HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft eine Beleuchtungsvorrichtung vom
Kantenbeleuchtungstyp, wie sie zur Hintergrundbeleuchtung einer
Licht empfangenden Flüssigkristall-Anzeigevorrichtung
verwendet wird.
Beschreibung des Stands der Technik
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Herkömmlicherweise sind viele Beispiele von
Beleuchtungsvorrichtungen für Flüssigkristall-Anzeigevorrichtungen
offenbart, wie in den japanischen
Patentoffenlegungsveröffentlichungen Nr. 987/1989 und 171009/1991. Im allgemeinen werden,
wie in Fig. 1 dargestellt, bei einer herkömmlichen
Beleuchtungsvorrichtung vom Kantenbeleuchtungstyp, wie für eine
Flüssigkristall-Anzeigevorrichtung verwendet, Lampen wie
Kaltkathodenröhren oder Heißkathodenröhren als Lichtquellen
1 verwendet, die an entgegengesetzten Seiten eines optischen
Leiters 2 angeordnet sind; eine Diffusionsfolie 3 zum
Vergleichmäßigen der Helligkeit über die gesamte
Beleuchtungsfläche, die aus einer milchig weißen Kunststoffplatte, wie
einer Acryl-, Polycarbonat- oder Polyesterplatte, besteht,
ist an der Oberseite des optischen Leiters 2 vorhanden, und
eine Spiegelreflektorplatte oder eine Licht streuende
Acrylplatte wird als Reflektorfolie 4 verwendet. Die
Reflektorfolie 4 ist so ausgebildet, daß sie den Nutzungswirkungsgrad
von Licht dadurch verbessert, daß sie von den Lichtquellen
emittiertes, zur Rückseite gerichtetes Licht zur Frontseite
reflektiert.
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Das Dokument EP-A-0 355 064, auf dem der Oberbegriff von
Anspruch 1 beruht, offenbart ebenfalls eine
Beleuchtungsvorrichtung für eine Flüssigkristallanzeige, wie vorstehend
beschrieben.
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Insbesondere auf dem Gebiet von Farb-LCD-Anzeigetafeln ist
es unbedingt erforderlich, gestapelte Polarisatorplatten zu
verwenden, die die optische Anisotropie des Flüssigkristalls
verwenden, und diese Polarisatorplatten beschneiden das
Beleuchtungslicht um ungefähr 50 %; daher ist ein
Hintergrundbeleuchtungssystem mit höherer Helligkeit erforderlich, und
es ist wichtig, den Nutzungswirkungsgrad von Licht zu
verbessern.
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In Fig. 1 sind mit 7 Lichtquellenreflektoren bezeichnet, die
dazu dienen, von den Lichtquellen und nach außen gerichtetes
Licht zum optischen Leiter 2 zu reflektieren, und mit X ist
eine Flüssigkristall-Anzeigetafel bezeichnet.
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Bei einer herkömmlichen
Flüssigkristall-Beleuchtungsvorrichtung vom Kantenbeleuchtungstyp, bei der Licht von
Lichteintritts-Endflächen 5 an entgegengesetzten Enden des optischen
Leiters 2 eingeführt wird, breitet sich das Licht durch den
optischen Leiter 2 aus, während es wiederholt Totalreflexion
unterliegt. Wenn der Winkel zwischen auf eine
Lichtaustrittsfläche 6, die die Oberfläche des optischen Leiters 2
ist, einfallendem Licht und dem Normalenvektor auf der
Lichtaustrittsfläche 6 Θo ist und der Brechungsindex des
optischen Leiters 2 no ist, kann das Licht nur dann aus der
Lichtaustrittsfläche 6 austreten, wenn folgendes gilt:
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Θo < sin &supmin;¹ (1/no).
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Demgemäß unterliegt das Licht wiederholter Totalreflexion im
optischen Leiter 2, um durch diesen hindurchzulaufen,
während
eine Verringerung des Lichtflusses und eine
Materialabsorption wegen eines Absorptionskoeffizienten α des
optischen Leitermaterlals während der Ausbreitung im optischen
Leiter 2 auftritt, wenn folgende Gleichung gilt:
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Θo ≥ sin &supmin;¹ (1/no).
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Genauer gesagt, erfährt das Licht, wenn die Länge des
optischen Pfads, durch den das Licht läuft, bevor es die
Lichtaustrittsfläche erreicht, P ist und der Lichtflußwert der
Lampe an der Lichteintritts-Endfläche des optischen Leiters
Fo ist, eine Verringerung des Lichtflusses gemäß
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F = Fo e -αP (Lumen)
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und im Ergebnis verringert sich der Nutzungswirkungsgrad des
Lichts, was zu Schwierigkeiten beim Realisieren einer
Beleuchtungsvorrichtung (Hintergrundbeleuchtung) hoher
Helligkeit führt, insbesondere auf dem Gebiet von
Farb-LCD-Einheiten.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die Erfindung beabsichtigt, die vorstehend genannten
Schwierigkeiten zu beseitigen, und es ist eine Aufgabe der
Erfindung, eine Beleuchtungsvorrichtung zu schaffen, die eine
Verringerung des Lichtflusses und der Materialabsorption im
optischen Leiter verringern kann, um hohen
Nutzungswirkungsgrad für das Licht und hohe Helligkeit zu erzielen.
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Gemäß der Erfindung ist eine
Flüssigkristall-Beleuchtungsvorrichtung geschaffen, die so ausgebildet ist, daß sie eine
Flüssigkristall-Anzeigetafel von hinten beleuchtet, und die
einen optischen Leiter, der so ausgebildet ist, daß er
parallel zur von hinten zu beleuchtenden
Flüssigkristall-Anzeigetafel angeordnet wird, und eine Lichtquelle umfaßt, die an
einem Ende des optischen Leiters angeordnet ist, der über
eine Lichteintritts-Endfläche, die der Lichtquelle zugewandt
ist, und eine Lichtaustrittsfläche verfügt, die im Gebrauch
der Flüssigkristall-Anzeigetafel zugewandt ist; dadurch
gekennzeichnet, daß der optische Leiter aus mehreren
brechenden Schichten besteht, die der Reihe nach entlang optischer
Pfade des Lichts von der Lichtquelle her
aufeinanderlaminiert sind und verschiedene Brechungsindizes aufweisen, die
in der Richtung von der Lichteintritts-Endfläche kleiner
werden, so daß das von der Lichteintritts-Endfläche
herkommende Licht so gebrochen wird, daß der Eintrittswinkel an
der Lichtaustrittsfläche kleiner als ein kritischer Winkel
ist.
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Beim vorstehend angegebenen, erfindungsgemäßen Aufbau tritt
Licht von den Lichtquellen durch die
Lichteintritts-Endflächen des optischen Leiters in dessen Inneres ein und
beleuchtet dann die Rückseite der
Flüssigkristall-Anzeigetafel.
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Da der optische Leiter aus mehreren aufeinanderlaminierten,
brechenden Schichten N&sub1;, N&sub2;, ..., Ni mit verschiedenen
Brechungsindizes besteht, wird bei diesem Prozeß das aus den
Lichteintritts-Endflächen tretende Licht an den Grenzflächen
an den Grenzen der brechenden Schichten N&sub1;, N&sub2;, ..., Ni
gebrochen, wodurch es einen Eintrittswinkel Θi einnimmt, der
kleiner als ein kritischer Winkel Θw ist, wenn es die
Lichtaustrittsfläche erreicht, wodurch sicher verhindert werden
kann, daß das Licht an der Lichtaustrittsfläche
Totalreflexion erfährt, wodurch die Länge des optischen Pfads im
optischen Leiter verkürzt werden kann.
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Bevorzugte Merkmale der Erfindung sind in den Ansprüchen 2
und 3 dargelegt.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Fig. 1 ist eine längsgeschnittene Ansicht, die eine bekannte
Flüssigkristall-Beleuchtungsvorrichtung zeigt.
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Fig. 2 ist eine längsgeschnittene Ansicht, die eine
Flüssigkristall-Beleuchtungsvorrichtung gemäß einem
Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt.
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Fig. 3 ist eine vergrößerte, in Längsrichtung geschnittene
Teilansicht, die Lichtpfade beim Ausführungsbeispiel von
Fig. 2 zeigt.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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Die Erfindung wird nun beispielhaft unter Bezugnahme auf die
beigefügten Zeichnungen beschrieben.
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In Fig. 2 ist eine Vorrichtung zum Beleuchten eines
Flüssigkristalls gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung in
längsgeschnittener Form dargestellt, und in Fig. 3 sind
Lichtpfade im Ausführungsbeispiel in vergrößerter,
längsgeschnittener Teilansicht dargestellt.
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Wie in diesen Figuren gezeigt, ist die erfindungsgemäße
Flüssigkristall-Beleuchtungsvorrichtung eine solche mit
Kantenbeleuchtung, die so ausgebildet ist, daß sie eine
Flüssigkristall-Anzeigetafel X von hinten beleuchtet, und sie
verfügt über einen optischen Leiter 11, der parallel zur
Flüssigkristall-Anzeigetafel X angeordnet ist, Lichtquellen
12, die an entgegengesetzten Enden des optischen Leiters 11
angeordnet sind, eine Reflektorfolie 16 zum Reflektieren von
Licht, das im optischen Leiter 11 nach hinten gerichtet ist,
zur Flüssigkristall-Anzeigetafel X, und eine Diffusionsfolie
17 zum Vergleichmäßigen der Helligkeit über die gesamte
Beleuchtungsfläche.
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Wie in den Fig. 2 und 3 dargestellt, verfügt der optische
Leiter 11 über Lichteintritts-Endflächen 13, die den
Lichtquellen 12 gegenüberstehen, und eine Lichtaustrittsfläche
14, die der Flüssigkristall-Anzeigetafel X gegenübersteht
und als flache Platte mit einer Dicke von 2 bis 10 mm
ausgebildet ist. Die Lichteintritts-Endtlächen 13 stehen
rechtwinklig zur Lichtaustrittsfläche 14.
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Der optische Leiter 11 verfügt über dispersiven
Brechungsindex. Genauer gesagt, besteht der optische Leiter 11 aus
mehreren brechenden Schichten N&sub1;, N&sub2;, ..., Ni, die
aufeinanderfolgend den optischen Pfad entlang aufeinanderlaminiert
sind und verschiedene Brechungsindizes aufweisen, was
dahingehend wirkt, daß aus den Lichteintritts-Endflächen 13
austretendes Licht so gebrochen wird, daß der Eintrittswinkel
Θi an der Lichtaustrittsfläche 14 kleiner als ein kritischer
Winkel Θw ist.
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Die einzelnen brechenden Schichten N&sub1;, N&sub2;, ..., Ni werden
mittels eines Formungsprozesses unter Verwendung
transparenter Harzmaterialien wie Acryl-, Polycarbonat- oder
Polyestermaterialien mit voneinander verschiedenen
Brechungsindizes hergestellt. Die Brechungsindizes n&sub1;, n&sub2;, ..., ni der
brechenden Schichten N&sub1;, N&sub2;, ..., Ni sind so eingestellt,
daß sie von den Lichteintritts-Endflächen zum mittleren
Bereich des optischen Wellenleiters 11 hin allmählich
abnehmen. Die Breiten der brechenden Schichten N&sub1;, N&sub2;&sub1; ..., Ni
sind so eingestellt, daß sie allmählich von den
Lichteintritts-Endflächen 13 zum mittleren Bereich zunehmen, damit
die Lichtmenge an der Lichtaustrittsfläche 14 so
eingestellt wird, daß sie gleichmäßig ist.
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Die Grenzfläche zwischen benachbarten brechenden Schichten
N&sub1;, N&sub2;, ..., Ni steht rechtwinklig zur Lichtaustrittsfläche
14.
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Der hier genannte kritische Winkel Θw ist der
Eintrittswinkel, der es ermöglicht, daß an der Lichtaustrittsfläche 14
des optischen Leiters 11 Totalreflexion auftritt, und er ist
wie folgt definiert:
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Θw = sin &supmin;¹ (1/ni),
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wobei ni den Brechungsindex der jeweiligen brechenden
Schichten N&sub1;, N&sub2;, ..., Ni repräsentiert. Alle Lichtstrahlen
werden so geführt, daß sie an der Lichtaustrittsfläche 14
einen Eintrittswinkel Θi bilden, der den folgenden Wert hat:
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Θi < Θw = sin&supmin;¹ (1/ni).
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Als Lichtquelle 12 wird eine Heißkathodenröhre vom Typ mit
gerader Röhre verwendet, die aus einem Leuchtelement wie
einer Wendel und einem das Element einschließenden Mantel
besteht. Die Lichtquelle 12 verfügt über einen Durchmesser
von 3 bis 8 mm und eine effektive Lampenlänge von 10 bis
220 mm.
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Als Reflektorfolie 16 wird ein vorhandener
Spiegelflächenreflektor, eine Licht streuende Acrylplatte oder dergleichen
verwendet.
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Die Diffusionsfolie 17 ist eine milchig weiße
Kunststoffplatte mit einer Dicke von 0,07 bis 0,3 mm und einem
Transmissionsvermögen von 87 bis 93 % für sichtbare Strahlung
einer Wellenlänge von 600 nm.
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Als Kunststoff können bekannte Materialien nach Wunsch
verwendet werden, wie Polycarbonat und Polyester.
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In Fig. 2 bezeichnet die Bezugszahl 22
Lichtquellenreflektoren zum Reflektieren von von den Lichtquellen 12 emittiertem
Licht, das in Richtungen vom optischen Leiter 11 weg
gerichtet ist, auf den optischen Leiter 11 hin.
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Beim obigen Aufbau erreicht von der Lichtquelle 12 nach
innen gerichtetes Licht direkt die Lichteintrittsfläche 13 des
optischen Leiters 11 und tritt in dessen Inneres ein.
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Andererseits wird nach außen gerichtetes Licht von der
Lichtquelle 12 durch den Lichtquellenreflektor 22
reflektiert und tritt dann durch die Lichteintritts-Endfläche 13
des optischen Leiters 11 in dessen Inneres ein.
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Anschließend wird das im optischen Leiter laufende Licht
durch die Lichtaustrittsfläche 14 an die Diffusionsfolie 17
verteilt.
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Dann wird das Licht mittels der Diffusionsfolie 17 im
wesentlichen gleichförmig verteilt, um die Flüssigkristall-
Anzeigetafel von hinten zu beleuchten.
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Der optische Leiter 11 besteht aus den mehreren
aufeinanderlaminierten, brechenden Schichten N&sub1;, N&sub2;, ..., Ni mit
verschiedenen Brechungsindizes, die so eingestellt sind, daß
sie von den Lichteintritts-Endflächen 13 zum mittleren
Bereich des optischen Leiters 11 allmählich abnehmen, weswegen
das in die Lichteintritts-Endfläche 13 eintretende Licht
zunehmende Brechungswinkel Ψ&sub1;, Ψ&sub2;, Ψ&sub3;, Ψ&sub4;, ... an der
Grenzfläche zwischen benachbarten brechenden Schichten N&sub1;, N&sub2;,
..., Ni erfährt, wenn es in den mittleren Bereich des
optischen Leiters 11 läuft, wie in Fig. 3 dargestellt.
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Wenn, wie in Fig. 3 dargestellt, der Brechungswinkel an der
Grenzfläche zwischen benachbarten brechenden Schichten Ni
und Ni-1 den Wert Ψi hat und der Eintrittswinkel des
austretenden Lichts in einem Bereich der Lichtaustrittsfläche 14
über der brechenden Schicht Ni den Wert Θi hat, gilt die
Beziehung:
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Θi + Ψi = 90º,
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die wie folgt umgeschrieben werden kann:
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Θi = 90º - Ψi,
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da die Grenzfläche zwischen benachbarten brechenden
Schichten N&sub1;, N&sub2;, ..., Ni rechtwinklig zur Lichtaustrittsfläche 14
des optischen Leiters 11 steht. Demgemäß kann durch Erhöhen
von Ψi auf die bereits beschriebene Weise Ψi verringert
werden.
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Daher kann durch Einstellen der Brechungsindizes der
brechenden Schichten N&sub1;, N&sub2;, ..., Ni in solcher Weise, daß der
Eintrittswinkel Θi an allen Punkten der Lichtaustrittsfläche
14 kleiner als der kritische Winkel Θw ist, der
Brechungswinkel Ψi erhöht werden, um sicherzustellen, daß das im
optischen Leiter 11 laufende Licht so geführt werden kann, daß
es keine Totalreflexion erfährt. Demgemäß können alle
Lichtstrahlen aus der Lichtaustrittsfläche austreten, wenn sie
diese das erste Mal erreichen, und so kann der optische Pfad
im optischen Leiter 11 verkürzt werden. Daher können eine
Verringerung des Lichtflusses an der Reflektorfläche des
optischen Leiters 11 und eine Verringerung des Lichtflusses
durch Materialabsorption drastisch verringert werden, und
die Oberflächenhelligkeit der
Flüssigkristall-Beleuchtungsvorrichtung kann verbessert werden.
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Die Erfindung ist nicht auf das vorstehende
Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern offensichtlich kann das
vorstehende Ausführungsbeispiel auf verschiedene Weise innerhalb des
Grundgerüsts der Erfindung, wie sie durch die beigefügten
Ansprüche definiert ist, modifiziert und geändert werden.
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Während beim vorstehenden Ausführungsbeispiel die
Lichtquellen an entgegengesetzten Enden des optischen Leiters 11
angeordnet sind, kann eine Lichtquelle nur an einem Ende
vorhanden sein.
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Wie es aus der vorstehenden Beschreibung deutlich ist, kann,
da der optische Leiter bei der Erfindung aus mehreren
aufeinanderlaminierten, brechenden Schichten besteht, aus den
Lichteintritts-Endflächen herkommendes Licht an den
Grenzflächen der brechenden Schichten so gebrochen werden, daß
der Eintrittswinkel des austretenden Lichts an der
Lichtaustrittsfläche kleiner als der kritische Winkel ist.
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Demgemäß kann für alle Strahlen verhindert werden, daß sie
an der Lichtaustrittsfläche Totalreflexion erfahren, wodurch
vorteilhafte Wirkungen dahingehend erzielt werden, daß der
optische Pfad im optischen Leiter verkürzt werden kann, um
eine Verringerung des Lichtflusses zu mildern, und die
Oberflächenhelligkeit der
Flüssigkristall-Beleuchtungsvorrichtung verbessert werden kann.