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B e s c h r ei b u n q
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zum Patentgesuch "Anordnung zur Si ebe!0-Sec;ment-Darstelluntj von
Ziffern (Zusatz zu Patent ... Anmeldung P 27 o7 o81 .1-32) Das flauptpatent betrifft
eine Anordnung zur Sieben-Segment-Darstellung von Ziffern, bei der die im Oberbegriff
des Patentanspruchs 1 genannten Merkmale vorgesehen sind.
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Bei mindestens einigen der Segmente ist es erforderlich, den Lichtfluß
an einer oder mehreren Kanten der plattenförmigen Lichtleiterelemente umzulenken,
ohne daß das Licht aus der Plattenebene austritt. Will man die betreffenden Kanten
nicht verspieyeln, was die llerstellung erheblich verteuern würde, muß der Winkel,
unter dem das Licht auf die betreffende Kante auftrifft, je nach dem verwendeten
Material entsprechend bemessen werden. Wenn man mit n den Brechungsindex des Plattenmaterials
gegen Luft bezeichnet und mit ß den Winkel zwischen der Senkrechten auf die Fläche
und der Einfallsrichtung des Lichtstrahls, so erfolgt Totalreflexion, wenn ß v arc
sin 1 ist. Für ein preisgünstiges n Kunststoffmaterial (Acrylharz) gilt dann, daß
ß größer, höchstens gleich 420 sein muß.
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Der Öffnungswinkel für das in den Lichtleiter eintretende Strahlenbündel
darf dann höchstens doppelt so groß
sein wie (45° minus ß), im Falle
von ß @ 42° ist also ein öffnungswinkel von höchstens @° zulässig. Um eine vorgeschriebene
ausgeleuchtete Segmentlänge bei einer ge(Jeberlen Länge der Eintrittskante des Lichtes
zu erzielen, muß flach dem Strahlensatz ein entsprechend lang bemessenes Plattenelement
verwendet werden. Das bedeutet einen hohen Materialverbrauch in der Massenfertigung,
wobei gegebenenfalls die Plattenelemente einer Dekade nicht in einem einzigen lSerkzeug
gespritzt werden können.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anordnung der im Oberbegriff des
Patentanspruchs 1 definierten Gattung zu schaffen, bei der der Materialverbrauch
für die einzelnen Plattenelemente dadurch verringert ist, daß man einen grösseren
Eintrittswinkel des Strahlenbündels zulassen darf, als nach den oben ausgeführten
Reflexionsgesetzteii eigentlich möglich wäre.
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Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus dem kennzeichnenden Merkmal
des Patentanspruchs 1.
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Wie weiter unten anhand der Zeichnungen im ein7- lnen noch erläutert
wird, läßt sich dadurch erreichen, daß auch solche Lichtstrahlen an der prismatischen
Kante in der gewünschten Richtung totalreflektiert werden, die unter einem kleineren
Winkel als ß' auftreffen, wobei ß ' der Winkel sein soll, der sich bei Projektion
in die Ebene des Plattenelementes ergibt und aus derdifiemessen des öffnungswinkel
resultiert; räumlich gesehen bleibt nämlich der Winkel ß, unter dem der Strahl auf
die jeweilige Prismakante trifft, unter selbst dann größer als z.B. 42°, wenn die
Einfallsrichtung des Strahls senkrecht zur Firstlinie des Prismas steht. Vorzugsweise
wird der Prismen- oder Firstwinkel der Kante etwa gleich dem Zweifachen des Grenz
winkels der Totalrefle x ion gewählt, z.B. zu 90 .
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Durch den größeren zulässigen Öffnungswinkel ergibt sich eine bessere
Ausnutzung des durch die Steuerblende freigegebenen Lichtbündels. Mit gegebener
Lichtleistung läßt sich also ein höherer Kontrast erreichen oder eine Ausleuchtung
eines größeren Segments mit gleicher Helligkeit.
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Die Ausbildung der totalreflektierenden Kante gemäß der Erfindung
bringt noch einen weiteren, fertigungstechnischen Vorteil mit sich. Werden die Lichtleiterplatten,
was bevorzugt ist, aus transparentem KUnststoffmaterial gespritzt, so muß beim Entnehmen
aus der Spritzform das Werkstück senkrecht zur Plattenebene ausgeworfen werden.
Das ist aber mit einer genau senkrecht zur Plattenebene stehenden Kante nicht möglich;
die Kante muß zumindest ganz leicht schräg stehen; sie muß - wie man in der Spritztechnik
sagt -"Anzug" haben. Bei der erfindungsgemäßen Ausbildung kann man nun die Form
so teilen, daß der First des Prismas in der Teilungsebene liegt, und das Werkstück
fällt leicht aus der Form.
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Das Prinzip, auf dem die Erfindung beruht, soll nachstehend unter
Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen anhand eines einfachen Ausführungsbeispiels
näher erläutert werden.
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Fig. 1 zeigt in Draufsicht eine Lichtleiterplatte, wie sie etwa gemäß
dem Hauptpatent aussähe, wenn bestimmte Daten vorgegeben sind, Fig. 2 stellt in
Draufsicht eine Lichtleiterplatte gemäß der Erfindung dar, wenn dieselben Daten
vorgegeben werden, Fig. 3 ist ein Teilschnitt nach Linie 3-3 der Fig. 2 zur Erläuterung
des Strahlengangs und
Fig. 4 zeigt Ln Draufsicht einen Ausschnitt
aus Fig. 2, stark vergrößert.
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Man erkennt in Fig. 1 eine Lichtleiterplatte mit einem Lichteintritt
der Breite a und einem Lichtaustritt der Breite b. Diese Abmessungen sollen anwendungsbedingt
vorgegeben sein. Ferner ist die räumliche Lage von Lichteintritt und Lichtaustritt
anwendun gsbedingt vorgeschrieben.
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Schließlich ist auch das verwendete Kunststoffmaterial für den Lichtleiter
vorgegeben, das einen Brechungsindex gegen die umgebende Luft aufweist, bei dem
der Grenzwinkel der Totalreflexion 420 beträgt. Es läßt sich leicht zeigen, daß
dann mit einem höchstzulässigen Öffnungswinkel von x = 60 die Längenabmessung des
Lichtleiters,erforderlich für den Weg, den der Lichtstrahl in der Symmetrieachse
des Lichtbündels zurücklegen muß, um die Aufspreizung von a auf h zu erreichen,
ohne weiteres errechnet werden kann. Mit den Abmessuncren gemäß Ficr. 1 ergibt sich
dann ein l.ichtwecJ von z.B. 200 mm.
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Um trotz der vorgegebenen relativen Lage von Lichtein- und -austritt
das Licht vom Lichteintritt bis zum Lichtaustritt zu führen, muß deshalb eine mehrfache
Totalreflexion vorgenommen werden, nämlicii an den drei Kanten k1, k2 und k3. An
der unter 450 geneigten Austrittskante k4 wird das Strahlenbündel um 90 umgelenkt
und tritt in dem Oberflächenbereich des Plattenelementes aus, der durch Schraffur
markiert ist. Der Lichtstrahlengang innerhalb des Plattenelementes ist strichpunktiert
angedeutet.
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Fig. 2 zeigt ein Lichtleiter-Plattenelement nach der Erfindung mit
einer einzigen totalreflektierenden "Kante" k5, die in Wirklichkeit - wie man Fig.
3 entnimmt -prismatischen Querschnitt hat mit Prismen flächen f1 und f2 sowie einer
Firstlinie Ii. Obwohl z.B. der Strahl s1 bezüglich
der Firstlinie
11 unter einem Winkel ß' auftrifft, der kleiner ist als der Grenzwinkel der Totalreflexion,
also beispielsweise nur 350 beträgt, erkennt man aus Fig.3,daß gleichwohl der Strahl
auf die Fläche f2 unter einem größeren Winkel auftrifft, deshalb zur Fläche f1 totalreflektiert
wird und von dieser wiederum totalreflektiert in Richtung auf die Austrittskante
weiter verläuft (vgl. Fig. 4).
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Man kann daher, wenn die gleichen Bedingungen hinsichtlich der Größe
und relativen Lage von a und b wie für Fig. 1 vorliegen und dasselbe Material verwendet
wird, den Eintrittswinkel x nach der relativen Größe und Lage von Lichteintritt
a und Lichtaustritt b auslegen, derart, daß sich der kürzestmögliche Lichtweg mit
entsprechend minimalem Materialverbrauch ergibt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel
beträgt der öffnungswinkel x = 280.
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In Fig. 3 ist die Ebene e1 eingezeichnet, in der die Linie 11 liegt.
Dies ist zugleich die Formtrennebene beim Spritzen der Lichtleiterplatte, und man
erkennt, daß die kritischen Flächen f1 und f2, die nach dem Spritzvorgang unbearbeitet
bleiben sollen, aber hochglanzpoliert sein müssen, sich entformen lassen, ohne reibend
an den Formwänden entlanggleiten zu müssen.
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