EP2359167A1 - Optische lichtstreueinheit - Google Patents

Optische lichtstreueinheit

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Publication number
EP2359167A1
EP2359167A1 EP09748990A EP09748990A EP2359167A1 EP 2359167 A1 EP2359167 A1 EP 2359167A1 EP 09748990 A EP09748990 A EP 09748990A EP 09748990 A EP09748990 A EP 09748990A EP 2359167 A1 EP2359167 A1 EP 2359167A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
scattering
light
inhomogeneities
scattering body
unit according
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP09748990A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Andreas Wienkamp
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Cerion GmbH
Original Assignee
Cerion GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Cerion GmbH filed Critical Cerion GmbH
Publication of EP2359167A1 publication Critical patent/EP2359167A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/02—Diffusing elements; Afocal elements
    • G02B5/0273—Diffusing elements; Afocal elements characterized by the use
    • G02B5/0294—Diffusing elements; Afocal elements characterized by the use adapted to provide an additional optical effect, e.g. anti-reflection or filter
    • G—PHYSICS
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    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/02—Diffusing elements; Afocal elements
    • G02B5/0205—Diffusing elements; Afocal elements characterised by the diffusing properties
    • G02B5/0236—Diffusing elements; Afocal elements characterised by the diffusing properties the diffusion taking place within the volume of the element
    • G02B5/0247—Diffusing elements; Afocal elements characterised by the diffusing properties the diffusion taking place within the volume of the element by means of voids or pores
    • G—PHYSICS
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    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/0001—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems
    • G02B6/0011—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems the light guides being planar or of plate-like form
    • G02B6/0033—Means for improving the coupling-out of light from the light guide
    • G02B6/0035—Means for improving the coupling-out of light from the light guide provided on the surface of the light guide or in the bulk of it
    • G02B6/004—Scattering dots or dot-like elements, e.g. microbeads, scattering particles, nanoparticles
    • G02B6/0041—Scattering dots or dot-like elements, e.g. microbeads, scattering particles, nanoparticles provided in the bulk of the light guide
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/0001—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems
    • G02B6/0011—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems the light guides being planar or of plate-like form
    • G02B6/0065—Manufacturing aspects; Material aspects

Definitions

  • the invention relates to an optical light scattering unit, comprising a transparent scattering body, and having at least one light source whose emitted light is coupled into the scattering body and is scattered as it passes through inhomogeneities present in the interior.
  • Transparent scattering means a scattering body which is completely or at least partially permeable to the coupled-in light and the said one
  • Inhomogeneities can extend to the surface of the scattering body or be present on the surface and protrude into the interior of the scattering body.
  • the inhomogeneity in question extends into the interior of the scattered body, provided it is present on the surface or is completely within
  • predominantly scattering takes place in the forward direction, in which the light beams emitted by the light source are deflected at the individual scattering centers present in the scattering body at an angle of not more than 90 °.
  • the intensity of the scattered light in the forward direction is greater than the intensity of the scattered light in the reverse direction.
  • Optical light scattering units of the structure described at the outset are widely known in practice and are described, for example, in the context of DE 101 53 380 A1. This is about a lamp with a translucent disc, which is equipped with a microstructure.
  • DE 10 2004 049 260 A1 describes a similar structure in order to illuminate containers or containers in general and to record their image with the aid of one or more cameras.
  • DE 10 2006 061 164 A1 a light-emitting device has become known in which a radiation source interacts with a curved light guide body. The radiation emitted by the radiation source is coupled into the light guide body and coupled out at an angle to its longitudinal axis.
  • DE 101 23 263 B4 deals with a light guide system for the interior of a motor vehicle. It is all about a large-scale, homogeneous and glare-free brightening of a vehicle roof in the overhead area of vehicle occupants.
  • an optical fiber for guiding light is provided in addition to the actual light source.
  • the light guide is formed flat, wherein the coupling of the light takes place at one or more side surfaces. The decoupling of the light is achieved by roughening, embossing or drilling with a specific structure.
  • the invention is based on the technical problem of further developing such an optical light scattering unit so that the scattering centers can be introduced into the transparent scattering body in a simple and defined manner.
  • a generic optical light scattering unit is characterized in that the inhomogeneities or scattering centers in the transparent scattering body are formed as surface markings and / or sub-surface markings introduced by electromagnetic radiation.
  • the inhomogeneities in the scattering body are not defined by mechanical or chemical treatment of the scattering body in the interior or on its surface. Rather, it is characterized by the fact that with the aid of the electromagnetic radiation, markings are introduced under the surface, so-called sub-surface markings or in general structures or sub-surface structures. Alternatively or additionally, surface markings can also be realized with the aid of the electromagnetic radiation. These surface markings are flanked in principle with indentations and / or formations on the surface, which represent the actual inhomogeneities in the interior of the scattering body.
  • the invention is based on the finding that energy densities of several J / cm 2 can be achieved with the aid of the electromagnetic radiation coupled into the scatterer, so that at the location of the focal point MoI binding bonds are permanently destroyed and, in general, a plasma is generated.
  • the previous documents on laser engraving are either concerned with capturing information in the transparent material body or generally defining three-dimensional structures.
  • these known procedures are not used specifically to To introduce inhomogeneities or scattering centers in a scattering body in connection with an optical light scattering unit.
  • the inhomogeneities or scattering centers are designed as laser markings, that is, they are introduced into the transparent scattering body with the aid of a laser.
  • electromagnetic radiation is used in the near infrared, in the visible or even in the UV range.
  • a Nd: YAG laser with a wavelength of 1, 064 microns or even one of 532 nm may be used. Basically, wavelengths of 355 nm or even 266 nm can be realized at this point.
  • the inhomogeneities in question can also be generated with the aid of a CO 2 laser.
  • YAG lasers emit laser pulses with a pulse duration of no more than 10 -6 sec duration, in particular even pulse durations of 10 to '8 seconds or less generated.
  • power densities of more than 10 7 W / cm 2 and to realize the previously mentioned energy densities of several J / cm 2 .
  • these output powers are up to about 20 kW available and operated both continuously and pulsed
  • similar power densities can be generated as described above.
  • the output wavelength is about 10.6 in the mid-infrared ⁇ m, occasionally even at 9.4 ⁇ m.
  • the light source In contrast to the electromagnetic radiation source, which defines the inhomogeneities or scattering centers or in general structures inside the scattering body and emits in the infrared, visible or UV range, the light source operates continuously in the visible spectral range, ie transmits the light spectrum to be perceived by the human eye out.
  • the wavelength range of the light source thus extends approximately from 380 nm to 750 nm. It is of course possible to work with a continuous light spectrum as well as with a discontinuous and of course also with a pulsed light spectrum emitting from the light source. is being done.
  • the inhomogeneities or scattering centers usually have a size in the micrometer range.
  • the inhomogeneities are advantageously designed as laser markings or laser structuring. These are introduced into the transparent scattering body or attached to its surface by selectively exceeding the damage threshold in the scattering body with the aid of the laser. As a result, the transparent scattering body, of course, remains permeable to the light spectrum emitted by the light source, only the light rays emitted by the light source are wholly or partially scattered at the inhomogeneities or scattering centers.
  • the design is usually made so that the inhomogeneities are distributed anisotropically in the interior of the scattering body.
  • the anisotropy can be produced by the fact that the inhomogeneities describe a specific and given density and / or a specific and given topological structure.
  • the individual inhomogeneities over the volume or the surface of the scattering body can of course have different densities.
  • spatially different topological structures are conceivable.
  • the inhomogeneities or scattering centers ensure that the incident light is anisotropically scattered in predetermined spatial directions. In other words, with the help of the inhomogeneities, it is possible on the output side of the transparent scattering body to specifically favor certain directions for the scattered light.
  • the light scattered by the inhomogeneities and emerging from the scattering body defines a specific spatial scattered light distribution. This depends on the size of the inhomogeneities or scattering centers, their density and their spatial extent and finally their spatial orientation. In principle, it is also possible to work with differently large inhomogeneities in one and the same scattering body. In this context, it has proven useful in a method for producing such an optical light scattering unit, first of all, to introduce into the transparent scattering body by means of the electromagnetic radiation, preferably laser radiation, the surface markings and / or sub-surface markings. In addition, the emitted light from the light source is coupled into the scattering body produced in this way. The size and / or density and / or spatial extent of the inhomogeneities or scattering centers are now the spatial scattered light distribution outside of the scattering body before.
  • the procedure can advantageously be such that the size and / or density and / or spatial extent of the said inhomogeneities or scattering centers is set in accordance with a desired spatial scattered light distribution during the production process, for example in the sense of a control.
  • the procedure is such that the light source is coupled into the scattering body, even during the production process. That is to say, the light coupled in and emitted by the light source is scattered during the introduction of the surface markings and / or sub-surface markings thereon already during the production process.
  • the production process can be controlled such that at its end the scattering body generates the previously desired spatial scattered light distribution of the coupled-in light.
  • the spatial scattered light distribution generated on the output side of the scattering body by means of, for example, imaging methods.
  • one or more cameras, photodiodes, etc. may be used.
  • the electromagnetic radiation source or the laser can be performed accordingly to obtain the predetermined spatial scattered light distribution. This usually happens in the sense of a regulation.
  • the scattering body and with it the optical light scattering unit in the course of the manufacturing process can be precisely adapted to the later intended use and in particular the spatial scattered light distribution desired in this context.
  • the emitted light is coupled into the scattering body and scattered in its passage to the inhomogeneities present in the interior, is maintained for the subsequent purpose. Basically, however, an exchange is possible.
  • the light source in question or the plurality of light sources are operated, for example, independently of the scattering body before the inhomogeneities are applied, for example, to set aging-related brightness changes as low as possible during the subsequent service life. This applies in particular to the case that LEDs and here especially white light LEDs are used as one light source or multiple light sources.
  • the optical light scattering unit according to the invention or the transparent scattering body used can be specifically adapted to the subsequent intended use with regard to its generated spatial scattered light distribution during the production process.
  • the transparent scattering body is flat and designed as a scattering plate.
  • the scattering body prior to introduction of the inhomogeneities, has a closed and smooth surface, which in particular has no microstructuring, as is known from the prior art.
  • the surface is easy to clean and at the same time insensitive to dirt, which is particularly important for outdoor use is of particular importance. This property is especially observed when only sub-surface markings are created inside.
  • the light source or the light emitted by it and the scattered light have a substantially coincident direction, wherein the scattering body is interposed between the light source and the scattered light.
  • This substantially coincident direction is due to the fact that the light emitted by the light source and coupled into the scattering body is predominantly elastically scattered in the forward direction at the inhomogeneities.
  • the scattering body can also be advantageously used as a projection surface.
  • the light source is advantageously designed as a projector and the scattering body as the already mentioned projection surface.
  • An image generated by the light source or the projector can be made visible in this way in the interior or, in principle, also on the surface of the diffuser by the inhomogeneities or scattering centers present there.
  • the scattering body acts in this context as a projection surface, but in principle also spatial representations are conceivable, so that the scattering body in this case represents a projection space.
  • the light source and the scattered light it is also possible for the light source and the scattered light to be arranged at an angle to one another. For example, a rectangular or nearly rectangular arrangement of the light source and the scattered light is conceivable and is encompassed by the invention.
  • the light source can be coupled via an edge in the (area) diffuser.
  • the inhomogeneities in the interior and / or on the surface of the scattering body can have a varying density.
  • the light propagation can be limited.
  • the incident light of the light source is scattered, for example, only between previously introduced clusters of inhomogeneities.
  • this can limit the direction of light propagation.
  • reflections can be avoided if the optical light scattering unit is used as a display or general display unit.
  • the varying density and / or size and / or orientation of the inhomogeneities in the scattering body can be used to counteract a weakening of the light beams by scattering. That is, by these measures, the decreasing light intensity can be counteracted by scattering and / or reflection.
  • inhomogeneities specifically for this purpose and to introduce them into the scattering body in order to counteract absorption of the incident light in the material of the scattering body.
  • This absorption can be caused, for example, by a turbidity of the material.
  • the light rays are more and more deflected by the inhomogeneities.
  • an increasing absorption is conceivable.
  • most of the scattering body is made transparent throughout, so that the decrease in Light intensity is due to the increased scattering of the inhomogeneities with increasing path of the light beam through the scattering body scattering.
  • This decreasing light intensity can be accommodated by increased scattering with increasing distance from the light source.
  • This increased scattering can be produced by an increasing density of the scattering centers and thus inhomogeneities in the transparent scattering body.
  • the density of the inhomogeneities or scattering centers in the transparent scattering body increases with increasing distance from the light source.
  • a decreasing light intensity and consequently decreasing brightness in the interior of the scattering body can be counteracted by compensating in whole or in part for this decreasing brightness through an increasing number of scattering centers.
  • the result is a scattering body or a scattering plate with homogeneous light emission, even if the light source is coupled via an edge.
  • the invention recommends glasses, such as mineral glasses or plastics, such as. As acrylic glass, polycarbonate, PVC, PET, etc.
  • solid-state crystals such as sapphire, quartz, etc. may be used.
  • What is decisive is solely the property of the materials used to be transparent to the light spectrum emitted by the light source and, moreover, to be able to permanently define markings by laser engraving and / or laser surface engraving or the like.
  • the interpretation will be made in such a way that the markings or structures are present as bubbles, crack stars, indentations or depressions.
  • the scattering body is designed to be reflective at least on one side or on both sides. This can be done by, for example, by depositing a reflective layer on a surface of the diffuser, by adhering such a layer, or by imparting a pattern to a reflective layer at a distance from the relevant surface. Alternatively, however, it is also possible to work with mirror glass from the outset, ie a glass body or a glass pane which already has an applied mirror layer on at least one side. The mirror layer may be formed as a vapor-deposited aluminum layer. In any case, the scattered light is further directed and undergoes a spatial guidance.
  • the inhomogeneities in the scattering body can be arranged so that overall a geometric body is described.
  • This geometric body may be circles, spirals, slats, lines, squares, letters, numbers, characters, logos, etc.
  • the invention also relates to a surface radiator, which is characterized by an optical light scattering unit, which has the specifications described above.
  • This surface radiator may be, for example, a display or a display unit, a lamp, wall elements, room elements such as room dividers, projection surfaces in the form of a glass screen, room or ceiling lighting, illuminated heat surfaces, etc. Most of the time you will realize surface spotlights that provide a homogeneous light emission available or with the help of a targeted light control is generated.
  • the invention also relates to the use of an electromagnetic radiation source for generating surface markings and / or sub-surface markings in a transparent scattering body in the course of Use of this scattering body in conjunction with a light source whose emitted light is coupled into the scattering body and scattered as it passes through the inhomogeneities thus generated and present in the interior to realize an optical light scattering unit.
  • an optical light scattering unit and a surface radiator are described, which can be adapted particularly cost-effective, quickly and efficiently to the specific requirements.
  • the scattering centers or inhomogeneities in question are advantageously introduced by means of a laser beam into the scattering body in question, which selectively crosses the source of destruction in the scattering body.
  • any spatial structures in the interior and / or on the surface of the scattering body can be defined.
  • the light coupled into the scattering body and emitted by the light source is deflected in the desired directions at the scattering centers.
  • FIGS. 3 and 4 modified embodiments according to the invention
  • Fig. 5 A, B the embodiments of FIGS. 3 and 4 schematically in plan and again each different design
  • FIG. 5C shows a diagram of the intensity distribution of the scattered light intensity, taking into account a scattering element according to FIG. 5 B.
  • FIG. 5C shows a diagram of the intensity distribution of the scattered light intensity, taking into account a scattering element according to FIG. 5 B.
  • FIGS. 1 and 2 show an optical light scattering unit which, in its basic structure, has a transparent scattering body 1 and at least one light source 2.
  • the optical light scattering unit with the diffuser 1 and the light source 2 may be part of a surface radiator, which can be realized in this way. This becomes clear in particular with reference to FIG. 2. Because for a viewer B, the optical light scattering unit appears as if the entire transparent scattering body 1 is illuminated flat, for example, emits a uniform homogeneous light intensity.
  • the scattering body 1 in the variant of FIG. 2 also act as a projection surface or represent such.
  • the light source 2 may be designed as a projector 2.
  • the light source or the projector 2 projects an image which appears in the interior or on the surface of the scattering body 1 as an associated projection surface.
  • Such an approach can be implemented to define, for example, a display, a display unit, etc.
  • the light emitted by the light source 2 is coupled into the scattering body 1.
  • this can take place in such a way that the light emitted by the light source 2 enters the diffuser 1 in a rear surface 1a and out of the opposite front surface 1b again after the scattering of inhomogeneities 3 in the interior of the diffuser 1 exit.
  • the light entry does not take place via the wide sides 1a, 1b previously referred to in the scattering body 1 which is in the form of a scattering plate or cuboid scattering plate, but rather over its narrow sides 1c or 1d.
  • the light source 2 is one or more punctiform radiators, for example an LED, which may also emit colored light. Either way, the spectrum emitted by the light source 2 completely or partially covers the light spectrum, ie the visible region.
  • the inhomogeneities or scattering centers 3 in the interior and / or on the surface of the scattering body 1 are introduced in the course of internal machining and / or surface processing, which takes place with the aid of a laser, for example an Nd: YAG laser or CO 2 laser.
  • a laser for example an Nd: YAG laser or CO 2 laser.
  • the inhomogeneities or laser markings 3 are generated in such a way that with the aid of the laser beam the damage threshold in the scattering body 1 or at its surface is selectively exceeded.
  • the laser beam undergoes a corresponding focusing, so that there is the so-called dielectric breakdown and ionization.
  • the scattering body 1 is locally melted and substantially macroscopically visible bubbles or structures are formed, which are often additionally characterized by cracks protruding from their surface, in other words so-called crack stars.
  • These structures have a size in the micrometer range and act altogether as scattering centers 3. This applies in any case for inhomogeneities or scattering centers 3, which are arranged completely inside the scattering body.
  • the inhomogeneities or scattering centers 3 may also be partially present in the interior of the scattering body 1 and open, for example, to the surface. Then the inhomogeneities or scattering centers are 3 Usually formed as recesses or depressions and have a smooth-walled surface. Also in this case, inhomogeneities or scattering centers 3 in the interior of the scattering body 1 the speech, but with an opening 3a and a molding 3b, as shown in Fig. 3 in detail.
  • the scattering centers or inhomogeneities 3 ensure that the light 4 emitted or emitted by the light source 2 is scattered thereon predominantly in the forward direction in the context of the illustration according to FIG. 2 and leaves the scattering body 1 as scattered light 5.
  • the scattering body 1 - as described - act as a projection surface for the projector 2 leaving image.
  • a spatial representation in the scattering body 1 is conceivable. Then the scattering body 1 acts as a projection space.
  • FIG. 1 shows an angular scattering with scattering angles in the range of 90 ° or more.
  • the inhomogeneities 3 can also scatter the irradiated light anisotropically in predetermined spatial directions if the inhomogeneities 3 have a specific structure in the interior of the scattering body 1 or on its surface, as has already been described in the introduction.
  • the diffuser 3 has in the examples according to FIGS. 1 and 2 in total a closed and smooth surface, because the inhomogeneities or scattering centers 3 are arranged completely in the interior of the scattering body 1 and the described internal laser engraving does not damage the surface. As a result, the surface is easy to clean and does not tend to stain. As a result, the illustrated optical light scattering unit or a surface radiator realized thereby is predestined for outdoor use. For example, it is not difficult to realize a display unit or a display with the aid of the light scattering unit. It is also possible to produce lamps, wall elements, etc.
  • the scattering body 1 can be made of the previously described materials such as glass, plastic or crystalline materials and mixtures become.
  • the scattering body 1 it is conceivable to manufacture the scattering body 1 as a scattering plate or diffuser made of, for example, acrylic glass, glass, PVC, PET.
  • the light source 2 and the light 4 emitted by it, as well as the scattered light 5, have a substantially coincident direction, the scattering body or the scattering plate or diffusing screen 1 being interposed.
  • Fig. 1 follows a variant in which the light source 2 and the emitted light 4 and the scattered light 5 at an angle, z. B. predominantly rectangular, are arranged to each other. In this way, it is achieved that the light 4 entering the scattering body or the scattering disk 1 via the narrow side 1c emerges after the scattering at the inhomogeneities or scattering centers 3 on the two broad sides 1a and 1b and can also exit.
  • An additional reflection layer 6 spaced from the diffusing screen 1 may ensure that the scattered light 5 exits primarily from the front surface 1b and undergoes a directed guidance to the right in the illustration in FIG.
  • FIG. 1 indicates that the inhomogeneities or scattering centers 3 can have a varying density in the interior of the scattering body 2.
  • the design is such that the density of the inhomogeneities or scattering centers 3 increases with increasing distance from the light source 2.
  • the size or shape of the scattering centers 3 can also change with increasing distance from the light source. In any case, in this way a growing scattering of the light 4 emitted or emitted by the light source 2 at the inhomogeneities or scattering centers 3 can be taken into account. Because of this fact, the brightness of the emitted light beams 4 in the interior of the scattering body 1 decreases with increasing distance from the light source 2.
  • an optical light scattering unit which has differently designed scattering bodies 1 and at least one light source 2.
  • the inhomogeneities 3 are present unchanged in the interior of the diffuser 1, but in the present case and predominantly on its surface. That is, the inhomogeneities 3 have the already mentioned opening 3a to the surface.
  • the design will be such that the inhomogeneities 3 with their indentation 3b extend into the interior of the scattering body 1, that is still present in the interior of the scattering body 1.
  • 3 to 5 are material depressions which have been introduced into the surface of the scattering body 1 with the aid of the electromagnetic radiation.
  • laser radiation is used again.
  • a light deflection unit for example, a galvanometer scanner.
  • this light deflection unit can also be used in conjunction with the Nd: YAG laser already described.
  • the inhomogeneities in question 3, as shown in FIGS. 3 and 4, are found again in the interior of the diffuser 1, in the form of recesses which face the surface with their openings 3a, whereas the corresponding indentation 3b enters the interior of the diffuser body 1 has or is present in the interior.
  • the openings 3a are, for example, formed on a longitudinal side or broad side 1a, 1b of the diffuser 1.
  • the diameters of the openings 3a are in the range of 1 .mu.m to 500 .mu.m, preferably in the range of 5 .mu.m to 100 .mu.m. This depends on the focus diameter of the laser used below a down focusing lens.
  • the depth of the indentation 3b may be a few microns up to a few mm.
  • the light 4 emitted by the light source 2 in the example cases according to FIGS. 3 and 4 enters a narrow side 1c or both narrow sides 1c, 1d of the diffuser 1. It is also possible for two light sources 2 to couple the correspondingly emitted light 4 into the diffuser 1 in question via the two opposite narrow sides 1c, 1d, as FIG. 4 shows.
  • the scattering body 1 In the interior of the scattering body 1, after the scattering of the coupled-in light 4 at the inhomogeneities or scattering centers 3, a light exit or the scattered light 5 occurs. If the inhomogeneities 3 are present, for example, on only one broad side 1a, then the coupled-in light 4 emerges predominantly on the other broad side 1b as scattered light 5, as FIG. 4 shows. This can essentially be attributed to the total reflection occurring inside the scattering body 1. Because the coupled-in light 4 runs zigzag between, for example, the two surfaces 1a and 1b and the associated plate surfaces of the scattering body 1 back and forth.
  • the coupled-in light 4 can emerge completely or partially from the diffuser 1 not only on the broad side 1b, but also on the broad side 1a with the inhomogeneities 3 present there (see FIG. 4). However, as soon as the coupled-in light 4 strikes the respective inhomogeneity 3, depending on the design of the inhomogeneity 3, the light 4 is reflected thereon in such a way that it leaves the scattering body 1, for example, on the opposite surface 1b. Because then the angle condition for total reflection is no longer respected.
  • the density of the inhomogeneities or scattering centers 3 can change as seen over the surface of the scattering body 1.
  • different structures of the respective inhomogeneities 3 are used.
  • the inhomogeneities 3 can be arranged distributed anisotropically in the interior of the scattering body 1 or on its surface. In this case, it is usually possible to change both the density and the topological structure of the individual scattering centers or inhomogeneities 3. This also applies to their spatial orientation.
  • FIG. 5C now describes a diagram of the intensity distribution of the light I (X, Y) emerging from the scattering body 1 in accordance with FIG. 5B.
  • the light 4 in question and coupled in is preferably scattered and reflected in the direction X.
  • scattering and reflection in direction Y are less or not at all observed. In this way, an angle-dependent light emission can be generated and used, for example, to avoid unwanted glare or reflections. This is for applications of the scatter body 1 as a display of particular importance.
  • the length of the arrows according to the sketch according to FIG. 5C stands for the intensity of the light intensity I (X, Y) in the indicated direction X or Y. It can be seen that more light is passed through the scatter body 1 in the X direction and this leaves as in the Y direction. For intermediate angles, a corresponding transition is observed. This indicates the respective intensity dependent on the direction I (X, Y) in FIG. 5C.
  • the coupled-in light 4 enters the scatter body 1 or its narrow sides 1c, 1d in the X direction. Following this, the coupled-in light 4 is partially scattered or reflected at the inhomogeneities 3 and leaves the scattering body 1 via its broad sides 1a, 1b as scattered light 5 in the Y direction.
  • the length of the arrows in the sketch according to FIG. 5C stands for the intensity of the light intensity in the indicated direction X or Y. It can be seen that more light is guided through the diffuser 1 in the X direction than in the Y direction. For intermediate angles, a corresponding transition is observed. This indicates the respective intensity-dependent intensity I (X, Y) in FIG. 5C.
  • the coupled-in light 4 enters the scatter body 1 or its narrow sides 1c, 1d in the X direction. Following this, the coupled-in light 4 is partially scattered or reflected at the inhomogeneities and leaves the scattering body 1 via its broad sides 1a, 1b as scattered light 5 in the vertical direction or Y-direction.
  • the light intensity I (X, Y) in the X-direction is greater than that in the Y-direction.
  • transparent materials are recommended, ie those which are continuous for the light emitted, for example, by LEDs. These are by way of example and not restrictive to glass, plastic, such as polycarbonate, etc.
  • the scattering body 1 can also be colored.
  • LEDs as light source 2 and OLEDs fluorescent tubes or similar light sources 2 can be used.
  • the described scattering body 1 can be combined with a mirror or a mirror-like structure.
  • the inhomogeneities 3 can be introduced either on a reflective side or on the opposite side or on both sides.
  • D. h. Taking into account the embodiment of FIG. 3 can be applied to the surface 1 a, on the surface 1 b or on both surfaces 1 a, 1 b, a reflective surface. If the structure or the inhomogeneities 3 are introduced into the scattering body 1 before the deposition or vapor deposition of the reflecting layer, they can be mirrored with it. As a result, a particularly intense light scattering and reflection will be observed.
  • mirrors produced in this way can be illuminated via, for example, the narrow sides 1c and / or 1d.
  • the light intensity exiting the unstructured and uncoated surface 1b is high.
  • mirrors with integrated lighting can be realized by laterally coupled-in light.
  • the light is coupled via, for example, the two surfaces or narrow sides 1c and 1d in a transparent surface light guide behind an associated display. This can be done via one or more LEDs.
  • the surface light guide is a diffusion plate of the structure described. Since such surface light guides usually have a considerable extent, it is advisable to vary the density of the inhomogeneities 3. For example, the density of the inhomogeneities 3 or scattering centers 3 may increase with the distance from the associated light source 2 because the light intensity decreases exponentially with a greater distance from the light source 2.
  • the size and / or structure and / or depth of the respective inhomogeneities or scattering centers 3 can be changed as a function of the distance to the light source 2 such that the scattered light increases with the distance from the light source 2, and also exponentially , As a result, a homogeneous light extraction can be realized in summary.
  • the area illuminated in this way appears uniformly bright, although the light is coupled in only on one side, for example via the side 1c or via both sides 1c, 1d. Such a situation is illustrated in FIG. 5B.
  • the density of the inhomogeneities 3 increases exponentially with increasing distance from the light source 2 and is maximal in the central region of the scattering body 1.
  • two opposing light sources 2 are used, which are respectively coupled into the opposite narrow sides 1c, 1d.

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Abstract

Optische Lichtstreueinheit, mit einem transparenten Streukörper, und mit wenigstens einer Lichtquelle, deren emittiertes Licht in den Streukörper eingekoppelt und bei seinem Durchtritt an im Inneren vorhandenen Inhomogenitäten gestreut wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Inhomogenitäten als durch elektromagnetische Strahlung in den Streukörper eingebrachte Oberflächenmarkierungen und/oder Suboberflächenmarkierungen ausgebildet sind.

Description

Optische Lichtstreueinheit
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine optische Lichtstreueinheit, mit einem transparenten Streukörper, und mit wenigstens einer Lichtquelle, deren emittiertes Licht in den Streukörper eingekoppelt und bei seinem Durchtritt an im Inneren vorhandenen Inhomogenitäten gestreut wird.
Transparenter Streukörper meint einen Streukörper, welcher für das einge- koppelte Licht ganz oder zumindest teilweise durchlässig ist und das besagte
Licht der Lichtquelle nicht vollständig absorbiert. Die im Inneren vorhandenen
Inhomogenitäten können sich bis zur Oberfläche des Streukörpers erstrecken bzw. an der Oberfläche vorhanden sein und ins Innere des Streukörpers ragen.
In jedem Fall erstreckt sich die fragliche Inhomogenität ins Innere des Streu- körpers, sofern sie an der Oberfläche vorhanden ist bzw. ist vollständig im
Inneren des Streukörpers angeordnet.
Im Rahmen der Erfindung findet überwiegend eine Streuung in Vorwärtsrichtung statt, bei welcher die von der Lichtquelle ausgesandten Lichtstrahlen an den einzelnen im Streukörper vorhandenen Streuzentren unter einem Winkel von nicht mehr als 90° abgelenkt werden. Selbstverständlich kann es auch zu einer Streuung in Rückwärtsrichtung kommen. Meistens ist jedoch die Intensität des gestreuten Lichtes in Vorwärtsrichtung größer als die Intensität des gestreuten Lichtes in Rückwärtsrichtung.
Optische Lichtstreueinheiten des eingangs beschriebenen Aufbaus sind in großem Umfang aus der Praxis bekannt und werden beispielsweise im Rahmen der DE 101 53 380 A1 beschrieben. Hier geht es um eine Leuchte mit einer lichtdurchlässigen Scheibe, welche mit einer Mikrostruktur ausgerüstet ist. Eine ähnliche Struktur beschreibt die DE 10 2004 049 260 A1 , um Behälter oder allgemein Gebinde zu beleuchten und ihr Bild mit Hilfe einer oder mehrerer Kameras aufzunehmen. Durch die DE 10 2006 061 164 A1 ist eine lichtemittierende Vorrichtung bekannt geworden, bei welcher eine Strahlungsquelle mit einem gekrümmten Lichtleitkörper zusammenwirkt. In den Lichtleitkörper wird die von der Strahlungsquelle emittierte Strahlung eingekoppelt und in einem Winkel zu seiner Längsachse ausgekoppelt.
Schlussendlich beschäftigt sich die DE 101 23 263 B4 mit einem Lichtleitsystem für den Innenraum eines Kraftfahrzeuges. Dabei geht es zusammenfassend um eine großflächige, homogene und blendfreie Aufhellung eines Fahrzeugdaches im Überkopfbereich von Fahrzeuginsassen. Zu diesem Zweck ist neben der eigentlichen Lichtquelle ein Lichtleiter zur Lichtführung vorgesehen. Der Lichtleiter ist flächig ausgebildet, wobei die Einkopplung des Lichts an einer oder mehreren Seitenflächen erfolgt. Die Auskopplung des Lichts wird durch Auf- rauung, Prägung oder Bohrung mit bestimmter Struktur erreicht.
Der Stand der Technik kann nicht in allen Punkten überzeugen. Denn die Anordnung und Einbringung der Streuzentren im Inneren des Streukörpers erfordert oftmals einen erhöhten mechanischen Aufwand und lässt sich nur mit großer Mühe gezielt und mit bestimmter Anordnung und Ausrichtung realisieren. Hier setzt die Erfindung ein.
Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, eine derartige optische Lichtstreueinheit so weiter zu entwickeln, dass die Streuzentren in den transparenten Streukörper einfach und definiert eingebracht werden können.
Zur Lösung dieser technischen Problemstellung ist eine gattungsgemäße optische Lichtstreueinheit dadurch gekennzeichnet, dass die Inhomogenitäten bzw. Streuzentren im transparenten Streukörper als durch elektromagnetische Strahlung eingebrachte Oberflächenmarkierungen und/oder Suboberflächen- markierungen ausgebildet sind. Im Rahmen der Erfindung werden also die Inhomogenitäten im Streukörper nicht durch mechanische oder chemische Behandlung des Streukörpers im Inneren oder an seiner Oberfläche definiert. Sondern vielmehr dadurch, dass mit Hilfe der elektromagnetischen Strahlung Markierungen unter die Oberfläche, so genannte Suboberflächenmarkierungen oder allgemein Strukturen bzw. Sub- oberflächenstrukturen eingebracht werden. Alternativ oder zusätzlich können auch Oberflächenmarkierungen mit Hilfe der elektromagnetischen Strahlung realisiert werden. Diese Oberflächenmarkierungen sind grundsätzlich mit Ein- und/oder Ausformungen an der Oberfläche flankiert, welche die eigentlichen Inhomogenitäten im Inneren des Streukörpers darstellen.
Insgesamt geht die Erfindung von der Erkenntnis aus, dass sich mit Hilfe der in den Streukörper eingekoppelten elektromagnetischen Strahlung Energiedichten von mehreren J/cm2 erzielen lassen, so dass am Ort des Brennpunktes MoIe- külbindungen dauerhaft zerstört und im Allgemeinen ein Plasma erzeugt wird.
Als Folge hiervon finden sich in dem Material bzw. an seiner Oberfläche mikroskopische Strukturen in Gestalt von Risssternchen bzw. (glattwandigen) Eintiefungen oder Vertiefungen, die sich hinsichtlich Gestalt, Größe und Lage im Wesentlichen durch die Parameter Leistung der elektromagnetischen Strahlung und Brennweite einer zugehörigen Optik zur Fokussierung verändern lassen. Das ist grundsätzlich in Verbindung mit dem Einschreiben und Auslesen von Informationen in transparente Materialkörper bekannt, wie die DE 237 972 A3, die US 3 715 734 oder auch die DE 691 25 378 T2 belegen. Ergänzend sei auf die DE 199 25 801 B4 Bezug genommen, die ein Verfahren zur regelbaren Veränderung der Punkgröße bei der Laserinnengravur beschreibt und ebenso die US 5 637 244, welche verschiedene im Inneren eines transparenten Materialkörpers anbringbare dreidimensionale Strukturen bildlich darstellt.
Die bisherigen Dokumente zur Laserinnengravur beschäftigen sich entweder damit, Informationen unverlierbar in den transparenten Materialkörper einzubringen oder allgemein dreidimensionale Strukturen zu definieren. Diese an sich bekannten Vorgehensweisen werden jedoch nicht gezielt dazu eingesetzt, Inhomogenitäten bzw. Streuzentren in einen Streukörper im Zusammenhang mit einer optischen Lichtstreueinheit einzubringen. In diesem Zusammenhang hat es sich bewährt, wenn die Inhomogenitäten bzw. Streuzentren als Lasermarkierungen ausgestaltet sind, also mit Hilfe eines Lasers in den transparen- ten Streukörper eingebracht werden. In der Regel wird hier mit elektromagnetischer Strahlung im nahen Infrarot, im sichtbaren oder sogar im UV- Bereich gearbeitet. Beispielsweise mag ein Nd:YAG-Laser mit einer Wellenlänge von 1 ,064 μm oder auch einer solchen von 532 nm zum Einsatz kommen. Grundsätzlich lassen sich an dieser Stelle auch Wellenlängen von 355 nm oder auch 266 nm realisieren. Alternativ hierzu können die fraglichen Inhomogenitäten auch mit Hilfe eines CO2-Lasers erzeugt werden.
Die zuvor als Erstes angesprochenen Nd:YAG-Laser emittieren Laserpulse mit einer Pulsdauer von nicht mehr als 10'6 sek Dauer, insbesondere werden sogar Pulsdauern von 10'8 sek oder weniger erzeugt. Dadurch lassen sich Leistungsdichten von über 107 W/cm2 erreichen und die bereits zuvor angesprochenen Energiedichten von mehreren J/cm2 realisieren. Für (XVLaser gilt, dass diese Ausgangsleistungen bis zu ca. 20 kW zur Verfügung stellen und sowohl kontinuierlich als auch gepulst betrieben werden. In diesem Zusammenhang können ähnliche Leistungsdichten wie zuvor beschrieben erzeugt werden. Die Ausgangswellenlänge liegt im mittleren Infrarot bei ca. 10,6 μm, gelegentlich auch bei 9,4 μm.
Im Gegensatz zu der elektromagnetischen Strahlungsquelle, welche die Inhomogenitäten bzw. Streuzentren oder allgemein Strukturen im Inneren des Streukörpers definiert und im infraroten, im sichtbaren oder im UV-Bereich emittiert, arbeitet die Lichtquelle durchgängig im sichtbaren Spektralbereich, d. h. sendet das vom menschlichen Auge wahrzunehmende Lichtspektrum aus. Der Wellenlängenbereich der Lichtquelle reicht also ungefähr von 380 nm bis 750 nm. Dabei kann selbstverständlich sowohl mit einem kontinuierlichen Lichtspektrum als auch mit einem diskontinuierlichen und natürlich auch mit einem gepulsten Lichtspektrum gearbeitet werden, welches von der Lichtquelle emit- tiert wird. Die Inhomogenitäten bzw. Streuzentren verfügen in der Regel über eine Größe im Mikrometerbereich.
Wie bereits erläutert, sind die Inhomogenitäten vorteilhaft als Lasermarkie- rungen oder Laserstrukturierungen ausgestaltet. Diese werden in den transparenten Streukörper eingebracht bzw. an seiner Oberfläche angebracht, indem mit Hilfe des Lasers die Zerstörschwelle im Streukörper punktuell überschritten wird. Als Folge hiervon bleibt der transparente Streukörper natürlich nach wie vor durchlässig für das von der Lichtquelle emittierte Lichtspektrum, werden lediglich die von der Lichtquelle emittierten Lichtstrahlen ganz oder teilweise an den Inhomogenitäten bzw. Streuzentren gestreut.
Dabei wird die Auslegung üblicherweise so getroffen, dass die Inhomogenitäten anisotrop im Inneren des Streukörpers verteilt sind. Die Anisotropie lässt sich dadurch herstellen, dass die Inhomogenitäten eine bestimmte und vorgegebene Dichte und/oder eine bestimmte und vorgegebene topologische Struktur beschreiben. Dabei können die einzelnen Inhomogenitäten über das Volumen bzw. die Oberfläche des Streukörpers gesehen selbstverständlich unterschiedliche Dichten aufweisen. Auch räumlich verschiedene topologische Strukturen sind denkbar. Auf diese Weise sorgen die Inhomogenitäten bzw. Streuzentren dafür, dass das eingestrahlte Licht anisotrop in vorgegebene Raumrichtungen gestreut wird. D. h., mit Hilfe der Inhomogenitäten lassen sich ausgangsseitig des transparenten Streukörpers gezielt bestimmte Richtungen für das gestreute Licht bevorzugen.
Neben einer ausgangsseitig des Streukörpers realisierten homogenen Helligkeitsverteilung ist folglich auch eine solche möglich, bei welcher das Licht kontrolliert und anisotrop in bestimmte Raumrichtungen abgelenkt wird. Dabei lassen sich je nach in den Streukörpern eingebrachter Struktur auch geo- metrische Muster realisieren.
Das an den Inhomogenitäten gestreute und aus dem Streukörper austretende Licht definiert eine bestimmte räumliche Streulichtverteilung. Diese hängt von der Größe der Inhomogenitäten bzw. Streuzentren, deren Dichte sowie ihrer räumlichen Ausdehnung und schließlich ihrer räumlichen Orientierung ab. Dabei kann grundsätzlich auch mit unterschiedlich großen Inhomogenitäten in ein und demselben Streukörper gearbeitet werden. In diesem Zusammenhang hat es sich bei einem Verfahren zur Herstellung einer solchen optischen Lichtstreueinheit bewährt, zunächst einmal in den transparenten Streukörper mittels der elektromagnetischen Strahlung, vorzugsweise Laserstrahlung, die Oberflächenmarkierungen und/oder Suboberflächenmarkierungen einzubringen. Außerdem wird das emittierte Licht der Lichtquelle in den solcher- maßen hergestellten Streukörper eingekoppelt. Die Größe und/oder Dichte und/oder räumliche Ausdehnung der Inhomogenitäten bzw. Streuzentren gibt nun die räumliche Streulichtverteilung außerhalb des Streukörpers vor.
Dabei kann im Rahmen der Erfindung vorteilhaft so vorgegangen werden, dass die Größe und/oder Dichte und/oder räumliche Ausdehnung der besagten Inhomogenitäten bzw. Streuzentren nach Maßgabe einer gewünschten räumlichen Streulichtverteilung während des Herstellungsprozesses beispielsweise im Sinne einer Regelung eingestellt wird. Hierbei wird so vorgegangen, dass in den Streukörper die Lichtquelle eingekoppelt wird, und zwar schon während des Herstellungsprozesses. D. h., das eingekoppelte und von der Lichtquelle emittierte Licht wird beim Einbringen der Oberflächenmarkierungen und/oder Suboberflächenmarkierungen an diesen bereits während des Herstellungsprozesses gestreut. Indem nun die räumliche Streulichtverteilung während der Herstellung aufgenommen wird, lässt sich der Herstellungsprozess so steuern, dass an seinem Ende der Streukörper die zuvor gewünschte räumliche Streulichtverteilung des eingekoppelten Lichtes erzeugt.
In diesem Zusammenhang empfiehlt es sich beispielsweise, die ausgangsseitig des Streukörpers erzeugte räumliche Streulichtverteilung mit Hilfe beispiels- weise bildgebender Verfahren zu erfassen. Hierzu mag auf eine oder mehrere Kameras, Fotodioden etc. zurückgegriffen werden. Jedenfalls kann während des Herstellungsprozesses des Streukörpers bzw. beim Einbringen der Inhomogenitäten mit Hilfe der elektromagnetischen Strahlung respektive vorzugsweise der Laserstrahlung gleichsam in situ deren Streuwirkung beobachtet und erfasst werden. In dem nun die jeweils tatsächlich gemessene räumliche Streulichtverteilung mit einer gewünschten vorgegebenen räumlichen Streulichtverteilung verglichen wird, kann die elektromagnetische Strahlungsquelle bzw. der Laser entsprechend geführt werden, um die vorgegebene räumliche Streulichtverteilung zu erhalten. Das geschieht üblicherweise im Sinne einer Regelung. Dadurch kann der Streukörper und mit ihm die optische Lichtstreueinheit im Zuge des Herstellungsprozesses zielgenau an den späteren Einsatzzweck und insbesondere die in diesem Zusammenhang gewünschte räumliche Streulicht- Verteilung angepasst werden.
Dabei versteht es sich in diesem Zusammenhang, dass regelmäßig die eingesetzte Lichtquelle, deren emittiertes Licht in den Streukörper eingekoppelt und bei seinem Durchtritt an den im Inneren vorhandenen Inhomogenitäten gestreut wird, für den anschließenden Einsatzzweck beibehalten wird. Grundsätzlich ist aber auch ein Austausch möglich. Ebenso hat es sich bewährt, wenn die fragliche Lichtquelle oder die mehreren Lichtquellen vor dem An- oder Einbringen der Inhomogenitäten zunächst beispielsweise unabhängig vom Streukörper betrieben werden, um beispielsweise alterungsbedingte Helligkeitsveränderun- gen während der anschließenden Nutzungsdauer so gering wie möglich einzustellen. Das gilt insbesondere für den Fall, dass als eine Lichtquelle oder mehrere Lichtquellen LEDs und hier besonders Weißlicht-LEDs zum Einsatz kommen. So oder so lässt sich die erfindungsgemäße optische Lichtstreueinheit bzw. der eingesetzte transparente Streukörper hinsichtlich seiner erzeugten räumlichen Streulichtverteilung während des Herstellungsprozesses gezielt an den anschließenden Einsatzzweck anpassen.
Denkbar ist es beispielsweise, mit Hilfe der Inhomogenitäten bzw. Streuzentren das mittels der Lichtquelle eingestrahlte Licht so zu streuen, dass sich aus- gangsseitig des transparenten Streukörpers auf einer Projektionsfläche Kreise, Lamellen, Linien, Quadrate oder andere Formen und Strukturen mit oder ohne gestalterischen Effekt realisieren lassen. An der jeweils verfolgten technischen Wirkung und den physikalischen Zusammenhängen ändert sich hierdurch nichts.
Insgesamt hat es sich bewährt, wenn der transparente Streukörper flächig und als Streuplatte ausgebildet ist. In jedem Fall verfügt der Streukörper vor dem Einbringen der Inhomogenitäten über eine geschlossene und glatte Oberfläche, die insbesondere keine Mikrostrukturierung aufweist, wie dies der Stand der Technik lehrt. Dadurch lässt sich die Oberfläche leicht reinigen und ist zugleich schmutzunempfindlich, was insbesondere für einen Einsatz im Außenbereich von besonderer Bedeutung ist. Diese Eigenschaft wird insbesondere beobachtet, wenn lediglich Suboberflächenmarkierungen im Inneren erzeugt werden.
In der Regel verfügen die Lichtquelle bzw. das von ihr ausgesandte und das gestreute Licht über eine im Wesentlichen übereinstimmende Richtung, wobei zwischen der Lichtquelle und dem gestreuten Licht der Streukörper zwischengeschaltet ist. Diese im Wesentlichen übereinstimmende Richtung ergibt sich aufgrund der Tatsache, dass das von der Lichtquelle emittierte und in den Streukörper eingekoppelte Licht überwiegend in Vorwärtsrichtung an den Inhomogenitäten elastisch gestreut wird. Außerdem beobachtet man alternativ oder zusätzlich Reflexionen an den Inhomogenitäten.
In diesem Zusammenhang kann der Streukörper auch vorteilhaft als gleichsam Projektionsfläche genutzt werden. Das ist unter anderem zur Realisierung von Displays, Anzeigeeinheiten etc. günstig. In diesem Fall ist die Lichtquelle vorteilhaft als Projektor und der Streukörper als die bereits angesprochene Projektionsfläche ausgeführt. Ein von der Lichtquelle bzw. dem Projektor erzeugtes Bild lässt sich auf diese Weise im Inneren oder grundsätzlich auch an der Oberfläche des Streukörpers durch die dort vorhandenen Inhomogenitäten bzw. Streuzentren sichtbar machen. Der Streukörper fungiert in diesem Zusammenhang als Projektionsfläche, wobei grundsätzlich aber auch räumliche Darstellungen denkbar sind, sodass der Streukörper in diesem Fall einen Projektionsraum darstellt. Es ist grundsätzlich aber auch möglich, dass die Lichtquelle und das gestreute Licht winklig zueinander angeordnet sind. Beispielsweise ist eine rechtwinklige oder nahezu rechtwinklige Anordnung der Lichtquelle und des gestreuten Lichtes denkbar und wird von der Erfindung umfasst. In diesem Fall kann die Lichtquelle über eine Kante in den (flächigen) Streukörper eingekoppelt werden.
Von besonderer und selbständiger Bedeutung für die Erfindung ist des Weiteren die Tatsache, dass die Inhomogenitäten im Inneren und/oder an der Oberfläche des Streukörpers eine variierende Dichte aufweisen können. Auf diese Weise kann beispielsweise die Lichtausbreitung begrenzt werden. So ist es denkbar, dass das eingestrahlte Licht der Lichtquelle beispielsweise nur zwischen zuvor eingebrachten Anhäufungen der Inhomogenitäten gestreut wird. Auch lässt sich hierdurch die Richtung der Lichtausbreitung begrenzen. Dadurch lassen sich beispielsweise Spiegelungen vermeiden, wenn die optische Lichtstreueinheit als Display oder allgemeine Anzeigeeinheit genutzt wird. Darüber hinaus lässt sich über die variierende Dichte und/oder Größe und/oder Orientierung der Inhomogenitäten in dem Streukörper einer Abschwächung der Lichtstrahlen durch Streuung entgegenwirken. Das heißt, durch diese Maßnahmen kann der abnehmenden Lichtintensität durch Streuung und/oder Reflexion entgegengewirkt werden.
Es ist auch möglich, die Inhomogenitäten gezielt dazu einzusetzen und in den Streukörper einzubringen, um einer Absorption des eingestrahlten Lichtes im Material des Streukörpers entgegenzuwirken. Diese Absorption kann beispiels- weise durch eine Materialtrübung hervorgerufen werden. Jedenfalls lässt sich über beispielsweise die variierende Dichte der Inhomogenitäten eine Kompensation der abnehmenden Lichtintensität beim Durchtritt durch den Streukörper bzw. beim Austritt aus diesem entgegenwirken.
Tatsächlich werden die Lichtstrahlen mit zunehmender Länge ihres Weges innerhalb des Streukörpers an den Inhomogenitäten mehr und mehr abgelenkt. Grundsätzlich ist auch eine zunehmende Absorption denkbar. Meistens ist der Streukörper jedoch durchweg transparent gestaltet, so dass die Abnahme der Lichtintensität auf die mit zunehmendem Weg des Lichtstrahls durch den Streukörper verstärkte Streuung an den Inhomogenitäten zurückzuführen ist. Dieser sinkenden Lichtintensität kann durch eine erhöhte Streuung mit zunehmender Entfernung von der Lichtquelle Rechnung getragen werden. Diese erhöhte Streuung lässt sich durch eine zunehmende Dichte der Streuzentren und somit Inhomogenitäten in dem transparenten Streukörper erzeugen.
Im Ergebnis ist es in diesem Zusammenhang also vorteilhaft, wenn die Dichte der Inhomogenitäten bzw. Streuzentren in dem transparenten Streukörper mit zunehmender Entfernung von der Lichtquelle steigt. Auf diese Weise kann beispielsweise einer sinkenden Lichtintensität und folglich abnehmenden Helligkeit im Inneren des Streukörpers begegnet werden, indem diese abnehmende Helligkeit durch eine zunehmende Anzahl an Streuzentren ganz oder teilweise kompensiert wird. Das Ergebnis ist ein Streukörper bzw. eine Streuplatte mit homogener Lichtausstrahlung, und zwar auch dann, wenn die Lichtquelle über eine Kante eingekoppelt wird.
Als Materialien für den eingesetzten Streukörper empfiehlt die Erfindung Gläser, beispielsweise mineralische Gläser oder auch Kunststoffe, wie z. B. Acrylglas, Polykarbonat, PVC, PET etc. Darüber hinaus können Festkörperkristalle wie beispielsweise Saphir, Quarz etc. zur Anwendung kommen. Entscheidend ist einzig und allein die Eigenschaft der eingesetzten Materialien, für das von der Lichtquelle emittierte Lichtspektrum transparent zu sein und im Übrigen die Möglichkeit zu eröffnen, per Laserinnengravur und/oder Laseroberflächengravur oder dergleichen dauerhaft Markierungen definieren zu können. Dabei wird man die Auslegung ergänzend so treffen, dass die Markierungen bzw. Strukturen als Bläschen, Risssternchen, Eintiefungen oder auch Vertiefungen vorliegen. Diese Strukturen führen makroskopisch zu einer Materialtrübung oder auch einem Linseneffekt im betroffenen Bereich, wobei allerdings das Material des Streu- körpers zwischen den einzelnen Strukturen selbstverständlich transparent bleibt und keine Trübung oder einen Linseneffekt erfährt. Schlussendlich schlägt die Erfindung noch vor, dass der Streukörper zumindest einseitig oder auch beidseitig reflektierend ausgebildet ist. Das kann geschehen, indem beispielsweise auf eine Oberfläche des Streukörpers eine reflektierende Schicht aufgedampft wird, eine solche Schicht aufgeklebt wird oder auch eine reflektierende Schicht beabstandet von der betreffenden Oberfläche eine Anordnung erfährt. Alternativ hierzu kann aber auch von vornherein mit Spiegelglas gearbeitet werden, also einem Glaskörper oder einer Glasscheibe, die zumindest einseitig bereits eine aufgebrachte Spiegelschicht aufweist. Die Spiegelschicht kann als aufgedampfte Aluminiumschicht ausgebildet sein. Jedenfalls wird das gestreute Licht noch weiter gerichtet und erfährt eine räumliche Führung.
Dabei lassen sich die Inhomogenitäten im Streukörper so anordnen, dass insgesamt ein geometrischer Körper beschrieben wird. Bei diesem geometrischen Körper kann es sich um Kreise, Wendeln, Lamellen, Linien, Quadrate, Buchstaben, Ziffern, Schriftzeichen, Logos etc. handeln. Mit Hilfe der Form und Größe dieser Strukturen lassen sich nicht nur gestalterische Effekte erreichen, sondern kann auch das über die Lichtquelle eingekoppelte Licht geführt werden.
Gegenstand der Erfindung ist auch ein Flächenstrahler, welcher durch eine optische Lichtstreueinheit gekennzeichnet ist, die über die zuvor beschriebenen Spezifikationen verfügt. Bei diesem Flächenstrahler kann es sich beispielhaft um ein Display oder eine Anzeigeeinheit, eine Lampe, Wandelemente, Raum- elemente wie Raumteiler, Projektionsflächen in Gestalt einer gläsernen Leinwand, Raum- oder Deckenbeleuchtungen, beleuchtete Wärmeflächen etc. handeln. Meistens wird man Flächenstrahler realisieren, die eine homogene Lichtabstrahlung zur Verfügung stellen oder mit deren Hilfe eine gezielte Lichtlenkung erzeugt wird.
Die Erfindung bezieht sich auch auf die Verwendung einer elektromagnetischen Strahlungsquelle zur Erzeugung von Oberflächenmarkierungen und/oder Sub- oberflächenmarkierungen in einem transparenten Streukörper im Zuge der Nutzung dieses Streukörpers in Verbindung mit einer Lichtquelle, deren emittiertes Licht in den Streukörper eingekoppelt und bei seinem Durchtritt an den solchermaßen erzeugten und im Inneren vorhandenen Inhomogenitäten gestreut wird, um eine optische Lichtstreueinheit zu realisieren.
Im Ergebnis werden eine optische Lichtstreueinheit sowie ein Flächenstrahler beschrieben, die sich besonders kostengünstig, schnell und effizient an die jeweils spezifischen Anforderungen anpassen lassen. Hierzu trägt insbesondere der Umstand bei, dass die für die Lichtlenkung letztlich verantwortlichen Inhomogenitäten bzw. Streuzentren im Inneren des transparenten Streukörpers praktisch beliebig hinsichtlich Größe, Gestalt und Anordnung (Größe und/oder Dichte und/oder räumliche Ausdehnung) vorgegeben werden können. Denn die fraglichen Streuzentren oder Inhomogenitäten werden nach vorteilhafter Ausgestaltung mit Hilfe eines Laserstrahls in den fraglichen Streukörper einge- bracht, welcher punktuell die Zerstörquelle im Streukörper überschreitet.
Indem entweder der Laserstrahl zweidimensional und/oder dreidimensional bewegt wird und/oder der Streukörper eine zweidimensionale und/oder dreidimensionale Bewegung erfährt, lassen sich beliebige räumliche Strukturen im Inneren und/oder an der Oberfläche des Streukörpers festlegen. Als Folge hiervon wird das in den Streukörper eingekoppelte und von der Lichtquelle emittierte Licht in die gewünschten Richtungen an den Streuzentren abgelenkt. Hierin sind die wesentlichen Vorteile zu sehen.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher erläutert; es zeigen:
Fig. 1 und 2 zwei verschiedene Ausführungsformen einer optischen Lichtstreueinheit bzw. eines Flächenstrahlers, welcher entsprechend der Erfindung arbeitet,
Fig. 3 und 4 abgewandelte Ausführungsformen entsprechend der Erfindung, Fig. 5 A, B die Ausgestaltungen nach den Fig. 3 und 4 schematisch in Aufsicht und erneut jeweils unterschiedlicher Gestaltung und
Fig. 5 C ein Diagramm zur Intensitätsverteilung der gestreuten Licht- intensität unter Berücksichtigung eines Streukörpers entsprechend der Fig. 5 B.
In den Fig. 1 und 2 ist eine optische Lichtstreueinheit dargestellt, die in ihrem grundsätzlichen Aufbau über einen transparenten Streukörper 1 und wenigs- tens eine Lichtquelle 2 verfügt. Die optische Lichtstreueinheit mit dem Streukörper 1 und der Lichtquelle 2 mag Bestandteil eines Flächenstrahlers sein, der sich auf diese Weise realisieren lässt. Das wird insbesondere anhand der Fig. 2 deutlich. Denn für einen Betrachter B erscheint die optische Lichtstreueinheit so, als ob der gesamte transparente Streukörper 1 flächig beleuchtet wird, bei- spielsweise eine gleichmäßige homogene Lichtstärke abgibt.
In diesem Zusammenhang kann der Streukörper 1 bei der Variante nach Fig. 2 auch als Projektionsfläche fungieren bzw. eine solche darstellen. Dann mag die Lichtquelle 2 als Projektor 2 ausgeführt sein. Die Lichtquelle bzw. der Projektor 2 projiziert ein Bild, welches im Inneren oder an der Oberfläche des Streukörpers 1 als zugehörige Projektionsfläche erscheint. Eine solche Vorgehensweise kann realisiert werden, um beispielsweise ein Display, eine Anzeigeeinheit etc. zu definieren.
Um dies im Detail zu erreichen, wird das von der Lichtquelle 2 emittierte Licht in den Streukörper 1 eingekoppelt. Das kann bei der Variante nach Fig. 2 dergestalt erfolgen, dass das von der Lichtquelle 2 emittierte Licht in eine rückseitige Fläche 1a in den Streukörper 1 ein und aus der gegenüberliegenden frontseitigen Fläche 1 b wieder nach der Streuung an Inhomogenitäten 3 im Inneren des Streukörpers 1 austritt. Zusätzlich oder alternativ hierzu ist es aber auch möglich, dass der Lichteintritt nicht über die zuvor in Bezug genommenen Breitseiten 1a, 1b in den als Streuscheibe bzw. quaderförmige Streuplatte ausgeführten Streukörper 1 erfolgt, sondern vielmehr über dessen Schmalseiten 1c bzw. 1d. Dann erfolgt nach Streuung des eingekoppelten Lichtes an den Inhomogenitäten bzw. Streuzentren 3 im Inneren des Streukörpers 1 ein Lichtaustritt über die beiden Breitseiten 1a, 1b bzw. die rückseitige Fläche 1a und die frontseitige Fläche 1b, wie dies beispielhaft in der Fig. 1 dargestellt ist.
Im Rahmen der Alternative nach Fig. 2 kommt als Lichtquelle 2 ein üblicher thermischer Strahler bzw. eine geeignete Weißlichtquelle zum Einsatz. Bei der Lichtquelle 2 entsprechend der Fig. 1 handelt es sich demgegenüber um einen oder mehrere punktförmige Strahler, beispielsweise eine LED, die zudem auch farbig emittieren mag. So oder so deckt das von der Lichtquelle 2 emittierte Spektrum ganz oder teilweise das Lichtspektrum, also den sichtbaren Bereich, ab.
Die Inhomogenitäten bzw. Streuzentren 3 im Inneren und/oder an der Ober- fläche des Streukörpers 1 werden im Zuge einer Innenbearbeitung und/oder Oberflächenbearbeitung eingebracht, welche mit Hilfe eines Lasers, beispielsweise eines Nd:YAG-Lasers oder CO2-Lasers erfolgt. Bei diesem Vorgang werden die Inhomogenitäten bzw. Lasermarkierungen 3 derart erzeugt, dass mit Hilfe des Laserstrahls die Zerstörschwelle im Streukörper 1 oder an seiner Oberfläche punktuell überschritten wird. Zu diesem Zweck erfährt der Laserstrahl eine entsprechende Fokussierung, so dass es zum sogenannten dielektrischen Durchbruch und einer Ionisation kommt. Als Folge hiervon wird der Streukörper 1 lokal aufgeschmolzen und es bilden sich im Wesentlichen makroskopisch sichtbare Bläschen oder Strukturen, die oftmals zusätzlich noch durch von ihrer Oberfläche abstehende Risse gekennzeichnet sind, also sogenannte Risssternchen. Diese Strukturen besitzen eine Größe im Mikrometerbereich und fungieren insgesamt als Streuzentren 3. Das gilt jedenfalls für Inhomogenitäten bzw. Streuzentren 3, die vollständig im Inneren des Streukörpers angeordnet sind.
Grundsätzlich können die Inhomogenitäten bzw. Streuzentren 3 aber auch teilweise im Inneren des Streukörpers 1 vorhanden sein und sich beispielsweise zur Oberfläche hin öffnen. Dann sind die Inhomogenitäten bzw. Streuzentren 3 üblicherweise als Eintiefungen oder Vertiefungen ausgebildet und verfügen über eine glattwandige Oberfläche. Auch in diesem Fall ist von Inhomogenitäten bzw. Streuzentren 3 im Inneren des Streukörpers 1 die Rede, allerdings mit einer Öffnung 3a und einer Einformung 3b, wie sie in Fig. 3 im Detail dargestellt sind.
Die Streuzentren bzw. Inhomogenitäten 3 sorgen dafür, dass das von der Lichtquelle 2 ausgesandte bzw. emittierte Licht 4 hieran im Rahmen der Darstellung nach Fig. 2 überwiegend in Vorwärtsrichtung gestreut wird und den Streukörper 1 als gestreutes Licht 5 verlässt. Bei dieser Variante kann der Streukörper 1 - wie beschrieben - als Projektionsfläche für ein den Projektor 2 verlassendes Bild fungieren. Grundsätzlich ist auch eine räumliche Darstellung im Streukörper 1 denkbar. Dann fungiert der Streukörper 1 als Projektionsraum.
Die Fig. 1 zeigt dagegen eine winklige Streuung mit Streuwinkeln im Bereich um 90° oder mehr. Dabei können die Inhomogenitäten 3 das eingestrahlte Licht auch anisotrop in vorgegebene Raumrichtungen streuen, wenn die Inhomogenitäten 3 über eine bestimmte Struktur im Inneren des Streukörpers 1 oder an seiner Oberfläche verfügen, wie dies bereits einleitend beschrieben wurde.
Der Streukörper 3 verfügt bei den Beispielen nach den Fig. 1 und 2 insgesamt über eine geschlossene und glatte Oberfläche, weil die Inhomogenitäten bzw. Streuzentren 3 vollständig im Inneren des Streukörpers 1 angeordnet sind und die beschriebene Laserinnengravur die Oberfläche nicht schädigt. Folglich lässt sich die Oberfläche einfach reinigen und neigt nicht zu Verschmutzungen. Dadurch ist die dargestellte optische Lichtstreueinheit bzw. ein damit realisierter Flächenstrahler für einen Einsatz im Außenbereich prädestiniert. Beispielsweise kann mit Hilfe der Lichtstreueinheit unschwer eine Anzeigeeinheit oder ein Display realisiert werden. Auch lassen sich Lampen, Wandelemente etc. her- stellen.
Der Streukörper 1 kann aus den zuvor bereits beschriebenen Materialien wie Glas, Kunststoff oder auch kristallinen Stoffen sowie Mischungen hergestellt werden. Beispielsweise ist es denkbar, den Streukörper 1 als Streuplatte oder Streuscheibe aus beispielsweise Acrylglas, Glas, PVC, PET zu fertigen.
Im Rahmen der Variante nach Fig. 2 weisen die Lichtquelle 2 und das von ihr emittierte Licht 4 sowie das gestreute Licht 5 eine im Wesentlichen übereinstimmende Richtung auf, wobei der Streukörper bzw. die Streuplatte oder Streuscheibe 1 zwischengeschaltet ist. Dagegen verfolgt die Fig. 1 eine Variante, bei welcher die Lichtquelle 2 bzw. das ausgesandte Licht 4 und das gestreute Licht 5 winklig, z. B. überwiegend rechtwinklig, zueinander ange- ordnet sind. Auf diese Weise wird erreicht, dass das über die Schmalseite 1c in den Streukörper bzw. die Streuscheibe 1 eintretende Licht 4 nach der Streuung an den Inhomogenitäten bzw. Streuzentren 3 an den beiden Breitseiten 1a bzw. 1 b austritt und auch austreten kann. Eine zusätzliche und von der Streuscheibe 1 beabstandete Reflexionsschicht 6 mag dafür sorgen, dass das gestreute Licht 5 primär aus der frontseitigen Fläche 1b austritt und eine gerichtete Führung nach rechts in der Darstellung in Fig. 1 erfährt.
Die Fig. 1 deutet schließlich an, dass die Inhomogenitäten bzw. Streuzentren 3 eine variierende Dichte im Inneren des Streukörpers 2 aufweisen können. Tat- sächlich ist die Auslegung so getroffen, dass die Dichte der Inhomogenitäten bzw. Streuzentren 3 mit zunehmender Entfernung von der Lichtquelle 2 steigt. Alternativ oder zusätzlich kann sich aber auch die Größe respektive Gestalt der Streuzentren 3 mit zunehmender Entfernung von der Lichtquelle ändern. Jedenfalls lässt sich auf diese Weise einer wachsenden Streuung des von der Lichtquelle 2 ausgesandten bzw. emittierten Lichtes 4 an den Inhomogenitäten respektive Streuzentren 3 Rechnung tragen. Denn durch diesen Umstand nimmt die Helligkeit der ausgesandten Lichtstrahlen 4 im Inneren des Streukörpers 1 mit zunehmender Entfernung von der Lichtquelle 2 ab.
Um diesen Effekt zu kompensieren oder abzuschwächen, wird mit zunehmendem Abstand von der Lichtquelle 2 mit einer wachsenden Anzahl an Streuzentren 3 gearbeitet. Alternativ oder zusätzlich kann aber auch die Größe und/oder Gestalt der Streuzentren 3 geändert werden. Als Folge hiervon wird selbst bei der Ausführungsform nach Fig. 1 mit gleichsam seitlich angebrachter Lichtquelle 2 erreicht, dass die Lichtstärke des gestreuten Lichtes 5 über die Austrittsfläche 1a, 1 b gesehen im Wesentlichen gleich ist. D. h., selbst bei der Variante nach Fig. 1 wird letztlich ein homogener Flächenstrahler zur Verfügung gestellt.
Im Rahmen der Variante nach den Fig. 3 bis 5 wird ebenfalls eine optische Lichtstreueinheit gezeigt, die über unterschiedlich ausgebildete Streukörper 1 und wenigstens eine Lichtquelle 2 verfügt. In Übereinstimmung mit dem Bei- spiel nach den Fig. 1 und 2 sind die Inhomogenitäten 3 unverändert im Inneren des Streukörpers 1 vorhanden, allerdings vorliegend und überwiegend an seiner Oberfläche. Das heißt, die Inhomogenitäten 3 verfügen über die bereits angesprochene Öffnung 3a zur Oberfläche hin. Dabei wird man die Auslegung so treffen, dass sich die Inhomogenitäten 3 mit ihrer Einformung 3b ins Innere des Streukörpers 1 erstrecken, also nach wie vor im Inneren des Streukörpers 1 vorhanden sind. Tatsächlich handelt es sich bei den Inhomogenitäten 3 nach den Fig. 3 bis 5 um Materialvertiefungen, die mit Hilfe der elektromagnetischen Strahlung in die Oberfläche des Streukörpers 1 eingebracht worden sind. Zu diesem Zweck kommt erneut Laserstrahlung zum Einsatz. Meistens wird man hier auf einen CO2-Laser in Kombination mit einer Lichtablenkeinheit (beispielsweise einem Galvanometer-Scanner) zurückgreifen. Diese Lichtablenkeinheit kann grundsätzlich - auch in Verbindung mit dem bereits beschriebenen Nd:YAG-Laser - zum Einsatz kommen.
Jedenfalls finden sich die fraglichen Inhomogenitäten 3 entsprechend der Darstellung in den Fig. 3 und 4 erneut im Inneren des Streukörpers 1 , und zwar in Gestalt von Vertiefungen, die mit ihren Öffnungen 3a der Oberfläche zugewandt sind, wohingegen die zugehörige Einformung 3b ins Innere des Streukörpers 1 weist bzw. im Inneren vorhanden ist. Die Öffnungen 3a sind dabei beispiels- weise an einer Längsseite bzw. Breitseite 1a, 1 b des Streukörpers 1 ausgebildet. Typischerweise liegen die Durchmesser der Öffnungen 3a im Bereich von 1 μm bis 500 μm, vorzugsweise im Bereich von 5 μm bis 100 μm. Das hängt vom Fokusdurchmesser des eingesetzten Lasers unterhalb einer zugehö- rigen Fokussieriinse ab. Die Tiefe der Einformung 3b mag wenige μm bis hin zu einigen mm betragen.
Je nach Bewegungsmuster des die jeweilige Inhomogenität 3 in den Streu- körper 1 einschreibenden Lasers oder allgemein der elektromagnetischen Strahlung, lassen sich ganz unterschiedliche Strukturen und auch Formen der jeweiligen Inhomogenität 3 definieren. So ist es denkbar, beispielsweise punktförmige Einformungen, Kreise, Quadrate, Linienzüge, Dreiecke, Schriftzeichen, Zahlen, Buchstaben, Logos etc. einbringen zu können, wie dies beispielhaft in der Fig. 5A für einzelne verschieden ausgebildete Inhomogenitäten 3 dargestellt ist. Auf diese Weise lässt sich das in den Streukörper 1 und von der Lichtquelle 2 emittierte Licht auf ganz unterschiedliche Art und Weise einkoppeln und aus dem Streukörper 1 herausstreuen.
Tatsächlich tritt das von der Lichtquelle 2 emittierte Licht 4 im Rahmen der Beispielfälle nach den Fig. 3 und 4 in eine Schmalseite 1c bzw. in beide Schmalseiten 1c, 1d des Streukörpers 1 ein. Dabei ist es auch möglich, dass zwei Lichtquellen 2 das entsprechend emittierte Licht 4 über die beiden sich gegenüberliegenden Schmalseiten 1c, 1d in den fraglichen Streukörper 1 einkoppeln, wie die Figur 4 zeigt.
Im Inneren des Streukörpers 1 erfolgt nach der Streuung des eingekoppelten Lichtes 4 an den Inhomogenitäten bzw. Streuzentren 3 ein Lichtaustritt bzw. tritt das gestreute Licht 5 aus. Befinden sich die Inhomogenitäten 3 beispielsweise an lediglich der einen Breitseite 1a, so tritt das eingekoppelte Licht 4 überwiegend an der anderen Breitseite 1 b als gestreutes Licht 5 aus, wie die Fig. 4 zeigt. Das lässt sich im Wesentlichen auf die im Inneren des Streukörpers 1 stattfindende Totalreflexion zurückführen. Denn das eingekoppelte Licht 4 läuft zickzackförmig zwischen beispielsweise den beiden Flächen 1a und 1b bzw. den zugehörigen Plattenoberflächen des Streukörpers 1 hin und her. Auf diese Weise kann das eingekoppelte Licht 4 nicht nur an der Breitseite 1 b, sondern auch an der Breitseite 1a mit den dort vorhandenen Inhomogenitäten 3 ganz oder teilweise aus dem Streukörper 1 wieder austreten (vgl. Fig. 4). Sobald jedoch das eingekoppelte Licht 4 auf die jeweilige Inhomogenität 3 trifft, wird das Licht 4 je nach Gestaltung der Inhomogenität 3 hieran derart reflektiert, dass es den Streukörper 1 beispielsweise auf der gegenüberliegenden Fläche 1 b verlässt. Denn dann wird die Winkelbedingung für Totalreflexion nicht mehr eingehalten.
Anhand der Aufsicht nach der Fig. 5B wird deutlich, dass sich die Dichte der Inhomogenitäten bzw. Streuzentren 3 über die Fläche des Streukörpers 1 gesehen ändern kann. Außerdem wird im Rahmen des Beispiels nach Fig. 5A mit unterschiedlichen Strukturen der jeweiligen Inhomogenitäten 3 gearbeitet. Auf diese Weise können die Inhomogenitäten 3 anisotrop im Inneren des Streukörpers 1 respektive an seiner Oberfläche verteilt angeordnet werden. Dabei lassen sich üblicherweise sowohl die Dichte als auch die topologische Struktur der einzelnen Streuzentren respektive Inhomogenitäten 3 ändern. Das gilt auch für ihre räumliche Orientierung.
Selbstverständlich kann auch die Tiefe der Einformung 3b, ebenso wie die Gestalt der Inhomogenität 3 im Ganzen, eine Veränderung erfahren. Diese ver- schiedenen Möglichkeiten sind in den Fig. 5A und 5B dargestellt. Die Fig. 5C beschreibt nun ein Diagramm zur Intensitätsverteilung des aus dem Streukörper 1 entsprechend der Fig. 5B austretenden Lichtes I (X, Y).
Anhand dieser Skizze 5C erkennt man, dass je nach Orientierung der Inhomogenitäten bzw. Streuzentren 3 das Licht im Beispielfall nach der Fig. 5B überwiegend in Richtung X gestreut und reflektiert wird, dagegen weniger in die Richtung Y. Das wird durch die Ausrichtung der linienförmigen Inhomogenitäten 3 im Rahmen des dargestellten Beispiels nach Fig. 5B erzielt, die in Y-Richtung verlaufen.
Tatsächlich handelt es sich hier um im Bereich der Oberfläche bzw. der Fläche 1a des Streukörpers 1 eingebrachte linienförmige Inhomogenitäten 3 in der Anordnung und Verteilung gemäß Fig. 5B. Sobald von den beiden Lichtquellen 2 über die Schmalseiten 1c bzw. 1d eingekoppeltes Licht 4 in den Streukörper 1 gelangt, wird das fragliche und eingekoppelte Licht 4 vorzugsweise in Richtung X gestreut und reflektiert. Dagegen beobachtet man eine Streuung und Reflexion in Richtung Y weniger bis gar nicht. Auf diese Weise kann eine winkelabhängige Lichtabstrahlung erzeugt und genutzt werden, um beispielsweise unerwünschte Blendungen oder Reflexionen zu vermeiden. Das ist für Anwendungen des Streukörpers 1 als Display von besonderer Bedeutung.
Die Länge der Pfeile nach der Skizze nach Fig. 5C steht für die Stärke der Lichtintensität I (X, Y) in der angegebenen Richtung X bzw. Y. Man erkennt, dass in X-Richtung mehr Licht durch den Streukörper 1 hindurchgeführt wird und diesen verlässt als in Y-Richtung. Für dazwischen liegende Winkel wird ein entsprechender Übergang beobachtet. Das deutet die jeweilige und von der Richtung abhängige Intensität I (X, Y) in der Fig. 5C an. Das eingekoppelte Licht 4 tritt in X-Richtung in den Streukörper 1 bzw. über seine Schmalseiten 1c, 1d ein. Im Anschluss daran wird das eingekoppelte Licht 4 teilweise an den Inhomogenitäten 3 gestreut bzw. reflektiert und verlässt den Streukörper 1 über seine Breitseiten 1a, 1b als gestreutes Licht 5 in Y-Richtung.
Die Länge der Pfeile in der Skizze nach der Fig. 5C steht für die Stärke der Lichtintensität in der angegebenen Richtung X bzw. Y. Man erkennt, dass in X- Richtung mehr Licht durch den Streukörper 1 hindurch geführt wird als in Y- Richtung. Für dazwischen liegende Winkel wird ein entsprechender Übergang beobachtet. Das deutet die jeweilige und von der Richtung abhängige Intensi- tat I (X, Y) in der Fig. 5C an. Das eingekoppelte Licht 4 tritt in X-Richtung in den Streukörper 1 bzw. über seine Schmalseiten 1c, 1d ein. Im Anschluss daran wird das eingekoppelte Licht 4 teilweise an den Inhomogenitäten gestreut bzw. reflektiert und verlässt den Streukörper 1 über seine Breitseiten 1a, 1b als gestreutes Licht 5 in Vertikalrichtung bzw. Y-Richtung. Da jedoch nur ein mehr oder minder geringer Teil des Lichtes gestreut wird, erklärt sich, dass die Lichtintensität I (X, Y) in X-Richtung gegenüber derjenigen in Y-Richtung größer ist. Als Material für den Streukörper 1 empfehlen sich grundsätzlich transparente Materialien, also solche, die für das von beispielsweise LEDs emittierte Licht durchgängig sind. Hierbei handelt es sich beispielhaft und nicht einschränkend um Glas, Kunststoff, beispielsweise Polykarbonat usw.. Selbstverständlich kann der Streukörper 1 auch eingefärbt werden. Neben LEDs als Lichtquelle 2 können auch OLEDs, Leuchtstoffröhren oder ähnliche Lichtquellen 2 zum Einsatz kommen.
Ganz abgesehen davon, kann der beschriebene Streukörper 1 mit einem Spiegel bzw. einer spiegelnden Struktur kombiniert werden. Dabei lassen sich die Inhomogenitäten 3 entweder auf einer spiegelnden Seite oder auf der gegenüberliegenden Seite oder auf beiden Seiten einbringen. D. h., unter Berücksichtigung des Ausführungsbeispiels nach Fig. 3 kann auf die Fläche 1a, auf die Fläche 1 b oder auf beide Flächen 1a, 1 b eine spiegelnde Oberfläche aufgebracht werden. Wird die Struktur bzw. werden die Inhomogenitäten 3 vor dem Aufbringen bzw. Aufdampfen der spiegelnden Schicht in den Streukörper 1 eingebracht, lassen sie sich mit verspiegeln. Dadurch wird eine besonders intensive Lichtstreuung und -reflexion beobachten. Auf diese Weise lassen sich derart hergestellte Spiegel über beispielsweise die Schmalseiten 1c und/oder 1d beleuchten. Als Folge hiervon ist die aus der unstrukturierten und unverspiegelten Fläche 1 b austretende Lichtintensität hoch. Dadurch können Spiegel mit gleichsam integrierter Beleuchtung durch seitlich eingekoppeltes Licht realisiert werden.
Eine andere Möglichkeit besteht darin, Displays, Anzeigeinstrumente oder allgemein Bildschirme respektive Monitore mit einer homogenen Ausleuchtung des Hintergrundes auszurüsten. In diesem Fall wird das Licht über beispielsweise die beiden Flächen respektive Schmalseiten 1c und 1d in einen transparenten Flächenlichtleiter hinter einem zugehörigen Display eingekoppelt. Das kann über ein oder mehrere LEDs erfolgen. Bei dem Flächenlichtleiter handelt es sich um eine Streuplatte des beschriebenen Aufbaus. Da solche Flächenlichtleiter üblicherweise über eine nicht unerhebliche Ausdehnung verfügen, empfiehlt es sich, die Dichte der Inhomogenitäten 3 zu variieren. Beispielsweise mag die Dichte der Inhomogenitäten 3 bzw. Streuzentren 3 mit dem Abstand von der zugehörigen Lichtquelle 2 zunehmen, weil die Lichtintensität exponentiell mit größerer Entfernung von der Lichtquelle 2 abnimmt. Meistens wird man dem mit einem exponentiellen Anstieg der Dichte der Inhomogenitäten 3 bzw. Streuzentren 3 in Abhängigkeit vom Abstand zur Lichtquelle 2 begegnen. Alternativ oder zusätzlich kann auch die Größe und/oder Struktur und/oder Tiefe der jeweiligen Inhomogenitäten bzw. Streuzentren 3 in Abhängigkeit vom Abstand zur Lichtquelle 2 so verändert werden, dass das gestreute Licht mit dem Abstand von der Lichtquelle 2 zunimmt, und zwar ebenfalls exponentiell. Dadurch lässt sich zusammenfassend eine homogene Lichtauskopplung realisieren. Die solchermaßen beleuchtete Fläche erscheint gleichmäßig hell, obwohl das Licht nur an einer Seite, beispielsweise über die Seite 1c oder über beide Seiten 1c, 1d eingekoppelt wird. Eine solche Situation ist in der Fig. 5B dargestellt.
Anhand der Fig. 5B erkennt man, dass die Dichte der Inhomogenitäten 3 mit zunehmenden Abstand von der Lichtquelle 2 exponentiell ansteigt und im mittleren Bereich des Streukörpers 1 maximal ist. Denn vorliegend wird mit zwei sich gegenüberliegenden Lichtquellen 2 gearbeitet, die jeweils in die sich gegenüberliegenden Schmalseiten 1c, 1d eingekoppelt werden.

Claims

Patentansprüche
1. Optische Lichtstreueinheit, mit einem transparenten Streukörper (1), und mit wenigstens einer Lichtquelle (2), deren emittiertes Licht (4) in den Streu- körper (1 ) eingekoppelt und bei seinem Durchtritt an im Inneren vorhandenen Inhomogenitäten (3) gestreut wird, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Inhomogenitäten (3) als durch elektromagnetische Strahlung in den Streukörper (1) eingebrachte Oberflächenmarkierungen und/oder Subober- flächenmarkierungen ausgebildet sind.
2. Optische Lichtstreueinheit nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Inhomogenitäten (3) als Lasermarkierungen ausgestaltet sind, die mittels eines die Zerstörschwelle im Streukörper (1) punktuell überschreitenden Laserstrahls eingebracht werden.
3. Optische Lichtstreueinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Inhomogenitäten (3) das eingestrahlte Licht (4) anisotrop in vorgegebene Raumrichtungen streuen.
4. Optische Lichtstreueinheit nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Inhomogenitäten (3) im Inneren des Streukörpers (1 ) eine vorgegebene Dichte und/oder topologische Struktur beschreiben.
5. Optische Lichtstreueinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der transparente Streukörper (1) als Streuplatte (1) ausgebildet ist.
6. Optische Lichtstreueinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das von der Lichtquelle (2) ausgesandte Licht (4) und das gestreute Licht (5) eine im Wesentlichen übereinstimmende Richtung aufweisen, wobei vorzugsweise die Lichtquelle (2) als Projektor (2) und der Streukörper (1 ) als Projektionsfläche ausgebildet sind.
7. Optische Lichtstreueinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das ausgesandte Licht (4) und das gestreute Licht (5) winklig, überwiegend rechtwinklig, zueinander angeordnet sind.
8. Optische Lichtstreueinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das ausgesandte Licht (4) über zumindest eine Kante (1c, 1d) in den Streukörper (1 ) eingekoppelt wird.
9. Optische Lichtstreueinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Inhomogenitäten (3) eine variierende Dichte im
Inneren des Streukörpers (1 ) aufweisen.
10. Optische Lichtstreueinheit nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichte der Inhomogenitäten (3) mit zunehmender Entfernung von der Lichtquelle (2) beispielsweise exponentiell steigt, um eine zunehmende Streuung des ausgesandten Lichtes (4) ganz oder teilweise zu kompensieren.
11. Optische Lichtstreueinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Streukörper (1 ) aus einem Glas, Kunststoff oder einem kristallinen transparenten Material hergestellt ist.
12. Optische Lichtstreueinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass der Streukörper (1 ) zumindest einseitig reflektierend ausgebildet ist und/oder dem Streukörper (1 ) wenigstens eine reflektierende Fläche (6) zugeordnet ist.
13. Optische Lichtstreueinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Inhomogenitäten (3) einen geometrischen Körper oder Zahlen, Buchstaben, Schriftzeichen, Logos etc. beschreiben.
14. Verfahren zur Herstellung einer optischen Lichtstreueinheit, wonach in einen transparenten Streukörper (1 ) mittels elektromagnetischer Strahlung Oberflächenmarkierungen und/oder Suboberflächenmarkierungen zur Erzeu- gung von Inhomogenitäten (3) eingebracht werden, wonach ferner emittiertes Licht (4) einer Lichtquelle (2) in den Streukörper (1 ) eingekoppelt wird, und wonach die Größe und/oder Dichte und/oder räumliche Ausdehnung der erzeugten Inhomogenitäten (3) nach Maßgabe einer gewünschten räumlichen Streulichtverteilung außerhalb des Streukörpers (1 ) während des Prozesses bzw. Produktionsprozesses im Sinne einer Regelung eingestellt wird.
15. Flächenstrahler, gekennzeichnet durch eine optische Lichtstreueinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 13.
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