DE10297527T5

DE10297527T5 - Kompaktes Beleuchtungssystem und Anzeigeeinrichtung

Info

Publication number: DE10297527T5
Application number: DE10297527T
Authority: DE
Inventors: Matthijs Keuper; Robert F. M. Hendriks; Christoph G. A. Hoelen; Nicola B. Pfeffer
Original assignee: Lumileds LLC
Current assignee: Lumileds LLC
Priority date: 2001-12-07
Filing date: 2002-12-05
Publication date: 2004-11-25
Anticipated expiration: 2022-12-06
Also published as: KR20040071707A; JP2005521195A; DE10297527B4; US7364343B2; TWI262458B; WO2003048635A1; TW200410171A; US20050231976A1; JP4263611B2; AU2002365734A1

Abstract

Beleuchtungssystem, das mit einem Licht emittierenden Feld (1) versehen ist, mit
einer Vorderwand (2), einer gegenüber davon liegenden Rückwand (3) und außerdem Randflächen (4, 5) zwischen der genannten Vorderwand (2) und der genannten Rückwand (3),
wobei zumindest eine der genannten Randflächen (4) des Feldes (1) lichtdurchlässig ist,
wobei zumindest eine Lichtquelle (6) mit der lichtdurchlässigen Randfläche (4) zusammenhängt und
wobei aus der Lichtquelle (6) stammendes Licht im Betrieb auf die lichtdurchlässige Randfläche (4) einfällt und sich in dem Feld (1) verteilt, dadurch gekennzeichnet, dass
das Licht emittierende Feld (1) sich von der Licht einkoppelnden Randfläche (4) aus in Richtung der gegenüber der genannten Licht einkoppelnden Randfläche (4) liegenden Randfläche (5) erweitert,
das Verhältnis der Fläche S_i der Licht einkoppelnden Randfläche (4) und der Fläche S_r der gegenüber der Licht einkoppelnden Randfläche (4) liegenden Randfläche (5) die Beziehung erfüllt:

Description

Die Erfindung betrifft ein Beleuchtungssystem, das mit einem Licht emittierenden Feld versehen ist, mit
einer Vorderwand, einer gegenüber davon liegenden Rückwand und außerdem Randflächen zwischen der genannten Vorderwand und der genannten Rückwand,
wobei zumindest eine der genannten Randflächen des Feldes lichtdurchlässig ist,
wobei zumindest eine Lichtquelle mit der lichtdurchlässigen Randfläche zusammenhängt, und
wobei aus der Lichtquelle stammendes Licht im Betrieb auf die lichtdurchlässige Randfläche einfällt und sich in dem Feld verteilt.
Die Erfindung bezieht sich auch auf eine Anzeigeeinrichtung, die mit dem genannten Beleuchtungssystem versehen ist.
Derartige Beleuchtungssysteme sind an sich bekannt und werden auch als Randbeleuchtungssysteme bezeichnet. Sie werden unter anderem als Rückbeleuchtungssysteme in (Bild-)Anzeigeeinrichtungen verwendet, beispielsweise für Fernsehgeräte und Monitore. Derartige Beleuchtungssysteme sind insbesondere geeignet zur Verwendung als Hintergrundbeleuchtung für nicht emittierende Displays, wie z. B. Flüssigkristallanzeigeeinrichtungen, auch als LCD-Schirme bezeichnet (LCD: liquid crystal display), die in (tragbaren) Computern oder (drahtlosen) Telefonen verwendet werden.
Die genannten Anzeigeeinrichtungen umfassen normalerweise ein Substrat, das mit einem regelmäßigen Muster aus Bildelementen versehen ist, die jeweils durch zumindest eine Elektrode angesteuert werden. Die Anzeigeeinrichtung nutzt eine Steuerschaltung, um ein Bild oder eine graphische Darstellung von Daten in einem relevanten Gebiet eines (Anzeige-)Schirms der (Bild-)Anzeigeeinrichtung wiederzugeben. Das von der Hintergrundbeleuchtung in einer LCD-Einrichtung stammende Licht wird mit Hilfe eines Schalters oder Modulators moduliert, wobei verschiedene Arten von Flüssigkristalleffekten genutzt werden. Außerdem kann die Anzeige auf elektrophoretischen oder elektromechanischen Effekten beruhen.
Derartige Beleuchtungssysteme werden auch als Leuchten für Allgemeinbeleuchtungszwecke oder zur Beleuchtung von Läden, beispielsweise Schaufensterbeleuchtung oder Beleuchtung von (durchsichtigen oder halbdurchsichtigen) Platten aus Glas oder (transparentem) Kunststoff verwendet, auf denen Objekte, beispielsweise Schmuck, ausgestellt werden. Derartige Beleuchtungssysteme werden weiter als Fensterscheiben verwendet, beispielsweise um eine Glaswand unter bestimmten Bedingungen Licht ausstrahlen zu lassen oder um mit Hilfe von Licht die Sicht durch das Fenster zu vermindern oder zu versperren. Eine weitere alternative Anwendung ist die Verwendung derartiger Beleuchtungssysteme zum Beleuchten von Reklameflächen.
Bei den eingangs erwähnten Beleuchtungssystemen ist die verwendete Lichtquelle normalerweise eine röhrenförmige Niederdruck-Quecksilberdampfentladungslampe, beispielsweise eine oder mehrere Kaltkathode-Leuchtstofflampen (CCFL), und das von der Lichtquelle im Betrieb emittierte Licht wird in das Licht emittierende Feld, das als optischer Wellenleiter dient, eingekoppelt. Dieser Wellenleiter bildet normalerweise ein verhältnismäßig dünnes und ebenes Feld, das beispielsweise aus Kunststoff oder Glas hergestellt wird, wobei Licht durch den optischen Wellenleiter unter dem Einfluss innerer (Total-)Reflexion transportiert wird.
Als alternative Lichtquelle kann ein derartiges Beleuchtungssystem auch mit einer Vielzahl optoelektronischer Elemente versehen sein, auch als elektrooptische Elemente bezeichnet, beispielsweise elektrolumineszierende Elemente, beispielsweise Leuchtdioden (LEDs). Diese Lichtquellen sind normalerweise in der Nähe einer lichtdurchlässigen Randfläche des Licht emittierenden Feldes oder anliegend an diese Randfläche vorgesehen, in welchem Fall im Betrieb aus der Lichtquelle stammendes Licht auf die lichtdurchlässige Randfläche einfällt und sich im Feld verteilt.
Ein Beleuchtungssystem zum Beleuchten eines LCD-Feldes ist aus US-A 5.921.652 bekannt. Die verwendete Lichtquelle wird von Leuchtdioden (LEDs) gebildet, die über ein sogenanntes Lichtübergangsgebiet Licht in ein Licht emittierendes Feld einkoppeln, auch als Lichtleitung bezeichnet. Das Licht wird in dem genannten Lichtübergangsgebiet gemischt.
Ein Beleuchtungssystem der oben genannten Art hat den Nachteil, dass das Mischen von Licht zu viel Raum beansprucht.
Der Erfindung liegt als Aufgabe zugrunde, den obigen Nachteil vollständig oder teilweise zu beseitigen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Licht emittierende Feld sich von der Licht einkoppelnden Randfläche aus in Richtung der gegenüber der genannten Licht einkoppelnden Randfläche liegenden Randfläche erweitert,
das Verhältnis der Fläche S_i der Licht einkoppelnden Randfläche und der Fläche S_r der gegenüber der Licht einkoppelnden Randfläche liegenden Randfläche die Beziehung erfüllt:
Da das Licht emittierende Feld sich von der Licht einkoppelnden Randfläche aus erweitert, kann das in das Licht emittierende Feld eingekoppelte Licht am Ort der Licht einkoppelnden Randfläche während seines ersten Durchlaufs durch das Licht emittierende Feld von der Licht einkoppelnden Randfläche aus das Licht emittierende Feld nicht verlassen. Die Winkelverteilung von Licht, das ein Licht emittierendes Feld durchläuft, das sich von der Licht einkoppelnden Randfläche aus erweitert, wird schmaler. Licht wird in einem Licht emittierenden Feld, das sich erweitert, kollimiert. In einem Licht emittierenden Feld, das auf innerer Totalreflexion (TIR: total internal reflexion) beruht, wird Licht, das den Grenzwinkel aufweist und überschreitet, nicht aus dem Licht emittierenden Feld ausgekoppelt. Im umgekehrten Fall, bei dem das Licht ein Licht emittierendes Feld durchläuft, das sich verschmälert, wird die Winkelverteilung des Lichtes allmählich größer. In dem Moment, in dem Licht innerhalb der so vergrößerten Winkelverteilung des Lichtes bei Reflexion einen Winkel hat, der kleiner als der Grenzwinkel ist, beispielsweise für den Fall von Reflexion an der Vorderwand oder der Rückwand des Licht emittierenden Feldes, wird das Licht aus dem Licht emittierenden Feld ausgekoppelt. Da das in die Licht einkoppelnde Randfläche eingekoppelte Licht das Licht emittierende Feld während seines ersten Durchlaufs durch dieses Licht emittierende Feld nicht verlassen kann, wird begünstigt, dass das Licht während dieses Durchlaufs sich in dem Feld verteilt und auch, dass das Licht, wenn es aus zwei oder mehr eventuell unterschiedlich gefärbten Lichtquellen stammt, gut gemischt wird. Eine gute Verteilung und/oder Mischung von Licht begünstigt die Gleichmäßigkeit des aus dem Licht emittierenden Feld ausgekoppelten Lichtes. Das Licht emittierende Feld wirkt gleichsam als Lichtmischkammer für Licht in seinem ersten Durchlauf durch ein sich erweiterndes Licht emittierendes Feld. Bei bekannten Beleuchtungssystemen ist eine solche Lichtmischkammer normalerweise außerhalb des Licht emittierenden Feldes vorgesehen, weshalb ein solches Lichtmischfeld unnötig viel Raum einnimmt. Durch die erfindungsgemäße Maßnahme wird gleichsam die Lichtmischkammer in das Licht emittierende Feld integriert, was zu einer erheblichen Raumersparnis führt.
Es sei bemerkt, dass keilförmige Licht emittierende Felder an sich bekannt sind, aber solche bekannten keilförmigen Licht emittierenden Felder sind am Ort der Randfläche, wo das Licht in das Licht emittierende Feld eingekoppelt wird, am breitesten und am schmalsten am Ort der der Licht einkoppelnden Randfläche gegenüber liegenden Randfläche.
Aus der Lichtquelle stammendes Licht, das in ein Licht emittierendes Feld eingekoppelt wird, hat eine Winkelverteilung, die zwischen ungefähr +45° und –45° variiert (die Winkelverteilung hängt von der Brechung von Licht von Luft nach Glas oder einem transparenten Kunststoff ab). In einem Licht emittierenden Feld, dessen Dicke in der Richtung, in der das Licht läuft, beispielsweise um einen Faktor zwei zunimmt, ist die Änderung in der Winkelverteilung des Lichtes, wenn das von der lichtdurchlässigen Randfläche kommende Licht an der der Licht einkoppelnden Randfläche gegenüber liegenden Randfläche eintrifft, auf ungefähr +23° und –23° abgefallen. In einem Licht emittierenden Feld, dessen Dicke beispielsweise um einen Faktor drei zunimmt, ist die Änderung in der Winkelverteilung des Lichtes, wenn das von der lichtdurchlässigen Randfläche kommende Licht an der der Licht einkoppelnden Randfläche gegenüber liegenden Randfläche eintrifft, auf ungefähr +15° und –15° abgefallen. Das keilförmige Licht emittierende Feld hat somit eine Kollimatorfunktion, die für eine optimale Lichtmischung und Lichtemission des Feldes günstig ist. Anschließend wird das Licht an der der Licht einkoppelnden Randfläche gegenüber liegenden Randfläche reflektiert, woraufhin normalerweise die Winkelverteilung des Lichtes in Abhängigkeit von der Weise, in der die Reflexion erfolgt, wieder zunimmt. Wenn das Licht durch das Licht emittierende Feld zurückläuft, wird die Winkelverteilung des Lichtes weiter zunehmen, da das Feld sich verschmälert. In einem bestimmten Moment ist die Winkelverteilung des Lichtes so breit geworden, dass ein Teil des Lichtes bei Reflexion einen Winkel unterhalb des kritischen Winkels hat und aus dem Licht emittierenden Feld austritt.
Die Untergrenze für das Verhältnis der Fläche S; der Licht einkoppelnden Randfläche und der Fläche S_r der der Licht einkoppelnden Randfläche gegenüber liegenden Randfläche, S_r/S_i > 1, wird durch die Tatsache gegeben, dass das Licht emittierende Feld zumindest keilförmig ist. Die Obergrenze für das Verhältnis S_r/S_i < 10 wird durch den Wunsch bestimmt, dass das Licht emittierende Feld nicht zu dick werden sollte. Im Prinzip bestimmten die Abmessungen (Schirmdurchmesser) beispielsweise der Anzeigeeinrichtung die Größe (den Durchmesser) des Licht emittierenden Feldes. Wenn die Licht einkoppelnde Randfläche eine Dicke von 2 mm hat und wenn gilt S_r/S_i = 10, dann hat die der Licht einkoppelnden Randfläche gegenüber liegende Randfläche eine Dicke von 20 mm. Bei derart großen Verhältnissen nimmt auch die Herstellbarkeit des Licht emittierenden Feldes ab.
Durch die erfindungsgemäße Maßnahme wird ein besonders kompaktes Beleuchtungssystem mit hoher Gleichmäßigkeit der Verteilung des von dem Beleuchtungssystem emittierten Lichtes erhalten. Daher wird insbesondere bei (Bild-) Anzeigeeinrichtungen eine gleichmäßigere Beleuchtung der Anzeigeeinrichtung erhalten.
Vorzugsweise erfüllt das Verhältnis S_r/S_i die Beziehung:
Licht emittierende Felder, bei denen das Verhältnis S_r/S_i im bevorzugten Bereich liegt, können in einfacher Weise in einem (Spritz)Gussprozess hergestellt werden. Ein besonders geeignetes Verhältnis ist S_r/S_i ≈ 2.5. Eine geeignete Dicke der Licht einkoppelnden Randfläche ist beispielsweise 3 mm, was bedeutet, dass für S_r/S_i = 2,5 die der Licht einkoppelnden Randfläche gegenüber liegende Randfläche eine Dicke von 7,5 mm haben wird. Eine alternative geeignete Dicke der Licht einkoppelnden Randfläche ist 1 mm, was bedeutet, dass die der Licht einkoppelnden Randfläche gegenüber liegende Randfläche für den Fall S_r/S_i = 2,5 eine Dicke von 2,5 mm haben wird. Vorzugsweise genügt das Verhältnis S_r/S_i der Beziehung 2,5 ≤ 4, da aus der Kollimatorfunktion der Keilform des Licht emittierenden Feldes optimaler Nutzen gezogen werden kann.
Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Beleuchtungssystems ist dadurch gekennzeichnet, dass die gegenüber der Licht einkoppelnden Randfläche liegende Randfläche für Licht innerhalb des Licht emittierenden Feldes reflektierend ist. Da der erste Durchlauf des aus der Lichtquelle stammenden Lichtes durch das Licht emittierende Feld hauptsächlich zum gleichmäßigen Verteilen und Mischen des Lichtes dient und das Licht erst aus dem Licht emittierenden Feld ausgekoppelt werden kann, wenn es mit seinem Rücklauf durch das Licht emittierende Feld begonnen hat, ist es wichtig, dass das Licht an der der Licht einkoppelnden Randfläche gegenüber liegenden Randfläche reflektiert wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Beleuchtungssystems ist die gegenüber der Licht einkoppelnden Randfläche liegende Randfläche diffus reflektierend oder mit einem diffus reflektierenden Material versehen. Diffuse Reflexion begünstigt die Aufweitung der Winkelverteilung des Lichtes. Das diffus reflektierende Material kann beispielsweise eine auf der betreffenden Randfläche vorgesehene Folie sein.
In einer alternativen Ausführungsform ist die der Licht einkoppelnden Randfläche gegenüber liegende Randfläche spiegelreflektierend. In einer weiteren alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Beleuchtungssystems ist die gegenüber der Licht einkoppelnden Randfläche liegende Randfläche facettiert. Facettieren der betreffenden Randfläche ermöglicht es, das Licht während der Reflexion in verschiedene Richtungen zu richten. Auch die Winkelverteilung des Lichtes kann günstig beeinflusst werden. In einer weiteren alternativen Ausführungsform des Beleuchtungssystems bildet die der Licht einkoppelnden Randfläche gegenüber liegende Randfläche mit der Rückwand des Licht emittierenden Feldes einen Winkel, der größer ist als 90°.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Beleuchtungssystems bilden die Vorderwand und die lichtdurchlässige Randfläche in einer Seitenansicht des Licht emittierende Feldes miteinander einen stumpfen Winkel mit einem Wert 90°+ β, wobei β ein Kippwinkel ist, um den die lichtdurchlässige Randfläche in Bezug auf eine Normale der Vorderwand gekippt ist. Auf diese Weise wird eine weitere Verbesserung der Gleichmäßigkeit des aus dem Licht emittierenden Feld ausgekoppelten Lichtes erreicht, insbesondere im Bereich der jeweiligen Randfläche.
Durch Kippen der lichtdurchlässigen Randfläche wird an dieser Fläche reflektiertes Licht nach seinem Durchlauf durch dieses Licht emittierende Feld zu einem größeren Teil in einer solchen Richtung reflektiert werden, dass es unter Winkeln auf die Vorderwand trifft, die größer sind als der Grenzwinkel, und so totalreflektiert wird. Auf diese Weise wird einem zusätzlichen Strom emittierten Lichtes aus dem Feld im Bereich der lichtdurchlässigen Randfläche entgegengewirkt.
Am Ort der lichtdurchlässigen Randfläche bilden die Vorderwand und die Rückwand miteinander einen Keilwinkel α. Vorzugsweise hat der Kippwinkel β zumindest einen Wert von 0,5·α für α ≥ 1°. Es scheint, dass der zusätzliche Lichtstrom in Bezug auf den weit von der Randfläche entfernten Lichtstrom im Allgemeinen kleiner als 30% ist. Eine noch weitere Verbesserung ist erreichbar, wenn gilt: β ≥ α für α ≥ 0,3°. Der zusätzliche Lichtstrom wird für α-Werte bis zu 1° höchstens 20% betragen und für α-Werte von 1° und mehr sogar unter 10% liegen. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn die Rückwand im Bereich der lichtdurchlässigen Randfläche frei von reflektierendem Material ist. Hiermit wird der Einfluss auf den zusätzlichen Lichtstrom aus Reflexion an der Rückwand weiter verringert.
Bei kleinen Werten des Keilwinkels α ist es vorteilhaft, wenn für α ≤ 0,5° gilt β ≥ 1,5–1,4·α. In guter Näherung wird der zusätzliche Lichtstrom auf 20 % begrenzt werden.
Hervorragende Ergebnisse in Bezug auf die Verringerung des zusätzlichen Lichtstroms sind erreichbar, wenn der Kippwinkel β so gewählt wird, dass er für α-Werte von 1° und mehr gleich 1,4 mal dem Keilwinkel α ist, oder für α-Werte zwischen 1° und 0,4° β = 1,8 α gilt.
Werte für den Keilwinkel α, die kleiner oder gleich 0,1° sind, sind nicht praktisch, da sie im Allgemeinen zu ziemlich großflächigen Licht emittierenden Feldern führen, um innerhalb des Feldes eine akzeptable Lichtmischung zu erreichen.
Vorteilhafterweise sind die der Licht einkoppelnden Randfläche gegenüber liegende Randfläche und das reflektierende Material etwas voneinander getrennt positioniert, mit einem Luftspalt dazwischen.
Es hat sich gezeigt, dass dadurch die Gleichmäßigkeit des aus dem Licht emittierenden Feld ausgekoppelten Lichtes weiter verbessert wird, insbesondere im Bereich der jeweiligen Randfläche. Außerdem ist die Entwurfsfreiheit hinsichtlich der Form der jeweiligen Randfläche größer. Der Luftspalt hat typischerweise eine Größe von 0,1 mm.
Die verwendete Lichtquelle kann von LEDs gebildet werden, beispielsweise von unterschiedlichen LED-Typen und/oder von LEDs unterschiedlicher Farben, die miteinander kombiniert werden. Durch geeignete Verwendung von LEDs können Farben in geeigneter Weise gemischt werden, beispielsweise um weißes Licht mit einer gewünschten Farbtemperatur zu erhalten. Hierzu ist eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Beleuchtungssystems dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle zumindest zwei Leuchtdioden mit unterschiedlichen Lichtemissionswellenlängen umfasst. Vorzugsweise umfasst die Lichtquelle drei Leuchtdioden. Die LEDs umfassen vorzugsweise die an sich bekannten Kombinationen von roten, grünen und blauen LEDs oder beispielsweise Kombinationen von roten, grünen, blauen und bernsteinfarbenen LEDs. LEDs mit drei Lichtemissionswellenlängen können auch mit zwei LEDs mit unterschiedlichen Lichtemissionswellenlängen realisiert werden, wobei dann die LEDs des einen Typs (teilweise) mit einem Leuchtstoff versehen sind, sodass die Lichtemission der LED durch den Leuchtstoff in Licht einer dritten, gewünschten Lichtemissionswellenlänge umgewandelt wird. Eine Kombination der an sich bekannten Kombinationen von roten, grünen und blauen LEDs ermöglicht es, Farbänderungen unabhängig vom Zustand der Anzeigeeinrichtung zu realisieren. Die Verwendung von LEDs hat den weiteren Vorteil, dass dynamische Beleuchtungsmöglichkeiten erhalten werden. Hierzu befindet sich an einer der Randflächen ein Sensor zum Messen der optischen Eigenschaften des von der Lichtquelle im Betrieb emittierten Lichtes.
Die Menge an von den LEDs emittiertem Licht wird durch Änderung des Lichtstroms der Leuchtdioden eingestellt. Diese Regelung des Lichtstrom erfolgt normalerweise in energieeffizienter Weise. Somit können die LEDs ohne merkbaren Verlust an Wirksamkeit gedimmt werden. Vorzugsweise ist die Intensität des von den Leuchtdioden emittierten Lichtes in Reaktion auf das Beleuchtungsniveau eines mit der Anzeigeeinrichtung darzustellenden Bildes oder in Reaktion auf das Niveau des Umgebungslichtes variabel. Vorzugsweise wird der Farbort eines von der Anzeigeeinrichtung dargestellten Bildes durch das Beleuchtungssystem bestimmt. Dadurch wird ein (verbesserter) Dynamikbereich (beispielsweise Kontrast) des von der Anzeigeeinrichtung darzustellenden Bildes erhalten.
Vorzugsweise hat jede der Leuchtdioden einen Lichtstrom von zumindest 5 lm. LEDs mit so hoher Leistung werden auch "LED power packages" genannt. Die Verwendung dieser Hochleistungs-LEDs mit hohem Wirkungsgrad hat den speziellen Vorteil, dass die Anzahl LEDs, die für eine gewünschte, verhältnismäßig hohe Lichtleistung benötigt werden, verhältnismäßig klein sein kann. Dies begünstigt den kompakten Aufbau und den Wirkungsgrad des herzustellenden Beleuchtungssystems. Weitere Vorteile der Verwendung von LEDs sind eine verhältnismäßig sehr lange Nutzlebensdauer, die verhältnismäßig geringen Energiekosten und die geringen Wartungskosten für ein Beleuchtungssystem mit LEDs.
Ein beträchtlicher Umfang steht zum Mischen der verschiedenen Lichtfarben zur Verfügung, bis die gewünschte Farbmischung erreicht ist, beispielsweise weißes Licht einer zuvor bestimmten Farbtemperatur, in einem Beleuchtungssystem mit einem keilförmigen Licht emittierenden Feld, das sich von der Licht einkoppelnden Randfläche aus erweitert und in dem das Licht während seines ersten Durchlaufs durch das Licht emittierende Feld nicht ausgekoppelt werden kann. Auf diese Weise können Licht emittierende Felder mit verhältnismäßig großen Abmessungen mit einer Lichtquelle realisiert werden, die insgesamt beispielweise sechs oder sogar höchstens drei (Hochleistungs-) Leuchtdioden mit unterschiedliche Lichtemissionswellenlängen umfasst. Bei dem bekannten Beleuchtungssystem ist für eine solche begrenzte Anzahl LEDs normalerweise eine Lichtmischkammer von erheblichen Abmessungen notwendig, um zu erreichen, dass das Licht ausreichend verteilt und in dem Licht emittierenden Feld gemischt wird, um eine gleichmäßige und homogene Abgabe von Licht aus dem Licht emittierenden Feld in Richtung der (Bild-)Anzeigeeinrichtung zu verschaffen.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst das Beleuchtungssystem Steuerelektronik zum Ändern des Lichtstroms der Lichtquelle. Die gewünschten Beleuchtungseffekte werden mittels geeigneter Steuerelektronik erhalten, und die Gleichmäßigkeit des emittierten Lichtes wird verbessert. Zusätzlich wird durch eine geeignete Kombination von LEDs weißes Licht erhalten, mit Steuerelektronik, die die Einstellung der gewünschten Farbtemperatur ermöglicht.
Mittels der erfindungsgemäßen Maßnahme wird ein besonders kompaktes Beleuchtungssystem mit hoher Gleichmäßigkeit der Verteilung des von dem Beleuchtungssystem emittierten Lichtes erhalten.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
1 eine Seitenansicht einer Anzeigeeinrichtung mit einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Beleuchtungssystems;
2 eine Querschnittsansicht des Beleuchtungssystems von 1 und
3 eine Seitenansicht einer alternativen Ausführungsform des Licht emittierenden Feldes.
Die Zeichnung ist rein schematisch und nicht maßstabsgetreu. Einige Abmessungen sind der Deutlichkeit halber stark vergrößert dargestellt. Gleichartige Teile haben in der Zeichnung so weit möglich gleiche Bezugszeichen erhalten.
1 ist eine schematische Seitenansicht einer Anzeigeeinrichtung mit einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Beleuchtungssystems. Das Beleuchtungssystem umfasst ein Licht emittierendes Feld 1 aus einem lichtdurchlässigen Material. Das Feld 1 wird beispielsweise aus einem Kunststoff, aus Acryl, aus Polycarbonat, aus PMMA, beispielsweise Perspex, oder aus Glas hergestellt. Im Betrieb wird Licht durch das Feld 1 transportiert, unter Ausnutzung von innerer Totalreflexion (TIR: total internal reflection). Das Feld hat eine Vorderwand 2 und eine dieser gegenüber liegende Rückwand 3, die am Ort der lichtdurchlässigen Randfläche 4 miteinander einen Keilwinkel α bilden.
Zwischen der Vorderwand 2 und der Rückwand 3 des Licht emittierenden Feldes 1 gibt es auch Randflächen 4, 5, wobei zumindest einer der genannten Randflächen 4 lichtdurchlässig ist . Die Vorderwand 2 und die lichtdurchlässige Randfläche 4 bilden in Seitenansicht des Licht emittierenden Feldes 1 miteinander einen stumpfen Winkel OA mit einem Wert 90° + β, wobei β ein Kippwinkel ist, um den die lichtdurchlässige Randfläche in Bezug auf eine Normale der Vorderwand 2 gekippt ist. Hiermit ist eine verbesserte Gleichmäßigkeit des Lichtstroms des Licht emittierenden Feldes 1 erreichbar, indem einem örtlichen zusätzlichen Lichtstrom infolge von an der lichtdurchlässigen Randfläche 4 reflektiertem Licht entgegengewirkt wird.
Vorzugsweise hat der Kippwinkel β zumindest einen Wert von 0,5·α für α ≥ 1°. Es scheint, dass der zusätzliche Lichtstrom in Bezug auf den weit von der Randfläche entfernten Lichtstrom im Allgemeinen kleiner als 30% ist. Eine noch weitere Verbesserung ist erreichbar, wenn gilt β ≥ α für α ≥ 0,3°.
Bei kleinen Werten des Keilwinkels α ist es vorteilhaft, wenn für α ≤ 0,5° gilt β ≥ 1,5–1,4·α. In guter Näherung wird der zusätzliche Lichtstrom auf 20% begrenzt werden. Hervorragende Ergebnisse in Bezug auf die Verringerung des zusätzlichen Lichtstroms sind erreichbar, wenn der Kippwinkel β so gewählt wird, dass er für α-Werte von 1° und mehr gleich 1,4 mal dem Keilwinkel α ist, oder für α-Werte zwischen 1° und 0,4° β = 1,8α gilt.
Das Beleuchtungssystem umfasst eine Lichtquelle 6, beispielsweise eine Anzahl Leuchtdioden (LEDs). In der Situation von 1 trifft aus der Lichtquelle stammendes Licht 6 im Betrieb auf die Licht einkoppelnde Randfläche 4 des Licht emittierenden Feldes 1, welches Licht sich in dem Licht emittierenden Feld 1 verteilt. Gemäß der Maßnahme der Erfindung erweitert sich das Licht emittierende Feld 1 von der Licht einkoppelnden Randfläche 4 aus in einer Richtung zur gegenüber der Licht einkoppelnden Randfläche 4 liegenden Randfläche 5, wobei das Verhältnis der Fläche S_i der Licht einkoppelnden Randfläche 4 und der Fläche S_r der gegenüber der Licht einkoppelnden Randfläche 4 liegenden Randfläche 5 die Beziehung erfüllt:
1 zeigt schematisch einen Strahlengang von der Lichtquelle 6 her. Aus der Lichtquelle 6 kommendes Licht, das in das Licht emittierende Feld 1 eingekoppelt wird, hat eine Winkelverteilung, die zwischen ungefähr +45° und –45° variiert (die Winkelverteilung hängt von der Brechung von Licht von Luft nach Glas oder einem transparenten Kunststoff ab). Infolge von innerer Totalreflexion wird das aus der Lichtquelle 6 kommende Licht an der Vorderwand 2 und der Rückwand 3 des Licht emittierenden Feldes 1 emittiert, während es unmöglich ist, das das Licht ausgekoppelt wird, weil sich das Licht emittierende Feld 1 erweitert, d. h. der Einfallswinkel (in Bezug auf die Normale zur Vorderwand 2 oder Rückwand 3) ist größer als ein kritischer Winkel. Da sich nämlich das Licht emittierende Feld 1 von der Licht einkoppelnden Randfläche 4 aus erweitert, werden folgende Einfallswinkel zunehmend größer. Somit hat das Licht emittierende Feld eine Kollimatorfunktion. Anschließend wird das Licht an der der Licht einkoppelnden Randfläche 4 gegenüber liegenden Randfläche 5 reflektiert. Auf seinem Rücklauf durch das Licht emittierende Feld 1 begegnet das Licht einem sich verengenden Licht emittierenden Feld 1. Daher nimmt der Einfallswinkel in Bezug auf die Normale für folgende Reflexionen an der Vorderwand 2 oder der Rückwand 3 allmählich ab, bis der Moment eintritt, dass der Einfallswinkel kleiner ist als der kritische Winkel, woraufhin das Licht aus dem Licht emittierenden Feld 1 ausgekoppelt wird. Diese Situation wird in 1 schematisch mit Pfeilen angedeutet.
Da sich das Licht emittierende Feld von der Licht einkoppelnden Randfläche 4 aus erweitert, kann erfindungsgemäß das Licht das Licht emittierende Feld 1 während seines ersten Durchlaufs von der Licht einkoppelnden Randfläche 4 aus durch das Licht emittierende Feld 1 hindurch nicht verlassen. Dadurch wird begünstigt, dass das Licht sich während seines ersten Durchlaufs durch das Licht emittierende Feld 1 in dem Feld verteilt und in dem Licht emittierenden Feld 1 gemischt wird. Eine gute Verteilung und/oder Mischung von Licht begünstigt die Gleichmäßigkeit und die Homogenität des aus dem Licht emittierenden Feld 1 ausgekoppelten Lichtes. Das Licht emittierende Feld 1 dient gleichsam als Lichtmischkammer für Licht in seinem ersten Durchlauf durch ein sich erweiterndes Licht emittierendes Feld. Durch die erfindungsgemäße Maßnahme wird gleichsam die Lichtmischkammer in das Licht emittierende Feld integriert, was zu einer erheblichen Raumersparnis führt.
Mit der erfindungsgemäßen Maßnahme wird ein besonders kompaktes Beleuchtungssystem erhalten, mit hoher Gleichmäßigkeit der Verteilung des von dem Beleuchtungssystem emittierten Lichtes. Hierdurch wird eine gleichmäßigere Beleuchtung des (Bild-)Anzeigeeinrichtung realisiert.
Das Licht emittierende Feld 1 emittiert im Betrieb Licht in Richtung der Anzeigeeinrichtung, beispielsweise einer Flüssigkristallanzeigeeinrichtung (LCD) 12. Die Baugruppe aus dem Licht emittierenden Feld 1, der Lichtquelle 6 und der LCD Einrichtung 12, eventuell in einem Gehäuse (in 1 nicht abgebildet) untergebracht, bildet eine Anzeigeeinrichtung zur Darstellung von beispielsweise (Video)Bildern.
Das Licht emittierende Feld 1 kann weiter mit einem Sensor (in 1 nicht abgebildet) zum Messen der optischen Eigenschaften des Lichtes versehen sein. Dieser Sensor ist mit Steuerelektronik (in 1 nicht abgebildet) zum geeigneten Anpassen des Lichtstroms der Lichtquelle 6 gekoppelt. Mit Hilfe des Sensors und der Steuerelektronik kann ein Rückkopplungsmechanismus zum Beeinflussen der Qualität und Menge des aus dem Licht emittierenden Feld 1 ausgekoppelten Lichtes realisiert werden.
Vorzugsweise genügt das Verhältnis S_r/S_i der Beziehung:
Licht emittierende Felder, bei denen das Verhältnis S_r/S_i in dem bevorzugten Bereich liegt, können in einfacher Weise in einem (Spritz)Gussprozess hergestellt werden. Ein besonders geeigneter Bereich für das Verhältnis ist 2,5 ≤ S_r/S_i ≤ 4, da dies optimalen Gebrauch der Kollimatorfunktion des Licht emittierenden Feldes ermöglicht.
2 ist eine schematische Querschnittsansicht des Beleuchtungssystems von 1. Die Lichtquelle umfasst in diesem Beispiel drei Leuchtdioden (LEDs) 6B, 6G, 6R mit einer blauen, grünen bzw. roten Lichtemissionswellenlänge. Die Quellenhelligkeit einer LED ist normalerweise viele Male größer als die einer Leuchtstoffröhre. Weiterhin ist der Wirkungsgrad, mit dem bei Verwendung von LEDs Licht in das Feld eingekoppelt wird, größer als bei Verwendung von Leuchtstoffröhren. Die Verwendung von LEDs als Lichtquelle hat den Vorteil, dass die LEDs gegen Felder aus Kunststoff anliegen können. LEDs übertragen nahezu keine Wärme in Richtung des Licht emittierenden Feldes 1 und erzeugen auch keine schädliche (UV-)Strahlung. Die Verwendung von LEDs hat außerdem den Vorteil, dass zum Einkoppeln des aus den LEDs stammenden Lichtes in das Feld keine Mittel angewendet werden müssen. Die LEDs in dem Beleuchtungssystem können geeignet gewählte Gruppen aus blauen, grünen und roten LEDs umfassen oder geeignete alternative Kombinationen aus einfarbigen oder zweifarbigen LEDs oder eine Vielzahl weißer LEDs mit hohem Lichtstrom.
2 deutet sehr schematisch an, dass aus den LEDs 6B, 6G, 6R stammendes und am Ort der Licht einkoppelnden Randfläche 4 eingekoppeltes Licht während seines ersten Durchlaufs durch das Licht emittierende Feld 1 nicht ausgekoppelt werden kann. Erst nachdem das Licht an der der Licht einkoppelnden Randfläche 4 gegenüber liegenden Randfläche 5 reflektiert worden ist, kann der kritische Winkel von dem Licht bei seiner Reflexion an der Vorderwand oder an der Rückwand überschritten werden, woraufhin das Licht aus dem Licht emittierenden Feld 1 in Richtung der Anzeigeeinrichtung ausgekoppelt wird.
Die in dem Beleuchtungssystem verwendeten LEDs 6B, 6G, 6R sind vorzugsweise LEDs, die je eine optische Leistung von zumindest 50 mW haben. LEDs mit so hoher Leistung werden auch "LED power packages" genannt. Beispiele für Leistungs-LEDs sind LEDs vom "Luxeon^TM"-Typ (Lumileds), deren Lichtstrom pro LED für rote LEDs 35 lm, für grüne 20 lm, für blaue 8 lm und für bernsteinfarbene 40 lm beträgt. In alternativen Ausführungsformen werden auch gelbe, bernsteinfarbene, zyanfarbene, purpurrote und/oder violette LEDs verwendet, die eine verhältnismäßig hohe Lichtleistung haben (eventuell mit Hilfe zweier spektraler Lichtemissionswellenlängen). Es ist auch möglich, eine Vielzahl weißer LEDs mit hohem Lichtstrom zu verwenden. In weiteren alternativen Ausführungsformen können rote LEDs in Kombination mit blauen LEDs verwendet werden, die mit einem Leuchtstoff versehen sind, sodass letztere in zwei spektralen Bändern emittieren, d.h. einem blauen und einem grünen Band.
Vorzugsweise sind die LEDs auf einer (Metallkern-)Platine montiert. Wenn Leistungs-LEDs auf einer solchen (Metallkern-)Platine (PCB: printed circuit board) angebracht werden, kann die von den LEDs erzeugte Wärme leicht mittels Wärmeleitung durch die PCB abgeführt werden. Eine interessante Ausführungsform des Beleuchtungssystems ist weiterhin eine solche, bei der die (Metallkern-)Platine mit dem Gehäuse der Anzeigeeinrichtung über eine wärmeleitende Verbindung in Kontakt steht.
Die gegenüber der Licht einkoppelnden Randfläche liegende Randfläche 5 ist vorzugsweise in Bezug auf Licht in dem Licht emittierenden Feld 1 reflektierend. Um die Winkelverteilung des durch das Licht emittierende Feld 1 laufenden Lichtes während der Reflexion zu beeinflussen, ist die gegenüber der Licht einkoppelnden Randfläche 4 liegende Randfläche 5 vorzugsweise diffus reflektierend oder vorzugsweise mit einem diffus reflektierenden Material versehen.
Bei einer alternativen Ausführungsform des Licht emittierenden Feldes ist die der Licht einkoppelnden Randfläche gegenüber liegende Randfläche 4 facettiert. Ein Beispiel hierfür wird in 3 gezeigt, die eine schematische Seitenansicht einer alternativen Ausführungsform des Licht emittierenden Feldes ist. Die gegenüber der Licht einkoppelnden Randfläche 4 liegende Randfläche 5' ist nicht parallel zu der Licht einkoppelnden Randfläche 4 angeordnet. Die Randfläche in 3 ist als Beispiel mit einem Spiegelreflektor versehen, beispielsweise einem Metallreflektor. Das Anordnen der genannten Randfläche 5' unter einem geeigneten Winkel erfolgt, um den Winkel, unter dem das Licht aus dem Licht emittierenden Feld 1 ausgekoppelt wird, zu optimieren.
Bei einer weiteren alternativen Ausführungsform des Beleuchtungssystems ist die Rückwand 3 des Licht emittierenden Feldes 1 diffus reflektierend oder mit einem diffus reflektierenden Material versehen. Dies erfolgt, um das Auskoppeln von Licht aus dem Licht emittierenden Feld zu fördern.
Mit Vorteil ist das reflektierende Material mit einem Luftspalt dazwischen etwas von der Rückwand getrennt positioniert. Auf diese wird maximal von auf innerer Totalreflexion (TIR) beruhendem Reflektieren Gebrauch gemacht. Der Luftspalt hat vorzugsweise eine Größe von typischerweise 0,1 mm.
Es wird deutlich sein, dass für den Fachkundigen im Rahmen der Erfindung viele Abwandlungen möglich sind.
Der Schutzumfang der Erfindung beschränkt sich nicht auf die gegebenen Ausführungsbeispiele. Die Erfindung liegt in jedem neuartigen kennzeichnenden Merkmal und jeder Kombination von kennzeichnenden Merkmalen. Bezugszeichen in den Ansprüchen begrenzen nicht deren Schutzumfang. Die Verwendung des Verbs "umfassen" und seine konjugierten Formen schließen das Vorhandensein von anderen Elementen als den in den Ansprüchen spezifizierten nicht aus. Die Verwendung des unbestimmten Artikels "ein" oder "eine" vor einem Element schließt das Vorhandensein von mehreren solcher Elemente nicht aus.
Ein kompaktes Hintergrundbeleuchtungssystem zum Beleuchten einer Anzeigeeinrichtung (12) weist ein Licht emittierendes Feld (1) mit einer Vorderwand (2) und einer gegenüber liegenden Rückwand (3) und mit Randflächen (4, 5) auf. Zumindest eine der Randflächen (4) ist lichtdurchlässig. Das Hintergrundbeleuchtungssystem hat eine Lichtquelle (6) mit einer begrenzten Anzahl LEDs. Licht aus der Lichtquelle (6) wird in das Licht emittierende Feld (1) über die Randfläche eingekoppelt, die lichtdurchlässig ist. Erfindungsgemäß ist das Licht emittierende Feld (1) keilförmig und erfüllen die Fläche S; der lichtdurchlässigen Randfläche (4) und die Fläche S_r der gegenüber liegende Randfläche (5 ) die Beziehung: 1 < (S_r/S_i) < 10, vorzugsweise 1,5 < (S_r/S_i) < 5. Licht, das das erste Mal von der lichtdurchlässigen Randfläche aus das Licht emittierende Feld (1) hin zu der gegenüber liegenden Randfläche (5) durchläuft, kann nicht aus dem Licht emittierenden Feld (1) ausgekoppelt werden.
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Claims

Beleuchtungssystem, das mit einem Licht emittierenden Feld (1) versehen ist, mit einer Vorderwand (2), einer gegenüber davon liegenden Rückwand (3) und außerdem Randflächen (4, 5) zwischen der genannten Vorderwand (2) und der genannten Rückwand (3), wobei zumindest eine der genannten Randflächen (4) des Feldes (1) lichtdurchlässig ist, wobei zumindest eine Lichtquelle (6) mit der lichtdurchlässigen Randfläche (4) zusammenhängt und wobei aus der Lichtquelle (6) stammendes Licht im Betrieb auf die lichtdurchlässige Randfläche (4) einfällt und sich in dem Feld (1) verteilt, dadurch gekennzeichnet, dass das Licht emittierende Feld (1) sich von der Licht einkoppelnden Randfläche (4) aus in Richtung der gegenüber der genannten Licht einkoppelnden Randfläche (4) liegenden Randfläche (5) erweitert, das Verhältnis der Fläche S_i der Licht einkoppelnden Randfläche (4) und der Fläche S_r der gegenüber der Licht einkoppelnden Randfläche (4) liegenden Randfläche (5) die Beziehung erfüllt:
Beleuchtungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis S_r/S_i die Beziehung erfüllt:
Beleuchtungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis S_r/S_i die Beziehung erfüllt:
Beleuchtungssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die gegenüber der Licht einkoppelnden Randfläche (4) liegende Randfläche (5) für Licht innerhalb des Licht emittierenden Feldes (1) reflektierend ist.
Beleuchtungssystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die gegenüber der Licht einkoppelnden Randfläche (4) liegende Randfläche (5) diffus reflektierend ist oder mit einem diffus reflektierenden Material versehen ist.
Beleuchtungssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die gegenüber der Licht einkoppelnden Randfläche (4) liegende Randfläche (5) facettiert ist.
Beleuchtungssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorderwand (2) und die lichtdurchlässige Randfläche (4) in einer Seitenansicht des Licht emittierenden Feldes (1) miteinander einen stumpfen Winkel mit einem Wert 90°+ β bilden, wobei β ein Kippwinkel ist, um den die lichtdurchlässige Randfläche in Bezug auf eine Normale der Vorderwand (2) gekippt ist.
Beleuchtungssystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorderwand (2) und die Rückwand (3) am Ort der lichtdurchlässigen Randfläche miteinander einen Keilwinkel α bilden und dass der Kippwinkel β für α > 1° zumindest einen Wert 0,5·α hat.
Beleuchtungssystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass für α > 0,3° gilt β ≥ α.
Beleuchtungssystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückwand (3) im Bereich der lichtdurchlässigen Randfläche frei von reflektierendem Material ist.
Beleuchtungssystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass für α ≤ 0,5° gilt β ≥ 1,5–1,4·α.
Beleuchtungssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückwand (3) des Licht emittierenden Feldes (1) diffus reflektierend oder mit einem diffus reflektierenden Material versehen ist.
Beleuchtungssystem nach Anspruch 3, 4 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das reflektierende Material mittels eines Luftspaltes etwas von der jeweiligen Randfläche (5) gegenüber der Licht einkoppelnden Randfläche und der Rückwand (3) getrennt positioniert ist.
Beleuchtungssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (6) zumindest zwei Leuchtdioden (6B, 6G, 6R) mit unterschiedlichen Lichtemissionswellenlängen umfasst.
Beleuchtungssystem nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass jede der Leuchtdioden (6B, 6G, 6R) einen Lichtstrom von zumindest 5 lm aufweist.
Anzeigeeinrichtung, versehen mit einem Beleuchtungssystem nach Anspruch 1 oder 2.
Anzeigeeinrichtung nach Anspruch 16, welche Anzeigeeinrichtung eine Flüssigkristallanzeige (12) umfasst.