DE69425204T2

DE69425204T2 - Beleuchtungssystem

Info

Publication number: DE69425204T2
Application number: DE69425204T
Authority: DE
Inventors: William James Cassarly; Mahendra Somasara Dassanayake; John Martin Davenport; Jeffrey Allen Erion; Richard Lowell Hansler; John X. Li
Original assignee: Ford Werke GmbH; Ford France SA; Ford Motor Co Ltd; Ford Motor Co; General Electric Co
Current assignee: Ford Werke GmbH; Ford France SA; Ford Motor Co Ltd; Ford Motor Co; General Electric Co
Priority date: 1993-09-02
Filing date: 1994-09-01
Publication date: 2001-03-01
Anticipated expiration: 2014-09-02
Also published as: CA2130422A1; DE69425204D1; US5560699A; EP0642047A1; EP0642047B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein zentrales Beleuchtungssystem und auf eine Lichtsammel- und -verteilungsanordnung.
Ausführungsbeispiele der Erfindung beziehen sich auf eine verbesserte optische Kopplungsanordnung zwischen einer Lampe und einem Lichtleiter. Insbesondere bezieht sich ein Ausführungsbeispiel der Erfindung auf eine derartige verbesserte optische Kopplungsanordnung, die für eine Lichtsammelkonfiguration hoher Effizienz sorgt, die in Relation zu einer eine hohe Helligkeit aufweisenden Lichtquelle angeordnet ist, wodurch für eine größere Lichtabgabemenge gesorgt wird, die am Ausgang von einem Lichtleiter zur Verfügung steht.

Hintergrund der Erfindung

Es sind kürzlich signifikante Designbemühungen auf die Aufgabe gerichtet worden, ein zentralisiertes Beleuchtungssystem zu schaffen, durch das eine einzige Lichtquelle von eine hohe Intensität aufweisendem Licht für die Beleuchtung von einer Anzahl getrennter entfernter Stellen verwendet werden könnte, die spezielle Lichtwerte erfordern. Derartige Bemühungen haben zu Vorschlägen von zentralen Beleuchtungssystemen für Bereiche wie beispielsweise Automobilbeleuchtung, Displaybeleuchtung für Werbezwecke beispielsweise und für Heimanwendung geführt. Ein Beispiel von einem derartigen zentralen Beleuchtungssystem, das in dem Automobilgebiet anwendbar ist, kann in dem US-Patent 4,958,263 gefunden werden, das für Davenport u. a. am 18. September 1990 erteilt und auf die gleiche Rechtsnachfolgerin wie die vorliegende Erfindung übertragen worden ist. Das Ziel dieses Automobil-Beleuchtungssystems und auch jedes anderen zentralen Beleuchtungssystems besteht darin, die effizienteste Lichtkopplung zwischen der Lichtquelle und der Lichtverteilungsanordnung und dann die effizienteste Lieferung des Lichtes, das von der Lichtverteilungsanordnung abgegeben wird, zu erzielen, die dann üblicherweise eine optische Faser, Lichtleiter oder ein Äquivalent ist. Ein Beispiel von einem Versuch, die Lichtlieferung an einem bestimmten Punkt zu maximieren, kann in dem Französischen Patent 1,383,413 gefunden werden, das an Karl Storz für eine Vorrichtung zur Beleuchtung von Betriebsfeldern erteilt worden ist. Diese Erfindung verwendet zwei im Abstand angeordnete Reflektoren auf jeder Seite von einer Glühlichtquelle, um Licht in einer effizienteren Art und Weise für eine Verwendung während chirurgischer Verfahren zu sammeln. Für eine Automobilanwendung oder jede andere Situation, wo Raumüberlegungen von signifikanter Wichtigkeit bei dem Design von einem zentralisierten Beleuchtungssystem sind, würde es vorteilhaft sein, Komponenten, wie beispielsweise Lichtleiter, Kopplungselemente und die tatsächliche Lichtquelle, zu verwenden, die eine derartig verkleinerte Größe haben, daß verkleinerte Raumerfordernisse gestattet sind, um sich dadurch vorteilhaft für ein aerodynamisch abgeschrägtes Erscheinungsbild am Frontende von dem Fahrzeug zu erweisen. Genauer gesagt, sollte für ein zentrales Beleuchtungssystem, um von einem ökonomischen Standpunkt akzeptabel zu sein, die Größe des Lichtleiters in der Größenordnung von 6 mm oder weniger im Durchmesser sein, um eine maximale Flexibilität beim Systemdesign zu gestatten. In einer Automobilanwendung erfordern gegenwärtige Designs einen Lichtleiter mit einem Durchmesser von etwa 10 mm, um für eine ausreichende Größe der Lichtabgabe für einen Frontlampen-Anwendungstyp zu sorgen. Bekannte Techniken gestatten einen Intensitätswert von etwa 10 Lumen pro Quadratmillimeter, was, unter Verwendung eines 10 mm Lichtleiters, etwa 785 Lumen zur Folge haben würde, die für eine Lieferung auf die Straßenoberfläche zur Verfügung stehen. Obwohl dies ein akzeptabler Wert der Lichtabgabe ist, wird dieser unter Verwendung eines Lichtleiters erzielt, der groß ist, ein vergleichsweise signifikantes Gewicht hat und dem Flexibilität fehlt relativ zu einem Lichtleiter mit einem Durchmesser von 6 mm oder weniger. Es würde deshalb vorteilhaft sein, eine Lichtkopplungsanordnung zu schaffen, die eine höhere Energiedichte erzielen könnte, um einen Lichtleiter mit einem kleineren Durchmesser zu gestatten.
Der Vorteil der Verwendung eines Lichtleiters mit verkleinertem Durchmesser kann gewürdigt werden, wenn man berücksichtigt, dass ein derartiger Lichtleiter mit kleinem Durchmesser eine höhere Lichtstromintensität liefert, die in Lumen pro Querschnittsflächeneinheit des Lichtleiters gemessen wird. Um das effektivste Lichtlieferungssystem zu schaffen, muss im wesentlichen das gesamte Licht von dem Bild einer Lichtquelle hoher Helligkeit in die Eingangsfläche von dem Lichtleiter eingeführt werden. Für die vorliegende Erfindung wurde eine Lichtquelle mit einer Flussmessung von über 4000 Lumen verwendet, die von einer Entladungslampe mit einem Bogenspalt von weniger als 4 mm geliefert wurde, wobei eine derartige Lichtquelle von der General Electric Lighting in der Form von der Lichtquelle hoher Helligkeit Modell LE60, Light EngineTM verfügbar ist. Um die gewünschte Effizient unter Verwendung eines Lichtleiters mit einem kleineren Durchmesser zu erzielen, würde es erforderlich sein, dass die Vergrößerung des Bildes, das von einem Reflektor gebildet wird, der der Lichtsammelnordnung zugeordnet wird, verkleinert wird, bevorzugt auf eine Vergrößerung von Eins. Es ist im Stand der Technik bekannt, dass eine Vergrößerung von Eins der Lichtquelle erzielt werden kann, indem ein sphärischer Reflektor anstelle eines ellipischen verwendet wird. US-Patent 4,956,759, erteilt für Goldenberg u. a. am 11. September 1990, beschreibt ein Beleuchtungsystem, das einen sphärischen Reflektor verwendet, um ein Bild mit der Vergrößerung Eins zu formen. In einem derartigen System wird die Lichtquelle nahe der Mitte der Krümmung des Reflektors angeordnet, und ein Bild mit der Vergrößerung Eins wird an einem Punkt nahe der Quelle gebildet.
Es kann weiterhin gesehen werden, dass es für eine Automobilanwendung, insbesondere die Frontbeleuchtungserfordernisse, vorteilhaft sein würde, eine zentrale Beleuchtungsanordnung vorzusehen, die für eine Beleuchtung von beiden Seiten eines Fahrzeug von einer einzigen Lichtquelle sorgen könnte. Es würde auch vorteilhaft sein, wenn eine derartige Anordnung mit einer einzigen Lichtquelle und einer doppelten Lichtabgabe mit der höchsten möglichen Kopplungseffizienz erzielt werden könn te, beispielsweise einer Effizienz von mehr als etwa 60 bis 70% der verfügbaren Lumenabgabe der Lichtquelle. Die Verwendung bekannter Lichtkopplungstechniken, die eine zentrale Lichtquelle und eine Anordnung von Lichtleitern erhält, erzielt üblicherweise eine Kopplungseffizienz in der Größenordnung von etwa 40%. Indem also ein größerer Prozentsatz der Lichtquelle durch die Lichtleiter effizienter gekoppelt wird, steht mehr Licht für andere Zwecke zur Verfügung, wie beispielsweise die rückseitige Beleuchtung von einem Fahrzeug und auch andere innere Fahrzeugbeleuchtung. Selbstverständlich würde eine derartige Lichtkopplungseffizienz auch für einen signifikanten Vorteil für andere Anwendungsgebiete sorgen, wie beispielsweise Displaybeleuchtung für Werbezwecke.
Es ist ein weiteres Erfordernis von einem derartigen zentralen Beleuchtungssystem, daß Licht, das von der Lichtquelle durch die zugeordnete Reflektoranordnung gesammelt wird, in den Lichtleiter unter einem genügend kleinen Winkel eingegeben wird, um so für einen ausreichenden Lichteinfang an der Eingangsfläche des Lichtleiters zu sorgen. Mit anderen Worten, um einen Lichtleiter mit einem Wert der Numerischen Apertur(NA) von 0,5 zu verwenden, ist es notwendig, das Licht in die Eingangsfläche von dem Lichtleiter unter einem Winkel von etwa 30º oder weniger einzuführen. In einer typischen Lichtsammelanordnung, die einen nahezu halbkugelförmigen elliptischen Reflektor verwendet, liegt der Eintrittswinkel des Lichtes in die Eingangsfläche in der Größenordnung von mehr als 50º. Obwohl es möglich sein würde, eine optische Faser mit einer größeren Numerischen Apertur zu verwenden, um einen Eintritt von Licht unter einem größeren Eintrittswinkel zu gestatten, ist eine derartige optische Faser teurer und weniger in der Lage, eine Biegung aufzunehmen, wie es beispielsweise bei einer Frontbeleuchtungsanwendung bei einem Fahrzeug erforderlich ist. Demzufolge würde es für ein neues zentrales Beleuchtungssystem ein Vorteil sein, wenn eine Vorrichtung vorgesehen sein könnte, die den Eintrittswinkel verkleinern würde, um so ein effizienteres Einfangen von Licht an der Eingangsfläche von dem Lichtleiter mit einer 0,5 NA oder kleiner zu gestatten und für eine effizientere Übertragung zum Ausgangsende zu sorgen.

Zusammenfassung der Erfindung

Ein zentrales Beleuchtungssystem mit einer eine hohe Helligkeit aufweisender Lichtquelle und einer zugeordneten Lichtsammel- und -kopplungsanordnung sorgt dafür, dass eine einzige Lichtquelle einen signifikanten Anteil seiner Lichtabgabe an mehr als eine Ausgangsöffnung liefert für eine Übertragung zu einer von der zentralen Lichtquelle entfernten Anzahl von Orten. Dieses zentrale Beleuchtungssystem sieht die Sammel- und Kopplungsanordnung in einer derartigen Art und Weise vor, dass eine Lichtkopplungseffizienz von mehr als etwa 60 bis 70% erzielt wird und das Licht aus großen Winkeln gesammelt wird, ohne dass signifikante Verluste auftreten, indem diese großen Winkel zu kleineren Winkeln verkleinert werden, um so die Kopplung mit Lichtleitern oder optischen Fasern mit einer Numerischen Nennapertur von etwa 0,5 zu gestatten.
Gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung wird eine Lichtsammel- und -verteilungsvorrichtung zum Sammeln und Koppeln der Lichtabgabe von einer Lichtquelle mit einem entfernten Ort geschaffen, wobei die Vorrichtung eine Lichtquelle, ein erstes und zweites elliptisches Lichtsammel-Reflektorteil aufweist, wobei jedes Reflektorteil eine Hauptachse, die die zwei Fokalpunkte der zugeordneten elliptischen Form enthält, und eine Nebenachse hat, die senkrecht zur Hauptachse ist und die Mitte der elliptischen Form enthält, wobei die ersten und zweiten Reflektorteile zueinander gerichtet und miteinander verbunden sind, um so gemeinsam die Lichtquelle zu umgeben, wobei die zwei Reflektoren in Bezug zueinander so angeordnet sind, daß die entsprechenden Hauptachsen colinear sind, die entsprechenden Nebenachsen in Richtung der Hauptachsen in Bezug zueinander versetzt sind und einer der Fokalpunkte des ersten Reflektorteils mit einem der Fokalpunkte des zweiten Reflektorteils koinzidiert,
einen ersten und einen zweiten Lichtleiter, wobei jeder Lichtleiter einen Lichteingangsabschnitt hat, der in der Umhüllung angeordnet ist, die durch die zwei verbundenen Reflektoren bestimmt ist, und eine Lichteingangsfläche und einen Ausgangsabschnitt aufeist, der außerhalb der Umhüllung angeordnet ist zum Verteilen von Licht auf einen entfernten Ort, wobei die Lichtquelle an dem Koinzidenzpunkt von dem einen der Fokalpunkte von jedem der ersten und zweiten Reflektorteile angeordnet ist und die Lichteingangsflächen der ersten und zweiten Lichtleiter auf entsprechende Weise an dem anderen der Fokalpunkte von jedem der ersten und zweiten Reflektorteile angeordnet sind.
Die Erfindung wird nun mit weiteren Einzelheiten anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezug auf Fig. 2 der Zeichnungen beschrieben, wobei die Anordnungen der Fig. 1 und 3 bis 6 von der Erfindung nicht umfasst sind und der Klarheit halber beigefügt sind. In den Zeichnungen:
Fig. 1 ist eine Seitenansicht im Schnitt von einem zentralen Beleuchtungssystem mit einer einzigen Ausgangsöffnung;
Fig. 2 ist eine Seitenansicht im Schnitt von einem zentralen Beleuchtungssystem, das eine duale Lichtabgabeanordnung aufweist und gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung aufgebaut ist;
Fig. 3 ist eine Seitenansicht im Schnitt von einem zentralen Beleuchtungssystem, das einen Doppelausgang hat und eine Strahlverfolgung seiner Lichtsammel- und -kopplungscharakteristik enthält;
Fig. 4 ist eine Seitenansicht im Schnitt von einem zentralen Beleuchtungssystem, das eine duale Lichtabgabeanordnung aufweist;
Fig. 5 ist eine isometrische Ansicht im Schnitt von einem Lichtkopplungsteil, das in Verbindung mit dem zentralen Beleuchtungssystem verwendet wird, wie es in Fig. 4 gezeigt ist;
Fig. 6 ist eine Seitenansicht im Schnitt von einem anderen zentralen Beleuchtungssystem, das einen dualen Ausgang aufweist.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Wie in Fig. 1 zu sehen ist, enthält ein zentrales Beleuchtungssystem 10 zur Lieferung einer Lichtabgabe an wenigstens einer Stelle entfernt von der tatsächlichen Lichtquelle 12 ein erstes Reflektorteil 14, das in einer Nachbarschaftsrelation zu einem zweiten Reflektorteil 16 angeordnet ist, um so die Lichtquelle 12 im wesentlichen zu umgeben. Die Lichtquelle für ein derartiges zentrales Beleuchtungssystem 10 kann durch eine Light EngineTM Lichtquelle Modell LE60 gebildet sein, das von GE Lighting zur Verfügung steht. Diese Lichtquelle 12 ist in der Lage, eine Lichtabgabe in dem Bereich von mehr als 4000 Lumen von einem Bogenspalt von etwa 2,5 mm zu liefern und ist in US-A-5239230 beschrieben (US-Anmeldenummer 07/858,906 mit dem Titel "High Brightness Discharge Light Source", eingereicht am 27. März 1992 im Namen von Mathews u. a. und auf die gleiche Rechtsnachfolgerin übertragen wie die vorliegende Erfindung). Es sollte jedoch verständlich sein, dass zwar eine Entladungslichtquelle hoher Helligkeit bevorzugt ist, dass es aber möglich ist, eine Glühlichtquelle hoher Helligkeit in der vorliegenden Anordnung zu verwenden und die signifikante Effizienz in der Lichtkopplung zu erzielen, die durch die vorliegende Erfindung geboten wird.
Wie in Fig. 1 angegeben ist, ist der erste Reflektor 14 in der Form von einem Ellipsoid konfiguriert, der im wesentlichen halbkugelförmig ist, wogegen das zweite Reflektorteil 16 in der Form von einem Sphäroid konfiguriert ist. Die entsprechenden Achsen von dem ellipsoiden ersten Reflektor 14 und dem sphärischen zweiten Reflektor 16 sind in Fig. 1 ebenfalls angegeben durch gestrichelte Linien I-I und II-II, die zueinander versetzt sind, wobei die Lichtquelle 12 auf der sphärischen Achse von dem zweiten Reflektor 16 ruht. In Bezug auf die relative Größe zwischen dem ersten Reflektor 14 und dem zweiten Re flektor 16 kann gesehen werden, dass der zweite Reflektor 16 größer ist und dass, wenn die ersten und zweiten Reflektoren verbunden sind, um so die Lichtquelle 12 im wesentlichen zu umgeben, eine im wesentlichen muschelförmige Konfiguration entsteht.
Durch diese muschelförmige Konfiguration ist der zweite Reflektor 16 wirksam, um ein Bild der Lichtquelle 12 zurück auf sich selbst zu formen und somit die Lichtmenge effektiv zu verdoppeln, die in die Eingangsfläche 20 von einem optischen Lichtleiter 18 eintritt, der in der muschelförmigen Konfiguration der verbundenen ersten und zweiten Reflektorteile 14 und 16 angeordnet ist. Dies ist möglich, weil der Lichtbogen für seine eigene Strahlung im wesentlichen transparent ist. Wenn die Lichtsammel- und -kopplungsanordnung gemäß Fig. 1 mit einer Glühlichtquelle als eine Alternative verwendet wird, würde der Glühfaden nahezu undurchlässig erscheinen, wodurch erforderlich wird, dass der sphärische zweite Reflektor 16 leicht bewegt wird, so dass das Bild neben dem tatsächlichen Glühfaden liegen würde und beide würden auf der Eingangsfläche 20 von dem optischen Lichtleiter in einer ähnlichen Art und Weise zu derjenigen abgebildet sein, die erzielt wird, wenn eine Lichtquelle des Entladungstyps verwendet wird.
Wie in Fig. 2 gezeigt ist, verwendet eine Anordnung gemäß der Erfindung zur Schaffung eines zentralen Lichtsystems 30 mit einer effizienten Kopplungsanordnung zwischen der Lichtquelle 12 und mehr als einem optischen Lichtleiter 32, 34 zwei elliptische Reflektoren, die jeweils Vergrößerungsverhältnisse von etwa 1 haben und in einer wesentlich versetzten Art und Weise verbunden sind, so dass die entsprechenden elliptischen Achsen um eine ausreichende Strecke versetzt sind, damit die Lichtquelle 12 dazwischen angeordnet werden kann. Die in Fig. 2 gezeigten elliptischen Reflektoren 36, 38 sind achs-versetzte Ellipsen; das heißt, die Achse von jedem elliptischen Reflektor 36, 38 ist vertikal angeordnet, wie es in dieser Figur zu sehen ist. Wie weiterhin in Fig. 2 zu sehen ist, sind die zwei optischen Lichtleiter 32 und 34 innerhalb der verbundenen Konfigu ration der ersten und zweiten Reflektorteile 36, 38 angeordnet, so dass ihre entsprechenden Eingangsflächen 40, 42 entlang der Querachse angeordnet sind, an der die Reflektorteile 36 und 38 verbunden sind, und wobei ferner die Längsachsen von den zwei optischen Lichtleitern 32, 34 in einer parallelen, aber versetzten, Art und Weise relativ zu den elliptischen Achsen der Reflektorteile 36, 38 angeordnet sind. Auf diese Weise kann die Lichtquelle 12 an dem einen der zwei optischen Brennpunkte von jedem der elliptischen Reflektoren ruhen, und die Eingangsfläche von dem einen der Lichtleiter kann an dem anderen der optischen Brennpunkte ruhen.
Eine zentrale Beleuchtungsanordnung gemäß der Erfindung ist in Fig. 2 gezeigt und ist besonders geeignet für eine Fahrzeug-Frontbeleuchtungsanwendung, wobei Lichtleiter 32, 34 mit dem gleichen Durchmesser verwendet werden, um die gleiche Lichtmenge beispielsweise an die linken und rechten Frontlampenpositionen zu liefern. Wenn in einem derartigen Beispiel die Lichtquelle eine 40 Watt Metallhalogenid-Bogenentladungs- Lichtquelle wäre, die einen Bogenspalt von etwa 2,5 mm mit etwa 3000 Lumenabgabe hat, und die Lichtleiter einen Durchmesser von etwa 3 mm haben würden, würde jeder Lichtleiter 32, 34 etwa 1000 Lumen der Lichtabgabe empfangen und sogar Reflexionsverluste gestatten. Die Fläche der Lichtleiter 32, 34 mit einem Durchmesser von 3 mm würde etwa sieben Quadratmillimeter betragen, so dass die Lichtdichte in den Lichtleitern 32, 34 in der Größenordnung von etwa 140 Lumen pro Quadratmillimeter sein würde, was für eine derartige Automobilanwendung recht angemessen ist.
Noch ein anderes Ausführungsbeispiel, das nicht von der Erfindung umfasst ist, von einem zentralen Beleuchtungssystem 50, das besonders geeignet ist zur Übertragung von Licht zu einer Anzahl von entfernten Stellen von einer einzelnen Lichtquelle 12, ist in Fig. 3 gezeigt, wo zusätzlich zu der Darstellung von Komponenten, die eine derartige Beleuchtungsanordnung 50 aufbauen, diese Figur einen Strahlengang darstellt, wie das von der Lichtquelle 12 abgegebene Licht durch die Reflektoranordnung gesammelt und mit den Lichtleitern gekoppelt wird.
In dieser Fig. 3 ist ein erster elliptischer Reflektor 52, der von einem Teil von einer Ellipse mit Nebenachsen a = b = 25 mm und einer Hauptachse c = 25,6 mm gebildet ist, mit seiner Öffnung koinzident mit derjenigen von einem anderen ähnlichen elliptischen Reflektor 54. Selbstverständlich sind diese Größen nur als Beispiele gedacht um anzugeben, dass das Verhältnis von a, b zu c für elliptische Reflektoren zwischen etwa 102 und 108 Prozent sein sollte. Der Abstand von der Mitte von einer derartigen Ellipse zu den Brennpunkten von jedem Reflektor 52, 54 ist gegeben durch die Quadratwurzel aus dem Quadrat der Hauptachse c minus dem Quadrat der Nebenachsen a, was einen Wert von 5,6 mm zur Folge hat.
Die Lichtquelle 12 ist quer zu einer gemeinsamen optischen Achse 56 der elliptischen Reflektoren 52, 54 und einem gemeinsamen ersten Brennpunkt 58 von diesen beiden Reflektoren 52, 54 angeordnet. Die Öffnungen der elliptischen Reflektoren 52, 54 koinzidieren mit der Ebene 60, die durch den gemeinsamen ersten Brennpunkt 58 der elliptischen Reflektoren 52, 54 gebildet ist, wobei diese Ebene 60 ferner senkrecht zu der optischen Achse 56 ist. Ein erster Lichtleiter 62 führt durch den zweiten elliptischen Reflektor 54 hindurch und seine Eingangsfläche 64 ist an dem zweiten Brennpunkt von dem ersten elliptischen Reflektor 52 angeordnet. In ähnlicher Weise führt ein zweiter Lichtleiter 66 durch den ersten elliptischen Reflektor 52 hindurch, und seine Eingangsfläche 68 ist an dem zweiten Brennpunkt von dem zweiten elliptischen Reflektor 54 angeordnet. Die in Fig. 3 gezeigten Lichtstrahlen kommen von einer Lichtquelle 12, die einen Bogenspalt von etwa 2,5 mm hat, was dazu führt, dass sich die Lichtquelle auf etwa 1,25 mm auf jeder Seite der optischen Achse 56 erstreckt. Wie gezeigt ist, treffen die Strahlen von der Lichtquelle 12 alle auf die entsprechenden Eingangsflächen 64, 68 von den ersten und zweiten Lichtleitern 62, 66 auf. Unter Verwendung der obigen Abmessungen für die Reflektoren 52, 54 und die Lichtleiter beträgt der maximale Winkel, unter dem die Lichtstrahlen auf die Eingangsflächen 64, 68 auftreffen, etwa 66 Grad von der Senkrechten auf die Oberfläche. Nach der Beugung an der Oberfläche der Eingangsfläche wird dieser Winkel 37 Grad in dem Lichtleitermaterial, das einen Brechungsindex von etwa 1,5 haben kann, wodurch eine innere Totalreflexion entsteht, wenn das Licht durch die Lichtleiter 62, 66 übertragen wird.
Fig. 4 stellt noch ein anderes Beispiel von einem zentralen Beleuchtungssystem 100 dar, bei dem eine Lichtquelle 12 in einem ersten und einem zweiten elliptischen Reflektor 102, 104 angeordnet ist. Die Reflektoren 102, 104 haben im wesentlichen die gleichen Abmessungen und, wenn sie an ihren entsprechenden Öffnungen miteinander verbunden sind, haben sie eine Lichtsammelanordnung zur Folge, die die Lichtquelle 12 umgibt. In dem in Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die elliptischen Reflektoren 102, 104 so aufgebaut, dass sie ein a, b zu c Verhältnis von etwa 1,06 haben, wodurch gestattet wird, dass der zweite Brennpunkt von jedem der elliptischen Reflektoren 102, 104 an dem Scheitel von seinem gegenüberliegenden Gegenreflektor ruht. Bei einer derartigen Konfiguration ist gemessen worden, dass der Spitzensammelwinkel für Licht, das in die Eingangsflächen der Lichtleiter eintreten würde, wie es in den Fig. 1 bis 3 dargestellt ist, in der Größenordnung von etwa 53 Grad liegen würde. Bei diesem großen Winkel breiten sich Lichtstrahlen nicht durch viele optische Fasern aus, insbesondere denjenigen, die eine Numerische Nennapertur von etwa 0,5 haben. Es ist verständlich, dass, wenn ein Lichtleiter mit einem NA Nennwert von 0,65 verwendet werden würde, der Spitzensammelwert von 53 Grad geeignet sein würde, um eine Ausbreitung der Lichtstrahlen durch diese optische Faser zu gestatten.
In einer Situation, wo ein optischer Lichtleiter verwendet wird, der einen kleineren NA Nennwert hat, um einen signifikanten Lichtverlust zu vermeiden, wie er anderenfalls durch die Unfähigkeit herbeigeführt würde, Licht bei den größeren Winkeln zu übertragen, ist es deshalb erforderlich, für einen gewissen Weg der Konditionierung der Lichtstrahlen zu sorgen, bevor sie an der Eingangsfläche von einem derartigen Lichtleiter anstehen. Um dieses Problem zu lösen, sind entsprechende erste und zweite nicht-bildgebende optische Kopplungs teile 106 und 108 vorgesehen, die in Fig. 4 gezeigt sind, und die im Detail in Fig. 5 gezeigt sind. Die nicht-bildgebenden optischen Kopplungsteile 106, 108 haben die Funktion, eine Winkel-zu-Fläche-Umwandlung auszuführen, so dass Lichtstrahlen, die an den entsprechenden Eingangsflächen 110, 112 unter einem großen Winkel und über einer kleinen Fläche eintreten, in Lichtstrahlen an den Ausgangsflächen 114, 116 der Kopplungsteile 106, 108 unter kleineren Winkeln, aber über einer größeren Fläche relativ zu derjenigen an den Eingangsflächen 110, 112 umgewandelt werden können. Auf diese Weise können die Lichtstrahlen, die an den Ausgangsflächen erscheinen, einen genügend kleinen Winkel haben, beispielsweise 30 Grad, um so auf effiziente Weise mit einem oder mehreren Lichtleitern gekoppelt zu sein, die optisch mit den entsprechenden Ausgangsflächen 114, 116 der ersten und zweiten optischen Kopplungsteile 106, 108 gekoppelt sind. Ein Weg zum Ausführen dieser Winkel-zu-Fläche- Umwandlung besteht darin, die optische Kopplungsvorrichtung zu verwenden, die in Fig. 5 gezeigt ist und die in der Form von einem Compound Parabolsammler (CPC) konfiguriert ist. Es ist auch möglich, die erforderliche Winkel-zu-Fläche-Umwandlung unter Verwendung von anderen geformten optischen Kopplungsvorrichtungen auszuführen, wie beispielsweise einer konisch geformten Vorrichtung oder einer hyperbolisch geformten Vorrichtung, die beide als Variationen von der Grundidee der Ausführung der Winkel-zu-Fläche-Umwandlung gemäß den oben erörterten Prinzipien betrachtet werden.
Wie in bezug auf die zentralen Beleuchtungssysteme gemäß den Fig. 1 bis 3 ausgeführt wurde, ist das in Fig. 4 gezeigte System 100 auch wirksam, wenn es in Verbindung mit entweder einer Entladungslichtquelle oder einer Glühlichtquelle verwendet wird. In jedem Fall sind Messungen gemacht worden und es wurde gefunden, dass die Bilder von der Quelle 12, die an den Brennpunkten gebildet sind, aufgrund von Licht entstehen, das nahe dem Scheitel von jedem der elliptischen Reflektoren 102, 104 auftrifft und um einen Faktor 2 vergrößert wird, wogegen Licht, das nahe der Stelle auftrifft, wo die zwei elliptischen Reflektoren 102, 104 verbunden sind, ein Vergrößerungs verhältnis von nahe Eins hat. Für eine Lichtquelle 12, die 3 mm mal 1 mm beträgt, das heißt, eine Lichtquelle, die im wesentlichen oval geformt ist, wobei sich die kleinere Abmessung in das Blatt von Fig. 4 erstreckt, ist ermittelt worden, dass 98% der Lichtstrahlen in einem 6 mm · 3 mm Bereich fokussiert sind. Der Spitzenwinkel an diesem Punkt ist mit 53 Grad gemessen worden, wobei etwa 68% von dem Licht unter Winkeln zwischen 30 und 53 Grad einfällt, wodurch es kritisch gemacht wird, dieses Licht zu sammeln, um eine hohe Kopplungseffizienz zu erzielen. Wenn die Winkel-zu-Fläche-Umwandlung durch Verwendung der optischen Kopplungsteile 106, 108 ausgeführt wird, wird die Ausgangsfläche 9,6 mm · 4,8 mm. Bei Verwendung dieser Werte wurde gefunden, dass die vorliegende Erfindung, bei Verwendung einer Light EngineTM Lichtquelle mit einer Lichtabgabe von 4200 Lumen, eine Abgabe in dem Bereich von mehr als 3000 Lumen für eine Effizienz von mehr als 70% liefern kann.
Um die Vorteile dieser Anordnungen weiter darzustellen, kann ein Vergleich der Leistungsfähigkeit des in Fig. 4 gezeigten zentralen Beleuchtungssystems 100 mit derjenigen von einem System gemacht werden, das einen bekannten elliptischen Reflektor verwendet, wie er beispielsweise in der gleichzeitig übertragenen US-Patentanmeldung Nr. 07/660,388, eingereicht am 21. Februar 1991, im Namen von Davenport u. a., siehe EP-A- 0501668, gefunden werden kann. Unter Verwendung eines derartigen konventionellen Reflektors sind Messungen gemacht worden, die eine Sammeleffizienz von etwa 40% (2000 Lumen übertragen von einer 4200 Lumen abgebenden Lichtquelle) und eine Bildvergrößerung von etwa 4,2 anzeigen, wodurch ein signifikant größerer Lichtleiter für eine Einkopplung erforderlich wird. Bei einem derartigen Wert der Bildvergrößerung würde eine optische Faser mit 12,6 mm Durchmesser (eine Fläche von etwa 125 mm²) erforderlich sein, wogegen bei der Doppelportanordnung, wie sie in Fig. 4 gezeigt ist, die Summe von beiden Flächen der optischen Kopplungsteile 106, 108 in der Größenordnung von etwa 92 mm² liegt, was einen Helligkeitswert von dem etwa 1,36fachen von demjenigen des üblichen Reflektors mit einem einzelnen Port zur Folge hat. Zusätzlich sieht die Doppelportanordnung mehr von dem Licht, das von der Lichtquelle 12 emittiert wird, und sammelt dadurch von 4 pi Steradian im Vergleich zu 1,4 pi Steradian für einen üblichen Reflektor. Diese zusätzliche Sammeleffizienz bei hoher Helligkeit ist besonders vorteilhaft für Lichtquellen, die gleichförmigere Lumenintensitätsprofile haben als die LE60 Lichtquelle, die zuvor geschrieben wurde.
Wie in Fig. 6 zu sehen ist, ist ein weiteres zentrales Beleuchtungssystem 70 dargestellt, das im wesentlichen die gleichen Komponenten verwendet, wie sie in Fig. 3 dargestellt sind, aber trotzdem gestattet, dass die Eingangsflächen 64, 68 der Lichtleiter 62, 66 außerhalb der entsprechenden Reflektorteile 52, 54 angeordnet sind. Um in einer derartigen Anordnung eine maximale Kopplungseffizienz sicherzustellen, sind die Öffnungen 72 am Scheitel von den Reflektorteilen 52, 54 vergrößert im Vergleich zu denjenigen, die in Fig. 3 gezeigt sind. Zusätzlich sind die Basis-zu-Höhe-Verhältnisse für die Reflektoren geändert worden, um zu gestatten, dass der zweite optische Brennpunkt außerhalb des Raumes ruhen, der von den Reflektoren 52, 54 eingenommen wird.
Obwohl das Ausführungsbeispiel, das in bezug auf Fig. 2 beschrieben ist, ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt, ist verständlich, dass Veränderungen daran vorgenommen werden können, ohne von dem Schutzumfang der Erfindung abzuweichen, wie er in den beigefügten Ansprüchen definiert ist. In anderen Abwandlungen, die nicht von der vorliegenden Erfindung umfasst sind, würde es möglich sein, die Reflektoranordnung so zu konfigurieren, dass mehr als zwei Reflektorteile und die zugeordneten optischen Kopplungsvorrichtungen erhalten werden, und dass trotzdem dafür gesorgt wird, dass der zweite optische Brennpunkt am Scheitel von Reflektorteilen der gegenüberliegenden Seite ruhen. In einem derartigen Fall würde es möglich sein, mehr als zwei Ausgangsports vorzusehen. Zusätzlich sind zwar die optischen Kopplungsteile 106 und 108 so gezeigt, dass sie eine rechtwinklig geformte Eingangsfläche 110, 112 haben, aber es ist möglich, für eine Eingangsfläche zu sorgen, die kreisförmig ist oder ein kleine res Seitenverhältnis hat, um so für eine Glühlichtquelle anwendbar zu sein.

Claims

1. Lichtsammel- und Verteilungsvorrichtung (30) zum Sammeln und Verbinden der Lichtabgabe von einer Lichtquelle (12) mit einem entfernten Ort, wobei die Vorrichtung eine Lichtquelle (12), ein erstes (36) und zweites (38) elliptisches Lichtsammel-Reflektorteil aufweist, wobei jedes Reflektorteil eine Hauptachse, die die zwei Fokalpunkte der zugeordneten elliptischen Form enthält, und eine Nebenachse hat, die senkrecht zur Hauptachse ist und die Mitte der elliptischen Form enthält, wobei die ersten und zweiten Reflektorteile zueinander gerichtet und miteinander verbunden sind, um so gemeinsam die Lichtquelle zu umgeben, wobei die zwei Reflektoren in Bezug zueinander so angeordnet sind, daß die entsprechenden Hauptachsen colinear sind, die entsprechenden Nebenachsen in Richtung der Hauptachsen in Bezug zueinander versetzt sind und einer der Fokalpunkte des ersten Reflektorteils mit einem der Fokalpunkte des zweiten Reflektorteils koinzidiert,

einen ersten (34) und einen zweiten (32) Lichtleiter, wobei jeder Lichtleiter einen Lichteingangsabschnitt hat, der in der Umhüllung angeordnet ist, die durch die zwei verbundenen Reflektoren bestimmt ist, und eine Lichteingangsfläche (42, 40) und einen Ausgangsabschnitt aufeist, der außerhalb der Umhüllung angeordnet ist zum Verteilen von Licht auf den entfernten Ort,

wobei die Lichtquelle an dem Koinzidenzpunkt von dem einen der Fokalpunkte von jedem der ersten und zweiten Reflektorteile angeordnet ist und die Lichteingangsflächen der ersten und zweiten Lichtleiter auf entsprechende Weise an dem anderen der Fokalpunkte von jedem der ersten und zweiten Reflektorteile angeordnet sind.

2. Lichtsammel- und Verteilungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei das von der Lichtquelle (12) abgegebene Licht in die Eingangsfläche mit einem Verstärkungswert von etwa eins eingegeben wird.