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Verwandte Anmeldungen
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Diese
Anmeldung ist mit den folgenden US-Patentanmeldungen verwandt, die
am 15. November 2006 eingereicht wurden und die durch Verweis aufgenommen
sind: Anmeldung Seriennr. 11/560260 „Back-Lit Displays
with High Illumination Uniformity”; Anmeldung Seriennr.
11/560271 „Back-Lit Displays with High Illumination Uniformity”;
Anmeldung Seriennr. 60/865944 „Back-Lit Displays with High
Illumination Uniformity”; und Anmeldung Seriennr. 11/560250 „Back-Lit
Displays with High Illumination Uniformity”.
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Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft optische Anzeigen und insbesondere Flüssigkristallanzeigen
(LCDs), die von hinten durch Lichtquellen direkt beleuchtet werden,
wie sie in LCD-Monitoren und LCD-Fernsehgeräten verwendet
werden können.
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Hintergrund
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Einige
Anzeigesysteme, zum Beispiel Flüssigkristallanzeigen (LCDs),
werden von hinten beleuchtet. Solche Anzeigen finden in vielen Vorrichtungen,
wie tragbaren Computern, Taschenrechnern, Digitaluhren, Fernsehgeräten
und dergleichen verbreitet Anwendung. Einige hintergrundbeleuchtete
Anzeigen weisen eine Lichtquelle, die sich auf der Seite der Anzeige
befindet, mit einem Lichtleiter auf, der angeordnet ist, um das Licht
aus der Lichtquelle zur Rückseite der Anzeigetafel zu leiten.
Andere hintergrundbeleuchtete Anzeigen, zum Beispiel einige LCD-Monitore
und LCD-Fernsehgeräte (LCD-TVs), werden unter Verwendung
einer Anzahl von Lichtquellen, die hinter der Anzeigetafel angeordnet
sind, von hinten direkt beleuchtet. Diese letztgenann te Anordnung
ist bei größeren Anzeigen zunehmend gebräuchlich,
da die Lichtleistungsanforderungen, die benötigt werden,
um einen bestimmten Pegel der Anzeigehelligkeit zu erzielen, mit
dem Quadrat der Anzeigegröße zunehmen, wohingegen
das verfügbare Grundstück, um Lichtquellen längs
der Seite der Anzeige anzuordnen, nur linear mit der Anzeigegröße
zunimmt. Zusätzlich erfordern es einige Anzeigeanwendungen, wie
LCD-TVs, daß die Anzeige hell ist, um aus einem größeren
Abstand als andere Anwendungen betrachtet zu wenden. Zusätzlich
unterscheiden sich die Betrachtungswinkelanforderungen für
LCD-TVs im allgemeinen von jenen für LCD-Monitore und in
der Hand gehaltene Vorrichtungen.
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Viele
LCD-Monitore und LCD-TVs werden durch eine Anzahl von Kaltkathodenfluoreszenzlampen (CCFLs)
von hinten beleuchtet. Diese Lichtquellen sind linear und erstrecken
sich über die volle Breite der Anzeige, mit dem Ergebnis,
daß die Rückseite der Anzeige durch eine Reihe
heller Streifen beleuchtet wird, die durch dunklere Bereiche getrennt
sind. Ein solches Ausleuchtungsprofil ist nicht wünschenswert,
und daher wird typischerweise eine Diffusorplatte verwendet, um
das Ausleuchtungsprofil auf der Rückseite der LCD Vorrichtung
zu glätten.
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Es
wird ein diffuser Reflektor hinter den Lampen verwendet, um Licht
auf den Betrachter richten, wobei die Lampen zwischen dem Reflektor
und dem Diffusor angeordnet sind. Die Trennung zwischen dem diffusen Reflektor
und dem Diffusor wird durch die erwünschte Helligkeitsgleichmäßigkeit
des Lichts beschränkt, das aus dem Diffusor emittiert wird.
Wenn die Trennung zu klein ist, dann wird die Leuchtdichte weniger
gleichmäßig, wodurch das Bild verdorben wird,
das durch den Betrachter betrachtet wird. Dies geschieht, da es
nicht genügend Platz für das Licht gibt, um sich
gleichmäßig zwischen den Lampen zu verteilen.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Eine
Ausführungsform der Erfindung ist auf eine direkt beleuchtete
Anzeigeeinheit gerichtet, die eine Anzeigetafel und eine oder mehrere
Lichtquellen aufweist, die hinter der Anzeigetafel angeordnet und
imstande sind, Ausleuchtungslicht zu er zeugen. Ein Diffusor ist
zwischen der Lichtquelleneinheit und der Anzeigetafel angeordnet.
Eine Lichtablenkschicht ist zwischen der einen oder den mehreren
Lichtquellen und dem Diffusor angeordnet. Die Lichtablenkschicht
weist Lichtablenkelemente auf, die auf einer ersten Seite der Lichtablenkschicht
angeordnet sind, die zum Diffusor weist. Die Lichtablenkelemente
weisen Oberflächen auf, die unter mehr als einem Winkel
relativ zu einer Normalen zur Lichtablenkschicht angeordnet sind
und ferner eine oder mehrere scharfe Änderungen der Oberflächensteigung
aufweisen. Mindestens etwas des Lichts, das aus einer ersten Lichtquelle
der einen oder mehreren Lichtquellen nicht-normal auf die Lichtablenkschicht
einfällt, tritt aus den Lichtablenkelementen in eine im
wesentlichen normale Richtung aus. Ein laterales Ausmaß des
normal austretenden Lichts ist größer als dort,
wo die Oberflächen der Lichtablenkelemente unter einem
einzigen Winkel relativ zur Normalen zur Lichtablenkschicht angeordnet
sind.
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Eine
andere Ausführungsform der Erfindung ist auf eine direkt
beleuchtete Anzeigeeinheit gerichtet, die eine Anzeigetafel und
eine oder mehrere Lichtquellen aufweist, die hinter der Anzeigetafel
angeordnet und imstande sind, Ausleuchtungslicht zu erzeugen. Ein
Diffusor ist zwischen der einen oder den mehreren Lichtquellen und
der Anzeigetafel angeordnet. Eine Lichtablenkschicht ist zwischen
der einen oder den mehreren Lichtquellen und dem Diffusor angeordnet.
Die Lichtablenkschicht weist Lichtablenkelemente auf, die auf einer ersten
Seite der Lichtablenkschicht angeordnet sind, die zum Diffusor weist.
Die Lichtablenkelemente weisen mehrere strukturierte Elemente auf,
wobei ein erstes der strukturierten Elemente einen ersten Spitzenwinkel aufweist
und ein zweites der strukturierten Elemente einen zweiten Spitzenwinkel
aufweist, der sich vom ersten Spitzenwinkel unterscheidet.
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Die
obige Zusammenfassung der vorliegenden Erfindung ist nicht dazu
bestimmt, jede dargestellte Ausführungsform oder jede Implementierung
der vorliegenden Erfindung zu beschreiben.
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Die
Figuren und die folgende detaillierte Beschreibung erläutern
diese Ausführungsformen genauer.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die
Erfindung kann unter Berücksichtigung der folgenden detaillierten
Beschreibung verschiedener Ausführungsformen der Erfindung
in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen vollständiger
verstanden werden. Es zeigen:
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1 schematisch
eine hintergrundbeleuchtete Flüssigkristallanzeigevorrichtung,
die eine Helligkeitsgleichmäßigkeitsschicht gemäß Prinzipien
der vorliegenden Erfindung verwendet;
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2 schematisch
eine Ausführungsform eines Films mit verbesserter Gleichmäßigkeit
(enhanced uniformity film – EUF) gemäß Prinzipien
der vorliegenden Erfindung;
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3A, 3B, 4A–4D, 5 und 6A–6D schematisch
zusätzliche Ausführungsformen eines EUF gemäß Prinzipien
der vorliegenden Erfindung;
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7A–7C schematisch
unterschiedliche Ausführungsformen von Lichtführungseinheiten,
die einen EUF gemäß Prinzipien der vorliegenden
Erfindung aufweisen;
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8 schematisch
eine Ausführungsform einer Ausleuchtungseinheit, die Lichtquellen
und Lichtführungsfilme aufweist, gemäß Prinzipien
der vorliegenden Erfindung;
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9A–9D verschiedene
Parameter, die in einer Modellierung eines EUF gemäß Prinzipien
der vorliegenden Erfindung verwendet werden;
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10 eine
graphische Darstellung der berechneten Helligkeit über
einer Ausleuchtungseinheit, die gegen die Position über
der Ausleuchtungseinheit aufgetragen ist, für verschiedene
Modellbeispiele des EUF;
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11 eine
graphische Darstellung der berechneten Helligkeit über
einer Ausleuchtungseinheit als Funktion der Position über
der Ausleuchtungseinheit für verschiedene Beispiele des
EUF, der Mehrwinkelbrechungsflächen aufweist; und
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12A und 12B schematisch
unterschiedliche Ausleuchtungssysteme, die zum Beschreiben eines
erfindungsgemäßen EUF verwendet werden.
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Während
die Erfindung für verschiedene Modifikationen und alternative
Formen offen ist, sind Besonderheiten davon beispielhaft in den
Zeichnungen gezeigt worden und werden im Detail beschrieben. Es
sollte sich jedoch verstehen, daß es nicht die Absicht
ist, die Erfindung auf die beschriebenen besonderen Ausführungsformen
zu beschränken. Es ist im Gegenteil die Absicht, alle Modifikationen, Äquivalente
und Alternativen abzudecken, die in den Geist und Rahmen der Erfindung
fallen, die durch die beigefügten Ansprüche definiert
wird.
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Detaillierte Beschreibung
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Die
vorliegende Erfindung ist auf Anzeigetafeln, wie Flüssigkristallanzeigen
(LCDs oder LC-Anzeigen) anwendbar, und ist insbesondere auf LCDs
anwendbar, die von hinten direkt beleuchtet werden, zum Beispiel wie
sie in LCD-Monitoren und LCD-Fernsehgeräten (LCD-TVs) verwendet
werden. Insbesondere ist die Erfindung auf die Führung
von Licht gerichtet, das durch eine direkt beleuchtete Hintergrundbeleuchtung
zum Beleuchten einer LC-Anzeige erzeugt wird. Es ist typischerweise
eine Anordnung von Lichtführungs- bzw. -managementfilmen
zwischen der Hintergrundbeleuchtung und der Anzeigetafel selbst
angeordnet. Die Anordnung der Lichtführungsfilme, die miteinander
laminiert sein können oder freistehend sein können,
weist typischerweise eine Diffusorschicht und mindestens einen Helligkeitssteigerungsfilm
auf, der eine prismatisch strukturierte Oberfläche aufweist.
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Eine
schematische Ansicht mit aufgelösten Einzelteilen einer
exemplarischen Ausführungsform einer direkt beleuchteten
Anzeigevorrichtung 100 wird in 1 dargestellt.
Eine solche Anzeigevorrichtung 100 kann zum Beispiel in
einem LCD-Monitor oder LCD-TV verwendet werden. Die Anzeigevorrichtung 100 kann auf
der Verwendung einer LC-Tafel 102 beruhen, die typischerweise
eine LC-Schicht 104 aufweist, die zwischen Tafelplatten 106 angeordnet
ist. Die Platten 106 sind häufig aus Glas ausgebildet
und können Elektrodenstrukturen und Ausrichtungsschichten
an ihren Innenseiten zum Steuern der Orientierung der Flüssigkristalle
in der LC-Schicht 104 aufweisen. Die Elektrodenstrukturen
sind häufig eingerichtet, LC-Tafelpixel zu definieren,
Bereiche der LC-Schicht, wo die Orientierung der Flüssigkristalle
unabhängig von benachbarten Bereichen gesteuert werden
kann. Es kann auch ein Farbfilter bei einer oder mehreren der Platten 106 enthalten sein,
um dem angezeigten Bild eine Farbe aufzuerlegen.
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Ein
oberer Absorptionspolarisator 108 ist über der
LC-Schicht 104 angeordnet, und ein unterer Absorptionspolarisator 110 ist
unter der LC-Schicht 104 angeordnet. In der dargestellten
Ausführungsform befinden sich die oberen und unteren Absorptionspolarisatoren
außerhalb der LC-Tafel 102. Die Absorptionspolarisatoren 108, 110 und
die LC-Tafel 102 steuern in Kombination die Durchlassung
von Licht von der Hintergrundbeleuchtung 112 durch die
Anzeige 100 zum Betrachter. Zum Beispiel können
die Absorptionspolarisatoren 108, 110 mit ihren
Durchlaßachsen senkrecht angeordnet sein. In einem unaktivierten
Zustand kann ein Pixel der LC-Schicht 104 die Polarisation
von Licht nicht ändern, das dort hindurch geht. Folglich
wird Licht, das durch den unteren Absorptionspolarisator 110 geht,
durch den oberen Absorptionspolarisator 108 absorbiert.
Wenn das Pixel aktiviert wird, wird andererseits die Polarisation
des Lichts, das dort hindurch geht, gedreht, so daß mindestens
etwas des Lichts, das durch den unteren Absorptionspolarisator 110 durchgelassen wird,
auch durch den oberen Absorptionspolarisator 108 durchgelassen
wird. Die selektive Aktivierung der unterschiedlichen Pixel der
LC-Schicht 104, zum Beispiel durch eine Steuereinrichtung 114,
führt dazu, daß das Licht der Anzeige an bestimmten
erwünschten Stellen austritt, wodurch ein Bild gebildet
wird, das durch den Betrachter gesehen wird. Die Steuereinrichtung
kann zum Beispiel einen Computer oder eine Fernsehsteuereinrichtung
aufweisen, die Fernsehbilder empfängt und anzeigt. Es können
eine oder mehrere optionale Schichten 109 über
dem oberen Absorptionspolarisator 108 vorgesehen sein,
um zum Beispiel einen mechanischen und/oder umgebungsmäßigen
Schutz für die Anzeigenoberfläche bereitzustellen.
In einer exemplarischen Ausführungsform kann die Schicht 109 eine
Hartbeschichtung über dem Absorptionspolarisator 108 aufweisen.
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Es
wird erkannt werden, daß ein gewisser Typ von LC-Anzeigen
in einer Weise arbeiten kann, die sich von der oben beschriebenen
unterscheidet. Zum Beispiel können die Absorptionspolarisatoren
parallel ausgerichtet sein, und die LC-Tafel kann die Polarisation
des Lichts drehen, wenn sie sich in einem unaktivierten Zustand
befindet. Trotzdem bleibt die Grundstruktur solcher Anzeigen ähnlich
zu der oben beschriebenen.
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Die
Hintergrundbeleuchtung 112 weist eine Anzahl von Lichtquellen 116 auf,
die das Licht erzeugen, das die LC-Tafel 102 beleuchtet.
Die in einem LCD-TV oder LCD-Monitor verwendeten Lichtquellen 116 sind häufig
lineare Kaltkathodenfluoreszenzröhren, die sich längs
der Höhe der Anzeigevorrichtung 100 erstrecken. Es
können jedoch andere Typen von Lichtquellen verwendet werden,
wie Glüh- oder Bogenlampen, lichtemittierende Dioden (LEDs),
ebene Fluoreszenztafeln oder äußere Fluoreszenzlampen.
Diese Liste von Lichtquellen ist nicht dazu bestimmt, einschränkend
oder erschöpfend, sondern nur exemplarisch zu sein.
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Die
Hintergrundbeleuchtung 112 kann auch einen Reflektor 118 aufweisen,
um Licht, das sich von den Lichtquellen 116 ausbreitet,
in eine Richtung weg von der LC-Tafel 102 zu reflektieren.
Der Reflektor 118 kann auch zur Wiederverwertung von Licht
innerhalb der Anzeigevorrichtung 100 nützlich
sein, wie unten erläutert wird. Der Reflektor 118 kann
ein spiegelnder Reflektor sein oder kann ein diffuser Reflektor
sein. Ein Beispiel eines spiegelnden Reflektors, der als der Reflektor 118 verwendet
werden kann, ist der VikuitiTM Enhanced Specular
Reflection (ESR) Film, der von 3M Company, St. Paul, Minnesota erhältlich
ist. Beispiele geeigneter diffuser Reflektoren wei sen Polymere wie
PET, PC, PP, PS auf, die mit diffus reflektierenden Teilchen wie
Titandioxid, Bariumsulfat, Kalziumkarbonat oder dergleichen beladen
sind. Andere Beispiele diffuser Reflektoren, die mikroporöse
Materialien und faserhaltige Materialien umfassen, werden in der
gemeinsam gehaltenen US-Patentanmeldungsoffenlegung 2003/0118805
A1 erläutert.
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Eine
Anordnung 120 von Lichtführungsfilmen, die auch
als eine Lichtführungseinheit bezeichnet werden kann, ist
zwischen der Hintergrundbeleuchtung 112 und der LC-Tafel 102 angeordnet.
Die Lichtführungsfilme beeinflussen das Licht, das sich
von der Hintergrundbeleuchtung 112 ausbreitet, um die Arbeitsweise
der Anzeigevorrichtung 100 zu verbessern. Zum Beispiel
kann die Anordnung 120 von Lichtführungsfilmen
eine Diffusorplatte 122 aufweisen. Die Diffusorplatte 122 wird
verwendet, um das Licht zu. streuen, das von den Lichtquellen empfangen
wird, was zu einer Zunahme der Gleichmäßigkeit
des Ausleuchtungslichts führt, das auf die LC-Tafel 102 einfällt.
Folglich führt dies zu einem durch den Betrachter wahrgenommenen
Bild, das gleichmäßiger hell ist. In einigen Ausführungsformen
kann die Diffusorplatte 122 als eine Schicht ausgebildet sein,
die lose streuende Teilchen enthält. In einigen Ausführungsformen
kann die Diffusorplatte an einer anderen Schicht in der Anordnung
der Lichtführungsfilme 120 befestigt sein oder
kann weggelassen werden.
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Die
Lichtführungseinheit 120 kann auch einen Reflexionspolarisator 124 aufweisen.
Die Lichtquellen 116 erzeugen typischerweise unpolarisiertes
Licht, jedoch läßt der untere Absorptionspolarisator 110 nur
einen einzigen Polarisationszustand durch, und daher wird etwa die
Hälfte des durch die Lichtquellen 116 erzeugten Lichts
nicht zur LC-Schicht 104 durchgelassen. Der Reflexionspolarisator 124 kann
jedoch verwendet werden, um das Licht zu reflektieren, das andernfalls
im unteren Absorptionspolarisator absorbiert werden würde,
und daher kann dieses Licht durch Reflexion zwischen dem Reflexionspolarisator 124 und
dem Reflektor 118 wiederverwertet werden. Mindestens etwas
des durch den Reflexionspolarisator 124 reflektierten Lichts
kann entpolarisiert werden und anschließend zum Reflexionspolarisator 124 in
einem Polarisationszustand zurückgeschickt werden, der
durch den Reflexionspolarisator 124 und den unteren Absorptionspolarisator 110 zur LC-Schicht 104 durchgelassen
wird. Auf diese Weise kann der Reflexionspolarisator 124 verwendet
werden, um den Anteil des durch die Lichtquellen 116 emittierten
Lichts zu erhöhen, das die LC-Schicht 104 erreicht, und
daher ist das durch die Anzeigevorrichtung 100 erzeugte
Bild heller.
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Jeder
geeignete Typ eines Reflexionspolarisators kann verwendet werden,
zum Beispiel optische Mehrschichtfilm-(MOF)Reflexionspolarisatoren;
ein diffus reflektierender Polarisationsfilm (DRPF), wie Polarisatoren
mit kontinuierlicher/disperser Phase, Drahtgitter-Reflexionspolarisatoren
oder cholesterische Reflexionspolarisatoren.
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Sowohl
die MOF- als auch die Reflexionspolarisatoren mit kontinuierlicher/disperser
Phase beruhen auf dem Unterschied des Brechungsindex zwischen mindestens
zwei Materialien, üblicherweise Polymermaterialien, um
selektiv Licht eines Polarisationszustands zu reflektieren, während
sie Licht in einem orthogonalen Polarisationszustand durchlassen.
Einige Beispiele von MOF-Reflexionspolarisatoren werden im gemeinsam
gehaltenen
US-Patent Nr. 5,882,774 beschrieben.
Kommerziell erhältliche Beispiele von MOF-Reflexionspolarisatoren
umfassen Vikuiti
TM DBEF-D200 und DBEF-D440
Mehrschichtreflexionspolarisatoren, die streuende Oberflächen
aufweisen, die von 3M Company, St. Paul, Minnesota erhältlich
sind.
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Beispiele
eines DRPF, die in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung nützlich
sind, weisen Reflexionspolarisatoren mit kontinuierlicher/disperser
Phase, wie sich im gemeinsam gehaltenen
US-Patent Nr. 5,825,543 beschrieben
werden, und diffus reflektierende Mehrschichtpolarisatoren auf,
wie sie z. B. im gemeinsam gehaltenen
US-Patent
Nr. 5,867,316 beschrieben werden. Andere geeignete Typen
eines DRPF werden im
US-Patent
Nr. 5,751,388 beschrieben.
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Einige
Beispiele von Drahtgitter-Polarisatoren, die in Verbindung mit der
vorliegenden Erfindung nützlich sind, umfassen jene, die
im
US-Patent Nr. 6,122,103 beschrieben
werden. Drahtgitter-Polarisatoren sind unter anderem von Moxtek
Inc., Orem, Utah kommerziell erhältlich.
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Einige
Beispiele eines cholesterischen Polarisators, der in Verbindung
mit der vorliegenden Erfindung nützlich ist, umfassen jene,
die zum Beispiel im
US-Patent
Nr. 5,793,456 und der
US-Patentoffenlegung
Nr. 2002/0159019 beschrieben werden. Cholesterische Polarisatoren
sind häufig zusammen mit einer Viertelwellenverzögerungsschicht
auf der Ausgangsseite vorgesehen, so daß das durch den
cholesterischen Polarisator durchgelassene Licht in eine lineare
Polarisation umgewandelt wird.
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In
einigen Ausführungsformen kann der Reflexionspolarisator 126 eine
Streuung bereitstellen, zum Beispiel mit einer streuenden Oberfläche,
die zur Hintergrundbeleuchtung 112 weist. In anderen Ausführungsformen
kann der Reflexionspolarisator 126 mit einer Helligkeitssteigerungsfläche
versehen sein, die die Verstärkung des Lichts erhöht,
das durch den Reflexionspolarisator 126 geht. Zum Beispiel
kann die Oberseite des Reflexionspolarisators 126 mit einer
prismatischen Helligkeitssteigerungsfläche oder mit einer
Verstärkungsstreufläche versehen sein. Helligkeitssteigerungsflächen
werden unten in näheren Einzelheiten erläutert.
In anderen Ausführungsformen kann der Reflexionspolarisator
mit einem streuenden Merkmal, wie einer streuenden Oberfläche
oder Volumen auf der Seite, die zur Hintergrundbeleuchtung 112 weist,
und mit einem Helligkeitssteigerungsmerkmal, wie einer prismatischen
Oberfläche oder Verstärkungsstreufläche,
auf der Seite versehen sein, die zur LC-Tafel 102 weist.
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Es
kann eine Polarisationssteuerschicht 126 in einigen exemplarischen
Ausführungsformen zum Beispiel zwischen der Diffusorplatte 122 und
dem Reflexionspolarisator 124 vorgesehen sein. Beispiele
einer Polarisationssteuerschicht 126 umfassen eine Viertelwellenverzögerungsschicht
und eine Polarisationsro tationsschicht, wie eine Flüssigkristall-Polarisationsrotationsschicht.
Eine Polarisationssteuerschicht 126 kann verwendet werden,
um die Polarisation von Licht zu ändern, das vom Reflexionspolarisator 124 reflektiert
wird, so daß ein erhöhter Anteil des wiederverwerteten
Lichts durch den Reflexionspolarisator 124 durchgelassen
wird.
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Die
Anordnung 120 der Lichtführungsschichten kann
auch eine oder mehrere Helligkeitssteigerungsschichten aufweisen.
Eine Helligkeitssteigerungsschicht ist eine, die eine Oberflächenstruktur
aufweist, die achsenfernes Licht in eine Richtung näher
zur Achse 132 der Anzeige umleitet. Dies erhöht
die Lichtmenge, die sich axial durch die LC-Schicht 104 ausbreitet,
wodurch die Helligkeit des Bilds erhöht wird, das durch
den Betrachter gesehen wird. Ein Beispiel ist eine prismatische
Helligkeitssteigerungsschicht, die eine Anzahl prismatischer Grate
aufweist, die das Ausleuchtungslicht durch Brechung und Reflexion
umleiten. Beispiele prismatischer Helligkeitssteigerungsschichten,
die in der Anzeigevorrichtung verwendet werden können,
umfassen die VikuitiTM BEFII- und BEFIII-Familie
prismatischer Filme, die von 3M Company, St. Paul, Minnesota erhältlich
sind, die BEFII 90/24, BEFII 90/50, BEFIIIM 90/50 und BEFIIIT umfassen.
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Eine
prismatische Helligkeitssteigerungsschicht stellt typischerweise
eine optische Verstärkung in einer Dimension bereit. Es
kann auch eine zweite Helligkeitssteigerungsschicht 128b in
der Anordnung 120 von Lichtführungsschichten enthalten
sein, in der eine prismatische Helligkeitssteigerungsschicht mit
ihrer prismatischen Struktur angeordnet ist, die orthogonal zur
prismatischen Struktur der ersten Helligkeitssteigerungsschicht 128a orientiert
ist. Eine solche Konfiguration stellt eine Zunahme der optischen
Verstärkung der Anzeigeeinheit in zwei Dimensionen bereit.
In der dargestellten Ausführungsform sind die Helligkeitssteigerungsschichten 128a, 128b zwischen
der Hintergrundbeleuchtung 112 und dem Reflexionspolarisator 124 angeordnet.
In anderen Ausführungsformen können die Hellig keitssteigerungsschichten 128a und 128b zwischen
dem Reflexionspolarisator 124 und der LC-Tafel 102 angeordnet
sein.
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Ein
anderer Typ Helligkeitssteigerungsschicht 128a, die verwendet
werden kann, um die axiale Helligkeit des Lichts zu erhöhen,
das durch die Anzeige geht, ist eine Verstärkungsdiffusor-
bzw. -streuschicht. Ein Beispiel einer Verstärkungsdiffusorschicht
ist eine Schicht, die mit einer Anordnung von Elementen, die als
Linsen dienen, auf ihrer Oberseite versehen ist. Mindestens etwas
des Lichts, das aus der Verstärkungsdiffusorschicht 128a austritt,
das sich andernfalls mit einem relativ großen Winkel zur
Achse 132 der Anzeige ausbreiten würde, wird durch
die Elemente auf der Schichtoberfläche umgeleitet, um sich
in eine Richtung ausbreiten, die paralleler zur Achse 132 ist.
Es kann mehr als eine Verstärkungsstreuhelligkeitssteigerungsschicht 128a verwendet
werden. Zum Beispiel können zwei oder drei Verstärkungsstreuschichten 128a, 128b verwendet werden.
Zusätzlich können eine oder mehrere Verstärkungsstreuschichten 128a zusammen
mit einem oder mehreren prismatischen Helligkeitssteigerungsfilmen 128b verwendet
werden. In einem solchen Fall können die Verstärkungsstreufilme 128a und
prismatischen Helligkeitssteigerungsschichten 128b in jeder
erwünschten Reihenfolge innerhalb der Anordnung der Lichtführungsfilme 120 angeordnet
werden. Ein Beispiel einer Verstärkungsdiffusorschicht,
die in einer Anzeige verwendet werden kann, ist ein Film Typ BS-42,
der von Keiwa Inc., Osaka, Japan erhältlich ist.
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Die
unterschiedlichen Schichten in der Lichtführungseinheit
können freistehend sein. In anderen Ausführungsformen
können zwei oder mehrere der Schichten in der Lichtführungseinheit
miteinander laminiert sein, wie zum Beispiel in der gemeinsam gehaltenen
US-Patentanmeldungsoffenlegung Nr. 2006/0082698 erläutert.
In anderen exemplarischen Ausführungsformen kann die Lichtführungseinheit
zwei durch einen Spalt getrennte Baugruppen aufweisen, wie zum Beispiel
in der gemeinsam gehaltenen US-Patentanmeldungsoffenlegung Nr. 2006/0082700
beschrieben.
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Herkömmlich
sind der Abstand zwischen den Lichtquellen 116 und der
Diffusorschicht 122, der Abstand zwischen benachbarten
Lichtquellen 116 und der Diffusordurchlassung wichtige
Faktoren, die bei der Auslegung der Anzeige für einen gegebenen
Wert der Helligkeit und Gleichmäßigkeit der Ausleuchtung
berücksichtigt werden. Im allgemeinen wird ein starker
Diffusor, d. h. ein Diffusor, der einen höheren Anteil
des einfallenden Lichts streut, die Gleichmäßigkeit
verbessern, wird jedoch auch zu einer reduzierten Helligkeit führen,
da der hohe Streupegel mit einer starker Rückstreuung und
einer gleichzeitigen Zunahme der Verluste verbunden ist.
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Unter
normalen Streubedingungen sind die Variationen der Helligkeit, die über
einen Bildschirm zu erkennen sind, durch Helligkeitsmaxima, die
sich über den Lichtquellen befinden, und Helligkeitsminima
gekennzeichnet, die sich zwischen den Lichtquellen befinden. Ein
Film mit verbesserter Gleichmäßigkeit (EUF) 130 kann
zwischen den Lichtquellen 130 und der Diffusorschicht 122 angeordnet
werden, um die Ungleichmäßigkeit der Ausleuchtung
der Anzeigetafel 102 zu reduzieren. Jede Fläche
des EUF 130, nämlich die Seite, die zu den Lichtquellen 116 weist,
und die Seite, die zur Anzeigetafel 102 weist, kann eine
Lichtablenkfläche aufweisen. Eine Lichtablenkfläche
wird durch eine Anzahl von Lichtablenkelementen gebildet, die Licht,
das von einer Seite des EUF 130 zur anderen geht, in einer
Weise brechend ablenken, die die Ausleuchtungsungleichmäßigkeit
reduziert. Die Lichtablenkelemente weisen einen Abschnitt der EUF-Oberfläche
auf, der nicht parallel zur Ebene des EUF 130 ist. Die
Lichtablenkelemente können als Vorsprünge oder
Vertiefungen auf der Oberfläche des EUF 130 vorgesehen
sein.
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Eine
besondere exemplarische Ausführungsform des EUF 200 wird
in 2 schematisch dargestellt. Der EUF 200 weist
eine erste Lichtablenkfläche 202 auf, die erste
Lichtablenkelemente 204 aufweist. In dieser besonderen
Ausführungsform sind die Lichtablenkelemente 204 als
facettierte Rippen ausgebildet, die über der Oberfläche
des EUF 200 liegen. Eine zweite Lichtab lenkfläche 206 auf
der anderen Seite des EUF von der ersten Lichtablenkfläche 202 weist
ebenfalls Lichtablenkelemente 208 auf. In der dargestellten
Ausführungsform sind die Lichtablenkelemente 208 wie
facettierte Rippen geformt. In dieser Konfiguration der EUF 200 sind
die gerippten Lichtablenkelemente 204 und 208 relativ
so orientiert, daß Licht 210, das auf den EUF 200 in
eine Richtung parallel zur z-Achse von unten einfällt,
in der x-z-Ebene durch die zweite Lichtablenkfläche 206 abgelenkt
wird. Beim Austritt aus dem EUF 200 wird Licht, das sich
innerhalb des EUF 200 parallel zur z-Achse ausbreitet,
in der y-z-Ebene durch die erste Lichtablenkfläche 202 abgelenkt.
Da folglich Licht, das auf den Film 200 normal einfällt,
in einer Ebene parallel zur x-z-Ebene abgelenkt wird, kann behauptet
werden, daß die Elemente 204 eine Lichtablenkebene
bilden, die zur x-z-Richtung parallel ist. Wie er hierin verwendet wird,
bezeichnet der Ausdruck normaler Einfall Licht, das senkrecht einfällt.
Da desgleichen Licht, das sich innerhalb des Films parallel zur
z-Achse ausbreitet, in der y-z-Ebene abgelenkt wird, kann behauptet
werden, daß die Elemente 208 eine Lichtablenkebene
bilden, die parallel zur y-z-Richtung ist. In dieser Konfiguration sind
die Lichtablenkebenen, die aus den Lichtablenkelementen 204 und 208 hervorgehen,
senkrecht zueinander. In anderen Konfigurationen können
die Lichtablenkebenen nichtparallel sein, ohne senkrecht zu sein.
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In
einigen Konfigurationen können die Lichtablenkelemente
der oberen oder unteren Seite Licht in mehr als eine Richtung ablenken.
In einem solchen Fall wird angenommen, daß die Lichtablenkebene
jene Ebene bedeutet, die die Richtung bildet, wo die Ablenkung am
größten ist.
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In
einigen Ausführungsformen kann der EUF selbst aus streuendem
Material ausgebildet sein, zum Beispiel einer Polymermatrix, die
lose streuende Teilchen enthält. Die streuenden Teilchen
können sich durch den gesamten EUF erstrecken, oder können
in Teilen des EUF, wie den Lichtablenkelementen fehlen. Wo der EUF
streuend ist, braucht die Anordnung der Lichtführungsfilme keine
zusätzliche Diffusorschicht zwischen der EUF und der Anzeigetafel
aufweisen, obwohl eine zusätzliche Diffusorschicht vorhanden
sein kann.
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Die
Lichtablenkflächen auf dem EUF können Lichtablenkelemente
unterschiedlicher Formen aufweisen und können auch verschiedene
Abschnitte aufweisen, die parallel zum EUF verlaufen. Einige zusätzliche exemplarische
Ausführungsformen des EUF werden in den 3A und 3B schematisch
dargestellt. In 3A weist die dargestellte Ausführungsform
des EUF 300 eine obere Lichtablenkfläche 302 auf,
die Lichtablenkelemente 304 aufweist, die eine facettierte
Querschnittsform mit einem Spitzenwinkel α aufweisen, und
wobei jede Seite drei ebenen Oberflächen 306a, 306b und 306c aufweist,
die unter unterschiedlichen Winkeln relativ to zur Achse 308 orientiert
sind. In dieser besonderen Ausführungsform gibt es einen
ebenen Bereich 310 zwischen benachbarten Lichtablenkelementen 304,
wo die Filmoberfläche parallel zur Ebene des EUF 300 ist.
Die Breite des ebenen Bereichs 310 wird als „w” gezeigt.
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Jede
Seite des Lichtablenkelements 304 kann durch eine beste
Anpassungskurve 314a und 314b angenähert
werden, die jeweilige Krümmungsmittelpunkte C1 und C2 aufweist.
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Die
Unterseite 312 kann eine zweite Lichtablenkfläche
sein, die mit Lichtablenkelementen derselben Form wie jenen auf
der oberen Lichtablenkfläche 302 versehen ist,
oder kann eine andere Form aufweisen. In anderen Ausführungsformen
kann die Unterseite 312 eben sein.
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In 3B weist
der EUF 320 eine Lichtablenkfläche 322 auf,
die facettierte Lichtablenkelemente 324 mit einem ebenen
oberen Abschnitt 326 aufweist. In dieser besonderen Ausführungsform
gibt es außerdem einen ebenen Bereich 328 zwischen
benachbarten Lichtablenkelementen 324. Die untere Lichtablenkfläche 330 kann
dieselbe Form wie die erste Lichtablenkfläche 322 aufweisen
oder kann eine andere Form aufweisen.
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Die
facettierten Seiten der Lichtablenkelemente zwischen den Punkten 330a und 330b,
und zwischen den Punkten 332a und 332b, können
durch beste Anpassungskurven angenähert werden, die Krümmungsmittelpunkte
C3 bzw. C4 aufweisen. Es ist festgestellt worden, daß die
Leistung des EUF erhöht wird, wo die Krümmungsmittelpunkte
jeder Seite nicht zusammenfallen. In den gerade beschriebenen Beispielen
bedeutet dies, daß die Leistung verbessert wird, wo die
Mitten C1 und C2 nicht zusammenfallen oder die Mitten C3 und C4
nicht zusammenfallen.
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Einige
andere exemplarische Ausführungsformen des EUF werden in
den 4A–4D schematisch
dargestellt. In 4A weist der EUF 400 eine
erste Lichtablenkfläche 402 auf, die Lichtablenkelemente 404 mit
gekrümmten Flächen 406, die sich an der
Spitze 407 treffen, aufweist. Die zweite Lichtablenkfläche 408 kann
Lichtablenkelemente mit gekrümmten Flächen aufweisen,
obwohl dies nicht notwendig ist. Desgleichen kann die erste Lichtablenkfläche
in anderen Ausführungsformen nicht eine oder mehrere gekrümmte Oberflächen
aufweisen, während die zweite Lichtablenkfläche
eine oder mehrere gekrümmte Oberflächen aufweist.
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Die
exemplarische Ausführungsform des EUF 420, die
schematisch in 4B dargestellt wird, weist eine
Lichtablenkfläche 422 mit Lichtablenkelementen 424 auf,
die gekrümmte Oberflächen 426 und ebene
Abschnitte 428 aufweisen. In der dargestellten Ausführungsform
sind die ebenen Abschnitte 428 parallel zur Ebene des EUF-Films 420.
In einigen Ausführungsformen kann die Lichtablenkfläche 422 ebene
Abschnitte 430 zwischen den Lichtablenkelementen 424 enthalten.
In der dargestellten Ausführungsform sind die ebenen Abschnitte 430 parallel
zur Ebene des EUF 420.
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In
den exemplarischen Ausführungsformen, die in den 4A und 4B dargestellt
werden, weisen die gekrümmten Oberflächen der
Lichtablenkelemente 404, 424 eine verhältnismäßig
abrupte Änderung des Oberflächengradienten auf,
die als ähnlich zu einer mathematischen Unstetigkeit betrachtet
werden kann. Zum Beispiel tritt eine abrupte Änderung des
Gradienten am Punkt 408 in 4A, an
der Spitze 407 des Lichtablenkelements 404, und
am Punkt 432 des Lichtablenkelements 424 in 4B auf.
Diese verhältnismäßig abrupten Änderungen
des Gradienten verhindern, daß ein einzelnes Lichtablenkelement
als eine Linse arbeitet, da eine Linse weiche Änderungen
des Gradienten über ihre Oberfläche erfordert.
Folglich erzeugen die Lichtablenkelemente 404, 424 keinen
einzelnen Brennpunkt für paralleles Licht, das dort hindurch
geht, weder einen reellen Brennpunkt noch einen virtuellen Brennpunkt.
Es wird erkannt werden, daß jede der hierin erläuterten
Lichtablenkflächen auf einem einseitigen EUF, mit anderen
Worten einem, der nur auf einer Seite des Films eine Lichtablenkfläche
aufweist, oder einem zweiseitigen EUF, einem, der auf beiden Seiten
Lichtablenkflächen aufweist, enthalten sein kann.
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In
den exemplarischen Ausführungsformen, die in den 4A und 4B dargestellt
werden, können die Lichtablenkelemente 402, 422 so
betrachtet werden, daß sie aus der Oberfläche
des EUF 400, 420 vorstehen. In anderen Ausführungsformen
können die Lichtablenkelemente als Vertiefungen in der
Oberfläche des EUF ausgebildet sein. Eine exemplarische
Ausführungsform eines solchen EUF 440 wird in 4C schematisch
dargestellt. In diesem Fall ist die Lichtablenkfläche 442 mit
Lichtablenkelementen 444 ausgebildet, die Oberflächen 446 aufweisen.
In einigen Ausführungsformen können ebene Bereiche 448 in
der Vertiefung vorgesehen sein, und ebene Bereiche 450 können
zwischen Lichtablenkelementen 444 vorgesehen sein. Es ist für
die Erfindung unwichtig, ob eine Lichtablenkfläche Lichtablenkelemente
enthält, die aus dem EUF heraus oder in den EUF vorstehen,
und tatsächlich können die beiden Konfigurationen
unter gewissen Umständen als äquivalent verstanden
werden, wobei der Abschnitt 452 zwischen zwei vertieften
Lichtablenkelementen als ein Lichtablenkelement betrachtet wird,
das aus dem EUF heraus vorsteht.
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Die
Lichtablenkelemente brauchen nicht alle dieselbe Höhe aufweisen.
Wie zum Beispiel in 4D schematisch dargestellt wird,
können die Lichtablenkelemente 464 unterschiedliche
Höhen aufweisen. Außerdem kann ein einzelnes Lichtablenkelement
eine Höhe aufweisen, die längs seiner Länge
variiert. Zum Beispiel weist das Lichtablenkelement 470 auf
der zweiten Lichtablenkfläche 468 eine Höhe
h auf, die abhängig von der Position längs des
Films 460 variiert.
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Eine
andere Ausführungsform eines EUF, dessen Lichtablenkelemente
in der Höhe variieren, wird in 5 schematisch
dargestellt. Der EUF 500 weist eine erste Lichtablenkfläche 502 auf,
deren Lichtablenkelemente 504 als Prismen 506 ausgebildet
sind, die wellenförmige Grate 508 aufweisen. Die
Höhe der Grate 508 variiert längs der
Prismen 506, und auch die Breite w variiert längs
der Prismen 506. Diese Art von Oberfläche wird
in näheren Einzelheiten in der US-Patentanmeldungsoffenlegung
Nr. 2007/0047254 beschrieben. Die zweite Lichtablenkfläche 510 kann
Lichtablenkelemente jeder erwünschten Form enthalten. Zum
Beispiel kann die zweite Lichtablenkfläche 510 Lichtablenkelemente
aufweisen, die als Prismen mit wellenförmigen Graten ausgebildet
sind.
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Die
Lichtablenkelemente brauchen nicht relativ zu einer Normalen zum
EUF symmetrisch sein. Ein Beispiel eines EUF 600 mit einem
asymmetrischen Lichtablenkelement 602 wird in 6A schematisch
dargestellt. In dieser besonderen Ausführungsform sind
die Lichtablenkelemente 602 als Prismen mit geraden Seiten
ausgebildet. Mindestens einige der Lichtablenkelemente, zum Beispiel
die Lichtablenkelemente 602a und 602b sind relativ
zur Achse 604 asymmetrisch, die normal zum EUF 600 gezogen
ist. Die untere Lichtablenkfläche 606 kann asymmetrische
Lichtablenkelemente aufweisen oder nicht.
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Eine
andere Ausführungsform eines EUF 620 mit asymmetrischen
Lichtablenkelementen 622 wird in 6B schematisch
dargestellt. Mindestens einige der Lichtablenkelemente 622 weisen
gekrümmte Seiten auf und sind relativ zur Achse 624 asymmetrisch,
die normal zum EUF 620 ist, zum Beispiel die Elemente 622a und 622b.
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Eine
andere exemplarische Ausführungsform des EUF 640,
die in 6C schematisch dargestellt wird,
weist Lichtablenkele mente 642 mit einem dreieckigen Querschnitt
auf, so daß die Lichtablenkelemente 642 mit zwei
geraden Seiten 644 ausgebildet sind. Mindestens eines der
Lichtablenkelemente 642 ist mit einem Spitzenwinkel ausgebildet,
der sich vom Spitzenwinkel der anderen Lichtablenkelemente unterscheidet. In
der dargestellten Ausführungsform weist das Lichtablenkelement 642a einen
ersten Spitzenwinkel α1 auf, das Lichtablenkelement 642b weist
einen zweiten Spitzenwinkel α2 auf, und das Lichtablenkelement 642c weist
einen dritten Spitzenwinkel α3 auf. Die Lichtablenkelemente
der drei unterschiedlichen Spitzenwinkel können in einer
regelmäßigen Weise über dem EUF 640 wiederholt
werden, oder können in einer zufälligen Reihenfolge über
den EUF 640 wiederholt werden.
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Eine
andere exemplarische Ausführungsform des EUF 660,
die in 6D schematisch dargestellt wird,
weist Lichtablenkelemente 662 mit unterschiedlichen Arten
von Querschnittsformen auf. In dieser Ausführungsform sind
Lichtablenkelemente 662a und 662b jeweils als
facettierte Rippen mit Oberflächen unter unterschiedlichen
Winkeln relativ zur Achse 664 ausgebildet. Das Lichtablenkelement 662c ist
als eine dreieckige prismatische Rippe ausgebildet. Andere Formen
können ebenfalls verwendet werden, zum Beispiel können Lichtablenkelemente
mit einer oder mehreren gekrümmten Oberflächen
verwendet werden.
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7A stellt
schematisch die Verwendung eines EUF mit anderen Lichtführungsschichten 704 dar.
In der dargestellten Ausführungsform weist die Lichtführungsschicht 704 eine
prismatische Helligkeitssteigerungsschicht auf. In anderen Ausführungsformen
können andere Schichttypen oder zusätzliche Lichtführungsschichten,
wie eine Reflexionspolarisatorschicht über der Diffusorschicht 702 angeordnet
sein. Der EUF 710 ist auf der Eingangsseite der Diffusorschicht 702 angeordnet.
Der EUF 710 weist eine erste Lichtablenkfläche 712,
die zur Diffusorschicht 702 weist, und eine zweite Lichtablenkfläche 714 auf,
die von der Diffusorschicht 702 weg weist. Licht 708 aus
einer oder mehreren (nicht gezeigten) Lichtquellen geht durch den
EUF 710 zur Diffusorschicht 702 und weiter zur
anderen Lichtführungsschicht oder -Schichten 704.
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In
einigen Ausführungsformen kann die erste Lichtablenkfläche
712 an
der Diffusorschicht
702 befestigt sein, zum Beispiel durch
die Verwendung eines Klebemittels. Eine exemplarische Ausführungsform
einer solchen Anordnung wird in
7B schematisch
dargestellt, in der Teile der ersten Lichtablenkfläche
712 in eine
Klebemittelschicht
722 auf der Unterseite
703 der
Diffusorschicht
702 eindringen. In einigen Ausführungsformen
bleibt zwischen der Klebemittelschicht
722 und Teilen der
Oberfläche
712 ein Spalt
724. Die Befestigung
strukturierter Filmoberflächen an anderen Schichten unter
Verwendung von Klebemitteln wird in näheren Einzelheiten
im
US-Patent Nr. 6,846,089 beschrieben.
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Eine
andere exemplarische Ausführungsform wird in 7C schematisch
dargestellt, in der die Lichtablenkfläche 712 Lichtablenkelemente
mit Abschnitten 730 enthält, die parallel zur
Unterseite 702a der Diffusorschicht 702 sind.
Die Oberfläche der Lichtablenkfläche 712 kann
gegen die Unterseite 702a der Diffusorschicht 702 gepreßt
werden, oder kann an die Unterseite 702a zum Beispiel unter
Verwendung eines Klebemittels geklebt sein.
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Modellbeispiele
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Ein
optisches Strahlverfolgungsmodell einer Ausleuchtungseinheit einer
Anzeige, die eine Hintergrundbeleuchtung und eine Lichtführungseinheit
aufwies, wurde aufgebaut, um die optische Leistung der Ausleuchtungseinheit
als Funktion verschiedener Parameter eines EUF zu untersuchen. Die
Modellausleuchtungseinheit 800, die in 8 schematisch
dargestellt wird, wies einen reflektierenden Rahmen 802,
der die Kantengrenzen des Lichtquellenanordnungshohlraums 804 definiert,
einen hinteren Reflektor bzw. Rückreflektor 806 unter
der Lampenanordnung 808, eine Diffusorschicht 810 und
einen EUF 812 auf. Wenn nicht anders angegeben, setzte
das Modell voraus, daß der Reflektor 806 ein spiegelnder
Reflektor war. Das Modell setzte voraus, daß die Lampen 808 jeweils
eine längliche Quelle mit 38000 Nit aufwiesen, die ähnlich
zu einer Kaltkathodenfluoreszenzlampe war. Die Lampen 808 waren
regelmäßig durch einen Mittenabstand S beabstandet,
die Trennung zwischen dem Reflektor 806 und dem EUF 812 war
durch D gegeben, und der Trennungsabstand zwischen den Lampen 808 und
dem Reflektor 806 war H. Es wurde vorausgesetzt, daß der
Abstand zwischen den Lampen 808, S, 30 mm betrug, es wurde
vorausgesetzt, daß der Durchmesser, 2R, der Lampen 3 mm
betrug, und es wurde vorausgesetzt, daß der Wert von D
13,3 mm betrug. Die Diffusorschicht 810 war 2 mm dick,
während der EUF 812 eine Dicke von annähernd
0,07 mm aufwies und mit der Unterseite der Diffusorschicht 810 in
Kontakt stand. Es gab drei Lampen 808 im Hohlraum. Eine
Reflexionspolarisatorschicht 814 war über der
Diffusorschicht 810 angeordnet.
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Es
wurde vorausgesetzt, daß der Brechungsindex des für
den EUF verwendeten Materials 1,586 betrug, was dem Wert des Brechungsindex
für ein Epoxidacrylatmaterial entspricht, das für
den EUF verwendet werden könnte. Es können andere
geeignete Arten von Materialien für einen EUF verwendet
werden. Beispielpolymermaterialien umfassen, sind jedoch nicht beschränkt
auf, Poly(Karbonat) (PC); syndiotaktisches und isotaktisches Poly
(Styrol) (PS); C1-C8-Alkylstyrole; Alkyl, aromatische und aliphatische
ringhaltige (Meth)acrylate, die Poly(methylmethacrylat) (PMMA) und
PMMA-Copolymere umfassen; ethoxylierte und propoxylierte (Meth)acrylate;
multifunktionale (Meth)acrylate; acrylisierte Epoxide; Epoxide;
und andere ethylenisch ungesättigte Materialien; cyclische
Olefine und cyclische Olefincopolymere; Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS);
Styrol-Acrylnitril-Copolymere (SAN); Epoxide; Poly(vinylcyclohexan);
PMMA/Poly(vinylfluorid)-Mischungen; Poly(Phenylenoxid)-Legierungen;
Styrol-Blockcopolymere; Polyimid; Polysulfon; Poly(vinylchlorid); Poly(dimethylsiloxan)
(PDMS); Polyurethane; ungesättigte Polyester; Poly(ethylen),
die Polyethylen mit niedriger Doppelbrechung umfassen; Poly(propylen)
(PP); Poly(alkanterephthalat), wie Poly(ethylenterephthalat) (PET);
Poly(alkannapthalate), wie Poly(ethylennaphthalat) (PEN); Polyamid;
Ionomere; Vinylazetat/Polyethylen-Copolymere; Zelluloseazetat; Zelluloseazetat-Butyrat;
Fluorpolymere; Poly(styrol)-Poly(ethylen)-Copolymere; PET- und PEN-Copolymere,
die Polyolefin-PET und PEN umfassen; und Poly(karbonat)/aliphatische PET-Mischungen.
Der Ausdruck (Meth)acrylat ist so definiert, daß es sich
entweder um die entsprechenden Methacrylat- oder Acrylat-Verbindungen
handelt.
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Die
Leuchtdichte über dem Reflexionspolarisator 814 wurde
für verschiedene Formen von Lichtablenkflächen
auf dem EUF berechnet. In einigen Berechnungen enthielt der EUF
nur prismatische Rippen mit einem dreieckigen Querschnitt, wobei
die prismatischen Rippen im EUF jeweils denselben Spitzenwinkel
aufwiesen. Für diese Fälle wurde die Leuchtdichte
für Rippen mit den folgenden unterschiedlichen Spitzenwinkeln berechnet:
70°, 80°, 90°, 100°, 110°,
120° und 130°. Die Leuchtdichte wird für
das Licht berechnet, das sich in eine Richtung im wesentlichen normal
zum Reflexionspolarisator ausbreitet.
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Die
Leuchtdichte wird in 10 für die EUFs mit
Spitzenwinkeln von 70° (Kurve 1002), 80° (Kurve 1004),
90° (Kurve 1006), 100° (Kurve 1008),
110° (Kurve 1010), 120° (Kurve 1012)
und 130° (Kurve 1014) gegen die Position aufgetragen
gezeigt. Außerdem ist die Leuchtdichte aufgetragen (Kurve 1016),
wenn der EUF durch eine ebene, unstrukturierte Lage ersetzt ist.
Es wird nur eine Lampe gezeigt, die bei X = 0 mm angeordnet ist,
jedoch kann das Verhalten zwischen benachbarten Lampen durch einfaches
Wiederholen der in 10 gezeigten Kurven festgestellt
werden.
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Im
allgemeinen ist dort, wo der EUF einen großen Spitzenwinkel
aufweist oder durch eine ebene Lage ersetzt ist, die Leuchtdichte über
der Lampe hoch und zwischen den Lampen verhältnismäßig
niedrig. Wo die Spitzenwinkel kleiner sind, wird berechnet, daß die
Leuchtdichte über der Lampe niedriger ist und zwischen den
Lampen höher ist. Dieser Effekt tritt infolge einer Totalreflexion
auf, die innerhalb der Prismen stattfindet, die die Lichtmenge reduziert,
die von den Lampen nach oben geht, und daher geht ein größerer
Anteil des Lichts durch den EUF, indem er auf den EUF unter einem
Winkel einfällt, so daß eine Totalreflexion weniger wahrscheinlich
ist. Jedoch ist keine der Kurven besonders flach.
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Kurve 1018 entspricht
einer gemischten Leuchtdichte, die durch Addieren 47% der Werte
der Kurve 1002, 52% der Werte der Kurve 1014 und
1% der Werte der Kurve 1016 gebildet wird. Dieses Modell
wird als Mischung 1 bezeichnet. Dies legt es qualitativ
nahe, daß die Verwendung von Lichtablenkelementen mit Oberflächen,
die unter mehr als einem Winkel zur EUF-Achse geneigt sind, bei
der Verbesserung der Gleichmäßigkeit der Leuchtdichte
nützlich sein kann. Dies wurde durch Modellierung eines
EUF untersucht, der ein Wiederholungsmuster aufweist, wie es in
den folgenden vier Beispielen beschrieben wird.
-
Beispiel: Einheitszelle 1
-
In
anderen Fällen enthielt der EUF Lichtablenkelemente unterschiedlicher
Formen. Es wurde eine Einheitszelle aus drei unterschiedlich geformten
Lichtablenkelementen über dem EUF wiederholt. Ein Einheitszellentyp,
der als Einheitszelle 1 bezeichnet wird, wird in der Ausführungsform
des EUF
900 gezeigt, die in
9A dargestellt
wird. In diesem EUF
900 enthielt die Einheitszelle, die
Oberfläche zwischen den beiden vertikal gestrichelten Linien,
einen ersten Abschnitt
902, der als eine prismatische Rippe
mit geneigten Oberflächen
902a und
902b ausgebildet
ist, einen zweiten Abschnitt
904, der als eine prismatische
Rippe mit geneigten Oberflächen
904a und
904b ausgebildet
ist, und einen dritten Abschnitt
906, der im wesentlichen
eben war. Wenn die Breite der Einheitszelle als C angenommen wird,
dann sind die Breiten der drei Abschnitte so gestaltet, wie in Tabelle
I unten gezeigt. Tabelle I: Eigenschaften der Einheitszelle
1
| Abschnitt
Nr. | Breite | Spitzenwinkel |
| 902 | 0,47C | 70° |
| 904 | 0,52C | 130° |
| 906 | 0,01C | 178° |
-
Beispiel: Segment 1
-
Ein
segmentiertes oder facettiertes Lichtablenkelement 912 wurde
für einen EUF 910 modelliert, wie schematisch
in 9B dargestellt. Das facettierte Element 912 wies
Abschnitte 912a, 912b, 912c, 912d und 912e auf.
Die Abschnitte 912a und 912d waren Facetten, die
jeweils dieselbe Breite und denselben Steigungswinkel wie die Seiten 902a und 902a im
EUF 900 aufwiesen. Die Abschnitte 912b und 912c waren
Facetten mit derselben Breite und demselben Steigungswinkel wie
die Seiten 904a und 904b im EUF 900.
Der Abschnitt 912e war derselbe wie der Abschnitt 906 in
EUF 900.
-
Beispiel: Einheitszelle 2
-
Eine
zweite Einheitszelle, die als Einheitszelle 2 bezeichnet wird, die
in
9C gezeigt wird, wurde ebenfalls in einigen Berechnungen
verwendet. In diesem EUF
920 enthielt die Einheitszelle
einen ersten Abschnitt
922, der als eine prismatische Rippe
mit geneigten Oberflächen
922a und
922b ausgebildet
war, einen zweiten Abschnitt
924, der als eine prismatische
Rippe mit geneigten Oberflächen
924a und
924b ausgebildet war,
und einen dritten Abschnitt
926, der im wesentlichen eben
war. Die Breiten der drei Abschnitte waren so gestaltet, wie in
Tabelle II unten gezeigt. Tabelle II: Eigenschaften der Einheitszelle
2
| Abschnitt
Nr. | Breite | Spitzenwinkel |
| 922 | 0,47C | 80° |
| 924 | 0,4C | 120° |
| 926 | 0,13C | 178° |
-
Beispiel: Segment 2
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Ein
segmentiertes Lichtablenkelement 932 wurde für
einen EUF 930 modelliert, wie in 9D schematisch
dargestellt. Das segmentierte Element 932 wies Abschnitte 932a, 932b, 932c, 932d und 932e auf.
Die Abschnitte 932a und 932d waren Facetten, die
jeweils dieselbe Breite und denselben Steigungswinkel wie die Seiten 922a und 922a im
EUF 920 aufwiesen. Die Abschnitte 932b und 932c waren
Facetten mit derselben Breite und demselben Steigungswinkel wie
die Seiten 924a und 924b im EUF 900.
Der Abschnitt 932e wies dieselbe Breite wie der Abschnitt 926 im
EUF 920 auf.
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Der
ebene Abschnitt, Abschnitt 3, wurde als ein Prisma modelliert, das
eine dreieckige Form mit einem Spitzenwinkel von 178° aufwies.
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Die
Leuchtdichte, die für die Einheitszelle 1 (Kurve 1102),
Segment 1 (Kurve 1104), die Einheitszelle 2 (Kurve 1106)
und das Segment 2 (Kurve 1108) berechnet wurde, wird in 11 gezeigt.
Außerdem werden auf dieser graphischen Darstellung zwei „gemischte” Ergebnisse
gezeigt, die durch Mischen gewichteter Werte von drei der Kurven
in 10 gefunden wurden. Kurve 1110 ist dieselbe
wie die Mischungskurve 1018 in 10, Mischung
1. Kurve 1112 ist eine Mischung, die durch Addieren von
47% der Werte der Kurve 1004, 40% der Werte der Kurve 1012 und
13% der Werte der Kurve 1016 berechnet wird. Dieses Modell
wird als Mischung 2 bezeichnet. Wie erkannt werden kann, sind sich
diese Kurven in ihrem Wert alle verhältnismäßig nahe.
-
Tabelle
III unten faßt die durchschnittliche Leuchtdichte und die
Gleichmäßigkeit für jede der in den
10 und
11 gezeigten
Kurven zusammen. Die Gleichmäßigkeit wurde als
die Standardabweichung vom durchschnittlichen Leuchtdichtewert in
Prozent berechnet. Tabelle III
| EUF-Form | Leuchtdichte
(Nit) | Gleichmäßigkeit
(%Standardabweichung) |
| 70° Prisma | 9299 | 5,7% |
| 80° Prisma | 9384 | 5,2% |
| 90° Prisma | 9435 | 5,6% |
| 100° Prisma | 9459 | 2,1% |
| 110° Prisma | 9357 | 2,2% |
| 120° Prisma | 9284 | 3,0% |
| 130° Prisma | 9259 | 5,2% |
| Eben | 9014 | 7,6% |
| Einheitszelle
1 | 9241 | 0,93% |
| Segment
1 | 9365 | 0,81% |
| Mischung
1 | 9275 | 0,15% |
| Einheitszelle
2 | 9256 | 0,64% |
| Segment
2 | 9389 | 0,64% |
| Mischung
2 | 9256 | 0,7% |
-
Jene
Modelle, die Lichtablenkflächen aufweisen, die unter mehr
als einem Winkel zur Filmachse verlaufen, d. h. die Mischungen,
Einheitszellen und segmentierten Fälle, zeigen eine erheblich
verbesserte Gleichmäßigkeit über die
einzelnen Spitzenwinkelbeispiele.
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Es
wird durch die Erfinder angenommen, daß die Verbesserung
der Leuchtdichte mindestens teilweise wie folgt erklärt
werden kann. Man betrachte das System 1200, das in 12A schematisch dargestellt wird, in dem Licht
aus einer Lampe 1202 auf einen EUF 1204 gerichtet
ist, der eine einfache prismatische Lichtablenkfläche mit
einem Spitzenwinkel aufweist. Licht 1206, das normal auf
den EUF 1204 einfällt, wird durch die prismatische
Lichtablenkfläche innen total reflektiert. Dies reduziert
die Leuchtdichte des Lichts an einer Positionsrichtung über
der Lampe 1202. Licht 1208, das unter einem bestimmten
Winkel θn auf den EUF einfällt, wird
durch den EUF 1204 in einer solchen Weise abgelenkt, daß es
sich in eine zum EUF 1204 im wesentlichen senkrechte Richtung
ausbreitet. Licht 1210, 1212, das auf den EUF
unter anderen Winkeln einfällt, tritt aus dem EUF in andere
Richtungen als die senkrechte Richtung aus. Der Diffusor streut
Licht um eine Richtung des einfallenden Strahls und ist für
Licht am wenigsten schwächend, das in die normale Richtung
einfällt. Daher wird Licht, das im wesentlichen in die
normale Richtung abgelenkt wird, dem normalen Beobachter heller als
Licht erscheinen, das von der Normalen weg abgelenkt wird. Der Wert
von θn wird durch den Steigungswinkel
der Lichtablenkfläche und den Brechungsindex des EUF-Materials
bestimmt. Eine Art, das System 1200 zu verstehen, ist es,
den EUF 1204 so zu betrachten, daß er Licht in
zwei Bilder aufspaltet, die sich senkrecht zum EUF 1204 ausbreiten,
d. h. daß er eine räumliche Trennung bereitstellt,
und daß die nachfolgende Diffusorschicht 1214 eine
Winkeltrennung bereitstellt.
-
Man
betrachte nun das System 1250, das in 12B schematisch dargestellt wird, in dem Licht
aus einer Lampe 1252 auf einen EUF 1254 gerichtet
ist, der Lichtablenkelemente 1256 aufweist, die Oberflächen aufweisen,
die unter mehr als einem Winkel zur Achse 1258 angeordnet
sind. In der dargestellten Ausführungsform sind die Lichtablenkelemente 1256 facettierte
Elemente, jedoch können andere Arten von Elementen verwendet
werden, zum Beispiel mit gekrümmten Oberflächen.
Folglich kann ein Lichtstrahl 1259, der normal auf den
EUF 1254 einfällt, durch die Lichtablenkelemente 1256 innen
total reflektiert werden. Ferner fallen Lichtstrahlen 1260a und 1260b,
die aus dem EUF 1254 in eine Richtung senkrecht zum EUF 1254 austreten, auf
den EUF unter unterschiedlichen Winkeln θna bzw. θnb ein. Folglich breitet sich senkrecht gerichtetes
Licht aus einem größeren Abschnitt des EUF 1254 als
des EUF 1204 heraus aus. Dies hilft, das Licht gleichmäßiger zwischen
den Lampen 1252 zu verteilen, was zu einer größeren
Gleichmäßigkeit der Leuchtdichte führt.
Wenn der EUF folglich Lichtablenkflächen aufweist, die
unter mehr als einem Winkel zur Filmachse orientiert sind, führt
die Aufspaltungsfunktion, die durch den EUF ausgeführt
wird, dazu, daß das aufgespaltete Licht stärker ausgebreitet
wird, als wenn es eine Lichtablenkfläche mit einem einzigen
Winkel gibt. Diese Aufspaltungsaktivität wird jedoch besser
ausgeführt, wenn das Lichtablenkelement eine oder mehrere
Unstetigkeiten, d. h. verhältnismäßig
scharfe Änderungen des Steigungswinkels aufweist, als wenn
es keine scharfe Änderungen des Steigungswinkels gibt,
wie bei einer Linse festgestellt werden könnte. Es ist
festgestellt worden, daß ein Lichtablenkelement, das eine
kontinuierliche Oberfläche aufweist, wie eine Linse, nicht
so gut als Lichtablenkelement funktioniert, wie zum Beispiel eine
facettierte Struktur oder hierin beschriebene andere Strukturen.
Zusätzlich kann eine facettierte Oberfläche leichter
als eine kontinuierliche Oberfläche, wie eine kreisförmige
oder elliptische Oberfläche herzustellen sein.
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Es
kann unterschiedlichen Ansätzen gefolgt werden, um die
Gestaltung einer Lichtablenkfläche zu optimieren. Ein Ansatz,
der in einigen Fällen nützlich ist, wie dem oben
bezüglich der Beispiele beschriebenen, ist es, zuerst die
Leistung mehrerer einfacher Formen, zum Beispiel die Leistung einfacher
EUFs zu modellieren, die prismatische Rippen mit unterschiedlichem
Spitzenwinkel aufweisen, wie in 10 gezeigt.
Danach eine Mischung von zwei, drei oder mehreren unterschiedlichen
Kurven, um eine gemischte Kurve zu erzeugen, die in ihrer Leuchtdichte
verhältnismäßig eben ist. Die Mischung
kann durch Addieren gewichteter Werte unterschiedlicher Kurven gebildet
werden. Sobald eine akzeptable Mischung erzeugt worden ist, kann
ein Ausgangspunkt für die Optimierung auf einer Einheitszelle
oder segmentierten Oberfläche beruhen, die Prismen oder
Segmente enthält, deren Größe durch das
Gewicht der damit in Beziehung stehenden Kurve gegeben ist, die
verwendet wird, um die Mischung zu erzeugen. Die Leistung der Einheitszelle
oder segmentierten Oberfläche kann sich infolge von Wechselwirkungen
zwischen Facetten von jener der Mischung unterscheiden. Die Opti mierung
kann dann weitergehen, indem unterschiedliche Parameter der Einheitszelle
oder segmentierten Oberfläche variiert werden, um Trends
der EUF-Leistung zu beobachten.
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Es
sollte verstanden werden, daß Lichtablenkflächen
viele unterschiedliche Arten von Formen annehmen können,
die hier nicht im Detail erläutert werden, die Oberflächen
mit Lichtablenkelementen umfassen, die zufällig in Position,
Form und/oder Größe sind. Während die
oben erläuterten exemplarischen Ausführungsformen
auf Lichtablenkflächen gerichtet sind, die das Ausleuchtungslicht
brechend ablenken, können zusätzlich andere Ausführungsformen
das Ausleuchtungslicht beugen, oder können das Ausleuchtungslicht durch
eine Kombination von Brechung und Beugung ablenken. Die hier beschriebenen
Berechnungsergebnisse zeigen, daß andere Typen und Formen
der Lichtablenkschicht das Potential bereitstellen, verglichen mit
einem einfachen Diffusor alleine die Beleuchtungsstärke
zu erhöhen und die Variation der Beleuchtungsstärke zu
reduzieren. Lichtablenkelemente können verglichen mit jenen,
die in den oben bereitgestellten Beispielen dargestellt werden,
andere Anzahlen von Facetten aufweisen, und die Lichtablenkelemente
können in einem Wiederholungsmuster oder in einem Muster
angeordnet sein, das sich nicht wiederholt. Zusätzlich
können eine oder mehrere Facetten eines EUF gekrümmt
oder eben sein. Im Fall gekrümmter Facetten kann eine Oberfläche
eines Lichtablenkelements immer noch eine scharfe Änderung
der Oberflächensteigung, zum Beispiel an der Spitze des
Lichtablenkelements enthalten.
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Die
vorliegende Erfindung sollte nicht als auf die oben beschriebenen
besonderen Beispiele beschränkt betrachtet werden, sondern
sollte vielmehr so verstanden werden, daß sie alle Aspekte
der Erfindung abdeckt, wie sie in den beigefügten Ansprüchen
deutlich dargelegt werden. Verschiedene Modifikationen, äquivalente
Prozesse sowie zahlreiche Strukturen, auf die die vorliegende Erfindung
anwendbar sein kann, werden Fachleuten, auf die die vorliegende
Erfindung gerichtet ist, bei der Durchsicht der vorliegenden Beschreibung
leicht deutlich werden. Die Ansprüche sind dazu bestimmt,
solche Modifikationen und Vorrichtungen abzudecken.
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Zusammenfassung
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Eine
direkt beleuchtete Anzeigeeinheit weist eine Anzeigetafel und eine
oder mehrere Lichtquellen auf, die hinter der Anzeigetafel angeordnet
sind. Ein Diffusor ist zwischen der Lichtquelleneinheit und der
Anzeigetafel angeordnet, und eine Lichtablenkschicht ist zwischen
der einen oder den mehreren Lichtquellen und dem Diffusor angeordnet.
Die Lichtablenkschicht weist Lichtablenkelemente auf einer ersten
Seite der Lichtablenkschicht auf, die zum Diffusor weist. Oberflächen
der Lichtablenkelemente sind unter mehr als einem Winkel relativ
zu einer Normalen zur Lichtablenkschicht angeordnet und weisen außerdem
eine oder mehrere scharfe Änderungen der Oberflächensteigung
auf. Die Lichtablenkelemente verteilen das Ausleuchtungslicht so,
daß es gleichmäßiger ist. Unterschiedliche
Lichtablenkelemente können unterschiedliche Spitzenwinkel
aufweisen. Außerdem können unterschiedliche Seiten
eines Lichtablenkelements Krümmungsmittelpunkte bester Anpassungen
aufweisen, die nicht zusammenfallen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 5882774 [0030]
- - US 5825543 [0031]
- - US 5867316 [0031]
- - US 5751388 [0031]
- - US 6122103 [0032]
- - US 5793456 [0033]
- - US 2002/0159019 [0033]
- - US 6846089 [0061]