传播时使基本上全部光线被内部全反射。因而，由这样的漫射光源发射出的光线中相当大的部分立即在光源附近由光导漏失，在该处产生不希望的亮度，并使仍沿光导全长被导向的光强度减弱。
本发明提供一种将较大漫射光源的光输出耦合到较小棱镜光导的装置，使大部分光被限制在光导中并被导向，仅有少量光线在光源附近由光导漏失。
根据优选实施例，本发明提供一包含一个光源的光导。该光导由一个外棱镜光导包围一个罩组成，而该罩又包围该光源。外棱镜光导是由棱镜光导壁材料形成，在垂直第一多棱结构(octature)(注)对称方向上的横截面上有一致的形状，并且有平行于第一多棱结构对称方向的光学中心线。该光导壁材料的表面相对于第一多棱结构对称方向基本上是多棱结构的，并且该材料任何内表面上的任何一点的表面法线矢量或基本平行于或基本垂直于由此点穿过延伸并垂直于光学中心线的第一设想线。在该光导之中围绕光源设置一个罩，该罩是相对于光学中心线圆柱对称的，与光源发射出的相当大部分光线相交。该罩由棱镜光导壁材料形成。此罩壁材料表面在任何一点上相对于第二空间可变多棱结构对称方向是大致多棱结构的，在该点上，该第二空间可变多棱结构对称方向与第一多棱结构对称方向是垂直的，并与罩上穿过此点延伸的并垂直于光学中心线的第二设想线垂直，罩的任何外表面的任何一点上的表面法线矢量或基本平行于第一多棱结构对称方向，或基本垂直于第一多棱结构对称方向，罩被限制在足够靠近光学中心线的区域，基本上防止了入射到罩内表面上的光线传播到并穿过外光导壁材料。
可取的是，该罩形成为一长度为“l”直径为“d”的圆柱体，该“l”比光导长度小，并且圆柱体的每端在光源之外延伸的长度大于1.65倍的“d”。
该光导也可形成为一圆柱体。例如，该光导和罩可形成部分同心的并被和光学中心线相交的平面金属反射器截断的圆柱体。
可以装置一光引出机构，沿光导上选择的点可控制地发出光线，并装设端部反射器防止光线穿过光导的两相对的端部发射出去。
图1是现有技术的棱镜光导的图示；
图2是棱镜光导壁材料一片断的放大图，该片断与两个设想平面和一限定了第三设想平面的光线相交；
图3是具有良好校准光源的一棱镜光导的剖面正视图；
图4示出将一较大光源的光输出耦合到一较小棱镜光导的困难；
图5是一棱镜光导的端部剖视图，说明由相对于光导的特定位置出来的光线被沿该光导限制并被导向，而不受它们相对于光导轴线方向的角度影响的现象；
图6与图2相似，但利用一笛卡儿坐标系；
图7是按图6的笛卡儿坐标表示的棱镜光导壁材料产生内部全反射的角度范围的图表；
图8是防止由一漫射光源发射的光线进入图7非内部全反射区(即非阴影区)的非吸收性装置部分被切开的图；
图9是按图6的笛卡儿坐标表示，当在离圆柱体轴线的距离为圆柱体半径的3.2倍处观察时，由图8的圆柱体结构包围的一扩散光源的状态；
图10示出被图8的结构盖住的扩散光源的在图9中示出的光漏失区被叠加到棱镜光导壁材料内部全反射区的图7的图上的情况；
图11是具有一扩散光源的棱镜光导的剖面正视图，该光源是被图8所示的那种圆柱罩包围的；
图12是一与图11所示的结构相似的结构的局部切开图，但其中光导和圆柱罩被截断；
图13是示出四个不同棱镜结构的剖面正视图，它们均满足适合形成棱镜光导的材料应具备的“多棱结构”特征；
图14是符合于本发明的二维棱镜光导剖面正视图；
图15(a)、15(b)、15(c)示出棱镜光导壁材料的三种不同形状和表征这些形状的特征的两个矢量；
图16示出一个一般化的棱镜光导；
图17示出防止由漫射光源发出的光线进入非内部全反射区的非吸收性装置的一个一般化的形式。
图1示出一典型现有技术棱镜光导10，在这里它具有圆形截面。光导10的外部透明介质壁材料12具有多个棱镜表面14。如上所述，棱镜光导仅能导向相对于棱镜表面一限定角度范围之内的光。这些光受到内部全反射，这意味着当它们反复地被棱镜光导壁材料反射时它们一直被限制在光导内，沿光导传播。
对于棱镜光导，一定光线是否受到内部全反射决定于该光线相对于棱镜壁材料的入射角方向。这可以用图2所示的角度θ和φ来解释，该图示出具有棱镜表面14′的透明介质壁材料的一片断12′。片断12′与第一和第二设想的平面P1和P2垂直相交，第一设想平面P1是与棱镜表面14′平行的，第二设想平面P2是与棱镜表面14′横切。光线R限定一第三设想平面P3，P3与平面P1成φ角，光线R与平面P1和P2的中垂线相交成θ角。可以看到，假若θ角小于一个由下列公式给定的临界角θc，在φ角为任何值时，光线都会受到内部全反射。θc=cos-11-(η2-1)(2-22+2)---(1)]]>这里，η是材料的折射率。例如，当η为一典型的值1.6时(聚碳酸酯)，θc大约为30°。
如图3所示，用一反射器18常常能够校准一小光源16的光输出，使几乎所有被反射光线R与棱镜光导10轴线方向成30°以内的角，因此确保基本上所有这些光在沿光导10传播时受到内部全反射。
如图4所示，将一较大光源16′的光输出耦合到一较小棱镜光导10上是困难的。光源太大，以致不能用反射器18充分校准，使得所有被反射的光线R满足方程(1)的限制，因而不能确保当光线沿光导10传播时使基本上所有光受到内部全反射。因而由光源16′发出的光线R′的相当大部分在光源16′附近立即由光导10漏失，在附近产生不希望的亮度，并减弱在光导全长上仍被导向的光强。
这里有一个重要的想法是，假若这些光线发生于相对于这些光导的特定位置，在一定情况下，棱镜光导可以限制并导向相对于光导轴线方向任何角度内的光线。图5示出具有圆形横截面棱镜光导10′的这一现象，该光导含有具有直径为“d”的设想圆柱体20。可以证明，对于具有折射率为1.6的棱镜光导壁材料，只要圆柱体20的直径“d”小于或等于该圆形棱镜光导直径的17.6％，穿过圆柱体20的所有光线会被棱镜光导壁材料反射。这一现象成立的原因是，只要光线穿过圆柱体20，上面对于图2所说的φ值将永远小于10.1°，这确保了对所有的θ值发生反射。
因此，如果一个漫射光源位于圆柱体20之内，所有由它发射的光线将被棱镜光导限制并导向。但不幸的是，因为圆柱体20的横截面积仅为光导10′的横截面积的3％，上述现象仅有很小的实际意义。事实上，如果可以得到那样大小的扩散光源的话，便可以如上面对图3所述的那样，用一常规反射器有效地校准那个光源输出。尽管如此，这个现象给出的启示是，利用棱镜光导壁材料的特殊角度的特征有可能在通常的校准限制之外实现光的导向。
参看图6有助于更好地理解这一点，该图更有助于说明棱镜光导壁材料会产生内部全反射的方向范围。图6用一种不同的，更适宜于在平面上图示的方式说明，在棱镜光导材料12′上光线入射的方向。图6说明了与图2相同的几何关系，但用了一笛卡儿坐标系统。入射光线R具有一单位矢量(x、y、z)，在该图中有助于说明的两维方向指标是x/y和z/y，x/y说明光线R在垂直于棱镜14′的方向上从法线到光导壁的偏差，z/y说明在平行于棱镜14′方向上从垂直到光导壁的偏差。
在φ、θ、x/y和z/y之间的关系是
x/y＝tanφ (2)z/y=(1cosφtanθ)---(3)]]>
应用图6的坐标系统，图7示出棱镜光导壁材料产生内部全反射的角度范围。该图有用的一个原因是，它是当观察一片棱镜光导壁材料时所见到的确切情况在平面上的投影，也即，图7显示了直接见到的内部全反射区(阴影区)与透射区(非阴影区)的情况。
图7说明了三个重要特征。第一，当z/y＝0(即θ＝90°，光线在垂直于光导轴线的平面上)，可看到内部全反射区的宽度相当窄(x/y＝±0.179，它是tanφ的值，即φ＝±10.1°)。第二重要特征是渐近线，在该处z和x均比y大的很多，此时x/z≈tanθc。该渐近线的斜率是0.605，它相应于θc＝31.1°，它是对所有φ值均反射的θ的极大值。
本发明提供一种非吸收性装置，该装置防止由一漫射光源发射的光线进入图7所示的非内部全反射区。本发明的最简单形式(图8)是用一中空透明圆柱体22包围漫射光源构成，该圆柱体有一平滑外表面24和一内表面，该内表面由很多直角棱镜26组成，该棱镜在与圆柱体22轴线垂直方向延伸。例如，圆柱体22可由与形成棱镜光导用的同一棱镜薄板材料制造，但具有不同的棱镜方向(即在光导中，棱镜面朝外，与光导轴线方向平行延伸)。
作为一个说明的例子，现考虑圆柱体22包围一漫射光源，如一荧光灯的情况。图9示出，当在距离圆柱体轴线的距离等于3.2倍圆柱体半径处观察时(距离的选定原因下面将说明)，这一光源呈现的状态。所示的状态可以根据棱镜光导壁材料的特性经过一冗长但并不复杂的计算而得出。观看该圆柱体的中心，可以看到一暗区(图9的阴影区)，其宽度为±0.179，它是在棱镜光导壁材料的法线入射角上的法线暗区。内部全反射的熟悉形状被棱镜光导壁材料弯曲变形成图所示的形状。应注意到这种重要的情况，即，由于该棱镜覆盖，没有被棱镜光导壁材料透射的光线被反射回到该漫射光源，在光源处随机再反射，以致有第二次机会在可能的方向透射出去。因此，假如该光源象通常的情况那样不是吸收性很高的，由于棱镜的覆盖仅有很少量光线损失。同样重要的是应注意到，假如棱镜光导壁材料具有优良光学性能，基本上没有光线出现在图9的内部全反射区中。
现在可以根据图10来解释对图9特定选择的观察距离的原因。在图10中，如图9所示的由图8的结构覆盖的漫射光源的光透射区，被叠加到图7所示的棱镜光导壁材料内部全反射区的图上。此时可看到，由该漫射光源的覆盖上透射出去的光线设有落在棱镜光导的内部全反射区域之外，也就是说，它们全部被光导限制并被导向。在棱镜光导材料的折射率为1.6的这个最为通常的情况时，一个直径为棱镜光导直径32％的扩散圆柱便会产生这一现象，这时该扩散圆柱具有的横截面积相应于棱镜光导本身的横截面积的10％。理应注意到，与没有这样一个棱镜覆盖时发生的情况相比较，横截面增加3.2倍，并且使一定尺寸的光导可导向的光量相应增加。
图11表示上述概念是如何可以适用于一简单光学产品的。在图11中，一漫射光源28被一图8所示类型的圆柱体30围绕。圆柱体30是足够长的，以致由光源28直接通过圆柱体30的两端出来的光线落在形成棱镜光导32的壁材料的内部全反射区之内，不需要任何其他光学校正。圆柱体30的直径是棱镜光导32的32％。棱镜光导32包含有一引出机构(未示出)，使在光导32的长度上产生均匀的光透射。光导32的端部装有镜面(未示出)，收集传播了全程来到光导端部的光，使所有的光被有效地利用。
决定将扩散光源耦合到棱镜光导的参数要比上述简单的例子的提示更具普遍意义。例如圆柱体30和棱镜光导32都不必是具有完全圆形截面。如图12所示，它们的截面可以是部分圆形的，其余部分被一常规金属反射器34截断。
而且，虽然通常用于形成棱镜光导壁的透明介质材料具有图1和图2所示的那种等腰直角三角形的棱，但形成棱镜光导特征的光学原理并不限于简单的等腰直角三角形棱。一般说来，棱镜光导壁材料仅需具有多棱结构(octature)表面，即：
1.所有表面是与一多棱结构对称方向平行的(如在图1和1中的Z方向)
2.所有内表面互成直角
3.所有外表面互成直角
4.内外表面互成45°角
例如，图13示出四种不同的棱镜截面，它们都满足多棱结构要求，它们都是形成棱镜光导的适合的壁材料，并且它们具有与图7所示不同的内部全反射区。通过使用全面具有多棱结构要求的结构，但其棱的形状随其位置而改变，可以掌握截面不是圆形的本发明的几何概念。例如，图14示出一二维棱镜光导36，它有一被圆柱形罩包围的漫射光源，此罩是图8所介绍的那种类型的。图14的结构，因为图示的棱镜细部形状，可获得与图11结构相同的性能。
完整地归纳本发明的特征必须既考虑棱镜光导壁材料的微观结构也考虑其宏观结构。下面的讨论提出了在任何给定点上，参考简单的充分定义的宏观直线和方向，说明棱镜光导壁材料微观结构的简化方法。这有助于本发明全面地特征化。
图15(a)、(b)、(c)每一个示出一小片棱镜光导壁材料40，它们足够的大以致包括有几个完整的棱42，但又足够的小以致在所有实际应用时它们宏观上是平的，而且棱42在该片长度上的形状是一致的。材料40的形状仅以两个矢量为其特征。
一个“多棱结构对称方向”矢量44限定棱镜42纵向长度方向。这多棱结构对称方向必须与材料40的宏观表面平行，但可以有任何方向。在材料40形成一棱镜光导的特殊情况时，多棱结构对称方向必须与该光导纵的对称方向(即纵轴线)平行，如果材料40用其他用途，如用于做成就图8所介绍的那样的罩，这一要求是不必需的。
第二矢量是一“棱镜表面法线方向”矢量46，该矢量或平行或垂直于棱镜42的表面法线方向。由多棱结构特点的上述定义，可以得出，在棱镜光导壁材料的相对侧上的棱镜表面与上述方向倾斜成45°。棱镜表面法线方向必须总是与多棱结构对称方向垂直，除此之外它再没有限制。图15(a)、(b)和(c)示出三种不同方向的例子，并示出在宏观结构上的最终影响。正如早已提到的，所有这些材料都是棱镜光导壁材料，棱镜表面法线方向影响位于棱镜光导接受角之外的光线被内部全反射的范围。
图16示出一外棱镜光导48(即相似于图11的光导32)的一般化形状。该光导的棱因为看上去太小没有在此图中明确绘出，但用上述的两个矢量术语介绍如下。光导48的截面形状在一与被选定的光学中心线50相垂直的平面上是一致的，除此之外是任意的。形成光导48的棱镜光导壁材料上的棱，在任何一点具有以下特征：
1.这点上的材料多棱结构对称方向44与光导48的光学中心线50平行；
2.材料棱上的棱镜表面法线方向46由通过这点延伸的并垂直于光学中心线50的一直线限定。
如果光导48是圆形截面的，上述定义产生一象图1所示的棱镜光导。对于其他形状，在材料内外会有带棱表面。
图17示出一个可以安装在一般化形状光导48之中的一个一般化形状的罩52。罩52是由棱镜光导壁材料制造，但不是棱镜光导。构成罩52的材料限定一围绕在图16可见到的相同光学中心线50旋转的形状。因此，罩52在垂直于光学中心线50的所有截面上是圆形的。这个圆形截面的直径不必是常数：如图17所示，直径可以沿光学中心线50改变，使罩52的形状可能有一很大变化范围。例如，在所述范围中可以包含一圆球壳体。圆柱体是简单并最普通的情况，但在某些情况下其他的可能采用的形状也可能会更具优点。
如上所述，罩52不是一棱镜光导。与光导48不同，形成罩52的棱镜光导材料的多棱结构对称方向不是恒定的，而是在一位置到另一位置会有相当大的变化。在罩52上的任何点，均存在着用例示点54(图17)所表示的关系，即，在点54处罩52的多棱结构对称方向56与图16的第一多棱结构对称方向44垂直，并且还垂直于通过点54引的并垂直于光学中心线50的线58。形成罩52的材料的其他限定性特征是，外棱镜表面的法线方向是由线58来限定。
如果罩52是一圆柱体，上述限制便产生了一个图8所示的仅在一侧面有棱的棱镜结构。但是，一般来说，可以在罩的材料内外均有带棱的表面。
上述一般化的几何特征使得可以继续得到根据图1一12的特定几何形状所介绍的对漫射光的导向能力，并具有了明显更多的设计自由。确切地说，它们都适用于同一概念，即，它们都确保从罩出射光的区域总是出射这样的光，该光的方向决定它们不能被棱镜光导壁材料透射，因而便被导向。正如上面介绍的特定例子所叙及的，必须确保罩具有充分小的直径，以实现它的导向效果。并且，如前所述，这直径会比一个没有装在该罩中的可以被导向的漫射光源的直径大得多。而且，如前所述，漫射光源位于罩中，被这样定位，使得由罩直接漏出而不是穿过它的任何光线，处于大量地被外光导导向的角度上。
很明显，在如上所述的光学领域中的技术人员，在实施本发明时会进行许多不偏离它的精神和范围的改变和修改。因此，本发明的范围应根据后附的权利要求所定义的实质加以确立。
注：多棱结构为一满足以下条件的中空导光结构：
1)内表面的各面之间或互相平行，或互相垂直。
2)外表面的各面之间或互相平行，或互相垂直。
3)内表面的各面与相对应的外表面各面之间，互成45°角。