DE102010018031A1

DE102010018031A1 - Flächenlichtleiter und Verfahren zur Herstellung eines Flächenlichtleiters

Info

Publication number: DE102010018031A1
Application number: DE201010018031
Authority: DE
Inventors: Dr. Brick Peter; Dr. Frank Joachim; Dr. Hiller Uli; Dr. Kaiser Stephan; Dr. Kuhn Gerhard; Dr. Markytan Ales; Julius Muschaweck; Christian Neugirg
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2010-04-23
Filing date: 2010-04-23
Publication date: 2011-10-27
Also published as: WO2011131495A1

Abstract

Es wird ein Flächenlichtleiter (1) angegeben, der eine Vielzahl von Streuzentren (2) aufweist, wobei die Streuzentren (2) eine nicht sphärische Form aufweisen und die Streuzentren (2) im Mittel zumindest in einer Richtung eine Abmessung von mehr als 200 nm aufweisen. Bei einem Verfahren zur Herstellung des Flächenlichtleiters (1) werden die nicht sphärischen Streuzentren (2) durch ein elektrisches Feld oder magnetisches Feld (12) ausgerichtet.

Description

Die Erfindung betrifft einen Flächenlichtleiter und ein Verfahren zur Herstellung eines Flächenlichtleiters.
Eine Flächenlichtquelle kann dadurch realisiert werden, dass eine oder mehrere LEDs an den Seitenflächen eines Flächenlichtleiters angeordnet werden, um Licht in den Flächenlichtleiter einzustrahlen. Das seitlich in den Flächenlichtleiter eingestrahlte Licht kann beispielsweise durch Streuzentren in dem Flächenlichtleiter gestreut werden, um eine Abstrahlung von Licht durch die Hauptflächen des Flächenlichtleiters zu erreichen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Flächenlichtleiter für eine Flächenlichtquelle anzugeben, der sich durch eine verbesserte Abstrahlcharakteristik, insbesondere durch eine homogene oder eine gezielt einstellbare Leuchtdichte und/oder Farbe in Abhängigkeit vom Ort und vom Abstrahlwinkel auszeichnet. Weiterhin soll ein Verfahren zum Herstellen eines Flächenlichtleiters angegeben werden.
Diese Aufgaben werden durch einen Flächenlichter und ein Verfahren zur Herstellung eines Flächenlichtleiters gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Der Flächenlichtleiter weist eine Vielzahl von Streupartikeln auf, die eine nicht sphärische Form aufweisen. Bevorzugt weisen die Streuzentren im Mittel in zumindest einer Richtung eine Abmessung von mehr als 200 nm auf.
Besonders bevorzugt beträgt eine Abmessung der Streuzentren im Mittel zumindest in einer Richtung mehr als 600 nm. Der Flächenlichtleiter enthält also vergleichsweise große Streuzentren, deren Größe nicht wesentlich kleiner als die Wellenlänge sichtbaren Lichts ist.
Die Streuzentren sind beispielsweise Streupartikel, die in ein Matrixmaterial des Flächenlichtleiters, insbesondere ein transparentes Polymer oder Glas, eingebettet sind. Alternativ ist es auch möglich, dass die Streuzentren durch Hohlräume in dem Matrixmaterial des Flächenlichtleiters gebildet werden.
Die Erfindung macht sich unter anderem die Erkenntnis zunutze, dass durch die Verwendung vergleichsweise großer Streuzentren, die im Mittel eine Abmessung von mehr als 200 nm oder bevorzugt von mehr als 600 nm aufweisen, Farbinhomogenitäten aufgrund der Wellenlängenabhängigkeit der Rayleigh-Streuung, die bei vergleichsweise kleinen Streuzentren auftreten, vermindert werden können.
Es hat sich herausgestellt, dass bei der Verwendung von großen sphärischen Streuzentren die einfallende Strahlung bevorzugt in Vorwärtsrichtung gestreut wird. Die Verwendung großer sphärischer Streuzentren würde daher dazu führen, dass bei einer seitlichen Einstrahlung des Lichts in den Flächenlichtleiter eine erhöhte Leuchtdichte bei großen Abstrahlwinkeln gegenüber der Flächennormalen des Flächenlichtleiters auftreten würde. Eine erhöhte Leuchtdichte bei großen Abstrahlwinkeln ist aber bei einer Flächenlichtquelle in der Regel unerwünscht. Es wurde herausgefunden, dass sich der unerwünschte Effekt einer verstärkten Vorwärtsstreuung bei der Verwendung vergleichsweise großer Streuzentren dadurch vermindern lässt, dass nicht sphärische Streuzentren eingesetzt werden. Insbesondere hat sich herausgestellt, dass mit einem Flächenlichtleiter, der nicht sphärische Streuzentren mit einer bevorzugten Abmessung von mehr als 200 nm aufweist, eine räumlich und farblich vergleichsweise homogene Abstrahlung erzielt werden kann.
Die nicht sphärischen Streuzentren weichen vorzugsweise derart von der Kugelform ab, dass die Umkugel der Streuzentren im Mittel einen um mindestens einen Faktor 1,3 größeren Durchmesser aufweist als die Inkugel der Streuzentren. Dabei wird unter der Umkugel eines Streuzentrums die kleinstmögliche gedachte Kugel verstanden, die das Streuzentrum vollständig umschließen würde. Unter der Inkugel wird die größtmögliche gedachte Kugel verstanden, die vollständig innerhalb des Streuzentrums angeordnet werden könnte. Das Verhältnis des Durchmessers der Umkugel zur Inkugel beträgt beispielsweise für ein kubisches Streuzentrum
√3 ≈ 1,73.
Die Umkugel der Streuzentren weist im Mittel einen um mindestens einen Faktor 1,5 größeren Durchmesser auf als die Inkugel der Streuzentren. Besonders bevorzugt weist die Umkugel der Streuzentren im Mittel einen um mindestens einen Faktor 1,7 größeren Durchmesser auf als die Inkugel der Streuzentren.
Die nicht sphärische Form der Streuzentren, beispielsweise eine im wesentlichen quaderförmige, insbesondere kubische, Form, kann insbesondere durch die Kristallstruktur der Streuzentren bedingt sein. Die Streuzentren können beispielsweise Mikrokristalle sein, die in einer durch die Kristallstruktur vorgegebenen Form herstellbar sind.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Streuzentren quaderförmig. Insbesondere können die Streuzentren eine kubische Form aufweisen. Es hat sich herausgestellt, dass kubische Partikel insbesondere stärker in Winkelbereiche um etwa 90° zur Einfallsrichtung streuen als sphärische Partikel. Dieser Effekt ist an sich aus der Druckschrift M. Mikrenska et al., Journal Of Quantitative Spectroscopy And Radiative Transfer, Vol. 100 (2006), 256–267 bekannt.
Bei einem Flächenlichtleiter, in dem die Strahlung seitlich eingestrahlt wird, kann durch die Verwendung derartiger kubischer Streuzentren die Leuchtdichte in Richtung der Flächennormalen der Hauptflächen des Flächenlichtleiters erhöht werden. Insbesondere kann durch die Verwendung derartiger kubischer Streuzentren im Vergleich zu großen sphärischen Streuzentren der unerwünschte Effekt vermindert werden, dass aufgrund der Vorwärtsstreuung eine vergrößerte Leuchtdichte bei großen Abstrahlwinkeln auftritt.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen sind die Streuzentren im Wesentlichen prismatisch, pyramidenförmig, tetragonal oder stäbchenförmig.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weisen die in dem Flächenlichtleiter enthaltenen Streuzentren ein elektrisches oder magnetisches Dipolmoment auf. Das elektrische oder magnetische Dipolmoment ermöglicht es, die Streuzentren bei der Herstellung des Flächenlichtleiters durch ein von außen angelegtes elektrisches oder magnetisches Feld auszurichten.
Vorzugsweise weisen die Streuzentren in dem Flächenlichtleiter oder zumindest in einem Teilbereich des Flächenlichtleiters eine Vorzugsorientierung auf. Durch eine Vorzugsorientierung der Streuzentren in dem Flächenlichtleiter oder in einem Teil des Flächenlichtleiters kann vorteilhaft erreicht werden, dass das Licht aus dem Flächenlichtleiter oder dem Teil des Flächenlichtleiters in eine Vorzugsrichtung abgestrahlt wird.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weisen die Streuzentren in verschiedenen Teilbereichen des Flächenlichtleiters verschiedene Vorzugsorientierungen auf. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass die verschiedenen Teilbereiche des Flächenlichtleiters eine verschiedene Leuchtdichte und/oder eine verschiedene Farbe abstrahlen.
Weiterhin kann durch eine Vorzugsorientierung der Streuzentren in dem Flächenlichtleiter oder zumindest in einem Teilbereich des Flächenlichtleiters erreicht werden, dass der Flächenlichtleiter oder ein Teilbereich des Flächenlichtleiters eine bevorzugte Abstrahlung durch eine der Hauptflächen aufweist, während durch die gegenüberliegende Hauptfläche nur wenig oder sogar gar kein Licht abgestrahlt wird.
Bei einer Ausgestaltung des Flächenlichtleiters ist die Dichte der Streuzentren in dem Flächenlichtleiter räumlich konstant. Ein solcher Flächenlichtleiter zeichnet sich durch ein vergleichsweise einfaches Herstellungsverfahren aus. Trotz der räumlich konstanten Dichte der Streuzentren in dem Flächenlichtleiter kann eine räumlich variierende Abstrahlcharakteristik des Flächenlichtleiters erzielt werden, wenn die Streuzentren in verschiedenen Teilbereichen des Flächenlichtleiters verschiedene Vorzugsorientierungen aufweisen.
Bei einer weiteren Ausgestaltung des Flächenlichtleiters weist der Flächenlichtleiter eine räumliche Variation der Dichte der Streuzentren auf. Auf diese Weise kann insbesondere eine räumlich variierende Leuchtdichte über die Fläche des Flächenlichtleiters erzielt werden.
Es wird weiterhin eine Flächenlichtquelle angegeben, die den zuvor beschriebenen Flächenlichtleiter und mindestens eine LED aufweist, wobei die mindestens eine LED zur Einstrahlung von Licht in den Flächenlichtleiter an einer Seitenfläche des Flächenlichtleiters angeordnet ist. Der Flächenlichtleiter kann insbesondere zwei planparallele Hauptflächen aufweisen. Zumindest eine der Hauptflächen des Flächenlichtleiters ist als Leuchtfläche der Flächenlichtquelle vorgesehen. Die Seitenflächen des Flächenlichtleiters, an denen eine oder mehrere LEDs angeordnet sein können, verlaufen vorzugsweise senkrecht zu den Hauptflächen des Flächenlichtleiters und sind bevorzugt kleiner als die Hauptflächen. Der Flächenlichtleiter kann insbesondere scheibenförmig ausgebildet sein.
Bei einer bevorzugten Ausführung des Flächenlichtleiters sind mehrere LEDs an einer oder mehreren Seitenflächen des Flächenlichtleiters angeordnet. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass jeweils eine oder mehrere LEDs an gegenüberliegenden Seitenflächen des Flächenlichtleiters angeordnet sind. Bei dieser Ausführung können die LEDs an einer ersten Seitenfläche eine erste Farbe und an einer gegenüberliegenden zweiten Seitenfläche eine zweite Farbe aufweisen. Durch eine Vorzugsorientierung der Streuzentren ist es möglich, die Strahlung der ersten Farbe durch eine erste Hauptfläche des Flächenlichtleiters und die zweite Farbe durch die gegenüberliegende zweite Hauptfläche des Flächenlichtleiters auszukoppeln.
Bei einem Verfahren zur Herstellung des Flächenlichtleiters weist der Flächenlichtleiter nicht sphärische Streuzentren auf, die im Mittel in zumindest einer Richtung eine Abmessung von mehr als 200 nm aufweisen, wobei die Streuzentren durch ein elektrisches Feld oder ein magnetisches Feld ausgerichtet werden. Durch Anlegen eines elektrischen oder eines magnetischen Feldes wird vorteilhaft eine Vorzugsorientierung der Streuzentren in dem Flächenlichtleiter hergestellt.
Die nicht sphärischen Streuzentren können beispielsweise ein elektrisches Dipolmoment aufweisen, sodass sie durch ein elektrisches Feld ausgerichtet werden können. Das elektrische Feld kann in diesem Fall beispielsweise durch einen Plattenkondensator erzeugt werden, in den der Flächenlichtleiter zur Orientierung der Streuzentren eingeführt wird.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird ein räumlich variierendes elektrisches oder magnetisches Feld angelegt, um die Streuzentren in verschiedenen Teilbereichen des Flächenlichtleiters unterschiedlich zu orientieren. Hierzu können beispielsweise mehrere entgegengesetzt gepolte Plattenkondensatoren verwendet werden.
Um die Streuzentren in dem Flächenlichtleiter ausrichten zu können, wird das Material des Flächenlichtleiters vorteilhaft erhitzt. Das Material des Flächenlichtleiters wird vorteilhaft derart erhitzt, dass die Streuzentren eine ausreichende Beweglichkeit besitzen, um durch ein angelegtes elektrisches oder magnetisches Feld ausgerichtet werden zu können. Der Flächenlichtleiter kann beispielsweise durch ein Polymer gebildet sein, das zur Ausrichtung der Streuzentren über die Glastemperatur des Polymers erhitzt wird.
Bei einer Ausgestaltung des Verfahrens wird das Material des Flächenlichtleiters lokal erhitzt, um die Streuzentren in dem lokal erhitzten Teilbereich auszurichten. Das lokale Erhitzen des Flächenlichtleiters kann beispielsweise mittels eines Laserstrahls erfolgen. Die Streuzentren sind vorzugsweise nur in dem lokal erhitzten Teilbereich des Flächenlichtleiters ausreichend beweglich, um durch ein angelegtes elektrisches oder magnetisches Feldausgerichtet zu werden, sodass eine Vorzugsorientierung in einzelnen Teilbereichen auch dann erzielt werden kann, wenn das von außen angelegte elektrische oder magnetische Feld über die Fläche des Flächenlichtleiters konstant ist.
Auf diese Weise können die Streuzentren selektiv in bestimmten Teilbereichen des Flächenlichtleiters orientiert werden. Es ist auch denkbar, zunächst ein räumlich konstantes Feld anzulegen, wobei durch eine lokale Erhitzung einzelner Teilbereiche des Flächenlichtleiters die Streuzentren in diesen Teilbereichen ausgerichtet werden. Nachfolgend kann beispielsweise das Feld umgepolt werden, und die Streuzentren in anderen Teilbereichen des Flächenlichtleiters durch eine lokale Erhitzung dieser Teilbereiche entgegengesetzt orientiert werden.
Bei einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens wird die Dichte der Streuzentren mittels einer stehenden akustischen Welle oder mittels eines inhomogenen elektrischen oder magnetischen Feldes räumlich variiert. Bei der Ausrichtung der Streuzentren mittels eines inhomogenen elektrischen oder magnetischen Feldes wird ausgenutzt, dass auf einen elektrischen oder magnetischen Dipol in einem inhomogenen Feld neben dem Drehmoment, das eine Ausrichtung in Richtung des Feldes bewirkt, zusätzlich noch eine Kraft auf den Dipol in Richtung wachsender Feldstärke wirkt.
Durch ein inhomogenes Feld kann daher nicht nur die Orientierung, sondern auch die Dichte der Streuzentren im Flächenlichtleiter bei der Herstellung lokal verändert werden. Insbesondere kann auf diese Weise die Streupartikeldichte in Regionen größerer Feldstärke erhöht und in Regionen geringerer Feldstärke erniedrigt werden.
Bei der Ausrichtung der Streuzentren durch eine stehende akustische Welle wird ausgenutzt, dass Streuzentren, die außerhalb eines Knotenpunktes der stehenden Welle lokalisiert sind, eine Kraft in Richtung des nächsten Knotenpunktes erfahren. Dadurch kommt es zu einer lokalen Erhöhung der Dichte der Streuzentren im Bereich der Knotenpunkte der stehenden akustischen Welle. Der Abstand zwischen den Knotenpunkten der stehenden Welle und somit der Abstand der Streupartikelcluster, die sich ausbilden, kann durch die Wellenlänge der stehenden akustischen Welle variiert werden.
Es ist möglich, dass die Streuzentren nach der räumlichen Variation der Dichte durch eine akustische stehende Welle oder ein inhomogenes elektrisches oder magnetisches Feld durch ein homogenes elektrisches oder magnetisches Feld in die gleiche Orientierung gebracht werden.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Herstellungsverfahrens für den Flächenlichtleiter ergeben sich aus den zuvor beschriebenen vorteilhaften Ausgestaltungen des Flächenlichtleiters und umgekehrt.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den 1 bis 15 näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch eine Flächenlichtquelle gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
2a eine schematische Darstellung des Streuverhaltens eines sphärischen Streupartikels,
2b eine schematische Darstellung des Streuverhaltens eines nicht sphärischen Streupartikels,
3 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch ein Vergleichsbeispiel einer Flächenlichtquelle, die nicht Gegenstand der Erfindung ist,
4 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch einen Flächenlichtleiter gemäß einem Ausführungsbeispiel,
5 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch einen Flächenlichtleiter gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel,
6 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch eine Flächenlichtquelle gemäß einem Ausführungsbeispiel,
7 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch eine Flächenlichtquelle gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel,
8a und 8b eine schematische Darstellung eines Zwischenschritts bei einem Herstellungsverfahren eines Flächenlichtleiters gemäß einem Ausführungsbeispiel,
9 eine schematische Darstellung eines Zwischenschritts bei einem Verfahren zur Herstellung eines Flächenlichtleiters gemäß einem Ausführungsbeispiel,
10 eine schematische Ansicht der ersten und zweiten Hauptfläche einer Flächenlichtquelle gemäß einem Ausführungsbeispiel,
11 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch eine Flächenlichtquelle gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel,
12 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch einen Flächenlichtleiter bei einem Zwischenschritt eines Verfahrens zur Herstellung des Flächenlichtleiters,
13 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch einen Flächenlichtleiter bei einem Zwischenschritt eines Verfahrens zur Herstellung des Flächenlichtleiters,
14 eine schematische Darstellung einer Aufsicht auf einen Flächenlichtleiter bei einem Zwischenschritt des Verfahrens zur Herstellung des Flächenlichtleiters und
15 eine schematische Darstellung einer Aufsicht auf einen Flächenlichtleiter bei einem Zwischenschritt eines Verfahrens zur Herstellung des Flächenlichtleiters.
Gleiche oder gleich wirkende Bestandteile sind in den Figuren jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die dargestellten Bestandteile sowie die Größenverhältnisse der Bestandteile untereinander sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen.
In 1 ist ein Ausführungsbeispiel einer Flächenlichtquelle 10 dargestellt, die einen Flächenlichtleiter 1 enthält. Der Flächenlichtleiter 1 weist vorzugsweise zwei planparallele Hauptflächen 5, 6 auf, von denen mindestens eine zur Abstrahlung von Licht 9 vorgesehen ist. An mindestens einer Seitenfläche 4, vorzugsweise an zwei gegenüberliegenden Seitenflächen 4 des Flächenlichtleiters 1, sind eine oder mehrere LEDs 3 angeordnet, um Licht 7 in den Flächenlichtleiter 1 einzustrahlen.
Wie in 1 dargestellt, kann das seitlich in den Flächenlichtleiter 1 eingestrahlte Licht 7 bei der Ausbreitung in dem Flächenlichtleiter 1 eine oder mehrere Totalreflexionen an den Hauptflächen 5, 6 des Flächenlichtleiters 1 erfahren. Um das sich seitwärts in dem Flächenlichtleiter 1 ausbreitende Licht 7 derart umzulenken, dass es unter einem Winkel, der größer als der Totalreflexionswinkel ist, auf eine der Hauptflächen 5, 6 des Flächenlichtleiters 1 auftrifft und somit aus dem Flächenlichtleiter 1 ausgekoppelt wird, enthält der Flächenlichtleiter 1 eine Vielzahl von Streuzentren 2.
Um die Wirkung der Streuzentren 2 zu veranschaulichen, ist in 1 beispielhaft nur eines der Streuzentren 2 dargestellt. Die an dem Streuzentrum 2 gestreute Strahlung 8 weist eine Winkelverteilung auf, sodass zumindest ein Teil der gestreuten Strahlung 8 unter derart großen Winkeln auf eine der Hauptflächen 5, 6 des Flächenlichtleiters 1 auftrifft, dass sie aus dem Flächenlichtleiter 1 auskoppeln kann. Beispielsweise wird der Lichtstrahl 9 aus dem Flächenlichtleiter 1 ausgekoppelt, während ein restlicher Anteil der gestreuten Strahlung 8 eine oder mehrere weitere Totalreflexionen in dem Flächenlichtleiter 1 erfährt. Der nicht unmittelbar aus dem Flächenlichtleiter 1 ausgekoppelte Anteil der gestreuten Strahlung 8 kann nachfolgend auf ein weiteres Streuzentrum auftreffen, um dann ebenfalls aus dem Flächenlichtleiter 1 ausgekoppelt zu werden.
Es hat sich herausgestellt, dass die Winkelverteilung der an den Streuzentren 2 gestreuten Strahlung 8 von der Größe und der Form der Streuzentren 2 abhängig ist. Vorteilhaft werden in dem Flächenlichtleiter 1 Streuzentren 2 verwendet, die im Mittel in zumindest einer Richtung eine Abmessung von mindestens 200 nm oder bevorzugt von mindestens 600 nm aufweisen. Die Größe der Streuzentren 2 ist also zumindest nicht wesentlich kleiner als die Wellenlänge sichtbaren Lichts. Würde man statt dessen Streuzentren 2 verwenden, die wesentlich kleiner als die Lichtwellenlänge sind, würde im Wesentlichen die so genannte Rayleigh-Streuung auftreten, die eine starke Wellenlängenabhängigkeit aufweist und somit zu Farbinhomogenitäten über die Fläche des Flächenlichtleiters 1 führen könnte. Insbesondere hat sich herausgestellt, dass sich die Farbhomogenität des Flächenlichtleiters 1 durch die Verwendung vergleichsweise großer Streuzentren 2 mit einer mittleren Abmessung von zumindest 200 nm oder bevorzugt mindestens 600 nm verbessern lässt.
Weiterhin hat sich herausgestellt, dass die Verwendung von nicht sphärischen Streuzentren 2 in dem Flächenlichtleiter 1 gegenüber der Verwendung von sphärischen Streuzentren vorteilhaft ist. Das unterschiedliche Streuverhalten von sphärischen Streuzentren 2a und nicht sphärischen Streuzentren 2 wird in den 2a und 2b illustriert.
Wenn ein Lichtstrahl 7 wie in 2a dargestellt an einem sphärischen Streuzentrum 2a gestreut wird, wird die Strahlung überwiegend in Vorwärtsrichtung, d. h. überwiegend in der Einfallsrichtung des einfallenden Lichtstrahls 7 gestreut. Die gestreute Strahlung 8 weist daher eine vergleichsweise enge Winkelverteilung um die Einfallsrichtung des Lichtstrahls 7 auf.
Wenn der Lichtstrahl 7 dagegen wie in 2b dargestellt auf ein nicht sphärisches, insbesondere kubisches, Streuzentrum 2 auftrifft, weist die Streustrahlung 8 eine größere Winkelverteilung auf, sodass insbesondere auch größere Anteile der gestreuten Strahlung in Winkelbereiche gestreut werden, die quer zur Einfallsrichtung des Lichtstrahls 7 verlaufen. Im statistischen Mittel ergeben sich daher bei nicht sphärischen Streuzentren 2 größere Streuwinkel als bei sphärischen Streuzentren 2a.
Die größere Winkelverteilung der gestreuten Strahlung 8 bei nicht sphärischen Streuzentren 2 hat in dem Flächenlichtleiter 1 den Vorteil, dass die gestreute Strahlung 8 mit einer größeren Wahrscheinlichkeit unter einem kleinen Einfallswinkel bezogen auf das Lot auf eine der Hauptflächen 5, 6 auftrifft und somit den Flächenlichtleiter 1 unter einem vergleichsweise kleinen Ausfallswinkel als ausgekoppelter Lichtstrahl 9 verlässt, wie es in 1 dargestellt ist.
Es wird daher ein vergleichsweise großer Anteil der Strahlung in einer Richtung senkrecht zu den Hauptflächen 5, 6 des Flächenlichtleiters 1 emittiert, die gleich der Hauptabstrahlrichtung des Flächenlichtleiters 1 ist.
In 3 ist zum Vergleich ein Flächenlichtleiter 1 dargestellt, der große sphärische Streuzentren 2a enthält, d. h. sphärische Streuzentren 2a mit mindestens 200 nm Durchmesser. Da bei großen sphärischen Streuzentren 2a die Vorwärtsstreuung überwiegt, trifft die gestreute Strahlung 8 überwiegend unter größeren Einfallswinkeln auf die Hauptflächen 5, 6 des Flächenlichtleiters 1 auf, sodass sie entweder weiterhin in dem Flächenlichtleiter 1 totalreflektiert wird oder unter vergleichsweise großen Ausfallswinkeln als Lichtstrahl 9 aus dem Flächenlichtleiter 1 auskoppelt. Ein Flächenlichtleiter 1 mit großen sphärischen Streuzentren 2a würde daher eine vergleichsweise große Abstrahlintensität unter großen Ausfallswinkeln aufweisen, während die Abstrahlintensität in einer senkrecht zu den Hauptflächen 5, 6 des Flächenlichtleiters 1 verlaufenden Richtung vergleichsweise gering wäre.
Das in 4 dargestellte Ausführungsbeispiel eines Flächenlichtleiters 1 weist eine Vielzahl von Streuzentren 2 auf, die jeweils ein durch Pfeile gekennzeichnetes elektrisches oder magnetisches Dipolmoment 11 aufweisen. Die Streuzentren 2 werden bei der Herstellung des Flächenlichtleiters 1 in das Material des Flächenlichtleiters 1, beispielsweise ein Polymer oder Glas, eingebracht und sind in der Regel rein zufällig orientiert, wenn keine Vorkehrungen zur Ausrichtung der Streuzentren 2 getroffen werden.
Wenn die in dem Flächenlichtleiter 1 enthaltenen Streuzentren 2 ein elektrisches oder magnetisches Dipolmoment 11 aufweisen, können sie bei der Herstellung des Flächenlichtleiters 1 durch ein von außen angelegtes elektrisches oder magnetisches Feld 12 ausgerichtet werden. Ein solches Ausführungsbeispiel eines Flächenlichtleiters 1 ist in 5 dargestellt. Zur Ausrichtung der elektrischen Dipolmomente 11 in dem Flächenlichtleiter 1 kann der Flächenlichtleiter 1 beispielsweise erhitzt werden, sodass die in dem Flächenlichtleiter 1 enthaltenen Streuzentren 2 zumindest derart beweglich werden, dass sich ihre elektrischen oder magnetischen Dipolmomente 11 in Richtung des angelegten elektrischen oder magnetischen Feldes 12 ausrichten.
In 6 ist ein Ausführungsbeispiel einer Flächenlichtquelle 10 dargestellt, die einen Flächenlichtleiter 1 mit ausgerichteten Streuzentren 2 aufweist, wie er anhand der 5 beschrieben wurde. Wie in 6 dargestellt, bewirkt die Ausrichtung der nicht sphärischen Streuzentren 2, dass die von den LEDs 3 seitlich in den Flächenlichtleiter 1 eingestrahlte Strahlung bevorzugt durch die erste Hauptfläche 5 ausgekoppelt wird. Die Streuzentren 2 können beispielsweise prismenförmig mit dreieckiger Querschnittsfläche sein, wobei eine Spitze der Dreiecke in Richtung zur ersten Hauptfläche 5 zeigt. Bei dem Flächenlichtleiter 1 kann es sich beispielsweise um eine Fensterscheibe handeln, die bei ausgeschalteten LEDs 3 weitgehend transparent ist. Bei eingeschalteten LEDs 3 wird Licht 9 im Wesentlichen durch die erste Hauptfläche aus dem als Scheibe fungierenden Flächenlichtleiter 1 abgestrahlt, beispielsweise in Richtung eines zu beleuchtenden Raums in einem Gebäude. Von der zweiten Hauptfläche 6 wird dagegen wenig oder sogar gar kein Licht abgestrahlt.
In 7 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Flächenlichtquelle 10 dargestellt, die einen Flächenlichtleiter 1 aufweist, der in verschiedenen Teilbereichen 1a, 1b, 1c unterschiedlich orientierte Streuzentren 2 aufweist. Bei dem Ausführungsbeispiel sind die Streuzentren in den Teilbereichen 1a und 1c derart ausgerichtet, dass ihr Dipolmoment 11 in Richtung der ersten Hauptfläche 5 zeigt. Im Bereich 1b des Flächenlichtleiters 1 sind die Dipolmomente der Streuzentren 2 in Richtung zur zweiten Hauptfläche 6 hin orientiert. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass die Teilbereiche 1a, 1b, 1c verschiedene Abstrahlcharakteristiken aufweisen. Beispielsweise kann erreicht werden, dass die Teilbereiche 1a und 1c Licht 9 in Richtung zur ersten Hauptfläche 5 hin emittieren und der Teilbereich 1b Licht in Richtung zur zweiten Hauptfläche 6 hin emittiert. Die unterschiedliche Orientierung der Streuzentren 2 in den verschiedenen Teilbereichen 1a, 1b, 1c kann dadurch realisiert werden, dass bei der Herstellung des Flächenlichtleiters 1 an die verschiedenen Teilbereiche 1a, 1b, 1c entgegengesetzt orientierte elektrische oder magnetische Felder 12 angelegt werden.
Die Ausrichtung der Streuzentren 2 in dem Flächenlichtleiter 1 kann bei der Herstellung des Flächenlichtleiters 1 beispielsweise dadurch erfolgen, dass der Flächenlichtleiter 1 in einen Plattenkondensator 13 mit einer ersten Kondensatorplatte 13a und einer zweiten Kondensatorplatte 13b eingeführt wird, wie es in 8a dargestellt ist. Durch Anlegen einer Spannung an den Plattenkondensator 13 können die Streuzentren in dem Flächenlichtleiter 1 ausgerichtet werden.
Um die Streuzentren in verschiedenen Bereichen des Flächenlichtleiters 1 unterschiedlich zu orientieren, können die Kondensatorplatten 13a, 13b strukturiert sein, wie es beispielsweise in 8b dargestellt ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel weisen die Kondensatorplatten 13a, 13b den Schriftzug ”Osram” auf. Der Bereich des Schriftzugs ist von dem Rest der Kondensatorplatte isoliert und kann separat mit einer zweiten Spannung versehen werden. Beispielsweise kann bei der ersten Kondensatorplatte 13a der Schriftzug auf eine positive Spannung und der Rest der Kondensatorplatte auf eine negative Spannung gelegt werden, während bei der zweiten Kondensatorplatte 13b der Schriftzug auf eine negative Spannung und der Rest der Kondensatorplatte auf eine positive Spannung gelegt wird.
Eine weitere Möglichkeit zur gezielten Ausrichtung der Streuzentren in verschiedenen Teilbereichen des Flächenlichtleiters 1 ist in 9 dargestellt. Es wird ein Zonenschmelzverfahren verwendet, bei dem jeweils einzelne Zonen 14 des Materials des Flächenlichtleiters 1 nacheinander aufgeschmolzen werden, während ein elektrisches oder magnetisches Feld 12a, 12b anliegt. Der Flächenlichtleiter 1 wird bei diesem Verfahren, wie durch die Pfeile 15 angedeutet, abgerastert und der zeitliche Verlauf des Feldes entsprechend der Ortskoordinate auf dem Flächenlichtleiter 1 angepasst. Das elektrische oder magnetische Feld kann entsprechend der gewünschten Orientierung der Streuzentren 2 in der jeweils lokal aufgeschmolzenen Zone 14 beispielsweise entweder in die Zeichenebene der 9 hineinzeigen (Pfeil 12a) oder aus der Zeichenebene der 9 herauszeigen (Pfeil 12b). Das lokale Aufschmelzen des Flächenlichtleiters 1 in den Zonen 14 kann beispielsweise mittels eines Laserstrahls erfolgen.
In 10 sind die erste Hauptfläche 5 und die zweite Hauptfläche 6 eines Flächenlichtleiters 1 im eingeschalteten Zustand einer Flächenlichtquelle dargestellt. Der Flächenlichtleiter 1 kann beispielsweise wie in den 8 und 9 dargestellt hergestellt worden sein, d. h. die Streuzentren weisen innerhalb des Flächenlichtleiters 1 im Bereich des Schriftzugs ”Osram” die entgegengesetzte Orientierung im Vergleich zum übrigen Flächenlichtleiter 1 auf. Durch eine derartige Orientierung der Streuzentren in dem Flächenlichtleiter 1 kann beispielsweise erreicht werden, dass im eingeschalteten Zustand bei der Ansicht der ersten Hauptfläche 5 nur der Schriftzug ”Osram” leuchtet, während bei der Ansicht von der gegenüberliegenden Hauptfläche 6 der gesamte Flächenlichtleiter außer dem Schriftzug ”Osram” leuchtet. Im ausgeschalteten Zustand des Flächenlichtleiters 1 ist der Schriftzug ”Osram” dagegen nicht zu sehen.
In 11 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Flächenlichtquelle 10 dargestellt, bei der der Flächenlichtleiter 1 stäbchenförmige Streuzentren 2 aufweist, die ein elektrisches oder magnetisches Dipolmoment 11 aufweisen. Die Streuzentren 2 sind durch ein elektrisches oder magnetisches Feld 12, das unter einem Winkel von 45° zu den Hauptflächen 5, 6 des Flächenlichtleiters 1 orientiert ist, ausgerichtet worden.
Durch eine derartige Ausrichtung der Streuzentren 2 in dem Flächenlichtleiter 1 kann erreicht werden, dass das von einer ersten LED 3a in den Flächenlichtleiter 1 eingestrahlte Licht von den Streuzentren 2 im Wesentlichen zu der zweiten Hauptfläche 6 hin gestreut wird, während das von einer an der gegenüberliegenden Seitenfläche 4 des Flächenlichtleiters 1 angeordneten LED 3b eingestrahlte Licht im Wesentlichen zur ersten Hauptfläche 5 hin gestreut wird. Somit wird durch die zweite Hauptfläche 6 im Wesentlichen nur das Licht 9a der ersten LED 3a und durch die erste Hauptfläche 5 im Wesentlichen nur das Licht 9b der zweiten LED 3b emittiert.
Es ist möglich, dass die erste LED 3a und die zweite LED 3b verschiedene Farben aufweisen, sodass die gegenüberliegenden Hauptflächen 5, 6 der Flächenlichtquelle 10 in verschiedenen Farben leuchten. Beispielsweise kann die LED 3a eine rote LED sein, sodass das durch die zweite Hauptfläche 6 emittierte Licht 9a rotes Licht ist. Wenn die zweite LED 3b beispielsweise blaues Licht emittiert, wird durch die erste Hauptfläche 5 blaues Licht 9b emittiert.
In 12 ist schematisch ein Zwischenschritt bei einem Herstellungsverfahren des Flächenlichtleiters 1 dargestellt, mit dem eine räumlich variierende Dichte der Streuzentren 2 in dem Flächenlichtleiter 1 erzeugt werden kann. Bei diesem Verfahrensschritt wird ein inhomogenes elektrisches Feld 12 an zumindest einen Teilbereich des Flächenlichtleiters 1 angelegt. Somit wirkt auf die elektrischen Dipole 11 der Streuzentren 2 neben dem Drehmoment, das eine Ausrichtung in Richtung des Feldes 12 bewirkt, zusätzlich noch eine Kraft auf den Dipol 11 in Richtung wachsender Feldstärke. Dieser Effekt kann dazu genutzt werden, die Dichte der Streuzentren 2 in dem Flächenlichtleiter 1 bei der Herstellung lokal zu verändern. Es ergibt sich eine Erhöhung der Dichte der Streuzentren 2 in Regionen größerer Feldstärke und eine Reduzierung der Dichte der Streuzentren 2 in Regionen geringerer Feldstärke. Es ist möglich, dass die Streuzentren 2, deren Dichte lokal in dem Flächenlichtleiter 1 variiert, in einem nachfolgenden Verfahrensschritt mit einem homogenen elektrischen Feld in die gleiche Orientierung gebracht werden.
In 13 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt, wie die Dichte der Streuzentren 2 in dem Flächenlichtleiter 1 in einem Zwischenschritt des Herstellungsverfahrens des Flächenlichtleiters 1 lokal variiert werden kann. Bei diesem Verfahren wird eine stehende akustische Welle 16 in dem Flächenlichtleiter 1 erzeugt. Streuzentren 2, die außerhalb eines Knotenpunktes 17 der stehenden akustischen Welle 16 angeordnet sind, erfahren eine Kraft in Richtung des nächsten Knotenpunktes 17. Dadurch kommt es zu einer lokalen Erhöhung der Dichte der Streuzentren 2 in den Bereichen der Knotenpunkte 17. Durch die Wellenlänge der stehenden akustischen Welle 16 kann der Abstand zwischen den sich in den Knotenpunkten 17 ausbildenden Streuzentren-Clustern variiert werden.
In 14 ist ein Ausführungsbeispiel des Flächenlichtleiters 1 dargestellt, bei dem eine eindimensionale stehende akustische Welle in der Pfeilrichtung verläuft. Die Knoten 17 der stehenden akustischen Welle 16 bilden in diesem Fall ein Linienmuster aus, wobei entlang der Knotenlinien 17 eine Erhöhung der Dichte der Streuzentren erzielt wird.
Es ist auch möglich, mittels einer zweidimensionalen akustischen stehenden Welle ein Punktmuster zu erzeugen, wie es in 15 argestellt ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel weist der Flächenlichtleiter 1 eine zweidimensionale stehende akustische Welle entlang der Pfeilrichtungen auf. Auf diese Weise kann eine Erhöhung der Dichte der Streuzentren in den Knotenpunkten 17, die ein zweidimensionales Punktmuster ausbilden, erzielt werden.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

M. Mikrenska et al., Journal Of Quantitative Spectroscopy And Radiative Transfer, Vol. 100 (2006), 256–267 [0013]

Claims

Flächenlichtleiter (1), der eine Vielzahl von Streuzentren (2) aufweist, wobei die Streuzentren (2) eine nicht sphärische Form aufweisen und die Streuzentren (2) im Mittel zumindest in einer Richtung eine Abmessung von mehr als 200 nm aufweisen.
Flächenlichtleiter nach Anspruch 1, wobei die Streuzentren (2) im Mittel zumindest in einer Richtung eine Abmessung von mehr als 600 nm aufweisen.
Flächenlichtleiter nach Anspruch 1 oder 2, wobei die nicht sphärischen Streuzentren (2) derart von einer Kugelform abweichen, dass eine Umkugel der Streuzentren im Mittel einen um mindestens einen Faktor 1,3 größeren Durchmesser aufweist als eine Inkugel der Streuzentren (2).
Flächenlichtleiter nach Anspruch 3, wobei die nicht sphärischen Streuzentren (2) derart von einer Kugelform abweichen, dass eine Umkugel der Streuzentren im Mittel einen um mindestens einen Faktor 1,7 größeren Durchmesser aufweist als eine Inkugel der Streuzentren (2).
Flächenlichtleiter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Streuzentren (2) quaderförmig sind.
Flächenlichtleiter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Streuzentren (2) ein elektrisches oder magnetisches Dipolmoment (11) aufweisen.
Flächenlichtleiter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Streuzentren (2) in dem Flächenlichtleiter (1) oder in zumindest in einem Teilbereich (1a, 1b, 1c) des Flächenlichtleiters (1) eine Vorzugsorientierung aufweisen.
Flächenlichtleiter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Streuzentren (2) in verschiedenen Teilbereichen (1a, 1b, 1c) des Flächenlichtleiters (1) verschiedene Vorzugsorientierungen aufweisen.
Flächenlichtleiter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Dichte der Streuzentren (2) in dem Flächenlichtleiter (1) räumlich variiert.
Flächenlichtquelle (10) mit einem Flächenlichtleiter (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche und mindestens einer LED (3), wobei die mindestens eine LED (3) zur Einstrahlung von Licht (7) in den Flächenlichtleiter (1) an einer Seitenfläche (4) des Flächenlichtleiters (1) angeordnet ist.
Verfahren zur Herstellung eines Flächenlichtleiters, wobei der Flächenlichtleiter (1) nicht sphärische Streuzentren (2) enthält, die im Mittel zumindest in einer Richtung eine Abmessung von mehr als 200 nm aufweisen, und die Streuzentren (2) durch ein elektrisches oder magnetisches Feld (12) ausgerichtet werden.
Verfahren zur Herstellung eines Flächenlichtleiters nach Anspruch 11, wobei ein räumlich variierendes elektrisches oder magnetisches Feld (12) angelegt wird, um die Streuzentren (2) in verschiedenen Teilbereichen (1a, 1b, 1c) des Flächenlichtleiters (1) unterschiedlich zu orientieren.
Verfahren zur Herstellung eines Flächenlichtleiters nach Anspruch 11 oder 12, wobei ein Material des Flächenlichtleiters (1) zur Ausrichtung der Streuzentren (2) erhitzt wird.
Verfahren zur Herstellung eines Flächenlichtleiters nach Anspruch 13, wobei das Material des Flächenlichtleiters (1) lokal erhitzt wird.
Verfahren zur Herstellung eines Flächenlichtleiters nach einem der Ansprüche 11 bis 14, bei dem die Dichte der Streuzentren (2) mittels einer stehenden akustischen Welle (16) oder mittels eines inhomogenen elektrischen oder magnetischen Feldes (12) räumlich variiert wird.