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Technisches Gebiet
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Beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung betreffen eine lichtemittierende Vorrichtung, eine planare Oberflächenlichtquellenvorrichtung und die Lichtstromsteuerung oder ein deterministisches lichtverteilendes Bauteil, das geläufiger als eine optische Linse bekannt ist.
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Stand der Technik
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Im letzten Jahrzehnt haben sich Flachbildschirmfernseher vom Luxusstatus zur Marktbeherrschung entwickelt, die so vollständig ist, dass die Produktion von Kathodenstrahlröhrenfernsehern (CRT-Fernsehern) eingestellt wurde und alte CRT-Geräte nicht abgegeben werden können. Obwohl Plasma-Flachbildschirme ähnlich wie CRTs emittierende Pixel aufweisen, sind die Pixel von LCDs passiv, wobei sie lediglich wirken, die Polarisierung des durch sie laufenden Lichts zu drehen, so dass sie zwischen zwei orthogonalen Polarisatoren gestellt werden müssen, damit die Pixel als Intensitätsmodulatoren wirken. Ursprünglich stellten Flachbildschirm-LCDs diese Intensität durch Benutzen von Wellenleiter-basierten Hintergrundbeleuchtungen bereit, die durch Leuchtröhren randbeleuchtet wurden. Weil die Helligkeit und Wirksamkeit von LEDs schnell zunahm, ersetzten sie die Leuchtröhren, während der randbeleuchtete Wellenleiter beibehalten wurde. Wellenleiter können jedoch für große Bildschirmabmessungen dick und schwer sein, so dass Direktsichtbereich-Hintergrundbeleuchtungen, die hohle Leuchtkästen umfassen, wünschenswert sein können, weil ihre Lichter über den gesamten Rücken des Leuchtkastens verteilt werden. Direktsichtbereich-Hintergrundbeleuchtungen müssen gegebenenfalls das Licht gleichmäßig ausbreiten, um Hotspots auf dem Bildschirm direkt über jeder LED-Lichtquelle zu beseitigen, was LEDs ohne zweckgebundene lokale Linsen nicht bewerkstelligen können.
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Die erhöhte Leistungsabgabe von gereiften LEDs bedeutet, dass weniger und weniger LEDs für die Ausführung einer besonderen Beleuchtungsaufgabe benötigt werden. Wenn versucht wird, in Bereichen mit Hintergrundbeleuchtung weniger LEDs zu verwenden, kann es, insbesondere mit den 16:9 Proportionen von typischen hochauflösenden Fernsehern, für ihre Beleuchtungsgeometrieimmer schwieriger werden, eine gleichmäßige Beleuchtung in vielfältiger Weise zustande zu bringen.
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Zuerst unterliegen zwischen den LEDs liegende Orte einem Cosinus-Abfall zur dritten Potenz, was sogar bei 60° Achsversetzung ein 8:1 Verhältnis ist. Dies kann zusätzlich zu der geringeren seitlicher Intensität sein, die für LEDs typisch ist. Zweitens kann eine Beleuchtungslinse einer unvermeidbaren Streuung aufgrund von Fehlerstellen unterliegen, die dem spritzgegossenem Linsenmaterial eigen sind, die bedeutender wird, wenn die LED-Leuchtstärke zunimmt. Dies kann Hotspots auf das Direktlichtmuster überlagern, welches die Linse erzeugt, wobei dieses Muster mit einer zentralen Dunkelzone auszugleichen ist.
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In einigen Anwendungen kann auf diese nachteiligen Faktoren durch Erhöhen der relativen Größe der Beleuchtungslinse verglichen mit der der LED eingegangen werden. Die Dicke von LCD-Hintergrundbeleuchtungen kann ein Zoll oder weniger betragen, was die Linsengröße weitgehend einschränkt. Ebenfalls, diese dünne Geometrie erhöht die Stärke der Lichtstreuung durch die Linse.
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LED-Hintergrundbeleuchtungen werden für unzählige Anwendungen einschließlich LCDs, Hineingreif-Kühlschrankbeleuchtung und allgemeine Beleuchtung (Leuchtkörper) verwendet. Sämtliche dieser Anwendungen weisen eine Wurfabstand (Tafeldicke) auf, der viel geringer als die Beabstandung zwischen den LED-Quellen ist. Da LEDs auf eine quasi Lambertsche Art und Weise emittieren, wird eine zerstreuende Linse verwendet, um das emittierte Licht über einen großen seitlichen Bereich auszubreiten. Dies führt zu der Notwendigkeit für eine Linse, die die vorwärts-emittierende Winkelverteilung der LED-Quelle in eine hauptsächlich seitlich-emittierende Winkelverteilung modifizieren kann. Der herkömmliche Stand der Technik konzentrierte sich fast ausschließlich auf Lösungen mit Rotationssymmetrie. Während einige dieser Lösungen eine nahezu ideale Gleichmäßigkeit in einer Dimension vorhersagen können, werden sie grundsätzlich durch Etendue, genauer gesagt seine Schiefe, daran gehindert, eine nahezu ideale Gleichmäßigkeit in zwei Dimensionen zu erzielen.
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In LED-Hintergrundbeleuchtungen können die Leiterplatten, die die LEDs halten, um einen Abstand getrennt sein, der größer als die Beabstandung der LEDs auf der Platte ist. Dazu muss unter Umständen die Beleuchtungslinse ein asymmetrisches oder rechteckiges Muster zu erzeugen, was weitere Schwierigkeiten aufgrund der topologischen Inkompatibilität des nahezu runden Musters der LED hinzufügt, versus wie Licht zu dem langen Ende des Rechtecks hin horizontal abgelenkt werden muss.
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Die Anordnung der Beleuchtungslinsen kann ihre Muster für dazwischenliegende Orte überlagern, wobei jedoch ein mögliches Beleuchtungsdefizit um den Rand der Hintergrundbeleuchtung herum erzeugt werden kann. Der Leuchtkasten kann einen spekularen Spiegel oder eine 45° Abschrägung um seine Ränder herum umfassen, wobei dies aus Kostengründen jedoch unpraktisch sein kann. Hintergrundbeleuchtungen können die Abschrägung um den Umfang benutzen, was bestimmen wird, wie wenige LEDs verwendet werden können und immer noch eine Gleichmäßigkeit der Beleuchtung erlangt werden kann.
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Der herkömmliche Stand der Technik offenbart, wie eine Oberflächenlichtquelleneinrichtung unter Verwendung einer Mehrzahl von LEDs als das Leuchtmittel zur Hintergrundbeleuchtung eines LCD-Monitors zur Verwendung bei Personal-Computern, LCD-Fernsehgeräten, Tablettanzeigen sowie auch für Smart-Phones aufzubauen ist. Das
U.S. Patent Nr. 7,798,679 offenbart ein Beispiel dieser Architektur. Die darin gelehrte Oberflächenlichtquelleneinrichtung verwendet eine Mehrzahl von LEDs mit Linsen, die ausgestaltet sind, um das von den LEDs emittierte Licht in einer deterministischen Art und Weise abzulenken; darüber hinaus liegen diese Leuchtelemente in einer planaren Anordnung, die im Wesentlichen die gleiche Form wie die LCD-Tafel aufweist, die sie zu beleuchten haben. Diese Oberflächenlichtquelleneinrichtung beleuchtet dann die LCD-Einrichtung von der Rückoberflächenseite der LCD.
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Das
'679 Patent fährt fort zu offenbaren, dass, wenn man das von den LEDs im Bereich von 50°–70° emittierte Licht ablenkt, um eine gute Gleichmäßigkeit auf dem LCD-Schirm zu erzielen, mit unerwünschten Fresnel-Reflexionen an dem Fuß und innerhalb des äußeren Umfangs der Linse konfrontiert werden kann. Dies kann zu sekundären hellen Quellen führen, die eine Nicht-Gleichmäßigkeit in der LCD-Hintergrundbeleuchtungsanzeige verursachen, und kann bis zu einem gewissen Ausmaß durch Einbau einer facettierten Struktur ausgeglichen werden, um dieses unerwünschte Licht von der unteren Oberfläche der Linse zufällig zu streuen.
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Das
U.S. Patent Nr. 8,227,969 betrachtet die Integration verschiedener Arten von lichtstreuenden Bodenmerkmale und wie die facettierte untere Oberfläche von stromsteuernden und lichtverteilenden Linsen aufzubauen ist. Konvexe und konkave Facetten von linearen und diagonalen Geometrien werden modelliert sowie auch pyramidale Streufacetten, die raue geätzte Oberflächen auf diesen verschiedenartigen Facettenarten umfassen. Das
'969 Patent offenbart, dass Brechungslinsen ohne einen wirksamen diffundierenden Boden des Linsenmerkmals keine gute Gleichmäßigkeit eines LCD-Bildschirms liefern können.
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Das
U.S. Patent Nr. 8,328,395 offenbart die Bedeutung der Größe und Platzierung von Linsenschenkelbefestigungen an einer gedruckten Leiterplatte (PCB) zusammen mit der Facettenbehandlung, um starke Fresnel-Reflexionen zu annullieren. Das
'395 Patent offenbart die strategische Platzierung von Schenkelbefestigungen an sehr spezifischen räumlichen Positionen und das Benutzen jener Schenkel als optische Leiter, um einige der unerwünschten Fresnel-Reflexionen zu entfernen, während sogar das Schwärzen dieser Schenkel, um unerwünschte Lichtabsorption zu erhöhen, für axialsymmetrische Linsenformen miteinbezogen wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Technische Aufgabe
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Beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen eine nicht axialsymmetrische Linse zusammen mit einem nicht axialsymmetrischen Innenhohlraum bereit, um eine ausgezeichnete LCD-Bildschirmgleichmäßigkeit sogar für Tafeln mit 16:9 Bildschirmgeometrien zu erzielen.
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Zusätzliche Merkmale der Erfindung werden in der Beschreibung dargelegt, die folgt, und werden teilweise aus der Beschreibung offensichtlich sein oder können durch Praxis der Erfindung gelernt werden.
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Lösung der Aufgabe
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Eine beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung offenbart eine lichtemittierende Einrichtung, die eine Beleuchtungslinse umfasst, die über einer lichtemittierenden Diode (LED) angeordnet ist. Die Beleuchtungslinse umfasst eine interne Oberfläche, die die LED umgibt und konfiguriert ist, um von der LED emittiertes Licht einzufangen, wobei die interne Oberfläche einen bogenförmigen, nicht rotationssymmetrischen, länglichen horizontalen Querschnitt umfasst. Die Beleuchtungslinse umfasst ebenfalls eine externe Oberfläche, die einen zentralen Höcker umfasst, wobei sich die externe Oberfläche seitlich mit nicht axialsymmetrischen Profilen in unterschiedlichen horizontalen Richtungen erstreckt, wobei das nicht axialsymmetrische Profil mit Bezug auf eine gekippte Hauptachse der Beleuchtungslinse elliptisch ist und wobei die lichtemittierende Einrichtung konfiguriert ist, ein längliches Beleuchtungsmuster zu erzeugen.
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Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
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Eine beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung offenbart ebenfalls lichtemittierende Vorrichtungen, die ein lichtemittierendes Element umfassen, das auf einem Substrat angeordnet ist, und ein Lichtstromsteuerungsbauteil, das auf dem lichtemittierenden Element angeordnet ist. Das Lichtstromsteuerungsbauteil umfasst einen unteren Oberflächenabschnitt, der auf dem Substrat angeordnet ist, einen nicht rotationssymmetrischen Eingangsoberflächenabschnitt, der eine nach innen gerichtete Ausnehmung umfasst, die in dem unteren Oberflächenabschnitt an einer Position direkt über dem lichtemittierenden Element angeordnet ist, eine nicht rotationssymmetrische Ausgangsoberfläche, die konfiguriert ist, um durch den Eingangsoberflächenabschnitt laufendes Licht zu brechen und Licht nach außen zu übertragen, und mindestens zwei Schenkelabschnitte, die von dem unteren Oberflächenabschnitt hervorstehen und das Substrat kontaktieren.
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Es ist zu verstehen, dass sowohl die vorangehende allgemeine Beschreibung als auch die folgende ausführliche Beschreibung beispielhaft, erläuternd und bestimmt sind, eine weitere Erläuterung der Erfindung, wie beansprucht, bereitzustellen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1A ist eine Draufsicht einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die eine nicht axialsymmetrische Form einer äußeren Lichtemissionsoberfläche zeigt.
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1B ist eine Seitenansicht der beispielhaften Ausführungsform in der x-Richtung und zeigt eine von der x-Richtung aus betrachtete Querschnittsansicht eines inneren Hohlraums.
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1C ist eine Seitenansicht der beispielhaften Ausführungsform in der y-Richtung und zeigt die nicht axiale Symmetrie des inneren Hohlraums.
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1D ist eine parallel entlang der positiven x Richtung gesehene Querschnittsansicht von 1A und zeigt die Brechung an der Eintrittsoberfläche und Austrittsoberfläche, die ein von einer LED emittierter Lichtstrahl in der beispielhaften Ausführungsform erfährt.
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1E ist die gleiche Ansicht wie in 1D, wobei sie jedoch die Fresnel-Reflexionen zeigt, die linsenintern auftreten können, wenn das die LED verlassende Lichtstrahlbündel etwa 50° überschreitet.
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2 ist eine Seitenansicht von zwei Linsen von einem Teil eines Leuchtkastens gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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3 ist eine Draufsicht der rechteckigen Anordnung von Linsen in dem Leuchtkasten, der für ein asymmetrisches Linsenformat gemäß der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform ausgelegt ist.
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4 ist eine topographische Karte der Ausgangsbeleuchtung ohne die glättende Wirkung der mikropyramidalen facettierten Struktur auf der unteren Oberfläche einer Linse gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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5 zeigt Fresnel-reflektierte Strahlen sowohl intern als auch extern zu der Linse gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bei Betrachtung von entlang der +x-Richtung aus.
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Modus für die Erfindung
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Die Erfindung wird hier nachstehend vollständiger mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in denen Ausführungsformen der Erfindung gezeigt werden. Diese Erfindung kann jedoch in vielen unterschiedlichen Formen ausgebildet sein und soll nicht als auf die hier dargelegten Ausführungsformen beschränkt angesehen werden. Stattdessen werden diese Ausführungsformen bereitgestellt, so dass diese Offenbarung gründlich ist und den Umfang der Erfindung an den Fachmann vermitteln wird. In den Zeichnungen können die Größe und die relativen Größen von Schichten und Regionen aus Gründen der Klarheit übertrieben dargestellt sein. Gleiche Bezugszeichen in den Zeichnungen bezeichnen gleiche Elemente.
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Es versteht sich, dass, wenn ein Element oder eine Schicht als ”auf” oder ”verbunden mit” einem weiteren Element oder Schicht bezeichnet wird, dann kann es/sie direkt auf oder direkt mit dem anderen Element oder Schicht verbunden sein, oder dazwischenliegende Elemente oder Schichten können vorhanden sein. Im Gegensatz dazu sind, wenn ein Element als ”direkt auf” oder ”direkt verbunden mit” einem weiteren Element oder Schicht bezeichnet wird, keine dazwischenliegenden Elemente oder Schichten vorhanden. Es versteht sich, dass für die Zwecke dieser Offenbarung, ”mindestens eines von X, Y und Z” als nur X, nur Y, nur Z oder jede beliebige Kombination von zwei oder mehr Elementen X, Y und Z (z. B., XYZ, XYY, YZ, ZZ) ausgelegt werden kann. Räumlich relative Begriffe, wie beispielsweise ”unterhalb”, ”unter”, ”niedriger”, ”über”, ”oberer” und dergleichen können hierin zur leichteren Beschreibung verwendet werden, um ein Element oder die Beziehung eines Merkmals mit (einem) weiteren Element(en) oder Merkmal(en) zu beschreiben, wie in den Figuren veranschaulicht ist. Es versteht sich, dass die räumlich relativen Begriffe bestimmt sind, unterschiedliche Orientierungen der Vorrichtung im Einsatz oder im Betrieb zusätzlich zu der in den Figuren dargestellten Orientierung zu umfassen. Wenn die Vorrichtung in den Figuren beispielsweise umgedreht wird, würden Elemente, die als ”unter” oder ”unterhalb” anderen Elementen oder Merkmalen beschrieben wurden, dann ”über” den anderen Elementen oder Merkmalen orientiert sein. Somit kann der beispielhafte Begriff ”unter” sowohl eine Orientierung von über als auch unter umfassen. Die Vorrichtung kann in anderer Weise (um 90° gedreht oder in anderen Orientierungen) orientiert sein und die hier verwendeten räumlich relativen Deskriptoren können dementsprechend interpretiert werden.
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Ein besseres Verständnis der Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung wird durch Bezug auf die folgende ausführliche Beschreibung der Erfindung und den begleitenden Zeichnungen erhalten, die anschauliche Ausführungsformen darlegen, in denen die Prinzipien der Erfindung benutzt werden.
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Beleuchtungslinsen for LED-Direktsicht-Hintergrundbeleuchtungen können als Kurzdistanz-Illuminatoren kategorisiert werden, welche eine Linse verwenden, die ihre minimale Intensität auf der Achse und ihre größte Intensität bei hohen seitlichen Winkeln aufweist. Eine Kurzdistanz-Linse muss demgemäß eine minimale zentrale Dicke aufweisen, die eine Innenoberfläche mit einer bogenartigen Form aufweist, die die LED umgibt, und eine Außenoberfläche, die sich nach außen erstreckt, um die seitliche Linsendicke zu generieren, die die seitliche Intensität maximiert. Die im herkömmlichen Stand der Technik vorhandenen Linsen sind rotationssymmetrisch mit einem Profil, das um eine zentrale Achse geschwenkt wird, um den Festkörper zu erzeugen. Diese Linsen weisen typischerweise eine negative optische Leistung in ihrer Mitte mit entweder konkav-plano, konkav-konkav oder plano-konkav Linsenformen auf. Um eine größere Gleichmäßigkeit zu erzielen und zusätzliche Freiheitsgrade einzuführen, bricht die Linse gemäß beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung die Rotationssymmetrie. Genauer gesagt sind die Linsenprofile in den ordinalen und diagonalen Richtungen unabhängig. Das Ergebnis bei der Anwendung von Hintergrundbeleuchtungen ist eine etwas ”quadratische” Linse, die einen Teil des Lichts von den ordinalen Richtungen zu den Diagonalen richtet.
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Ein rechteckiges Linsenmuster kann unter Verwendung einer Freiformlinse erzeugt werden, die nicht kreisförmig symmetrisch ist, so dass es mehr Licht zu dem langen Ende des Rechtecks und weniger zu seinem kurzen Ende hin werfen kann. In beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist die Innenoberfläche unrunder als die Außenoberfläche, und die Außenoberfläche weist einen zentralen Höcker auf, um eine negative Linse zu erzeugen und den Ausgang auf der Achse zu verringern und den Streulicht-Hotspot unmittelbar über der Linse auszugleichen. Beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung betreffen ein 2:1 Rechteck, für eine 200 mm PCB-Plattentrennung und 100 mm Trennung der Linsen auf der Platte (d. h. LEDs), die innerhalb eines Leuchtkastens mit lediglich einem Zoll Dicke angeordnet sind, wobei sich der innenliegende obere Diffusor lediglich 23 mm über der LED befindet.
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Eine lichtemittierende Einrichtung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf 1A bis 1E beschrieben.
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1A ist eine Draufsicht eines Lichtstromsteuerungsbauteils, oder einfacher Beleuchtungslinse 10 genannt, das einen horizontalen (d. h., x-Achsen) länglichen inneren Hohlraum mit einer vertikal gebogenen internen Oberfläche 11 und einer viel größeren externen konvexen Oberfläche 12 umfasst. Ein gestrichelter Kreis 13 weist einen Durchmesser von 18 mm auf und zeigt, wie die Oberfläche 12 eine nicht rotationssymmetrische äußere Oberfläche ist. Die innere Oberfläche 11 kann ein Längen-Breiten-Verhältnis an ihrem Fuß von etwa 2,5:1 aufweisen. Die externe Oberfläche 12 kann horizontal länglich in der gleichen Richtung wie der länglichen Querschnitt der inneren Oberfläche 11 sein und ein Längen-Breiten-Verhältnis von etwa 16:15 aufweisen.
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Die lichtemittierende Einrichtung gemäß der vorliegenden, in 1A veranschaulichten beispielhaften Ausführungsform umfasst ein lichtemittierendes Element, typischerweise eine LED, die am Schnittpunkt der X-Y Achse lokalisiert ist (nicht gezeigt in 1A) und eine Lichtbeleuchtungslinse 10, die angeordnet ist, um die LED zu umgeben und abzudecken. Eine Richtung der Lichtachse Z (eine Bezugslichtachse) wird nicht gezeigt, jedoch als entlang der Z-Achse des rechtshändigen Koordinatensystems XYZ angenommen und vertikal aus dem Zentrum von 1A und senkrecht zu der Seite kommend angenommen, wie in 1D gezeigt.
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Außerdem weist die Beleuchtungslinse 10 eine nicht rotationssymmetrische Form mit Bezug auf die Lichtachse Z auf, und ferner ist der zentrale innere Hohlraum, der Strahlung von der LED empfängt, hochasymmetrisch. Die Beleuchtungslinse 10 bricht das von der LED emittierte Licht in eine Richtung, die paralleler zu einer Richtung senkrecht zu der Lichtachse Z ist, um das von der LED kommende Licht in eine nützlichere Richtung als eine LED-Hintergrundbeleuchtung für einen LCD Bildschirm umzuleiten.
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Die Beleuchtungslinse 10 ist ein Bauteil zum Ändern der Richtung des von der LED emittierten Lichts. Das Lichtstromsteuerungsbauteil 10 kann jedoch aus einem transparenten Material hergestellt sein, das einen Brechungsindex im Bereich von 1,45 bis 1,65 aufweist. Außerdem kann die Beleuchtungslinse 10 aus einem transparenten Harzmaterial oder einem transparenten Glas hergestellt sein. Beispiele eines derartigen transparenten Harzmaterials sind Polymethylmethacrylat (Acryl oder PMMA), das einen Brechungsindex von 1,49 aufweist, Polycarbonat (PC), das einen Brechungsindex von 1,59 aufweist, ein Proxy-Harz (EP) und dergleichen.
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Wenn unsere Aufmerksamkeit nun auf 1B und 1C gerichtet ist, sehen wir, dass die Beleuchtungslinse 10 eine Lichteintrittsoberfläche 11 als eine interne Oberfläche, eine Lichtauntrittsoberfläche 12 als eine externe Oberfläche, einen zentralen Höcker 14 und eine untere Oberfläche 16 aufweist, die die Lichteintrittsoberfläche 11 mit einer Lichtaustrittsoberfläche 12 und dem zentralen Höcker 14 verbindet. Die Beleuchtungslinse 10 weist einen leeren, hochasymmetrischen Hohlraum darin auf und die LED ist in dem leeren Hohlraum angeordnet. Die LED ist ein Bauteil, das Licht in seine Umgebung mit der Lichtachse Z als das Zentrum seiner Lichtemission emittiert. Die LED ist nicht besonders eingeschränkt und ein herkömmlicher LED-Chip kann als ein lichtemittierendes Element verwendet werden.
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1B ist eine Querschnittsansicht, die entlang der negativen und positiven y-Achse der Linse 10 genommen ist, die ebenfalls die interne Oberfläche 11 und die externe Oberfläche 12 mit dem zentralen Höcker 14 zeigt.
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1C ist eine Querschnittsansicht, die entlang der negativen und positiven x-Achse mit Blick in der positiven y-Richtung der Beleuchtungslinse 10 genommen ist, die ebenfalls die hochasymmetrische interne Oberfläche 11 und externe Oberfläche 12 mit dem zentralen Höcker 14 im Vergleich zu 1B zeigt. 1B und 1C veranschaulichen Querschnittsansichten der lichtemittierenden Einrichtung in Übereinstimmung mit der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform. Gemäß der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform wird eine Lichtrichtung auf sowohl der internen Oberfläche 11, der externen Oberfläche 12, und dem zentralen Höcker 14 geändert, so dass es möglich ist, die externe Oberfläche 12 in einer konvexen Form (d. h., den zentralen Höcker 14) in der Nähe der Lichtachse Z zu bilden. Der zentrale Höcker 14 kann beispielsweise bei einer Höhe von etwa 5/6 der maximalen Höhe der externen Oberfläche 12 angeordnet sein. Die interne Oberfläche 11 kann eine zentrale Scheitelhöhe aufweisen, die etwa 55% einer maximalen Höhe der Beleuchtungslinse 10 beträgt.
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1D ist eine Ansicht der Beleuchtungslinse 10 entlang der positiven x-Achse. Hier emittiert die LED 1 ein Photon, das an der Oberfläche 2a gebrochen wird und dann durch die Linse 10 läuft, bis es erneut an der Oberfläche 2b bricht. Die untere Oberfläche 2c verbindet den inneren Hohlraum 2a mit der äußeren Oberfläche 2b.
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1E ist eine Ansicht der Beleuchtungslinse 15, die ein Bündel von Photonen zeigt, dass die LED 1 geneigt in einem Winkel von etwa 50°+ verlässt, und die die starke Fresnel-Reflexion zeigt, die zu dem Boden der Oberfläche 2c gesendet wird, wo sie am Punkt P reflektiert und durch die Beleuchtungslinse 15 zurückläuft und von der oberen Oberfläche 2 austritt und auf den oberen Diffusor 6 trifft, was eine sekundäre Lichtquelle verursacht, die die die Bildung einer gleichmäßige Lichtverteilung auf dem Diffusor 6 schwierig machen kann. Um diesem Effekt entgegenzuwirken zeigt 1E eine Oberfläche 3, die eine aufgeraute Oberfläche und/oder ein mehrfach facettierter pyramidaler Diffusor sein kann, der beispielsweise das von dem Punkt P reflektierte Licht randomisiert. Die Oberfläche 3 und die Oberfläche 2c können ebenfalls die gleiche Oberfläche sein und diese diffundierende Struktur kann bei der Spritzgießbearbeitung zum Bilden der Linse 15 umfasst sein.
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2 ist eine Seitenansicht eines Leuchtkastens 20, wobei ein Unterabschnitt eine untere Oberfläche 21 und Seitenwände 22 umfasst, die mit einem hochreflektiven diffusen weißen Material mit diffusem Reflexionsvermögen größer als 95% beschichtet sind, und an den extremen Enden des Leuchtkastens die Seitenwände 22 unter einer 45° Schräge geneigt sind. Der Filmstapel der oberen Oberfläche 23 ist horizontal angeordnet und kann eine untere Diffusorlage, eine Prismalage mit horizontal (x-Achse) ausgerichteten Prismen und eine oberste reflektierende Polarisierungsschicht umfassen. Der Filmstapel reflektiert diffus mehr als die Hälfte des nach oben gehenden Lichts zurück nach unten zu der weißen unteren Oberfläche 21, die es ihrerseits zurück nach oben reflektiert, wobei die Gesamtgleichmäßigkeit des nach oben aus dem Filmstapel 23 gehenden Lichts verbessert wird. Linsen 24, die im Wesentlichen den Beleuchtungslinsen 10 wie oben beschrieben ähnlich sind, sind 100 mm getrennt auf der Leiterplatte 25 entlang der x-Richtung gelegen, welche die horizontale, lange Achse eines hochauflösenden Fernsehbildschirms ist. Es sei ebenfalls von 2 bemerkt, dass die lange Achse des asymmetrischen internen Hohlraums orientiert ist, um senkrecht zu der 200 mm Richtung zu sein.
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3 zeigt die räumliche Anordnung der Linsen 24, wie in 2 gezeigt, wobei bemerkt sei, dass es für ein typisches LCD-Fernsehgerät 32 Zoll, dessen Oberflächenbereich ungefähr gleich 700 mm × 400 mm ist, sechs Linsen 24 geben kann, die die lange Richtung überspannen, und drei Reihen von Linsen geben kann, die die 400 mm Richtung überspannen. Es sei bemerkt, dass bei der Fertigung dieser Hintergrundbeleuchtungstafeln das PCB-Material eine dunkelgrüne oder schwarze Farbe sein kann, um dabei zu helfen, unerwünschte Fresnel-Reflexionen von dem Boden der Linsen zu absorbieren, oder dass in einigen Fällen die Linsen auf der unteren Oberfläche mit einer hochabsorbierenden schwarzen Farbe beschichtet sein können. Darüber hinaus wird eine große Lage aus weißem oder hochreflektierendem diffusen Material mit vorbestimmten Ausschnittslöchern die PCBs 31 überlagern und den Linsen 24 ermöglichen, dahindurch zu dringen. Die Linsen 24 weisen zwei oder mehrere Schenkel (nicht gezeigt) auf, die sich von dem Boden derselben und in das PCB-Substrat hinein erstrecken, um die Linsen 24 permanent an Ort und Stelle mit Bezug auf die PCB 31 zu befestigen und sicherzustellen, dass der nicht rotationssymmetrische innere Hohlraum richtig ausgerichtet ist, um das rechteckige Lichtemissionsmuster von den Linsen 24 optimal zu dispergieren.
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4 zeigt eine perspektivische Ansicht einer topographischen Karte 40, die die Lux-Ergebnisse einer Zehn-Millionen-Strahlensimulation in dem kommerziellen Strahlverfolgungs-Packet Photopia für die in 1 gezeigte Beleuchtungslinse 10 und eine von Seoul Semiconductor Co., Ltd, hergestellte 125-Lumen LED zeigt. Diese graphische Darstellung stellt die Lux-Pegel dar, die oben auf dem Filmstapel 23 des in 2 gezeigten Leuchtkastens 20 erreicht werden. Die x-Achse 41 und y-Achse 42 sind in Millimeter unterteilt. Die Zeichenerklärung 43 zeigt die verschiedenartigen Lux-Zonen der Beleuchtung für eine in der Mitte lokalisierte Linse. Diese topographische Karte 40 wird vor der Glättung gezeigt, die ein Diffusor der unteren Oberfläche oder eine facettierte pyramidale Anordnung vermitteln wird, um die Gleichmäßigkeit der Beleuchtung zu verbessern.
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5 ist ein Strahlendiagramm, das das Verhalten von Fresnel-reflektierten Strahlen darstellt. Eine Linse
50 (im Wesentlichen die gleiche wie die Beleuchtungslinse
10 von
1) weist eine Innenoberfläche
51 und eine Außenoberfläche
52 auf. Ein diagnostischer radialer Strahlenfächer
53 umfasst Strahlen, die von dem Koordinatenursprung O (der Position eines LED-Chips) zu der Innenoberfläche
51 ausgehen, von wo aus ein Teil ihres Stroms reflektiert wird, um Fresnel-Strahlen
54 zu werden. Diese Strahlen werden nach außen abgelenkt, um zu der Außenoberfläche
52 auszugehen, von wo aus ein Teil ihres Stroms reflektiert wird, um Fresnel-Strahlen
55 zu werden, während das Meiste von diesem Strom weiter nach außen abgelenkt wird, um direkte Beleuchtungsstrahlen
56 zu werden. Nicht gezeigt in
5 ist, wie beide Sätze von Fresnel-Strahlen unerwünschte Hinzufügungen zu dem durch die Strahlen
56 erzeugten Beleuchtungsmuster erzeugen können. Die Fresnel-Strahlen werden von der Leiterplatte weg reflektiert (wie in
1E) und werden zu einer lokalisierten Quelle mit einem Muster mit kurzer Reichweite nahe der Linse. Dies ist der Grund für den zentralen Höcker
14 an der oberen Mitte der Linse, weil das direkte Beleuchtungsmuster eine zentrale Dunkelzone aufweist, die die überschüssige zentrale Beleuchtung durch die Fresnel-Strahlen ausgleicht. Die Linse
50 ist unter Verwendung des Verfahrens aufgebaut, wie es in dem
U.S. Patent Nr. 7,674,019 gelehrt wird, und ist hierin durch Bezugnahme in seiner Gesamtheit aufgenommen.
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Die in 2 gezeigte schmale Leuchtkasten-Geometrie führt zu großen seitlichen Ablenkungen durch die Linsenoberflächen, was zu stärkeren Fresnel-Strahlen führt. Die in 3 gezeigte Plattenbeabstandung von 200 mm hat sehr große Einfallswinkel von Strahlen zur Folge, die den Filmstapel 23 von 2 treffen. Eine starke seitliche Intensität kann durch eine ausreichende Linsenhöhe erhalten werden, wobei jedoch eine derartige Höhe durch die gewünschte Schmalheit des Leuchtkastens 20 beengt ist, was die Höhe des Filmstapels 23 über den LEDs relativ zu der Trennung der Linse 24 einen sehr bedeutenden Parameter macht. Wenn die Linse 24 größer als die Größe gemacht wird, die gemäß beispielhaften Ausführungsformen hierin offenbart wird, kann dies aufgrund der Nähe des Filmstapel-Targets kontraproduktiv werden.
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Beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden unter Verwendung von nicht axialsymmetrischen Linsenhohlräumen so wie auch äußeren Linsenformen offenbart. Wenn diese inneren und äußeren Linsenoberflächen koordiniert werden, kann sich das emittierte Strahlungsmuster enger an die gewünschte 16:9 Geometrie für die neueren Arten von LCD-Anzeigen nähern. Außerdem müssen weniger LEDs verwendet werden, um die gleiche Arbeit zu tun, die durch rotationssymmetrische Linsen erhalten werden kann, was niedrigere Herstellungskosten und Einsparungen bei weniger LEDs und Linsen ermöglicht, wenn die einmalige, nicht rotationssymmetrische (Freiform- oder anamorphische) Architektur gemäß den beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung benutzt wird.
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Es wird für den Fachmann offensichtlich sein, dass verschiedenartige Modifikationen und Variationen in der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden können, ohne vom Geist oder Umfang der Erfindung abzuweichen. Somit ist beabsichtigt, dass die vorliegende Erfindung die Modifikationen und Variationen dieser Erfindung abdeckt, vorausgesetzt, dass sie innerhalb des Umfangs der beigefügten Ansprüche und ihrer Äquivalente liegen.
