Hintergrund der Erfindung
a) Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine flächige Lichtquellenvorrichtung, die
bei Hintergrundbeleuchtungssystemen von Flüssigkristall-
Anzeigevorrichtungen verwendet wird.
b) Beschreibung vom Stand der Technik
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Fig. 1 ist eine Querschnittsansicht mit Darstellung einer herkömmlichen
flächigen Lichtquellenvorrichtung. In Fig. 1 bezeichnet die Bezugszahl 1
eine lineare Lichtquelle, wie etwa eine Kaltkathodenstrahfröhre, 2 ein
Lichtleiterelement aus transparentem Material, 3 ein Lichtdiffusorelement
und 4 bezeichnet ein Lichtreflektorelement. Bei der in Fig. 1 gezeigten
flächigen Lichtquellenvorrichtung fällt von der Lichtquelle 1 emittiertes Licht
auf eine Lichteinfalls-Randfläche 2a des Lichtleiterelements 2 und gelangt
dann in das Element 2. Das Licht wird innerhalb des Elements 2 zu einer
gegenüberliegenden Randfläche 2d übertragen, wobei es durch eine
Vorderfläche (lichtemittierende Oberfläche) 2b und eine Rückfläche 2c des
Lichtleiterelements 2 total reflektiert wird. An der Rückfläche 2c des
Lichtleiterelements 2 ist eine raue Oberfläche angeordnet, ist eine Vielzahl
konischer oder polygonaler Unebenheiten vorgesehen oder ist ein aus einer
Vielzahl feiner Diffusorabschnitte gebildetes Muster aufgedruckt, um einen
Teil des rückkehrenden Lichts, das direkt durch die Rückfläche 2c reflektiert
ist oder durch die Rückfläche 2c hindurchgetreten ist und dann durch das
Lichtreflektorelement 4 reflektiert ist, in diffuses Licht zu ändern. Das
diffuse Licht wird von der Vorderfläche 2b (lichtemittierende Oberfläche)
des Lichtleiterelements 2 emittiert und tritt dann durch das
Lichtdiffusorelement 3 hindurch, um eine flächige Lichtquelle der
Flüssigkristall-Anzeigevorrichtung zu bilden.
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Wenn die Verteilung der rauen Oberfläche, die Höhen und die Spitzenwinkel
der konischen oder polygonalen Unebenheiten oder die Flächenausdehnung
und Verteilungsdichte der feinen Diffusorabschnitte des Druckmusters, das
auf der Rückfläche 2c des Lichtleiterelements 2 ausgebildet ist, in
geeigneter Weise geändert wird, kann man eine gleichmäßige
Helligkeitsverteilung des Lichts erhalten, das von der lichtemittierenden
Oberfläche 2b des Lichtleiterelements 2 emittiert wird.
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Wenn jedoch bei der oben genannten herkömmlichen flächigen
Lichtquellenvorrichtung unter Verwendung eines Lichtleiterelements die
Verteilung der an der Rückfläche des Lichtleiterelements ausgebildeten
rauen Oberfläche, die Höhen der konischen oder polygonalen Unebenheiten
oder der Neigungswinkel deren Spitzenabschnitte oder die Änderung der
Verteilungsdichte des Druckmusters nicht geeignet ist, ist es unmöglich,
eine gleichmäßige Helligkeitsverteilung des von der lichtemittierenden
Oberfläche emittierten Lichts zu erhalten, d. h. des von dem
Lichtdiffusorelement emittierten Lichts. Daher ist bei der herkömmlichen
Vorrichtung eine Anordnung der obigen rauen Oberflächenverteilung und
deren Änderung sehr wichtig, um eine gleichmäßige flächige Lichtquelle zu
erhalten. Jedoch ist es nicht leicht, eine optimale raue
Oberflächenverteilung und deren Änderung zu erhalten, und daher ist es
schwierig, eine geeignete Verteilung der Oberflächenrauigkeit zu erhalten,
d. h. an der Rückfläche des zuerst ausgebildeten Lichtleiterelements.
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Bei der flächigen Lichtquellenvorrichtung der EP 0 501 761 A2 umfasst das
Lichtleiterelement einen Schichtkörper, der aus einer Mehrzahl von Platten
zusammengesetzt ist, deren Brechungsindizes voneinander verschieden
sind. Bei dem Lichtleiterelement befinden sich Grenzflächen zwischen den
Platten. Wenn das Schichtelement mit den Grenzflächen in der flächigen
Lichtquellenvorrichtung verwendet wird, geht die Lichtmenge verloren, und
die Helligkeitsverteilung wird an der lichtemittierenden Oberfläche
ungleichmäßig, weil sich der Laufzustand des Lichts durch die Grenzflächen
ändert.
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Die EP 0 559 914 A1 betrifft eine flächige Lichtquellenvorrichtung, wobei
das Lichtleiterelement eine Konstruktion aufweist, bei der der
Brechungsindex ungleichmäßig ist.
Zusammenfassung der Erfindung
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Die Erfindung nach Anspruch 1 sieht eine flächige Lichtquellenvorrichtung
vor, die umfasst: ein Lichtleiterelement, eine in der Nähe einer der
Randflächen des Lichtleiterelements angeordnete Lichtquelle, ein seitens
einer Vorderfläche des Lichtleiterelements angeordnetes
Lichtdiffusorelement und ein seitens einer Rückfläche des
Lichtleiterelements angeordnetes Lichtbrechungselement; und wobei das
Lichtleiterelement derart ausgestaltet ist, dass dessen Brechungsindex bis
zu einem Abschnitt, der um einen gegebenen Abstand weit von der
Lichteinfalls-Randfläche des Lichtleiterelements entfernt ist, konstant ist,
wobei sich jedoch der Brechungsindex von der Stelle zu einer
gegenüberliegenden Randfläche des Lichtleiterefements kontinuierlich
ändert, so dass er mit zunehmendem Abstand von der Lichtquelle kleiner
wird.
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Da bei der flächigen Lichtquellenvorrichtung nach der vorliegenden
Erfindung der Brechungsindex des Lichtleiterelements so angeordnet ist,
dass er seitens der Lichteinfallsrandfläche konstant ist, läuft das Licht, das
von der Lichtquelle emittiert über die Lichteinfallsfläche in das
Lichtleiterelement eingeführt ist, innerhalb des Lichtleiterelements wie beim
Lichtverlauf in der herkömmlichen flächigen Lichtquellenvorrichtung bis zu
dem Abschnitt; da sich jedoch der Brechungsindex von dem Abschnitt so
ändert, dass er kontinuierlich progressiv abnimmt, läuft das Licht innerhalb
des Lichtleiterelements in der Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung
unter Bildung einer gekrümmten Linie, nachdem das Licht den Abschnitt
durchlaufen hat. Das Licht läuft innerhalb des Lichtleiterelements, wobei es
auf dem Weg in obiger Weise nachlassend gekrümmt verläuft. Daher ist es
möglich, die von einem Bereich an der gegenüberliegenden
Randflächenseite emittierte Lichtmenge zu erhöhen, wobei die von der
lichtemittierenden Oberfläche emittierte Lichtmenge vergleichsweise gering
ist, die weit von der Lichteinfalls-Randfläche des Lichtleiterelements
entfernt ist. Daher kann man nach der vorliegenden Erfindung die flächige
Lichtquelle erhalten, die insgesamt eine gleichmäßige Helligkeitsverteilung
hat. Ferner kann in der flächigen Lichtquellenvorrichtung nach der Erfindung
das Licht, das nicht zur Beleuchtung in der herkömmlichen Vorrichtung
verwendet werden kann, aus dem Lichtleiterelement emittiert werden, so
dass man eine viel hellere, flächige Lichtquellenvorrichtung als die
herkömmliche Vorrichtung erhalten kann.
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Der Brechungsindex des Lichtleiterelements der flächigen
Lichtquellenvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung liegt im Bereich
von 1,3 bis 1,7, und es ist erwünscht, eine gewünschte Differenz zwischen
dem höchsten Brechungsindex (dem Brechungsindex seitens der
Lichteinfalls-Randfläche des Lichtleiterelements) und dem niedrigsten
Brechungsindex (dem Brechungsindex seitens der gegenüberliegenden
Randfläche, die am weitesten von der Lichteinfalls-Randfläche des
Lichtleiterelements entfernt ist) zu erhalten. Wenn der Brechungsindex die
Obergrenze von 1,7 überschreitet, nimmt die von der lichtemittierenden
Oberfläche des Lichtleiterelements emittierte Lichtmenge ab, so dass der
Nutzeffekt des Lichts der flächigen Lichtquellenvorrichtung abnimmt. Wenn
andererseits der Brechungsindex so abgesenkt wird, dass er die
Untergrenze von 1,3 überschreitet, nimmt die Lichtmenge zu, die aus dem
Lichtleiterelement in die Luft leckt.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Fig. 1 ist eine Querschnittsansicht mit Darstellung einer
herkömmlichen flächigen Lichtquellenvorrichtung;
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Fig. 2 ist eine Querschnittsansicht mit Darstellung einer flächigen
Lichtquellenvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung; und
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Fig. 3 ist eine Querschnittsansicht mit Darstellung eines Zustands,
mit dem Licht in dem Lichtleiterelement der flächigen
Lichtquellenvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung läuft.
Detailbeschreibung der bevorzugten Ausführung
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Nachfolgend wird eine Ausführung der flächigen Lichtquellenvorrichtung
nach der vorliegenden Erfindung erläutert.
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Fig. 2 ist eine Querschnittsansicht mit Darstellung einer Ausführung der
flächigen Lichtquellenvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung. In Fig.
2 bezeichnet die Bezugszahl 1 eine lineare Lichtquelle, wie etwa eine
Kaltkathodenröhre, 2 ein Lichtleiterelement aus transparentem Material, 3
ein Lichtdiffusorelement und die Bezugszahl 4 bezeichnet ein
Lichtreflektorelement. Anzumerken ist, dass die in Fig. 2 gezeigte flächige
Lichtquellenvorrichtung die gleiche Konstruktion wie die herkömmliche
flächige Lichtquellenvorrichtung aufweist, wie sie in Fig. 1 gezeigt ist,
außer der Ausbildung des Lichtleiterelements 2. Das in dieser Ausführung
verwendete Lichtleiterelement 2 ist derart angeordnet, dass ein
Brechungsindex vom Material des Lichtleiterelements von dessen
Lichteinfalls-Randfläche 2a bis zu einem willkürlichen Punkt konstant ist,
der beispielsweise mit dem Bezugszeichen A gezeigt ist, wobei sich jedoch
der Brechungsindex von dem Punkt A zu der gegenüberliegenden
Randfläche des Elements derart ändert, dass er kontinuierlich kleiner wird.
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Da sich der Brechungsindex des Materials des Lichtleiterelements 2 in der
Ausführung auf dem Weg kontinuierlich abnehmend ändert (von dem Punkt
A in Fig. 2), wie in Fig. 2 gezeigt, läuft das Licht, das auf die Lichteinfalls-
Randfläche 2a des Lichtleiterelements fällt, zunächst innerhalb des
Elements 2a bis zu dem Punkt A geradeaus, wobei jedoch das Licht von
dem Punkt A ausgehend innerhalb des Elements entsprechend der
Änderung des Brechungsindex des Mediums des Lichtleiterelements 2 und
entsprechend einem Einfallswinkel des einfallenden Lichts stark gekrümmt
verläuft. Da in dieser Ausführung das Lichtleiterelement 2 derart
angeordnet ist, dass der Brechungsindex des Elements an der Seite der
Lichteinfalls-Randfläche 2a groß ist und der Brechungsindex von dem Punkt
A zur gegenüberliegenden Randfläche 2d des Elements kontinuierlich
abnimmt, läuft das Licht innerhalb des Lichtleiterelements 2 derart, dass es
beispielsweise eine gekrümmte Linie L1 beschreibt. Das heißt, das von der
Lichtquelle 1 emittierte Licht fällt auf die Lichteinfalls-Randfläche 2a des
Elements 2, wobei es jedoch von dem Punkt A gekrümmt weiterläuft, wie
mit den Linien L1, L2 und L3 dargestellt, durch die das innerhalb des
Elements 2 laufende Licht in Fig. 3 dargestellt wird, und läuft dann
innerhalb des Elements 2 geradeaus bis zu dem Punkt A. Daher hat der Teil
des Elements 2 von der Lichteinfalls-Randfläche 2a zu dem Punkt A des
Lichtleiterelements 2 die gleiche Funktion wie jene des Lichtleiterelements
der herkömmlichen flächigen Lichtquellenvorrichtung, wie in Fig. 2 gezeigt.
Wenn somit die Rückfläche 2c des Lichtleiterelements 2 als gleichmäßig
raue Oberfläche ausgebildet ist, konische oder polygonale Unebenheiten mit
der gleichen Form und der gleichen Dimension gleichmäßig an der
Rückfläche 2c ausgebildet sind oder ein gleichförmiges Aufdruckmuster an
der Rückfläche 2c vorgesehen ist, ist die von dem Teil der
lichtemittierenden Oberfläche 2b des Lichtleiterelements 2 emittierte
Lichtmenge vergleichsweise groß. Ferner läuft in dem anderen Teil von dem
Punkt A zu der gegenüberliegenden Randfläche 2d des Lichtleiterelements
2 das Licht innerhalb des Elements 2 gekrümmt, wie typisch durch die
Linien L1, L2 und L3 in Fig. 3 dargestellt. In der herkömmlichen
Vorrichtung, in der der Brechungsindex des Lichtleiterelements gleichmäßig
ausgebildet ist, laufen die mit L1 und L2 gezeigten Strahlen innerhalb des
Elements schon von dem Punkt A geradeaus, und somit werden die
Strahlen L1 und L2 nicht aus der lichtemittierenden Fläche 2b des Elements
2 emittiert. Jedoch werden in dieser Ausführung die mit L1 und L2
gezeigten Strahlen in dem anderen Teil gekrümmt, der der
gegenüberliegenden Randfläche 2d näher ist, und daher werden diese
Strahlen von der lichtemittierenden Oberfläche 2b emittiert. Daher nimmt in
der Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung die Lichtmenge, die von
der lichtemittierenden Oberfläche 2b des weit von der Lichtquelle 1
entfernten anderen Teils emittiert wird, im Vergleich zu der herkömmlichen
Vorrichtung zu.
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Auch wenn bei dieser Konstruktion die Rückfläche des Lichtleiterelements
2 rau ausgebildet ist, die Verteilung der konischen oder polygonalen
Unebenheiten an der Rückfläche des Lichtleiterelements 2 gleichmäßig
ausgebildet ist oder ein gleichmäßiges Aufdruckmuster auf die Rückfläche
des Lichtleiterelements 2 aufgedruckt ist, läßt es sich verhindern, dass es
in einem Abschnitt von der Mitte des Lichtleiterelements 2 (der Mitte
zwischen der Lichteinfalls-Randfläche 2a und der gegenüberliegenden
Randfläche 2d) zur gegenüberliegenden Randfläche 2d extrem dunkel wird
und die Helligkeitsverteilung des von der lichtemittierenden Oberfläche 2b
des Lichtleiterelements 2 emittierten Lichts wird vergleichsweise
gleichmäßig.
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Falls ferner die raue Oberfläche, die konischen oder polygonalen
Unebenheiten oder das Druckmuster auf der Rückfläche des
Lichtleiterelements mit einer gewissen Variation ausgebildet ist, ist es
möglich, die Helligkeitsverteilung des von der lichtemittierenden Oberfläche
des Lichtleiterelements emittierten Lichts angenähert gleichmäßig zu
machen, auch wenn die Änderung nicht kontinuierlich ist, sondern mit
einem vorbestimmten Abstand unterbrochen ist oder die Änderung nicht
mit dem ursprünglich konstruierten Muster präzise übereinstimmt.
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Wie oben gesagt, wird es nach der vorliegenden Erfindung viel leichter, die
Verteilung der rauen Oberfläche, die Form, Dimension und Verteilung der
konischen oder polygonalen Unebenheiten oder die Flächenausdehnung
oder die Verteilungsdichte der feinen Diffusorabschnitte des Druckmusters
auszugestalten. Ferner, auch wenn die raue Oberfläche, die konischen oder
polygonalen Unebenheiten des Druckmusters mit einem geringen Versatz
gegenüber der ursprünglichen Konstruktion ausgebildet werden, kann die
Verteilung der von der lichtemittierenden Randfläche des Lichtleiterelements
emittierten Lichtmenge gleichmäßig gemacht werden. Ferner kann das
Licht, wie beispielsweise mit der Linie L1 und L2 gezeigt, das in der
herkömmlichen flächigen Lichtquellenvorrichtung nicht als
Beleuchtungslicht benutzt und verschwendet wird, effektiv zur Beleuchtung
verwendet werden; daher kann man eine helle, flächige
Lichtquellenvorrichtung erhalten.
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Falls eine raue Oberfläche oder eine Vielzahl von Punkten an der Rückfläche
2c des gesamten Lichtleiterelements 2 vorgesehen ist oder feine
Diffusorabschnitte aus einer Vielzahl von Punkten ausgebildet sind, oder
feine Diffusorabschnitte mit einer rauen Oberfläche daran an der Rückfläche
2c insgesamt in der herkömmlichen Vorrichtung vorgesehen sind, nimmt die
von der lichtemittierenden Fläche 2b des Elements 2 emittierte Lichtmenge
ab. Jedoch wird bei der Ausführung nach der Erfindung, wobei der
Brechungsindex des Materials des Lichtleiterelements auf dem Weg
abnimmt, das Licht gekrümmt, wie in Fig. 3 gezeigt, und daher nimmt die
von der lichtemittierenden Oberfläche des Elements insgesamt emittierte
Lichtmenge nicht ab, so dass man eine flächige Lichtquellenvorrichtung mit
einer gleichmäßigen Helligkeitsverteilung erhalten kann. Auch wenn in
diesem Fall die Rauigkeit der rauen Oberfläche stark ist oder die Dichte von
den an der Rückfläche des Elements 2 ausgebildeten Punkten klein ist, kann
man die gleichmäßige Helligkeitsverteilung erhalten. Daher kann die raue
Oberfläche oder können die Punkte auf einfache Weise ausgebildet werden.
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Ferner kann man einen Zustand der Lichtemission verhindern, bei dem eine
Helligkeit der lichtemittierenden Oberfläche variiert, so dass sie mit
zunehmendem Abstand von der Lichtquelle etwas dunkler wird, wozu es
kommt, wenn die raue Oberfläche oder die Dichte der auf der Rückfläche
des Lichtleiterelements gebildeten Punkte (Änderung der Dichte der rauen
Oberfläche oder der Punkte derart, dass sie seitens der Lichtquelle klein ist
und die Dichte mit zunehmendem Abstand von der Lichtquelle allmählich
etwas zunimmt) langsam variieren, indem der Brechungsindex des
Lichtleiterelements kontinuierlich variiert wird.
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In diesem Fall wird die Dichteverteilung von an der Rückfläche 2c des
Lichtleiterelements 2 ausgebildeten Punkten so ausgebildet, dass sie mit
zunehmendem Abstand von der Lichtquelle 1 kontinuierlich zunimmt. Da
eine leichte Zunahme der Verteilungsdichte akzeptiert werden kann, wird
die Dichte auch in jenem Abschnitt nicht so groß, der am weitesten von der
Lichtquelle entfernt ist, d. h. in der Nähe der gegenüberliegenden Randfläche
2d. Daher können die Punkte an der Rückfläche des Lichtleiterelements 2
in vergleichsweise einfacher Weise ausgebildet werden.
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Wie oben gesagt, wird nach der vorliegenden Erfindung in beiden Fällen,
dass die Punkte an der Rückfläche 2c des Lichtleiterelements 2 mit
gleichmäßiger Verteilungsdichte und mit veränderlicher Verteilungsdichte
ausgebildet sind, die von der lichtemittierenden Oberfläche 2b des Elements
emittierte Lichtmenge erhöht, so dass die Helligkeit der flächigen
Lichtquellenvorrichtung stärker wird als bei der herkömmlichen Vorrichtung.
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Ferner kann es durch Vorsehen einer Vielzahl konischer oder polygonaler
Unebenheiten an der Rückfläche 2c des Lichtleiterelements 2 möglich
werden, die Änderung von Höhe und Neigungswinkel der Unebenheiten
weiter zu machen als bei der herkömmlichen flächigen
Lichtquellenvorrichtung; und wenn ein Muster auf die Rückfläche 2c
gedruckt wird, kann die Änderung der Dichteverteilung des Musters, die
weiter als bei der herkömmlichen Vorrichtung ist, in der erfindungsgemäßen
Vorrichtung akzeptabel sein.
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Ferner ist es möglich, die Dimension der konischen oder polygonalen
Unebenheiten insgesamt kleiner zu machen als bei der herkömmlichen
Vorrichtung, oder es ist auch möglich, die Dicke des Farbstoffs, der zum
Aufdrucken eines Musters verwendet wird, geriger zu machen. Hierdurch
wird der Helligkeitsunterschied zwischen dem Abschnitt der
lichtemittierenden Oberfläche 2b, die dem Abschnitt der Rückfläche 2c
entspricht, wo konische oder polygonale Unebenheiten ausgebildet sind,
und dem Abschnitt der lichtemittierenden Oberfläche 2b, die dem Abschnitt
entspricht, wo die konischen oder polygonalen Unebenheiten nicht
ausgebildet sind, oder der Helligkeitsunterschied zwischen dem Abschnitt
der lichtemittierenden Oberfläche 2b, die dem Abschnitt der Rückfläche 2c
entspricht, wo das Druckmuster ausgebildet ist, und dem Abschnitt der
lichtemittierenden Oberfläche 2b, die dem Abschnitt entspricht, wo das
Druckmuster nicht ausgebildet ist, klein, so dass man die flächige
Lichtquellenvorrichtung mit der gleichmäßigen Helligkeitsverteilung erhalten
kann.
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Wenn der Brechungsindex des Lichtleiterelements zu hoch ist, wird der
Anteil des Lichts, das durch die Lichteinfalls-Randfläche 2a des
Lichtleiterelements 2 reflektiert wird, wenn das von der Lichtquelle 1
emittierte Licht auf die Lichteinfalls-Randfläche 2a fällt, groß, so dass die in
das Lichtleiterelement 2 eingeführte Lichtmenge abnimmt. Um dieses
Problem zu verhindern, ist es wirkungsvoll, einen Licht-Antireflexionsfilm
an der Lichteinfalls-Randfläche 2a des Lichtleiterelements vorzusehen,
wodurch die Reflexion durch die Lichteinfalls-Randfläche 2a abnimmt und
die in das Element 2 eingeführte Lichtmenge abnehmen würde.
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In dieser Ausführung sollte sich der Brechungsindex des Mediums des
Lichtleiterelements 2 im Bereich zwischen 1,3 bis 1,7 ändern; und es ist
gewünscht, eine vorbestimmte Differenz zwischen dem niedrigsten
Brechungsindex und dem höchsten Brechungsindex vorzusehen.
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Da, wie oben gesagt, bei der flächigen Lichtquellenvorrichtung nach der
vorliegenden Erfindung sich der Brechungsindex des Mediums des
Lichtleiterelements auf dem Weg kontinuierlich ändert, wird es leicht
möglich, eine raue Oberfläche an der Rückfläche des Lichtleiterelements
auszubilden; und die von dem Lichtleiterelement insgesamt emittierte
Lichtmenge nimmt zu, um eine helle, flächige Lichtquellenvorrichtung zu
erhalten.
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Die oben beschriebene Erfindung lässt sich wie folgt zusammenfassen:
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Eine flächige Lichtquellenvorrichtung umfasst ein Lichtleiterelement, eine
Lichtquelle, ein Lichtdiffusorelement, das seitens einer vorderen
Lichteinfallsoberfläche des Lichtleiterelements angeordnet ist, sowie ein
Lichtreflexionselement, das an der Rückseite des Lichtleiterelements
angeordnet ist; und wobei ein Brechungsindex des Lichtleiterelements so
ausgebildet ist, dass er über eine Distanz von der Lichteinfallsfläche
konstant ist und sich dann ändert, um mit zunehmendem Abstand von der
Lichtquelle kleiner zu werden, zum Erhalt einer hellen und gleichmäßigen
Helligkeitsverteilung.