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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf lichtemittierende Diodenanzeigen
(LED-Anzeigen) und im Spezielleren auf Bildpunktauslegungen für LED-Anzeigen.
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Große Vollfarbanzeigen
zur Darstellung von Videobildern im Tageslicht breiten sich in den
USA und Japan beispielsweise in Sportstadien und zur Werbung an
Gebäuden
zunehmend aus. Diese großen
Anzeigen umfassen Hunderttausende von Bildpunkten oder Pixeln, die
sich auf ähnliche
Weise anordnen lassen wie bei herkömmlichen Farbfernsehern. Jeder
Bildpunkt umfasst eine rote, grüne
und blaue lichtemittierende Diode (LED), weil diese in Kombination
alle Farbtöne
produzieren können.
Die drei Farbdioden in einem Bildpunkt bilden eine Triade oder Dreiergruppe
und befinden sich in einem einzelnen Gehäuse, dem Triadengehäuse, in
unmittelbarer Nähe
zueinander. Diese unmittelbare Nähe
stellt sicher, dass sie für
Betrachter nicht separat sichtbar sind, die nur den Farbton sehen,
den die lichtemittierenden Dioden (LEDs) in Kombination erzeugen.
Bei Ausführungen
aus dem Stand der Technik, wie etwa denjenigen, die von Nichia hergestellt
werden, hat jede Triade eine ihr zugeordnete einzelne Kugellinse. Die
drei verschiedenfarbigen LEDs in einer einzelnen Triade geben jeweils
Strahlung von einer Frontfläche und
von Seitenflächen,
typischerweise jedoch mit unterschiedlichen Lichtanteilen ab. Die
Ausstrahlung ist für
gewöhnlich
maximal, wenn in einer senkrechten oder in etwa senkrechten Richtung
auf die Frontfläche
geblickt wird. Diese Ausstrahlung nimmt aus zunehmenden Winkeln
von dieser Senkrechten weg gesehen progressiv ab. Die Ausstrahlung
aus mindestens zweien (typischerweise der grünen und blauen) der drei LEDs,
fällt jedoch
mit einer von der anderen (d.h. der roten) LED unterschiedlichen
Rate ab. Typischerweise ist die rote LED aus einem Winkel von der
Senkrechten weg gesehen relativ heller als die blaue und grüne. Im Ergebnis
kann die Anzeige einem Betrachter, der sich entlang der Triadenachse befindet,
eine richtige Farbwiedergabe bieten, zeigt aber Betachtern, die
sich in anderen Winkeln befinden, andere Farbtöne.
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Obwohl
die LEDs Licht in einem weiten Bereich von Richtungen abgeben, werden
die Anzeigen typischerweise von einem Publikum angesehen, das sich
in einem vertikal begrenzten Bereich befindet, so dass das Publikum
die Anzeigen aus einem begrenzten Bereich vertikaler Winkel sieht.
Licht, das außerhalb
dieses Bereichs von der LSD-Anzeige abgegeben wird, geht verloren,
weil es keine Zuschauer erreicht. Zusätzlich sollte die Anzeige in
allen Sichtwinkeln dieselbe Helligkeit haben, eine Eigenschaft der Lambertschen
Lichtausstrahlung. Die Lichtleistung der Anzeige wird durch die
Lambertsche Lichtausstrahlung der Triaden maximiert. Bei der Kugellinsenauslegung
aus dem Stand der Technik handelt es sich jedoch nicht um einen
Lambertschen Strahler, und sie stellt statt dessen eine reduzierte
oder übermäßige außerwinklige
Helligkeit bereit.
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Somit
besteht ein Bedarf nach einem LSD-Bildpunkt mit Farb-LEDs, die mit
im Wesentlichen identischen Raten abfallen und im Wesentlichen die
gesamte Lichtabgabe mit einem konstanten Lambertschen Helligkeitsmuster
zum Zuschauerpublikum hin lenken, wobei die Lichtstärke mit
dem Cosinus des Sichtwinkels abnimmt.
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Weitere
zum Stand der Technik gehörende Information
lässt sich
im US-Patent 5,949,581, im US-Patent 4,254,453, im US-Patent 5,184,114
und im UK-Patent
GB 2131589 finden.
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Das
an Kurtenbach et al. erteilte US-Patent Nr. 5,949,581 offenbart
ein Anzeigensystem, das eine Modulmontageplatte und mehrere darauf
angebrachte Modulanzeigefelder umfasst. Jedes Anzeigefeld umfasst
eine gedruckte Leiterplatte, die viele Bildpunkte enthält, wobei
jeder Bildpunkt LEDs mit verschiedenen Farben umfasst, die in vier
Spalten zu jeweils drei LEDs angeordnet sind. Die gedruckte Leiterplatte
ist mit einem Gehäuse
ausgerichtet und daran befestigt. Jedes Anzeigefeld umfasst auch noch
ein am Gehäuse
befestigtes Rasterblendenfeld. Das Rasterblendenfeld umfasst mehrere
Bildpunktlinsen, die über
den Bildpunkten und um die Bildpunkte herum ausgerichtet sind, um
von diesen abgegebenes Licht zu bearbeiten. Das Rasterblendenfeld
umfasst darüber
hinaus mehrere plane Rasterblenden, die mit den Bildpunktlinsen
ausgerichtet sind und sich an deren Oberseite horizontal erstrecken,
um eine Abschirmung gegen Sonnenlicht oder anderen Beleuchtungsquellen
aus der Umgebung bereitzustellen. Jedes Anzeigefeld umfasst auch noch
eine Ansteuerungsplatine, welche elektrisch mit der gedruckten Leiterplatte
zusammengeschaltet ist, und eine Stromversorgung.
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Das
an Mouyard et. Al erteilte US-Patent Nr. 4,254,453 offenbart eine
alphanumerische Anzeige, die eine Matrixanordnung einzeln zu aktivierender Lichtquellen
verwendet, um einzelne Buchstaben oder Zahlen anzuzeigen. Jede Lichtquelle
ist unter Verwendung eines LED-Pakets oder einer Festkörperlampe
ausgeführt,
das bzw. die dazu ausgelegt ist, in eine entsprechende Aufnahme
einer Ausrichtungs- und Montageanordnung für die Lichtquelle eingesetzt
zu werden. Die Leitungen jeder Lichtquelle sind, wenn diese eingesetzt
sind, ausgerichtet und verlaufen durch Öffnungen in der Ausrichtungs-
und Montageanordnung und durch jeweilige ausgerichtete Öffnungen
einer gedruckten Leiterplatte. Eine Reflektoranordnung, die eine
Reihe integral ausgebildeter Reflektorhohlräume umfasst, ist so über der
Ausrichtungs- und Montageanordnung positioniert, dass jede Lichtquelle
mit einem entsprechenden Reflektorhohlraum ausgerichtet ist und
in diesen einstrahlt. Die Leitungen der Lichtquellen sind abgeglichen,
und die gedruckte Leiterplatte wird durch einen Wellenlötvorgang
bearbeitet. Eine Linsen- und Frontfeldanordnung mit einer Reihe
integraler Linsenbereiche ist so über der Reflektoranordnung
eingebaut, dass sich jeder Linsenbereich über einem entsprechenden Reflektorhohlraum
und einer entsprechenden Lichtquelle befindet.
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Das
an Brown erteilte US-Patent Nr. 5,184,114 offenbart ein Festkörperanzeigesystem,
in dem Anordnungen von LEDs oder Bildpunkten in einer Matrixkonfiguration
angeordnet sind. Jeder Bildpunkt umfasst rote, grüne und blaue
LEDs, die selektiv so angesteuert werden, dass dadurch jede gewünschte Farbe
angezeigt werden kann. Jeder Bildpunkt umfasst darüber hinaus
eine Reflektorplatte und eine transparente Linse, um einen Verlust
an Lichtstärke
zu vermeiden. Die Bildpunkte sind in einer Matrixkonfiguration gruppiert,
um ein Feld zu bilden. Es werden mehrere Felder kombiniert, um eine Anzeige
mit der gewünschten
Größe zu bilden.
Das Anzeigesystem umfasst eine herkömmlich programmierte Sichtbildsteuerung,
um eine Reihe von Rot-, Grün-
und Blausignalen (RGB-Signalen) zu erzeugen, die dem visuellen Bild
entsprechen. Die RGB-Signale werden von einem Empfänger demultiplexiert, und
der sich ergebende Empfängerausgang
wird auf Rot-, Blau- und Grün-Treiberschaltkreise
verteilt, die jedem Feld der Anzeige entsprechen. Unter Verwendung
herkömmlicher
LED-Multiplexierverfahren
steuern die Treiber die Reihen und Spalten der LED-Lichtpunkte an.
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Die
auch an Brown erteilte UK-Patentanmeldung Nr.
GB 2131589 offenbart LED-Anzeigen, die eine
große
Anzahl an LED-Lichtquellenelementen umfassen. Jedes Lichtquellenelement
umfasst eine Anordnung von LED-Chips, die ausreichend eng voneinander
beabstandet sind, um annähernd
einer Punktlichtquelle gleichzukommen, wenn sie von einem Betrachter
angesehen werden. Die Anordnung kann gemäß einer monochromen Konfiguration,
einer Zweifarbenkonfiguration oder in einer unbegrenzten Farbenkonfiguration
hergestellt werden. In der monochromen Konfiguration strahlen die
LED-Chips der Anordnung dieselbe Lichtfarbe aus. Für diese Konfiguration
werden die Kathoden der LED-Chips unter Verwendung eines leitfähigen Epoxidharzes
an einen ersten Satz leitfähiger
Substratfinger geklebt, und die entsprechenden Anoden werden unter
Einsatzes bekannter Drahtkontaktierungsverfahren mit einem zweiten
Satz leitfähiger
Substratfinger kontaktiert. In der Zweifarbenkonfiguration werden
die LED-Chips zur
Abgabe zweier verschiedener Lichtfarben in abwechselnden Reihen
angeordnet. Für diese
Konfiguration werden die LED-Chips unter Verwendung eines leitfähigen Epoxidharzes
an einen ersten Satz leitfähiger
Substratfinger geklebt, und die Anoden der LED-Chips für jede Farbe
werden an einen zweiten bzw. dritten Satz leitfähiger Substratfinger geklebt.
In der unbegrenzten Farbenkonfiguration werden LED-Chips zur Abgabe
roter, grüner
und blauer Lichtfarben in abwechselnden Reihen angeordnet. Für diese
Konfiguration werden die Kathoden der LED-Chips unter Verwendung
eines leitfähigen Epoxidharzes
an einen ersten Satz leitfähiger
Substratfinger geklebt, und die Anoden der roten, blauen und grünen LED-Chips
werden an einen zweiten, dritten bzw. vierten Satz leitfähiger Substratfinger
geklebt. Die LED-Anordnungen können
an einer Anzeigetafel angebracht werden, um eine LED-Anzeige zu schaffen,
und können
selektiv unter Verwendung eines Matrixtreiberschaltkreises gesteuert
werden.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung stellt eine Farbanzeige nach dem unabhängigen Anspruch
1 sowie ein Verfahren zum Beeinflussen von Licht nach dem unabhängigen Anspruch
20 bereit. Bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung spiegeln sich in den abhängigen Ansprüchen wider.
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Die
beanspruchte Erfindung lässt
sich angesichts der nachstehend beschriebenen Ausführungsformen
besser verstehen. Im Allgemeinen beschreiben die Ausführungsformen
bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung. Dem aufmerksamen Leser wird jedoch nicht entgehen,
dass sich manche Aspekte der beschriebenen Ausführungsformen über den
Umfang der Ansprüche
hinaus erstrecken. Insofern als sich die beschriebenen Ausführungsformen tatsächlich über den
Rahmen der Ansprüche
hinaus erstrecken, sind die beschriebenen Ausführungsformen als zusätzliche
Hintergrundinformation zu betrachten und stellen keine Definitionen
der Erfindung an sich dar. Dies trifft auch auf die anschließende "Kurze Beschreibung
der Zeichnungen" sowie
die "Ausführliche
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform" zu.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
umfasst eine Farbanzeige eine Mehrzahl an Bildpunkten, wobei jeder
Bildpunkt mehrere Lichtquellen umfasst. Jede der Lichtquellen umfasst
einen Festkörperstrahler,
der Licht mit einer Farbe emittiert, die sich von derjenigen der
anderen Lichtquellen unterscheidet. Zusätzlich umfasst jede der Lichtquellen optische
Einrichtungen, so dass Intensitätsschwankungen
im Hinblick auf den Sichtwinkel im Wesentlichen dieselben sind wie
die der anderen Lichtquellen.
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In
einer anderen bevorzugten Ausführungsform
umfasst eine Farbanzeige eine Mehrzahl an Bildpunkten, die jeweils
mehrere Lichtquellen umfassen, wobei die Lichtquellen jeweils eine
lichtemittierende Diode und dazugehörige strahlformende optische
Einrichtungen umfassen.
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In
noch einem anderen Aspekt der Erfindung umfasst eine Farbanzeige
eine Mehrzahl an Bildpunkten, die jeweils mehrere im Wesentlichen
Lambertsche Lichtquellen umfassen. Jede Lambertsche Lichtquelle
umfasst eine lichtemittierende Diode, die Licht mit einer Farbe
abgibt, die sich von den anderen Lambertschen Lichtquellen im Bildpunkt
unterscheidet. Die Lambertschen Lichtquellen umfassen darüber hinaus
optische Einrichtungen, die so angeordnet sind, dass sie Licht aus
der lichtemittierenden Diode empfangen, und dazu ausgelegt sind,
das Licht so umzulenken, dass das erforderliche Lambertsche Emissionsmuster
erzeugt wird.
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In
noch einer anderen bevorzugten Ausführungsform umfasst eine Vorrichtung
eine Lichtquelle, die Licht zur Betrachtung aus verschiedenen Winkeln mit
im Wesentlichen konstanter Helligkeit abgibt. Die Lichtquelle umfasst
eine LED und eine Lambertsche Schale. Die lichtemittierende Diode
ist vorzugsweise rechteckig. Sie hat eine Frontfläche, eine
der Frontfläche
entgegengesetzte Rückfläche und
vier Seitenflächen;
die Frontfläche
und die vier Seitenflächen senden
Licht aus. Die Frontfläche
und die vier Seitenflächen
schneiden einander jeweils entlang von vier oberen Rändern. Die
Lambertsche Schale umfasst eine Bodenstützfläche und vier Reflektorflächen, wovon
jede jeweils einer der vier Seitenflächen der lichtemittierenden
Diode zugewandt ist. Mindestens ein entgegengesetztes Paar der Reflektorflächen ist
so gestaltet, dass ein im Wesentlichen kosinusförmiger Abfall der Lichtintensität für Sichtwinkel
in der Ebene bereitgestellt wird, die sie mit der Senkrechten zur Frontfläche bilden.
In einer bevorzugten Ausführungsform
sind die Reflektorflächen
zylindrisch und der Länge
nach parallel zu den Rändern
der Frontfläche
der LED. Im Spezielleren fallen die Reflektorflächen im Wesentlichen mit einem
geometrischen Ort von Punkten zusammen, die einen Bogen schneiden, der
entlang einer zum oberen Rand jeder der vier Seiten der LED parallelen
Linie gespannt ist. Diese Reflektorflächen sind speziell gestaltet,
um nicht bildgebende Reflektoren zu bilden.
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In
einer anderen bevorzugten Ausführungsform
umfasst ein nicht bildgebendes optisches Element einen ersten und
zweiten Reflektor, die in beabstandetem, einander zugewandtem Verhältnis angeordnet
sind. Jeder Reflektor umfasst einen Mittelabschnitt und zwei Endabschnitte
auf entgegengesetzten Seiten des Mittelabschnitts. Der Mittelabschnitt umfasst
eine Fläche
in Form eines parabolischen Zylinders mit einem Strichfokus. Jeder
Endabschnitt umfasst eine Fläche,
die an die Fläche
des Mittelabschnitts entlang einer Parabollinie anschließt. Die Fläche jedes
Endabschnitts ist in Form eines Paraboloids mit einem Punktfokus
nahe einem jeweiligen Ende des Strichfokus des Mittelabschnitts.
Die Mittelabschnitte des ersten und zweiten Reflektors bilden eine
zusammengesetzte parabolische Konzentratormulde, die zusammen mit
den Endabschnitten der Reflektoren strahlformende optische Einrichtungen bereitstellt,
um eine Strahldivergenz in einer von zwei orthogonalen Richtungen
einzuschränken.
Vorzugsweise handelt es sich bei dieser Richtung um die vertikale
Richtung.
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In
noch einer anderen bevorzugten Ausführungsform umfassen die strahlenformenden
optischen Einrichtungen für
eine lichtemittierende Diode einen ersten und einen zweiten Satz
von Reflektoren und ein aus durchlässigem Material bestehendes
optisches Element. Der erste Satz von Reflektoren ist angrenzend
an die Seiten der lichtemittierenden Diode angeordnet. Der zweite
Satz von Reflektoren ist so ausgerichtet, dass die Strahldivergenz
von Licht aus der lichtemittierenden Diode in einer Ebene auf einen
eingeschränkten
Winkelbereich eingeschränkt ist.
Vorzugsweise handelt es sich bei dieser Ebene um eine vertikale
Ebene. Das aus durchlässigem
Material bestehende optische Element ist so angeordnet, dass Licht
aus der lichtemittierenden Diode und dem ersten und zweiten Satz
von Reflektoren empfangen wird. Die Reflektorensätze und das durchlässige Material
sind so ausgerichtet und gestaltet, dass im Wesentlichen ein Lambertscher
Abfall bei der Lichtintensität
in beiden Ebenen bereitgestellt wird, aber in der einen Ebene, vorzugsweise
der vertikalen Ebene, mit einem eingeschränkten Winkelbereich, und ein
im Wesentlichen Lambertscher Abfall bei der Lichtintensität in einer
orthogonalen Ebene, vorzugsweise der horizontalen Ebene, innerhalb
eines Winkelbereichs, der größer ist
als der eingeschränkte Winkelbereich.
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Eine
andere bevorzugte Ausführungsform umfasst
ein Verfahren zum Beeinflussen von aus einer LED emittierten Licht,
um über
einen erforderlichen Bereich von Sichtwinkeln eine Lambertsche Emission
bereitzustellen. Das Verfahren umfasst den Schritt, Licht aufzufangen,
das von mehreren Seitenflächen
einer lichtemittierenden Diode emittiert wird, und das Licht so
zurückzuleiten,
dass es sich dem Emissionsmuster einer einzelnen Lambertschen Fläche annähert. Die
Divergenz des aufgefangenen Lichts wird in einer Ebene reduziert,
die zu einem entgegengesetzten Paar der mehreren Seiten orthogonal
ist. Nach der Reduktion der Divergenz wird das aufgefangene Licht
gebrochen.
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Noch
eine andere bevorzugte Ausführungsform
umfasst ein Verfahren zum Formen des Ausgangs einer lichtemittierenden
Diode mit einer Front und mehreren Seiten, die Licht emittieren.
Das Verfahren umfasst den Schritt, von den Seiten emittiertes Licht
aufzufangen und das Licht zurückzuleiten, um
Licht zu simulieren, das von einer einzelnen im Wesentlichen Lambertschen
Fläche
produziert wird. Zusätzlich
werden Reflektoren verwendet, um die Divergenz des Strahls in einer
Richtung, vorzugsweise der vertikalen Richtung, auf einen eingeschränkten Winkelbereich
zu reduzieren, während
gleichzeitig ein im Wesentlicher Lambertscher Abfall in einem wesentlichen
Abschnitt des eingeschränkten
Bereichs aufrechterhalten wird.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 zeigt
eine perspektivische Ansicht einer Vollfarben-LED-Großanzeige
in einem Stadion, wobei deren Seiten in der horizontalen (H) und
vertikalen (V) Richtung ausgerichtet sind;
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2 ist
eine Querschnittsansicht des in 1 gezeigten
Stadions, welche die LED-Anzeige im Hinblick auf eine Achse x darstellt,
die zu einer z-Achse senkrecht ist;
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3 ist
eine Draufsicht des in 1 und 2 gezeigten
Stadions, das die LED-Anzeige
entlang einer Achse y ausgerichtet darstellt;
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4 zeigt
eine perspektivische Ansicht der LED-Anzeige aus der Sicht eines
Zuschauers im Stadion, der an einer Stelle vor und unter dem Bildschirm sitzt;
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5 ist
eine Nahaufnahme eines Teils der LED-Anzeige von 4 von
vorn gesehen, wobei die Anzeige über
einzelne Bildpunkte verfügt,
die in Reihen und Spalten parallel zur horizontalen (H) und vertikalen
(V) Richtung angeordnet sind;
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6 ist
eine Seitenansicht eines Teils der LED-Anzeige, die eine Spalte
von Bildpunkten zeigt, wobei jeder Bildpunkt gekippt ist, um parallel
zur x-Achse und senkrecht zu einer Achse z zu sein;
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7 ist
eine Draufsicht der LED-Anzeige, welche die Bildpunkte in einer
Reihe entlang der y-Achse angeordnet zeigt;
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8 stellt
eine Draufsicht auf mehrere Bildpunkte in der LED-Anzeige dar, die
speziell die drei Farbelemente in jedem Bildpunkt zeigt, wobei jedes Farbelement
eine LED und strahlformende optische Einrichtungen umfasst;
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9 ist
eine perspektivische Ansicht der LED und des strahlformenden optischen
Elements, das in einem einzelnen Farbelement enthalten ist, das
sich um die x-, y- und z-Achse zentriert;
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10 stellt
eine Draufsicht auf die LED, die Lambertsche Schale und die gekrümmten Reflektoren
mit engem Sichtfeld im Farbelement von 9 dar;
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11 zeigt
eine perspektivische Ansicht der LED in der Lambertschen Schale
mit vier gekrümmten
zylindrischen Reflektoren;
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12 ist
eine Querschnittsansicht in der x-z-Ebene der LED und der Lambertschen
Schale, wobei ein Kreis in unterbrochenen Linien darüber gelegt
ist, der die Krümmung
der zylindrischen Reflektoren in der Lambertschen Schale festlegt;
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13 stellt
eine Querschnittsansicht der LED, der Lambertschen Schale und der
gekrümmten Reflektoren
mit engem Sichtfeld entlang der in 12 dargestellten
x-z-Ebene dar, wobei
der Abstand zwischen den Reflektoren mit engem Sichtfeld als S angegeben
ist;
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14 stellt
die Querschnittsansicht von 13 und
eine Parabel zum Festlegen der Krümmung der Reflektoren mit engem
Sichtfeld dar;
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15 zeigt
eine Querschnittsansicht der Reflektoren mit engem Sichtfeld in
einer in 9 festgelegten, zur x-z-Ebene
parallelen Ebene;
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16 ist
eine Querschnittsansicht in der x-y-Ebene der in 9 gezeigten
Reflektoren mit engem Sichtfeld; und
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17 ist
eine grafische Darstellung über die
Winkelachsen, in Grad und Intensität, in Lichtstrom pro Steradiant,
die darstellt, wie die Intensität, die
aus dem optischen Miniatursystem abgegeben wird, mit dem Winkel
in Richtung entlang der x- und y-Achsen
im Vergleich zu einem Lambertschen oder Kosinuswinkelintensitätsabfall
abfällt.
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Ausführliche
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
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Wie
in den 1–3 gezeigt
ist, kann sich eine großformatige,
auf farblichtemittierenden Dioden beruhende Anzeige (LED-Anzeige) 10 in
einem Stadion 12 befinden, um von einem speziellen Abschnitt
einer Bestuhlung 14 aus gesehen werden zu können. Nur
eine Seite 16 des Anzeige 10, die Frontseite,
ist für
das Publikum sichtbar. Wie in den 4–7 gezeigt
ist, umfasst diese Frontseite 16 der Anzeige 10 eine
rechteckige Anordnung von Bildpunkten 18, die jeweils eine
Seite 20 mit einer Länge L
und einer Breite W haben. Die Bildpunkte 18 sind in Reihen 22 und
Spalten 24 angeordnet, die parallel zur vertikalen (Aufwärts-) Richtung
und horizontalen (Seitwärts-)
Richtung im Stadion sind. Achsen, die in 1 als V
und H gekennzeichnet sind, bezeichnen diese vertikale und horizontale
Richtung.
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Ein
anderer Bezugsrahmen, der enger mit der Ausrichtung der Bildpunkte 18 in
der Anordnung 10 zusammenhängt, wird durch ein in den 2–7 gezeigtes
x-, y-, z-Koordinatensystem bereitgestellt. In diesem Koordinatensystem
fällt die Reihe 22 der
Bildpunkte 18 mit der y-Achse zusammen, die mit der horizontalen
Richtung H ausgerichtet ist. Die x-Achse hingegen, die parallel
zur Bildpunktlänge
ist, ist nicht mit der vertikalen Richtung V ausgerichtet. Wie in 6 dargestellt
ist, sind die einzelnen Bildpunkte 18 vorzugsweise zum
Bestuhlungsabschnitt 14 hin geneigt, wo sich die Zuschauer
befinden, und somit weicht die x-Achse um einen geeigneten Winkel
von der vertikalen Richtung V ab. Am bevorzugtesten sind die Bildpunkte 18 mit einem
Winkel von zwischen ca. 5 und 20 Grad im Hinblick auf die Vertikale
V geneigt. Der übrige
Teil des x-, y-, z-Koordinatensystems, die z-Achse, neigt sich zu
den Zuschauern hin und ist senkrecht zur x- und y-Achse. Sie ist
deshalb senkrecht zur Seite 20 des Bildpunkts 18.
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Vorzugsweise
sind die Bildpunkte 18 so ausgerichtet, dass sich die z-Achse
von der Anzeige 10 zu einem zentralen Punkt 26 im
Bestuhlungsabschnitt 14 erstreckt (siehe 2 und 3).
Vorzugsweise ist die LED-Anzeige 10 auch so gestaltet, dass
sie den größten Teil
der optischen Energie in einen eingeschränkten Bereich von Winkeln θ in der x-z-Ebene
lenkt, einen Bereich, der dem Bereich in der x-z-Ebene entspricht,
in dem das Publikum sitzt. Dieser Winkel θ, wie er in der x-z-Ebene festgelegt ist,
ist in 2 gezeigt. (Wenn nicht anders angegeben, werden
alle Winkel im Hinblick auf eine Senkrechte zur Seite 20 des
Bildpunkts 18 definiert, die der z-Achse entspricht.) Dieser
Winkel θ kann
beispielsweise gleich ca. 30° sein
oder ansonsten 5° bis 45° betragen,
je nach der speziellen Anzeigeanwendung und örtlichen Lage. Hingegen sieht
das Publikum in der y-z-Ebene die Anzeige 10 aus einem
breiteren Winkelbereich, wie in 3 gezeigt
ist. Dementsprechend ist die LED-Anzeige 10 vorzugsweise so
zugeschnitten, dass sie den größten Teil
ihrer Energie in einem Bereich in der y-z-Ebene abgibt, durch den
der in der y-z-Ebene festgelegte Winkel φ aufgespannt ist. Dieser Winkel φ kann sich
zum Beispiel über
60° oder
auf Winkel bis zu 80° ausweiten,
bei denen sich eine Anzeigeverkürzung
aber wegen der Bildwahrnehmbarkeit nahezu von selbst verbietet.
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Vorzugsweise
umfassen die Bildpunkte 18 in der Anzeige 10 Lambertsche
Strahler oder nähern sich
diesen an und befolgen das Lambertsche Kosinusgesetz, das besagt,
dass die Intensität
oder der Fluss pro Raumwinkeleinheit, die bzw. der in einer bestimmten
Richtung im Hinblick auf eine Senkrechte zu diesen Strahlern ausgeht,
proportional zum Kosinus des Winkels zwischen dieser Richtung und
der Senkrechten ist. Dann hat die Anzeige 10 bei allen Sichtwinkeln
eine konstante Helligkeit. Dementsprechend variiert die von den
Bildpunkten 18 ausgehende Intensität, wenn sie auf das Publikum
gerichtet ist, vorzugsweise mit den im Hinblick auf die z-Achse feststehenden
Winkeln θ und φ mit einem
Verhältnis, das
im Wesentlichen proportional zu cos(θ) bzw. cos(φ) ist. Ein solcher Abfall ist
hier als "kosinusförmiger Abfall" definiert.
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Um
einen vollen Bereich an Farbtönen
bereitzustellen, umfasst jeder Bildpunkt 18 drei Lichtquellen 28,
die in den 8–10 dargestellt
sind. Die Lichtquellen 28 sind eine über der anderen in einem einzelnen
Bildpunkt 18 in einer Spalte angeordnet, wobei die drei
Lichtquellen eine zur x-Achse parallele Linie bilden. Jede Lichtquelle 28 im
Bildpunkt 18 umfasst einen Festkörperstrahler 30 wie
etwa eine lichtemittierende Diode (LED). Diese LEDs 30 können beispielsweise
rote, blaue und grüne
LEDs umfassen, oder in einer kostspieligeren Alternative rote, gelbe,
grüne und
blaue LEDs.
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Vorzugsweise
geben diese Lichtquellen 28 eine Intensität ab, die
mit dem Winkel θ und φ mit im Wesentlichen
derselben Rate abnimmt oder abfällt. Am
bevorzugtesten ist dieser Abfall für den der Anzeige 10 zugewandten
Abschnitt der Bestuhlung 14 im Wesentlichen proportional
zu cosθ und
cosφ. Über einen
im Wesentlichen gleichen Abfall zu verfügen, minimiert Farbwiedergabefehler,
die sich ansonsten ergeben würden,
wenn eine Farbe der Triade relativ heller wäre als die andere. Ein solches
Problem könnte
auftreten, wenn Festkörperstrahler 30 als
Lichtquellen 28 verwendet werden, da unterschiedlich farbige
LEDs entsprechend ihres unterschiedlichen Aufbaus verschiedene Abfallverhalten aufweisen
können.
Die Intensität,
die von einer roten LED abgegeben wird, fällt beispielsweise deutlich langsamer
ab als bei einer blauen oder grünen
LED. Dementsprechend muss die Lichtquelle 28 so ausgelegt
werden, dass die verschiedenen Abfalleigenschaften der LEDs 30 kompensiert
werden, um denselben annähernden
Lambertschen Abfall bereitzustellen.
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Um
ihre Emission geeignet anzupassen, wird jede der LEDs 30 mit
einem jeweiligen intensitätsverstärkenden
optischen Miniatursystem oder einer strahlformenden optischen Einrichtung 32 kombiniert.
Die strahlformende optische Einrichtung 32 umfasst einen
Satz von vier Lambertschen Reflektoren 34 mit weitem Sichtfeld,
ein Paar Lambertschen Reflektoren 3G mit engem Sichtfeld,
und eine Strahlformungslinse 38, die aus einem optisch
durchlässigen Medium
besteht. Eine perspektivische Ansicht der Lichtquelle 28 mit
der LED 30 und der strahlformenden optischen Einrichtung 32 ist
in 9 gezeigt; eine Draufsicht, welche die Strahlformungslinse 38 nicht
zeigt, ist in 10 bereitgestellt. Nach einer
bevorzugten Ausführungsform
werden die strahlformenden optischen Einrichtungen 32 mit
den LEDs 30 versehen, um Lambertsche Strahler zu schaffen. Wenn
eine LED 30 nicht schon von sich aus ein Lambertsches Muster
hat, bewirkt die dazugehörige
optische Einrichtung 32, dass solch ein Muster hergestellt
wird, und von daher werden diese optischen Einrichtungen hier als
lambertisierend bezeichnet.
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Die
Größe jedes
Bildpunkts 18 ist im Verhältnis zur gesamten Anzeige 10 klein.
Obwohl die Anzeige 10 bis 60 Fuß groß und 15
bis 90 Fuß breit
sein kann, enthält
sie ca. 100.000 bis 2 Millionen Bildpunkte. Diese Bildpunkte 18 sind
in der y-Richtung um einen Abstand a voneinander getrennt, siehe 8,
der ca. 0,25 bis 1,5 Zoll betragen kann. Die Größe der Reflektoren 34, 36 im
Bildpunkt 18 wird größtenteils
von der Größe der LEDs 30 bestimmt, die
ca. 0,01 bis 0,04 Zoll lang und breit und ca. 0,003 bis 0,01 Zoll
hoch sind.
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Die
Reflektoren 34, 36 umfassen zwangsläufig ein
reflektierendes Material wie Silber oder Aluminium und können durch
Prägen
oder Formen hergestellt werden. Andere bekannte oder noch zu entdeckende
Verfahren zur Herstellung von Miniaturreflektorflächen können genauso
gut eingesetzt werden.
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Die
LEDs 30 in jeder der Lichtquellen 28 umfassen
eine LED mit sechs Facettenflächen,
einer Frontfläche 40,
einer Rückfläche 42 (siehe 12) und
vier Seitenflächen 44 (wovon
zwei in 11 zu sehen sind). Ein elektrischer
Zuleitungsdraht 46 erstreckt sich von der Frontfläche 40 des
LED-Würfels oder
-Bausteins 30 und sorgt für eine elektrische Verbindung
mit diesem.
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Wie
in den 11 und 12 gezeigt
ist, ist die LED 30 in einer Lambertschen oder lambertisierenden
Schale 48 enthalten, die aus den vier Lambertschen Reflektoren 34 mit
weitem Sichtfeld besteht. Die Lambertsche Schale 48 umfasst
darüber hinaus
eine Bodenfläche 50,
in welcher der LED-Würfel 30 sitzt.
Innerhalb der Schale 48 angeordnet ist der LED-Würfel 30 von
den vier Lambertschen Reflektoren 34 mit weitem Sichtfeld
umgeben, die sich nach innen krümmen,
um an der Bodenfläche 50 anzuschließen. Jeder
der vier Reflektoren 34 schließt auch an zwei der daran angrenzenden
Reflektoren an, wodurch eine Teilumschließung gebildet wird, welche
die LED 30 schalenartig umgibt. Die LED 30 ist
so innerhalb der Schale 48 angeordnet, dass jede ihrer
vier Seiten 44 einem der vier Lambertschen Reflektoren 34 mit
weitem Sichtfeld zugewandt ist. Wenn die Rückfläche 42 an der Bodenfläche 50 der
Schale 48 angebracht ist, ist die Frontfläche 40 der
LED 30 einer quadratischen oder rechteckigen Öffnung 52 in
der Schale zugewandt, die nachstehend als die Öffnung bezeichnet wird. Diese quadratische
oder rechteckige Öffnung 52 wird
durch die vier Reflektoren 34 begrenzt und gebildet. Vorzugsweise
befindet sich die Öffnung
der Lambertschen Schale 48 in einer die Frontfläche 40 der
LED enthaltenden Ebene.
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Typischerweise
besitzt die in 10 dargestellte LED 30 eine
vierfache Symmetrie, wobei ihre vier Seiten 44 im Wesentlichen
identisch sind. Wie gezeigt, sind zwei der Seiten 44 parallel
zur x-z-Ebene, und zwei der Seiten sind parallel zur y-z-Ebene. In
diesem Fall ist so auch die Lambertsche 48 Schale vierfach
symmetrisch. Jeder der vier Lambertschen Reflektoren 34 mit
weitem Sichtfeld hat im Wesentlichen dieselbe Form und Größe. Entsprechend
sind die Querschnitte der LED 30 und der Lambertschen Schale 48 entlang
der x-z- oder y-z-Ebene im Wesentlichen nicht zu unterscheiden.
Die Lambertsche Schale 48 kann deshalb in der Alternative
als zwei orthogonal entgegengesetzte Paare identischer Reflektoren
umfassend beschrieben werden. Diese beiden Paare sind entlang der
x- und y-Achse getrennt. Der Querschnitt eines Paars, das entlang
der x-Achse getrennt ist, ist in 12 dargestellt.
Der Querschnitt erfolgte entlang der x-z-Ebene.
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Bei
dem Querschnitt eines der Lambertschen Reflektoren 34 mit
weitem Sichtfeld handelt es sich um einen Bogen. Entlang der Seiten 44 der
LED 30, setzt sich dieser Bogen bis hinab zur Basis 50 der Lambertschen
Schale 48 fort. Entsprechend hat der dem in 12 dargestellten
Bogen entsprechende Reflektor 34 mit weitem Sichtfeld eine
Oberfläche, die
im Wesentlichen mit einem geometrischen Ort von Punkten zusammenfällt, die
den Bogen schneiden, wenn er entlang einer zur y-Achse parallelen
Linie gespannt wird. Diese Reflektorfläche hat eine Länge entlang
der y-Richtung, die mindestens so lang wie die der Reflektorfläche entgegengesetzte Seite 44 der
LED 30 ist. Vorzugsweise erstreckt sich diese Fläche jedoch
weiter entlang der y-Achse, wo sie auf die anderen Lambertschen
Reflektoren 34 mit weitem Sichtfeld trifft. Eine Teilumschließung, welche die
LED 30 schalenartig einschließt, kann mit vier solcher ähnlich gestalteter
Flächen
gebildet werden, wobei jeder der Reflektoren 44 mit weitem
Sichtfeld eine im Wesentlichen zylindrische Oberfläche hat.
Im Spezielleren fällt
diese Fläche
im Wesentlichen mit einem geometrischen Ort von Punkten zusammen, die
einen Bogen schneiden, wenn er entlang einer Line gespannt wird,
wodurch eine zylindrische Fläche
entsteht. Zwei der zylindrischen Reflektoren sind der Länge nach
parallel zur y-Achse;
die anderen beiden sind parallel zur x-Achse. Diese vier Zylinder
sind eigentlich der Länge
nach parallel zu den vier oberen Rändern 54 der LED 30,
wo sich die Frontfläche 40 der
LED und die dem Reflektor 34 entgegengesetzte Seitenfläche 44 der
LED schneiden. Diese vier Reflektoren 34 können auch
im Hinblick auf diese vier oberen Ränder 54 definiert
werden; insbesondere werden ihre Bögen vorzugsweise durch Kreise
gebildet, die Punkte an den oberen Rändern der LED 30 als
ihre Mitten haben. Der Radius dieser Kreise kann einem Abstand entsprechen,
der die Frontfläche 40 der
LED 30 von der Bodenfläche 50 der
Lambertschen Schale 48 trennt.
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Somit
umfasst die Lambertsche Schale 48 vorzugsweise vier zylindrisch
geformte Reflektoren 34 mit einem Krümmungsradius r, der dem Abstand der
Reflektorfläche
zum nahekommendsten oberen Rand 54 der LED 30 entspricht.
Diese zylindrischen Reflektoren 34 sind so ausgerichtet,
dass sie sich der LED 30 oder einer beispielsweise aus
Lötmaterial
bestehenden Basis unter und in Kontakt mit der LED nähern. Dementsprechend
ist der Krümmungsradius r,
der die zylindrisch geformten Reflektoren festlegt, vorzugsweise
ausreichend groß,
so dass sich die zylindrischen Reflektoren zu einem und unter einen
unteren Rand der Rückfläche 42 der
LED 30 erstrecken. Ein wesentlicher Teil des Lichts aus
der LED 30 kann deshalb aufgefangen und durch die Öffnung 52 der
Lambertschen Schale 48 zurückgeleitet werden. Die Größe der Lambertschen
Schale 48 ist durch eine Tiefe gekennzeichnet, die etwas
größer ist
als die Höhe
des LED-Würfels,
und durch eine Gesamtbreite, die etwas größer ist als die Summe der Würfel- oder
Bausteinbreite und seiner doppelten Höhe.
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Ein
bemerkenswertes Merkmal herkömmlicher
LEDs ist, dass nicht das gesamte von der LED 30 emittierte
Licht aus der Frontfläche 40 ausgeleitet wird.
Zusätzlich
dazu, Licht aus der Frontfläche 40 abzugeben,
strahlen LEDs aus allen vier Seitenwänden 44 Licht aus.
Dieses seitwärts
gerichtete Licht kann verloren gehen, wenn es in eine Richtung abgestrahlt
wird, in der es nicht gebraucht wird, oder wo es anschließend zum
Beispiel von einer anderen LED absorbiert wird. Die Lambertsche
Schale 48 fängt Licht
auf, das von den vier Seiten 44 emittiert wird, und lenkt
diese Seitenemission durch die Öffnung 52 der
Schale, als wäre
sie von der Frontfläche 40 der LED
abgegeben worden.
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Licht
aus den Seitenflächen 44 wird
von den Reflektoren 34 mit weitem Sichtfeld durch die quadratische
oder rechteckige Öffnung 52 der
Lambertschen Schale 48 zurückgeworfen. Eine Emission,
die andernfalls durch eine Fehllenkung und mögliche Absorption verloren
gehen würde,
kann erhalten werden, was zu einem wesentlich besseren Wirkungsgrad
der Lichtquelle 28 und des Bildpunkts 18 führt. Die
Auslegung dieser Lambertschen Schale 48 ist auch für einen
Höchstdurchsatz
optimiert. Das hier beschriebene nicht bildgebende optische Element 48 kann
beispielweise den Wirkungsgrad des LED-Bildpunkts 18 um
einen Faktor zwei oder mehr verbessern, indem dieses aus den Seiten 44 der
LED 30 abgegebene Licht durch die Öffnung 52 des Elements wirksam
weitergeleitet wird.
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Zusätzlich sind
die Lambertschen Reflektoren 34 mit weitem Sichtfeld so
gestaltet, dass sie das Licht aus der Lambertschen Schale 48 gemäß dem Lambertschen
Kosinusgesetz verteilen. Entsprechend fällt die Intensität von Licht,
das aus der Lambertschen Schale 48 emittiert wird, mit
einem Winkel θ und φ mit einer
Rate ab, die im Wesentlichen proportional zu cosθ bzw. cosφ ist. Die Reflektoren 34 stellen
wirksam einen im Wesentlichen Lambertschen oder kosinusförmigen Abfall
bereit, so dass die rechteckige Öffnung 52 der
Lambertschen Schale 48 sich einer planen Lambertschen Fläche annähert, die für eine konstante
Tageslichthelligkeit benötigt
wird.
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Dieser
Lambertsche Abfall mit dem Winkel θ wird durch das Paar der Reflektoren 3G mit
engem Sichtfeld, die sich über
der Lambertschen Schale 48 befinden, auf einen engen Winkelbereich
(z.B. ±30°) beschränkt. In
der in 9 dargestellten Ausführungsform sind diese Reflektoren 3G mit
engem Sichtbereich auf einer Ebene 5G ausgebildet, welche die
quadratische Öffnung 52 der
Lambertschen Schale 48 enthält. Diese Ebene 5G enthält auch
vier distale Enden (siehe 10 und 11)
der Reflektoren 34 mit engem Sichtfeld, welche die Lambertsche
Schale 48 ausmachen, wobei vier weitere, proximale Enden
mit der Bodenfläche 50 der
Schale konvergieren. Die vier distalen Enden 58 entsprechen
den vier Seiten der quadratischen Öffnung 52 der Lambertschen
Schale 48; wobei zwei Seiten 59 der Öffnung parallel
zur x-Achse sind, und zwei Seiten 61 parallel zur y-Achse
sind. Die beiden Reflektoren 3G mit engem Sichtfeld flankieren
die beiden entgegengesetzten Seiten der quadratischen Öffnung, nämlich die
beiden zur y-Achse parallelen Seiten. Diese Reflektoren 36 mit
engem Sichtfeld sind um einen Abstand S voneinander beabstandet
(siehe 13), der ausreicht, um die quadratische Öffnung 52 dazwischenpassen
zu lassen.
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Wie
in 9 gezeigt ist, umfasst jeder der Reflektoren 36 einen
Mittelabschnitt 60 und zwei Endabschnitte 62 an
den entgegengesetzten Enden des Mittelabschnitts. Ein Querschnitt
der Reflektoren 36 mit engem Sichtfeld, der den Mittelabschnitt 60 darstellt,
ist in 13 gezeigt. Wie in den Zeichnungen
dargestellt ist, erstrecken sich die Mittelabschnitte 60 von
den beiden distalen Enden 58 der Lambertschen Schale 48,
die zur y-Achse parallel sind. Dementsprechend grenzen die beiden
Mittelabschnitte 60 an die beiden Seiten der quadratischen Öffnung 52 parallel
zur y-Achse an und setzen sich entlang von diesen fort. Jeder Mittelabschnitt 60 umfasst
eine Fläche
in Form eines parabolischen Zylinders, der sich entlang einer dieser
beiden Seiten der Öffnung 52 erstreckt;
die andere Seite dient diesem parabolischen Zylinder als Strichfokus.
Dieser parabolische Zylinder kann als geometrischer Ort von Punkten
sichtbar gemacht werden, die eine Parabel in der x-z-Ebene schneiden
(siehe 14), wenn sie entlang der jeweiligen
Seite der Öffnung 52 auf
einer zur y-Achse parallelen Linie wie den Strichfokus gespannt
wird. Dieser Mittelabschnitt 60 hat eine Länge in der y-Richtung,
die gleich den zur y-Achse parallelen Seiten der Öffnung 52 ist.
Dieser Mittelabschnitt 60 hat eine Höhe d in der z-Richtung von
zwischen ca. 0,1 und 0,4 Zoll, je nach Größe der LED 30 und
der Lambertschen Schale 48.
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Die
Mittelabschnitte 60 bilden zusammen eine lineare Verbundparabolkonzentratormulde
oder (CPC-Mulde, CPC – Compound
Parabolic Conceztrator), die sich bei der Lambertschen Schale 48 oben befindet.
Diese CPC-Mulde erstreckt sich über
die volle Länge
der Öffnung 52 der
Schale 48, wobei sie die beiden zur y-Achse parallelen
distalen oder oberen Ränder 58 der
zylindrischen Reflektoren 34 der Lambertschen Schale berührt.
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Verbundparabolkonzentratormulden
sind hinlänglich
bekannte nicht bildgebende optische Elemente. Da sie keine bildgebenden
optischen Elemente sind, sind sie dazu ausgelegt, den Lichtdurchlass
zu maximieren; Bildgebung ist kein primäres Ziel. Die CPC-Auslegung und die
bestimmende Parabelform wird im Detail von W.T. Welford und R.
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Winston
in "The Optics of
Nonimaging Concentrators" erörtert, Academic
Press, New York, 1978, S. 171–173.
Siehe auch das an Parkyn Jr. erteilte US-Patent Nr. 5,924,788, das
an Rabl et al. erteilte US-Patent Nr. 4,130,107, das an Winston
erteilte US-Patent Nr. 4,230,095, das an Winston erteilte US-Patent
Nr. 4,359,265, das an Winston erteilte US-Patent Nr. 4,387,961, das an Winston
erteilte US-Patent Nr.4,237,332, das an Winston erteilte US-Patent
Nr. 4,240,692 und das an Winston erteilte US-Patent Nr. 4,114, 592,
die hier durch Bezug mitaufgenommen werden.
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Insbesondere
besteht ein CPC aus einem Paar parabelförmiger Krümmungen, die sich auf jeder
Seite einer Achse, hier der z-Achse, befinden; eine solche Parabel 64 ist
in 14 dargestellt. Die Krümmungen umfassen Segmente zweier
gekippter Parabeln. Der CPC hat eine Basis, die durch den Abstand
S zwischen den beiden parabelförmigen
Segmenten gebildet ist. Jedes Segment entspricht einer der Reflektorflächen des
CPCs. Eine solche Reflektorfläche
befindet sich rechts von der z-Achse und ist durch die Parabel 64 mit
einem Fokus f1 auf der anderen Seite der
z-Achse, d.h. links von dieser bestimmt. Um einen CPC mit einem
Sammelwinkel θ von
30° zu bekommen,
wird diese Parabel 64 um 30° im Gegenuhrzeigersinn gedreht. 14 zeigt
die Parabel 64, wobei die durch den Fokus f1 verlaufende Achse 66 um
30° gekippt
ist. Die gekippte Parabel 64 verläuft weiter nach oben, bis ihre
Neigung vertikal ist. Ein Teil dieser Parabel 64 bildet
die erste parabelförmige
Krümmung,
die zur Ausbildung einer der Reflektorflächen verwendet wird. Eine andere
Reflektorfläche
der CPC-Mulde hat eine Krümmung,
die durch eine identische Parabel mit einem Fokus f2,
aber auf der anderen Seite der z-Achse, d.h. rechts von dieser,
gekennzeichnet und um 30° im
Uhrzeigersinn gekippt ist. Eine zweite parabelförmige Krümmung kann ausgehend von dieser
anderen Parabel bestimmt und zur Herstellung der anderen Reflektorfläche verwendet
werden. Bei den beiden parabelförmigen
Krümmungen
handelt es sich um Spiegelbilder um die z-Achse. So sind auch die
CPC-Mulde und die Reflektorflächen
um die z-Achse symmetrisch. Die CPC-Mulde wird dadurch gebildet, dass die
beiden parabelförmigen
Krümmungen
in einer zur x-z-Ebene senkrechten Richtung, d.h. in der y-Richtung
verschoben werden.
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Das
Paar der Reflektoren 36 mit engem Sichtfeld umfasst jedoch
nicht nur einen einfachen Verbundparabolkonzentrator, vielmehr umfassen
sie zusätzlich
noch Endabschnitte 62, die an die entgegengesetzten Enden
des jeweiligen Mittelabschnitts 60 angehängt sind.
Wieder mit Bezug auf die 9 und 10 weist
die rechteckige Öffnung 52 der Lambertschen
Schale 48 vier Seiten 59, 61 auf, die ausgehend
von den vier Reflektoren 34 mit weitem Sichtfeld gebildet
sind. Zwei Seiten 61 sind parallel zur x-Achse, und zwei Seiten 59 sind
parallel zur y-Achse. Die beiden Reflektoren 36 mit weitem
Sichtfeld erstrecken sich zumindest in den Mittelabschnitten 60 entlang
der beiden Seiten 59, die parallel zur y-Achse sind. Dementsprechend
besitzt jeder Mittelabschnitt 60 ein Ende nahe an der Seite 61 der
rechteckigen Öffnung 52,
die parallel zur x-Achse verläuft. Ein
Endabschnitt 62 ist an jedem dieser Enden befestigt. Somit
ist jeder Endabschnitt 62 mit einer der beiden Seiten 61 der Öffnung verbunden,
die parallel zur x-Achse verläuft.
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15 zeigt
einen Querschnitt der Reflektoren 36 mit engem Sichtfeld
entlang einer zur x-z-Ebene parallelen Ebene, die durch eine dieser
beiden Seiten 61 verläuft.
An dieser Stelle endet der Mittelabschnitt 60 des Reflektors,
und der Endabschnitt 62 beginnt. Wie in 15 dargestellt
ist, schließt
sich der Endabschnitt 62 entlang einer Parabellinie an den
Mittelabschnitt 60 an. Diese Parabellinie fällt mit der
Parabelform des CPC-Reflektors zusammen, der durch den Mittelabschnitt 60 gebildet
ist. Diese Parabellinie fällt
auch mit der Parabelform des Endabschnitts zusammen, der eine Fläche umfasst,
die gebildet wird, wenn die Parabel des Mittelabschnitts um eine
Achse gedreht wird, die mit der Seite 61 der Öffnung 52 zusammenfällt; wobei
es sich bei dieser Seite um diejenige handelt, die parallel zur
x-Achse und proximal zum Endabschnitt ist.
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Die
vier Endabschnitte 62 umfassen somit jeweils Flächen mit
einer Gestalt in Form eines Paraboloids, wobei die Drehachse für die Endabschnitte
die beiden zur x-Achse
parallelen Seiten 61 der rechteckigen Öffnung 52 sind. Die
Gestalt entspricht derjenigen, die entsteht, wenn die Parabel, die
den jeweiligen Rändern
der CPC-Mulde entspricht (siehe 15), um
90° um eine
Linie gedreht wird, die kolinear mit den Seiten 61 ist,
die parallel zur x-Achse verlaufen und diesem Rand am nächsten liegen.
Wie in 16 dargestellt ist, liegt diese
Parabel, wenn sie vollständig
gedreht ist, ganz in der zur x-y-Ebene
parallelen Ebene 56, welche die Öffnung 52 enthält. Die so
ausgebildete Form kann als Quasi-Toroid bezeichnet werden. Dementsprechend
umfassen die vier Endabschnitte 62 quasi-torische Abschnitte,
die den gedrehten Parabeln entsprechen. Anzumerken ist, dass jede
dieser vier gedrehten Parabeln einen Punktfokus besitzt, der sich
auf einer der vier Ecken der quadratischen Öffnung befindet.
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Die
Form der beiden Paare von Endabschnitten 62 wird zusammen
mit dem jeweiligen Mittelsabschnitt 60 zweckmäßig ausgewählt, um
das durch die Öffnung 52 der
Lambertschen Schale 48 hindurchtretende Licht aufzufangen
und die Divergenz in der x-Richtung
auf einen eingeschränkten
Winkelbereich, z.B. 30°,
zu begrenzen, während
gleichzeitig ein im Wesentlicher Lambertscher Abfall in einem wesentlichen
Teil dieses eingeschränkten
Bereichs aufrechterhalten bleibt. Die Divergenz in der anderen Richtung,
der y-Richtung, wird vorzugsweise durch den Reflektor 36 mit
engem Sichtfeld nicht gesenkt. Der Lambertsche Abfall in dieser
Richtung wird jedoch vorzugsweise beibehalten.
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Diese
Einschränkung
des Sichtfelds geht einher mit einer entsprechenden Zunahme der
Bildpunktintensität
in dieser Richtung. Die Intensität
wird durch die Aufrechterhaltung der Ausbreitung innerhalb des optischen
Elements verstärkt.
Die beiden Reflektoren 36 mit engem Sichtfeld bilden zusammen
im Wesentlichen ein nicht bildgebendes optisches Element, das effizient
Licht mit einem weiten Sichtfeld in der x-Richtung in ein enges Sichtfeld einkoppelt.
Diese Auslegung ist besonders nützlich
für Pixelanzeigen 10,
die aus einem begrenzten Bereich vertikaler Winkel gesehen werden.
Indem die Emission in dieser bestimmten Richtung konzentriert wird, kann
die Lichtabgabe aus den LEDs 30 am wirkungsvollsten genutzt
werden.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist ein optisch durchlässiges
Material wie ein Polymer zwischen den beiden Reflektoren 36 mit
engem Sichtfeld eingefüllt.
Dieses transparente Polymer kann so gestaltet werden, dass ein von
der LED 30 abgegebener Strahl, der sich durch die Lambertsche
Schale 48 und die Reflektoren 36 mit engem Sichtfeld
fortpflanzt, mit minimaler Veränderung
hindurchgeht. Vorzugsweise hat das durchlässige Material jedoch eine
zu einer Linse, der Strahlformungslinse 38, geformte Oberfläche, die
sich über
dem Reflektor 36 mit engem Sichtfeld befindet, um einen
Beitrag zur weiteren Strahlanpassung zu leisten. Bei dieser Linse 38 kann
es sich um ein herkömmliches
Brechungselement mit sphärischer
oder asphärische
Form handeln, um für
Strahlkrümmung
zu sorgen. Bei dieser Linse 38 kann es sich um ein separates
Element handeln, das über
den optischen Reflektoreinrichtungen 34, 36 angeordnet
oder insbesondere dann integral mit diesen ausgebildet sein kann,
wenn ein transparentes Material zwischen den Reflektoren mit engem Sichtfeld
eingesetzt ist, um eine Kuppel zu bilden, deren Oberfläche angemessen
geformt ist. Spritzguss oder Prägen
lässt sich
zweckmäßigerweise
einsetzen, um diese Linse 38 herzustellen.
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In
einer Ausführungsform
hat die Strahlformungslinse 38 eine Ellipsoidfläche, die
den aus dem Reflektor 36 mit engem Sichtfeld austretenden
Strahl so korrigiert, dass er dem Lambertschen Gesetz entspricht.
Um die Linse 38 für
eine bestimmte LED auszulegen, werden die Messungen des Intensitätsabfalls
der LED mit dem Winkel für
die jeweiligen roten, blauen oder grünen optischen Miniatursysteme
mit einer begleitenden Strahlformungsoptik 32 mit einer hemisphärischen
Kuppel durchgeführt.
Wenn die Intensität
als Funktion des Winkels θ schneller
abfällt als
cosθ, sollte
die Kuppel ellipsoidal ausgelegt werden, wobei die Krümmung in
der x-Richtung einen Krümmungsradius
hat, der größer ist
als der Radius der Hemisphäre.
Entsprechend sollte, wenn die Intensität schneller abfällt als
cosθ, die
Kuppel ellipsoidal mit einer Krümmung
in der x-Richtung ausgelegt werden, deren Radius kleiner ist als
derjenige der Hemisphäre.
Vorzugsweise werden die Messungen für jede der roten, blauen und
grünen
LEDs separat durchgeführt
und die jeweiligen Linsen 38 individuell für jede Farbe
zugeschnitten. Die blauen und grünen LEDs
können
jedoch Intensitätsmuster
besitzen, die ausreichend ähnlich
sind, so dass die optischen Miniatursysteme für diese beiden im Wesentlichen
identisch sein können.
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Indem
die optischen Miniatursysteme 32 für die LEDs 30 einzelner
Farben speziell ausgelegt werden, kann der Abfall jeder von diesen
gleich ausgelegt werden. Entsprechend kann eine Farbverzerrung,
die sich ergibt, wenn Farben in der Anzeige mit unterschiedlichen
Raten abfallen, durch Einsatz der vorstehend beschriebenen individualisierten
optischen Miniaturstrahlformungseinrichtungen 32 verhindert
werden. Ein Lambertscher Abfall wird somit für jede Farbe sowohl in der
x- als auch y-Richtung bereitgestellt, mit der Ausnahme, dass das
Sichtfeld in der vertikalen Richtung auf z.B. ±30° begrenzt ist, während das
Sichtfeld in der horizontalen Richtung nicht so eingeschränkt wird
und bis zu ca. ±90° betragen
kann.
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Die
theoretische Leistung der Lambertschen Schale 48 und der
Reflektoren 36 mit engem Gesichtsfeld ist in 17 gezeigt,
bei der es sich um eine grafische Darstellung handelt, die zeigt,
wie die aus dem optischen Miniatursystem 28 abgegebene Intensität mit dem
Winkel in Richtungen entlang der x- und y-Achse abfällt. Der
Abfall in der x- und y-Richtung
ist durch Kurven 68 und 70 gekennzeichnet. Der ideale
Lambertsche kosinusförmige
Abfall und die ideale Ausschaltung des engen Sichtfelds entsprechen
einer Kurve 72 bzw. 74. Die Einschränkung, die dem
Sichtfeld durch die optische Einrichtung 36 mit engem Sichtfeld
in der x-Richtung auferlegt wird, wird klar durch die Ausschaltung
der Kurve 69 demonstriert. Hingegen ist der Abfall in der
y-Richtung relativ graduell und fällt in etwa auf eine Lambertsche
Weise ab. Die Kurven 68 und 70 ahmen jedoch den
bei Kurve 72 und Kurve 74 gezeigten kosinusförmigen Abfall nicht
perfekt nach. Es wird jedoch davon ausgegangen, dass eine richtige
Auslegung der Strahlformungslinse 38, welche die Reflektoren 34, 36 mit weitem
und engem Sichtfeld ergänzen
soll, den Strahl gemäß dem Lambertschen
Gesetzt adäquat korrigiert.
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Indem
die LEDs 30 in den Bildpunkten 18 mit intensitätsverstärkenden
optischen Miniatursystemen, d.h. der Strahlformungsoptik 32 ausgestattet werden,
kann eine Emission im vertikalen Sichtfeld eingeschränkt werden,
während
eine Lambertsche Intensitätsabhängigkeit
in einem gesamten uneingeschränkten
horizontalen Sichtfeld bereitgestellt wird. Beispielsweise kann
das Sichtfeld in der vertikalen Richtung auf ca. ±30° begrenzt
werden, während
das Sichtfeld in der horizontalen Richtung ca. ±90° beträgt. Zusätzlich minimiert der Einsatz
der Lambertschen Schale 48 die Lichtmenge, die von den
Seiten 44 der LED 30 abgegeben und fehlgeleitet
und/oder absorbiert wird. Manche grüne und blaue LEDs wie auch
rote LEDs auf transparentem Substrat haben eine erhebliche Seitenemission,
die Licht vergeudet und ein Lambertsches Intensitätsmuster
von vorn herein ausschließt.
Die Lambertsche Schale 48 kann somit vorteilhafter Weise
dazu verwendet werden, speziell in diesen Fällen die Pixelintensität zu verstärken.
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Eine
separate Lambertsche Schale 48, Reflektoren 36 mit
engem Sichtfeld und eine Strahlformungslinse 38 sind vorzugsweise
in einem separaten intensitätsverstärkenden
optischen Miniatursystem 32 für jeden roten, grünen oder
blauen Würfel oder
Baustein in einem bestimmten Bildpunkt angeordnet. Indem die LEDs 30 in
separate Gehäuse
mit separaten optischen Strahlformungseinrichtungen 32 eingeschlossen
werden, sind die Bildpunkte 18 nicht dadurch leistungsbegrenzt,
dass sie eine gesamte Triade oder Dreiergruppe in einem Gehäuse haben, ein
Aufbau, der eine Wärmeabstrahlung
verhindert. Eine solche Wärmeabstrahlung,
die bei einer Vergrößerung der
Anzeigegröße zunehmend
notwendig wird, lässt
sich leichter erzielen, wenn die roten, grünen und blauen LEDs einzeln
in Gehäuse
eingeschlossen werden.
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Auch
verhindert die individuelle Auslegung des intensitätsverstärkenden
optischen Miniatursystems 32 für jeden roten, grünen und
blauen Würfel oder
Baustein 30, dass geringe Differenzen in der Auslegung
der roten und der blauen/grünen
Systeme die Leistung der Anzeige beeinträchtigen. Mit den geeigneten
optischen Einrichtungen 32 besitzen alle drei Pixelfarben
denselben Lambertschen Abfall und erfüllen damit eine ausschlaggebende
Bedingung für den
Chrominanzerhalt (d.h. die Farbtoninvarianz) im Farbausgleich der
Anzeige über
alle Blickwinkel.
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Ein
anderer Vorteil der vorstehenden LED-Pixelauslegung für großformatige
Anzeigen 10 liegt in den relativ niedrigen Kosten für diese
Videopixel 18, die für
eine eingeschränkte
Lambertsche Intensitätsabgabe
sorgen. Eine hochauflösende
Anzeige für
digitales Kino verfügt
wahrscheinlich über
mindestens 1800 mal 1025 Farbentriaden, also ca. 5,5 Millionen LEDs,
so dass mit jedem zusätzlichen
Cent an Pixelkosten ca. $ 55.000 zum Anzeigepreis hinzukommen. Das
LED-Pixel 18, das mehrere intensitätsverstärkende optische Miniatursysteme 32,
und zwar eines für
jede Farb-LED, umfasst, wirkt sich, auch bei geeignet präziser Miniaturfertigung,
nur minimal auf den Pixelpreis aus. Somit sind die niedrigen Kosten noch
einer Vorteil mehr, diese optischen Systeme zu verwenden.
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Obwohl
die optischen Strahlformungseinrichtungen 32 in Zusammenhang
mit einer Videoanzeige 10 beschrieben wurden, können LED-Lichtquellen,
die diese Art von optischem System zur Herstellung einer asymmetrischen
Verteilung verwenden, eine breite Anwendbarkeit finden. Diese Lichtquellen
können
sich besonders gut für
Kraftfahrzeugbeleuchtung wie etwa beispielsweise bei Heckleuchten
oder Nummernschildbeleuchtungen eignen. Diese Systeme können auch
eine Anwendung in Herstellungsprozessen finden, wo sie beispielsweise
als Lichtquellen fungieren können, die
bei UV-Aushärtungsvorgängen eingesetzt
werden. Auch medizinische Behandlungen wie etwa die Lichttherapie
können
profitieren, wenn sie die von diesen Lichtquellen gebotenen Vorteile
nutzen.
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Andere
Anwendungen für
die optischen Strahlformungseinrichtungen 32 werden auch
als möglich
erachtet, wobei die relevanten Anwendungen nicht auf die speziell
vorstehend aufgeführten beschränkt sind.
Darüber
hinaus lässt
sich die vorliegende Erfindung in anderen spezifischen Formen konkret
umsetzen, ohne dass dabei von den wie beanspruchten wesentlichen
Merkmalen abgewichen wird. Die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen
sollen in allen Hinsichten als nur veranschaulichend und in keiner
Weise einschränkend
angesehen werden.