DE2724748A1

DE2724748A1 - Optisches element

Info

Publication number: DE2724748A1
Application number: DE19772724748
Authority: DE
Inventors: Werner Glaubitz; Hans Dipl Phys Krueger
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1977-06-01
Filing date: 1977-06-01
Publication date: 1978-12-14
Also published as: AT368297B; CH627557A5; US4236791A; GB1603757A; ATA388478A; JPS54995A

Description

AKTIENGESELLSCHAFT Unser Zeichen Berlin und München VPA 77 P 1 O 6 1 BRO Optisches Element Zusatz zu Patent (Patentanmeldung P 27 12 325)

Das Hauptpatent beschreibt ein optisches Anzeigeelement in Form eines vorzugsweise plattenförmig ausgebildeten Körpers (Fluoreszenzkörper), der aus einem Material mit einem Brechungsindex größer 1 besteht, fluoreszierende Partikel enthält, eine zumindest teilweise verspiegelte Oberfläche hat und ein gegen den Untergrund optisch kontrastierendes Zeichen, Symbol oder dergl. trägt, das durch entsprechend geformte Auskoppeibereiehe ("Lichtaustrittsfenster") des Fluoreszenzkörpers gebildet ist.

Ein solches Bisplay liefert bei einfachstem Aufbau einen gleichmäßig hohen, umgebungsunabhängigen Kontrast, läßt sich auch noch aus schrägen Richtungen gut ablesen und verbraucht, falls eine Zusatzbeleuchtung vorgesehen ist, nur wenig Leistung.

Es hat sich ergeben, daß der Fluoreszenzkörper nicht nur im Zusammenhang mit- der optischen Darstellung von Information Vorteile bringt, sondern ganz allgemein stets dann Verwendung finden kann, wenn optische Strahlung gesammelt, geleitet und an bestimmten Stellen konzentriert wieder ausgekoppelt werden

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. Cf 77 P 1 O 6 1 BRO

soll. So kann der Körper beispielsweise dazu dienen, natürliche oder künstlich erzeugte Strahlung großflächig einzufangen und gebündelt auf einen kleinflächigen, relativ schwachen Empfänger zu führen. Dabei ist es nicht erforderlich, daß die Anregungs- bzw. Emissionsstrahlung im sichtbaren Frequenzbereich liegt; genausogut kann der Fluoreszenzkörper beispielsweise auch im Ultravioletten oder im nahen oder fernen Infrarot arbeiten.

Außerdem wurde festgestellt, daß der Fluoreszenzkörper, unabhängig von den aufgefundenen Einsatzmöglichkeiten, auch in konstruktiver Hinsicht nicht alle die im Hauptpatent geforderten Merkmale aufweisen muß, um seine Funktion erfüllen zu können. So kann etwa eine Oberflächenverspiegelung bei Wahl einer geeigneten Körperform entfallen; außerdem braucht man nicht in jedem Fall den Körper mit einem gegen den Untergrund optisch kontrastierenden Zeichen, Symbol oder dergl. zu versehen.

Aus diesem Grund ist, in Verallgemeinerung des dem Hauptpatent zugrundeliegenden Lösungsprinzips, ein optisches Element in Form eines Körpers (Fluoreszenzkörpers), der aus einem Material mit einem Brechungsindex größer 1 besteht, fluoreszierende Partikel enthält und mindestens einen Auskoppelbereich ("Austrittsfenster")

aufweist, nach Patent (Patentanmeldung P 27 12 325),

erfindungsgemäß gekennzeichnet durch seine Verwendung zum Einfangen, Führen und gebündelten Auskoppeln von optischer Strahlung.

Die Erfindung macht sich den Umstand zunutze, daß der Fluoreszenzkörper durch räumliche Bündelung und ggf. auch durch Verschiebung und Komprimierung des Anregungsfrequenzbandes zu einem hochwirksamen "Verdichter" wird, der die eingefangene Strahlung mit erhöhter Intensität wieder abgibt. Die Tatsache, daß ein Großteil der in den Körper gelangenden Strahlung im Körperinneren verbleibt und nur an den dafür vorgesehenen Stellen

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wieder austritt, ist im wesentlichen darauf zurückzuführen, daß das fluoreszenzgestreute und dann durch (Total-)Reflektionen eingefangene Licht erst nach einer relativ langen Wegstrecke ein weiteres Mal von den fluoreszierenden Partikeln absorbiert und dann möglicherweise herausgestreut wird. Daß das Fluoreszenzlicht überhaupt eine endliche freie Weglänge hat, hängt damit zusammen, daß sich bei den bislang verwendeten Fluoreszenzstoffen die Frequenzbereiche für Absorption und Emission teilweise überlappen, so daß eine gewisse Selbstabsorption nicht vermieden werden kann.

Untersuchungen haben gezeigt, daß ein plattenförmig ausgebildeter Fluoreszenzkörper keineswegs stets optimal ist. Dient der Körper beispielsweise zur Helligkeitsverstärkung eines vor ihm befindlichen Displays und läßt man diesen Körper zur Bildung von Kollektorflächen seitlich über das Display hinausragen, so wird das eingefangene Licht teilweise einen sehr langen Weg zurücklegen müssen, ehe es an die hinter dem Display befindlichen Auskoppelfenster gelangt; es wird daher durch Selbstabsorption eine merkliche Schwächung erfahren.

Vielfach kann man daher den Verstärkungsfaktor erhöhen, wenn man die Plattenform in einer Weise abwandelt, wie sie etwa in den Ansprüchen 2 bis 4 angegeben ist. Ausschlaggebend für die Gestaltung ist dabei die Lage der Kollektorflächen relativ zu den Auskoppelbereichen.

Der Einfluß der sehr störenden Selbstabsorption läßt sich auch dadurch wesentlich vermindern, daß man der Fluoreszenzplatte, die vorzugsweise die in den Ansprüchen 2 bis 4 charakterisierte Gestalt hat, folgenden Aufbau gibt: Die Platte ist aus zwei Schichten I und II zusammengesetzt, wobei Schicht I fluoreszierende Partikel in der richtigen Konzentration enthält und Schicht II aus einem Material mit gleichem oder angenähert gleichem Brechungsindex und sehr geringer Dämpfung für die Emissionswellenlänge der Fluoreszenzplatte be-

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steht. Schicht II kann dann die Lichtaustrittsfenster (Kerben) enthalten. Die Schicht mit den Fluoreszenzstoffen läßt sich auch so ausführen, daß die Fluoreszenzpartikel in ihr einheitlich orientiert sind. In diesem Fall kann eine polarisierte Emission von Fluoreszenzlicht stattfinden. Neben einer Zweischichtversion sind natürlich auch MehrSchichtanordnungen denkbar. Nimmt man dabei beispielsweise für die oberste Schicht Glas, erhält man eine gegen Witterungseinflüsse besonders stabile Ausführungsform.

Eine weitere Möglichkeit, die Selbstabsorption zu reduzieren, besteht darin, mindestens zwei Fluoreszenzplatten mit jeweils unterschiedlichen Fluoreszenzstoffen hintereinander zu schalten bzw. aneinander zu setzen. In diesem Fall sollte die Selbstabsorption in der Platte II für Fluoreszenzlicht der Platte I sehr gering sein.

Statt die Plattengrundform zu modifizieren könnte man auch zu einer völlig andersartigen Raumform übergehen: zu einem - vorzugsweise hohlen - Rotationsellipsoiden. Ein solcher Ellipsoid kann unter Umständen ohne jegliche Verspiegelung auskommen. Dies gilt insbesondere dann, wenn er eine künstliche Lichtquelle enthält. Die genaue Ausbildung hängt im wesentlichen von der Selbstabsorption des Fluoreszenzkörpers, von der Beschaffenheit und Lage der Austrittsfenster, vom Ort der Lichtquelle und ggf. auch von der Abschattung durch ein vorgesetztes Display ab und ist jeweils für den Einzelfall zu optimieren. Eine rotationssymmetrische, kantenfreie Form bringt im übrigen nicht nur Fertigungserleichterungen mit

O sich sondern hat zweifellos auch ihren ästhetischen Reiz.

Auch von einem Fluoreszenzkörper mit einem Design, wie es im Anspruch 10 angegeben ist, kann eine ästhetische Wirkung ausgehen. Daneben ist eine solche Form auch in technischer Hin-•5 sieht günstig; insbesondere erzielt man bei ihr mit wenig Material einen relativ hohen Verstärkungsgrad.

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In vielen Fällen, beispielsweise bei tragbaren, batteriegespeisten Anzeigeinstrumenten wie Armbanduhren, wird eine möglichst platzsparende Ausführung der aus Fluoreszenzkörper und Display bestehenden Anzeigeeinheit verlangt, die dabei auch noch eine ansprechende Frontseite haben sollte. Diese Forderungen lassen sich mit folgender Konfiguration erfüllen: Bei einem platten-bzw. scheibenförmigen Fluoreszenzkörper ist ein Teilbereich der Grundfläche - unter Wahrung der Körperdicke - zurückgesetzt. Der so gebildete Raum nimmt das Display auf. Zweckmäßige Ausgestaltungen einer solchen Napfform, die Material spart, Raum für Ansteuerbauelemente läßt und auch dann noch über eine Mindestkollektorfläche verfügt, wenn sie in ein Gehäuse eingelassen wird, sind Gegenstand der Ansprüche 11 bis 14.

Eine besonders gedrungene Napfvariante ergibt sich, wenn man den Napfrand wegläßt, so daß die Querabmessungen der Einheit praktisch von der Anzeigefläche des Displays bestimmt sind. Eine solche Formgebung ist selbst bei einem in einem Gehäuse befindlichen, ohne Zusatzbeleuchtung ausgestatteten Fluoreszenzkörper möglich, und zwar dann, wenn das Display im Ruhezustand das Anregungslicht passieren läßt und das Fluoreszenzlicht sperrt. Arbeitet das Display beispielsweise nach dem Prinzip der sog. "Drehzelle", dann müßte man frequenz- und/oder ortsselektive Polarisatoren verwenden. Eine besonders elegante Lösung besteht darin, den hohlen Fluoreszenzkörper mit einer Flüssigkristallzelle vom dynamisch streuenden Typ zusammenzufügen, derart, daß ein in sich geschlossenes Lichtleitersystem entsteht, das eingefangenes Anregungslicht im Ruhezustand des Displays gefangen hält und lediglich durch Streuung an angesteuerten (dynamisch streuenden) Displaybereichen nach vorne austreten läßt. Geeignete Ausführungen sind in den Ansprüchen 15 bis 18 beschrieben.

Bisher wurden im wesentlichen nur die verschiedenen Körperformen behandelt, die ein erfindungsgemäßes optisches Element

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annehmen kann. Im Folgenden soll auch auf die Fensterausführung eingegangen werden, die je nach Verwendungszweck erheblich variieren kann. Zweckmäßige Ausbildungen zur Erzeugung einer vorgegebenen, beispielsweise zur Ebene einer Fluoreszenzplatte schrägen Hauptauskoppelrichtung, oder zur Bildung eines Parallelstrahlbündels sind in den Ansprüchen 19 bzw. 20 gekennzeichnet. Unabhängig von der dem Fenster zugedachten Funktion empfiehlt sich, die Fensterabmessungen auf die Körperabmessungen abzustimmen, denn wegen der unvermeidlichen Selbstabsorption sollte jeder Auskoppelbereich von dem in das Körperinnere gelangenden Licht schon nach einer relativ kurzen Wegstrecke getroffen werden. So müssen beispielsweise bei einer relativ dicken Fluoreszenzplatte auch die Fenster vergleichsweise großflächig sein, also etwa als Kerben eine große Eindringtiefe haben; das Licht tritt dann zwangsläufig auf breiter Front aus. Wie man aus einem Fluoreszenzkörper sowohl schmal als auch breit auskoppeln kann und auch mit einer dünnen Fluoreszenzplatte einen breiten Strahlenaustritt erzielt, ist in den Ansprüchen 21 und 22 angegeben.

Das vorgeschlagene optische Element kann übrigens nicht nur in verschiedenartigen Funktionen, Raumformen und Fensterarten zum Einsatz kommen sondern läßt sich auch mit unterschiedlichen Trägermaterialien realisieren, wenn diese nur einen Brechungsindex größer 1 haben und geeignete Fluoreszenzstoffe lösen können. So kommen beispielsweise neben festen Werkstoffen mit oder ohne Vorzugsrichtung der eingebetteten Fluoreszenzpartikel auch flüssige Träger in Frage. Wählt man hierzu beispielsweise eine Flüssigkeit mit einem sehr hohen Brechungsindex, dann verbleibt wegen des kleinen Grenzwinkels ein sehr großer Anteil des fluoreszenzgestreuten Lichts im Körper. Ober eine große optische Dichte verfügen Flüssigkristalle, die zudem, wenn man ihre Moleküle und damit auch die zugemischten Fluoreszenzteilchen in geeigneter Weise vororientiert, polarisiertes Fluoreszenzlicht liefern.

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Andere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand weiterer Ansprüche.

Die Erfindung wird nun anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert. In den einzelnen Figuren der Zeichnung sind einander entsprechende Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen. Es zeigen:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel im Seitenschnitt, Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel in einer auseinandergezogenen perspektivischen Ansicht,

Fig. 3 ein drittes Ausführungsbeispiel in einem Seitenschnitt, Fig. 4 das Ausführungsbeispiel der Fig. 3 in einer Vorderansicht, Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel in perspektivischer Ansicht, Fig. 6 ein fünftes Ausführungsbeispiel in einem Seitenschnitt,

sowie
Fig. 7,8,9 und 10 von weiteren Ausführungsbeispielen jeweils

den Fluoreszenzkörper, in einem teilweise weggebrochenen Seitenschnitt.
20

Bei allen Ausführungsbeispielen dient der Fluoreszenzkörper zur passiven Helligkeitsverstärkung eines Displays in Form einer Ziffernanzeige auf Flüssigkristall-Basis. In den schematisierten Darstellungen sind alle für ein Verständnis der Erfindung nicht unbedingt erforderlichen Teile eines Displays, beispielsweise elektrische Zuleitungen, Ansteuerteile, Halterungen, Lichtquellen oder ggf. erforderliche Absorptionsfolien hinter der Anzeigeeinheit, weggelassen.

Die Flüssigkristallanzeige der Fig. 1 besteht aus der eigentlichen Zelle 1 und einem in Betrachtungsrichtung hinter der Zelle befindlichen Fluoreszenzkörper 2. Die Zelle enthält, in Betrachtungsrichtung hintereinander liegend, einen vorderen Linearpolarisator 3, eine vordere Trägerplatte 4, eine

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hintere Trägerplatte 6 und einen hinteren, zum vorderen parallelen Linearpolarisator 7. Die beiden Trägerplatten sind durch einen Distanzierungsrahmen 8 in einem gegenseitigen Abstand zueinander gehalten, sie tragen auf ihren einander zugewandten Innenflächen jeweils einen leitfähigen Belag (durchgehende Rückelektrode 9» aus einzelnen Segmenten 11 bestehende Vorderelektrode). Die vom Rahmen und den beiden Trägerplatten begrenzte Kammer ist mit einer Flüssigkristallsubstanz 12 gefüllt. Die Zelle arbeitet nach dem Prinzip der sog. "Drehzelle", weitere

O Herstellungs- und Betriebseinzelheiten sind der DT-OS 21 58 zu entnehmen.

Der Fluoreszenzkörper hat im vorliegenden Fall eine einem hohlen Rotationsellipsoiden angenäherte Form, deren von der Zelle abgedeckter Bereich abgeplattet und mit Lichtaustrittsfenstem in Form von Einkerbungen 13 und Streuflächen 15 versehen ist. Die Streuflächen sind erhaben und kontaktieren die Zelle, so daß beide Teile nur an kleinen Flächen in einem optischen Kontakt stehen. Die Einkerbungen liegen jeweils hinter einem der

!0 Elektrodensegmente 11. Die Mantelfläche des Ellipsoiden ist an keiner Stelle verspiegelt. Die optimale Körperform läßt sich bei vorgegebenen Randbedingungen empirisch oder rechnerisch ermitteln. Dabei wird sich ergeben, daß die günstigste Gestalt von einem Rotationsellipsoiden im geometrisch strengen

\5 Sinne durchaus in gewissen Grenzen abweichen kann.

Die Ausführung der Fig. 2 enthält zwei Fluoreszenzkörper. Der eine, direkt hinter dem Display befindliche Körper (erster Fluoreszenzkörper 201) hat in der Displayebene ein der Summe aller ansteuerbaren Displaybereiche nachgebildetes Profil, im vorliegenden Beispiel die Form der Ziffer "8" (rechteckiger Umriß mit zwei rechteckigen Durchbrüchen 16). Der andere Körper (zweiter Fluoreszenzkörper 202) ist plattenförmig und schließt den ersten Körper nach hinten ab.

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Die Fig. 3 und 4 zeigen eine Ausführung, die als Annbanduhranzeige gedacht ist. Die Flüssigkristallzelle "befindet sich im Inneren (Vertiefung 14) eines napfförmig gestalteten Fluoreszenzkörpers, dessen Seitenwände, einen Rand 17 bildend, nach außen abgeknickt sind. Die von der Seitenwand und dem Boden sowie von der Seitenwand und dem Rand gebildeten Außenkanten sind abgeschrägt und zusammen mit der Seitenfläche des Randes jeweils mit einer Reflexionsschicht 18 versehen. Auf diese Weise wird das von vorn auf den Rand treffende Licht gesammelt und hinter das Display geleitet. Ist die Flüssigkristallzelle auch noch so ausgeführt, daß sie im Ruhezustand für das Anregungslicht transparent, für das Fluoreszenzlicht jedoch undurchlässig ist, so erhält man relativ große Kollektorflächen. Die Bildhelligkeit ließe sich noch steigern, wenn man, wie dargestellt, den Napf mit einem weiteren Fluoreszenzkörper über einen Lichtleiter 19 verbindet. Dieser zweite Körper könnte drehbar gelagert sein und in Normalstellung über der Frontseite der Anzeigeeinheit liegen; er wäre dann beim Ablesen der Uhr aufzuklappen.

Das Napfinnere ist durch eine Glas- oder Fluoreszenzplatte 21 nach vorne bündig abgeschlossen. Die Platte wird durch eine - Platte und Napfrand bedeckende - Blende aus Glas (Blende 22) gehaltert.

Versieht man das Display mit einem durchgehenden Polarisator 7, dann könnte man die Zelle mit dem Napfboden direkt verkleben, wenn zwischen beiden Teilen eine Zwischenfolie mit einem Brechungsindex nahe 1 eingefügt wird. Bei einer solchen Bodenbedeckung ist kein unerwünschter Lichtaustritt außerhalb der Auskoppelbereiche zu befürchten. Vielfach ist es allerdings günstiger, wenn der hintere Linearpolarisator nicht durchgehend gestaltet ist sondern lediglich die Auskoppelbereiche bedeckt (Polarisatorsegmente 71) und mit dem Fluoreszenzkörper verklebt ist (Klebeschicht 23). In diesem Fall hat man nämlich keine Schwierigkeiten mit der Ausrichtung der Flüssigkristall-

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zelle in Bezug auf den Fluoreszenzkörper. Außerdem wird durch die Segmente automatisch zwischen dem Napfboden und dem Display ein Abstand von Bruchteilen eines mm geschaffen, der einerseits einen unerwünschten optischen Kontakt zwischen beiden Teilen verhindert und andererseits die Lichtausbeute und den Betrachtungswinkelbereich praktisch nicht reduziert. Hinzukommt, daß die Klebeschicht 23 zugleich auch als vorgezogene Streuebene der jeweiligen Auskoppelbereiche dienen kann. Werden die Polarisatorsegmente 71 auch noch mit dem Display verklebt, dann lassen sich weitere unnötige Reflexionsverluste vermeiden.

Der vordere Linearpolarisator der geschilderten Ausführung besteht vorzugsweise aus einer durchgehenden Folie und ist vorzugsweise frequenzselektiv ausgebildet.

Bei der in Fig. 5 dargestellten Ausführung ist eine Flüssigkristallzelle vom dynamisch streuenden Typ in einen hohlen Fluoreszenzkörper eingelassen. Der Körper hat im vorliegenden Fall eine solche Form, daß er sich mit der vorderen Trägerplatte der Flüssigkristallzelle - die vordere Trägerplatte ist etwas größer als die hintere - zu einem hohlen Quader ergänzt. Die Außenkanten dieses Quaders sind abgeschrägt und verspiegelt. Es entsteht ein in sich geschlossenes Lichtleitersystem, das eingefangene Strahlung nur dann wieder austreten läßt, und zwar im wesentlichen nach vorn, wenn sie an angesteuerten, d.h. dynamisch streuenden Flüssigkristallbereichen gestreut wird. Im Beispiel ist die Vorderseite der hinteren Trägerplatte noch zusätzlich mit einer frequenzselektiven dielektrischen Mehrfachschicht ("dielektrischer Spiegel" 24) überzogen, die für Anregungslicht transparent ist, Fluoreszenzlicht dagegen reflektiert, d.h. im optischen System einsperrt.

Bei der Ausführungsform der Fig. 6 handelt es sich um ein Anzeigeinstrument mit einem Gehäuse 32, einer Frontseite 33 und einem in die Frontseite eingelassenen Display 1 sowie diversen, in der Figur nur angedeuteten und summarisch mit 34 be-

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zeichneten Bedienungselementen. Bei diesem Instrument ist ein Teil des Fluoreszenzkörpers Bestandteil des Instrumentengehäuses 32. Der Körper hat die Form von drei zueinander senkrechten, in einem Punkt aufeinanderstoßenden Platten; in der Perspektivdarstellung sind nur die in das Gehäuse direkt inte grierten Platten zu erkennen.

Die Außenkante zwischen den beiden sichtbaren Platten ist im vorliegenden Fall nicht abgeschrägt und verspiegelt sondern abgerundet. Beachtet man hierbei die Relation

^dnf

ⁿf - ⁿa
(R ist der Krümmungsradius der Rundung, d der Plattendurchmesser, n^ der Brechungsindex der Fluoreszenzplatte, na der Brechungsindex des Außenraums, also 1 bei Luft), dann wird das eingefangene Licht auch ohne Spiegelschicht, allein in Folge Totalreflexion, nahezu verlustlos in die jeweils benachbarte, in einem (9O-)Winkel wegführende Platte übergeleitet. Die Innenkante kann dabei ebenfalls abgerundet werden.

Die Integration des Fluoreszenzkörpers in ein Gehäuse empfiehlt sich vorallem dann, wenn das Instrument besonders kompakt sein soll und/oder über große, in die Bauform eingepaßte Kollektorflächen verfügen muß.

Die Fig. 7 bis 10 zeigen jeweils plattenförmige Fluoreszenzkörper mit speziell gestalteten Austrittsfenstern.

In Fig. 7 ist das Profil der Einkerbung asymmetrisch: Es bildet ein ungleichschenkliges rechtwinkliges Dreieck mit einer Hauptabstrahlrichtung nach rechts oben.

In der Ausführung der Fig. 8 sorgen eine Sammellinse 26 auf der Körpervorderseite und eine in die Körperrückseite eingebrachte Einkerbung im Brennpunkt dieser Linse dafür, daß das ausge-

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koppelte Licht ein senkrecht zur Plattenebene austretendes Parallelstrahlbündel ist. Mit einer solchen Strahlung erreicht man bei einem matrixadressierten Display ein besonders hohes Multiplexverhältnis.
5

Die Fluoreszenzplatte in der Fig. 9 enthält auf ihrer Rückseite eine kleine Einkerbung und auf ihrer Vorderseite, der Einkerbung vorgelagert, einen Vorsatz 27, der an seiner Vorderfläche mit einer lichtstreuenden Fläche 28 versehen ist. Das Teil 27 ist der Platte entweder angeformt oder ihr fest angesetzt und kann aus dem gleichen Material wie die Fluoreszenzplatte bestehen. Die in der Figur dargestellte Variante ("dünne Platte mit Vorsätzen") eignet sich vorallem für großflächige Anzeigegeräte, da sie bei geringem Materialverbrauch breite Auskoppelflächen mit hohem Kontrast liefert.

Bei der Modifikation der Fig. 10 besteht der Fluoreszenzkörper aus zwei übereinanderliegenden Platten, einer dünnen Platte 29 und einer dicken Platte 31. Beide Platten sind auf ihren Rückselten jeweils mit Einkerbungen versehen, und zwar die in Blickrichtung vordere Platte 29 mit kleinen und die hintere Platte 31 mit tiefen, breiten Einkerbungen. Auf diese Weise können schmale und breite Zeichen mit hohem Kontrast dargestellt werden, da die in die Platte eindringende Strahlung die Einkerbungen bereits nach kurzer Wegstrecke trifft.

35 Patentansprüche
10 Figuren

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Claims

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P at e

1 .J Optisches Element in Form eines Körpers (Fluoreszenzkörper), der aus einem Material mit einem Brechungsindex größer 1 besteht, fluoreszierende Partikel enthält und mindestens einen Auskoppelbereich ("Austrittsfenster") aufweist, nach Patent (Patentanmeldung P 27 12 325), g e k e η η zeichnet durch seine Verwendung zum Einfangen, Führen und gebündelten Auskoppeln von optischer Strahlung.
2. Element nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet , daß der Fluoreszenzkörper (2) zwei planparallele Grundflächen und verspiegelte, vorzugsweise auf den Grundflächen senkrecht stehende Seitenflächen enthält, wobei die Grundflächen die Form eines Polygons haben.
3. Element nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet , daß die Grundflächen des Fluoreszenzkörpers (2) die Form eines Rechtecks mit mindestens einer abgeschnittenen oder abgerundeten Ecke haben.
4. Element nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet , daß die Grundflächen die Form von Dreiecken haben.
5. Element nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß dann, wenn der Fluoreszenzkörper (2) zwei in einem vorzugsweise rechten Winkel aufeinanderstoßende Platten enthält, die zwischen den beiden Platten gebildete Außenkante abgerundet ist und daß für den Krümmungsradius dieser Rundung gilt

dn-f
R>

ⁿf"ⁿa

mit R = Krümmungsradius, d = Sicke der Platten, nf = Brechungsindex des Plattenmaterials, n_a = Brechungsindex des Außenraums.

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ORIGINAL INSPECTED
6. Element nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß der vorzugsweise plattenförmig ausgebildete Fluoreszenzkörper (2) aus mindestens zwei Schichten besteht, wobei die eine Schicht (Fluoreszenzschicht) fluoreszierende Partikel enthält und die andere Schicht (Leiterschicht), in die vorzugsweise die Austrittsfenster (13) eingebracht sind, an die Fluoreszenzschicht optisch angepaßt ist.
7. Element nach Anspruch 6, dadurch gekenn zeichnet , daß die in der Fluoreszenzschicht enthaltenen fluoreszierenden Partikel eine einheitliche Vorzugsrichtung haben.
8. Element nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet , daß der Fluoreszenzkörper (2) die Form einer gefalteten Platte hat.
9. Element nach einem der Ansprüche 1, 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet , daß der Fluoreszenzkörper (2) die Form eines hohlen Rotationsellipsoiden hat.
10. Element nach Anspruch 1, mit einem in Betrachtungsrichtung vor dem Fluoreszenzkörper befindlichen, bereichsweise zwischen zwei optischen Zuständen schaltbaren Display, dadurch gekennzeichnet , daß der Fluoreszenzkörper (2) zwei planparallele Grundflächen sowie verspiegelte, vorzugsweise zu den Grundflächen senkrecht stehende Seitenflächen hat und daß die Grundflächen im wesentlichen nur die schaltbaren Displaybereiche bedecken.
11. Element nach einem der Ansprüche 1,5 bis 7, dadurch gekennzeichnet , daß der Fluoreszenzkörper (2,201) ein napfförmiges Profil mit einer nach außen zu einem Rand (17) abgeknickten Seitenwand hat.

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12. Element nach Anspruch 11, dadurch gekenn zeichnet , daß bei dem Fluoreszenzkörper (2,201) die zwischen Napfboden und Napfseitenwand sowie zwischen Napfseitenwand und Napfrand (17) gebildeten Kanten abgeschrägt und, zusammen mit der Seitenfläche des Randes (17), verspiegelt sind.
13· Element nach Anspruch 11 oder 12, dadurch ge kennzeichnet , daß sich im Inneren des napfförmigen Fluoreszenzkörpers (2,201 )ein Display, insb. eine Flüssigkristallzelle (1) befindet und daß die Austrittsfenster (13) im Napfboden angebracht sind.
14. Element nach Anspruch 13, dadurch gekenn zeichnet , daß das Innere des napfförmigen Fluoreszenzkörpers (201) mit einer transparenten Platte (21) abgedeckt ist, die mit dem Napfrand (17) bündig abschließt.
15. Element nach einem der Ansprüche 1,5 bis 7, dadurch gekennzeichnet , daß der Fluoreszenzkör per (2) ein napfförmiges Profil hat und in seinem Inneren eine mit zwei zueinander parallelen Trägerplatten (4,6) versehene Flüssigkristallzelle (1) vom dynamisch streuenden Typ enthält, wobei die dem Napfboden angewandte Trägerplatte (vordere Trägerplatte 4) der Flüssigkristallzelle (1) das Napfinnere abdeckt und mit dem Fluoreszenzkörper (2) in optischem Kontakt steht.
16. Element nach Anspruch 15» dadurch gekenn zeichnet , daß die zwischen Napfseitenwand und Napfboden sowie zwischen Napfseitenwand und Napfrand gebildeten Außenkanten abgeschrägt und verspiegelt sind.

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17. Element nach Anspruch 15 oder 16, dadurch ge -kennzeichnet , daß die hintere Trägerplatte (6) der Plüssigkristallzelle (1) einen frequenzselektiven Spiegel trägt, der das Anregungslicht für die fluoreszierenden Partikel hindurchläßt, das Fluoreszenzlicht jedoch absorbiert.
18. Element nach Anspruch 17, dadurch gekenn -zeichnet , daß der frequenzeelektive Spiegel eine dielektrische Mehrfachschicht ("dielektrischer Spiegel" 24) ist. ■
19. Element nach einem der Ansprüche 1 bis 14, bei dem der Fluoreszenzkörper mindestens ein Auetrittsfenster in Form einer abgewinkelten Reflexionsfläche, insb. einer Einkerbung in der Körperoberfläche, enthält, dadurch ge -kennzeichnet , daß die Reflexionsfläche (13) im Profil die Form eines ungleichschenkligen Dreiecks hat.
20. Element nach einem der Ansprüche 1 bis 14 oder 19, d a -durch gekennzeichnet , daß das Austrittsfenster neben einer Auskoppelfläche (13)» insbesondere einer Reflexions- oder Streufläche, eine Sammellinse (26) enthält, wobei die Auskoppelfläche im Brennpunkt der Sammellinse (26) angeordnet ist.
21. Element nach einem der Ansprüche 1 bis 14,19 oder 20, das eine Anzahl von Austrittsfenstern mit abgewinkelten Reflexionsflächen verschiedener Größe, insbesondere verschieden große Einkerbungen hat, dadurch gekenn zeichnet , daß der Fluoreszenzkörper (2) aus mindestens zwei, vorzugsweise plattenförmig ausgebildeten, in Auskoppelrichtung verschieden dicken Teilkörpern (29,31) zusammengesetzt 1st und daß zumindest der in Auskoppelrichtung dünnste Teilkörper (29) die kleinsten Reflexionsflächen (17) und der dickste Teilkörper (3D die größten Reflexionsflächen (13) enthält.

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22. Element nach einem der Ansprüche 1 bis 14, 19 bis 21, dadurch gekennzeichnet , daß der Fluoreszenzkörper (2) in Auskoppelrichtung vor seinem Austrittsfenster (13) ein, sich vorzugsweise in Auskoppelrichtung konisch erweiterndes, Vorsatzteil (27) enthält, das auf seiner dem Fluoreszenzkörper (2) abgewandten Fläche lichtstreuend wirkt.
23. Element nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet , daß der Fluoreszenzkörper (2) aus mindestens zwei, vorzugsweise plattenförmig ausgebildeten, mit jeweils unterschiedlichen fluoreszierenden Partikeln versehenen Teilkörpern (29,31) zusammengesetzt ist, wobei einer der beiden Teilkörper (erster Teilkörper) die von dem anderen Teilkörper emittierte Pluoreszenzstrahlung nur wenig absorbiert.
24. Element nach Anspruch 23, dadurch gekenn zeichnet , daß der erste Teilkörper die Austrittsfenster (13) enthält.
25. Element nach einem der Ansprüche 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet , daß das Trägermaterial des Fluoreszenzkörpers (2) flüssig ist.
26. Element nach Anspruch 25,dadurch gekenn zeichnet , daß das flüssige Trägermaterial ein Flüssigkristall ist, wobei insbesondere di-e Plüssigkristallmoleküle sowie die fluoreszierenden Partikel eine Vorzugsrichtung aufweisen.
27. Element nach einem der Ansprüche 1 bis 26, dadurch gekennzeichnet , daß neben dem Fluoreszenzkörper (2,201) mindestens ein weiterer Fluoreszenzkörper (202) vorgesehen ist, der die vom ersten Fluoreszenzkörper (2,201) nicht eingefangene optische Strahlung seinerseits sammelt und diese Strahlung auf einen Energiewandler, insbesondere ein Fotoelement,

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Q?
28. Element nach einem der Ansprüche 1 bis 27, dadurch gekennzeichnet , daß neben dem mindestens einen Fluoreszenzkörper (2,201) wenigstens ein weiterer Fluoreszenzkörper (202) vorgesehen ist, der mit den anderen Fluoreszenzkörpern durch einen Lichtleiter (19) verbunden ist.
29. Element nach Anspruch 28, dadurch gekenn zeichnet , daß zumindest einer der Fluoreszenzkörper (202) drehbar gelagert ist und vorzugsweise in eine Stellung gebracht werden kann, in der er über einem der anderen Teilkörper (201) zu liegen kommt.
30. Element nach einem der Ansprüche 1 bis 29, mit einem Gehäuse, dadurch gekennzeichnet , daß der Fluoreszenzkörper (2) Teil des Gehäuses (32) ist.
31. Element nach einem der Ansprüche 1 bis 29, wobei der Fluoreszenzkörper im Inneren eines Gehäuses untergebracht ist, dadurch gekennzeichnet , daß das Gehäuse (32) zumindest teilweise aus einer Mattscheibe besteht.
32. Anzeigegerät mit einem bereichsweise zwischen verschiedenen optischen Zuständen schaltbaren Display, insbesondere einer Flüssigkristallzelle, und einem optischen Element gemäß einem der Ansprüche 1 bis 31 in Blickrichtung hinter dem Display, wobei das Element hinter jedem schaltbaren Displaybereich ein Austrittsfenster hat und zwischen dem Display und dem Element ein Polarisator angeordnet ist, dadurch gekenn zeichnet , daß der Polarisator nur die Austrittsfenster (13) des FluoreszenzkiSrpers (2) bedeckt (Polarisatorsegmente 71) und vorzugsweise direkt an diesem Körper (2) und/ oder an dem Display (1) fixiert ist.

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33. Anzeigegerät nach dem Oberbegriff des Anspruchs 32, d a durch gekennzeichnet , daß der Polarisator (7) an dem Fluoreszenzkörper (2) fixiert ist, wobei sich zwischen dem Polarisator (7) und dem Fluoreszenzkörper (2) eine Folie (Zwischenfolie) befindet, deren Brechungsindex nahe bei 1 liegt.
34. Anzeigegerät nach Anspruch 32 oder 33, mit einem vor dem Display befindlichen zweiten Polarisator, dadurch gekennzeichnet , daß der zweite Polarisator (vorderer Polarisator 3) durchgehend gestaltet ist und vorzugsweise das Anregungslicht für die fluoreszierenden Partikel ungeschwächt hindurchtreten läßt, das Fluoreszenzlicht dagegen polarisiert ("frequenzselektiver Polarisator").
35. Element nach einem der Ansprüche 1 bis 31, gekenn zeichnet durch seine Verwendung zum Aufladen von elektrischen, insbesondere batteriegespeisten Geräten.

809850/0122