具有聚光器的漫射光系统.pdf

本发明提供一种改进的光学的光漫射系统，用于高效的不间断的照明目的。具体来说，本发明涉及在改进的光漫射设备中提供聚光器，所说光漫射设备可以从光源引导光到达至少一个漫射光导，并且因而可以防止在光导内形成过度可见的区域或分立的区域，最终产生十分均匀的和连续的光线，其中，可以根据不同的照明应用场合灵活地改变亮度水平。

1.  一种光漫射设备(100)，用于沿多个分段提供照明，其中所说设备包括：
沿多个分段中对应的一个分段延伸的多个漫射光导(120)；
多个聚光器(106)，其中将每个聚光器安排成向漫射光导中对应的一个光导内提供光；
多个光源(104)，其中将每个光源经过对应的聚光器耦合到所说漫射光导中的至少一个漫射光导，所说聚光器从所说光源向所说漫射光导之一提供光，
其中所说光源中的至少一个光源由至少两个漫射光导经过对应的聚光器共享，对聚光器进行配置，以允许所说被共享的光源所发出的部分光漏进观察方向，观察方向横过所说至少两个漫射光导。

2.  权利要求1的光漫射设备，其中所说漫射光导的至少一个漫射光导的两端与对应的聚光器和光源配合在一起，以便朝沿着漫射光导的两个相对的方向传播光。

3.  权利要求1或2的光漫射设备，其中所说光源包括与漫射光导垂直的一个光发射轴。

4.  根据前述权利要求中任何一个所述的光漫射设备，其中将漫射光导安排成平行于一个表面，并且其中光源基本上包括点源，将所说点源配置成垂直所说表面发射光。

5.  权利要求4的光漫射设备，其中光源安装在一个与所说表面平行的共用支撑上。

6.  权利要求4或5的光漫射设备，其中光源包括发光二极管。

7.  权利要求1的光漫射设备，其中被共享的光源(510)安装在呈抛物面反射器(506)形式的至少两个聚光器的前面，每个抛物面反射器的一个轴与提供给对应的被耦合漫射光导(502、504)的光的输入方向对准，并且每个抛物面反射器具有一个部分折射的表面以便让来自被共享光源的部分光通过这里。

8.  权利要求7的光漫射设备，进一步还包括一个透镜，以便引导光进入观察方向，将所说抛物面反射器定位在被共享的光源和所说透镜之间。

9.  权利要求8的光漫射设备，其中透镜是一个菲涅尔透镜。

10.  权利要求7的光漫射设备，其中对部分折射的表面进行处理，使其是部分漫射的，以便导致来自被共享光源的部分光的泄露。

具有聚光器的漫射光系统
技术领域
本发明涉及漫射光系统，具体来说，本发明涉及具有新颖漫射光聚光器的改进的光设备，漫射光聚光器提供来自光源的对于漫射光导的十分均匀的照明效果。
背景技术
通常，使用光导来照明平板进行通用照明和显示应用，例如用于照明装饰符号，标志建筑物轮廓的建筑照明，显示在各种不同距离可以看见的标识、字母、标牌、符号的漫射光的广告，还用于液晶显示板的照明等等。在一般情况下，对于照明系统的大型标志应用使用高强度放电灯(HID)、高压氖管或漫射纤维光管或荧光管。
在构造用于照明目的的漫射光导当中，利用标准的解决方案实现被照明的整个标志的均匀水平的亮度和发光度是不太理想的。换言之，难以将亮度水平维持在所需要的一致水平以获得良好的均匀性并且在连续光线上保持光不中断。
于是，有益的作法是，相对比较容易地和以成本有效的方式产生一种光导，这种光导适合设计人员在各种不同的情况下灵活使用，提供连续的照明效果，使观察人员不会看见光源所在位置处的光线中断。
发明内容
因此，本发明的一个目的是提供一种改进的光系统，所说的光系统在光源位置处可提供非常一致均匀的亮度水平。
具体来说，本发明提供一种光漫射设备，用于沿多个分段提供照明，这里的光漫射设备包括：沿分段延伸的多个漫射光导；多个聚光器，将每个聚光器安排成向漫射光导内提供光；多个光源，将每个光源经过对应的聚光器耦合到所说漫射光导中的至少一个漫射光导，所说聚光器从所说光源向所说漫射光导之一提供光，并且光源中的至少一个光源由至少两个漫射光导经过对应的聚光器共享，对聚光器进行配置，以允许所说被共享的光源所发出的部分光漏进观察方向，观察方向横过(transverse to)所说至少两个漫射光导。
还可以包括下述的一个或多个特征。
所说漫射光导的至少一个漫射光导的两端与对应的聚光器和光源配合在一起，以便朝沿着漫射光导的两个相对的方向传播光。
在另一方面，光源包括与漫射光导垂直的一个光发射轴。进而，漫射光导安排成平行于一个表面，光源包括基本上的点源，将所说点源配置成垂直于所说表面发光。
在下一个方面，光源安装在一个与所说表面平行的共用支撑上，光源包括发光二极管。
在从属权利要求中引用光漫射设备的另外一些特征。
参照下面说明书和附图描述的实施例并且根据权利要求，本发明的这些和其它方面将变得显而易见，并得到阐述，附图是为了说明本发明的优选实施例(一个或多个)的目的，不被认为是对于本发明的限制。
附图说明
图1是按照本发明的典型结构(观察人员对着光导)的示意图；
图2是按照本发明的一个优选实施例的具有单个输出的典型的完整光系统的示意图；
图3是按照本发明的另一个优选实施例的具有双输出的另一个典型的完整光系统的示意图；
图4是按照本发明的下一个优选实施例的具有三输出的另一个典型的完整光系统的示意图；
图5是按照本发明的另一个优选实施例的具有四输出的另一个典型的完整光系统的示意图；
图6是示意图，以表示顶部的透视图说明按照本发明的一个优选实施例的一个双输出结构的聚光器；
图7是示意图，以表示底部的透视图说明图6的双输出结构的聚光器；
图8和图9是示意图，更加详细地表示图6和图7的聚光器；
图10和图11是示意图，说明聚光器的混合模式和反射模式。
具体实施方式
现在参照图1，归因于一个光源的沿漫射光导10的长度的亮度的径向减小是指数形式的，这是因为如下的事实：当前的漫射光导是由均匀材料制成的。每个光源(例如光源12和14)在径向亮度中的贡献沿着光导逐渐减小。
对于观察者16，可以看见的光导10的长度取决于视场宽度18、观察者16和光导10之间的距离以及观察方向。
进而，为了在一定距离沿接近垂直光导轴20的方向充分地观察到光导10，根据使用光导的应用场合，需要一定水平的亮度(例如所有光导的平均亮度)。同时，亮度水平沿整个光导的长度的均匀性至少必须是最小值。还有，出于成本的原因，光导系统必须是充分有效率的。
因此，可以根据不同的应用场合选择光导10的漫射特性。首先，对于长度较大的光导，可以包括最小的衰减量；或者，当光源之间的距离短并且期望得到更加重要的亮度水平时，对于较短的光导，为了进行更多的漫射，可以包括最大的衰减量。
仍旧参照图1，相对于只有一个光源(如光源12)的光导的总衰减R(分贝)的亮度均匀性可由以下关系式给出：
总衰减R(分贝)＝-10×log(最小径向亮度/最大径向亮度)
                                     [方程1]
R_mini＝-10×log(30％/100％)          [方程2]
R_maxi＝-10×log(20％/100％)          [方程3]
例如，当光导只由一个光源照明时，与在光导的光输入处100％光导径向亮度(图1)相比，30％的最大径向亮度或20％的最小径向亮度就代表在光导半长度的径向亮度。这些最大和最小限制值影响光漫射系统的操作、效率和均匀性。
就漫射光导的长度和衰减水平之间的关系而论，这个关系由下式给出：
dbU＝经过光导的单位长度的衰减量
光导1/2长度最小值＝log(30％)/(0.1*dbU)[方程4]
光导1/2长度最大值＝log(20％)/(0.1*dbU)[方程5]
两个光源之间的最小距离＝2×log(30％)/(0.1*dbU)+(聚光器长度)          [方程6]
两个光源之间的最大距离＝2×log(20％)/(0.1*dbU)+(聚光器长度)          [方程7]
首先，为了设计光漫射系统，要选择漫射材料。因此，通过选择与光导的外形和材料有关联的dbU，确定光漫射系统的几何结构。接着，为了实现系统的正确操作，通过由方程6和7提供的解确定光导的长度。然后，可使用方程6和7计算两个光源之间的距离。
为了估算平均亮度值，一旦满足了针对期望的衰减水平的漫射光导的长度要求，则下面的估算是可能的：
最大平均值(来自一个光源的贡献)：
Lmax的58％，在光导长度L的100％和30％之间；
Lmax的39％，在光导长度L的100％和9％之间；
最小平均值(来自一个光源的贡献)：
Lmax的50％，在光导长度L的100％和20％之间；
Lmax的30％，在光导长度L的100％和4％之间。
上面的最大平均值和最小平均值对应由dbU提供的限制。对于一个指定的dbU，如果光漫射系统不符合照明的规范要求，则选择另一个dbU，即要选择另一种类型的漫射光导。
这个数据在光导的数值孔径以外的方向对于折射率约为1.5的材料是有效的。
此外，可以根据光源通量的利用率来估算系统的效率：
最小结构＝被输入光导中的通量的92％左右(两个光源之间的最小距离)；
最大结构＝被输入光导中的通量的95％以上(两个光源之间的最大距离)。
换言之，上面的值可以使光漫射系统得到良好的均匀性以及良好的利用率。例如，沿着光导的长度方向使用90％以上的被输入光导中的通量。
现在参照图2，其中表示的是一个完整的光系统100。系统100具有单个输出，即光导120，安排光导120的轴使其平行一个表面。光源104(例如一个朗伯发光二极管)的发射轴垂直于漫射光导120的轴，并且光源104经过一个光耦合装置即聚光器106被连接到光导120。而且，光源104基本上是一个配置成垂直于这个表面发光的点源。如果光源是一个发光二极管，则在必要的条件下可将光源104和聚光器106一起安装在相同的平面上。
如图所示，聚光器106包括一个由具有一个外部反射表面的由透明材料制成的大块反射体(massive reflector)107，大块反射体107具有使来自光源104的一部分光改变方向而进入光导120内部的能力，如箭头Y所示。聚光器106也可使来自光源的光的主要部分改变方向，如箭头X、Z所示。Y是由大块反射体107和聚光器106轻微折射的光，Z由聚光器106折射的光，X由聚光器106折射的光并且在光导120内具有可调节的亮度水平。光导120可以是刚性的，通常呈直线；光导120或者可以是柔性的，带有曲率，用于例如需要使用光纤或漫射光缆照明弯曲字母和符号的场合。
现在参照图3-5，其中表示的是光系统的不同结构。图3表示的光系统200具有双输出，即两个光导输出202和204，或者两个对应的分段。图4表示的光系统300具有三个光导输出302、304和306，或者三个对应的分段。图5表示的光系统400具有四个光导输出402、404、406和408，或者四个对应的分段。
现在更加详细地描述聚光器106的特性。聚光器106是一个光耦合器件，由折射材料制成，其可以通过全反射反射主要量的光，并且选择性地涂有附加的反射涂层，该附加的反射涂层向至少一个漫射光导引导来自一个公共光源的光，当与多个光导连接时在整个漫射光导上给出良好的径向均匀性。只要光系统具有沿着光导等距放置的光源，那么这个结构就提供连续的并且十分均匀的光线的效果。
通过下面的方法之一可以获得聚光器106的亮度调节。第一，调节聚光器表面的抛光质量；或者第二，调节反射涂层或者反射处理(如反射真空涂层)的不透明性。进而，移动光源104，提供精细调节。
现在参照图6、7、8、9，其中表示的是聚光器的第二实施例。
具体来说，参照图6、7，从图6中表示顶部的透视图以及从图7中表示底部的透视图可以看到在光系统500中具有连接到聚光器506的两个漫射光导502、504的双输出结构。表示顶部的透视图代表由箭头508表示的观察者方向，从表示底部的透视图可以识别出光源510。
在图8和图9中对于聚光器506表示得更加详细。聚光器506可以由透明材料制成，它的上部506a(图8)是由菲涅尔透镜制成。
在聚光器506的内部(图9中的底部506b)可以设有抛物面反射器，以便向光学光导引导来自光源的光。于是反射体的数目会要等于与其相连的光导的数目。这些表面是真空半透明金属化表面，在金属化过程期间这些表面设有掩膜，因而金属化过程允许针对标准产品调节混合模式和反射模式的百分比(图10和图11)。
在一个可替换实施例中，聚光器可由主要是通过全反射工作的透明材料制成的。对于来自光源的每个方向，聚光器外部表面的正切取向是这样的：来自光源的光线的主要方向通过全反射被反射，并且被引向光导的输入端。调节一些表面的抛光质量，使得某些光不被反射，而是漫射以给出接近光导漫射亮度的亮度。
虽然已经说明并描述了当前被认为是本发明的优选实施例，但本领域的普通技术人员应该理解，在不偏离本发明的真正范围的条件下，还可以进行各种不同的其它改进，并且可以替换等效物。
此外，可以制造许多先进的光显示系统和耦合设备以使特定的情况适合本发明的教导，而不偏离这里描述的创造性的中心思想。再有，本发明的实施例可以不包括上述的所有特征。因此期望，本发明不限于这里公开的特定实施例，而是本发明包括落入所附的权利要求书及其等效物范围内的所有实施例。