DE60317880T2 - Kompaktes beleuchtungssystem und anzeigevorrichtung - Google Patents

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Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein mit einem Licht emittierenden Panel versehenes Beleuchtungssystem mit
    einer Vorderwand, einer dieser gegenüberliegenden Rückwand,
    mindestens einer Lichtquelle, welche eine mit einer lichtdurchlässigen, linsenförmigen Abdeckung versehene, Licht emittierende Diode aufweist,
    mindestens einer Lichteingangsstruktur, um Licht von der Lichtquelle in das Licht emittierende Panel einzukoppeln,
    wobei während des Betriebs von der Lichtquelle ausgehendes Licht auf die Lichteingangsstruktur auftrifft und sich in dem Licht emittierenden Panel verteilt.
  • Die Erfindung bezieht sich ebenfalls auf eine mit dem Beleuchtungssystem versehene Anzeigeeinrichtung.
  • Beleuchtungssysteme dieser Art sich an sich bekannt und werden ebenfalls als Kantenbeleuchtungssysteme bezeichnet. Sie werden u. a. als Hintergrundbeleuchtungssysteme in (Bild) Anzeigeeinrichtungen, zum Beispiel bei TV-Geräten und Monitoren, eingesetzt. Solche Beleuchtungssysteme eignen sich besonders zur Verwendung als Hintergrundbeleuchtung für nicht emittierende Anzeigen, wie z. B. Flüssigkristallanzeigeeinrichtungen, ebenfalls als LCD-Panels bezeichnet, welche bei (tragbaren) Computer oder (schnurlosen) Telefonen verwendet werden.
  • Die Anzeigeeinrichtungen weisen normalerweise ein Substrat auf, welches mit einer Matrix von Pixeln versehen ist, die jeweils von mindestens einer Elektrode gesteuert werden. Die Anzeigeeinrichtung umfasst einen Steuerschaltkreis, um ein Bild oder eine datengraphische Anzeige in einem relevanten Feld eines (Bild) Schirms der (Bild) Anzeigeeinrichtung vorzusehen. Das von der Hintergrundbeleuchtung einer LCD-Einrichtung ausgehende Licht wird mit Hilfe eines Schalters oder Modulators moduliert, wobei verschiedene Flüssigkristalleffekte angewandt werden. Darüber hinaus kann die Anzeige auf elektrophoretischen oder elektromechanischen Effekten basieren.
  • Solche Beleuchtungssysteme werden ebenfalls als Leuchten zu allgemeinen Beleuchtungszwecken oder zur Ladenbeleuchtung, zum Beispiel Schaufensterbeleuchtung von (transparenten oder halb transparenten) Platten aus Glas oder von (transparenten) Platten aus Kunstharz, auf der Artikel, zum Beispiel Schmuck, ausgestellt werden, verwendet. Solche Beleuchtungssysteme werden weiterhin als Fensterscheiben eingesetzt, zum Beispiel um zu bewirken, dass eine Glaswand unter bestimmten Bedingungen Licht ausstrahlt oder die Sicht durch das Fenster mit Hilfe von Licht reduziert bzw. verdunkelt. Eine weitere alternative Anwendung ist der Einsatz solcher Beleuchtungssysteme zur Beleuchtung von Werbetafeln.
  • Bei den eingangs erwähnten Beleuchtungssystemen umfasst die verwendete Lichtquelle in der Regel mehrere optoelektronische Elemente, ebenfalls als elektrooptische Elemente bezeichnet, zum Beispiel Elektrolumineszenzelemente, wie z. B. Licht emittierende Dioden (LEDs). Diese Lichtquellen sind gewöhnlich in der Nähe oder in Berührung mit einer lichtdurchlässigen Kantenfläche des Licht emittierenden Panels vorgesehen, wobei von der Lichtquelle ausgehendes Licht bei Betrieb auf die lichtdurchlässige Kantenfläche auftrifft und sich in dem Panel verteilt.
  • Ein Beleuchtungssystem zur Beleuchtung eines LCD-Panels ist aus US-A 5 921 652 bekannt. Die verwendete Lichtquelle wird durch Licht emittierende Dioden (LEDs) gebildet, welche Licht über eine so genannte Lichtdurchgangsfläche in ein Licht emittierendes Panel, ebenfalls als Lichtleiter bezeichnet, einkoppeln. Das Licht wird in der Lichtdurchgangsfläche gemischt.
  • Ein Beleuchtungssystem der oben erwähnten Art nimmt zuviel Raum ein.
  • Der Erfindung liegt als Aufgabe zugrunde, den obigen Nachteil ganz oder teilweise zu eliminieren. Zur Lösung dieser Aufgabe ist das Beleuchtungssystem der eingangs erwähnten Art dadurch gekennzeichnet, dass
    die Lichteingangsstruktur zu der Lichtquelle hin konisch oder kegelstumpfartig geformt ist, und dass
    die Dicke dp des Licht emittierenden Panels geringer als der Durchmesser dc der lichtdurchlässigen, linsenförmigen Abdeckung der Lichtquelle ist.
  • Durch Vergrößern der Fläche der Lichteingangsstruktur wird die Effizienz, mit der von der Lichtquelle ausgehendes Licht in das Licht emittierende Panel eingekoppelt wird, erhöht. Eine auf einer Licht emittierenden Diode basierende Lichtquelle weist normalerweise einen Licht emittierenden Teil (einen Chip) auf, der mit einer lichtdurchlässigen, linsenförmigen Abdeckung versehen ist. Die Dimensionen dieser linsenförmigen Abde ckung sowie die Form der Lichteingangsstruktur bestimmen, wie (effizient) Licht von der Lichtquelle zu dem Licht emittierenden Panel übertragen wird.
  • Bei dem bekannten Beleuchtungssystem ist die Lichteingangsstruktur eine Kantenfläche, im Allgemeinen eine Seitenwand des Licht emittierenden Panels. Die Kantenfläche ist zwischen der Vorderwand und der Rückwand des Licht emittierenden Panels vorgesehen. Um von der Lichtquelle ausgehendes Licht in ausreichender Weise effizient in das Licht emittierende Panel des bekannten Beleuchtungspanels mit Kantenflächen einzukoppeln, muss die Dicke des Licht emittierenden Panels größer als die charakteristischen Dimensionen der lichtdurchlässigen, linsenförmigen Abdeckung, zum Beispiel des Durchmessers dc der lichtdurchlässigen, linsenförmigen Abdeckung, sein.
  • Durch die konische Form der Lichteingangsstruktur, welche sich erfindungsgemäß in der Richtung der Lichtquelle graduell verengt, kann das Licht von der Lichtquelle mit einer relativ hohen Effizienz in das Licht emittierende Panel eingekoppelt werden. Ohne eine theoretische Erläuterung abgeben zu müssen, besteht zwischen der Dicke des Licht emittierenden Panels und der Effizienz, mit welcher Licht von der Lichtquelle in das Licht emittierende Panel eingekoppelt wird, ein umgekehrtes Verhältnis. Aufgrund der relativ großen, effektiven Oberfläche der Lichteingangsstruktur können die Dimensionen des Licht emittierenden Panels reduziert werden, ohne dass die relativ hohe Effizienz, mit der das Licht in das Licht emittierende Panel eingekoppelt wird, nachteilig beeinträchtigt wird. Durch die Maßnahme gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein kompaktes Beleuchtungssystem vorgesehen.
  • Vorzugsweise ist die Lichteingangsstruktur prismen- oder pyramidenförmig. Lichteingangsstrukturen in Form eines Prismas oder einer Pyramide sind besonders nützlich, um eine große Oberfläche der Lichteingangsstruktur zu erzielen. Die Spitze (bzw. das kegelstumpfförmige Ende) der Pyramide ist vorzugsweise auf den (geometrischen) Mittelpunkt der lichtdurchlässigen, linsenförmigen Abdeckung gerichtet und befindet sich vorzugsweise (annähernd) in Kontakt mit der lichtdurchlässigen, linsenförmigen Abdeckung.
  • In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des Beleuchtungssystems gemäß der Erfindung bildet die Lichteingangsstruktur einen integralen Bestandteil des Licht emittierenden Panels. Vorzugsweise sind das Licht emittierende Panel und die Lichteingangsstruktur des Beleuchtungssystems in einem Stück geformt.
  • Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Beleuchtungssystems gemäß der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass Lichtleitmittel in der Nähe der Lichtquelle und des Licht emittierenden Panels vorgesehen sind, um die Lichteingangsstruktur zu umgeben, wobei die Lichtleitmittel das von der Lichtquelle ausgehende Licht zu der Lichteingangsstruktur hin leiten.
  • Vorzugsweise ist die (Innen-)Fläche der, der Lichteingangsstruktur zugewandten Lichtleitmittel reflektiv oder mit einem reflektivem Material versehen. Die Lichtleitmittel wirken als Spiegel, welcher das von der Lichtquelle ausgehende Licht zu der Lichteingangsstruktur hin leitet.
  • Vorzugsweise sind die Lichtleitmittel ellipsenförmig. Ellipsenförmige Spiegel leiten das von der Lichtquelle ausgehende Licht zu der Lichteingangsstruktur hin. In einem alternativen Ausführungsbeispiel sind die Lichtleitmittel (9) facettiert. Die Facettierung macht es möglich, das Licht bei Reflexion in bestimmte Richtungen zu lenken.
  • Die verwendete Lichtquelle kann durch eine oder mehrere Licht emittierende Dioden (LEDs) und/oder durch LEDs verschiedener Farben, die miteinander verbunden sind, gebildet sein. Farben können durch einen geeigneten Einsatz von LEDs, zum Beispiel zur Erzeugung von weißem Licht einer gewünschten Farbtemperatur, in gewünschter Weise gemischt werden. Vorzugsweise umfasst die Lichtquelle drei Licht emittierende Dioden. Die LEDs weisen vorzugsweise an sich bekannte Kombinationen aus roten, grünen und blauen LEDs, zum Beispiel Kombinationen aus roten, grünen, blauen und gelben LEDs, auf. LEDs mit drei Lichtemissionswellenlängen können ebenfalls durch zwei LEDs mit verschiedenen Lichtemissionswellenlängen realisiert werden, wobei die LEDs eines Typs (teilweise) mit einem Leuchtstoff versehen sind, so dass die Lichtemission der LED durch den Leuchtstoff in Licht einer dritten, gewünschten Lichtemissionswellenlänge umgewandelt wird. Eine an sich bekannte Kombination aus den roten, grünen und blauen LEDs macht es möglich, Farbänderungen unabhängig von dem Zustand der Anzeigeeinrichtung zu realisieren. Die Verwendung von LEDs hat den weiteren Vorteil, dass dynamische Beleuchtungsmöglichkeiten erreicht werden. Zu diesem Zweck misst ein an einer der Kantenflächen vorgesehener Sensor während des Betriebs die optischen Eigenschaften des von der Lichtquelle emittierten Lichts.
  • Die Menge des von den LEDs emittierten Lichts wird insofern eingestellt, als die Lichtströme der Licht emittierenden Dioden verändert werden. Diese Steuerung des Lichtstroms findet gewöhnlich auf energieeffiziente Weise statt. Somit können die LEDs ohne merklichen Verlust der Leistungsfähigkeit gedimmt werden. Vorzugsweise ist die Intensität des von den Licht emittierenden Dioden emittierten Lichts in Reaktion auf die Beleuchtungsstärke eines von der Anzeigeeinrichtung darzustellenden Bildes oder in Reaktion auf die Intensität des Umgebungslichts variabel. Vorzugsweise wird der Farbpunkt eines von der Anzeigeeinrichtung darzustellenden Bildes von dem Beleuchtungssystem bestimmt. Dadurch wird ein (verbesserter) Dynamikbereich (zum Beispiel Kontrast) des von der Anzeigeeinrichtung darzustellenden Bildes erreicht.
  • Vorzugsweise weist jede der Licht emittierenden Dioden einen Lichtstrom von mindestens 10 lm auf. LEDs mit einem solch hohen Lichtstrom werden ebenfalls als LED Power Packages bezeichnet. Die Verwendung dieser Hochleistungs-LEDs mit hoher Lichtausbeute hat den spezifischen Vorteil, dass die Anzahl der für eine gewünschte, verhältnismäßig hohe erforderliche Lichtleistung erforderlichen LEDs verhältnismäßig niedrig sein kann. Dieses begünstigt die kompakte Ausführung und die Effizienz des herzustellenden Beleuchtungssystems. Weitere Vorteile der Verwendung von LEDs sind eine verhältnismäßig lange Lebensdauer, der verhältnismäßig geringe Energieverbrauch sowie die geringen Wartungskosten für ein Beleuchtungssystem mit LEDs.
  • EP 0 495 273 offenbart einen Illuminator mit dünnem Panel, welcher ein massives Panelelement mit einem oder mehreren deformierten Ausgangsbereichen umfasst, welche bewirken, dass Licht, welches in das Panel entlang eines Eingangsrandes desselben eintritt, entlang der Länge des Panels emittiert wird. Licht kann von einem oder mehreren Paneleingangsrändern von einer oder mehreren Lichtquellen übertragen werden, bei denen Übergangselemente eingesetzt werden, welche fokussiertes Licht im Allgemeinen auf die Form der Paneleingangsfläche leicht umwandeln.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
  • 1 – einen Querriss einer Anzeigeeinrichtung mit einem Ausführungsbeispiel des Beleuchtungssystems gemäß der Erfindung und
  • 2 – die Lichteingangseffizienz verschiedener Lichteingangsstrukturen sowie verschiedener Arten Lichtleitmittel als eine Funktion der Dicke des Licht emittierenden Panels.
  • Die Figuren sind rein schematisch und nicht maßstabsgetreu dargestellt. Der Klarheit halber wurden einige Dimensionen besonders stark übertrieben wiedergegeben. Wann immer möglich wurden äquivalente Komponenten in den Figuren durch die gleichen Bezugsziffern gekennzeichnet.
  • 1 zeigt einen Querriss einer Anzeigeeinrichtung mit einem Ausführungsbeispiel des Beleuchtungssystems gemäß der Erfindung. Das Beleuchtungssystem weist ein Licht emittierendes Panel 1 aus einem lichtdurchlässigen Material auf. Das Panel 1 wird zum Beispiel aus einem Kunstharz, aus Acryl, als Polycarbonat, aus PMMA oder aus Glas hergestellt. Bei Betrieb wird Licht unter Nutzung innerer Totalreflexion (TIR) durch das Licht emittierende Panel 1 transportiert. Das Licht emittierende Panel weist eine Vorderwand 2 und eine dieser gegenüberliegenden Rückwand 3 auf. In 1 ist mindestens eine Lichtquelle 6 vorgesehen, die eine Licht emittierenden Diode 7 mit einer lichtdurchlässigen, linsenförmigen Abdeckung 8 aufweist. Das Beleuchtungssystem weist mindestens eine Lichteingangsstruktur 4 auf, um Licht von der Lichtquelle 6 in das Licht emittierende Panel 1 einzukoppeln. Bei Betrieb trifft von der Lichtquelle 6 ausgehendes Licht auf die Lichteingangsstruktur 4 auf und verteilt sich in dem Licht emittierenden Panel. Gemäß der Erfindung ist die Lichteingangsstruktur 4 zu der Lichtquelle 6 hin konisch oder kegelstumpfförmig.
  • Durch Vergrößern der Fläche der Lichteingangsstruktur 4 wird die Effizienz, mit welcher von der Lichtquelle 6 ausgehendes Licht in das Licht emittierende Panel 1 eingekoppelt wird, erhöht. Die Lichteingangsstruktur 4 verengt sich graduell in der Richtung der Lichtquelle, wodurch Licht von der Lichtquelle 6 in das Licht emittierende Panel 1 mit einer relativ hohen Effizienz eingekoppelt werden kann. Aufgrund der relativ großen, effektiven Oberfläche der Lichteingangsstruktur 4 werden die Dimensionen des Licht emittierenden Panels 1 reduziert. Die Dicke 4 des Licht emittierenden Panels 1 ist erfindungsgemäß geringer als der Durchmesser de der lichtdurchlässigen, linsenförmigen Abdeckung 8 der Lichtquelle 6 (s. 1). Durch die Maßnahme gemäß der Erfindung wird ein kompaktes Beleuchtungssystem vorgesehen.
  • In 1 ist die Lichteingangsstruktur 4 von dem Licht emittierenden Panel 1 getrennt vorgesehen. In einem alternativen Ausführungsbeispiel des Beleuchtungssystems ist die Lichteingangsstruktur in das Licht emittierende Panel integriert.
  • Das Licht emittierende Panel 1 emittiert bei Betrieb Licht in der Richtung der Anzeigeeinrichtung, zum Beispiel einer Flüssigkristallanzeige-(LCD)-Einrichtung 12. Die Anordnung der Lichtquelle 6, des Licht emittierenden Panels 1 und der LCD-Einrichtung 12, ob diese in einem Gehäuse (in 1 nicht dargestellt) untergebracht ist oder nicht, bildet eine Anzeigeeinrichtung, zum Beispiel zur Darstellung von (Video) Bildern.
  • Das Licht emittierende Panel 1 kann ferner mit einem Sensor (in 1 nicht dargestellt) zum Messen der optischen Eigenschaften des Lichts versehen sein. Dieser Sensor ist so geschaltet, dass er eine Elektronik (in 1 nicht dargestellt) zum Zwecke einer geeigneten Anpassung des Lichtstroms der Lichtquelle 6 steuert. Ein Rückkopplungsmechanismus kann durch den Sensor und die Steuerelektronik zur Beeinflussung der Qualität und Menge des aus dem Licht emittierenden Panel 1 ausgekoppelten Lichts realisiert werden.
  • 2 zeigt die Lichteingangseffizienz verschiedener Lichteingangsstrukturen und verschiedener Arten Lichtleitmittel als eine Funktion der Dicke 4 des Licht emittierenden Panels. Die Effizienz wird durch Messen des Stroms F des Lichts in dem Licht emittierenden Panel 1 relativ zu dem von der Lichtquelle 6 emittierten Licht angegeben (in 2 als Prozent). Der Durchmesser de der lichtdurchlässigen, linsenförmigen Abdeckung 8 der LED-Lichtquelle für die Messungen in 2 beträgt 5,5 mm. Die Dreiecke in 2 entsprechen auf einem Licht emittierenden Panel ausgeführten Messungen, wobei die Lichteingangsstruktur eine ebene Kantenfläche ist und die Lichtleitmittel ebene Oberflächen aufweisen. Aus 2 (Dreiecke) ist ersichtlich, dass die Dicke 4 des Licht emittierenden Panels relativ groß, typischerweise gleich dem Durchmesser de der lichtdurchlässigen, linsenförmigen Abdeckung der LED-Lichtquelle oder größer als dieser sein muss, um eine höhere Lichtstromeffizienz als 80% zu erreichen. Die Quadrate in 2 entsprechen auf einem Licht emittierenden Panel ausgeführten Messungen, wobei die Lichteingangsstruktur eine ebene Kantenfläche ist und die Lichtleitmittel ellipsenförmige Oberflächen aufweisen. 2 (Quadrate) ist zu entnehmen, dass sich der Zustand aufgrund der elliptisch gewölbten Oberflächen der Lichtleitmittel verbessert hat. In diesem Zustand muss die Dicke 4 des Licht emittierenden Panels relativ groß sein, um eine höhere Lichtstromeffizienz als 80% zu erreichen. Die Kreise in 2 entsprechen Messungen für ein Beleuchtungssystem gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei ein Licht emittierendes Panel 1 verwendet wird, bei dem die Lichteingangsstruktur 4 eine auf die lichtdurchlässige, linsenförmige Abdeckung 8 gerichtete Prismenform aufweist und die Lichtleitmittel 9 ellipsenförmige Oberflächen (s. 1) haben. 2 (Kreise) zeigt, dass bei einer Dicke 4 des Licht emittierenden Panels, die in etwa die Hälfte des Durchmessers de der lichtdurchlässigen, linsenförmigen Abdeckung der LED-Lichtquelle ausmacht, eine relativ hohe Lichtstromeffizienz (etwa 80%) erreicht wird. Durch die Maßnahme gemäß der Erfindung wird ein kompaktes Beleuchtungssystem vorgesehen.
  • Es liegt auf der Hand, dass für Fachkundige viele Modifikationen im Anwendungsbereich der Erfindung möglich sind.
  • Der Schutzumfang der Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Bezugsziffern in den Ansprüchen schränken den Schutzumfang derselben nicht ein. Die Verwendung des Verbs „aufweisen" und dessen Konjugationen schließt das Vorhandensein anderer Elemente als die in den Ansprüchen aufgeführten nicht aus. Die Verwendung des unbestimmten Artikels „ein", „eine" oder „einen" vor einem Element schließt das Vorhandensein mehrerer solcher Elemente nicht aus.

Claims (10)

  1. Beleuchtungssystem, versehen mit einem Licht emittierenden Panel (1), mit einer Vorderwand (2), einer dieser gegenüberliegenden Rückwand (3), mindestens einer Lichtquelle (6), welche eine mit einer lichtdurchlässigen, linsenförmigen Abdeckung (8) versehene, Licht emittierende Diode (7) aufweist, wobei eine Dicke dp des Licht emittierenden Panels (1) kleiner als ein Durchmesser dc der lichtdurchlässigen, linsenförmigen Abdeckung (8) der Lichtquelle (6) ist, mindestens einer Lichteingangsstruktur (4) mit einer effektiven Oberfläche, um Licht von der Lichtquelle (6) in das Licht emittierende Panel (1) einzukoppeln, wobei während des Betriebs von der Lichtquelle (6) ausgehendes Licht auf die Lichteingangsstruktur (4) auftrifft und sich in dem Licht emittierenden Panel (1) verteilt, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquellenstruktur (4) eine konische Form aufweist, welche sich zu der Lichtquelle (6) hin verengt, wobei die konische Form die effektive Oberfläche bildet.
  2. Beleuchtungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichteingangsstruktur (4) eine konische, kegelstumpfartige, prismatische oder pyramidenartige Form aufweist.
  3. Beleuchtungssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichteingangsstruktur (4) ein integraler Bestandteil des Licht emittierenden Panels (1) ist.
  4. Beleuchtungssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtleitmittel (9) in der Nähe der Lichtquelle (6) und des Licht emittierenden Panels (1) vorgesehen sind, um die Lichteingangsstruktur (4) zu umgeben, wobei die Lichtleitmittel (9) das von der Lichtquelle (6) ausgehende Licht zu der Lichteingangsstruktur (4) hin leiten.
  5. Beleuchtungssystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Oberfläche der Lichtleitmittel (9), welche der Lichteingangsstruktur (4) zugewandt ist, reflektiv oder mit einem reflektiven Material versehen ist.
  6. Beleuchtungssystem nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtleitmittel (9) elliptisch geformt sind.
  7. Beleuchtungssystem nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtleitmittel (9) facettiert sind.
  8. Beleuchtungssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Licht emittierende Diode (7) einen Lichtstrom von mindestens 10 lm aufweist.
  9. Anzeigeeinrichtung, welche mit einem Beleuchtungssystem nach Anspruch 1 oder 2 versehen ist.
  10. Anzeigeeinrichtung nach Anspruch 9, welche eine Flüssigkristallanzeige (12) aufweist.
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