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Hintergrund
der Erfindung
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Die
vorliegendem Erfindung betrifft allgemein eine Vorrichtung zum Beleuchten
eines Displays und insbesondere eine Beleuchtungsvorrichtung, die
Licht in einen optischen Resonator, wie etwa einen Wellenleiter,
gleichmäßig einstrahlt.
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Beleuchtungsvorrichtungen
werden zum Beleuchten von nicht abstrahlenden Displays, wie etwa LCD-Displays
für persönliche digitale
Assistenten oder Mobiltelefone verwendet. Ein Typ von Beleuchtungsvorrichtung
weist einen Wellenleiter auf, der eine Vielzahl von Lichtquellen
hat, die entlang dem Umfang des Wellenleiters angeordnet sind. Die
Lichtquellen werden aktiviert, und das abgestrahlte Licht beleuchtet
den Wellenleiter.
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Es
ist äußerst erwünscht, daß die Beleuchtung über die
Displayfläche
hell und im wesentlichen gleichmäßig ist.
Im Stand der Technik tendiert jedoch die Intensität des Lichts
von den Lichtquellen dazu, mit zunehmender Distanz von der Lichtquelle
abzunehmen, so daß unerwünschte helle
Flecken entlang dem Umfang des Displays, wo die Lichtquellen angebracht
sind, verursacht werden.
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Gewöhnlich werden
Miniatur-Leuchtstoffröhren
als Lichtquellen verwendet. Solche Röhren erzeugen nicht viel Wärme und
minimieren somit einen Wärmeaufbau.
Sie sind jedoch nicht sehr hell. Festkörper-Punktlichtquellen, wie
etwa LEDs, sind relativ hell, haben jedoch eine relativ kleine thermische Masse,
was ein relativ hohes Maß an
Wärmeaufbau bewirkt.
Ein solcher Wärmeaufbau
kann dazu führen, daß der Pegel
der Lichtleistung der LEDs nach der Anfangsaktivierung der LED über die
Zeit signifikant abnimmt. Infolgedessen wird die Helligkeit der
Beleuchtung verschlechtert.
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Das
US-Patent Nr. 5 410 453 von Ruskouski beschreibt im Zusammenhang
mit einer Beleuchtungsvorrichtung, wie etwa einem Ausgang-Zeichen, daß eine LED-Beleuchtungseinrichtung
für den
passenden Eingriff mit einer elektrischen Buchse der Beleuchtungsvorrichtung
vorgesehen ist. Die LED-Einrichtung hat eine Vielzahl von LEDs,
die in Öffnungen eingelassen
sind, um Licht in ein gewünschtes
Beleuchtungsmuster zu lenken. Dieses Dokument bildet die Basis für den Oberbegriff
des unabhängigen
Anspruchs 1.
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Das
FR-Patent 1 450 283 von M. David Horace Young beschreibt eine Vorrichtung
zum Bilden von Pfosten, die folgendes aufweisen: eine Oberfläche, die
eine große
Anzahl von Facetten hat, die in unterschiedlichen und vorbestimmten
Orientierungen angeordnet sind, und eine Einrichtung zum Beleuchten
der Facetten auf eine veränderbare
und vorbestimmte Weise.
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Die
EP-Patentanmeldung mit der Veröffentlichungs-Nummer
0 495 273 A1 von Lumitex Inc. beschreibt eine Dünnplatten-Beleuchtungsvorrichtung, die
ein massives transparentes Plattenelement aufweist, das einen oder
mehrere verformte Ausgangsbereiche hat, die bewirken, daß in die
Platte entlang einem Eingangsrand davon eintretendes Licht entlang
der Länge
der Platte abgestrahlt wird. Licht kann zu einem oder mehreren Platteneingangsrändern von
einer oder mehreren Lichtquellen unter Verwendung von Umwandlungseinrichtungen
durchgelassen werden, die fokussiertes Licht ohne weiteres im allgemeinen
auf die Gestalt der Platteneingangsoberflächen umwandeln.
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Die
US-A 5 618 096 beschreibt eine Beleuchtungsvorrichtung, die in einer
Ausführungsform zwei
Punktlichtquellen, obere und untere Licht abstrahlende Platten und
ein dazwischen sandwichartig angeordnetes Lichtumwandlungselement
aufweist. Dieses Dokument beschreibt ein Verfahren zum Beleuchten
des Wellenleiters gemäß dem Oberbegriff von
Anspruch 13.
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Im
Hinblick auf das oben Gesagte besteht ein Bedarf für eine kompakte
Vorrichtung und ein Verfahren zum Einstrahlen von Licht in den Umfang
eines Wellenleiters derart, daß der
Wellenleiter eine helle, gleichmäßige Beleuchtung
für das
Display ermöglicht.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung weist eine Beleuchtungsvorrichtung gemäß Anspruch
1 auf. Eine Reihe von Punktlichtquellen ist in beabstandeter Beziehung
einem Umfangsbereich des Wellenleiters benachbart angebracht. Eine
Reihe von Diffusions-Reflexions-Oberflächen ist dem Umfangsbereich des
Wellenleiters benachbart zwischen Paaren der Punktlichtquellen vorgesehen.
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Die
Diffusions-Reflexions-Oberflächen
sind relativ zu der Reihe von Punktlichtquellen und dem Wellenleiter
so orientiert, daß sie
Licht in Bereiche des Wellenleiters zwischen Paaren der Punktlichtquellen
einleiten, so daß der
Umfangsbereich des Wellenleiters im wesentlichen gleichmäßig beleuchtet
wird. Bevorzugt weisen die Diffusions-Reflexions-Oberflächen eine
Reihe von Pfosten auf, die in beabstandeter Beziehung dem Umfangsbereich
des Wellenleiters benachbart angebracht sind.
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Bei
der bevorzugten Ausführungsform
weisen die Punktlichtquellen LEDs auf, und eine Wärmesenke
ist mit den Punktlichtquellen gekoppelt, um Wärme davon abzuziehen. Ein Winkelspektrumbegrenzer,
wie etwa eine Helligkeitsverstärkungsschicht
ist bevorzugt in Kombination mit einem Diffusor vorgesehen, um die
Helligkeit des Ausgangslichts zu verstärken.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung ist eine Reihe von optischen Diffusions-Reflexions-Resonatoren
von Diffusions-Reflexions-Oberflächen
gebildet. Jeder von den Resonatoren hat eine Eintrittsöffnung,
die bemessen ist, um eine Punktlichtquelle aufzunehmen, und eine
Austrittsöffnung. Eine
Punktlichtquelle ist an jeder von den Eintrittsöffnungen angebracht. Ein Umfangsbereich
eines Wellenleiters erstreckt sich entlang der Austrittsöffnung des
optischen Diffusions-Reflexions-Resonators.
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Ein
weiterer Aspekt der Erfindung weist eine Beleuchtungsvorrichtung
auf, die von einem optischen Resonator Gebrauch macht, der eine
Ausgangsöffnung
und eine Reihe von optischen Diffusions-Reflexions-Resonatoren hat,
von denen jeder erheblich kleiner als der vorstehend genannte optische Resonator
ist. Die Reihe von optischen Resonatoren haben Austrittsöffnungen,
die entlang einer Seite des vorstehend genannten optischen Resonators
angeordnet sind. Eine Reihe von Punktlichtquellen ist angebracht,
um jeweils Licht in die Reihe von optischen Resonatoren abzustrahlen,
so daß Licht
aus der Austrittsöffnung
in einen Umfangsbereich des optischen Resonators eingestrahlt wird.
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Ein
zusätzlicher
Aspekt der Erfindung weist ein Verfahren zum Beleuchten eines Wellenleiters gemäß Anspruch
13 auf. Von einer erste Punktlichtquelle abgestrahltes Licht wird
unter Verwendung von Diffusions-Reflexions-Oberflächen begrenzt,
um das Licht zu reflektieren. Dieses Begrenzen wird für zusätzliche
Punktlichtquellen wiederholt. Das gesamte begrenzte Licht wird räumlich angeordnet,
um einen Umfangsbereich des Wellenleiters im wesentlichen gleichmäßig zu beleuchten.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Diese
und andere Merkmale der Erfindung werden nachstehend unter Bezugnahme
auf die Zeichnungen einer bevorzugten Ausführungsform beschrieben, die
dazu dienen sollen, die Erfindung zu erläutern, und nicht, um sie einzuschränken; die
Figuren zeigen in:
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1A eine
Perspektivansicht eines persönlichen
digitalen Assistenten, der eine Ausführungsform der Beleuchtungsvorrichtung
der vorliegenden Erfindung aufweist;
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1B eine
Querschnittsansicht des persönlichen
digitalen Assistenten entlang der Linie 1B-1B von 1A;
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2 eine
Explosionsansicht der Beleuchtungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung;
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3 eine
Ansicht von oben auf einen Lichtleiter der Beleuchtungsvorrichtung;
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4 eine
Seitenansicht des Lichtleiters von 3;
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5 eine
Ansicht von oben auf einen Wellenleiter der Beleuchtungsvorrichtung;
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6A eine
Seitenansicht des Wellenleiters in 5;
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6B eine
Endansicht des Wellenleiters in 5;
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7 eine
Ansicht von oben auf eine Abdeckung der Beleuchtungsvorrichtung;
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8 eine
Seitenansicht der Abdeckung in 7;
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9 eine
Ansicht von oben auf eine Wärmesenke
der Beleuchtungsvorrichtung;
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10 eine
Seitenansicht der Wärmesenke in 9;
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11 eine
Ansicht von oben auf die Beleuchtungsvorrichtung;
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12 eine
Querschnittsansicht der Beleuchtungsvorrichtung entlang der Linie
12-12 in 11;
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13 eine
vergrößerte Ansicht
von oben auf einen Bereich des Lichtleiters, der mit der Beleuchtungsvorrichtung
verwendet wird;
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13A eine fragmentarische Draufsicht auf eine alternative
Ausführungsform
des Wellenleiters, in dem Diffusions-Reflexions-Resonatoren von dem
Wellenleitermaterial gebildet sind; und
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14 ein
Diagramm, das den gesteigerten Wirkungsgrad der Beleuchtungsvorrichtung
zeigt, welche die Wärmesenkekomponente
aufweist.
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Genaue Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsform
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Es
wird nun auf die 1A und 1B Bezug
genommen; eine Ausführungsform
der Beleuchtungsvorrichtung 40 (2) der vorliegenden
Erfindung ist in einen persönlichen
digitalen Assistenten 30 eingebaut, der aus einem äußeren Gehäuse 32 besteht,
das ein Display 36, wie beispielsweise ein Flüssigkristalldisplay
(LCD) trägt.
Wie am besten in 1B gezeigt ist, hat das LCD-Display 36 eine
vordere Fläche 37 und
eine gegenüberliegende
hintere Fläche 38.
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Die
Beleuchtungsvorrichtung 40 ist innerhalb des äußeren Gehäuses 32 in
nebeneinanderliegender Beziehung zu dem Display 36 angeordnet
und ausgebildet, um als Beleuchtung von hinten für das Display 36 wirksam
zu sein. In der gezeigten Ausführungsform
ist ein Satz von elektronischen Komponenten 33 hinter der
Beleuchtungsvorrichtung 40 angeordnet, um der Beleuchtungsvorrichtung 40 und dem
persönlichen
digitalen Assistenten 30 auf wohlbekannte Weise Energie
zu liefern.
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Die
Erfindung ist zwar im Zusammenhang mit der Rückbeleuchtung eines persönlichen
digitalen Assistenten beschrieben, es versteht sich jedoch, daß sie als
Beleuchtung von hinten für
andere Einrichtungen, wie beispielsweise ein Mobiltelefon, einen
Pager, einen Camcorder, eine Digitalkamera oder ein GPS-Display
(GPS = global positioning system) verwendet werden kann.
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Außerdem versteht
es sich, daß die
Beleuchtungsvorrichtung 40 hier zwar als eine Beleuchtung von
hinten beschrieben ist, daß sie
aber auch als eine Beleuchtungsvorrichtung bei jeder von einer großen Vielfalt
von Anwendungen verwendet werden kann, einschließlich einer Beleuchtung von
vorn.
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Es
wird nun auf die Explosionsansicht in 2 Bezug
genommen; die Beleuchtungsvorrichtung 40 weist eine Vielzahl
von Komponenten, einschließlich
einer Wärmesenke 42,
eines Lichtleiters 44, eines Wellenleiters 46,
einer Abdeckung 48 und eines Schichtstapels 49 auf.
Eine Vielzahl von Punktlichtquellen, wie etwa Leuchtdioden (LEDs) 50,
ist den Umfangsrändern
des Lichtleiters 44 benachbart positioniert und ausgebildet,
um Licht in die Wellenleiter 46 einzustrahlen, wie noch
im einzelnen erläutert
wird.
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Bei
der gezeigten Ausführungsform
haltert jeder von einem Paar von LED-Streifen 51, wie etwa gedruckte
Leiterplatten oder elektrisch leitfähige Streifen, die LEDs 50 in
einem linearen Array mit gleichen Abständen. Die LEDs 50 in
einem Streifen 51 sind parallel miteinander verbunden,
und die zwei Streifen 51 sind über einen elektrischen Leiter 54 in Reihe
miteinander verbunden. Die verschiedenen Komponenten der Beleuchtungsvorrichtung 50 sind mechanisch
miteinander gekoppelt, wie nachstehend unter Bezugnahme auf die 11 und 12 im
einzelnen erläutert
wird.
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Gemäß den 3 und 4 weist
der Lichtleiter 44 der beschriebenen Ausführungsform
ein planes Element 56 auf, das eine im wesentlichen flache obere
Oberfläche 57 und
eine gegenüberliegende, im
wesentlichen flache untere Oberfläche 58 parallel dazu
hat. Das plane Element 56 ist rechteckig, um ein Paar von
im wesentlichen geraden, gegenüberliegenden
Seitenrändern 62a und 62b (gemeinsam
als "Seitenränder 62" bezeichnet) und
ein Paar von gegenüberliegenden,
im wesentlichen geraden Endrändern 63a und 63b (gemeinsam
als "Endränder 63" bezeichnet) zu bilden.
Beide Endränder 63 sind
kürzer
als jeder von den Seitenrändern 62.
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Eine
Vielzahl von Führungselementen 60 ist in
einer beabstanden, nebeneinanderliegenden Beziehung entlang jedem
von den Seitenrändern 62a und 62b des
planen Elements 56 angeordnet. Bei der gezeigten Ausführungsform
weist jedes von den Führungselementen 60 einen
Pfosten mit Dreiecksquerschnitt auf, der sich von der oberen Oberfläche 57 des
planen Elements 56 nach oben erstreckt.
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Die
pfostenartig geformten Führungselemente 60 an
dem Rand 62a werden als Elemente 60a bezeichnet,
und diejenigen an den Rändern 62b werden
als Elemente 60b bezeichnet. Der Bereich der oberen Oberfläche 57 zwischen
den pfostenartig geformten Führungselementen 60a und
den pfostenartig geformten Führungselementen 60b bildet
einen Wellenleiteraufnahmebereich.
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Die
Führungselemente 60 weisen
jeweils ein Paar von flachen seitlichen Oberflächen 65 auf, die unter
einem Winkel zueinander verlaufen und einander kreuzen, um eine
Scheitellinie 66 zu bilden, die zu dem Wellenleiteraufnahmebereich
weist. Der Klarheit halber wird auf die Scheitel 66 der
Führungselemente 60a mit
einem nachgestellten "a" und auf die Scheitel 66 der
Führungselemente 60b mit
einem nachgestellten "b" Bezug genommen.
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Bevorzugt
sind die Führungselemente 60a derart
positioniert, daß die
Scheitel 66a entlang einem ersten Rand oder einer ersten
Begrenzung des Wellenleiteraufnahmebereichs ausgefluchtet sind. Gleichermaßen sind
die Führungselemente 60b bevorzugt
derart positioniert, daß die
Scheitel 66b entlang einem zweiten Rand oder einer zweiten
Begrenzung des Wellenleiteraufnahmebereichs ausgefluchtet sind.
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Die
vorstehend genannten seitlichen Oberflächen 65 jedes pfostenartig
geformten Führungselements 60 sind
unter einem Winkel von ungefähr
45° relativ
zu der benachbarten Begrenzung des Wellenleiteraufnahmebereichs
angeordnet. Die verbleibende Oberfläche des pfostenartig geformten
Führungselements 60 ist
zu den Seitenrändern 62 parallel.
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Bei
der gezeigten Ausführungsform
sind die oberen Oberflächen
der pfostenartig geformten Führungselemente 60 im
wesentlichen flach und zu der oberen Oberfläche 57 parallel. Ferner
versteht es sich, daß die
seitlichen Oberflächen 65,
die in der beschriebenen Ausführungsform
zwar flach sind, auch gekrümmt
sein können,
um konvexe oder konkave Oberflächen
zu bilden.
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Gemäß den 3 und 4 sind
die Führungselemente 60 entlang
den Seitenrändern 62 voneinander
beabstandet, um eine Vielzahl von Zwischenräumen 70 zwischen benachbarten
Führungselementen 60 zu
bilden. Jeder von den Zwischenräumen 70 ist
im wesentlichen trichterförmig,
um den Seitenrändern 62 benachbart
eine relativ enge Eintrittsöffnung 71 zu
bilden. Die Zwischenräume 70 werden
von den Eintrittsöffnungen 71 zu
den Scheiteln 66 der Führungselemente 60 hin
allmählich
breiter, so daß sie
zwischen den Scheiteln 66 und der Begrenzung des Wellenleiteraufnahmeabschnitts
benachbart eine Austrittsöffnung
bilden.
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Die
Austrittsöffnungen
sind breiter als die Eintrittsöffnungen 71.
Ferner sind die Eintrittsöffnungen 71 der
Zwischenräume 70 bevorzugt
jeweils ausgebildet, um Licht von einer von den LEDs 50 zu empfangen,
die diesen benachbart angebracht sind, wie noch im einzelnen erläutert wird.
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Die
obere Oberfläche 57 des
planen Elements 56 und die seitlichen Oberflächen 65 der
Führungselemente 60 bestehen
aus einem Material, das darauf auftreffendes Licht diffus reflektiert.
Bei einer Ausführungsform
sind die obere Oberfläche 57 des planen
Elements 56 und die seitlichen Oberflächen 65 der Führungselemente 60 mit
einem Diffusions-Reflexions-Material beschichtet. Alternativ können das
plane Element 56 und die Führungselemente 60 aus
einem Diffusions-Reflexions-Material hergestellt sein.
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In
jedem Fall haben die obere Oberfläche 57 und die seitlichen
Oberflächen 65 bevorzugt
ein Reflexionsvermögen
von mindestens 90 %. Stärker
bevorzugt haben die obere Oberfläche 57 und
die seitlichen Oberflächen 65 ein
Reflexionsvermögen
von mindestens 94 %, und am meisten bevorzugt ist das Reflexionsvermögen der
Oberflächen 57 und 65 mindestens
99 %.
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Das
Diffusions-Reflexions-Material an der oberen Oberfläche 57 und
den seitlichen Oberflächen 65 kann
eine Beschichtung aus einer oder mehreren Schichten aus Diffusions-Reflexions-Band,
wie etwa DRPTM Backlight Reflector aufweisen,
das von W.L. Gore & Associates
hergestellt wird. DRPTM Backlight Reflector
hat in Abhängigkeit
von der Dicke des Materials und der Wellenlänge des Lichts ein Reflexionsvermögen von
ungefähr
97 % bis 99,5 %.
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Alternativ
könnte
das Relexionsmaterial eine Farbe oder eine Beschichtung aufweisen,
die auf die obere Oberfläche 57 und
die seitlichen Oberflächen 65 aufgebracht
ist, wie etwa weiße
Hausfarbe oder ein exotischeres Material, wie etwa die Spectraflect-Farbe von
Labsphere Corporation. Das Reflexionsvermögen von Spectraflect-Farbe
ist erheblich höher
als Hausfarbe, ungefähr
98 %, während
das Reflexionsvermögen
einer guten weißen
Hausfarbe ungefähr
90 % ist.
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Wie
erwähnt,
können
das plane Element 56 und die Führungselemente 60 auch
aus einem Diffusions-Reflexions-Material hergestellt sein, wie beispielsweise
Cycolac, das von General Electric hergestellt wird. Cycolac hat
ein Reflexionsvermögen
von ungefähr
94 %.
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Die 5, 6A und 6B sind
eine Ansicht von oben, eine Seitenansicht bzw. eine Endansicht des
Wellenleiters 46. Bei der gezeigten Ausführungsform
ist der Wellenleiter 46 im wesentlichen rechteckig und
weist eine obere Oberfläche 90 und eine
gegenüberliegende
untere Oberfläche 92 auf. Die
untere Oberfläche 92 des
Wellenleiters 46 ist gekrümmt, um in der Mitte des Wellenleiters
eine Vertiefung oder Mulde in Längsrichtung
zu bilden, die sich in einer Richtung parallel zu den ersten und
zweiten Rändern
des Wellenleiters erstreckt.
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Wie
am besten in 6B gezeigt, ist die Krümmung der
unteren Oberfläche 92 gleichmäßig und
kontinuierlich, um in dem Mittelbereich des Wellenleiters 46 einen
Bereich verringerter Dicke zu bilden und um einen Luftraum zwischen
der unteren Oberfläche 92 und
der oberen Oberfläche 57 des Lichtleiters 44 zu
bilden. Ein solcher Luftraum ergibt eine Substanz (d. h. Luft) mit
niedrigem Index entlang der unteren Oberfläche 92, um die Wellenleitfunktion des
Wellenleiters 46 zu verbessern.
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Die
untere Oberfläche 92 folgt
einer geometrischen Kontur, die Licht, das sich in dem Wellenleiter fortpflanzt,
zwischen die obere Oberfläche 90 und
die untere Oberfläche 92 umleitet,
so daß ein
größerer Anteil
des Lichts aus dem Mittelbereich des Wellenleiters austritt, so
daß eine
gleichmäßigere Beleuchtung
ausgehend von der oberen Oberfläche 90 des Wellenleiters 46 erhalten
wird.
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Ein
Paar von gegenüberliegenden
seitlichen Oberflächen 94a und 94b (gemeinsam
als "seitliche Oberflächen 94" bezeichnet) und
ein Paar von gegenüberliegenden
Endober flächen 95a und 95b (gemeinsam
als "Endoberflächen 95" bezeichnet), verbinden
die obere Oberfläche 90 mit
der unteren Oberfläche 92 und
definieren den Umfang oder Perimeter des Wellenleiters 46.
Die Distanz zwischen den oberen und unteren Oberflächen 90 und 92 entlang
den seitlichen Oberflächen 94 ist
im wesentlichen gleich der Höhe
der pfostenartig geformten Führungselemente 60,
die bei der beschriebenen Ausführungsform
ungefähr
0,067 an den seitlichen Oberflächen 94 ist.
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Bevorzugt
ist der Wellenleiter 46 bemessen, um an dem Lichtleiter 44 zwischen
den Führungselementen 60 derart
positioniert zu werden, daß die
seitlichen Oberflächen 94a und 94b an
den Scheiteln 66a bzw. 66b der Führungselemente 60 anliegen. Die
Endoberflächen 95 sind
bevorzugt mit einem Reflexionsmaterial beschichtet, wie es vorstehend
in bezug auf den Lichtleiter 44 beschrieben wird.
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Der
Wellenleiter 46 besteht bevorzugt aus einem Material, das
für Licht,
welches von den LEDs 50 erzeugt wird, transparent ist,
wie etwa einem transparenten polymeren Material, und kann durch verschiedene
wohlbekannte Methoden, wie etwa maschinelles Bearbeiten oder Spritzgießen hergestellt werden.
Bevorzugte Materialien für
den Wellenleiter 46 sind Acryl, Polycarbonat und Silicon.
Acryl, das eine Brechzahl von ungefähr 1,5 hat, ist kratzfest und gegenüber Polycarbonat
kostengünstiger.
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Polycarbonat,
das eine Brechzahl von ungefähr
1,59 hat, besitzt eine höhere
Temperaturtauglichkeit als Acryl. Polycarbonat hat ferner gegenüber Acryl
verbesserte mechanische Eigenschaften. Silicon hat eine Brechzahl
von ungefähr
1,43. Alternativ kann der Wellenleiter 46 aus einem Satz
von Diffusions-Reflexions-Oberflächen
gebildet sein, die einen optischen Resonator einschließen, der
ein lichtdurchlässiges
Medium, wie etwa Luft enthält.
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Der
Wellenleiter kann so spritzgeformt sein, daß er V-förmige Nuten aufweist, die dazu
ausgebildet sind, um in den Zwischenräumen 70 zwischen den
Führungselementen 60 positioniert
zu werden. Dabei können
die LEDs mit dem Wellenleiter durch ein geeignetes Verbindungsgel
auf Stoß gekoppelt sein.
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Gemäß den 7 und 8 weist
die Abdeckung 48 der Beleuchtungsvorrichtung 40 ein
Rahmenelement 80 auf, dessen Konfiguration im wesentlichen
plan ist und das so bemessen ist, daß es über den Lichtleiter 44 paßt. Eine Öffnung 82 durchsetzt das
Rahmenelement 80, um einen optischen Ausgangsbereich oder
Beleuchtungsbereich zu bilden, durch den hindurch Licht von der
Beleuchtungsvorrichtung 40 austritt, so daß das LCD-Display 36 beleuchtet
wird, wie noch im einzelnen erläutert
wird.
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Bei
der gezeigten Ausführungsform
ist die Öffnung 82 rechteckig,
was der Rechteckform des Displays 36 des persönlichen
digitalen Assistenten 30 entspricht. Es versteht sich jedoch,
daß die Öffnung 82 in
Abhängigkeit
von der gewünschten
Gestalt und Größe des Beleuchtungsbereichs
jede von einer großen
Vielzahl von Formen und Größen definieren
kann.
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Wie
am besten in 8 gezeigt ist, weist die gezeigte
Ausführungsform
der Abdeckung 48 ein Paar von gegenüberliegenden Endwänden 84 und 86 auf,
die sich von gegenüberliegenden
Endrändern des
Rahmenelements 80 nach unten erstrecken. Die Endwände 84 und 86 definieren
bevorzugt eine Distanz zwischeneinander, die geringfügig größer als
die Distanz zwischen den Endrändern 63 des
Lichtleiters 44 ist. Der Lichtleiter 44 kann also
bündig
zwischen den Endwänden 84 und 86 der
Abdeckung 48 positioniert sein.
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Jede
von den Wänden 84 und 86 erstreckt sich
senkrecht von einer oberen Wand 85. Bevorzugt sind die
inneren Oberflächen,
die von den Wänden 84, 85 und 86 gebildet
sind, mit dem gleichen Diffusions-Reflexions-Material beschichtet
wie die Oberfläche 57 und
die Oberflächen 65.
Zusätzlich
sind die Endwände 84 und 86 so
bemessen, daß die
obere Wand 85 an den Oberenden der pfostenartig geformten
Führungselemente 60 anliegt.
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Es
wird nun auf die 9 und 10 Bezug genommen;
eine bevorzugte Ausführungsform
der Beleuchtungsvorrichtung 40 weist ferner eine Wärmesenke 42 auf,
die dazu ausgebildet ist, mit dem Lichtleiter 44 gekoppelt
zu werden, wie noch im einzelnen erläutert wird. Bei der gezeigten
Ausführungsform
weist die Wärmesenke 42 einen
im wesentlichen flachen Basisbereich 96 und ein Paar von
gegenüberliegenden
Seitenwänden 98a und 98b (gemeinsam
als "Seitenwände 98" bezeichnet) auf,
die sich entlang gegenüberliegenden
Endrändern
des Basisbereichs 96 nach oben erstrecken. Wie am besten
in 9 gezeigt, ist der Basisbereich 96 der
Wärmesenke 42 im
wesentlichen rechteckig und hat ungefähr die gleiche Größe wie das
plane Element 56.
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Wie
in 10 gezeigt ist, sind die Seitenwände 98 so
umgebogen, daß sie
benachbart den Kreuzungspunkten der Seitenwände 98 mit dem Basisbereich 96 der
Wärmesenke 42 ein
Paar von gegenüberliegenden
konkaven Bereichen 102 bilden. Ein Paar von gegenüberliegenden
konvexen Bereichen 104 der Endwände 98 ist über den
konkaven Bereichen 102 gebildet.
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Die
Seitenwände 98a und 98b definieren
bevorzugt einen Raum zwischeneinander, der bemessen ist, um den
Lichtleiter 44 bündig
aufzunehmen. Die Wärmesenke 42 weist
bevorzugt ein Material auf, das Wärme ohne weiteres absorbiert
und das hoch wärmeleitfähig ist,
wie etwa Kupfer.
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Die 11 und 12 zeigen
die Beleuchtungsvorrichtung 40 in einem zusammengebauten Zustand.
Wie am besten in 12 gezeigt, ist der Lichtleiter 44 in
der Wärmesenke 42 derart
positioniert, daß das
plane Element 56 des Lichtleiters 44 in einer
beabstandeten parallelen Beziehung zu dem Basisbereich 96 der
Wärmesenke 42 ist.
Wie am besten in 4 gezeigt ist, erstreckt sich
ein Satz von Schenkeln 72 von der unteren Oberfläche 58 des planen
Elements 56 nach unten.
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Bei
der gezeigten Ausführungsform
sind zwei Schenkel 72 nahe gegenüberliegenden Ecken des planen
Elements 56 angeordnet. Die Größe, Position und die Anzahl
von Schenkeln 72 sind jedoch variabel. Gemäß 12 erstrecken
sich die Schenkel 72 des Lichtleiters 44 durch Öffnungen
in dem Basisbereich 96 der Wärmesenke 42. Die vorspringenden
Enden der Schenkel 72 dienen als Referenzpunkte, um die
Ausfluchtung der Beleuchtungsvorrichtung 40 beim Zusammenbau
zu erleichtern.
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Es
wird nun auf die 11 und 12 Bezug
genommen; ein LED-Streifen 51 ist zwischen jedem von den
Seitenrändern 62 des
Lichtleiters 44 und jeder von den Seitenwänden 98 der
Wärmesenke 44 positioniert.
Die LED-Streifen 51 sind bevorzugt so orientiert, daß eine LED 50 an
jeder von den Öffnungen 71 der
Zwischenräume 70 zwischen
den Führungselementen 60 angeordnet
ist.
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Die
umgebogenen Seitenwände 98 der
Wärmesenke 42 bewirken,
daß die
konvexen Bereiche 104 (10) der
Seitenwände 98 auf
die LED-Streifen 51 Druck aufbringen, so daß ein starker
mechanischer Kontakt zwischen der Wärmesenke 42 und den LED-Streifen 51 aufrechterhalten
wird. Dies erleichtert die Übertragung
von Wärme
von den LEDs 50 zu der Wärmesenke 42.
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Der
Druck, den die Seitenwände 98 auf
die LED-Streifen 51 aufbringen, wird auch zu dem Lichtleiter 44 übertragen,
so daß eine
geringe Vorspannkraft der Führungselemente 60 auf
den Wellenleiter 46 erhalten wird, um zu verhindern, daß die verschiedenen
Komponenten der Beleuchtungsvorrichtung 40 auseinanderfallen.
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Gemäß den 11 und 12 ist
der Wellenleiter 46 an dem Lichtleiter 44 derart
angebracht, daß die
untere Oberfläche 92 des
Wellenleiters 46 neben der oberen Oberfläche 57 des
Lichtleiters 44 liegt. Wie erwähnt, liegen die seitlichen
Oberflächen 94a und 94b des
Wellenleiters 46 bevorzugt an den Scheiteln 66a bzw. 66b der
Führungselemente 60 an. Die
Abdeckung 48 (die in Phantomlinien gezeigt ist) ist über dem
Umfang des Wellenleiters 46 angebracht, wobei die Öffnung 82 bevorzugt
in der Mitte zwischen den Scheiteln 66a und 66b ausgefluchtet ist.
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Im
Gebrauch werden die LEDs 50 aktiviert, um Licht in den
Wellenleiter 46 einzuleiten. Bevorzugt strahlen die LEDs
Licht ab, das eine Wellenlänge
im Bereich von 400 nm bis 700 nm hat. Der Bereich der oberen Diffusions-Reflexions-Oberfläche 57 zwischen
den Diffusions-Reflexions-Oberflächen 65 gemeinsam
mit der inneren Diffusions-Reflexions-Oberfläche der oberen Wand 85 des
Rahmens 80 und den seitlichen Diffusions-Reflexions-Oberflächen 65 der
Führungselemente 60 bilden
eine Reihe von luftgefüllten
Diffusions-Reflexions-Resonatoren, die das abgestrahlte Licht begrenzen
und es in die seitlichen Oberflächen 94 des
Wellenleiters 46 einstrahlen. Vorteilhafterweise erleichtern
die Führungselemente 60 eine
gleichmäßige Verteilung
von Licht von den Punktlichtquellen in einen den Resonatoren benachbarten
Umfangsbereich (13) des Wellenleiters 46.
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13 ist
eine vergrößerte Ansicht
von oben auf ein Paar von Führungselementen 60,
wobei eine LED 50 an der Öffnung 71 eines Resonators
positioniert ist, der einen Zwischenraum 70 zwischen den Führungselementen 60 aufweist.
Lichtstrahlen von der LED 50 sind durch Strichlinien dargestellt.
Wie gezeigt, treffen die von der LED 50 seitlich abgestrahlten
Lichtstrahlen auf die seitlichen Diffusions-Reflexions-Oberflächen 65 der
Führungselemente 60 auf.
Die abgewinkelten seitlichen Oberflächen 65 reflektieren
die Lichtstrahlen in den Wellenleiter 46.
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Dieses
reflektierte Licht füllt
die Bereiche zwischen benachbarten LEDs 50, so daß eine relativ gleichmäßige Verteilung
von Lichteinstrahlung von der LED 50 in den Umfangsbereich 93 des
Wellenleiters 46 erhalten wird. Die Vielzahl von LEDs 50 entlang
der Länge
der seitlichen Oberflächen 94 des Wellenleiters 46 ergibt
also ein mehr oder weniger gleichmäßiges Beleuchtungsprofil entlang
dem den Resonatoren 70 benachbarten Umfangsbereich 93 des
Wellenleiters 46.
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Wenn
das Licht in den Wellenleiter 46 eingestrahlt ist, wird
es zu der Mitte der Öffnung 82 hin
geleitet. Die Diffusions-Reflexions-Oberflächen, einschließlich der
oberen Diffusions-Reflexions-Oberfläche 57 des Lichtleiters 44 und
der Diffusions-Reflexions-Endoberflächen 95 des
Wellenleiters 46 mischen das Licht, um eine gleichmäßige Verteilung über die Öffnung 82 zu
erleichtern.
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Das
Licht erreicht schließlich
die richtigen Einfallswinkel, um aus dem Wellenleiter 46 durch
die obere Oberfläche 90 und
aus der Öffnung 82 in
der Abdeckung 48 auszutreten. Wie in 1B gezeigt ist,
liegt die Beleuchtungsvorrichtung 40 neben dem LCD-Display 36,
so daß das
aus der Beleuchtungsvorrichtung 40 austretende Licht das
LCD-Display 36 von hinten beleuchtet.
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Gemäß 13A kann bei einer anderen Ausführungsform
der Wellenleiter 46 so ausgebildet sein, daß er V-förmige Nuten
aufweist. Die Ränder des
Wellenleiters 46 (zwischen seiner oberen und unteren Oberfläche) kann
mit einem Diffusions-Reflexions-Material beschichtet sein, um Diffusions-Reflexions-Oberflächen 67 in
den V-förmigen
Nuten zu bilden.
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Die
LEDs 60 können
in jeweilige Kerben in dem Wellenleiter an Abflachungen zwischen
den V-förmigen
Nuten eingelassen sein. Die Diffusions-Reflexions-Oberflächen 67 an
dem Wellenleitermaterial erfüllen
die gleiche Funktion wie die Diffusions-Reflexions-Oberflächen 65 der
Führungselemente 60 (vorstehend
erläutert),
so daß es
möglich ist,
die Führungselemente 60 nach
Wunsch wegzulassen.
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Die
Bereiche des Wellenleitermaterials zwischen den V-förmigen Nuten
bilden also eine Reihe von Diffusions-Reflexions-Resonatoren 69,
die den Umfangsbereich 93 des Wellenleiters, der den Resonatoren 69 benachbart
ist, gleichmäßig beleuchten. Obwohl
die Resonatoren 69 aus transparentem Festkörpermaterial
bestehen, funktionieren sie im wesentlichen auf die gleiche Weise
wie die in 13 gezeigten luftgefüllten Resonatoren 70.
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Gemäß 12 kann
die obere Oberfläche 90 des
Wellenleiter 46 mit einem Winkelspektrumbegrenzer 108 bedeckt
sein, der das Muster der Ausgangsstrahlung von der Öffnung 82 der
Abdeckung 48 auf einen vorbestimmten Winkelbereich begrenzt (in
diesem Zusammenhang wird der Begriff "Spektrum" im Sinne eines Winkelspektrums und
nicht eines Wellenlängenspektrums
verwendet).
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Der
Winkelspektrumbegrenzer 108 weist eine plane mikroreplizierte
optische Struktur, wie etwa einen holografischen Diffusor, einen
binären Beugungsdiffusor
oder ein Array von Mikrolinsen oder Prismen auf. Bei der bevorzugten
Ausführungsform
weist der Winkelspektrumbegrenzer 108 eine Helligkeitsverstärkungsschicht
(BEF) auf, die zusätzlich
zu der Begrenzung des Ausgangsspektrums die Intensität der Beleuchtung
von der Beleuchtungsvorrichtung 40 verstärkt.
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Die
Helligkeitsverstärkungsschicht
(BEF) 108 ist bevorzugt in physischem Kontakt mit einem Diffusor 110 angeordnet,
um gemeinsam eine Lichtgüteverbesserungsvorrichtung
(LQE) 112 zu bilden. In 12 sind
die Dicke und der Abstand zwischen der Helligkeitsverstärkungsschicht
(BEF) 108 und dem Diffusor 110 nur im Hinblick
auf die Klarheit der Darstellung gezeigt. Bevorzugt ist der Diffusor 110 zwischen
der Helligkeitsverstärkungsschicht
(BEF) 108 und dem Wellenleiter 46 und in Kontakt
mit dem Wellenleiter 46 angeordnet.
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Der
Diffusor beseitigt vorteilhafterweise die Wirkung von verbleibenden
Ungleichmäßigkeiten, wie
etwa kosmetischen Unregelmäßigkeiten
in den Oberflächen
des Wellenleiters 46. Der Diffusor 110 kann lichtdurchlässiges Material
aufweisen, typischerweise eine dünne
Kunststoffoberfläche
oder einen Volumendiffusor, die beide durch sehr geringe Absorption
und minimale Energieverluste gekennzeichnet sind.
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Der
Diffusor 110 kann durch ein Rillen- oder Kratzmuster an
der oberen Oberfläche 90 ergänzt oder
ersetzt sein, das durch Abschleifen der oberen Oberfläche 90 des
Wellenleiters 46 mit einem Schleifmittel, wie etwa Sandpapier
gebildet ist. Das Abschleifen ist bevorzugt ungleichmäßig, so
daß die Dichte
der Kratzer oder Rillen mit der Distanz von den Leuchtdioden 50 zunimmt.
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Wie
oben erwähnt,
begrenzt die Helligkeitsverstärkungsschicht
(BEF) 108 die Ausgangsbeleuchtung innerhalb definierter
Begrenzungslinien und erhöht
ferner die Helligkeit des aus der Öffnung 82 austretenden
Lichts. Bei der bevorzugten Ausführungsform
ist die Helligkeitsverstärkungsschicht (BEF) 108 eine
handelsübliche
Dünnschicht,
die eine lineare Pyramidenstrukturen hat, wie etwa die 90/50-Schicht
des 3M-Modells. Die Helligkeitsverstärkungsschicht (BEF) läßt nur diejenigen
Lichtstrahlen von dem Wellenleiter durch, die gewisse Einfallswinkelkriterien
in bezug auf die obere Oberfläche 90 des
Wellenleiter 46 erfüllen.
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Alle
anderen Lichtstrahlen werden in den Wellenleiter 46 zu
den unteren, seitlichen oder Endoberflächen 92, 94 bzw. 95 hin
zurück
reflektiert, wo sie reflektiert werden. Effektiv werden die reflektierten
Strahlen "im Kreislauf
geführt", bis sie auf die Helligkeitsverstärkungsschicht
(BEF) 108 unter einem Winkel einfallen, der zuläßt, daß sie durch
die Helligkeitsverstärkungsschicht
(BEF) 108 hindurchtreten.
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Wie
wohl bekannt ist, konzentriert eine Helligkeitsverstärkungsschicht
(BEF), wie etwa die Helligkeitsverstärkungsschicht (BEF) 108,
die Beleuchtung innerhalb von Begrenzungen, die von einem Paar von
zueinander geneigten Ebenen (die im Querschnitt ein "V" bilden) definiert sind, und ergibt
keine Konzentration in der orthogonalen Richtung. Bei manchen Anwendungen
der Erfindung wird bevorzugt, die Beleuchtung innerhalb von zwei
orthogonalen Richtungen zu konzentrieren, und für solche Anwendungen kann eine
zweite Helligkeitsverstärkungsschicht
(BEF), die zu der ersten Helligkeitsverstärkungsschicht (BEF) orthogonal
orientiert ist, vorgesehen sein.
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Mit
zwei sich kreuzenden Helligkeitsverstärkungsschichten (BEFs) ist
die Abstrahlung von dem Wellenleiter innerhalb von Begrenzungen,
die einem umgekehrten Kegelstumpf gleichen. Wie in der Technik herkömmlich,
sind die Begrenzungen durch die Halbwertsbreite (FWHM) der Lichtintensität definiert. Beispielsweise
können
die Begrenzungen des Kegels relativ zu einer Linie, die zu der oberen
Oberfläche 90 normal
ist, um einen Winkel von nicht mehr als ungefähr 35° geneigt sein; in diesem Fall
ist die Beleuchtung nur innerhalb von Betrachtungswinkeln von 35° oder weniger
sichtbar.
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Wie
erwähnt,
verbessert die Wärmesenke 42 den
Wirkungsgrad der Beleuchtungsvorrichtung 40 erheblich,
und zwar dadurch, daß sie
von den LEDs 50 erzeugte Wärme absorbiert und verteilt.
Leuchtdioden erfahren typischerweise nach ihrer Anfangsaktivierung über die
Zeit eine erhebliche Abnahme der Lichtleistung. Dies ist ein Ergebnis
des relativ hohen Wärmeaufbaus
in der LED, der durch die relativ kleine thermische Masse einer
typischen LED verursacht ist.
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14 ist
ein Diagramm, welches das von der Beleuchtungsvorrichtung 40 abgestrahlte
Licht als eine Funktion der Zeit zeigt. Die ausgezogene Linie repräsentiert
die Lichtleistung der Beleuchtungsvorrichtung, die ohne die Wärmesenke 42 verwendet wird.
Nach einer anfänglichen
Beleuchtung Io bei Aktivierung erfährt die
LED typischerweise nach 60 Sekunden eine Abnahme der Lichtleistung
um 25 %. Die Lichtleistung der LED nimmt dann über die Zeit allmählich ab,
bis sie nach ungefähr
5 Minuten ohne Wärmesenke
ein Gleichgewicht erreicht.
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Die
Strichlinie von 14 repräsentiert die Lichtleistung
der Beleuchtungsvorrichtung 40, wenn sie mit der Wärmesenke 42 verwendet
wird. Vorteilhafterweise absorbiert die Wärmesenke 42 Wärme von
den LEDs, so daß die
Abnahme der Lichtleistung über
die Zeit erheblich geringer ist. Das thermische Gleichgewicht der
Beleuchtungsvorrichtung 40 wird also verbessert, wenn die
Wärmesenke 42 in
der Beleuchtungsvorrichtung 40 vorgesehen ist. Typischerweise
ergibt eine Vorrichtung, die von der Wärmesenke 42 Gebrauch
macht, eine Zunahme der Lichtleistung (gemessen in Fuß-Lambert
oder Candela pro m2) um 25 % bis 30 % gegenüber einer
Beleuchtungsvorrichtung 40, welche die Wärmesenke 42 nicht
verwendet.