利用塑料片的光導管的製作方法

2023-05-27 11:20:56

專利名稱：利用塑料片的光導管的製作方法
技術領域：
本發明屬於用於分配來自一光源的光的光導管。尤其是，本發明涉及由簡單的塑料片材料構成的節約成本的高效光導管。
背景技術：
光導管通常是以表面/空氣界面提供全內反射(TIR)構成的光學材料製成的管道，它使來自一光源的光在一大面積範圍內分配。在Lorne A.Whitehead的4,260,220號題為「具有八邊形表面的稜鏡光波導」的美國專利中描述了這種光導管的一個例子。Minnesota Mining and Manufacuring Company(3M)生產了一種市售的光學材料，叫做Optical Lighting Film(光學照明膜)(OLF)，這一光學材料用於構成光導管。在4,906,070號美國專利中描述了OLF的一個例子。
常規光導管的一個問題在於，光學材料由微彎折(micro-replicated)稜鏡、穿孔的鍍銀塑料或透明表面上的複雜介電塗層構成。這些方案比較複雜和費錢。
常規光導管的另一個問題在於，上述材料中的某些材料對於把來自光源的光分配到待照亮的環境中不是非常有效。例如，提供TIR的光學材料被設計成能把光包含在材料內。這些被捕獲的光在出射前經歷大量的內部反射。每次內部反射包含少量的光損耗，而累積的效果可能是相當大的。
光分配的均勻性也可能成為稜鏡膜的問題。為了利用這種材料來分配光，把不規則引入材料，它能使光漏出。光洩漏的過程難於控制，因而在大面積範圍內分配的光的光輸出的變化相當大。
公開號為0889285的歐洲專利描述了一種光分配管，它不利用稜鏡膜或TIR來進行光分配。取而代之，此光導管在管內採用幾何上複雜的三維光轉向結構，從而使射到此轉向結構上的大多數光在光束與轉向結構之間的交點處從管子射出。光束展寬半角為4°或更小的光源是較佳的。
申請人還知道義大利富班(Fubine)的SPACE CANNON ILLUMINATION，INC.所製造的叫做LITE HOSE的產品。據申請人所知，LITE HOSE於1998年的秋季在歐洲以及1999年春季在美國首次公開展示。LITE HOSE由壓制(extruded)的乳白色丙烯酸管制成，連帶使用光束為3°的光源。管子的尺寸範圍從100到500mm，壁厚的範圍從3到8mm。使用窄的光束來提供通過管子的長的光投射。LITE HOSE的主要應用是用於諸如有戲劇效果的建築物的建築輪廓的戲劇化照明。

發明內容
本發明的一個目的是提供一種具有簡單結構的光導管，它能在大面積上有效地分配光。本發明的另一個目的是提供一種在光分配上具有高度均勻性的光導管。
依照本發明的一個方面，一種光導管包括構成在一端接收光並沿其長度分配光的一個管道。這個管道應用了鏡面和漫反射表面的組合，使它主要用鏡面反射使一部分光通過光導管和主要用漫反射把一部分光出射到光導管外。這些反射表面基本上平行於光導通的縱軸。例如，該管道可以包括一具有提供鏡面反射的內表面和沿著光導管長度放置並覆蓋光導管一部分周長的一種不透明材料，其中的不透明材料提供漫反射。可以把不透明材料放置在光導管的內表面並提供一個組合對小角度光束角的光是鏡面反射，而對較高的光束角的光是漫反射。或者，可以把不透明材料放置在光導管的外表面，那末，光導管材料和不透明材料一起提供一個組合，對小角度光束角的光是鏡面反射，而對較高的光束角的光是漫反射。例如，管道可由經壓制的塑料或經成形而形成管子的塑料片材製成。
依據本發明的另一個方面，一種光導管包括構成在一端接收光並沿光導管的長度分配光的多個管道。這些管道相互偏移相應的間隔，並提供鏡面和漫反射表面的組合，使它主要以鏡面反射使一部分光通過光導管和主要以漫反射使一部分光出射到光導管外。在某些例子中，管道的數目沿光導管的長度而改變。在其他例子中，光導管中至少一根的長度不同於光導管中另一根的長度。如上所述，每根管道可由經壓制的塑料或經成形而形成管子的塑料片材製成。在大多數例子中，除了最外層的管道以外的每根管道由其內表面和外表面都具有光滑光潔度(gloss finish)的光亮(clear)塑料構成。在某些例子中，最外層的管道由其內表面具有光滑光潔度而其外表面具有漫射光潔度(diffuse finish)的光亮塑料構成。光導管還可包括沿最外層管道的長度放置的且覆蓋最外層管道的周邊的一部分的不透明材料。此不透明材料可置於最外層管道的內表面上，並提供對小角度光束角的光的鏡面反射以及對光束角較高的光的漫反射的組合。或者，不透明材料可置於最外層管道的外表面上，管道材料與此不透明材料一起提供對小角度光束角的光的鏡面反射以及對光束角較高的光的漫反射的組合。
依據本發明的再一個方面，一種光分配系統包括提供具有小於30度的全光束角的光束的光源以及構成在一端接收來自光源的光束並沿其長度分配光的光導管，此光導管包括鏡面和漫反射表面的組合，它使主要以鏡面反射使一部分光通過光導管和主要以漫反射把一部分光出射到光導管外。最好，光源提供全光束角小於20度的光束。例如，光源可以是太陽光。光分配系統還可包括覆蓋遠離光源的光導管的一端的端蓋，此端蓋具有被定位並成形使光轉向而沿著光導管返回的反射表面。在某些例子中，光導管包括基本上同軸的第一和第二管道，此分配系統還包括適用於支撐第一管道的第一安裝器件以及適用於支撐第二管道並適用於容納第一安裝器件和第一管道並把它們支撐在第二管道內的第二安裝器件。最好，第一和第二安裝器件以相互不接觸的關係固定第一和第二管道。
單獨和組合地實現本發明的上述目的、特徵和優點。不應認為本發明需要兩個或更多的上述特徵，除非在權利要求書中明確說明。
附圖概述從以下對附圖所示較佳例子的更詳細描述，將使本發明的上述和其他目的、特徵和優點明顯起來，在所有的圖中相同的標號代表相同的元件。不必對附圖定標，重點在於示出本發明的原理。


圖1是表現出鏡面反射的透明材料的縱向剖面的示意圖。
圖2是表現出鏡面反射和漫反射的不透明材料的縱向剖面的示意圖。
圖3是表現出鏡面反射的示例透明材料的反射率對入射角的關係圖。
圖4是依據本發明第一例子的光導管的縱向剖面的示意圖。
圖5是射到漫反射材料上的光束的示意圖。
圖6是依據本發明第二例子的光導管的縱向剖面的示意圖。
圖7是在圖6所示光導管沿線7-7所截取的剖面的示意圖。
圖8-11是依據本發明第二例子的光導管的備選結構的示意圖。
圖12是依據本發明的光導管的備選結構的剖面的示意圖。
圖13是射到導管內表面上的光束的示意圖。
圖14是利用兩側面上都具有光滑光潔度的塑料片的依據本發明的光導管的光輸出圖案的圖。
圖15是利用其內側具有光滑光潔度而其外側具有不光滑光潔度的塑料片的依據本發明的光導管的光輸出圖案的圖。
圖16是來自依據本發明的光導管的再一個例子的光輸出的示意剖面圖。
圖17是依據本發明的半球狀光導管的示意剖面圖。
圖18-20是依據本發明的光導管的各個備選形狀的示意剖面圖。
圖21是形成依據本發明的光導管的初步準備階段中的第一塑料片的示意圖。
圖22是形成依據本發明的光導管的初步準備階段中的第二塑料片的示意圖。
圖23是依據本發明的光導管的第一較佳構成的剖面圖。
圖24是依據本發明的光導管的第二較佳構成的剖面圖。
圖25和26是比較本發明的光導管與常規的TIR光導管的光輸出的圖。
圖27是依據本發明另一個方面的第一光導管安裝器件的分段透視圖。
圖28是依據本發明的第二光導管安裝器件的分段透視圖。
圖29是依據本發明另一個方面的光導管耦合器件的示意圖。
圖30是沿圖29中的線30-30所截取的光導管耦合器件的剖面圖。
圖31是依據本發明的第一光導管端蓋的示意剖面圖。
圖32是依據本發明的第二光導管端蓋的示意剖面圖。
圖33是適用於本發明的光導管使用的透鏡系統的示意圖。
圖34是沿圖33中的線34-34所截取的透鏡系統的剖面圖。
本發明的較佳實施方式在以下描述中，為了說明而非限定，提出諸如特定結構、界面、技術等具體的細節，以提供對本發明的徹底理解。然而，對從本說明書受益的本領域內的技術人員很明顯的是，本發明可不按照這些具體的細節的其他例子中實現。在其他情況下，省略對公知結構、器件和方法的詳細描述，從而不會以不必要的細節使得對本發明的描述變得模糊。
TIR導管可有效地包含全光束角高達54-56°的光束。然而，對於從TIR導管漏出的光，它必須被散射到該角以外。與TIR導管正相反，本發明的光導管的導管材料中不包含任何光。本發明採用了具有較狹窄光束角的光源。如以下關於圖5和12所討論的，除了鏡面分量(例如，小角度的幾乎平行的光束)以外，所有其他光束都具有在每次彈跳(bounce)時從本發明的光導管漏出的極大可能性。如上所述，TIR導管使用分離器或OLF材料中的不規則處，以使入射光的一部分散射出約束(containment)錐角。然而，與本發明相反，大部分光保留在此錐角內，且必須經歷與分離器的多次相互作用，以從導管射出。因此，TIR導管通常以每單位長度多次彈離導管為特徵，每次彈跳的有效損耗與本發明相同或更大。結果，對於光束角較窄的光源而言，本發明更有效，因為光漏出前的彈跳相對少，且每次彈跳的損耗較低。
與EP0889285中所述的光導管相比，本發明提供簡單得多的結構。本發明利用主要基本上平行於光導管的縱軸的反射表面。換句話說，本發明不使用複雜的內部結構。雖然所公布的′285中所述的光導管避免使用稜鏡膜，但該管子需要公認的在幾何上複雜的3維光轉向結構。該結構是一錐形的分離器，它沿管子相當大的一部分延伸並在離光源較遠的距離處對著逐步變大的管子剖面區域。雖然未清楚地說明，但從操作原理上來看像是利用一具有來自光轉向結構的單個反射的長束光，以分離出來自管子的光。結果，所公布的′285中的光導管需要比本發明的明顯較窄的光束。在任何情況下，所公布的′285都未提出或建議本發明的操作或簡單結構的原理。
本發明基於以下光分配原理的應用。首先，對於小角度的入射角，光滑拋光的塑料提供了好的鏡面反射表面。具體來說，由於在小角度時的高效率Fresnel反射，使得光滑塑料表現出閃爍(glint)反射。其次，對於小角度的入射角，許多普通的不透明材料表現出鏡面反射與漫反射的組合。依據本發明，結合這些原理來提供一種低成本、高效並均勻分配來自適當的光亮光源的光的燈具。
圖1是表現出鏡面反射的透明材料的縱向剖面的示意圖。光束B1以入射角θ1射到材料1上。一部分光束BS被鏡面反射，一部分光束BT被透射(該圖忽略了折射)。BS與BT的相對數量與材料1的特性以及入射角θ1有關。圖1所示的效果甚至存在於最普通的便宜塑料片材料中，包括聚碳酸酯、丙烯酸、PET和PETG，但不限於此。
圖2是表現出鏡面反射和漫反射的不透明材料的縱向剖面的示意圖。光束B2以入射角θ2射到材料2上。一部分光束BS被鏡面反射，一部分光束BD被漫反射。如上所述，BS與BD的相對數量與材料2的特性以及入射角θ2有關。圖2所示的效果以不同的程度存在於大量便宜的市售材料中，包括白色聚氯乙烯絕緣帶(white vinyl tape)、鋪面帶(flooring tape)、PVC和其他貼花(applique)，但不限於此。
圖3是表現出鏡面反射的示例透明材料的反射率對入射角的關係圖。從圖3可看出，對於小角度的入射角(此時入射光與材料表面接近平行)，Fresnel反射可非常有效。圖3示出折射率約1.58的介電錶面的反射率對入射角的關係圖。
圖4是依據本發明第一例子的光導管的縱向剖面的示意圖。光導管4包括折射率相對低的光亮塑料管道6。為了通過光導管有效而均勻地分配光，某些光必須沿導管傳遞，必須允許某些光從光導管出射。依據本發明，沿導管的長度放置具有鏡面反射分量和漫反射分量的材料。如圖4所示，把反射材料8置於管道6的內表面上。材料8提供鏡面反射分量和漫反射分量。在應用中，光源10把一光束送入光導管4。此光束具有小於約30°的相對小的全光束角。例如，對於折射率約1.5的塑料，具有小於約15-20°的相對小的全光束角的光束是較佳的。對於一給定長度和寬高比的光導管，較低的光束角產生較少的彈跳，從而提高了光分配效率。
可把反射端蓋或鏡子置於光導管4與光源10相背的一端。最好，鏡子以一角度傾斜，它可改善光分配和/或效率(例如，約+/-10度)。或者，鏡子可具有使光轉向返回進入光導管的曲面。還可在最靠近光源10的一端處以光亮塑料片或透鏡密封光導管4。此塑料片或透鏡可包括防反射塗膜。
圖5是射到反射材料8上的光束的示意圖。射到材料8上的光束12產生鏡面分量14，分量14保持相當小的入射角且沿光導管傳遞。由於從第一表面發生反射，所以此光束不必隨每次反射而通過(transit)該材料，導致每次彈跳的損耗較低。射到材料8的光束12還產生入射角相對大的漫射分量16，該分量16從光導管4出射。由於該光僅在光導管4內部形成極少的彈跳，而且由於可利用具有較低內部損耗的相對薄的塑料片，所以管子材料中的損耗低，且光的分配非常有效。
有利的是，適當的光導管材料不貴且容易獲得。例如，許多類型的普通膠帶的非粘合表面上都具有鏡面反射分量和漫反射分量。各分量的相對量值隨入射角的函數而改變。換句話說，直接從上(即，入射角高)看此膠帶時，此膠帶看上去具有無光光潔度，從側面(即，小入射角)看此膠帶時，此膠帶看上去具有光滑光潔度。示例的膠帶包括由Minnesota Manufacturing and MiningCompany所製造的3M#471以及McMasterCarr製造的#6029T118，這兩種膠帶都是普通的白色聚氯乙烯絕緣帶。認為這些特定的膠帶是示意性的而非限制的。一般，具有類似特性的任何高度白色或反射材料是適用的。
此外，有利的是，適當的管道材料不貴且容易獲得。例如，管道6可以由0.5mm(0.020英寸)厚的光亮(clear)聚碳酸酯構成。可依據光導管的目標環境來利用不同等級的塑料(例如，把抗UV材料用於產外使用是合乎需要的)。其他適當的材料包括PET、PETG和丙烯酸。可以各種長度和寬度來訂購這些塑料。例如，可通過設計具有對應於光導管所要圓周的寬度的塑料所要的長度來形成管道6。把材料8加到此塑料的所需表面上。然後，把此塑料捲起來而形成一圓柱體，可把塑料的兩端在接縫處以膠帶粘接在一起。這兩端可鄰接或重疊。可通過其他方法來密封接縫，包括膠合(gluing)或超聲波熔接。或者，如果有保證保持光導管結構的其他方法，則完全不必密封此接縫。形成此管道的其他方法對本領域內的技術人員來說是明顯的。
適當的光源包括能產生具有想要的光束角的光束的任何高亮度光源。例如，聚光燈通常能產生相對小的光束角。另一個適當的光源是公開號為WO99/36940題為「高頻感應燈及功率振蕩器(High Frequency Inductive Lamp andPower Oscillator)」的PCT申請中所述的燈以及適當的光學器件，以產生想要的光束角。另一個適當的光源包括在5,404,076號題為「含硫燈(LampIncluding Sulfur)」的美國專利中總體所述類型的微波驅動的硫或硒燈。最好，這些燈由5,903,091號美國專利的圖14所示的反射微波腔以及適當的光學器件構成，以產生想要的光束角。在60/133,885號題為「高亮度微波燈(HighBrightness Microwave Lamp)」的未決申請中描述了較佳的微波孔燈。
圖6是依據本發明第二例子的光導管的縱向剖面的示意圖。依據本發明的第二例子，利用多層塑料材料在整個光導管分配光。光源20把光束角相對窄的一束光送入光導管24的一端。光導管24包括內管26和外管28。把反射材料30置於外管28的內表面上。反射材料30具有如上所述的鏡面和漫反射分量。最好，反射材料基本上沿光導管24的整個長度延伸。
在內管26與外管28之間設有氣隙32。氣隙的目的是提供適當的空氣-管子界面，以提高光在光導管內的限制(由於管子之間的雙倍閃爍反射)，並避免在內管26與外管28接觸時可能發生的光損耗。最好，氣隙約1-2毫米寬，但氣隙的尺寸不是關鍵的。利用適當的間隔元件(未示出)來保持沿光導管的長度的氣隙。例如，可通過置於管子之間且沿光導管24的長度隔開的多個光亮塑料環來提供此氣隙。或者，可給內管26纏繞尼龍線或其它同類的東西來提供氣隙。在另一個選擇中，塑料片可形成肋或浮凸起來提供適當的氣隙。
圖7是在圖6所示光導管沿線7-7所截取的剖面的示意圖。如圖7所示，內管和外管26、28基本上同軸。反射材料30與外管28的內表面相一致，並覆蓋管子28的內表面的某些斜的部分。可改變反射材料的斜的部分，以提供想要的光輸出。射到反射材料30的一部分光被散射成幾束，這些光束不完全被Fresnel反射效應所包含。這些光束沿大體上與膠帶表面平面垂直的方向從反射材料30散射。例如，如圖7所示，通過置於光導管24的剖面的上半圓中的反射材料，從反射材料30散射的光將大體上進入由光導管24的下半圓所述的方向。
總之，依據本發明的光導管的傳輸能力正比於光導管的外徑。管子的直徑越大，則光的內部彈跳越少，且光洩漏的速率與彈跳的數目有關。通過多層光亮塑料邊界(例如，2個或更多的同軸塑料管)，依據本發明的光導管在大於50個管子直徑的距離上分配光。例如，對於直徑為38cm(15英寸)的管子，這相應於在不止19米(60英尺)上，同時可保持高的均勻度(對於管子的大部分，高於約25％)。通常，較靠近光源和/或接近鏡面端蓋來放置較多數目的層(見圖11)。依據本發明，通過調節層的數目、每一層的長度以及每一層每側的光潔度(即，漫射或光滑)來控制沿光導管的光的均勻度和分配。
圖8-11是依據本發明第二例子的光導管的備選結構的示意圖。在圖8-11的各圖中，層數沿管子的距離而變化。通過沿管子的距離的函數改變同軸塑料管的數目，依據本發明的光導管可控制允許漏出光導管的光的速率。在圖11中，在光源和鏡面端蓋附近設置一部分漫射材料34，以減少光導管兩端處亮點的出現。
依據本發明的另一個方面，可通過把各種材料加到塑料片的表面來實現想要的反射特性，從而從反面透過塑料片看時所獲得的結構具有鏡面和漫反射分量。圖12是依據本發明的光導管的備選結構的剖面示意圖。光導管44包括多個同軸管道46、48。在圖12中，把反射材料50置於最外面的管道48的外表面上。例如，反射材料50可包括白色的帶子。圖13是射到管道48的內表面的光束52的示意圖。從圖13可看出，最外面的管道48的內表面提供了對應於小角度的入射角的鏡面反射分量54，在外表面上的材料50提供了來自於光束52的透射部分的漫反射分量56。相應地，在本發明的這一方面，材料50本身不需要提供鏡面分量。例如，反射材料50的示例選擇包括膠帶連接到最外面的管道48的Tyvek或適用於固定到最外面的管道48的外表面上的任何其他漫反射材料。
圖14是利用兩側面上有光滑光潔度的塑料片的依據本發明的光導管的光輸出圖案的圖。光導管60包括在其內表面63上有反射材料62的塑料管道61。反射材料62覆蓋了管道61的內表面63的大約180°，從而相對於反射材料62限定光導管60背面上約180°的光輸出窗。管道61的內表面63和外表面64都具有光滑的光潔度。相應地，由反射材料62散射的光以近似於虛線65的圖案從光導管60出射。
通過把非光滑光潔度(諸如通常可獲得的無光光潔度或天鵝絨似的光潔度)用於最外面的塑料管道的外表面，可通過塑料片的非光滑光潔度的一側來進一步散射從管子漏出的光。圖15是利用其內表面有光滑光潔度而其外表面有漫射光潔度的塑料片的依據本發明的光導管的光輸出圖案的圖。光導管66包括其內表面69上有反射材料68的塑料管道67。反射材料68覆蓋了管道67的內表面69的大約180°。內表面68具有光滑光潔度，且提供使小角度的光沿著管子66通過的鏡面反射。管道66的外表面70具有非光滑光潔度，並進一步漫射光使之射出管子66。相應地，由反射材料68散射的光以近似於虛線71的圖案從管子66出射。
在利用多個同軸管道使光沿著光導管傳播時，一般只是想要使最外面的管道的外表面為無光、天鵝絨似的或其他漫射地散射光潔度。可把此一般規則的例外應用於最接近光源和鏡面端蓋的光導管的區域，從而不在被Fresnel反射效應有效傳播的角度內的這些光束被更多漫射地散射，減少了這些光束的直接觀看的眩光(否則，它將以集中的空間角錐的形式漏出光導管)。儘管此一般規則，本發明仍然嘗試對可能有益於任何特定應用的多層中的任一層使用光滑和/或漫射表面。
圖16是依據本發明的光導管的再一個例子的光輸出的示意圖。光導管72類似於關於圖12所述的光導管，包括其外表面上設置有反射材料50的外部管道48。光導管72還包括圍繞最外面的管道48近似於270°的附加的鍍銀或鍍鋁反射器73以及位於反射器73所限定的輸出窗中的漫射帶74。如圖16所示，期望近似於虛線75的相對定向的輸出。
圖17示出具有由漫射材料製成的平坦底部76以及圍繞頂部的鍍銀/鍍鋁反射器77的半球形光導管的示例。圖18-20示出依據本發明的備選光導管的各剖面圖。
圖21是用於形成依據本發明的光導管的初步準備階段中的第一塑料片的示意圖。圖22是用於形成依據本發明的光導管的初步準備階段中的第二塑料片的示意圖。圖23是依據本發明的光導管的第一較佳結構的剖面圖。
參考圖21-23，如下構成本發明的示例第一結構。一段2.4m(8英尺)的光導管80包括外徑約為15cm(6英寸)的預製光亮塑料剛性套管82。製備一面上具有光滑光潔度而另一面上具有無光光潔度的寬約為47cm(18.4英寸)乘2.4m(8英尺)長的塑料聚碳酸酯片84(0.5mm/0.02英寸厚)，片上有幾條稍稍重疊的白色聚氯乙烯絕緣帶沿著該聚碳酸酯片84縱向延伸下去，以在聚碳酸酯片84具有光滑光潔度的每一側面上提供一條寬約為18cm(7英寸)的反射材料86。這樣沿著聚碳酸酯片84的中間留下一條約為11cm(4.8英寸)的透明帶88。把聚碳酸酯片84捲起來(帶子86在內表面上)，並保持小於15cm(6英寸)的直徑，並插入剛性套管82中。然後，釋放聚碳酸酯片84，並相對於外部套管82展開。兩條帶子86相互鄰接或稍稍重疊，以提供近似於270°的反射表面以及由透明帶88所限定的90°的光透射窗口。
製備由兩面上都有光滑光潔度的寬約為46cm(18.1英寸)乘2.4m(8英寸)長的塑料聚碳酸酯片(0.5mm/0.02英寸厚)構成的另一塑料片94，有幾條橫跨該塑料片94的寬度的氯丁橡膠帶(neoprene)96，且各自隔開大約45cm(18英寸)。氯丁橡膠96的厚度約為1.5mm(1/16英寸)，且用半透明的RTV108矽酮粘到塑料片94上。在乾燥後，把塑料片94捲起來(氯丁橡膠96在外部)，並保持小於15cm(6英寸)的直徑。然後，把該塑料片94插入這段管子80中，並被釋放以相對於先前插入的聚碳酸酯片84展開。氯丁橡膠96在這兩層塑料片84、94之間提供了氣隙。
第一結構的性能數據把三個這樣的段80裝配起來並連在一起，以形成24英尺長的光導管。剛性套管82鄰接且在接縫處用膠帶連接。內層84、94的一小段可能延伸到超過剛性套管82的末端，且它們可能與下一段的內層交錯。把此光導管從天花板上吊下來，並以德克薩斯州Austin的High End System銷售的Cyberlight聚光燈來照明。此聚光燈提供了一束約為7000-8500流明的準直的光，可把此光束的全光束角調節到約15°到28°之間。把反射端蓋安裝在與聚光燈相對的光導管的末端。端蓋的反射部分與垂直傾斜約10°。
從離開光導管約30英寸測得的全光束角約為15°的光源的示例歸一化性能數據如下

圖25和26是對上述結構的光導管與常規的TIR光導管作比較的光輸出的圖。常規的TIR光導管是利用OLF來進行光分配的直徑為25cm(10英寸)的管子。由馬裡蘭州Rockville的Fusion Lighting，Inc.銷售的LightDriveTM1000光源來照明常規的TIR光導管。此光源與使光導入光導管的反射器適配。應注意，認為剛才所述的常規TIR系統在光分配和均勻度方面具有好的性能。然而，如圖25和26所示，本發明的光導管在按比例較大的光導管長度上更均勻地分配光。此外，由於光束角相對窄，所以在最靠近光源的這段光導管中的光輸出的強度較小。從圖25可看出，由常規的TIR系統，相當數量的光輸出將集中在光源附近，這可在光導管的這一端引起不想要的眩光。
圖24是依據本發明的光導管的第二較佳結構的剖面圖。參考圖21-22和24，如下構成本發明的示例第二結構。一段6英尺長的光導管100包括外徑約為15cm(6英寸)的捲起的套筒(sleeve)102。製備一面上具有光滑光潔度而另一面上具有無光光潔度的寬約為47cm(18.4英寸)乘1.8m(6英尺)長的塑料聚碳酸酯片84(0.5mm/0.02英寸厚)，一條高度反射的Mylar(聚酯薄膜)帶沿著該聚碳酸酯片84縱向延伸下去，以在聚碳酸酯片84具有無光光潔度的每一側上提供一條寬約為18cm(7英寸)的反射材料86。例如，可利用幾條重疊的透明雙面帶把Mylar固定於聚碳酸酯片84。這樣，沿著聚碳酸酯片84的中間留下一條約為11cm(4.8英寸)的透明帶88。把聚碳酸酯片84的一邊插入壓制安裝器件107的槽105a中，帶子86在外面。然後，把此聚碳酸酯片84用膠帶連接或以其他方式適當地固定到安裝器件的一側。然後，把聚碳酸酯片84捲起來(帶子86在外面)，把聚碳酸酯片84的自由邊插入開口槽105b。然後，把此聚碳酸酯片84用膠帶連接或以其他方式適當地固定到安裝器件107的另一側，從而形成外部套筒102。兩條帶子86提供近似於270°的反射表面以及由透明帶88所限定的90°的光透射窗口。依據安裝器件所使用的材料，可把一條反射材料104置於安裝器件107的內表面，以提供想要的光反射特性(例如，漫射和/或鏡面反射的某個組合)。
製備由一面上有光滑光潔度而另一面上有無光光潔度的寬約為46cm(18.1英寸)乘1.8m(6英寸)長的塑料聚碳酸酯片(0.5mm/0.02英寸厚)構成的另一塑料片94，在無光光潔度一面上有3條3M的透明發泡粘膠帶96橫跨該塑料片的寬度上。一條近似位於中間，另外兩條與各端點隔開約15cm(6英寸)。粘膠帶96的厚度、約為1.5mm(1/16英寸)。把塑料片94捲起來(粘膠帶96在外部)，並保持小於15cm(6英寸)的直徑。例如，可用掩蔽膠帶(masking tape)來固定捲起的塑料片94的一面或兩面。然後，把塑料片94插入這段管子100中，並被釋放(例如，除去掩蔽膠帶)以相對於外部套筒102展開。膠帶96在這兩層塑料片84、94之間提供氣隙。
把五個這樣的段100裝配起來並連在一起，以形成30英尺長的光導管。把附加的兩層漫射材料(一層約120cm(4英寸)長，另一層約90cm(3英寸)長)置於靠近光源的第一段中，以減少亮點的出現。外部套筒102鄰接且可在接縫處以膠帶連接或其他方式耦合在一起。內層84、94的一小段可能延伸到超過外部套筒102的末端，且它們可能與下一段的內層交錯。把此光導管從天花板上吊下來，並以置於拋物面反射器中的高強度金屬滷化物燈照明。適當的燈是麻薩諸塞州Danvers的Osram/Sylvania以型號VIP R 400/32所銷售的。該燈提供了一束近似於20,000流明的聚焦的光，其全光束角近似於12°。把反射端蓋安裝在與該點光源相對的光導管的末端。把一凹面反射器置於端蓋中，以減少在遠離光源的光導管的這一端處亮點的出現。
安裝與耦合機構本領域內的技術人員將理解，可利用許多常規安裝和耦合機構中的任一種來靠近天花板或在被照明區域內的其他想要位置處懸掛或安裝本發明的光導管。類似地，可使用許多常規的耦合器件把幾段光導管連接在一起。
圖27和28是依據本發明的一個方面的安裝器件的透視圖，這些安裝器件共同操作以提供高達三層管道而不需要間隔元件。參考圖27，第一安裝器件120由壓制的塑料製成，其長度通常對應於光導管段的想要長度。安裝器件120包括基本上垂直於對面的凸片(fin)124a和124b的支柱部分122。凸片124a與124b被彎曲到對應於想要的管道半徑的半徑。
參考圖28，第二安裝器件130也由壓制的塑料製成，其長度通常對應於光導管段的想要長度。安裝器件130的主體部分132限定了一個槽134，該槽適用於容納第一安裝器件120的支柱122。主體130還限定了多個安裝孔135a、135b、135c和135d，可利用這些孔把安裝器件130直接固定到天花板(例如，穿過孔135a、b的螺栓)或到U形軌道(如，穿過孔135c、d的銷釘)。孔135a、b可以是內部埋頭鑽孔的，以提供用於螺栓頭的空隙以及避免幹擾支柱122。同樣，應對孔135c、d進行定位，來避免銷釘與支柱122之間的幹擾。安裝器件130還包括多個凸片136a、136b和138a、138b，它們被彎曲到對應於管道的想要半徑的半徑。
在應用中，利用第一安裝器件120來提供一層的管道。管道由一塑料片形成，它的長度對應於安裝器件120的長度，它的想要的寬度要被選擇到能提供想要的管道整個圓周(與凸片124a、b一起)。把塑料片的長邊之一固定到安裝器件120的一個凸片124a或124b。例如，可通過膠帶連接、粘接、超聲波熔接或其他常規的手段來固定這條邊。然後，把塑料片捲起來，並把另一條邊固定到另一凸片。
類似地，可利用安裝器件130來提供一層或兩層的管道。可把第一層固定於凸片135a、b，小心不要覆蓋槽134。例如，可把該片粘接到凸片136a、b的內表面136c。或者，可把該片固定於這兩組凸片之間形成的槽136d中。可把第二層固定於凸片138a、b的外表面。
有利的是，第一和第二安裝器件120、130中每一個的凸片可提供高達三層的管道，並消除或減少了對層間的附加間隔元件的需要。如果想要附加的層，則可用這裡所述的其他方式用間隔元件來製備，並相對於由第一安裝器件120所支撐的管道把它們展開。
圖29是依據本發明的耦合器件140的示意圖。圖30是沿圖29中的線30-30所截取的耦合器件140的剖面圖。耦合器件140一般構成一塑料環，繞該環的圓周設置了一對平行於光導管的縱軸的相對的槽142a和142b。在應用中，把光導管段的最外層插入槽142a或142b，並通過膠帶連接、粘接、超聲波熔接或其他常規的手段固定在那裡。有利的是，耦合器件140有助於光導管保持其形狀。為了把光導管段連接在一起，把下一段光導管的接合端插入並固定於開口槽內。在與諸如這裡所示的那些安裝器件一起使用時，最外面的那段管道構成稍稍延伸到穿過安裝器件的末端。或者，耦合器件140可構成斜剖面被除去的半圓環，此斜剖面對應於安裝器件所佔據的斜剖面。
圖31是依據本發明的端蓋160的剖面圖。端蓋160限定了圍繞其圓周且平行於光導管的縱軸的槽162。槽162適用於容納一層光導管(例如，最外層)。端蓋的內表面164最好是高度反射的，且構成把射到端蓋上的光轉向到沿光導管返回。最好，表面164傾斜或成形，以提高光導管的光分配或效率。例如，端蓋可包括向漫射材料傾斜約10°的反射鏡，以把光沿著光導管反射回去並把轉向的光散射到光導管外。反射鏡與端蓋160可以是一體的或者可以是分開的。
圖32是依據本發明另一個方面的第二端蓋170的剖面圖。端蓋170包括帶曲面174的反射鏡172。最好，把該曲面構成改善光導管的光分配和/或效率。例如，如果光導管的特定區域未被充分地照明，則可把曲面174構成使射到漫射材料處的端面的光在需要附加光輸出的區域附近聚焦。反射鏡與端蓋170可以是一體的或者可以是分開的。
小規模光導管此光導管的進一步優點在於，可利用本發明的原理來製造直徑非常小的管子。不可能把稜鏡膜捲曲到非常小的直徑。本發明的一個優點在於，可把所利用的材料壓制到非常小的直徑或捲曲到非常小的直徑。
如下構成尺寸與典型的螢光燈泡近似相同的光導管。由壓制塑料來製造兩個圓柱形管子，並把它們切割到約1.2米(4英尺)的長度。一個管子的外徑稍小於另一個管子的內徑。例如，外管可包括外徑為38mm(1.5英寸)且厚度約2-3mm(1/8英寸)的壓制的LexanTM。內管可包括外徑為31mm(1.25英寸)且厚度為2-3mm(1/8英寸)的壓制的LexanTM。作為壓制的管子的另一選擇，可把適當的薄的塑料片捲起來，以形成光管道。
把直徑較小的管子插入直徑較大的管子，由適當的間隔裝置所提供的氣隙來隔開這兩個管子。例如，可在沿內管的兩個或更多點處使用相對厚(例如，0.5-1.0mm)的發泡粘膠帶。或者，端蓋可設有槽，這些槽容納每個管子並使管子同軸定位且形成無需襯墊的非接觸結構。
外管設有光滑的內表面和具有漫射光潔度(例如，無光或天鵝絨似的)的外表面。內管設有光滑的內表面和外表面。把高度反射的MylarTM置於外管的一半(180°)外表面並用透明的雙面膠帶或其他適當的方法固定在其上。
用PCT公開WO99/35940的第4.4.2節中所述的燈以及適當的光學器件來照明小規模的光導管，以提供緊縮的光束角的光。例如，適當的光學器件如圖33和34所示。圖33是適用於本發明的小規模光導管的透鏡系統的示意圖。圖34是沿圖33中的線34-34所截取的透鏡系統的剖面圖。透鏡系統200包括鏡頭支架202，它裝有第一透鏡204，由夾持圈(retaining ring)206固定在適當的位置，以及第二和第三透鏡208、210，它們由夾持圈212固定。示例的第一透鏡204為-12mm塗膜的平凸透鏡，該透鏡是美國新澤西州Barrington的Edmund Industrial Optics以J45-303的零件編號所銷售的。示例的第二和第三透鏡208、210都是45mm塗膜的平凸透鏡，它們是美國新澤西州Barrington的Edmund Industrial Optics分別以J45-150和J32-895的零件編號所銷售的。這些透鏡系統的作用是把來自燈的孔徑的全光束角約為140°的光集中並聚焦為全光束角約為22°的光，使之進入小規模的光導管。也可以單個雙凸透鏡來替代第二和第三透鏡對。本領域內技術人員將理解，可利用各種光學布局來提供想要的具有緊縮的光束角的光。
混合照明依據本發明的另一個方面，用於本發明的任一光導管中的光源可以是太陽。從地球上來看，太陽為7°的光源。相應地，本發明的光導管可有利地利用太陽光、人造光或混合照明系統中這兩者的組合。
已描述了一種簡單的低成本且有效的光導管，它可使用簡單的技術以容易獲得的膠帶和塑料來構成。依據本發明的光導管可適用於常規的TIR光導管或其他光導管應用以前所未曾嘗試的廣泛的市場和規模大小。
應把本發明的上述結構僅看做示意性的。本領域內的技術人員將想到許多變化。例如，雖然上述的幾個例子主要利用剖面為曲面的光導管，但這僅僅是可行的剖面的一個例子，其他剖面形狀在其他應用中可能是有利的。例如，矩形在改進帶金屬網格的格子狀裝飾的常規吊頂的應用中是有利的，諸如那些設計成容納標準的2×2或2×4螢光燈的固定裝置。底面的形狀及其光潔度還可適用於控制光束髮散。在所附的權利要求書中提出了本發明的範圍和精神。
權利要求
1.一種光導管包括構成在一端接收光並沿其長度分配光的管道，該管道包括鏡面和漫反射表面的組合，它主要以鏡面反射使一部分通過光導管和主要以漫反射使一部分出射到光導管外，所述反射表面基本上平行於光導管的縱軸。
2.如權利要求1所述的光導管，其特徵在於所述管道包括具有提供鏡面反射的內表面的光亮塑料管以及沿著所述塑料管的長度放置並覆蓋該塑料管周邊的一部分的不透明材料，該不透明材料提供漫反射。
3.如權利要求2所述的光導管，其特徵在於把所述不透明材料置於塑料管的內表面上，並提供用於小角度光束角的光的鏡面反射及用於光束角較高的光的漫反射的組合。
4.如權利要求2所述的光導管，其特徵在於把所述不透明材料置於塑料管的外表面上，塑料管材料與不透明材料一起提供用於小角度光束角的光的鏡面反射及用於光束角較高的光的漫反射的組合。
5.如權利要求1所述的光導管，其特徵在於所述管道包括壓制的塑料管。
6.如權利要求1所述的光導管，其特徵在於所述管道包括經成形而形成一管子的塑料片材。
7.一種光導管包括構成在一端接收光並沿光導管的長度分配光的多個管道，所述管道相互偏移各自的間隔，且分別包括鏡面和漫反射表面的組合，它主要以鏡面反射使一部分光通過光導管以及主要以漫反射把一部分出射到光導管外。
8.如權利要求7所述的光導管，其特徵在於管道的數目沿光導管的長度而變化。
9.如權利要求7所述的光導管，其特徵在於所述管道中至少一個管道的長度不同於管道中另一根管道的長度。
10.如權利要求7所述的光導管，其特徵在於每根所述管道包括壓制的塑料管或是經成形而形成一管子的塑料片材。
11.如權利要求7所述的光導管，其特徵在於除了最外面的管道以外，每根管道包括其內表面和外表面都有光滑光潔度的光亮塑料。
12.如權利要求11所述的光導管，其特徵在於最外面的管道包括其內表面具有光滑光潔度而其外表面具有漫射光潔度的光亮塑料。
13.如權利要求12所述的光導管，其特徵在於還包括沿最外面的管道的長度所放置並覆蓋所述最外面管道周邊的一部分的不透明材料。
14.如權利要求13所述的光導管，其特徵在於把不透明材料置於所述最外面管道的內表面上，並提供用於小角度光束角的光的鏡面反射及用於光束角較高的光的漫反射的組合。
15.如權利要求13所述的光導管，其特徵在於把不透明材料置於所述最外面管道的外表面上，所述塑料管材料與所述不透明材料一起提供用於小角度光束角的光的鏡面反射及用於光束角較高的光的漫反射的組合。
16.一種光分配系統，包括提供具有小於30度的全光束角的光束的光源；以及構成在一端接收光並沿其長度分配光的光導管，該光導管包括鏡面和漫反射表面的組合，它主要以鏡面反射使一部分光通過光導管和主要以漫反射把一部分光出射到光導管外。
17.如權利要求16所述的光分配系統，其特徵在於光源提供全光束角小於20度的光束。
18.如權利要求16所述的光分配系統，其特徵在於光源包括太陽光。
19.如權利要求16所述的光分配系統，其特徵在於還包括覆蓋遠離光源的光導管的一端的端蓋，所述端蓋具有位於被定位並成形使光轉向而沿著光導管返回的反射表面。
20.如權利要求16所述的光分配系統，其特徵在於光導管包括基本上同軸的第一和第二管道，所述分配系統還包括適用於支撐第一管道的第一安裝器件；以及適用於支撐第二管道並適用於把第一安裝器件和第一管道容納和支撐在第二管道內的第二安裝器件。
21.如權利要求20所述的光分配系統，其特徵在於第一和第二安裝器件把第一和第二管道保持在非接觸的關係。
全文摘要
一種光導管(4)包括構成在一端接收光並沿其長度分配光的管道(6),該管道(6)包括用來主要以鏡面反射沿著光導管(4)傳送一部分光以及主要以漫反射使一部分從光導管(4)出射的組合的鏡面和漫反射表面(8),所述反射表面(8)基本上平行於光導管(4)的縱軸。可使用多個管道(8)來控制光導管(4)的光分配特性。管道(6)可以由便宜的塑料片材製成。
文檔編號G02B6/00GK1338061SQ00803077
公開日2002年2月27日 申請日期2000年1月21日 優先權日1999年1月26日
發明者D·A·柯克派屈克, M·A·杜比諾夫斯基, V·H·誇恩, F·E·佐沃斯 申請人:熔化照明股份有限公司