DE2942655A1 - Optische vorrichtung zum sammeln und streuen von licht - Google Patents

Optische vorrichtung zum sammeln und streuen von licht

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DE2942655A1
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Description

Uwe M. Haft Patentanwalt
Maximilianstrasse D-8000 München
Tel.: (089) 294818 Telex: 523514 Telegr.: NOVAPAT
H 468
Societe Suisse pour I'Industrie
Horlogere Management Services S.A.
Biel, Schweiz
Optische Vorrichtung zum Sammeln und Streuen von Licht
Bei der optischen Anzeige von Informationen z.B. in Uhren, Taschenrechnern, Kraftfahrzeuginstrumenten und dgl. werden immer mehr passive Anzeigen verwendet, insbesondere solche die mit Flüssigkristallen arbeiten. Passiv bedeutet dabei, daß die Anzeigeanordnungen selbst kein Licht aussenden und deshalb in der Dunkelheit völlig unsichtbar und damit nicht ablesbar sind. Um diesen Nachteil zu vermeiden, ist es bekannt, eine Beleuchtungsvorrichtung vorzusehen, z.B. in Form einer einfachen Glühlampe, die in der Nähe der Anzeige angeordnet wird oder in Form sogenannten Beta-Lichtes das z.B. radioaktives Tritium verwendet, das auf einen phosphoreszierenden Stoff einwirkt.
Im Falle kleiner tragbarer Geräte, insbesondere im Falle von Armbanduhren, ist es nun wichtig Energie zu sparen, wobei im Falle einer Beleuchtung mit einer Lampe, wie z.B. einer Glüh-
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lampe oder einer lichtemittierenden Diode ein maximaler Wirkungsgrad erforderlich ist. Dadurch wird eine maximale Lebensdauer der Energiezelle gewährleistet, die sowohl das Gerät antreibt als auch die Anzeige beleuchtet.
Die herkömmlichen Beieuchtungsanordnungen für die Anzeige von Uhren weisen noch den erheblichen Nachteil auf, daß zuviel Licht verloren geht, da nur ein kleiner Teil der zur Verfügung stehenden Lichtenergie effektiv ausgenutzt wird.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eins Vorrichtung zum Sammeln und Streuen von Licht zu schaffen, bei dem der Hauptteil der von der Lichtquelle ausgesandten Energie zur Beleuchtung der Anzeige ausgenutzt wird, so daß eine kleinere Energiequelle bei gleicher Lebensdauer verwendet werden kann und Energie eingespart wird.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt mit den im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert, in der vorteilhafte Ausführungsformen dargestellt sind. Es zeigen:
Fig. 1 und 2 bekannte Anordnungen zur Beleuchtung von
Anzeigen,
Fig. 3 und 4 eine Seitenansicht und eine Draufsicht
auf ein erstes erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel,
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Fig. 5 eine Einzelheit dieses Ausführungsbei
spiels,
Fig. 6 und 7 eine Seitenansicht und eine Draufsicht
auf ein zweites erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel ,
Fig. 8 eine Variante des in Fig. 6 gezeigten
Beispieles, und
Fig. 9 eine Einzelheit in vergrößerter Form.
Eine bekannte Vorrichtung ist schematisch in den Fig. 1 und 2 dargestellt und besteht aus einer Lichtquelle 40, die z.B. eine Mikrolampe sein kann mit einem Glühdraht,oder ein Mikrorohr, welches Tritium enthält und sichtbares Licht über einen Lumineszenzstoff erzeugt oder auch eine lichtemittierende Diode sein kann. Mit 50 ist eine transparente Leiste bezeichnet, die als optischer Wellenleiter und Reflektor dient. Die Lichtquelle 40 ist neben der Endfläche 51 der Leiste 50 angeordnet oder in eine öffnung eingesetzt, die in ihr vorgesehen ist. Der Nachteil dieser Vorrichtung besteht darin, daß eine schlechte Lichtleitung zwischen der Lichtquelle 40 und der Leiste 50 besteht, so daß der Hauptteil der Lichtenergie, der im zylindrischen Sektor 41 mit dem Mittelpunkt S abgestrahlt wird, nicht zur Leiste 50 gelangt und daher verloren wird, da nur der kleinere,im zylindrischen Teil 42 abgestrahlte Lichtanteil in die Leiste eindringt.
Das von der Leiste 50 aufgenommene Licht wird durch innere Totalreflektion oder Reflektion an reflektierenden Flächen weitergeleitet. Ist nun die Endfläche 52 der Leiste 50 unbeschichtet, so kann ein Lichtstrahl L7 aus dieser Fläche
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austreten, ist jedoch für Beleuchtungszwecke verloren. Ist hingegen die Endfläche 52 mit einer reflektierenden Schicht bedeckt, so kann das Licht aus der Leiste 50 nur durch die Einfallsfläche 51 austreten. Um dies zu vermeiden, ist die Hauptfläche 53 der Leiste 50 in der Nähe der Anzeige im allgemeinen aufgerauht. Aufgrund der Lichtleitung zwischen der Lichtquelle 40 und der Leiste 50, sowie der Art der Lichtausbreitung innerhalb der Leiste 50 sind jedoch im allgemeinen die Reflektionswinkel ö an den Flächen 53 und 54 groß. Dadurch kann das Licht nur durch Brechung an der aufgerauhten Fläche 53 austreten unter einem tangentialen Winkel o, der sehr begrenzt ist und ungeeignet für die Beleuchtung der Anzeige ist.
Eine relativ schwache Beleuchtung kann dadurch erzielt werden, daß nur ein kleiner Teil der Lichtenergie verwendet wird, der sich innerhalb der Leiste 50 ausbreitet, nämlich solche Lichtstrahlen wie der mit L„ bezeichnete, der einen komplexen Weg zurückgelegt hat einschließlich einer inneren Reflektion an der aufgerauhten Fläche 53, gefolgt von einer Reflektion an der gegenüberliegenden Fläche 54/ wenn diese mit einer reflektierenden Schicht bedeckt ist oder an einem Diffusor 60, der unterhalb der Fläche 54 angeordnet ist, sofern letztere unbeschichtet ist, und nach einer Brechung an der Fläche 53, wonach er als Lichtstrahl Ll oder Lg austritt, je nach der beschriebenen Anordnung. Diese bekannte Anordnung ermöglicht also, daß nur ein kleiner Teil der von der Lichtquelle 40 stammenden Lichtenergie für Beleuchtungszwecke der Anzeige zur Verfügung steht, wobei der übrige Lichtanteil verlorengeht.
In Fig. 3 und 4 ist ein erstes erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel dargestellt, wobei mit 10 ein zylindrisches
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Vorderteil und mit 20 ein Bauteil bezeichnet sind, die integral aus einem transparenten Material hergestellt sind, das z.B. durch Gießen eines Acrylharzes in einer geeigneten Form erhalten wird.
Das Vorderteil 10 weist eine zylindrische Öffnung 11 auf mit kreisförmigen Querschnitt und einem Mittelpunkt F.. zur Aufnahme der Lichtquelle,die vorzugsweise die Form einer Mikrolampe aufweist, mit einem Glühfaden. Der Durchmesser der kreisförmigen Öffnung ist an denjenigen der Lampe angepaßt, so daß der Glühfaden in der Achse der Öffnung angeordnet ist.
Die Außenform des Vorderteils 10 weist einen Abschnitt 12 von elliptischem Umfang 13 auf, mit den Brennpunkten F1 und F~ und zwei Abschnitte 14 und 15 mit kreisförmigem Umfang 16 und einem Mittelpunkt F1. Der Radius des Kreises
16 ist vorzugsweise gleich oder größer als die Abmessungen F1B oder FC der Ellipse 13.
Alle Flächen des Vorderteils 10 sind vorteilhafterweise hoch poliert, wobei diejenige der Öffnung 11 eine genau definierte optische Grenzfläche zwischen der Lampe und dem Vorderteil 10 darstellt und die Außenflächen 12, 14, 15,
17 und 18 mit einer reflektierenden Schicht,wie z.B. einer Aluminium-oder Silberschicht mit einem Reflektionskoeffizienten für sichtbares Licht von mehr als 0,9#bedeckt sind. Ein elliptischer Spiegel bildet,wie bekannt, den einen Brennpunkt im anderen Brennpunkt ab durch Reflektion der Lichtstrahlen an seiner Innenfläche. Diese Eigenschaft wird hier in Abschnitt 12 der Ellipse 13 ausgenutzt: jeder Lichtstrahl L„ vom Glühfaden der Lampe im Brennpunkt F1 verläuft durch den anderen Brennpunkt F_ nach Reflexion an der Wand der Ellipse 12. Danach gelangt der Lichtstrahl L» in das Bauteil 20 durch Totalreflexion an der oberen Fläche 24 und der unteren Fläche 25 mit einem Reflexionswinkel ©2.
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Die kreisförmigen Abschnitte 14 und 15 des zylindrischen Spiegels mit dem Mittelpunkt F1 reflektieren jeden Lichtstrahl, wie z.B. L^, der von dem bei F angeordneten Glühfaden der Lampe stammt in die gleiche Richtung, jedoch unter einem Winkel zum Strahl L-. Der Strahl L, verhält sich dabei ähnlich wie der Strahl L2 und breitet sich im Bauteil 20 mit einem Reflexionswinkel θ^ aus.
Der Grenzstrahl L1 breitet sich entlang der Achse V aus, die senkrecht zur Symmetrieebene H-H des Vorderteils verläuft. Nach einer Reflexion an 12 am Punkt B verläuft L1 durch den Brennpunkt F2 und gelangt zum Punkt D mit einem Winkel Θ.. relativ zur Achse W, die parallel zur Achse V verläuft. Θ.. ist der Reflexionswinkel des Grenzstrahles L1 wenn letzterer im Bauteil 2O verläuft. Die geometrischen Charakteristiken der Ellipse 13 sind derart gewählt, daß ΘΛ größer oder gleich als θ ist. Der Winkel θ
1 grenz grenz
genügt dabei der Gleichung
n, . sin θ = η
1 grenz ο
wobei mit n1 der Brechungsindex des Materials des Bauteiles für das verwendete Licht und mit η der Brechungsindex
der Umgebung bezeichnet ist. θ ist der kleinste Eingrenz
fallwinkel bei dem noch eine Totalreflexion innerhalb des Materials mit dem Brechungsindex n.. auftritt, wenn die Umgebung einen Brechungsindex η aufweist und unter der Bedingung daß n1 größer als η ist. Da die Umgebung üblicherweise Luft unter Normaldruck ist, gilt η = 1.00. Damit erhält man die Beziehung
sin Venz = k;
Für das Acrylharz mit der Bezeichnung Poly-Methacryl-säure-
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ester (PMMA) ist η. = 1.491 und damit Θ = 42.12°.
Wählt man θ. = θ so wird die Abmessung BC der Ellipse 1 grenz
13 ein Minimum.
Wie man sieht tritt im wesentlichen das gesamte vom Glühfaden der Lampe im Brennpunkt F1 ausgesandte Licht in das Bauteil 20 ein und breitet sich darin mit einem Reflexionswinkel von θ - θ aus. Dies stellt einen erheblichen
grenz
Vorteil gegenüber den bekannten Anordnungen dar, bei denen nur ein kleiner Teil des gesamten ausgesandten Lichtes gemäß dem Abschnitt 19 in der zylindrischen öffnung in den Diffuser 20 der Vorrichtung gelangt.
Erfindungsgemäß kann auch der Abschnitt 12 der Ellipse 13 durch einen kreisförmigen Abschnitt ersetzt werden, der so bemessen ist, daß an den Punkten B und C die Bedingung der Reflexion des Grenzstrahles L1 erfüllt sind, d.h. daß am Punkt D ein Lichtstrahl L1 auftrifft,der einen Winkel
θ- - θ relativ zur Achse W aufweist. Die von F1 aus-1 grenz 1
gehenden Lichtstrahlen verlaufen dabei nicht sämtlichst durch einen Brennpunkt F_, jedoch ist dies für das vorliegende Ausführungsbeispiel nicht absolut notwendig. Trotzdem gelangen sie vollständig in das Bauteil 20 und breiten sich darin mit einem Reflexionswinkel θ - θ aus, wie
grenz
es erfindungsgemäß erforderlich ist.
Das Bauteil 20 hat die Form einer dünnen Leiste von im allgemeinen rechtwinkligen Querschnitt, deren Seitenflächen 21 und 22 hochpoliert sind, um so eine innere Totalreflexion von Licht zu gewährleisten. Die Endfläche 23 ist senkrecht zur Ebene H-H an ihr dem Vorderteil 10 abgewandten Ende und ist ebenfalls hochpoliert und obendrein mit einer reflektierenden Schicht versehen, wie die Flächen 12, 14, 15, 17
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und 18 des Vorderteils 10.
Die Hauptfläche 24 des Bauteils 20, die der Anzeige benachbart ist und parallel zur Ebene H-H verläuft, ist mit einem streuenden Aufbau versehen, wie er schematisch in Fig. 5 dargestellt ist, und der auf die sichtbare Zone beschränkt sein kann. Derartige streuende Flächen sind an und für sich bekannt für diese Art von Anwendung. Die Fläche 24 kann auch mit einer Schicht bedeckt sein, die ihre Reflektivität für sichtbares Licht erhöht um so eine wesentliche Reflexion von Umgebungslicht zu erhalten, wie z.B. einen Strahl L. und L^ um so den störenden Effekt einer Parallaxe bei Tageslicht zu vermeiden, der dann auftritt, wenn die Reflexionsfläche im Abstand von der Anzeige angeordnet ist, wodurch ein auftreffender Tageslichtstrahl L4 als Reflexionsstrahl L" auftritt.
Die große Fläche 25 des Bauteils 20,die der Anzeige gegenüberliegt und parallel zur Ebene H-H verläuft, weist einen besonderen Aufbau auf, wie er im einzelnen in Fig. 5 dargestellt ist. Es handelt sich dabei um eine Folge von ebenen polierten Flächen 25a und 25b, die regelmäßig und abwechselnd über die gesamte Länge K des sichtbaren Bereichs angeordnet sind und durch ebene schräge polierte Flächen 26a und 26b voneinander getrennt sind, die sich über die gesamte Breite 1 des Bauteils erstrecken.
Das vom Vorderteil 10 kommende Licht breitet sich im Bauteil 20 durch Totalreflexion an der Fläche 24 und den Teilflächen 25a und 25b der Fläche 25 aus. Dabei ist es nur erforderlich, die Teilflächen 26a und 26b mit einer reflektierenden Schicht zu bedecken, um den gewünschten noch näher zu beschreibenden optischen Effekt zu erzielen. In der Pra-
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xis ist es jedoch einfacher, die gesamte Fläche 25 mit einer reflektierenden Schicht zu bedecken, wobei auch gleichzeitig die Endfläche 23 mitbeschichtet werden kann. Um Absorptionsverluste einer Lichtausbreitung im Bauteil 20 möglichst gering zu halten, ist es vorteilhaft,die reflektierende Schicht der Teilflächen 25a und 25b der Fläche 25 mit einem möglichst großen Reflexionsfaktor zu wählen. Das Überziehen der gesamten Fläche 25 mit einer reflektierenden Schicht erleichtert die Herstellung der optischen Anordnung. Dadurch erübrigt sich auch das Vorsehen eines getrennt angeordneten Reflektors 60 (Fig. 2), der bei herkömmlichen Anordnungen neben der Seite 54 vorgesehen ist, da die parallel zur Ebene H-H vorhandenen ebenen Flächen 25a und 25b auch das Tageslicht reflektieren und einen einfallenden
Strahl L. als Strahl L" zurückwerfen. 4 4
Die schrägen polierten Teilflächen 26a und 26b bilden einen Winkel & mit der Ebene H-H. Der Winkel <~λ wird so gewählt, daß alle Lichtstrahlen L5,die sich im Bauteil durch Reflexion an den Flächen 24 und 25 mit einem Einfallswinkel θ_ ausbreiten und auf die Flächen 26a treffen, als Strahlen L' in einen Kegel fallen, dessen Öffnungswinkel 2 ,y- beträgt und symmetrisch zur senkrechten ρ zur Ebene H-H ist. Der Winkel <*. hängt vom Wert Q1 des Grenzstrahls L1 ab:
θ = Q ύ Q έ Q = 90°
grenz 1 5 max
wodurch man für den Winkel «. folgende Beziehung erhält:
= 22,5 + 4
Das Profil des Vorderteils 10 wird derart gewählt, daß die folgende Beziehung gilt
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θ., = θ ,woraus folgt '.
1 grenz' '
grenz
Ok = 22,5° +
Für denjenigen Fall, in dem das Material Acrylharz, insbesondere PMMA ist,und die Umgebung Luft ist bei Normaldruck, erhält man einen Wert von
C< = 33°.
Die Teilflächen 26b wirken genauso wie die Flächen 26a
und reflektieren Lichtstrahlen wie Li- nach L", die siel:
D D
im Bauteil 20 ausgebreitet haben, ohne auf die Fläche 26a zu treffen u:
worden sind.
und reflektieren Lichtstrahlen wie Li- nach L", die sich
D D
ine auf dif zu treffen und deshalb von der Fläche 23 als Li reflektiert
Die Breiten a und b der Flächen 25a und 25b werden derart gewählt, daß die Fläche 24 über ihre gesamte Ausdehnung beleuchtet wird. Die Bereiche 27a und 27b der Fläche 24 werden also durch reflektierte Lichtstrahlen an den Flächen 26a und 26b beleuchtet, wobei letztere zumindest benachbart sind. Die Abstände a und b hängen demzufolge von der Mindestdicke e des Bauteils 20 und der Tiefe d der Flächen 26a und 26b sowie vom Winkel ^y ab.
Daraus erhält man die folgenden Beziehungen a ^ 2 e . tg /£ und b ^ 2 (e+d) ■ . tg /y
Andererseits ist der Wert des Winkels /)r durch die folgende
Beziehung bestimmt ._
Θ1 = 45° - —
Die Tiefe d der Flächen 26a und 26b kann gemäß der gewünschten Lichtverteilung von einem Ende zum anderen des sichtbaren Bereiches K gewählt werden. Bei einem typischen Beispiel
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beträgt d zwischen 10 und lOO^im.
Bei einem praktischen Ausführungsbeispiel wurde als transparentes Material ein Acrylharz PMMA gewählt, dessen Brechungsindex n.. = 1.491 betrug und das von Luft umgeben war mit η = 1.000. Dabei betrugen:
O1 = θ = 42.12°
1 grenz
Mindestdicke e = O,5 mm
Tiefe der Flächen d =15 ^m Winkel 0< = 33° .ff = 23.94° a ^ 0.444 mm b ^ 0.457 mm
Wie man sieht, wird also der größte Lichtanteilyder in das Bauteil 20 gelangt, durch die Fläche 24 hindurch zur Beleuchtung der Anzeige im Dunkeln verwendet. Dies stellt einen erheblichen Vorteil gegenüber bekannten Beleuchtungsanordnungen dar.
In den Fig. 6 und 7 ist ein anderes erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel dargestellt,das nicht wie bisher aus einem einzigen Stück besteht, sondern aus zwei getrennten Teilen, von denen das eine das Vorder- oder zylindrische Teil 100 bildet, welches die Lichtquelle aufnimmt und das andere getrennte Teil den streuenden Körper 200 bildet. Da es sich nunmehr um zwei getrennte Teile handelt, sind gewisse Unterschiede vorhanden um eine maximale. Wirksamkeit zu erzielen.
Wie beim vorhergehenden Ausführungsbeispiel besteht das Außenprofil des Vorderteils 100 aus einem eine Ellipse 103 bildenden Teil 102 mit Brennpunkten F1 und F-, aus zwei einen Kreis 106 bildenden Teilen 104 und 105 mit dem Mittel-
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punkt F1 und aus einem Teil 107, das eine weitere Ellipse 108 bildet, mit den Brennpunkten F„ und F... Wie beim vorhergehenden Beispiel ist der Radius des Kreises 106 mit dem Mittelpunkt F1 gleich oder größer als die Strecke F.B oder F1C der Ellipse 103. Der Teil 107 der Ellipse 108 ist mit den Teilen 104 und 105 des Kreises 106 über entsprechende Segmente 114 und 115 verbunden.
Alle Flächen des Vorderteils 100 mit Ausnahme der Segmente 114 und 115 sind vorteilhafterweise hochpoliert, wobei die Außenflächen 102, 104, 105, 109, 110, 111 und 112 mit einer reflektierenden Schicht bedeckt sind, deren Reflektionskoeffizient gleich oder größer als 0,9 für sichtbares Licht ist, wie im vorhergehenden Beispiel. Die zylindrische öffnung 101 erfüllt die gleiche Funktion wie die zylindrische öffnung 11 im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3.
Wie beim vorherigen Ausführungsbeispiel breitet sich das vom Brennpunkt F1 ausgesandte Licht innerhalb des Vorderteils in ähnlicher Weise aus, d.h. daß der Brennpunkt F1 des elliptischen Spiegels am anderen Brennpunkt F2 abgebildet wird, nach Reflektion der Lichtstrahlen L- und L_ an der Innenfläche. Hierbei hat nun die Grenzfläche 107 einen elliptischen Querschnitt und bildet damit den Brennpunkt F2 im Unendlichen ab nach erfolgter Lichtbrechung beim Übergang vom Material mit dem Brechungsindex n.. in das Material mit dem Brechungsindex η , wobei n1 > η ist und n1 der Brechungsindex des Materials,aus dem das Vorderteil besteht für das sichtbare Licht und η der Brechungsindex der Umgebung ist. Aufgrund dieser Eigenschaft des Teils 107 der Ellipse 108 breitet sich ein Lichtstrahl L_ durch den Brennpunkt F2 parallel zur Symmetrieebene H-H des Vorderteils nach Brechung an der elliptischen Grenzfläche 107 in der Umgebung aus.
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Es ist wichtig, daß das Teil 102 ellipsenförmig ist um das Bild von F1 in einem einzigen Punkt F„ abzubilden und daß das Teil 107 ellipsenförmig ist und daß sein Brennpunkt F„ mit dem Brennpunkt F„ der ersten Ellipse 103 zusammenfällt. Bei diesem Ausführungsbeispiel breitet sich der Grenzstrahl L1 entlang der Achse V aus, die senkrecht zur Ebene H-H verläuft. Nach erfolgter Reflexion in Punkt B an 102 verläuft der Lichtstrahl L1 durch den Brennpunkt F_ und trifft bei D unter einem Winkel Θ* bezüglich einer Achse W auf,die parallel zur Achse V liegt. Der Auftreffpunkt des Strahles L1 an der Ellipse 108 im Punkt D begrenzt das elliptische Teil 107. Die geometrischen Eigenschaften der Ellipse 103 sind derart gewählt, daß der Winkel Θ.. gleich oder größer als der Winkel ©aren ist, wobei für θ folgendes gilt:
n. . sin θ = η 1 grenz ο
Unter den gleichen Voraussetzungen wie im vorhergehenden Beispiel beträgt ©qrenz = 42.12°. Ist die Ellipse 103 derart geformt, daß θ^ = θ ist, so wird der elliptische Teil 107 halbelliptisch. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird derjenige Lichtanteil,der innerhalb des zylindrischen Segmentes 113 ausgestrahlt wird,nicht verwendet, jedoch kann dies durch Verlängerung der kreisförmigen Abschnitte 104 und 105 des zylindrischen Spiegelabschnitts kompensiert werden und zwar bis zu dem Punkt, an dem diese die Grenzstrahlen L1 und L. in ihren entsprechenden Strecken BD und CE schneiden nach entsprechender Reflexion an den Punkten B und C. Durch sorgfältige Wahl der geometrischen Abmessungen der Ellipse 103 und des Kreises 106 kann der Brennpunkt F2 am Umfang des Kreises 106 angeordnet werden. Unter diesen Bedingungen kann das zylindrische Segment theoretisch unendlich klein gemacht werden, woraufhin alles von einem bei F1 angeordneten Glühfaden ausgesandte Licht gemäß diesem Ausführungsbeispiel verwertet wird.
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Auch das steuernde Bauteil 200, das bei diesem Ausführungsbeispiel getrennt vom Vorderteil 100 ist, weist eine Form auf, ähnlich derjenigen des Bauteils gemäß dem vorhergehenden Beispiel. Die Seitenflächen 201 und 202 sind hochpoliert um eine innere Totalreflexion des Lichtes zu gewährleisten. Die Fläche 203, die dem Vorderteil benachbart ist, und senkrecht zur Ebene H-H angeordnet ist, ist ebenfalls poliert und ermöglicht den Eintritt der vom Vorderteil 100 stammenden Lichtstrahlen,ohne daß sie in eine Ebene abgelenkt werden, die nicht parallel zur Ebene H-H liegt. Gemäß einem ersten in Fig. 6 gezeigten Ausführungsbeispiel ist das streuende Bauteil mit einer Endfläche 204 versehen, die dem Vorderteil 100 abgewandt ist und keine besondere Oberflächenbehandlung bedarf, während bei dem in Fig. 8 gezeigten Ausführungsbeispiel die Fläche 204 in zwei ebene abgeschrägte hochpolierte Flächen 204a und 204 b unterteilt ist, die je einen Winkel von 4 5° mit der Ebene H-H einschließen sowie einen Winkel von 90 zueinander.
Wie beim vorhergehenden Beispiel ist die Hauptfläche 205 parallel zur Ebene H-H mit einem streuenden Aufbau versehen, wie Fig. 9 erkennen läßt. Diese Fläche kann auch mit einer reflektierenden Schicht für sichtbares Licht versehen sein um eine bessere Reflexion bei Tageslicht zu erhalten, und damit eine Parallaxe zwischen dem Lichtstrahl L^ und Ll zu vermeiden.
Die Fläche 206 des Bauteils 200, die der Anzeige abgewandt ist, und parallel zur Ebene H-H liegt, weist einen besonderen Aufbau auf, der im einzelnen in Fig. 6 dargestellt ist. Dabei sind eine Anzahl von stufenförmigen Zonen 206a vorgesehen, mit ebenen Oberflächen parallel zur Ebene H-H und getrennt durch im Winkel angeordnete Flächen 207a, die sich über die gesamte Breite 1 des Bauteiles erstrecken und einen Winkel von 45° mit der Ebene H-H einschließen.
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Der zur Ebene H-H parallele Lichtstrahl vom Vorderteil tritt in das Bauteil 200 durch die Fläche 203 ein und trifft nacheinander auf die verschiedenen schrägen Flächen 207a. Besteht das Bauteil aus einem Material, dessen Brechungsindex für das verwendete Licht n.. ist, weist die Umgebung den Brechungsindex η auf und gilt die Beziehung
no
so werden die parallel zur Ebene H-H verlaufenden Lichtstrahlen, die auf die schrägen Flächen 207a treffen,total reflektiert. Diese Bedingung gilt insbesondere dann, wenn das Material des Bauteils das Acrylharz PMMA ist und die Umgebung Luft ist. Nach dieser Reflexion breiten sich die Lichtstrahlen in Ebenen aus, die senkrecht zur Ebene H-H liegen, wie Fig. 6, 8 und 9 zeigen, erreichen die Oberfläche 205 und werden von dort gestreut, so daß eine nächtliche Beleuchtung der Anzeige ermöglicht wird.
Bei einem möglichen, in Fig. 6 gezeigten Ausführungsbeispiel bilden die ebenen Flächen eine Reihe von ansteigenden Stufen, so daß die parallel zur Ebene H-H durch die Fläche 203 eintretende! Lichtstrahlen direkt an diesen Flächen 207a reflektiert werden. Gemäß einem anderen bevorzugten Ausführungsbeispiel,wie es Fig. 8 zeigt, bilden diese schrägen Flächen eine Anzahl von ansteigenden Stufen 207a bis zur Mitte der Länge K des sichtbaren Bereichs und danach eine Reihe von abnehmenden Stufen 207b. Ein erster Teil des Lichtbündels parallel zur Ebene H-H tritt durch die Fläche 203 ein und wird an den ansteigenden Stufen 207a reflektiert, während der andere Teil ursprünglich zwei innere Totalreflexionen an den ebenen Flächen 204a und 204b erleidet, wodurch sich die Ausbreitungsebene des Lichtes parallel
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zu sich selbst an das entfernte Ende der Anordnung verschiebt, wonach eine Reflexion an den absteigenden Flächen 207b erfolgt.
Das gesamte in das Bauteil 200 durch die Fläche 203 und parallel zur Ebene H-H eintretende Licht tritt also durch die Fläche 205 in eine Richtung aus, die nützlich für die Beleuchtung der Anzeige ist, um deren Ablesen bei Nacht zu ermöglichen.
Wie im vorhergehenden Beispiel ist es nicht erforderlich, daß die Fläche 206 beschichtet ist um eine Streuung des Lichtes zu erzielen. Jedoch erleichtert eine vollständige Beschichtung der Fläche 206 mit einem reflektierenden Material die Herstellung der optischen Anordnung. Dadurch kann auch ein getrennter Reflektor 60, wie er herkömmlicherweise verwendet wird, fortgelassen werden.
Die Tiefe d der schrägen Flächen 207a und 207b, ihr Abstand h und ihre Anzahl sind den Umständen entsprechend auszuwählen und hängen von den Gesamtabmessungen der Anordnung, den Erfordernissen der Tageslichtablesung und der Gleichförmigkeit der Beleuchtung bei Nacht ab. Ein typischer Wert für d liegt zwischen 10 und 1OO μΐη, und für h zwischen 0,1 und 1 mm.
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Claims (18)

Societe Suisse pour I1Industrie Horlogere Management Services S.A. Biel, Schweiz Patentansprüche
1. Optische Vorrichtung zum Sammeln und Streuen von Licht, dadurch gekennzeichnet, daß sie ein erstes transparentes Bauteil in Form eines langgestreckten Zylinders aufweist, dessen äußere Zylinderfläche wenigstens teilweise elliptisch und teilweise kreisförmig ist und dessen größerer Teil mit einer nach innen reflektierenden Schicht bedeckt ist, daß sie ein zweites transparentes Bauteil aufweist mit wenigstens einer, nach innen reflektierenden Fläche und einer ebenen, lichtdurchlässigen Streufläche, daß sie eine im wesentlichen lineare Lichtquelle aufweist, die in der ersten Brennlinie derjenigen Ellipse angeordnet ist, die durch einen Teil des Zylinderprofils gebildet wird und daß sie zwischen den beiden Bauteilen einei Lichtleiter aufweist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle eine Glühlampe ist deren Glühfaden in
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ORIGINAL INSPECTED
9 ο /, ο ς ς ς
der Brennlinie in der Nähe des elliptischen Teils der äußeren zylindrischen Fläche liegt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Brennlinie der Mittelpunkt des kreisförmigen Teils der äußeren zylindrischen Fläche liegt.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Bauteile aus einem einzigen Stück bestehen.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Bauteile entlang eines Kreisabschnitts der zylindrischen Außenfläche miteinander verbunden sind.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Bauteil die Form einer im allgemeinen rechtwinkligen Leiste aufweist, deren Hauptflächen die reflektierende und die streuende Fläche sind und parallel zur Zylinderachse verlaufen und daß in einer Ebene parallel zu den Hauptflächen die Brennlinien des elliptischen Teils der Zylinderfläche verlaufen.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die reflektierende Fläche regelmäßig angeordnete Facetten über ihren verwendbaren Bereich aufweist, daß die Facetten abwechselnd Vorsprünge und Vertiefungen enthalten deren Hauptflächen parallel zur genannten Ebene verlaufen und daß sie durch schrägangeordnete ebene Flächen miteinander verbunden sind.
8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie zum Verteilen oder Streuen von Licht für eine passive Anzeigeanordnung dient.
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9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß sie zur Beleuchtung einer opto-elektronischen Anzeige in einer Uhr dient.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß sie zur Beleuchtung einer mit einem Flüssigkristall versehenen Anzeigeanordnung dient.
11. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Bauteile getrennt voneinander sind und daß der Lichtleiter aus einer zweiten Ellipse der Zylinderfläche besteht, deren erste Brennlinie mit der zweiten Brennlinie der ersten elliptischen Fläche zusammenfällt und deren erste und zweite Brennlinien zusammen mit der ersten Brennlinie der ersten elliptischen Fläche in einer einzigen Ebene liegen, so daß kollimiertes Licht von der zweiten elliptischen Fläche ausgestrahlt wird.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Bauteil die Form einer im allgemeinen rechtwinkligen Leiste aufweist, deren Hauptflächen die reflektierende und streuende, parallel zur Zylinderachse angeordnete Flächen sind, daß eine Endfläche eben ist und der zweiten elliptischen Fläche unmittelbar gegenüber liegt, so daß das von der zweiten Ellipse ausgesandte kollimierte Licht senkrecht zur Endfläche in das zweite Bauteil eintritt, daß die reflektierende Fläche eine Folge von Stufen aufweist, deren Hauptflächen parallel zu einer Ebene des zweiten Bauteils angeordnet sind, welche koplanar mit der genannten einzigen Ebene ist und daß die Hauptflächen der Stufen durch im Winkel angeordnete Flächen miteinander verbunden sind so daß das eintretende kollimierte Licht unter 90° vollständig reflektiert wird und durch die streuende Fläche austritt.
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13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Stufen innerhalb des zweiten Bauteils von dessen beiden Enden bis zur Mitte ansteigen und daß das der Lichtquelle abgewandte Ende des Bauteils kantenförmig ist, so daß es das kollimierte auftreffende Licht reflektiert und dabei die Ausbreitungsebene des Lichtes parallel zu sich selbst verschiebt.
14. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das transparente Material ein Acrylharz aufweist und daß die schrägen ebenen Flächen einen Winkel von ungefähr 33 mit der Ebene bilden'.
15. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das transparente Material ein Acrylharz aufweist und daß die im Winkel angeordneten Flächen einen Winkel von ungefähr 45° mit der Ebene bilden.
16. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß sie zur Verteilung und Streuung von Licht für eine passive Anzeigeanordnung dient.
17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß sie zur Beleuchtung einer opto-elektronischen Anzeige in einer Uhr dient.
18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß sie zur Beleuchtung einer einen Flüssigkristall aufweisenden opto-elektronischen Anzeigeanordnung dient.
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