专利名称：光导设备和导光的方法
技术领域：
本发明涉及一种光导设备，其具有耦入表面，用于在基本垂直于所述耦入表面的第一主方向上耦入光辐射，并具有耦出表面，用于在基本垂直于所述耦出表面的第二主方向上耦出光辐射，其中所述耦出表面具有的尺寸不同于所述耦入表面的尺寸，并且其中例如光辐射进一步被引导到发光元件中。
背景技术：
发光元件可以被放置在所述耦出表面前面以将光辐射引导到其中，但是发光元件可以可选择地用光学胶粘贴在光导设备的耦出表面上，甚至与之一体地连接；例如可以在一次注塑操作中模制光导设备和发光元件。在该情况下耦出表面仅仅是一块区域，而不是材料的外表面。
术语光辐射的“主方向”表示在不同的方向上与所述主方向成相对较小的角，特别地小于大约45°辐射光，光辐射的平均方向基本上为主方向。
取决于光导元件的材料的折射率，光辐射将被所述元件的外表面向回反射到光导元件的材料中，只要外表面是平滑的并且入射角大于某个值，即全反射角。入射角是光束和与光束所指向的所述表面垂直的直线之间的角。用于导光的合适材料是透明的热塑性塑料，特别是聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和聚碳酸酯(PC)。这样的材料可以由注塑过程、挤压过程或去除材料激光操作成形。
包括将光发射到待照明空间中的元件的光导系统在US-A-2002/0167820中被公开。该公开文献描述了用于提高机动车辆的车厢的照明条件的光导系统，其中板状发光元件布置在车顶的内衬的区域中。光辐射通过元件的侧表面被耦入到发光元件中，并且光以均匀的方式通过所述元件的大前表面被发射到车辆的车厢中。
光辐射可以借助于沿着发光元件的椭圆形侧向耦入表面延伸的光发生单元，例如荧光管被耦入到发光元件中。作为另一选择，许多光源，例如发光二极管(LED)可以沿着所述侧向耦入表面成排布置。然而，在所有这些情况下，光发生单元辐射的仅仅一部分光将到达用于将光辐射耦入到发光元件中的侧向表面。布置在光发生单元后面的反射器可以增加到达所述侧向表面的光辐射，但是在所述侧向表面附近产生的光仍要大大多于可以耦入到发光元件中的光。
此外，常常希望离开光导设备-并且可以耦入到发光元件中的光束的方向与光辐射的所述第二主方向围成相对较小的角，所述第二主方向是垂直于光导设备的耦出表面的方向。光束与第二主方向所成的较小角，即光辐射在第二主方向上的减小角分布，将改善光被引导到发光元件中。
发明内容
本发明的目标是提供一种光导设备，由此光辐射从相对较小的光源被引导并且在较大区域上，特别是椭圆形耦出表面上被分布，使得优选地光束和光辐射的主方向之间的角变得更小。
为了实现所述目标，所述光导设备包括多个板状光导元件，每个具有大致矩形的侧向耦入表面和大致矩形的侧向耦出表面，其中多个板状光导元件被堆叠在一起从而产生耦入表面，所述耦入表面通过所述侧向耦入表面在它们的长边彼此邻接而形成，并且其中所述耦出表面通过所述侧向耦出表面在它们的短边彼此邻接而产生。大致矩形表示形状可以是矩形，但是形状可以可选择地由两个长边和两个短边界定，所述边在二维平面中或三维空间中或多或少地被弯曲。
通过利用多个板状光导元件，光辐射可以在长耦出表面上分布，而耦入表面具有用于放置在光源前面的合适形状，例如正方形。
在一个优选实施方式中，耦入表面具有大致矩形形状，其中长边比短边长五倍以下，并且其中耦出表面具有椭圆形状，所述椭圆形状具有的长度是耦入表面的所述长边的长度的五倍以上，优选十倍以上。优选地，耦入表面具有基本正方形。
在一个优选实施方式中，每个板状光导元件带有用于反射光辐射的侧向反射外表面，所述侧向反射外表面被布置成与所述第一主方向成一个角并且基本上在第二主方向上朝着耦出表面引导光辐射。优选地，所述反射外表面和所述第一主方向之间的角在15°至55°之间，更优选在35°至45°之间，并且在一个优选实施方式中大约为40°。光辐射的第二主方向因此可以基本上垂直于第一主方向。
光导元件的反射外表面可以是平表面，但是在光导设备的耦出表面中的光辐射的分布，即光强度的分布可以受到弯曲反射外表面影响。光导元件中所述反射外表面的存在产生的一种可能性是在光辐射通过耦出表面离开光导元件的方向上，即在第二主方向上光导设备尺寸较小。
在一个优选实施方式中，每个板状光导元件的(垂直于所述第一主方向的)横截面积在第一主方向上增加。优选地，横截面积的增加在每个光导元件的侧向耦入表面开始。
当光辐射通过光导元件的相关部分之后，增加的横截面积，特别是由邻接每个光导元件的侧向耦入表面的分叉侧向表面产生的，导致光束和第一主方向之间的角更小，这是因为分叉侧向外表面在一个方向上反射光束，该方向相对于所述第一主方向具有这样的较小角。结果是光辐射在主方向上的减小角分布。所述分叉侧向外表面可以是平坦的，但是它们也可以具有抛物线形状或其它形状，所述形状可以进一步提高光束的方向效应。
通过将设备中的光辐射引导通过多个独立板状光导元件实现(垂直于光辐射的第一和第二主方向的)光导设备的横截面的转换。光辐射因此被分成多个部分，从而每个部分可以被引导通过光导元件到达期望位置。此外，每个光导元件中的横截面由于分叉侧向表面而增加，从而耦出表面可以具有椭圆形状。这些是光导设备的重要特性。不太重要的是光辐射被引导到所述光导元件中的方式和它们离开元件的方式。
光辐射可以通过它们的侧向耦入表面进入光导元件，所述侧向耦入表面一起形成光导设备的耦入表面。在一个优选实施方式中，板状光导元件的部分在耦入表面附近进行光学接触，并且优选地用光学胶粘合在一起，所述光学胶具有与光导元件的材料自身大约相同的折射率。因此，在所述耦入表面附近的光导设备的材料中没有妨碍光辐射的屏障，但是远离所述耦入表面部分光辐射被俘获(耦入)到每个堆叠光导元件中。光学接触的目的，例如光学胶的使用，是正确地混合光辐射和在耦入表面之后的光导元件的整个堆叠中产生均匀光分布，从而光辐射的相等部分进入每个堆叠光导元件中。代替胶的应用或作为其补充，固态附加光导元件可以放置在光导设备的耦入表面的前面，或者可以粘贴在耦入表面上。这样的附加光导元件的长度，或者由胶粘结的光导元件的部分的长度可以在20mm至100mm之间，优选地在35mm至70mm之间，更优选地大约为50mm。
在所述设备的耦出表面附近，光导元件的侧向表面可以粘合在一起，从而在靠近其耦出表面的设备的材料中没有妨碍光辐射的屏障。也可能将附加的固态光导元件放置在光导设备的耦出表面的前面，或者将这样的附加元件粘贴在耦出表面上。
在一个优选实施方式中，靠近耦出表面的板状光导元件的厚度在第二主方向上增加，从而耦出表面的短边比远离耦出表面的板状光导元件的厚度长。板状元件的基本平行的外表面由于此在所述耦出表面附近在所述第二主方向上分叉。分叉外表面的效果是光束的方向从第二主方向的偏离进一步减小，即光辐射的角分布变窄。
优选地，靠近所述耦入表面的板状光导元件的部分在不同的基本平行的平面内延伸，而靠近所述耦出表面的板状光导元件的部分基本上在一个平面内延伸。所述平面可以是平坦的或弯曲的，以便使光导设备的形状适合容纳所述设备的可用空间的形状。
本发明进一步涉及一种引导光通过光导设备的方法，其中基本在垂直于耦入表面的第一主方向上耦入光辐射，其中基本在垂直于耦出表面的第二主方向上耦出光辐射，其中所述耦出表面具有的尺寸不同于所述耦入表面的尺寸，其中光辐射由多个板状光导元件引导，每个具有大致矩形的侧向耦入表面和大致矩形的侧向耦出表面，其中多个板状光导元件被堆叠在一起从而产生耦入表面，所述耦入表面通过所述侧向耦入表面在它们的长边处彼此邻接而形成，并且其中所述耦出表面通过所述侧向耦出表面在它们的短边处彼此邻接而产生。
现在将通过光导设备的两个实施方式的描述进一步阐述本发明，为此参考包括多幅图的附图，所述图仅仅是示意图，其中图1是光导元件的平面图；图2和3是图1中所示的光导元件的侧视图；
图4，5和7是光导设备的第一实施方式的视图；图8是图4-7中所示的光导设备的视图；图9是图4-8中所示的光导设备的透视图；图10，11，12和13是光导设备的第二实施方式的视图；和图14是第二实施方式的透视图。
具体实施例方式
根据第一实施方式，光导设备包括五个基本上板状的光导元件，图1，2和3显示了这样的光导元件。在该例子中，光导元件的材料是聚碳酸酯，其为可以通过注塑操作成形的透明的热塑材料。元件的外表面是平滑的，从而假若相对于相关外表面的入射角大于全反射角(即全反射的临界角)，则被耦入的光将被所述外表面反射。全反射角取决于光导元件的材料的折射率的值和与光导元件的相关外表面接界的介质的折射率的值。
聚碳酸酯的折射率大约为1.6，空气的折射率大约为1.0，因此全反射角大约为39°。这表示相对于光导元件的相关外表面具有大于39°的入射角的所有光束将被全反射回光导元件的材料中。仅仅具有小于39°的入射角的光束将不会被反射，而是将被耦出。
光导元件包括第一部分1，第二部分2，和第三部分3。由元件引导的光辐射通过侧向耦入表面4被耦入。所以，灯可以放置在侧向耦入表面4的前面。侧向耦入表面4与两个侧向外表面5、6接界，所述侧向外表面5、6在耦入光辐射的第一主方向(箭头7)上分叉。通过侧向外表面4耦入的光在不同方向上辐射，所述不同方向与所述第一主方向7围成相对较小的角，特别小于大约45°，使得平均方向基本上为第一主方向7。
在图1中，三个光束由虚线8，9，10表示，所述光束通过侧向耦入表面4被耦入。光束8由侧向外表面5反射，光束10由侧向外表面6反射，光束9与主方向7成较小角被引导，从而光束7不会击中侧向外表面5，6中的一个。显而易见，相对于第一主方向7具有更大角的耦入光辐射被侧向外表面5，6反射，反射之后与第一主方向7所成的角减小，从而光辐射元件的分叉部分1使围绕第一主方向7的光辐射的角分布变窄。
光导元件的第二部分2具有侧向反射外表面11，其被布置成与第一主方向7成大约45°的角。所以，来自第一部分1的大部分耦入光辐射将朝着光导元件的第三部分3被反射。第二主方向，即由反射外表面11反射的光辐射的平均方向，用箭头12指示，并且与第一主方向7成大约90°的角被导向。
光导元件的第三部分3包括板状材料的厚度增加的一部分，在第二主方向12可以看到。反射之后，相对于第三部分3的分叉外表面14，15反射的光辐射与第二主方向12围成较小的角，从而分叉表面14，15使围绕第二主方向12的光辐射的角分布变窄。光辐射的角分布的减小类似于光导元件的第一部分1的减小。
由光导元件引导的光辐射通过侧向耦出表面16被耦出，该侧向耦出表面的表面积比侧向耦入表面4的表面积大得多，此外光辐射的角分布被减小。光导元件因此在侧向耦出表面16上提供了光强度的适当分布。根据要求，光导元件的外表面，特别是外表面5，6和11，可以是弯曲的而非平坦的，从而使光强度的分布适于要求。
侧向耦出表面16可以放置在相对于板状发光元件的侧向表面或在其附近，以便将光辐射从光导元件耦入到发光元件中。在另一实施方式中，发光元件，或光必须被耦入其中的另一元件，可以通过光学胶连接到第三部分3，或者可以形成为一个整体部分，例如在一次注塑操作中产生。
侧向耦出表面16可以是平坦的或者可以带有特定轮廓以便改善输出光辐射的分布。例如，侧向耦出表面16可以带有柱面透镜，柱面的轴垂直于板状光导元件的平面。
光导元件的尺寸可以如下。板状元件的厚度可以在1mm至5mm之间，优选大约为3mm。所述分叉外表面14，15可以分叉成比光导元件的第二部分2的厚度大0.5mm至3mm以上，优选1mm至2mm的厚度。
图4，5，6和7是光导设备的第一实施方式的视图，其包括如图1-3中所表示类型的五个堆叠光导元件21，22，23，24，25。五个光导元件21，22，23，24，25在相互平行的平面内延伸并且被堆叠在一起，使得五个元件21，22，23，24，25的侧向耦入表面一起形成一个平坦的和基本上正方形的耦入表面26。五个光导元件的总长度是不同的，从而五个侧向耦出表面27，28，29，30，31可以一起形成一个伸长的耦出表面。每个元件21，22，24，25靠近各自耦出表面27，28，30，31的部分被弯曲到相关元件21，22，24，25的剩余部分的各自平面之外，除了元件23之外，从而侧向耦出表面27，28，30，31被定位成与光导元件的堆叠中间的光导元件23的侧向耦出表面29成一直线。
图8在比图4-7更大的尺度上从光辐射被耦入的一侧，即从耦入表面26所处的一侧显示了光导设备。图9是带有灯32的光导设备的透视图，所述灯朝着光导设备的耦入表面26发出光辐射。
所述图显示了由光导元件21，22，23，24，25的五个侧向耦入表面组成基本正方形的耦入表面26。五个堆叠的光导元件21，22，23，24，25可以至少部分地用光学胶粘合在一起，从而光辐射可以穿过堆叠在一起的元件的相邻表面。元件可以特别在靠近耦入表面26的区域中被粘合在一起，从而它们在光学意义上形成一体。由此可以改善光辐射在光导元件21，22，23，24，25上的分布。
图10-14显示了光导设备的第二实施方式，其中第一主方向(箭头41)，即耦入光辐射的平均方向，基本平行于第二主方向(箭头42)，即耦出光辐射的平均方向。图10是垂直于三个板状光导元件43，44，45的平面的前视图。图11是从图10的右侧看到的设备的视图。图12是从图10的下侧看到的设备的视图，显示了耦入表面46，图13是从图10的上侧看到的设备的视图，分别显示了三个板状光导元件43，44，45的三个侧向耦出表面47，48，49，所述三个侧向耦出表面47，48，49一起形成设备的椭圆形耦出表面。图14是光导设备的第二实施方式的透视图。
第二实施方式具有耦入表面46，该耦入表面通过相互邻接三个板状光导元件43，44，45的侧向耦入表面而形成。由于光导元件43，44，45的三个矩形侧向耦入表面在它们的长边彼此邻接，因此耦入表面46基本上是正方形的。灯可以放置在耦入表面46的前面以基本在第一主方向41上耦入光辐射。
与耦入表面46接界的设备的该部分具有矩形横截面——垂直于第一主表面41——并且三个光导元件43，44，45用光学胶在该区域中粘合一起，从而光辐射可以穿过光导元件43，44，45的相邻外表面。在离耦入表面46一定的距离处，在三个光导元件彼此不再完全重叠的地方(参见图10)，三个光导元件彼此光学分离，从而三个光导元件的每一个朝着各自的侧向耦出表面47，48，49引导总耦入光辐射的大约三分之一。
三个光导元件43，44，45的每一个分别具有分叉侧向外表面50，51，52，53和54，55，导致在引导光通过光导元件43，44，45期间光辐射的角分布变窄，如上所述。
在耦入表面46附近，三个板状光导元件43，44，45被布置在三个相互平行的平面内，但是在耦出表面47，48，49附近所有三个光导元件43，44，45被布置在相同平面内，该平面为光导元件44的位于中心的平面。所以，光导元件43具有倾斜部分56，光导元件45具有倾斜部分57，两个部分56，57都与光导元件43，44，45的平行平面围成一个角。
靠近耦出表面47，48，49的光导元件43，44，45的部分在它们的侧向表面处被粘合在一起，所述侧向表面在该区域中彼此平行。设备的耦出表面由三个矩形侧向耦出表面47，48，49形成，其在它们的短边处彼此邻接，从而获得椭圆形耦出表面。
光导设备的外表面和/或单个光导元件的外表面，或所述表面的部分，可以带有包层，即具有低折射率的涂层，该折射率小于光导元件自身的材料的折射率。这样的包层保证了外表面的内反射，特别当所述表面与另一物体接触时。
如上所述的光导元件和光导设备的实施方式仅仅是例子；大量其它的实施方式是可能的。
权利要求
1.一种光导设备，其具有耦入表面，用于基本在垂直于所述耦入表面的第一主方向上耦入光辐射，并具有耦出表面，用于基本在垂直于所述耦出表面的第二主方向上耦出光辐射，其中所述耦出表面具有的尺寸不同于所述耦入表面的尺寸，其特征在于所述设备包括多个板状光导元件，每个具有大致矩形的侧向耦入表面和大致矩形的侧向耦出表面，其中多个板状光导元件被堆叠在一起从而产生耦入表面，所述耦入表面通过所述侧向耦入表面在它们的长边处彼此邻接而形成，并且其中所述耦出表面通过所述侧向耦出表面在它们的短边处彼此邻接而产生。
2.如权利要求1所述的光导设备，其特征在于耦入表面具有大致矩形的形状，其长边小于短边的五倍长，并且耦出表面具有椭圆形状，所述椭圆形状具有的长度是所述长边的长度的五倍以上，优选十倍以上。
3.如前述任一权利要求所述的光导设备，其特征在于每个板状光导元件带有用于反射光辐射的侧向反射外表面，所述侧向反射外表面被布置成与所述第一主方向成一个角，并且所述反射外表面基本上在第二主方向上朝着耦出表面引导光辐射。
4.如权利要求3所述的光导设备，其特征在于所述反射外表面和所述第一主方向之间的角在15°至55°之间，优选在35°至45°之间，更优选大约为40°。
5.如前述任一权利要求所述的光导设备，其特征在于每个板状光导元件的垂直于所述第一主方向的横截面积在第一主方向上增加。
6.如权利要求5所述的光导设备，其特征在于横截面积的增加在侧向耦入表面处开始。
7.如前述任一权利要求所述的光导设备，其特征在于板状光导元件的部分在耦入表面附近进行光学接触，并且优选地用光学胶粘合在一起。
8.如前述任一权利要求所述的光导设备，其特征在于靠近耦出表面的板状光导元件的厚度在第二主方向上增加。
9.如前述任一权利要求所述的光导设备，其特征在于靠近所述耦入表面的板状光导元件的部分在不同的基本平行的平面内延伸，而靠近所述耦出表面的板状光导元件的部分基本上在同一平面内延伸。
10.一种引导光通过光导设备的方法，其中基本在垂直于耦入表面的第一主方向上耦入光辐射，其中基本在垂直于耦出表面的第二主方向上耦出光辐射，所述耦出表面具有的尺寸不同于所述耦入表面的尺寸，其特征在于光辐射由多个板状光导元件引导，每个具有大致矩形的侧向耦入表面和大致矩形的侧向耦出表面，其中多个板状光导元件被堆叠在一起从而产生耦入表面，所述耦入表面通过所述侧向耦入表面在它们的长边处彼此邻接而形成，并且其中所述耦出表面通过所述侧向耦出表面在它们的短边处彼此邻接而产生。
全文摘要
一种光导设备，其具有耦入表面(46)，用于基本在垂直于所述耦入表面(26；46)的第一主方向(41)耦入光辐射，和具有耦出表面(47，48，49)，用于基本在垂直于所述耦出表面的第二主方向(42)耦出光辐射。所述耦出表面具有的尺寸不同于所述耦入表面(46)的尺寸。所述设备包括多个板状光导元件(43，44，45)，每个具有大致矩形的侧向耦入表面和大致矩形的侧向耦出表面(47，48，49)。多个板状光导元件被堆叠在一起从而产生耦入表面(46)，所述耦入表面通过所述侧向耦入表面在它们的长边彼此邻接而形成。所述耦出表面(47，48，49)通过所述侧向耦出表面在它们的短边彼此邻接而产生。
文档编号G02B27/09GK1930504SQ200580008220
公开日2007年3月14日 申请日期2005年3月2日 优先权日2004年3月15日
发明者L·J·L·亨恩, A·G·H·梅杰斯, E·P·H·范利尔 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司