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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur Laserbearbeitung von Lichtleitern, auf die erhaltenen Lichtleiter
sowie auf Bildschirme mit Hintergrundbeleuchtung, die diese Leiter
enthalten.
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Die
Erfindung ist insbesondere auf Lichtleiter in Form einer dünnen, im
allgemeinen ebenen Platte anwendbar, die aus einem lichtdurchlässigen oder transparenten
Material, insbesondere Glas, Polycarbonat oder Polymethylmethacrylat
gebildet sind.
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Derartige
Leiter werden vor allem bei der Ausbildung von Leuchtanzeige-Vorrichtungen, wie Schildern,
und bei der Ausbildung von Anzeigeterminals von Computern oder ähnlichen
elektronischen Geräten,
insbesondere für
die Hintergrundbeleuchtung von Flüssigkristallbildschirmen verwendet;
vor allem bei diesen Anwendungen wird durch eine Quelle erzeugtes
Licht in den Leiter über
eine (oder mehrere) seiner Seitenflächen (Kanten) eingeführt, wobei das
Licht aus dem Leiter über
eine (oder zwei) seiner Hauptseiten, die im allgemeinen parallel
zueinander verlaufen, austritt.
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Insbesondere
bei diesen Anwendungen ist man bestrebt, die homogenst mögliche Dichte
des über
die Hauptseite austretenden Lichtstroms zu erhalten; man ist auch
bestrebt, die Lichtverluste oder das Entweichen von Licht zu vermeiden
oder zu begrenzen; für
die Beleuchtung von hinten von Flüssigkristall-Anzeigevorrichtungen
(LCD) ist es wesentlich, daß diese
Leistungen optimiert werden und daß die Masse, der Platzbedarf
und die Kosten auf ein Minimum herabgesetzt werden.
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Um
derartige Leiter zu fertigen, ist bekannt, auf der Hauptseite des
Leiters, welche dazu bestimmt ist, das Licht abzustrahlen und an
die Rückseite
der LCD angefügt
zu werden, Vorsprünge und/oder
Vertiefungen mit regelmäßiger Form,
beispielsweise prismatischer Form, die über die gesamte Fläche dieser
Hauptseite oder einen Teil derer gleichmäßig angeordnet sind, im allgemeinen
durch Formen auszubilden; eine weitere Technik beruht darauf, auf
dieser Seite „punktuelle" Masken auszubilden,
die von einer Beschichtung gebildet sind, welche auf diese Seite
aufgebracht wird und von Öffnungen
durchbrochen ist, um das Licht hindurchzulassen.
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Darüber hinaus
ist aus dem Dokument EP-A-945 674 bekannt, lineare Streumotive oder -muster
mit gleichmäßig änderbarem
Abstand mit Hilfe eines Laserstrahls zu bearbeiten.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein verbessertes
Verfahren zur Herstellung dieser Leiter für sichtbares Licht vorzuschlagen.
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Ein
Ziel ist es, eine Vorrichtung für
die Durchführung
dieses Verfahrens vorzuschlagen.
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Ein
Ziel ist es, verbesserte Lichteiter sowie diese Leiter enthaltende
verbesserte Anzeigevorrichtungen vorzuschlagen.
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Zu
diesem Zweck und nach einem ersten Aspekt wird eine Hauptseite des
Leiters, welche dazu bestimmt ist, das (sichtbare) Licht zu streuen,
einer Laserstrahlung ausgesetzt, die stark und/oder räumlich ausgedehnt
genug ist, um an der Oberfläche
der genannten Hauptseite eine (sogenannte mittlere) Vertiefung großer Ausdehnung
sowie eine Vielzahl (mehrere zehn oder hundert) von (sogenannten randseitigen)
unregelmäßigen Vorsprüngen und/oder Vertiefungen
zu bilden, die auf beiden Seiten der mittleren Vertiefung angeordnet
sind (und/oder diese umgeben) und deren (flächige und räumliche) Ausdehnung unregelmäßig und
geringer als die Ausdehnung der mittleren Vertiefung ist.
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Vorzugsweise
wird zu diesem Zweck die Hauptseite einer Strahlung ausgesetzt,
deren Stärke in
einem Bereich zwischen 104 und 107 W/cm2, insbesondere
zwischen 3.104 und 3.106 W/cm2 liegt; um mittels des durch eine handelsübliche Quelle
ausgesandten Strahls einen konzentrierten Laserstrahl zu erhalten,
wird auf der Strecke des Strahls ein Konzentrator zwischengeschaltet,
der vorzugsweise von einem Paraboloidspiegel gebildet ist; darüber hinaus werden
Mittel vorgesehen, um den Spiegel in einem vorbestimmten Abstand
von der Hauptseite zu halten.
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Das
Vorhandensein dieser Verformungen und Unregelmäßigkeiten, sowohl auf der Oberfläche der
Hauptseite der Leiter-Platte als auch innerhalb dieser, ist der
Grund für
eine verbesserte und gleichmäßig verteilte
Streuung des über
diese Hauptseite des Leiters austretenden Lichts; es ist wahrscheinlich,
daß das
Vorliegen der unregelmäßigen Vorsprünge und
Vertiefungen wesentlich zu den festgestellten guten Leistungen beiträgt, die
aus den an erfindungsgemäß behandelten
Proben durchgeführten Messungen
hervorgehen.
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Zu
diesem Zweck ist es wichtig, am Ausgang des Konzentrators einen
Strahl mit einem Brennbereich (oder -fleck) von geringen Abmessungen
zu erhalten; vorzugsweise liegt der Durchmesser dieses Brennflecks
in einem Bereich zwischen 10 und 200 Mikron, insbesondere zwischen
25 und 100 Mikron.
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Es
ist weiterhin wichtig, die Brennebene, die diesen Brennfleck enthält, in unmittelbarer
Nähe der zu
bearbeitenden Fläche,
insbesondere in einem Abstand von dieser zu halten, der in der Größenordnung von
plus/minus 10 Mikron bis plus/minus 100 Mikron liegt.
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Zu
diesem Zweck, und insbesondere für
die Bearbeitung von plattenförmigen
transparenten Materialien, deren Dicke von einer Platte zur nächsten und/oder
von einem Bereich zum nächsten
einer bestimmten Platte variiert, ist es erforderlich, dynamische
Mittel zum Positionieren des Konzentrators gegenüber dieser Fläche vorzusehen,
damit der Abstand zwischen der Oberfläche der Platte und der Brennebene
innerhalb dieser Grenzen bleibt; zu diesem Zweck ist der Spiegel
mit einem einen Ansatz zum pneumatischen Abstützen auf dieser Fläche bildenden
Teil mechanisch verbunden, um einen konstanten Abstand zwischen
dem Ansatz und der Fläche
zu erhalten (der besagte Abstand liegt im allgemeinen in der Größenordnung
von 10 bis 100 Mikron).
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In
einer bevorzugten Ausführungsform,
bei welcher die mittlere Vertiefung sich entlang einer durchgehenden
und geraden Linie erstreckt, formt diese eine Rinne, entlang eines
jeden deren Ränder sich
ein Bereich (oder Seitenstreifen) von unregelmäßig geformten und angeordneten
Vorsprüngen
und Vertiefungen erstreckt; diese Rinne (oder Nut) weist vorzugsweise
eine Tiefe zwischen 5 und 50 Mikron, eine Breite zwischen 5 und
200 Mikron, insbesondere nahe 50 bis 100 Mikron auf, und ein jeder
der Bereiche erstreckt sich über
eine Breite, deren Wert im wesentlichen gleich dem der mittleren
Rinne ist; vorzugsweise ist die durchschnittliche Breite eines Streumusters
(welches die Nut und die zwei Seitenstreifen umfaßt) größer als
100 Mikron und kleiner als 400 Mikron, insbesondere liegt sie zwischen
100 und 250 Mikron.
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Vorzugsweise
umfaßt
die Bearbeitungsvorrichtung:
- – einen
Tisch, der geeignet ist, eine zu bearbeitende Platte aus transparentem
Material zu tragen,
- – eine
Laserquelle, die geeignet ist, einen Laserstrahl auszusenden und
die in bezug auf den Tisch fest angebracht ist,
- – einen
oder mehrere Spiegel, um den genannten Strahl zu reflektieren und
um ihn im wesentlichen parallel zum Tisch zu lenken,
- – den
Strahlkonzentrator, der in bezug auf den Tisch entlang wenigstens
zweier orthogonaler Richtungen (zwei Achsen X und Y) beweglich angebracht
ist, so daß er
sich vor allem entlang eines Bündels
von Abschnitten paralleler Geraden bewegen kann, um parallele Streunuten
zu bilden,
wobei der Konzentrator (oder Paraboloidspiegel) ferner
(in bezug auf den Tisch) entlang einer zu den zwei ersten Richtungen
im allgemeinen orthogonalen dritten Richtung (dritte Achse Z) beweglich
angebracht ist, so daß ermöglicht wird,
dessen Ausgangsbrennebene mit der zu bearbeitenden Fläche zusammenfallen
zu lassen.
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Ein
Strahlaufweiter („Expander"), der beispielsweise
von einem Paar koaxialer Linsen mit unterschiedlichen Brennweiten
gebildet ist, ist vorzugsweise zwischen der Quelle und dem Konzentrator
angeordnet und vorzugsweise in bezug auf den Tisch fest angebracht;
dieser Aufweiter ermöglicht,
die Abmessung des Brennflecks am Ausgang des Konzentrators durch
Vergrößerung der Öffnung des
Strahls zu verringern.
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Die
Bearbeitung eines streuenden und brechenden Musters an der Oberfläche und
in der Masse der Platte wird dadurch erzielt, daß der Ausgangsbrennfleck des
Konzentrators an der Oberfläche
der Platte bewegt wird; insbesondere wird diese Bearbeitung dadurch
erzielt, daß ein
Paraboloidspiegel, der durch ein Kissen aus Luft (oder aus einem
anderen Gas) gehalten wird, in einem konstanten Abstand, welcher
seiner Brennweite entspricht, von der zu bearbeitenden Fläche bewegt
wird; die Geschwindigkeit dieser Bewegung wird vorzugsweise aus
einem Bereich zwischen 0,2 Metern/Sekunde und 4 Metern/Sekunde gewählt, um
die abgestrahlte Energiedichte an die „Härte" des zu bearbeitenden Materials sowie
an die Tiefe und die für
die gebildeten Vertiefungen gewünschte
durchschnittliche Breite anzupassen.
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Die
Verwendung eines Paraboloidspiegels ermöglicht die Verbesserung der
Fokussierung des durch den Spiegel reflektierten Strahls für die Bildung eines
kleinen Brennflecks in der Brennebene.
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In
dem bevorzugten Fall, in dem die Lichteinspeisung über eine
einzige Längskante
einer rechteckigen Leiter-Platte erfolgt, wird diese mit einem Spiegel
ausgestattet, der sich gegen die (und gegenüber der) Längskante erstreckt, die derjenigen
gegenüberliegt, über die
das Licht in den Leiter eingespeist wird; für die Rück- oder Hintergrundbeleuchtung
einer LCD-Anzeigevorrichtung werden vorzugsweise eine Reihe von
LEDs als Lichtquelle, insbesondere LEDs, die ein „weißes" Licht aussenden,
bzw. eine Reihe von Gruppen aus drei LEDs verwendet, die ein dreifarbiges
Licht aussenden und eine additive Synthese (rot, grün, blau,
rot, grün,
blau ...) ermöglichen;
um den Platzbedarf der Anzeigevorrichtung zu verringern, können LEDs
verwendet werden, die in eine SMD-Schaltung langgestreckter Form, welche
der Form der Kante entspricht, integriert sind, und kann ein Platten-Leiter
mit einer Dicke zwischen etwa 1 und 2 mm verwendet werden.
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Alternativ
hierzu kann die Quelle von einer Röhre, wie z.B. einer CCFT-Röhre („Cold Cathod
Fluorescent Tube")
gebildet sein.
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Die
(aussendende) Hauptseite des Leiters kann eine Vielzahl von Streumustern
in Form von Punkten (oder Flecken) umfassen; vorzugsweise erstrecken
sich diese Muster jedoch in Form von zu der Kante, über die
das Licht eingespeist wird, parallel verlaufenden Geraden-Abschnitten
mit einem im wesentlichen konstanten Profil (Breite und Höhe), deren Abstand
sich im wesentlichen regelmäßig und
auf nicht monotone Weise ändert:
Der Abstand zwischen zwei benachbarten Abschnitten nimmt ab, wenn
man sich von der Kante der Lichteinspeisung bis zu einem Bereich
des Leiters bewegt, der zwischen dieser Einspeisungskante und der
Reflektionskante liegt, die sich über die gegenüberliegende
Kante des Leiters erstreckt, anschließend nimmt dieser Abstand zu, wenn
man sich von dem genannten Zwischenbereich bis zur Reflektionskante
bewegt; vorzugsweise erfolgt diese Abnahme und diese Zunahme im
wesentlichen (beispielsweise bis auf 10 %) entsprechend einer geometrischen
Folge.
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In
einer Variante können
diese linearen Streumuster im wesentlichen gleichmäßig beabstandet
sein; in diesem Fall variiert die Breite und/oder die Tiefe der
mittleren Vertiefung (oder Nut) auf nicht monotone Weise von der
Einspeisungskante zur Reflektionskante, in umgekehrter Richtung
zu der vorbeschriebenen Änderung
des Abstands zwischen identischen Nuten; zu diesem Zweck kann die
abgestrahlte Energie von einem Streumuster zum nächsten beispielsweise dadurch
variiert werden, daß die
am Ausgang durch die Laserquelle gelieferte Leistung verändert wird
und/oder dadurch, daß der
Abstand zwischen der Ausgangsbrennebene des Konzentrators und der
zu bearbeitenden Fläche
verändert
wird.
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Diese
nicht monotonen Änderungen
sind auch anwendbar, wenn zwei Quellen vorgesehen sind, die das
Licht über
zwei gegenüberliegende Kanten
der Leiter-Platte einspeisen; in dem Fall, in dem eine einzige (lineare)
Quelle verwendet wird und in dem die gegenüberliegende Kante nicht mit
einem Spiegel versehen ist, kann ein monoton veränderbarer Abstand, wie in dem
Dokument EP 945 674 beschrieben, verwendet werden.
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Der
ausgezeichnete Leistungsgrad und die sehr gute Lichtstreuung am
Ausgang des Leiters kann bei einigen Anwendungen ermöglichen,
den Streuschirm, der üblicherweise
für die
Rück- oder Hintergrundbeleuchtung
einer LCD-Anzeigevorrichtung
vorgesehen und der im allgemeinen zwischen dem Leiter und der Anzeigevorrichtung
oder vor der Anzeigevorrichtung angeordnet ist, wegzulassen.
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Es
ist ferner festgestellt worden, daß die erfindungsgemäßen Lichtleiter
besonders geeignet sind, – trotz
der Unstetigkeit (Heterogenität)
des über die
Kante eingespeisten Lichtstroms bei dieser Ausbildung – eine sehr
homogene Streuung des aus einer Vielzahl von Quellen (LEDs) hervorgegangenen Lichts
zu erhalten.
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Weitere
Vorteile sowie Merkmale der Erfindung werden anhand der nachfolgenden
Beschreibung verständlich,
welche sich auf die beiliegenden Zeichnungen bezieht, die ohne jeden
einschränkenden
Charakter bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung darstellen.
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1 zeigt
in einer schematischen Perspektive zwei lineare Streumuster, die
an einem Lichtleiter ausgebildet sind und die unregelmäßige Oberflächenverformungen
sowie Tiefenunregelmäßigkeiten aufweisen.
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2 zeigt
auf schematische Weise die Hauptkomponenten einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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3 zeigt
in einer schematischen Seitenansicht ein Ausführungsdetail eines Trägers eines Laserstrahl-Konzentrators; 5 zeigt
in vergrößertem Maßstab die
Mittel, welche die Erzeugung eines Luftkissens zwischen dem Ansatz
des Konzentrationsspiegelträgers
und der Oberseite der zu bearbeitenden Platte ermöglichen,
sowie die Mittel zur Erzeugung eines Luftvorhangs, welcher diesen
Spiegel gegenüber
den aus der Bearbeitung resultierenden Spritzern schützt.
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4 zeigt
in einer schematischen Perspektivansicht eine LCD-Anzeigevorrichtung,
die mit einem erfindungsgemäßen Leiter
ausgestattet ist.
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Die
CO2-Laserquelle 1 (2),
deren Leistung vorzugsweise in einem Bereich zwischen 10 und 100
W, insbesondere nahe 50 W liegt, erzeugt am Ausgang einen Laserstrahl 2,
dessen Durchmesser einige Millimeter beträgt; dieser Strahl durchläuft einen „Expander" 3, so daß der Durchmesser
des austretenden Laserstrahls 4 mit einem Koeffizienten nahe
2 bis 3 multipliziert wird.
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Der
Strahl 4 wird über
einen Paraboloidspiegel 5 reflektiert, der am Ausgang einen
in seiner Brennebene konvergierenden Strahl 6 erzeugt (3);
wenn diese Ebene 7 im wesentlichen mit einer die Oberseite 8 einer
zu bearbeitenden Platte 9 tangierenden Ebene zusammenfällt, bewirkt
die Stärke
der Strahlung im Brennpunkt des Spiegels 5 eine sehr wesentliche
Erhöhung
der Temperatur des die Platte bildenden Materials in der Nähe dieses
Brennpunktes; hieraus ergibt sich eine sehr schnelle und unregelmäßige Verformung
der Platte in dieser Nähe,
an der Oberfläche
und in der Tiefe; durch Bewegen des Spiegels 5 parallel
zur Platte 9 ergibt sich die Bildung einer Nut 10 mit
unregelmäßigem Profil,
die von zwei streifen- oder wulstförmigen Seitenbereichen 11, 12 gesäumt ist,
in denen die Bildung von unregelmäßig angeordneten Kratern und
Unebenheiten 13 beobachtet wird.
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Die
rechteckige Platte aus transparentem Material 9 wird flach
auf einen Tisch 14 aufgelegt, mit dem die Quelle 1 fest
verbunden ist; der Spiegel 5 ist in bezug auf den Tisch 14 entlang
zweier Achsen X und Y (2), die zu der Ebene des Tragtisches 4 parallel
verlaufen, beweglich angebracht; die Bewegung des Spiegels 5 entlang
dieser zwei Achsen wird beispielsweise mit Hilfe von zwei (nicht
dargestellten) linearen Verschiebevorrichtungen (wie Zylindern oder
Fördereinrichtungen)
erzielt, die sich entlang von zwei orthogonalen und zu der Ebene
des Tisches 14 parallelen Achsen erstrecken; diese Bewegung wird über einen
(nicht dargestellten) Computer gesteuert, der mit einem Programm
zum Berechnen der Position, des Abstandes und/oder der Breite 15 und der
durchschnittlichen Tiefe 16 (1) der Streumuster,
die auf der Seite 8 der Platte 9 ausgebildet werden
sollen, und/oder der Expositionsdauer und/oder der Bewegungsgeschwindigkeit
des Spiegels entlang dieser Achsen und/oder der Stärke des Strahls 2 ausgestattet
ist, wodurch es möglich
ist, Muster oder Motive mit vorbestimmter Form und vorbestimmten
Streueigenschaften zu erhalten.
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Darüber hinaus
ist der Spiegel 5 (und/oder dessen Träger 17) in bezug auf
den Tisch 14 entlang einer Achse Z, die zu der XY-Ebene
des Tisches (3) senkrecht verläuft, beweglich
angebracht; ein Ansatz 18, der mit dem Träger 17 und/oder
dem Spiegel 5 fest verbunden ist, ist an seiner Grundfläche mit
einer ebenen Facette 19 versehen, um sich über ein
Luftkissen auf der Oberseite 8 der Platte in der Nähe des durch
den Strahl 6 bearbeiteten Bereichs „abzustützen"; zu diesem Zweck ist die Fläche 19 von
einer Öffnung 20 durchbohrt, über die
Druckluft, welche über
eine (nicht dargestellte) Quelle geliefert und über eine in dem Ansatz 18 vorgesehene Leitung 21 bis
zu der Öffnung 20 befördert wird,
ausgestoßen
wird; die über
die Öffnung 20 ausgestoßene Luft
trifft auf die Fläche 8 und
strömt
entlang der Pfeile 22 (wobei 5 in vergrößertem Maßstab ein Detail
der 3 zeigt); das Halten der Durchflußmenge (und/oder
des Drucks) der ausgestoßenen Luft
auf einem bestimmten Wert ermöglicht,
die Grundfläche 19 des
Ansatzes 18 oberhalb der Fläche 8 in einer konstanten
Höhe 24 in
der Größenordnung von
einigen zehn Mikron zu halten; demzufolge wird die Brennebene 7 in
einem konstanten Abstand (im wesentlichen null) von der Fläche 8 gehalten;
diese Vorrichtung ermöglicht,
eine bestimmte Stärke
und eine bestimmte Auftreffbreite des Strahls 6 auf die Fläche 8 der
Platte zu kontrollieren und aufrechtzuerhalten.
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Die
entlang dem Pfeil 23 in Richtung des Strahls 6 ausgestoßene Druckluft
ermöglicht
ferner, die Verschmutzung des Spiegels 5 durch Spritzer,
die aus der Wärmeveränderung
der Platte 9 durch den Strahl 6 resultieren, dadurch
zu vermeiden und/oder zu begrenzen, daß die Mitnahme von Partikeln,
die sich von der Platte lösen
können,
begünstigt
wird, daß ein
den Spiegel schützender
Luftvorhang gebildet wird; diese Wirkung kann durch Vorsehen einer zweiten
Druckluftaustrittsöffnung 25 an
einer Seitenfläche 27 des
Ansatzes 18 verstärkt
werden, um die Bildung eines weiteren zu dem Strahl 6 gerichteten Strahls 26 zu
bewirken, was das Entfernen oder Wegrücken des Spiegels für die Teilchen,
die aus dem Auftreffen des Strahls auf die Platte resultieren, begünstigt.
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Bezug
nehmend auf 1 umfaßt die Seite 8 der
Platte 9 aus transparentem Kunststoff zwei parallele lineare
Streumuster; jedes Muster umfaßt
eine Nut 10 mit einer Breite 15 nahe 20 Mikron
und einer Tiefe 16 nahe 15 Mikron; jede Nut ist von einem
linken Seitenstreifen 11 und einem rechten Seitenstreifen 12 gesäumt, wobei
jeder Streifen mit einer Breite 30 nahe 70 Mikron unregelmäßig gebildete
und angeordnete Unebenheiten 13 umfaßt; unter jedem Muster 10, 11, 12 erstreckt
sich ein Materialstreifen 28 mit einer optischen Eigenschaft
(Index), die von der des zwischen zwei Mustern gelegenen Teils 29 des
Materials deutlich abweicht.
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Bezug
nehmend auf 4 umfaßt die Anzeigevorrichtung 31 eine
Flüssigkristallanzeigeeinrichtung 32,
an deren Rückseite
die Streufläche 8 des Lichtleiters 9 angefügt ist;
ein flacher weißer
Streuschirm 33 ist an die Rückseite 34 des Leiters 9 angefügt, die
zu der Fläche 8 entgegengesetzt
liegt; entlang der unteren Kante der Platte 9 erstreckt
sich eine Schaltung 35, die mit einer Vielzahl von im wesentlichen
gleichmäßig beabstandeten
LEDs 36 versehen ist; entlang der oberen Kante der Platte 9 erstreckt
sich ein Spiegel 37, der den durch die Fläche 8 nicht
gestreuten Teil (beispielsweise in der Größenordnung von 20 %) des einfallenden Lichts
wieder in den Leiter einspeist; die Leuchtdichte der Fläche 8 des
Leiters 9 kann 500 cd pro Quadratmeter erreichen und ggf.
darüber
liegen.
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Nach
einer nicht dargestellten Variante kann die Anzeigevorrichtung 31 zwei
aneinandergefügte Lichtleiter 9 umfassen,
wobei die Vorderseite 8 eines „hinteren" Leiters an die Rückseite 34 eines „vorderen" Leiters angelegt
ist und wobei jeder Leiter einer jeweiligen Quelle zugeordnet ist;
auf diese Weise kann eine im wesentlichen verdoppelte Leuchtdichte für die Vorderseite 8 des
vorderen Leiters, d.h. in der Größenordnung
von 1000 cd/m2 erreicht werden.