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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen optischen Diffusor zum Streuen
von Licht aus einer Lichtquelle. Der Diffusor hat einen Lichteintrittsbereich, der
für den Eintritt von Licht aus einer Lichtquelle in den
Diffusor ausgebildet ist, und einen Lichtaustrittsbereich, der für
den Austritt des Lichts aus dem Diffusor ausgebildet ist.
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Die
Erfindung betrifft ferner eine Lichtbox mit einem Diffusor, eine
Spritzgussform zum Herstellen eines Diffusors und die Verwendung
einer Spritzgussform zum Fertigen eines Diffusors.
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Es
gibt in der täglichen Welt eine Vielzahl von Anforderungen
dahingehend, dass Gegenstände beleuchtet sein müssen.
Um dies zu erzielen, gibt es verschiedene Möglichkeiten.
Dazu zählen insbesondere eine direkte Beleuchtung von außen,
eine indirekte Beleuchtung von außen, eine Hintergrundbeleuchtung
von innen, oder das Objekt leuchtet selbst, wie z. B. eine Neonröhre.
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Besondere
Erfordernisse bestehen im Bereich von Bedienelementen. Eine Beleuchtung
von außen scheidet hier in aller Regel aus, da die Hand des
Benutzers durch das Licht von außen zu einem Schattenwurf
führt. Außerdem führt die Beleuchtung von
außen zu einem unerwünschten Umgebungslicht, und
der Kunde sieht bei einem von außen beleuchteten Bedienelement
eine geringere Wertigkeit. Schließlich steht eine Beleuchtung
von außen auch dem Wunsch der Industrie entgegen, auf einfache
in sich geschlossene Module zurückgreifen zu können, in
denen die vollständige Funktionalität integriert
ist.
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Aus
diesem Grund ist in der Vergangenheit gerne auf die Möglichkeit
der Hintergrundbeleuchtung zurückgegriffen worden. Hierbei
macht sich jedoch die Tatsache bemerkbar, dass eine Lichtquelle ihr
Licht in aller Regel punktförmig abstrahlt, wie es bei
den häufig verwendeten Glühbirnen und LEDs der
Fall ist.
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Um
eine gute Lichtausbeute zu erzielen, sind die Lichtquellen üblicherweise,
bezogen auf die Blickrichtung des Betrachters, hinter dem zu beleuchtenden
Element angeordnet worden. Die punktförmige Lichtquelle
bewirkt allerdings, dass der Benutzer den Bereich des Bedienelements,
der in etwa in Richtung der Lichtquelle liegt, als deutlich heller wahrnimmt
als an den Randbereichen.
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Um
diesem Effekt entgegenzuwirken, ist man dazu übergegangen,
zwischen der Lichtquelle und dem Anzeigeelement beziehungsweise
dem Bedienelement einen Diffusor anzuordnen.
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Für
großflächige Anzeigeelemente wurden beispielsweise
mechanische Konzepte aufgezeigt, wie sie z. B. aus der
DE 43 11 013 A1 bekannt
sind. Hier ist zwischen der Lichtquelle und der sichtbaren Deckplatte
ein Diffusor angebracht. Der Diffusor hat einen Bereich unmittelbar über
der Lichtquelle, der nicht lichtdurchlässig ist. Auf diese
Weise wird die direkte Strahlung von der Lichtquelle in das Auge
des Betrachters unterdrückt. Ausgehend von diesem mittleren
Feld befinden sich an beiden Seiten gelochte Felder mit zunehmender
Lochung und Lichtdurchlässigkeit. Auf diese Weise soll
erreicht werden, dass die Lichtverteilung auf der Deckplatte homogen
erscheint. Tatsächlich bleibt die Lichtverteilung bei dem vorgeschlagenen
Diffusor aber sichtbar inhomogen, und der Diffusor eignet sich nicht
für Beleuchtungssituationen mit geringem verfügbaren
Bauraum.
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Um
die Diffusorwirkung zu verbessern und auch eine Lösung
anzubieten, wenn nur wenig Bauraum zur Verfügung steht,
wurden Diffusoren vorgeschlagen, wie sie beispielsweise aus der
DE 10 2006 034 817
A1 bekannt sind. Bei einem solchen Diffusor befindet sich
in einem ersten Körper mit einem ersten Brechungsindex
eine Mehrzahl von kleineren zweiten Körpern mit einem zweiten
Brechungsindex. Wird der Diffusor nun aus einer Lichtquelle bestrahlt,
so durchläuft das Licht aufgrund der verschiedenen Brechungsindices
einen komplexen Weg durch den Diffusor mit mehreren Brechungen und
Abstrahlpunkten, so dass das Licht am Lichtaustrittsbereich diffus erscheint.
Allerdings haben derartige Lösungen immer noch einen ungenutzten
Bauraum, da die Lichtquellen in einem bestimmten Abstand zum Diffusor angeordnet
werden müssen. Ist dieser Abstand nicht gegeben, so resultiert
dies wieder in einer inhomogenen Lichtverteilung.
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Eine
weitere Art von Diffusor ist aus der
DE 195 38 893 A1 bekannt. Hier wird Licht
von der Seite in einen Diffusor eingestrahlt. In dem Diffusor befinden
sich Kugeln oder Partikel, die entsprechend den gewünschten
Bedingungen eindiffundiert werden. In Abhängigkeit von
der Diffusionsdotierung kann man eine bestimmte Lichtauskoppellänge
erreichen.
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In
diesem Zusammenhang sei noch auf
EP 0 676 218 B1 verwiesen. Die Beschreibungseinleitung dieses
Dokuments zeigt auf, warum es in der Praxis schwierig und aufwändig
ist, einen Diffusor aus zwei Materialien, sprich einem Trägermaterial
und einem diffus wirkenden Zusatzmaterial, zu fertigen, insbesondere
wenn die Konzentration des diffus wirkenden Materials an verschiedenen
Stellen des Diffusors unterschiedlich sein soll. Als Lösung
wird hier vorgeschlagen, dass ein optischer Kern von einer Substanz,
die Streupartikel enthält, optisch getrennt wird und der
Kern von der die Streupartikel enthaltenden Substanz bis zum Ende
eines aktiven Bereichs des Diffusors getrennt gehalten wird. Die
Fertigung ist allerdings aufwändig.
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Die
DE 100 60 364 A1 befasst
sich, die sich unter anderem mit einer Reduzierung der Totalreflexion
in einem Diffusor. Bei dem hier gezeigten Diffusor wird das Licht
in bekannter Weise an den Grenzflächen zwischen einem Trägermaterial
und darin eingebrachten Volumenelementen abgelenkt. Um das gestreute
Licht besonders gut aus dem Diffusor auszukoppeln, ist eine als
Lichtabstrahlfläche dienende Hauptseite des Diffusors mit
einer Gitterstruktur versehen, an der die Totalreflexion des Lichts
innerhalb des Körpers gestört wird. Auf diese
Weise soll das diffuse Licht in gleichmäßiger
Verteilung aus dem Diffusor austreten können.
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Die
aus dem Stand der Technik bekannten Diffusoren haben jedoch den
Nachteil, dass sie entweder aufwändig in der Fertigung
sind, nur eine mäßige Homogenität bei
der Lichtverteilung erzielen oder einen erheblichen Bauraum benötigen.
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Es
ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten
Diffusor aufzuzeigen. Die Verbesserung soll dabei insbesondere darin
liegen, dass der Diffusor einfach zu fertigen ist, mit einem geringen
Bauraum auskommt und eine gute Homogenität bei der Lichtverteilung
erzielt.
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Ferner
ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Lichtbox mit
einem Diffusor und einer Lichtquelle, eine Spritzgussform zum Herstellen eines
Diffusors und eine Verwendung einer Spritzgussform zum Fertigen
eines Diffusors aufzuzeigen.
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Die
Aufgabe der Erfindung wird nach einem Aspekt der Erfindung durch
einen optischen Diffusor zum Streuen von Licht aus einer Lichtquelle
gelöst, wobei der Diffusor einen Lichteintrittsbereich,
der für den Eintritt von Licht aus der Lichtquelle in den
Diffusor ausgebildet ist, und einen Lichtaustrittsbereich aufweist,
der für den Austritt des Lichts aus dem Diffusor ausgebildet
ist, wobei der Lichtaustrittsbereich eine Oberfläche mit
Störstellen aufweist, die dafür ausgebildet sind,
zumindest einen Teil des Lichts im Diffusor aus dem Diffusor auszukoppeln,
und wobei die räumliche Konzentration der Störstellen
mit zunehmendem Abstand vom Lichteintrittsbereich zunimmt.
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Im
Rahmen der Erfindung wurde erkannt, dass es möglich ist,
einen guten Diffusor zu bauen, ohne dass aufwändige Bearbeitungsschritte
erforderlich sind, um die Diffusionseigenschaft des Diffusors herzustellen.
Zwar kann es, wie später noch erläutert wird,
zusätzliche Vorteile bringen, wenn ein diffus wirkendes
Material verwendet wird, doch zeichnet sich die Erfindung unter
anderem dadurch aus, dass dies keine Voraussetzung ist, um eine
gute Diffusionswirkung zu erzielen.
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Durch
das Einbringen von Störstellen wird die Lichtauskopplung
aus dem Diffusor gezielt vorgenommen. Gleichzeitig wird durch die
besondere Anordnung der Störstellen eine gleichmäßige
Lichtverteilung am Austrittsbereich des Diffusors erzielt. Diese
besondere Ausgestaltung ermöglicht neben der guten Gleichverteilung
der Leuchtdichte auch eine gute Lichtausbeute bezogen auf das eingestrahlte Licht.
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Die
Konzentration bzw. die Dichte der Störstellen kann ermittelt
werden, indem man für eine bestimmte Fläche ermittelt,
welcher Teil dieser Fläche mit Störstellen versehen
ist. Alternativ ist es auch möglich die Anzahl der Störstellen
je Flächeneinheit zu ermitteln.
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Allgemein
ist festzustellen, dass es bei einem erfindungsgemäßen
Diffusor ausreichend ist, wenn lediglich an einer Seite eine oder
mehrere Lichtquellen angeordnet sind. Es wird aber als vorteilhaft
angesehen, sowohl für eine weitere Verbesserung der Gleichverteilung
der Leuchtdichte als auch für eine allgemeine Steigerung
der Leuchtdichte, Lichtquellen an zwei oder mehr Seiten des Diffusors anzuordnen.
Versuche haben gezeigt, dass es ausreichend ist, wenn Lichtquellen
an zwei gegenüber liegenden Seiten des Diffusors, insbesondere
an den zwei kurzen Seiten des Diffusors, angeordnet werden.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Störstellen
als Erhebungen auf der Oberfläche ausgebildet.
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Diese
Ausgestaltung lässt sich fertigungstechnisch gut realisieren.
Außerdem haben erste Untersuchungen gezeigt, dass es vorteilhaft
für die Lichtverteilung ist, wenn die Störstellen
als Erhebungen ausgebildet sind. Es sei aber darauf hingewiesen,
dass die Störstellen prinzipiell auch als Vertiefungen
in der Oberfläche ausgebildet sein können.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung haben die
Störstellen eine Breite zwischen 1 μm und 100 μm
und/oder eine Höhe zwischen 1 μm und 100 μm.
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Im
Rahmen der Erfindung wurde ermittelt, dass sich eine besonders gute
Lichtverteilung erzielen lässt, wenn die Störstellen
klein gewählt werden. Es wird derzeit davon ausgegangen,
dass sich eine besonders günstige Lichtauskopplung ergibt,
wenn eine Vielzahl kleiner Störstellen ausgebildet wird
anstatt einer kleinen Anzahl von großflächigen
Störstellen. Ferner deuten erste Versuche darauf hin, dass sich
eine besonders günstige Verteilung der Störstellen
erzielen lässt, wenn die Störstellen hinreichend klein
gewählt sind.
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In
diesem Zusammenhang wurde erkannt, dass die Störstellen
bevorzugt eine Breite zwischen 1 μm und 100 μm,
besonders bevorzugt zwischen 2,5 μm und 40 μm,
und insbesondere zwischen 5 μm und 20 μm haben
sollten. Konkrete Versuche mit einer Breite von 10 μm haben
gute Ergebnisse gezeigt. Die Höhe der Störstellen
liegt bevorzugt zwischen 1 μm und 100 μm, besonders
bevorzugt zwischen 2,5 μm und 40 μm, und insbesondere
zwischen 5 μm und 20 μm. Erste Versuche mit einer
Höhe von 10 μm haben gute Ergebnisse gezeigt.
Werden die Störstellen als Vertiefungen ausgebildet, sind
die Höhenangaben entsprechend als Tiefenangaben zu verstehen.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung haben die
Störstellen eine im Wesentlichen runde Grundfläche,
insbesondere eine ringförmige Grundfläche.
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Derart
geformte Störstellen lassen sich fertigungstechnisch besonders
günstig herstellen. Insbesondere wenn der Diffusor im Spritzgussverfahren hergestellt
wird, wie später noch näher erläutert
wird, ist diese Ausgestaltung vorteilhaft, da sich der gegossene
und erstarrte Diffusor gut aus der Spritzgussform entfernen lässt.
Die runde bzw. ringförmige Grundfläche hat aber
zudem den Vorteil, dass die Gleichmäßigkeit der
Diffusion verbessert wird. Der Grund für diesen Effekt
wird darin gesehen, dass parallele Strahlen, die auf eine gekrümmte
Grenzfläche treffen, in unterschiedliche Richtungen reflektiert oder
gebrochen werden können. Dieser Effekt ist bei einer ebenen
Grenzfläche nicht zu beobachten.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die
Störstellen in Gruppen angeordnet, insbesondere in Form
einer Matrix, wobei zumindest ein Teil der Gruppen bezogen auf die Oberfläche
voneinander beabstandet sind.
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Diese
Ausgestaltung ist fertigungstechnisch vorteilhaft, da eine Gruppe
von Störstellen beziehungsweise das entsprechende Negativbild
in der Spritzgussform besonders schnell hergestellt werden kann.
Die Störstellen in einer Gruppe grenzen aneinander an.
Jede Gruppe weist zwischen 2 und 100, bevorzugt zwischen 4 und 64,
insbesondere zwischen 9 und 36 Störstellen auf. Erste Versuche
deuten darauf hin, dass eine Gruppe von 16 Störstellen vorteilhaft
ist, da dies eine gute Balance zwischen der Größe
einer Gruppe und der Effektivität bei der Fertigung darzustellen
scheint. Die Anordnung der Mittelpunkte der Störstellen
in einer Gruppe ist bevorzugt dreieckig, rautenförmig oder
rechteckig. Gute Ergebnisse haben sich gezeigt, wenn die Störstellen
in einer quadratischen Matrix einer Größe zwischen
2 × 2 bis 10 × 10, bevorzugt 3 × 3 bis
6 × 6, angeordnet werden. Derzeitige Ergebnisse deuten
darauf hin, dass eine Matrix der Größe 4 × 4
besonders vorteilhaft ist.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung besteht der Diffusor
aus einem homogenen Material oder aus einer homogenen Materialmischung.
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Dies
ermöglicht einen einfachen und preisgünstigen
Fertigungsprozess, da auf das Einbringen eines weiteren Materials
oder das Eindiffundieren von weiteren Teilchen verzichtet werden
kann. Wie bereits eingangs erläutert, ermöglicht
die Erfindung erstmals eine derartige Ausgestaltung, da die besondere
Oberflächenstruktur den gewünschten Diffusionseffekt
mit einer gleichmäßigen Verteilung der Leuchtdichte
erzielt.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung besteht
der Diffusor aus Polymethylmethacrylat (PMMA) oder weist der Diffusor
Polymethylmethacrylat auf.
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Ein
derartiger Diffusor hat besonders gute optische Eigenschaften, ist
haltbar und kann günstig hergestellt werden. Bei weiteren
bevorzugten Ausgestaltungen der Erfindung werden Polycarbonate (PC) oder
andere lichtdurchlässige Materialien verwendet.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der
Diffusor ein diffus wirkendes Zusatzmaterial auf, welches homogen
im Diffusor verteilt ist.
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Diese
Ausgestaltung ermöglicht eine Vereinfachung des Produktionsprozesses
dahingehend, dass die Toleranzen für den Fertigungsprozess
aufgeweitet werden können. Aufgrund der feinen Mikrostrukturen,
die zur Realisierung der Erfindung vorgeschlagen werden, sollte
der Fertigungsprozess innerhalb wohldefinierter Toleranzbereiche
gefahren werden, um ein gleichmäßiges Ergebnis
bei der Lichtverteilung der Diffuso ren zu erzielen. Es hat sich
gezeigt, dass die Fertigungstoleranzen im Fertigungsprozess aufgeweitet
werden können, wenn das verwendete Material bereits selbst
zu einem bestimmten Grad diffus wirkt. Dies bedeutet, dass bereits
zu einem bestimmten Grad diffuses Licht auf den Lichtaustrittsbereich
mit den Störstellen trifft, so dass bestimmte Fertigungstoleranzen
nicht mehr ins Gewicht fallen.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist an
dem Diffusor ein Reflektor angeordnet, der dafür ausgebildet
ist, Licht aus dem Diffusor in Richtung des Lichtaustrittsbereichs
zu reflektieren.
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Auf
diese Weise wird die Lichtausbeute, also die sichtbare Leuchtdichte,
die der Diffusor abstrahlt, verbessert.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist an
dem Diffusor ein Reflektor angeordnet, der dafür ausgebildet
ist, durch den Lichtaustrittsbereich austretendes Licht zurück
in den Diffusor zu reflektieren, so dass das Licht an einer Seite,
die dem Lichtaustrittsbereich gegenüberliegt, aus dem Reflektor
austritt.
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Diese
Ausgestaltung bietet den Vorteil einer verbesserten Lichtausbeute.
Für eine vereinfachte Orientierung kann man hier auch davon
sprechen, dass die Störstellen an der Unterseite des Diffusors angeordnet
sind. Es ist vorteilhaft, wenn die die innere Reflektoroberfläche,
also die Fläche, die dem Diffusor zugewandt ist, poliert
ist, insbesondere blank poliert ist. Die Störstellen können
auch an der Oberseite des Diffusors angeordnet werden, also an der Seite,
die nicht dem Diffusor zugewandt ist, doch erscheint die Anordnung
an der Unterseite derzeit als vorteilhafter. Unabhängig
davon, ob ein Reflektor verwendet wird oder nicht, können
die Störstellen an einer Seite des Diffusors, insbesondere
der Oberseite oder der Unterseite, oder an zwei gegenüberliegenden
Seiten des Diffusors, insbesondere der Oberseite und der Unterseite,
angeordnet sein.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der
Verlauf der Konzentration der Störstellen in Bezug auf
eine Längserstreckung des Diffusors ähnlich einer
halben Gauß'schen Glockenkurve.
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Diese
Ausgestaltung ermöglicht eine besonders gleichmäßige
Verteilung der Leuchtdichte. Wie anhand der Ausführungsbeispiele
noch erläutert wird, kann aber auch mit anderen Verteilungen
der gewünschte Effekt erzielt werden. Werden mehrere Lichtquellen
verwendet, so ist die halbe Gauß'sche Glockenkurve jeweils
in Bezug auf die einzelne Lichtquelle zu sehen. Liegen sich zwei
Lichtquellen entlang einer Längserstreckung des Diffusors
gegenüber, so ist es bevorzugt, dass die Konzentration
der Störstellen in Bezug auf die Längserstreckung
einer ganzen Gauß'schen Glockenkurve ähnelt beziehungsweise
entspricht.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die
Störstellen in Bezug auf eine Quererstreckung des Diffusors
ungeordnet, insbesondere stochastisch, verteilt angeordnet.
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Diese
Ausgestaltung verbessert die Gleichverteilung der Leuchtdichte.
Auf diese Weise kann insbesondere das Auftreten von unerwünschten
Moiré-Mustern verhindert werden, die ansonsten als lokale
Helligkeitsminima oder -maxima in Erscheinung treten. Bei einer
stochastischen Verteilung werden die Positionen der Störstellen
bezogen auf die Quererstreckung anhand einer Zufallsgenerators oder Pseudo-Zufallsgenerators
ermittelt.
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Bei
der ungeordneten Verteilung kann auch ein Abschnitt der Längserstreckung
für die Bestimmung der Positionen der Störstellen
herangezogen werden. Die Unordnung bzw. die stochastische Verteilung
in Längsrichtung darf aber nicht so groß werden,
dass die zunehmende Konzentration der Störstellen in Längrichtung
verschwindet.
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Gemäß einem
zweiten Aspekt der Erfindung wird eine Lichtbox vorgeschlagen, die
eine Lichtquelle, einen Reflektor und einen zuvor beschriebenen optischen
Diffusor aufweist, wobei der Diffusor auf dem Reflektor angeordnet
ist und die Lichtquelle am Lichteintrittsbereich des Diffusors angeordnet
ist.
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Diese
Ausgestaltung ermöglicht eine besonders kompakte Lichtbox.
Als Lichtbox soll dabei im Rahmen dieser Erfindung ein Bauteil verstanden werden,
dem von außen Licht oder eine Spannung für eine
Lichtquelle zugeführt wird und das dann über den
Diffusor diffuses Licht abstrahlt. Wird auf die Lichtbox dann beispielsweise
ein LCD (Liquid Crystal Display) gelegt, so stellt die Lichtbox
eine Hintergrundbeleuchtung für das LCD dar.
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Die
erfindungsgemäße Lichtbox zeichnet sich insbesondere
durch eine geringe Bautiefe aus, wobei die Bautiefe in aller Regel
entlang einer Linie bestimmt wird, die senkrecht durch den Lichtaustrittsbereich
des Diffusors führt. Aufgrund der besonderen Ausgestaltung
des Diffusors erzielt die erfindungsgemäße Lichtbox
trotz ihres geringen Bauraums eine gute Gleichverteilung bei der
Leuchtdichte. Die Lichtbox eignet sich daher hervorragend zur Bereitstellung
einer Hintergrundbeleuchtung in beengten Einbausituationen, wie
sie beispielsweise im Automobilbau häufig anzutreffen sind.
Da die Lichtbox über eine verhältnismäßig
große Fläche eine homogene Leuchtdichte erzielt,
eignet sie sich sehr gut als Hintergrundbeleuchtung für
Displays, wie sie z. B. bei einem Autoradio zu finden sind.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der
Diffusor mit seinem Lichtaustrittsbereich dem Reflektor zugewandt,
so dass Licht, welches aus dem Lichtaustrittsbereich austritt, zurück
in den Diffusor reflektiert wird und dann den Diffusor an der Seite
verlassen kann, die dem Lichtaustrittsbereich gegenüber
liegt.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der
Diffusor eine Längserstreckung, eine Quererstreckung und
eine Stärke auf, wobei die Längs erstreckung größer
als die Quererstreckung ist, die Quererstreckung größer
als die Stärke ist, die Lichtquelle an der Seite angeordnet
ist, die von Quererstreckung und Stärke aufgespannt wird,
und der Austritt von diffusem Licht an der Seite erfolgt, die von
Längserstreckung und Quererstreckung aufgespannt wird.
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Ein
Diffusor erstreckt sich in aller Regel im Wesentlichen in zwei Dimensionen,
nämlich in einer Längserstreckung und in einer
Quererstreckung. Bei der dritten Dimension handelt es sich um die
Stärke beziehungsweise die Dicke des Materials des Diffusors.
Für ein besseres Verständnis kann die Längserstreckung
als X-Richtung, die Quererstreckung als Y-Richtung und die Stärke
als Z-Richtung verstanden werden.
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Um
eine homogene Lichtverteilung zu erzielen, ist es im Stand der Technik
bekannt, Lichtquellen entlang der Längserstreckung des
Diffusors anzuordnen, mit anderen Worten entlang der langen Seiten des
Diffusors. Dies ist allerdings aufwändig, da eine Vielzahl
an Lichtquellen benötigt wird. Der Diffusor gemäß der
vorliegenden Erfindung ermöglicht es aber, die Lichtquelle
beziehungsweise die Lichtquellen entlang der Quererstreckung des
Reflektors anzuordnen, also entlang der kurzen Seite des Reflektors,
und dabei dennoch eine gute Gleichverteilung der Leuchtdichte zu
erzielen.
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Betrachtet
man wieder die Richtungen im Diffusor, so stellt man fest, dass
die Lichteintrittsrichtung, X-Richtung, in einem Winkel zur Lichtaustrittsrichtung,
Z-Richtung, steht. Der Winkel beträgt dabei bevorzugt mehr
als 30°, besonders bevorzugt mehr als 60°, und
insbesondere mehr als 75°. Wird der Diffusor in der Art
eines Quaders ausgebildet, so stehen die X-Richtung und die Z-Richtung
in etwa senkrecht aufeinander.
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Das
Licht tritt über die kleinste Seite des Diffusors ein,
nämlich der Seite, die von Quererstreckung und Stärke
aufgespannt wird, also die YZ-Ebene, und tritt an der größten
Seite aus, die von Längserstreckung und Quererstreckung
aufgespannt wird, also die XY-Ebene.
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Die
hier gemachten Richtungsangaben und das Aufzeigen eines möglichen
Koordinatensystems dienen lediglich einer vereinfachten Erläuterung
und einer verbesserten Orientierung bezüglich der verschiedenen
Bereiche des Diffusors. Die Angaben bedeuten aber nicht, dass sich
für jeden erfindungsgemäßen Diffusor
diese Ersteckungen und Richtungen definieren lassen müssen.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Spritzgussform zum Herstellen
eines optischen Diffusors vorgeschlagen, wobei die Spritzgussform
einen ersten Negativabschnitt für einen Lichteintrittsbereich
und einen zweiten Negativabschnitt für einen Lichtaustrittsbereich
des Diffusors aufweist und der zweite Negativabschnitt eine Vielzahl
von Erhebungen und/oder Vertiefungen aufweist, und wobei die räumliche
Konzentration der Erhebungen und/oder Vertiefungen mit zunehmendem Abstand
vom ersten Negativabschnitt zunimmt.
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Dabei
ist es besonders vorteilhaft, wenn die Erhebungen und/oder Vertiefungen,
die später die Störstellen bilden, durch einen
Laserprozess oder einen Ätzprozess herausgearbeitet werden.
Insbesondere ist es bevorzugt, wenn der zweite Negativabschnitt
Vertiefungen aufweist, da dann die Herstellung der Spritzgussform
besonders einfach zu realisieren ist.
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Gemäß eines
weiteren Aspekts der Erfindung wird eine Verwendung einer zuvor
erläuterten Spritzgussform zum Fertigen eines optischen
Diffusors vorgeschlagen.
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Es
versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend
noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils
angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder
in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden
Erfindung zu verlassen.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der
nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
Explosionsdarstellung einer Ausführungsform einer Lichtbox;
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2 einen
Querschnitt durch die Lichtbox gemäß 1 in
zusammengebautem Zustand;
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3 eine
Draufsicht auf eine erste Ausführungsform eines Diffusors;
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4 eine
Draufsicht auf eine zweite Ausführungsform eines Diffusors;
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5 mögliche
Störstellenverteilungen bei einem Diffusor mit einseitiger
Einstrahlung von Licht;
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6 mögliche
Störstellenverteilungen bei einem Diffusor mit zweiseitiger
Einstrahlung von Licht;
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7 eine
Detaildarstellung von Störstellen, die bei einer dritten
Ausführungsform des Diffusors in Gruppen angeordnet sind;
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8 eine
Detaildarstellung von Störstellen, die bei einer vierten
Ausführungsform des Diffusors als Erhebungen ausgeführt
sind;
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9 eine
noch detailliertere Darstellung der Störstellen gemäß der
vierten Ausführungsform;
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10 eine
Detaildarstellung eines Abschnitts einer Spritzgussform zum Erzeugen
eines optischen Diffusors mit Störstellen gemäß 8;
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11 Strahlengänge
bei einem Diffusor gemäß 8, dem an
seiner Unterseite ein Reflektor zugewandt ist;
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12 eine
Detaildarstellung von Störstellen, die bei einer fünften
Ausführungsform des Diffusors als Vertiefungen ausgeführt
sind;
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13 eine
Detaildarstellung eines Abschnitts einer Spritzgussform zum Erzeugen
eines optischen Diffusors mit Störstellen gemäß 11; und
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14 Strahlengänge
bei einem Diffusor gemäß 11.
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1 zeigt
einen Diffusor 10, der einen Teil einer Lichtbox 12 darstellt.
Zusätzlich zu dem Diffusor 10 weist die Lichtbox 12 einen
Reflektor 14 und mehrere Lichtquellen 16 auf,
die hier als LEDs ausgeführt sind und auf einer Platine 18 beziehungsweise
einem PCB (printed circuit board) angeordnet sind. Der Diffusor 10 dient
dem Streuen von Licht aus den Lichtquellen 16.
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Der
Diffusor 10 hat eine Längserstreckung A, eine
Quererstreckung B und eine Materialstärke beziehungsweise
Stärke C. Die Längserstreckung A ist größer
als die Quererstreckung B, und die Quererstreckung B ist größer
als die Stärke C. Der Diffusor 10 besteht aus
einem homogenen Material oder aus einer homogenen Materialmischung.
Insbesondere kann Polymethylmethacrylat verwendet werden. Bei einer
bevorzugten Ausführungsform kann der Diffusor 10 ein
diffus wirkendes Zusatzmaterial aufweisen, welches homogen im Diffusor 10 verteilt
ist.
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Der
Diffusor 10 hat einen Lichteintrittsbereich 20 – bei
dieser Ausführungsform hat der Diffusor 10 an
beiden kurzen Seiten einen Lichteintrittsbereich 20 –,
der für den Eintritt von Licht aus den Lichtquellen 16 in
den Diffusor 10 ausgebildet ist. Der Diffusor 10 hat
außerdem einen Lichtaustrittsbereich 22, der für
den Austritt des Lichts aus dem Diffusor 10 ausgebildet
ist. Die Lichtquellen 16 sind an der Seite des Diffusors 10 angeordnet,
die von Quererstreckung B und Stärke C aufgespannt wird.
Die Lichtquellen 16 befinden sich also in unmittelbarer
Nähe des Lichteintrittsbereichs 20. Der Lichteintrittsbereich 20 liegt hier
in der YZ-Ebene. Der Austritt von diffusem Licht erfolgt an der
Seite des Diffusors 10, die von Längserstreckung
A und Quererstreckung B aufgespannt wird. Der Lichtaustrittsbereich 22 liegt
also in der XY-Ebene.
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Der
hier gezeigte Aufbau der Lichtbox 12 bietet eine kompakte
und in sich geschlossene Hintergrundbeleuchtung für ein
Display 24, insbesondere ein LCD.
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2 zeigt
die Lichtbox 12 mit dem Display 24 im zusammengebauten
Zustand im Querschnitt. Der Diffusor 10 ist mit seinem
Lichtaustrittsbereich 22 am Reflektor 14 angeordnet,
so dass Licht, welches aus dem Lichtaustrittsbereich 22 austritt,
zurück in den Diffusor 10 reflektiert wird und
dann den Diffusor 10 an der Seite 26 verlassen
kann, die dem Lichtaustrittsbereich 22 gegenüber
liegt. Alternativ dazu kann der Diffusor 10 auch so am
Reflektor 14 angeordnet sein, dass das Licht aus dem Diffusor 10 in
Richtung des Lichtaustrittsbereichs 22 reflektiert wird.
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3 zeigt
eine erste Ausführungsform eines Diffusors 10.
Der Lichtaustrittsbereich 22 weist eine Oberfläche 30 mit
Störstellen 28 auf, die dafür ausgebildet
sind, einen Teil des Lichts im Diffusor 10 aus dem Diffusor 10 auszukoppeln.
Die Störstellen 28 sind hier als Erhebungen auf
der Oberfläche 30 ausgebildet, also nicht in dem
Material des Diffusors 10 eingeschlossen.
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Die
räumliche Konzentration der Störstellen 28 – bezogen
auf die Oberfläche 30 – nimmt mit zunehmendem
Abstand D vom Lichteintrittsbereich 20 zu. Das heißt,
dass sich in einem Abschnitt nahe dem Lichteintrittsbereich 20 weniger
Störstellen 28 befinden als in einem weiter entfernten
Abschnitt. Sofern mehrere Lichtquellen 16 zu berücksichtigen
sind, wird für die Ermittlung einer gemäß der
Erfindung gewünschten Konzentration K von Störstellen 28 die Lichtquelle 16 herangezogen,
die dem in Frage stehenden Abschnitt am nächsten ist.
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4 zeigt
eine zweite Ausführungsform eines Diffusors 10,
bei der die Störstellen 28 in Bezug auf die Quererstreckung
B des Diffusors 10 ungeordnet, insbesondere stochastisch,
verteilt angeordnet sind.
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Zu
den 3 und 4 ist anzumerken, dass hier
lediglich die Situation bezüglich einer Lichtquelle 16 dargestellt
ist. Sollen Lichtquellen 16 an beiden Seiten des Diffusors 10 verwendet
werden, so würde sich der Diffusor 10 spiegelbildlich
zu dem gezeigten Bereich fortsetzen, siehe hierzu die beiden folgenden
Figuren.
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5 zeigt
mögliche Verläufe der Konzentration K der Störstellen 28 in
Abhängigkeit vom Abstand D vom Lichteintrittsbereich 20:
- a) Die Störstellen 28 sind
in diskreten Bereichen angeordnet, wobei die diskreten Bereiche – wie hier
gezeigt – von einander beabstandet sein können.
- b) Die Störstellen 28 sind mit einer linear
ansteigenden Konzentration K verteilt.
- c) Die Störstellen 28 sind mit einer Konzentration K
verteilt, die die Form einer halben Gauß'schen Glockenkurve
hat.
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6 zeigt
die Situation, wenn zwei Lichtquellen 16 an gegenüber
liegenden Enden des Diffusors 10 angeordnet sind. Auch
hier ist wieder die Konzentration K in Abhängigkeit vom
Abstand D dargestellt. Da jedoch ab einem bestimmten Abstand D die
linke Lichtquelle 16 weiter von einem bestimmten Abschnitt
entfernt ist als die rechte Lichtquelle 16, muss ab diesem
Punkt der Abstand D' von der rechten Lichtquelle 16 betrachtet
werden:
- a) Die Störstellen 28 sind
in diskreten Bereichen angeordnet, wobei die diskreten Bereiche – wie hier
gezeigt – von einander beabstandet sein können.
- b) Die Funktion der Konzentration K der Störstellen 28 hat
die Form eines Dreiecks.
- c) Die Funktion der Konzentration K der Störstellen 28 hat
die Form einer Gauß'schen Glockenkurve.
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7 zeigt
eine dritte Ausführungsform eines Diffusors 10.
Hier ist gezeigt, dass die Störstellen 28 in Gruppen 32 angeordnet
sein können, insbesondere in Form einer Matrix, wobei die
Gruppen 32 bezogen auf die Oberfläche 30 voneinander
beabstandet sind.
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8 zeigt
anhand eines Ausschnitts einer vierten Ausführungsform
eines Diffusors 10, wie die Störstellen 28 einer
in der 7 gezeigten Gruppe 32 als Erhebungen 34 ausgestaltet
sein können. Dabei ist zu erkennen, dass eine Grundfläche
der Störstellen 28 im Wesentlichen ringförmig
ist. Dabei nimmt die Wandstärke einer Störstelle 28 mit
zunehmender Entfernung von der Oberfläche 30 ab.
Eine Störstelle 28 hat demnach insbesondere eine
napfartige Form. Bevorzugt hat der in der Störstelle gebildete
Hohlraum 36 eine in etwa halbkugelartige Form. Besonders
bevorzugt weisen alle Störstellen 28 dieselbe
Form auf.
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9 zeigt
in einer detaillierteren Darstellung eines Ausschnitts, wie die
Störstellen 28 gemäß der 7 ausgestaltet
sein können. Die wellenförmigen Linien an den
Störstellen 28 dienen dabei lediglich der Verdeutlichung
der Form außen und innen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform
ist der Hohlraum 36 mit seiner halbkugelartigen Form am
Zenit oder im Bereich des Zenits der Halbkugel abgeflacht.
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10 zeigt
einen Ausschnitt einer ersten Ausführungsform einer Spritzgussform 38 zum
Herstellen eines optischen Diffusors 10. Die Spritzgussform 38 hat
einen ersten Negativabschnitt 40 für einen Lichteintrittsbereich 20 und
einen zweiten Negativabschnitt 38 für einen Lichtaustrittsbereich 22.
Außerdem hat die Spritzgussform 38 noch einen
dritten Negativabschnitt 44 für den seitlichen
Bereich des Diffusors 10.
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Der
zweite Negativabschnitt 42 weist eine Vielzahl von Vertiefungen 46 auf,
die derart ausgebildet sind, dass die Oberfläche 48 der
Spritzgussform 38 in etwa halbkugelförmige Erhebungen 50 aufweist.
Bei der hier gezeigten Ausführungsform liegt der obere
Abschnitt der Erhebungen 50 auf gleichem Niveau wie die
Oberfläche 48 in einem Bereich ohne Vertiefungen 46;
mit anderen Worten ragen die Erhebungen 50 nicht über
die Oberfläche 48 in einem Bereich ohne Vertiefungen 46 hinaus.
Das Profil einer Erhebung 50 ist anhand der geschnittenen
Darstellung zu erkennen. Die räumliche Konzentration K
der Vertiefungen 46 bzw. der Erhebungen 50 nimmt
mit zunehmendem Abstand vom ersten Negativabschnitt 40 zu.
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In
der 11 ist vereinfacht dargestellt, wie die diffuse
Wirkung des Diffusors 10 gemäß 8, hier
im Zusammenspiel mit einem vorteilhaften Reflektor 14,
entsteht. Es sei darauf hingewiesen, dass in der Praxis eine viel
größere Vielfalt von Lichtstrahlen im Diffusor 10 vorhanden
ist, weil jede Reflexion und jede Brechung im Diffusor 10 oder
am Diffusor 10 neben dem Hauptstrahl noch eine Vielzahl
von weniger intensiven Nebenstrahlen in nahezu alle Richtungen aussendet.
Außerdem zeigt die 11 nur
zweidimensionale Aspekte, wobei in der Praxis auch dreidimensionale
Aspekte eine Rolle spielen, da die Strahlen im Diffusor 10 jeweils
auch eine Richtungskomponente in Y-Richtung haben können.
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Anhand
des Strahls S1 ist dargestellt, dass der Diffusor 10 einen
Lichtleiter darstellt. Der Strahl S1 befindet sich in einem flachen
Winkel und wird daher an den Grenzflächen des Diffusors 10 totalreflektiert.
Der Strahl S2 zeigt, dass ein Lichtstrahl aus dem Diffusor 10 ausgekoppelt
wird, nachdem er auf eine Störstelle 28 getroffen
ist und dort aufgrund der Wölbung in einem steileren Winkel
reflektiert wird.
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Schließlich
zeigt der Strahl S3, dass mittels eines diffusen Zusatzmaterials
weitere Brechungs- und Reflexionseffekte bewirkt werden können.
Bei dem hier gezeigten Beispiel, teilt sich der Strahl S3 in zwei
Teilstrahlen S3 und S3'' auf. Der Teilstrahl S3' trifft auf die
Seite 26 des Diffusors 10 und wird dort ausgekoppelt.
Der Teilstrahl S3'' verlässt den Diffusor 10 zunächst über
den Lichtaustrittsbereich 22, wird dann vom Reflektor 14 in
den Diffusor 10 zurückreflektiert und verlässt
den Diffusor 10 dann endgültig auf der Diffusorseite 26.
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12 zeigt
eine Detaildarstellung einer fünften Ausführungsform,
bei der die einzelnen Störstellen 28 einer Gruppe 32 eine
im Wesentlichen runde Grundfläche haben, insbesondere eine
ringförmige Grundfläche, und als Vertiefungen 52 ausgebildet sind.
Die Störstellen 28 können insbesondere
ein Negativabbild der Erhebungen 34 aus der 9 darstellen.
Die Wandbreite der Vertiefungen 52 im unteren Bereich der
Störstelle, also am tiefsten Punkt der Störstelle 28,
liegt zwischen 1 μm und 100 μm, und die Tiefe
der Vertiefung 52 liegt zwischen 1 μm und 100 μm.
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13 zeigt
einen Ausschnitt einer zweiten Ausführungsform einer Spritzgussform 38 zum
Herstellen eines optischen Diffusors 10. Die Spritzgussform 38 hat
einen ersten Negativabschnitt 36 für einen Lichteintrittsbereich 20 und
einen zweiten Negativabschnitt 42 für einen Lichtaustrittsbereich 22.
Außerdem hat die Spritzgussform 38 noch einen
dritten Negativabschnitt 44 für den seitlichen
Bereich des Diffusors 10. Der zweite Negativabschnitt 42 weist eine
Vielzahl von Erhebungen 54 auf. Die räumliche Konzentration
K der Erhebungen 54 nimmt mit zunehmendem Abstand vom ersten
Negativabschnitt 40 zu.
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Wird
in die Spritzgussform 38 nun ein Spritzgussmaterial eingebracht,
so bilden sich aufgrund der Erhebungen 54 die gewünschten
Störstellen 28. Für die möglichen
Ausgestaltungen der Erhebungen 54 können sinngemäß die
Erläuterungen zu den Erhebungen 34 gemäß der 8 und 9 herangezogen
werden.
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In
der 14 ist vereinfacht dargestellt, wie die diffuse
Wirkung des Diffusors 10 gemäß 12 entsteht.
Es sei erneut darauf hingewiesen, dass in der Praxis eine viel größere
Vielfalt von Lichtstrahlen im Diffusor 10 vorhanden ist,
weil jede Reflexion und jede Brechung im Diffusor 10 oder
am Diffusor 10 neben dem Hauptstrahl noch eine Vielzahl
von weniger intensiven Nebenstrahlen in nahezu alle Richtungen aussendet.
Auch hier zeigt die 14 nur zweidimensionale Aspekte,
wobei in der Praxis auch dreidimensionale Aspekte eine Rolle spielen,
da die Strahlen im Diffusor 10 jeweils auch eine Richtungskomponente
in Y-Richtung haben können.
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Anhand
des Strahls S4 ist dargestellt, dass der Diffusor 10 einen
Lichtleiter darstellt. Der Strahl S4 befindet sich in einem flachen
Winkel und wird daher an den Grenzflä chen des Diffusors 10 totalreflektiert.
Der Strahl S5 zeigt, dass mittels eines diffusen Zusatzmaterials
weitere Brechungs- und Reflexionseffekte bewirkt werden können,
siehe die beiden Teilstrahlen S5' und S5''. Die Strahlen S6 und
S7 zeigen weitere Effekte des Diffusors 10 auf, durch die
sich eine gute Diffusionswirkung ergeben kann, siehe hierzu auch
die beiden Teilstrahlen S7' und S7''.
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Die
Erfindung zeigt damit insgesamt einen vorteilhaften Diffusor auf,
der bei guten Eigenschaften bezüglich einer gleichmäßigen
Lichtverteilung dennoch einfach zu fertigen ist. Da der erfindungsgemäße
Diffusor eine Lichteinspeisung über seine kurze Seite erlaubt,
kann eine Lichtbox mit einem solchen Diffusor besonders kompakt
gebaut werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 4311013
A1 [0008]
- - DE 102006034817 A1 [0009]
- - DE 19538893 A1 [0010]
- - EP 0676218 B1 [0011]
- - DE 10060364 A1 [0012]