EP3314164A1 - Indirekte beleuchtungsanordnung und verfahren zum herstellen einer indirekten beleuchtungsanordnung - Google Patents

Indirekte beleuchtungsanordnung und verfahren zum herstellen einer indirekten beleuchtungsanordnung

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EP3314164A1
EP3314164A1 EP16731175.2A EP16731175A EP3314164A1 EP 3314164 A1 EP3314164 A1 EP 3314164A1 EP 16731175 A EP16731175 A EP 16731175A EP 3314164 A1 EP3314164 A1 EP 3314164A1
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EP
European Patent Office
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light guide
cylindrical
holographic
light
optical element
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP16731175.2A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Rainer Hagen
Günther WALZE
Thomas Fäcke
Friedrich-Karl Bruder
Dennis Hönel
Thomas RÖLLE
Horst Berneth
Marc-Stephan Weiser
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.)
Covestro Deutschland AG
Original Assignee
Covestro Deutschland AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Covestro Deutschland AG filed Critical Covestro Deutschland AG
Publication of EP3314164A1 publication Critical patent/EP3314164A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • 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
    • G02B6/0013—Means for improving the coupling-in of light from the light source into the light guide
    • G02B6/0023—Means for improving the coupling-in of light from the light source into the light guide provided by one optical element, or plurality thereof, placed between the light guide and the light source, or around the light source
    • G02B6/0028—Light guide, e.g. taper
    • G—PHYSICS
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    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/09—Beam shaping, e.g. changing the cross-sectional area, not otherwise provided for
    • G02B27/0938—Using specific optical elements
    • G02B27/095—Refractive optical elements
    • G02B27/0955—Lenses
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/32—Holograms used as optical elements
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    • 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
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    • 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
    • G02B6/0005—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 of the fibre type
    • G02B6/0006—Coupling light into the fibre
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    • G02B6/0005—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 of the fibre type
    • G02B6/001—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 of the fibre type the light being emitted along at least a portion of the lateral surface of the fibre

Definitions

  • the invention relates to an indirect lighting arrangement comprising at least one cylindrical light guide, wherein at least one end of the cylindrical light guide is adapted to couple light from a first light source in the cylindrical light guide and the lateral surface of the cylindrical light guide is arranged a coupling portion for optically coupling the cylindrical light guide with an arrangeable having plate-shaped light guide.
  • the invention relates to a method for producing an indirect lighting arrangement, a
  • BLU Backlight Unit
  • Alternative applications are general lighting systems and in particular lighting systems for motor vehicles.
  • the basic requirements for the radiation characteristic of the BLU are given, for example, in the case of liquid crystal display screens (LC displays) by the general quality criteria for the types of products available today and in particular by the technology of the imaging LC panels used. They can be described as follows: The light is to be emitted as a well-cou- pled, spectrally defined light beam, which maintains its properties over the entire area of the BLU constant, so that a uniform illumination of the entire LC panel is achieved from a main direction.
  • LC displays liquid crystal display screens
  • the main direction of illumination in conventional 2D vision LCDs is the vertical tilt of the LC panel surface and, in the case of special directional BLUs designed for autostereoscopic 3D vision, horizontal tilting in one direction.
  • LEDs light emitting diodes
  • LEDs are superior to fluorescent tubes, such as cold cathode fluorescent lamps, because of their compactness, good energy efficiency, low cost, wide choice of emission spectra, and the ability to group individual spot emitters into modules.
  • BLUs but also in other applications, a distinction is basically made between two different types of lighting arrangements, namely the direct lighting arrangement and the indirect lighting arrangement. These two different types differ significantly in their structure and functioning. In the following, only the more common indirect lighting arrangement is described, which can be designed to be particularly flat and thus fulfills today's requirement for a particularly small overall depth better than the direct lighting arrangement.
  • the most common BLU concept is based on indirect backlighting
  • Edge lighting The light of the LEDs is coupled over the length of the edge of a uniform or possibly segmented light guide plate, propagate via total reflection in the light guide and are by means of light extraction elements on the rear and / or on the front surface of the light guide and / or in its inner volume attached, directed in the direction of the LC panel.
  • a continuous luminous exit surface is realized.
  • a reflective screen or white light scatterers can be used to feed back leaked light back into the active light directing area.
  • Such edge-lit BLUs can be realized with a small space depth if necessary, which brings a design advantage and possibly also a functional advantage for the LCD with it.
  • Elements are angle corrected and homogenized, e.g. by Brightness Enhancement Films (BEF), which are attached as a foil or plate between the light guide and the panel.
  • BEF Brightness Enhancement Films
  • any kind of manufacturing tolerance affects the LED modules, in particular in their positioning relative to the coupling surface of the planar optical waveguide (in particular in interaction with the downstream light directing elements) the more critical the larger the area of the BLU is. This leads to undefined changes in the light path.
  • variations in the light field incident on the LC panel lead to variations in image contrast and / or to poor ones
  • a first light source can be coupled into the cylindrical light guide.
  • a collimator light-diffractive optical element, in the simplest case a converging lens
  • the light of the first light source can first be collected before it is coupled into the light guide rod at one of its ends.
  • This elongated light guide can have different cross sections.
  • the cross-section may be circular, square or a geometric shape with additional straight cut surface.
  • the cylindrical light guide has suitable outlet openings or coupling sections and / or coupling-out structures in order to decouple the light from the cylindrical light guide.
  • Decoupling structures are in particular particulate scattering centers, prismatic or lenticular grid structures. These cause that an elongated luminous surface on the lateral surface of the cylindrical light guide, so a coupling portion, can arise with a defined intensity distribution.
  • Such lighting arrangements can be incorporated, for example, in edge-lit BLUs by being arranged between a first light source and an arrangeable planar or planar light guide (waveguide).
  • the Light or light wave emerging from the elongate light guide can be coupled into the planar light guide via one of its edges. Examples of the prior art are disclosed in US 5,835,661 A and US 7,549,783 A.
  • the rod-shaped optical fibers known from the prior art have disadvantages.
  • these cylindrical optical fibers have scattering outcoupling elements.
  • the light emerges at angles which are not subject to total reflection in the planar light guide after being coupled into the planar light guide.
  • the luminosity of the BLU decreases.
  • the broad scattering cone has the problem known from conventional edge-type BLUs that the intensity of the light in the planar light guide decreases with increasing propagation path. This in turn hinders or even prevents the
  • the invention is based on the object of providing a lighting arrangement for indirect illumination, which allows a defined, targeted and homogeneous extraction of light from a cylindrical light guide in a simple manner.
  • the object is achieved according to a first aspect of the invention in a lighting arrangement for indirect lighting according to claim 1.
  • the illumination arrangement comprises at least one cylindrical light guide. At least one end of the cylindrical light guide is set up to couple light from a first light source into the cylindrical light guide.
  • the lateral surface of the cylindrical optical waveguide has a coupling section configured for optically coupling the cylindrical optical waveguide to an arrangeable plate-shaped optical waveguide.
  • At least the coupling portion has at least one holographic-optical element configured to emit light from the cylindrical light guide into the disposable plate-shaped light guide.
  • a holographic-optical element is understood to be an optical element which comprises a volume hologram (hereinafter referred to in short as a "hologram")
  • a volume hologram according to the present invention is a light-diffractive optical element based on a translucent film
  • the volume hologram when illuminated with light, deflects it into a new spatial direction, the light field produced being able to assume a wide variety of forms, as in the case of the previous one Holographic manufacturing process were established.
  • the cylindrical light guide has a coupling-out element in the form of a holographic-optical element, light can be coupled out of the cylindrical light guide in a defined, targeted and homogeneous manner.
  • the light guide according to the invention is designed to Light in particular with a vorgebaren angle range to couple into a plate-shaped light guide.
  • the indirect illumination arrangement comprises a substantially cylindrical light guide.
  • the elongate light guide has two substantially mutually parallel and oppositely disposed ends and a lateral surface. At least one of the ends or end surfaces of the cylindrical light guide is adapted to couple light or at least one light beam from a first light source into the cylindrical light guide.
  • the first light source may include, for example, at least one light emitting diode or a laser.
  • the light or the light beam from the first light source is in particular coupled into the cylindrical light guide in such a way that it propagates in the light guide according to the law of total internal reflection (TIR).
  • TIR total internal reflection
  • an optical beam-shaping element can be provided between the first light source and the cylindrical light guide. The beam-shaping element can be set up to convert the particular collimated light beam of the first light source into a divergent light beam with a suitable expansion and suitable beam profile, so that the divergent light beam propagates in the cylindrical light guide according to the law of total internal reflection (TIR).
  • a part of the lateral surface of the cylindrical light guide is formed as a coupling portion.
  • a coupling section according to the invention represents, in particular, a region of the lateral surface of the cylindrical optical waveguide in which light or at least one light beam is emitted or coupled out of the cylindrical optical waveguide.
  • the decoupled light can be coupled into a further, in particular flat, light guide.
  • the shape and dimension of the coupling section correspond in particular to the (desired) coupling-in surface of the further optical waveguide.
  • the coupling portion may be formed as an elongated surface.
  • the holographic-optical element has a lattice structure, such that light with a predetermined angular range emits from the cylindrical light guide, in particular in the arrangeable plate-shaped Fiber optic can be coupled.
  • the angle range relates in particular to an angle between the coupled-out light beam and the surface normal of the coupling surface of the plate-shaped light guide. In other words, the light leaves the cylindrical light guide with a predetermined angular range.
  • the illumination arrangement according to the invention provides a high-precision light expansion system in the form of a cylindrical light guide with a holographic-optical element.
  • the light expansion system is suitable for very flat and yet large BLUs.
  • Such lighting arrangements are easy to manufacture, mechanically robust and to different types of planar light guide or
  • the illumination arrangement according to the invention can be manufactured inexpensively, in particular using only a few compact light sources, and can generate a light beam that is very well collimated and thus usable for low-loss waveguiding, and that overall has low light losses.
  • Various novel compact, energy-efficient and powerful light sources such as LEDs and lasers, in particular diode lasers, can be used in a simple manner as the first light source for the illumination arrangement according to the invention.
  • the adaptation to different illumination geometries, in particular to different coupling-out angles, can be provided.
  • the holographic-optical element may have a lattice structure such that the light incident on the holographic-optical element is detected from the cylindrical light guide.
  • the detected light can then be deflected by the grating structure of the holographic-optical element such that the light leaves the cylindrical light guide in a spatial direction with an intensity angle distribution that substantially corresponds to the total reflection in the arrangeable plate-shaped light guide.
  • the main direction of the diffraction is in particular perpendicular to the main axis of the cylindrical light guide.
  • the shape and dimension of the coupling portion of the cylindrical light guide can be arbitrary.
  • the coupling portion may be a substantially parallel to the main axis of the be cylindrical light guide extending strip-shaped coupling surface.
  • the strip-shaped coupling section may have a holographic-optical element in the form of a strip-shaped film.
  • the maximum length of the strip-shaped coupling section can correspond in particular to an edge length of the plate-shaped optical waveguide.
  • the maximum width of the light guide preferably corresponds to the thickness of the plate-shaped light guide. It is understood that the dimensions of the strip-shaped coupling portion may also be smaller.
  • the holographic-optical element is formed from a self-adhesive material.
  • the self-adhesive holographic-optical element may be adhered to the coupling portion.
  • the bonding can take place exclusively by using the self-adhesive properties of the holographic-optical element.
  • the bonding can be performed while applying pressure.
  • a secure contacting of the self-adhesive holographic-optical element can also be achieved during operation.
  • the holographic-optical element directly without an additional layer the light can be deflected with very low losses.
  • the holographic-optical element may comprise at least one (additional) adhesion-promoting layer at least on one of its two lateral surfaces as an alternative or in addition to its self-adhesive property.
  • the holographic optical element may be attached to the coupling portion by means of the primer layer.
  • the holographic-optical element can be enclosed on both sides with an adhesion-promoting layer.
  • the holographic-optical element may further comprise on at least one side surface at least one thermoplastic film layer of a material selected from the group comprising polymethyl methacrylate (PMMA), cellulose triacetate (TAC), amorphous polyamides (PA), polycarbonate (PC), cycloolefin copolymers (COC). , Polyethylene (PE), polyethylene terephthalate (PET), polypropylene (PP) and polyvinyl alcohol (PVA).
  • PMMA polymethyl methacrylate
  • TAC cellulose triacetate
  • PA amorphous polyamides
  • PC polycarbonate
  • COC cycloolefin copolymers
  • PE Polyethylene
  • PET polyethylene terephthalate
  • PP polypropylene
  • PVA polyvinyl alcohol
  • the photopolymer may preferably be enclosed on both sides by a peelable substrate and a thin adhesion promoter layer. After bonding the photopolymer with the cylindrical light guide, the substrate can be removed from the photopolymer nondestructive and residue-free. Only the photopolymer and the primer layer remain in this case on the light guide.
  • the cylindrical light guide can have an arbitrary cross section.
  • the cylindrical light guide may have a rectangular, in particular square, or elliptical cross section.
  • the cylindrical light guide may have a circular cross-section. With a circular cross-section can achieve a particularly homogeneous light distribution in the cylindrical light guide.
  • the diameter of the cross section may be between 1 mm and 10 mm, preferably between 2 mm and 5 mm.
  • the strip-shaped film can be at least less than 20 °, preferably at least less than 10 °, particularly preferably at least less than 5 °, and most preferably 1 to 3 °, of the 360 ° circumferential surface of the lateral surface of the cylindrical light guide taking.
  • a particularly thin illumination arrangement can be provided.
  • the lighting arrangement may include the plate-shaped light guide.
  • the holographic-optical element may be optically coupled to at least one narrow side of the plate-shaped light guide, such that the light is coupled into the narrow side of the plate-shaped light guide. In particular, all decoupled light is coupled into the planar light guide.
  • the holographic-optical element can be optically coupled to at least one broad side of the plate-shaped light guide, such that the light is coupled into the broad side of the plate-shaped light guide. In particular, all decoupled light is coupled into the planar light guide. It is understood that two or more cylindrical light guides can be provided, which can be attached in a corresponding manner to the other narrow sides and / or broad sides of the plate-shaped light guide.
  • the optical coupling between the cylindrical light guide or the holographic optical element and the plate-shaped light guide can be made (almost) directly.
  • the holographic-optical element can be connected to one side directly or by means of an adhesion-promoting layer (and optionally further thermoplastic layer of the holographic-optical element) with the cylindrical light guide and / or the plate-shaped light guide.
  • a transparent coupling substrate may be arranged between the holographic-optical element and the plate-shaped light guide. Common materials are glass or plastic for the optically transparent substrate.
  • a coupling substrate improves the mechanical properties of the lighting assembly.
  • the cylindrical light guide can be formed from a material selected from the group glass, polymethyl methacrylate, polydimethylsiloxane, polycarbonate or polystyrene.
  • the plate-shaped light guide can also be formed from a material selected from the group glass, polymethyl methacrylate, polydimethylsiloxane, polycarbonate or polystyrene.
  • An optical fiber may also be formed from other amorphous thermoplastics or mixtures of such materials.
  • Corresponding optical waveguide materials are characterized in that a homogeneous, non-scattering, and transparent transparent to the wavelengths of the light source can be formed from them. The light can propagate in a corresponding optical waveguide material in different beam paths, also called wave modes (short form: modes).
  • At least one of the two ends or end faces of the cylindrical light guide is configured to couple or introduce light from a first light source into the cylindrical light guide.
  • the further end of the cylindrical light guide may be formed reflecting.
  • the other end may be mirrored.
  • One (unwanted) Light emission can be avoided and therefore a good light efficiency of the lighting arrangement can be provided.
  • the invention proposes to set up the further end of the cylindrical light guide such that light from a second light source can be coupled into the cylindrical light guide. The available output light power can be increased.
  • the holographic-optical element may be formed from a material selected from the group of silver halide emulsions, dichromated gelatin or photopolymers.
  • the photopolymers can be formed at least from photoinitiator systems and polymerizable writing monomers.
  • the photopolymers may comprise plasticizers and / or thermoplastic binders and / or crosslinked matrix polymers.
  • the photopolymers are formed from a photoinitiator system, one or more random monomers, plasticizers and crosslinked matrix polymers.
  • the illumination arrangement may preferably have at least one first light source.
  • This light source may be a laser module or a light-emitting diode module, in particular a high-power light-emitting diode module.
  • the laser module can, for example, be an RGB
  • the RGB laser module can emit three colors of monochromatic light (e.g., red, green, and blue).
  • a high-performance light-emitting diode module for example, a white high-performance light-emitting diode (English: Power LED) can be used with primary optics.
  • the primary optic includes e.g. a potting compound for the LED chip with its substrate and its terminals, and a downstream optical element, such as a converging lens or a parabolic reflector.
  • the primary optics cause the collimation of the white light emitted from the chip over a wide solid angle.
  • a beam shaping module may be arranged, in particular for converting a collimated light beam into a divergent light beam such that the light entering the cylindrical light guide is subject to total reflection in the cylindrical light guide.
  • the cylindrical light guide and / or the plate-shaped light guide can be produced by casting, injection molding and / or mechanical machining.
  • An appropriate one Optical fiber can be easily manufactured.
  • the entire lighting arrangement is to be produced in a simple and cost-effective manner if (in addition) a strip-shaped holographic-optical film is glued on a manufactured optical waveguide in the manner previously described.
  • a further aspect of the invention is a method for producing an illumination arrangement for indirect illumination according to claim 13.
  • the illumination arrangement produced by the method is in particular a lighting arrangement described above.
  • the method comprises providing a cylindrical optical waveguide, wherein at least one end of the cylindrical optical waveguide is adapted to couple light from a first light source into the cylindrical optical waveguide, and wherein the lateral surface of the cylindrical optical waveguide has a coupling section configured for optically coupling the cylindrical waveguide with an arrangeable plate-shaped waveguide Having optical fiber.
  • the method further comprises that at least one holographic-optical element arranged to emit at the coupling section
  • Light from the cylindrical light guide is mounted in the arrangeable plate-shaped light guide.
  • a lighting arrangement By attaching, in particular gluing, a holographic-optical element to the light guide, a lighting arrangement can be produced in a simple manner in which light is coupled out of the cylindrical light guide in a defined, targeted and homogeneous manner.
  • Yet another aspect of the invention is a screen, in particular a flat screen, comprising at least one lighting arrangement described above.
  • the illumination arrangement according to the invention can be at least as part of a backlight unit of a screen.
  • the screen may be an LCD screen.
  • a lighting system in particular a motor vehicle lamp comprising at least one lighting arrangement described above.
  • the lighting system can be a surface lighting system, for example, for the interior of a building or motor vehicle or for the ambient lighting of a motor vehicle or for the outer functional lights of a motor vehicle.
  • the lighting arrangement can be used in a motor vehicle headlight, for example, for a so-called daytime running light.
  • Figure 1 is a schematic representation of a first embodiment of a
  • Figure 2 is a schematic representation of another embodiment of a
  • Figure 3 is a schematic representation of an embodiment of a
  • FIGS. 4a-c are schematic representations of embodiments of
  • Figure 5 is a schematic representation of another embodiment of a
  • Figure 6 is a schematic representation of another embodiment of a
  • Figure 7 is a schematic representation of another embodiment of a
  • Figure 8 is a schematic representation of another embodiment of a
  • Figure 9 is a schematic representation of an embodiment of a
  • Figure 10 is a schematic representation of an embodiment of a
  • FIG. 11 is a schematic representation of an embodiment of a
  • Figure 12 is a schematic representation of an embodiment of a
  • Figure 13 is a schematic representation of an embodiment of a
  • Lighting arrangement according to the invention with exemplary exemplary light beam path
  • FIG. 1 shows a first exemplary embodiment of a lighting arrangement 2 according to the present invention.
  • the lighting arrangement 2 comprises a cylindrical light guide 4.
  • the present cylindrical light guide 4 has two ends 12.1, 12.2 or end faces 12.1, 12.2 and a lateral surface 10.
  • the cylindrical light guide 4 also has a circular cross-section. It is understood that according to other variants of the invention, the cylindrical light guide may also have a different shape and, for example, may have a rectangular or elliptical cross-section.
  • the cylindrical light guide 4 has a coupling section 6.
  • the coupling section 6 is formed in the present embodiment by a holographic optical element 8.
  • a holographic-optical film 8 may be adhered to the lateral surface 10 of the cylindrical optical waveguide 4.
  • the holographic-optical element 8 is adapted to decouple light, which has been coupled in via one of the end surfaces 12.1, 12.2 and propagates in the direction of the main axis 14 of the light guide 4, from the cylindrical light guide 4 in a defined manner, as will be described in detail below.
  • the illustrated illumination arrangement 2 can be used in particular as a compact beam expander and area radiator with a defined emission characteristic in a backlight unit for flat screens.
  • FIG. 2 shows a further embodiment of an inventive device
  • Lighting arrangement 2.1 comprises initially The above-described cylindrical optical fiber rod 4 having a coupling portion 6 formed by a holographic-optical element 8.
  • the coupling portion 6 is formed strip-shaped and parallel to the main axis 14 from one to the other end 12.1, 12.2 of the cylindrical optical fiber 4.
  • Light is formed in a planar waveguide (not shown in FIG. 2) or planar waveguide.
  • the illumination arrangement 2.1 in the present case comprises a first light source 1, a beam-shaping module 5 and a substrate 7.
  • the first light source 1 may be a laser module 1.
  • an RGB laser module may be provided which emits three colors of monochromatic light, such as red, green and blue.
  • the first light source 1 has a white one
  • the optics may e.g. a potting compound for the LED chip with its substrate and its terminals, and downstream optical element, such as a converging lens or a parabolic reflector include.
  • the optics effects the collimation of the white light emitted from the chip over a wide solid angle.
  • FIG. 3 shows a possible embodiment of the light source 1 based on power LED.
  • a power LED (white) 205 emits white light, which is collimated by a plano-convex lens 206 and a field stop 207. Between the first light source 1 and the first end 12.1 of the cylindrical lens 206 and a field stop 207.
  • Optical fiber 4 is located in the illumination arrangement 2.1 an optical beam shaping module 5.
  • the beam shaping module 5 is adapted to transform the collimated light beam of the first light source, as shown in Figure 3, into a divergent beam with a suitable expansion and suitable beam profile.
  • the beam-shaping module 5 is set up in such a way that the generated light beam or the generated light propagates in the cylindrical light guide 4 via the first end 12. 1 into the cylindrical light guide 4 according to the law of total internal reflection (TIR).
  • TIR total internal reflection
  • Beam shaping module 5 may be formed by a biconvex lens 201.
  • the exact one Embodiment of this coupling lens 201, in particular with respect to diameter, focal length and distance to the edge 12.1 of the light guide 4 is determined by the embodiment of the light guide 4, in particular its Kanten vomgeometrie and the refractive index (refraction and reflection at the edge of the light guide 4 are not sake of simplification shown separately). The interpretation is preferably carried out in
  • Extension of the beam diameter in front of the coupling lens and at least one mode filter 204 include.
  • the mode filter 204 built in between two lenses controls the intensity of the light incident on the coupling lens and fixes the beam profile.
  • Amplitude and phase spatial light filters (SLM) can be provided which take on this optical function.
  • SLM spatial light filters
  • the mode filter 204 is a filter ring, so that it can produce in conjunction with the lenses of the beam shaping module 203, a spherical wave with annular beam profile.
  • the cylindrical light guide 4 of the illumination arrangement 2.1 according to the invention may preferably be formed from glass, polymethylmethacrylate (PMMA), polydimethylsiloxane (PDMS), polycarbonate (PC), polystyrene (PS), or other amorphous thermoplastics or mixtures of such substances, which have the following requirements meet for fiber optic materials.
  • the cylindrical light guide 4 is in particular a homogeneous, non-scattering and transparent to the wavelengths of the first light source 1 solid.
  • the light can propagate in the cylindrical light guide 4 in different beam paths, also called wave modes (short form: modes). (Almost) all modes except the axial mode where the light travels along the central axis 14 of the cylindrical optical fiber 4 are characterized by total internal reflection at the interface to the surrounding medium (here air).
  • the cylindrical light guide 4 moreover preferably has low scattering losses and absorption losses.
  • the cylindrical light guide 4 has smooth, non-scattering surfaces.
  • the cylindrical light guide 4 is in particular formed such that the light power loss when passing through the entire length of the light guide 4 is less than 10% or 0.46 dB, more preferably less than 5% or 0.22 dB.
  • the optical waveguide material of the cylindrical optical waveguide 4 can preferably be at high
  • plastics can be mass polymerized.
  • the optical waveguide material of the cylindrical optical waveguide 4 is selected in particular such that it has a constant density and good optical isotropy.
  • Refractive index in the material volume in all three spatial dimensions of the optical fiber rod 4 varies in particular by not more than 0.02, preferably not more than 0.01, and more preferably not more than 0.005.
  • the cylindrical light guide 4 corresponds to a light guide rod, with a length greater than or equal to the edge length of an attachable (not shown in Figure 2) light guide plate.
  • the illustrated light guide 4 has a circular cross-section.
  • the diameter is in particular 1 to 10 mm, preferably 1 to 5 mm.
  • the light guide rod 4 is mirrored in one embodiment on the other end face 12.2, which is not used for the light coupling. A light emission in the sense of a good light efficiency of the lighting arrangement 2.1 can be avoided.
  • the cylindrical light guide 4 may have, in addition to a first light source, a second light source at the second end 12.2. Light can propagate from two opposite directions through the fiber optic rod 4. These Embodiment is preferred for BLU applications, which have particularly high demands on the available output light power.
  • the holographic-optical element 8 is formed of a recording material for volume holograms. Into the recording material, certain light-diffracting transmission-type grating structures have been introduced by holographic exposure. The grating structures are chosen so that a defined coupling or emission of light can take place from the cylindrical light guide. Preferred materials are holographic silver halide emulsions, dichromated gelatins or photopolymers. Photopolymers may preferably be formed from at least photoinitiator systems and polymerizable random monomers. Special photopolymers may additionally contain plasticizers, thermoplastic binders and / or crosslinked matrix polymers. Preference is given to photopolymers containing crosslinked matrix polymers. It is particularly preferred if the photopolymers from a
  • Photoinitiator system one or more writing monomers, plasticizers and crosslinked matrix polymers are formed.
  • the holographic-optical element 8 is coupled to the cylindrical light guide 4.
  • the attachment of the holographic-optical element 8 results in a coupling section 6, in particular in the form of a thin contact line on the surface or lateral surface 10 of the cylindrical optical waveguide 4.
  • the strip-shaped coupling section 6 extends in particular parallel to the main axis of the cylindrical optical waveguide 4. In other words the coupling portion 6 in the propagation direction of the light in the cylindrical optical fiber 4.
  • the holographic-optical element 8 acts in particular diffractive in transmission through its volume grating within the holographically active surface.
  • the active area is part of the flat holographic recording material.
  • the active area may occupy part or the whole area of the holographic recording material.
  • the active surface comprises at least the contact surface to the cylindrical light guide
  • the active surface is flat or curved in one direction. The latter is the case when the holographic-optical element 8 rests on the cylindrical light guide 4 with at least the active part of its surface.
  • the holographic-optical element 8 is designed such that incident light is detected in an angle-selective manner. The detected light is then from the holographic-optical Element 8 or the implemented grating structures deflected so that it leaves the cylindrical light guide 4 in a spatial direction with a narrow intensity-angle distribution, which is subject to the total reflection in the surface-coupling light guide plate.
  • the main direction of the diffraction is perpendicular to the main axis of the cylindrical light guide 4. A homogeneous light curtain occurs over the entire length of the
  • Coupling section 6 away from the cylindrical light guide 4 from.
  • the light curtain generated by the illumination arrangement 2.1 according to the invention is particularly well collimated. Propagation losses in a optically coupled light guide plate are so low that the light pipe is possible over long distances.
  • the efficiency of the holographic-optical element 8 along the propagation direction of the light in the cylindrical light guide 4 may be adapted to the local intensity of all propagating modes.
  • the correspondingly generated light curtain has an (almost) constant along the coupling surface or line 6
  • Evanescent waves appear behind the surface where waves are totally reflected.
  • the amplitude of the wave drops steeply with a 1 / e function behind the surface.
  • Penetration depth of the wave in the holographic medium, which adjoins said surface depends on several parameters, such as the wavelength of the light, the reflection angle and the refractive index of the medium. It is, for example, between 1 and 3 ⁇ . This small penetration depth is sufficient for the shaft to interact with the holographic-optical element 8, so that the condition for diffraction at the holographic grating in the holographic-optical element 8 is provided.
  • the holographic-optical element 8 may be (additionally) connected to a (coupling) substrate 7, as shown by way of example in FIG.
  • Preferred structures are an optically transparent substrate 7 made of glass or plastic and a photopolymer.
  • the substrate 7 gives the photopolymer the necessary mechanical stability.
  • the holographic-optical element 8 such that the photopolymer of a thermoplastic film and a thin adhesion promoter layer is preferably bordered on both sides.
  • the adhesion promoter layer can be formed from an optically clear adhesive film. In this case, it is preferable that the photopolymer having the adhesion promoter side is attached to the cylindrical optical fiber 4.
  • thermoplastic film layers of the holographic-optical element 8 may be formed of transparent plastics. Preference is given to using largely birefringence-free materials, such as amorphous thermoplastics. Particularly suitable are polymethyl methacrylate (PMMA), cellulose triacetate (TAC), amorphous thermoplastics.
  • PMMA polymethyl methacrylate
  • TAC cellulose triacetate
  • PA Polyamides
  • PC polycarbonate
  • COC cycloolefin copolymers
  • the holographic-optical element 8 may be performed as a transfer film.
  • the photopolymer may be enclosed on both sides by a peelable substrate and a thin adhesion promoter layer. After bonding the
  • the substrate can be removed from the photopolymer non-destructive and residue-free. As a result, only the photopolymer comprising the holographic-optical element 8 and the primer layer remains on the cylindrical optical fiber 4.
  • the contact surface between the holographic-optical element 8 and the cylindrical light guide 4 may be limited to a (thin) line occupying only a portion of the lateral surface of the optical fiber 4.
  • the coupling portion may occupy less than 20 °, preferably less than 10 °, more preferably less than 5 °, and most preferably 1-3 °.
  • FIGS. 5 to 8 show further exemplary embodiments of lighting arrangements 2.2 to 2.5 according to the invention.
  • the illumination arrangements 2.2 to 2.5 shown have in common that all illumination arrangements 2.2 to 2.5 have a plate-shaped light guide 16 optically coupled to at least one cylindrical light guide 4.
  • the plate-shaped light guide 16 has four narrow sides 18, 20.
  • the plate-shaped light guide 16 has two broad sides 22, 24.
  • the planar light guide 16 has a rectangular bottom side 24 and a rectangular top side 22.
  • the illumination arrangement 2.2 has, in addition to the planar light guide 16, the components 1 to 8 already described.
  • the light coupled out of the cylindrical light guide 4 by means of the holographic-optical element 8 is coupled into the planar light guide 16 at one of the two shorter narrow sides.
  • a first embodiment a
  • the light curtain enters the light guide plate 16 through the edge 18 in accordance with the illumination arrangement 2.2.
  • the length of the cylindrical light guide 4 is presently chosen so that the coupling portion 6 extends with the holographic-optical element 8 over the entire length of the edge 18 of the planar light guide 16.
  • the lighting arrangement 2.3 shown in FIG. 6 differs from the lighting arrangement 2.2 described above, in particular in that two cylindrical lighting arrangements
  • Light guide 4 are provided.
  • light can be coupled into the planar light guide 16 on two opposite narrow sides 18.
  • the coupling of the light can also take place via at least one of the longer narrow sides 20 and / or by using an additional substrate.
  • the coupling of light from two, three or four cylindrical light guides 4 according to the invention can take place via arbitrarily selected edges 18, 20.
  • FIGS. 7 and 8 show exemplary embodiments in which the light from one or two cylindrical optical waveguides / n 4 is coupled into the planar light guide 16 on a broad side 24.
  • the light is coupled in an edge region of the broad side 24.
  • the cylindrical light guide 4 runs parallel to the narrow side 18.
  • the light curtain preferably enters the plate-shaped light guide 16 via the rear surface 24.
  • the front surface 22 is defined in particular as the surface over which the light exit from the plate-shaped light guide 16 in the direction of a (not shown) LC panel.
  • FIG. 8 shows a further exemplary embodiment with two cylindrical light guides 4 according to the invention.
  • the two cylindrical light guides 4 are arranged on the opposite edge regions of the broad side 24. In particular, both light guides 4 run parallel to one another and parallel to the respective narrow sides 18.
  • the coupling of light from two or more cylindrical light guides 4 according to the invention can take place via arbitrarily selected positions. Positions further in the center of the plate are also possible. Furthermore, the embodiments in FIGS. 7 and 8 differ from those of FIGS.
  • the coupling of the light can also take place over at least one width side parallel to one of the longer narrow sides 20 and / or without the use of an additional substrate 7.
  • Light guide 4 is coupled, preferably comprises elements for coupling the light.
  • the planar light guide 16 may include printed patterns of white paint, roughened surfaces, embossed refractive structures, and / or holographic-optical coupling-out elements.
  • the ideal type, number or density of these structures can be chosen freely within wide ranges, so that the light distribution is adapted to the specification of the BLU, for example.
  • the aim of BLUs for 2D displays is, in particular, a fairly homogeneous illumination of the panel. In some autostereoscopic SD display technologies, the goal may be homogeneous radiation with a preferred direction.
  • the illumination arrangements according to the invention produce a very precisely defined spatial intensity distribution and propagation directions, and thus high steel quality from the coupling surface, which make it possible to construct very flat-structured light guide plates and mode waveguides in various, in particular large-area embodiments, which have a low-loss waveguide, so that mechanically robust BLUs with high light efficiency and low technical complexity, are feasible.
  • FIGS. 9 to 13 show various exemplary embodiments of illumination arrangements with light beam profiles drawn in.
  • Preferred design forms of the hologram in particular its trigonometric functions and spectral widths, which determine both the light extraction from the optical waveguide 4 according to the invention and the light coupling into the planar light waveguide 16, are described below.
  • the hologram is designed as a transmission hologram, so that it reconstructs light that propagates in the xz plane in the light guide rod under total reflection, ie deflects diffractively at the gratings.
  • the reconstruction angle 9 from FIG. 9 should also be called the azimuth angle 6 R or Theta R.
  • Theta R is defined as the angle of incidence of the light under which the
  • the preferred angular range of Theta R is between the critical angle for total reflection and 85 °, more preferably between the critical angle for total reflection and 80 °.
  • the hologram shows a narrower to further spectral acceptance.
  • a sufficient spectral width of the hologram is desirable, which ideally includes the emission spectrum of the light source.
  • the preferred selected layer thickness of the hologram in the case of LED illumination is 0.5 to 30 nm with a preferred refractive index modulation of 0.025 to 0.060.
  • the layer thickness is particularly preferably from 1 to 17 nm, very particularly preferably from 1 to 6 nm.
  • the refractive index modulation over the holographic exposure time and / or exposure intensity is adjusted such that overmodulation of the gratings is avoided, so that a high, ideally close to 100%, diffraction efficiency is achieved.
  • the diffraction efficiency is determined over the length of the active hologram surface, i. over the length of the coupling surface, set in the form of a gradient, with the aim of improving the homogeneity of the signal beam along the coupling surface (x-direction).
  • RGB red-green-blue
  • the grids are preferably multiplexed in a holographic film, especially in a photopolymer film, i. written over each other.
  • the production of multiplexed holograms takes place, for example, over simultaneous, individual time-sequential or over individual temporally overlapping exposures.
  • a plurality of holograms are superimposed in individual films.
  • the exposure of the individual holograms is typically carried out in individual exposure steps with different recording films. These individual films are e.g. produced by cold or hot lamination or bonding of films in multiple layers.
  • a plurality of holographic grids for the decoupling of the light.
  • One or a set of holograms diffracts the light from a preferred light source assigned to it. In total, the number of holograms doubled by the second light source.
  • Holograms in a film are freely combinable so that a desired compromise between ease of production and hologram efficiencies can be found.
  • the hologram is designed as a transmission hologram, so that light that is in the xz
  • the reconstruction angle ⁇ R (azimuth angle Theta R), defined as the angle of incidence of the light under which the diffraction efficiency of the hologram reaches its maximum, overlaps with the angular distribution (also with respect to the azimuth angle) of the rays reaching the hologram's contact surface.
  • the allowed angular range of 6 R is defined as follows: ⁇ 3, ⁇ ⁇ 5 ⁇ 9 ⁇ where e 3 crit is the critical angle in the light guide 4.
  • the preferred angular range of 6 R is between 6 3 crit + 5 ° and 85 °, and more preferably between 6 3 crit + 10 ° and 80 °.
  • the signal beam 17 indicates the direction of the light deflected by diffraction at the grating. Its direction vector lies in the yz plane, see FIGS. 10 to 13.
  • the term "out-of-plane" holograms is used because the said diffraction direction lies outside the plane of the reconstruction beam 13 (xz plane according to FIG. 9).
  • the deflection angle 21 occupied by the yz-plane signal beam is hereinafter referred to as 6 S (azimuth angle Theta S) and the critical angle of light propagation under total reflection in the light guide 16 as 6 crit .
  • 6 S azimuth angle Theta S
  • 6 crit the critical angle of light propagation under total reflection in the light guide 16
  • the permissible angular range of 6 S in the case of the rear-side coupling through the substrate, see FIG. 10, is defined as follows:
  • the condition changes as follows:
  • the preferred angular range of ⁇ 5 is 5 ° each, and more preferably 10 ° away from the limits defined herein.
  • the hologram fans out the signal beam in the yz plane, so that an angular distribution in the context of the o.g. allowed or preferred angular range is present.
  • the signal beam does not lie in the yz plane, but deviates from it by a given angle.
  • the hologram fans out the signal beam in the xy plane.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine indirekte Beleuchtungsanordnung (2, 2.1, 2.2, 2.3, 2.4, 2.5), umfassend mindestens einen zylinderförmigen Lichtleiter (4), wobei mindestens ein Ende (12.1, 12.2) des zylinderförmigen Lichtleiters (4) eingerichtet ist, Licht von einer ersten Lichtquelle (1) in den zylinderförmigen Lichtleiter (4) einzukoppeln, und die Mantelfläche (10) des zylinderförmigen Lichtleiters (4) einen Kopplungsabschnitt (6) eingerichtet zum optischen Koppeln des zylinderförmigen Lichtleiter (4) mit einem anordnenbaren plattenförmigen Lichtleiter (16) aufweist, wobei zumindest der Kopplungsabschnitt (6) mindestens ein holographisch-optisches Element (8) eingerichtet zum Emittieren von Licht aus dem zylinderförmigen Lichtleiter (4) in den anordnenbaren plattenförmigen Lichtleiter (16) aufweist.

Description

Indirekte Beleuchtungsanordnung und Verfahren zum Herstellen einer indirekten
Beleuchtungsanordnung
Die Erfindung betrifft eine indirekte Beleuchtungsanordnung umfassend mindestens einen zylinderförmigen Lichtleiter, wobei mindestens ein Ende des zylinderförmigen Lichtleiters eingerichtet ist, Licht von einer ersten Lichtquelle in den zylinderförmigen Lichtleiter einzukoppeln und die Mantelfläche des zylinderförmigen Lichtleiters einen Kopplungsabschnitt eingerichtet zum optischen Koppeln des zylinderförmigen Lichtleiters mit einem anordnenbaren plattenförmigen Lichtleiter aufweist. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer indirekten Beleuchtungsanordnung, einen
Bildschirm und ein Beleuchtungssystem.
Flächige Beleuchtungsanordnungen, die homogenes Licht in einer vorgegebenen Richtung abstrahlen, gewinnen in zunehmendem Maße an Bedeutung. Eine beispielhafte und nicht abschließende Anwendung einer derartigen Beleuchtungsanordnung ist in einer so genannten
Hinter leuchtungseinheit für hochauflösende farbige Flachbildschirme, die sog. Backlight Unit (BLU). Alternative Anwendungen sind allgemeine Beleuchtungssysteme und insbesondere Beleuchtungssysteme für Kraftfahrzeuge. Die grundsätzlichen Anforderungen an die Abstrahlcharakteristik der BLU sind beispielsweise bei Flüssigkristall-Bildschirmen (LC-Displays) durch die allgemeinen Qualitätskriterien für die heute verfügbaren Produktarten und insbesondere durch die Technologie der verwendeten bildgebenden LC -Panels vorgegeben. Sie lassen sich wie folgt beschreiben: Das Licht soll als ein gut koUimierter, spektral definierter Lichtstrahl emittiert werden, der seine Eigenschaften über die gesamte Fläche der BLU konstant beibehält, so dass eine gleichmäßige Ausleuchtung des gesamten LC-Panels aus einer Hauptrichtung erreicht wird. Die Hauptrichtung der Beleuchtung ist bei konventionellen LCDs für 2D- Sehen die Senkrechte zur LC-Panel-Fläche und bei speziellen direktionalen BLUs, die für autostereoskopisches 3D-Sehen entwickelt wurden, in einer Richtung horizontal gekippt. In aktuellen Hinter leuchtungseinheiten für LC-Displays werden als primäre Lichtquellen zumeist Leuchtdioden (LEDs) verwendet, die weißes Licht mittels additiver Farbmischung oder Frequenzkonversion emittieren. LEDs sind gegenüber Leuchtstoffröhren, wie z.B. Kaltkathodenfluoreszenzlampen, bevorzugt aufgrund ihrer Kompaktheit, guter Energieeffizienz, geringer Kosten, der breiten Auswahl an Emissionsspektren und der Möglichkeit, einzelne Punktemitter in Modulen zu gruppieren. Bei BLUs aber auch in anderen Anwendungen wird grundsätzlich zwischen zwei verschiedenen Arten von Beleuchtungsanordnungen unterschieden, nämlich der direkten Beleuchtungsanordnung und der indirekten Beleuchtungsanordnung. Diese beiden unterschiedlichen Arten unterscheiden in ihrem Aufbau und ihrer Funktionsweise signifikant voneinander. Im Folgenden wird nur die gängigere indirekte Beleuchtungsanordnung beschrieben, die besonders flach bauend ausgelegt werden kann und damit die heutige Anforderung nach besonders geringer Bautiefe besser erfüllt als die direkte Beleuchtungsanordnung. Das verbreitetste BLU-Konzept basiert auf der indirekten Hinterleuchtung mittels
Kantenbeleuchtung. Das Licht der LEDs wird dabei über die Länge der Kante einer einheitlichen oder ggf. segmentierten Lichtleiterplatte eingekoppelt, propagieren über Totalreflexion im Lichtleiter und werden mittels Lichtauskoppelelementen, die an der rückwärtigen und/oder an der vorderseitigen Fläche des Lichtleiters und/oder in seinem inneren Volumen angebracht sein können, in Richtung des LC -Panels gelenkt. So wird eine durchgehend leuchtende Austrittsfläche realisiert. An der Rückseite des flächigen Lichtleiters kann ein reflektierender Schirm oder Weißlichtstreuer eingesetzt werden, um nach hinten ausgetretenes Licht wieder in den aktiv Licht lenkenden Bereich einzuspeisen. Solche kantenbeleuchteten BLUs können bei Bedarf mit geringer Bauraumtiefe realisiert werden, was einen Designvorteil und ggf. auch einen Funktionsvorteil für das LCD mit sich bringt.
Eine entsprechende indirekte Beleuchtungsanordnung des Standes der Technik weist jedoch folgende Nachteile auf: Erstens ist das ausgekoppelte Lichtfeld winkelverteilungsbezogen und lichtleistungsbezogen unzureichend homogen. Es muss nachträglich durch optische
Elemente winkelkorrigiert und homogenisiert werden, z.B. durch Brightness Enhancement Films (BEF), die als Folie oder Platte zwischen Lichtleiter und Panel angebracht sind.
Technische Lösungsansätze, wie die in der EP-A 2 023 193 beschriebenen mehrlagigen Wellenleiter oder die in der gleichen Anmeldung beschriebenen Hybridkonstruktionen aus Kanten- und Direktbeleuchtung, erhöhen die Zahl der Bauteile und damit die Komplexität der BLU weiter, und machen den Bauraumvorteil der Kantenbeleuchtung zunichte.
Der zweite Nachteil konventioneller kantenbeleuchteter BLUs ist eine Folge der direkten Umwandlung von vielen divergenten Punktlichtquellen in eine aufgeweitete kollimierte
Welle. So wirkt sich jede Art von Fertigungstoleranz bei den LED-Modulen, insbesondere bei ihrer Positionierung relativ zur Einkoppelfläche des flächigen Lichtwellenleiters (insbesondere im Zusammenspiel mit den nachgeschalteten Licht lenkenden Elementen) um so kritischer aus, je größer die Fläche der BLU ist. So kommt es zu Undefinierten Veränderungen des Lichtweges. In der Praxis führen Schwankungen in dem auf das LC- Panel einfallende Lichtfeld zu Schwankungen im Bildkontrast und/oder zu schlechten
Schwarzwerten des LC -Displays.
Ein völliges Weglassen des planaren bzw. flächigen Lichtleiters zur Vermeidung dieser Probleme ist in der Praxis nicht realisierbar, weil durch den sog. Scheinwerfer-Effekt ein nicht erwünschter heller Lichtfleck (Hot Spot) auf dem Panel erzeugt werden würde.
Aus dem Stand der Technik sind Lösungen bekannt, bei denen das Problem der Empfindlichkeit für die angesprochenen Toleranzen bei den Punktlichtquellen umgangen wird. Beispielsweise sind Lichtaufweitungssysteme auf Basis eines zylinderförmigen Lichtleiters bzw. eines Lichtleiterstabs (Light Pipe) bekannt. Ein Lichtleiterstab kann das
Licht einer kompakten, weitestgehend punktförmigen Lichtquelle in eine Lichtlinie umwandeln.
An einer Schnittkante bzw. einem Ende eines transparenten oder transluzenten zylinderförmigen Lichtleiters kann von einer ersten Lichtquelle emittiertes Licht in den zylinderförmigen Lichtleiter eingekoppelt werden. Beispielsweise kann mittels eines Kollimators (Licht beugendes optisches Element; im einfachsten Fall eine Sammellinse) das Licht der ersten Lichtquelle zunächst gesammelt werden, bevor es in den Lichtleiterstab an einem seiner Enden eingekoppelt wird. Dieser längliche Lichtleiter kann verschiedene Querschnitte aufweisen. Z.B. kann der Querschnitt kreisförmig, quadratisch oder eine geometrische Form mit zusätzlicher gerader Schnittfläche aufweisen.
Der zylinderförmige Lichtleiter weist geeignete Austrittsöffnungen bzw. Kopplungsabschnitte und/oder Auskoppelstrukturen auf, um das Licht aus dem zylinderförmigen Lichtleiter auszukoppeln. Die aus dem Stand der Technik bekannten
Auskoppelstrukturen sind insbesondere partikuläre Streuzentren, prismatische oder linsenförmige Gitterstrukturen. Diese bewirken, dass eine längliche Leuchtfläche an der Mantelfläche des zylinderförmigen Lichtleiters, also ein Kopplungsabschnitt, mit definierter Intensitätsverteilung entstehen kann. Solche Beleuchtungsanordnungen lassen sich z.B. in kantenbeleuchtete BLUs einbinden, indem sie zwischen einer ersten Lichtquelle und einem anordnenbaren planaren bzw. flächigen Lichtleiter (Wellenleiter) angeordnet werden. Das aus dem länglichen Lichtleiter austretende Licht bzw. Lichtwelle kann in den planaren Lichtleiter über eine von seinen Kanten eingekoppelt werden. Beispiele des Standes der Technik sind in den Druckschriften US 5,835,661 A und US 7,549,783 A offenbart. Die Vorteile einer Beleuchtungsanordnung umfassend einen zylinderförmigen Lichtleiter zur
Aufweitung von Licht gegenüber konventionellen Kantenbeleuchtungs-Designs mit mehreren Einzel-LEDs sind insbesondere, dass das Licht schon in einer Raumrichtung weitgehend homogenisiert bzw. anderweitig an die geometrischen Anforderungen der BLU angepasst ist, bevor es in den plattenförmigen Lichtleiter eingekoppelt wird. Weiterhin können die Auswirkungen von Produktions- und Positionsschwankungen von nebeneinander aufgereihten LEDs reduziert werden.
Die aus dem Stand der Technik bekannten stabförmigen Lichtleiter weisen jedoch Nachteile auf. Zum Auskoppeln des Lichts weisen diese zylinderförmigen Lichtleiter streuende Auskoppelelemente auf. Bei streuenden Auskoppelelementen tritt das Licht unter Winkeln aus, die nach der Einkopplung in den flächigen Lichtleiter nicht der Totalreflexion in dem flächigen Lichtleiter unterliegen. In der Folge nimmt die Leuchtkraft der BLU ab. Um die Reduktion der Leuchtkraft zu vermindern, wird im Stand der Technik vorgeschlagen, das unter ungeeigneten Winkeln austretenden Licht über reflektierende oder refraktive Elemente einzufangen. Nachteilig hieran ist der mit den zusätzlichen Elementen einhergehende zusätzliche Aufwand.
Zudem weist der breite Streukegel das von konventionellen Edge-Type-BLUs bekannte Problem auf, dass die Intensität des Lichts im flächigen Lichtleiter mit zunehmendem Propagationsweg abnimmt. Dieses wiederum erschwert oder verhindert sogar die
Konstruktion großflächiger BLUs.
Mit prismatischen, lentikularen und verwandten Auskoppelstrukturen, wie sie in US 5,835,661 A aufgezeigt sind, lässt sich zwar eine zielgerichtetere Einkopplung des Lichts in den flächigen Lichtleiter erreichen. Da jedoch der Lichtleiterstab in diesem Fall über seinen gesamten inneren Querschnitt Licht emittiert, welches den nachgeschalteten BLU- Komponenten zugeführt werden soll, bestimmt die Dicke bzw. Bautiefe des zylinderförmigen Lichtleiters die untere Grenze der konstruktiv erlaubten Dicke des flächigen BLU-Wellenleiters. Eine Optimierung des flächigen Lichtleiters hinsichtlich optisch ansprechender dünner und gewichtsreduzierter Ausführungsformen ist nicht möglich, ohne Licht für die Einkopplung zu verlieren. Mit den in der US 5 835 661 A beschriebenen konventionellen refraktiven Licht lenkenden Strukturen lässt sich zudem aufgrund der im Herstellungsverfahren, wie z.B. einem Spritzgussverfahren, Spritzprägeverfahren und/oder einem Gravurverfahren, entstehenden Abformungenauigkeiten und der limitierten Strukturauflösungen keine hochqualitative Lichtwelle erzeugen.
Daher lieht der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Beleuchtungsanordnung zum indirekten Beleuchten zur Verfügung zu stellen, welche eine definierte, zielgerichtete und homogene Auskopplung von Licht aus einem zylinderförmigen Lichtleiter in einfacher Weise ermöglicht.
Die Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung bei einer Beleuchtungsanordnung zum indirekten Beleuchten gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Die Beleuchtungsanordnung umfasst mindestens einen zylinderförmigen Lichtleiter. Mindestens ein Ende des zylinderförmigen Lichtleiters ist eingerichtet, Licht von einer ersten Lichtquelle in den zylinderförmigen Lichtleiter einzukoppeln. Die Mantelfläche des zylinderförmigen Lichtleiters weist einen Kopplungsabschnitt eingerichtet zum optischen Koppeln des zylinderförmigen Lichtleiters mit einem anordnenbaren plattenförmigen Lichtleiter auf. Zumindest der Kopplungsabschnitt weist mindestens ein holographisch-optisches Element eingerichtet zum Emittieren von Licht aus dem zylinderförmigen Lichtleiter in den anordnenbaren plattenförmigen Lichtleiter auf.
Unter einem holographisch-optischen Element wird im Sinne der vorliegenden Erfindung ein optisches Element verstanden, welches ein Volumenhologramm (im folgenden teilweise verkürzt als„Hologramm" bezeichnet) umfasst. Ein Volumenhologramm ist gemäß der vorliegenden Erfindung ein Licht beugendes optisches Element basierend auf einem lichtdurchlässigen Film, ausgelegt als Transmissions- oder Reflexionshologramm, das als Phasengitter bzw. holographisches Gitter in das Volumen eines Films eingebracht wurde. Das Volumenhologramm lenkt bei Beleuchtung mit Licht dieses in eine neue Raumrichtung um, wobei das erzeugte Lichtfeld verschiedenste Formen annehmen kann, die bei dem vorhergehenden holographischen Herstellverfahren festgelegt wurden.
Indem im Gegensatz zum Stand der Technik der zylinderförmigen Lichtleiter ein Auskopplungselement in Form eines holographisch-optischen Elements aufweist, kann Licht aus dem zylinderförmigen Lichtleiter in definierter, zielgerichteter und homogener Weise ausgekoppelt werden. Mit anderen Worten ist der erfindungsgemäße Lichtleiter dazu eingerichtet, Licht insbesondere mit einem vorgebaren Winkelbereich, in einen plattenförmigen Lichtleiter einzukoppeln.
Die indirekte Beleuchtungsanordnung umfasst einen im Wesentlichen zylinderförmigen Lichtleiter. Der längliche Lichtleiter weist zwei im Wesentlichen parallel zueinander und gegenüberliegend angeordnete Enden und eine Mantelfläche auf. Mindestens eine der Enden bzw. Endflächen des zylinderförmigen Lichtleiters sind dazu eingerichtet, Licht bzw. mindestens einen Lichtstrahl von einer ersten Lichtquelle in den zylinderförmigen Lichtleiter einzukoppeln.
Die erste Lichtquelle kann beispielsweise mindestens eine Leuchtdiode oder einen Laser umfassen. Das Licht bzw. der Lichtstrahl von der ersten Lichtquelle wird insbesondere derart in den zylinderförmigen Lichtleiter eingekoppelt, dass es in dem Lichtleiter nach dem Gesetz der internen Totalreflexion (TIR) propagiert. Beispielsweise kann zwischen der ersten Lichtquelle und dem zylinderförmigen Lichtleiter ein optisches Strahlformungselement vorgesehen sein. Das Strahlformungselement kann eingerichtet sein, den insbesondere kollimierten Lichtstrahl der ersten Lichtquelle in einen divergenten Lichtstrahl mit geeigneter Aufweitung und geeignetem Strahlprofil zu wandeln, so dass der divergente Lichtstrahl nach dem Gesetz der internen Totalreflexion (TIR) in dem zylinderförmigen Lichtleiter propagiert.
Ein Teil der Mantelfläche des zylinderförmigen Lichtleiters ist als Kopplungsabschnitt gebildet. Ein Kopplungsabschnitt gemäß der Erfindung stellt insbesondere einen Bereich der Mantelfläche des zylinderförmigen Lichtleiters dar, in dem Licht bzw. mindestens ein Lichtstrahl aus dem zylinderförmigen Lichtleiter emittiert bzw. ausgekoppelt wird. Das ausgekoppelt Licht kann in einen weiteren, insbesondere flächigen Lichtleiter, eingekoppelt werden. Die Form und Dimension des Kopplungsabschnitts korrespondieren insbesondere zu der (gewünschten) Einkopplungsfläche des weiteren Lichtleiters. Beispielsweise kann der Kopplungsabschnitt als längliche Fläche ausgebildet sein.
Erfindungsgemäß ist erkannt worden, dass Licht in definierter Weise aus dem zylinderförmigen Lichtleiter emittiert bzw. ausgelenkt werden kann, wenn der Kopplungsabschnitt des zylinderförmigen Lichtleiters mit einem holographisch-optischen Element versehen ist. Vorzugsweise weist das holographisch-optische Element eine Gitterstruktur auf, derart, dass Licht mit einem vorgegebenen Winkelbereich aus dem zylinderförmigen Lichtleiter emittiert , insbesondere in den anordnenbaren plattenförmigen Lichtleiter eingekoppelt werden kann. Der Winkelbereich bezieht sich insbesondere auf einen Winkel zwischen dem ausgekoppelten Lichtstrahl und der Flächennormalen der Einkopplungsfläche des plattenförmigen Lichtleiters bezieht. Mit anderen Worten verlässt das Licht den zylinderförmigen Lichtleiter mit einem vorgegebenen Winkelbereich.
Die erfindungsgemäße Beleuchtungsanordnung stellt insbesondere ein hoch präzises Lichtaufweitungssystem in Form eines zylinderförmigen Lichtleiters mit einem holographisch-optischen Element bereit. Das Lichtaufweitungssystem eignet sich für sehr flach-bauende und dennoch großflächige BLUs. Derartige Beleuchtungsanordnungen sind einfach zu fertigen, mechanisch robust und an verschiedene Typen planarer Lichtleiter bzw.
Moden-Wellenleiter mechanisch sowie optisch ankoppelbar. Die erfindungsgemäße Beleuchtungsanordnung kann kostengünstig insbesondere unter Einsatz von wenigen kompakten Lichtquellen gefertigt werden und einen sehr gut kollimierten und damit für verlustarme Wellenleitung nutzbaren Lichtstrahl erzeugen sowie insgesamt geringe Lichtverluste aufweisen. Verschiedene neuartige kompakte, energieeffiziente und leistungsstarke Lichtquellen, wie LEDs und Laser, insbesondere Diodenlaser, können in einfacher Weise als erste Lichtquelle für die erfindungsgemäße Beleuchtungsanordnung verwendet werden. Die Anpassung an verschiedene Beleuchtungsgeometrien, insbesondere an verschiedene Auskoppelwinkel, kann bereitgestellt werden.
Gemäß einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Beleuchtungsanordnung kann das holographisch-optische Element eine Gitterstruktur aufweisen derart, dass das auf das holographisch-optische Element auftreffende Licht aus dem zylinderförmigen Lichtleiter erfasst wird. Das erfasste Licht kann dann von der Gitterstruktur des holographisch- optischen Elements derart umgelenkt werden, dass das Licht den zylinderförmigen Lichtleiter in einer Raumrichtung mit einer Intensitätswinkelverteilung verlässt, die im Wesentlichen der Totalreflexion in dem anordnenbaren plattenförmigen Lichtleiter entspricht. Die Hauptrichtung der Beugung steht insbesondere senkrecht zu der Hauptachse des zylindrischen Lichtleiters. Indem das Licht aus dem zylinderförmigen Lichtleiter derart ausgekoppelt wird, dass das ausgekoppelte Licht vollständig in dem ankoppelbaren planaren Lichtleiter unter
Totalreflexion propagieren kann, geht kein Licht verloren. Es sind keine zusätzlichen optischen Elemente zum Einfangen von Licht erforderlich.
Grundsätzlich kann die Form und Dimension des Kopplungsabschnitts des zylinderförmigen Lichtleiters beliebig sein. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Beleuchtungsanordnung kann der Kopplungsabschnitt eine im Wesentlichen parallel zu der Hauptachse des zylinderförmigen Lichtleiters verlaufende streifenförmige Kopplungsfläche sein. Der streifenförmige Kopplungsabschnitt kann ein holographisch-optisches Element in Form einer streifenförmigen Folie aufweisen. Die maximale Länge des streifenförmigen Kopplungsabschnitts kann insbesondere zu einer Kantenlänge des plattenförmigen Lichtleiters korrespon- dieren. Die maximale Breite des Lichtleiters entspricht vorzugsweise der Dicke des plattenförmigen Lichtleiters. Es versteht sich, dass die Dimensionen des streifenförmigen Kopplungsabschnitts auch geringer sein können.
Um das holographisch-optische Element in besonders einfacher Weise an dem zylinderför- migen Lichtleiter, insbesondere dem Kopplungsabschnitt, anbringen zu können, ist gemäß einer weiteren Ausführungsform der Beleuchtungsanordnung vorgesehen, dass das holographisch-optische Element aus einem selbstklebenden Material gebildet ist. Das selbstklebende holographisch-optische Element kann an dem Kopplungsabschnitt angeklebt werden. Insbesondere kann die Verklebung ausschließlich unter Nutzung der selbstklebenden Eigenschaf - ten des holographisch-optischen Elements erfolgen. Beispielsweise kann die Verklebung unter gleichzeitiger Ausübung von Druck durchgeführt werden. Beispielsweise kann durch Aufbringung einer mechanischen Kraft, beispielsweise durch eine Verschraubung des zylinderförmigen Lichtleiters und des plattenförmigen Lichtleiters, eine sichere Kontaktierung des selbstklebenden holographisch-optische Elements auch während des Betriebs erreicht werden. Indem das holographisch-optische Element direkt ohne eine zusätzliche Schicht kann das Licht mit besonders geringen Verlusten umgelenkt werden.
Für eine besonders sichere Verbindung zwischen dem zylinderförmigen Lichtleiter und dem holographisch-optischen Element kann das holographisch-optische Element alternativ oder zusätzlich zu seiner selbstklebenden Eigenschaft mindestens an einer seiner zwei Seitenflächen mindestens eine (zusätzliche) Haftvermittlungs Schicht aufweisen. Das holographischoptische Element kann mittels der Haftvermittlungsschicht an dem Kopplungsabschnitt angebracht sein. Vorzugsweise kann das holographisch-optische Element beidseitig mit einer Haftvermittlungsschicht eingefasst sein.
Vorzugsweise kann das holographisch-optische Element darüber hinaus an mindestens einer Seitenfläche mindestens eine thermoplastische Filmschicht aus einem Material ausgewählt aus der Gruppe umfassend Polymethylmethacrylat (PMMA), Cellulosetriacetat (TAC), amorphe Polyamide (PA), Polycarbonat (PC), Cycloolefincopolymere (COC), Polyethylen (PE), Polyethylentherephtalat (PET), Polypropylen (PP) und Polyvinylalkohol (PVA) aufweisen. Für eine besonders einfache Anbringung des holographisch-optischen Elements an dem zylinderförmigen Lichtleiter kann das holographisch-optische Element als Transferfilm gebildet sein. Ist das holographisch-optische Element aus einem Photopolymer gebildet, kann das Photopolymer von einem abziehbaren Substrat und einer dünnen Haftvermittlerschicht vorzugsweise beidseitig eingefasst sein. Nach dem Verkleben des Photopolymers mit dem zylinderförmigen Lichtleiter kann das Substrat vom Photopolymer zerstörungsfrei und rückstandsfrei abgezogen werden. Nur das Photopolymer und die Haftvermittlerschicht verbleiben in diesem Fall auf dem Lichtleiter.
Grundsätzlich kann der zylinderförmige Lichtleiter einen beliebigen Querschnitt aufweisen. Beispielsweise kann der zylinderförmige Lichtleiter einen rechteckförmigen, insbesondere quadratischen, oder elliptischen Querschnitt aufweisen. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann der zylinderförmige Lichtleiter einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen. Mit einem kreisförmigen Querschnitt kann eine besonders homogene Lichtverteilung in dem zylinderförmigen Lichtleiter erzielen. Der Durchmesser des Querschnitts kann zwischen 1 mm und 10 mm, bevorzugt zwischen 2 mm und 5 mm, liegen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Beleuchtungsanordnung kann die streifenförmige Folie von der 360°-Umfangsfläche der Mantelfläche des zylinderförmigen Lichtleiters zumindest weniger als 20°, bevorzugt zumindest weniger als 10°, besonders bevorzugt zumindest weniger als 5°, und außerordentlich bevorzugt 1 bis 3° einnehmen. Insbesondere bei einer Streifenbreite von 1 bis 3° eine besonders dünne Beleuchtungsanordnung bereitgestellt werden.
Die Beleuchtungsanordnung kann den plattenförmigen Lichtleiter mitumfassen. Das holographisch-optische Element kann mit mindestens einer Schmalseite des plattenförmigen Lichtleiters optisch gekoppelt sein, derart, dass das Licht in die Schmalseite des plattenförmigen Lichtleiters eingekoppelt wird. Insbesondere wird sämtliches ausgekoppeltes Licht in den planaren Lichtleiter eingekoppelt. Alternativ oder zusätzlich kann das holographischoptische Element mit mindestens einer Breitseite des plattenförmigen Lichtleiters optisch gekoppelt sein, derart, dass das Licht in die Breitseite des plattenförmigen Lichtleiters eingekoppelt wird. Insbesondere wird sämtliches ausgekoppeltes Licht in den planaren Lichtleiter eingekoppelt. Es versteht sich, dass zwei oder mehr zylinderförmige Lichtleiter vorgesehen sein können, die in entsprechender Weise an den weiteren Schmalseiten und/oder Breitseiten des plattenförmigen Lichtleiters angebracht sein können. Die optische Kopplung zwischen dem zylindrischen Lichtleiter bzw. dem holographischoptischen Element und dem plattenförmigen Lichtleiter kann (nahezu) unmittelbar erfolgen. In diesem Fall kann das holographisch-optische Element mit einer Seite direkt oder mittels einer Haftvermittlungsschicht (und ggf. weiteren thermoplastischen Schicht des holographisch-optischen Elements) mit dem zylinderförmigen Lichtleiter und/oder dem plattenförmigen Lichtleiter verbunden sein. In einer alternativen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Beleuchtungsanordnung kann zwischen dem holographisch-optischen Element und dem plattenförmigen Lichtleiter ein transparentes Kopplungssubstrat angeordnet sein. Gän- gige Materialien sind für das optisch transparente Substrat Glas oder Kunststoff. Ein Kopplungssubstrat verbessert die mechanischen Eigenschaften der Beleuchtungsanordnung.
Ferner kann der zylinderförmige Lichtleiter aus einem Material ausgewählt aus der Gruppe Glas, Polymethylmethacrylat, Polydimethylsiloxan, Polycarbonat oder Polystyrol gebildet sein. Der plattenförmige Lichtleiter kann zudem aus einem Material ausgewählt aus der Gruppe Glas, Polymethylmethacrylat, Polydimethylsiloxan, Polycarbonat oder Polystyrol gebildet sein. Ein Lichtleiter kann auch aus anderen amorphen thermoplastischen Kunststoffen oder Mischungen solcher Stoffe gebildet sein. Entsprechende Lichtleitermaterialien zeichnen sich dadurch aus, dass aus ihnen ein homogener, nicht streuender und für die Wellenlängen der Lichtquelle transparenter Festkörper gebildet werden kann. Das Licht kann sich in einem entsprechenden Lichtleitermaterial in verschiedenen Strahlengängen, auch Wellenmoden (Kurzform: Moden), genannt, ausbreiten. Insbesondere sind alle Moden außer dem Axialmode, bei der das Licht entlang der zentralen Achse des zylinderförmigen Lichtleiters läuft, durch interne Totalreflexion (engl.: TIR) an der Grenzfläche zum umgebenden Medium Luft gekennzeichnet. Abhängig von dem Eintrittswinkel in den Lichtleiter und dem Durchmesser des Lichtleiters können sehr viele verschiedene Moden existieren, die sich durch ihren Propagationswinkel relativ zur virtuellen Stabachse individuell beschreiben lassen. Bei bevorzugten Brechungsindex-Werten des Lichtleiters von «wo = 1,4 bis 1,8 und dem Brechungsindex von Luft «ma = 1, unterliegen Propagationswinkel bis maximal 33,7° (bei «WG = 1,8) bzw. 44,4° (bei «wo = 1,4) dem Gesetz der Totalreflexion.
Wie bereits beschrieben wurde, ist mindestens eine/s der zwei Enden bzw. Endflächen des zylinderförmigen Lichtleiters dazu eingerichtet, Licht einer ersten Lichtquelle in den zylinderförmigen Lichtleiter einzukoppeln bzw. einzuleiten. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann das weitere Ende des zylinderförmigen Lichtleiters reflektierend gebildet sein. Beispielsweise kann das weitere Ende verspiegelt sein. Ein (ungewollter) Lichtaustritt kann vermieden werden und daher eine gute Lichteffizienz der Beleuchtungsanordnung bereitgestellt werden. In einer alternativen Ausführungsform schlägt die Erfindung vor, das weitere Ende des zylinderförmigen Lichtleiters einzurichten derart, dass Licht von einer zweiten Lichtquelle in den zylinderförmigen Lichtleiter einkoppelbar ist. Die verfügbare Ausgangslichtleistung kann erhöht werden.
Darüber hinaus kann gemäß einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Beleuchtungsanordnung das holographisch-optische Element aus einem Material ausgewählt aus der Gruppe Silberhalogenidemulsionen, Dichromatgelatine oder Photopolymere gebildet sein. Die Photopolymere können zumindest aus Photoinitiatorsystemen und polymerisierba- ren Schreibmonomeren gebildet sein. Bevorzugt können die Photopolymere Weichmacher und/oder thermoplastische Binder und/oder vernetzte Matrixpolymere umfassen.
Besonders bevorzugt ist, wenn die Photopolymere aus einem Photoinitiatorsystem, einem oder mehreren Schreibmonomeren, Weichmachern und vernetzten Matrixpolymeren gebildet sind.
Die Beleuchtungsanordnung kann vorzugweise zumindest eine erste Lichtquelle aufweisen. Diese Lichtquelle kann ein Lasermodul oder eine Leuchtdiodenmodul, insbesondere ein Hochleistungs-Leuchtdiodenmodul sein. Das Lasermodul kann beispielsweise ein RGB-
Lasermodul sein. Das RGB -Lasermodul kann drei Farben monochromatischen Lichts (z.B. Rot, Grün und Blau) emittieren. Als Hochleistungs-Leuchtdiodenmodul kann beispielsweise eine weiße Hochleistungs-Leuchtdiode (engl.: Power LED) mit Primäroptik eingesetzt werden. Die Primäroptik umfasst z.B. eine Vergussmasse für den LED-Chip mit seinem Substrat und seinen Anschlüssen, und einem nachgeschalteten optischen Element, wie einer Sammellinse oder einem parabolischen Reflektor. Die Primäroptik bewirkt insbesondere die Kolli- mation des über einen weiten Raumwinkel aus dem Chip emittierten weißen Lichts.
Vorzugweise kann zwischen der ersten und/oder zweiten Lichtquelle und dem jeweiligen Ende des zylinderförmigen Lichtleiters ein Strahlformungsmodul insbesondere zum Wandeln eines kollimierten Lichtstrahls in einen divergenten Lichtstrahl derart angeordnet sein, dass das in den zylinderförmigen Lichtleiter eintretende Licht der Totalreflexion in dem zylinderförmigen Lichtleiter unterliegt.
Der zylinderförmige Lichtleiter und/oder der plattenförmige Lichtleiter können durch Gießen, Spritzgießen und/oder mechanisches Bearbeiten hergestellt sein. Ein entsprechender Lichtleiter kann in einfacher Weise hergestellt werden. Insbesondere ist die gesamte Beleuchtungsanordnung in einfacher und kostengünstiger Weise herzustellen, wenn (zusätzlich) auf einen hergestellte Lichtleiter eine streifenförmige holographisch-optische Folie in zuvor beschriebener Weise aufgeklebt wird.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen einer Beleuchtungsanordnung zum indirekten Beleuchten gemäß Patentanspruch 13. Die durch das Verfahren hergestellte Beleuchtungsanordnung ist insbesondere eine zuvor beschriebene Beleuchtungsanordnung. Das Verfahren umfasst das Bereitstellen eines zylinderförmigen Lichtleiters, wobei mindestens ein Ende des zylinderförmigen Lichtleiters eingerichtet ist, Licht von einer ersten Lichtquelle in den zylinderförmigen Lichtleiter einzukoppeln, und wobei die Mantelfläche des zylinderförmigen Lichtleiters einen Kopplungsabschnitt eingerichtet zum optischen Koppeln des zylinderförmigen Lichtleiters mit einem anordnenbaren plattenförmigen Lichtleiter aufweist. Das Verfahren umfasst ferner, dass an dem Kopplungs- abschnitt mindestens ein holographisch-optisches Element eingerichtet zum Emittieren von
Licht aus dem zylinderförmigen Lichtleiter in den anordnenbaren plattenförmigen Lichtleiter angebracht wird.
Indem ein holographisch-optisches Element an dem Lichtleiter angebracht, insbesondere angeklebt wird, kann in einfacher Weise eine Beleuchtungsanordnung hergestellt werden, bei der Licht aus dem zylinderförmigen Lichtleiter in definierter, zielgerichteter und homogener Weise ausgekoppelt werden.
Ein noch weiterer Aspekt der Erfindung ist ein Bildschirm, insbesondere ein Flachbildschirm, umfassend mindestens eine zuvor beschriebene Beleuchtungsanordnung. Insbeson- dere kann die erfindungsgemäße Beleuchtungsanordnung zumindest als Teil einer Hinter- leuchtungseinheit eines Bildschirms sein. Der Bildschirm kann insbesondere ein LCD- Bildschirm sein.
Ein noch weiterer Aspekt der Erfindung ist ein Leuchtsystem, insbesondere eine Kraftfahr- zeugleuchte, umfassend mindestens eine zuvor beschriebene Beleuchtungsanordnung. Bei dem Leuchtsystem kann es sich um ein Flächenleuchtsystem beispielsweise für den Innenraum eines Gebäudes oder Kraftfahrzeugs oder für die Umfeldbeleuchtung eines Kraftfahrzeugs oder für die äußeren Funktionslichter eines Kraftfahrzeugs handeln. Insbesondere kann die Beleuchtungsanordnung in einem Kraftfahrzeugscheinwerfer beispielsweise für ein so genanntes Tagfahrlicht eingesetzt werden. Es stehen große Freiheiten bei dem Design des
Flächenleuchtsystems und des Kraftfahrzeugscheinwerfers zur Verfügung. Die Merkmale der Vorrichtungen und Verfahren sind frei miteinander kombinierbar. Insbesondere können Merkmale der Beschreibung und/oder der abhängigen Patentansprüche, auch unter vollständiger oder teilweiser Umgehung von Merkmalen der unabhängigen Patentan- spräche, in Alleinstellung oder frei miteinander kombiniert eigenständig erfinderisch sein.
Es gibt nun eine Vielzahl von Möglichkeiten, die erfindungsgemäße Beleuchtungsanordnung und das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Beleuchtungsanordnung auszugestalten und weiterzuentwickeln. Hierzu sei einerseits verwiesen auf die den unabhängigen Patentansprüchen nachgeordneten Patentansprüche, andererseits auf die Beschreibung von
Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung. In der Zeichnung zeigt:
Figur 1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer
Beleuchtungsanordnung gemäß der Erfindung;
Figur 2 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer
Beleuchtungsanordnung gemäß der Erfindung;
Figur 3 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer
Lichtquelle;
Figuren 4a-c schematische Darstellungen von Ausführungsbeispielen von
Strahlformungsmodulen;
Figur 5 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer
Beleuchtungsanordnung gemäß der Erfindung;
Figur 6 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiel einer
Beleuchtungsanordnung gemäß der Erfindung;
Figur 7 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiel einer
Beleuchtungsanordnung gemäß der Erfindung;
Figur 8 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiel einer
Beleuchtungsanordnung gemäß der Erfindung;
Figur 9 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer
Beleuchtungsanordnung gemäß der Erfindung mit eingezeichneten beispielhaften Lichtstrahlenverlauf ;
Figur 10 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer
Beleuchtungsanordnung gemäß der Erfindung mit eingezeichneten beispielhaften Lichtstrahlenverlauf ; Figur 11 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer
Beleuchtungsanordnung gemäß der Erfindung mit eingezeichneten beispielhaften Lichtstrahlenverlauf ;
Figur 12 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer
Beleuchtungsanordnung gemäß der Erfindung mit eingezeichneten beispielhaften Lichtstrahlenverlauf ;
Figur 13 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer
Beleuchtungsanordnung gemäß der Erfindung mit eingezeichneten beispielhaften Lichtstrahlenverlauf; und
Nachfolgend werden gleiche Bezugszeichen für gleiche Elemente verwendet.
Die Figur 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer Beleuchtungsanordnung 2 gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Beleuchtungsanordnung 2 umfasst einen zylinderförmigen Lichtleiter 4. Der vorliegende zylinderförmige Lichtleiter 4 weist zwei Enden 12.1, 12.2 bzw. Endflächen 12.1, 12.2 und eine Mantelfläche 10 auf. Der zylinderförmige Lichtleiter 4 weist zudem einen kreisförmigen Querschnitt auf. Es versteht sich, dass gemäß anderer Varianten der Erfindung der zylinderförmige Lichtleiter auch eine andere Form aufweisen kann und beispielsweise einen rechteckförmigen oder ellipsenförmigen Querschnitt haben kann.
Der zylinderförmige Lichtleiter 4 weist einen Kopplungsabschnitt 6 auf. Der Kopplungsabschnitt 6 wird im vorliegenden Ausführungsbeispiel durch ein holographischoptisches Element 8 gebildet. Beispielsweise kann eine holographisch-optische Folie 8 auf der Mantelfläche 10 des zylinderförmigen Lichtleiters 4 aufgeklebt sein. Das holographischoptische Element 8 ist dazu eingerichtet, Licht, welches über eine der Endflächen 12.1, 12.2 eingekoppelt worden ist und sich in Richtung der Hauptachse 14 des Lichtleiters 4 ausbreitet, aus dem zylinderförmigen Lichtleiter 4 in definierter Weise auszukoppeln, wie nachfolgend detailliert beschrieben wird.
Die dargestellte Beleuchtungsanordnung 2 kann insbesondere als kompakter Strahlaufweiter und Flächenstrahler mit definierter Abstrahlcharakteristik in einer Hinterleuchtungseinheit für Flachbildschirme verwendet werden. Die Figur 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Beleuchtungsanordnung 2.1. Die dargestellte Beleuchtungsanordnung 2.1 umfasst zunächst den zuvor beschriebenen zylinderförmigen Lichtleiterstab 4 mit einem durch ein holographisch-optisches Element 8 gebildeten Kopplungsabschnitt 6. Der Kopplungsabschnitt 6 ist streifenförmig gebildet und verläuft parallel zur Hauptachse 14 von einem zum anderen Ende 12.1, 12.2 des zylinderförmigen Lichtleiters 4. Wie bereits beschrieben wurde, ist das holographisch-optische Element 8 zum gezielten Einkoppeln von
Licht in einen (in Fig. 2 nicht gezeigten) planaren Lichtleiter bzw. planaren Wellenleiter gebildet.
Neben dem zylinderförmigen Lichtleiter 4 mit dem holographisch-optischen Element 8 umfasst die Beleuchtungsanordnung 2.1 vorliegend eine erste Lichtquelle 1, ein Strahlformungsmodul 5 und ein Substrat 7.
Die erste Lichtquelle 1 kann ein Lasermodul 1 sein. Insbesondere kann ein RGB -Lasermodul vorgesehen sein, welches drei Farben monochromatischen Lichts, wie Rot, Grün und Blau, emittiert. In einer alternativen Ausführungsform weist die erste Lichtquelle 1 eine weiße
Hochleistungs-Leuchtdiode (engl.: Power LED) mit Primäroptik auf. Die Optik kann z.B. eine Vergussmasse für den LED-Chip mit seinem Substrat und seinen Anschlüssen, und nachgeschaltetem optischem Element, wie einer Sammellinse oder einem parabolischen Reflektor umfassen. Die Optik bewirkt die Kollimation des über einen weiten Raumwinkel aus dem Chip emittierten weißen Lichts.
Die Figur 3 zeigt eine mögliche Ausführungsform der Lichtquelle 1 auf Power-LED -Basis. Eine Power LED (Weiß) 205 emittiert weißes Licht, welches durch eine Plankonvexlinse 206 und eine Leuchtfeldblende 207 kollimiert wird. Zwischen der ersten Lichtquelle 1 und dem ersten Ende 12.1 des zylinderförmigen
Lichtleiters 4 befindet sich in der Beleuchtungsanordnung 2.1 ein optisches Strahlformungsmodul 5. Das Strahlformungsmodul 5 ist dazu eingerichtet, den kollimierten Lichtstrahl der ersten Lichtquelle, wie den in Figur 3 dargestellten, in einen divergenten Strahl mit geeigneter Aufweitung und geeignetem Strahlprofil zu verwandeln. Insbesondere ist das Strahlformungsmodul 5 derart eingerichtet, dass der erzeugte Lichtstrahl bzw. das erzeugte Licht nach der Einkopplung über das erste Ende 12.1 in den zylinderförmigen Lichtleiter 4 nach dem Gesetz der internen Totalreflexion (TIR) in dem zylinderförmigen Lichtleiter 4 propagiert. In einer in den Figuren 4a und 4b schematisch dargestellten Ausführungsform kann das
Strahlformungsmodul 5 durch eine bikonvexe Linse 201 gebildet sein. Die exakte Ausführungsform dieser Einkoppellinse 201, insbesondere in Bezug auf Durchmesser, Brennweite und Abstand zur Kante 12.1 des Lichtleiters 4, wird durch die Ausführungsform des Lichtleiters 4, insbesondere seiner Kantenflächengeometrie und des Brechungsindex bestimmt (Lichtbrechung und Reflexion an der Kante des Lichtleiters 4 sind aus Vereinfachungsgründen nicht gesondert dargestellt). Die Auslegung erfolgt vorzugsweise im
Sinne einer guten Strahlqualität und hoher Koppeleffizienz, die definiert ist durch das Verhältnis aus eingekoppelter Lichtleistung zu direkt von der Lichtquelle emittierter Lichtleistung. Das in Figur 4c dargestellte Strahlformungsmodul 203 kann bei Bedarf Linsensysteme zur
Erweiterung des Strahldurchmessers vor der Einkoppellinse und mindestens einen Modenfilter 204 umfassen. Der zwischen zwei Linsen eingebaute Modenfilter 204 steuert das Licht, das auf die Einkoppellinse fällt, in seiner Intensitätsverteilung, und legt das Strahlprofil fest. Es können Amplituden- und Phasen-Raumlichtfilter (engl.: SLM) vorgesehen sein, die diese optische Funktion übernehmen. In einer speziellen
Ausführungsform des Strahlformungsmoduls 203 ist der Modenfilter 204 ein Filterring, so dass er in Verbindung mit den Linsen des Strahlformungsmoduls 203 eine sphärische Welle mit ringförmigem Strahlprofil erzeugen kann. Der zylinderförmige Lichtleiter 4 der erfindungsgemäßen Beleuchtungsanordnung 2.1 kann bevorzugt aus Glas, Polymethylmethacrylat (PMMA), Polydimethylsiloxan (PDMS), Polycarbonat (PC), Polystyrol (PS), oder anderen amorphen thermoplastischen Kunststoffen oder Mischungen solcher Stoffe gebildet sein, welche die nachfolgend aufgeführten Anforderungen für Lichtleitermaterialien erfüllen.
Der zylinderförmige Lichtleiter 4 ist insbesondere ein homogener, nicht streuender und für die Wellenlängen der ersten Lichtquelle 1 transparenter Festkörper. Das Licht kann in dem zylinderförmigen Lichtleiter 4 in verschiedenen Strahlengängen, auch Wellenmoden (Kurzform: Moden), genannt propagieren. (Nahezu) alle Moden außer dem Axialmode, bei der das Licht entlang der zentralen Achse 14 des zylinderförmigen Lichtleiters 4 läuft, sind durch interne Totalreflexion an der Grenzfläche zum umgebenden Medium (hier Luft) gekennzeichnet.
Abhängig von dem Eintrittswinkel in den zylinderförmigen Lichtleiter 4 und dem Durchmesser des zylinderförmigen Lichtleiters 4 können sehr viele verschiedene Moden existieren, die sich durch ihren Propagationswinkel relativ zur virtuellen Zylinderachse individuell beschreiben lassen. Bei typischen Brechungsindex-Werten des Lichtleiters 4 von «WG = 1,4 bis 1,8 und dem Brechungsindex von Luft «ma = 1, unterliegen Propagationswinkel bis maximal 33,7° (bei «wo = 1,8) bzw. 44,4° (bei «wo = 1,4) dem Gesetz der Totalreflexion.
Der zylinderförmige Lichtleiter 4 weist darüber hinaus vorzugsweise geringe Streuverluste sowie Absorptionsverluste auf. Insbesondere weist der zylinderförmige Lichtleiter 4 glatte, nicht streuende Oberflächen auf. Der zylinderförmige Lichtleiter 4 ist insbesondere derart gebildet, dass der Lichtleistungsverlust bei Durchlaufen der gesamten Länge des Lichtleiters 4 kleiner als 10% bzw. 0,46 dB, besonders bevorzugt kleiner als 5% bzw. 0,22 dB, ist. Diese
Betrachtung bezieht sich auf den bloßen zylinderförmigen Lichtleiter 4. D.h. Effekte durch die Ankopplung des holographisch-optischen Elements 8 an den Lichtleiter 4 sind nicht berücksichtigt. Das Lichtleitermaterial des zylinderförmigen Lichtleiters 4 lässt sich vorzugsweise bei hohen
Temperaturen in der Schmelze durch Gießen, Spritzgießen oder mechanisches Bearbeiten in die Form eines Lichtleiterstabs 4 überführen. Alternativ zur Präparation aus der Schmelze kommt bei Kunststoffen die Massepolymerisation in Frage.
Das Lichtleitermaterial des zylinderförmigen Lichtleiters 4 wird insbesondere derart ausgewählt, dass es eine konstante Dichte und gute optische Isotropie aufweist. Der
Brechungsindex im Materialvolumen in allen drei Raumdimensionen des Lichtleiterstabs 4 variiert insbesondere um nicht mehr als 0,02, bevorzugt nicht mehr als 0,01, und besonders bevorzugt nicht mehr als 0,005. In Querschnitt und Form entspricht der zylinderförmige Lichtleiter 4 einem Lichtleiterstab, mit einer Länge größer oder gleich der Kantenlänge einer ankoppelbaren (nicht in Figur 2 gezeigten) Lichtleiterplatte. Wie bereits beschrieben wurde, weist der dargestellte Lichtleiter 4 einen kreisförmigen Querschnitt auf. Der Durchmesser beträgt insbesondere 1 bis 10 mm, bevorzugt 1 bis 5 mm.
Der Lichtleiterstab 4 ist in einer Ausführungsform an der weiteren Endfläche 12.2, die nicht für die Lichteinkopplung verwendet wird, verspiegelt. Ein Lichtaustritt im Sinne einer guten Lichteffizienz der Beleuchtungsanordnung 2.1 kann vermieden werden. In einer alternativen Ausführungsform kann der zylinderförmige Lichtleiter 4 neben einer ersten Lichtquelle eine zweite Lichtquelle an dem zweiten Ende 12.2 aufweisen. Licht kann von zwei entgegenlaufenden Richtungen durch den Lichtleiterstab 4 propagieren. Diese Ausführungsform ist für BLU-Anwendungen bevorzugt, welche besonders hohe Anforderungen an die verfügbare Ausgangslichtleistung haben.
Das holographisch-optische Element 8 ist aus einem Aufzeichnungsmaterial für Volumenhologramme gebildet. In das Aufzeichnungsmaterial sind bestimmte Licht beugende, in Transmission wirkende Gitterstrukturen durch holographische Belichtung eingebracht worden. Die Gitterstrukturen sind so gewählt, dass eine definierte Auskopplung bzw. Emission von Licht aus dem zylinderförmigen Lichtleiter erfolgen kann, Bevorzugte Materialien sind holographische Silberhalogenidemulsionen, Dichromatgelatine oder Photopolymere. Photopolymere können vorzugsweise zumindest aus Photoinitiatorsystemen und polymerisierbaren Schreibmonomeren gebildet sein. Spezielle Photopolymere können zusätzlich noch Weichmacher, thermoplastische Binder und/oder vernetzte Matrixpolymere enthalten. Bevorzugt sind Photopolymere enthaltend vernetzte Matrixpolymere. Es ist besonders bevorzugt, wenn die Photopolymere aus einem
Photoinitiatorsystem, einem oder mehreren Schreibmonomeren, Weichmachern und vernetzten Matrixpolymeren gebildet sind.
Das holographisch-optische Element 8 ist mit dem zylinderförmigen Lichtleiter 4 gekoppelt. Durch die Anbringung des holographisch-optischen Elements 8 entsteht ein Kopplungsabschnitt 6 insbesondere in Form einer dünnen Kontaktlinie an der Oberfläche bzw. Mantelfläche 10 des zylinderförmigen Lichtleiters 4. Der streifenförmige Kopplungsabschnitt 6 verläuft insbesondere parallel zu der Hauptachse des zylinderförmigen Lichtleiters 4. Mit anderen Worten verläuft der Kopplungsabschnitt 6 in der Ausbreitungsrichtung des Lichts im zylinderförmigen Lichtleiter 4.
Das holographisch-optische Element 8 wirkt insbesondere diffraktiv in Transmission durch seine Volumengitter innerhalb der holographisch aktiven Fläche. Die aktive Fläche ist Teil des flächig ausgestalteten holographischen Aufzeichnungsmaterials. Die aktive Fläche kann Teile oder die ganze Fläche des holographischen Aufzeichnungsmaterials einnehmen. Die aktive Fläche umfasst dabei mindestens die Kontaktfläche zum zylinderförmigen Lichtleiter
4. Die aktive Fläche ist eben oder in einer Richtung gekrümmt. Letzteres ist der Fall, wenn das holographisch-optische Element 8 mit mindestens dem aktiven Teil seiner Fläche auf dem zylinderförmigen Lichtleiter 4 aufliegt. Das holographisch-optische Element 8 ist derart ausgebildet, dass auftreffendes Licht winkelselektiv erfasst wird. Das erfasste Licht wird dann von dem holographisch-optischen Element 8 bzw. den implementierten Gitterstrukturen so umgelenkt, dass es den zylinderförmigen Lichtleiter 4 in einer Raumrichtung mit enger Intensitäts-Winkelverteilung verlässt, die der Totalreflexion in dem ankoppelbaren flächigen Lichtleiterplatte unterliegt. Die Hauptrichtung der Beugung steht senkrecht auf der Hauptachse des zylinderförmigen Lichtleiters 4. Ein homogener Lichtvorhang tritt über die gesamte Länge des
Kopplungsabschnitts 6 hinweg aus dem zylinderförmigen Lichtleiter 4 aus.
Der durch die erfindungsgemäße Beleuchtungsanordnung 2.1 erzeugte Lichtvorhang ist besonders gut kollimiert. Propagationsverluste in einer optisch ankoppelbaren Lichtleiterplatte sind derart niedrig, dass die Lichtleitung über große Distanzen möglich ist.
In einem Ausführungsbeispiel kann die Effizienz des holographisch-optischen Elements 8 entlang der Ausbreitungsrichtung des Lichts im zylinderförmigen Lichtleiter 4 an die lokale Intensität aller propagierender Moden angepasst sein. Der entsprechend erzeugte Lichtvorhang weist entlang der Kopplungsfläche bzw. -linie 6 eine (nahezu) konstante
Intensität auf.
Die optische Kopplung des holographisch-optischen Elements 8 an das Licht im zylinderförmigen Lichtleiter 4 erfolgt über das evaneszente elektromagnetische Feld einer Lichtwelle. Evaneszente Wellen treten hinter der Fläche auf, an der Wellen totalreflektiert werden. Die Amplitude der Welle fällt mit einer 1/e -Funktion hinter der Fläche steil ab. Die
Eindringtiefe der Welle in das holographische Medium, das an besagte Fläche anschließt, hängt dabei von mehreren Parametern ab, wie der Wellenlänge des Lichts, dem Reflexionswinkel und dem Brechungsindex des Mediums. Es liegt beispielsweise zwischen 1 und 3 μιη. Diese geringe Eindringtiefe reicht aus, damit die Welle mit dem holographisch- optischen Element 8 in Wechselwirkung treten kann, so dass die Voraussetzung für Beugung an dem holographischen Gitter im holographisch-optischen Element 8 bereitgestellt wird.
Wie bereits beschrieben wurde, kann das holographisch-optische Element 8 (zusätzlich) mit einem (Kopplungs-)Substrat 7 verbunden sein, wie beispielhaft in Figur 2 gezeigt ist. Bevorzugte Aufbauten sind ein optisch transparentes Substrat 7 aus Glas oder Kunststoff und ein Photopolymer. Erfindungsgemäß ist es besonders bevorzugt, das Photopolymer umfassend das holographisch-optische Element 8 direkt auf den zylinderförmigen Lichtleiter 4 zu laminieren. Das Substrat 7 verleiht dabei dem Photopolymer die notwendige mechanische Stabilität. Ebenfalls ist es möglich, das holographisch-optische Element 8 derart auszuführen, dass das Photopolymer von einem thermoplastischen Film und einer dünnen Haftvermittlerschicht vorzugsweise beidseitig eingefasst ist. Die Haftvermittlerschicht kann aus einem optisch klaren Klebstofffilm gebildet sein. In diesem Fall ist es vorteilhaft, dass das Photopolymer mit der Haftvermittlerseite an dem zylinderförmigen Lichtleiter 4 angebracht ist/wird.
Die thermoplastischen Filmschichten des holographisch-optische Elements 8 können aus transparenten Kunststoffen gebildet sein. Bevorzugt werden weitgehend doppelbrechungsfreie Materialien, wie amorphe Thermoplaste, verwendet. Geeignet sind insbesondere Polymethylmethacrylat (PMMA), Cellulosetriacetat (TAC), amorphe
Polyamide (PA), Polycarbonat (PC) und Cycloolefin-Copolymere (COC).
Darüber hinaus ist es möglich, das holographisch-optische Element 8 als Transferfilm auszuführen. In diesem Fall kann das Photopolymer von einem abziehbaren Substrat und einer dünnen Haftvermittlerschicht beidseitig eingefasst sein. Nach dem Verkleben des
Photopolymers mit dem zylinderförmigen Lichtleiter 4 kann das Substrat vom Photopolymer zerstörungsfrei und rückstandsfrei abgezogen werden. Im Ergebnis verbleibt nur das Photopolymer umfassend das holographisch-optische Element 8 und die Haftvermittlerschicht auf dem zylinderförmigen Lichtleiter 4.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann sich die Kontaktfläche zwischen dem holographisch-optischen Element 8 und dem zylinderförmigen Lichtleiter 4 auf eine (dünne) Linie beschränken, die nur einen Anteil an der Mantelfläche des Lichtleiters 4 einnimmt. Von dem gesamten 360°-Umfang des zylinderförmigen Lichtleiters 4 kann der Kopplungsabschnitt weniger als 20°, bevorzugt weniger als 10°, besonders bevorzugt weniger als 5°, und außerordentlich bevorzugt 1-3° einnehmen.
Die Figuren 5 bis 8 zeigen weitere Ausführungsbeispiele von erfindungsgemäßen Beleuchtungsanordnungen 2.2 bis 2.5. Den dargestellten Beleuchtungsanordnungen 2.2 bis 2.5 ist gemein, dass alle Beleuchtungsanordnungen 2.2 bis 2.5 einen optisch an mindestens einen zylinderförmigen Lichtleiter 4 angekoppelten plattenförmigen Lichtleiter 16 aufweisen. Der plattenförmigen Lichtleiter 16 weist vier Schmalseiten 18, 20 auf. Darüber hinaus weist der plattenförmigen Lichtleiter 16 zwei Breitseiten 22, 24 auf. Insbesondere weist der flächige Lichtleiter 16 eine rechteckförmige Unterseite 24 und eine rechteckförmige Oberseite 22 auf. Wie aus der Figur 5 zu erkennen ist, weist die Beleuchtungsanordnung 2.2 neben dem flächigen Lichtleiter 16 die bereits beschriebenen Komponenten 1 bis 8 auf. Das aus dem zylinderförmigen Lichtleiter 4 mittels des holographisch-optischen Elements 8 ausgekoppelte Licht wird an einer der zwei kürzeren Schmalseiten in den flächigen Lichtleiter 16 eingekoppelt. Insbesondere erfolgt gemäß diesem Ausführungsbeispiel eine
(nahezu) direkte Kopplung des Lichts aus dem zylinderförmigen Lichtleiter 4 in den flächigen Lichtleiter 16 (also insbesondere ohne ein zusätzliches Kopplungssubstrat).
Der Lichtvorhang tritt gemäß der Beleuchtungsanordnung 2.2 durch die Kante 18 in die Lichtleiterplatte 16 ein. Die Länge des zylinderförmigen Lichtleiters 4 ist vorliegend so gewählt, dass sich der Kopplungsabschnitt 6 mit dem holographisch-optischen Element 8 über die gesamte Länge der Kante 18 des flächigen Lichtleiters 16 erstreckt.
Die in Figur 6 dargestellte Beleuchtungsanordnung 2.3 unterscheidet sich von der zuvor beschriebenen Beleuchtungsanordnung 2.2 insbesondere darin, dass zwei zylinderförmige
Lichtleiter 4 vorgesehen sind. Insbesondere kann gemäß diesem Ausführungsbeispiel Licht an zwei gegenüberliegenden Schmalseiten 18 in den planaren Lichtleiter 16 eingekoppelt werden. Es versteht sich, dass gemäß anderen Varianten alternativ oder zusätzlich die Einkopplung des Lichts auch über mindestens eine der längeren Schmalseiten 20 erfolgen kann und/oder unter Verwendung eines zusätzlichen Substrats. Beispielsweise kann die Einkopplung von Licht aus zwei, drei oder vier erfindungsgemäßen zylinderförmigen Lichtleitern 4 über beliebig gewählte Kanten 18, 20 erfolgen.
Die Figuren 7 und 8 zeigen Ausführungsbeispiele, bei denen das Licht aus einem oder zwei zylinderförmigen Lichtleiter/n 4 an einer Breitseite 24 in den flächigen Lichtleiter 16 eingekoppelt wird. Bei der Beleuchtungsanordnung 2.4 wird das Licht in einem Randbereich der Breitseite 24 eingekoppelt. Insbesondere verläuft der zylinderförmige Lichtleiter 4 parallel zur Schmalseite 18. Der Lichtvorhang tritt vorzugsweise über die rückseitige Fläche 24 in den plattenförmigen Lichtleiter 16 ein. Die vordere Fläche 22 ist insbesondere definiert als die Fläche, über die der Lichtaustritt aus dem plattenförmigen Lichtleiter 16 in Richtung eines (nicht dargestellten) LC-Panels erfolgt. Ferner ist die Länge des zylinderförmigen Lichtleiters 4 so gewählt, dass sich der Kopplungsabschnitt 6 mit dem holographischoptischen Element 8, je nachdem, ob der horizontale oder vertikale Einbau gewählt wurde, über die gesamte Breite bzw. Höhe des flächigen Lichtleiters 16 erstreckt. Figur 8 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel mit zwei erfindungsgemäßen zylinderförmigen Lichtleitern 4. Die zwei zylinderförmige Lichtleiter 4 sind an den gegenüberliegenden Randbereichen der Breitseite 24 angeordnet. Insbesondere verlaufen beide Lichtleiter 4 parallel zueinander und parallel zu den jeweiligen Schmalseiten 18.
Alternativ kann die Einkopplung von Licht aus zwei, oder mehreren erfindungsgemäßen zylinderförmigen Lichtleitern 4, über beliebig gewählte Positionen erfolgen. Positionen weiter in der Plattenmitte sind ebenso möglich. Ferner unterscheiden sich die Ausführungsbeispiele in den Figuren 7 und 8 von den
Ausführungsbeispielen in den Figuren 5 und 6 darin, dass die Beleuchtungsanordnungen 2.4 und 2.5 mindestens ein zusätzliches Kopplungssubstrat 7 zwischen dem zylinderförmigen Lichtleiter 4 bzw. dem holographisch-optischen Element 8 und dem flächigen Lichtleiter 16 aufweisen.
Es versteht sich, dass gemäß anderen Varianten alternativ oder zusätzlich die Einkopplung des Lichts auch über mindestens an einer Breiteseite parallel zu einer der längeren Schmalseiten 20 erfolgen kann und/oder ohne Verwendung eines zusätzlichen Substrats 7. Die Lichtleiterplatte 16, die zumindest mit einem erfindungsgemäßen zylinderförmigen
Lichtleiter 4 gekoppelt ist, weist vorzugsweise Elemente zur Auskopplung des Lichts auf. Beispielsweise kann der planare Lichtleiter 16 gedruckte Muster aus weißer Farbe, angeraute Oberflächen, eingeprägte lichtbrechende Strukturen und/oder holographisch-optische Auskoppelungselemente umfassen. Die ideale Art, Anzahl bzw. Dichte dieser Strukturen kann in weiten Bereichen frei gewählt werden, so dass die Lichtverteilung beispielsweise an die Spezifikation der BLU angepasst ist. Ziel bei BLUs für 2D-Displays ist insbesondere eine recht homogene Ausleuchtung des Panels. Bei einigen autostereoskopischen SD- Display-Technologien, kann das Ziel in einer homogenen Abstrahlung mit einer Vorzugsrichtung bestehen.
Die erfindungsgemäßen Beleuchtungsanordnungen erzeugen eine sehr genau definierte räumliche Intensitätsverteilung und Propagationsrichtungen, und damit eine hohe Stahlqualität ab der Einkopplungsfläche, die es ermöglichen, sehr flach-bauende Lichtleiterplatten und Moden-Wellenleiter in verschiedenen, insbesondere großflächigen Ausführungsformen zu konstruieren, die eine verlustarme Wellenleitung aufweisen, so dass mechanisch robuste BLUs mit hoher Lichteffizienz und geringer technischer Komplexität, realisierbar sind.
Die Figuren 9 bis 13 zeigen verschiedene Ausführungsbeispiele von Beleuchtungsanordnungen mit eingezeichneten Lichtstrahlenverläufen.
Bevorzugte Auslegungsformen des Hologramms, insbesondere seine Winkelfunktionen und spektrale Breiten, die sowohl die Lichtauskopplung aus dem erfindungsgemäßen Lichtleiter 4, wie auch die Lichteinkopplung in den flächigen Lichtleiter 16 bestimmen, werden im Folgenden beschrieben.
Das Hologramm ist als Transmissionshologramm ausgelegt, so dass es Licht, das in der xz- Ebene im Lichtleiterstab unter Totalreflexion propagiert, rekonstruiert, d.h. an den Gittern beugend ablenkt. Der Rekonstruktionswinkel 9 aus Figur 9 sei auch Azimutwinkel 6R bzw. ThetaR genannt. ThetaR ist definiert als der Einfallswinkel des Lichts, unter dem der
Beugungswirkungsgrad des Hologramms sein Maximum erreicht, überlappt mit der Winkelverteilung (ebenfalls bezogen auf den Azimutwinkel) der Strahlen, die die Kontaktfläche des Hologramms erreichen. Der bevorzugte Winkelbereich von ThetaR liegt zwischen dem Kritischen Winkel für Totalreflexion und 85°, besonders bevorzugt zwischen dem Kritischen Winkel für Totalreflexion und 80°.
Zur Veranschaulichung des Kritischen Winkels soll das folgende Rechenbeispiel dienen: Bei Brechungsindex-Werten des Lichtleiters «wo von 1,4 bis 1,8 und dem Brechungsindex von Luft «Luft = 1 als äußeres Medium, unterliegen Winkel bis minimal 33,7° (bei n-wo = 1,8) bzw. 44,4° (bei «wo = 1 ,4) dem Gesetz der Totalreflexion. Der Kritische Winkel ist als dieser
Grenzwert definiert.
Abhängig von verschiedenen Parametern, wie z.B. dem Rekonstruktionswinkel, der Schichtdicke und der Brechungsindexmodulation zeigt das Hologramm eine engere bis weitere spektrale Akzeptanz. Bei breitbandiger Beleuchtung, wie z.B. bei LED-Beleuchtung, ist eine ausreichende spektrale Breite des Hologramms wünschenswert, welche das Emissionsspektrum der Lichtquelle idealerweise umfasst. Die bevorzugt gewählte Schichtdicke des Hologramms beträgt bei LED-Beleuchtung 0,5 bis 30 nm bei einer bevorzugten Brechungsindexmodulation von 0,025 bis 0,060. Besonders bevorzugt liegt die Schichtdicke bei 1 bis 17 nm, ganz besonders bevorzugt bei 1 bis 6 nm. In einer erfindungsgemäßen Standard-Ausführungsform wird die Brechungsindexmodulation über die holographische Belichtungszeit und/oder Belichtungsintensität dergestalt eingestellt, dass eine Übermodulation der Gitter vermieden wird, so dass ein hoher, idealerweise nahe 100% liegender Beugungs Wirkungsgrad erreicht wird.
In einer alternativen Ausführungsform wird der Beugungs Wirkungsgrad über die Länge der aktiven Hologrammfläche, d.h. über die Länge der Koppelfläche, in Form eines Gradienten eingestellt, mit dem Ziel die Homogenität des Signalstrahls entlang der Koppelfläche (x- Richtung) zu verbessern.
Bei Beleuchtung mit Rot-Grün-Blauen (RGB-) Lichtquellen, wie Lasern und RGB-LEDs, ist es vorteilhaft, mehrere holographische Gitter für die Auskopplung des Lichts zu verwenden. Je ein Gitter ist spektral an eine Lichtfarbe angepasst, d.h. es rekonstruiert in diesem Spektralbereich. Die Gitter werden bevorzugt in einem holographischen Film, insbesondere in einem Photopolymerfilm, gemultiplext, d.h. übereinander geschrieben. Die Herstellung gemultiplexter Hologramme geschieht dabei zum Beispiel über zeitgleiche, einzelne zeitlich sequenzielle oder über einzelne zeitlich überlappende Belichtungen.
In einer weiteren Ausführungsform werden mehrere Hologramme in einzelnen Filmen übereinander gelegt. Die Belichtung der einzelnen Hologramme erfolgt typischerweise in einzelnen Belichtungsschritten mit unterschiedlichen Aufzeichnungsfilmen. Diese einzelnen Filme werden z.B. durch Kalt- oder Heißlamination oder Verklebung von Filmen in mehreren Lagen hergestellt. Bei Beleuchtung des Lichtleiterstabs mit zwei Lichtquellen ist es ebenfalls vorteilhaft, mehrere holografische Gitter für die Auskopplung des Lichts zu verwenden. Je ein bzw. ein Satz von Hologrammen beugt das Licht einer bevorzugten, ihm zugeordneten Lichtquelle. In Summe verdoppelt sich die Zahl der Hologramme durch die zweite Lichtquelle. Das Übereinanderlegen mehrerer Hologrammfilme und das Multiplexen einzelner
Hologramme in einem Film sind frei miteinander kombinierbar, so dass ein gewünschter Kompromiss zwischen einfacher Herstellung und Hologrammeffizienzen gefunden werden kann. Das Hologramm ist als Transmissionshologramm ausgelegt, so dass es Licht, das in der xz-
Ebene im Lichtleiterstab 4 unter Totalreflexion propagiert, rekonstruiert, d.h. an den Gittern beugend ablenkt. Der Rekonstruktionswinkel 9R (Azimutwinkel ThetaR), definiert als der Einfallswinkel des Lichts, unter dem der Beugungswirkungsgrad des Hologramms sein Maximum erreicht, überlappt mit der Winkelverteilung (ebenfalls bezogen auf den Azimutwinkel) der Strahlen, die die Kontaktfläche des Hologramms erreichen. Der erlaubte Winkelbereich von 6R ist wie folgt definiert: θ3,ονα< θ5 < 9ϋ wobei e3 crit der Kritische Winkel im Lichtleiter 4 ist.
Der bevorzugte Winkelbereich von 6R liegt zwischen 63 crit + 5° und 85°, und besonders bevorzugt zwischen 63 crit + 10° und 80°.
Der Signalstrahl 17 gibt die Richtung des am Gitter durch Beugung abgelenkten Lichts an. Sein Richtungsvektor liegt in der yz-Ebene, siehe Figuren 10 bis 13. Man spricht von Out-of- Plane -Hologrammen, weil die genannte Beugungsrichtung außerhalb der Ebene des Rekonstruktionsstrahls 13 (xz-Ebene gemäß Figur 9) liegt. Der Ablenkwinkel 21, den der Signalstrahl mit yz-Ebene einnimmt, wird im Folgenden mit 6S (Azimutwinkel ThetaS), und der Kritische Winkel für Lichtausbreitung unter Totalreflexion im Lichtleiter 16 mit 6crit bezeichnet. n5 sei der Brechungsindex des Lichtleiters und n6 der Brechungsindex des Substrats.
Der erlaubte Winkelbereich von 6S ist im Falle der Kanteneinkopplung durch ein Substrat gemäß Figur 11 wie folgt defi
Im Falle der direkten Kanteneinkopplung ohne Substrat (Figuren 12 und 13) bzw. bei angepassten Brechungsindizes von Substrat und Lichtleiter ändert sich die Bedingung wie folgt:
0° < 0S < arcsin(cos 6crit)
Der erlaubte Winkelbereich von 6S ist im Falle der rückseitigen Einkopplung durch das Substrat hindurch, siehe Figur 10, wie folgt definiert: Im Falle der direkten rückseitigen Einkopplung (wie Figur 10 mit weggelassenem Substrat 7) bzw. bei angepassten Brechungsindizes von Substrat und Lichtleiter ändert sich die Bedingung wie folgt:
0crit< θ5 < 90°
Der bevorzugte Winkelbereich von θ5 liegt um je 5° und besonders bevorzugt um je 10° von den hier definierten Grenzwerten entfernt.
In einer speziellen Ausführungsform fächert das Hologramm den Signalstrahl in der yz- Ebene auf, so dass eine Winkelverteilung im Rahmen der o.g. erlaubten bzw. bevorzugten Winkelbereich vorliegt.
In einer speziellen Ausführungsform liegt der Signalstrahl nicht in der yz-Ebene, sondern weicht um einen gegebenen Winkel davon ab.
In einer weiteren Ausführungsform fächert das Hologramm den Signalstrahl in der xy-Ebene auf.

Claims

Patentansprüche
Indirekte Beleuchtungsanordnung (2, 2.1, 2.2, 2.3, 2.4, 2.5), umfassend:
- mindestens einen zylinderförmigen Lichtleiter (4),
- wobei mindestens ein Ende (12.1, 12.2) des zylinderförmigen Lichtleiters (4) eingerichtet ist, Licht von einer ersten Lichtquelle (1) in den zylinderförmigen Lichtleiter (4) einzukoppeln, und
- die Mantelfläche (10) des zylinderförmigen Lichtleiters (4) einen
Kopplungsabschnitt (6) eingerichtet zum optischen Koppeln des
zylinderförmigen Lichtleiter (4) mit einem anordnenbaren plattenförmigen Lichtleiter (16) aufweist,
dadurch gegenzeichnet, dass
- zumindest der Kopplungsabschnitt (6) mindestens ein holographisch-optisches Element (8) eingerichtet zum Emittieren von Licht aus dem zylinderförmigen Lichtleiter (4) in den anordnenbaren plattenförmigen Lichtleiter (16) aufweist.
Indirekte Beleuchtungsanordnung (2, 2.1, 2.2, 2.3, 2.4, 2.5) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
- das holographisch-optische Element (8) eine Gitterstruktur aufweist derart, dass das auf das holographisch-optische Element (8) auftreffende Licht aus dem zylinderförmigen Lichtleiter (4) erfasst wird, und
- das erfasste Licht von der Gitterstruktur des holographisch-optischen Elements (8) derart umgelenkt wird, dass das Licht den zylinderförmigen Lichtleiter (4) in einer Raumrichtung mit einer Intensitätswinkelverteilung verlässt, die im
Wesentlichen der Totalreflexion in dem anodnenbaren plattenförmigen Lichtleiter (16) entspricht.
Indirekte Beleuchtungsanordnung (2, 2.1, 2.2, 2.3, 2.4, 2.5) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass
- der Kopplungsabschnitt (6) eine im Wesentlichen parallel zu der Hauptachse des zylinderförmigen Lichtleiters (4) verlaufende streifenförmige Kopplungsfläche ist, und
- der streifenförmige Kopplungsabschnitt (6) ein holographisch-optisches Element (8) in Form einer streifenförmige Folie aufweist. Indirekte Beleuchtungsanordnung (2, 2.1, 2.2, 2.3, 2.4, 2.5) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
- das holographisch-optische Element (8) aus einem selbstklebenden Material gebildet ist, und
- das selbstklebende holographisch-optische Element (8) an dem
Kopplungsabschnitt (6) angeklebt ist.
Indirekte Beleuchtungsanordnung (2, 2.1, 2.2, 2.3, 2.4, 2.5) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
- das holographisch-optische Element (8) mindestens an einer Seitenfläche mindestens eine Haftvermittlungsschicht aufweist, und
- das holographisch-optische Element (8) mittels der Haftvermittlungsschicht an dem Kopplungsabschnitt (6) angebracht ist.
Indirekte Beleuchtungsanordnung (2, 2.1, 2.2, 2.3, 2.4, 2.5) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
- der zylinderförmige Lichtleiter (4) einen kreisförmigen Querschnitt aufweist,
- wobei der Durchmesser des Querschnitts insbesondere zwischen 1 mm und 10 mm, bevorzugt zwischen 2 mm und 5 mm, liegt.
Indirekte Beleuchtungsvorrichtung (2, 2.1, 2.2, 2.3, 2.4, 2.5) nach Anspruch 3 und Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die streifenförmige Folie von der Umfangsfläche der Mantelfläche (10) des zylinderförmigen Lichtleiters (4) zumindest weniger als 20°, bevorzugt zumindest weniger als 10°, besonders bevorzugt zumindest weniger als 5°, und außerordentlich bevorzugt 1-3° einnimmt.
Indirekte Beleuchtungsanordnung (2, 2.1, 2.2, 2.3, 2.4, 2.5) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
- die indirekte Beleuchtungsanordnung (2, 2.1, 2.2, 2.3, 2.4, 2.5) den
plattenförmigen Lichtleiter (16) umfasst, und
- das holographisch-optische Element (8) mit mindestens einer Schmalseite (18, 20) des plattenförmigen Lichtleiters (16) optisch gekoppelt ist, derart, dass das Licht in die Schmalseite (18, 20) des plattenförmigen Lichtleiters (16) eingekoppelt wird,
und/oder
- das holographisch-optische Element (8) mit mindestens einer Breitseite (22, 24) des plattenförmigen Lichtleiters (16) optisch gekoppelt ist, derart, dass das Licht in die Breitseite (22, 24) des plattenförmigen Lichtleiters (16) eingekoppelt wird.
Indirekte Beleuchtungsanordnung (2, 2.1, 2.2, 2.3, 2.4, 2.5) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
- die indirekte Beleuchtungsanordnung (2, 2.1, 2.2, 2.3, 2.4, 2.5) den
plattenförmigen Lichtleiter (16) umfasst, und
- zwischen dem holographisch-optischen Element (8) und dem plattenförmigen Lichtleiter (16) ein transparentes Kopplungssubstrat (7) angeordnet ist.
Indirekte Beleuchtungsanordnung (2, 2.1, 2.2, 2.3, 2.4, 2.5) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zylinderförmige Lichtleiter (4) aus einem Material ausgewählt aus der Gruppe Glas,
Polymethylmethacrylat, Polydimethylsiloxan, Polycarbonat oder Polystyrol gebildet ist.
Indirekte Beleuchtungsanordnung (2, 2.1, 2.2, 2.3, 2.4, 2.5) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
- das weitere Ende (12.2) des zylinderförmigen Lichtleiters (4) reflektierend gebildet ist, oder
- das weitere Ende (12.2) des zylinderförmigen Lichtleiters (4) eingerichtet ist, Licht von einer zweiten Lichtquelle in den zylinderförmigen Lichtleiter (4) einzukoppeln.
Indirekte Beleuchtungsanordnung (2, 2.1, 2.2, 2.3, 2.4, 2.5) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
- das holographisch-optische Element (8) aus einem Material ausgewählt aus der Gruppe Silberhalogenidemulsionen, Dichromatgelatine oder Photopolymere gebildet ist,
- wobei die Photopolymere zumindest aus Photoinitiatorsystemen und
polymerisierbaren Schreibmonomeren gebildet sind, und
- wobei die Photopolymere bevorzugt Weichmacher und/oder thermoplastische Binder und/oder vernetzte Matrixpolymere umfassen.
Verfahren zum Herstellen einer indirekten Beleuchtungsanordnung (2, 2.1, 2.2, 2.3, 2.4, 2.5) insbesondere nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 12, umfassend: - Bereitstellen eines zylinderförmigen Lichtleiters (4),
- wobei mindestens ein Ende (12.1, 12.2) des zylinderförmigen Lichtleiters (4) eingerichtet ist, Licht von einer ersten Lichtquelle (1) in den zylinderförmigen Lichtleiter (4) einzukoppeln, und
- wobei die Mantelfläche (10) des zylinderförmigen Lichtleiters (4) einen
Kopplungsabschnitt (6) eingerichtet zum optischen Koppeln des
zylinderförmigen Lichtleiters (4) mit einem anordnenbaren plattenförmigen Lichtleiter (16) aufweist,
dadurch gekennzeichnet, dass
- an dem Kopplungsabschnitt (6) mindestens ein holographisch-optisches Element
(8) eingerichtet zum Emittieren von Licht aus dem zylinderförmigen Lichtleiter (4) in den anordnenbaren plattenförmigen Lichtleiter (16) angebracht wird.
Bildschirm, insbesondere Flachbildschirm, umfassend mindestens eine indirekte Beleuchtungsanordnung (2, 2.1, 2.2, 2.3, 2.4, 2.5) nach einem der Ansprüche 1 bis 12.
15. Leuchtsystem, insbesondere Kraftfahrzeugscheinwerfer, umfassend mindestens indirekte Beleuchtungsanordnung (2, 2.1, 2.2, 2.3, 2.4, 2.5) nach einem der Ansprüche 1 bis 12.
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