WO2000072054A1 - Optisches element mit mikroprismenstruktur zur umlenkung von lichtstrahlen - Google Patents

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WO2000072054A1
WO2000072054A1 PCT/EP2000/003609 EP0003609W WO0072054A1 WO 2000072054 A1 WO2000072054 A1 WO 2000072054A1 EP 0003609 W EP0003609 W EP 0003609W WO 0072054 A1 WO0072054 A1 WO 0072054A1
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microprisms
light
microprism
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Günther SEJKORA
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Zumtobel Staff Gmbh
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    • Y10S359/00—Optical: systems and elements
    • Y10S359/90—Methods

Definitions

  • the present invention relates to an optical element with a microprism structure, in particular for use as a lamp cover according to the preamble of patent claim 1, and to a method for producing the same according to patent claim 8.
  • Such optical elements or luminaire covers are intended to limit the exit angle of light rays, for example from a luminaire, in order to avoid or at least reduce glare for the viewer.
  • such an element naturally also provides mechanical protection for the lamp and in particular the light source inside the lamp.
  • optical element of the type mentioned at the outset is known, for example, from the Austrian patent AT-B-403.403.
  • the known optical element used as a luminaire cover has pyramid-like profiles, so-called microprisms, arranged in rows and rows on its side facing the lamp, which are designed as truncated pyramids and have an upper boundary surface (light entry surface) lying parallel to the base surface (light exit surface).
  • the entire lamp cover consists entirely of a crystal-clear or transparent material.
  • FIG. 1 A truncated pyramid or microprism according to AT-B-403.403 is shown in FIG. 1 to explain the problem underlying the present invention.
  • the known microprism 1 has a cover surface 2 serving as a light entry surface, a root 3 arranged parallel to it and serving as a light exit surface, and inclined side walls 4 in such a way that the microprism 1 assumes the shape of a truncated pyramid.
  • the exit angle ⁇ of the emerging light rays with respect to the solder on the light exit surface 3 should be at most about ⁇ max «60-70 °, preferably Y max ⁇ öO 0 , in order to avoid glare to the viewer when viewing the lamp from the side.
  • the microprism 1 has an optimal ratio of transparent material the dimensions of the truncated pyramid d: h, which depends on the refractive index n of the material of the truncated pyramid. Furthermore, there is also an optimal groove angle ⁇ between adjacent microprisms 1 of approximately 8-9 ° with a grid dimension of the microprisms of approximately 700 ⁇ m.
  • furrow angles ⁇ of approximately 8-9 ° can be realized with a sufficiently high accuracy and reproducibility.
  • An exit angle of ⁇ max «60 ° can be achieved even with a realistic furrow angle ⁇ * 15 °;
  • this has the consequence that the optical efficiency of the lamp cover is correspondingly reduced from approximately 75-80% to approximately 65% due to the reduced area of the light entry surface 2.
  • the height h of the truncated pyramid 1 could also be reduced in order to maintain the extent of the light entry surface 2.
  • the maximum light exit angle ⁇ max «60 ° would no longer be maintained, since light rays that enter the microprism 1 directly at the edges 5 of the light entry surfaces 2 and just pass the edges 6 between adjacent truncated pyramids 1, the luminaire cover leave flatter.
  • the microprism structure disclosed in this publication on the one hand has a reflective cover on the side walls of the truncated pyramids to prevent light from escaping from the side walls of the microprisms and reduces the efficiency of the lamp arrangement, and on the other hand on the side of the light exit surfaces of the microprisms a lens system for focusing the light rays into a direction approximately perpendicular to the plane of the light exit surface.
  • the structure of this lamp cover is relatively complicated in comparison to the lamp cover known from AT-B-403,403 and therefore more complex to manufacture.
  • the light entry surface of the optical element formed by the microprism cover surfaces is made convex or concave in a continuous or non-continuous form, the light rays coming from a lamp strike the light entry surface of the element at a different angle of incidence than one parallel to the light exit surface aligned light entry surface.
  • the curvature or the degree of curvature which also depends on the material of the element core and in particular its refractive index, it is achieved that the light rays are only at an exit angle of at most about 60 ° to the perpendicular of the light exit surface from the Light exit surface can emerge without thereby reducing the optical efficiency of the optical element.
  • a concave design of the microprism cover surfaces causes the light rays striking the cover surfaces to be refracted into the microprism structure at steeper angles and not to leave the optical element at an angle that is too flat.
  • a convex design of the microprism cover surfaces causes the light rays striking the cover surfaces at a flat angle to be refracted into the microprism structure at flatter angles, so they are totally reflected on the opposite structure flank and leave the optical element with a sufficiently small exit angle.
  • microprism cover surfaces is preferably realized by a convex or concave curvature or step, the curvature or step not necessarily having to extend over the entire cover surfaces.
  • the plate-shaped core of the optical element is either mechanically worked out of a transparent block or is produced by pouring or injecting the transparent material into a corresponding shape and subsequently applying pressure.
  • Lamp cover in section shows a schematic perspective illustration of a first exemplary embodiment of an optical element according to the invention
  • FIG. 3 shows a schematic perspective illustration of a second exemplary embodiment of an optical element according to the invention
  • 4 shows a schematic perspective illustration of a third exemplary embodiment of an optical element according to the invention
  • 5 shows a first exemplary embodiment of a microprism structure according to the present invention in section along the line A-A of FIGS. 2 and 4
  • 6 shows a second exemplary embodiment of a microprism structure according to the present invention in section
  • 7 shows a third exemplary embodiment of a microprism structure according to the present invention in section;
  • FIG. 8 shows a fourth exemplary embodiment of a microprism structure according to the present invention in section; 9 shows a fifth exemplary embodiment of a microprism structure according to the present invention in section; 10 shows a sixth exemplary embodiment of a microprism structure according to the present invention in section; HA shows a representation of the course of a light beam through a conventional optical element; and FIG. 11B shows a representation of the course of a plurality of exemplary light beams through an optical element according to the present invention.
  • optical elements 10, 10 'or 10 for example used as lamp covers, from the side facing the lamp (not shown) of the lamp.
  • the optical elements 10, 10', 10 consist of a translucent or transparent material, such as transparent plastics, such as acrylic glass.
  • the optical elements 10, 10 ', 10 each consist of a plate-shaped core 11, 11' or 11" made of transparent material, which is populated on one side with a large number of microprisms 12, 13.
  • the microprisms 12, 13 are such trained that they taper to form furrows 22 - starting from their roots 15.
  • the entirety of the cover surfaces 14 of the microprisms 12, 13 forms the light entry surface of the optical element and the other side 21 of the core forms the light exit surface of the optical element.
  • the element core 11, 11 ', 11 "of the optical element 10, 10', 10" according to the invention can be produced in various ways from a transparent material, preferably a transparent plastic material, such as acrylic glass.
  • a transparent material preferably a transparent plastic material, such as acrylic glass.
  • the first to be mentioned here is the production by means of a so-called spray-stamping process. This process is similar to the generally known plastic injection molding, but is carried out with a relatively low injection pressure. After the transparent material has been injected into the mold, mechanical pressure is exerted on the still liquid material so that it can penetrate the structures of the mold.
  • the manufacture of the element core 1 is also possible by means of a hot stamping process, in which the transparent material is poured into a corresponding mold in liquid form and then also subjected to pressure in order to achieve the embossing.
  • the optical element 10 has, on the side facing the lamp of the luminaire, profilings arranged in rows and rows in the form of microprisms 12 each having the same dimension and square base.
  • the microprisms 12 are only shown schematically in FIG. 2, as is also the case in FIGS. 3 and 4, their shape corresponds, for example, to one of the exemplary embodiments shown in FIGS. 5-10 and described further below.
  • the matrix-like arrangement of the microprisms 12 of the first exemplary embodiment of the optical element achieves cross-glare control in both directions.
  • the microprisms 12 in the second exemplary embodiment of the optical element 10 'shown in FIG. 3 are arranged in a checkerboard manner, ie between two successive ones O
  • Microprisms 12 each have a microprism structure in the row and row directions, the length and width of the recessed area corresponding to the base area of a microprism 12.
  • the microprisms preferably have a square base area.
  • both in the case of the first and of the second exemplary embodiment it is possible to provide a different, preferably regular, polygon as the base surface.
  • the third exemplary embodiment of the optical element 10 "according to FIG. 4 differs from the two exemplary embodiments described above in that the microprisms 13 of the optical element 10" extend in one direction, for example the row direction, over the entire length of the optical element 10 ". extend while they are successively arranged in the other direction, for example the row direction, as in the optical elements 10, 10 'of Figures 2 and 3. Analogously to the second exemplary embodiment, it is also conceivable here in each case to have a row between two To leave out microprism structures 13.
  • the optical element 10 ′′ according to the third exemplary embodiment is therefore particularly suitable for luminaires in which elongate lamps, such as fluorescent tubes, are used.
  • the longitudinal direction of the lamp runs parallel to the direction of extension of the linear microprisms 13.
  • the spaces between the adjacent microprisms 13 are preferably covered with a reflective material 20, for example a metal foil with high reflectivity. This ensures that only the light that strikes from the lamp on the cover surfaces 14 of the microprisms 13 forming the light entry surface is emitted by the optical element 10 ".
  • the light rays incident on the cover 20 are reflected back into the interior of the lamp and reflected by a reflector arranged behind the lamp in the usual way in the direction of the optical element.
  • the efficiency of the optical element can be further increased by such a reflective cover 20.
  • a reflective cover 20 instead of the cover 20 partially shown in FIG. 4, it is also possible to completely fill the spaces or furrows 22 between the microprisms 13 with a reflective material.
  • the side walls 16 of the microprisms 13 are also designed to be totally reflective, so that light rays which strike these side walls 16 from the inside cannot leave the microprisms 13.
  • the side walls 16 of the microprisms 13 can also be coated with a reflective material or can be designed to be reflective in some other way.
  • microprisms 12, 13 are now shown in section along line A-A of FIG. 2 or FIG. 4.
  • the microprisms 12, 13 described below can optionally be used in the optical elements 10, 10 ', 10 "of FIGS. 2 to 4.
  • the microprism structure 12, 13 shown in section in FIG. 5 has a root 15, which essentially forms the light exit surface 21 of the optical element, and a cover surface 14, which is arranged essentially parallel to this and forms the light entry surface.
  • the side surfaces 16 of the microprism 12, 13 extend slightly inwardly inclined from the root 15 to the top surface 14, so that the structure which tapers outwards results. This inclination angle ⁇ / 2 of the side surfaces 16 determines the groove angle ⁇ between adjacent microprisms 12, 13 of the optical element 10, 10 ".
  • the microprism 12, 13 preferably has a square or rectangular shape, but can also be any other, preferably regular, Be polygon.
  • the light entry surface 14 of the microprism 12, 13 is concave in the present first exemplary embodiment of FIG. 5, ie curved inwards.
  • the degree of curvature required depends on the dimensions of the microprism 12, 13, more precisely on the ratio ie, and on the refractive index n of the transparent material of the microprism 12, 13.
  • a person skilled in the field of optics will easily be able to determine the degree of curvature of the light entry surface 14 required in individual cases in order to achieve a maximum light exit angle ⁇ max of approximately 60-70 °.
  • the effect of the curved light entry surface 14 is described in more detail below with reference to FIGS. HA and B.
  • the second exemplary embodiment of the microprism 12, 13 shown in FIG. 6 differs from the first exemplary embodiment described above in that the light entry surface 14 is convex, ie curved outwards.
  • the light entry surface 14 is convex, ie curved outwards.
  • a concave or convexly curved light entry surface 14 it is also possible to provide a step-shaped or edge-shaped light entry surface 14, as is shown in the exemplary embodiments in FIGS. 7 to 10.
  • the light entry surface 14 is composed of partial surfaces which converge in the middle of the light entry surface 14 below or above the (imaginary) plane of the light entry surface and thus form a sunken or raised structure.
  • these partial surfaces of the light entry surface 14 are triangular.
  • the light entry surface 14 is also composed of several partial surfaces.
  • a partial surface is arranged parallel to the light exit surface 15 and the (imaginary) plane of the light entry surface 14 approximately in the middle of the light entry surface 14 and below or above the (imaginary) plane of the light entry surface 14.
  • the remaining partial areas connect this central partial area to the side walls 16 of the microprism 12, 13.
  • cover surfaces 14 are either continuous or non-continuous concave or convex, i.e. always concave or convex at least in a partial area of the cover surfaces 14.
  • FIG. HA A conventional optical element is first shown in section in FIG. HA.
  • the groove angle ⁇ between adjacent microprisms 1 is approximately 15 °
  • the pitch d of the microprisms 1 is approximately 700 ⁇ m
  • the width of the light entry surfaces 2 of the microprisms is approximately 540 ⁇ m, so that a ratio d: h of approximately 7:12 results.
  • an incident light beam 17 is shown as an example, which strikes the light entry surface 2 of the microprism structure 1 directly at the edge 5 at a flat angle of incidence. Due to the higher refractive index n of the transparent material of the optical element, the light beam 17 is refracted towards the solder onto the light entry surface 2.
  • the refracted light beam 17 ' runs inside the core of the optical element just past the edge 6 between the adjacent microprisms 1 and strikes the light exit surface 3 or in the extension to the light exit surface of the base surface. At the light exit surface, the light beam 17 'is broken away from the solder onto the light exit surface 3 due to the lower refractive index of the surroundings.
  • the light beam 17 ′′ emerging from the optical element has an exit angle ⁇ which is greater than the maximum desired exit angle ⁇ ma ⁇ of approximately 60 °. In the case of the conventional optical element, glare for the viewer cannot be completely ruled out.
  • microprism structures 12, 13 are shown in the drawing in the optical element according to the present invention of FIG. 11B, both with concave light entry surfaces 14 and with convex light entry surfaces 14.
  • Two light beams 18, which strike the edges of the concave light entry surfaces 14 and two light beams 19, which hit the edges of the convex light entry surfaces 14, are shown as examples.
  • the furrows 22 between the microprisms 12, 13 are provided with a reflective cover 20.
  • the light rays 18 striking the concave or recessed light entry surface 14 in the region of the edges are refracted more perpendicularly to the (imaginary) plane of the light entry surface due to the different angle of incidence on the light entry surface compared to the beam path shown in FIG. HA, so that the light rays 18 'running in the core 11, 11', 11 "of the optical element 10, 10 ', 10" strike the light exit surface 21 of the microprisms 12, 13 or the core 11, 11', 11 "at a steeper angle.
  • a convex or raised design of the light entry surface 14, on the other hand, has the effect that the light rays 19 striking the light entry surface 14 at a flat angle in the region of the edges are less perpendicular to the (imaginary) plane of the light entry surface compared to the beam path shown in FIG. HA are refracted so that the light beams 19 'hit the side surfaces 16 of the microprisms 12, 13 and are totally reflected on them.
  • the light rays 19 ' in comparison to the beam path shown in FIG. HA, also strike the light exit surface 21 of the microprisms 12, 13 or the core 11, 11', 11 "at a steeper angle and thus the optical one Can leave element at a sufficiently small exit angle ⁇ (19 ").

Abstract

Optisches Element (10, 10', 10'') zur Umlenkung von in dieses eintretenden und wieder aus diesem austretenden Lichtstrahlen (18, 19), derart, dass deren Austrittswinkel (η) begrenzt ist, insbesondere zur Verwendung als Leuchtenabdeckung, mit einem plattenförmigen Kern (11, 11', 11'') aus transparentem Material, der an einer Seite mit Mikroprismen (12, 13) besetzt ist, die sich unter Bildung von Furchen (22) - von ihrer Wurzel (15) ausgehend - verjüngen, wobei die Gesamtheit der Mikroprismen-Deckflächen (14) die Lichteintrittsfläche und die andere Seite (21) des Kernes die Lichtaustrittsfläche bildet, und wobei die Mikroprismen-Deckflächen (14) in stetiger oder nicht-stetiger Form konvex oder konkav ausgebildet sind, sowie Verfahren zur Herstellung des optischen Elements (10, 10', 10'').

Description

Optisches Element mit Mikroprismenstruktur zur Umlenkung von Lichtstrahlen
Die vorliegende Erfindung betrifft ein optisches Element mit Mikroprismenstruktur, insbesondere zur Verwendung als Leuchtenabdeckung nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 , sowie ein Verfahren zur Herstellung desselben gemäß Patentanspruch 8.
Durch derartige optische Elemente bzw. Leuchtenabdeckungen soll erreicht werden, daß der Austrittswinkel von Lichtstrahlen beispielsweise aus einer Leuchte begrenzt wird, um eine Blendung für den Betrachter zu vermeiden bzw. zumindest zu verringern. Darüber hinaus bewirkt ein solches Element natürlich auch einen mechanischen Schutz für die Leuchte und insbesondere die Lichtquelle im Innern der Leuchte.
Ein optisches Element der eingangs genannten Art ist beispielsweise aus dem österreichischen Patent AT-B-403,403 bekannt. Das bekannte, als Leuchtenabdeckung eingesetzte optische Element weist auf seiner der Lampe zugewandten Seite in Reihen und Zeilen angeordnete pyramidenartige Profilierungen, sogenannte Mikroprismen auf, die als Pyramidenstümpfe ausgebildet sind und eine parallel zur Basisfläche (Lichtaustrittsfläche) liegende obere Begrenzungsfläche (Lichteintrittsfläche) aufweisen. Die gesamte Leuchtenabdeckung besteht vollständig aus einem glasklaren bzw. transparenten Material.
Ein Pyramidenstumpf bzw. Mikroprisma gemäß der AT-B-403,403 ist zur Erläuterung der der vorliegenden Erfindung zugrundeliegenden Problemstellung in Fig. 1 dargestellt. Wie in der Patentschrift näher beschrieben, weist das bekannte Mikroprisma 1 eine als Lichteintrittsfläche dienende Deckfläche 2, eine parallel zu dieser angeordnete und als Lichtaustrittsfläche dienende Wurzel 3 und schräg verlaufende Seitenwände 4 derart auf, daß das Mikroprisma 1 die Form eines Pyramidenstumpfes annimmt. Der Austritts winkel γ der austretenden Lichtstrahlen bezüglich des Lotes auf die Lichtaustrittsfläche 3 soll höchstens etwa γmax « 60-70°, vorzugsweise Ymax ^ öO0, betragen, um eine Blendung des Betrachters bei seitlicher Betrachtung der Leuchte zu vermeiden. Um gleichzeitig einen möglichst hohen optischen Wirkungsgrad zu erzielen, ergibt sich für das Mikroprisma 1 aus transparentem Material ein optimales Verhältnis der Abmessungen des Pyramidenstumpfes d:h, das von der Brechzahl n des Materials des Pyramidenstumpfes abhängt. Ferner ergibt sich auch ein optimaler Furchenwinkel δ zwischen benachbarten Mikroprismen 1 von etwa 8-9° bei einem Rastermaß der Mikroprismen von etwa 700 μm.
Bei den vorstehend genannten Parametern wird auch für solche Lichtstrahlen, die direkt auf die Kanten 5 oder unmittelbar neben die Kanten 5 des Pyramidenstumpfes 1 treffen und gerade noch an den Kanten 6 zwischen den Pyramidenstümpfen 1 vorbeigehen, erreicht, daß sie aus der Ebene der Lichtaustrittsfläche 3 mit einem Austrittswinkel von γ < 60° austreten.
Es hat sich aber in der Praxis herausgestellt, daß es fertigungstechnisch äußerst schwierig oder nahezu unmöglich ist, einen Furchenwinkel δ von etwa 8-9° einzuhalten. Derzeit können Furchenwinkel δ von etwa 15° mit einer ausreichend hohen Genauigkeit und Reproduzierbarkeit realisiert werden. Es kann zwar auch bei einem realistischen Furchenwinkel δ * 15° ein Austrittswinkel von γmax « 60° erzielt werden; dies hat allerdings bei einer gleichbleibenden Höhe h des Pyramidenstumpfes 1 zur Folge, daß aufgrund der dadurch verringerten Fläche der Lichteintrittsfläche 2 der optische Wirkungsgrad der Leuchtenabdeckung entsprechend von etwa 75-80% auf etwa 65 % reduziert wird. Alternativ könnte zur Beibehaltung der Ausdehnung der Lichteintrittsfläche 2 auch die Höhe h des Pyramidenstumpfes 1 verringert werden. In diesem Fall würde jedoch der maximale Lichtaustrittswinkel γmax « 60° nicht mehr eingehalten werden, da Lichtstrahlen, die direkt an den Kanten 5 der Lichteintrittsflächen 2 in das Mikroprisma 1 eintreten und gerade noch an den Kanten 6 zwischen benachbarten Pyramidenstümpfen 1 vorbeigehen, die Leuchtenabdeckung flacher verlassen.
Eine weitere Leuchtenabdeckung bzw. ein weiteres optisches Element der eingangs genannten Art ist beispielsweise aus der WO 97/36131 bekannt. Die in dieser Druckschrift offenbarte Mikroprismenstruktur weist einerseits an den Seitenwänden der Pyramidenstümpfe eine reflektierende Abdeckung zum Verhindern, daß Licht aus den Seitenwänden der Mikroprismen austritt und den Wirkungsgrad der Leuchtenanordnung verringert, und andererseits auf der Seite der Lichtaustrittsflächen der Mikroprismen ein Linsensystem zum Bündeln der Lichtstrahlen in eine Richtung etwa senkrecht zu der Ebene der Lichtaustrittsfläche auf. Der Aufbau dieser Leuchtenabdeckung ist im Vergleich zu der aus der AT-B-403,403 bekannten Leuchtenabdeckung aber relativ kompliziert und deshalb fertigungstechnisch aufwendiger. Ausgehend von dem vorgenannten Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein optisches Element der eingangs genannten Art bereitzustellen, das die oben beim Stand der Technik beschriebenen Nachteile vermeidet und insbesondere bei einem hohen lichttechnischen Wirkungsgrad einen Austrittswinkel der Lichtstrahlen aus dem optischen Element gewährleistet, bei dem eine Blendung des Betrachters vermieden wird.
Diese Aufgabe wird durch ein optisches Element mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Dadurch, daß die durch die Mikroprismen-Deckflächen gebildete Lichteintrittsfläche des optischen Elements in stetiger oder nicht-stetiger Form konvex oder konkav ausgebildet sind, treffen die von einer Lampe kommenden Lichtstrahlen unter einem anderen Einfallswinkel auf die Lichteintrittsfläche des Elements als bei einer zu der Lichtaustrittsfläche parallel ausgerichteten Lichteintrittsfläche. Durch eine geeignete Wahl der Wölbung bzw. des Wölbungsgrades, die bzw. der im übrigen auch von dem Material des Elementenkerns und insbesondere dessen Brechzahl abhängt, wird erreicht, daß die Lichtstrahlen nur unter einem Austrittswinkel von höchstens etwa 60° zum Lot der Lichtaustrittsfläche aus der Lichtaustrittsfläche austreten können, ohne daß hier- durch der lichttechnische Wirkungsgrad des optischen Elements verringert wird. Eine konkave Ausbildung der Mikroprismen-Deckflächen bewirkt, daß die auf die Deckflächen auftreffenden Lichtstrahlen unter steileren Winkeln in die Mikroprismenstruktur gebrochen werden und das optische Element nicht unter einem zu flachen Winkel verlassen. Eine konvexe Ausbildung der Mikroprismen-Deckflächen bewirkt hingegen, daß die auf die Deckflächen unter einem flachen Winkel auftreffenden Lichtstrahlen unter flacheren Winkeln in die Mikroprismenstruktur gebrochen werden, deshalb an der gegenüberliegenden Strukturflanke totalreflektiert werden und das optische Element mit einem ausreichend kleinen Austrittswinkel verlassen.
Die Ausbildung der Mikroprismen-Deckflächen wird vorzugsweise durch eine konvexe oder konkave Krümmung oder Stufung realisiert, wobei sich die Krümmung oder Stufung nicht notwendigerweise über die gesamte Deckflächen erstrecken muß.
Der plattenförmige Kern des optischen Elements wird gemäß der vorliegenden Erfindung entweder aus einem transparenten Block mechanisch herausgearbeitet oder durch Eingießen oder Einspritzen des transparenten Materials in eine entsprechende Form und anschließender Beaufschlagung mit Druck hergestellt. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand weiterer Unteransprüche.
Verschiedene bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
Fig. 1 eine aus dem Stand der Technik bekannte Mikroprismenstruktur einer
Leuchtenabdeckung im Schnitt; Fig. 2 eine schematische perspektivische Darstellung eines ersten Ausführungs- beispiels eines erfindungsgemäßen optischen Elements;
Fig. 3 eine schematische perspektivische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen optischen Elements; Fig. 4 eine schematische perspektivische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen optischen Elements; Fig. 5 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Mikroprismenstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung im Schnitt gemäß der Linie A-A von Fig. 2 bzw. 4; Fig. 6 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Mikroprismenstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung im Schnitt; Fig. 7 ein drittes Ausführungsbeispiel einer Mikroprismenstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung im Schnitt;
Fig. 8 ein viertes Ausführungsbeispiel einer Mikroprismenstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung im Schnitt; Fig. 9 ein fünftes Ausführungsbeispiel einer Mikroprismenstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung im Schnitt; Fig. 10 ein sechstes Ausführungsbeispiel einer Mikroprismenstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung im Schnitt; Fig. HA eine Darstellung des Verlaufes eines Lichtstrahles durch ein herkömmliches optisches Element; und Fig. 11B eine Darstellung des Verlaufes mehrerer beispielhafter Lichtstrahlen durch ein optisches Element gemäß der vorliegenden Erfindung.
Die Fig. 2 bis 4 zeigen in einer perspektivischen Darstellung drei unterschiedliche, beispielsweise als Leuchtenabdeckungen eingesetzte optische Elemente 10, 10' bzw. 10" von der der Lampe (nicht gezeigt) der Leuchte zugewandten Seite. Die optischen Elemente 10, 10', 10" bestehen aus einem lichtdurchlässigen bzw. transparenten Material, wie transparenten Kunststoffen, wie beispielsweise Acrylglas. Die optischen Elemente 10, 10', 10" bestehen jeweils aus einem plattenförmigen Kern 11, 11 ' bzw. 11 " aus transparentem Material, der an einer Seite mit einer Vielzahl von Mikroprismen 12, 13 besetzt ist. Die Mikroprismen 12, 13 sind dabei derart ausgebildet, daß sie sich unter Bildung von Furchen 22 - von ihren Wurzeln 15 ausgehend - verjüngen. Die Gesamtheit der Deckflächen 14 der Mikroprismen 12, 13 bildet dabei die Lichteintrittsfläche des optischen Elements und die andere Seite 21 des Kerns die Lichtaustrittsfläche des optischen Elements.
Der Elementenkern 11, 11 ' , 11 " des erfindungsgemäßen optischen Elements 10, 10' , 10" kann auf verschiedene Weise aus einem transparenten Material, vorzugsweise einem transparenten Kunststoffmaterial, wie Acrylglas, hergestellt werden. Als erstes ist hier die Herstellung mittels eines sogenannten Spritz-Prägeverfahrens zu nennen. Dieses Verfahren ist ähnlich dem allgemein bekannten Kunststoffspritzen, erfolgt aber mit einem relativ geringen Spritzdruck. Nach dem Einspritzen des transparenten Materials in die Form wird ein mechanischer Druck auf das noch flüssige Material ausgeübt, so daß dieses in die Strukturen der Form eindringen kann. Weiter ist die Herstellung des Elementenkerns 1 auch mittels eines Heißprägeverfahrens möglich, bei dem das transparente Material in flüssiger Form in eine entsprechende Form eingegossen und anschließend ebenfalls mit Druck beaufschlagt wird, um die Prägung zu erzielen.
Ferner besteht auch die Möglichkeit, einen transparenten Kunststoffblock mechanisch mit den Furchen zu versehen. Dies kann beispielsweise spanabhebend, z.B. mit einem Diamantfräser, oder mittels eines Laserstrahles erfolgen.
Eine weitere Möglichkeit zur Herstellung des transparenten Kerns 11, 11 ' , 11 " besteht darin, den flüssigen Kunststoff durch einen Extrusionskopf zu drücken. Hierbei können allerdings nur lineare Strukturen von Mikroprismen 13 erzeugt werden.
In dem ersten Ausführungsbeispiel von Fig. 2 weist das optische Element 10 auf der der Lampe der Leuchte zugewandten Seite in Zeilen und Reihen angeordnete Profilierungen in Form von Mikroprismen 12 jeweils gleicher Abmessung und quadratischer Basis auf. Die Mikroprismen 12 sind in Fig. 2, wie im übrigen auch in den Fig. 3 und 4, nur schematisch dargestellt, ihre Form entspricht beispielsweise einem der in den Fig. 5-10 gezeigten und weiter unten beschriebenen Ausführungsbeispiele. Durch die matrixartige Anordnung der Mikroprismen 12 des ersten Ausfuhrungsbeispiels des optischen Elements wird eine Querentblendung in beide Richtungen erzielt.
Während in dem ersten Ausführungsbeispiel des optischen Elements 10 die Mikroprismen 12 in Reihen und Zeilen unmittelbar aufeinander folgen, sind die Mikroprismen 12 in dem in Fig. 3 gezeigten zweiten Ausführungsbeispiel des optischen Elements 10' schachbrettartig angeordnet, d.h. zwischen zwei aufeinander folgenden o
Mikroprismen 12 ist jeweils in Zeilen- und in Reihenrichtung eine Mikroprismenstruktur ausgespart, wobei die ausgesparte Fläche hinsichtlich ihrer Länge und Breite der Basisfläche eines Mikroprismas 12 entspricht. Die Mikroprismen haben auch in diesem zweiten Ausführungsbeispiel vorzugsweise eine quadratische Basisfläche. Es ist aber sowohl im Falle des ersten als auch des zweiten Ausführungsbeispiels möglich, als Basisfläche ein anderes, vorzugsweise regelmäßiges, Vieleck vorzusehen.
Das dritte Ausführungsbeispiel des optischen Elements 10" gemäß Fig. 4 unterscheidet sich von den beiden oben beschriebenen Ausführungsbeispielen dadurch, daß sich die Mikroprismen 13 des optischen Elements 10" in einer Richtung, zum Beispiel der Zeilenrichtung, über die gesamte Länge des optischen Elements 10" erstrecken, während sie in der anderen Richtung, zum Beispiel der Reihenrichtung, wie bei den optischen Elementen 10, 10' der Fig. 2 und 3 aufeinander folgend angeordnet sind. Analog zu dem zweiten Ausführungsbeispiel ist es auch hier denkbar, jeweils eine Reihe zwischen zwei Mikroprismenstrukturen 13 auszusparen.
Durch die sich linear erstreckenden Mikroprismen 13 wird eine Querentblendung nur senkrecht zur Erstreckungsrichtung der Mikroprismen 13 erreicht. Das optische Element 10" gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel eignet sich deshalb insbesondere für Leuchten, in denen längliche Lampen, wie beispielsweise Leuchtstoffröhren, eingesetzt sind. Die Längsrichtung der Lampe verläuft dabei parallel zu der Erstreckungsrichtung der linearen Mikroprismen 13.
Wie in Fig. 4 außerdem angedeutet, sind die Zwischenräume zwischen den angrenzenden Mikroprismen 13 vorzugsweise mit einem reflektierenden Material 20, beispielsweise einer Metallfolie mit hohem Reflexionsvermögen, abgedeckt. Hierdurch wird erreicht, daß nur das Licht, das von der Lampe auf die die Lichteintrittsfläche bildenden Deckflächen 14 der Mikroprismen 13 trifft, durch das optische Element 10" abgestrahlt wird. Die auf die Abdeckung 20 auftreffenden Lichtstrahlen werden in das Innere der Leuchte zurück reflektiert und von einem in üblicher Weise hinter der Lampe angeordneten Reflektor wieder in Richtung auf das optische Element reflektiert.
Durch eine derartige reflektierende Abdeckung 20 kann der Wirkungsgrad des optischen Elements weiter erhöht werden. Anstelle der in Fig. 4 teilweise gezeigten Abdeckung 20 ist es auch möglich, die Zwischenräume bzw. Furchen 22 zwischen den Mikroprismen 13 vollständig mit einem reflektierenden Material zu füllen. In dieser Weise werden auch die Seitenwände 16 der Mikroprismen 13 total reflektierend ausgebildet, so daß Lichtstrahlen, die von innen auf diese Seitenwände 16 auftreffen, die Mikroprismen 13 nicht verlassen können. Alternativ hierzu können die Seitenwände 16 der Mikroprismen 13 auch mit einem reflektierenden Material beschichtet oder in anderen Art und Weise reflektierend ausgebildet sein.
Die hier am Beispiel des optischen Elements 10" von Fig. 4 genannten Maßnahmen finden selbstverständlich ebenfalls bei den ersten beiden Ausführungsbeispielen der Fig. 2 und 3 in analoger Weise Anwendung.
In den Fig. 5 bis 10 sind nun unterschiedliche Ausführungsbeispiele von Mikroprismen 12, 13 im Schnitt gemäß Linie A-A von Fig. 2 bzw. Fig. 4 dargestellt. Die nachfolgend beschriebenen Mikroprismen 12, 13 können wahlweise in den optischen Elementen 10, 10' , 10" der Fig. 2 bis 4 eingesetzt werden.
Die in Fig. 5 im Schnitt dargestellte Mikroprismenstruktur 12, 13 weist eine Wurzel 15, die im wesentlichen die Lichtaustrittsfläche 21 des optischen Elements bildet, und eine im wesentlichen parallel zu dieser angeordnete, die Lichteintrittsfläche bildende Deckfläche 14 auf. Die Seitenflächen 16 des Mikroprismas 12, 13 verlaufen leicht nach innen geneigt von der Wurzel 15 zu der Deckfläche 14, so daß sich die sich nach außen verjüngende Struktur ergibt. Dieser Neigungswinkel δ/2 der Seitenflächen 16 bestimmt den Furchenwinkel δ zwischen angrenzenden Mikroprismen 12, 13 des optischen Elements 10, 10" . Das Mikroprisma 12, 13 hat vorzugsweise eine quadratische bzw. rechteckige Form, kann aber ebenso ein beliebiges anderes, vorzugsweise regelmäßiges, Vieleck sein.
Die Lichteintrittsfläche 14 des Mikroprismas 12, 13 ist im vorliegenden ersten Ausführungsbeispiel von Fig. 5 konkav, d.h. nach innen gekrümmt. Der Grad der erforderlichen Krümmung hängt von den Abmessungen des Mikroprismas 12, 13, genauer gesagt von dem Verhältnis d.h, und von der Brechzahl n des transparenten Materials des Mikroprismas 12, 13 ab. Der Fachmann auf dem Gebiet der Optik wird jedoch ohne weiteres den im Einzelfall erforderlichen Wölbungsgrad der Lichteintritts- fläche 14 bestimmen können, um einen maximalen Lichtaustrittswinkel γmax von etwa 60-70° zu erzielen. Der Effekt der gekrümmten Lichteintrittsfläche 14 wird weiter unten anhand der Fig. HA und B näher beschrieben.
Das in Fig. 6 gezeigte zweite Ausführungsbeispiel des Mikroprismas 12, 13 unter- scheidet sich von dem oben beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel dadurch, daß die Lichteintrittsfläche 14 konvex, d.h. nach außen gekrümmt ist. Anstelle einer konkav oder konvex gekrümmten Lichteintrittsfläche 14 ist es ebenso möglich, eine stufen- oder kantenförmige Lichteintrittsfläche 14 vorzusehen, wie dies in den Ausführungsbeispielen der Fig. 7 bis 10 dargestellt ist.
Im Falle der beiden Ausführungsbeispiele von Fig. 7 und 8 setzt sich die Lichteintrittsfläche 14 aus Teilflächen zusammen, die in der Mitte der Lichteintrittsfläche 14 unterhalb bzw. oberhalb der (gedachten) Ebene der Lichteintrittsfläche zusammenlaufen und so eine eingesenkte bzw. erhabene Struktur ausbilden. Bei einer quadratischen Basisfläche des Mikroprismas 12 beispielsweise sind diese Teilflächen der Lichteintrittsfläche 14 dreieckförmig.
In dem fünften und dem sechsten Ausführungsbeispiel der Fig. 9 bzw. 10 setzt sich die Lichteintrittsfläche 14 ebenfalls aus mehreren Teilflächen zusammen. Eine Teilfläche ist parallel zu der Lichtaustrittsfläche 15 und der (gedachten) Ebene der Lichteintrittsfläche 14 etwa in der Mitte der Lichteintrittsfläche 14 und unterhalb bzw. oberhalb der (gedachten) Ebene der Lichteintrittsfläche 14 angeordnet. Die übrigen Teilflächen verbinden diese mittlere Teilfläche mit den Seitenwänden 16 des Mikroprismas 12, 13.
Selbstverständlich können im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch Kombinationen der oben anhand der Fig. 5 bis 10 beschriebenen Ausführungsformen des Mikroprismas und auch weitere ähnliche Ausgestaltungen ausgewählt werden. Hierbei sind die Deckflächen 14 entweder stetig oder nicht-stetig konkav oder konvex ausgebildet, d.h. immer zumindest in einem Teilbereich der Deckflächen 14 konkav oder konvex.
Anhand der Fig. HA und B wird nun der Effekt der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Mikroprismenstruktur 12, 13 auf die Wirkungsweise des optischen Elements 10, 10' , 10" im Vergleich zu einer herkömmlichen Mikroprismenstruktur 12, 13 erläutert.
In Fig. HA ist zunächst ein herkömmliches optisches Element im Schnitt gezeigt. Der Furchenwinkel δ zwischen benachbarten Mikroprismen 1 beträgt etwa 15°, das Rastermaß d der Mikroprismen 1 beträgt etwa 700 μm und die Breite der Lichteintrittsflächen 2 der Mikroprismen etwa 540 μm, so daß sich ein Verhältnis d:h von etwa 7: 12 ergibt. In Fig. HA ist beispielhaft ein einfallender Lichtstrahl 17 gezeigt, der unter einem flachen Einfallswinkel direkt an der Kante 5 auf die Lichteintrittsfläche 2 der Mikroprismenstruktur 1 trifft. Aufgrund der höheren Brechzahl n des transparenten Materials des optischen Elements wird der Lichtstrahl 17 zum Lot auf die Lichteintrittsfläche 2 hin gebrochen. Der gebrochene Lichtstrahl 17' läuft im Innern des Kerns des optischen Elements gerade an der Kante 6 zwischen den benachbarten Mikroprismen 1 vorbei und trifft auf die Lichtaustrittsfläche 3 bzw. in der Ver- längerung auf die Lichtaustrittsfläche der Basisfläche. An der Lichtaustrittsfläche wird der Lichtstrahl 17' aufgrund der niedrigeren Brechzahl der Umgebung vom Lot auf die Lichtaustrittsfläche 3 weggebrochen. Der aus dem optischen Element austretende Lichtstrahl 17" hat einen Austrittswinkel γ, der größer als der maximal erwünschte Austrittswinkel γmaλ von etwa 60° ist. Im Fall des herkömmlichen optischen Elements kann also eine Blendung für den Betrachter nicht vollständig ausgeschlossen werden.
Im Gegensatz zu dem herkömmlichen optischen Element von Fig. HA sind in dem optischen Element gemäß der vorliegenden Erfindung von Fig. 11B Mikroprismen- Strukturen 12, 13 sowohl mit konkav ausgebildeten Lichteintrittsflächen 14 als mit konvex ausgebildeten Lichteintrittsflächen 14 in einer Zeichnung dargestellt. Beispielhaft sind jeweils zwei Lichtstrahlen 18, die auf die Kanten der konkav ausgebildeten Lichteintrittsflächen 14 treffen, und zwei Lichtstrahlen 19, die auf die Kanten der konvex ausgebildeten Lichteintrittsflächen 14 treffen, gezeigt. Außerdem sind die Furchen 22 zwischen den Mikroprismen 12, 13 mit einer reflektierenden Abdeckung 20 versehen.
Die im Bereich der Kanten auf die konkav oder eingesenkt ausgebildete Lichteintrittsfläche 14 auftreffenden Lichtstrahlen 18 werden aufgrund des anderen Einfallswinkels auf die Lichteintrittsfläche im Vergleich zu dem in Fig. HA gezeigten Strahlenverlauf stärker zum Lot auf die (gedachte) Ebene der Lichteintrittsfläche hin gebrochen, so daß die im Kern 11 , 11' , 11 " des optischen Elements 10, 10' , 10" verlaufenden Lichtstrahlen 18' unter einem steileren Winkel auf die Lichtaustrittsfläche 21 der Mikroprismen 12, 13 bzw. des Kerns 11 , 11 ' , 11 " treffen. Diese Lichtstrahlen 18' werden zwar ebenfalls von dem Lot auf die Lichtaustrittsfläche 15 weggebrochen, ihr Austrittswinkel γ übersteigt aber in diesem Fall nicht den maximalen Austrittswinkel Ymax von 60° .
Eine konvexe oder erhabene Ausbildung der Lichteintrittsfläche 14 bewirkt hingegen, daß die im Bereich der Kanten auf die Lichteintrittsfläche 14 unter einem flachen Winkel auftreffenden Lichtstrahlen 19 im Vergleich zu dem in Fig. HA gezeigten Strahlenverlauf weniger zum Lot auf die (gedachte) Ebene der Lichteintrittsfläche hin gebrochen werden, so daß die Lichtstrahlen 19' auf die Seitenflächen 16 der Mikroprismen 12, 13 treffen und an diesen totalreflektiert werden. Dies hat zur Folge, daß auch die Lichtstrahlen 19' im Vergleich zu dem in Fig. HA gezeigten Strahlenverlauf unter einem steileren Winkel auf die Lichtaustrittsfläche 21 der Mikroprismen 12, 13 bzw. des Kerns 11, 11 ' , 11 " treffen und somit das optische Element unter einem ausreichend kleinen Austrittswinkel γ verlassen können (19").

Claims

Ansprüche
1. Optisches Element (10, 10' , 10") zur Umlenkung von in dieses eintretenden und wieder aus diesem austretenden Lichtstrahlen (18, 19), derart, daß deren Austritts- winkel (γ) begrenzt ist, mit einem plattenförmigen Kern (11, 11 ' , 11 ") aus transparentem Material, der an einer Seite mit Mikroprismen (12, 13) besetzt ist, die sich unter Bildung von Furchen (22) - von ihrer Wurzel (15) ausgehend - verjüngen, wobei die Gesamtheit der Mikroprismen-Deckflächen (14) die Lichteintrittsfläche und die andere Seite (21) des Kerns (11 , 11 ' , 11 ") die Licht- austrittsfläche bildet, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikroprismen-Deckflächen (14) in stetiger oder nicht-stetiger Form konvex oder konkav ausgebildet sind.
2. Optisches Element nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Mikroprismen-Deckflächen (14) konvex oder konkav gekrümmt sind.
3. Optisches Element nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Mikroprismen-Deckflächen (14) konvex oder konkav gestuft sind.
4. Optisches Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenflächen (16) der Mikroprismen (12, 13) reflektierend ausgebildet sind, so daß das Licht nicht durch die Seitenflächen (16) aus den Mikroprismen austreten kann.
5. Optisches Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Furchen (22) zwischen den benachbarten Mikroprismen (12, 13) reflektierend ausgebildet sind, so daß die Lichtstrahlen (18, 19) nur durch die Mikroprismen-Deckflächen (14) in das optische Element (10, 10' , 10") eintreten können.
6. Optisches Element nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Furchen (22) zwischen den benachbarten Mikroprismen (12, 13) mit einer Abdeckung (20) aus einem reflektierenden Material abgedeckt sind.
7. Optisches Element nach Anspruch 5 , dadurch gekennzeichnet, daß die Furchen (22) zwischen den benachbarten Mikroprismen (12, 13) mit einem reflektierenden Material aufgefüllt sind.
8. Verfahren zur Herstellung eines optischen Elements nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß derplattenförmige Kern (11 , 11 ' , 11 ") aus einem transparenten Block mechanisch herausgearbeitet wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Bearbeitung des transparenten Blocks mittels Laserstrahlen erfolgt.
10. Verfahren zur Herstellung eines optischen Elements nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das transparente Material des Kerns (11, 11 ' , 11 ") in eine entsprechende Form gegossen oder eingespritzt und anschließend mit Druck beaufschlagt wird.
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