专利名称：利用塑料片的光导管的制作方法
技术领域：
本发明属于用于分配来自一光源的光的光导管。尤其是，本发明涉及由简单的塑料片材料构成的节约成本的高效光导管。
背景技术：
光导管通常是以表面/空气界面提供全内反射(TIR)构成的光学材料制成的管道，它使来自一光源的光在一大面积范围内分配。在Lorne A.Whitehead的4,260,220号题为“具有八边形表面的棱镜光波导”的美国专利中描述了这种光导管的一个例子。Minnesota Mining and Manufacuring Company(3M)生产了一种市售的光学材料，叫做Optical Lighting Film(光学照明膜)(OLF)，这一光学材料用于构成光导管。在4,906,070号美国专利中描述了OLF的一个例子。
常规光导管的一个问题在于，光学材料由微弯折(micro-replicated)棱镜、穿孔的镀银塑料或透明表面上的复杂介电涂层构成。这些方案比较复杂和费钱。
常规光导管的另一个问题在于，上述材料中的某些材料对于把来自光源的光分配到待照亮的环境中不是非常有效。例如，提供TIR的光学材料被设计成能把光包含在材料内。这些被捕获的光在出射前经历大量的内部反射。每次内部反射包含少量的光损耗，而累积的效果可能是相当大的。
光分配的均匀性也可能成为棱镜膜的问题。为了利用这种材料来分配光，把不规则引入材料，它能使光漏出。光泄漏的过程难于控制，因而在大面积范围内分配的光的光输出的变化相当大。
公开号为0889285的欧洲专利描述了一种光分配管，它不利用棱镜膜或TIR来进行光分配。取而代之，此光导管在管内采用几何上复杂的三维光转向结构，从而使射到此转向结构上的大多数光在光束与转向结构之间的交点处从管子射出。光束展宽半角为4°或更小的光源是较佳的。
申请人还知道意大利富班(Fubine)的SPACE CANNON ILLUMINATION，INC.所制造的叫做LITE HOSE的产品。据申请人所知，LITE HOSE于1998年的秋季在欧洲以及1999年春季在美国首次公开展示。LITE HOSE由压制(extruded)的乳白色丙烯酸管制成，连带使用光束为3°的光源。管子的尺寸范围从100到500mm，壁厚的范围从3到8mm。使用窄的光束来提供通过管子的长的光投射。LITE HOSE的主要应用是用于诸如有戏剧效果的建筑物的建筑轮廓的戏剧化照明。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种具有简单结构的光导管，它能在大面积上有效地分配光。本发明的另一个目的是提供一种在光分配上具有高度均匀性的光导管。
依照本发明的一个方面，一种光导管包括构成在一端接收光并沿其长度分配光的一个管道。这个管道应用了镜面和漫反射表面的组合，使它主要用镜面反射使一部分光通过光导管和主要用漫反射把一部分光出射到光导管外。这些反射表面基本上平行于光导通的纵轴。例如，该管道可以包括一具有提供镜面反射的内表面和沿着光导管长度放置并覆盖光导管一部分周长的一种不透明材料，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导管的内表面并提供一个组合对小角度光束角的光是镜面反射，而对较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导管的外表面，那末，光导管材料和不透明材料一起提供一个组合，对小角度光束角的光是镜面反射，而对较高的光束角的光是漫反射。例如，管道可由经压制的塑料或经成形而形成管子的塑料片材制成。
依据本发明的另一个方面，一种光导管包括构成在一端接收光并沿光导管的长度分配光的多个管道。这些管道相互偏移相应的间隔，并提供镜面和漫反射表面的组合，使它主要以镜面反射使一部分光通过光导管和主要以漫反射使一部分光出射到光导管外。在某些例子中，管道的数目沿光导管的长度而改变。在其他例子中，光导管中至少一根的长度不同于光导管中另一根的长度。如上所述，每根管道可由经压制的塑料或经成形而形成管子的塑料片材制成。在大多数例子中，除了最外层的管道以外的每根管道由其内表面和外表面都具有光滑光洁度(gloss finish)的光亮(clear)塑料构成。在某些例子中，最外层的管道由其内表面具有光滑光洁度而其外表面具有漫射光洁度(diffuse finish)的光亮塑料构成。光导管还可包括沿最外层管道的长度放置的且覆盖最外层管道的周边的一部分的不透明材料。此不透明材料可置于最外层管道的内表面上，并提供对小角度光束角的光的镜面反射以及对光束角较高的光的漫反射的组合。或者，不透明材料可置于最外层管道的外表面上，管道材料与此不透明材料一起提供对小角度光束角的光的镜面反射以及对光束角较高的光的漫反射的组合。
依据本发明的再一个方面，一种光分配系统包括提供具有小于30度的全光束角的光束的光源以及构成在一端接收来自光源的光束并沿其长度分配光的光导管，此光导管包括镜面和漫反射表面的组合，它使主要以镜面反射使一部分光通过光导管和主要以漫反射把一部分光出射到光导管外。最好，光源提供全光束角小于20度的光束。例如，光源可以是太阳光。光分配系统还可包括覆盖远离光源的光导管的一端的端盖，此端盖具有被定位并成形使光转向而沿着光导管返回的反射表面。在某些例子中，光导管包括基本上同轴的第一和第二管道，此分配系统还包括适用于支撑第一管道的第一安装器件以及适用于支撑第二管道并适用于容纳第一安装器件和第一管道并把它们支撑在第二管道内的第二安装器件。最好，第一和第二安装器件以相互不接触的关系固定第一和第二管道。
单独和组合地实现本发明的上述目的、特征和优点。不应认为本发明需要两个或更多的上述特征，除非在权利要求书中明确说明。
附图概述从以下对附图所示较佳例子的更详细描述，将使本发明的上述和其他目的、特征和优点明显起来，在所有的图中相同的标号代表相同的元件。不必对附图定标，重点在于示出本发明的原理。
图1是表现出镜面反射的透明材料的纵向剖面的示意图。
图2是表现出镜面反射和漫反射的不透明材料的纵向剖面的示意图。
图3是表现出镜面反射的示例透明材料的反射率对入射角的关系图。
图4是依据本发明第一例子的光导管的纵向剖面的示意图。
图5是射到漫反射材料上的光束的示意图。
图6是依据本发明第二例子的光导管的纵向剖面的示意图。
图7是在图6所示光导管沿线7-7所截取的剖面的示意图。
图8-11是依据本发明第二例子的光导管的备选结构的示意图。
图12是依据本发明的光导管的备选结构的剖面的示意图。
图13是射到导管内表面上的光束的示意图。
图14是利用两侧面上都具有光滑光洁度的塑料片的依据本发明的光导管的光输出图案的图。
图15是利用其内侧具有光滑光洁度而其外侧具有不光滑光洁度的塑料片的依据本发明的光导管的光输出图案的图。
图16是来自依据本发明的光导管的再一个例子的光输出的示意剖面图。
图17是依据本发明的半球状光导管的示意剖面图。
图18-20是依据本发明的光导管的各个备选形状的示意剖面图。
图21是形成依据本发明的光导管的初步准备阶段中的第一塑料片的示意图。
图22是形成依据本发明的光导管的初步准备阶段中的第二塑料片的示意图。
图23是依据本发明的光导管的第一较佳构成的剖面图。
图24是依据本发明的光导管的第二较佳构成的剖面图。
图25和26是比较本发明的光导管与常规的TIR光导管的光输出的图。
图27是依据本发明另一个方面的第一光导管安装器件的分段透视图。
图28是依据本发明的第二光导管安装器件的分段透视图。
图29是依据本发明另一个方面的光导管耦合器件的示意图。
图30是沿图29中的线30-30所截取的光导管耦合器件的剖面图。
图31是依据本发明的第一光导管端盖的示意剖面图。
图32是依据本发明的第二光导管端盖的示意剖面图。
图33是适用于本发明的光导管使用的透镜系统的示意图。
图34是沿图33中的线34-34所截取的透镜系统的剖面图。
本发明的较佳实施方式在以下描述中，为了说明而非限定，提出诸如特定结构、界面、技术等具体的细节，以提供对本发明的彻底理解。然而，对从本说明书受益的本领域内的技术人员很明显的是，本发明可不按照这些具体的细节的其他例子中实现。在其他情况下，省略对公知结构、器件和方法的详细描述，从而不会以不必要的细节使得对本发明的描述变得模糊。
TIR导管可有效地包含全光束角高达54-56°的光束。然而，对于从TIR导管漏出的光，它必须被散射到该角以外。与TIR导管正相反，本发明的光导管的导管材料中不包含任何光。本发明采用了具有较狭窄光束角的光源。如以下关于图5和12所讨论的，除了镜面分量(例如，小角度的几乎平行的光束)以外，所有其他光束都具有在每次弹跳(bounce)时从本发明的光导管漏出的极大可能性。如上所述，TIR导管使用分离器或OLF材料中的不规则处，以使入射光的一部分散射出约束(containment)锥角。然而，与本发明相反，大部分光保留在此锥角内，且必须经历与分离器的多次相互作用，以从导管射出。因此，TIR导管通常以每单位长度多次弹离导管为特征，每次弹跳的有效损耗与本发明相同或更大。结果，对于光束角较窄的光源而言，本发明更有效，因为光漏出前的弹跳相对少，且每次弹跳的损耗较低。
与EP0889285中所述的光导管相比，本发明提供简单得多的结构。本发明利用主要基本上平行于光导管的纵轴的反射表面。换句话说，本发明不使用复杂的内部结构。虽然所公布的′285中所述的光导管避免使用棱镜膜，但该管子需要公认的在几何上复杂的3维光转向结构。该结构是一锥形的分离器，它沿管子相当大的一部分延伸并在离光源较远的距离处对着逐步变大的管子剖面区域。虽然未清楚地说明，但从操作原理上来看像是利用一具有来自光转向结构的单个反射的长束光，以分离出来自管子的光。结果，所公布的′285中的光导管需要比本发明的明显较窄的光束。在任何情况下，所公布的′285都未提出或建议本发明的操作或简单结构的原理。
本发明基于以下光分配原理的应用。首先，对于小角度的入射角，光滑抛光的塑料提供了好的镜面反射表面。具体来说，由于在小角度时的高效率Fresnel反射，使得光滑塑料表现出闪烁(glint)反射。其次，对于小角度的入射角，许多普通的不透明材料表现出镜面反射与漫反射的组合。依据本发明，结合这些原理来提供一种低成本、高效并均匀分配来自适当的光亮光源的光的灯具。
图1是表现出镜面反射的透明材料的纵向剖面的示意图。光束B1以入射角θ1射到材料1上。一部分光束BS被镜面反射，一部分光束BT被透射(该图忽略了折射)。BS与BT的相对数量与材料1的特性以及入射角θ1有关。图1所示的效果甚至存在于最普通的便宜塑料片材料中，包括聚碳酸酯、丙烯酸、PET和PETG，但不限于此。
图2是表现出镜面反射和漫反射的不透明材料的纵向剖面的示意图。光束B2以入射角θ2射到材料2上。一部分光束BS被镜面反射，一部分光束BD被漫反射。如上所述，BS与BD的相对数量与材料2的特性以及入射角θ2有关。图2所示的效果以不同的程度存在于大量便宜的市售材料中，包括白色聚氯乙烯绝缘带(white vinyl tape)、铺面带(flooring tape)、PVC和其他贴花(applique)，但不限于此。
图3是表现出镜面反射的示例透明材料的反射率对入射角的关系图。从图3可看出，对于小角度的入射角(此时入射光与材料表面接近平行)，Fresnel反射可非常有效。图3示出折射率约1.58的介电表面的反射率对入射角的关系图。
图4是依据本发明第一例子的光导管的纵向剖面的示意图。光导管4包括折射率相对低的光亮塑料管道6。为了通过光导管有效而均匀地分配光，某些光必须沿导管传递，必须允许某些光从光导管出射。依据本发明，沿导管的长度放置具有镜面反射分量和漫反射分量的材料。如图4所示，把反射材料8置于管道6的内表面上。材料8提供镜面反射分量和漫反射分量。在应用中，光源10把一光束送入光导管4。此光束具有小于约30°的相对小的全光束角。例如，对于折射率约1.5的塑料，具有小于约15-20°的相对小的全光束角的光束是较佳的。对于一给定长度和宽高比的光导管，较低的光束角产生较少的弹跳，从而提高了光分配效率。
可把反射端盖或镜子置于光导管4与光源10相背的一端。最好，镜子以一角度倾斜，它可改善光分配和/或效率(例如，约+/-10度)。或者，镜子可具有使光转向返回进入光导管的曲面。还可在最靠近光源10的一端处以光亮塑料片或透镜密封光导管4。此塑料片或透镜可包括防反射涂膜。
图5是射到反射材料8上的光束的示意图。射到材料8上的光束12产生镜面分量14，分量14保持相当小的入射角且沿光导管传递。由于从第一表面发生反射，所以此光束不必随每次反射而通过(transit)该材料，导致每次弹跳的损耗较低。射到材料8的光束12还产生入射角相对大的漫射分量16，该分量16从光导管4出射。由于该光仅在光导管4内部形成极少的弹跳，而且由于可利用具有较低内部损耗的相对薄的塑料片，所以管子材料中的损耗低，且光的分配非常有效。
有利的是，适当的光导管材料不贵且容易获得。例如，许多类型的普通胶带的非粘合表面上都具有镜面反射分量和漫反射分量。各分量的相对量值随入射角的函数而改变。换句话说，直接从上(即，入射角高)看此胶带时，此胶带看上去具有无光光洁度，从侧面(即，小入射角)看此胶带时，此胶带看上去具有光滑光洁度。示例的胶带包括由Minnesota Manufacturing and MiningCompany所制造的3M#471以及McMasterCarr制造的#6029T118，这两种胶带都是普通的白色聚氯乙烯绝缘带。认为这些特定的胶带是示意性的而非限制的。一般，具有类似特性的任何高度白色或反射材料是适用的。
此外，有利的是，适当的管道材料不贵且容易获得。例如，管道6可以由0.5mm(0.020英寸)厚的光亮(clear)聚碳酸酯构成。可依据光导管的目标环境来利用不同等级的塑料(例如，把抗UV材料用于产外使用是合乎需要的)。其他适当的材料包括PET、PETG和丙烯酸。可以各种长度和宽度来订购这些塑料。例如，可通过设计具有对应于光导管所要圆周的宽度的塑料所要的长度来形成管道6。把材料8加到此塑料的所需表面上。然后，把此塑料卷起来而形成一圆柱体，可把塑料的两端在接缝处以胶带粘接在一起。这两端可邻接或重叠。可通过其他方法来密封接缝，包括胶合(gluing)或超声波熔接。或者，如果有保证保持光导管结构的其他方法，则完全不必密封此接缝。形成此管道的其他方法对本领域内的技术人员来说是明显的。
适当的光源包括能产生具有想要的光束角的光束的任何高亮度光源。例如，聚光灯通常能产生相对小的光束角。另一个适当的光源是公开号为WO99/36940题为“高频感应灯及功率振荡器(High Frequency Inductive Lamp andPower Oscillator)”的PCT申请中所述的灯以及适当的光学器件，以产生想要的光束角。另一个适当的光源包括在5,404,076号题为“含硫灯(LampIncluding Sulfur)”的美国专利中总体所述类型的微波驱动的硫或硒灯。最好，这些灯由5,903,091号美国专利的图14所示的反射微波腔以及适当的光学器件构成，以产生想要的光束角。在60/133,885号题为“高亮度微波灯(HighBrightness Microwave Lamp)”的未决申请中描述了较佳的微波孔灯。
图6是依据本发明第二例子的光导管的纵向剖面的示意图。依据本发明的第二例子，利用多层塑料材料在整个光导管分配光。光源20把光束角相对窄的一束光送入光导管24的一端。光导管24包括内管26和外管28。把反射材料30置于外管28的内表面上。反射材料30具有如上所述的镜面和漫反射分量。最好，反射材料基本上沿光导管24的整个长度延伸。
在内管26与外管28之间设有气隙32。气隙的目的是提供适当的空气-管子界面，以提高光在光导管内的限制(由于管子之间的双倍闪烁反射)，并避免在内管26与外管28接触时可能发生的光损耗。最好，气隙约1-2毫米宽，但气隙的尺寸不是关键的。利用适当的间隔元件(未示出)来保持沿光导管的长度的气隙。例如，可通过置于管子之间且沿光导管24的长度隔开的多个光亮塑料环来提供此气隙。或者，可给内管26缠绕尼龙线或其它同类的东西来提供气隙。在另一个选择中，塑料片可形成肋或浮凸起来提供适当的气隙。
图7是在图6所示光导管沿线7-7所截取的剖面的示意图。如图7所示，内管和外管26、28基本上同轴。反射材料30与外管28的内表面相一致，并覆盖管子28的内表面的某些斜的部分。可改变反射材料的斜的部分，以提供想要的光输出。射到反射材料30的一部分光被散射成几束，这些光束不完全被Fresnel反射效应所包含。这些光束沿大体上与胶带表面平面垂直的方向从反射材料30散射。例如，如图7所示，通过置于光导管24的剖面的上半圆中的反射材料，从反射材料30散射的光将大体上进入由光导管24的下半圆所述的方向。
总之，依据本发明的光导管的传输能力正比于光导管的外径。管子的直径越大，则光的内部弹跳越少，且光泄漏的速率与弹跳的数目有关。通过多层光亮塑料边界(例如，2个或更多的同轴塑料管)，依据本发明的光导管在大于50个管子直径的距离上分配光。例如，对于直径为38cm(15英寸)的管子，这相应于在不止19米(60英尺)上，同时可保持高的均匀度(对于管子的大部分，高于约25％)。通常，较靠近光源和/或接近镜面端盖来放置较多数目的层(见图11)。依据本发明，通过调节层的数目、每一层的长度以及每一层每侧的光洁度(即，漫射或光滑)来控制沿光导管的光的均匀度和分配。
图8-11是依据本发明第二例子的光导管的备选结构的示意图。在图8-11的各图中，层数沿管子的距离而变化。通过沿管子的距离的函数改变同轴塑料管的数目，依据本发明的光导管可控制允许漏出光导管的光的速率。在图11中，在光源和镜面端盖附近设置一部分漫射材料34，以减少光导管两端处亮点的出现。
依据本发明的另一个方面，可通过把各种材料加到塑料片的表面来实现想要的反射特性，从而从反面透过塑料片看时所获得的结构具有镜面和漫反射分量。图12是依据本发明的光导管的备选结构的剖面示意图。光导管44包括多个同轴管道46、48。在图12中，把反射材料50置于最外面的管道48的外表面上。例如，反射材料50可包括白色的带子。图13是射到管道48的内表面的光束52的示意图。从图13可看出，最外面的管道48的内表面提供了对应于小角度的入射角的镜面反射分量54，在外表面上的材料50提供了来自于光束52的透射部分的漫反射分量56。相应地，在本发明的这一方面，材料50本身不需要提供镜面分量。例如，反射材料50的示例选择包括胶带连接到最外面的管道48的Tyvek或适用于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。
图14是利用两侧面上有光滑光洁度的塑料片的依据本发明的光导管的光输出图案的图。光导管60包括在其内表面63上有反射材料62的塑料管道61。反射材料62覆盖了管道61的内表面63的大约180°，从而相对于反射材料62限定光导管60背面上约180°的光输出窗。管道61的内表面63和外表面64都具有光滑的光洁度。相应地，由反射材料62散射的光以近似于虚线65的图案从光导管60出射。
通过把非光滑光洁度(诸如通常可获得的无光光洁度或天鹅绒似的光洁度)用于最外面的塑料管道的外表面，可通过塑料片的非光滑光洁度的一侧来进一步散射从管子漏出的光。图15是利用其内表面有光滑光洁度而其外表面有漫射光洁度的塑料片的依据本发明的光导管的光输出图案的图。光导管66包括其内表面69上有反射材料68的塑料管道67。反射材料68覆盖了管道67的内表面69的大约180°。内表面68具有光滑光洁度，且提供使小角度的光沿着管子66通过的镜面反射。管道66的外表面70具有非光滑光洁度，并进一步漫射光使之射出管子66。相应地，由反射材料68散射的光以近似于虚线71的图案从管子66出射。
在利用多个同轴管道使光沿着光导管传播时，一般只是想要使最外面的管道的外表面为无光、天鹅绒似的或其他漫射地散射光洁度。可把此一般规则的例外应用于最接近光源和镜面端盖的光导管的区域，从而不在被Fresnel反射效应有效传播的角度内的这些光束被更多漫射地散射，减少了这些光束的直接观看的眩光(否则，它将以集中的空间角锥的形式漏出光导管)。尽管此一般规则，本发明仍然尝试对可能有益于任何特定应用的多层中的任一层使用光滑和/或漫射表面。
图16是依据本发明的光导管的再一个例子的光输出的示意图。光导管72类似于关于图12所述的光导管，包括其外表面上设置有反射材料50的外部管道48。光导管72还包括围绕最外面的管道48近似于270°的附加的镀银或镀铝反射器73以及位于反射器73所限定的输出窗中的漫射带74。如图16所示，期望近似于虚线75的相对定向的输出。
图17示出具有由漫射材料制成的平坦底部76以及围绕顶部的镀银/镀铝反射器77的半球形光导管的示例。图18-20示出依据本发明的备选光导管的各剖面图。
图21是用于形成依据本发明的光导管的初步准备阶段中的第一塑料片的示意图。图22是用于形成依据本发明的光导管的初步准备阶段中的第二塑料片的示意图。图23是依据本发明的光导管的第一较佳结构的剖面图。
参考图21-23，如下构成本发明的示例第一结构。一段2.4m(8英尺)的光导管80包括外径约为15cm(6英寸)的预制光亮塑料刚性套管82。制备一面上具有光滑光洁度而另一面上具有无光光洁度的宽约为47cm(18.4英寸)乘2.4m(8英尺)长的塑料聚碳酸酯片84(0.5mm/0.02英寸厚)，片上有几条稍稍重叠的白色聚氯乙烯绝缘带沿着该聚碳酸酯片84纵向延伸下去，以在聚碳酸酯片84具有光滑光洁度的每一侧面上提供一条宽约为18cm(7英寸)的反射材料86。这样沿着聚碳酸酯片84的中间留下一条约为11cm(4.8英寸)的透明带88。把聚碳酸酯片84卷起来(带子86在内表面上)，并保持小于15cm(6英寸)的直径，并插入刚性套管82中。然后，释放聚碳酸酯片84，并相对于外部套管82展开。两条带子86相互邻接或稍稍重叠，以提供近似于270°的反射表面以及由透明带88所限定的90°的光透射窗口。
制备由两面上都有光滑光洁度的宽约为46cm(18.1英寸)乘2.4m(8英寸)长的塑料聚碳酸酯片(0.5mm/0.02英寸厚)构成的另一塑料片94，有几条横跨该塑料片94的宽度的氯丁橡胶带(neoprene)96，且各自隔开大约45cm(18英寸)。氯丁橡胶96的厚度约为1.5mm(1/16英寸)，且用半透明的RTV108硅酮粘到塑料片94上。在干燥后，把塑料片94卷起来(氯丁橡胶96在外部)，并保持小于15cm(6英寸)的直径。然后，把该塑料片94插入这段管子80中，并被释放以相对于先前插入的聚碳酸酯片84展开。氯丁橡胶96在这两层塑料片84、94之间提供了气隙。
第一结构的性能数据把三个这样的段80装配起来并连在一起，以形成24英尺长的光导管。刚性套管82邻接且在接缝处用胶带连接。内层84、94的一小段可能延伸到超过刚性套管82的末端，且它们可能与下一段的内层交错。把此光导管从天花板上吊下来，并以德克萨斯州Austin的High End System销售的Cyberlight聚光灯来照明。此聚光灯提供了一束约为7000-8500流明的准直的光，可把此光束的全光束角调节到约15°到28°之间。把反射端盖安装在与聚光灯相对的光导管的末端。端盖的反射部分与垂直倾斜约10°。
从离开光导管约30英寸测得的全光束角约为15°的光源的示例归一化性能数据如下
图25和26是对上述结构的光导管与常规的TIR光导管作比较的光输出的图。常规的TIR光导管是利用OLF来进行光分配的直径为25cm(10英寸)的管子。由马里兰州Rockville的Fusion Lighting，Inc.销售的LightDriveTM1000光源来照明常规的TIR光导管。此光源与使光导入光导管的反射器适配。应注意，认为刚才所述的常规TIR系统在光分配和均匀度方面具有好的性能。然而，如图25和26所示，本发明的光导管在按比例较大的光导管长度上更均匀地分配光。此外，由于光束角相对窄，所以在最靠近光源的这段光导管中的光输出的强度较小。从图25可看出，由常规的TIR系统，相当数量的光输出将集中在光源附近，这可在光导管的这一端引起不想要的眩光。
图24是依据本发明的光导管的第二较佳结构的剖面图。参考图21-22和24，如下构成本发明的示例第二结构。一段6英尺长的光导管100包括外径约为15cm(6英寸)的卷起的套筒(sleeve)102。制备一面上具有光滑光洁度而另一面上具有无光光洁度的宽约为47cm(18.4英寸)乘1.8m(6英尺)长的塑料聚碳酸酯片84(0.5mm/0.02英寸厚)，一条高度反射的Mylar(聚酯薄膜)带沿着该聚碳酸酯片84纵向延伸下去，以在聚碳酸酯片84具有无光光洁度的每一侧上提供一条宽约为18cm(7英寸)的反射材料86。例如，可利用几条重叠的透明双面带把Mylar固定于聚碳酸酯片84。这样，沿着聚碳酸酯片84的中间留下一条约为11cm(4.8英寸)的透明带88。把聚碳酸酯片84的一边插入压制安装器件107的槽105a中，带子86在外面。然后，把此聚碳酸酯片84用胶带连接或以其他方式适当地固定到安装器件的一侧。然后，把聚碳酸酯片84卷起来(带子86在外面)，把聚碳酸酯片84的自由边插入开口槽105b。然后，把此聚碳酸酯片84用胶带连接或以其他方式适当地固定到安装器件107的另一侧，从而形成外部套筒102。两条带子86提供近似于270°的反射表面以及由透明带88所限定的90°的光透射窗口。依据安装器件所使用的材料，可把一条反射材料104置于安装器件107的内表面，以提供想要的光反射特性(例如，漫射和/或镜面反射的某个组合)。
制备由一面上有光滑光洁度而另一面上有无光光洁度的宽约为46cm(18.1英寸)乘1.8m(6英寸)长的塑料聚碳酸酯片(0.5mm/0.02英寸厚)构成的另一塑料片94，在无光光洁度一面上有3条3M的透明发泡粘胶带96横跨该塑料片的宽度上。一条近似位于中间，另外两条与各端点隔开约15cm(6英寸)。粘胶带96的厚度、约为1.5mm(1/16英寸)。把塑料片94卷起来(粘胶带96在外部)，并保持小于15cm(6英寸)的直径。例如，可用掩蔽胶带(masking tape)来固定卷起的塑料片94的一面或两面。然后，把塑料片94插入这段管子100中，并被释放(例如，除去掩蔽胶带)以相对于外部套筒102展开。胶带96在这两层塑料片84、94之间提供气隙。
把五个这样的段100装配起来并连在一起，以形成30英尺长的光导管。把附加的两层漫射材料(一层约120cm(4英寸)长，另一层约90cm(3英寸)长)置于靠近光源的第一段中，以减少亮点的出现。外部套筒102邻接且可在接缝处以胶带连接或其他方式耦合在一起。内层84、94的一小段可能延伸到超过外部套筒102的末端，且它们可能与下一段的内层交错。把此光导管从天花板上吊下来，并以置于抛物面反射器中的高强度金属卤化物灯照明。适当的灯是马萨诸塞州Danvers的Osram/Sylvania以型号VIP R 400/32所销售的。该灯提供了一束近似于20,000流明的聚焦的光，其全光束角近似于12°。把反射端盖安装在与该点光源相对的光导管的末端。把一凹面反射器置于端盖中，以减少在远离光源的光导管的这一端处亮点的出现。
安装与耦合机构本领域内的技术人员将理解，可利用许多常规安装和耦合机构中的任一种来靠近天花板或在被照明区域内的其他想要位置处悬挂或安装本发明的光导管。类似地，可使用许多常规的耦合器件把几段光导管连接在一起。
图27和28是依据本发明的一个方面的安装器件的透视图，这些安装器件共同操作以提供高达三层管道而不需要间隔元件。参考图27，第一安装器件120由压制的塑料制成，其长度通常对应于光导管段的想要长度。安装器件120包括基本上垂直于对面的凸片(fin)124a和124b的支柱部分122。凸片124a与124b被弯曲到对应于想要的管道半径的半径。
参考图28，第二安装器件130也由压制的塑料制成，其长度通常对应于光导管段的想要长度。安装器件130的主体部分132限定了一个槽134，该槽适用于容纳第一安装器件120的支柱122。主体130还限定了多个安装孔135a、135b、135c和135d，可利用这些孔把安装器件130直接固定到天花板(例如，穿过孔135a、b的螺栓)或到U形轨道(如，穿过孔135c、d的销钉)。孔135a、b可以是内部埋头钻孔的，以提供用于螺栓头的空隙以及避免干扰支柱122。同样，应对孔135c、d进行定位，来避免销钉与支柱122之间的干扰。安装器件130还包括多个凸片136a、136b和138a、138b，它们被弯曲到对应于管道的想要半径的半径。
在应用中，利用第一安装器件120来提供一层的管道。管道由一塑料片形成，它的长度对应于安装器件120的长度，它的想要的宽度要被选择到能提供想要的管道整个圆周(与凸片124a、b一起)。把塑料片的长边之一固定到安装器件120的一个凸片124a或124b。例如，可通过胶带连接、粘接、超声波熔接或其他常规的手段来固定这条边。然后，把塑料片卷起来，并把另一条边固定到另一凸片。
类似地，可利用安装器件130来提供一层或两层的管道。可把第一层固定于凸片135a、b，小心不要覆盖槽134。例如，可把该片粘接到凸片136a、b的内表面136c。或者，可把该片固定于这两组凸片之间形成的槽136d中。可把第二层固定于凸片138a、b的外表面。
有利的是，第一和第二安装器件120、130中每一个的凸片可提供高达三层的管道，并消除或减少了对层间的附加间隔元件的需要。如果想要附加的层，则可用这里所述的其他方式用间隔元件来制备，并相对于由第一安装器件120所支撑的管道把它们展开。
图29是依据本发明的耦合器件140的示意图。图30是沿图29中的线30-30所截取的耦合器件140的剖面图。耦合器件140一般构成一塑料环，绕该环的圆周设置了一对平行于光导管的纵轴的相对的槽142a和142b。在应用中，把光导管段的最外层插入槽142a或142b，并通过胶带连接、粘接、超声波熔接或其他常规的手段固定在那里。有利的是，耦合器件140有助于光导管保持其形状。为了把光导管段连接在一起，把下一段光导管的接合端插入并固定于开口槽内。在与诸如这里所示的那些安装器件一起使用时，最外面的那段管道构成稍稍延伸到穿过安装器件的末端。或者，耦合器件140可构成斜剖面被除去的半圆环，此斜剖面对应于安装器件所占据的斜剖面。
图31是依据本发明的端盖160的剖面图。端盖160限定了围绕其圆周且平行于光导管的纵轴的槽162。槽162适用于容纳一层光导管(例如，最外层)。端盖的内表面164最好是高度反射的，且构成把射到端盖上的光转向到沿光导管返回。最好，表面164倾斜或成形，以提高光导管的光分配或效率。例如，端盖可包括向漫射材料倾斜约10°的反射镜，以把光沿着光导管反射回去并把转向的光散射到光导管外。反射镜与端盖160可以是一体的或者可以是分开的。
图32是依据本发明另一个方面的第二端盖170的剖面图。端盖170包括带曲面174的反射镜172。最好，把该曲面构成改善光导管的光分配和/或效率。例如，如果光导管的特定区域未被充分地照明，则可把曲面174构成使射到漫射材料处的端面的光在需要附加光输出的区域附近聚焦。反射镜与端盖170可以是一体的或者可以是分开的。
小规模光导管此光导管的进一步优点在于，可利用本发明的原理来制造直径非常小的管子。不可能把棱镜膜卷曲到非常小的直径。本发明的一个优点在于，可把所利用的材料压制到非常小的直径或卷曲到非常小的直径。
如下构成尺寸与典型的荧光灯泡近似相同的光导管。由压制塑料来制造两个圆柱形管子，并把它们切割到约1.2米(4英尺)的长度。一个管子的外径稍小于另一个管子的内径。例如，外管可包括外径为38mm(1.5英寸)且厚度约2-3mm(1/8英寸)的压制的LexanTM。内管可包括外径为31mm(1.25英寸)且厚度为2-3mm(1/8英寸)的压制的LexanTM。作为压制的管子的另一选择，可把适当的薄的塑料片卷起来，以形成光管道。
把直径较小的管子插入直径较大的管子，由适当的间隔装置所提供的气隙来隔开这两个管子。例如，可在沿内管的两个或更多点处使用相对厚(例如，0.5-1.0mm)的发泡粘胶带。或者，端盖可设有槽，这些槽容纳每个管子并使管子同轴定位且形成无需衬垫的非接触结构。
外管设有光滑的内表面和具有漫射光洁度(例如，无光或天鹅绒似的)的外表面。内管设有光滑的内表面和外表面。把高度反射的MylarTM置于外管的一半(180°)外表面并用透明的双面胶带或其他适当的方法固定在其上。
用PCT公开WO99/35940的第4.4.2节中所述的灯以及适当的光学器件来照明小规模的光导管，以提供紧缩的光束角的光。例如，适当的光学器件如图33和34所示。图33是适用于本发明的小规模光导管的透镜系统的示意图。图34是沿图33中的线34-34所截取的透镜系统的剖面图。透镜系统200包括镜头支架202，它装有第一透镜204，由夹持圈(retaining ring)206固定在适当的位置，以及第二和第三透镜208、210，它们由夹持圈212固定。示例的第一透镜204为-12mm涂膜的平凸透镜，该透镜是美国新泽西州Barrington的Edmund Industrial Optics以J45-303的零件编号所销售的。示例的第二和第三透镜208、210都是45mm涂膜的平凸透镜，它们是美国新泽西州Barrington的Edmund Industrial Optics分别以J45-150和J32-895的零件编号所销售的。这些透镜系统的作用是把来自灯的孔径的全光束角约为140°的光集中并聚焦为全光束角约为22°的光，使之进入小规模的光导管。也可以单个双凸透镜来替代第二和第三透镜对。本领域内技术人员将理解，可利用各种光学布局来提供想要的具有紧缩的光束角的光。
混合照明依据本发明的另一个方面，用于本发明的任一光导管中的光源可以是太阳。从地球上来看，太阳为7°的光源。相应地，本发明的光导管可有利地利用太阳光、人造光或混合照明系统中这两者的组合。
已描述了一种简单的低成本且有效的光导管，它可使用简单的技术以容易获得的胶带和塑料来构成。依据本发明的光导管可适用于常规的TIR光导管或其他光导管应用以前所未曾尝试的广泛的市场和规模大小。
应把本发明的上述结构仅看做示意性的。本领域内的技术人员将想到许多变化。例如，虽然上述的几个例子主要利用剖面为曲面的光导管，但这仅仅是可行的剖面的一个例子，其他剖面形状在其他应用中可能是有利的。例如，矩形在改进带金属网格的格子状装饰的常规吊顶的应用中是有利的，诸如那些设计成容纳标准的2×2或2×4荧光灯的固定装置。底面的形状及其光洁度还可适用于控制光束发散。在所附的权利要求书中提出了本发明的范围和精神。
权利要求
1.一种光导管包括构成在一端接收光并沿其长度分配光的管道，该管道包括镜面和漫反射表面的组合，它主要以镜面反射使一部分通过光导管和主要以漫反射使一部分出射到光导管外，所述反射表面基本上平行于光导管的纵轴。
2.如权利要求1所述的光导管，其特征在于所述管道包括具有提供镜面反射的内表面的光亮塑料管以及沿着所述塑料管的长度放置并覆盖该塑料管周边的一部分的不透明材料，该不透明材料提供漫反射。
3.如权利要求2所述的光导管，其特征在于把所述不透明材料置于塑料管的内表面上，并提供用于小角度光束角的光的镜面反射及用于光束角较高的光的漫反射的组合。
4.如权利要求2所述的光导管，其特征在于把所述不透明材料置于塑料管的外表面上，塑料管材料与不透明材料一起提供用于小角度光束角的光的镜面反射及用于光束角较高的光的漫反射的组合。
5.如权利要求1所述的光导管，其特征在于所述管道包括压制的塑料管。
6.如权利要求1所述的光导管，其特征在于所述管道包括经成形而形成一管子的塑料片材。
7.一种光导管包括构成在一端接收光并沿光导管的长度分配光的多个管道，所述管道相互偏移各自的间隔，且分别包括镜面和漫反射表面的组合，它主要以镜面反射使一部分光通过光导管以及主要以漫反射把一部分出射到光导管外。
8.如权利要求7所述的光导管，其特征在于管道的数目沿光导管的长度而变化。
9.如权利要求7所述的光导管，其特征在于所述管道中至少一个管道的长度不同于管道中另一根管道的长度。
10.如权利要求7所述的光导管，其特征在于每根所述管道包括压制的塑料管或是经成形而形成一管子的塑料片材。
11.如权利要求7所述的光导管，其特征在于除了最外面的管道以外，每根管道包括其内表面和外表面都有光滑光洁度的光亮塑料。
12.如权利要求11所述的光导管，其特征在于最外面的管道包括其内表面具有光滑光洁度而其外表面具有漫射光洁度的光亮塑料。
13.如权利要求12所述的光导管，其特征在于还包括沿最外面的管道的长度所放置并覆盖所述最外面管道周边的一部分的不透明材料。
14.如权利要求13所述的光导管，其特征在于把不透明材料置于所述最外面管道的内表面上，并提供用于小角度光束角的光的镜面反射及用于光束角较高的光的漫反射的组合。
15.如权利要求13所述的光导管，其特征在于把不透明材料置于所述最外面管道的外表面上，所述塑料管材料与所述不透明材料一起提供用于小角度光束角的光的镜面反射及用于光束角较高的光的漫反射的组合。
16.一种光分配系统，包括提供具有小于30度的全光束角的光束的光源；以及构成在一端接收光并沿其长度分配光的光导管，该光导管包括镜面和漫反射表面的组合，它主要以镜面反射使一部分光通过光导管和主要以漫反射把一部分光出射到光导管外。
17.如权利要求16所述的光分配系统，其特征在于光源提供全光束角小于20度的光束。
18.如权利要求16所述的光分配系统，其特征在于光源包括太阳光。
19.如权利要求16所述的光分配系统，其特征在于还包括覆盖远离光源的光导管的一端的端盖，所述端盖具有位于被定位并成形使光转向而沿着光导管返回的反射表面。
20.如权利要求16所述的光分配系统，其特征在于光导管包括基本上同轴的第一和第二管道，所述分配系统还包括适用于支撑第一管道的第一安装器件；以及适用于支撑第二管道并适用于把第一安装器件和第一管道容纳和支撑在第二管道内的第二安装器件。
21.如权利要求20所述的光分配系统，其特征在于第一和第二安装器件把第一和第二管道保持在非接触的关系。
全文摘要
一种光导管(4)包括构成在一端接收光并沿其长度分配光的管道(6),该管道(6)包括用来主要以镜面反射沿着光导管(4)传送一部分光以及主要以漫反射使一部分从光导管(4)出射的组合的镜面和漫反射表面(8),所述反射表面(8)基本上平行于光导管(4)的纵轴。可使用多个管道(8)来控制光导管(4)的光分配特性。管道(6)可以由便宜的塑料片材制成。
文档编号G02B6/00GK1338061SQ00803077
公开日2002年2月27日 申请日期2000年1月21日 优先权日1999年1月26日
发明者D·A·柯克帕特里克, M·A·杜比诺夫斯基, V·H·夸恩, F·E·佐沃斯 申请人:熔化照明股份有限公司