DE19731142B4

DE19731142B4 - Lichtverteilstruktur

Info

Publication number: DE19731142B4
Application number: DE19731142A
Authority: DE
Inventors: Hans-Erich Sen. Gubela; Hans-Erich Jun. Gubela
Original assignee: KAUL SABINE
Current assignee: KAUL SABINE
Priority date: 1997-07-18
Filing date: 1997-07-18
Publication date: 2004-05-13
Anticipated expiration: 2017-07-19
Also published as: DE19731142A1

Abstract

Lichtverteilstruktur aus einem transparenten, lichtbrechenden Material, wobei die Oberfläche des Materials mindestens eine erste Linearstruktur (a) trägt, welche aus nebeneinander liegenden Linearprismen (17, 18) besteht,
die erste Linearstruktur (a) von wenigstens einer zweiten Linearstruktur (b, c, d) gekreuzt wird, und
die zweite Linearstruktur eine Höhe von kleiner oder gleich 75% der ersten Linearstruktur besitzt,
dadurch gekennzeichnet,
daß die erste Linearstruktur in Form von in das Material hineinragenden Negativprismen (17, 18) in der Art einer V-Nut vorgesehen ist, und
daß die zweite Linearstruktur als sich am Nutengrund (25) der ersten Linearstruktur aus der Oberfläche heraus erstreckendes Linearprisma (24) ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Lichtverteilstruktur gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie sie z.B. für eine Hintergrundbeleuchtung 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 einen Winkel von etwa 45 Grad aufweisen. Diese Struktur hat den Nachteil, daß sie das Licht nicht gleichmäßig verteilt, sondern einen linearen Charakter besitzt. Für die Hintergrundbeleuchtung von Monitoren und Anzeigeinstrumenten ist es jedoch erforderlich, daß eine möglichst gleichmäßige Beleuchtung erfolgt, auch wenn die ursprüngliche Lichtquelle punktförmig ist.

Die US-A 5,585,164 zeigt in 18 eine Lichtverteilstruktur gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Sie umfasst eine erste Linearstruktur und eine zweite Linearstruktur, die die erste kreuzt. Die erste Linearstruktur besteht aus länglichen Prismen in der Querschnittsform gleichschenkliger Dreiecke. Die zweite Linearstruktur ist als Ausnehmung in den Prismenspitzen ausgebildet.

Die DE-AS 1,183,035 zeigt eine Lichtverteilerstruktur mit Prismenleisten, die von einer quer verlaufenden Struktur in der Art einer Aussparung oder Prismennut durchbrochen sind. Obwohl die Verteilungseigenschaften der Lichtverteilstrukturen dieser beiden Druckschriften sich bewährt haben mögen, sind die Verteilungseigenschaften insbesondere im Hinblick auf das Zusammenwirken der beiden Linearstrukturen noch verbesserungswürdig.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Lichtverteilstruktur zu schaffen, die homogene Ausleuchtung von Monitoren und Instrumenten in homogenerer Weise als bei den bekannten Strukturen 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 Linearstruktur eine Höhe von kleiner oder gleich 75% der ersten Linearstruktur besitzt. Die erste Linearstruktur ist in Form von in das Material hineinragenden Negativprismen in der Art einer V-Nut vorgesehen, während die zweite Linearstruktur als sich am Nutengrund der ersten Linearstruktur aus der Oberfläche heraus erstreckendes Linearprisma ausgebildet ist. Hierdurch wird der lineare inhomogene Abstrahlungscharakter der Linearstruktur aufgebrochen und eine homogenere Ausleuchtung und eine verbesserte Wechselwirkung der beiden Linearstrukturen erzielt. Dies ermöglicht eine gleichmäßige Hintergrundbeleuchtung von Monitoren und Instrumenten, auch von Instrumententeilen, zum Beispiel dem Zeiger eines Instrumentes. Die erfindungsgemäße Lichtverteilstruktur ermöglicht sogar die Verwendung von relativ kleinen Lichtquellen, auch solchen, deren Licht aus eng ausgerichtetem Licht besteht. Sogar die Beleuchtung zum Beispiel mit Laserlicht einer Laserdiode 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 diffus abstrahlt.

Das Licht der Diffusfläche wäre aber für direkte Hintergrundbeleuchtungszwecke zum Beispiel eines Instrumentes nicht geeignet, weil zuviel Licht zu den Seiten verloren geht und den Beobachter vor dem Instrument nicht erreicht. Außerdem würde der Beobachter die durch die punktförmige Lichtquelle verursachten erheblichen Leuchtdichteunterschiede sehen. Er könnte die hinter der Diffusfläche angeordnete Lichtquelle noch ermitteln.

Das Licht des Diffuskörpers wird somit durch die erfindungsgemäße Lichtverteilstruktur gleichmäßig über die Hintergrundbeleuchtungsfläche des Instrumentes verteilt und so ausgerichtet, daß möglichst viel Licht den Beobachter vor dem Instrument erreicht.

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

Die erste Linearstruktur besteht aus nebeneinander liegenden, linearen in das Material hineinragenden Negativprismen, vorzugsweise sogenannten rechtwinkligen Isocelprismen, die in der Art einer V-Nut vorgesehen sind und einen inneren Öffungswinkel von etwa 90° haben, wobei die Schenkel des Rechten Winkels der Prismen zur Oberfläche einen Winkel von etwa 45° bilden.

Mit Rücksicht auf den verwendeten Werkstoff, seinen Brechungsindex und seine Abformeigenschaften und dabei auftretenden Schrumpfeigenschaften, können die Winkel um etwa +/–1° abweichen. Meistens wird eine Abweichung von etwa 3 Winkelminuten zum Beispiel bei PMMA ausreichen.

Die zweite Linearstruktur ist als sich am Nutengrund der ersten Linearstruktur aus der Oberfläche heraus erstreckendes Linearprisma ausgebildet und besteht ebenfalls vorzugsweise aus nebeneinander liegenden, linearen Prismen, sogenannten, rechtwinkligen Isocelprismen, die einen inneren Öffungswinkel 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 Linearstruktur. Durch diesen Höhenunterschied bleibt die Linearität der ersten Struktur zu mindestens 25% erhalten. Diese Linearität bewirkt, daß das Licht sich durch Reflexion zunächst in der Richtung der ersten Linearstruktur ausbreitet wobei sich zugleich ein Teil des Lichtes in der Richtung der zweiten Linearstruktur verzweigt.

Würde dieser Höhenunterschied der beiden sich kreuzenden Linearstrukturen, basierend auf einem Grundgedanken der erfindungsgemäßen Lehre, nicht beachtet, so käme es nicht zu einer gleichmäßigen Lichtverteilung, sondern es bildete sich wieder eine ungleiche Lichtverteilung ähnlich der Wirkung einer Diffusfläche. 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 Kanten, die je nach verwendetem Werkstoff unterschiedliche, natürliche 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 verschiedenen Spurbreiten und dadurch ungleichschenkligen Prismen kombinieren.

In einer weiteren Ausbildung der Erfindung kann die Lichtverteilstruktur 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 weiteren zweiten Linearstrukturen gekreuzt, die gegeneinander und zur ersten Linearstruktur im Winkel von jeweils 60° gedreht sind. Die Kreuzungspunkte der ersten mit der zweiten Linearstruktur müssen sich dabei jeweils auf den oberen oder unteren Kanten der ersten Linearstruktur befinden. Es entstehen dabei achtflächige Leuchtkörper an den Kreuzungspunkten. Diese Lichtverteilstruktur ist besonders gut für flächige und weniger lineare Monitore oder Anzeigeinstrumente geeignet.

Wenn eine lineare Anzeigeeinrichtung ausgeleuchtet werden soll, ist vorzugsweise der Abstand der Linearprismen der zweiten Linearstruktur gleich oder größer als der Abstand der Linearprismen der ersten Linearstruktur. Vorzugsweise ist dann auch die Breite der Linearprismen der zweiten Linearstruktur kleiner als die Breite der Linearprismen der ersten Linearstruktur, vorzugsweise im Bereich von 10 bis 50% der Breite, am günstigsten im Bereich von 10 bis 25% der Breite der Linearprismen der ersten 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 schematischen Zeichnung beschrieben.

In dieser zeigen:

1 eine perspektivische Ansicht einer Lichtverteilstruktur mit einer negativ orientierten zweiten Linearstruktur, die senkrecht zur ersten Linearstruktur verläuft; diese Lichtverteilstruktur ist nicht Gegenstand der Erfindung;

2 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Ausführungsform einer Lichtverteilstruktur mit einer positiv orientierten zweiten Linearstruktur, die senkrecht zur ersten Linearstruktur verläuft;

3 eine perspektivische Ansicht gemäß 2 mit einem größeren Abstand der Linearprismen der zweiten Linearstruktur;

4 eine perspektivische Ansicht einer weiteren Lichtverteilstruktur mit einer negativ orientierten zweiten Linearstruktur, die senkrecht zu zwei alternierend angeordneten ersten Linearstrukturen verläuft; diese Lichtverteilstruktur ist nicht Gegenstand der Erfindung

5 eine perspektivische Ansicht einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform einer Lichtverteilstruktur mit einer positiv orientierten zweiten Linearstruktur, die senkrecht zu zwei alternierend angeordneten ersten Linearstrukturen verläuft;

6 eine perspektivische Ansicht einer Lichtverteilstruktur mit zwei negativ orientierten zweiten Linearstruktur, die um 60° versetzt zueinander und zur ersten Linearstruktur verlaufen und an der Oberkante der Linearprismen der ersten Linearstruktur kreuzen; diese Lichtverteilstruktur ist nicht Gegenstand der Erfindung

7 eine perspektivische Ansicht einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform einer Lichtverteilstruktur mit zwei positiv orientierten zweiten Linearstruktur, die um 60° versetzt zueinander und zur ersten Linearstruktur verlaufen und am Fuß der Linearprismen der ersten Linearstruktur kreuzen; und

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

1 zeigt zur Erläuterung zunächst eine nicht erfindungsgemäße Lichtverteilstruktur aus sich kreuzenden Linearstrukturen a und b, wobei die erste Linearstruktur durch Einkerben eines optisch durchlässigen Materials mit einem Diamanten 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 Prismen 1, 2, 4 der ersten Linearstruktur a mit einem inneren Öffnungswinkel von 90°. Die Schenkel 1, 2 der rechtwinkligen Prismen bilden einen Winkel von 45° zur Grund- oder Oberfläche bzw. der Lichteintrittsfläche 3 der bearbeiteten Lichtverteilstruktur, die hier als fester Lichtstreukörper ausgebildet ist. Die Schenkel benachbarter Prismen kontaktieren im Nutengrund 5.
Dann wird dasselbe Werkzeug um 90° gedreht und für die Ausbildung der zweiten Linearprismen 6,7 der zweiten Linearstruktur b das gleiche V-Nut-Muster eingekerbt, wobei diese zweiten Linearprismen 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 gebildeten Kante 4 der ersten Linearstruktur 1, 2, 4 entstehen dabei Einkerbungen mit den Flächen 6 und 7. Die Struktur in 1 ist eine durchsichtige Lichtverteilstruktur. Sie kann in der dargestellten Form auch als Prägewerkzeug zur Abprägung einer Lichtverteilstruktur verwendet werden, wenn sie aus einem entsprechenden Werkzeugmetall wie z.B. Messing, Kupfer, Nickel oder deren Legierungen gefertigt ist.
2 zeigt eine erfindungsgemäße Ausbildungsform einer Lichtverteilstruktur bzw. eines entsprechenden Prägewerkzeugs. 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 2 gezeigten Kleinprismen 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.
3 zeigt eine Ausbildungsform der sich kreuzenden ersten und zweiten Linearprismen 11 und 12 der ersten und zweiten Linearstruktur, bei der der Spurabstand 13 der zweiten Linearprismen 12 weiter gewählt wurde als der Spurabstand 14 der ersten Linearprismen 11. Diese Lichtverteilstruktur führt somit zu einer geringeren flächigen Verteilung des Lichtes, da die lineare Hauptverteilungsrichtung entlang der ersten Linearstruktur kaum unterbrochen wird. Dies Struktur eignet sich somit für die Ausleuchtung länglicher Anzeigen.
4 zeigt eine nicht erfindungsgemäße Lichtverteilstruktur, bei der eine erste Linearstruktur mit zwei unterschiedlichen Linearprismen bzw. zwei unterschiedliche Linearstrukturen a1 und a2 vorgesehen sind. Die beiden ersten Linearstrukturen sind aus Linearprismen 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 Negativstruktur ausgebildet, d.h. als V-Nut, die die Oberkanten des Linearprismas 22 der einen ersten Linearstruktur mit einer Ausnehmung versieht. Die Linearprismen der anderen ersten Linearstruktur werden durch die kreuzende zweite Linearstruktur nicht tangiert, so daß das Linearprisma 23 der anderen ersten Linearstruktur in erster Linie linear leitet, während die Linearprismen 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.
5 zeigt als weitere erfindungsgemäße Ausbildung die Negativform der Lichtverteilstruktur aus 4. Die Lichtverteilstrukturen der 4 und 5 können auch als zueinander komplementäre Preßmatrize und Positivform betrachtet werden, wie bereits die Strukturen der 1 und 2. Die erste Linearstruktur wird jetzt aus ungleichschenkligen negativen Prismen 17 und 18 gebildet, die aber auch einen inneren Öffnungswinkel von 90° besitzen und deren Schenkel zur Grundfläche, der Lichteintrittsfläche 3 im Winkel von 45° stehen. Die quer verlaufende zweite Linearstruktur ist hier als positiv , d.h. aus der Oberfläche heraus erstreckendes Linearprisma 24 ausgebildet, das sich über dem Nutengrund 25 der höheren negativen Linearprismen 18 der einen ersten Linearstruktur erstreckt.
6 und 7 können wieder als zwei zueinander komplementäre Lichtverteilstrukturen betrachtet werden, welche Strukturen gegenseitig auch als Preßmatrize zur Formung der jeweils anderen Struktur betrachtet werden können.
6 zeigt eine nicht erfindungsgemäße Lichtverteilstruktur mit achtflächigen Leuchtkörpern, die durch die Anordnung von zwei um jeweils 60° gegeneinander und zur ersten Linearstruktur a gedrehten zweiten Linearstrukturen c, d. Diese zweiten Linearstrukturen haben eine wesentlich geringere Breite und Höhe als die erste Linearstruktur und sind als Negativstrukturen, d.h. als V-förmige Nuten ausgebildet. Deren gegenseitiger Kreuzungspunkt fällt mit dem Kreuzungspunkt 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.
7 zeigt die Negativform von 6, die eine weitere erfindungsgemäße Variante darstellt. Hier sind im Nutengrund zwischen den Linearprismen 20 der ersten Linearstruktur durch die kreuzenden beiden zweiten positiven Linearstrukturen achtseitige Prismen 21 ausgebildet, die in 8 detaillierter dargestellt sind.
8 zeigt den achtseitigen Leuchtkörper, von oben betrachtet, mit den Prismenkanten und den Richtungen der ersten und zweiten Linearstrukturen a, c und d.

Claims

Lichtverteilstruktur aus einem transparenten, lichtbrechenden Material, wobei die Oberfläche des Materials mindestens eine erste Linearstruktur (a) trägt, welche aus nebeneinander liegenden Linearprismen (17, 18) besteht, die erste Linearstruktur (a) von wenigstens einer zweiten Linearstruktur (b, c, d) gekreuzt wird, und die zweite Linearstruktur eine Höhe von kleiner oder gleich 75% der ersten Linearstruktur besitzt, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Linearstruktur in Form von in das Material hineinragenden Negativprismen (17, 18) in der Art einer V-Nut vorgesehen ist, und daß die zweite Linearstruktur als sich am Nutengrund (25) der ersten Linearstruktur aus der Oberfläche heraus erstreckendes Linearprisma (24) ausgebildet ist.
Linearstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Linearstruktur (b) im Rechten Winkel zur ersten Linearstruktur (a) verläuft.
Linearstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Linearstruktur (a) von zwei zweiten Linearstrukturen (c, d) im Winkel von jeweils 60 Grad gekreuzt wird.
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) liegen.
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.
Linearstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Linearstruktur aus zwei verschieden hohen Linearprismen (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 besitzt und zugleich in der Höhe so bemessen ist, daß es von der und/oder den kreuzenden zweiten Linearstrukturen nicht beeinflußt wird.
Linearstruktur nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die 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 angeordnet ist.
Linearstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß den Linearstrukturen eine lichtstreuende, diffuse Fläche gegenüberliegt, durch die sie beleuchtet werden.
Linearstruktur nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Linearstrukturen tragende Platte oder Folie durch eingemischte lichtstreuende Partikel selbst aus einem diffusen Material besteht.
Linearstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schenkel (1, 2) der ersten und/oder zweiten Linearstruktur zur Oberfläche einen Winkel von etwa 45° aufweisen.
Linearstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Symmetrieachsen der Linearprismen (20; 22, 23; 24) der ersten und/oder zweiten Linearstruktur senkrecht zur Oberfläche verlaufen.
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.