DE3013141C2 - Verfahren und Vorrichtung zum optischen Anzeigen von Farblicht-Informationen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Farblicht-Leuchtanzeigevorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Der Begriff der Leuchtanzeigevorrichtungen erstreckt sich im allgemeinen auf alle Vorrichtungen, die dem Betrachter durch einen Lichteffekt eine Information mitteilen. Im vorliegenden Fall wird der erwähnte Begriff jedoch enger gefaßt; diejenigen Vorrichtungen werden diesem Begriff zugeordnet, die durch Änderung von Farbe (Farbenzusammensetzung) und Helligkeit eine Information liefern, und welche

— mehr als eine Lichtquelle unterschiedlicher Farben oder mehr als eine mit Filtern von unterschiedlichen Farben versehenen Lichtquellen der gleichen Farbe., sowie die Bahn des Lichtstrahls beeinflussenden Elemente, z. B. Spiegel, Lichtablenkelemente, durchsichtige oder lichtdurchlässige Mittel, enthalten,

— und bestimmungsgemäß als Leuchtanzeigevorrichtung für den innerhalb eines gegebenen Raumwinkels angeordneten Betrachter (einer Person oder einem technischen Mittel) durch die Differenz, die zwischen den zu unterschiedlichen Betriebszuständen gehörenden Helligkeitspegeln und Farbzusammensetzungen besteht, eine Information liefern.

Das am meisten charakteristische Anwendungsgebiet derartiger Vorrichtungen ist die aus farbigen Bildpunk ten aufgebaute Lichtreklame. An der Anzeigefläche derartiger Vorrichtungen können durch eine geeignete Steuerung der Helligkeit und Farbzusammensetzung der die Fläche gleichmäßig ausfüllenden Informationen ίο aus dem Realen recht nahestehende farbige Bilder angezeigt werden.

Das erwähnte, kennzeichnungskräftige Anwendungsgebiet stellt die folgenden Forderungen an die Farblicht-Leuchtanzeigevorrichtungen:

— einfache Steuerbarkeit sowohl hinsichtlich der Helligkeit wie auch der Farbzusammensetzung,

— hochgradige Lichtausbeute, hohe Lichtintensität.

Zur Erfüllung dieser Anforderungen hat sich die in Fig-1 dargestellte Ausföhningsform am meisten verbreitet.

In dem Halte- und Abschirmungsrohr 1 sind drei Lichtquellen 2 angeordnet, wobei jeder Lichtquelle 2 je ein Reflektor 3 zugeordnet ist. Die Reflektoren 3 reflektieren das Licht der Lichtquellen 2 auf die an der Vorderseite angeordnete lichtdurchlässige Anzeigeplatte 5. In der Bahn jedes einzelnen Lichtbündels ist je ein Farbfilter 4 eingesetzt Dem Gesetz der additiven

jo Farbmischung gemäß läßt einer der Filter die roten (R), der andere die grünen (G), der dritte die blauen (B) Lichtstrahlen durch. Durch eine individuelle Intensitätsänderung und eine geeignete Mischung der den Grundfarben R, G, B entsprechenden Lichtbündel kann die Mehrzahl der in der Natur vorkommenden Farbtöne erzeugt werden. Die Anordnung mehrerer Lichtquellen führt zwangsläufig dazu, daß die drei aus den Lichtquellen austretenden Lichtbündel weder miteinander parallel verlaufen können, noc/τ mit der gleichzeitig die Betrachungshauptrichtung darstellenden optischen Achse der Leuchtanzeigevorrichtung koinzidieren können.

Es ist wohl ersichtlich, daß durch diese Tatsache an die optischen Eigenschaften der die Farbmischung sicherstellenden, lichtdurchlässigen Anzeigeplatte recht strenge Aufforderungen gestellt sind.

Die gleichmäßige Farbmischung findet in dem Betrachtungsraumwinke] dann und nur dann statt, wenn alle Punkte der lichtdurchlässigen Anzeigeplatte als sekundärer Strahler unabhängig von der Richtung des einfallenden Lichtbündels eine kugelsymmetrische sekundäre Strahlung erzeugen. Sollten die optischen Eigenschaften der Anzeigeplatte von dem Idealen abweichen, ergeben sich daraus gleichzeitig zwei

Ί5 Nachteile, und zwar:

— die Lichtintensität nimmt in der Betrachtungshauptrichtung ab,

— in den übrigen Richtungen verschiebt sich die bo Farbzusammensetzung.

Diese Erscheinung ist in F i g. 2 veranschaulicht.

In Fig.2a ist der ideale Fall, bezogen auf den planaren Schnitt zweier Lichtbündel, dargestellt. Daraus b5 ist ersichtlich, daß bei einer kugelsymmetrischen sekundären Strahlungscharakteristik innerhalb des ganzen Betrachtungsbereiches (180°) die von den beiden Strahlen hervorgerufenen sekundären Strahlun-

gen im gleichen Verhältnis gemischt sind. Fig.2b) veranschaulicht den Fall, wenn die optischen Eigenschaften der Anzeigeplatte von dem Idealen abweichen. Zahlreiche Vorschläge sind bekannt, die mit mehr oder weniger Erfolg danach streben, den idealen Zustand unter Anwendung einer opalen, geätzten, oder sandbestreuten Anzeigeplatte, eventuell mit Anzeigeplatten unterschiedlicher Formen und Zusammensetzungen zu erreichen.

Es besteht jedoch noch ein weiterer grundsätzlicher Nachteil. Es ist offensichtlich, daß die günstigsten Farbmischungs- und Lichtintensitätsverhältnisse in der Betrachtungshauptrichtung und in deren Umgebung sichergestellt werden müssen. Aus den obigen Aussagen ergibt sich jedoch, daß die Betrachtungsverhältnisse gerade in der Betrachtungshauptrichtung am ungünstigsten sind, wobei diese ungünstigsten Verhältnisse nipht einmal zu Gunsten der Grenzbereiche des Betrachtungsraumwinkels verbessert werden können.

Diese Erscheinung ist als äußerst großer Nachteil anzusehen, da die Lichtreklamen in der Mehrheit der Fälle an solchen Stellen angeordnet »ind, deren Umgebung die Realisierung des maximalen Betrachtungsbereiches (2U) von selbst ausschließt

Die charakteristische Anwendung der Lichtreklamen besteht darin, daß diese in der Mittellinie der Fassade eines an einer verkehrsreichen, frequentierten Straße liegenden Gebäudes angeordnet sind, wodurch der Betrachtungsraumwinkel eben von der Umgebung selbst eingeschränkt wird. Unter Berücksichtigung der geringstmöglichen Betrachtungsentfernung ergibt sich in der Mehrzahl der Fälle ein Betrachtungsraumwinkei der einem Kegel-Öffnungswinkel von 50—70° entspricht. Bei bekannten Ausführungsformen geht daher die aus dem Raumwinkel von 50—70° herausfallende Lichtenergie nutzlos verloren. Die in dieser Weise verlorengegangene Lichtenergie ist bedeutend.

Wenn man innerhalb des Raumwinkelbereiches von 2 Π die Verteilung der Lichtintensität als gleichmäßig betrachtet (der in dem Vorangehenden als ideal angesehene Fall), gelangen bei einem tatsächlichen Betrachtungsraumwinkel von 60° bloß eiwa 10% der durch die Anzeigeplatte hindurchgehenden Lichtenergie in den gewünschten Raumwinkel, während somit 90% als Verlust zerstreut werden.

Durch die Erfindung wird die Aufgabe gelöst, eine Farblicht-Leuchtanzeigevorrichtung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art derart auszubilden, daß der erwähnte Verlust nicht auftritt, sondern die gesamte Lichtenergie der auf die Anzeigefläche projizierten Parallelstrahlenbündel bei gleichzeitiger Sicherstellung der Farbmischung in den gewünschten Raumwinkel (< 2 Π) gelangt.

Dies wird gemäß der Erfindung durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 erreicht. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand jeweils der Ansprüche 2 bis 4.

Die Erfindung macht Gebrauch von der Erkenntnis, daß die Anzeigefläche aus einer gebührenden Entfernung betrachtet auch dann als eine in homogener, gemischter Farbe leuchtende Fläche erscheint, wenn die Anzeigefläche in Wirklichkeit nicht in einer homogenen gemischten Farbe leuchtet, sondern aus leuchtenden Flächenelementen von bestimmter Größe und unterschiedlichen Farben besteht (Farbfernsehen, Farbdrucktechnik). Durch die erfindungsgemäße Leuchtanzeigevorrichtung kann eii*e in Farblicht vorgenommene Anzeige (z. B. der Betrieb einer Lichtinformationstafel) im Vergleich mit den bekannten Ausführungsformen günstiger, mit einem besseren Wirkungsgrad und bei gleicher Leistungsaufnahme mit einer höheren Flächenhelligkeit und hochgradigen Farbsättigung realisiert werden.

Die Erfindung wird anhand der Fig.3 bis 13 ausführlich erläutert

Wenn im Sinne der Fig.3 zwei Prismen mit den Prismenwinkel <x bzw. β nebeneinander gelegt werden

in und auf die beiden Prismen senkrecht zu deren gemeinsamen Halbierungsebene monochromatische Parallellichtbündel ausgestrahlt werden, werden die Lichtbündel entsprechend der Prismenwinkel um die Winkel γ und δ gebrochen und in die Querschnitte A und B abgelenkt Abgesehen von den von der vollkommenen Refraktion verursachten Grenzfällen kann man die Richtung des Strahlenganges umdrehen; in diesem Fall treten sowohl die von dem Querschnitt A ausgehenden, mit den Einfallswinkel y ankommenden Strahlen, wie auch die von dem Querschnitt R ausgehenden, unter dem Einfallwinkel δ eintreffende:: Strahlen zu der gemeinsamen Halbierungsebene der Prismen senkrecht und parallel zueinander verlaufend aus den Prismen aus (F ig. 4).

Daher kann durch die beschriebene Anordnung die Vereinigung zweier einen Winkel von γ + ö miteinander einschließenden Lichtbündel in ein einziges, parallel verlaufendes Lichtbündel vorgenommen werden.
Weisen die aus den Querschnitten A und B

jo austretenden Lichtbündel unterschiedliche Farben auf, z. B. rot und blau, so sind der obere Teil des vereinigten Parallellichtbündels rot, der untere Teil dagegen blau, wobei diese theoretisch endlos zueinander parallel verlaufen.

π Wenn jetzt bei dieser Anordnung in die Bahn sowohl des roten (oberen) als auch des blauen (unteren) Lichtbündelteils je eine Sammellinse oder Streuungslinse eingesetzt wird, kommt der aus F i g. 5- oder 6 ersichtliche Strahlengang zustande.

-tu In beiden Fällen findet in den kreuzschraffierten Rdumwinkelteilen die vollkommene Vermischung der roten und der blauen Farbe statt. Wenn jemand diese Anordnung, die eine Leuchtanzeigevoirichtung darstellt, aus dem kreuzschraffierten Raumteil heraus

4") betrachtet, wird er aus kurzer Entfernung je einen in roter bzw. blauer Farbe leuchtenden Punkt sehen. Wird jedoch in demselben Raumteil die Anordnung aus einer Entfernung betrachtet, aus welcher die beiden Lichtpunkte unter einem Gesichtswinkel erscheinen, der

>ii kleiner ist als das Auflösungsvermögen des Auges, so ist nur ein einziger Punkt zu sehen, der in einer Mischung der beiden Farben entsprechenden Farbe — im Beispiel lilafarbig — leuchtet.

Der Raumwinkel der kreuzschraffierten Raumteile

Yi hängt von der geometrischen Dimension (Krümmung) der Sammellinse bzw. der Streuungs'.inse, sowie dem Brechindex ab. Die Geometrie der zur Realisierung des gewünschten Raumwinkels erforderlichen Linse kasin entsprechend den Regeln der geometrischen Optik berechnet werden.

In der Praxis kann die individuelle Herstellung und Anordnung der Prismen und Linsen mit Schwierigkeiten verbunden sein. Unter gewissen Einschränkungen kann die durch die beiden optischen Elemente hervorgerufene Wirkung derari erzeugt werden, daß die konvexe oder konkave Fläche — wie aus F i g. 7 ersichtlich — an einer oder beiden Flächen des lichtbrechenden Prismas ausgebildet wird.

Das aus F i g. 8 ersichtliche Prismensystem ist durch die Vervielfachung der aus F i g. 7 ersichtlichen beiden Prismen entstanden. Es ist wohl ersichtlich, daß dieselbe Wirkung hervorgerufen werden kann, wie mit den in Fig. 7 dargestellten beiden Prismen; gleichzeitig ist aber das System zum Ablenken breiterer Lichtbündel in eine gemeinsame Richtung geeignet. Werden z. B. quadratische Prismen auch in der zur Zeichenebene senkrechten Richtung vervielfacht angeordnet, kommt eine zur Mischung zweier Farben geeignete Anzeigefläehe zustande.

Allerdings wird diese Vervielfachung von einer Erscheinung begleitet, die in der Reihe de;· Überlegungen keineswegs außer Acht gelassen werden darf. Zur Erläuterung dieser Erscheinung dient die Fig.9. Bei dem vervielfachten Prismensystem wird aufgrund der unebenen Eintrittsflächen des Prismensystems nur der Anteil »a« des aus dem Querschnitt A austretenden Lichtbundeis in die gewünschte Richiüng abgelenkt, während der Anteil »b« in einen Raumteil zerstreut wird, der außerhalb des nützlichen Raumteils liegt. Das bedeutet, daß nur ein Anteil a/(a + b) des auf die Anzeigefläche auffallenden Lichtbündels in die gewünschte Richtung gelenkt werden kann.

Bei der in der Figur dargestellten Anordnung weist y, »an einen kleineren Wert als »b« auf, so daß weniger als 50% des durch den Querschnitt A hindurchtreienden Lichtbündels die Anzeigefläche durchdringt.

Viel günstigere Verhältnisse können erreicht werden, wenn die Prismen in der aus Fig. 10 ersichtlichen Weise gestaltet werden, wo die Eintrittsfläche des Prismensystems eben ist. Wie aus der Figur ersichtlich, ist in diesem Fall »a« größer als »b«. so daß mehr als die Hälfte des durch den Querschnitt A hindurchtretenden Lichtbündels in den gewünschten Raumwinkel gelan- r, gen.

Ein Ausführup.gEbeispie! der erfindyngsgemäßen Farblicht-Leuchtanzeigevorrichtung ist aus Fig. 11 ersichtlich.

Ähnlich wie bei den bekannten Ausführungsformen enthält die Leuchtanzeigevorrichtung die in dem Lichtabschirmungsrohr 1 angeordneten Lichtquellen 2, die Reflektoren 3 und die Farbfilter 4. Alle drei Reflektoren sind derart ausgerichtet, daß die von ihnen abgestrahlten Parallellichtbündel über je einen Farbfilter auf eine gemeinsame identische Fläche der an der Stirnseite der Vorrichtung vorhandenen Anzeigefläche 5' reflektiert werden. Die Anzeigefläche 5' weist eine Schar von lichtbrechenden Prismen auf. deren Brechungswinkel dem Winkel zwischen den Lichtbündeln und der Anzeigefläche 5' entspricht Darauffolgend werden die in der Anzeigefläche 5' angeordneten Prismen einzeln derweise verdreht, daß die eine Gruppe der Prismen die Strahlen der einen Farbe (z. B. rot), die andere die Strahlen einer anderen Farbe (z. B. grün), und die dritte Gruppe die Strahlen einer noch anderen Farbe

(z. B. blau), in den gewünschten Raumwinkel lenkt (Fig. 12). Der beschriebene Arbeitsgang wird derart durchgeführt, daß letztlich den Lichtbündeln aller drei Farben Prismen in gleicher (oder wenigstens annähernd gleicher) Anzahl zugeordnet werden und die den verschiedenen Farben zugeordneten Prismen über die Anzeigefläche hin einander zyklisch regelmäßig abwechselnd angeordnet sind.

Der auf die Anzeigefläche 5' bezogene Gesamtquerschnitt der Prismen wird vorzugsweise so gewählt, daß je drei Prismen in der beschriebenen verdrehten Stellung ein Sechseck bilden (d. h. jedes Prisma weist einen rhombischen Querschnitt mit Winkeln von 120° auf), weil in diesem Fall die Anzeigefläche ohne Verlust von den Prismen durchgehend ausgefüllt werden kann (Fig. 13).

Zur Herstellung der Farblicht-Leuchtanzeigevorrichtung werden /V, (N kann z. B. 3 sein) jeweils mit einem Reflektor versehene Lichtquellen unterschiedlicher Farben verwendet. Die von den einzelnen, z. B. der ersten, zweiten und dritten Lichtquelle gelieferte Lichtmenge wird auf die Anzeigefläche konzentriert, wo alle resultierenden, aus den einzelnen Lichtquellen austretender. Lichtbündel zu einem einzigen aus der nützlichen Fläche austretenden Mischlichtbündel vereinigt werden. Entlang der Anzeigefläche wird eine Schar von Lichtablenkelementen derart angeordnet, daß ι'λ jeweils einander benachbarten Lichtablenkelemente einander zyklisch abwechselnd immer mit einer anderen Lichtquelle optisch gekoppelt sind (z. B. der Reihe nach mit der ersten, der zweiten, der dritten und wieder mit der ersten Lichtquelle); die in dieser Weise erhaltenen N Scharen aus Lichtablenkelementen — wobei unter einer Schar von Liehtablenkelementen jeweils die Gesamtheit der mit derselben Lichtquelle gekoppelten Lichtablenkelemente verstanden wird — werden so in die Betriebsstellung gebracht, daß durch gemeinsame Verdrehung der Lichtablenkelemente jeder Schar die innerhalb jeder Schar gleiche Stellung der Lichtablenkelemente solange geändert wird, bis die Achse der von der Anzeigefläche abgestrahlten Kegelstrahlbündel senkrecht zu der Anzeigefläche verläuft.

Die Lichtablenkelemente können in Form von Prismen, Linsen und kombinierten optischen Systemen in vorgegebener Größe und mit geeignetem Brechungswinkel durch Gießen oder im Spritzgießverfahren aus Glas oder einem geeigneten Kunststoff mit einem entsprechenden Werkzeug mit hoher Produktivität hergestellt werden. Die geschilderte rhombische Form von als Lichtablenkelemente verwendeten Prismen (siehe Fig. 13) das ist auch in diesem Fall als zweckmäßig zu betrachten, weil dabei das Werkstück aus regelmäßigen sechseckigen Prismensystemen mosaikartig aufgebaut werden kann.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

1 Patentansprüche:

1. Farblicht-Leuchtanzeigevorrichtung mit einer Mehrzahl, insbesondere drei, jeweils mit einem Reflektor ausgestatteten Lichtquellen, von denen Parallelstrahlenbündel unterschiedlicher Grundfarbe aus unterschiedlichen Richtungen auf eine gemeinsame Anzeigefläche projiziert und an dieser derart abgelenkt sind, daß sie zu einem gemeinsamen, von der Anzeigefläche abgestrahlten Mischlichtbündel vereinigt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzeigefläche eine der Anzahl der Lichtquellen entsprechende Mehrzahl von Scharen aus Lichtablenkelementen aufweist und die Lichtablenkelemente der Scharen aneinandergrenzend und einander zyklisch regelmäßig abwechselnd über die Anzeigefläche hin verteilt sind, wobei die Lichtablenkelemente jeder Schar derart ausgebildet und mit jeweils einer der Lichtquellen optisch gekoppelt sind, daß von ihren Austrittsflächen Kegelstrahlbünde! mit senkrecht zur AnzeigeP.äche verlaufender Kegelachse abgestrahlt werden.

2. Leuchtanzeigevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtablenkelemente lichtbrechende Elemente sind, vorzugsweise als Prismen, Linsen und/oder deren Kombination ausgebildet sind.

3. Leuchtanzeigevorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Vorhandensein von drei Lichtquellen jeweils drei einander benachbarte, mit unterschiedlichen Lichtquellen optisch gekoppelte lichtbrechende Elemente ein zusammengebautes optisches System bilden.

4. Leuchtanzeigevorri.chtupfi nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß oie das zusammengebaute optische System bildenden drei lichtbrechenden Elemente als rhombische Prismen ausgebildet sind, die entlang ihrer Ränder derart zusammengebaut sind, daß der auf die Anzeigefläche bezogene resultierende Querschnitt der drei Prismen ein regelmäßiges Sechseck ergibt (F i g.-13).