DE60125732T2 - Led-lichtquelle mit optischem sichtfeldsteuerungssystem - Google Patents

Led-lichtquelle mit optischem sichtfeldsteuerungssystem Download PDF

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Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf lichtemittierende Diodenanzeigen (LED-Anzeigen) und im Spezielleren auf Bildpunktauslegungen für LED-Anzeigen.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 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;
  • 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;
  • 3 ist eine Draufsicht des in 1 und 2 gezeigten Stadions, das die LED-Anzeige entlang einer Achse y ausgerichtet darstellt;
  • 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;
  • 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;
  • 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;
  • 7 ist eine Draufsicht der LED-Anzeige, welche die Bildpunkte in einer Reihe entlang der y-Achse angeordnet zeigt;
  • 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;
  • 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;
  • 10 stellt eine Draufsicht auf die LED, die Lambertsche Schale und die gekrümmten Reflektoren mit engem Sichtfeld im Farbelement von 9 dar;
  • 11 zeigt eine perspektivische Ansicht der LED in der Lambertschen Schale mit vier gekrümmten zylindrischen Reflektoren;
  • 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;
  • 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;
  • 14 stellt die Querschnittsansicht von 13 und eine Parabel zum Festlegen der Krümmung der Reflektoren mit engem Sichtfeld dar;
  • 15 zeigt eine Querschnittsansicht der Reflektoren mit engem Sichtfeld in einer in 9 festgelegten, zur x-z-Ebene parallelen Ebene;
  • 16 ist eine Querschnittsansicht in der x-y-Ebene der in 9 gezeigten Reflektoren mit engem Sichtfeld; und
  • 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.
  • Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
  • Wie in den 13 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 47 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.
  • Ein anderer Bezugsrahmen, der enger mit der Ausrichtung der Bildpunkte 18 in der Anordnung 10 zusammenhängt, wird durch ein in den 27 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.
  • 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.
  • 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.
  • Um einen vollen Bereich an Farbtönen bereitzustellen, umfasst jeder Bildpunkt 18 drei Lichtquellen 28, die in den 810 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (20)

  1. Farbanzeige (10) mit einer Mehrzahl an Bildpunkten (18), wobei jeder Bildpunkt mehrere Lichtquellen (28) umfasst, wobei jede der Lichtquellen (28) eine lichtemittierende Diode (LED) (30) umfasst, die Licht mit einer Farbe emittiert, die sich von derjenigen der anderen Lichtquellen (28) unterscheidet, und wobei jede der Lichtquellen (28) optische Einrichtungen (32) umfasst, so dass Intensitätsschwankungen im Hinblick auf den Sichtwinkel im Wesentlichen dieselben sind wie die der anderen der mehreren Lichtquellen (28), wobei die optischen Einrichtungen (32) bei mindestens zweien der LEDs (30) in jedem der Bildpunkte (18) ungleich sind.
  2. Farbanzeige (10) nach Anspruch 1, wobei die optischen Einrichtungen (32) jeder Lichtquelle (28) eine solche Auslegung haben, dass Intensitätsschwankungen im Hinblick auf den Sichtwinkel bei jeder der Lichtquellen (28) in der Farbanzeige (10) im Wesentlichen dieselben sind.
  3. Farbanzeige (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die optischen Einrichtungen (32) jeder Lichtquelle (28) optische Flächen umfassen, und wobei die Flächen bei mindestens zweien der LEDs (30) in den Bildpunkten im Wesentlichen ungleiche Krümmungen haben.
  4. Farbanzeige (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die mehreren Lichtquellen (28) linear entlang einer ersten Richtung in jedem Bildpunkt (18) angeordnet sind, und wobei die optischen Einrichtungen (32) jeder Lichtquelle (28) reflektierende Elemente (36) umfassen, welche die Lichtdivergenz in der ersten Richtung auf einen im Vergleich zur Lichtdivergenz in einer zweiten, orthogonalen Richtung eingeschränkten Winkelbereich reduzieren.
  5. Farbanzeige (10) nach Anspruch 4, wobei die optischen Einrichtungen (32) jeder Lichtquelle (28) reflektierende optische Einrichtungen (34) umfassen, die so gestaltet sind, dass im Wesentlichen ein Kosinus-Abfall in der ersten Richtung bereitgestellt wird.
  6. Farbanzeige (10) nach Anspruch 4 oder 5, wobei die optischen Einrichtungen (32) jeder Lichtquelle (28) brechende optische Einrichtungen (38) umfassen, die so gestaltet sind, dass im Wesentlichen ein Kosinus-Abfall in der zweiten, orthogonalen Richtung und im Wesentlichen ein Kosinus-Abfall in der ersten Richtung innerhalb des eingeschränkten Winkelbereichs bereitgestellt wird.
  7. Farbanzeige (10) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei die erste Richtung eine vertikale Richtung und die zweite Richtung ein horizontale Richtung umfasst.
  8. Farbanzeige (10) nach Anspruch 7, wobei die reflektierenden Elemente (36) so gestaltet sind, dass sie die Lichtdivergenz in der vertikalen Richtung auf einen Winkelbereich einschränken, der ca. 60° überspannt.
  9. Farbanzeige (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei jede der mehreren Lichtquellen (28) durch eine im Wesentlichen Lambertsche Lichtabgabe gekennzeichnet ist, und wobei die optischen Einrichtungen (32) jeder Lichtquelle (28) eine Lambertsche Schale (48) mit mehreren Reflektoren (34) umfassen, die so gestaltet sind, dass das Licht aus jeder Lichtquelle (28) in Übereinstimmung mit dem Lambertschen Kosinus-Gesetz verteilt wird.
  10. Farbanzeige (10) nach Anspruch 9, darüber hinaus Reflektoren (36) umfassend, welche die Divergenz des Lichts in der einen Richtung einschränken.
  11. Farbanzeige (10) nach Anspruch 9 oder 10, wobei jede der LEDs (30) eine Frontfläche (40), eine der Frontfläche (40) entgegengesetzte Rückfläche (42) und vier Seitenflächen (44) umfasst, wobei die Frontfläche (40) und die vier Seitenflächen (44) Licht emittieren, und wobei die Frontfläche (40) und die vier Seitenflächen (44) sich jeweils entlang von vier oberen Rändern (54) schneiden; und wobei jede der Lambertschen Schalen (48) eine Bodenfläche (50) und vier Reflektorflächen (34) umfasst, wovon eine jeweils den vier Seitenflächen (44) der entsprechenden LED (30) zugewandt ist, wobei mindestens ein entgegengesetztes Paar von Reflektorflächen (34) so gestaltet ist, dass im Wesentlichen ein Kosinus-Abfall der Lichtintensität bereitgestellt wird, wenn der Sichtwinkel von einer Sichtrichtung abweicht, die sich von der Lichtquelle (28) in einer zu den Seitenflächen (44) der LED (30), welcher das Paar der Reflektorflächen (34) zugewandt ist, senkrechten Ebene erstreckt.
  12. Farbanzeige (10) nach Anspruch 11, wobei die Reflektorflächen (34) im Wesentlichen mit einem geometrischen Ort von Punkten zusammenfallen, die einen Bogen schneiden, der entlang einer zum oberen Rand (54) jeder der vier Seiten (44) der LED (30) parallelen Linie gespannt ist.
  13. Farbanzeige (10) nach Anspruch 12, wobei der Bogen von einem Kreis gebildet ist, dessen Mitte am oberen Rand (54) liegt.
  14. Farbanzeige (10) nach Anspruch 13, wobei der Kreis einen Radius hat, der mindestens so lang ist wie der Abstand, der die Frontfläche (40) der LED (30) von der Bodenfläche (50) der Lambertschen Schale (48) trennt.
  15. Farbanzeige (10) nach Anspruch 14, wobei jede der Reflektorflächen (34) ein Ende hat, das sich der Bodenfläche (50) der Lambertschen Schale (48) nähert.
  16. Farbanzeige (10) nach Anspruch 15, wobei jede der Reflektorflächen (34) ein anderes Ende hat, das sich zu einer die Frontfläche (40) der LED (30) enthaltenden Ebene erstreckt.
  17. Farbanzeige (10) nach Anspruch 16, wobei jede der vier Reflektorflächen (34) zwei andere Reflektorflächen (34) berührt, wodurch vier Nahtstellen in der Lambertschen Schale (48) gebildet werden.
  18. Farbanzeige (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 17, wobei die optischen Einrichtungen (32) umfassen: einen ersten und zweiten Reflektor (36), die in beabstandetem, einander zugewandtem Verhältnis angeordnet sind, wobei jeder Reflektor (36) umfasst: einen Mittelabschnitt (60), der eine Fläche in Form eines parabolischen Zylinders umfasst, der einen Strichfokus hat; und zwei Endabschnitte (62) an entgegengesetzten Seiten des Mittelabschnitts (60), wobei jeder Endabschnitt (62) eine Fläche umfasst, die an die Fläche des Mittelabschnitts (60) entlang einer Parabollinie, die Fläche jedes Endabschnitts (62) in Form eines Paraboloids mit einem Punktfokus, den Punktfokus jedes Endabschnitts (62) nahe einem jeweiligen Ende des Strichfokus des Mittelabschnitts (60) anschließt, wobei die Mittelabschnitte (60) des ersten und zweiten Reflektors (36) eine zusammengesetzte parabolische Konzentratormulde bilden, die zusammen mit den Endabschnitten (62) der Reflektoren (36) strahlformende optische Einrichtungen bereitstellen, um eine Strahldivergenz in einer von zwei orthogonalen Richtungen einzuschränken.
  19. Farbanzeige (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 18, wobei die optischen Einrichtungen (32) jeder Lichtquelle (28) umfassen: (a) einen ersten Satz von Reflektoren (34), die angrenzend an die Seiten der LED (30) angeordnet sind; (b) einen zweiten Satz von Reflektoren (36), die so ausgerichtet sind, dass die Strahldivergenz von Licht aus der LED (30) in einer Ebene auf einen eingeschränkten Winkelbereich eingeschränkt ist; und (c) ein optisches Element (38), das aus durchlässigem Material besteht und so angeordnet ist, dass Licht aus der LED (30) und dem ersten und zweiten Satz von Reflektoren (34), (36) empfangen wird, wobei die Sätze von Reflektoren (34), (36) und das optische Element (38) so ausgerichtet und gestaltet sind, dass im Wesentlichem ein Lambertscher Abfall bei der Lichtintensität in der einen Ebene innerhalb des eingeschränkten Winkelbereichs und im Wesentlichen ein Lambertscher Abfall bei der Lichtintensität in einer orthogonalen Ebene innerhalb eines Winkelbereichs bereitgestellt wird, der größer ist als der eingeschränkte Winkelbereich.
  20. Verfahren zum Beeinflussen von aus einer LED (30) emittierten Licht, um eine Lichtquelle (28) bereitzustellen, die über einen Bereich von Sichtwinkeln im Wesentlichen das Lambertsche Kosinusgesetz befolgt, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Licht aufzufangen, das von mehreren Seitenflächen (44) der LED (30) emittiert wird, und das Licht so zurückzuleiten, dass das von der Lichtquelle (28) abgegebene Licht sich dem Licht annähert, das von einer einzelnen Lambertschen Fläche abgegeben wird; die Divergenz aufgefangenen Lichts in einer Ebene einzuschränken, die zu einem entgegengesetzten Paar der mehreren Seiten (44) orthogonal ist, indem das aufgefangene Licht durch einen ersten und zweiten Reflektor (36) geleitet wird, die in beabstandetem, einander zugewandtem Verhältnis angeordnet sind, wobei jeder Reflektor (36) umfasst: einen Mittelabschnitt (60), der eine Fläche in Form eines parabolischen Zylinders umfasst, der einen Strichfokus hat; und zwei Endabschnitte (62) an entgegengesetzten Seiten des Mittelabschnitts (60), wobei jeder Endabschnitt (62) eine Fläche umfasst, die an die Fläche des Mittelabschnitts (60) entlang einer Parabollinie, die Fläche jedes Endabschnitts (62) in Form eines Paraboloids mit einem Punktfokus, den Punktfokus jedes Endabschnitts (62) nahe einem jeweiligen Ende des Strichfokus des Mittelabschnitts (60) anschließt, wobei die Mittelabschnitte (60) des ersten und zweiten Reflektors (36) eine zusammengesetzte parabolische Konzentratormulde bilden, die zusammen mit den Endabschnitten (62) der Reflektoren (36) strahlformende optische Einrichtungen bereitstellen, um eine Strahldivergenz in einer von zwei orthogonalen Richtungen einzuschränken; und aufgefangenes Licht nach dem Einschränken der Divergenz zu brechen.
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