DE10005554C2 - Beleuchtungsvorrichtung für einen reflexiv betriebenen flachen Bildschirm - Google Patents

Abstract

Es wird eine Beleuchtungsvorrichtung für einen reflexiv betriebenen flachen Bildschirm vorgeschlagen, die einen über die Oberfläche des Bildschirms (24) sich erstreckenden flächigen Lichtleiter (22) zur Anordnung auf der Sichtseite des Bildschirms (24) umfasst, der eine Mikroprismen- bzw. mikroprismenähnliche Struktur (21) aufweist, und an welchem wenigstens im Bereich einer Seitenkante Licht einkoppelbar ist. Erfindungsgemäß ist die Mikroprismen- bzw. mikroprismenähnliche Oberflächenstruktur auf der Seite des Lichtleiters (22) angebracht, die im am Bildschirm (24) angeordneten Zustand des Lichtleiters (22) zur Bildschirmoberfläche weist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Beleuchtungsvorrichtung für einen reflexiv betriebenen flachen Bildschirm, die wenigstens einen über die Oberfläche eines Bildschirms sich erstreckenden flächigen Lichtleiter zur Anordnung auf der Sichtseite des Bildschirms umfasst, der eine Mikroprismen- bzw. mikroprismenähnliche Oberflächenstruktur aufweist und an welchem wenigstens im Bereich einer Seitenkante Licht einkoppelbar ist.

Stand der Technik

Bei einer bekannten Vorrichtung der einleitend bezeichneten Art ist entlang einer Seitenkante des Lichtleiters eine lineare Lichtquelle, z. B. in Form einer CCFL-Röhre (Cold Cathode Flurescence Lamp) mit einem Reflektor angeordnet, so dass das Licht der Lichtquelle direkt über den Reflektor in den Lichtleiter eingekoppelt wird. Die zu einem Bildschirm weisende Seite des Lichtleiters ist glatt. Die gegenüberliegenden Seite hingegen weist eine Struktur aus nebeneinanderliegenden, im Querschnitt dreieckförmigen Prismen auf, die eine Längskante besitzen, welche parallel zur Lichtquelle verläuft. Die lange Seitenfläche der im Querschnitt dreieckförmigen Prismen zeigt zur Lichtquelle und besitzt beispielsweise einen Winkel von 30 bis 42° in Bezug auf die Lichtleiterbene, d. h. im angebrachten Zustand in Bezug auf die Bildschirmoberfläche. Von der Lichtquelle eingekoppeltes Licht wird über die glatte Fläche des Lichtleiters und an den breiten Seitenflächen der Prismen durch Totalreflexion weitergeleitet. Durch die Totalreflexion an der breiten Seitenfläche eines Prismas wird das Licht zum reflexiv betriebenen flachen Bildschirm reflektiert.

Um die Prismenstruktur für den Beobachter optisch zu verbergen, ist über dem Lichtleiter eine Kompensationsschicht aufgebracht, die exakt die zur Lichtleiterstruktur inverse Oberfläche aufweist, so dass die Prismen im wesentlichen ohne Spalt überdeckt werden. Dabei ist die dem Betrachter zugewandte Seite der Kompensationsschicht glatt. Eine derartige reflexiv betriebene Flüssigkristallanzeige ist z. B. aus der JP 11 202 799 A (Abstract) bekannt, bei der eine Elektrolumineszenzlichtquelle verwendet wird und bei der die kurze Seitenfläche der Mikroprismen der Lichtquelle zuweisen.

Diese Frontbeleuchtung hat jedoch den Nachteil, dass in unerwünschter Weise ein Teil des Lichts durch die Prismenstruktur, ohne vorher zum flachen Bildschirm reflektiert zu werden, direkt zum Beobachter gelangt oder den Lichtleiter bis zu der der Lichtquelle gegenüberliegenden Seite durchläuft. Dadurch wird das eingekoppelte Licht nur unvollständig genutzt, worunter die Helligkeit der Anzeige leidet. Des weiteren wird durch das direkt an den Beobachter reflektierte Licht der Dunkelwert des flachen Bildschirms erhöht, was sich negativ auf den Kontrast des Bildschirms auswirkt.

Aufgabe und Vorteile der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Beleuchtungsvorrichtung der einleitend bezeichneten Art bereizustellen, mit welcher sich vergleichsweise bessere Kontrastwerte und eine vergleichsweise größere Helligkeit eines damit ausgestatteten Bildschirms erzielen lassen. Diese Aufgabe wird ausgehend von einer Beleuchtungsvorrichtung der einleitend bezeichneten Art dadurch gelöst, dass die Mikroprismen- bzw. mikroprismenähnliche Oberflächenstruktur auf der Seite des Lichtleiters ausgebildet ist, die im am Bildschirm angeordneten Zustand des Lichtleiters zur Bildschirmoberfläche weist. Durch diese Maßnahme wird erreicht, dass zunächst der wesentliche Teil des in den Lichtleiter eingekoppelten Lichts zum reflexiv betriebenen Bildschirm gelangt, also nur eine vernachlässigbare Streustrahlung entsteht, die direkt auf den Beobachter trifft. Dies liegt daran, dass das auf die glatte Seite des Lichtleiters treffende Licht im wesentlichen vollständig durch Totalreflexion auf die Prismenstruktur der gegenüberliegenden Seite reflektiert wird und an der Prismenstruktur nahezu keine Reflexion zurück zum Beobachter stattfindet. Des weiteren wird das auf die Prismenstruktur reflektierte Licht unter einem vergleichsweise steileren Winkel in den flachen Bildschirm, z. B. eine Flüssigkristallanzeige eingekoppelt. Dadurch durchläuft das am Reflektor der beispielhaft genannten Flüssigkristallanzeige reflektierte Licht den Flüssigkristall in einem Winkel, in welchem sich die Winkelabhängigkeit des Flüssigkristallmaterials im wesentlichen nicht bemerkbar macht.

Die Mikroprismen- bzw. mikroprismenähnliche Oberflächenstruktur muss dabei nicht zwangsläufig aus ebenen Flächen bestehen, sie kann auch gewölbte Flächen umfassen.

In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist auf der strukturierten Lichtleiteroberfläche wenigstens eine transparente Kompensationsschicht angeordnet, deren zum Lichtleiter weisende Seite eine zur Mikroprismen- bzw. mikroprismenähnliche Oberflächenstruktur des Lichtleiters invers ausgestaltete Struktur besitzt. Durch diese Anordnung wird die Prismen- bzw. prismenähnliche Struktur durch das Material der Kompensationsschicht ausgefüllt, so dass die Kompensationsschicht im wesentlichen spaltenfrei über dem Lichtleiter liegt. Auf diese Weise werden optische Abbildungseffekte der Prismenstruktur, z. B. der Doppelbildeffekt, ausgeglichen, so dass diese für einen Beobachter von außen unsichtbar ist. Dies gilt insbesondere dann, wenn der Lichtleiter und die Kompensationsschicht die gleichen optischen Eigenschaften, z. B. den gleichen Brechungsindex, aufweisen.

Für eine einfache Ankopplung des Beleuchtungssystems an einen flachen Bildschirm wird im weiteren vorgeschlagen, dass die zum Lichtleiter abgewandte Seite der Kompensationsschicht, entsprechend der Bildschirmoberfläche glatt ist.

Um eine möglichst effektive Einkopplung von durch eine Lichtquelle eingestrahltem Licht zum flachen Bildschirm zu erhalten, wird überdies vorgeschlagen, dass die Mikroprismen- bzw. mikroprismenähnliche Oberflächenstruktur nebeneinander angeordnete im Querschnitt vieleckige, vorzugsweise dreieckförmige bzw. trapezförmige Prismen umfasst, die eine Längskante aufweisen, welche parallel zu der wenigstens einen Seitenkante verläuft, an welcher Licht einkoppelbar ist, wobei die zur Lichteinkoppelseite zeigende Seite des Prismas eine breite Seitenfläche ist, die einen Winkel von 40 bis 45° zur Lichtleiterebene, d. h. im angebrachten Zustand des Lichtleiters zur Bildschirmoberfläche aufweist. In diesem Zusammenhang ist es überdies bevorzugt, wenn die von der Lichteinkoppelseite abgewandte Seite eine schmale Seitenfläche ist, die einen Winkel von 75 bis 90° zur Lichtleiterebene bzw. zur Bildschirmoberfläche besitzt.

In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel kann der Lichtleiter auch keilförmig ausgestaltet sein, um dadurch eine noch homogenere Lichtverteilung über den reflexiv betriebenen flachen Bildschirm zu erhalten.

Vorzugsweise wird eine erfindungsgemäße Beleuchtungsvorrichtung für eine reflexiv betriebene Flüssigkristallanzeige, beispielsweise auch in Form eines PDLC's (Polymer Dispersed Liquid Crystal) verwendet.

Zeichnungen

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und unter Angabe weiterer Vorteile und Einzelheiten näher erläutert.

Es zeigen

Fig. 1a und b Flüssigkristallanzeigen mit Frontbeleuchtungsvorrichtung mit symbolisch dargestellten Strahlenverläufen in einer schematischen Schnittansicht,

Fig. 2a und b die in Fig. 1a und 1b schematisch abgebildeten Strahlenverläufe im Bereich einer Mikroprismenstruktur vergrößert dargestellt und

Fig. 3 eine Flüssigkristallanzeige mit einer herkömmlichen Frontbeleuchtungsvorrichtung und symbolisch dargestelltem Strahlengang des Lichts in einer schematischen Schnittansicht.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In Fig. 3 ist eine herkömmliche Frontbeleuchtungsvorrichtung 1 bestehend aus einem Lichtleiter 2, einer Kompensationsschicht 3 sowie einer an einer Seitenkante des Lichtleiters 2 angeordneten linienförmigen Lichtquelle 4 mit Reflektor 5 abgebildet. Die Frontbeleuchtungsvorrichtung 1 ist auf die Sichtseite eines flachen Flüssigkristallbildschirms 6, der reflexiv betrieben wird, aufgebracht. Der Flüssigkristallbildschirm 6 weist auf seiner Rückseite einen Reflektor 7 auf. Ein von der Lichtquelle 4 bzw. vom Reflektor 5 kommender Lichtstrahl 11 wird beispielsweise an der glatten Seite 8 des Lichtleiters aufgrund von Totalreflexion zu einer Mikroprismenstruktur 9 reflektiert, die aus dreieckförmigen bzw. trapezförmigen Prismen 10 besteht, deren Längsachsen parallel zur linienförmigen Lichtquelle 4 verlaufen. Die Prismenstruktur 9 im Lichtleiter 2 wird von einer passend dazu ausgebildeten Prismenoberfläche der Kompensationsschicht 3 ausgefüllt, so dass eine im Wesentlichen spaltfreie Stoßstelle zwischen Lichtleiter 4 und Kompensationsschicht 3 erzielt wird.

An der Prismenstruktur wird der Lichtstrahl 11 nochmals aufgrund von Totalreflexion in Richtung Flüssigkristallbildschirm 6 reflektiert. Dazu weist die Prismenstruktur flache Seitenflächen mit einem Neigungswinkel von 30 bis 42 Grad in Bezug auf die Oberfläche des Flüssigkristallbildschirms 6 auf. Bei dieser Anordnung wird jedoch ein Teil des Lichtes, das von der Lichtquelle 4 bzw. vom Reflektor 5 kommt, durch den Lichtleiter hindurch auf den zur Lichtquelle gegenüberliegenden Randbereich reflektiert, ohne den Flüssigkristallbildschirm zu erreichen. Hierdurch entstehen Lichtverluste. Darüber hinaus wird an der Stoßstelle der Mikroprismen das Licht nicht vollständig zum Flüssigkristallbildschirm reflektiert, sondern gelangt auch als Streulicht unmittelbar zum Beobachter. Dies mindert den Kontrast eines flachen Bildschirms. Überdies weist das von der Prismenstruktur in den Flüssigkristallbildschirm eingekoppelte Licht einen Winkel zur Bildschirmoberfläche auf, der deutlich von einer Oberflächennormalen abweicht. Dadurch erfährt das in den Flüssigkristallbildschirm 6 reflektierte und am Reflektor 7 des Flüssigkristallbildschirms 6 zurückreflektierte Licht unerwünschte Brechungen aufgrund der winkelabhängigen Brechungseigenschaften von Flüssigkristallmaterial, die insbesondere bei flachen Winkeln auftreten.

Diese Nachteile werden durch eine Frontbeleuchtungs­ vorrichtung 20 gemäß der Fig. 1a und b bzw. der Fig. 2a und b vermieden. Bei dieser Frontbeleuchtungsvorrichtung ist eine Mikroprismenstruktur 21 an der Oberflächenseite eines Lichtleiters 22 ausgebildet, die der Sichtseite 23 eines Flüssigkristallbildschirms 24 gegenüberliegt. Zwischen dem Lichtleiter 22 und der Sichtseite 23 des Flüssigkristallbildschirms 24 ist eine Kompensationsschicht 25 angeordnet, deren zum Lichtleiter 22 weisende Oberfläche eine Struktur aufweist, die zur Mikroprismenstruktur der Lichtleiteroberfläche passt, so dass zwischen Lichtleiter 22 und Kompensationsschicht 25 eine möglichst spaltfreie Stoßstelle 32 realisiert werden kann. An einem Seitenrand des Lichtleiters 22 ist eine linienförmige Lichtquelle 26 mit Reflektor 27 vorgesehen. Die Längsachsen von Prismen 36 der Mikroprismenstruktur 21 verlaufen parallel zum Seitenrand des Lichtleiters 22, an welchem die Lichtquelle 26 angeordnet ist. Ein beispielhaft von der Lichtquelle 22 bzw. vom Reflektor 27 kommender Lichtstrahl 28 wird zunächst an einer glatten Seite 29 des Lichtleiters, die zum Betrachter gerichtet ist, durch Totalreflexion zur Mikroprismenstruktur 21 bzw. Stoßstelle 32 reflektiert. Dort wird der Lichtstrahl 28 an der breiten Seitenfläche eines Mikroprismas der Kompensationsschicht 25, die beispielsweise einen Neigungswinkel zur Oberfläche des Flüssigkristallbildschirms 24 von 40 bis 45° aufweist, in den Flüssigkristallbildschirm durch Totalreflexion umgelenkt. Aufgrund der Anordnung wird nicht nur der größte Teil des Lichts der Lichtquelle 26 zum Flüssigkristallbildschirm 24 reflektiert, sondern auch unter einem vergleichsweise steilen Winkel. Auf diese Weise wird das Licht, das das Flüssigkristallmaterial des Flüssigkristallbildschirms 24 durchläuft, durch seine Winkelabhängigkeit, insbesondere bei flachen Winkeln auftritt, kaum beeinflusst. Das in den Flüssigkristallbildschirm umgelenkte Licht wird an einem Reflektor 30 reflektiert und trifft unter einem Winkel erneut auf die Mikroprismenstruktur 21, bei welchem keine Totalreflexion auftritt, so dass das Licht ungehindert einen Beobachter erreichen kann (Fig. 1b).

Aufgrund dessen, dass bei einer Anordnung gemäss Fig. 1a und b im wesentlichen kein Streulicht der Lichtquelle 26 den Beobachter erreicht, stellt sich insbesondere ein guter Dunkelwert eines flachen Bildschirms ein, so dass sich ein hoher Kontrast erzielen lässt.

Die Winkelverhältnisse von Lichtstrahlen, die von der Lichtquelle zur Stoßstelle 32 der Mikroprismen gelangen und vom Reflektor 30 eines flachen Bildschirms an die Stoßstelle 32 der Mikroprismen zurückreflektiert werden, sind in den Fig. 2a und 2b nochmals vergrößert herausgestellt.

Von der Lichtquelle 26 kommt beispielsweise ein Lichtstrahl 31 (siehe Fig. 2a) zur Stoßstelle 32 und durchläuft dort die schmale Seitenfläche 33, 34 der Mikroprismen, die beispielsweise einen Winkel von 75 bis 90° bezogen auf die Oberfläche eines flachen Bildschirms 24 aufweist. Daraufhin trifft der Lichtstrahl 31 auf die breite Seitenfläche 35 eines an der Kompensationsschicht 25 ausgebildeten Prismas, die vorzugsweise einen Neigungswinkel bezogen auf die Oberfläche eines flachen Bildschirms 24 von ca. 40 bis 45° besitzt. Anschließend erreicht der über Totalreflexion umgelenkte Lichtstrahl 31, z. B. unter einem Winkel von 10° den Reflektor 30 auf der Rückseite des flachen Bildschirms. Der am Reflektor 30 ankommende Lichtstrahl 31 wird dadurch ebenfalls unter einem Winkel von 10° zurückreflektiert und trifft erneut auf die Stoßstelle 32 der Mikroprismen, wobei der Winkel dieses Lichtstrahls zur breiten Seitenfläche 35 der Mikroprismen steil genug ist, um eine Totalreflexion zu vermeiden. Damit kann das am Reflektor 30 reflektierte Licht im Wesentlichen ungehindert die Stoßstelle 32 der Mikroprismenstruktur passieren und einen Betrachter erreichen.

Durch den erfindungsgemäßen Aufbau wird Streulicht auf den Betrachter im Wesentlichen vermieden, wodurch sich ein hoher Kontrast des flachen Bildschirms erzielen lässt.

Die Kompensationsschicht 25 hat die Aufgabe, Brechungseffekte an der Mikroprismenstruktur derart auszugleichen, dass ein Betrachter von außen diese im Wesentlichen nicht wahrnehmen kann.

Claims (8)

1. Beleuchtungsvorrichtung für einen reflexiv betriebenen flachen Bildschirm, die einen über die Oberfläche des Bildschirms sich erstreckenden flächigen Lichtleiter zur Anordnung auf der Sichtseite des Bildschirms umfasst, der eine Mikroprismen- bzw. mikroprismenähnliche Oberflächenstruktur aufweist und an welchem wenigstens im Bereich einer Seitenkante Licht eingekoppelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikroprismen- bzw. mikroprismenähnliche Oberflächenstruktur auf der Seite des Lichtleiters (22) angebracht ist, die im am Bildschirm (24) angeordneten Zustand des Lichtleiters (22) zur Bildschirmoberfläche (23) weist.

2. Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die der Mikroprismen- bzw., mikroprismenähnlichen Oberflächenstruktur gegenüberliegende Seite (29) des Lichtleiters glatt ist.

3. Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass auf der strukturierten Lichtleiteroberfläche wenigstens eine transparente Kompensationsschicht (25) angeordnet ist, deren zum Lichtleiter (22) weisende Seite eine zur Mikroprismen- bzw. mikroprismenähnlichen Oberflächenstruktur des Lichtleiters (22) invers ausgebildete Struktur besitzt.

4. Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zum Lichtleiter (22) abgewandte Seite der Kompensationsschicht (25) glatt ist.

5. Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikroprismen- bzw. mikroprismenähnliche Oberflächenstruktur nebeneinander angeordnet im Querschnitt vieleckige, vorzugsweise dreieckförmige bzw. trapezförmige Prismen (36) umfasst, deren Längsachse parallel zu wenigstens der Seitenkante verläuft, an welcher Licht einkoppelbar ist, wobei die zur Lichteinkoppelseite zeigende wenigstens eine Seitenfläche der Prismen (36) eine breite Seitenfläche (35) ist, die einen Winkel von 40° bis 45° zur Bildschirmoberfläche (23) aufweist.

6. Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine von der Lichtquelle (26) abgewandte Seitenfläche der Prismen eine schmale Seitenfläche (34) ist, die einen Winkel von 75° bis 90° zur Bildschirmoberfläche (23) besitzt.

7. Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtleiter (22) keilförmig ist.

8. Reflexiver Flüssigkristallbildschirm mit einer Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche.