DE29721892U1 - Lichtwellenleiter mit radialer Lichtauskopplung - Google Patents
Lichtwellenleiter mit radialer LichtauskopplungInfo
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Description
Diemer & Fastenrath 08.12.1997
Worthstrasse 16
58511 Lüdenscheidt
58511 Lüdenscheidt
Die Erfindung betrifft einen Lichtwellenleiter, insbesondere zur Beleuchtung
innerhalb von Kraftfahrzeugen, bestehend aus einem polymeren Lichtleitkörper in dem das von einer Lichtquelle stirnseitig eingespeiste Licht durch
Totalreflektion an den Grenzflächen seines Umfanges transportiert und aus dem das Licht durch partielle Unterbrechung der Totalreflektion quer zur
Transportrichtung des Lichtes ausgekoppelt wird.
Ein wesentliches, doch keineswegs das einzige Anwendungsgebiet der
vorliegenden Erfindung ist die Beleuchtung innerhalb von Kraftfahrzeugen. Sie dient der komfortablen Bedienung von Schaltern und der guten Ablesbarkeit
der Armaturen und ermöglicht dem Fahrer sowie den Fahrzeuginsassen die nötige Orientierung. Oft dient die Beleuchtung im Fahrzeug auch unmittelbar
der Sicherheit der Insassen, z.B. im Zusammenhang mit der Beleuchtungen von Türgriffen und Sicherheitsgurtschlössern, deren schnelles Auffinden im
Dunkeln vor allem bei einem Unfall lebenswichtig seien kann.
Die moderne Lichtleittechnik ermöglicht eine gehobenen Ansprüchen gerecht
werdende Beleuchtung. Basis dieser Technik sind Lichtwellenleiter aus Glas oder Kunststoff, mit denen Licht von einer eingangseitig angekoppelten
Lichtquelle zu einer Beleuchtungsstelle transportiert werden kann. Die stirnseitig eintretenden Lichtstrahlen werden oberhalb eines bestimmten
materialspezifischen Brechungswinkels durch Totalreflektion an der Grenzfläche zwischen dem Lichtleitkörper und einem ihn umgebenden Medium
mit einer geringeren Brechungszahl (Deckschicht und/oder Luft) innerhalb des
Lichtwellenleiters transportiert.
Während zur Datenübertragung hauptsächlich Glasfaser-Lichtwellenleiter
verwendet werden, bevorzugt man zu Beleuchtungszwecken Polymer-Lichtwellenleiter,
die wegen ihrer Unempfindlichkeit gegen Stöße und Bewegungen und weil sie flexibel verlegbar besonders in Fahrzeugen
vorteilhaft einsetzbar sind. Aufgrund der beschriebenen Eigenschaften und weil der Platzbedarfs dieser Lichtwellenleiter gering ist, ist in den meisten Fällen die
Verlegung selbst an schwierig erreichbare Stellen problemlos möglich.
Auf dem Verlegeweg eines von einer Lichtquelle gespeisten flexiblen
Lichtwellenleiters können sogar mehrere Beleuchtungsstellen abgegriffen werden, so daß statt Glühlampen hinter jedem Schalter oder jedem Symbol
jetzt wenige Lichtwellenleiter diese Aufgaben übernehmen. Ein Abgreifen der Beleuchtungsstellen ist durch partielle Unterbrechung der Totalreflektion im
Lichtwellenleiter, z.B. durch örtliches mechanisches Verändern oder Entfernen der reflektierenden Deckschicht eines ummantelten Lichtwellenleiters auf
dessen gesamten Umfang möglich. Man spricht bei diesem Verfahren von der "Aktivierung" des Lichtwellenleiters. Mit einem aktivierten Lichtwellenleiter läßt
sich z.B. ein Frontpanel mit mehreren Schiebereglern in der Armaturentafel eines Kraftfahrzeuges versorgen.
Durch "Aktivierung" eines größeren Längenabschnittes eines Lichtwellenleiters
läßt sich auch eine Konturbeleuchtung beliebiger Symbole darstellen, indem der Lichtwellenleiter in seiner "aktivierten" Länge durch allseitig radiale
Lichtaustragung zum Leuchten gebracht wird. Zur Verstärkung seines Lichtaustrages ist der allseitig diffus leuchtende Lichtwellenleiter auf einem
weißen Reflektor fixiert.
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Bei der Anordnung von Lichtwellenleitern generell und besonders bei der
Anordnung im Innenraum von Fahrzeugen besteht häufig die Forderung, daß
mit dem ausgetragenen Licht einerseits eine ausreichende Beleuchtung des zu erhellenden Objektes sichergestellt ist, doch andererseits das Licht blendfrei,
z.B. den Fahrer des Kraftfahrzeuges nicht behindernd, austritt. In Gebäuden
werden solche Anforderungen lichttechnisch zumeist dadurch erfüllt, daß man
das zu beleuchtende Objekt indirekt beleuchtet, d.h. durch Auflicht erhellt und dabei die Lichtquelle für den Betrachter unsichtbar anordnet.
Lichtwellenleiter sind, wenn überhaupt, für Auflichtbeleuchtung aber bislang nur
dann verwendbar, wenn das aus dem Lichtwellenleiter stirnseitig ausgekoppelte Licht in Spiegeln oder Prismen gegebündelt und gezielt auf das
zu beleuchtende Objekt gestrahlt wird.
Ein solches Lichtleitsystem ist in dem Aufsatz von D. Decker: "CELIS-Ein
Konzept für PKW-Innenraumbeleuchtung mit Lichtleittechnik", erschienen in der Fachzeitschrift ATZ, Ausgabe 7/8/1995, beschrieben. Die Fig. 1 dieser
Veröffentlichung zeigt, wie u.a. die Innenraumleuchte des Fahrzeuges über
einen flexiblen Lichtwellenleiter gespeist wird. Das aus dem Lichtwellenleiter austretende Licht wird mit einer nicht näher beschriebene Optik und mit Hilfe
zugeordneter reflektierender Prismen gebündelt und aus dem Lichtwellenleiter abgestrahlt.
Nachteilig bei dieser Lösung ist, daß die notwendige Optik und die
erforderlichen Prismen gerade den Vorteil des geringen Platzbedarfs der
Lichtwellenleiter gegenüber herkömmlichen Beleuchtungskörpern zunichte machen. Dadurch ist der Einbau einer Auflicht-Beleuchtung mit
Lichtwellenleitern auf solche Anwendungen beschränkt, beim denen es auf einen geringen Einbauraum nicht ankommt, z.B. als Innenbeleuchtung oder
Leselampe in Kraftfahrzeugen. Weitere denkbare Anwendungen, z.B. zur blendfreien Beleuchtung von Eingangsstufen, Türgriffen, Türverriegelungen
oder Gurtschlössern scheiden aus Platzgründen aus oder müssen durch direkt hinterleuchtete Objekte ersetzt werden, wodurch die beschriebene Blendgefahr
auftritt.
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Auch die zuvor beschriebenen "aktivierten" Lichtwellenleiter mit allseitig
radialem Lichtaustrag sind nicht geeignet, Objekte der beschriebenen Art, wie
z.B. Türgriffe mit Auflicht zu beleuchten; denn ihre Lichtintensität reicht über die
Verwendung als Konturbeleuchtung hinaus nicht aus. Für eine
Auflichtbeleuchtung, also das Anleuchten von Objekten ist der bekannte, das
Licht diffus auskoppelnde Lichtwellenleiter unbrauchbar.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es daher, die bekannten Lichtwellenleiter mit
radialem Lichtaustrag unter Verzicht auf Prismen oder Optiken unmittelbar zur Auflicht-Beleuchtung von Objekten, insbesondere im Inneren von
Kraftfahrzeugen anwendbar zu machen. Dabei sollen die vorstehend aufgezeigten Vorteile der Lichtwellenleittechnik erhalten bleiben, der Einbau
soll flexibel, platzsparend und blendfrei möglich sein, die Lichtintensität soll
ausreichend groß und die Lichtwellenleiter sollen preisgünstig herstellbar sein.
Zur Lösung der Aufgabe wird, ausgehend von bekannten Lichtwellenleiter mit
polymeren Lichtleitkörpern, erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß die Oberfläche des Lichtwellenleiters teilweise aufgerauht ist und das an der
Innenseite der aufgerauhten Oberfläche reflektierte Licht auf der der aufgerauhten Oberfläche gegenüberliegenden Seite des Lichtwellenleiters
austritt.
Es hat sich überraschenderweise herausgestellt, daß durch die Aufrauhung der
Oberfläche des Lichtwellenleiters eine Reflektion des Lichtes in der Weise erfolgt, daß der Lichtaustrag nicht wie beim "aktivierten" Lichtwellenleiter auf
der aktivierten Seite des Lichtwellenleiters mit difusem Licht erfolgt, sondern
auf der der abgetragenen Oberfläche unmittelbar gegenüberliegenden Seite mit unerwartet hoher Lichtausbeute.
Besonders günstig ist es, wenn der Lichtwellenleiter aus einer mit einer
Deckschicht ummantelten flexiblen Faser besteht, deren Deckschicht auf einem Teil ihres Umfangs entfernt ist und deren unter der entfernten Deckschicht
freigelegte Oberfläche aufgerauht ist, wobei das an der Innenseite der aufgerauhten Oberfläche reflektierte Licht auf der der aufgerauhten Oberfläche
diametral gegenüberliegenden Seite des Lichtwellenleiters durch die Deckschicht austritt. Die so bearbeitete flexible Faser ist besonders gut zur
Verlegung in Kraftfahrzeugen geeignet, weil sie mit geringem Querschnitt bewegungsunempfindlich und in engen Radien auch an unzugängliche Stellen
verlegt werden kann.
Erstmals eignet sich ein Lichtwellenleiter der beschriebenen Art auch zur
Erzeigung eines Lichtvorhanges; denn wenn nach einem bevorzugten Merkmal der Erfindung ein der gewünschten Länge des Lichtvorhanges entsprechender
Längenabschnitt des Lichtwellenleiters aufgerauht ist, so verläßt das Licht gerichtet und über die Länge des entsprechend bearbeiteten Lichtwellenleiters
verteilt, diesen als Lichtvorhang, ohne das zusätzliche Mittel zur Bündelung und
Leitung des Lichtes in Form von Prismen oder Spiegeln erforderlich sind
Vorzugsweise macht der aufgerauhte Umfangsbereich des Lichtwellenleiters
weniger als die Hälfte des Gesamtumfanges aus .
Am Einfachsten erfolgt das Aufrauhen der Oberfläche des Lichtwellenleiters
durch mechanische abtragende Bearbeitung. Die Bearbeitung ist mit einfachen Mitteln möglich und damit kostengünstig durchzuführen.
Ein erfindungsgemäß gestalteter Lichtwellenleiter kann mit ausreichender
Lichtintensität zur Auflicht-Beleuchtung von Objekten eingesetzt werden, ohne daß das Licht mit Prismen oder Optiken gebündelt oder verstärkt werden muß.
Mit der Erfindung wurde eine preiswerte, außergewöhnlich effektive
Beleuchtung geschaffen, die auf engstem Raum zur blendfreien indirekten Beleuchtung vielfältig eingesetzt werden kann. Ein erfindungsgemäßeir
Lichtwellenleiter, beispielsweise in einer Fahrzeugtür oberhalb des Türgriffes verdeckt eingebaut, kann den Türgriff indirekt beleuchten und durch das
Auflicht dessen Kontur hervorheben, ohne daß eine Blendung der Fahrzeuginsassen zu befürchten ist. Vielfältige weitere Anwendungen sind
denkbar. So z.B. als indirekte Beleuchtung von Treppenstufen oder ähnlichen Objekten.
Nach einem günstigen Merkmal der Erfindung verläuft zur Erzeugung eines
Lichtvorhanges die aufgerauhte Oberfläche parallel zur Längsachse des Lichtwellenleiters. Durch Bearbeitung des Lichtwellenleiters in seiner
Längsrichtung läßt sich die Austragrichtung des Lichtvorhanges exakt bestimmen, wobei nach einem weiteren ausgestaltenden Merkmal der
Erfindung die Austragbreite des Vorhanges durch Verändern der Breite des
abgetragenen Oberflächenbereiches veränderbar ist.
In einer günstigen Ausführung der Erfindung ist die abgetragene
Außenoberfläche plan; es hat sich herausgestellt, daß dann die Lichtausbeute besonders günstig und die Ausbildung des Lichtvorhanges besonders exakt ist.
Um die Montage des Lichtwellenleiters an seinem Bestimmungsort auch im
unbeleuchteten Zustand vorzunehmen und trotzdem eine exakte Ausrichtung des Lichtvorhanges auf das zu beleuchtende Objekt vornehmen zu können ist
es von Vorteil, wenn nach einem anderen Merkmal der Erfindung die abgetragene Außenoberfläche farbig markiert ist.
Als besonders günstig hat sich herausgestellt, die abgetragene Außenoberfläche weiß zu markieren. In diesem Fall wirkt die Markierung
sowohl als Orientierungshilfe zum Ausrichten beim Einbau als auch als zusätzliche Reflektionsverstärkung beim Erzeugen des Lichtvorhanges.
Um eine noch bessere Lichtausbeute zu erreichen, kann nach einem
besonderen Merkmal der Erfindung der Lichtwellenleiter zwischen zwei beidendig angekoppelten Lichtquellen angeordnet werden. Als Lichtquellen
können neben herkömmlichen Glühfadenlampen bevorzugt Leuchtdioden verwendet werden.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird
nachfolgend beschrieben. Es zeigt:
Fig. 1 das Prinzip der Totalreflektion in einem Lichtwellenleiter,
Fig. 2 einen Querschnitt durch einen Lichtwellenleiter nach der
Erfindung,
Fig. 3 einen aufgerauhten erfindungsgemäßen Lichtwellenleiter, Fig. 4 den Lichtwellenleiter nach Fig. 3 im Querschnitt,
• · O »
Fig. 5 den erfindungsgemäßen Lichtwellenleiter in einer Fahrzeugtür,
Fig. 6 die Fahrzeugtür nach Fig. 5 im Querschnitt, 5
Fig. 7 die Anwendung eines Lichtwellenleiters als Treppenbeleuchtung und
Fig. 8 eine Draufsicht auf dieTreppe nach Fig. 7
Figur 1 zeigt in grob schematischer Darstellung den Querschnitt durch einen
Lichtwellenleiter L, wie ihn die Erfindung anwendet. Der Lichtwellenleiter L besteht aus einer polymeren Faser, deren Kern 2 mit einer Deckschicht 1, dem
so genannten Cladding, ummantelt ist. Der Lichtbrechungsindex der Deckschicht 1 ist geringer als der des polymeren Fasermaterials. Ein stirnseitig
in den Kern 2 des Lichtwellenleiters eingespeister Lichtstrahl wird dadurch an der Trennschicht zwischen dem Deckschicht - und Fasermaterial reflektiert und
in dem Kern 2 des Lichtwellenleiters L weitertransportiert, solange ein
bestimmter kritischer Reflektionswinkel 3 nicht unterschritten wird. Bei einem polymeren Lichtwellenleiter L nach dem Ausführungsbeispiel der Erfindung
beträgt beispielsweise der Aufnahmewinkel eines Lichtstrahles in der Faser 64°. Bei einem Brechungsindex des Kernmaterials von nD = 1,49 und des
Mantelmaterials von &eegr; = 1,392 wird der Lichtstrahl in der dargestellten
Weise abgelenkt und trifft unter dem Winkel von 69° auf die Trennschicht zwischen dem Deckschicht- und dem Fasermaterial auf. Bei kleineren
Auftreffwinkeln findet keine Totalreflektion in der Faser mehr statt, das Licht tritt
-mindestens teilweise- aus dem Lichtwellenleiter L aus.
Bearbeitet man den Lichtwellenleiter L durch Aufrauhen seiner Oberfläche nach
Abtragung der Deckschicht 1 (Claddingschicht), so wird überraschenderweise das Licht weder durch Totalreflektion im Kern 2 des Lichtwellenleiters L
transportiert, noch wie beim Stand der Technik durch die "aktivierte" Oberfläche
der Faser ausgetragen, sondern daß das Licht wird im Bereich der Aufrauhung 5 der Oberfläche an deren Innenseite reflektiert und auf der der aufgerauhten
Oberfläche gegenüberliegenden Seite ausgetragen (Fig. 2).
In Fig. 3 ist schematisch ein erfindungsgemäß bearbeiteter Lichtwellenleiter L
perspektivisch dargestellt. Bei 5 ist die Aufrauhung 5 der Oberfläche des Lichtwellenleiters L mit einem Weißdruck 7 versehen, der einerseits beim
Einbau des Millimeter dünnen Lichtwellenleiters L zur Orientierung dient und andererseits auch den Lichtaustrag verstärkt.
Fig.4 deutet an, wie der Weißdruck 7 auf die Aufrauhung 5 des Lichtwellenleiters L aufgebracht werden kann.
In Fig. 5 ist ein anderer denkbarer Anwendungsfall des erfindungsgemäßen
Lichtwellenleiters L dargestellt. In einer Fahrzeugtür 15 ist unterhalb der
Glasscheibe 10 ein erfindungsgemäßer Lichtwellenleiter L in der Türverkleidung 11 so eingebaut, das dieser das von einer Lichtquelle 9
erzeugte Licht als Lichtvorhang austrägt, ohne selbst für den Fahrzeuginsassen sichtbar zu sein. Mit dem erzeugten Lichtvorhang lassen sich die Armlehne 13,
der Türöffner 12 und die Bedienungselemente 14 für die elektrischen Fensterheber oder dergl. blendfrei beleuchten.
Fig. 6 zeigt in einem Querschnitt durch die Tür, wie der erfindungsgemäß durch
Aufrauhung 5 bearbeitete Lichtwellenleiter L in der Türverkleidung 11 der
Fahrzeugtür eingebaut ist, um das Blenden der Fahrzeuginsassen sicher zu vermeiden. Erkennbar werden durch den gezielten Lichtaustrag aus dem im
Bereich oberhalb der Armlehne 13 aufgerauhten Lichtwellenleiter Armlehne 13, Türgriff 12 und die Bedienelemente 14 blendfrei angeleuchtet.
Eine andere denkbare Anwendung des erfindungsgemäßen Lichtwellenleiters L
ist vereinfacht in den Figuren 7 und 8 dargestellt. Der Lichtwellenleiter L dient
bei diesem Beispiel zur indirekten Beleuchtung einer Treppe. Je ein Lichtwellenleiter L ist beidseitig der Treppenstufen 16 verdeckt geführt, so daß
das Licht blendfrei als Lichtvorhang 6 auf die Treppenstufen 16 strahlt (Fig. 8).
Ein Beispiel für die Verlegung des Lichtwellenleiters L in einem verdeckten Raum zwischen Wand 17 und Treppenstufe 16 ist in Fig. 9 schematisch
dargestellt.
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Bezugszeichenliste:
1 Deckschicht (Cladding)
2 Kern
3 Kritischer Winkel
4 Aufnahmewinkel 10
5 Aufrauhung
6 Lichtvorhang 7 Weißdruck
und L Lichtwellenleiter
9 Lichtquelle 20
10 Glasscheibe
11 Türverkleidung 12 Türöffner
13 Armlehne
14 Bedienelement 30
15 Fahrzeugtür
16 Treppenstufe 17 Wand
Claims (12)
1. Lichtwellenleiter, insbesondere zur Beleuchtung innerhalb von
Kraftfahrzeugen, bestehend aus einem polymeren Lichtleitkörper in dem
das von einer Lichtquelle stirnseitig eingespeiste Licht durch Totalreflektion an den Grenzflächen seines Umfanges transportiert und
aus dem das Licht durch partielle Unterbrechung der Totalreflektion quer zur Transportrichtung des Lichtes ausgekoppelt wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Oberfläche des Lichtwellenleiters (L) teilweise aufgerauht (5) ist
und das an der Innenseite der aufgerauhten Oberfläche reflektierte Licht auf der der aufgerauhten (5) Oberfläche gegenüberliegenden Seite des
Lichtwellenleiters (L) austritt.
2. Lichtwellenleiter nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Lichtwellenleiter (L) aus einer mit einer Deckschicht (1) ummantelten flexiblen Faser besteht, deren Deckschicht (1) auf einem
Teil ihres Umfangs entfernt ist und deren unter der entfernten
Deckschicht (1) freigelegte Oberfläche aufgerauht (5) ist, wobei das an der Innenseite der aufgerauhten Oberfläche reflektierte Licht auf der der
aufgerauhten Oberfläche diametral gegenüberliegenden Seite des Lichtwellenleiters (L) durch die Deckschicht (1) austritt.
3. Lichtwellenleiter nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dadurch gekennzeichnet,
daß zur Bildung eines Lichtvorhanges ein der gewünschten Länge des
Lichtvorhanges entsprechender Längenabschnitt des Lichtwellenleiters (L) aufgerauht (5) ist.
4. Lichtwellenleiter nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
dadurch gekennzeichnet,
daß bei einem faserförmigen Lichtwellenleiter (L) der aufgerauhte (5)
Umfangsbereich weniger als die Hälfte des Gesamtumfanges ausmacht.
5. Lichtwellenleiter nach Anspruch 1, 2,3 oder 4, dadurch gekennzeichnet,
daß das Aufrauhen der Oberfläche des Lichtwellenleiters (L) durch mechanische abtragende Bearbeitung erfolgt.
6. Lichtwellenleiter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,
daß die aufgerauhte (5) Oberfläche des Lichtwellenleiters (L) parallel zu dessen Längsachse verläuft.
7. Lichtwellenleiter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet,
daß die Breite und Bündelung des Lichtvorhanges durch die Breite und die Kontur der aufgerauhten (5) Oberfläche des Lichtwellenleiters (L)
einstellbar ist.
8. Lichtwellenleiter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet,
daß die aufgerauhte (5) Oberfläche des Lichtwellenleiters (L) plan ist.
9. Lichtwellenleiter nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, daß die aufgerauhte Oberfläche des Lichtwellenleiters (L) farbig markiert
ist.
10. Lichtwellenleiter nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet,
daß die aufgerauhte Oberfläche des Lichtwellenleiters (L) weiß (7) markiert ist.
11. Lichtwellenleiter nach Anspruch 1 und 2,
dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtwellenleiter (L) zwischen zwei beidendig angekoppelten
Lichtquellen (9) angeordnet ist.
12
12. Lichtwellenleiter nach einem der Ansprüche 1 bis 11,
dadurch gekennzeichnet,
daß als Lichtquellen Leuchtdioden vorgesehen sind.
daß als Lichtquellen Leuchtdioden vorgesehen sind.
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1997
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