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Die
Erfindung betrifft eine optische Anzeigeeinrichtung, wie man sie
zur Anzeige graphischer Informationen wie Bildern oder Texten verwenden kann.
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Elektronisch
gesteuerte und daher auf einfache Weise aktualisierbare optische
Anzeigen, mittels derer einem Betrachter Informationen übermittelt werden,
spielen eine ständig
wachsende Rolle in unserem öffentlichen
Leben. Die angezeigten Informationen können beispielsweise den Straßenverkehr (Richtungsschilder)
oder die Sicherheit (Warnschilder) betreffen, oder sie umfassen
sonstige Nachrichten oder Werbung.
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Weit
verbreitete elektronisch gesteuerte optische Anzeigen sind Flüssigkristall-Anzeigen,
die (A) im Auflicht betrachtet (wie bei vielen Taschenrechnern)
oder (B) mittels Durchlicht projiziert werden können (wie z. B. bei Datenprojektoren).
Eine ähnliche
Funktionsweise wie Flüssigkristall- Anzeigen besitzen
Vielfach-Mikrospiegel-Anzeigen, und die jeweiligen Anzeigetechniken
werden in der Literatur auch als "passiv" bezeichnet, weil jeweils eine äußere Lichtquelle
erforderlich ist, um die Änderungen
einer optischen Eigenschaft im Anzeigefeld der Anzeigeeinrichtung
(insbesondere Transmission oder Reflexion) sichtbar zu machen.
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Im
Gegensatz zu den vorstehend diskutierten „passiven" Anzeigen sind sogenannte „aktive" optische Anzeigeeinrichtungen
selbstleuchtend. Bekannte Beispiele aktiver optischer Anzeigen sind Fernseh-
und Computer-Bildschirme in der Form von Kathodenstrahl-Röhren und
Plasma-Entladungsstrecken, sowie Matrix-Anordnungen von Licht-Emittierenden
Dioden (LEDs). Aktive Anzeigen umfassen für gewöhnlich diskrete Bildpunkte
(sogenannte "Pixel"), die einzeln in
ihrer Helligkeit und Farbe elektronisch gesteuert werden, wie dies
beispielsweise in der
US 5,621,225 beschrieben
ist. Die Gesamtheit der üblicherweise
in einer 2-dimensionalen
Anordnung mit Zeilen und Spalten angeordneten Bildpunkte wird dann
verwendet, um eine gewünschte
Information anzuzeigen (z. B. in Form eines Bildes oder in Form
alphanumerischer Zeichen).
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Aus
der
DE 41 27 656 A1 ist
eine Anzeigevorrichtung bekannt, die zur Anzeige von Informationen
an einer Fahrzeugscheibe als Elektrolumineszenz-Anzeige ausgebildet
ist. Sie ist als Wechselspannungs-Dünnfilm-Anzeige aufgebaut und
im ausgeschalteten Zustand transparent. Die erreichbare Leuchtintensität ist gegenüber Leuchtdioden
stark eingeschränkt.
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In
der
DE 298 16 088
U1 ist eine flexible Informationsanzeige offenbart, bei
der eine Vielzahl von Leuchtdioden auf einer Trägerfolie angeordnet sind und über eine
Matrixstruktur angesteuert werden. Maßnahmen, die Sichtbarkeit der
Ansteuerleitungen zu reduzieren, werden nicht angegeben.
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Den
heute bekannten aktiven optischen Anzeigeeinrichtungen ist gemeinsam,
dass sie im ausgeschalteten Zustand nicht transparent sind, sondern opak.
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Sie
erlauben daher im ausgeschalteten Zustand keine freie Durchsicht
durch das Anzegefeld, sondern blockieren den Lichtdurchtritt völlig oder schwächen ihn
doch zumindest erheblich ab. Der Einsatzbereich der heute bekannten
aktiven optischen Anzeigeeinrichtungen ist daher begrenzt.
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Unter
verschiedenen Gesichtspunkten wäre es
wünschenswert,
selbstleuchtende (aktive) optische Anzeigeeinrichtungen zu besitzen,
die im ausgeschalteten Zustand eine hohe Transparenz besitzen und
insbesondere die Durchsicht durch das Anzeigefeld auf dahinterliegende
Gegenstände
ermöglichen.
Als Beispiel einer möglichen
Anwendung einer transparenten selbstleuchtenden Anzeigeeinrichtung
sei die wünschenswerte
Möglichkeit
genannt, Fensterscheiben nicht nur ihrer üblichen Funktion gemäß zum Einlass
von Tageslicht in einen Raum zu verwenden, sondern sie zusätzlich des
Nachts als Anzeigefläche
zu verwenden. In einer Vielzahl von Fällen muss eine Fensterscheibe
nachts ihre übliche Funktion
nicht mehr erfüllen;
sie nimmt aber dennoch einen wesentlichen Teil der in einem Raum
sichtbaren Wandfläche
ein, der somit bislang nachts ungenutzt bleibt. Eine aktive Anzeige
in der Form einer (Fenster-)Scheibe, die im ausgeschalteten Zustand eine
hohe Transparenz besitzt, könnte
den Nutzwert der Fensterscheibe erhöhen. Tagsüber bliebe die Anzeigeeinrichtung
regelmäßig ausgeschaltet,
so dass die Scheibe wie ein übliches
Fenster wirken würde, das
heißt
den Raum mit Tageslicht versorgen und den Blick ins Freie erlauben
würde.
In der Nacht könnte
jedoch die Anzeige eingeschaltet und dazu benutzt werden, im Raum
anwesenden Personen Informationen anzuzeigen, z. B. Fernsehbilder.
Zum Vergleich: Mangels hochtransparenter aktiver Anzeigescheiben
werden heutzutage Fernsehbilder üblicherweise
mittels einer speziellen opaken Anzeige („Fernsehbildschirm") angezeigt. Wenn
der Fernseher ausgeschaltet ist (in der Regel tagsüber) ist
der Bildschirm (das Anzeigefeld) opak und nimmt von der im Raum
sichtbaren (Wand-)Fläche
einen wesentlichen Teil ein, der ungenutzt bleibt.
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Das
vorstehende Beispiel zeigt bereits, dass es äußerst wünschenswert wäre, eine
transparente aktive Anzeigeeinrichtung (insbesondere in Scheibenform)
zu besitzen, da sie es in vielen Fällen überflüssig machen würde, in
einem Raum zwei separate (Teil-)Wandflächen vorzusehen, von denen
für gewöhnlich nur
jeweils eine genutzt werden kann.
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Das
vorstehende Beispiel zeigt auch, dass eine hohe Transparenz anzustreben
ist, damit eine transparente aktive Anzeigeeinrichtung vielfältige Verwendung
finden kann. Vorzugsweise soll eine „hochtransparente" Anzeigeeinrichtung
(vorzugsweise in Scheibenform) dem Auge in gleichem Maße freie
Durchsicht gestatten, wie es eine gute Fensterscheibe tut. Im ausgeschalteten
Zustand der Anzeigeeinrichtung soll sich eine (vom Betrachter aus
gesehen) hinter der Anzeigeeinrichtung abspielende Szene dem Betrachter
unverzerrt und in möglichst ähnlicher
Helligkeit und Farbe darstellen wie ohne die Anzeigeeinrichtung.
Möglichst
zu vermeiden sind daher alle Abweichungen von der angestrebten hohen Transparenz,
die insbesondere bestehen können aus:
- – Bildverzerrungen
(wie sie in besonders ausgeprägter
Form z. B. von Badezimmer-Fensterscheiben bekannt sind; sogenanntes „Profilglas"),
- – Lichtstreuung
an feinen Unregelmäßigkeiten
innerhalb der transparenten Anzeigeeinrichtung (vergleichbar mit
der Lichtstreuung an einer weißen
Gardine oder in sogenanntem "Mattglas" oder "Milchglas"),
- – Abdunkelung
infolge geringer optischer Transmission (vergleichbar mit der Abdunkelung
beim Tragen einer dunklen Sonnenbrille),
- – Färbung des
Bildes (vergleichbar mit der Färbung
eines Bildes, wie sie beim Tragen einer gefärbten Sonnenbrille wahrgenommen
wird).
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Die
beiden letztgenannten Abweichungen von einer hohen Transparenz (Abdunkelung
und Färbung)
wirken dabei einer ungehinderten Durchsicht durch das Anzeigefeld
einer Anzeigeeinrichtung besonders störend entgegen, wenn sie ungleichmäßig über dessen
Fläche
verteilt sind. Die Durchsicht erscheint dann "fleckig".
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Das
vorstehende Beispiel der „Fensterscheibe
mit integrierter selbstleuchtender optischer Anzeigeinrichtung" charakterisiert
bereits recht gut das Format der optischen Anzeigen, um die es im
Rahmen der vorliegenden Erfindung geht. Gewünscht werden nämlich insbesondere
selbstleuchtende transparente optische Anzeigeeinrichtungen in der Größe von Fensterscheiben,
also mit Diagonalen in der Größenordnung
von 1 m und darüber.
In besonderen Fällen
kann allerdings eine transparente selbstleuchtende optische Anzeigeeinrichtung
auch noch mit einer Diagonalen von etwa 0,30 m oder weniger nützlich sein.
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Aus
dem zuvor Gesagten ergibt sich, dass es die Aufgabe der vorliegenden
Erfindung war, eine aktive optische Anzeigeeinrichtung anzugeben,
die ein im ausgeschalteten Zustand transparentes Anzeigefeld besitzt.
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Des
Weiteren war es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Fensterscheibe
anzugeben, die eine entsprechende Anzeigeeinrichtung umfasst.
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Vorzugsweise
sollten die anzugebenden Anzeigeeinrichtungen dabei so ausgelegt
sein, dass sie keine oder zumindest keine nennenswerten Abweichungen
von der angestrebten Transparenz verursachen, wie sie oben angegeben
sind.
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Die
gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine optische Anzeigeeinrichtung
mit einem im ausgeschalteten Zustand transparenten Anzeigefeld,
die im Bereich des Anzeigenfeldes die folgenden Bestandteile umfasst:
- – eine
erste optisch transparente Schicht,
- – auf
oder in der Schicht eine Anordnung lichtemittierender Elemente,
- – auf
oder in der Schicht angeordnete Leitungen zum (individuellen) Ansteuern
der lichtemittierenden Elemente, wobei die Breite der Leitungen,
gemessen in der Ebene der Schicht, nicht größer ist als 0,1 mm, vorzugsweise
nicht größer als
0,05 mm.
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Eine
derartige erfindungsgemäße Anzeigeeinrichtung
kann in eine Fensterscheibe integriert sein, wodurch die oben genannte
weitere Aufgabe gelöst
wird.
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Die
Erfindung basiert auf einer sorgfältigen Analyse des Standes
der Technik im Bereich der aktiven optischen Anzeigeeinrichtungen.
Es wurde festgestellt, dass diese im ausgeschalteten Zustand nur schlecht
oder überhaupt
nicht transparent sind, weil bei ihnen (vom Betrachter aus gesehen)
hinter dem Bildschirm, der die Licht erzeugenden Bildpunkte (Pixel)
trägt,
regelmäßig eine
Vielzahl mechanischer, elektronischer, thermischer und/oder anderer
Bauelemente angeordnet sind, die zum Betrieb der Pixel erforderlich
aber nicht transparent sind. Insbesondere ist es zu einer gezielten
elektronischen Ansteuerung im Prinzip notwendig, vom Rand des jeweiligen Bildschirms
(Anzeigefeldes) her für
jeden einzelnen Pixel eine eigene elektrische Zuleitung vorzusehen, wie
z. B. in der
US 5,621225 näher erläutert ist.
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Alternativ
kann die Zahl dieser Zuleitungen verringert werden, indem elektronische
Multiplex-Einrichtungen im Bereich der Pixel vorgesehen werden,
die als "Leitungskonzentratoren" wirken, indem sie
zeitseriell zugeführte
Ansteuersignale in raumparalleler Form an die Pixel abgeben.
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Die
vorhandenen Bauelemente und Leitungen blockieren somit, wenn sie
in der für
eine ausreichende Bildauflösung
erforderlichen Zahl vorhanden sind, die freie Durchsicht durch das
Anzeigefeld.
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Üblicherweise
sind bei den aus dem Stand der Technik bekannten aktiven optischen
Anzeigeeinrichtungen die jeweiligen Bildpunkte (Pixel) im ausgeschalteten
Zustand opak. Eine gewisse Ausnahme besteht allerdings hinsichtlich
sogenannter OLEDs, d. h. Organischer LichtEmittierender Dioden, wie
sie z. B. in der
US 6,395,328 beschrieben
sind. Bei der Verwendung von OLEDs wird die Lichtemission aufgrund
einer Elektrolumineszenz in einer dünnen organischen Schicht erzeugt.
Diese dünnen
organischen Schichten sind im ausgeschalteten Zustand partiell transparent
und dementsprechend könnte
prinzipiell auch ein Anzeigefeld mit einer gewissen Transparenz
hergestellt werden. Nachteiligerweise hängt jedoch bei der Verwendung
von OLEDs der Grad der Transparenz von der betrachteten Lichtwellenlänge ab.
OLED-Material erscheint daher dem Auge farbig und ihre Verwendung
zur Herstellung optischer Anzeigeeinrichtungen mit einem im ausgeschalteten
Zustand transparenten Anzeigefeld ist daher nicht oder zumindest
nicht ohne Weiteres sinnvoll.
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Hinsichtlich
der Herstellung eines transparenten Anzeigefeldes sind bei aktiven
optischen Anzeigeeinrichtungen auch die elektrischen Leitungen problematisch,
die zur Verbindung der optoelektronischen und elektronischen Bauelemente
(beispielsweise der erwähnten
Multiplexer) untereinander und mit der äußeren Ansteuerung dienen. Da
die Zahl solcher Leitungen sehr groß (103–106) sein kann, etwa bei einer Matrix-Anzeige,
erschien es nahezu unmöglich,
die Leitungen so zu gestalten, dass sie die Transparenz des Anzeigefeldes
einer optischen Anzeigeeinrichtung nicht entscheidend beeinflussen. Die
erfindungsgemäße Ausgestaltung
einer optischen Anzeigeeinrichtung, bei der die Leitungen eine Breite
von nicht mehr als 0,1 mm (vorzugsweise nicht mehr als 0,05 mm)
besitzen führt – gegebenenfalls zusammen
mit weiteren bevorzugten Ausgestaltungsmerkmalen, auf die weiter
unten näher
eingegangen wird – zu
einer nur minimalen Beeinträchtigung
der von einem Betrachter wahrgenommenen Transparenz des Anzeigefeldes
einer erfindungsgemäßen Anzeigeeinrichtung.
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Es
sei an dieser Stelle noch auf einen alternativen Lösungsansatz
verwiesen, der jedoch im Rahmen der vorliegenden Erfindung nicht
weiter verfolgt wurde, da er nicht zur Herstellung von Anzeigevorrichtungen
mit einer Vielzahl (z. B. mehr als 10) von Schaltkreisen mit lichtemittierenden
Elementen gangbar erschien.
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In
der
DE 297 11 973 wird
vorgeschlagen, in sich transparente, leitende Schichten als Zuleitungen zu
einer Leuchte zu verwenden, um so eine gewissermaßen „unsichtbare
Stromversorgung" zu
ermöglichen.
Als Material zur Herstellung der besagten transparenten leitenden
Schicht werden Metalloxidschichten (wie z. B. ITO, d. h. Indium-Zinn-Oxid)
und Metallschichten (wie z. B. Kupfer, Silber oder auch Gold) genannt.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde jedoch festgestellt,
dass die transparenten Leiterbahnen der
DE 297 11 973 eine sehr große Breite
(im Falle der Metalloxidschichten) oder eine erhebliche, die Transparenz
stark reduzierende Dicke (im Falle der Metallschichten) besitzen
müssen, wenn
ihr elektrischer Widerstand einen hinreichend niedrigen Wert annehmen
soll. Zur Versorgung eines Anzeigefeldes mittleren Formats mit z.
B. 1000 oder mehr einzelnen lichtemittierenden Elemente (wie LEDs)
wären die
Leitungsbahnen der
DE 297 11
973 daher ungeeignet.
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Im
Rahmen der vorliegenden Erfindung ist die Anordnung lichtemittierender
Elemente und/oder sind die Leitungen für diese Elemente und/oder sind gegebenenfalls
vorhandene separate elektronische Elemente wie Multiplexer vorzugsweise
in die erste Schicht eingebettet. Eine hohe Transparenz lässt sich
insbesondere bei allseitiger Einbettung in das Material der ersten
optisch transparenten Schicht erzeugen, da eine ansonsten stattfindende
Lichtstreuung an Ecken und Kanten der eingebetteten Bauteile vermindert
wird.
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Vorzugsweise
sind die Oberflächen
der ersten optisch transparenten Schicht glatt. Dies erfordert,
dass ihre Rautiefe kleiner ist als die Wellenlänge sichtbaren Lichtes. Vorzugsweise
wird die Rautiefe kleiner als 0,3 Mikrometer gemacht. Noch geringere Rautiefen
sind natürlich
vorteilhaft, z. B. r < 0,1
Mikrometer. Die Oberfläche
der ersten Schicht lässt
sich dann als „optisch
glatt" bezeichnen
und es ist sichergestellt, dass an den besagten Oberflächen der
ersten Schicht keine nennenswerte Lichtstreuung stattfindet, die
eine Schwächung
des durchgehenden Lichtes und damit eine Minderung der Transparenz darstellen
würden.
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Wie
erwähnt
ist es vorteilhaft, die für
die aktive Anzeige notwendigen Bauteile gemeinsam in die erste Schicht
einzubetten. Bevorzugt ist hierbei eine allseitige Einbettung der
Bauteile (lichtemittierende Elemente, Leitungen, separate elektronische
Elemente) ganz in das Innere der Schicht, doch ist insbesondere
in Fällen,
in denen ein solches Bauteil selbst einen optisch glatten, ebenen
Oberflächenteil besitzt,
auch ein nur teilweises Umschließen akzeptabel, und zwar insbesondere,
wenn der besagte Oberflächenteil
in die Oberfläche
der ersten Schicht integriert wird und das Einbettungsmaterial der
ersten Schicht das betreffende Bauteil in dessen verbliebenen Oberflächenbereichen
vollständig
umschließt.
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Vorzugsweise
werden die Oberflächen
der ersten optisch transparenten Schicht im Bereich des Anzeigefeldes
zueinander lokal parallel verlaufen. Bezogen auf eine Anzeigeeinrichtung,
in der die erste Schicht die Gestalt einer planen Scheibe besitzt,
bedeutet dies, dass die Oberflächen
der Scheibe insgesamt zueinander parallel sind. Bezogen auf eine
Ausgestaltung, bei der die erste Scheibe die Gestalt einer im Raum
gekrümmten
Scheibe besitzt, sind die Oberflächen
lokal parallel, wenn kleine, einander unmittelbar gegenüberliegende
Oberflächenabschnitte
zueinander parallel sind. Sind die Oberflächen der ersten Schicht im
Bereich des Anzeigefeldes zueinander lokal parallel, kommt es bei
Durchsicht nicht oder nicht im nennenswerten Maße zu einer Bildverzerrung.
Liegt aber eine Abweichung von der Parallelität vor, wirkt das zwischen den
einander unmittelbar gegenüber
liegenden Oberflächenabschnitten
eingeschlossene Volumen der ersten Schicht (Einbettungsschicht)
wie ein optisches Prisma oder eine Linse und lenkt die Richtung
des hindurchtretenden Lichtes ab. Das Auge würde dies als Verzerrung des Bildes,
welches man durch das Anzeigefeld hindurch sehen kann, wahrnehmen,
was in den meisten Fällen nachteilig
wäre.
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Die
Dicke der ersten optisch transparenten (Einbettungs-) Schicht wird,
wie sich aus den vorstehenden Erläuterungen bereits ergibt, regelmäßig mindestens
so groß sein
wie die Bauhöhe
der eingebetteten Bauelemente und Leitungen (jeweils gemessen quer
zur Oberfläche
der ersten Schicht). Bei modernen optoelektronischen und elektronischen Elementen
liegt die Bauhöhe
im Bereich von 0,5 mm – 2
mm, weshalb Schichtdicken von in etwa gleicher Größe für die vollständige Einbettung
ausreichend sind. Die angestrebte hohe Transparenz der ersten Schicht
lässt sich
bei diesen Dicken erreichen; zum Erzielen einer ausreichenden mechanischen
Stabilität
einer erfindungsgemäßen optischen
Anzeigeeinrichtung sind jedoch größere Dicken insbesondere im Bereich
des Anzeigefeldes häufig
erwünscht.
Es ist dann natürlich
möglich,
eine erste (Einbettungs-)Schicht mit einer Schichtdicke zu verwenden, die
deutlich größer ist
als z. B. 2 mm; in vielen Fällen bevorzugt
ist es jedoch, eine vergleichsweise dünne erste Schicht durch eine
einzelne mechanisch stabile und hochtransparente Tragscheibe zu
stützen
oder die erste Schicht zwischen zwei derartigen hochtransparenten
Scheiben anzuordnen. Zum Erzielen einer hohen Transparenz des Gesamtverbundes
aus erster Schicht und Scheibe bzw. Scheiben ist es dabei zweckmäßig, die
erste (Einbettungs-)Schicht so eng mit der oder den stabilisierenden
Scheiben zu verbinden, dass ein sogenannter "optischer Kontakt" gewährleistet
ist. In diesem Falle werden die Reflexionsverluste minimiert, die
beim Lichtdurchgang durch die Grenzfläche (n) zwischen erster Schicht und
Scheibe (n) auftreten.
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Vorzugsweise
besitzt die erste Schicht einen Brechungsindex n ≥ 1,5. Die
mit einem solchen Brechungsindex des Materials der ersten Schicht
verbundenen Vorteile werden weiter unten im Rahmen der Figurenbeschreibung
näher erläutert. An
dieser Stelle sei nur kurz darauf hingewiesen, dass sich ein hoher
Brechungsindex positiv auf die Transparenz der erfindungsgemäßen Anzeigeeinrichtung
auswirkt.
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Vorzugsweise
wird die erste Schicht einer erfindungsgemäßen Anzeigeeinrichtung so ausgelegt, dass
ihr Material eine gewisse schwache optische Absorption besitzt.
Dies steht zwar im Widerspruch zu der Forderung nach hoher optische
Transparenz, bietet andererseits aber den Vorteil, "vagabundierendes" Licht zu absorbieren.
Dies ist Licht, das von den lichtemittierenden Elementen in Raumrichtungen ausgeht,
für die
kein Austritt aus der Einbettungsschicht möglich ist, sondern für die Totalreflexion
an den Oberflächen
der Schicht erfolgt. Das Licht bleibt dann nach der Art eines Lichtleiters
in der Schicht gefangen und breitet sich im Mittel parallel zur
Schichtebene aus. Es kann dabei von allen in die Schicht eingebetteten
Elementen gestreut werden und die Sichtbarkeit der Anzeige beeinträchtigen.
Die Verwendung eines Schichtmaterials mit einer gewissen Absorption
ist eine wirksame Technik, solches Licht zu absorbieren. Dabei ist
ein Kompromiß notwendig, um
die gewünschte
Transparenz der Schicht bei Durchsicht nicht zu stark einzuschränken. Ein
in diesem Sinne vorteilhafter Wert der Absorption des Schichtmaterials
ist dann gegeben, wenn bei senkrechtem Durchtritt von Licht durch
die Schicht die Lichtintensität
um zumindest 10%, vorzugsweise zumindest 20%, verringert wird. Alternativ
kann statt der Einbettungsschicht auch eine andere Schicht (z.B. eine
der weiter unten erläuterten
Tragscheiben) aus solchem schwach absorbierenden Material hergestellt
sein, um einen vergleichbaren Effekt zu erzielen.
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Hinsichtlich
der Anordnung der lichtemittierenden Elemente in einer erfindungsgemäßen Anzeigeeinrichtung
ist es vorteilhaft, wenn diese regelmäßig und so im Abstand zueinander
angeordnet sind, dass sie insgesamt im Mittel weniger als 50% des
Anzeigefeldes der ersten optisch transparenten Schicht verdecken.
Vorzugsweise verdecken sie aber weniger als 10% des Anzeigefeldes.
Eine für
universell einsetzbare Anzeigen (Schrift, Symbole, Bilder) bevorzugte
regelmäßige Anordnung
der lichtemittierenden Elemente ist eine, bei der diese zu einer
zweidimensional periodischen Struktur mit Reihen und Spalten angeordnet
sind, in der die Abstände
der lichtemittierenden Elemente zu ihren jeweils nächstbenachbarten
lichtemittierenden Elementen gleich sind. Es ergibt sich so eine
Matrix, die besonders universell zur Anzeige von Informationen aller
Art geeignet ist, vergleiche z. B. die
US 5,621,225 .
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Hinsichtlich
der Leitungen wurde bereits erwähnt,
dass diese in einer erfindungsgemäßen Anzeigeeinrichtung eine
Breite besitzen, die nicht größer ist
als 0,1 mm ist. Bevorzugt sind dabei natürlich Leitungen mit einer noch geringeren
Breite, da diese dem durch ein Anzeigefeld hindurchtretenden Licht noch
weniger den Durchtritt versperren. Die Breite der Leitungen lässt sich
bei Beibehaltungen des ohmschen Widerstandes der Leitungen verringern, wenn
gleichzeitig deren Höhe
(gemessen quer zur Oberfläche
der ersten Schicht) erhöht
wird. Eine solche Ausgestaltung der Leitungen kann deshalb vorteilhaft
sein. Die erfindungsgemäß vorhandenen
Leitungen können
im Prinzip eine beliebige Querschnittsgeometrie besitzen, vorteilhaft
sind jedoch in vielen Fällen
polygonale und insbesondere rechteckige Querschnitte (insbesondere
mit einer geringeren Breite als Höhe).
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Um
die visuelle Wahrnehmbarkeit der erfindungsgemäß vorhandenen Leitungen zu
reduzieren, insbesondere im Bereich des Anzeigefeldes, werden diese
Leitungen oberflächlich
zumindest abschnittsweise oder aber im Bereich zwischen benachbarten lichtemittierenden
Elementen vor der Einbettung so behandelt, dass sie möglichst
schwach reflektieren. Hierfür
ist eine stark Licht absorbierende dunkle Färbung der Leitungsoberflächen vorteilhaft,
beispielsweise eine oberflächliche
Oxidation, insbesondere aber eine Beschichtung mit schwarzem Lack.
Dieser reduziert das Reflexionsvermögen der Leitungsoberfläche und
vermeidet somit Lichtreflexe, welche die Transparenz der erfindungsgemäßen Anzeigeeinrichtung
negativ beeinflussen würden.
Diese Reduktion des Reflexionsvermögens kann auch bei einer sehr
dünnen
Lackschicht besonders effizient dadurch erreicht werden, dass zumindest
abschnittsweise oder aber im Bereich zwischen benachbarten lichtemittierenden
Elementen die Oberfläche
der Leitungen vor der Lackierung leicht aufgeraut wird, allerdings
nur soweit, dass noch keine nennenswerte Streuung auftritt. Die
dazu notwendige Mindestrautiefe liegt bei etwa 0,05 μm.
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Gemäß einer
besonders bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anzeigeeinrichtung
sind für
benachbarte lichtemittierende Elemente separate Leitungen vorgesehen,
die zumindest abschnittsweise quer zur Oberfläche der ersten Schicht stapelförmig angeordnet
sind. Auf diese Weise wird die Transparenz im Bereich des Anzeigefeldes
nur minimal beeinträchtigt.
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Bei
den lichtemittierenden Elementen kann es sich im Übrigen um
Halbleiter-Dioden
handeln, wie sie oben mit Blick auf den bekannten Stand der Technik
erwähnt
wurden, also insbesondere um übliche
LEDs.
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Die
vorstehenden Ausführungen
bezogen sich auf die erfindungsgemäße Anzeigeeinrichtung. Es versteht
sich, dass diese insbesondere in eine erfindungsgemäße Fensterscheibe
integriert werden kann.
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Weitere
bevorzugte Ausgestaltungen werden nachfolgend beispielhaft anhand
der beigefügten Figuren
näher erläutert.
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Es
stellen dar:
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1 Eine
erfindungsgemäße Anzeigeeinrichtung
mit einer ersten optisch transparenten Schicht im Querschnitt,
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2 eine
erfindungsgemäße Anzeigeeinrichtung
mit einer ersten optisch transparenten Schicht im Querschnitt, die
gekrümmt
ist,
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3 eine
erfindungsgemäße Anzeigeeinrichtung
mit einer ersten optisch transparenten Schicht, die benachbart zu
einer transparenten Scheibe angeordnet ist,
-
4 eine
erfindungsgemäße Anzeigeeinrichtung
mit einer ersten optisch transparenten Schicht, die zwischen zwei
transparenten Scheiben angeordnet ist,
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5 eine
erfindungsgemäße Anzeigeeinrichtung
mit einer ersten und einer zweiten optisch transparenten Schicht,
die sandwichartig zwischen zwei transparenten Scheiben angeordnet
sind und zwischen denen eine weitere transparente Scheibe angeordnet
ist,
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6 zwei
in einer Ebene angeordnete lichtundurchlässige Elemente im Querschnitt,
zwischen denen ein Lichtbündel
schräg
zu der Ebene durchtritt,
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7 zwei
in einer Ebene angeordnete und in einer erfindungsgemäßen optisch
transparenten Schicht eingebettete lichtundurchlässige Elemente im Querschnitt,
zwischen denen ein Lichtbündel schräg zu der
Ebene durchtritt,
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8 Leitungen
mit verschiedenen Querschnittsgeometrien, eingebettet in eine optisch
transparente Schicht,
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9 die
Reflexionswirkung einer zylindrischen Leitung im Querschnitt auf
ein Lichtbündel
mit einer Vielzahl paralleler Lichtstrahlen (Querschnittsansicht),
und
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10 die
Reflexionswirkung einer rechtwinkligen Leitung auf ein Lichtbündel mit
einer Vielzahl paralleler Lichtstrahlen (Querschnittsansicht).
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In 1 ist
eine erste optisch transparente Schicht 1 einer erfindungsgemäßen Anzeigeeinrichtung
im Querschnitt dargestellt, in der lichtemittierende Elemente 2 und
Leitungen 3 zum individuellen Ansteuern der lichtemittierenden
Elemente 2 angeordnet sind. Die optisch transparente Schicht 1 ist
aus einem homogenen optisch transparenten Material 4 gebildet,
das speziell für
die Einbettung ausgewählt ist,
etwa ein Acrylharz oder Vinylharz. Das optisch transparente Material 4 besitzt
einen Brechungsindex, der möglichst
größer als
1,5 ist und dessen vorteilhafte Wirkung später anhand der 6 und 7 erläutert wird.
Die lichtemittierenden Elemente 2 sind im Beispiel der 1 vollständig in
das optisch transparente Material 4 eingebettet. In anderen
(nicht dargestellten) Ausführungsformen
sind die Bauelemente so in der optisch transparenten Schicht 1 angeordnet, dass
sie aus der Oberfläche
der optisch transparenten Schicht ragen oder mit einem Oberflächenabschnitt
(des Bauelements) bündig
in die Schichtoberfläche
integriert sind. In weiteren nicht dargestellten Ausführungsformen
sind die lichtemittierenden Elemente 2 auf einer Oberfläche der
optisch transparenten Schicht 1 angeordnet.
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Zusätzlich zu
den lichtemittierenden Elementen 2 können weitere Bauelemente 5 in
oder auf der optisch transparenten Schicht 1 angeordnet
sein, die ebenfalls über
Leitungen 3 angesteuert werden können und die beispielsweise
als Multiplexer zur Leitungskonzentration wirken.
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Die
in 1 dargestellte allseitige Umschließung der
Bauelemente und Leitungen durch das optisch transparente Material 4 der
Schicht 1 ist besonders zweckmäßig zur Erzielung einer hohen
Transparenz, weil dadurch die Lichtstreuung an Ecken und Kanten
der eingebetteten Bauelemente und Leitungen vermindert wird. Die
Oberflächen 7 und 9 der
optisch transparenten Schicht sind als glatt dargestellt. Ihre Rautiefe
r ist kleiner als 0,1 Mikrometer sein, d. h. kleiner als die kleinste
Wellenlänge
sichtbaren Lichts. Dadurch werden eine Streuung und Brechung des
auftreffenden Lichtes weitgehend verhindert.
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Gemäß 1 verlaufen
die Oberflächen 7 und 9 der
optisch transparenten Schicht parallel zueinander. Deshalb treten
bei der Sicht durch die optisch transparente Schicht 1 keine
Verzerrungen auf. Eine nicht parallele Anordnung der Oberflächen würde eine
ortsabhängige
Schichtdicke 11 bedeuten, so dass die optisch transparente
Schicht 1 die Wirkung eines Prismas oder einer Linse entfalten
würde.
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In
den 2–5 und 8 sind
analoge Elemente mit identischen Bezugszeichen versehen.
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In 2 ist
die optisch transparente Schicht 1 gekrümmt. Die Anordnung der lichtemittierenden Elemente 2,
der Leitungen 3 sowie der weiteren Bauelemente 5 entspricht
im Wesentlichen der in 1 dargestellten. Auch in 2 verlaufen
die Oberflächen 7 und 9 der
gekrümmten,
optisch transparenten Schicht 1 gemäß 2 parallel
zueinander, allerdings nur lokal. Aus einer solchen, lokal parallelen Anordnung
der Oberflächen 7 und 9 ergibt
sich auch für
die gekrümmte,
optisch transparente Schicht 1 gemäß 2 eine konstante
Schichtdicke 11. Somit wird auch für den Fall der gekrümmten, optisch
transparenten Schicht 1 vermieden, dass die optisch transparente
Schicht 1 die Wirkung eines Prismas oder einer Linse entfaltet
und somit werden auch mit der in 2 dargestellten
Ausführungsform
Bildverzerrungen und eine entsprechende Beeinträchtigung der Transparenz weitgehend
verhindert.
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Um
ein vollständiges
Einschließen
der lichtemittierenden Elemente 2 nebst Leitungen 3 und
weiterer Bauelemente 5 in dem optisch transparenten Material 4 zu
gewährleisten,
ist die Schichtdicke 11 der optisch transparenten Schicht 1 geringfügig größer als
die Bauhöhe
der lichtemittierenden Elemente 2 und der weiteren Bauelemente 5,
einschließlich
der Leitungen 3. Zur Erhöhung der mechanischen Stabilität kann die
Schichtdicke 11 der optisch transparenten Schicht 1 im
Prinzip beliebig erhöht
werden, allerdings sind die Anforderungen an die Transparenz natürlich zu
berücksichtigen.
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Eine
weitere Möglichkeit,
die mechanische Stabilität
der Anzeigeeinrichtung zu erhöhen,
ist in 3 dargestellt. Die optisch transparente Schicht 1 ist
danach neben einer transparenten Stützscheibe 13 angeordnet
und mit dieser mechanisch verbunden, beipielsweise mittels eines
transparenten Klebers. Eine solche Scheibe kann als Glasscheibe
(Mineralglas) oder andere Scheibe ausgebildet sein, deren Material 15 transparent
ist, wie beispielsweise Acrylglas, Polycarbonat und andere transparente
Polymere. Zur Erzielung einer hohen Transparenz ist die optisch
transparente Schicht 1 dabei so eng mit der transparenten
Scheibe 13 verbunden, dass zwischen der optisch transparenten
Schicht 1 und der transparenten Scheibe 13 ein
optischer Kontakt besteht. Die Reflexionsverluste im Bereich der
Grenzfläche
sind deshalb minimal.
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Eine
weitere Möglichkeit,
die mechanische Stabilität
einer erfindungsgemäßen Anzeigeeinrichtung
zu erhöhen,
besteht gemäß 4 darin,
die optisch transparente Schicht 1 zwischen zwei transparenten
Scheiben 13 und 14 einzuschließen, beispielsweise aus hartem
Mineralglas. Je nach Anwendungsfall sind jedoch auch andere Materialien
verwendbar. Dieses sandwichartige Einschließen der optisch transparenten
Schicht 1 durch zwei Glasscheiben schützt die optisch transparente
Schicht 1 überdies
hervorragend gegen nachteilige Umwelteinflüsse wie Korrosion oder Beschädigung durch
Verkratzen.
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In
der Ausgestaltung gemäß 4 sind
die Dicken der transparenten Scheiben 13 und 14 etwa gleich.
Es ist jedoch nicht zwingend erforderlich, dass beide transparenten
Scheiben 13 und 14 gleiche Dicken aufweisen, insbesondere
dann nicht, wenn nur eine der beiden transparenten Scheiben 13 und 14 einen
Schutz gegenüber
den oben beschriebenen Umwelteinflüssen vermitteln soll, und die
mechanische Stabilität
bereits erreicht ist. In jedem Fall sollen die transparenten Scheiben 13 und 14 aber – wie in 4 gezeigt – möglichst
in optischem Kontakt mit der optisch transparenten Schicht 1 angeordnet
sein, damit die Reflexionsverluste an den Grenzflächen zwischen
der optisch transparenten Schicht 1 und den transparenten
Scheiben 13 bzw. 14 minimal sind.
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Alternativ
zu der in 4 gezeigten Anordnung der optisch
transparenten Schicht 1 zwischen zwei transparenten Schichten 13 und 14 gibt
es zahlreiche weitere Möglichkeiten,
erfindungsgemäße optisch
transparente Schichten 1 im Verbund mit transparenten Scheiben
anzuordnen. Exemplarisch ist hierzu in 5 die Anordnung
von drei transparenten Scheiben 13, 14, 16 im
Wechsel mit zwei optisch transparenten Schichten 1, 6 (mit
eingebetteten lichtemittierenden Elementen) dargestellt. Die optisch transparenten
Schichten 1, 6 können unabhängig voneinander durch Ansteuerung
der in den Schichten 1, 6 versetzt zueinander
angeordneten lichtemittierenden Elemente 2 bzw. der weiteren
Bauelemente 5 betrieben werden. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel
haben die beiden äußeren transparenten Scheiben 13, 16 sowohl
die Aufgabe, die Anordnung mechanisch zu stabilisieren als auch
einen Schutz gegen nachteilige äußere Einflüsse zu bilden.
Die mittlere transparente Scheibe 14 ist in dem dargestellten
Beispiel von untergeordneter Bedeutung und wird nur bei der Montage
der Anzeigeeinrichtung benötigt.
Analog zu der in 5 dargestellten Weise können grundsätzlich eine
Vielzahl von optisch transparenten Schichten und transparenten Scheiben
im Wechsel hintereinander angeordnet werden, so lange die Gesamtanordnung
noch die erforderliche oder gewünschte
Transparenz aufweist.
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Die
Anordnung mehrerer optisch transparenter Schichten in einer Art
Sandwich eröffnet
die Möglichkeit,
jede der zusammen angeordneten optisch transparenten Schichten 1 auf
eine spezielle Art und Weise anzusteuern, z. B. durch die Zuordnung
eines bestimmten Leuchtbildes zu einer bestimmten optisch transparenten
Schicht 1, 6, so dass zwischen bestimmten Leuchtbildern
durch bloßes
Auswählen der
entsprechenden optisch transparenten Schicht 1, 6 gewählt werden
kann. Eine Überlagerung
der einzelnen Leuchtbilder ist aufgrund der versetzten Anordnung
der lichtemittierenden Elemente 2 ohne Weiteres möglich.
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Aus
einem Vergleich der 6 und 7 lassen
sich die Vorteile, die mit einer Einbettung von Elementen in eine
transparente Schicht mit einem hohen Brechungsindex verbunden sind,
erkennen.
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In 6 sind
zwei lichtundurchlässige
Elemente 17 und 18 in einer Ebene 19 mit
einem Einfallswinkel 27 zur Ebenennormale 29 mit
einem Abstand 21 freitragend angeordnet, wobei die Anordnung
im Querschnitt dargestellt ist. Ein Lichtbündel 23 mit einer
Breite 25 tritt schräg
zu der planen Ebene 19 zwischen den lichtundurchlässigen Elementen 17 und 18 hindurch.
Die größtmögliche Breite 25,
mit der das Lichtbündel 23 noch
zwischen den lichtundurchlässigen
Elementen 17 und 18 hindurchtreten kann, hängt von
dem Einfallswinkel 27, der Höhe 31 und dem Abstand 21 der
lichtundurchlässigen
Elemente 17 und 18 ab. Auch die Querschnittsform
der lichtundurchlässigen
Elemente 17 und 18 hat einen Einfluss auf die
maximal mögliche
Breite 25 des Lichtbündels 23.
Zur Veranschaulichung sind in 6 die Querschnitte
der beiden lichtundurchlässigen
Elemente 17 und 18 rechteckig und gleich gewählt. Es
ist zu erkennen, dass eine Vergrößerung des
Einfallswinkels 27 die mögliche Durchtrittsbreite 25 des
Lichtbündels 23 verringert.
Eine Verringerung der möglichen
Durchtrittsbreite 25 ergibt sich auch durch eine Vergrößerung der
Höhe 31 oder
eine Verringerung des Abstandes 21 der lichtundurchlässigen Elemente 17 und 18.
Dabei ist es möglich,
dass der Durchtritt des Lichtbündels 23 vollständig verhindert wird.
Bei der Darstellung nach 6 würde beispielsweise die Erhöhung des
Einfallswinkels 27 auf etwa 45° den Durchtritt des Lichtbündels 23 zwischen
den beiden lichtundurchlässigen
Elementen 17 und 18 vollständig verhindern.
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7 zeigt
die gleiche Anordnung zweier lichtundurchlässiger Elemente 17 und 18 wie 6, wobei
die beiden lichtundurchlässigen
Elemente 17 und 18 hier jedoch in einer optisch
transparenten Schicht 1, die parallel zu der planen Ebene 19 verläuft, vollständig eingebettet
sind. Der Lichteinfallswinkel 27 des Lichtbündels 23 entspricht
dem in 6 dargestellten. Die optisch transparente Schicht 1 weist
einen Brechungsindex auf, der gleich oder größer als 1,5 ist. Hierdurch
wird, wie in 7 dargestellt, das Lichtbündel 23 beim
Auftreffen auf die Oberfläche 9 der
optisch transparenten Schicht 1 in die Schicht hinein abgelenkt,
so dass im Inneren der Schicht der Durchtrittswinkel 33,
gemessen gegen die Normale 29, kleiner ist als der Einfallswinkel 27. Das
hat zur Folge, dass bedingt durch die Einbettung in die optisch
transparente Schicht 1 ein Lichtbündel 23 mit einer
größeren Breite 25 zwischen
den beiden lichtundurchlässigen
Elementen 17 und 18 durchtreten kann als in der
Anordnung gemäß 6.
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Durch
die Verwendung einer optisch transparenten Schicht mit einem Brechungsindex ≥ 1,5 wird
somit die Transparenz einer Anzeigeeinrichtung gegenüber einer
Anordnung in Luft erhöht.
Im Einzelnen bedeutet die Verwendung einer optisch transparenten
Schicht mit einem hohen Brechungsindex, das ein schräg einfallendes
Lichtbündel 23 mit
einer vergleichsweise großen
Breite 25 durch die gezeigte Anordnung der Elemente 17, 18 durchtreten
kann, dass der Einfallswinkel 27, bei dem ein Lichtbündel 23 noch
durch die Anordnung hindurchtreten kann, vergleichsweise groß sein kann
und dass die Höhe 31 der
lichtundurchlässigen
Elemente 17 und 18 groß und der Abstand 21 zwischen
den lichtundurchlässigen
Elementen 17 und 18 vergleichsweise klein gewählt werden
kann.
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In 8 ist
ein Querschnitt durch eine optisch transparente Schicht 1 quer
zu einer Anzahl Leitungen 3 dargestellt, wobei verschiedene
vorteilhafte Querschnittsformen und verschiedene vorteilhafte Anordnungen
der Leitungen 3 gezeigt sind. Um bei einem zur Ansteuerung
eines lichtemittierenden Elementes 2 notwendigen elektrischen
Strom einen maximalen Spannungsabfallwert an der Leitung 3 nicht zu überschreiten,
ist eine entsprechende Mindestquerschnittsfläche der Leitung 3 erforderlich.
Eine solche Querschnittsfläche
kann durch einen zylindrischen Leitungsquerschnitt 41 mit
einem entsprechendem Durchmesser erreicht werden. Eine weitere Möglichkeit
besteht in der Verwendung einer im Querschnitt rechteckigen Leitung 42.
Die Fläche kann
hier durch die Breite 42a und die Höhe 42b des Rechtecks
bestimmt werden. Eine zylindrische Leitung 41 und eine
rechteckige Leitung 42 unterscheiden sich in optischer
Hinsicht insbesondere dadurch, dass die zylindrische Leitung einfallendes
Licht in einem weiten Winkelbereich streut, wohingegen eine rechteckige
Leitung 42 das Licht nur in wenige bestimmte Richtungen
reflektiert. Weiteren Einfluss auf die Stärke der Reflexion der Leitungen 3 hat
eine oberflächliche
Beschichtung (beispielsweise mit schwarzem Lack), wie sie weiter
unten noch beschrieben wird.
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Eine ähnliche
Möglichkeit
vorteilhafter Querschnittsausgestaltung besteht in der Verwendung
einer im Querschnitt dreieckförmigen
Leitung 43, die gerade bei Draufsicht von einer Seite,
welches entsprechend der 8 von oben wäre, besonders schwach wahrgenommen
wird.
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Eine
für die
angestrebte hohe Transparenz vorteilhafte Anordnung der Leitungen 3 besteht
darin, sie in einem Stapel übereinander
anzuordnen, so dass bei gleicher Anzahl Leitungen mehr Fläche zur freien
Durchsicht zwischen diesen Leitungsstapeln frei bleibt. Exemplarisch
ist in 8 die Übereinanderordnung
zweier zylindrischer Leiter 44 oder dreier übereinandergestapelter
im Querschnitt rechteckiger Leiter 45 dargestellt. Die
Höhe eines
solche Stapels ist durch die Schichtdicke 11 der optisch
transparenten Schicht 1 begrenzt, oder umgekehrt sind Anzahl, Höhen und
Abstände
der Leitungen an die Schichtdicke 11 der optisch transparenten
Schicht 1 anzupassen.
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Die
Leitungen 3 sind oberflächlich
schwarz gefärbt,
beispielsweise lackiert. In Bezug auf eine freie, nicht durch Lichtstreuung
oder Streureflexe beeinträchtigte
Durchsicht durch die Einbettungsschicht ist diese Verwendung einer
dunklen Lackbeschichtung vorteilhaft. Sie reduziert das Reflexionsvermögen der
Leitungen und bewirkt zusätzlich
eine elektrische Isolierung von Leitungen 3 untereinander.
Dies ist insbesondere dann von Bedeutung, wenn mehrere Leitungen 3 in
einem Stapel dicht nebeneinander verlaufen, wie beispielsweise in
der Anordnung, in 8 ganz rechts, wo drei im Querschnitt
rechteckige Leitungen 42 übereinander mit geringem Abstand gestapelt
sind.
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Die
Auswirkungen unterschiedlicher Querschnittsgeometrien von Leitungen
auf das Reflexionsverhalten lassen sich anhand der 9 und 10 erkennen.
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9 zeigt
einen zylindrischen Leiter 41 im Querschnitt, auf den ein
Lichtbündel 23 mit
einer Vielzahl parallel verlaufender Lichtstrahlen 24 trifft.
Diese können
insbesondere von einem der benachbarten lichtemittierenden Elemente
kommen. Es ist deutlich zu erkennen, dass die einzelnen Lichtstrahlen 24 von der
Oberfläche
des zylindrischen Leiters in viele verschiedene Richtungen gestreut
werden. Eine solche Reflexion kann von Betrachtern in einem sehr
weiten Winkelbereich (bis zu 360°)
wahrgenommen werden und damit die Transparenz der Anzeigeeinrichtung, in
der der zylindrische Leiter angeordnet ist, beeinträchtigen.
Eine Beschichtung des zylindrischen Leiters 41 mit einer
lichtabsorbierenden Schicht, beispielsweise einer schwarzen Lackschicht,
kann die beschriebene störende
Reflexionswirkung vermindern.
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Darüber hinaus
ist eine Verminderung der Störung
durch Streureflexe möglich,
indem die Querschnittsform der Leitungen nicht rund, sondern polygonal
gewählt
wird. Zur Illustration dieser Möglichkeit ist
in 10 ein im Querschnitt rechteckiger Leiter 42 dargestellt,
auf den ein Lichtbündel 23 mit
einer Vielzahl parallel verlaufender Lichtstrahlen 24 trifft.
Hier ist deutlich zu erkennen, dass das auftreffende Licht nur in
zwei Richtungen reflektiert wird. In diese beide Richtungen tritt
der im Querschnitt zylindrische Leiter 42 daher optisch
sehr stark in Erscheinung. In den verbleibenden Richtungen wird
die Reflexion jedoch nicht wahrgenommen. Somit ist es möglich, durch
die Verwendung eines im Querschnitt rechteckigen Leiters 42 Reflexionen
gezielt von einem Betrachter abzuwenden. Ein im Querschnitt rechteckiger
Leiter 42 ist deshalb einem zylindrischen Leiter 41 häufig vorzuziehen.