DE69912233T2

DE69912233T2 - Lichtleiter zur Hintergrundbeleuchtung eines Flachbildschirms

Info

Publication number: DE69912233T2
Application number: DE69912233T
Authority: DE
Inventors: Marko Parikka; Markku Kuittinen; Jari Turunen
Original assignee: Nokia Oyj
Current assignee: Nokia Oyj
Priority date: 1998-12-30
Filing date: 1999-12-28
Publication date: 2004-08-19
Anticipated expiration: 2019-12-29
Also published as: EP1016817B2; US20060187677A1; ES2305934T3; EP1016817A1; FI982825A; ATE252706T1; ES2209367T3; DE69938614D1; FI106323B; ATE393406T1; EP1351074A1; EP1016817B1; US7712942B2; EP1564568A1; US7192175B2; FI982825A0; DE69912233D1; DE69938614T2; EP1564568B1; US7114820B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die gleichmäßige Hintergrundbeleuchtung von Flachschirmanzeigen durch einen dünnen Lichtleiter.
Moderne elektronische Vorrichtungen besitzen oft eine Flüssigkristallanzeige, um dem Anwender Informationen zu übermitteln. Um zu erreichen, dass die Anzeige auch bei Dämmerung und Dunkelheit lesbar ist, wird die Anzeige im Allgemeinen durch lichtemittierende Dioden (LED) beleuchtet, wobei dies jedoch ferner besonders in tragbaren Vorrichtungen, die mit einer Batterie und/oder einem Akkumulator betrieben werden, einen Verkürzungseffekt in Bezug auf die tatsächliche Betriebszeit der Vorrichtung zur Folge hat. Außerdem ist die Forderung einer gleichmäßigen Helligkeit der Anzeige im Hinblick auf die Lesbarkeit wesentlich, was jedoch den Leistungsverbrauch erhöht, um den durch Diffusorplatten und dergleichen bewirkten Lichtverlust auszugleichen. Anstelle der Verwendung lichtundurchlässiger Ablenkplatten ist es eine Alternative, eine beugende Lichtleiterstruktur zu verwenden, die das Licht in die günstige Richtung von der Lichtquelle zur Anzeige leitet, wodurch außerdem eine größere Freiheit bei der Anordnung der Komponenten besteht.
In Bezug auf bekannte Techniken, die sich auf das Gebiet der Erfindung beziehen, wird auf Lösungen verwiesen, die in Verbindung mit dem Stand der Technik (1 bis 2) beschrieben sind. Eine bekannte Anordnung besteht darin, "dicke", "plattenartige" Lichtleiter zu verwenden, an deren einem Ende sich eine Lichtquelle befindet, wobei sich an einer flachen Seite der Platte mit der größten Fläche und/oder innerhalb des Lichtleiters ein beleuchtetes Objekt befindet, um dessen gleichmäßige Beleuchtung zu erzielen. Es ist außerdem bekannt, dass die Verteilung der Beleuchtung weniger vorteilhaft werden kann, wenn der Lichtleiter dünner gefertigt wird. Allerdings gibt es in modernen Mobilstationen und in anderen Geräten, die mit einer Anzeige versehen sind, sehr wenig zusätzlichen Platz. Dicke Elemente bedeuten ferner erhöhte Materialkosten für den Hersteller und somit einen größeren Druck auf die Preisgestaltung.
Es gibt ferner bekannte Techniken mit einem dünnen, plattenartigen Lichtleiter, der ein Ende besitzt, von dem aus eine Lichtquelle Licht in den Raum zwischen der oberen und unteren Oberfläche des Lichtleiters emittiert. Die Unterseite des Lichtleiters kann zufällig geraut sein, z. B. die untere Oberfläche eines plattenartigen Lichtleiters, wenn die zu beleuchtende Anzeige oder ein entsprechendes Objekt oberhalb der oberen Oberfläche des Lichtleiters in der Richtung des Betrachters angebracht ist. Der Zweck der Aufrauung besteht darin, das Licht so zu verteilen, dass es so gleichmäßig wie möglich in die Richtung der Anzeige gestreut wird. Es kann ferner einen Diffusor, einen Reflektor oder eine entsprechende zusätzliche Schicht unter der gerauten Oberfläche geben, so dass das Licht, das durch die Aufrauung durchgelassen wurde, zurück zu dem Lichtleiter, durch diesen hindurch und von ihm aus so in die Richtung der Anzeige gelenkt wird, dass ihre Beleuchtung zunimmt.
Auch wenn es das Prinzip der Totalreflexion ist, dem das sich ausbreitende Licht auf seinem Weg durch den Lichtleiter folgt, kann die zufällige Aufrauung auf der Lichtleiteroberfläche Probleme bezüglich der Homogenität des Lichts besonders an dem der Lichtquelle gegenüberliegenden Ende bewirken. Mit anderen Worten, es kommt viel weniger Licht zu dem anderen Ende der Anzeige als das erste Ende des Lichtleiters bei der Lichtquelle verlässt. Sowohl eine Vergrößerung der Anzahl der Lichtquellen als auch eine Steigerung ihrer Leistung verbunden mit der Verwendung von Diffusorplatten zwischen dem Lichtleiter und der Anzeige und/oder der Lichtquelle und dem Lichtleiter verbessert die Gleichmäßigkeit der Beleuchtung, vergrößert jedoch außerdem Leistungsverbrauch und Platzbedarf.
1A zeigt die Beleuchtungsanordnung einer Anzeige 1 unter Verwendung eines dünnen, flachen Lichtleiters 3, dessen untere Oberfläche 4 zufällig geraut ist. 1 B stellt die lokale Güte der Lichtquelle dar, mit der Licht, das durch die Lichtquelle erzeugt wird, umgesetzt werden kann, um den Hintergrund zu beleuchten (im Folgenden als Auskopplungsgüte η bezeichnet). Die lokale Auskopplungsgüte ist als Funktion des Ortes, der Koordinate, die von dem Quellenende des Lichtleiters aus gemessen wird, dargestellt. Da die Auskopplungsgüte selbst völlig konstant ist, entspricht die Helligkeit der Anzeige, wie sie von einem äußeren Beobachter zu sehen ist, der 1C, die folglich die lokale Helligkeit eines Schnitts der Anzeige als eine Funktion des Abstands darstellt, der von dem Ende bei der Lichtquelle aus gemessen wird. 1D zeigt im Prinzip, wie einzelne Strahlen 5 und 6, die eine Lichtquelle L1 verlassen, sich in einem Lichtleiter 3 ausbreiten und an den Punkten 5A bis 5E, 6A und 6B in Hintergrundlicht umgesetzt werden.
Eine weitere Technik zum Ausgleichen der inhomogenen Helligkeit, die sich als Funktion des Orts ändert, wie in 1C gezeigt ist, besteht darin, die lokale Auskopplungsgüte η als eine Funktion des Abstands durch Anordnen von Punkten, an denen das Licht an die Ober- oder Unterseite des Lichtleiters gestreut oder reflektiert wird, zu ändern. Die Punkte sind z. B. kleine Linsen, die in dem ersten Ende der Lichtquelle mit langen Zwischenabständen und in dem anderen Ende mit kürzen Zwischenabständen angeordnet sind, so dass es einen kleineren Unterschied in der Helligkeit B zwischen dem ersten und dem zweiten Ende der Anzeige gibt. 2 zeigt eine bekannte Anordnung ähnlich der oben beschriebenen zur Beleuchtung einer Flachschirmanzeige 207 mit einem Lichtleiter 209, wobei in der Anordnung die untere Oberfläche des Lichtleiters 209 mit Linsen bedeckt ist. Die Lichtmenge 208 ist in dem ersten Ende des Lichtleiters 209 nahe der Lichtquelle L2 größer als in dem zweiten, gegenüberliegenden Ende. Da das Ziel darin besteht, die Anzeige gleichmäßiger zu beleuchten, und die lokale Auskopplungsgüte η des Lichts von der lokalen Anzahl streuender und/oder reflektierender Linsen abhängt, ist es vorteilhaft, die Dichte der optischen Elemente nahe der Lichtquelle geringer zu erzeugen als fern von ihr. Um die Beleuchtung noch mehr zu verbessern, kann ein Reflektor 210 verwendet werden, so dass ungünstig geleitetes Licht in die Richtung der Anzeige 207 zurückgeführt wird.
Ein Schätzen der Durchlasseigenschaften des Lichtleiters entweder durch experimentelle oder durch kalkulatorische Verfahren unter Verwendung bekannter Techniken ist auf Grund der großen Anzahl von benötigten Prototypen und der Anzahl und kleinen Größe der Linsen praktisch unmöglich, wodurch das Erzielen eines annehmbaren optimalen Ergebnisses mit der bekannten Technik fraglich ist.
Das Dokument US 5.703.667 , das der nächste Stand der Technik ist, offenbart einen Lichtleiter zur Schaffung einer Hintergrundbeleuchtung einer Flachschirmanzeige durch wenigstens eine Lichtquelle. Der Lichtleiter weist eine bestimmte erste Oberfläche mit einem Oberflächenprofil auf, das Muster umfasst, die Beugungseigenschaften aufweisen. Das Oberflächenprofil wird direkt auf der Oberfläche hergestellt.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen neuen Lichtleiter zu schaffen, der eine gleichmäßige Beleuchtung des Hintergrunds der Anzeige erzielt und der einfach herzustellen ist.
Für das Erzeugen der Hintergrundbeleuchtung einer Flachschirmanzeige wird in der Erfindung ein gemusterter Lichtleiter verwendet, in dem wenigstens eine Oberfläche so behandelt worden ist, dass Beugungseigenschaften erzielt werden, durch die die lokale Auskopplungsgüte des Lichtleiters als Funktion des von der Lichtquelle aus gemessenen Abstands und/oder ihrer Wellenlänge geändert werden kann. Die Auskopplungsgüte des Lichtleiters hängt von wenigstens einem Parameter ab, der die Beugungseigenschaften der Oberfläche beschreibt. Die lokale Auskopplungsgüte wird durch Größen beeinflusst, die die beugende Oberfläche charakterisieren, wie etwa durch die Periodizität der Oberflächenformationen der Muster des Beugungsprofils, die Periode d, den Füllfaktor c und/oder die Höhe/Tiefe der Erhöhungen/Rillen des Profils. Oberflächenformationen, die als grundlegende Beugungsprofile gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung geeignet sind, umfassen binäre, rechteckwellenförmige, sinusförmige und/oder dreieckwellenförmige Formationen, wobei durch die Bildung geeigneter Kombinationen hiervon die Eigenschaften der Erfindung für jede Anwendung optimiert werden können.
Außerdem können gemäß einer bevorzugten Ausbildungsform der Endung die Eigenschaften eines Beugungslichtleiters verbessert werden, indem seine Oberfläche so unterteilt wird, dass Pixel gebildet werden, in denen seine Gittereigenschaften lokal gleichmäßig sind. Die Ausrichtung der Pixel kann besonders an dem Ende bei der Lichtquelle vorteilhaft verwendet werden, um die Verteilung des Lichts und somit die Helligkeit der Hintergrundbeleuchtung der Anzeige zu verbessern. Ein Beispiel einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist eine binäre, gitterartige Beugungsstruktur der Oberfläche.
Die Muster auf der Lichtleiteroberfläche können z. B. aus zwei Typen beugender Pixel bestehen, die beide vom binären Typ sind. Einige der Pixel in der Nähe der Lichtquelle sind so ausgerichtet, dass sich die Beugungsprofile und somit die Pixel selbst zueinander in einer um 90° drehenden Geometrie befinden, wenn die gedachte Drehachse parallel zur Oberflächennormalen des Lichtleiters verläuft. Außerdem können abgeänderte Basisprofile oder Kombinationen hiervon verwendet werden.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung wird ausführlich mit Bezug auf die folgende Zeichnung beschrieben, in der:
1 eine bekannte Anordnung zeigt, die auf einer zufälligen Aufrauung basiert, um eine Beleuchtung zu schaffen,
2 eine bekannte Anordnung zeigt, die auf der Verwendung linsenartiger Streuer anstelle der zufälligen Aufrauung basiert, um das Licht zum Objekt zu leiten,
3 eine Lichtleiteranordnung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zeigt,
4 eine Einzelheit eines Lichtleiters gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zeigt,
5 die Beugung und Reflexion zeigt, die in einem Lichtleiter gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erfolgen,
6 die lokale Auskopplungsgüte η der Beugungsstruktur als Funktion des von der Lichtquelle aus gemessenen Abstands darstellt,
7 Lichtleiter gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zeigt,
8 das Basisprofil der Rillen und Erhöhungen der Beugungsstruktur eines Lichtleiters gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zeigt,
9 die in Pixel aufgelöste, grundlegende Beugungsstruktur eines Lichtleiters gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zeigt,
10 ein abgeändertes Profil und/oder eine Pixelstruktur eines Lichtleiters gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung darstellt.
Die 1 und 2 stellen Verfahren dar, die aus dem Stand der Technik zur Hintergrundbeleuchtung vorher bekannt sind.
Die 1A, 2, 3A, 5A, 7A, 7B, 7C, 9A, 9B, 10A stellen die Prinzipien der Muster der Mikrostruktur der Beugungsprofilgeometrie dar und sind somit in Bezug auf die makroskopischen Abmessungen oder die Dicke des Lichtleiters nicht zwangsläufig maßstabsgerecht.
3A zeigt, wie die Beleuchtung einer Flachschirmanzeige 311 durch einen Lichtleiter 313 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ausgelegt sein kann. Der Lichtleiter 313 besitzt eine binarisierte Beugungsstruktur, bei der sich die geometrischen Eigenschaften des Oberflächenprofils ändern, wenn der Abstand von der Lichtquelle zunimmt. Lokal sind die geometrischen Änderungen im Vergleich zu den benachbarten Formationen klein, wobei sie sich bei einer bestimmten Genauigkeit einer Gitterstruktur annähern, in der sich die Gitterkonstante als Funktion des Ortes ändert. Das Licht 312 ist überall im gesamten Beugungslichtleiterelement 313 gleich stark, obgleich einzelne Lichtstrahlen 312 an dem ersten Ende 313A des Lichtleiters 313 nahe der Lichtquelle L3 stärker sind als an dem gegenüberliegenden Ende 313B. Die lokale Auskopplungsgüte η des Beugungselements 313C ist durch Verwendung seiner Abhängigkeit vom Füllfaktor c verändert worden. Außerdem ist es für die Erfindung vorteilhaft, z. B. einen weißen Lambertschen Reflektor 314 unter dem Lichtleiter 313 zu verwenden, um den Teil des Lichts, der durch die Unterseite des Lichtleiters 313 in die falsche Richtung durchgelassen wurde, zurück zum Lichtleiter 313 zu reflektieren oder zu streuen, so dass er für die Beleuchtung der Anzeige 311 verwendet wird.
3B stellt die lokale Auskopplungsgüte η der Beugungskonstruktion gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung als Funktion des von der Lichtquelle L3 aus gemessenen Orts dar.
3C stellt die lokale Helligkeit B der Anzeige, die durch eine Beugungsstruktur gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erzielt wird, als die Funktion eines von der Lichtquelle L3 aus gemessenen Orts dar, wenn die Auskopplungsgüte von 3B zum Erzielen einer konstanten Helligkeit durch Ändern der Geometrie des Beugungsprofils, d. h. des Füllfaktors, kompensiert worden ist. Die Helligkeit ist konstant und somit ortsunabhängig.
Die Länge der horizontalen Achse von 30 mm in den 3B und 3C ist lediglich ein Beispiel, und sowohl die Länge und/oder die Breite einer tatsächlichen Anzeige als auch andere Abmessungen des Lichtleiters können wesentlich davon abweichen.
3D zeigt den Durchgang der Lichtstrahlen 315, 16A und 16B, die die Lichtquellen L3 verlassen haben, im Lichtleiter 313 sowie deren Umsetzung in die Strahlen 15A bis 15E, die aus dem Lichtleiter heraus geleitet werden. Es wird angemerkt, dass bei den Transmissionen und Reflexionen, die an den Punkten 15A bis 15E stattfinden, die makroskopische Helligkeit des Lichts der in 3C außerhalb des Lichtleiters, wie sie von einem Beobachter in der Richtung der Anzeige zu sehen ist, gleicht, obgleich in Bezug auf einen einzelnen Lichtstrahl in einem mikroskopischen Maßstab die Intensität des Lichtstrahls als die Funktion eines Abstands, der von der Lichtquelle aus gemessen wird, und ferner in Folge mehrerer Reflexionen und/oder Transmissionen abgeschwächt wird. Eine gleichmäßige Helligkeit wird durch Ausrichten eines größeren Teils des lokal von der Lichtquelle verfügbaren Lichts durch eine Beugungsstruktur gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung (3A) erzielt.
4 zeigt die Struktur der Oberflächengeometrie eines Beugungslichtleiters in einer der bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung. Charakteristische Parameter eines binären Beugungsprofils sind die Zykluslänge d, der Füllfaktor c und die Höhe h der Erhöhung des Profils. n1 ist die Brechzahl des Lichtleitermaterials und n2 ist die Brechzahl des Mediums zwischen dem Lichtleiter und der Anzeige.
5A zeigt die Lichtausbreitung nach dem Prinzip der Totalreflexion in einem Beugungslichtleiter gemäß der Erfindung im Hinblick auf einen Lichtstrahl, der in der Richtung α in Bezug auf die Normale der inneren Oberfläche des Lichtleiters verläuft. Eine Einzelheit 517, die den Durchgang des Lichtstrahls in einer Periode der Beugungsstruktur zeigt, ist durch eine gestrichelte Linie von dem Lichtleiter abgegrenzt.
5B ist eine Vergrößerung der Einzelheit 517 in 5A. Die optische Geometrie ist dieselbe wie in 5A. Wenn ein Lichtstrahl auf das Beugungsprofil d trifft, wird seine Beugung durch die Transmissions- und Reflexionswinkel β_pT und β_pR entsprechend dargestellt, wobei bestimmte Ordnungen von ihnen in 5B gekennzeichnet sind. 0_R ist z. B. die normale Reflexion des Hauptstrahls.
6 zeigt die Auskopplungsgüte n der Beugungsstruktur als die Funktion des Füllfaktors c, der mit der Periode d normiert ist, mit anderen Worten, die Abhängigkeit der Auskopplungsgüte als die Funktion des Verhältnisses c/d. Die Abhängigkeit ist für drei Einfallswinkel des Hauptstrahls dargestellt: 60° (durchgezogenen Linie), 70° (gestrichelte Linie) und 80° (punktierte Linie). Die in der Figur gezeigten Ergebnisse basieren auf berechneten Mittelwerten der transversalen elektrischen und magnetischen Felder des sich ausbreitenden Lichts. Die Lichtstrahlen, die direkt durchgegangen sind oder die vorteilhaft reflektiert wurden, sind berücksichtigt worden. Die Absorption der weißen Reflektorplatte an der Unterseite des Lichtleiters ist in der Berechnung nicht berücksichtigt worden.
7 zeigt beispielhaft bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung, die unter Verwendung eines binären Profils des Lichtleiters (8) erzielt wurden. 7A zeigt das Prinzip einer quer zur Ausbreitungsrichtung des Lichts gerillten Beugungsstruktur 718, wie sie von oben aus der Richtung der Anzeige zu sehen ist. Die 7B und 7C zeigen die Prinzipien von Lichtleiterabschnitten 719, 720, die durch gebogene Rillen hergestellt wurden. Eine punktierte Linie A-B zeigt die Orte der Rillen C und der Erhöhungen des Beugungsprofils und das geometrische Prinzip, wie ein Betrachter es sieht, wenn er von der Seite des Beugungselements 718, 719, 720 (unterer oder oberer Rand in der Figur) auf der Höhe der Oberfläche des Lichtleiters senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Lichts blickt. Weitere Beugungsprofile (8 und 10) sind ferner in einem Lichtleiterabschnitt 718, 719, 720 entweder an sich oder durch Kombination möglich. Mögliche Helligkeitsunterschiede auf der Anzeige können durch Verwendung einer wellenartigen Rillenstruktur (7C) ausgeglichen werden.
8 zeigt alternative Beugungsprofile für die Oberflächenformation eines Lichtleiters (und Pixel, die in ihm enthalten sind) gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sowie darauf bezogene Parameter, die die optischen Eigenschaften der Oberfläche beeinflussen. 8A zeigt ein binäres Profil von Rillen/Erhöhungen für eine Beugungsoberfläche und/oder ihre Pixel. In der Figur ist h die Höhe der Erhöhungen, c ist der Füllfaktor und d ist die Länge der Rille/Erhöhung-Periode des Profils. 8B zeigt ein sinusförmiges Profil, in dem h die Höhe der Erhöhung ist, d die Periodenlänge und c der Füllfaktor ist, der auf der Basis der Halbwellenbreite der sinusförmigen Erhöhung definiert ist. Als ein Beispiel für eine Mehrebenenbeugungsprofilstruktur zeigt 8C eine Struktur mit drei Ebenen mit ihren charakteristischen Parametern: h1 und h2 sind die Höhen der Ebenen der Rillen einer lokal Gitterstruktur, d ist die Periodenlänge und c ist der Füllfaktor. 8D zeigt eine Einzelheit einer mit dreieckigen Erhöhungen versehenen Beugungsprofilstruktur, in der h die Höhe der Erhöhung ist, d die Periodenlänge und c der Füllfaktor, der auf der Basis der Halbwellenbreite der Erhöhung wie in 8B definiert ist. Der Füllfaktor kann außerdem durch Ändern des Spitzenwinkels der dreieckigen Erhöhung variiert werden. Außer diesen können außerdem weitere Profile verwendet werden. Zum Beispiel können Profile, die durch Kombinieren von wenigstens zwei von 8 gezeigten Basisprofilen erzielt werden, entweder an sich, durch ihre Kombination und/oder Modifizierung und/oder durch ihre Kombination mit mathematisch dargestellten periodischen Formen, die durch Parameter beschrieben werden können, die den Basisprofilen zugeordnet sind, verwendet werden. Ein Beispiel dafür ist ein Beugungsprofil, das aus einem sinusförmigen Wellenprofil (8B) erzielt wird, indem andere sinusförmige Profile mit ihm kombiniert werden, deren Periodenlängen und Füllfaktoren Funktionen des mathematischen Werts der Periodenlänge und des Füllfaktors oder der Phase der Form eines Basisprofils sind (z. B. die 8A und 8D).
9 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, bei der die beugende Oberfläche des Lichtleiters pixelartige Muster aufweist. Das Ziel der Aufteilung in Pixel und/oder der Ausrichtung der Pixel ist es, die Gleichmäßigkeit des Lichts an dem ersten Ende des Lichtleiters durch Beugung zu beeinflussen und somit die Eigenschaften der Beugungsstruktur des Lichtleiters zu verbessern. Die Beugungsfläche kann so in Pixel unterteilt werden, dass die Pixel, die sich der Lichtquelle am nächsten befinden (Ausrichtung B), einen ausgleichenden Abschnitt 902 bilden, in dem das Licht der Lichtquelle im Ergebnis der Beugung verteilt wird, so dass eine makroskopisch gleichmäßige Beleuchtung geschaffen wird. Die Pixel eines derartigen ausgleichenden Abschnitts 902 auf der Grundlage der Beugung sind vorzugsweise gemäß der Ausrichtung B und auch in anderer Geometrie in Bezug auf die Periodenlänge und den Füllfaktor oder in Bezug auf einen weiteren Freiheitsgrad, der in Bezug auf die Anwendung wesentlich ist, angeordnet. Der Zweck der Pixel 903, 904, die sich weiter weg in der Ausbreitungsrichtung des Lichts befinden, besteht entweder darin, Licht aus dem Leiterabschnitt auszukoppeln, um eine Beleuchtung zu schaffen (Pixel 903, Ausrichtung A) und/oder darin, das von der Lichtquelle ankommende Licht so zu verteilen, dass es noch gleichmäßiger wird (Pixel 904, Ausrichtung B). Es ist vorteilhaft, mehr lichtverteilende Pixel 902, 904 in der Nähe der Lichtquelle 901 als weiter weg von ihr zu verwenden. In dieser Beugungsstruktur gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, die hier als Beispiel verwendet wird, werden die Zwecke der Pixel auf der Grundlage ihrer Ausrichtung (9A) bestimmt.
9B zeigt die Lichtausbreitung in einem Pixel, das die Beleuchtung ausgleicht. Im Ergebnis der Beugung wird der einfallende Lichtstrahl in viele Richtungen verteilt, die durch Ordnungen, die Intensitätsmaxima repräsentieren, dargestellt werden. Die Richtungen der Beugungsmaxima entsprechen den Ordnungen ± 2, ± 1 und 0, die ferner den Ausbreitungsrichtungen der Lichtstrahlen entsprechen, die in der Figur gekennzeichnet sind.
Die Pixel können lokal gleichmäßig sein und/oder der Füllfaktor und die Periode können sich in ihnen als die Funktion einer Größe ändern, die, wie etwa der Abstand, von der Lichtquelle aus gemessen wird. Obgleich die Aufteilung in Pixel hier in einer rechteckigen Anwendung dargestellt ist, kann sie ferner in anderen geometrischen Formen angewendet werden wie etwa in den in 7 gezeigten Rillenmustern, wenn eine gleichmäßige Hintergrundbeleuchtung einer Anzeige durch die Platzierung der Lichtquelle optimiert wird.
10 zeigt Modifikationen der Basisprofile eines Beugungslichtleiters gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. 10A stellt ein Profil dar, das binär ist, das aber außerdem von den Basisformen von 8, z. B. angewendet auf die Aufteilung einer beugenden Oberfläche in Pixel gemäß 9, abgeleitet werden kann. Einige der Pixel in 10A weichen von der Ebene der Oberfläche des Lichtleiters (horizontal) mit dem Winkel Φ ab, einige mit dem Winkel φ und einige sind parallel zu der Oberfläche des Lichtleiters. Nach der Darstellung der 10A und 10B ist für den Fachmann auf dem Gebiet natürlich offensichtlich, dass bei einer Aufteilung in Pixel, die in der Struktur eines makroskopischen Teils enthalten ist, die Abweichungswinkel und das Verhältnis der Anzahl abweichender Pixel zu der Anzahl nicht abweichender Pixel in einem Lichtleiter ferner eine Wirkung auf seine Beugungseigenschaften besitzen. 10B zeigt ein Beugungsprofil gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, das von den Basisformen der 8 abgeleitet wird, wenn die Oberflächenformationen mit dem Winkel Θ von der Ebene abweichen, die durch ein in 10A gezeigtes Pixel bestimmt ist. Für den Fachmann auf dem Gebiet ist ferner offensichtlich, dass in einem Beugungsprofil außerdem Strukturen möglich sind, die in Bezug auf den Scheitel der Oberflächenformation abgeschrägt sind. 10 stellt die Prinzipien der Geometrie von Beugungsprofilen dar, wobei folglich die Größe und/oder die Abweichungswinkel der Pixel nicht zwangsläufig maßstabsgerecht zu den Perioden und/oder Höhen der Oberflächenformationen sind.
Die Theorie, die sich auf den Stand der Technik über das Beugungsverhalten von Licht, über die Wirkung der Parameter der Mikrogeometrie, über die Eigenschaften der Lichtquelle und ihres Abstands bezieht, ist z. B. in dem Buch: "Micro-optics: Elements, systems and applications", herausgegeben von Hans Peter Herzig, Taylor und Francis, 1997, und besonders in Kapitel 2: Diffraction Theory of Microrelief Gratings, von Jari Turunen, behandelt worden.
Es gibt außerdem weitere Veröffentlichungen, die sich auf den Stand der Technik beziehen, wie etwa: Illumination light pipe using micro-optics as diffuser, Proceedings Europto series, Holographic and Diffractive Techniques, SPIE 2951, 146–155, 1996.
Eine Beugungserscheinung wird in monochromatischem Licht beobachtet, wenn das Licht auf ein Teil oder eine Gruppe von Teilen (Gitter) trifft, deren charakteristische Abmessungen im Bereich der Wellenlänge des Lichts liegen. Der einfallende Lichtstrahl wird aufgegliedert und seine Ausbreitungsrichtung wird geändert. Die neuen Richtungen der Lichtstrahlen sowohl für die reflektierten als auch für die durchgelassenen Strahlen können durch die Wellenlänge, ihre ganzzahligen Ordnungen und die charakteristische Abmessung des an der Beugung beteiligten Teils ausgedrückt werden. Die Formeln (1) und (2) können bei der Berechnung der Richtungswinkel, die den Ordnungen der Ausbreitungsrichtungen des gebeugten Lichts entsprechen, angewendet werden. Für durchgelassene Ordnungen gilt: sin βpT = p·λ/(n2·d) + (n1/n2)sin α (1)und für die reflektierten: sin βpR = p·λ/(n2·d) + sin α (2)wobei α der Richtungswinkel des einfallenden Lichtstrahls in Bezug auf die Oberflächennormale ist, β_pT der Richtungswinkel der Ordnung p des durchgelassenen Lichts und β_pR der Richtungswinkel der Ordnung p des reflektierten Lichts ist, p die Ordnung des Lichtstrahls ist, 1 die Wellenlänge des primären einfallenden Lichts ist, n1 die optische Brechzahl des Beugungslichtleiters ist, n₂ die Brechzahl des Mediums ist, das den Lichtleiter umgibt, und b die Periode der Beugungsstruktur ist.
Eine Ausführungsform der Erfindung wird hier als ein Beispiel beschrieben. Es wird ein Prototyp des Lichtleiters mit dem Ziel hergestellt, eine Flachschirmanzeige zu beleuchten. Es werden drei Lichtquellen verwendet, wobei die Wellenlänge des ausgesendeten Lichts 570 nm beträgt. Die optimale Beugungsstruktur des Lichtleiters wird mit den Parametern aus der Tabelle unten realisiert.
Die Periodenlänge des Beugungsprofils ist vorzugsweise zwischen 1,5 μm und 3, 5 μm vorgesehen. Eine geeignete Tiefe der Rillen in einer Beugungsstruktur gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung beträgt von 0,3 bis 0,7 μm, d. h. im Bereich der Wellenlänge, wenn sichtbares Licht verwendet wird. Auf dieser Grundlage ist für den Fachmann auf dem Gebiet offensichtlich, dass durch Verwenden geeigneter Materialien eine Technik gemäß den bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung ferner auf andere elektromagnetische Wellenbewegungen skaliert werden kann, deren Wellenlänge von der des Lichts verschieden ist, wie etwa Anwendungen und Aufgaben, die sich auf medizinische und/oder technische Röntgen- und/oder Analyseverfahren beziehen.
Durch die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung kann die Auskopplungsgüte der Beugungsstruktur des Lichtleiters als eine Funktion des von der Lichtquelle aus gemessenen Abstands vergrößert werden, um die Verringerung der zur Beleuchtung verwendeten Lichtmenge bei einer Bewegung weg von der Lichtquelle auszugleichen. Eine gleichmäßige Helligkeit der Anzeige wird erzielt, wenn die Auskopplungsgüte im selben Verhältnis zunimmt, wie die zur Verfügung stehende Lichtmenge abnimmt.
Die lokale Auskopplungsgüte der Oberfläche eines Lichtleiters gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann durch Ändern der Periode des Beugungsprofils und/oder der Tiefe der Rillen reguliert werden. Die Ordnung des Streumodus und des Streuwinkels der ausgekoppelten Lichtstrahlen kann ferner durch Ändern der Periode des Beugungsprofils reguliert werden. Die Abhängigkeit der Beleuchtung vom Einfallswinkel des Lichtstrahls ist am Quellenende des Lichtleiters größer als am gegenüberliegenden Ende. Die Verteilung der Beleuchtung, die auf der Oberfläche des Lichtleiters beobachtet wird, kann durch Ändern der Periode des Profils der Beugungsstruktur ausgeglichen werden.
Außerdem können die Beugungsprofile und/oder sogar ganze Pixel geeignet modifiziert werden, indem sie in Bezug auf die drei möglichen Freiheitsgrade gedreht werden und/oder indem die Beugungsprofile oder ihre Elemente, lang gestreckte Oberflächenformationen und/oder ihre lokalen Formationen, geneigt werden. In einem einzelnen Pixel können die verschiedenen Teile des Beugungsprofils in Bezug auf Geraden, die zur Oberfläche parallel verlaufen, um einen für die Anwendung geeigneten Winkel gedreht sein (10B). Selbst ganze Pixel können in Winkeln abweichen, die von der Ebene der Oberfläche der Anzeige verschieden sind (10A). Die Beugungsstruktur und/oder die Gruppierung des Lichtleiters und/oder der Pixel, der Rillen und/oder der Erhöhungen, die dadurch enthalten sind, können ferner gemäß der fraktalen Geometrie konstruiert sein.
Eine Oberfläche gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in einem Beugungslichtleiter kann z. B. direkt auf der Oberfläche unter Verwendung nanolithographischer Verfahren mit einem Elektronenstrahl oder durch Formung des Lichtleiters hergestellt werden. Ein bevorzugtes Material für die Herstellung des Lichtleiters ist Polymethylmethacrylat PMMA. Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, dass ein Lichtleiter dementsprechend z. B. durch Massenproduktionsmittel und -verfahren auf der Grundlage der Extrusion hergestellt werden kann. Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass ihre Ausarbeitung für die Anwendung durch Konstruieren einer Beugungsstruktur auf einem ausgewählten Substrat schnell ausgeführt werden kann, wobei die Beugungsstruktur ferner für den Anwender nicht wahrnehmbar ist.
Es ist ferner möglich, kompliziertere Profile als die in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung (8 bis 10) zur gleichmäßigen Verteilung des Lichts beschriebenen zu verwenden, wobei jedoch, wenn die Struktur komplizierter wird, wahrscheinlich außerdem die Herstellungskosten steigen. Komplizierte Techniken sind wenigstens in den Veröffentlichungen von Noponen u. a. (1992): 'Synthetic diffractive optics in the resonance domain', J. Opt. Soc. Am. A9, 1206–1213, und von Vasara u. a. (1992): Applied Optics, 31, 3320–3336, beschrieben.
Die Beugungsstruktur auf der Oberfläche des Lichtleiters kann entweder auf einer Seite des Lichtleiterabschnitts oder auf beiden Seiten hiervon erzeugt werden. Auf beiden Seiten erzeugte Beugungsoberflächen müssen nicht völlig gleich sein. Die Erfindung ist z. B. besonders für die Verwendung in Verbindung mit einer lichtemittierenden Diode (LED) geeignet. Die Erfindung ist ferner z. B. für die Verwendung mit einer Technik auf der Grundlage von Flüssigkristallanzeigen (LCD) sehr geeignet.
Es ist vorteilhaft, wenn die gesamte Energie der Lichtquelle in die Beleuchtung des Hintergrunds der Anzeige umgesetzt werden kann. Diese Anforderung wird am vorteilhaftesten in Bezug auf die Anwendung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung getroffen, wenn eine LED als Lichtquelle verwendet wird, wobei jedoch ferner weitere Lichtquellen wie etwa Laser und/oder weiße Lichtquellen verwendet werden können. Dem Fachmann auf dem Gebiet ist bekannt, dass das Licht gefiltert und/oder polarisiert werden kann. Dem Fachmann auf dem Gebiet ist ferner bekannt, dass die Anwendung kombinierter Techniken von weißem Licht, das gefiltert und/oder polarisiert verwendet werden kann, Kombinationen hiervon, bei denen Lichtenergie speichernde Strukturen verwendet werden, mit anderen Worten Lösungen auf der Grundlage der Phosphoreszenz und/oder Fluoreszenz, einschließt. Um die aus den Seiten und Enden des Lichtleiterabschnitts ausgekoppelte Lichtmenge zu minimieren, können die Ränder des Lichtleiterabschnitts außerdem mit durchsichtigen und/oder diffusen Filmen beschichtet oder mit einem Schliff, der für den Zweck geeignet ist, behandelt werden.
Um zu erreichen, dass die Ausbreitungszeit des Lichtstrahls im Lichtleiterabschnitt so lang wie möglich ist (d. h., um die Lichtmenge zu maximieren, die zur effektiven Verwendung ausgekoppelt wird), kann der Lichtleiterabschnitt wie ein unsymmetrisches Trapez oder dergleichen geformt werden, wodurch die Energie der Lichtstrahlen, die sich in der Richtung der Beugungsoberfläche ausbreiten und somit sonst aus den Enden heraus geführt werden, für die Beleuchtung verwendet werden kann.
Eine gleichmäßige Lichtverteilung an dem ersten Ende des Lichtleiters kann durch Aufteilung der Beugungsstruktur in Pixel (9) beeinflusst werden. An dem Quellenende des Lichtleiters kann ein besonderer Abschnitt 902 erzeugt werden, um die Verteilung des Lichts von der Lichtquelle auszugleichen (9A).
Die Verteilung des Lichts auf der Grundlage der Beugung in einem geeigneten Pixel 902 (9) wird in dem folgenden Beispiel veranschaulicht. Wenn die Beugung des Lichts in diesem Zusammenhang erläutert wird, bedeuten die Richtungen der Intensitätsmaxima die Ausbreitungsrichtungen der gebeugten Lichtstrahlen, in denen Licht im Ergebnis der Beugung gesehen werden kann. Wenn die Periodenlänge eines Beugungsgitters in der Beugungsstruktur 2,5 μm beträgt, die Tiefe der Rillen 0,5 μm, der Füllfaktor 0,5 und die Wellenlänge des mit einem Einfallswinkel von α = 60° einfallenden Lichts 470 nm beträgt, sind Intensitätsmaxima in Richtungen zu sehen, die von der Richtung der O-ten Ordnung des durchgelassenen Hauptstrahls abweichen und die entsprechend bei 8,2°, 16,1°, 23,5° für die entsprechenden Ordnungen ± 1, ± 2 und ± 3 liegen. Die Abweichungen von dem Hauptstrahl derselben Ordnungen betragen bei der Wellenlänge 570 nm entsprechend ± 10°, ± 19,3° und ± 27,8°. Wenn der Einfallswinkel des Hauptstrahls zunimmt, nehmen die den Intensitätsmaxima entsprechenden Beugungswinkel bis zu einem gewissen Grade ab. Wenn z. B. die Wellenlänge 470 nm beträgt, aber der Einfallswinkel 80° ist, ist ein Lichtstrahl der ersten Ordnung in der Richtung von 7,3° zu sehen. Außerdem hängt die Verteilung der Lichtenergie zwischen Lichtstrahlen, die verschiedene Beugungsordnungen repräsentieren, stark vom Einfallswinkel des Hauptstrahls ab.

Claims

Lichtleiter (313, 900) für die Schaffung einer Hintergrundbeleuchtung (312) einer Flachschirmanzeige (311) durch wenigstens eine Lichtquelle (L3, 901), wobei der Lichtleiter (313, 900) eine bestimmte erste Oberfläche (313C) mit einem Oberflächenprofil aufweist, das Muster mit Beugungseigenschaften umfasst und direkt auf der Oberfläche hergestellt ist, dadurch gekennzeichnet, dass – die Muster gleichmäßige, voneinander verschiedene pixelartige Bereiche (903, 904) mit einer bestimmten Verteilung auf der ersten Oberfläche (313C) umfassen, – einige (904) der Bereiche (903, 904) eine Orientierung (904) einer Beugungsoberflächenformation aufweisen, um das von der Lichtquelle (L3, 901) ankommende Licht so zu verteilen, dass eine makroskopisch gleichmäßige Beleuchtung geschaffen wird, und – einige (903) andere der Bereiche (903, 904) eine Beugungsoberflächenformation aufweisen, um Licht von dem Lichtleiter (313, 900) auszukoppeln, um eine Beleuchtung (312) zu schaffen.
Lichtleiter (313, 900) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Muster umfassen: – parallele, langgestreckte Oberflächenformationen, die geradlinig oder gebogen sind und eine Höhe (h) sowie eine Breite (c) aufweisen, – einen bestimmten ersten gleichmäßigen Bereich (904), in dem ein bestimmter charakteristischer Parameter einen bestimmten ersten Wert aufweist; – einen bestimmten zweiten gleichmäßigen Bereich (903), in dem der charakteristische Parameter einen bestimmten zweiten Wert aufweist, der sich von dem ersten Wert unterscheidet; wobei sich die Oberflächenformationen in dem ersten Bereich (904) von den Oberflächenformationen in dem zweiten Bereich (903) in Bezug auf den charakteristischen Parameter unterscheiden und der charakteristische Parameter wenigstens einer der folgenden ist: – Orientierung der Oberflächenformationen, – Periodenlänge (d) einer periodischen Oberflächenformation, – Oberflächenformationsbreite (c), – Füllverhältnis (c/d), – Höhe (h) einer Oberflächenformation, – Grad, in dem ein Basisprofil modifiziert worden ist, – Winkel (Θ), um den eine Oberflächenformation abgelenkt ist.
Lichtleiter (313, 900) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wert wenigstens eines charakteristischen Parameters von einer Größe abhängt, die in Bezug auf die Lichtquelle (L3, 901) definiert worden ist, etwa von dem Abstand von der Lichtquelle (L3, 901).
Lichtleiter (313, 900) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich die langgestreckten Oberflächenformationen von bestimmten ersten Formen auf Seiten der Lichtquelle (313A) des Lichtleiters (313, 900) zu anderen Formen auf der gegenüberliegenden Seite (313B) des Lichtleiters (313, 900) in Abhängigkeit von einer Größe ändern, die von der Lichtquelle (L3, 901) abhängt, etwa von dem Abstand von der Lichtquelle (L3, 901).
Lichtleiter (313, 900) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine lokale Ebene in dem Bereich bestimmter Muster aus einer Ebene, die durch die erste Oberfläche des Lichtleiters (313, 900) bestimmt ist, abgelenkt ist und der Winkel (ϕ, Φ, Θ) dieser Ablenkung von einer Größe abhängt, die von der Lichtquelle (L3, 900) abhängt, etwa von dem Abstand.
Lichtleiter (313, 900) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllverhältnis (c/d) bei einer Bewegung von der Seite der Lichtquelle (313A) des Lichtleiters (313, 900) zu der gegenüberliegenden Seite (313B) des Lichtleiters (313, 900) zunimmt.
Lichtleiter (313, 900) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllverhältnis (c/d) zwischen 0,2 und 0,5 liegt.
Lichtleiter (313, 900) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilung der Muster von einer Größe abhängt, die von der Lichtquelle (L3, 901) abhängt, etwa dem Abstand von der Lichtquelle (L3, 901).
Lichtleiter (313, 900) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich seine erste Oberfläche (313C) auf jener Seite des Lichtleiters (313, 900) befindet, die sich am nähesten bei der Anzeige (311) befindet.
Lichtleiter (313, 900) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die langgestreckten Formen der Oberflächenformationen in den Mustern in einem bestimmten gleichmäßigen Bereich der Oberfläche des Lichtleiters (313, 900) ähnlich wiederholen.
Lichtleiter (313, 900) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Periodenlänge (d) seiner beugenden Oberfläche (313C) in einer Beugungsstruktur (517) im Bereich von 1,5 bis 3,5 μm liegt.
Lichtleiter (313, 900) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefe und/oder die Höhe (h) der langgestreckten Oberflächenformationen seiner beugenden Oberfläche (313C) in einer Beugungsstruktur (517) im Bereich von 0,3 bis 0,7 μm liegt.
Lichtleiter (313, 900) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er polygonförmig ist und wenigstens einen Winkel besitzt, der sich von 90° wesentlich unterscheidet.
Lichtleiter (313, 900) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er fluoreszierende und/oder phosphoreszierende Eigenschaften aufweist.
Lichtleiter (313, 900) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – der relative Abschnitt der ersten Oberfläche, der durch Lichtverteilungsbereiche (902, 904) bedeckt ist, im Verhältnis zu dem zunehmenden Abstand von der Lichtquelle (L3, 901) abnimmt.
Lichtleiter (313, 900) nach Anspruch 1 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass – in der Nähe der Lichtquelle (901) mehr Lichtverteilungsbereiche (902, 904) als weiter von ihr entfernt vorhanden sind.
Lichtleiteranordnung, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Lichtquelle (L3, 901), eine Anzeige (311), einen Lichtleiter (313, 900) nach Anspruch 1 und eine Grundplatte des Lichtleiters (313, 900) umfasst.
Lichtleiteranordnung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Lichtquellen (L3, 901) drei beträgt.