DE19731142A1 - Lichtverteilstruktur - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Lichtverteilstruktur gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie sie z. B. für eine Hintergrund­ beleuchtung verwendet wird.

Lichtverteilstrukturen aus Kunststoff oder Glas aus linearen Strukturen, auch aus sich kreuzenden Strukturen, sind bekannt. Die EP-A 225 123 zeigt eine Linearstruktur aus rechtwinkligen Isocelprismen, deren Kanten zur Folienfläche eine Winkel von etwa 45 Grad aufweisen. Diese Struktur hat den Nachteil, daß sie das Licht nicht gleichmäßig verteilt, sondern einen linea­ ren Charakter besitzt. Für die Hintergrundbeleuchtung von Moni­ toren und Anzeigeinstrumenten ist es jedoch erforderlich, daß eine möglichst gleichmäßige Beleuchtung erfolgt, auch wenn die ursprüngliche Lichtquelle punktförmig ist.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Lichtver­ teilstruktur zu schaffen, die homogene Ausleuchtung von Monito­ ren und Instrumenten ermöglicht. Diese Aufgabe wird durch eine Lichtverteilstruktur mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Erfindungsgemäß wird die erste Linearstruktur von wenigstens einer zweiten Linearstruktur gekreuzt, wobei die zweite Linear­ struktur eine Höhe von kleiner oder gleich 75% der ersten Line­ arstruktur besitzt. Hierdurch wird der lineare inhomogene Ab­ strahlungscharakter der Linearstruktur aufgebrochen und eine homogenere Ausleuchtung erzielt. Dies ermöglicht eine gleichmä­ ßige Hintergrundbeleuchtung von Monitoren und Instrumenten, auch von Instrumententeilen, zum Beispiel dem Zeiger eines In­ strumentes. Die erfindungsgemäße Lichtverteilstruktur ermög­ licht sogar die Verwendung von relativ kleinen Lichtquellen, auch solchen, deren Licht aus eng ausgerichtetem Licht besteht. Sogar die Beleuchtung zum Beispiel mit Laserlicht einer Laser­ diode wird möglich.

Damit eignet sich die erfindungsgemäße Lichtverteilstruktur auch zur Umwandlung von Laserlicht in leicht diffus wirkendes Beleuchtungslicht.

Zunächst wird zwischen der punktförmigen Lichtquelle und der erfindungsgemäßen Linearstrukturen eine diffus lichtstreuende Fläche angeordnet. Das kann eine Glas-, oder Kunststoffplatte sein, eine Folie oder ein Formkörper. Wesentlich ist, daß diese Diffusfläche das Licht durch seine Oberflächenprofilierung oder besser durch eingemischte lichtstreuend wirkende Partikel dif­ fus abstrahlt.

Das Licht der Diffusfläche wäre aber für direkte Hintergrundbe­ leuchtungszwecke zum Beispiel eines Instrumentes nicht geeig­ net, weil zuviel Licht zu den Seiten verlorengeht und den Beob­ achter vor dem Instrument nicht erreicht. Außerdem würde der Beobachter die durch die punktförmige Lichtquelle verursachten erheblichen Leuchtdichteunterschiede sehen. Er könnte die hin­ ter der Diffusfläche angeordnete Lichtquelle noch ermitteln.

Das Licht des Diffuskörpers wird somit durch die erfindungsge­ mäße Lichtverteilstruktur gleichmäßig über die Hintergrundbe­ leuchtungsfläche des Instrumentes verteilt und so ausgerichtet, daß möglichst viel Licht den Beobachter vor dem Instrument er­ reicht.

Das bewirkt die erfindungsgemäße Lichtverteilstruktur in sehr homogener Weise. Diese besteht aus einem transparenten, licht­ brechendem Material, zum Beispiel Kunststoff, Glas oder Quarz, in Form einer Platte oder einer flexiblen Folie, deren Oberflä­ che zwei Linearstrukturen trägt.

Die erste Linearstruktur besteht aus nebeneinander liegenden, linearen Prismen, vorzugsweise sogenannten rechtwinkligen Isocelprismen, die einen inneren Öffnungswinkel von etwa 90° ha­ ben, wobei die Schenkel des Rechten Winkels der Prismen zur Oberfläche einen Winkel von etwa 45° bilden.

Mit Rücksicht auf den verwendeten Werkstoff, seinen Brechungs­ index und seine Abformeigenschaften und dabei auftretenden Schrumpfeigenschaften, können die Winkel um etwa ±1° abwei­ chen. Meistens wird eine Abweichung von etwa 3 Winkelminuten zum Beispiel bei PMMA ausreichen.

Die zweite Linearstruktur besteht ebenfalls vorzugsweise aus nebeneinander liegenden, linearen Prismen, sogenannten, recht­ winkligen Isocelprismen, die einen inneren Öffnungswinkel von etwa 90° haben, wobei die Schenkel des Rechten Winkels der Prismen zur Oberfläche einen Winkel von etwa 45° bilden.

Beide Linearstrukturen kreuzen sich. Die zweite Linearstruktur ist in ihrer Höhe nur 75% oder kleiner als die erste Linear­ struktur. Durch diesen Höhenunterschied bleibt die Linearität der ersten Struktur zu mindestens 25% erhalten. Diese Lineari­ tät bewirkt, daß das Licht sich durch Reflexion zunächst in der Richtung der ersten Linearstruktur ausbreitet wobei sich zu­ gleich ein Teil des Lichtes in der Richtung der zweiten Linear­ struktur verzweigt.

Würde dieser Höhenunterschied der beiden sich kreuzenden Line­ arstrukturen, basierend auf einem Grundgedanken der erfindungs­ gemäßen Lehre, nicht beachtet, so käme es nicht zu einer gleichmäßigen Lichtverteilung, sondern es bildete sich wieder eine ungleiche Lichtverteilung ähnlich der Wirkung einer Dif­ fusfläche. An den inneren Flächen der beiden im Rechten Winkel zueinander stehenden Seiten der Linearprismen wird nicht das gesamte Licht reflektiert. Ein Teil des Lichtes tritt hindurch und wird in Richtung des Beobachters hin abgelenkt. So kommt es zu der angestrebten Ausrichtung des Lichts. Auch über die Kan­ ten, die je nach verwendetem Werkstoff unterschiedliche, natür­ liche Radien haben, wird Licht ausgegeben.

Soll der Linearcharakter der Lichtausgabe verstärkt werden, weil zum Beispiel die Lichtverteilstruktur in diese Richtung bezogen auf die beabsichtigte Breite besonders lang gezogen sein wird, so kann man die erste Linearstruktur aus zwei ver­ schiedenen Spurbreiten und dadurch ungleichschenkligen Prismen kombinieren.

In einer weiteren Ausbildung der Erfindung, kann die Lichtver­ teilstruktur als eine als Punktfläche wirkende Fläche mit Leuchtkörpern gestaltet werden.

Soll nämlich mehr die Auflösung der Lichtausgabe in Punkten, statt in Linien erfolgen, so läßt man drei Linearstrukturen sich kreuzen. Dazu wird die erste Linearstruktur von zwei wei­ teren zweiten Linearstrukturen gekreuzt, die gegeneinander und zur ersten Linearstruktur im Winkel von jeweils 60° gedreht sind. Die Kreuzungspunkte der ersten mit der zweiten Linear­ struktur müssen sich dabei jeweils auf den oberen oder unteren Kanten der ersten Linearstruktur befinden. Es entstehen dabei achtflächige Leuchtkörper an den Kreuzungspunkten. Diese Licht­ verteilstruktur ist besonders gut für flächige und weniger li­ neare Monitore oder Anzeigeinstrumente geeignet.

Wenn eine lineare Anzeigeeinrichtung ausgeleuchtet werden soll, ist vorzugsweise der Abstand der Linearprismen der zweiten Li­ nearstruktur gleich oder größer als der Abstand der Linearpris­ men der ersten Linearstruktur. Vorzugsweise ist dann auch die Breite der Linearprismen der zweiten Linearstruktur kleiner als die Breite der Linearprismen der ersten Linearstruktur, vor­ zugsweise im Bereich von 10 bis 50% der Breite, am günstigsten im Bereich von 10 bis 25% der Breite der Linearprismen der er­ sten Linearstruktur.

Die Linearprismen der ersten Linearstruktur sind vorzugsweise direkt benachbart nebeneinander angeordnet, so daß diese eine zickzackförmige Oberfläche bilden. Auf diese Weise wird eine sehr gute Wirkung der Linearstruktur bei der Lichtverteilung erzielt.

Die Erfindung wird nachfolgend beispielsweise in der schemati­ schen Zeichnung beschrieben. In dieser zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer ersten Ausfüh­ rungsform einer Lichtverteilstruktur mit einer nega­ tiv orientierten zweiten Linearstruktur, die senk­ recht zur ersten Linearstruktur verläuft;

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht einer zweiten Ausfüh­ rungsform einer Lichtverteilstruktur mit einer posi­ tiv orientierten zweiten Linearstruktur, die senk­ recht zur ersten Linearstruktur verläuft;

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht gemäß Fig. 2 mit einem größeren Abstand der Linearprismen der zweiten Line­ arstruktur;

Fig. 4 eine perspektivische Ansicht einer weiteren Ausfüh­ rungsform einer Lichtverteilstruktur mit einer nega­ tiv orientierten zweiten Linearstruktur, die senk­ recht zu zwei alternierend angeordneten ersten Line­ arstrukturen verläuft;

Fig. 5 eine perspektivische Ansicht einer weiteren Ausfüh­ rungsform einer Lichtverteilstruktur mit einer posi­ tiv orientierten zweiten Linearstruktur, die senk­ recht zu zwei alternierend angeordneten ersten Line­ arstrukturen verläuft;

Fig. 6 eine perspektivische Ansicht einer weiteren Ausfüh­ rungsform einer Lichtverteilstruktur mit zwei negativ orientierten zweiten Linearstruktur, die um 60° ver­ setzt zueinander und zur ersten Linearstruktur ver­ laufen und an der Oberkante der Linearprismen der er­ sten Linearstruktur kreuzen;

Fig. 7 eine perspektivische Ansicht einer weiteren Ausfüh­ rungsform einer Lichtverteilstruktur mit zwei positiv orientierten zweiten Linearstruktur, die um 60° ver­ setzt zueinander und zur ersten Linearstruktur ver­ laufen und am Fuß der Linearprismen der ersten Line­ arstruktur kreuzen; und

Fig. 8 eine Detail aus Fig. 7 eines am Kreuzungspunkt der Linearprismen der ersten und zweiten Linearstruktur gebildeten Kreuzungsprimas, dessen Flächen um 60° zu­ einander orientiert sind.

Fig. 1 zeigt eine Lichtverteilstruktur aus sich kreuzenden Li­ nearstrukturen a und b, wobei die erste Linearstruktur durch Einkerben eines optisch durchlässigen Materials mit einem Dia­ manten erzeugt wird, der einen Rechten Winkel besitzt und in Richtung a geführt wird. Der Spurabstand 14 für jede Kerbe ist gleich groß. So entstehen nebeneinander liegende, lineare Pris­ men 1, 2, 4 der ersten Linearstruktur a mit einem inneren Öff­ nungswinkel von 90°. Die Schenkel 1, 2 der rechtwinkligen Pris­ men bilden einen Winkel von 45° zur Grund- oder Oberfläche bzw. der Lichteintrittsfläche 3 der bearbeiteten Lichtverteilstruk­ tur, die hier als fester Lichtstreukörper ausgebildet ist. Die Schenkel benachbarter Prismen kontaktieren im Nutengrund 5.

Dann wird das selbe Werkzeug um 90° gedreht und für die Ausbil­ dung der zweiten Linearprismen 6, 7 der zweiten Linearstruktur b das gleiche V-Nut-Muster eingekerbt, wobei diese zweiten Line­ arprismen der zweiten Linearstruktur b den gleichen Spurabstand 13 wie die ersten Prismen. Diese zweite Linearstruktur b wird jedoch nur mit 75% oder weniger der Tiefe erzeugt bezogen zur ersten Linearstruktur a. Auf der durch den Rechten Winkel ge­ bildeten Kante 4 der ersten Linearstruktur 1, 2, 4 entstehen da­ bei Einkerbungen mit den Flächen 6 und 7. Die Struktur in Fig. 1 ist eine durchsichtige Lichtverteilstruktur. Sie kann in der dargestellten Form auch als Prägewerkzeug zur Abprägung einer Lichtverteilstruktur verwendet werden, wenn sie aus einem ent­ sprechenden Werkzeugmetall wie z. B. Messing, Kupfer, Nickel oder deren Legierungen gefertigt ist.

Fig. 2 zeigt eine Fig. 1 weitgehend entsprechende Ausbildungs­ form einer Lichtverteilstruktur bzw. eines entsprechenden Prä­ gewerkzeugs. Hier ist der lineare, sich kreuzende Charakter der Strukturen sichtbar. Die Prismen 8 der ersten Struktur mit dem Spurabstand 14 werden gekreuzt von den Prismen 9 der zweiten Struktur im Spurabstand 13. Die in Fig. 1 und 2 gezeigten Kleinprismen 6, 7 und 9 führen zu einer Aufbrechung des primär linear entlang der ersten Linearstruktur verteilten Lichtes und so zu einer homogeneren Ausleuchtung. Durch den Spurabstand und die Größe dieser kreuzenden Prismen der zweiten Linearstruktur kann man den Grad der linearen Lichtverteilung in eine flächige Lichtverteilung einstellen.

Fig. 3 zeigt eine Ausbildungsform der sich kreuzenden ersten und zweiten Linearprismen 11 und 12 der ersten und zweiten Li­ nearstruktur, bei der der Spurabstand 13 der zweiten Linear­ prismen 12 weiter gewählt wurde als der Spurabstand 14 der er­ sten Linearprismen 11. Diese Lichtverteilstruktur führt somit zu einer geringeren flächigen Verteilung des Lichtes, da die lineare Hauptverteilungsrichtung entlang der ersten Linear­ struktur kaum unterbrochen wird. Dies Struktur eignet sich so­ mit für die Ausleuchtung länglicher Anzeigen.

Fig. 4 zeigt eine weitere Ausbildung der Erfindung, bei der ei­ ne erste Linearstruktur mit zwei unterschiedlichen Linearpris­ men bzw. zwei unterschiedliche Linearstrukturen a1 und a2 vor­ gesehen sind. Die beiden ersten Linearstrukturen sind aus Line­ arprismen mit unterschiedlicher Breite (Spurabstand) und Höhe gebildet. Der Spurabstand 15 ist hier etwa halb so groß wie der Spurabstand 16. Die zweite Linearstruktur ist als Negativstruk­ tur ausgebildet, d. h. als V-Nut, die die Oberkanten des Linear­ prismas 22 der einen ersten Linearstruktur mit einer Ausnehmung versieht. Die Linearprismen der anderen ersten Linearstruktur werden durch die kreuzende zweite Linearstruktur nicht tan­ giert, so daß das Linearprisma 23 der anderen ersten Linear­ struktur in erster Linie linear leitet, während die Linearpris­ men 22 der einen ersten Linearstruktur einen höheren flächig strahlenden Strahlungsanteil abstrahlt. Durch Wahl der Breite der beiden ersten Linearstrukturen kann somit auch noch einmal der Strahlungsanteil linear/flächig sehr gut beeinflußt werden.

Fig. 5 zeigt die Negativform der Lichtverteilstruktur aus Fig. 4. Die Lichtverteilstrukturen der Fig. 4 und 5 können auch als zueinander komplementäre Preßmatrize und Positivform be­ trachtet werden, wie bereits die Strukturen der Fig. 1 und 2. Die erste Linearstruktur wird jetzt aus ungleichschenkligen negativen Prismen 17 und 18 gebildet, die aber auch einen inne­ ren Öffnungswinkel von 90° besitzen und deren Schenkel zur Grundfläche, der Lichteintrittsfläche 3 im Winkel von 45° ste­ hen. Die quer verlaufende zweite Linearstruktur ist hier als positiv, d. h. aus der Oberfläche heraus erstreckendes Linear­ prisma 24 ausgebildet, das sich über dem Nutengrund 25 der hö­ heren negativen Linearprismen 18 der einen ersten Linearstruk­ tur erstreckt.

Fig. 6 und 7 können wieder als zwei zueinander komplementäre Lichtverteilstrukturen betrachtet werden, welche Strukturen ge­ genseitig auch als Preßmatrize zur Formung der jeweils anderen Struktur betrachtet werden können.

Fig. 6 eine Lichtverteilstruktur mit achtflächigen Leuchtkör­ pern, die durch die Anordnung von zwei um jeweils 60° gegenein­ ander und zur ersten Linearstruktur a gedrehten zweiten Linear­ strukturen c,d. Diese zweiten Linearstrukturen haben eine we­ sentlich geringere Breite und Höhe als die erste Linearstruktur und sind als Negativstrukturen, d. h. als V-förmige Nuten ausge­ bildet. Deren gegenseitiger Kreuzungspunkt fällt mit dem Kreu­ zungspunkt mit der ersten Linearstruktur zusammen, so daß sich an den Oberkanten der Linearprismen der ersten Linearstruktur Ausnehmungen 19 mit acht Prismenflächen ergeben, die zu einer flächigen Abstrahlung wie ein Punktstrahler führen.

Fig. 7 die Negativform von Fig. 6. Hier sind im Nutengrund zwischen den Linearprismen 20 der ersten Linearstruktur durch die kreuzenden beiden zweiten positiven Linearstrukturen acht­ seitige Prismen 21 ausgebildet, die in Fig. 8 detaillierter dargestellt sind.

Fig. 8 zeigt den achtseitigen Leuchtkörper, von oben betrach­ tet, mit den Prismenkanten und den Richtungen der ersten und zweiten Linearstrukturen a, c und d.

Claims (14)

1. Lichtverteilstruktur aus einem transparenten, lichtbrechen­ den Material, wobei die Oberfläche des Materials mindestens ei­ ne erste Linearstruktur (a) trägt, welche aus nebeneinander liegenden Linearprismen (8, 20) besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Linearstruktur (a) von wenigstens einer zweiten Linearstruktur (b, c, d) gekreuzt wird und die zweite Linear­ struktur eine Höhe von kleiner oder gleich 75% der ersten Line­ arstruktur besitzt.

2. Linearstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Linearstruktur (b) im Rechten Winkel zur ersten Linearstruktur (a) verläuft.

3. Linearstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Linearstruktur (a) von zwei zweiten Linearstruk­ turen (c, d) im Winkel von jeweils 60 Grad gekreuzt wird.

4. Linearstruktur nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich die zwei zweiten Linearstrukturen (c, d) im Winkel von jeweils 60 Grad kreuzen und daß deren Kreuzungspunkte an den Kreuzungspunkten (19, 21) mit der ersten Linearstruktur (a) lie­ gen.

5. Linearstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Material der Struktur aus Kunststoff, Glas oder Quarz besteht und in Form einer Platte oder einer flexiblen Folie ausgebildet ist.

6. Linearstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Linearstruktur (6, 7) als nach unten in die Ober­ fläche des Materials hinein ragendes lineares Negativprisma in der Art einer V-Nut ausgebildet ist, das in den Oberkanten (4) der Linearprismen der ersten Linearstruktur (a) zu prismenför­ migen Ausnehmungen führt.

7. Linearstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die sich die Linearprismen der ersten (8) und/oder zweiten Linearstruktur (9) nach oben aus der Oberfläche heraus erstrec­ ken und sich im ihrem Fußbereich kreuzen.

8. Linearstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß die erste Linearstruktur aus zwei verschieden hohen Linear­ prismen (17, 18; 22, 23) besteht, die alternierend nebeneinander angeordnet sind, und
daß das zweite Linearprisma (17, 23) der ersten Linearstruktur eine Höhe von kleiner oder gleich 75% des ersten Prismas be­ sitzt und zugleich in der Höhe so bemessen ist, daß es von der und/oder der kreuzenden zweiten Linearstruktur nicht beeinflußt wird.

9. Linearstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Linearstrukturen tragende Platte oder Folie auf der Oberseite und der Unterseite die Linearstrukturen trägt und daß die erste Linearstruktur der Unterseite in ihrem Verlauf im Winkel von 90 Grad zur ersten Linearstruktur der Oberseite an­ geordnet ist.

10. Linearstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß den Linearstrukturen eine lichtstreuende, diffuse Fläche gegenüberliegt, durch die sie beleuchtet werden.

11. Linearstruktur nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Linearstrukturen tragende Platte oder Folie durch ein­ gemischte lichtstreuende Partikel selbst aus einem diffusen Ma­ terial besteht.

12. Linearstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schenkel (1, 2) der ersten und/oder zweiten Linearstruk­ tur zur Oberfläche einen Winkel von etwa 45° aufweisen.

13. Linearstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Symmetrieachsen der Linearprismen (20; 22, 23; 24) der er­ sten und/oder zweiten Linearstruktur senkrecht zur Oberfläche verläuft.

14. Linearstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Linearprismen (20; 22, 23; 24) der ersten und/oder zweiten Linearstruktur einen inneren Öffnungswinkel von etwa 90 Grad haben.