DE10134618A1 - Beleuchtungseinheit - Google Patents

Abstract

Es wird eine Beleuchtungseinheit mit einem Lichtleiterelement (23) mit zwei gegenüberliegend verlaufenden Hauptflächen und wenigstens einer Lichtquelle zur Ausleuchtung des Lichtleiterelements vorgeschlagen, wobei zwischen den Hauptflächen eingestrahltes Licht mittels Totalreflexion weiter reflektiert wird, und wobei auf wenigstens einer Hauptflächenseite Mittel (26) zur Auskopplung von eingestrahltem Licht vorgesehen sind. Erfindungsgemäß umfassen die Auskoppelmittel eine Vielzahl von feldartig, nebeneinander angeordneten einzelnen Auskoppelstrukturen (26), die durch jeweils wenigstens zwei sich schneidende Flächen (30) begrenzt sind, welche geneigt zur wenigstens einen Hauptflächenseite verlaufen.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Beleuchtungseinheit mit einem Lichtleiterelement mit zwei gegenüberliegend verlaufenden Hauptflächen und mit wenigstens einer Lichtquelle zur Ausleuchtung des Lichtleiterelements, wobei durch die Lichtquelle zwischen den Hauptflächen eingestrahltes Licht mittels Totalreflexion weiter reflektiert wird, und wobei auf wenigstens einer Hauptflächenseite Mittel zur Auskopplung von eingestrahltem Licht aus dieser Fläche vorgesehen sind.
• Stand der Technik
• Beleuchtungseinheiten der einleitend bezeichneten Art sind z. B. unter dem Begriff "backlight" oder "Tastenlichtleiter" bekannt geworden. Derartige Beleuchtungseinheiten dienen zur Hintergrundbeleuchtung von Tasten oder LCDs.
• Die Beleuchtung von Tasten erfolgt regelmäßig mittels eines Lichtleiters, in den durch Leuchtmittel, wie eine Lampe oder LED (light emitting diode) Licht über eine Einkoppelgeometrie eingeleitet wird. Im Lichtleiter werden die Lichtstrahlen zu den Bereichen geleitet, die zu beleuchten sind.
• Die Umlenkung in die gewünschte Leuchtrichtung erfolgt regelmäßig durch aufgeraute Oberflächenbereiche, die einen Mattscheibeneffekt aufweisen. Auf diese Weise ist ein homogenes Leuchten der Leuchtfläche zu sehen, ohne dass für den Betrachter optische Abbildungen innerhalb des Lichtleiters sichtbar werden.
• Die Erzeugung von rauen Oberflächen ist jedoch in der Massenfertigung nicht immer in der gewünschten gleich bleibenden Qualität unter vertretbarem Aufwand zu erreichen und zu überprüfen.
• Aufgabe und Vorteile der Erfindung
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Beleuchtungseinheit der einleitend bezeichneten Art bereitzustellen, die sich insbesondere in der Massenfertigung mit gleich bleibend guter Qualität herstellen lässt und dennoch eine gleichmäßige Ausleuchtung von insbesondere Tasten ermöglicht.
• Zur Lösung dieser Aufgabe wird die oben bezeichnete Beleuchtungseinheit in der Form weitergebildet, dass die Auskoppelmittel mehrere, d. h. vorzugsweise mehr als 6 feldartig, nebeneinander angeordnete, einzelne Auskoppelstrukturen umfassen, die durch jeweils wenigstens zwei sich schneidende Flächen begrenzt sind, welche geneigt zur wenigstens einen Hauptflächenseite verlaufen. Diese Vorgehensweise hat verschiedene Vorteile. Zunächst wird eine ansonsten verwendete raue Auskoppelfläche durch klar definierte geometrische Strukturen ersetzt, die in ihrer Qualität leicht nachprüfbar sind. Dies gilt selbst dann, wenn diese Auskoppelstrukturen in vergleichsweise kleinen Dimensionen, d. h. in Abmessungen, bei denen eine Auskoppelstruktur z. B. Kantenlängen in der Größenordnung von 40 bis 200 µm besitzt, hergestellt werden. Die Auskoppelstrukturen werden vorzugsweise in Bezug auf die auszuleuchtende Oberfläche in ihrer Dimensionierung so gewählt, dass ein Feld von beispielsweise 20 bis 200 Einzelstrukturen im auszuleuchtenden Bereich Platz findet. Darüber hinaus ist die Herstellung von dementsprechend ausgestalteten Lichtleitern, z. B. durch ein Spritzgussverfahren, selbst bei kleinen Strukturen sehr viel weniger empfindlich gegenüber Spritztemperatur und Spritzdruck als dies bei der Herstellung einer rauen Oberfläche der Fall ist. Außerdem weisen die Auskoppelstrukturen durch die wenigstens zwei sich schneidenden Flächen, die die Auskoppelstruktur begrenzen, bevorzugte Ausrichtungen auf, die zur gezielten Lichtleitung eingesetzt werden können.
• Um eine geometrisch etwas strengere und damit gegebenenfalls leichter herzustellende Beleuchtungseinheit zu erhalten, wird im Weiteren vorgeschlagen, dass in zumindest zwei unterschiedlichen Richtungen der wenigstens einen Hauptfläche jeweils mehrere nebeneinander angeordnete einzelne Auskoppelstrukturen vorgesehen sind.
• Vorzugsweise sind die einzelnen Auskoppelstrukturen prismenartig. Das heißt, die Strukturen sind im Wesentlichen von sich schneidenden Ebenen begrenzt.
• In einer weiteren besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die Einzelstrukturen negativ in der wenigstens einen Hauptfläche ausgebildet. Auf diese Weise können die Einzelstrukturen, z. B. in einem Spritzgusswerkzeug, positiv ausgeformt werden, was die Werkzeugherstellung insbesondere bei Auskoppelstrukturdimensionen von 50 bis 300 µm erheblich erleichtert.
• In einer außerdem besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Winkel, der die Auskoppelstrukturen begrenzenden Flächen zur wenigstens einen Hauptfläche und/oder die Schnittwinkel der die Auskoppelstrukturen begrenzenden Flächen in Bezug auf die Lichtquelle derart abgestimmt, dass eine gewünschte vorzugsweise homogene Auskopplung von Licht mit entsprechender Leuchtdichte aus der betreffenden Hauptfläche auftritt. Das heißt, als wichtige Parameter für die Lichtauskopplung dienen die Schnittwinkel der die Auskoppelstrukturen begrenzenden Flächen sowohl zueinander als auch in Bezug auf die betreffende Hauptfläche. Darüber hinaus ist die Ausrichtung der die Auskoppelstruktur begrenzenden Flächen im Hinblick auf die Lichtquelle ein weiterer Parameter.
• Die Leuchtdichte und Homogenität von ausgekoppeltem Licht kann darüber hinaus über die Höhe der Auskoppelstrukturen und/oder deren Abstand zueinander eingestellt werden.
• Die Auskoppelstrukturfelder müssen nicht zwangsläufig aus lauter gleichen Auskoppelstrukturen in einer strengen Anordnung bestehen. Sofern Herstellungsverfahren dies ermöglichen, können auch Auskoppelstrukturfelder verwendet werden, bei der im Extremfall jede einzelne Auskoppelstruktur individuell in ihrer Geometrie angepasst ist. Gute Resultate lassen sich jedoch bereits durch streng geometrische Auskoppelstrukturfelder erreichen.
• In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung umfassen z. B. die Auskoppelmittel ein Feld von in einer Rechteckmatrix oder Diagonalmatrix im Hinblick auf eine Lichtquelle angeordnete Auskoppelstrukturen von mindestens zwei Strukturen in jeder Richtung. Regelmäßig werden in solchen Feldern jedoch mindestens 20 und mehr Auskoppelstrukturen untergebracht.
• Die Auskoppelstrukturen selbst können als Prismen in verschiedenster Gestalt ausgebildet sein. Aufgrund der vergleichsweise einfachen Herstellbarkeit werden vorzugsweise Viereckpyramiden oder Viereckpyramidenstümpfe realisiert. Derartige Strukturen können, wie eingangs bereits erwähnt, negativ oder positiv in einem Lichtleiterelement ausgebildet sein.
Zeichnungen
• Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und unter Angabe weiterer Einzelheiten und Vorteile näher erläutert.
• Es zeigen
• Fig. 1 einen Ausschnitt eines Tastenlichtleiters, der mittels LED beleuchtet wird, in schematischer Draufsicht,
• Fig. 2 einen Ausschnitt des Tastenlichtleiters nach Fig. 1 in einer schematischen 3D-Darstellung,
• Fig. 3 eine Draufsicht auf einen Ausschnitt eines Prismenfeldes mit sechs Prismen mit angedeuteter Anstrahlrichtung in stilisierter 3D-Darstellung und
• Fig. 4 eine zu Fig. 3 entsprechende Darstellung, jedoch mit einer Vielzahl von im Wesentlichen vollständigen Viereckpyramiden als Prismen unter diagonaler Bestrahlung.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
• In Fig. 1 ist ein Ausschnitt eines Tastenlichtleiters 1 dargestellt, der mittels einer LED (light emitting diode) 2 als Lichtquelle beleuchtet wird. Die Einkoppelgeometrie im Bereich der LED 2 wird unten noch etwas näher beschrieben werden, detailliert ist sie jedoch Gegenstand einer anderen Schutzrechtsanmeldung. Im Ergebnis ist bezweckt, das Licht der LED in den plattenartigen Tastenlichtleiter (siehe hierzu insbesondere Fig. 2) einzukoppeln, so dass es zwischen den parallel angeordneten Hauptflächen 3, 4 mehrfach total reflektiert und damit zur Auskoppelstelle weitergeleitet wird.
• Um das weitergeleitete Licht gezielt zu drei beispielhaft dargestellten Prismenfeldern 5, 6, 7 zu leiten, sind zusätzlich Spiegelelemente 8, 9, 10 als Ausnehmungen im Tastenlichtleiter 1 realisiert.
• Die Ausgestaltung der Spiegelelemente 9, 10 ist nochmals deutlich in Fig. 2 zu sehen. Ebenso die Anordnung des Prismenfelds 5 von der Rückseite in der Hauptfläche 4.
• Die übrigen Strukturen dienen im Wesentlichen der Befestigung von Tastenelementen und des Tastenlichtleiters selbst. Seine Außenkontur ist durch den Einbauplatz vorgegeben.
• Licht, das in den Lichtleiter von der LED 2 durch eine entsprechende Einkoppelstruktur, die unter anderem eine Linse 11 und Reflexionsflächen 12, 13 umfasst, eingeleitet wird, erfährt teilweise eine Mehrfachreflexion an den Hauptflächen 3 und 4, gelangt direkt oder über eine entsprechende Umlenkung durch die Spiegelelemente 8 bis 10 zu den Prismenfeldern 5, 6, 7. Dort wird es mittels Begrenzungsflächen der Einzelprismen 14, 15, 16 zum Tastenlichtleiter 1 ausgekoppelt.
• Die Vielzahl von Einzelprismen 14, 16 der Prismenfelder 5 und 6 sind in einer Diagonalmatrix angeordnet. Die Einzelprismen 16 haben im Wesentlichen die Form von vollständigen Viereckpyramiden, welche negativ ins Lichtleiterinnere ausgeformt sind. Dagegen sind die Einzelprismen 14 Viereckpyramidenstümpfe, die jedoch auch invers in Lichtleiter ausgebildet sind.
• Die Prismen 15 des Prismenfelds 7 sind als Rechteckmatrix angeordnet und ebenfalls als negative Pyramidenstümpfe ausgeformt. Die Menge des austretenden Lichts eines Prismenfeldes kann durch die Ausrichtung der Prismen in Bezug auf das auftretende Licht (Drehung der Prismen), der Abstand der Prismen im Prismenfeld, die Höhe der Prismen und die Neigung der die Prismen begrenzenden Flächen in Bezug auf die Hauptfläche 3, 4 eingestellt werden.
• Im Gegensatz zur rauen Oberfläche eines herkömmlichen Auskoppelbereiches hat die Verwendung eines Prismenfeldes die Vorteile, dass eine exakte Definition der Oberfläche vorgenommen wird, die Fertigung einer solchen Struktur durch einen Spritzgussprozess vergleichsweise unempfindlich gegenüber Fertigungsparametern wie Druck, Zeit und Temperatur ist, die sich normalerweise stark auf die Abbildung der Werkzeugoberfläche im Werkstück auswirken sowie eine leichte Erkennbarkeit von Fertigungsfehlern durch falsche Spritzparameter gegeben ist, wenn entstehende Prismen zum Beispiel nicht mehr eckig, sondern rundlich werden.
• Die Verwendung von Prismenfeldern eignet sich nicht nur für die großflächige Tastenbeleuchtung, sondern ist auch für den Einsatz als Backlight bei einer LCD-Anzeige interessant.
• Die Fig. 3 und 4 zeigen schematisch reduzierte Fotografien von tatsächlich hergestellten, inversen Prismenfeldern 20, 21 (nur Ausschnittsweise dargestellt) in plattenförmigen ebenen Lichtleitern 22, 23.
• Die Anstrahlrichtung durch Licht ist jeweils durch einen Pfeil 24, 25 symbolisiert.
• Das Prismenfeld 22 umfasst im Gegensatz zum Prismenfeld 21, bei welchem Viereckpyramidenstümpfe 26 angeordnet sind, eine Vielzahl von nebeneinander liegenden nahezu vollständig ausgebildeten Viereckpyramiden 27.
• Die Anordnung der Pyramiden bzw. Pyramidenstümpfe 26 ist in beiden Fällen rechtwinklig, wobei jeweils der Abstand 28, 29 bzw. 28a, 29a in der vorliegenden Anordnung der gleiche ist. Diese Abstände können zur Einstellung des ausgekoppelten Lichtes jedoch Variieren. Dabei können nicht nur die Abstände in der jeweiligen Richtung unterschiedlich sein, sondern es können auch die Abstände innerhalb einer Richtung sich ändern.
• Das Prismenfeld 21 nach Fig. 3 wird so angestrahlt, dass das Licht im Wesentlichen senkrecht auf eine Seitenfläche 30 des Pyramidenstumpfes 26 fällt, die dann als Auskoppelfläche dient (diese Seite erscheint hell). Dagegen erscheinen die anderen Flächen dunkel, weil an diesen Flächen kein Licht zum Betrachter reflektiert wird.
• Im Gegensatz hierzu trifft im Prismenfeld 20 nach Fig. 4 eingestrahltes Licht auf zwei ungefähr 45° dazu angeordnete Pyramidenflächen 31, 32, die das Licht zum Betrachter reflektieren. Die gegenüberliegenden Flächen 33, 34, die an der Auskopplung nicht beteiligt sind, erscheinen dunkel.
• Im Vergleich zu Fig. 3 ist somit eine größere Fläche (bei angenommen gleicher Grundfläche der Prismen) an der Auskopplung beteiligt, weshalb das Prismenfeld nach Fig. 4 eine größere Leuchtdichte bei gleicher Lichteinstrahlintensität besitzt.

Claims (9)

1. Beleuchtungseinheit mit einem Lichtleiterelement (1, 22, 23) mit zwei gegenüberliegend verlaufenden Hauptflächen (3, 4) und wenigstens einer Lichtquelle (2) zur Ausleuchtung des Lichtleiterelements (1, 22, 23), wobei zwischen den Hauptflächen (3, 4) eingestrahltes Licht mittels Totalreflexion reflektiert wird, und wobei auf wenigstens einer Hauptflächenseite Mittel zur Auskopplung von eingestrahltem Licht aus dieser Fläche vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Auskoppelmittel eine Vielzahl von feldartig nebeneinander angeordneten, einzelnen Auskoppelstrukturen (14, 15, 16, 26, 27) umfassen, die durch jeweils wenigstens zwei sich schneidende Flächen (31, 32) begrenzt sind, welche geneigt zu der wenigstens einen Hauptflächenseite (4) verlaufen.

2. Beleuchtungseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest zwei unterschiedliche Richtungen der wenigstens einen Hauptfläche (4) jeweils mehrere nebeneinander angeordnete einzelne Auskoppelstrukturen (14, 15, 16, 26, 27) vorgesehen sind.

3. Beleuchtungseinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Auskoppelstrukturen prismenartig sind.

4. Beleuchtungseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Strukturen (14, 15, 16, 26, 27) negativ in der wenigstens einen Hauptfläche (4) ausgebildet sind.

5. Beleuchtungseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Winkel der die Strukturen begrenzenden Flächen (31, 32) in Bezug auf die wenigstens eine Hauptfläche (4) und/oder die Schnittwinkel der begrenzenden Flächen (31, 32) auf die Lichtquelle (2) derart abgestimmt sind, dass eine gewünschte, vorzugsweise homogene Auskopplung von Licht mit entsprechender Leuchtdichte aus dieser Hauptfläche (4) auftritt.

6. Beleuchtungseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe und/oder der Abstand (28, 29) der Auskoppelstrukturen in Bezug auf die Lichtquelle derart ausgelegt sind, dass eine gewünschte Homogenität und Leuchtdichte von Licht im Auskoppelbereich auftritt.

7. Beleuchtungseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auskoppelmittel ein Feld von in einer Rechteckmatrix (5, 7) oder Diagonalmatrix (6) angeordnete Auskoppelstrukturen (14, 15, 16) von mehr als zwei Strukturen in jeder Richtung umfassen.

8. Beleuchtungseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Auskoppelstruktur (14, 15, 16, 26, 27) eine Viereckpyramide (27) oder ein Viereckpyramidenstumpf (26) ist.

9. Lichtleiter für eine Beleuchtungseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche.