DE102015113558A1 - Lichtleiterplatte und optische Anzeige mit Hinterleuchtung - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung sieht eine Lichtleiterplatte (1) zur Leitung von sichtbarem Licht für die Hinterleuchtung einer Flüssigkristall-Anzeige vor. Die Lichtleiterplatte (1) weist zwei parallele Seitenflächen (10, 11) und zumindest eine vorzugsweise als Lichteintrittsfläche dienende Kantenfläche (13) auf. Die Lichtleiterplatte (1) ist aus einem Glas gefertigt ist, welches B2O3 und SiO2 als Komponenten enthält, wobei der Gesamtgehalt von B2O3 und SiO2 mindestens 70 Gewichtsprozent, vorzugsweise mindestens 80 Gewichtsprozent, besonders bevorzugt mindestens 90 Gewichtsprozent beträgt. Der Gesamtgehalt von Metalloxiden zweiwertiger Metalle an der Zusammensetzung des Glases ist kleiner als 3 Gewichtsprozent. Al2O3 ist in der Zusammensetzung zwischen 1 Gewichtsprozent und 5 Gewichtsprozent enthalten.

Description

  • Die Erfindung betrifft allgemein optische Komponenten für Bildschirme, insbesondere für Flüssigkristall-Monitore. Insbesondere betrifft die Erfindung optische Komponenten für Anzeigen mit Hinterleuchtung.
  • Flüssigkristall-Anzeigen sind nicht selbstleuchtend und müssen rückseitig beleuchtet werden, um ein leuchtendes Bild entsprechend zu anderen Anzeigetypen, wie Kathodenstrahlröhren, Plasmabildschirmen oder OLED-Anzeigen zu erhalten. Displays insbesondere von hoch auflösenden LCD-Fernsehgeräten mit hoher Bildqualität benötigen daher ein so genanntes Backlight-System, bei dem Licht typischerweise weißer LEDs seitlich an einer oder mehreren Kanten indirekt oder von hinten direkt in eine Lichtleiterplatte oder Diffuserplatte eingekoppelt wird. Ein solches System wird als Kantenbeleuchtung (Edgelit Backlight Unit) oder als direkte Hinterleuchtung (Direct Backlight Unit) bezeichnet. Traditionell kommt dabei bisher eine Kunststoffplatte zum Einsatz, z.B. aus besonders lichtdurchlässigem PMMA (Polymethylmethacrylat) oder aus anderen transparenten Polymeren, die besonders preiswert und in hoher Reinheit ohne selektive Absorption im sichtbaren Wellenlängenbereich gefertigt werden kann. Allerdings weisen diese Materialien häufig Degradationserscheinungen durch unerwünschten Feuchteeintrag (Einbau von Wassermolekülen aus der Luftfeuchte der Umgebung) auf und können bei dauerhafter Lichteinstrahlung spröde werden. Dies wiederum beeinträchtigt die Bildqualität und Lebensdauer.
  • Mit steigender Bildschirmdiagonale – tendenziell größer als 55 Zoll bis derzeit im Allgemeinen maximal 70 Zoll Format, oder auch beim Zusammenfügen einzelner Displays zu sehr großen Videoleinwänden ist dieses Material nachteilig, weil es einen sehr hohen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, der ein Vielfaches (> 15 mal höher) des Displayglases beträgt und auch besonders anfällig gegen hohe lokale thermische Belastung durch den Wärmeeintrag der vielen Leuchtdioden (z.B. bis ca. 1500 LEDs bei direkter Einkopplung) ist.
  • Aufgrund des hohen thermischen Ausdehnungskoeffizienten sowie feuchtigkeitsabhängiger Ausdehnung der Lichtleiterplatten aus Kunststoff müssen in Flüssigkristall-Monitoren Ausgleichsräume, insbesondere sog. Spacer-Zwischenräume, vorgesehen werden. Dies führt einerseits zu verhältnismäßig breiten Rahmen der Geräte, aber auch zu zusätzlicher Tiefe (Dicke) der Geräte, da flächige Komponenten unterschiedlicher Ausdehnungskoeffizienten mit ausreichendem Abstand zueinander verbaut werden müssen. Zudem weist Kunststoff eine geringe Stabilität auf, so dass typischerweise zusätzliche strukturelle Komponenten erforderlich werden. Flüssigkristall-Bildschirme erreichen daher mit gegenwärtiger Technologie eine Minimaldicke von etwa 30 Millimetern.
  • Zur Herstellung möglichst dünner sowie möglichst leichter Flüssigkristall-TV-Geräte ist der bisher gängige Einsatz von Lichtleiterplatten aus Kunststoff daher nachteilig.
  • Die US 2014/0043852 A1 und die US 2014/0146267 A1 beschreiben konstruktive Lösungen, die diese Nachteile überwinden sollen. Die darin aufgezeigten Lösungen sind jedoch aufwändig, nur partiell erfolgreich und überwinden vor allem nicht den prinzipiellen Nachteil von PMMA-Lichtleitern, nämlich deren notwendigerweise große Dicke.
  • Vom Endverbraucher werden inzwischen Fernsehbildschirme mit einer Tiefe (Dicke) von nur wenigen Millimetern gewünscht. Dies ist allerdings technisch nicht möglich, wenn bereits die PMMA-Lichtleiterplatte allein eine Dicke von praktisch mindestens 3,5 mm aufweist und zusätzlich Spacer-Zwischenräume erfordert.
  • Fernseher oder Displays, die mittels OLED-Technologie arbeiten, erreichen zwar sehr geringe Dicken, aber sie haben innerhalb des Herstellprozesses den Nachteil, dass Pixelfehler die Ausbeute reduzieren und diese Geräte insbesondere bei sehr großen Bildschirmdiagonalen von über 55 Zoll dadurch sehr teuer sind. Darüber hinaus brauchen sie zusätzlich ein Verstärkungselement, um die notwendige Rigidität im Alltagsgebrauch zu gewährleisten.
  • Es wäre daher vorteilhaft, als Material für den Lichtleiter, anstelle des allgemein verwendeten PMMA-Kunststoffs, ein Glas einzusetzen.
  • In der WO 2015/033866 wird eine Vorrichtung mit Kantenbeleuchtung und einer Lichtaustrittsoberfläche beschrieben, wobei eine Glasplatte umfasst ist. Die beschriebenen Merkmale reichen jedoch nicht aus, um eine im Vergleich zu PMMA gleichwertig gute Transmission zu erreichen. Die beschriebenen Bestwerte betragen gerade einmal 83% oder mehr bei einer Lichtweglänge von lediglich 100 mm.
  • Die US 2014/0152914 A1 beschreibt ein Glas mit hoher Transparenz für einen Touch-Bildschirm, der die Fingerposition mittels frustrierter Totalreflexion erfasst. Dazu wird Licht im Wellenlängenbereich von 750–2500nm, also im infraroten Spektralbereich verwendet. Die Proben zeigen jedoch starke Schwankungen des Absorptionskoeffizienten, insbesondere im sichtbaren Wellenlängenbereich von 400–800nm. In diesem Wellenlängenbereich ist der maximale Absorptionskoeffizient mindestens doppelt so hoch wie der minimale Absorptionskoeffizient. In dem in 9 dargestellten Ausführungsbeispiel beträgt der Absorptionskoeffizient sogar bei ca. 470nm 0,00021mm–1 und bei ca. 430nm 0,00089mm–1. Starke Schwankungen des Absorptionskoeffizienten sind jedoch ungeeignet für Lichtleiterplatten. Vielmehr sind niedrige, gleichmäßig verlaufende Absorptionskoeffizienten erwünscht, die einen gleichmäßigen Transmissionsverlauf im sichtbaren Wellenlängenbereich bewirken.
  • Auch die WO 2015/011040 A1 , WO 2015/011041 A1 , WO 2015/011042 A1 , WO 2015/011043 A1 , WO 2015/011044 A1 und WO 2015/071456 A1 beziehen sich auf Glasplatten mit hoher Transmission im Infrarotbereich, welche in Touch-Bildschirmen eingesetzt werden können, wobei mittels der Technik der sog. Planar Scatter Detection (PSD) oder der frustrierten Totalreflexion die Position von Objekten auf der Oberfläche bestimmt wird. Es ist bekannt, dass Fe2+ und Fe3+ Absorptionsbanden mit Bandenmaxima bei 380nm (relativ geringe Absorption) bzw. 1050nm (relativ starke Absorption) bewirken, welche durch oxidierende Substanzen beeinflusst werden können. Die genannten Anmeldungen beschreiben, wie bei einem tolerierten, relativ hohen Eisengehalt (Fe2O3) durch gezielte Zugabe von Chrom (Cr) eine hohe Transmission im Infrarotbereich erzielt werden kann. Zur Optimierung von Lichtleiterplatten für den sichtbaren Wellenlängenbereich können diese Lehren jedoch nicht beitragen.
  • Die Erfindung hat demnach zur Aufgabe, eine Glas-Zusammensetzung zu finden, welche für Lichtleiterplatten zur Lichtleitung von sichtbarem Licht, insbesondere zur Verwendung in Flüssigkristall-Anzeigen und Flüssigkristall-Bildschirmen geeignet ist.
  • Ein Aspekt der Aufgabe ist es dabei, die Glas-Zusammensetzung so zu wählen, dass die theoretisch erreichbare Transmission möglichst hoch ist. Es ist demnach ein Aspekt der Aufgabe, durch Wahl der Glas-Zusammensetzung den Absorptionskoeffizienten der Lichtleiterplatte zu minimieren.
  • Ein weiterer Aspekt der Aufgabe ist es, durch Wahl der Glas-Zusammensetzung das Absorptionsspektrum der Lichtleiterplatte, insbesondere für lange Lichtwege, im sichtbaren Wellenlängenbereich gleichmäßiger zu machen.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstände der abhängigen Ansprüche.
  • Dazu ist erfindungsgemäß eine Lichtleiterplatte zur Leitung von sichtbarem Licht mit zwei parallelen Seitenflächen und zumindest einer vorzugsweise als Lichteintrittsfläche dienenden Kantenfläche vorgesehen, wobei die Lichtleiterplatte
    • – aus einem Glas gefertigt ist, welches
    • – B2O3 und SiO2 als Komponenten enthält, wobei der Gesamtgehalt von B2O3 und SiO2 mindestens 70 Gewichtsprozent, vorzugsweise mindestens 80 Gewichtsprozent, besonders bevorzugt mindestens 90 Gewichtsprozent beträgt, und wobei
    • – der Gesamtgehalt von Metalloxiden zweiwertiger Metalle, insbesondere zweiwertiger Erdalkali-Metalle, in der Zusammensetzung des Glases kleiner 3 Gewichtsprozent ist, und wobei
    • – der Gehalt von Al2O3 in der Zusammensetzung zwischen 1 Gewichtsprozent und 5 Gewichtsprozent liegt.
  • Das Glas, aus dem die Lichtleiterplatte hergestellt ist, ist gemäß seiner B2O3- und SiO2-umfassenden Zusammensetzung ein Borosilikatglas. Die benötigten Rohstoffe zur Herstellung von Borosilikatglas sind in hinreichend hoher Reinheit, insbesondere mit sehr geringem Gehalt unerwünschter, färbender 3d-Metalloxide, verfügbar, ohne dass ein Einsatz sich jedenfalls aus Kostengründen verbietet. Besonders bevorzugt werden diese Rohstoffe demnach in hoher Reinheit eingesetzt. Ferner ist vorzugsweise vorgesehen, eine Mischung aus Carbonaten und Nitraten als Schmelz-Rohstoffe zu verwenden. Nitrate werden jedoch mit einem Anteil von über 2 Prozent eingesetzt, um die Redoxbedingungen der Schmelze vorteilhaft zu beeinflussen.
  • Borosilikatgläser kommen aufgrund ihrer strukturellen Eigenschaften dem Transmissionsverhalten von Quarzglas am nächsten. Im Wellenlängenbereich von 170 bis 2000 Nanometer weisen sie keine intrinsische, d.h. durch die Glaszusammensetzung bedingte Eigenabsorption auf. Die im ultravioletten Bereich befindlichen Ladungstransfer-Absorptionsbanden (charge transfer bands) der 3d-Verunreinigungselemente reichen aufgrund der geringen Eigenabsorption der Glasmatrixkomponenten (UV-Kantenlage ist bei ca. 170 nm) selbst bei großer Dicke des Glases nicht in den sichtbaren Bereich hinein. Weiterhin sind die Fresnel-Verluste bei Borosilikatgläsern aufgrund der niedrigen Brechzahl niedriger als bei anderen Gläsern und auch niedriger als bei PMMA.
  • Die Glas-Zusammensetzung, welche innerhalb der Glasfamilie der Borosilikatgläser überraschend gefunden wurde, vermindert negative Einflussfaktoren auf die Transmission im Wellenlängenbereich 400nm bis 800nm. Die Erfindung stellt ein im sichtbaren Spektralgebiet selbst bei langen Lichtwegen hoch lichtdurchlässiges Borosilikatglas bereit.
  • Die gefundene Glas-Zusammensetzung wirkt ferner ausgleichend, d.h. glättend auf den spektralen Verlauf der Transmission, inbesondere im sichtbaren Wellenlängenbereich. Der Transmissionsverlauf ist somit im sichtbaren Bereich typischerweise gleichbleibend und insbesondere frei von unerwünschter selektiver Lichtabsorption durch farbverschiebende Absorptionsbanden.
  • Grundsätzlich gilt, dass Minima oder Maxima in der Transmission sich wegen des exponentiellen Zusammenhangs im Absorptionsgesetz nach längeren optischen Pfaden im Glas verstärken und damit zu sehr starken Unregelmäßigkeiten in der Transmissionskurve führen, welche dann auch die Farbwiedergabe deutlich beeinflussen. Die gefundene Glas-Zusammensetzung wirkt solchen Minima und Maxima jedoch gerade entgegen. Somit stellt die Erfindung ein im sichtbaren Spektralgebiet selbst bei langen Lichtwegen farbneutrales (d.h. praktisch farbloses) Borosilikatglas bereit. Ein gleichmäßiger Verlauf der Transmission über den sichtbaren Wellenlängenbereich ist von besonderem Interesse, um die spektrale Verteilung des in die Lichtleiterplatte eingekoppelten Lichts nicht zu verändern, während es die Lichtleiterplatte durchläuft. Dadurch wird gewährleistet, dass für jeden Ort auf der Seitenfläche der Lichtleiterplatte, an welchem Licht wieder ausgekoppelt wird, das ausgekoppelte Licht ein möglichst unverändertes Spektrum gegenüber dem eingekoppelten Licht aufweist.
  • Zur Vergleichmäßigung des spektralen Transmissionsverlaufs kann ferner vorgesehen sein, auf Cerium (Ce) als Zugabe zu verzichten. Es ist demnach vorzugsweise kein Ceriumoxid in der Glas-Zusammensetzung enthalten.
  • Vorteilhaft ist es weiterhin, die Glas-Zusammensetzung so zu wählen, dass der lineare thermische Ausdehnungskoeffizient des Glases optimal an das typische Displayglas, also die weiteren typischerweise eingesetzten Glasscheiben einer Flüssigkristall-Anzeige, angepasst ist. Glas der erfindungsgemäß vorgesehenen Zusammensetzung weist im Allgemeinen auch einen spezifisch niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf. So liegt der lineare thermische Ausdehnungskoeffizient bei Zimmertemperatur gemäß einer bevorzugten Ausführungsform im Bereich von 2,5·10–6 K–1 bis 4,5·10–6 K–1.
  • Das thermische Ausdehnungsverhalten der erfindungsgemäßen Lichtleiterplatte aus Borosilikatglas kann damit insbesondere optimal auf standardmäßig verwendete Gläser in TFT/LCD-Displayeinheiten abgestimmt werden. Das hat zum Vorteil, dass heute übliche Zwischenräume zwischen Display-Komponenten unterschiedlicher Ausdehnungskoeffizienten (z.B. zwischen PMMA- und Glas-Scheiben) entfallen können, ohne dass mechanische Spannungen infolge unterschiedlicher thermischer Dehnungen der verwendeten Display-Komponenten entstehen. Somit kann der heute übliche zusätzliche Platzbedarf zur Kompensation der Volumen- und Längenausdehnung der Lichtleiterplatte deutlich reduziert werden. Die Erfindung ermöglicht es somit, sehr schlanke TV-Geräte mit wenigen Millimetern an Dicke im Großformat zu gestalten.
  • Auch ist die erfindungsgemäße Lichtleiterplatte aus Borosilikatglas in vorteilhafter Weise unanfällig gegenüber Feuchtigkeit. Herkömmliche PMMA-Lichtleiter weisen demgegenüber im Laufe der Zeit einen Feuchteeintrag auf, durch den nicht nur die Transmission beeinflusst wird, sondern auch eine unerwünschte Volumenausdehnung der PMMA-Platte entsteht. Die Erfindung ermöglicht es demnach, die Ausdehnung der Lichtleiterplatte unabhängig von der Humidität der Umgebung an die Ausdehnung der anderen Glasplatten in Displays abzustimmen.
  • Infolge abgestimmter thermischer Ausdehnungskoeffizienten sowie vernachlässigbar geringer Ausdehung infolge von Humidität der erfindungsgemäßen Lichtleiterplatte können somit Spacer-Zwischenräume zwischen den lichtdurchlässigen, flächigen Displaykomponenten verringert oder sogar vermieden werden. Durch ein flächiges Aufeinanderliegen der Komponenten wird darüber hinaus die Stabilität erhöht. Es ist auch möglich, flächige Komponenten, die einen aufeinander abgestimmten Ausdehnungskoeffizienten besitzen, miteinander zu verkleben, um die Stabilität weiter zu erhöhen. Es ergibt sich somit der Vorteil, dass Displays dünner und gleichzeitig stabiler gebaut werden können. Insbesondere ermöglicht es die Erfindung damit, LCD-TV-Geräte herzustellen, deren Dicke deutlich geringer ist, als die heutige Minimaldicke von etwa 30 Millimetern. Auch ermöglicht es die Erfindung das Gewicht der Geräte zu reduzieren. Damit kann die Tiefe (Dicke) von LCD-TV-Geräten, insbesondere solche mit LED Kantenbeleuchtung, in Richtung moderner und schlanker OLED-TV-Geräte gebracht werden. Weil eine schlanke Bauweise (und auch ein niedriges Gewicht) von Fernsehdisplays eine wichtige Eigenschaft zur Differenzierung auf dem Markt der UHD-TV-Geräte darstellt, können somit in mehrerer Hinsicht attraktive LCD-TV-Geräte hergestellt werden. Einerseits können die LCD-TV-Geräte sehr dünn (und ggf. leicht) gebaut werden, andererseits können sie gegenüber OLED-TVs bei vertretbaren Preisen sehr große Diagonalen aufweisen und mit ebenfalls hoher Echtfarbenqualität punkten.
  • Ein weiterer Vorteil liegt auch darin, dass infolge geringerer thermischer Ausdehnung der Lichtleiterplatte, der Rahmen des Displays schmaler gebaut werden kann. Beim Einsatz von PMMA-Lichtleiterplatten werden demgegenüber breitere Rahmen benötigt, damit um die Platte herum Ausgleichsraum für eine Ausdehnung vorhanden ist. Schmalere Rahmen tragen zu einer bevorzugten ästhetischen Erscheinung, z.B. einer eleganteren Anmutung der Geräte bei.
  • Die erfindungsgemäße Lichtleiterplatte eignet sich demnach insbesondere zur Verwendung innerhalb eines optischen Beleuchtungssystems für großformatige Flüssigkristalldisplays oder Videowände, insbesondere solche, die auf LED-Beleuchtungstechnologie mit intensiver direkter oder indirekter Lichteinstrahlung basieren.
  • Neben diesen Beispielen sind auch andere Anwendungsfelder eingeschlossen, welche von der hohen Transmission (Klarheit) und der geringen Farbabweichung für lange Lichtwege, das heißt einem ästhetischen Erscheinungsbild, profitieren. Auch sind solche Anwendungen umfasst, welche zusätzlich zu diesen vorteilhaften Eigenschaften von einem niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Glases profitieren.
  • Neben B2O3 und SiO2 umfasst die genannte Glas-Zusammensetzung als weiteren Netzwerkbildner einen Anteil von Al2O3, der insbesondere die Sprödigkeit des Materials herabsetzt. Gängige Rohstoffträger für Aluminiumoxid als Glaskomponente sind allerdings häufig durch färbende Verunreinigungen belastet, welche die Transmission des Glases negativ beeinflussen. Der Anteil von Al2O3 beträgt dabei 1 bis 5 Gewichtsprozent. Dieser geringe Gehalt erweist sich für die Verarbeitbarkeit des Glases und seine Festigkeit als noch ausreichend. Andererseits fallen aber naturgemäß vorhandene aber unerwünschte Verunreinigungen nur wenig ins Gewicht.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung kann auch synthetischer Aluminiumoxid-Rohstoff eingesetzt werden, um die Absorption des Glases weiter zu senken. Zwar erhöht synthetischer Rohstoff die Herstellungskosten, allerdings ist dies in Anbetracht des geringen Anteils von 1 bis 5 Prozent in der Praxis noch realisierbar. Vorzugsweise beträgt der Gehalt von Al2O3 1 bis 3 Prozent, besonders bevorzugt 1,5 bis 2,5 Prozent.
  • Neben Al2O3 stellt auch das Trägermaterial für MgO einen kritischen Rohstoff dar, der als natürlicher Rohstoff oft unerwünschterweise absorbierende 3d-Verunreinigungselemente ähnlicher Ionengröße (z.B. Ni, Cu, Mn, etc.) einbringt. Bei einem optionalen Einsatz von MgO ist daher vorgesehen, lediglich geringe Mengen besonders reinen Materials einzusetzen.
  • Bei Glas kann es auch zu einer Solarisation kommen, wenn also durch Einwirkung von Licht, insbesondere energiereichem UV-Licht, die Transmission im Laufe der Zeit vermindert wird. Die erfindungsgemäße Lichtleiterplatte zeichnet sich aufgrund ihrer Glas-Zusammensetzung dadurch aus, dass sie ausgesprochen solarisationsstabil ist. Darin liegt insbesondere ein Vorteil gegenüber anderen, eher zu Solarisation neigenden Glastypen.
  • Darüber hinaus kann eine hohe Absorption der Lichtleiterplatte im UV-Bereich vorgesehen sein, welche mindestens doppelt, vorzugsweise mindestens fünf mal so hoch ist, wie die höchste Absorption im sichtbaren Bereich. Ein solcher UV-Cut-off kann von Vorteil sein, um andere Komponenten, insbesondere darin befindliche Polymere, welche von dem in die Lichtleiterplatte eingekoppelten Licht nach dessen Austritt über die Seitenfläche durchleuchtet werden, vor einem möglichen parasitären UV-Anteil des eingekoppelten Lichts zu schützen.
  • Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist es, die Glas-Zusammensetzung so zu wählen, dass die Bruchgefahr daraus hergestellter Scheiben durch chemisches Härten vermindert werden kann.
  • Die Glaszusammensetzung kann dazu ferner auch Alkalimetalloxide, insbesondere Na2O, K2O und/oder Li2O umfassen, so dass die Lichtleiterplatte aus einem Alkali-Borosilikatglas gefertigt ist. Über den Alkaligehalt kann eine Anpassung des Wärmeausdehungskoeffizienten des Glases vorgenommen werden. Bei Zugabe von Alkalimetallen/Alkalimetalloxiden ist es insbesondere zusätzlich möglich, die Gläser chemisch vorzuspannen, um deren Festigkeit weiter zu erhöhen. Beim chemischen Härten (chemischen Vorspannen) wird ein Ionenaustausch bewirkt, bei dem etwa kleinere Alkali-Ionen durch größere Homologe ausgetauscht werden, so dass in der Austauschzone an der Glasoberfläche ein Spannungsprofil in das Glas eingebracht wird.
  • Sofern aber eine chemische Vorspannung nicht erwünscht oder notwendig ist, können alkalifreie Zusammensetzungen bevorzugt werden.
  • Allgemein, beispielsweise durch Zugabe von Alkalioxiden kann die Lichtleiterplatte an die Wärmeausdehnungskoeffizienten anderer Gläser, insbesondere anderer Glaskomponenten in Displays angeglichen werden, wie darin befindliche Substratgläser, ggf. auch das Coverglas. Besonders bevorzugt ist allerdings eine Anpassung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Lichtleiterplatte an denjenigen des TFT-Substrats in einem LCD-Bildschirm.
  • Somit kann je nach Anwendungsgebiet der Lichtleiterplatte bei Bedarf die Festigkeit erhöht und damit die Bruchgefahr der Platte vermindert werden. Dies kann insbesondere bei großen Bildschirmdiagonalen, etwa bei TV-Geräten, oder bei Touchscreens, beispielsweise in Smartphones, Tablets, Computern, Navigationsgeräten, etc. von Vorteil sein.
  • Ferner sind insbesondere solche Anwendungen eingeschlossen, für welche die Möglichkeit einer mechanischen Verfestigung des Glases durch chemisches Vorspannen in Kombination mit dem Vorteil hoher Transmission (Klarheit) und/oder dem Vorteil geringer Farbabweichung der Lichtleiterplatte in Frage kommt.
  • Die benötigten Alkali-Rohstoffe, insbesondere Na2O, sind in hoher Reinheit verfügbar, ohne dass ein Einsatz sich jedenfalls aus Kostengründen verbietet. Besonders bevorzugt werden die Alkali-Rohstoffe demnach in hoher Reinheit eingesetzt.
  • Es ist insbesondere ein Gehalt von 0 bis 8 Gewichtsprozent, vorzugsweise von 0 bis 4 Gewichtsprozent an Na2O in der Glaszusammensetzung vorgesehen. Ferner ist insbesondere ein Gehalt von 0 bis 1 Gewichtsprozent an K2O vorgesehen. Schließlich ist insbesondere ein Gehalt von 0 bis 2 Gewichtsprozent, vorzugsweise von 0 bis 1 Gewichtsprozent an Li2O vorgesehen.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Lichtleiterplatte dadurch gekennzeichnet, dass der SiO2-Gehalt im Bereich von 65 bis 85 Gewichtsprozent liegt und/oder dass der B2O3-Gehalt im Bereich von 10 bis 20 Gewichtsprozent liegt. Ein hoher Siliziumoxid-Gehalt ist dabei besonders günstig zur Erzielung einer hohen Licht-Transmission.
  • Bevorzugt ist ferner eine Ausführungsform der Erfindung, in welcher der Gehalt von Eisen in oxidischer Form im Glas der Lichtleiterplatte weniger als 60 ppm beträgt und/oder dass das Verhältnis der Menge von Fe2+-Eisenionen zu Fe3+-Eisenionen kleiner als 0,05 ist. Ein gewisser Anteil an Eisen lässt sich aufgrund von Verunreinigungen von Glas-Rohstoffen im Allgemeinen nicht vermeiden. Während für Displaygläser eine zu PMMA vergleichbare Transmission, insbesondere auch für lange Lichtwege, ab einem Gehalt von Eisen in oxidischer Form von weniger als 10 ppm zu erwarten ist, kann in vorteilhafter Weise bei dem erfindungsgemäß eingesetzten Borosilikatglas ein höherer Eisengehalt toleriert werden.
  • Mit dem vorzugsweise vorgesehenen Eisengehalt von weniger als 60 ppm, besonders bevorzugt von weniger als 50 ppm, kann eine Transmission erreicht werden, die der von PMMA nahe oder gleich kommt.
  • Um den vorgesehenen Gehalt an Eisen in oxidischer Form bzw. das vorgesehene Verhältnis der Menge von Fe2+-Ionen zu Fe3+-Ionen zu erzielen, ist insbesondere vorgesehen, eine geeignete Läuterung des Glases vorzunehmen. Durch Zugabe der Läutermittel werden Blasen aus dem fertig geschmolzenen Glas beseitigt, etwa dadurch, dass die Läutermittel infolge von Zersetzung Gase abspalten.
  • Bevorzugt ist eine neutrale Läuterung mit Kochsalz (NaCl-Läuterung), welche den Gehalt an Fe2+-Ionen gering hält. Somit kann im Gegensatz zu anderen Läutermitteln insbesondere das Verhältnis Fe2+/Fe3+ minimiert werden.
  • In einer Weiterbildung der Erfindung weist das Glas der Lichtleiterplatte daher Halogenid-Ionen, insbesondere Chlorid-Ionen mit einem Anteil von 0,05 Gewichtsprozent bis 0,2 Gewichtsprozent auf.
  • Vorzugsweise wird auf redox-aktive Läutermittel mit direkter Sauerstoffabgabe wie As2O5, Sb2O5 und insbesondere SnO2 verzichtet. Auf solche Läutermittel, insbesondere auf eine gängige Zinnoxidläuterung wird verzichtet, da dadurch der Gehalt an Fe3+ im Verhältnis zu Fe2+ vermindert würde. Die anderen genannten Läutermittel sind darüber hinaus umweltschädlich oder für das Floatverfahren ungeeignet. Eine Läuterung mit Zinnoxid ist demnach in Verbindung mit Spuren von Eisen nachteilig, um eine besonders hohe Transmission zu erzielen. Gleiches gilt auch für eine Läuterung mit Zinnoxid (SnO2) und Zugabe von Ceriumoxid (CeO2). Auf Ceriumverbindungen wird bevorzugt verzichtet, um den spektralen Transmissionsverlauf gleichmäßig zu gestalten, da Ceriumoxid in Verbindung mit geringen Fe2O3 Verunreinigungen selbst im sichtbaren Spektralbereich stark absorbierend wirkt.
  • Ferner bevorzugt ist eine oxidierende Schmelzführung, insbesondere mittels einer Oxy-Fuel-Brenner-Anlage, um eine Umwandlung von Fe2+ in Fe3+ zu bewirken. Dabei kann insbesondere eine Brennereinstellung mit einem überstöchiometrischen Anteil von Sauerstoff in der Flamme gewählt werden. Weiterhin kann während des Schmelzvorgangs Sauerstoff in die Glasschmelze eingeblasen werden (sog. O2-Bubbling). Beim Einblasen von Sauerstoffgas in die Schmelze ist eine Menge von mehr als 1 l/min, vorzugsweise mehr als 2,5 l/min Sauerstoff pro Blasdüse bevorzugt. Die Anzahl der Blasdüsen ist durch die Wannengröße bestimmt.
  • Grundsätzlich weisen Borosilikatgläser eine geringe Basizität auf, welche ebenfalls auf die Redoxverhältnisse im Glas einen positiven Einfluss hat.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung kann ferner ein Cr-Gehalt von 0,05 bis 0,7 ppm vorgesehen sein, besonders bevorzugt von kleiner als 0,5 ppm.
  • Vorzugsweise ist der Gesamtgehalt an den verunreinigenden Substanzen Fe, Cu, Cr, Ni, Mn, Ce, Co kleiner als 0,005 Gewichtsprozent.
  • Ein Vorzugsmerkmal für Borosilikatglas der Erfindung ist, dass die Transmission für eine durchstrahlte Dicke von 2 Millimetern für weißes Licht mindestens 93 Prozent beträgt. Vorzugsweise wird eine solche Transmission für weißes Licht gängiger weißer LEDs, welche zur Kantenbeleuchtung verwendet werden, erreicht. Ferner vorzugsweise wird eine solche Transmission für weißes Licht mit kontinuierlichem Spektrum, insbesondere dem terrestrischen Sonnenspektrum oder dem Spektrum eines Schwarzkörperstrahlers, insbesondere bei einer Temperatur von 5800 Kelvin erreicht. Der sichtbare Wellenlängenbereich (Spektralbereich) reicht nach einer gängigen Definition von 400nm (violett) bis 750nm (rot), mitunter auch bis 780nm.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Brechungsindex nd des Glases der Lichtleiterplatte kleiner als 1,52, vorzugsweise größer als 1,45, besonders bevorzugt kleiner als 1,48. Borosilikatgläser gemäß der Erfindung haben typischerweise niedrige Brechungsindizes. Mit dem bevorzugten Brechungsindex im Bereich von 1,45 bis 1,52 können somit Transmissionsverluste durch Reflexion vermindert werden. Dies bietet einen Vorteil gegenüber anderen kommerziellen Flachgläsern, welche höhere Brechungsindizes aufweisen. Auch sind die niedrigen Brechungsindizes, wie sie vorzugsweise vorgesehen werden, günstig, um Kopplungsverluste bei der Einkopplung in das Glas der Flüssigkristallanzeige, insbesondere bei einem TFT-Substratglas zu vermindern. Diese Gläser weisen oft ebenfalls vergleichsweise niedrige Brechungsindizes auf, so dass der Brechungsindex-Sprung zwischen den Glasscheiben nur gering ist.
  • Darüber hinaus ermöglicht ein niedriger Brechungsindex mehr Flexibilität bei der Einkopplung von Licht. Die Lichtquelle kann somit flexibler positioniert werden, ohne dass unerwünschte Reflexionsverluste auftreten. Dies ist insbesondere von Vorteil, wenn die Lichtleiterplatte in Flachbildschirmen eingesetzt wird, bei denen konstruktive Erfordernisse hinsichtlich der Positionierung der Lichtquellen regelmäßig im Konflikt mit einer möglichst dünnen und kompakten Bauweise stehen.
  • Es ist insbesondere vorgesehen, dass die Reintransmission über den Wellenlängenbereich 400nm bis 780nm für eine Lichtweglänge von 100 Millimetern oberhalb von 90 Prozent, bevorzugt oberhalb von 91 Prozent und besonders bevorzugt oberhalb von 92 Prozent liegt
  • Die Lichtleiterplatte hat vorzugsweise eine Dicke im Bereich von 0,5 Millimeter bis 3 Millimeter, besonders bevorzugt im Bereich von 1 Millimeter bis 2 Millimeter. Diese Dicken sind geeignet, um auch bei großen hinterleuchteten Bildschirmen ausreichend viel Licht einkoppeln zu können und dabei gleichzeitig noch eine geringe Gesamtdicke der mit der erfindungsgemäßen Lichtleiterplatte ausgestatteten Anzeige zu erreichen.
  • Die Lichtleiterplatte weist vorzugsweise eine rechteckige Form auf, entsprechend den üblichen Formen von zu beleuchtenden Bildschirmen. Die Diagonale der Lichtleiterplatte hat gemäß einer Ausführungsform eine Länge von mindestens 250 Millimetern, vorzugsweise von mindestens 500 Millimetern.
  • Damit die Stabilität der Lichtleiterplatte gewährleistet ist, kann die Dicke der Platte von der Diagonale abhängen. Je kleiner die Diagonale der Platte ist, umso dünner kann die Platte gefertigt werden. Es ist insbesondere vorteilhaft, wenn das Verhältnis aus Dicke zu Diagonale zwischen 0,001 und 0,012, vorzugsweise zwischen 0,001 und 0,008, besonders bevorzugt zwischen 0,001 und 0,006 liegt.
  • Es ist typischerweise vorgesehen, dass die Lichtleiterplatte eine plane rechteckige Form aufweist. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die Form rechteckig ist, die Lichtleiterplatte aber gebogen ist. Eine gebogene Lichtleiterplatte kann für sog. Curved-TV-Geräte genutzt werden.
  • In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Lichtleiterplatte aus einer Float-Glasscheibe besteht. Bei der Herstellung von Float-Glas wird die geläuterte Glasschmelze auf ein Zinnbad geleitet. Dadurch entsteht eine besonders hohe Oberflächenqualität. Die Oberflächenrauheit ist demnach besonders gering. Dies ermöglicht einerseits eine hohe Lichtleitung und andererseits eine sehr gezielte, präzise Auskopplung des Lichts aus dem Lichtleiter. Dies sorgt für einen homogenen Lichtaustritt, d.h. die Vermeidung von sog. Hotspots. Float-Glas weist typischerweise auch Zinnoxid-Spuren auf einer der Oberflächen auf, nämlich der Oberfläche, die beim Floaten auf dem Zinnbad schwimmt.
  • Bei einer im Float-Verfahren hergestellten Lichtleiterplatte kann, insbesondere bei einer großen Scheibe, aufgrund der sehr glatten Oberfläche in vorteilhafter Weise eine präzise Spezifizierung einer möglichen Wölbung erfolgen. Eine solche Wölbung kann etwa als Folge des Vorspannens entstehen.
  • Erfindungsgemäß wird ferner eine Beleuchtungseinrichtung für eine optische Anzeige, insbesondere eine Flüssigkristall-Anzeige bereitgestellt. Die Beleuchtungseinrichtung umfasst eine erfindungsgemäße Lichtleiterplatte und ferner zumindest eine Lichtquelle zur Einkopplung von Licht, welches zwischen den Seitenflächen der Lichtleiterplatte durch Totalreflexion geleitet wird. Außerdem sind lichtstreuende Strukturen auf zumindest einer der Seitenflächen der Lichtleiterplatte umfasst, um das in der Lichtleiterplatte geführte Licht zu streuen, so dass das Licht aus der Lichtleiterplatte austritt.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Emissionsspektrum der Beleuchtungseinrichtung derart auf das Transmissionsspektrum der Lichtleiterplatte abgestimmt, dass die Farbortverschiebung des von der Lichtquelle eingekoppelten und wieder aus der Lichtleiterplatte in Richtung Displayeinheit austretenden Lichts entlang der Platte einen Wert ∆Wy von kleiner 0,04 aufweist (Basis CIE-Normfarbtafel).
  • Besonders bevorzugt ist das Spektrum der Beleuchtungseinrichtung derart ausgebildet und auf das Transmissionsspektrum des Glases abgestimmt, dass die Farbortverschiebung des von der Lichtquelle eingekoppelten und wieder aus der Lichtleiterplatte austretenden Lichts eine Komponente in Richtung auf den Unbuntpunkt aufweist. Damit eine solche Komponente vorhanden sein kann, liegt der Farbwert des Lichts der Beleuchtungseinrichtung neben dem Unbuntpunkt. Dieser scheinbare Nachteil einer Beleuchtung mit einer verbleibenden Farbigkeit führt in Verbindung mit einer spektral variierenden Transmission des Glases dennoch zu einer möglichst farbneutralen Beleuchtung.
  • Erfindungsgemäß wird schließlich ein Bildschirm, insbesondere eine Flüssigkristall-Anzeige bereitgestellt. Der Bildschirm umfasst eine erfindungsgemäße Beleuchtungseinrichtung sowie eine ansteuerbare flächenförmige Anzeigeeinrichtung in Gegenüberstellung zur Lichtleiterplatte der Beleuchtungseinrichtung, so dass von der Lichtquelle in die Lichtleiterplatte eingekoppeltes und von der Lichtleiterplatte seitlich (von einer Seitenfläche) wieder abgestrahltes Licht auf die Anzeigeeinrichtung trifft und diese durchqueren kann.
  • Die Erfindung wird nachfolgend genauer anhand der beigeschlossenen Figuren erläutert. In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen dabei gleiche oder entsprechende Elemente.
  • Es zeigen:
  • 1 schematisch in perspektivischer Ansicht eine Lichtleiterplatte,
  • 2 schematisch in Seiten-Ansicht eine Beleuchtungseinrichtung,
  • 3 schematisch in Seiten-Ansicht einen Bildschirm,
  • 4 schematisch in Seiten-Ansicht einen Flüssigkristall-Bildschirm,
  • 5 schematisch in Seiten-Ansicht einen Flüssigkristall-Bildschirm mit Gehäuse,
  • 6 schematisch in Seiten-Ansicht einen Flüssigkristall-Bildschirm mit Gehäuse aus dem Stand der Technik,
  • 7 eine CIE-Normfarbtafel,
  • 8 spektrale Reintransmission verschiedener kommerzieller Lichtleiterplatten aus dem Stand der Technik,
  • 9 spektrale Transmission einer erfindungsgemäßen Lichtleiterplatte für zwei kurze Lichtweglängen,
  • 10 Dispersionskurven von Lichtleiterplatten aus einem Alkali-Aluminosilikatglas und aus einem erfindungsgemäßem Borosilikatglas,
  • 11 spektrale Maximaltransmission von Lichtleiterplatten aus einem Alkali-Aluminosilikatglas und aus einem erfindungsgemäßem Borosilikatglas,
  • 12 spektrale Reintransmission von Lichtleiterplatten aus Alkali-Aluminosilikatgläsern und erfindungsgemäßen Borosilikatgläsern mit jeweils unterschiedlichem Fe2O3-Gehalt.
  • 1 zeigt schematisch eine Lichtleiterplatte 1. Die Lichtleiterplatte 1 umfasst zwei planparallele Seitenflächen 10, 11. Die Lichtleiterplatte ist als rechteckige Glasscheibe ausgebildet und umfasst vier Kantenflächen, von denen eine Kantenfläche 13 als Lichteintrittsfläche vorgesehen ist. In die Kantenfläche 13 eingekoppeltes Licht wird durch Totalreflexion an den Seitenflächen 10, 11 entlang der Seitenflächen durch die geleitet. Der Weg, den das Licht in der Lichtleiterplatte 1 zurücklegt, ist sehr lang, verglichen mit der Dicke der Platte. Die Dicke der Lichtleiterplatte 1 liegt im Bereich von 0,5 Millimeter bis 3 Millimeter, vorzugsweise im Bereich von 1 Millimeter bis 2 Millimeter.
  • Glas ist an sich zwar ein sehr transparentes Material, allerdings führen bereits kleine Absorptionskoeffizienten hier aufgrund des langen optischen Wegs zu einer merklichen Absorption. Das erfindungsgemäße Glas ist nun einerseits geeignet, großtechnisch mittels eines Float-Verfahrens hergestellt zu werden, besitzt andererseits dennoch eine so hohe Transmission, dass das Glas als Lichtleiterplatte mit Diagonalen-Abmessungen von mindestens 250 Millimetern, vorzugsweise von mindestens 500 Millimetern geeignet ist, ohne dass sich gravierende Farbortverschiebungen und Intensitätsabfälle ergeben. Dies wird erreicht durch einen hohen Gesamtgehalt von SiO2 und B2O3, (mindestens 70 Gewichtsprozent) sowie einen vorhandenen, aber kleinen Anteil von 1 bis 5 Gewichtsprozent Al2O3. Durch den geringen Al2O3-Gehalt kann auch der Gehalt von Eisen in oxidischer Form, welches als Verunreinigung in Al2O3 vorkommt, leicht auf weniger als 60 ppm reduziert werden.
  • Die Zusammensetzung mit einem SiO2-Gehalt im Bereich von 65 bis 85 Gewichtsprozent und einem B2O3-Gehalt im Bereich von 10 bis 20 Gewichtsprozent unterstützt auch eine weitgehende Oxidation des Eisens, so dass das Verhältnis der Menge von Eisenionen Fe2+/Fe3+ kleiner als 0,05 ist.
  • 2 zeigt schematisch eine Beleuchtungseinrichtung 19 unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Lichtleiterplatte aus Borosilikatglas. Die Beleuchtungseinrichtung 19 umfasst eine Lichtleiterplatte 1, welche zwei planparallele Seitenflächen 10, 11 aufweist. An der rechten Kantenfläche befindet sich eine Lichtquelle 21, z.B. eine LED, oder eine Reihe von LEDs. Das Licht der Lichtquelle 21 wird durch die rechte Kantenfläche in die Lichtleiterplatte 1 eingekoppelt und daraufhin zwischen den Seitenflächen 10, 11 der Lichtleiterplatte 1 durch Totalreflexion geleitet. Allgemein, ohne Beschränkung auf die Ausführungsbeispiele können als Lichtquelle 21 dabei sowohl eine Anordnung von weißen Leuchtdioden, als auch von verschiedenfarbigen Leuchtdioden verwendet werden. Im letzteren Fall wird weißes Licht durch Mischung der Farben der verschiedenfarbigen Leuchtdioden erzeugt. Beispielsweise kann weißes Licht durch eine Anordnung von roten, grünen und blauen Leuchtdioden gemischt werden. Auch können farbige mit weißen Leuchtdioden kombiniert werden, um Licht eines gewünschten oder einstellbaren Farbortes zu erzeugen.
  • Auf der unteren Seitenfläche 11 der Lichtleiterplatte 1 ist eine Reflektorschicht 15 angebracht, die das Licht streut, so dass es aus der Lichtleiterplatte 1 über die Seitenfläche 10 austritt. Anders als dargestellt kann das Licht auch über mehrere Kanten eingekoppelt werden.
  • Beispielsweise kann die Einkopplung ringsum entlang der umlaufenden Kantenfläche 13 erfolgen. Dies bietet sich gerade bei sehr großflächigen Beleuchtungseinrichtungen 20 an, um eine homogene Ausleuchtung zu erzielen.
  • 3 zeigt schematisch einen Bildschirm 20. Der Bildschirm 20 umfasst eine Beleuchtungseinrichtung bestehend aus den in 2 beschriebenen Komponenten. Darüber hinaus umfasst der Bildschirm 20 eine Anzeigeeinrichtung 23, die der Lichtleiterplatte 1 gegenübergestellt ist. Das aus der Lichtleiterplatte 1 über die obere Seitenfläche ausgekoppelte Licht trifft auf die Anzeigeeinrichtung 23 und durchquert diese. Dadurch kann über die Lichtquelle 21 eingekoppeltes weißes Licht pixelweise zu farbigem Licht gewandelt werden.
  • 4 zeigt schematisch einen Bildschirm 20, welcher als Flüssigkristall-Bildschirm ausgebildet ist. Der Bildschirm 20 umfasst wiederum eine Beleuchtungseinrichtung aus den in 2 beschriebenen Komponenten. Bei der Anzeigeeinrichtung des Bildschirms 20 handelt es sich um eine Flüssigkristall-Anzeigeeinrichtung, welche zwei Substrate 25 und 31 umfasst, zwischen denen sich eine TFT-Schicht 27 sowie eine LCD-Schicht 29 (Flüssigkristallschicht) befindet. Die Substrate 25 und 31 sind aus Glas gefertigt.
  • 5 zeigt schematisch einen als Flüssigkristall-Bildschirm ausgebildeten Bildschirm 20 mit Gehäuse 35. Dadurch, dass die Lichtleiterplatte 1 aus einem Glas besteht, welches an den Wärmeausdehnungskoeffizienten des Substrats 25 angepasst ist, kann die Lichtleiterplatte 1 flächig an dem Substrat 25 zur Anlage gebracht werden, ohne dass dazwischen ein Spacer-Zwischenraum als Ausgleichsraum verbleibt. Auf diese Weise kann eine flache Bauweise, das heißt eine geringe Dicke 37 des Gehäuses erreicht werden. Dadurch, dass die aus Glas gefertigte Lichtleiterplatte 1 einen sehr geringen Wärmeausdehnungskoffizienten besitzt, sind ferner keine nennenswerten Spacer-Zwischenräume kantenseitig der Platte erforderlich, so dass sehr schmale Gehäuserahmen 39 erreicht werden können.
  • 6 zeigt demgegenüber einen Flüssigkristall-Bildschirm aus dem Stand der Technik, dessen Lichtleiterplatte 1 aus PMMA gefertigt ist. Infolge der thermischen Ausdehnung der Lichtleiterplatte 1 ist zwischen der Lichtleiterplatte 1 und dem Substrat 25 der Anzeigeeinrichtung ein Abstand 33 nötig, der dazu führt, dass die Dicke 37 des Gehäuses 35 wesentlich größer ist. Ferner ist kantenseitig der Lichtleiterplatte, das heißt um die Platte herum, ein Spacer-Zwischenraum vorgesehen, um die thermische Ausdehnung 41 der Platte zu ermöglichen. Dadurch wird ein breiterer Gehäuserahmen (Gehäuserand) 39 erforderlich. Insgesamt hat der Bildschirm 20 aus dem Stand der Technik somit größere Abmessungen bei gleicher Bildfläche.
  • 7 zeigt eine CIE-Normfarbtafel. Die Gesamtheit der vom Menschen wahrnehmbaren Farben ist als weiße Zone dargestellt. Bei x = y = 0,33 befindet sich der Unbuntpunkt 17, welcher auch als Weißpunkt bezeichnet wird.
  • Dargestellt sind zwei Farbpunkte 18 und 16. Der Farbpunkt 18 entspricht dem in die Lichtleiterplatte eingekoppelten Licht, während der Farbpunkt 16 dem aus der Lichtleiterplatte herausgestreuten Licht entspricht. Da die beiden Punkte nicht deckungsgleich sind, findet eine Farbortverschiebung statt. Im gezeigten Beispiel verschiebt sich aufgrund der Transmissionseigenschaften des erfindungsgemäßen Glases der Farbort um ∆Wy = 0,35 in positive Richtung der y-Achse. Eine Farbortverschiebung entlang der x-Achse findet im Beispiel nicht statt. Da der Unbuntpunkt 17 in y-Richtung näher an dem Farbpunkt 16 als an dem Farbpunkt 18 liegt, findet in y-Richtung eine Farbortverschiebung des von der Lichtquelle eingekoppelten und wieder aus der Lichtleiterplatte herausgestreuten Lichts in Richtung auf den Unbuntpunkt 17 statt. Zumindest ist eine Komponente der Verschiebung in Richtung auf den Unbuntpunkt zu vorhanden. Eine solche charakteristische Verschiebung ist mit dem erfindungsgemäßen Glas und einer Weißlicht-Quelle in einfacher Weise zu erzielen.
  • 8 zeigt die Reintransmission 50, 52, 54 gemessen an verschiedenen kommerziell erhältlichen Lichtleiterplatten aus dem Stand der Technik. Die Dicke der Lichtleiterplatten beträgt jeweils 2mm und die zurückgelegten Lichtweglängen belaufen sich auf jeweils 500mm. Unter Reintransmission ist die innere Transmission zu verstehen.
  • Es ist ersichtlich, dass die Reintransmission 54 eines PMMA-Lichtleiters im Wellenlängenbereich von ca. 420nm bis ca. 780nm über 90 Prozent liegt, zum Teil über 95 Prozent, wobei allerdings im Bereich von ca. 715nm bis ca. 765nm ein deutlicher Einbruch 56 auf bis zu unter 70 Prozent zu verzeichnen ist. Dieser Einbruch 65 der Reintransmission ist auf im PMMA-Lichtleiter eingeschlossene Wassermoleküle zurückzuführen. PMMA-Lichtleiter weisen materialbedingt den Nachteil auf, dass im Laufe der Zeit Feuchtigkeit aus der Umgebung in die Polymermatrix eindiffundiert. Demgegenüber sind Lichtleiterplatten aus Glas in vorteilhafter Weise unempfindlich gegenüber Umgebungsfeuchtigkeit.
  • Eine erste Version einer Lichtleiterplatte aus einem Aluminosilikatglas weist die Reintransmission 50 auf. Zwar zeigt diese Kurve keinen durch Wasserverunreinigung bedingten Einbruch der Transmission, die Reintransmission 50 ist allerdings ab einer Wellenlänge von ca. 410nm deutlich niedriger als die des PMMA-Lichtleiters. Sie liegt im Wesentlichen deutlich unter 60 Prozent. Zwischen 420nm und 780nm ist die Reintransmission 50 zudem sehr ungleichmäßig und schwankt zwischen ca. 30 und 60 Prozent.
  • Eine zweite Version einer Lichtleiterplatte aus einem Aluminosilikatglas mit vermindertem Eisengehalt weist die Reintransmission 52 auf (entspricht ungefähr einem Corning Iris™ Glass). Gegenüber der Reintransmission 50 sind deutlich erhöhte Transmissionswerte zu verzeichnen. Die Reintransmission 52 erreicht allerdings lediglich im Wellenlängenbereich zwischen 500nm und 600nm Werte von über 90 Prozent und liegt ansonsten unterhalb von 90 Prozent. Im Bereich blauen Lichts von etwa 440nm erreicht die Transmission lediglich ca. 82 Prozent. Zudem fällt die Reintransmission hin zu rotem Licht kontinuierlich auf bis zu ca. 80 Prozent ab.
  • 9 zeigt die spektrale Transmission im ultravioletten und sichtbaren Wellenlängenbereich zweier erfindungsgemäßer Lichtleiterplatten für relativ kurze Lichtweglängen. Die Transmission 60 wurde für eine Lichtweglänge von 1mm, die Transmission 62 für eine Lichtweglänge von 8mm gemessen.
  • Die beiden Lichtleiterplatten wurden mit der Glaszusammensetzung 7 entsprechend untenstehender Tabelle 1 hergestellt. Der Verunreinigungsgehalt beträgt 10 ppm Fe2O3, 9 ppm Ti, 0,4 ppm Mn, 0,3 ppm Cu, 0,2 ppm Cr, kleiner 0,1 ppm Ni und kleiner 0,1 ppm Co. Es wurden dabei folgende Rohstoffen eingesetzt:
    • • SiO2 Quarzsand A1 – JP, Brementhaler Quarzwerk (DE)
    • • B2O3 Borsäure High Purity, CHP Chemicals B.V. (NL)
    • • Al2O3 AL(OH)3 ATH BHP, Cell Mark Chemicals (JP)
    • • Na2O Na-Hydrogencarbonat BICARTEL, Solvay (B)
    • • K2O K-Nitrat, Solvadis Chemag Haldor (DK)
    • • Li2O Li-Carbonat, SQM Europe (NL)
    • • CaO Ca-Carbonat Ulmer Weiss, E. Merkle GmbH (DE)
  • Es ist zu erkennen, dass die Transmission 60 und 62 jeweils über den Wellenlängenbereich von ca. 380nm bis 800nm, und damit über den gesamten sichtbaren Wellenlängenbereich, bei ca. 92,6 bis 93,1 Prozent liegt, was der reflexionsbedingten maximal erreichbaren Transmission entspricht. Ferner verläuft die Transmission im sichbaren Wellenlängenbereich jeweils ausgesprochen gleichmäßig. Die Transmission ist somit im sichtbaren Wellenlängenbereich von der Lichtweglänge nur verhältnismäßig schwach abhängig. Im vorliegenden Beispiel ist für die beiden Lichtweglängen von 1mm und 8mm (Kurven 60 und 62) im sichtbaren Wellenlängenbereich kein Unterschied in der Transmission festzustellen. Im ultravioletten Wellenlängenbereich ist die Transmission demgegenüber stärker von der Lichtweglänge abhängig. Es ist zu erkennen, dass die Transmission für Licht einer Wellenlänge von 200nm bei einer Lichtweglänge von 1mm (Kurve 60) auf 45 Prozent absinkt, während sie bei einer Lichtweglänge von 8mm (Kurve 62) nahezu verschwindet.
  • 10 zeigt Dispersionskurven, d.h. Brechungindizes in Abhängigkeit von der Lichtwellenlänge, für jeweils eine erfindungsgemäße Lichtleiterplatte aus Borosilikatglas (Brechungsindex 72) und eine Lichtleiterplatte aus einem Alkali-Aluminosilikatglas (Brechungsindex 70).
  • Das Alkali-Alumniosilikatglas weist eine Zusammensetzung mit ca. 60 Gewichtsprozent SiO2, zwischen 16 und 17 Gewichtsprozent Al2O3 und ca. 4 Gewichtsprozent MgO auf.
  • Der Brechungsindex 72 des Glases der erfindungsgemäßen Lichtleiterplatte liegt im sichtbaren Wellenlängenbereich zwischen 1,49 und 1,46. Der Brechungsindex liegt somit in einem besonders bevorzugten Intervall von 1,5 bis 1,45. Der Brechungsindex 72 nimmt über den sichtbaren Wellenlängenbereich mit zunehmender Wellenlänge um weniger als 0,02 ab. Insbesondere ist der Brechungsindex 72 über den gesamten sichtbaren Wellenlängenbereich um mehr als 0,03 kleiner als der Brechungsindex 70 des Alkali-Alumniosilikatglases.
  • Aus den Fresnelschen Formeln kann bekanntermaßen abgeleitet werden, dass bei senkrechtem Einfall von Licht aus einem Medium mit Brechungsindex 1 auf ein Medium mit einem Brechungsindex n ein Bruchteil (n – 1)2/(n + 1)2 reflektiert wird. Werden an zwei planparallelen Flächen zudem Mehrfachreflexionen berücksichtigt ergibt sich eine durch Reflexionen bedingte Maximaltransmission von 2n/(n2 + 1).
  • 11 zeigt die so errechnete Maximaltransmission 82 für die erfindungsgemäße Lichtleiterplatte aus Borosilikatglas mit dem Brechungsindex 72 und die Maximaltransmission 80 für die Lichtleiterplatte aus Alkali-Aluminosilikatglas mit dem Brechungsindex 70.
  • Es ist ersichtlich, dass die erfindungsgemäße Lichtleiterplatte aus Borosilikatglas eine um ca. 1,5 Prozentpunkte höhere Maximaltransmission aufweist als die Lichtleiterplatte aus dem Alkali-Aluminosilikatglas. Die Lichtleiterplatte aus Alkali-Aluminosilikatglas kann nach der vorliegenden Berechnung reflexionsbedingt im sichtbaren Wellenlängenbereich keine höhere Transmission als ca. 92,7 Prozent erreichen. Demgegenüber kann die erfindungsgemäße Lichtleiterplatte aus Borosilikatglas im sichtbaren Wellenlängenbereich bis zu 93,1 Prozent erreichen. Für Licht der Wellenlänge 380nm beträgt die Maximaltransmission 92,6 Prozent, für Licht der Wellenlänge 600nm 93 Prozent und für Licht der Wellenlänge 780nm 93,1 Prozent. Zwischen diesen Werten steigt die Maximaltransmission für zunehmnde Wellenlänge jeweils streng monoton an. Eine Lichtleiterplatte aus Borosilikatglas ist demnach unter dem Aspekt der maximal erreichbaren Transmission gegenüber einer Lichtleiterplatte aus Alkali-Aluminosilikatglas vorzugswürdig.
  • 12 zeigt die Reintransmission 90 und 94 von Lichtleiterplatten aus Alkali-Aluminosilikatgläsern mit Fe2O3-Gehalten von 120ppm bzw. 22ppm. Die Zusammensetzung der Alkali-Aluminosilikatgläser weist ca. 60 Gewichtsprozent SiO2, zwischen 16 und 17 Gewichtsprozent Al2O3 und ca. 4 Gewichtsprozent MgO auf. Ferner gezeigt sind die Reintransmission 92 und 96 von erfindungsgemäßen Lichtleiterplatten aus Borosilikatgläsern der Zusammensetzung nach Beispiel 7 in Tabelle 1 mit Fe2O3-Gehalten von 80ppm bzw. 12ppm. Die Lichtleiterplatte mit der Reintransmission 96 wurde in einem Pt-Labortiegel erschmolzen, so dass die Transmission im kurzwelligen Bereich unter ca. 600nm gegenüber einer im Produktionsmaßstab erschmolzenen Platte etwas geringer ausfällt. Alle gezeigten Transmissionskurven wurden bei Lichtweglängen von 100mm bestimmt.
  • Die Reintransmission 94 des Alkali-Aluminosilikatglases mit 22ppm Eisen schwankt über den sichtbaren Wellenlängenbereich zwischen 79 und 89 Prozent. Demgegenüber weist die Reintransmission 90 des Alkali-Aluminosilikatglases mit 120ppm Eisen bei 545nm einen Höchstwert von 90,8 Prozent auf beidseits dessen sie stark abfällt. Bei 380nm beträgt die Transmission nur noch 36,2 Prozent, bei 780nm beträgt sie nur noch 57,6 Prozent. Daraus ist ersichtlich, dass die Transmission von Alkali-Aluminosilikatgläsern erheblich von dem Eisengehalt abhängt.
  • Die Abhängigkeit der Transmission von dem Eisengehalt ist demgegenüber bei einer erfindungsgemäßen Lichtleiterplatte aus Borosilikatglas wesentlich geringer. Die Reintransmission 96 eines Borosilikatglases mit 12ppm Eisen ist ab 400nm aufwärts durchgängig deutlich über 90 Prozent und steigt auf bis zu 97,8 Prozent bei 780nm. Die Reintransmission 92 eines Borosilikatglases mit 80ppm Eisen liegt ab ca. 400nm aufwärts ebenfalls durchgängig über 90 Prozent. Sie erreicht einen Höchstwert von 98,7 Prozent bei 565nm aufwärts dessen sie leicht abfällt auf 94,4 Prozent bei 780nm. Es ist demnach insbesondere im Bereich roten Lichts eine geringfügige Abnahme der Transmission mit steigendem Eisengehalt festzustellen, diese ist allerdings wesentlich geringer als bei Alkali-Aluminosilikatgläsern. Das Borosilikatglas der erfindungsgemäßen Lichtleiterplatte weist demnach insbesondere eine Transmission auf, die bei unterschiedlichen Fe2O3-Gehalten, insbesondere zwischen 12ppm und 80ppm, lediglich zu Schwankungen von höchstens 5, vorzugsweise 3,5 Prozentpunkten führt.
  • Bezugnehmend auf die Kurven 92 und 96 schwankt die Transmission erfindungsgemäßer Lichtleiterplatten aus Borosilikatglas zudem im sichtbaren Wellenlängenbereich ab 400nm um weniger als 10 Prozentpunkte, vorzugsweise weniger als 5 Prozentpunkte. Das Borosilikatglas erfindungsgemäßer Lichtleiterplatten wirkt somit vergleichmäßigend auf den Verlauf der Transmission.
  • Bemerkenswert ist ferner, dass die Reintransmission 92 des Borosilikatglases mit 80ppm Eisen über den gesamten sichtbaren Wellenlängenbereich höher ist als die Reintransmission 94 des Alkali-Aluminosilikatglases mit lediglich 22ppm Eisen. Das Borosilikatglas hat also bei fast viermal so hohem Eisengehalt eine um durchschnittlich fast 10 Prozentpunkte höhere Reintransmission. Erfindungsgemäße Lichtleiterplatten aus Borosilikatglas eignen sich demnach zur Lichtleitung besonders.
  • In nachfolgender Tabelle 1 sind 9 Glaszusammensetzungen erfindungsgemäßer Lichtleiterplatten mit dazugehörigen Eigenschaften angegeben:
    Figure DE102015113558A1_0002
    Tabelle 1: Glaszusammensetzungen erfindungsgemäßer Lichtleiterplatten
  • Für die Glaszusammensetzung 7 wurden die im Fuß der Tabelle angegebenen Verunreinigungskonzentrationen bestimmt. Die Verunreinigungsgehalte der anderen Glaszusammensetzungen unterscheiden sich nur entsprechend der veränderten Einsatzmengen der Rohstoffe und der jeweils verwendeten Reinheitsgrade dieser Rohstoffe voneinander.
  • Zur Herstellung der Gläser und der daraus gefertigten Lichtleiterplatten können insbesondere die in der Beschreibung der 9 aufgelisteten, besonders sauberen Rohstoffe eingesetzt werden. Dadurch kann eine möglichst hohe Reinheit des jeweiligen Glases erreicht werden. Es können entweder alle in der Beschreibung der 9 aufgelisteten hochreinen Rohstoffe zugleich verwendet werden, oder aber nur einzelne hochreine Rohstoffe zum Einsatz kommen. Das Verwenden nur einzelner sauberer Rohstoffe ist insbesondere möglich, da die erfindungsgemäßen Lichtleiterplatten aus Borosilikatglas gegenüber kritischen Verunreinigungen besonders tolerant sind, wie oben beschrieben wurde.
  • In nachfolgender Tabelle 2 sind Glaszusammensetzungen kommerzielle Flachgläser angegeben, die insbesondere nicht geeignet sind zur Herstellung erfindungsgemäßer Lichtleiterplatten:
    Figure DE102015113558A1_0003
    Tabelle 2: Glaszusammensetzungen kommerzielle Flachgläser
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Claims (13)

  1. Lichtleiterplatte (1) zur Leitung von sichtbarem Licht, mit zwei parallelen Seitenflächen (10, 11) und zumindest einer vorzugsweise als Lichteintrittsfläche dienenden Kantenfläche (13), wobei die Lichtleiterplatte (1) – aus einem Glas gefertigt ist, welches – B2O3 und SiO2 als Komponenten enthält, wobei der Gesamtgehalt von B2O3 und SiO2 mindestens 70 Gewichtsprozent, vorzugsweise mindestens 80 Gewichtsprozent, besonders bevorzugt mindestens 90 Gewichtsprozent beträgt, und wobei – der Gesamtgehalt von Metalloxiden zweiwertiger Metalle in der Zusammensetzung des Glases kleiner 3 Gewichtsprozent ist, und wobei – der Gehalt von Al2O3 in der Zusammensetzung zwischen 1 Gewichtsprozent und 5 Gewichtsprozent liegt.
  2. Lichtleiterplatte (1) gemäß dem vorstehenden Anspruch, gekennzeichnet durch zumindest eines der Merkmale: – der SiO2-Gehalt liegt im Bereich von 65 bis 85 Gewichtsprozent, – der B2O3-Gehalt liegt im Bereich von 10 bis 20 Gewichtsprozent.
  3. Lichtleiterplatte (1) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch zumindest eines der Merkmale: – der Gehalt von Eisen in oxidischer Form beträgt weniger als 60 ppm, – das Verhältnis der Menge von Eisenionen Fe2+/Fe3+ ist kleiner als 0,05.
  4. Lichtleiterplatte (1) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch zumindest eines der Merkmale: – der Brechungsindex des Glases ist kleiner als 1,52, vorzugsweise größer als 1,45, – der lineare thermische Ausdehnungskoeffizient bei Zimmertemperatur liegt im Bereich von 2,5·10–6K–1 bis 4,5·10–6K–1, – die Transmission beträgt für eine durchstrahlte Dicke von 2 Millimetern für weißes Licht mindestens 93 Prozent.
  5. Lichtleiterplatte (1) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Glas Halogenid-Ionen, insbesondere Chlorid-Ionen mit einem Anteil von 0,05 Gewichtsprozent bis 0,2 Gewichtsprozent enthält.
  6. Lichtleiterplatte (1) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, mit einer Dicke im Bereich von 0,5 Millimeter bis 3 Millimeter, vorzugsweise im Bereich von 1 Millimeter bis 2 Millimeter.
  7. Lichtleiterplatte (1) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtleiterplatte (1) eine rechteckige Form aufweist und dessen Diagonale eine Länge von mindestens 250 Millimetern, vorzugsweise von mindestens 500 Millimetern aufweist.
  8. Lichtleiterplatte (1) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtleiterplatte (1) eine Float-Glasscheibe ist.
  9. Lichtleiterplatte (1) aus Glas zur Leitung von sichtbarem Licht, insbesondere gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, mit zwei parallelen Seitenflächen (10, 11) und zumindest einer vorzugsweise als Lichteintrittsfläche dienenden Kantenfläche (13), wobei die Reintransmission der Lichtleiterplatte (1) für eine Lichtweglänge von 100 Millimetern für weißes Licht mindestens 90 Prozent, vorzugsweise mindestens 91 Prozent, besonders bevorzugt mindestens 92 Prozent beträgt.
  10. Beleuchtungseinrichtung (19) für eine optische Anzeige, insbesondere eine Flüssigkristall-Anzeige, wobei die Beleuchtungseinrichtung (19) – eine Lichtleiterplatte (1) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, – zumindest eine Lichtquelle (21) zur Einkopplung von Licht, welches zwischen den Seitenflächen der Lichtleiterplatte (1) durch Totalreflexion geleitet wird, sowie – lichtstreuende Strukturen auf zumindest einer der Seitenflächen (10, 11) umfasst, um das in der Lichtleiterplatte (1) geführte Licht zu streuen, so dass das Licht aus der Lichtleiterplatte (1) austritt.
  11. Beleuchtungseinrichtung (19) gemäß dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Farbortverschiebung des von der Lichtquelle (21) eingekoppelten und wieder aus der Lichtleiterplatte (1) herausgestreuten Lichts entlang der Platte einen Wert ∆Wy von kleiner 0,04 aufweist.
  12. Beleuchtungseinrichtung (19) gemäß einem der beiden vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Farbortverschiebung des von der Lichtquelle (21) eingekoppelten und wieder aus der Lichtleiterplatte (1) herausgestreuten Lichts eine Komponente in Richtung auf den Unbuntpunkt (17) aufweist.
  13. Bildschirm (2), insbesondere Flüssigkristall-Anzeige (20), umfassend – eine Beleuchtungseinrichtung (19) – eine ansteuerbare flächenförmige Anzeigeeinrichtung (23) in Gegenüberstellung zur Lichtleiterplatte (1), so dass von der Lichtquelle (21) in die Lichtleiterplatte (1) eingekoppeltes und von der Lichtleiterplatte (1) seitlich wieder abgestrahltes Licht auf die Anzeigeeinrichtung (23) trifft und diese durchqueren kann.
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