光纤照明系统技术方案

一种照明系统包括与光纤（２０）光学耦合的光源。光纤（２０）包括一个沿其长度延伸的发光区。发光区包括多个位于沿光纤（２０）的表面延伸的第一纵轴（３８）上的光学元件（３０）和多个位于沿光纤（２０）的表面延伸的第二纵轴（４８）上的光学元件（４０）。使用时，来自光源的光被射入到光纤（２０）中并按照斯涅尔定律沿光纤传播。通过光纤（２０）传播的一部分光被光学元件（３０、４０）所反射并从光纤（２０）中取出。（*该技术在2017年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及采用光纤作为光传输机制的照明系统。具体地说，本专利技术涉及采用光波导传输和分配光能量的照明系统。背景众所周知，诸如玻璃或聚合物的光学透射材料可以用作传播光的光波导。光波导通常包括至少一个适合于接收来自光源的光的表面和一个反射通过光波导传播的光的光学平滑表面。常见的光波导的例子包括传统地用于数据通信工业中和最近用于照明用途的光纤(见美国专利5,432,876)。光纤至少有一个端面适合于接收来自光源的光，光通过光纤轴向传播。光学显示工业中使用的平面波导是光学波导的另一个例子。平面波导至少有一个端面适合于接收来自光源的光。入射到波导中的光在波导的两个主表面之间传播。人们还知道，光纤可以用作照明系统的一个部件。可以将光入射到光纤的一端中并允许在沿光纤的一个预定位置上离开光纤。使得光退出光纤的技术包括使光纤相对急剧地弯曲，通常称为微弯曲(美国专利4,171,844、4,885,663、4,907,132、德国专利3801385)和去除一段光纤纤芯或包层和/或使之变粗糙以提供允许光逃逸的漫射表面(法国专利2626381、日本技术注册62-9205、62-9206)。这些技术中每一种基本都属于以非控制方式使光从光纤漏出的被动引出技术。美国专利5,432,876(‘876专利)是针对在光纤的纤芯中形成多个反射表面的一种光纤，这些反射表面在径向上对通过光纤轴向传播的一部分光产生反射。美国专利申请08/518,337针对一种照明系统，这里具有多个反射表面的光引出覆盖层与从光纤中引出光的光纤光学耦合。与以前的被动的光引出技术相反，这些系统主动地将光反射到光纤之外。在任何给定的光纤照明应用中，需要控制至少两个变量。第一个变量是从光纤中引出的光功率的比率。在采用反射表面从波导中引出光的系统中，每单位长度光纤的光功率引出比率是每单位长度的光学元件反射表面的总截面面积与单位长度上光纤的截面面积的函数。假设光纤直径在整个长度上是不变的，在给定长度光纤中反射表面的总截面面积越大，则从光纤中引出光功率的比率越大。增大光学元件延伸到光纤中的深度或者减小相邻元件之间的距离可导致从光纤中引出光功率的比率的提高。还需要控制从光纤中引出的光能量的定向分布。按照876专利中所描述的专利技术从光纤中引出的光是以出射角(emerging angular)分布离开光纤。需要控制光能量在纵向(例如顺着光纤)和横向(例如正交于光纤)上的角扩展。光能量在出射角分布中的纵向(例如顺着光纤)分布主要是光通过光纤传播的锥角的函数。光能量在出射角分布中的横向(例如正交于光纤)分布主要是由光学元件的反射表面所限制的角度的函数。对于具有平基底的光学元件，由光学元件的反射表面所限制的角度是反射表面延伸到光纤纤芯中的深度的函数。因此，增大光学元件延伸到光纤中的深度必然具有增大光能量在出射角分布中的横向(例如正交于光纤)分布的效果，从而也必须具有增大该元件从光纤中引出的光功率的效果。反射光的发散圆锥的横向分布与引出光功率之间的相关性对光学照明系统的设计提出了限制。例如，在有些应用中，需要扩宽光能量在从光纤中引出光的发散圆锥中的横向分布，而不显著地影响光能量的纵向分布或者从光纤中引出功率的比率。在光能量的出射角分布中，还需要控制光能量的空间强度。在包括多个在传播轴上相互相邻紧密靠近的光学元件从波导中反射光的照明系统中，每个光学元件会遮挡一部分光，否则这部分光会入射在下一个元件上。对于这样的用途，这一现象称为“阴影效应”。阴影效应将可变性引入到从波导反射的光的出射角分布中光能量的空间强度中。在有些设计中，阴影效应是很严重的，在从波导反射的光能量的角度分布中足以产生黑点，也称为空隙或空洞。在光能量的角度分布中由阴影效应引起的易变性通常认为是不希望有的。对于用波导作为直接观看的光源(例如机动车上的报警灯)的应用来说，这一易变性尤其是不希望有的。因此，在现有技术中需要一种独立于光能量的纵向分布，因此独立于引出功率比率而控制在出射角度分布中光能量的横向分布的的光波导。此外，在现有技术中还需要一种补偿由紧密靠近的光学元件引起的阴影效应的光波导。专利技术概要本专利技术通过提供这样一种照明系统而解决这些及其其它问题，该系统包括一根光纤，它具有一个使光通过光纤传播的光学平滑表面和一个沿一段光纤延伸的发光区。该发光区包括至少一个，最好是多个中心位于沿光纤的光学平滑表面延伸的第一纵轴上的光学元件。该发光区进一步包括至少一个，最好是多个中心位于沿光纤的光学平滑表面延伸的第二纵轴上的光学元件。第二纵轴与第一纵轴存在角度位移。在另一个实施例中，本专利技术提供这样一种光学波导，它适合于降低在中心位于以所需观看角γ设置的轴上的观看区中从波导反射的光的可见的角强度变化。该波导包括一个由基本为光学透明材料形成的纤芯，它具有一个适合于接收来自光源的光的第一表面和使光沿传播轴通过波导传播的至少一个光学平滑表面。光学表面包括多个光学元件，每个光学元件具有至少一个以相对垂直于传播轴的平面的倾角θ设置的光学反射表面；角度θ由以下方程式确定90+γ′2+ξ]]>式中ξ选自从(α/2)到(β/2)或(-β/2)到(-α)的一组角度，这里α＝阴影角；β＝光通过光纤传播的锥角；γ‘＝所需的反射光的出射角。附图简述附图说明图1是光纤的截面图，表明光在光纤中传播。图2是按照本专利技术诸方面的一段光纤的透视图。图3是图2中所示光纤的光学表面的平面图。图4是沿纵轴截取的图2中所示一段光纤的截面图。图5是垂直于纵轴截取的图2中所示一段光纤的截面图。图6是按照本专利技术的光纤照明系统的示意图。图7是光纤的截面图，表明光纤中的阴影效应。图8入射在图6所示光纤中一部分反射表面上的光线的角度分布的曲线图。图9是类似于图8的光线角度分布的曲线图。详细描述本专利技术是为了提供具有发光能力和在构造照明系统时找到特定用途的光波导。在本专利技术的描述中，为了清楚起见将采用具体的实施例和术语。然而，不想将本专利技术限制于具体描述的实施例和术语。具体说，将参考通常具有圆形截面的光纤光波导描述本专利技术。然而，本领域的普通专业人员将认识到本专利技术的原理可应用于不同截面形状的光纤和应用于平面波导。作为背景，参考图1，入射到光纤10中的光在光纤10沿传播轴12传播，传播轴12与光纤10的纵轴基本重合。光束以最大锥角β通过光纤传播，从传播轴12测量的锥角β是由内全反射所必须的临界角确定的。角度β可以根据如下的斯涅尔定律通过首先计算内全反射所需的临界角(θc)而导出Sinθc=(n2n1)]]>这里n1是光纤纤芯材料的折射率，n2是周围介质，通常为包层材料或空气的折射率。锥角β是临界角θc的余角。因此，光以锥角β通过光纤10传播，锥角正比于纤芯材料折射率与环绕纤芯介质的折射率之比。根据本专利技术的一个方面，给光纤提供多个反射元件，它们以这样的方式从光纤引出光，即扩宽从光纤引出的光能量的横向(例如正交于光纤)分布，而基本上不影响从光纤引出的光能量的纵向(例如顺着光纤)分布。在一个较佳实施例中，提供一个包含光纤纤芯的光纤，该光纤纤芯具有一个使光通过光纤传播的光学平滑表面和沿其至少一段长度的发光区，该发光区本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种照明系统，其特征在于所述系统包括： 含有光纤纤芯的光纤，光纤纤芯具有一个使光通过光纤传播的光学平滑表面和一个沿一段光纤延伸的发光区，所述的发光区包括： 中心位于沿所述光纤纤芯的光学平滑表面延伸的第一纵轴上的多个光学元件，每个光学元件包括一个延伸到所述光纤纤芯中的光学反射表面， 中心位于沿所述光纤纤芯的光学平滑表面延伸的第二纵轴上的多个光学元件，每个光学元件包括一个延伸到所述光纤纤芯中的光学反射表面，所述第二纵轴与所述第一纵轴相偏移。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：DJ伦丁，MC利，
申请(专利权)人：美国三M公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]