ES2277586T3 - Procedimiento y dispositivo de mecanizado por laser de guias de luz, guias de luz y pantallas retroiluminadas que incorporan estas guias. - Google Patents

Procedimiento y dispositivo de mecanizado por laser de guias de luz, guias de luz y pantallas retroiluminadas que incorporan estas guias. Download PDF

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Abstract

Guía (9) de luz en forma de placa de la que una cara (8) comprende una pluralidad de motivos difusores, en la cual cada uno de dichos motivos comprende una depresión (10) central bordeada por resaltes periféricos (11, 12) cuya amplitud es inferior a la de dicha depresión central, caracterizada porque los resaltes periféricos tienen una amplitud irregular y comprenden unas zonas heterogéneas (13) que difieren unas de las otras por su forma y su tamaño.

Description

Procedimiento y dispositivo de mecanizado por láser de guías de luz, guías de luz y pantallas retroiluminadas que incorporan estas guías
La presente invención se refiere a un procedimiento y a un dispositivo de mecanizado por láser de guías de luz, a las guías de luz obtenidas y a las pantallas retroiluminadas que incorpora estas guías.
La invención se aplica más particularmente a las guías de luz en forma de placa delgada, generalmente plana, constituidas por un material translúcido transparente, en particular cristal, policarbonato o polimetacrilato de metilo.
Dichas guías entran en particular en la constitución de dispositivos de visualización luminosos tales como unos rótulos, y en la constitución de terminales de visualización de ordenadores y de aparatos electrónicos similares, en particular para retroiluminación de pantallas de cristales líquidos; en estas aplicaciones en particular, la luz producida por una fuente es introducida en la guía por una (o varias) de sus caras laterales (cantos), saliendo la luz de la guía por una (o dos) de sus dos caras principales generalmente paralelas entre sí.
En estas aplicaciones en particular, se busca obtener una densidad del flujo luminoso que sale por la cara principal que sea lo mas homogénea posible; se busca también evitar o limitar las pérdidas o fugas de luz; para la iluminación por la parte posterior de visualizadores de cristales líquidos (LCD), es primordial que estas características sean optimizadas y que la masa, el volumen y el coste sean minimizados.
Para fabricar dichas guías, es conocido formar, generalmente por moldeo, sobre la cara principal de la guía destinada a irradiar la luz y a ser acoplada a la cara posterior del LCD, unos resaltes y/o unas depresiones que son de forma regular, por ejemplo prismática y que están regularmente dispuestos en toda o parte de la superficie de esta cara principal; otra técnica consiste en formar sobre esta cara unas máscaras "puntuales" constituidas por un revestimiento aplicado sobre esta cara y perforado por orificios para dejar pasar la luz.
Por otra parte, es conocido por el documento EP-A-945 674 mecanizar unos motivos difusores lineales de separación regularmente variable con la ayuda de un láser.
La presente invención tiene por objeto proponer un procedimiento mejorado de fabricación de estas guías de luz visible.
Un objetivo es proponer un dispositivo para la realización de este procedimiento.
Un objetivo es proponer unas guías de luz y unos dispositivos de visualización que incorporan estas guías, que sean mejorados.
A este fin y según un primer aspecto, se expone una cara principal de la guía, que está destinada a difundir la luz (visible), a un radiación láser suficientemente intensa y/o suficientemente prolongada para formar en la superficie de dicha cara principal una depresión (llamada central) de gran amplitud así como una pluralidad (varias decenas o centenas) de resaltes y/o depresiones (llamados periféricos) irregulares, que están dispuestos a uno y otro lado (y/o que rodean) dicha depresión central, y cuya amplitud (en superficie y en relieve) es irregular e inferior a la amplitud de dicha depresión central.
Preferentemente, a este fin se somete dicha cara principal a una radiación cuya intensidad está situada en una gama que va 10^{4} a 10^{7} W/cm^{2} en particular que va de 3.10^{4} a 3.10^{6} W/cm^{2}; para obtener un haz de láser concentrado a partir del haz emitido por una fuente disponible en el comercio, se intercala sobre el trayecto del haz un concentrador constituido preferentemente por un espejo paraboloide; se prevén por otra parte unos medios de mantenimiento del espejo a una distancia predeterminada de dicha cara principal.
La presencia de estas deformaciones e irregularidades, tanto en la superficie de la cara principal de la placa de guía como en el interior de ésta, es el origen de una difusión mejorada y regularmente repartida de la luz que sale por esta cara principal de la guía; es verosímil que la presencia de los resaltes y depresiones irregulares contribuya notablemente a las buenas características constatadas que resaltan de las mediciones efectuadas sobre unas muestras tratadas de acuerdo con la invención.
A este fin es importante obtener a la salida del concentrador un haz que comprenda una zona (o mancha) focal de pequeñas dimensiones; preferentemente el diámetro de esta mancha focal está situado en la gama que va de 10 a 200 micrones, en particular que va de 25 a 100 micrones.
Es además importante mantener el plano focal que contiene esta mancha en la proximidad inmediata de la superficie a mecanizar, en particular a una distancia de esta del orden de más o menos 10 micrones a más o menos 100 micrones.
A este fin, y en particular para el mecanizado de materiales transparentes en placa cuyo espesor varia de una placa a la otra y/o varia de una zona a la otra de una placa determinada, es necesario prever unos medios dinámicos de posicionado del concentrador con respecto a esta superficie, a fin de que la distancia entre la superficie de la placa y el plano focal permanezca en estos límites; a este fin, el espejo está ligado mecánicamente a una pieza que forma un talón de apoyo neumático sobre esta superficie para obtener una distancia constante entre el talón y la superficie (la cual distancia es generalmente del orden de 10 a 100 micrones).
En un modo de realización preferido en el que la depresión central se extiende según una línea continua y rectilínea, ésta forma un canal a lo largo de cada uno de los bordes del cual se extiende una zona (o banda lateral) de resaltes y depresiones irregularmente formados y dispuestos; este canal (o ranura) presenta preferentemente una profundidad que va de 5 a 50 micrones, una anchura que va de 5 a 200 micrones, en particular próxima a 50 a 100 micrones, y cada una de dichas zonas se extiende en una anchura de valor sensiblemente igual al del canal central; preferentemente la anchura media de un motivo difusor (que comprende dicha ranura y las dos bandas laterales) es superior a 100 micrones e inferior a 400 micrones, en particular comprendida entre 100 y 250 micrones.
Preferentemente el dispositivo de mecanizado comprende:
-
una mesa apta para soportar una placa de material transparente a mecanizar,
-
una fuente láser apta para emitir un haz láser, que está montada fija con respecto a la mesa,
-
uno o varios espejos para reflejar dicho haz y dirigirlo sensiblemente paralelamente a la mesa,
-
dicho concentrador del haz, que está montado móvil con respecto a la mesa según por lo menos dos direcciones ortogonales (dos ejes X y Y), de manera que pueda desplazarse en particular según un haz de segmentos de rectas paralelas para formar unas ranuras difusoras paralelas;
dicho concentrador (o espejo paraboloide) está además montado móvil (con respecto a la mesa) según una tercera dirección (tercer eje Z) generalmente ortogonal a las dos primeras, de manera que permita hacer coincidir su plano focal de salida con la superficie a mecanizar.
Un ensanchador ("expander") del haz, por ejemplo constituido por un par de lentes coaxiales de distancias focales diferentes, está preferentemente dispuesto entre la fuente y el concentrador, y está preferentemente montado fijo con respecto a la mesa; este ensanchador permite disminuir la dimensión de la macha focal a la salida del concentrador, por aumento de la apertura de la haz.
El mecanizado de un motivo difusor y refractante en la superficie y en la masa de la placa se obtiene desplazando la mancha focal de salida del concentrador por la superficie de la placa; en particular este mecanizado se obtiene desplazando un espejo paraboloide sostenido por un cojín de aire (o de otro gas), a una distancia constante de la superficie a mecanizar, que corresponde a su distancia focal; la velocidad de este desplazamiento se elige preferentemente en una gama que va de 0.2 metros/segundo a 4 metros/segundo, a fin de adaptar la densidad de energía irradiada a la "dureza" del material a mecanizar, así como la profundidad y la anchura media deseada para las depresiones formadas.
La utilización de un espejo paraboloide permite mejorar el enfoque del haz reflejado por el espejo para la formación de una pequeña mancha focal en el plano focal.
En el caso preferido en que la inyección de luz se efectúa por un solo borde longitudinal de una placa de guía rectangular, se equipa ésta con un espejo que se extiende contra (y frente del) borde longitudinal opuesto a aquel por el cual la luz es inyectada en la guía; para la retroiluminación de un visualizados LCD, se utiliza preferentemente una fila de LED como fuente de luz, en particular unos LED que emiten una luz "blanca" o bien una serie de grupos de tres LED que emiten una luz tricromática que permite hacer una síntesis aditiva (rojo, verde, azul, rojo, verde, azul, ...); para disminuir el volumen del dispositivo de visualización, se puede utilizar unos LED integrados en un circuito CMS de forma alargada que corresponde a la forma del canto, y se puede utilizar una guía placa de espesor que va de 1 a 2 mm aproximadamente.
Alternativamente, la fuente puede estar constituida por un tubo tal como un tubo CCFT ("Cold Cathod Fluorescent Tube").
La cara principal (emisora) de la guía puede comprender una pluralidad de motivos difusores en forma de puntos (o manchas); sin embargo, preferentemente, estos motivos se extienden en forma de segmentos de recta paralelos al borde por el cual la luz es inyectada, de perfil (anchura y altura) sensiblemente constante, y cuya separación varia sensiblemente regularmente y de forma no monótona: la distancia entre dos segmentos adyacentes disminuye cuando se desplaza del canto de inyección de la luz hasta una zona de la guía intermedia entre este canto de inyección y el canto de reflexión que se extiende en el borde opuesto de la guía, y después esta distancia aumenta cuando se desplaza de dicha zona intermedia hasta dicho canto de reflexión; preferentemente esta disminución y este aumento se efectúan sensiblemente (por ejemplo con el 10% aproximadamente), según una progresión geométrica.
En una variante estos motivos difusores lineales pueden estar sensiblemente regularmente separados; en este caso la anchura y/o la profundidad de dicha depresión central (o ranura) varia de forma no monótona de dicho canto de inyección a dicho canto de reflexión, en sentido inverso a la variación descrita anteriormente de la distancia entre ranuras idénticas; a este fin se puede hacer variar, de un motivo difusor al otro, la energía radiada, por ejemplo haciendo variar la potencia suministrada a la salida por la fuente láser, y/o haciendo variar la separación entre el plano focal de salida del concentrador y la superficie a mecanizar.
Estas variaciones no monótonas son también aplicables cuando están previstas dos fuentes e inyectan la luz por dos bordes opuestos de la placa de guía; en el caso en que una sola fuente (lineal) es utilizada y en el que el canto opuesto no está equipado con un espejo, se puede utilizar una separación monótonamente variable tal como se describe en el documento EP 945 674.
El excelente rendimiento y la muy buena difusión de la luz a la salida de la guía puede, en ciertas aplicaciones, permitir suprimir la pantalla difusora que es habitualmente prevista para la retroiluminación de un visualizador LCD y que es generalmente dispuesta entre la guía y el visualizador o delante del visualizador.
Se ha constatado además que las guías de luz según la invención están particularmente adaptadas para obtener una difusión muy homogénea de la luz salida de una pluralidad de fuentes (LED), a pesar del carácter discontinuo (heterogéneo) del flujo luminosos inyectado por el canto en esta configuración.
Otras ventajas y características de la invención se comprenderán a través de la descripción siguiente que se refiere a los planos anexos que ilustran sin ningún carácter limitativo unos modos preferidos de realización de la invención.
La figura 1 ilustra en perspectiva esquemática dos motivos difusores lineales formados sobre una guía de luz y que presentan unas deformaciones irregulares en superficie y unas heterogeneidades en profundidad.
La figura 2 ilustra de forma esquemática los principales componentes de un dispositivo según la invención.
La figura 3 ilustra en vista lateral esquemática un detalle de realización de un soporte de concentrador de haz láser; la figura 5 ilustra a escala ampliada los medios que permiten la producción de un cojín de aire entre el talón del soporte del espejo concentrador y la cara superior de la placa a mecanizar, así como los medios de producción de una cortina de aire que protege este espejo de las proyecciones que resultan del mecanizado.
La figura 4 ilustra en vista en perspectiva esquemática, un visualizador LCD provisto de una guía según la invención.
La fuente láser Co_{2}1 (figura 2) de potencia preferentemente situada en la gama que va de 10 a 100 W, en particular próxima a 50 W, produce de salida un haz láser 2 cuyo diámetro es de algunos milímetros; este haz atraviesa un "expander" 3 de manera que el diámetro del haz láser 4 que sale está multiplicado por un coeficiente próximo de 2 a 3.
El haz 4 es reflejado por un espejo paraboloide 5 que produce de salida un haz 6 convergente en su plano focal (figura 3); cuando este plano 7 coincide sensiblemente con un plano tangente a la cara superior 8 de una placa 9 a mecanizar, la intensidad de la radiación en el punto focal del espejo 5 provoca una elevación muy importante de la temperatura del material que constituye la placa, en la proximidad de este punto focal; resulta de ello una deformación muy rápida e irregular de la placa en esta proximidad, en superficie y en profundidad; desplazando el espejo 5 paralelamente a la placa 9, resulta de ello la formación de una ranura 10 de perfil irregular, que está bordeada por dos zonas 11, 12 laterales en forma de banda o burletes en las cuales se observa la formación de cráteres y asperezas 13 dispuestos irregularmente.
La placa rectangular de material transparente 9 es colocada de plano sobre una mesa 14 a la cual está solidarizada la fuente 1; el espejo 5 está montado móvil con respecto a la mesa 14 según dos eje X y Y (figura 2) paralelos al plano de la mesa de soporte 14; el desplazamiento según estos dos ejes del espejo 5 se obtiene por ejemplo con la ayuda de dos desplazadores (no representados) lineales (tales como unos gatos o transportadores) que se entienden según dos ejes ortogonales y paralelos al plano de la mesa 14; este movimiento es mandado por un ordenador (no representado) equipado con un programa de cálculo de la posición, de la separación y/o de la anchura 15 y de la profundidad 16 (figura 1) media de los motivos difusores que deben ser formados sobre la cara 8 de la placa 9, y/o de la duración de exposición y/o de la velocidad de desplazamiento del espejo según estos ejes y/o de la intensidad del haz 2, permitiendo obtener unos motivos de forma y características difusoras predeterminadas.
Por otra parte, el espejo 5 (y/o su soporte 17) está montado móvil con respecto a la mesa 14 según un eje Z perpendicular al plano XY de la mesa (figura 3 ); un talón 18 solidario del soporte 17 y/o del espejo 15 está provisto en su base de un faceta 19 plana para "apoyarse", por medio de un cojín de aire, sobre la cara superior 8 de la placa, en la proximidad de la zona mecanizada por el haz 6; a este fin la cara 19 está perforada por un orificio 20 por el cual se expulsa aire a presión suministrado por una fuente (no representada) y transportado hacia el orificio 20 por un conducto 21 previsto en el talón 18; el aire expulsado por el orificio 19 choca con la cara 8 y fluye según las flechas 22 (figura 5 que ilustra a escala ampliada un detalle de la figura 3); el mantenimiento del caudal (y/o de la presión) de aire expulsado a un valor determinado permite mantener la base 19 del talón 18 por encima de la cara 8, a una altura 24 constante del orden de algunas decenas de micrones; por consiguiente el plano focal 7 es mantenido a una distancia constante (sensiblemente nula) de la cara 8; este dispositivo permite controlar y/o mantener una intensidad y una anchura de impacto determinada del haz 6 sobre la cara 8 de la placa.
El aire a presión expulsado sobre la flecha 23 en dirección al haz 6 permite además evitar y/o limitar el ensuciado del espejo 5 por unas proyecciones que resultan de la alteración térmica de la placa 9 por el haz 6, favoreciendo el arrastre de partículas susceptibles de separarse de la placa, formando una cortina de aire que protege el espejo; este efecto puede ser aguantado previendo un segundo orificio 25 de salida de aire a presión en una cara lateral 27 del talón 18 para provocar la formación de otro chorro 26 dirigido hacia el haz 6, lo que favorece el alejamiento del espejo para las partículas que resultan del ataque de la placa por el haz.
Con referencia a la figura 1, la cara 8 de la placa 9 del material plástico transparente presenta dos motivos difusores lineales paralelos; cada motivo comprende una ranura 10 de anchura 15 próxima a 20 micrones y de profundidad 16 próxima a 15 micrones; cada ranura está bordeada por una banda lateral izquierda 11 y derecha 12, cada banda de anchura 30 próxima a 70 micrones que comprende unas asperezas 13 irregularmente formadas y dispuestas; bajo cada motivo 10, 11, 12 se extiende una banda de material 28 de propiedad óptica (índice) sensiblemente diferente del de la parte 29 del material situado entre dos motivos.
Con referencia a la figura 4, el dispositivo 31 de visualización comprende un visualizador 32 de cristal líquido contra la cara posterior del cual está aplicada la cara 8 difusora de la guía 9 de luz; una pantalla delgada 33 que difunde el blanco está acoplada contra la cara posterior 34 de la guía 9 que está en la parte opuesta de la cara 8; a lo largo del canto inferior de la placa 9 se extiende un circuito 35 provisto de una pluralidad de LED 36 sensiblemente regularmente separados; a lo largo del canto superior del placa 9 se extiende un espejo 37 que reinyecta en la guía la parte (por ejemplo del orden del 20%)de luz incidente no difundida por la cara 8; la luminancia de la cara 8 de la guía 9 puede alcanzar -y en caso necesario sobrepasar- 500 cd por metro cuadrado.
Según una variante no representada, el dispositivo 31 de visualización puede comprender dos guías 9 de luz acopladas: estando la cara delantera 8 de una guía "posterior" acoplada a la cara posterior 34 de una guía "delantera", y estando cada guía asociada a una fuente respectiva; se puede así obtener una luminancia sensiblemente doblada para la cara delantera 8 de la guía delantera, o sea del orden de 1000 cd/m^{2}.

Claims (18)

1. Guía (9) de luz en forma de placa de la que una cara (8) comprende una pluralidad de motivos difusores, en la cual cada uno de dichos motivos comprende una depresión (10) central bordeada por resaltes periféricos (11, 12) cuya amplitud es inferior a la de dicha depresión central, caracterizada porque los resaltes periféricos tienen una amplitud irregular y comprenden unas zonas heterogéneas (13) que difieren unas de las otras por su forma y su tamaño.
2. Guía según la reivindicación 1, en la cual dicha depresión está en forma de ranura, en la cual dichos resaltes periféricos forman dos bandas laterales (11, 12) que se extienden a lo largo de los bordes de la ranura, y en la cual la profundidad de la ranura está situada en una gama que va de 5 a 50 micrones.
3. Guía según la reivindicación 1 ó 2, en la cual la anchura media de dichos motivos difusores es superior a 100 micrones e inferior a 400 micrones.
4. Guía según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, que está constituida por un material transparente a la luz visible y que se elige entre el cristal, el policarbonato, el polimetacrilato de metilo.
5. Guía según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en la cual la anchura de dicha depresión está situada en una gama que va de 5 a 200 micrones.
6. Guía según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en la cual la anchura de dicha depresión central (10) se extiende según una línea continua y rectilínea a lo largo de cada uno de los bordes de la cual se extienden dichos resaltes (11, 12) que cubren una zona de anchura (30) sensiblemente igual a la de dicha depresión central (10).
7. Dispositivo de visualización que comprende un visualizador de cristales líquidos y una guía (9) de luz en forma de placa de la que una cara (8) presenta una pluralidad de motivos difusores de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 6, y en el cual cada uno de dichos motivos comprende una depresión (10) central de forma irregular bordeada por resaltes periféricos (11, 12) cuya amplitud es irregular e inferior a la de dicha depresión central y que comprenden unas zonas heterogéneas (13) que difieren unas de las otras por su forma y su tamaño.
8. Dispositivo según la reivindicación 7, en el cual la guía (9) es conforme a la reivindicación 2 y está acoplada contra la cara posterior de dicho visualizador de cristales líquidos, y dicho dispositivo comprende además un espejo que se extiende a lo largo de un primer canto de la guía (9), y una pluralidad de LED montados sobre un circuito y que se extienden a lo largo de un segundo canto de la guía opuesto al primer canto.
9. Procedimiento de fabricación de una guía (9) de luz en forma de placa de la que una cara (8) comprende una pluralidad de motivos difusores tal como se ha definido en una de las reivindicaciones 1 a 6, siendo obtenidos dichos motivos con la ayuda de un haz láser, caracterizado porque se expone dicha cara a una radiación cuya intensidad está situada en una gama que va de 10^{4} A 10^{7} W/cm^{2}, de manera que formen unas irregularidades en superficie y en profundidad, y de manera que cada uno de dichos motivos comprenda una depresión (10) central bordeada por resaltes periféricos (11, 12) cuya amplitud es irregular e inferior a la de dicha depresión central y que comprenden unas zonas heterogéneas (13) que difieren unas de las otras por su forma y su tamaño.
10. Procedimiento según la reivindicación 9, en el cual se expone dicha cara a una radiación cuya intensidad está situada en una gama que va de 3.10^{4} a 3.10^{6} W/cm^{2}.
11. Procedimiento según la reivindicación 9 ó 10, en el cual se concentra el haz láser en un plano focal (7) y que se mantiene sensiblemente confundido con la cara (8) gracias a un apoyo por cojín de aire, sobre la cara (8), de un soporte (17, 18) de un concentrador (5) del haz.
12. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 9 a 11, en el cual se aumenta el diámetro del haz láser (2, 4) emitido por una fuente antes de concentrarlo, y en el cual se concentra el haz para formar una mancha focal de diámetro situado en una gama que va de 10 a 200 micrones.
13. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 9 a 12, en el cual se desplaza el haz (6) concentrado según dos ejes (X,Y) y a una velocidad elegida en una gama que va de 0,2 metros/segundo a 4 metros/segundo.
14. Dispositivo de fabricación de una guía (9) de luz en forma de placa según una de las reivindicaciones 1 a 6, de la que una cara (8) presenta una pluralidad de motivos difusores obtenidos con la ayuda de un haz láser, que comprende un concentrador (5) del haz láser y unos medios (18, 19, 20, 21) que permiten hacer coincidir sensiblemente el plano focal (7) de salida del concentrador con la cara (8) por medio de un cojín de aire, para obtener un haz concentrado, caracterizado porque está adaptado para formar unos motivos que comprenden una depresión (10) central bordeada por resaltes periféricos (11, 12) cuya amplitud es irregular e inferior a la de dicha depresión central y que comprenden unas zonas heterogéneas (13) que difieren unas de las otras por su forma y su
tamaño.
15. Dispositivo según la reivindicación 14, que comprende:
-
una mesa (14) apta para soportar una placa (9) de material transparente a mecanizar,
-
una fuente (1) láser apta para emitir un haz (2) láser, que está montada fija con respecto a la mesa,
-
uno o varios espejos para reflejar dicho haz y dirigirlo sensiblemente paralelamente a la mesa,
-
un concentrador (5) de haz que está montado móvil con respecto a la mesa según por lo menos dos primeras direcciones (X e Y) ortogonales, de manera que pueda ser desplazado en particular según un haz de segmentos de rectas paralelas para formar unas ranuras difusoras paralelas,
estando dicho concentrador además montado móvil con respecto a la mesa según una tercera dirección generalmente ortogonal a las dos primeras direcciones, de manera que permita hacer coincidir su plano focal de salida con la superficie a mecanizar.
16. Dispositivo según la reivindicación 14 ó 15, que comprende además un ensanchador (3) del haz, dispuesto entre la fuente láser (1) y el concentrador de haz (5).
17. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 14 a 16, en el cual el concentrador comprende un espejo paraboloide.
18. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 14 a 17, que comprende además unos medios de producción de un chorro o de una cortina de gas para proteger el concentrador y evitar o limitar su ensuciado.
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