DE10229064A1

DE10229064A1 - Lichtquellenelement

Info

Publication number: DE10229064A1
Application number: DE2002129064
Authority: DE
Inventors: Günter KIRCHBERGER; Franz Schellhorn
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Osram GmbH
Priority date: 2002-06-28
Filing date: 2002-06-28
Publication date: 2004-01-22
Anticipated expiration: 2022-06-29
Also published as: DE10229064B4

Abstract

Zur gleichmäßigen Ausleuchtung eines Bauelements wird ein Lichtquellenelement im Bauelement so integriert, dass dreidimensionale lichtstreuende Hohlstrukturen mittels einer Lasertechnik in einer im Bauelement vorhandenen Glasplatte erzeugt werden und die Lichtquelle seitlich an der Glasplatte angeordnet ist. Ein solches Lichtquellenelement kann in einem Flüssigkristall-Display eingebaut werden, um ein flacheres Display zu erreichen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Lichtquellenelement mit zumindest einer Glasplatte, die eine Lichtaustrittsfläche aufweist.

Ein derartiges Lichtquellenelement ist aus der DE 198 60 697 A1 bekannt. Dort wird ein flächiges Lichtquellenelement mit einer seitlich angeordneten Lichtquelle beschrieben, welches einen quaderförmigen Lichtwellenleiter verwendet. Die der Lichtaustrittsfläche gegenüberliegenden Oberfläche des Lichtwellenleiters und ein Teil der Seitenflächen sind mit einer reflektierenden Folie bedeckt. Die Lichtaustrittsfläche des Lichtwellenleiters ist mit einem veränderlichen Flächenverhältnis aus lichtstreuenden und ebenen Flächen versehen. Diese lichtstreuenden Flächen werden durch Abschmirgeln der jeweiligen Oberfläche erzeugt. In Bereichen relativ geringer Leuchtdichte im Lichtwellenleiter wird die Fläche intensiver geschmirgelt, um das auftreffende Licht besser zu streuen und umgekehrt befinden sich in Bereichen hoher Leuchtdichte größere ebene Flächen.

Nachteilig an dieser Art von Lichtquellenelementen ist die Dicke bzw. Höhe des Bauelements und dass ein zusätzliches Bauteil für das Endprodukt benötigt wird, was nicht nur zu zusätzlichen Material- und Montagekosten führt, sondern auch zu zusätzlichem Platzbedarf beim Endprodukt. Ein solches Lichtquellenelement wird üblicherweise zur Hinterleuchtung von Flüssigkristall-Displays verwendet. Der Einsatz dieses Lichtquellenelements trägt ca. 4mm zur gesamten Dicke bzw. Höhe des Flüssigkristall-Displays bei.

Bisher wird das Problem mit einer Reihe von unterschiedlichen Lichtkästen und Backlights für Flüssigkristall-Displays gelöst, deren Lichtquelle unterhalb der Lichtaustrittsfläche liegt und deren Herstellungsverfahren und Montage aufwendig sind. Ein Beispiel ist aus der DE 695 03 922 T2 bekannt. Dort wird die serpentinenartig geformte Lichtquelle hinter einen Lichtaustrittsfläche angeordnet, auf die ein pyramidenförmiges prismatisches Feld zur Verbesserung der Lichtauskopplung aufgebracht ist. Ein Lichtleitermodul der oben beschriebenen Art stellt einen Fortschritt gegenüber den herkömmlichen Lichtkästen dar, da die Lichtquelle an der Seite des Bauelements angeordnet ist und damit die Anordnung dünner ist als die herkömmlichen Lichtkästen.

Der vorliegenden Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, ein Lichtquellenelement anzugeben, das flächige gleichmäßige Ausleuchtung ohne zusätzlichen oder nur mit minimalem Platzbedarf, gute Reproduzierbarkeit und Kostenersparnisse bietet und das massenfertigungstechnisch sinnvoll ist.

Diese Aufgabe wird durch ein Lichtquellenelement mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus weiteren Ansprüchen hervor.

Die Erfindung schlägt vor, eine mit mehreren dreidimensionalen Strukturen versehene Glasplatte als Lichtquellenelement zu verwenden, in der die dreidimensionalen Strukturen als komplett eingeschlossene Hohlformen in der Glasplatte ausgebildet sind, ohne dass die Oberflächen der Glasplatte beeinträchtigt sind. Die Glasplatte liegt üblicherweise auf einer Platine, worauf die an den Seitenflächen der Glasplatte angeordneten Lichtquellen elektrisch angeschlossen sind.

Die dreidimensionalen Strukturen können mittels einer Lasertechnik in der Glasplatte erzeugt werden. Bei diesem bekannten Verfahren wird die Glasplatte mit einer entsprechend fokussierten Laserstrahl bestrahlt. An den Stellen, an denen die Laserbestrahlung besonders konzentriert ist, ist die Struktur des Glases verändert, so dass eine dreidimensionale Hohlform verbleibt. Bei geeigneter Strahlführung kann diese: Hohlform komplett in das Glas eingeschlossen werden, ohne dass die Glasoberfläche verändert wird. Ebenfalls kann die Gestalt und Größe der Hohlformen und der Abstand zwischen Hohlformen durch entsprechende Strahlführung bestimmt werden.

Die dreidimensionalen Hohlstrukturen im Glas dienen als lichtstreuende Elemente, indem das auftretende Licht beim Übergang vom Glas in den Hohlraum reflektiert und gestreut wird. Diese Lichtstreuung ist u. a. auf den Brechungsindex-Unterschied und die rauhe Grenzfläche zwischen Glas und Hohlraum zurückzuführen.

Zur Homogenisierung der Leuchtdichte der Glasplatte können die dreidimensionalen Strukturen so in der Glasplatte verteilt werden, dass Bereiche in der Nähe von einer Lichtquelle weniger und/oder kleinere Hohlstrukturen ausfweisen und Bereiche weiter entfernt von einer Lichtquelle umgekehrt mehr und/oder größere Hohlstrukturen ausfweisen. Die optimale Dichteverteilung der Hohlstrukturen kann durch ein Similationsprogramm ermittelt werden, das u. a. den Grad der Einkopplung und Auskopplung des auftretenden Lichtes, die Dimensionen der Glasplatte, die Anordnung der Lichtquellen und die Größe der Hohlstrukturen berücksichtigt. Die Verteilung Dez. Hohlstrukturen kann zwei- oder dreidimensional sein.

Vorteilhaft an dieser Lösung ist, dass die Herstellung von sehr dünnen Lichtquellenelementen möglich ist, solange die mechanische Stabilität der Glasplatte noch gewährleistet ist und dass die Lichtquellenelemente relativ einfach herzustellen und zu montieren sind. Außerdem ist der Bedarf an Rohstoff relativ gering, nämlich eine Glasplatte.

Ein zusätzlicher Vorteil ist, dass das erfindungsgemäße Lichtquellenelement in einer schon im zu beleuchtenden Bauteil vorhandenen Glasplatte integriert werden kann, weil die Oberfläche der Glasplatte unversehrt bleibt und die mechani sche Stabilität des Glases kaum verändert wird. Diese Integration benötigt keine zusätzlichen Bauteile für das Endprodukt, was zusätzliche Kosten- und Platzersparnisse bringt.

Eine bevorzugte Ausführungsform ist die Integration des erfindungsgemäßen Lichtquellenelements in einem Anzeige-Element, z.B. einem Flüssigkristall-Display. Flüssigkristall-Displays beinhalten i.d.R. zwei Glasplatten, zwischen denen u. a. die Flüssigkristalle, die transparenten Elektroden, der Abstandshalter und Polarisationsfolien sich befinden. In der unteren von diesen Glasplatten, nämlich die weiter weg von der Flüssigkristall-Displayfläche liegende Glasplatte, wird beispielsweise das erfindungsgemäße Lichtquellenelement integriert. Die dreidimensionalen Hohlstrukturen werden wie bereits oben beschrieben in der unteren Glasplatte erzeugt. Das Licht von den an zumindest einer Seitenfläche der Glasplatte angeordneten Lichtquellen tritt seitlich in die Glasplatte ein, wird von den Hohlstrukturen gestreut und tritt damit als diffuses Licht direkt in die Flüssigkristall-Zelle ein.

In einer weiteren Ausführungsform wird die Oberfläche der Glasplatte, die der Lichtaustrittsfläche gegenüberliegt, mit einer reflektierenden oder diffus rückstreuenden Folie bedeckt. Diese Folie reflektiert oder streut Licht zurück, des nicht in der Richtung der Lichtaustrittsfläche strahlt, so dass Lichtverluste möglichst gering gehalten werden können. Eine solche Folie kann auch zusätzlich die Seitenflächen der Glasplatte teilweise bedecken, solange freie Flächen zur Anordnung der Lichtquellen unbedeckt bleiben. Die Folie kann direkt auf der Glasplatte oder auf einer direkt hinter der Glasplatte und parallel dazu befindlichen Fläche (z.B. auf der Platine) aufgebracht werden.

Vorteilhafterweise kann die Glasplatte einen oder mehrere Vorsprünge aufweisen, die fluchtend mit der Lichtaustrittsfläche der Glasplatte über eine Seitenfläche vorkragen. Unter solchen Vorsprüngen können die Lichtquellen angeordnet wer den. In dieser Gestaltung tritt das Licht seitlich durch den Hauptteil der Glasplatte ein und wird von den in der Glasplatte angeordneten Hohlstrukturen gestreut. Je nach den Bedingungen zur gleichmäßigen Ausleuchtung und der benötigten Lichtaustrittsfläche kann dieser Vorsprung auch dreidimensionale Hohlstrukturen beinhalten oder nicht.

Der Vorteil des Vorsprungs besteht darin, dass die Lichtaustrittsfläche so lang oder breit wie das Lichtquellenelement sein kann und dass Platz durch eine unbeleuchtete Randfläche des Lichtquellenelements, wo lediglich die Lichtquellen angeordnet sind, gespart werden kann. Somit ist diese Gestaltung insbesondere vorteilhaft, wenn Platz ein einschränkender Design-Parameter ist. Da die Lichtaustrittsfläche vergrößert ist, ist z.B. die nutzbare Anzeigefläche eines Flüssigkristall-Displays auch vergrößert und somit das Anzeigefläche/Platz-Verhältnis optimiert. Wie oben bereits erklärt kann auch die der Lichtaustrittsfläche zugewandte Fläche mit einer Folie bedeckt werden.

Um unerwünschte Lichterscheinungen wie z.B. sogenannte „hot spots", die häufig im Bereich unmittelbar oberhalb der Lichtquelle auftreten, zu vermeiden, kann die der Lichtquelle zugewandte Fläche des Vorsprungs ebenfalls mit einer oben beschriebenen Folie bedeckt werden.

Auch wenn die Größe der Platine, auf welche die Lichtquelle aufgelötet ist, ein einschränkender Design-Parameter ist, ist diese Gestaltung vorteilhaft, weil die Lichtaustrittsfläche mindestens so groß wie die Platinegröße sein kann. Wie anhand der nächsten Ausführungsform erläutert wird, kann die Lichtaustrittsfläche sogar größer als die Platine sein.

In dieser weiteren Ausführungsform kann die Glasplatte mit einer oder mehreren Ausnehmungen auf der Unterseite versehen werden, in denen die Lichtquellen angeordnet werden können. Mit geeigneten Lichtquellen kann das ausstrahlende Licht zu mindest in zwei Richtungen oder auch in allen Richtungen eingestellt werden. Das Licht kann seitlich in das Glas eintreten und/oder nach oben durch die obere Fläche der Ausnehmung. Üblicherweise wird die der Lichtquelle unmittelbar zugewandte Fläche mit einer reflektierenden Folie bedeckt, um die Entstehung von „hot spots" zu vermeiden. Die dreidimensionalen Hohlstrukturen können zusätzlich im Bereich oberhalb der Lichtquelle angeordnet werden oder nur in den Glasplatteteilen ohne Ausnehmungen für Lichtquellen. Ähnlich der vorherigen Gestaltung ist diese Gestaltung vorteilhaft, indem die Fläche oberhalb der Lichtquelle zusätzlich als Lichtaustrittsfläche genutzt wird. Für bessere Lichteinkopplung kann die Form der Ausnehmung die Form der Lichtquelle entsprechend angepasst werden.

Die Anordnung der Lichtquellen für ein erfindungsgemäßes Lichtquellenelement ist nicht auf einen seitlichen Eintritt. des Lichtes in der Glasplatte beschränkt. Vielmehr ist der Eintritt des Lichtes von allen Richtungen in der Glasplatte: denkbar.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird die Lichtquelle so angeordnet, dass das Licht nach oben in die Glasplatte eintritt. Bei dieser Gestaltung weist die Glasplatte einen Vorsprung auf, der sich von der oben mit Vorsprung beschriebenen Ausführungsform unterscheidet, indem er nicht fluchtend mit der Lichtaustrittsfläche vorkragt, sondern keilförmig ist und eine Unterseite senkrecht zur Seitenfläche der Glasplatte aufweist. Die Lichtquelle ist unter diesem schrägen keilförmigen „Dach" angeordnet. Der Winkel dieses schrägen Daches ist so bestimmt, dass das senkrecht in das Dach eintretende Licht an dieser schrägen Fläche total reflektiert wird. Das reflektierte Licht trifft danach die Hohlstrukturen und wird gestreut.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von sechs Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den 1 bis 6 näher erläutert.

Es zeigen
1 eine schematische Schnittdarstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Lichtquellenelements,
2 eine schematische Schnittdarstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Lichtquellenelements,
3 einen Abschnitt einer schematischen dreidimensionalen Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Lichtquellenelements,
4 eine schematische Schnittdarstellung eines fünften Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Lichtquellenelements,
5a und 5b zwei schematische Schnittdarstellungen eines vierten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Lichtquellenelements und
6 eine schematische Schnittdarstellung eines sechsten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Lichtquellenelements.
Gleiche oder gleichwirkende Elemente sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
Das in 1 dargestellte Lichtquellenelement weist eine Glasplatte 3 mit mehreren dreidimensionalen Hohlstrukturen 5 auf, die hohlkugelförmig bzw. für das bloße Auge punktförmig gestaltet sind. Andere Formen der Hohlstrukturen sind auch denkbar. Die Dicke der Glasplatte 3 ist ca. 1,0 mm. An den. Seitenflächen der Glasplatte 3 sind zwei Lichtquellen 4 angeordnet. Als Lichtquelle 4 können miniaturisierte LEDs verwendet werden, die nach der Oberflächenmontagetechnik (SMT, d. h. surface mounted technique) montiert sind und die beispielsweise unter den Marken SIDELED^® und MiniSIDELED^® erhältlich sind. In diesem Ausführungsbeispiel sind die hohlkugelförmigen bzw. punktförmigen Strukturen 5 alle gleich groß und so verteilt, dass der Abstand zwischen Strukturen 5 neben der Lichtquelle 4 am größten ist und allmählich bis zur Mitte kleiner wird. Die Strukturen 5 im Mittelbereich der Glasplatte 3 sind in diesem Beispiel am dichtesten verteilt, weil sie am weitesten entfernt von den zwei Lichtquellen liegen und der Mittelbereich sonst eine geringere Leuchtdichte zeigen würde. Die Strukturen können auch alle unterschiedliche Formen und/oder Größen in der einen Glasplatte 3 aufweisen. Bei einer Glasplattendicke von 1,0 mm können die Durchmesser der Hohlstrukturen 5 im Bereich zwischen 30–40 μm variieren.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 ist ein erfindungsgemäßes Lichtquellenelement in einem Flüssigkristall-Display integriert. Wie bereits oben beschrieben, sind in der unteren Glasplatte 3 des Flüssigkristall-Displays die beispielsweise punktförmigen Hohlstrukturen erzeugt. Danach kann das Flüssigkristall-Display wie üblich aufgebaut werden, jedoch ohne die zusätzliche Montage eines Lichtquellenelements. Zwischen einer oberen Glasplatte 1 und der unteren Glasplatte 3 liegt eine Flüssigkristall-Zelle 2, die u. a. die Flüssigkristalle, zwei transparente Elektroden, einem Abstandshalter und Polarisationsfolien beinhaltet. Beispielsweise sind SIDELEDs als die Lichtquellen 4 an der Seitenfläche der Glasplatte 3 montiert.
Die in 3 dargestellte Glasplatte 3 weist einen Vorsprung 7 auf, der fluchtend mit der Oberseite der Glasplatte 3, die als Lichtaustrittsfläche 6 dient, über die Seitenflä che der Glasplatte 3 vorkragt. Unter dem Vorsprung 7 ist eine Lichtquelle 4 angeordnet, die beispielsweise ein SIDELED ist. Wie oben zu 1 beschrieben, weist die Glasplatte 3 dreidimensionale Hohlformen auf, die nicht in 3 abgebildet sind. Die Hohlstrukturen können auch zusätzlich im Dachbereich erzeugt werden, müssen aber nicht.
In 4 wird das in 3 ausgeführte Beispiel mit einer reflektierenden Folie 8 dargestellt und auf einer Platine 10 montiert. Die reflektierende Folie 8 kann auf die der Lichtaustrittsfläche gegenüberliegende Fläche 9 einschließlich der Fläche oberhalb der Lichtquelle 4 aufgebracht werden.
Das Ausführungsbeispiel nach den 5a und b zeigt eine Lichtquelle 4, die in einer dreidimensionalen Ausnehmung auf der Unterseite der Glasplatte 3 angeordnet ist. Die Lichtquelle ist beispielsweise ein SIDELED, könnte aber auch ein TOPLED sein, wenn die Verteilung der Hohlstrukturen (nicht abgebildet) in der Glasplatte 3 entsprechend angepasst ist. Die Ausnehmung ist beispielsweise quaderförmig, kann aber auch andere Formen aufweisen. Zur Verbesserung der Lichteinkopplung ist eine an die Form der Lichtquelle angepasste Gestalt der Ausnehmung zu bevorzugen. Wie in 5b dargestellt, ist der Einsatz von anderen bekannten Maßnahmen zur Verbesserung der Lichteinkopplung, z.B. eine Linse 11, auch denkbar.
Eine Abwandlung des in 4 dargestellten Ausführungsbeispiels ist in 6 dargestellt. Hier weist der Vorsprung 7 ein schräges Dach auf, unter dem die Lichtquelle 4 angeordnet ist. Die Lichtquelle 4 ist beispielsweise ein TOPLED.

Claims

Lichtquellenelement mit zumindest einer Glasplatte (3), die eine Lichtaustrittsfläche (6) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Glasplatte (3) mit mehreren dreidimensionalen Strukturen (5) versehen ist, die als Hohlformen in der Glasplatte (3) ausgebildet sind.
Lichtquellenelement nach Anspruch 1, bei dem an mindestens einer Seitenfläche der Glasplatte (3) mindestens eine Lichtquelle (4) angeordnet ist.
Lichtquellenelement nach Anspruch 1 oder 2, bei dem eine reflektierende oder diffus rückstreuende Folie (8) auf der der Lichtaustrittsfläche (6) gegenüberliegenden Oberfläche (9) der Glasplatte (3) und zumindest teilweise auf den Seitenflächen der Glasplatte (3) vorgesehen ist, wobei die reflektierende Folie die Seitenflächen nur neben den Lichtquellen (4) bedeckt.
Lichtquellenelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem – die Glasplatte (3) einen oder mehrere Vorsprünge (7) aufweist, die mit der Lichtaustrittsfläche (6) der Glasplatte (3) fluchtend sind und – zumindest eine Lichtquelle (4) unter einem Vorsprung (7) der Glasplatte (3) angeordnet ist.
Lichtquellenelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem – die Glasplatte (3) einen oder mehrere Vorsprünge (7) aufweist, die keilförmig sind, – eine Fläche eines Vorsprungs (7) an der Lichtaustrittsfläche (6) schräg anschließt und eine andere Fläche senkrecht zur Seitenfläche der Glasplatte (3) angeordnet ist und – zumindest eine Lichtquelle (4) unter einem Vorsprung (7) der Glasplatte (3) angeordnet ist. Lichtquellenelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die dreidimensionalen Strukturen (5) als hohlkugelförmige Strukturen ausgebildet sind.
Lichtquellenelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die dreidimensionalen Strukturen (5) voneinander unterschiedliche Durchmesser aufweisen.
Lichtquellenelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem die dreidimensionalen Strukturen (5) in unterschiedlichen Abstand voneinander angeordnet sind.
Lichtquellenelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem die dreidimensionalen Strukturen (5) so angeordnet sind, dass je näher eine Struktur an einer Lichtquelle angeordnet ist, desto größer sind die Abstände zwischen Strukturen (5) und/oder desto kleiner sind die Durchmesser der Strukturen (5).
Lichtquellenelement nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem jede Lichtquelle (4) zumindest teilweise in jeweils einer Ausnehmung in der Unterseite der Glasplatte (3) angeordnet ist, so dass das Licht direkt in der Glasplatte (3) eingekoppelt ist.
Lichtquellenelement nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem die Glasplatte (3) als eine von zwei Glassubstraten (1,3) einer Flüssigkristall-Zelle (2) ausgebildet ist, wobei die Flüssigkristall-Zelle (2) zumindest zwei transparente Elektrode und Flüssigkristalle zwischen den Glassubstraten (1,3) aufweist.