EP4208669A1 - Beleuchtungseinheit mit einer zentriereinrichtung für einen lichtleiter - Google Patents

Beleuchtungseinheit mit einer zentriereinrichtung für einen lichtleiter

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Publication number
EP4208669A1
EP4208669A1 EP21766119.8A EP21766119A EP4208669A1 EP 4208669 A1 EP4208669 A1 EP 4208669A1 EP 21766119 A EP21766119 A EP 21766119A EP 4208669 A1 EP4208669 A1 EP 4208669A1
Authority
EP
European Patent Office
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light guide
light
centering
display
receiving housing
Prior art date
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Pending
Application number
EP21766119.8A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Tobias Huth
Sergej Wittmeier
Jörg Thomas
Felix Herchenröther
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.)
Aumovio Germany GmbH
Original Assignee
Continental Automotive Technologies GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Continental Automotive Technologies GmbH filed Critical Continental Automotive Technologies GmbH
Publication of EP4208669A1 publication Critical patent/EP4208669A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/13—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells
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    • G02B6/0086—Positioning aspects
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    • G02F1/1336—Illuminating devices
    • G02F1/133602—Direct backlight
    • G02F1/133603—Direct backlight with LEDs

Definitions

  • the present invention relates to a lighting unit with a centering device for a light guide, which is particularly suitable for backlighting a liquid crystal display, also known as an LCD (Liquid Crystal Display).
  • a lighting unit is often also referred to by the English term backlight or backlight unit.
  • Light guides in the backlight of LC display devices must be positioned exactly to the light source in the housing due to the optical performance.
  • the positioning is usually carried out by applying a centering force in the length and width directions.
  • the centering force is usually generated by the deformation of an elastic component in the edge areas of the light guide.
  • a lighting unit is known from CN 101539682 A and TW 2016 34 987 A, in which a light guide is centered by means of support on resilient elements.
  • a display according to the invention with a flat display element, which is planar or curved, and a lighting unit for the display element has a light source, a light guide and a receiving housing in which the light guide is arranged.
  • the light guide is centered in its longitudinal direction by means of a centering element in the receiving housing.
  • the display element extends, for example, by more than 50% in the longitudinal direction than in the width direction perpendicular thereto. In particular, the extension in the longitudinal direction can be more than a factor of two greater than in the width direction.
  • the proposed centering of the light guide enables expansion compensation in the longitudinal direction with almost no change in the position of the light guide relative to the display element in the central area and only a small change in position in the outer area, viewed in the longitudinal direction.
  • the proposed centering also makes it possible to compensate for expansion in the direction perpendicular to the longitudinal direction by suitably selecting the dimensions of a recess in the light guide into which the centering element engages.
  • the centner element advantageously has a hold-down device.
  • a hold-down device This is, for example, a clamp gripping the surface of the light guide, a complementary bevel resting against a sloping surface of a recess in the light guide, a projection engaging in a recess in the light guide, or has another suitable design.
  • a hold-down device according to the invention allows the light guide to be held in the direction perpendicular to its large surface without the need for additional components.
  • the light guide is advantageously centered on the outside in its width direction by means of shape-changing elements in the receiving housing.
  • An elastomer element for example, or a spring element or a similar element that yields when force is exerted, but at the same time exerts a counterforce, is provided as the element that can change shape.
  • One advantage of this solution is that separate components are provided for the centering function in the lengthwise and widthwise directions, which can thus be optimized for different requirements in each case.
  • the centering element consists of highly reflective material. This has the advantage of minimizing optical losses at the interfaces between the light guide and the centner unit, since such a centner element reflects light impinging on corresponding interfaces back into the light guide.
  • FIG.3 Active matrix control (left) and passive matrix control (right)
  • FIG.4 Schematic sectional view of a display unit
  • Fig.5 Basic principle for centering the light guide in the receiving housing
  • LCD displays play a large part in this because they are thin, light and have good optical properties. Because of their high Functional reliability under difficult environmental conditions and a long service life are the standard in the automotive sector.
  • the so-called "backlight”, which creates the backlighting of the device, is affected to a large extent as an integral part of every LC display.
  • the backlight as a sub-assembly consists of several components that have to fulfill optical and mechanical functions in equal measure. On the mechanical side, issues such as manufacturing tolerances and thermal influences are particularly important.
  • the invention relates to a backlight with which the applicable requirements for displays in the automotive sector can be met.
  • TFT-LCDs Thin film transistor - Liquid Chrystal Displays
  • in-cell touch Wide range of applications in terms of resolution, size and aspect ratio Capacitive touch technology (“in-cell touch”) that can be integrated Long service life
  • TFT-LCDs are still the standard in the automotive sector, although OLED displays are also to be used in future models].
  • the automotive environment places high demands on the functional reliability of the displays, with TFT-LCDs being superior to OLED displays, especially in terms of service life.
  • Curved technology which was originally associated with displays from the consumer sector (PC monitors, TVs, etc.), is currently also finding its way into the automotive sector. The advantages of curved displays compared to conventional flat panel displays can also be used here.
  • curved display opens up new possibilities for integrating the display into the vehicle interior.
  • a third dimension is thus available for the design. Curved shapes are judged to be more beautiful from an aesthetic point of view. The vehicle manufacturers therefore see the design aspect as particularly advantageous.
  • curved displays offer the advantage that they are easier for the driver to reach.
  • Curved LC display instruments currently consist mostly of several smaller displays arranged side by side behind a continuous curved cover glass. Due to the technical context, the implementation of a single large-format curved display using TFT-LCD technology in the vehicle is a major development challenge.
  • a TFT-LCD consists of several components that are arranged in a kind of sandwich structure to create the image.
  • Two upper assemblies can be distinguished: The so-called Bor?c//7?g assembly and the backlight.
  • the components of a display unit and the assembly processes up to the finished device are considered in the following section.
  • the display panel is the imaging element of an LCD.
  • the electro-optical properties of liquid crystals are used in the panel to generate an image from the coupled light.
  • the image generated consists of individual pixels, i.e. cells that create the picture elements.
  • Each pixel in turn consists of three sub-pixels, with which the complementary colors, such as red, green and blue, are generated.
  • the basic principle of an LCD panel is shown in Fig.1:
  • a polarizing filter for example, consists of a foil into which the finest parallel lines have been worked. Only light with a polarization corresponding to this preferred direction can penetrate this film. Other directions of polarization are blocked.
  • liquid crystals 101 are substances that have the anisotropic properties of crystals even in the liquid state.
  • the liquid crystals 101 are between two
  • Glasplattenl 10,120 on which transparent electrodes 112,122 are applied, which are rotated by 90 ° to each other and thus form rows and columns. Furthermore, the glasses are provided with an alignment layer 114, 124, which has microgrooves, for example, which bring about an alignment of the liquid crystal molecules in accordance with the preferred direction of the polarizing filters P1, P2. The elongated molecules of the liquid crystals 101 align themselves parallel to these grooves. Since the microgrooves of the upper and lower glass substrates 110, 120 are rotated by 90°, a helical structure is formed from the liquid crystal molecules.
  • the direction of polarization of the incident light 100 is also rotated by the helical structure and the light can also pass through the second polarizing filter P2.
  • the cell appears bright. If a specific threshold voltage is applied to the liquid crystal cell, the liquid crystal molecules align themselves perpendicular to the electrodes 112, 122 and do not affect the polarization of the incident light 100 more. Due to the polarization filters P1, P2 oriented perpendicularly to one another, incident light 100 is now completely blocked by the second polarization filter P2 and the cell appears dark.
  • a color filter F1 consisting of red color filter elements F1 R, green color filter elements F1 G, and blue color filter elements F1 B, ensures that only a specific color component of the coupled-in white light 100 appears on the pixel.
  • TFT Transmission Nemantic
  • M/A Multi-Domain-Vertical-Alignment
  • FIG. 2 contains an overview of the various LC technologies.
  • the technology is specified in line Z1, and a functional diagram in line Z2.
  • the contrast that can be achieved with the corresponding technology is specified in line Z3.
  • the viewing angle stability (color and contrast) is indicated as low with "+”, as medium with "++” or very good with "+++”.
  • the response time in milliseconds is specified in line Z5.
  • An electric field E is applied in the respective right-hand part of the functional diagrams of line Z2, which is indicated by an arrow.
  • the pixels can be controlled in two different ways. 3 shows an active matrix control on the left and a passive matrix control on the right.
  • the pixels 300 are driven via the previously mentioned electrode strips 112, 122, which are rotated through 90° relative to one another and are shown here as column electrodes 3112 and as row electrodes 3122.
  • the entire display results in a cross matrix with which each cell can be controlled individually via logic circuits.
  • the disadvantage is that other cells along the column and the row are also influenced by charging effects, as a result of which gray levels can be represented less clearly. Therefore, active matrix displays are mostly used today.
  • the pixels are driven via thin film transistors TFT instead of directly via the row and column electrodes.
  • the pixels are better isolated from each other and charging effects from surrounding pixels can be avoided.
  • the pixel electrodes 312 on one glass substrate interact with a flat electrode 322 on the other glass substrate.
  • the thin film transistors TFT are driven by signal electrodes 311 and control electrodes 313 .
  • the area of the panel that has controllable pixels is called the "active area" of the panel.
  • the glass substrate of the panel protrudes a few millimeters beyond the active area because, for example, the driver circuits for the thin-film transistors and the connection to the display electronics are located there.
  • the protruding area is referred to as "dead space”.
  • the display drivers are on the panel itself and are connected to the rest of the display electronics with a flexible printed circuit board (FPC).
  • the panel is connected to a cover glass with which a touch function can also be implemented.
  • the cover glass is also referred to as a touch panel. The connection process is explained below.
  • the LCD panel In the so-called bonding process, the LCD panel is connected to a cover glass. In order to avoid reflections of ambient light, which occur in the air gap between cover glass and panel at the boundary layers present there, so-called “optical bonding” takes place.
  • the so-called bonding compound is applied between the cover glass and the LC panel.
  • the refractive index of the bonding compound is similar to the refractive index of the coverslip, so that reflection effects at the transitions are minimized. Dark areas on the panel also remain dark for the viewer and are not brightened by reflections from surrounding light sources. In this way, the desired contrast ratio is largely retained.
  • backlight Since liquid crystals themselves do not emit any light, all LCD displays require separate backlighting. This is called the "backlight”. 4 shows a schematic section through a display unit. This explains the structure of the backlight.
  • the structure of the backlight of an LCD in a vehicle usually always has a similar structure.
  • the light is generated by a series of light sources 401 and distributed over the surface of the display panel 404 by a light guide 402 and a reflector 403 . Before it passes through the display panel 404, the light properties are adjusted by a plurality of optical foils which are arranged one on top of the other in a foil stack 405. All of these components are housed in a storage case 400 .
  • the totality of the components 400, 401, 402, 403, 405 represents the backlight.
  • the backlight is an integral part of each LCD, there are also several interfaces to other components, such as the bonding assembly 410 with panel 404, bonding compound 406 and Cover glass 407 or the electronic circuit boards 411 (engl. Printable circuit boards or PCBs for short) for display control.
  • the essential backlight components are presented in more detail below.
  • the receiving housing 400 is the central component of the backlight. It usually consists of a stable material that contains metal and therefore has a different, usually lower, thermal expansion than plastic. It contains magnesium or aluminum, among other things, and is produced in the die-casting process for large displays, but it can also be an aluminum stamped and bent part, for example, or a metal-hybrid component. It acts as a housing for the optical components of the backlight and provides stability giving element. It also serves as an attachment point for the electronic circuit boards 411 . In some cases, the connection to the instrument panel also takes place via the mounting housing 400. In the case of free-standing displays, design covers 413 can also be attached directly to the mounting housing 400. The receiving housing 400 must therefore fulfill many different sub-functions.
  • the light source 401 consists of a row of LEDs which are soldered onto a circuit board which is partially flexible. If the light source 401 is oriented in the direction of the panel 404, the backlight is referred to as a “direct backlight”. In this case, a light guide is often not required, only a diffuser disc. In other cases, lenses are placed over the LEDs, which distribute the light homogeneously before it is scattered through the diffusion foil. However, this structure leads to an increased housing depth and is not shown here. It is therefore customary in the automotive sector to arrange the light source 401 on one or more side surfaces of the receiving housing 400 and to distribute the emitted light by means of a light guide 402 . In this case, the backlight is called "Edge Light".
  • the reflector 403 usually consists of a coated PET film, which is arranged between the light guide 402 and the receiving housing 400.
  • the task of the reflector 403 is to “recycle” scattered light and feed it back into the optical system, for example directing it in the direction of the panel 404. This increases the optical efficiency.
  • the light guide 402 distributes the light from the LED strip evenly over the active surface of the panel 404. It is made from transparent PMMA or PC using an injection molding process and has a special microstructure. A prism structure, not shown here, is located on the side of the LEDs, with which the light is coupled into the light guide 402 . The light guide 402 also has the reflector side a microstructuring, not shown here. This consists of so-called "micro-lenses" that straighten the light and direct it towards the panel 404.
  • Foil stack 405
  • the film stack 405 consists of a series of optical films that affect the light properties before the light hits the display panel 404. After the light has passed through the light guide 402, it first hits a diffusion sheet. This scatters the light and homogenizes it in order to prevent the microstructure of the light guide 402 from being visible. This is followed by a prism film that directs the light towards the center of the display. Such a prism film is also referred to as a "Brightness Enhancement Film” or BEF for short. As a rule, a reflective polarizing filter film (“dual brightness enhancement film” or DBEF for short) is then used, which is only permeable to light of the polarization direction required for the panel 404. Light polarized in a different way is reflected and hits the reflector 403 again until the direction of polarization is correct. The use of a DBEF is not absolutely necessary, but otherwise has to be compensated with additional LEDs.
  • louver foil can also be used, which blocks light from certain angles. For example, reflections in the windshield can be avoided.
  • louver film is "Advanced Light Control Film” or ALCF.
  • ALCF Advanced Light Control Film
  • additional light sources must also be provided due to a 25 percent loss of luminance.
  • the retainer 408 serves to prevent the foils of the foil stack 405 and the light guide 402 from falling out. It is often a stamped sheet metal part, which is usually connected to the receiving housing 400 via a double-sided adhesive tape 409.
  • the retainer 408 can also be a stamped or injection-molded plastic part, for example.
  • On the panel side the cover glass 407 with the bonded panel 404 is attached to the retainer 408 with the aid of an adhesive, for example a liquid adhesive 412 .
  • This structure and the use of these flexible materials allow flatness tolerances of Balance cover glass 407 and backlight. This prevents stresses from being caused in the display panel 404, which lead to image inhomogeneities.
  • the components of the backlight are mounted.
  • the backlight assembly 420 and the previously manufactured bonding assembly 410 are then connected to form what is known as the display closing assembly. This is usually done with a liquid adhesive 412 that is applied to the retainer 408 before the bonding assembly 410 is placed. Up to this point, care must be taken to ensure that no dirt particles are trapped in the device, as these can lead to optical defects. Humidity and ambient temperature must also be taken into account. For this reason, these process steps take place under clean room conditions.
  • the PCBs 411 are attached to the receiving housing 400 and further cover elements, for example the design cover 413, or components for connection to the instrument panel in the vehicle are attached.
  • cover elements for example the design cover 413, or components for connection to the instrument panel in the vehicle are attached.
  • One of these components is, for example, a flexible printed circuit board 414 that leads to the display panel 404 .
  • the display unit is thus ready for delivery.
  • One task is to develop a backlight concept on the basis of previous flat panel technology, which in large curved display units, also called curved displays, can be used with different dimensions.
  • the centering of the light guide 402 in the accommodating housing 400 requires increased attention.
  • the accommodating housing 400 virtually produces a mechanical connection between the LED strip and the light guide 402 that is subject to tolerances. In the case of particularly large light guides 402, a large thermal expansion occurs. Sufficient space must be provided around the light guide 402 to accommodate the expansion.
  • the temperature application range is said to be from -40°C to 85°C, there is a contraction of the same magnitude at the cryogenic temperature. Despite this large thermal expansion and the vibrations that occur during operation, the precise positioning of the light guide 402 must be ensured.
  • the interface between the reflector 403 and the light guide 402 is also critical.
  • the background is that the use of a reflector 403 made of film material can only be used to a limited extent on curved displays. Simply folding the film up to cover the side surfaces of the light guide 402 would result in compression at the curved upper side and thus in the film curling up. In addition, there would be a risk on the side surfaces that the film would lay flat again when installed. Because of the aforementioned thermal expansion of the light guide 402, a large amount of space must be provided laterally in the receiving housing 400. A folded reflector film is "free" in this area, so that the fold can deviate from a 90° angle. In this case, the reflectivity and thus the optical performance of the device would be reduced.
  • Another crucial interface is between the light guide 402 and the optical films 405 and between the optical films 405 and the Retainer 408. This involves holding down the light guide 402 and the optical foils 405. Detachment of the foils 405 from the light guide 402 can lead to optical imperfections and undesirable rattling noises. However, the hold-down must also be designed in such a way that thermal expansion does not cause any swelling, which in turn would cause optical disturbances. In the case of large planar or curved light guides 402, there is also the possibility that the light guide 402 can exert forces on the retainer 408 due to manufacturing tolerances and distortion in the direction of the curve. These forces must be absorbed and must not lead to a positional deviation between the light guide 402 and the LED strip in the edge areas. Aspects of the invention are based on the optimization of said interfaces.
  • FIG. 5 illustrates the underlying operating principle for centering the light guide 402 in the receiving housing 400.
  • the light guide 402 is shown in normal expansion and the light guide 402' with thermal expansion.
  • Centner forces FY , Fz are indicated by dashed arrows, a fixed stop by arrow 501 .
  • a double arrow 502 indicates the fixation of the main z axis of the light guide 402 in the receiving housing 400 .
  • the light source 401 is arranged on the longer of the two narrow sides of the light guide 402 .
  • the critical dimension MK in the z-direction between the light source 401 and the light guide 402, 402' should be maintained as precisely as possible under all operating conditions.
  • a fixed stop 501 is provided on the underside of the light guide 402, 402'.
  • the light guide 402, 402' is permanently pressed against this stop 501 by a force Fz in the negative z-direction.
  • Fz force in the negative z-direction.
  • the point of application of the force can be shifted in the z-direction.
  • a thermal expansion also takes place in the y-direction, which is even greater than in the z-direction.
  • it can be fixed in its main axis.
  • the centner force Fz is applied in the z-direction by rubber elements 610 as elements 61 that change shape.
  • the centering in the y-direction is taken over by a plastic element 620 installed in the middle on the upper side of the light guide 402 and hot-calked as a centering element.
  • the plastic element 620 can also be attached in some other way. At this point there is also the possibility of implementing a hold-down function for the light guide 402 .
  • Light source 410 is shown below, outside of the area shown.
  • the light guide 402 is arranged in the receiving housing 400 .
  • FIG. 7 shows detailed views of the variant shown in FIG. Top left is a top view of the rubber element 610, as an example of a shape-changing element 61. Below that is a sectional view in a plane parallel to the dashed line shown in FIG. 6, which runs through the rubber element 610. It can be seen that the rubber element 610 is compressed by the light guide 402 in the area in which it is in contact with it. The force exerted by the rubber element 610 on the light guide 402 serves to center it in the z-direction. Shown at the top right is a plan view of the centering element 62 designed as a plastic element 620. Below this is a sectional view in a plane corresponding to the dashed line in FIG.
  • the centering in the y-direction takes place via the centrally attached plastic element 620, which is arranged in a recess 4021 of the light guide 402, which is thus fixed in the y-direction. This can be seen at the top right.
  • the hold-down function cannot be seen in this sectional view.
  • the plastic element 620 has a hollow box 621 which is open in a first direction and whose walls 622, 6232 and floor 625 enclose a cavity 624 which is open on one side.
  • the bottom 625 closes in opposition to the first Direction a web 626, which is arranged in a recess 4001 of the receiving housing 400, and is heat staked thereto.
  • the web 626 can also be riveted, screwed or otherwise attached.
  • a caulking head 627 which overhangs the recess 4001 can be seen.
  • the ridge 626 may be configured as a round post or as an elongated cross-section wall of any other suitable shape.
  • FIG. 16 shows a further detailed view of FIG.
  • the plastic element 620 is shown here in a sectional view rotated by 90° with respect to FIG.
  • the light guide 402 which has a recess 4021 with an oblique undercut 4022, can be seen in the upper area.
  • a correspondingly sloping side wall 623 of the plastic element 620 bears against the slope of the undercut 4022 . This provides for the hold down of the light guide 402 by the plastic member 620 which is heat staked, riveted, screwed or otherwise secured to the receptacle housing 400 at its two depending legs 6261 .
  • the advantages of the solution shown here include the decoupling of the functions, which enables a simplified component structure. Furthermore, expansion compensation is made possible by the central centering. This also enables foil centering and hold-down. A further advantage is that the opening in the receiving housing 400 required for the attachment of the plastic element 620 is closed directly during manufacture by means of the heat caulking. Other suitable types of attachment can also offer this advantage.
  • FIG. 8-12 show alternative variants for centering the light guide 402 in the receiving housing 400.
  • FIG. 8 shows centering via a plastic clip 630 which is connected to the receiving housing 400, for example hot-swaged, riveted or screwed.
  • the plastic clip 630 protrudes in an end area 631 over the light guide 402 and exerts a hold-down force on it.
  • a plurality of such plastic clips 630 are arranged in a distributed manner. The centner function takes place for example as indicated above. Due to the centering, expansion compensation is also possible here. Centering and holding down is also made possible here.
  • the required opening 4001 in the receiving housing 400 is closed directly during production.
  • FIG. 9 also shows centering in the middle.
  • round rubber buffers 611 are used, which are screwed and pinched to the receiving housing 400 .
  • several rubber buffers 611 can be provided, which apply the necessary centering force. Due to the centering, expansion compensation is also possible here.
  • the light guide 402 can also be held down here by protruding into a partial recess 4023 of the light guide 402 .
  • Rubber buffers 611 are also provided here. In contrast to the previous variant, they are only in lateral contact with the light guide 402 and do not exert any hold-down force on it. This allows them to be designed to center the foils. Due to the centering, expansion compensation is also possible here.
  • a metal spring 640 is provided here, which in the illustrated variant rests with a base part 641 in a recess 4002 of the receiving housing 400, and with resilient end parts 642 in a recess of the light guide 4025.
  • several springs 640 are provided, to apply the required centner force. Due to the centering, expansion compensation is also possible here.
  • the design as a metal spring 640 enables potentially high centner forces using a single metal spring 640 or alternatively using a few metal springs 640.
  • FIG. 12 shows a further variant of centering in the middle.
  • the central centering is achieved via metal clamps 650, which rust in the receiving housing 400.
  • a plurality of metal clamps 650 are provided which together provide the necessary centering force raise. Due to the centering, expansion compensation is also possible here.
  • a suitable design of the shape of the metal clamps 650 makes it possible both to center the foil and to hold down the light guide 402, and also to realize only one of these two additional functions. A number of functions are thus implemented in one component, which advantageously reduces the number of components.
  • FIG. 13 shows in simplified form the operating principle for holding down the optical foils in the foil stack 405 and the light guide 402.
  • the light guide 402 can be seen in the receiving housing 400.
  • the foil stack 405 is shown separately for the sake of clarity, i.e. at a distance from the light guide 402.
  • a deformation due to thermal expansion or due to buckling is indicated in the indicated wavy foil stack 405'.
  • the direction of a hold down force FN and a frictional force FR are shown by dashed arrows.
  • the foils In order to avoid optical disturbances caused by detachment of the foils in the foil stack 405, the foils must be held down on the light guide 402.
  • the hold-down can take place via a material connection between the foils and the light guide 402 or the receiving housing 400 .
  • the hold-down can be taken over by an additional component, which exerts a permanent hold-down force.
  • this hold-down force should be sufficient to prevent the components from rattling.
  • thermal expansion of the foils should be ensured at the same time in order to prevent the foils from buckling, as shown in the wavy foil stack 405′.
  • the light guide 402 can have a distortion in the x-direction with regard to the radius of curvature. Due to the faster cooling of the melt in the corner areas, the solidified areas can no longer relieve the stresses through flow and are deformed. The amount of distortion depends on a large number of parameters during the injection molding process of the light guide 402. Depending on the size of the warp, it can consequently, the light guide 402 will exert a force on the holddown which must be absorbed.
  • FIG. 14 shows a preferred variant for fixing optical films in the film stack 405 and light guide 402.
  • the films are held down here by gluing 140 to the light guide 402.
  • the light guide 402 is held down by means of fixing elements 141 arranged on the left and right. These are preferred heat staked in receptacle housing 400.
  • the advantages of this variant include: There is no stress on the retainer 408 if the fiber optic cable is warped. A precise positioning of the light guide 402 in the edge area is made possible. A retainer 408 is only required at the top and bottom. Openings 4003 in the receiving housing 400 are closed directly during the heat caulking.
  • Fig. 15 shows another preferred variant for fixing optical films in the film stack 405 and light guide 402.
  • the films are held down here by gluing 140 to the light guide 402.
  • the light guide 402 is held down by clamping using an element 150 provided for centering
  • a flat design is enabled.
  • a preferred variant is the one described with reference to FIG.
  • the application of the centering force in the z-direction via elastomer elements means that a high level of functional reliability can be expected.
  • this variant offers the advantage that the thermal expansion does not have to be absorbed by an external centering element.
  • the light guide 402 can propagate unhindered in the y-direction through the centrally arranged centering element.
  • FIG. 12 Another preferred variant is that described for FIG. 12, in which several clipped metal clips 650 apply the centering force.
  • the variant described for FIG. 14 is preferred for the light guide 402. In doing so, he will Light guide 402 pressed by heat-staked additional elements 141 on the sides against the receiving housing 400. This is advantageous since distortion is to be expected when the light guide 402 is injection molded.
  • the curvature of the light guide 402 can be adapted to the curvature of the receiving housing 400 by the additional hold-down devices.
  • the curvature of the light guide 402 can then be designed in such a way that, despite any distortion, it always has a smaller radius of curvature than the receiving housing 400.
  • the heat-calked additional components allow the light guide 402 to be positioned at the outer edges with greater accuracy in relation to the LEDs.
  • the optical foils are preferably glued onto the light guide 402 . In this way, the foils can be fixed with a high degree of positional accuracy, while sufficient installation space can be provided all around to absorb their thermal expansion.
  • centering the light guide 402 in the receiving housing 400 centering in the z-direction via elastomer elements 61, 610, 611 arranged on the outside and in the y-direction via a centrally arranged and hot-calked plastic element 620 with hold-down function.
  • For fixing optical foils and light guides 402 holding down the foils by gluing 140 to the light guide 402 and holding down the light guide 402 by hot-calked fixing elements 141 in the edge areas.
  • FIG. 17 shows an embodiment of the invention, with details A and B being shown in more detail in enlarged sections.
  • the display element having a light source, a light guide 402 and a receiving housing 400 are shown, in which the light guide 402 and the reflector 403 are arranged.
  • the light guide 402 is centered in its longitudinal direction in the receiving housing 400 by means of a centering element 62 .
  • the centering element 62 interacts with a recess 4021 in the light guide 402 and with recesses 4031 in the reflector 403.
  • the centering element 62 has a hold-down device (bevel, visible in detail A).
  • the light guide 402 is centered in its width direction on the outside by means of shape-changing elements, the elastomer elements 610 in the receiving housing 400 .
  • the centering element 62 consists of highly reflective material.
  • ABS Acrylonitrile Butadiene Styrene abs. absolutely
  • F1 , F1R, F1G, F1 B color filters, red, yellow, green

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anzeige mit einem flächigen Anzeigeelement (404), das planar oder gekrümmt ist, und einer Beleuchtungseinheit (420) für das Anzeigeelement (404). Die Anzeige weist auf eine Lichtquelle (401), einen Lichtleiter (402) und ein Aufnahmegehäuse (400), in dem der Lichtleiter (402) angeordnet ist. Dabei ist der Lichtleiter (402) in seiner Längsrichtung mittig mittels eines Zentrierelements (62, 620, 630, 640) im Aufnahmegehäuse (400) zentriert.

Description

Beschreibung
Beleuchtungseinheit mit einer Zentriereinrichtung für einen Lichtleiter
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Beleuchtungseinheit mit einer Zentriereinrichtung für einen Lichtleiter, die insbesondere geeignet ist für die Hinterleuchtung einer Flüssigkristallanzeige, auch LCD (Liquid Crystal Display) genannt. Eine solche Beleuchtungseinheit wird oft auch mit dem englischen Begriff Backlight oder Backlight Unit bezeichnet.
Lichtleiter im Backlight von LC-Displaygeräten müssen aufgrund der optischen Performance genau zur Lichtquelle im Aufnahmegehäuse positioniert werden. Üblicherweise erfolgt die Positionierung durch Aufbringen einer Zentrierkraft in Längen- und in Breitenrichtung. Die Zentrierkraft wird dabei i.d.R. durch die Verformung eines elastischen Bauteils in den Randbereichen des Lichtleiters erzeugt.
Aus der CN 101539682 A und der TW 2016 34 987 A ist eine Beleuchtungseinheit bekannt, bei der ein Lichtleiter mittels Abstützung an federnden Elementen zentriert wird.
Um die thermische Ausdehnung des Lichtleiters und Toleranzen aufzufangen, muss im Aufnahmegehäuse zusätzlicher Bauraum vorgesehen werden. Bei großformatigen Displays besteht das Risiko, dass es durch mangelnde Kompression der Zentrierelemente bei Tiefsttemperaturen zu Positions- und Lageverschiebungen des Lichtleiters relativ zur Lichtquelle kommen kann. Bei Höchsttemperaturen kann es zudem aufgrund der thermischen Ausdehnung zu ungewünschten Verformungen der Bauteile kommen. Daraus resultierende optische Beeinflussungen stellen ein erhebliches Qualitätsrisiko dar.
Es ist erwünscht, die bekannten Beleuchtungseinheiten zu verbessern. Eine Anzeige gemäß der Erfindung mit einem flächigen Anzeigeelement, welches planar oder gekrümmt ist, und einer Beleuchtungseinheit für das Anzeigeelement weist eine Lichtquelle auf, einen Lichtleiter und ein Aufnahmegehäuse, in dem der Lichtleiter angeordnet ist. Dabei ist der Lichtleiter in seiner Längsrichtung mittig mittels eines Zentnerelements im Aufnahmegehäuse zentriert. Das Anzeigeelement hat eine um beispielsweise mehr als 50% größere Ausdehnung in Längsrichtung als in dazu senkrechter Breitenrichtung. Insbesondere kann die Ausdehnung in Längsrichtung um mehr als den Faktor zwei größer sein als in Breitenrichtung. Die vorgeschlagene Zentrierung des Lichtleiters ermöglicht eine Ausdehnungskompensation in Längsrichtung mit nahezu keine Positionsänderung von Lichtleiter relativ zu Anzeigeelement im zentralen Bereich und nur geringer Positionsänderung im, in Längsrichtung gesehen, äußeren Bereich. Die vorgeschlagene Zentrierung ermöglicht es zudem durch geeignete Wahl der Abmessungen einer Ausnehmung im Lichtleiter, in die das Zentnerelement eingreift, auch eine Ausdehnungskompensation in senkrechte Richtung zur Längsrichtung.
Vorteilhafterweise weist das Zentnerelement einen Niederhalter auf. Dieser ist beispielsweise eine über die Fläche des Lichtleiters greifende Klammer, eine an eine schräge Fläche einer Ausnehmung des Lichtleiters anliegende komplementäre Abschrägung, ein in eine Vertiefung des Lichtleiters eingreifende Vorsprung, oder weist eine andere geeignete Ausbildung auf. Ein erfindungsgemäßer Niederhalter ermöglicht das Halten des Lichtleiters in Richtung senkrecht zu dessen großer Fläche, ohne dass zusätzliche Bauteile erforderlich wären.
Vorteilhafterweise ist der Lichtleiter in seiner Breitenrichtung außen mittels formveränderlicher Elemente im Aufnahmegehäuse zentriert. Als formveränderliches Element ist beispielsweise ein Elastomerlement vorgesehen, oder ein Federelement, oder ein ähnliches Element, das bei Kraftausübung nachgiebig ist, aber gleichzeitig eine Gegenkraft ausübt. Ein Vorteil dieser Lösung ist, daß separate Bauteile für die Zentrierfunktion in Längenrichtung und Breitenrichtung vorgesehen sind, die somit auf jeweils unterschiedliche Anforderungen optimierbar sind. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß das Zentnerelement aus hochreflektivem Material besteht. Dies hat den Vorteil einer Minimierung von optischen Verlusten an Grenzflächen zwischen Lichtleiter und Zentnereinheit, da ein derartiges Zentnerelement an entsprechenden Grenzflächen auftreffendes Licht in den Lichtleiter zurück reflektiert.
Weitere Details der Erfindung lassen sich der nachfolgenden Beschreibung entnehmen. Dabei zeigen:
Fig.1 Schematischer Aufbau eines LCD Panels
Fig.2 Vergleich der Panel-Technologien
Fig.3 Aktive-Matrix Ansteuerung (links) und Passive-Matrix Ansteuerung (rechts) Fig.4 Schematische Schnittansicht einer Displayeinheit
Fig.5: Grundprinzip zur Zentrierung des Lichtleiters im Aufnahmegehäuse
Fig.6 Zentrierung des Lichtleiters im Aufnahmegehäuse
Fig.7 Detailansichten zu Fig.6
Fig.8-12 Alternative Varianten zur Zentrierung des Lichtleiters im Aufnahmegehäuse
Fig.13 Grundprinzip zur Fixierung von optischen Folien und Lichtleiter
Fig.14, 15 Varianten zur Fixierung von optischen Folien und Lichtleiter Fig.16 Detailansicht zu Fig.7
Fig.17 Ausführungsform der Erfindung
Beschrieben werden Backlight-Lösungen für großformatige Curved Displays in Automotive Anwendungen.
In vielen Bereichen spielen Displays für die Mensch-Maschine-Interaktion bereits eine entscheidende Rolle. Dies gilt insbesondere für das Automobil, wobei sich dieser Trend mit zunehmendem Fortschritt im Bereich „Autonomes Fahren“ noch verstärken wird. LCD-Anzeigen besitzen hieran einen großen Anteil, denn sie sind dünn, leicht, und besitzen gute optische Eigenschaften. Aufgrund ihrer hohen Funktionssicherheit bei schwierigen Umweltbedingungen und langen Lebensdauer sind sie der Standard im Automotive Bereich.
Ähnlich wie bei Konsumgütern, z.B. bei TV-Geräten oder Smartphones, ist auch im Automobilbereich ein Trend zu immer größeren Displaygeräten festzustellen. In den meisten Fällen handelt es sich aktuell noch um Flatpanel-Displays. Gekrümmte Displays bieten den Fahrzeugdesignern jedoch bessere Möglichkeiten zur Integration in den Fahrzeuginnenraum. Daher wird bei aktuellen Entwicklungsprojekten auch vermehrt diese Technologie umgesetzt. Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kombination dieser beiden Entwicklungstrends.
Für die Entwicklung großformatiger Anzeigen, beispielsweise großformatiger flacher Anzeigen oder großformatiger gekrümmter Anzeigen, den sogenannten Curved Displays, ergeben sich spezielle Herausforderungen an die Komponenten. Das sogenannte „Backlight“, welches die Hinterleuchtung des Gerätes erzeugt, ist als integraler Bestandteil jedes LC-Displays in hohem Maße davon betroffen. Das Backlight als Unterbaugruppe besteht aus mehreren Komponenten, die optische und mechanische Funktionen gleichermaßen erfüllen müssen. Von mechanischer Seite stehen Themen wie Fertigungstoleranzen und thermische Einflüsse besonders im Vordergrund.
Die Erfindung betrifft ein Backlight, mit dem die geltenden Anforderungen an Displays im Automotive Bereich erfüllt werden können.
Durch die fortschreitende Digitalisierung können die Insassen immer mehr Informationen zum Zustand eines Fahrzeugs erhalten. Damit die Mensch-Maschine-Kommunikation übersichtlich bleibt, sind Instrumente erforderlich, deren Anzeigefunktion variabel ist. Daher werden z.B. analoge Kombi-Instrumente vermehrt durch Displays ersetzt. Beispielsweise lassen sich Navigationsansichten direkt im Sichtfeld des Fahrers darstellen, der seine Aufmerksamkeit so auf die Verkehrssituation fokussieren kann. In modernen Fahrzeugen werden außerdem häufig kombinierte Anzeige- und Bedienelemente verbaut, die nicht nur Informationen über den Fahrzeugzustand liefern, sondern auch aktiv Input von den Insassen entgegennehmen können. Dazu besitzen sie vielfach eine Touch-Funktion. Um die Aufmerksamkeit des Fahrers nicht vom Verkehrsgeschehen abzulenken, können moderne Touch-Displays auch mit einer haptischen Feedback-Funktion ausgestattet werden. Der Fahrer kann somit einen virtuellen Tastendruck spüren. Mit zunehmender Entwicklung im Bereich des Autonomen Fahrens steigen außerdem die Anforderungen an die Infotainment-Funktionen, da die Aufmerksamkeit der Insassen nur noch in verringertem Umfang für die Fahrt erforderlich ist .
TFT-LCDs („Thin film transistor - Liquid Chrystal Displays“) besitzen eine Reihe von Vorteilen, die sie für den Einsatz im Fahrzeug prädestinieren: Hohe Farbsättigung und Helligkeit
Gute Ablesbarkeit über großen Blickwinkelbereich
Großer Anwendungsbereich hinsichtlich Auflösung, Größe und Seitenverhältnis Integrierbare kapazitive Touch Technologie („in-cell touch“) Lange Lebensdauer
Geringe Temperaturanfälligkeit
Große Lieferantenbasis hinsichtlich der LCD-Panels
Aufgrund der genannten Punkte stellen TFT-LCDs immer noch den Standard im Automotive Bereich dar, obwohl bei neuen Modellen zukünftig auch OLED-Displays eingesetzt werden sollen]. Allerdings stellt das Automotive Umfeld hohe Anforderungen an die Funktionssicherheit der Displays, wobei TFT-LCDs vor allem im Bereich der Lebensdauer den OLED-Anzeigen überlegen sind. Die Curved Technologie, die ursprünglich im Zusammenhang mit Displays aus dem Consumer Bereich stand (PC-Monitore, TVs, etc.) hält aktuell auch im Automotive Bereich Einzug. Die Vorteile von Curved Displays gegenüber herkömmlichen Flatpanel Displays können hier gleichermaßen Anwendung finden.
Geringere Belastung der Augen:
Bei gekrümmten Displays wird das Licht in Richtung des Betrachters gesendet. Versuchspersonen empfanden nach langem Betrachten von gekrümmten Displays weniger ihrer visuellen Wahrnehmung, z.B. deutlich weniger Verschwommenheit, was sich positiv auf das Benutzererlebnis auswirkt. Zudem werden die Augen weniger belastet, bei dem Versuch sämtliche Informationen im Sichtfeld zu erfassen.
Vereinfachte Informationsaufnahme:
Auf gekrümmten Displayflächen lassen sich Inhalte schneller finden als auf Flatpanel Displays. Zudem können Textinformationen schneller gelesen werden. Im Fahrzeug kann dies ebenfalls zu einer Erhöhung der Verkehrssicherheit führen, da der Fahrer schneller die benötigte Information finden und seinen Blick wieder auf die Straße richten kann.
Design und Ergonomie:
Die Verwendung eines gekrümmten Displays eröffnet neue Möglichkeiten für die Integration des Displays in den Fahrzeuginnenraum. Es steht somit eine dritte Dimension für das Design zur Verfügung. Gekrümmte Formen werden unter ästhetischen Gesichtspunkten als schöner bewertet. Die Fahrzeughersteller sehen daher vor allem den Design-Aspekt als vorteilhaft an. Neben dem ästhetischen Gesichtspunkt bieten gekrümmte Displays den Vorteil, dass sie besser vom Fahrer erreichbar sind.
Der Großteil bisheriger Displays im Automotive Bereich basiert jedoch noch auf Flatpanel-Technologie. Curved-LC-Anzeigeinstrumente bestehen derzeit meist aus mehreren kleineren, nebeneinander angeordneten Displays hinter einem durchgängigen gekrümmten Deckglas. Aufgrund der technischen Zusammenhänge ist die Umsetzung eines einzelnen großformatigen Curved-Displays mittels TFT-LCD-Technik im Fahrzeug eine große Herausforderung für die Entwicklung.
Im nächsten Abschnitt sollen die technischen Grundlagen zu TFT-LCDs behandelt werden. Diese werden anhand von Displays erläutert.
Ein TFT-LCD besteht aus mehreren Komponenten, die in einer Art Sandwich-Struktur angeordnet sind, um das Bild zu erzeugen. Es lassen sich zwei Oberbaugruppen unterscheiden: Die sogenannte Bor?c//7?g-Baugruppe und das Backlight. Es werden im folgenden Abschnitt die Komponenten einer Displayeinheit und die Montageprozesse bis zum fertigen Gerät betrachtet.
Das bilderzeugende Element eines LCDs ist das Display Panel. Im Panel werden die elektro-optischen Eigenschaften von Flüssigkristallen genutzt, um aus eingekoppeltem Licht ein Bild zu erzeugen. Das erzeugte Bild besteht aus einzelnen Pixeln, das heißt aus Zellen, die die Bildpunkte erzeugen. Jeder Pixel besteht wiederum aus drei Sub-Pixeln, mit denen die Komplementärfarben, beispielsweise Rot, Grün und Blau, erzeugt werden. Das Grundprinzip eines LCD Panels ist in Fig.1 dargestellt:
Fig.1 zeigt einen schematischen Aufbau eines LCD Panels. Das eingekoppelte Licht 100 tritt zunächst durch einen Polfilter P1 . Ein Polfilter besteht beispielsweise aus einer Folie, in die feinste parallele Linien eingearbeitet sind. Lediglich das Licht mit einer Polarisation entsprechend dieser Vorzugsrichtung kann diese Folie durchdringen. Andere Polarisationsrichtungen werden geblockt.
Darauf folgt eine Schicht aus Flüssigkristallen 101. Es handelt sich dabei um Substanzen, die auch im flüssigen Zustand anisotrope Eigenschaften von Kristallen aufweisen. Die Flüssigkristalle 101 befinden sich zwischen zwei
Glasplattenl 10,120, auf die transparente Elektroden 112,122 aufgebracht sind, die um 90° verdreht zueinander angeordnet sind und somit Reihen und Spalten bilden. Des weiteren sind die Gläser mit einer Ausrichtungsschicht 114,124 versehen, die beispielsweise Mikrorillen aufweist, die eine Ausrichtung der Flüssigkristallmoleküle entsprechend der Vorzugsrichtung der Polfilter P1 ,P2 bewirken. Die länglichen Moleküle der Flüssigkristalle 101 richten sich parallel nach diesen Rillen aus. Da die Mikrorillen des oberen und unteren Glassubstrates 110,120 um 90° verdreht angeordnet sind, entsteht eine Helixstruktur aus den Flüssigkristallmolekülen.
Durch die Helixstruktur wird auch die Polarisationsrichtung des einfallenden Lichtes 100 gedreht und das Licht kann auch den zweiten Polfilter P2 passieren. Die Zelle erscheint hell. Wird an die Flüssigkristallzelle eine bestimmte Schwellspannung angelegt, richten sich die Flüssigkristallmoleküle senkrecht zu den Elektroden 112,122 aus und beeinflussen die Polarisation des einfallenden Lichtes 100 nicht mehr. Aufgrund der senkrecht zueinander orientierten Polfilter P1 ,P2 wird einfallendes Licht 100 nun vollständig vom zweiten Polfilter P2 geblockt und die Zelle erscheint dunkel. Ein Farbfilter F1 , bestehend aus roten Farbfilterelementen F1 R, grünen Farbfilterelementen F1 G, und blauen Farbfilterelementen F1 B, sorgt dafür, dass lediglich ein bestimmter Farbanteil des eingekoppelten weißen Lichtes 100 auf dem Pixel erscheint.
Dieses Grundprinzip der Polarisationsänderung des eingekoppelten Lichtes 100 ist allen LCD-Anzeigen gemeinsam. Es gibt verschiedene Varianten für die TFT-Struktur. Die „Twisted Nemantic“ (TN) Technologie ist nicht mehr Stand der Technik und wird nur noch im „low-cost“-Bereich eingesetzt. Sie funktioniert wie obenstehend beschrieben mit zwei gegenüberliegenden Elektroden 112,122, die die Moleküle unter Spannung senkrecht orientieren. Daneben existiert auch die „Multi-Domain-Vertical-Alignment“(M\/A) Technologie, bei der die Kristalle unter Spannung in vertikal angeordnete Ebenen anordnen und so eintretendes Licht blockieren. Heutzutage nutzen die meisten LCDs im Automotive Bereich jedoch die „In-Plane-Switching“ (IPS) Technologie, bei der die Elektroden 121 ,122 auf einer Seite der Flüssigkristallschicht 101 , hier auf dem Glassubstrat 120, angeordnet sind. Die Flüssigkristalle 101 drehen sich dabei in einer Ebene parallel zum Glas 120. Die Fig.2 enthält eine Übersicht über die verschiedenen LC-Technologien. Dabei ist in Zeile Z1 die Technologie angegeben, in Zeile Z2 ein Funktionsschema. In Zeile Z3 ist der Kontrast angegeben, der mit der entsprechenden Technologie erreichbar ist. In Zeile Z4 ist die Blickwinkelstabilität (Farbe und Kontrast) als gering mit "+", als mittel mit "++" oder sehr gut mit "+++" angegeben. In Zeile Z5 ist die Reaktionszeit in Millisekunden angegeben. Im jeweils rechten Teil der Funktionsschemata der Zeile Z2 ist ein elektrisches Feld E angelegt, was mittels eines Pfeils angedeutet ist.
Die Ansteuerung der Pixel kann auf zwei verschiedene Arten erfolgen. Fig.3 zeigt links eine Aktiv-Matrix-Ansteuerung, und rechts eine Passiv-Matrix-Ansteuerung. Bei Passiv-Matrix-Displays erfolgt die Ansteuerung der Pixel 300 über die bereits erwähnten, um 90° gegeneinander verdrehten Elektrodenstreifen 112,122, hier als Spaltenelektroden 3112 und als Reihenelektroden 3122 dargestellt. Für das gesamte Display ergibt sich eine Kreuzmatrix, mit der jede Zelle über Logikschaltungen einzeln angesteuert werden kann. Nachteilig ist jedoch, daß durch Aufladungseffekte auch andere Zellen entlang der Spalte und der Zeile beeinflußt werden, wodurch sich Graustufen weniger deutlich darstellen lassen. Heutzutage werden daher meist Aktiv-Matrix-Displays eingesetzt. Bei Aktiv-Matrix-Displays werden die Pixel über Dünnschichttransistoren TFT angesteuert anstatt direkt über die Reihen- und Spaltenelektroden. Die Pixel sind so besser voneinander isoliert und Aufladungseffekte von umliegenden Pixeln lassen sich vermeiden. Die Pixelelektroden 312 auf dem einen Glassubstrat wirken mit einer flächigen Elektrode 322 auf dem anderen Glassubstrat zusammen. Die Dünnschichttransistoren TFT werden von Signalelektroden 311 und Kontrollelektroden 313 angesteuert.
Die Fläche des Panels, die über steuerbare Pixel verfügt wird als „Active Area“ des Panels bezeichnet. Das Glassubstrat des Panels ragt einige Millimeter über die Active Area hinaus, da z.B. die Treiberschaltkreise für die Dünnschichttransistoren und die Anbindung an die Displayelektronik dort angeordnet sind. Der überstehende Bereich wird als „Dead Space“ bezeichnet. Die Displaytreiber sind auf dem Panel selbst sind mit einer flexiblen Leiterplatte (engl. flexible printed circuit board oder kurz FPC) mit dem Rest der Displayelektronik verbunden.
Für den Einsatz im Fahrzeug wird das Panel mit einem Deckglas verbunden, mit dem auch eine Touchfunktion realisiert werden kann. In diesem Fall wird das Deckglas auch als Touchpanel bezeichnet. Der Verbindungsprozess wird im folgenden erläutert.
Im sogenannten Bondingprozess wird das LCD Panel wird mit einem Deckglas verbunden. Um Reflektionen von Umgebungslicht zu vermeiden, die im Luftspalt zwischen Deckglas und Panel an den dort vorhandenen Grenzschichten entstehen, erfolgt das sogenannte „Optical Bonding“.
Beim Optical Bonding wird zwischen dem Deckglas und dem LC-Panel ein spezieller optischer Kleber, die sogenannte Bondingmasse, aufgebracht. Der Brechungsindex der Bondingmasse ist ähnlich dem Brechungsindex des Deckglases, sodass Reflektionseffekte an den Übergängen minimiert werden. Dunkle Bereiche auf dem Panel bleiben auch für den Betrachter dunkel und werden nicht durch Reflektionen von umliegenden Lichtquellen aufgehellt. So bleibt das gewünschte Kontrastverhältnis weitestgehend erhalten.
Da Flüssigkristalle selbst kein Licht emittieren, benötigen alle LCD-Anzeigen eine separate Hinterleuchtung. Diese wird als „Backlight“ bezeichnet. Die Fig. 4 zeigt einen schematischen Schnitt durch eine Displayeinheit. Anhand dessen lässt sich die Struktur des Backlights erläutern.
Die Struktur des Backlight eines LCDs im Fahrzeug besitzt in der Regel einen immer ähnlichen Aufbau. Das Licht wird von einer Reihe von Lichtquellen 401 erzeugt und von einem Lichtleiter 402 und einem Reflektor 403 über die Fläche des Display Panels 404 verteilt. Bevor es durch das Displaypanel 404 tritt werden die Lichteigenschaften von mehreren optischen Folien eingestellt, die übereinander in einem Folienstapel 405 angeordnet sind. Alle diese Komponenten werden von einem Aufnahmegehäuse 400 aufgenommen. Die Gesamtheit der Komponenten 400, 401 , 402, 403, 405 stellt das Backlight dar. Da das Backlight ein integraler Bestandteil jedes LCDs ist, existieren auch mehrere Schnittflächen zu anderen Komponenten, wie etwa der Bonding-Baugruppe 410 mit Panel 404, Bondingmasse 406 und Deckglas 407 oder den elektronischen Leiterplatten 411 (engl. printable circuit boards oder kurz PCBs) zur Displayansteuerung. Im Folgenden sollen die essentiellen Backlight-Komponenten näher vorgestellt werden.
Aufnahmegehäuse 400:
Das Aufnahmegehäuse 400 ist die zentrale Komponente des Backlights. Es besteht in der Regel aus einem stabilen Material, welches Metall enthält, und daher eine andere, üblicherweise geringere Wärmeausdehnung als Kunststoff aufweist. Es weist unter anderem Magnesium oder Aluminium auf, und wird bei großen Displays im Druckgussverfahren hergestellt, kann aber beispielsweise auch ein Aluminium-Stanz-Biege-Teil sein, oder ein Metall-Hybrid-Bauteil. Es fungiert als Gehäuse für die optischen Komponenten des Backlights und als Stabilität gebendes Element. Des Weiteren dient es als Befestigungspunkt für die elektronischen Leiterplatten 411 . Auch die Anbindung an die Instrumententafel erfolgt einigen Fällen über das Aufnahmegehäuse 400. Bei freistehenden Displays können auch Design-Abdeckungen 413 direkt auf dem Aufnahmegehäuse 400 befestigt werden. Das Aufnahmegehäuse 400 muß demnach sehr viele unterschiedliche Teilfunktionen erfüllen.
Lichtquelle 401 :
Die Lichtquelle 401 besteht aus einer Reihe von LEDs die auf eine - teilweise flexibel ausgeführte - Leiterplatte aufgelötet sind. Ist die Lichtquelle 401 in Richtung des Panels 404 orientiert, wird das Backlight als „Direct Backlight“ bezeichnet. In diesem Fall wird oftmals kein Lichtleiter benötigt, sondern nur eine Diffusorscheibe. In anderen Fällen werden über den LEDs Linsen plaziert, die das Licht homogen verteilen, bevor es durch die Diffusionsfolie gestreut wird. Dieser Aufbau führt jedoch zu einer erhöhten Gehäusetiefe und ist hier nicht gezeigt. Im Automobilbereich ist es daher üblich, die Lichtquelle 401 an ein oder mehreren Seitenflächen des Aufnahmegehäuses 400 anzuordnen und das emittierte Licht mittels eines Lichtleiters 402 zu verteilen. In diesem Fall wird das Backlight als „Edge Light“ bezeichnet.
Reflektor 403:
Der Reflektor 403 besteht i.d.R. aus einer beschichteten PET Folie, welche zwischen dem Lichtleiter 402 und dem Aufnahmegehäuse 400 angeordnet ist. Die Aufgabe des Reflektors 403 ist es, gestreutes Licht zu „recyclen“ und wieder in das optische System einzuspeisen, beispielsweise es in Richtung des Panels 404 zu leiten. Dadurch wird die optische Effizienz erhöht.
Lichtleiter 402:
Der Lichtleiter 402 verteilt das Licht der LED-Leiste gleichmäßig über der aktiven Fläche des Panels 404. Er wird im Spritzgussverfahren aus transparentem PMMA oder PC hergestellt und besitzt eine spezielle Mikrostrukturierung. Seitens der LEDs befindet sich eine Prismenstruktur, hier nicht gezeigt, mit der das Licht in den Lichtleiter 402 eingekoppelt wird. Reflektorseitig besitzt der Lichtleiter 402 ebenfalls eine Mikrostrukturierung, hier nicht gezeigt. Diese besteht aus sogenannten „Mikro-Linsen“, die das Licht aufrichten und in Richtung des Panels 404 leiten.
Folienstapel 405:
Der Folienstapel 405 besteht aus einer Reihe von optischen Folien, die die Lichteigenschaften beeinflussen, bevor das Licht auf das Display Panel 404 trifft. Nachdem das Licht den Lichtleiter 402 passiert hat, trifft es zuerst auf eine Diffusionsfolie. Diese streut das Licht und homogenisiert es, um die Sichtbarkeit der Mikrostruktur des Lichtleiters 402 zu verhindern. Darauf folgt eine Prismenfolie, die das Licht in Richtung des Displayzentrums lenkt. Eine solche Prismenfolie wird auch als „Brightness Enhancement Film“ oder kurz BEF bezeichnet. In der Regel wird danach eine reflektierende Polfilterfolie („Dual brigtness enhancement film“ oder kurz DBEF) eingesetzt, die ausschließlich für Licht der für das Panel 404 erforderlichen Polarisationsrichtung durchlässig ist. Anders polarisiertes Licht wird reflektiert und trifft wieder auf den Reflektor 403, so lange, bis die Polarisationsrichtung korrekt ist. Der Einsatz eines DBEF ist nicht zwangsläufig erforderlich, muß aber ansonsten mit zusätzlichen LEDs kompensiert werden.
Zuletzt kann auch eine sogenannte „Louver-Folie“ eingesetzt werden, die Licht aus bestimmten Winkeln blockiert. So lassen sich beispielsweise Reflektionen in der Windschutzscheibe vermeiden. Eine andere Bezeichnung für die Louver-Folie ist „Advanced Light Control Film“ oder ALCF. Allerdings müssen bei Verwendung einer ALCF auf Grund eines ca. 25-prozentigem Leuchtdichteverlustes ebenfalls weitere Lichtquellen vorgesehen werden.
Retainer 408:
Der Retainer 408 dient dazu, ein Herausfallen der Folien des Folienstapels 405 und des Lichtleiters 402 zu verhindern. Es handelt sich oftmals um ein gestanztes Blechteil, welches meist über ein doppelseitiges Klebeband 409 mit dem Aufnahmegehäuse 400 verbunden wird. Der Retainer 408 kann beispielsweise auch ein gestanztes oder gespritztes Kunststoffteil sein. Panelseitig wird mit Hilfe eines Klebers, beispielsweise eines Flüssigklebers 412 das Deckglas 407 mit dem gebondeten Panel 404 auf dem Retainer 408 befestigt. Durch diesen Aufbau und die Verwendung dieser flexiblen Materialien lassen sich Ebenheitstoleranzen von Deckglas 407 und Backlight ausgleichen. Somit wird verhindert, dass Spannungen im Display-Panel 404 hervorgerufen werden, die zu Bildinhomogenitäten führen.
Bei Displays aus dem Konsumgüterbereich (Smartphones, Tablets, etc.) ist der Trend festzustellen, den optisch inaktiven Randbereich zunehmend schmaler zu gestalten. Teilweise sollen die Displays für den Nutzer auch komplett randlos erscheinen. Dieser Trend überträgt sich auch auf den Automotive Bereich. Er wird als „Narrow Border“-Design bezeichnet und stellt zusätzliche Anforderungen an die Entwicklung. Der Bauraum für Zentnerelemente und Fixierungen für Lichtleiter 402 und optische Folien im Aufnahmegehäuse 400 wird zunehmend reduziert. Bei neuen Projekten stehen dafür oftmals weniger als 10 mm vom Rand des aktiv anzeigenden Bereichs bis zur Außenkante der Displayeinheit zur Verfügung.
Zunächst werden die Komponenten des Backlights montiert. Anschließend werden die Backlight-Baugruppe 420 und die zuvor gefertigte Bonding-Baugruppe 410 zur sogenannten Display Closing-Baugruppe verbunden. Dies erfolgt i.d.R. mit einem Flüssigkleber 412, der auf den Retainer 408 aufgebracht wird, bevor die Bonding-Baugruppe 410 aufgesetzt wird. Bis hierhin muss genau darauf geachtet werden, dass keine Schmutzpartikel im Gerät eingeschlossen werden, da diese zu optischen Störstellen führen können. Auch die Luftfeuchte und Umgebungstemperatur sind zu berücksichtigen. Aus diesem Grund finden diese Prozessschritte unter Reinraumbedingungen statt.
Bei der darauffolgenden Endmontage werden die PCBs 411 auf dem Aufnahmegehäuse 400 befestigt und weitere Abdeckungselemente, beispielsweise die Design-Abdeckung 413, oder Komponenten zur Anbindung an die Instrumententafel im Fahrzeug angebracht. Eine dieser Komponenten ist beispielsweise eine flexible gedruckte Leiterbahn 414, die zum Display-Panel 404 führt. Somit ist die Displayeinheit auslieferungsfertig.
Eine Aufgabe besteht darin, auf Basis bisheriger Flatpanel-Technologie ein Backlight Konzept zu entwickeln, welches in großen gebogenen Anzeigeeinheiten, auch Curved Displays genannt, mit verschiedenen Abmessungen verwendet werden kann.
Erhöhte Aufmerksamkeit erfordert die Zentrierung des Lichtleiters 402 im Aufnahmegehäuse 400. Das Aufnahmegehäuse 400 stellt quasi eine toleranzbehaftete mechanische Verbindung zwischen LED-Leiste und Lichtleiter 402 her. Bei besonders großen Lichtleitern 402 tritt eine große thermische Ausdehnung auf. Es muß ausreichend Raum um den Lichtleiter 402 vorgesehen werden, um die Ausdehnung aufzunehmen.
Bei einer maximalen Betriebstemperatur von 85°C ergibt sich in einem Ausführungsbeispiel bei einer Länge von etwa 740mm in Längsrichtung eine Wärmeausdehnung von etwa 3mm, also eine Längenänderung, und bei einer Breite von etwa 140mm für die Wärmeausdehnung in der Breite ein Wert von etwa 0,5mm.
Da der Temperaturanwendungsbereich von -40°C bis 85°C reichen soll, ergibt sich bei Tiefsttemperatur eine Kontraktion derselben Größe. Trotz dieser großen thermischen Ausdehnung und auftretenden Vibrationen im Betrieb muss die genaue Positionierung des Lichtleiters 402 gewährleistet sein.
Auch die Schnittstelle zwischen Reflektor 403 und Lichtleiter 402 ist kritisch.
Hintergrund ist, dass die Verwendung eines Reflektors 403 aus Folienmaterial nur bedingt auf gekrümmte Displays anwendbar ist. Ein einfaches Hochfalten der Folie zur Abdeckung der Seitenflächen des Lichtleiters 402 würde an der gekrümmten Oberseite zu einer Stauchung und somit zum Aufwellen der Folie führen. Zudem würde an den Seitenflächen das Risiko bestehen, dass sich die Folie im montierten Zustand wieder flachlegt. Aufgrund der erwähnten thermischen Ausdehnung des Lichtleiters 402 muss seitlich im Aufnahmegehäuse 400 viel Raum vorgesehen werden. Eine hochgefaltete Reflektorfolie steht in diesem Bereich „frei“, sodass die Faltung von einem 90° Winkel abweichen kann. In diesem Fall wären die Reflektionsfähigkeit und damit die optische Performance des Gerätes reduziert.
Eine weitere entscheidende Schnittstelle befindet sich zwischen dem Lichtleiter 402 und den optischen Folien 405 sowie zwischen den optischen Folien 405 und dem Retainer 408. Dabei geht es um die Niederhaltung des Lichtleiters 402 und der optischen Folien 405. Eine Ablösung der Folien 405 vom Lichtleiter 402 kann zu optischen Störstellen und zu unerwünschten Klappergeräuschen führen. Die Niederhaltung muss allerdings auch so gestaltet sein, dass durch thermische Ausdehnung kein Aufwellen entsteht, was wiederum optische Störungen hervorrufen würde. Bei großen planaren oder gekrümmten Lichtleitern 402 besteht außerdem die Möglichkeit, dass der Lichtleiter 402 aufgrund von Fertigungstoleranzen und Verzug in Krümmungsrichtung Kräfte auf den Retainer 408 ausüben kann. Diese Kräfte müssen aufgefangen werden und dürfen in den Randbereichen nicht zu einer Positionsabweichung zwischen Lichtleiter 402 und LED-Leiste führen. Aspekte der Erfindung liegen auf der Optimierung der genannten Schnittstellen.
Fig.5 verdeutlicht das zugrundeliegende Wirkprinzip zur Zentrierung des Lichtleiters 402 im Aufnahmegehäuse 400. Gezeigt ist der Lichtleiter 402 in Normalausdehnung, und der Lichtleiter 402' mit thermischer Ausdehnung.
Zentnerkräfte FY , Fz sind mittels gestrichelter Pfeile angezeigt, ein fester Anschlag mittels Pfeil 501 . Ein Doppelpfeil 502 zeigt die Fixierung der z-Hauptachse des Lichtleiters 402 im Aufnahmegehäuse 400 an. In dieser Ausführungsvariante ist die Lichtquelle 401 an der längeren der beiden Schmalseiten des Lichtleiters 402 angeordnet.
Das kritische Maß MK in z-Richtung zwischen Lichtquelle 401 und Lichtleiter 402,402' sollte über alle Betriebsbedingungen so genau wie möglich eingehalten werden. Um dies zu gewährleisten wird ein fester Anschlag 501 an der Unterseite des Lichtleiters 402,402' vorgesehen. Der Lichtleiter 402,402' wird von einer Kraft Fz in die negative z-Richtung permanent gegen diesen Anschlag 501 gedrückt. Um die thermische Ausdehnung in z-Richtung zu ermöglichen, ist der Kraftangriffspunkt in z-Richtung verschiebbar. In y-Richtung findet ebenfalls eine thermische Ausdehnung statt, die sogar noch größer ist als in z-Richtung. Um den Lichtleiter 402,402' dennoch mittig über der Lichtquelle 401 auszurichten, kann dieser zum einen in seiner Hauptachse fixiert werden. Eine Ausdehnung kann so ungehindert an den Seiten erfolgen. Zum anderen kann an der linken und rechten Seitenfläche jeweils eine symmetrische Zentrierkraft FY aufgebracht werden. In diesem Fall ist der Kraftangriffspunkt in y-Richtung verschiebbar ausgelegt. In jedem Fall übersteigen die Zentnerkräfte FY , Fz die äußeren Kräfte im Betrieb, um Klappergeräusche oder ein Verrutschen des Lichtleiters 402,402' zu verhindern.
Fig.6 zeigt eine bevorzugte Variante zur Zentrierung. Dabei wird die Zentnerkraft Fz in z-Richtung durch Gummielemente 610 als formveränderliche Elemente 61 aufgebracht. Die Zentrierung in y-Richtung wird von einem mittig an der Oberseite des Lichtleiters 402 verbauten und heißverstemmten Kunststoffelement 620 als Zentnerelement übernommen. Das Kunststoffelement 620 kann auch anderweitig befestigt sein. An dieser Stelle besteht auch die Möglichkeit eine Niederhaltungsfunktion für den Lichtleiter 402 zu implementieren. Die Lichtquelle 410 befindet sich in der Abbildung unten, außerhalb des dargestellten Bereichs. Der Lichtleiter 402 ist im Aufnahmegehäuse 400 angeordnet.
Fig.7 zeigt Detailansichten zu der in Fig.6 gezeigten Variante. Links oben eine Draufsicht auf das Gummielement 610, als Beispiel für ein formveränderliches Element 61 . Darunter eine Schnittdarstellung in einer Ebene parallel zur in Fig.6 gezeigten gestrichelten Linie, die durch das Gummielement 610 verläuft. Man erkennt, daß das Gummielement 610 in dem Bereich, in dem es an dem Lichtleiter 402 anliegt von diesem zusammengedrückt ist. Die dabei vom Gummielement 610 auf den Lichtleiter 402 ausgeübte Kraft dient zu dessen Zentrierung in z-Richtung. Rechts oben gezeigt ist eine Draufsicht auf das als Kunststoffelement 620 ausgebildete Zentnerelement 62. Darunter eine Schnittdarstellung in einer Ebene entsprechend der gestrichelten Linie in Fig.6. Die Zentrierung in y-Richtung erfolgt über das mittig angebrachte Kunststoffelement 620, welches in einer Ausnehmung 4021 des Lichtleiters 402 angeordnet ist, der somit in y-Richtung fixiert ist. Dies ist rechts oben erkennbar. Die Niederhaltefunktion ist in dieser Schnittdarstellung nicht erkennbar.
Das Kunststoffelement 620 weist einen in eine erste Richtung offenen Hohlkasten 621 auf, dessen Wandungen 622,6232 und Boden 625 einen einseitig offenen Hohlraum 624 umschließen. An den Boden 625 schließt sich entgegen der ersten Richtung ein Steg 626 an, der in einer Ausnehmung 4001 des Aufnahmegehäuses 400 angeordnet ist, und mit diesem heißverstemmt ist. Der Steg 626 kann auch genietet, verschraubt oder anderweitig befestigt sein. Man erkennt einen Verstemmkopf 627, der die Ausnehmung 4001 überkragt. Der Steg 626 kann sowohl als runder Stift als auch als Wand mit länglichem Querschnitt entsprechend einer anderen geeigneten Form ausgestaltet sein.
Fig. 16 zeigt eine weitere Detailansicht zu Fig.6. Hier ist das Kunststoffelement 620 in einer bezüglich Fig.7 um 90° gedrehten Schnittdarstellung gezeigt. Man erkennt im oberen Bereich den Lichtleiter 402, der eine Ausnehmung 4021 mit schräger Hinterschneidung 4022 aufweist. An der Schräge der Hinterschneidung 4022 liegt eine entsprechend schräg ausgebildete Seitenwand 623 des Kunststoffelements 620 an. Dies sorgt für die Niederhaltung des Lichtleiters 402 durch das Kunststoffelement 620, das an seinen beiden nach unten ragenden Beinen 6261 mit dem Aufnahmegehäuse 400 heißverstemmt, genietet, verschraubt oder anderweitig befestigt wird.
Vorteile der hier gezeigten Lösung sind unter anderem die Entkopplung der Funktionen, wodurch eine vereinfachte Bauteilstruktur ermöglicht ist. Weiterhin wird durch die mittige Zentrierung eine Ausdehnungskompensation ermöglicht. Auch eine Folienzentrierung und Niederhaltung ist hiermit ermöglicht. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die für die Befestigung des Kunststoffelements 620 erforderliche Öffnung im Aufnahmegehäuse 400mittels des Heißverstemmens bei der Herstellung direkt verschlossen wird. Auch andere geeignete Befestigungsarten können diesen Vorteil bieten.
Fig.8-12 zeigen alternative Varianten zur Zentrierung des Lichtleiters 402 im Aufnahmegehäuse 400. Fig.8 zeigt eine Zentrierung mittig über eine Kunststoffklammer 630, die mit dem Aufnahmegehäuse 400 verbunden, zum Beispiel heißverstemmt, genietet oder verschraubt wurde. Die Kunststoffklammer 630 ragt in einem Endbereich 631 über den Lichtleiter 402 und übt eine Niederhaltekraft auf ihn aus. Gemäß einer Variante sind mehrere derartige Kunststoffklammem 630 verteilt angeordnet. Die Zentnerfunktion erfolgt beispielsweise wie zuvor angegeben. Aufgrund der Zentrierung mittig ist auch hier eine Ausdehnungskompensation ermöglicht. Auch eine Zentrierung und Niederhaltung wird hier ermöglicht. Ebenso wird die erforderliche Öffnung 4001 im Aufnahmegehäuse 400 direkt bei der Herstellung verschlossen.
Fig.9 zeigt ebenfalls Zentrierung mittig. In dieser Variante werden runde Gummipuffer 611 verwendet, die mit dem Aufnahmegehäuse 400 verschraubt und verquetscht sind. Auch hier können mehrere Gummipuffer 611 vorgesehen sein, die die erforderliche Zentrierkraft aufbringen. Aufgrund der Zentrierung mittig ist auch hier eine Ausdehnungskompensation ermöglicht. Auch eine Niederhaltung des Lichtleiters 402 wird hier mittels eines Hineinragens in eine Teilausnehmung 4023 des Lichtleiters 402 ermöglicht.
Fig.10 zeigt ebenfalls eine Zentrierung mittig. Auch hier sind Gummipuffer 611 vorgesehen. Sie liegen im Gegensatz zur vorhergehenden Variante nur seitlich am Lichtleiter 402 an, und üben keine Niederhaltekraft auf ihn aus. Dies ermöglicht, daß sie auch zur Zentrierung der Folien auslegbar sind. Aufgrund der Zentrierung mittig ist auch hier eine Ausdehnungskompensation ermöglicht.
Fig.11 zeigt eine weitere Variante einer Zentrierung mittig. Hier ist eine Metallfeder 640 vorgesehen, die in der abgebildeten Variante mit einem Basisteil 641 in einer Ausnehmung 4002 des Aufnahmegehäuses 400 anliegt, und mit federnden Endteilen 642 in einer Ausnehmung des Lichtleiters 4025. Auch hier ist in einer Variante vorgesehen, mehrere Federn 640 vorzusehen, um die erforderliche Zentnerkraft aufzubringen. Aufgrund der Zentrierung mittig ist auch hier eine Ausdehnungskompensation ermöglicht. Weiterhin ermöglicht die Auslegung als Metallfeder 640 potentiell hohe Zentnerkräfte mittels einer einzigen Metallfeder 640 oder alternativ mittels einiger weniger Metallfedern 640.
Fig.12 zeigt eine weitere Variante einer Zentrierung mittig. Hier wird die mittige Zentrierung über Metallklammern 650 erreicht, die im Aufnahmegehäuse 400 verrsten. Auch hier sind gemäß einer bevorzugten Variante mehrere Metallklammem 650 vorgesehen, die gemeinsam die erforderliche Zentrierkraft aufbringen. Aufgrund der Zentrierung mittig ist auch hier eine Ausdehnungskompensation ermöglicht. Weiterhin wird durch geeignete Auslegung der Form der Metallklammern 650 ermöglicht sowohl eine Folienzentrierung als auch eine Niederhaltung des Lichtleiters 402, als auch nur eine dieser beiden Zusatzfunktionen zu realisieren. Somit sind mehrere Funktionen in einem Bauteil realisiert, welches die Anzahl der Bauteile vorteilhaft reduziert.
Fig. 13 zeigt vereinfacht das Wirkprinzip zur Niederhaltung der optischen Folien im Folienstapel 405 und des Lichtleiters 402. Man erkennt den Lichtleiter 402 im Aufnahmegehäuse 400. Der Folienstapel 405 ist zur Verdeutlichung noch separat gezeigt, also vom Lichtleiter 402 beabstandet. Eine Verformung aufgrund thermischer Ausdehnung oder aufgrund von Aufwellen ist im angedeuteten aufgewellten Folienstapel 405' angedeutet. Die Richtung einer Niederhaltekraft FN und einer Reibkraft FR sind durch gestrichelte Pfeile gezeigt.
Um optische Störungen durch Ablösung der Folien im Folienstapel 405 zu vermeiden, müssen die Folien auf dem Lichtleiter 402 niedergehalten werden. Die Niederhaltung kann grundsätzlich zum einen über eine stoffschlüssige Verbindung zwischen den Folien und dem Lichtleiter 402 oder dem Aufnahmegehäuse 400 erfolgen. Zum anderen kann die Niederhaltung durch ein Zusatzbauteil übernommen werden, welches eine permanent vorhandenen Niederhaltekraft ausübt. Diese Niederhaltekraft soll einerseits ausreichen, um Klappergeräusche der Komponenten zu verhindern. Eine thermische Ausdehnung der Folien soll andererseits zugleich gewährleistet werden, um ein Aufwellen der Folien wie im aufgewellten Folienstapel 405' gezeigt, zu verhindern.
Bei planaren, insbesondere aber bei gekrümmten Displayanwendungen ist weiterhin zu beachten, daß der Lichtleiter 402 im Hinblick auf den Krümmungsradius einen Verzug in x-Richtung aufweisen kann. Durch die schnellere Abkühlung der Schmelze in den Eckbereichen können die erstarrten Bereiche die Spannungen nicht mehr durch Fließen abbauen und werden verformt. Die Größe des Verzugs hängt von einer Vielzahl an Parametern beim Spritzgußprozeß des Lichtleiters 402 ab. Je nach Größe des Verzugs kann es folglich dazu kommen, daß der Lichtleiter 402 eine Kraft auf das niederhaltende Element ausübt, die aufgenommen werden muß.
Fig.14 zeigt eine bevorzugte Variante zur Fixierung von optischen Folien im Folienstapel 405 und Lichtleiter 402. Die Niederhaltung der Folien erfolgt hier durch Klebung 140 auf den Lichtleiter 402. Die Niederhaltung des Lichtleiters 402 erfolgt mittels links und rechts angeordneter Fixierelemente 141. Diese sind bevorzugt im Aufnahmegehäuse 400 heißverstemmt. Vorteile dieser Variante sind unter anderem: Es erfolgt keine Belastung des Retainers 408 bei Lichtleiterverzug. Eine genaue Positionierung des Lichtleiters 402 im Randbereich ist ermöglicht. Ein Retainer 408 ist nur nach oben und unten nötig. Öffnungen 4003 im Aufnahmegehäuse 400 werden bei der Heißverstemmung direkt verschlossen.
Fig.15 zeigt eine weitere bevorzugte Variante zur Fixierung von optischen Folien im Folienstapel 405 und Lichtleiter 402. Die Niederhaltung der Folien erfolgt hier durch Klebung 140 auf den Lichtleiter 402. Die Niederhaltung des Lichtleiters 402 erfolgt durch Klemmung mittels eines für die Zentrierung vorgesehenen Elements 150. Bei dieser Variante entfällt das Befestigen eines Retainers, welches üblicherweise z.B. durch Klebung erfolgt. Ein flaches Design ist ermöglicht.
Eine bevorzugte Variante ist die zu Fig.6 beschriebene mit der Aufteilung der Zentnerfunktion in y- und z-Richtung auf mehrere Komponenten 610,620. Das Aufbringen der Zentrierkraft in z-Richtung über Elastomerelemente läßt eine hohe Funktionssicherheit erwarten. In y-Richtung bietet diese Variante den Vorteil, daß die thermische Ausdehnung nicht von einem außenliegenden Zentrierelement aufgenommen werden muß. Der Lichtleiter 402 kann sich durch das mittig angeordnete Zentrierelement ungehindert in y-Richtung ausbreiten.
Eine weitere bevorzugte Variante ist die zu Fig.12 beschriebene, bei der mehrere verklipste Metallklammern 650 die Zentrierkraft aufbringen.
Fixierung von optischen Folien und Lichtleiter: Zur Niederhaltung der Folien und des
Lichtleiters 402 ist die zu Fig.14 beschriebene Variante bevorzugt. Dabei wird der Lichtleiter 402 von heißverstemmten Zusatzelementen 141 an den Seiten gegen das Aufnahmegehäuse 400 gedrückt. Dies ist vorteilhaft, da beim Spritzguß des Lichtleiters 402 von einem Verzug auszugehen ist. Durch die zusätzlichen Niederhalter kann die Krümmung des Lichtleiters 402 an die Krümmung des Aufnahmegehäuses 400 angepaßt werden. Die Krümmung des Lichtleiters 402 kann dann derart ausgelegt werden, daß er trotz eines eventuellen Verzugs in jedem Fall einen kleineren Krümmungsradius aufweist als das Aufnahmegehäuse 400. Durch die heißverstemmten Zusatzbauteile kann der Lichtleiter 402 an den Außenkanten mit größerer Genauigkeit zu den LEDs positioniert werden. Die optischen Folien werden bei dieser Variante bevorzugt auf den Lichtleiter 402 geklebt. So können die Folien mit hoher Positionsgenauigkeit fixiert werden, während um laufend ausreichend Bauraum vorgesehen werden kann, um deren Wärmeausdehnung aufzufangen.
Zur Zentrierung des Lichtleiters 402 im Aufnahmegehäuse 400: Zentrierung in z-Richtung über außen angeordnete Elastomerelemente 61 ,610,611 und in y-Richtung über mittig angeordnetes und heißverstemmtes Kunststoffelement 620 mit Niederhaltefunktion.
Zur Fixierung von optischen Folien und Lichtleiter 402: Niederhaltung der Folien durch Klebung 140 auf den Lichtleiter 402 und Niederhaltung des Lichtleiters 402 durch heißverstemmte Fixierelemente 141 in den Randbereichen.
Fig.17 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, wobei Details A und B in vergrößerten Ausschnitten näher gezeigt sind. Für eine Anzeige mit einem flächigen Anzeigeelement und einer Beleuchtungseinheit für das Anzeigeelement, beide hier nicht dargestellt, das Anzeigeelement aufweisend eine Lichtquelle, wird ein Lichtleiter 402 und ein Aufnahmegehäuse 400 gezeigt, in dem der Lichtleiter 402 und der Reflektor 403 angeordnet ist. Der Lichtleiter 402 ist in seiner Längsrichtung mittig mittels eines Zentnerelements 62 im Aufnahmegehäuse 400 zentriert. Das Zentnerelement 62 wirkt zusammen mit einer Ausnehmung 4021 des Lichtleiters 402 und mit Ausnehmungen 4031 des Reflektors 403. Das Zentrierelement 62 weist einen Niederhalter (Abschrägung, in Detail A erkennbar) auf. Der Lichtleiter 402 ist in seiner Breitenrichtung außen mittels formveränderlicher Elemente, der Elastomerelemente 610 im Aufnahmegehäuse 400 zentriert. Das Zentrierelement 62 besteht aus hochreflektivem Material.
Bezugszeichenliste:
Abkürzung Bedeutung
A Detail
AA Active Area
ABS Acrylnitril-Butadien-Styrol abs. absolut
ALCF Advanced Light Control Film
B Detail
BEF Brightness Enhancement Film
DBEF Dual brigtness enhancement film
F1 , F1R, F1G, F1 B Farbfilter, rot, gelb, grün
FN Niederhaltekraft
FR Reibekraft
Fy, Fz Zentrierkraft
FPC flexible printed circuit
IPS In-Plane-Switching
ISO Internationale Organisation für Normung
LC Liquid Chrystal
LCD Liquid Chrystal Display
LED Light emitting diode
MK kritisches Maß
MVA Multi-domain Vertical Alignment
OCA Optically Clear Adhesive
OLED Organic light emitting diode
P1, P2 Polfilter
PC Polycarbonat
PCB printable circuit boards
PET Polyethylenterephthalat
PMMA Polymethylmethacrylat
QLED Quantum dot light emitting diode rel. relativ
TFT Thin Film Transistor
TN Twisted Nemantic
Z1 , Z2, ... Zeile 100 Licht, einfallend
101 Flüssigkristall
110 Glasplatte
112 Elektrode, transparent
114 Ausrichtungsschicht
120 Glasplatte
122 Elektrode, transparent
124 Ausrichtungsschicht
140 Klebung
141 Fixierelement
150 Element, für die Zentrierung vorgesehen
300 Pixel
311 Signalelektrode
3112 Spaltenelektrode
312 Pixelelektrode
3122 Reihenelektrode
313 Kontrollelektrode
322 flächige Elektrode
400 Aufnahmegehäuse
4001 Ausnehmung
4002 Ausnehmung
4003 Öffnung
401 Lichtquelle
402 Lichtleiter
4021 Ausnehmung
4022 Hinterschneidung
4023 Teilausnehmung
402' Lichtleiter, thermisch ausgedehnt
403 Reflektor
4031 Ausnehmung
404 Display Panel, Anzeigeelement
405 Folienstapel
405' Folienstapel (mit Aufwellung) 406 Bondingmasse
407 Deckglas
408 Retainer
409 Klebeband, doppelseitig
410 Bonding-Baugruppe
411 Leiterplatte
412 Flüssigkleber
413 Design-Abdeckung
414 Flexible geruckte Leiterbahn (FPC) zum Display Panel
420 Beleuchtungseinheit, Backlight
501 Pfeil (fester Anschlag)
502 Doppelpfeil
61 formveränderliches Element
610 Gummielement
611 Gummipuffer
62 Zentrierelement
620 Kunststoffelement
621 Hohlkasten
622 Wandung
623 Wandung
624 Hohlraum, schräg
625 Boden
626 Steg
6261 Bein
627 Verstemmkopf
630 Kunststoffklammer
631 Endbereich
640 Metallfeder
641 Basisteil
642 Endteil, federnd
650 Metallklammer

Claims

26 Patentansprüche
1. Anzeige mit einem flächigen Anzeigeelement (404) und einer Beleuchtungseinheit (420) für das Anzeigeelement (404), aufweisend eine Lichtquelle (401 ), einen Lichtleiter (402) und ein Aufnahmegehäuse (400), in dem der Lichtleiter (402) angeordnet ist, wobei der Lichtleiter (402) in seiner Längsrichtung mittig mittels eines Zentnerelements (62,620,630,640) im Aufnahmegehäuse (400) zentriert ist.
2. Anzeige nach Anspruch 1 , wobei das Zentnerelement (62,620,630,640) einen Niederhalter (631 ,623) aufweist.
3. Anzeige nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Lichtleiter (402) in seiner Breitenrichtung außen mittels formveränderlicher Elemente (61 ,610) im Aufnahmegehäuse (400) zentriert ist.
4. Anzeige nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Zentnerelement (62,620,630,640) aus hochreflektivem Material besteht.
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