DE102004046256A1

DE102004046256A1 - Oberflächenleuchtsystem

Info

Publication number: DE102004046256A1
Application number: DE200410046256
Authority: DE
Inventors: Mario Wanninger; Hubert Ott; Alexander Wilm; Kurt-Jürgen Lang; Andreas Stich; Ludwig Plötz; Christian Poh
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2004-09-23
Filing date: 2004-09-23
Publication date: 2006-04-06

Abstract

Oberflächenleuchtsystem, mit einer elektromagnetische Strahlung emittierenden Vorderseite (60), das mindestens einen Lichtleiter (1) beinhaltet, mit einer der Strahlung emittierenden Vorderseite (60) des Oberflächenleuchtsystems zugewandten Lichtleiter-Vorderseite (6), einer von der lichtabstrahlenden Vorderseite (60) abgewandten Lichtleiter-Rückseite (4) und einer seitlichen Einkoppelfläche (3), durch die im Betrieb des Oberflächenleuchtsystems elektromagnetische Strahlung zwischen die Lichtleiter-Vorderseite (6) und die Lichtleiter-Rückseite (4) eingestrahlt wird, wobei die Lichtleiter-Rückseite (4) der Einkoppelfläche (3) entgegengeneigt ist. Weiterhin beinhaltet das Oberflächenleuchtsystem mindestens eine primäre Strahlungsquelle (2) mit definiertem begrenztem Abstrahlwinkel, die geeignet ist, die in den Lichtleiter (1) einzukoppelnde elektromagnetische Strahlung zu emittieren, und mindestens ein streuendes und/oder reflektierendes Element (41) an der Lichtleiter-Rückseite (4).

Description

Die Erfindung betrifft ein Oberflächenleuchtsystem.
Für Oberflächenleuchtsysteme gibt es vielfältige Anwendungsmöglichkeiten. Sie können beispielsweise als Leuchtmittel in Lampen oder Design-Anordnungen dienen. Insbesondere können Oberflächenleuchtsysteme zur Hinterleuchtung von Displays wie Liquid-Crystal-Displays (LCD-Displays) eingesetzt werden.
Zur Hinterleuchtung von Displays werden in der Regel Beleuchtungssysteme verwendet, die einen durchgehenden Lichtleiter beinhalten, in den seitlich eine stabförmige Lichtquelle mit einer isotropen Abstrahlcharakteristik, wie z.B. eine Leuchtstoffröhre, einkoppelt. Diese Systeme haben den Nachteil, dass die Abmessungen der lichtabstrahlenden Fläche nicht beliebig vergrößert werden kann, da ansonsten laterale Inhomogenitäten in der Abstrahlcharakteristik auftreten können.

Aus den Druckschriften US 6,646,367 B2 und US 6,241,358 B1 sind Oberflächenleuchtsysteme bekannt, die kaskadenförmig aus mehreren Lichtleitern modular aufgebaut sind, in die jeweils seitlich Licht stabförmiger primärer Lichtquellen mit einer isotropen Abstrahlcharakteristik, wie beispielsweise Kaltkathodenlampen, eingekoppelt wird.

Solche Oberflächenleuchtsysteme weisen häufig jeweils hohe Lichtintensitäten im Bereich des Einkoppelbereichs 31 und an den Verbindungsstellen zwischen den Lichtleitern 1 auf, während der vom Einkoppelbereich 31 entfernte Bereich des Lichtleiters 1 dunkel erscheint, wie in 1a gezeigt. Um bei solchen Oberflächenleuchtsystemen eine homogene Abstrahlcharakteristik zu erzielen, wurde in den Druckschriften US 6,241,358 B1 und US 6,464,367 B2 eine Reihe von Maßnahmen vorgeschlagen, wie beispielsweise die Anordnung von Reflektoren 42 auf der Rückseite 4 der Lichtleiter 1 und um die primären Lichtquellen 2 herum.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Oberflächenleuchtsystem mit möglichst homogener Abstrahlcharakteristik anzugeben, das insbesondere technisch einfach realisierbar ist und dessen Leuchtfläche zudem auf technisch einfache Weise skaliert werden kann.

Diese Aufgabe wird durch ein Oberflächenleuchtsystem nach Patentanspruch 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausführungsformen des Oberflächenleuchtsystems sind in den Unteransprüchen 2 bis 19 angegeben.

Ein erfindungsgemäßes Oberflächenleuchtsystem mit einer elektromagnetische Strahlung emittierenden Vorderseite umfasst insbesondere:

– mindestens einen Lichtleiter mit einer der Strahlung emittierenden Vorderseite des Oberflächenleuchtsystemszugewandten Lichtleiter-Vorderseite, einer von der Strahlung emittierenden Vorderseite abgewandten Lichtleiter-Rückseite und einer seitlichen Einkoppelfläche, durch die im Betrieb des Oberflächenleuchtsystems elektromagnetische Strahlung zwischen die Lichtleiter-Vorderseite und die Lichtleiter-Rückseite eingestrahlt wird, wobei die Lichtleiter-Rückseite der Einkoppelfläche entgegengeneigt ist,
– mindestens eine primäre Strahlungsquelle mit definiertem begrenztem Abstrahlwinkel, die geeignet ist, die in den Lichtleiter einzukoppelnde elektromagnetische Strahlung zu emittieren, und
– mindestens ein streuendes und/oder reflektierendes Element an der Lichtleiter-Rückseite.

Das Oberflächenleuchtsystem emittiert bevorzugt elektromagnetische Strahlung mit Wellenlängen im sichtbaren Bereich, insbesondere weißes Licht. Ebenfalls emittierend die primären Strahlungsquellen bevorzugt elektromagnetische Strahlung mit Wellenlängen im sichtbaren Bereich, insbesondere weißes Licht.

Als Lichtleiter wird im Folgenden eine Vorrichtung bezeichnet, der dazu beiträgt, die elektromagnetische Strahlung der primären Strahlungsquelle so zu leiten, dass diese weitestgehend homogen von der Vorderseite des Oberflächenleuchtsystems abgestrahlt wird. Als Lichtleiter im Sinne der Erfindung kann beispielsweise ein herkömmlicher Lichtleiter aus einem zumindest teilweise strahlungsdurchlässigen Material, wie beispielsweise Glas oder Kunststoff dienen. Zur Lichtverteilung kann generell jede Oberfläche des Lichtleiters mit optisch wirksamen Strukturen versehen sein, die refraktiven und/oder diffraktiven Charakter besitzen können.

Weiterhin kann der Lichtleiter beispielsweise aber auch einen Hohlkörper umfassen, dessen Oberflächen zu Lichtleitung strukturiert sind. Unter einem Lichtleiter ist weiterhin im weitesten Sinne auch jede Anordnung von Flächen zu verstehen, die zur gezielten Leitung elektromagnetischer Strahlung dienen.

Jeder Lichtleiter wird durch eine bestimmte Anzahl an primären Strahlungsquellen mit Strahlung versorgt, die seitlich über die Einkoppelfläche in den Lichtleiter eingestrahlt wird. Ein Lichtleiter, die primären Strahlungsquellen, deren Strahlung seitlich in den Lichtleiter einkoppeln und ein oder mehrere streuenden und/oder reflektierenden Elemente auf der Rückseite des Lichtleiters bilden zusammen eine Lichtkachel. Das Oberflächenleuchtsystem kann eine Lichtkacheln beinhalten oder aus mehreren Lichtkacheln, die auch unterschiedliche Größen und Geometrien besitzen können, zu einem Lichtkachelverbund zusammengesetzt werden. So ist es vorteilhafterweise möglich, Oberflächenleuchtsysteme mit vielfältigen Größen und Geometrien einfach zu realisieren.

Um mit primären Strahlungsquellen mit definiert begrenztem Abstrahlwinkel eine Leuchtkachel mit homogener Abstrahlcharakteristik zu erhalten, werden reflektierende und/oder streuende Elementen auf der Lichtleiter-Rückseite angeordnet und die Lichtleiter-Rückseite so geformt, dass diese der Einkoppelfläche entgegengeneigt ist. Das Zusammenwirken dieser Teile zur gezielten Leitung der Strahlung im Inneren einer Lichtkachel wird im Folgenden beschrieben.

Die Strahlung der primären Strahlungsquellen wird seitlich über die Einkoppelflächen in den Lichtleiter in Form eines begrenzten Kegels eingestrahlt. Hierbei nimmt die Strahlungsquelle nur einen kleinen Teil der Einkoppelfläche ein. Der Lichtleiter ist so geformt, dass dessen Rückseite den Strahlen des Strahlungskegels entgegengeneigt ist, so dass die Strahlen auf die Rückseite des Lichtleiters treffen, nachdem sie einen gewissen Weg innerhalb des Lichtleiters entlang zur Licht abstrahlenden Vorderseite zurückgelegt haben. Je stärker die Lichtleiter-Rückseite gegenüber der Vorderseite geneigt ist, um so kürzer ist der Weg, den Strahlen im Lichtleiter im Mittel zurücklegen, bevor sie auf die Rückseite treffen. Alternativ kann auch durch eine vertikale Verkippung der primären Strahlungsquellen gegen die Vorderseite des Oberflächenleuchtsystems, der Ort variiert werden, an dem Strahlen auf der Lichtleiter-Rückseite auftreffen Um die Strahlen von der Lichtleiter-Rückseite zur Strahlung emittierenden Vorderseite des Oberflächenleuchtsystems zu lenken, ist ein Element mit reflektierenden Eigenschaften auf der Lichtleiter-Rückseite angeordnet. Damit auch in dem Bereich Strahlung von der Vorderseite des Oberflächenleuchtsystems abgestrahlt wird, den Strahlen aufgrund des definierten begrenzten Abstrahlwinkels der Strahlungsquelle ungestört durchlaufen, besitzt das optische Element auf der Rückseite bevorzugt ebenfalls derart streuende Eigenschaften, dass in diesen Bereich des Lichtleiters Strahlung zurückgelenkt wird.

Durch die Verwendung primärer Strahlungsquellen mit definiert begrenzten Abstrahlwinkel ist es vorteilhafterweise auf technisch einfache Weise möglich, den Verlauf der Strahlung innerhalb der Lichtkacheln weitestgehend vorherzubestimmen. Die streuenden und/oder reflektierenden Elemente auf der Rückseite der Lichtleiter und die Neigung der Lichtleiter-Rückseite werden so ausgewählt, dass das in einen Lichtleiter eingekoppelte Licht über die Länge einer Lichtkachel weitestgehend vollständig homogen abgestrahlt wird, indem sozusagen das Licht „gleichmäßig verbraucht" wird. Auf diese Weise wird zudem in der Regel der größte Teil der eingekoppelten Strahlung von der Vorderseite des Oberflächenleuchtsystems abgestrahlt.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die primäre Strahlungsquelle im Wesentlichen punktförmig.

„Im Wesentlichen punktförmig" oder „punktförmig" bedeutet im Rahmen der Erfindung, dass die Ausdehnung der Strahlungsquelle gegenüber der entsprechenden Ausdehnung des Lichtleiter ist, dass eine weitere Verkleinerung der Abmessungen der Strahlungsquelle keinen wesentlichen Einfluss auf die Abstrahlcharakteristik des Oberflächenleuchtsystems hat. Im Zweifel bedeutet „im wesentlichen punktförmig" oder „punktförmig" insbesondere, dass die größten Schnittfläche des Lichtleiter, den der Strahlungskegel im Lichtleiter durchläuft mindestens halb so groß, bevorzugt zehnmal so groß, besonders bevorzugt hundertmal so groß ist, wie die Strahlung emittierende Fläche der Strahlungsquelle. In der Regel sind strahlungsemittierende Halbleiterchips, wie Leuchtdioden (LEDs) oder Laserdioden in Verbindung mit typischen Abmessungen eines Lichtleiters für ein Oberflächenleuchtsystem, das etwa zur Hinterleuchtung eines Displays dient, als punktförmig anzusehen.

Die Verwendung punktförmiger Strahlungsquellen bietet den Vorteil, dass die optisch wirksamen Elemente, die den Verlauf der in den Lichtleiter eingekoppelten Strahlung gezielt leiten, auf einfache Weise bestimmt werden können.

In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Oberflächenleuchtsystems werden als primäre Strahlungsquellen Leuchtdioden eingesetzt.

LEDs sind Bauteile, die elektromagnetische Strahlung emittieren, die in einer aktiven Photonen emittierenden Zone eines Halbleiterchips erzeugt wird. Solche Bauteile sind dem Fachmann bekannt und werden daher an dieser Stelle nicht näher beschrieben.

Im Vergleich zu herkömmlich verwendeten Strahlungsquellen zeichnen sich LEDs durch einen definiert begrenzten Abstrahlwinkel aus. Sie bieten zudem eine Reihe von Vorteilen wie hohe Lebensdauer und geringen Energieverbrauch.

An der Vorderseite des Lichtleiters ist vorzugsweise ein Auskoppelelement angeordnet, das die von der Vorderseite des Oberflächenleuchtsystems emittierte Strahlung entsprechend einer gewünschten Charakteristik auskoppelt. Das Auskoppelelement ist vorzugsweise durchlässig für die von der Vorderseite des Oberflächenleuchtsystems emittierten Strahlung.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist das Auskoppelelement vorgesehen, die Strahlung in Richtung der Flächennormalen der Vorderseite des Oberflächenleuchtsystems zu lenken. Die Strahlung wird so im Wesentlichen senkrecht zur Vorderseite des Oberflächenleuchtsystems abgegeben, so dass die Strahlungsintensität, die ein Beobachter wahrnimmt oder von einem Detektor gemessen werden kann, davon abhängig ist, an welcher Position vor der Vorderseite des Oberflächenleuchtsystems er sich befindet. Die Strahlungsintensität ist maximal bei einer Position frontal vor dem Oberflächenleuchtsystem. Ein Oberflächenleuchtsystem mit dieser Abstrahlcharakteristik eignet sich insbesondere zur Hinterleuchtung von Displays.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Auskoppelelement vorgesehen, die von der Vorderseite des Oberflächenleuchtsystems emittierte Strahlung von jedem Punkt der Vorderseite isotrop in alle Raumrichtungen der Halbebene auszukoppeln, die von der lichtabstrahlenden Vorderseite begrenzt wird. Die Strahlungsintensität eines solchen Oberflächenleuchtsystems, die ein Beobachter wahrnimmt oder Detektor misst, der vor dem Oberflächenleuchtsystem positioniert ist, ist weitestgehend unabhängig von dessen Position. Ein Oberflächenleuchtsystem mit einer solchen Abstrahlcharakteristik eignet sich insbesondere als Leuchtmittel in Designanordnungen oder Leuchten.

Bevorzugt kann das Auskoppelelement eine Strukturierung der Vorderseite des Lichtleiters umfassen. Das Auskoppelelement kann eine direkte Strukturierung der Lichtleiter-Vorderseite sein. Weiterhin kann es eine direkte Strukturierung der Lichtleiter-Vorderseite und zusätzliche gesonderte Elemente umfassen, wie beispielsweise eine optisch wirksame Folie, die an der Vorderseite des Lichtleiters angeordnet ist. Eine solche Folie kann beispielsweise eine strahlungsdurchlässige Folie sein, die prismenförmige Strukturen an der Oberfläche aufweist (Prismenfolie). Die prismenförmige Strukturierung lenkt rückseitig einfallendes Licht in Richtung der Flächennormalen der Strahlung emittierenden Vorderseite und homogenisiert so die Abstrahlcharakteristik der Beleuchtungseinrichtung.

Die streuenden und/oder reflektierenden Elemente an der Lichtleiter-Rückseite bestehen bevorzugt aus diffus reflektierenden Folien. Solche Folien besitzen den Vorteil, dass sie kostengünstig sind, geringes Gewicht haben und einfach verarbeitet werden können.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Oberflächenleuchtsystems können das streuenden und oder reflektierende Element an der Lichtleiter-Rückseite auch eine direkte Strukturierung der Lichtleiter-Rückseite umfassen. Das streuende und/oder reflektierende Element kann eine direkte Strukturierung der Lichtleiter-Rückseite sein. Es kann auch eine direkte Strukturierung der Lichtleiter-Rückseite und zusätzlich gesonderte optisch wirksame Element umfassen. So kann die Lichtleiter-Rückseite beispielsweise aufgeraut sein, so dass sie Strahlung streut und gleichzeitig einen zusätzlichen Reflektor aufweisen, der die Strahlung reflektiert.

Geeignet als streuende und/oder reflektierende Strukturen auf der Rückseite der Lichtleiter ist beispielsweise eine Treppenstruktur. Eine solche Treppenstruktur wirkt als gerichtete Streuoptik, die Strahlung in Richtung der Vorderseite des Lichtleiters lenkt. Strukturierungen, die als gerichtete Streuoptiken wirken, sind in der Regel Strukturierungen, die eine räumliche Vorzugsrichtung aufweisen und Elemente beinhalten, die einfallende Strahlung streuen.

Bevorzugt befindet sich an der Einkoppelfläche des Lichtleiters ein optisch wirksames Einkoppelelement, das die elektromagnetische Strahlung der primären Lichtquelle entsprechend einer gewünschten Charakteristik in den Lichtleiter einkoppelt. Das Einkoppelelement kann bei einer bevorzugten Ausführungsform des Oberflächenleuchtsystems eine direkte Strukturierung der Einkoppelfläche umfassen. Es kann beispielsweise eine direkte Strukturierung der Einkoppelfläche, eine Linse, ein Linsensystem, ein diffraktives optisches Element oder eine Kombination hiervon sein.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist das Einkoppelelement vorgesehen, die Strahlung der primären Strahlungsquellen parallel zur Vorderseite des Oberflächenleuchtsystems auszurichten. Der Verlauf paralleler Strahlen in Lichtleitern sowie ihr Verhalten an den Grenzflächen der Lichtleiter kann besonders einfach berechnet werden. Dies bietet den Vorteil, dass das System hinsichtlich einer vorgesehenen Abstrahlcharakteristik einfacher optimiert werden kann.

Generell kann zur gezielten Lichtverteilung jede Oberfläche des Lichtleiters mit optisch wirksamen Strukturen versehen werden, die refraktiven und/oder diffraktiven Charakter besitzen können. Insbesondere müssen das streuende und/oder reflektierende Element an der Lichtleiter-Rückseite, das Auskoppelelement an der Lichtleiter-Vorderseite und das Einkoppelelement an der Einkoppelfläche jeweils keine gesonderten Elemente sein, sondern können durch entsprechende Strukturierungen der jeweiligen Oberfläche in den Lichtleiter integriert werden. Sie können weiterhin auch durch eine Kombination von einer direkten Strukturierung der jeweiligen Oberfläche mit einem oder mehreren gesonderten Elementen gebildet werden.

Auf den Oberflächen oder im Inneren der Lichtleiter kann sich weiterhin bevorzugt Wellenlängenkonversionsmaterial befinden. Wellenlängenkonversionsmaterialien sind Stoffe, die die Wellenlänge von einfallendem Licht in eine andere umwandelt. Sie sind beispielsweise in der Druckschrift WO 98/12757 A1 beschrieben, deren Offenbarungsgehalt insofern hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.

Wellenlängenkonversionsmaterialien werden beispielsweise auf blaue LEDs aufgebracht, um einen Teil der blauen Primärstrahlung in gelbes Licht zu verwandeln, das sich mit dem restlichen blauen Licht mischt und so einen weißen Farbeindruck beim Betrachter hinterlässt. Ebenso können Wellenlängenkonversionsmaterialien auf LEDs aufgebracht werden, die Licht im ultravioletten Bereich emittieren, um so weißes oder mischfarbiges Licht zu erzeugen.

Befindet sich Wellenlängenkonversionsmaterial auf der Vorderseite oder im Inneren der Lichtleiter, ist es nicht mehr nötig, die LEDs einzeln mit Wellenlängenkonversionsmaterial zu beschichten, um Licht der gewünschten Farbe zu erhalten. Dies bietet einige Vorteile aus produktionstechnischer Sicht.

Bei Verwendung von Wellenlängenkonversionsmaterial, dass elektromagnetische Strahlung des ultravioletten Bereiches (UV-Strahlung) zumindest teilweise in sichtbares Licht konvertiert, können insbesondere LEDs als primäre Strahlungsquellen verwendet werden, die elektromagnetische Strahlung mit Wellenlängen im ultravioletten Bereich emittieren. Beispielsweise kann hierbei Wellenlängenkonversionsmaterial verwendet werden, dass einen Teil der UV-Strahlung der primären Strahlungsquellen in gelbes Licht und einen anderen Teil in blaues Licht umwandelt um ein Oberflächenleuchtsystem zu erhalten, das im Betrieb Licht abstrahlt, das einen weißen Farbeindruck beim Betrachter hinterlässt.

Neben Wellenlängenkonversionsstoffen können die Lichtleiter im Inneren auch andere optisch wirksame Elemente wie beispielsweise Streupartikel oder Hologramme enthalten, mit denen sich ebenfalls die Abstrahlcharakteristik des Oberflächenleuchtsystems positiv beeinflussen lassen.

Bevorzugt sind die benachbarten Flächen der Lichtleiter untereinander so verbunden, dass keine Luftspalte zwischen ihnen bestehen. Hierdurch kann verhindert werden, dass eventuell vorhandene Reststrahlung am Ende einer Lichtkachel auf Grund des Brechungsindexunterschiedes zwischen Lichtleitermaterial und Luft vermehrt Richtung Einkoppelbereich zurückreflektiert wird.

Die Lichtleiter können beispielsweise mit Klebstoffen oder einer Vergussmasse verbunden werden. Prinzipiell eignen sich alle Fügematerialien, die ähnliche optische Eigenschaften wie das Lichtleitermaterial besitzen.

Bevorzugt umfasst eine Oberflächenleuchtsystem mindestens zwei primäre Strahlungsquellen, die so angeordnet sind, dass sich die optischen Achsen mindestens zweier primärer Strahlungsquellen schneiden. Hierdurch kann eine homogenere Ausleuchtung der Lichtleiter und damit eine homogenere Abstrahlcharakteristik des Oberflächenleuchtsystems erreicht werden.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausführungsformen des Oberflächenleuchtsystems ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den 1a, 1b, 2a bis 2d, 3a, 3b, 4a bis 4c, 5a, 5b, 6a und 6b näher erläuterten Ausführungsbeispielen.
Es zeigen:
1a, ein Diagramm der lokalen Helligkeitsverteilung I(x) eines nicht zur Erfindung gehörenden Oberflächenleuchtsystems aus zwei Lichtleitern, in die seitlich jeweils eine isotrope Strahlungsquelle einkoppelt, wobei eine Schnittdarstellung des Oberflächenleuchtsystems unterhalb der x-Achse des Diagramms schematisch abgebildet ist,
1b, ein Diagramm der lokalen Helligkeitsverteilung I(x) eines Oberflächenleuchtsystems aus zwei Lichtleitern, in die seitlich jeweils Strahlungsquellen mit definiertem begrenztem Abstrahlwinkel einkoppeln, wobei eine Schnittdarstellung des Oberflächenleuchtsystems unterhalb der x-Achse des Diagramms schematisch abgebildet ist,
2a, eine schematische Schnittdarstellung eines Oberflächenleuchtsystems gemäß eines ersten Ausführungsbeispiels und der im Inneren und an den Grenzflächen der Lichtkacheln verlaufenden Strahlen,
2b, eine schematische Schnittdarstellung einer Lichtkachel und Verlauf der Strahlen im Inneren und an den Grenzflächen der Lichtkachel,
2c, eine schematische Schnittdarstellung eines nicht zur Erfindung gehörenden Oberflächenleuchtsystems ohne optische Elemente auf den Vorderseiten, ohne Reflektoren auf den Rückseiten der Lichtleiter und ohne Verklebung der Lichtleiterkanten und der im Inneren und an den Grenzflächen der Lichtkacheln verlaufenden Strahlen,
2d, eine schematische Schnittdarstellung eines Oberflächenleuchtsystems analog zu dem von 2a, jedoch ohne Verklebung der Lichtleiterkanten und Darstellung des Lichtverlaufs im Inneren und an den Grenzflächen der Lichtleiter,
3a, eine schematische Schnittdarstellung einer Lichtkachel, gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
3b, eine weitere schematische Schnittdarstellung einer Lichtkachel gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung,
4a, eine weitere schematische Schnittdarstellung einer Lichtkachel, gemäß einem weiterem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
4b, eine weitere schematische Schnittdarstellung einer Lichtkachel, gemäß einem weiterem Ausführungsbeispiel der Erfindung, und schematische Darstellung des Lichtverlaufs im Inneren und an den Grenzflächen des Lichtleiters,
4c, eine vergrößerte Darstellung des Einkoppelbereichs der Lichtkachel aus 4b und Darstellung des Lichtverlaufes innerhalb des Einkoppelbereiches,
5a, eine schematische Schnittdarstellung eines Beleuchtungssystems gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels,
5b, schematische perspektivische Draufsicht eines Oberflächenleuchtsystem gemäß 5a mit einer Linsenleiste vor der Lichtkachel, und
6a und 6b, schematische Draufsichten auf eine Lichtkachel gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.
In den Ausführungsbeispielen und Figuren sind gleiche oder gleich wirkende Bestandteile jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die dargestellten Elemente der Figuren sind grundsätzlich nicht als maßstabsgetreu anzusehen. Vielmehr können sie zum besseren Verständnis teilweise übertrieben groß dargestellt sein.
Im Gegensatz zum Stand der Technik (vergleiche 1a) stellt sich bei der vorliegenden Erfindung aufgrund der Ver wendung primärer Strahlungsquellen 2 mit definiertem begrenztem Abstrahlwinkel das Problem, dass ohne weitere Maßnahmen hohe Strahlungsintensitäten in der Regel an dem Ende 5 des Lichtleiters 1 auftreten, das der Einkoppelfläche 3 gegenüberliegt (vgl. 1b).
Als primäre Strahlungsquelle 2 mit definiertem begrenztem Abstrahlwinkel dienen beispielsweise LEDs. LEDs sind auf Grund ihrer Abmessungen in der Regel punktförmige Strahlungsquellen 2. Eine LED kann beispielsweise eine Höhe von 0.6 mm, eine Breite von 0.8 mm und eine Länge von 1.7 mm haben. Ein geeigneter Lichtleiter hat in der Regel mindestens eine Höhe, die doppelt so groß ist, wie die Höhe der LED. Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass auch andere Bauelemente als primäre Strahlungsquellen 2 für das Oberflächenleuchtsystem eingesetzt werden können, die und sich durch einen definiert begrenzten Abstrahlwinkel auszeichnen, wie beispielsweise Laserdioden, die in der Regel punktförmige Strahlungsquellen sind.
Das Oberflächenleuchtsystem gemäß 2a beinhaltet mehrere Lichtleiter 1 mit seitlicher Einkoppelfläche 3, in die die primären Strahlungsquellen 2 einkoppeln. Die primären Strahlungsquellen 2 und die Lichtleiter 1 sind jeweils auf einzelne Träger 9 montiert und bilden so eine Lichtkachel. Diese Lichtkacheln sind auf einem weiteren Träger 10 derart zu einem Lichtkachelverbund angeordnet, dass Vorderseiten 6 im Wesentlichen die Strahlung emittierende Vorderseite 60 des Oberflächenleuchtsystems bilden. Jeder Lichtleiter 1 weist auf seiner Rückseite 4 eine streuendes und/oder reflektierendes Element 41 auf, wie beispielsweise eine Folie, die diffus reflektiert. Eine solche Folie kann beispielsweise den Kunststoff POCAN enthalten. Auf der Vorderseite 60 des Oberflä chenleuchtsystems befinden sich eine oder mehrere optisch wirksame Folien, wie beispielsweise eine Prismenfolie 63. Die Kanten 7 der Lichtleiter 1 sind so verbunden, dass keine Luftspalte zwischen ihnen bestehen. Dies kann z. B. durch Verkleben erreicht werden. Alternativ können die Lichtleiter 1 beispielsweise auch vergossen werden.
Wie die schematische Darstellung der Strahlen in 2b zeigt, wird die Strahlung der punktförmigen primären Strahlungsquelle 2 aufgrund des definiert begrenzten Abstrahlwinkels α in Form eines Kegels in den Lichtleiter 1 eingekoppelt. Die Strahlen legen innerhalb des Lichtleiters 1 einen gewissen Weg entlang der Strahlung emittierenden Vorderseite 60 des Oberflächenleuchtsystems zurück und treffen je nach Position innerhalb des Strahlungskegels früher oder später auf die Lichtleiter-Rückseite 4, die der Einkoppelfläche 3 entgegengeneigt ist. Der diffuse Reflektor 41 auf der Lichtleiter-Rückseite 4 verhindert zum einen, dass Strahlung durch die Lichtleiter-Rückseite 4 austreten kann und streut zum anderen aufgrund seines diffusen Charakters Strahlung zurück in Richtung des Einkoppelbereich 31. Dadurch wird auch Licht im Bereich des Einkoppelbereichs 31 von der Vorderseite 60 des Oberflächenleuchtsystems abgestrahlt, der ansonsten dunkel erscheinen würde.
Die optischen Folien auf der Vorderseite 60 des Oberflächenleuchtsystems dienen als Auskoppelelemente 62 und haben ebenfalls die Aufgabe, eine homogene Abstrahlcharakteristik zu erzeugen. Insbesondere eine Prismenfolie 63 richtet die Strahlen an der Grenzfläche Oberflächenleuchtsystem/Luft in Richtung der Normalen der Vorderseite 60 des Oberflächenleuchtsystems.
Durch die Verklebung der Lichtleiterkanten 7 werden größere Brechungsindexunterschiede innerhalb der Bereiche, die die Strahlung bis zur Vorderseite 60 des Oberflächenleuchtsystems durchqueren müssen, vermieden. Dies trägt weiterhin zu einer homogenen Abstrahlcharakteristik des Oberflächenleuchtsystems bei.
Zur Illustration der Wirkung der diffusen Reflektoren 41 auf den Lichtleiter-Rückseiten 4, der Prismenfolie 63 auf der Vorderseite des Lichtleiterverbundes und der Verklebung der Lichtleiterkanten 7 ist in 2b der Verlauf der Strahlen innerhalb eines Oberflächenleuchtsystems schematisch dargestellt, dem diese Elemente im Vergleich zum Oberflächenleuchtsystem in 2a fehlen.
Aufgrund des fehlenden diffusen Reflektors 41 auf der Lichtleiter-Rückseite 4 kann Strahlung an diesen Stellen austreten, wodurch generell die Helligkeit des Oberflächenleuchtsystems herabgesetzt wird. Weiterhin erscheint das Oberflächenleuchtsystem in der Nähe der Einkoppelbereiche 31 dunkel, da keine Strahlung von dem diffusen Reflektor 41 von der Lichtleiter-Rückseite 4 wieder in Richtung Einkoppelbereich 31 zurückgestreut wird.
Das Fehlen der Prismenfolie 63 auf der Vorderseite des Lichtleiterverbundes, führt dazu, dass die Strahlen schräg von der Vorderseite 60 des Oberflächenleuchtsystems abgestrahlt werden. Dies vermindert generell die Helligkeit, die ein Beobachter wahrnimmt, der frontal vor dem Oberflächenleuchtsystem positioniert ist.
Bestehen zwischen den Lichtleiterkanten 7 luftgefüllte Spalte, werden aufgrund des Brechungsindexunterschieds zwischen dem Material des Lichtleiters 1 und Luft Strahlen vermehrt an dieser Grenze total reflektiert und nachfolgend von der vorderseite 60 im Bereich der Lichtleiterkanten 7 abgestrahlt. Dies führt in der Regel zu hellen Streifen im Bereich der Lichtleiterkanten 7.
In 2c fehlt im Unterschied zur 2a die Verklebung der Lichtleiterkanten 7. Die schematische Darstellung des Strahlenverlaufs zeigt deshalb in diesem Bereich einen verstärkten Austritt von Strahlen an der Vorderseite 60 des Oberflächenleuchtsystems.
Durch eine direkte Strukturierung der Oberflächen 3, 4, 6 des Lichtleiters 1 können optisch wirksame Elemente, wie das Einkoppelelement 32, das Auskoppelelement 62 und das streuende und/oder reflektierende Element 41 auch direkt in die Lichtleiter 1 integriert werden. So ist der Lichtleiter 1 des Ausführungsbeispiels gemäß 3a auf der Einkoppelfläche 3, auf der Lichtleiter-Rückseite 4 und auf der Lichtleiter-Vorderseite 6 mit Strukturierungen versehen. Die Strukturierung auf der Einkoppelfläche 3 dient der gezielten Einkopplung von Strahlung in den Lichtleiter 1, die Strukturierung auf der Rückseite 4 hat streuende Eigenschaften und kann beispielsweise durch Aufrauen der Oberfläche erzeugt werden und die Vorderseite 6 ist mit einer Auskoppeloptik 62 strukturiert. Zusätzlich ist an der Lichtleiter-Rückseite 4 ein Reflektor 42 angeordnet.
Die Lichtleiter-Rückseite 4 kann auch mit gerichteten Streuoptiken 43 wie beispielsweise einer Treppenstruktur 44 versehen sein (vgl. 3b). Die Treppenstruktur kann beispielsweise Abmessungen zwischen einigen Millimetern bis zu einigen Mikrometern haben. Bei einer Neigung der Lichtleiter- Rückseite 4 von 45° gegenüber der Strahlung emittierenden Vorderseite 6 des Lichtleiters 1 wird die auf die Rückseite 4 des Lichtleiters 1 fallende Strahlung im Wesentlichen senkrecht zur Strahlung emittierenden Vorderseite 60 des Oberflächenleuchtsystems gelenkt.
Bei geeigneter Wahl der Strukturierung kann unter Umständen auf einen zusätzlichen Reflektor 42 verzichtet werden.
Das Volumen des Lichtleiters 1 kann im Wesentlichen durch eine Matrixmasse gebildet werden, die für die Strahlung der primären Strahlungsquellen 2 weitestgehend transparent ist, wie beispielsweise viele Kunststoffe oder Glas. In die Matrixmasse können optische Elemente 12 wie Hologramme oder Streupartikel eingebettet sein, die ebenfalls die Strahlungsverteilung innerhalb des Lichtleiters 1 gezielt beeinflussen.
Die Lichtleiter 1 können weiterhin im Inneren oder an den Oberflächen Wellenlängenkonversionsmaterial 11 tragen, so dass die Strahlung der primären Strahlungsquellen 2 zumindest teilweise in Strahlung einer anderen Wellenlänge konvertiert wird. Auf diese Weise kann der Farbeindruck des von dem Oberflächenleuchtsystems emittierten Lichtes variiert werden.
Die Form der Lichtleiter-Rückseiten 4 beeinflusst den Strahlenverlauf innerhalb des Lichtleiters 1 und damit die gesamte Abstrahlcharakteristik des Oberflächenleuchtsystems wesentlich, da von ihr abhängt, welchen Weg die Strahlen innerhalb des Lichtleiters 1 entlang der Vorderseite 60 zurücklegen und an welchen Stellen sie auf die Lichtleiter-Rückseite 4 auftreffen.
Weiterhin ist auch die Form der Lichtleiterfläche 8, die die Einkoppelfläche 3 mit der Vorderseite 6 verbindet, maßgeblich für den Verlauf der Strahlen innerhalb des Lichtleiters 1 und damit für die Abstrahlcharakteristik des Oberflächenleuchtsystems.
Zur Optimierung der Abstrahlcharakteristik des Oberflächenleuchtsystems ist daher die Wahl geeigneter Geometrien der Lichtleiter-Rückseite 4 und der Verbindungsfläche 8 des Lichtleiters 1 zwischen Einkoppelfläche 3 und Vorderseite 6 von wesentlicher Bedeutung, wie das Ausführungsbeispiels gemäß 4a zeigt, bei dem diese Flächen 4, 8, jeweils im gestrichelten Bereich liegen kann. Die Lichtleiter-Rückseite 4 und die Verbindungsfläche 8 zwischen Einkoppelfläche 3 und Lichtleiter-Vorderseite 6 können auch konkav oder konvex gewölbt sein. Die genaue Form dieser Lichtleiterflächen hängt von mehreren Parametern ab, wie beispielsweise dem Öffnungswinkel α und der Fläche der primären Strahlungsquellen, sowie dem Lichtleitermaterial. Sind solche Parameter bekannt, kann die Form der Lichtleiterflächen in der Regel berechnet werden.
Zur Ausrichtung der Strahlen innerhalb des Lichtleiters 1 in Richtung der Strahlung emittierenden Vorderseite 60 des Oberflächenleuchtsystems kann die Lichtleiter-Rückseite 4 auch eine Treppenstruktur 44 beinhalten, wie in dem Ausführungsbeispiel gemäß den 4b und 4c.
Bei der Ausführungsform gemäß der 5a und 5b wird die lichtabstrahlende Vorderseite 60 des Oberflächenleuchtsystems im Wesentlichen durch eine Abdeckscheibe 61 gebildet, unter der, bevorzugt gewölbte, Reflektoren 42 angeordnet sind, die die Funktion der Lichtleiter-Rückseite 4 und der streuenden und/oder reflektierenden Elementen 41 an der Lichtleiter-Rückseite 4 gemäß den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen erfüllen. Seitlich der Reflektoren 42 befindet sich eine „virtuelle" Einkoppelfläche 3 über den die primären Strahlungsquellen 2 in den Einkoppelbereich 31 der Lichtkachel einkoppeln. Zur Parallelisierung der Strahlen ist bei dieser Ausführungsform ein Einkoppelelemente 32 wie z. B. eine Linse oder ein Linsensystem zwischen der Einkoppelfläche 3 und der primären Strahlungsquelle 2 angeordnet. Die Reflektoren 42 sind so geformt, dass die parallelen Strahlen von ihnen im Wesentlichen senkrecht zur lichtabstrahlenden Vorderseite 60 des Oberflächenleuchtsystems gelenkt werden.
Die primären Strahlungsquellen 2 können auch in Reihen vor der Einkoppelfläche 3 des Lichtleiters 1 angeordnet sein, wobei zwischen den primären Strahlungsquellen 2 und der Einkoppelfläche 3 eine Linsenleiste als Einkoppelelement 32 positioniert ist.
Eine weitere Ausführungsform des Oberflächenleuchtsystems ist in den 6a und 6b gezeigt. Hierbei sind die Einkoppelbereiche 31 der Lichtleiter 1 so geformt, dass die primären Strahlungsquellen 2 innerhalb einer Ebene parallel zur Vorderseite 60 des Oberflächenleuchtsystems schräg zueinander in den Lichtleiter 1 einkoppeln, so dass sich die optischen Achsen der primären Strahlungsquellen 2 schneiden. Insbesondere können die primären Strahlungsquellen 2 bei dieser Ausführungsform so positioniert sein, dass sich die Strahlungskegel verschiedener primärer Strahlungsquellen 2 in einem möglichst großen Bereich überschneiden.
Die primären Strahlungsquellen 2 sind beispielsweise auf ein flexible Leiterplatte 13 montiert, die gebogen werden kann und somit eine einfache Montage der primären Lichtquellen an den schräg geformten Einkoppelbereichen 31 ermöglicht.
Der Vollständigkeit halber sei darauf hingewiesen, dass die Erfindung selbstverständlich nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt ist, sondern dass alle Ausführungsformen in den Bereich der Erfindung fallen, denen deren im Allgemeinen Teil erläutertes grundsätzliches Prinzip zugrunde liegt. Gleichzeitig sei darauf hingewiesen, dass die verschiedenen Elemente der unterschiedlichen Ausführungsbeispiele untereinander kombiniert werden können.

Claims

Oberflächenleuchtsystem, mit einer elektromagnetische Strahlung emittierenden Vorderseite (60), das beinhaltet: – mindestens einen Lichtleiter (1) mit einer der Strahlung emittierenden Vorderseite (60) des Oberflächenleuchtsystems zugewandten Lichtleiter-Vorderseite (6), einer von der Strahlung emittierenden Vorderseite (60) abgewandten Lichtleiter-Rückseite (4) und einer seitlichen Einkoppelfläche (3), durch die im Betrieb des Oberflächenleuchtsystems elektromagnetische Strahlung zwischen die Lichtleiter-Vorderseite (6) und die Lichtleiter-Rückseite (4) eingestrahlt wird, wobei die Lichtleiter-Rückseite (4) der Einkoppelfläche (3) entgegengeneigt ist, – mindestens eine primäre Strahlungsquelle (2) mit definiertem begrenztem Abstrahlwinkel, die geeignet ist, die in den Lichtleiter (1) einzukoppelnde elektromagnetische Strahlung zu emittieren, und – mindestens ein streuendes und/oder reflektierendes Element (41) an der Lichtleiter-Rückseite (4).
Oberflächenleuchtsystem nach Anspruch 1, bei dem die primäre Strahlungsquelle im Wesentlichen punktförmig ist.
Oberflächenleuchtsystem nach einem der obigen Ansprüche, bei dem die primäre Strahlungsquelle (2) mindestens eine LED umfasst.
Oberflächenleuchtsystem nach einem der obigen Ansprüche, mit mindestens einem Auskoppelelement (62) an der Vorderseite (6) des Lichtleiters (1), das die von der Vordersei te (6) des Oberflächenleuchtsystems emittierte Strahlung entsprechend einer gewünschten Charakteristik auskoppelt.
Oberflächenleuchtsystem nach Anspruch 4, bei dem das Auskoppelelement (62), die von der Vorderseite (60) des Oberflächenleuchtsystems emittierte Strahlung in Richtung der Flächennormalen der Vorderseite (60) des Oberflächenleuchtsystems lenkt.
Oberflächenleuchtsystem nach Anspruch 4, bei dem das Auskoppelelement (62) vorgesehen ist, die von der Vorderseite (60) des Oberflächenleuchtsystems emittierte Strahlung von jedem Punkt der Vorderseite (60) isotrop in alle Raumrichtungen der Halbebene, die von der lichtabstrahlenden Vorderseite (60) begrenzt wird, auszukoppeln.
Oberflächenleuchtsystem nach einem der Ansprüche 4 bis 6, bei dem das Auskoppelelement (62) eine Strukturierung der Vorderseite (6) des Lichtleiters (1) umfasst.
Oberflächenleuchtsystem nach einem der Ansprüche 4 bis 7, bei dem das Auskoppelelement (62) eine strahlungsdurchlässige Folie (63) umfasst, die prismenförmige Strukturen an der Oberfläche aufweist.
Oberflächenleuchtsystem nach einem der obigen Ansprüche, bei dem das streuende und/oder reflektierende Element (41) auf der Rückseite (4) des Lichtleiters (1) eine diffus reflektierende Folie umfasst.
Oberflächenleuchtsystem nach einem der obigen Ansprüche, bei dem das streuende und/oder reflektierende Element (41) eine Strukturierung (14) der Rückseite (4) des Lichtlei ters (1) umfasst, die einfallende Strahlung streut und/oder reflektiert.
Oberflächenleuchtsystem nach Anspruch 9, bei dem die Strukturierung eine Treppenstruktur (44) umfasst.
Oberflächenleuchtsystem nach einem der obigen Ansprüche, mit einem optisch wirksamen Einkoppelelement (32) an der Einkoppelfläche (3) des Lichtleiters (1), das die elektromagnetische Strahlung entsprechend einer gewünschten Charakteristik in den Lichtleiter (1) einkoppelt.
Oberflächenleuchtsystem nach Anspruch 12, bei dem das Einkoppelelement (32) eine Strukturierung der Einkoppelfläche (3) des Lichtleiters (1) umfasst.
Oberflächenleuchtsystem nach einem der Ansprüche 12 oder 13, bei dem das Einkoppelelement (32) vorgesehen ist, die Strahlung der primären Strahlungsquelle (2) parallel zur Vorderseite (60) des Oberflächenleuchtsystems auszurichten.
Oberflächenleuchtsystem nach einem der obigen Ansprüche, bei dem zumindest Teile der Oberfläche des Lichtleiters (1) Wellenlängenkonversionsmaterial (11) umfasst.
Oberflächenleuchtsystem nach einem der obigen Ansprüche, bei dem das Innere des Lichtleiters (1) optisch wirksame Elemente (12) umfasst.
Oberflächenleuchtsystem nach Anspruch 16, bei dem die optisch wirksamen Elemente (12) Streupartikel, Hologramme und/oder wellenlängenkonvertierende Leuchtstoffpartikel (11) sind.
Oberflächenleuchtsystem nach einem der obigen Ansprüche, mit mindestens zwei Lichtleitern (1), die untereinander an den Kanten (7) so verbunden sind, dass keine Luftspalte zwischen ihnen bestehen.
Oberflächenleuchtsystem nach einem der obigen Ansprüche, mit mindestens zwei primären Strahlungsquellen (2), die so positioniert sind, dass sich ihre optischen Achsen schneiden.