專利名稱：漫射光線的中空光導(dǎo)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是使得一大型漫射光源的光輸出耦合到一棱鏡光導(dǎo)上，以致使大部分光線被限制在該光導(dǎo)中并被導(dǎo)向，僅有少部分光在光源附近逸出光導(dǎo)。
光導(dǎo)可分為兩個(gè)基本類型。第一種，也是最為人所知的是實(shí)體光導(dǎo)，它的截面上全是傳導(dǎo)介質(zhì)。光學(xué)纖維和較大的一些相似結(jié)構(gòu)屬于這種。因?yàn)楣庥梢环N非吸收性過程的內(nèi)部全反射導(dǎo)向，它們有很高的效率。
第二主要類型是中空光導(dǎo)，因?yàn)樗苡幂^少材料導(dǎo)向較大量的光，故更實(shí)用些。例如，中空金屬光導(dǎo)是通過一種吸收性過程的金屬反射限制并導(dǎo)向光。最近，開始使用棱鏡光導(dǎo)限制并導(dǎo)向光。這些裝置是中空結(jié)構(gòu)，借助在棱鏡光導(dǎo)的透明介質(zhì)壁的材料外部精心設(shè)計(jì)的棱鏡表面取得內(nèi)部全反射。雖然棱鏡光導(dǎo)比金屬光導(dǎo)效率更高，但存在著一嚴(yán)重缺欠它們只能導(dǎo)向相對(duì)于棱鏡表面有限角度范圍內(nèi)的光。
當(dāng)光源不大時(shí)，?？捎靡环瓷淦餍?zhǔn)光線輸出，使基本上所有反射的光線滿足為了保證所有光線沿光導(dǎo)傳播時(shí)被內(nèi)部全反射所需的角度關(guān)系。但是，在某些情況下這是困難的，例如，當(dāng)大的漫射光源的輸出要耦合到一棱鏡光導(dǎo)上時(shí)。
例如在住宅照明應(yīng)用方面，希望將大的熒光燈輸出耦合到比較小的棱鏡光導(dǎo)上，而在商業(yè)照明應(yīng)用方面，希望將射頻感應(yīng)熒光燈光輸出耦合到稍大的光導(dǎo)上。在這些情況中，所述漫射光源太大，用一反射器不能充分校準(zhǔn)以確保所有反射光線，滿足上述的角度關(guān)系，以致不能確保在它們沿光導(dǎo)傳播時(shí)使基本上全部光線被內(nèi)部全反射。因而，由這樣的漫射光源發(fā)射出的光線中相當(dāng)大的部分立即在光源附近由光導(dǎo)漏失，在該處產(chǎn)生不希望的亮度，并使仍沿光導(dǎo)全長(zhǎng)被導(dǎo)向的光強(qiáng)度減弱。
本發(fā)明提供一種將較大漫射光源的光輸出耦合到較小棱鏡光導(dǎo)的裝置，使大部分光被限制在光導(dǎo)中并被導(dǎo)向，僅有少量光線在光源附近由光導(dǎo)漏失。
根據(jù)優(yōu)選實(shí)施例，本發(fā)明提供一包含一個(gè)光源的光導(dǎo)。該光導(dǎo)由一個(gè)外棱鏡光導(dǎo)包圍一個(gè)罩組成，而該罩又包圍該光源。外棱鏡光導(dǎo)是由棱鏡光導(dǎo)壁材料形成，在垂直第一多棱結(jié)構(gòu)(octature)(注)對(duì)稱方向上的橫截面上有一致的形狀，并且有平行于第一多棱結(jié)構(gòu)對(duì)稱方向的光學(xué)中心線。該光導(dǎo)壁材料的表面相對(duì)于第一多棱結(jié)構(gòu)對(duì)稱方向基本上是多棱結(jié)構(gòu)的，并且該材料任何內(nèi)表面上的任何一點(diǎn)的表面法線矢量或基本平行于或基本垂直于由此點(diǎn)穿過延伸并垂直于光學(xué)中心線的第一設(shè)想線。在該光導(dǎo)之中圍繞光源設(shè)置一個(gè)罩，該罩是相對(duì)于光學(xué)中心線圓柱對(duì)稱的，與光源發(fā)射出的相當(dāng)大部分光線相交。該罩由棱鏡光導(dǎo)壁材料形成。此罩壁材料表面在任何一點(diǎn)上相對(duì)于第二空間可變多棱結(jié)構(gòu)對(duì)稱方向是大致多棱結(jié)構(gòu)的，在該點(diǎn)上，該第二空間可變多棱結(jié)構(gòu)對(duì)稱方向與第一多棱結(jié)構(gòu)對(duì)稱方向是垂直的，并與罩上穿過此點(diǎn)延伸的并垂直于光學(xué)中心線的第二設(shè)想線垂直，罩的任何外表面的任何一點(diǎn)上的表面法線矢量或基本平行于第一多棱結(jié)構(gòu)對(duì)稱方向，或基本垂直于第一多棱結(jié)構(gòu)對(duì)稱方向，罩被限制在足夠靠近光學(xué)中心線的區(qū)域，基本上防止了入射到罩內(nèi)表面上的光線傳播到并穿過外光導(dǎo)壁材料。
可取的是，該罩形成為一長(zhǎng)度為“l(fā)”直徑為“d”的圓柱體，該“l(fā)”比光導(dǎo)長(zhǎng)度小，并且圓柱體的每端在光源之外延伸的長(zhǎng)度大于1.65倍的“d”。
該光導(dǎo)也可形成為一圓柱體。例如，該光導(dǎo)和罩可形成部分同心的并被和光學(xué)中心線相交的平面金屬反射器截?cái)嗟膱A柱體。
可以裝置一光引出機(jī)構(gòu)，沿光導(dǎo)上選擇的點(diǎn)可控制地發(fā)出光線，并裝設(shè)端部反射器防止光線穿過光導(dǎo)的兩相對(duì)的端部發(fā)射出去。


圖1是現(xiàn)有技術(shù)的棱鏡光導(dǎo)的圖示；圖2是棱鏡光導(dǎo)壁材料一片斷的放大圖，該片斷與兩個(gè)設(shè)想平面和一限定了第三設(shè)想平面的光線相交；圖3是具有良好校準(zhǔn)光源的一棱鏡光導(dǎo)的剖面正視圖；圖4示出將一較大光源的光輸出耦合到一較小棱鏡光導(dǎo)的困難；圖5是一棱鏡光導(dǎo)的端部剖視圖，說明由相對(duì)于光導(dǎo)的特定位置出來的光線被沿該光導(dǎo)限制并被導(dǎo)向，而不受它們相對(duì)于光導(dǎo)軸線方向的角度影響的現(xiàn)象；圖6與圖2相似，但利用一笛卡兒坐標(biāo)系；圖7是按圖6的笛卡兒坐標(biāo)表示的棱鏡光導(dǎo)壁材料產(chǎn)生內(nèi)部全反射的角度范圍的圖表；
圖8是防止由一漫射光源發(fā)射的光線進(jìn)入圖7非內(nèi)部全反射區(qū)(即非陰影區(qū))的非吸收性裝置部分被切開的圖；圖9是按圖6的笛卡兒坐標(biāo)表示，當(dāng)在離圓柱體軸線的距離為圓柱體半徑的3.2倍處觀察時(shí)，由圖8的圓柱體結(jié)構(gòu)包圍的一擴(kuò)散光源的狀態(tài)；圖10示出被圖8的結(jié)構(gòu)蓋住的擴(kuò)散光源的在圖9中示出的光漏失區(qū)被疊加到棱鏡光導(dǎo)壁材料內(nèi)部全反射區(qū)的圖7的圖上的情況；圖11是具有一擴(kuò)散光源的棱鏡光導(dǎo)的剖面正視圖，該光源是被圖8所示的那種圓柱罩包圍的；圖12是一與圖11所示的結(jié)構(gòu)相似的結(jié)構(gòu)的局部切開圖，但其中光導(dǎo)和圓柱罩被截?cái)?；圖13是示出四個(gè)不同棱鏡結(jié)構(gòu)的剖面正視圖，它們均滿足適合形成棱鏡光導(dǎo)的材料應(yīng)具備的“多棱結(jié)構(gòu)”特征；圖14是符合于本發(fā)明的二維棱鏡光導(dǎo)剖面正視圖；圖15(a)、15(b)、15(c)示出棱鏡光導(dǎo)壁材料的三種不同形狀和表征這些形狀的特征的兩個(gè)矢量；圖16示出一個(gè)一般化的棱鏡光導(dǎo)；圖17示出防止由漫射光源發(fā)出的光線進(jìn)入非內(nèi)部全反射區(qū)的非吸收性裝置的一個(gè)一般化的形式。
圖1示出一典型現(xiàn)有技術(shù)棱鏡光導(dǎo)10，在這里它具有圓形截面。光導(dǎo)10的外部透明介質(zhì)壁材料12具有多個(gè)棱鏡表面14。如上所述，棱鏡光導(dǎo)僅能導(dǎo)向相對(duì)于棱鏡表面一限定角度范圍之內(nèi)的光。這些光受到內(nèi)部全反射，這意味著當(dāng)它們反復(fù)地被棱鏡光導(dǎo)壁材料反射時(shí)它們一直被限制在光導(dǎo)內(nèi)，沿光導(dǎo)傳播。
對(duì)于棱鏡光導(dǎo)，一定光線是否受到內(nèi)部全反射決定于該光線相對(duì)于棱鏡壁材料的入射角方向。這可以用圖2所示的角度θ和φ來解釋，該圖示出具有棱鏡表面14′的透明介質(zhì)壁材料的一片斷12′。片斷12′與第一和第二設(shè)想的平面P1和P2垂直相交，第一設(shè)想平面P1是與棱鏡表面14′平行的，第二設(shè)想平面P2是與棱鏡表面14′橫切。光線R限定一第三設(shè)想平面P3，P3與平面P1成φ角，光線R與平面P1和P2的中垂線相交成θ角。可以看到，假若θ角小于一個(gè)由下列公式給定的臨界角θc，在φ角為任何值時(shí)，光線都會(huì)受到內(nèi)部全反射。θc=cos-11-(η2-1)(2-22+2)---(1)]]>這里，η是材料的折射率。例如，當(dāng)η為一典型的值1.6時(shí)(聚碳酸酯)，θc大約為30°。
如圖3所示，用一反射器18常常能夠校準(zhǔn)一小光源16的光輸出，使幾乎所有被反射光線R與棱鏡光導(dǎo)10軸線方向成30°以內(nèi)的角，因此確?；旧纤羞@些光在沿光導(dǎo)10傳播時(shí)受到內(nèi)部全反射。
如圖4所示，將一較大光源16′的光輸出耦合到一較小棱鏡光導(dǎo)10上是困難的。光源太大，以致不能用反射器18充分校準(zhǔn)，使得所有被反射的光線R滿足方程(1)的限制，因而不能確保當(dāng)光線沿光導(dǎo)10傳播時(shí)使基本上所有光受到內(nèi)部全反射。因而由光源16′發(fā)出的光線R′的相當(dāng)大部分在光源16′附近立即由光導(dǎo)10漏失，在附近產(chǎn)生不希望的亮度，并減弱在光導(dǎo)全長(zhǎng)上仍被導(dǎo)向的光強(qiáng)。
這里有一個(gè)重要的想法是，假若這些光線發(fā)生于相對(duì)于這些光導(dǎo)的特定位置，在一定情況下，棱鏡光導(dǎo)可以限制并導(dǎo)向相對(duì)于光導(dǎo)軸線方向任何角度內(nèi)的光線。圖5示出具有圓形橫截面棱鏡光導(dǎo)10′的這一現(xiàn)象，該光導(dǎo)含有具有直徑為“d”的設(shè)想圓柱體20?？梢宰C明，對(duì)于具有折射率為1.6的棱鏡光導(dǎo)壁材料，只要圓柱體20的直徑“d”小于或等于該圓形棱鏡光導(dǎo)直徑的17.6％，穿過圓柱體20的所有光線會(huì)被棱鏡光導(dǎo)壁材料反射。這一現(xiàn)象成立的原因是，只要光線穿過圓柱體20，上面對(duì)于圖2所說的φ值將永遠(yuǎn)小于10.1°，這確保了對(duì)所有的θ值發(fā)生反射。
因此，如果一個(gè)漫射光源位于圓柱體20之內(nèi)，所有由它發(fā)射的光線將被棱鏡光導(dǎo)限制并導(dǎo)向。但不幸的是，因?yàn)閳A柱體20的橫截面積僅為光導(dǎo)10′的橫截面積的3％，上述現(xiàn)象僅有很小的實(shí)際意義。事實(shí)上，如果可以得到那樣大小的擴(kuò)散光源的話，便可以如上面對(duì)圖3所述的那樣，用一常規(guī)反射器有效地校準(zhǔn)那個(gè)光源輸出。盡管如此，這個(gè)現(xiàn)象給出的啟示是，利用棱鏡光導(dǎo)壁材料的特殊角度的特征有可能在通常的校準(zhǔn)限制之外實(shí)現(xiàn)光的導(dǎo)向。
參看圖6有助于更好地理解這一點(diǎn)，該圖更有助于說明棱鏡光導(dǎo)壁材料會(huì)產(chǎn)生內(nèi)部全反射的方向范圍。圖6用一種不同的，更適宜于在平面上圖示的方式說明，在棱鏡光導(dǎo)材料12′上光線入射的方向。圖6說明了與圖2相同的幾何關(guān)系，但用了一笛卡兒坐標(biāo)系統(tǒng)。入射光線R具有一單位矢量(x、y、z)，在該圖中有助于說明的兩維方向指標(biāo)是x/y和z/y，x/y說明光線R在垂直于棱鏡14′的方向上從法線到光導(dǎo)壁的偏差，z/y說明在平行于棱鏡14′方向上從垂直到光導(dǎo)壁的偏差。
在φ、θ、x/y和z/y之間的關(guān)系是x/y＝tanφ(2)z/y=(1cosφtanθ)---(3)]]>應(yīng)用圖6的坐標(biāo)系統(tǒng)，圖7示出棱鏡光導(dǎo)壁材料產(chǎn)生內(nèi)部全反射的角度范圍。該圖有用的一個(gè)原因是，它是當(dāng)觀察一片棱鏡光導(dǎo)壁材料時(shí)所見到的確切情況在平面上的投影，也即，圖7顯示了直接見到的內(nèi)部全反射區(qū)(陰影區(qū))與透射區(qū)(非陰影區(qū))的情況。
圖7說明了三個(gè)重要特征。第一，當(dāng)z/y＝0(即θ＝90°，光線在垂直于光導(dǎo)軸線的平面上)，可看到內(nèi)部全反射區(qū)的寬度相當(dāng)窄(x/y＝±0.179，它是tanφ的值，即φ＝±10.1°)。第二重要特征是漸近線，在該處z和x均比y大的很多，此時(shí)x/z≈tanθc。該漸近線的斜率是0.605，它相應(yīng)于θc＝31.1°，它是對(duì)所有φ值均反射的θ的極大值。
本發(fā)明提供一種非吸收性裝置，該裝置防止由一漫射光源發(fā)射的光線進(jìn)入圖7所示的非內(nèi)部全反射區(qū)。本發(fā)明的最簡(jiǎn)單形式(圖8)是用一中空透明圓柱體22包圍漫射光源構(gòu)成，該圓柱體有一平滑外表面24和一內(nèi)表面，該內(nèi)表面由很多直角棱鏡26組成，該棱鏡在與圓柱體22軸線垂直方向延伸。例如，圓柱體22可由與形成棱鏡光導(dǎo)用的同一棱鏡薄板材料制造，但具有不同的棱鏡方向(即在光導(dǎo)中，棱鏡面朝外，與光導(dǎo)軸線方向平行延伸)。
作為一個(gè)說明的例子，現(xiàn)考慮圓柱體22包圍一漫射光源，如一熒光燈的情況。圖9示出，當(dāng)在距離圓柱體軸線的距離等于3.2倍圓柱體半徑處觀察時(shí)(距離的選定原因下面將說明)，這一光源呈現(xiàn)的狀態(tài)。所示的狀態(tài)可以根據(jù)棱鏡光導(dǎo)壁材料的特性經(jīng)過一冗長(zhǎng)但并不復(fù)雜的計(jì)算而得出。觀看該圓柱體的中心，可以看到一暗區(qū)(圖9的陰影區(qū))，其寬度為±0.179，它是在棱鏡光導(dǎo)壁材料的法線入射角上的法線暗區(qū)。內(nèi)部全反射的熟悉形狀被棱鏡光導(dǎo)壁材料彎曲變形成圖所示的形狀。應(yīng)注意到這種重要的情況，即，由于該棱鏡覆蓋，沒有被棱鏡光導(dǎo)壁材料透射的光線被反射回到該漫射光源，在光源處隨機(jī)再反射，以致有第二次機(jī)會(huì)在可能的方向透射出去。因此，假如該光源象通常的情況那樣不是吸收性很高的，由于棱鏡的覆蓋僅有很少量光線損失。同樣重要的是應(yīng)注意到，假如棱鏡光導(dǎo)壁材料具有優(yōu)良光學(xué)性能，基本上沒有光線出現(xiàn)在圖9的內(nèi)部全反射區(qū)中。
現(xiàn)在可以根據(jù)圖10來解釋對(duì)圖9特定選擇的觀察距離的原因。在圖10中，如圖9所示的由圖8的結(jié)構(gòu)覆蓋的漫射光源的光透射區(qū)，被疊加到圖7所示的棱鏡光導(dǎo)壁材料內(nèi)部全反射區(qū)的圖上。此時(shí)可看到，由該漫射光源的覆蓋上透射出去的光線設(shè)有落在棱鏡光導(dǎo)的內(nèi)部全反射區(qū)域之外，也就是說，它們?nèi)勘还鈱?dǎo)限制并被導(dǎo)向。在棱鏡光導(dǎo)材料的折射率為1.6的這個(gè)最為通常的情況時(shí)，一個(gè)直徑為棱鏡光導(dǎo)直徑32％的擴(kuò)散圓柱便會(huì)產(chǎn)生這一現(xiàn)象，這時(shí)該擴(kuò)散圓柱具有的橫截面積相應(yīng)于棱鏡光導(dǎo)本身的橫截面積的10％。理應(yīng)注意到，與沒有這樣一個(gè)棱鏡覆蓋時(shí)發(fā)生的情況相比較，橫截面增加3.2倍，并且使一定尺寸的光導(dǎo)可導(dǎo)向的光量相應(yīng)增加。
圖11表示上述概念是如何可以適用于一簡(jiǎn)單光學(xué)產(chǎn)品的。在圖11中，一漫射光源28被一圖8所示類型的圓柱體30圍繞。圓柱體30是足夠長(zhǎng)的，以致由光源28直接通過圓柱體30的兩端出來的光線落在形成棱鏡光導(dǎo)32的壁材料的內(nèi)部全反射區(qū)之內(nèi)，不需要任何其他光學(xué)校正。圓柱體30的直徑是棱鏡光導(dǎo)32的32％。棱鏡光導(dǎo)32包含有一引出機(jī)構(gòu)(未示出)，使在光導(dǎo)32的長(zhǎng)度上產(chǎn)生均勻的光透射。光導(dǎo)32的端部裝有鏡面(未示出)，收集傳播了全程來到光導(dǎo)端部的光，使所有的光被有效地利用。
決定將擴(kuò)散光源耦合到棱鏡光導(dǎo)的參數(shù)要比上述簡(jiǎn)單的例子的提示更具普遍意義。例如圓柱體30和棱鏡光導(dǎo)32都不必是具有完全圓形截面。如圖12所示，它們的截面可以是部分圓形的，其余部分被一常規(guī)金屬反射器34截?cái)唷?br> 而且，雖然通常用于形成棱鏡光導(dǎo)壁的透明介質(zhì)材料具有圖1和圖2所示的那種等腰直角三角形的棱，但形成棱鏡光導(dǎo)特征的光學(xué)原理并不限于簡(jiǎn)單的等腰直角三角形棱。一般說來，棱鏡光導(dǎo)壁材料僅需具有多棱結(jié)構(gòu)(octature)表面，即1.所有表面是與一多棱結(jié)構(gòu)對(duì)稱方向平行的(如在圖1和1中的Z方向)
2.所有內(nèi)表面互成直角3.所有外表面互成直角4.內(nèi)外表面互成45°角例如，圖13示出四種不同的棱鏡截面，它們都滿足多棱結(jié)構(gòu)要求，它們都是形成棱鏡光導(dǎo)的適合的壁材料，并且它們具有與圖7所示不同的內(nèi)部全反射區(qū)。通過使用全面具有多棱結(jié)構(gòu)要求的結(jié)構(gòu)，但其棱的形狀隨其位置而改變，可以掌握截面不是圓形的本發(fā)明的幾何概念。例如，圖14示出一二維棱鏡光導(dǎo)36，它有一被圓柱形罩包圍的漫射光源，此罩是圖8所介紹的那種類型的。圖14的結(jié)構(gòu)，因?yàn)閳D示的棱鏡細(xì)部形狀，可獲得與圖11結(jié)構(gòu)相同的性能。
完整地歸納本發(fā)明的特征必須既考慮棱鏡光導(dǎo)壁材料的微觀結(jié)構(gòu)也考慮其宏觀結(jié)構(gòu)。下面的討論提出了在任何給定點(diǎn)上，參考簡(jiǎn)單的充分定義的宏觀直線和方向，說明棱鏡光導(dǎo)壁材料微觀結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化方法。這有助于本發(fā)明全面地特征化。
圖15(a)、(b)、(c)每一個(gè)示出一小片棱鏡光導(dǎo)壁材料40，它們足夠的大以致包括有幾個(gè)完整的棱42，但又足夠的小以致在所有實(shí)際應(yīng)用時(shí)它們宏觀上是平的，而且棱42在該片長(zhǎng)度上的形狀是一致的。材料40的形狀僅以兩個(gè)矢量為其特征。
一個(gè)“多棱結(jié)構(gòu)對(duì)稱方向”矢量44限定棱鏡42縱向長(zhǎng)度方向。這多棱結(jié)構(gòu)對(duì)稱方向必須與材料40的宏觀表面平行，但可以有任何方向。在材料40形成一棱鏡光導(dǎo)的特殊情況時(shí)，多棱結(jié)構(gòu)對(duì)稱方向必須與該光導(dǎo)縱的對(duì)稱方向(即縱軸線)平行，如果材料40用其他用途，如用于做成就圖8所介紹的那樣的罩，這一要求是不必需的。
第二矢量是一“棱鏡表面法線方向”矢量46，該矢量或平行或垂直于棱鏡42的表面法線方向。由多棱結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的上述定義，可以得出，在棱鏡光導(dǎo)壁材料的相對(duì)側(cè)上的棱鏡表面與上述方向傾斜成45°。棱鏡表面法線方向必須總是與多棱結(jié)構(gòu)對(duì)稱方向垂直，除此之外它再?zèng)]有限制。圖15(a)、(b)和(c)示出三種不同方向的例子，并示出在宏觀結(jié)構(gòu)上的最終影響。正如早已提到的，所有這些材料都是棱鏡光導(dǎo)壁材料，棱鏡表面法線方向影響位于棱鏡光導(dǎo)接受角之外的光線被內(nèi)部全反射的范圍。
圖16示出一外棱鏡光導(dǎo)48(即相似于圖11的光導(dǎo)32)的一般化形狀。該光導(dǎo)的棱因?yàn)榭瓷先ヌ]有在此圖中明確繪出，但用上述的兩個(gè)矢量術(shù)語介紹如下。光導(dǎo)48的截面形狀在一與被選定的光學(xué)中心線50相垂直的平面上是一致的，除此之外是任意的。形成光導(dǎo)48的棱鏡光導(dǎo)壁材料上的棱，在任何一點(diǎn)具有以下特征1.這點(diǎn)上的材料多棱結(jié)構(gòu)對(duì)稱方向44與光導(dǎo)48的光學(xué)中心線50平行；2.材料棱上的棱鏡表面法線方向46由通過這點(diǎn)延伸的并垂直于光學(xué)中心線50的一直線限定。
如果光導(dǎo)48是圓形截面的，上述定義產(chǎn)生一象圖1所示的棱鏡光導(dǎo)。對(duì)于其他形狀，在材料內(nèi)外會(huì)有帶棱表面。
圖17示出一個(gè)可以安裝在一般化形狀光導(dǎo)48之中的一個(gè)一般化形狀的罩52。罩52是由棱鏡光導(dǎo)壁材料制造，但不是棱鏡光導(dǎo)。構(gòu)成罩52的材料限定一圍繞在圖16可見到的相同光學(xué)中心線50旋轉(zhuǎn)的形狀。因此，罩52在垂直于光學(xué)中心線50的所有截面上是圓形的。這個(gè)圓形截面的直徑不必是常數(shù)如圖17所示，直徑可以沿光學(xué)中心線50改變，使罩52的形狀可能有一很大變化范圍。例如，在所述范圍中可以包含一圓球殼體。圓柱體是簡(jiǎn)單并最普通的情況，但在某些情況下其他的可能采用的形狀也可能會(huì)更具優(yōu)點(diǎn)。
如上所述，罩52不是一棱鏡光導(dǎo)。與光導(dǎo)48不同，形成罩52的棱鏡光導(dǎo)材料的多棱結(jié)構(gòu)對(duì)稱方向不是恒定的，而是在一位置到另一位置會(huì)有相當(dāng)大的變化。在罩52上的任何點(diǎn)，均存在著用例示點(diǎn)54(圖17)所表示的關(guān)系，即，在點(diǎn)54處罩52的多棱結(jié)構(gòu)對(duì)稱方向56與圖16的第一多棱結(jié)構(gòu)對(duì)稱方向44垂直，并且還垂直于通過點(diǎn)54引的并垂直于光學(xué)中心線50的線58。形成罩52的材料的其他限定性特征是，外棱鏡表面的法線方向是由線58來限定。
如果罩52是一圓柱體，上述限制便產(chǎn)生了一個(gè)圖8所示的僅在一側(cè)面有棱的棱鏡結(jié)構(gòu)。但是，一般來說，可以在罩的材料內(nèi)外均有帶棱的表面。
上述一般化的幾何特征使得可以繼續(xù)得到根據(jù)圖1一12的特定幾何形狀所介紹的對(duì)漫射光的導(dǎo)向能力，并具有了明顯更多的設(shè)計(jì)自由。確切地說，它們都適用于同一概念，即，它們都確保從罩出射光的區(qū)域總是出射這樣的光，該光的方向決定它們不能被棱鏡光導(dǎo)壁材料透射，因而便被導(dǎo)向。正如上面介紹的特定例子所敘及的，必須確保罩具有充分小的直徑，以實(shí)現(xiàn)它的導(dǎo)向效果。并且，如前所述，這直徑會(huì)比一個(gè)沒有裝在該罩中的可以被導(dǎo)向的漫射光源的直徑大得多。而且，如前所述，漫射光源位于罩中，被這樣定位，使得由罩直接漏出而不是穿過它的任何光線，處于大量地被外光導(dǎo)導(dǎo)向的角度上。
很明顯，在如上所述的光學(xué)領(lǐng)域中的技術(shù)人員，在實(shí)施本發(fā)明時(shí)會(huì)進(jìn)行許多不偏離它的精神和范圍的改變和修改。因此，本發(fā)明的范圍應(yīng)根據(jù)后附的權(quán)利要求所定義的實(shí)質(zhì)加以確立。
注多棱結(jié)構(gòu)為一滿足以下條件的中空導(dǎo)光結(jié)構(gòu)1)內(nèi)表面的各面之間或互相平行，或互相垂直。
2)外表面的各面之間或互相平行，或互相垂直。
3)內(nèi)表面的各面與相對(duì)應(yīng)的外表面各面之間，互成45°角。
權(quán)利要求
1.包含一光源的光導(dǎo)，所述光導(dǎo)的特征在于(a)由棱鏡光導(dǎo)壁材料形成的一個(gè)外棱鏡光導(dǎo)(48)，在垂直于第一多棱結(jié)構(gòu)對(duì)稱方向(44)的截面上具有一致的形狀，并具有平行于所述第一多棱結(jié)構(gòu)對(duì)稱方向(44)的一光學(xué)中心線(50)，其中(i)所述光導(dǎo)壁材料的表面基本上相對(duì)于所述第一多棱結(jié)構(gòu)對(duì)稱方向(44)是多棱結(jié)構(gòu)的；(ii)在所述材料的任何內(nèi)表面上任何點(diǎn)的表面法線矢量(46)或基本平行于或基本垂直于一通過所述點(diǎn)延伸的并與所述光學(xué)中心線(50)垂直的第一設(shè)想線；(b)一個(gè)位于所述的光導(dǎo)(48)之內(nèi)的罩(52)，該罩圍繞所述光源，相對(duì)于所述光學(xué)中心線(50)圓柱對(duì)稱，與所述光源發(fā)出的光的相當(dāng)大的部分相交，所述罩(52)由棱鏡光導(dǎo)壁材料形成，其中(i)所述罩壁材料的表面，在所述罩(52)的任何點(diǎn)(54)上相對(duì)于第二空間可變多棱結(jié)構(gòu)對(duì)稱方向(56)，基本上是多棱結(jié)構(gòu)的，該第二空間可變多棱結(jié)構(gòu)對(duì)稱方向(56)在所述點(diǎn)(54)是(A)垂直于所述第一多棱結(jié)構(gòu)對(duì)稱方向(44)；(B)垂直于由在該所述罩的所述點(diǎn)(54)通過延伸并與所述光學(xué)中心線(50)垂直的一第二設(shè)想線(58)；(ii)在所述罩(52)的任何外表面的任何點(diǎn)上的一表面法線矢量或基本平行、或基本垂直于所述第一多棱結(jié)構(gòu)對(duì)稱方向(44)；(iii)所述罩(52)被限制在一充分靠近所述光學(xué)中心線(50)的區(qū)域，基本上防止入射到所述罩(52)內(nèi)表面的光線傳播到并穿過所述光導(dǎo)壁材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光導(dǎo)，其中所述罩(52)形成一圓柱。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光導(dǎo)，其中(a)所述圓柱具有一長(zhǎng)度“l(fā)”和一直徑“d”；(b)所述長(zhǎng)度“l(fā)”小于所述光導(dǎo)長(zhǎng)度；(c)所述圓柱每端在所述光源之外延伸的長(zhǎng)度大于1.65倍的所述直徑“d”。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2、或3所述的光導(dǎo)，其中所述光導(dǎo)(48)形成一圓柱體。
5.根據(jù)權(quán)利要求1、2、或3所述的光導(dǎo)，其中，所述光導(dǎo)(48、32)和所述罩(52、30)形成由一平面金屬反射器(34)截?cái)嗟牟糠滞牡膱A柱體，該反射器(34)與所述光學(xué)中心線相交。
6.根據(jù)權(quán)利要求1、2、或3限定的光導(dǎo)，其中，所述棱鏡光導(dǎo)還包括(a)光引出裝置，沿所述光導(dǎo)在選定的點(diǎn)上，可控制地放出光；(b)端部反射器裝置，防止光穿過所述光導(dǎo)的兩個(gè)相對(duì)端射出。
全文摘要
一個(gè)外棱鏡光導(dǎo)(48)包圍一個(gè)罩(52)，它又包圍一個(gè)光源。光導(dǎo)(48)是由在垂直于第一多棱結(jié)構(gòu)對(duì)稱方向(44)的截面上有一致形狀的棱鏡光導(dǎo)壁材料形成。光導(dǎo)(48)的光學(xué)中心線(50)平行于方向(44)。壁材料的表面相對(duì)于方向(44)基本上是多棱結(jié)構(gòu)的。在該材料任何內(nèi)表面上的任何點(diǎn)處，表面法線矢量(46)或基本平行于或基本垂直于由此點(diǎn)延伸通過且垂直于光學(xué)中心線(50)的第一設(shè)想直線。罩(52)具有圍繞光學(xué)中心線(50)圓柱對(duì)稱的形狀，與光源發(fā)出的相當(dāng)大部分光線相交。罩(52)是由棱鏡光導(dǎo)壁材料形成，在罩(52)的任何點(diǎn)(54)上罩壁材料表面基本上相對(duì)于第二空間可變多棱結(jié)構(gòu)對(duì)稱方向(56)是多棱結(jié)構(gòu)的，在點(diǎn)(54)處該方向與第一多棱結(jié)構(gòu)對(duì)稱方向(44)是垂直的，并與通過點(diǎn)(54)延伸的而且與光學(xué)中心線(50)垂直的第二設(shè)想直線(58)垂直。在罩(52)任何外表面任何點(diǎn)上的表面法線矢量或基本平行于或基本垂直于第一多棱結(jié)構(gòu)對(duì)稱方向(44)。罩(52)被限制在足夠靠近光學(xué)中心線(50)的區(qū)域，基本防止入射到罩(52)內(nèi)表面的光學(xué)線傳播并穿過光導(dǎo)壁材料。
文檔編號(hào)G02B6/42GK1162360SQ95196012
公開日1997年10月15日 申請(qǐng)日期1995年10月27日 優(yōu)先權(quán)日1995年10月27日
發(fā)明者洛恩·A·懷特黑德 申請(qǐng)人:英屬哥倫比亞大學(xué)