DE19610816A1

DE19610816A1 - Hintergrundbeleuchtungssystem für eine Anzeigetafel

Info

Publication number: DE19610816A1
Application number: DE19610816A
Authority: DE
Inventors: Falcon Lin
Original assignee: CTX OPTO-ELECTRONICS CORP HSINCHU TW; CTX Opto Electronics Corp
Current assignee: TCL China Star Optoelectronics Technology Co Ltd
Priority date: 1996-03-19
Filing date: 1996-03-19
Publication date: 1997-09-25
Anticipated expiration: 2016-03-20
Also published as: DE19610816C2; US5640483A

Description

Die Erfindung betrifft allgemein Hintergrundbeleuchtungs systeme für Anzeigetafeln, insbesondere für LCD-Tafeln. Spe ziell betrifft die Erfindung ein derartiges System mit einem Aufbau, bei dem innere Totalreflexion dazu verwendet ist, das meiste Licht in Blickrichtung zu leiten und Energiever luste zu verringern, um dadurch den Beleuchtungswirkungsgrad des Systems zu erhöhen.

Fig. 1 zeigt ein bekanntes Hintergrundbeleuchtungssystem S1 für eine LCD-Tafel 1. Es enthält eine Lichtquelle 5, die Licht zur Hintergrundbeleuchtung liefert; einen Lichtleiter 3 mit einer ebenen Frontfläche 9 und einer ebenen Rückfläche 10, die parallel zueinander sind, wobei eine Endfläche 7 des Lichtleiters, die benachbart zur Lichtquelle 5 liegt, von dieser erzeugtes Licht empfängt, um dieses als Hintergrund beleuchtungslicht zur LCD-Tafel zu leiten, und wobei das Innere des Lichtleiters ein Lichtstreumaterial 8 enthält; eine reflektierende Abdeckung 6, die die Lichtquelle 5 um gibt und von dieser emittiertes Licht zum Lichtleiter 3 re flektiert; eine Reflexionsplatte 4, die durch die Rückfläche 10 des Lichtleiters austretendes Licht zu diesem zurückre flektiert; und eine Diffusionsplatte 2 zwischen der LCD-Tafel 1 und dem Lichtleiter 3, die das einfallende, zur LCD-Tafel gerichtete Licht streut, um für eine gleichmäßigere Lichtquelle für die LCD-Tafel zu sorgen und ein Punktmuster zu verdecken.

Wie es in Fig. 1 dargestellt ist, tritt ein von der Licht quelle 5 emittierter Lichtstrahl A über die Endfläche 7 in den Lichtleiter 3 ein und läuft normalerweise in der Längs richtung von der Lichtquelle 5 weiter, und zwar aufgrund wiederholter interner Totalreflexion an der Frontfläche 9 und der Rückfläche 10. Wenn der Lichtstrahl A auf das streu ende Material 8 trifft, wird die Bedingung für interne To talreflexion zerstört, und der Laufpfad in Längsrichtung wird unterbrochen. Ein Teil des Lichts streut zur LCD-Tafel 1 hin, um für deren Hintergrundbeleuchtung zu sorgen. Jedoch tritt häufig der Fall auf, daß der Lichtstrahl viele Refle xions- und Streuvorgänge erfährt, bevor er zur LCD-Tafel 1 gelenkt wird. Je mehr Reflexions- und Streuvorgänge der Lichtstrahl erfährt, desto stärkeren Energieverlust erleidet er. Demgemäß bestehen bei dieser bekannten Konstruktion be treffend das Hintergrundbeleuchtungssystem S1 für eine LCD-Tafel beträchtliche Nachteile.

Um die Schwierigkeiten bei bekannten Systemen zu überwinden, wurde ein Hintergrundbeleuchtungssystem S2, wie es im US-Patent Nr. 5,050,946 offenbart ist, konzipiert, um das Funk tionsvermögen des vorstehend beschriebenen Hintergrundbe leuchtungssystems S1 zu verbessern. Die Fig. 2, 3, 4A und 4B zeigen zusammen den Aufbau dieses Hintergrundbeleuchtungs systems S2. Fig. 2 ist ein perspektivischer Teilschnitt des Hintergrundbeleuchtungssystems S2, Fig. 3 ist eine vergrö ßerte Seitenansicht des in Fig. 2 mit III gekennzeichneten Bereichs, Fig. 4A ist eine vergrößerte, perspektivische An sicht des Bereichs benachbart zur schrägen Fläche N in Fig. 3, und Fig. 4B zeigt schematisch das in der Zeichnung ver wendete Koordinatensystem.

Gemäß den Fig. 2 und 3 enthält das Hintergrundbeleuchtungs system S2 für eine LCD-Tafel ebenfalls eine Lichtquelle 5, eine reflektierende Abdeckung 6, einen Lichtleiter 13, eine Reflexionsplatte 14 und eine Streuplatte 2. Die Z-Richtung in Fig. 4B ist die Längsrichtung des Lichtleiters 13; die Y-Richtung ist die Höhenrichtung des Lichtleiters 13; und die X-Richtung ist die Erstreckungsrichtung der Lichtquelle 5, d. h. die Richtung rechtwinklig sowohl zur Y- als auch zur Z-Richtung.

Aus den Fig. 2 und 3 ist es deutlich, daß der einzige Unter schied zwischen den Systemen S1 und S2 die Form des Licht leiters ist. Beim Hintergrundbeleuchtungssystem S2 verfügt der Lichtleiter 13 ebenfalls über eine ebene Frontfläche 19, jedoch enthält seine Rückfläche 20 eine Vielzahl paralleler Abschnitte G, E und F, die alle parallel zur Frontfläche 19 sind, wie auch eine Vielzahl Verbindungsabschnitte M, N usw., zum Verbinden der benachbarten parallelen Abschnitte, wobei sie einen Neigungswinkel von ungefähr 135° zu den par allelen Abschnitten bilden. Der Abstand zwischen der Front fläche 19 und den parallelen Abschnitten G, E und F wird kleiner, wenn der Abstand zwischen den parallelen Abschnit ten zur Endfläche 17 entlang der Längsrichtung (der Z-Rich tung) zunimmt (Fig. 3).

Aus den Fig. 2 und 3 ist es auch deutlich, daß ein Licht strahl A, der von der Lichtquelle 5 durch die Endfläche 7 mit größerem Einfallswinkel in bezug auf die Frontfläche 19 in den Lichtleiter 3 emittiert wird, viele interne Total reflexionen an der Frontfläche 19 und den parallelen Ab schnitten G, E, F der Rückfläche 20 erfährt, wenn er von der Lichtquelle 5 weg läuft. Wenn jedoch ein Lichtstrahl B mit kleinerem Einfallswinkel in bezug auf die Frontfläche 19 auf einen der schrägen Verbindungsabschnitte M oder N trifft, erfolgt interne Totalreflexion, und der reflektierte Strahl B′ trifft mit großer Wahrscheinlichkeit mit einem kleineren Winkel auf die Frontfläche 19, als es dem kritischen Winkel für interne Totalreflexion entspricht, wodurch er den Licht leiter von der Frontfläche 19 aus verläßt, um für Hinter grundbeleuchtung der LCD-Tafel i zu sorgen. Demgemäß ver kürzt die Konstruktion des Systems S2 den Lichtpfad für etliche Lichtstrahlen, die innerhalb des Lichtleiters 13 laufen, wodurch diese Lichtstrahlen aus dem Lichtleiter durch die Frontfläche 19 austreten können, nachdem sie an den schrägen Verbindungsabschnitten reflektiert wurden, wo durch sich die Energieverluste aufgrund vieler Reflexions- und Streuvorgänge innerhalb des Lichtleiters 13 verringern.

Obwohl dieses System S2 einige der Nachteile beim System S1 verbessert, tritt dennoch, wenn ein Lichtstrahl C mit im we sentlichen vertikalem Winkel auf den Verbindungsabschnitt N trifft, die meiste Energie dieses Lichtstrahls durch diesen Verbindungsabschnitt aus dem Lichtleiter aus. Zwar reflek tiert die Reflexionsplatte 14 das meiste Licht in den Licht leiter zurück, jedoch beträgt der Reflexionskoeffizient nicht 100%, und es ist auch die Richtung des reflektierten Strahls aufgrund zufälliger Reflexion nur der halbe Raumwin kel, d. h., daß Lambertsche Reflexion vorliegt, und ein gro ßer Teil der Energie in diesen Lichtstrahlen geht bei viel fachen Reflexions- und Streuvorgängen verloren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Hintergrund beleuchtungssystem zu schaffen, bei dem die Wahrscheinlich keit, daß Licht durch Verbindungsabschnitte an der Rückflä che eines Lichtleiters ausleckt, verringert ist, um dadurch den Wirkungsgrad des Systems zu erhöhen.

Diese Aufgabe ist durch das Hintergrundbeleuchtungssystem gemäß Anspruch 1 gegeben. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand unabhängiger Ansprüche.

Der detaillierte Aufbau, Merkmale und Eigenschaften der Er findung werden anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen deutlicher be schrieben.

Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht eines Teils eines bekannten Hintergrundbeleuchtungssystems S1 für eine LCD-Tafel;

Fig. 2 ist eine perspektivische Ansicht eines Teils eines anderen bekannten Hintergrundbeleuchtungssystems S2 für eine LCD-Tafel;

Fig. 3 ist eine vergrößerte Seitenansicht des mit III ge kennzeichneten Teils des Lichtleiters in Fig. 2, mit Licht strahlen, die innerhalb des Lichtleiters laufen und reflek tiert werden;

Fig. 4A ist eine vergrößerte, perspektivische Ansicht der Rückfläche des Lichtleiters in Fig. 3;

Fig. 4B zeigt das Koordinatensystem, das zum Veranschauli chen des Aufbaus der Rückfläche des Lichtleiters verwendet wird;

Fig. 5 zeigt eine perspektivische Ansicht des Lichtleiter teils in Fig. 4A, jedoch für ein bevorzugtes Ausführungsbei spiel S3 eines erfindungsgemäßen Hintergrundbeleuchtungs systems für eine Anzeigetafel, speziell eine LCD-Tafel;

Fig. 6 und 7 zeigen perspektivische Ansichten weiterer be vorzugter Ausführungsbeispiele S4 bzw. S5 von Lichtleitern bei einem erfindungsgemäßen Hintergrundbeleuchtungssystem;

Fig. 8 zeigt eine perspektivische Ansicht eines bevorzugten Ausführungsbeispiels S6 hinsichtlich des Lichtleiters und der Lichtquelle bei einem erfindungsgemäßen Hintergrundbe leuchtungssystem;

Fig. 9 zeigt eine perspektivische Ansicht eines bevorzugten Ausführungsbeispiels S7 hinsichtlich des Lichtleiters, der Lichtquelle und eines Kollimierabschnitts eines erfindungs gemäßen Hintergrundbeleuchtungssystems; und

Fig. 10 zeigt eine perspektivische Ansicht eines bevorzugten Ausführungsbeispiels S8 hinsichtlich des Lichtleiters, der Lichtquelle und einer Kollimiereinrichtung bei einem erfin dungsgemäßen Hintergrundbeleuchtungssystem.

Fig. 5 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Teils eines bevorzugten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Hintergrundbeleuchtungssystems S3 für eine Anzeigetafel. Die Ansicht entspricht dem in Fig. 4A dargestellten Teil des be kannten Systems S2, d. h. dem Aufbau des Verbindungsab schnitts, der zwei benachbarte parallele Abschnitte E und F verbindet. Der Verbindungsabschnitt N, der in Fig. 4A ur sprünglich aus einer einzelnen schrägen Fläche besteht, ist in Fig. 5 durch zwei schräge Flächen N1 und N2 ersetzt, die ungefähr einen Winkel von 90° einschließen und jeweils zu den parallelen Abschnitten E und F geneigt sind. Diese zwei schrägen Flächen N1 und N2 bilden zusammen eine dachförmige Struktur.

Die Fig. 4A und 5 veranschaulichen die Auswirkungen der Än derung der Struktur des Verbindungsabschnitts. Gemäß Fig. 4A verläßt ein Lichtstrahl C, der rechtwinklig oder nahezu rechtwinklig auf die schräge Fläche N trifft, den Lichtlei ter durch die Rückfläche, was zu einem Energieverlust führt. Jedoch ist in Fig. 5 aufgrund des erhöhten Eintrittswinkels zwischen einem Lichtstrahl D und der Normalen auf der schrä gen Fläche N1 die Wahrscheinlichkeit für interne Totalrefle xion für den Lichtstrahl D am Punkt P1 auf der schrägen Flä che N1 erhöht. Ferner wird der an der schrägen Fläche N1 re flektierte Strahl durch interne Totalreflexion an der schrä gen Fläche N2 reflektiert, und er tritt schließlich aus der (nicht dargestellten) Frontfläche aus, um für Hintergrund beleuchtung der LCD-Tafel zu sorgen. Demgemäß kann der Ener gieverlust gegenüber dem beim in Fig. 4A dargestellten Sy stem S2 stark verringert werden.

Fig. 6 zeigt eine perspektivische Ansicht eines anderen be vorzugten Ausführungsbeispiels des Lichtleiters bei einem erfindungsgemäßen Hintergrundbeleuchtungssystem S4. Die Rückfläche bei diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel des Lichtleiters 33 verfügt über eine Verbesserung der Struktur des Verbindungsabschnitts, der aus zwei schrägen Flächen N1 und N2 besteht, die die in Fig. 5 dargestellten benachbarten parallelen Abschnitte verbinden. Als Beispiel wird der erste Verbindungsabschnitt verwendet, der am nächsten an der End fläche 37 des Lichtleiters liegt; dieser ersetzt die in Fig. 5 dargestellten zwei schrägen Flächen N1 und N2 durch eine Reihe schräger Flächen N11, N21, N31, N41, N51 und N61. Be nachbarte schräge Flächen schneiden einander unter einem Winkel von ungefähr 90°. Der zweite Verbindungsabschnitt be steht aus einer Reihe schräger Flächen N12, N22 usw. Der Rest der Verbindungsabschnitte ist auf ähnliche Weise aufge baut, was die Rückfläche des in Fig. 6 dargestellten Licht leiters betrifft.

Fig. 7 zeigt eine perspektivische Ansicht eines dritten be vorzugten Ausführungsbeispiels eines Lichtleiters bei einem erfindungsgemäßen Hintergrundbeleuchtungssystem S5. Der größte Teil des Aufbaus dieses Lichtleiters 43, insbesondere der Rückfläche, ist identisch mit dem bei den in den Fig. 5 und 6 dargestellten Lichtleitern. Jedoch umfaßt die Front fläche dieses Lichtleiters mehrere eingeformte, dreieckige, prismatische Kolonnen 44, die parallel zur LCD-Tafel (in Fig. 7 nicht dargestellt) angeordnet sind, um aus der Front fläche 44 des Lichtleiters austretendes Licht in einen klei neren Blickwinkelbereich zu kollimieren. Alle diese- prisma tischen Kolonnen 44 sind parallel zueinander. Die Konstruk tion der parallelen, prismatischen Kolonnen 44 und ihr Kol limiereffekt ist in der Technik wohlbekannt (z. B. im US- Patent Nr. 4,791,540 offenbart) und wird hier nicht im ein zelnen beschrieben.

Fig. 8 ist eine perspektivische Ansicht eines vierten bevor zugten Ausführungsbeispiels des Lichtleiters 53 und der Lichtquelle 5 eines erfindungsgemäßen Hintergrundbeleuch tungssystems S6. Der größte Teil des Aufbaus dieses Licht leiters 53, insbesondere derjenige der Rückfläche, ist mit dem der in den Fig. 5 und 6 dargestellten Lichtleiter iden tisch. Die Endfläche 57 des Lichtleiters 53 benachbart zur Lichtquelle 5 besteht aus einem geformten Kollimierab schnitt, der sich in der Richtung zur Lichtquelle 5 er streckt. Die Schnittfläche in Z-Richtung (siehe Fig. 4B) des Kollimierabschnitts 54 nimmt mit abnehmendem Abstand zur Lichtquelle 5 hin ab. Der Kollimierabschnitt 54 kollimiert das Licht von der Lichtquelle, bevor es in den Lichtleiter 53 eintritt. Auch verbessert er die Kollimierung der aus der Frontfläche des Lichtleiters 53 in Z-Richtung austretenden Lichtstrahlen. Die Konstruktion des Kollimierabschnitts 54, der eine Realisierung der optischen Invariantentheorie ist, ist in der Technik wohlbekannt und wird hier nicht im Detail beschrieben.

Die Fig. 9 und 10 zeigen jeweils eine perspektivische An sicht zweier anderer bevorzugter Ausführungsbeispiele des Lichtleiters und der Lichtquelle bei erfindungsgemäßen Hin tergrundbeleuchtungssystemen S7 bzw. S8. Als erstes wird auf das Hintergrundbeleuchtungssystem S7 in Fig. 9 Bezug genom men. Der Aufbau des Lichtleiters 53 dieses Hintergrundbe leuchtungssystems S7, insbesondere der Aufbau der Rückflä che (in der Zeichnung nicht dargestellt), ist im wesentli chen mit dem der in den Fig. 5 und 6 dargestellten Hinter grundbeleuchtungssysteme identisch. Zwischen der Endfläche 67 des Lichtleiters 63 und der Lichtquelle 5 liegt jedoch eine zusätzliche Kollimiereinrichtung 64. Diese Kollimier einrichtung 64 verfügt über eine erste, ebene Fläche 66, die der Lichtquelle 5 zugewandt ist, und eine zweite Fläche 68, die der Endfläche 67 des Lichtleiters 63 zugewandt ist. Die zweite Fläche 68 besteht aus einer Mehrzahl eingeformter, dreieckiger, prismatischer Kolonnen parallel zur Endfläche 67 des Lichtleiters 63. Die prismatischen Kolonnen, die zu einander parallel sind und sich in der X-Richtung (siehe Fig. 4B) erstrecken, kollimieren das in den Lichtleiter 63 eintretende Licht in die Y-Z-Ebene.

Was das in Fig. 10 dargestellte Hintergrundbeleuchtungssy stem S8 betrifft, ist dessen Aufbau beinahe identisch mit dem des in Fig. 9 dargestellten Systems S7. Es existiert eine Kollimiereinrichtung 74 zwischen der Endfläche 77 des Lichtleiters 63 und der Lichtquelle 5. Die Kollimiereinrich tung 74 verfügt über eine erste, ebene Fläche 76, die der Lichtquelle 5 zugewandt ist, und eine zweite Fläche 78, die der Endfläche 77 des Lichtleiters 63 zugewandt ist. Die zweite Fläche 78 umfaßt eine Anzahl prismatischer Kolonnen parallel zur Endfläche 77. Alle prismatischen Kolonnen sind parallel zueinander und erstrecken sich entlang der Y-Rich tung (Fig. 4B). Diese prismatischen Kolonnen kollimieren Licht in die Y-Z-Ebene, bevor es in den Lichtleiter 63 ein tritt. Die Konstruktion der Kollimiereinrichtungen 64 und 74 sind in der Technik wohlbekannt und werden hier nicht im einzelnen beschrieben.

Die obige Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung soll als Veranschaulichung des erfindungsgemäßen Konzepts dienen. Diese Beispiele können innerhalb des Grund gedankens und des Schutzbereichs der Erfindung geändert wer den. Z. B. ist bei den vorigen Beispielen der Winkel zwi schen den zwei schrägen Flächen des Verbindungsabschnitts mit ungefähr 90° angegeben, jedoch zeigte es sich, daß die selbe Wirkung erzielt werden kann, wenn der Winkel zwischen den zwei schrägen Flächen zwischen 60 und 120° liegt.

Claims

1. Hintergrundbeleuchtungssystem unter Verwendung interner Totalreflexion, um eine Anzeigetafel von der Rückseite her zu beleuchten, mit

- mindestens einer Lichtquelle (5) und
- einem Lichtleiter (33, 43, 53, 63, 73) zum Empfangen des von der Lichtquelle erzeugten Lichts und zum Beleuchten der Anzeigetafel von der Rückseite her, bestehend aus einer ebenen Frontfläche, die der Anzeigetafel zugewandt ist, einer Rückfläche, die auf der zur Frontfläche entgegenge setzten Seite des Lichtleiters liegt, und einer Endfläche benachbart zur Lichtquelle, wobei sich die Frontfläche ent lang einer Längsrichtung erstreckt, die von der Lichtquelle weg führt, wobei die Rückfläche aus mehreren parallelen Ab schnitten parallel zur Frontfläche und Verbindungsabschnit ten besteht, die zwei benachbarte parallele Abschnitte ver binden, und wobei der Abstand zwischen den parallelen Ab schnitten und der Frontfläche mit abnehmendem Abstand zwi schen den parallelen Abschnitten und der Endfläche entlang der Längsrichtung abnimmt;

dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsabschnitte (N) an der Rückfläche des Lichtleiters mindestens zwei Flächen (N1, N2) umfassen, die zu den parallelen Abschnitten geneigt sind und dabei aufeinanderfolgende dachförmige Strukturen entlang der Richtung rechtwinklig zur Längsrichtung bilden, um dadurch den Winkel zwischen der Normalen auf den schrägen Flächen und dem Eintrittsvektor des einfallenden Lichts zu erhöhen, um den Anteil des Lichts zu verringern, der durch diese Flächen aus dem Lichtleiter austritt, wobei der Winkel zwischen zwei benachbarten der schrägen Flächen zwischen 60 und 120° liegt.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Frontfläche des Lichtleiters (43) eine Vielzahl eingeform ter, dreieckiger, prismatischer Kolonnen (44) parallel zur Anzeigetafel und parallel zueinander aufweist, um dadurch aus der Frontfläche des Lichtleiters austretendes Licht so zu kollimieren, daß es mit kleinerem Blickwinkelbereich in die Anzeigetafel eintritt.

3. System nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Endfläche des Lichtleiters (53) einen angeformten Kollimierabschnitt (54) aufweist, der sich zur Lichtquelle (5) hin erstreckt, wobei die Schnittfläche des Kollimierabschnitts mit sich verringerndem Abstand zur Lichtquelle hin abnimmt.

4. System nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Endfläche des Lichtleiters (63, 73) und der Lichtquelle (5) eine Kollimiereinrichtung (64, 74) angeordnet ist, die eine erste, ebene Fläche (66, 76), die der Lichtquelle zugewandt ist, und eine struktu rierte, zweite Fläche aufweist, die der genannten Endfläche zugewandt ist, wobei diese zweite Fläche eine Anzahl drei eckiger, prismatischer Kolonnen (68, 78) parallel zur End fläche und zueinander aufweist.