DE60207404T2 - Kollimator für einen flüssigkristallbildschirm - Google Patents

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Description

  • Die Erfindung betrifft einen Kollimator aus Mikroprismen, wobei die Mikroprismen eine dreidimensionale Form haben und einen oberen Teil und einen unteren Teil mit je einer Lichteintrittsfläche, auf Abstand zur Lichteintrittsfläche eine Lichtaustrittsfläche und mindestens eine Seitenfläche zwischen der Lichteintrittsfläche und der Lichtaustrittsfläche umfassen. Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine Leuchte und einen Flüssigkristallbildschirm.
  • Flüssigkristallbildschirme sind passive Anzeigesysteme, dass heißt sie leuchten nicht selber. Diese Bildschirme beruhen auf dem Prinzip, dass Licht die Schicht aus Flüssigkristallen passiert oder auch nicht. Dies bedeutet, dass eine externe Lichtquelle benötigt wird, um ein Bild zu erzeugen. In reflektiven Flüssigkristallbildschirmen wird das Umgebungslicht als externe Lichtquelle benutzt. Bei transmissiven Flüssigkristallbildschirmen wird in einem Hintergrundbeleuchtungssystem künstliches Licht erzeugt.
  • Ein Flüssigkristallbildschirm weist einen besonders hohen Kontrast auf, wenn der Winkel des beleuchtenden Lichtes ±60° horizontal zur Bildschirmnormalen sowie ±15° vertikal zur Bildschirmnormalen nicht über- bzw. unterschreitet. Es ist daher vorteilhaft, möglichst viel des vom Hintergrundbeleuchtungssystem emittierten Lichtes in diesem günstigen Winkelbereich zu kollimieren.
  • In US 5.839.823 wird beispielsweise ein Kollimator für einen Flüssigkristallbildschirm beschrieben, welcher aus einem Array von Mikroprismen besteht. Die Mikroprismen weisen eine sich zuspitzende Form auf, dass heißt die Lichteintrittsfläche eines Mikroprismas ist kleiner als die Lichtaustrittsfläche. In den Räumen zwischen den einzelnen Mikroprismen befinden sich lichtreflektierende Elemente, wie beispielsweise ein hochreflektierendes Pulver, um dort auftreffende Lichtstrahlen in Richtung Lichtquelle zurückzureflektieren. Der Lichtstrahl kann dann von der Lichtquelle oder einem Reflektor erneut in Richtung Kollimator reflektiert werden („Recycling der Lichtstrahlen").
  • Nachteilig ist, dass ein Lichtstrahl, welcher in der Nähe der Kanten der Lichteintrittsfläche eines Mikroprismas auf das hochreflektierende Pulver trifft, mittels Streuung über die Seitenfläche in das Mikroprisma eintreten kann und die Kollimationswir kung beeinträchtigt. Weiterhin können über die Kanten, welche nicht perfekt, sondern etwas abgerundet sind, Lichtstrahlen in das Mikroprisma gelangen. Diese Lichtstrahlen können Winkel zur Bildschirmnormalen aufweisen, die außerhalb des optimalen Winkelbereichs liegen.
  • US 5.598.281 beschreibt einen Kollimator für einen Flüssigkristallbildschirm, der aus einem Array von Mikroprismen besteht, umfassend einen Mikrokonzentrator mit verspiegelten Seitenwänden, der eine ebene Lichteintrittsfläche und eine kleinere ebene Lichtaustrittsfläche sowie ein ebenes Substrat und eine Mikrolinse aufweist. Unkollimierte Lichtstrahlen durchlaufen die Mikrokonzentratoren über eine oder mehrere Reflexionen an den verspiegelten Seitenwänden. Der Ausgang jedes Mikrokonzentrators wird zu einer Lichtquelle, die qua Fläche wesentlich kleiner ist als die Lichteintrittsfläche. Die Lichtstrahlen durchlaufen außerdem ein Substrat, das als Abstandsstück zwischen Mikrokonzentratoren und Mikrolinsen dient, und weiterhin eine Mikrolinse, um die Lichtstrahlen zu kollimieren.
  • Nachteilig ist, dass ein Mikrokonzentrator Lichtstrahlen nicht kollimiert. Er verringert die Fläche der Lichtquelle (kleinere Lichtaustrittsfläche) durch Verbreitern der Winkelverteilung an der Lichtaustrittsfläche. Die Kollimierwirkung wird nur von der Mikrolinse ausgeführt, die Lichtstrahlen unter Winkeln zur Normalen des Bildschirms, die außerhalb des optimalen Winkelbereichs liegen, nicht verhindert. Zusätzliche Substrate mit Brechzahlen, die nicht perfekt an die Brechzahlen der Mikrokonzentratoren und der Mikrolinsen angepasst sind, verursachen Reflexionen von Lichtstrahlen an den Substratflächen.
  • Deshalb ist es eine Aufgabe der Erfindung, die Nachteile des Standes der Technik zu umgehen und einen Kollimator mit verbesserter Kollimatorwirkung zu schaffen.
  • Diese Aufgabe wird durch einen Kollimator gelöst, der aus einem Array aus Mikroprismen besteht, wobei jedes Mikroprisma eine dreidimensionale Form mit einem unteren und einem oberen Teil aufweist, wobei der untere Teil eine Lichteintrittsfläche und eine verengte Lichtaustrittsfläche aufweist und der obere Teil die verengte Lichtaustrittsfläche des unteren Teils als Lichteintrittsfläche und eine verbreiterte Lichtaustrittsfläche aufweist und der obere Teil und der untere Teil mindestens eine Seitenfläche zwischen Lichteintrittsfläche und Lichtaustrittsfläche aufweisen. Wegen der sanduhr-artigen Form der Mikroprismen kann das Licht effektiv in einen gewünschten Winkelbereich kollimiert werden.
  • Es ist vorteilhaft, wenn die Lichtaustrittsfläche des oberen Teils eine konvexe Form aufweist. Die konvexe Form wirkt als Kollimationslinse und wird die Kollimierwirkung weiter verbessern.
  • Es ist besonders bevorzugt, dass die Lichteintrittsfläche des unteren Teils eben ist und die Lichteintrittsfläche des unteren Teils sowie eine Projektion der Lichtaustrittsfläche des oberen Teils auf die Lichteintrittsfläche des unteren Teils gleich groß sind. Mit dieser vorteilhaften Ausgestaltung sind die Zwischenräume zwischen den einzelnen Lichteintrittsflächen der unteren Teile sehr gering. Dadurch verringert sich die Anzahl der Reflexionen.
  • Es ist vorteilhaft, wenn die Lichteintrittsflächen des unteren Teils eine rechteckige Form aufweisen. In dieser Ausführungsform gibt es zwischen den einzelnen Lichteintrittsflächen der unteren Teile der Mikroprismen keinen Zwischenraum, welcher gegen Lichteintritt abgedeckt werden muss. Somit wird jeder Lichtstrahl, der sich in Richtung des Kollimators ausbreitet, von diesem kollimiert.
  • Weiterhin ist es vorteilhaft, dass die Lichteintrittsflächen der unteren Teile eine gemeinsame, geschlossene Oberfläche haben. In dieser Ausführungsform wird vermieden, dass Lichtstrahlen über nicht perfekte Kanten in den unteren Teil eintreten.
  • Die Erfindung betrifft weiterhin eine Leuchte, welche mindestens eine Lichtquelle, ein Gehäuse und einen Kollimator umfasst, der aus einem Array aus Mikroprismen besteht, welche Mikroprismen eine dreidimensionale Form mit einem unteren und einem oberen Teil aufweisen, wobei der untere Teil eine Lichteintrittsfläche und eine verengte Lichtaustrittsfläche aufweist und der obere Teil die Lichtaustrittsfläche des unteren Teils als Lichteintrittsfläche und eine verbreiterte Lichtaustrittsfläche aufweist und der obere Teil und der untere Teil je mindestens eine Seitenfläche zwischen Lichteintrittsfläche und Lichtaustrittsfläche aufweisen. Die Erfindung betrifft auch einen Flüssigkristallbildschirm mit einem Hintergrundsbeleuchtungssystem mit mindestens einer Lichtquelle und einem Kollimator, der aus einem Array aus Mikroprismen besteht, welche Mikroprismen eine dreidimensionale Form mit einem unteren und einem oberen Teil aufweisen, wobei der untere Teil eine Lichteintrittsfläche und eine verengte Lichtaustrittsfläche aufweist und der obere Teil die Lichtaustrittsfläche des unteren Teils als Lichteintrittsfläche und eine verbreiterte Lichtaustrittsfläche aufweist und der obere Teil und der untere Teil je mindestens eine Seitenfläche zwischen Lichteintrittsfläche und Lichtaustrittsfläche aufweisen.
  • Im Folgenden soll anhand von vier Figuren die Erfindung näher erläutert werden. Dabei zeigen
  • 1 im Querschnitt ein Hintergrundbeleuchtungssystem,
  • 2 im Querschnitt einen Kollimator,
  • 3 im Querschnitt ein Mikroprisma eines Kollimators und
  • 4 ein Array aus Unterteilen der Mikroprismen.
  • Ein Flüssigkristallbildschirm weist üblicherweise eine Flüssigkristalleinheit und ein Hintergrundsbeleuchtungssystem auf. Die Flüssigkristalleinheit umfasst zwei Polarisatoren und eine Flüssigkristallzelle, welche zwei transparente Platten aufweist, die jeweils eine Matrix aus lichtdurchlässigen Elektroden tragen. Zwischen den beiden transparenten Platten ist ein Flüssigkristallmaterial angeordnet. Das Flüssigkristallmaterial enthält vorzugsweise TN(twisted nematic)-Flüssigkristalle, STN(super twisted nematic)-Flüssigkristalle, DSTN (double super twisted nematic)-Flüssigkristalle, FSTN(foil super twisted nematic)-Flüssigkristalle, VAN(vertically alligned)-Flüssigkristalle oder OCB(optically compensated bend)-Flüssigkristalle. Die Flüssigkristallzelle ist sandwichartig von den zwei Polarisatoren umschlossen.
  • Zur Erzeugung und Darstellung von farbigen Bildern kann die Flüssigkristalleinheit mit einem Farbfilter versehen werden
  • Gemäß 1 weist ein Hintergrundsbeleuchtungssystem mindestens eine Lichtquelle 1 auf, welche beispielsweise eine Glühlampe, eine lichtemittierende Diode (LED), eine Metall- oder Halogen-HID-Lampe (HID:High Intensity Discharge) oder eine Fluoreszenzlampe, wie beispielsweise eine Xenon-Entladungslampe, ist. Die Lichtquelle 1 befindet sich üblicherweise in einem Gehäuse 2, welches beispielsweise eine rechteckige oder parabolische Form haben kann. Die von der Lichtquelle 1 emittierten Lichtstrahlen gelangen durch eine Öffnung im Gehäuse 2 zum Kollimator 4. Die Innenseite des Gehäuses 2 weist vorzugsweise einen Reflektor auf. Dieser Reflektor kann durch ein diffus oder ein spekular reflektierendes Material gebildet werden, wie beispielsweise poliertes Aluminium oder weiße Pigmente. Die Aufgabe des Reflektors ist es, Lichtstrahlen, welche sich nicht in Richtung Kollimator 4 ausbreiten, in diese Richtung zurückzureflektieren. Zwischen der Lichtquelle 1 und dem Kollimator 4 kann sich ein Diffusor 3 befinden.
  • In 2 ist ein erfindungsgemäßer Kollimator 4 gezeigt. Der Kollimator 4 enthält eine Vielzahl an Mikroprismen 5, welche in Form eines Arrays angeordnet sind.
  • Wie in 3 gezeigt, weist jedes Mikroprisma 5 eine Doppelstruktur mit einem Unterteil, einem Oberteil, einer Lichteintrittsfläche 6 und beabstandet zu dieser Lichteintrittsfläche 6 einer Lichtaustrittsfläche 7 auf. Es ist besonders vorteilhaft, dass das Unterteil und das Oberteil optischen Kontakt haben. Zwischen der Lichteintrittsfläche 6 und der Lichtaustrittsfläche 7 befindet sich mindestens eine Seitenfläche 8. Weiterhin weist jedes Mikroprisma 5 eine Verengung 9 auf. Eine bevorzugte Form des Mikroprismas 5 ist, dass sie eine Verengung 9 aufweist und sich ausgehend von der Lichteintrittsfläche 6 bis zu der Verengung 9 verjüngt und von der Verengung 9 in Richtung Lichtaustrittsfläche 7 wieder verbreitert.
  • Die Größe der Lichteintrittsfläche 6 ist vorzugsweise gleich der Größe der Lichtaustrittsfläche 7. Die Lichteintrittsfläche 6 und die Lichtaustrittsfläche 7 können eine beliebige Form haben, vorzugsweise haben sie eine rechteckige Form. Weisen die Lichteintrittsflächen 6 und die Lichtaustrittsflächen 7 keine rechteckige Form auf, müssen die auftretenden Zwischenräume mit einem reflektierenden Element, beispielsweise einem hochreflektierenden Pulver oder einer reflektierenden Maske, verdeckt werden. Die Lichteintrittsfläche 6 und die Lichtaustrittsfläche 7 eines Mikroprismas 5 können eben, konkav gewölbt oder konvex gewölbt sein.
  • Je nach Form des Mikroprismas 5 kann das Mikroprisma 5 beispielsweise vier Seitenflächen 8 oder eine Seitenfläche 8 aufweisen. Es ist auch möglich, dass das Mikroprisma 5 im Bereich von der Lichteintrittsfläche 6 bis zur Verengung 9 vier Seitenflächen 8 und im Bereich der Verengung 9 bis zur Lichtaustrittsfläche 7 eine Seitenfläche 8 aufweist.
  • Eine Seitenfläche 8 kann eben, konkav gewölbt oder konvex gewölbt sein.
  • Weist ein Mikroprisma von der Lichteintrittsfläche 6 bis zur Lichtaustrittsfläche 7 vier Seitenflächen 8 auf, kann die Verengung 9 von zwei einander gegenüber liegenden Seitenflächen 8 oder von allen vier Seitenflächen 8 gebildet werden. Wird die Verengung 9 von zwei einander gegenüber liegenden Seitenflächen 8 gebildet, werden die Lichtstrahlen in einer Ebene kollimiert. Bei dieser Ausführungsform laufen zwei einander gegenüber liegende Seitenflächen 8 ausgehend von der Lichteintrittsfläche 6 zunächst entlang einer Strecke H aufeinander zu. Am Ende der Strecke weisen die beiden einander gegenüber liegenden Seitenflächen 8 einen minimalen Abstand EA zueinander auf. Der minimale Abstand EA ist die Breite der Verengung 9. Nach der Verengung 9 laufen die beiden einander gegenüber liegenden Seitenflächen 8 wieder voneinander weg.
  • Wird die Verengung 9 von vier Seitenflächen 8 gebildet, werden die Lichtstrahlen in zwei Ebenen kollimiert. Bei dieser Ausführungsform laufen jeweils zwei einander gegenüber liegende Seitenflächen 8 ausgehend von der Lichteintrittsfläche 6 zunächst entlang einer Strecke H aufeinander zu. Am Ende der Strecke weisen die jeweils einander gegenüber liegenden Seitenflächen 8 einen minimalen Abstand EA zueinander auf, der in beiden Fällen bevorzugt gleich groß ist. Der jeweilige minimale Abstand EA zwischen zwei einander gegenüber liegenden Seitenflächen 8, ist die dortige Breite der Verengung 9. Nach der Verengung 9 laufen die zwei jeweils einander gegenüber liegenden Seitenflächen 8 wieder voneinander weg. In einer anderen Ausführungsform können alle vier Seitenflächen 8 aufeinander zulaufen.
  • Alternativ kann in beiden Ausführungsformen die Verengung 9 durch einen Bereich gebildet werden, wo die jeweils einander gegenüber liegenden Seitenflächen 8 einen minimalen Abstand zueinander aufweisen. In diesem Fall verlaufen die einander gegenüber liegenden Seitenflächen 8 eine gewisse Strecke parallel zueinander und erst dann wieder voneinander weg.
  • Alternativ kann das Mikroprisma 5 kann auch eine zylindersymmetrische Form mit einer Seitenfläche 8 aufweisen. In dieser Ausführungsform werden die Lichtstrahlen in jeder Ebene, die durch die Symmetrieachse des Zylinders verläuft, kollimiert.
  • Die Lichteintrittsflächen 6 und/oder die Lichtaustrittsflächen 7 der einzelnen Mikroprismen 5 können gemeinsam eine geschlossene Oberfläche haben.
  • Die Mikroprismen 5 enthalten transparente Materialien mit einer Brechzahl n größer 1,0, wie beispielsweise Polymethylmethacrylat, Polycarbonat oder Glas. Ein Mikroprisma 5 kann auch verschiedene transparente Materialien mit unterschiedlichen Brechzahlen enthalten. So kann sich beispielsweise die Brechzahl der transparenten Materialien ausgehend von der Lichteintrittsfläche 6 graduell vergrößern oder verkleinern. Die Seitenflächen 8 im Bereich der Lichteintrittsfläche 6 bis zur Verengung 9 können mit einer reflektierenden Beschichtung, welche ein Material mit einem hohen Reflexionsgrad enthält, versehen werden.
  • Die Herstellung eines erfindungsgemäßen Kollimators 4 kann durch Spritzgussverfahren oder mittels anderer geeigneter Verfahren, wie beispielsweise Photopolymerisation, erfolgen. Vorzugsweise erfolgt die Herstellung des Kollimators 4 durch die Herstellung mehrerer Formteile, welche anschließend zusammengeklebt werden. Dazu wird ein erstes Formteil, wie in 4 gezeigt, hergestellt, welches ein Array aus Unterteilen der Mikroprismen 5 ist. Ein Unterteil ist der Bereich von der Lichteintrittsfläche 6 bis zur Verengung 9 eines Mikroprismas 5. Ein zweites Formteil bildet ein Array aus Oberteilen der Mikroprismen. Ein Oberteil ist der Bereich von der Verengung 9 bis zur Lichtaustrittsfläche 7 eines Mikroprismas 5.
  • Zur Herstellung des ersten bzw. zweiten Formteils wird in Aluminium die negative Form des ersten bzw. zweiten Formteils gefräst. In die Form wird beispielsweise ein selbsthärtendes oder ein UV-härtendes Polymer gegeben.
  • Zur Beschichtung der Seitenflächen 8 der Unterteile wird zunächst das gesamte erste Formteil mittels Spincoating mit einem Photoresist beschichtet. Anschließend werden durch eine Maske hindurch die Verengungen 9 belichtet, so dass dort der Photoresist aushärtet. Im nächsten Schritt werden die nicht belichteten und somit nicht ausgehärteten Teile des Photoresist mit Wasser abgewaschen. Das erste Formteil wird anschließend mit Silber oder Aluminium bedampft. Die Schichtdicke der Metallschicht beträgt dabei vorzugsweise größer 200 nm. Mit Hilfe von HNO3 wird der verbliebene, mit einer Metallschicht bedeckte, Photoresist zum Quellen gebracht. Mit einem Wasserstrahl kann der Photoresist samt darauf befindlicher Metallschicht entfernt werden.
  • Alternativ kann eine Aluminium oder Silberschicht strukturiert werden, indem zunächst das gesamte erste Formteil mit der Metallschicht bedampft wird. Anschließend wird ein Photolack aufgebracht, der durch eine Maske belichtet wird, die dort geschlossen ist, wo die Verengungen 9 sind. Beim Entwickeln wird der nicht belichtete Photolack auf den Verengungen 9 entfernt. In einem Ätzschritt mit Natronlauge wird dann die Metallschicht auf den Verengungen 9 entfernt.
  • In einer weiteren alternativen Ausführungsform können die Verengungen 9 während des Bedampfens mit einer Kontaktmaske bedeckt sein.
  • Das erste und das zweite Formteil können mit Hilfe eines Klebstoffes, beispielsweise eines Acrylat-Klebstoffes miteinander verbunden werden. Die Formteile werden vorzugsweise derart zusammengeklebt, dass sie anschließend optischen Kontakt haben. Der Klebstoff weist bevorzugt dieselbe Brechzahl wie das Material der Formteile auf.
  • Soll die Lichteintrittsfläche 6 oder die Lichtaustrittsfläche 7 eines Mikroprismas 5 konkav gewölbt sein, kann ein drittes Formteil mit der entsprechenden Form hergestellt und mit dem zweitem Formteil verbunden werden.
  • Alternativ kann der Kollimator 4 Mikroprismen 5 enthalten, die Hohlkörper sind. Bei dieser Ausführungsform werden ein drittes und viertes Formteil hergestellt, wel che anschließend zusammengeklebt werden. Das dritte Formteil weist die negative Form des ersten Formteils auf und bildet ein Array aus Unterteilen der hohlen Mikroprismen 5. Das vierte Formteil weist die negative Form des zweiten Formteils auf und bildet ein Array aus Oberteilen der hohlen Mikroprismen 5. Die beiden Formteile enthalten vorzugsweise transparente Materialien wie Polymethylmethacrylat, Polycarbonat oder Glas. Die innenliegenden Seitenflächen 8 der Ober- und Unterteile der hohlen Mikroprismen 5 werden mit Silber oder Aluminium bedampft und die beiden Formteile werden mit Hilfe eines Klebstoffes verbunden. Zur Herstellung des dritten bzw. vierten Formteils kann in Aluminium die Form des ersten bzw. zweiten Formteils gefräst werden. In die Form wird beispielsweise ein selbsthärtendes oder ein UV-härtendes Polymer gegeben.
  • Ein derartiger Kollimator 4 kann auch in einer Leuchte, welche sich beispielsweise in Büro- oder Wohnräumen befindet, verwendet werden. Eine derartige Leuchte weist eine Lichtquelle auf, welche sich einem Gehäuse befindet. Vorzugsweise befindet sich die Lichtquelle in einem reflektierenden Gehäuse. Die von der Lichtquelle emittierten Lichtstrahlen gelangen durch eine Öffnung im Gehäuse zum Kollimator und werden dort kollimiert.

Claims (7)

  1. Kollimator (4), der aus einem Array aus Mikroprismen (5) besteht, wobei jedes Mikroprisma eine dreidimensionale Form mit einem unteren und einem oberen Teil aufweist, wobei – der untere Teil eine Lichteintrittsfläche (6) und eine verengte Lichtaustrittsfläche (9) aufweist und – der obere Teil die verengte Lichtaustrittsfläche (9) des unteren Teils als Lichteintrittsfläche und eine verbreiterte Lichtaustrittsfläche (7) aufweist und – der obere Teil und der untere Teil mindestens eine Seitenfläche zwischen Lichteintrittsfläche und Lichtaustrittsfläche aufweisen.
  2. Kollimator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtaustrittsfläche (7) des oberen Teils eine konvexe Form aufweist.
  3. Kollimator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichteintrittsfläche (6) des unteren Teils eben ist und die Lichteintrittsfläche (6) des unteren Teils sowie eine Projektion (AA) der Lichtaustrittsfläche (7) des oberen Teils auf die Lichteintrittsfläche (6) des unteren Teils gleich groß sind.
  4. Kollimator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichteintrittsfläche (6) des unteren Teils eine rechteckige Form aufweist.
  5. Kollimator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichteintrittsflächen (6) der unteren Teile der Mikroprismen eine gemeinsame, geschlossene Oberfläche haben.
  6. Leuchte mit einem Kollimator nach Anspruch 1 und mindestens einer Lichtquelle (1) und einem Gehäuse.
  7. Flüssigkristallbildschirm mit einem Kollimator nach Anspruch 1 und einem Hintergrundsbeleuchtungssystem mit mindestens einer Lichtquelle.
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